(57)【要約】本発明は、複数の内部電極（３，３′，３′′）の間に配置された複数の個々の圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）から成るスタックを備えた圧電式のアクチュエータ（１）に関する。当該圧電式のアクチュエータは第１のメタライジングストリップ（４）と第２のメタライジングストリップ（５）とを有しており、内部電極（３，３′，３′′）はそれぞれ交互に第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に接続されている。当該圧電式のアクチュエータ（１）の電気的なコンタクティングのために、第１の外部電極（６）と第２の外部電極（７）とが電気的なコンタクティングのために第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に固定されている。外部電極（６，７）はそれぞれ当該圧電式のアクチュエータ（１）の外部コンタクティングのための接続エレメント（８，９）を有している。両外部電極（６，７）は少なくとも１つの範囲を有していて、該範囲は該範囲の形状付与および配置に基づき、主振動方向（１０）における当該圧電式のアクチュエータ（１）の長さ変化を補償するように形成されている。弾性変形は、それぞれ主振動方向（１０）に対して平行に延びる平面内にのみ延びている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電式のアクチュエータ（１）であって、
−複数の内部電極（３，３′，３′′）の間に配置された複数の個々の圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）から成るスタックが設けられており、該アクチュエータエレメント（２，２′，２′′）が、印加された電圧に関連して主振動方向（１０）に収縮するか、または伸長するようになっており、
−第１のメタライジングストリップ（４）と第２のメタライジングストリップ（５）とが設けられており、内部電極（３，３′，３′′）がそれぞれ交互に第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に接続されており、
−第１の外部電極（６）と第２の外部電極（７）とが設けられており、両外部電極（６，７）が、当該圧電式のアクチュエータ（１）の電気的なコンタクティングのために第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に固定されており、
−当該圧電式のアクチュエータ（１）の外部コンタクティングのための第１の接続エレメント（８）と第２の接続エレメント（９）とが設けられており、両接続エレメント（８，９）が、それぞれ第１の外部電極（６）もしくは第２の外部電極（７）に接続されている
形式のものにおいて、
両外部電極（６，７）の少なくとも１つの範囲が、該範囲の形状付与および配置に基づき、それぞれ主振動方向（１０）に対して平行に延びる平面内にのみ延びる弾性変形によって、主振動方向（１０）における当該圧電式のアクチュエータ（１）の長さ変化を補償するように形成されている
ことを特徴とする、圧電式のアクチュエータ。
【請求項２】
両外部電極（６，７）が、両メタライジングストリップ（４，５）のコンタクティングのためのコンタクト櫛歯（１１，１１′）を備えたコーム状のプロファイルを有している、請求項１記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項３】
両外部電極（６，７）がメアンダ状の導体プレート（１６，１６′）を有しており、該導体プレート（１６，１６′）から前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が導出されている、請求項２記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項４】
前記メアンダ状の導体プレートが、該導体プレートの中心軸線（１８，１８′）に沿って先細りになっている、請求項２または３記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項５】
前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が互いに平行に延びていて、第１の端部（１２，１２′）に全て等しい長さを有しており、該端部（１２，１２′）で前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が、電気的なコンタクティングのためにメタライジングストリップ（４，５）にはんだ付けされている、請求項２記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項６】
両外部電極（６，７）が、当該圧電式のアクチュエータ（１）における固定のために前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）の第１の真っ直ぐな端範囲（１２，１２′）に対して平行に角度α＜９０゜だけ曲げられている、請求項２から５までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項７】
両外部電極（６，７）が当該圧電式のアクチュエータ（１）に、接着剤（１４）によって機械的に固定されており、前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が、メタライジングストリップ（４，５）へのはんだ付けのために接着剤（１４）の塗布時に空白部分として残されている、請求項２から６までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項８】
外部電極（６，７）と圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）ならびに内部電極（３，３′，３′′）との間の電気的な絶縁が保証されるように前記接着剤（１４）が形成されかつ配置されている、請求項７記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項９】
外部電極（６，７）と圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）ならびに内部電極（３，３′，３′′）との間の前記接着剤（１４）の層厚さが、規定された粒度を有する粒子の添加によって決定されている、請求項７または８記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記接着剤（１４）が耐燃料性である、請求項７から９までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項１１】
当該圧電式のアクチュエータ（１）が接着剤（１４）で完全に被覆されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項１２】
外部電極（６，７）が青銅合金からエッチングにより製造されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の圧電式のアクチュエータに関する。
【０００２】
このような形式の圧電式のアクチュエータは、しばしば自動車において噴射弁を制御するために使用される。
【０００３】
圧電セラミックは、電圧が印加されると、電圧の極性に応じて伸長するか、もしくは収縮するという性質を有している。この効果は圧電式のアクチュエータにおいて利用される。ただし、利用可能な長さ伸長は主軸線に沿った圧電セラミックの層厚さの２パーミル（‰）よりも少ない。それと同時に、圧電素子の層厚さが増大するにつれて、圧電素子の応答のために必要となる電圧は増大する。電圧を抑制すると同時に、技術的に好都合な長さ伸長を達成するためには、通常、複数の圧電セラミック層が上下に積み重ねられて配置される。個々の圧電セラミック層（以下、「圧電式のアクチュエータエレメント」と呼ぶ）は、分極化のために両面に金属製の内部電極を備えている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６４８５４５号明細書に基づき既に公知の圧電式のアクチュエータは、圧電式のアクチュエータエレメントの電気的なコンタクティングのためにアクチュエータ外面に２つのメタライジングストリップを有している。内部電極はそれぞれ交互に両メタライジングストリップの一方に接続されていて、外部電極を介して電気的に並列に接続されている。このためには、外部電極が圧電式のアクチュエータの外部コンタクティングのための接続エレメントを備えている。
【０００５】
圧電式のアクチュエータの高い動的負荷に基づき、セラミックに亀裂が生じる恐れがある。これにより、メタライジングストリップが切断される恐れがある。このことは亀裂縁部では電圧フラッシュオーバを招き、このような電圧フラッシュオーバは圧電式のアクチュエータの破壊を招く。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６４８５４５号明細書では、動的負荷の際の圧電式のアクチュエータの故障を回避するために、メタライジングストリップと外部コンタクティング部との間に三次元構造化された導電性の電極を設けることが提案されている。これらの導電性の電極は部分的なコンタクト個所を介してメタライジングストリップに接続されていて、これらのコンタクト個所の間で伸縮可能に形成されている。
【０００７】
しかし、エンジンルーム内でのスペース事情がますます狭くなりつつあることに基づき、個々のエンジンコンポーネントのために提供される構成スペースはますます小さくなりつつある。
【０００８】
したがって、本発明の課題は、請求項１の上位概念部に記載の形式の圧電式のアクチュエータを改良して、最小限の所要構成スペースしか必要とされないと同時に、高い動的負荷の場合にも確実な電気的なコンタクティングが保証されるような圧電式のアクチュエータを提供することである。
【０００９】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
【００１０】
本発明は、外部電極が少なくとも１つの範囲を有していて、しかも該範囲が、該範囲の形状付与および配置に基づき弾性変形によって、主振動方向における当該圧電式のアクチュエータの長さ変化を補償するように形成されていることを特徴としている。この場合、弾性変形は、それぞれ主振動方向に対して平行に位置する平面内にのみ延びている。以下、この平面を振動平面と呼ぶ。
【００１１】
高い弾性変形を可能にするように成形されている外部電極は、圧電式のアクチュエータの信頼性の良いかつ耐久性の良いコンタクティングを保証する。それぞれ圧電式のアクチュエータの主振動方向に対して平行に延びる平面内でしか行われない、各１つの範囲における弾性変形に基づき、最小限の所要構成スペースが達成される。
【００１２】
外部電極の前記範囲は、できるだけ小さな間隔を置いて、圧電式のアクチュエータの各側壁に対して平行に配置されていると有利である。これにより、特にコンパクトな構造が得られる。しかし、別の構成、たとえば圧電式のアクチュエータを取り囲む半円形の外部電極において、主振動方向に対して平行に配置された範囲も考えられる。振動平面はこの場合、半円に接線方向で接触する全ての平面により得られる。
【００１３】
外部電極がコンタクト櫛歯を備えたコーム状のプロファイル（異形成形部）を有していると特に有利である。コンタクト櫛歯は内部電極のコンタクティングのためにメタライジングストリップに、たとえばはんだ付けにより、簡単に導電接続され得る。個々のはんだ付け点の間では、コーム状のプロファイルが大きな弾性変形を可能にする。当然ながら、主振動方向における高い弾性変形を可能にする別のプロファイル形状、たとえば正弦形プロファイルまたは三角形プロファイルも考えられる。
【００１４】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
図１は、弾性変形可能な外部電極を備えた圧電式のアクチュエータを示す概略図であり、
図２は、外部電極を示す平坦な展開図であり、
図３は、片面に塗布された接着剤層を備えた、曲げられた外部電極を示す断面図であり、
図４は、両面に塗布された接着剤層を備えた、曲げられた外部電極を示す断面図であり、
図５は、接着により被着された外部電極を備えた圧電式のアクチュエータの断面図である。
【００１６】
同じ構造および機能の構成要素は図面全体にわたって同一の符号で示されている。
【００１７】
図１には、圧電式のアクチュエータ１が示されている。この圧電式のアクチュエータ１は、内部電極３，３′，３′′の間に配置された複数の個々の圧電式のアクチュエータエレメント２，２′，２′′のから成るスタックを備えている。内部電極３，３′，３′′は交互にスタックから導出されていて、電気的に並列に接続されている。このためには、圧電式のアクチュエータ１の外面に第１のメタライジングストリップ４と第２のメタライジングストリップ５とが被着されている。内部電極３，３′，３′′はそれぞれ交互に第１のメタライジングストリップ４もしくは第２のメタライジングストリップ５に接続されている。圧電式のアクチュエータの電気的なコンタクティングのためには、第１のメタライジングストリップ４もしくは第２のメタライジングストリップ５に第１の外部電極６および第２の外部電極７が有利にははんだ付けによって固定されている。圧電式のアクチュエータ１の外部コンタクティングのためには、第１の外部電極６および第２の外部電極７が第１の接続エレメント８および第２の接続エレメント９にそれぞれ接続されている。両外部電極６，７に電圧が印加されると、圧電式のアクチュエータエレメント２，２′，２′′は電圧の極性に応じて電界方向に伸張するか、もしくは収縮する。したがって、交番する極性において圧電式のアクチュエータ１は電界方向における主振動を実施する。
【００１８】
両外部電極６，７は有利にはコーム（櫛）状の成形部分として形成されていて、しかも両外部電極６，７は、両外部電極６，７が圧電式のアクチュエータ１の主振動方向１０にその最大弾性率を有するように圧電式のアクチュエータ１に被着されている。図示の実施例において、コーム状の成形部分として形成された両外部電極６，７は、機械的な位置固定を改善するために曲げられており、この場合、両外部電極６，７はそれぞれ圧電式のアクチュエータ１の２つの側面に固定されている。
【００１９】
図２には、コーム状の成形部分の形の外部電極６が平坦な展開図で図示されている。外部電極６の電気的なコンタクティングは接続エレメント８を介して行われる。このためには、接続エレメント８が外部電極６のメアンダ状の範囲１６に接続されている。このメアンダ状の範囲１６はプリント配線板もしくは導体プレートとして形成されており、このプリント配線板もしくは導体プレートからは、互いに平行に延びる個々のコンタクト櫛歯１１が導出されている。導体プレートのメアンダ状の形成により、この範囲では高い弾性率が達成される。これらのコンタクト櫛歯１１は一緒になって真っ直ぐな端部１２を形成している。コンタクト櫛歯１１は内部電極３，３′′の電気的なコンタクティングのために、真っ直ぐな端部１２の範囲でメタライジングストリップ４に、有利にははんだ付けによって固定される。
【００２０】
電流は接続エレメント８を介して外部電極６のメアンダ状の範囲１６へ導入されて、個々のコンタクト櫛歯１１とメタライジングストリップ４，５とを介して内部電極３，３′′へ流れる。外部電極６のメアンダ状の範囲１６と接続エレメント８との間のコンタクト個所では、全電流が外部電極６へ導入される。この理由から、メアンダ状の範囲１６はこの個所において、より大きな横断面を有している。外部電極６のメアンダ状の範囲１６を流れる電流は、中心軸線１８に沿って接続エレメント８からの距離が増大して行くにつれて連続的に減少して行くので、メアンダ状の範囲１６の横断面は有利にはその中心軸線１８に沿って先細りになっている。外部電極６のメアンダ状の範囲１６の先細りになった形状に基づき、この範囲では弾性率が付加的に高められる。
【００２１】
外部電極６は有利には青銅合金（たとえばCuSn6）からエッチング技術で製造され得る。
【００２２】
図３には、外部電極６の断面図が図示されている。外部電極６は接着剤１４によって圧電式のアクチュエータ１に機械的に固定されている。外部電極６は圧電式のアクチュエータ１に固定するためにコンタクト櫛歯１１の第１の真っ直ぐな端部１２に対して平行に角度αだけ曲げられると有利である。角度αは＜９０゜であると有利である。これにより、直角な圧電式のアクチュエータ１に被さるように外部電極６が押圧されると、ばね力が発生し、このばね力は接着過程の間、圧電式のアクチュエータ１に対する外部電極６のコンタクト櫛歯１１の接触を確保する。コンタクト櫛歯１１は真っ直ぐな端部１２の周辺範囲で電気的なコンタクティングのためにメタライジングストリップ４にはんだ付けされる。この範囲は接着剤１４の塗布時に空白部分として残される。真っ直ぐな端部１２の範囲におけるメタライジングストリップ４に対するコンタクト櫛歯１１の面接触を保証するためには、付加的な段部２０が設けられている。この段部２０は成形部分である外部電極６と圧電式のアクチュエータ１との間の接着層１４を補償する。
【００２３】
接着剤１４の層厚さは、規定された粒度を有する粒子の添加により規定される。接着剤１４は、この接着剤１４が外部電極６と圧電式のアクチュエータエレメント２，２′，２′′ならびに内部電極３，３′，３′′との間の電気的な絶縁を保証するように形成されている。したがって、付加的な絶縁層は必要とならない。これにより、所要構成スペースは一層減少される。接着剤は永久弾性的に形成されており、これにより圧電式のアクチュエータ１の運転時でも、外部電極６の確実な位置固定が保証される。
【００２４】
接着剤１４は、図３に図示されているように片面に、つまり成形部分もしくは外部電極６の内面に塗布されるか、または図４に図示されているように両面に塗布され得る。接着剤１４を両面塗布することにより、外部環境に対する外部電極６の付加的な絶縁が得られる。
【００２５】
図２〜図４では、それぞれ第１の外部電極６の構造についてしか説明しなかったが、しかし、第２の外部電極７も同一に形成されているので、第２の外部電極７については説明を省略する。
【００２６】
図５には、圧電式のアクチュエータ１と、接着被覆された外部電極６，７とが断面図で図示されている。この断面は圧電式のアクチュエータ１の主振動軸線もしくは主振動方向１０に対して直角に位置している。第１の外部電極６および第２の外部電極７のそれぞれ真っ直ぐな区分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８は、それぞれ外部電極の、その形状付与および配置に基づき圧電式のアクチュエータ１の長さ変化を弾性変形により補償することのできる範囲を成している。各範囲Ｂ１〜Ｂ８の弾性変形は、それぞれ各一点鎖線により特徴付けられた、図平面に対して直角な平面内に、主振動方向１０に対して平行に延びている。
【００２７】
外部電極６，７を接着により被着させ、かつコンタクト櫛歯１１，１１′の真っ直ぐな端部１２，１２′の範囲ではんだ付けした後に、圧電式のアクチュエータ１には、一貫して接着剤層２２が施与されている。この一貫して延びる接着剤層２２は、たとえば浸漬プロセスにより被着され得る。これにより、圧電式のアクチュエータ１は周辺環境に対して電気的に完全にシールドされている。接着剤を用いたこのような被覆の別の利点は、耐燃料性の接着剤の使用時に圧電式のアクチュエータ１全体が耐燃料性に製造され得ることにある。このことは特に有利である。なぜならば、圧電セラミックは小さな耐湿性しか有しないからである。小さな耐湿性に基づき、湿分が内部電極３，３′，３′′へ侵入してしまう恐れがあり、その場合には、誘電特性が悪化してしまう危険がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】弾性変形可能な外部電極を備えた圧電式のアクチュエータを示す概略図である。
【図２】外部電極を示す平坦な展開図である。
【図３】片面に塗布された接着剤層を備えた、曲げられた外部電極を示す断面図である。
【図４】両面に塗布された接着剤層を備えた、曲げられた外部電極を示す断面図である。
【図５】接着により被着された外部電極を備えた圧電式のアクチュエータの断面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成16年9月14日(2004.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電式のアクチュエータ（１）であって、
−複数の内部電極（３，３′，３′′）の間に配置された複数の個々の圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）から成るスタックが設けられており、該アクチュエータエレメント（２，２′，２′′）が、印加された電圧に関連して主振動方向（１０）に収縮するか、または伸長するようになっており、
−第１のメタライジングストリップ（４）と第２のメタライジングストリップ（５）とが設けられており、内部電極（３，３′，３′′）がそれぞれ交互に第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に接続されており、
−第１の外部電極（６）と第２の外部電極（７）とが設けられており、両外部電極（６，７）が、当該圧電式のアクチュエータ（１）の電気的なコンタクティングのために第１のメタライジングストリップ（４）もしくは第２のメタライジングストリップ（５）に固定されており、
−当該圧電式のアクチュエータ（１）の外部コンタクティングのための第１の接続エレメント（８）と第２の接続エレメント（９）とが設けられており、両接続エレメント（８，９）が、それぞれ第１の外部電極（６）もしくは第２の外部電極（７）に接続されている
形式のものにおいて、
−両外部電極（６，７）の少なくとも１つの範囲が、該範囲の形状付与および配置に基づき、それぞれ主振動方向（１０）に対して平行に延びる平面内にのみ延びる弾性変形によって、主振動方向（１０）における当該圧電式のアクチュエータ（１）の長さ変化を補償するように形成されており、
−両外部電極（６，７）が、両メタライジングストリップ（４，５）のコンタクティングのためのコンタクト櫛歯（１１，１１′）を備えたコーム状のプロファイルを有しており、
−両外部電極（６，７）がメアンダ状の導体プレート（１６，１６′）を有しており、該導体プレート（１６，１６′）から前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が導出されている
ことを特徴とする、圧電式のアクチュエータ。
【請求項２】
前記メアンダ状の導体プレートが、該導体プレートの中心軸線（１８，１８′）に沿って先細りになっている、請求項１記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項３】
前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が互いに平行に延びていて、第１の端部（１２，１２′）に全て等しい長さを有しており、該端部（１２，１２′）で前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が、電気的なコンタクティングのためにメタライジングストリップ（４，５）にはんだ付けされている、請求項１または２記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項４】
両外部電極（６，７）が、当該圧電式のアクチュエータ（１）における固定のために前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）の第１の真っ直ぐな端範囲（１２，１２′）に対して平行に角度α＜９０゜だけ曲げられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項５】
両外部電極（６，７）が当該圧電式のアクチュエータ（１）に、接着剤（１４）によって機械的に固定されており、前記コンタクト櫛歯（１１，１１′）が、メタライジングストリップ（４，５）へのはんだ付けのために接着剤（１４）の塗布時に空白部分として残されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項６】
外部電極（６，７）と圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）ならびに内部電極（３，３′，３′′）との間の電気的な絶縁が保証されるように前記接着剤（１４）が形成されかつ配置されている、請求項５記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項７】
外部電極（６，７）と圧電式のアクチュエータエレメント（２，２′，２′′）ならびに内部電極（３，３′，３′′）との間の前記接着剤（１４）の層厚さが、規定された粒度を有する粒子の添加によって決定されている、請求項５または６記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項８】
前記接着剤（１４）が耐燃料性である、請求項５から７までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項９】
当該圧電式のアクチュエータ（１）が接着剤（１４）で完全に被覆されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項１０】
外部電極（６，７）が青銅合金からエッチングにより製造されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【国際調査報告】
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2005538677.tif 000009
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2005538677.tif 000011
2005538677.tif 000012
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