JP5496341B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、XYテーブルの精密位置決め装置等に用いられる圧電アクチュエータに関するものである。
圧電アクチュエータとして、例えば、圧電体層および内部電極層が複数積層された柱状の積層体と、この積層体の側面に積層方向にそれぞれ被着されて内部電極層が一層おきに交互に電気的に接続された一対の外部電極とを含む圧電素子を、金属製の容器の内部に封入したものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2002−58261号公報
上記の圧電アクチュエータは、圧電素子が常に圧縮応力下に置かれるように、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、基体、ケース等の部材をレーザー溶接や抵抗溶接で溶接してなる金属製の容器に封入されたものである。
したがって、容器の接合部(溶接部)には常に引張り応力がかかった状態となっており、例えば図6に示すように接合部(溶接部)を断面で見たときに、接合部(溶接部)の1箇所(屈曲部41)に応力が集中するような構造であると、引張り応力の繰り返しで接合部(溶接部)が外れるおそれがあるという問題があった。
本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、引張り応力による接合部の外れを抑制することのできる圧電アクチュエータを得ることである。
本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子と、上面に前記圧電素子の下端部が当接される基体と、前記圧電素子の上端部に当接される内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記ケースは前記基体に接合される鍔部を有しており、前記ケースと前記基体との接合部より収納空間側における前記ケースの前記鍔部の下面から前記基体の上面にかけて形成された内面に、少なくとも2個の屈曲部があり、前記鍔部の下面と前記基体の上面との間に、前記基体および前記ケースよりもやわらかい材料のリング状の金属が配置され、前記リング状の金属の上面が前記鍔部に溶接され、前記リング状の金属の下面が前記基体に溶接されていることを特徴とするものである。
また、本発明の圧電アクチュエータは、上記構成において、前記環状部は、上面側の幅が下面側の幅より小さいことを特徴とするものである。
また、本発明の圧電アクチュエータは、上記構成において、前記環状部の前記収納空間側の側面と前記鍔部の下面とのなす角が鋭角であることを特徴とするものである。
本発明の圧電アクチュエータによれば、応力集中箇所が2箇所以上となり、引張り応力による接合部の外れを抑制することができる。したがって、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。また、接合部を環状にした環状部を有することで、ケースの鍔部の下面と基体の上面とで挟まれる全ての領域おいて断面で視たときに応力集中箇所が2箇所以上となり、更に環状に形成されているため、引張り応力による接合部の外れを防止することができる。また、環状部は、リング状の金属からなり基体およびケースとは材質が異なることにより、環状部が中間層として機能し、応力緩和ができる。その結果、引張り応力による接合部の外れを抑制することができ、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動させることができる。
本発明の圧電アクチュエータについて実施の形態の1例を示す断面図である。 図1に示す圧電素子の概略斜視図である。 図1に示す圧電アクチュエータの要部拡大図である。 図3に示す環状部の説明図である。 図3および図4に示す屈曲部近傍の拡大図である。 従来の圧電アクチュエータの要部拡大図である。
以下、本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の例について図面を参照して説明する。
図1は本発明の圧電アクチュエータの実施の形態の1例を示す断面図であり、図2は図1に示す圧電素子の概略斜視図である。
図1に示す圧電アクチュエータ1は、圧電素子2と、上面に圧電素子2の下端部が当接される基体7と、圧電素子2の上端部に当接される内面を有し、圧電素子2を内部に収容するケース3とを備え、ケース3は基体7に接合される鍔部33を有しており、ケース3と基体7との接合部4より収納空間側におけるケース3の鍔部33の下面から基体7の上面にかけて形成された内面に、少なくとも2個の屈曲部41があることを特徴するものである。
圧電素子2は、図2に示すように、例えば圧電体層25と内部電極層27とが交互に複数積層された活性部26と、活性部26の積層方向の両端に積層された圧電体層25から成る不活性部29とを有する積層体20を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部26は駆動時に圧電体層25が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部29は駆動時に圧電体層25が積層方向に伸長または収縮しない部位である。
圧電素子2を構成する積層体20は、例えば縦4〜7mm、横4〜7mm、高さ20〜50mm程度の直方体状に形成されている。なお、図2に示す積層体20は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
積層体20を構成する複数の圧電体層25は、圧電特性を有する圧電磁器(圧電セラミックス)からなり、当該圧電磁器は平均粒径が例えば1.6〜2.8μmに形成されたものである。圧電磁器としては、例えばPbZrO−PbTiO(PZT:チタン酸ジルコン酸鉛)等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などを用いることができる。
また、内部電極層27は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などで形成されたものであり、正極と負極(もしくはグランド極)とがそれぞれ積層体20の対向する一対の側面に互い違いに導出されている。この構成により、活性部26において、積層方向に隣り合う内部電極層27同士の間に挟まれた圧電体層25に駆動電圧を印加するものである。
なお、積層体20には、応力を緩和するための層であって内部電極層27として機能しない金属層等が含まれていてもよい。
そして、内部電極層27の正極と負極(もしくはグランド極)とが互い違いに導出された積層体20の対向する一対の側面には、それぞれ外部電極21が被着され、導出された内部電極層27と接合されている。外部電極21は、例えば銀およびガラスの焼結体からなるメタライズ層であり、内部電極層27との電気的に導通されている。なお、図1に示すように、外部電極21にはリード線13が半田15によって取り付けられていて、リード線13を介して駆動電圧を印加するようになっている。
一方、積層体20の対向する他の一対の側面には、内部電極層27の正極および負極(もしくはグランド極)の両極が露出しており、この側面には酸化物からなる被覆層23が形成されている。被覆層23の形成により、駆動時に高電圧をかけた際に発生する両極間での沿面放電を防止することができる。この被覆層23を形成する酸化物としては、セラミック材料が挙げられ、特に、圧電アクチュエータを駆動した際の積層体2の駆動変形(伸縮)に追随でき、被覆層23が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ln1−XSiAlO3+0.5X(Lnは、Sn,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,TmおよびYbのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。x=0.01〜0.3)などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料が挙げられる。この被覆層23は、例えばインク状にした後、ディッピングやスクリーン印刷によって積層体20の側面に塗布され、焼結することによって形成される。
そして、図1に示す圧電アクチュエータは、上面に圧電素子2の下端部が当接される基体7と、圧電素子2の上端部に当接される内面を有し、圧電素子を内部に収容するケース3とを備えている。
具体的には、基体(下側蓋部材)7は、SUS304やSUS316Lなどの金属材料で円板状に形成されたもので、図では周縁部が薄肉になっている。また、基体7にはリードピン17を挿通可能な貫通孔が2つ形成されており、リード線13と電気的に接続されたリードピン17を貫通孔に挿通させて外部電極21と外部とを電気的に導通させている。そして、貫通孔の隙間には軟質ガラス9を充填していて、このリードピン17を固定するとともに、外気の侵入を防いでいる。
一方、ケース3は、基体7と同様にSUS304やSUS316Lなどの金属材料で形成されたもので、筒体30と、筒体30の一端側開口を塞ぐように設けられた蓋部材(上側蓋部材)31とを有している。
具体的には、ケース3を構成する筒体30は、所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどによりベロー(蛇腹)形状に形成されたものである。この筒体30は、圧電素子2に電圧を印加した際に圧電素子2(積層体20)の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数によってそのバネ定数を調整している。そして、筒体30の一端側開口は円筒状に形成されたものであるが、筒体30の他端側開口は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状に形成されている。このように、筒体30の他端側開口がラッパ状になっていることで、ケース3(筒体30)が鍔部33を有する構造になっている。
また、ケース3を構成する蓋部材31は、外径が筒体30の内径と同じ程度に形成されたキャップ状の部材で、筒体30の一端側開口に嵌め込まれて、一端側開口の近傍の内壁にその外周を溶接されている。
なお、筒体30と蓋部材31とは、互いに別体に形成されて溶接されたものであってもよく、一体に形成されたものであってもよい。
そして、図3および図4に示すように、ケース3(筒体30)は基体7に接合される鍔部33を有しており、ケース3と基体7との接合部より収納空間側におけるケース3の鍔部33の下面から基体7の上面にかけて形成された内面に、少なくとも2個の屈曲部41がある。
このとき、圧電素子2に圧縮荷重をかけた状態でケース3の鍔部33と基体7との溶接がなされ、圧電素子2はケース3および基体7によって形成される収納空間に不活性ガスとともに封入されて圧電アクチュエータ1となっている。
図6に示すようにケース3の鍔部33と基体7とを溶接した構造では、応力が1個の屈曲部41(1点)に集中する形状となっていたため、使用時の引張り応力により接合部が外れてしまうおそれがあったが、図3に示す本発明の実施形態であるケース3と基体7との接合部より収納空間側におけるケース3の鍔部33の下面から基体7の上面にかけて形成された内面に少なくとも2個の屈曲部41がある構造によれば、応力集中箇所が2箇所以上となり、引張り応力による接合部の外れを抑制することができる。したがって、圧電アクチュエータ1を長期間安定して駆動させることができる。なお、後述する環状部43の材質にもよるが、2個の屈曲部41は0.05mm以上離れているのが引張り応力による接合部の外れを抑制する点において効果的である。
ここで、上記の構造とするために、圧電アクチュエータ1は、鍔部33の下面と基体7の上面との間に配置され、その上面および下面の少なくとも一方が鍔部33の下面または基体7の上面との接合部である環状部43を有する。接合部を環状にした環状部43を有することで、ケース3の鍔部33の下面と基体7の上面とで挟まれる全ての領域おいて断面で視たときに応力集中箇所が2箇所以上となり、更に環状に形成されているため、引張り応力による接合部の外れを防止することができる。なお、環状部43の側壁に段差がない場合は、図3および図4に示すように屈曲部が2箇所となるが、環状部43の側壁に複数の段差を設けることで、屈曲部41を2箇所以上とすることができる。
環状部43は、基体7を切削加工することによって基体7と一体に形成することができる。この構成において、図4に示すように、環状部43は断面で視たときに上面側の幅aが下面側の幅bよりも小さいことが好ましい。例えば、環状部43の上面側の幅aは0.2〜0.48mm程度、環状部43の下面側の幅bは0.5〜0.7mm程度、環状部43の厚みは0.05〜0.2mm程度に形成される。環状部43における上面側の幅aを下面側の幅bよりも小さくすることにより、接合部のバネ効果を向上させ、圧電アクチュエータ1の変位に対する変形を筒体30だけでなくこの部位でも起こすことができるため、筒体30の塑性変形を防止できる。特に、図4に示すように、台形形状となっているのが好ましい。この結果、筒体30の塑性変形に伴う圧電アクチュエータ1の荷重抜けを防止し、圧電アクチュエータ1を長期間使用しても変位量が低下することなく駆動することができる。
また、上記構成において、図5に示すように、環状部43の収納空間側の側面と鍔部33の下面とのなす角αが鋭角であることが好ましい。環状部43の収納空間側の側面と鍔部33の下面とのなす角αを鋭角とすることにより、圧電アクチュエータ1の変位に対する変形を筒体30だけでなくこの部位でも起こすことができるため、筒体30の塑性変形を防止できる。この結果、筒体30の塑性変形に伴う圧電アクチュエータ1の荷重抜けを防止し、圧電アクチュエータ1を長期間使用しても変位量が低下することなく駆動することができる。
一方、環状部43として、基体7およびケース3(筒体30)とは異なる材質のものを採用する。基体7およびケース3(筒体30)とは異なる材質とすることにより、環状部
43が中間層として機能し、応力緩和ができる。その結果、引張り応力による接合部の外れを抑制することができ、圧電アクチュエータ1を長期間安定して駆動させることができる。なお、この場合の環状部43の材質としては、基体7および筒体30よりもやわらかい材料であるのが好ましく、例えば銅、リン青銅、コバール(Fe−Ni−Co合金)などが挙げられる。また、この場合も上述のような形状となっているのが好ましい。
次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ1の製造方法について説明する。
まず、圧電体層25となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系,ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、PbZrO−PbTiOからなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオチル(DOP)などを用いることができる。
次に、内部電極層27となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1200℃で焼成することによって積層体20が得られる。
次に、積層体20の側面のうち両内部電極層27(正極および負極)が導出された一対の側面に、酸化物のインクをスクリーン印刷によって印刷した後、900〜1200℃で焼成し、被覆層23を形成する。
酸化物のインクは、酸化物の粉体を溶剤、分散剤、可塑剤、及びバインダーの溶液に分散させた後、3本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製される。
次に、メタライズ層から成る外部電極21を形成する。まず、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、内部電極層27の正極または負極が導出された積層体20の対向する一対の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層から成る外部電極21を形成して圧電素子2が完成する。
次に、外部電極21とリード線13を半田付けする。また、切削加工にて環状部43を形成するとともにおよび穴加工にて貫通孔を形成してなる図1に示すような形状の基体(下側蓋部材)7を用意し、この基体(下側蓋部材)7に形成された2つの貫通孔にそれぞれリードピン17を挿通するとともに隙間に軟質ガラス9を充填して固定し、さらに基体7の上面に圧電素子2の下端部を接着剤で接着する。そして、圧電素子2の外部電極21に半田15にて半田付けしたリード線13と基体7に取り付けられたリードピン17とを半田で接続する。
次に、例えばSUS316L製のシームレスの円筒状の筒体30に圧延加工によりベロー形状を形成し、この筒体30の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋部材(上側蓋部材)31をレーザー溶接によって溶接して、ケース3を作製する。なお、筒体30の他端側(下端側)には鍔部33が形成される。
次に、ケース3を基体7に接着した圧電素子2に被せ、所定の荷重でケース3を引張り、圧電素子2に荷重を加える。この状態で、ケース3の鍔部33と基体7に設けられた環状部43の上面とを抵抗溶接によって溶接し、圧電素子の封止を行なう。なお、環状部43として、基体とは異なる材料のものを用い、環状部43となるリングを用意し、このリングの上面を鍔部33に溶接し、リングの下面を基体7に溶接す
次に、ケース3の所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内(収納空間)の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内(収納空間)の窒素パージを行なう。その後、不活性ガス注入用の穴をレーザー溶接で溶接することにより、穴を塞ぐ。
最後に、基体7に取り付けられたリードピン11に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体20を分極することによって、本実施の形態の圧電アクチュエータ1が完成する。そして、リードピン17と外部電源とを接続して、圧電体層25に電圧を印加することにより、各圧電体層25を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。これにより、例えばエンジンに燃料を噴射供給する自動車用燃料噴射弁として機能させることが可能となる。
本実施の形態の積層型圧電素子は、例えば、自動車エンジンの燃料噴射装置、インクジェット等の液体噴射装置、光学装置の精密位置決め装置等として用いられる。
本発明の実施例の一例としての圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO−PbTiO)を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み150μmの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5質量%)にバインダーを加えて作製した内部電極となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを300枚積層し、積層成形体を作製した。
次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した後、1000℃で200分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦5mm、横5mmであり、高さが35mmであった。
次に、部分安定化ジルコニア、圧電材料、圧電体層と同じ材料、及びチタン酸ジルコン酸鉛を材料とするインクを作製し、それぞれ、被覆層の厚みが20μmとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の側面に印刷し、その後、1000℃で焼成し、積層体の側面に被覆層を形成した。
次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理して外部電極を形成した後、半田付けにて外部電極にリード線を接続した。
また、SUS304で円板状の基体を作製した。具体的には、切削にて環状部を設け、2箇所に貫通孔を形成した図1に示す形状の基体を作製した。そして、基体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。なお、環状部の仕様として、環状部の上側の幅a、下側の幅b、および環状部の収納空間側の側面と鍔部の下面とのなす角αは、後述の表1に示すとおりである。また、環状部の厚みは0.1mmであった。
次に、基体の上面に積層体を接着剤で固定し、外部電極に半田付けしたリード線と基体に取り付けられたリードピンとを半田付けで接続した。
次に、SUS304でキャップ状の上側蓋部材を作製した。また、SUS316L製のシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状を形成した筒体に上側蓋部材を嵌めてレーザー溶接で溶接してなるケースを、基体(下側蓋部材)に接着した圧電素子に被せ、所定の荷重でケースを引張り、圧電素子に荷重を印加した後、ケースと基体の環状部との当接部を抵抗溶接で溶接し、圧電素子の封止を行なった。
次に、ケースの所定の位置にドリルで不活性ガス注入用の穴を開け、真空チャンバーにて真空引きしてケース内(収納空間)の酸素を抜いた後、真空チャンバーへ窒素ガスを注入し、ケース内(収納空間)の窒素パージを行なった後、窒素パージ用の穴をレーザー溶接で溶接して穴を塞ぎ、窒素パージを完了させた。
一方、本発明の実施例のもう一つの例として、環状部に他材料を用いた試料を作製した。具体的には、コバールからなるリングを作製し、ケースの鍔部と基体とでリングを挟み、各部材の当接部を抵抗溶接し、封止を行なった。
さらに、比較例として、環状部が無い試料を作製し、抵抗溶接にてケースの鍔部と基体との溶接を行なった。
最後に、これらの試料の2本のリードピンに3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、圧電アクチュエータを作製した。
得られた圧電アクチュエータの積層体に170Vの直流電圧を印加したところ、すべての圧電アクチュエータにおいて、積層方向に変位量が得られた。
さらに、これらの圧電アクチュエータについて、150℃の環境下で250Vの直流電圧を印加し続ける高温連続駆動試験を行なった。その結果を表1に示す。
Figure 0005496341
表1から、本発明の実施例の圧電アクチュエータ(試料番号1、2)は、500Hrの連続電圧印加試験後において、変位量の変化がほとんどなく、圧電素子として必要な有効変位量を維持しており、また、接合部の外れもなく、長期使用しても安定した変位量が得られることが分かった。
これに対し、比較例の圧電アクチュエータ(試料番号3)は、39時間後に停止していた。この試料を確認したところ、接合部の外れが見られた。また、接合部の外れに伴う荷重の片当りにより、圧電素子に割れが見られた。
1・・・圧電アクチュエータ
2・・・圧電素子
3・・・ケース
5・・・絶縁材
7・・・基体
9・・・軟質ガラス
13・・・リード線
15・・・半田
17・・・リードピン
20・・・積層体
21・・・外部電極
23・・・被覆層
25・・・圧電体層
26・・・活性部
27・・・内部電極層
29・・・不活性部
30・・・筒体
31・・・蓋部材
33・・・鍔部
41・・・屈曲部
43・・・環状部

Claims (3)

  1. 圧電素子と、上面に前記圧電素子の下端部が当接される基体と、前記圧電素子の上端部に当接される内面を有し、前記圧電素子を内部に収容するケースとを備え、前記ケースは前記基体に接合される鍔部を有しており、前記ケースと前記基体との接合部より収納空間側における前記ケースの前記鍔部の下面から前記基体の上面にかけて形成された内面に、少なくとも2個の屈曲部があり、
    前記鍔部の下面と前記基体の上面との間に、前記基体および前記ケースよりもやわらかい材料のリング状の金属が配置され、
    前記リング状の金属の上面が前記鍔部に溶接され、前記リング状の金属の下面が前記基体に溶接されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記リング状の金属は、上面側の幅が下面側の幅より小さいことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。
  3. 前記リング状の金属の前記収納空間側の側面と前記鍔部の下面とのなす角が鋭角であることを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013065710A1 (ja) * 2011-10-31 2013-05-10 京セラ株式会社 圧電アクチュエータ
WO2014034867A1 (ja) * 2012-08-31 2014-03-06 京セラ株式会社 圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラ
DE102012215774A1 (de) * 2012-09-06 2014-03-06 Robert Bosch Gmbh Piezoelektrischer Aktor
JP5937692B2 (ja) * 2012-09-29 2016-06-22 京セラ株式会社 圧電アクチュエータおよびこれを備えたマスフローコントローラ
CN104538545B (zh) * 2015-01-22 2017-02-22 北京大学 一种基于铁弹畴变的大致动应变压电致动器

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661544A (ja) * 1992-05-28 1994-03-04 Nec Corp 圧電アクチュエータ
JPH0664544A (ja) * 1992-08-20 1994-03-08 Tokimec Inc データデポ設置作業車
JPH07249802A (ja) * 1994-03-08 1995-09-26 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式超精密微動装置
JPH08275563A (ja) * 1995-03-30 1996-10-18 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式微動装置及びその製造方法
JPH09270542A (ja) * 1996-03-29 1997-10-14 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式超精密微動装置
JPH1122845A (ja) * 1997-07-01 1999-01-26 Hitachi Metals Ltd 圧電アクチュエータ及びマスフローコントローラ
JP2001230461A (ja) * 2000-02-15 2001-08-24 Taiheiyo Cement Corp 圧電アクチュエータ
JP2002532658A (ja) * 1998-12-11 2002-10-02 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング 圧電式のアクチュエータ
JP2005124272A (ja) * 2003-10-15 2005-05-12 Nec Tokin Corp 圧電アクチュエータおよびその製造方法
JP2006316779A (ja) * 2005-04-15 2006-11-24 Denso Corp 燃料噴射装置
JP2010507222A (ja) * 2006-10-20 2010-03-04 京セラ株式会社 圧電アクチュエータユニット及びその製造方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5113108A (en) * 1988-11-04 1992-05-12 Nec Corporation Hermetically sealed electrostrictive actuator
JP2508321B2 (ja) 1989-12-04 1996-06-19 日本電気株式会社 圧電アクチュエ―タおよびその製造方法
JP2692396B2 (ja) * 1991-02-22 1997-12-17 日本電気株式会社 圧電アクチュエータおよびその製造方法
JPH05315666A (ja) * 1992-05-08 1993-11-26 Nec Corp 電歪効果素子
US6465936B1 (en) * 1998-02-19 2002-10-15 Qortek, Inc. Flextensional transducer assembly and method for its manufacture
DE19912334C2 (de) 1999-03-19 2002-07-11 Bosch Gmbh Robert Vorsteuereinrichtung
JP4562878B2 (ja) 2000-08-04 2010-10-13 Necトーキン株式会社 圧電アクチュエータ
DE102005014163B4 (de) * 2005-03-29 2015-09-17 Continental Automotive Gmbh Piezoelektrische Aktoreinheit mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit sowie Kraftstoffinjektor
EP1854996B1 (de) 2006-05-08 2008-11-05 Continental Automotive GmbH Piezo-Aktor, Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und Einspritzsystem mit einem solchen
US7429815B2 (en) * 2006-06-23 2008-09-30 Caterpillar Inc. Fuel injector having encased piezo electric actuator
DE102006043027A1 (de) * 2006-09-13 2008-03-27 Epcos Ag Verspannelement und Piezoaktor mit dem Verspannelement
EP2079113B1 (en) * 2008-01-09 2013-03-13 Delphi Technologies Holding S.à.r.l. Gas pressurised encapsulation for an actuator
US8678299B2 (en) * 2008-10-29 2014-03-25 Korea Institute Of Machinery & Materials Hollow actuator-driven droplet dispensing apparatus
DE102009026532A1 (de) * 2009-05-28 2010-12-02 Robert Bosch Gmbh Einspritzventil für ein Fluid
DE102012215774A1 (de) * 2012-09-06 2014-03-06 Robert Bosch Gmbh Piezoelektrischer Aktor

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0661544A (ja) * 1992-05-28 1994-03-04 Nec Corp 圧電アクチュエータ
JPH0664544A (ja) * 1992-08-20 1994-03-08 Tokimec Inc データデポ設置作業車
JPH07249802A (ja) * 1994-03-08 1995-09-26 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式超精密微動装置
JPH08275563A (ja) * 1995-03-30 1996-10-18 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式微動装置及びその製造方法
JPH09270542A (ja) * 1996-03-29 1997-10-14 Chichibu Onoda Cement Corp 密封式超精密微動装置
JPH1122845A (ja) * 1997-07-01 1999-01-26 Hitachi Metals Ltd 圧電アクチュエータ及びマスフローコントローラ
JP2002532658A (ja) * 1998-12-11 2002-10-02 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング 圧電式のアクチュエータ
JP2001230461A (ja) * 2000-02-15 2001-08-24 Taiheiyo Cement Corp 圧電アクチュエータ
JP2005124272A (ja) * 2003-10-15 2005-05-12 Nec Tokin Corp 圧電アクチュエータおよびその製造方法
JP2006316779A (ja) * 2005-04-15 2006-11-24 Denso Corp 燃料噴射装置
JP2010507222A (ja) * 2006-10-20 2010-03-04 京セラ株式会社 圧電アクチュエータユニット及びその製造方法

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