JP5837612B2 - アクチュエータ、アクチュエータシステム、およびアクチュエータの駆動方法 - Google Patents

アクチュエータ、アクチュエータシステム、およびアクチュエータの駆動方法 Download PDF

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Description

アクチュエータ、例えば多層アクチュエータは、様々な分野に用いられるが、1つの例としてエンジン(Motor)の噴射システムに用いられる。アクチュエータは、電圧を印加すると伸張する圧電素子を備える。噴射システムに対して、アクチュエータには常により大きなストロークで常により高速なスイッチング時間が要求される。この両方の要求は相反する。より大きなストロークのためには、アクチュエータでのセラミックの最大伸張性のために、長いアクチュエータも必要となる。アクチュエータが伸張する速度は、アクチュエータでの音速に依存する。アクチュエータでの音速による制限のため、アクチュエータの長さが増大するとそのスイッチング時間もまた長くなる。この伸張はアクチュエータ内で弾性波の形で伝播する。ここで各々の領域、すなわち各々の伸張する圧電素子は、部分波(Teilwelle)の発生源となっている。これらは重畳されて最終的に全体を形成する。理想的に急峻なアクチュエータの制御電圧でも、アクチュエータの伸張の最小立ち上がり時間は、部分波の発生個所からアクチュエータヘッド(Aktorkopf)までの伝播時間の違いによって与えられる。すなわち、この時間はアクチュエータが伸張するまでの時間であり、物理的な理由から、これを下回ることはできない。
上記の制限にも拘わらず大きなストロークを実現するために、比較的短いアクチュエータを用い、これに伴い短いスイッチング時間を実現する2つの方法がある。このストロークあるいは要求される作動距離は、梃を用いた力学的変換または油圧増幅器を用いた力学的変換によって実現される。
本発明の課題は、上記の見地に鑑み、改善されたアクチュエータを提供することである。
この課題は、請求項1に記載の特徴を有するアクチュエータによって解決される。積層構造に配置された圧電素子と、この圧電素子と交互に配置された第1および第2の内部電極と、第1の内部電極と電気的に導通するように接続された第1の外部電極と、第2の内部電極と電気的に導通するように接続された第2の外部電極と、制御装置とを有するアクチュエータが提供される。アクチュエータは、複数のアクチュエータ区画を当該アクチュエータの頭部から基部にかけて備え、第2の外部電極は当該アクチュエータの頭部から基部かけて分離された電極セグメントを備え、これらの電極セグメントはそれぞれ、アクチュエータ区画の1つまたはアクチュエータ区画の1つのグループにおいて、第2の内部電極と電気的に導通するように接続されている。制御装置は、次々に遅延させた第1の駆動信号を第1の外部電極の電極セグメントのそれぞれに印加し、これらの第1の駆動信号のそれぞれの時間遅延は、上記アクチュエータ区画それぞれで発生した弾性部分波が重畳するように、上記アクチュエータにおける音速に依存して選択される。
アクチュエータは多数の区画を含み、それぞれは圧電素子と内部電極を備え、これらは時間をずらして駆動される。この駆動はアクチュエータ全体の全ての領域に対し同時でなく、これらの個々の区画に対して時間的にずらして行われる。有利な方法では、この時間ずれは正確にアクチュエータの音速に対応するように選択される。これにより、アクチュエータの伸張の際に、このような弾性部分波が重畳され、外部電極を同時に駆動した場合より大幅に短い、アクチュエータの伸張のための立ち上がり時間(Flankenzeit)が得られる。この立ち上がり時間の下側限界は、もはやアクチュエータ全体の長さで制限されるのではなく、個々の領域の長さによって制限される。
本発明の他の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
1つの実施形態例では、同様に第の外部電極は分離された電極セグメントを備え、これらはそれぞれ、第の内部電極の1つの部分においてのみ、すなわちアクチュエータ区画の1つあるいはアクチュエータ区画の1つのグループにおいて、内部電極に電気的に導通するように接続されている。2つに分割した外部電極を設けることで、アクチュエータの設計で大きな自由度が可能となる。第1および第2の外部電極でのセグメントの分割は同じになるようにしてよい。あるいはこの分割は非対称である。
1つの実施形態例では、この電極セグメントは、それぞれ隣接するアクチュエータ区画において、第1または第2の内部電極と電気的に導通するように接続されている。これは、分割された第1および分割された第2の外部電極において、第の外部電極の第1の電極セグメントが、第1のアクチュエータ区画およびこの第1のアクチュエータ区画に隣接した第2のアクチュエータ区画における第1の内部電極と電気的に導通するように接続されることを可能とし、第の外部電極の第2の電極セグメントが、第2のアクチュエータ区画およびこの第2のアクチュエータ区画に隣接した第3のアクチュエータ区画において、第2の内部電極と電気的に導通するように接続されることを可能にする。換言すると、第1および第2の外部電極はこのように互いにずれて配置され、これらがそれ自身の内部電極と、異なるアクチュエータ区画における内部電極とを電気的に導通するように接触している。
1つの実施形態例では、少なくとも第の外部電極の電極セグメントはそれぞれ、駆動信号が印加可能な端子を備える。時間的にずれた駆動信号は、時間をずらしてアクチュエータ区画を駆動することを可能にする。分割された第の外部電極においても同様に端子を有する。
アクチュエータシステムはアクチュエータと制御装置とを備え、この制御装置を用いて第1の駆動信号を1つのアクチュエータ区画に印加し、第2の駆動信号を時間をずらして次の1つのアクチュエータ区画に印加することが可能である。
アクチュエータは、例えばアクチュエータベース(Aktorfus)の固定部を基準にして、1つの向きに伸張することができる。第1のアクチュエータ区画は、第2のアクチュエータ区画に対して上記の向きに配置されている。制御装置は、第2のアクチュエータ区画に印加される駆動信号に対して時間遅延した第1の駆動信号を第1のアクチュエータ区画に印加するようになっている。
もし分割された外部電極が1個だけ設けられるときは、制御装置は制御信号をその電極セグメントに印加し、他方の外部電極は基準電位に接続される。2つの分割された外部電極の場合には、この制御装置は、第1の内部電極に接続された電極セグメントと、第2の内部電極に接続された電極セグメントとに、基準電位に対し異なる符号の電圧を印加するようになっている。両外部電極に異なる駆動信号を印加することは、アクチュエータを柔軟に制御することを可能にする。
この時間ずれは、部分波の伝播時間を補償するために、アクチュエータにおける音速に依存して選択される。積層構造に配置された圧電素子と、この圧電素子の間に交互に配置された第1および第2の内部電極とを有し、複数のアクチュエータ区画を備えるアクチュエータの駆動では、第1のアクチュエータ区画またはアクチュエータ区画の第1のグループにおける第1および第2の内部電極の間に、第2のアクチュエータ区画またはアクチチュエータ区画の第2のグループにおける第1および第2の内部電極の間に印加される駆動電圧に対して時間をずらした駆動電圧が印加される。
アクチュエータは1つの向きに伸張するが、ここで第1のアクチュエータ区画は、第2のアクチュエータ区画に対する前記向きに配置され、第1の駆動電圧は、第2の駆動電圧に対して時間遅延されている。
以下では、実施形態例に基づいた図を参照して、本発明を説明する。
分割された外部電極を有しないアクチュエータの実施形態例を示す図である。 これらの分割された外部電極の駆動電圧の時間的振る舞いを示す図である。 分割された外部電極を有するアクチュエータの実施形態例を示す図である。 図3のアクチュエータの斜視図である。 図3のアクチュエータの概略断面図である。 電極セグメントに印加される駆動電圧の時間的振る舞いを示す図であ る。 他の実施形態例である、2つの分割された外部電極を有するアクチュエータを示す図である。 電極セグメントに印加される駆動電圧の時間的振る舞いを示す図であ る。
図1は、積層構造に配置された圧電素子16を有する、従来の多層アクチュエータ1の概略断面図を示す。第1の内部電極と第2の内部電極は、圧電素子16の間に交互に配置されている。第1の内部電極は、第1の外部電極と電気的に導通するように接続されている。第2の内部電極は、第2の外部電極と電気的に導通するように接続されている。第1および第2の内部電極およびは、それぞれアクチュエータ1の外側に導出され、そこで第1の外部電極あるいは第2の外部電極と電気的に導通するように接続される。これは、例えば金属ペーストの押圧または金属板のはんだ付けによって行われ、外部電極が形成される。
の外部電極4は基準電位7に接続されている。制御装置6は、第の外部電極2に駆動信号、例えば時間変化する駆動電位を印加して、第1および第2の内部電極を駆動電圧Uとなるようにし、これらに依存してアクチュエータ1は伸張または収縮する。
図2は駆動信号、または電圧Uの振る舞いを、時間tの関数として例示する。信号Uの上昇は有限な傾きを有する。
駆動電圧Uの印加によって、アクチュエータ1にはストローク(Hub)が発生する。アクチュエータ1の伸張は有限の時間で生じる。この伸張はアクチュエータ1内で弾性波の形で伝播する。ここで各々の領域、すなわち圧電素子16は、部分波(Teilwelle)の発生源となっている。この部分波は重畳し、全体となる。無限に急峻な駆動においても、伸張過程に必要な時間は、部分波の発生個所からアクチュエータヘッドまでの異なる伝播時間によって与えられるが、物理的な理由から、この時間を下回ることはできない。アクチュエータ1が長いほど、そしてストロークが大きいほど、この時間は大きくなる。
図3は、第の外部電極4と分割された第の外部電極2とを有する多層アクチュエータ1の実施形態例を示し、分離された電極セグメント21、22、23を備えている。分離された電極セグメント21,22,23は、空間的に互いに分離されている。これらは、直接電気的に導通するように互いに接続されてもおらず、また接触してもいない。第の外部電極4は基準電位7に接続されている。電極セグメント21,22,23は、それぞれ端子210,220,230を有し、この端子を介して制御装置6と接続されている。端子210,220,230を介して駆動信号を印加することができる。
図4は、アクチュエータ1と制御装置6とを有するアクチュエータシステムを3次元表示で示している。
図5は、アクチュエータ1の概略断面図を示す。アクチュエータ1は、第1および第2の内部電極を備え、これらは第1の外部電極あるいは第2の外部電極と電気的に導通するように接続されている。アクチュエータ1は複数のアクチュエータ区画81,82,83を備える。軸方向に延在するアクチュエータ区画81,82,83は、それぞれ電極セグメント21,22,23の軸方向の伸張に対応する。第1の電極セグメント21は、第1のアクチュエータ区画81において第の内部電極3と電気的に導通するように接続されている。第2の電極セグメント22は、第2のアクチュエータ区画82において第の内部電極3と電気的に導通するように接続されている。第3の電極セグメント23は、第3のアクチュエータ区画83において第の内部電極3と電気的に導通するように接続されている。これに対して、第の内部電極5は、3つのアクチュエータ区画81,82,83において、同一の連続した外部電極4と電気的に導通するように接続されている。
図6は、駆動信号すなわち電圧U1,U2,U3の時間的振る舞いを概略的に示す。これらの電圧はアクチュエータ1の電極セグメント21,22,23に印加される。第1の電極セグメント21の端子210には、第1の駆動電圧U1が印加される。第2の電極セグメント22の端子220には、第2の駆動電圧U2が印加される。第3の電極セグメント23の端子230には、第3の駆動電圧U3が印加される。アクチュエータ区画81,82,83が遅れて駆動されるほど、アクチュエータヘッドに近いほど、駆動電圧U1,U2,U3は時間遅延される。アクチュエータ1はアクチュエータベースすなわち第3のアクチュエータ区画83で固定されている。換言すれば、アクチュエータ区画81,82,83は、他のアクチュエータ区画に対し相対的にアクチュエータの伸張する方向で配置されており、時間遅延されて駆動される。まず第3のアクチュエータ区画83が駆動され、次に第2のアクチュエータ区画82が駆動され、次に第1のアクチュエータ区画81が駆動される。この際に時間ずれは、アクチュエータ1における音速に対応するように選択される。ここでアクチュエータ区画81,82,83の個別の部分波は、1つの大幅に短い伸張時間を生じるように重畳される。この伸張時間の下限は、もはやアクチュエータ長で制限されるのではなく、個々のアクチュエータ区画81,82,83によって制限される。
図7は、1つの分割された第の外部電極4と1つの分割された外部電極2とを有するアクチュエータ1の更なる実施形態例を示す。第の外部電極4は、この場合は、異なる長さの第1,第2,および第3の電極セグメント41,42,43を有している。第の外部電極2は、この場合は、異なる長さの第1,第2,および第3の電極セグメント21,22,23を有している。アクチュエータ区画81,82,83,84,85は、電極セグメント21,22,23,41,42,43の間に軸方向に延在する。アクチュエータ1はアクチュエータベースすなわち第5のアクチュエータ区画85で固定されている。各々の電極セグメント21,22,23,41,42,43と電気的に導通するように接続されている内部電極のうち、2つ、すなわち上側および下側の内部電極が端部に配置され、電極セグメント21,22,23,41,42,43と電気的に導通するように接続されている。アクチュエータ区画81,82,83,84,85は、端部に配置された内部電極の、隣接する2つの間に延在し、これら2つの内部電極は同一または異なる電極セグメント21,22,23,41,42,43と電気的に導通するように接続されてよい。第1のアクチュエータ区画81は、第の外部電極の第1の電極セグメント41に沿って軸方向に延在している。第2のアクチュエータ区画82は、第の外部電極の第2の電極セグメント42の、端部に配置された内部電極から、第の外部電極2の第1の電極セグメント21の端部に配置された内部電極まで、軸方向に延在している。第の外部電極のセグメント41,42,43は、第の外部電極2の電極セグメント21,22,23に対してずれるように配置されているので、電極セグメント21,22,42,43は、隣接するアクチュエータ区画81,82,83,84,85の内部電極と電気的に導通するように接続されている。例えば、第の外部電極2の第1の電極セグメント21は、第1および第2のアクチュエータ区画81,82の第の内部電極と電気的に導通するように接続されている。第の外部電極4の第2の電極セグメント42は、第2および第3のアクチュエータ区画82,83の第の内部電極5と電気的に導通するように接続されている。
図8は、制御信号すなわち標準電位に基づく基準電位U1,U2,U3,U4,U5,U6の時間的振る舞いを示し、これらは図7の制御装置6から提供される。第1の駆動電圧U1は、第の外部電極4の第1の電極セグメント41の端子410に印加される。第3の駆動電圧U3は、第の外部電極4の第2の電極セグメント42の端子420に印加される。第5の駆動電圧U5は、第の外部電極4の第3の電極セグメント43の端子430に印加される。第2の駆動電圧U2は、第の外部電極2の第1の電極セグメント21の端子210に印加される。第4の駆動電圧U4は、第の外部電極2の第2の電極セグメント22の端子220に印加される。第6の駆動電圧U6は、第の外部電極2の第3の電極セグメント23の端子230に印加される。第1,第3,第5の駆動電圧U1,U3,U5の符号は、第2,第4,第6の駆動電圧U2,U4,U6の符号と反対になっている。
第6の駆動電圧U6の上昇によって、まず第5のアクチュエータ区画85が駆動される。第の外部電極4の第3の電極セグメント43に印加される第5の駆動電圧U5の上昇に伴い、電位差が増大するため、第5のアクチュエータ区画85の第1および第2の内部電極の間の電圧も高くなり、また第4のアクチュエータ区画84の駆動も開始される。第の外部電極2の第2の電極セグメント22に印加される第4の駆動電圧U4の上昇に伴い、電位差が増大するため、第4のアクチュエータ区画84の第1および第2の内部電極の間の電圧も高くなり、また第3のアクチュエータ区画83の駆動も開始される。このような駆動が次々に他のアクチュエータ区画に対し連続して行われる。
端部に配置されていないアクチュエータ区画82,83,84は、外部電極のセグメント21,22,23,41,42,43が一部重なる配置となっているため、それぞれ2つのステップで駆動される。
なお、端子210,220,230,410,420,430での電圧上昇あるいは降下の時間的順序は、伸張および収縮に対して同じであるが、符号に関しては、個々の端子210,220,230,410,420,430での電圧上昇あるいは降下の場合で異なっている。
なお、上記の実施形態例の特徴は組み合わせ可能である。
1 : アクチュエータ
4,2 : 外部電極
5,3 : 内部電極
6 : 制御装置
7 : 基準電位
16 : 圧電素子
21,21,23,41,42,43: 電極セグメント
81,82,83,84,85 : アクチュエータ区画
210,210,230,410,420,430: 端子

Claims (10)

  1. アクチュエータシステムであって、
    積層構造に配置された圧電素子(16)と、
    前記圧電素子(16)の間に交互に配置された第1および第2の内部電極()と、
    前記第1の内部電極()と電気的に導通するように接続された第1の外部電極()と、
    前記第2の内部電極()と電気的に導通するように接続された第2の外部電極()と
    を有するアクチュエータ(1)
    前記アクチュエータ(1)を制御する制御装置(6)と、
    を備え、 前記アクチュエータ(1)は、複数のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)を前記アクチュエータの頭部から基部にかけて備え、前記第の外部電極(2)は前記アクチュエータの頭部から基部にかけて分離された電極セグメント(21,22,23)を備え、当該電極セグメントはそれぞれ、アクチュエータ区画(81,82,83,84,85)の1つまたはアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)の1つのグループにおいて、前記第の内部電極(3)と電気的に導通するように接続されており、
    前記制御装置(6)は、次々に時間遅延させた第1の駆動信号(U6,U4,U2)を前記第1の外部電極(2)の電極セグメント(23,22,21)のそれぞれに印加し、
    前記第1の駆動信号のそれぞれの時間遅延は、前記アクチュエータ区画それぞれで発生した弾性部分波が重畳するように、前記アクチュエータ(1)における音速に依存して選択されることを特徴とするアクチュエータシステム
  2. 請求項1に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記第の外部電極(4)は前記アクチュエータの頭部から基部にかけて分離された電極セグメント(41,42,43)を備え、
    前記アクチュエータの基部に最も近い前記第2の外部電極の電極セグメント(43)は、前記アクチュエータの基部に最も近いアクチュエータ区画(85)の第2の内部電極(5)に接続されており、
    前記アクチュエータの頭部に最も近い前記第1の外部電極(2)の電極セグメント(21)は、前記アクチュエータの頭部に最も近いアクチュエータ区画(81)の第1の内部電極(3)に接続されており、
    前記第1の外部電極(2)の前記アクチュエータの基部に最も近い電極セグメント(23)以外の電極セグメント(21,22)と、前記第2の外部電極(4)の前記アクチュエータの頭部に最も近い電極セグメント(41)以外の電極セグメント(42,43)とは、互いに1つのアクチュエータ区画分だけずれて、それぞれ前記アクチュエータ区画(81,82,83,84,85)の第2の内部電極(5)または第1の内部電極(3)と接続されており、
    前記制御装置(6)は、次々に時間遅延させた、前記第1の駆動信号と反対の極性を有する第2の駆動信号(U5,U3,U1)を前記第2の外部電極の電極セグメント(43,42,41)のそれぞれに印加し、
    前記第1および第2の駆動信号(U6,U5,U4,U3,U2,U1)のそれぞれの時間遅延は、前記アクチュエータ区画(85,84,83,82,81)それぞれで発生した弾性部分波が重畳するように、前記アクチュエータ(1)における音速に依存して選択されることを特徴とするアクチュエータシステム。
  3. 請求項2に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記電極セグメント(21,22,23,41,42,43)はそれぞれ、隣接するアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)において、前記第1または第2の内部電極()と電気的に導通するように接続されていることを特徴とするアクチュエータシステム
  4. 請求項2または3に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記第2の外部電極(4)の電極セグメント(42,43)は、第1のアクチュエータ区画およびこれに隣接した第2のアクチュエータ区画(82,83;84,85)において、前記第の内部電極(5)と電気的に導通するように接続され、前記第1の外部電極(2)の電極セグメント(21,22)は、第2のアクチュエータ区画およびこれに隣接した第3のアクチュエータ区画(82,81;84,83)において、前記第の内部電極(3)と電気的に導通するように接続されていることを特徴とするアクチュエータシステム
  5. 請求項2乃至4のいずれか1項に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記アクチュエータ(1)は、1つの方向に伸張可能であり、
    第1のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)は、前記方向で第2のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)に対し当該方向に配置され、
    前記制御装置(6)は、前記第1の駆動信号(U1,U2,U3,U4,U5,U6)を前記第1のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85,86)に、前記第2のアクチュエータ区画(1,82,83,84,85)への前記第2の駆動信号(U1,U2,U3,U4,U5,U6)に対して時間遅延して印加することを特徴とするアクチュエータシステム。
  6. 請求項またはに記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記制御装置(6)は、前記第1の内部電極()と接続されている前記電極セグメント(41,42,43)と、前記第2の内部電極()と接続されている前記電極セグメント(21,22,23)とに基準電位(7)に対して異なる符号の電圧(U1,U2,U3,U4,U5,U6)を印加することを特徴とするアクチュエータシステム。
  7. 請求項1に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記制御装置(6)は、前記アクチュエータ区画(85,84,83,82,81)それぞれで発生する弾性部分波が前記アクチュエータ(1)の頭部で重畳するように、次々に時間遅延させた前記第1の駆動信号(U6,U4,U2)を、前記第1の外部電極(1)の電極セグメント(23,22,21)のそれぞれに、前記アクチュエータの基部に近い電極セグメントから順に印加することを特徴とする、アクチュエータシステム。
  8. 請求項2乃至6のいずれか1項に記載のアクチュエータシステムにおいて、
    前記制御装置(6)は、前記アクチュエータ区画(85,84,83,82,81)それぞれで発生する弾性部分波が前記アクチュエータ(1)の頭部で重畳するように、次々に時間遅延させた前記第1および第2の駆動信号(U6,U5,U4,U3,U2、U1)を、前記第1の外部電極(2)の電極セグメント(23,22,21)および前記第2の外部電極の電極セグメント(43,42,41)のそれぞれに、前記アクチュエータの基部に近い電極セグメントから順に印加することを特徴とする、アクチュエータシステム。
  9. 積層構造に配置された圧電素子(16)と、当該圧電素子(16)の間に交互に配置された第1および第2の内部電極()とを有し、複数のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)を備えるアクチュエータ(1)の駆動方法であって、
    第1のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)またはアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)の第1のグループにおいて、前記第1および第2の内部電極()の間に印加する第1の駆動電圧、第2のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)またはアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)の第2のグループにおける前記第1および第2の内部電極()の間に印加する第2の駆動電圧に対して時間をずらして印加され、
    前記第2の駆動電圧に対する前記第1の駆動電圧の時間ずれは、前記複数のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)のそれぞれで発生する弾性部分波が重畳するように、前記アクチュエータ(1)における音速に依存して選択されることを特徴とする駆動方法。
  10. 請求項に記載の駆動方法において、
    前記アクチュエータ(1)は1つの向きに伸張し、前記第1のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)は、前記第2のアクチュエータ区画(81,82,83,84,85)に対する前記向きに配置され、前記第1の駆動電圧は、前記第2の駆動電圧に対して時間遅延されていることを特徴とする駆動方法。
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