(57)【要約】 【課題】  小型化に際して積層数を増やしても絶縁破壊が生じ難く、従って印加電圧を高めることでより大きい変位量を得ることができるとともに、マイグレーションによる絶縁性低下が生じ難く、長期使用の信頼性が高いケース封止型積層圧電アクチュエータを提供すること。【解決手段】  圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層して形成する積層体を備える積層型圧電素子７を、伸縮性を有する金属ケース８の内部に収容して構成するケース封止型積層圧電アクチュエータであって、金属ケース８は内部と外部を連通する中空部材１３を備え、中空部材１３を封止することにより前記金属ケース８の内部と外部を遮断する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層して形成する積層体を備える積層型圧電素子を、伸縮性を有する金属ケースの内部に収容して構成するケース封止型積層圧電アクチュエータであって、前記金属ケースは内部と外部を連通する中空部材を備え、前記中空部材を封止することにより前記金属ケースの内部と外部を遮断することを特徴とする、ケース封止型積層圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部雰囲気を減圧することを特徴とする、請求項１に記載のケース封止型積層圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部に不活性ガスを充填することを特徴とする、請求項１または２に記載のケース封止型積層圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部に絶縁性液体を充填することを特徴とする、請求項１または２に記載のケース封止型積層圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮性を有する金属ケース内部に積層型圧電素子を封止した、ケース封止型積層圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のメカトロニクスの進歩に伴い、高性能な微小機械の実現や、製造技術における高精度な位置決め制御に不可欠な要素技術として、例えば圧電アクチュエータのような圧電材料を用いた部品が注目されており、さまざまな分野への応用開発がなされている。
【０００３】
圧電アクチュエータは、圧電材料の部材に電極を形成したもので、電極に電圧をかけると前記圧電材料の部材が伸び縮みすることで変位を得るものである。圧電アクチュエータは、変位範囲こそ小さいが、変位精度、発生力、応答速度ともに他のアクチュエータに勝るという特徴がある。
【０００４】
圧電アクチュエータのなかでも圧電材料を積層して形成する積層圧電アクチュエータは、微小な機械的変位を高速で制御することが可能であることから、精密位置決め機構などに多用されている。また、駆動電圧に比して高い駆動力が得られることから、デジタルカメラのフォーカス制御など、優れた特性を活かした多方面での応用がなされている。
【０００５】
積層圧電アクチュエータについては、高温多湿環境下で長期使用した場合に、マイグレーションにより電気的短絡が生じるのを防ぐため、金属等のケース内部に気密封入するケース封止型の構成が知られている。
【０００６】
特許文献１には、圧電セラミック層と内部電極層とを少なくとも２層以上積層した積層圧電アクチュエータ素子とこの積層圧電アクチュエータ素子を内部に収め積層圧電アクチュエータ素子の変位を変位伝導面により取り出す封止ケースとで構成されるケース封止型積層圧電アクチュエータにおいて、封止ケースは複数のケース部材とケース部材間を結合する絶縁性気密部材とを有し、ケース部材は少なくとも電気的に正極および負極のいずれか一方に分割した導電性の材質を有し積層圧電アクチュエータ素子の複数の外部電極のうち対応する一つの外部電極と直接的および間接的のいずれか一方で電気的に接続し、絶縁性気密部材は封止ケースの内部が外部に対して気密性を有しかつケース部材間を電気的に絶縁して結合することを特徴とするケース封止型積層圧電アクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０３６１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、市場では圧電アクチュエータを搭載する機器自体が小型化しており、従来よりも小型で変位量の大きい積層圧電アクチュエータが求められている。
【０００９】
図２は、ケース封止型積層圧電アクチュエータに用いられる積層型圧電素子の構造を示す概略断面図である。図３は、特許文献１に記載されているような、従来のケース封止型積層圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【００１０】
図３の積層型圧電素子７は、図２に示す圧電セラミック層２と内部電極層３を交互に積層して焼結一体化してなる積層体１と、積層体１の側面に露出する内部電極層３を一層おきに対向電極となるよう覆って形成する絶縁層４と、絶縁層４を覆って一層おきに内部電極層３と導通する外部電極５と、外部電極に接続するリード線６によって構成する。
【００１１】
リード線６に電圧をかけると、圧電セラミック層２に電界が印加されて変形することにより積層体１が積層方向に伸縮するため、積層方向の長さの変化すなわち変位を外部に伝達することができる。
【００１２】
図３に示す従来のケース封止型積層圧電アクチュエータは、積層型圧電素子７を金属ケース８に収容したものである。金属ケース８は、積層型圧電素子７の上部と接する上蓋９と、積層型圧電素子７の底部と接してリード線６と接続したハーメチック端子１２を有する下蓋１１と、上蓋９および下蓋１１に溶接またはロウ付けによって気密接合して積層型圧電素子７の伸縮に合せて伸縮するベローズ１０から構成する。
【００１３】
積層圧電アクチュエータは、材質や外形寸法、印加電圧が同じ場合、圧電材料層の厚みを薄くして全体の積層数を増やすことで、より大きな変位量を得ることができる。しかしながら、従来の積層圧電アクチュエータでは、圧電材料層の厚みが薄くなるほど内部電極間の距離が接近することから、小型化に際しては絶縁破壊を防ぐ目的で印加電圧を抑える必要があるため、積層数の増分に応じた変位量を得ることが困難であるという課題がある。
【００１４】
また、ケース内部にわずかな水分が残留した状態で製造された積層圧電アクチュエータを長期間使用すると、電極材料の一種として用いられる銀に起因するマイグレーションにより絶縁性が低下する場合があり、電極間の距離が近いほど短絡等の不具合が発生する可能性が高くなるという課題がある。
【００１５】
本発明は、かかる従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的は、小型化に際して積層数を増やしても絶縁破壊が生じ難く、従って印加電圧を高めることでより大きい変位量を得ることができるとともに、マイグレーションによる絶縁性低下が生じ難く、長期使用の信頼性が高いケース封止型積層圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、圧電セラミック層と内部電極層を交互に積層して形成する積層体を備える積層型圧電素子を、伸縮性を有する金属ケースの内部に収容して構成するケース封止型積層圧電アクチュエータであって、前記金属ケースは内部と外部を連通する中空部材を備え、前記中空部材を封止することにより前記金属ケースの内部と外部を遮断することを特徴とする、ケース封止型積層圧電アクチュエータが得られる。
【００１７】
本発明によれば、前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部雰囲気を減圧することを特徴とするケース封止型積層圧電アクチュエータが得られる。
【００１８】
本発明によれば、前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部に不活性ガスを充填することを特徴とするケース封止型積層圧電アクチュエータが得られる。
【００１９】
本発明によれば、前記中空部材を封止する前に前記金属ケースの内部に絶縁性液体を充填することを特徴とするケース封止型積層圧電アクチュエータが得られる。
【００２０】
本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータでは、金属ケースに内部と外部を連通する中空部材を備えることにより、製造工程で積層型圧電素子を組み込んだ後であっても金属ケース内部に不活性ガスを充填したり、内部雰囲気を減圧したり、内部へ絶縁性液体を充填することが容易となる。また、不活性ガスや絶縁性液体の充填、金属ケース内部の減圧の後に、前記中空部材を封止することで容易に金属ケースの気密性を得ることができる。
【００２１】
本発明では、所謂パッシェンの法則（火花放電の生じる電圧Ｖは、ガス圧ｐと電極の間隔ｄの積の関数  Ｖ＝ｆ（ｐｄ）で示される。気体種類によって数値は異なるが、ガス圧が低いと電界で加速された電子が衝突して電離させる気体分子の数が少なくなるため放電電圧が高くなり、ガス圧が高くても気体分子の数が多く電子が充分加速されないため放電電圧が高くなる。）により、ケース内部のガス圧を高めたり、逆に真空ポンプ等を用いて減圧したりすることで、常圧に比べて絶縁破壊に至る放電電圧を高めることが可能になるとともに、ケース内部に残留する水分量を極めて低く抑えることができるため、マイグレーションによる絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００２２】
また、ケース内部に絶縁性液体を充填することで、電極間の絶縁性を高めることができるとともに、ケース内部に残留する水分量を極めて低く抑えることができるため、マイグレーションによる絶縁性の低下を防ぐことができる。
【００２３】
不活性ガスや絶縁性液体の充填前に、金属ケース内部を減圧することで、残留する水分量を更に低下させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ケース封止型積層圧電アクチュエータにおいて、積層型圧電素子の積層数の増加により内部電極間距離が接近しても絶縁破壊が生じ難く、従って従来よりも印加電圧を高めることが可能となるため、より大きい変位量を得ることができるとともに、マイグレーションによる絶縁性の低下が生じ難いため、長期使用に際しても信頼性の高いケース封止型積層圧電アクチュエータの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【図２】ケース封止型積層圧電アクチュエータに用いられる積層型圧電素子の構造を示す概略断面図である。
【図３】従来のケース封止型積層圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの中空部材にノズルを取り付けた概略図である。
【図５】本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの中空部材の封止方法の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【００２８】
図１の積層型圧電素子７は、図２に示す従来の積層型圧電素子と同じ構成であるため、図面の説明は省略する。
【００２９】
圧電セラミック層２を構成する材料としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることができるが、圧電性を有するセラミック材料であれば良く、組成系を限定するものではない。材料の微粒子をバインダ、溶媒とともにペースト状に調整し、厚膜として層形成する。
【００３０】
内部電極層３を構成する材料としては、例えば銀とパラジウムの合金を用いることができるが、導電性を有する金属材料であれば良く、材質を限定するものではない。材料の微粒子をバインダ、溶媒とともにペースト状に調整し、厚膜として層形成する。圧電セラミック層２と内部電極層３を積層後、焼結することにより一体化し、積層体１を形成する。
【００３１】
絶縁層４および外部電極５としては、それぞれエポキシ樹脂および銀ペーストを用いることができるが、同様に所望の特性を備えていれば良く、材質を限定するものではない。
【００３２】
図１に示す本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータは、積層型圧電素子７を金属ケース８に収容したものである。金属ケース８は、積層型圧電素子７の上部と接して中空部材１３が貫通する上蓋９と、積層型圧電素子７の底部と接してリード線６と接続したハーメチック端子１２を有する下蓋１１と、上蓋９および下蓋１１に溶接またはロウ付けによって気密接合して、積層型圧電素子７の伸縮に合せて伸縮するベローズ１０から構成する。
【００３３】
金属ケース８を構成する材料としては、例えばステンレスを用いることができるが、気密性およびベローズ部の繰り返し伸縮に対する耐久性を備える金属材料であれば良く、材質を限定するものではない。また、中空部材１３は伸縮応力に対する耐久性は不要であり、封止作業の容易さを考慮して金属ケース８本体とは別の材料を用いても良い。
【００３４】
金属ケース８の内部を減圧する場合は、パッシェンの法則より圧力が低いほど絶縁耐圧が上昇し、また金属ケース８内部の残留水分量が低下するためするため好ましい。ただし、金属ケース８の構造によっては、大気圧に抗する積層型圧電素子１の伸縮動作に影響が生ずる場合があるため、用途や構成に応じて適宜設定すれば良い。
【００３５】
充填する不活性ガスとしては、金属ケース８内部での放電電圧を高めるとともに可能な限り水分を排除することができ、電極や他の材質に影響を与えないものであれば良く、価格の面からも窒素を用いることが好ましいが、使用条件や価格に問題が無ければヘリウムやアルゴン、炭酸ガス等を用いることもできる。また、パッシェンの法則より、充填の圧力は高いほど絶縁耐圧が上昇するため好ましい。ただし、金属ケース８の内圧による構造的な許容耐圧や、積層型圧電素子７の伸縮動作への影響が問題とならない範囲の圧力である必要があるため、用途や構成に応じて適宜設定すれば良い。
【００３６】
充填する絶縁性液体としては、絶縁耐圧を高めるとともに水分を遮断することが求められる。また、ケース封止型積層圧電アクチュエータの駆動時には発熱を伴うことから、耐熱性を有するシリコンオイルやシリコングリスを用いることが好ましいが、用途や使用条件によって適宜選定すれば良い。
【００３７】
不活性ガスまたは絶縁性液体の充填を行う前に金属ケース８内部を減圧すれば、残留する水分量を更に低下させることができるため、なお好ましい。
【００３８】
図４は、本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの中空部材にノズルを取り付けた概略図である。
【００３９】
図中において、金属ケース８の上蓋９には、金属ケース８の内部と外部を連通する中空部材１３を設ける。中空部材１３にノズル１４を取り外し可能に取り付ける。ノズル１４は、金属ケース８内部の減圧に用いる真空ポンプ（図示せず）に接続したり、不活性ガスや絶縁性液体の充填に用いる。
【００４０】
図５は、本発明のケース封止型積層圧電アクチュエータの中空部材の封止方法の一例を示す概略図である。
【００４１】
図中において、金属ケース８内部の減圧または不活性ガスや絶縁性液体の充填後、中空部材１３を気密封止する。封止の方法としては、抵抗溶接電極１５を用いて溶接すると、気密性や耐久性が高いため好ましい。また、ロウ付けやシール材による方法であれば、後で取り外すことも可能なため、充填した不活性ガスの圧力または真空度が、透過や漏洩、材料からのガス放出等で低下しても、再度充填または減圧の処理を施すことが可能となるので、より好ましい。中空部材１３の封止の後、ノズル１４を取り外す。
【００４２】
なお、中空部材１３は上蓋９以外に設けても良く、不活性ガスの充填や内部雰囲気の減圧を行う場合は、金属ケース８の内部と外部に連通していれば、取り付けの場所は適宜選定することができる。また、絶縁性液体を充填する際には、内部に空気を残さないように、中空部材１３が最も高い位置となるように保持することが好ましい。
【００４３】
また、中空部材１３は複数備えても良く、例えば２つ設けた場合、一方で不活性ガスを注入するとともに他方を排気口としてガスパージを行ったり、一方で内部の排気を行いながら他方で絶縁性液体を注入して作業時間の短縮や空気残留の低減を図ることができる。
【００４４】
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、材質や構成の変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば当然なしえるであろう各種変形や修正もまた、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１    積層体
２    圧電セラミック層
３    内部電極層
４    絶縁層
５    外部電極
６    リード線
７    積層型圧電素子
８    金属ケース
９    上蓋
１０    ベローズ
１１    下蓋
１２    ハーメチック端子
１３    中空部材
１４    ノズル
１５    抵抗溶接電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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