KR20020027523A

KR20020027523A - 압전 세라믹 액츄에이터용 전극 접속부 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20020027523A
Application number: KR1020027001556A
Authority: KR
Inventors: 헨네켄로타르; 글록아르민; 하켄베르크위르겐
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2002-04-13
Also published as: EP1206804B1; DE19936713C2; CN1369115A; WO2001011699A1; DE50012932D1; EP1206804A1; JP2003530684A; CN1206750C; US6891313B1; DE19936713A1

Abstract

본 발명은 대체로 내부 전극(3)들이 사이에 배치되어 있는 얇은 압전 세라믹 필름(2)의 일체형 적층체로 구성된 압전 세라믹 액츄에이터(1)에 관한 것이다. 액츄에이터는 적층체의 외부면 상에서, 내부 전극 상에 전기 화학적으로 형성된 스트립(4)을 포함하고 스트립을 통하여 내부 전극(3)이 액츄에이터(1)를 작동시키기 위하여 외부 전극(5', 5")에 의하여 접속된다. 스트립(4)은 양호하게는 구리, 주석-은 합금 또는 니켈 층(4') 및 금층(4")으로 구성된다.

Description

압전 세라믹 액츄에이터용 전극 접속부 및 그의 제조 방법 {Electrode Contact for a Piezoceramic Actuator and Method for Producing Same}

그러한 액츄에이터는 널리 알려져 있다.

압전 세라믹 재료는 기계적인 힘에 의하여 움직일 때, 즉 특히 기계적인 가압 또는 인장 하에서 전기적으로 충전되는 성질을 갖는다. 다른 한편으로, 압전 세라믹 재료에 대하여 인가된 전기장은 재료가 기계적으로 변형되게, 즉 팽창 또는 수축되게 한다.

이러한 후자의 효과가 액츄에이터에서 변위를 수행하도록 사용된다.

대응하는 다수의 내부 전극을 구비한 압전 세라믹 필름의 적층체로 액츄에이터를 구성함으로써, 제한된 전기 작동 전압에서 높은 전기장 강도가 압전 세라믹 필름들 내부에서 획득되고, 이는 두 개의 전극 그룹의 경우에 각각 두 개의 인접한내부 전극들 사이로 작동 전압이 인가되기 때문이다.

기술 분야에서, 내부 전극들의 접속부는 곤란을 야기할 수 있다. 종래의 액츄에이터에서, 적층체의 서로 분리된 측면 영역들은 하나의 코팅이 하나의 그룹의 내부 전극과 전기적으로 연결되고 다른 코팅이 다른 그룹의 내부 전극과 전기적으로 연결되도록 금속으로 코팅된다.

액츄에이터의 작동 시에, 이러한 금속 코팅들은 액츄에이터가 각각의 작동 전압에 대응하여 팽창 또는 수축할 때, 현저한 기계적 압력을 받는다. 여기서, 작동 전압이 자주 인가 및 차단되거나 그의 극성이 절환되면, 높은 변환 부하가 발생할 수 있다.

금속 코팅의 이러한 기계적 부하는 코팅 내의 균열로 이어지고, 결과적으로 다소 많은 개수의 내부 전극들이 작동 전압원에 더 이상 연결될 수 없으며 인접한 압전 세라믹 필름들이 더 이상, 즉 실질적으로 더 이상 액츄에이터를 작동시킬 수 없게 된다.

DE 196 48 545 A1에서, DE 196 48 545 A1에서 기부 금속으로도 불리는 위에서 언급한 코팅의 부분들을 상호 전기 전도성 연결로 영구적으로 유지하기 위하여, 위에서 언급한 금속 코팅을 기계적으로 특히 유연하고 전기 전도성인 다른 층으로 덮는다. 이러한 추가 코팅은 예를 들어 와이어망 또는 와이어 메시의 형태 또는 금속 발포체 또는 주름진 금속판의 형태를 포함할 수 있다.

본 발명은 주로 소결된 얇은 압전 세라믹 필름의 일체형 적층체로 구성된 압전 세라믹 액츄에이터에 관한 것이고, 필름들 사이에 내부 전극들이 배치되어 있다. 내부 전극들은 적층체의 외부면 상에서 적어도 두 그룹의 교대로 포개진 내부 전극에 의하여 적어도 두 개의 전기적으로 상호 분리된 전극 그룹을 형성하여 전기적으로 상호 연결되어 있다.

도1은 본 발명에 따른 액츄에이터의 단면도를 도시한다.

본 발명은 양호한 방식으로 전해 분해된 금속에 의해 형성될 수 있는 스트립형 또는 플래그형 금속 요소를 통하여 내부 전극들을 각각 적어도 적층체의 외부 전극의 영역 상으로 연장시키는 사상에 근거한다. 따라서, 내부 전극들은 압전 세라믹 필름들의 측면 에지로부터의 주어진 거리에서 예를 들어 경우에 따라 주름진 금속 필름, 금속망, 또는 예를 들어 도전성 입자가 포함되어 있는 실리콘 필름인 도전성 플라스틱 필름에 의하여 상호 전기적으로 연결될 수 있어서, 이러한 필름들이 연속된 평평한 도전성 밴드를 형성한다.

내부 전극들을 압전 세라믹 적층체 외부로 연장시키는 스트립 또는 플래그는 또한 결합되지 않게 구성된 띠 모양의 기부 금속을 형성하고, 이러한 스트립 또는 플래그는 액츄에이터 작동 시의 인접한 압전 세라믹 필름들의 기계적 이동에 의하여 액츄에이터의 작동 시에 필요한 경우에만 가끔 요구된다. 이러한 스트립 또는 플래그만이 기계적으로 유연하게 상호 전기적으로 연결되므로, 매우 안정된 액츄에이터가 달성될 수 있다.

도면에 본 발명의 매우 양호한 실시예가 도시되어 있다.

도1에 따르면, 본 발명에 따른 압전 세라믹 액츄에이터(1)는 대체로 도시된 액츄에이터(1)의 우측 또는 좌측 측면에 교대로 도달하는, 즉 외부로부터 인접한 압전 세라믹 필름(2)들 사이로 들어가는 금속 내부 전극(3)들이 사이에 배치되어 있는 소결된 압전 세라믹 필름(2)의 적층체로 구성된다. 각각의 대향 에지 영역상에서, 각각의 내부 전극이 인접한 압전 세라믹 필름(2)들에 의해 덮여서, 각각의 내부 전극(3)의 에지가 외부로부터 접근이 불가능하게 된다.

이하에서 계속 설명되는 전해 금속 분해에 의하여, 도1에서 내부 전극(3)의 외부로부터 도달할 수 있는 우측 또는 좌측 에지 영역 상에 스트립형 연장부(4)가 형성되고, 이는 예를 들어 각각 내부 전극(3) 상에 직접 연결되는 니켈층(4')과 그 외부에 놓인 금층(4")으로 구성된다.

스트립형 연장부(4)의 자유 단부는 예를 들어 내부에 전기 전도성 탄소 또는 금속 입자가 포함된 실리콘 또는 공중합체와 같은 플라스틱으로 구성된 도전성 필름(5' 또는 5")에 의하여 상호 전기적으로 연결되고, 이러한 입자들은 원하는 전기 전도성을 달성하기 위하여 매우 조밀하게 충진되고 플라스틱 재료는 주로 입자의 기계적 연결을 보장하기 위하여 사용된다.

스트립형 연장부(4) 및 필름(5' 또는 5")은 예를 들어 열간 프레싱에 의하여 상호 전기적으로 연결될 수 있다.

필름(5', 5")들 모두는 그의 측면에서 연결 라인(6', 6")과 전기적으로 연결되어 있고, 연결 라인에 의하여 필름(5', 5")과 그에 전기적으로 연결되어 있는 내부 전극(3)이 작동 전압원과 연결되어, 필름(5')과 전기적으로 연결된 내부 전극(3)의 그룹과 위에서 언급한 내부 전극(3)들 사이에서 빗 모양으로 필름(5")과 전기적으로 연결된 내부 전극(3)이 각각 전기적으로 반대 극성을 갖고 그들 사이에 놓인 압전 세라믹 필름(2)이 각각 대응하는 전기장에 의하여 움직인다.

전기 작동 전압의 극성에 따라서, 액츄에이터(1)의 상단부 및 하단부가 양방향 화살표(P)에 대응하여 서로에 대한 상대 이동을 수행한다.

필름(5', 5")들이 압전 세라믹 필름(2)들의 에지들로부터 공간을 가지고 분리되어 있기 때문에 그리고 필름(5', 5")들이 또한 주어진 탄성적인 유연성을 지니고 있기 때문에, 액츄에이터(1)의 이동은 필름(5', 5")에 대하여 어떠한 손상도 초래하지 않는다.

경우에 따라, 필름(5', 5")들은 또한 필름(5', 5") 상에 인접하게 체결된 두 개의 내부 전극(3)들 또는 그의 스트립형 연장부(4)들 사이에서 각각 외측면이 볼록한 볼록부가 연장되도록 주름진 구조를 포함한다.

그 대신에, 전도성 필름(5', 5")을 금속망 또는 금속 네트로 또는 금속 발포체로 된 층으로 대체하는 것도 가능하다.

스트립형 연장부(4)의 전기 화학적인 형성이 다음과 같이 수행될 수 있다.

내부 전극(3)들이 사이에 배치되어 있는 소결된 압전 세라믹 필름(2)으로 된 적층체가 유지부 내에 고정된다. 그 후에, 내부 전극(3)들이 양쪽 대향 측면들 상에서, 도면에서 도시된 적층체의 좌측 및 우측 측면 상에서, 각각의 접속부들이 적층체의 상호 대향된 측면들의 더 큰 연속된 영역을 자유롭게 하도록 상호 전기적으로 접속된다.

그 다음, 적층체의 정화가 중성 정화기 내에서, 예를 들어 55℃의 온도에서 5분의 처리 시간으로 수행된다.

그 후에, 세척이 완전히 탈염된 물(VE-워터) 속에서 수행된다.

이제, 전기 화학적 금속 분해, 예를 들어 니켈-분해 또는 황산니켈 전해질로부터의 니켈 합금의 분해가 수행되고, 니켈합금은 합금을 분리하는 경우에 대응하는 첨가물 또는 합금 성분을 포함한다. 경우에 따라서, 대응하는 전해질로부터의 귀금속 분해도 수행될 수 있다.

분해 시에, 내부 전극(3)들은 위에서 언급한 적층체의 접속부에 의하여 전기적으로 음극으로 절환되고, 적절한 양극이 인가된다.

황산니켈 전해질은 3과 4 사이의 pH값과 대략 40℃의 온도를 포함할 수 있다. 다른 전해질이 유사한 공정 조건에서 작동된다.

음극과 양극 사이의 전류 세기는 자유롭게 놓인 세라믹 상부면에 대하여 1 mA/cm²일 수 있다. 따라서, 대략 0.1 ㎛/min의 분해 속도가 달성된다.

금속층(4')의 형성 후에, 새로운 세척이 완전히 탈염된 물 속에서 수행된다.

다음으로, 경질 금 분리가 금 전해질 내에서 수행되고, 내부 전극(3)들은 다시 음극으로 절환되고 양극이 백금 도금된 티타늄으로부터 인가될 수 있다. 금 전해질의 pH값은 4 내지 5의 값으로 조정될 수 있다. 온도는 다시 40℃로 될 수 있다. 전류 세기는 다시 세라믹 필름 적층체의 자유롭게 놓인 세라믹면에 대하여 1 mA/cm²가 될 수 있다.

또는, 대략 0.1 mm로 일정한 두께의 금층도 무금 전해질로부터 무전해 분해될 수 있다. 이러한 공정 단계를 위한 온도는 80℃ 내지 90℃일 수 있다.

다음으로, 새로운 세척이 완전히 탈염된 물 속에서 수행된다.

이제 스트립형 연장부(4)는 전기 전도성 필름(5', 5")과의 연결 등을 위해처리된다.

Claims

대체로 내부 전극(3)들이 사이에 배치되어 있는 얇은 압전 세라믹 필름(2)들의 일체형 적층체로 구성되고, 내부 전극들은 적층체의 외부면 상에서 적어도 두 개의 전기적으로 상호 분리된 전극 그룹을 형성하여 상호 전기적으로 연결되어 있는, 압전 세라믹 액츄에이터(1)에 있어서,

내부 전극(3)들은 각각 적층체의 외부면의 영역 상에서 스트립형 연장부(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에 있어서, 연장부(4)는 전해 분해된 금속에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 스트립형 연장부(4)는 니켈층 또는 니켈합금층(4') 및 외부로 연결되는 금층(4")으로 구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 스트립형 연장부(4)는 구리로 구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 스트립형 연장부(4)는 주석-은 합금으로구성된 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에 따른 압전 세라믹 액츄에이터를 제조하는 방법에 있어서,

연장부(4)는 전기 화학적으로 형성되고, 이 때 내부 전극(3)들은 음극으로 절환되고 일체형 적층체는 전해조 내로 들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 연장부(4)를 형성하기 위하여, 먼저 니켈 또는 니켈합금이 분해되고, 다른 전해조 내에서 금이 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 연장부(4)를 형성하기 위하여, 구리 또는 주석-은 합금이 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.