(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が円柱状のケース本体と、該ケース本体の下端に嵌入されたベース部材と、前記ケース本体の上面に配置された上端封止部材とから構成された金属ケース内に、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子を気密に収容し、該積層型圧電素子を伸縮させることにより、前記金属ケースを伸縮させるアクチュエータであって、前記金属ケースに、前記積層型圧電素子を収容固定するとともに、前記積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する、前記ケース本体の内周に嵌合する荷重印加用リングと、該荷重印加用リングの下面に当接し、前記積層型圧電素子を下方に押圧するバネ部材とから構成された予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、前記積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設け、前記ケース本体と、前記荷重印加用リングと、前記ベース部材と、前記上端封止部材とを同材質からなるものとし、レーザー溶接によりそれぞれ溶接したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記易変形部は、前記金属ケースを蛇腹状に形成して構成されていることを特徴とする請求項１項に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記金属ケースの前記易変形部のバネ定数が３０〜１００ｋｇｆ／ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に項記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータに係わり、例えば、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子、自動車用エンジンの燃料噴射用の駆動素子等に使用されるアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧電体１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を複数枚積層して形成した積層型圧電アクチュエータを作製していた。この積層型圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を印加して数〜数十μｍ伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。
【０００３】
ところで、従来、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の異物の侵入を防止するため、積層型圧電素子を金属ケース内に収容してアクチュエータが構成されており、積層型圧電素子の変位を金属ケースに伝達し、金属ケース自体を変位させることが行われている。
【０００４】
このようなアクチュエータとして、特開平６−２８３７７８号公報に開示されるようなものが知られている。この公報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の侵入を防止することができる。
【０００５】
また、この公報によると、積層型圧電素子と蛇腹（ダイヤフラム）の内壁との間に、荷重印加保持手段を設けることにより、積層型圧電素子に変位方向と逆向きの予荷重が印加されるため、積層型圧電素子に全く接着剤を使用せず搭載することが可能となり、接着剤のアウトガスによる腐食などの不具合が発生しない構造となっている。
【０００６】
即ち、この公報に開示されたアクチュエータでは、蛇腹（ダイヤフラム）が積層型圧電素子への予荷重の印加、及び変位量の伝達を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータでは、蛇腹により、積層型圧電素子に予荷重を印加するとともに、この蛇腹が変形することにより、変位を伝達していたので、積層型圧電素子を高速で長期間変位させると、経時的に蛇腹が劣化していき、予荷重を印加できなくなり、アクチュエータとして機能しなくなるという問題があった。
【０００８】
また、このようなアクチュエータでは、積層型圧電素子に印加された荷重が除去された場合や温度変化が生じた場合に、金属ケース内の積層型圧電素子に寸法変化（寸法収縮）が生じるため、組み付け時に印加された予荷重が設計通りに印加できなくなり、金属ケース内にて積層型圧電素子がフリーな状態となり、金属ケース内にて自由に移動してしまうという問題があった。
【０００９】
また、この荷重フリーな状態で金属ケース内にて積層型圧電素子が動き、傾いた状態にてセットされると、片当たりの状態が生じ、この状態で荷重印加や電圧印加による駆動を行った場合、積層型圧電素子に曲げ応力が加わり、更に、これが長期に渡ると積層型圧電素子が破損するという問題があった。
【００１０】
即ち、本発明者等によれば、積層型圧電素子は、図４の荷重印加及び荷重除去時の積層型圧電素子の寸法変化に示すように、積層型圧電素子は印加荷重の増加に伴い積層方向に収縮しており、この荷重を除去した場合、元の寸法（0点）に戻らずに、積層方向の寸法に収縮が生じることを確認した。
【００１１】
また、近年、アクチュエータは、その使用目的から、０℃以下の低温下や、２００℃前後の高温下など、様々な幅広い温度下で使用されるようになってきている。このような使用環境下において、図５に示した雰囲気温度と積層型圧電素子の寸法変化との関係に示すように、温度上昇に伴って積層方向の寸法が収縮していることを確認した。
【００１２】
この現象は、積層型圧電素子に使用される圧電磁器は、分極処理を施すことによって、電圧を印加した際に逆圧電効果を生じて伸長しているが、分極処理を施した圧電磁器は、温度上昇に伴いその材料のキュリー温度に近づくにつれ、分極処理によって１方向に向いていたドメインが未分極時の状態に戻っていくために発生しているためである。
【００１３】
これらの現象から、上記特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子に印加された荷重が除去された場合や温度変化が生じた場合に、金属ケース内の積層型圧電素子に寸法変化（寸法収縮）が生じるため、組み付け時に印加された予荷重がかからない状態となり、金属ケース内にて積層型圧電素子がフリーな状態となるという問題があった。
【００１４】
本発明は、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い耐湿性の向上、及びオイルや燃料の侵入の防止を行なうとともに、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で長期間駆動させることができるアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータは、断面が円柱状のケース本体と、該ケース本体の下端に嵌入されたベース部材と、前記ケース本体の上面に配置された上端封止部材とから構成された金属ケース内に、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子を気密に収容し、該積層型圧電素子を伸縮させることにより、前記金属ケースを伸縮させるアクチュエータであって、前記金属ケースに、前記積層型圧電素子を収容固定するとともに、前記積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する、前記ケース本体の内周に嵌合する荷重印加用リングと、該荷重印加用リングの下面に当接し、前記積層型圧電素子を下方に押圧するバネ部材とから構成された予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、前記積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設け、前記ケース本体と、前記荷重印加用リングと、前記ベース部材と、前記上端封止部材とを同材質からなるものとし、レーザー溶接によりそれぞれ溶接したことを特徴とする。
【００１６】
このようなアクチュエータでは、積層型圧電素子が駆動すると、変位伝達部材により、金属ケースの易変形部が変位し、積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印加する予荷重印加部は変位しないため、積層型圧電素子を駆動しても予荷重印加部は変形せず、予荷重印加部は長期間の駆動により劣化することがなく、これにより、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で変位を伝達することが可能となる。
【００１７】
また、本発明のアクチュエータでは、易変形部は、金属ケースを蛇腹状に形成して構成されていることが望ましい。これにより、絞り加工等の塑性加工により金属ケースを安価に作製することができるとともに、金属ケースの易変形部が容易に変形できる。
【００１８】
さらに、本発明のアクチュエータでは、金属ケースの易変形部のバネ定数が３０〜１００ｋｇｆ／ｍｍであることが望ましい。これにより、積層型圧電素子が発生する変位量を低下することなく伝達することができるとともに、積層型圧電素子が変位する際に易変形部から受ける反力による衝撃を小さくできるため、耐久性を向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータは、図１に示すように、金属ケース１内に積層型圧電素子２を収容して構成されている。この積層型圧電素子２は、図２に示すように、圧電体５と内部電極７とを交互に積層して構成された素子本体９と、この素子本体９の外面に形成された一対の外部電極１１とから構成されている。
【００２０】
内部電極２の端部には１層おきに絶縁体１３が形成され、絶縁体１３が形成されていない内部電極７の端部が、同一の外部電極１１に接続されている。
【００２１】
圧電体５は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（以下ＰＺＴと略す）或いは、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3を主成分とする圧電セラミック材料などが使用されるが、これらに限定されるものではなく、圧電性を有するセラミックスであれば何れでも良い。
【００２２】
なお、この圧電体５材料としては、圧電歪み定数ｄ33が高いものが望ましい。また、圧電体５の厚み、つまり内部電極７間の距離は、小型化および高い電界を印加するという点から０．０５〜０．２５ｍｍであることが望ましい。
【００２３】
内部電極７は、素子本体９の全ての側面に露出しているが、そのうち２つの側面において、内部電極２端部を含む圧電体５の端部１層おきに溝が形成され、該溝部にガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコーンゴム等の絶縁体１３が充填されている。なお、絶縁体１３は低ヤング率の材質、例えばシリコーンゴム等が好ましい。
【００２４】
このように、内部電極７は互い違いに１層おきに絶縁され、絶縁されていない内部電極７の他方の端面は、予め素子本体９の側面に塗布しておいた導電性耐熱接着剤に導電性部材を密着させた状態で、熱硬化性導電性接着剤を塗布し加熱硬化させることにより、外部電極１１を形成することができる。
【００２５】
また、素子本体９の積層方向の両端面には、素子本体９を機械的に保持し、発生する力を外部へ伝達するための不活性部１４が積層され、接合されている。
【００２６】
金属ケース１は、断面が円柱状のケース本体１ａと、このケース本体１ａの下端に嵌入されたベース部材１ｂと、ケース本体１ａの上面に配置された上端封止部材１ｃとから構成され、内部の積層型圧電素子２が気密に収納されている。
【００２７】
ベース部材１ｂには積層型圧電素子２が固定されており、また、ベース部材１ｂには、一対のハーメチックリードピン１５が設けられており、これらのハーメチックリードピン１５の一端は、ベース部材１ｂに固定された積層型圧電素子２の外部電極１１にそれぞれ接続されている。
【００２８】
そして、本発明のアクチュエータでは、図１に示すように、金属ケース１には、積層型圧電素子２が収容固定され、積層型圧電素子２に伸縮方向（圧電体の積層方向）に荷重を印加する予荷重印加部１７と、この予荷重印加部１７の上部に設けられ、積層型圧電素子２に固定された変位伝達部材１９により伸縮変形する易変形部２１とが設けられている。
【００２９】
即ち、予荷重印加部１７は、ケース本体１ａの内周に嵌合する荷重印加用リング２３と、この荷重印加用リング２３の下面に当接し、積層型圧電素子２を下方に押圧するバネ部材２５とから構成され、荷重印加用リング２３を反力として、バネ部材２５により、積層型圧電素子２が、ベース部材１ｂ側に押圧されている。
【００３０】
易変形部２１は、上端が上端封止部材１ｃに当接するピンからなる変位伝達部材１９を有しており、下端が荷重印加用リング２３を挿通し、積層型圧電素子２の上面に当接している。また、易変形部材２１におけるケース本体１ａは蛇腹状に形成されている。これにより、絞り加工等の塑性加工によりケース本体１ａを安価に作製することができるとともに、ケース本体１ａの易変形部２１が容易に変形できる。
【００３１】
易変形部２１は、厚み０．１〜０．４ｍｍのＳＵＳ３０４やＳＵＳ４０１Ｌなどの金属製円筒を絞り加工等の塑性加工することにより得られる。尚、本発明では、ケース本体１ａ全体が上記材料から構成されている。
【００３２】
また、金属ケース１の易変形部２１のバネ定数は３０〜１００ｋｇｆ／ｍｍとされている。易変形部２１のバネ定数は、図３に示すバネ定数と積層型圧電素子の変位量との関係から理解されるように、予荷重印加用のバネ部材２５のバネ定数が高くなるに伴い、積層型圧電素子の変位量が低下しているため、積層型圧電素子２の変位を低下させることなく伝達するために、３０〜１００ｋｇｆ／ｍｍであることが望ましい。
【００３３】
また、積層型圧電素子２が変位する際、易変形部２１の反力による衝撃が積層型圧電素子２に加わり、特に電圧のパルス印加による連続駆動などでは、この衝撃が繰り返し印加されるため、積層型圧電素子２の耐久性を向上させるため、バネ定数は、特に３０〜６０ｋｇｆ／ｍｍが望ましい。そして、易変形部２１のバネ定数がバネ部材２５より大きくなると、積層型圧電素子２の発生する変位が、この易変形部２１により拘束され、変位が低下するため、易変形部２１のバネ定数は、バネ部材２５のよりも小さいことが望ましい。
【００３４】
さらに、予荷重印加部１７にはＳＵＳ等の金属製荷重印加用リング２３がレーザー溶接など方法で溶接されており、コイルバネや皿バネなどのバネ部材２５を荷重印加用リング２５で押すことにより積層型圧電素子２に荷重印加を行なっているため、このバネ部材２５のバネ定数も易変形部２１のバネ定数と同様に、積層型圧電素子２の変位を低下させることがないように、３０〜１００ｋｇｆ／ｍｍが望ましい。
【００３５】
積層型圧電素子２の封止に用いた、ケース本体１ａ、荷重印加用リング２３、ベース部材１ｂ、及び上端封止部材１ｃは、レーザー溶接などによりそれぞれ溶接されている。この際、各部材が異種材の場合、各部材の線膨張差の影響により、溶接後の冷却時に溶接部にクラックが生じるため、気密封止が困難となるため、これらの部材は同材質とすることが望ましい。
【００３６】
本発明の圧電アクチュエータは以下のようにして作製される。積層型圧電素子は、先ず、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み５０〜２５０μｍのセラミックグリーンシートを作製する。
【００３７】
このグリーンシートの片面に内部電極７となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により１〜１０μｍの厚みに印刷する。この導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを所定の枚数だけ積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層する。
【００３８】
次に、この積層体を５０〜２００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体化する。一体化された積層体は所定の大きさに切断された後、４００〜８００℃で５〜４０時間、脱バインダが行われ、９００〜１２００℃で２〜５時間の本焼成が行われ、素子本体９となる積層焼結体を得る。この素子本体９の側面には、内部電極７の端部が露出している。
【００３９】
その後、素子本体９の２つの側面において、内部電極７端部を含む圧電体５の端部に該２側面において互い違いになるように、１層おきに深さ５０〜５００μｍ、積層方向の幅５０〜３００μｍの溝を形成し、該溝部にシリコーンゴム等の絶縁体３を充填する。
【００４０】
このあと、素子本体９の側面において内部電極７は互い違いに１層おきに絶縁されており、この素子本体９の側面に外部電極ペーストを塗布し、乾燥して外部電極１１を形成し、積層型圧電素子２の外周面にデイッピング等の方法により、シリコーンゴムを被覆する。その後、外部電極１１に０．１〜３ｋＶの分極電圧を印加し、積層型圧電素子２全体を分極処理することで、最終的な積層型圧電素子２を得る。
【００４１】
この様にして得られた積層型圧電素子２を、接着剤を用いてベース部材１ｂに固定した後、積層型圧電素子２の外部電極１１とハーメチックリードピン１５とを半田などで接続する。次に、凸形状の変位伝達部材１９に皿バネなどのバネ部材２５をセットし、積層型圧電素子２の上端に乗せ、荷重印加用リング２３がレーザー溶接などの方法で溶接されたケース本体１ａを被せ、加圧用プレス器にて５０〜１５０ｋｇｆの予荷重を印加した状態にて、ケース本体１ａの下端部とベース部材１ｂとをレーザー溶接などの方法で溶接する。その後、上端封止部材１ｃをケース本体１ａの上面に乗せ変位伝達部材１９が上端封止部材１ｃに接触するように加圧用プレス器にて荷重５〜２０ｋｇｆを印加し、レーザー溶接等の方法で溶接することにより、本発明のアクチュエータを作製できる。
【００４２】
【実施例】
チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3などの圧電体セラミックスの仮焼粉末と、有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合したスラリーを作製し、スリップキャステイング法により、厚み１５０μｍのセラミックグリーンシートを作製した。
【００４３】
このグリーンシートの片面に内部電極７となる銀−パラジウムを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷法により５μｍの厚みに印刷し、導電性ペーストを乾燥させた後、導電性ペーストが塗布された複数のグリーンシートを４００枚積層し、この積層体の積層方向の両端部に、導電性ペーストが塗布されていないグリーンシートを１０枚積層した。
【００４４】
次に、この積層体を１００℃で加熱を行いながら加圧を行い、積層体を一体し、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した後、８００℃で１０時間の脱バインダーを行い、１１００℃で２時間の本焼成を行ない素子本体９となる積層焼結体を得た。
【００４５】
その後、素子本体９の２つの側面において、内部電極７端部を含む圧電体５の端部に該２側面において互い違いになるように、１層おきに深さ１００μｍ、積層方向の幅５０μｍの溝を形成し、絶縁体１３を充填した。この後、絶縁されていない内部電極７の他方の端面は、予め塗布しておいた導電性耐熱接着剤に厚み０．５ｍｍの導電性部材の銀箔を密着させた状態で２００℃で加熱し、加熱硬化させることにより、外部電極１１を形成し、この後、積層型圧電素子の外周面にデイッピング法により、シリコーンゴムを被覆した後、１ｋＶの分極電圧を印加し、素子全体を分極処理して積層型圧電素子２を作製した。
【００４６】
この積層型圧電素子とＳＵＳ３０４製のベース部材１ｂをエポキシ樹脂にて接着した後、ハーメチックリードピン１５と外部電極１１を半田にて接続した。次に、荷重印加部のバネ定数が５０ｋｇｆ／ｍｍとなるように３直列に並べたＪＩＳＨ４の皿バネを、交互に重ねて４並列に設定し、これを変位伝達部材１９に乗せた後、積層型圧電素子２上部へ置いた。
【００４７】
ＳＵＳ３０４製の厚み０．１５ｍｍの円筒を絞り加工にて、バネ定数が３０ｋｇｆ／ｍｍとなるように易変形部２１を形成し、ＳＵＳ３０４製の荷重印加用リング２３をレーザー溶接して作製したケース本体１ａを被せ、加圧用プレス器予荷重５０ｋｇｆを印加して、レーザー溶接器にて溶接した。
【００４８】
この後、上端封止部材１ｃをケース本体１ａに乗せ、変位伝達部材１９が上端封止部材１ｃに接触するように加圧用プレス器にて荷重５ｋｇｆを印加し、レーザー溶接し、積層型圧電素子を気密封止して、本発明のアクチュエータを作製した。
【００４９】
また、比較の為に、バネ定数３０ｋｇｆの蛇腹部を形成した金属ケース内に積層型圧電素子２を収容し、蛇腹部を用いて予荷重印加を行う従来の特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータを作製した。尚、上端封止部材を溶接する際、５ｋｇｆの荷重を印加してレーザー溶接を行った。
【００５０】
まず、これらの変位特性を比較するために、印加電圧０〜２００Ｖにて電圧・変位特性を測定した結果、両アクチュエータともに、変位量４０μｍを発生しており、変位特性に差がないことが分かった。
【００５１】
次に、耐久性を比較するために、雰囲気温度１００℃、湿度９０％下で、０Ｖから＋２００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加する耐久試験を行った。その結果、本発明品は変位量４０μｍで１×１０9回でも問題無く駆動するのを確認した。また、耐久試験終了後に、金属ケース外観を観察した結果、長期駆動によるクラック等の発生がなく、易駆動部、及び予荷重印加部共に劣化がないことを確認した。
【００５２】
また、比較用のアクチュエータータでは、１×１０7回にて駆動しなくなった。この積層型圧電アクチュエータを分解し、封止した積層型圧電素子を観察した結果、不活性部近傍より、クラックが生じ、この部位を起点に両極間にてショートしているのが確認された。この不活性部近傍のクラックは、温度上昇に伴なう積層型圧電素子の寸法変化により、金属ケース内にて積層型圧電素子が片当たりの状態となり、曲げの応力が生じたために発生した。
【００５３】
また、特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータにて、長期間駆動による易駆動部２１の劣化がないか確認するために、寸法変化が生じても位置ズレが発生しないように、蛇腹部を用いて予荷重５０ｋｇｆを印加し、レーザー溶接を行い、比較用アクチュエータを作製した。このアクチュエータを雰囲気温度１００℃、湿度９０％下で、０Ｖから＋２００Ｖの直流電界を５０Ｈｚの周波数にて印加する耐久試験を行った。
【００５４】
その結果、変位量４０μｍで１×１０9回でも問題無く駆動するのを確認したものの、蛇腹部外観を観察した結果、クラックが発生しているのを確認した。これは、蛇腹部を用いて予荷重５０ｋｇｆを印加したために、長期駆動による蛇腹部の劣化が促進されたためと考えられる。この結果から、本発明品は、金属ケースに予荷重印加部と易変形部を分けて設けていることから、長期間駆動においても、金属ケースの劣化がなく、耐久性に優れていることが判る。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のアクチュエータでは、金属ケースに、積層型圧電素子に伸縮方向に荷重を印可する予荷重印加部と、該予荷重印加部に隣接して設けられ、積層型圧電素子に固定された変位伝達部材により伸縮変形する易変形部とを設けたので、金属ケースの易変形部が変位し、積層型圧電素子の伸縮方向に荷重を印可する予荷重印加部は変位しないため、積層型圧電素子の駆動しても予荷重印加部は変形しないため、予荷重印加部は長期間の駆動により劣化することがなく、これにより、荷重変化や温度変化が生じた場合でも、常に積層型圧電素子の積層方向に予荷重が印加された状態で変位を伝達することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示す縦断面図である。
【図２】積層型圧電素子の一例を示す斜視図である。
【図３】バネ定数と積層型圧電素子の変位量の関係を示すグラフである。
【図４】荷重印加及び荷重除去時の積層型圧電素子の寸法変化を示すグラフである。
【図５】雰囲気温度と積層型圧電素子の寸法変化の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・金属ケース
２・・・積層型圧電素子
５・・・圧電体
７・・・内部電極
１１・・・外部電極
１７・・・予荷重印加部
１９・・・変位伝達部材
２１・・・易変形部
【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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