(57)【要約】  本発明は、圧電素子（２）内部の複数の圧電層からなる多層構造部と、前記圧電層間に配置された内部電極（３，４）とを有する圧電アクチュエータに関している。前記内部電極（３，４）は圧電素子（２）の層構造部方向で、交互に異なる極性の電圧を印加されている。内部電極（３，４）の相互の側方接触接続は、外部電極（６，７）ないしは側面の焼結された基礎金属被覆部を介して可能である。それぞれの外部電極は湾曲コイル（２２）を有しており、該湾曲コイル（２２）は接触接続可能な材料から巻回されており、その場合基礎金属被覆部の焼結の際に湾曲コイル（２２）の少なくとも一部が導電的に基礎金属被覆部状に被着されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子（２）内部の複数の圧電層からなる多層構造部と、前記圧電層間に配置された内部電極（３，４）とを有し、前記内部電極は圧電素子（２）の層構造部方向で、交互に異なる極性の電圧を印加されており、
さらに電圧が供給可能である外部電極（６，７）を介した内部電極（３，４）相互の側方接触部を有し、前記外部電極（６，７）は少なくとも側面の焼結された基礎金属被覆部からなっている圧電アクチュエータにおいて、
それぞれの外部電極が湾曲コイル（２２）を有しており、該湾曲コイル（２２）は接触接続可能な材料から巻回されており、その場合基礎金属被覆部の焼結の際に湾曲コイル（２２）の少なくとも一部が導電的に基礎金属被覆部状に被着されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記湾曲コイル（２２）は巻線横断方向に圧縮されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記湾曲コイル（２２）は、基礎金属被覆部に相対向する側面上に導電性材料からなる肉厚縁部（２４）が設けられている、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
圧電素子（２）内部の複数の圧電層からなる多層構造部と、前記圧電層間に配置された内部電極（３，４）とを有し、前記内部電極は圧電素子（２）の層構造部方向で、交互に異なる極性の電圧を印加されており、さらに電圧が供給可能である外部電極（６，７）を介した内部電極（３，４）相互の側方接触部を有し、前記外部電極（６，７）は少なくとも側面の焼結された基礎金属被覆部からなっている圧電アクチュエータにおいて、
それぞれの外部電極が打ち抜き加工部（３１；４１）及び／又は鋳造加工部を備えた可撓性の金属薄板（３０；４０）であり、該金属薄板は基礎金属被覆部の焼結の際に少なくともその構造部の一部が導電的に当該基礎金属被覆部上に被着されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記可撓性の金属薄板（３０；４０）はその構造部におけるカッティング及び／又は打ち抜きによって可撓性の形成が中断されており、さらにカッティング加工部及び／又は打ち抜き加工部（３１；４１）が基礎金属被覆部への被着前に引張りによって拡大されている、請求項４記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記可撓性金属薄板（４０）はその構造部におけるカッティング及び／又は打ち抜きによって可撓性の形成を中断させられ、前記打ち抜き加工部（４２）及び／又はカッティング加工部は基礎金属被覆部との接触接続のために、基礎金属被覆部への被着前に基準面から折曲げられている、請求項４記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
湾曲コイル（２２）または金属薄板（３０；４０）が、導電性コーティングを備えた材料から形成されている、請求項１から６いずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
圧電素子（２）が焼結プロセスの後でその側面を研削され、基礎金属被覆部に湾曲コイル（２２）又は金属薄板（３０；４０）が載置され、前記基礎金属被覆部の焼結が湾曲コイル（２２）又は金属薄板（３０；４０）と共に実施され、ホットポールが行われ、引き続き圧電アクチュエータ（２０）の浸漬塗装が行われることを特徴とする、請求項１から７いずれか１項記載の圧電アクチュエータを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念による、外部から接触される圧電素子内部電極を備えた圧電アクチュエータ、例えばバルブなどのような機械的な構成部材の操作のための圧電アクチュエータに関している。
【０００２】
従来技術
前述したような圧電アクチュエータの構造化に対しては、いわゆる圧電効果の有効利用のもとでバルブなどのノズル行程量の制御の実施に圧電素子を用いることが公知である。圧電素子は適切な結晶構造を有する材料から次のように構造化される。すなわち外部からの電圧印加のもとで圧電素子の機械的な反応が起きるように構造化される。この反応は結晶構造と電圧の印加領域に依存して所定の方向の圧縮力若しくは引張り力で現われる。この種の圧電アクチュエータは、例えば高い操作力や高いクロック周波数のもとで行程運動が行われるような適用分野に適している。
【０００３】
例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６００５明細書からは、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射のためのインジェクタにおける噴射ノズルの駆動制御に利用することのできる、圧電インジェクタの構成要素としてのそのような圧電アクチュエータが公知である。この圧電アクチュエータでは、圧電素子が相互に電気的に結合された複数の圧電セラミック層の積層部として構造化されており、このアクチュエータはバイアスを加えられて２つのストッパ間に保持されている。各圧電セラミック層は圧電層として２つの内部電極の間に囲まれ、それらの電極を介して外部から電圧を印加される。このような電圧に基づいて、圧電セラミック層はそれぞれポテンシャルグラジエントの方向で小さな行程運動を実施する。これらの運動は圧電アクチュエータの全行程量に加算される。この全行程量は印加された電圧の高さに関連して変更可能であり、機械的なアクチュエータに対して伝送される。
【０００４】
前述した圧電アクチュエータにおいては異なるポテンシャルの接近のために外部電極を介した内部電極相互の側方側コンタクト形成が行われ、そこでは導電面が圧電素子のそれぞれ１つの側面に設けられ、それらが各内部電極にコンタクトされている。
【０００５】
圧電アクチュエータが操作されると、様々な機械的応力が内部電極の領域と外部電極へのコンタクト領域において現われ、それらは外部電極における機械的な緊張とそれに起因する亀裂を引き起こしかねない。従って外部電極も端子電極を備えていなければならない。この端子電極はさらに外方へ案内され、通常は機械的な緊張にも耐えられなければならない。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２８１９０号明細書には次のような圧電アクチュエータが記載されている。すなわち所期の可撓性達成のためにそれぞれの外部電極の少なくとも１つの層が、網状、スクリーン状、または組織状にそれぞれ１つの側面上で分散されて構造化され、それぞれの内分電極と少なくとも点状に接触している。その上さらにドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９８１７８明細書からは、そのような圧電アクチュエータが外部電極の構成部材として金属箔を備え得ることは公知である。それらはそれぞれ少なくとも圧電素子構造部における中性層の領域に補償軸を有している。
【０００７】
公知の圧電アクチュエータにおける外部接触形成は例えば積層状のスクリーンによって二層に実施されてもよいし、接続期間中に蝋付けプロセスによりスクリーンの全ウエブノットがしっかり絡み合った状態で蝋付けしてもよい。しかしながら前述した所望のスクリーン組織部の可動性はこの場合通常は大幅に低減され限られた範囲でしか利用できない。
【０００８】
発明の開示
本発明は冒頭に述べたような圧電アクチュエータから出発しており、この圧電アクチュエータは圧電素子内に多層構造の圧電層を備えており、それらの圧電層の間には内部電極が設けられている。前記内部電極は、圧電素子の層構造部方向で異なる極性の電圧が側方の相互接触部分を介して交互に印加されている。この場合外部電極は少なくとも側面における焼結された基礎金属被覆部からなっている。本発明によれば有利には第１の実施形態において、それぞれの外部電極が湾曲コイルを有しており、該湾曲コイルは例えば導電材料から巻回され、基礎金属被覆部の焼結中に少なくともコイルの部分が当該表面上に導電的に被着される。
【０００９】
この場合当該湾曲コイルは巻線横断方向に圧縮されていてもよく、さらに基礎金属被覆部に相対向する側面上に導電性材料からなる肉厚縁部が設けられていてもよい。この肉厚縁部は場合によっては接続線路とも接触可能である。
【００１０】
第２の実施形態によれば、それぞれの外部電極が押抜きないし打ち抜き加工部及び／又は鋳造加工部を備えた可撓性の金属薄板であり、この金属薄板は基礎金属被覆部の焼結中に少なくともその構造部の一部が当該基礎金属被覆部上に導電的に被着されている。
【００１１】
これにより前記可撓性金属薄板は簡単な形式でその構造部のカッティング及び／又は打ち抜き加工によって可撓性の形成を中断することができ、さらにこの打ち抜き及び／又はカッティング加工部は基礎金属被覆部への被着前に、平面伸張方向への相応の引張りによってまだ拡大も可能である。
【００１２】
換言すればこの可撓性の金属薄板はその構造部におけるカッティング及び／又は打ち抜きによって可撓性の形成を中断させることができ、さらにこのカッティング及び／又は打ち抜き加工部分は基礎金属被覆部との接触形成のために基礎金属被覆部への被着前に基準面から折り曲げられる。
【００１３】
なお全ての実施形態においてコイル又は金属薄板は、金属若しくは導電層を備えた材料から形成されていてもよい。
【００１４】
本発明による圧電アクチュエータは、焼結プロセスの後の簡単な製造プロセスにおいて側面を研磨することができ、その研磨の後で、基礎金属被覆部にコイル若しくは金属薄板の載置を行うことができる。それに続いてコイル又は金属薄板を備えた基礎金属被覆部の焼結はいわゆるホットポール（hot pole)又は周波数ポール(frequency pole)前に行われ、圧電素子ないし圧電アクチュエータの最終的な浸漬塗装が行われる。
【００１５】
要約すれば本発明による圧電アクチュエータを用いることによって、圧電素子内部電極のとりわけ正確でかつ長持ちする外部接触部が得られる。圧電アクチュエータの操作によって生じる圧電素子内部での動きは、３つの異なる軸線方向での動きに結び付く。そのような圧電アクチュエータは例えば主要運動方向ないし主要操作方向（Ｚ軸方向）において約１００〜１２０μｍだけ伸張し、それに対してＸ軸方向とＹ軸方向においては約４０〜５０μｍだけ収縮し得る。
【００１６】
このような理由から例えば冒頭に述べたような従来技術において外部接触部が積層された二重層のスクリーンでもって施行される。従って電気的な接続は従来技術においては蝋付けプロセスによって行われており、その場合にはスクリーンの全てのウエブノートがろうでかためられる。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、低コストで製造できる内部電極の外部接続部が得られ、それは前述したような３つの軸線方向での動き要求ないしは所要の伸張能力に、例えば１０9の実行時間に対する圧電アクチュエータの負荷の遊びが満たされる。さらに例えばスパッタリング溶接によるアクチュエータ足部のさらなる経済性とプロセス安定性に係る再現可能な組付け条件が達成される。
これまでは必要不可欠であった蝋付けの作業工程は完全に省かれる。なぜなら外部接触部の基礎金属被覆部の焼結に直接結び付けられる圧電アクチュエータへの接合、すなわち直接的なプロセス結合が行われるからである。
【００１８】
次に図面の簡単な説明と本発明の圧電アクチュエータの実施例を当該図面に基づいて説明する。この場合、
図１は圧電層からなる多層構造部と内部電極とフィルタ状の外部電極とを備えた従来技法による圧電アクチュエータの断面図であり、
図２ａは概略的に示された本発明による外部接触部を備えた圧電アクチュエータ側面の詳細断面図であり、
図２ｂは湾曲コイルを備えた図２ａによる外部接触部の第１実施例を示した図であり、
図２ｃは図２ｂによる湾曲コイルの側面図であり、
図３ａ及び図３ｂは、打ち抜き加工による金属薄板を備えた外部接触部の別の実施形態の引張り前（図３ａ）と引張り後（図３ｂ）の状態を示した図であり、
図３ｃは図３ｂによる外部接触部の圧電アクチュエータの基礎金属被覆部への被着工程を示した図であり、
図４ａは打ち抜き加工部を有する金属薄板を備えた外部接触部のさらなる実施形態を示した図であり、
図４ｂは、図４ａによる金属薄板からの外方へ折曲げられた構造部を示した図であり、
図４ｃは図４ａ及び図４ｂによる圧電アクチュエータの基礎金属被覆部へ被着された金属薄板の側面図である。
【００１９】
本発明の実施形態
図１には冒頭にも述べたドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２８１９０号明細書から公知の圧電アクチュエータ１が例示的に示されている。この圧電アクチュエータは圧電層若しくは圧電シートからなる圧電素子２を有しており、これらの圧電層ないし圧電シートは内部電極３及び４への電圧印加のもとで生じる圧電効果を利用して軸方向（矢印５）での当該圧電アクチュエータ１の機械的反応（動き）を起している。
【００２０】
前記内部電極はこの場合圧電素子２の層構造部の方向で、交互に異なる極性の電圧を印加されている。このことは内部電極３，４相互の側方接触部により、ネット状若しくはフィルタ状の外部電極６，７を介して達成される。電圧はこれらの外部電極６，７を介して供給可能である。これらの外部電極６，７は通常は少なくとも圧電アクチュエータ１側面における焼結された基礎金属被覆部からなっており、その上に網状若しくはフィルタ状の外部電極６，７が従来技法から公知の圧電アクチュエータ１のもとで蝋付けされる。圧電アクチュエータ１は、ここには図示されていない下部及び上部を介してケーシング内に、固定的に埋込むことが可能である。例えば自動車用燃料噴射バルブのケーシング内にバルブ制御のために埋込まれ、その場合はいわゆる圧電インジェクタの構成要素となり得る。
【００２１】
次に図２ａ，図２ｂ，図２ｃに基づいて本発明の第１の実施例を説明する。図２ａには、本発明による圧電アクチュエータ２０側面部分が示されており、この側面には概略的に示した内部電極の接触接続のための外部電極に対する層２１が被着されている。この層２１は側面の基礎金属被覆部の金属化の間に焼結される。
【００２２】
図２ｂからは、いわゆる湾曲コイル２２からなる外部電極の実施例の詳細が明らかである。ここでも湾曲コイル２２の巻線は層２１ないし基礎金属被覆部の焼結期間中に、圧電アクチュエータ２０と接触接続し、矢印２３で表されている移動遊び空間によって、３つの軸線方向での圧電アクチュエータ２０の前述したような運動のもとでも確実な接触接続を達成している。さらに肉厚縁部２４が存在しており、この肉厚縁部２４は高さ方向で圧縮されてもよい。図２ｃからはさらに図２ｂによる装置の側面が明らかである。
【００２３】
図３ａ，図３ｂ，図３ｃには、金属薄板３０から成形された外部電極を備えた本発明の別の実施例が示されている。金属薄板３０内にはまず打ち抜き加工部３１が設けられ、これは矢印３２で表されているように、図示されている方向の引張りによってより広い自由空間３３が形成される。これらの空間は圧電アクチュエータ２０の３つの軸線方向の運動（図３ｃの矢印３４参照）を補償し得る。下方の領域には層ないし基礎金属被覆部２１との接触部３５が見て取れる。
【００２４】
さらなる実施例は図４ａ，図４ｂ，図４ｃに示されており、ここでは金属薄板４０が外部電極のための出発要素として取り入れられている。ここでも打ち抜き加工部４１が存在しており、これらの打ち抜き加工部は引張りによってより広い自由空間に形成されている。図４ｂからはさらに外方へ折り曲げられた素子４２の詳細が明らかであり、これらの素子を用いて層ないし基礎金属被覆部２１との接触接続が実施される。
【００２５】
図４ｃからはさらに図４ｂによる装置の側面図が明らかであり、この構成からは圧電アクチュエータ２０の矢印４３による３つの軸線方向の動きが補償される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】圧電層からなる多層構造部と内部電極とフィルタ状の外部電極とを備えた従来技法による圧電アクチュエータの断面図
【図２ａ】概略的に示された本発明による外部接触部を備えた圧電アクチュエータ側面の詳細断面図
【図２ｂ】湾曲コイルを備えた図２ａによる外部接触部の第１実施例を示した図
【図２ｃ】図２ｂによる湾曲コイルの側面図
【図３ａ】打ち抜き加工による金属薄板を備えた外部接触部の別の実施形態の引張り前の状態を示した図
【図３ｂ】打ち抜き加工による金属薄板を備えた外部接触部の別の実施形態の引張り後の状態を示した図
【図３ｃ】図３ｂによる外部接触部の圧電アクチュエータの基礎金属被覆部への被着工程を示した図
【図４ａ】打ち抜き加工部を有する金属薄板を備えた外部接触部のさらなる実施形態を示した図
【図４ｂ】図４ａによる金属薄板からの外方へ折曲げられた構造部を示した図
【図４ｃ】図４ａ及び図４ｂによる圧電アクチュエータの基礎金属被覆部へ被着された金属薄板の側面図
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ−ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【国際調査報告】
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