JP6284120B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。

積層型の圧電素子を多連化した圧電アクチュエータ本体に金属製のキャップを被せて封管された圧電アクチュエータが知られている。このような圧電アクチュエータでは、キャップの先端にダイヤフラムが形成されている。一方、圧電アクチュエータ本体の端部にはセラミックス製のシム板が接着され、シム板には半球が接着されている。圧電アクチュエータ本体をキャップに収容すると、半球はダイヤフラム内面に当接し、その伸縮によりダイヤフラムを変位させる。

このような圧電アクチュエータの一例として、特許文献１記載の圧電アクチュエータは、予圧ばねの圧縮力を受けた圧電素子列の圧電素子が先端に半球体を有し、キャップに収容されている。キャップ先端の円弧状受部には半球体が嵌着され、圧電素子の変位を外部の出力部材に伝達している。キャップの受部の形状として、円弧状のみならず、円錐形、Ｖ字形など多種類が挙げられており、半球体はこのような受部に接している。

特許４４４３７０７号公報

しかしながら、上記のような圧電アクチュエータでは、周囲の温度が上昇すると金属キャップの熱膨張で圧電素子に対するキャップの浮きが発生して圧電素子の変位を外に取り出せなくなる。また、密封状態で温度が上がるので、製造過程で混入した有機成分などが気化して圧電素子に付着し絶縁不良を発生させる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、温度上昇による熱膨張でキャップに伝達体からの浮きが発生しても、キャップの孔から露出した伝達体の先端部により変位を外に取り出せる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定された圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容し、先端に孔が設けられた金属製のキャップと、を備え、前記伝達体の先端部は前記キャップの孔から露出し、前記キャップは、常温で前記孔の縁が前記伝達体に当接していることを特徴としている。

これにより、温度上昇でキャップの熱膨張でキャップに伝達体からの浮きが発生しても、キャップの孔から露出した伝達体の先端部により変位を外に取り出せる。また、温度が上昇したときに当接している伝達体が孔の縁から離れ、開放状態となるため、製造過程で混入した有機成分などが気化しても圧電素子に付着せず絶縁不良を防止できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップが、１００℃より小さい温度では、前記孔の縁により前記伝達体に圧縮力を与えており、前記孔の縁が前記伝達体に当接していることを特徴としている。これにより、１００℃より温度の小さい範囲では、ある程度までキャップ内部を封止することができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電素子の圧電層はＰＺＴで形成され、前記キャップはＳＵＳ系合金で形成されていることを特徴としている。このようにキャップがＳＵＳ系合金で形成されていることから、熱膨張性、ばね性および耐久性に優れており、圧電アクチュエータ用として好ましい。

本発明によれば、温度上昇による熱膨張でキャップに伝達体からの浮きが発生しても、キャップの孔から露出した伝達体の先端部により変位を外に取り出せる。

本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［圧電アクチュエータの構造］
図１は、圧電アクチュエータ１００を示す断面図である。圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、伝達体１３０、座１４０およびキャップ１６０により構成され、電圧が印加されることで変位する。

圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１１０、リード部材１２０で構成されている。複数の圧電素子１１０は、圧電素子１１０同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。圧電アクチュエータ本体１０５は、一端に伝達体１３０を有し、他端は底部として座１４０に接着されており、多連化された圧電素子１１０に電圧が印加されることで伸縮する。

リード部材１２０は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１１０の両側面に形成された外部電極１１５に接着されている。一対のリード部材１２０は、座１４０において一対の端子１５０に接続されている。

圧電アクチュエータ本体１０５は、リード部材１２０を介して外部電極１１５に電圧が印加される。座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の一端を固定して支持しており、圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により伝達体１３０が変位する。

圧電素子１１０は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、矩形体に形成されている。また、圧電素子１１０の側面には内部電極に接続された外部電極１１５が設けられている。圧電層は、例えばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。内部電極は、Ａｇ−Ｐｄ等で構成されている。

伝達体１３０は、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に設けられ、キャップ１６０に収容されて圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ１６０の先端に伝達する。伝達体１３０は、シム板１３１および半球１３３を有している。半球１３３は、伝達体１３０の先端部を構成している。

シム板１３１は、圧電アクチュエータ本体１０５の端面形状に一致する形状の板として形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に接着されている。シム板１３１は、アルミナ等のセラミックスで形成されていることが好ましい。

キャップ１６０は、金属製であり、円筒形に形成され、伝達体１３０および圧電アクチュエータ本体１０５に被さって、これらを収容した状態で座１４０に封止されている。キャップ１６０は、本来、脆性のセラミックスからなる圧電素子１１０への打撃による破壊防止、圧電アクチュエータ１００のハンドリングによる汚染防止、高電界駆動部での感電防止などの機能を有している。そのためキャップ１６０を省略して圧電アクチュエータ１００を構成することは困難である。

キャップ１６０の先端中央には、孔１６５が設けられている。キャップ１６０の材料には、ＳＵＳ系合金や、チタン、４２アロイ、スーパーインバーなど必要に応じて熱膨張の異なる金属を用いることができるが、圧電アクチュエータ１００用としてＳＵＳ系合金を用いることが好ましい。特に、ＳＵＳ３１６Ｌが、熱膨張やばね性、耐久性に優れており好適である。

孔１６５からは半球１３３が露出しており、伝達体１３０の変位に応じて変位する。これにより、温度上昇でキャップ１６０の熱膨張でキャップ１６０に伝達体１３０からの浮き（脱離）が発生しても、キャップの孔１６５から露出した伝達体１３０により変位を外に取り出せる。

キャップ１６０は、常温では孔の縁１６６により伝達体１３０に圧縮力を与えており、少なくとも１００℃以上では、半球１３３はキャップ１６０の孔１６５から露出したままで孔の縁１６６が伝達体１３０から脱離している。このように１００℃以上の高温雰囲気でも半球１３３はキャップの孔１６５から露出し変位を外に取り出せる。

また、キャップ１６０は、孔の縁１６６により伝達体１３０に圧縮力を与えており、１００℃より小さい温度では、孔の縁１６６が伝達体１３０に当接している。これにより、１００℃より温度の小さい範囲では、ある程度までキャップ内部を封止することができる。

例えばキャップ１６０が、ＳＵＳ３１６Ｌで４０ｍｍの高さに形成されている場合には、ＳＵＳ３１６Ｌの熱膨張係数が１６×１０^−６なので、キャップ１６０は２５℃から１００℃までの７５℃の温度変化で４８μｍ伸びる。

キャップ１６０の先端部分にばね定数１Ｎ／μｍの形状を持たせ、溶接の際に４８Ｎをかけておけば、圧電アクチュエータ本体１０５の熱膨張はほとんどゼロとみて良いため、７５℃の温度上昇でキャップ１６０と圧電アクチュエータ本体１０５との間に隙間が空くことになる。

なお、常温ではキャップ１６０が圧電アクチュエータ本体１０５を完全封止しておらず湿度の問題が生じるとも考えられるが、圧電アクチュエータ１００を高温用として使用すれば、キャップ１６０内部の圧電アクチュエータ本体１０５に電圧をかけるのは１００℃以上となり、湿度が低い環境で電圧印加されることになり、信頼性に影響はない。

キャップ１６０は、常温で孔の縁１６６がシム板１３１（伝達体の一部）に当接している。このように常温ではある程度の密封状態を作り、１００℃以下の所定温度以上の高温になった際にはキャップ１６０の熱膨張で圧電アクチュエータ１００の先端で内部が開放されるようにする。

温度が上昇したときに当接している伝達体１３０が孔の縁１６６から離れ、開放状態となるため、製造過程で混入した有機成分などが気化しても圧電素子１１０に付着せず絶縁不良を防止できる。キャップ１６０とシム板１３１に隙間が空くことから、発生した有機成分などのガスがキャップ１６０の内部に充満することがなくなり、絶縁不良の発生を抑えられる。キャップ１６０の側面の直管部分は、円筒に形成されている。キャップ１６０は、ＳＵＳ等の材質で形成されていることが望ましい。

座１４０は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の他端を支持する。座１４０は、キャップ１６０の開口端が接合される。座１４０には、外部から端子１５０が挿通されており、リード部材１２０は座１４０において端子１５０と接続している。

［圧電アクチュエータの製造方法］
まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ−Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極１１５を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１５を形成できる。

得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、金属製で板状のリード部材１２０を、外部電極１１５に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体１０５を作製できる。

一方、伝達体１３０を作製する。所定厚さのシム板１３１上に半球１３３を接着する。このようにして得られた伝達体１３０のシム板１３１側を圧電アクチュエータ本体１０５の一端に接着する。

上記の圧電アクチュエータ本体１０５の他端側を座１４０に設置し、予め用意した孔１６５が開いたキャップ１６０を伝達体１３０および圧電アクチュエータ本体１０５に被せて封止する。リード部材１２０は、座１４０に挿通された端子１５０を介して外部と電気的に接続する。このようにして、圧電アクチュエータ１００を作製することができる。

［実施例］
キャップの孔以外については同じ設計で、従来のキャップを用いた圧電アクチュエータと、本発明の圧電アクチュエータとを作成した。キャップの材料としてはいずれもＳＵＳ３１６Ｌを用い、圧電素子の圧電層にはＰＺＴを、内部電極層にはＡｇ−Ｐｄを用いた。

キャップは、高さ４０ｍｍの円筒状に形成したものを用い、この寸法に合った圧電アクチュエータ本体を作製した。従来の圧電アクチュエータでは、常温でキャップのダイヤフラムに圧電アクチュエータ本体の先端に設けられた半球が当接した。また、本発明の圧電アクチュエータでは、常温でキャップの孔から圧電アクチュエータ本体の先端に設けられた半球が露出し、孔の縁がシム板に当接した。

それらについて同じ条件下で常温から１５０℃まで温度上昇させて駆動の状態を観察した。従来のキャップで圧電アクチュエータ本体を封止した場合は、１００℃からキャップが浮き始めて、１２０℃で完全に変位が外に現れなくなり、アクチュエータとして使用できなくなった。

本発明の圧電アクチュエータでは、１００℃からキャップと内部の圧電アクチュエータ本体との隙間が開きはじめたが、圧電アクチュエータ本体の中心軸上の先端部に設けられ、キャップ外部に露出した半球により、常温から１００℃以上まで変位量は想定通り得られた。以上の実験により、温度上昇でキャップの熱膨張でキャップと圧電アクチュエータ本体との間に浮きが発生しても、キャップの孔から露出した半球により変位を外に取り出せることが実証された。

１００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１１０ 圧電素子
１１５ 外部電極
１２０ リード部材
１３０ 伝達体
１３１ シム板
１３３ 半球
１４０ 座
１５０ 端子
１６０ キャップ
１６５ 孔
１６６ 縁

Claims (3)

1. 電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
   複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定された圧電アクチュエータ本体と、
   前記圧電アクチュエータ本体の変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体
   の変位を伝達する伝達体と、
   前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容し、先端に孔が設けられた金属製
   のキャップと、を備え、
   前記伝達体の先端部は前記キャップの孔から露出し、
   前記キャップは、常温で前記孔の縁が前記伝達体に接合されずに当接し、１００℃以上で前記孔の縁と前記伝達体とが離間することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記キャップは、１００℃より小さい温度では、前記孔の縁により前記伝達体に圧縮力
   を与えており、前記孔の縁が前記伝達体に当接していることを特徴とする請求項１記載の
   圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電素子の圧電層はＰＺＴで形成され、前記キャップはＳＵＳ系合金で形成されて
   いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
   

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