JP2007520065A - ピエゾアクチュエータならびにピエゾアクチュエータを製作する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ピエゾアクチュエータであって、圧電層とその間に配置された内部電極（２，３）とから成る多層構造と、内部電極（２，３）の、外部電極（４）を介した交互の側方のコンタクト形成部とが設けられており、該コンタクト形成部を介して電圧が供給可能であり、外部電極（４）が少なくとも点状にその都度の内部電極（２，３）にコンタクト形成されており、コンタクト形成部の間に、伸張可能な領域が位置するようになっている形式のものに関する。外部電極（４）はその都度成形部分（５）と単線（６）とから成っており、単線（６）は層に対して平行に延びてその都度の内部電極（２，３）とコンタクト形成されており、コンタクト形成部と成形部分（５）との間の単線（６）および／または成形部分（５）の領域は、伸張負荷可能なゾーンである。

Description

背景技術
本発明は、主請求項の上位概念部に記載した形式の、機械的な構成部分、例えば弁またはこれに類するものを操作するためのピエゾアクチュエータならびにそのようなピエゾアクチュエータを製作する方法に関する。

例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６００５号明細書から、「圧電効果」の利用の下、圧電素子が、適当な結晶構造を有する材料から構成され得ることが公知である。外的な電圧の印加時に圧電素子の機械的な反応が実施される。この反応は、結晶構造と電圧の印加領域とに依存して、予め設定可能な方向での押しまたは引きを成す。そのようなピエゾアクチュエータは例えば自動車の燃料噴射システムで切換弁の駆動のために意図されることができる。

この公知のピエゾアクチュエータの構造はここでは多層（積層型アクチュエータ）で実施される。その際、電圧を印加する内部電極はその都度層間に配置され、交互にそれぞれ異なる箇所、大抵の場合対向して位置する箇所で、外部に導かれる。そこで内部電極は外的なコンタクト形成部により互いに電気的に接続されている。内部電極への伝導性の接続の他に、このコンタクト形成層は外部電極として、外部への本来の電気的なコンタクト、最も簡単な事例ではつまり例えばリード線のはんだ付けのためにも役立つ。

その都度片側でコンタクト形成される内部電極が一般に櫛状に層構造内に統合されているので、層構造の方向で連続する内部電極は、上記の通り、その都度交互に、対向して位置する側面でコンタクト形成されねばならない。ピエゾアクチュエータの操作時、すなわち層構造内で対向して位置する内部電極間の電圧の印加時、種々異なる機械的な力が内部電極の領域ならびに外部電極におけるコンタクト形成の領域に発生する。この機械的な力は機械的な応力、それにより外部電極の亀裂につながり、ひいては電気的な接続を遮断することができる。外部電極にはそれゆえ、やはり必要な伸張公差（Ｄｅｈｎｕｎｇｓｔｏｌｅｒａｎｚ）の達成のために付加的な電極が設けられねばならない。この付加的な電極は一般に機械的な応力にも耐えねばならない。

外部電極のためのコンタクト形成バリエーションとして、しばしば、金属フリットおよびガラスフリットを含む焼付けペーストから成る「ベースメタライジング（Ｇｒｕｎｄｍｅｔａｌｌｉｓｉｅｒｕｎｇ）」が使用される。そのようなペーストは一方で圧電セラミックス上での良好な付着により、他方では良好な電気伝導性により優れている。要求される伸張公差はそれだけではただし一般に達成されず、それゆえ、特にダイナミックな運転の事例に関し、確実な連続運転は不可能である。このことを可能にするために、できるだけ伸張許容性の付加的な層が被着される。この層は、ベースメタライジング層がその下で亀裂により中断されていても、電気伝導性に橋渡しすべきである。すなわち、この層は亀裂架橋性（ｒｉｓｓｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｅｎｄ）に働かねばならない。

このことを達成し得るバリエーションは、例えばはんだ付けされる複数の単線、はんだ付けされるスクリーン、金属網組、金属フォーム、コイル線またはその他の伸張許容性の電気伝導性の構造である。はんだ付けの他に、機械的に強固で電気伝導性の接続は、接着、例えば電気伝導性のポリマーまたは導電性接着剤による接着により形成されるか、または溶接、例えばベースメタライジング上での抵抗溶接により形成されることができる。

上記バリエーションの欠点はしばしば、高い製作手間、例えば単線が個々にはんだ付けされねばならない高い製作手間や、不十分な信頼性、例えばはんだ付けされる金属薄板ストリップが波形を成す場合の不十分な信頼性にある。電気伝導性のポリマー層の事例では、電気的な接続が問題である。事後的にコンタクト形成可能なエレメント、例えばその中に装入される金属クロスが共に装入されねばならないか、またはコンタクトがまだポリマーの硬化前にポリマーに結合されねばならない。

発明の利点
冒頭で述べた、圧電層とその間に配置された内部電極とから成る多層構造と、電圧を供給可能な、内部電極の、外部電極を介した交互の側方のコンタクト形成部とを備えたピエゾアクチュエータは有利には、外部電極がその都度成形部分と単線とから成るように形成されている。層に対して平行に延びる単線はその都度の内部電極とコンタクト形成されており、コンタクト形成部と成形部分との間の単線および／または成形部分の領域は、伸張負荷可能なゾーンを形成する。

成形部分がスクリーンクロスであり、層方向で延びるクロス部分の延長が単線を成すと特に有利である。択一的には、成形部分が金属面であり、該金属面に単線が接合されていることもできる。

本発明により簡単に、ピエゾアクチュエータの、内部および外部への確実な電気伝導性のコンタクト形成が保証されており、かつ良好な機械的なコンタクトも簡単な製作方法により実現され得ることが達成されている。それにより、コンタクト形成時のできるだけ大きな伸張公差が、その際に公知の装置に比べて製作技術的な手間を高めることなく達成される。

特に、そのようなピエゾアクチュエータを製作する本発明による方法において、成形部分および単線をストリップ状に金属テープから打ち抜き、該テープをまず巻き取ると有利である。製作装置内で単線を、コンタクト形成したい内部電極上にポジショニングし、内部電極にはんだ付けまたは溶接によりコンタクト形成する。択一的には、スクリーン印刷法により、電気伝導性のポリマーを、内部電極の、コンタクト形成したい領域上に被着し、単線をここにその後押し込むことができる。

外部電極の一端で単線の後方でおよび場合によっては他端で成形部分の後方で、適当な打ち抜き工具により、テープからの切り離しを実施する。さらに、簡単に、成形部分を、ピエゾアクチュエータの、コンタクト形成される側面に折り畳み、折り返された成形部分で外部電極の電気的なコンタクト形成を行うことができる。前もって打ち抜かれた成形部分を備えたテープを製作装置内に装填する前に、コンタクト形成ピンを成形部分に取り付けることも可能である。

図面
本発明によるピエゾアクチュエータの実施例について図面を参照しながら説明する。
図１：圧電セラミックスから成る層と内部電極との多層構造と、単線によるコンタクト形成部と、スクリーンクロスから成る掛着された成形部分とを備えたピエゾアクチュエータを示す図である。
図２：図１に示したピエゾアクチュエータの、成形部分が折り返された状態の図である。
図３：スクリーンクロスから成る成形部分を備えた、テープ形状に前製作された外部電極の実施例を示す図である。
図４：金属薄板から成る成形部分を備えた、テープ形状に前製作された外部電極の別の実施例を示す図である。
図５：テープ形状の外部電極とピエゾアクチュエータとをコンタクト形成するための製作装置の原理図である。

実施例の説明
図１に示したピエゾアクチュエータ１は自体公知の形式で、適当な結晶構造を有するセラミックス材料のピエゾシート（Ｐｉｚｏｆｏｌｉｅ）から成る積層構造として構成されている。その結果、「圧電効果」の利用の下、内部電極２，３への、それぞれ内部電極２のためのここに目視可能な外部電極４と、内部電極３のコンタクト形成のための目視不能な外部電極とを介した外的な電圧の印加時に、積層構造の方向でのピエゾアクチュエータ１の機械的な反応が実施される。

例示的に示した外部電極４はここでは、周期的に強く変動するメッシュサイズを有する金属製のクロステープから成る。その結果、成形部分（Ｆｏｒｍｔｅｉｌ）５が生じ、ピエゾアクチュエータ１上には単線（Ｅｉｎｚｅｌｄｒａｈｔ）６のみが位置することになる。それにより、内部電極２はこの図面に基づき、内部電極２の層に対して平行に延びる個々の単線６によってのみコンタクト形成される。

単線６の、ピエゾアクチュエータ１の内部電極２への電気伝導性の接続はその際有利にははんだ付け、例えばはんだシート（Ｌｏｅｔｆｏｌｉｅ）もしくは焼付けペースト（Ｅｉｎｂｒｅｎｎｐａｓｔｅ）７を用いたホットバーはんだ付け（Ｂｕｅｇｅｌｌｏｅｔｅｎ）またはサーモードはんだ付け（Ｔｈｅｒｍｏｄｅｎｌｏｅｔｅｎ）により実施されるか、または択一的には単線６を押し込むことができる導電性ポリマー７を介して実施される。これにより、一次元的にのみ、すなわち伸張方向に対して垂直にのみ延在するコンタクト形成部を達成することが可能である。それにより、外部電極４のコンタクト形成部の、特に伸張許容性の構造が実現される。図２からは、スクリーンクロス成形部分５がピエゾアクチュエータ１の側面に折り返されていることが見て取れる。

図３〜図５を参照しながら、本発明によるピエゾアクチュエータのための可能な製作方法について説明する。簡単な組み立てのために、成形部分５および単線６の製作のための材料はストリップ状に打ち抜かれてテープ１０に巻かれることができる。図３からは、種々異なるメッシュサイズを有する一貫したスクリーンクロスが見て取れ、図４からは、金属から成る平面的な成形部分５を備えた一実施例が見て取れる。図４に示した成形部分５には既にコンタクト形成ピン１３が取り付けられている。

コンタクト形成のために、テープ１０が図５に示した製作装置内で繰り出され、テンションをかけられた状態でピエゾアクチュエータ１に接してまたはピエゾアクチュエータ１の上方にポジショニングされる。はんだシート７が引き続いて自動的に供給され、単線６がワイヤハープ（Ｄｒａｈｔｈａｒｆｅ）として例えばサーモード工具１１により押さえられ、内部電極２にはんだ付けされることができる。ここではソフトビームはんだ付け（Ｓｏｆｔｂｅａｍｌｏｅｔｅｎ）または抵抗溶接も可能である。印刷された電気伝導性の焼付けペーストの代わりに、ピエゾアクチュエータ１の表面が電気メッキされていることもできる。良好な温度交番耐性もしくは耐熱衝撃性を達成するために、単線６は例えばインバー（ＦｅＮｉ３６）から製作されていることができる。

引き続いて、単線６が例えば、図５に示したサーモード工具１１内に統合されたカッタ１２により切断され、新しいピエゾアクチュエータがその後コンタクト形成されることができる。別のステップで、まだ張り出した成形部分５が折り返され、ピエゾアクチュエータ１上に折り畳まれる。その際、ここには示されていない折り畳み工具は理想的にはやはり製作装置内に統合されている。

そうして形成された外部電極４の、最終的なコンタクト形成は引き続いて、折り返された成形部分上で、例えば抵抗溶接により実施される。

圧電セラミックスから成る層と内部電極との多層構造と、単線によるコンタクト形成部と、スクリーンクロスから成る掛着された成形部分とを備えたピエゾアクチュエータを示す図である。 図１に示したピエゾアクチュエータの、成形部分が折り返された状態の図である。 スクリーンクロスから成る成形部分を備えた、テープ形状に前製作された外部電極の実施例を示す図である。 金属薄板から成る成形部分を備えた、テープ形状に前製作された外部電極の別の実施例を示す図である。 テープ形状の外部電極とピエゾアクチュエータとをコンタクト形成するための製作装置の原理図である。

Claims (10)

1. ピエゾアクチュエータであって、
   圧電層とその間に配置された内部電極（２，３）とから成る多層構造と、
   内部電極（２，３）の、外部電極（４）を介した交互の側方のコンタクト形成部とが設けられており、該コンタクト形成部を介して電圧が供給可能であり、
   外部電極（４）が少なくとも点状にその都度の内部電極（２，３）にコンタクト形成されており、コンタクト形成部の間に、伸張可能な領域が位置するようになっている
   形式のものにおいて、
   外部電極（４）がその都度成形部分（５）と単線（６）とから成っており、単線（６）が層に対して平行に延びて内部電極（２，３）とコンタクト形成し、コンタクト形成部と成形部分（５）との間の単線（６）および／または成形部分（５）の領域が、伸張負荷可能なゾーンである
   ことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
2. 成形部分（５）がスクリーンクロスであり、層方向で延びるクロス部分の延長が単線（６）を成す、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
3. 成形部分（５）が金属面であり、該金属面に単線（６）が接合されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
4. 成形部分（５）および単線（６）がまとめて１つの金属テープ（１０）から打ち抜かれている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
5. 成形部分（５）が単線（６）のコンタクト形成後ピエゾアクチュエータ（１）の外面に折り返されており、内部電極（２，３）のための電圧の供給のための電気的な接続コンタクト（１３）を支持する、請求項１から４までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
6. 少なくとも単線（６）がインバーから製作されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータを製作する方法において、
   成形部分（５）および単線（６）をストリップ状に金属テープ（１０）から打ち抜き、該テープ（１０）を巻き取り、
   製作装置内で単線（６）を、コンタクト形成したい内部電極（２）上にポジショニングし、内部電極（２）にコンタクト形成し、
   外部電極（４）の一端で単線（６）の後方でテープ（１０）から実施し、
   成形部分（５）を、ピエゾアクチュエータ（１）の、コンタクト形成される側面に折り畳み、
   折り返された成形部分（５）で外部電極（４）の電気的なコンタクト形成（１３）を行う
   ことを特徴とする、ピエゾアクチュエータを製作する方法。
8. 単線（６）をはんだ付けまたは溶接により内部電極（２，３）にコンタクト形成する、請求項７記載の方法。
9. スクリーン印刷法により、電気伝導性のポリマー（７）を、内部電極（２，３）の、コンタクト形成したい領域上に被着し、単線（６）をここに押し込む、請求項７記載の方法。
10. 前もって打ち抜かれた成形部分（５）を備えたテープ（１０）を製作装置内に装填する前に、コンタクト形成ピン（１４）を成形部分（５）に取り付ける、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。

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