JP6818466B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本開示は、マスフローコントローラ、ＸＹテーブルの精密位置決め装置等に用いられる圧電アクチュエータに関するものである。 The present disclosure relates to piezoelectric actuators used in mass flow controllers, precision positioning devices for XY tables, and the like.
圧電素子と、該圧電素子を上下から挟むように内部に収容した、筒体および蓋体を有するケースとを備えた圧電アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。この圧電アクチュエータは、例えば、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、筒体の上端近傍の内面を蓋体の側面にレーザー溶接や抵抗溶接で接合することで作製される。 A piezoelectric actuator including a piezoelectric element and a case having a cylinder and a lid in which the piezoelectric element is housed so as to sandwich the piezoelectric element from above and below is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). This piezoelectric actuator is manufactured, for example, by joining the inner surface near the upper end of the cylinder to the side surface of the lid by laser welding or resistance welding while a compressive load is applied to the piezoelectric element.
金属ケースで封止した圧電アクチュエータでは、駆動時の変位で溶接部に引張り応力が繰り返しかかる。ここで、溶接部と蓋体の母材との界面は母材自体に比べ強度が弱いため、この界面に沿ってクラックが進展するおそれがある。このクラックが進展すると、圧電素子へ印加した荷重が片当たりの状態となり、更には、印加荷重が下がり、変位量が小さくなるおそれもある。 In a piezoelectric actuator sealed with a metal case, tensile stress is repeatedly applied to the welded portion due to displacement during driving. Here, since the interface between the welded portion and the base material of the lid is weaker than the base material itself, cracks may develop along this interface. When this crack grows, the load applied to the piezoelectric element becomes a one-sided state, and further, the applied load may decrease and the displacement amount may become small.
本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、溶接部と母材との界面におけるクラックの進展を抑制し、所望の変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and provides a piezoelectric actuator capable of suppressing the growth of cracks at the interface between the welded portion and the base metal and stably obtaining a desired displacement amount for a long period of time. With the goal.
本開示の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子を上下から挟むように内部に収容した、筒体および蓋体を有するケースとを備え、前記筒体の一端側開口部から前記蓋体が挿入されて、溶接部により前記筒体と前記蓋体とが接合されており、前記溶接部の一部が前記蓋体の側面から前記蓋体の内部に向かって入り込んでいて、前記溶接部と前記蓋体との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、前記境界には前記溶接部に入り込むように設けられた角部があり、前記溶接部には上段に配置されて前記蓋体の側面から前記蓋体の内部に向かって入り込む第１の凸部と下段に配置されて前記蓋体の側面から前記蓋体の内部に向かって入り込む第２の凸部とがあり、前記蓋体と前記筒体との間に隙間を有するとともに、前記第２の凸部と前記蓋体との境界線の延長線と、前記筒体の側面とが交わる角度が、鋭角であることを特徴とするものである。 The piezoelectric actuator of the present disclosure includes a piezoelectric element and a case having a cylinder and a lid in which the piezoelectric element is housed so as to sandwich the piezoelectric element from above and below, and the lid is formed from an opening on one end side of the cylinder. After being inserted, the tubular body and the lid body are joined by a welded portion, and a part of the welded portion enters from the side surface of the lid body toward the inside of the lid body, and the welded portion and the welded portion. when viewed in cross section taken along the boundary between the lid in the vertical direction, the boundary the Ri corners there provided so as to enter the weld in, for the welded portion is disposed in the upper the There is a first convex portion that enters from the side surface of the lid toward the inside of the lid, and a second convex portion that is arranged at the lower stage and enters from the side surface of the lid toward the inside of the lid. A gap is provided between the lid body and the cylinder body, and the angle at which the extension line of the boundary line between the second convex portion and the lid body and the side surface of the cylinder body intersect is a sharp angle. It is a feature.
本開示の圧電アクチュエータによれば、溶接部と蓋体（母材）との界面に生じたクラックの伸展を抑制することができ、それに伴う変位量の減少を防ぐことができ、所望の変位量を長期間安定して得ることができる。 According to the piezoelectric actuator of the present disclosure, it is possible to suppress the expansion of cracks generated at the interface between the welded portion and the lid (base material), prevent the accompanying decrease in the displacement amount, and obtain the desired displacement amount. Can be stably obtained for a long period of time.
以下、本実施形態の圧電アクチュエータの例について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of the piezoelectric actuator of this embodiment will be described with reference to the drawings.
図１は圧電アクチュエータ１０の一例を示す概略斜視図、図２は図１に示すＡ−Ａ線で切断した圧電アクチュエータの概略断面図、図３は図２に示す圧電素子の概略斜視図、図４は図２に示す領域Ｂの一例の拡大図である。 1 is a schematic perspective view showing an example of the piezoelectric actuator 10, FIG. 2 is a schematic sectional view of the piezoelectric actuator cut along the line AA shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic perspective view of the piezoelectric element shown in FIG. 4 is an enlarged view of an example of the region B shown in FIG.
図１〜図４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を上下から挟むように内部に収容した、筒体２１および蓋体２２を有するケース２とを備え、筒体２１の一端側開口部から蓋体２２が挿入されて、溶接部３により筒体２１と蓋体２２とが接合されている。具体的には、蓋体２２の側面と筒体２１の上端部内面とが溶接で接合されている。そして、溶接部３の一部が蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込んでいて、溶接部３と蓋体２２との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、当該境界には溶接部３に入り込むように設けられた角部５がある。言い換えると、溶接部３と蓋体２２との境界線は、溶接部３側に凸の角部５を有している。 The piezoelectric actuator 10 shown in FIGS. 1 to 4 includes a piezoelectric element 1 and a case 2 having a tubular body 21 and a lid 22 that accommodate the piezoelectric element 1 so as to sandwich the piezoelectric element 1 from above and below. The lid 22 is inserted from the opening on one end side, and the tubular body 21 and the lid 22 are joined by the welded portion 3. Specifically, the side surface of the lid 22 and the inner surface of the upper end portion of the cylinder 21 are joined by welding. Then, when a part of the welded portion 3 enters from the side surface of the lid body 22 toward the inside of the lid body 22, and the boundary between the welded portion 3 and the lid body 22 is viewed in a cross section cut in the vertical direction, At the boundary, there is a corner portion 5 provided so as to enter the welded portion 3. In other words, the boundary line between the welded portion 3 and the lid 22 has a convex corner portion 5 on the welded portion 3 side.
圧電アクチュエータ１０を構成する圧電素子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活性部と、活性部の積層方向の両端に積層された圧電体層１１からなる不活性部とを有する積層体１３を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部は駆動時に圧電体層が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部は駆動時に圧電体層１１が積層方向に伸長または収縮しない部位である。 As shown in FIG. 3, the piezoelectric element 1 constituting the piezoelectric actuator 10 is laminated with, for example, an active portion in which a plurality of piezoelectric layer 11 and an internal electrode layer 12 are alternately laminated, and both ends in the stacking direction of the active portion. It is a laminated piezoelectric element provided with a laminated body 13 having an inactive portion composed of the piezoelectric layer 11. Here, the active portion is a portion where the piezoelectric layer expands or contracts in the stacking direction during driving, and the inactive portion is a portion where the piezoelectric layer 11 does not expand or contract in the stacking direction during driving.
圧電素子１を構成する積層体１３は、例えば縦４〜７ｍｍ、横４〜７ｍｍ、高さ２０〜５０ｍｍ程度の直方体状に形成されている。なお、図３に示す積層体１３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。 The laminate 13 constituting the piezoelectric element 1 is formed in a rectangular parallelepiped shape having, for example, a length of 4 to 7 mm, a width of 4 to 7 mm, and a height of about 20 to 50 mm. The laminate 13 shown in FIG. 3 has a quadrangular prism shape, but may have, for example, a hexagonal prism shape or an octagonal prism shape.
積層体１３を構成する圧電体層１１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１．６〜２．８μｍ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）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。 The piezoelectric layer 11 constituting the laminated body 13 is made of piezoelectric ceramics having piezoelectric characteristics, and the piezoelectric ceramics have an average particle size of, for example, 1.6 to 2.8 μm. As the piezoelectric ceramics, for example, a perovskite-type oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3- PbTIO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ) and the like can be used.
また、積層体１３を構成する内部電極層１２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１３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１２同士の間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加することができる。 Further, the internal electrode layer 12 constituting the laminated body 13 is mainly composed of a metal such as silver, silver-palladium, silver-platinum, or copper. For example, the positive electrode and the negative electrode are alternately arranged in the stacking direction. A positive electrode is drawn out on one side surface of the laminate 13, and a negative electrode is drawn out on the other side surface. With this configuration, in the active portion, a driving voltage can be applied to the piezoelectric layer 11 sandwiched between the internal electrode layers 12 adjacent to each other in the stacking direction.
なお、積層体１３には、応力を緩和するための層であって内部電極層として機能しない金属層等が含まれていてもよい。 The laminated body 13 may include a metal layer or the like that is a layer for relieving stress and does not function as an internal electrode layer.
そして、内部電極層１２の正極または負極が引き出された積層体１３の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極１４が設けられ、引き出された内部電極層１２と電気的に接続されている。外部電極１４は、例えば銀およびガラスの焼結体からなるメタライズ層である。 External electrodes 14 are provided on the pair of opposite side surfaces of the laminated body 13 from which the positive electrode or the negative electrode of the internal electrode layer 12 is drawn, and are electrically connected to the drawn internal electrode layer 12. The external electrode 14 is a metallized layer made of, for example, a sintered body of silver and glass.
一方、積層体１３の対向する他の一対の側面には、内部電極層１２の正極および負極の両極が露出しており、この側面には必要により絶縁体からなる被覆層１５が設けられている。被覆層１５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１５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１０を駆動した際の積層体１３の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層１５が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料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１５は、例えばインク状にした後、ディッピングやスクリーン印刷によって積層体１３の側面に塗布され、焼結することによって形成される。 On the other hand, both positive and negative electrodes of the internal electrode layer 12 are exposed on the other pair of opposite side surfaces of the laminated body 13, and a coating layer 15 made of an insulator is provided on this side surface, if necessary. .. By providing the coating layer 15, it is possible to prevent creepage discharge between both electrodes that occurs when a high voltage is applied during driving. Examples of the insulator to be the coating layer 15 include a ceramic material, and in particular, it can follow the drive deformation (expansion and contraction) of the laminate 13 when the piezoelectric actuator 10 is driven, and the coating layer 15 is peeled off to generate creeping discharge. A material that can be deformed by stress can be used so as not to be afraid. Specifically, partially stabilized zirconia, Ln 1-X Si X AlO 3 + 0.5X (Ln is Sn, Y, La, Ce, which can be deformed by locally undergoing phase transformation and volume change when stress is generated. A ceramic material such as Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and at least one selected from Yb. X = 0.01 to 0.3). Alternatively, piezoelectric materials such as barium titanate and lead zirconate titanate, in which the distance between ions in the crystal lattice changes so as to relieve the generated stress, can be mentioned. The coating layer 15 is formed by, for example, forming an ink, applying it to the side surface of the laminate 13 by dipping or screen printing, and sintering it.
また、圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１を上下から挟むように内部に収容したケース２を備えている。ケース２は、筒体２１および蓋体２２を有している。より具体的には、基体２３と、基体２３の上面に下端部が接合された筒体２１と、筒体２１の上端部に接合された蓋体２２とを含んでいる。そして、基体２３の上面に圧電素子１の下端面が当接され、蓋体２２の下面に圧電素子１の上端面が当接されている。 Further, the piezoelectric actuator 10 includes a case 2 in which the piezoelectric element 1 is housed so as to sandwich the piezoelectric element 1 from above and below. The case 2 has a tubular body 21 and a lid body 22. More specifically, it includes a base 23, a cylinder 21 having a lower end bonded to the upper surface of the base 23, and a lid 22 joined to the upper end of the cylinder 21. Then, the lower end surface of the piezoelectric element 1 is in contact with the upper surface of the substrate 23, and the upper end surface of the piezoelectric element 1 is in contact with the lower surface of the lid 22.
基体２３、筒体２１および蓋体２２は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属からなるものである。 The base 23, the cylinder 21, and the lid 22 are made of a metal such as SUS304 or SUS316L.
筒体２１は、上下に延びる筒状部と、筒状部の下端に接続された鍔部とを有している。この筒体２１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２１は、圧電素子１（積層体１３）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２１の厚みは例えば０．１〜０．５ｍｍとされる。筒体２１の上下に延びる筒状部から一端側開口（上端側開口）までは円筒状のものであるが、筒体２１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２１の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体２１が鍔部を有する構造になっている。なお、筒体２１は、上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部を有していてもよい。 The tubular body 21 has a tubular portion extending vertically and a flange portion connected to the lower end of the tubular portion. The tubular body 21 is formed into a bellows shape by, for example, a seamless tube having a predetermined shape and then rolling or hydrostatic pressing. The tubular body 21 has a predetermined spring constant so that it can follow the expansion and contraction of the piezoelectric element 1 (laminated body 13), and the spring constant is adjusted according to the thickness, the groove shape, and the number of grooves. For example, the thickness of the tubular body 21 is, for example, 0.1 to 0.5 mm. The tubular portion extending vertically from the tubular body 21 to the one end side opening (upper end side opening) is cylindrical, but the other end side opening (lower end side opening) of the tubular body 21 expands outward in the radial direction. It has a so-called trumpet shape. As described above, the opening on the other end side of the tubular body 21 has a trumpet shape, so that the tubular body 21 has a collar portion. The tubular body 21 may have an inclined portion inclined inward from the outer surface near the upper end to the upper end.
また、蓋体２２は外径が筒体２１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。この蓋体２２は、筒体２１の一端側開口から嵌め込まれ、筒体２１の一端側開口の近傍（上端近傍）の内壁にその側面（外周）を溶接により接合されている。このとき、筒体２１と蓋体２２との溶接による溶接部３の一部が、蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込んでいる。なお、ここでいう溶接部３とは、蓋体２２と筒体２１とが溶接によって反応してできた部位である。ここでは、図４に示す溶接部３の一部を蓋体２２（母材）とは異なるものとし、溶接部３の一部と蓋体２２（母材）とを区別することとする。また、蓋体２２と筒体２１とが溶接によって反応してできた部位は、筒体２１の内部にも入り込んでいるが、図４では蓋体２２の内部に入り込んだ部分のみを溶接部３の一部として表している。 Further, the lid body 22 is formed so that the outer diameter is the same as the inner diameter of the opening on one end side of the tubular body 21. The lid 22 is fitted from one end side opening of the tubular body 21, and its side surface (outer circumference) is joined to the inner wall in the vicinity of the one end side opening of the tubular body 21 by welding. At this time, a part of the welded portion 3 formed by welding the tubular body 21 and the lid 22 enters from the side surface of the lid 22 toward the inside of the lid 22. The welded portion 3 referred to here is a portion formed by the reaction between the lid body 22 and the tubular body 21 by welding. Here, a part of the welded portion 3 shown in FIG. 4 is different from the lid body 22 (base material), and a part of the welded portion 3 and the lid body 22 (base material) are distinguished. Further, the portion formed by the reaction between the lid 22 and the cylinder 21 by welding also enters the inside of the cylinder 21, but in FIG. 4, only the portion that has entered the inside of the lid 22 is the welded portion 3. Represented as part of.
また、基体２３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。そして、基体２３の周縁部と筒体２１の鍔部とは、圧電素子１に圧縮荷重がかかるようにして例えば溶接により接合されている。 Further, the substrate 23 has a disk shape, and in the example shown in the figure, the peripheral portion is thinner than the other portions. Then, the peripheral edge portion of the substrate 23 and the flange portion of the tubular body 21 are joined by welding, for example, so that a compressive load is applied to the piezoelectric element 1.
なお、基体２３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。また、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１４に取り付けられていて、リードピン４３およびリード線４１を介して圧電素子１に駆動電圧を印加するようになっている。 The substrate 23 is formed with two through holes through which the lead pins 43 can be inserted, and the lead pins 43 are inserted through the through holes. Then, for example, soft glass 44 is filled in the gap between the through holes, and the lead pin 43 is fixed. Further, a lead wire 41 is connected to the tip of the lead pin 43, and the lead wire 41 is attached to the external electrode 14 with solder 42, and a drive voltage is applied to the piezoelectric element 1 via the lead pin 43 and the lead wire 41. Is to be applied.
そして、図４に示すように、溶接部３の一部が蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込んでいて、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、当該境界には溶接部３に入り込むように設けられた角部５がある。言い換えると、蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込んだ溶接部３の一部が、少なくとも２つの山（突出部）を有する形状または段差を有する形状になっている。ここで、溶接部３の一部が２つの山（突出部）を有する形状になっている場合、山（突出部）と山（突出部）との間にある谷の部分が角部５となる。また、溶接部３の一部が段差を有する形状になっている場合、段差の部分が角部５となる。なお、図４に示す角部５の角度θ１は鈍角になっている。 Then, as shown in FIG. 4, a part of the welded portion 3 enters from the side surface of the lid 22 toward the inside of the lid 22, and moves up and down the boundary between the weld 3 and the lid 22 (base material). When viewed in a cross section cut in the direction, the boundary has a corner portion 5 provided so as to enter the welded portion 3. In other words, a part of the welded portion 3 that has entered from the side surface of the lid 22 toward the inside of the lid 22 has a shape having at least two peaks (protruding portions) or a shape having a step. Here, when a part of the welded portion 3 has a shape having two peaks (projections), the valley portion between the peaks (projections) and the peaks (projections) is the corner portion 5. Become. Further, when a part of the welded portion 3 has a stepped shape, the stepped portion becomes the corner portion 5. The angle θ1 of the corner portion 5 shown in FIG. 4 is an obtuse angle.
このような構成によれば、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界に沿ってクラックが発生したとしても、角部５でクラックの進展方向が急に変わるので、これが大きな抵抗となってクラックの進展を食い止めることができる。すなわち、溶接部３と蓋体２２（母材）との界面に生じたクラックの進展を抑制することができる。したがって、クラックの進展に伴う変位量の減少を防ぐことができ、所望の変位量を長期間安定して得ることができる。 According to such a configuration, even if a crack occurs along the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material), the direction of crack growth suddenly changes at the corner portion 5, so this is a large resistance. It is possible to stop the development of cracks. That is, it is possible to suppress the growth of cracks generated at the interface between the welded portion 3 and the lid 22 (base material). Therefore, it is possible to prevent a decrease in the displacement amount due to the growth of cracks, and a desired displacement amount can be stably obtained for a long period of time.
また、図５に示すように、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、溶接部３には上段に配置されて蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込む第１の凸部３１と下段に配置されて蓋体２２の側面から蓋体２２の内部に向かって入り込む第２の凸部３２とがあり、角部５が第１の凸部３１と第２の凸部３２との間に鋭角に設けられている構成とすることができる。図４に示す構成は角部５の角度θ１が鈍角であるのに対し、図５に示す構成は角部５の角度θ１が鋭角である。このような構成によれば、角部５におけるクラックの進展方向の変化が大きいことから、これがより大きな抵抗となってクラックの進展をより食い止めることができる。したがって、クラックの進展に伴う変位量の減少をより防ぐことができる。なお、角部５が鋭角であるときの角度θ１としては、例えば２０度〜８５度に設定される。 Further, as shown in FIG. 5, when the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material) is viewed in a cross section cut in the vertical direction, the welded portion 3 is arranged in the upper stage of the lid 22. There is a first convex portion 31 that enters from the side surface toward the inside of the lid 22 and a second convex portion 32 that is arranged in the lower stage and enters from the side surface of the lid 22 toward the inside of the lid 22. 5 can be configured to be provided at a sharp angle between the first convex portion 31 and the second convex portion 32. In the configuration shown in FIG. 4, the angle θ1 of the corner portion 5 is an obtuse angle, whereas in the configuration shown in FIG. 5, the angle θ1 of the corner portion 5 is an acute angle. According to such a configuration, since the change in the crack growth direction at the corner portion 5 is large, this becomes a larger resistance and the crack growth can be further stopped. Therefore, it is possible to further prevent a decrease in the displacement amount due to the growth of cracks. The angle θ1 when the corner portion 5 is an acute angle is set to, for example, 20 degrees to 85 degrees.
また、図６に示すように、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、第１の凸部３１よりも第２の凸部３２のほうが深く入り込んでいる構成とすることもできる。言い換えると、第１の凸部３１の蓋体２２の側面からの深さＤ１よりも、第２の凸部３２の蓋体２２の側面からの深さＤ２のほうが大きい（Ｄ１＜Ｄ２）。 Further, as shown in FIG. 6, when the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material) is viewed in a cross section cut in the vertical direction, the second convex portion 32 is more than the first convex portion 31. It is also possible to have a configuration in which is deeper. In other words, the depth D2 from the side surface of the lid 22 of the second convex portion 32 is larger than the depth D1 from the side surface of the lid 22 of the first convex portion 31 (D1 <D2).
溶接部３と蓋体２２（母材）との境界にクラックが生じるとすると、溶接部３の上部側に位置する第１の凸部３１と蓋体２２（母材）との境界に応力が加わりやすいことから、この第１の凸部３１と蓋体２２（母材）との境界にクラックが生じることが予想される。このとき、図６の右上方向へ筒体２１を動かすような応力（筒体２１を引き剥がすような応力）が生じることが予想される。これに対し、上記の構成とすることで、第２の凸部３２がひっかかりとなって応力を低減するとともにクラックの進展を抑制することができる。したがって、クラックの進展に伴う変位量の減少をより確実に防ぐことができる。なお、第１の凸部３１の最も深く入り込んだ位置の深さＤ１に対し、第２の凸部３２の最も深く入り込んだ位置の深さＤ２は、例えば１．１〜３．０倍の深さに設定される。 If a crack occurs at the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material), stress is applied to the boundary between the first convex portion 31 located on the upper side of the welded portion 3 and the lid 22 (base material). Since it is easy to join, it is expected that a crack will occur at the boundary between the first convex portion 31 and the lid 22 (base material). At this time, it is expected that a stress that moves the tubular body 21 in the upper right direction of FIG. 6 (stress that peels off the tubular body 21) is generated. On the other hand, with the above configuration, the second convex portion 32 is caught, the stress can be reduced, and the growth of cracks can be suppressed. Therefore, it is possible to more reliably prevent a decrease in the displacement amount due to the growth of cracks. The depth D2 of the deepest penetration position of the second convex portion 32 is, for example, 1.1 to 3.0 times as deep as the depth D1 of the deepest penetration position of the first convex portion 31. Is set to.
また、図７に示すように、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、第１の凸部３１よりも第２の凸部３２のほうが幅の広い構成とすることもできる。言い換えると、第１の凸部３１の幅Ｗ１よりも、第２の凸部３２の幅Ｗ２のほうが大きい（Ｗ１＜Ｗ２）。この構成によれば、第１の凸部３１と蓋体２２（母材）との境界にクラックが生じて、このクラックが角部５を超えて第２の凸部３２と蓋体２２（母材）との境界にまで進展するようなことがあったとしても、第２の凸部３２と蓋体２２（母材）との境界の距離が長いことから、クラックの進展する推進力を弱めることができる。したがって、クラックの進展に伴う変位量の減少をより抑制することができる。なお、第１の凸部３１の幅Ｗ１に対し、第２の凸部３２の幅Ｗ２は、例えば１．１〜３．０倍の幅に設定される。 Further, as shown in FIG. 7, when the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material) is viewed in a cross section cut in the vertical direction, the second convex portion 32 is more than the first convex portion 31. Can be configured to be wider. In other words, the width W2 of the second convex portion 32 is larger than the width W1 of the first convex portion 31 (W1 <W2). According to this configuration, a crack is generated at the boundary between the first convex portion 31 and the lid 22 (base material), and the crack extends beyond the corner portion 5 to the second convex portion 32 and the lid 22 (mother). Even if it extends to the boundary with the material), the distance between the boundary between the second convex portion 32 and the lid 22 (base material) is long, so that the propulsive force for crack development is weakened. be able to. Therefore, it is possible to further suppress the decrease in the displacement amount due to the growth of cracks. The width W2 of the second convex portion 32 is set to, for example, 1.1 to 3.0 times the width W1 of the first convex portion 31.
また、図８に示すように、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、第１の凸部３１よりも第２の凸部３２のほうが深く入り込んでいるとともに、第１の凸部３１よりも第２の凸部３２のほうが幅の広い構成とすることもできる。言い換えると、第１の凸部３１の蓋体２２の側面からの深さＤ１よりも、第２の凸部３２の蓋体２２の側面からの深さＤ２のほうが大きく（Ｄ１＜Ｄ２）、第１の凸部３１の幅Ｗ１よりも、第２の凸部３２の幅Ｗ２のほうが大きい（Ｗ１＜Ｗ２）。これにより、クラックの進展に伴う変位量の減少をさらに確実に防ぐことができる。 Further, as shown in FIG. 8, when the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material) is viewed in a cross section cut in the vertical direction, the second convex portion 32 is more than the first convex portion 31. Is deeper, and the second convex portion 32 may be wider than the first convex portion 31. In other words, the depth D2 from the side surface of the lid 22 of the second convex portion 32 is larger than the depth D1 from the side surface of the lid 22 of the first convex portion 31 (D1 <D2). The width W2 of the second convex portion 32 is larger than the width W1 of the convex portion 31 of 1 (W1 <W2). As a result, it is possible to more reliably prevent a decrease in the displacement amount due to the growth of cracks.
また、図９に示すように、溶接部３と蓋体２２（母材）との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、第２の凸部３２の表面と蓋体２２の側面とが交わる角度θ２が鋭角である構成とすることもできる。言い換えると、第２の凸部３２および蓋体２２の境界線と蓋体２２の側面とのなす角度θ２が鋭角である。この構成によれば、角度θ２が鋭角であることで、第２の凸部３２の下部が下方に膨らんだ形状となり、蓋体２２の側面から筒体２１を引き剥がすような応力に対して、ひっかかりになって剥がれを抑制する。なお、第２の凸部３２および蓋体２２の境界線と蓋体２２の側面とのなす角度が鋭角である場合の角度θ２としては、例えば４０度〜８５度とされる。 Further, as shown in FIG. 9, when the boundary between the welded portion 3 and the lid 22 (base material) is viewed in a cross section cut in the vertical direction, the surface of the second convex portion 32 and the side surface of the lid 22 are viewed. It is also possible to configure the structure in which the angle θ2 at which the two intersects is an acute angle. In other words, the angle θ2 formed by the boundary line between the second convex portion 32 and the lid 22 and the side surface of the lid 22 is an acute angle. According to this configuration, since the angle θ2 is an acute angle, the lower portion of the second convex portion 32 has a shape that bulges downward, and the stress that peels off the tubular body 21 from the side surface of the lid 22 is dealt with. It gets caught and suppresses peeling. The angle θ2 when the angle formed by the boundary line between the second convex portion 32 and the lid 22 and the side surface of the lid 22 is an acute angle is, for example, 40 degrees to 85 degrees.
また、図９に示す例では、溶接部３よりも下側で蓋体２２と筒体２１との間に隙間があり、第２の凸部３２および蓋体２２の境界線が蓋体２２の外側まで延びていて、この境界線が延長した延長線と筒体２１の内面とのなす角度θ３が鋭角になっている。この構成によれば、溶接部３の下部側が変形しやすくなって、溶接部３の上部側に集中していた負荷が下部側にも分散するようになる。したがって、クラックの発生自体が抑制され、これによる変位量の減少をなくすことができる。 Further, in the example shown in FIG. 9, there is a gap between the lid 22 and the cylinder 21 below the welded portion 3, and the boundary line between the second convex portion 32 and the lid 22 is the lid 22. The angle θ3 formed by the extension line extending to the outside and the inner surface of the cylinder 21 is an acute angle. According to this configuration, the lower side of the welded portion 3 is easily deformed, and the load concentrated on the upper side of the welded portion 3 is distributed to the lower side as well. Therefore, the occurrence of cracks itself is suppressed, and the reduction in the amount of displacement due to this can be eliminated.
次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータの製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the piezoelectric actuator according to the present embodiment will be described.
まず、圧電体層１１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、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），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）などを用いることができる。 First, a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 11 is produced. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramics, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. Then, a ceramic green sheet is produced from this ceramic slurry by using a tape molding method such as a well-known doctor blade method or a calender roll method. As the piezoelectric ceramic, any ceramic having piezoelectric characteristics may be used, and for example, a perovskite-type oxide composed of PbZrO 3- PbTiO 3 or the like can be used. Further, as the plasticizer, dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP) and the like can be used.
次に、内部電極層１２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷
法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、９００〜１２００℃で焼成することによって積層体１３が得られる。
Next, a conductive paste to be the internal electrode layer 12 is produced. Specifically, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to a metal powder of a silver-palladium alloy. This conductive paste is printed on the above-mentioned ceramic green sheet by a screen printing method, and then a plurality of ceramic green sheets on which the conductive paste is printed are laminated and conductive pastes are formed on both ends in the lamination direction. A laminated molded body is obtained by laminating a plurality of unprinted ceramic green sheets. The laminated body 13 is obtained by debindering the laminated molded product at a predetermined temperature and then firing it at 900 to 1200 ° C.
次に、積層体１３の側面のうち両内部電極層（正極および負極）が導出された一対の側面に、酸化物のインクをスクリーン印刷によって印刷した後、９００〜１２００℃で焼成し、被覆層１５を形成する。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。 Next, an oxide ink is printed by screen printing on a pair of side surfaces from which both internal electrode layers (positive electrode and negative electrode) are derived from the side surfaces of the laminate 13, and then fired at 900 to 1200 ° C. to form a coating layer. 15 is formed. In the oxide ink, the oxide powder is dispersed in a solution of a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder, and then three rolls are passed several times to crush the agglomeration of the powder and at the same time. It is made by dispersing powder.
次に、メタライズ層から成る外部電極１４を形成する。まず、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、内部電極層１２の正極または負極が導出された積層体の対向する一対の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、５００〜８００℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層から成る外部電極１４を形成して圧電素子１が完成する。 Next, the external electrode 14 made of the metallized layer is formed. First, a binder is added to silver particles and glass powder to prepare a silver glass-containing conductive paste, which is printed on the pair of opposite side surfaces of the laminate from which the positive electrode or the negative electrode of the internal electrode layer 12 is derived by a screen printing method. The baking process is performed at a temperature of about 500 to 800 ° C. As a result, the external electrode 14 made of the metallized layer is formed, and the piezoelectric element 1 is completed.
次に、外部電極１４とリード線４１をはんだ付けする。また、穴加工にて貫通孔を形成してなる図２に示すような形状の基体２３（下側蓋体）を用意し、この基体２３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２３の上面に圧電素子１の下端を接着剤で接着する。そして、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２３に取り付けられたリードピン４３とをはんだで接続する。 Next, the external electrode 14 and the lead wire 41 are soldered. Further, a base 23 (lower lid) having a shape as shown in FIG. 2 having through holes formed by hole processing is prepared, and lead pins 43 are inserted into the two through holes formed in the base 23, respectively. At the same time, the gap is filled with soft glass 44 and fixed, and the lower end of the piezoelectric element 1 is adhered to the upper surface of the substrate 23 with an adhesive. Then, the lead wire 41 soldered to the external electrode 14 of the piezoelectric element 1 with solder 42 and the lead pin 43 attached to the substrate 23 are connected by soldering.
次に、例えばＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒状の筒体２１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２１の一端側（上端側）は開口し、他端側（下端側）には鍔部が形成されている。また、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。 Next, for example, a bellows shape is formed on a seamless cylindrical cylinder 21 made of SUS304 by rolling. Here, one end side (upper end side) of the tubular body 21 is open, and a collar portion is formed on the other end side (lower end side). Further, the thickness of the groove and the radius of curvature can be changed by changing the shape of the mold during rolling.
この筒体２１の一端側（上端側）の開口を塞ぐように、ＳＵＳ３０４製の蓋体２２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。 A lid 22 made of SUS304 is fitted into the opening so as to close the opening on one end side (upper end side) of the cylinder 21, and is welded by, for example, laser welding.
この際、図４に示すような角度θ１の角部５を設けるためには、筒体２１と蓋体２２とのレーザー溶接の条件として、二度のレーザー照射を行う。例えば、二度目のレーザー出力を一度目のレーザー出力よりも小さくしたり、二度目のレーザー照射位置を一度目のレーザー照射位置から若干ずらしたりして、溶接を行う。 At this time, in order to provide the corner portion 5 having an angle θ1 as shown in FIG. 4, laser irradiation is performed twice as a condition of laser welding between the tubular body 21 and the lid body 22. For example, welding is performed by making the second laser output smaller than the first laser output, or by slightly shifting the second laser irradiation position from the first laser irradiation position.
ここで、図５に示すような角部５が第１の凸部３１と第２の凸部３２との間に角度θ１が鋭角に設けられている構成とするには、筒体２１と蓋体２２とのレーザー溶接の条件として、出力の異なる二度のレーザー照射を行う。このとき、レーザーの焦点を絞り込み、焦点の中心出力が照射エリアの外周位置での出力よりも２倍以上の強度になるようにしてレーザー中心位置での溶融深さが最も深くなるように制御した上で、二度目のレーザー焦点中心位置と一度目のレーザー焦点中心位置との距離をいずれのレーザーの照射半径よりもよりも大きくすることで、溶接を行う。 Here, in order for the corner portion 5 as shown in FIG. 5 to have an acute angle θ1 between the first convex portion 31 and the second convex portion 32, the tubular body 21 and the lid are provided. As a condition of laser welding with the body 22, laser irradiation with different outputs is performed twice. At this time, the focus of the laser was narrowed down, and the center output of the focus was controlled to be at least twice as strong as the output at the outer peripheral position of the irradiation area so that the melting depth at the center position of the laser was the deepest. Welding is performed by making the distance between the center position of the second laser focal point and the center position of the first laser focal point larger than the irradiation radius of either laser.
また、図６に示すような第１の凸部３１の深さＤ１よりも第２の凸部３２の深さＤ２のほうが大きい構成とするには、筒体２１と蓋体２２とのレーザー溶接の条件として、出力の異なる二度のレーザー照射を行う。このとき、第２の凸部３２を形成するレーザー焦点中心位置の強度を第１の凸部３１を形成するレーザー焦点中心位置の強度よりも大きくすることで、溶接を行う。 Further, in order to make the depth D2 of the second convex portion 32 larger than the depth D1 of the first convex portion 31 as shown in FIG. 6, laser welding of the cylinder 21 and the lid 22 is performed. As a condition of, two laser irradiations with different outputs are performed. At this time, welding is performed by making the intensity of the laser focal center position forming the second convex portion 32 larger than the intensity of the laser focal center position forming the first convex portion 31.
また、図７に示すような第１の凸部３１の幅Ｗ１よりも第２の凸部３２の幅Ｗ２のほうが大きい構成とするには、筒体２１と蓋体２２とのレーザー溶接の条件として、出力の異なる二度のレーザー照射を行う。このとき、第２の凸部３２を形成するレーザー焦点中心位置の強度を第１の凸部３１を形成するレーザー焦点中心位置の強度よりも大きくするとともにレーザーの照射半径を大きくすることで、溶接を行う。 Further, in order to make the width W2 of the second convex portion 32 larger than the width W1 of the first convex portion 31 as shown in FIG. 7, the condition of laser welding between the tubular body 21 and the lid 22 is satisfied. As a result, two laser irradiations with different outputs are performed. At this time, welding is performed by increasing the intensity of the laser focal center position forming the second convex portion 32 to be greater than the intensity of the laser focal center position forming the first convex portion 31 and increasing the laser irradiation radius. I do.
また、図９に示すような第２の凸部３２および蓋体２２の境界線と蓋体２２の側面とのなす角度θ２が鋭角である構成とするには、筒体２１と蓋体２２とのレーザー溶接の条件として、出力の異なる二度のレーザー照射を行う。このとき、第２の凸部３２を形成するレーザー焦点中心位置の強度を第１の凸部３１を形成するレーザー焦点中心位置の強度よりも大きくするとともに、第２の凸部３２を形成するレーザーの照射方向が斜め上方から斜め下方に向くようにして照射し、レーザーの焦点を絞り込み、焦点の中心出力が照射エリアの外周位置での出力よりも２倍以上の強度になるようにしてレーザー中心位置での溶融深さが最も深くなるように制御した上、溶接を行う。 Further, in order to make the angle θ2 formed by the boundary line between the second convex portion 32 and the lid 22 and the side surface of the lid 22 as shown in FIG. 9 an acute angle, the cylinder 21 and the lid 22 are used. As a condition of laser welding, two laser irradiations with different outputs are performed. At this time, the intensity of the laser focal center position forming the second convex portion 32 is made larger than the intensity of the laser focal center position forming the first convex portion 31, and the laser forming the second convex portion 32 is formed. Irradiate the laser so that the irradiation direction is from diagonally above to diagonally downward, narrow down the focus of the laser, and make the center output of the focus more than twice as strong as the output at the outer peripheral position of the irradiation area. Welding is performed after controlling the melting depth at the position to be the deepest.
なお、レーザー照射により蓋体２２が加熱されるが、レーザーを照射する前の蓋体２２の温度が高くなっていると溶融深さが深くなり、照射前の蓋体２２の温度が異なると溶融深さが不均一になる問題があるので、第１の凸部３１を形成するレーザーの照射と第２の凸部３２を形成するレーザーの照射を行うのは連続で行うことは避け、一旦室温まで冷却してから次の照射を行うことが重要である。 The lid 22 is heated by laser irradiation, but if the temperature of the lid 22 before irradiation with the laser is high, the melting depth becomes deep, and if the temperature of the lid 22 before irradiation is different, the lid 22 melts. Since there is a problem that the depth becomes non-uniform, it is avoided to continuously irradiate the laser forming the first convex portion 31 and the laser forming the second convex portion 32, and once at room temperature. It is important to cool down to the next irradiation.
次に、筒体２１および蓋体２２を基体２３に接着した圧電素子１に被せ、所定の荷重で筒体２１を引張り、圧電素子１に荷重を加える。この状態で、筒体２１の鍔部と基体２３とを例えば抵抗溶接によって溶接する。 Next, the tubular body 21 and the lid 22 are placed on the piezoelectric element 1 bonded to the substrate 23, the tubular body 21 is pulled with a predetermined load, and a load is applied to the piezoelectric element 1. In this state, the flange portion of the tubular body 21 and the base 23 are welded by, for example, resistance welding.
最後に、基体２３に取り付けられたリードピン４３に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１３を分極することによって、本実施形態の圧電アクチュエータ１０が完成する。そして、リードピン４３と外部電源とを接続して、圧電体層１１に電圧を印加することにより、各圧電体層１１を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。 Finally, the piezoelectric actuator 10 of the present embodiment is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the lead pin 43 attached to the substrate 23 to polarize the laminated body 13. Then, by connecting the lead pin 43 and the external power source and applying a voltage to the piezoelectric layer 11, each piezoelectric layer 11 can be largely displaced by the inverse piezoelectric effect.
１０・・・圧電アクチュエータ
１・・・圧電素子
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・積層体
１４・・・外部電極
１５・・・被覆層
２・・・ケース
２１・・・筒体
２２・・・蓋体
２３・・・基体
３・・・溶接部
３１・・・第１の凸部
３２・・・第２の凸部
４１・・・リード線
４２・・・はんだ
４３・・・リードピン
４４・・・軟質ガラス
５・・・角部
10 ... Piezoelectric actuator 1 ... Piezoelectric element 11 ... Piezoelectric layer 12 ... Internal electrode layer 13 ... Laminated body 14 ... External electrode
15 ... Coating layer 2 ... Case 21 ... Cylinder 22 ... Lid 23 ... Base 3 ... Welded portion 31 ... First convex portion 32 ... Second Convex portion 41 ... Lead wire 42 ... Solder 43 ... Lead pin 44 ... Soft glass 5 ... Corner
Claims (5)
前記溶接部と前記蓋体との境界を上下方向に切断した断面で見たときに、
前記境界には前記溶接部に入り込むように設けられた角部があり、
前記溶接部には上段に配置されて前記蓋体の側面から前記蓋体の内部に向かって入り込む第１の凸部と下段に配置されて前記蓋体の側面から前記蓋体の内部に向かって入り込む第２の凸部とがあり、
前記蓋体と前記筒体との間に隙間を有するとともに、
前記第２の凸部と前記蓋体との境界線の延長線と、前記筒体の側面とが交わる角度が、鋭角であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element and a case having a cylinder and a lid, which are housed inside so as to sandwich the piezoelectric element from above and below, are provided, and the lid is inserted through an opening on one end side of the cylinder, and a welded portion is used. The cylinder body and the lid body are joined, and a part of the welded portion enters from the side surface of the lid body toward the inside of the lid body.
When the boundary between the welded portion and the lid is viewed in a cross section cut in the vertical direction,
Wherein Ri corners there provided so as to enter the weld in the boundary,
The welded portion is arranged on a first convex portion that is arranged on the upper stage and enters from the side surface of the lid toward the inside of the lid, and is arranged on the lower stage from the side surface of the lid toward the inside of the lid. There is a second convex part that goes in,
There is a gap between the lid and the cylinder, and
A piezoelectric actuator characterized in that the angle at which the extension line of the boundary line between the second convex portion and the lid body and the side surface of the tubular body intersect is an acute angle .
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