(57)【要約】  【課題】  引張り応力による溶接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とが溶接部４を介して接合された圧電アクチュエータであって、ケース３は、複数の周方向の溝３１１が設けられた筒状部３１と、筒状部３１の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部３２と、湾曲部３２からさらに外方に広がる鍔部３３とを含み、複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝における筒状部３１の厚みが、湾曲部３２および鍔部３３の厚みよりも薄くなっていることを特徴とするものである。【選択図】  図１
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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溶接部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、複数の周方向の溝が設けられた筒状部と、該筒状部の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、該湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、前記複数の周方向の溝のうちの少なくとも一つの周方向の溝における前記筒状部の厚みが、前記湾曲部および前記鍔部の厚みよりも薄く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】
前記複数の周方向の溝のうちの少なくとも一つの周方向の溝において、底に位置する筒状部の曲率半径が前記湾曲部の曲率半径よりも大きくなってい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】
前記複数の周方向の溝のうちの少なくとも一つの周方向の溝において、前記底に位置する筒状部の厚みが他の部位の厚みよりもさらに薄くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記筒状部の厚みが前記湾曲部および前記鍔部の厚みよりも薄くなっている周方向の溝が複数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】
前記複数の周方向の溝の全てにおいて、前記筒状部の厚みが前記湾曲部および前記鍔部の厚みよりも薄くなってい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、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）。【０００３】
そして、例えば金属製の容器として、基体と、この基体の上面に溶接部を介して接合されたケースとを含む構成が採用され、圧電素子が常に圧縮応力下に置かれるように、圧電素子の端部に基体の上面が当接され、圧電素子の反対側の端部にケースの内面が当接されてなる圧電アクチュエータが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−５８２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記の圧電アクチュエータは、圧電素子が圧縮荷重を印加された状態で、基体とケースとをレーザー溶接や抵抗溶接で溶接してなる金属製の容器に封入されたものである。【０００６】
したがって、駆動による変位で溶接部に繰返しの引っ張り応力がかかると、溶接部を支点に金属製の容器が変形し、溶接部の内壁と基体またはケースとの境界にさらに応力が集中しやすくなり、この境界がクラックの起点となり、溶接部が疲労破壊するという問題があった。【０００７】
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溶接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】
【０００８】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、該圧電素子の上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、前記圧電素子の下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溶接部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは、複数の周方向の溝が設けられた筒状部と、該筒状部の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、該湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、前記複数の周方向の溝のうちの少なくとも一つの周方向の溝における前記筒状部の厚みが、前記湾曲部および前記鍔部の厚みよりも薄くなっていることを特徴とするものである。【０００９】
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】
【００１０】
本発明によれば、ケースが、複数の周方向の溝が設けられた筒状部と、筒状部の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部と、湾曲部からさらに外方に広がる鍔部とを含み、複数の周方向の溝のうちの少なくとも一つの周方向の溝における筒状部の厚みが、湾曲部および鍔部の厚みよりも薄くなっていることで、この薄くなっている部位が変形しやすくなることから、溶接部にかかる応力を低減することができる。したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による溶接部の疲労破壊を抑制することができ、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（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概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す圧電アクチュエータの要部拡大図である。
【図２】図１（ａ）に示す圧電素子の概略斜視図である。
【図３】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概略断面図である。
【図４】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概略断面図である。
【図５】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】
【００１２】
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。
【００１３】
図１（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概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電アクチュエータの要部拡大図である。また、図２は図１（ａ）に示す圧電素子の概略斜視図である。
【００１４】
図１に示す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とが溶接部４を介して接合された圧電アクチュエータであって、ケース３は、複数の周方向の溝３１１が設けられた筒状部３１と、筒状部３１の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部３２と、湾曲部３２からさらに外方に広がる鍔部３３とを含み、複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝における筒状部３１の厚みが、湾曲部３２および鍔部３３の厚みよりも薄くなっている。
【００１５】
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から成る不活性部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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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が被着され、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４１がはんだ４２によって取り付けられていて、リード線４１を介して駆動電圧を印加するようになっている。
【００２１】
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）の両極が達しており、この側面には酸化物からなる被覆層１６が形成されている。被覆層１６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１６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１６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１６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。
【００２２】
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。
【００２３】
具体的には、基体（下側蓋部材）２は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図に示す例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４３を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、リード線４１と電気的に接続されたリードピン４３を貫通孔に挿通させて外部電極１５と外部回路とを導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス４４を充填していて、このリードピン４３を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
【００２４】
また、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、複数の溝３１１が設けられた円筒状の筒状部３１と、筒状部３１の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部３２と、湾曲部３２からさらに外方に広がる鍔部３３とを有している。さらに、筒状部３１の一端側開口を塞ぐように設けられた蓋部材（上側蓋部材）３４も有している。
【００２５】
具体的には、筒状部３１は図に示す断面で周方向の溝３１１を含む上下方向に直線状に延びている部分である。またケース３は、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、筒状部３１と一体に形成された湾曲部３２および鍔部３３を含んでいる。湾曲部３２は図に示す断面で湾曲している部分で、鍔部３３は湾曲部３２に連続して図に示す断面で水平方向に直線状に延びている部分であって、これらは径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状に形成されたものである。
【００２６】
ケース３を構成する筒状部３１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、例えばベロー（蛇腹）形状などの複数の周方向の溝３１１を有する形状に形成されたものである。この筒状部３１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を調整している。なお、図に示す筒状部３１は、溝３１１の部分で外径および内径が小さくなるように、内側に湾曲して形成されたものである。
【００２７】
また、ケース３を構成する蓋部材３４は、外径が筒状部３１の内径と同じ程度に形成されたもので、筒状部３１の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周を溶接されている。そして、蓋部材３４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３５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３４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。
【００２８】
なお、筒状部３１と蓋部材３４とは、互いに別体に形成されて溶接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。
【００２９】
そして、圧電素子１に圧縮荷重をかけた状態でケース３の鍔部３３と基体２とが溶接部４を介して接合され（溶接され）、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が構成されている。
【００３０】
ここで、ケース３の鍔部３３と基体２との間に溶接部４がある構造では、ケース３の肉厚が全域で均等となっている場合であって、駆動による変位で溶接部４に繰返しの引っ張り応力がかかると、溶接部４の内壁と基体２またはケース３との境界を支点にケース３が変形し、この境界にさらに応力が集中しやすくなってクラックの起点となり、溶接部４が疲労破壊するおそれがある。
【００３１】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、図１（ｂ）に示すように、複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝３１１ａにおける筒状部３１の厚みｔ１が、湾曲部３２の厚みｔ２および鍔部３３の厚みｔ３よりも薄くなっている。
【００３２】
これにより、複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝３１１ａにおける筒状部３１が湾曲部３２および鍔部３３よりも変形しやすくなっているため、圧電素子１の変位による溶接部に掛かる応力が低減され、この部位の疲労破壊が発生しにくくなる。したがって、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。
【００３３】
なお、湾曲部３２の厚みｔ２および鍔部３３の厚みｔ３が例えば０．１５〜０．３０ｍｍである場合に、薄くなっている周方向の溝３１１ａにおける筒状部３１の厚みｔ１が湾曲部３２の厚みｔ２および鍔部３３の厚みｔ３よりも０．０１〜０．１０ｍｍ薄くなっているのが、効果的である。
【００３４】
また、図３に示すように、ケース３における複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝３１１ａにおいて、底３０に位置する筒状部３１の曲率半径ｒ１が湾曲部３２の曲率半径ｒ２よりも大きくなっている（ｒ１＞ｒ２）ことにより、周方向の溝３１１ａの方が変形しやすくなるため、溶接部にかかる応力を小さくすることができる。ここで、周方向の溝３１１ａにおける底３０とは、溝３１１ａにおける最も深い部位のことであって、溝３１１ａにおいて筒状部３１の径が最も小さくなっている部位およびその周囲のことである。
【００３５】
なお、湾曲部３２の曲率半径ｒ２が例えば０．１〜０．５ｍｍであるのに対し、溝３１１ａの底３０に位置する筒状部３１の曲率半径ｒ１は、０．６〜１．５ｍｍとなっているのが、効果的である。
【００３６】
ここで、曲率半径の測定方法としては、投影機を用いて映像から曲率を測定したり、３次元計測器を用いてデータを取得した後、座標のデータを解析したりすることによって測定することができる。また、ケースを切断して断面から計測する方法でもよく、測定方法について限定するものではない。
【００３７】
また、図４に示すように、ケース３における複数の周方向の溝３１１のうちの少なくとも一つの周方向の溝３１１ａにおいて、溝３１１ａの底３０に位置する筒状部３１の厚みｔ１１が同じ周方向の溝３１１ａ内における他の部位の厚みｔ１２よりもさらに薄くなっていることにより、周方向の溝３１１ａが更に変形しやすくなり、溶接部４にかかる応力を更に小さくすることができる。
【００３８】
なお、薄くなっている周方向の溝３１１ａにおける筒状部３１の厚みｔ１２が例えば０．１０〜０．２５ｍｍである場合に、さらに薄くなっている部位の厚みｔ１１が厚みｔ１２よりも０．０１〜０．０５ｍｍ薄くなっているのが、強度を維持しつつさらに効果的である。
【００３９】
また、図１（ａ）に示すように、筒状部３１の厚みが湾曲部３２および鍔部３３の厚みよりも薄くなっている周方向の溝３１１ａが複数あることにより、変形しやすい周方向の溝３１１ａが増えるため、更に溶接部４にかかる応力を低減することができる
更に、図１（ａ）に示すように、複数の周方向の溝３１１の全てにおいて、筒状部３１の厚みが湾曲部３２および鍔部３３の厚みよりも薄くなっている（溝３１１ａとなっている）ことにより、全ての周方向の溝３１１ａが変形しやすくなるため、溶接部４にかかる応力を更に低減することができる。
【００４０】
次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
次に、積層体１０の側面のうち両方の内部電極層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１６を形成する。
【００４４】
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４１とをはんだ４２ではんだ付けする。また、切削加工にて環状突起（後の溶接部４）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にはんだ付けしたリード線４１と基体２に取り付けられたリードピン４３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状部３１に圧延加工によりベロー形状を形成する。
【００４８】
ここで、圧延加工時に金型形状を変更することにより、周方向の溝３１１の厚み及び曲率半径を変更することができる。
【００４９】
この筒状部３１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）３４をレーザー溶接によって溶接して、ケース３を作製する。なお、筒状部３１の他端側（下端側）には湾曲部３２および鍔部３３が形成される。
【００５０】
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３３と基体２に設けられた環状突起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、環状突起として、基体２とは異なる材料のものを用いる場合は、環状突起となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部３３に溶接し、リングの下面を基体２に溶接すればよい。
【００５１】
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。
【００５２】
最後に、基体２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１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。
【００５３】
本実施の形態の圧電アクチュエータは、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、マスフローコントローラ等として用いられる。
【００５４】
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５を用いて説明する。図５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。
【００５５】
図５に示すマスフローコントローラ５は、流路５１と、流路５１内を流れる流体の流量を検出する流量センサ部５２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５３と、制御回路部５４とを有しており、流量制御弁５３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。
【００５６】
流路５１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５１１から流入して流出口５１２から流出するようになっている。
【００５７】
流路５１の一部には、流量センサ部５２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５２が流路５１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。
【００５８】
流量センサ部５２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５４へ伝達される。
【００５９】
制御回路部５４では、制御回路部５４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。
【００６０】
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５３を形成する圧電アクチュエータに入力される。
【００６１】
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５３の開閉量が制御され、流路５１を流れる流体の流量を制御するようになっている。
【００６２】
上述したように、圧電アクチュエータの連続駆動による溶接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】
【００６３】
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。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。【００６９】
また、ＳＵＳ３０４で円板状の基体を作製した。具体的には、切削にて溶接部を設け、２箇所に貫通孔を形成した図１に示す形状の基体を作製した。そして、基体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。なお、基体には溶接部となる環状突起を設けた。環状突起は、ＳＵＳ３０４製で、高さ０．２ｍｍ、幅０．５の断面三角形状とした。【００７０】
次に、基体の上面に積層体を接着剤で固定し、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。【００７１】
次に、ＳＵＳ３０４で円板状の上側蓋部材を作製した。
また、ＳＵＳ３１６Ｌ製の厚み０．１５ｍｍのシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状の筒状部と湾曲部及び鍔部を形成した。なお、筒状部には５個の周方向の溝を設け、そのうちの１個について後述する試料番号１〜３の特徴（表１に示す特徴）を有する形状の溝とした。圧延加工の際、金型形状を変えることで、表１に示す湾曲部および鍔部の厚みより周方向の溝における厚みを薄くした筒状部（試料番号１）、周方向の溝の底に位置する筒状部の曲率半径が湾曲部の曲率半径よりも大きくなっている筒状部（試料番号２）、周方向の溝の底に位置する筒状部の厚みが他の部位の厚みよりもさらに薄くなっている筒状部（試料番号３）、全体が均等な厚みとなっている従来の筒状部（試料番号４）を作製した。【００７２】
各筒状部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突起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。【００７３】
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。【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１５分間印加して分極処理を行ない、圧電アクチュエータを作製した。【００７５】
得られた圧電アクチュエータの積層体に１７０Ｖの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。【００７６】
さらに、これらの圧電アクチュエータについて、５０℃の環境下で電圧２００Ｖ、周波数１０Ｈｚ、Ｄｕｔｙ５０の矩形波で駆動し続ける連続駆動試験を行なった。その結果を表１に示す。【００７７】
【表１】
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【００７８】
表１から、本発明の実施例の圧電アクチュエータ（試料番号１、２、３）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、溶接部の外れもなく、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。【００７９】
これに対し、比較例の圧電アクチュエータ（試料番号４）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、溶接部の界面での外れが見られた。また、溶接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】
【００８０】
１・・・圧電素子
１０・・・積層体
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・・・被覆層
２・・・基体
３・・・ケース
３１・・・筒状部
３１１・・・周方向の溝
３２・・・湾曲部
３３・・・鍔部
３４・・・蓋部材
４１・・・リード線
４２・・・はんだ
４３・・・リードピン
４４・・・軟質ガラス
【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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【国際調査報告】
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