(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の燃料噴射器に使用するのに適した圧電アクチュエータを製造する方法を提供する。【解決手段】方法は、複数のシートであって、高誘電率領域１５４と高誘電率領域１５４に隣接した少なくとも２つの低誘電率領域１５６とをそれぞれ含むシート１５８を提供する工程と、高誘電率領域１５４の上に重ね、かつ少なくとも１つの低誘電率領域１５６を露出したままにするように、２つ以上のシート１５８のそれぞれ１つに少なくとも１つの導電性領域１６０を適用する工程と、アクチュエータスタックを形成するため、シート１５８を積み重ねる工程であって、その際、シート１５８それぞれの上の導電性領域１６０またはそのそれぞれを、アクチュエータスタック内の異なるシート１５８上の導電性領域１６０に対してずらす工程とを含む。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシート（１５８）であって、高誘電率領域（１５４）と前記高誘電率領域（１５４）に隣接した少なくとも２つの低誘電率領域（１５６）とをそれぞれ含むシート（１５８）を提供する工程と、
前記高誘電率領域（１５４）の上に重ね、かつ少なくとも１つの前記低誘電率領域（１５６）を露出したままにするように、２つ以上の前記シート（１５８）のそれぞれ１つに少なくとも１つの導電性領域（１６０）を適用する工程と、
アクチュエータスタック（１６８）を形成するため、前記シート（１５８）を積み重ねる工程であって、その際、前記シート（１５８）それぞれの上の前記導電性領域（１６０）またはそのそれぞれを、前記アクチュエータスタック（１６８）内の異なるシート（１５８）上の導電性領域（１６０）に対してずらす工程とを含む、圧電アクチュエータを製造する方法。
【請求項２】
前記シート（１５８）がそれぞれ複数の高誘電率領域（１５４）を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シート（１５８）が、前記高誘電率領域（１５４）および前記低誘電率領域（１５６）の交互になった配列を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記高誘電率領域（１５４）および前記低誘電率領域（１５６）が材料の平行なストリップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シート（１５８）それぞれの上の前記導電性領域（１６０）またはそのそれぞれが、１つの前記低誘電率領域（１５６）に１つの前記高誘電率領域（１５４）を足した幅にほぼ等しい距離だけ、隣接したシート（１５８）それぞれの上の前記導電性領域（１６０）またはそのそれぞれに対してずれている、請求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記シート（１５８）を形成するため、未加工テープ（１５０）を切断する工程をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記未加工テープ（１５０）が、高誘電率材料および低誘電率材料の交互になったストリップ（１５４、１５６）を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シート（１５８）の少なくとも１つが前記未加工テープ（１５０）の２つ以上の層を含む、請求項６または請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記未加工テープ（１５０）が共有押出し成形によって形成される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記未加工テープ（１５０）が、前記高誘電率材料の押出し成形されたストリップを前記低誘電率材料の押出し成形されたストリップに接合することによって形成される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記未加工テープ（１５０）がテープキャスティングによって形成される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記未加工テープ（１５０）が、前記低誘電率材料および前記高誘電率材料の交互になったストリップ（１４４、１４６）を分配する分配手段（１３４、１３６）を含むテープキャスティング装置によって形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記未加工テープ（１５０）を切断して前記シート（１５８）とする前に、前記導電性領域（１６０）を前記未加工テープ（１５０）に適用する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記導電性領域（１６０）が、前記導電性領域（１６０）を適用する、前記分配手段（１３４、１３６）と一直線に並べられた印刷手段（１７６）を含む印刷装置によって前記未加工テープ（１５０）に適用される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記シート（１５８）の前記高誘電率領域（１５４）と前記低誘電率領域（１５６）との間の境界の位置を検出する工程と、前記導電性領域（１６０）の縁部を前記境界と一直線に並べる工程とをさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記境界の位置が光学的手段によって検出される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記境界の位置が、前記境界における誘電率の変化を測定することによって検出される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記導電性領域（１６０）が、第１のパターン（１６２）の形態で前記シート（１５８）の第１の群に、また第２のパターン（１６２）の形態で前記シートの第２の群に適用される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記シート（１５８）が、前記第１の群のシートと前記第２の群のシートを含む繰り返しの配列の形態で積み重ねられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記導電性領域（１６０）が１つまたは複数の前記シート（１５８）に適用されず、前記シート（１５８）が、前記第１の群のシート、前記導電性領域（１６０）を有さない１つまたは複数の前記シート（１５８）、および前記第２の群のシートを含む繰り返しの配列の形態で積み重ねられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記積み重ねられたシート（１５８）から前記アクチュエータスタック（１６８）を切断する工程をさらに含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記アクチュエータスタック（１６８）を焼成する工程をさらに含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記アクチュエータスタック（１６８）に側面電極（５２、６８）を適用する工程をさらに含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記高誘電率領域（１５４）が第１の組成のジルコン酸チタン酸鉛を含み、前記低誘電率領域（１５６）が第２の組成のジルコン酸チタン酸鉛を含む、請求項１から２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法によって製造された圧電アクチュエータ。
【請求項２６】
第１の材料および第２の材料の交互になったストリップ（１４４、１４６）を分配する分配手段（１３４、１３６）を含むテープキャスティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射器に使用するのに適した圧電アクチュエータを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
添付図面の図１を参照すると、既知の圧電アクチュエータ３０は、圧電層３２および平面の内部電極３４の交互になった配列から形成されたスタック構造を有する。圧電層３２は、次に、反対の極性にされた層の交互になった配列を形成し、内部電極３４は、正負の内部電極の交互になった配列を形成する。その１つが３６で示される正の内部電極は、正の側面電極３８と称される第１の側面電極と電気的に接続されている。同様に、その１つが４０で示される負の内部電極は、負の側面電極４２と称される第２の側面電極と電気的に接続されている。一般的に、内部電極３６および４０はそれぞれ厚さ約２μｍであり、圧電層３２はそれぞれ厚さ約１００μｍである。スタックは、約１０００のそのような圧電層を含んでもよい。
【０００３】
添付図面の図２は、正の内部電極３６と同一平面の図１のアクチュエータ３０の断面を示す。正の内部電極３６の縁部は正の側面電極３８に接続する。しかし、正の内部電極３６は、部分的にのみスタックを横切って延びて、正の内部電極３６が負の側面電極４２から電気的に分離されるように、正の内部電極３６の縁部と負の側面電極４２との間に絶縁領域４４を画定する。同様のやり方で、他の正の内部電極３６はそれぞれ、その縁部と負の側面電極４２との間に絶縁領域を画定する。同様に、負の内部電極４０（図２には図示せず）はそれぞれ、その縁部と正の側面電極３８との間に絶縁領域を画定する。
【０００４】
図１および２のアクチュエータを製造するのに適した一般的なプロセスを次に記載する。
圧電層はテープキャスティングプロセスによって形成される。一般的なテープキャスティング装置１００が図３に概略的に示される。供給ロール１０４上に運ばれた基板１０２は、溶剤中に分散され、結合剤と混合されたセラミック粒子のスラリーまたは懸濁液を収容しているホッパーまたは貯槽１０６の下を水平に供給される。基板１０２は、通常、ポリエステルまたは酢酸セルロースなどの可撓性ポリマーの薄いシートである。一般的に、スラリー内のほとんどのセラミック粒子は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックから作られ、溶剤は好ましくは水であり、結合剤は、ポリ（ビニルアルコール）またはポリ（酢酸ビニル）などのポリマーである。スラリーは、焼結助剤、可塑剤、およびピグメントなどの他の構成物質を含有してもよい。
【０００５】
基板１０２が貯槽１０６の下を通ると、貯槽１０６の出口（図示せず）を通って基板１０２が水平に移動することによって、スラリーが基板１０２上に堆積される。スラリーの粘性、基板１０２が移動する速度、貯槽１０６の出口のサイズ、および基板１０２と貯槽１０６の出口との間のギャップは、スラリーが基板１０２上に均一で制御された形で堆積されるように調節される。
【０００６】
スラリーが堆積された後、基板１０２および堆積したスラリーは、基板１０２の上方に予め画定された距離で位置付けられた、ドクターブレードとして既知のブレード（図３には図示せず）の下を通る。堆積したスラリーがドクターブレードの下方に引き込まれると、ブレードはスラリーを平らにして、予め画定された均一な厚さの層１０８を形成する。
【０００７】
次に、基板１０２およびスラリー層１０８は、スラリーを緩やかに加熱して溶剤を蒸発させる乾燥アセンブリ１１０へ移行する。乾燥アセンブリ１１０は、例えば、赤外線加熱または温風乾燥を使用して溶剤を除去してもよい。基板１０２は、さらに、層１０８の厚さ全体にわたってスラリーの乾燥を促進するように、乾燥アセンブリ１１０内の加熱されたプレートを通ってもよい。乾燥した材料は、基板１０２上に、未加工テープ１１２として既知の可撓性のフィルムまたは層を形成する。未加工テープ１１２は、結合剤の表面コーティングをそれぞれ有するセラミック粒子の稠密なアセンブリを含む。結合剤は、アセンブリ内で粒子を互いに結合させ、未加工テープ１１２に可撓性および破損抵抗を付与する。未加工テープ１１２内の粒子間の空間は空気と余分な結合剤によって占められる。
【０００８】
乾燥アセンブリ１１０を出た後、基板１０２および未加工テープ１１２は受取りロール１１４上に巻かれる。巻取り後にさらなる乾燥が行われてもよい。
次に、未加工テープ１１２の受取りロール１１４はより小さなシートへスライスされ、未加工テープ１１２は基板１０２から取り除かれる。次に、未加工テープのシートはスクリーン印刷装置（図示せず）に移送され、そこで、アクチュエータの内部電極３４を形成するように、未加工テープの表面上に所望のパターンで導電性インクが印刷される。導電性インクは、一般的に、プラチナ、銅、または銀パラジウムなどの、印刷後に蒸発する適切な溶剤中に分散された金属粒子を含有する。
【０００９】
次に、印刷シートは、予め画定された積み重ねの配列で互いの上に積み重ねられ、その結果、印刷領域は、図１および２に見られるように、シートのスタック内で正負の内部電極３６および４０の適切な配置を形成するように適切に位置付けられる。次に、シートはともに加圧される。加圧の間、シートのスタックに熱が加えられるので、ポリマーの結合剤は柔らかくなり、それによってシートが互いに結合される。
【００１０】
次に、シートのスタックはそれぞれ、未加工テープのセラミック粒子および導電性インクの金属粒子の溶融温度に近いがそれを超えない、一般的には約１０００℃の焼成温度まで加熱される。比較的低温で結合剤は燃え尽きる。放出されるガスによるクラッキングを防ぐため、結合剤が燃え尽きる間、温度はゆっくり増加されるか、または一定の温度で保持されてもよい。高温で、セラミック粒子はともに焼結して、セラミック粒子間の細孔の数およびサイズが低減されるので、スタックは強く稠密になる。その結果、未加工テープ１１２の焼結したセラミックはアクチュエータ３０の圧電層３２を形成する。導電性インク中の金属粒子もともに焼結するので、インクが印刷されたスタック内の連続的な導電性パスを含む内部電極３４が形成される。
【００１１】
焼成後、シートのスタックは、個々のアクチュエータスタックへとダイスカットされる。次に、正負の側面電極（図１の３８および４２）が、例えば印刷によって各アクチュエータスタックに適用される。次に、アクチュエータ３０は保護被覆またはポリマーシースに入れられるか、またはそれで覆われてもよい。
【００１２】
上述したプロセスの多くの変形例が当該技術分野において既知である。例えば、積み重ねられたシートは焼成前に個々のアクチュエータスタックへとダイスカットされてもよく、積み重ねられたシートは焼成の間圧縮圧力下で保持されてもよい。
【００１３】
図１および２に戻り、圧電アクチュエータの動作を次に記載する。２つの側面電極３８および４２の間に電圧が印加されると、隣接した正負の内部電極３６および４０の各対間に結果として得られる電界によって、各圧電層３２の厚さが変わり、したがって、圧電スタックがその長さに沿って、すなわち各内部電極３６および４０の面に垂直な軸線に沿って歪む。圧電層３２に極性が与えられているため、歪みの大きさは、印加電圧を調節することによって制御することができる。それに加えて、歪みの方向は、印加電圧の極性を切り換えることによって逆にすることができる。印加電圧の大きさおよび／または極性を急速に変化させることによって、圧電層３２の両端間の電界の強度および／または方向が急速に変わり、結果として圧電アクチュエータ３０の長さが急速に変化する。一般的には、スタックの圧電層３２は、ジルコン酸チタン酸鉛などの高誘電率を有する強誘電体材料から形成される。
【００１４】
そのようなアクチュエータは、例えば、本出願人の欧州特許ＥＰ０９９５９０１Ｂから分かるようなタイプの燃料噴射器に使用するのに適している。燃料噴射器は、アクチュエータの長さの変化によってニードル弁の移動がもたらされるように配置される。したがって、ある量の燃料がバルブシートに設けられた穿孔を通過し、関連するエンジンに入ることができるように、アクチュエータの長さを制御することによって、ニードルをバルブシートから持ち上げるか、またはその上に下ろすことができる。
【特許文献１】欧州特許ＥＰ０９９５９０１Ｂ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ニードル弁の良好な制御を達成するため、アクチュエータの長さの有効な変化ができるだけ大きいことが望ましい。所与の圧電材料およびアクチュエータ構造の場合、２つの電極間に電圧が印加されたときに生じるアクチュエータの長さの変化は、提供される圧電層の数、すなわちスタックの長さと、印加電圧の大きさとに応じて決まる。これらのパラメータのどちらかを増加させることで、より大きな長さの変化がもたらされる。アクチュエータが収まることができる燃料噴射器内の空間は限定されているので、スタックの長さを増加させることは非実用的である場合が多い。したがって、高電圧をアクチュエータに繰り返し印加できることが望ましい。しかし、以下に検討されるように、高高圧でアクチュエータを駆動させることはその信頼性を低減する。
【００１６】
側面電圧３８および４２を経由して、正負の内部電極３６および４０の間に電圧が印加されると、内部電極３６および４０の間ならびに圧電層３２内に電界が設定される。図１のアクチュエータの部分的な電界の強度および方向は、その２つが４６で示される等電位線によって、添付図面の図４に表されている。等電位線４６はそれぞれ、一定の電気的な電位の軌跡を表す。
【００１７】
負の内部電極４０の縁部４８近くでは、圧電材料内の電界の局部的な強度は、例えば、内部電極３６および４０の間の領域の平均電界よりもはるかに高い。この増加した局部的な電界、すなわち電界の集中は、図４の電極縁部４８に近い等電位線４６の近い間隔によって示される。絶縁領域４４の圧電材料は、この高強度の電界に圧電的に応答し、結果として、大きな機械的応力、すなわち応力の集中が圧電材料内に生成される。この状況は、内部電極３６および４０それぞれの縁部において、その極性に関わらず絶縁領域内で生じる。
【００１８】
絶縁領域４４内およびその近くにおける高い電界強度および応力の集中により、短絡不良が起こる場合がある。例えば、電界強度が圧電材料の絶縁破壊の強さを局所的に超過して、内部電極３６および４０の間のアーキングを引き起こすことがある。さらに、応力の集中は、層３２ならびに内部電極３６および４０のクラッキングを引き起こす場合があり、また、内部電極３６および４０と層３２との間の境界面で不良を生じさせる場合がある。クラックは、絶縁耐力が低減された領域として作用し、その結果、クラックが内部電極３６および４０の間に生じた場合、クラックによるアーキングの可能性が増加される。アーキングが生じると、結果として生じる温度の増加により、クラックに隣接した材料の融解または蒸発が引き起こされる場合がある。これらおよび同様の事象は、少なくとも、アクチュエータ３０が望ましい形で印加電圧に応答する能力を低減させ、多くの場合、アクチュエータが完全に故障する。
【００１９】
この背景に対して、上述の問題を低減するか克服するアクチュエータ装置を製造する製造方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第１の態様によれば、圧電アクチュエータを製造する方法が提供され、この方法は、複数のシートであって、高誘電率領域と高誘電率領域に隣接した少なくとも２つの低誘電率領域とをそれぞれ含むシートを提供する工程と、高誘電率領域の上に重ね、かつ少なくとも１つの低誘電率領域を露出したままにするように、２つ以上のシートのそれぞれ１つに少なくとも１つの導電性領域を適用する工程と、アクチュエータスタックを形成するため、シートを積み重ねる工程であって、その際、シートそれぞれの上の前記導電性領域またはそのそれぞれを、アクチュエータスタック内の異なるシート上の導電性領域に対してずらす工程とを含む。
【００２１】
高誘電率の圧電領域と低誘電率の絶縁領域とを含む層を積み重ねることによって、アクチュエータスタックが形成される方法を提供することにより、薄い連続的な内部電極がスタックの絶縁コーティングを通って延びる導電性領域から形成されたアクチュエータを形成することができるので、使用中にアクチュエータに電圧が印加されると生じる電界の集中、したがって応力の集中が最小限に抑えられる。
【００２２】
本発明の好ましい一実施形態では、各シートは複数の高誘電率領域を含む。シートは、便利には、高誘電率領域および低誘電率領域の交互になった配列を含んでもよい。高誘電率領域および低誘電率領域は材料の平行なストリップを含んでもよい。
【００２３】
好ましくは、各シート上の導電性領域またはそのそれぞれは、１つの低誘電率領域に１つの高誘電率領域を足した幅にほぼ等しい距離だけ、隣接した各シート上の導電性領域またはそのそれぞれに対してずれている。このようにして、アクチュエータスタックが形成されるとき、導電性領域は、アクチュエータスタックの正負の内部電極を形成するようにずらされる。
【００２４】
この方法は、シートを形成するため、未加工テープを切断する工程を含んでもよい。未加工テープは、高誘電率材料および低誘電率材料の交互になったストリップを含んでもよい。シートの少なくとも１つは、未加工テープの２つ以上の層を含んでもよい。この構成では、未加工テープに存在することがあるピンホールまたは他の欠陥は、シートの厚さ全体にわたって延びないので、アーキングおよび材料の破壊などのそのような欠陥の望ましくない影響は低減される。
【００２５】
未加工テープは共有押出し成形によって形成されてもよい。あるいは、未加工テープは、高誘電率材料の押出し成形されたストリップを低誘電率材料の押出し成形されたストリップに接合することによって形成されてもよい。
【００２６】
本発明の好ましい一実施形態では、未加工テープはテープキャスティングによって形成される。例えば、未加工テープは、低誘電率および高誘電率材料の交互になったストリップを分配する分配手段を含むテープキャスティング装置によって形成されてもよい。
【００２７】
この方法は、未加工テープを切断してシートとする前に、導電性領域を未加工テープに適用する工程を含んでもよい。この場合、導電性領域は、導電性領域を適用する印刷手段を含む印刷装置によって未加工テープに適用されてもよい。提供された場合、印刷手段はテープキャスティング装置の分配手段と一直線に並べられてもよい。
【００２８】
この方法は、未加工テープを切断してシートとした後に、導電性領域を未加工テープに適用する工程を含んでもよい。導電性領域のシートとの良好な整列を確保するため、この方法は、シートの高誘電率領域と低誘電率領域との間の境界の位置を検出する工程と、導電性領域の縁部を境界と一直線に並べる工程とを含んでもよい。境界の位置は、例えば、光学的手段によって検出されてもよい。１つの代替実施形態では、境界の位置は、境界における誘電率の変化を測定することによって検出される。
【００２９】
導電性領域（１つまたは複数）は、第１のパターンの形態でシートの第１の群に、また第２のパターンの形態でシートの第２の群に適用されてもよい。この場合、シートは、第１の群のシートと第２の群のシートを含む繰り返しの配列の形態で積み重ねられてもよい。シート上の導電性領域またはそのそれぞれは、異なるシート、例えば隣接したシート上の最も近い導電性領域またはそのそれぞれに対してずれていてもよい。しかし、シート上の導電性領域またはそのそれぞれは、その代わりに、異なるシート、例えば隣接したシート上の最も近い導電性領域またはそのそれぞれと一直線に並べられ、ただし、スタック内の別の場所に位置するシート上の導電性領域に対してずれていてもよい。
【００３０】
導電性領域は印刷によってシートに適用されてもよい。例えば、導電性領域は、スクリーン印刷、圧延、インクジェット印刷、または捺印によってシートに適用されてもよい。
本発明の一実施形態では、導電性領域は１つまたは複数のシートに適用されず、シートは、第１の群のシート、導電性領域を有さない１つまたは複数のシート、および第２の群のシートを含む繰り返しの配列の形態で積み重ねられる。そのような配列は、例えば、第１の群のシート、導電性領域を有さない１つまたは複数のシート、第２の群のシート、および導電性領域を有さない１つまたは複数のシートを含む繰り返しの配列であってもよい。この構成では、未加工テープに存在することがあるピンホールまたは他の欠陥は、やはりシートの厚さ全体にわたって延びないので、そのような欠陥の望ましくない影響は低減される。
【００３１】
この方法は、積み重ねられたシートからアクチュエータスタックを切断する工程を含んでもよい。便利には、この方法はアクチュエータスタックを焼成する工程を含む。アクチュエータスタックは、焼成の前または後に積み重ねられたシートから切断されてもよい。側面電極がアクチュエータスタックに適用されてもよい。
【００３２】
本発明はまた、上述の方法によって製造された圧電アクチュエータにまで及ぶ。
本発明の方法により、スタックの絶縁コーティング用の材料を選択する際に大幅な柔軟性が許容される。この柔軟性の１つの利点は、適切な材料を選択することによって、絶縁コーティングの機械的性質を、特定の用途の要件を満たすように最適化することができる点である。
【００３３】
例えば、アクチュエータの製造中、圧電層それぞれの極性化はポーリングとして既知のプロセスにおいて固定される。ポーリングは、アクチュエータの正負の側面電極の両端間に電圧を印加すると同時に、アクチュエータを比較的高い温度から冷却することを伴う。冷却中に印加された電極によって圧電層に引き起こされた極性化は、電圧が取り除かれたとき保持される。あるいは、ポーリングは、室温で側面電極の両端間に電圧を印加することによって行われてもよい。
【００３４】
ポーリング中に、アクチュエータの表面に、またはその近くに比較的幅広のクラックが生じることは一般的である。これらのクラック間の距離は一般的には約２〜４ミリメートルである。アクチュエータの使用中、水、燃料、または固体の砕片などの材料がこれらのクラックに入り込み、クラックをさらに開き、結果としてアクチュエータの機械的な故障に結び付くことがある。それに加えて、クラックに入り込む材料がクラック内に導電性パスを作ることがあり、それが、短絡または絶縁破壊による不良を引き起こすことがある。
【００３５】
本発明の方法により、ポーリング中のクラッキングに関連した問題を緩和するか克服するため、そのようなクラックを形成する傾向がある絶縁コーティングの材料を選択することが可能になる。例えば、１つの方策では、絶縁コーティングの材料は、クラッキングに対して低い抵抗を有するように選択されるので、そうでなければ予期されるであろうよりも多数のより狭いクラックが形成される。クラックがより狭いので、砕片および他の材料のクラックへの進入は起こりにくくなり、したがってアクチュエータの不良の可能性が低減される。別の方策では、絶縁コーティングの材料は、クラッキングに対して高い抵抗を有するように選択されるので、ポーリング中にクラックが生じる可能性は大幅に低減され、材料がクラックへ進入する問題が回避される。
【００３６】
絶縁コーティングの材料はまた、圧電層の材料と同じ焼結挙動を有するように選択されてもよい。例えば、所与の焼成温度での材料本体のサイズの変化率として表される、絶縁コーティングの材料の焼結収縮率は、圧電層の材料の焼結収縮率に一致されてもよい。このようにして、焼結収縮差による、製造中のアクチュエータスタックの歪みまたは破損を回避することができる。
【００３７】
同様に、使用中にアクチュエータを加熱または冷却するときの熱膨張差または収縮差による、アクチュエータの破損を防ぐため、絶縁コーティングおよび圧電層の材料の熱膨脹係数は一致されてもよい。あるいは、絶縁コーティングの材料の熱膨脹係数は、圧電層の材料の熱膨脹係数よりも低くてもよい。製造中にアクチュエータが焼成温度から冷めるとき、絶縁コーティング内に圧縮応力状態が発生するので、そのような構成は有利である。この圧縮は、スタックのポーリング中に発生するあらゆる引張応力を緩和するか低減して、絶縁コーティング内のクラッキングの可能性を低減する。
【００３８】
便利には、絶縁コーティングの材料は圧電層の材料に類似し、組成のみが異なる。洗練された構成では、高誘電率領域は第１の組成のＰＺＴを含み、低誘電率領域は第２の組成のＰＺＴを含む。例えば、絶縁コーティングの材料は、圧電材料とは異なるジルコン酸鉛とチタン酸鉛の比を有するＰＺＴから成ってもよい。このようにして、２つの材料の所望の電気的性質、特に圧電係数および誘電率が異なるまま、絶縁コーティングと圧電層の焼結挙動と熱膨張係数を含む物理的性質とを一致させることができる。高誘電率領域は、第１の密度または孔隙率のＰＺＴを含んでもよく、低誘電率領域は、組成が異なる代わりに、あるいはそれに加えて、第２の密度または孔隙率のＰＺＴを含んでもよい。当然ながら、高誘電率領域および低誘電率領域は、異なる材料および上述したようなＰＺＴ以外の材料から作られてもよい。
【００３９】
本発明の第２の態様では、第１の材料および第２の材料の交互になったストリップを分配する分配手段を含むテープキャスティング装置が提供される。
添付図面の図１〜４を既に参照してきた。
【００４０】
本発明を、単に例示として残りの添付図面を参照して以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図５は、アクチュエータスタック５０、正の側面電極５２、および負の側面電極（図示せず）を含む圧電アクチュエータの一部を示す。
アクチュエータスタック５０は、圧電材料から形成された複数の圧電層５４と、圧電層５４の間に配置された、２つのみが図５に示される複数の平面の内部電極５６および５８とを含む。内部電極５６および５８は、交互に正の側面電極５２および負の側面電極と電気的に接続されている。
【００４２】
正の側面電極５２と電気的に接続されている内部電極は、正の内部電極５６と称される。同様に、負の側面電極と電気的に接続されている内部電極は、負の内部電極５８と称される。したがって、スタック５０は、正の内部電極５６、圧電層５４、負の内部電極５８、および圧電層５４の繰り返しの配列を含む。
【００４３】
スタック５０の周囲は、内部電極５６および５８の面に平行な２つの正方形の端面（図示せず）と、スタック５０の長軸線に平行な方向を含む４つの長方形の側面とを有する直平行六面体を画定する。スタック５０の長方形の側面（正の面６０）の１つは正の側面電極５２を有し、スタック５０の反対側の側面（負の面、図示せず）は負の側面電極を有する。
【００４４】
絶縁手段は、圧電層５４とスタック５０の周囲の間に配置された絶縁材料のコーティング６２を含む。したがって、コーティング６２は、絶縁コーティング６２と圧電層５４の間のスタック５０の長軸線に平行な圧電／絶縁境界面６４を画定する。絶縁コーティングは、スタックの正の面５０および負の面に存在するが、スタック５０の残りの長方形の側面には存在しない。絶縁材料は、無視できるか低い圧電応答と、層の圧電材料の誘電率の約０．１％である誘電率とを有する。
【００４５】
正の内部電極５６は、スタック５０の正の面６０において絶縁コーティング６２を通って延び、かつ正の面６０においてスタック５０から出る一方、負の内部電極５８は、スタック５０の正の面６０において絶縁コーティング６２内へは延びない。同様に、負の内部電極５８は、スタックの負の面において絶縁コーティングを通って延び、かつ負の面の外側表面において表面に出る一方、正の内部電極５６は、スタックの負の面において絶縁コーティング内へは延びない。図５に示される絶縁コーティング６２を横切って延びる内部電極は、正の内部電極５６である。
【００４６】
正の側面電極５２は、スタックの正の面６０において絶縁コーティング６２上にある導電材料を含む。したがって、正の側面電極５２の導電材料は、スタックの正の面６０において表面に出る正の内部電極５６と電気的に接触している。
【００４７】
同様に、負の側面電極は、スタックの負の面において絶縁コーティング上にある導電材料を含む。負の側面電極の導電材料は、スタックの負の面において表面に出る負の内部電極５８と電気的に接触している。
【００４８】
正の内部電極５６の導電材料と絶縁コーティング６２の絶縁材料との間の境界面が、第１の表面７２を画定することが、図５から分かる。内部電極５６に隣接した圧電層５４の内部境界は、第２の表面７４を画定する。内部電極５６は境界面６４全体にわたって均一な厚さを有するので、これらの第１および第２の表面７２および７４は、圧電／絶縁境界面６４の近傍において互いにほぼ連続している。それに加えて、第１および第２の表面７２および７４は、圧電／絶縁境界面６４の面に垂直である。
【００４９】
使用中、アクチュエータの正負の側面電極の両端間に電圧が印加される。図６に示されるように、印加電圧の結果として、圧電層５４内および絶縁コーティング６２内に電界が発生し、その際、等電位曲線（それらの２つが４６で示される）は電界の強度および方向を示す。このアクチュエータ構成では、圧電／絶縁境界面６４における誘電率の変化により、圧電材料内の電界が、絶縁コーティング６２内の電界を支配する。したがって、スタックの周囲に近い圧電層５４内の電界に顕著な集中はない。それに加えて、絶縁コーティング６２内の電界の集中は、図１、２、および４に示される従来のアクチュエータ内の内部電極の縁部で生じる電界の集中に比べて低減される。結果として、圧電材料内の応力の顕著な集中はなく、より低い局所的な電界強度による絶縁破壊の可能性はより少ない。したがって、図５および６のアクチュエータは、既存のアクチュエータよりもはるかに改善された信頼性を提供する。
【００５０】
図７は、図５および６に示されるのと同一の構造の圧電アクチュエータにおける等電位曲線４６を示すが、その際、絶縁コーティング６２は、圧電層５４の材料の誘電率の約２５％である誘電率を有する。本出願人は、絶縁コーティング６２の誘電率が図５および６に示されるアクチュエータよりも大幅に大きい場合であっても、圧電／絶縁境界面６４における誘電率の変化は、依然として、圧電層５４内の電界が絶縁コーティング６２内の電界を支配するようにするのに十分であることを発見している。したがって、圧電／絶縁境界面６４における誘電率の比較的小さな変化が、スタックの周囲に近い圧電層５４内の電界のいかなる顕著な集中も回避し、かつ図１、２、および４に示される従来のアクチュエータに比べて内部電極５６および５８の縁部近くの電界の集中を低減するのに十分である。
【００５１】
以下に説明されるように、図７のアクチュエータの圧電層５４および絶縁コーティング６２は両方とも、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの強誘電体材料から作ることができる。強誘電体材料に一般的なものとして、比誘電率として表されるＰＺＴの誘電率は、特に組成が強誘電相転移がそこで生じる組成に近いとき、材料の組成によって大幅に変わる。例えば、図８は、材料の組成によるＰＺＴの比誘電率εｒの室温での変化を示す。ＰＺＴは、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）およびチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の混合物である。組成が約５３モル％のＰｂＺｒＯ３のとき、菱面体晶から正方晶への強誘電相転移が生じる。以下に強誘電体相転移組成として識別されるこの組成では、比誘電率は１６００を超える値でピークに達する。
【００５２】
このピーク値よりも大幅に低い誘電率は、材料の組成をわずかに変えることによってＰＺＴで実現することができる。例えば、ＰｂＴｉＯ３の含量を約１０％増加させて約４３モル％のＰｂＺｒＯ３を有する組成とすることにより、ピーク値の約２５％である約４００の誘電率が得られる。
【００５３】
図７のアクチュエータは、高誘電率の圧電層５４および低誘電率の絶縁コーティング６２両方のためにＰＺＴを使用する。圧電層５４は、ほぼ強誘電体相転移組成の組成を有するＰＺＴ（５３モル％のＰｂＺｒＯ３、以下に高誘電率ＰＺＴとして識別される）から作られる一方、絶縁コーティング６２は、以下に低誘電率ＰＺＴとして識別される、４３モル％のＰｂＺｒＯ３の組成を有するＰＺＴから作られる。
【００５４】
ＰＺＴの圧電応答も材料の組成に応じて変わる。比誘電率と同様に、１つまたは複数の圧電係数によって表される圧電応答は、材料の組成が強誘電相転移組成にほぼ等しく、かつ強誘電相転移組成から離れて位置するＰＺＴ組成においてより低いときにピークに達する。したがって、低誘電率ＰＺＴから作られた絶縁コーティング６２はある圧電応答を有するが、その応答は圧電層５４の材料よりも大幅に低く、図７のアクチュエータの絶縁コーティング６２内における内部電極５６および５８の端部に隣接して発生する対応する圧電応力は、図１のアクチュエータの内部電極の端部近くで発生する圧電応力に比べて大幅に低減される。
【００５５】
図７に示されるアクチュエータを製造するのに適した製造方法を以下に記載する。
図９は、製造方法に使用するのに適したテープキャスティング装置１２０を概略的に示す。テープキャスティング装置１２０は貯槽１２２を含む。貯槽１２２は、互いに向かって傾斜した２つの側面１２４および１２６を有するホッパー形状であって、先細の形状を画定する。傾斜面１２４および１２６は貯槽１２２の基部で交わらず、その代わりにギャップまたは出口（図示せず）を画定し、貯槽１２２の内容物は、貯槽１２２の基部においてそこを通って貯槽１２２を出てもよい。貯槽１２２の側面、すなわち端部は、台形のエンドプレート１２８および１３０によって閉じられ、各エンドプレート１２８および１３０は短い縁部に平行な長い縁部を有する。各エンドプレート１２８および１３０の長い縁部は、貯槽１２２の傾斜面１２４および１２６の頂部の角それぞれの間を延びる。各エンドプレート１２８および１３０の短い縁部は、出口の端部を画定するように、貯槽１２２の傾斜面１２４および１２６の底部の角それぞれの間を延びる。
【００５６】
貯槽１２２は、複数のディバイダまたはそらせ板１３２によって区画またはタンクに分割される。そらせ板１３２はそれぞれ、貯槽１２２のエンドプレート１２８および１３０に類似した形状を有し、貯槽１２２の傾斜面１２４および１２６との液密封止または接合を形成する。そらせ板１３２は、貯槽１２２内に広いタンク１３４と狭いタンク１３６の交互になった配列を形成するように、エンドプレート１２８および１３０に平行に配置される。
【００５７】
当該技術分野において既知のように、テープキャスティング装置１２０は、基板１３８を貯槽１２２の下に、かつ貯槽１２２の出口に隣接して位置するドクターブレード（図示せず）の下方に水平に引き込むように配置される。
【００５８】
使用中、薄いポリエステルフィルムを含む基板１３８が装置１２０内の供給ロール１４０上に提供され、タンク１３４および１３６は、溶剤およびポリマー結合剤中に分散されたＰＺＴ粒子を含むＰＺＴスラリーで満たされる。広いタンク１３４は、高誘電率ＰＺＴ粒子を含有するＰＺＴスラリーで満たされ、狭いタンク１３６は、低誘電率ＰＺＴ粒子を含有するスラリーで満たされる。
【００５９】
基板１３８が貯槽１２２の下に引き込まれると、スラリーが、貯槽１２２の出口を通ってタンク１３４および１３６それぞれから流出し、基板上に堆積する。次に、基板１３８および堆積したスラリーは、基板１３８の上方に予め画定された距離で位置付けられ、かつ基板１３８の移動方向に直角な方向で位置するドクターブレードの下を通る。堆積したスラリーがドクターブレードの下方で引かれると、ブレードはスラリーを平らにして、図４を参照して上述したように、予め画定された均一な厚さの層１４２を形成する。
【００６０】
基板１３８の水平移動、ならびに貯槽１２２内のタンク１３４および１３６の配置によって、ＰＺＴスラリーは、基板１３８上に交互になったストリップの形態で堆積される。高誘電率ＰＺＴスラリーは、広いタンク１３４から広いストリップ１４４の形態で堆積され、これらの広いストリップ１４４は、狭いタンク１３６から堆積される低誘電率ＰＺＴスラリーの狭いストリップ１４６の間に挟みこまれる。各ストリップ１４４および１４６は、基板１３８の移動方向に平行に通る。堆積の際、スラリーのある程度の混合が生じ、それは、低誘電率および高誘電率の材料のストリップ１４４および１４６がともに基板上に、構造および密度に関してほぼ均質であるが組成および電気的性質に関しては均質でない層１４２を形成することを確保するのに役立つ。
【００６１】
次に、基板１３８およびスラリー層１４２は、図４を参照して記載したのと同様の、スラリーを緩やかに加熱して溶剤を蒸発させる乾燥アセンブリ１４８へ移行する。乾燥後、結果として得られる未加工テープ１５０は、堆積した層１４２の複合構造を保持し、高誘電率ＰＺＴ材料および低誘電率ＰＺＴ材料の交互になったストリップを含む。
【００６２】
乾燥アセンブリ１４８を出た後、基板１３８および複合未加工テープ１５０は受取りロール１５２上に巻かれる。図１０は、図９の装置によって作成された未加工テープ１５０の概略図であり、交互になった高誘電率ＰＺＴの広いストリップ１５４および低誘電率ＰＺＴの狭いストリップ１５６を示す。
【００６３】
図１０の未加工テープ１５０からアクチュエータを製造するため、未加工テープ１５０は最初に基板１３８から取り除かれる。次に、予め定められたサイズの未加工シート１５８（その１つが図１１に示される）が、図１０の切断線ＣＬに沿って未加工テープ１５０から切断されるか、または打ち抜かれる。各未加工シート１５８は、個々のアクチュエータの断面積の数倍の面積を有する。例えば、未加工シート１５８は、個々のアクチュエータの断面積の１００〜１０００倍程度の面積を有してもよい。未加工テープ１５０の切断は、一般的に、未加工テープ１５０がその上に置かれる加熱されたプラテンと、切断されるべき位置でテープに押し込まれる１つまたは複数の加熱されたブレードとを含む、適切な切断装置を使用して行われる。熱により、テープ１５０のポリマー結合剤が柔らかくなるので、テープ１５０が裂けるか別の形で損傷することなくきれいに切断することが可能になる。
【００６４】
図１１は、図１０に示される切断線ＣＬに沿って未加工テープ１５０を切断することによって得られる、未加工シート１５８の概略図である。図１１の未加工シート１５８は、その横断方向にわたって高誘電率ＰＺＴの６つのストリップ１５４のみを有するが、実際上、未加工シート１５８は、その横断方向にわたって図１１に示されるのよりも大幅に多いストリップ１５４および１５６を有してもよい。
【００６５】
切断後、未加工シート１５８は、シート１５８の表面上に内部電極を印刷する手段に移送される。方法のこの第１の実施形態では、印刷手段はスクリーン印刷機（図示せず）であり、微細なメッシュ状のフレームの上に配置された金属ワイヤまたはポリマー糸を含むスクリーンを含む。スクリーンは、未加工シート１５８上に印刷することが求められる場所でのみ、インクがスクリーンを通過することができるようにパターンが付けられる。スクリーンは未加工シート１５８の近くに保持され、スクリーンのメッシュ内の穴にインクを通し、未加工シート１５８の表面上に載せるため、スキージがスクリーン全体に掛けられる。インクは、溶剤中に分散されたプラチナ粒子などの金属粒子を含む導電性インクである。
【００６６】
このようにして、内部電極（図７の５６および５８）を、任意の所望のパターンで未加工シート１５８の表面上に形成することができる。図７のアクチュエータを作るため、低誘電率ＰＺＴの第２の狭いストリップ１５６がすべてインクで覆われないままである一方、高誘電率ＰＺＴの広いストリップ１５４がすべてインクで覆われるようにして、図１２に示されるような多数の未加工シート１５８が印刷される。したがって、少なくともシート１５８の縁部から離れて、印刷領域１６０は、低誘電率ＰＺＴの１つの狭いストリップ１５６と狭いストリップ１５６に隣接した高誘電率ＰＺＴの２つの広いストリップ１５４とを覆う。
【００６７】
図１２に示されるような第１のパターン１６２で多数のシート１５８がインクで印刷され、図１３に示されるような第２のパターン１６４でさらなる多数のシート１５８がインクで印刷される。インクの第２のパターン１６４は、ＰＺＴの１つの狭いストリップ１５６と１つの広いストリップ１５４の幅の合計に等しい量だけ、第１のパターン１６２に対して横断方向にずれている。したがって、第１のパターン１６２でインクで印刷されたシート１５８の狭いストリップ１５６は、第２のパターン１６４でインクで印刷されたシート１５８ではインクで覆われておらず、逆も同様である。換言すれば、シートの縁部から数えたとき、図１２に示される、第１のパターン１６２でインクで印刷されたシート１５８の第１、第３、および第５の狭いストリップ１５６はインクで覆われておらず、図１３に示される、第２のパターン１６４でインクで印刷されたシート１５８の第２および第４の狭いストリップ１５６はインクで覆われていない。印刷後、シート１５８は、テープキャスティング装置の乾燥アセンブリに類似するインク乾燥手段（図示せず）に移送される。導電性インクの溶剤は、インク乾燥手段によって供給される熱の影響によって蒸発する。
【００６８】
次に、印刷された未加工シート１５８は、図１４の分解図および図１５に示されるような未加工スタック１６６を形成するように互いの上に置かれる。
未加工スタック１６６内の未加工シート１５８の数は、一般的に約１０００層である、圧電アクチュエータに求められる層数に対応する。明瞭にするため、５つのシート１５８のみが図１４および１５に示される。図１４に最も明瞭に示されるように、第１および第２のパターン１６２および１６４でインクで印刷されたシート１５８はスタック１６６内に交互に配置されるので、第１のパターン１６２で印刷されたシート１５８に第２のパターン１６４で印刷されたシート１５８が挟み込まれる。このようにして、インクの印刷領域１６０は未加工スタック１６６全体にわたって互い違いにされる。
【００６９】
図１５に示されるように、積み重ねられたシート１５８はともに加圧される。加圧中にスタック１６６に熱が加えられるので、ポリマー結合剤が柔らかくなり、それによってシート１５８が互いに結合または融合する。次に、結合剤を燃え尽きさせ、スタック１６６を緻密にするため、未加工スタック１６６は約１０００℃の焼成温度まで加熱される。
【００７０】
次に、図１５の未加工スタック１６６に外観は類似している焼結されたスタックは、ダイスカットまたは切断されて、その１つが図１６に示される個々のアクチュエータスタック１６８となる。切断は、例えば、レーザー切断または従来の機械加工によって行われてもよい。図１６のアクチュエータスタック１６８は、図１５に示される切断線ＤＬに沿って、焼結されたスタックから切断される。焼結されたスタックは、焼結収縮がある場合にはそれが起こった後、低誘電率ＰＺＴの狭いストリップ１５６がそれぞれその幅にわたって二等分され、かつ各アクチュエータスタック１６８の幅が、１つの広いストリップ１５４と１つの狭いストリップ１５６を足した幅に等しくなるように切断される。
【００７１】
図１６に示されるように、各シート１５８の高誘電率ＰＺＴの広いストリップ１５４は、アクチュエータスタック１６８の圧電層５４を形成し、導電性インクの印刷領域１６０は、正の内部電極５６および負の内部電極５８を形成し、低誘電率ＰＺＴの二等分された狭いストリップ１５６は、アクチュエータスタック１６８の２つの長方形の外面上の絶縁コーティング６２を形成する。
【００７２】
アクチュエータスタック１６８の面は、スタック１６８の正の面６０上の正の内部電極５６およびスタック１６８の負の面６６上の負の内部電極５８を露出させ、かつスタック１６８の表面から欠陥を取り除き、それによって使用中のアクチュエータのクラッキングに対する抵抗を改善するため、研磨されるか別の方法で機械加工されてもよい。
【００７３】
図１７に示されるように、正の側面電極５２は、正の内部電極５６の表面に出ている端部を含むスタック１６８の正の面６０に適用される。同様に、負の側面電極６８は、負の内部電極５８の表面に出ている端部を含むスタック１６８の負の面６６に適用される。側面電極５２および６８は、例えば、導電性ストリップをスタック１６８の適切な面６０および６６上に、またはそれに印刷、接着、またははんだ付けすることによって適用されてもよい。
【００７４】
このようにして、図７に示されるタイプのアクチュエータが作成される。
図９〜１７を参照して上述した方法は、適切に変更して図５および６のアクチュエータを作成するのに適用することもでき、その際、絶縁コーティング６２は低誘電率ＰＺＴからは作られず、その代わりにアルミナなどの絶縁セラミック材料から作られることが理解されるであろう。
【００７５】
この場合、貯槽１２２の狭いタンク１３６は、ポリマー結合剤に加えて溶剤中に分散されたジルコニア粒子を含むアルミナスラリーで満たされる。したがって、図９に示される装置によって作成される未加工テープ１５０は、アルミナの狭いストリップ１５６によって互いから離された高誘電率ＰＺＴの広いストリップ１５４を含む。方法は上述したように実施されて、図５および６に示されるアクチュエータが製造される。
【００７６】
テープキャスティング装置１２０の狭いタンク１３６は、任意の所望の物質を含む絶縁コーティング６２を有するアクチュエータを製造するための、任意の適切な材料で満たすことができることが理解されるであろう。例えば、ＰＺＴまたはアルミナの代わりに、他の任意の適切なセラミック材料、例えばジルコニアまたはシリカを使用することができる。同様に、貯槽１２２の広いタンク１３４は、任意の所望の材料から作られた圧電層５４を有するアクチュエータを製造するための、任意の適切なスラリーで満たすことができる。
【００７７】
上述の低誘電率ＰＺＴスラリーを、ＰＺＴ粒子が高誘電率ＰＺＴスラリーに使用されるものと同一の組成を有する代替のＰＺＴスラリーと置き換えることにより、絶縁コーティング６２が図７に示されるような低誘電率ＰＺＴで作られたアクチュエータを作成することも可能である。１つのそのような代替スラリーでは、ポリマー結合剤の体積分率は、高誘電率ＰＺＴスラリー中の結合剤の体積分率に比べて増加される。スタック１６６の焼成中、この場合、結合剤の増加した量は粒子間に細孔空間の増加した体積分率を残して燃え尽きる。粒子がともに焼結するとき、この細孔空間はすべて排除されるとは限らないので、絶縁コーティング６２内の最終的な焼成材料はより多孔質であり、結果として、スタックの圧電層５４内の高誘電率ＰＺＴスラリーから作られた材料よりも稠密度は低く、より低い誘電率を有する。
【００７８】
別の代替ＰＺＴスラリーでは、デンプン粒などの不活性な可燃材料の粒子がスラリー内に含まれる。焼成中、これらの粒子は燃え尽きて細孔を残し、それらはやはり、絶縁コーティング６２内の材料の密度を、したがって圧電定数を減少させる役割を果たす。
【００７９】
上述した方法によるアクチュエータの製造中、アクチュエータの構成要素間の満足な整列が得られなければならない。特に、内部電極５６および５８を形成するのに使用される導電性インクの領域１６０は、未加工シート１５８の広いストリップ１５４および狭いストリップ１５６に対して正確な位置で印刷されなければならない。
【００８０】
理想的には、各印刷領域１６０の１つの縁部は、未加工シート１５８の狭いストリップ１５６と広いストリップ１５４の間の境界の上に直接位置するべきである。換言すれば、結果として得られる内部電極５６および５８は、図５に示されるように、圧電／絶縁境界面６４（すなわち、絶縁コーティング６２と圧電層５４の間の境界）に位置する縁部で終端するべきである。しかし、本出願人は、スタック１６８の絶縁コーティング６２内および圧電層５４内の電界の集中の低減、したがって応力の低減に悪影響を及ぼすことなく、ある程度のずれが可能であることを発見している。
【００８１】
図１８は、図５のものに類似しているが、圧電／絶縁境界面６４に対してずれた負の内部電極５８を有する、アクチュエータの一部分を通る断面を示す。負の内部電極５８の縁部７０は、境界面６４を越えて絶縁コーティング６２内に位置する。図１９は、正の側面電極５２と負の側面電極（図１８および１９には図示せず）の間に電圧が印加されたとき、圧電層３２内および絶縁コーティング６２内に発生する電界の強度を示す、等電位線４６を示す。電界は、例えば図５および６に示される理想的に整列したアクチュエータに比べると、図１８および１９のアクチュエータではより集中しているが、電界の集中はそれでも、図１、２、および４の従来のアクチュエータに比べるとはるかに低減される。さらに、図１９の電界の集中は絶縁コーティングの非圧電材料において主に見出されるので、圧電効果による応力の集中は発生しないか、または少なくとも低減される。
【００８２】
同様に、図２０は、図１８のものに類似しているが、ずれた負の内部電極５８の縁部７０が圧電層５４の間に位置し、圧電／絶縁境界面６４に達していない、アクチュエータの一部分を通る断面を示す。やはり、図２１に示されるように、電界は、例えば図５および６に示される適切に整列されたアクチュエータに比べると図２０および２１に示されたアクチュエータでより集中しているが、電界の集中はそれでも、図１、２、および４の従来のアクチュエータに比べるとはるかに低減される。
【００８３】
内部電極５６および５８の十分な整列は、領域１６０を導電性インクで印刷する場合、スクリーン印刷装置内の未加工シート１５８を正確に位置合わせすることによって達成されてもよい。例えば、光学的または機械的な位置合わせ手段を使用して、当該技術分野で既知のように、未加工シート１５８がスクリーン印刷装置内で正確に位置付けられることが確保されてもよい。
【００８４】
内部電極５６および５８の十分な整列を確保する代替方法は、以下に記載するように、本発明の範囲内にある。
整列を確保するそのような１つの方法は、各未加工シート１５８の狭いストリップ１５６の形態の絶縁材料と広いストリップ１５４の形態の圧電材料との間の境界の位置を識別する工程と、識別された位置を使用して印刷装置をそれらの境界と一直線に並べる工程とを含む。境界は、光学的手段によって識別されてもよく、その場合、材料の光学的性質のばらつきは適切な光センサによって検出される。例えば、絶縁材料と圧電材料は異なる不透明度を有してもよい。そのような差は、便利には透過光によって検出することができ、その際、シートの材料間の境界に対応する透過光の強度のばらつきを検出するため、光源が未加工シート１５８の第１の面上に設けられ、光強度センサ、例えば、光抵抗器、光コンデンサ、または電荷結合素子が、未加工シート１５６の第２の面上に設けられる。さらなる実施例では、絶縁材料または圧電材料の１つまたは両方は、例えば、着色剤をスラリーに添加することによって着色されるので、絶縁材料および圧電材料は異なるように着色される。この場合、ストリップ１５４および１５６の間の境界は、例えば既知の画像解析技術によって、光学的に検出することができる。
【００８５】
未加工シート１５８内の材料の隣接したストリップ１５４および１５６の間の誘電率の差も、ストリップ１５４および１５６の間の境界の識別を可能にするために活用することができる。例えば、プローブが未加工シート１５８のそれぞれの側に適用されてもよく、適切なドライバ回路によって駆動される交流または直流電界は、プローブの間のシート１５８を通過する。次に、プローブは未加工シート１５８を横切って移動される。ドライバ回路の電流・電圧応答を監視することによって、広いストリップ１５４と狭いストリップ１５６の間の境界で生じる誘電率の変化を検出することができ、したがって境界の位置を決定することができる。
【００８６】
方法のさらなる変形例では、内部電極５６および５８と圧電／絶縁境界面６４との間の十分な整列は、内部電極を印刷する手段をテープキャスティング装置に組み込むことによって得られる。図２２は、導電性インクを未加工シート１５０上に印刷する印刷アセンブリ１７２が第１の乾燥アセンブリ１４８と受取りロール１５２の間に設けられ、第２の乾燥アセンブリ１７４が印刷アセンブリ１７２と受取りロール１５２の間に設けられている以外は、図９の装置に類似しているテープキャスティング装置１７０を示す。
【００８７】
図２２の装置を使用したアクチュエータの製造を以下に記載する。図９を参照して上述したように、圧電材料と絶縁材料の交互になったストリップを含む層１４２を基板１３８上に鋳造するため、基板１３８は、供給ロール１４０から、タンク１３４および１３６に分割された貯槽１２２の下方に、かつドクターブレード（図示せず）の下方に通される。
【００８８】
図９の装置の乾燥アセンブリと同一の第１の乾燥アセンブリ１４８を通過した後、基板１３８および未加工テープ１５０は印刷装置１７２の下方を通る。印刷装置は、未加工テープ１５０の表面に接触するように配置されたローラ１７６、インク貯槽（図示せず）、およびインクを貯槽からローラ１７６に送達するように配置されたインク送達手段（図示せず）を含む。インク貯槽は導電性インクで満たされる。
【００８９】
未加工テープ１５０がローラ１７６の下方で長手方向に移動することによって、テープ１５０および基板１３８が印刷装置１７２の下方を通ると、インクのストリップまたは領域１６０が未加工テープ１５０上に印刷される。ローラ１７６は、図１２および１３に示されるパターン１６２および１６４に類似した所望のパターンでインクが堆積されるように位置付けられる。印刷装置１７２、したがってローラ１７６の位置は、テープキャスティング装置１７０の貯槽１２２に対して固定されているので、未加工テープ１５内の材料間の境界を有する印刷領域１６０の満足な整列が得られる。
【００９０】
印刷装置１７２から出た後、未加工テープ１５０は第２の乾燥アセンブリ１７４に移行する。第２の乾燥アセンブリ１７４は、印刷されたインクを乾燥するのに適した加熱装置を含む。例えば、第２の乾燥アセンブリ１７４は、第１の乾燥アセンブリ１４８に類似していてもよい。次に、印刷領域１６０を有する基板１３８および未加工テープ１５０は受取りロール１５２上に巻かれる。
【００９１】
次に、図１０〜１３を参照して上述したように、未加工テープ１５０は基板１３８から取り除かれ、切断され、または打ち抜かれて未加工シート１５８となる。しかし、この場合、アクチュエータの内部電極を形成するため、結果として得られる未加工シート１５８はインクで既に印刷されており、さらなる印刷は不要である。したがって、切断後、未加工シート１５８は、図１２および１３に示されるものと類似している。シートは、例えば、未加工テープ１５０に作られた切断の相対位置をずらすことにより、（図１２に示される）第１のパターン１６２および（図１３に示される）第２のパターン１６４で印刷して、シート１５８を形成してもよい。あるいは、第１および第２の未加工テープが作成されてもよく、第１の未加工テープは、第２の未加工テープからずれた印刷電極のパターンを有して、第１および第２のパターン１６２および１６４を形成する。
【００９２】
次に、図１０および１１を参照して記載されるように、第１および第２の未加工テープは切断されてもよい。
次に、第１および第２のパターン１６２および１６４で印刷された未加工シート１５８は積み重ねられ、加圧され、焼成されて稠密なアクチュエータスタック１６８を形成し、次に、側面電極５２および６８がアクチュエータスタック１６８に適用されて、図１４〜１７を参照して上述したように、完全なアクチュエータが形成される。
【００９３】
製造方法の多くの変形例が可能であり、方法に使用される装置の変形例には大幅な範囲があることが理解されるであろう。いくつかのそのような変形例および選択肢を、単に例示として以下に記載する。
【００９４】
本発明のいずれの実施形態でも、導電性領域１６０を有さないいくつかの未加工シート１５８が提供され、上述したように、導電性領域１６０を有する未加工シート１５８と交互に積み重ねられてもよい。例えば、シートのスタックは、第１のパターンで印刷された未加工シート１５８、印刷されていない未加工シート１５８、第２のパターンで印刷された未加工シート１６４、および印刷されていない未加工シート１５８を含むシートの繰り返しの配列を画定してもよい。焼結の際、印刷されていない未加工シートはスタックの隣接した印刷された未加工シートと融合するので、焼結されたスタックの圧電層５４は焼結された単一のシートの２倍の厚さを有する。このようにして、積み重ね前に未加工シート１５８に存在することがあるピンホールまたは他の欠陥は、恐らくは、アクチュエータ内の圧電層５４の厚さ全体にわたって延びない。
【００９５】
２つ以上の印刷されていないシートがスタックの印刷されたシートそれぞれの間に含まれる可能性があることが理解されるであろう。さらに、印刷されていないシートは、シートの完全なスタックが組み立てられる前の初期のプロセスで、印刷されたシートまたは他の印刷されていないシートに結合されてもよい。例えば、印刷されていないシートは、結合されたシート自体が積み重ねられる前に、高温で回転させるか加圧することにより、印刷されたシートそれぞれに結合されてもよい。
【００９６】
印刷されていないシートがスタックに含まれる場合、印刷されていないシートの分布はスタック全体にわたって規則的である必要はない。このようにして、アクチュエータの圧電層の厚さはスタック全体にわたって変化してもよい。例えば、スタックの端部にある、またはそれに近い圧電層は、縁部から離れたスタックの中央部分のものよりも厚くてもよい。そのような構成は、アクチュエータが使用中のとき、スタックの端部における応力を低減することがある。
【００９７】
任意の適切なテープキャスティング装置が本発明の方法に使用されてもよく、適切な装置の設計は、使用される材料、所望の未加工テープの幅と厚さ、装置の必要なスループットなどによる影響を受ける。特に、テープキャスティング装置の貯槽のサイズと基板に対するその位置、基板の移動の速度、およびドクターブレードの位置は、テープ鋳造シートを所望の厚さおよび質にするように選択することができる。
【００９８】
テープキャスティング装置の乾燥アセンブリまたはそのそれぞれは、スラリーまたはインク中の溶剤を除去するため、スラリーを加熱する任意の適切な手段を含んでもよい。例えば、乾燥アセンブリまたはそのそれぞれは、単独または組み合わせで、赤外線ランプ、マイクロ波発生器、温風発生器、基板がその上に載せられる加熱表面、または液体で充填された加熱素子を含んでもよい。
【００９９】
上述の方法では、基板は、テープを切断して未加工シートとする前に未加工テープから取り除かれる。しかし、基板は、切断作業中、ならびに場合によっては導電性インクを印刷して内部電極を形成する間も、適所に残されてもよい。基板は単に、シートがともに積み重ねられる前のある時点で取り除かれればよい。
【０１００】
タンク内に残っているスラリーの量が予め定められたレベルに達すると、貯槽のタンクはスラリーで再び満たされてもよく、あるいは、タンクは、スラリーを貯槽に供給する適切な手段によって絶えず再び満たされてもよい。実際には、供給手段が使用される場合、貯槽は排除されてもよく、供給手段は基板上にスラリーを直接堆積させてもよい。バッフルによってタンクに分割された貯槽の代わりに、複数の個々のタンクを含む貯槽を提供することができる。この構成では、各タンクは、別のタンクによって共有されないそれ自体の側壁を有する。便利には、各タンクは、交換または保守点検のために個別に取外し可能であってもよい。
【０１０１】
未加工テープまたは未加工シート上に導電性インクを印刷する様々な手段を使用することができる。例えば、上述したようなスクリーン印刷もしくは圧延、またはインクジェット印刷、捺印、あるいは他の任意の適切なプロセスを使用して、切断前の未加工テープ上に、あるいは切断後の未加工シート上に導電性インクを印刷することができる。
【０１０２】
これらの印刷手段のいずれかが使用されるとき、製造プロセスは、絶縁コーティングと圧電層の間の境界と印刷領域の縁部との整列の精度を向上するように変更されてもよい。例えば、導電性インクが所望よりも大きな面積を覆うように、最初に導電性インクを大きくしたパターンで印刷することができる。次に、導電性インクの縁部が境界の上に重なるように、例えばレーザートリミング装置を使用して、導電性インクの層の余分な部分を落とすことができる。インクを印刷した後、およびシートを積み重ねる前の任意の時点で、そのようなトリミング作業を行うことができる。あるいは、導電性インクは光硬化性の成分を含んでもよいので、インクの大きくしたパターンをフォトリソグラフィプロセスにおいてさらに成形またはトリミングして、所望の整列を達成することができる。
【０１０３】
未加工シートを積み重ねた後、焼成プロセスおよびダイスカットプロセスを行う順序は変えられてもよい。上述したように、シートのスタックは、稠密な本体が個々のアクチュエータスタックに切断される前に焼成されてもよい。あるいは、未加工シートのスタックは、最初に未加工アクチュエータスタックに切断されてもよく、次にそれらを個々に焼成することができる。いずれの場合も、焼成プロセス中、スタックは、焼結プロセスを助けるため、一軸、二軸、または静水圧圧縮状態で荷重を与えられてもよい。
【０１０４】
本発明の方法をテープキャスティングに関して記載してきたが、低誘電率材料の隣接した領域と高誘電率の圧電材料の領域とを含む複合未加工シートを作成するため、代替のセラミック加工方法が使用されてもよい。例えば、低誘電率および高誘電率材料の硬いスラリーが圧力下で適切に成形されたダイに通される、共有押出し成形プロセスを使用することができる。この場合、２つの狭いダイを、広い中央のダイのどちらかの側に配置することができる。広いダイに高誘電率スラリーを、かつ狭いダイに低誘電率スラリーを供給することにより、形成される押出しは、中央の高誘電率領域と隙間に低誘電率領域とを含む、焼成されていないセラミックの複合リボンである。２つの材料はダイを離れる際に互いに融合する。次に、リボンをスライスして個々のアクチュエータ層とすることができ、それは次に、上述したように、内部電極を印刷され、積み重ねられ、焼成される。
【０１０５】
別の実施例では、従来のテープキャスティングまたは押出し成形プロセスを使用して、単一の材料から作られた未加工テープまたはリボンが作成されてもよい。これらの単一材料の未加工テープまたはリボンは適切な幅および長さに切断され、複合未加工シートのための所望の配置に置かれる。次に、テープまたはリボンは、例えば、熱間圧延によって、または圧延前に材料を湿らせることによって互いに接合される。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】既知の圧電アクチュエータの断面図である。
【図２】図１のアクチュエータのＲ−Ｓの断面図である。
【図３】図１および２のアクチュエータの製造に使用するのに適したテープキャスティング装置の斜視図である。
【図４】使用中の図１および２のアクチュエータの等電位曲線を部分的に示す断面図である。
【図５】本発明の方法による製造に適した第１の圧電アクチュエータの一部の断面図である。
【図６】使用中の図５のアクチュエータの等電位曲線を部分的に示す断面図である。
【図７】本発明の方法による製造に適した使用中の第２の圧電アクチュエータの等電位曲線を部分的に示す断面図である。
【図８】ジルコン酸チタン酸鉛の組成による比誘電率（εｒ）の変化を示すグラフである。
【図９】本発明の方法に使用するのに適した第１のテープキャスティング装置の斜視図である。
【図１０】図９の装置によって作成された未加工テープの一部の平面図である。
【図１１】図１０の未加工テープから切断した未加工シートの斜視図である。
【図１２】第１のパターンの導電性インクで印刷された図１１の未加工シートの斜視図である。
【図１３】第２のパターン中の導電性インクで印刷された図１１の未加工シートの斜視図である。
【図１４】図１３の未加工シートが挟み込まれた図１２の未加工シートを含む、スタックの形態の複数の未加工シートの分解斜視図である。
【図１５】組み立てられたときの図１４のスタックの斜視図である。
【図１６】図１５のスタックから切断されたアクチュエータスタックの斜視図である。
【図１７】図１６のアクチュエータスタックから形成されたアクチュエータの斜視図である。
【図１８】本発明の方法による製造に適した第３の圧電アクチュエータの一部分の断面図である。
【図１９】使用中の図１８のアクチュエータの等電位曲線を部分的に示す断面図である。
【図２０】本発明の方法による製造に適した第４の圧電アクチュエータの一部分の断面図である。
【図２１】使用中の図２０のアクチュエータの等電位曲線を部分的に示す断面図である。
【図２２】本発明の方法に使用するのに適した第２のテープキャスティング装置の斜視図である。
【符号の説明】
【０１０７】
５２  電極
６８  電極
１３４  分配手段
１３６  分配手段
１４４  ストリップ
１４６  ストリップ
１５０  未加工テープ
１５４  高誘電率領域
１５６  低誘電率領域
１５８  シート
１６０  導電性領域
１６２  パターン
１６８  アクチュエータスタック
１７６  印刷手段
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
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