JPH0613169U - 積層型圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】積層型圧電アクチュエータ（素子）の発熱を速
やかに放熱して該積層型圧素子の温度変化を小さくし安
定した積層型圧電素子の適正変位量を得る積層型圧電ア
クチュエータを提供する。 【構成】電極板２ａ、２ｂに設けた放熱部材としてのフ
イン５を圧電体４よりも外側に張り出し、かつ互いに隣
接関係が異種面内に配設すると共に、フイン５の回りに
該圧電アクチュエータ１の冷却を司る冷却媒体９を流通
可能とすることにより、当該フイン５と冷却媒体９を通
じて積層型圧電アクチュエータ１の作動による発熱を速
やかに冷却することができ、積層型圧電アクチュエータ
１の温度変化を小さくし安定、円滑に積層型圧電アクチ
ュエータ１の適正変位量を得る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、作動による積層型圧電アクチュエータ（素子）の発熱を速やかに冷 却して該積層型圧電素子の温度変化を小さくし安定した積層型圧電素子の適正な 変位量を得る積層型圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来の積層型アクチュエータは、電磁式アクチュエータと比較して、高応答、 高発生力、高位置精度という特徴を有しており、各種分野で応用が進められてい る。 図１０および図１１は、従来の積層型圧電アクチュエータ３１の構成を示す。 この積層型圧電アクチュエータ３１は、厚み方向に分極処理を施した薄い圧電体 ３２のペレットと圧電体３２に電界を加えるための電極板３３を数十枚から数百 枚、交互に重ねて成る。かかる積層体３４の両端には絶縁や応力均一化のための プレート３５を有する。電極板３３は、図１１に示すように一枚おきに結合され 、電源と接続できるようにリード線３６が引き出され、電気的には並列結合され ている。このように構成された従来の積層型圧電アクチュエータ３１は、外部と の電気的な絶縁を確保するためと強度を確保するために絶縁性の高い樹脂等で一 体化されている（文献名：ＳＡＥペーパ８００５０２）。 また、その他の従来例としては、図１２および図１３に示すように、圧電体４ ２に薄い電極４３を印刷して電極板４４との電気的結合を高めたり、絶縁チュー ブ４７で積層体４５を覆って成る積層型圧電アクチュエータ４１がある。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

これら従来の積層型アクチュエータ３１、４１における圧電体３２、４２は、 一般にヒステリシスや誘電損失を有している。このヒステリシスや誘電損失は熱 エネルギーとして消費されるために、アクチュエータ３１、４１を高速で繰り返 し作動させると発熱し、当該アクチュエータ３１、４１の温度が高くなって、変 位の不安定化や強度の劣化を招くという実用上解決すべき問題を有する。従来は 、アクチュエータ３１、４１の外側に流体を流して冷却しているが、アクチュエ ータ３１、４１を覆っているケース３７、またチューブ４７や接着剤、圧電体３ ２、４２は一般に熱伝導率が小さく効率的な冷却は難しい。特に、ケース３７や チューブ４７とアクチュエータ３１、４１の間は空気あるいは絶縁油を介在する こととなるので、さらに冷却効率は低下し、アクチュエータ３１、４１の温度が 著しく高くなってしまう実用上解決すべき問題を有する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

本考案の積層型圧電アクチュエータは、前記従来技術の問題を解消するもので 、壁部内に中空の収納部を有する収納部材と、厚み方向に分極処理を施した薄い 圧電体と、該圧電体に電界を加えるため電源に接続して成る電極板と、前記収納 部材に収納され前記圧電体と電極板とを複数交互に積層して積層体を構成し当該 圧電体に電界を加えて変位量を得る圧電アクチュエータであって、前記複数交互 に積層される電極板に圧電体より外側に突出し、かつ互いの隣接関係が異種面内 に配設され、該圧電アクチュエータの冷却を司る放熱部材と、前記収納部材内で 該電極板を外側に突出した放熱部材回りに流通自在に設けられ該圧電アクチュエ ータの冷却を司る冷却媒体とから成る。

【０００５】

【考案の作用・効果】

上記構成からなる本考案の積層型圧電アクチュエータは、前記電極板に設けた 放熱部材を圧電体よりも外側に張り出し、かつ互いに隣接関係が異種面内に配設 したことにより、電極板を通じて作動による積層型圧電アクチュエータの発熱を 速やかに放熱して効率良く冷却を図ることができる。また本考案の積層型圧電ア クチュエータは、前記収納部材内で前記放熱部材回りに流通抵抗少なく流通可能 に該圧電アクチュエータの冷却を司る冷却媒体を設けたことにより、当該冷却媒 体を通じて作動による積層型圧電アクチュエータの発熱を速やかに冷却すること ができる。このため、本考案の積層型圧電アクチュエータは、温度変化を的確に 小さくすることができ、安定、円滑に積層型圧電アクチュエータの適正な変位量 を得る実用上優れた作用効果を奏する。

【０００６】 ここで、前記電極板は鉄系や銅系の材料が用いられるが、これらの熱伝導率は 絶縁油として用いられるシリコン油より二桁、圧電体より一桁ほど熱伝導率が良 好である。前記電極板はその一部に放熱部材を圧電体より大きくして配設し、そ の周囲に冷却媒体としての絶縁油を流通抵抗少なく効率良く流通することができ る。また、電気的に結合されている電極板のうち一方のみ（たとえば接地側）を 圧電体より大きく構成し、その周囲を絶縁性の高い樹脂等で固定すれば冷却媒体 は特に絶縁性の高いものを用いる必要はない。電気的に結合されている電極板の うち一方のみ（たとえば接地側）を圧電体より大きく構成し、収納部材としての ケース等の収納部材内に封入する。この場合、電極板はケース等の収納部材に接 触させるか、近接させる構成とすることができる。

【０００７】

【実施例】

以下、本考案の積層型圧電アクチュエータの一実施例を図面を参照して説明す る。

【０００８】

【第１実施例】 図１乃至図３に示す第１実施例の積層型圧電アクチュエータ1 は、電極板２ａ 、両側に電極３を印刷または塗布した円盤状の圧電体４、電極板２ｂ、圧電体４ の順番で数十枚から数百枚を積層して成り、それぞれの厚さは、電極板２ａ、２ ｂが数十μｍ〜数百μｍ、電極３が数μｍ〜数十μｍ、圧電体４が数百μｍであ る。電極３の径は圧電体４と同じかまたはやや小さく構成されている。電極板２ ａ、２ｂは一部が圧電体４より外側に張り出した放熱部材としてのフィン５を形 成され、その外側には突起部５ａ、５ｂが形成されて積層の方向に折曲形成され ている。電極板２ａ、２ｂ内側の径は電極３の径とほぼ同様に構成されている。 電極板２ａと２ｂの形状は同じであるが、積層する際、互いに位置をずらして、 例えば本第１実施例では電極板２ａと２ｂが互いに９０°位置をずらして設置さ れている。電極板２ａ、２ｂは一枚おきに半周以下の突起部５ａ、５ｂで一体的 に接合されており、それぞれ接合された電極帯６ａ、６ｂから１本ずつ、計２本 のリード線７が外側に引き出され図示しない電源と導電性良好に接続されている 。積層体１ｂの両端には絶縁性確保と応力均一化のためのセラミックプレート８ ａ、８ｂが配設されている。アクチュエータ１は突起部５ａ、５ｂの接合で一体 化されているが、さらに樹脂等により接合して強化を図ってもよい。ただし、樹 脂等で接合しても電極板２ａ、２ｂの圧電体４より外側に張り出した部分は樹脂 より外側に突設してなる。このアクチュエータ１は空気や絶縁油等の冷却媒体９ の中で使用するが、図２のような収納部材としての中空円筒状のケース１０に入 れポート１１、１２に冷却媒体９を供給し循環流通させて使用しても良い。この 場合、フィン５を図３のように所定角度傾斜させて構成することにより、冷却媒 体９をフィン５に沿わして効率良く流通推進することができる。

【０００９】 上記構成からなる第１実施例の積層型圧電アクチュエータ1 は、電源により、 電極板２ａ、２ｂに電位差を与えると、この電位差によって圧電体４には歪みが 生じる。この電位差が交番的であることにより、アクチュエータ１の変位は図７ のようなヒステリシスループを持つ。このヒステリシスによりアクチュエータ１ は発熱することとなる。しかし、上記構成からなる第１実施例の積層型圧電アク チュエータ１は、前記電極板２ａ、２ｂに設けたフィン５を圧電体４よりも外側 に張り出して配設したことにより、電極板２ａ、２ｂを通じて作動による積層型 圧電アクチュエータ１の発熱を速やかに放熱して効率良く冷却を図ることができ る。また、第１実施例の積層型圧電アクチュエータ１は、前記フィン５の回りに 電気絶縁可能で該圧電アクチュエータ１の冷却を司る冷却媒体９を流通自在に設 けたことにより、当該冷却媒体９を通じて作動による積層型圧電アクチュエータ １の発熱を速やかに冷却することができる。このため、第１実施例の積層型圧電 アクチュエータ１は、温度変化を極めて小さくすることができ、安定、円滑に積 層型圧電アクチュエータ１の適正な変位量を得る実用上優れた作用効果を奏する 。

【００１０】

【第２実施例】 図４乃至図６に第２実施例の積層型圧電アクチュエータ２１の構成を示す。こ の第２実施例は、電極板２２ａ、２２ｂの一方、例えば、２２ｂのみの一部を圧 電体２４より外側に張り出したフィン２５の形状が特徴である。その他の構造は 、第１実施例と同様である。本第２実施例では、放熱に使われるフィン２５の電 位は全て等電位となるので、フィン２５を具備する電極板２２ｂの電位が常に接 地電圧になるように選択すれば、電極板２２ａ、２２ｂ間の絶縁が確実で容易に なる。この場合の冷却は、第１実施例のように、アクチュエータ２１に直接的に 冷却媒体２９を流すか、または図５に示すように、フィン２５の端面２５ｂと電 極帯２６ｂのみが外側に露出するように、アクチュエータ２１全体を絶縁性の高 い樹脂２３等で覆着して、その外側を冷却する構成としても良い。このように構 成することにより、冷却媒体２９の絶縁性の問題は解消し得て、水等の利用が可 能となる。また、図６のような金属材料から成るケース２０に収納し、フィン端 面２５ｂとケース２０の内面を接触させることにより、機構部等への取り付けも 容易で、かつ、ケース２０自体を冷却することで、熱を効率良く的確に逃がすこ とができ冷却効率の向上を図る実用上の作用効果を奏する。

【００１１】 上記構成からなる第２実施例の積層型圧電アクチュエータ２1 は、電源により 、電極板２２ａ、２２ｂに電位差を与えると、その電位差によって圧電体２４に は歪みが生じる。電位差が交番的であることにより、アクチュエータ２１の変位 は図７のようなヒステリシスループを持つ。このヒステリシスによりアクチュエ ータ２１は発熱することとなる。しかし、第２実施例の積層型圧電アクチュエー タ２１は、前記電極板２２ａ、２２ｂに設けたフィン２５を圧電体２４よりも外 側に張り出して配設したことにより、電極板を通して作動による積層型圧電アク チュエータ２１の発熱を速やかに放熱して効率良く冷却を図ることができる。ま た第２実施例の積層型圧電アクチュエータ２１は、前記フィン２５の回りに該圧 電アクチュエータ２１の冷却を司る冷却媒体２９を流通自在に設けたことにより 、当該冷却媒体２９を通して作動による積層型圧電アクチュエータ２１の発熱を 速やかに冷却することができる。このため、第２実施例の積層型圧電アクチュエ ータ２１は、温度変化を小さくすることができ、安定、円滑に積層型圧電アクチ ュエータ２１の適正な変位量を得る実用上優れた作用効果を奏する。

【００１２】 ところで、図８、図９に本考案のアクチュエータ１、２１と従来のアクチュエー タ３１、４１の熱の流れと温度の関係をそれぞれ示す。アクチュエータは共にケ ースに入ったもので、本考案は第１実施例の図６図示のアクチュエータ１を例に とった。図８、図９は共にアクチュエータの一部断面をそれぞれ示している。な お、アクチュエータで発熱するのは圧電体のうち、電極で電界が与えられる領域 のみである。そして、従来のアクチュエータ３１は、熱は圧電体３２電極板３３ 、樹脂（絶縁油）３９、ケース３７やチューブを伝わって外部へ逃げるが、圧電 体３２の熱伝導率は電極板３３より一桁、樹脂( 絶縁油）３９は二桁小さいので 、圧電体３２とケース３７やチューブとの間で熱が伝わりにくく、温度勾配が大 きい。そのため、内部温度はケース３７やチューブの温度に比べてかなり高くな る。一方、第１および第２実施例によれば、熱伝導率の高い電極板２ｂ、２２ｂ をアクチュエータ１、２１の外側まで延在し、ケース１０、２０に近接させてい るので、熱は逃げやすく、内部温度もケース１０、２０の温度に近く保つことが でき温度変化を小さくする実用上優れた作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータを示す斜視図。

【図２】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータのケースを示す斜視図。

【図３】 本考案の第１実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの要部構成を示す斜視図。

【図４】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの要部構成を示す斜視図。

【図５】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータのケースを示す斜視図。

【図６】 本考案の第２実施例に係る積層型圧電アクチ
ュエータの全体構成を示す斜視図。

【図７】 本考案に係る積層型圧電アクチュエータの変
位と電極板間の電位差を示す線図。

【図８】 従来の積層型圧電アクチュエータにおける温
度と熱の流れの関係を示す線図。

【図９】 本考案に係る積層型圧電アクチュエータの温
度と熱の流れの関係を示す線図。

【図１０】 従来の積層型圧電アクチュエータを示す斜
視図。

【図１１】 従来の積層型圧電アクチュエータ断面概要
を示す説明図。

【図１２】 その他の従来の積層型圧電アクチュエータ
要部構成を示す斜視図。

【図１３】 その他の 従来の積層型圧電アクチュエー
タ全体構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１、２１、３１、４１・・・積層型圧電アクチュエー
タ、２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３３、４４・・・電
極板、 ４、２４、３２、４２・・・圧電体、５ａ、５
ｂ・・・突起部、６ａ、６ｂ・・・電極帯、
７、２７、３６・・・リード線、１ｂ・・・積層体、８
ａ、８ｂ・・・セラミックプレート 、９、２９・・・
冷却媒体、１０、２０・・・ケース、４７・・・チュー
ブ、１１、１２・・・ポート、

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 壁部内に中空の収納部を有する収納部材
   と、 厚み方向に分極処理を施した薄い圧電体と、 該圧電体に電界を加えるため電源に接続して成る電極板
   と、 前記収納部材に収納され前記圧電体と電極板とを複数交
   互に積層して積層体を構成し当該圧電体に電界を加えて
   変位量を得る圧電アクチュエータであって、 前記複数交互に積層される電極板に圧電体より外側に突
   出し、かつ互いの隣接関係が異種面内に配設され、該圧
   電アクチュエータの冷却を司る放熱部材と、 前記収納部材内で該電極板を外側に突出させた該放熱部
   材回りに流通自在に設けられ該圧電アクチュエータの冷
   却を司る冷却媒体とから成ることを特徴とする積層型圧
   電アクチュエータ。