JP2001516512A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は圧電アクチュエータ（１）に関し、この圧電アクチュエータ（１）では従来技術に対してアクチュエータにおいて亀裂ができる傾向が明らかに低減され、亀裂の橋絡の可能性が改善されている。本発明の圧電アクチュエータ（１）は圧電材料から成る多数のプレート（２）を有し、このプレート（２）の分極方向はプレート平面に対して垂直に経過しており、プレート（２）はこの分極方向において積層方向に互いに上下に積層されており、２つの接続端子（１２ａ、１２ｂ）を有する制御電圧源（１１）を有し、それぞれ少なくとも２つの外部電極（３、５；４、６）の２つの群を有し、第１の群の外部電極（３、５）は制御電圧源（１１）の第１の接続端子（１２ａ）に電気的に接続され、第２の群の外部電極（４、６）は制御電圧源（１１）の第２の接続端子（１２ｂ）に電気的に接続されており、外部電極（３、５；４、６）はそれぞれ圧電プレート（２）のスタックの異なる側面（１６、１７、１８、１９）に設けられており、多数の内部電極（７、８、９、１０）を有し、これらの内部電極（７、８、９、１０）はそれぞれ圧電プレート（２）の間に設けられており、さらに、内部電極（７、８、９、１０）は外部電極（３、４、５、６）に交互に次のように接合されている、すなわち、それぞれ内部電極（７、９）は制御電圧源（１１）の第１の接続端子（１２ａ）に電気的に接続され、積層方向において直ぐ次の内部電極（８、１０）は前記制御電圧源（１１）の第２の接続端子（１２ｂ）に電気的に接続され、内部電極（７〜１０）は外部電極（３〜６）に周期的な順番で接合されるように接合されている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電アクチュエータ 従来技術 本発明は例えばドイツ特許３７１３６９７号公開公報から公知の圧電アクチュ エータに関する。 図３に概略的に図示されているような圧電アクチュエータは通常は圧電材料か ら成るスタック状に互いに重なって配置された複数のプレート２、いわゆる圧電 素子から構成され、積層方向はこの圧電プレートの共通の分極方向に選択されて いる。積層体乃至は圧電スタックの２つの側面にはそれぞれ外部電極３、４が設 けられており、この外部電極３、４は制御電圧源１１の接続端子１２ａ，１２ｂ に電気的に接続可能である。圧電プレート２の間にはそれぞれ圧電アクチュエー タ１の内部電極７、９が設けられている。これらの内部電極７、９はこの場合交 互にそれぞれ外部電極３、４のうちの１つだけと電気的に接合されており、この 結果、互いに隣接して配置される内部電極７及び９はそれぞれ制御電圧源１１の 異なる接続端子１２ａ及び１２ｂに電気的に接続されている。 圧電アクチュエータのこの配置において、各圧電素子２は両方のプレート表面 において電極７、９に接合されており、これらの電極７、９には外部電極３、４ を介して電圧が印加される。電圧印加によって、スタック状に重ね合わされて配 置されたプレート状の圧電素子２の各々は電極７、９の間に発生する電界の方向 に伸長する。この電界の方向は圧電プレート２の分極方向と一致する。多数個の 積層された圧電素子２によって同時に比較的小さな制御電圧で装置全体の比較的 大きな変位が得られる。 上記のタイプの圧電アクチュエータは様々な目的に使用され、例えば燃料噴射 バルブのバルブ閉鎖体の操作、液圧バルブの操作、マイクロポンプの駆動、電気 リレーの操作等々に使用される。従来技術からはすでにこのような様々な適用方 法が公知である。 ヨーロッパ特許０３６１４８０号公報から例えば内燃機関の燃料噴射ノズルが 公知である。この燃料噴射ノズルではこの噴射ノズルの開閉のためにバルブニー ドルを変位運動させる。この変位運動の駆動エレメントはこの場合面状電極を有 する圧電的に励起可能なプレートのスタックから構成される。 直接噴射ディーゼルエンジンなどのような内燃機関における燃料噴射システム のためのその他の噴射バルブはドイツ特許３５３３０８５号公開公報から公知で あり、この噴射バルブも同様にバルブニードルの変位運動乃至はシフトによるバ ルブの開閉のために圧電操作素子を有する。この圧電操作素子は多数のプレート 状の圧電素子から構成され、印加可能な電圧を介して 非常に短時間にその軸方向に伸長乃至は収縮可能である。 さらに、ドイツ特許３８００２０３号公報には上下に積層された圧電セラミッ クプレートを有し、各圧電セラミックプレートに電圧供給部を有する圧電セラミ ックバルブ操作素子を有する燃料噴射バルブが開示されている。この噴射バルブ で使用される圧電アクチュエータの特別な特徴は、正反対の極性の対になったセ ラミックプレートが上下に積層されていることであり、この結果、このやり方で 圧電セラミックバルブの操作距離を拡大することができる。 圧電アクチュエータの他の適用方法としてはヨーロッパ特許０４７７４００号 公報から圧電アクチュエータの変位距離変換器ための装置が公知であり、この装 置は圧電アクチュエータの変位距離拡大をもたらす。 それぞれ冒頭に挙げたタイプの圧電アクチュエータに対する可能な適用事例を 開示している上記の例として示した印刷物には、使用される圧電アクチュエータ の構造及び作動方法は詳しくは記述されていないが、基本的に図３に記述された アクチュエータに相応する。 従来の圧電アクチュエータにおいては、圧電的に発生される伸長は、両方の外 部電極３、４と積層された圧電素子２及び内部電極７、９との接続が中心領域に おいてのみ起こるために発生する。この中心領域では 内部電極７と９とが対向配置されている。内部電極７と９とが直接的には対向配 置されていない周縁ゾーン１３では電界の変化を有する領域が発生し、従ってま た引張応力が発生する。この引張応力のためにこのようなアクチュエータではし ばしば亀裂ができる。このような亀裂の発生は次に図４Ａ及びＢで詳しく説明す る。この場合、図４Ａは制御電圧が印加されていないニュートラルな状態におけ るアクチュエータ１を示し、図４Ｂは制御電圧が印加されこれにより圧電素子２ が伸長された動作状態のアクチュエータ１を示している。 図４Ａ及び図４Ｂは、図３の従来の圧電アクチュエータの部分ＩＶの拡大図を 示している。圧電素子２及び内部電極７、９から成るスタックと外部電極３、４ との間の境界領域には２つの領域１３、１４が区別できる。一方の領域１３では 内部電極７が外部電極４にまで接合されておらず、さらに圧電素子２に対して通 常使用されるセラミックがこの領域１３では広く焼結されている。他方の領域１ ４では内部電極９が外部電極４にまで到達しているが、他方の外部電極３には到 達していない。第２の領域１４における、つまり圧電素子２と内部電極９との間 の固着力は、圧電材料内部の領域１３における固着力より係数にして１/３から １/５だけ小さい。制御電圧を印加すればアクチュエータ１の中心部では図４Ｂ に図示されているように外 部電極の境界領域よりも大きい伸長が起こる。アクチュエータ１の領域１３、１ ４においてこれによって発生する引張応力によってしばしば亀裂１５が領域１４ における内部電極９と圧電素子２と間の境界に発生する。アクチュエータ１をさ らに動作すると、この亀裂１５は外部電極４にまで至り、これにより内部電極９ の接続は少なくとも部分的に著しく劣化し、又はそれ以上に中断され、従ってア クチュエータ１の全伸長は減少する。 本発明の利点 請求項１の特徴部分記載の構成を有する圧電アクチュエータは次のような利点 を有する。すなわち、それぞれ少なくとも２つの外部電極の２つの群を有するア クチュエータの構造によって、外部電極への内部電極の接合を有する領域はこの アクチュエータの複数の側面に分配され、さらに積層方向において互いに間隔を おくことができ、同時に各内部電極において３つの周縁ゾーンが広く焼結される 。この手段によってアクチュエータの引張応力は低減され、従って亀裂発生の傾 向は一般的にそしてとりわけ周縁ゾーンにおいて明らかに減少する。本発明の他 の利点は全体として４つの外部電極を使用することによってアクチュエータの熱 伝導が明らかに改善されることである。 とりわけ有利には、内部電極と異なる外部電極との 間の接合が周期的な順番で形成されることである。これによってこの接合の領域 は、同時に相互にできるだけ大きな間隔がある場合には均等にアクチュエータ全 体に分配される。この結果、万一亀裂が発生しても外部電極における亀裂の橋絡 の可能性は明らかに容易になる。本発明の実施形態では、外部電極の外側面にお けるこのような亀裂の橋絡のために波状電極が設けられる。この波状電極の波長 は２つの隣接する内部電極の間隔の４倍である。従来の圧電アクチュエータでは 、この波長はほんの半分の大きさであろうし、波状電極と外部電極との面状ハン ダ付けの危険が存在するだろう。 従属請求項記載の構成によって請求項１記載の圧電アクチュエータの有利な改 良実施形態が得られる。 図面 本発明の実施例を図面において簡単に図示し、以下の記述によって詳しく説明 する。 図１は圧電アクチュエータの実施例の図２ＡのラインＩ−Ｉに沿って切断され た断面図である。 図２Ａ〜Ｄは図１の圧電アクチュエータのＩＩ−ＩＩの切断面における乃至は この切断面に対してパラレルな内部電極の異なる平面の図である。 図３は従来技術の圧電アクチュエータの部分図である。 図４Ａ及びＢは、従来の圧電アクチュエータの亀裂を見えやすくするために図 ３の圧電アクチュエータの部分ＩＶを拡大した図である。 図１及び２には例として本発明の圧電アクチュエータ１の有利な実施例が図示 されている。この場合、図１は圧電アクチュエータの実施例の図２ＡのラインＩ −Ｉに沿って切断された断面図であり、図２Ａ〜Ｄは図１のＩＩ−ＩＩの切断面 における乃至はこの切断面に対してパラレルな内部電極７，８，９及び１０の配 置の図である。 従来の圧電アクチュエータの場合のように、この圧電アクチュエータ１は圧電 材料から成る多数のプレート２から構成されている。これらの多数のプレート２ の分極方向はプレート面に対して基本的に垂直方向に経過しており、これらの多 数のプレート２は、いわゆる圧電積層体（圧電スタック）を形成するためにこれ らの共通の分極方向の方向に互いに積層されている。圧電素子２の圧電材料とし て例えば石英、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）又は有利にはジルコン酸鉛-チ タン酸鉛又はＰＺＴ系（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）のような特別な圧電セラミ ックが使用される。しかし、ＮａＫ-酒石酸のような有機塩又は他の多数の周知 の圧電材料も適している。 個々の圧電プレート２の間にはそれぞれ内部電極７、８、９、１０が設けられ ている。圧電スタックの側 面１６、１７、１８、１９にはそれぞれこの圧電スタックの高さ全体に亘って外 部電極３、４、５、６が取り付けられている。この外部電極３、４、５、６は例 えば側面上に設けられたハンダ層の形式で形成される。各内部電極７、８、９、 １０はそれぞれただ１つの外部電極３、４、５、６に接合されている。すなわち 、内部電極７〜１０はこの圧電スタックにおいてそれぞれ１つの側面１６、１７ 、１８又は１９だけに向かって延在しており、他方でこれらの内部電極はその他 の側面１６〜１９乃至はその他の外部電極３〜６に対して間隔をおいて配置され ている。これは図２Ａ〜２Ｄにおいて積層方向に連続して配置されている内部電 極７〜１０において示されている。接合されていない領域１３において圧電セラ ミック２はそれぞれ焼結されている。 圧電アクチュエータ１の所望の作用を実現するために、内部電極と外部電極と の接合は次のように行われる。外部電極３〜６は２つの群３、５及び４、６に分 割され、これら２つの群３、５及び４、６はそれぞれ制御電圧源１１の接続端子 １２ａ乃至は１２ｂに電気的に接続される。内部電極７〜１０は外部電極３〜６ に接合され、この結果、それぞれ内部電極７、９は制御電圧源１１の接続端子１ ２ａに電気的に接続され、積層方向において直ぐ次の内部電極８、１０は制御電 圧源１１のもう１つの接続端子１２ｂに電気的に接続 される。これによって各々のプレート状圧電素子２はその両方のプレート表面に おいて電極７、９乃至は８、１０に接合され、これら電極７、９乃至は８、１０ には外部電極３、５及び４、６を介して制御電圧源１１からの電圧が印加される 。従来の圧電アクチュエータの場合のように、この電圧の印加によってスタック 状に相互に重ねられた圧電素子２の各々は電極７、９と８、１０との間に発生す る電界の方向に伸長し、この電界の方向は圧電プレート２の分極方向に一致する 。多数の積層された圧電素子２によって装置全体の比較的大きな変位が達成でき 、この変位は積層された圧電素子２と外部電極３〜６との固定接合のためにこれ ら外部電極３〜６の間の中間領域においてのみ起こりうる。 さらに見て取れることは、従来使用された２つの外部電極３、４に対して全部 で４つの外部電極３〜６を使用することによってアクチュエータ１の熱伝導が改 善されることである。すなわち、圧電セラミックスの熱伝導率は金属の熱伝導率 に比べて周知のように小さい。 本発明により図４Ａ及びＢにおいて前述のような圧電アクチュエータ１の亀裂 発生の傾向を低減するために、内部電極７〜１０と外部電極３〜６との接合をさ らに次のような規則に従って行う。すなわち、それぞれ内部電極７は外部電極３ に接合され、積層方向にお いて直ぐ次の内部電極８、９及び１０はその他の外部電極４、５乃至は６に接合 される。これと同時に上記のようにぞれぞれ内部電極７、９は制御電圧源１１の 接続端子１２ａに、積層方向において直ぐ次の内部電極８、１０は制御電圧源１ １の接続端子１２ｂに電気的に接続されなければならない。この結果発生する電 界によって圧電効果が圧電素子２において惹起される。 図１及び図２Ａ〜２Ｄに示された実施例ではこれは詳細には次のことを意味す る。すなわち、第１の内部電極７が圧電スタックの第１の側面１６に設けられた 第１の外部電極３と接合されており（図２Ａ）、この外部電極３は制御電圧源１ １の第１の接続端子１２ａに電気的に接続されている。そして、積層方向におい て直ぐ次の内部電極８が圧電スタックの第２の側面１７に設けられた第２の外部 電極４と接合されており（図２Ｂ）、この外部電極４は制御電圧源１１の第２の 接続端子１２ｂに電気的に接続されている。そして、積層方向において直ぐ次の 内部電極９が圧電スタックの第３の側面１８に設けられた第３の外部電極５と接 合されており（図２Ｃ）、この外部電極５は制御電圧源１１の第１の接続端子１ ２ａに電気的に接続されている。そして、積層方向において直ぐ次の内部電極１ ０が圧電スタックの第４の側面１９に設けられた第４の外部電極６と接合されて おり（図２Ｄ）、この外部 電極６は制御電圧源１１の第２の接続端子１２ｂに電気的に接続されている。内 部電極７〜１０の配置のこの順番は積層方向において周期的に連続しており、こ のため圧電スタック全体に亘って均等な接合領域１４の分布が達成される。 周期的な接合の順番は上記の一般的な規則の範囲内において原理的には任意に 選択される。群の外部電極３、５及び４、６をそれぞれ圧電スタックの対向配置 された側面１６、１８及び１７、１９に設けることは必ずしも必要不可欠ではな い。しかし、シンメトリ及びこのシンメトリに結びついた均等な電界の分布及び 圧電アクチュエータ１における引張応力の理由から、２つの群の外部電極３〜６ を乃至は圧電スタックの周囲又は側面１６〜１９に沿った極性を交互に配置する ことが有利である。 さらに、上記の実施例では圧電プレート２はほぼ正方形の底面を有する。しか し、本発明はこの実施形式に限定されるものではなく、矩形状、多角形状又は円 形状の形態の底面でも可能である。この場合、外部電極３〜６の個数ならびに外 部電極３〜６と内部電極７〜１０との接合は上述の図１及び２の実施例に類似の やり方で行われる。 図１ではさらに例として外部電極３に波状電極２０が取り付けられている乃至 はハンダ付けされている。相応のやり方で他の３つの外部電極４〜６にも波状電 極が設けられる。 波状電極２０は、各外部電極３に接合された２つの内部電極７の間の中間部に ある領域においてそれぞれ外部電極３にハンダ付けされている。内部電極７〜１ ０が周期的な順番で配置されている場合には、この波状電極２０の波長は２つの 連続する内部電極の間の間隔の４倍の大きさである。図４Ｂに図示されているよ うに万一の場合にアクチュエータに亀裂１５が発生する場合には、波状電極２０ によって外部電極３〜６において発生する亀裂が橋絡され、全ての内部電極７〜 １０の確実な接続が保障される。波状電極のために導電材料から成る金属プレー トが、有利には０.０５ｍｍの厚さの真鍮が使用される。 図３に図示されているような従来のアクチュエータの場合には、本発明に対し て、このような波状電極２０の波長は２つの連続する内部電極７、９の間の間隔 の２倍しかない。これにより、波状電極２０が外部電極３、４の全面にハンダ付 けされ、このため確実な亀裂の橋絡が保障できない危険がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリードリッヒ ベッキング ドイツ連邦共和国 Ｄ―70499 シュツツ トガルト マインツァー シュトラーセ 27 【要約の続き】 レート（２）の間に設けられており、さらに、内部電極 （７、８、９、１０）は外部電極（３、４、５、６）に 交互に次のように接合されている、すなわち、それぞれ 内部電極（７、９）は制御電圧源（１１）の第１の接続 端子（１２ａ）に電気的に接続され、積層方向において 直ぐ次の内部電極（８、１０）は前記制御電圧源（１ １）の第２の接続端子（１２ｂ）に電気的に接続され、 内部電極（７〜１０）は外部電極（３〜６）に周期的な 順番で接合されるように接合されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 圧電アクチュエータ（１）において、 該圧電アクチュエータ（１）は以下のものを有する、すなわち、 圧電材料から成る多数のプレート（２）を有し、該プレート（２）の分極方向 はプレート平面に対して垂直に経過しており、前記プレート（２）はその分極方 向の方向において積層方向に互いに上下に積層されており、 ２つの接続端子（１２ａ、１２ｂ）を有する制御電圧源（１１）を有し、 それぞれ少なくとも２つの外部電極（３、５；４、６）の２つの群を有し、第 １の群の外部電極（３、５）は前記制御電圧源（１１）の第１の接続端子（１２ ａ）に電気的に接続され、第２の群の外部電極（４、６）は前記制御電圧源（１ １）の第２の接続端子（１２ｂ）に電気的に接続されており、前記外部電極（３ 、４、５、６）はそれぞれ圧電プレート（２）のスタックの異なる側面（１６、 １７、１８、１９）に設けられており、 多数の内部電極（７、８、９、１０）を有し、該内部電極（７、８、９、１０ ）はそれぞれ前記圧電プレート（２）の間に設けられており、さらに、前記内部 電極（７、８、９、１０）は前記外部電極（３、４、 ５、６）に交互に次のように接合されている、すなわち、 それぞれ内部電極（７、９）は前記制御電圧源（１１）の第１の接続端子（１ ２ａ）に電気的に接続され、積層方向において直ぐ次の内部電極（８、１０）は 前記制御電圧源（１１）の第２の接続端子（１２ｂ）に電気的に接続され、前記 内部電極（７〜１０）は前記外部電極（３〜６）に周期的な順番で接合されるよ うに接合されている、圧電アクチュエータ（１）。 2. ２つの群の外部電極（３、４、５、６）はスタックの周囲に沿って交互に 配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。 3. 圧電プレート（２）の底面は正方形の形式を有することを特徴とする請求 項１又は２記載の圧電アクチュエータ。 4. 圧電材料はジルコン酸鉛チタン酸鉛系（ＰＺＴ系）であることを特徴とす る請求項１〜３までうちの１項記載の圧電アクチュエータ。 5. 外部電極（３〜６）の外側面にはそれぞれ波状電極（２０）が設けられる ことを特徴とする請求項２〜４までのうちの１項記載の圧電アクチュエータ。 6. 波状電極（２０）の波長は、２つの連続する内部電極（７〜１０）の間の 間隔の４倍の大きさであり、 前記波状電極（２０）と外部電極（３〜６）との接 合箇所は各外部電極（３〜６）に接合された内部電極（７〜１０）の領域の間に それぞれ設けられていることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ。