(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電アクチュエータを並列に製造するための方法であって、
・未焼の、圧電セラミック材料から成る薄いフィルム（１〜３）を製造し、
・前記フィルム（１〜３）を貫通する第１のおよび第２の接続孔（１１〜１６，１７〜２２）を形成し、
・その際それぞれのアクチュエータにそれぞれ１つの第１の接続孔（１１〜１６）および第２の接続孔（１７〜２２）を配属し、
・前記フィルム（１〜３）の表面にそれぞれ複数の電極（５〜１０）を成膜し、その際それぞれのフィルム（１〜３）における各アクチュエータに少なくとも１つの電極（５〜１０）を配属し、
前記第１および第２の接続孔（１１〜１６，１７〜２２）は前記フィルム（１〜３）を前記電極（５〜１０）の領域において貫通しており、
前記電極（５〜１０）はそれぞれ、第１の接続孔（１１〜１６）または第２の接続孔（１７〜２２）を取り囲んでいる空所（２３〜２８）を有しており、
・前記フィルム（１〜３）を多数個上下にスタックして、前記第１および第２の接続孔（１１〜１６，１７〜２２）がこのようにして生じるスタックされた構成体において上下に配置されるようにし、
・前記フィルム（１〜３）の層列を次のように選択し、即ち前記上下に配置された前記第１および第２の接続孔（１１〜１６，１７〜２２）が交互に１つおきのフィルム層（１，３）においてだけ前記電極（５〜１０）の空所（２３〜２８）によって取り囲まれており、その結果前記電極（５〜１０）が交互に前記第１の接続孔（１１〜１６）または前記第２の接続孔（１７〜２２）に接続されるように選択し、
・前記第１および第２の接続孔（１１〜１６，１７〜２２）に導電性のペースト（５３）を供給し、
・前記スタックされた構成体を焼成し、
・前記スタックされた構成体を個別アクチュエータに分離する製造方法において、
前記フィルム（１〜３）の上面における個々のアクチュエータの縁領域に、前記電極（５〜１０）が占めていない中間領域（３１）を設け、
前記中間領域（３１）に、パーフォレイション孔（３０）を形成する、
ことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記パーフォレイション孔（３０）は、前記中間領域（３１）において個々のアクチュエータの縁に沿った列に配置されている
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記スタックされた構成体を個々のアクチュエータに分離するために、隣接するアクチュエータの電極（５〜１０）の間に反対の極性の電界を印加する
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記スタックされた構成体の、個々のアクチュエータへの分離を、鋸引きまたはウォータジェット式切断を用いて行う
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記スタックされた構成体を焼成の前に高められた温度で乾燥する
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記電極（５〜１０）をシルクスクリーン法、蒸着、スパッタリングによって被着する
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記スタックされた構成体を焼成の際に少なくとも１０００℃の温度で焼結する
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
圧電セラミック材料から成る、上下に配置された多数の層（５０）を有している、請求項３または請求項４に記載の方法によって分離された圧電式アクチュエータであって、
前記層はそれぞれ表面（４）に少なくとも１つの電極（５）によって成膜されており、該電極（５）は交互に相互に接続されており、
それぞれの層（５０）に、該層（５０）を前記電極（５）の領域で貫通する第１および第２の接続孔（１１，１７）が設けられており、
それぞれの電極（５）は、前記第１の接続孔（１１）または第２の接続孔（１７）を取り囲んでいる空所（２３）を有しており、
前記層（５０）は、該層の全部（５０）の第１および第２の接続孔（１１，１７）が上下に配置されているようにスタックされており、
該上下に配置された接続孔（１１，１７）が交互にそれぞれ１つおきの層においてのみ前記電極（５）の空所（２３）によって取り囲まれていて、該電極（５）が前記第１の接続孔（１１）および第２の接続孔（１７）に交互に接続されており、
前記接続孔（１１，１７）は導電性のペースト（５３）によって充填されている圧電アクチュエータにおいて、
前記フィルム（１〜３）の上面における個々のアクチュエータの縁領域に、前記電極（５〜１０）が占めていない中間領域（３１）が設けられており、
前記中間領域（３１）に、パーフォレイション孔（３０）が形成されている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記電極（５）は網目状の金属層から成っている
請求項８記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記層（５０）は環状の縁領域（３１）を有しており、該縁領域には電極（５）が成膜されていない
請求項８または１０記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
アクチュエータの最も上の層および／または最も下の層および／または縁領域の外側の表面は電気的に絶縁性の鋳込み成形体に埋め込まれている
請求項８から１０までのいずれか１記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、例えば、燃料噴射弁の操作のために使用可能である圧電式アクチュエータ、並びにその製造方法に関する。
例えば、燃料噴射弁の操作のための圧電式アクチュエータは多種多様な構造において例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５００７０６号公報またはドイツ連邦共和国特許第４３０６０７３号明細書から公知である。圧電式アクチュエータは、上下にスタックされた多数の圧電層から成っている。これら層はそれぞれ一方の表面が電極によって成膜されている。通例の圧電式アクチュエータは、数百の、この形式の上下に積層化された圧電層から成っている。このようにして、比較的大きな操作ストロークが実現される。例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３７１３６９７号公報に詳しく示されているように、個別の圧電層の電極は交番的に電圧源に接続されて、個々の層に、同じ方向に配向された電界が生成されるようにしなければならない。その際１つおきの電極が電圧源の第１の電極に接続されており、一方その間に存在する電極は電圧源の第２の極に接続されている。例えば英国特許出願公開第２１９３３８６号公報に詳しく示されているように、これまでは普通、スタックされた圧電層の縁まで延在している電極を縁領域において外側で相互に接続するようにしている。しかしこのような形式のコンタクト形成は、大量の個数を有する完全自動の製造では煩雑でありかつ障害を起こし易くかつ更に、電極が縁領域まで延在しているので周囲に対してアイソレーションされておらず、その結果圧電式アクチュエータの周辺領域に付加的なアイソレーション部を設けなければならないという欠点を有している。
発明の利点
請求項１の特徴部分を有する本発明の方法は、この方法を全自動的な製造において使用することができかつこの方法により非常に僅かな製造コストですむことになるという利点を有している。アクチュエータの電極は外側ではなくて、内部で、接続孔に供給されている導電性のペーストによってコンタクト形成される。それ故に本発明によるコンタクト形成は障害を受けにくくしかも外部の機械的な損傷に対して敏感でない。圧電式アクチュエータは高集積化された工程において相互に並行に製造される。複数の圧電アクチュエータを含んでいるブロックは製造の終わりで漸く個別アクチュエータに分割される。これにより歩留まりは著しく高められる。請求項８に記載の特徴を有する本発明のアクチュエータに対しても同じ利点が生じる。
従属請求項に記載の構成によって、請求項１に記載の製造方法もしくは請求項８に記載の圧電式アクチュエータの有利な形態および改良例が可能である。
アクチュエータの縁領域が電極によって占められていないとき、電極はアクチュエータの周囲とは確実にアイソレーションされているという利点が得られる。それ故に電極をアイソレーションするための別の手段は必要でない。更に接続孔を介する電極のコンタクト形成はアクチュエータの内部で行われるので、電圧を導く構成部分の、外部に対する完全なアイソレーションが生じる。
個々のアクチュエータ間の中間領域において、圧電層を形成するフィルムにパーフォレイション孔を形成することができる。これらパーフォレイション孔は一方において、スタックされたフィルムの引き続く焼成の際にガスを逃がす通路として用いられる。他方においてこれらパーフォレイション孔によって、スタックされた構成体の、個々のアクチュエータへの分割が容易になる。その際分割は例えば、隣接するアクチュエータの電極に極性が反対である電界を加えることによって行うことができる。一方の隣接するアクチュエータが収縮している期間に、他方の隣接しているアクチュエータは伸張している。これにより生じる機械的な応力のために、パーフォレーション孔によって前以て決められる分離ラインに沿ったアクチュエータの分割が行われるようになる。しかしパーフォレーション孔はパーフォレーション孔によって前以て決められるパーフォレーションラインに沿って鋸引きによりアクチュエータを分離することも容易にする。別の適当な分離方法は、ウォータジェット式切断法である。
金属性の電極は有利には、シルクスクリーン方法、蒸着またはスパッタリングによって被着することができ、その際材料を節約しかつその上にある圧電セラミック層との付着の仲介を改善するという理由から、電極を完全にではなくて、例えば網目状の構造を以て被着すると有利である。
図面
本発明の実施例は図面に略示されており、以下にそれを詳細に説明する。
その際：
第１図は、電極が成膜されておりかつ接続用孔およびパーフォレーション孔を備えている、圧電セラミック材料から成る３つの上下にスタックすべきフィルムの略図であり、
第２図は、完成したアクチュエータの断面を示す斜視図である。
実施例の説明
第１図には、本発明の製造方法を理解するための概略が斜視図にて示されている。まだ未焼成の圧電セラミック材料、即ち所謂グリーンセラミックから成る３つのフィルム１，２および３が図示されている。適当な材料は例えば、鉛−バリウム−チタン酸塩（ＰｂＢａＴｉＯ２）である。セラミック材料は、焼成の前に、例えば圧延、鋳造または切断によって薄いフィルムに処理される。フィルム厚のオーダは、例えば０．１ｍｍであるが、本発明の実施はこのフィルム厚に制限されるものではない。次の処理ステップ（工程）において、フィルムは上面４１，４２，４３に導電性の材料、有利には薄い金属層が成膜される。このために、すべての公知の化学的および物理的な表面成膜方法、例えば蒸着、スパッタリングまたはシルクスクリーンが適している。電極５１ないし１０１，５２ないし１０２および５３ないし１０３は全面に被着することができる。しかしシルクスクリーン法の場合、電極の編み目形状の構造が有利である。図示の実施例において、それぞれのフィルム１，２ないし３の電極５１ないし１０１，５２ないし１０２および５３ないし１０３にはそれぞれ１つのアクチュエータが配属されている。それ故に、複数の側方に相互にずれて配置されているアクチュエータは本発明の方法によって同時に処理され、これにより製造コストを著しく低減することができる。基本的に、個々の用途に対してその方がよいと認められるのであれば、それぞれのアクチュエータに１つの電極ではなくて、複数の電極を配属させることもできる。
各フィルム層１，２ないし３において、成膜に続くまたは成膜に先行する工程において、第１のフィルム１において第１の接続孔１１１ないし１６１が、第２のフィルム２において第１の接続孔１１２ないし１６２が、第３のフィルム３において第１の接続孔１１３ないし１６３が並びに第１のフィルム１において第２の接続孔１７１ないし２２１が、第２のフィルム２において第２の接続孔７１２ないし２２２が、第３のフィルム３において第２の接続孔１７３ないし２２３が、例えばスタンピングまたは穿孔によって形成される。これら接続孔１１ないし２２は、個々の電極５ないし１０の接続のために用いられる。これについては後で詳述する。電極間の交番的な接続を実現するために、第１のフィルム１では、第２の接続孔１７１ないし２２１は空所２３１ないし２８１によって取り囲まれており、即ち、電極膜はそれぞれ、第２の接続孔１７１ないし２２１の縁部にまで達しておらず、電極５１ないし１０１の縁部は第２の接続孔１７１ないし２２１の縁部とは離間している。同様に、第３のフィルム３の電極５３ないし１０３においても、第２の接続孔１７３ないし２２３を取り囲んでいる空所２３３ないし２８３が設けられている。これに対してこれらの間に存在する第２のフィルム層では、電極５２ないし１０２の空所２３２ないし２８２は第１の接続孔１１２ないし１６２を取り囲んでいる。第１のフィルム１の上方に配置され、これに隣接しているもはや図示されていない別のフィルムおよび同様に第３のフィルム３の下方に配置されておりかつこれに隣接しているもはや図示されていない別のフィルムに対しても同じことが当てはまる。従って空所２３ないし２８は、フィルム層毎に交番的に、第１の接続孔１１ないし１６または第２の接続孔１７ないし２２に配属されている。
更に、図示の実施例において、それぞれのフィルム層１，２なし３にパーフォレイション孔３０１，３０２および３０３が設けられている。これらは例えば、第１の接続孔１１ないし１６および第２の接続孔１７ないし２２と同時にスタンピングまたは穿孔によって形成することができる。パーフォレイション孔３０は図示の実施例では、網目状に構成されておりかつ本発明の方法により同時に製造される個々のアクチュエータ間の境界線をそれぞれマーキングしている。電極５１ないし１０１もしくは５２ないし１０２もしくは５３ないし１０３の間に、それぞれのフィルムにおいて編み目形状の中間領域３１１もしくは３１２もしくは３１３が設けられているので、電極５ないし１０はアクチュエータの外側の縁部まで達しずに、パーフォレイション孔３０によってマーキングされている縁部から離間している。パーフォレイション孔３０は有利には、中間流域３１において列状に配置されている。この列は個々のアクチュエータの縁部に沿って延在している。図示の実施例において、アクチュエータは矩形の横断面を以て製造される。別の形状の横断面を有するアクチュエータの製造のために、パーフォレイション孔は相応に変化して配置されているべきである。
後続の工程において、図１にはそのうちフィルム１ないし３だけが示されているにすぎないが、多数のフィルムが上下にスタックされる。十分なアクチュエータストロークを実現するために、有利には図１に示されている、上述したように処理された数百のフィルムが上下に積層化される。その際個々のフィルム層は、パーフォレイション孔３０も第１の接続孔１１ないし１６および第２の接続孔１７ないし２２も正確に上下に位置決めされているように相互に配向される。このことは例えば、機械的または光学的に走査可能な参照マーキングシステムによって全自動で行うことができる。個々のフィルム１ないし３のスタックないし積層化は図１では矢印４０ないし４３によって示されている。既に説明したように、フィルム１ないし３の層列は、上下に配置された接続孔１１ないし１６もしくは接続孔１７ないし２２が交互に、１つおきのフィルム層１もしくは３においてだけ電極５ないし１０の空所２３ないし２９によって取り囲まれているように選択されるので、電極５ないし１０は交互に第１の接続孔１１ないし１６または第２の接続孔１７ないし２２に接続されている。
次の工程において、第１の接続孔１１ないし１６および第２の接続孔１７ないし２２が適当な、導電ペースト、例えば金属化ペーストによって充填される。接続孔１１ないし１６もしくは接続孔１７ないし２２の充填は、例えば負圧を用いた吸い込みによってまたは圧入によって行うことができる。導電ペーストの供給は有利には、フィルムの既にスタックされている状態において行われる。しかし、スタックの前に、個々のフィルムに導電ペーストを充填することも考えられる。接続孔１１ないし１６もしくは接続孔１７ないし２２は所謂ビアホールとも称することができるので、コンタクト形成方法はビア・フル・プロセスと呼ぶのが相応しい。
次の工程において、フィルム１ないし３のスタックによって生じた構成体が適当な圧力下で比較的高い温度で乾燥されかつ引き続いて適当な温度で焼成される。焼成温度は有利には、１０００℃より大きくかつ有利には、１０００℃と１５００℃との間の領域にある。
引き続いて、焼成され、スタックされた構成体は、個別アクチュエータに分割される。例えばフィルムの大きさが１５×２０ｃｍである場合、スタックされた構成体から２００個の個別アクチュエータが得られる。個別アクチュエータへの分離は例えば、鋸引きまたはウォータジェット式切断によって行われる。その際パーフォレイション孔３０によって切断過程が容易になりかつ分離個所がマーキングされる。
有利な手法によれば、スタックされた構成体の、個別アクチュエータへの分離は、隣接するアクチュエータに異なった極性の電圧を印加することによって行われる。アクチュエータの個別層に形成される、隣接するアクチュエータ間では異なった方向に配向されている電界によって、電界の方向に応じて隣接するアクチュエータの収縮または伸張が生じる。それ故に、隣接するアクチュエータ間でストレスが生じる。このストレスによって、電界の強さおよび個別パーフォレイション孔３０間の間隔を適当に選定することによって、パーフォレイション孔３０によって前以て決められる切断ラインに沿ってアクチュエータが切断されることになる。この手法は、特別な切断装置を必要としないので、コストの面で特別有利である。
本発明をより分かり易くするために、第２図には、個別アクチュエータが切断して示されている。圧電セラミック材料から成る、スタックされて上下に配置されている層５０１ないし５０１５が分かる。更に個々の層５０１ないし５０１５の電極５１ないし５１５が分かる。第２図から更に、電極５１ないし５１５の空所２３１ないし２３１５が交番的に、これらが第１の接続孔１１および第２の接続孔１７を交互に取り囲むように配置されていることが分かる。接続孔１１および１７に充填された導電ペースト５３によって、それぞれ１つおきの層の電極５１，５３，…５１５が、例えばはんだ付け、ボンディング、溶接または類似のものによってアクチュエータに接続されている第１の接続ワイヤ５１に接続される。これらの間に位置している電極５２，５４，…５１４は第２の接続孔１７に導入されている導電ペースト５３を介して第２の接続ワイヤ５２に接続されている。従って、接続ワイヤ５１と５２との間に電圧を加える際にアクチュエータに形成される電界は、全体の圧電層５０１ないし１０１５において同じ方向に配向されているので、それぞれ個々の圧電層１５１なし１５１５の収縮ないし伸張は圧電アクチュエータの全体のハブ構造に構造的に加算される。
第２図から更に、アクチュエータの縁部領域において除去されたパーフォレイション孔３０が分かる。電極５１ないし５１５がアクチュエータの縁領域に達しず、縁から間隔ａだけ離間していることによって、電極５２ないし５１５のハーメチックなアイソレーションが生じる。最も上の電極５１に対してだけ、付加的なアイソレーション手段を設ける必要がある。有利には、アクチュエータは上面が適当な電気的に絶縁性の鋳込み樹脂によってカバーされる。この鋳込み樹脂は、スタックされた構成体を個別アクチュエータに切断する前に既に面状に被せることができる。更に、上面に締めくくりの層として、電気的に絶縁性の被覆フィルムを被着することが考えられる。
パーフォレイション孔３０は、スタックされた構成体の、個別アクチュエータへの切離を容易にするばかりでなく、殊に、スタックされた構成体の乾燥および焼成の際にガスを逃がすのを支援する。本発明の方法によって、１５０Ｖより僅かな動作電圧ですみかつ５０μｍの操作ストロークにおいて１００Ｎ以上の力を発生するピエゾアクチュエータが製造される。スタックされた構成体は、ウォータジェット式切断で、殆ど任意の横断面形状を有する個別アクチュエータに分割される。即ち、例えば円形、３角形または星形のアクチュエータが製造可能である。
【図１】
0004440349.tif 000002
【図２】
0004440349.tif 000003