JP5717736B2 - 電気的接点接続部を備える圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、多層構造とした圧電アクチュエータに関するものであり、圧電層及び電極層が交互に互いに重ねて配置されることでスタック（積層体）を構成する。電極層に電圧を印加すると、スタックが印加した電圧に基づく電界方向に膨張する。

このような圧電アクチュエータにより、例えば車両における噴射バルブとして機能する制御バルブのバルブピストンが作動する。

圧電アクチュエータは、例えば特許文献１（独国特許第１９９４５９３３号）、又は特許文献２（国際公開第２００５／０３５９７１号）に開示されている。

独国特許第１９９４５９３３号明細書 国際公開第２００５／０３５９７１号明細書

本発明の課題は、高い信頼性を備え、かつ多くの使用領域及び取り付けに適した圧電アクチュエータを得ることにある。

この課題は、独立請求項により解決することができる。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。

本発明は、多層構造とした圧電アクチュエータに関するものであり、圧電層及び電極層が交互に互いに重ねて配置されることでスタックを構成する。

このスタックは、例えば４つの側面及び２つの端面を有する。圧電アクチュエータの端面はクランプすることができ、これにより機械的張力をスタックの長手方向軸線に沿って生じさせる。

スタックは、例えば圧電セラミック材料から成る多数の薄片で構成し、これら圧電セラミック材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛などの材料がある。１つの圧電層は、１つ又は複数の薄片で構成することができる。圧電セラミック材料で構成するそれぞれの圧電層の間には、電極層を配置する。電圧に依存する圧電アクチュエータにおける所望の挙動によっては、必ずしも各圧電層に電極層を配置する必要はない。

電極層を構成するのに使用可能な材料としては、銀パラジウム合金又は銅がある。これらの材料は、スクリーン印刷法を利用してペーストとして圧電層に塗布することができ、最終的にスタックを焼結することができる。

電極層は、圧電層全体に塗布する、又は圧電層における横断面の一部だけに塗布することができる。電極層に対する電気的接触に関する実施形態は、電極層が圧電層の表面全体に配置されるか否かで決まる。

電極層の多くは、接点ピンに導電的に接続する。接点ピンには端子を配置し、接点ピン及び端子を導電的に接続する。

とくに、端子は接点ピンに接触する接点を設ける。この接点は端子を接点ピンに導電的に接続するために設ける。端子は遊端を有し、この遊端は電気的接続を確立するために設ける。端子の接点及び遊端を結ぶ直線は、接点ピンの長手方向軸線に対して０°〜１８０°の角度をなすようにする。

一実施形態において、端子と接点ピンとの間における接続を確立するための接点は、圧電層及び電極層で構成するスタックに沿って配置し、特に、スタックの上端部と下端部との間に配置する。

電極層を全体的に塗布する一実施形態においては、これら電極層はスタックの側面全体にわたり延在する。電極層と接点ピンとの間の電気的接続は、例えば細い導線で行うことができ、これら導線は、配置する電極層のうち隔層毎の電極層をスタックの側面において接点ピンに接続する。

接点ピンには端子を取り付けることができ、この端子は接点で接点ピンに導電的に接続する。端子は接点ピンに堅固に接続し、端子のこの接続にあたっては、例えば接点ピンに半田付けするか、又は接点ピンを堅固に包囲する金属環により固定する。

ただし、これ以外の固定法であって、接点ピンと端子との間における導電的な接触を可能にし、かつ電気的接続に十分な安定性を付与する固定法も、同様に実施可能である。

端子は、例えば可撓性導線とすることができる。また好適には剛直なピン状素子とすることもできる。これら双方の実施形態を組み合わせた構成とすることもできる。

端子は接点ピンに取り付け、この場合の取り付け角は接点ピンの長手方向軸線に対して０°〜１８０°とする。このように角度を異ならせることができるため、電気的接続部の方位を任意に設定し、従ってスタックの側方において端子を利用した端子接続が可能となる。

端子の遊端は、スタックの中心から見て外方に指向させることができる。この遊端は、電極層間に電圧を印加するのに使用することができ、したがって、スタックの電気的接続部をなす。

好適には、電極層は交互にスタック内から互いに対向する側面まで延び、これら電極層はスタックの側面に配置する外部電極を介して電気的に接触させる。

電極層が交互に側面まで延びるスタックにおいて、これら電極層は圧電層全体を被覆するよう配置されない。隣接する電極層がスタック内において積層方向にオーバーラップしない領域は、不活性領域と称され、隣接する電極層がスタック内において積層方向にオーバーラップする領域は、活性領域と称される。

スタックをこのような構造とすることにより、例えばスタック内から同一側面まで延びる全ての電極層を、共通の外部電極を介して電気的に接触させることが可能となる。

外部電極は、例えばスクリーン印刷法によってスタックの外面に塗布する焼成可能ペーストを使用して形成し、最終的にスタックと共に焼結する。

好適な一実施形態において、接点ピンは、スタックの長手方向軸線に対して平行に配置する。

端子は接点ピンに固定するため、スタックに対して規定した接点ピンの方位が、同時にスタックに対する端子の方位をも規定する。特にこの実施形態においては、接点ピンと端子との間における角度は一定とする。このことは、端子における遊端の位置、すなわち圧電アクチュエータにおける電気的接続部の位置を設定する上で有利である。なぜなら、接点ピンに対する端子の角度だけを考慮すればよく、端子とスタックの長手方向軸線との間における角度を考慮する必要がないからである。

圧電アクチュエータの製造において、接点ピンは端子を取り付けた状態で予め形成することもでき、このようにして製造した構成部材は単一の作業工程で、例えば中間素子を介してスタックに接続することができる。この場合、接点ピンに対する端子の方位がすでに規定されているため、スタックに対して接点ピンを平行に配置した場合も、スタックに対する端子の方位が同様に規定される。

さらに、スタックに対して接点ピンを平行に配置することは、省スペース化につながる。

別の好適な一実施形態においては、外部電極と接点ピンとの間にこれらを互いに接続する導電的な中間素子を配置する。

この中間素子は、１個又は複数個の個別素子で構成することができ、例えばスタックの挙動に適合する弾性的な素子とすることができる。これにより、外部電極と接点ピンとの間における電気的な接続損失を回避し、圧電アクチュエータの安定的な作動能力が保証される。特に、接点ピンと中間素子との間、及び中間素子と外部電極との間における接続の切断を回避することができる。

接点ピンと電極層との間における接続が切断された場合、圧電アクチュエータが停止する恐れがある。圧電アクチュエータを、例えば車両における噴射バルブとして機能する制御バルブのバルブピストンを作動させるために使用する場合、即座に圧電アクチュエータを交換し、噴射バルブ及びこれに連動するモータの継続的な動作を保証する必要がある。

さらに、導電的な中間素子は平行に配置した導線を有し、これら導線は外部電極を接点ピンに接続する。互いに平行に配置した導線の方位は、例えばスタックの長手方向軸線に対して直交するよう規定することができる。外部電極を接点ピンに導電的に接続するため、例えば多数の細い導線で構成したハープ（竪琴）状導線を使用する。導線は、外部電極及び接点ピンに半田付けすることができる。

例えば、スタックには互いに重ねて配置した電極層に交互に接触する２個の外部電極を設けることができる。ハープ状導線を形成するにあたっては、細い導線をスタックに巻回する。導線を外部電極に半田付けした後、２個の外部電極間における導線接続を切断し、接続状態を完全に断絶することができる。これにより、外部電極が互いに絶縁される。

好適には、端子と接点ピンとの間における接点、及び端子の遊端を結ぶ直線は、接点ピンの長手方向軸線と共に９０°の角度を規定する。

端子は、接点ピンに対し直交させて配置することができる。この接点ピンをスタックの長手方向軸線に対して平行に配置した場合、端子は接点ピンに対してだけでなく、スタックの長手方向軸線に対しても直交して配置されることになる。この配置による方位は、圧電アクチュエータを電圧源に接続する上で有利である。なぜなら、これにより、圧電アクチュエータの側方においても電気的な端子接続が可能となるからである。

好適な一実施形態において、圧電アクチュエータはハウジングを備える。

このハウジングは、例えばシリコーン等の弾性材料から成る封止（ポッティング）材で構成するか、又はこのような封止材を一部含有するもので構成することができる。好適には、ハウジングは少なくともスタックの側面を包囲するが、圧電アクチュエータの作動を阻害しない他の形状としてもよい。ハウジングは、湿気等の環境条件に対する保護機能を有する。

別の好適な一実施形態において、接点ピンはハウジングに完全に包囲される。

この実施形態において、接点ピンはスタックを直接に電圧源に接続することがないため、接点ピンを完全にハウジング内に配置すると好適である。圧電アクチュエータの用途によっては側面に接続部を設けることが有利であり、このことは、例えばスタックの端面に位置する機械的な接触面が、電気的接続部から隔たっている場合があるからである。

好適には、端子はハウジング側面から突出するよう配置する。

これにより、ハウジング側面において電気的な端子接続が可能となる。

さらに、端子の遊端に接続接点素子を接続し、この接続接点素子を介して圧電アクチュエータを作動させる構成とすることもできる。

接続接点素子は、電極層間に電圧を印加させる機能を有する。スタックの挙動は、印加電圧の大きさにより調整することができる。接続接点素子は、端子に取り付ける付加素子として構成することができ、このような付加素子はそれぞれの端子に取り付けることができる。さらに、２個の付加素子を１個の構成部材に一体的に取り付け、共に１個の接続接点素子を構成することもできる。

接続接点素子は、電気的な端子接続部の一部であってもよく、この端子接続部は圧電アクチュエータの取り付け箇所に配置する。端子は、例えば差込み接続により端子接続部に接続することができる。端子接続部を介して、スタックに電圧を印加すると共に、当該スタックを制御する。

有利な一実施形態において、圧電アクチュエータは２個の接点ピンを備え、電極層は交互に１個の接点ピンに導電的に接続される。各接点ピンは端子を有し、これら端子の遊端を介して互いに隣接する電極層間に電圧を印加することができる。

例えば、電極層は、交互に互いに対面するスタックの側面において接点ピンに接続され、この接点ピンに端子を取り付ける。

電極層を圧電層全体に塗布した場合、導線を利用して隔層毎の電極層を接点ピンに接続することができる。接点ピンには端子を取り付けるため、電極層と端子との間に導電的な接続が確立される。

代替案として、外部電極及び中間素子を介して、電極層と端子との間に導電的な接続を確立する。この代替案は、電極層を圧電層の横断面全体に配置しない場合に特に有利である。

この場合、端子には、接続接点素子を介して電圧を印加することができる。接続部の所望の形態に応じて、スタックの長手方向軸線に対する端子の方位を異ならせることができる。

端子が２個ある場合、端子接続は、端子を互いに任意の方位に設定して行うことができる。従って、圧電アクチュエータは、端子の遊端における所望の方位に合わせて、任意に構成することができる。

端子の遊端は、例えば圧電アクチュエータにおける同一側面に配置することができる。

端子における遊端のこのような配置により、例えばスペースを節約することが可能となる。この場合、電気的な端子接続は、一側面のみを介して行えばよい。このことは、原則的にはスペース上の理由により有利であり、しかも状況によってはこのような構成とした圧電アクチュエータの使用は、異なる側面に端子を配置した場合よりも簡単である。

端子の遊端は、スタックの長手方向軸線に対して上下に縦列させて配置することができる。

この場合、端子の遊端は、圧電アクチュエータにおけるスタックの同一側面に異なる高さで配置するか、又は異なる側面に配置することができる。

別の一実施形態において、端子の遊端はスタックの長手方向軸線に対して並置させる。

端子の遊端は、圧電アクチュエータの同一側面に同一の高さで配置するか、又は同一の高さで異なる側面に配置することができる。

別の有利な一実施形態において、端子の遊端は、圧電アクチュエータの異なる側面に配置する。

端子における遊端のこのような配置は、互いに異なる側面で端子接続を行えるという利点を有する。

以下、本発明の圧電アクチュエータ及びその好適な実施形態を、概略的かつ縮尺どおりに描いてはいない図面につき説明する。

中間素子を介して電極層に接続した接点ピンを備え、この接点ピンに端子を接続した圧電アクチュエータを示す説明図である。 スタックの長手方向軸線に直交して配置した２個の端子を備える圧電アクチュエータの横断面図である。 スタックの互いに対向する側面に配置した２個の端子を備える圧電アクチュエータの横断面図である。 図２ａに示す圧電アクチュエータを側方から見た斜視図である。 図２ｂに示す圧電アクチュエータを側方から見た斜視図である。 圧電アクチュエータの長手方向軸線に対して順次縦列させて配置した端子を備える圧電アクチュエータの斜視図である。

図１は、圧電アクチュエータ１０を概略的に示す。電極層１２は、図示の実施形態において、交互にスタック１６内から延びていることが見てとれる。スタック１６の互いに対向する側面には、外部電極２０を配置するが、図１では１個の外部電極２０のみが見えている。

外部電極２０には導電的な中間素子２２を配置し、この中間素子２２は細い導線２３で形成する。互いに平行に配置した導線２３は、外部電極２０を剛直な接点ピン２４に接続する。この剛直な接点ピン２４には、金属ピンで構成した端子３０を堅固に半田付けする。接点ピン２４は、スタック１６の長手方向軸線１８に対して平行に配置する。端子３０と接点ピン２４との間で電気的接触を確立する箇所は、接点３２である。端子３０の遊端３４は、スタック１６側とは逆方向に指向する。

端子３０の接点３２及び遊端３４を結ぶ直線は、接点ピン２４の長手方向軸線に対して角度μをなし、この角度μは図示の実施形態において９０°である。

図２ａは、圧電アクチュエータ１０の長手方向軸線１８に対して直交する横断面を示し、図示の圧電アクチュエータ１０は、スタック１６の長手方向軸線１８に対して直交する方向に配置した２個の端子３０を備える。

図２ａの中心に示すスタック１６の互いに対向する各側面１９には、それぞれ１個の外部電極２０を設ける。これら外部電極２０は、湾曲させた中間素子２２を介してそれぞれ接点ピン２４に導電的に接続する。

接点ピン２４には、端子３０を導電的に半田付けする。この構体周りに封止（ポッティング）材４２を射出成形し、この封止材４２はスリーブ４４と共に圧電アクチュエータ１０のハウジング４０を構成する。封止材４２には、弾性材料、例えばシリコーンを含有させることができる。

図２ａの右側に示すように、２個の端子３０のみがハウジング４０から突出する。端子３０の遊端３４に設ける接続接点素子３６を介して、圧電アクチュエータ１０内の電極層１２に電圧を印加する。図示の実施形態において、端子３０はハウジング４０における同一側面４６から突出する。

図２ｂは、図２ａと同様の構成を示すものであるが、端子３０がハウジング４０の互いに対向する側面４６から突出している点で異なる。

図３ａは、図２ａに横断面で示した圧電アクチュエータ１０を斜視図で示す。図示の実施形態に明らかなように、端子３０は、圧電アクチュエータ１０の長手方向軸線１８に対して角度μ＝９０°をなすよう配置されている。

同様に図３ａに示すように、端子３０は、圧電アクチュエータ１０の長手方向軸線１８に直交して互いに並置する。

図３ｂは、図２ｂに横断面で示した圧電アクチュエータ１０を斜視図で示す。図示の実施形態に明らかなように、端子３０は、圧電アクチュエータ１０の長手方向軸線１８に対して角度μ＝９０°をなすよう配置されている。

同様に図３ｂに示すように、端子３０は、圧電アクチュエータ１０におけるハウジング４０の互いに対向する側面４６から同一の高さにわたり突出している。

図３ｃは、圧電アクチュエータ１０を斜視図で示す。図３ａ同様、端子３０はハウジング４０の同一側面４６から突出しているが、図示の実施形態においては、長手方向軸線１８に沿いかつ長手方向軸線１８に直交して上下に縦列させて配置する。

本発明は、上述した好適な実施形態に限定されるものではなく、多数の異なる形態が発明の趣旨内で実施可能であり、これらも上述の実施形態同様、特許請求の範囲に含まれることに留意されたい。

１０ 圧電アクチュエータ
１２ 電極層
１４ 圧電層
１６ スタック
１８ 長手方向軸線
１９ スタックの側面
２０ 外部電極
２２ 中間素子
２３ 導線
２４ 接点ピン
３０ 端子
３２ 接点
３４ 端子の遊端
３６ 接続接点素子
４０ ハウジング
４２ 封止材
４４ スリーブ
４６ ハウジング側面
μ 端子の遊端及び接点を結ぶ直線と接点ピンとがなす角度

Claims (16)

1. 多層構造とした圧電アクチュエータであって、
   圧電層（１４）及び電極層（１２）を互いに交互に重ねて配置することによりスタック（１６）を構成し、複数の前記電極層（１２）を接点ピン（２４）に導電的に接続し、前記接点ピン（２４）には端子（３０）を配置し、該端子（３０）は、前記接点ピン（２４）と導電的な接続を確立するための接点（３２）と、前記圧電アクチュエータ（１０）における電気的接続を確立するための遊端（３４）とを有し、さらに、前記端子（３０）の前記接点（３２）及び前記遊端（３４）を結ぶ直線が、前記接点ピン（２４）の長手方向軸線（１８）に対して０°〜１８０°の角度（μ）をなすようにし、
   前記接点ピン（２４）は剛直であり、
   前記端子（３０）は、前記接点ピン（２４）に半田付けされ、
   前記圧電アクチュエータはハウジングを備え、前記端子（３０）を前記ハウジングの側面から突出させた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、前記電極層（１２）が交互に前記スタック（１６）の互いに対向する側面（１９）に延び、複数個の前記電極層（１２）を、前記スタック（１６）の側面に設けた外部電極（２０）を介して互いに接触させた圧電アクチュエータ。
3. 請求項１又は２記載の圧電アクチュエータにおいて、前記接点ピン（２４）を前記スタック（１６）の前記長手方向軸線（１８）に対して平行に配置した圧電アクチュエータ。
4. 請求項２又は３記載の圧電アクチュエータにおいて、前記外部電極（２０）と前記接点ピン（２４）との間に導電的な中間素子（２２）を配置し、これらを導電的に接続した圧電アクチュエータ。
5. 請求項４記載の圧電アクチュエータにおいて、前記導電的な中間素子（２２）は平行に配置した導線とし、該導線により前記外部電極（２０）を前記接点ピン（２４）に導電的に接続した圧電アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）と前記接点ピン（２４）との間における前記接点（３２）及び前記端子（３０）の前記遊端（２４）を結ぶ前記直線が、前記接点ピン（２４）の前記長手方向軸線（１８）に対して９０°の前記角度（μ）をなすようにした圧電アクチュエータ。
7. 請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記接点ピン（２４）をハウジングで完全に被覆した圧電アクチュエータ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）の前記遊端（３４）に接続接点素子（３６）を接続し、該接続接点素子（３６）を介して前記圧電アクチュエータを作動させることができるようにした圧電アクチュエータ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータ（１０）は前記接点ピン（２４）を２個備え、前記電極層（１２）を交互にそれぞれに対応する前記接点ピン（２４）各個に導電的に接続し、さらに、前記接点ピン（２４）は前記端子（３０）を有し、その前記遊端（３４）を介して前記スタック（１６）内で互いに隣接する前記電極層（１２）に電圧を印加できるようにした圧電アクチュエータ。
10. 請求項９記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）における前記遊端（３４）を、前記圧電アクチュエータ（１０）の同一側面に配置した圧電アクチュエータ。
11. 請求項１０記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）の前記遊端（３４）を、前記スタック（１６）の前記長手方向軸線（１８）に対して上下に縦列させて配置した圧電アクチュエータ。
12. 請求項１０記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）の前記遊端（３４）を、前記スタック（１６）の前記長手方向軸線（１８）に対して並置させた圧電アクチュエータ。
13. 請求項９記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）における遊端（３４）を、前記圧電アクチュエータ（１０）の異なる側面（１９）に配置した圧電アクチュエータ。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）を前記接点ピン（２４）に対して導電的に半田付けした圧電アクチュエータ。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、金属ピンで構成した前記端子（３０）を前記剛直な接点ピン（２４）に固定的に半田付けした圧電アクチュエータ。
16. 請求項９記載の圧電アクチュエータにおいて、前記端子（３０）の接続は、複数の前記端子（３０）を互いに任意の方位に設定して行うことができる圧電アクチュエータ。
    

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