JP5048925B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、主請求項の上位概念記載の構成による例えばバルブなどのような機械的構成部材の操作のための圧電アクチュエータに関する。

いわゆる圧電効果を利用して適当な結晶構造を有する部分的にセラミックの材料から成る圧電素子が構成されうることが一般的に公知である。外部電圧の印加によって圧電素子の機械的な反応が生じ、この機械的な反応は結晶構造及び電圧の印加領域に依存して所定の方向への圧縮又は引っ張りを示す。このような圧電アクチュエータは、例えば内燃機関のインジェクタにおけるガソリン又はディーゼル噴射の様々なシステムでのとりわけ高速かつ精確なスイッチング過程における使用に適している。

この圧電アクチュエータの構造はこの場合いわゆるマルチレイヤ圧電アクチュエータとして複数の層として行われ、電圧を供給する内部電極がそれぞれ層の間に設けられる。このために内部電極としてプリントされた電極面を有する交互に積層された圧電フォイルが製造される。この場合、１つのフォイルはその接続端子をそれぞれ接続端子側においてのみ有し、これの反対側には内部電極のない縁部が絶縁間隔をもって残されていなければならない。次いで、外部で両方の側面は外部電極によって接続される。こうしてそれ自体は公知のやり方で多数のプレートを有するコンデンサのように圧電アクチュエータが生じる。

このような公知のマルチレイヤ圧電アクチュエータは主に矩形状の内部電極を有し、これらの内部電極は、接続端子電位を表面に導く向かい合った側面において通常は大きく斜角面をつけられたコーナーを有する。この場合、部分的に両方の内部電極電位が表面において、ただしこれらの間にはセラミック層を有するのだが、隣り合って存在するようになる。これらの圧電アクチュエータはもちろん電界強度によって動作され、これらの電界強度はこれらの電位の間のセラミックにおける遮るもののない漏れ区間の絶縁を必要とする。良好な付着力及び良好な絶縁破壊値及び絶縁値を有する適当なニス又は絶縁物質が例えば吹きつけ又は浸漬によって通常のやり方で塗付されうる。

交互に外部へ導かれる内部電極を有する前述の圧電アクチュエータは、しばしばこれらの内部電極が比較的鋭い角度を有する領域において破損する傾向がある。圧電アクチュエータのエッジは通常機械的にソフトな圧電セラミックにおいて面取りされなければならないので、上述の４５°の角度で斜角面を付けられたコーナーが生じる。そこで内部電極が外部にさらされる場合、上記の理由から高い短絡の危険性が生じる。電界強度は等電位面の曲率半径の２乗に反比例するので、そこでは極めて高い電界強度が生じ、これは圧電アクチュエータがこの領域で短絡により破損する原因となる。

さらに、鋭角において物理的な効果のために十分な絶縁厚さが構成されないことに注意を払うべきであり、すなわち、場合によっては塗付される絶縁ニスが退いてしまう。よって、高められた電界強度のコーナー効果（Ekeneffekt）によって本来は最良の絶縁が要求される箇所において最小の絶縁厚さが生じてしまう。より大きな絶縁ニス厚さをエッジにおいて保持するためにニスを比較的厚く塗付することも可能であろうが、これはあまりにも厚いニスを有する面では部分的にニス亀裂を引き起こしうる。

ＤＥ１９９２８１９１Ａ１からは、それぞれコンタクトすべき内部電極を支持していない圧電層が所定の領域を内部の方へとシフトされている、マルチレイヤ圧電アクチュエータが公知である。

本発明の利点
例えば機械的構成部材の操作のために使用される冒頭に記述された圧電アクチュエータは、圧電層及びこれら圧電層の間に設けられた内部電極の多層構造によって構成されている。本発明によれば、有利には、交互する極性によって内部電極が各外部電極に導かれている圧電アクチュエータの側面の斜角面をつけられたコーナー又はエッジの領域において、内部電極は、低下した電界強度が異なる極性の内部電極の間で圧電層の構造において発生可能であるような輪郭を有する。

第１の有利な実施形態によれば、圧電アクチュエータのコーナーの斜角面は、エッジが外部電極とはコンタクトされていない側面に鈍角を有するように形成されている。交互する電極が外部にさらされるエッジ面取りの側面における鈍角又はフラットな角度の実現によって、簡単なやり方で圧電アクチュエータにおける電界ピークが圧電層を介して互いに向かい合った内部電極の外部にさらされる領域において回避される。これにより、短絡の危険は大幅に低減され、従って圧電アクチュエータの信頼性が高まる。

一方では、電極面が圧電アクチュエータの外部輪郭によって適合されることによって、鈍角が実現されうる。これは焼結の前に圧電アクチュエータのいわゆる未加工状態における成形を介して又は焼結の後の硬化処理によって行われる。更に別の方法は、印刷像を介して内部電極製造の際にすでに鈍角を実現することである。

第２の有利な実施形態によれば、圧電アクチュエータのコーナーの斜角面は、少なくとも外部電極とコンタクトされていない側面のエッジが丸まっているように形成されている。この場合、圧電アクチュエータのコーナーの斜角面は、この圧電アクチュエータの全てのコーナー及びこれらに対応してそれぞれコンタクトされていない内部電極の輪郭が丸まっているように形成されていることが有利には可能である。他方で、簡単なやり方で、圧電アクチュエータのコーナーの斜角面は、この圧電アクチュエータの全てのコーナーが斜めに切断され、それぞれコンタクトされていない内部電極の輪郭が丸まっているように形成されていることも可能である。

さらに、本発明の実施形態において、それぞれコンタクトされていない内部電極の輪郭は、別の極性の内部電極のコンタクトの側面において、圧電アクチュエータの外部輪郭から予め設定された大きさだけ後退しているように形成されていると有利である。この場合、それぞれコンタクトされていない内部電極の輪郭は圧電アクチュエータの外部輪郭に対応して後退していてもよい。

とりわけこの実施形態によって簡単なやり方で十分な絶縁材料がコンタクトされていない内部電極と圧電アクチュエータの表面との間に、従って結局は両方の電極電位の間に残存することが保証される。高い電界強度が早く絶縁破壊をもたらすことはなく、付加的な被覆及び絶縁セラミック層はこの場合表面の上の場合によっては薄すぎて破損するニス層の代替物である。

本発明によれば、エッジにおける損傷及び軽微なこすれ跡がもはや必ずしもフラッシュオーバの原因となることはなく、表面上のニス厚さは全体として低減され、これによって亀裂を生じる危険にさらされることはほとんどなくなり、いつまでも破砕することなしに比較的容易にアクチュエータ伸張を受け入れる。さらに、ニスは全体的に本発明により形成されるコーナー及びエッジに比較的鋭いエッジよりも良好に付着する。

図面
本発明の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は従来技術の圧電セラミック及び電極から成る層の多層構造を有する圧電アクチュエータの断面図を示し、
図２及び３はそれぞれ斜角面をつけられたコーナーを有する交互する極性の内部電極を有する圧電層を示し、
図４は重なり合う内部電極の領域における鈍角を有する電極デザインの本発明の実施例を示し、
図５及び５ａは丸められたエッジを有する電極デザインの第２の本発明の実施例を示し、
図６及び６ａは内側へとシフトされた丸められたエッジを有する電極デザインの更に別の本発明の実施例を示す。

実施例の記述
図１は従来技術による原理における圧電アクチュエータ１が示されており、この圧電アクチュエータ１はそれ自体は公知のやり方で適当な結晶構造を有するクォーツ材料の圧電層乃至は圧電フォイル２から構成されており、この結果、いわゆる圧電効果を利用して外部電圧を内部電極３及び４にコンタクト面乃至は外部電極５及び６を介して印加すると圧電アクチュエータ１の機械的な反応が生じる。

図２には斜角面を付けられた圧電層２が示されており、外部電極５とコンタクトされている内部電極３を有する。図３から識別可能であるもう一つの内部電極４のコンタクト領域において、図２の圧電アクチュエータ１の左側面には斜角面を付けられたコーナーの角度αがエッジ１０によって示されている。冒頭で既に言及したように、圧電アクチュエータ１のエッジは通常は４５°の角度で斜角面をつけられているので、そこではコーナー１０において高い短絡危険性が生じる。

図４による本発明の実施例は図３の図示とは異なり余角α＜４５°を有する鈍角を有し、この結果、ここでは圧電アクチュエータ１における電界ピークは圧電層２を介して向かい合った、外部にさらされる内部電極３及び４の領域において回避される。

図５及び５ａの実施例の電極デザインでは、内部電極３が圧電アクチュエータ１の外面に対して接線方向に向くように形成されている。内部電極３はこの場合半径Ｒ２を有する中心点Ｍ２を中心として屈曲されている。この場合、圧電アクチュエータ１の外部輪郭も同様に屈曲されて、図５ａによれば内部電極３は外部輪郭によって屈曲されうる。例としてこれは図５では中心点Ｍ１及び半径Ｒ１を有する曲率によって図示されている。

図６による代替案においては、内部電極３及び４の外部輪郭も直線的に整形され、ここでは図６においてコンタクトされていない内部電極３が図６ａでは対応して内部へとシフトされている。

従来技術の圧電セラミック及び電極から成る層の多層構造を有する圧電アクチュエータの断面図を示す。 斜角面をつけられたコーナーを有する交互する極性の内部電極を有する圧電層を示す。 斜角面をつけられたコーナーを有する交互する極性の内部電極を有する圧電層を示す。 重なり合う内部電極の領域における鈍角を有する電極デザインの本発明の実施例を示す。 丸められたエッジを有する電極デザインの第２の本発明の実施例を示す。 内側へとシフトされた丸められたエッジを有する電極デザインの更に別の本発明の実施例を示す。

符号の説明

１ 圧電アクチュエータ
２ 圧電層
３ 内部電極
４ 内部電極
５ 外部電極
６ 外部電極
１０ コーナー又はエッジ

Claims (1)

1. 圧電アクチュエータであって、
   複数の圧電層（２）及びこれらの圧電層（２）の間に設けられた異なる極性の２つの内部電極（３、４）を有する多層構造を有し、
   一側面に外部電極（５、６）との前記内部電極（３、４）の交互のコンタクトを有し、斜角面が設けられているコーナー又はエッジ（１０）を有する、圧電アクチュエータにおいて、
   前記圧電アクチュエータ（１）の側面のコーナー又はエッジ（１０）の領域において、電界強度が前記圧電層（２）の構造における前記内部電極（３、４）の間で低下するように、前記圧電アクチュエータ（１）のコーナー又はエッジ（１０）の斜角面は、前記圧電アクチュエータ（１）のコーナー又はエッジ（１０）が斜めに切断され、かつ、前記外部電極（５、６）とコンタクトされていない部分における前記内部電極（３、４）の輪郭が丸まっているように形成されており、かつ、前記コーナー又はエッジ（１０）が前記外部電極（５、６）とコンタクトされていない側面において、余角α＜４５°を有する鈍角を有するように形成されている、
   ことを特徴とする、圧電アクチュエータ。

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