JP2011514005A - 圧電素子を作動させる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は圧電素子を作動させる方法に関する。第１の電圧１が圧電素子に印加され、変位ｗによって圧電素子の第１のたわみを生じさせ、第１の電圧の印加後の圧電素子の放電が、第１の圧縮ｘによって圧電素子の第１の収縮を生じさせる。第１の収縮後、第２の電圧２が圧電素子に印加され、第２の電圧の極性は第１の電圧１の逆であり、第２の電圧は第２の圧縮ｙによって圧電素子のさらなる収縮を生じさせる。印加された第２の電圧２の放電後の第１の電圧１の繰り返しの印加は、同じ変位ｗを伴う圧電素子のたわみを生じさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を作動させる方法に関する。

特許文献１は、圧電素子を作動させる方法を開示している。

独国特許出願公開第６０２００４０００１９０号明細書

本発明の目的は、圧電素子の変位（独語でＨｕｂ）が増加することを可能にする方法を明記することである。

この目的は、請求項１に記載された方法によって達成される。圧電素子を作動させる方法の有利な改良が、従属請求項の主題である。

圧電素子を作動させる方法が明記され、そこでは第１の電圧が圧電素子に印加される。第１の電圧は圧電素子の第１のたわみを生じさせる。圧電素子のたわみは、通常は圧電素子の変位と呼ばれる。

第１の電圧の印加後の圧電素子の放電は、圧電素子の第１の収縮を生じさせる。この過程において圧電素子が収縮する長さは、この場合第１の圧縮と呼ばれる。圧電素子の第１の収縮後、第２の電圧が圧電素子に印加される。第２の電圧は好ましくは第１の電圧の極性と逆の極性を有する。第２の電圧は圧電素子にさらなる収縮を生じさせる。圧電素子はこの場合第２の圧縮によって収縮する。

印加された第２の電圧の放電後、第１の電圧が繰り返し印加され、それが圧電素子にたわみを生じさせる。この場合、圧電素子のたわみは好ましくは、第１の電圧が以前に印加されたときと概ね同じ変位となる。

第１の電圧の第１の放電後、圧電素子は第１の寸法を有する。第２の電圧の放電後、圧電素子は第２の寸法を有し、第２の寸法は好ましくは第１の寸法よりも小さい。

第２の電圧が印加された結果としての第２の収縮後、圧電素子は第３の寸法を有し、それは第１の寸法よりも小さい。また、圧電素子の第３の寸法は、好ましくは圧電素子の第２の寸法よりも小さい。

印加された第２の電圧の放電後、圧電素子は引き延ばしによって延ばされ、そして圧電素子はもう一度、圧電素子の概ね第２の寸法を有する。

第１の寸法と第２の寸法との差は、印加された第２の電圧によって生じた第２の圧縮と、印加された第２の電圧の放電後の引き延ばしとの差に好ましくは等しい。

負の電圧の印加は圧電素子を圧縮し、その場合、負の電圧の放電後に圧電素子は以前の長さに戻らず、圧縮された状態のままである。第２の電圧の放電後、圧電素子はそれゆえ、第１の電圧の放電後よりも短い長さの寸法を有する。

こうした、圧電素子の長さの寸法がより短いことによって、第１の電圧が次に印加されるときの変位の増加が可能になる。変位の増加は、第２の電圧が印加されるときの第２の圧縮と、第２の電圧の放電から生じる次の引き延ばしとの差に概ね対応する。

第２の電圧の放電後、圧電素子は再び第２の寸法を有する。圧電素子は第１の電圧の繰り返される印加による第１のたわみによって延びる。

好ましい一実施形態では、第２の電圧は圧電素子の第１の収縮の直後に印加される。しかしながら、２つの第１の電圧の間の実質的に任意の所望の時間に、第２の電圧が印加されることも可能である。

第１の電圧の放電と第２の電圧の印加との間の最大の時間は、好ましくは、２つの第１の電圧の間の差の時間および第２の電圧の持続時間に等しい。

第２の電圧の印加が繰り返されるとき、第２の寸法は好ましくは±５％の許容範囲を有する。

第１の電圧は、好ましくは約０．５〜２．０ｍｓの持続時間で圧電素子に印加される。

第１の電圧は、好ましくは１００〜２００ボルトの最大値を有する。

繰り返し印加される第１の電圧の各値は、好ましくは互いに最大で５％異なる。

圧電素子に印加される第１の電圧の持続時間は、好ましくは、第２の電圧の持続時間よりも長い。

第２の電圧は、好ましくは、第１の電圧よりも絶対値の最大値が小さい。

第２の電圧は、好ましくは−５〜−７５ボルトの大きさを有する。

第１の電圧が印加されたときと、第２の電圧が印加されたとき、いずれの場合にも、電流パルスが、好ましくは圧電素子に印加される。

第１の電圧を伴う電流パルスは、好ましくは正であり、最大値が２０アンペアである。

第１の電圧に伴う電流パルスの持続時間はおよそ０．１〜０．５ｍｓである。好ましい一実施形態では、第１の電圧に伴う電流パルスの持続時間は０．２５〜０．３ｍｓである。

第２の電圧に伴う電流パルスは、好ましくは負であり、最大値が−１５アンペアである。

第２の電圧に伴う電流パルスの持続時間は概ね０．０１〜０．２ｍｓである。好ましい一実施形態では、第２の電圧に伴う電流パルスの持続時間は２０〜１００μｓである。

第２の電圧に伴う電流パルスの持続時間は、好ましくは第１の電圧に伴う電流パルスの持続時間よりも短い。

一実施形態では、変位は好ましくは４０〜５０μｍの範囲である。さらなる一実施形態では、しかしながら、変位が高々８０μｍであることもできる。

好ましい一実施形態では、圧電素子は、例えば５０Ｈｚの周波数で圧電素子が発振する用途において用いられる。例えば自動車の分野における射出ノズルの場合に、これらのような用途が存在する。

使用される圧電素子は、好ましくは、順に重ねて配置された圧電セラミック層と電極層との積層体からなる。

述べられた数値は範囲の例のみを示す。第１の電圧、第２の電圧、および対応する電流パルス、ならびに引き延ばしおよび圧縮として、他の数値が用いられることもでき、および／または他の数値を達成することもできる。

上記の方法は、以下の図および例となる実施形態を参照してより詳細に説明される。

以下の文書に記載された図は原寸に比例しているとみなされるべきではない。実際、図を改善するために、個々の寸法は増加されたり、減少されたり、歪んだ形態で記されていたりすることがある。互いに同じである要素または同じ機能を実行する要素には、同じ参照符号が付けられている。

圧電素子の長さＬを時間Ｔに対してプロットした概略図である。 圧電素子の長さの変化を時間Ｔに対してプロットし、第１の電圧の後に、第２の電圧がない場合、第２の電圧が−２０ボルトの場合、および第２の電圧が−４０ボルトの場合にそれぞれ対応している、図１に対応する測定値の図である。 電圧Ｕを時間Ｔに対してプロットした、図２に関連する図である。 電流レベルＩを時間Ｔに対してプロットした、図２および図３に関連する図である。 圧電アクチュエータの概略設計図である。

図１は、時間範囲にわたってプロットした圧電素子の延びを示す図である。ｘ軸は概略的に時間Ｔを表す。ｙ軸は概略的に圧電要素の広がりＬを示す。グラフの始まりで、圧電素子は長さＢを有し、これは第２の寸法と呼ばれる。第１の電圧の印加の結果、圧電素子は長さｗだけ延びる。この長さｗは圧電素子の変位と呼ばれる。第１の電圧が圧電素子に印加される間は、圧電素子は引き延ばされたままである。第１の電圧の放電の後、圧電素子は長さｘだけ収縮する。圧電素子は今や第１の長さ寸法Ａを有する。この寸法Ａは、第１の電圧の印加前の第２の寸法Ｂよりも大きい。第１の電圧の放電の後、第２の電圧が圧電素子に印加される。第２の電圧は好ましくは第１の電圧と逆の極性を有する。負である第２の電圧の印加の結果として、圧電素子は長さｙだけさらに収縮する。さらなる収縮の結果、圧電素子は今や第３の長さ寸法Ｃを有する。この第３の寸法Ｃは第１の寸法Ａよりも小さく、同様に第２の寸法Ｂよりも小さい。第２の電圧の放電の後、圧電素子は長さｚだけ引き延ばされる。長さｚだけ引き延ばされた後、圧電素子は好ましくはもう一度第２の寸法Ｂを有する。

圧電アクチュエータの寸法Ａ、ＢおよびＣは図１および図２において、短くされた形態で示されている。長さの変化の割合ｗ、ｘ、ｙおよびｚは寸法Ａ、ＢおよびＣと比較して拡大されて示されている。

第１の寸法Ａと第２の寸法Ｂとの差は、好ましくは、第２の電圧が印加されたときに圧電素子が圧縮される長さｙと、第２の電圧の放電の間に圧電素子が引き延ばされる長さｚとの差に概ね等しい。圧電素子の変位は概ねこの差だけ増加する。

好ましくは第１の電圧と逆の極性を有する第２の電圧の印加は、圧電素子の変位の増加につながる。第２の電圧がない場合、第１の電圧が放電されたときに圧電素子が収縮する長さｘだけの長さの変化に概ね対応する変位のみを、圧電素子は有するであろう。

第２の電圧の印加は第１の電圧の２回の印加の間に行われる。圧電素子は好ましくは、圧電素子が特定の周波数、例えば５０Ｈｚで発振するように操作される。例として、第１の電圧がこの目的のために２０ｍｓごとに印加され、それに応えて圧電素子がその長さを増加させる。第２の電圧の印加は第１の電圧の２回の印加の間に行われ、その場合に、第１の電圧の放電と第２の電圧の印加との間の間隔は、多くとも、２つの第１の電圧１の間の持続時間と第２の電圧の持続時間との差である。

図２は、時間Ｔにわたる圧電素子の長さの変化のプロファイルを示す。この場合には、図のｘ軸はｍｓ（ミリ秒）単位の時間プロファイルを示す。圧電アクチュエータの長さの変化ΔＬはｙ軸にμｍ（マイクロメートル）単位でプロットされる。図は３つの測定値を示し、それらは３つの線１０、１１、１２で表される。

線１０によって表されるプロファイルは、第１の電圧が印加されたときの圧電素子の長さの変化のプロファイルを示す。第１の電圧が印加されるとき、圧電素子は約４０μｍだけ引き延ばされる。第１の電圧の放電の後、約１．０ｍｓ後に圧電素子はその本来の長さへと収縮する。この試行の間、第２の電圧を第１の電圧の後にさらに印加してはいない。圧電素子の引き延ばしは次の第１の電圧が印加されるまで同じ長さのままである。

線１１のプロファイルは圧電素子の長さの変化を示し、第１の電圧の放電の後に第２の負の電圧が印加される。第２の電圧は線１１によって表される試行のための−２０ボルトの電圧である。約１．０ｍｓにわたって約４３μｍだけ引き延ばされた後、第１の電圧の放電の後に圧電素子は収縮して第１の寸法へと戻る。この第１の寸法は、測定の開始時の第２の寸法よりも差ｄだけ大きい。そして第２の、−２０ボルトである負の電圧が圧電素子へと印加される。第２の電圧は、圧電素子のさらなる収縮を生じさせる。この場合、圧縮は約６μｍである。第２の電圧の放電の後、圧電素子は第２の寸法へと再び引き延ばされる。第２の寸法は好ましくは、第１の寸法よりも差ｄだけ小さい長さを有する。

線１２によって描かれた、図２に記載された第３の試行において、第２の負の電圧が第１の電圧の後に印加される。第２の電圧は−４０ボルトの値を有する。したがって、線１１のプロファイルと比較して、第１の電圧が印加されるとき、圧電素子の変位はより大きくなる。この場合、引き延ばしの最大値は約４６μｍである。第２の、負の電圧が印加されるときの圧縮は約１０μｍである。

図２に類似した、電圧／時間の図、および電流／時間の図が図３および図４に示される。

図３は電圧のプロファイルを示す図であり、図２に示された、時間Ｔにわたる圧電素子の長さの変化のプロファイルに基づいている。時間Ｔはｘ軸にｍｓ単位でプロットされ、電圧Ｕはｙ軸にボルト単位でプロットされる。第１の電圧１の圧電素子への印加の後、第１の試行（線１０）ではさらに第２の電圧２が印加されることはない。第２の試行（線１１）および第３の試行（線１２）では、第１の電圧１の後に、−２０ボルト（線１１）、−４０ボルト（線１２）の第２の負の電圧２が印加される。３つの試行すべて（１０、１１、１２）において、第１の電圧１の最大値は約１６０ボルトである。

この場合には、印加される第１の電圧１の増加を全く伴わずに、圧電素子の変位が増加する。印加される第１の電圧１が同じままで、間に第２の、負の電圧２を印加することによって、圧電素子の変位が増加する。

図３に記載されたように、第２の電圧２は第１の電圧１の直後に印加されてもよい。しかしながら、第１の電圧１と第２の電圧２の間により大きな時間間隔があることも可能である。第１の電圧１と第２の電圧２の間の最大の時間間隔は、２つの連続する第１の電圧１の間の時間間隔と第２の電圧２の持続時間との差である。

図４は、時間Ｔにわたる電流プロファイルを示す図であり、図２および図３に対応する。ｘ軸はｍｓ単位の時間プロファイルを示し、電流レベルＩはｙ軸にアンペア単位でプロットされる。第１の電圧１が印加されるとき、流れる電流は約０．３ｍｓの間に最大値の８アンペア（線１２）または６アンペア（線１０）まで増加する。約１．０ｍｓ後の第１の電圧１の放電の後、電流は約−６アンペアになる。負の第２の電圧が印加されるとき、約０．０５ｍｓ（線１１）または０．１ｍｓ（線１２）にわたって約−６アンペアの電流が流れる。

圧電素子の変位の増加が、流れる電流の増加を生じさせる。

図５は圧電アクチュエータの概略図を示す。圧電素子はセラミック層１００を有する。セラミック層１００は電極層１０１を有し、その場合、電極層１０１は第１のおよび第２の外側電極１０２を交互に介して外側と接触する。圧電素子の外側電極１０２への電圧の印加は、圧電素子の長さの収縮または引き延ばしを生じさせる。圧電素子の本来の長さと引き延ばし状態での長さとの差は、圧電素子の変位と呼ばれる。

図２から図４に用いられる圧電アクチュエータはＰＰＤタイプの圧電アクチュエータであり、それは５０Ｈｚの周波数で筒型ばねとともに自由な形態で作動する。記載された、圧電素子を動作させる方法には、しかしながら、任意の他の所望のタイプの圧電アクチュエータと、実質的に任意の他の所望の周波数もまた適している。

例となる実施形態においては、本発明の可能な発展型を限られた数のみしか記載できなかったが、本発明はそれらに制限されるものではない。原則として、圧電素子は実質的に任意の所望の周波数で作動可能であり、より大きな負の値を有する第２の電圧においても作動可能である。

本発明の構成要素の数は図示されたものに限定されない。

ここに参照した対象の記載は個々の特定の実施形態に限定されるものではなく、実際、技術的に価値があれば、個々の実施形態の特徴部は必要に応じて互いに組み合わせることができる。

Ａ 圧電素子の第１の寸法
Ｂ 圧電素子の第２の寸法
Ｃ 圧電素子の第３の寸法
ｗ 変位
ｘ 第１の圧縮
ｙ 第２の圧縮
ｚ 引き延ばし
ｄ 第１の寸法Ａと第２の寸法Ｂとの差
１ 第１の電圧
２ 第２の電圧
１０ 第１の試行の線（第２の電圧２がない）
１１ 第２の試行の線（第２の電圧２が−２０ボルト）
１２ 第３の試行の線（第２の電圧２が−４０ボルト）
１００ セラミック層
１０１ 電極層
１０２ 外側電極

Claims (21)

1. 第１の電圧（１）が圧電素子に印加され、変位（ｗ）を伴う圧電素子の第１のたわみを生じさせ、
   第１の電圧の印加後の圧電素子の放電が、第１の圧縮（ｘ）によって圧電素子の第１の収縮を生じさせ、
   第１の収縮後、第２の電圧（２）が圧電素子に印加され、第２の電圧の極性は第１の電圧（１）の極性と逆であり、第２の電圧は第２の圧縮（ｙ）によって圧電素子のさらなる収縮を生じさせ、
   印加された第２の電圧（２）の放電後の第１の電圧（１）の繰り返しの印加が、同じ変位（ｗ）を伴う圧電素子のたわみを生じさせる、
   圧電素子を作動させる方法。
2. 圧電素子が、第１の電圧（１）の放電後の第１の寸法（Ａ）と、第２の電圧（２）の放電後の、より小さい第２の寸法（Ｂ）とを有する、請求項１に記載の方法。
3. 圧電素子が第２の収縮後の第３の寸法（Ｃ）を有し、第３の寸法が第１の寸法（Ａ）よりも小さく、また、第２の寸法（Ｂ）よりも小さい、請求項１または２に記載の方法。
4. 第２の電圧（２）の印加が繰り返されるとき、第２の寸法（Ｂ）が±５％の許容範囲を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 印加された第２の電圧（２）の放電後に、圧電素子が引き延ばし（ｚ）によって第２の寸法（Ｂ）まで延びる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第１の寸法（Ａ）と第２の寸法（Ｂ）との差が、第２の圧縮（ｙ）と引き延ばし（ｚ）との差に等しい、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 第２の電圧（２）が、圧電素子の第１の収縮の直後に印加される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 第１の電圧（１）が、０．５〜２ｍｓの持続時間で圧電素子に印加される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 第１の電圧（１）が、１００Ｖ〜２００Ｖの最大値を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 繰り返し印加される第１の電圧（１）の各値が多くとも５％互いに異なる、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 第１の電圧（１）が、第２の電圧（２）よりも長い間圧電素子に印加される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 第２の電圧（２）が、第１の電圧（１）よりも小さい絶対値の最大値を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 第２の電圧（２）が、−５Ｖ〜−７５Ｖの範囲にある、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 第１の電圧（１）の除去と第２の電圧（２）の印加との間の最大の時間が、２つの第１の電圧（１）の間の時間と第２の電圧（２）の持続時間との差に等しい、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 第１の電圧（１）が印加されたときと、第２の電圧（２）が印加されたとき、いずれの場合にも電流パルスが圧電素子に印加される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 第１の電圧（１）に伴う電流パルスが、正であり、最大値が２０Ａである、請求項１４に記載の方法。
17. 第１の電圧（１）に伴う電流パルスが、概ね０．２〜０．５ｍｓの持続時間を有する、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 第２の電圧（２）に伴う電流パルスが、負であり、最大値が−１５Ａである、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 第２の電圧（２）に伴う電流パルスが、概ね０．０１〜０．１ｍｓの持続時間を有する、請求項１８に記載の方法。
20. 変位（ｗ）が４０〜８０μｍの範囲である、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 圧電素子が、順に重ねて配置された圧電セラミック層（１００）と電極層（１０１）との積層体からなる、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。

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