JP2002319716A - 圧電セラミック多層アクチュエーターおよびその製造方法 - Google Patents

圧電セラミック多層アクチュエーターおよびその製造方法

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JP2002319716A
JP2002319716A JP2002038824A JP2002038824A JP2002319716A JP 2002319716 A JP2002319716 A JP 2002319716A JP 2002038824 A JP2002038824 A JP 2002038824A JP 2002038824 A JP2002038824 A JP 2002038824A JP 2002319716 A JP2002319716 A JP 2002319716A
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actuator
piezoelectric ceramic
multilayer actuator
internal electrodes
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Hans-Juergen Schreiner
シュライナー ハンス−ユルゲン
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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】 圧電セラミック多層アクチュエーター
は、接触面（１７）およびこれと共に接触面に対応配置
された、１個または決められた数の同じ方向に重ね合わ
せて配置された、同じ極性の内部電極（１１，３０〜３
７，３９，４０）の不活性領域（１５）が、接触面（１
７）およびこれと共に接触面に対応配置された、前記内
部電極または決められた数の同じ配向の同じ極性の前記
内部電極の不活性領域に対して大きさαの決められた角
度（２２）だけずれて互いに配置されていることを特徴
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およびその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】図１には技術水準による圧電セラミック
多層アクチュエーター１が示されている。このアクチュ
エーターはインターデジタル構造を有する。これは一体
型として製造され、すなわち圧電活性材料、例えばジル
コン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の堆積した薄い層２および
この間に配置された導電性内部電極７からなり、内部電
極は交互にアクチュエーター表面に案内される。活性材
料に、いわゆる未加工フィルムとして焼結の前にスクリ
ーン印刷法により内部電極７を用意し、堆積層に圧縮
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。
【０００３】外部電極３，４を内部電極７と接続する。
これにより内部電極７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、集合体にまとめら
れる。外部電極３，４はアクチュエーターの接続電極で
ある。接続線５を介して接続電極に電圧が印加される
と、電圧はすべての内部電極７に平行に伝わり、活性材
料のすべての層に電界を生じ、これにより材料は機械的
に変形する。これらのすべての機械的変形の合計はアク
チュエーターの端面に利用可能な伸び６および／または
力として、例えば内燃機関で噴射弁を制御するために使
用される。
【０００４】技術水準によるアクチュエータにおいて、
接触に必要な不活性領域に伸びの不均一性が生じること
は知られている。これは圧電不活性電極領域に亀裂を生
じ、亀裂は均一な間隔で生じることがある。この状態は
図１に示される。
【０００５】伸びの不均一性により不活性に延びた領域
に、亀裂形成が緩和される高さまで電圧が蓄積する。亀
裂８は一般に約１〜２μｍ／ｍｍの伸びで１ｍｍより大
きい間隔を有する。この亀裂８は、伸びを生じるいわゆ
るアクチュエーターの活性領域で終了し、それというの
もここでは圧縮応力のみが生じる。
【０００６】亀裂は若干の使用のために許容することが
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ていない場合は、亀裂により
露出する電極平面に電界が生じ、これが水または極性分
子の付加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破損により運
転中に機能しないことを完全に排除することができな
い。更に外部電極が亀裂の領域で特別な負荷を受け、引
き裂かれるか、または分解する。外部電極の機能停止は
アクチュエーター全体の機能停止を生じる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、亀裂
を形成する応力を発生する原因を十分に取り除くことで
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題は、請求項１記
載の多層アクチュエーターおよび請求項１６記載のその
方法により解決される。本発明の有利な構成は従属請求
項に記載されている。
【０００９】本発明の多層アクチュエーターは、同じ極
性の内部電極の、外部電極と接触すべき平面が、直線方
向に重ねられていないことにより、技術水準によるアク
チュエーターと異なる。本発明の多層アクチュエーター
の内部電極は、その底面から区切られた、舌状の、外部
に向かう接触を有する。この接触領域の端面は接触面で
ある。この接触面のみがアクチュエーターの表面に達
し、それぞれの外部電極に接続され、同じ極性の内部電
極を接続する。内部電極の前記の形成により舌状の接触
領域に所定の幅の不活性領域が形成される。接触面およ
びこれと共に接触面に対応配置された、１つまたは決め
られた数の同じ方向に重ね合わせて配置された、同じ極
性の内部電極の不活性領域は、接触面およびこれと共に
接触面に対応配置された、前記内部電極または決められ
た数の同じ配向の、同じ極性の前記内部電極の不活性領
域に対して決められた角度αだけずれて配置される。こ
れにより不活性に延びる不活性領域が形成される。
【００１０】同じ極性の内部電極の接触すべき面および
不活性領域は、本発明に相当して均一な間隔で決められ
た角度だけずれて配置される。技術水準に対する利点
は、不活性領域の応力がもはや亀裂が生じる高さに蓄積
されないことである。
【００１１】この領域に生じる応力の大きさにより調節
される決められた高さにより、ずれが、この領域中の同
じ極性の内部電極の第一電極および最後の電極の少なく
とも接触面がもはや重ならないように、角度αより数倍
大きい。これにより亀裂が形成される臨界的な距離が克
服される。決められた高さのこのずれは、多層アクチュ
エーター中でその大きさに応じて複数で前後に備えるこ
とができ、すでに例えばすべて０.５ｍｍで終了してい
てもよいが、アクチュエーターの大きさに依存して遅く
ても約３ｍｍ後に終了すべきであり、これにより応力の
分解作用を開始することができる。有利な範囲は約１ｍ
ｍ〜１.５ｍｍである。
【００１２】層の厚さ、これは圧電セラミック層の厚さ
および内部電極の厚さであり、一般に１００μｍであ
り、これは０.１ｍｍである。接触面または不活性領域
がもはや覆われないずれは、すでに約５個の層の後に生
じることがあり、約３０個の層の後に終了すべきであ
る。有利とみなされる範囲は約１０〜１５の層である。
接触面および不活性領域の覆いを排除するずれは、それ
ぞれの層が同じ極性の内部電極を有する連続する層に対
して決められた角度だけずれて配置するように行うこと
ができる。しかし決められた角度だけずらす前に、同じ
極性の内部電極を有する２つ以上の層を最初に同じ配置
で重ね合わせることができる。
【００１３】１つの領域または複数の領域の終了後にず
れを１つの方向に継続するだけでなく、反対方向に再び
戻し、ずれの波形の進行を行う可能性も存在する。しか
しこれにより外部電極の被覆がより困難に形成される。
【００１４】アクチュエーターは円形の横断面を有する
ことができる。横断面は正方形、長方形または多角形で
あってもよい。同じ極性の内部電極の接触面を接続する
際に、円形の横断面を有するアクチュエーターの場合に
および連続的に進行するずれの場合に、外部電極はらせ
ん形の曲線を有する。その他の形態では外部電極は、１
個または特に多角形の横断面の場合は複数の側面の上に
延びている。
【００１５】固定するために、多層アクチュエーターは
その縦軸に延びる連続する孔を有することができ、その
際なお焼結の前に柔らかい未加工成形体に導入すること
が有利である。
【００１６】アクチュエーターの不活性頭部領域および
脚部領域中の応力を減少するために、使用電界の強さを
連続的に低下することにより、活性領域から不活性領域
への遷移を同じ形で形成することができる。使用電界の
強さの低下は、頭部領域および脚部領域中で内部電極の
間隔が電極から電極へアクチュエーターのそれぞれの端
部に向かって拡大することにより達成される。
【００１７】
【実施例】本発明を実施例により詳細に説明する。実施
例は円形の横断面および連続的ずれを有する多層アクチ
ュエーター１０の構成を示す。
【００１８】図２には本発明の内部電極１１の構成が示
される。半径（Ｒ）１３を有する円形の横断面１２から
円形部分の側面に長さＬの割線１４で切断される。向か
い合う面に、同じ大きさの円形部分から同じ長さの割線
１５で残りの底面１２から区切られた舌状の外部に向か
う接触領域１６が残る。内部電極１１は所定の厚さを有
するので、幅ｂを有する接触領域１６の切片は外部電極
に接続するための接触面１７の縁部である。
【００１９】図３は未加工フィルム１８，１９、２０を
示す。この上に本発明の構成のそれぞれ６個の内部電極
１１が被覆され、その際この被覆は一般にスクリーン印
刷で行われる。未加工フィルムへの複数の内部電極の被
覆は複数の多層アクチュエーターの合理的な製造を同時
に可能にする。フィルムは、内部電極が重なり合うよう
に必要な数で重ねて堆積され、その後簡単な分離性のた
めに、できるだけなお生状態で内部電極のまわりで互い
に分離する。引き続き同様になお生状態で、決められた
多層アクチュエーターの未加工直径まで多層アクチュエ
ーターの製造処理を行うことができる。
【００２０】それぞれの未加工フィルム１８，１９また
は２０上の内部電極の配置はそれぞれ同じ配向で存在す
る。例えば第１、第３および第５のフィルムである。そ
れぞれの連続するフィルム中に、本発明により内部電極
の配向でずれを行い、すなわち中心点２１を基準にして
大きさαの決められた角度２２だけ回転する。３個の未
加工フィルム１８、１９および２０は同じ極性の内部電
極を示す。
【００２１】反対の極性の内部電極を同様の方法で製造
することができる。しかしその配向は配置された反対の
極性の内部電極の配向に対向しており、従って第２、第
４および第６のフィルム上にそれぞれ１８０°回転して
いる。異なる極性の電極層は交互に交替する。重ね合わ
せたフィルムの反対の極性の内部電極の配置は図４に多
層アクチュエーター１０の平面図に示される。プラス電
極の接触面１７はマイナス電極の接触面１７に１８０°
回転して対向して存在し、セラミックフィルム２５によ
り互いに分離される。
【００２２】すでに示したように、決められた高さｈ
（図５の３８）により、少なくとも接触面１７（ｂ）が
もはや重ならず、従って不活性領域での亀裂形成が回避
される。この作用は、臨界的距離ｈにより第一フィルム
層および最後のフィルム層の不活性領域がもはや覆われ
ていない場合に、最適にされる。大きさαの角度２２で
１つの内部電極を同じ極性の連続する電極に対して回転
させなければならない場合は、決められた高さｈで以下
のように計算する。
【００２３】 α＝（ｈ／ｄ・ａｒｃｓｉｎ（Ｌ／Ｒ））、 式中のｄ（図５の２３）は圧電セラミック層、未加工フ
ィルム２５の全部の厚さおよび電極層１１の厚さであ
り、Ｒは多層アクチュエーターの半径１３である。
【００２４】フィルムを重ね合わせ堆積により積層化
し、その際フィルム堆積層、ブロックは複数の多層アク
チュエーターを有してもよい。本発明の実施例において
は未加工フィルム上に印刷した内部電極により６個であ
る。アクチュエーターは、例えば分離装置により６個
の、個々の長方形の六面体に分割される。それぞれの六
面体は１個のアクチュエーターに相当する。六面体は生
状態で、表面を絶縁するために接触面のほかに不活性領
域が形成されるように所望の直径に切断する。その後ア
クチュエーターを焼結し、その際均一な焼結収縮により
所望の最終寸法が達成される。焼結した状態で端部は平
らに平行に研磨する。その他の表面から、接触すべき領
域、接触面１７のみを外部電極２４に接続するために研
磨により露出しなければならない。接触面１７にベース
金属被覆を備え、引き続き適当な材料からなる電極、例
えば不変鋼からなるシーブ電極を、接続面の曲線に続い
てロウ付けする。他の実施例に相当して、電極層は付加
的な外部電極を有せず、導電性層のみからなっていても
よい。
【００２５】フィルム堆積層から個々のアクチュエータ
ーを分離後、最終的な形成を焼結後に行う。
【００２６】図５は、円形の横断面およびらせん形に延
びる外部電極２４を有する本発明のアクチュエーター１
０の大きく拡大した図である。前面の外部電極はほとん
ど完全に見ることができるが、反対の極性の内部電極１
１を互いに接続する外部電極の曲線は見ることができ
ず、従って破線で示される。縦軸２６を中心に孔２７が
アクチュエーターを固定するために延びている。頭部領
域２８および脚部領域２９に、生じる応力に関する不活
性領域に対する遷移領域が、それぞれの端部に向かう内
部電極の間隔の拡大により使用電界の強さが低下するこ
とにより均一に形成される。頭部２８での電極３０、３
１、３２および３３の間隔は電極から電極へアクチュエ
ーターの端部に向かって拡大する。同様に脚部領域２９
で電極３４，３５，３６および３７の間隔が拡大する。
間隔の拡大により機械的応力が大きな容器容積に分配さ
れ、これによりもはや亀裂形成に決定的な大きさを上回
らない。
【００２７】その他の内部電極１１は互いにすべて同じ
間隔を有する。外部電極２４により互いに接続した接触
面およびこれと共に不活性領域１５は連続的に同じ角度
だけ互いにずれる。臨界的距離３８（ｈ）、本発明の実
施例によればずれ４１は、同じ極性の電極１１の不活性
領域１５の重なりがもはや存在しない大きさであり、電
極３９および４０の間に数えられるように、６個の電極
層２３により達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による圧電セラミック多層アクチュエ
ーターの図である。
【図２】本発明により形成される内部電極の平面図であ
る。
【図３】複数の内部電極を有する多層アクチュエーター
の重ね合わせた層のための圧電セラミック材料からなる
未加工フィルムである。
【図４】異なる極性の内部電極の配置の平面図である。
【図５】アクチュエーターの側面図である。
【符号の説明】
１０ アクチュエーター、 １１、３０〜３７、３９、
４０ 内部電極、 １５ 不活性領域、 １７ 接触
面、 ２２ 角度、 ２３ 層、 ２４ 外部電極、
２５ 層、 ３８ 高さ、 ４１ ずれ

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アクチュエーター表面に交互に案内され
    る内部電極（１１，３０〜３７、３９，４０）および内
    部電極に対応配置された不活性領域（１５）を有する圧
    電セラミック多層アクチュエーター（１０）であり、そ
    の際同じ極性の内部電極がその接触面（１７）で、平行
    に接続するために、それぞれ外部電極（２４）に接続さ
    れ、外部電極（２４）はアクチュエーター（１０）の向
    かい合う面に配置されている圧電セラミック多層アクチ
    ュエーター（１０）において、接触面（１７）およびこ
    れと共に接触面に対応配置された、１個または決められ
    た数の同じ方向に重ね合わせて配置された、同じ極性の
    内部電極（１１，３０〜３７，３９，４０）の不活性領
    域（１５）が、接触面（１７）およびこれと共に接触面
    に対応配置された、前記内部電極または決められた数の
    同じ配向の同じ極性の前記内部電極の不活性領域に対し
    て大きさαの決められた角度（２２）だけずれて互いに
    配置されていることを特徴とする、圧電セラミック多層
    アクチュエーター。
  2. 【請求項２】 決められた高さ（３８）およびこれと共
    に被覆された内部電極（１１）を有する圧電セラミック
    材料の層（２５）からなる決められた数の層（２３）に
    より、ずれ（４１）が、この領域（３８）中の同じ極性
    の内部電極（１１）の第一の電極（３９）および最後の
    電極（４０）の少なくとも接触面（１７）がもはや重な
    らないように、決められた角度（２２）より数倍大きい
    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】 決められた高さ（３８）の領域およびこ
    れと共に被覆された内部電極（１１）を有する圧電セラ
    ミック材料の層（２５）からなる決められた数の層（２
    ３）により、ずれ（４１）が、この領域（３８）中の同
    じ極性の内部電極（１１）の第一の電極（３９）および
    最後の電極（４０）の不活性領域（１５）がもはや重な
    らないように、決められた角度（２２）より数倍大きい
    請求項１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】 それぞれ圧電セラミック材料（２５）お
    よびこの上に被覆された内部電極（１１）からなる約５
    個から約３０個の層（２３）に相当して、約０.５ｍｍ
    〜約３ｍｍの領域（３８）中のずれ（４１）が終了して
    いる請求項１から３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。
  5. 【請求項５】 約１０個から約１５個の層（２３）に相
    当して、約１ｍｍ〜約１.５ｍｍの領域（３８）中のず
    れ（４１）が終了している請求項４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】 多層アクチュエーター（１０）中のずれ
    （４１）がその大きさに応じて複数で相前後して備えら
    れている請求項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】 ずれ（４１）を、それぞれ１つの領域ま
    たは複数の領域（３８）を終了した後に反対方向に戻
    し、ずれの波形の進行を行う請求項６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】 アクチュエーター（１０）が円形の横断
    面（１２）を有する請求項１から７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。
  9. 【請求項９】 同じ極性の内部電極（１１，３０〜３
    ７，３９、４０）の接触面（１７）を接続する際に、接
    触面（１７）のずれ（４１）が連続して進行する場合
    に、外部電極（２４）がらせん形の曲線を有する請求項
    ８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】 横断面が正方形、長方形または多角形
    である請求項１から７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。
  11. 【請求項１１】 外部電極が１つのまたは特に多角形の
    横断面の場合は複数の側面の上に延びている請求項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】 縦軸（２６）方向に延びる、連続する
    孔（２７）を有する請求項１から１１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。
  13. 【請求項１３】 袋状の孔がその端部に備えられている
    請求項１から１１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。
  14. 【請求項１４】 アクチュエーター（１０）の頭部領域
    （２８）および脚部領域（２９）で、内部電極（３０〜
    ３３または３４〜３７）の間隔が、電極から電極へアク
    チュエーター（１０）のそれぞれの端部（２８または２
    ９）に向かって拡大する請求項１から１３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。
  15. 【請求項１５】 アクチュエーター（１０）が噴射弁を
    制御する部材である請求項１から１４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。
  16. 【請求項１６】 請求項１から１５までのいずれか１項
    記載の多層アクチュエーターを製造する方法において、
    外部電極に対するその接触面の同じ配向を有する同じ極
    性の複数の内部電極を、それぞれ圧電セラミック材料か
    らなる未加工フィルムに被覆し、接触面のずれを達成す
    るために、同じ極性の内部電極を、前記電極の位置に対
    して決められた角度αによるそれぞれのずれを有して、
    連続する未加工フィルムに被覆し、反対の極性の相当す
    る内部電極をそれぞれ１８０°回転させて未加工フィル
    ムに被覆し、その後反対の極性の未加工フィルムを重ね
    合わせてブロックを形成し、その際接触面およびこれと
    共に接触面に対応配置された、１個または決められた数
    の同じ方向に重ね合わせて配置された、同じ極性の内部
    電極の不活性領域を、接触面およびこれと共に接触面に
    対応配置された、決められた数の前記内部電極または決
    められた数の同じ配向の同じ極性の前記内部電極の不活
    性領域に対して決められた角度αだけずらして互いに配
    置し、引き続きこのブロックからアクチュエーターを製
    造することを特徴とする多層アクチュエーターを製造す
    る方法。
  17. 【請求項１７】 多層アクチュエーターを形成する処理
    を生の状態で焼結の前に実施する請求項１６記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 多層アクチュエーターを形成する処理
    を焼結後に実施する請求項１６記載の方法。
  19. 【請求項１９】 アクチュエーターを焼結後に焼結皮膜
    をその表面に放置し、電極を露出するために、内部電極
    の接触面が外部電極と接続する領域のみを研磨する請求
    項１６から１８までのいずれか１項記載の多層アクチュ
    エーターを製造する方法。
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