JP2009530799A - モノリシック多層アクチュエータの製造方法及びモノリシック多層アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、金属の内部電極が取り付けられた圧電セラミック製の活性薄膜（２）の積層からなり、前記内部電極は、交互に前記積層から引き出され、外部電極（３）を介して電気的に並列に接続されているモノリシック多層アクチュエータ（１）の製造方法に関する。各活性薄膜（２）上に、両極性の内部電極（９）が導体路として取り付けられており、活性薄膜（２）の全ての積層方向（８）は、多層アクチュエータ（１）の長手軸（５）に対して直角に設けられており、薄膜（２）は、内部電極（９）と協働して、共焼結（cofiring）処理で焼結することによって、公知の、且つ、市場で通常用いられている積層及びラミネート機械用の技術を使用することができる。

Description

本発明は、インターディジタル形電極付多層アクチュエータに関しており、請求項１の上位概念に記載のモノリシック多層アクチュエータの製造方法、及び、請求項２の上位概念に記載の多層アクチュエータに関する。

従来技術のモノリシック多層アクチュエータ（以下、一般的にアクチュエータと呼ぶ）は、一般的に、積層された薄膜層２、例えば、各活性材料間に設けられた導電性の各内部電極４を有している、圧電セラミック又は電歪材料の活性材料から形成されている。それにより、各内部電極４は、電気的に並列接続されて、２つのグループにまとめられ、これらの２つのグループは、アクチュエータの両端子極をなす（図１参照）。

端子極に電圧が印加されると、この電圧は、全ての各内部電極に並列に伝送され、活性材料の全ての層内に電界を生じ、それにより機械的に変形する。これら全ての機械的な変形の和は、アクチュエータの端面での、アクチュエータ軸５の方向の延び及び／又は力として利用可能である。

前述の効果は、３３効果と呼ばれる。と言うのは、電界が分極の方向に励起されるからであり（空間方向：第一の指標３）、且つ、同じ方向に生じる機械的な効果（空間方向：第２の指標３）が利用される。それとは異なり、４つのベンディング部材で利用される３１効果は、分極方向での電界の印加（空間方向：第１の指標３）、及び、それに対して直角な機械的な効果の利用（空間方向：第２の指標１）を示す。

３３効果を利用することができるためには、アクチュエータの分極方向６及び運動方向７は、同じ方向、通常は、アクチュエータ長手軸５の方向である必要がある。つまり、図１に示されているように、各個別層２及び各内部電極４は、アクチュエータ軸５に対して直角であり、積層方向８は、アクチュエータ軸５に対して平行である。

そのために、非常に多数の層乃至セラミック層が、各内部電極と共に相互に積層されている必要があり、その際、各内部電極は、各薄膜金属層として構成されている。寸法７ｘ１４ｘ１００ｍｍのアクチュエータでは、例えば、各々０．０９ｍｍ厚の１１００個の層が正確に適合するように相互に上下に重ねて積層される必要がある。

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載の多層アクチュエータの製造方法を改善して、公知且つ市場で通常用いられている積層及びラミネート機械用の技術を利用することができるようにすることにある。更に、非常に小さな基底面で、大きな高さを有することができ、且つ、例えば、上述の方法により製造された、請求項２の上位概念に記載の多層アクチュエータを提供することにある。

本発明によると、この課題は、請求項１記載の各要件によって解決される。

各活性薄膜上に、両極性の内部電極が導体路として取り付けられており、活性薄膜の全ての積層方向８は、多層アクチュエータの長手軸に対して直角に設けられており、薄膜は、内部電極と協働して、共焼結（cofiring）処理で焼結することによって、公知の、且つ、市場で通常用いられている積層及びラミネート機械用の技術を使用することができる。

共焼結処理とは、各内部電極が完全にラミネートされていて、且つ、セラミックと一緒に焼結されることである。従って、共焼結（cofiring）処理では、各内部電極は、セラミック薄膜と一緒に１つの作業ステップで同時に焼結される。

本発明によると、この、多層アクチュエータに関する課題は、請求項２記載の各要件によって解決される。

各活性薄膜上に、両極性の内部電極が導体路として取り付けられており、活性薄膜の全ての積層方向は、多層アクチュエータの長手軸に対して直角に設けられており、薄膜は、内部電極と協働して、共焼結処理で焼結することによって、例えば、弁作動用に必要とされる、大きな高さの多層アクチュエータ（３３アクチュエータ）を簡単に製造することができる。

例えば、３３ベンディングアクチュエータ用に必要とされるような非常に小さな基底面で大きな高さの３３アクチュエータを非常に容易に形成することもできる。

このベンディング部材を直接同じプロセスでモノリシックにより製造することも非常に容易に可能である。

各内部電極は、もはや全面が金属層としてアクチュエータ内に取り付けられるのではなく、できる限り微細な導体を備えた各導体路として取り付けられている。そのために、非常に高価な貴金属含有の内部電極材料の一部分しか必要としない。

要するに、本発明の方法によると、簡単且つ複雑でないプロセスにすることができ、貴金属含有の内部電極を節約することができ、従って、アクチュエータ及びベンディング部材用の製造コストを著しく低減することができる。

これまで、コスト上の理由から、大きな部材数で製造可能ではなかったアクチュエータタイプを経済的に製造することができる。寸法７ｘ１４ｘ１００ｍｍのアクチュエータでは、例えば、各々０．１ｍｍ厚の７７個の層が正確に適合するように相互に上下に重ねて積層される必要がある。

本発明の構成では、両極性の内部電極は、各々１つのベース導体路と、該ベース導体路からほぼ直角に出ている各櫛形導体路と共に櫛状に形成されており、両極性の各櫛形導体路は、薄膜の縁領域に至る迄、一方の極性の各櫛形導体路が、他方の極性の２つの櫛形導体路間に設けられているように相互に嵌合している。この櫛状に相互に嵌合し合った各内部電極は、以下、インターディジタル形電極（Interdigitalelektroden）と呼ぶ。

有利には、ベース導体路は、薄膜の、対向し合った各側面に当接して設けられている。

有利には、薄膜の厚みは、１０μｍ〜３００μｍ、有利には、３０μｍ〜１００μｍである。

本発明の構成では、各内部電極の各導体路の幅は、０．０５〜０．５ｍｍ、有利には、０．１〜０．２ｍｍである。

各内部電極の各導体路間の間隔は、所望の作動電圧の場合に、０．５〜５ｋＶ／ｍｍ、有利には、１．５〜２．５ｋＶ／ｍｍの電界強度が調整されるように選定されている。

本発明の構成では、多層アクチュエータは、活性薄膜に対して付加的に、内部電極なしの非活性薄膜も有しており、その結果、１つ又は複数の活性ゾーン及び１つ又は複数の非活性ゾーンが形成され、且つ、多層アクチュエータは、作動中、湾曲する。

有利には、活性ゾーンと非活性ゾーンとの間に、全面が電気的に外部電極によって接触接続していない内部電極を有する薄膜が設けられている。

有利には、セラミック用に低く焼結した圧電セラミック材料が使われる。そのような圧電セラミック材料は、例えば、DE 198 40 488 A1に記載されている。

以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。

図１は、従来技術により構成されたモノリシック３３アクチュエータ１を示す。

分極の方向６、運動方向７及び積層方向８は、アクチュエータ軸５の方向である（この点については、発明詳細な説明の冒頭も参照されたい）点は強調すべきである。ここでは、全面の各内部電極が使用されている。

ベンディング部材用のモノリシック３３アクチュエータは、従来技術では、有意義に積層／ラミネート方法を介して製造することができず、予め焼結されて電極が設けられた、大きな３３アクチュエータによって薄膜ディスクとして鋸状にカットされている。

３３ベンディングアクチュエータは、積層／ラミネート方法によって製造されることはできず、焼結且つ電極を設けた部分アクチュエータから、接着によって接合しなければならない。

図２は、本発明のモノリシック３３アクチュエータ（多層アクチュエータ）を示す。極性方向６及び運動方向７は、アクチュエータの長手軸５の方向である点を強調する。それに対して、層８の方向は、長手軸に対して直角である。各インターディジタル形電極９は、側面が各外部電極３によって電気的に接続されている。別の外部電極が、対向する側面上に位置してる各外部電極３の１つしか図示していない。

図３は、相互に嵌合し合った各インターディジタル形電極９を備えた本発明のモノリシック３３アクチュエータの平面図を示す。

図４は、図３に示したモノリシック３３アクチュエータを切断線Ａ−Ｂに沿って切断した断面を示す。各インターディジタル形電極９の交互に切り換わる極性、及び、層方向８は、分極方向６及び運動方向７に対して直角である点が強調されている。

図５は、本発明の方法によって構成されたモノリシック３３ベンディングアクチュエータの（図４に示したような）断面を示す。下側の積層領域内で、インターディジタル形電極９をなくすことによって、非活性ゾーン１２が形成される。残りのアクチュエータ束１０乃至活性ゾーンは、運動方向に回転した場合に、構造体を下の方に曲げる。全面に取り付けられた、電気的に接触接続していない各内部電極１３によって、場合によってはベンディングによって受動ゾーン内に生じた亀裂が延びて拡がっていくのが阻止される。

図６は、本発明の方法によって構成されたモノリシック３３ベンディングアクチュエータの断面を示す。真ん中の層領域内で各電極をなくすことによって、非活性ゾーン１２が生じる。残りのアクチュエータ束１０，１１により、交互に膨張した場合に、構造体は、上の方又は下の方に曲がる。全面に取り付けられた、電気的に接触接続していない各内部電極１３によって、場合によってはベンディングによって非活性ゾーン１２内に生じた亀裂が延びて拡がっていくのが阻止される。

従来技術により構成されたモノリシック３３アクチュエータ１ 本発明のモノリシック３３アクチュエータ（多層アクチュエータ） 相互に嵌合し合った各インターディジタル形電極９を備えた本発明のモノリシック３３アクチュエータの平面図 図３に示したモノリシック３３アクチュエータを切断線Ａ−Ｂに沿って切断した断面 本発明の方法によって構成されたモノリシック３３ベンディングアクチュエータの（図４に示したような）断面 本発明の方法によって構成されたモノリシック３３ベンディングアクチュエータの断面

Claims (10)

1. 金属の内部電極が取り付けられた圧電セラミック製の活性薄膜（２）の積層からなり、前記内部電極は、交互に前記積層から引き出され、外部電極（３）を介して電気的に並列に接続されているモノリシック多層アクチュエータ（１）の製造方法において、
   各活性薄膜（２）上に、両極性の各内部電極（９）が導体路として取り付けられており、前記活性薄膜（２）の全ての積層方向（８）は、多層アクチュエータ（１）の長手軸（５）に対して直角に設けられており、前記薄膜（２）は、前記各内部電極（９）と協働して、共焼結（cofiring）処理で焼結することを特徴とするモノリシック多層アクチュエータ（１）の製造方法。
2. 金属の内部電極（９）が取り付けられた圧電セラミック製の各活性薄膜（２）の積層からなり、前記内部電極（９）は、交互に前記積層から引き出され、各外部電極（３）を介して電気的に並列に接続されている、例えば、請求項１記載の方法により製造されたモノリシック多層アクチュエータにおいて、各活性薄膜（２）上に、両極性の各内部電極（９）が導体路として取り付けられており、前記全ての活性薄膜（２）の積層方向（８）は、多層アクチュエータ（１）の長手軸（５）に対して直角に設けられており、前記各薄膜（２）は、前記各内部電極（９）と協働して、共焼結処理で焼結されていることを特徴とするモノリシック多層アクチュエータ。
3. 両極性の各内部電極（９）は、各々１つのベース導体路（１６）と、該ベース導体路（１６）からほぼ直角に出ている各櫛形導体路（１７）と共に櫛形に形成されており、両極性の前記各櫛形導体路（１７）は、薄膜（２）の縁領域に至る迄、一方の極性の前記各櫛形導体路（１７）が、他方の極性の２つの前記櫛形導体路間に設けられているように相互に嵌合している請求項２記載のモノリシック多層アクチュエータ。
4. ベース導体路（１６）は、薄膜の対向し合った各側面に当接して設けられている請求項３記載のモノリシック多層アクチュエータ。
5. 薄膜（２）の厚みは、１０μｍ〜３００μｍ迄、有利には、３０μｍ〜１００μｍである請求項２から４迄の何れか１記載のモノリシック多層アクチュエータ。
6. 内部電極（９）の導体路の幅（１５）は、０．０５〜０．５ｍｍ、有利には、０．１〜０．２ｍｍである請求項２から５迄の何れか１記載のモノリシック多層アクチュエータ。
7. 各内部電極（９）の各導体路間の間隔（１４）は、所望の作動電圧で、０．５〜５ｋＶ／ｍｍ、有利には、１．５〜２．５ｋＶ／ｍｍが調整されるように選定されている請求項２から６迄の何れか１記載のモノリシック多層アクチュエータ。
8. 多層アクチュエータは、活性薄膜に対して付加的に、内部電極なしの非活性薄膜も含み、それにより、１つ又は複数の活性ゾーン（１０，１１）及び１つ又は複数の非活性ゾーン（１２）が形成され、且つ、該多層アクチュエータ（１）が作動中湾曲することができる請求項２から７迄の何れか１記載のモノリシック多層アクチュエータ。
9. 活性ゾーン（１０，１１）と非活性ゾーン（１２）との間に、外部電極（３）によって電気的に接触接続していない全面の内部電極を備えた薄膜（１３）が設けられている請求項８記載のモノリシック多層アクチュエータ。
10. セラミック用に、低く焼結された圧電セラミック材料が使用されている請求項２から９迄の何れか１記載のモノリシック多層アクチュエータ。

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