JP2601247Y2 - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、作動による積層型圧電
アクチュエータ（素子）の発熱を速やかに冷却して該積
層型圧電素子の温度変化を小さくし安定した積層型圧電
素子の適正な変位量を得る積層型圧電アクチュエータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の積層型アクチュエータは、電磁式
アクチュエータと比較して、高応答、高発生力、高位置
精度という特徴を有しており、各種分野で応用が進めら
れている。図１０および図１１は、従来の積層型圧電ア
クチュエータ３１の構成を示す。この積層型圧電アクチ
ュエータ３１は、厚み方向に分極処理を施した薄い圧電
体３２のペレットと圧電体３２に電界を加えるための電
極板３３を数十枚から数百枚、交互に重ねて成る。かか
る積層体３４の両端には絶縁や応力均一化のためのプレ
ート３５を有する。電極板３３は、図１１に示すように
一枚おきに結合され、電源と接続できるようにリード線
３６が引き出され、電気的には並列結合されている。こ
のように構成された従来の積層型圧電アクチュエータ３
１は、外部との電気的な絶縁を確保するためと強度を確
保するために絶縁性の高い樹脂等で一体化されている
（文献名：ＳＡＥペーパ８００５０２）。また、その他
の従来例としては、図１２および図１３に示すように、
圧電体４２に薄い電極４３を印刷して電極板４４との電
気的結合を高めたり、絶縁チューブ４７で積層体４５を
覆って成る積層型圧電アクチュエータ４１がある。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】これら従来の積層型ア
クチュエータ３１、４１における圧電体３２、４２は、
一般にヒステリシスや誘電損失を有している。このヒス
テリシスや誘電損失は熱エネルギーとして消費されるた
めに、アクチュエータ３１、４１を高速で繰り返し作動
させると発熱し、当該アクチュエータ３１、４１の温度
が高くなって、変位の不安定化や強度の劣化を招くとい
う実用上解決すべき問題を有する。従来は、アクチュエ
ータ３１、４１の外側に流体を流して冷却しているが、
アクチュエータ３１、４１を覆っているケース３７、ま
たチューブ４７や接着剤、圧電体３２、４２は一般に熱
伝導率が小さく効率的な冷却は難しい。特に、ケース３
７やチューブ４７とアクチュエータ３１、４１の間は空
気あるいは絶縁油を介在することとなるので、さらに冷
却効率は低下し、アクチュエータ３１、４１の温度が著
しく高くなってしまう実用上解決すべき問題を有する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本願考案の積層型該圧電
アクチュエータは、壁部内に中空の収納部を有する収納
部材と、厚み方向に分極処理を施した薄い圧電体と、該
圧電体に電界を加えるため電源に接続して成る電極板
と、前記収納部材に収納され前記圧電体と電極板とを複
数交互に積層して積層体を構成し当該圧電体に電界を加
えて変位量を得る圧電アクチュエータであって、前記電
極板には冷却を司る放熱部材と電極接続用の突起部とを
設け、前記収納部材内には該放熱部材周りに流通自在に
設けられ該圧電アクチュエータの冷却を司る冷却媒体を
設けて成り、該放熱部材は圧電体より外側に突出して形
成し、その突出する部分がその外周方向を半周以下に形
成され、該放熱部材をその積層の方向において互いの隣
接関係が異種面内に配設すると共に、該放熱部材はその
外側に積層の方向へ突出して形成され前記異種面内毎に
区分して前記電極に接続して成る突起部を設けて成る。

【０００５】

【考案の作用・効果】上記構成からなる本考案の積層型
圧電アクチュエータは、前記電極板に設けた放熱部材を
圧電体より外側に突き出し、その突出する部分がその外
周方向を半周以下に形成され、該放熱部材をその積層の
方向において互いの隣接関係が異種面内に配設したこと
により、該異種面内に配設した電極板の放熱部材を通じ
て、作動する積層型圧電アクチュエータの発熱を速やか
に放熱して効率良く冷却を図ることができる。また、本
考案の積層型圧電アクチュエータは、前記電極板に設け
た放熱部材が互いの隣接関係をそれぞれ異種面内に配設
したことにより、当該対向間が互いに接触するのを抑止
でき電気絶縁性を的確に保持することができる。さら
に、本考案の積層型圧電アクチュエータは、放熱部材の
外側に積層の方向へ突出して形成され前記異種面内毎に
区分して前記電極に接続して成る突出部を設けたことに
より、該突出部による電極への電気的な接続関連構成を
互いの隣接関係が異種面内に確実に配設でき電気絶縁性
を確保することができる。しかも、前記収納部材内で放
熱部材周りに流通抵抗少なく流通可能に圧電アクチュエ
ータの冷却を司る冷却媒体を設けたことにより、この冷
却媒体を通じて作動による積層型圧電アクチュエータの
発熱を速やかに冷却することができる。このため、本考
案の積層型圧電アクチュエータは、温度変化を的確に小
さくすることができ、安定、円滑に積層型圧電アクチュ
エータの適正な変位量を得る実用上優れた作用効果を奏
する。

【０００６】ここで、前記電極板は鉄系や銅系の材料が
用いられるが、これらの熱伝導率は絶縁油として用いら
れるシリコン油より二桁、圧電体より一桁ほど熱伝導率
が良好である。前記電極板はその一部に放熱部材を圧電
体より大きくして配設し、その周囲に冷却媒体としての
絶縁油を流通抵抗少なく効率良く流通することができ
る。また、電気的に結合されている電極板のうち一方の
み（たとえば接地側）を圧電体より大きく構成し、その
周囲を絶縁性の高い樹脂等で固定すれば冷却媒体は特に
絶縁性の高いものを用いる必要はない。電気的に結合さ
れている電極板のうち一方のみ（たとえば接地側）を圧
電体より大きく構成し、収納部材としてのケース等の収
納部材内に封入する。この場合、電極板はケース等の収
納部材に接触させるか、近接させる構成とすることがで
きる。

【０００７】

【実施例】以下、本考案の積層型圧電アクチュエータの
一実施例を図面を参照して説明する。

【０００８】

【第１実施例】図１乃至図３に示す第１実施例の積層型
圧電アクチュエータ１は、電極板２ａ、両側に電極３を
印刷または塗布した円盤状の圧電体４、電極板２ｂ、圧
電板４の順番で数十枚から数百枚を積層して成る。それ
ぞれの厚さは、電極板２ａ，２ｂが数十μｍ〜数百μ
ｍ，電極３が数μｍ〜数十μｍ、圧電体４が数百μｍで
ある。電極３の径は圧電体４と同じかまたはやや小さく
構成されている。電極板２ａ，２ｂは一部が圧電体４よ
り外側に突き出し、その突出する部分がその外周方向を
半周以下に形成され、放熱部材としてのフィン５が形成
され、その外側には突起部５ａ、５ｂが形成されて積層
の方向に突出して折曲形成されている。電極板２ａ，２
ｂ内側の径は電極３の径とほぼ同様に構成されている。
電極板２ａと２ｂの形状は同じであるが、積層する際、
互いの隣接関係が異種面内に配設されている。すなわ
ち、電極板２ａと２ｂは互いのフィン５の位置をずらし
て、例えば、図１、図３に示すように、本第１実施例で
は電極板２ａと２ｂが互いに９０°位置をずらしてそれ
ぞれ異種面内に設置されている。電極板２ａ、２ｂには
一枚おきに突起部５ａ、５ｂが一体的に接合されてい
る。突起部５ａ、５ｂはこれらにそれぞれ異種面内に設
置された電極帯６ａ、６ｂに接合されている。この電極
帯６ａ、６ｂはこれから一本ずつ、計２本のリード線７
が外側に引き出され図示しない電源と導電性良好に接続
されている。積層体１ｂの両端には絶縁性確保と応力均
一化のためのセラミックプレート８ａ、８ｂが配設され
ている。アクチュエータ１は突起部５ａ、５ｂの接合で
一体化されているが、さらに樹脂等により接合して強化
を図ってもよい。ただし、樹脂等で接合しても電極板２
ａ、２ｂの圧電体４より外側に張り出した部分は樹脂よ
り外側に突設してなる。このアクチュエータ１は空気や
絶縁油等の冷却媒体９の中で使用するが、図２のような
収納部材としての中空円筒状のケース１０に入れポート
１１、１２に冷却媒体９を供給し循環流通させて使用し
ても良い。この場合、フィン５を図３のように所定角度
傾斜させて構成することにより、冷却媒体９をフィン５
に沿わして効率良く流通推進することができる。

【０００９】上記構成からなる第１実施例の積層型圧電
アクチュエータ１は、電源により、電極板２ａ，２ｂに
電位差を与えると、この電位差によって圧電体４には歪
みが生じる。この電位差が交番的であることにより、ア
クチュエータ１の変位は図７のようなヒステリシスルー
プを持つ。このヒステリシスによりアクチュエータ１は
発熱することとなる。しかし、上記構成からなる第１実
施例の積層型圧電アクチュエータ１は、前記電極板２
ａ，２ｂに設けたフィン５を圧電体４よりも外側に突き
出し、その突出する部分がその外周方向を半周以下に形
成され互いに隣接関係が異種面内に配設したことによ
り、該異種面内に配設した電極板２ａ、２ｂのフィン５
を通じて、作動する積層型圧電アクチュエータ１の発熱
を速やかに放熱して効率良く冷却を図ることができる。
また、本第１実施例の積層型圧電アクチュエータ１は、
前記電極板２ａ、２ｂに設けたフィン５が互いの隣接関
係をそれぞれ異種面内に配設したことにより、当該対向
間が互いに接触するのを抑止でき電気絶縁性を的確に保
持することができる。さらに、本第１実施例の積層型該
圧電アクチュエータ１は、フィン５の外側に積層の方向
へ突出して形成され前記異種面内毎に区分して前記電極
３に接続して成る突起部５ａ、５ｂを設けたことによ
り、該突起部５ａ、５ｂによる電極３への電気的接続関
連構成を互いの隣接関係が異種面内に確実に配設でき電
気絶縁性を確保することができる。しかも、前記ケース
１０内でフィン５周りに流通抵抗少なく流通可能に圧電
アクチュエータ１の冷却を司る冷却媒体９を設けたこと
により、この冷却媒体９を通じて作動による積層型圧電
アクチュエータ１の発熱を速やかに冷却することができ
る。このため、本第１実施例の積層型圧電アクチュエー
タ１は、温度変化を的確に小さくすることができ、安
定、円滑に積層型圧電アクチュエータ１の適正な変位量
を得る実用上優れた作用効果を奏する。

【００１０】

【第２実施例】図４乃至図６に第２実施例の積層型圧電
アクチュエータ２１の構成を示す。この第２実施例は、
電極板２２ａ，２２ｂの一方、例えば、電極板２２ｂの
みの一部を圧電体２４より外側に突き出し、その突出す
る部分がその外周方向を半周以下に形成されたフィン２
５の形状が特徴である。その他の構造は、第１実施例と
同様である。本第２実施例では、放熱に使われるフィン
２５の電位は全て等電位となるので、フィン２５を具備
する電極板２２ｂの電位が常に接地電圧になるように選
択すれば、電極板２２ａ，２２ｂ間の絶縁が確実で容易
になる。この場合の冷却は、第１実施例のように、アク
チュエータ２１に直接的に冷却媒体２９を流すか、また
は図５に示すように、フィン２５の端面２５ｂと電極帯
２６ｂのみが外側に露出するように、アクチュエータ２
１全体を絶縁性の高い樹脂２３等で覆着して、その外側
を冷却する構成としても良い。このように構成すること
により、冷却媒体２９の絶縁性の問題は解消し得て、水
等の利用が可能となる。また、図６のような金属材料か
ら成るケース２０に収納し、フィン端面２５ｂとケース
２０の内面を接触させることにより、機構部等への取り
付けも容易で、かつケース２０自体を冷却することで、
熱を効率良く的確に逃がすことができ冷却効率の向上を
図る実用上の作用効果を奏する。

【００１１】上記構成からなる第２実施例の積層型圧電
アクチュエータ２1 は、電源により、電極板２２ａ、２
２ｂに電位差を与えると、その電位差によって圧電体２
４には歪みが生じる。電位差が交番的であることによ
り、アクチュエータ２１の変位は図７のようなヒステリ
シスループを持つ。このヒステリシスによりアクチュエ
ータ２１は発熱することとなる。しかし、第２実施例の
積層型圧電アクチュエータ２１は、前記電極板２２ａ、
２２ｂに設けたフィン２５を圧電体２４よりも外側に張
り出して配設したことにより、電極板を通して作動によ
る積層型圧電アクチュエータ２１の発熱を速やかに放熱
して効率良く冷却を図ることができる。また第２実施例
の積層型圧電アクチュエータ２１は、前記フィン２５の
回りに該圧電アクチュエータ２１の冷却を司る冷却媒体
２９を流通自在に設けたことにより、当該冷却媒体２９
を通して作動による積層型圧電アクチュエータ２１の発
熱を速やかに冷却することができる。このため、第２実
施例の積層型圧電アクチュエータ２１は、温度変化を小
さくすることができ、安定、円滑に積層型圧電アクチュ
エータ２１の適正な変位量を得る実用上優れた作用効果
を奏する。

【００１２】ところで、図８、図９に本考案のアクチュ
エータ１、２１と従来のアクチュエータ３１、４１の熱
の流れと温度の関係をそれぞれ示す。アクチュエータは
共にケースに入ったもので、本考案は第１実施例の図６
図示のアクチュエータ１を例にとった。図８、図９は共
にアクチュエータの一部断面をそれぞれ示している。な
お、アクチュエータで発熱するのは圧電体のうち、電極
で電界が与えられる領域のみである。そして、従来のア
クチュエータ３１は、熱は圧電体３２電極板３３、樹脂
（絶縁油）３９、ケース３７やチューブを伝わって外部
へ逃げるが、圧電体３２の熱伝導率は電極板３３より一
桁、樹脂( 絶縁油）３９は二桁小さいので、圧電体３２
とケース３７やチューブとの間で熱が伝わりにくく、温
度勾配が大きい。そのため、内部温度はケース３７やチ
ューブの温度に比べてかなり高くなる。一方、第１およ
び第２実施例によれば、熱伝導率の高い電極板２ｂ、２
２ｂをアクチュエータ１、２１の外側まで延在し、ケー
ス１０、２０に近接させているので、熱は逃げやすく、
内部温度もケース１０、２０の温度に近く保つことがで
き温度変化を小さくする実用上優れた作用効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータを示す斜視図。

【図２】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータのケースを示す斜視図。

【図３】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの要部構成を示す斜視図。

【図４】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの要部構成を示す斜視図。

【図５】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータのケースを示す斜視図。

【図６】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの全体構成を示す斜視図。

【図７】 本考案に係る積層型圧電アクチュエータの変
位と電極板間の電位差を示す線図。

【図８】 従来の積層型圧電アクチュエータにおける温
度と熱の流れの関係を示す線図。

【図９】 本考案に係る積層型圧電アクチュエータの温
度と熱の流れの関係を示す線図。

【図１０】 従来の積層型圧電アクチュエータを示す斜
視図。

【図１１】 従来の積層型圧電アクチュエータ断面概要
を示す説明図。

【図１２】 その他の従来の積層型圧電アクチュエータ
要部構成を示す斜視図。

【図１３】 その他の 従来の積層型圧電アクチュエー
タ全体構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１、２１、３１、４１・・・積層型圧電アクチュエー
タ、２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３３、４４・・・電
極板、 ４、２４、３２、４２・・・圧電体、５ａ、５
ｂ・・・突起部、６ａ、６ｂ・・・電極帯、
７、２７、３６・・・リード線、１ｂ・・・積層体、８
ａ、８ｂ・・・セラミックプレート 、９、２９・・・
冷却媒体、１０、２０・・・ケース、４７・・・チュー
ブ、１１、１２・・・ポート、

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 41/08 H01L 23/46 H02N 2/00

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 壁部内に中空の収納部を有する収納部材
   と、厚み方向に分極処理を施した薄い圧電体と、該圧電
   体に電界を加えるため電源に接続して成る電極板と、前
   記収納部材に収納され前記圧電体と電極板とを複数交互
   に積層して積層体を構成し当該圧電体に電界を加えて変
   位量を得る圧電アクチュエータであって、前記電極板に
   は冷却を司る放熱部材と電極接続用の突起部とを設け、
   前記収納部材内には該放熱部材周りに流通自在に設けら
   れ該圧電アクチュエータの冷却を司る冷却媒体を設けて
   成り、該放熱部材は圧電体より外側に突出して形成し、
   その突出する部分がその外周方向を半周以下に形成さ
   れ、該放熱部材をその積層の方向において互いの隣接関
   係が異種面内に配設すると共に、該放熱部材はその外側
   に積層の方向へ突出して形成され前記異種面内毎に区分
   して前記電極に接続して成る突起部を設けて成ることを
   特徴とする積層型圧電アクチュエータ。