(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
直列に連結された複数の圧電素子、前記複数の圧電素子の一端に設けられ、シムおよび前記シムに支持された半球からなる突起部を有する圧電アクチュエータ本体と、
前記複数の圧電素子の他端を固定し支持する座と、
前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止される金属製のキャップと、を備え、
前記突起部の熱伝導率は、前記キャップの熱伝導率より低いことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記突起部は、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、ジルコニア、チタニア、液晶ポリマー（ＬＣＰ）もしくはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）または熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂、多孔質セラミックスもしくガラスからなることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記キャップは、ＳＵＳからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータは、前記半球側の先端の温度が前記座側の温度と比較して高温である使用環境で使用されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部電極と圧電層とが交互に積層された圧電素子を複数連結した圧電アクチュエータ本体にキャップを被せた構成の圧電アクチュエータが知られている。このような圧電アクチュエータには、圧電素子の変位を伝達するためのシムおよび半球からなる突起部が設けられ、突起部はキャップ先端部の内壁面に当接している。そして、キャップ先端部の外側が被駆動体に接触し、変位を伝える。このような圧電アクチュエータは様々な環境で用いられる。
【０００３】
上記の圧電アクチュエータ本体を構成する圧電素子は、分極された圧電セラミック層に電圧を印加することで所望の変位が得られるが、高温の環境で使用すると分極が失われて特性が劣化する。特許文献１記載の圧電アクチュエータでは、自己発熱し、温度上昇する圧電素子に対し、圧電素子に発生した熱を放熱するためのスリーブが設けられている。スリーブは、キャップ内のリード部材に接触すると共に、ケースに保持されており、圧電セラミックスより熱伝導率が高く、かつ絶縁性を有するセラミックスで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０５３３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１記載の圧電アクチュエータは、インジェクタに用いられ、使用時の圧電素子に生じる自己発熱の放熱が課題となっており、外部への熱伝導を高くすることが求められている。しかしながら、このような例とは異なり、高温の被駆動物に変位を伝達するために用いられる圧電アクチュエータでは、圧電素子への熱の流入を抑止するために、むしろ外部との熱伝導を小さくすることが求められる。
【０００６】
また、高温の被駆動物を変位させる用途では、分極が失われるほどの高温でなくても温度が上昇すると、マイグレーションによる絶縁抵抗の劣化や絶縁破壊が生じたり、マイクロクラックの発生または伸展に伴う絶縁耐圧の劣化や絶縁破壊が生じたりしやすくなる。そして、その結果として圧電素子に絶縁劣化が生じ、圧電アクチュエータの寿命が短くなる場合がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高温の被駆動体を変位させる際にキャップ側の経路に熱を多く流すことで、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、直列に連結された複数の圧電素子、前記複数の圧電素子の一端に設けられ、シムおよび前記シムに支持された半球からなる突起部を有する圧電アクチュエータ本体と、前記複数の圧電素子の他端を固定し支持する座と、前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止される金属製のキャップと、を備え、前記突起部の熱伝導率は、前記キャップの熱伝導率より低いことを特徴としている。
【０００９】
これにより、圧電アクチュエータの先端が高温な被駆動体に接している使用環境では、キャップ側の経路に熱を多く流すことができ、圧電素子の温度上昇を抑制できる。その結果、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記突起部が、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、ジルコニアもしくはチタニアまたは熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂、多孔質セラミックスもしくはガラスからなることを特徴としている。これにより、キャップの熱伝導率に比べて突起部の熱伝導率を低くし、圧電素子への熱の流入を抑制できる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップが、ＳＵＳからなることを特徴としている。これにより、キャップの熱伝導率を高くし、キャップ側の経路に熱を多く流すことができる。
【００１２】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記突起部が、液晶ポリマー（ＬＣＰ）またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなることを特徴としている。これにより、突起部の強度を維持しつつ、さらにその熱伝導率を低く抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高温の被駆動体を変位させる際にキャップ側の経路に熱を多く流すことで、圧電素子の温度上昇を抑制し長寿命化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本願発明に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）それぞれシミュレーション用の疑似モデルを示す斜視図および断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）それぞれ突起部をアルミニウムとして先端130℃-座60℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）それぞれ突起部をジルコニアとして先端130℃-座60℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）それぞれ突起部をアルミニウムとして先端130℃-座100℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）それぞれ突起部をジルコニアとして座130℃-先端100℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電アクチュエータ１００を示す断面図である。圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、座１４０およびキャップ１６０により構成され、電圧が印加されることで変位する。
【００１７】
圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１１０、リード部材１２０、突起部１３５で構成されている。複数の圧電素子１１０は、圧電素子１１０同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。圧電アクチュエータ本体１０５は、一端にシム１２５および半球１３０からなる突起部１３５を有し、他端は底部として座１４０に接着されており、多連化された圧電素子１１０に電圧が印加されることで伸縮する。
【００１８】
圧電素子１１０は、圧電層と内部電極とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面には内部電極に接続された外部電極１１５が設けられている。圧電層は、たとえばＰＺＴ、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成されている。内部電極は、Ａｇ−Ｐｄ等で構成されている。
【００１９】
リード部材１２０は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１１０の両側面に形成された外部電極１１５に接着されている。一対のリード部材１２０は、座１４０において一対の端子１５０に接続されている。
【００２０】
突起部１３５は、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に設けられ、キャップ１６０の閉端側に当接して収容されて圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ１６０の先端に伝達する。突起部１３５は、変位を伝達するのに十分な強度を有し、熱伝導率の小さい材料で形成されていることが好ましい。
【００２１】
突起部１３５は、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、ジルコニアまたはチタニアであることが好ましい。あるいは、熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂、多孔質セラミックスまたはガラスからなることが好ましい。これにより、キャップ１６０の熱伝導率に比べて突起部１３５の熱伝導率を低くし、圧電素子１１０への熱の流入を抑制できる。
【００２２】
突起部１３５は、液晶ポリマー（ＬＣＰ）またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で形成されていてもよい。これらは、いずれもスーパーエンプラといわれる分野の材料で、耐熱性、強度に優れており、熱伝導率は０．２〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋである。これにより、突起部１３５の強度を維持しつつ、さらにその熱伝導率を低く抑えることができる。また、シム１２５を樹脂で形成する場合には、中空の構造で形成してもよい。
【００２３】
シム１２５は、圧電アクチュエータ本体１０５の端面形状に一致する形状の板として形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に接着されている。シム１２５は、半球１３０をシム１２５上に固定して支持し、圧電素子１１０の変位を伝達している。
【００２４】
座１４０は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の他端を固定して支持している。圧電アクチュエータ本体１０５は、リード部材１２０を介して外部電極１１５に電圧が印加され、座１４０を基準として伸縮する。その結果、圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により半球１３０が変位する。
【００２５】
キャップ１６０は、圧電アクチュエータ本体１０５に被さって座１４０に封止され、ドーム形状の部分に半球１３０が当接するダイヤフラム１６５を有する。キャップ１６０の側壁部分は、キャップ１６０の中央から底部にかけて直管円筒に形成されている。キャップの先端部分には、ドーム形状を有するダイヤフラム１６５が形成されている。キャップ１６０は、ＳＵＳ、特にＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のばね性に優れている材質が望ましい。また、キャップ１６０は、ＳＵＳで構成されることで、キャップ１６０の熱伝導率を高くし、キャップ１６０側の経路に熱を多く流すことができることからも好ましい。このように、キャップ１６０の側壁を熱伝導率の高い材料にすることも効果的である。
【００２６】
圧電アクチュエータ１００では、突起部１３５の熱伝導率は、キャップ１６０の熱伝導率より低い。これにより、半球１３０側の先端が高温で座１４０側が低温である使用環境において、キャップ１６０側の経路に熱を多く流すことができ、圧電素子１１０の温度上昇を抑制できる。その結果、高温の被駆動体を変位させる際に温度上昇を抑制し長寿命化できる。突起部１３５の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。
【００２７】
また、キャップ１６０の側壁の厚みは０．１〜０．４ｍｍであることが好ましい。これにより、キャップ１６０の側壁を流れる熱量を十分に確保できる。そして、突起部１３５の材料を変えてキャップ１６０に流れる熱量に対して圧電アクチュエータ本体１０５に流れる熱量を調整できる。
【００２８】
なお、半球１３０の平断面（変位方向に垂直な断面）を従来の大きさより小さくすることでも、圧電素子１１０への熱の流入を抑制できる。また、半球１３０の変位方向に沿った長さを長くする、シム１２５を厚くする等の設計によっても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
（圧電アクチュエータの製造方法）
上記のように構成された圧電アクチュエータ１００の製造方法を説明する。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。具体的には、ＰＺＴ等の圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ−Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極１１５を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１５を形成できる。
【００３０】
得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、多連化した圧電素子の一方の端部にシム１２５および半球１３０を接着する。なお、シム１２５および半球１３０は、あらかじめキャップ１６０の材料より熱伝導率が低い材料で形成されたものを準備しておく。
【００３１】
最後に、金属製で板状のリード部材１２０を、外部電極１１５に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体１０５を作製できる。上記の圧電アクチュエータ本体１０５を座１４０に設置し、キャップ１６０を被せて封止する。このようにして、圧電アクチュエータ１００を製造することができる。
【００３２】
（シミュレーション）
上記の圧電アクチュエータ１００と同様の構造を有するシミュレーション用のモデルを構成して有限要素法によりシミュレーションを実行した。図１に示す形状ではメッシュが複雑で計算が困難になるため、擬似的にシンプルな形状のモデルで実施した。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれシミュレーション用の疑似モデルを示す斜視図および断面図である。
【００３３】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、疑似モデルでは、キャップ先端のダイヤフラムを平板状に形成した。また、半球は、積層方向に垂直な底面を有する円柱として形成し、圧電素子は、素子６個分の長さで連続的に一体の圧電体を形成して、圧電アクチュエータ本体を構成した。
【００３４】
半球を表す円柱の直径を２．５ｍｍ、高さを２．５ｍｍとして設計した。また、シムは６ｍｍ×６ｍｍ×０．６２５ｍｍの平板状に形成し、素子部は６ｍｍ×６ｍｍ×６０ｍｍに形成した。座は、６ｍｍ×６ｍｍ×０．６２５ｍｍの円板状に形成した。キャップは、直径１１．４ｍｍ、高さ６３．６５ｍｍに形成した。キャップ先端のダイヤフラムを表す円板の厚みは０．５ｍｍとし、キャップ側壁の厚さは０．２５ｍｍとした。座は、直径１１．４ｍｍ、厚さ３．０ｍｍで形成した。
【００３５】
（比較例１）
まず、突起部のうち、半球がベアリング鋼製、シムがアルミニウム製であると仮定して、突起部の要素にそれぞれの熱伝導率を設定した。そして、圧電アクチュエータの先端の端面を１３０℃、座側の端面を６０℃と指定し、この状態で安定状態（定常状態）にあるものと仮定して、この場合の温度分布を計算した。他への、または他からの放射熱のやりとりは考慮せず、滞留による熱の移動もないものとして計算した。なお、ＰＺＴの熱伝導率には、アルミナの１／３の数値を用いた。また、キャップは、ＳＵＳ３１６で構成されていると仮定した。
【００３６】
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ突起部をアルミニウムとして先端１３０℃−座６０℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。図中に示すａ〜ｊの領域は、右隣に示す温度ゲージのａ〜ｊに対応しており、温度分布を示している（以下、同様）。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、座側から６番目の素子である第６素子の上部は１２０℃以上に達しており、圧電素子の特性が損なわれうることが分かった。
【００３７】
（実施例１）
比較例１と同様の条件を基本とし、さらに突起部がジルコニア製であると仮定して、突起部にジルコニアの熱伝導率を設定した。ジルコニアは熱伝導がアルミナの約１／１０である。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ突起部をジルコニアとして先端１３０℃−座６０℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【００３８】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、突起部をジルコニア製にしてシミュレーションした場合、座側から６番目の素子である第６素子の先端側の保護層境界付近の温度は、１００℃以下となり、比較例１の場合に比べ２０℃以上下がることが分かった。なお、保護層とは、内部電極に挟まれていない積層方向端部の層である。
【００３９】
（比較例２）
次に、比較例１と同様の条件を基本とし、さらに座側の温度を１００℃に設定して圧電アクチュエータ内の温度分布を計算した。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ突起部をアルミニウムとして先端１３０℃−座１００℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第６素子の上部は、１２７℃以上となることが分かった。
【００４０】
（実施例２）
比較例２と同様の条件を基本とし、座側１００℃の条件で、さらに突起部がジルコニア製であると仮定して、圧電アクチュエータの温度分布を計算した。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ突起部をジルコニアとして座１３０℃−先端１００℃の条件で計算した温度分布シミュレーション結果を示す全体図および拡大図である。
【００４１】
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第６素子上部の温度は１１８℃以下となり、第６素子の先端側の保護層境界付近の温度は、比較例２の場合に比べ１０℃程度下がることが分かった。また、比較例１と実施例１との差より比較例２と実施例２との差の方が小さいことが分かった。
【００４２】
以上のシミュレーションの結果により、突出部を構成するシムおよび半球をジルコニア程度に低い熱伝導率の材料とすることで、熱がキャップを介して座側に流れ、圧電素子の温度上昇を抑制できることを実証できた。
【符号の説明】
【００４３】
１００  圧電アクチュエータ
１０５  圧電アクチュエータ本体
１１０  圧電素子
１１５  外部電極
１２０  リード部材
１２５  シム
１３０  半球
１３５  突起部
１４０  座
１５０  端子
１６０  キャップ
１６５  ダイヤフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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