JP4106378B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば機械的構成部材を操作するための圧電アクチュエータ、およびこの圧電アクチュエータと機械的に結合されたセンサに関する。

いわゆる圧電効果を使用した適切な結晶構造を備える材料から圧電素子を作製することは一般的に公知である。外部電圧をこの圧電セラミックおよび電歪セラミックに印加すると、圧電素子に機械的応答が生じ、この機械的応答は結晶構造および電圧の印加領域に依存して所定の方向での圧力または張力を引き起こす。

ストローク作用を非常に高速かつ正確に制御できるので、このような圧電アクチュエータは例えば自動車の燃料噴射システムでスイッチ弁を駆動するための個所に設けられる。ここではこの圧電アクチュエータの電圧制御または電荷制御される変位が制御弁の位置決めに使用され、この制御弁がさらにノズルニードルの行程を制御する。

圧電アクチュエータを操作するために所要の電界強度は数ｋＶ／ｍｍの領域にあり、通常は穏やかな電圧が制御のために所望されるから、この圧電アクチュエータは相互に積層された金属化圧電セラミックの多層構造となっており、多層アクチュエータと称される。ここではそれぞれの層間に内部電極が例えばプリント法により設けられており、また外部電極が設けられている。そしてこれら電極間に電圧が印加される。このような層を製造するための典型的方法は、シートインジョクション技術である。ここでは個々の層が内部電極の作製のために金属化され、相互に積層される。このとき内部電極を備える２つの層間での異なる極性は圧電効果として作用する。

本来の圧電素子は前に記述したように圧電アクチュエータとしてアクティブに、またはセンサとしてパッシブに使用することができる。センサの場合は、圧電素子が機械的作用により変形されたときに発生する電圧が取り出される。

このような構成は例えばＤＥ１９９６０９７１Ａ１に記載されている。取り出された電圧信号は、例えば圧力センサの場合は作用する力に比例し、距離センサの場合は作用する変形に比例する。圧電アクチュエータの長さ変化を制御して調整するためには、これを検出しなければならない。そのためこれまではセンサ素子としての別個の構成部材が必要であった。このために例えばストレーンゲージを圧電アクチュエータに貼り付けたり、誘導性距離検出器、または前の従来技術で説明したように別の圧電センサを使用したりすることができる。

発明の利点
冒頭に述べた圧電アクチュエータは、既に述べたように圧電層の多層構造を有しており、層間に配置された内部電極を備える圧電的にアクティブな領域が形成され、内部電極の接触接続は層ごとに交番し、これに電圧が印加される。センサ部分を形成するために、内部電極を備える別の圧電層が設けられており、この内部電極からは圧電アクチュエータの操作に比例する電気的センサ信号を別の外部電極を介して取り出すことができる。本発明によればアクチュエータ部分に対する圧電層と、少なくとも１つのセンサ部分に対する圧電層とが１つの構成部分に次のように有利に組み込まれている。すなわちセンサ部分に対する個々の圧電層が所定の間隔でアクチュエータ部分に対する圧電層の間に配置されるように組み込まれている。

これにより有利にはアクティブ圧電素子が圧電アクチュエータとして、パッシブ圧電素子がセンサとして１つの構成部分内で１つにまとめられる。２つの機能、すなわち距離および／または力の形成と、距離および／または力の測定を相互に依存しないで同時に使用することができる。ここで有利には、センサとして別の付加的構成部材を必要とせず、このことはとりわけコストと構造容積の点で有利である。

さらに組み込み解決手段は圧電アクチュエータの取り付けを簡素化する。なぜならセンサとアクチュエータとは１つの同じ構成部材であり、問題となる特別な取り付けや、場合によりそのために必要な構成部材、例えば研磨した適合部材を省略することができる。

このような本発明のアクチュエータ・センサ素子は例えばμｍ領域およびμｍ以下の領域での高い距離精度を必要とする場所で有利であり、さらに構造空間の理由から別の構成部材を収容できない場所で有利である。

特に有利には本発明により、直接的弁・ニードル制御による燃料噴射を自動車での燃料噴射システムでの適用のために制御することができる。ここでは弁・ニードル制御が実現される。

本発明の実施例の以下の説明では有利には、圧電アクチュエータが圧電センサと１つの構成部材に次のようにして組み合わされる。すなわち個々の圧電素子を相互に積層し、機能に従って別個に駆動制御（アクチュエータ）または読み出し（センサ）するのである。機械的に直列に配置された圧電層はこのために電気的に並列に接続される。

適用に応じて比較的多数のアクチュエータ部分のアクティブ圧電層を比較的少数のセンサ部分のパッシブ圧電層に対向させることができ、その反対も可能である。圧電効果の場合、伸長の絶対量が小さく、これと結び付いた電荷量は反対に大きいから、有利な実施例では多数のアクティブ素子を少数のパッシブ素子に対向させる。ここで積層は有利には、所定数、例えば２０のアクティブ圧電層の後に少なくとも１つのパッシブ層からなるそれぞれ１つのセンサ素子を組み込む、ないし接触接続することができる。センサ素子はさらに複数の個々に並置されたセグメントに分割することができる。これによりセンサ信号を多重に取り出すことができ、故障時の確実性が向上する。

積層構造を相互に貼り付けて個々の圧電層とするか、またはいわゆるグリーン状態で積層し、１つのセラミック本体に共に焼成した個別層とするか（co-firing焼成法）は、本発明の有利な機能に対して重要でない。

圧電アクチュエータの横断面が矩形であり、アクチュエータ部分とセンサ部分の電気的に正と負の外部電極が圧電アクチュエータの対向側に取り付けられており、これらが相互に９０゜ずらされて外側に引き出されていると有利である。しかしアクチュエータ部分とセンサ部分の両方の外部電極が共に、圧電アクチュエータの対向する２つの側に配置されていても有利である。

別の有利な実施例では、センサ部分の内部電極が圧電アクチュエータのコーナ領域に導かれ、そこでそれぞれ外部電極と接触接続される。センサ部分が複数ある場合、それぞれの内部電極を有利にはコーナ領域の異なるエッジで交互に外部電極と接触接続する。

構成部材が作用方向で機械的に相互に並列に接続された複数のセンサ素子を含んでいる場合、これらを相互に電気的に並列に接続することができる。この並列接続は、同じ極性のそれぞれの内部電極を外側で接触接続させることにより行う。これによりセンサの感度が改善される。

別の有利な実施形態によれば、外部電極と接触接続したセンサ部分が複数ある場合、センサ部分の同じ極性のそれぞれの内部電極を圧電アクチュエータの作用方向で順次、圧電アクチュエータの１つの側で接触接続する。

図面
本発明の、集積されたセンサを備える圧電アクチュエータの実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、圧電セラミックとその間にある内部電極からなる層の多層構造を有する圧電アクチュエータの断面図であり、アクチュエータ部分およびセンサ部分に対するものである。
図２は、図１に相応する断面図であり、ここでは圧電アクチュエータが複数のアクティブアクチュエータ部分とパッシブセンサ部分に分割されている。
図３は、図１の圧電アクチュエータの横断面図である。
図４は、並置された２つのセンサ・圧電層を有する圧電アクチュエータの横断面図である。
図５は、並置された３つのセンサ・圧電層を有する圧電アクチュエータの横断面図である。
図６と図７は、それぞれ圧電アクチュエータの同じ側で接触接続されたアクチュエータ部分とセンサ部分を備える圧電アクチュエータの横断面図および斜視図である。
図８と図９は、図６と図７の実施例による別の変形実施例の横断面図および斜視図である。
図１０と図１１は、センサ部分に対してコーナで接触接続された比較的小さい内部電極を備える圧電アクチュエータの横断面図および斜視図である。

実施例の説明
図１には、それ自体公知のように適切な結晶構造を有するセラミック材料の圧電層、例えばいわゆるグリーンシートからなる圧電アクチュエータ１が示されている。ここではいわゆるピエゾ効果を使用して、外部の直流電圧が内部電極２と３に、ここには詳細には示されていないが図３の外部電極４と５を介して印加されると圧電アクチュエータ１の機械的応答が作用方向６ないし７に生じる。内部電極２と３を備える圧電層はここでは圧電アクチュエータ１の全体構造にわたって作用方向６ないし７に分散されており、従来技術から公知のように例えば焼成により相互に焼結される。

図１の圧電アクチュエータの縦断面図は積層構造を示し、この積層構造ではそれぞれ内部電極２と３を備えるアクティブ圧電層が図平面に対して垂直に、圧電アクチュエータ１の外側で交互に上側と下側で接触接続されている。さらに内部電極８と９を備えるパッシブ圧電層がアクティブ圧電層の間に配置されている。ここでこれらのセンサ圧電層は９０゜だけずらされて左の外部電極１０に、ないしは右の外部電極１１に導かれており、そこで接触接続されている。ここでセンサ部分とアクチュエータ部分が９０゜ずらされた構成は必ずしも必須ではない。

同様に図２に示された構造に対しても、複数のアクチュエータ部分とセンサ部分が機械的に直列に、電気的に並列に接続されている。

この構造は図３の横断面図からも明かである。ここでは圧電アクチュエータ１をアクティベートするための外部電極４と５が圧電アクチュエータ１の図示の上側と対向する下側に取り付けられており、センサ部分に対する外部電極１０と１１が圧電アクチュエータ１の対向する右側と左側に取り付けられている。セグメント化されたセンサ部分を有する別の変形実施例、および内部電極を外側に向かって、内部電極２と３ないし８と９を圧電アクチュエータ１に特別に埋め込むことにより接触接続する択一的構成については以下の実施例に基づいて説明する。

センサ部分の構成に関しての変形実施例が図４に示されている。そこでは先行の実施例に対する変形として、相応のセンサ・圧電層１２と１３を備えるそれぞれ２つのセンサ層が１つの面に並置して収容されている。従ってセンサ信号を測定確実性の向上のため一重ではなく二重に相応の外部電極で取り出すことができる。圧電アクチュエータ１の設計をセンサ内部電極に対して相応に変更することによりこれをさらに分割することができ、従って図５に示すようにセンサ・圧電層１４，１５，１６を備える３重セグメントを簡単に作製することができる。

センサ内部電極をこのようにセグメント化することにより、ないしは長手方向にシーケンシャルに分割してセグメント化することにより、センサ信号を２つ以上取り出すことができる。従って基本的に、これらのセンサ信号を別個に利用することも、または並列接続してセンサ信号を二重化ないし多重化することもできる。

図６と７並びに図８と９による２つのさらなる実施例に基づいて、アクチュエータ部分とセンサ部分がそれぞれ圧電アクチュエータ１の同じ側で接触接続された別の変形実施例を説明する。ここで図７と図９はそれぞれ図６と図８による実施例の斜視図である。構成素子の機能は実質的に図１から３の機能に相応するから、同じ参照符号が選択されている。ここではセンサ部分を図４と図５に示すように複数の並置された部分にセグメント化することもできる。

図１０と所属の図１１には、アクチュエータ部分とセンサ部分とを別の仕方で有利組み合わせることのできる実施例が示されている。ここでは内部電極設計が次のように変更されている。すなわち各圧電層に１つのアクチュエータ圧電層と１つまたは複数のセンサ圧電層が存在するように変更されている。センサ内部電極のそれぞれ比較的に小さなコンデンサ面１７，１８ないし１９，２０は、図１０と１１では、多数のセンサ圧電層に対向している。これにより十分なセンサ出力信号が得られる。この変形実施例でとりわけ有利には、少数の個々の層が例えば外側接触接続の部分的剥離によって故障しても、このことは大きな影響を与えない。とりわけセンサ部分が二重に構成されている場合、この変形実施例ではさらに確実性が向上する。

図１は、圧電セラミックとその間にある内部電極からなる層の多層構造を有する圧電アクチュエータの断面図であり、アクチュエータ部分およびセンサ部分に対するものである。 図２は、図１に相応する断面図であり、ここでは圧電アクチュエータが複数のアクティブアクチュエータ部分とパッシブセンサ部分に分割されている。 図３は、図１の圧電アクチュエータの横断面図である。 図４は、並置された２つのセンサ・圧電層を有する圧電アクチュエータの横断面図である。 図５は、並置された３つのセンサ・圧電層を有する圧電アクチュエータの横断面図である。 図６は、それぞれ圧電アクチュエータの同じ側で接触接続されたアクチュエータ部分とセンサ部分を備える圧電アクチュエータの横断面図である。 図７は、それぞれ圧電アクチュエータの同じ側で接触接続されたアクチュエータ部分とセンサ部分を備える圧電アクチュエータの斜視図である。 図８は、図６と図７の実施例による別の変形実施例の横断面図である。 図９は、図６と図７の実施例による別の変形実施例の斜視図である。 図１０は、センサ部分に対してコーナで接触接続された比較的小さい内部電極を備える圧電アクチュエータの横断面図である。 図１１は、センサ部分に対してコーナで接触接続された比較的小さい内部電極を備える圧電アクチュエータの斜視図である。

Claims (5)

1. 多層構造のアクチュエータ圧電層と、センサ内部電極（８，９）を備える別のセンサ圧電層を有する圧電アクチュエータであって、
   前記多層構造のアクチュエータ圧電層は前記圧電アクチュエータの機械的応答方向（６，７）に対して垂直であり、当該アクチュエータ圧電層の間に配置されたアクチュエータ内部電極（２，３）には前記圧電アクチュエータの駆動のためにアクチュエータ用外部電極（４，５）を介して電圧が印加され、
   前記センサ内部電極（８，９）からは、前記圧電アクチュエータ（１）の変形に比例する電気的センサ信号が別のセンサ用外部電極（１０，１１；２１，２２，２３，２４）を介して取り出される形式の圧電アクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータ圧電層と、前記センサ圧電層とは１つの構成部分に圧電アクチュエータ（１）として集積されており、
   個々のセンサ圧電層は所定の間隔でまたは所定の配置構成で、前記アクチュエータ圧電層の間に配置されており、
   複数の前記センサ圧電層がそれぞれ個別に前記センサ用外部電極と接触接続されており、前記センサ圧電層（１２，１３；１４，１５，１６）は前記機械的応答方向（６，７）に対して横方向の面に並置されており、
   前記複数のセンサ圧電層では、それぞれ同じ極性の前記センサ内部電極（８，９）は圧電アクチュエータ（１）の前記機械的応答方向に平行に、前記圧電アクチュエータ（１）の１つの側に並置され、前記センサ用外部電極と接触接続されている、
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記機械適応答方向（６，７）に対して横方向の、前記圧電アクチュエータ（１）の横断面は矩形であり、
   前記アクチュエータ圧電層の電気的に正と負の前記アクチュエータ用外部電極（４，５）と、前記センサ圧電層の電気的に正と負の前記センサ用外部電極（１０，１１；２１，２２，２３，２４）はそれぞれ前記圧電アクチュエータ（１）の対向する側に取り付けられている圧電アクチュエータ。
3. 請求項１または２記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータ用外部電極（４，５）と前記センサ用外部電極（１０，１１）とは前記圧電アクチュエータ（１）の対向する２つの側に並置されている圧電アクチュエータ。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータにおいて、
   それぞれの前記センサ内部電極（１７，１８，１９，２０）は前記センサ用外部電極と、コーナ領域の異なるエッジにおいて交互に接触接続されている圧電アクチュエータ。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記機械的応答方向（６，７）に積層された複数の前記センサ圧電層が電気的に並列に接続されており、および／または、
   前記機械的応答方向（６，７）に積層された複数の前記アクチュエータ圧電層が電気的に並列に接続されている圧電アクチュエータ。

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