(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータ素子を製造する方法において、
・  圧電アクチュエータ素子（１）としての複数の積層配列体（１００）を準備する積層配列体準備ステップであって、前記積層配列体（１００）のそれぞれは、圧電層（３０）及び導電層（１０，２０）を有し、また前記圧電層（３０）は前記積層配列体の長手方向に順次積み重ね、そして前記導電層（１０，２０）は前記圧電層（３０）間に配置したものとする、該積層配列体準備ステップと、
・  前記複数の積層配列体（１００）を収容するための複数の収容装置（３００）を準備する収容装置準備ステップであって、前記収容装置（３００）のそれぞれは、前記複数の前記積層配列体（１００）が各個に接触する接触面（３１０）を有し、前記接触面（３１０）は、前記積層配列体（１００）のそれぞれにおける前記接触面（３１０）に接触する側の側面（Ｓ１００ａ）が前記収容装置（３００）の周囲からのガスに接触するよう接触面（３１０）に分布させた開口（３２０）を有するものとした、該収容装置準備ステップと、
・  前記複数の積層配列体（１００）を支持設備（２００）上に配置する配置ステップであって、前記積層配列体（１００）のそれぞれは、順次隣接させるとともに、前記積層配列体の長手方向を横たえて前記支持設備（２００）上に配置する、該配置ステップと、
・  前記複数の積層配列体（１００）を前記収容装置（３００）内に配置する収容装置内配置ステップであって、前記積層配列体（１００）の前記側面（Ｓ１００ａ）それぞれが前記接触面（３１０）に接触するよう配置する、該収容装置内配置ステップと、
・  プロセスガスを前記積層配列体（１００）に供給するステップと、
・  前記複数の積層配列体（１００）の結合剤除去及び／又は焼結ステップであって、前記結合剤除去及び／又は焼結作業中、前記複数の積層配列体（１００）を前記支持設備（２００）上に順次隣接させかつ横たえて配置した状態にする、該結合剤除去及び／又は焼結ステップと
を有する、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、さらに、
・  前記複数の積層配列体（１００）をカバーするための複数のカバー装置（４００）を準備するカバー装置準備ステップであって、前記カバー装置（４００）のそれぞれは、前記複数の前記積層配列体（１００）が各個に接触する接触面（４１０）を有し、前記接触面（４１０）は、前記積層配列体（１００）のそれぞれにおける前記接触面（４１０）に接触する側の側面（Ｓ１００ｂ）が前記カバー装置（４００）の周囲からのガスに接触するよう接触面（４１０）に分布させた開口（４２０）を有するものとした、該カバー装置準備ステップと、
・  前記複数のカバー装置（４００）を前記複数の積層配列体（１００）上に配置するカバー装置配置ステップであって、前記積層配列体（１００）の前記側面（Ｓ１００ｂ）それぞれに前記接触面（４１０）が接触するよう配置する、該カバー装置配置ステップと
を有する、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記収容装置（３００）の前記接触面（３１０）及び前記カバー装置（４００）の前記接触面（４１０）それぞれは、ひだ状の網、格子又は孔開け金属板により構成した、方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載の方法において、
・  前記複数の積層配列体（１００）を多数の支持設備（２００）上に配置し、
・  前記多数の支持設備（２００）は、前記複数の積層配列体を結合剤除去及び／又は焼結するためオーブン（１０００）内で順次上下に重ね合わせて配置する、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記上下に重ね合わせる支持設備（２００）間にスペーサホルダ（７００）を配置する、方法。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項記載の方法において、カバー設備（８００）を、前記１つの支持設備（２００）又は前記複数の支持設備（２００）上に配置する。方法。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか一項記載の方法において、さらに、
・  複数の円形セグメント形状の支持素子（２１０）から形成する仕上げ形態の支持設備（２００）を準備するステップと、
・  前記支持設備（２００）が円形リング形状を構成するよう、前記複数の支持素子（２１０）をオーブン（１０００）内に配置して結合剤除去及び／又は焼結を行うステップと
を有する、方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、さらに、カバー素子（９００）を各支持素子（２１０）上に配置するステップを有し、前記カバー素子は、円形セグメント形状の上側部分（９１０）と、少なくとも２つの側面部分（９２０）とを有し、前記上側部分（９１０）は前記支持素子（２１０）から離れて配置され、また前記少なくとも２つの側面部分（９２０）は前記支持素子（２１０）上に接触するようにした、方法。
【請求項９】
請求項２〜８のうちいずれか一項記載の方法において、さらに、
・  上側表面に銅を被覆した支持設備（２００）を準備するステップと、
・  前記複数の収容装置（３００）及び前記複数のカバー装置（４００）を、銅を含む材料から形成する準備ステップと
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱炭及び焼結によって圧電アクチュエータ素子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータ素子の製造では、まず、導電層で被覆した圧電層を順次積層し、それに続いて圧縮する。つぎに、このようにしてできた材料ブロックからアクチュエータ素子として切り分ける。その後、アクチュエータの圧電層又は導電層の材料内に存在する有機構成物質の脱炭プロセス中、例えば、セラミック薄片及び金属質の内部電極ペーストにおけるバインダ（結合剤）は、燃焼によりアクチュエータ本体から除去される。これにより、初期的に多孔質であったアクチュエータ本体は、焼結プロセスによって、密度の高い本体に改質する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
脱炭又は結合剤除去中、及び焼結中、そのとき支配している周囲条件、例えば、温度、酸素分圧、及び圧電層の鉛含有セラミックにおける一酸化鉛分圧（ＰｂＯ分圧）が、仕上がりの構成部材の品質に決定的に作用する。アクチュエータ素子の周囲条件は、各個別構成部材が曝される温度エネルギー及び酸素分圧の関与の下に決定する。
【０００４】
とくに、酸素分圧は多層アクチュエータの品質に対して臨界的役割を果たす。脱炭の際、酸素分圧は、例えばアクチュエータの本体における有機成分の分解率を決定する。したがって、一方ではアクチュエータの本体における有機含有成分を除去し、また他方では酸素がアクチュエータの内部電極層の酸化を生じない程度に酸素分圧を調整することを確実にしなければならない。脱炭及び焼結の際、酸素分圧は、金属化した電極層とセラミック層との間の反応に作用し、この反応は、異なる材料タイプ、とくに、金属又は酸化材料の性質に由来する。焼結の際、さらに、構成部材の周囲環境、とくに、温度及び雰囲気圧が、鉛−ジルコン−チタン酸塩（ＰＺＴ）に基づく圧電セラミックからの一酸化鉛（ＰｂＯ）の廃蒸気を発生する結果をもたす。
【０００５】
結合剤除去中、又は焼結作業中の均一でない周囲環境は、アクチュエータの個々の構成部材における電気的又は機械的な特性品質にばらつきをもたらす。このことは、例えば、個々の構成部材における転向抵抗及び絶縁抵抗、構成部材のジオメトリ、とくに、構成部材の幅又は湾曲度における偏差に変動を生ずる。さらに、均一でない周囲条件は、内部電極の連続性の変動、個々の構成部材における亀裂、及び最終的に後の段階での動作における構成部材の信頼性の変動を生ずる。
【０００６】
構成素子の製造中、とくに、脱炭又は焼結中、個々の圧電アクチュエータ素子に対する均一な周囲環境条件が十分確実に得られるようになる、圧電アクチュエータ素子の製造方法に対する要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような方法を特許請求の範囲に記載する。
【０００８】
圧電アクチュエータ素子を製造する方法の実施形態は、圧電アクチュエータ素子としての複数の積層配列体を準備する積層配列体準備ステップであって、前記積層配列体のそれぞれは、圧電層及び導電層を有し、また前記圧電層は前記積層配列体の長手（縦）方向に順次積み重ね、そして前記導電層は前記圧電層間に配置したものとする、該積層配列体準備ステップを有する。前記複数の積層配列体は支持設備上に配置し、この配置は、前記積層配列体のそれぞれが、順次隣接するとともに、前記積層配列体の長手方向を横たえて前記支持設備上に配置するように行う。前記複数の積層配列体は、結合剤除去及び／又は焼結を行い、前記結合剤除去及び／又は焼結作業中、前記複数の積層配列体を前記支持設備上に順次隣接させかつ横たえて配置した状態にして、該結合剤除去及び／又は焼結を行う。
【０００９】
積層配列体は、積層配列体の長手方向が支持設備の上側表面に対して平行となるよう支持設備上に横たえて配置し、この支持設備は、例えば、支持プレートとして構成することができる。アクチュエータを支持設備上に横たえて配置する構成は、とくに、アクチュエータの長さ（縦方向）がより大きく、幅がより小さいときに好適であり、例えば、幅に対する長さ（縦方向）の比は１〜７、又は１〜１０となるようにする。
【００１０】
積層配列体は、支持プレート上で収容装置内に配置する。収容装置は支持設備上に順次隣接させて配置する。収容装置は、例えば、ひだ状の網、格子又は孔開け金属板により構成し、とくに、銅により構成する。網の横臥床に個別アクチュエータの積層配列体を嵌合させ、複数の積層配列体を支持設備上に順次隣接させかつ横たえて配置する。
【００１１】
積層配列体それぞれは、カバー装置によりカバーし、このカバー装置は、やはり、とくに、銅で形成した、網、格子又は孔開け金属板からなる材料で構成する。このような構成によれば、各アクチュエータは、収容装置とカバー装置との間に配置され、一様な周囲環境条件が作用する。アクチュエータにおける４つの側面すべては一様な周囲環境条件に晒されるため、脱炭及び焼結中の酸素分圧及び焼結中の一酸化鉛分圧が各アクチュエータにおける４つの側面全体に均一に分布する。
【００１２】
収容装置又はカバー装置を銅から形成するとき、さらに、焼結中に銅及び酸化銅からの一定野分圧がアクチュエータの側面に加わる。各アクチュエータ素子の側面が収容装置の接触面又はカバー装置の接触面に接触するので、焼結作業中における酸素分圧の変動が安定化する。アクチュエータ素子が銅製の内部電極を有するとき、内部電極は、銅製の収容装置及び／又はカバー装置によって、例えば、格子状又は網状に構成した接触面の開口によって酸化が阻止される。
【００１３】
網状又は格子状に形成した材料で構成した、また支持設備、例えば、支持プレート上に配置した収容装置によって、アクチュエータの積層配列体と支持設備の材料との間における交互作用を回避できる。
【００１４】
収容装置及びカバー装置は、収容装置及びカバー装置内における積層配列体の側面が接触する接触面に開口又は孔を設ける。収容装置及びカバー装置における網状若しくは格子状の接触面を使用することによって、又は収容装置及びカバー装置として孔開け金属板を使用することによって、収容装置及びカバー装置の接触面における孔が、アクチュエータ積層体の４つの側面すべてにプロセスガスを良好かつ一様に供給する。
【００１５】
収容装置内に横たわらせた構成部材を配置する多数の支持プレートを互いに上下に積み重ねる。スペーサボルトは個別の支持プレートを互いに離間させるよう作用する。それぞれアクチュエータを配置して、互いに上下に配置した支持設備をカバー装置、例えば、蓋によってカバーする。このような蓋は、焼結の際にのみ使用すべきである。脱炭の際には、カバー装置は、有機結合剤からの脱離生成物の排出を妨げる。カバー装置は銅製の蓋として構成し、このことは、オーブン内の雰囲気を一層安定化させる。
【００１６】
圧電アクチュエータ素子を製造する方法の他の実施形態によれば、脱炭及び焼結中に個別アクチュエータの積層配列体をオーブン内で、複数の円形セグメント形状の支持素子よりなる支持設備上配置する。円形セグメント形状の支持素子は、オーブン内で一平面上に円形をなすよう配置することができる。このような配置の多数の平面は、結合剤除去オーブン又は焼結オーブン内で互いに上下に配置する。互いに間隔を空けた個別の平面は、例えば、スペーサボルトによって互いにに離して配置する。アクチュエータの個別積層配列体は、各支持設備上に互いに隣接させかつ横たわらせて配置する。
【００１７】
周囲環境の均一性を良好にするため、支持設備は、さらに、カバー素子によりカバーすることができる。カバー素子は、支持設備上に載置する側面部分と、支持設備に対して間隔を空けて配置する上側部分とを有する。カバー素子の上側部分は、同時に他の平面の支持設備を構成し、この他の平面上に他のアクチュエータ素子の積層配列体を配置することができる。これにより、支持設備間のスペーサボルト上の支持設備上にカバー素子を使用する際には、異なる平面の使用を断念する。
【００１８】
カバー素子は、円形セグメントの形式として設ける。各セグメントは４個の側面部分を有し、これによりカバー素子は４個すべての側面が閉じられる。カバー素子には、単に２個の側面を設け、この場合、隣接セグメント側の側面をなくす。この実施形態によれば、均一な構成部に対応する連続したカバー素子のリングを生ずるよう、順次列状に配列する。
【００１９】
以下に図面につき本発明の実施形態を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】圧電アクチュエータ素子の積層配列体の実施形態を示す。
【図２】圧電アクチュエータ素子を製造する方法の実施形態であり、支持設備上に配置した収容装置に圧電アクチュエータ素子を配置した状態を示す。
【図３】圧電アクチュエータ素子を製造する方法の他の実施形態であり、圧電アクチュエータ素子を互いに積層させた複数の支持設備上に配置した状態を示す。
【図４】圧電アクチュエータ素子を製造する方法のさらに他の実施形態であり、圧電アクチュエータ素子を支持設備における円形セグメント形状の支持素子上に配置する状態を示す。
【図５Ａ】支持設備における円形セグメント形状の支持素子をカバーするカバー素子の実施形態を示す。
【図５Ｂ】支持設備における円形セグメント形状の支持素子をカバーするカバー素子の他の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
圧電アクチュエータ素子を製造する際、圧電層に導電性材料で被覆し、またこれを互いに積層する。積層体はその後材料ブロックとして圧縮する。このような材料ブロックから初期形態としてばらにした圧電アクチュエータ素子に個別化する。
【００２２】
図１は、このような個別化した後の圧電アクチュエータ素子の積層配列体１００を示す。この積層体は、互いに積み重ねた多数の圧電層３０を有する。個別の圧電層間に、導電性材料で構成した電極層１０，２０を配置する。圧電層３０、及びこれら圧電層間に配置した導電層１０，２０は、積層配列体１００の長手（縦）方向に順次積層する。
【００２３】
圧電層３０は、例えば、鉛−ジルコン−チタン（ＰＺＴ）をベースとした圧電セラミックの薄片とすることができる。導電層１０，２０は銅により形成することができる。さらに、この材料積層は、有機成分、例えばセラミック薄片３０及び金属質の内部電極ペースト内における結合剤を含む。初期本体の後処理のため、脱炭又は結合剤除去作業中に、有機成分を燃焼によってアクチュエータ素子本体から除去する。その後、当初は多孔質体として作製した積層配列体１００を焼結プロセスによって、密度の高い本体に改質する。
【００２４】
アクチュエータ素子の品質、とくに、電気的及び機械的な特性の品質のため、結合剤除去及び焼結作業中に、処理しているアクチュエータ素子全体を均一な周囲環境条件下に晒すことが重要である。さらに、どのようにしてアクチュエータ素子の各個別の積層配列体を支持設備上に積み上げ、またどのようにして複数のこれら積層配列体を結合剤除去オーブン又は焼結オーブン内に配置するかは、より大きな重要問題である。
【００２５】
図２は、支持プレートとして構成した支持設備２００を示す。支持プレート２００上で複数個の積層配列体１００を、積層配列体の長手方向が横たわるように配置する。個別の積層配列体は、収容装置３００によって保持する。収容装置３００は、支持設備２００上に配置する。収容装置には、順次互いに連結した各接触面３１０を設ける。収容装置の接触面は、例えば、三角形形状、又は互いに一列のひだ状になったジグザグ形状にする。
【００２６】
圧電アクチュエータ素子１の積層配列体１００は、その側面Ｓ１００ａを個別の収容装置３００に嵌め込む。アクチュエータ素子の側面Ｓ１００ａは、これにより収容装置の接触面３１０に接触する。接触面３１０には、開口又は穿孔部３２０を設ける。収容装置は、金属材料、例えば銅により構成し、この材料を網目状又は格子状構造にする。収容装置における各接触面３１０は、順次互いに連結した孔明け金属板により構成することができる。
【００２７】
圧電構成素子の個別の積層配列体１００を嵌合させた後、カバー装置４００を、収容装置３００から突出するアクチュエータ素子１の側面Ｓ１００ｂ上にカバー装置４００を載置する。これにより、カバー装置４００の接触面４１０は、圧電アクチュエータ素子１の積層配列体１００の側面Ｓ１００ｂに接触する。
【００２８】
カバー装置は、収容装置と同様の構成にすることができる。カバー装置は、例えば、金属材料により構成することができる。その接触面はネット状又は格子状に形成し、多数の小さい開口４２０を設ける。さらに、孔明け金属板を使用することもできる。
【００２９】
導電性内部電極層を銅で構成した圧電アクチュエータ素子の場合、収容装置３００及びカバー装置４００は、同様に銅材料を含むものとすることができる。このような銅を含む収容装置又はカバー装置によれば、結合剤除去オーブン又は焼結オーブン内で、結合剤除去又は焼結作業中、銅及び酸化銅による一定の分圧が優勢的にアクチュエータ素子の側面全体に加わる。アクチュエータ素子の側面Ｓ１００ａが収容装置の接触面に横たわり、また側面Ｓ１００ｂがカバー装置４００の接触面４１０に横たわっているため、焼結作業中に起こり得る酸素分圧の変動を安定化させることができる。
【００３０】
アクチュエータ素子の内部電極を銅から構成し、また収容装置３００又はカバー装置４００も同様に銅材料で構成するとき、結合剤除去又は焼結作業中に銅製の内部電極は、酸化の進行が最大限に阻止される。結合剤除去又は焼結オーブン内に含まれる酸素は、まず収容装置又はカバー装置の銅と反応し、したがって、酸化プロセスは、先ず収容装置及びカバー装置の接触面で生じ、積層配列体の内面における電極層には生じない。アクチュエータ素子の周囲環境における銅の量を増大するためには、支持プレート２００も銅で形成することができる。
【００３１】
個別圧電アクチュエータの層積層体の収容装置内での配置は、収容装置内に嵌合するアクチュエータ素子全体に均一な周囲環境条件が作用するように行う。このようにすると、脱炭及び焼結中の酸素分圧及び焼結中の一酸化鉛分圧が、各アクチュエータ素子の４側面全体に均一に分布する。
【００３２】
支持設備２００に配置する収容装置３００は、アクチュエータ素子１と支持設備２００の材料との間で交互作用が生ずるのを防止する。さらに、収容装置３００の接触面３１０における開口３２０、又はカバー装置４００の接触面４１０における開口４２０は、アクチュエータ素子の４側面全体に対するプロセスガスの良好かつ均一な供給を可能にする。
【００３３】
収容装置３００は、カバー装置４００に対して補完し合う形状に構成する。カバー装置４００を収容装置３００上に配置するとき、収容装置３００の接触面３１０とカバー装置４００の接触面４１０との間に圧電アクチュエータの積層配列体が嵌合できる横臥床を生ずる。この横臥床により、アクチュエータ素子のための離隔領域を生じ、この離隔領域では一定の周囲環境条件が優勢的に存在する。これにより、圧電アクチュエータ素子の各積層体１００に対して均一な不変の雰囲気を生ずる。
【００３４】
図３は、圧電アクチュエータ素子を製造する方法の他の実施形態を示す。この場合、複数の支持設備２００を準備し、これら支持設備上に圧電アクチュエータ素子を横たえて配置する。個別の圧電アクチュエータ素子を収容装置３００内に配置し、カバー装置４００でカバーする。
【００３５】
収容装置及びカバー装置における横臥床内に横たえて配置したアクチュエータ素子１を有する複数の支持設備２００は、基礎支持体６００上に互いに積層する。支持設備２００はスペーサホルダ７００によって互いに離して配置する。スペーサホルダ７００はスペーサボルトとして構成することができ、これらスペーサボルトは、個別の支持プレート２００間の間隔をとるよう作用する。
【００３６】
さらに、互いに積層した支持設備はカバー設備８００によってカバーする。カバー設備８００は、例えば、矩形断面形状の構成とする。互いに積層配列した圧電素子のカバー設備８００によるカバーは、焼結の際にも使用すべきである。脱炭の際に、有機結合剤によるクラッキング（接触分解）発生の伝播を蓋が阻止する。カバー設備８００は、好適には、銅からなる材料で構成し、焼結オーブン内の雰囲気を一層安定化させる。
【００３７】
図４は、圧電アクチュエータ積層配列体１００の製造方法、とくに、結合剤除去及び焼結のための、他の実施形態を示す。支持設備２００は、複数の円形セグメント形状の支持素子２１０を有する。支持素子は、セラミック材料、例えば、酸化アルミニウムセラミック又は酸化マグネシウムセラミックから構成し、薄い銅層で被覆することができる。
【００３８】
個別の円形セグメント形状の支持素子２１０は、結合剤除去又は焼結オーブン内に配置し、支持設備２００は閉じた円形リングの形式にする。各支持素子上にアクチュエータ素子の積層配列体を横たえて配置する。平面状のこのような円形リング形式の複数の支持設備をオーブン内に搬入する。異なる平面における個別の支持設備を、スペーサホルダ７００により互いに離して配置する。
【００３９】
結合剤除去又は焼結オーブンは丸い輪郭にし、オーブンの外側面及び／又はオーブンの中心軸線周りに発熱素子を配置し、またプロセスガス、例えば、窒素、水素、及び水蒸気を供給するための管をやはりオーブンの円筒形内部空間の外側面に配置するとき、個別アクチュエータを順次隣接させまた横たえて配置する円形セグメント形状の支持素子を使用して、各個別のアクチュエータのための均一な周囲環境を実現できる。
【００４０】
周囲環境の均一性を一層高めるため、アクチュエータ素子を、さらに、カバー素子９００でカバーすることができる。図５Ａ及び５Ｂは、異なる実施形態のカバー素子９００ａ，９００ｂ、とくに、円形セグメント形状の支持素子２１０をカバーするために使用できるカバー素子を示す。カバー素子９００ａ，９００ｂは、それぞれ上側部分９１０及び側面部分９２０を有する。
【００４１】
図５Ａに示すカバー素子９００ａの実施形態では、４個の側面部分９２０を設ける。側面部分９２０は支持素子２１０上に載置する。上側部分９１０は側面部分９２０により支持設備２００から離れて配置する。
【００４２】
図５Ｂに示すカバー素子９００ｂの実施形態では、単に２個の側面部分９２０を設け、この場合、支持素子に隣接する図５Ａに示す側面部分を省く。この実施形態では、図４に示す円形リング状の支持設備上でカバー素子が順次隣接して、ともに連続したリングをなすことができ、これは理想的な均一構成に適合する。
【符号の説明】
【００４３】
１  圧電アクチュエータ素子
１０，２０  導電層／電極層
３０  圧電材料
１００  圧電アクチュエータ素子の積層配列体
２００  支持設備
２１０  円形セグメント形状の支持素子
３００  収容装置
３１０  接触面
３２０  開口
４００  カバー装置
４１０  接触面
４２０  開口
５００  横臥床
６００  基礎支持体
７００  スペーサホルダ
８００  カバー設備
９００  カバー素子
【図１】
0005756189.tif 000002
【図２】
0005756189.tif 000003
【図３】
0005756189.tif 000004
【図４】
0005756189.tif 000005
【図５Ａ】
0005756189.tif 000006
【図５Ｂ】
0005756189.tif 000007