JP5528491B2 - 圧電セラミック多層アクチュエーター - Google Patents

Description

本発明は、請求項１記載の圧電セラミック多層アクチュエーターに関する。

圧電セラミック材料からなる多層アクチュエーターは、交互の接触を有し、すなわち内部電極は交互にアクチュエーターの向かい合う面の表面に案内され、ここでそれぞれ外部電極により電気的に平行に接続される。電気的に絶縁するために、頭部領域および脚部領域は圧電セラミックからなる不活性の、すなわち電極不含の層からなる。

金属電極および圧電セラミック材料の層の配置により、圧電セラミック材料の収縮は、特に不活性の頭部領域および脚部領域で焼結工程中に影響される。電極に近い領域と電極に遠い領域の収縮の差はセラミック材料中に応力を生じ、これがすでに焼結工程中で亀裂を生じるか、または製造した部品に強度を低下する作用を生じる。これによりこれらの部品において運転中に亀裂を形成する弱さが明らかに増加する。運転中の活性領域および不活性領域の種々の延伸挙動は特に２つの領域の境界で応力を生じ、これが亀裂の形成を促進する。亀裂は若干の使用には許容することができる。しかし基本的な問題が生じる。アクチュエーターが完全にカプセル化されない場合は、亀裂により露出する電極平面に電界が生じ、これは水または他の極性分子の堆積を生じることがある。これは漏れ電流を生じるか、またはアクチュエーター挙動の低下を強める。更にアクチュエーターが亀裂により予め損傷して運転中の破損により機能しなことを完全に排除することができない。

本発明の課題は、亀裂を形成する応力が発生する原因を十分に取り除くことである。

前記課題は、請求項１のアクチュエーターにより解決される。本発明の他の有利な構成は従属請求項に記載されている。

本発明により、それぞれ活性領域および不活性の頭部領域および脚部領域の間に遷移領域が中間接続され、製造中のその収縮および運転中のその延伸挙動が活性領域の収縮または延伸挙動と圧電不活性領域の収縮または延伸挙動の間にある。この遷移領域は２つの手段により提供される。遷移領域中で内部電極の間隔がアクチュエーターの端部に向かって電極から電極へ拡大するか、または遷移領域の材料が圧電セラミック材料からなり、その収縮および延伸挙動が活性領域の特性と不活性領域の特性の間にある。遷移領域中の材料の特性、特に焼結挙動は異種原子のドーピングにより調節することができる。このために内部電極の材料が適している。ドーピングは、活性領域中に内部電極とセラミック材料の境界で自然の拡散により調節される濃度で行うことができる。ドーピングは、例えば内部電極の材料である銀で行うことができる。

遷移領域中の内部電極の間隔の拡大により、本発明により、多層アクチュエーターを製造する際に活性領域および不活性領域の間の異なる収縮が中断せずに行われ、これにより生じる亀裂を形成する大きさまでの応力の形成が回避される。アクチュエーターの運転中に使用電圧を印加する際に遷移領域での場の強さが電極間隔の拡大に相当して段階的に０まで減少する。活性領域および連続する不活性領域の異なる伸びにより、その他の場合に生じる応力は遷移領域により明らかに大きな部品容積に分配される。これにより、応力が亀裂形成を生じる臨界的量に達することが回避される。中間領域の電極の間隔の拡大は、電極の間に所望の間隔で、電極を有して印刷されていない、圧電セラミック材料からなる相当する数のフィルムを重ね合わせることにより達成することができる。

遷移領域中に内部電極から内部電極への間隔を拡大する異なる可能性が存在する。この間隔は自然数の数列の幅で拡大されていてもよい。活性領域の電極の間隔が、例えば１００μｍであり、これが一般に電極の金属材料の層と圧電セラミック材料からなる層の厚さに相当する場合は、遷移領域中の間隔を、幅２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ等に拡大する。

本発明の他の構成において、遷移領域中で電極から電極への間隔を幾何級数の幅に拡大されていてもよい。同様に１００μｍの内部電極の間隔から出発して、この場合に間隔を２００μｍ、４００μｍ、８００μｍ等に拡大する。

更に遷移領域中に内部電極の間隔を対数目盛りの幅で拡大することができる。

電極の間隔の拡大により遷移領域が形成されている、本発明による多層アクチュエーターの図 圧電材料により遷移領域が形成され、その収縮および延伸挙動が活性領域の特性と不活性領域の特性の間にある、本発明による多層アクチュエーターの図

本発明を実施例により詳細に説明する。
図１には本発明による圧電セラミック多層アクチュエーター１が大きく拡大されて示されている。アクチュエーターは、交互の接触を有する。アクチュエーターは一体型として製造され、すなわち圧電活性材料、例えばジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）の堆積した薄い層２からなり、この間に配置された導電性内部電極３を有する。焼結の前に圧電活性層２に、いわゆる未加工フィルムに、スクリーン印刷法により内部電極３を印刷し、フィルムを内部電極３とともに圧縮して堆積し、熱分解し、その後焼結し、これにより一体型多層アクチュエーター１を形成する。

内部電極３は交互に向かい合うアクチュエーター表面に案内され、ここで内部電極はそれぞれ外部電極４，５により互いに接続している。これにより内部電極３はそれぞれアクチュエーター１の一方の面に電気的に平行に接続され、こうして集合体にまとめられている。外部電極４，５はアクチュエーターの接続電極である。接続線６を介して接続電極に電圧を印加すると、電圧はすべての内部電極３に平行に伝わり、活性材料のすべての層２に電場を生じ、活性材料はこれにより機械的に変形する。これらのすべての機械的変形の合計はアクチュエーター１の端面で利用可能な伸び７および／または力として使用される。

従来の多層アクチュエーターは、内部電極が配置されていない、不活性頭部領域８および不活性脚部領域９、および内部電極３を有する活性領域１０からなる。本発明の多層アクチュエーター１においては電極のない頭部領域８および電極のない脚部領域９および活性領域１０の間にそれぞれ遷移領域１１が配置されている。活性領域１０中の内部電極３の間隔１２は常に同じ大きさであるが、遷移領域１１内部では間隔が頭部領域８または脚部領域９に向かって電極から電極へ拡大する。本発明の構成においては、間隔が、活性領域１０中の内部電極３の間隔１２から出発して自然数の数列の幅で拡大する。間隔１３は活性領域１０中の間隔１２になお相当し、従って焼結した状態での圧電活性材料のフィルムまたは層２の厚さに相当する。間隔１４は間隔１３または間隔１２の２倍の大きさであり、間隔１５は間隔１３の３倍、間隔１６は４倍および間隔１７は５倍の大きさである。間隔の拡大は、間隔の拡大に相当してこの上に決められた数の層２を重ねることにより達成することができる。

図２による実施例は図１による実施例と遷移領域のみによって異なり、ここでは１８で示される。前記の実施例に相応する特徴は同じ符号で示す。遷移領域１８は圧電セラミック材料からなり、その収縮および延伸挙動は活性領域の特性および不活性領域の間にある。遷移領域では、内部電極の材料に、例えば銀を、活性領域中で内部電極およびセラミック材料の境界で自然の拡散により調節される濃度でドープしている。

１ 多層アクチュエーター、 ３ 内部電極、 ４、５ 外部電極、 ８ 頭部領域、 ９ 脚部領域、 １０ 活性領域、 １１、１８ 遷移領域、 １２、１３、１４，１５、１６、１７ 間隔

Claims (1)

1. 交互にアクチュエーター表面に案内される内部電極（３）を有する圧電セラミック多層アクチュエーター（１）であり、その際、活性領域（１０）の同じ極性の内部電極（３）が、平行に接続するために、それぞれの外部電極（４，５）に接続され、外部電極（４，５）はアクチュエーター（１）の向かい合う面に配置され、頭部領域（８）および脚部領域（９）が圧電不活性である圧電セラミック多層アクチュエーター（１）において、活性領域（１０）に、それぞれ不活性頭部領域（８）および不活性脚部領域（９）に対する遷移領域（１１，１８）が接続され、その収縮が活性領域（１０）の収縮と不活性領域（８，９）の収縮の間にあり、不活性頭部領域（８）および不活性脚部領域（９）の間のそれぞれの遷移領域（１１，１８）が、銀でドーピングされた圧電セラミック材料からなり、焼結時における遷移領域（１１，１８）の収縮が活性領域（１０）の収縮と不活性領域（８，９）の収縮の間にあることを特徴とする圧電セラミック多層アクチュエーター。

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