(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック可能な圧電アクチュエータ素子であって、
圧電層（１１）と、該圧電層（１１）の間に配置された電極層（１２）とからなるスタック（１０）と、
該スタック（１０）の外部に配置された、電極層を電気的に接触させるための電圧供給装置（２０）と、
該電圧供給装置（２０）に電圧を印加するための一の接触端子（３０）と、
前記電圧供給装置（２０）と電気的に接続され、かつ前記一の接触端子（３０）を収容するように構成された別の接触端子（４０）とを含み、
前記一の接触端子（３０）および前記別の接触端子（４０）は、一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記一の接触端子（３０）と他のアクチュエータ素子（２００）の少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）との間の機械的な差込接続部によって機械的に接続可能となるように、または、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記別の接触端子（４０）と前記他のアクチュエータ素子（２００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）との間の機械的な差込接続部によって接続可能となるように、互いに相補的に構成されており、それにより、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）が、前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）および前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）を備えるスタック可能な他の前記圧電アクチュエータ素子（２００）と電気的に接続可能となり、
前記電圧供給装置（２０）が、前記スタックの側面（Ｓ１０ｃ）に沿って前記スタックの第１端面（Ｓ１０ａ）から前記スタックの前記第１端面に向かい合ったスタックの第２端面（Ｓ１０ｂ）まで延在しており、
前記一の接触端子（３０）が前記電圧供給装置（２０）の延長部として構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のスタック可能な圧電構成素子において、
前記一の接触端子（３０）および前記別の接触端子（４０）は、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）または前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）が前記他のアクチュエータ素子（２００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）または前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）に接続されて、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記スタック（１０）が前記他のアクチュエータ素子（２００）のスタックに対して一列に整列されているように配置される、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記一の接触端子（３０）および前記他の接触端子（４０）は、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）または前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）のいずれか一方が前記他のアクチュエータ素子（２００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）または前記別の接触端子（４０）と接続された場合に、前記一の前記アクチュエータ素子（１００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）および前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）と、または前記他のアクチュエータ素子（２００）の前記少なくとも１つの前記一の接触端子（３０）および前記少なくとも１つの前記別の接触端子（４０）との間に形状的に嵌合する連結が形成されるように構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記一の接触端子（３０）および前記別の接触端子（４０）が、貼着接点、ばね接点またはクランプ接点として構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記一の接触端子（３０）が円柱状の接触ピンとして構成されており、
前記別の接触端子（４０）が、前記円柱状の接触ピンに対して相補的に構成された中空円筒体として前記円柱状の接触ピンを収容するように構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記電圧供給装置（２０）が第１端部（Ｅ２０ａ）および第２端部（Ｅ２０ｂ）を備え、前記第１端部（Ｅ２０ａ）が、前記スタックの前記第１端面（Ｓ１０ａ）の近くに配置されており、前記第２端部（Ｅ２０ｂ）が前記スタックの前記第２端面（Ｓ１０ｂ）の近くに配置されており、
前記一の接触端子（３０）が前記電圧供給装置の第１端部（Ｅ２０ａ）に配置されており、前記別の接触端子（４０）が前記電圧供給装置の第２端部（Ｅ２０ｂ）に配置されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記別の接触端子（４０）が前記電圧供給装置（２０）の延長部として構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項８】
請求項１から５までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記別の接触端子（４０）が前記電圧供給装置（２０）に対して空間的にずらして配置されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項９】
請求項８に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記別の接触端子（４０）が、電圧供給装置（２０）が配置されたスタックの側面（Ｓ１０ｃ）とは別の側面（Ｓ２０ｄ）に沿って配置されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記電圧供給装置（２０）が円柱状の接触ピンとして構成されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記電圧供給装置（２０）が、少なくとも１本のワイヤ（５０）を介して、前記スタック（１０）の前記電極層（１２）に接続されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記別の接触端子（４０）が、それぞれ少なくとも１本の別のワイヤ（５０）を介して前記電圧供給装置（２０）に接続されていている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか一項に記載のスタック可能な圧電アクチュエータ素子において、
前記スタック（１０）がケーシング体（６０）によって包囲されており、前記スタック（１０）と前記ケーシング体（６０）との間に鋳込み材料（７０）が配置されており、
前記一の接触端子（３０）が前記ケーシング体（６０）から突出しており、
前記別の接触端子（４０）が前記鋳込み材料（７０）に埋設されている、スタック可能な圧電アクチュエータ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック可能な圧電素子であって、別のスタック可能な圧電素子と接続させることのできる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは多数の圧電層を備え、これらの圧電層の間にはそれぞれ電極層が配置されている。電極層に電圧が印加された場合、圧電層は伸長し、これによりストロークが生成される。この場合、アクチュエータの伸長は、アクチュエータの長さに依存している。所定の作動電圧では、アクチュエータの可能な長さ変化はアクチュエータの長さに比例している。例えば、アクチュエータの長さの１％〜１．５％の伸長を得ることができる。
【０００３】
このような圧電アクチュエータは、多様な用途に使用され、例えば、自動車の噴射弁を操作するために使用される。圧電アクチュエータは、直列に使用するために一般に用途を特定された製品として提供される。したがって、圧電アクチュエータは、製造者によって、末端ユーザが後に使用するために特別に設計されている。基本的には様々な大きさの圧電アクチュエータを組み合わせることができるが、しかしながら、これにより、多くの場合には位置決めおよび接触に著しい手間がかかる。
【０００４】
図１は、３つのアクチュエータ１，２および３とそれぞれ１つの電気接続部５、例えばメッシュの外部接点５とを直列に接続した例を示している。アクチュエータは、２つの取付部４の間で締め付けられている。それぞれのアクチュエータは、固有の電気接続部５を介して接触されており、これにより、図１の実施例では全体として６つの電圧供給ラインが必要である。これにより、著しい配線の手間および対応した所要スペースが生じる。
【０００５】
確実な作動を保障するためには、図１に示したようにアクチュエータを積み重ねたユーザは、個々のアクチュエータを力軸線に沿って正確に位置決めする必要がある。互いに積み重ねられたアクチュエータは、機械的に安定した部材を形成しているわけではなく、収容部４内に締め付けられることによってようやく固定されるので、アクチュエータを互いに位置決めすることは困難を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、他の圧電アクチュエータ構成素子と容易に組合せることができ、これにより、異なる大きさの圧電アクチュエータを安定的に配置することのできるスタック可能な圧電アクチュエータ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態は、圧電層と、これらの圧電層の間に配置された電極層とからなるスタックと、スタックの外部に配置された、電極層を電気的に接触させるための電圧供給装置と、電圧供給装置に電圧を印加するための一の接触端子と、電圧供給装置と電気的に接続され、かつ一の接触端子を収容するように構成された別の接触端子とを含む。一の接触端子および別の接触端子は、一つのアクチュエータ素子の上記の一の接触端子と他のアクチュエータ素子の少なくとも１つの上記の別の接触端子との間の機械的な差込接続部によって機械的に接続可能となるように、または、一のアクチュエータ素子の上記の別の接触端子と他のアクチュエータ素子の少なくとも１つの上記の一の接触端子との間の機械的な差込接続部によって接続可能となるように、互いに相補的に構成されており、それにより、上記の一のアクチュエータ素子が、上記の少なくとも１つの一の接触端子および上記の少なくとも１つの別の接触端子を備えるスタック可能な他の圧電アクチュエータ素子と電気的に接続可能となり、電圧供給装置が、スタックの側面に沿ってこのスタックの第１端面から、このスタックの第１端面に向かい合ったスタックの第２端面まで延在しており、上記の一の接触端子が電圧供給装置の延長部として構成されている。
【０００８】
互いに相補的に構成された接点により、一のアクチュエータ素子と他のアクチュエータとを相互に電気的および機械的に安定的に接続／連結することが可能となる。スタックのいずれか１つのアクチュエータ素子の接触端子は、全てのアクチュエータ差込み接続部を電気的に接触させることのできる外部への共通の電気端子接点を形成する。さらに、接触端子と相補的な接触端子との機械的な差込み接続部により圧電層装置が相互に整列される。
【０００９】
スタック可能な圧電アクチュエータは、標準的な圧電アクチュエータ（汎用アクチュエータ）として作製してもよい。このようなアクチュエータは、自在に技術的に使用可能であり、ユーザが異なる要求を充たすために組み合わせることができる。例えば、個々のアクチュエータは異なる長さを備えていてもよい。アクチュエータが１ｃｍ、２ｃｍおよび３ｃｍの長さを備えている場合、個別アクチュエータを適宜に組み合わせることにより、ほぼ任意の長さを備える積み重ねられた装置を構成することができる。
【００１０】
スタック可能な圧電アクチュエータの他の実施形態が従属請求項に記載されている。
【００１１】
次に本発明の実施例を示すに図面に基づいて本発明を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】直列接続されたアクチュエータの実施形態を示す図である。
【図２Ａ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示す断面図である。
【図２Ｂ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示す平面図である。
【図３Ａ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の別の一実施形態を示す断面図である。
【図３Ｂ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の別の一実施形態を示す平面図である。
【図４Ａ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示す下面図である。
【図４Ｂ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示す側面図である。
【図４Ｃ】スタック可能な圧電アクチュエータ素子の一実施形態を示す上面図である。
【図５】接続された複数のスタック可能な圧電アクチュエータ素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２Ａは、スタック可能な圧電アクチュエータ素子の実施形態を横断面図で示す。このアクチュエータ素子は、多数の圧電層１１およびこれらの圧電層１１の間に位置する第１および第２電極層１２からなるスタック１０を備える。アクチュエータ素子を作動するためには、第１および第２電極層が圧電アクチュエータのスタック方向に沿って異なる極の外部電極に交互に接続されている。このために、層スタック１０の外部に配置された２つの電圧供給装置２０が設けられている。電圧供給装置は、それぞれ円柱状の接触ピン、例えば、鋼、青銅または銅からなるピンとして構成されていてもよい。電圧供給装置を介して電極層１２に電圧を供給するためには、少なくとも１本のワイヤ５０が層スタック１０の外部に配置されている。それぞれの電圧供給装置２０は、少なくとも１本のワイヤ５０を介して層スタック１０または第１もしくは第２電極層に接続されている。図２Ａに示したアクチュエータ素子の実施形態では複数のワイヤ５０が設けられており、これらのワイヤ５０は互いに平行に配置されており、電圧供給装置にはんだ付けまたは溶接されていてもよい。層スタック１０に沿って、電極層１２はそれぞれ少なくとも１本のワイヤ５０を介して一方または他方の電圧供給装置２０に交互に接触している。
【００１４】
層スタック１０、電圧供給装置２０および少なくとも１本のワイヤ５０は、これらを保護するケーシング体６０によって包囲されている。ケーシング体６０と、圧電層および電極層からなるスタック１０との間には、鋳込み材料７０、例えば、シリコーンからなる材料が設けられている。ケーシング体は、例えば、ＰＡ（ポリアミド）またはＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などのプラスチック材料から作製されていてもよい。電圧供給装置２０および少なくとも１本のワイヤ５０は、ケーシング体６０と層スタック１０との間に配置されているか、もしくは鋳込み材料７０内に埋め込まれていてもよい。
【００１５】
図２Ａに示したスタック可能な圧電アクチュエータ素子の実施形態では、電圧供給装置２０は、電極層１２の電気的な接触のためにスタック１０の外部でそれぞれスタック１０の側面Ｓ１０ｃまたはこれに向かい合った側面Ｓ１０ｅに沿って、スタックの端面Ｓ１０ａから向かいたったスタックの端面Ｓ１０ｂまで延在している。電圧供給装置２０は、さらに第１端部Ｅ２０ａおよびＥ２０ｂを備え、端部Ｅ２０ａは端部Ｅ２０ｂよりもスタックの端面Ｓ１０ａの近くに位置しており、端部Ｅ２０ｂはスタック１０の端面Ｓ１０ｂの近くに位置している。電圧供給装置２０に電圧を印加するために、それぞれの電圧供給装置２０にはそれぞれ１つの接触端子３０が設けられている。さらに、接触端子３０に対して相補的に構成された接触端子４０が設けられている。したがって、接触端子３０および４０は、それぞれ他方の接触端子との電気的および／または機械的に接続するように構成されている。
【００１６】
図２Ａに示した実施形態では、接触端子３０はそれぞれの電圧供給装置２０の第１端部Ｅ２０ａに配置されている。接触端子４０は、それぞれの電圧供給装置の端部Ｅ２０ｂに配置されている。接触端子３０は、例えば、それぞれの電圧供給装置２０の延長部として構成されていてもよい。接触端子３０は、円柱状の接触ピンとして構成されていてもよい。これに対して相補的に、接触端子４０は、円柱状の接触ピン３０を収容するための円筒状の中空体もしくはスリーブとして構成されていてもよい。
【００１７】
図２Ｂは、図２Ａに示したスタック可能な圧電アクチュエータ素子１００の端面Ｓ１０ｂを示す平面図である。それぞれ電圧供給装置２０の後端部Ｅ２０ｂに構成された対応接点である接触端子４０は、少なくとも１本のワイヤ５０を介してスタック１０の第１または第２電極層に接続されている。
【００１８】
図３Ａおよび図３Ｂには、スタック可能な圧電アクチュエータ素子の別の実施形態が示されている。以下には、図２Ａおよび図２Ｂに示した実施形態との差異のみを示す。
【００１９】
図３Ａに示したスタック可能な圧電アクチュエータ素子の実施形態では、図２Ａおよび図２Ｂに示した実施形態とは異なり、接触端子３０に対して相補的に構成された接触端子４０は、電圧供給装置２０の延長部として構成されていない。代わりに、接触端子４０は、電圧供給装置２０に対して空間的にずらして配置された構成部材として構成されている。接触端子３０は、さらに電圧供給装置の端部Ｅ２０ａに配置されていてもよいし、または、電圧供給装置２０の延長部として構成されていてもよい。
【００２０】
電圧供給装置２０もしくは接触端子３０が、スタック１０の外部に、スタック１０の側面Ｓ２０ｃに沿って配置されている場合、接触相手として形成された接触端子４０は、スタック１０の外部に、側面Ｓ２０ｃとは異なるスタックの別の側面Ｓ２０ｄに沿って配置されていてもよい。側面Ｓ２０ｂは、例えば、側面Ｓ２０ｃに対して９０°だけずらして配置されていてもよい。したがって、接触端子３０と接触端子４０とは、それぞれの軸線に対して空間的に分離してされているか、もしくは９０°だけずらされている。
【００２１】
接触端子４０と電圧供給装置２０とを接続するためには、少なくとも１本のワイヤ５０が設けられていてもよい。図３Ａに示した実施形態の場合にように、平行に配置された複数のワイヤが接触端子４０と電圧供給装置２０とを接続するために設けられていてもよい（ワイヤハープ接触）。
【００２２】
図３Ｂは、図３Ａに示したスタック可能な圧電アクチュエータ素子の実施形態の横断面図を示す。スタック１０は、横断面図で見て四角形に構成されている。接触端子４０は、スタック１０の外部に側面Ｓ２０ｄの区分に沿ってこの側面に対して間隔を置いて配置されている。接触端子４０は、層スタックの外部に配置された少なくとも１本のワイヤ５０を介して電圧供給装置２０に接続されている。電圧供給装置２０は、スタック１０の外部に配置された少なくとも１本のワイヤを介して圧電スタック装置の第１電極層に接続されている。
【００２３】
他の電極層に接続された別の電圧供給装置２０は、層スタック１０の外部で、側面Ｓ２０ｃに向かい合った側面Ｓ２０ｅの区分に沿って延在している。スタックの側面Ｓ２０ｅ全体に沿って延在している電圧供給装置２０は、少なくとも１本のワイヤ５０を介して第２電極層に接続されており、ワイヤ５０を介して、側面Ｓ２０ｄに向かい合った側面Ｓ２０ｆの区分に沿って配置された他の接触端子４０に接続されている。
【００２４】
図２Ａ，２Ｂ，３Ａおよび３Ｂに示したスタック可能な圧電アクチュエータ素子の実施形態は、アクチュエータ素子の電気的および機械的接続を可能にする。接触端子３０は、例えば、ケーシング体６０に対して突出部を有している。突出部は、４ｍｍ〜１．６ｍｍであってよい。相補的な接触端子４０は、接触端子３０を収容するように構成されている。特に、２つの接触端子は、一方の接触端子を他の接触端子に固定することが可能となるように構成されている。このために、これらの接触端子は、例えば、貼着（klinge）接点、ばね接点またはクランプ接点として構成されていてもよい。他の可能な一実施形態では、接触端子４０は、円錐状に延在する中空体として構成されていてもよい。これにより、接触端子４０は、接触端子３０をしっかり保持する嵌合部をなす。接触端子３０および接触端子４０は、接触端子３０と接触端子４０とが接続された場合に形状的に嵌合する連結部が形成されるように構成されていてもよい。
【００２５】
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃには、図２Ａおよび図２Ｂに示した圧電素子を異なる方向から見た図である。図４Ａは、圧電アクチュエータ素子を下側から見た平面図を示す。図４Ｂは、アクチュエータ素子の側面図を示し、図４Ｃは、アクチュエータ素子を上側から見た平面図を示す。圧電アクチュエータ素子の下側では、接触端子３０は鋳込み材料７０から突出しており、これにより、ケーシング体６０に対して突出部が生じている。図４Ｂに示すように、圧電スタック１０も、わずかに、しかしながら、接触端子３０よりもわずかに鋳込み材料７０から突出していてもよい。アクチュエータ素子の上側では、接触端子４０は鋳込み材料７０内に埋設されている。圧電スタックは、上側でもわずかに突出している。
【００２６】
図２Ａ，図２Ｂもしくは図３Ａ，図３Ｂに示した実施形態の複数のアクチュエータ素子は、相互に電気的および機械的にも接続／連結させることができ、これにより、個々のアクチュエータが積み重ねられたアクチュエータ装置を構成することができる。
【００２７】
図５は、図２Ａおよび図２Ｂに示した実施形態の個々のアクチュエータの間の電気的および機械的な差込み接続部を例示的に示している。圧電アクチュエータ素子１００の接触端子３０は、この接続端子３０に対して相補的に形成されたアクチュエータ素子２００の接触端子４０内に押し込まれている。アクチュエータ２００は下側で接触端子３０によって、差込み接続によりアクチュエータ素子３００に接続されており、この場合、アクチュエータ素子２００の接触端子３０はアクチュエータ素子５００の接触端子４０に接続されている。接触端子が接触ピンとして形成されている場合、接触端子４０は、例えば、接触ピン３０に嵌合する円筒状の中空体として構成されている。個々のアクチュエータを確実に固定するために、それぞれのケーシング体にロック装置８０を設けることもでき、これにより、アクチュエータ素子は、互いに相補的に構成された接触端子およびそれぞれのロック装置によって互いに整列され、固定される。
【００２８】
差込み接続部の一方側に配置されたアクチュエータ素子３００の接触端子３０は、スタック装置を作動するための共通の電気的な端子接点を形成している。したがって、それぞれのアクチュエータ素子を個々に電圧供給部に接触させる必然性はなくなり、配線の手間を低減することができる。
【００２９】
図５に示すように、それぞれのアクチュエータの接触端子３０および接触端子４０は、個々のアクチュエータ素子の圧電スタックが互いに整列されているように配置されている。図５に示した実施形態では、接触端子３０および４０は、特に、個別アクチュエータの圧電スタックが一列に互いに整列されているように配置されている。
【００３０】
アクチュエータ素子の図示の実施形態により、パッシベーションを施され接触された圧電アクチュエータが提供され、この圧電アクチュエータの端面には外方に案内された接点が配置されており、向かい合った端面の高さにこれに嵌合する接点収容部が設けられている。これらの接点を介して、２つ以上のアクチュエータが互いに直列に接続されていてもよい。接触端子３０および４０は互いに相補的な接点なので、互いに接続されたアクチュエータは良好な安定性を有し、これにより、このように組み立てられた全てのアクチュエータの継続的および確実な接触が作動時に確保される。これにより、スタック可能な圧電アクチュエータ素子により、アクチュエータを簡単にスタック装置で直列に接続することが可能となる。
【符号の説明】
【００３１】
１，２，３  アクチュエータ素子
４  収容部
５  電気接点
１０  スタック
１１  圧電層
１２  電極層
２０  電圧供給装置
３０  接触端子
４０  相補的な接触端子
５０  ワイヤ
７０  鋳込み材料
８０  ロック装置
１００，２００，５００  アクチュエータ素子
Ｅ  端部
Ｓ  側部／側面
【図１】
0005953309.tif 000002
【図２Ａ】
0005953309.tif 000003
【図２Ｂ】
0005953309.tif 000004
【図３Ａ】
0005953309.tif 000005
【図３Ｂ】
0005953309.tif 000006
【図４Ａ】
0005953309.tif 000007
【図４Ｂ】
0005953309.tif 000008
【図４Ｃ】
0005953309.tif 000009
【図５】
0005953309.tif 000010