JP4635269B2 - 多層構造の電気的部品および圧電式部品のための付加的接触接続部 - Google Patents

Description

本発明はまず、多層構造の電気的部品とりわけ圧電式部品のための、請求項１の上位概念による付加的接触接続部に関する。さらに本発明は、請求項８の上位概念による、多層構造の圧電式部品に関する。

圧電式部品は多層構造部品として、それぞれ交互に配置された多数の圧電セラミック層および多数の電極層によって構成されており、その重要性は現在の電子工学においてますます高まっている。たとえば圧電式部品は、ピエゾアクチュエータの形態で調整駆動装置として、バルブ等と関連して使用される。

公知のピエゾアクチュエータは、たとえばＤＥ１９６４６６７６Ｃ１に記載されている。この種の圧電セラミックスでは、機械的な加圧ないしは張力で圧電セラミックスが帯電し、電圧が印加されるとセラミック層の主軸に沿って膨張するという効果が利用される。使用可能な長さ膨張を倍増させるため、たとえばモノリシック多層アクチュエータが使用される。このモノリシック多層アクチュエータは、圧電セラミックス（たとえばチタン酸ジルコン酸鉛）から成る薄いフィルムの焼結されたスタックと、積層された金属性の電極層とから成る。この電極層は交互にスタックから引き出され、外部のメタライジングによって電気的に並列接続される。こうするため、スタックの両コンタクト面には、筋状または帯状の連続した金属被覆部が取り付けられている。この金属被覆部は、同一の極性の電極層すべてに結合されている。しばしば、圧電式部品の金属被覆部と別の電気的端子エレメントとの間には、さらに付加的接触接続部が取り付けられており、この付加的接触接続部は種々の形態で形成できる。電圧を電気端子エレメントに印加すると、圧電フィルムは電界方向に膨張する。個々の圧電フィルムを機械的に直列接続することにより、電圧が比較的低くても、スタック全体の定格膨張率を達成することができる。

このようなアクチュエータは、機械的なストロークによって著しい負荷にさらされてしまう。ダイナミック駆動時にこのようなアクチュエータの寿命に関して決定的に重要であって、高いサイクル数および高い信頼性を達成するために重要なのは、電気的な外部接触接続である。この電気的な外部接続はたとえば、金属被覆部にそれぞれ付加的接触接続部を取り付けることによって実現される。付加的接触接続部はたとえば、銅によって被覆されたカプトンフィルム（Kaptonfolie）として構成される。このような付加的接触接続部はコンタクトラグとも称される。この付加的接触接続部は、全長にわたって適切な結合手段によって、それぞれ所属の金属被覆部と結合されている。前記結合手段は、たとえばレーザはんだ等である。このようにして、金属被覆部を分離するひび、たとえば分極ひび等がアクチュエータセラミックスで発生しても、圧電式部品の電気的な接触接続が保証される。しかし、このようなひびは、セラミック層ないしは金属被覆部にしか発生しないわけではない。

圧電式部品の動作中には、ひびは付加的接触接続部にも発生するおそれがある。付加的接触接続部ないしはコンタクトラグにおいて圧電式部品の動作中に発生したひびが拡大することは避けられず、この拡大は多数のパラメータによって決定される。付加的接触接続部の幅および設計技術上の構成はとりわけ、ひびの優勢な拡大方向と、最大で発生するひびの長さとによって方向付けなければならない。

同出願人によって提出された、本願出願前の特許出願ＤＥ１９７１５４８７Ａ１には、冒頭に述べたアクチュエータスタックが既製の空洞プロフィールに挿入されているピエゾアクチュエータが記載されている。前記アクチュエータスタックは、セラミック層と、該セラミック層の合間に設けられた電極層から成る。このためには、空洞プロフィールはまず、中央の切り欠きを有する。この切り欠きは、ピエゾアクチュエータスタックの形態にほぼ相応する。さらに、この切り欠きの側壁には２つのスロットが設けられており、これらによって電気的端子エレメントのための別の切り欠きが形成される。この解決手段によれば、前記スロットは湾曲して延在している。圧電式部品が空洞プロフィールへ挿入されると、アクチュエータスタックは中央の切り欠き内に取り付けられ、電気的端子エレメントは、該電気的端子エレメントのために設けられた切り欠き内に取り付けられる。電気的端子エレメントとアクチュエータスタックとの接続は、フィルムとして形成された付加的接触接続部を介して実施される。これはスロット内に設けられており、フレキシブルなフィルムとして形成された付加的接触接続部もまた、取り付けられた状態では小さく湾曲して延在している。

しかし、ピエゾアクチュエータをこのように構成しても、付加的接触接続部の全面にわたって拡大されたひびが拡大されるのを完全に阻止することはできない。最悪の場合、個々のアクチュエータ領域が電気的な給電線から分離してしまうおそれがある。

前記の従来技術から出発して本発明の課題は、従来の技術に関連して挙げられた欠点を回避することができるように、冒頭で述べた形式の付加的接触接続部および圧電式部品を発展させることである。とりわけ、耐故障性であり、かつダイナミック駆動時にも疲労が少ない、多層構造の電気的部品とりわけ圧電式部品の付加的接触接続部を提供しなければならない。

前記課題は本発明では、請求項１に記載された付加的接触接続部および請求項８に記載された多層構造の圧電式部品によって解決される。本発明の別の利点、構成、側面および効果は、従属項、明細書および図面に記載されている。本発明の付加的接触接続部に関連して説明されている構成および詳細は、もちろん圧電式部品にも当てはまり、その逆も当てはまる。

本発明の第１の側面によれば、多層構造の電気的部品、とりわけ圧電式部品のための次のような付加的接触接続部が提供される。すなわち、導電性のコンタクトエレメントを有し、このコンタクトエレメントは該電気的部品と少なくとも１つの電気的端子エレメントとを接続するために使用される付加的接触接続部が提供される。本発明では、付加的接触接続部の特徴は、コンタクトエレメントの形態が、クリティカルな引張負荷に対して応力変向（Spannungsumlagerung）が行われるような形態であることである。

ここで応力変向とは、概して、コンタクトエレメントのある領域に生じた（たとえば電気的部品の縦方向の）クリティカルな引張負荷の少なくとも一部が、別の方向に方向転換されることを指す。

このことを、排他的でない例に基づいて説明する。たとえば、コンタクトエレメントの形態が次のような形態であることが考えられる。すなわち、コンタクトエレメントが電気的部品に結合されている場所である該コンタクトエレメントの面に、完全な引張負荷が存在し、他方では該コンタクトエレメントにおいて、該コンタクトエレメントがたとえば電気的端子エレメントに接続されている領域（自由領域）に別の方向の応力が存在する形態であることが考えられる。

本発明の付加的接触接続部の構成によって、耐故障性であり、かつダイナミック駆動時にも疲労が少ない、電気的部品と少なくとも１つの電気的端子エレメントとの接続を保証することができる。

このためには、付加的接触接続部、ここではとりわけ該付加的接触接続部の導電性のコンタクトエレメントは、完全に特別な形態を有する。このことにより、電気的部品の接触接続を確実にし、同時に機械的応力の負荷を低減することができる。したがって本発明の基本的思想は、付加的接触接続部の次のような特別な構成である。すなわち、電気的部品と少なくとも１つの別の電気的端子エレメントとの間の重要な結合部材は、たとえばコネクタまたは接触ピン等である特別な構成である。

本発明によれば、付加的接触接続部のコンタクトエレメントは、クリティカルな引張負荷／加圧負荷等のクリティカルな負荷が低減されるような形態を有する。前記クリティカルな負荷は、たとえばアクチュエータ等の多層構造の圧電式部品の場合、交番負荷である。こうすることにより、コンタクトエレメントに発生されたひびによって、従来技術で説明された欠点が引き起こされない。こうするため、付加的接触接続部は本発明では、クリティカルな負荷、とりわけクリティカルな引張負荷に対して応力変向が行われるように構成される。こうすることにより疲労の拡大が緩慢になり、コンタクトエレメントの内部では疲労の拡大が止まる。したがって、本発明の付加的接触接続部が設けられた電気的部品の寿命が向上される。

本発明は、付加的接触接続部のための特定の実施形態にのみ制限されることはない。排他的でない幾つかの例を、明細書の以下の部分でより詳細に説明する。

有利にはコンタクトエレメントの構成は、たとえばコンタクトラグ等のコンタクトエレメントの、電気的部品から離れた領域でも、応力が低減されるように選択される。

コンタクトエレメントを、導電性のフィルムとして形成すると有利である。このようなフィルムは、特に簡単かつ低コストで製造することができる。

有利には、コンタクトエレメントは少なくとも１つの事前変形部（Vorverformung）を有している。この事前変形部は、とりわけ撓曲部である。こうすることにより、コンタクトエレメントの疲労特性に対して悪影響を及ぼす機械的な引張負荷／加圧負荷を、特に有利に方向転換することができ、同時にコンタクトエレメントにおいて応力を低減することもできる。

「事前変形」とは、コンタクトエレメントが電気的部品に配置される前に、該コンタクトエレメントの形態を変化させるすべての形式の変形を指す。前記変化は、とりわけ永続的な変化である。

これと異なり、ＤＥ１９７１５４８７Ａ１に記載された圧電式部品の付加的接触接続部は、単に湾曲して延在するだけである。しかし、薄いフィルムから形成されるこの公知の付加的接触接続部は、事前変形部（撓曲部）を有していない。このフィルムが、湾曲したスロットへ挿入されると、フィルムは単に湾曲されて延在する。もちろん、フィルムはその後も変形されない。公知の解決手段で開示された付加的接触接続部が、相応するスロットから取出されると、弾性に起因して再び初期の形態をとる。この初期の形態は、全く変形されていない扁平な面である。

しかし、コンタクトエレメントの事前変形部（撓曲部）により、クリティカルな引張負荷に対して、本発明による応力変向を行うことができる。

有利にはコンタクトエレメントは、２７０°の角度を有する撓曲部を少なくとも１つ有する。その都度有利な角度は、要求および適用事例に応じて、電気的部品および付加的接触接続部に対して調整される。本発明は、上記領域内の特定の角度に制限されない。重要なのは、選択される角度が、定義された半径にあることだけである。有利にはコンタクトエレメントは、１８０°以下の角度を有する撓曲部を少なくとも１つ有する。

別の構成ではコンタクトエレメントは、コンタクト領域および固定領域を有している。前記コンタクト領域は、少なくとも１つの電気的端子エレメントと結合するために使用され、前記固定領域は、電気的部品と固定するために使用される。有利には、コンタクトエレメントはこの固定領域で少なくとも１つの事前変形部を有しており、この事前変形部はとりわけ撓曲部である。このようにして、コンタクトエレメントの疲労特性に悪影響を与える機械的な引張負荷／加圧負荷を変向すると同時に、電気的部品から離れたコンタクトエレメントの領域の応力も低減することができる。このことにより、コンタクトエレメントにおける疲労によるひびの拡大が緩慢になり、コンタクトエレメントの最初の半分で止められる。したがって、電気的部品全体の寿命が格段に向上される。というのも、コンタクトエレメントのひびによって、電気的部品の個々の領域が給電線から分離することがなくなるからである。このことは、明細書冒頭の枠で、公知である従来の解決手段で説明されている。

また、固定領域または両領域で、少なくとも１つの事前変形部、とりわけ撓曲部を設けることも考えられる。

有利にはコンタクトエレメントは、少なくとも一部の領域で構造化されている。コンタクトエレメントをこのように構造化することにより、該コンタクトエレメントにおけるひびの拡大がさらに緩慢にされるか、ないしは止められる。コンタクトエレメントを少なくとも一部の領域で構造化することにより、電気的部品の動作中のコンタクトエレメントの機械的な応力を最小にすることができる。

電気的部品がたとえば多層構造の圧電式部品である場合、該部品の圧電的に非アクティブな領域にひびが発生すると、このような機械的応力は特に大きくなってしまう。このひびはたとえば、圧電式部品が分極する際に発生する（分極ひび（Polungsriss））。伸長および収縮の際に、このようなひびが存在すると、圧電式部品の大きさが比較的大きく変化する。この大きな変化により、コンタクトエレメントにおいて大きな機械的応力が発生してしまう。この機械的応力はとりわけ、コンタクトエレメントが、たとえば接触ピン等の剛性の端子エレメントに固定的に結合されている場合に発生してしまう。

ここでコンタクトエレメントを少なくとも一部の領域で構造化すると、コンタクトエレメントのフレキシビリティを向上させることができる。こうするためたとえば、少なくとも１つの凹部および／または少なくとも１つの肉薄加工部がコンタクトエレメントに設けられる。凹部ないしは肉薄加工部の形態、大きさおよび位置付けは有利には、コンタクトエレメントが、とりわけ圧電式部品の伸縮方向にフレキシブルであるように構成される。どのようにコンタクトエレメントが有利に構造化されるかという解決手段は、同出願人によって提出された本出願前の特許出願ＥＰ１０６５７３５Ａ２に記載されている。その点では、この開示内容は本発明の明細書に引用されている。

有利には付加的接触接続部は、少なくとも一部の領域で金属から形成される。この金属はとりわけ、Ｃｕ、Ｆｅ、鋼、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ベリリウムのグループに含まれる金属である。特に有利には、付加的接触接続部は、銅ニッケル合金および／またはアルミニウムベースの合金から製造される。特に有利なのは、銅ベリリウム合金および／またはニッケルベリリウム合金である。これらの合金の特徴は、耐疲労性が高いことと、ひいては機械的な長時間安定性が高いことである。

付加的接触接続部の材料としては、金属の他に、たとえば有機性の導体材料等の非金属性の導体が考えられる。

本発明の第２の側面では、交互に常に圧電セラミック層および電極層が積層されて配置され、スタックが形成されている、多層構造の圧電式部品が提供される。ここでは、それぞれ少なくとも１つの第１の電極層、およびスタックにおいて後続する、該第１の電極層に隣接する第２の電極層は、交番的な極性で電気的に接触接続するため、それぞれ少なくとも１つの付加的接触接続部に接続される。本発明では圧電式部品の特徴は、付加的接触接続部が、前記の本発明の形式で構成されていることである。

このようにして、信頼性の高い付加的接触接続部を有する圧電式部品を提供することができ、セラミック層と電極層とから成るスタックと、たとえば少なくとも１つの電気的端子エレメントとの接続が、耐故障性であり、かつダイナミック駆動時にも疲労が少なくなるように構成することができる。

有利には、少なくとも１つの第１電極層および少なくとも１つの第２電極層は、交番的な極性で電気的に接触接続するため、それぞれ、片側でスタックに配置された少なくとも１つの金属被覆部に接続されている。ここでは、各金属被覆部は電気的に付加的接触接続部に結合されている。金属被覆部と付加的接触接続部との結合は、たとえばはんだ結合または溶接接合等の適切な結合手段を介して行われる。本発明は、金属被覆部と付加的接触接続部との間の特定の結合形式に制限されない。

有利には付加的接触接続部には、コンタクト領域および固定領域を有するコンタクトエレメントが設けられている。このコンタクトエレメントは、コンタクト領域を介して少なくとも１つの電気的端子エレメントに結合され、該コンタクトエレメントは固定領域を介してスタックに、とりわけ少なくとも１つの金属被覆部に（該スタック内に設けられた電極層と同じ極性で）結合されている。

有利には付加的接触接続部は、少なくとも一部の領域で、パッシベーション材料により囲まれている。パッシベーション材料は一種の保護材料および／または絶縁材料であり、たとえばプラスチックから形成される。露出された電気的構成部材を電気的にパッシベーションすることは、隣接する露出された電気的部品間の電気的なフラッシュオーバおよび短絡を回避するために必要である。前記露出された電気的構成部材は、たとえば付加的接触接続部のコンタクトエレメント、圧電式部品に設けられた電極層等である。

別の構成では、スタックおよび付加的接触接続部は単一の被覆部材内に配置されている。この単一の被覆部材は、有利にはパッシベーション材料から成る。ここでは付加的接触接続部のコンタクトエレメントに、たとえば適切なプラスチック等のパッシベーション材料が充填される。ここでは有利には、スタックの近接部すなわち直接の周辺部にパッシベーション材料が充填される。それゆえ、コンタクトエレメントも、ダイナミック駆動時には圧電式の多層構成素子のスタックとともに均一に膨張する。したがって、コンタクトエレメントと圧電式部品との間の接続場所および該コンタクトエレメント自体にかかる機械的な負荷が、格段に低減される。ダイナミック駆動時のこのような追従効果は、とりわけ、コンタクトエレメントからスタックまでの間隔が、意図的に可能な限り小さく維持されることによって保証される。

有利には、前述の本発明の圧電式部品は、ピエゾアクチュエータまたは圧電変換器として構成される。このような圧電式部品の構成例は、スタックアクチュエータ、トランスバーサルアクチュエータ、撓曲アクチュエータ、超音波診断ないし超音波治療のための変換器等である。とりわけ圧電式部品は、自動車システムにおけるピエゾアクチュエータとして、たとえばガソリン噴射システムおよびディーゼル噴射システムのための調整駆動装置として使用される。

ここで本発明を、実施例に基づき、添付された図面に関連してより詳細に説明する。

図面
図１ 本発明による多層構造の圧電式部品の一部を斜視的に示した図である。

図２ 電気的部品のための付加的接触接続部の本発明による実施形態を斜視的に示した図である。

図１には、アクチュエータとして構成された多層構造の圧電式部品１０が示されている。ピエゾアクチュエータ１０は、多数の圧電セラミック層１１と電極層１２，１３とから成るスタック１７を形成している。ここでは、電極層１２および１３の極性はそれぞれ異なっており、同じ極性の電極層は第１の電極層１２と称されるか、ないしは第２の電極層１３と称される。同じ極性の電極層１２ないしは１３はそれぞれ、共通の金属被覆部１５ないしは１６に結合されている。

さらに、非アクティブな絶縁ゾーン１４が示されている。この絶縁ゾーン１４は、連続した電極層１２，１３の対向するコーナに交互に配置されている。これらの電極層１２，１３は、この場合、スタック断面にわたって延在していない。この構成により、すべての第１電極層１２ないしはすべての第２電極層１３が、それぞれ同じ電極と、垂直な共通の外部金属被覆部１５ないしは１６によって共通に結合される。外部金属被覆部１５，１６はたとえば、適切な帯状の金属被覆部である。

金属被覆部１６と関連して示されているように、この金属被覆部１６は、適した結合手段１８を介して付加的接触接続部３０に結合されている。前記結合手段１８は、たとえばはんだ接合部または溶接接合部等である。同様にして、金属被覆部１５も付加的接触接続部（図示されていない）に結合されている。

付加的接触接続部３０の構成は、図２に示されている。

図２にはまず、ピエゾアクチュエータ１０の積層された層１７が「スタック」として、非常に簡単な形態で示されている。スタック１７の相互に対向する面には、金属被覆部１５，１６が設けられており、これらの金属被覆部を介して、スタック１７は付加的接触接続部３０によって電気的端子エレメント２０に接続されている。この端子エレメント２０は、たとえば適切な接触ピンである。

図２に示されているように、付加的接触接続部３０はコンタクトエレメント３１から成る。このコンタクトエレメント３１は、たとえばフィルムである。コンタクトエレメント３１はコンタクト領域３３を有しており、このコンタクト領域３３を介して電気的端子エレメント２０との接続が実現される。さらに、コンタクトエレメント３１は固定領域３４を有し、この固定領域３４によって、該コンタクトエレメント３１は金属被覆部１５，１６と結合される。

ピエゾアクチュエータ１０の駆動中には、悪影響を及ぼす機械的な張力／加圧の交番的な負荷が発生し、このような負荷によってコンタクトエレメント３１にひびが発生するおそれがある。この負荷を最小にするため、コンタクトエレメント３１は少なくとも１つの事前変形部を有している。この事前変形部は、とりわけ撓曲部３２である。この実施例では、少なくとも１つの撓曲部３２が固定領域３４に形成されている。また、少なくとも１つの撓曲部３２をコンタクト領域３３にも形成するか、または両領域に形成することも考えられる。このような撓曲部３２は、撓曲線に沿って形成されたコンタクトエレメント３１の事前変形部である。これは、撓曲トルクないしは撓曲応力を負荷することによって形成される。この撓曲部３２によって、クリティカルな張力／加圧の交番的な負荷に対して応力変向が行われ、同時に、スタック１７から離れたコンタクトエレメント３１の領域、ここではコンタクト領域３３において応力が減少される。このことによって、コンタクトエレメント３１において、疲労によるひびの拡大が緩慢になり、コンタクトエレメント３１の最初の半分で、ここでは固定領域３４で止められる。このようにして、アクチュエータセラミックスにおいてひびが金属被覆部１５，１６を分断し、付加的接触接続部３０においてひびが発生しても、スタック１７の電気的な接触接続を常に保証することができる。

撓曲部３２に適した角度は、要求および適用事例に応じて選択される。図２に示された実施例では、撓曲部３２に対して、１８０°の撓曲角度が選択されている。

付加的接触接続部３０を本発明によって構成することにより、耐故障性であり、かつピエゾアクチュエータ１０の駆動中でも疲労が少ない、スタック１７と端子エレメント２０との電気的接続を保証することができる。このことはとりわけ、自動車産業において十分に長いピエゾアクチュエータ１０の寿命を保証するための中心的な前提である。

本発明による多層構造の圧電式部品の一部を斜視的に示した図である。

電気的部品のための付加的接触接続部の本発明による実施形態を斜視的に示した図である。

Claims (6)

1. 多層構造の圧電式部品であって、
   圧電セラミック層（１１）と電極層（１２，１３）とが交互に積層されて配置され、スタック（１７）が形成されており、
   それぞれ、少なくとも１つの第１の電極層（１２）、および該スタック（１７）において後続する、該第１の電極層に隣接する第２の電極層（１３）が、交番的な極性で電気的な接触接続のため、それぞれ、当該スタック（１７）と少なくとも１つの電気的端子エレメント（２０）とを接続するための少なくとも１つの付加的接触接続部であるコンタクトエレメント（３１）に接続されている形式のものにおいて、
   前記コンタクトエレメント（３１）は、導電性のフィルムとして形成されており、
   前記コンタクトエレメント（３１）は１つの縁辺側の固定領域（３４）において、該圧電式部品の圧電セラミック層の積層方向に沿って前記スタック（１７）に結合されており、かつ、該スタック（１７）から外側に向かって曲げられており、
   前記コンタクトエレメント（３１）は、該固定領域（３４）と反対側の部分にあり前記積層方向に延在する縁辺側のコンタクト領域（３３）において前記少なくとも１つの電気的端子エレメント（２０）に結合されていることを特徴とする圧電式部品。
2. 前記コンタクトエレメントは、少なくとも一部の領域において、Ｃｕ、Ｆｅ、鋼、ニッケル、コバルト、アルミニウム、ベリリウムのグループに含まれる金属から形成されている、請求項１記載の圧電式部品。
3. 少なくとも１つの第１の電極層（１２）および少なくとも１つの第２の電極層（１３）は、交番的な極性で電気的な接触接続のため、それぞれ、スタック（１７）に片側に配置された少なくとも１つの金属被覆部（１５，１６）に接続されており、
   各金属被覆部（１５，１６）は、電気的に前記固定領域（３４）に結合されている、請求項１または２記載の圧電式部品。
4. 前記コンタクトエレメントは少なくとも一部の領域において、パッシベーション材料によって囲まれている、請求項１から３記載の圧電式部品。
5. 該スタック（１７）およびコンタクトエレメント（３１）は、単一の被覆部材内に配置されており、
   前記単一の被覆部材はパッシベーション材料から成る、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式部品。
6. 該圧電式部品は、ピエゾアクチュエータまたは圧電変換器として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電式部品。

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