JP5687278B2 - 多層圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

発明は、多層圧電セラミックアクチュエータに関する。

上述の種類の多層アクチュエータは、ＤＥ１０２００６０４０３１６Ａ１から公知である。そこには圧電表面アクチュエータおよびその製造のための方法が記載されている。中心部分は、それ自体知られている弾性接触面が外部接点（集電電極）に設けられた従来の多層圧電アクチュエータであり、次いでこのようにして作成された本体から薄板が切出され、これらのプレートは次いでポリマーに埋込まれる。薄い多層プレートの電気的接触は、ポリマー埋込みに一体化された印刷導体によって生じる。したがって接着処理または樹脂注入手順中に、印刷導体と弾性接触面との間にガルバニック接続が実現されることが重要である。そのような配置および技術は、単に安定した大量生産に関連して重大であるとすでに考えられているはずである。提案されている接触では、そのようなアクチュエータの信頼性の高い製造が可能でないことが実験によって分かっている。

多層圧電アクチュエータは特開２００３−２４３７４０Ａから公知であり、集電電極の電気的接触は減結合電極によって保証され、減結合電極はアクチュエータの偏向の原因である内部電極からある距離のところに位置し、アクチュエータから出る接続線にそれら自身が電気的に接続される。

特開平７−１３１０８４Ａは多層圧電アクチュエータについて記載しており、アクチュエータの上面および下面に配置された二次元的な電極によって側面の集電電極に電圧が供給される。この目的のために、上面および下面の集電電極とアクチュエータの内部を接続する内部電極との間に配置された、導電材料で充填された孔が存在する。

特開平０９−１８１３６８Ａは、プリント回路基板に直接接続された多層圧電アクチュエータを開示しており、集電電極の電気的接触がアクチュエータの下部に配置された電極層によって実現されている。接続電極は、プリント回路基板の対応する穿孔によってアクチュエータの下部に配置された電極層に導かれる。

したがって、発明の目的は、多層圧電アクチュエータの電極と外部接触との間の信頼性の高い接触を確実にすることであり、それによりアクチュエータ全体にわたって均一な耐電圧が保証される。

この目的を達成するために、発明は、請求項１の特徴を有する多層圧電セラミックアクチュエータを提供する。

発明の基本概念は、接触面を著しく増大させることによって、多層圧電アクチュエータの電極と外部接触との信頼性の高い接触を確実にすることである。発明によれば、これは、未加工状態のときにアクチュエータ本体に接触電極を設けておくことによって実行することができる。用語に関して、「内部電極」、「接触電極」および「集電電極」という用語は区別される。本発明の構成では、「内部電極」という用語は、圧電セラミックのアクチュエータ型使用を可能にするために電界の影響下で電極化された（electroded）圧電セラミック層がその形状を変える（逆）圧電効果を生じさせるために、または機械的張力または伸張の作用によって内部電極上に電荷が生成される直接的な圧電効果を生じさせるために、圧電セラミック層を二次元で電極化する正電極または負電極を示す。本発明の構成では、「集電電極」という用語は、関連付けられた正のまたは負の内部電極がそれによって電気的に供給される電極を示す。本発明の構成では、「接触電極」という用語は、多層アクチュエータがそれによって電気的に接触され、かつ関連付けられた正のまたは負の集電電極がそれによって電気的に供給される電極を示す。接触電極は、好ましくは電気的に互いから絶縁される。本発明の構成では、「伝導性」という用語は「導電性」を意味すると理解される。

発明の有利なさらなる展開では、正のおよび／または負の接触電極は、アクチュエータ本体の少なくとも１つの外面、好ましくは２つの外面に達し、好ましくはアクチュエータ本体の外面と同一平面で終端する。好ましくは、正のおよび／または負の接触電極はアクチュエータ本体の少なくとも１つの外面上に自由に位置し、電気的接触のためにアクセス可能である。複数の圧電セラミック層が互いの上に積層され、多層圧電アクチュエータを生成し、それによってこれらの層は、多層スタックと称することもできる直方体形状のアクチュエータ本体を形成するために、交互に正のまたは負の内部電極によって互いから分離される。直方体形状のアクチュエータ本体は次いで、圧電セラミック層の延長面に本質的に垂直に、複数のプレート形状の圧電セラミック表面アクチュエータへと切出される。切出し処理後、導入された接触電極は、電気的接触のために表面アクチュエータの主面からアクセス可能であることが好ましい。接触電極の電気的接触は、アクチュエータ本体の外面上に追加的に置かれ、かつ集電電極が設けられたアクチュエータ本体の外面の間に位置する集電電極に接触することによって起こることが好ましい。

正のおよび／または負の接触電極が、関連付けられた正のまたは負の集電電極の内面に直接接触すれば有用であり得る。このようにして、正のおよび負の接触電極と関連付けられた正のまたは負の集電電極との間に最適な伝導的接続を確実にすることができる。

集電電極が互いに対向して位置するアクチュエータ本体の２つの外面上に配置されれば現実的であることが分かる。このようにして、圧電セラミック表面アクチュエータの製造を著しく簡略化することができる。集電電極は多層スタックの対向する２つの外面上に置かれ、次いで多層スタックが切出されるため、集電電極は、切出し処理後、関連付けられた正のまたは負の接触電極と関連付けられた正のまたは負の内部電極とに伝導的に接続されたままとなる。

多層圧電セラミックアクチュエータのアクチュエータ本体が直方体またはプレート状の形状で形成されれば、有利であり得る。そのような外形形態は、最も一般的な用途に、特に表面アクチュエータとして好適である。

発明のさらなる有利な展開では、アクチュエータ本体は、最も外側の２つの内部電極の外側に位置する少なくとも１つの受動領域を有し、それにより正のおよび／または負の接触電極は受動領域内に配置される。アクチュエータ本体の能動領域は、交互に正のまたは負の内部電極によって互いから分離された複数の圧電セラミック層を含み、最も外側の２つの内部電極と接する。受動領域は最も外側の２つの内部電極の外側に位置し、それによりこの領域は（逆）圧電セラミック効果を生じさせるために本来は使用されず、この領域に配置される層は、アクチュエータの意味では使用されないか、または本来は使用されない。まだ未加工の状態にある間に、アクチュエータ本体に受動端部層を設けることが好ましく、接触電極が受動端部層に導入され、それによりこれらの接触電極はアクチュエータの実際の接触面上の面に達し、アクチュエータの中央において互いから電気的に絶縁される。

受動領域が少なくとも１つの圧電セラミック層を有すれば、有用であり得る。同一の材料特性を有する同一の材料が能動領域と受動領域とで使用されれば、たとえば膨張応力によって引起こされる不適合な材料組合せによる損傷を大部分回避することができる。

アクチュエータ本体が、少なくとも１つの正のおよび／または少なくとも１つの負の接触電極が配置された複数の受動領域を有すれば有用であることも分かる。このようにして、多層圧電セラミックアクチュエータに接触するためにより大きな接触面を設けることができる。好ましくは、２つの受動領域は、圧電セラミック層の延在方向に垂直な方向に、アクチュエータ本体の対向する端部上に位置決めされる。

受動領域の外形寸法が異なれば有利であり得る。この実行により、多層アクチュエータの設計においてある自由空間が可能となる。

発明によれば、ベース金属被膜が設けられた接触電極がアクチュエータ本体の領域に配置される。互いから電気的に絶縁された複数の正のおよび複数の負の接触電極が各々アクチュエータ本体の特定の連続した領域に配置されることが好ましい。これらは、（逆）圧電セラミック効果が生じないアクチュエータ本体の受動領域であることが好ましい。ベース金属被膜が設けられた領域は、アクチュエータ本体の受動領域の副領域であることが好ましい。電気的極性が異なるベース金属被膜が設けられた領域は、互いから電気的に絶縁される。電極化された表面および／または受動層の狭い面には、ベース金属被膜が設けられた領域において連続したベース金属被膜が設けられることが好ましく、したがってそこでは導電率が著しく向上する。簡潔さのため、これらをベース金属被膜を有するアクチュエータ本体の領域と称する。接触面は、集電電極に接触することによってさらに一層拡大することができる。

ベース金属被膜がスパッタリング、蒸着、厚膜技術、または伝導性接着剤によって塗布されれば現実的であり得る。これらの種類の金属被膜方法は、比較的低コストで実現することができる。

発明によれば、ベース金属被膜が設けられたアクチュエータ本体の領域は、多層アクチュエータの能動領域における圧電セラミック層の厚さ以上の距離のところで互いから離間されている。その結果、多層アクチュエータ全体にわたって均一な耐電圧を保証することができる。

高い内部機械的応力を回避するために、ベース金属被膜が設けられたアクチュエータ本体の領域どうしの間の距離は、正のおよび負の接触電極の間の電界強度が、使用される圧電セラミック材料の保磁力の０．５倍を超えないように選択されることが好ましい。

多層アクチュエータが表面アクチュエータとして形成され、プラスチックに埋込まれれば有利であり得る。その種の圧電複合材料は頑丈かつ取扱いが簡単であり、最も広い範囲の用途に使用することができる。

好ましいさらなる展開は、従属請求項に由来する。

技術の現状に係る従来のアクチュエータの斜視図である。 図１に係るアクチュエータを断面で示す図である。 技術の現状に係るさらなるアクチュエータの断面図である。 説明のための、技術の現状に係るアクチュエータの斜視図である。 図４に係るアクチュエータの断面図である。 ベース金属被膜が設けられた領域においてアクチュエータ本体の受動端部層に接触電極が配置された、第１の実施例に係る発明に係るアクチュエータの断面図である。 ベース金属被膜が設けられた領域においてアクチュエータ本体の異なる受動端部層に接触電極が配置された、第２の実施例に係る発明に係るアクチュエータの断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明
発明に係る多層圧電セラミックアクチュエータ１は、交互に正のまたは負の内部電極２，３によって互いから分離された複数の圧電セラミック層４と、アクチュエータ本体の２つの外面上に配置され、かつ関連付けられた正のまたは負の内部電極２，３に伝導的に接続された正のおよび負の集電電極９，１０とを有するアクチュエータ本体を含む。多層アクチュエータ１のアクチュエータ本体は、少なくとも１つの正のおよび１つの負の接触電極７，８を有し、それによって多層アクチュエータ１が電気的に接触され、かつ関連付けられた正のまたは負の集電電極９，１０に伝導的に接続される。

アクチュエータ本体には、未加工の状態において受動端部層を設けておくことが好ましく、接触電極７，８がこれらの受動領域５，６に導入され、それによりこれらの接触電極７，８はアクチュエータ１の実際の接触面上の面に達し、アクチュエータ１の中央で互いから電気的に絶縁される。切出し処理後、このようにして導入された接触電極７，８は電気的接触のためにアクチュエータプレートの主面からアクセス可能であり、それによりこれは追加的に塗布された構造化された集電電極によって行われることができる。

図１は、内部電極２および３と、内部電極２および３の間に位置する圧電セラミック層４と、受動セラミック層を有する受動領域５および６とを有する従来のアクチュエータ１の斜視図を示す。

図２は、図１に係るアクチュエータを断面で示す図である。加えて、アクチュエータ１の接触面上に塗布された集電電極９および１０と、これらの上に塗布された、アクチュエータ１の全長にわたって延在することもできる接触面１１とがここに示される。

図３は、公報ＤＥ１１２００５００１０２２Ｔ５の教示に係るアクチュエータ１の断面図を示す。

図４は、内部電極２および３と、アクチュエータ１の能動領域の能動圧電セラミック層４と、発明に係る接触電極７および８が導入された受動領域５および６内の受動圧電セラミック層とを有する、特開２００３−２４３７４０Ａの教示と同様のアクチュエータ１（発明の実施例ではない）について説明するための斜視図を示す。接触電極７および８は、受動領域５および６の一方または両方のいずれかに導入されることができる。受動領域５および６における受動セラミック層の外形寸法は、著しく異なるように形成することも可能である。受動領域５および６の各々は、アクチュエータ本体の能動領域でも使用されるのと同じように圧電セラミック層を含むことが好ましい。能動領域とは異なり、受動領域５および６のセラミック層は、交互に正のまたは負の内部電極２および３によって分離されていない。その代わり、いずれの場合も集電電極９および１０の間の距離のほぼ２０〜４０％、好ましくは２５〜３５％、より好ましくは３０％だけ、集電電極９および１０が設けられた外面からアクチュエータ本体内に突出し、かつ中央において互いから電気的に絶縁された正のおよび負の接触電極７および８の両方によって分離される。

図５は、接触電極７，８が受動領域５，６に導入された、図４に係るアクチュエータ１の断面図を示す。受動領域５における接触電極７はしたがって集電電極９によって能動領域の内部電極３に伝導的に接続され、受動領域５の接触電極８は、集電電極１０によって能動領域の内部電極２に伝導的に接続される。

図６および図７はそれぞれ、図４および図５のように受動領域に接触電極を有する、発明の第１のまたは第２の実施例に係るアクチュエータの断面図を示す。アクチュエータのより良好な外部接触のために、距離１４および１８だけ互いから、距離１５および１９だけ内部電極から離間されたさらなるベース金属被膜１２，１３，１６，１７が接触電極の領域に設けられる。構造基準をさらに考慮に入れると、ベース金属被膜は、たとえばスパッタリング、蒸着、厚膜技術、伝導性接着剤などといったあらゆる既知の金属被膜方法によって塗布することができる。アクチュエータ全体にわたって均一な耐電圧を保証するために、距離１４，１５，１８および１９は、能動セラミック層の厚さ以上となるように選択されるべきである。高い内部機械的応力を回避するために、電位が異なる電極間の電界強度が、使用される圧電セラミック材料の保磁力の０．５倍を超えないように選択されることが有利である。

発明に係るアクチュエータの場合、接触電極を有する領域をアクチュエータの端部の代わりに中央に配置することが有利であることが分かる。解決手法も直方体形状の多層アクチュエータに制約されず、あらゆる一般的な設計で実現することができる。原則として、内部電極を有する能動領域と接触電極を有する受動領域とを別個に製造し、それらをたとえば接着などの一般的な構造および接続方法によって焼結状態で接続することも可能である。

特に表面アクチュエータ内の薄い多層プレートの多層圧電セラミックアクチュエータの信頼性の高い接触が本発明によって得られる。パッチ変換器のための多層アクチュエータの接触に加え、この接触方法は、あらゆる従来の多層アクチュエータに接触するのに使用することができる。特に、アクチュエータの外部接触は外面上で起こることができるという事実によって、複雑な機械システムへのアクチュエータの設置を簡略化することができる。

Claims (11)

1. 多層圧電セラミックアクチュエータ（１）であって、
   アクチュエータ本体を備え、前記アクチュエータ本体は、交互に正のまたは負の内部電極（２，３）によって互いから分離された複数の圧電セラミック層（４）と、前記アクチュエータ本体の２つの外面上に配置され、関連付けられた正のまたは負の内部電極（２，３）に伝導的に接続された正のおよび負の集電電極（９，１０）とを有し、
   前記多層アクチュエータ（１）の前記アクチュエータ本体は、少なくとも１つの正のおよび１つの負の接触電極（７，８）によって分離されたセラミック層を有し、その各々によって前記多層アクチュエータ（１）が電気的に接触され、その各々は関連付けられた正のまたは負の集電電極（９，１０）に伝導的に接続され、前記接触電極（７，８）は、ベース金属被膜が設けられた前記アクチュエータ本体の領域（１２，１３，１６，１７）に配置され、ベース金属被膜が設けられた前記アクチュエータ本体の領域（１２，１３，１６，１７）は、距離（１４，１８）だけ互いから、距離（１５，１９）だけ内部電極から離間されており、前記距離（１４，１５，１８，１９）は、前記多層アクチュエータ（１）の能動領域における前記圧電セラミック層（４）の厚さ以上であり、
   前記セラミック層は、互いの上に積層されており、
   前記ベース金属被覆は、前記２つの外面の間に設けられており、かつ積層された前記セラミック層に連続して設けられている、多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
2. 前記正のおよび／または負の接触電極（７，８）は、前記アクチュエータ本体の少なくとも１つの外面、好ましくは２つの外面に達し、好ましくは前記アクチュエータ本体の前記外面と同一平面で終端することを特徴とする、請求項１に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
3. 前記正のおよび／または負の接触電極（７，８）は、前記関連付けられた正のまたは負の集電電極（９，１０）の内面に直接接触することを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
4. 前記集電電極（９，１０）は、前記アクチュエータ本体の２つの対向する外面上に配置されることを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
5. 前記多層圧電セラミックアクチュエータ（１）の前記アクチュエータ本体は、直方体またはプレート状の形状で形成されることを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
6. 前記アクチュエータ本体は、最も外側の２つの内部電極（２，３）の外側に位置する少なくとも１つの受動領域（５，６）を有し、前記正のおよび／または負の接触電極（７，８）は前記受動領域（５，６）内に配置されることを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
7. 前記受動領域（５，６）は、少なくとも１つの圧電セラミック層（４）を有することを特徴とする、先行する請求項のうち１項に係る多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
8. 前記アクチュエータ本体は、少なくとも１つの正のおよび／または少なくとも１つの負の接触電極（７，８）が配置された複数の受動領域（５，６）を有することを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
9. 前記受動領域（５，６）の外形寸法が異なることを特徴とする、請求項８に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
10. 前記距離（１４，１５，１８，１９）は、正のおよび負の接触電極（７，８）の間の電界強度が、使用される圧電セラミック材料の保磁力の０．５倍を超えないように選択されることを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。
11. 前記多層アクチュエータ（１）は表面アクチュエータとして形成され、プラスチックに埋込まれることを特徴とする、先行する請求項のうち１項に記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１）。

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