(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータと共に使用するための単一の取付け表面を備えている、ひずみに対して耐性のある簡単な金属面電極を提供する。【解決手段】本発明は、ひずみ耐性電極１８を形成する方法に関している。本発明のひずみ耐性電極は、上部層２８と、下部層２６と、上部層と下部層の間の電気接続を提供する１つまたは複数のコンプライアント部材３０とを備え、特に圧電スタックタイプのアクチュエータと共に使用する。上部層の表面と下部層の表面を直接接触させることにより、上部層と下部層の間にさらに電気経路を提供することができる。上部層が下部層に隣接して位置するように折り重ねられた導電性材料のシートを備えることができる。上部層の表面と下部層表面の間の接触は、一方の層がもう一方の層に対して摺動することができる。【選択図】図６
2008034855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部層（２８）と、下部層（２６）と、前記上部層（２８）と前記下部層（２６）の間の電気接続を提供する１つまたは複数のコンプライアント部材（３０）とを備え、特に圧電スタックタイプのアクチュエータと共に使用するための、ひずみ耐性電極（１８）。
【請求項２】
前記電極（１８）は、前記上部層（２８）が前記下部層（２６）に隣接して位置するように折り重ねられた導電性材料のシートを備えた、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記上部層（２８）の表面と前記下部層（２６）の表面が接触し、それによりそれらの間に電気経路が提供される、請求項２に記載の電極。
【請求項４】
前記上部層（２８）の表面と前記下部層（２６）の表面の間の前記接触は、一方の層がもう一方の層に対して摺動することができるような接触である、請求項３に記載の電極。
【請求項５】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）の各々の表面の間に潤滑材が配置されている、請求項４に記載の電極。
【請求項６】
前記上部層（２８）と下部層（２６）の間の電気経路を提供する複数の横方向のコンプライアント部材（３０）を形成するために、使用中、前記コンプライアント部材（３０）または個々のコンプライアント部材（３０）がセグメント化される、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項７】
前記電極（１８）は、縦方向の縁および横方向の縁を画定するように形状化され、単一コンプライアント部材（３０）は前記縦方向の縁に画定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項８】
第１および第２のコンプライアント部材を画定するように、前記導電性材料のシートの中心線に沿って開口（２９）が配置され、前記開口（２９）の一部が前記中心線の一方の側に配置され、前記開口の他の部分が前記中心線のもう一方の側に配置されている、請求項２から５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項９】
前記電極（１８）は、縦方向の縁および横方向の縁を画定するように形状化され、単一コンプライアント部材（３０）が前記横方向の縁に画定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１０】
前記上部層（２８）を受け取るための通路（８０）を画定するように、前記下部層（２６）の断面がＵ字形である、請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
複数のコンプライアント部材（３０）を備えている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１２】
前記複数のコンプライアント部材（３０）が複数の開口（２９）によって画定されている、請求項１１に記載の電極。
【請求項１３】
前記複数の開口（２９）は前記導電性材料のシートの中心線（４４）に沿って配置され、前記複数の開口（２９）は前記中心線（４４）に沿って互いに間隔を隔てて配置され、前記複数の開口（２９）の各々の一部は前記中心線（４４）の一方の側に配置され、前記複数の開口（２９）の各々の他の部分は前記中心線（４４）のもう一方の側に配置されている、請求項１２に記載の電極。
【請求項１４】
前記複数の開口（２９）の第１の部分と前記複数の開口（２９）の第２の部分は重畳している、請求項１２に記載の電極。
【請求項１５】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）は、前記複数の開口（２９）の両側の周りに配置された前記電極（１８）の一部によって画定されている、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１６】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）は、前記複数の開口（２９）の一方の側に積重ねられた前記導電性材料の一部によって画定されている、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電極。
【請求項１７】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）は、概ね前記電極（１８）の前記中心線（４４）に沿って互いに上下に縦方向に配置され、かつ、前記複数の開口（２９）の両側に並んでいる、請求項１２に記載の電極。
【請求項１８】
圧電セラミック層のスタックと内部電極とを備え、かつ請求項１から１７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの外部電極を支えている、圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
導電性材料のシートを提供するステップと、上部層（２８）、下部層（２６）、および上部層（２８）と下部層（２６）の間の電気経路を提供するコンプライアント部材（３０）を画定するために、前記導電性材料のシートを自らの上に折り重ねるステップとを含む、ひずみ耐性電極を製造する方法。
【請求項２０】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）を、それらの個々の表面（３２、３４）が互いに直接接触して位置するように配置するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記上部層（２８）および前記下部層（２６）の前記表面（３２、３４）のいずれか一方または各々に潤滑材を加えるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
複数のコンプライアント部材（３０）を画定するように、前記導電性材料のシートに１つまたは複数の開口（２９）を形成するステップを含む、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記開口（２９）または個々の開口（２９）は、前記導電性材料のシートの中心線（４４）に沿って形成され、前記開口（２９）または個々の開口（２９）の一部が前記中心線の一方の側に配置され、前記開口（２９）または個々の開口（２９）の他の部分が前記中心線のもう一方の側に配置される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記開口（２９）または個々の開口（２９）は、前記導電性材料のシートの横方向の縁に実質的に平行に形成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記開口（２９）または個々の開口（２９）の第１の部分と前記開口（２９）または個々の開口（２９）の第２の部分が重畳するように配置するために、前記導電性材料のシートを折り重ねるステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記電極（１８）を使用している間、単一コンプライアント部材から複数のコンプライアント部材（３０）を形成するステップを含む、請求項１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記折重ねステップは、前記複数の開口の形成に先立って、前記導電性材料のシートを実質的に円筒状の形に形成するステップを含む、請求項１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極、特に圧電アクチュエータに使用するために適した電極に関する。特に、本発明は、使用中における圧電アクチュエータの周期的な膨張および収縮によって生じるひずみに対する弾性エネルギーが改善された圧電アクチュエータのための電極に関する。また、本発明は、ひずみ耐性電極などの圧電アクチュエータ軸受およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは、圧電セラミック素子の積層シートまたは層のスタックを備えている。圧電セラミック素子またはそれらの電極は交互に配置されており、スタックの両側に交互の電極部分が配置されている。圧電材料のスタックを駆動するために、電気エネルギーが極性毎に共通電極を介してスタック内で分配される。圧電材料のスタックは、極性が交互する多くの内部電極層を有している。これらの交互層には、これらの交互層に電気的に終端されている共通電極への信頼性の高い電気接続が必要である。スタックの両側の共通電極は、スタックを駆動するために電圧を分配することになる。
【０００３】
スタックを駆動している間、スタック自体が膨張および収縮することになり、したがって圧電アクチュエータは、駆動電圧がかけられたとき正確な駆動範囲を提供するように設計することができるため、車両内の制御弁または燃料噴射弁を駆動するために使用される。したがって、スタックの両側に配置された共通電極は、電気接続を中断することなく、弾性伸長および収縮を数多く反復することができなければならない。
【０００４】
現在使用されている共通電極機能のための電極には、スタックへの複雑な複数の接続を有する導電性重合体電極または金属電極が使用されている。重合体は、圧電材料を使用して、ひずみが約０．１５％の高いサイクルレートで電極を運動させることができる弾性特性を有している。適切な導電性重合体は、互いに無作為に接触して電流を流すことができる金属粒子を有している。しかしながら、金属粒子が使用されているため、導電性重合体の単位面積当たりのコンダクタンスは、錬金属電極より小さい。したがって、接続点または微小断面積では、互いに接触する金属粒子の数が制限されるため、局部過熱が引き起こされる可能性がある。それに対して、錬金属電極は、はんだ付けまたはスポット溶接などの普通の接続技術を使用して低接触抵抗で接続することができるため、一般的には優れた導体である。また、錬金属電極は、圧電スタックで使用される高い周波数または電流変化で卓越した特性を有している。さらに、これらの金属電極によって生成される抵抗加熱は、一般的な圧電スタックの動作条件の下では最小である。
【０００５】
しかしながら、錬金属側電極を圧電アクチュエータに使用する場合の大きな欠点は２つあり、すなわち、ｉ）単純な設計では、スタック駆動の周期的なひずみを、亀裂を生じることなく処理することができず、ｉｉ）複雑な設計では、ひずみを処理することはできるが、スタックに結合される複数の取付けポイントおよび／または表面がある。
【特許文献１】米国特許第６４６４１４９号
【特許文献２】米国特許第６９４０２１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、圧電アクチュエータと共に使用するための単一の取付け表面を備えた、ひずみに対して耐性のある簡単な金属側電極が提供されることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の背景に対して、本発明により、上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気接続を提供する１つまたは複数のコンプライアント部材とを備える、特に圧電スタックタイプアクチュエータと共に使用するための、ひずみ耐性電極が提供される。
【０００８】
したがって、本発明によれば、一方の層をたとえばスタックタイプ圧電アクチュエータの表面に結合することができ、もう一方の層を電力源に接続することができる電極が提供される。結合された層に生じる、層が接着される表面の膨張および収縮に起因するあらゆる亀裂が、上部層と下部層の間に信頼性の高い電気接続を提供するコンプライアント部材または個々のコンプライアント部材によって抑制される。さらに、コンプライアント部材または個々のコンプライアント部材は、上部層と下部層の間の相対運動を吸収するように働く。
【０００９】
一実施形態では、電極は、上部層と下部層が隣接して位置するように折り重ねられた導電性材料のシートを備えることができる。このシートは、上部層と下部層が接触しないように折り重ねることができるが、一実施形態では、上部層の表面と下部層の表面が接触するように折り重ねられており、したがって、それらの間に、コンプライアント部材によって提供される電気経路以外の電気経路を提供する。表面と表面の間の接触は、一方の層がもう一方の層に対して摺動することができるような接触であることが好ましい。相対運動を容易にするために、表面に潤滑材を加えることができる。潤滑材は、グラファイトコーティングまたは粉末などの乾燥した、導電性の潤滑材であることが好ましい。
【００１０】
一実施形態では、電極は、縦方向の縁、つまりシートの折り目に形成された単一のコンプライアント部材を備えることができる。この単一コンプライアント部材は、使用中、上部層と下部層の間に電気経路を提供する複数の横方向のコンプライアント部材を画定する亀裂を電極に生成するセグメントに分割することができる。
【００１１】
他の実施形態では、シートが縦方向に折り重ねられるよう、横方向の縁に単一コンプライアント部材が画定されている。この実施形態では、下部層は、シートを折り重ねる際に、下部層の上に向かって曲がった壁が上部層を受け取るよう、Ｕ字形の断面または同様のくぼみを備えることができる。したがって壁は、２つの層が相対運動している間、上部層に案内を提供している。
【００１２】
他の実施形態では、電極は、導電性シート中の対応する複数の開口によって画定することができる複数のコンプライアント部材を備えている。
導電性シートは、複数の開口の一部と複数の開口の第２の部分が重畳するように折り重ねることができる。また、上部層および下部層は、複数の開口の両側の周りに配置された電極の一部によって画定することができる。
【００１３】
別法としては、上部層および下部層は、複数の開口の一方の側に積重ねられた導電性材料の一部によって画定することも可能である。
さらに別法として、上部層および下部層は、概ね電極の中心線に沿って互いに上下に縦方向に配置され、両側に複数の開口が並んでいる。
【００１４】
一実施形態では、導電性材料のシートの中心線に沿って複数の開口が配置され、かつ、中心線に沿って互いに間隔を隔てている。複数の開口の各々の一部は、中心線の一方の側に配置され、複数の開口の各々の他の部分は、中心線のもう一方の側に配置されている。このような構造により、動作中、高圧流体室、たとえば燃料室に収納される圧電アクチュエータに印加されるような圧縮荷重に対してより弾力性のある電極が提供される。代替として、開口の両端にコンプライアント部材を画定するために、中心線に沿って画定された単一の開口を存在させることも可能である。
【００１５】
他の態様によれば、本発明により、圧電セラミック層のスタックを備え、かつ、上で説明した構成の少なくとも１つの外部電極を支えた圧電アクチュエータが提供される。
他の態様によれば、本発明により、導電性材料のシートを提供するステップと、上部層および下部層ならびにそれらの間に電気経路を提供するコンプライアント部材を画定するために、導電性材料のシートを自らの上に折り重ねるステップとを含む、ひずみ耐性電極を製造する方法が提供される。
【００１６】
上部層と下部層の間の有効な電気接続を提供するために、前記層は、それらの表面が互いに直接接触して位置するように配置することができ、それにより電気経路が提供される。前記表面と表面の間の摺動を容易にするために、この方法は、グラファイトなどの導電性潤滑材であることが好ましい潤滑材を表面に加えるステップを含むことができる。
【００１７】
一実施形態では、この方法には、複数のコンプライアント部材を画定するように、導電性材料のシートに１つまたは複数の開口を形成するステップが含まれる。
１つまたは複数の開口は、導電性材料のシートの中心線に沿って間隔を隔てて形成することができ、開口または個々の開口の一部が中心線の一方の側に配置され、開口または個々の開口の他の部分が中心線のもう一方の側に配置される。
【００１８】
代替実施形態では、１つまたは複数の開口は、導電性材料のシートの横方向の縁に実質的に平行に形成することができる。この実施形態では、開口または個々の開口の第１の部分と、開口または個々の開口の第２の部分が重畳するようにシートを折り重ねることができる。
【００１９】
一実施形態では、この方法には、上で言及したように、単一のコンプライアント部材から複数のコンプライアント部材を形成するステップを含むことができる。この実施形態では、使用中、電極を取り付けることができる圧電デバイスの膨張および収縮によってコンプライアンス部材に亀裂が入り、それにより部材が複数の部材にセグメント化される。
【００２０】
他の実施形態では、折重ねステップに、複数の開口の形成に先立って、導電性材料のシートを実質的に円筒状の形に形成するステップが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１を参照すると、本発明の一例示的実施形態に従って構築された多層圧電アクチュエータ１０が示されている。圧電アクチュエータ１０は、圧電セラミック材料の焼結膜または層１４のスタック１２を備えている。層１４と層１４の間には、複数の内部挿入金属電極１６が配置されている。内部挿入金属電極１６の各々は、交互に逆の方向にスタックから展開し、一対の外部電極１８に並列に電気接続されたリード線を有している。図には、本発明による長方形構成の例示的実施形態が示されているが、様々なアクチュエータ形状（たとえば円形、正方形、三角形など）と共に使用することが企図されており、アクチュエータの形状は、最終的にはアクチュエータが使用される環境によって決まる。圧電スタックの非制限の実施例および／またはそのアプリケーションについては、それぞれ参照によりその内容が本明細書に組み込まれている、米国特許第６４６４１４９号および第６９４０２１３号を参照されたい。
【００２２】
導電体２０は、外部電極に電気的に終端されている。この電気的終端は、適切な任意のプロセスによって提供され、非制限の実施例には、はんだ付け、溶接などがある。電極に電圧が印加されると、スタックは、矢印２２の方向に膨張する。対応する出力の交流電圧が印加されると、スタックは、電圧の変化に応じて膨張運動および収縮運動を実行する。
【００２３】
圧電アクチュエータが膨張および収縮を繰り返すと、最終的には、圧電アクチュエータの層のセラミック材料にわずかに亀裂が生じる。上で説明したように、これらの亀裂は、同じく、スタックの側面の亀裂表面部分に堅固に固定された電極を介して展開することになるため、問題である。したがって、電極との終端が切断されているため、内部電極のリード線のいくつかは、場合によっては電圧が印加されなくなる。
【００２４】
本発明の一例示的実施形態によれば、ひずみ耐性電極が提供される。本発明の例示的実施形態による、ひずみ耐性電極は、錬金属電極に見られる欠点に対処することができ、また、圧電アクチュエータの膨張および収縮によって形成される亀裂に対処することができる。
【００２５】
本発明の例示的実施形態によれば、層状電極設計が提供され、電極の第１の部分または下部層の一部が内部金属電極のリード線に直接固着され、圧電スタックを駆動している間、第１の部分または下部層のその部分の亀裂が許容される。しかしながら、スタック上の個々の亀裂セグメントの電気接触は、損傷していない共通頂部電極層とのコンプライアント接触および／またはすべり接触を介して維持される。一例示的実施形態によれば、頂部層は、底部層の周期的なひずみにさらされないため、下部層が破壊しても頂部層に亀裂が入ることはない。
【００２６】
次に図２〜５を参照すると、ひずみ耐性電極の一例示的実施形態が示されている。図２〜５では、電極１８は、導電性金属（たとえば鋼、銅、ニッケル、インバー、合金など（これらおよびこれらの均等物のクラッドの組合せを含む））のシート２４を備えている。シート２４は、下部層２６および上部層２８を画定するために、自らの上に折り重ねられている。非制限の一実施例では、電極は、金属シートを折り重ねることによって形成された２つの層からなっている。非制限の一例示的実施形態では、金属シートの厚さは約０．００２インチ（約５０マイクロメートル）である。一例示的実施形態によれば、下部層２６は、下部層２６を内部電極のリード線に固着する結合プロセスを介して内部電極のリード線に電気的に終端されている。また、シート２４は、上部層を下部層の上に折り重ねる際に、複数のコンプライアント部材３０が画定されるよう、複数の開口またはひずみ解放スロット２９を有するように切り欠かれている。
【００２７】
非制限の一例示的実施形態では、放電加工プロセス（ＥＤＭ）によって導電性材料のシートに複数のスロットが形成されている。当然、適切な他の任意の製造プロセスを使用して複数のスロットを形成することができ、非制限の他の実施例には、穴抜き、打抜き、切削などのプロセスおよびそれらと均等のプロセスが含まれる。
【００２８】
一例示的実施形態によれば、コンプライアント部材３０を画定している開口は、折重ねプロセスの後に切り欠くことができ、開口は、電極の幅全体の約２／３だけ内側に展開している、縦方向に折り重なった縁に切り欠かれる。電極の幅の２／３より長い長さ、あるいは２／３より短い長さも、本発明の例示的実施形態の範囲内であることが企図されていることを理解されたい。コンプライアント接続または部材３０の切欠き／形成は、金属を折り重ねて厚さが２倍の条片を形成する前または形成した後に実施することができる。
【００２９】
したがって、図３〜５に示す折重ね構造の場合、上部層が、コンプライアント部材を介して下部層と電気的に接触し、かつ、上部層２８の非切欠き表面３２の間の界面接触によって下部層と電気的に接触すると、下部層２６の第２の非切欠き表面３４と接触する。
【００３０】
例示的実施形態は、下部層とスタックの間の強力な結合によって生じる亀裂の悪影響を抑制することができるため、金属側電極の下部層は、図５に示すように、可能な限り強力な結合強度でスタックの分厚い金属膜領域にはんだ付けまたは結合されている。図５には、下部層と内部電極のリード線の間に配置された結合材料３８が示されている。結合層３８のために使用される方法の非制限の実施例は、はんだ付け、ろう付け、溶接または導電性エポキシの使用である。
【００３１】
図に示すように、底部層は、分厚い金属膜領域のスタックに結合されている。図２および５Ａに示すように、デバイスが反復駆動している間、亀裂４０は、底部層２６を介してのみ進行する。しかしながら、一例示的実施形態によれば、図４および５Ａに示す頂部層２８は、高度にコンプライアントな金属セグメントまたはコンプライアント部材３０を介して下部層に接続されているだけであるため、頂部層２８には亀裂は入らない。また、表面３２と３４の間には直接的な結合が存在しないため、上部層は下部層に対して自由に運動することができるが、これらの２つの層は直接接触しているため、２つの表面の間の電気経路は可能である。したがって、セグメントまたはコンプライアント部材３０はスタックに結合されていないため、上部層には亀裂は入らない。したがって、コンプライアントセグメントならびに表面３２と表面３４の接触を介して機械的／電気的に底部層に接続されている頂部層によって、底部層のあらゆる亀裂を電気的に橋絡することができる。図２〜５に示すこの設計または実施形態は、上部表面２８およびコンプライアント部材３０が自由に運動する際に、矢印４２の方向の大きな正規圧縮荷重を受けない側電極１８に適している。高い静水圧を備えた容器中におけるアクチュエータの使用は、矢印４２の方向の力を提供する環境の一例である。図６〜１７および２３〜２６は、上部表面が自由に運動する際に矢印４２の方向の静水圧または正規圧縮荷重が提供される環境で使用するために企図された設計を示したものである。
【００３２】
図６〜９を参照すると、本発明による他の代替例示的実施形態が示されている。図６〜９では、電極１８は、上部層２８および下部層２６を生成するために、導電性材料のシート２４を線４４に沿って自らの上に折り重ねることによって形成されており、また、単一コンプライアント部材３０が提供されている。単一コンプライアント部材３０は、電極の長さ全体にわたっており、下部層２６がアクチュエータに結合され、コンプライアント部材３０はアクチュエータに結合されていない。周期的なひずみによって層２６に亀裂４０が入り、セクション３０の中へ展開して、層２６中の亀裂が入ったセグメントと亀裂が入っていない頂部層２８の間の電気連絡を維持する複数のコンプライアント金属電気接続が生成される。また、表面２８と２６の間には直接的な結合が存在しないため、下部層に対する上部層の自由な運動が提供されている。これらの２つの層の間に直接的な接触が存在している場合、表面２８と２６の間に、層２６に形成される亀裂を同じく電気的に橋絡する冗長電気経路が可能である。
【００３３】
一例示的実施形態によれば、この設計は、ひずみ耐性電極１８を適用している間、矢印４２の方向の正規圧縮荷重が上部層に存在する環境で使用するために適している。
次に図１０〜１３を参照すると、本発明による他の代替例示的実施形態が示されている。図１０〜１３では、電極１８は、上部層２８および下部層２６を生成するために、導電性材料のシート２４を線４４に沿って自らの上に折り重ねることによって形成されており、下部層がアクチュエータに結合されている。前述の実施形態の場合と同様、結果として生じるあらゆる亀裂４０（図１０にダッシュ線で示されている）が層２６に入るが、コンプライアントセクション３０（亀裂が入って連続性を維持することができる）および表面３２、３４が層２６と２８の間の電気接続を提供し続けるため、内部電極のリード線の両端間の電気接続が維持される。
【００３４】
この実施形態によれば、上部層および下部層は、電極材料のシートに縦方向に切り欠かれたスロットまたは開口２９によって形成されたセグメント３０を介して互いに接続されている。この実施形態では、スロットまたは開口は、図２〜５に示す実施形態の開口とは異なり、線４４に沿ったより長い長さを有している。前述の実施形態の場合と同様、スタックに結合されているのは、底部条片２６の一方の側のみであり、頂部条片２８は、結合された条片に比較的自由に押し付けられる。したがって頂部条片は、２つの層（たとえば表面３２と３４）の間の界面接触圧のため、底部層または条片のあらゆる亀裂を物理的および電気的に橋絡することができる。動作中、底部層は、アクチュエータが駆動されている間、スタックと共に運動することができ、一方、頂部層は、より小さい運動に遭遇する。また、乾燥した導電性潤滑材（たとえばグラファイト）を上部層と下部層の対向する面の表面領域と表面領域の間に配置することにより、表面３２と３４の間の界面の摩擦を小さくすることができる。別法としては、電極材料を選択することによってこの摩擦の抑制を促進することができ、あるいは電極材料の選択と導電性潤滑材を組み合わせることによって摩擦を小さくすることができる。
【００３５】
さらに他の代替例示的実施形態では、連続するスロット２９が電極材料のシートの中央に切り欠かれた平らな条片から、折り重ねられた共通電極を形成することができる。図１０のダッシュ線はこれを示したもので、この実施形態では、下部層に結合するための位置に条片層を維持するために、スロット部分で条片を折り重ね、電極およびスロットの端部に一対のタブまたはコンプライアント部材を配置することができる。この設計も、電極の上部層に矢印４２の方向から印加される圧縮荷重に対して、より強力な耐性を有している。
【００３６】
次に図１４〜１７を参照すると、本発明によるさらに他の代替例示的実施形態が示されている。図１４〜１７では、電極１８は、上部層２８および下部層２６を生成するために、導電性材料のシート２４を線４４に沿って自らの上に折り重ねることによって形成されており、線４４は、導電性表面の短い方の幅を横切っている。この場合も、前述の実施形態の場合と同様、下部層がアクチュエータに結合されており、結果として生じるあらゆる亀裂４０が入るのは層２６のみであり、表面３２および３４の両端間の電気接続が維持されるため、層２６と２８の間の電気接続の提供が維持される。図１４〜１７では、コンプライアントセクションは、導電性材料の最も短い幅に対応する電極の一方の端部に形成され、層２６および２８の反対側の端部は、互いに固定されていない。
【００３７】
複数の亀裂が底部層に入っても、２つの層と層の間の摺動界面における電気接触が維持される。この実施形態では、層と層の間の取付けは、応力およびひずみへの露出量が最も少ない電極の端部のみになる。さらに、電極への終端接続に同じ位置を使用することができる。この設計は、側電極に極端な圧縮荷重（たとえば矢印４２の方向の荷重）がかかる場合にとりわけ適している。
【００３８】
次に図１８〜２２を参照すると、本発明による他の代替例示的実施形態が示されている。図１８〜２２では、電極１８は、上部層および下部層の外縁に沿って配置された複数のコンプライアント部材３０を有するように構成されており、上部層および下部層は、それぞれ中心に配置された条片７０、７２を有するように構成されている。この実施形態では、導電性金属の外縁に解放スロット２９を切り欠くまたは形成する前に、導電性金属のシートが円筒状の形に形成される（図１８および１９）。次に、円筒が平らにされ、上部層２８が下部層２６に向かって押し付けられてコンプライアント部材の幅が広くなる。前述の実施形態の場合と同様、スタックに結合されるのは下部層のみであり、上部層は、下部層に対して自由に運動する。また、複数のコンプライアント部材によって、上部層と下部層の間に導電経路が提供される。ここで、円筒状の形であることが好ましいが、長方形および楕円形などの他の形も企図されていることを理解されたい。
【００３９】
また、一例示的実施形態によれば、コンプライアント部材は、互いに交互する構造を有するように構成されている。したがって、千鳥形のコンプライアント部材が上部固体条片電極および下部固体条片電極の両側に提供され、また、図２〜５に示すような中心を外れた配置とは異なり、圧電スタックに結合されるスタック上の金属表面は中心に位置している。さらに、スタック内の内部電極へのこの側電極の結合も同じく底部条片に限定されており、電極の亀裂およびセグメント化が期待される。コンプライアント部材の数の増加および千鳥形配置により、下部電極条片の複数の横方向の亀裂がコンプライアント部材を特定の下部電極セグメントから電気的に絶縁する確率が小さくなる。コンプライアント部材は、同じく底部電極の亀裂が入ったセグメントを上部条片に物理的および電気的に橋絡している。頂部電極条片は、圧電スタックを駆動している間に生じる周期的なひずみからコンプライアント部材によって減結合される電気バスとして働く。
【００４０】
次に図２３〜２６を参照すると、本発明による他の代替例示的実施形態が示されている。図２３〜２６では、電極１８は、「Ｕ」字形の開口または通路８０が中に配置された、より大きい下部層を有するように構成されている。上部層２８は、下部層２６の幅より狭い幅を有するように構成されており、また、上部層２８は、上部層２８が下部層２６に折り重ねられる際に、開口８０内に受け取られるように構成されている。また、「Ｕ」字形開口または通路８０は、開口８０の長さに沿って展開している一対の側壁８２を有することができる。
【００４１】
この実施形態では、側壁は、圧電スタックを駆動している間、頂部電極条片（たとえば層２８）の運動と底部電極（たとえば層２６）の整列を誘導し、かつ、維持する。頂部電極条片は静止バスとして作用し、底部電極条片はスタックと共に運動し、その結果として横方向の亀裂が入ってもよい。この設計は、側電極に極端な圧縮荷重（たとえば矢印４２の方向の荷重）がかかる場合にとりわけ適している。
【００４２】
この構造の追加利点は、アセンブリの間（たとえば層２８を開口８０に折り重ねている間）および駆動している間（たとえば層２８ではなく層２６が周期運動している間）、電極が自己整列することである。また、スタックの寿命の間、上部層２８と下部層２６の間の全面的な電気接触が維持される。これは、Ｕ字形開口８０の３つの表面（底部表面および側壁の表面）によって提供される。これにより、スタックに亀裂が入ることによってスタックの不整列が促進され、最終的には、周期的なひずみを許容することができない内部電極の故障に到る点で、圧電スタック自体の耐久性にいくつかの追加利点が提供される。
【００４３】
以上、本発明について、例示的実施形態を参照して説明したが、特許請求の範囲の各請求項によって定義されている本発明の範囲を逸脱することなく、本発明に様々な変更を加えることができ、また、均等物を本発明の構成要素の代わりに使用することができることは当業者には理解されよう。また、特定の状況または材料を本発明による教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく多くの改変を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図された最良のモードとして開示した特定の実施形態に限定されず、本発明は、本出願の範囲の範疇に属するあらゆる実施形態を包含することが意図されている。
【００４４】
以下、本発明について、様々な態様および好ましい実施形態について記述した一連の文節によって説明する。
第１の態様では、本発明により、上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を提供する複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、上部層と下部層の間の電気経路を提供するために、上部層の表面と下部層の表面が直接接触している、ひずみ耐性電極が提供される。その結果、上部層の膨張および収縮を伴うことなく、下部層のアクチュエータ膨張および収縮が可能である。
【００４５】
好ましくは、ひずみ耐性電極は、複数の開口を導電性材料のシートに切り欠き、かつ、導電性材料のシートを折り重ねることによって形成され、したがって、複数の開口の両側の周りに配置された導電性材料の一部によって上部層および下部層が画定されるよう、複数の開口の第１の部分と複数の開口の第２の部分が重畳する。
【００４６】
好ましくは、複数のコンプライアント部材は、複数の開口によって画定される。
一実施形態では、ひずみ耐性電極は、導電性材料のシートから形成することができ、複数のコンプライアント部材は、導電性材料のシートの中心線に沿った複数の開口によって画定される。複数の開口は、中心線に沿って互いに間隔を隔てて配置され、複数の開口の各々の一部は、中心線の一方の側に配置され、複数の開口の各々の他の部分は、中心線のもう一方の側に配置される。
【００４７】
他の実施形態では、上部層および下部層は、複数の縦方向の開口の一方の側に積重ねられた導電性材料の一部によって画定することができ、複数のコンプライアント部材は、複数の開口によって画定される。
【００４８】
他の実施形態では、ひずみ耐性電極は、複数の開口を導電性材料のシートに切り欠くことによって形成することができる。導電性材料のシートの形状は長方形であり、また、複数の開口は、導電性材料のシートの幅に対して実質的に平行である。この実施形態では、導電性材料のシートの幅は、導電性材料のシートの長さより実質的に短いことが好ましい。
【００４９】
本発明の他の態様では、上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を提供する、一方の端部の単一コンプライアント部材とを備え、上部層と下部層の間の電気経路を提供するために、上部層の表面と下部層の表面が直接接触している、ひずみ耐性電極が提供される。
【００５０】
他の態様では、本発明により、圧電セラミック層のスタックと、複数の内部金属電極であって、内部金属電極の各々が、圧電セラミック層のスタックの両側に交互に逆方向に圧電セラミック層のスタックから外部に展開しているリード線を有する複数の内部金属電極と、圧電セラミック層のスタックの一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第１の外部電極と、圧電セラミック層のスタックのもう一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第２の外部電極とを備え、第１の外部電極および第２の外部電極が、それぞれ上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を提供する複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、上部層と下部層の間の電気経路を提供するために、上部層の表面と下部層の表面が直接接触している圧電アクチュエータが提供される。この構成により、上部層の膨張および収縮を伴うことなく、下部層の膨張および収縮が可能である。
【００５１】
好ましくは、第１および第２の外部電極は、複数の開口を導電性材料のシートに切り欠き、かつ、導電性材料のシートを折り重ねることによって形成することができ、したがって複数の開口の第１の部分と複数の開口の第２の部分が重畳する。第１および第２の外部電極の上部層および下部層は、複数の開口の両側の周りに配置された導電性材料の一部によって上部層および下部層が画定される。
【００５２】
好ましくは、第１および第２の外部電極の複数のコンプライアント部材は、複数の開口によって画定することができる。
一実施形態では、第１および第２の外部電極は、導電性材料のシートから形成することができ、複数のコンプライアント部材は、導電性材料のシートの中心線に沿った複数の開口によって画定することができる。複数の開口は、中心線に沿って互いに間隔を隔てて配置され、複数の開口の各々の一部は、中心線の一方の側に配置され、複数の開口の各々の他の部分は、中心線のもう一方の側に配置される。
【００５３】
この実施形態では、好ましくは、第１および第２の外部電極の上部層および下部層は、複数の開口の一方の側に積重ねられた導電性材料のシートの一部によって画定され、複数のコンプライアント部材は、複数の開口によって画定することができる。
【００５４】
好ましくは、第１および第２の外部電極は、電極の一方の端部で接続することができ、電極は長方形の形状を有している。また、この実施形態では、導電性材料のシートの幅は、導電性材料のシートの長さより実質的に短いことが好ましい。
【００５５】
他の態様では、本発明により、ひずみ耐性電極を製造するための方法が提供される。この方法には、複数のスロットを導電性材料のシートに切り欠くステップと、上部層および下部層を画定するために、導電性材料のシートを自らの上に折り重ねるステップが含まれている。複数のスロットによって複数のコンプライアント部材が画定され、それらの各々によって、上部層と下部層の間の電気連絡が提供される。導電性材料のシートが自らの上に折り重ねられると、上部層の表面と下部層の表面が直接接触する。下部層に入るあらゆる亀裂は、複数のコンプライアント部材および／または下部層の表面と上部層の表面の間の直接接触によって橋絡される。このようにして製造された電極により、上部層の膨張および収縮を伴うことなく、下部層の膨張および収縮が可能である。したがって、上部層と下部層の間の運動は、実質的に独立している。
【００５６】
一実施形態では、好ましくは、導電性材料のシートは、複数のスロットの第１の部分と複数のスロットの第２の部分が重畳するように折り重ねられ、上部層および下部層は、複数のスロットの両側の周りに配置された導電性材料のシートの一部によって画定される。
【００５７】
他の実施形態では、導電性シートは、複数のスロットが導電性材料のシートの中心線に沿って配置されるように形成される。複数のスロットは、中心線に沿って互いに間隔を隔てて配置され、複数のスロットの各々の一部が中心線の一方の側に配置され、複数のスロットの各々の他の部分が中心線のもう一方の側に配置される。
【００５８】
他の態様では、本発明により、上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を上部層と下部層の間の電気経路を介して提供する複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、複数の横方向のコンプライアント部材によってのみ電気経路が提供される、ひずみ耐性電極が提供される。
【００５９】
他の態様では、本発明により、上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を提供する単一コンプライアント部材と、単一コンプライアント部材から形成される複数の横方向のコンプライアント部材であって、複数の横方向のコンプライアント部材が、単一コンプライアント部材をセグメント化している間に形成される複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、単一コンプライアント部材のセグメント化が、単一コンプライアント部材が周期的に膨張および収縮している間に生じ、複数の横方向のコンプライアント部材によって、上部層と下部層の間の電気連絡が提供され、上部層の表面と下部層の表面が直接接触することにより、上部層と下部層の間に電気経路が提供される、ひずみ耐性電極が提供される。
【００６０】
他の態様では、本発明により、圧電セラミック層のスタックと、複数の内部金属電極であって、内部金属電極の各々が、圧電セラミック層のスタックの両側に交互に逆方向に圧電セラミック層のスタックから外部に展開しているリード線を有する複数の内部金属電極と、圧電セラミック層のスタックの一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第１の外部電極と、圧電セラミック層のスタックのもう一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第２の外部電極とを備え、第１の外部電極および第２の外部電極が、それぞれ上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を上部層と下部層の間の電気経路を介して提供する複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、複数の横方向のコンプライアント部材によってのみ電気経路が提供される圧電アクチュエータが提供される。
【００６１】
他の態様では、本発明により、圧電セラミック層のスタックと、複数の内部金属電極であって、内部金属電極の各々が、圧電セラミック層のスタックの両側に交互に逆方向に圧電セラミック層のスタックから外部に順次展開しているリード線を有する複数の内部金属電極と、圧電セラミック層のスタックの一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第１の外部電極と、圧電セラミック層のスタックのもう一方の側から外部に展開している内部金属電極のリード線に電気接続された第２の外部電極とを備え、第１の外部電極および第２の外部電極が、それぞれ上部層と、下部層と、上部層と下部層の間の電気連絡を提供する単一コンプライアント部材と、単一コンプライアント部材から形成される複数の横方向のコンプライアント部材であって、複数の横方向のコンプライアント部材が、単一コンプライアント部材をセグメント化している間に形成される複数の横方向のコンプライアント部材とを備え、単一コンプライアント部材のセグメント化が、単一コンプライアント部材が周期的に膨張および収縮している間に生じ、複数の横方向のコンプライアント部材によって、上部層と下部層の間の電気連絡が提供され、上部層の表面と下部層の表面が直接接触することにより、上部層と下部層の間に電気経路が提供される圧電アクチュエータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一例示的実施形態に従って構築されている、ひずみ耐性電極を備えた圧電アクチュエータの斜視図である。
【図２】本発明の例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図３】本発明の例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図４】図３の線４−４に沿った図である。
【図５】図５は本発明の例示的実施形態に従って構築された一対の電極を備えた圧電アクチュエータの端面図である。
【００６３】
図５ａは図５の一部の拡大図である。
【図６】本発明の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図７】本発明の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図８】図７の線８−８に沿った図である。
【図９】図６〜８に示す代替例示的実施形態に従って構築された一対の電極を備えた圧電アクチュエータの端面図である。
【図１０】本発明の他の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図１１】本発明の他の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図１２】図１１の線１２−１２に沿った図である。
【図１３】図１０〜１２に示す代替例示的実施形態に従って構築された一対の電極を備えた圧電アクチュエータの端面図である。
【図１４】本発明の他の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図１５】本発明の他の代替例示的実施形態に従って構築された電極を示す図である。
【図１６】図１５の線１６−１６に沿った図である。
【図１７】図１４〜１６に示す代替例示的実施形態に従って構築された一対の電極を備えた圧電アクチュエータの端面図である。
【図１８】本発明の他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図１９】本発明の他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２１】本発明の他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２２】本発明の他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２３】本発明のさらに他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２４】本発明のさらに他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２５】本発明のさらに他の代替例示的実施形態を示す図である。
【図２６】本発明のさらに他の代替例示的実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  圧電アクチュエータ
１２  スタック
１４  層
１６  内部挿入金属電極
１８  外部電極（側電極）
２０  導電体
２２  スタックが膨張する方向
２４  シート
２６  下部層（底部層、表面、底部条片）
２８  上部層（頂部層、上部表面、表面、頂部条片）
２９  開口（ひずみ解放スロット）
３０  コンプライアント部材（セクション）
３２  上部層の非切欠き表面
３４  下部層の非切欠き表面
３８  結合材料（結合層）
４０  亀裂
４２  正規圧縮荷重の方向
４４  導電性材料のシートを折り重ねる線（中心線）
７０、７２  条片
８０  開口（通路）
８２  側壁
【図１】
2008034855.tif 000003
【図２】
2008034855.tif 000004
【図３】
2008034855.tif 000005
【図４】
2008034855.tif 000006
【図５】
2008034855.tif 000007
【図６】
2008034855.tif 000008
【図７】
2008034855.tif 000009
【図８】
2008034855.tif 000010
【図９】
2008034855.tif 000011
【図１０】
2008034855.tif 000012
【図１１】
2008034855.tif 000013
【図１２】
2008034855.tif 000014
【図１３】
2008034855.tif 000015
【図１４】
2008034855.tif 000016
【図１５】
2008034855.tif 000017
【図１６】
2008034855.tif 000018
【図１７】
2008034855.tif 000019
【図１８】
2008034855.tif 000020
【図１９】
2008034855.tif 000021
【図２０】
2008034855.tif 000022
【図２１】
2008034855.tif 000023
【図２２】
2008034855.tif 000024
【図２３】
2008034855.tif 000025
【図２４】
2008034855.tif 000026
【図２５】
2008034855.tif 000027
【図２６】
2008034855.tif 000028
【外国語明細書】
2008034855000001.pdf