WO2012026564A1 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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WO2012026564A1
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piezoelectric
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piezoelectric actuator
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瀬戸口　剛
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric actuator used in a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device for an XY table, and the like.
  • the piezoelectric actuator for example, a columnar laminate in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are laminated, and the internal electrode layers are alternately and electrically attached to the side surfaces of the laminate in the lamination direction.
  • the above piezoelectric actuator is made of a metal made by welding members such as a base and a case by laser welding or resistance welding in a state where a compressive load is applied to the piezoelectric element so that the piezoelectric element is always placed under compressive stress. It is sealed in a container.
  • a tensile stress is always applied to the joint portion (welded portion) of the container.
  • the joint portion (welded portion) is viewed in cross section as shown in FIG. ) Has a structure in which stress is concentrated in one place (bending portion 41), there is a problem that the joint portion (welded portion) may come off due to repeated tensile stress.
  • the present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to obtain a piezoelectric actuator capable of suppressing the detachment of the joint due to tensile stress.
  • the piezoelectric actuator of the present invention includes a piezoelectric element, a base body with which the lower end portion of the piezoelectric element is in contact with an upper surface, and an inner surface in contact with the upper end portion of the piezoelectric element, and the piezoelectric element is accommodated therein.
  • the case has a flange part joined to the base, and the upper surface of the base from the bottom surface of the case on the storage space side of the joint part between the case and the base. There are at least two bends on the inner surface formed over.
  • the piezoelectric actuator of the present invention is arranged between the lower surface of the flange and the upper surface of the base in the above configuration, and at least one of the upper surface and the lower surface is in contact with the lower surface of the flange or the upper surface of the base. It has the annular part which is a junction part, It is characterized by the above-mentioned.
  • the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the annular portion has a width on the upper surface side smaller than a width on the lower surface side.
  • the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, an angle formed between a side surface of the annular portion on the storage space side and a lower surface of the flange portion is an acute angle.
  • the annular portion is made of a material different from that of the base and the case.
  • the piezoelectric actuator of the present invention there are two or more stress concentration points, and it is possible to suppress the disconnection of the joint due to the tensile stress. Therefore, the piezoelectric actuator can be stably driven for a long time.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of a bent portion shown in FIGS. 3 and 4. It is a principal part enlarged view of the conventional piezoelectric actuator.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of a piezoelectric actuator of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the piezoelectric element shown in FIG.
  • a piezoelectric actuator 1 shown in FIG. 1 has a piezoelectric element 2, a base body 7 with which the lower end portion of the piezoelectric element 2 abuts on the upper surface, and an inner surface with which the upper end portion of the piezoelectric element 2 abuts.
  • the case 3 has a flange portion 33 which is joined to the base body 7, and the flange portion 33 of the case 3 on the storage space side from the joint portion 4 between the case 3 and the base body 7.
  • the piezoelectric element 2 includes, for example, an active portion 26 in which a plurality of piezoelectric layers 25 and internal electrode layers 27 are alternately stacked, and a piezoelectric layer that is stacked at both ends in the stacking direction of the active portions 26.
  • the laminated piezoelectric element includes a laminated body 20 having 25 inactive portions 29.
  • the active part 26 is a part where the piezoelectric layer 25 extends or contracts in the stacking direction during driving
  • the inactive part 29 is a part where the piezoelectric layer 25 does not extend or contract in the stacking direction during driving.
  • the laminated body 20 constituting the piezoelectric element 2 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 20 shown in FIG. 2 is a quadrangular prism shape, for example, a hexagonal prism shape, an octagonal prism shape, etc. may be sufficient.
  • the plurality of piezoelectric layers 25 constituting the laminate 20 are made of piezoelectric ceramics (piezoelectric ceramics) having piezoelectric characteristics, and the piezoelectric ceramics are formed with an average particle diameter of, for example, 1.6 to 2.8 ⁇ m. .
  • the piezoelectric ceramic for example, a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 (PZT: lead zirconate titanate) or the like, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
  • the internal electrode layer 27 is made of, for example, silver, silver-palladium alloy, silver-platinum, copper, or the like, and the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) each have a pair of side surfaces facing each other of the laminate 20. Are alternately derived. With this configuration, in the active portion 26, a driving voltage is applied to the piezoelectric layer 25 sandwiched between the internal electrode layers 27 adjacent in the stacking direction.
  • the laminated body 20 may include a metal layer that is a layer for relaxing stress and does not function as the internal electrode layer 27.
  • the external electrode 21 is attached to each of a pair of opposing side surfaces of the stacked body 20 in which the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) of the internal electrode layer 27 are alternately led out. It is joined with.
  • the external electrode 21 is a metallized layer made of a sintered body of silver and glass, for example, and is electrically connected to the internal electrode layer 27. As shown in FIG. 1, a lead wire 13 is attached to the external electrode 21 with solder 15, and a driving voltage is applied via the lead wire 13.
  • both the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) of the internal electrode layer 27 are exposed at the other pair of side surfaces of the stacked body 20 facing each other, and an oxide covering layer 23 is formed on the side surfaces.
  • the covering layer 23 By forming the covering layer 23, it is possible to prevent creeping discharge between both electrodes that occurs when a high voltage is applied during driving.
  • the oxide forming the coating layer 23 include a ceramic material.
  • the oxide can form a creeping discharge by peeling off the coating layer 23 and being able to follow the driving deformation (stretching) of the multilayer body 2 when the piezoelectric actuator is driven. A material that can be deformed by stress is preferred so as not to cause fear.
  • a partially stabilized zirconia that can be deformed by local phase transformation and volume change, Ln 1-X Si X AlO 3 + 0.5X
  • Ln is Sn, Y, La, Ce
  • piezoelectric materials such as barium titanate and lead zirconate titanate (PZT) in which the distance between ions in the crystal lattice changes so as to relieve the generated stress can be used.
  • the coating layer 23 is formed, for example, by forming it into an ink form, applying it to the side surface of the laminate 20 by dipping or screen printing, and sintering.
  • the piezoelectric actuator shown in FIG. 1 has a base body 7 with which the lower end portion of the piezoelectric element 2 abuts on the upper surface and an inner surface abutted with the upper end portion of the piezoelectric element 2, and accommodates the piezoelectric element therein. Case 3 is provided.
  • the base body (lower lid member) 7 is formed in a disk shape from a metal material such as SUS304 or SUS316L, and its peripheral portion is thin in the drawing.
  • the base 7 is formed with two through holes through which the lead pins 17 can be inserted.
  • the lead pins 17 electrically connected to the lead wires 13 are inserted into the through holes to electrically connect the external electrode 21 and the outside. Is conducting.
  • the gap between the through holes is filled with soft glass 9 to fix the lead pins 17 and prevent intrusion of outside air.
  • the case 3 is formed of a metal material such as SUS304 or SUS316L, similar to the base body 7, and the cylinder 30 and a lid member (upper lid member) provided so as to close the opening on one end side of the cylinder 30. 31).
  • the cylindrical body 30 constituting the case 3 is formed into a bellows shape by rolling or hydrostatic pressing after producing a seamless tube with a predetermined shape.
  • the cylindrical body 30 has a predetermined spring constant so that it can follow the expansion and contraction of the piezoelectric element 2 (laminated body 20) when a voltage is applied to the piezoelectric element 2, and depends on the thickness, groove shape, and number of grooves.
  • the spring constant is adjusted.
  • the one end side opening of the cylindrical body 30 is formed in a cylindrical shape, but the other end side opening of the cylindrical body 30 is formed in a so-called trumpet shape that expands radially outward.
  • the other end side opening of the cylindrical body 30 has a trumpet shape, so that the case 3 (cylindrical body 30) has a flange 33.
  • the lid member 31 constituting the case 3 is a cap-like member having an outer diameter that is the same as the inner diameter of the cylindrical body 30, and is fitted into the opening on one end side of the cylindrical body 30, in the vicinity of the opening on the one end side.
  • the outer periphery is welded to the inner wall.
  • the cylindrical body 30 and the lid member 31 may be formed separately from each other and welded, or may be integrally formed.
  • the case 3 tubular body 30
  • the flange portion 33 of the case 3 and the base body 7 are welded in a state where a compressive load is applied to the piezoelectric element 2, and the piezoelectric element 2 is sealed together with an inert gas in a storage space formed by the case 3 and the base body 7.
  • the piezoelectric actuator 1 is obtained.
  • the stress is concentrated on one bent portion 41 (one point).
  • the portion may come off, but from the lower surface of the flange portion 33 of the case 3 on the storage space side to the upper surface of the base body 7 from the joint between the case 3 and the base body 7 according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the structure having at least two bent portions 41 on the formed inner surface there are two or more stress-concentrated portions, and the disconnection of the joint portion due to tensile stress can be suppressed. Therefore, the piezoelectric actuator 1 can be driven stably for a long time.
  • it is effective in that the two bent portions 41 are separated from each other by 0.05 mm or more in terms of suppressing the joint from coming off due to tensile stress.
  • the piezoelectric actuator 1 is disposed between the lower surface of the flange portion 33 and the upper surface of the base body 7, and at least one of the upper surface and the lower surface is the lower surface of the flange portion 33 or the base body 7. It is preferable to have an annular portion 43 that is a joint with the upper surface.
  • the annular portion 43 in which the joint portion is annular there are two or more stress concentration points when viewed in cross section in all the regions sandwiched between the lower surface of the flange portion 33 of the case 3 and the upper surface of the base body 7. Furthermore, since it is formed in an annular shape, it is possible to prevent the joint from coming off due to tensile stress.
  • step difference in the side wall of the annular part 43 when there is no level
  • the annular portion 43 can be formed integrally with the base body 7 by cutting the base body 7.
  • the annular portion 43 preferably has a width a on the upper surface side smaller than a width b on the lower surface side when viewed in cross section.
  • the width a on the upper surface side of the annular portion 43 is about 0.2 to 0.48 mm
  • the width b on the lower surface side of the annular portion 43 is about 0.5 to 0.7 mm
  • the thickness of the annular portion 43 is 0.05 to It is formed to about 0.2 mm.
  • the width a on the upper surface side of the annular portion 43 is smaller than the width b on the lower surface side, the spring effect of the joint portion is improved, and deformation due to displacement of the piezoelectric actuator 1 occurs not only in the cylindrical body 30 but also in this portion. Therefore, plastic deformation of the cylindrical body 30 can be prevented. In particular, as shown in FIG. As a result, the load loss of the piezoelectric actuator 1 due to plastic deformation of the cylindrical body 30 can be prevented, and the piezoelectric actuator 1 can be driven without lowering the amount of displacement even when used for a long period of time.
  • the angle ⁇ formed by the side surface on the storage space side of the annular portion 43 and the lower surface of the flange portion 33 is an acute angle.
  • the annular portion 43 a material different from that of the base body 7 and the case 3 (tubular body 30) can be adopted.
  • the annular portion 43 functions as an intermediate layer and can relieve stress.
  • the material of the annular portion 43 is preferably a material that is softer than the base body 7 and the cylindrical body 30, and examples thereof include copper, phosphor bronze, and Kovar (Fe—Ni—Co alloy). Also in this case, it is preferable that the shape is as described above.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 25 is produced.
  • a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer.
  • a ceramic green sheet is produced from this ceramic slurry by using tape forming methods, such as a well-known doctor blade method and a calender roll method.
  • any piezoelectric ceramic may be used.
  • a perovskite oxide made of PbZrO 3 —PbTiO 3 can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be the internal electrode layer 27 is produced.
  • a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a silver-palladium alloy metal powder.
  • This conductive paste is printed on the ceramic green sheet using a screen printing method, and then a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are stacked, and the conductive paste is formed at both ends in the stacking direction.
  • a multilayer molded body is obtained by laminating a plurality of ceramic green sheets that are not printed.
  • the laminated body 20 is obtained by debinding the laminated molded body at a predetermined temperature and firing at 900 to 1200 ° C.
  • an oxide ink is printed by screen printing on a pair of side surfaces from which both internal electrode layers 27 (positive electrode and negative electrode) are led out of the side surfaces of the laminate 20, and then fired at 900 to 1200 ° C. Layer 23 is formed.
  • the oxide ink disperses the powder of the oxide in a solution of a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder, and then pulverizes the powder by passing three rolls several times. It is produced by dispersing powder.
  • the external electrode 21 made of a metallized layer is formed.
  • a silver glass-containing conductive paste is prepared by adding a binder to silver particles and glass powder, and printing is performed on a pair of opposing side surfaces of the laminate 20 from which the positive electrode or negative electrode of the internal electrode layer 27 is derived by screen printing.
  • the baking process is performed at a temperature of about 500 to 800 ° C.
  • the external electrode 21 made of a metallized layer is formed to complete the piezoelectric element 2.
  • a base body (lower lid member) 7 having a shape as shown in FIG. 1 formed by forming the annular portion 43 by cutting and forming a through hole by drilling is prepared.
  • the lead pin 17 is inserted into each of two through holes formed in the lid member 7, the gap is filled with soft glass 9 and fixed, and the lower end portion of the piezoelectric element 2 is bonded to the upper surface of the substrate 7 with an adhesive. .
  • the lead wire 13 soldered to the external electrode 21 of the piezoelectric element 2 with the solder 15 and the lead pin 17 attached to the substrate 7 are connected by solder.
  • a seamless cylindrical tube 30 made of SUS316L is formed into a bellows shape by rolling, and a cover member made of SUS304 (upper cover) is formed so as to close an opening on one end side (upper end side) of the tube body 30.
  • the member 3 is welded by laser welding to produce the case 3.
  • a flange portion 33 is formed on the other end side (lower end side) of the cylindrical body 30.
  • the case 3 is put on the piezoelectric element 2 bonded to the base 7, the case 3 is pulled with a predetermined load, and the load is applied to the piezoelectric element 2.
  • the flange portion 33 of the case 3 and the upper surface of the annular portion 43 provided on the base body 7 are welded by resistance welding to seal the piezoelectric element.
  • a ring to be the annular portion 43 is prepared, the upper surface of this ring is welded to the flange 33, and the lower surface of the ring is welded to the base 7. That's fine.
  • a hole for inactive gas injection is drilled at a predetermined position of the case 3, and after evacuating in the vacuum chamber to release oxygen in the case (storage space), nitrogen gas is injected into the vacuum chamber Then, nitrogen purge inside the case (storage space) is performed. Thereafter, the hole for filling the inert gas is welded by laser welding to close the hole.
  • the piezoelectric actuator 1 of the present embodiment is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the lead pins 11 attached to the base body 7 to polarize the laminate 20. Then, by connecting the lead pin 17 and an external power source and applying a voltage to the piezoelectric layer 25, each piezoelectric layer 25 can be largely displaced by the inverse piezoelectric effect. This makes it possible to function as an automobile fuel injection valve that injects and supplies fuel to the engine, for example.
  • the multilayer piezoelectric element of the present embodiment is used as, for example, a fuel injection device for an automobile engine, a liquid injection device such as an ink jet, a precision positioning device for an optical device, or the like.
  • a piezoelectric actuator as an example of the embodiment of the present invention was manufactured as follows.
  • a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 ⁇ m, a binder and a plasticizer, and a doctor blade method.
  • a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer having a thickness of 150 ⁇ m was prepared.
  • this ceramic green sheet On one side of this ceramic green sheet, 300 ceramic green sheets were printed by screen printing with a conductive paste serving as an internal electrode prepared by adding a binder to a silver-palladium alloy (silver 95% by mass-palladium 5% by mass). Sheets were laminated to produce a laminated molded body.
  • a conductive paste serving as an internal electrode prepared by adding a binder to a silver-palladium alloy (silver 95% by mass-palladium 5% by mass). Sheets were laminated to produce a laminated molded body.
  • the laminated molded body was dried and fired to produce a laminated body. Firing was performed at 1000 ° C. for 200 minutes after holding a temperature of 800 ° C. for 90 minutes.
  • the laminate had a rectangular parallelepiped shape, and the size thereof was 5 mm in length, 5 mm in width, and 35 mm in height.
  • an ink made of partially stabilized zirconia, piezoelectric material, the same material as the piezoelectric layer, and lead zirconate titanate is prepared, and screen printing is performed so that the coating layer has a thickness of 20 ⁇ m. Then, printing was performed on the side surface of the laminate in which both electrodes of the internal electrode layer were exposed, and then baking was performed at 1000 ° C. to form a coating layer on the side surface of the laminate.
  • a silver glass-containing conductive paste is prepared by adding a binder to silver particles and glass powder, and this is printed on the side surface of the laminate by screen printing, and baked at a temperature of about 500 to 800 ° C. After forming the electrode, the lead wire was connected to the external electrode by soldering.
  • a disk-shaped substrate was made of SUS304. Specifically, an annular portion was formed by cutting, and a substrate having the shape shown in FIG. 1 in which through holes were formed at two locations was produced. And the lead pin was attached to the through-hole formed in the base
  • the specifications of the annular portion the upper width a of the annular portion, the lower width b, and the angle ⁇ formed between the side surface of the annular portion on the storage space side and the lower surface of the flange portion are as shown in Table 1 described later. It is.
  • the thickness of the annular portion was 0.1 mm.
  • the laminate was fixed to the upper surface of the base with an adhesive, and the lead wire soldered to the external electrode and the lead pin attached to the base were connected by soldering.
  • a cap-shaped upper lid member was made of SUS304.
  • a case in which an upper lid member is fitted to a cylindrical body formed by rolling into a seamless cylinder made of SUS316L and welded by laser welding is covered with a piezoelectric element bonded to a base body (lower lid member).
  • the contact portion between the case and the annular portion of the base was welded by resistance welding to seal the piezoelectric element.
  • a hole for inert gas injection is drilled at a predetermined position of the case, and after evacuating in the vacuum chamber to release oxygen in the case (storage space), nitrogen gas is injected into the vacuum chamber. After purging nitrogen in the case (storage space), the hole for nitrogen purge was welded by laser welding to close the hole, and the nitrogen purge was completed.
  • a sample using another material for the annular portion was prepared. Specifically, a ring made of Kovar was produced, the ring was sandwiched between the case's collar and the base, and the contact portion of each member was resistance-welded and sealed.
  • a sample without an annular portion was prepared, and the case flange and the base were welded by resistance welding.
  • the piezoelectric actuators (Sample Nos. 1 and 2) of the embodiments of the present invention have almost no change in the displacement amount after the 500 Hr continuous voltage application test, and maintain the effective displacement amount necessary for the piezoelectric element.
  • the piezoelectric actuator of the comparative example (sample number 3) was stopped after 39 hours.
  • this sample was confirmed, disconnection of the joint was observed. Further, cracks were observed in the piezoelectric element due to the contact of the load accompanying the disconnection of the joint.

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Abstract

　【課題】　引張り応力による接合部の外れ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。　【解決手段】　本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、上面に圧電素子の下端部が当接される基体７と、圧電素子の上端部に当接される内面を有し、圧電素子を内部に収容するケース３とを備え、ケース３は基体７に接合される鍔部３３を有しており、ケース３と基体７との接合部より収納空間側におけるケース３の鍔部３３の下面から基体７の上面にかけて形成された内面に、少なくとも２個の屈曲部４１があることを特徴する。

Description

圧電アクチュエータ
　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で溶接してなる金属製の容器に封入されたものである。
　したがって、容器の接合部（溶接部）には常に引張り応力がかかった状態となっており、例えば図６に示すように接合部（溶接部）を断面で見たときに、接合部（溶接部）の１箇所（屈曲部４１）に応力が集中するような構造であると、引張り応力の繰り返しで接合部（溶接部）が外れるおそれがあ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、引張り応力による接合部の外れを抑制することのできる圧電アクチュエータを得ることである。
　本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、上面に前記圧電素子の下端部が当接される基体と、前記圧電素子の上端部に当接される内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記ケースは前記基体に接合される鍔部を有しており、前記ケースと前記基体との接合部より収納空間側における前記ケースの前記鍔部の下面から前記基体の上面にかけて形成された内面に、少なくとも２個の屈曲部があることを特徴とするものである。
　また、本発明の圧電アクチュエータは、上記構成において、前記鍔部の下面と前記基体の上面との間に配置され、その上面および下面の少なくとも一方が前記鍔部の下面または前記基体の上面との接合部である環状部を有することを特徴とするものである。
　また、本発明の圧電アクチュエータは、上記構成において、前記環状部は、上面側の幅が下面側の幅より小さいことを特徴とするものである。
　また、本発明の圧電アクチュエータは、上記構成において、前記環状部の前記収納空間側の側面と前記鍔部の下面とのなす角が鋭角であることを特徴とするものである。
　更に、上記構成において、前記環状部は、前記基体および前記ケースとは材質が異な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、応力集中箇所が２箇所以上となり、引張り応力による接合部の外れ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１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拡大図である。 図３に示す環状部の説明図である。 図３および図４に示す屈曲部近傍の拡大図である。 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１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である。
　図１に示す圧電アクチュエータ１は、圧電素子２と、上面に圧電素子２の下端部が当接される基体７と、圧電素子２の上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、ケース３は基体７に接合される鍔部３３を有しており、ケース３と基体７との接合部４より収納空間側におけるケース３の鍔部３３の下面から基体７の上面にかけて形成された内面に、少なくとも２個の屈曲部４１があることを特徴するものである。
　圧電素子２は、図２に示すように、例えば圧電体層２５と内部電極層２７とが交互に複数積層された活性部２６と、活性部２６の積層方向の両端に積層された圧電体層２５から成る不活性部２９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２６は駆動時に圧電体層２５が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部２９は駆動時に圧電体層２５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程度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２５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ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＴ：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（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。
　また、内部電極層２７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２６において、積層方向に隣り合う内部電極層２７同士の間に挟まれた圧電体層２５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２７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２７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２１が被着され、導出された内部電極層２７と接合されている。外部電極２１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り、内部電極層２７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２１にはリード線１３が半田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２７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、この側面には酸化物からなる被覆層２３が形成されている。被覆層２３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２３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２３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－ＸＳｉＸＡｌＯ３＋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２３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は、上面に圧電素子２の下端部が当接される基体７と、圧電素子２の上端部に当接される内面を有し、圧電素子を内部に収容するケース３とを備えている。
　具体的には、基体（下側蓋部材）７は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉になっている。また、基体７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２１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９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７と同様にＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたもので、筒体３０と、筒体３０の一端側開口を塞ぐように設けられた蓋部材（上側蓋部材）３１とを有している。
　具体的には、ケース３を構成する筒体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。この筒体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、筒体３０の一端側開口は円筒状に形成されたものであるが、筒体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、筒体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（筒体３０）が鍔部３３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、外径が筒体３０の内径と同じ程度に形成されたキャップ状の部材で、筒体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。
　なお、筒体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。
　そして、図３および図４に示すように、ケース３（筒体３０）は基体７に接合される鍔部３３を有しており、ケース３と基体７との接合部より収納空間側におけるケース３の鍔部３３の下面から基体７の上面にかけて形成された内面に、少なくとも２個の屈曲部４１がある。
　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３３と基体７との溶接がなされ、圧電素子２はケース３および基体７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６に示すようにケース３の鍔部３３と基体７とを溶接した構造では、応力が１個の屈曲部４１（１点）に集中する形状となっていたため、使用時の引張り応力により接合部が外れてしまうおそれがあったが、図３に示す本発明の実施形態であるケース３と基体７との接合部より収納空間側におけるケース３の鍔部３３の下面から基体７の上面にかけて形成された内面に少なくとも２個の屈曲部４１がある構造によれば、応力集中箇所が２箇所以上となり、引張り応力による接合部の外れ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１を長期間安定して駆動させることができる。なお、後述する環状部４３の材質にもよるが、２個の屈曲部４１は０．０５ｍｍ以上離れているのが引張り応力による接合部の外れを抑制する点において効果的である。
　ここで、上記の構造とするために、圧電アクチュエータ１は、鍔部３３の下面と基体７の上面との間に配置され、その上面および下面の少なくとも一方が鍔部３３の下面または基体７の上面との接合部である環状部４３を有するのが好ましい。接合部を環状にした環状部４３を有することで、ケース３の鍔部３３の下面と基体７の上面とで挟まれる全ての領域おいて断面で視たときに応力集中箇所が２箇所以上となり、更に環状に形成されているため、引張り応力による接合部の外れを防止することができる。なお、環状部４３の側壁に段差がない場合は、図３および図４に示すように屈曲部が２箇所となるが、環状部４３の側壁に複数の段差を設けることで、屈曲部４１を２箇所以上とすることができる。
　環状部４３は、基体７を切削加工することによって基体７と一体に形成することができる。この構成において、図４に示すように、環状部４３は断面で視たときに上面側の幅ａが下面側の幅ｂよりも小さいことが好ましい。例えば、環状部４３の上面側の幅ａは０．２～０．４８ｍｍ程度、環状部４３の下面側の幅ｂは０．５～０．７ｍｍ程度、環状部４３の厚みは０．０５～０．２ｍｍ程度に形成される。環状部４３における上面側の幅ａを下面側の幅ｂよりも小さくすることにより、接合部のバネ効果を向上させ、圧電アクチュエータ１の変位に対する変形を筒体３０だけでなくこの部位でも起こすことができるため、筒体３０の塑性変形を防止できる。特に、図４に示すように、台形形状となっているのが好ましい。この結果、筒体３０の塑性変形に伴う圧電アクチュエータ１の荷重抜けを防止し、圧電アクチュエータ１を長期間使用しても変位量が低下することなく駆動することができる。
　また、上記構成において、図５に示すように、環状部４３の収納空間側の側面と鍔部３３の下面とのなす角αが鋭角であることが好ましい。環状部４３の収納空間側の側面と鍔部３３の下面とのなす角αを鋭角とすることにより、圧電アクチュエータ１の変位に対する変形を筒体３０だけでなくこの部位でも起こすことができるため、筒体３０の塑性変形を防止できる。この結果、筒体３０の塑性変形に伴う圧電アクチュエータ１の荷重抜けを防止し、圧電アクチュエータ１を長期間使用しても変位量が低下することなく駆動することができる。
　一方、環状部４３として、基体７およびケース３（筒体３０）とは異なる材質のものを採用することもできる。基体７およびケース３（筒体３０）とは異なる材質とすることにより、環状部４３が中間層として機能し、応力緩和ができる。その結果、引張り応力による接合部の外れを抑制することができ、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、この場合の環状部４３の材質としては、基体７および筒体３０よりもやわらかい材料であるのが好ましく、例えば銅、リン青銅、コバール（Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金）などが挙げられる。また、この場合も上述のような形状となっているのが好ましい。
　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２５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、ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３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），フタル酸ジオチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。
　次に、内部電極層２７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２７（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２３を形成する。
　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。
　次に、メタライズ層から成る外部電極２１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２７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、メタライズ層から成る外部電極２１を形成して圧電素子２が完成する。
　次に、外部電極２１とリード線１３を半田付けする。また、切削加工にて環状部４３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）７を用意し、この基体（下側蓋部材）７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９を充填して固定し、さらに基体７の上面に圧電素子２の下端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子２の外部電極２１に半田１５にて半田付けしたリード線１３と基体７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、例えばＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレスの円筒状の筒体３０に圧延加工によりベロー形状を形成し、この筒体３０の一端側（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、筒体３０の他端側（下端側）には鍔部３３が形成される。
　次に、ケース３を基体７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の鍔部３３と基体７に設けられた環状部４３の上面とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子の封止を行なう。なお、環状部４３として、基体とは異なる材料のものを用いる場合は、環状部４３となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部３３に溶接し、リングの下面を基体７に溶接すればよい。
　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７に取り付けられたリードピン１１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２５に電圧を印加することにより、各圧電体層２５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。
　本実施の形態の積層型圧電素子は、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（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、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、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。
　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、環状部の仕様として、環状部の上側の幅ａ、下側の幅ｂ、および環状部の収納空間側の側面と鍔部の下面とのなす角αは、後述の表１に示すとおりである。また、環状部の厚みは０．１ｍｍ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でキャップ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を形成した筒体に上側蓋部材を嵌めて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、ケースと基体の環状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。
　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た。
　一方、本発明の実施例のもう一つの例として、環状部に他材料を用いた試料を作製した。具体的には、コバールからなるリングを作製し、ケースの鍔部と基体とでリングを挟み、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、環状部が無い試料を作製し、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、１５０℃の環境下で２５０Ｖの直流電圧を印加し続ける高温連続駆動試験を行なった。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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、５００Ｈｒの連続電圧印加試験後において、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、接合部の外れもなく、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、３９時間後に停止していた。この試料を確認したところ、接合部の外れが見られた。また、接合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
２・・・圧電素子
３・・・ケース
５・・・絶縁材
７・・・基体
９・・・軟質ガラス
１３・・・リード線
１５・・・半田
１７・・・リードピン
２０・・・積層体
２１・・・外部電極
２３・・・被覆層
２５・・・圧電体層
２６・・・活性部
２７・・・内部電極層
２９・・・不活性部
３０・・・筒体
３１・・・蓋部材
３３・・・鍔部
４１・・・屈曲部
４３・・・環状部

Claims (5)

  1. 　圧電素子と、上面に前記圧電素子の下端部が当接される基体と、前記圧電素子の上端部に当接される内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記ケースは前記基体に接合される鍔部を有しており、前記ケースと前記基体との接合部より収納空間側における前記ケースの前記鍔部の下面から前記基体の上面にかけて形成された内面に、少なくとも２個の屈曲部があることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 　前記鍔部の下面と前記基体の上面との間に配置され、その上面および下面の少なくとも一方が前記鍔部の下面または前記基体の上面との接合部である環状部を有することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
  3. 　前記環状部は、上面側の幅が下面側の幅より小さいことを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
  4. 　前記環状部の前記収納空間側の側面と前記鍔部の下面とのなす角が鋭角であることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
  5. 　前記環状部は、前記基体および前記ケースとは材質が異なることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
     
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