JP4991047B2 - Actuator - Google Patents

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JP4991047B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータに係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子、自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子等に使用されるアクチュエータに関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来、圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧電体1枚1枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータを作製していた。この積層型圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を印加して数〜数十μm伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。
【0003】
ところで、従来、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の異物の侵入を防止するため、積層型圧電素子を金属ケース内に収容してアクチュエータが構成されており、積層型圧電素子の変位を金属ケースに伝達し、金属ケース自体を変位させることが行われている。
【0004】
このようなアクチュエータとして、特開平6−283778号公報に開示されるようなものが知られている。この公報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の侵入を防止することができる。
【0005】
また、この公報によると、積層型圧電素子と蛇腹(ダイヤフラム)の内壁との間に、荷重印加保持手段を設けることにより、積層型圧電素子に変位方向と逆向きの予荷重が印加されるため、積層型圧電素子に全く接着剤を使用せず搭載することが可能となり、接着剤のアウトガスによる腐食などの不具合が発生しない構造となっている。
【0006】
即ち、この公報に開示されたアクチュエータでは、蛇腹(ダイヤフラム)が積層型圧電素子への予荷重の印加、及び変位量の伝達を行っている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平6−283778号報に開示されたアクチュエータでは、蛇腹により、積層型圧電素子に予荷重を印加するとともに、この蛇腹が変形することにより、変位を伝達していたので、積層型圧電素子を高速で長期間変位させると、経時的に蛇腹が劣化していき、予荷重を印加できなくなり、アクチュエータとして機能しなくなるという問題があった。
【0008】
また、このようなアクチュエータでは、積層型圧電素子に印加された荷重が除去された場合や温度変化が生じた場合に、金属ケース内の積層型圧電素子に寸法変化(寸法収縮)が生じるため、組み付け時に印加された予荷重が設計通りに印加できなくなり、金属ケース内にて積層型圧電素子がフリーな状態となり、金属ケース内にて自由に移動してしまうという問題があった。
【0009】
また、この荷重フリーな状態で金属ケース内にて積層型圧電素子が動き、傾いた状態にてセットされると、片当たりの状態が生じ、この状態で荷重印加や電圧印加による駆動を行った場合、積層型圧電素子に曲げ応力が加わり、更に、これが長期に渡ると積層型圧電素子が破損するという問題があった。
【0010】
即ち、本発明者等によれば、積層型圧電素子は、図4の荷重印加及び荷重除去時の積層型圧電素子の寸法変化に示すように、積層型圧電素子は印加荷重の増加に伴い積層方向に収縮しており、この荷重を除去した場合、元の寸法(0点)に戻らずに、積層方向の寸法に収縮が生じることを確認した。
【0011】
また、近年、アクチュエータは、その使用目的から、0℃以下の低温下や、200℃前後の高温下など、様々な幅広い温度下で使用されるようになってきている。このような使用環境下において、図5に示した雰囲気温度と積層型圧電素子の寸法変化との関係に示すように、温度上昇に伴って積層方向の寸法が収縮していることを確認した。
【0012】
この現象は、積層型圧電素子に使用される圧電磁器は、分極処理を施すことによって、電圧を印加した際に逆圧電効果を生じて伸長しているが、分極処理を施した圧電磁器は、温度上昇に伴いその材料のキュリー温度に近づくにつれ、分極処理によって1方向に向いていたドメインが未分極時の状態に戻っていくために発生しているためである。
【0013】
これらの現象から、上記特開平6−283778号報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子に印加された荷重が除去された場合や温度変化が生じた場合に、金属ケース内の積層型圧電素子に寸法変化(寸法収縮)が生じるため、組み付け時に印加された予荷重がかからない状態となり、金属ケース内にて積層型圧電素子がフリーな状態となるという問題があった。
【0014】
本発明は、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い耐湿性の向上、及びオイルや燃料の侵入の防止を行なうとともに、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で長期間駆動させることができるアクチュエータを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータは、断面が円柱状のケース本体と、該ケース本体の下端に嵌入されたベース部材と、前記ケース本体の上面に配置された上端封止部材とから構成された金属ケース内に、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子を気密に収容し、該積層型圧電素子を伸縮させることにより、前記金属ケースを伸縮させるアクチュエータであって、前記金属ケースに、前記積層型圧電素子を収容固定するとともに、前記積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する、前記ケース本体の内周に嵌合する荷重印加用リングと、該荷重印加用リングの下面に当接し、前記積層型圧電素子を下方に押圧するバネ部材とから構成された予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、前記積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設け、前記ケース本体と、前記荷重印加用リングと、前記ベース部材と、前記上端封止部材とを同材質からなるものとし、レーザー溶接によりそれぞれ溶接したことを特徴とする。
【0016】
このようなアクチュエータでは、積層型圧電素子が駆動すると、変位伝達部材により、金属ケースの易変形部が変位し、積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する予荷重印加部は変位しないため、積層型圧電素子を駆動しても予荷重印加部は変形せず、予荷重印加部は長期間の駆動により劣化することがなく、これにより、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で変位を伝達することが可能となる。
【0017】
また、本発明のアクチュエータでは、易変形部は、金属ケースを蛇腹状に形成して構成されていることが望ましい。これにより、絞り加工等の塑性加工により金属ケースを安価に作製することができるとともに、金属ケースの易変形部が容易に変形できる。
【0018】
さらに、本発明のアクチュエータでは、金属ケースの易変形部のバネ定数が30〜100kgf/mmであることが望ましい。これにより、積層型圧電素子が発生する変位量を低下することなく伝達することができるとともに、積層型圧電素子が変位する際に易変形部から受ける反力による衝撃を小さくできるため、耐久性を向上できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータは、図1に示すように、金属ケース1内に積層型圧電素子2を収容して構成されている。この積層型圧電素子2は、図2に示すように、圧電体5と内部電極7とを交互に積層して構成された素子本体9と、この素子本体9の外面に形成された一対の外部電極11とから構成されている。
【0020】
内部電極2の端部には1層おきに絶縁体13が形成され、絶縁体13が形成されていない内部電極7の端部が、同一の外部電極11に接続されている。
【0021】
圧電体5は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O3(以下PZTと略す)或いは、チタン酸バリウムBaTiO3を主成分とする圧電セラミック材料などが使用されるが、これらに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも良い。
【0022】
なお、この圧電体5材料としては、圧電歪み定数d33が高いものが望ましい。また、圧電体5の厚み、つまり内部電極7間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から0.05〜0.25mmであることが望ましい。
【0023】
内部電極7は、素子本体9の全ての側面に露出しているが、そのうち2つの側面において、内部電極2端部を含む圧電体5の端部1層おきに溝が形成され、該溝部にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等の絶縁体13が充填されている。なお、絶縁体13は低ヤング率の材質、例えばシリコーンゴム等が好ましい。
【0024】
このように、内部電極7は互い違いに1層おきに絶縁され、絶縁されていない内部電極7の他方の端面は、予め素子本体9の側面に塗布しておいた導電性耐熱接着剤に導電性部材を密着させた状態で、熱硬化性導電性接着剤を塗布し加熱硬化させることにより、外部電極11を形成することができる。
【0025】
また、素子本体9の積層方向の両端面には、素子本体9を機械的に保持し、発生する力を外部へ伝達するための不活性部14が積層され、接合されている。
【0026】
金属ケース1は、断面が円柱状のケース本体1aと、このケース本体1aの下端に嵌入されたベース部材1bと、ケース本体1aの上面に配置された上端封止部材1cとから構成され、内部の積層型圧電素子2が気密に収納されている。
【0027】
ベース部材1bには積層型圧電素子2が固定されており、また、ベース部材1bには、一対のハーメチックリードピン15が設けられており、これらのハーメチックリードピン15の一端は、ベース部材1bに固定された積層型圧電素子2の外部電極11にそれぞれ接続されている。
【0028】
そして、本発明のアクチュエータでは、図1に示すように、金属ケース1には、積層型圧電素子2が収容固定され、積層型圧電素子2に伸縮方向(圧電体の積層方向)に荷重を印加する予荷重印加部17と、この予荷重印加部17の上部に設けられ、積層型圧電素子2に固定された変位伝達部材19により伸縮変形する易変形部21とが設けられている。
【0029】
即ち、予荷重印加部17は、ケース本体1aの内周に嵌合する荷重印加リング23と、この荷重印加リング23の下面に当接し、積層型圧電素子2を下方に押圧するバネ部材25とから構成され、荷重印加リング23を反力として、バネ部材25により、積層型圧電素子2が、ベース部材1b側に押圧されている。
【0030】
易変形部21は、上端が上端封止部材1cに当接するピンからなる変位伝達部材19を有しており、下端が荷重印加リング23を挿通し、積層型圧電素子2の上面に当接している。また、易変形部材21におけるケース本体1aは蛇腹状に形成されている。これにより、絞り加工等の塑性加工によりケース本体1aを安価に作製することができるとともに、ケース本体1aの易変形部21が容易に変形できる。
【0031】
易変形部21は、厚み0.1〜0.4mmのSUS304やSUS401Lなどの金属製円筒を絞り加工等の塑性加工することにより得られる。尚、本発明では、ケース本体1a全体が上記材料から構成されている。
【0032】
また、金属ケース1の易変形部21のバネ定数は30〜100kgf/mmとされている。易変形部21のバネ定数は、図3に示すバネ定数と積層型圧電素子の変位量との関係から理解されるように、予荷重印加用のバネ部材25のバネ定数が高くなるに伴い、積層型圧電素子の変位量が低下しているため、積層型圧電素子2の変位を低下させることなく伝達するために、30〜100kgf/mmであることが望ましい。
【0033】
また、積層型圧電素子2が変位する際、易変形部21の反力による衝撃が積層型圧電素子2に加わり、特に電圧のパルス印加による連続駆動などでは、この衝撃が繰り返し印加されるため、積層型圧電素子2の耐久性を向上させるため、バネ定数は、特に30〜60kgf/mmが望ましい。そして、易変形部21のバネ定数がバネ部材25より大きくなると、積層型圧電素子2の発生する変位が、この易変形部21により拘束され、変位が低下するため、易変形部21のバネ定数は、バネ部材25のよりも小さいことが望ましい。
【0034】
さらに、予荷重印加部17にはSUS等の金属製荷重印加用リング23がレーザー溶接など方法で溶接されており、コイルバネや皿バネなどのバネ部材25を荷重印加用リング25で押すことにより積層型圧電素子2に荷重印加を行なっているため、このバネ部材25のバネ定数も易変形部21のバネ定数と同様に、積層型圧電素子2の変位を低下させることがないように、30〜100kgf/mmが望ましい。
【0035】
積層型圧電素子2の封止に用いた、ケース本体1a、荷重印加用リング23、ベース部材1b、及び上端封止部材1cは、レーザー溶接などによりそれぞれ溶接されている。この際、各部材が異種材の場合、各部材の線膨張差の影響により、溶接後の冷却時に溶接部にクラックが生じるため、気密封止が困難となるため、これらの部材は同材質とすることが望ましい。
【0036】
本発明の圧電アクチュエータは以下のようにして作製される。積層型圧電素子は、先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み50〜250μmのセラミックグリーンシートを作製する。
【0037】
このグリーンシートの片面に内部電極7となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により1〜10μmの厚みに印刷する。この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。
【0038】
次に、この積層体を50〜200℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、400〜800℃で5〜40時間、脱バインダが行われ、900〜1200℃で2〜5時間の本焼成が行われ、素子本体9となる積層焼結体を得る。この素子本体9の側面には、内部電極7の端部が露出している。
【0039】
その後、素子本体9の2つの側面において、内部電極7端部を含む圧電体5の端部に該2側面において互い違いになるように、1層おきに深さ50〜500μm、積層方向の幅50〜300μmの溝を形成し、該溝部にシリコーンゴム等の絶縁体3を充填する。
【0040】
このあと、素子本体9の側面において内部電極7は互い違いに1層おきに絶縁されており、この素子本体9の側面に外部電極ペーストを塗布し、乾燥して外部電極11を形成し、積層型圧電素子2の外周面にデイッピング等の方法により、シリコーンゴムを被覆する。その後、外部電極11に0.1〜3kVの分極電圧を印加し、積層型圧電素子2全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電素子2を得る。
【0041】
この様にして得られた積層型圧電素子2を、接着剤を用いてベース部材1bに固定した後、積層型圧電素子2の外部電極11とハーメチックリードピン15とを半田などで接続する。次に、凸形状の変位伝達部材19に皿バネなどのバネ部材25をセットし、積層型圧電素子2の上端に乗せ、荷重印加用リング23がレーザー溶接などの方法で溶接されたケース本体1aを被せ、加圧用プレス器にて50〜150kgfの予荷重を印加した状態にて、ケース本体1aの下端部とベース部材1bとをレーザー溶接などの方法で溶接する。その後、上端封止部材1cをケース本体1aの上面に乗せ変位伝達部材19が上端封止部材1cに接触するように加圧用プレス器にて荷重5〜20kgfを印加し、レーザー溶接等の方法で溶接することにより、本発明のアクチュエータを作製できる。
【0042】
【実施例】
チタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr,Ti)O3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み150μmのセラミックグリーンシートを作製した。
【0043】
このグリーンシートの片面に内部電極7となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により5μmの厚みに印刷し、導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを400枚積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを10枚積層した。
【0044】
次に、この積層体を100℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体し、10mm×10mmの大きさに切断した後、800℃で10時間の脱バインダを行い、1100℃で2時間の本焼成を行ない素子本体9となる積層焼結体を得た。
【0045】
その後、素子本体9の2つの側面において、内部電極7端部を含む圧電体5の端部に該2側面において互い違いになるように、1層おきに深さ100μm、積層方向の幅50μmの溝を形成し、絶縁体13を充填した。この後、絶縁されていない内部電極7の他方の端面は、予め塗布しておいた導電性耐熱接着剤に厚み0.5mmの導電性部材の銀箔を密着させた状態で200℃で加熱し、加熱硬化させることにより、外部電極11を形成し、この後、積層型圧電素子の外周面にデイッピング法により、シリコーンゴムを被覆した後、1kVの分極電圧を印加し、素子全体を分極処理して積層型圧電素子2を作製した。
【0046】
この積層型圧電素子とSUS304製のベース部材1bをエポキシ樹脂にて接着した後、ハーメチックリードピン15と外部電極11を半田にて接続した。次に、荷重印加部のバネ定数が50kgf/mmとなるように3直列に並べたJISH4の皿バネを、交互に重ねて4並列に設定し、これを変位伝達部材19に乗せた後、積層型圧電素子2上部へ置いた。
【0047】
SUS304製の厚み0.15mmの円筒を絞り加工にて、バネ定数が30kgf/mmとなるように易変形部21を形成し、SUS304製の荷重印加用リング23をレーザー溶接して作製したケース本体1aを被せ、加圧用プレス器予荷重50kgfを印加して、レーザー溶接器にて溶接した。
【0048】
この後、上端封止部材1cをケース本体1aに乗せ、変位伝達部材19が上端封止部材1cに接触するように加圧用プレス器にて荷重5kgfを印加し、レーザー溶接し、積層型圧電素子を気密封止して、本発明のアクチュエータを作製した。
【0049】
また、比較の為に、バネ定数30kgfの蛇腹部を形成した金属ケース内に積層型圧電素子2を収容し、蛇腹部を用いて予荷重印加を行う従来の特開平6−283778号報に開示されたアクチュエータを作製した。尚、上端封止部材を溶接する際、5kgfの荷重を印加してレーザー溶接を行った。
【0050】
まず、これらの変位特性を比較するために、印加電圧0〜200Vにて電圧・変位特性を測定した結果、両アクチュエータともに、変位量40μmを発生しており、変位特性に差がないことが分かった。
【0051】
次に、耐久性を比較するために、雰囲気温度100℃、湿度90%下で、0Vから+200Vの直流電界を50Hzの周波数にて印加する耐久試験を行った。その結果、本発明品は変位量40μmで1×109回でも問題無く駆動するのを確認した。また、耐久試験終了後に、金属ケース外観を観察した結果、長期駆動によるクラック等の発生がなく、易駆動部、及び予荷重印加部共に劣化がないことを確認した。
【0052】
また、比較用のアクチュエータータでは、1×107回にて駆動しなくなった。この積層型圧電アクチュエータを分解し、封止した積層型圧電素子を観察した結果、不活性部近傍より、クラックが生じ、この部位を起点に両極間にてショートしているのが確認された。この不活性部近傍のクラックは、温度上昇に伴なう積層型圧電素子の寸法変化により、金属ケース内にて積層型圧電素子が片当たりの状態となり、曲げの応力が生じたために発生した。
【0053】
また、特開平6−283778号報に開示されたアクチュエータにて、長期間駆動による易駆動部21の劣化がないか確認するために、寸法変化が生じても位置ズレが発生しないように、蛇腹部を用いて予荷重50kgfを印加し、レーザー溶接を行い、比較用アクチュエータを作製した。このアクチュエータを雰囲気温度100℃、湿度90%下で、0Vから+200Vの直流電界を50Hzの周波数にて印加する耐久試験を行った。
【0054】
その結果、変位量40μmで1×109回でも問題無く駆動するのを確認したものの、蛇腹部外観を観察した結果、クラックが発生しているのを確認した。これは、蛇腹部を用いて予荷重50kgfを印加したために、長期駆動による蛇腹部の劣化が促進されたためと考えられる。この結果から、本発明品は、金属ケースに予荷重印加部と易変形部を分けて設けていることから、長期間駆動においても、金属ケースの劣化がなく、耐久性に優れていることが判る。
【0055】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のアクチュエータでは、金属ケースに、積層型圧電素子に伸縮方向に荷重を印可する予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設けたので、金属ケースの易変形部が変位し、積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印可する予荷重印加部は変位しないため、積層型圧電素子の駆動しても予荷重印加部は変形しないため、予荷重印加部は長期間の駆動により劣化することがなく、これにより、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で変位を伝達することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクチュエータを示す縦断面図である。
【図2】積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図3】バネ定数と積層型圧電素子の変位量の関係を示すグラフである。
【図4】荷重印加及び荷重除去時の積層型圧電素子の寸法変化を示すグラフである。
【図5】雰囲気温度と積層型圧電素子の寸法変化の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・金属ケース
2・・・積層型圧電素子
5・・・圧電体
7・・・内部電極
11・・・外部電極
17・・・予荷重印加部
19・・・変位伝達部材
21・・・易変形部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator and, for example, relates to an actuator used for a precision positioning device such as an optical device, a drive element for vibration prevention, a drive element for fuel injection of an automobile engine, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a piezoelectric body has an inverse piezoelectric effect that expands and contracts when a voltage is applied. However, since the amount of expansion / contraction of each piezoelectric material is very small, a multilayer piezoelectric actuator formed by laminating a plurality of piezoelectric materials has been manufactured. In this laminated piezoelectric actuator, a voltage is applied to a piezoelectric body to extend it by several to several tens of μm and serve as a driving force source for the actuator.
[0003]
By the way, conventionally, in order to cut off from the outside air, improve moisture resistance, and prevent entry of foreign matters such as oil and fuel, an actuator is configured by housing a multilayer piezoelectric element in a metal case. The displacement of the piezoelectric element is transmitted to the metal case, and the metal case itself is displaced.
[0004]
As such an actuator, one disclosed in JP-A-6-283778 is known. In the actuator disclosed in this publication, the laminated piezoelectric element is sealed in a metal case, so that it can be shut off from the outside air, improved in moisture resistance, and prevented from entering oil or fuel.
[0005]
Further, according to this publication, by providing a load application holding means between the multilayer piezoelectric element and the inner wall of the bellows (diaphragm), a preload opposite to the displacement direction is applied to the multilayer piezoelectric element. The multilayer piezoelectric element can be mounted without using any adhesive, and has a structure in which troubles such as corrosion due to outgassing of the adhesive do not occur.
[0006]
That is, in the actuator disclosed in this publication, a bellows (diaphragm) applies a preload to the multilayer piezoelectric element and transmits a displacement amount.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the actuator disclosed in the above-mentioned JP-A-6-283778, a preload is applied to the laminated piezoelectric element by the bellows, and the displacement is transmitted by the deformation of the bellows. When the piezoelectric element is displaced at a high speed for a long period of time, the bellows deteriorates with time, and it becomes impossible to apply a preload, resulting in a problem that the actuator does not function.
[0008]
Further, in such an actuator, when the load applied to the multilayer piezoelectric element is removed or when a temperature change occurs, a dimensional change (dimensional contraction) occurs in the multilayer piezoelectric element in the metal case. There is a problem that the preload applied at the time of assembly cannot be applied as designed, the laminated piezoelectric element becomes free in the metal case, and moves freely in the metal case.
[0009]
In addition, when the laminated piezoelectric element moves in the metal case in a load-free state and is set in an inclined state, a piece-by-piece state occurs, and driving is performed by applying a load or voltage in this state. In this case, there is a problem that bending stress is applied to the multilayer piezoelectric element, and the multilayer piezoelectric element is damaged when this is continued for a long time.
[0010]
That is, according to the present inventors, as shown in the dimensional change of the multilayer piezoelectric element at the time of load application and load removal in FIG. 4, the multilayer piezoelectric element is laminated as the applied load increases. It was confirmed that when the load was removed, the dimension in the stacking direction contracted without returning to the original dimension (0 point).
[0011]
In recent years, actuators have been used under various wide temperatures such as a low temperature of 0 ° C. or lower and a high temperature of about 200 ° C. for the purpose of use. Under such a use environment, it was confirmed that the dimension in the stacking direction contracted as the temperature increased, as shown in the relationship between the ambient temperature and the dimensional change of the stacked piezoelectric element shown in FIG.
[0012]
This phenomenon is that a piezoelectric ceramic used for a laminated piezoelectric element is elongated by applying a polarization treatment to generate a reverse piezoelectric effect when a voltage is applied. This is because, as the temperature rises, as the temperature approaches the Curie temperature of the material, the domain that has been oriented in one direction due to the polarization treatment returns to the unpolarized state.
[0013]
From these phenomena, in the actuator disclosed in the above-mentioned JP-A-6-283778, when the load applied to the multilayer piezoelectric element is removed or when a temperature change occurs, the multilayer piezoelectric element in the metal case is removed. Since the element undergoes dimensional change (dimension shrinkage), the preload applied during assembly is not applied, and there is a problem that the multilayer piezoelectric element is free in the metal case.
[0014]
In the present invention, the multilayer piezoelectric element is sealed in a metal case to cut off from the outside air, improve moisture resistance, prevent intrusion of oil and fuel, and even when a load change or temperature change occurs. An object of the present invention is to provide an actuator that can be driven for a long period of time while a preload is always applied in the stacking direction of the stacked piezoelectric elements.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The actuator of the present invention is in a metal case composed of a case main body having a cylindrical cross section, a base member fitted into the lower end of the case main body, and an upper end sealing member disposed on the upper surface of the case main body. An actuator that hermetically accommodates a multilayer piezoelectric element formed by alternately laminating piezoelectric bodies and internal electrodes, and expands and contracts the metal case by expanding and contracting the multilayer piezoelectric element. A load-applying ring that fits the inner periphery of the case main body and that accommodates and fixes the multi-layer piezoelectric element and applies a load in the expansion and contraction direction of the multi-layer piezoelectric element; and a lower surface of the load applying ring. contact, and has been preloaded application unit composed of a spring member for pressing the multilayer piezoelectric element downwardly is provided adjacent to the該予load application part, the displacement Den said fixed to the laminated piezoelectric element Provided an easily deformable portion that expands and contracts by the member, and the case body, and the load applying ring, said base member, and said upper sealing member and made of the same material and welded by laser welding It is characterized by that.
[0016]
In such an actuator, when the multilayer piezoelectric element is driven, the easily deformable portion of the metal case is displaced by the displacement transmitting member, and the preload application portion that applies a load in the expansion and contraction direction of the multilayer piezoelectric element is not displaced. Even if the laminated piezoelectric element is driven, the preload application section does not deform, and the preload application section does not deteriorate due to long-term driving, so that even when a load change or temperature change occurs, the laminate is always stacked. The displacement can be transmitted in a state where a preload is applied in the stacking direction of the piezoelectric elements.
[0017]
In the actuator of the present invention, it is desirable that the easily deformable portion is configured by forming a metal case in a bellows shape. Thereby, a metal case can be produced at low cost by plastic working such as drawing, and the easily deformable portion of the metal case can be easily deformed.
[0018]
Furthermore, in the actuator of the present invention, it is desirable that the spring constant of the easily deformable portion of the metal case is 30 to 100 kgf / mm. As a result, the amount of displacement generated by the multilayer piezoelectric element can be transmitted without lowering, and the impact caused by the reaction force received from the easily deformable portion when the multilayer piezoelectric element is displaced can be reduced. It can be improved.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the actuator of the present invention is configured by housing a laminated piezoelectric element 2 in a metal case 1. As shown in FIG. 2, the multilayer piezoelectric element 2 includes an element body 9 formed by alternately laminating piezoelectric bodies 5 and internal electrodes 7, and a pair of external bodies formed on the outer surface of the element body 9. The electrode 11 is constituted.
[0020]
Insulators 13 are formed every other layer at the end of the internal electrode 2, and the end of the internal electrode 7 where the insulator 13 is not formed is connected to the same external electrode 11.
[0021]
As the piezoelectric body 5, for example, lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter abbreviated as PZT) or a piezoelectric ceramic material mainly composed of barium titanate BaTiO 3 is used. It is not limited, and any ceramics having piezoelectricity may be used.
[0022]
As the piezoelectric body 5 material, those piezoelectric strain constant d 33 is high is preferable. The thickness of the piezoelectric body 5, that is, the distance between the internal electrodes 7, is preferably 0.05 to 0.25 mm from the viewpoint of downsizing and applying a high electric field.
[0023]
The internal electrode 7 is exposed on all side surfaces of the element body 9, and grooves are formed on every two side surfaces of the element body 9 every other layer of the end portion of the piezoelectric body 5 including the end portions of the internal electrode 2. An insulator 13 such as glass, epoxy resin, polyimide resin, polyamideimide resin, or silicone rubber is filled. The insulator 13 is preferably made of a material having a low Young's modulus, such as silicone rubber.
[0024]
Thus, the internal electrodes 7 are alternately insulated every other layer, and the other end surface of the non-insulated internal electrodes 7 is electrically conductive with the conductive heat-resistant adhesive previously applied to the side surface of the element body 9. The external electrode 11 can be formed by applying and thermosetting a thermosetting conductive adhesive with the members in close contact.
[0025]
Inactive portions 14 for mechanically holding the element body 9 and transmitting the generated force to the outside are laminated and bonded to both end surfaces of the element body 9 in the stacking direction.
[0026]
The metal case 1 includes a case main body 1a having a cylindrical cross section, a base member 1b fitted into the lower end of the case main body 1a, and an upper end sealing member 1c disposed on the upper surface of the case main body 1a. Are stacked in an airtight manner.
[0027]
The laminated piezoelectric element 2 is fixed to the base member 1b, and a pair of hermetic lead pins 15 is provided on the base member 1b. One end of these hermetic lead pins 15 is fixed to the base member 1b. The laminated piezoelectric elements 2 are connected to the external electrodes 11 respectively.
[0028]
In the actuator of the present invention, as shown in FIG. 1, the laminated piezoelectric element 2 is accommodated and fixed in the metal case 1, and a load is applied to the laminated piezoelectric element 2 in the expansion / contraction direction (piezoelectric lamination direction). The preload application unit 17 is provided, and an easily deformable unit 21 that is provided above the preload application unit 17 and is stretched and deformed by the displacement transmission member 19 fixed to the multilayer piezoelectric element 2 is provided.
[0029]
That is, the preload applying portion 17, a load applying ring 23 fitted to the inner periphery of the case body 1a, a spring member for pressing contact with the lower surface of the load applying ring 23, the multilayer piezoelectric element 2 downwards consists 25. as a load applying ring 23 a reaction force by the spring member 25, the multi-layer piezoelectric element 2 is pressed against the base member 1b side.
[0030]
Deformable portion 21, the upper end has a displacement transmission member 19 made contact with the pin on the upper end sealing member 1c, the lower end is inserted through the load applying ring 23, in contact with the upper surface of the multilayer piezoelectric element 2 ing. Moreover, the case main body 1a in the easily deformable member 21 is formed in a bellows shape. Accordingly, the case body 1a can be manufactured at low cost by plastic processing such as drawing, and the easily deformable portion 21 of the case body 1a can be easily deformed.
[0031]
The easily deformable portion 21 is obtained by plastic processing such as drawing of a metal cylinder such as SUS304 or SUS401L having a thickness of 0.1 to 0.4 mm. In the present invention, the entire case body 1a is made of the above material.
[0032]
Moreover, the spring constant of the easily deformable portion 21 of the metal case 1 is 30 to 100 kgf / mm. As can be understood from the relationship between the spring constant shown in FIG. 3 and the displacement amount of the multilayer piezoelectric element, the spring constant of the easily deformable portion 21 increases as the spring constant of the spring member 25 for applying a preload increases. Since the displacement amount of the multilayer piezoelectric element is reduced, it is desirable that the displacement be 30 to 100 kgf / mm in order to transmit the displacement of the multilayer piezoelectric element 2 without reducing it.
[0033]
Further, when the multilayer piezoelectric element 2 is displaced, an impact due to the reaction force of the easily deformable portion 21 is applied to the multilayer piezoelectric element 2, and this impact is repeatedly applied particularly in continuous driving by applying a voltage pulse. In order to improve the durability of the multilayer piezoelectric element 2, the spring constant is particularly preferably 30 to 60 kgf / mm. When the spring constant of the easily deformable portion 21 becomes larger than that of the spring member 25, the displacement generated by the multilayer piezoelectric element 2 is constrained by the easily deformable portion 21 and the displacement is reduced. Is preferably smaller than that of the spring member 25.
[0034]
Furthermore, a metal load application ring 23 such as SUS is welded to the preload application unit 17 by a method such as laser welding, and lamination is performed by pressing a spring member 25 such as a coil spring or a disc spring with the load application ring 25. Since a load is applied to the piezoelectric element 2, the spring constant of the spring member 25 is 30 to 30 mm so that the displacement of the multilayer piezoelectric element 2 does not decrease, as does the spring constant of the easily deformable portion 21. 100 kgf / mm is desirable.
[0035]
The case body 1a, the load application ring 23, the base member 1b, and the upper end sealing member 1c used for sealing the multilayer piezoelectric element 2 are welded by laser welding or the like. At this time, when each member is made of a different material, since the welded portion is cracked during the cooling after welding due to the influence of the difference in linear expansion of each member, it becomes difficult to hermetically seal. It is desirable to do.
[0036]
The piezoelectric actuator of the present invention is manufactured as follows. First, a multilayer piezoelectric element is prepared by preparing a slurry in which a calcined powder of piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 , a binder made of an organic polymer, and a plasticizer are mixed. Then, a ceramic green sheet having a thickness of 50 to 250 μm is produced by a slip casting method.
[0037]
A conductive paste mainly composed of silver-palladium serving as the internal electrode 7 is printed on one side of the green sheet to a thickness of 1 to 10 μm by screen printing. After the conductive paste is dried, a predetermined number of green sheets coated with the conductive paste are stacked, and the green sheets are not coated with the conductive paste at both ends in the stacking direction of the laminate. Are laminated.
[0038]
Next, pressure is applied while heating the laminated body at 50 to 200 ° C. to integrate the laminated body. After the integrated laminate is cut to a predetermined size, the binder is removed at 400 to 800 ° C. for 5 to 40 hours, and the main firing is performed at 900 to 1200 ° C. for 2 to 5 hours. A laminated sintered body to be the main body 9 is obtained. The end of the internal electrode 7 is exposed on the side surface of the element body 9.
[0039]
Thereafter, on the two side surfaces of the element body 9, the depth is 50 to 500 μm every other layer and the width 50 in the stacking direction so that the two side surfaces alternate with the end portions of the piezoelectric body 5 including the end portions of the internal electrodes 7. A groove of ˜300 μm is formed, and the groove 3 is filled with an insulator 3 such as silicone rubber.
[0040]
Thereafter, the internal electrodes 7 are alternately insulated on the side surfaces of the element body 9 every other layer, and an external electrode paste is applied to the side surfaces of the element body 9 and dried to form the external electrodes 11. Silicone rubber is coated on the outer peripheral surface of the piezoelectric element 2 by a method such as dipping. Then, a final laminated piezoelectric element 2 is obtained by applying a polarization voltage of 0.1 to 3 kV to the external electrode 11 and subjecting the entire laminated piezoelectric element 2 to polarization treatment.
[0041]
After the laminated piezoelectric element 2 thus obtained is fixed to the base member 1b using an adhesive, the external electrode 11 of the laminated piezoelectric element 2 and the hermetic lead pin 15 are connected by soldering or the like. Next, a case main body 1a in which a spring member 25 such as a disc spring is set on the convex displacement transmission member 19 and placed on the upper end of the multilayer piezoelectric element 2, and the load application ring 23 is welded by a method such as laser welding. In a state where a preload of 50 to 150 kgf is applied with a press machine for pressurization, the lower end portion of the case main body 1a and the base member 1b are welded by a method such as laser welding. Thereafter, the upper end sealing member 1c is placed on the upper surface of the case main body 1a, and a load of 5 to 20 kgf is applied by a press machine so that the displacement transmitting member 19 contacts the upper end sealing member 1c. The actuator of the present invention can be manufactured by welding.
[0042]
【Example】
A slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3 , a binder made of an organic polymer, and a plasticizer, and a thickness of 150 μm is obtained by a slip casting method. A ceramic green sheet was prepared.
[0043]
A conductive paste mainly composed of silver-palladium serving as the internal electrode 7 was printed on one side of the green sheet by a screen printing method to a thickness of 5 μm, and the conductive paste was dried, and then the conductive paste was applied. 400 green sheets were laminated, and 10 green sheets to which no conductive paste was applied were laminated at both ends in the lamination direction of the laminate.
[0044]
Next, the laminated body subjected to pressure while heating at 100 ° C., and integrally laminate was cut into a size of 10 mm × 10 mm, subjected to binder removal over 10 hours at 800 ° C., 1100 ° C. The main body was fired for 2 hours to obtain a laminated sintered body to be the element body 9.
[0045]
After that, on the two side surfaces of the element body 9, grooves having a depth of 100 μm every other layer and a width of 50 μm in the stacking direction so as to alternate between the two side surfaces at the end portions of the piezoelectric body 5 including the end portions of the internal electrodes 7. And filled with the insulator 13. Thereafter, the other end face of the internal electrode 7 that is not insulated is heated at 200 ° C. in a state in which a silver foil of a conductive member having a thickness of 0.5 mm is in close contact with the conductive heat-resistant adhesive previously applied, The external electrode 11 is formed by heat-curing, and thereafter, the outer peripheral surface of the multilayer piezoelectric element is coated with silicone rubber by a dipping method, and then a polarization voltage of 1 kV is applied to polarize the entire element. A laminated piezoelectric element 2 was produced.
[0046]
The laminated piezoelectric element and the base member 1b made of SUS304 were bonded with an epoxy resin, and the hermetic lead pin 15 and the external electrode 11 were connected with solder. Next, 3 disc springs of JISH4 arranged in series so that the spring constant of the load application unit is 50 kgf / mm are alternately stacked and set in 4 parallel, and this is placed on the displacement transmission member 19 and then laminated. Placed on top of the piezoelectric element 2.
[0047]
Case body made by drawing a SUS304 cylinder with a thickness of 0.15 mm, forming the easily deformable portion 21 so that the spring constant becomes 30 kgf / mm, and laser welding the load application ring 23 made of SUS304. 1a was applied, a pressurizing press preload of 50 kgf was applied, and welding was performed with a laser welder.
[0048]
Thereafter, the upper end sealing member 1c is placed on the case main body 1a, a load of 5 kgf is applied by a pressurizing press so that the displacement transmission member 19 contacts the upper end sealing member 1c, laser welding is performed, and the multilayer piezoelectric element Was hermetically sealed to produce an actuator of the present invention.
[0049]
For comparison, the multilayer piezoelectric element 2 is housed in a metal case having a bellows portion with a spring constant of 30 kgf, and a preload is applied using the bellows portion. An actuator was manufactured. When welding the upper end sealing member, laser welding was performed by applying a load of 5 kgf.
[0050]
First, in order to compare these displacement characteristics, the voltage / displacement characteristics were measured at an applied voltage of 0 to 200 V. As a result, it was found that both actuators generated a displacement of 40 μm and there was no difference in the displacement characteristics. It was.
[0051]
Next, in order to compare the durability, an endurance test was performed in which a DC electric field of 0 V to +200 V was applied at a frequency of 50 Hz under an atmospheric temperature of 100 ° C. and a humidity of 90%. As a result, it was confirmed that the product of the present invention was driven without problems even at 1 × 10 9 times with a displacement of 40 μm. In addition, as a result of observing the appearance of the metal case after the endurance test, it was confirmed that there was no occurrence of cracks or the like due to long-term driving, and that there was no deterioration in both the easy driving part and the preload application part.
[0052]
Further, the actuator for comparison could not be driven 1 × 10 7 times. As a result of disassembling the laminated piezoelectric actuator and observing the sealed laminated piezoelectric element, it was confirmed that a crack was generated near the inactive portion and a short circuit was established between the two electrodes starting from this portion. The crack in the vicinity of the inactive portion occurred because the multilayer piezoelectric element was brought into contact with each other in the metal case due to a dimensional change of the multilayer piezoelectric element as the temperature rose, and bending stress was generated.
[0053]
Further, in the actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-283778, in order to check whether the easy driving unit 21 is deteriorated due to long-term driving, the bellows is not generated even if a dimensional change occurs. A preload of 50 kgf was applied using the part, laser welding was performed, and a comparative actuator was produced. This actuator was subjected to an endurance test in which a DC electric field of 0 V to +200 V was applied at a frequency of 50 Hz under an atmospheric temperature of 100 ° C. and a humidity of 90%.
[0054]
As a result, although it was confirmed that the displacement was 40 μm and it was driven without any problem even 1 × 10 9 times, the appearance of the bellows portion was observed, and as a result, it was confirmed that a crack was generated. This is presumably because the deterioration of the bellows portion due to long-term driving was promoted because a preload of 50 kgf was applied using the bellows portion. From this result, the product according to the present invention is provided with a preload applying part and an easily deformable part separately provided in the metal case, so that the metal case is not deteriorated even in long-term driving and is excellent in durability. I understand.
[0055]
【Effect of the invention】
As described above in detail, in the actuator of the present invention, the metal case is provided with a preload application unit that applies a load to the multilayer piezoelectric element in the expansion and contraction direction, and adjacent to the preload application unit. Because the easily deformable part that expands and contracts by the displacement transmission member fixed to the metal is provided, the easily deformable part of the metal case is displaced, and the preload application part that applies a load in the expansion and contraction direction of the multilayer piezoelectric element is not displaced. Since the preload application section does not deform even when the laminated piezoelectric element is driven, the preload application section does not deteriorate due to long-term driving, and this ensures that even when a load change or temperature change occurs. Displacement can be transmitted in a state where a preload is applied in the stacking direction of the stacked piezoelectric element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an actuator of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a laminated piezoelectric element.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a spring constant and a displacement amount of a multilayer piezoelectric element.
FIG. 4 is a graph showing a dimensional change of the multilayer piezoelectric element during load application and load removal.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ambient temperature and the dimensional change of the multilayer piezoelectric element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal case 2 ... Laminated piezoelectric element 5 ... Piezoelectric body 7 ... Internal electrode 11 ... External electrode 17 ... Preload application part 19 ... Displacement transmission member 21 ...・ Easy deformation part

Claims (3)

断面が円柱状のケース本体と、該ケース本体の下端に嵌入されたベース部材と、前記ケース本体の上面に配置された上端封止部材とから構成された金属ケース内に、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子を気密に収容し、該積層型圧電素子を伸縮させることにより、前記金属ケースを伸縮させるアクチュエータであって、前記金属ケースに、前記積層型圧電素子を収容固定するとともに、前記積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する、前記ケース本体の内周に嵌合する荷重印加用リングと、該荷重印加用リングの下面に当接し、前記積層型圧電素子を下方に押圧するバネ部材とから構成された予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、前記積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設け、前記ケース本体と、前記荷重印加用リングと、前記ベース部材と、前記上端封止部材とを同材質からなるものとし、レーザー溶接によりそれぞれ溶接したことを特徴とするアクチュエータ。 A piezoelectric body and an internal electrode are disposed in a metal case composed of a case main body having a cylindrical cross section, a base member fitted into the lower end of the case main body, and an upper end sealing member disposed on the upper surface of the case main body. Is an actuator that hermetically accommodates a laminated piezoelectric element formed by alternately stacking and expanding and contracting the laminated piezoelectric element, and extends and contracts the metal case. A load application ring that fits the inner periphery of the case body, and abuts against the lower surface of the load application ring, a preload applying portion, which is composed of a spring member for pressing the piezoelectric element downwardly is provided adjacent to the該予load application part, easy to stretch deformed by the displacement transmitting member fixed to the laminated piezoelectric element Actuators provided and shape portion, and said case body, said load applying ring, said base member, and said upper sealing member and made of a same material, characterized by being welded by laser welding . 前記易変形部は、前記金属ケースを蛇腹状に形成して構成されていることを特徴とする請求項1項記載のアクチュエータ。 The deformable portion is an actuator according to claim 1, wherein, characterized in that it is constructed by forming the metal case like bellows. 前記金属ケースの前記易変形部のバネ定数が30〜100kgf/mmであることを特徴とする請求項1または2項記載のアクチュエータ。Claim 1 or 2 binary actuator, wherein the spring constant of the deformable portion of the metal case is 30~100kgf / mm.
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