JP4843143B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、層状に積み重ねられた圧電材料層とその間に介在する金属性ないし導電性の電極として用いられる層からなる多層ラミネート構造のアクチュエータ本体を有しており、該アクチュエータ本体の外套側長手方向で交互に相対する金属性の外部電極は、少なくともフラットな電極ストライプの形状でコンタクトしており、さらに前記外部電極は、圧電アクチュエータに電圧を印加するための電気的接続線路とコンタクトしている、圧電アクチュエータ、例えば自動車における制御バルブ又は燃料噴射バルブの操作のためのアクチュエータに関している。
【０００２】
この種の圧電アクチュエータは、例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 196 50 900 A1 明細書（ロバート・ボッシュ社）から公知である。
【０００３】
この種の圧電形多層アクチュエータは、その電極層にパルス状の電圧が引火されると、その２つの端面の間の間隔の変化のもとに同じようにパルス状のストローク動作を行う。前記ドイツ連邦共和国特許出願 DE 196 50 900 A1 明細書では、電極層に電圧を伝送する、アクチュエータ本体長手方向の外套側の両サイドに存在する外部電極がアクチュエータ本体のアクティブ領域を覆っている。
【０００４】
圧電式多層アクチュエータの稼働中は、圧電セラミック（例えばジルコン酸チタン酸鉛）からなる積層薄膜と金属性ないし導電性の電極層との間の引っ張り強さが僅かなため、層割れが生じ、これは外部電極外方へひび割れとして伝わり電流遮断を引き起こしかねない。
【０００５】
本発明の課題と利点
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の圧電多層アクチュエータにおいて、電流遮断を引き起こす外部電極へのひび割れが解消され、それによって電気的なコンタクトの保証と圧電アクチュエータの寿命向上が達成されるように改善を行うことである。この課題は請求項１の特徴部分に記載の本発明によって解決される。
【０００６】
本発明の主要なポイントは、アクチュエータ本体に直接接する扁平な電極ストライプが、橋絡形の付加電極と接続され、この付加電極が狭幅な弾性脚部を介して多数の箇所で扁平な電極ストライプとコンタクトすることである。
【０００７】
有利には、この付加電極は、電極ストライプ（３）に対して並列に存在する櫛形構造背面部とその側方に接続される並列の先端列を有し、その先端部は弾性脚部を形成し、フラットな電極ストライプとコンタクトされる。
【０００８】
そのような櫛形二重構造の付加電極の利点は、その弾力性に富んだ薄い櫛形先端部によって電極ストライプへの固定が簡単でかつ確実となることである。特にコンタクトに対しては任意の厚さのはんだ層が有利であり、これはアクチュエータ本体からの熱の放出にも用いられる。
【０００９】
櫛形二重構造部の多岐に亘る構成の可能性は、最適な固定と、製造の容易さと、フラットな電極ストライプへの櫛形二重構造の付加電極の固定の最適なコントロールを可能にする。
【００１０】
この付加電極として機能する櫛形二重構造部は、アクチュエータ本体におけるフラット形電極ストライプへの配設の後に固有の安定性を生ぜしめる。この安定性はエラストマーの添加によってさらに高めることも可能である。２つの櫛形構造からなる列は圧電アクチュエータの寿命に関しても、場合によって生じるひび割れに対する高い安全性を提供する。
【００１１】
ほぼ遮蔽構造の櫛形構造背面部と熱放出機能を有するエラストマーは、アクチュエータ本体の冷却を可能にしている。
【００１２】
本発明による圧電アクチュエータは、有利には自動車におけるディーゼルエンジン燃料噴射装置もしくはガソリンエンジン燃料噴射装置に利用できる。そのような圧電アクチュエータは、有利には、通常の燃料噴射装置のもとで調節機構として用いられる電磁システムに取って代わることが可能である。なぜなら切換が迅速だからである。
【００１３】
本発明のさらに別の有利な実施例は従属請求項に記載されており、図面に基づいた以下の説明でも明らかとなる。
【００１４】
図面
図１は、本発明による圧電アクチュエータの、櫛形二重構造の付加電極を備えた実施例の概略的な透視図であり、
図２は、図１による有利な実施例の平面図であり、
図３から図９は、様々な櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した実施例であり、
図１０ＡおよびＢは、本発明によるワイヤを用いた櫛形二重構造の付加電極に対する２つの可能な製造方法を概略的に示した図であり、
図１１ＡおよびＢは、本発明により代替的にブラシ構造で実施された付加電極の例を概略的に示した図である。
【００１５】
実施例
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図１には、櫛形二重構造の付加電極５を備えた圧電アクチュエータの第１実施例が透視図で示されている。この一例としての矩形状のアクチュエータ本体１は、順次積層された圧電材料層とその間に介在する金属性ないし導電性の電極として用いられる電極層２ａ，２ｂからなる多層ラミネート構造で設けられている。これらの電極層２ａ，２ｂは、アクチュエータ本体１の外套側長手方向にて相対する金属性外部電極３，５によって交互にコンタクトし、電気的接続線路７に接続されている。この接続線路は櫛形二重構造の付加電極５に接続されている。
【００１６】
既に前述したように、そのような圧電多層アクチュエータの稼働においては引っ張り耐力が僅かなためにセラミック圧電材料と金属性内部電極の間で層割れが生じ得る。これはフラットな電極ストライプ３外方へひび割れとして伝わり電流遮断を引き起こしかねない。そのようなひび割れの例は図中にも符号４で示されている。櫛形二重構造の形態で形成された付加電極５によって、図中に示されているひび割れ４に起因する電流中断が橋絡され得る。この付加電極５は、フラット形電極ストライプ３に並列に存在する櫛形構造背面部１０と、この背面部１０から対応するフラット形電極ストライプ３に向けてほぼ直角に折り曲げられた２つの先端縁部とからなっている。この場合該縁部の狭幅な先端６がフラットな電極ストライプ３と電気的にコンタクトする。櫛形二重構造部の狭幅な先端６は、多数の弾性脚部を形成している。この脚部はアクチュエータのシフトに起因するアクチュエータ本体１の移動を弾性的に懸架し、それによって付加電極５とフラットな電極ストライプ３との確実なコンタクトが保証される。これらの弾性的先端６は、フラットな電極ストライプ内部に挿入されてもよいし、その表面で例えばろう付け、溶接、ボンディングなどによって固定されてもよい。
【００１７】
図１の透視図からは、矩形状の圧電アクチュエータ構造の片側のみが明らかである。
【００１８】
図２には、そのような圧電アクチュエータの概略的な平面図が示されており、この場合２つの櫛形二重構造の付加電極５が、アクチュエータ１外套側にて相互に対向し、それぞれがフラットな電極ストライプ３との電気的コンタクトをなしている。
【００１９】
以下では本発明による、付加電極５として使用される櫛形二重構造電極の様々な形態を図３から図９に基づいて説明する。図３には、扁平な櫛形構造背面部１０と、それから９０゜折り曲げられている先端部６および前記背面部上の複数の孔部８を備えたフラットな櫛形二重構造電極が示されている。
【００２０】
図４に示されているように、当該櫛形二重構造部の安定化および/または外部への熱の放出のために、必要に応じて前記孔部８を通して、プラスチックや接着剤もしくはエラストマー９（図４参照）を注入することができる。
【００２１】
図５には付加電極５として用いられる櫛形二重構造電極のさらなる別の実施例が示されており、この場合櫛形先端６は扁平な櫛形構造背面部１０からごく僅かだけ電極ストライプ３まで湾曲され、その各終端区分がそれぞれの電極ストライプ３と電気的にコンタクトしている。この固定は、ろう付け（ハードもしくはソフト）、レーザー溶接、ポイント溶接、摩擦溶接、ボンディングなどで行える。外側に向けて延在する櫛形先端６の固定の状態レベルは、容易にコントロール可能である。
【００２２】
図６には付加電極５として適している櫛形二重構造電極のさらに別の実施例が示されている。この場合は、扁平な櫛形構造背面部１０の両側にある先端６が、まず櫛形構造背面部１０から９０゜、電極ストライプ３の方向に折り曲げられ、その後で内側に向けて電極ストライプ３と並行するように折り曲げられている。
【００２３】
図７には付加電極５として適している櫛形二重構造電極のさらに別の実施例が示されており、この場合は、櫛形構造背面部１０と先端６がほぼ１つの平面内におさめられている。ろう付け（はんだが用いられている場合に）が全ての面に及ぶのを防ぐために、櫛形構造背面部１０下方の中央にはろう付け停止層１３が被着される。このろう付けプロセスが用いられない時には、エラストマー層として構成されるスペーサ１３が、フラットな電極ストライプ３と櫛形構造背面部１０との間の所要の間隔を維持する。ＰＴＦＥ層１３もしくはそれに類似した材料の層は、さらに摩耗保護層もしくは緩衝層として用いられてもよい。
【００２４】
図８には、付加電極５として適している本発明による櫛形二重構造電極のさらなる有利な実施例が示されており、この場合は、半円状もしくは楕円状の断面形状に湾曲した櫛形構造背面部１１が設けられている。
【００２５】
図９Ａ，９Ｂ，９Ｃには、本発明による圧電アクチュエータに対する付加電極５として適した櫛形二重構造電極のさらに別の有利な実施例が示されており、この実施例は図６に類似した形状を有しており、扁平な櫛形構造背面部１０の両側がそれぞれ当該櫛形構造背面部１０に対してほぼ９０゜に折り曲げられている。
【００２６】
図９のＡには、スペーサもしくははんだ停止層１３が示されている。
【００２７】
図９のＢには、スペーサないしはんだ停止層１３の代わりに、コーナを越えてほぼ櫛形構造の先端６にまで達するエラストマーないしはプラスチックプレート１３ａが用いられている。
【００２８】
図９のＣには、付加電極５として適した任意の断面形状（矩形、円形、楕円形）の櫛形二重構造電極の基本的な平面図が示されており、この場合は、弾性脚部として用いられる櫛形先端６がそれぞれ櫛形構造背面部１０ないし１１の両側にて、櫛形二重構造部の長手方向での先端６間隔の半分の間隔ｄだけずらされている。アクチュエータ本体１内で生じたひび割れ１４は、大抵は直進し（つまりアクチュエータ本体１の外縁に対して９０゜の角度で）外部電極のフラットな電極ストライプ３を通って延在する。櫛形先端６の半分の間隔ｄ分のずれによって、ひび割れは一方の先端のみに影響を与えるだけで、対向するずらされた先端は完全な固定を維持し続ける。先端間隔２ｄと先端間隙ｂは、相対向する２つの脚部６間にひび割れが走らないように、可及的に小さなひび割れ間隔に適合化可能である。
【００２９】
これまでに記述してきた付加電極５として適した櫛形二重構造部の製造は、例えば適材としての金属板からの適した櫛形二重構造部の打ち抜きと、２つの先端列の曲げ加工によって実施されてもよい。また代替的に非常に微細な櫛形二重構造を適材たる金属薄板からのレーザー裁断加工によって制作してもよい。
【００３０】
図１０のＡとＢには、付加電極５として適した櫛形二重構造部に対する比較的簡単な製造方法のさらなる例が示されている。それに対して図１０Ａによれば、ワイヤ１５が薄板上にボンディングもしくは溶接或いはろう付けされ、引続きこのワイヤの端部１７が裁断される。このようにすれば、付加電極として本発明による圧電アクチュエータに適した櫛形二重構造部が非常に狭幅な先端６を伴って形成される。
【００３１】
図１０のＢによれば、代替的に付加電極５として本発明による圧電アクチュエータに適した櫛形二重構造部が金属性の網から形成される。それに対しては、横方向の金属弦１８が十分に大きな間隔ｃだけ側方から引き出される。それにより櫛形二重構造が形成される。
【００３２】
ここまでの説明では、付加電極５に対して種々異なる形状の櫛形二重構造電極の構成を記述してきたが、しかしながら図１１Ａによれば、ブラシ状の構造部１９が代替的な付加電極５として用いられている。これは、フラットな金属性ブラシ背面部１２からほぼ直角方向に突出した弾性の金属毛２０を有しており、その端部は図１１Ｂによれば電極ストライプ３とコンタクトしている。
【００３３】
前述した全ての実施例では、付加電極５として用いられる櫛形二重構造部の櫛形先端もしくは図１１によるブラシ状構造部の金属毛は、硬質もしくは軟質はんだでろう付けされるか、レーザー溶接、ポイント溶接、摩擦溶接あるいはボンディングなどによって接続される。さらに導電性接着剤を用いた接合も可能である。前記したろう付け、溶接もしくはボンディングプロセスでは、櫛形構造背面部またはブラシ状構造背面部から突出する先端ないし金属毛と電極３との接続が容易にコントロールできる。
【００３４】
それにより前記狭幅な櫛形構造先端ないし金属毛に基づいて、フラットな電極ストライプ３への付加電極の容易でかつ確実な固定が達成される。ろう付け層の厚さも任意に利用できる。前記櫛形構造先端ないし金属毛の種々異なる実施形態は、最適な固定と、低コストな製造及び電極ストライプ３への当該櫛形構造先端ないし金属毛の固定の確実なコントロールを可能にする。大抵はセラミックよりも大きい付加電極５の熱膨張に対しても、付加電極５と電極ストライプ３の間の接触接続が小さいため僅かな摩擦圧しか生じなく、これによって故障に対する耐力も飛躍的に向上する。
【００３５】
本発明による付加電極は、フラットな電極ストライプに取付け後のその形状によって、あるいは付加的に設けられるエラストマー層によって、十分な固有の安定性を得ることができる。櫛形二重構造は、多種多様な手法で低コストな製造が可能である。付加電極として適した櫛形電極は有利には、２つの先端列を有しているため、この櫛形電極の可及的に多くの先端と、対応する電極ストライプとの導電的な接続には高い安定性が与えられる。開口部８からみてほぼ閉じられた形状の金属性の櫛形二重構造部の背面部と、場合によって設けられる熱伝導性エラストマーは、アクチュエータ本体の良好な熱放出手段としても達成可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による圧電アクチュエータの、櫛形二重構造の付加電極を備えた実施例の概略的な透視図である。
【図２】 図１による有利な実施例の平面図である。
【図３】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図４】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図５】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図６】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図７】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図８】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図９】 櫛形二重構造の付加電極とその電極ストライプへの固定の様子を示した有利な実施例である。
【図１０】 ＡおよびＢは、本発明によるワイヤを用いた櫛形二重構造の付加電極に対する２つの可能な製造方法を概略的に示した図である。
【図１１】 ＡおよびＢは、本発明により代替的にブラシ構造で実施された付加電極の例を概略的に示した図である。

Claims (16)

1. 圧電アクチュエータであって、
   層状に積み重ねられた圧電材料層とその間に介在する金属性ないし導電性の電極として用いられる層（２ａ、２ｂ）からなる多層ラミネート構造のアクチュエータ本体（１）を有しており、該アクチュエータ本体（１）の外套側長手方向で交互に相対する金属性の外部電極（３，５）は、少なくともフラットな電極ストライプ（３）の形状でコンタクトしており、さらに前記外部電極（３，５）は、圧電アクチュエータに電圧を印加するための電気的接続線路（７）とコンタクトする形式のものにおいて、
   前記外部電極（３，５）がその他に、狭幅な弾性脚部（６）を介してフラットな電極ストライプ（３）の多数の箇所にコンタクトする付加電極（５）を有しており、
   前記付加電極（５）は、電極ストライプ（３）に対して並列に存在する櫛形二重構造部を形成しており、該櫛形二重構造部は、櫛形構造背面部（１０，１１）とそれに続く２つの並行した側方先端列を有し、該側方先端列の先端（６）は弾性脚部である、
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記付加電極（５）は、電極ストライプ（３）に対して並列に存在しかつ等間隔の弾性脚部を形成する先端（６）を備えた櫛形の帯状部を形成している、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記先端（６）は、櫛形構造背面部（１０）から電極ストライプ（３）方向へほぼ直角に折り曲げられており、さらに前記先端（６）の終端部のみがそれぞれの電極ストライプ（３）にコンタクトしている、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記先端（６）は、櫛形構造背面部（１０）から電極ストライプ（３）方向へ浅い角度で折り曲げられており、さらに前記先端（６）の終端区分がそれぞれ電極ストライプ（３）にコンタクトしている、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記櫛形構造背面部（１１）の両側先端（６）は、ほぼ半円状または楕円状の断面輪郭を有している、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
6. 櫛形構造背面部（１４）の両側先端（６）は、ほぼ１つの平面内に存在する、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記櫛形構造背面部（１０，１１）と対応する電極ストライプ（３）の間にスペーサ（１３）が設けられている、請求項１から６のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記スペーサ（１３）は、エラストマーマウントとしてまたははんだ停止層として形成される、請求項７記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記等間隔の先端（６）は、前記櫛形構造背面部（１０，１１）両側において、櫛形二重構造部の長手方向で当該先端（６）の半分の間隔分だけずらされている、請求項１から８のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記櫛形背面部（１０，１１）は、多数の孔部（８）を有している、請求項１から９のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記付加電極（５）にそれぞれ接続線路（７）が接続されている、請求項１から１０いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記付加電極（５）の弾性脚部ないし先端部（６）は、はんだ層によって電極ストライプとろう付けされている、請求項１から１１のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
13. 前記付加電極（５）の弾性脚部ないし先端部（６）は、導電性接着層によって電極ストライプ（３）と接続されている、請求項１から１１のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
14. 前記付加電極（５）の弾性脚部ないし先端部（６）は、レーザー溶接によって電極ストライプ（３）と接続されている、請求項１から１１のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
15. 前記付加電極（５）の弾性脚部ないし先端部（６）は、電極ストライプ（３）とボンディングされている、請求項１から１１のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
16. 前記圧電アクチュエータは、自動車における制御バルブ又は燃料噴射バルブの操作のためのアクチュエータである、請求項１から１５のいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。

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