JP6809818B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents

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

Description

本発明は、例えばマスフローコントローラ、XYテーブルの精密位置決め装置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, for example, a mass flow controller, a precision positioning device for an XY table, or the like.

圧電アクチュエータは、積層型圧電素子と、積層型圧電素子の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子を収容した金属ケースとを備え、金属ケースは、積層型圧電素子の下端に当接された基体と、基体の上面に接合された筒体とを含んでいる(例えば、特許文献1を参照)。ここで、筒体は、上下に延びる筒状部と、筒状部の下端に接続された鍔部とを有しており、例えば、積層型圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、基体と鍔部とをレーザー溶接や抵抗溶接で接合することで作製される。 The piezoelectric actuator includes a laminated piezoelectric element and a metal case containing the laminated piezoelectric element so that the upper and lower ends of the laminated piezoelectric element abut on the inner wall, and the metal case hits the lower end of the laminated piezoelectric element. It includes a contacted substrate and a cylinder bonded to the upper surface of the substrate (see, for example, Patent Document 1). Here, the tubular body has a tubular portion extending vertically and a flange portion connected to the lower end of the tubular portion. For example, with a compressive load applied to the laminated piezoelectric element, the tubular body and the substrate It is manufactured by joining the collar with laser welding or resistance welding.

特開平11−22845号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-22845

上記の圧電アクチュエータでは、基体と鍔部とを溶接する際の熱が積層型圧電素子と基体との接合部に伝わって、熱応力により当該接合部にクラックを生じさせたものとなるおそれがあった。 In the above-mentioned piezoelectric actuator, the heat generated when welding the base and the flange portion may be transferred to the joint portion between the laminated piezoelectric element and the base portion, and the joint portion may be cracked due to thermal stress. It was.

さらに、長期間の駆動によってこのクラックが進展すると、積層型圧電素子へ印加した荷重が片当たりの状態となり、更に進展すると、印加荷重が下がり、所望の変位量が安定して得られなくなるおそれもあった。 Further, if this crack grows due to long-term driving, the load applied to the laminated piezoelectric element becomes a one-sided state, and if it further grows, the applied load may decrease and the desired displacement amount may not be stably obtained. there were.

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、積層型圧電素子と基体との接合部へのクラックの発生を抑制し、変位量を長期間安定して得られ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 devised in view of the above problems, and is a piezoelectric actuator that suppresses the occurrence of cracks at the joint between the laminated piezoelectric element and the substrate and can stably obtain a displacement amount for a long period of time. The purpose is to provide.

本開示の圧電アクチュエータは、積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の上端および下端が内壁に当接するように前記積層型圧電素子を収容した金属ケースとを備え、前記金属ケースは、前記積層型圧電素子の下端に当接された基体と、該基体の上面に接合された筒体とを含み、該筒体は、上下に延びる筒状部と、該筒状部の下端に接続された鍔部とを有し、前記基体は、環状部を有し、該環状部にて前記基体と前記鍔部とが接合され、前記基
体の上面における前記積層型圧電素子と前記筒体および前記環状部との間の領域には、前記積層型圧電素子とは間隔をおいて当該積層型圧電素子を取り囲むように立設部があり、該立設部は、前記筒体から離れて位置していることを特徴とするものである。
The piezoelectric actuator of the present disclosure includes a laminated piezoelectric element and a metal case accommodating the laminated piezoelectric element so that the upper and lower ends of the laminated piezoelectric element abut on an inner wall, and the metal case is the laminated. A substrate abutting on the lower end of the mold piezoelectric element and a tubular body joined to the upper surface of the substrate are included, and the tubular body is connected to a tubular portion extending vertically and a lower end of the tubular portion. The substrate has an annular portion, and the substrate and the flange portion are joined at the annular portion, and the laminated piezoelectric element, the tubular body, and the annular portion on the upper surface of the substrate. in a region between the parts, said the multilayer piezoelectric element Ri erected Bugaa as at intervals surrounding the stacked piezoelectric element, the standing portion is positioned away from said cylindrical body It is characterized by being.

本開示の圧電アクチュエータによれば、積層型圧電素子と基体との接合部へのクラックの発生が抑制されたものとなり、長期間安定した変位量を実現することができる。 According to the piezoelectric actuator of the present disclosure, the occurrence of cracks in the joint portion between the laminated piezoelectric element and the substrate is suppressed, and a stable displacement amount can be realized for a long period of time.

圧電アクチュエータの一実施形態の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of one Embodiment of a piezoelectric actuator. 図1に示す圧電アクチュエータのA−A線で切断した概略断面図である。It is the schematic cross-sectional view cut along the line AA of the piezoelectric actuator shown in FIG. (a)は図2に示す領域Bの一例の拡大断面図、(b)は図2に示す領域Bの一例の一部省略平面図である。(A) is an enlarged cross-sectional view of an example of region B shown in FIG. 2, and (b) is a partially omitted plan view of an example of region B shown in FIG. 図2に示す領域Bの一例の一部省略概略斜視図である。It is a partially omitted schematic perspective view of an example of region B shown in FIG. 図2に示す積層型圧電素子の一例の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of an example of the laminated piezoelectric element shown in FIG. 図2に示す領域Bの他の例の一部省略平面図である。It is a partially omitted plan view of another example of region B shown in FIG. 図2に示す領域Bの他の例の一部省略平面図である。It is a partially omitted plan view of another example of region B shown in FIG. 図2に示す領域Bの他の例の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of another example of region B shown in FIG. 図2に示す領域Bの他の例の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of another example of region B shown in FIG. 図2に示す領域Bの他の例の拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of another example of region B shown in FIG.

以下、本開示の圧電アクチュエータの一実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the piezoelectric actuator of the present disclosure will be described with reference to the drawings.

図1は圧電アクチュエータの一実施形態の概略斜視図、図2は図1に示す圧電アクチュエータのA−A線で切断した概略断面図、図3(a)は図2に示す領域Bの一例の拡大断面図、図3(b)は図2に示す領域Bの一例の一部省略平面図、図4は図2に示す領域Bの一例の一部省略概略斜視図、図5は図2に示す積層型圧電素子の一例の概略斜視図である。 1 is a schematic perspective view of an embodiment of the piezoelectric actuator, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1, and FIG. 3A is an example of region B shown in FIG. An enlarged cross-sectional view, FIG. 3B is a partially omitted plan view of an example of the region B shown in FIG. 2, FIG. 4 is a partially omitted schematic perspective view of an example of the region B shown in FIG. 2, and FIG. 5 is shown in FIG. It is the schematic perspective view of the example of the laminated type piezoelectric element shown.

図1〜図4に示す圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1と、積層型圧電素子1の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子1を収容した金属ケース2とを備えている。そして、金属ケース2は、積層型圧電素子1の下端に当接された基体21と、基体21の上面に接合された筒体22とを含み、筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。さらに、基体21の上面における積層型圧電素子1と筒体22との間の領域には、積層型圧電素子1とは間隔をおいて積層型圧電素子1を取り囲むように立設部3がある。 The piezoelectric actuator 10 shown in FIGS. 1 to 4 includes a laminated piezoelectric element 1 and a metal case 2 accommodating the laminated piezoelectric element 1 so that the upper and lower ends of the laminated piezoelectric element 1 abut on the inner wall. There is. The metal case 2 includes a base 21 that is in contact with the lower end of the laminated piezoelectric element 1 and a tubular body 22 that is joined to the upper surface of the base 21, and the tubular body 22 is a tubular portion 221 that extends vertically. And a flange portion 222 connected to the lower end of the tubular portion 221. Further, in the region between the laminated piezoelectric element 1 and the tubular body 22 on the upper surface of the substrate 21, there is an upright portion 3 so as to surround the laminated piezoelectric element 1 at a distance from the laminated piezoelectric element 1. ..

積層型圧電素子1は、図5に示すように、例えば圧電体層11と内部電極層12とが交互に複数積層された活性部と、活性部の積層方向の両端に積層された圧電体層11からなる不活性部とを有する積層体13を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部は駆動時に圧電体層が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部は駆動時に圧電体層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. 5, the laminated piezoelectric element 1 includes, for example, an active portion in which a plurality of piezoelectric layers 11 and internal electrode layers 12 are alternately laminated, and a piezoelectric layer laminated at both ends in the stacking direction of the active portion. It is a laminated piezoelectric element provided with a laminated body 13 having an inactive portion made of 11. Here, the active portion is a portion where the piezoelectric layer expands or contracts in the stacking direction during driving, and the inactive portion is a portion where the piezoelectric layer does not expand or contract in the stacking direction during driving.

積層型圧電素子1を構成する積層体13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、積層体13としては、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 body 13 constituting the laminated piezoelectric element 1 is formed in a rectangular parallelepiped shape having, for example, a length of 4 to 7 mm, a width of 4 to 7 mm, and a height of about 20 to 50 mm. The laminated body 13 may have, for example, a hexagonal column shape or an octagonal column shape.

積層体13を構成する複数の圧電体層11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、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などを用いることができる。 The plurality of piezoelectric layers 11 constituting the laminated body 13 are made of a piezoelectric porcelain (piezoelectric ceramics) having piezoelectric characteristics, and the pressure electromagnetic device is formed to have an average particle size of, for example, 1.6 to 2.8 μm. .. As the piezoelectric device, for example, a perovskite-type oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3- PbTIO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) and the like can be used.

積層体13を構成する複数の内部電極層12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13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、活性部において、積層方向に隣り合う内部電極層12同士の間に挟まれた圧電体層11に駆動電圧を印加するものである。 The plurality of internal electrode layers 12 constituting the laminate 13 are formed of, for example, silver, silver-palladium alloy, silver-platinum, copper, etc., and the positive electrode and the negative electrode (or ground electrode) are each of the laminate 13. It is derived alternately on a pair of opposite sides of the. With this configuration, in the active portion, a driving voltage is applied to the piezoelectric layer 11 sandwiched between the internal electrode layers 12 adjacent to each other in the stacking direction.

なお、積層体13には、応力を緩和するための層であって内部電極層として機能しない金属層等が含まれていてもよい。 The laminated body 13 may include a metal layer or the like that is a layer for relieving stress and does not function as an internal electrode layer.

そして、内部電極層12の正極または負極(もしくはグランド極)が導出された積層体13の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極14が設けられ、導出された内部電極層12と電気的に接続されている。外部電極14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る。なお、図3に示すように、外部電極14にはリード線41がはんだ42で取り付けられていて、リード線41を介して駆動電圧を印加するようになっている。 An external electrode 14 is provided on each of the pair of opposite side surfaces of the laminate 13 from which the positive electrode or the negative electrode (or the ground electrode) of the internal electrode layer 12 is derived, and is electrically connected to the derived internal electrode layer 12. It is connected. The external electrode 14 is a metallized layer made of, for example, a sintered body of silver and glass. As shown in FIG. 3, a lead wire 41 is attached to the external electrode 14 with solder 42, and a drive voltage is applied via the lead wire 41.

一方、積層体13の対向する他の一対の側面には、内部電極層12の正極および負極(もしくはグランド極)の両極が露出しており、この側面には必要により酸化物からなる被覆層15が形成されている。被覆層15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15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10を駆動した際の積層体13の駆動変形(伸縮)に追随でき、被覆層15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−XSiAlO3+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15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13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, both positive and negative electrodes (or ground electrodes) of the internal electrode layer 12 are exposed on the other pair of opposite side surfaces of the laminated body 13, and a coating layer 15 made of an oxide is required on these side surfaces. Is formed. By forming the coating layer 15, it is possible to prevent creepage discharge between both electrodes that occurs when a high voltage is applied during driving. Examples of the oxide forming the coating layer 15 include ceramic materials. In particular, the oxide can follow the drive deformation (expansion and contraction) of the laminate 13 when the piezoelectric actuator 10 is driven, and the coating layer 15 is peeled off to cause creeping discharge. It is preferable that the material is deformable by stress so that it does not occur. Specifically, partially stabilized zirconia, Ln 1-X Si X AlO 3 + 0.5X (Ln is Sn, Y, La, Ce, which can be deformed by locally undergoing phase transformation when stress is generated and changing in volume. A ceramic material such as Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and at least one selected from Yb. X = 0.01 to 0.3). Alternatively, piezoelectric materials such as barium titanate and lead zirconate titanate, in which the distance between ions in the crystal lattice changes so as to relieve the generated stress, can be mentioned. The coating layer 15 is formed by, for example, forming an ink, applying it to the side surface of the laminate 13 by dipping or screen printing, and sintering it.

また、圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子1を収容した金属ケース2を備えている。金属ケース2は、基体21と、基体21の上面に下端部が接合された筒体22と、筒体22の上端部に接合された蓋体23とを含んでいる。そして、基体21の上面に積層型圧電素子1の下端面が当接され、蓋体23の下面に積層型圧電素子1の上端面が当接されている。 Further, the piezoelectric actuator 10 includes a metal case 2 containing the laminated piezoelectric element 1 so that the upper and lower ends of the laminated piezoelectric element 1 abut on the inner wall. The metal case 2 includes a base 21, a cylinder 22 having a lower end bonded to the upper surface of the base 21, and a lid 23 joined to the upper end of the cylinder 22. Then, the lower end surface of the laminated piezoelectric element 1 is in contact with the upper surface of the substrate 21, and the upper end surface of the laminated piezoelectric element 1 is in contact with the lower surface of the lid 23.

基体21、筒体22および蓋体23は、例えばSUS304やSUS316Lなどの金属材料からなるものである。 The base 21, the cylinder 22, and the lid 23 are made of a metal material such as SUS304 or SUS316L.

筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。この筒体22は、例えば、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などによりベロー(蛇腹)形状に形成されたものである。筒体22は、積層型圧電素子1に電圧を印加した際に積層型圧電素子1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。例えば、筒体22の厚みは例えば0.1〜0.5mmとされる。筒体22の上下に延びる筒状部221から一端側開口(上端側開口)までは円筒状にされたものであるが、筒体22の他端側開口(下端側開口)は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状になっている。このように、筒体22の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体22が鍔部222を有する構造になっている。 The tubular body 22 has a tubular portion 221 extending vertically and a flange portion 222 connected to the lower end of the tubular portion 221. The tubular body 22 is formed into a bellows shape by, for example, a seamless pipe having a predetermined shape and then rolling or hydrostatic pressing. The tubular body 22 has a predetermined spring constant so that it can follow the expansion and contraction of the laminated piezoelectric element 1 when a voltage is applied to the laminated piezoelectric element 1, and the spring thereof depends on the thickness, groove shape, and number of grooves. The constant is being adjusted. For example, the thickness of the tubular body 22 is, for example, 0.1 to 0.5 mm. The tubular portion 221 extending vertically from the tubular body 22 to the one end side opening (upper end side opening) is cylindrical, but the other end side opening (lower end side opening) of the tubular body 22 is radially outward. It has a so-called trumpet shape that spreads toward it. As described above, the opening on the other end side of the tubular body 22 has a trumpet shape, so that the tubular body 22 has a flange portion 222.

また、基体21は円板状にされたもので、図に示す例では周縁部が他の部位よりも薄肉になっている。基体21の周縁部と筒体22の鍔部222とは、積層型圧電素子1に圧縮荷重がかかるようにして例えば溶接により接合されている。なお、基体21にはリードピン43を挿通可能な貫通孔が2つ形成されており、リード線41と電気的に接続されたリードピン43を貫通孔に挿通させている。そして、貫通孔の隙間には例えば軟質ガラス44が充填されていて、リードピン43が固定されている。 Further, the substrate 21 has a disk shape, and in the example shown in the figure, the peripheral portion is thinner than the other portions. The peripheral edge of the substrate 21 and the flange 222 of the tubular body 22 are joined by welding, for example, so that a compressive load is applied to the laminated piezoelectric element 1. The substrate 21 is formed with two through holes through which the lead pin 43 can be inserted, and the lead pin 43 electrically connected to the lead wire 41 is inserted through the through hole. Then, for example, soft glass 44 is filled in the gap between the through holes, and the lead pin 43 is fixed.

蓋体23は外径が筒体22の一端側開口の内径と同じ程度に形成されたもので、筒体22の一端側開口から蓋体23が嵌め込まれて、筒体22の一端側開口の近傍(上端近傍)の内壁にその側面を例えば溶接により接合されている。 The outer diameter of the lid 23 is formed to be the same as the inner diameter of the one end side opening of the cylinder 22, and the lid 23 is fitted from the one end side opening of the cylinder 22 to form the one end side opening of the cylinder 22. Its side surface is joined to the inner wall in the vicinity (near the upper end) by, for example, welding.

そして、図2〜図4に示すように、金属ケース2を構成する基体21の上面における積層型圧電素子1と筒体22との間の領域には、積層型圧電素子1とは間隔をおいて積層型圧電素子1を取り囲むように立設部3がある。言い換えると、圧電アクチュエータ10は、基体21の上面のうち筒体22の内側に位置する部位に、積層型圧電素子1と接触しないように当該積層型圧電素子1のまわりに配置された立設部3を備えている。 Then, as shown in FIGS. 2 to 4, the region between the laminated piezoelectric element 1 and the tubular body 22 on the upper surface of the substrate 21 constituting the metal case 2 is spaced from the laminated piezoelectric element 1. There is an upright portion 3 so as to surround the laminated piezoelectric element 1. In other words, the piezoelectric actuator 10 is an upright portion arranged around the laminated piezoelectric element 1 so as not to come into contact with the laminated piezoelectric element 1 at a portion of the upper surface of the substrate 21 located inside the tubular body 22. It has 3.

これにより、基体21と鍔部222とを溶接する際に生じた熱の一部を、立設部3に逃がして当該立設部3から放熱させることができる。したがって、積層型圧電素子1と基体21との接合部に生じるクラックを抑制し、変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータを実現することができる。 As a result, a part of the heat generated when the substrate 21 and the flange portion 222 are welded can be released to the upright portion 3 and dissipated from the upright portion 3. Therefore, it is possible to realize a piezoelectric actuator capable of suppressing cracks generated at the joint portion between the laminated piezoelectric element 1 and the substrate 21 and stably obtaining a displacement amount for a long period of time.

ここで、図に示すように、立設部3は積層型圧電素子1よりも筒体22に近い側に設けることができる。立設部3が積層型圧電素子1から遠い位置に設けられていることで、積層型圧電素子1と基体21との接合部に熱をより伝わりにくくすることができる。 Here, as shown in the figure, the upright portion 3 can be provided closer to the tubular body 22 than the laminated piezoelectric element 1. Since the upright portion 3 is provided at a position far from the laminated piezoelectric element 1, it is possible to make it more difficult for heat to be transferred to the joint portion between the laminated piezoelectric element 1 and the substrate 21.

また、立設部3としては、図3、図4に示すように積層型圧電素子1のまわりを一周連続して取り囲んだ平面視で環状の壁からなる構成とすることができる。これにより、熱分布が周方向に見てほぼ均等になるので、積層型圧電素子1と基体21との接合部に応力がかかったとしても、当該応力がほぼ均等にかかることになるので、応力が集中する箇所が生じにくくなる。 Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the erecting portion 3 can be configured to have an annular wall in a plan view that continuously surrounds the laminated piezoelectric element 1 around it. As a result, the heat distribution becomes almost uniform when viewed in the circumferential direction. Therefore, even if stress is applied to the joint portion between the laminated piezoelectric element 1 and the substrate 21, the stress is applied almost evenly. Is less likely to occur where the stress is concentrated.

なお、図6に示すように積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された複数の細い柱状体からなる構成であってもよく、図7に示すように積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された平面視で円弧状の複数の壁からなる構成であってもよい。 As shown in FIG. 6, it may be composed of a plurality of thin columnar bodies arranged around the laminated piezoelectric element 1 in the circumferential direction, and as shown in FIG. 7, around the laminated piezoelectric element 1. It may be composed of a plurality of arcuate walls arranged in the circumferential direction in a plan view.

なお、立設部3の厚み(基体21の半径方向の幅)は、熱分布および小型化の観点から好ましくは、例えば0.1〜0.3mmに設定される。 The thickness of the upright portion 3 (width in the radial direction of the substrate 21) is preferably set to, for example, 0.1 to 0.3 mm from the viewpoint of heat distribution and miniaturization.

また、図に示すように、立設部3の高さが鍔部222の厚み分の高さよりも高くすることができる。基体21と鍔部222とを抵抗溶接する際に金属の小さなパーティクル(飛散物)が発生することがあるが、立設部3の高さが鍔部222の厚み分の高さよりも高いことで、このパーティクル(飛散物)が内側の積層型圧電素子1のほうまで飛ばなくなるようにできることから、パーティクル(飛散物)が積層型圧電素子1に付着するのを抑制することができる。 Further, as shown in the figure, the height of the standing portion 3 can be made higher than the height corresponding to the thickness of the flange portion 222. Small metal particles (scattered matter) may be generated when the base 21 and the flange portion 222 are resistance welded. However, the height of the standing portion 3 is higher than the height of the flange portion 222. Since the particles (scattered matter) can be prevented from flying to the inner laminated piezoelectric element 1, it is possible to prevent the particles (scattered matter) from adhering to the laminated piezoelectric element 1.

なお、この場合の立設部3の高さは、パーティクル抑制および筒体22の挿入性の観点から好ましくは、鍔部222の厚みよりも例えば0.5〜1.0mm高くなるように設定される。 The height of the upright portion 3 in this case is preferably set to be, for example, 0.5 to 1.0 mm higher than the thickness of the flange portion 222 from the viewpoint of particle suppression and insertability of the tubular body 22. To.

また、図8に示すように、筒体22は、断面で見て、筒状部221の内面から鍔部222の下面にかけてほぼ直角に折れ曲がった形状であってもよいが、図9に示すように、筒体22は、筒状部221の内面から鍔部222の下面にかけて徐々に拡がる曲面状の内面を有しており、立設部3、基体21および筒体22で囲まれる空間を有している形状とすることもできる。 Further, as shown in FIG. 8, the tubular body 22 may have a shape that is bent at a substantially right angle from the inner surface of the tubular portion 221 to the lower surface of the flange portion 222 when viewed in cross section, but as shown in FIG. In addition, the tubular body 22 has a curved inner surface that gradually expands from the inner surface of the tubular portion 221 to the lower surface of the flange portion 222, and has a space surrounded by the standing portion 3, the base 21, and the tubular body 22. It can also be shaped like a right angle.

立設部3と筒体22(鍔部222)との間に基体21と鍔部222とを抵抗溶接する際に発生する溶融した金属をためるスペースがあることで、この金属が立設部3と筒体22との間の隙間から飛び出してパーティクル(飛散物)となるのを抑制し、パーティクル(飛散物)を内側の積層型圧電素子1のほうまで飛ばないようにすることもできる。 Since there is a space between the upright portion 3 and the tubular body 22 (flange portion 222) to store the molten metal generated when the base 21 and the flange portion 222 are resistance welded, this metal is used as the upright portion 3 It is also possible to suppress the particles (scattered matter) from jumping out from the gap between the cylinder 22 and the cylinder 22 and prevent the particles (scattered matter) from flying to the inner laminated piezoelectric element 1.

ここでいう、立設部3、基体21および筒体22で囲まれる空間を有しているとは、立設部3と筒体22との間に隙間があってよいことを意味しており、この隙間の幅は、パーティクル抑制および筒体22の挿入性の観点から好ましくは、例えば0.1〜0.2mmとされる。 The term "having a space surrounded by the standing portion 3, the base 21 and the tubular body 22" as used herein means that there may be a gap between the standing portion 3 and the tubular body 22. The width of this gap is preferably, for example, 0.1 to 0.2 mm from the viewpoint of particle suppression and insertability of the tubular body 22.

また、図10に示すように、立設部3が筒状部221の内面に接している構成とすることもできる。基体21の上面にある立設部3と筒体22とを精度よくかみあわせることで、立設部3が筒状部221の内面に接している形状とすることができる。これにより、パーティクル(飛散物)が筒体22の内側へ飛ばなくすることができる。 Further, as shown in FIG. 10, the standing portion 3 may be in contact with the inner surface of the tubular portion 221. By accurately engaging the upright portion 3 on the upper surface of the substrate 21 with the tubular body 22, the upright portion 3 can be formed into a shape in contact with the inner surface of the tubular portion 221. As a result, particles (scattered objects) can be prevented from flying inside the tubular body 22.

次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ10の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment will be described.

まず、圧電体層11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、PbZrO−PbTiO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 piezoelectric layer 11 is produced. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramics, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. Then, a ceramic green sheet is produced from this ceramic slurry by using a tape molding method such as a well-known doctor blade method or a calender roll method. As the piezoelectric ceramic, any ceramic having piezoelectric characteristics may be used, and for example, a perovskite-type oxide composed of PbZrO 3- PbTiO 3 or the like can be used. Further, as the plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP) and the like can be used.

次に、内部電極層12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13が得られる。 Next, a conductive paste to be the internal electrode layer 12 is produced. Specifically, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is printed on the above-mentioned ceramic green sheet by a screen printing method, and then a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated and conductive pastes are formed on both ends in the lamination direction. A laminated molded body is obtained by laminating a plurality of unprinted ceramic green sheets. The laminated body 13 is obtained by debindering the laminated molded product at a predetermined temperature and then firing it at 900 to 1200 ° C.

次に、積層体13の側面のうち両内部電極層(正極および負極)が導出された一対の側面に、酸化物の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15を形成する。 Next, an oxide ink is printed by screen printing on a pair of side surfaces from which both internal electrode layers (positive electrode and negative electrode) are derived from the side surfaces of the laminate 13, and then fired at 900 to 1200 ° C. to form a coating layer. 15 is formed.

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。 In the oxide ink, the oxide powder is dispersed in a solution of a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder, and then three rolls are passed several times to crush the agglomeration of the powder and at the same time. It is made by dispersing powder.

次に、メタライズ層から成る外部電極14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12の正極または負極が導出された積層体13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14を形成して積層型圧電素子1が完成する。 Next, the external electrode 14 made of the metallized layer is formed. First, a binder is added to silver particles and glass powder to prepare a silver glass-containing conductive paste, and the positive electrode or the negative electrode of the internal electrode layer 12 is printed on a pair of opposite side surfaces of the laminate 13 from which the positive electrode or the negative electrode is derived by a screen printing method. , The baking process is performed at a temperature of about 500 to 800 ° C. As a result, the external electrode 14 made of the metallized layer is formed, and the laminated piezoelectric element 1 is completed.

次に、外部電極14とリード線41を半田付けする。また、切削加工にて立設部3および抵抗溶接用の環状部(図示せず)を形成するとともに、穴加工にて貫通孔を形成してな
る基体21を用意する。なお、立設部3は、基体21を切削加工して形成することの他、別部材(例えばリング状部材)を固着させて形成してもよい。
Next, the external electrode 14 and the lead wire 41 are soldered. Further, a substrate 21 is prepared in which an upright portion 3 and an annular portion (not shown) for resistance welding are formed by cutting, and a through hole is formed by hole processing. The upright portion 3 may be formed by cutting the substrate 21 or by fixing another member (for example, a ring-shaped member).

次に、この基体21に形成された2つの貫通孔にそれぞれリードピン43を挿通するとともに隙間に軟質ガラス44を充填して固定し、さらに基体21の上面に積層型圧電素子1の下端部を接着剤で接着する。そして、積層型圧電素子1の外部電極14に半田42にて半田付けしたリード線41と基体21に取り付けられたリードピン43とを半田で接続する。 Next, the lead pin 43 is inserted into each of the two through holes formed in the substrate 21, and the gap is filled with soft glass 44 to fix the substrate 21, and the lower end of the laminated piezoelectric element 1 is adhered to the upper surface of the substrate 21. Adhere with an agent. Then, the lead wire 41 soldered to the external electrode 14 of the laminated piezoelectric element 1 with solder 42 and the lead pin 43 attached to the substrate 21 are connected by soldering.

次に、SUS304製のシームレスの円筒状の筒体22に圧延加工によりベロー形状を形成する。圧延加工時に金型形状を変更することにより、溝部の厚み、及び曲率半径の変更することができる。この筒体22の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋体23をレーザー溶接によって溶接する。なお、筒体22の他端側(下端側)には鍔部222が形成される。 Next, a bellows shape is formed on the seamless cylindrical cylinder 22 made of SUS304 by rolling. By changing the shape of the mold during rolling, the thickness of the groove and the radius of curvature can be changed. The lid 23 made of SUS304 is welded by laser welding so as to close the opening on one end side (upper end side) of the cylinder 22. A collar portion 222 is formed on the other end side (lower end side) of the tubular body 22.

ここで、図8に示すような、断面でみて直角に折れ曲がった形状にするために、円筒状の筒体22を圧延加工時の金型形状に直角を設ければよい。同様に、図9に示すような断面で見て湾曲した形状(ラッパ状)とするために、圧延加工時の金型形状に湾曲した形状を設ければよい。 Here, in order to form a shape that is bent at a right angle when viewed in cross section as shown in FIG. 8, the cylindrical cylinder 22 may be provided with a right angle to the mold shape at the time of rolling. Similarly, in order to obtain a curved shape (trumpet shape) when viewed in cross section as shown in FIG. 9, a curved shape may be provided in the mold shape at the time of rolling.

次に、筒体22を基体21に接着した積層型圧電素子1に被せ、所定の荷重で筒体を引張り、積層型圧電素子1に荷重を加える。この状態で、筒体22の鍔部222と基体21とを抵抗溶接によって溶接する。 Next, the tubular body 22 is put on the laminated piezoelectric element 1 bonded to the substrate 21, the tubular body is pulled with a predetermined load, and a load is applied to the laminated piezoelectric element 1. In this state, the flange portion 222 of the tubular body 22 and the base 21 are welded by resistance welding.

最後に、基体21に取り付けられたリードピン43に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13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が完成する。 Finally, the piezoelectric actuator of the present embodiment is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the lead pin 43 attached to the substrate 21 to polarize the laminated body 13.

そして、リードピン43と外部電源とを接続して、圧電体層11に電圧を印加することにより、各圧電体層11を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。 Then, by connecting the lead pin 43 and the external power source and applying a voltage to the piezoelectric layer 11, each piezoelectric layer 11 can be largely displaced by the inverse piezoelectric effect.

実施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 was manufactured as follows.

まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)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120μm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 in which a calcined powder of piezoelectric ceramics containing lead zirconate titanate (PbZrO 3- PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm as a main component, a binder and a plasticizer is mixed is prepared, and a doctor blade method is performed. A ceramic green sheet to be a piezoelectric layer having a thickness of 120 μm was produced.

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。 260 ceramic green sheets printed with a conductive paste as an internal electrode prepared by adding a binder to a silver-palladium alloy (95% by mass of silver-5% by mass of palladium) on one side of this ceramic green sheet by a screen printing method. A laminated molded body was prepared by laminating 20 sheets of ceramic green sheets without conductive paste on the upper and lower layers.

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 prepare a laminated body. The firing was carried out at 1000 ° C. for 200 minutes after maintaining the temperature at 800 ° C. for 90 minutes. The laminated body had a rectangular parallelepiped shape, and its size was 5 mm in length and 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, inks made of partially stabilized zirconia, a piezoelectric material, the same material as the piezoelectric layer, and lead zirconate titanate are prepared, and screen printing is performed so that the thickness of each coating layer is 20 μm. , The inner electrode layer was printed on the side surface of the laminated body in which both electrodes were exposed, and then fired at 1000 ° C. to form a coating layer on the side surface of the laminated body.

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、半田付けにて外部電極にリード線を接続した。 Next, a binder is added to silver particles and glass powder to prepare a silver glass-containing conductive paste, which 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. to the outside. 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、切削にて立設部と、溶接される部位となる環状部を設け、2箇所に貫通孔を形成した図2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。なお、立設部は、高さ1.0mm、厚み(基体の半径方向の幅)0.3mmのリング状とした。環状部は、高さ0.2mm、幅0.5mmの断面三角形状とした。 Moreover, a disk-shaped substrate was prepared with SUS304. Specifically, a base having a shape shown in FIG. 2 was produced by providing an upright portion and an annular portion to be welded by cutting and forming through holes at two locations. Then, a lead pin was attached to the through hole formed in the substrate with soft glass. The vertical portion had a ring shape with a height of 1.0 mm and a thickness (width in the radial direction of the substrate) of 0.3 mm. The annular portion has a triangular cross section with a height of 0.2 mm and a width of 0.5 mm.

次に、基体の上面に積層体を接着剤で固定し、外部電極に半田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半田付けで接続した。 Next, the laminate was fixed to the upper surface of the substrate with an adhesive, and the lead wire soldered to the external electrode and the lead pin attached to the substrate were connected by soldering.

次に、SUS304で円板状の蓋体を作製した。
また、SUS316L製の厚み0.15mmのシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状とラッパ状の下端部(鍔部)を形成した筒体を作製した。
Next, a disk-shaped lid was produced with SUS304.
Further, a SUS316L seamless cylinder having a thickness of 0.15 mm was rolled to produce a cylinder having a bellows shape and a trumpet-shaped lower end portion (flange portion).

作製した筒体に蓋体を挿入し、筒体と蓋体を溶接した。そして、この溶接したものを、基体に接着した積層型圧電素子に被せ、所定の荷重で筒体を引張り、積層型圧電素子に荷重を印加した後、筒体と基体の環状部との当接部を抵抗溶接で溶接した。 The lid was inserted into the prepared cylinder, and the cylinder and lid were welded together. Then, this welded material is put on the laminated piezoelectric element adhered to the substrate, the tubular body is pulled with a predetermined load, a load is applied to the laminated piezoelectric element, and then the tubular body and the annular portion of the substrate are brought into contact with each other. The part was welded by resistance welding.

最後に、これらの試料の2本のリードピンに3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、実施例の圧電アクチュエータを作製した。 Finally, a DC electric field of 3 kV / mm was applied to the two lead pins of these samples for 15 minutes to perform polarization treatment, and the piezoelectric actuator of the example was produced.

一方、比較例として、立設部が無い以外は上記と同様の構成の圧電アクチュエータを作製した。 On the other hand, as a comparative example, a piezoelectric actuator having the same configuration as the above was manufactured except that there was no upright portion.

そして、実施例及び比較例のそれぞれの圧電アクチュエータについて、耐久試験前後の変位量を変位測定装置にて測定した。 Then, the displacement amount before and after the durability test was measured by the displacement measuring device for each of the piezoelectric actuators of the examples and the comparative examples.

まず、それぞれの圧電アクチュエータに200Vの直流電圧を印加して、初期変位量を求めたところ、実施例および比較例の圧電アクチュエータはともに変位量が55μmであった。 First, when a DC voltage of 200 V was applied to each piezoelectric actuator to obtain the initial displacement amount, the displacement amount of both the piezoelectric actuators of the examples and the comparative examples was 55 μm.

さらに、これらの圧電アクチュエータについて、室温で電圧200Vにて1000時間駆動し続ける耐久試験を行なった。その結果、実施例の圧電アクチュエータはほとんど変位量が変化しなかったのに対し、比較例の圧電アクチュエータは5%程度の変位量の低下がみられた。 Further, these piezoelectric actuators were subjected to a durability test in which they were continuously driven at room temperature at a voltage of 200 V for 1000 hours. As a result, the displacement amount of the piezoelectric actuator of the example hardly changed, whereas the displacement amount of the piezoelectric actuator of the comparative example decreased by about 5%.

これにより、実施例の圧電アクチュエータのほうが変位量を長期間安定して得られることが確認された。 From this, it was confirmed that the piezoelectric actuator of the example can obtain the displacement amount more stably for a long period of time.

10・・・圧電アクチュエータ
1・・・積層型圧電素子
11・・・圧電体層
12・・・内部電極層
13・・・積層体
14・・・外部電極
15・・・被覆層
2・・・金属ケース
21・・・基体
22・・・筒体
221・・・筒状部
222・・・鍔部
23・・・蓋体
3・・・立設部
41・・・リード線
42・・・半田
43・・・リードピン
44・・・軟質ガラス
10 ... Piezoelectric actuator 1 ... Piezoelectric element 11 ... Piezoelectric layer 12 ... Internal electrode layer 13 ... Laminated body 14 ... External electrode 15 ... Coating layer 2 ... Metal case 21 ... Base 22 ... Cylindrical body 221 ... Cylindrical portion 222 ... Flange portion 23 ... Lid body 3 ... Standing portion 41 ... Lead wire 42 ... Solder 43 ... Lead pin 44 ... Soft glass

Claims (5)

積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の上端および下端が内壁に当接するように前記積層型圧電素子を収容した金属ケースとを備え、前記金属ケースは、前記積層型圧電素子の下端に当接された基体と、該基体の上面に接合された筒体とを含み、該筒体は、上下に延びる筒状部と、該筒状部の下端に接続された鍔部とを有し、前記基体は、環状部を有し、該環状部にて前記基体と前記鍔部とが接合され、前記基体の上面における前記積層型圧電素子と前記筒体および前記環状部との間の領域には、前記積層型圧電素子とは間隔をおいて当該積層型圧電素子を取り囲むように立設部があり、
該立設部は、前記筒体から離れて位置していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A laminated piezoelectric element and a metal case accommodating the laminated piezoelectric element so that the upper and lower ends of the laminated piezoelectric element abut against the inner wall are provided, and the metal case hits the lower end of the laminated piezoelectric element. The tubular body includes a contacted substrate and a tubular body joined to the upper surface of the substrate, and the tubular body has a tubular portion extending vertically and a flange portion connected to the lower end of the tubular portion. The substrate has an annular portion, and the substrate and the flange portion are joined at the annular portion, and the region between the laminated piezoelectric element and the tubular body and the annular portion on the upper surface of the substrate. , said the multilayer piezoelectric element Ri erected Bugaa as at intervals surrounding the stacked piezoelectric element,
The erection portion is a piezoelectric actuator characterized in that it is located away from the tubular body .
前記立設部が前記積層型圧電素子よりも前記筒体に近い側に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the vertical portion is provided closer to the tubular body than the laminated piezoelectric element. 前記立設部が前記積層型圧電素子を一周連続して取り囲んでいることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2, wherein the erecting portion continuously surrounds the laminated piezoelectric element. 前記立設部の高さが前記鍔部の厚み分の高さよりも高いことを特徴とする請求項1乃至請求項3のうち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 height of the standing portion is higher than the height corresponding to the thickness of the collar portion. 前記筒体は、前記筒状部の内面から前記鍔部の下面にかけて徐々に拡がる曲面状の内面を有しており、前記立設部、前記基体および前記筒体で囲まれる空間を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ The tubular body has a curved inner surface that gradually expands from the inner surface of the tubular portion to the lower surface of the flange portion, and has a space surrounded by the erecting portion, the substrate, and the tubular body. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric actuator is characterized by the above .
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