JP6144577B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、XYテーブルの精密位置決め装置、マスフローコントローラ等に用いられる圧電アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator used in a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device for an XY table, a mass flow controller, and the like.
圧電アクチュエータとして、例えば、圧電体層および内部電極層が複数積層された柱状の積層体と、この積層体の側面に積層方向にそれぞれ被着されて内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを含む圧電素子を、金属製の容器の内部に封入したものが知られている(例えば、特許文献1、2を参照。)。 As the piezoelectric actuator, for example, a columnar laminate in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are laminated, and the internal electrode layers are alternately and electrically attached to the side surfaces of the laminate in the lamination direction. There is known one in which a piezoelectric element including a pair of connected external electrodes is enclosed in a metal container (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
例えば、金属製の容器として、基体と、この基体に接合されたケースとを含む構成が採用され、基体とケースとは、レーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付けなどで接合されている。また、上記の圧電アクチュエータでは、圧電素子が常に圧縮応力下に置かれるように、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、圧電素子の端部に基体の上面が当接され、圧電素子の反対側の端部にケースの内面が当接されている。 For example, a configuration including a base and a case joined to the base is adopted as a metal container, and the base and the case are joined by laser welding, resistance welding, brazing, or the like. In the above-described piezoelectric actuator, the upper surface of the substrate is in contact with the end of the piezoelectric element in a state where a compressive load is applied to the piezoelectric element so that the piezoelectric element is always placed under compressive stress, and is opposite to the piezoelectric element. The inner surface of the case is in contact with the end on the side.
ここで、駆動による変形で繰返しの引っ張り応力がかかると、接合部に応力負荷がかかって接合部が疲労破壊に至るおそれがあるという問題があった。 Here, when repeated tensile stress is applied due to deformation caused by driving, there is a problem that a stress load is applied to the joint portion and the joint portion may cause fatigue failure.
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は引張り応力による接合部にかかる応力負荷を抑制することのできる圧電アクチュエータを得ることである。 The present invention has been devised in view of the above problems, and an object thereof is to obtain a piezoelectric actuator capable of suppressing a stress load applied to a joint portion due to a tensile stress.
本発明は、圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、前記圧電素子を内部に収容し、前記圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝における前記筒状部の厚みが前記他の溝における前記筒状部の厚みよりも薄いことを特徴とする圧電アクチュエータである。
The present invention includes a piezoelectric element, a base body whose upper surface is in contact with the lower end portion of the piezoelectric element, and a case in which the piezoelectric element is housed and whose inner surface is in contact with the upper end portion of the piezoelectric element. A piezoelectric actuator in which the base body and the case are joined via joints, wherein the case includes a cylindrical part in which a plurality of circumferential grooves are provided in the axial direction, and a plurality of circumferential grooves A piezoelectric actuator having a deeper groove than the other groove, and the thickness of the cylindrical portion in the deep groove being smaller than the thickness of the cylindrical portion in the other groove It is.
また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭いもしくは広いことを特徴とするものである。また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とするものである。
The piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the deep groove has a narrowest or wider maximum width than the other groove . Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the deep groove and the other groove are curved surfaces having the same radius of curvature in a sectional view.
また本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、前記圧電素子を内部に収容し、前記圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭いことを特徴とするものである。
The piezoelectric actuator of the present invention includes a piezoelectric element, a base whose upper surface is in contact with the lower end portion of the piezoelectric element, the piezoelectric element accommodated therein, and an inner surface in contact with the upper end portion of the piezoelectric element. A piezoelectric actuator in which the base and the case are bonded via a bonding portion, the case including a cylindrical portion in which a plurality of circumferential grooves are provided in the axial direction, together there are deep grooves of depth than the other grooves in the circumferential direction of the grooves, the deep have grooves is characterized in maximum width narrower Ikoto than the other groove.
また本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、前記圧電素子を内部に収容し、前記圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よ
りも最大幅が広く、前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とするものである。
The piezoelectric actuator of the present invention includes a piezoelectric element, a base whose upper surface is in contact with the lower end portion of the piezoelectric element, the piezoelectric element accommodated therein, and an inner surface in contact with the upper end portion of the piezoelectric element. A piezoelectric actuator in which the base and the case are bonded via a bonding portion, the case including a cylindrical portion in which a plurality of circumferential grooves are provided in the axial direction, Some circumferential grooves have deeper grooves than the other grooves, and these deep grooves are different from the other grooves.
The maximum width is wider, and the deep groove and the other groove are curved surfaces having the same radius of curvature in a sectional view .
また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記周方向の溝が軸方向に等間隔に複数設けられていることを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, a plurality of the circumferential grooves are provided at equal intervals in the axial direction .
本発明の圧電アクチュエータによれば、複数の周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があることで、深さの深い溝がより振動を吸収して、接合部にかかる負荷を低減させることができる。 According to the piezoelectric actuator of the present invention, the plurality of circumferential grooves have a deeper groove than the other grooves, so that the deeper groove absorbs vibration more at the joint. Such a load can be reduced.
したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による接合部の寿命を向上させることができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。 Therefore, it is possible to improve the life of the joint portion by continuous driving of the piezoelectric actuator, and it is possible to drive the piezoelectric actuator stably for a long time.
以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の1例を示す概略断面図、図1(b)は図1(a)に示す圧電アクチュエータの要部を示す要部拡大断面図であり、図2は図1に示す圧電素子の概略斜視図である。 FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the piezoelectric actuator shown in FIG. FIG. 2 is a schematic perspective view of the piezoelectric element shown in FIG.
図1に示す圧電アクチュエータ1は、圧電素子2と、圧電素子2の下端部に上面が当接された基体3と、圧電素子2を内部に収容し、圧電素子2の上端部に内面が当接されたケース4とを備え、基体3とケース4とが接合部5を介して接合された圧電アクチュエータであって、ケース4は周方向の溝40が軸方向に複数設けられた筒状部41を含み、複数の周方向の溝40の中には他の溝402よりも深さの深い溝401がある。
A piezoelectric actuator 1 shown in FIG. 1 includes a piezoelectric element 2, a
圧電素子2は、図2に示すように、例えば圧電体層21と内部電極層22とが交互に複数積層された活性部23と、活性部23の積層方向の両端に積層された圧電体層21から成る不活性部24とを有する積層体25を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部23は駆動時に圧電体層21が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部24は駆動時に圧電体層21が積層方向に伸長または収縮しない部位である。
As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 2 includes, for example, an active portion 23 in which a plurality of
圧電素子2を構成する積層体25は、例えば縦4〜7mm、横4〜7mm、高さ20〜50mm程度の直方体状に形成されている。なお、図2に示す積層体25は、四角柱形状
であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
The laminated
積層体25を構成する複数の圧電体層21は、圧電特性を有する圧電磁器(圧電セラミックス)からなり、当該圧電磁器は平均粒径が例えば1.6〜2.8μmに形成されたものである。圧電磁器としては、例えばPbZrO3−PbTiO3(チタン酸ジルコン酸鉛)等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などを用いることができる。
The plurality of
また、内部電極層22は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などで形成されたものであり、正極と負極(もしくはグランド極)とがそれぞれ積層体25の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。この構成により、活性部23において、積層方向に隣り合う内部電極層22同士の間に挟まれた圧電体層21に駆動電圧を印加するものである。
The
なお、積層体25には、応力を緩和するための層であって内部電極層22として機能しない層(例えば金属層)等が含まれていてもよい。
Note that the
そして、内部電極層22の正極と負極(もしくはグランド極)とが互い違いに導出された積層体25の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極26が被着され、導出された内部電極層22と接合されている。外部電極26は、例えば銀およびガラスの焼結体からなるメタライズ層であり、内部電極層22と電気的に導通されている。なお、図1に示すように、外部電極26には、リード線61がはんだ62(導電性接着剤)によって取り付けられていて、リード線61およびはんだ62を介して駆動電圧を印加するようになっている。
Then,
一方、積層体25の対向する他の一対の側面には、内部電極層22の正極および負極(もしくはグランド極)の両極が達しており、この側面には酸化物からなる被覆層27が形成されている。被覆層27の形成により、駆動時に高電圧をかけた際に発生する両極間での沿面放電を防止することができる。この被覆層27を形成する酸化物としては、セラミック材料が挙げられ、特に、圧電アクチュエータを駆動した際の積層体25の駆動変形(伸縮)に追随でき、被覆層27が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ln1−XSiXAlO3+0.5X(Lnは、Sn,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,TmおよびYbのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。x=0.01〜0.3)などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料が挙げられる。この被覆層27は、例えばインク状にした後、ディッピングやスクリーン印刷によって積層体25の側面に塗布され、焼結することによって形成される。
On the other hand, the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) of the
そして、図1に示す圧電アクチュエータは、圧電素子2の下端部に上面が当接された基体3と、圧電素子2を内部に収容し、圧電素子2の上端部に内面が当接されたケース4とを備えている。
The piezoelectric actuator shown in FIG. 1 includes a
具体的には、基体(下側蓋部材)3は、SUS304やSUS316Lなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉になっている。この基体3の上面には、圧電素子2の下端部が当接している。また、基体3にはリードピン63を挿通可能な貫通孔が2つ形成されており、リード線61と電気的に接続されたリードピン63を貫通孔に挿通させて外部電極26と外部回路とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス64が充填されていて、このリードピン63を固定するとともに、外気
の侵入を防いでいる。
Specifically, the base body (lower lid member) 3 is made of a metal material such as SUS304 or SUS316L and has a thin peripheral edge in the drawing. The lower end of the piezoelectric element 2 is in contact with the upper surface of the
一方、ケース4は、基体3と同様にSUS304やSUS316Lなどの金属材料で形成されたもので、筒状部41と、筒状部41の一端側開口を塞ぐように設けられた円板状の蓋部材(上側蓋部材)44とを有している。また、ケース4は、接合部5を介して基体3と接合されているとともに、圧電素子2を内部に収容し、圧電素子2の上端部に内面が当接している。
On the other hand, the
そして、ケース4は周方向の溝40が軸方向に複数設けられた筒状部41を含んでいて、複数の周方向の溝40の中には他の溝402よりも深さの深い溝401がある。
The
具体的には、本例のケース4は、複数の周方向の溝40が設けられた円筒状の筒状部41と、筒状部41の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部42と、湾曲部42からさらに外方に広がる鍔部43とを有している。
Specifically, the
具体的には、筒状部41は図に示す断面で周方向の溝40を含む上下方向に直線状に延びている部分である。またケース4は、筒状部41の下端(直線状に延びている部分の下端)に連続して、筒状部41と一体に形成された湾曲部42および鍔部43を含んでいる。湾曲部42は図に示す断面で湾曲している部分で、鍔部43は湾曲部42に連続して図に示す断面で水平方向に直線状に延びている部分であって、これらは径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状に形成されたものである。
Specifically, the
ケース4を構成する筒状部41は、所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレス、絞り加工などによりベロー(蛇腹)形状にし、複数の周方向の溝40を形成している。この筒状部41は、圧電素子2に電圧を印加した際に圧電素子2(積層体25)の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数によってそのバネ定数を調整している。なお、図に示す筒状部41は、溝40の部分で外径および内径が小さくなるように、内側に湾曲して形成されたものである。また、近接して配置された溝40と溝40との間の筒状部41の断面は直線状になっているが、例えば外側に膨らんだ曲線状になっていてもよい。
The
また、ケース4を構成する蓋部材44は、外径が筒状部41の内径と同じ程度に形成されたもので、筒状部41の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周を溶接されている。そして、蓋部材44には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子2の上端部が当接している。ここで、凹部の内周壁面を覆うように絶縁材45が設けられており、圧電素子1の一対の外部電極26が蓋部材44の内面と直接触れないようになっている。そのため、外部電極26同士が短絡するのを防ぐことができる。
Further, the
なお、筒状部41と蓋部材44とは、互いに別体に形成されて溶接されたものであってもよく、一体に形成されたものであってもよい。
The
そして、圧電素子2に圧縮荷重をかけた状態でケース4の鍔部43と基体2とが接合部4を介して接合され、圧電素子2はケース4および基体3によって形成される収納空間に不活性ガスとともに封入されている。
Then, the
ここで、ケース4の鍔部43と基体3との間に接合部5がある構造では、駆動による変形で接合部5に繰返しの引っ張り応力がかかると、接合部5に応力が集中して、接合部5が疲労破壊するおそれがある。
Here, in the structure in which the joint portion 5 is provided between the
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、ケース4は周方向の溝40が軸方向に複数設
けられた筒状部41を含んでいて、複数の周方向の溝40の中には他の溝402よりも深さの深い溝401がある。
Therefore, in the piezoelectric actuator of the present invention, the
複数の周方向の溝40の中には他の溝402よりも深さの深い溝401があることで、深さの深い溝401がより振動を吸収して、接合部5にかかる負荷を低減させることができるため、接合部5の疲労破壊に至るまでの寿命が延びて、耐久性を向上させることができる。
Since the
なお、他の溝402の深さが例えば0.5〜1.5mmである場合に、深さの深い溝401の深さは他の溝402の深さの1.01〜1.2倍の深さになっているのが効果的である。
When the depth of the
また、図では、周方向の溝40が全部で4個であって、そのうち深い溝401の数が1個、他の溝402の数が3個の例を示しているが、深い溝401の数は他の溝402の数に対して半分より少なくなっているのがよい。例えば、周方向の溝40が全部で4個の場合は深い溝401が1個であるのが好ましく、周方向の溝40が全部で5個の場合は深い溝401が1個または2個であるのが好ましい。さらに、深い溝401が設けられる位置について特に限定はない。
Further, the figure shows an example in which the number of
ここで、図3に示すように、深い溝401における筒状部41の厚みt1が他の溝402における筒状部41の厚みt2よりも薄いのが好ましい。深い溝401における筒状部41の肉厚を薄くすることで、深さの深い溝401に応力がかかりやすくなって、接合部5にかかる負荷がより低減されるため、接合部5の寿命が延び、より疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。
Here, as shown in FIG. 3, the thickness t <b> 1 of the
なお、他の溝402における筒状部41の厚みt2が例えば0.05〜0.3mmである場合に、深さの深い溝401における筒状部41の厚みt1は他の溝402の厚みt2の0.70〜0.99倍の厚みになっているのが効果的である。
When the thickness t2 of the
また、本発明のアクチュエータは、図4に示すように、周方向の溝40が軸方向に等間隔に複数設けられているのが好ましい。言い換えると、周方向の溝40が軸方向に同じようなピッチで設けられているのが好ましい。周方向の溝40の間隔L0を等間隔にすることで、間隔が偏ることによる各溝40への応力のかかり方の偏りがなくなるため、深さの深い溝401における筒状部41に確実に応力がかかる。したがって、接合部5の寿命が延び、さらに疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。なお、図は溝40と溝40との間隔がすべて同じ間隔L0であることを示している。
In the actuator of the present invention, as shown in FIG. 4, it is preferable that a plurality of
また、図5に示すように、深い溝401は他の溝402よりも最大幅が狭いのが好ましい。ここで、最大幅とは、一般的には断面で見たときの開口部(溝401、溝402の最も外側の部位)における幅のことである。深い溝401の最大幅L1が他の溝402の最大幅L2よりも狭いことで、深い溝401により応力がかかりやすくなって、接合部5にかかる負荷がさらに低減されるため、接合部5の寿命が延び、さらに疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。
Further, as shown in FIG. 5, it is preferable that the
なお、この効果を得るために、他の溝402における最大幅L2が例えば1〜5mmである場合に、深さの深い溝401における最大幅L1は他の溝402の最大幅の0.7〜0.9倍になっているのが効果的である。
In order to obtain this effect, when the maximum width L2 of the
一方、図6に示すように、深い溝401は他の溝402よりも最大幅が広くてもよい。深い溝401の最大幅L1が他の溝402の最大幅L2よりも広いことで、深い溝401
における局所的な応力集中が抑制でき、耐久性を向上させることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, the
It is possible to suppress the local stress concentration in the layer and to improve the durability.
なお、この効果を得るために、他の溝402における最大幅L2が例えば1〜5mmである場合に、深さの深い溝401における最大幅L1は他の溝402の最大幅L2の1.1〜1.4倍になっているのが効果的である。
In order to obtain this effect, when the maximum width L2 of the
この場合において、深い溝401と他の溝402とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっているのが好ましく、深い溝401における応力分布の傾斜ができて局所的な応力集中がさらに抑制でき、さらに耐久性を向上させることができる。
In this case, it is preferable that the
ここで、曲率半径の測定方法としては、投影機を用いて映像から曲率を測定したり、3次元計測器を用いてデータを取得した後、座標のデータを解析したりすることによって測定することができる。また、ケースを切断して断面から計測する方法でもよく、測定方法について限定するものではない。 Here, as a method of measuring the radius of curvature, measurement is performed by measuring curvature from an image using a projector, or by obtaining data using a three-dimensional measuring instrument and then analyzing coordinate data. Can do. Moreover, the method of cut | disconnecting a case and measuring from a cross section may be sufficient, and it does not limit about the measuring method.
次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ1の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the piezoelectric actuator 1 according to the present embodiment will be described.
まず、圧電体層21となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系,ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、PbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオクチル(DOP)などを用いることができる。
First, a ceramic green sheet to be the
次に、内部電極層22となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1200℃で焼成することによって積層体25が得られる。
Next, a conductive paste to be the
次に、積層体25の側面のうち両方の内部電極層22(正極および負極)が導出された一対の側面に、例えば、PbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物などの酸化物からなるインクをスクリーン印刷によって印刷した後、900〜1200℃で焼成し、被覆層27を形成する。
Next, an ink made of an oxide such as a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 is formed on a pair of side faces from which both internal electrode layers 22 (positive electrode and negative electrode) are led out of the side faces of the laminate 25. Is printed by screen printing and then fired at 900 to 1200 ° C. to form the
酸化物のインクは、酸化物の粉体を溶剤、分散剤、可塑剤、及びバインダーの溶液に分散させた後、3本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製される。 The oxide ink disperses the powder of the oxide in a solution of a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder, and then pulverizes the powder by passing three rolls several times. It is produced by dispersing powder.
次に、メタライズ層から成る外部電極26を形成する。まず、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、内部電極層22の正極または負極が導出された積層体25の対向する一対の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層から成る外部電極26を形成して圧電素子2が完成する。
Next, the
次に、外部電極26とリード線13をはんだ付けする。また、切削加工にて環状部を形
成するとともにおよび穴加工にて貫通孔を形成してなる図1に示すような形状の基体(下側蓋部材)7を用意し、この基体(下側蓋部材)7に形成された2つの貫通孔にそれぞれリードピン17を挿通するとともに隙間に軟質ガラス9を充填して固定し、さらに基体7の上面に圧電素子2の下端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子2の外部電極21にはんだ15にてはんだ付けしたリード線61と基体3に取り付けられたリードピン63とをはんだで接続する。
Next, the
次に、SUS316L製のシームレスの円筒状の筒状部41に圧延加工によりベロー形状である複数の周方向の溝40を形成する。ここで、絞り加工するときに押し当てる量を変えることで、深さの深い溝401およびその他の溝402を成型することができる。また、周方向の溝40を成型する毎に押し当て治具の径を変更することで、溝40の最大幅の異なる筒状部41を作製できる。また、プレス加工することでも溝の深いものを作製でき、プレス加工に用いる金型を変更することで、深い溝の位置を変更することもできる。
Next, a plurality of
この筒状部41の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋部材(上側蓋部材)44をレーザー溶接によって溶接して、ケース4を作製する。なお、筒状部41の他端側(下端側)には、径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状となる湾曲部42および鍔部43が形成される。
A
次に、ケース4を基体3に接着した圧電素子2に被せ、所定の荷重でケース4を引っ張り、圧電素子2に荷重を加える。基体3の上面には例えば環状の突起が設けられていて、前記の荷重をかけた状態で、ケース4の鍔部43と基体3に設けられた環状の突起とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子2の封止を行なう。なお、環状の突起として、基体3とは異なる材料のものを用いる場合は、環状の突起となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部43に溶接し、リングの下面を基体3に溶接すればよい。
Next, the
なお、接合部5としては、溶接に限らず、強固に接合できるものであれば特に限定されない。 In addition, as the junction part 5, if it can join firmly not only by welding, it will not specifically limit.
次に、ケース4の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内(収納空間)の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内(収納空間)の窒素パージを行なう。その後、不活性ガス注入用の穴をレーザー溶接で溶接することにより、穴を塞ぐ。
Next, a hole for injecting inert gas is drilled at a predetermined position of the
最後に、基体3に取り付けられたリードピン63に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体25を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ1が完成する。そして、リードピン62と外部電源とを接続して、圧電体層21に電圧を印加することにより、各圧電体層21を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。
Finally, the piezoelectric actuator 1 of the present embodiment is completed by applying a direct current electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the
本発明の実施例の一例としての圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。 A piezoelectric actuator as an example of the embodiment of the present invention was manufactured as follows.
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。 First, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer. A ceramic green sheet to be a piezoelectric layer having a thickness of 150 μm was prepared.
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5質量%)にバインダーを加えて作製した内部電極層となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを260枚積層し、その上下に導
電性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各20枚積層した積層成形体を作製した。
A ceramic green sheet obtained by printing a conductive paste to be an internal electrode layer produced by adding a binder to a silver-palladium alloy (silver 95% by mass-palladium 5% by mass) on one side of the ceramic green sheet by a screen printing method. A laminated molded body was produced in which 260 sheets were laminated and 20 ceramic green sheets without conductive paste were laminated on the top and bottom.
次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した後、1000℃で200分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦5mm、横5mmであり、高さが35mmであった。 Next, after cutting the laminated molded body with a dicing saw machine so as to have a predetermined size, the laminated molded body was dried and fired to produce a laminated body. Firing was performed at 1000 ° C. for 200 minutes after holding a temperature of 800 ° C. for 90 minutes. The laminate had a rectangular parallelepiped shape, and the size thereof was 5 mm in length, 5 mm in width, and 35 mm in height.
次に、部分安定化ジルコニア、圧電材料、圧電体層と同じ材料、及びチタン酸ジルコン酸鉛を材料とするインクを作製し、それぞれ、被覆層の厚みが20μmとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の側面に印刷し、その後、1000℃で焼成し、積層体の側面に被覆層を形成した。 Next, an ink made of partially stabilized zirconia, piezoelectric material, the same material as the piezoelectric layer, and lead zirconate titanate is prepared, and screen printing is performed so that the coating layer has a thickness of 20 μm. Then, printing was performed on the side surface of the laminate in which both electrodes of the internal electrode layer were exposed, and then baking was performed at 1000 ° C. to form a coating layer on the side surface of the laminate.
次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理して外部電極を形成した後、はんだ付けにて外部電極にリード線を接続した。 Next, a silver glass-containing conductive paste is prepared by adding a binder to silver particles and glass powder, and this is printed on the side surface of the laminate by a screen printing method and baked at a temperature of about 500 to 800 ° C. After forming the electrode, the lead wire was connected to the external electrode by soldering.
また、SUS304で円板状の基体を作製した。具体的には、切削にて溶接部を設け、2箇所に貫通孔を形成した図1に示す形状の基体を作製した。そして、基体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。また、基体には、厚み50μmの環状の突起を設けた。 In addition, a disk-shaped substrate was made of SUS304. Specifically, a base having the shape shown in FIG. 1 was prepared in which welds were provided by cutting and through holes were formed at two locations. And the lead pin was attached to the through-hole formed in the base | substrate with soft glass. The base was provided with an annular projection having a thickness of 50 μm.
次に、基体の上面に積層体を接着剤で固定し、外部電極にはんだ付けしたリード線と基体に取り付けられたリードピンとをはんだ付けで接続した。 Next, the laminate was fixed to the upper surface of the base with an adhesive, and the lead wire soldered to the external electrode and the lead pin attached to the base were connected by soldering.
次に、SUS304で円板状の上側蓋部材を作製した。また、SUS316L製のシームレスの円筒に絞り加工によりベロー形状である周方向の溝と、湾曲部と鍔部とを形成した筒状部を作製した。ここで、周方向の溝を5個形成したうち、径が9mm、最大幅2mmの深い溝を1個とし、深い溝よりも径が0.2mm大きく、最大幅が2mmの他の溝を4個とした筒状部を用いた実施例の試料(試料1)と、試料1の他の溝と同じ径のみの周方向の溝を5個形成した比較例の試料(試料2)とを用意した。 Next, a disk-shaped upper lid member was made of SUS304. Moreover, the cylindrical part which formed the groove | channel of the circumferential direction which is a bellows shape, the curved part, and the collar part was drawn by drawing in the seamless cylinder made from SUS316L. Here, out of the five circumferential grooves, one deep groove having a diameter of 9 mm and a maximum width of 2 mm is formed, and another groove having a diameter of 0.2 mm larger than the deep groove and a maximum width of 2 mm is set to 4 Prepared are a sample of the example using the cylindrical portion (sample 1) and a sample of a comparative example (sample 2) in which five circumferential grooves having only the same diameter as the other grooves of the sample 1 are formed. did.
そして、この筒状部と上側蓋部材とをレーザー溶接で溶接してなるケースを、基体(下側蓋部材)に接着した圧電素子に被せ、所定の荷重でケースを引張り、圧電素子に荷重を印加した後、ケースと基体の環状の突起との当接部を抵抗溶接で溶接し、圧電素子の封止を行なった。 Then, the case formed by welding the cylindrical portion and the upper lid member by laser welding is placed on the piezoelectric element bonded to the base body (lower lid member), the case is pulled with a predetermined load, and the load is applied to the piezoelectric element. After the application, the contact portion between the case and the annular protrusion on the base was welded by resistance welding to seal the piezoelectric element.
次に、ケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内(収納空間)の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内(収納空間)の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して穴を塞ぎ、窒素パージを完了させた。 Next, a hole for inert gas injection is drilled at a predetermined position of the case, and after evacuating in the vacuum chamber to release oxygen in the case (storage space), nitrogen gas is injected into the vacuum chamber. After purging nitrogen in the case (storage space), the hole for nitrogen purge was welded by laser welding to close the hole, and the nitrogen purge was completed.
最後に、これらの試料の2本のリードピンに2.5kV/mmの直流電界を10分間印加して分極処理を行ない、圧電アクチュエータを作製した。 Finally, a 2.5 kV / mm direct current electric field was applied to the two lead pins of these samples for 10 minutes for polarization treatment, and a piezoelectric actuator was manufactured.
得られた圧電アクチュエータの積層体に120Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。 When a DC voltage of 120 V was applied to the obtained laminate of piezoelectric actuators, displacement amounts were obtained in the lamination direction in all piezoelectric actuators.
さらに、これらの圧電アクチュエータについて、60℃の環境下で電圧150V、周波
数80Hz、Duty50の矩形波で駆動し続ける連続駆動試験を行なった。
Further, these piezoelectric actuators were subjected to a continuous drive test that continued to be driven with a rectangular wave having a voltage of 150 V, a frequency of 80 Hz, and a Duty 50 in an environment of 60 ° C.
その結果、本発明の実施例の圧電アクチュエータ(試料1)は、1000万サイクルの連続駆動試験後において、変位量の変化がほとんどなく、圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、接合部の外れもなく、長期使用しても安定した変位量が得られることが分かった。 As a result, the piezoelectric actuator (Sample 1) of the embodiment of the present invention has almost no change in displacement after 10 million cycles of continuous driving test, and maintains the effective displacement necessary for the piezoelectric element. It has been found that there is no disconnection of the joint and that a stable displacement can be obtained even after long-term use.
これに対し、比較例の圧電アクチュエータ(試料2)は、230万サイクル後に停止していた。この試料を確認したところ、接合部での疲労破壊が見られた。また、接合部の外れに伴う荷重の片当りにより、圧電素子に割れが見られた。 In contrast, the piezoelectric actuator of the comparative example (Sample 2) stopped after 2.3 million cycles. When this sample was confirmed, fatigue fracture was observed at the joint. Further, cracks were observed in the piezoelectric element due to the contact of the load accompanying the disconnection of the joint.
1・・・圧電アクチュエータ
2・・・圧電素子
21・・・圧電体層
22・・・内部電極層
23・・・活性部
24・・・不活性部
25・・・積層体
26・・・外部電極
27・・・被覆層
3・・・基体
4・・・ケース
41・・・筒状部
42・・・湾曲部
43・・・鍔部
44・・・蓋部材
45・・・絶縁材
40・・・周方向の溝
401・・・深い溝
402・・・他の溝
5・・・接合部
61・・・リード線
62・・・はんだ
63・・・リードピン
64・・・軟質ガラス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric actuator 2 ...
Claims (7)
請求項6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。The piezoelectric actuator according to claim 6.
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