(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのモノリシック層複合体（２，２１）を備えた圧電式曲げ変換器（１）であって、電界（３１２）によって発生可能な側方の寸法変化（３１１）を備えた圧電的に活性のセラミック層（３１）と、別の電界（３２２）によって発生可能な、前記側方の寸法変化（３１１）とは異なる別の側方の寸法変化（３２１）を備えた別の圧電的に活性のセラミック層（３２）とを有する圧電式曲げ変換器に関する。この曲げ変換器は、複数のセラミック層の間に、電界を生ぜしめるための電極層（４１１）が配置されていることにより特徴づけられる。有利には、この層複合体は圧電的に活性の複数のセラミック層と、これらのセラミック層の間に配置された電極層とから成る。この場合、ストロークは層複合体のスタック方向（２２）の寸法変化の勾配によって得られる。電界の発生により、セラミック層の寸法変化、ひいては勾配が調節可能である。ストロークを生ぜしめるために、この曲げ変換器は圧電的に不活性の層を必要としない。層複合体は、有利には、円形の底面を備えた円形ディスク撓曲体（２１）である。大きいストローク変換のために、複数の円形ディスク撓曲体が上下に重ねてスタックとして配置されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのモノリシック層複合体（２，２１）を備えた圧電式曲げ変換器（１）であって、
−電界（３１２）によって発生可能な側方の寸法変化（３１１）を備えた圧電的に活性のセラミック層（３１）と、
−別の電界（３２２）によって発生可能な、前記側方の寸法変化（３１１）とは異なる別の側方の寸法変化（３２１）を備えた、圧電的に活性の別のセラミック層（３２）とを有している形式のものにおいて、
−電界（３１２，３２２）を生ぜしめるために、セラミック層（３１，３２）の間に少なくとも１つの電極層（４１１）が配置されていることを特徴とする、圧電式曲げ変換器。
【請求項２】
層複合体（２，２１）のスタック方向（２２）に、セラミック層の側方の寸法変化の勾配（５）が発生可能である、請求項１記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項３】
セラミック層（３１，３２）が、等しいセラミック材料（３１５，３２５）を有している、請求項１又は２記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項４】
セラミック層（３１，３２）が、種々異なるセラミック材料（３１５，３２５）を有している、請求項１又は２記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項５】
セラミック層（３１，３２）が、ほぼ等しい層厚さ（３１４，３２４）を有している、請求項１から４までのいずれか１記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項６】
セラミック層（３１，３２）が、種々異なる層厚さ（３１４，３２４）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項７】
層複合体（２，２１）が、該層複合体（２）の固有剛性を低減するための少なくとも１つの手段（２３）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項８】
固有剛性を低減するための前記手段（２３）が、孔である、請求項７記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項９】
層複合体（２，２１）が、円形の底面（６３）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項１０】
複数のモノリシック層複合体（２，２１）が、スタック（７）として配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのモノリシック層複合体を備えた圧電式曲げ変換器であって、電界によって発生可能な側方の寸法変化を備えた圧電的に活性のセラミック層と、別の電界によって発生可能な、前記側方の寸法変化とは異なる別の側方の寸法変化を備えた、少なくとも１つの圧電的に活性の別のセラミック層とを有する形式のものに関する。この形式の曲げ変換器は"Xiaoping L. et al., J. Am. Ceram. Soc., 84 (5), 996-1003(2001) "により公知である。
【０００２】
公知の曲げ変換器のモノリシック層複合体の、圧電的に活性のセラミック層は種々異なるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）から成っている。これらのセラミック層は種々異なるｄ３１定数を有している。電界の影響下で、セラミック層の平面的な（側方の）膨張部に沿って、それぞれ当該のセラミック層の寸法変化（短縮）がもたらされる。このｄ３１定数とは、発生可能な寸法変化に用いられる単位であり、例えばセラミック材料、セラミック層の層厚さと分極とに関係している。
【０００３】
層複合体では、この層複合体のスタック方向に、セラミック層の間のｄ３１定数の飛躍は存在しない。むしろ、ｄ３１定数はスタック方向に連続的に変化する。ｄ３１定数の勾配がスタック方向に存在している。
【０００４】
セラミック層の種々異なるｄ３１定数によって、若しくはｄ３１定数の勾配によって、セラミック層がさらされる電界がほぼ等しい場合には、層複合体の変形（撓み）がもたらされる。ストロークが層複合体のスタック方向に生じる。
【０００５】
それぞれのセラミック層の実際の寸法変化、ひいては層複合体の撓み若しくはストロークの程度は、セラミック層に作用する電界の強さに関係している。電界を生ぜしめるために、モノリシック層複合体は２つの電極層を有しており、これらの２つの電極層の間には、圧電的に活性のセラミック層が配置されている。セラミック層の複数の電界は、互いに独立して生ぜしめることはできない。層複合体の所定のストロークを発生させることは、それ故、比較的難しい。
【０００６】
A. Dogan et al.. IEEE Trans. Ultrason., Ferroelctr., Freq. Contr., Vol 44, No.3, 597-605,1997により、"Bimorph", "Cymbal", "Moonie", "Multilayer" 及び "Rainbow" タイプの曲げ変換器が公知である。有効ストロークを高めるために、これらのタイプの内、いずれか１つの曲げ変換器が複数、スタックとして配置されていてよい。この場合、撓み若しくはストロークを備えた、スタックのそれぞれ個々の曲げ変換器は、スタックの有効ストロークに貢献する。上記のタイプの曲げ変換器は、ストローク発生のためにそれぞれ少なくとも１つの圧電的に活性の層と、少なくとも１つの圧電的に不活性の層とを有している。撓みを生ぜしめるために、複数の層の間の境界面には著しい電圧値飛躍が生ぜしめられる。しかしながら、このような著しい電圧値飛躍は曲げ変換器の信頼性を減じてしまう。曲げ変換器が絶えず負荷される場合、この曲げ変換器は容易に故障しかねない。
【０００７】
そこで本発明の課題は、公知のものに比べてストロークを比較的簡単に調節することのできる、信頼性良い圧電式曲げ変換器を提供することである。
【０００８】
この課題を解決するために、少なくとも１つのモノリシック層複合体を備えた圧電式曲げ変換器が提案される。この曲げ変換器は、電界により発生可能な側方の寸法変化を備えた圧電的に活性のセラミック層と、別の電界によって発生可能な、前記側方の寸法変化とは異なる別の側方の寸法変化を備えた、圧電的に活性の少なくとも１つの別のセラミック層とを有している。この圧電式曲げ変換器は、電界を生ぜしめるために、複数のセラミック層の間に少なくとも１つの電極層が配置されていることにより特徴づけられる。
【０００９】
例えば、モノリシック層複合体は、圧電的に活性の複数のセラミック層と、これらのセラミック層の間に配置された内部電極層とから成っている。それぞれの内部電極層は、隣接する圧電的に活性のセラミック層に電界を生ぜしめるために働く。圧電的に活性のそれぞれのセラミック層は、セラミック層の厚さ方向、ひいてはモノリシック層複合体のスタック方向に分極される。分極時に、隣接する電極層に極性を交互に印加した場合には、隣接するセラミック層には対向する分極方向が生ぜしめられる。曲げ変換器の作動時の、電極層の電気的な制御によって、すなわち、分極方向に対して平行に電界を発生させることによって、セラミック層に沿って側方の寸法変化がもたらされる。これらのセラミック層は、分極方向に対して、ひいてはセラミック層の厚さ方向に対して垂直に短縮される。
【００１０】
隣接する圧電的に活性のセラミック層の間に、互いに電気的に絶縁された２つの電極層を配置することも可能である。これにより、互いに隣接するセラミック層に、等しく向けられた分極方向が誘導される。
【００１１】
モノリシックとは、層複合体が、セラミック層と、これらのセラミック層の間に配置された電極層とを一緒に焼結（co-firing）させることによって製造されることを意味する。例えば、モノリシック層複合体を製造するためには、電極材料がプリントされた複数のセラミックのグリーンシートが互いに上下に重ねて積み上げられ、積層され、場合によってはバインダ除去され、次いで焼結される。グリーンシートは、例えば焼結によって２０μｍ〜５００μｍの間の範囲のセラミック層の層厚さが生じるように選択されている。
【００１２】
本発明の根本思想は、曲げ変換器の撓み若しくはストロークを生ぜしめるために、圧電的に活性のセラミック層のみを使用することにある。このようなストロークの発生は、圧電的に不活性の層なしに成し遂げられる。このために、セラミック層に発生可能な側方の寸法変化は種々様々である。寸法変化のできるだけ良好な寸法決めを保持するために、それぞれ圧電的に活性の２つのセラミック層の間に１つの電極層が位置している。この電極層は、セラミック層に比べて非常に薄いので、上に述べた意味では圧電的に不活性の層としての機能を有していない。この電極層によって、隣接するセラミック層のそれぞれ所定の分極が生ぜしめられる。さらにこの電極層は、寸法変化のために必要な電界の発生のために働く。分極も、電界若しくは電界の強さも、公知の技術に比べてより簡単かつより正確に調節することができる。これは例えば、電極層によって、一緒の焼結の間に、隣接するセラミック層の間に生ぜしめられる混合相又は孔隙の可能性が著しく低減されているからである。このような混合層又は孔隙は、予測のつかない形でセラミック層の分極、及びセラミック層が作動時にさらされる電界にも影響を与える。
【００１３】
特別な１構成では、層複合体のスタック方向に、セラミック層の側方の寸法変化の勾配が形成可能である。このことは、曲げ変換器の作動時に、セラミック層からセラミック層への寸法変化の程度が、層複合体のスタック方向に連続的に一方向に変化することを意味する。例えば、層複合体は３つの圧電的に活性のセラミック層から成っている。作動時には、これらの３つのセラミック層の短縮の程度は、セラミック層からセラミック層へと小さくなる。寸法変化は、セラミック層からセラミック層へと飛躍的に変化する。しかしながら、寸法変化は次のように調節される、すなわち、隣接するセラミック層の間に発生する電圧値飛躍は、電圧的に活性の層と電圧的に不活性の層との複合体におけるよりも小さくなるように、調節される。
【００１４】
種々異なる側方の寸法変化を得るためには様々な可能性がある。例えば、セラミック層は種々異なるｄ３１定数を有しており、この場合には、層複合体の撓みを得るために、作動時にこれらのセラミック層に作用する複数の電界は等しく形成されていてよい。ｄ３１定数が等しく、その代わりに電界が種々様々に形成されていることも可能である。
【００１５】
ｄ３１定数はセラミック層のセラミック材料に関係している。特別な１構成では、複数のセラミック層は等しいセラミック材料を有している。このことは、（セラミック層の分極が十分に等しい場合に）種々異なるセラミック材料の様々な熱膨張係数に基づいた撓みがほとんど生じないという利点を有する。熱により誘電される撓みは生じない。セラミック層が種々異なるセラミック材料を有していることも可能である。この場合、セラミック材料の熱膨張係数が類似していると有利である。
【００１６】
別の構成では、セラミック層がほぼ等しい層厚さを有している。ほぼ等しいとは、１０％までの公差は許容されることを意味する。セラミック層の層厚さが等しく、セラミック層が等しいセラミック材料から成っている場合、種々異なる寸法変化は、分極が等しい場合に種々異なる電界強さがセラミック層に作用することにより生ぜしめられる。種々異なる寸法変化は、セラミック層が異なった分極を有しており、等しい又は類似の電界強さにさらされることによっても得られる。この場合、電界強さは、曲げ変換器の作動時にセラミック層の分極の変化（後分極）が生じないように選択されると有利である。
【００１７】
特別な１構成では、セラミック層は種々異なる層厚さを有している。セラミック層の分極時にも曲げ変換器の作動時にも、電極層には交互の通電時に等しい電位を負荷することができる。このことは、電極層の等しい電気的制御時に、セラミック層の種々異なる寸法変化を引き起こすことができることにつながる。
【００１８】
別の１構成では、層複合体は、この層複合体の固有剛性を低減するための少なくとも１つの手段を有している。固有剛性の低減によって、層複合体の高められたストロークを得ることができる。特に、固有剛性を低減するための手段は孔である。この孔は、層複合体に次のような形で配置されている、すなわち、孔を有する層複合体においては、孔を有していない相応の層複合体の場合よりも、所定のストロークのためにより少ないエネルギしか必要としないような形で配置されている。この孔は、例えばスタック方向に設けられた、層複合体の孔又は貫通孔として形成されている。
【００１９】
層複合体の底面は任意に形成されている。例えば、底面は長方形であり、これにより、ストリップ状の層複合体がもたらされる。規則的な六角形の底面も可能である。特別な１構成では、層複合体は円形の底面を有している。この層複合体は円形ディスク撓曲体である。この場合有利には、それぞれのセラミック層はディスクである。ディスク状のセラミック層を厚さ方向に分極する場合に、セラミック層の半径方向及び周方向のｄ３１定数が生じる。セラミック層の周は、電界の作用によって分極方向に対して平行に縮小される。ｄ３１定数は、有利な形式で、層厚さの拡大をもたらすｄ３３定数によって重ね合わせられる。軸方向のシフトが生じる。セラミック層の生ぜしめられたストロークは高められている。
【００２０】
さらに、円形ディスク撓曲体は良好な安定性により優れている。この円形ディスク撓曲体は自立式に形成されている。円形ディスク撓曲体の当接部は点状ではなく、円形ディスク撓曲体の周にわたって延びている。別の利点は、円形ディスク撓曲体は位置決めするだけでよいことである。この円形ディスク撓曲体は、例えばストリップ形の曲げ変換器とは反対に、締め付け固定する必要はない。曲げ変換器の締め付け固定による高い剛性時には、例えば曲げ変換器の締め付け範囲の機械的な損傷につながりかねない。このような問題は、円形ディスク撓曲体の場合には生じない。別の利点としては、他の構成形式に比べた場合の高いブロッキング力、高められた剛性、及び比較的高い共振周波数が挙げられる。さらに、円形ディスク撓曲体を製造するためには、セラミック多層アクチュエータを製造するための実証済みの方法を用いることができる。
【００２１】
別の構成では、複数のモノリシック層複合体がスタックとして配置されている。特に、これらの複数の層複合体は円形ディスク撓曲体の形でスタックとして配置されている。これらの円形ディスク撓曲体は交互に配置されており、これにより、個々の円形ディスク撓曲体のストロークの付加的な積み重ねによって、多大な有効ストロークが得られる。この場合、円形ディスク撓曲体は外側からスリーブを介して固定することができる。円形ディスク撓曲体が孔を有している場合、この孔内を案内される軸を介して固定することもできる。
【００２２】
要約すると、本発明により次のような主な利点が生じる。
・ストロークを得るために、圧電的に不活性の層は不要である。
・層複合体に寸法変化の勾配が発生可能であり、この勾配がストロークを引き起こすようになっている。
・セラミック層の間に発生する電圧値飛躍が非常に小さい。このことにより、曲げ変換器の安定性が高められる。
・層複合体の圧電的に活性のセラミック層の間の（別個に制御可能な）電極層によって、セラミック層が作動時にさらされる電界が自由に選択できる。
・電極層が、隣接するセラミック層の境界面における混合相及び孔隙の形成を防止する。電界ひいては寸法変化は非常に良好に調節できる。
・多層構造において、ストロークを得るために比較的低い電圧を電極層に印加することができる。
・層複合体を備えた曲げ変換器が、円形ディスク撓曲体の形で安価に製造され、かつ自立式で安定性がある。ｄ３１定数とｄ３３定数との協働に基づいて特に高いストロークにより優れている。
・複数の層複合体、特に円形ディスク撓曲体を互いに上下に積層することにより、高い有効ストロークを得ることができる。
【００２３】
次に、本発明によるモノリシック層複合体を備えた圧電式曲げ変換器を、複数の実施例と付属の図面とを用いて説明する。図面は概略的であり、縮尺に従った投影図ではない。
【００２４】
圧電式曲げ変換器１が、モノリシック層複合体２を有している（図１）。この層複合体２は、圧電的に活性の４つのセラミック層３１，３２，３３，３４から成っている。これらのセラミック層３１，３２，３３，３４は、それぞれ等しいセラミック材料３１５，３２５，３３５，３４５を有している。このセラミック材料はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である。セラミック層３１，３２，３３，３４の分極３１３，３２３，３３３，３４３の大きさはほぼ等しい。隣接するセラミック層の分極は互いに平行しているが、互いに反対に向けられている。これらのセラミック層のｄ３１定数は等しく、約−３５０ｐｍ／Ｖである。セラミック層３１，３２，３３，３４の層厚さは種々様々である。これらの層厚さは５０〜１５０μｍの間であり、層複合体２のスタック方向に減少している。セラミック層３１，３２，３３，３４の間には、内部電極層４１、４２，４３，が配置されている。モノリシック層複合体のスタック方向２２の終端部を形成しているのは、２つの外部電極層４４及び４５である。層複合体２の全厚さは３００μｍである。層複合体２は、約５ｍｍの半径を備えた円形の底面６３（図２ｃ）を有する円形ディスク撓曲体２１である。固有剛性を低減するために、この円形ディスク撓曲体２は約１．５ｍｍまでの半径を備えた孔２２（図２ｃ）を有している。この孔２３は、スタック方向２２に設けられた、円形ディスク撓曲体２の貫通孔である。
【００２５】
曲げ変換器１の作動時には、内部及び外部導体層４１，４２，４３，４４，４５は、交互に電位４１１，４２１，４３１，４４１，４５１を負荷される。電位４１１及び４３１は１００Ｖであり、電位４４１，４２１及び４５１は０Ｖである。圧電的に活性のセラミック層の種々異なる層厚さの組合せ及び電極層の間の等しい電位差により、セラミック層は種々異なる強さの電界３１２，３２２，３３２，３４２にさらされる。その結果、種々異なる寸法変化３１１，３２１，３３１，３４１が生じ、この場合に、側方の寸法変化の勾配５が層複合体２若しくは円形ディスク撓曲体に生ぜしめられる。
【００２６】
別の１実施例は、セラミック層３１，３２，３３，３４の層厚さがほぼ等しいことにより優れている。セラミック層の種々異なる側方の寸法変化を得るために、複数の電極層の間に種々異なる電位差、ひいては種々異なる強さの電界が生ぜしめられる。電極層は個別に制御される。
【００２７】
別の実施例は、層複合体の種々異なる底面によって、上に記載の実施例とは異なっている。長方形の底面６１（図２ａ）により、ストリップ状の層複合体がもたらされる。図２ｂに示したように、６角形の底面６２も可能である。
【００２８】
できるだけ大きなストロークを得るために、複数の層複合体２が円形ディスク撓曲体２１の形でスタック７として配置されている。円形ディスク撓曲体２１は、交互に積み重ねられている。このことは、円形ディスク撓曲体２１の電気的な制御により、全有効ストロークにつながる、個々の円形ディスク撓曲体に生ぜしめられたストロークの付加的な積み重ねがもたらされることを意味する。１実施例によれば、固定のためには軸７２が用いられる。この軸７２は、積層された円形ディスク撓曲体２１の貫通孔２３を通る。これに対して選択的に、スタック７は、対応して寸法決めされたスリーブ７１内に配置されている（図３ｂ）。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による層複合体の側面横断面図である。
【００３０】
【図２】種々異なる層複合体の底面を示す平面図である。
【００３１】
【図３】電気的制御時の層複合体のスタックを示す側面図である。
【国際公開パンフレット】
2004531094.tif 000002
2004531094.tif 000003
2004531094.tif 000004
2004531094.tif 000005
2004531094.tif 000006
2004531094.tif 000007
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2004531094.tif 000010
2004531094.tif 000011
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2004531094.tif 000013
2004531094.tif 000014
2004531094.tif 000015
2004531094.tif 000016
2004531094.tif 000017
2004531094.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004531094.tif 000019
2004531094.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月6日(2003.10.6)
【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】
少なくとも１つのモノリシック層複合体（２，２１）を備えた圧電式曲げ変換器（１）であって、
−電界（３１２）によって発生可能な側方の寸法変化（３１１）を備えた圧電的に活性のセラミック層（３１）と、
−別の電界（３２２）によって発生可能な、前記側方の寸法変化（３１１）とは異なる別の側方の寸法変化（３２１）を備えた、圧電的に活性の別のセラミック層（３２）とを有しており、
−電界（３１２，３２２）を生ぜしめるために、セラミック層（３１，３２）の間に少なくとも１つの電極層（４１１）が配置されている形式のものにおいて、
−層結合体（２，２１）が、自立式になっており、
−該層結合体が、円形の底面（６３）を有していることを特徴とする、圧電式曲げ変換器。
【請求項２】
層複合体（２，２１）のスタック方向（２２）に、セラミック層の側方の寸法変化の勾配（５）が発生可能である、請求項１記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項３】
セラミック層（３１，３２）が、等しいセラミック材料（３１５，３２５）を有している、請求項１又は２記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項４】
セラミック層（３１，３２）が、種々異なるセラミック材料（３１５，３２５）を有している、請求項１又は２記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項５】
セラミック層（３１，３２）が、ほぼ等しい層厚さ（３１４，３２４）を有している、請求項１から４までのいずれか１記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項６】
セラミック層（３１，３２）が、種々異なる層厚さ（３１４，３２４）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項７】
層複合体（２，２１）が、該層複合体（２）の固有剛性を低減するための少なくとも１つの手段（２３）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項８】
固有剛性を低減するための前記手段（２３）が、孔である、請求項７記載の圧電式曲げ変換器。
【請求項９】
複数のモノリシック層複合体（２，２１）が、スタック（７）として配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電式曲げ変換器。
【国際調査報告】
2004531094.tif 000021
2004531094.tif 000022
2004531094.tif 000023
2004531094.tif 000024
2004531094.tif 000025
2004531094.tif 000026