JP4921675B2 - 圧電式多層アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
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。
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。
殊に有利には、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。
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。
【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】
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。
【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＝ｄ_３１・Ｅ及びε＝ｄ_３３・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ｄ_３１及びｄ_３３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 (6)

1. 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）を有し、
   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されている、多層アクチュエータにおいて、
   前記ネット（５）の緯糸（１０）及び経糸（１１）は、２φである菱形の隙間（１２）の第１の内角（１６）として、少なくとも実質的に次式が適用される角度が生じるように編み合わされており、または織り合わされており、
   

   

   ここで、Δｌ／ｌは、長手方向伸縮または長手方向膨張が生じた際の長さｌの積層体（３１）における相対的な長さ変化であり、
   Δｂ／ｂは、長さ変化Δｌによる側幅ｂの積層体（３１）における相対的な横断方向伸縮または横断方向膨張を表し、
   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）内で補償調整され、
   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（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。
2. 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）を有し、
   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されている、多層アクチュエータにおいて、
   前記ネット（５）の緯糸（１０）及び経糸（１１）は、２φである菱形の隙間（１２）の第１の内角（１６）として、少なくとも実質的に次式が適用される角度が生じるように編み合わされており、または織り合わされており、
   

   

   ここで、ｄ₃₁及びｄ₃₃は、長さ変化Δｌないし該長さ変化Δｌによって誘起された横断方向伸縮Δｂに相応する、前記絶縁層（２０）のピエゾ活性化材料の圧電係数を表し、
   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）内で補償調整され、
   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（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。
3. 前記ネット（５）は、導電性の繊維（１０、１１）または金属性の導線から構成されている、請求項１または２記載の多層アクチュエータ。
4. 前記導電層（１５）は、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３までの少なくとも１項記載の多層アクチュエータ。
5. 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４までの少なくとも１項記載の多層アクチュエータ。
6. 前記繊維（１０、１１）または導線は、１０μｍから２５０μｍの直径を有する、請求項１から５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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