JP5756526B2 - アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及びその製造方法に関する。

アクチュエータは駆動装置とも呼ばれ、例えば燃料噴射システムに使用される。そのようなアクチュエータは長さの変化が可能な領域に圧電要素を備えており、この圧電要素は印加された電圧に応じて伸張又は短縮する。燃料噴射システムで使用されているような多層アクチュエータ又は圧電多層アクチュエータでは、圧電要素が積層化されて配置されていることにより、例えば作動温度がこの構成品の寿命に影響を与えるという面がある。いくつかの要素では、それにもかかわらず温度が監視されない。

構成品の寿命を制限する作動範囲、又は起こり得る損傷の開始を検出するため、構成品の温度は例えばセンサで監視することが望ましい。

温度監視のために、アクチュエータには熱的に結合された温度センサが使用される。この独立した、一体化されていないセンサはさらに取付けスペースを必要とする。センサはさらに、構成品の内部温度を把握するには適していない。使用されている材料の熱抵抗及び特殊な設計によって、測定された温度はアクチュエータの内部温度と大幅に異なっている。

温度検出のさらなる手段には、アクチュエータの小信号静電容量値から温度情報を取得することが含まれる。しかしこの方法は精度に限界がある。さらに測定値は、使用される圧電セラミック（ＰＺＴ）材料の焦電性特性によって変化する。その上温度検知のこの種の方法のために必要な直線性の小信号測定は、アクチュエータの大信号と組み合わせることが煩雑であり、それによってさらに電子機器のためのコストが発生する。

本発明の課題は、前述の観点から改善されたアクチュエータを提供することである。

本課題は、請求項１の特徴を備えたアクチュエータにより解決される。このアクチュエータは、温度検出可能なセンサ層を含んでいる。

このアクチュエータは圧電要素が層状に配置されたアクチュエータである。この要素の伸長性と短縮性によって長さの変化を可能としている。このアクチュエータは好ましくは、１つ又は複数のレイヤがセンサ層である複数の層又はレイヤを備えた多層アクチュエータである。他のレイヤは圧電活性のある層として伸張又は短縮性を備えることができ、その制御のために用いられるか又はただ安定化目的のみを有している。センサ層を備えたこのセンサは、例えば熱抵抗性センサとして形成されてよく、このセンサでは温度検出は温度に依存した抵抗変化を使って行なわれる。このセンサは多層アクチュエータのマルチレイヤ構造に一体化されている。有利にはこのセンサレイヤ又はセンサ層は、圧電要素が配置されている元々のアクチュエータ領域からは独立した制御装置を持っている。

このような構成品は、アクチュエータのセラミック温度を補足的に検知することを可能にする。ハイブリッド解決法、すなわちアクチュエータに連結されたセンサ要素とは異なり、アクチュエータ内に一体化されたセンサ層はほとんど又はほとんどまったく追加的なスペースを必要としない。このセンサ層によって生じる追加費用はわずかである。なぜなら温度センサは、主として標準圧電プロセスの範囲で製造可能だからである。

温度センサの使用により、危険な作動状態を早期に検知し得ることによって構成品の信頼性が高まる。

本発明のその他の有利な実施形態は、従属請求項に開示される。

このアクチュエータは交互に層状に配置されている複数の内部電極と圧電要素を備えた、長さの変化が可能な領域を含み、これらを使用してアクチュエータの伸張又は短縮が可能になる。内部電極と電気的に接続されている外部電極により、構成品に伸張又は短縮を制御する制御電圧を印加することを可能にする。

さらに、センサ層と回路をつなぐためのセンサ電極が備えられ、このセンサ電極を介して温度依存値を読み出すことができる。検出を改善するために、又はリダンダンシーとして、別のセンサ面が備えられ得る。

一実施例では、センサ層が構造化され、及び抵抗回路を含み、その温度依存の抵抗変化が検出される。この抵抗回路は２つのセラミック層の間に配置され得る。

これは一実施例では圧電要素と同じ材料から製造される。別法の一実施例では、これは圧電要素とは異なった材料から製造される。

抵抗回路は有利には金属製である。これは例えば正確な温度検出を可能にするパラジウム及び／又はプラチナを含む。一実施例では、抵抗回路は蛇行形状に形成され、その結果抵抗回路は長く伸び、明確な抵抗値を持っている。

アクチュエータの製造方法は、例えばシート上へのセンサ構造の印刷を含む。センサ構造は構造化されたセンサ層であり、このセンサ層は抵抗回路を含み得る。別の工程では、上にセンサ構造が印刷されたシート、及び長さの変化が可能な領域を形成するための別のシートが重ねられて積層体にされ、プレスされる。続いてこの積層体が焼結される。センサ構造の製造を除き、従来型の多層アクチュエータと比べて追加の工程は不要である。なぜなら積層によってセンサシートは製造プロセスに統合されるからである。

アクチュエータの実施例の模式的横断面図である。 アクチュエータ内の温度センサの平面図である。

図１は、温度センサ２を内蔵したアクチュエータ１、すなわち駆動装置の実施例の模式的横断面図である。

アクチュエータ１は、複数の圧電要素３と複数の内部電極４を備えた多層アクチュエータである。アクチュエータ１は、交互に配置されている圧電要素３と内部電極４を備えた領域５を含み、その結果これらは積層形状に積層化されている。その際第一の極性の内部電極４と、第二の極性の内部電極４が積層に沿って交互に替わる。第一の極性の内部電極４は、例えばそれがアクチュエータ積層体８の外側に案内されることで、第一の外部電極６と電気的に接続されており、その際外部電極６はこの外側に配設される。第二の極性の内部電極４は、例えばそれがアクチュエータ積層体８の別の外側に案内されることで、第二の外部電極７と電気的に接続されており、その際外部電極７はこの外側に配設される。外部電極６、７には制御電圧が印加可能である。

圧電要素３と内部電極４は、多層アクチュエータ１の層を形成している。圧電要素３は圧電性のセラミックから形成され、内部電極４に制御電圧が印加されるとその軸方向の拡張が変化する。外部電極６、７と電気的に接続されている圧電要素３と内部電極４を備えたアクチュエータ１の領域５は、アクチュエータ１の軸方向９に長さの変化が可能である。

アクチュエータ１は、１つ又は複数のさらなる層を含み、これらの層はセンサ層又はセンサ面１０となっており、センサ電極１１を介して電気的な接続をとれる。図１に示されたようにセンサ電極１１の少なくとも１つが、有利には両方が、電気的に外部電極６、７から分離されていなければならない。図１に示されたように１つのセンサ層１０又は複数のセンサ層１０は、アクチュエータの長さの変化が可能な領域５の縁に配置され得る。別法として１つ又は複数のセンサ層１０はその２つの側に長さの変化が可能な領域５が備えられているように配置され得る。又は言い換えれば、センサ２はアクチュエータ積層体８の中央に配置されている。一実施例では、複数のセンサ層１０が備えられ、これらセンサ層は、例えば縁に、及びアクチュエータ積層体８の中心に、アクチュエータの長さの変化が可能な領域５と互いに分離されて配置され得る。一実施例では、複数のセンサ層１０が備えられ、これらセンサ層は隣接して配置されている。

図２はその構造化されたセンサ層１０を備えたセンサ２の平面図である。センサ２は、熱電センサ２となっており、所与の抵抗値を備えた抵抗回路１２及びセンサ電極１１を含み、この抵抗値は温度に依存して変化する。センサ電極１１は、外へ案内された、センサ層１０の接触領域１４にはんだ付けされる。抵抗回路１２の長さは有利には接触領域１４の間の直線的な距離を超える。この効果は例えば抵抗回路１２の蛇行形状の構造によって達成される。蛇行形状の抵抗回路１２は、センサ電極１１間で複数の方向に変化しながら伸びる。

抵抗回路１２の幅がその伸びに沿って変化する、例えば先に行くほど細くなることもまた考え得る。

一実施例では、抵抗回路１２は、圧電セラミック（ＰＺＴ）から成る２つのセラミック層１３の間に埋め込まれる。好ましくは抵抗回路１２は例えばパラジウム及び／又はプラチナのような、共焼結可能な金属から形成される。センサ２の評価は、一実施例では、温度範囲−１００℃〜２００℃で行なわれる。この典型的な温度範囲では、金属製抵抗回路１２の抵抗変化は広範囲にわたって直線的に温度に依存する。

別の一実施例では、センサ層１０は２つのセラミック層１３の間にあり、このセラミックは圧電要素３のために使用されるものと区別される。これはしかし製造に関して、圧電要素３に使用されるセラミックに対して適合性がある、すなわちこのセラミックはアクチュエータ１製造時に圧電要素３用のセラミックと同様に加工でき、その結果例えば製造時に材料間に応力は生じない。

このアクチュエータ１は、センサ機能のために備えられた面又はシートの上に金属製のセンサ構造１０が配設されることによって製造可能である。これは例えばシルクスクリーン印刷を使用して実施し得る。長さの変化が可能な領域５のための内部電極４を形成する金属製の層及び同じくシートとして存在し得る圧電セラミックは、センサ２のための構造化されたシートと重ねられて積層体が形成され、圧電レイヤとセンサレイヤから成る積層体がプレスされる。後の長さの変化が可能な又は圧電活性のある領域５及びセンサ２を備えた積層体は、１つの工程で焼結される。一体化された製造により、積み重ねの前にわずかな別の作業手順がセンサ層形成のために必要である。

また、実施例の特徴を組み合わせることも可能である。

１ アクチュエータ
２ センサ
３ 圧電要素
４ 内部電極
５ 長さの変化が可能な領域
６ 外部電極
７ 外部電極
８ 積層体
９ 軸方向
１０ センサ層
１１ センサ電極
１２ 抵抗回路
１３ セラミック層
１４ 接触領域

Claims (10)

1. 温度依存の抵抗変化を検出する抵抗回路（１２）を含み、温度を検出可能なセンサ層（１０）と、
   複数の交互に層状に配置されている内部電極（４）及び圧電要素（３）を備え長さの変化が可能な領域（５）と、を備えた積層体（８）を有するアクチュエータ（１）であって、
   前記抵抗回路（１２）が２つのセラミック層（１３）の間に配置されており、
   前記セラミック層（１３）が前記圧電要素（３）と同じ材料から製造され、又はそれとは異なるが、製造に関して、前記圧電要素（３）に使用されるセラミックに対して適合性がある材料から製造され、前記積層体（８）が一つの工程で焼結されて一体化され、
   前記センサ層（１０）と回路をつなぐためのセンサ電極（１１）を前記アクチュエータ（１）がさらに含み、
   前記センサ電極（１１）が、前記内部電極（４）と電気的に接続されている外部電極（６，７）と電気的に絶縁してあるアクチュエータ（１）。
2. 前記内部電極（４）と電気的に接続されている外部電極（６、７）を含む、請求項１に記載のアクチュエータ（１）。
3. 複数の前記センサ層（１０）を備えた、請求項１または２に記載のアクチュエータ（１）。
4. 前記センサ層（１０）は、前記長さの変化が可能な領域（５）の端に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）。
5. 温度依存の抵抗変化を検出する抵抗回路（１２）を含み、温度を検出可能なセンサ層（１０）と、
   複数の交互に層状に配置されている内部電極（４）及び圧電要素（３）を備え長さの変化が可能な領域（５）と、を備えた積層体（８）を有するアクチュエータ（１）であって、
   前記抵抗回路（１２）が２つのセラミック層（１３）の間に配置されており、
   前記セラミック層（１３）が前記圧電要素（３）と同じ材料から製造され、又はそれとは異なるが、製造に関して、前記圧電要素（３）に使用されるセラミックに対して適合性がある材料から製造され、前記積層体（８）が一つの工程で焼結されて一体化され、
   複数の前記センサ層（１０）が備えられ、これらセンサ層（１０）は、前記長さの変化が可能な領域（５）の端と、前記積層体（８）の中心に、前記長さの変化が可能な領域（５）と互いに絶縁されて配置されているアクチュエータ（１）。
6. 前記センサ層（１０）は、前記積層体（８）の外部に案内された一対の接触領域（１４）を有し、それぞれの前記接触領域（１４）には、センサ電極（１１）が接続され、
   一対の前記接触領域（１４）の間に、前記抵抗回路（１２）が接続され、
   前記抵抗回路（１２）の長さは一対の前記接触領域１４の間の直線的な距離を超える請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）。
7. 前記抵抗回路（１２）がパラジウム及び／又はプラチナを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）。
8. 前記抵抗回路（１２）が蛇行形状に形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のアクチュエータ（１）の製造方法であって、
   センサ構造の印刷工程を含む製造方法。
10. 積層体の形成及び前記積層体のプレスのために、前記センサ構造が印刷されたシートと、長さの変化が可能な領域（５）を形成するための他のシートとの積層工程を含む、請求項９に記載の製造方法。

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