JP6144577B2

JP6144577B2 - 圧電アクチュエータ

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Publication number: JP6144577B2
Application number: JP2013179853A
Authority: JP
Inventors: 拓郎牧迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2017-06-07
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Description

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に関するものである。

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、２を参照。）。

例えば、金属製の容器として、基体と、この基体に接合されたケースとを含む構成が採用され、基体とケースとは、レーザー溶接、抵抗溶接、ロウ付けなどで接合されている。また、上記の圧電アクチュエータでは、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、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いる。

特開平６−３３４２３３号公報特開２００２−５８２６１号公報

ここで、駆動による変形で繰返しの引っ張り応力がかかると、接合部に応力負荷がかかって接合部が疲労破壊に至るおそれがあるという問題があった。

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にかかる応力負荷を抑制することのできる圧電アクチュエータを得ることである。

本発明は、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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝における前記筒状部の厚みが前記他の溝における前記筒状部の厚みよりも薄いことを特徴とする圧電アクチュエータである。

また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭いもしくは広いことを特徴とするものである。また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とするものである。

また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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭いことを特徴とするものである。

また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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よ
りも最大幅が広く、前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電アクチュエータは、上記の構成において、前記周方向の溝が軸方向に等間隔に複数設けられていることを特徴とするものである。

本発明の圧電アクチュエータによれば、複数の周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があることで、深さの深い溝がより振動を吸収して、接合部にかかる負荷を低減させることができる。

したがって、圧電アクチュエータの連続駆動による接合部の寿命を向上させることができ、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１（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の１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を示す要部拡大断面図である。図１に示す圧電アクチュエータにおける圧電素子の概略斜視図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例の要部を示す要部拡大断面図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例の要部を示す要部拡大断面図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例の要部を示す要部拡大断面図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例の要部を示す要部拡大断面図である。本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の他の例の要部を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の１例を示す概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電アクチュエータの要部を示す要部拡大断面図であり、図２は図１に示す圧電素子の概略斜視図である。

図１に示す圧電アクチュエータ１は、圧電素子２と、圧電素子２の下端部に上面が当接された基体３と、圧電素子２を内部に収容し、圧電素子２の上端部に内面が当接されたケース４とを備え、基体３とケース４とが接合部５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４は周方向の溝４０が軸方向に複数設けられた筒状部４１を含み、複数の周方向の溝４０の中には他の溝４０２よりも深さの深い溝４０１がある。

圧電素子２は、図２に示すように、例えば圧電体層２１と内部電極層２２とが交互に複数積層された活性部２３と、活性部２３の積層方向の両端に積層された圧電体層２１から成る不活性部２４とを有する積層体２５を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部２３は駆動時に圧電体層２１が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部２４は駆動時に圧電体層２１が積層方向に伸長または収縮しない部位である。

圧電素子２を構成する積層体２５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２５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。

積層体２５を構成する複数の圧電体層２１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ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（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（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。

また、内部電極層２２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２５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２３において、積層方向に隣り合う内部電極層２２同士の間に挟まれた圧電体層２１に駆動電圧を印加するものである。

なお、積層体２５には、応力を緩和するための層であって内部電極層２２として機能しない層（例えば金属層）等が含まれていてもよい。

そして、内部電極層２２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２５の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極２６が被着され、導出された内部電極層２２と接合されている。外部電極２６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２２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２６には、リード線６１がはんだ６２（導電性接着剤）によって取り付けられていて、リード線６１およびはんだ６２を介して駆動電圧を印加するようになっている。

一方、積層体２５の対向する他の一対の側面には、内部電極層２２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２７が形成されている。被覆層２７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２７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２５の駆動変形（伸縮）に追随でき、被覆層２７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、Ｌｎ_１−ＸＳｉ_ＸＡｌＯ_{３＋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２７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２５の側面に塗布され、焼結することによって形成される。

そして、図１に示す圧電アクチュエータは、圧電素子２の下端部に上面が当接された基体３と、圧電素子２を内部に収容し、圧電素子２の上端部に内面が当接されたケース４とを備えている。

具体的には、基体（下側蓋部材）３は、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉になっている。この基体３の上面には、圧電素子２の下端部が当接している。また、基体３にはリードピン６３を挿通可能な貫通孔が２つ形成されており、リード線６１と電気的に接続されたリードピン６３を貫通孔に挿通させて外部電極２６と外部回路とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス６４が充填されていて、このリードピン６３を固定するとともに、外気
の侵入を防いでいる。

一方、ケース４は、基体３と同様にＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属材料で形成されたもので、筒状部４１と、筒状部４１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）４４とを有している。また、ケース４は、接合部５を介して基体３と接合されているとともに、圧電素子２を内部に収容し、圧電素子２の上端部に内面が当接している。

そして、ケース４は周方向の溝４０が軸方向に複数設けられた筒状部４１を含んでいて、複数の周方向の溝４０の中には他の溝４０２よりも深さの深い溝４０１がある。

具体的には、本例のケース４は、複数の周方向の溝４０が設けられた円筒状の筒状部４１と、筒状部４１の下端から湾曲して外方に広がる湾曲部４２と、湾曲部４２からさらに外方に広がる鍔部４３とを有している。

具体的には、筒状部４１は図に示す断面で周方向の溝４０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４は、筒状部４１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４１と一体に形成された湾曲部４２および鍔部４３を含んでいる。湾曲部４２は図に示す断面で湾曲している部分で、鍔部４３は湾曲部４２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。

ケース４を構成する筒状部４１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、絞り加工などによりベロー（蛇腹）形状にし、複数の周方向の溝４０を形成している。この筒状部４１は、圧電素子２に電圧を印加した際に圧電素子２（積層体２５）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４１は、溝４０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。また、近接して配置された溝４０と溝４０との間の筒状部４１の断面は直線状になっているが、例えば外側に膨らんだ曲線状になっていてもよい。

また、ケース４を構成する蓋部材４４は、外径が筒状部４１の内径と同じ程度に形成されたもので、筒状部４１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４４には凹部が形成されていて、この凹部に圧電素子２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４５が設けられており、圧電素子１の一対の外部電極２６が蓋部材４４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２６同士が短絡するのを防ぐことができる。

なお、筒状部４１と蓋部材４４とは、互いに別体に形成されて溶接されたものであってもよく、一体に形成されたものであってもよい。

そして、圧電素子２に圧縮荷重をかけた状態でケース４の鍔部４３と基体２とが接合部４を介して接合され、圧電素子２はケース４および基体３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いる。

ここで、ケース４の鍔部４３と基体３との間に接合部５がある構造では、駆動による変形で接合部５に繰返しの引っ張り応力がかかると、接合部５に応力が集中して、接合部５が疲労破壊するおそれがある。

そこで、本発明の圧電アクチュエータは、ケース４は周方向の溝４０が軸方向に複数設
けられた筒状部４１を含んでいて、複数の周方向の溝４０の中には他の溝４０２よりも深さの深い溝４０１がある。

複数の周方向の溝４０の中には他の溝４０２よりも深さの深い溝４０１があることで、深さの深い溝４０１がより振動を吸収して、接合部５にかかる負荷を低減させることができるため、接合部５の疲労破壊に至るまでの寿命が延びて、耐久性を向上させることができる。

なお、他の溝４０２の深さが例えば０．５〜１．５ｍｍである場合に、深さの深い溝４０１の深さは他の溝４０２の深さの１．０１〜１．２倍の深さになっているのが効果的である。

また、図では、周方向の溝４０が全部で４個であって、そのうち深い溝４０１の数が１個、他の溝４０２の数が３個の例を示しているが、深い溝４０１の数は他の溝４０２の数に対して半分より少なくなっているのがよい。例えば、周方向の溝４０が全部で４個の場合は深い溝４０１が１個であるのが好ましく、周方向の溝４０が全部で５個の場合は深い溝４０１が１個または２個であるのが好ましい。さらに、深い溝４０１が設けられる位置について特に限定はない。

ここで、図３に示すように、深い溝４０１における筒状部４１の厚みｔ１が他の溝４０２における筒状部４１の厚みｔ２よりも薄いのが好ましい。深い溝４０１における筒状部４１の肉厚を薄くすることで、深さの深い溝４０１に応力がかかりやすくなって、接合部５にかかる負荷がより低減されるため、接合部５の寿命が延び、より疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。

なお、他の溝４０２における筒状部４１の厚みｔ２が例えば０．０５〜０．３ｍｍである場合に、深さの深い溝４０１における筒状部４１の厚みｔ１は他の溝４０２の厚みｔ２の０．７０〜０．９９倍の厚みになっているのが効果的である。

また、本発明のアクチュエータは、図４に示すように、周方向の溝４０が軸方向に等間隔に複数設けられているのが好ましい。言い換えると、周方向の溝４０が軸方向に同じようなピッチで設けられているのが好ましい。周方向の溝４０の間隔Ｌ０を等間隔にすることで、間隔が偏ることによる各溝４０への応力のかかり方の偏りがなくなるため、深さの深い溝４０１における筒状部４１に確実に応力がかかる。したがって、接合部５の寿命が延び、さらに疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。なお、図は溝４０と溝４０との間隔がすべて同じ間隔Ｌ０であることを示している。

また、図５に示すように、深い溝４０１は他の溝４０２よりも最大幅が狭いのが好ましい。ここで、最大幅とは、一般的には断面で見たときの開口部（溝４０１、溝４０２の最も外側の部位）における幅のことである。深い溝４０１の最大幅Ｌ１が他の溝４０２の最大幅Ｌ２よりも狭いことで、深い溝４０１により応力がかかりやすくなって、接合部５にかかる負荷がさらに低減されるため、接合部５の寿命が延び、さらに疲労破壊しにくくなって耐久性が向上する。

なお、この効果を得るために、他の溝４０２における最大幅Ｌ２が例えば１〜５ｍｍである場合に、深さの深い溝４０１における最大幅Ｌ１は他の溝４０２の最大幅の０．７〜０．９倍になっているのが効果的である。

一方、図６に示すように、深い溝４０１は他の溝４０２よりも最大幅が広くてもよい。深い溝４０１の最大幅Ｌ１が他の溝４０２の最大幅Ｌ２よりも広いことで、深い溝４０１
における局所的な応力集中が抑制でき、耐久性を向上させることができる。

なお、この効果を得るために、他の溝４０２における最大幅Ｌ２が例えば１〜５ｍｍである場合に、深さの深い溝４０１における最大幅Ｌ１は他の溝４０２の最大幅Ｌ２の１．１〜１．４倍になっているのが効果的である。

この場合において、深い溝４０１と他の溝４０２とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっているのが好ましく、深い溝４０１における応力分布の傾斜ができて局所的な応力集中がさらに抑制でき、さらに耐久性を向上させることができる。

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。

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。

まず、圧電体層２１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、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

次に、内部電極層２２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２５が得られる。

次に、積層体２５の側面のうち両方の内部電極層２２（正極および負極）が導出された一対の側面に、例えば、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３からなるペロブスカイト型酸化物などの酸化物からなる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２７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。

次に、メタライズ層から成る外部電極２６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２２の正極または負極が導出された積層体２５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２６を形成して圧電素子２が完成する。

次に、外部電極２６とリード線１３をはんだ付けする。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）７を用意し、この基体（下側蓋部材）７に形成された２つの貫通孔にそれぞれリードピン１７を挿通するとともに隙間に軟質ガラス９を充填して固定し、さらに基体７の上面に圧電素子２の下端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子２の外部電極２１にはんだ１５にてはんだ付けしたリード線６１と基体３に取り付けられたリードピン６３とをはんだで接続する。

次に、ＳＵＳ３１６Ｌ製のシームレスの円筒状の筒状部４１に圧延加工によりベロー形状である複数の周方向の溝４０を形成する。ここで、絞り加工するときに押し当てる量を変えることで、深さの深い溝４０１およびその他の溝４０２を成型することができる。また、周方向の溝４０を成型する毎に押し当て治具の径を変更することで、溝４０の最大幅の異なる筒状部４１を作製できる。また、プレス加工することでも溝の深いものを作製でき、プレス加工に用いる金型を変更することで、深い溝の位置を変更することもできる。

この筒状部４１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）４４をレーザー溶接によって溶接して、ケース４を作製する。なお、筒状部４１の他端側（下端側）には、径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状となる湾曲部４２および鍔部４３が形成される。

次に、ケース４を基体３に接着した圧電素子２に被せ、所定の荷重でケース４を引っ張り、圧電素子２に荷重を加える。基体３の上面には例えば環状の突起が設けられていて、前記の荷重をかけた状態で、ケース４の鍔部４３と基体３に設けられた環状の突起とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子２の封止を行なう。なお、環状の突起として、基体３とは異なる材料のものを用いる場合は、環状の突起となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部４３に溶接し、リングの下面を基体３に溶接すればよい。

なお、接合部５としては、溶接に限らず、強固に接合できるものであれば特に限定されない。

次に、ケース４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。

最後に、基体３に取り付けられたリードピン６３に０．１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加し、積層体２５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６２と外部電源とを接続して、圧電体層２１に電圧を印加することにより、各圧電体層２１を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。

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。

まず、平均粒径が０．４μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）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。

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層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。

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。

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。

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。

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。また、基体には、厚み５０μｍの環状の突起を設けた。

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。

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絞り加工によりベロー形状である周方向の溝と、湾曲部と鍔部とを形成した筒状部を作製した。ここで、周方向の溝を５個形成したうち、径が９ｍｍ、最大幅２ｍｍの深い溝を１個とし、深い溝よりも径が０．２ｍｍ大きく、最大幅が２ｍｍの他の溝を４個とした筒状部を用いた実施例の試料（試料１）と、試料１の他の溝と同じ径のみの周方向の溝を５個形成した比較例の試料（試料２）とを用意した。

そして、この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の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。

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。

最後に、これらの試料の２本のリードピンに２．５ｋＶ／ｍｍの直流電界を１０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。

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。

さらに、これらの圧電アクチュエータについて、６０℃の環境下で電圧１５０Ｖ、周波
数８０Ｈｚ、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、本発明の実施例の圧電アクチュエータ（試料１）は、１０００万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。

これに対し、比較例の圧電アクチュエータ（試料２）は、２３０万サイクル後に停止していた。この試料を確認したところ、接合部での疲労破壊が見られた。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。

１・・・圧電アクチュエータ
２・・・圧電素子
２１・・・圧電体層
２２・・・内部電極層
２３・・・活性部
２４・・・不活性部
２５・・・積層体
２６・・・外部電極
２７・・・被覆層
３・・・基体
４・・・ケース
４１・・・筒状部
４２・・・湾曲部
４３・・・鍔部
４４・・・蓋部材
４５・・・絶縁材
４０・・・周方向の溝
４０１・・・深い溝
４０２・・・他の溝
５・・・接合部
６１・・・リード線
６２・・・はんだ
６３・・・リードピン
６４・・・軟質ガラス

Claims

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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝における前記筒状部の厚みが前記他の溝における前記筒状部の厚みよりも薄いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭い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。
前記深い溝は前記他の溝よりも最大幅が広い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。
前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よりも最大幅が狭いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
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、前記基体と前記ケースとが接合部を介して接合された圧電アクチュエータであって、前記ケースは周方向の溝が軸方向に複数設けられた筒状部を含み、複数の前記周方向の溝の中には他の溝よりも深さの深い溝があるとともに、該深い溝は前記他の溝よりも最大幅が広く、前記深い溝と前記他の溝とが、断面視で同じ曲率半径の曲面になっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記周方向の溝が軸方向に等間隔に複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至
請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。