WO2020004269A1 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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新作 里井
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Definitions

  • the present disclosure relates to a piezoelectric actuator.
  • a piezoelectric actuator for example, a piezoelectric actuator described in JP-A-4-165683 (hereinafter referred to as Patent Document 1) is known.
  • the piezoelectric actuator includes a piezoelectric element and a case containing the piezoelectric element therein and including a base and a cylindrical body.
  • the lower end of the cylindrical body is spread in a step shape, and an annular convex portion provided on the upper surface of the base is fitted inside the lower end of the cylindrical body, and a compressive load is applied to the piezoelectric element. It is joined in a state.
  • a piezoelectric actuator includes a piezoelectric element, a case containing the piezoelectric element therein, and a case including a base and a cylindrical body.
  • the base includes a bottom plate portion and an annular convex portion erected on the bottom plate portion.
  • the annular convex portion has a first region, and a second region located below the first region and having a larger outer diameter than the first region, and an outer surface of the first region. From the outer surface of the second region to the outer surface of the second region, the first region is inserted inside the cylindrical body, the end surface of the cylindrical body abuts the upper end of the second region, the cylindrical body And the second region are joined.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of an example of a piezoelectric actuator taken along line AA shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view of a region B (main part) of the piezoelectric actuator shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view of another example of the piezoelectric actuator taken along line AA shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view of a region B (main part) of the piezoelectric actuator shown in FIG. 4. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator.
  • piezoelectric actuator It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezoelectric actuator. It is an important section expanded sectional view of other examples of a piezo
  • the piezoelectric actuator 10 shown in FIGS. 1 to 3 includes the piezoelectric element 1 and the case 2 containing the base 21 and the cylindrical body 22 in which the piezoelectric element 1 is housed.
  • the piezoelectric element 1 constituting the piezoelectric actuator 10 includes, for example, an active part in which a plurality of piezoelectric layers and internal electrode layers are alternately stacked, and a piezoelectric element in which both ends in the stacking direction of the active part are stacked.
  • This is a laminated piezoelectric element including a laminated body having an inactive portion composed of a body layer.
  • the active portion is a portion where the piezoelectric layer expands or contracts in the stacking direction when driven
  • the inactive portion is a portion where the piezoelectric layer does not expand or contract in the stacking direction when driven.
  • the laminated body constituting the piezoelectric element 1 is formed in a rectangular parallelepiped shape having a length of about 4 mm to 7 mm, a width of 4 mm to 7 mm, and a height of about 20 mm to 50 mm.
  • the laminate may have, for example, a hexagonal column shape or an octagonal column shape.
  • the piezoelectric layer constituting the laminate is made of piezoelectric ceramics having piezoelectric characteristics, and the piezoelectric ceramics have an average particle size of, for example, 1.6 ⁇ m to 2.8 ⁇ m.
  • the piezoelectric ceramic for example, a perovskite oxide having lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
  • the internal electrode layer constituting the laminate is mainly composed of a metal such as silver, silver-palladium, silver-platinum, or copper.
  • the positive electrode and the negative electrode are alternately arranged in the laminating direction.
  • the positive electrode is drawn out on one side of the laminate, and the negative electrode is drawn out on the other side.
  • the laminate may include a metal layer or the like that is a layer for relaxing stress and does not function as an internal electrode layer.
  • An external electrode is provided on each of a pair of opposed side surfaces of the stacked body from which the positive electrode or the negative electrode (or the ground electrode) of the internal electrode layer is drawn out, and is electrically connected to the drawn out internal electrode layer.
  • the external electrode is a metallized layer having, for example, silver and glass.
  • both the positive electrode and the negative electrode (or ground electrode) of the internal electrode layer are exposed on the other pair of opposing side surfaces of the laminate, and a coating layer having an insulator is provided on this side surface as necessary. ing.
  • the coating layer By providing the coating layer, it is possible to prevent creeping discharge between the two electrodes which occurs when a high voltage is applied during driving.
  • the insulator serving as the coating layer include a ceramic material.
  • the insulator can follow the drive deformation (expansion and contraction) of the laminated body when the piezoelectric actuator is driven, so that there is no possibility that the coating layer is peeled off and creeping discharge occurs.
  • a material that can be deformed by stress can be used.
  • a partially stabilized zirconia Ln 1-x Si x AlO 3 + 0.5x
  • Ln is Sn, Y, La, Ce , Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Yb.
  • X 0.01 to 0.3
  • piezoelectric materials such as barium titanate and lead zirconate titanate, in which the distance between ions in the crystal lattice changes so as to reduce the generated stress.
  • This coating layer is formed by, for example, forming an ink, applying the coating to the side surface of the laminate by dipping or screen printing, and sintering.
  • the case 2 that constitutes the piezoelectric actuator 10 includes a base 21, a cylindrical body 22, and a lid 23.
  • the case 2 houses the piezoelectric element 1 therein, and the lower end surface of the piezoelectric element 1 contacts the upper surface of the base 21, and the upper end surface of the piezoelectric element 1 contacts the lower surface of the lid 23.
  • the base 21, the cylindrical body 22, and the lid 23 have a metal body such as SUS304 or SUS316L.
  • the cylindrical body 22 is a cylindrical body having both ends extending vertically.
  • the cylindrical body 22 is formed into a bellows shape by, for example, rolling or isostatic pressing after producing a seamless pipe in a predetermined shape.
  • the cylinder 22 has a predetermined spring constant so that it can follow the expansion and contraction of the piezoelectric element 1 when a voltage is applied to the piezoelectric element 1, and adjusts the spring constant by the thickness, the groove shape and the number of grooves. ing.
  • the thickness of the cylindrical body 22 is, for example, 0.1 to 0.5 mm.
  • the lid 23 is formed such that the outer diameter is substantially the same as the inner diameter of the one end opening of the cylindrical body 22.
  • the lid body 23 is fitted from one end side opening of the cylindrical body 22, and its side surface (outer periphery) is joined to the inner wall near the one end side opening of the cylindrical body 22 (near the upper end) by, for example, welding.
  • the base 21 has a bottom plate 211 and an annular protrusion 212 erected on the bottom plate 211.
  • the bottom plate portion 211 has a disk shape, and in the example shown in the figure, the peripheral portion is thinner than other portions.
  • the base 21 is formed with two through holes through which the lead pins 33 can be inserted, and the lead pins 33 are inserted through the through holes.
  • the gap between the through holes is filled with, for example, soft glass 34, and the lead pin 33 is fixed.
  • a lead wire 31 is connected to the tip of the lead pin 33, and the lead wire 31 is attached to an external electrode of the piezoelectric element 1 by solder 32, and a drive voltage is applied to the piezoelectric element 1 via these. It has become.
  • the annular convex portion 212 erected on the upper surface of the bottom plate portion 211 includes a first region 2121 having a relatively small outer diameter located on the upper side and a second region having a relatively large outer diameter located on the lower side. 2122, and a step-shaped outer surface extends from the outer surface of the first region 2121 to the outer surface of the second region 2122.
  • the first region 2121 having a relatively small outer diameter means that the outer diameter of the first region 21221 is smaller than the outer diameter of the second region 2122.
  • the first region 2121 having a relatively small outer diameter means that the outer diameter of the first region 2121 is smaller than the outer diameter of the second region 2122. More specifically, the first region 2121 is thinner than the second region 2122.
  • the outer diameter of the first area 2121 is, for example, 5 mm to 20 mm, and the outer diameter of the second area 2122 is, for example, 5.2 mm to 20.2 mm.
  • the difference between the thickness of the first region 2121 and the thickness of the second region 2122 is, for example, 0.1 mm to 7.6 mm.
  • the first region 2121 is inserted into the inside of the cylinder 22, the end face of the cylinder 22 abuts on the upper end of the second region 2122, and the cylinder 22 and the second region 2122 are joined.
  • the joint 4 is formed from the lower end of the cylindrical body 22 to the upper end of the second region 2122.
  • welding is used to join the cylindrical body 22 and the second region 2122.
  • the first region 2121 can suppress horizontal deformation while making it difficult to hinder vertical vibration. Therefore, cracks are less likely to occur in the joint portion 4 between the cylindrical body 22 and the annular convex portion 212, and the displacement is stable over a long period of time, and the durability is also improved.
  • the cylindrical body 22 includes a third region 221 having a relatively large inner diameter located on the lower side and a fourth region 222 having a relatively small internal diameter located on the upper side. And a step-shaped inner surface from the inner surface of the third region 221 to the inner surface of the fourth region 222, and the first region 2121 may be inserted inside the third region 221.
  • the inside diameter of the third region 221 is, for example, 5.01 mm to 20.01 mm
  • the inside diameter of the fourth region 222 is, for example, 4.91 mm to 19.91 mm.
  • the difference between the thickness of the third region 221 and the thickness of the fourth region 222 is, for example, 0.05 mm to 0.45 mm.
  • the outer diameter of the cylindrical body 22 may be equal to or smaller than the outer diameter of the second region 2122.
  • a compressive load is applied, a load in the direction in which the cylindrical body 22 expands (falls) outward is less likely to be applied, and the stress applied to the joint 4 is reduced.
  • the joint 4 between the cylindrical body 22 and the second region 2122 may be provided outside the center of the end face of the cylindrical body 22 when viewed in cross section. Since the inner side of the center of the end face of the body 22 is not joined, the stress applied to the joint is reduced.
  • the joint 4 between the cylinder 22 and the second region 2122 may be provided over the entire end surface of the cylinder 22 when viewed in cross section. Since it is firmly fixed, it can transmit tensile and compressive loads well.
  • the first region 2121 is inclined inward, and there is a gap between the outer surface of the first region 2121 and the inner surface of the cylindrical body 22, and the gap is located above the first region 2121. May be wider than the lower side. According to this configuration, even if the expansion and contraction drive of the piezoelectric element 1 causes a movement in the expansion and contraction direction of the piezoelectric element 1 between the first area 2121 and the cylinder 22, the first area 2121 and the cylinder 22 are rubbed. And the displacement is stable over a long period of time. At this time, the inclination of the first region 2121 is set in a range of, for example, 1 to 30 degrees toward the inside with respect to the expansion and contraction direction of the piezoelectric element 1.
  • the first region 2121 is inclined outward, and there is a gap between the outer surface of the first region 2121 and the inner surface of the cylindrical body 22. May be narrower than the lower side. According to this configuration, even if dew condensation occurs in the gap between the outer surface of the first region 2121 and the inner surface of the cylindrical body 22, the dew condensation is trapped to prevent the transmission of the water to the piezoelectric element 1. Can be.
  • the inclination of the first region 2121 is set in a range of, for example, 1 to 30 degrees outward with respect to the expansion and contraction direction of the piezoelectric element 1. It should be noted that, even at a portion where the distance between the outer surface of the first region 2121 and the inner surface of the cylindrical body 22 is the shortest, it is preferable that there is a gap such that they do not contact each other.
  • the joint 4 between the cylindrical body 22 and the second region 2122 may have a concave portion 41 at a position outside the cylindrical body 22 when viewed in cross section.
  • the stress applied to the joint 4 can be dispersed.
  • the concave portion 41 may be located annularly along the outer periphery of the cylindrical body 22. Further, the concave portion 41 may have an arcuate shape in cross section. In this case, the stress applied to the joint 4 can be further reduced. This is because the concave portion 41 is distorted when stress is applied by providing the annular concave portion 41 along the outer periphery of the cylindrical body 22, but the stress is formed in an annular shape along the concave portion by the presence of the annular concave portion 41. This is because they can be dispersed.
  • the joint 4 may have a convex portion 42 protruding outside of the cylindrical body 22 at a portion in contact with the cylindrical body 22.
  • the joint 4 may have a crack starting point particularly at a portion in contact with the cylindrical body 22. Increasing the amount of the joining material in a portion that may become a crack starting point by having the convex portion 42 protruding outside the cylinder 22 in a portion in contact with the cylinder 22 in the joining portion 4. Can be. Therefore, the strength of the portion in contact with the cylinder 22 can be increased. As a result, it is possible to reduce the possibility that cracks will occur starting from the portion of the joint 4 that is in contact with the cylinder 22.
  • the projection 42 may be located at a position in contact with the second region 2122 so as to protrude outside the second region 2122. Since the stress concentrates on the boundary between the joint 4 and the second region 2122, the boundary may be a starting point of a crack. Since the convex portion 42 is located outside the second region 2122 at a position in contact with the second region 2122, the amount of the bonding material near the boundary between the bonding portion 4 and the second region 2122 can be reduced. Since it can be increased, it is possible to increase the amount of the bonding material at a portion where there is a possibility of becoming a crack starting point. As a result, it is possible to reduce the possibility that cracks occur starting from a portion of the joint 4 that is in contact with the second region 2122.
  • the protrusion 42 may be provided in an annular shape along the annular concave portion 41. Thereby, the possibility that a crack is generated in the entire periphery of the joint 4 starting from a portion of the joint 4 that is in contact with the cylindrical body 22 can be reduced.
  • the cylindrical body 22 has a third region 221 having a relatively large inner diameter located on the lower side and a fourth region 222 having a relatively small internal diameter located on the upper side.
  • a stepped inner surface may be formed from the inner surface of the third region 221 to the inner surface of the fourth region 222, and the first region 2121 of the annular convex portion 212 may be inserted inside the third region 221.
  • the length of the third region 221 may be shorter than the length of the first region 2121.
  • a space can be provided between the second region 2122 and the fourth region 222.
  • the thickness of the third region 221 may be smaller than that of the first region 2121. Accordingly, a space can be provided between the first region 2121 and the third region 221. As a result, even when a large stress is instantaneously applied, priority can be given to the stress relaxation in the concave portion 41.
  • the concave portion 41 for example, laser welding is used as a welding method, and the focus is controlled so that energy is concentrated at the central position of the laser irradiation region, and welding is performed in an annular shape.
  • the projection 42 can be provided on the outer periphery of the irradiation region by shifting the position while irradiating the pulse with the irradiation method, the projection 42 can be provided in an annular shape by welding in an annular shape.
  • a ceramic green sheet to be a piezoelectric layer is prepared. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic, a binder having an organic polymer such as an acrylic or butyral system, and a plasticizer. Then, a ceramic green sheet is manufactured from the ceramic slurry by using a well-known tape forming method such as a doctor blade method or a calendar roll method.
  • the piezoelectric ceramics any ceramics having a piezoelectric property may be used. For example, a perovskite oxide having 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 an internal electrode layer is prepared.
  • 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 above ceramic green sheet using a screen printing method, and then a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated, and the conductive paste is applied to both ends in the laminating direction.
  • a plurality of unprinted ceramic green sheets are laminated to obtain a laminated molded body. After debinding the laminate at a predetermined temperature, the laminate is fired at 900 to 1200 ° C. to obtain a laminate.
  • 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 led out of the side surfaces of the laminate, and then fired at 900 to 1200 ° C. to form a coating layer.
  • the oxide ink disperses the oxide powder in a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder solution, and then passes through three rolls several times to disintegrate the powder aggregation, It is made by dispersing powder.
  • an external electrode 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 printed on a pair of opposed side surfaces of a laminate from which a positive electrode or a negative electrode of an internal electrode layer is led out by a screen printing method.
  • the baking process is performed at a temperature of about 800 ° C.
  • the external electrodes formed of the metallized layer are formed, and the piezoelectric element 1 is completed.
  • the external electrodes of the piezoelectric element 1 and the lead wires 31 are soldered.
  • a base 21 having a through hole formed therein and an annular convex portion 212 as shown in the figure is prepared, and the lead pins 33 are inserted into the two through holes formed in the base 21 respectively.
  • the gap is filled with a soft glass 34 and fixed, and the lower end surface of the piezoelectric element 1 is bonded to the upper surface 21 of the base with an adhesive.
  • the lead wire 31 soldered to the external electrode of the piezoelectric element 1 by solder and the lead pin 33 attached to the base 21 are connected by solder.
  • the metal to be the base 21 may be ground or cast by a lathe so as to have a desired shape.
  • a bellows shape is formed by rolling a seamless cylindrical body 22 made of, for example, SUS304.
  • a seamless cylindrical body 22 made of, for example, SUS304.
  • one end (upper end) and the other end (lower end) of the cylindrical body 22 are open.
  • the thickness of the groove and the radius of curvature can be changed by changing the shape of the mold during rolling.
  • the end may be polished with a lathe, and it is preferable to manufacture the cylindrical body from the beginning by casting.
  • An SUS304 lid 23 is fitted into the opening so as to cover the opening on one end side (upper end side) of the cylindrical body, and is welded by, for example, laser welding.
  • the cylinder 22 and the lid 21 are put on the piezoelectric element 1 adhered to the base 21, the cylinder 22 is pulled with a predetermined load, and the cylinder 22 and the base 21 Are welded, for example, by laser welding.
  • the laser intensity may be adjusted.
  • Piezoelectric actuator 1 Piezoelectric element 2 Case 21 Substrate 211 Bottom plate 212 Annular convex part 2121 First region 2122 Second region 22 ⁇ Cylindrical body 221 ⁇ third region 222 ⁇ fourth region 23 ⁇ lid 31 ⁇ lead wire 32 ⁇ solder 33 ⁇ lead pin 34 ⁇ soft glass 4 ⁇ Joint part 41 ⁇ ⁇ ⁇ Concave part 42 ⁇ ⁇ ⁇ Convex part

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Abstract

圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１と、圧電素子１を内部に収容した、基体２１および筒体２２を含むケース２とを備えている。基体２１は、底板部２１１と該底板部２１１に立設された環状凸部２１２とを有している。そして、環状凸部２１２は、上側に位置する相対的に外径の小さな第１領域２１２１と、下側に位置する相対的に外径の大きな第２領域２１２２とを有し、第１領域２１２１の外面から第２領域２１２２の外面にかけて段差状の外面になっている。筒体２２の内側に第１領域２１２１が挿通され、筒体２２の端面が第２領域２１２２の上端に当接し、筒体２２と第２領域２１２２とが接合されている。

Description

圧電アクチュエータ
　本開示は、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、例えば特開平４－１６５６８３号公報（以下、特許文献１とする）に記載の圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子を内部に収容した、基体および筒体を含むケースとを備えている。この圧電アクチュエータは、例えば、筒体の下端部がステップ状に広がっていて、基体の上面に設けた環状凸部が前記筒体の下端部の内側に嵌め込まれ、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で接合されている。
　本開示の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子を内部に収容した、基体および筒体を含むケースとを備え、前記基体は、底板部と該底板部に立設された環状凸部とを有し、該環状凸部は、第１領域と、該第１領域より下に位置し該第１領域より相対的に外径の大きな第２領域とを有し、前記第１領域の外面から前記第２領域の外面にかけて段差状の外面になっており、前記筒体の内側に前記第１領域が挿通され、前記筒体の端面が前記第２領域の上端に当接し、前記筒体と前記第２領域とが接合されている。
圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図である。 図１に示すＡ－Ａ線で切断した圧電アクチュエータの一例の概略縦断面図である。 図２に示す圧電アクチュエータの領域Ｂ（要部）の拡大断面図である。 図１に示すＡ－Ａ線で切断した圧電アクチュエータの他の例の概略縦断面図である。 図４に示す圧電アクチュエータの領域Ｂ（要部）の拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。 圧電アクチュエータの他の例の要部拡大断面図である。
　以下、本開示の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。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
　図１～図３に示す圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１と、圧電素子１を内部に収容した、基体２１および筒体２２を含むケース２とを備えている。
　圧電アクチュエータ１０を構成する圧電素子１は、図２に示すように、例えば圧電体層と内部電極層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からなる不活性部とを有する積層体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。
　圧電素子１を構成する積層体は、例えば縦４ｍｍ～７ｍｍ、横４ｍｍ～７ｍｍ、高さ２０ｍｍ～５０ｍｍ程度の直方体状に形成されている。なお、積層体は、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
　積層体を構成する圧電体層は、圧電特性を有する圧電セラミックスからなり、当該圧電セラミックスは平均粒径が例えば１．６μｍ～２．８μｍとされたものである。圧電セラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3－ＰｂＴｉＯ3）を有す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、積層体を構成する内部電極層は、例えば銀、銀－パラジウム、銀－白金、銅などの金属を主成分とするものである。例えば、正極と負極とがそれぞれ積層方向に交互に配置されている。積層体の一つの側面に正極が引き出され、他の側面に負極が引き出されている。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同士の間に挟まれた圧電体層に駆動電圧を印加することができる。
　なお、積層体には、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。
　そして、内部電極層の正極または負極（もしくはグランド極）が引き出された積層体の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極が設けられ、引き出された内部電極層と電気的に接続されている。外部電極は、例えば銀およびガラスを有するメタライズ層である。
　一方、積層体の対向する他の一対の側面には、内部電極層の正極および負極（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絶縁体を有する被覆層が設けられている。被覆層を設けることにより、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。この被覆層となる絶縁体としては、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の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層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を用いることができる。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などの圧電材料が挙げられる。この被覆層は、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の側面に塗布され、焼結することによって形成される。
　圧電アクチュエータ１０を構成するケース２は、基体２１、筒体２２および蓋体２３を含んでいる。そして、ケース２は圧電素子１を内部に収容しており、基体２１の上面に圧電素子１の下端面が当接し、蓋体２３の下面に圧電素子１の上端面が当接している。
　基体２１、筒体２２および蓋体２３は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属体を有する。
　筒体２２は、上下に延びる両端開口の筒状体である。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、圧電素子１に電圧を印加した際に圧電素子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。
　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ある。蓋体２３は、筒体２２の一端側開口から嵌め込まれ、筒体２２の一端側開口の近傍（上端近傍）の内壁にその側面（外周）を例えば溶接により接合されている。
　基体２１は、底板部２１１と、該底板部２１１に立設された環状凸部２１２とを有している。底板部２１１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。なお、基体２１にはリードピン３３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３３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３４が充填されていて、リードピン３３が固定されている。リードピン３３の先端にはリード線３１が接続されているとともに、このリード線３１がはんだ３２で圧電素子１の外部電極に取り付けられていて、これらを介して圧電素子１に駆動電圧を印加するようになっている。
　そして、底板部２１１の上面に立設された環状凸部２１２は、上側に位置する相対的に外径の小さな第１領域２１２１と、下側に位置する相対的に外径の大きな第２領域２１２２とを有し、第１領域２１２１の外面から第２領域２１２２の外面にかけて段差状の外面になっている。ここで、相対的に外径の小さな第１領域２１２１とは、第１領域２１２２１の外径が第２領域２１２２の外径よりも小さいことを意味している。同様に、相対的に外径の小さな第１領域２１２１とは、第１領域２１２１の外径が第２領域２１２２の外径よりも小さいことを意味している。より具体的には、第１領域２１２１は第２領域２１２２よりも薄くなっている。
　第１領域２１２１の外径は例えば５ｍｍ～２０ｍｍとされ、第２領域２１２２の外径は例えば５．２ｍｍ～２０．２ｍｍとされる。そして、第１領域２１２１の厚みと第２領域２１２２の厚みとの差は、例えば０．１ｍｍ～７．６ｍｍとされる。
　さらに、筒体２２の内側に第１領域２１２１が挿通され、筒体２２の端面が第２領域２１２２の上端に当接し、筒体２２と第２領域２１２２とが接合されている。このとき、筒体２２の下端部から第２領域２１２２の上端部にかけて接合部４が形成される。筒体２２と第２領域２１２２との接合には、例えば溶接が用いられる。
　このような構成によれば、第１領域２１２１によって、上下の振動を妨げにくくしつつ、水平方向の変形を抑制することができる。したがって、筒体２２と環状凸部２１２との接合部４にクラックが生じにくく、長期間にわたって変位量が安定するとともに、耐久性も向上する。
　ここで、図４および図５に示すように、筒体２２は、下側に位置する相対的に内径の大きな第３領域２２１と、上側に位置する相対的に内径の小さな第４領域２２２とを有し、第３領域２２１の内面から第４領域２２２の内面にかけて段差状の内面になっており、第３領域２２１の内側に第１領域２１２１が挿通されていてもよい。
　第３領域２２１の内径は例えば５．０１ｍｍ～２０．０１ｍｍとされ、第４領域２２２の内径は例えば４．９１ｍｍ～１９．９１ｍｍとされる。そして、第３領域２２１の厚みと第４領域２２２の厚みとの差は、例えば０．０５ｍｍ～０．４５ｍｍとされる。
　これにより、引張りおよび圧縮荷重がかかる際に、第３領域２２１と第４領域２２２との境界部分および第１領域２１２１と第２領域２１２２との境界部分（厚い領域と薄い領域との境界部分）で応力が分散するので、接合部４にかかる応力が緩和される。
　また、図６に示すように、筒体２２の外径は第２領域２１２２の外径と同じかまたはそれより小さくてもよい。圧縮荷重がかかる際に、筒体２２が外側に膨らむ（倒れる）方向の負荷がかかりにくくなり、接合部４にかかる応力が緩和される。
　また、図７に示すように、筒体２２と第２領域２１２２との接合部４が、断面で見て筒体２２の端面の中央よりも外側に設けられていてもよく、この場合、筒体２２の端面の中央よりも内側が接合されていないので、接合部にかかる応力が緩和される。
　一方、図８に示すように、筒体２２と第２領域２１２２との接合部４が、断面で見て筒体２２の端面の全域にわたって設けられていてもよく、この場合、接合部が最も強固に固定されているので、引張り圧縮荷重をよく伝えることができる。
　また、図９に示すように、第１領域２１２１は内側に傾いており、第１領域２１２１の外面と筒体２２の内面との間に隙間があって、当該隙間は第１領域２１２１の上側のほうが下側よりも広くなっていてもよい。この構成によれば、圧電素子１の伸縮駆動により、第１領域２１２１と筒体２２との間に圧電素子１の伸縮方向の動きが生じたとしても第１領域２１２１と筒体２２とが擦れることがなく、長期間にわたって変位量が安定する。このとき、第１領域２１２１の傾きは、圧電素子１の伸縮方向に対し、内側に向かって例えば１～３０度の範囲に設定される。
　一方、図１０に示すように、第１領域２１２１は外側に傾いており、第１領域２１２１の外面と筒体２２の内面との間に隙間があって、当該隙間は第１領域２１２１の上側のほうが下側よりも狭くなっていてもよい。この構成によれば、第１領域２１２１の外面と筒体２２の内面との間の隙間に結露が生じたとしても、結露した水分をトラップし、圧電素子１へ水分が伝わらないようにすることができる。
　このとき、第１領域２１２１の傾きは、圧電素子１の伸縮方向に対し、外側に向かって例えば１～３０度の範囲に設定される。なお、第１領域２１２１の外面と筒体２２の内面との距離が最も近い部位であっても、これらが接触しない程度の隙間があるのがよい。
　次に、図１１のように、筒体２２と第２領域２１２２との接合部４は、断面で見て筒体２２の外側の位置に凹部４１を有していてもよい。これにより、接合部４に加わる応力を分散させることができる。その結果、接合部４にクラックが生じるおそれを低減することができる。
　また、凹部４１は、筒体２２の外周に沿って環状に位置していてもよい。また、凹部４１は、断面で見て弓なりの形状であってもよい。この場合は、接合部４に加わる応力をより緩和することができる。これは筒体２２の外周に沿って環状に弓なりの凹部４１を設けることで応力が加わった時に凹部４１がひずむが、円環状に凹部４１があることで、応力が凹部に沿って円環状に分散することができるからである。このことにより接合部４のうち、筒体２２の内側の領域には応力が加わらなくなり、筒体２２と環状凸部２１２との境目に位置する接合部４から亀裂が生じたり、はがれたりするおそれを低減するこができる。
　また、図１２のように、接合部４は、筒体２２に接する部位において、筒体２２よりも外側に突出する凸部４２を有していてもよい。接合部４は、特に筒体２２に接する部位がクラックの起点になるおそれがある。接合部４が、筒体２２に接する部位において、筒体２２よりも外側に突出する凸部４２を有していることにより、クラックの起点となるおそれがある部位の接合材の量を増やすことができる。そのため、筒体２２に接する部位の強度を高めることができる。その結果、接合部４のうち筒体２２に接する部位を起点としてクラックが生じるおそれを低減することができる。
　また、凸部４２は、第２領域２１２２に接する部位において、第２領域２１２２よりも外側に突出して位置していてもよい。接合部４と第２領域２１２２との境界は、応力が集中するため、クラックの起点になるおそれがある。凸部４２が、第２領域２１２２に接する部位において、第２領域２１２２よりも外側に突出して位置していることにより、接合部４と第２領域２１２２との境界の近くの接合材の量を増やすことができるため、クラックの起点となるおそれがある部位の接合材の量を増やすことができる。その結果、接合部４のうち第２領域２１２２に接する部位を起点としてクラックが生じるおそれを低減することができる。
　なお、凸部４２は、円環状の凹部４１に沿って、円環状に設けられていてもよい。これにより、接合部４の全周において、接合部４のうち筒体２２に接する部位を起点としてクラックが生じるおそれを低減することができる。
　また、図１３のように、筒体２２は、下側に位置する相対的に内径の大きな第３領域２２１と、上側に位置する相対的に内径の小さな第４領域２２２とを有し、第３領域２２１の内面から第４領域２２２の内面にかけて段差状の内面になっており、第３領域２２１の内側に環状凸部２１２の第１領域２１２１が挿通されていてもよい。これにより、応力が分散する効果に加え、圧電素子１の軸ブレを抑制できる。
　また、図１４のように、第３領域２２１の長さは、第１領域２１２１よりも短くてもよい。これにより、第２領域２１２２と第４領域２２２との間に空間を設けることができる。その結果、瞬間的に大きな応力が加わるような場合でも、凹部４１での応力緩和を優先させることができる。
　また、図１５のように、第３領域２２１の厚みは、第１領域２１２１よりも薄くてもよい。これにより、第１領域２１２１と第３領域２２１との間に空間を設けることができる。その結果、瞬間的に大きな応力が加わるような場合でも、凹部４１での応力緩和を優先させることができる。
　凹部４１の形成方法は、例えば溶接方法としてレーザー溶接を用い、レーザーの照射領域の中央位置にエネルギーが集中するように焦点を制御して、円環状に溶接を行う。また照射方法をパルス照射しながら位置をシフトさせることで照射領域の外周に凸部４２を設けることができるので、円環状に溶接を行うことで凸部４２を円環状に設けることができる。
　次に、圧電アクチュエータの製造方法について説明する。
　まず、圧電体層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を有するバインダーと、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を有す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が得られる。
　次に、積層体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、内部電極層の正極または負極が導出された積層体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を形成して圧電素子１が完成する。
　次に、圧電素子１の外部電極とリード線３１とをはんだ付けする。また、穴加工にて貫通孔を形成するとともに、図に示すような環状凸部２１２を形成した基体２１を用意し、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３３を挿通するとともに隙間に軟質ガラス３４を充填して固定し、さらに基体の上面２１に圧電素子１の下端面を接着剤で接着する。そして、圧電素子１の外部電極にはんだにてはんだ付けしたリード線３１と基体２１に取り付けられたリードピン３３とをはんだで接続する。
　ここで、図２～図１０環状凸部２１２の形状とするには、基体２１となる金属を所望の形状となるように旋盤で研削または鋳造すればよい。
　次に、例えば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。ここで、この筒体２２の一端側（上端側）および他端側（下端側）は開口している。なお、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。
　また、筒体２２を図４～図６に示すような形状とするには、端部を旋盤で研磨してもよく、最初から鋳造で作製するのがよい。
　この筒体の一端側（上端側）の開口を塞ぐように、ＳＵＳ３０４製の蓋体２３を当該開口に嵌め込んで、例えばレーザー溶接によって溶接する。
　次に、筒体２２および蓋体２３を基体２１に接着した圧電素子１に被せ、所定の荷重で筒体２２を引張り、圧電素子１に荷重を加えた状態で、筒体２２と基体２１とを例えばレーザー溶接によって溶接する。ここで、図７および図８に示すように、接合部４の形成される領域を調整するには、レーザー強度を調整すればよい。
　最後に、基体２１に取り付けられたリードピン３３に０．１～３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体を分極することによって、本実施形態の圧電アクチュエータ１０が完成する。
１０・・・圧電アクチュエータ
１・・・圧電素子
２・・・ケース
２１・・・基体
２１１・・・底板部
２１２・・・環状凸部
２１２１・・・第１領域
２１２２・・・第２領域
２２・・・筒体
２２１・・・第３領域
２２２・・・第４領域
２３・・・蓋体
３１・・・リード線
３２・・・はんだ
３３・・・リードピン
３４・・・軟質ガラス
４・・・接合部
４１・・・凹部
４２・・・凸部

Claims (10)

  1. 　圧電素子と、
    該圧電素子を内部に収容した、基体および筒体を含むケースとを備え、
    前記基体は、底板部と該底板部に立設された環状凸部とを有し、
    該環状凸部は、第１領域と、該第１領域より下に位置し該第１領域より相対的に外径の大きな第２領域とを有し、前記第１領域の外面から前記第２領域の外面にかけて段差状の外面になっており、
    前記筒体の内側に前記第１領域が挿通され、前記筒体の端面が前記第２領域の上端に当接し、前記筒体と前記第２領域とが接合されている圧電アクチュエータ。
  2. 　前記筒体は、第３領域と、該第３領域より上に位置し該第３領域より相対的に内径の小さな第４領域とを有し、前記第３領域の内面から前記第４領域の内面にかけて段差状の内面になっており、
    前記第３領域の内側に前記第１領域が挿通されている請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
  3. 　前記筒体の外径は、前記第２領域の外径と同じかまたはそれよりも小さい請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 　前記筒体と前記第２領域との接合部が、断面で見て前記筒体の端面の中央よりも外側に設けられている請求項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。
  5. 　前記筒体と前記第２領域との接合部が、断面で見て前記筒体の端面の全域にわたって設けられている請求項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。
  6. 　前記第１領域は内側に傾いており、前記第１領域の外面と前記筒体の内面との間に隙間があって、当該隙間は前記第１領域の上側のほうが下側よりも広い請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  7. 　前記第１領域は外側に傾いており、前記第１領域の外面と前記筒体の内面との間に隙間があって、当該隙間は前記第１領域の上側のほうが下側よりも狭い請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  8. 　前記筒体と前記第２領域との接合部は、断面で見て前記筒体の外側の位置に凹部を有する請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  9. 　前記接合部は、前記筒体に接する部位において、前記筒体よりも外側に突出する凸部を有する請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
  10. 　前記接合部は、前記第２領域に接する部位において、前記第２領域よりも外側に突出する凸部を有する請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
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