JP2008522393A - 多層圧電アクチュエータないし多層圧電センサの接触接続 - Google Patents

Abstract

本発明は、順次積層された複数のアクチュエータ層またはセンサ層からなるデバイス、とりわけ圧電積層体（２）であって、電極（５）ないしは圧電積層体（２）−接触接続部を備える形式のデバイスに関する。本発明は、フレキシブルなリードフレーム（１）が電極（５）と電気的に接続されている、ことを特徴とする。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による装置および相応する方法に関する。

従来のように圧電積層体は多数の個別のアクチュエータ層またはセンサ層からなる。この構造はセラミックコンデンサと同等である。まずアクチュエータ／センサの各エッジに、１つの極のすべての電極がプリントされた金属ストライプによって相互に接続される。コンデンサの場合、この接点に端子線路をハンダ付けすることができる。しかしアクチュエータ／センサはその長さを変化するから、応力亀裂が接触接続領域に発生する。このことにより接触接続が遮断される。従って圧電積層体を接触接続するためには、できるだけ多数の個所で接触接続部を端子線路とフレキシブルに接続する。このために現在では、多数の個別ワイヤからなるいわゆるワイヤハープが積層電極と端子線路にハンダ付けされる。このワイヤハープおよびアクチュエータ電極ないしセンサ電極を相互に絶縁するために、アクチュエータ／センサには絶縁材料が被覆される。引き続きアクチュエータ／センサは再度、エラスティックなコンパウンドによりパッケージされ、これにより端子線路を安定化し、ワイヤハープを保護する。

ここでの欠点は、アクチュエータないしセンサの長さ変化によって形成される応力亀裂を接触接続領域で完全に排除できないことである。

本発明の課題は、圧電積層アクチュエータ（ピエゾスタック）の接触接続を安価に、かつ信頼性を以て提供することである。圧電素子はとりわけアクチュエータの場合、電力供給装置と確実に接続すべきであり、センサの場合は、信号検出装置と確実に電気接続すべきである。

この課題は本発明による装置、および本発明による方法によって解決される。さらなる有利な構成は従属請求項に記載されている。

接触接続は、端子が片持ちされた、または露出されたフレキシブルな導体路フレームないしはリードフレームによって行われる。

ここで圧電積層体は順次積層された複数のアクチュエータ層またはセンサ層からなる。これらの層は電極を備え、電極はフレキシブルなＴＡＢ（テープ自動ボンディング）によってリ―ドフレームに接触接続される。このリードフレームは、絶縁シートの上の導体路構造体の形態にあり、絶縁シートの開口部の上に片持ちされた導体路構造体領域を有する。圧電積層体の電極は、ここでは各圧電素子の個所にあり、片持ち差あれた導体路構造体と接続材料によって接触接続している。ここで１つの電極は、圧電素子の正または負に極性付けられた領域と接している。電極は圧電積層体接触接続部である。

本発明によるこの有利な解決手段により、個々の積層電極の接触接続が得られる。このことにより、圧電表面上にパッシブ領域が形成されるのが回避され、効率が上昇する。付加的に２つの極の接触接続を片側から行うことができる（コスト／作業ステップの節約）。

有利な構成によれば、圧電積層体のすべての電極は圧電積層体の片側に配置されている。

別の有利な構成によれば、圧電素子は、同じ極の領域が相互に接し、それらの移行領域に１つの共通の電極が配置されるように積層されている。

別の有利な構成によれば、各電極にはメアンダ状の導体路構造体が配属されており、この導体路構造体は相互に平行に延在する。これにより有利には各圧電素子ないしは各圧電層がプラス極およびマイナス極と直接接続される。

別の有利な構成によれば、リードフレームは、絶縁シートの側で圧電積層体上に固定されている。このことにより導体路構造体は圧電素子に対して、電極の外の領域で電気的に簡単に絶縁される。リードフレームシートは薄くすべきである。これにより導体路構造体の片持ちされた領域と電極との間隔を接続材料によって簡単に橋絡することができる。

絶縁シートとは、電気的に完全に導通しないシートであると理解すべきである。

別の有利な構成によれば、リードフレームは導体路構造体の側で圧電積層体上に固定されており、導体路構造体と圧電素子との間には付加的な絶縁部が短絡を回避するために形成されている。これにより片持ちされた導体路構造体の領域から電極までの距離が減少される。すなわち導電性接続材料は比較的短い距離を橋絡すれば良いだけである。

別の有利な構成によれば、導体路構造体は、電力供給または信号検出のための線路に対する端子面を有し、この端子面はオプションとして積層体を越えて案内されている。

別の有利な構成によれば、導体路構造体は電極および線路と、導電性接続材料によって接触接続している。

圧電積層体を接触接続するための方法では、フレキシブルなリードフレーム、とりわけＴＡＢリードフレームが形成される。このリードフレームは、絶縁シート上に導体路構造体を有し、電極との電気接続に用いられる片持ちされた領域を、絶縁シートの開口部上に有する。その後、接続材料、例えばハンダボールまたはハンダペーストを接触接続すべき電極に取付け、リードフレームを電極上に位置決めし、接続材料をハンダ付け、例えばプレスハンダ付けまたはリフローハンダ付けによりアクティベートする。引き続き、電気線路をリードフレームに、とりわけ電力供給または信号検出のために取り付ける。

有利な構成によれば、リードフレームを形成する際に、片持ちされた導体路構造体にハンダ付け可能な表面を設ける。このことは接触接続を簡単にする。

有利な構成によれば、接続材料はハンダボール、ハンダペースト、導電性接着剤および／またはＡＣＡ（異方性導電接着剤）である。

別の有利な構成によれば、接続材料のアクティベートはハンダ付け、例えばプレスハンダ付けまたはリフローハンダ付けにより行われる。

別の有利な構成によれば、電気線路をリードフレームに取り付けることは、溶接、ボンディング、ハンダ付け、導電性接着剤による接着、クランプまたは直接差し込みによって行われる。

別の有利な構成によれば、リードフレームの導体路構造体側に、および／または圧電積層体の電極を有する側に付加的な絶縁部が形成される。このことは、リードフレームを、導体路構造体側を以て積層体の電極側に取り付ける場合に必要である。

別の有利な構成によれば、付加的に外側絶縁部、振動保護部および／または歪み緩和部が、浸し塗り、吹き付け塗装、（真空）コンパウンドまたは射出成形によって形成される。歪み緩和部は例えば、線路および導体路構造体の電気接続を確実に行うために用いられる。

本発明の利点は：
・プリントされた金属ストライプの取り付けを省略できる。
・本発明の方法により非常に大きな構成自由度が得られる。
・積層体の絶縁部が格段に薄くなる（使用されるＴＡＢシートに応じて）。
・熱伝導率が改善される。
・本発明の方法は処理が確実である。
・本発明の方法の大部分は自動的にロールツーロール法で実行される。
・構成自由度によって安定性を高めることができる：
・所望の割れ目個所の規定、または応力に最適化された割れ目のないデザイン。
・個々の電極を、積層体のパッシブ領域を回避して接触接続することができる。これによりパッシブ領域による応力亀裂が除外される。積層体の電極を構造的に作製する必要がない。
・効率が向上する。アクチュエータ面全体がアクティブとなり、パッシブ領域を省略できるからである。
・本発明の方法により２つの極を片側で接触接続することができる。これにより両側作業のためのプロセスコストが節減される。
・すべてのプロセスは大量生産に適する。
・絶縁耐力と信頼性が向上し、正確に定義することができる。
・改善された特性により、比較的小さな積層体を使用することができ、従ってコストが節約される。

以下では本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明による装置の第１実施例を示す。
図２は、本発明による装置の第２実施例を示す。

図１は、圧電積層体２にリードフレーム１が位置決めされた第１実施例を示す。

フレキシブルなリードフレーム１は、絶縁シート６上に導体路構造体を有し、絶縁シート６の開口部８上に片持ちされた、または露出された導体路構造体４の領域３を圧電積層体２の電極５と電気的に接続する。導体路構造体４はここでは扁平な導体路である。開口部８は絶縁ソート６のストライプ状の切欠部である。これらのチャネルは相互に平行であり、圧電積層体２の電極５の位置から生じる。開口部８の他の形状も同様に可能である。導体路のメアンダ形状は、良好に絶縁した場合の最適な接触接続に用いられ、圧電素子の厚さに適合される（例えば圧電素子の厚さは５０から１００μｍである）。導体路材料として例えば銅またはアルミニウムが適する。絶縁シート６は例えばポリマーからなる。

まず以下の構造化ステップを実行することができる。
１． ＴＡＢリードフレーム１を、導体路構造体４の交互に片持ちされた端子脚部ないしは露出された領域３により、圧電積層体２のラスタにより構築する。オプションとして端子脚部３（または端子ラグ３とも称される）にハンダ付け可能な表面を設けることができる。
２． ハンダボールまたはハンダペーストを圧電積層体接触接続部ないしは電極５に取り付ける。
３． リードフレーム１を位置決めし、例えばプレスハンダ付けまたはリフローハンダ付けによりハンダ付けする。

リードフレーム１は２つの形式で位置決めすることができる。図１の第１実施例によれば、リードフレーム１と端子脚部３との位置決めは積層体２の反対側で行われる。リードフレームはその絶縁シート６を以て、積層体２の、電極５を有する側に当接している。この実施例によれば、端子脚部３と積層体２との距離を小さく維持するために、できるだけ薄いリードフレームシート６が必要である。この距離は、導電性接続材料（ハンダボール、ハンダペースト、導電性接着剤、ＡＣＡ等）での相応の高さを越えて橋絡しなければならない。導体路構造体４から積層体への絶縁は、支持体材料、すなわちリードフレーム１の絶縁シート６により行われる。

図２の第２実施例によれば、リードフレーム１と端子脚部３との位置決めは積層体２に向かって行われる。すなわちリードフレーム１は導体路構造体４の側を以て、圧電積層体２の、電極５を有する側に当接する。極間の短絡を回避するために、導体路構造体４に絶縁部７が必要である。この絶縁部７はリードフレームプロセス中に取り付けることができる。または圧電積層体２は絶縁部７を有することができる。接続は新たに導電性接続材料により形成される（ハンダボール、ハンダペースト、導電性接着剤）。択一的にＡＣＡ接着剤（異方性導電接着剤）を介して絶縁と接触接続を同時に行うことができる。

第４の最後の構造化ステップとして、任意の線路の取り付けは、溶接、ボンディング、ハンダ付け、導電性接着剤による接着、クランプまたは直接差し込みによって行われる。オプションとして、外側絶縁部、振動保護部および／または歪み緩和部を適切な方法（浸し塗り、吹き付け塗装、（真空）コンパウンド、射出成形等）により形成することができる。この方法ステップも、方法ステップ１および２と同様に両方の実施例で同じように実施することができる。

両実施例によれば、導体路構造体４はメアンダ形状の経過を有し、相互に平行に延在する。

リードフレーム１の構成に関する別の実施形態も本願の保護範囲に含まれる。

保護範囲には、図１と図２のデバイスを形成するための方法も含まれる。

図１は、本発明による装置の第１実施例を示す。 図２は、本発明による装置の第２実施例を示す。

Claims (16)

1. 順次積層された複数のアクチュエータ層またはセンサ層からなるデバイス、とりわけ圧電積層体（２）であって、電極（５）ないしは圧電積層体（２）−接触接続部を備える形式のデバイスにおいて、
   フレキシブルなリードフレーム（１）が電極（５）と電気的に接続されている、ことを特徴とするデバイス。
2. 請求項１記載のデバイスにおいて、
   フレキシブルなリードフレーム（１）は、絶縁シート（６）上に導体路構造体（４）を有し、
   絶縁シート（６）の開口部（８）上に形成され、片持ちされた導体路構造体（４）の領域（３）を電極（５）と電気的に接続する、ことを特徴とするデバイス。
3. 請求項１または２記載のデバイスにおいて、
   すべての電極（５）は、圧電積層体（２）の片側に配置されている、ことを特徴とするデバイス。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   圧電素子は、同じ極の領域（３）が相互に当接し、それらの移行領域に１つの共通の電極が配置されるように積層されている、ことを特徴とするデバイス。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   各電極にはメアンダ状の導体路構造体が配属されており、該導体路構造体は相互に平行に延在する、ことを特徴とするデバイス。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   リードフレーム（１）は絶縁シート（６）の側を以て圧電積層体（２）上に固定されている、ことを特徴とするデバイス。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   リードフレーム（１）は導体路構造体（４）の側を以て圧電積層体（２）上に固定されており、導体路構造体（４）と圧電素子との間には絶縁部（７）が形成されている、ことを特徴とするデバイス。
8. 請求項１から７までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   導体路構造体（４）は、圧電積層体（２）を越えて案内された端子面（９）を、線路を電力供給または信号検出のために有する、ことを特徴とするデバイス。
9. 請求項１から８までのいずれか一項記載のデバイスにおいて、
   導体路構造体（４）は電極（５）および線路と、導電性接続材料によって接触接続されている、ことを特徴とするデバイス。
10. 順次積層された複数のアクチュエータ層またはセンサ層からなるデバイス、とりわけ圧電積層体（２）であって、電極（５）ないしは圧電積層体（２）−接触接続部を備える形式のデバイスを電気的に接触接続するための方法において、
    ・接触接続すべき電極（５）の位置に適合したリードフレーム（１）を形成し、
    ・導電性接続材料を、接触接続すべき電極（５）に取付け、
    ・リードフレーム（１）を電極（５）上に位置決めし、
    ・接続材料をアクティベートし、
    ・電気線路をリードフレーム（１）に、電力供給または信号検出のために取り付ける、ことを特徴とする方法。
11. 請求項１０記載の方法において、
    リードフレーム（１）を形成する際に、片持ちされた導体路構造体（４）にハンダ付け可能な表面を設ける、ことを特徴とする方法。
12. 請求項１０または１１記載のデバイスにおいて、
    接続材料はハンダボール、ハンダペースト、導電性接着剤および／またはＡＣＡ（異方性導電接着剤）である、ことを特徴とする方法。
13. 請求項１０から１２までのいずれか一項記載の方法において、
    接続材料のアクティベートはハンダ付け、例えばプレスハンダ付けまたはリフローハンダ付けにより行われる、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１０から１３までのいずれか一項記載の方法において、
    電気線路をリードフレーム（１）に取り付けることは、溶接、ボンディング、ハンダ付け、導電性接着剤による接着、クランプまたは直接差し込みによって行われる、ことを特徴とする方法。
15. 請求項１０から１４までのいずれか一項記載の方法において、
    リードフレーム（１）の導体路構造体に、および／または圧電積層体（２）の、電極（５）を有する側に、付加的絶縁部（７）を形成する、ことを特徴とする方法。
16. 請求項１０から１４までのいずれか一項記載の方法において、
    外側絶縁部、振動保護部および／または歪み緩和部を、浸し塗り、吹き付け塗装、（真空）コンパウンドまたは射出成形によって形成する、ことを特徴とする方法。

Images