(57)【要約】積層構造に配置された圧電素子（１６）と、 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（５，３）と、第１の内部電極（５）と電気的に導通するように接続された第１の外部電極（４）と、第２の内部電極（３）と電気的に導通するように接続された第２の外部電極（２）とを有するアクチュエータ（１）であって、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）を備え、前記第２の外部電極（２）は分離された電極セグメント（２１，２２，２３，２４，２５）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つにおいて、前記第２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。【選択図】図２
2014507785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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（５，３）と、前記第１の内部電極（５）と電気的に導通するように接続された第１の外部電極（４）と、前記第２の内部電極（３）と電気的に導通するように接続された第２の外部電極（２）とを有するアクチュエータ（１）であって、
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）を備え、前記第２の外部電極（２）は分離された電極セグメント（２１，２２，２３，２４，２５）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つにおいて、前記第２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。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータ（１）において、
前記第１の外部電極（４）は分離された電極セグメントを備え、当該電極セグメントはそれぞれ、前記アクチュエータ区画（８１，８２，８３，８４，８５）の１つにおいて、前記第１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ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアクチュエータ（１）において、
前記第２の外部電極（２）の前記電極セグメント（２１, ２２，２３, ２４, ２５）はそれぞれ、駆動信号（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ６）が印加可能な端子（２１０，２２０，２３０，２４０，２５０）を備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエータ（１）と、制御装置（６）とを備えたアクチュエータシステムであって、
これらを用いて第１の駆動信号を前記アクチュエータ区画（８１, ８２, ８３, ８４, ８５）の１つに印加可能であり、第２の駆動信号を時間をずらしてアクチュエータ区画（８１, ８２, ８３, ８４, ８５）の次の１つに印加可能であることを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項５】
請求項４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つの向き（９３）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、第２のアクチュエータ区画（８１，８２，８３，８４，８５）に対し前記向き（９３）に配置され、
前記制御装置（６）は、前記第２の駆動信号を第２のアクチュエータ区画（８１，８２，８３，８４，８５，８６）に、第１のアクチュエータ区画（８１，８２，８３，８４，８５）への前記第１の駆動信号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。
【請求項６】
請求項４または５に記載のアクチュエータシステムにおいて、
前記時間ずれは、前記アクチュエータ（１）における慣性力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。
【請求項７】
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（５，３）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）において、前記第１および第２の内部電極（５, ３）の間に、第２のアクチュエータ区画（８１，８２，８３，８４，８５）における前記第１および第２の内部電極（５，３）の間の第２の駆動電圧に対して時間をずらした第１の駆動電圧を印加することを特徴とする駆動方法。
【請求項８】
請求項７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２の駆動電圧は、前記第１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。
【請求項９】
請求項７または８に記載の駆動方法において、
前記時間ずれは、前記アクチュエータ（１）における慣性力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。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
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。  非常に短いスイッチング時間の場合、すなわち非常に動的なアプリケーションの場合での問題は、持続的な作動の保証である。この問題は、例えば内燃機関で発生する。内燃機関の効率的な動作には、噴射装置のニードルが十分制御可能で、高速に開閉できると有利である。このため、燃料噴射システムにおいては、このニードル制御は圧電素子のアクチュエータによって行われてよい。自動車エンジンでの適用においては、このアクチュエータは非常に急峻な駆動立ち上がりでも作動することができなければならない。このような非常に動的なアクチュエータの制御での問題は、力学的引張応力をもたらす慣性力により生じる。この引張応力は、アクチュエータのセラミック体における制御不能な亀裂の成長を引き起こし、潜在的に部品の不具合をもたらす。長いアクチュエータと短いスイッチング時間での直接制御では、この慣性力による引張応力の発生の問題は顕著となる。
【０００２】
この問題はアクチュエータの外部からの力学的予圧によって解決することができる。外部からの予圧の印加によって、アクチュエータにおける応力のレベルは負荷領域（Druckbereich）に移る。力学的予圧は、ばねシステムを介して印加することができる。ここで、アクチュエータの更なる荷重を低減するために、大きな予圧とともに小さな剛性を有する信頼性のあるシステムが望まれており、また更なる慣性力の低減のために質量の移動が小さいことが望まれている。このため、アクチュエータの移動量（Auslenkungsvermogen）は、予圧に依存する。大きな予圧では、同じ電気的駆動での圧電アクチュエータの移動は減少する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、この圧電素子の間に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備え、第２の外部電極は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。各々のアクチュエータ区画は、第２の内部電極の１つの部分においてのみ、電気的に導通するように接続されている。分離された、互いに接触しない、あるいは直接電気的に導通するように互いに接続されていない電極セグメントは、アクチュエータ区画を時間的にずらして駆動し、伸張過程が全ての圧電素子に対して同時に動作するのでなく、時間的にずれて動作することを可能とする。
【０００５】
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。
【０００６】
場所的に分離された電極セグメントが時間的にずれて電気的に駆動されることによって、アクチュエータにおける、非常に動的な作動で慣性力により生じる弾性伸張が、圧電伸張を用いて効果的に補償される。
時間的にずれた駆動は、アクチュエータにおける力学的応力レベルをより良好に制御することを可能にし、短いスイッチング時間の持続的作動が保証される。このような順次的なアクチュエータ区画の駆動は、分割された外部電極によって達成される。この解決方法の更なる利点は、静的な予圧を大きくすることが必要でないことであり、これに関して予圧システムとアクチュエータに対して積極的な対策が用いられないことである。引張応力を回避するためのこの可能性は、バルブニードルの直接制御で必要とされるように、長いアクチュエータに適している。アクチュエータ区画の目標とする電気的駆動は、非常に動的な作動における慣性力に起因する弾性伸張を低減するのに用いられる。アクチュエータ区画間の駆動の時間遅延は、弾性伸張が補償されるかまたは低減されるように選択される。アクチュエータ区画の目標とする電気的駆動によって、非常に動的な作動における慣性力に起因する弾性伸張が低減される。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
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。
【図１】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。
【図２】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】分割された外部電極を有するアクチュエータの動的作動のシミュレーションのためのモデルを、分割された外部電極を有しないアクチュエータと比較して示す図である。
【図４】図３におけるシミュレーションモデルの駆動信号を示す図である。電流が時間に対して示されている。
【図５】図４の詳細を示す図である。
【図６】移動を時間に対して示した図である。
【図７】固定されたアクチュエータベースにおける力を時間に対して示した          ずである。
【図８】図６の詳細を示す図である。
【図９】図６の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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５と第２の内部電極３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５は、第１の外部電極４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３は、第２の外部電極２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５および３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４あるいは第２の外部電極２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４，２が形成される。
【００１０】
第１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２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。
【００１１】
駆動電圧の印加によって、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。逆に設定された電圧の印加によって、アクチュエータ１は収縮される。
【００１２】
図２は、第１の外部電極４と分割された第２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２１，２２，２３，２４，２５を備えている。分離された電極セグメント２１，２２，２３，２４，２５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。
【００１３】
第１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２１，２２，２３，２４，２５は、それぞれ端子２１０，２２０，２３０，２４０，２５０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２１０，２２０，２３０，２４０，２５０を介して駆動信号を印加することができる。
【００１４】
分割された外部電極２は、例えば金属ペーストの押圧およびこれに続くメタライズの焼き付け（Metallisierungseinbrand）によって形成されてよい。これ以降のコンタクト形成は、金属製のメッシュシート区画（Siebgewebestucken）のメタライズセグメントへのはんだ付けまたは複数の個別のワイヤのはんだ付けによって行われる。
【００１５】
アクチュエータ１は、第１および第２の内部電極５，３を備え、これらは第１の外部電極４あるいは第２の外部電極２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８１，８２，８３，８４，８５を備える。軸方向に延在するアクチュエータ区画８１，８２，８３，８４，８５は、それぞれ電極セグメント２１，２２，２３，２４，２５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２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２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２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４の電極セグメント２４は、第４のアクチュエータ区画８４において第２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５の電極セグメント２５は、第５のアクチュエータ区画８５において第２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１の内部電極５は、アクチュエータ区画８１，８２，８３，８４，８５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。別の１つの実施形態例では、第１の外部電極４も分割されている。
【００１６】
アクチュエータ区画８１，８２，８３，８４，８５の電気的駆動は、制御装置６を用いて、複数の独立した電流源６１，６２，６３，６４，６５によって行われる。代替として、１つの電流源から、アクチュエータ区画８１，８２，８３，８４，８５の駆動パルスに対応したインピーダンスを接続することで、時間的なずれが行われてもよい。
【００１７】
アクチュエータ１は、第５のアクチュエータ区画８５で、アクチュエータベース９１に固定され、アクチュエータ１の軸方向伸張の際に、アクチュエータヘッド９２は、アクチュエータベース９１から軸方向で１つの向き９３に向け移動する。電極セグメント２１，２２，２３，２４，２５の駆動は、まずアクチュエータヘッドに最も近いアクチュエータ区画８１が駆動され、次いでこれに隣接するアクチュエータ区画８２が時間的にずれて駆動され、最後のアクチュエータベース９１に最も近いアクチュエータ区画８５まで次々に駆動される。このような駆動により、慣性力によって生じる負荷が低減されるが、これはまずアアクチュエータ１のアクチュエータ区画８１が移動される、すなわち伸張されるからであり、このアクチュエータ区画はアクチュエータ１の伸張の際に最も大きな移動変化を受けることで、負荷が低減される。上記で説明した時間遅延は、アクチュエータ１の伸張が引き起こされる信号においても、アクチュエータ１の収縮が引き起こされる信号においても、あるいはこれらの内いずれかのみの場合でも適用される。
【００１８】
図３は、本発明によるアクチュエータ１の順次的な電気的駆動の動作を図解するための構造を示し、この構造でアクチュエータの挙動のシミュレーションが可能である。シミュレーションモデルは、噴射システムのアクチュエータ動作の境界条件を単純化したものを反映している。力学的境界条件は、一方の側には、理想的な、剛性のある、固定された下部ベースプレート、すなわち堅固なクランプ１２、の上にアクチュエータ１が配置されていることと、そしてこの反対側には、アクチュエータの移動と共に動く、ばね１０とフライホイールウェイト（Schwungmasse）１１からなるシステムがカップリングされていることである。ばね１０には力９が作用する。アクチュエータ１の電気的駆動は、所定の電流パルスの入力によって行われる、すなわち制御装置６による電流あるいは電荷駆動である。基本となる１次元のシミュレーションモデルにおいては、アクチュエータの移動と力が時間とアクチュエータ軸に沿った場所の関数として計算され、アクチュエータ電圧も計算される。
【００１９】
図４から９には、４０ｍｍの長さのアクチュエータ１の２つのシミュレーションの結果が示されており、これらは１５０μｓのスイッチング時間の電流パルスで駆動される。図１に示されているような、分割された外部電極４，２を有しないアクチュエータ１が、図２に示されているような、５つの別々に駆動可能な電極セグメント２１，２２，２３，２４，２５を備える第２の外部電極を有するアクチュエータ１と比較されている。隣接する電極セグメントの駆動信号間の時間ずれは、２．５μｓとなっている。
【００２０】
図４は、分割された外部電極１を有するアクチュエータ１の、正弦半波形状の電流パルスでの駆動の時間的振る舞いを示す。時間に対して電流が示されている。連続した外部電極を有するアクチュエータ１の駆動用信号の時間的振る舞いは、セグメントの１つの駆動用信号に対応する。図１１は、スイッチ遮断過程での電流パルスを詳細に示す。堅固にクランプされたアクチュエータベース９１に隣接する電極セグメント２５が最後に駆動される。これに対応する信号の振る舞いが連続線で示されている。堅固にクランプされたアクチュエータベース９１に対し最も遠くにある、すなわちウェイト(Masse）１１に隣接する電極セグメント２１が最初に駆動される。これに対応する信号の振る舞いが点線で示されている。アクチュエータベース９１に対して最も遠くにある電極セグメント２１に隣接する電極セグメント２２が次に駆動される。これに隣接する電極セグメント２３が次に駆動され、これに隣接する電極セグメント２４がこの後に駆動される。堅固にクランプされたアクチュエータベース９１に対し最も近くにある、すなわちウェイト１１に対し最も遠くにある電極セグメント２５が最後に駆動される。これに対応する信号の振る舞いが連続線で示されている。
【００２１】
図６は、時間に対する、自由なアクチュエータ端部９２における移動量（Auslenkung）すなわちストローク（Hub）である。図７には、堅固にクランプされたアクチュエータベース９１における力が図示されている。この場所には最も大きな力振幅が生じる。分割されていない外部電極を有するアクチュエータ１に対する結果が、図６〜９において鎖線で図示されている。分割された外部電極２を有するアクチュエータ１に対する結果が、図６〜９において連続線で図示されている。図８は、図６から時間的に一部を取り出したものを示す。線１８１は第１のアクチュエータ区画８１の駆動を示す。線１８２は第２のアクチュエータ区画８２の駆動を示す。線１８３は第３のアクチュエータ区画８３の駆動を示す。線１８４は第３のアクチュエータ区画８４の駆動を示す。線１８５は第３のアクチュエータ区画８５の駆動を示す。以上で例示したシミュレーション例は、アクチュエータ区画の伸張における駆動信号の時間的連なりであり、収縮における連なりと比較して逆になっている。
【００２２】
図７には、堅固にクランプされたアクチュエータベース９１での力の振る舞いが時間に対して示されている。この力の振る舞いの比較により、スイッチ遮断過程で生じるアンダーシュートが、アクチュエータが逐次的に駆動された場合には、図７から時間的に一部を取り出して詳細に示した図９にあるように、著しく低減されることが明らかに認められる。従来のアクチュエータで生じるような、ほとんど完全な圧縮予圧の喪失を伴う、際立った力のアンダーシュートは、アクチュエータの持続的稼働では回避しなければならない。このシミュレーションは、逐次的な駆動によって、極小となる予圧が著しく押し上げられ得ることを示している。図６と８におけるグラフは、異なるアクチュエータ区画の逐次的駆動によって、アクチュエータストロークにおけるスイッチング遅延が何ら生じないばかりか、スイッチング過程がかえって加速されることを示している。
【００２３】
なお、上記の実施形態例の特徴は組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【００２４】
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
９                              ：  力
１０                              ：  ばね
１１                              ：  ウェイト
１２                              ：  クランプ
１６                              ：  圧電素子
２１，２１，２３，２４，２５      ：  電極セグメント
６１，６２，６３，６４，６５      ：  電流源
８１，８２，８３，８４，８５      ：  アクチュエータ区画
９１                              ：  アクチュエータベース
９２                              ：  アクチュエータヘッド
９３                              ：  向き
２１０，２１０，２３０，４１０，４２０，４３０：  端子
１８１，１８２，１８３，１８４，１８５  ：  線
【図１】
2014507785.tif 000003
【図２】
2014507785.tif 000004
【図３】
2014507785.tif 000005
【図４】
2014507785.tif 000006
【図５】
2014507785.tif 000007
【図６】
2014507785.tif 000008
【図７】
2014507785.tif 000009
【図８】
2014507785.tif 000010
【図９】
2014507785.tif 000011
【国際調査報告】
2014507785.tif 000012
2014507785.tif 000013
2014507785.tif 000014
2014507785.tif 000015