JPWO2013065710A1

JPWO2013065710A1 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPWO2013065710A1
Application number: JP2013541802A
Authority: JP
Inventors: 瀬戸口　剛; 剛瀬戸口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP5717869B2; WO2013065710A1

Abstract

【課題】引張り応力による溶接部の疲労破壊を防止することのできる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子の一端部に当接する基体５と、圧電素子の他端部に当接する内面を有し、圧電素子を内部に収容するケースとを備え、ケースは、基体５に接合される鍔部３０１を有しており、基体５とケースとが溶接部４を介して接合された圧電アクチュエータであって、ケース３は、筒状部３０２と、筒状部３０２の一端から湾曲して外方に広がる湾曲部３０３と、湾曲部３０３からさらに外方に広がる鍔部３０１とを含み、溶接部４が鍔部３０１と基体５との間から湾曲部３０３と基体５との間にわたって設けられていることを特徴する。【選択図】図３

Description

本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、ＸＹテーブルの精密位置決め装置、ガス流量調整用の弁制御、カメラのオートフォーカス機構、ズーム機構、手振れ補正機構、ハードディスクドライブのヘッド位置制御、光学機器の光軸調整、焦点調整、マスフローコントローラー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。

圧電アクチュエータとして、例えば、圧電体層および内部電極層が複数積層された柱状の積層体と、この積層体の側面に積層方向にそれぞれ被着されて内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを含む圧電素子を、金属製の容器の内部に封入したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−５８２６１号公報

上記の圧電アクチュエータは、圧電素子が常に圧縮応力下に置かれるように、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、基体、ケース等の部材をレーザー溶接や抵抗溶接による溶接部を介して接合してなる金属製の容器に封入されたものである。

このようなアクチュエータでは、駆動による変位で溶接部に繰り返し引張り応力がかかると、断面で見た溶接部とケースとの交点（溶接部の内側上端）を支点にケースが変形し、この部位に応力が集中しやすくなってクラックの起点となり、溶接部とケースとの界面が疲労破壊するという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は引張り応力による溶接部の疲労破壊を抑制することの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。

本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子の一端部に当接する基体と、前記圧電素子の他端部に当接する内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記基体と前記ケースとが溶接部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、筒状部と、該筒状部の一端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、該湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、前記溶接部が前記鍔部と前記基体との間から前記湾曲部と前記基体との間にわたって設けられていることを特徴とするものである。

本発明の圧電アクチュエータによれば、溶接部の最大引張り荷重がかかる部位が圧電アクチュエータの中心寄りになるため、内側の溶接部にかかる引張り荷重自体が小さくなるとともに、引張り応力に対して変形しにくくなる。したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による溶接部とケースとの界面の疲労破壊を抑制することができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。

本発明の圧電アクチュエータについて実施の形態の一例を示す断面図である。図１に示す圧電素子の概略斜視図である。図１に示す圧電アクチュエータの要部の一例を示す拡大図である。図１に示す圧電アクチュエータの要部の他の例を示す拡大図である。図１に示す圧電アクチュエータの要部の他の例を示す拡大図である。従来の圧電アクチュエータの要部拡大図である。

以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について図面を参照して説明する。

図１は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１に示す圧電素子の概略斜視図、図３は図１に示す圧電アクチュエータの要部拡大図である。

図１乃至図３に示す圧電アクチュエータ１は、圧電素子２と、圧電素子２の一端部に当接する基体５と、圧電素子２の他端部に当接する内面を有し、圧電素子を内部に収容するケース３とを備え、基体５とケース３とが溶接部４を介して接合された圧電アクチュエータであって、ケース３は、筒状部３０２と、筒状部３０２の一端（下端）から湾曲して外方に広がる湾曲部３０３と、湾曲部３０３からさらに外方に広がる鍔部３０１とを含み、溶接部４が鍔部３０１と基体５との間から湾曲部３０３と基体５との間にわたって設けられている。

圧電素子２は、図２に示すように、例えば圧電体層２１と内部電極層２２とが交互に複数積層された活性部２５と、活性部２５の積層方向の両端に積層された圧電体層２１からなる（内部電極層２２を含まない）不活性部２６とを有する積層体２０を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部２５は駆動時に圧電体層２１が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部２６は駆動時に圧電体層２１が積層方向に伸長または収縮しない部位である。

圧電素子２を構成する積層体２０は、例えば縦４〜７ｍｍ、横４〜７ｍｍ、高さ２０〜５０ｍｍの直方体状に形成されている。なお、図２に示す積層体２０は四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

積層体２０を構成する複数の圧電体層２１は、圧電特性を有する圧電磁器（圧電セラミックス）からなり、当該圧電磁器は平均粒径が例えば１．６〜２．８μｍに形成されたものである。圧電磁器としては、例えばＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。

また、内部電極層２２は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などで形成されたものであり、正極と負極（もしくはグランド極）とがそれぞれ積層体２０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２５において、積層方向に隣り合う内部電極層２２同士の間に挟まれた圧電体層２１に駆動電圧を印加するものである。

なお、積層体２０には、応力を緩和するための層であって内部電極層２２として機能しない金属層等が含まれていてもよい。

そして、内部電極層２２の正極と負極（もしくはグランド極）とが互い違いに導出された積層体２０の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極２３が被着され、導出された内部電極層２２と接合されている。外部電極２３は、例えば銀およびガラスの焼結体からなる導体層であり、内部電極層２２との電気的に導通されている。なお、図１に示すように、外部電極２３にはリード線１３が例えば半田１５によって取り付けられていて、リード線１３を介して駆動電圧を印加するようになっている。

一方、積層体２０の対向する他の一対の側面には、内部電極層２２の正極および負極（もしくはグランド極）の両極が達しており、この側面には例えば酸化物からなる被覆層２４が形成されている。被覆層２４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２４を形成する酸化物としては、例えばセラミック材料が挙げられ、特に、圧電アクチュエータを駆動した際の積層体２の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層２４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、Ｌｎ_１−ＸＳｉ_ＸＡｌＯ_{３＋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（ＰＺＴ）などの圧電材料が挙げられる。この被覆層２４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２０の側面に塗布され、焼結することによって形成される。

そして、図１に示す圧電アクチュエータ１は、上面が圧電素子２の一端部に当接される基体５と、圧電素子２の他端部に当接される内面を有し、圧電素子２を内部に収容するケース３とを備えている。また、図３に示すように、ケース３は基体５に接合される鍔部３０１を有しており、基体５の上面とケース３とが溶接部４を介して接合されている。

具体的には、基体（下側蓋部材）５は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で円板状に形成されたもので、特に形状に限定はないが、図では周縁部が薄肉になっている。また、基体５にはリードピン１７を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、リード線１３と電気的に接続されたリードピン１７を貫通孔に挿通させて外部電極２３と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス６を充填していて、このリードピン１７を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。

一方、ケース３は、基体５と同様にＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたもので、ケース本体３０と、ケース本体３０の一端側開口を塞ぐように設けられた円板状の蓋部材（上側蓋部材）３１とを有している。

ケース３を構成するケース本体３０は、所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどによりベロー（蛇腹）形状に形成されたものである。このケース本体３０は、圧電素子２に電圧を印加した際に圧電素子２（積層体２０）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。そして、ケース本体３０の一端側開口は円筒状に形成されたものであるが、ケース本体３０の他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形成されている。このように、ケース本体３０の他端側開口がラッパ状になっていることで、ケース３（ケース本体３０）が基体５に接合される鍔部３０１を有する構造になっている。

また、ケース３を構成する蓋部材３１は、外径がケース本体３０の内径と同じ程度に形成されたもので、ケース本体３０の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周を溶接されている。そして、蓋部材３１には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子２の他端部が当接している。ここで、凹部の内周壁面を覆うように絶縁材３２が設けられており、これにより、外部電極２３同士の短絡等が防止されている。

なお、ケース本体３０と蓋部材３１とは、互いに別体に形成されて溶接されたものであってもよく、一体に形成されたものであってもよい。

ケース３（ケース本体３０）は、図３に示すように、筒状部３０２と、筒状部の一端から湾曲して外方に広がる湾曲部３０３と、湾曲部３０３からさらに外方に広がる鍔部３０１とを含んでいる。そして、基体５の上面とケース３とが溶接部４を介して接合されていて、溶接部４の内側上端４１は湾曲部３０３に接合されている。すなわち、溶接部４が鍔部３０１と基体５との間から湾曲部３０３と基体５との間にわたって設けられている。なお、溶接部４の外側上端は鍔部３０１と接合されている。

このとき、圧電素子２に圧縮荷重をかけた状態でケース３の鍔部３０１と基体５との溶接がなされ、圧電素子２はケース３および基体５によって形成される収納空間に不活性ガスとともに封入されて圧電アクチュエータ１となっている。

図５に示すような溶接部４の内側上端４１がケース３の鍔部３０１に接合された（溶接部４が鍔部３０１と基体５との間のみに設けられた）従来の構造では、駆動による変位で溶接部４に繰返しの引っ張り応力がかかると、溶接部４とケース３との交点（溶接部４の内側上端４１）を支点にケース３が変形し、溶接部４の内側上端４１にさらに応力が集中しやすくなり、この部位がクラックの起点となり、溶接部４とケース３（鍔部３０１）との界面が疲労破壊するおそれがあった。これに対し、図３に示す本発明の実施形態によれば、溶接部４の最大引張り荷重がかかる部位が中心寄りになるため、溶接部４の内側上端４１にかかる引張り荷重自体が小さくなるとともに、引張り応力に対して変形しにくくなる。したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による溶接部４とケース３との界面の疲労破壊を抑制することができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。

ここで、上記構成において、溶接部４が湾曲部３０３の全周にわたって設けられていて、溶接部４の内側上端４１が湾曲部３０３の全周にわたって接合されていることが好ましい。ケース３の下側に湾曲部３０３が一回りぐるりと設けられているが、この湾曲部３０３の全周にわたって接合されていることにより、全周で引張り応力に対して変形しにくく、全周の溶接部４の内側上端４１で応力低減ができるため、局所的な応力集中による界面が裂ける疲労破壊を防止できる。

また、図３に示すように、ケース３の湾曲部３０３から溶接部４を経て基体５にかけて形成された内面に、断面で見て少なくとも２個の屈曲部があるのが好ましい。

２個の屈曲部があることで、圧電アクチュエータ１の駆動時の応力集中箇所が２箇所以上となり、引張り応力による溶接部４とケース３との界面の疲労破壊をより抑制することができる。したがって、圧電アクチュエータ１を長期間安定して駆動させることができる。なお、溶接部４の材質にもよるが、２個の屈曲部は０．０５ｍｍ以上離れているのが効果的である。溶接部４としては、その上面および下面の少なくとも一方がケース３の下面または基体５の上面との溶接された環状部材を用いることができ、この場合は溶接部４の内側上端が湾曲部３０３（鍔部３０１側の湾曲部３０３の起点よりも内側）に接合されるように環状部材の位置を調整すればよい。また、溶接部４の内面に段差がない場合は図３に示すように屈曲部が２箇所となるが、溶接部４の内面に複数の段差を設けることで屈曲部を２箇所以上とすることができる。

また、図４に示すように、溶接部４の一部（ケース３に接する内側上端４１）が筒状部３０２の延長上の領域に位置するのが好ましい。なお、図４では筒状部３０２の延長上の領域を領域ｃとして示している。これにより、溶接部４のケース３に接する内側上端４１に加わる引張り荷重が軸方向となるため、内側上端４１にてこのような作用が加わらなくなることから、この部位かかる応力が低減され、この部位におけるクラックをさらに抑制することができる。

また、図５に示すように、溶接部４のケース３に接する内側上端４１が内方に向かって傾いているのが好ましく、溶接部４とケース３とのなす角度が０度〜４５度であり、特に溶接部４が湾曲部３０３となめらかに接する面を有している（溶接部４のケースに接する内側上端４１が湾曲部３０３になめらかに接する曲線状になっている）のが好ましい。ここで、溶接部４が湾曲部３０３となめらかに接する面を有している（溶接部４のケースに接する内側上端４１が湾曲部３０３になめらかに接する曲線状になっている）とは、溶接部４とケース３とのなす角度が０度に近い程度にまでなっていることを意味する。言い換えると、溶接部４の内側上端４１近傍の内壁面と内側上端４１が接する湾曲部３０３の接線とのなす角度が０度に近い程度にまでなっていることを意味する。これにより、引張り応力が溶接部４の内側表面に分散され、内側上端４１で応力が集中しない為、内側上端４１でクラックをさらに抑制することができる。なお、後述するように、例えば基体５の一部に加工により形成された環状の溶接部４を抵抗溶接する場合は、溶接部４が湾曲部３０３となめらかに接する面を有している形状となるように溶接することで、上記の効果が得られる。一方、後述するように、例えば環状の溶接部４として基体５とは異なる材料のもの（リング）を用意し、このリングの上面を鍔部３０１に溶接し、リングの下面を基体５に溶接する場合は、溶接部４が湾曲部３０３と基体５とになめらかに接する面を有しているのが好ましい。

さらに、溶接部４のケース３に接する内側上端４１から内側上端４１に隣接する湾曲部３０３にかけて酸化膜が設けられている（湾曲部３０３の内面から溶接部４にわたって酸化膜が設けられている）、換言すれば、内側上端４１およびその近傍領域に酸化膜を形成することにより、溶接部４表面の強度が上がるため、内側上端４１を起点とした疲労破壊がさらに進行しにくくなる。

次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層２１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

次に、内部電極層２２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層体２０が得られる。

次に、積層体２０の側面のうち両内部電極層２２（正極および負極）が導出された一対の側面に、例えば部分安定化ジルコニア、チタン酸ジルコン酸鉛、圧電体層と同じ材料など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２４を形成する。

このインクは、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。

次に、外部電極２３を形成する。まず、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、内部電極層２２の正極または負極が導出された積層体２０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、圧電素子２が完成する。

次に、外部電極２３とリード線１３を半田付けする。また、切削加工にて環状の溶接部４を形成するとともにおよび穴加工にて貫通孔を形成してなる図１に示すような形状の基体（下側蓋部材）５を用意する。なお、溶接部４の内側上端４１が湾曲部３０３と接合されるように、溶接部４は位置決めされる。そして、この基体（下側蓋部材）５に形成された２つの貫通孔にそれぞれリードピン１７を挿通するとともに隙間に軟質ガラス６を充填して固定し、さらに基体５の上面に圧電素子２の一端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子２の外部電極２３に半田１５にて半田付けしたリード線１３と基体５に取り付けられたリードピン１７とを半田で接続する。

次に、ＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒状のケース本体３０に圧延加工によりベロー形状を形成し、このケース本体３０の他端側（上端側）の開口を塞ぐようにＳＵＳ３０４製の蓋部材（上側蓋部材）３１をレーザー溶接によって溶接して、ケース３を作製する。なお、ケース本体３０の一端側（下端側）には鍔部３０１が形成される。

次に、ケース３を基体５に接着した圧電素子２に被せ、所定の荷重でケース３を引張り、圧電素子２に荷重を加える。この状態で、ケース３と基体５に設けられた環状の溶接部４の上面とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子２の封止を行なう。このとき、溶接部４の内側上端４１が湾曲部３０３と接合される。なお、環状の溶接部４として、基体とは異なる材料のものを用いる場合は、環状の溶接部４となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部３０１に溶接し、リングの下面を基体５に溶接すればよい。また、環状の溶接部４全体に荷重が掛かるよう荷重印加しながら溶接することで溶接部４が潰れながら溶接されるが、溶接部４が湾曲部３０３となめらかに接する面を有している（溶接部４のケースに接する内側上端４１が湾曲部３０３になめらかに接する曲線状になっている）ようにするには、このときの内側の溶接部４の肉が盛り上がりの程度を溶接部４が湾曲部３０３となめらかに接する面を有する（溶接部４のケースに接する内側上端４１が湾曲部３０３になめらかに接する曲線状になる）程度に加重調整すればよい。

次に、ケース３の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内（収納空間）の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内（収納空間）の窒素パージを行なう。その後、不活性ガス注入用の穴をレーザー溶接で溶接することにより、穴を塞ぐ。

最後に、基体５に取り付けられたリードピン１７に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体２０を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ１が完成する。そして、リードピン１７と外部電源とを接続して、圧電体層２１に電圧を印加することにより、各圧電体層２１を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることが可能となる。

本実施の形態の圧電アクチュエータは、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置の精密位置決め装置、ガス流量調整用の弁制御、カメラのオートフォーカス機構、ズーム機構、手振れ補正機構、ハードディスクドライブのヘッド位置制御、光学機器の光軸調整、焦点調整、マスフローコントローラー等として用いられる。

本発明の実施例の一例としての圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。

まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み１５０μｍの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。

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３００枚積層した積層成形体を作製した。

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分間かけて焼成した。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。

次に、圧電体層と同じ材料のインクを作製し、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導出された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。

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。

また、ＳＵＳ３０４で円板状の基体を作製した。具体的には、切削にて環状の溶接部を設け、２箇所に貫通孔を形成した図１に示す形状の基体を作製した。そして、基体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。なお、溶接部の仕様として、図３に示す溶接部の上側の幅ａ及び下側の幅ｂは後述の表１に示すとおりである。また、溶接部の厚みは５０μｍであった。

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。

次に、ＳＵＳ３０４で円板状の上側蓋部材を作製した。また、ＳＵＳ３１６L製のシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状と湾曲部及び鍔部を形成したケース本体と上側蓋部材とをレーザー溶接で溶接してなるケースを、基体（下側蓋部材）に接着した圧電素子に被せ、所定の荷重でケースを引張り、圧電素子に荷重を印加した後、ケースと基体の溶接部との当接部を抵抗溶接で溶接し、圧電素子の封止を行なった。なお、ケースにおける鍔部外径はφ１４ｍｍ、鍔部と湾曲部との境界はφ１１ｍｍの位置、筒状部の外周の径はφ１０ｍｍ、筒状部の内周の径はφ９．６ｍｍ、溶接部の内側上端とケースとの接合位置はφ１０．５ｍｍの位置であった。

次に、ケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内（収納空間）の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内（収納空間）の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して穴を塞ぎ、窒素パージを完了させて、本発明の実施例（試料番号１）となる圧電アクチュエータを作製した。

一方、本発明の実施例のもう一つの例として、溶接部のケースに接する内側上端が筒状部の延長上の領域に位置するようにした試料を作製した。具体的には、溶接部の内側上端の位置がφ９．８ｍｍとなる基体を作製し、各部材の当接部を抵抗溶接し、封止を行なった。

さらに、比較例として、溶接部の内側上端の位置をφ１１．７ｍｍとし、湾曲部よりも外側の鍔部に位置するようにした試料を作製し、抵抗溶接にてケースの鍔部と基体との溶接を行なった。

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、圧電アクチュエータを作製した。

得られた圧電アクチュエータの積層体に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。

さらに、これらの圧電アクチュエータについて、５０℃の環境下で電圧２００Ｖ、周波数１０Ｈｚ、Ｄｕｔｙ５０の矩形波で駆動し続ける連続駆動試験を行なった。その結果を表１に示す。

表１から、本発明の実施例の圧電アクチュエータ（試料番号１、２）は、１００万サイクルの連続駆動試験後において、変位量の変化がほとんどなく、圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、溶接部の外れもなく、長期使用しても安定した変位量が得られることが分かった。

これに対し、比較例の圧電アクチュエータ（試料番号３）は、１７万サイクル後に停止していた。この試料を確認したところ、溶接部の界面での外れが見られた。また、溶接部の外れに伴う荷重の片当りにより、圧電素子に割れが見られた。

１・・・圧電アクチュエータ
１３・・・リード線
１５・・・半田
１７・・・リードピン
２・・・圧電素子
２０・・・積層体
２１・・・圧電体層
２２・・・内部電極層
２３・・・外部電極
２４・・・被覆層
２５・・・活性部
２６・・・不活性部
３・・・ケース
３０・・・ケース本体
３１・・・蓋部材
３２・・・絶縁材
３０１・・・鍔部
３０２・・・筒状部
３０３・・・湾曲部
４・・・溶接部
４１・・・内側上端
５・・・基体
６・・・軟質ガラス

本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子の一端部に当接する基体と、前記圧電素子の他端部に当接する内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記基体と前記ケースとが溶接部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、筒状部と、該筒状部の一端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、該湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、前記溶接部が前記鍔部と前記基体との間から前記湾曲部と前記基体との間にわたって設けられ、前記溶接部の前記ケースに接する内側上端が前記湾曲部に接合しているとともに、前記溶接部の内側表面が前記筒状部の延長上の領域に位置していることを特徴とするものである。

図６に示すような溶接部４の内側上端４１がケース３の鍔部３０１に接合された（溶接部４が鍔部３０１と基体５との間のみに設けられた）従来の構造では、駆動による変位で溶接部４に繰返しの引っ張り応力がかかると、溶接部４とケース３との交点（溶接部４の内側上端４１）を支点にケース３が変形し、溶接部４の内側上端４１にさらに応力が集中しやすくなり、この部位がクラックの起点となり、溶接部４とケース３（鍔部３０１）との界面が疲労破壊するおそれがあった。これに対し、図３に示す本発明の実施形態によれば、溶接部４の最大引張り荷重がかかる部位が中心寄りになるため、溶接部４の内側上端４１にかかる引張り荷重自体が小さくなるとともに、引張り応力に対して変形しにくくなる。したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による溶接部４とケース３との界面の疲労破壊を抑制することができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。

Claims

圧電素子と、前記圧電素子の一端部に当接する基体と、前記圧電素子の他端部に当接する内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記基体と前記ケースとが溶接部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、筒状部と、該筒状部の一端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、該湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、前記溶接部が前記鍔部と前記基体との間から前記湾曲部と前記基体との間にわたって設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記溶接部が前記湾曲部の全周にわたって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。
前記溶接部の一部が前記筒状部の延長上の領域に位置して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。
前記溶接部が前記湾曲部となめらかに接する面を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記湾曲部の内面から前記溶接部にわたって酸化膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の圧電アクチュエータ。