JP2017191867A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage.
従来、内部電極と圧電層とが交互に積層された圧電素子を複数連結した圧電アクチュエータ本体にキャップを被せた構成の圧電アクチュエータが知られている。このような圧電アクチュエータには、圧電素子の変位を伝達するためのシムおよび半球からなる突起部が設けられ、突起部はキャップ先端部の内壁面に当接している。そして、キャップ先端部の外側が被駆動体に接触し、変位を伝える。このような圧電アクチュエータは様々な環境で用いられる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric actuator having a configuration in which a cap is placed on a piezoelectric actuator body in which a plurality of piezoelectric elements in which internal electrodes and piezoelectric layers are alternately stacked is connected is known. Such a piezoelectric actuator is provided with a protrusion made of a shim and a hemisphere for transmitting the displacement of the piezoelectric element, and the protrusion is in contact with the inner wall surface of the tip of the cap. Then, the outer side of the tip of the cap contacts the driven body and transmits the displacement. Such a piezoelectric actuator is used in various environments.
上記の圧電アクチュエータ本体を構成する圧電素子は、分極された圧電セラミック層に電圧を印加することで所望の変位が得られるが、高温の環境で使用すると分極が失われて特性が劣化する。特許文献1記載の圧電アクチュエータでは、自己発熱し、温度上昇する圧電素子に対し、圧電素子に発生した熱を放熱するためのスリーブが設けられている。スリーブは、キャップ内のリード部材に接触すると共に、ケースに保持されており、圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスで構成されている。 The piezoelectric element constituting the piezoelectric actuator body can obtain a desired displacement by applying a voltage to the polarized piezoelectric ceramic layer. However, when used in a high temperature environment, the polarization is lost and the characteristics deteriorate. In the piezoelectric actuator described in Patent Document 1, a sleeve for dissipating heat generated in the piezoelectric element is provided for the piezoelectric element that generates heat and rises in temperature. The sleeve is in contact with the lead member in the cap and is held by the case, and is made of ceramic having higher thermal conductivity than piezoelectric ceramic and having insulating properties.
上記の特許文献1記載の圧電アクチュエータは、インジェクタに用いられ、使用時の圧電素子に生じる自己発熱の放熱が課題となっており、外部への熱伝導を高くすることが求められている。しかしながら、このような例とは異なり、高温の被駆動物に変位を伝達するために用いられる圧電アクチュエータでは、圧電素子への熱の流入を抑止するために、むしろ外部との熱伝導を小さくすることが求められる。 The piezoelectric actuator described in Patent Document 1 is used for an injector, and heat dissipation of self-heating generated in the piezoelectric element during use has been a problem, and it is required to increase heat conduction to the outside. However, unlike such an example, in the piezoelectric actuator used to transmit displacement to a high temperature driven object, in order to suppress the inflow of heat to the piezoelectric element, the heat conduction with the outside is rather reduced. Is required.
また、高温の被駆動物を変位させる用途では、分極が失われるほどの高温でなくても温度が上昇すると、マイグレーションによる絶縁抵抗の劣化や絶縁破壊が生じたり、マイクロクラックの発生または伸展に伴う絶縁耐圧の劣化や絶縁破壊が生じたりしやすくなる。そして、その結果として圧電素子に絶縁劣化が生じ、圧電アクチュエータの寿命が短くなる場合がある。 Also, in applications where high-temperature driven objects are displaced, if the temperature rises even if the temperature is not high enough to lose polarization, the insulation resistance deteriorates due to migration, or dielectric breakdown occurs, accompanied by the generation or extension of microcracks. The breakdown voltage is likely to deteriorate or the dielectric breakdown may occur. As a result, insulation deterioration occurs in the piezoelectric element, and the life of the piezoelectric actuator may be shortened.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高温の被駆動体を変位させる際にキャップ側の経路に熱を多く流すことで、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when a high temperature driven body is displaced, a large amount of heat flows through the path on the cap side, thereby suppressing an increase in temperature of the piezoelectric element and extending its life. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can be used.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、直列に連結された複数の圧電素子、前記複数の圧電素子の一端に設けられ、シムおよび前記シムに支持された半球からなる突起部を有する圧電アクチュエータ本体と、前記複数の圧電素子の他端を固定し支持する座と、前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止される金属製のキャップと、を備え、前記突起部の熱伝導率は、前記キャップの熱伝導率より低いことを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that is displaced by application of voltage, and is provided at a plurality of piezoelectric elements connected in series and at one end of the plurality of piezoelectric elements. A piezoelectric actuator body having a shim and a projection formed of a hemisphere supported by the shim; a seat for fixing and supporting the other ends of the plurality of piezoelectric elements; and covering the piezoelectric actuator body and sealed to the seat. And the protrusion has a thermal conductivity lower than that of the cap.
これにより、圧電アクチュエータの先端が高温な被駆動体に接している使用環境では、キャップ側の経路に熱を多く流すことができ、圧電素子の温度上昇を抑制できる。その結果、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる。 As a result, in a use environment where the tip of the piezoelectric actuator is in contact with a high temperature driven body, a large amount of heat can flow through the path on the cap side, and an increase in temperature of the piezoelectric element can be suppressed. As a result, the temperature rise of the piezoelectric element can be suppressed and the life can be extended.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記突起部が、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、ジルコニアもしくはチタニアまたは熱伝導率10W/m・K以下の樹脂、多孔質セラミックスもしくはガラスからなることを特徴としている。これにより、キャップの熱伝導率に比べて突起部の熱伝導率を低くし、圧電素子への熱の流入を抑制できる。 (2) In the piezoelectric actuator of the present invention, the protrusion is made of steatite, forsterite, cordierite, zirconia or titania, a resin having a thermal conductivity of 10 W / m · K or less, porous ceramics or glass. It is characterized by. Thereby, compared with the heat conductivity of a cap, the heat conductivity of a projection part can be made low and the inflow of the heat | fever to a piezoelectric element can be suppressed.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップが、SUSからなることを特徴としている。これにより、キャップの熱伝導率を高くし、キャップ側の経路に熱を多く流すことができる。 (3) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the cap is made of SUS. Thereby, the heat conductivity of a cap can be made high and a lot of heat can be flowed to the path | route by the side of a cap.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記突起部が、液晶ポリマー(LCP)またはポリフェニレンサルファイド(PPS)からなることを特徴としている。これにより、突起部の強度を維持しつつ、さらにその熱伝導率を低く抑えることができる。 (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the protrusion is made of liquid crystal polymer (LCP) or polyphenylene sulfide (PPS). Thereby, the thermal conductivity can be further reduced while maintaining the strength of the protrusion.
本発明によれば、高温の被駆動体を変位させる際にキャップ側の経路に熱を多く流すことで、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる。 According to the present invention, when a high temperature driven body is displaced, a large amount of heat flows through the path on the cap side, thereby suppressing the temperature increase of the piezoelectric element and extending the life.
次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(圧電アクチュエータの構成)
図1は、圧電アクチュエータ100を示す断面図である。圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、座140およびキャップ160により構成され、電圧が印加されることで変位する。
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the
圧電アクチュエータ本体105は、複数の圧電素子110、リード部材120、突起部135で構成されている。複数の圧電素子110は、圧電素子110同士が端面で接着されることで互いに直列(電圧印加による伸縮方向)に連結されている。圧電アクチュエータ本体105は、一端にシム125および半球130からなる突起部135を有し、他端は底部として座140に接着されており、多連化された圧電素子110に電圧が印加されることで伸縮する。
The piezoelectric actuator
圧電素子110は、圧電層と内部電極とが交互に積層されている。また、圧電素子110の側面には内部電極に接続された外部電極115が設けられている。圧電層は、たとえばPZT、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成されている。内部電極は、Ag−Pd等で構成されている。
In the
リード部材120は、金属製で板状に形成されており、圧電素子110の両側面に形成された外部電極115に接着されている。一対のリード部材120は、座140において一対の端子150に接続されている。
The
突起部135は、圧電アクチュエータ本体105の変位側の端部に設けられ、キャップ160の閉端側に当接して収容されて圧電アクチュエータ本体105の変位をキャップ160の先端に伝達する。突起部135は、変位を伝達するのに十分な強度を有し、熱伝導率の小さい材料で形成されていることが好ましい。
The
突起部135は、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、ジルコニアまたはチタニアであることが好ましい。あるいは、熱伝導率10W/m・K以下の樹脂、多孔質セラミックスまたはガラスからなることが好ましい。これにより、キャップ160の熱伝導率に比べて突起部135の熱伝導率を低くし、圧電素子110への熱の流入を抑制できる。
The
突起部135は、液晶ポリマー(LCP)またはポリフェニレンサルファイド(PPS)で形成されていてもよい。これらは、いずれもスーパーエンプラといわれる分野の材料で、耐熱性、強度に優れており、熱伝導率は0.2〜0.5W/m・Kである。これにより、突起部135の強度を維持しつつ、さらにその熱伝導率を低く抑えることができる。また、シム125を樹脂で形成する場合には、中空の構造で形成してもよい。
The
シム125は、圧電アクチュエータ本体105の端面形状に一致する形状の板として形成され、圧電アクチュエータ本体105の変位側の端部に接着されている。シム125は、半球130をシム125上に固定して支持し、圧電素子110の変位を伝達している。
The
座140は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体105の他端を固定して支持している。圧電アクチュエータ本体105は、リード部材120を介して外部電極115に電圧が印加され、座140を基準として伸縮する。その結果、圧電アクチュエータ本体105の伸縮により半球130が変位する。
The
キャップ160は、圧電アクチュエータ本体105に被さって座140に封止され、ドーム形状の部分に半球130が当接するダイヤフラム165を有する。キャップ160の側壁部分は、キャップ160の中央から底部にかけて直管円筒に形成されている。キャップの先端部分には、ドーム形状を有するダイヤフラム165が形成されている。キャップ160は、SUS、特にSUS316、SUS316L等のばね性に優れている材質が望ましい。また、キャップ160は、SUSで構成されることで、キャップ160の熱伝導率を高くし、キャップ160側の経路に熱を多く流すことができることからも好ましい。このように、キャップ160の側壁を熱伝導率の高い材料にすることも効果的である。
The
圧電アクチュエータ100では、突起部135の熱伝導率は、キャップ160の熱伝導率より低い。これにより、半球130側の先端が高温で座140側が低温である使用環境において、キャップ160側の経路に熱を多く流すことができ、圧電素子110の温度上昇を抑制できる。その結果、高温の被駆動体を変位させる際に温度上昇を抑制し長寿命化できる。突起部135の熱伝導率は、10W/m・K以下であることが好ましい。
In the
また、キャップ160の側壁の厚みは0.1〜0.4mmであることが好ましい。これにより、キャップ160の側壁を流れる熱量を十分に確保できる。そして、突起部135の材料を変えてキャップ160に流れる熱量に対して圧電アクチュエータ本体105に流れる熱量を調整できる。
Moreover, it is preferable that the thickness of the side wall of the
なお、半球130の平断面(変位方向に垂直な断面)を従来の大きさより小さくすることでも、圧電素子110への熱の流入を抑制できる。また、半球130の変位方向に沿った長さを長くする、シム125を厚くする等の設計によっても同様の効果を得ることができる。
Note that the inflow of heat to the
(圧電アクチュエータの製造方法)
上記のように構成された圧電アクチュエータ100の製造方法を説明する。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子110を作製する。具体的には、PZT等の圧電セラミックスのグリーンシートにAgやAg−Pd等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子110の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極115を形成する。圧電素子110の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極115を形成できる。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
A method for manufacturing the
得られた複数の圧電素子110の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、多連化した圧電素子の一方の端部にシム125および半球130を接着する。なお、シム125および半球130は、あらかじめキャップ160の材料より熱伝導率が低い材料で形成されたものを準備しておく。
An end face in the stacking direction of the obtained plurality of
最後に、金属製で板状のリード部材120を、外部電極115に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体105を作製できる。上記の圧電アクチュエータ本体105を座140に設置し、キャップ160を被せて封止する。このようにして、圧電アクチュエータ100を製造することができる。
Finally, the plate-
(シミュレーション)
上記の圧電アクチュエータ100と同様の構造を有するシミュレーション用のモデルを構成して有限要素法によりシミュレーションを実行した。図1に示す形状ではメッシュが複雑で計算が困難になるため、擬似的にシンプルな形状のモデルで実施した。図2(a)、(b)は、それぞれシミュレーション用の疑似モデルを示す斜視図および断面図である。
(simulation)
A simulation model having the same structure as that of the
図2(a)、(b)に示すように、疑似モデルでは、キャップ先端のダイヤフラムを平板状に形成した。また、半球は、積層方向に垂直な底面を有する円柱として形成し、圧電素子は、素子6個分の長さで連続的に一体の圧電体を形成して、圧電アクチュエータ本体を構成した。 As shown in FIGS. 2A and 2B, in the pseudo model, the diaphragm at the tip of the cap is formed in a flat plate shape. In addition, the hemisphere was formed as a cylinder having a bottom surface perpendicular to the stacking direction, and the piezoelectric element was formed as a unitary piezoelectric body with a length corresponding to six elements to constitute a piezoelectric actuator body.
半球を表す円柱の直径を2.5mm、高さを2.5mmとして設計した。また、シムは6mm×6mm×0.625mmの平板状に形成し、素子部は6mm×6mm×60mmに形成した。座は、6mm×6mm×0.625mmの円板状に形成した。キャップは、直径11.4mm、高さ63.65mmに形成した。キャップ先端のダイヤフラムを表す円板の厚みは0.5mmとし、キャップ側壁の厚さは0.25mmとした。座は、直径11.4mm、厚さ3.0mmで形成した。 The cylinder representing the hemisphere was designed with a diameter of 2.5 mm and a height of 2.5 mm. The shim was formed in a plate shape of 6 mm × 6 mm × 0.625 mm, and the element part was formed in 6 mm × 6 mm × 60 mm. The seat was formed in a disk shape of 6 mm × 6 mm × 0.625 mm. The cap was formed with a diameter of 11.4 mm and a height of 63.65 mm. The thickness of the disc representing the diaphragm at the tip of the cap was 0.5 mm, and the thickness of the cap side wall was 0.25 mm. The seat was formed with a diameter of 11.4 mm and a thickness of 3.0 mm.
(比較例1)
まず、突起部のうち、半球がベアリング鋼製、シムがアルミニウム製であると仮定して、突起部の要素にそれぞれの熱伝導率を設定した。そして、圧電アクチュエータの先端の端面を130℃、座側の端面を60℃と指定し、この状態で安定状態(定常状態)にあるものと仮定して、この場合の温度分布を計算した。他への、または他からの放射熱のやりとりは考慮せず、滞留による熱の移動もないものとして計算した。なお、PZTの熱伝導率には、アルミナの1/3の数値を用いた。また、キャップは、SUS316で構成されていると仮定した。
(Comparative Example 1)
First, assuming that the hemisphere was made of bearing steel and the shim was made of aluminum among the protrusions, the respective thermal conductivity was set for the elements of the protrusions. The temperature distribution in this case was calculated on the assumption that the end face of the tip of the piezoelectric actuator was designated as 130 ° C. and the end face on the seat side was designated as 60 ° C. Calculations were made without taking into account the exchange of radiant heat to or from others, and no heat transfer due to residence. In addition, the numerical value of 1/3 of alumina was used for the thermal conductivity of PZT. The cap was assumed to be composed of SUS316.
図3(a)、(b)は、それぞれ突起部をアルミニウムとして先端130℃−座60℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。図中に示すa〜jの領域は、右隣に示す温度ゲージのa〜jに対応しており、温度分布を示している(以下、同様)。図3(a)、(b)に示すように、座側から6番目の素子である第6素子の上部は120℃以上に達しており、圧電素子の特性が損なわれうることが分かった。
FIGS. 3A and 3B are an overall view and an enlarged view showing a temperature distribution simulation result calculated under the condition of a
(実施例1)
比較例1と同様の条件を基本とし、さらに突起部がジルコニア製であると仮定して、突起部にジルコニアの熱伝導率を設定した。ジルコニアは熱伝導がアルミナの約1/10である。図4(a)、(b)は、それぞれ突起部をジルコニアとして先端130℃−座60℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
Example 1
Based on the same conditions as in Comparative Example 1, and assuming that the protrusions are made of zirconia, the thermal conductivity of zirconia was set in the protrusions. Zirconia has a thermal conductivity of about 1/10 that of alumina. FIGS. 4A and 4B are an overall view and an enlarged view showing a temperature distribution simulation result calculated under the condition of the
図4(a)、(b)に示すように、突起部をジルコニア製にしてシミュレーションした場合、座側から6番目の素子である第6素子の先端側の保護層境界付近の温度は、100℃以下となり、比較例1の場合に比べ20℃以上下がることが分かった。なお、保護層とは、内部電極に挟まれていない積層方向端部の層である。 As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), when simulation was performed with the protrusions made of zirconia, the temperature near the protective layer boundary on the tip side of the sixth element, which is the sixth element from the seat side, is 100. It became below 20 degreeC compared with the case of the comparative example 1, and it turned out. The protective layer is a layer at the end in the stacking direction that is not sandwiched between internal electrodes.
(比較例2)
次に、比較例1と同様の条件を基本とし、さらに座側の温度を100℃に設定して圧電アクチュエータ内の温度分布を計算した。図5(a)、(b)は、それぞれ突起部をアルミニウムとして先端130℃−座100℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。図5(a)、(b)に示すように、第6素子の上部は、127℃以上となることが分かった。
(Comparative Example 2)
Next, based on the same conditions as in Comparative Example 1, the temperature on the seat side was set to 100 ° C., and the temperature distribution in the piezoelectric actuator was calculated. FIGS. 5A and 5B are an overall view and an enlarged view showing a temperature distribution simulation result calculated under the condition of a
(実施例2)
比較例2と同様の条件を基本とし、座側100℃の条件で、さらに突起部がジルコニア製であると仮定して、圧電アクチュエータの温度分布を計算した。図6(a)、(b)は、それぞれ突起部をジルコニアとして座130℃−先端100℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
(Example 2)
The temperature distribution of the piezoelectric actuator was calculated based on the same conditions as in Comparative Example 2, assuming that the protrusion was made of zirconia under the condition of 100 ° C. on the seat side. FIGS. 6A and 6B are an overall view and an enlarged view showing a temperature distribution simulation result calculated under the conditions of a
図6(a)、(b)に示すように、第6素子上部の温度は118℃以下となり、第6素子の先端側の保護層境界付近の温度は、比較例2の場合に比べ10℃程度下がることが分かった。また、比較例1と実施例1との差より比較例2と実施例2との差の方が小さいことが分かった。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the temperature at the top of the sixth element is 118 ° C. or lower, and the temperature near the protective layer boundary on the tip side of the sixth element is 10 ° C. as compared with the case of Comparative Example 2. I found that it was down. It was also found that the difference between Comparative Example 2 and Example 2 was smaller than the difference between Comparative Example 1 and Example 1.
以上のシミュレーションの結果により、突出部を構成するシムおよび半球をジルコニア程度に低い熱伝導率の材料とすることで、熱がキャップを介して座側に流れ、圧電素子の温度上昇を抑制できることを実証できた。 As a result of the above simulation, it is confirmed that heat flows to the seat side through the cap and the temperature rise of the piezoelectric element can be suppressed by making the shims and hemispheres constituting the protrusions as materials having a thermal conductivity as low as zirconia. I was able to prove.
100 圧電アクチュエータ
105 圧電アクチュエータ本体
110 圧電素子
115 外部電極
120 リード部材
125 シム
130 半球
135 突起部
140 座
150 端子
160 キャップ
165 ダイヤフラム
100
Claims (4)
直列に連結された複数の圧電素子、前記複数の圧電素子の一端に設けられ、シムおよび前記シムに支持された半球からなる突起部を有する圧電アクチュエータ本体と、
前記複数の圧電素子の他端を固定し支持する座と、
前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止される金属製のキャップと、を備え、
前記突起部の熱伝導率は、前記キャップの熱伝導率より低いことを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage,
A plurality of piezoelectric elements connected in series, a piezoelectric actuator body provided at one end of the plurality of piezoelectric elements, and having a protrusion made of a shim and a hemisphere supported by the shim;
A seat for fixing and supporting the other ends of the plurality of piezoelectric elements;
A metal cap that covers the piezoelectric actuator body and is sealed to the seat;
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thermal conductivity of the protrusion is lower than the thermal conductivity of the cap.
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