JP2002540750A - 圧電アクチュエーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、成層（２５）に対して積層方向に対応配置されている圧電材料からなる多数のディスク（２）、圧電材料からなるディスク（２）と交互に対応配置されている多数の平らな内部電極（５、６）及び成層の外面における積層方向に沿って載置された少なくとも２つの外部電極（３、４）を有するが、その際、内部電極（５、６）が、それぞれ、外部電極（３、４）の１つと交互に接触領域を介して接続されている圧電アクチュエーター（１）に関するものである。外部電極（３、４）は、本発明によれば、導電性の弾性ポリマー材料（１５）からなる被覆の形で成層（２５）の外面の上に載置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 公知技術 本発明は、請求項１の種類の圧電アクチュエーターから出発している。超高速
バルブの調節のための圧電アクチュエーターは、例えばドイツ連邦共和国雄３７
１３６９７号明細書から公知である。

【０００２】 図１には、公知技術巣水準で知られる圧電アクチュエーターの断面図である。
この場合、圧電アクチュエーターは、成層２５の形で重なり合って対応配置され
ている圧電材料からなるディスク２からなっている。圧電材料からなり、制御電
圧源１０の重なり合って連続するディスク２の間に、それぞれ内部電極５もしく
は６が対応配置されている。この内部電極５もしくは６は、圧電材料からなるデ
ィスク２の成層２５の外側に交互に対応配置された外部電極３もしくは４が接触
している。外部電極３もしくは４は、それぞれ、接続接点１１ａもしくは１１ｂ
と電的に接続している。内部電極５もしくは６は、従って、外部電極３もしくは
４を介して交互に制御電圧源１０の接続接点１１ａもしくは１１ｂと接続してい
る。

【０００３】 図２Ａもしくは図２Ｂには、圧電アクチュエーター１の縁部領域の図１に記入
した円形の部分を拡大図で再現してある。拡大して記載した縁部領域には、領域
７と領域８との間で区別される。領域７では、内部電極５が、外部電極４にまで
到達して接続していないし、圧電性材料からなるディスク２は、領域７において
完全に焼結させられている。領域８では、内部電極６は、外部電極４と接続して
いる。圧電材料からなるディスク２と内部電極６との間の領域８における付着は
、圧電材料からなる完全に焼結させられたディスク２の間の領域７における付着
よりも３〜５倍も小さい。

【０００４】 図２Ａは、この場合、電界Ｅが印加されていない圧電アクチュエーター１の状
態を示している。図２Ｂには、制御電圧の印加の後に、圧電効果に基づきアクチ
ュエーター１の中心領域で延伸している。反対に接続された内部電極が互いに反
対方向に対応配置されているのではなく、圧電材料からなるディスク２が完全に
焼結させられている縁部領域７においては、圧電性の延伸は生じない。圧電アク
チュエーター１の中心領域における延伸の結果、縁部領域における引っ張り応力
が生じるが、この場合、領域８中での、内部電極６と、圧電材料からなるディス
ク２との間の接触領域における剥離９につながることが多い。

【０００５】 図２Ｂに示されているように、この剥離９は、外部電極４の領域にまで続いて
いる。外部電極４の中に続くこの種の亀裂９′は、内部電極６の接触を著しく妨
げている。亀裂９′が、外部電極４を通って完全に続いている限り、外部電極４
における接触は中断され、内部電極８の一部には、もはや電圧は印加されない。
これによって、アクチュエーター１の全延伸もしくは引き上げは、著しく少なく
なる。

【０００６】 亀裂９′が生じた場合アクチュエーター１の作用能力を更に保証するために、
公知技術水準では種々の提案がなされている。

【０００７】 本発明の利点 請求項１の特徴を有する圧電アクチュエーターには、公知技術水準とは異なり
、成層の外側に導電性のポリマー材料からなる被覆の形で施与された外部電極が
弾性であるという利点がある。電圧印加の結果として外部電極の縁部領域に生じ
る引っ張り応力は、本発明によるアクチュエーターの場合に弾性の外部電極によ
り吸収され、外部電極中の裂け目又は破壊に至ることはない。従って、内部電極
と、圧電材料からなるディスクとの間に場合により生じる亀裂は、弾性の外部電
極により阻止される。弾性の外部電極を備えた圧電アクチュエーターは、簡単か
つ信頼できる方法で、圧電アクチュエーターの場合に外部電極中に生じる亀裂の
問題を解決する。

【０００８】 極めて有利なことに、更に、従来のアクチュエーター１の製造の際に必要とさ
れたエッチング及びアクチュエーター外面の成長が不要であるが、これは、例え
ばニッケル外部電極の載置の際に必要とされている。公知技術水準で必要とされ
るエッチングの場合には、常に、過剰エッチング及び後に続くアクチュエーター
の作動状態での外部電極の剥離の危険が存在している。

【０００９】 従属請求項において記載した手段によって、請求項１で記載した圧電アクチュ
エーターの有利な別の態様が可能である。

【００１０】 図面 本発明の実施例は、図面に簡単に記載されており、以下の記載で詳細に説明す
る。

【００１１】 実施例の説明 図３には、本発明による断面図中の圧電アクチュエーターの電極縁部領域の部
分が記載されている。内部電極５もしくは６は、交互に対応配置されており、そ
れぞれ、圧電材料からなるディスク２によって分離されている。内部電極６は、
図３による実施例の場合、導電性の弾性ポリマー材料からなる外部電極と接続さ
れている。

【００１２】 ディスク２のための圧電材料としては、例えば石英、電気石、チタン酸バリウ
ム（ＢａＴｉＯ_３）あるいはまた特殊な圧電セラミック、例えばジルコン酸鉛−
チタン酸鉛系（ＰＺＴ系（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を使用することができ
る。本発明によれば、それぞれの圧電材料、例えば有機塩、例えば酒石酸カリウ
ム（ナトリウム）、酒石酸エチレンジアミン又はＰＶＤＦ、ＰＶＦ等のポリマー
を使用することもできる。

【００１３】 導電性の弾性ポリマーとしては、導電性充填材の混入によって導電性になる全
てのポリマーを使用することができる。

【００１４】 この場合、該ポリマーは、所望の度合いの導電性を得るために、導電性充填材
、例えばカーボンブラック、炭素繊維、ニッケル被覆された雲母、鋼繊維、アル
ミニウムチップ、銀粉、銀箔、金粉又は金被覆したポリマー球を添加されていて
もよい。

【００１５】 該ポリマーは、あるいはまたは固有導電性を有するポリマー、例えばシス−ポ
リアセチレン又はトランスポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリチオ
フェン、ポリピロール等を含有していてもよい。これらの固有導電性ポリマーは
、次に、強力な酸化剤又は還元剤、例えば臭素、ヨウ素、過塩素酸銀、三フッ化
ホウ素、ナフタリンナトリウム、五フッ化ヒ素等を用いる処理によって得る（ド
ープする）ことができる。

【００１６】 本発明の範囲内では、有利に、金属性充填材、例えば銀をドープされているシ
リコーンエラストマーが使用される。更に、熱可塑性コポリマーをドープすべき
ポリマー材料として外部電極に使用することが有利である。

【００１７】 内部電極５、６は、規則的に、使用した圧電材料の焼結温度を上回る融点を有
する金属、例えば白金、銀、銅、銀パラジウム合金等から仕上げられている。更
に、従来公知の方法、例えばスクリーン印刷技術、スパッタリング、蒸着等によ
って、圧電材料からなるディスク２の上に施与することができる。

【００１８】 図３には、更に導電性の弾性ポリマー中で内部電極６へ向かう流線形の流れが
流線１６によって記載されている。この場合、制御電圧源１０への外部電極４の
接続は記載されていない。

【００１９】 図３中で、導電性の弾性ポリマー１５の中にアーチ状に突出している内部電極
６に基づいて示してあるようなアーチ状の内部電極の使用の場合、流線１６によ
って具体的に示されている電流密度が、内部電極６で低くなっている。これによ
って、内部電極６と、導電性の弾性ポリマー材料１５との間の接触領域における
局所的昇温が軽減される。前記の接触領域における高い温度の回避は、ポリマー
材料１５での予定よりも早い老化現象が回避されるので、アクチュエーターの寿
命が延長される。

【００２０】 図４には、本発明のもう１つの有利な実施態様が示されている。図４によれば
、導電性の弾性ポリマー材料１５中には、篩電極１４が設けられている。内部電
極６と、圧電材料からなるディスク２との間の亀裂の形成９′につながり、その
亀裂９′が、導電性の弾性材料１５からなる外部電極４の中にまで続いていなけ
ればならない限り、篩電極１４において亀裂９′の継続が停止する。更に、図４
による本発明による実施態様は、流線１６のより有利な誘導を可能にする。既に
図３において記載した実施態様につき説明したように、ポリマー材料１５の中に
突出したアーチ電極６との接続における、ポリマー材料１５中の局所的な昇温は
回避されるが、これは、最終的に圧電アクチュエーター１の寿命の延長につなが
る。

【００２１】 図５には、本発明のもう１つの有利な実施態様が示されている。導電性の弾性
ポリマー材料１５の中に突出した内部電極６は、ポリマー材料１５との接触領域
において、円筒状の接点１７を備えている。この円筒状の接点１７は、表面積の
拡大によって制限されるが、単位面積当たりの内部電極６における電流の流れを
更に低下させることができるようにする（電流密度の低下）。図５中に例示的に
示した波形電極１２のような金属性導線の付加的な配置によって、流線の誘導を
更に良好にすることができる。しかしながら、球接点１７の代わりに、導電性の
弾性ポリマー材料１５の中に突出した、ボタン状、球状、キノコ状又はディスク
状の部材のような円筒状ではない内部電極６における表面積拡大のための他の手
段を採用することもできる。

【００２２】 図４中に記載したアーチ状もしくは図５中の円筒状又はボタン状の、導電性の
弾性ポリマー材料１５の中に突出した内部電極６は、例えば意図された電気化学
的構成によって製造することができる。この場合、圧電材料からなるディスクと
、それぞれ隣接するディスク２の間に載置された内部電極６とからなる成層２５
はホルダー中で固定されており、構成すべき内部電極６を、例えば構成すべきア
クチュエーター１の面に向き合った面の上に電気的に接続され、電気分解浴液中
で金属の析出下に意図的に構成される。

【００２３】 内部電極６の突出した末端を公知のフォトリソグラフィー法の使用下に製造す
ることも勿論可能である。この場合、まず、内部電極が突出することになるアク
チュエーター１の側面の上に、相応するラスターを有するマスクを載置する。内
部電極６を構成する金属の意図的な析出により、マスクを構成する薄膜を、従来
の方法で熔解させる。こうして製造された内部電極６の突出した末端の上に、次
に、導電性の弾性ポリマー材料１５を載置するが、これは、選択的に別の金属性
導電部材を含んでいてもよい。

【００２４】 図６には、本発明による別のアクチュエーター１の電極縁部領域の部分が示さ
れている。導電性の弾性ポリマー材料１５は、アクチュエーター外側面において
横側に突出する内部電極６と接触している。該導電性の弾性ポリマー材料１５の
上には、波形電極１２が載置されている。次に、外側電極４は、制御電圧源１０
との接続接点２４を介して電気的に接続しているが、これは、図示されていない
。

【００２５】 導電性の弾性ポリマー材料１５中の金属性導電部材のもう１つの例示的配置は
、図７に示されている。

【００２６】 図７は、圧電アクチュエーター１の成層外側面に沿って載置された外側電極の
上の展望図を示しているが、この場合、導電性の弾性ポリマー材料１５中には、
１つ又はそれ以上のワイヤー電極２３が埋設されている。

【００２７】 勿論、導電性の弾性ポリマー材料１５中に埋設された金属性導電部材は、種々
の形状寸法の鋳造形、例えば波形板、ワイヤー又は波形ワイヤー、エキスパンド
メタル、渦巻きばね等を有していてもよい。

【００２８】 導電性の弾性ポリマー材料１５中での金属性導電部材の付加的な配置の場合に
、金属性導電部材が、例えば導電性の弾性ポリマー材料１５の中へアーチ状に突
出する内部電極５、６との直接的な接触を有していないことが重要である。その
限りで、金属性導電部材と内部電極５、６との間の電気的接触は、導電性の弾性
ポリマー材料１５を介してのみ生じている。

【００２９】 導電性の弾性ポリマー材料１５中への金属性導電部材の埋設は、就中、前記の
ように、例えば図４及び図５に例示されているような流線の誘導が一層有用であ
り、その限りで、内部電極６と、導電性の弾性ポリマー材料１５との間の接触部
位における局所的な過熱が回避されることになる。その限りで、予定よりも早い
老化現象が、導電性の弾性ポリマー材料１５の場合に回避される。更に、金属性
導電部材の埋設は、載置された導電性の弾性ポリマー材料１５の厚さを少なくで
きるようにする。最終的に、極めて有利に、場合により該ポリマー材料１５の中
に続いている亀裂９′が、金属性導電部材において停止させられる。

【００３０】 図８には、積層方向に沿って成層２５の外面に載置された外部電極４上の展望
図が示されているが、この場合、導電性の弾性ポリマー材料１５中に、篩電極１
４が埋設されている。この篩電極１４は、アクチュエーター１の成層外面に沿っ
て、一定の幅を有している。制御電圧源１０との電気的接続は、電気的接続接点
２４を介して行われる。

【００３１】 図９中には、図８の外部電極に相応する外部電極上の展望図が示されている。
図８とは異なり、導電性の弾性ポリマー材料１５中に埋設された導電部材は、篩
電極１４の形で、圧電材料からなるディスク２の成層２５の外面における積層方
向に沿って狭くなる幅を有している。制御電圧源１０との電気的接続は、篩電極
１４の幅広の末端１９において電気的接続接点２４を介して行われる。篩電極１
４の形のこの台形状の形態は、電気的接続接点２４から離れた、篩電極１４の狭
い末端１８における電流密度が小さくなっていてもよいという状況を考慮に入れ
ている。図９に記載した例示的な金属性導電部材の台形状の形態は、極めて有利
に、場合によりコスト大きな金属性電極材料の節約を可能にする。勿論、図９中
に例示的に示された金属性導電部材は、中実で、例えば波形板からなる波形電極
の形で形成されていてもよい。

【００３２】 図１０は、圧電材料からなるディスク２の成層２５の外面における積層方向に
沿って載置された、導電性の弾性ポリマー材料１５からなる外部電極４の俯瞰図
を示している。この場合、導電性の弾性ポリマー材料１５は、長さ及び幅全体に
わたって、一定の厚さ２０を有している。導電性の弾性ポリマー材料１５は、電
気的接続接点２４を介して制御電圧源１０と接続している。

【００３３】 図１１は、図１０の外部電極に十分に対応している外部電極の俯瞰図を示して
いるが、しかし、導電性の弾性ポリマー材料１５の厚さ２０は、積層方向に沿っ
て小さくなっている。この場合、制御電圧源１０は、電気的接続接点２４を介し
て、導電性の弾性ポリマー材料１５の厚い末端２１と接続している。既に図９に
ついて記載したように、電流密度は、電気的接続接点２４から離れた側、即ち、
導電性の弾性ポリマー材料１５の薄い末端２２において小さくなっている。図１
１により形成された外部電極は、有利に、導電性の弾性ポリマー材料１５の節約
、ひいては本発明によるアクチュエーター１のより安価な製造を可能にする。

【００３４】 勿論、例えば図９及び１１に記載した本発明の例示的実施態様を互いに組み合
わせることもできるので、導電性の弾性ポリマー材料１５の厚さは、圧電材料か
らなるディスク２の成層の外面における積層方向に沿って小さくなるし、導電性
の弾性ポリマー材料１５中に対応配置された金属性導電部材の幅も小さくなる。
こうして、制御電圧源１０は、導電性の弾性ポリマー材料１５の厚い末端２１並
びに例えば埋設された篩電極１４の幅広の末端１９と電気的に接続される。この
極めて有利な組合せによって、電極材料並びにポリマー材料１５を節約すること
も可能である。更に勿論、図８から１１に記載した実施態様の他の組合せも可能
である。

【００３５】 更に、本発明には、成層外面に、導電性の弾性ポリマー材料１５からなる外部
電極４が、埋設されたか又は載置された金属性導電体を有するか又は有していな
いで対応配置されている別の形状寸法の基本形、例えば六角形又は八角形の底面
等を有するアクチュエーターも含まれる。

【００３６】 本発明による圧電アクチュエーター１は、有利に操作部として使用することが
できる。殊に本発明による圧電アクチュエーターは、ガソリン直噴システム及び
ディーゼル噴射システム、例えばコモン・レール噴射システム又はユニット・イ
ンジェクションシステム（ポンプノズルユニット）において使用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、公知技術水準で知られる圧電アクチュエーターの断面図である。

【図２】 図２Ａは、図１中のＩＩＡ部分の拡大した断面図であり、この場合、アクチュ
エーターには、電界Ｅは印加されていない。図２Ｂは、図１中のＩＩＢ部分の拡
大した断面図であり、この場合、アクチュエーターには、電界Ｅ（Ｅ＞０）が印
加されている。

【図３】 図３は、導電性の弾性ポリマー材料からなる外部電極を有する本発明による圧
電アクチュエーターの縁部領域の断面図である。

【図４】 図４は、導電性の弾性ポリマー材料中に篩電極が対応配置されている本発明に
よる圧電アクチュエーターの１つの実施態様の縁部領域の断面図である。

【図５】 内部電極が導電性の弾性ポリマー材料との接触領域において円筒状の接点を有
する、本発明による圧電アクチュエーターの１つの実施態様の縁部領域の断面図
である。

【図６】 導電性の弾性ポリマー材料の上に波形電極が載置されている本発明による圧電
アクチュエーターの１つの実施態様の縁部領域の断面図である。

【図７】 導電性の弾性ポリマー材料中に複数の波形にされたワイヤー電極が対応配置さ
れている本発明による圧電アクチュエーターの外部電極上の展望図である。

【図８】 導電性の弾性ポリマー材料中に一定の幅を有する篩電極が対応配置されている
本発明による圧電アクチュエーターの外部電極上の展望図である。

【図９】 導電性の弾性ポリマー材料中に積層方向に狭くなる幅を有する篩電極が対応配
置されている本発明による圧電アクチュエーターの外部電極上の展望図である。

【図１０】 導電性の弾性ポリマー材料が、全面積にわたって一定の厚さを有する本発明に
よる圧電アクチュエーターの外部電極の俯瞰図である。

【図１１】 導電性の弾性ポリマー材料が、積層方向に沿って小さくなる厚さを有する本発
明による圧電アクチュエーターの外部電極の俯瞰図である。

【符号の説明】

１ 圧電アクチュエーター、 ２ ディスク、 ３ 外部電極、 ４ 外部電
極、 ５ 内部電極、 ６ 内部電極、 ７ 領域、 ８ 領域、 ９ 剥離、
９′ 亀裂、 １０ 制御電圧源、 １１ａ、１１ｂ 接続接点、 １２ 波
形電極、 １４ 篩電極、 １５ 導電性の弾性ポリマー材料、 １６ 流線、
１７ 球接点、 １８ 狭い末端、 １９ 幅広の末端、 ２０ 厚さ、 ２
１ 厚い末端、 ２２ 薄い末端、 ２３ ワイヤー電極、 ２４ 電気的接続
接点、 ２５ 成層

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年７月５日（２００１．７．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成層（２５）に対して積層方向に対応配置されている圧電材
   料からなる多数のディスク（２）、 圧電材料からなるディスク（２）と交互に対応配置されている多数の平らな内部
   電極（５、６）、 成層（２５）の外側に積層方向に沿って載置された少なくとも２個の外部電極（
   ３、４） を有するが、その際、内部電極（５、６）が、それぞれ、外部電極（３、４）の
   １つと交互に接触領域を介して接続されている圧電アクチュエーター（１）にお
   いて、 外部電極（３、４）が、導電性の弾性ポリマー材料（１５）からなる被覆の形で
   成層（２５）の外側に載置されていることを特徴とする、圧電アクチュエーター
   。
2. 【請求項２】 圧電材料が、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛系（ＰＺＴ−系）で
   ある、請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
3. 【請求項３】 導電性の弾性ポリマー材料（１５）が金属性充填材をドープ
   されている、請求項１又は２に記載の圧電アクチュエーター。
4. 【請求項４】 導電性の弾性ポリマー材料（１５）からなる被覆が、積層方
   向に沿って、厚さが増しており、その際、制御電圧源（１０）は、被覆の厚い末
   端（２１）と接続可能である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の圧電
   アクチュエーター。
5. 【請求項５】 被覆として載置された導電性の弾性ポリマー材料（１５）の
   中又はこれに接して、少なくとも１つの金属性導電部材（１２、１４、２３）が
   設けられている、請求項１から４までのいずれか１項に記載の圧電アクチュエー
   ター。
6. 【請求項６】 金属性導電部材（１４）は、積層方向に沿って、細くなる幅
   を有しており、その際、制御電圧源（１０）は、金属性導電部材（１４）の幅広
   の末端（１９）と接続可能である、請求項５に記載の圧電アクチュエーター。
7. 【請求項７】 内部電極（５、６）と外部電極（３、４）との間の接触領域
   の面積が、表面積拡大のための手段（１７）の配置によって拡大されている、請
   求項１から６までのいずれか１項に記載の圧電アクチュエーター。