JP4222220B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
このような圧電アクチュエータでは,外部環境から積層型圧電素子を隔離できるため,該積層型圧電素子の電気的絶縁性等を信頼性高く確保でき,長期間に渡ってその性能を維持し得るというメリットがある。
また,上記積層型圧電素子の駆動力が,上記ケース端部の動作面に対して大きく偏芯して作用すると,上記伸縮部の伸縮方向が軸方向から逸れて,上記動作面に傾きを生じるおそれがある。
また,上記動作面に傾きを生じると,上記圧電アクチュエータの駆動力を外部に向けて効率良く伝達できないおそれがある。
上記ブロック部材又は上記伝達部材の少なくともいずれか一方は,上記セラミック積層体の軸方向に直交する断面形状の外接円を包含し,該外接円よりも大径の円に内接する大径断面形状を有し,
上記ブロック部材及び上記伝達部材の外周面のうち,上記大径断面形状を呈する部分の外周面と,上記収納ケースの内周面との間隙であるサポートクリアランスは,上記収納ケースにおける上記伸縮部の内径と,該伸縮部の内周側に位置する上記積層型圧電素子の外周面との間隙よりも狭く設定してあることを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項1)。
そして,上記圧電アクチュエータでは,上記ブロック部材又は上記伝達部材における上記大径断面形状部分の存在によって,上記セラミック積層体の外周面と上記収納ケースの内周面との間に常に間隙を保持することができ,両者の接触を確実に回避することができる。
そのため、上記大径断面形状を有する上記ブロック部材又は上記伝達部材と、上記ケースとの軸芯を調整すれば、上記ケースと上記積層体との軸芯を調整することができ,上記収納ケース内で生じ得る上記積層型圧電素子の偏芯を抑制することができる。
したがって,上記積層型圧電素子では,上記セラミック積層体が発生する駆動力を上記駆動板に効率良く伝達することができる。
そのため,上記圧電アクチュエータは,上記積層型圧電素子の駆動力を効率良く出力できる優れた性能を有していると共に,上記積層型圧電素子自体や,上記収納ケースにトラブルを生じるおそれが少ない耐久性,信頼性に優れたものである。
特に,上記伝達部材の上記凸状先端部と上記駆動板の上記係合部との収容構造によれば,上記収納ケースの内周面に対する上記積層型圧電素子の外周面の摺動抵抗を抑制する,或いは,両者の接触を回避することができる。
この場合には,上記凸状先端部と上記係合部とを相互に当接させることにより,効率良く両者の軸芯を近づけて配置することができる。
この場合には,上記大径断面形状を有する上記伝達部材と上記ブロック部材とを,上記積層型圧電素子の両端部に配設したことにより,上記積層型圧電素子の偏芯をさらに確実に抑制することができる。
上記セラミック積層体を挟んで,軸方向に離れて配置される上記伝達部材と上記ブロック部材とによれば,上記セラミック積層体の外周面と,上記収納ケースの内周面との接触を確実に防止することができる。
そのため,上記伸縮部と上記積層型圧電素子との干渉を生じるおそれが少ない。
一方,上記サポートクリアランスが0.01mm未満であると,上記収納ケースの内周面と上記積層型圧電素子の外周面との摺動抵抗が大きくなり,上記収納ケース内における上記積層型圧電素子の動作が阻害されるおそれがある。
また,上記サポートクリアランスが0.5mmを超えると,上記積層型圧電素子の偏芯を十分に抑制できないおそれがある。
この場合には,上記伝達部材の外周面と上記収納ケースの内周面との間の摺動抵抗を抑制して,上記収納ケース内での上記積層型圧電素子の摺動抵抗を減少させることができる。
なお,上記フッ素系樹脂としては,テフロン(登録商標)等がある。
ここで,上記表面粗さを表す指標として用いた算術平均粗さRzは,JIS準拠による十点平均粗さとして規定される指標である。
一方,上記外周面の表面粗さが12.5Zを越えると,上記伝達部材の外周面と上記収納ケースの内周面との間の摺動抵抗が大きくなるおそれがある。
この場合には,上記積層型圧電素子と上記収納ケースとの間に上記スリーブ部材を介設することにより,上記積層型圧電素子と上記収納ケースとの間の摺動抵抗を抑制して,上記収納ケース内での上記積層型圧電素子の摺動抵抗を低減することができる。
この場合には,上記圧電アクチュエータに対して高い耐久性と動作信頼性が要求されるため,上記第1の発明による作用効果が特に有効となる。
本例の圧電アクチュエータ1及びその製造方法について,図1〜図8を用いて説明する。
本例の圧電アクチュエータ1は,図1に示すごとく,軸方向の少なくとも一部に伸縮部21を形成してなる略円筒状の胴部24と,該胴部24の一方の端部に配設した駆動板22とを有する収納ケース20に,セラミック積層体11の積層方向の一方の端面にブロック部材12を,他方の端面に上記駆動板22と当接する伝達部材13を接合してなる積層型圧電素子10を収容してなるアクチュエータである。
そして,ブロック部材12及び伝達部材13は,上記セラミック積層体11の軸方向に直交する断面形状の外接円を包含し,該外接円よりも大径の円に内接する大径断面形状を有している。
以下に,この内容について詳しく説明する。
該セラミック積層体11は,図2に示すごとく,80μm厚のセラミック層111と,2〜3μm厚の電極層112とを,450層交互に積層してなり,略8角柱状を呈する全長43mmのものである。
そして,本例のセラミック積層体11では,図3(a),(b)に示すごとく,積層方向に直交する8角形状を呈する断面形状の外接円118の径Ddを9.2mmとしてある。
各側面電極116は,セラミック積層体11の積層方向の一層おきの電極層112と電気的に接続してあり,かつ,一方の側面電極116と電気的に接続した電極層112は,他方の側面電極116と電気的に絶縁した状態にしてある。
そして,側面電極116の端部は,後述する基台30(図1参照)に貫通配置した一対の外部電極31と電気的に接続するように構成してある。
上記積層型圧電素子10では,図1に示すごとく,凹状溝123が,側面115の周方向位置に略一致して開口するように上記ブロック部材12を配置してある。
そして,後述する基台30に貫通配置した外部電極31と,側面電極の端部116との接続箇所は,ブロック部材12の凹状溝123の内部に配置されるように構成してある。
この伝達部材13は,略円筒形状を呈する接合部131及びロッド部132を組み合わせてなる2重円筒形状を呈する部材である。接合部131がセラミック積層体11の端面に接合し,該ロッド部132の先端面が収納ケース20の駆動板22に当接するように構成してある。
ここで,接合部131の外周面には,収納ケース20の内周面との摺動抵抗を低減するため,上記接合部131の外周面の面粗度を12.5Z以下とする表面加工を施してある。
なお,上記の面粗度を調整する表面加工に代えて,或いは該表面加工と組み合わせて,テフロン(R)等のフッ素系樹脂による表面処理を,接合部131の外周面及び収納ケース20の内周面に施すこともできる。
そして,駆動板22の裏面側には,上記伝達部材13の先端面と当接する作用端面221を形成してある。
そして,この伸縮部21は,上記積層形圧電素子10を構成する伝達部材13のロッド部132の外周側に配置してある。
そして,上記駆動板22は,胴部24の上記伸縮部21側の端部にレーザ溶接してある。
なお,上記基台,端子の材質としては,上記の材質に限定されるものではなく,ステンレス等,ハーメチックシール処理可能であって溶接性に優れた材料を適用することができる。
さらに,基台30の上記収納ケース20側の端部には,該収納ケース20の胴部24に挿入する挿入部32を形成してある。
そして,基台30の挿入部32側の端部と,積層型圧電素子10のブロック部材12の突出部125とを当接させることで,収納ケース20内における積層型圧電素子10の挿入位置を規制してある。
該圧電アクチュエータ1を製造する工程は,積層型圧電素子10を作製する素子形成工程と,収納ケース20の開口端部から積層型圧電素子10を挿入する収容工程と,積層型圧電素子10を挿入した状態で収納ケース20の開口端部に基台30を接合する接合工程とを含む工程である。
積層型圧電素子10を構成する上記セラミック積層体11を作製するに当たっては,予め,圧電素子材料であるグリーンシート用のスラリーからグリーンシート(図示略)を作製する。
このスラリーは,チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスになるセラミック原料にバインダーと微量の可塑剤及び消泡剤を添加した後,有機溶媒中に分散させたものである。
本例では,各シート片521の外周部に当たる1箇所を残してAg−Pdペーストを塗布することにより,電極部503と控え部504とからなる電極印刷パターン502を各シート片521の表面に形成してある。
さらに,この中間積層体を焼成して,図5に示すごとく,略4角柱状を呈する焼成体113を作製した。
なお,本例では,1200℃雰囲気中に2時間保持して積層体を焼成した後,炉冷を実施した。
そして,上記焼成体113は,対向する側面において1層おきの電極層112の電極部503を露出しており,かつ,一方の側面で電極部503を露出する電極層112は,他方の側面では控え部504を露出するように構成される。
この工程を実施するに当たって,図6に示すごとく,予め,積層型圧電素子10のブロック部材12側の端部に,基台30を組み付ける。
そして,収納ケース20の内部に積層型圧電素子10を収容すると共に,基台30の挿入部32を収納ケース20の端部の収容部241に挿入して,収納ケース20と積層型圧電素子10と基台30とを組み立てた。
本例の接合工程では,レーザ溶接により基台30と収納ケース20とを接合した。ここでは,図7に示すごとく,挿入部32を収容した収容部241の外周側にレーザビームを照射し,収容部241と挿入部32とを溶融接合することにより両者を強固に固定して,上記圧電アクチュエータ1を作製する。
また,胴部24の内周面と伝達部材13の接合部131の外周面とのサポートクリアランス(Dc−Dt)を0.2mmに設定してある。
したがって,本例の圧電アクチュエータ1によれば,駆動板22に対する伝達部材13の偏芯を抑制することにより,該伝達部材13の駆動力を駆動板22に効率良く伝達することができる。
そのため,本例の圧電アクチュエータ1にあっては,積層型圧電素子11の駆動力を効率良く出力することができる。
そのため,本例の圧電アクチュエータ1では,伸縮部21と伝達部材13とが干渉するおそれが少ない。それ故,積層型圧電素子10の動作によって,伸縮部21にトラブルを生じるおそれが少ない。
そのため,積層型圧電素子10を構成するセラミック積層体11の外周面と収納ケース20の内周面との間の接触を生じるおそれが少ない。それ故,セラミック積層体11の表面の損傷から電気的なリーク等のトラブルを生じたり,収納ケース20の内壁面の損傷によるトラブル等を生じるおそれが少ない。
さらに,セラミック積層体11の断面形状と,ブロック部材12或いは伝達部材13の断面形状を異なる形状の組み合わせにすることもできる。
さらになお、ブロック部材12及び伝達部材13の材質は、本例のアルミナに限定されるものではなく、高弾性率(変位伝達性)、電気的絶縁性等に優れた材料であれば、窒化珪素、窒化アルミ、ジルコニアなどのセラミックス等の材料を用いることもできる。
これに代えて,ブロック部材12又は伝達部材13のいずれか一方の部材に上記大径断面形状を呈する部分を形成することにより,積層型圧電素子10の偏芯を抑制するように構成することもできる。
この場合には,上記積層型圧電素子10の外周面をスリーブ110により,さらに確実に保護することができる。
なお,上記スリーブ110の材質は,PPS(ポリフェニレンサルファイド)に限定されるものではなく,絶縁性,耐熱性に優れた材料であれば,他に,NY66(66ナイロン),PET(ポリエチレンテレフタレート)等を用いることもできる。
本例は,実施例1を基にして,上記伝達部材と上記収納ケースとの当接構造を変更した例である。
本例の圧電アクチュエータ1は,図9に示すごとく,伝達部材13の接合部131の外径は,セラミック積層体11の外径に略一致させてある。
そして,収納ケース20の端部に接合した駆動板22における伝達部材13側の表面には,軸芯と同軸に略円錐状に凹み,上記凸状先端部133を収容するよう構成した係合部222を設けてある。
すなわち,偏芯する伝達部材13を駆動板22に当接させると,略球面状の凸状先端部133は,係合部222の斜面上を滑って係合部22の中央の最深部に落ち着くことになり,効率良く両者の軸芯調整をすることができる。
なお,その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
本例は,実施例1の上記圧電アクチュエータを基にして,上記ブロック部材側の偏芯を抑制する方法を変更した例である。本例の圧電アクチュエータについて,図10,図11を用いて説明する。
本例では,ブロック部材12の外径を,セラミック積層体11の外径と略一致させてある。
そして,ブロック部材12の外周面と収納ケース20の内周面との接触により積層型圧電素子10の偏芯を抑制する方法に代えて,ブロック部材12に配設した電極端子117と,基台30に貫通配置した外部電極31との挿入嵌合構造により積層型圧電素子10の偏芯を抑えてある。
なお,同図では,電極端子117の形状を分かり易くするため,ブロック部材12を省略して図示してある。
上記ジョイント部171は,略平板状の背板と,該背板の両側端部に連なり,背板と対面するように折り返された左右一対の折り返し板とからなる。そして,背板と折り返し板との間隙に挿入した側面電極115の端部をカシメ固定してある。
本例では,上記収容部173の円弧を約270度の角度に渡って形成してあり,一箇所において開口するよう構成してある。
そのため,上記収容部173に対する上記外部電極31の挿入構造によれば,積層型圧電素子10の偏芯を0.1mm以下に抑制することができる。
そのため,本例の積層型圧電素子10では,図11に示すごとく,ブロック部材12の外周面にジョイント部171を固定したとき,ブロック部材12の上記凹状溝123内に収容部173を配置した状態で,電極端子17を配設することができる。
そしてそのため,上記電極端子17によれば,ストレート形状に構成した上記外部電極31を挿入させることができ,軸芯方向に直交する断面内における外部電極31の位置ずれを抑制して,該外部電極31を利用した軸芯調整効果をさらに向上させることができる。
そして,電極端子117は,ブロック部材12に配設してある。一方,外部電極31は,基台30に貫通配置し,実施例1で記載したごとく,ハーメチックシールにより固定してある。
したがって,本例の圧電アクチュエータ1によれば,収納ケース20内における積層型圧電素子10の偏芯するおそれが少ない。
なお,その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
さらに,図12に示すごとく,本例の伝達部材13と駆動板22との当接構造に代えて,実施例2に記載した構造とすることもできる。
この場合にも,収納ケース20内における積層型圧電素子10の偏芯を効果的に抑制することができる。
10 積層型圧電素子
11 セラミック積層体
117 電極端子
12 ブロック部材
13 伝達部材
133 凸状先端部
20 収納ケース
21 伸縮部
24 胴部
30 基台
31 外部電極
Claims (9)
- 軸方向の少なくとも一部に伸縮部を形成してなる略円筒状の胴部と,該胴部の一方の端部に配設した駆動板とを有する収納ケースに,セラミック積層体の積層方向の一方の端面にブロック部材を,他方の端面に上記駆動板と当接する伝達部材を接合してなる積層型圧電素子を収容してなる圧電アクチュエータにおいて,
上記ブロック部材又は上記伝達部材の少なくともいずれか一方は,上記セラミック積層体の軸方向に直交する断面形状の外接円を包含し,該外接円よりも大径の円に内接する大径断面形状を有し,
上記ブロック部材及び上記伝達部材の外周面のうち,上記大径断面形状を呈する部分の外周面と,上記収納ケースの内周面との間隙であるサポートクリアランスは,上記収納ケースにおける上記伸縮部の内径と,該伸縮部の内周側に位置する上記積層型圧電素子の外周面との間隙よりも狭く設定してあることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1において,上記ブロック部材は,上記大径断面形状を有してなり,上記伝達部材は,上記駆動板に向かって突出した凸状先端部を有してなり,上記伝達部材側の表面に凹状の係合部を設けてなる上記駆動板は,上記伝達部材の上記凸状先端部を上記係合部に収容するように構成してあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項2において,上記凸状先端部は,略球状を呈しており,上記係合部は,略円錐状を呈する凹みであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1において,上記伝達部材及び上記ブロック部材の両者は,上記大径断面形状を有してなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜4のいずれか1項において,上記サポートクリアランスは,0.01mm以上0.5mm以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜5のいずれか1項において,上記伝達部材における上記大径断面形状を呈する部分の外周面には,フッ素系樹脂による表面処理を施してあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜6のいずれか1項において,上記伝達部材における大径断面形状を呈する部分の外周面の表面粗さは,算術平均粗さRzを12.5Z以下としてあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜7のいずれか1項において,上記積層型圧電素子と上記収納ケースとの間には,略円筒形状を呈するスリーブ部材を配置してあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜8のいずれか1項において,上記圧電アクチュエータは,内燃機関の燃料噴射用のインジェクタに内蔵するアクチュエータであることを特徴する圧電アクチュエータ。
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