JP2006013486A - 圧電アクチェータ - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁破壊に関する問題の一部を実質的になくすか又は少なくとも軽減する圧電アクチェータを提供すること。
【解決手段】 圧電アクチェータ２８は、正導体６４ａの各々と関連する第１分配電極５０と、負導体６４ｂの各々と関連する第２分配電極５２とを備え、第１及び第２分配電極５０，５２は、絶縁基板５１を備え、互いに対向する第１及び第２面５４，５６と、導体部材５８と、複数の電荷分配要素７０とを有し、導体部材５８は、電源に電気的に接続可能であり、電荷分配要素７０は、正及び負導体６４ａ，６４ｂに接続され、第１及び第２分配電極５０，５２は、導体部材５８と電荷分配要素７０との間にヒューズ手段をさらに備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電アクチェータに関し、さらに詳細には、内燃機関の噴射器に用いられる多層圧電積層式アクチェータに関する。また、本発明は、多層圧電積層式アクチェータと共に用いられるのに適した分配電極に関する。

圧電燃料噴射器は、一般的に、燃料を燃焼空間に噴射するために、機械的に直列に配置された圧電素子の積層体からなる圧電アクチェータを用いて、噴射弁を開閉している。典型的には、圧電アクチェータは、噴射器ハウジングによって画成される、噴射圧力下にある燃料を含むチャンバー内に配置されている。圧電アクチェータは、機械的又は流体的連結具のいずれかによる噴射弁の移動を制御している。このような圧電燃料噴射器の例は、米国特許第６，５２０，４２３号に開示されている。

典型的な多層圧電アクチェータ又は積層体が図１に示されている。この多層圧電アクチェータは、互いに対向する第１及び第２外面１４，１６を有する略矩形断面の積層体１２を備えている。積層体１２の互いに対向する面１４，１６は、それぞれ、第１及び第２導体又は分配電極１８，２０を備えている。積層体１２は、複数の比較的薄い圧電セラミック層又は素子２２を備え、各素子２２は、内部電極２４によって、隣接する素子２２から離間されている。１つ置きの組の内部電極２４は、それぞれ、第１分配電極１８及び第２分配電極２０に電気的に接続されて、２つの電極群を形成しており、これによって、１つの群の電極は、他の群の電極と両手の指を組み合わせたようにかみ合っている。

図２を参照するに、使用時において、電圧が２つの分配電極１８，２０の間に印加されると、圧電素子２２を挟む互いに隣接する内部電極２４の対は、互いに対向する分極を有する相互導体になり、中間素子２２に電場を印加することになる。換言すれば、分配電極１８，２０は、電荷をそれらが接続された内部電極２４の各群に分配するように機能している。電場が分配電極１８，２０に印加されると、圧電アクチェータは、その長軸に沿って（もしその圧電アクチェータが通電伸張式の場合）伸張し、（もしその圧電アクチェータが非通電伸張式の場合）収縮することになる。

各圧電素子２２は誘電材料であり、その結果として、電荷を殆ど導通させず、互いに対向する内部電極２４を絶縁し、その一方、それらの間に生じる電場を保持するように機能している。典型的には、各圧電素子２２は、約１００μｍの厚みを有し、２００Ｖの比較的低印加電圧によって、例えば、２ｋＶ／ｍｍの十分な電場強さが内部電極間に得られ、アクチェータ積層体の必要な伸び又は収縮が得られる。しかし、もし圧電素子２２の両端に印加される電圧が余りにも大きくなった場合、すなわち、電場が余りにも強くなった場合、誘電材料は破壊し始め、その結果、電流を導通させることになる。

多層積層式アクチェータ内の圧電素子の絶縁破壊は、アクチェータの機能性に対して深刻な影響を及ぼすことになる。例えば、ほんの１つの圧電素子の絶縁破壊によって、２つの互いに対向する内部電極２４間の低抵抗（短絡）経路を生じさせることになる。内部電極２４は、分配電極１８、２０と平行に接続されているので、電荷が悪影響を受けていない内部電極２４にもはや分配されず、各圧電素子２２における電場が消散してしまう。従って、圧電アクチェータが動作不能になる。

また、絶縁破壊は、圧電アクチェータに永久的な構造的損傷をもたらす。これは、高電流が短絡経路内を流れ、周囲のセラミック材料の温度を、圧電アクチェータのセラミック要素２２と内部電極２４を溶融させるような温度にまで上昇させることによるものである。

本発明の目的は、前述の問題の一部を実質的になくすか又は少なくとも軽減する圧電アクチェータを提供することにある。

本発明によれば、複数の圧電素子であって、圧電素子の各々は、圧電素子によって互いから電気的に隔離された正及び負の電極対を有し、電極対は、１つ以上の電極対の群に配置されるような圧電素子と、群の各々の正電極と接続されている正導体と、群の各々の負電極と接続されている負導体とを備える積層体を有する圧電アクチェータが提供されている。この圧電アクチェータは、正導体の各々と関連する第１分配電極と、負導体の各々と関連する第２分配電極とをさらに備え、第１及び第２分配電極の各々は、絶縁基板を備え、絶縁基板は、互いに対向する第１及び第２面と、絶縁基板の第１面に配置される導体部材と、基板の第２面に配置される複数の電荷分配要素とを有し、導体部材は、使用時に、電源に電気的に接続可能であり、電荷分配要素は、正及び負の導体に接続されている。第１及び第２分配電極の各々は、導体部材と電荷分配要素との間に電気的接続をもたらすヒューズ手段をさらに備え、これによって、群の１つの内の１対の電極間に短絡が生じた場合、ヒューズ手段は、電源と正及び負の導体との間の電気的接続を遮断している。

分配電極手段は、内部電極の前記１つの群を電源から断線するように機能するので、残りの群は、前記１つの群内の短絡によって悪影響を受けない。その結果、圧電アクチェータの機能性は、そのアクチェータが残りの作動要素と共にまだ操作し得る程度に、実質的に維持されることになる。内部電極の前記１つの群と関連する圧電素子はもはや電場を受けないので、それらの素子がもはや圧電アクチェータの全体的な伸張と収縮に寄与しないことは明らかである。その結果、アクチュエータの機能性はいくらか低下することになる。しかし、この性能の低下は、制御電子機器によって、自動的に補償され得るものである。

具体的な実施形態において、前記の群の各々は、複数の電極対を備えているとよいが、各群は、単一の電極群のみを備えていてもよい。

好ましくは、正及び負の導体は、積層体の互いに対向する外面のそれぞれに形成されるメタライズ領域の形態にある。同様に、導体部材と電荷分配要素は、基板のそれぞれの面に形成されたメタライズの領域であるのが好ましい。

好ましくは、基板は、実質的に平面状又は平らな層である。

導体部材と電荷分配要素との間に電気的接続を確立するために、基板は、基板の第１面から第２面に延在する複数の孔を備え、各孔は、それぞれ、電荷分配要素の１つに対応するようにされるとよい。

本発明の好ましい実施形態において、ヒューズ手段は、導体部材から直角に離れるように延在する複数の導体アームを備え、導体アームの各々は、それぞれ、電荷分配要素の１つに対応している。好ましくは、ヒューズ手段は、孔の各々によって受けられる導体片をさらに備え、導体片は、導体アームの各々を、それぞれ、電荷分配要素の１つに電気的に接続するようにされているとよい。

導体部材、電荷分配要素及びヒューズ手段は、他の方法によって製造されてもよいが、実際上、前述の部品は、通常、無電解メッキによって形成されている。

他の態様によれば、本発明は、複数の圧電セラミック素子を備える積層体を有する圧電アクチェータと共に用いられる分配電極を提供している。各素子は、その圧電素子によって電気的に互いから隔離される正及び負の電極対を有している。分配電極は絶縁基板を備え、この絶縁基板は、互いに対向する第１及び第２面と、第１面に配置されて電源に電気的に接続可能な導体部材と、第２面に配置された１つ以上の電荷分配要素とを備えている。１つ以上の電荷分配要素は、積層体の正及び負の内部電極に電気的に接続可能であり、分配電極は、導体部材と１つ以上の電荷分配要素の各々との間に電気的接続をもたらすヒューズ手段をさらに備えている。

さらに容易に理解され得るために、以下、単なる例示にすぎないが、添付の図面を参照して、本発明を説明する。

図３及び図４をまず参照すると、積層体３０を有する圧電アクチェータ２８が示されている。積層体３０は、第１端片３４及び第２端片３６の間に配置された複数の圧電層又は素子３８を備えている。圧電素子３８と端片３４，３６は、板又はタイルの形態にある。しかし、これは必ずしも必要ではなく、特に、第１端片３４及び第２端片３６は、もし特定の用途に対して必要であるなら、ドーム又はキャップのような異なる形態を取ってもよい。なお、積層体及び関連する部品の寸法は、明確にするために、図では誇張されている。

積層体３０の互いに隣接する素子３８は、積層体３０の第１端片３４及び第２端片３６と実質的に同一平面にあるように配置された正及び負の内部電極４０ａ，４０ｂによって、離間されている。従来の方法で、素子３８と内部電極４０ａ，４０ｂは、１つ置きに並ぶ１つの組の電極４０ａ，４０ｂが第１電極群を形成し、残りの１つ置きの組の電極４０ａ，４０ｂが第２電極群を形成し、これによって、１つの電極群が他の電極群に両手を組み合わせたように積層されている。第１分配電極５０及び第２分配電極５２の形態にある矩形の分配電極手段は、それぞれ、積層体の前面Ｓ１及び後面Ｓ２に配置されている。分配電極５０，５２は、電荷を電極４０ａ，４０ｂに分配するように機能している。

この明細書では、圧電アクチェータは、その前面、後面及び互いに対向する側面に基づいて説明されるが、これによって、圧電アクチェータが特定の方位に制限されるものではないことに留意すべきである。

図４ａ及び図４ｂは、分配電極５０，５２が取り外された、積層体３０の互いに対向する前面Ｓ１と後面Ｓ２とを示している。積層体３０の互いに対向する前面Ｓ１と後面Ｓ２は、それぞれ、細長のメタライズされた導体領域６４ａ，６４ｂの形態にある接触手段を有している。

積層体３０の構造によれば、領域６４ａ，６４ｂは、選択された正の内部電極４０ａがメタライズ領域６４ａに接続され、選択された負の内部電極４０ｂがメタライズ領域６４ｂに接続されるように、それらの面Ｓ１，Ｓ２を横切って延在している。換言すれば、メタライズ領域６４ａ，６４ｂは、それぞれ、正及び負の導体パッド６４ａ，６４ｂであると考えられる。

図５ａ、図５ｂ及び図６を参照すると、積層体３０から外された（図３に示されるような）分配電極手段５０が示されている。分配電極５０，５２は、本質的に同一なので、以後、明確にするために、単一の分配電極５０について説明する。

分配電極５０は、略平行の縦方向縁５３と横方向縁５５、及び互いに対向する第１平面５４と第２平面５６とを有する矩形のプラスチック基板層５１を備えている。互いに対向する平面５４，５６は、それぞれ、総称的に５７と５９によって示されるメタライズ領域を有している。基板層５１は、メタライズ領域５７，５９の各々を他の１つから絶縁するように機能することが理解されるべきである。この実施形態において、基板層５１は、デュポン（DuPont）によるカプトン（Kapton）（登録商標）のようなポリイミドである。しかし、他の材料、例えば、ＰＴＦＥ，ＰＦＡ及びＥＴＦＥのようなポリマーも基板層５１として適切であると考えられることが理解されるべきである。

第１面５４上のメタライズ領域５７は、基板層５１の縦方向縁（図５ａに示される左側の縁）に近接して、それと略平行に延在するバスバー５８の形態にある導体部材を備えている。４つの導体アーム６０は、基板層５１の第１面５４を横切るように、バスバー５８から直角に離れる方向に延在している。各導体アーム６０は、第１面５４の端から端の略中間において、丸められた端部で終端している。

なお、導体アーム６０は、第１面５４の端から端の略中間において終端するように形作られているが、この配置は単なる例示であり、メタライズ領域５７の寸法は、必要に応じて、具体的な用途に適するように変更され得ることが理解されるべきである。

図５ｂを参照すると、基板層５１の第２面５６は、複数の電荷分配要素又は区域７０の形態にある細長メタライズ領域５９を有している。各電荷分配区域７０は、バスバー５８と対向する縦方向縁５３（図示される右側縁）と近接する第１端を有している。各電荷分配区域７０は、基板層５１の横方向縁５５と略平行に延在し、第２面５６の端から端の略中間で終端する第２端を有している。区域７０の各々は、導体アーム６０の対応する１つと一直線上に並び、それらの区域７０と導体アーム６０の終端部は、上下に重畳されている。

４つの孔６２が基板層５１を貫通し、各孔６２は、導体アーム６０とそれらと関連する区域７０の重畳された終端部と一致している。

図６は、より明確にするために、孔６２の単一の位置を示している。この図から、各孔６２の内面７４も金属皮膜を有し、リングの形態にある導電片７６を形成していることがわかる。導電片７６は、各導電アーム６０とその関連する区域７０との間に電気的接続を確立している。

分配電極５０は、以下のようにして、製造されるとよい。最初に、基板層５１が、具体的な用途に必要とされる所定の形状に形成される。次いで、孔６２が、レーザ穿孔のような適切な技術によって、基板層５１に形成されるとよい。基板層５１に孔６２を形成した後、メタライズ層の形成を可能とする化学触媒が基板層５１に塗布される。化学触媒が、適切に形成されたフォトマスクを通して照射された入射ＵＶ光と反応し、その結果、必要な領域のみが活性化される。あるいは、触媒を活性化させるレーザ技術が用いられてもよい。このような技術は、当業者には知られている。最後に、従来の無電解メッキ法によって、金属皮膜が、孔６２の内面７４を含む活性領域に堆積される。

分配電極５０は、電荷分配区域７０と積層体３０の導体パッド６４ａ，６４ｂとの間に塗布される導体接着剤又はポリマーによって、積層体３０に取り付けられる。導体接着剤／ポリマーは、積層体３０への分配電極５０の十分な付着をもたらしながら、電気的接続を最適化するものである。従って、電源（図示せず）と積層体３０の内部電極４０ａ，４０ｂとの間に、分配電極５０，５２を介して、導体経路が確立されることになる。分配電極５０，５２は、他の方法、例えば、半田付け、ろう付けによって積層体に取り付けられてもよいことが理解されるべきである。

電場を圧電素子３８内に確立するために、各分配電極５０，５２の各々のバスバー５８は、電源装置（図示せず）の互いに対向する分極のそれぞれに接続されている。説明する目的にすぎないが、電気コネクターは、積層体３０の上方に配置されたエンドキャップ（図示せず）から延在され、各電器コネクターは、例えば、半田付けによって、バスバー５８に取り付けられるとよい。分配電極５０，５２に印加される電圧は、従来の電源装置によって、制御されるとよい。

使用時において、もし挟み込まれた圧電素子３８の絶縁破壊によって、互いに対向する電極４０ａ，４０ｂ間に短絡が生じた場合、破壊された素子を一部として含む内部電極４０ａ，４０ｂの群に過剰な電流を供給する特定の導体アーム６０がヒューズとして機能し、内部電極４０ａ，４０ｂを電源から隔離するように働くことになる。導電アーム６０の寸法は、所定の電流閾値を有するように選択されている。従って、もし特定の導体アーム６０の電流がその閾値を超えた場合、導体アーム６０が焼損し、バスバー５８と導体パッド６４ａ，６４ｂの１つとの間の電気的接続を遮断することになる。

損傷した圧電素子３８とその関連する群の要素のみが電源から隔離されるので、内部電極の残りの群への電気の供給は影響を受けない。従って、圧電素子の大半は、それらの機能性が維持されることになる。

この実施形態において、各導体アーム６０は、４つの内部電極からなる群（すなわち、４つの正電極４０ａの群又は４つの負電極４０ｂの群）を電気的に接続しているので、その群内の１つの要素３８の短絡によって、全部で９つの要素３８が損失されることになる。しかし、９つの要素の損失は、圧電アクチェータに典型的に用いられる要素の全数と比較して、無視することができ、アクチュエータの機能性の取るに足らない損失は、関連する電源によって補償されることになる。

図７は、本発明の代替的実施形態を示している。この実施形態において、必要に応じて、同様の部分は、同様の参照番号によって示されている。本発明の前述の実施形態では、２つの互いに対向する内部電極４０ａ，４０ｂ間に短絡が生じた後も、圧電素子３８の大半が操作可能に保たれるが、もし供給電子機器が要素３８の損失を十分に補償できない場合、例えば、もし内部電極４０ａ，４０ｂの多数の群が、いくつかの短絡された要素３８によって隔離された場合、圧電アクチェータの機能性の部分的な損失が生じることがある。図７において、（明瞭にするために大きく誇張された）積層体３０は、前述の実施形態におけるように４つの内部電極を接続する正及び負の導体パッド６４と異なり、１つの内部電極４０ａ又は４０ｂのみに専用の正及び負の導体パッド６４の各々を示している。従って、もし絶縁破壊がある圧電素子３８に生じた場合、対応する単一の内部電極４０ａ，４０ｂと関連する導体アーム６０のみが融解することになる。これによって、３つの圧電素子３８のみの機能性が損失される結果となる。

本発明の好ましい具体的な実施形態について説明したが、当該実施形態は、単なる例示にすぎず、適切な知識と技術を有する者によって、変形形態及び修正形態がなされ得ることが理解されるべきである。従って、添付の請求項に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、代替的実施形態がなされ得る。例えば、前述の実施形態において、導体パッド６４ａ，６４ｂは、１つ又は４つのいずれかの内部電極層４０ａ，４０ｂの群を接続している。しかし、本発明は、分配電極５０，５２と導体パッド６４ａ，６４ｂが、さらに多数の内部電極層４０ａ，４０ｂを電気的に接続するように形成される場合にも、同様に適用され得る。同様に、図３、図４及び図７に示される圧電アクチェータの積層体は、３１個の圧電素子を備えているが、実際には、このような圧電アクチェータの積層体は、さらに多数（典型的には、数百個）の圧電素子を備えていることが理解されるべきである。

なお、導体アーム６０は、内部電極の個々又は選択された群を隔離するために、ヒューズとして機能するが、バスバー５８と接続パッド６４との間及びそれらを含む任意の点が、ヒューズ機能をもたらし得ることが理解されるべきである。例えば、もし過剰な電流が導電アーム６０の前に孔６２内の接続片７６内を焼損させる場合、ヒューズ機能はこの接続片７６によって、もたらされ得る。あるいは、基板層５１の物理的特性は、基板の温度が特定要素の短絡に対応するレベルまで昇温したとき、孔６２の領域における基板の部分が「収縮」することを確実にするように、選択されてもよい。従って、実際上、孔６２の内径が増大し、その結果、接続片７６が破砕し、接続アーム６０と送電パッド６４ａ，６４ｂとの間の電気的接続を遮断することになる。

さらに、導体パッド６４ａ，６４ｂは、積層体３０のそれぞれの面Ｓ１，Ｓ２の一部を横切って延在するように述べられたが、適切であれば、同様に、関連する面Ｓ１，Ｓ２の幅の全体を実質的に横切って延在してもよい。

既知の多層圧電アクチェータを示す斜視図である。 図１の圧電アクチェータの概略図である。 本発明の第１実施形態による圧電アクチェータを示す斜視図である。 ａ及びｂは、分配電極が取り外された図３の圧電アクチェータの互いに対向する面を示す斜視図である。 ａ及びｂは、図３の分配電極の互いに対向する面を示す図である。 線Ａ−Ａに沿った図５ａの分配電極の断面図である。 本発明の第２実施形態による圧電アクチェータを示す斜視図である。

符号の説明

２８ 圧電アクチェータ
３０ 積層体
３８ 圧電素子
４０ａ 正の内部電極
４０ｂ 負の内部電極
５０ 第１分配電極
５１ プラスチック基板層
５２ 第２分配電極
５３ 縦方向縁
５４ 第１平面
５５ 横方向縁
５６ 第２平面
５７，５９ メタライズ領域
５８ バスバー
６０ 導体アーム
６２ 孔
６４ａ 正のメタライズ領域（正の導体パッド）
６４ｂ 負のメタライズ領域（負の導体パッド）
７０ 電荷分配区域
７４ （孔の）内面
７６ 導電片
Ｓ１ 前面
Ｓ２ 後面

Claims (14)

1. 複数の圧電素子であって、前記圧電素子の各々は、前記圧電素子によって互いから電気的に隔離された正及び負の電極対を有し、前記電極対は、１つ以上の電極対の群に配置されるような圧電素子と、
   前記群の各々の前記正電極と接続されている正導体と、
   前記群の各々の前記負電極と接続されている負導体と
   を備える積層体を有する圧電アクチェータにおいて、
   前記正導体の各々と関連する第１分配電極と、
   前記負導体の各々と関連する第２分配電極と
   をさらに備え、
   前記第１及び第２分配電極の各々は、絶縁基板を備え、前記絶縁基板は、互いに対向する第１及び第２面と、前記絶縁基板の前記第１面に配置される導体部材と、前記基板の前記第２面に配置される複数の電荷分配要素とを有し、前記導体部材は、使用時に、電源に電気的に接続可能であり、前記電荷分配要素は、前記正及び負の導体に接続され、前記第１及び第２分配電極の各々は、前記導体部材と前記電荷分配要素との間に電気的接続をもたらすヒューズ手段をさらに備え、これによって、前記群の１つの内の１対の電極間に短絡が生じた場合、前記ヒューズ手段は、前記電源と前記正及び負の導体との間の電気的接続を遮断するようになっていることを特徴とする圧電アクチェータ。
2. 前記正及び負の導体は、前記積層体の互いに対向する外面のそれぞれに形成されたメタライズ領域であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチェータ。
3. 前記基板は、実質的に平面状の層であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチェータ。
4. 前記導体部材と前記１つ以上の電荷分配要素は、前記基板の前記面のそれぞれに形成されたメタライズ領域であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチェータ。
5. 前記基板は、前記基板の前記第１及び第２面間に延在する複数の孔を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチェータ。
6. 前記孔の各々は、それぞれ、前記電荷分配要素の１つに対応していることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチェータ。
7. 前記ヒューズ手段は、前記導体部材から直角に離れるように延在する複数の導体アームを備え、前記導体アームの各々は、それぞれ、前記電荷分配要素の１つに対応していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電アクチェータ。
8. 前記ヒューズ手段は、前記孔の各々によって受けられる導体片をさらに備え、前記導体片は、前記導体アームの各々を、それぞれ、前記電荷分配要素の１つに電気的に接続するようにされていることを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチェータ。
9. 前記導体部材は、バスバーであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電アクチェータ。
10. 複数の圧電素子を備える積層体を有する圧電アクチェータと共に用いられる分配電極であって、前記圧電素子の各々は、前記圧電素子によって互いから電気的に隔離された正電極と負電極の対を有するような分配電極において、
    互いに対向する第１及び第２面と、前記第１面に配置された導体部材と、前記第２面に配置された複数の電荷分配要素とを有する絶縁基板を備え、
    前記導体部材は、使用時に、電源に電気的に接続可能であり、前記電荷分配要素は、前記積層体の前記正及び負の内部電極に電気的に接続可能であり、前記分配電極は、前記導体部材と前記電荷分配要素の各々との間に電気的接続をもたらすヒューズ手段をさらに備えていることを特徴とする分配電極。
11. 前記ヒューズ手段は、前記導体部材から直角に延在する複数の導体アームを備え、前記導体アームの各々は、前記電荷分配要素の１つに対応していることを特徴とする請求項１０に記載の分配電極。
12. 前記基板は、前記基板の前記第１面から前記第２面に延在する複数の孔を備え、前記孔の各々は、前記電荷分配要素の１つに対応していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の分配電極。
13. 前記ヒューズ手段は、前記孔の各々によって受けられる導体片をさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の分配電極。
14. 前記導体片は、メタライズされたリングの形態にあることを特徴とする請求項１３に記載の分配電極。

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