JP2010502018A - 圧電セラミック製の平面アクチュエータおよび平面アクチュエータの製造法 - Google Patents

Abstract

各々のプラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレート（３）と、プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）のためのコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）とを有する圧電セラミック製の平面アクチュエータであって、プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）は、交互に入れ替わっており、圧電セラミック・プレート（３）と一体的に構成されており、コレクタ電極（４ａ，４ｂ）は、割り当てられたプラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）と導電接続されており、平面アクチュエータの、反対側にある２つの外側に設けられていてなる圧電セラミック製の平面アクチュエータは、プレート状であって、反対側にあるコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）の間隔によって定められた、平面アクチュエータの厚みよりも著しく大きい、圧電セラミック・プレート（３）の幅を有する。
【選択図】 図１ｅ

Description

本発明は、各々のプラスまたはマイナスの電極によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレートと、プラスおよびマイナスの電極のためのコレクタ電極面とを有する圧電セラミック製の平面アクチュエータであって、プラスおよびマイナスの電極は、交互に入れ替わっており、圧電セラミック・プレートと一体的に構成されており、コレクタ電極面は、割り当てられたプラスまたはマイナスの電極と導電接続されており、平面アクチュエータの、反対側にある２つの外側に設けられていてなる圧電セラミック製の平面アクチュエータに関する。

本発明は、更に、以下のステップ、すなわち、
ａ）各々のプラスまたはマイナスの電極によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレートからなり、プラスおよびマイナスの電極は、交互に入れ替わっており、圧電セラミック・プレートと一体的に構成されていてなる一体式の、平行六面体状のセラミック・ブロックを製造すること、
ｂ）コレクタ電極面が、割り当てられたプラスまたはマイナスの電極と導電接続されるように、導電性のコレクタ電極面を、平面アクチュエータの、反対側にある２つの外側に付すること、
を有する圧電セラミック製の平面アクチュエータを製造する方法に関する。

多機能の材料をベースにしたアクチュエータおよびセンサは、適応構造の重要な構成要素である。構造体の一体的な構成要素として、これらのアクチュエータおよびセンサは、最も好都合な場合に、耐力機能を担う。しばしば「スマート材料」または一体的な材料とも呼ばれる多機能の材料は、技術的に有用な方法で外的刺激に反応するエネルギ変換器である。最も頻繁に用いられるのは、機械的特性の変化につれて電場、温度場または磁場に反応する材料である。最も知られた代表格は、圧電セラミック（電場における力の作用および／または変形）、形状記憶合金（温度に依存した力の作用および／または変形）、あるいは、電気粘性のおよび磁気粘性の流体（電場および／または磁場におけるせん断力伝達の影響）である。作用は、しばしば、２方向に機能する。それ故に、適切な材料を、アクチュエータのためにだけでなく、センサのためにも用いることができる。

一連の利点の故に、センサおよびアクチュエータの製造のためには、圧電セラミックは、現在最も頻繁に用いられる多機能の材料である。圧電セラミックの機能は、特殊な晶族の機械的な状態と電気的な状態との間の相互作用を表わす圧電効果に基づいている。結晶の変形に比例して、充電が生じるとき、このことを、圧電気直接効果と呼ぶ。この効果をセンサのために用いることができるのは、充電を、適切な測定器によって検出することによってである。この効果の逆は、逆圧電効果と呼ばれる。この逆圧電効果では、結晶が自らの形状を電場による影響を受けて変形させる。この効果によって、圧電セラミックをアクチュエータのために用いる。

圧電セラミック製の材料は、材料が、大きな周波数範囲で、ｋＨｚの範囲まで用いられることができ、典型的には６０ＧＰａの高い剛性を有し、電場によって容易に起動されることができるという利点を有する。

圧電セラミックは、工業規模で製造され、種々の供給者から、種々の形態で、妥当な価格で入手可能である。しかしながら、圧電セラミックの欠点は、セラミック材料の性質にある。圧電セラミックは、脆く従ってまた壊れ易い。圧電セラミックが圧縮荷重に非常に良く耐えることができるとはいえ、間違いなく、引張り荷重は回避されねばならない。従って、通常極めて敏感な材料の、信頼性のある再加工および構造的統合は、幾らかの労力およびリスクを伴う。

従って、好都合な、および工業的な要求に適合する構想は、まず、その時々の材料を、圧電複合体の形態のコンパクトなかつ扱い易い構成要素へ再加工することである。圧電複合体は、圧電セラミック製の材料およびポリマー材料、例えば合成樹脂からなる複合材料である。延性のあるポリマー材料との組合せによって、例えば、注型または貼着によって、所定の用途のために、特性の改善を達成することができる。かくして出来上がった圧電複合体は、特に、壊れ易さの減少を特徴とする。複合体に圧電セラミック材料を設けることによって、追加的に材料特性、例えば、剛性または弾性が、適切に調整される。更に、必要な、追加的な構成要素、例えば、電極、エネルギ供給線、絶縁体等を組み入れることもできる。第２のステップで初めて、アクチュエータおよびセンサを、構造材料または構造体に組み合わせる。

主な応用分野は、超音波トランスジューサを構成するための超音波技術における圧電複合体の使用である。超音波トランスジューサは、主として、非破壊材料試験のための医療診断技術およびソーラ技術で用いられる。アダプトロニクスでは、圧電複合体を、実質的に、ノイズ・振動および形状の制御のための構造変形を減少、発生および検出するために用いる。アダプトロニクスは、ここでは、分布アクチュエータおよび分布センサに特別な重点を置いている。分散アクチュエータと逆に、例えば、圧電スタック・アクチュエータでは、力の導入は、２つの明確な点ではなく、２次元の結合、通常では貼着層を通るせん断によって、なされる。特に、軽量構造にとって、２次元のアクチュエータおよびセンサ（以下、平面アクチェータという）は、重要な意味を有する。何故ならば、強力な力導入点は全然必要ないからである。重量および設置スペースが最適化されるように、平面アクチュエータ（アクチュエータおよびセンサ）が、薄肉の軽量構造体に組み込まれ、直接に、振動および変形の発生個所で、振動および変形に影響を及ぼす。原則的には長さが増大するにつれて減少する剛性および剛性に結びついた性能を有する分散アクチュエータと比較して、平面アクチュエータを、性能の低下なしに、任意の長さで実施することができる。

ここでも、脆いセラミック材料をポリマー材料と組み合わせることによって、改善された特性が得られることが重要である。ポリマーによる注型は、通常は、高温、典型的には１２０℃でなされる。ポリマー材料およびセラミックの種々の熱膨張係数によってならびに硬化の際のポリマーの収縮によって、面にセラミック材料の圧縮プレストレスが生じる。このことによって、圧電複合体は、所定の限界内で、引張り荷重を受けることができる。

圧電複合体の使用の際の主要な利点は、従って、外的な荷重に対する脆い圧電セラミックの保護、改善された使い易さ、容易な電気的接触、電気絶縁されたアクチュエータ、絶縁材料のまたは埋設用コンパウンドのおよび圧電セラミックの種々の熱膨張係数、亀裂の拡大の阻止による、セラミックの中の応力ピークの減少、従来より大きなパッシブな変形可能性、トランスジューサの伸びた寿命、および複合体構造を実現するための可能性である。

圧電セラミック製の平面アクチュエータを製造するための出発材料は、主として、圧電フィルムとも呼ばれる、薄い、圧電セラミック製のウエハと、種々の方法、組成物および寸法によって製造される圧電セラミック製の繊維とである。

方向に依存する３つの圧電式の部分効果、すなわち、
−縦効果すなわちｄ_３３効果、
−横効果すなわちｄ_３１効果、
−せん断効果すなわちｄ_１５効果
のうち、アダプトロニクスでは、圧電複合材のために、縦効果および横効果のみが用いられる。ひずみと電場との間の関係は、材料に固有の充電定数(Ｌadungskonstante)「ｄ」によって示される。ひずみと電場との間の直線的な関係が、単純化のために前提となる。この場合、指標は、原因および効果を特徴づけ、材料科学で用いられる座標系の座標方向に関する。

ｄ_３１効果の場合、存在する電場に対し横方向に発生するひずみが用いられる。電場は、３方向（原因）に加えられ、１方向（結果）に用いられる。ｄ_３１型の定数はマイナスである。何故ならば、プラスの電場が３方向に加えられるとき、圧電セラミックの収縮が１方向になされるからである。このこととの類推で、ｄ_３３効果では、プラスの電場が３方向に加えられるとき、３方向における圧電セラミックのひずみが、用いられる。セラミック体がこの構成体中でひずむので、ｄ_３３型の定数はプラスである。２つの効果のうちのどちらが用いられるかに従って、「伸張」または「収縮」について述べる。

従って、電極の配置は、２つの効果のうちのどちらが用いられるかにとって重要である。平面アクチュエータのための最も単純な構造は、ｄ_３１効果のために生じる。この場合、薄い圧電フィルムの両側に付される単純な２次元の電極で十分である。次に、電場は、複数の電極の間で均一に形成される。しかし、圧電セラミックの厚みは、電極間の間隔、従ってまた、所定の電場を発生させるために必要な電圧を定める。１ｋＶ／ｍｍの電場を発生させるために２００Ｖの電圧が必要であるときの、約０．２ｍｍの厚みが、通常である。

ｄ_３１効果を用いる、圧電セラミック製の平面アクチュエータは、例えば、WO 95/20827，US 5,894,651 AおよびDE 100 51 784 C1に記載されている。DE 100 51 784 C1に、複数の電極を接触させるために、銅線の細かな網を用いることが提案される。細かな網は、製造工程中に圧電セラミックと共にポリマーに組み込まれ、電極をほぼ完全に覆う。このことによって、特に、アクティブな領域からパッシブな領域への移行領域で、可撓性がありかつ信頼性が高い電気的接続が生じる。この電気的接続は、高い動荷重の際でも、亀裂の発生に抵抗力を有する。電極を完全に覆うことによって、破損の際でも、すべての破片が続けて接触され、セラミックの性能に僅かしか影響を及ぼさないことが保証される。

一体式のｄ_３３型の平面複合体は、例えば、US 307,306 B1およびUS 6,208,026 B1から公知である。電場を３方向に加えるために、櫛形電極を、銅で被覆されたポリアミド・フィルムへエッチングし、その櫛形電極にフィルムを貼着する。櫛形電極との関連での一体式のフィルムの使用は、問題である。電極間の間隔およびフィンガー電極の幅が比較的大きいのは、不均一な電場の作用が、作動中にセラミックの損傷をもたらさないためである。

一体式の圧電フィルムをレーザによってアクチュエータの長手方向に何度も刻み込むが、完全には切り分けないことも、知られている。この措置によって、トランスジューサの方向性効果が達成される。何故ならば、溝の剛性が、長手方向（dazu ）対して横方向よりも大きいからである。

不均一な電場の故に、一体式の圧電フィルムが、条件つきでのみ、櫛形電極を有するｄ_３３型のトランスジューサ構造のために適切である。圧電セラミック製の出発材料の繊維状の構造によって、圧電複合体の疲労強度特性に好影響を与えることが試みられる。何故ならば、個々の圧電繊維に生じる亀裂が、セラミック体全体を通って続くのではなく、ポリマーとの境界で止められるからである。

圧電複合体の場合、単層の形態の圧電繊維に、ポリマーが注型される。電場の導入は、同様に、櫛形電極によって、エッチング技術で製造された可撓性のストリップ導体（ポリイミド・フィルム）あるいは導電接着剤でプリントされたポリエステル・フィルムを用いて、なされる。

個々の繊維の直径は、これらの圧電繊維複合体では、１５０と２５０μｍの間にある。この技術の主要な欠点は、非常に手間のかかる製造にある。各々の繊維は、別々に入れられ、複合体の中で整列されねばならない。更に、出発材料である圧電繊維は、圧電フィルムと比較して何倍も高価である。

US 6,629,341 B2からは、長方形の横断面を有する圧電繊維を、圧電フィルムを機械的に裁断することによって製造するための、安価な圧電フィルムの使用が知られている。圧電フィルムを裁断するために、半導体産業から由来するウエハ用のこぎりが使用される。電極が付されていない一体式の圧電フィルムを、のこぎりで複数の細いストリップに切り、続いて、これらのストリップに、ポリイミドの可撓性のあるストリップ導体およびエッチングされた櫛形電極構造を貼着する。圧電フィルムをのこぎりで切ることによって、アクチュエータの剛性は、のこ引き方向に対し横方向に著しく減少している。このことによって、この複合体のためにも、アクチュエータの方向性効果が生じる。繊維の長方形の横断面および最適化された電極形状によって、１．５００Ｖの電圧の際に、メートル当たり１６００μｍの典型的なひずみ値が生じる。

アクチュエータの圧電複合体の使用の際の重要な要件は、出来る限り大きな作業能力である。従って、アクチュエータは、出来る限り高い力および変位を発生させることができる。最大限の力および変位は、圧電セラミックの材料によって事前設定される。ひずみおよび力が縦圧電効果（ｄ_３３効果）の利用によって得られるが、このｄ_３３効果を利用するためであり、櫛状の表面電極に基づく従来の技術的解決策は、一連の欠点を有する。欠点とは、セラミック材料における不均一な界分布、場の高い勾配を有する領域における、圧電セラミック材料への高い電気機械的荷重、場の高い勾配を有する領域における亀裂の発生、亀裂（電気的破壊）による寿命の短縮、亀裂によるアクチュエータの剛性の減少、従ってまた、作業能力の減少、十分に高い電場を発生させるために必要な、最大限２ｋＶの、極めて高い動作電圧、櫛形電極の下方のパッシブな（未使用の）領域、および労力がかかりかつ高価な製造である。

アクチュエータの厚みが非常に限定的にのみ調整されることも、欠点である。電極の間の間隔と、圧電セラミック材料の厚みとの間には、直接的な関係がある。材料が厚くなればなるほど、場が横断面全体を貫通することができるように、電極の間隔も一層大きく選択しなければならない。しかしながら、同時に、動作電圧が増大し、受け入れ難いほど高くなる。従って、０．２ｍｍより大きい厚みは、通常は実施できない。しかしながら、このことは、アクチュエータの力の作用を増大させるためには、望ましいだろう。

はるかに均一な電場は、表面電極による横圧電効果（ｄ_３１効果）の使用の際に、得られる。このことによって、一連の欠点が回避される。しかし、最大限に達成可能なひずみは、一層少なくて、ｄ_３３効果の約３５％である。ここでも、厚いアクチュエータは、動作電圧の増大をもたらす。ｄ_３１型のトランスジューサの場合、必要な電場を発生させるために必要な動作電圧が、複数の電極の間隔から従ってまた圧電材料の厚みから直接に生じる。材料が厚ければ厚いほど、動作電圧も一層高くなる。

WO 95/20827 US 5,894,651 A DE 100 51 784 C1 US 307,306 B1 US 6,208,026 B1 US 6,629,341 B2

従って、本発明の課題は、ｄ_３３効果を活用し、かつ低い動作電圧での高いひずみを発生させることができる改善された圧電式の平面アクチュエータを提供することである。

上記課題は、明細書の最初の部分に記載のタイプの、圧電セラミック製の平面アクチュエータを用いて、平面アクチュエータが、プレート状であって、反対側にあるコレクタ電極面の間隔によって定められた、平面アクチュエータの厚みよりも著しく大きい、圧電セラミック・プレートの幅を有し、プラスチック部分に埋設されていることによって解決される。

これらの平面アクチュエータは、圧電セラミック製の多層アクチュエータに基づいている。多層アクチュエータは、従来の、圧電セラミック製の、スタックアクチュエータを更に改善したものである。従来のスタックアクチュエータは、積層されたおよび互いに貼着された圧電セラミック製の複数のプレートから製造される。この場合、プレートには、平面的に電極が付けられており、これらのプレートは、電場の印加の際に、ｄ_３３効果を利用しつつ、厚み方向にひずむ。１つのプレートの、厚み方向におけるひずむが僅かであるので、複数のプレートが積層される。それ故に、すべてのプレートのひずみが合算される。複数の電極を接触させるために、貼着層へ、薄い銅箔が埋設される。これらの銅箔は、スタックから横方向に導き出され、交互に接触される。貼着層がアクチュエータの剛性従ってまたアクチュエータの力の作用を減じるので、圧電セラミック製の多層アクチュエータが開発された。これらの多層アクチュエータでは、電極が、薄い層（僅かμｍ）として、圧電セラミックのセラミック製の素地の上に付され、続いて、圧電セラミックと共に焼結される。このことによって、電極は、一体式のセラミック体の構成要素である。ポリマー材料がアクチュエータの構成のために不要であるので、多層アクチュエータは、従来のスタックアクチュエータよりも一層剛性を有する。更に、この構造は、動作電圧の低下を可能にする。何故ならば、アクチュエータの剛性が劇的に減少することなく、より多くの電極を、僅かな間隔で、スタックの中に挿入することができるからである。

これらの知られた平行六面体状の多層アクチュエータに基づいて、本発明によって、平行六面体状でなくて、プレート状の圧電セラミック製のアクチュエータを提供することが提案される。典型的な厚みは、０．１ないし０．３ｍｍの範囲にあり、好ましくは約０．２ｍｍである。典型的な幅は、１０ないし２０ｍｍの範囲にある。従って、平行六面体状の多層アクチュエータの利点、すなわち、圧電複合体の、アクチュエータが作用する領域における、均一な界分布と、アクチュエータが作用する領域に圧電セラミック材料の僅かな電気機械的な負荷と、アクティブなひずみの際の、著しく低い動作電圧と、セラミックの厚みが動作電圧に影響を及ぼさないこと、とが、平面アクチュエータのためにも用いられることができる。プラスチック、例えばポリマー、繊維複合体等への埋設によって、平面アクチュエータが機械的に安定化されており、扱い易くて、電気的に絶縁されていることが達成される。

薄いプレートまたはウエハの形態で平面アクチュエータのために用いられる一体式のセラミック・ブロックを形成するために、電極が、圧電セラミック製のプレートと共に焼結されて、一体式のセラミック体を形成することは好ましい。

各々の導電性の弾性的な接触面が、プラスおよびマイナスの電極のための各々のコレクタ電極面に付されていることは特に好都合である。かくして、プラスの電極のためには、電気的コンタクトが、プラスのコレクタ電極面と、この電極面に載っている接触面とによって保証される。これに応じて、マイナスのコレクタ電極面に載っているマイナスの接触面が、マイナスの電極のために設けられている。追加の電気的接触面は、圧電複合体の高い信頼性および寿命をもたらす。この電気的接触面は、圧電セラミックに形成されることがある亀裂が、アクチュエータの故障をもたらすことを阻止する。つまりは、原理的には、電極のフィンガーの端部には、不均一な場を有する領域が生じる。このような不均一は、セラミック材料の機械的荷重をもたらす。このことによって、結局、亀裂が生じる可能性がある。これらの亀裂は、亀裂が場所的に限定されているので、機能にとって問題ないが、平面アクチュエータの縁部でコレクタ電極面を損傷することがある。電気的接触面によって、このような損傷の危険性が減じられる。

導電性の弾性的な接触面は、コレクタ電極面よりも著しく厚いほうがよい。接触面は、例えば、導電性の不織布材料、銅布、炭素布から形成されていてもよい。接触面のための、金属化ポリエステル不織布の使用は、特に好都合である。

複数の並設された平面アクチュエータからなる平面アクチュエータ複合体を形成する際に、２つの互いに隣り合っている平面アクチュエータのために、複数の隣り合う平面アクチュエータの、プラスおよびマイナスの電極に接触している各々のコレクタ電極面を備えることは好ましい。この場合、接触電極面を、樹脂注入方法で、少なくとも１つの平面アクチュエータに一体的に結合することができる。

圧縮荷重のほかに引張り荷重をも可能にする、圧電セラミック製の平面アクチュエータのプレストレスを、形成するため、特にそのために、少なくとも１つの平面アクチュエータをポリマー複合体に埋設し、ストリップ導体を介して、ポリマー複合体の複数の層の上に電気的に接触させることは、好都合である。ストリップ導体は、ポリマー複合体の上方のおよび／または下方の層にプリントまたはエッチングされていてもよい。

更に、本発明の課題は、
以下のステップ、すなわち、
ａ）各々のプラスまたはマイナスの電極によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレートからなり、プラスおよびマイナスの電極は、互い違いになっており、圧電セラミック・プレートと一体的に構成されていてなる一体式の、平行六面体状のセラミック・ブロックを製造すること、
ｂ）コレクタ電極面が、割り当てられたプラスまたはマイナスの電極と導電接続されるように、導電性のコレクタ電極面を、平面アクチュエータの、反対側にある２つの外側に付すること、
を有する圧電セラミック製の平面アクチュエータを製造するための改善された方法を提供することである。

この課題は、この方法で、他のステップ、すなわち、
ｃ）複数の圧電セラミック・プレートが、反対側にあるコレクタ電極面同士の間隔によって定められた、平面アクチュエータの厚みよりも著しく大きい幅を有するように、平行六面体状のセラミック・ブロックを、複数のプレート状の平面アクチュエータに切断すること、および
ｄ）平面アクチュエータをプラスチック部分に埋設すること、によって解決される。

好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

一体式の、平行六面体状の、多層の圧電セラミック・ブロックから圧電式の平面アクチュエータを製造する方法の略図を示す。 一体式の、平行六面体状の、多層の圧電セラミック・ブロックから圧電式の平面アクチュエータを製造する方法の他の略図を示す。 一体式の、平行六面体状の、多層の圧電セラミック・ブロックから圧電式の平面アクチュエータを製造する方法の更に他の略図を示す。 一体式の、平行六面体状の、多層の圧電セラミック・ブロックから圧電式の平面アクチュエータを製造する方法の更に他の略図を示す。 一体式の、平行六面体状の、多層の圧電セラミック・ブロックから圧電式の平面アクチュエータを製造する方法の更に他の略図を示す。 ２つの並設されておりかつポリマー複合体に埋設された平面アクチュエータの分解斜視図を示す。 ポリマー複合体に埋設された圧電セラミック製の平面アクチュエータの典型的な応力・ひずみ曲線を示す。

以下、添付した図面を参照して本発明を、例を挙げて詳述する。図１は、プレート状の圧電セラミック製の平面アクチュエータの製造プロセスを斜視図で略示する。

図１ａ）は、工業的に入手可能な一体式の多層スタック１を、プロセスの出発点として示す。多層スタック１は、一体式のセラミック体である。セラミック体では、プラスおよびマイナスの電極２ａ，２ｂは、複数のセラミック・プレート３と共に焼成されていて、一体式のセラミック体を形成する。プラスおよびマイナスの電極２ａ，２ｂは、夫々２つの互いに隣り合った圧電セラミック・プレート３の間に交互に設けられている。

図２は、フィンガ状の個々の電極２ａ，２ｂを電気的に接触させるために、薄いコレクタ電極面４ａ，４ｂが、夫々、一体式のセラミック体１の、反対側にある２つの外側に付けられていることを示す。コレクタ電極面４ａ，４ｂを、例えばスパッタリングまたはスクリーン・プリントによって、製造することができる。

外部の負荷、あるいは、圧電セラミック製の平面アクチュエータのアクティブな作動によって発生されるひずみは、薄いコレクタ電極４ａ，４ｂにおける亀裂をもたらすことがある。このことは、亀裂の個所に応じて、平面アクチュエータの部分的なまたは全面的な故障をもたらすだろう。この問題を回避するためには、図１ｃに略示のように、コレクタ電極面４ａ，４ｂ上には、導電性の、弾性的な接触面５ａ，５ｂが付けられている。接触面５ａ，５ｂの材料は、コレクタ電極面４ａ，４ｂよりも厚い。これらのコレクタ電極面は、省略することもできる。それ故に、コレクタ電極面４ａ，４ｂ自体は、導電性の、弾性的な層としてデザインされている。

弾性的な接触面５ａ，５ｂのためには、導電性の不織布、例えば、金属化ポリエステル不織布、銅布、炭素布または同種のものが用いられる。導電性の材料の付着が、樹脂注入方法によってなされることは好ましいが、他の方法も、可能である。プロセスを合理化するために、複数の、多層の、一体式のセラミック体１を組み合わせて１つのブロックを形成し、同時に、セラミック体に、導電性の、弾性的な接触面５ａ，５ｂを備える。

図１ｄ）は、次のステップで、かくして準備された一体式のセラミック体１を、のこぎりで、複数の薄い層に切断することを示す。のこ引きプロセスを簡略化するために、セラミックを締め付けるための追加の領域を、前もって、取り付けておいてもよい。

図１ｅ）は、のこ引きプロセスの結果として、プレート状の圧電セラミック製の平面アクチュエータを示す。この薄い多層プレート６には、複数の表面電極を有する従来のｄ_３３型の表面複合体の場合のように、複数の電極が表面に設けられているだけでなく、横断面をほぼ完全に貫通してもいる。非常に均一な電場が形成される。電極同士の間隔を、例えば５０μｍ に著しく減じることができる。このことによって、ひずみが同じであっても、著しく減じられた動作電圧も生じる。しかし、多層プレート６の厚みは、必要な電圧のレベルに影響を与えない。従って、アクティブな横断面を、広い範囲に亘って、任意に適合することができる。

しかしながら、図１ｅ）に示した多層プレート６は、非常に壊れ易い。機械的な安定化のために、電気的絶縁化のためにおよび電気的接触のために、多層プレート６は、図２に示すように、ポリマー複合体に埋設されていてもよい。ポリマー複合体は、２つの外側の層７からなる。これらの層の１のみが略示されている。これらの層７には、ストリップ導体パターンが付されている。プリントされたまたはエッチングされたストリップ導体を、ポリマー基板またはポリエステル基板に用いることは好ましい。ストリップ導体８は、電気的な接触面５ａ，５ｂがストリップ導体上に正確に置かれることができるように、設けられている。この場合、平面アクチュエータを、任意の数のまたは配列の多層プレート６をもって構成することができる。その目的は、圧電複合体の面を必要に応じて拡大するためである。個々の構成要素の貼着を直接行なうことができる。しかしながら、図示した例では、絶縁性の繊維材料、好ましくはポリエステル不織布からなるフレーム９を追加的に用いる樹脂注入方法が用いられる。このフレーム９はスペーサとして用いられ、複数の多層プレート６を、複合体に位置決めする。更に、フレーム６は、注入プロセス中に、樹脂浸出を可能にする。樹脂注入方法の使用は、構成要素の高い質および再現性を保証する。

高められた温度で、好ましくは１２０℃ないし１８０℃の範囲で複合材の利用がなされるので、冷却プロセス中に、セラミック体に、好都合な圧縮プレストレスが形成される。圧縮プレストレスは、周囲のポリマー材料の、圧電セラミックよりも高い熱膨張係数によって引き起こされる。

プロセスを合理化するために、複数の圧電複合体を同時に製造し、続いて個別化することができる。かくして出来上がった圧電複合体は、頑丈であり、扱い易くて、任意の用途のための平面アクチュエータとして用いられることができる。

図３は、ポリマー複合体に埋設された圧電セラミック製の平面アクチュエータの応力・ひずみ曲線を示す。ひずみは、μｍ／ｍの単位で、圧電セラミック製の平面アクチュエータのための起動電圧に対して示されている。動作電圧が２００Ｖであるときに、１．３００μｍ／ｍの最大限のひずみが得られることが明らかになる。しかし、寸法および構造に従って、１２０Ｖより低い電圧の際に、最大限少なくとも１．８００μｍ／ｍの高い値が得られる。起動のための電圧範囲は、約マイナス５０ないし２００Ｖである。平均的なひずみは、図示した実施の形態では、約４．８μｍ／ｍ／Ｖである。

Claims (20)

1. 各々のプラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレート（３）であって、前記プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）は、互い違いになっており、前記圧電セラミック・プレート（３）と一体的に構成されている複数の圧電セラミック・プレート（３）と、
   前記プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）のためのコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）であって、前記コレクタ電極面は、前記関連したプラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）と導電接続されており、前記平面アクチュエータの、互いに反対側にある２つの外側に設けられているコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）と、
   を備える圧電セラミック製の平面アクチュエータにおいて、
   この平面アクチュエータは、プレート状であって、前記反対側にある前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）の間隔によって定められた、前記平面アクチュエータの厚みよりも著しく大きい、前記圧電セラミック・プレート（３）の幅を有し、プラスチック部分に埋設されていることを特徴とする圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
2. 前記電極は、前記セラミック・プレート（３）と共に焼成されていて、一体式のセラミック体（１）を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
3. 前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）は弾性的であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
4. 前記プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）のための前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）には、導電性の弾性的な接触面（５ａ，５ｂ）が夫々付されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
5. 前記導電性の弾性的な接触面（５ａ，５ｂ）は、前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）よりも著しく厚いことを特徴とする請求項３に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
6. 前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）は、導電性の不織布材料、例えば、銅布、炭素布からの金属化ポリエステル不織布材料から形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
7. コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）は、夫々、２つの互いに隣り合っている平面アクチュエータのために設けられており、複数の隣り合う平面アクチュエータの、前記プラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）に接触していることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
8. 前記複数のコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）は、樹脂注入方法で、少なくとも１つの平面アクチュエータに一体的に結合されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
9. 少なくとも１つの平面アクチュエータは、ポリマー複合体に埋設されており、ストリップ導体（８）を介して、前記ポリマー複合体の複数の層（７）の上に電気接触していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
10. 前記ストリップ導体（８）は、前記ポリマー複合体の上方のおよび／または下方の層（７）にプリントまたはエッチングされていることを特徴とする請求項９に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
11. 前記複数の平面アクチュエータは、前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）または前記ポリマー複合体によってプレストレス下にあることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載の圧電セラミック製の平面アクチュエータ。
12. 以下のステップ、すなわち、
    ａ）各々のプラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）によって互いに分離された複数の圧電セラミック・プレート（３）からなり、前記プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）は、互い違いになっており、前記圧電セラミック・プレート（３）と一体的に構成されていてなる一体式の平行六面体状のセラミック・ブロックを製造するステップ、
    ｂ）導電性のコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）を、前記平面アクチュエータの、反対側にある２つの外側に付するステップであって、前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）が、関連する前記プラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）と導電接続されるようになっている、付するステップ、
    を有する圧電セラミック製の平面アクチュエータを製造する方法において、
    ｃ）前記複数の圧電セラミック・プレート（３）が、前記反対側にある前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）同士の間隔によって定められた、前記平面アクチュエータ（３）の厚みよりも著しく大きい幅を有するように、前記平行六面体状のセラミック・ブロックを、複数のプレート状の平面アクチュエータに切断するステップ、
    ｄ）前記平面アクチュエータをプラスチック部分に埋設するステップ、
    を特徴とする圧電セラミック製の平面アクチュエータを製造する方法。
13. 前記ステップａ）で、前記電極を前記複数の圧電セラミック・プレート（３）と共に焼成して、一体式のセラミック・ブロックを形成することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 導電性の弾性的な接触面（５ａ，５ｂ）を、前記プラスおよびマイナスの電極（２ａ，２ｂ）のための前記コレクタ電極にそれぞれ付することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記導電性の弾性的な接触面（５ａ，５ｂ）は、前記コレクタ電極（４ａ，４ｂ）よりも著しく厚いことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）は、導電性の不織布材料、例えば、銅布または炭素布からの金属化ポリエステル不織布材料から形成されていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
17. ２つの互いに隣り合っている平面アクチュエータのためのコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）をそれぞれ付すること、および、各状態において前記複数の隣り合う平面アクチュエータの前記プラスまたはマイナスの電極（２ａ，２ｂ）を共通のコレクタ電極面（４ａ，４ｂ）に接触させることを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれか１に記載の方法。
18. 前記コレクタ電極面（４ａ，４ｂ）を、樹脂注入方法で、前記少なくとも１つの平面アクチュエータに一体結合することを特徴とする請求項１４ないし１７のいずれか１に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの平面アクチュエータを前記ポリマー複合体に埋設すること、および、前記少なくとも１つの平面アクチュエータを、ストリップ導体（８）を介して、前記ポリマー複合体の複数の層（７）に電気接触することを特徴とする請求項１２ないし１８のいずれか１に記載の方法。
20. 前記ストリップ導体（８）を、前記ポリマー複合体の上方のおよび／または下方の層（７）にプリントまたはエッチングすることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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