JP2003510819A - 圧電セラミック多層アクチュエーターに平面状外部電極を取り付ける方法 - Google Patents

圧電セラミック多層アクチュエーターに平面状外部電極を取り付ける方法

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JP2003510819A JP2001525775A JP2001525775A JP2003510819A JP 2003510819 A JP2003510819 A JP 2003510819A JP 2001525775 A JP2001525775 A JP 2001525775A JP 2001525775 A JP2001525775 A JP 2001525775A JP 2003510819 A JP2003510819 A JP 2003510819A
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Abstract

(57)【要約】 対向する外面に向かって交互に案内される内部電極（１２）が外部電極（１５，１６）の間にそれぞれ平行に接続されている圧電セラミック多層アクチュエーター（１０）に平面状外部電極（１５，１６）を取り付ける方法が提案される。外部電極（１５，１６）を有する外面は以下の処理工程により処理される：ａ）中性洗浄剤で純粋になるまで清浄化し、ｂ）希釈した酸溶液中で酸洗し、ｃ）活性剤の希釈した溶液中で活性化し、ｄ）ハロゲン化物イオンまたはパラジウムまたは他の白金族金属を有する白金族金属の他のハロゲン化物を添加した、塩化パラジウムの希釈した溶液中で核形成し、ｅ）相当するニッケル塩溶液および／または銅塩溶液中で還元剤を用いてニッケルおよび／または銅を無電流で析出し、ｆ）相当する溶液中で錫または錫合金を電気メッキし、ｇ）乾燥および／または熱処理し、ｈ）予めろう接した柔軟な外部電極（１５，１６）を平坦に押圧し、ｉ）保護ガス下で外部電極（１５，１６）をろう接する。この方法により、きわめて強固に付着する基礎金属被覆および良好にろう接可能な構造金属被覆が得られ、その際この方法は材料の製造に適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、対向する外面に向かって交互に案内される内部電極が外部電極の間
にそれぞれ平行に接続されている圧電セラミック多層アクチュエーターに平面状
外部電極を取り付ける方法に関する。
【０００２】 この種の圧電セラミック多層アクチュエーターは、例えばドイツ特許出願公開
第１９６４８５４５号から公知である。アクチュエーターは圧電セラミックから
なる薄いフィルムの焼結したスタックからなり、フィルムの間に配置された内部
電極が交互にスタックから２つの対向する面に向かって案内され、外部電極を介
して電気的に平行に接続されている。この外部電極は柔軟に形成され、例えば三
次元的に構造化されていなければならない。外部電極は部分的接触位置を介して
基礎金属被覆と接続されている。電圧を印加するとスタック状に構成された多層
アクチュエーターが伸張し、交流電圧を印加すると変換周波数にあわせて伸びお
よび収縮運動が行われる。この多層アクチュエーターは、例えば機械的振動を形
成するためにまたは、例えば自動車インジェクター用弁または弁部分の運転機関
として使用される。多層アクチュエーターの機械的運動により特に基礎金属被覆
は高い負荷にさらされ、その際圧電セラミック材料が本来脆く、引張り強度が低
いことがなお付け加えられる。この結果として、許容される最大引張り応力はし
ばしばすでに分極の際に必然的な亀裂形成を生じ、特に縁側の亀裂形成を生じ、
付着の悪い基礎金属被覆の場合にはその剥離が促進する。
【０００３】 発明の利点 請求項１に記載の本発明の方法は、有利なやり方できわめて強固に付着する基
礎金属被覆および良好にろう接できる構造金属被覆を生じ、この方法は大規模連
続的製造に特に適している。
【０００４】 請求項２以下に記載された手段により、有利な構成および請求項１に記載の方
法の改良が可能である。
【０００５】 圧電セラミックは酸に反応しやすいので、処理浴および処理条件を、主に弱酸
性またはアルカリ性溶液中で負荷が生じるように有利なやり方で選択する。この
特別の酸洗法は多層アクチュエーターへの基礎金属被覆のより確実な付着を生じ
る。
【０００６】 鉛、銅、銀または他の合金成分からの添加物を有する錫または錫合金からの構
造金属被覆は外部電極の良好な付着および安全なろう接を可能にする。保護ガス
下のろう接によりろう接平面での付着が改良する。ノークリーンフラックス（Ｎ
ｏ Ｃｌｅａｎ Ｆｌｕｓｓｍｉｔｔｅｌ）の使用は引き続く洗浄工程の省略を
可能にする。
【０００７】 特に有利なやり方で活性化および／または核形成は、所望の平面でスタンプコ
ーティング（Ｓｔｅｍｐｅｌａｕｆｔｒａｇ）により、有利にはそれぞれ０.５
〜２分の時間行われ、これは室温で行ってもよい。これにより所望の平面で金属
被覆が形成され、その他の平面の後処理は必要でない。
【０００８】 図面 金属被覆の上にろう接された外部電極を有する多層アクチュエーターが図面に
縦断面図で示され、以下に外部金属被覆および外部電極を取り付ける本発明の方
法に関して詳細に説明する。
【０００９】 実施例の説明 図面には圧電セラミック多層アクチュエーターが示されている。アクチュエー
ターは圧電セラミック、例えばチタンジルコン酸鉛からなる薄いフィルム１１の
焼結したスタック１０からなる。個々のフィルム１１の間に金属の内部電極１２
が堆積され、これは、例えばＡｇＰｄからなり、スクリーン印刷により被覆され
ている。この内部電極１２は交互にスタック１０からこの両側の対向する外面に
まで延びている。内部電極はここでそれぞれ２つの外部金属被覆１３，１４を介
して互いに接続されるかまたは平行に接続されている。
【００１０】 互いの内部電極１２の間隔は、例えば１５０μｍであり、電極の厚さは約５μ
ｍである。この多層アクチュエーターは数百の個々の電極またはフィルム１１か
らなり、この数をなお上回っていてもよい。
【００１１】 外部金属被覆１３，１４に、平面状の、柔軟な導電性の外部電極１５，１６が
ろう接され、外部電極は必要な柔軟性を達成するためにシーブ、ネット、らせん
、くし、ポリマー、ブロンズシーブ等として形成されていてもよい。これは冒頭
に記載の技術水準に詳しく説明される。
【００１２】 外部電極に、実施例では接続線材１７が横方向におよび接続線材１８が縦方向
にろう接されているか、または例えば抵抗溶接またはレーザー溶接により溶接さ
れる。接続線材の代わりにコンセントを取り付けることができる。この取り付け
は外部電極１５，１６のろう接の前または後に行うことができる。
【００１３】 接続線材１７，１８に電圧を印加するとスタック１０は矢印の方向１９に伸張
し、その際この往復行程は、例えば自動車インジェクターの弁または弁部分等を
運転するために使用することができる。交流電圧を印加するとこのやり方で機械
的振動を生じることができる。
【００１４】 以下に外部金属被覆１３，１４および外部電極１５，１６をスタック１０に取
り付ける方法を記載する。
【００１５】 この工程のために、個々のスタック１０または後で切断することにより個々の
スタックに分解される、より大きな棒状装置をすでに焼結し、研磨されたまたは
磨かれた外面で電気メッキ台に固定する。側面の処理は外部金属被覆１３，１４
が取り付けられる側面に限定することができる。
【００１６】 第１工程として必要な活性化工程のために、スタックまたは棒状装置を、まず
中性洗浄液でｐＨ６〜８および温度４０〜６０℃で数分間、純粋になるまで清浄
化する。その後酸または酸混合物の希釈した溶液中でスタック１０の酸洗または
粗面化を行う。この工程は、高いエネルギーの超音波に支持されて４０ｋＨｚよ
り高い周波数および２０〜３０℃の温度で数秒間行う。引き続き錫（ＩＩ）塩、
例えばＳｎ（ＢＦ４）２の希釈した溶液中で、弱酸性のｐＨ範囲および例えば３
０〜４０℃の温度で数分間、本来の活性化を行う。その際外部電極に錫コロイド
が沈積する。最後に塩化パラジウムの希釈した溶液中で、ハロゲン化物の存在で
、例えばＰｄＣｌ２＋ＮａＣｌで、３〜４のｐＨ値および例えば２０〜３０℃の
温度で数分間、核形成を行う。パラジウムの代わりに他の白金族の金属を使用す
ることができる。活性化は有機物質の被覆により達成することもできる。活性化
のそれぞれのこの処理工程の間に完全脱塩水で洗浄する。
【００１７】 第２処理工程として、ニッケル、銅またはニッケル−銅合金からなる基礎金属
被覆を析出または被覆する。この処理工程は、アルカリ溶液中で行い、その際析
出を無電流でまたは外部から電流を流すことなく行う。これは以下の３つの方法
により行うことができる。
【００１８】 ａ）ニッケルを、ニッケル塩溶液、例えばＮｉＳＯ４から、還元剤としてホスフ
ィン酸塩、例えばＮａＨ２ＰＯ２を用いて、８〜９のｐＨ値および例えば７５〜
９５℃の高い温度で１０〜２０分の時間で析出する。
【００１９】 ｂ）ニッケルおよび銅を、ニッケル塩溶液、例えばＮｉＳＯ４および銅塩溶液、
例えばＣｕＳＯ４から還元剤としてホスフィン酸塩、例えばＮａＨ２ＰＯ２およ
び錯体形成剤としてヒドロキシカルボン酸を用いて析出する。これは９〜１０の
ｐＨ値および例えば８０℃の高い温度で１０〜３０分の時間で行う。
【００２０】 ｃ）銅を、銅塩溶液、例えばＣｕＳＯ４から、還元剤としてホルムアルデヒド（
ＣＨ２Ｏ）および錯体形成剤としてポリアミノポリカルボン酸を用いて９〜１０
のｐＨ値および例えば８０℃の高い温度で１０〜２０分の時間で析出する。
【００２１】 無電流の析出、従って基礎金属被覆の被覆後、完全脱塩水で洗浄し、すぐに錫
または錫合金を用いて電気的構造被覆を実施する。基礎金属被覆に続いてすぐに
電気的金属被覆が可能でない場合は、約０.１μｍの厚さの金層を被覆すること
によりこの方法を短時間中断することができる。このために中性から弱酸性まで
のｐＨ値および高い温度で外部から電流を流すことなく被覆する金浴を使用する
。
【００２２】 使用される圧電セラミックの酸への反応しやすさにより、ろう層として錫合金
を電気メッキするために、例えば特に鉛含有ガラスおよびセラミックのために使
用されるような溶液を使用する。例えば自動車で後から使用する際の多層アクチ
ュエーターの強い温度負荷により、２３０℃でのろうの安定性が保証されなけれ
ばならず、従ってスタック１０の被覆のために、溶液を、例えばＳｎ９８．５Ｐ
ｂ１．５の組成を有するろうが得られるように調整する。このために錫合金をス
タック１０または棒状装置に錯体形成剤としてポリアミノポリカルボン酸を用い
て弱酸性のｐＨ値および例えば２０〜４０℃の温度で層として析出する。１〜２
Ａ／ｄｍ２の電流密度で１５分間でろう接可能な層厚が達成される。錫−鉛合金
の代わりに銅、ビスマスまたは銀を有する他の錫合金を使用することもできる。
引き続き完全脱塩水で洗浄し、スタックを油不含の窒素ガス流中で乾燥する。選
択的または付加的な乾燥工程としてスタックを空気循環炉中で１００〜２００℃
で３０〜６０分の間熱処理することができる。
【００２３】 最後に第４工程としてなおこうして形成された外部金属被覆１３，１４への外
部電極１５，１６のろう接を行う。まずスタック１０または棒状装置を、いわゆ
るノークリーンフラックスを被覆することにより調製し、この場合は引き続く洗
浄は必要でない。このために、例えばエタノール中の２％アジピン酸が適してい
る。予めろう接した外部電極１５，１６の供給は位置決め装置により行い、その
後、例えば皿状ばねを用いて、例えば１Ｎ／ｍｍ２の圧力で平坦に押圧する。保
護ガス（例えば窒素）下で残留酸素含量１０ｐｐｍ未満でリフロー貫流炉中で本
来のろう接を行う。炉中の温度特性は２５０〜４００℃であり、５〜１５分で２
５０℃へのスタック１０の温和な均一の加熱を達成するために、毎分３００〜６
００ｍｍの送り速度で部品を貫通する。このために選択的に気相ろう接装置中で
、例えば２６０℃の温度でろう接を行うことができる。
【００２４】 個々のスタック１０または圧電アクチュエーターは斜角面および側面のような
反応しやすい領域を有し、この領域は所望の接触面と同様に浸漬浴中で前記化学
的活性化および核形成により化学的還元性金属層（例えばニッケル）を基礎被覆
する。従って引き続く使用のために、この斜角面および側面を、例えば研磨によ
り再び浄化しなければならない。その際しばしば、特に短絡の形成により多層ア
クチュエーターが破壊される。
【００２５】 従って、前記方法の変形において、スタンププリンティング（Ｓｔｅｍｐｅｌ
ｄｒｕｃｋ）技術により局所的または選択的な活性化および核形成を可能にする
、以下に記載の方法を活性化のために使用することができる。粗面化または酸洗
の後に、錫（ＩＩ）テトラフルオロホウ酸塩を用いてスタンプコーティングまた
はスタンププリンティングにより室温で約１分間活性化を実施する。従って活性
化はスタンプ型に相当して被覆される領域のみで行われる。引き続く核形成はス
タンププリンティングにより室温で１分間実施し、従って薄いニッケル層がスタ
ンプ型に相当してのみ所望の方法で形成され、一方その他の面は空いたまま残る
。これは引き続く構造金属被覆に該当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 金属被覆の上にろう接された外部電極を有する本発明の多層アクチュエーター
の断面図である。
【符号の説明】
１０ アクチュエーター、 １２ 内部電極、 １３、１４ 金属被覆、 １
５，１６ 外部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルトラム ズッグ ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン フリー ドリヒ−シャッフェルト−シュトラーセ ８ (72)発明者 ユルゲン ハッケンベルク ドイツ連邦共和国 ザクセンハイム ツィ ンメラー プファート 99 【要約の続き】 の方法は材料の製造に適している。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対向する外面に向かって交互に案内される内部電極（１２）
    が外部電極の間にそれぞれ平行に接続されている圧電セラミック多層アクチュエ
    ーター（１０）に平面状外部電極（１５，１６）を取り付ける方法において、以
    下の処理工程： ａ）中性洗浄剤で純粋になるまで清浄化し、 ｂ）希釈した酸溶液中で酸洗し、 ｃ）活性剤の希釈した溶液中で活性化し、 ｄ）ハロゲン化物イオンまたはパラジウムまたは他の白金族金属を有する白金族
    金属の他のハロゲン化物を添加した、塩化パラジウムの希釈した溶液中で核形成
    し、 ｅ）相当するニッケル塩溶液および／または銅塩溶液中で還元剤を用いてニッケ
    ルおよび／または銅を無電流で析出し、 ｆ）相当する溶液中で錫または錫合金を電気メッキし、 ｇ）乾燥および／または熱処理し、 ｈ）予めろう接した柔軟な外部電極（１５，１６）を平坦に押圧し、 ｉ）保護ガス下で外部電極（１５，１６）をろう接する ことにより、少なくとも外部電極（１５，１６）を備えるべき外面を処理するこ
    とを特徴とする圧電セラミック多層アクチュエーターに平面状外部電極を取り付
    ける方法。
  2. 【請求項２】 ６〜８のｐＨ値を有する中性洗浄剤で、有利には４０〜６０
    ℃の温度で純粋になるまで清浄化を行う請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 酸添加物を有する硝酸の希釈した溶液中で酸洗を行う請求項
    １または２記載の方法。
  4. 【請求項４】 特に４０ｋＨｚより高い周波数を有する超音波に支持されて
    および２０〜３０℃の温度で酸洗を行う請求項１から３までのいずれか１項記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 錫（ＩＩ）テトラフルオロホウ酸塩（Ｓｎ（ＢＦ４）２）ま
    たは塩化錫（ＳｎＣｌ２）の希釈した溶液中で活性化を行う請求項１から４まで
    のいずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 弱酸性のｐＨ値および／または３０〜４０℃の温度で活性化
    を行う請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 核形成を、ハロゲン化物イオンを添加した塩化パラジウムの
    希釈した溶液中で、３〜４のｐＨ値で、特に２０〜３０℃の温度で行う請求項１
    から６までのいずれか１項記載の方法。
  8. 【請求項８】 無電流の析出の際に還元剤としてホスフィン酸塩（例えばＮ
    ａＨ２ＰＯ２）を用いてニッケル塩溶液（例えばＮｉＳＯ４）からニッケルを析
    出する請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
  9. 【請求項９】 析出を８〜９のｐＨ値および／または７０〜９５℃の温度で
    行う請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 無電流の析出の際にニッケル塩溶液（例えばＮｉＳＯ４）
    および銅塩溶液（例えばＣｕＳＯ４）から還元剤としてホスフィン酸塩（例えば
    ＮａＨ２ＰＯ２）を用いてニッケルおよび銅を析出する請求項１から７までのい
    ずれか１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 無電流の析出の際に銅塩溶液（例えばＣｕＳＯ４）から還
    元剤としてホルムアルデヒド（ＣＨ２Ｏ）および錯体形成剤としてポリアミノポ
    リカルボン酸を用いて銅を析出する請求項１から７までのいずれか１項記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】 析出を９〜１０のｐＨ値および／または６０℃より高い温
    度で行う請求項１０または１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 析出を１０〜２０分の時間実施する請求項８から１１まで
    のいずれか１項記載の方法。
  14. 【請求項１４】 錫または錫合金の電気メッキの際に錯体形成剤として有機
    添加物、特にポリアミドポリカルボン酸を使用する請求項１から１３までのいず
    れか１項記載の方法。
  15. 【請求項１５】 析出を弱酸性のｐＨ値および／または２０〜４０℃の温度
    で行う請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 析出を１〜２Ａ／ｄｍ２の電流で５〜３０分間実施する請
    求項１４または１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 乾燥を油不含の窒素ガス流中で行う請求項１から１６まで
    のいずれか１項記載の方法。
  18. 【請求項１８】 熱処理を空気循環炉中で１００〜２００℃の温度で３０〜
    ６０分行う請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。
  19. 【請求項１９】 外部電極（１５，１６）の押圧の前に引き続く洗浄が必要
    でない溶融剤（ノークリーンフラックス）を、特にエタノール中の２％アジピン
    酸を多層アクチュエーター（１０）の相当する外面に被覆する請求項１から１８
    までのいずれか１項記載の方法。
  20. 【請求項２０】 外部電極（１５，１６）を、ろう接のために１〜５Ｎ／ｍ
    ｍ２の圧力で平坦に構造金属被覆に押圧する請求項１から１９までのいずれか１
    項記載の方法。
  21. 【請求項２１】 外部電極（１３，１４）のろう接を、空気循環炉中で２５
    ０〜４００℃の温度で、特に３００〜６００ｍｍ／分の送りで行う請求項１から
    ２０までのいずれか１項記載の方法。
  22. 【請求項２２】 外部電極（１３，１４）のろう接を気相ろう接装置中で２
    ５０〜２９０℃の温度で行う請求項１から２０までのいずれか１項記載の方法。
  23. 【請求項２３】 活性化および／または核形成を、所望の平面にスタンプコ
    ーティングにより行う請求項１から２２までのいずれか１項記載の方法。
  24. 【請求項２４】 活性化および／または核形成を、それぞれ０.５〜２分の
    時間、スタンププリンティングにより、特に室温で行う請求項１から２２までの
    いずれか１項記載の方法
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