(57)【要約】  【課題】  引張り応力による接合部の疲労破壊を防止することのできる圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラを提供する。  【解決手段】  本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子１と、圧電素子１の下端部に上面が当接された基体２と、圧電素子１を内部に収容し、圧電素子１の上端部に内面が当接されたケース３とを備え、基体２の上面とケース３とが接合されてなり、ケース３は、筒本体部３１２および全周にわたる複数の溝３１１を有する円筒状部３１と、円筒状部３１の下端側に設けられた鍔部３２とを含み、複数の溝３１１のうちの少なくとも一つの溝３１０を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率が、筒本体部３１２の断面形状の扁平率と異なっていることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、前記圧電素子を内部に収容し、前記圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、前記基体の上面と前記ケースとが接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、筒本体部および全周にわたる複数の溝を有する円筒状部と、該円筒状部の下端側に設けられた鍔部とを含み、前記複数の溝のうちの少なくとも一つの溝を前記上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率が、前記筒本体部の断面形状の扁平率と異なっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記筒本体部と異なる扁平率の断面形状を有する前記溝が複数個あることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記筒本体部と異なる扁平率の断面形状を有する前記複数個の溝は、断面形状の長軸の向きが互いに異なっていることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記筒本体部と異なる扁平率の断面形状を有する前記溝の断面形状が楕円であることを特徴とする請求項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。
【請求項５】
前記筒本体部の断面形状が楕円であることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
流路と、該流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有し、前記流量制御弁は、前記圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うことを特徴とするマスフローコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、ＸＹテーブルの精密位置決め装置、ガス流量調整用の弁制御、カメラのオートフォーカス機構、ズーム機構、手振れ補正機構、ハードディスクドライブのヘッド位置制御、光学機器の光軸調整、焦点調整、マスフローコントローラ等に用いられる圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３３４２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、圧電素子を内部に収容し、圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、基体の上面と前記ケースとが接合されてなる圧電アクチュエータであって、前記ケースは、全周にわたる溝が複数設けられた円筒状部と、該円筒状部の下端側に設けられた鍔部とを含む構成であるのが、圧電素子の伸縮にケースを追従させることができ、かつ製造しやすい点で好ましい。【０００５】
なお、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、円筒状部および鍔部を含むケースをレーザー溶接や抵抗溶接、ロウ付けなどで基体に接合したものである。【０００６】
しかしながら、このような構成の場合、引張り応力による応力負荷が基体と鍔部との接合部にかかって、この接合部が疲労破壊するおそれがあるという問題があった。【０００７】
また、圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うマスフローコントローラにおいては、圧電アクチュエータの接合部の疲労破壊により、長期間安定して駆動させることができなくなるという問題があった。【０００８】
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疲労破壊を抑制することのできる圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の下端部に上面が当接された基体と、前記圧電素子を内部に収容し、前記圧電素子の上端部に内面が当接されたケースとを備え、前記基体の上面と前記ケースとが接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、筒本体部および全周にわたる複数の溝を有する円筒状部と、該円筒状部の下端側に設けられた鍔部とを含み、前記複数の溝のうちの少なくとも一つの溝を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率が、前記筒本体部の断面形状の扁平率と異なっていることを特徴とするものである。【００１０】
また本発明のマスフローコントローラは、流路と、該流路内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部と、上記圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁と、制御回路部とを有し、前記流量制御弁が、前記圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電アクチュエータによれば、伸縮により応力がかかる際の当該応力の加わりかたに時間差ができることによって、応力を分散させることができる。したがって、接合部にかかる応力が低減され、接合部を疲労破壊しにくくすることができる。【００１２】
また、本発明のマスフローコントローラによれば、圧電アクチュエータの連続駆動による接合部の疲労破壊が抑制でき、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができることから、耐久性に優れ、長期間安定して駆動させることができるものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す圧電素子の概略斜視図である。
【図３】（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線概略断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線概略断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線概略断面図である。
【図６】（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ線概略断面図である。
【図７】本発明のマスフローコントローラの実施の形態の一例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、図２は図１に示す圧電素子の概略斜視図、図３（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の一例を示す縦断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ線概略断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示すＢ−Ｂ線概略断面図である。
【００１６】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子１と、圧電素子１の下端部に上面が当接された基体２と、圧電素子１を内部に収容し、圧電素子１の上端部に内面が当接されたケース３とを備え、基体２の上面とケース３とが接合されている。ケース３は、筒本体部３１２および全周にわたる複数の溝３１１を有する円筒状部３１と、円筒状部３１の下端側に設けられた鍔部３２とを含んでいる。また、複数の溝３１１のうちの少なくとも一つの溝３１０を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率が、筒本体部３１２の断面形状の扁平率と異なっている。
【００１７】
圧電素子１は、図２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１３と、活性部１３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１４とを有する積層体１０を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部１３は駆動時に圧電体層１１が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部１４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。
【００１８】
圧電素子１を構成する積層体１０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１０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。
【００１９】
積層体１０を構成する複数の圧電体層１１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、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）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。
【００２０】
また、内部電極層１２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１０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１３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ものである。
【００２１】
なお、積層体１０には、応力を緩和するための層であって内部電極層１２として機能しない金属層等が含まれていてもよい。
【００２２】
そして、内部電極層１２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１０の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極１５が設けられ、導出された内部電極層１２と接合されている。外部電極１５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１２と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１５にはリード線１６がはんだ１７（導電性接着剤）によって取り付けられていて、リード線１６を介して駆動電圧を印加するようになっている。
【００２３】
一方、積層体１０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（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１８が形成されている。被覆層１８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１８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１０の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層１８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などの圧電材料が挙げられる。この被覆層１８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１０の側面に塗布され、焼結することによって形成される。
【００２４】
そして、図１に示す圧電アクチュエータは、圧電素子１の下端部に上面が当接された基体２と、圧電素子１を内部に収容し、圧電素子１の上端部に内面が当接されたケース３とを備えている。
【００２５】
具体的には、基体（下側蓋部材）２は、ＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼のＪＩＳ規格）やＳＵＳ３１６Ｌ（オーステナイト系ステンレス鋼のＪＩＳ規格）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２にはリードピン４１を挿通可能な貫通孔２が２つ形成されており、リード線１６と電気的に接続されたリードピン４１を貫通孔に挿通させて外部電極１５と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔２の隙間には軟質ガラス４２が充填されていて、このリードピン４１を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
【００２６】
一方、ケース３は、基体２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円板状の蓋部材（上側蓋部材）３３とを有している。
【００２７】
ケース３を構成する筒体３０は、全周にわたる溝３１１が複数設けられた円筒状部３１と、円筒状部３１の下端側に設けられた鍔部３２とを含んでいる。そして、円筒状部３１は、筒本体部３１２および全周にわたる複数の溝３１１（溝３１０を含む）を上下方向に直線状に延びている円筒状の部分である。また、鍔部３２は、円筒状部３１の下端（直線状に延びている部分の下端）に連続して、円筒状部３１と一体に形成された部分である。具体的には、円筒状部３１の下端に連続して湾曲し、さらに水平方向に直線状に延びている部分であって、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たものである。なお、筒本体部３１２とは円筒状部３１における溝以外の他の部位のことを意味している。
【００２８】
この筒体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）形状にし、溝３１１および溝３１０が形成されている。また、この筒体３０は、圧電素子１に電圧を印加した際に圧電素子１（積層体１０）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が調整されている。
【００２９】
また、ケース３を構成する蓋部材３３は、外径が筒体３０の内径と同じ程度に形成されたもので、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接合されている。そして、蓋部材３３の内面には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子１の上端部が当接している。ここで、凹部の内周壁面を覆うように絶縁材５が設けられており、これにより、圧電素子１の一対の外部電極１５が蓋部材３３の内面と直接触れないようになっている。そのため、外部電極１５同士が短絡するのを防ぐことができる。
【００３０】
なお、筒体３０と蓋部材３３とは、互いに別体に形成されて接合されたものであるが、一体に形成されたものであってもよい。
【００３１】
そして、基体２の上面とケース３とが接合部を介して接合されている。さらに、図３に示すように、ケース３（筒体３０）は、円筒状部３１に設けられた全周にわたる複数の溝３１１のうちの少なくとも一つの溝３１０を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率が、筒本体部３１２の断面形状の扁平率と異なっている。
【００３２】
例えば、少なくとも一つの溝３１０の断面形状が楕円であり、筒本体部３１２の断面形状が円である。ここで、楕円の場合の扁平率とは、（長半径ａ−短半径ｂ）／長半径ａのことである。なお、図では、断面形状が筒本体部３１２と扁平率の異なる楕円の溝を溝３１０として表している。
【００３３】
複数の溝３１１を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状が円である場合は、応力が一気にかかるのに対し、本発明の構成によれば、伸縮により応力がかかる際の当該応力の加わりかたが断面楕円形状の溝における長軸側と短軸側とで時間差ができることによって、応力を分散させることができる。したがって、接合部にかかる応力が低減され、接合部を疲労破壊しにくくすることができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。ここで、長軸の長さが例えば８〜１０ｍｍに対して、短軸の長さは長軸の長さの９０〜９９％の長さであるのが効果的である。なお、他の部位と扁平率の異なる形状（楕円形状）については、幾何学的な対称性のある楕円形状に限られず、多少の歪みのある形状であってもよい。
【００３４】
なお、複数の溝３１１のうちの少なくとも一つの溝３１０を上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状の扁平率とは、複数の溝３１１のうち少なくとも一つの溝３１０に対して上下方向に垂直な面で円筒状部３１を切断したときの溝３１０における外形状の扁平率のことをいう。
【００３５】
ここで、本発明の圧電アクチュエータは、図４に示すように、筒本体部３１２と異なる扁平率の断面形状の溝３１０が複数個あるのが好ましい。特に、全ての溝における断面形状が筒本体部３１２とは扁平率が異なっているのが好ましい。
【００３６】
この構成によれば、円筒状部３１の伸縮による応力をより分散しやすくなるため、接合部にかかる応力をより低減でき、より疲労破壊しにくくなる。
【００３７】
また、本発明の圧電アクチュエータは、図５に示すように、筒本体部３１２と異なる扁平率の断面形状を有する複数個の溝３１０は、それぞれの断面形状の長軸の向きが互いに異なっているのが好ましい。
【００３８】
この構成によれば、複数個の溝３１０にかかる応力の加わりかたの時間差がより複雑になるので、応力をより分散させることができる。したがって、接合部にかかる応力がより低減され、接合部をより疲労破壊しにくくすることができる。
【００３９】
さらに、本発明の圧電アクチュエータは、図６に示すように、複数個の溝３１０の断面形状が楕円であり、円筒状部３１における筒本体部３１２の断面形状が楕円であるのが好ましい。言い換えると、円筒状部３１は溝３１０の形成されていない領域においても断面形状が楕円になっているのが好ましい。溝３１０の形成されていない領域においても円筒状部３１の断面形状が楕円になっていることによって、上述の効果と同様の効果が得られ、さらに接合部を疲労破壊しにくくすることができる。
【００４０】
なお、圧電素子１に圧縮荷重をかけた状態でケース３の鍔部３２と基体２との接合がなされ、圧電素子１はケース３および基体２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となっている。ここで、圧電アクチュエータは、接合部として、鍔部３２の下面と基体２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３２の下面または基体２の上面との接合される環状部を有するのが好ましい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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１０が得られる。
【００４４】
次に、積層体１０の側面のうち両内部電極層１２（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１８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。
【００４５】
次に、メタライズ層から成る外部電極１５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１０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１５を形成して圧電素子１が完成する。
【００４６】
次に、外部電極１５とリード線１６をはんだ１７を用いてはんだ付けする。また、切削加工にて環状部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）２を用意し、この基体（下側蓋部材）２に形成された２つの貫通孔にそれぞれリードピン４１を挿通するとともに隙間に軟質ガラス４２を充填して固定し、さらに基体２の上面に圧電素子１の下端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子１の外部電極１５にはんだ１７にてはんだ付けしたリード線１６と基体２に取り付けられたリードピン４１とをはんだで接続する。
【００４７】
次に、ＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒状の筒体３０に、溝付け加工によりベロー形状となるように筒本体部３１２および全周にわたる複数の溝３１１（溝３１０を含む）を有する円筒状部３１を形成する。ここで、溝付け加工する金型を筒本体部３１２の断面形状の扁平率と異なる楕円形状にすることで、上下方向に垂直な面で切断したときの断面形状が筒本体部３１２の断面形状の扁平率と異なる楕円形状となるような溝３１０を成型することができる。また、断面楕円形状の溝３１０を成型する毎に筒体３０を回転させることで、楕円の長軸の向きが揃わない複数の断面楕円形状の溝を有する筒体３０を作製できる。さらに、複数個ある断面形状が楕円となる溝を除く領域においても円筒状部３１の断面形状が楕円となる形状とするには、絞り加工する筒体３０として断面楕円形状のものを用いればよい。
【００４８】
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）３３をレーザー溶接によって溶接して、ケース３を作製する。また、筒体３０の他端側（下端側）には鍔部３２が抵抗溶接によって形成される。
【００４９】
次に、ケース３を基体２に接着した圧電素子１に被せ、所定の荷重でケース３を引張り、圧電素子１に荷重を加える。この状態で、ケース３の鍔部３２と基体２に設けられた環状部の上面とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子１の封止を行なう。なお、環状部として、基体とは異なる材料のものを用いる場合は、環状部となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部３２に溶接し、リングの下面を基体２に溶接すればよい。
【００５０】
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。
【００５１】
最後に、基体２に取り付けられたリードピン４１に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体１０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が完成する。そして、リードピン４１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。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。
【００５２】
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、ガス流量調整用の弁制御、カメラのオートフォーカス機構、ズーム機構、手振れ補正機構、ハードディスクドライブのヘッド位置制御、光学機器の光軸調整、焦点調整、マスフローコントローラ等として用いられる。
【００５３】
次に、これまで説明してきた圧電アクチュエータを備えたマスフローコントローラについて、図７を用いて説明する。図７は、マスフローコントローラの実施形態の一例の構成を示す図である。
【００５４】
図７に示すマスフローコントローラ６は、流路６１と、流路６１内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部６２と、上述の圧電アクチュエータを備えた流体の流量を制御する流量制御弁６３と、制御回路部６４とを有しており、流量制御弁６３は圧電アクチュエータの伸縮により流量制御を行うものである。
【００５５】
流路６１には、例えばガスなどの流体が流れるようになっていて、流入口６１１から流入して流出口６１２から流出するようになっている。
【００５６】
流路６１の一部には、流量センサ部６２が例えばバイパス状に接続されていて、この流量センサ部６２が流路６１内を流れる流体の流量（質量流量）を検出するようになっている。
【００５７】
流量センサ部６２で検出された流量信号は、増幅回路にて増幅されるなどして、制御回路部６４へ伝達される。
【００５８】
制御回路部６４では、制御回路部６４へ伝達された流量信号があらかじめ設定された流量信号と比較される。
【００５９】
そして、伝達された流量信号とあらかじめ設定された流量信号との差をなくすような駆動信号（駆動電圧）が流量制御弁６３を形成する圧電アクチュエータに入力される。
【００６０】
圧電アクチュエータは、入力された駆動電圧に応じて伸縮し、この伸縮により流量制御弁６３の開閉量が制御され、流路６１を流れる流体の流量を制御するようになっている。
【００６１】
上述したように、圧電アクチュエータの連続駆動による溝のつけ根部の疲労破壊が抑制でき、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができることから、本例のマスフローコントローラは、耐久性に優れ、長期間安定して駆動させることができるものとすることができる。
【実施例】
【００６２】
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。【００６３】
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。【００６４】
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２６０枚積層し、その上下に導電性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各２０枚積層した積層成形体を作製した。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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、はんだ付けにて外部電極にリード線を接続した。【００６８】
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。また、環状部の厚みは５０μｍであった。【００６９】
次に、基体の上面に積層体（圧電素子）を接着剤で固定し、外部電極にはんだ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はんだ付けで接続した。【００７０】
次に、ＳＵＳ３０４で円板状の上側蓋部材を作製した。また、ＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレスの円筒に溝付け加工によりベロー形状となるように鍔部を形成した筒体と上側蓋部材とをレーザー溶接で溶接してなるケースを、基体（下側蓋部材）に接着した圧電素子に被せ、所定の荷重でケースを引張り、圧電素子に荷重を印加した後、ケースと基体の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。【００７１】
ここで、ケースにおける全周にわたる溝は、上下方向に４ｍｍ間隔で５個設け、上下方向に垂直な断面で切断したときの形状がすべての溝で他の部位（筒本体部）と異なる扁平率の楕円となっていて、楕円の長軸の長さが９ｍｍ、短軸の長さが８．４ｍｍであり、長軸の向きはそれぞれ異なっている。【００７２】
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。【００７３】
さらに、比較例として、溝の断面形状として直径１０ｍｍの円となる筒体を作製し、抵抗溶接にてケースの鍔部と基体との溶接を行なった。【００７４】
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２０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。【００７５】
得られた圧電アクチュエータの積層体に１２０Ｖ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。【００７６】
さらに、これらの圧電アクチュエータについて、８０℃の環境下で電圧１５０Ｖ、周波数１００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ５０の矩形波で１００万サイクルの連続駆動試験を行なった。【００７７】
その結果、本発明の実施例の圧電アクチュエータは、１００万サイクルの連続駆動試験後において、変位量の変化がほとんどなく、圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、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。【００７８】
これに対し、比較例の圧電アクチュエータは、１２万サイクル後に停止していた。この試料を確認したところ、接合部の界面での外れが見られた。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。
【符号の説明】
【００７９】
１・・・圧電素子
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３・・・活性部
１４・・・不活性部
１５・・・外部電極
１６・・・リード線
１７・・・はんだ
１８・・・被覆層
２・・・基体
３・・・ケース
３０・・・筒体
３１・・・円筒状部
３２・・・鍔部
３３・・・蓋部材
３１０、３１１・・・溝
３１２・・・筒本体部
４１・・・リードピン
４２・・・軟質ガラス
５・・・絶縁材
６・・・マスフローコントローラ
６１・・・流路
６１１・・・流入口
６１２・・・流出口
６２・・・流量センサ部
６３・・・流量制御弁
６４・・・制御回路部
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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