JP2004508695A - 圧電式多層アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は独立請求項の上位概念による、ピエゾ活性化材料からなる薄い絶縁層の積層体を有する多層アクチュエータに関する。
【0002】
従来技術
例えばコモンレールディーゼルインジェクタないしガソリン直噴技術に使用されるような公知の圧電多層アクチュエータは、使用される内部電極の幾何学的配置に応じて、多層アクチュエータの不活性領域の範囲において、すなわち殊に端部領域において部分的に積層剥離部が表れ、このことは結果的に外部に取り付けられた外部電極にヒビを生じさせる可能性がある。このヒビによって多層アクチュエータの部品への電流供給が遮断され、その結果ピエゾ活性化材料からなる個々の絶縁層またはそのような絶縁層のグループは外部から印加される電圧と切り離され、したがって不活性である。
【0003】
本発明の冒頭で述べたようなモノリシックな多層アクチュエータは、例えばDE 196 48 545 A1から公知である。ここではまた、圧電アクチュエータにおける積層剥離及びヒビの形成の問題が既に論議されている。
【0004】
この積層剥離ないしヒビの形成を回避するために、上述の特許出願では圧電アクチュエータの側面に基礎金属化部を設け、この基礎金属化部に三次元構造の導電性の電極を配置することが提案されており、この電極は基礎金属部と接触部またははんだ付け部を介して接続されており、同時に個々の接触部の間では伸縮できるように構成されている。それに加えこの特許出願ではこの三次元構造の電極を、波状またはヘリンボーン状の構造を有する導線の編物ないし導線のネットとして構成することが既に提案されている。
【0005】
提案された三次元構造の電極の構成によって、以下のことが達成されるであろう。すなわち、多層アクチュエータが動作する際に殊に端部領域に生じる伸縮力が外部電極の構造によって補償され、その結果はんだ付け部ないし接触部には極僅かにしか応力は加わらず、ヒビは生じない。
【0006】
本発明の課題は、DE 196 48 545 A1に提案されている解決策に代わり、外部電極を別個に構成することによって三次元の構造を殊に省略することもできる実施形態を提供することであった。それに加え外部電極の構造によって、長手方向収縮ないし長手方向膨張及びこれによって同様に惹起される横断方向伸長ないし横断方向圧縮に起因する、外部電極に生じる応力が補償される。
【0007】
発明の利点
本発明による多層アクチュエータは従来技術と比べると以下の利点を有する。すなわち、多層アクチュエータの動作時には外部電極の領域において生じる応力、すなわち長手方向の応力も横断方向の応力も少なくとも実質的に補償調整することができ、その結果動作時には実質的に、ネットとして構成されている外部電極の部品には応力は伝わらない。したがってはんだ付け部または接触部の負荷は著しく軽減されて、故障は生じにくくなる。また殊に外部電極の部品として構成されたネットは、大部分はアクチュエータの伸長ないし膨張ともはや同調する必要はない。したがって総じて、一方では外部電極の層間剥離及び多層アクチュエータにおけるひび割れが回避され、他方では形成されたはんだ付け部の負荷は著しく低減される。
【0008】
それに加え本発明による多層アクチュエータは以下の利点を有する。すなわち、1つのはんだ付け部が不測に剥がれた場合であっても常に十分に、多数の電流を流す経路をこの剥がれたはんだ付け部の補助手段として使用することができるので、不活性の絶縁層が生じることを実質的に回避することができる。
【0009】
それに加え外部電極が篩に似た構造を持つネットを有することによって、はんだ付けプロセス、すなわち一方では取り付けられるネットと、内部電極に直接接触しているこのネットの下方にある導電層との所々のはんだ付け、また他方では取り付けられるネットと外部の電圧供給源と接続されている端子との所々のはんだ付けを効果的且つ確実に実施及び制御することができる。
【0010】
最後にネット構造によって、はんだ付けの際に使用される融剤ないし残っている融剤の残渣を容易に取り除くこともできる。
【0011】
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載の措置により生じる。
【0012】
ネットが篩の形状で実施されており、同時にこのネットないし篩の緯糸及び経糸が相互に密接して設けられている場合には有利である。この場合、多層アクチュエータが伸長する際の緯糸ないし経糸の伸縮性の歪みは縮小される。
【0013】
さらには、はんだ付けの際に使用されるはんだは部分的に緯糸と経糸の交点(はんだ付け部)にしか流し込まれず、その箇所では付加的にネットの伸長ないし伸縮性の歪みを阻止することができる。
【0014】
取り付けられるネットの経糸と緯糸は、生じる隙間すなわち編み目が少なくともほぼ菱形の形状を有するように相互に織り合わされている、ないしは編み合わされている場合には殊に有利である。ここでこの菱形は有利には、この菱形の対角線のうちの一方が積層体の動作時に生じる長手方向収縮または長手方向膨張に対して平行に配向されているように指向されている。
【0015】
それに加え本発明の殊に有利な実施形態では、この菱形の内角を動作時に生じる多層アクチュエータの相対的な長手方向変化ないし相対的な横断方向収縮に関して規定する。この角度を所定の値に限定的に調整することによって、ネットにおける長手方向応力及び横断方向応力を少なくともほぼ完全に打ち消すことができる。ここではさらに、菱形のこの内角を多層アクチュエータの具体的な相対的な長手方向変化ないし具体的な相対的な横断方向収縮に依存せずに、絶縁層のピエゾ活性化材料の圧電係数に関して一義的に確定できることは有利である。
【0016】
したがって外部電極の部品として取り付けられた、所定の内角の菱形の編み目を有する篩の形状のネットを構成することによって、このネットの機械的な負荷をほぼ完全に回避することができる。篩の編み目を菱形に形成することによって、またこの篩を多層アクチュエータの側面に取り付けられた導電層に限定的にはんだ付けすることによって、例えば篩ないしネットの導線における伸長も生じない。有利にははんだ付けは、前述の内角が長手方向膨張または長手方向収縮の方向に対して横断する方向に配向されているように行われる。
【0017】
取り付けられるネットは有利にははんだ付けされる前に、一方では引き延ばすことによって正確な菱形の形状にすることができるか、または他方では事前にそのように編むことができる、ないし製造することができる。
【0018】
総じて、外部電極の部品として構成されたネットを備えた本発明による多層アクチュエータは、簡単に製造することができ、且つ故障の発生率が著しく低減しているという利点を有する。
【0019】
図面
本発明を、図面及び以下の記述において詳細に説明する。図1は、菱形の編み目を有する篩の形状のネットを示す。図2は、図1の一部を拡大した図である。図3は、外部電極の部品である図1によるネットを備えた多層アクチュエータである。
【0020】
実施例
最初に図3は、層間に介在する金属性の内部電極21、22を備えた、ピエゾ活性化の、例えばセラミック性の絶縁層20の積層体31である、それ自体は公知の多層アクチュエータ30の断面図を示している。内部電極21、22は積層体31から交互に反対方向に向かって延びており、所属の外部電極23、24を介して電気的に並列に接続されている。内部電極21、22を並列接続するために、積層体31の接触側には導電層15である基礎金属化部が取り付けられており、例えばはんだ付けされている。この基礎金属化部は典型的には2μmから60μmの厚さを有する。はんだ付けの代わりに、導電層15をスクリーン捺染法によってもまたは電気メッキ法によって取り付けることもできる。
【0021】
さらに図3には、積層体31の接触面ないし側面に取り付けられた導電層15が、それぞれはんだ付け部を介してネット5と接続されていることが示されている。これを以下ではさらに詳細に説明する。
【0022】
さらに図3は、多層アクチュエータ30が動作する際には、長さ変化Δlが長手方向に生じることが示されている。この長さ変化は外部から印加される電圧に応じる、長手方向収縮または長手方膨張である。長手方向は図3においてはy方向によって表されている。y方向における長さ変化によって必然的に、x方向及びz方向における横断方向収縮または横断方向膨張も生じる。ネット5の構造は別として、公知の多層アクチュエータ30の更なる詳細はDE 196 48 545 A1から得ることができる。これに加えこのようなモノリシック多層アクチュエータはDE 40 36 287 C2にも記載されている。
【0023】
図1は、所々で導電層15にはんだ付けされている、図3によるネット5の構造を詳細に説明する。このネット5は、少なくとも実質的に相互に平行に延在する緯糸10と、少なくとも実質的に相互に平行に延在する経糸11とから構成されており、これらの緯糸と経糸は交点13において相互に接続されており、例えば相互にはんだ付けされている。緯糸10と経糸11はここで説明する例においては導電性の繊維、例えば金属性の導線から製造されており、この導線は有利には10μmから250μm、殊に50μmから150μmの直径を有する。
【0024】
したがってネット5は篩の形状であり、緯糸10と経糸11の交点13は相互に接続されている。さらにネット5における緯糸10と経糸11は、生じる隙間12、すなわち形成される編み目が少なくともほぼ菱形の形状を有するように相互に織り合わされている、ないしは編み合わされている。ここでネット5は、菱形の隙間12の第1の対角線26が積層体31が動作する際に生じる長手方向収縮または長手方向膨張に平行に配向されているように指向されている、ないしは導電層15に取り付けられている。したがって第1の対角線26はy方向に並列に指向されており、一方菱形の隙間の第2の対角線はx方向またはz方向に平行に指向されている。
【0025】
隙間12の編み目幅、すなわち緯糸10の相互間隔ないし経糸11の相互間隔は典型的には30μmから400μm、殊に100μmから200μmである。
【0026】
さてネット5は有利には、緯糸10と経糸11の全ての交点13において導電層15とはんだ付けされている。
【0027】
圧電アクチュエータ30の長手方向伸縮ないし長手方向膨張が生じる際に、ネット5が可能な限り応力を受けずに、その結果はんだ付け部ないし交点13には可能な限り応力は及ばないことを保証するために、菱形の隙間12は有利にはこの隙間12の内角に関する限定条件が必要とされる。このことを図2を用いて詳細に説明する。
【0028】
図2は、図1の一部を交点13の領域において詳細に示しており、ここでは菱形の隙間12は一部しか図示されていない。さらに図2には、この菱形の隙間12の第1の対角線25及び第2の対角線26が示されている。ここで菱形の第2の対角線26は図1ないし図3のy方向に平行に指向されている。さらに図2には、経糸11と緯糸10とに挟まれた第1の内角16が示されており、この内角を以下では2φと示す。第1の内角16は図2に従い説明する例においては、菱形の第2の対角線25すなわちx方向に平行に延在する対角線によって2等分にされる菱形の隙間12の内角である。
【0029】
第1の内角16(2φ)は以下のように定められ、すなわち緯糸10及び経糸11は以下のように織り合わされる、ないしは織られた後に以下のように伸ばされる。すなわち一方では、第1の内角16は長手方向の伸長方向の横断方向に指向されており、他方では横断方向伸長/横断方向膨張及び長手方向伸長/長手方向膨張に適応されており、緯糸10及び経糸11においては少なくとも実質的に伸長は生じない。
【0030】
ここで、通常の圧電アクチュエータ30では積層体31の相対的な長さ変化、すなわちΔl/lは0.1%から0.15%あるということを強調しておく。ここでlは積層体31の高さを表す。相応に、誘導された長さ変化Δlによって惹起される積層体31の通常の相対的な横断方向収縮ないし横断方向膨張Δb/bは、積層体31の相対的な長さ変化のおよそ半分である。ここでbのサイズは圧電アクチュエータ30の側面の側長と解される。この例において積層体31は、長手方向における平面では正方形の底面を有する。しかしながら同様に、長方形、六角形または八角形の底面である積層体31を構成することも可能である。
【0031】
したがって長さlの直方体状の圧電アクチュエータ30は、例えば電界Eが絶縁層20に印加された場合には電界方向にΔl伸長し、他方ではそれと同時に電界方向に直交する方向に収縮する。この際幅bはΔb収縮する。比ε=Δl/l及びδ=Δb/bは、長手方向伸長ないし横断方向収縮として表される。
【0032】
はんだ付けされた菱形状のネット5では菱形の側長が常に一定であるべきであるという要求、すなわち菱形の隙間12が伸縮性にも可塑性にも変形されないという要求から、第1の内角16については次の関係を容易に導出することができる。
【0033】
【数3】
【0034】
全ての事例において、相対的な長さ変化Δl/lないし相対的な横断方向収縮Δb/bは常に1よりもはるかに小さいので、この式は実際に関係する全ての事例においては次式によってほぼ同等に表すことができる。
【0035】
【数4】
【0036】
さらにδ=d31・E及びε=d33・Eが当てはまるので、最終的には角度φは次式で表せる。
【0037】
【数5】
【0038】
上述の式から、例えば第1の内角16(2φ)は印加される電界Eではなく、例えばセラミック性のピエゾ活性化材料から成る絶縁層20の材料の、個々の方向に対応する圧電係数d31及びd33に依存することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
菱形の編み目を有する篩の形状のネットである。
【図2】
図1の拡大図である。
【図3】
多層アクチュエータの図である。
Claims (11)
- ピエゾ活性化材料からなる薄い絶縁層(20)の積層体(31)を備えた多層アクチュエータであって、
前記積層体(31)は、前記絶縁層(20)の層間に介在し、積層体(31)から交互に反対方向に向かって延びている内部電極(20、21)を有し、
該内部電極(20、21)は、前記積層体(31)のそれぞれの側に配属されている外部電極(23、24)を介して電気的に並列に接続されており、
前記外部電極(23、24)のうちの少なくとも1つは、導電層(15)及び該導電層(15)と接続されているネット(5)を有する、多層アクチュエータにおいて、
該ネット(5)は、多層アクチュエータの動作時に前記積層体(31)の長手方向収縮または長手方向膨張に基づいて外部電極(23、24)の領域において生じる応力が、前記ネット(5)内で少なくとも実質的に補償調整されるように構成されており、且つ所々で前記導電層(15)と接続されていることを特徴とする、多層アクチュエータ。 - 前記ネット(5)は、それぞれが少なくとも実質的に相互に平行に延在する緯糸(10)と、それぞれが少なくとも実質的に相互に平行に延在する経糸(11)とを有し、該緯糸(10)及び該経糸(11)は交点(13)において相互に接続、例えばはんだ付けされている、請求項1記載の多層アクチュエータ。
- 前記緯糸(10)及び前記経糸(11)は、生じる隙間(編み目)(12)が少なくともほぼ菱形の形状を有するように、相互に織り合わされている、または編み合わされている、請求項2記載の多層アクチュエータ。
- 前記ネット(5)は前記緯糸(10)と前記経糸(11)との交点(13)において前記導電層(15)と接続、例えばはんだ付けされている、請求項2記載の多層アクチュエータ。
- 前記緯糸(10)と前記経糸(11)は、菱形の隙間(12)の第1の対角線(26)が積層体(31)の動作時に生じる長手方向収縮または長手方向膨張に平行に配向されているように相互に編み合わされており、または織り合わされており、
前記ネット(5)は、菱形の隙間(12)の第1の対角線(26)が積層体(31)の動作時に生じる長手方向収縮または長手方向膨張に平行に配向されているように所々に導電層(13)と接続されている、請求項1から4までの少なくとも1項記載の多層アクチュエータ。 - 前記ネット(5)は、導電性の繊維(10、11)、例えば金属性の導線から構成されている、請求項1から7までの少なくとも1項記載の多層アクチュエータ。
- 前記導電層(15)は、例えば2μmから60μmの厚さを有する、金属性はんだ層、プリント層または電気メッキ層である、請求項1から8までの少なくとも1項記載の多層アクチュエータ。
- 前記積層体(31)は、長手方向の平面では長方形、正方形、六角形または八角形の底面を有する、請求項1から9までの少なくとも1項記載の多層アクチュエータ。
- 前記繊維(10、11)または導線は、10μmから250μm、例えば50μmから150μmの直径を有する、請求項1から10までの少なくとも1項記載の多層アクチュエータ。
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