JP2000082852A - 多層圧電アクチュエ―タおよびその製造方法 - Google Patents

多層圧電アクチュエ―タおよびその製造方法

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JP2000082852A JP21400399A JP21400399A JP2000082852A JP 2000082852 A JP2000082852 A JP 2000082852A JP 21400399 A JP21400399 A JP 21400399A JP 21400399 A JP21400399 A JP 21400399A JP 2000082852 A JP2000082852 A JP 2000082852A
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カペル アンドレアス
Randolf Dr Mock
モック ランドルフ
Hans Prof Dr Meixner
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多層圧電アクチュエータにおいて、横断面形
状がシリンダ状ケーシングに合わせて最適化され、それ
にもかかわらず容易に製造できるように構成する。 【解決手段】 多層圧電アクチュエータは少なくとも２
つの圧電単層１から成り、それらは少なくとも１つの電
極２によって電気的に制御可能である。この場合、横断
面形状は六角形である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、六角形の横断面形
状をもつ多層圧電アクチュエータおよびその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】高速な調整過程を解決するため、多層圧
電アクチュエータ（PMA = Piezoelektrischer Multilay
er-Aktor）の使用が増えてきている。この種のアクチュ
エータはこれまで製造技術的な理由で、もっぱら矩形ま
たは正方形の横断面形状をもつものしか使えなかった。
コンポーネントの微小化を顧慮して、利用可能な構造空
間を最適に利用する努力が払われてきた。正方形の多層
圧電アクチュエータをシリンダ状のケーシングに配置し
た場合、ケーシングの横断面積は約６３．７％までしか
利用されないため、この種の多層素子において電気機械
的に重要な特性に関する値たとえば、 剛性Ｃp ＝（Ａ／Ｌ）ＥM ［Ｎ／ｍ］ （ここでＡ＝横断面積［ｍ2］、Ｌ＝アクチュエータ長
［ｍ］、ＥM＝弾性率［ＧＰａ］）や、 制止力 ＦB ＝Ａ ＥM ｄ33 ＥF ［Ｎ］ （ここでｄ33 ＝圧電率［ｍ／Ｖ］，ＥF ＝電界強度
［Ｖ／ｍ］）なども、このような意味で最適なシリンダ
状のＰＭＡの値の約０．６４倍の値にしかならない。と
はいえシリンダ状のＰＭＡは製造技術的な観点から見て
極端に手間がかかり、したがって採算に見合うように製
造することができない。たとえばセラミックスに類する
圧電アクチュエータを研磨するためには、たとえば非常
に高価なダイアモンド研磨ディスクなどを用いて高いコ
ストをかけなければならない。なお、セラミックスに類
する材料とは、セラミックスまたは機械的にセラミック
スに類似の材料のことである。
【０００３】アクチュエータの幾何学的形状は個々の用
途ごとに決められているので、このことからたいていの
場合に使用されるシリンダ状ケーシングの横断面形状に
対し制限が生じ、これによりこの種のケーシングの直径
が不必要に大きくなってしまう。このような問題点を取
り除くための、あるいは最小限に抑えるための実用的な
解決策は、これまで知られていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、横断面形状がシリンダ状ケーシングに合わせて最
適化されており、それにもかかわらず比較的容易に製造
可能な多層圧電アクチュエータおよびその製造方法を提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によればこの課題
は、六角形の横断面形状をもつ多層圧電アクチュエータ
において、円形の横断面をもつケーシングが設けられて
いることを特徴とする多層圧電アクチュエータによって
解決される。さらに上記の課題は、生部材の表面に電極
構造体を設け、少なくとも２つの生部材を互いに重ね合
わせ、その後、結合して１つのコンパクトな固体を形成
し、該コンパクトな固体から切断用鋸により、六角形の
横断面形状をもつ少なくとも１つの多層圧電素子を形成
し、該多層圧電素子を円形の横断面をもつケーシング中
に挿入することを特徴とする、多層圧電アクチュエータ
の製造方法によって解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明が基礎とする着想は、六角
形の横断面形状をもつ多層圧電アクチュエータを使用す
ることである。
【０００７】これにより得られる利点とは、ＰＭＡのス
ペースファクタが正方形の横断面形状をもつアクチュエ
ータよりも３０％〜８２．７％、高められることであ
る。
【０００８】しかも、六角形のＰＭＡを製造するために
慣用の直線的な鋸カットラインを利用できる。有利には
この点で、それよりも高いオーダのｎ角形よりも六角形
の基本構造が優れている。六角形の周囲長は正方形の周
囲長よりも僅かにしか増えないので、ＰＭＡ外面に対す
るコストのかかる後処理は無視できる程度である。
【０００９】次に、図面を参照しながら本発明による多
層圧電アクチュエータの実施例について詳しく説明す
る。
【００１０】
【実施例】図１は円周Ｕ3 を上から見た図であり、そこ
にはこの円を占有する正方形Ｕ1と六角形Ｕ2 の周囲形
状も描かれている。占有されている個々の平面は、円、
正方形ないしは六角形の横断面形状に対応する。この場
合、六角形の角の二等分線が破線で描かれており、さら
にこれらの二等分線が互いに成す角度がφで表されてい
る。正方形および六角形の角の二等分線の長さに対応す
る円の半径はｒで表されている。
【００１１】以下の表には円、正方形ないしは六角形に
ついて、占有面積Ａ、周囲長Ｕ、円に対するスペースフ
ァクタＦならびに円に対する周囲長Ｕが描かれている。
【００１２】
【表１】
【００１３】この表からも明らかなように、正方形に対
し六角形のスペースファクタＦが高められていて、円の
面積の８２．７％となっていることがわかる。
【００１４】図２には、電極構造体２０を備えたＰＭＡ
の単層１の平面図が示されている。これはたとえば未加
工部材ないしは生部材１０であり、つまりまだ焼結され
ていない単層であるか、またはすでに焼結された層であ
る。電極構造体２０は同形状の多数の六角形電極２から
成り、これらの六角形はその角で互いに接触している。
有利にはＡｇＰｄから成る各電極２の間には三角形の切
り捨て領域５が示されており、これは最も簡単な事例で
は材料で充填されていない領域である。電極構造体２０
は、有利にはスクリーン印刷によって未処理部材ないし
は生部材１０の表面に被着される。
【００１５】生部材１０は有利にはシート（生フィルム
とも称する）として構成されている。生シートは、有利
にはシート引き抜きまたはシート鋳込みにより得られる
が、プレスされた構造を用いることもできる。
【００１６】セラミックスに類する圧電材料の場合、コ
ンパクトないしは緻密なＰＭＡを製造するために、プリ
ントされた複数の生部材１０が好適に合同に互いに重ね
合わせられ、圧力作用または温度作用で焼結される。こ
れは必要に応じてあとから分離される。
【００１７】この場合、電極２のためのスクリーン印刷
プロセスおよび生部材１０の積層は有利には、あとから
行われる外部のコンタクト６により望ましい多層構造が
生じるように行われる。このことから図２は、たとえば
すでに焼結されたコンパクトな圧電性固体３の平面図あ
るいはすでに焼結された単層１にも対応することにな
る。
【００１８】電極２が少なくとも１つの面に少なくとも
１つの切り欠きを有するように構成すると、接触接続を
簡単にするのに有利である。これにより生部材１０を、
上下に位置する電極２の切り欠きが六角形の対向する面
で交互に設けられるように構成することができる。有利
にはこのような構成によって、個別化した後に多層圧電
アクチュエータの２つの対向する面においてそれぞれ１
つおきにしか電極が表面に達しないようにすることがで
きる。そしてこのようにすることで、たとえば平面的な
接触接続などの簡単な電気的接触接続により、そのつど
所望の電極２のグループを応動させることができるよう
になる。
【００１９】多層圧電アクチュエータの個別化にあた
り、コンパクトな固体３が多数の直線的な鋸カットライ
ンＳにより分離される。その際、六角形の横断面形状を
有することの格別な利点とは、直線的な鋸カットライン
ＳゆえにＰＭＡの個別化にこれまで使用されてきた切断
用鋸をそのまま利用できることである。たとえば固体３
は支持体上に配向されて張設され、その際にこの支持体
によって、６０゜という規定の角度で切断台を旋回させ
ることができる一方、切断台を並進的に変位させること
もできるように構成されている。これにより、個別化に
必要な鋸カットラインＳを作ることができる。この場
合、切断されて残される領域は基板面積の４分の１であ
る。
【００２０】積層される生部材１０の均一な構造を実現
し、さらに焼結プロセスにおいて発生する内部の機械的
なゆがみを抑えるために、三角形の切り捨て領域５は有
利には電極構造体２０の厚さに対応する充填材料で満た
され、たとえば電極材料の絶縁アイランドとともにこの
切り捨て領域５をスクリーン印刷することにより行われ
る。
【００２１】ＰＭＡには交互に配向された電極２の外部
コンタクト６が、有利には部品の平坦な外面における電
気的なコンタクトタグのレーザはんだ付けなどにより取
り付けられる。これにより多重のプレートコンデンサに
等価の有利な多層電極構造体を製造することができ、た
とえばＰＭＡの対向する面に交互に配置された切り欠き
を有する電極２のグループによる多層電極構造体を製造
することができる。
【００２２】次に、六角形の横断面形状をもつ多層圧電
アクチュエータの利点について、以下の計算例に基づき
説明する。
【００２３】セラミックスの弾性率をＥM ＝３８［ＧＰ
ａ］とし、圧電率ｄ33 ＝６５０ *１０-12 ［ｍＶ］と
すると、寸法（幅 * 深さ * 長さ）が７*７*３０ｍｍで
ある正方形の横断面形状をもつＰＭＡが、１０ｍｍの内
径をもつシリンダ状ケーシングに配置されている場合、 剛性Ｃp ＝６２［Ｎ／μｍ］ ＥF ＝２［ｋＶ／ｍｍ］のとき制止力ＦB ＝２４２１
［Ｎ］ となる。
【００２４】同じケーシング条件のもとで、六角形のＰ
ＭＡであってその六角形の辺の長さがケーシング内径の
半分である５ｍｍの場合、 剛性Ｃp ＝８２［Ｎ／μｍ］ ＥF ＝２［ｋＶ／ｍｍ］のとき制止力ＦB ＝３２０９
［Ｎ］ となる。
【００２５】六角形の基本構造は、それよりも高いオー
ダのｎ角形よりも次の点で優れている。すなわちそのよ
うなｎ角形であると、個別部材を切断用鋸によりあとで
分離するという付随条件のもとで、表面の寄せ合わせを
実現できない。また、１つの六角形の周囲長は正方形に
対し約６％しか増えないので、ＰＭＡの外面に対する後
続処理のための余分な手間ないしはコストは無視できる
程度である。
【００２６】圧電材料として有利には、ペロブスカイト
（たとえば BaTiO3, SrTiO3, PbTiO 3, KaTiO3, PbZrO3,
Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT), KNbO3, LiNbO3, LiTaO3）が使
用される。
【００２７】電極の材料として、あらゆる適切な金属ま
たは合金を使用することができ、この場合、貴金属が有
利である。とりわけＡｇＰｄが有利である。
【００２８】図３のａには六角形のＰＭＡの斜視図が描
かれており、これは交互に取り付けられた圧電単層１と
電極２によって構成されている。外部コンタクト６は、
１つの外部コンタクト６にそれぞれ１つおきに電極２が
接触接続されているように構成されている。破線Ａは、
図３のｂに示す断面図を描くために想定された分断ライ
ンの延び具合を表している。
【００２９】図３のｂには、図３のａと同様のＰＭＡが
上記の分断ラインＡに沿ってカットした断面図として描
かれている。この図には、外部コンタクト６に対し電極
２が交互に接触接続している様子が表されている。これ
は電極２に設けられた切り欠きによって実現され、ここ
ではそれを通って断面が延びている。外部コンタクト６
に電圧を印加することにより、この電極構造体は多層コ
ンデンサのように振る舞う。個々の矢印によって、電圧
印加時に発生する電界が表されている。
【００３０】正方形の基本平面に比べて最適な円形に格
段良好に近づけたことで、さらに以下のような機能的な
利点が得られる。すなわち、たとえば駆動すべきエレメ
ントへの力の案内が均一に行われるようになり、また、
多層素子における機械的な応力分布がいっそう均一にな
り、さらに電極構造体２０の角における電界の不均一性
が、いっそう鈍角になった周縁の角度ゆえに（９０゜で
はなく１２０゜となったがゆえに）低減されるようにな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】関連する横断面形状を示す図である。
【図２】分離されていない圧電部材の平面図である。
【図３】ＰＭＡの斜視図および断面図である。
【符号の説明】
１ 単層 ２ 電極 ３ 圧電性固体 ４ 多層圧電素子 ５ 切り捨て領域 ６ 外部コンタクト １０ 生部材 ２０ 電極構造体 Ｓ 鋸カットライン
フロントページの続き (72)発明者 ランドルフ モック ドイツ連邦共和国 ミュンヘン ルートヴ ィッヒ−エルハルト−アレー 29 (72)発明者 ハンス マイクスナー ドイツ連邦共和国 ハール マックス−プ ランク−シュトラーセ ５

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 六角形の横断面形状をもつ多層圧電アク
    チュエータにおいて、円形の横断面をもつケーシングが
    設けられていることを特徴とする多層圧電アクチュエー
    タ。
  2. 【請求項２】 少なくとも１つの電極（２）はＡｇＰｄ
    から成る、請求項１記載のアクチュエータ。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの圧電単層（１）は、Ｐ
    ｂＴｉＯ3 ，ＰｂＺｒＯ3 またはＰＺＴから成る、請求
    項１または２記載のアクチュエータ。
  4. 【請求項４】 電極（２）の一方の面に切り欠きが設け
    られている、請求項１〜３のいずれか１項記載のアクチ
    ュエータ。
  5. 【請求項５】 電極（２）の交互に設けられた外部コン
    タクトにより、多重のプレートコンデンサに等価の多層
    電極構造体が得られる、請求項１〜４のいずれか１項記
    載のアクチュエータ。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項記載の多層
    圧電アクチュエータの製造方法において、 生部材（１０）の表面に電極構造体（２０）を設け、 少なくとも２つの生部材（１０）を互いに重ね合わせ、
    その後、結合して１つのコンパクトな固体（３）を形成
    し、 該コンパクトな固体（３）から切断用鋸により、六角形
    の横断面形状をもつ少なくとも１つの多層圧電素子を形
    成し、 該多層圧電素子を円形の横断面をもつケーシング中に挿
    入することを特徴とする、 多層圧電アクチュエータの製造方法。
  7. 【請求項７】 前記生部材（１０）を焼結し結合して、
    コンパクトな固体（３）を形成する、請求項６記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記生部材（１０）をシート鋳込みまた
    はシート引き抜きにより形成する、請求項６または７記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 前記電極構造体（２０）をスクリーン印
    刷により前記生部材（１０）上に被着させる、請求項６
    〜８のいずれか１項記載の方法。
  10. 【請求項１０】 多層圧電素子（４）の電極（２）を、
    前記のコンパクトな固体（３）から平行な鋸カットライ
    ン（Ｓ）および６０゜旋回された鋸カットライン（Ｓ）
    により個別化する、請求項６〜９のいずれか１項記載の
    方法。
  11. 【請求項１１】 生部材（１０）の電極構造体（２０）
    を、複数の六角形状電極（２）から成る規則的なパター
    ンによって構成する、請求項６〜１０のいずれか１項記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】 切り捨て領域（５）を前記電極構造体
    （２０）の厚さに対応する充填材料で満たす、請求項６
    〜１１のいずれか１項記載の方法。
  13. 【請求項１３】 多層圧電素子（４）の平坦な外面上に
    外部コンタクト（６）を設ける、請求項６〜１２のいず
    れか１項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 外部コンタクト（６）の設けられた表
    面において少なくとも部分的に、１つおきの電極（２）
    に切り欠きを形成する、請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記外部コンタクト（６）を電気的な
    コンタクトタグのレーザはんだ付けにより被着する、請
    求項１３または１４記載の方法。
JP21400399A 1998-07-30 1999-07-28 多層圧電アクチュエ―タおよびその製造方法 Pending JP2000082852A (ja)

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