(57)【要約】  圧電アクチュエータが圧電材料から形成された圧電素子（１２）の同時焼成スタック（１０）および、使用中に、内部電極（１４）全体にわたって印加された電圧に応答する圧電材料のアクティブ領域（２２）を画定するために、スタック（１０）全体にわたって複数の負の内部電極（１６）と互いにかみ合った複数の正の内部電極（１４）を備える。外部の正電極（１８）は、正の内部電極（１４）と接続し、外部の負電極（２０）は、負の内部電極（１６）と接続している。アクチュエータは、人工亀裂が内部電極（１４、１６）間に短絡を引き起こさないが、圧電材料内の応力を緩和するために働く場所におけるスタック（１０）内に人工亀裂（３６）を故意に形成するための手段（３４；３８ａ、３８ｂ；４０）をスタック（１０）がさらに含むことを特徴とする。
2009508349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料から形成された圧電素子（１２）のスタック（１０）と、
使用中に、内部電極（１４）全体にわたって印加された電圧に応答する前記圧電材料のアクティブ領域（２２）を画定するために、前記スタック（１０）全体にわたって複数の負の内部電極（１６）と互いにかみ合った複数の前記正の内部電極（１４）と、
前記正の内部電極（１４）と接続するための外部の正電極（１８）と、
前記負の内部電極（１６）と接続するための外部の負電極（２０）と、
を備えた圧電アクチュエータであって、
前記スタック（１０）は、人工亀裂（３６）が前記内部電極（１４、１６）間に短絡を引き起こさないが、前記圧電材料内の応力を緩和するために働く場所における前記スタック（１０）内に、前記人工亀裂を故意に形成するための手段（３４；３８ａ、３８ｂ；４０）をさらに含むことを特徴とする、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
人工亀裂（３６）を故意に形成するための前記手段が、前記スタック（１０）全体にわたって分布された非導電体材料の複数の中間層（３４）を含む、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記中間層（３４）が、前記スタック（１０）全体にわたって、規則的に空いた場所に配列されている、請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記それぞれの前記中間層（３４）が、圧電材料に比べてより高い焼結温度を有する材料から形成されている、請求項２または３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
人工亀裂（３６）を故意に形成するための前記手段が、前記スタック（１０）全体にわたって分布された複数の追加の内部電極を備え、前記追加の内部電極のそれぞれは、前記正および負の内部電極（１４、１６）の長さに比べて実質的に短い、前記スタック（１０）の幅全体に長さを有し、それにより、前記追加の電極（３８ａ、３８ｂ）は、使用中、前記人工亀裂を形成するために、剥離する傾向がある、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記追加の内部電極（３８ａ、３８ｂ）が、正および負の電極ペアに配列され、前記電極のそれぞれのペアは、前記スタックの長さに沿って同一の軸方向位置に配置され、前記追加の正の内部電極（３８ａ）は、前記正の外部電極（１８）と接続し、前記追加の負の内部電極（３８ｂ）は、前記負の外部電極（２０）と接続する、請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記追加の内部電極（３８ａ、３８ｂ）が、前記スタックの長さに沿って、規則的に空いた場所に配列されている、請求項５または６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
人工亀裂を故意に形成するための前記手段は、圧電材料が実質的に存在しない前記スタック（１０）内に少なくとも１つの空隙領域（４０）を備える、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記スタック（１０）全体にわたって、規則的に空いた場所に配置された複数の空隙領域（４０）を含む、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記スタック（１０）が前記スタック（１０）全体にわたって分布された非導電体材料の複数の追加の層をさらに備え、非導電体材料の前記追加の層のうちの少なくとも１つが、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域（４０）を有する、請求項９に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
非導電体材料の前記追加の層が、前記スタック（１０）全体にわたって、規則的に空いた場所に分布され、非導電体材料の前記追加の層のうちの選択された層だけが、それらの上に形成された、またはそれらに隣接した空隙領域（４０）を有する、請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
非導電体材料の前記追加の層が、前記スタック（１０）全体にわたって規則的に空いた場所に分布され、非導電体材料の前記追加の層のあらゆる層が、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域（４０）を有する、請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記正の内部電極（１４）のそれぞれが、前記負の外部電極（２０）により、第１の隙間（３２）を画定するために、前記正の外部電極（１８）から前記スタック（１０）の幅全体に延在し、前記負の内部電極（１６）のそれぞれが、前記正の外部電極（１８）により、第２の隙間（３０）を画定するために、前記負の外部電極（２０）から前記スタック（１０）の幅全体に延在し、空隙領域（４０）が、前記第１または第２の隙間（３０、３２）のうちの少なくとも一方内に配置されている、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記それぞれの前記空隙領域（４０）が、前記スタック（１０）内に適用される焼失インクベースの材料によって生じる、請求項８から１３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
前記空隙領域（４０）のうちの少なくとも１つが電気的絶縁材料で充填される、請求項８から１４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１６】
前記正および負の内部電極（１４、１６）のそれぞれが、前記正または負の外部電極（１８、２０）それぞれと接続する前記電極の端部に電極接触領域を画定し、前記電極接触領域のうちの少なくとも１つの上側縁部（４４）が、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域（４０）を有する、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１７】
前記正および負の内部電極（１４、１６）のそれぞれが、前記正または負の外部電極（１４、１６）それぞれと接続する前記電極の端部に電極接触領域を画定し、前記電極接触領域のうちの１つまたは複数は、前記空隙領域（４０）のうちの少なくとも１つに埋め込まれている、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１８】
前記電極接触領域のうちの１つまたは複数が、複数の空隙領域（４０）に埋め込まれ、前記電極接触領域内の前記空隙領域（４０）のうちの近接した空隙領域は、前記内部および外部の電極間に導電性パスを維持するために、前記電極接触領域の導電性ブリッジ領域（４２）によって分離されている、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
前記それぞれの前記空隙領域（４０）が、前記正および負の外部電極（１８、２０）を備えた前記スタック（１０）の側部と、前記正および負の外部電極を備えていない前記スタックの側部とを接触させるために、前記スタック（１０）の周辺部に延在する、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２０】
圧電アクチュエータを形成する方法であって、
圧電材料から形成された複数の圧電素子（１２）を有するスタック（１０）を形成するステップであって、前記圧電材料が、前記スタックの前記素子が一緒に接合し、または結合する圧電焼結温度を有する、ステップと、
前記スタック（１０）内の選択された場所に、前記圧電焼結温度に比べてより高い焼結温度を有する材料を備えるステップと、
前記選択された場所に、脆弱なまたは空隙の領域（３４、４０）を残しながら、同時焼成スタック構造を形成するために、前記スタックの前記圧電素子（１２）を一緒に接合するように、前記スタック（１０）を焼成するステップであって、それにより、前記脆弱なまたは空隙の領域が、使用中の場合に、前記同時焼成スタック構造内に人工亀裂（３６）を形成するための手段をもたらす、ステップと、を含む方法。
【請求項２１】
圧電アクチュエータを形成する方法であって、
圧電材料から形成された複数の圧電素子（１２）を有するスタック（１０）を形成するステップと、
前記スタック（１０）内の選択された場所に、可燃材料を供給するステップと、
同時焼成構造を形成するために、前記スタックを焼成するステップと、
前記圧電材料が存在しない前記同時焼成スタック構造内の前記選択された場所に空隙領域（４０）を残すために前記可燃材料を燃焼するステップであって、それにより、前記空隙領域は、前記同時焼成スタック構造（１０）内に人工亀裂（３６）を形成するための手段をもたらすステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層に配列された複数の圧電素子を含む圧電アクチュエータに関する。特に、限定されないが、本発明は、内燃機関の燃料噴射システムの燃料噴射器に使用するための圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、複数の圧電層から形成された圧電スタック構造１０、または複数の内部電極によって分離された素子１２を有する圧電アクチュエータの概略図である。図１は、一例に過ぎず、実際には、スタック構造１０は、示したものに比べてはるかに多数の、およびはるかに小さい間隔を有する層と電極とを含むであろう。電極は、２つの群、すなわち正群の電極（そのうちの２つだけが１４で特定される）および負群の電極（そのうちの２つだけが１６で特定される）に分けられる。正群の電極１４は、負群の電極１６と互いにかみ合い、正群の電極は、アクチュエータの正の外部電極１８と接続し、負群の電極は、アクチュエータの負の外部電極２０と接続している。正の外部電極１８および負の外部電極２０は、使用中、その強度を基準にして迅速に変化する隣接の互いにかみ合った電極間に間欠性の電場を生成する印加電圧を受ける。印加された場を変更することにより、スタック１０は、印加された場の方向に沿って伸長し、収縮することになる。一般には、素子１２が形成される圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛など、またＰＺＴとしても当業者には知られている強誘電材料である。
【０００３】
アクチュエータ構成により、異極の電極間にアクティブ領域２２の、および同極の電極間に非アクティブ領域（非アクティブマージンとも称される）２４の存在がもたらされる。使用中に、正電圧が外部電極１８、２０の両端間アクチュエータに印加された場合、アクティブ領域２２は拡大し、それにより、スタック１０の長さの伸長がもたらされる。これに対して、非アクティブ領域２４は拡大せず、この結果、張力がアクティブおよび非アクティブの領域２２、２４間に生成される。スタック１０について非アクティブマージン２４内に形成する結果として生じる亀裂２６が故障モードに導く可能性があることは、これまでに認められている。亀裂２６は、異極の内部電極の方に、または異極の外部電極の方に広がる傾向がある。
【０００４】
導電体材料（例えば、電極材料、水分または塩）が亀裂２６を起こすということは、亀裂形成による特定の問題であり、短絡の発生の危険性がある。これは、アクチュエータを繰り返し動作し、スタック１０を繰り返し伸長し、収縮した後に起きやすく、それは、上述の異質の材料が侵入することを助長してしまう。この問題は、燃料噴射器で使用するための圧電アクチュエータを試験する際に、特に、認識されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
亀裂についての前述の問題が抑えられ、または取り除かれるアクチュエータを提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、圧電材料から形成された複数の圧電素子を有するスタックと、使用中に、内部電極の両端間に印加された電圧に応答する圧電材料のアクティブ領域を画定するための複数の負の内部電極と互いにかみ合った複数の正の内部電極と、正の内部電極と接続するための外部の正電極と、負の内部電極と接続するための外部の負電極と、を含む圧電アクチュエータが備えられている。アクチュエータは、人工亀裂が内部電極間に短絡を引き起こさない場所におけるスタック内に、人工亀裂を故意に形成するための手段をさらに含むことを特徴とし、それにより、人工亀裂の形成は、圧電材料内の応力を緩和するために働く。
【０００７】
圧電スタック全体にわたる人工亀裂が、普通なら、電極間に短絡を引き起こす場所で生じる場合がある応力を構造の残りの部分内で緩和するために働くことが、本発明の便益である。短絡の危険性のない領域で、亀裂を故意に形成させることは、既知の短絡故障を軽減し、または回避する成功法であることが、現在、分かっている。
【０００８】
より高価な圧電アクチュエータでは、スタックが、いくつかの比較的薄いタイルを一緒に接着することにより形成される。これは、亀裂の数を抑える望ましい効果を有するが、満足のできない余分な費用がかかる場合がある。したがって、圧電スタック構造内に、亀裂の数を抑えることが望ましいことはよく知られており、つまり、構造内に亀裂を故意に形成しようとする本発明の本質は、驚くべき、および予期せぬ利点をもたらす。
【０００９】
好ましくは、スタックは、同時焼成スタック（例えば、比較的長いピースの材料として焼成される（焼結される））の形態をとる。
【００１０】
一実施形態では、人工亀裂を故意に形成するための方法は、スタック全体にわたって分布された非導電体材料の複数の中間層を含む。
【００１１】
好ましくは、中間層は、スタック全体にわたって規則的に空いた場所に配列される。
【００１２】
これらの、またはそれぞれの中間層は、圧電材料に比べてより高い焼結温度を有する材料から形成可能である。このようにして、スタックがスタックの素子を一緒に接合または結合するために焼結（または燃成）された場合には、中間層は、脆弱なままの状態であり、同時焼成スタック構造の残りの部分と一緒に接合または結合しない。
【００１３】
別の実施形態では、人工亀裂を故意に形成するための手段は、スタック全体にわたって分布された複数の追加の内部電極を含み、追加の電極のそれぞれは、正および負の内部電極の長さに比べて、実質的により短いスタックの幅全体に長さを有し、それにより、追加の電極は、使用中、人工亀裂を形成するために剥離する傾向がある。
【００１４】
正および負の電極ペアに追加の内部電極を形成することは好都合である場合があり、それぞれのペアの電極は、スタックの長さに沿って同一の軸方向位置に配置され、一つは、正の外部接続部と接続し、一つは、負の外部電極と接続する。
【００１５】
追加の内部電極は、スタックの長さに沿って規則的に空いた場所に配列されると好ましい。
【００１６】
さらに別の実施形態では、人工亀裂を故意に形成するための手段は、圧電材料が実質的に存在しないスタック内に少なくとも１つの空隙領域を含む。
【００１７】
一つの好ましい実施形態では、複数の空隙領域は、スタック全体にわたって規則的に空いた場所に配置される。一例として、スタックは、スタック全体にわたって分布された非導電体材料の複数の追加の層をさらに含むことが可能であり、非導電体材料の少なくとも１つの追加の層は、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域を有する。
【００１８】
非導電体材料の追加の層が、スタック全体にわたって規則的に空いた場所に分布されることは好ましい。追加の層のうちの選択された層だけには、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域が備わっていることが可能であり、または代替としては、追加の層のあらゆる層には、空隙領域が備わっていることが可能である。非導電体材料の追加の層は、内部電極間の距離をブリッジするいずれの間隙の危険性をも抑えるために、アクティブ内部電極間のスタック構造内に適用される非電極テープの形態をとることが可能である。
【００１９】
それぞれの正の内部電極は、負の外部電極により第１の隙間を画定するために、正の外部電極からスタックの幅全体に延在し、それぞれの負の内部電極は、正の外部電極により第２の隙間を画定するために、負の外部電極からスタックの幅全体に延在する。別の実施形態では、空隙領域は、同時焼成スタック内に人工亀裂を故意に形成するための手段を規定するために、第１および第２の隙間のうちの少なくとも一方の中に配置されている。
【００２０】
例えば、この、またはそれぞれの空隙領域は、スタック内に適用される焼失インクベースの材料を適用することによって生じることが可能である。
【００２１】
空隙領域のうちの少なくとも１つは、電気的絶縁材料で充填可能であり、または代替としては、空隙領域は、未充填のままの状態であることも可能である。
【００２２】
正および負の内部電極のそれぞれは、それぞれ正または負の外部電極と接続する電極の端部で、電極接触領域を画定する。別の実施形態では、電極接触領域のうちの少なくとも１つの上側縁部は、その上に形成された、またはそれに隣接した空隙領域を有する。
【００２３】
代替としては、電極接触領域のうちの１つまたは複数は、空隙領域のうちの少なくとも１つに埋め込まれている。この場合、電極接触領域のうちの１つまたは複数には、複数の空隙領域が備わっていることが可能であり、電極接触領域内で、空隙領域のうちの近接した領域は、内部および外部の電極間に導電性パスを維持するために、電極接触領域の導電性ブリッジ領域によって分離される。
【００２４】
修正においては、この、またはそれぞれの空隙領域は、正および負の外部電極を備えたスタックの側部と、正および負の外部電極を備えていないスタックの側部とを接触させるために、スタックの外周部に延在する。
【００２５】
本発明の第２の態様によれば、圧電材料から形成された複数の圧電素子を有するスタックを形成するステップを含む圧電アクチュエータを形成する方法がもたらされ、圧電材料は、スタックの素子が同時焼成スタック構造を形成するために、一緒に接合し、または結合する圧電焼結温度を有する。方法は、選択された場所に脆弱な、または空隙の領域を残したまま、同時焼成スタックを形成するためにスタックの素子を一緒に接合するように、スタックを焼成するステップをさらに含み、それにより、脆弱な、または空隙の領域は、使用中である場合に、同時焼成スタック構造内に人工亀裂を形成するための手段をもたらす。
【００２６】
本発明の第３の態様によれば、圧電材料から形成された複数の圧電素子を有するスタックを形成するステップと、スタック内において選択された場所に可燃材料を供給するステップと、同時焼成スタックを生成するためにスタックを焼成するステップと、圧電材料が存在しない同時焼成スタック内において選択された場所に空隙領域を残すように可燃材料を燃焼するステップとを含む圧電アクチュエータを形成する方法がもたらされ、それにより、空隙領域は、同時焼成スタック内に人工亀裂を形成するための手段をもたらす。
【００２７】
本発明の第１の態様の様々な選択的および好ましい特徴は、以下の説明の例から明らかになるように、単独で、または適切な組み合わせにおいて本発明の第２のおよび第３の態様内にも組み込まれることが可能であることが理解されよう。
【００２８】
次に、本発明を、添付の図面を参照して、ほんの一例として説明することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の圧電アクチュエータは、スタック構造が圧電材料の多重の層から形成される比較的長い構造を焼成する（すなわち、焼結する）ことにより形成されることを意味する同時焼成スタック構造を組み込む。従来には、同時焼成スタックは、結合剤（例えば、ＰＶＡ）によって一緒に保持されるセラミック粉末を有する積層シートによって形成される。結合剤結合剤はまず、脆弱な構造にダメージを与えることなく、結合剤は放出されることが可能になる比較的低温で焼失される。これにより、結合剤が以前あった場所の空隙部により、緩く接合されたセラミック粉末の非常に脆弱な構造がもたらされる。構造全体がより高い温度で焼結（焼成）された場合には、セラミックの緩く接合された粒子は、比較的空隙が存在しない、高密度な、およびはるかにより強い構造を形成するために、一緒にセラミック結合する。前述のタイプの同時焼成スタックは、個別タイルを一緒に固定し、または接着することによって形成されるアクチュエータ全体で識別され、それぞれのこのタイル自体が、同時焼成多層構造を有することが可能である。この種の個別タイルのアクチュエータは、製造するためにはより高い費用がかかり、多くの適用について非常に高いコストをもたらす。ここで説明するタイプの同時焼成アクチュエータは、一緒に接着される高多重のより薄い同時焼成スタックまたはタイルではなく、典型的には、１つまたは２つの同時焼成スタックだけを含む。以下の記述については、単一の同時焼成スタックを有するアクチュエータを説明する。
【００３０】
図２を参照すると、本発明の第１の実施形態の圧電アクチュエータが、複数の内部電極１４、１６によって分離された圧電素子１２（２つだけが特定される）のスタック１０を含む。図２のアクチュエータは図１に示した構造に類似の構造を有し、内部電極が２つの群に、すなわち、正群の電極１４および負群の電極１６に分けられている。正群の電極１４は、負群の電極１６と互いにかみ合い、正群の電極１４は、アクチュエータの正の外部電極１８と接続し、負群の電極１６は、アクチュエータの負の外部電極２０と接続している。負の内部電極１６のそれぞれは、スタック１０の幅全体に、負の外部電極２０からポイント分岐路まで延在し、それにより、負の内部電極１６の非接続端部は、スタック１０の縁部と共に、第１の狭い隙間領域３０（２つだけが特定される）を画定する。同様に、正の内部電極１４のそれぞれは、スタック１０の幅全体に、正の外部電極１８からポイント分岐路まで延在し、それにより、正の内部電極１４の非接続端部は、スタック１０の縁部と共に、第２の狭い隙間領域３２を画定する。
【００３１】
スタック素子１２および内部電極１４、１６は、それぞれが、複数のスタック層、ならびに複数の正および負の電極ペアを含むいくつかの個別サブ群（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで示すように）に分けられる。図２のアクチュエータの際立った特徴は、サブ群１２ａ〜１２ｄのそれぞれが、脆弱な、非電極の、非導電体材料の追加の層３４によって、その近接のサブ群または複数のサブ群から分離されていることである。追加の層３４は、スタック１０全体にわたって規則的に空いており、構造の別の範囲における応力を緩和する効果により、スタック１０の非アクティブ領域内に人工亀裂３６（１つだけが特定される）を故意に形成するための手段をもたらす。亀裂の形成により、周囲の材料における応力は緩和されるので、応力が再度、周囲領域内に蓄積しなかった場合には、別の亀裂が形成することはない。したがって、故意に形成された人工亀裂は、非アクティブマージン内（図１に関して説明したように）での亀裂の生成を軽減するために働く。追加の層３４は、生じる亀裂が、異極の内部電極間に短絡を引き起こすことがない場所に配置されるときには、従来のスタック設計において直面した問題は回避される。
【００３２】
追加の層についての適切な材料は、元来、低強度によるセラミック材料、または圧電材料の焼結温度（すなわち、最終の高密度構造が形成される焼結温度）に比べて、より高い焼結温度を有する材料であってよい。構造全体を一緒に接合する焼結処理の間、追加の層３４は、構造の残りの部分が高密度になり、よく接合されるようになる温度では、間隙のままの状態であり、十分に接合されないので、より脆弱な層は構造内に形成される。ドーパントおよび焼結支援が焼結温度を抑えるために圧電材料に加えられるときには、図１の実施形態を具現化する１つの好都合なやり方は、圧電素子１２と同じコア材料から、しかし、緻密性向がより低い材料から、追加の層３４を形成することである。したがって、例えば、追加の層３４を形成するために、圧電材料は、これらの領域内に、焼結支援またはドーパントが実質的に存在しない状態、または比較的低濃度の焼結支援またはドーパントを有する状態であることが可能である。
【００３３】
脆弱な圧電材料の層を生成するために、焼結支援がないことを使用する代替としては、脆弱層は、別のセラミック材料によって形成可能である。例えば、適切な材料は、圧電材料（例えば、アルミナ）または圧電材料との反応度が弱い材料（例えば、窒化ケイ素）に比べて、より高い焼結温度を有する材料を含む。また、脆弱層において、圧電材料が焼結することをより困難にするために、圧電材料にドーパントを加えることも可能である。別の選択肢は、脆弱層３４を形成することが望まれるそれらの範囲に、スタック１０の製造の初期段階で、過度の結合剤を加えることである。
【００３４】
図３には、図２に示した実施形態に対する代替の実施形態を示し、追加の短い長さの電極３８ａ、３８ｂのペアがスタック１０全体にわたって導入されて、圧電材料に人工亀裂３６を故意に生成するための手段がもたらされる。それぞれの短い電極は、スタックの長さに沿ってペアにおけるそのパートナーと同じ軸方向位置に位置付けられ、スタック１０の幅全体にほんの短い経路だけ延在する。ペア３８ａ、３８ｂは、スタック１０全体にわたって、規則的に空いた間隔に導入され、短い電極３８ａ、３８ｂのそれぞれのペアは、サブ群１２ａ〜１２ｄの近接したサブ群間に、および普通なら、規則的な内部電極であるはずの場所に、配置される。つまり、隣接したサブ群（例えば、１２ａ、１２ｂ）の２つの正の内部電極間には、追加の短い電極３８ａ、３８ｂのペアがある。
【００３５】
追加の電極３８ａ、３８ｂのそれぞれは、規則的な内部電極１４、１６と比べて、長さが大幅に縮小される。それぞれのペアの一方の短い電極３８ａは、正の外部電極１８に接続され、ペアの他方の短い電極３８ｂは、負の外部電極２０に接続される。短い電極３８ａ、３８ｂは、密度が高く、特にあまり接合しないことで知られている材料（例えば、白金）で形成され、それより、人工亀裂３６は、図３の拡大部に示すように、短い電極３８ａ、３８ｂの剥離によって形成する傾向になる。先に述べたように、人工亀裂３６の形成により、スタック１０の周囲領域における圧電材料内の応力が緩和されるが、短い電極３８ａ、３８ｂの剥離は、亀裂が異極電極と接続しないことを確実にし、したがって、いずれの短絡も回避される。
【００３６】
位置合わせされたペアに設けられた追加の短い長さの電極３８ａ、３８ｂの代わりに、修正では（図示せず）、複数の短い長さの電極がスタック１０の負の側部に設けられることが可能であり、それぞれの電極は、負の内部電極１６の近接した電極間に配置され、複数の短い長さの電極は、スタック１０の正の側部に設けられることが可能であり、それぞれの電極は、正の内部電極１４の近接した電極間に配置される。別の言い方をすれば、一方の極性の短い長さの電極３８ａ、３８ｂが、異極の短い長さの電極と位置合わせされることは、重大ではなく、短い長さの電極は、スタックのそれらそれぞれの側部のいずれの場所にも位置付け可能である。同様に、異極の内部電極間に短い長さの電極を含むことが可能であろう。重要なことは、短い長さの電極は、人工亀裂３６が隣接の内部電極１４、１６と接続しないように制御されるように、位置付けられることである。
【００３７】
図４に、図３の代替の実施形態を示し、短い電極の長さが近接のサブ群間に設けられるのではなく、間隙ゾーンまたは空隙領域４０が短い電極に代わって形成される。空隙領域４０を形成する一つの手段は、所要の場所にグラファイトベースのインクを供給することであり、その場合、そのインクは、図４の拡大部に示すように、圧電材料を実質的に含まない空間を残すために、製造処理中に焼失する。空隙領域４０は、充填されないままの状態であることが可能であり、または代替の実施形態では、空隙領域４０は、別の材料で充填されることも可能であり、材料は、人工亀裂が広がらないようにするものであることが条件である。空隙領域４０は、圧電材料における応力を緩和する圧電構造において、人工亀裂を生成するために働き、したがって、短絡を起こしがちな他の場所に亀裂が生成することを軽減し、または回避する。
【００３８】
内部電極間の距離をブリッジするいずれの間隙の危険性をも抑えるために、アクティブな内部電極１４、１６間に非電極テープ（目には見えない）の１つまたは複数の中間層により圧電スタック１０を形成することが知られている。このような構造を有するスタック１０について、図４の実施形態は、非電極テープの中間層のいくつかの上で燃焼されるべきであるインクを導入することによって具現化可能である。図５に、この例を示す。この実施形態では、中間層は、中間層上に配置された（すなわち、隣接した）空隙領域４０により、正の電極１４および負の電極１６の近接した電極間に、スタックの長さに沿って規則的に空いた間隔で配列される。
【００３９】
図５で説明する具現化は、余分な非アクティブ材料をスタック１０に全く導入しないので、いくつかの空隙領域４０を増加させることを可能にするためには、図６に示すように、すべての中間層にインクを適用することが可能である。これは、著しい張力が、非アクティブ領域に全く発生しないという利点を有する。これは亀裂が形成しないようにするだけでなく、アクティブ領域が非アクティブ領域によって制限されないとき、より大きなアクチュエータの変位ももたらされる。非アクティブ領域の「固定」効果のこの種の抑制により、マージンの非対称によって生成される長手方向の歪曲も抑えられ、それは、平行性を維持するために役立つ。
【００４０】
別の実施形態では、焼失されるべきであるインクは、内部電極が間隙性空隙を形成するために設けられる層と同じ圧電層上に印刷可能である。図７に、インクがそれぞれの内部電極１４、１６の非接続端部と、スタック１０の縁部におけるその関連の外部電極１８、２０との間の隙間領域３０、３２に適用される一例を示す。インクが焼失した場合、空隙領域４０は、それぞれの電極１４、１６の非接続端部と、その関連の外部電極１８、２０との間に形成される。この具現化により、余分な非アクティブ材料は全くもたらされず、したがって、それは、内部電極１４、１６のすべてについて、隙間領域３０、３２にインクを適用することが選択肢になる。空隙領域４０は、内部電極１４、１６の非接続端部と、その関連の外部電極１８、２０との間に導通がないことを確実にするために十分な長さである必要があり、または代替としては、空隙領域４０は電気的な絶縁材料により充填可能である。
【００４１】
図８に、間隙性空隙領域４０が、それぞれの内部電極１４、１６の接続端部と、それぞれ関連の外部電極１８、２０との間の電極接触領域内に埋め込まれている別の変形を示す。空隙領域４０は、したがって、圧電素子１２のうちの１つの上に、またはそれに隣接して（例えば、可燃インクを素子１２に適用することによって）、およびスタックの長さに沿って規則的に空いた間隔で、配置される。任意の所与の電極接触領域では、空隙４０は、導電性パスが内部電極と外部電極１４、１８および１６、２０の間で維持されなくてはならないとき、スタック１０の奥行き全体に（すなわち、図示のようなページに）またがることは不可能である。図８の下側部分に最もよく見られるように、複数の空隙領域４０は、したがって、スタックの奥行きまで、規則的に空いた間隔で延在するために、電極接触領域内に形成される。図示の例では、３つの空隙領域４０は、内部および外部の電極間に所要の導電性パスを形成するために、空隙領域４０間に２つのブリッジ領域４２も含む電極接触領域内に形成される。空隙領域４０が電気的に絶縁している必要のないこと、および、それぞれのブリッジ領域４２は、内部電極１４、１６の接続を切る電気のヒューズがショートすべきであるときに働くということが、この実施形態の特定の利点である。
【００４２】
図８の変形（図示せず）は、それぞれの電極接触領域内に埋め込まれた唯一の空隙領域４０を有し、空隙領域４０は、スタックの隅部に配置され、スタックの奥行きまでの圧電材料の残りの部分は、内部および外部の電極間に導電性パスを維持するためにブリッジ領域を画定する。
【００４３】
図９に、図８の実施形態の変形を示し、それぞれの空隙領域４０は、内部電極１４、１６およびその関連の電極１８、２０の間の電極接触領域内に、および内部電極の上側縁部４４に沿って、配置される。図９の拡大部に最もよく見られるように、それぞれの空隙領域４０は、スタック１０の奥行き全体まで延在し、それは、内部および外部の電極間の導電性パスに影響を及ぼさないが、同じ利点が先に述べたようにもたらされ、すなわち、空隙領域４０は、圧電スタック構造１０の脆弱な人工領域を故意に形成するための手段をもたらす。
【００４４】
図１０に、図９に類似する実施形態を示し、空隙領域４０は、やはり、内部電極の上側縁部４４上に形成されるが、それにより、領域４０は、スタック１０の全周辺部に延在する。つまり、領域４０は、外部電極１８、２０を備えるスタック１０の両方の対向側表面全体、および外部電極を備えない２つの介入された対向表面上に延在する。図１０の実施形態の別の一つの利点は、表面フラッシュオーバ効果の危険性が抑えられること（すなわち、異極の電極間の電気伝導が同一表面にもたらされること）である。
【００４５】
図１１は、図８に示した実施形態と類似の別の実施形態であり、電極接触領域内に形成された空隙領域４０は、スタック１０の全周辺部に延在する。図８のように、電極接触領域それぞれは、複数のブリッジ領域４２が組み入れられている、スタック１０の奥行きまで延在する複数の空隙領域４０を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】圧電材料の非アクティブおよびアクティブの領域間の亀裂の問題を示すための従来技術において知られている圧電アクチュエータの概略図である。
【図２】スタック全体にわたって分布された複数の追加の脆弱層を有する本発明の第１の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図３】スタック全体にわたって分布された複数の追加の短い長さの電極を有する第２の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図４】スタック全体にわたって分布された複数の空隙領域を含む第３の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図５】異極の電極間に追加の中間層を含む第４の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図６】図５に示したものに類似するが、多数の追加の中間層を有する第５の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図７】それぞれの内部電極の端部および圧電スタックの縁部間に空隙領域を有する第６の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図８】それぞれの内部電極の端部に複数の空隙領域を含む第７の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図９】図８に類似するが、空隙領域が内部電極の上側縁部に備えられている第８の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図１０】図９の空隙領域がスタックの外周部に延在する第９の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図１１】図８に類似するが、複数の空隙領域がスタックの外周部に延在する第１０の実施形態の圧電アクチュエータの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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