JPH0732271B2 - 積層型圧電体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子からなる圧電板を複数枚積層して形
成され、印加される電圧に応じて伸縮し、各種アクチュ
エータとして用いられる積層型圧電体に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、例えば特開昭59-135784号公報に示される積層型
圧電体では圧電素子よりなる圧電板を複数枚積層して圧
電板積層体を構成し、この圧電板積層体に電圧を印加す
ることにより、積層方向に圧電板積層体を伸縮せしめて
いる。この圧電板積層体の一端は固定され、他端側には
可動ピストンが配され、圧電板積層体の伸縮量をこの可
動ピストンに伝達せしめている。

このような積層型のアクチュエータは非常に応答性がよ
く、また高荷重に耐える得るものとして知られており、
例えばディーゼル噴射ポンプ等のスピル弁など、高圧力
流体の切り換え作動を行う高圧切換弁等として用いられ
ることが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕 この積層型アクチュエータの圧電板は例えば、セラミッ
ク等の比較的脆い材料から構成されており、圧電板積層
体の端面に配した移動ピストンに高荷重が作用した場合
にはこの圧電板がひび割れてしまうという問題が生じ
た。

そこで、この圧電板のひび割れ問題についてその原因を
追求すべく本発明者等が種々検討を行った結果、圧電板
積層体の両端面に配される部材の圧電板積層体との当接
面の平面度に原因があることを突き止めた。すなわちこ
の両端部に配される部材の当接面が完全な平面ではな
く、非常に微小ながら凹凸形状を呈していると、この両
端部配設部材に高荷重が加わった場合に圧電板に偏った
圧力が作用することになる。すなわち、この偏った荷重
により圧電板に例えば曲げ荷重等が作用し、この結果と
して圧電板が破損してしまうのである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上述したような圧電板の割れといった問題を
解決することを目的としており、本発明は電圧印加され
ることにより伸長もしくは収縮する圧電板を伸縮方向に
複数積層してなる圧電板積層体と、該圧電板積層体の積
層方向端部に配される絶縁板と、前記圧電板積層体の外
周囲を覆うケースと、前記絶縁板のほぼ全面と当接する
当接面を有し、該当接面が10μｍ以下の平面度を有する
板部材とを具備したものである。

〔作用および効果〕

本発明では、絶縁板、圧電板へ伝達されようとする偏荷
重を上記平面度を有する板部材により遮断して該偏荷重
が絶縁板、圧電板へ伝達されないようとするものであ
る。

従って、圧電積層体の端部側の板部材に高荷重が作用し
た場合であっても、該板部材における絶縁板との当接面
が10μｍ以下の平面度に設定されているため、高荷重は
該板部材にて均一に絶縁板、圧電板に伝達され、結果と
して圧電板積層体に曲げ荷重等の偏った荷重が作用する
ことがない。

このため、圧電板の割れといった問題を解決することが
できる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図に基づきながら説明する。

第１図は本実施例の積層型圧電体を示す断面図である。
複数枚の圧電板を積層してなる圧電板積層体１の積層方
向両端部には圧電板と同一平面形状を有する絶縁板２が
それぞれ配されている。この絶縁板２には電気的絶縁材
料より構成されるもので、例えばセラミック等の材料よ
り構成される。

この圧電板積層体１には電圧を供給するためのリード線
８が半田付などの手段により接続されている。そして、
このリード線８が接続された圧電板積層体１の外周囲に
はリード線８の接続部を抑えるようにしてチューブ３に
よって被覆されている。このチューブ３は熱を加えるこ
とにより収縮するもので、リード線８が接続された圧電
板積層体１の外周囲にまず所要の間隙をもって被覆し、
その後熱を加えることによりリード線８を押さえながら
圧電板積層体１の外周囲に密着被覆するものである。

両端部に積層板２が配された圧電板積層体１のさらに外
方端部には上カバー６（板部材）と下カバー７（板部
材）がそれぞれ配されている。そして、圧電板積層体１
の外周囲はケース４によって被覆されている。

上カバー６は円形皿状をなすもので、第３図にその形状
を示す。第３図の（ａ）は上カバー６の平面図、第３図
の（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。円板皿状をなす上
カバー６には前述の絶縁板を受入るための円形受け部60
3が形成され、またこの円形受け部603と上カバー上面と
を連通するリード線挿入穴602が２箇所穿設されてい
る。また、上カバー６の該周囲には前述のケース４との
接合部においてシールを行うＯリング５を受入るための
Ｏリング受入溝601が形成されている。

下カバー７も円形皿状をなすもので、第４図にその形状
に下カバー単体の形状を示す。第４図の（ａ）は下カバ
ーの平面図で、第４図の（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
この下カバー７にも圧電板積層体１の端部と絶縁板２を
受入るための円形受部702が形成されており、またその
外周囲にはケース４との当接面においてシールを保つＯ
リング５を受入るためのＯリング受入溝701が形成され
ている。なお、第１図から明白なように上カバー６及び
下カバー７は絶縁板２のほぼ全面と当接する当接面を有
している。

ケース４は圧電板積層体１の外周囲及び上カバー６、下
カバー７の外周囲を覆うためのもので円筒形状をなして
おり、その断面形状を第５図に示す。この第５図からも
判るようにケース４の一端部側には下カバー７を受入る
ために径が大きくなった下カバー受入部401が形成さ
れ、また他端部には上カバー６を受入るために内径が広
がった上カバー受入部403と、この上カバー受入部403と
隣接して設けられ、上カバー受入部403よりは内径が狭
くなったリード線接合部受入部402が形成されている。

なお、上述したようにケース４と上カバー６との当接面
には互いのシールを行うためのＯリング５が配され、ま
た同じくケース４と下カバー７との当接面にはＯリング
５が配されている。

圧電板積層体１に接続されたリード線８は絶縁板２の外
周囲を通り、上カバー６に形成したリード線貫通穴602
を通って外部の電源に接続されている。このリード線８
とリード線貫通穴602との間にはリード線８を固定する
ためのスペーサ９が配されており、またこの上カバー６
の上面部ではシール材10によりリード線８の固定がなさ
しめられるとともに、このリード線８とリード線貫通穴
602との間を通って水等が浸入するのを防ぐためのシー
ル材10が充填されている。

次に、圧電板積層体１の構成について圧電板積層体１の
分解図である第２図に基づいて説明する。圧電板101はP
ZTセラミック等よりなり、直径約15mm、厚さ0.5mmの円
板状部材よりなる。この圧電板101の表面及び裏面には
銀ペースト等を印刷することにより、金属電極103が形
成されている。

この金属電極103が印刷された圧電板101の上下面には金
属板105が配されている。この金属板105は圧電板101と
ほぼ同一の平面形状を有する円板部材であり、その外周
部には下方に向かって折れ曲がる３つの舌状片107が３
箇所等間隔に形成されている。

このような金属電極103が表面、裏面に形成された圧電
板101と金属板105とをそれぞれ交互に積層することによ
り、圧電板積層体１が形成されている。なお、圧電板10
1を挟んで互いに隣接する金属板105はその舌状片107が
互いに60度づれた位置に配されている。そしてこの金属
板105は１つ置きに位置する各金属板の舌状片107がリー
ド板113によって連結されている。この舌状片107とリー
ド板113とは半田付あるいは溶接等の手段により連結さ
れている。

前述のリード板113の任意の一つは上方に向かってその
長さが延長され、電極端子115を形成している。また、
この電極端子115が連結された一連の金属板105と異なる
他の一連の電極板105に連結されたリード板113のうち任
意の一つは同じように上方に向けて延長され、電極端子
117を構成している。そして、この電極端子115,117のう
ちどちらか一方（分極によって決まる）にリード線８を
介してプラスあるいはマイナスの電圧が印加され、また
他方は同じくリード線８を介してアースに接地されてい
る。

銀ペースト等を印刷することによって金属電極103は直
径が約13mm、厚さが３〜10μの円形薄膜形状をなしてい
る。まず、銀ペーストに有機溶剤を混合することによっ
て希釈し、この希釈した銀ペーストを圧電板101の表面
及び裏面にスクリーン印刷する。そして、しかるのちに
500〜650℃で焼付を行うことにより圧電板101の表面及
び裏面に金属電極103が形成される。

上述の上カバー６及び下カバー７は金属材料より成形さ
れるもので、ケース４の上カバー受入部403及び下カバ
ー受入部401内を積層方向に移動可能な状態で嵌入され
ている。また、この上カバー６及び下カバー７の絶縁板
２との当接面はその平面度が10μｍ以下となるよう高平
面度に仕上げられている。

第６図は本実施例における上カバー６及び下カバー７の
平面度と圧電板の割れ発生率との関係を示すもので、上
カバー或いは下カバーに500kgの荷重が作用し、各圧電
板に−200V〜＋500Vの電圧を印加せしめ、圧電板積層体
を伸縮を繰り返す時の結果を示すものである。この場合
平面度とは上カバー６或いは下カバー７の絶縁板との当
接面において最も上方に突出した部分と最も下方に陥没
した部分との高低差を表している。

第６図はこのような平面度と圧電板の割れ発生率との関
係を示すものであるが、この図からもわかるように平面
度が10μ以下の場合には圧電板の割れは発生しておら
ず、平面度が10μ以上になると急激に割れ発生率が増加
していることになる。

この結果より本実施例では上カバー及び下カバーの当接
面における平面度を10μ以下に設定しているのである。
なおこの平面度の値は上カバー及び下カバーの材質ある
いはそれに作用する荷重によって異なった値を示すもの
であり、その使用条件において圧電板に偏った荷重が作
用しない程度に高平面度に仕上げておく必要がある。

尚、本実施例では上カバー６、下カバー７を炭素鋼（S4
5C）またはステンレス鋼の材質より構成している。

次に、本実施例の作動について説明する。リード線８を
介して圧電板積層体１を構成する各圧電板に約300〜500
Vの高電圧を印加させる。この高電圧の印加により各圧
電板はその厚み方向に伸長し、圧電板積層体１全体とし
ても数十μの伸長量でもって積層方向に伸長する。この
圧電板積層体１の伸長を絶縁板２を介して上カバー６、
下カバー７はそれぞれ受け、圧電板積層体１の積層方向
外方に向かって数十μ移動する。これにより上カバー
６、或いは下カバー７に面して配される被駆動部材（例
えば密閉された作動油）に、駆動力が伝達される。

この場合上カバー６、或いは下カバー７には約1500kgの
高荷重が作用するが、この荷重は絶縁板を介して圧電板
積層体１に作用する。しかしながら、上述したように上
カバー６、及び下カバー７の絶縁板２との接合面は10μ
ｍ以下に仕上げられているので、例えこれら上下カバー
6,7に高荷重が作用しても圧電板積層体１に偏った荷重
が作用することはなく、常に均一な荷重が圧電板積層体
に作用することになるので、その結果として圧電板積層
体１にムリな荷重が作用することがなく、割れが発生す
ることはない。

また、圧電板積層体１には非常に高電圧が作用している
ので、この圧電板は完全に外部より絶縁しなければなら
ず、また圧電板積層体内に塵や埃或いは水などの浸入を
防ぐことが重要な課題となっている。そこで本実施例で
は圧電板積層体１の外周をケース及び上下のカバー6,7
により完全に保護しているので、外部との絶縁を良好に
保つことができるとともに、外部からの水或いは塵、埃
等の浸入を完全に防止しているのである。

次に本発明の他の実施例について説明する。第７図は本
発明の第２実施例を示す概略断面図である。上述した第
１実施例では圧電板積層体の両端部に絶縁板を配置し、
その外方をさらに外方に上下カバーを配設したが、本実
施例では圧電板積層体の両端部にまず絶縁板を配置し、
その外方には金属製のスペーサを配置する。そして、こ
の金属製スペーサの外方に上下のカバーを配設するよう
にしている。そして、この金属スペーサ701の絶縁板２
との接合面の平面度を高度に仕上げている。よって、上
カバー６、下カバー７の金属製スペーサ701,702との当
接面における平面度が上述の第１実施例の如く、高平面
度を有していないものであっても、すなわち、平面度が
低いものであって、その当接面において大きな凹凸形状
を奏しているものであってもその凹凸面の影響は金属製
スペーサ701,702によって吸収され、絶縁板２に伝達さ
れることはない。

尚、本実施例では金属製スペーサ701,702をステンレス
鋼より形成している。

第８図に本発明の第３実施例の概略断面図を示す。第７
図に示した第２実施例では圧電板積層体１の上下の端
面、両端面に配した上カバー６、下カバー７が移動可能
なように構成したが、下カバーをケース４と一体にし、
上カバー６のみを移動可能なようにしてもよい。すなわ
ち、カバー４を底部を有する有底円筒状とし、その開口
端側に上カバー６を配している。なお、圧電板積層体１
の上下端には第７図に示した第２実施例と同様絶縁板２
を配し、更にその外方には金属製のスペーサ701,702が
配されている。この第３実施例においても、金属製スペ
ーサ701,702と絶縁板２との当接面は高平面度に仕上げ
されている。

上述の第７図及び第８図に示した第２実施例及び第３実
施例では、金属製スペーサ701及び702の当接面は、第７
図及び第８図から明白なように、絶縁板２の全面と当接
する大きさを有している。また、これら実施例２、３で
は第１実施例と同一の構成部品については同一の番号が
付してある。

また、上述の第１実施例乃至第３実施例において、絶縁
板２の外方に配される上下カバーあるいは金属製スペー
サ701,702はそれぞれカバー４と別体に形成されている
のでその絶縁板２との当接面を高平面度に仕上げる際、
非常に作業性のよいものとなっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は圧
電板積層体の組み立て構造を示す分解斜視図、第３図は
上カバーを示すもので、（ａ）はその平面、（ｂ）はそ
の断面を示す、第４図は下カバーを示す図で、（ａ）は
その平面図、（ｂ）はその断面を示す図、第５図はカバ
ーを示す断面図、第６図はカバーの絶縁板との当接面に
おける平面度と圧電板との割れ発生率との関係を示す実
験結果を示す図、第７図は本発明の第２実施例を示す模
式断面図、第８図は本発明の第３実施例を示す模式断面
図である。 １……圧電板積層体,2……絶縁板,4……ケース,6……上
カバー,7……下カバー,701,702……金属製スペーサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 準 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 藤井 章 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−39879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−78179（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧印加されることにより伸長もしくは収
   縮する圧電板を伸縮方向に複数積層してなる圧電板積層
   体と、 該圧電板積層体の積層方向端部に配される絶縁板と、 前記圧電板積層体の外周囲を覆うケースと、 前記絶縁板のほぼ全面と当接する当接面を有し、該当接
   面が10μｍ以下の平面度を有する板部材とからなること
   を特徴とする 積層型圧電体。