JP6708542B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents

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Description

本発明は、電圧の印加により伸縮する金属製のキャップを有する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator having a metal cap that expands and contracts when a voltage is applied.

従来、内部電極と圧電層とが交互に積層された圧電素子を複数連結した積層型の圧電アクチュエータが知られている。積層型の圧電アクチュエータは、マスフローコントローラや位置決めステージ等に用いられ、耐湿性を保ち、耐久性を確保するために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構成される。 Conventionally, there is known a laminated piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements in which internal electrodes and piezoelectric layers are alternately laminated are connected. Multilayer piezoelectric actuators are used for mass flow controllers, positioning stages, etc.In order to maintain moisture resistance and durability, the piezoelectric actuator body with multiple stacked piezoelectric elements is covered with a metal cap. Composed.

特許文献1には、積層型圧電素子の全体をセラミックスで覆い、セラミックスで圧電素子に与圧をかけることで、簡単な構造の金属ケースを用いることができる圧電アクチュエータが記載されている。 Patent Document 1 discloses a piezoelectric actuator in which a metal case having a simple structure can be used by covering the entire laminated piezoelectric element with ceramics and applying pressure to the piezoelectric element with the ceramics.

特許文献2には、圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体が小径部を有することで、キャップにベローズ部を有しつつ大径化しない、コンパクトな構造の圧電アクチュエータが記載されている。 Patent Document 2 describes a piezoelectric actuator having a compact structure in which the transmission body that transmits the displacement of the piezoelectric actuator main body has a small diameter portion so that the cap does not have a large diameter while having a bellows portion.

特開平11−284241号公報JP, 11-284241, A 特開2015−060982号公報JP, 2005-060982, A

特許文献1、2のいずれでもキャップの側面の一部にベローズ構造を用いたりキャップの先端にダイヤフラム構造を用いたりすることで、積層型圧電素子の変位方向に沿って伸縮可能な圧電アクチュエータを構成している。圧電アクチュエータには変位方向に垂直な方向の外力がかかることがあり、その際、キャップの耐力が弱いとキャップが変形し、ひいては内部の圧電素子が破壊されることがある。しかしながら、特許文献1、2のいずれでも変位方向に垂直な方向の外力に対しての耐力は注目されていない。 In any of Patent Documents 1 and 2, a bellows structure is used on a part of the side surface of the cap, or a diaphragm structure is used at the tip of the cap to configure a piezoelectric actuator that can expand and contract along the displacement direction of the laminated piezoelectric element. is doing. An external force may be applied to the piezoelectric actuator in a direction perpendicular to the displacement direction. At this time, if the proof stress of the cap is weak, the cap may be deformed and eventually the internal piezoelectric element may be destroyed. However, neither of Patent Documents 1 and 2 pays attention to the proof stress against an external force in the direction perpendicular to the displacement direction.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a piezoelectric actuator capable of expanding and contracting along the displacement direction while maintaining a high yield strength and reducing deformation against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction. The purpose is to provide.

(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、前記変位方向に沿って伸縮可能に形成された伸縮部を側面に有する金属製のキャップと、を備え、前記変位方向に沿った前記伸縮部の断面形状は、収容された前記アクチュエータ本体側に向けた第1の凸と前記圧電アクチュエータ本体側と反対側に向けた第2の凸が交互に連続する波形状の曲線であり、前記第2の凸の頂点を基準にしたときの前記第1の凸の頂点までの垂直距離は0.3mm以上3.0mm以下であり、隣り合う前記第2の凸の頂点間の距離は1.0mm以上3.0mm以下であり、前記曲線の前記第2の凸と前記第1の凸とをつなぐ点での接線の前記変位方向に対する傾きが0.31以上9.43以下であることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage, wherein a plurality of piezoelectric elements are connected in series and one end is fixed, and A transmission body that is provided at an end portion on the displacement side of the piezoelectric actuator main body and that transmits the displacement of the piezoelectric actuator main body, and the piezoelectric actuator main body and the transmission body are accommodated, and are formed to be expandable and contractable along the displacement direction. A cap made of metal having a stretchable portion on its side surface, and a cross-sectional shape of the stretchable portion along the displacement direction has a first convex toward the accommodated actuator body side and the piezoelectric actuator body side. Is a wave-shaped curve in which the second convexes directed to the opposite side are alternately continuous, and the vertical distance to the apex of the first convex when the apex of the second convex is a reference is 0.3 mm. Is not less than 3.0 mm, the distance between the vertices of the adjacent second protrusions is not less than 1.0 mm and not more than 3.0 mm, and the point connecting the second protrusion and the first protrusion of the curve. The inclination of the tangent with respect to the displacement direction is 0.31 or more and 9.43 or less.

これにより、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。 This makes it possible to expand and contract along the displacement direction, while maintaining high yield strength against external force in the direction perpendicular to the displacement direction and reducing deformation. Further, even if the piezoelectric actuator is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element inside. As a result, durability is improved.

(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伸縮部の断面形状を表す波状の曲線は、正弦波形状であることを特徴としている。これにより、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。また、キャップの製造が容易である。 (2) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the wavy curve representing the cross-sectional shape of the expandable portion is a sine wave shape. As a result, it is possible to secure a high elasticity and a high yield strength against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction. Also, the cap is easy to manufacture.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伸縮部は、前記キャップの先端から2/3の範囲内に設けられていることを特徴としている。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対してさらに耐力を向上できる。 (3) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the expandable portion is provided within a range of ⅔ from the tip of the cap. Thereby, the proof stress can be further improved against the external force in the direction perpendicular to the displacement direction.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップは、先端の閉口部に凹凸に変形可能なダイヤフラム部を有することを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータが小型化された場合でも、可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。 (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the cap has a diaphragm portion which can be deformed in an uneven manner at a closed portion at a tip thereof. As a result, even when the piezoelectric actuator is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element inside.

本発明によれば、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。 According to the present invention, it is possible to expand and contract along the displacement direction, while maintaining a high yield strength against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction and reducing deformation. Further, even if the piezoelectric actuator is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element inside. As a result, durability is improved.

本発明の圧電アクチュエータを示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the piezoelectric actuator of this invention. (a)は、Wave構造の模式図である。(b)は、ベローズ構造の模式図である。(A) is a schematic diagram of a Wave structure. (B) is a schematic diagram of a bellows structure. (a)、(b)共に、伸縮部がWave構造であるキャップを示す側断面図である。(A), (b) is a side sectional view showing a cap in which the expandable portion has a Wave structure. (a)、(b)共に、伸縮部がベローズ構造であるキャップを示す側断面図である。3A and 3B are side cross-sectional views showing a cap having a bellows structure as an expandable portion. (a)、(b)共に、図3に示すキャップの伸縮部の位置を変更したキャップを示す側断面図である。4A and 4B are side cross-sectional views showing a cap in which the position of the expandable portion of the cap shown in FIG. 3 is changed. 伸縮部がWave構造であるキャップと、伸縮部がベローズ構造であるキャップの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。7 is a table showing the proof stress against external stress in a direction perpendicular to the displacement direction of a cap having an expandable portion having a Wave structure and a cap having an expandable portion having a bellows structure. 伸縮部がWave構造であるキャップで伸縮部の位置を変えたときの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。7 is a table showing the proof stress against external stress in the direction perpendicular to the displacement direction when the position of the expansion/contraction part is changed in the cap having the expansion/contraction part of the Wave structure.

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。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same constituent elements in each drawing, and duplicate description will be omitted.

(圧電アクチュエータの構成)
図1は本発明の圧電アクチュエータの一例を示す側断面図である。圧電アクチュエータ100は、電圧の印加により伸縮し、電圧に応じて先端が変位するものであり、例えば位置決め装置、マスフローコントローラ等に用いられる。図1に示すように、圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、キャップ160および座140を備えている。
(Structure of piezoelectric actuator)
FIG. 1 is a side sectional view showing an example of the piezoelectric actuator of the present invention. The piezoelectric actuator 100 expands and contracts when a voltage is applied, and its tip is displaced according to the voltage, and is used for a positioning device, a mass flow controller, or the like. As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuator body 105, a cap 160, and a seat 140.

圧電アクチュエータ本体105は、複数の圧電素子110が直列方向に積み重ねられて直線上で伸縮するように構成されている(多連化)。また、圧電素子110は、圧電層と内部電極とが交互に積層されて形成されている。圧電素子110の内部電極は、一対の外部電極115に交互に接続されている。複数の圧電素子110の外部電極115は、それぞれリード線120で接続されている。一対のリード線120に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ本体105は、一方の電圧の印加で収縮し、他方の電圧の印加で伸長する。 The piezoelectric actuator main body 105 is configured such that a plurality of piezoelectric elements 110 are stacked in the series direction and expand and contract on a straight line (multiple connection). The piezoelectric element 110 is formed by alternately stacking piezoelectric layers and internal electrodes. The internal electrodes of the piezoelectric element 110 are alternately connected to the pair of external electrodes 115. The external electrodes 115 of the plurality of piezoelectric elements 110 are connected by lead wires 120, respectively. By applying a voltage to the pair of lead wires 120, the piezoelectric actuator body 105 contracts when one voltage is applied, and expands when the other voltage is applied.

圧電アクチュエータ本体105は、圧電素子110を複数個、伸縮方向に直列に端面で接着して多連化したものである。圧電素子110を多連化することで、効率よく大きな変位を得ることができる。図1に示す例では、圧電アクチュエータ本体105は、6個の圧電素子110を多連化して形成されている。このようにして、圧電アクチュエータ本体105からは圧電素子110を6連とした場合の変位量が得られる。圧電アクチュエータ本体105は、作製しやすさや変位量との関係で6連程度の構成が好ましいが、1つの圧電素子110から構成されてもよい。 The piezoelectric actuator main body 105 is made up of a plurality of piezoelectric elements 110, which are connected in series in the expansion and contraction direction at the end faces thereof to form a multiple connection. By arranging the piezoelectric elements 110 in multiple rows, a large displacement can be efficiently obtained. In the example shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator main body 105 is formed by connecting six piezoelectric elements 110 in series. In this way, the displacement amount in the case where the piezoelectric elements 110 are arranged in six rows can be obtained from the piezoelectric actuator main body 105. The piezoelectric actuator main body 105 preferably has a structure of about 6 stations in consideration of the ease of manufacture and the amount of displacement, but may be composed of one piezoelectric element 110.

圧電アクチュエータ本体105の先端(座140に固定される側とは反対側の先端)には、伝達体突起132とシム板131からなる伝達体130が設けられている。伝達体130により、圧電アクチュエータ本体105の変位を外部に伝える。伝達体突起132およびシム板131は、SUSで形成されていることが好ましいが、セラミック製であってもよい。図1では、伝達体突起132は半球状に形成されているが、圧電アクチュエータ本体105の変位を外部に伝えることができる形状であれば、例えば半楕円体状、円錐台状などでもよい。また、伝達体130は、シム板131を用いないで、伝達体突起132のみで構成されてもよい。 A transmission body 130 including a transmission body projection 132 and a shim plate 131 is provided at the tip of the piezoelectric actuator body 105 (the tip on the side opposite to the side fixed to the seat 140). The transmitter 130 transmits the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 to the outside. The transmission body protrusion 132 and the shim plate 131 are preferably made of SUS, but may be made of ceramic. In FIG. 1, the transmitter protrusion 132 is formed in a hemispherical shape, but may be in the shape of, for example, a semi-ellipsoid or a truncated cone as long as the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 can be transmitted to the outside. Further, the transmission body 130 may be configured by only the transmission body protrusion 132 without using the shim plate 131.

キャップ160は、例えばSUSやチタンのような金属製であり、有底開口の円筒形状に形成されている。そして、底側には、圧電アクチュエータ100の先端として変位を伝えるための突起162を備えている。図1では、突起162は半球状に形成されているが、半球状に限らず、伝達体突起132の形状に合わせればよい。キャップ160は、圧電アクチュエータ本体105を内部に収容し、圧電アクチュエータ本体105の先端の伝達体突起132に底部の突起162が当接することで圧電アクチュエータ本体105の変位を外部に伝える。キャップ160の開口部は座140に固着されており、圧電素子110の外部電極115に接続されたリード線120を、座140を通して外に出してキャップ160内は封止されている。 The cap 160 is made of a metal such as SUS or titanium, and has a cylindrical shape with a bottomed opening. Then, on the bottom side, a protrusion 162 for transmitting displacement is provided as the tip of the piezoelectric actuator 100. Although the protrusion 162 is formed in a hemispherical shape in FIG. 1, the protrusion 162 is not limited to a hemispherical shape and may be formed according to the shape of the transmitter protrusion 132. The cap 160 accommodates the piezoelectric actuator main body 105 inside, and transfers the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 to the outside by the protrusion 162 of the bottom portion contacting the transfer body protrusion 132 of the tip of the piezoelectric actuator main body 105. The opening of the cap 160 is fixed to the seat 140, and the lead wire 120 connected to the external electrode 115 of the piezoelectric element 110 is taken out through the seat 140 to seal the inside of the cap 160.

キャップ160の筒部の一部には、伸縮部170が設けられている。これにより、圧電アクチュエータ本体105が変位したとき、キャップ160が追従して変位できる。キャップ160の先端の閉口部には、凹凸に変形可能なダイヤフラム部を設けてもよい。これにより、圧電アクチュエータ100が小型化された場合でも、可動域が広くなり内部の圧電アクチュエータ本体105の伸縮に追従できる。キャップ160の厚さは使用する材料により異なるが、例えば材料がSUSの場合、0.15mm以上0.2mm以下であることが好ましい。 A stretchable portion 170 is provided on a part of the tubular portion of the cap 160. Thereby, when the piezoelectric actuator main body 105 is displaced, the cap 160 can follow and be displaced. A diaphragm portion that can be deformed into concaves and convexes may be provided at the closed portion at the tip of the cap 160. As a result, even if the piezoelectric actuator 100 is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the internal piezoelectric actuator body 105. The thickness of the cap 160 varies depending on the material used, but when the material is SUS, for example, it is preferably 0.15 mm or more and 0.2 mm or less.

座140は、圧電アクチュエータ本体105を支持しており、キャップ160が固着されている。例えばポジショナ等では、キャップ160の先端と座140との間に予圧をかけた状態で圧電アクチュエータ本体105が収容されている。 The seat 140 supports the piezoelectric actuator body 105, and the cap 160 is fixed thereto. For example, in a positioner or the like, the piezoelectric actuator body 105 is housed in a state in which a preload is applied between the tip of the cap 160 and the seat 140.

(伸縮部の構成)
伸縮部170は、Wave構造で構成されている。本明細書において、Wave構造とは、キャップ160を変位方向に平行な中心軸線を含む平面で切断したときの伸縮部170の断面が滑らかな曲線からなり、曲線上の各点での接線が変位方向に垂直な方向の直線とならない構造をいう。ただし、曲線の端点は除くものとする。また、本明細書において、ベローズ構造とは、キャップ160を変位方向に平行な中心軸線を含む平面で切断したときの伸縮部170の断面が連続した曲線からなり、曲線上の端点以外の点で、接線が変位方向に垂直な方向の直線となる点または接線が引けない点を有する構造をいう。図2(a)は、Wave構造の一例の模式図であり、図2(b)は、ベローズ構造の一例の模式図である。
(Structure of the elastic part)
The expansion/contraction part 170 has a Wave structure. In this specification, the Wave structure means that the cross section of the expansion/contraction part 170 when the cap 160 is cut along a plane including the central axis parallel to the displacement direction is a smooth curve, and the tangent line at each point on the curve is displaced. A structure that does not form a straight line perpendicular to the direction. However, the end points of the curve are excluded. In addition, in the present specification, the bellows structure means that the cross section of the expandable portion 170 when the cap 160 is cut along a plane including the central axis parallel to the displacement direction is a continuous curve, and is a point other than the end points on the curve. , A structure having a point where the tangent line is a straight line perpendicular to the displacement direction or a point where the tangent line cannot be drawn. FIG. 2A is a schematic diagram of an example of a Wave structure, and FIG. 2B is a schematic diagram of an example of a bellows structure.

伸縮部170がWave構造で構成されていることにより、伸縮部170は、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を有する。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対して、キャップ160は高い耐力を維持し変形を低減できる。したがって、圧電アクチュエータ本体105が外力により破損することを低減できる。これは、Wave構造の断面の曲線が滑らかで、変位方向に垂直な方向の接線を持たないためと考えられる。断面の曲線に接線が引けない点が存在すると、その点は角となるので、圧電アクチュエータ100に変位方向に垂直な方向の外力が加わったとき、その点に応力が集中し、その点が変形の節となりより大きく変形すると考えられる。また、断面の曲線に変位方向に垂直な方向の接線が引ける点が存在すると、圧電アクチュエータ100に変位方向に垂直な方向の外力が加わったとき、その点の近傍の材料は外力に対する抵抗力をほとんど発揮しないので、その他の部分に応力が集中し、より大きく変形すると考えられる。 Since the expansion/contraction part 170 is configured by the Wave structure, the expansion/contraction part 170 has high proof stress against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction. As a result, the cap 160 can maintain a high yield strength and reduce deformation against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction. Therefore, it is possible to reduce the damage of the piezoelectric actuator body 105 due to the external force. It is considered that this is because the curve of the cross section of the Wave structure is smooth and does not have a tangent line in the direction perpendicular to the displacement direction. If there is a point where a tangent line cannot be drawn on the curve of the cross section, that point becomes an angle, so when an external force in the direction perpendicular to the displacement direction is applied to the piezoelectric actuator 100, stress concentrates at that point and the point deforms. It is considered that it becomes a section of and is deformed more greatly. Further, if there is a point on the curve of the cross section where a tangent line perpendicular to the displacement direction exists, when an external force in the direction perpendicular to the displacement direction is applied to the piezoelectric actuator 100, the material in the vicinity of that point exerts a resistance force against the external force. Since it rarely exhibits, it is considered that the stress concentrates on the other parts, resulting in larger deformation.

伸縮部170は、キャップ160の先端から2/3の範囲内に設けられていることが好ましい。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対してさらに耐力を向上できる。 It is preferable that the elastic portion 170 is provided within a range of 2/3 from the tip of the cap 160. Thereby, the proof stress can be further improved against the external force in the direction perpendicular to the displacement direction.

図2(a)に示すように、Wave構造の断面は、収容されたアクチュエータ本体側に向けた第1の凸とアクチュエータ本体側と反対側に向けた第2の凸が交互に連続する波形状の曲線である。第1の凸と第2の凸は、異なる大きさとすることもできるが、キャップ160の変位方向に垂直な方向の外力に対する耐力のバランスや、キャップ160の小型化を考えると、同一の大きさであることが好ましい。 As shown in FIG. 2( a ), the cross section of the Wave structure has a wavy shape in which the first convex toward the housed actuator body and the second convex toward the opposite side of the actuator body are alternately continuous. Is the curve of. The first protrusion and the second protrusion may have different sizes, but they have the same size in consideration of the balance of the proof stress against the external force in the direction perpendicular to the displacement direction of the cap 160 and the miniaturization of the cap 160. Is preferred.

図2(a)に示すように、第2の凸の頂点(キャップ160の露出側に突出した山の頂点)を基準にしたときの第1の凸の頂点(キャップ160のアクチュエータ本体側に突出した山の頂点)までの変位方向に対する垂直距離を山谷深さ、隣り合う第2の凸の頂点間の距離をピッチということとする。また、曲線の第2の凸と第1の凸とをつなぐ変曲点(キャップ160の外側、内側のいずれでもよい。図では外側に取った。)での接線の変位方向の一方に対する傾きを単に傾きということとする。なお、傾きは、負になるときは絶対値をとる。 As shown in FIG. 2A, the first convex apex (protruding to the actuator body side of the cap 160) based on the second convex apex (the apex of the mountain protruding to the exposed side of the cap 160) is used as a reference. The vertical distance to the displacement direction up to the apex of the crest) is referred to as the mountain valley depth, and the distance between the apexes of the adjacent second protrusions is referred to as the pitch. In addition, the inclination of the tangent line at one of the displacement directions at the inflection point (either outside or inside of the cap 160, which is taken outside in the figure) that connects the second convex and the first convex of the curve is taken. It is simply a tilt. Note that the slope takes an absolute value when it becomes negative.

山谷深さは0.3mm以上3.0mm以下である。山谷深さが0.3mm未満の場合、変位量が小さくなり、また、耐久性も低くなる。3.0mmを超えた場合、内部の素子との干渉のため素子サイズを小さくせざるを得ず、発生力が小さくなる。ピッチは1.0mm以上3.0mm以下である。ピッチが1.0mm未満のキャップ160は製造が困難だからである。また、3.0mmを超えた場合、変位量が小さくなり、耐久性も低くなる虞がある。なお、耐久性が低いとは、キャップ先端部の亀裂発生の可能性が大きくなることである。傾きは0.31以上9.43以下である。傾きは、小さすぎると変位量が小さくなり、大きすぎると変位方向に垂直な方向の外力に対して耐力が低くなるからである。各変数がこのような範囲にあることで、圧電アクチュエータ100は、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。 The mountain valley depth is 0.3 mm or more and 3.0 mm or less. When the valley depth is less than 0.3 mm, the amount of displacement is small and the durability is low. When it exceeds 3.0 mm, the element size cannot help being reduced because of interference with the internal element, and the generated force becomes small. The pitch is 1.0 mm or more and 3.0 mm or less. This is because the cap 160 having a pitch of less than 1.0 mm is difficult to manufacture. Further, when it exceeds 3.0 mm, the displacement amount becomes small and the durability may be lowered. Note that low durability means that the possibility of cracking at the tip of the cap increases. The slope is 0.31 or more and 9.43 or less. This is because if the inclination is too small, the displacement amount becomes small, and if it is too large, the proof stress becomes low with respect to the external force in the direction perpendicular to the displacement direction. By setting each variable in such a range, the piezoelectric actuator 100 can expand and contract along the displacement direction, while maintaining high proof stress against external force in the direction perpendicular to the displacement direction and reducing deformation. Further, even if the piezoelectric actuator is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element inside. As a result, durability is improved.

伸縮部170の断面形状を表す波形状の曲線は、正弦波形状であることが好ましい。これにより、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。また、キャップの製造が容易である。断面形状を表す波形状の曲線が正弦波形状であるときは、傾きをk、山谷深さをA、ピッチをp、円周率をπとすると、k=A×π/pで傾きkを計算することができる。 The wave-shaped curve representing the cross-sectional shape of the expandable portion 170 is preferably sinusoidal. As a result, it is possible to secure a high elasticity and a high yield strength against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction. Also, the cap is easy to manufacture. When the waveform of the wave shape representing the cross-sectional shape is a sine wave shape, if the slope is k, the valley depth is A, the pitch is p, and the pi is π, then the slope k is k=A×π/p. Can be calculated.

また、伸縮部170の断面形状を表す波状の曲線は、頂点における曲率が、2以上5以下であることが好ましい。頂点における曲率がこのような範囲にあることで、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。 Further, the wavy curve representing the cross-sectional shape of the stretchable portion 170 preferably has a curvature at the apex of 2 or more and 5 or less. By having the curvature at the apex in such a range, it is possible to secure high elasticity and high yield strength against an external force in a direction perpendicular to the displacement direction.

(圧電アクチュエータの製造方法)
次に、上記のように構成された圧電アクチュエータ100の製造方法を説明する。まず、圧電アクチュエータ本体105、キャップ160および座140を準備する。圧電アクチュエータ本体105は、まず、所定個数の圧電素子110を積層方向の端面で接着して直列に連結(多連化)し、外部電極115にリード線120を接続し、分極処理する。そして、一端に伝達体突起132とシム板131からなる伝達体130を設けて作製する。キャップ160は、1枚の所定の厚さのSUSなどの金属板から、伸縮部170が上記数値範囲のWave構造で構成されているものを作製する。
(Piezoelectric actuator manufacturing method)
Next, a method of manufacturing the piezoelectric actuator 100 configured as described above will be described. First, the piezoelectric actuator body 105, the cap 160, and the seat 140 are prepared. In the piezoelectric actuator main body 105, first, a predetermined number of piezoelectric elements 110 are bonded at the end faces in the stacking direction and connected in series (multi-connection), the lead wires 120 are connected to the external electrodes 115, and polarization processing is performed. Then, the transmission body 130 including the transmission body projection 132 and the shim plate 131 is provided at one end to manufacture. The cap 160 is made of one metal plate such as SUS having a predetermined thickness, and the expandable portion 170 having a Wave structure in the above numerical range.

次に、圧電アクチュエータ本体105をキャップ160内に挿入する。最後に、キャップ160と座140とを固着し、リード線120を通した孔を封止する。このようにして、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる圧電アクチュエータ100を容易に製造することができる。 Next, the piezoelectric actuator body 105 is inserted into the cap 160. Finally, the cap 160 and the seat 140 are fixed, and the hole through which the lead wire 120 passes is sealed. In this way, it is possible to easily manufacture the piezoelectric actuator 100 capable of expanding and contracting along the displacement direction, yet maintaining high proof stress against external force in the direction perpendicular to the displacement direction and reducing deformation.

(実施例)
図3(a)、(b)は、伸縮部がWave構造であるキャップ3a、3bを示す側断面図である。図4(a)、(b)は、伸縮部がベローズ構造であるキャップ4a、4bを示す側断面図である。また、図5(a)、(b)は、図3に示すキャップの伸縮部の位置を変更したキャップ5a、5bを示す側断面図である。このような、伸縮部がWave構造である圧電アクチュエータのキャップと、伸縮部がベローズ構造である圧電アクチュエータのキャップの変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を算出するシミュレーションを行った。シミュレーションは有限要素法を用いて行った。
(Example)
3A and 3B are side cross-sectional views showing the caps 3a and 3b in which the expandable portion has the Wave structure. 4A and 4B are side cross-sectional views showing caps 4a and 4b in which the expandable portion has a bellows structure. 5(a) and 5(b) are side sectional views showing caps 5a and 5b in which the position of the expansion/contraction part of the cap shown in FIG. 3 is changed. A simulation was performed to calculate the proof stress against the external stress in the direction perpendicular to the displacement direction of the cap of the piezoelectric actuator having the expandable portion having the Wave structure and the cap of the piezoelectric actuator having the expandable portion having the bellows structure. The simulation was performed using the finite element method.

キャップは、厚さ0.15mmのSUS316Lを用いて、直径(外径)8mm、全長40mmとし、側面の所定の位置に20mmの範囲にWave構造またはベローズ構造からなる伸縮部を形成したものを想定して耐力を算出した。Wave構造は、側壁の断面が正弦波になるように形成し、ベローズ構造は、側壁の断面の山谷の曲率が4となるように形成した。なお、図3(a)、(b)、図4(a)、(b)および図5(a)、(b)は模式図であり、山谷深さ、ピッチ、山谷の数、側面の変位方向に対する傾き、山谷の曲率および材料の厚さなどはシミュレーションを行ったキャップの条件を正確に表すものではない。 It is assumed that the cap is made of SUS316L having a thickness of 0.15 mm, has a diameter (outer diameter) of 8 mm, a total length of 40 mm, and has an expandable portion formed of a Wave structure or a bellows structure in a predetermined position on the side surface within a range of 20 mm. The yield strength was calculated. The Wave structure was formed so that the side wall had a sinusoidal cross section, and the bellows structure was formed so that the peaks and valleys of the side wall had a curvature of 4. 3(a), (b), 4(a), (b) and 5(a), (b) are schematic diagrams, and the depth of the valleys, the pitch, the number of the valleys, the displacement of the side surface. The inclination with respect to the direction, the curvature of the peaks and valleys, the thickness of the material, etc. do not accurately represent the conditions of the simulated cap.

図6は、伸縮部がWave構造であるキャップと、伸縮部がベローズ構造であるキャップの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。実施例および比較例の各番号が同じモデルは、同じ山谷深さとピッチを有している。これによると、伸縮部が同じ山谷深さとピッチを有している場合に、伸縮部がベローズ構造である圧電アクチュエータより伸縮部がWave構造である圧電アクチュエータの方が、変位方向に垂直な方向の外力に対して変形が小さく高い耐力を有していることがわかる。なお、伸縮部の山谷深さやピッチなどの構成は、キャップの内部に設けられる圧電アクチュエータ本体など圧電アクチュエータ全体の設計により決められる。 FIG. 6 is a table showing the proof stress against the external stress in the direction perpendicular to the displacement direction of the cap having the expandable portion having the Wave structure and the cap having the expandable portion having the bellows structure. The models having the same numbers in the example and the comparative example have the same ridge depth and pitch. According to this, when the expansion and contraction portions have the same ridge and valley depth and pitch, the piezoelectric actuator having the expansion and contraction portion having the Wave structure has a direction perpendicular to the displacement direction more than the piezoelectric actuator having the expansion and contraction portion having the bellows structure. It can be seen that it has a small deformation with respect to external force and has a high yield strength. The configuration such as the depth and pitch of the ridges and valleys of the expansion and contraction portion is determined by the design of the entire piezoelectric actuator such as the piezoelectric actuator body provided inside the cap.

図7は、伸縮部がWave構造であるキャップで伸縮部の位置を変えたときの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。これによると、同じ山谷深さとピッチを有するWave構造であっても、伸縮部の位置がキャップの先端から2/3の範囲内に設けられている圧電アクチュエータの方が、伸縮部がキャップの先端から2/3の範囲内に設けられていない圧電アクチュエータよりも変位方向に垂直な方向の外力に対して変形が小さく高い耐力を有していることがわかる。 FIG. 7 is a table showing the proof stress against external stress in the direction perpendicular to the displacement direction when the position of the expansion/contraction part is changed in the cap having the expansion/contraction part of the Wave structure. According to this, even in the Wave structure having the same ridge/valley depth and pitch, in the piezoelectric actuator in which the position of the expansion/contraction part is provided within the range of ⅔ from the tip of the cap, the expansion/contraction part has the end of the cap. It can be seen from Table 1 that the piezoelectric actuator, which is not provided within the range of ⅔, has a smaller deformation with respect to the external force in the direction perpendicular to the displacement direction and has a higher yield strength.

以上により、本発明の圧電アクチュエータは、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。 As described above, the piezoelectric actuator of the present invention is capable of expanding and contracting along the displacement direction, while maintaining high yield strength against external force in the direction perpendicular to the displacement direction and reducing deformation. Further, even if the piezoelectric actuator is downsized, the range of motion is widened and it is possible to follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element inside. As a result, durability is improved.

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 リード線
130 伝達体
131 シム板
132 伝達体突起
140 座
160、3a、3b、4a、4b、5a、5b キャップ
162 突起
170 伸縮部
100 piezoelectric actuator 105 piezoelectric actuator main body 110 piezoelectric element 115 external electrode 120 lead wire 130 transmitter 131 shim plate 132 transmitter protrusion 140 seat 160, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b cap 162 protrusion 170 expansion part

Claims (4)

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、前記変位方向に沿って伸縮可能に形成された伸縮部を側面に有する金属製のキャップと、を備え、
前記変位方向に沿った前記伸縮部の断面形状は、収容された前記圧電アクチュエータ本体側に向けた第1の凸と前記アクチュエータ本体側と反対側に向けた第2の凸が交互に連続する波形状の曲線であり、
前記第2の凸の頂点を基準にしたときの前記第1の凸の頂点までの垂直距離は0.3mm以上3.0mm以下であり、
隣り合う前記第2の凸の頂点間の距離は1.0mm以上3.0mm以下であり、
前記曲線の前記第2の凸と前記第1の凸とをつなぐ点での接線の前記変位方向に対する傾きが0.31以上9.43以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that is displaced by applying a voltage,
A piezoelectric actuator body in which a plurality of piezoelectric elements are connected in series and one end of which is fixed,
A transmission body that is provided at an end portion on the displacement side of the piezoelectric actuator body and that transmits the displacement of the piezoelectric actuator body;
A metal cap that houses the piezoelectric actuator body and the transmission body, and has a stretchable portion on a side surface that is stretchable and formed along the displacement direction,
A cross-sectional shape of the expandable portion along the displacement direction is a wave in which a first convex toward the housed piezoelectric actuator main body and a second convex toward the opposite side of the actuator main body are alternately continuous. Is a curve of shape,
The vertical distance to the apex of the first convex when the apex of the second convex is a reference is 0.3 mm or more and 3.0 mm or less,
The distance between the vertices of the adjacent second convexes is 1.0 mm or more and 3.0 mm or less,
A piezoelectric actuator, wherein an inclination of a tangent line at a point connecting the second protrusion and the first protrusion of the curve with respect to the displacement direction is 0.31 or more and 9.43 or less.
前記伸縮部の断面形状を表す波状の曲線は、正弦波であ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。 The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the wavy curve representing the cross-sectional shape of the expandable portion is a sine wave. 前記伸縮部は、前記キャップの先端から2/3の範囲内に設けら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。 The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, wherein the expandable portion is provided within a range of 2/3 from the tip of the cap. 前記キャップは、先端の閉口部に凹凸に変形可能なダイヤフラム部を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the cap has a diaphragm portion that can be deformed irregularly at a closed portion of a tip thereof.
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