JP2002252386A - 圧電セラミック多層アクチュエーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電セラミック多層アクチュエーターを提供
する。 【解決手段】 圧電セラミックアクチュエーター（１）
は、活性領域（１０）に、それぞれ不活性頭部領域
（８）および不活性脚部領域（１０）に対して遷移領域
（１１，１８）が接続され、その収縮および延伸挙動が
活性領域（１０）の収縮および延伸挙動と不活性領域
（８，９）の収縮および延伸挙動の間にあり、不活性領
域は電極を有していないことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１記載の圧
電セラミック多層アクチュエーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電セラミック材料からなる多層アクチ
ュエーターは、交互の接触を有し、すなわち内部電極は
交互にアクチュエーターの向かい合う面の表面に案内さ
れ、ここでそれぞれ外部電極により電気的に平行に接続
される。電気的に絶縁するために、頭部領域および脚部
領域は圧電セラミックからなる不活性の、すなわち電極
不含の層からなる。

【０００３】金属電極および圧電セラミック材料の層の
配置により、圧電セラミック材料の収縮は、特に不活性
の頭部領域および脚部領域で焼結工程中に影響される。
電極に近い領域と電極に遠い領域の収縮の差はセラミッ
ク材料中に応力を生じ、これがすでに焼結工程中で亀裂
を生じるか、または製造した部品に強度を低下する作用
を生じる。これによりこれらの部品において運転中に亀
裂を形成する弱さが明らかに増加する。運転中の活性領
域および不活性領域の種々の延伸挙動は特に２つの領域
の境界で応力を生じ、これが亀裂の形成を促進する。亀
裂は若干の使用には許容することができる。しかし基本
的な問題が生じる。アクチュエーターが完全にカプセル
化されない場合は、亀裂により露出する電極平面に電界
が生じ、これは水または他の極性分子の堆積を生じるこ
とがある。これは漏れ電流を生じるか、またはアクチュ
エーター挙動の低下を強める。更にアクチュエーターが
亀裂により予め損傷して運転中の破損により機能しなこ
とを完全に排除することができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、亀裂
を形成する応力が発生する原因を十分に取り除くことで
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題は、請求項１の
アクチュエーターにより解決される。本発明の他の有利
な構成は従属請求項に記載されている。

【０００６】本発明により、それぞれ活性領域および不
活性の頭部領域および脚部領域の間に遷移領域が中間接
続され、製造中のその収縮および運転中のその延伸挙動
が活性領域の収縮または延伸挙動と圧電不活性領域の収
縮または延伸挙動の間にある。この遷移領域は２つの手
段により提供される。遷移領域中で内部電極の間隔がア
クチュエーターの端部に向かって電極から電極へ拡大す
るか、または遷移領域の材料が圧電セラミック材料から
なり、その収縮および延伸挙動が活性領域の特性と不活
性領域の特性の間にある。遷移領域中の材料の特性、特
に焼結挙動は異種原子のドーピングにより調節すること
ができる。このために内部電極の材料が適している。ド
ーピングは、活性領域中に内部電極とセラミック材料の
境界で自然の拡散により調節される濃度で行うことがで
きる。ドーピングは、例えば内部電極の材料である銀で
行うことができる。

【０００７】遷移領域中の内部電極の間隔の拡大によ
り、本発明により、多層アクチュエーターを製造する際
に活性領域および不活性領域の間の異なる収縮が中断せ
ずに行われ、これにより生じる亀裂を形成する大きさま
での応力の形成が回避される。アクチュエーターの運転
中に使用電圧を印加する際に遷移領域での場の強さが電
極間隔の拡大に相当して段階的に０まで減少する。活性
領域および連続する不活性領域の異なる伸びにより、そ
の他の場合に生じる応力は遷移領域により明らかに大き
な部品容積に分配される。これにより、応力が亀裂形成
を生じる臨界的量に達することが回避される。中間領域
の電極の間隔の拡大は、電極の間に所望の間隔で、電極
を有して印刷されていない、圧電セラミック材料からな
る相当する数のフィルムを重ね合わせることにより達成
することができる。

【０００８】遷移領域中に内部電極から内部電極への間
隔を拡大する異なる可能性が存在する。この間隔は自然
数の数列の幅で拡大されていてもよい。活性領域の電極
の間隔が、例えば１００μｍであり、これが一般に電極
の金属材料の層と圧電セラミック材料からなる層の厚さ
に相当する場合は、遷移領域中の間隔を、幅２００μ
ｍ、３００μｍ、４００μｍ等に拡大する。

【０００９】本発明の他の構成において、遷移領域中で
電極から電極への間隔を幾何級数の幅に拡大されていて
もよい。同様に１００μｍの内部電極の間隔から出発し
て、この場合に間隔を２００μｍ、４００μｍ、８００
μｍ等に拡大する。

【００１０】更に遷移領域中に内部電極の間隔を対数目
盛りの幅で拡大することができる。

【００１１】

【実施例】本発明を実施例により詳細に説明する。

【００１２】図１には本発明による圧電セラミック多層
アクチュエーター１が大きく拡大されて示されている。
アクチュエーターは、交互の接触を有する。アクチュエ
ーターは一体型として製造され、すなわち圧電活性材
料、例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）の堆積した薄
い層２からなり、この間に配置された導電性内部電極３
を有する。焼結の前に圧電活性層２に、いわゆる未加工
フィルムに、スクリーン印刷法により内部電極３を印刷
し、フィルムを内部電極３とともに圧縮して堆積し、熱
分解し、その後焼結し、これにより一体型多層アクチュ
エーター１を形成する。

【００１３】内部電極３は交互に向かい合うアクチュエ
ーター表面に案内され、ここで内部電極はそれぞれ外部
電極４，５により互いに接続している。これにより内部
電極３はそれぞれアクチュエーター１の一方の面に電気
的に平行に接続され、こうして集合体にまとめられてい
る。外部電極４，５はアクチュエーターの接続電極であ
る。接続線６を介して接続電極に電圧を印加すると、電
圧はすべての内部電極３に平行に伝わり、活性材料のす
べての層２に電場を生じ、活性材料はこれにより機械的
に変形する。これらのすべての機械的変形の合計はアク
チュエーター１の端面で利用可能な伸び７および／また
は力として使用される。

【００１４】従来の多層アクチュエーターは、内部電極
が配置されていない、不活性頭部領域８および不活性脚
部領域９、および内部電極３を有する活性領域１０から
なる。本発明の多層アクチュエーター１においては電極
のない頭部領域８および電極のない脚部領域９および活
性領域１０の間にそれぞれ遷移領域１１が配置されてい
る。活性領域１０中の内部電極３の間隔１２は常に同じ
大きさであるが、遷移領域１１内部では間隔が頭部領域
８または脚部領域９に向かって電極から電極へ拡大す
る。本発明の構成においては、間隔が、活性領域１０中
の内部電極３の間隔１２から出発して自然数の数列の幅
で拡大する。間隔１３は活性領域１０中の間隔１２にな
お相当し、従って焼結した状態での圧電活性材料のフィ
ルムまたは層２の厚さに相当する。間隔１４は間隔１３
または間隔１２の２倍の大きさであり、間隔１５は間隔
１３の３倍、間隔１６は４倍および間隔１７は５倍の大
きさである。間隔の拡大は、間隔の拡大に相当してこの
上に決められた数の層２を重ねることにより達成するこ
とができる。

【００１５】図２による実施例は図１による実施例と遷
移領域のみによって異なり、ここでは１８で示される。
前記の実施例に相応する特徴は同じ符号で示す。遷移領
域１８は圧電セラミック材料からなり、その収縮および
延伸挙動は活性領域の特性および不活性領域の間にあ
る。遷移領域では、内部電極の材料に、例えば銀を、活
性領域中で内部電極およびセラミック材料の境界で自然
の拡散により調節される濃度でドープしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】電極の間隔の拡大により遷移領域が形成されて
いる、本発明による多層アクチュエーターの図である。

【図２】圧電材料により遷移領域が形成され、その収縮
および延伸挙動が活性領域の特性と不活性領域の特性の
間にある、本発明による多層アクチュエーターの図であ
る。

【符号の説明】

１ 多層アクチュエーター、 ３ 内部電極、 ４、５
外部電極、 ８ 頭部領域、 ９ 脚部領域、 １０
活性領域、 １１、１８ 遷移領域、 １２、１３、
１４，１５、１６、１７ 間隔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギュンター ヘルケ ドイツ連邦共和国 ラウフ ゾンネンシュ トラーセ 28 (72)発明者 ユルゲン シュミット ドイツ連邦共和国 マルクトレットヴィッ ツ オーバードルフシュトラーセ 30 (72)発明者 ハンス−ユルゲン シュライナー ドイツ連邦共和国 ノインキルヒェン ア ム ザント−ロールホーフェン アンガー シュトラーセ 13 (72)発明者 マティアス ジンメール ドイツ連邦共和国 ヘンフェンフェルト イン デア ポイント 11

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交互にアクチュエーター表面に案内され
   る内部電極（３）を有する圧電セラミック多層アクチュ
   エーター（１）であり、その際活性領域（１０）の同じ
   極性の内部電極（３）が、平行に接続するために、それ
   ぞれの外部電極（４，５）に接続され、外部電極（４，
   ５）はアクチュエーター（１）の向かい合う面に配置さ
   れ、頭部領域（８）および脚部領域（９）が圧電不活性
   である圧電セラミック多層アクチュエーター（１）にお
   いて、活性領域（１０）に、それぞれ不活性頭部領域
   （８）および不活性脚部領域（９）に対する遷移領域
   （１１，１８）が接続され、その収縮および延伸挙動が
   活性領域（１０）の収縮および延伸挙動と不活性領域
   （８，９）の収縮および延伸挙動の間にあり、不活性領
   域は電極を有していないことを特徴とする圧電セラミッ
   ク多層アクチュエーター。
2. 【請求項２】 活性領域（１０）および不活性頭部領域
   （８）および不活性脚部領域（９）の間の遷移領域（１
   １）中で、内部電極（３）の間隔（１２，１３，１４，
   １５，１６，１７）が、アクチュエーター（１）の頭部
   領域（８）または脚部領域（９）に向かって電極から電
   極に拡大している請求項１記載の圧電セラミック多層ア
   クチュエーター。
3. 【請求項３】 遷移領域（１１）中の内部電極（３）の
   間隔（１２，１３，１４，１５，１６，１７）が、アク
   チュエーター（１）の頭部領域（８）または脚部領域
   （９）に向かって、活性領域（１０）中の内部電極
   （３）の間隔（１２）から出発して自然数の数列の幅で
   拡大する請求項１または２記載の圧電セラミック多層ア
   クチュエーター。
4. 【請求項４】 遷移領域（１１）中の内部電極（３）の
   間隔が、アクチュエーター（１）の頭部領域（８）また
   は脚部領域（９）に向かって、活性領域（１０）中の内
   部電極（３）の間隔（１２）から出発して幾何級数の幅
   で拡大する請求項１または２記載の圧電セラミック多層
   アクチュエーター。
5. 【請求項５】 遷移領域（１１）中の内部電極（３）の
   間隔が、アクチュエーター（１）の頭部領域（８）また
   は脚部領域（９）に向かって、活性領域（１０）中の内
   部電極（３）の間隔（１２）から出発して対数目盛りの
   幅で拡大する請求項１または２記載の圧電セラミック多
   層アクチュエーター。
6. 【請求項６】 電極（３）の間隔（１２，１３，１４，
   １５，１６，１７）を拡大するための幅の数が活性領域
   （１０）および隣接する不活性領域（８，９）の間の収
   縮および延伸挙動の差に適合している請求項１から５ま
   でのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエ
   ーター。
7. 【請求項７】 遷移領域（１１）中の最後の２つの電極
   （３）の大きな間隔（１７）が２ｍｍまでである請求項
   １から５までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層
   アクチュエーター。
8. 【請求項８】 遷移領域（１１）中の最後の２つの電極
   （３）の大きな間隔（１７）が約０.１〜１ｍｍである
   請求項６記載の圧電セラミック多層アクチュエーター。
9. 【請求項９】 不活性頭部領域（８）および不活性脚部
   領域（９）の間のそれぞれの遷移領域（１８）が変性さ
   れた圧電セラミック材料からなり、その収縮および延伸
   挙動が活性領域（１０）の収縮および延伸挙動の間にあ
   る請求項１記載の圧電セラミック多層アクチュエータ
   ー。
10. 【請求項１０】 遷移領域（１１）中の材料の特性、特
    に焼結挙動が内部電極（３）の材料の異種原子のドーピ
    ングにより影響を受ける請求項９記載の圧電セラミック
    多層アクチュエーター。
11. 【請求項１１】 活性領域（１０）中で内部電極（３）
    とセラミック材料（２）の境界で自然な拡散により調節
    される濃度での遷移領域（１１）中の材料のドーピング
    が存在する請求項１０記載の圧電セラミック多層アクチ
    ュエーター。
12. 【請求項１２】 遷移領域（１１）中の材料を銀でドー
    ピングする請求項１０または１１記載の圧電セラミック
    多層アクチュエーター。