JP6927848B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本開示は、圧電アクチュエータに関し、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。 The present disclosure relates to piezoelectric actuators, for example, piezoelectric actuators used in mass flow controllers, precision positioning devices for XY tables, and the like.
圧電アクチュエータとして、四角柱状の積層型圧電素子と、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たものが知られている。ここで、積層型圧電素子を金属ケースに封入する際、積層型圧電素子の端面の全面が接合材で金属ケースに接着される(例えば特許文献1を参照)。 As a piezoelectric actuator, a square columnar 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 the inner wall are known. Here, when the laminated piezoelectric element is sealed in the metal case, the entire end surface of the laminated piezoelectric element is adhered to the metal case with a bonding material (see, for example, Patent Document 1).
積層型圧電素子の端面の全面と金属ケースとが強固に接合材で接着されていると、積層型圧電素子の下端における図形の重心から一番遠い部位に応力が集中し、この部位にある接合材から積層型圧電素子にかけてクラックが入り、圧電アクチュエータの機能が低下するおそれがある。 When the entire end face of the laminated piezoelectric element and the metal case are firmly bonded with a bonding material, stress is concentrated on the part farthest from the center of gravity of the figure at the lower end of the laminated piezoelectric element, and the bonding is performed at this part. Cracks may occur from the material to the laminated piezoelectric element, and the function of the piezoelectric actuator may deteriorate.
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、クラックが生じるのを抑制された圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a piezoelectric actuator in which cracks are suppressed from occurring.
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、前記積層型圧電素子は、圧電体層および内部電極層が積層された積層体を備えており、該積層体は、複数の側面を有する多角柱状であり、前記積層型圧電素子の下端が前記金属ケースに接合
材で接合されており、該接合材は、積層方向から見て少なくとも前記積層型圧電素子の下端における図形の重心から最も遠い部位に設けられておらず、積層方向から見て前記積層体の下端から外側にはみ出したはみ出し部を有していることを特徴とする。
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 . The laminate includes a laminate in which a piezoelectric layer and an internal electrode layer are laminated, the laminate is a polygonal columnar having a plurality of side surfaces, and the lower end of the laminated piezoelectric element is bonded to the metal case with a bonding material. The bonding material is not provided at least at the lower end of the laminated piezoelectric element at the position farthest from the center of gravity of the figure when viewed from the stacking direction, and protrudes outward from the lower end of the laminated body when viewed from the stacking direction. It is characterized by having a protruding portion.
本開示の圧電アクチュエータによれば、積層型圧電素子の下端における図形の重心から最も遠い部位への応力集中がなくなるので、この部位にクラックが生じるのを抑制することができる。 According to the piezoelectric actuator of the present disclosure, stress concentration at the lower end of the laminated piezoelectric element at the portion farthest from the center of gravity of the figure is eliminated, so that it is possible to suppress the occurrence of cracks at this portion.
圧電アクチュエータの実施形態について図面を参照して説明する。 An embodiment of the piezoelectric actuator will be described with reference to the drawings.
図1および図2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。
The
積層型圧電素子1は、図3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積層体13を備えた圧電素子である。
As shown in FIG. 3, the laminated
積層体13は、例えば縦0.5mm〜10mm、横0.5mm〜10mm、高さ1mm〜100mmの四角柱状(直方体状)にされている。積層体13の形状としては、六角柱形状や八角柱形状、円柱状などであってもよい。
The laminated
圧電体層11は、圧電特性を有するセラミックスからなるものである。このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)、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。この圧電体層11の厚みは、例えば3μm〜250μmとされる。
The
内部電極層12は、圧電体層11と同時焼成により形成されたものである。内部電極層12は、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122を含んでいる。例えば、第1の内部電極層121を正極、第2の内部電極層122を負極またはグランド極としてそれらの間に挟まれた圧電体層11に駆動電圧を印加することができる。ここで、積層体13の一つの側面に第1の内部電極層121が引き出され、他の側面に第2の内部電極層122が引き出されている。このような材料として、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などを主成分とする導体を用いることができる。第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の厚みは、例えば0.1μm〜5μmとされる。
The
また、積層体13は予定破断層14を備えていてもよい。ここで、予定破断層14とは、積層型圧電素子1の駆動によって生じる応力を緩和するための層である。予定破断層14としては、例えば内部電極層12として機能しない多孔質な金属層、あらかじめ亀裂の入った金属層などが挙げられる。
Further, the laminated
また、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122のいずれか一方の端面が引き出された一対の側面には、それぞれ外部電極15が設けられ、引き出された第1の内部電極層121または第2の内部電極層122と電気的に接続されている。
Further, an
この外部電極15は、例えばAgやCuなどの金属およびガラスを含んだ導電性ペーストを焼き付けて作製することができる。ここで、外部電極15を積層体13の側面に垂直な横断面で見たときに、外部電極15の厚みは例えば5μm〜70μmとされる。例えば、外部電極15の端部にリード部材が接合され、リード部材を介して外部回路との電気的な接続がなされる。
The
一方、積層体13の対向する他の一対の側面には、例えば第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の両方の端面が達していて、必要により樹脂や絶縁性セラミックスなどからなる被覆層が設けられてもよい。
On the other hand, the end faces of both the first
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。
Further, the
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の下端面が当接し、蓋体23の下面に積層型圧電素子1の上端面が当接している。
The
基体21、筒体22および蓋体23は、例えばSUS304やSUS316Lなどの金属体である。
The
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0.1mm〜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)までは円筒状のものであるが、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
また、基体21は円板状のもので、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、例えば積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で溶接されている。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、この貫通孔にリードピン43を挿通させている。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。リードピン43の先端にはリード線41が接続されているとともに、このリード線41がはんだ42で外部電極15に取り付けられていて、リードピン43およびリード線41を介して積層型圧電素子1に駆動電圧を印加するようになっている。
Further, the
蓋体23は外径が筒体22の一端側開口の内径と同じ程度とされたものである。筒体22の一端側開口から蓋体23が嵌め込まれ、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されている。このとき、積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で、筒体22の鍔部222と基体21とが溶接されている。
The outer diameter of the
そして、図2および図4に示すように、積層型圧電素子1の下端が金属ケース2に接合材3で接合されており、接合材3は、積層方向から見て少なくとも積層型圧電素子1の下端における図形の重心から最も遠い部位に設けられていない。
Then, as shown in FIGS. 2 and 4, the lower end of the laminated
積層型圧電素子1の下端を金属ケース2に接合する接合材3は、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂等である。積層型圧電素子1の下端と基体21の上面との間にある接合材3の厚みは、例えば0.01mm〜0.30mmとされる。
The
積層型圧電素子1が積層方向に伸縮すると同時に積層方向に垂直な方向にも広がったり縮んだりする。このとき、金属ケース2に接合された積層型圧電素子1の下端面の図形の重心から最も遠い部位が最も大きく動くことから、この部位に応力が集中してクラックが入りやすい。具体的には、積層型圧電素子1の下端面の図形の重心から最も遠い部位と接合材3との接合部付近からクラックが生じ、長期間の使用により積層型圧電素子1の内部に向かってクラックが進展するおそれがある。
The laminated
これに対し、接合材3が、積層型圧電素子1の積層方向から見て少なくとも当該積層型
圧電素子1の下端における図形の重心から最も遠い部位に設けられていないことで、この部位への応力集中がなくなり、この部位にクラックが生じるのを抑制することができる。したがって、圧電アクチュエータ10の耐久性が向上する。
On the other hand, since the
ここで、少なくとも積層型圧電素子1の下端における図形の重心から最も遠い部位に設けられていないとは、積層型圧電素子1が四角柱状であって下端面が四角形の場合は、4隅に設けられていないことを意味する。また、積層型圧電素子1が円柱状の場合(遠い近いがなく全部の距離が同じ場合)は、外周部まで達していないことを意味している。
Here, at least the lower end of the laminated
なお、積層型圧電素子1の上端が金属ケース2と接合される場合には、積層型圧電素子1の上端と金属ケース2との間にある接合材も同様の形状であるのがよい。
When the upper end of the laminated
また、積層型圧電素子1は、圧電体層11、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が積層された積層体13と、該積層体13の側面に設けられ、第1の内部電極層121または第2の内部電極層122と電気的に接続された外部電極15とを備えている。この場合において、接合材3は、図5に示すように、積層方向から透視したときに第1の内部電極層121および第2の内部電極層122が重なる活性領域130の外縁よりも内側に位置するように設けられていてもよい。
Further, the laminated
具体的には、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122は、例えば矩形状の形状である。そして、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122において、外部電極15と電気的に接続された側の端部は積層体13の側面まで達しているが、外部電極15と電気的に接続された側とは反対側の端部は短絡を防止するために積層体13の側面よりも例えば0.1mm〜1.5mm内側に位置している。なお、第1の内部電極層121および第2の内部電極層122の他の一対の端部は、外部電極15が設けられていない側面まで達していてもよく、この側面から例えば0.1mm〜1.5mm内側に位置していてもよい。
Specifically, the first
ここで、積層方向から透視したときに第1の内部電極層121と第2の内部電極層122とが重なる活性領域131は伸縮するが、積層方向から透視したときに第1の内部電極層121と第2の内部電極層122とが重ならない不活性領域132は伸縮しにくいので、これらの境界に応力がかかる。そこで、接合材3を活性領域131と不活性領域132との境界にかからないように配置することで、この部位で接合材3および積層型圧電素子1にクラックが生じるのを抑制することができ、耐久性が向上する。
Here, the active region 131 in which the first
また、図6に示すように、接合材3は、積層方向から見て積層体13の下端から外側にはみ出したはみ出し部31を有していてもよい。積層型圧電素子1が駆動して伸縮するとき、接合材3のはみ出し部31にも応力が伝わることで応力が分散し、積層型圧電素子1の下端と金属ケース2の基体21との間に生じる応力が緩和される。また、接合材3のはみ出し部31は積層型圧電素子1の伸縮による引っ張りや押圧の影響を受けにくいので、積層型圧電素子1の駆動時に接合材3が剥がれにくくなり、さらに耐久性が向上する。
Further, as shown in FIG. 6, the joining
なお、図6は金属ケース2を透過してみた積層型圧電素子1の下面および接合材3を示しているもので、接合材3のはみ出し部31がある場合であっても、接合材3は積層型圧電素子1の下面の4隅には設けられていない。積層体13が四角柱状の場合における下端の四角形の一辺の長さが0.5mm〜10mmの場合、積層体13の側面に垂直な方向の最大はみ出し距離は、例えば0.2mm〜3mmの範囲内で設定される。
Note that FIG. 6 shows the lower surface of the laminated
また、図7に示すように、積層体13は複数の側面を有する多角柱状であり、接合材3は、積層方向から見て積層体13の下端から複数の側面のすべてにおいて外側にはみ出し
たはみ出し部31を有していてもよい。言い換えると、はみ出し部31は、積層方向から見て、積層体13の複数の側面のすべての下端においてはみ出しているのがよい。これにより、バランスよく応力が分散し、さらに耐久性が向上する。特に、図8に示すように、接合材3は平面透視としてもよい。
Further, as shown in FIG. 7, the
なお、積層体13が四角柱状の場合における下端の四角形の一辺の長さが0.5mm〜10mmの場合、積層体13のすべての側面において、当該側面に垂直な方向の最大はみ出し距離は例えば0.2mm〜3mmの範囲内で設定される。
When the length of one side of the lower end quadrangle is 0.5 mm to 10 mm when the
また、図9に示すように、はみ出し部31は、積層型圧電素子1の下端よりも高く盛り上がっており、積層体13の側面に固着されていてもよい。これにより、応力の集中箇所が積層型圧電素子1の側面まで分散されるとともに、積層型圧電素子1と接合材3とがより強固に接合されて耐久性が向上する。
Further, as shown in FIG. 9, the protruding portion 31 is raised higher than the lower end of the laminated
なお、はみ出し部31は、積層型圧電素子1の下面よりも例えば0.1mm〜2.0mm高くなるように設定される。
The protruding portion 31 is set to be higher than the lower surface of the laminated
このとき、図9に示すように、はみ出し部31は、積層体13の側面から最も外側まではみ出している部位までの距離が、積層型圧電素子1の下端から最も高く盛り上がっている部位までの距離よりも長くてもよい。ここで、積層体13の側面から最も外側まではみ出している部位までの距離とは、側面に対して垂直な方向の距離のことを意味する。これにより、積層型圧電素子1の駆動時にかかる縦方向(積層方向)より大きな横方向(積層方向に垂直な方向)の応力がより緩和される。
At this time, as shown in FIG. 9, the distance from the side surface of the
また、図10に示すように、積層型圧電素子1の下端の稜部がC面またはR面になっていてもよい。これにより、稜部付近への応力集中が抑制され、また稜部に接合材3が広がることで応力が緩和され、耐久性が向上する。
Further, as shown in FIG. 10, the ridge portion at the lower end of the laminated
次に、本実施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
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、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)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12となる導電性ペーストを作製する。具体的には、例えば銀−パラジウム合金の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内部電極層12のパターンで印刷する。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。ここで、必要により、多孔質な金属層からなる予定破断層14となるように、導電性ペーストを塗布したセラミックグリーンシートを積層成形体の中に配置してもよい。
Next, a conductive paste to be the
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℃で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって積層体13を
作製する。
After the laminated molded body is debindered at a predetermined temperature, it is fired at 900 to 1200 ° C. and ground to a predetermined shape using a surface grinding machine or the like to produce the
なお、積層体13は上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層11と内部電極層12とを複数積層してなる積層体13を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。
The laminate 13 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any production can be made as long as the laminate 13 formed by laminating a plurality of the
次に、AgやCuのような金属を含んだ導電性ペーストを用い、外部電極15を形成する。具体的には、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やディスペンス方式によって印刷し、乾燥させた後、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、外部電極15を形成する。
Next, the
次に、必要により、積層体13の側面のうち両内部電極層12が導出された一対の側面に、被覆層となるエポキシ、シリコーン、ナイロンなどの樹脂を印刷やディスペンス方式により形成する。 Next, if necessary, a resin such as epoxy, silicone, or nylon as a coating layer is formed on a pair of side surfaces from which both internal electrode layers 12 are derived from the side surfaces of the laminate 13 by printing or a dispense method.
その後、外部電極5に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13を構成する圧電体層11を分極することによって、積層型圧電素子1が完成する。
After that, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the
次に、外部電極15とリード線41をはんだ付けする。
Next, the
また、切削加工にて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。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の下端部を接合材3で接着する。そして、積層型圧電素子1の外部電極14にはんだ42にてはんだ付けしたリード線41と基体21に取り付けられたリードピン43とをはんだで接続する。
Further, a
ここで、接合材3は、積層方向から見て少なくとも積層型圧電素子1の下端における図形の重心から最も遠い部位に設けられていないように塗布し、また所望の形状となるように適宜塗布量を調整して塗布する。
Here, the
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の筒状部221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
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
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。
Finally, a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm is applied to the
以上の製法により、本実施形態の圧電アクチュエータ10が得られる。
By the above manufacturing method, the
圧電アクチュエータを以下のように作製した。 The piezoelectric actuator 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 as an internal electrode layer 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. 260 sheets were laminated, and 20 ceramic green sheets without conductive paste were laminated on the upper and lower layers to prepare a laminated molded body.
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、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、切削にて位置決め部を構成する金属体と、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。 Moreover, a disk-shaped substrate was prepared with SUS304. Specifically, a metal body constituting a positioning portion by cutting and an annular portion to be welded were provided, and a substrate having a shape shown in FIG. 2 having through holes formed at two locations was produced. Then, a lead pin was attached to the through hole formed in the substrate with soft glass.
次に、基体の上面に積層体を接合材で固定し、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はんだ付けで接続した。 Next, the laminate was fixed to the upper surface of the substrate with a bonding material, and the lead wire soldered to the external electrode and the lead pin attached to the substrate were connected by soldering.
ここで、実施例(試料No.1)として図4に示す接合材の状態のものを作製した。まず、積層体と金属ケースとを接着する接合材としてエポキシ樹脂を用い、積層体の底面の中心に0.1〜10mgをディスペンサーによって塗布し、金属ケースを接着させた。このとき、重心から最も遠い端部にエポキシ樹脂が到達していないことを目視で確認した。そして150〜200℃のオーブンで加熱しエポキシ樹脂を硬化させ作製した。 Here, as an example (Sample No. 1), the one in the state of the bonding material shown in FIG. 4 was prepared. First, an epoxy resin was used as a bonding material for adhering the laminate and the metal case, and 0.1 to 10 mg was applied to the center of the bottom surface of the laminate by a dispenser to adhere the metal case. At this time, it was visually confirmed that the epoxy resin did not reach the end farthest from the center of gravity. Then, it was produced by heating in an oven at 150 to 200 ° C. to cure the epoxy resin.
一方、比較例(試料No.2)としてエポキシ樹脂が重心から最も遠い端部である積層体の4隅に到達するように作製した。 On the other hand, as a comparative example (Sample No. 2), the epoxy resin was prepared so as to reach the four corners of the laminate, which is the farthest end from the center of gravity.
次に、SUS304で円板状の蓋体を作製した。 Next, a disk-shaped lid was produced with SUS304.
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。 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 the lid were welded. Then, this welded material is put on the laminated piezoelectric element adhered to the substrate, the cylinder is pulled with a predetermined load, a load is applied to the laminated piezoelectric element, and then the contact portion between the cylinder and the substrate is resisted. Welded by welding.
最後に、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(試料No.1)および比較例(試料No.2)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 for 15 minutes to perform polarization treatment, and the piezoelectric actuators of Example (Sample No. 1) and Comparative Example (Sample No. 2) were produced.
そして、これらの圧電アクチュエータについて、150V、80Hzの連続駆動試験を行った。 Then, these piezoelectric actuators were subjected to a continuous drive test at 150 V and 80 Hz.
その結果、比較例である試料No.2の圧電アクチュエータは、5×106回の連続駆動で接合材と積層型圧電素子との接合界面から積層型圧電素子の内部に向かってクラックが入り、内部電極層間でショートし、スパークして駆動しなくなった。 As a result, the sample No. which is a comparative example. The piezoelectric actuator of 2 cracks from the bonding interface between the bonding material and the laminated piezoelectric element toward the inside of the laminated piezoelectric element by continuous driving 5 × 10 6 times, short-circuits between the internal electrode layers, and sparks. It stopped driving.
これに対し、実施例である試料No.1の圧電アクチュエータは、連続駆動1×108回をすぎても変わらず安定して駆動していた。なお、駆動後に積層型圧電素子の端部を観察してみたところ、クラックはなかった。 On the other hand, the sample No. which is an example. The piezoelectric actuator of No. 1 was stably driven without change even after 1 × 10 8 times of continuous driving. When the end portion of the laminated piezoelectric element was observed after driving, there was no crack.
以上の結果から、本実施形態の圧電アクチュエータによれば、長期間の耐久性に優れることがわかった。 From the above results, it was found that the piezoelectric actuator of the present embodiment has excellent long-term durability.
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
121・・・第1の内部電極層
122・・・第2の内部電極層
13・・・積層体
14・・・予定破断層
15・・・外部電極
2・・・金属ケース
21・・・基体
22・・・筒体
221・・・筒状部
222・・・鍔部
23・・・蓋体
3・・・接合材
31・・・はみ出し部
10 ...
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