JP2850576B2 - Multilayer piezoelectric actuator - Google Patents

Multilayer piezoelectric actuator

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JP2850576B2
JP2850576B2 JP3147473A JP14747391A JP2850576B2 JP 2850576 B2 JP2850576 B2 JP 2850576B2 JP 3147473 A JP3147473 A JP 3147473A JP 14747391 A JP14747391 A JP 14747391A JP 2850576 B2 JP2850576 B2 JP 2850576B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、積層型圧電アクチュエ
−タに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laminated piezoelectric actuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、例えば実開平2ー27755号公
報および発明協会発行の89ー9696公開技報には、
厚みが一定の圧電ペレットと、内部電極板とを交互に積
層することにより形成された積層体よりなる圧電アクチ
ュエータが開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, for example, Japanese Unexamined Utility Model Publication No. 2-27755 and 89-9696 published technical bulletin issued by the Invention Association,
A piezoelectric actuator comprising a laminate formed by alternately laminating piezoelectric pellets having a constant thickness and internal electrode plates is disclosed.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来、圧電アクチュエ
ータを、例えば、エンジンの燃料噴射制御装置に組入れ
使用する場合、必要な耐久性能として、印加電圧400
V〜1000V、応答速度0.1ms〜0.5ms、雰
囲気温度ー40℃〜150℃、繰り返し作動回数109
回の厳しい使用条件に耐えられることが要求されてい
る。
Conventionally, when a piezoelectric actuator is used by incorporating it into a fuel injection control device of an engine, for example, an applied voltage of 400
V to 1000 V, response speed 0.1 ms to 0.5 ms, ambient temperature −40 ° C. to 150 ° C., number of repeated operations 10 9
It is required to be able to withstand severe use conditions.

【0004】ここにおいて、前記実開平2ー27755
号公報および発明協会発行の89ー9696公開技報に
開示された圧電アクチュエータは、各圧電ペレットの厚
みが一定であり、各圧電ペレットに同一の値の電圧を印
加して駆動させると、これに伴い発熱する積層体の軸方
向の両端部と中央部の温度が異なるものとなる。すなわ
ち、前記積層体の両端部の圧電ペレットは、それぞれ外
側に向いた一端面が制御部材又は固定部材と接触してい
るため放熱効率が高く、前記中央部の圧電ペレットは、
その両端面が両側に積層された圧電ペレットに挟まれて
いるため両端部の圧電ペレットに比べて放熱効率が低い
ものとなる。このため、駆動時の放熱効率の差によって
積層体の軸方向に温度勾配が生じ中央部の圧電ペレット
は、両端部の圧電ペレットより温度が高くなり、かつ温
度の上昇に伴う伸びによる変位量が両端部の圧電ペレッ
トより多くなり、負荷が増大してクラックが発生し易
く、前記使用条件下での耐久性能を満たすことができな
い。
[0004] Here, the aforementioned Japanese Utility Model Laid-Open No. 2-27755.
In the piezoelectric actuator disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 89-9696, published by the Japan Institute of Invention, the thickness of each piezoelectric pellet is constant. Accordingly, the temperature of both ends and the center of the laminated body that generates heat is different from each other in the axial direction. That is, the piezoelectric pellets at both ends of the laminate have high heat dissipation efficiency because one end face facing outward is in contact with the control member or the fixing member, and the piezoelectric pellets at the central portion are
Since both end faces are sandwiched between the piezoelectric pellets laminated on both sides, the heat radiation efficiency is lower than that of the piezoelectric pellets at both end parts. For this reason, a temperature gradient occurs in the axial direction of the laminate due to the difference in heat dissipation efficiency during driving, and the temperature of the piezoelectric pellets at the center is higher than that of the piezoelectric pellets at both ends, and the amount of displacement due to elongation due to the rise in temperature is reduced. It is larger than the piezoelectric pellets at both ends, the load is increased, and cracks are liable to occur, and the durability under the above-mentioned use conditions cannot be satisfied.

【0005】従って、前記従来の圧電アクチュエータ
は、その駆動時に積層体の軸方向の中央部の温度を、両
端部と同じ温度まで冷却する必要があることや、前記耐
久性能の劣化を前提とした設計が必要となること、およ
びこれに伴い設計の自由度が低減する。また、前記耐久
性能を満たすために、積層される圧電ペレットの枚数お
よび面積を増やすと、これに伴って圧電アクチュエ−タ
が大型化し駆動時の印加電圧を高くする必要があり、消
費電力および電源のコストが増える。
[0005] Therefore, the conventional piezoelectric actuator is premised on the necessity of cooling the temperature at the central portion in the axial direction of the laminate to the same temperature as the both ends at the time of driving, and the deterioration of the durability performance. The necessity of design and the degree of freedom in design are reduced accordingly. When the number and area of the laminated piezoelectric pellets are increased in order to satisfy the durability performance, the piezoelectric actuator is increased in size and the applied voltage at the time of driving needs to be increased. Costs increase.

【0006】本発明は、前記問題を解決した積層型圧電
アクチュエ−タを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a laminated piezoelectric actuator which solves the above problems.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の積層型圧電アク
チュエ−タは、表面と裏面とに金属製電極をもつ複数個
の圧電ペレットと、複数個の内部電極板とを交互に積層
することにより形成された積層体よりなり、前記積層体
の軸方向に電圧を印加することにより駆動される圧電ア
クチュエ−タであって、前記複数個の圧電ペレットは、
前記積層体の軸方向の両端部から該軸方向の中央部に向
かう配列方向に沿って圧電定数(d33 )が順次小さくな
るように構成されたことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a laminated piezoelectric actuator comprising a plurality of piezoelectric pellets having metal electrodes on the front and back surfaces and a plurality of internal electrode plates alternately laminated. A piezoelectric actuator that is driven by applying a voltage in the axial direction of the laminate, wherein the plurality of piezoelectric pellets are:
It is characterized in that the piezoelectric constant (d 33 ) is successively reduced along the arrangement direction from both ends in the axial direction of the laminate to the center in the axial direction.

【0008】前記積層体の軸方向の両端部から該軸方向
の中央部に向かう配列方向に沿って圧電定数(d33 )が
順次小さくなるように、前記複数個の圧電ペレットを構
成するには、例えば、複数個の圧電ペレットにおいて、
微構造、分極条件などのうち、少なくともひとつを前記
配列方向に沿って変えた構成を用いたり、前記微構造、
分極条件のうち、2つあるいは全部を前記配列方向に沿
って変えた構成を用いることができる。なお、前記複数
個の圧電ペレットの微構造を変えた構成としては、原料
の粉砕方法、条件等により圧電ペレットの結晶粒径、空
孔率を変化させて、圧電定数(d33 )を制御する方法を
用いることができる。
In order to form the plurality of piezoelectric pellets such that the piezoelectric constant (d 33 ) decreases sequentially along the direction of arrangement from both axial ends of the laminate to the central portion in the axial direction. For example, in a plurality of piezoelectric pellets,
Among the microstructures, polarization conditions, and the like, a configuration in which at least one is changed along the arrangement direction, or the microstructure,
A configuration in which two or all of the polarization conditions are changed along the arrangement direction can be used. In addition, as the configuration in which the microstructure of the plurality of piezoelectric pellets is changed, the piezoelectric constant (d 33 ) is controlled by changing the crystal grain size and porosity of the piezoelectric pellets according to the raw material pulverizing method, conditions, and the like. A method can be used.

【0009】前記複数個の圧電ペレットの組成を変えた
構成としては、添加剤としてSrを入れる方法、またZ
rとTiの比率を変える方法等により、圧電定数
(d33 )を制御する方法を用いることができる。前記複
数個の圧電ペレットの分極条件を変えた構成としては、
印加電圧、雰囲気温度を変化させて、圧電定数(d33
を制御する方法を用いることができる。
The composition in which the composition of the plurality of piezoelectric pellets is changed includes a method of adding Sr as an additive, and a method of adding Zr.
A method of controlling the piezoelectric constant (d 33 ) can be used by, for example, changing the ratio of r and Ti. As a configuration in which the polarization conditions of the plurality of piezoelectric pellets are changed,
Applied voltage, by changing the ambient temperature, the piezoelectric constant (d 33)
Can be used.

【0010】[0010]

【作用および効果】本発明の積層型圧電アクチュエ−タ
に用いた複数個の圧電ペレットは、積層体の軸方向の両
端部から該軸方向の中央部に向かう配列方向に沿って電
圧定数が順次小さくなるように構成されたことを特徴と
する。このため、前記複数個の圧電ペレットに電圧を印
加して駆動すると、各圧電ペレットは、圧電定数
(d33 )および駆動に伴って発熱した温度に対応して変
位する。
A plurality of piezoelectric pellets used in the laminated piezoelectric actuator of the present invention have voltage constants sequentially along the arrangement direction from both ends in the axial direction of the laminate to the center in the axial direction. It is characterized in that it is configured to be small. Therefore, when a voltage is applied to the plurality of piezoelectric pellets and driven, each of the piezoelectric pellets is displaced in accordance with the piezoelectric constant (d 33 ) and the temperature generated by the driving.

【0011】すなわち、駆動時の各圧電ペレットは、前
記配列方向に沿って順次小さくなる圧電定数(d33 )の
勾配に比例して変位するとともに、積層体の軸方向の両
端部と中央部との放熱効率の差により前記配列方向に沿
って順次高くなる温度の勾配に比例して変位するものと
なる。このため、各圧電ペレットは、前記配列方向に沿
って互いに逆方向の勾配をもつ電圧定数(d33)および
温度に対応して変位することにより、その相互作用によ
って各圧電ペレットの変位量がほぼ一定となる。
That is, each of the piezoelectric pellets at the time of driving is displaced in proportion to the gradient of the piezoelectric constant (d 33 ) gradually decreasing along the arrangement direction, and the both ends and the center of the laminated body in the axial direction are displaced. Is displaced in proportion to the temperature gradient that sequentially increases in the arrangement direction due to the difference in heat radiation efficiency. For this reason, each piezoelectric pellet is displaced in accordance with the voltage constant (d 33 ) and the temperature having gradients in opposite directions along the arrangement direction. It will be constant.

【0012】従って本発明の積層型圧電アクチュエ−タ
によると、積層体の軸方向の中央部に配列されている圧
電ペレットは、駆動時の放熱効率の差によって両端部の
圧電ペレットより温度が高くなっても、温度の上昇に伴
う伸びによる変位量が両端部の圧電ペレットより多くな
ることがなく、過大な負荷が作用しないため、クラック
の発生が防止でき、積層型圧電アクチュエ−タの駆動耐
久性が増す。
Therefore, according to the laminated piezoelectric actuator of the present invention, the temperature of the piezoelectric pellets arranged at the central portion in the axial direction of the laminate is higher than that of the piezoelectric pellets at both ends due to the difference in heat radiation efficiency during driving. Even when the temperature rises, the amount of displacement due to elongation due to the rise in temperature does not become larger than that of the piezoelectric pellets at both ends, and no excessive load acts, so that cracks can be prevented and the driving durability of the laminated piezoelectric actuator can be prevented. The nature increases.

【0013】また駆動時に積層体の軸方向の中央部の温
度を、両端部と同じ温度まで冷却する必要がなくなり、
積層型圧電アクチュエータの設計時に従来のように耐久
性能の劣化を前提としないで済み、初期性能のみを確保
する設計条件で足り、設計の自由度が増す。すなわち、
初期性能に余裕をもたす率が低減されるので、この分、
圧電ペレットの積層枚数および面積の低減ができ、かつ
低い印加電圧で駆動できる。これにより積層型圧電アク
チュエ−タの消費電力の低減、電源の低コスト化、コン
パクト化等の効果も得られる。
[0013] Further, it is not necessary to cool the temperature of the central portion in the axial direction of the laminate to the same temperature as the both ends during driving.
When designing a multilayer piezoelectric actuator, it is not necessary to assume the deterioration of the durability performance as in the past, and the design conditions for securing only the initial performance are sufficient, and the degree of freedom in design is increased. That is,
Since the rate of giving a margin to the initial performance is reduced,
The number and area of the stacked piezoelectric pellets can be reduced, and driving can be performed with a low applied voltage. As a result, effects such as a reduction in power consumption of the stacked piezoelectric actuator, a reduction in cost of the power supply, and a reduction in size can be obtained.

【0014】[0014]

【実施例】本発明の積層型圧電アクチュエ−タの実施例
を以下に説明する。本実施例の積層型圧電アクチュエ−
タは、斜視して示す図1のように、複数個の圧電ペレッ
ト10と、複数個の内部電極板11とを交互に積層する
ことにより形成された積層体1よりなる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the multilayer piezoelectric actuator of the present invention will be described below. Laminated piezoelectric actuator of this embodiment
As shown in FIG. 1, which is a perspective view, the rotor includes a laminated body 1 formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric pellets 10 and a plurality of internal electrode plates 11.

【0015】圧電ペレット10は、PZT系セラミック
ス製のもので斜視して示す図2のように、直径D1が2
0mm,厚さt1 が0.5mmの円板状である。そして
圧電ペレット10の表面101および裏面102には、
側面を示す図3のようにそれぞれ電極として銀が印刷、
焼き付け処理なされた金属製電極103および104が
形成される。この圧電ペレット10は、予め60枚用意
され、そのそれぞれは、後で述べるように圧電定数〔d
33 (×10-12 m/v)(以下、説明上 d33 と称
す)を、前記積層体1の軸方向Pの両端部1a、1bか
ら軸方向Pの中央部1cに向かう配列方向(図1参照)
に沿って順次小さくなるように構成される。
The piezoelectric pellet 10 is made of PZT ceramics and has a diameter D1 of 2 as shown in FIG.
It has a disk shape of 0 mm and a thickness t 1 of 0.5 mm. Then, on the front surface 101 and the back surface 102 of the piezoelectric pellet 10,
Silver is printed as an electrode as shown in FIG.
The baked metal electrodes 103 and 104 are formed. The piezoelectric pellets 10 are prepared in advance of 60 pieces, each of which has a piezoelectric constant [d
33 (× 10 −12 m / v) (hereinafter referred to as “d 33” in the description) is arranged in the arrangement direction from both ends 1 a and 1 b in the axial direction P of the laminate 1 to the central portion 1 c in the axial direction P (FIG. 1)
.

【0016】内部電極板11はSUS製のもので斜視し
て示す図4のように、直径D2が20mm,厚さt2
30μmの円板状である。また内部電極板11の周縁部
には、径方向外側に水平に伸びるとともに、その先端部
より下方に伸びる略逆L字形状のリード取り出し用舌状
片110が形成されている。この内部電極板11は予め
61枚用意される。
The inner electrode plate 11 as shown in FIG. 4 showing a perspective in made of SUS, diameter D2 20 mm, the thickness t 2 is 30μm disk-shaped. On the peripheral edge of the internal electrode plate 11, a substantially inverted L-shaped lead extracting tongue 110 is formed which extends horizontally outward in the radial direction and extends downward from the tip. 61 internal electrode plates 11 are prepared in advance.

【0017】本実施例の前記60枚の圧電ペレット10
は、積層体1の両端部1a、1b(前記図1の上下方
向)より軸方向Pの中央部1cに向かって順に、図8に
示されるように圧電定数(d33 )をそれぞれ始めの2枚
(上下計4枚、以下、領域aと称す)は522
(d33 )、次の3枚(上下計6枚、以下、領域bと称
す)は515(d33 )、次の4枚(上下計8枚、以下、
領域cと称す)は500(d33 )、次の5枚(上下計1
0枚、以下、領域dと称す)は485(d33 )V、次の
7枚(上下計14枚、以下、領域eと称す)は480
(d33 )、中央部の18枚(以下、領域fと称す)は4
70(d33 )が得られる設定となっている。
In the embodiment, the 60 piezoelectric pellets 10 are used.
As shown in FIG. 8, the piezoelectric constant (d 33 ) is set to 2 in order from the both ends 1 a and 1 b (up and down directions in FIG. 1) of the laminate 1 toward the center 1 c in the axial direction P as shown in FIG. The number of sheets (up to four in the top and bottom, hereinafter referred to as area a) is 522
(D 33 ), the next three sheets (six in the upper and lower directions, hereinafter referred to as “area b”) are 515 (d 33 ), and the next four sheets (eight in the upper and lower parts, hereinafter, are referred to as area b).
The area c is 500 (d 33 ), and the next five sheets (upper and lower 1)
0 sheets (hereinafter, referred to as an area d) is 485 (d 33 ) V, and the next seven sheets (a total of 14 upper and lower sheets, hereinafter, referred to as an area e) are 480.
(D 33 ), the central 18 images (hereinafter referred to as region f) are 4
70 (d 33 ) is obtained.

【0018】このように設定するには、前記合計61枚
の内部電極板11とともに交互に積層された合計60枚
の圧電ペレット10の微構造を前記配列方向に沿って変
えた構成となした。すなわち、各圧電ペレット10の結
晶粒径(μm)は、後で述べる条件で駆動したとき、前
記2枚〜18枚の単位で軸方向Pの両端部1a、1bか
ら軸方向Pの中央部1cに向かう11個の領域a、b、
c、d、e、f毎に前記値の圧電定数(d33 )が得られ
るように、領域aでは5μm、領域bでは4μm、領域
cでは3.5μm、領域dでは3μm、領域eでは2.
5μm、領域fでは2μmと設定した(図18参照)。
In order to make such a setting, the microstructure of a total of 60 piezoelectric pellets 10 alternately stacked together with the total of 61 internal electrode plates 11 was changed in the arrangement direction. That is, the crystal grain size (μm) of each piezoelectric pellet 10 is such that, when driven under the conditions described later, the central portion 1c in the axial direction P is moved from both ends 1a and 1b in the axial direction P in units of 2 to 18 pieces. 11 areas a, b,
In order to obtain the piezoelectric constant (d 33 ) of the above value for each of c, d, e, and f, 5 μm in the area a, 4 μm in the area b, 3.5 μm in the area c, 3 μm in the area d, and 2 μm in the area e. .
It was set to 5 μm and 2 μm in the region f (see FIG. 18).

【0019】なお、前記各領域a、b、c、d、e、f
毎に圧電ペレット10の圧電定数(d33 )を前記のとお
り設定する根拠を、以下に説明する。例えば、圧電ペレ
ット10を合計60枚を積層した積層型圧電アクチュエ
−タを、印加電圧600V(パルス)、応答速度0.2
ms、周波数100Hz、圧力20MPa、雰囲気温度
135℃、繰り返し作動回数108 回の駆動条件で駆動
した時における積層体1の温度分布をFEM(有限要素
法)解析にて計算した結果を図7に示す。
Each of the regions a, b, c, d, e, f
The grounds for setting the piezoelectric constant (d 33 ) of the piezoelectric pellet 10 for each time as described above will be described below. For example, a laminated piezoelectric actuator in which a total of 60 piezoelectric pellets 10 are laminated is applied with an applied voltage of 600 V (pulse) and a response speed of 0.2.
ms, frequency 100 Hz, pressure 20 MPa, an atmospheric temperature 135 ° C., the results of the temperature distribution of the laminate 1 was calculated by FEM (finite element method) analysis at the time of driving in the driving conditions of the repeated actuation number 108 times in FIG. 7 Show.

【0020】これによると、積層体1の温度分布は、前
記11個の領域a、b、c、d、e、fのうち、積層体
1の中央部1cに対応する領域fの内部(径中心部側)
の温度112°Cと外部(周表面側)の温度105°C
との温度差は7℃であるが、領域fの外部(周表面側)
の温度105°Cと領域aの外部(周表面側)の温度8
0°Cとの温度差は25℃にも達成する。そして駆動時
における各圧電ペレット10の変位量(μm、以下同
様)は、図7の温度分布に対応して図9の実線で示され
るように、温度にほぼ比例したものとなる。そのため積
層体1の中央部1cに対応する領域fの応力集中を解消
するためには、各圧電ペレット10を均等に変位させる
必要があるが、現状の総変位量(各圧電ペレット10の
変位量の和≒43μm)を確保するには、平均値(前記
43μm÷60枚 圧電ペレット10の積層枚数)とし
て各々0.7μm/枚変位が必要である(図9の破線参
照)。そこで本実施例では、0.7μm/枚変位させる
に適した値の圧電定数(d33 )を試算した(下記の式1
参照)。
According to this, the temperature distribution of the laminated body 1 is such that the diameter (diameter) of the area f corresponding to the central part 1c of the laminated body 1 among the eleven areas a, b, c, d, e, f (Center side)
Temperature of 112 ° C and external temperature (peripheral surface side) of 105 ° C
Is 7 ° C., but outside the region f (on the peripheral surface side).
Temperature of 105 ° C. and temperature (outer surface side) outside the area a 8
A temperature difference from 0 ° C. is achieved as high as 25 ° C. The displacement (μm, the same applies hereinafter) of each of the piezoelectric pellets 10 during driving is substantially proportional to the temperature as shown by the solid line in FIG. 9 corresponding to the temperature distribution in FIG. Therefore, in order to eliminate the stress concentration in the region f corresponding to the central portion 1c of the laminated body 1, it is necessary to uniformly displace each piezoelectric pellet 10, but the current total displacement (the displacement of each piezoelectric pellet 10) is required. In order to secure the sum of ≒ 43 μm), an average value (43 μm ÷ 60 pieces of the piezoelectric pellets 10 stacked) requires a displacement of 0.7 μm / sheet (see broken line in FIG. 9). Therefore, in the present embodiment, a piezoelectric constant (d 33 ) of a value suitable for displacing 0.7 μm / sheet was estimated (formula 1 below).
reference).

【0021】なお、計算方法としては、例えば仮に前記
積層型圧電アクチュエータを前記駆動条件で駆動させた
〔圧電定数の値が500(d33 )〕場合、前記領域aで
の圧電ペレット10の温度は、80℃(図7参照)であ
り、かつその変位量は、0.67μm/枚である(図9
の実線参照)。それを0.7μm/枚とするには、下記
(式1)のように
As a calculation method, for example, if the multilayer piezoelectric actuator is driven under the above-mentioned driving conditions [the value of the piezoelectric constant is 500 (d 33 )], the temperature of the piezoelectric pellet 10 in the region a is , 80 ° C. (see FIG. 7), and the displacement amount is 0.67 μm / sheet (see FIG. 9).
Solid line). To make it 0.7 μm / sheet, as in the following (Equation 1)

【0022】以下、前記場合と同じように図7に示す領
域b、c、d、e、f毎の各圧電ペレット10の各温度
に対し平均値0.7μm/枚変位(図9の破線参照)さ
せるに適した値の圧電定数(d33 )を、前記(式1)の
分母に図7の温度分布に対応する各圧電ペレット10の
変位量(図9の実線参照)を代入して試算すると、領域
bでは515(d33 )、領域cでは500(d33 )、領
域dでは485(d33 )、領域eでは480(d33 )、
領域fでは470(d33 )となる。
Hereinafter, similarly to the above case, an average value of 0.7 μm / sheet displacement for each temperature of each piezoelectric pellet 10 in each of the regions b, c, d, e, and f shown in FIG. 7 (see the broken line in FIG. 9). the) piezoelectric constant of suitable value to be (d 33), wherein (by substituting the amount of displacement of the piezoelectric pellet 10 corresponding to the temperature distribution of FIG. 7 in the denominator of equation 1) to (see the solid line in FIG. 9) estimates Then, 515 (d 33 ) in the area b, 500 (d 33 ) in the area c, 485 (d 33 ) in the area d, 480 (d 33 ) in the area e,
In the area f, it is 470 (d 33 ).

【0023】このため、本実施例の積層型圧電アクチュ
エ−タによると積層体1の各領域a、b、c、d、e、
fに対応する各圧電ペレット10は、前記のように構成
される。そして、60枚の各圧電ペレット10と61枚
の前記各内部電極板11とは、図5のように交互に積層
して60層に積み重ねる。また、各内部電極板11は、
図6のように舌状片110同志で接続されるとともに、
図1に示される積層体1の円周部の180度離れて対向
する二点の位置で前記舌状片110にそれぞれ接続させ
た陰極リ−ド線111および陽極リ−ド線112を形成
し積層体1が形成される。そして積層体1の両端部1
a、1bには、図略の絶縁板と鋼製シムが積層される。
また積層体1に対して前記図略の絶縁板と鋼製シムを除
いたその外周面12を被覆する保護層2が形成される。
For this reason, according to the multilayer piezoelectric actuator of the present embodiment, each region a, b, c, d, e,
Each of the piezoelectric pellets 10 corresponding to f is configured as described above. The 60 piezoelectric pellets 10 and the 61 internal electrode plates 11 are alternately stacked as shown in FIG. 5 and stacked in 60 layers. Also, each internal electrode plate 11
As shown in FIG. 6, the tongues 110 are connected together.
A cathode lead line 111 and an anode lead line 112 respectively connected to the tongue-shaped piece 110 are formed at two points on the circumference of the laminated body 1 shown in FIG. The laminate 1 is formed. And both ends 1 of the laminate 1
On a and 1b, an unillustrated insulating plate and a steel shim are laminated.
Further, a protective layer 2 is formed on the laminate 1 to cover the outer peripheral surface 12 excluding the insulating plate and the steel shim (not shown).

【0024】次いで、前記のように形成された実施例の
積層型圧電アクチュエ−タを、次の条件で耐久駆動試験
を実施した。、すなわち、本実施例の積層型圧電アクチ
ュエ−タでは、積層体1の各領域a、b、c、d、e、
f毎の各圧電ペレット10に対してそれぞれ前記配列方
向に沿って順次小さくなるよう圧電定数522、51
5、500、485、480、470(d33 )、印加電
圧600V(パルス)、応答速度0.2ms、周波数1
00Hz、圧力20MPa、雰囲気温度135℃、繰り
返し作動回数3×108 回の駆動条件で駆動させた。
Next, a durability driving test was performed on the laminated piezoelectric actuator of the embodiment formed as described above under the following conditions. That is, in the multilayer piezoelectric actuator of the present embodiment, each region a, b, c, d, e,
The piezoelectric constants 522 and 51 for each of the piezoelectric pellets 10 for each f are sequentially reduced in the arrangement direction.
5, 500, 485, 480, 470 (d 33 ), applied voltage 600 V (pulse), response speed 0.2 ms, frequency 1
The device was driven under the driving conditions of 00 Hz, a pressure of 20 MPa, an ambient temperature of 135 ° C., and a number of repetition operations of 3 × 10 8 .

【0025】これにより積層体1は、駆動に伴ってその
軸方向の温度分布が前記配列方向に沿って順次高くなる
温度の勾配が生じ、かつ領域fの温度が領域aの温度よ
り高くなっても、各領域a、b、c、d、e、f毎の各
圧電ペレット10に対する圧電定数(d33 )値の勾配が
逆に図8に示される実線のように前記配列方向に沿って
順次小さくなるため、前記温度分布による各圧電ペレッ
ト10の伸びがほぼ一定となるように補正される。この
ため、各圧電ペレット10の変位量は、図9の破線で示
されるようにほぼ平均化された0,7μmとなるととも
に、積層体1は、前記中央部1cの領域fの変位量が前
記両端部1a、1bの領域aの変位量と同じものとな
る。
As a result, the laminated body 1 has a temperature gradient in which the temperature distribution in the axial direction is gradually increased along the arrangement direction with driving, and the temperature of the region f becomes higher than the temperature of the region a. Also, the gradient of the piezoelectric constant (d 33 ) value with respect to each of the piezoelectric pellets 10 for each of the regions a, b, c, d, e, and f is inversely sequentially along the arrangement direction as shown by the solid line in FIG. Since the temperature is reduced, the elongation of each piezoelectric pellet 10 due to the temperature distribution is corrected so as to be substantially constant. Therefore, the amount of displacement of each piezoelectric pellet 10 becomes 0.7 μm, which is substantially averaged as shown by the broken line in FIG. 9, and the amount of displacement of the region f of the central portion 1 c is The displacement amount is the same as the displacement amount of the region a at both ends 1a and 1b.

【0026】従って、本実施例の積層型圧電アクチュエ
−タによれば、その駆動時に積層体1の領域aとfなら
びに各領域a、b、c、d、e、f毎の特性変化すなわ
ち、変位量のバラツキ(変位性能の低下)を少なく抑え
ることが可能となる。かつ領域fの圧電ペレット10に
対してのみ負荷が大きくなるということがなくなるた
め、積層体1の軸方向Pの中央部1cで圧電ペレット1
0にクラックの集中発生がみられなかった。なお、これ
は、前記駆動時における圧電ペレット10の耐熱性(T
c)および抗折強度(σb )は、図11および図12に
示されるように変位量が少ない程、高くなるためであ
り、本実施例の積層型圧電アクチュエ−タのように、駆
動時に最も温度が高くなる領域fの圧電ペレット10の
圧電定数(d3 3 )値が、前記領域fの圧電ペレット10
の温度より低い温度となる領域aの圧電ペレット10の
圧電定数(d33 )値より小さくなる勾配をもつことが有
効であると考えられる。
Therefore, according to the multilayer piezoelectric actuator of the present embodiment, when the piezoelectric actuator is driven, the characteristic changes of the regions a and f of the multilayer body 1 and the regions a, b, c, d, e, and f, that is, Variations in displacement amount (deterioration in displacement performance) can be reduced. In addition, the load does not increase only on the piezoelectric pellets 10 in the region f.
No concentration of cracks was observed at 0. It should be noted that this is because the heat resistance (T
This is because c) and the bending strength (σ b ) increase as the displacement amount decreases, as shown in FIGS. 11 and 12, and as in the laminated piezoelectric actuator of the present embodiment, during driving, piezoelectric pellets 10 of the most piezoelectric constant (d 3 3) value of the piezoelectric pellets 10 of the temperature rises region f is the area f
It is considered effective to have a gradient that is smaller than the piezoelectric constant (d 33 ) value of the piezoelectric pellet 10 in the region a where the temperature is lower than the temperature.

【0027】(比較例)本発明者は、実施例の積層型圧
電アクチュエ−タによる効果を確認するため、比較例と
して発明協会発行の89ー9696公開技報に開示され
た圧電アクチュエータを用いて耐久駆動試験を実施し
た。駆動条件としては、各圧電ペレットの圧電定数50
0(d33 )、印加される電圧値600V(パルス)、応
答速度0.2ms、周波数100Hz、圧力20MP
a、雰囲気温度135℃、繰り返し作動回数108 回で
駆動させたところ30%の圧電ペレットにクラックが発
生し、繰り返し作動回数3×108 回で駆動させたとこ
ろ全ての圧電ペレットにクラックが発生する(図12参
照)とともに、変位性能保持率が50%と低下し、かつ
変位特性が大きく劣化する(図13参照)ため、その耐
久性能は充分とは言えない。
(Comparative Example) In order to confirm the effect of the laminated piezoelectric actuator of the embodiment, the present inventor used a piezoelectric actuator disclosed in 89-9696 published technical report issued by the Japan Institute of Invention as a comparative example. A durability driving test was performed. The driving conditions were as follows.
0 (d 33), the voltage value 600V (pulse) to be applied, the response speed 0.2 ms, frequency 100 Hz, pressure 20MP
a, Cracks were generated in 30% of the piezoelectric pellets when driven at an ambient temperature of 135 ° C. and 10 8 repetitions, and cracks were generated in all the piezoelectric pellets when driven 3 × 10 8 times. (See FIG. 12), the displacement performance retention rate is reduced to 50%, and the displacement characteristics are greatly deteriorated (see FIG. 13). Therefore, the durability performance is not sufficient.

【0028】さらに、本発明者が前記繰り返し作動回数
108 回で駆動させた後の圧電アクチュエータにおける
圧電ペレットのクラックの発生箇所を調査したところ、
積層体の中央部の圧電ペレットに集中していることが判
明した(図15参照)。また繰り返し作動回数3×10
8 回で駆動させた後の中央部の圧電ペレットは、両端部
の圧電ペレットと比べてクラックの発生率が高いことが
判明した。これは、先に述べたとおり圧電アクチュエー
タの軸方向の中央部は、両端部に挟まれているため両端
部に比べて放熱効率が低く、かつその分、温度が高くな
って積層体の中央部に応力集中が発生すると考えられ
る。この理由としては、一般に圧電ペレットの変位性能
がキュリー温度以下では温度に比例して向上するため
(図14参照)、同じ圧電定数(d33 )にて駆動させた
場合で比較すると、駆動に伴う発熱による温度が高いほ
ど変位が大きく、かつ負荷が大きくなり早く特性が低下
することが知られている。
Further, the inventor of the present invention has investigated the location of the occurrence of cracks in the piezoelectric pellet in the piezoelectric actuator after being driven at the above-mentioned number of repetitive operations of 10 8 .
It turned out that it concentrated on the piezoelectric pellet of the center part of a laminated body (refer FIG. 15). 3 × 10
It was found that the piezoelectric pellet at the center after being driven eight times had a higher crack generation rate than the piezoelectric pellets at both ends. This is because, as described above, the central portion in the axial direction of the piezoelectric actuator is sandwiched between both ends, so that the heat radiation efficiency is lower than that of both ends, and the temperature increases by that much, so that the central portion of the laminated body becomes higher. It is considered that stress concentration occurs in The reason for this is that the displacement performance of the piezoelectric pellet generally increases in proportion to the temperature below the Curie temperature (see FIG. 14). Therefore, when the piezoelectric pellet is driven with the same piezoelectric constant (d 33 ), It is known that the higher the temperature due to heat generation, the larger the displacement, the larger the load, and the sooner the characteristics deteriorate.

【0029】また前記耐久駆動試験後の圧電アクチュエ
ータを分解し、取り出した圧電ペレットのクラックの発
生状態を調査したところ、両端部の圧電ペレットにはマ
イクロ状のクラックを発生させ(図16参照)、中央部
の圧電ペレットには蜘蛛の巣状のクラックを発生させ
(図17参照)ていたことが判明した。なお、前記従来
の圧電アクチュエータは、各圧電ペレットに作用する駆
動時の圧電定数(d33 )や、各圧電ペレットの特性を調
べたところ全て同じものであるため、前途したように圧
電アクチュエータの軸方向の中央部の変位が大きく、特
性の低下が早く、クラック発生確率も高くなっていると
推定できる。
When the piezoelectric actuator after the endurance driving test was disassembled and the state of occurrence of cracks in the removed piezoelectric pellets was investigated, micro-shaped cracks were generated in the piezoelectric pellets at both ends (see FIG. 16). It was found that a spider web-like crack was generated in the central piezoelectric pellet (see FIG. 17). The above-described conventional piezoelectric actuators were all the same when the piezoelectric constant (d 33 ) at the time of driving acting on each piezoelectric pellet and the characteristics of each piezoelectric pellet were examined. It can be estimated that the displacement at the central part in the direction is large, the characteristics deteriorate quickly, and the crack occurrence probability is high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本実施例の駆動方法に用いる積層型圧電アクチ
ュエ−タの一部を断面して全体を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a cross section of a part of a laminated piezoelectric actuator used in a driving method according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1における圧電ペレットを示す斜視図であ
る。
FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric pellet in FIG.

【図3】図2における圧電ペレットを示す側面図であ
る。
FIG. 3 is a side view showing the piezoelectric pellet in FIG.

【図4】図1における内部電極板を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an internal electrode plate in FIG. 1;

【図5】図2および図4に示す圧電ペレットおよび内部
電極板を積層する状態を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the piezoelectric pellets and the internal electrode plates shown in FIGS. 2 and 4 are stacked.

【図6】図1における積層体の一部を断面して示す拡大
断面図である。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the laminate in FIG.

【図7】積層型圧電アクチュエ−タの駆動時における積
層体を形成する各圧電ペレットの温度(C°)分布を示
す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a temperature (C °) distribution of each of the piezoelectric pellets forming the laminated body when the laminated piezoelectric actuator is driven.

【図8】縦軸に圧電ペレットの枚数、横軸に各圧電ペレ
ットが600Vで0.7μm変位するために必要な圧電
定数(d33 )を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the number of piezoelectric pellets on the vertical axis and the piezoelectric constant (d 33 ) required for each piezoelectric pellet to be displaced by 0.7 μm at 600 V on the horizontal axis.

【図9】縦軸に圧電ペレットの枚数、横軸に圧電ペレッ
トの変位量(μm)を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the number of piezoelectric pellets on the vertical axis and the displacement (μm) of the piezoelectric pellets on the horizontal axis.

【図10】縦軸に圧電ペレットの変位量尺度(d33 )、
横軸に耐熱尺度(Tc)数を示す説明図である。
FIG. 10 shows the displacement scale (d 33 ) of the piezoelectric pellet on the vertical axis.
It is explanatory drawing which shows a heat resistance scale (Tc) number on a horizontal axis.

【図11】縦軸に圧電ペレットの変位量尺度(d33 )、
横軸に抗折強度(σ b )を示す説明図である。
FIG. 11 shows the displacement scale (d) of the piezoelectric pellet on the vertical axis.33),
The transverse axis shows the bending strength (σ bFIG.

【図12】縦軸に圧電ペレットのクラックの発生率
(%)、横軸に積層型圧電アクチュエ−タの繰り返し作
動数を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the crack occurrence rate (%) of the piezoelectric pellets on the vertical axis and the number of repetitive operations of the laminated piezoelectric actuator on the horizontal axis.

【図13】縦軸に圧電ペレットの変位性能保持率
(%)、横軸に積層型圧電アクチュエ−タの繰り返し作
動数を示す説明図である。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the displacement performance retention rate (%) of the piezoelectric pellets on the vertical axis and the number of repetitive operations of the laminated piezoelectric actuator on the horizontal axis.

【図14】縦軸に圧電ペレット1枚の変位量(μm)、
横軸に圧電ペレットの温度(C°)を示す説明図であ
る。
FIG. 14 shows the displacement (μm) of one piezoelectric pellet on the vertical axis,
It is explanatory drawing which shows the temperature (C degrees) of a piezoelectric pellet on a horizontal axis.

【図15】積層型圧電アクチュエ−タの駆動時における
積層体を形成する各圧電ペレットのクラックの発生部位
を示す斜視図である。
FIG. 15 is a perspective view showing a crack generation portion of each of the piezoelectric pellets forming the laminate when the multilayer piezoelectric actuator is driven.

【図16】前記図15におけるマイクロ状クラックの発
生状態を示す斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view showing a state in which micro cracks have occurred in FIG. 15;

【図17】前記図15における蜘蛛の巣状クラックの発
生状態を示す斜視図である。
FIG. 17 is a perspective view showing a state of occurrence of a spider web-like crack in FIG. 15;

【図18】縦軸に圧電定数(d33 )、横軸に結晶粒径
(μm)を示す説明図である。
FIG. 18 is an explanatory diagram showing the piezoelectric constant (d 33 ) on the vertical axis and the crystal grain size (μm) on the horizontal axis.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…積層体 10…圧電ペレット 11…
内部電極板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laminated body 10 ... Piezoelectric pellet 11 ...
Internal electrode plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 41/083──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 41/083

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】表面と裏面とに金属製電極をもつ複数個の
圧電ペレットと、複数個の内部電極板とを交互に積層す
ることにより形成された積層体よりなり、前記積層体の
軸方向に電圧を印加することにより駆動される圧電アク
チュエ−タであって、前記複数個の圧電ペレットは、前
記積層体の軸方向の両端部から該軸方向の中央部に向か
う配列方向に沿って圧電定数(d33 )が順次小さくなる
ように構成されたことを特徴とする積層型圧電アクチュ
エ−タ
1. A laminate formed by alternately laminating a plurality of piezoelectric pellets having metal electrodes on a front surface and a back surface, and a plurality of internal electrode plates, wherein the laminate is formed in an axial direction of the laminate. A piezoelectric actuator driven by applying a voltage to the laminated body, wherein the plurality of piezoelectric pellets are arranged along a direction of arrangement from both axial end portions of the laminate to a central portion in the axial direction. multilayer piezoelectric actuator, characterized in that the constant (d 33) is configured to gradually decrease - data
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