(57)【要約】  本発明の対象は、耐湿保護層を有する圧電セラミック多層アクチュエータおよびその製造方法である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿気から保護する保護層を有する圧電セラミック多層アクチュエータにおいて、
前記保護層は、粒子、好ましくはセラミック粒子から構成されることを特徴とする、
圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項２】
前記保護層は、セラミック粒子から構成され、好ましくは６００℃未満、好ましくは３００℃未満の温度で被着され、８００℃未満、好ましくは６００℃未満、特に好ましくは３００℃の温度で後処理される、
請求項１記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項３】
湿気から保護する保護層を有する圧電セラミック多層アクチュエータであって、
前記保護層は、セラミック粒子から構成され、空気流堆積法、特に好ましくはエアロゾルデポジション法によって被着される、
請求項１または２記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項４】
セラミック粒子から成る前記保護層は、端面を除く前記アクチュエータ全体を取り囲んでおり、リード線をはんだ付けするための、保護層のない箇所のみ開放されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項５】
セラミック粒子から成る前記保護層は、外部電極層を支持しない、前記アクチュエータの側面のみを覆っている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項６】
セラミック粒子から成る前記保護層は、電流を伝導しない、
請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項７】
セラミック粒子から成る前記保護層は、水蒸気と化学反応を起こさない、
請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項８】
前記保護層は、圧電セラミック粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、または酸化チタン粒子から構成される、
請求項１から７までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項９】
前記保護層は、５〜１００μｍの層厚を有し、１０〜３０μｍの範囲が特に好ましい、
請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電セラミック多層アクチュエータの製造方法であって、
湿気から保護する保護層は、空気流堆積法、特に好ましくはエアロゾルデポジション法によって被着される、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願の対象は、耐湿保護層を有する圧電セラミック多層アクチュエータ、およびその製造方法である。圧電セラミック多層アクチュエータ（図１）は、圧電活性材料（２）（例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））の積層された薄層から成り、それらの層の間に配置されかつ交互にアクチュエータ表面に案内される導電性内部電極（７）を備えている。外部電極（３），（４）は、内部電極を互いに接続し、それによって内部電極は、電気的に並列接続され、アクチュエータの２つの端子極を成す２つのグループにまとめられる。端子極に電圧を印加すると、この電圧は、すべての内部電極に並列に伝達されて、活性材料のすべての層に電場を発生させ、この活性材料は、それによって機械的に変形する。これら機械的変形はすべて、アクチュエータの端面において、利用可能な歪み（６）および／または力として使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
このような層構造は、通常、同時焼成法によって製造される。この場合、活性材料は、焼成の前に、いわゆるグリーンフィルムとして貴金属ペーストを用いたスクリーン印刷によって内部電極が設けられ、加圧されてアクチュエータ積層体が形成され、熱分解され、次に焼結され、それによって一体型アクチュエータが形成される。
【０００３】
その後、アクチュエータ本体の表面は、成形方法（一般的に研削）によって加工される。アクチュエータ（１）には、外方へ延びる内部電極（７）の領域で、ベース金属化部（３）が、例えば電気メッキ法または金属ペーストのスクリーン印刷によって被着される。このベース金属化部は、金属材料（４）を取り付けることによって、例えば金網をはんだ付けすることによって補強される。この補強された層に、電気的なリード線（５）がはんだ付けされる。
【０００４】
このようなアクチュエータおよび外部電極の構造および製造については、例えば独国特許出願公開第３３３０５３８号明細書（DE 33 30538 A1）、独国特許発明第４０３６２８７号明細書（DE 40 36 287 C2）、米国特許第５２８１８８５号明細書（US 5 281 885）、米国特許第４８４５３９９号明細書（US 4 845 399）、米国特許第５４０６１６４号明細書（US 5 406 164）および特開平７−２２６５４１号公報（JP 07-226541 A）に詳細に記載されている。
【０００５】
金属化部を設けない、アクチュエータの側面には、すべての電極が部材表面へ延びている。そこでの電場強度は、部材内部と同じくらい高く、数千ボルト／ミリメートルである。
【０００６】
表面付近に至る、アクチュエータ周囲からの極性分子、例えば水蒸気は、この電場で分極され、配向され、表面へ引き寄せられる。そこで極性分子は、セラミック表面に吸着され、種々様々な電気化学反応によって、表面へ延び電極間に電流が流れるようになる。電気化学反応は、セラミック表面で直接起こるが、数分後に、表面付近の結晶粒界に沿っても起こる。さらにこれらの電気化学反応のうちのいくつかは、不可逆的であり、アクチュエータの機能低下をもたらし、最悪の場合には故障を生じさせる。この電気化学反応の種類は、完全には解明されていないが、アクチュエータ表面でかつ水和した結晶粒界に沿った電気化学的水分解およびイオン移動が、主に関与していると考えられる。
【０００７】
したがって、上述の理由から、圧電セラミックアクチュエータは、周辺湿度に対して非常に敏感であり、周辺に湿気が多い場合は、パルス休止時に湿気を再び脱着できるように、パルス動作時のみ、または十分に高い周波数で作動させてもよい。
【０００８】
アクチュエータは、アクチュエータ表面での電気的なフラッシュオーバーを防止するために、基本的に絶縁層で被覆されている。これらの被覆は、大抵の場合、未充填ポリマーまたは充填ポリマーであり、水蒸気に関して「良好な」から「非常に良好な」透過性を有している。漏れ電流の問題を解決し得るポリマー被覆は、知られていない。
【０００９】
この問題に対処する従来の方策では、満足のいく結果がもたらされていない。例えば、内部電極をアクチュエータの内部へ幾分か引き込むことができるので、アクチュエータ表面に、閉鎖セラミック層（埋込電極、例えば米国特許出願公開第２００８／０４８５２８号明細書（US2008048528））を形成してもよい。しかしながら、閉鎖セラミック層には、製造公差の関係上、少なくとも約０．２ｍｍの厚さが必要である。動作時に、閉鎖セラミック層は、受動的に伸張し、亀裂の発生を避けることができず、それによって閉鎖セラミック層の保護作用は失われてしまう。
【００１０】
その一方で、約２ｍｍの高さしかない、埋込電極を備えたアクチュエータ部材の製作が可能である。このように高さのない部材では、アクチュエータの動作時に機械的引張応力を十分に発生させることができないので、理論上このような部材において亀裂が生じることはない（例えば特開平８−２３６８２８号公報（JP 8-236828））。しかしながら、亀裂が生じないということは、ただ理論上（統計上）保証されているだけである。このような形式のアクチュエータを調べてみると、やはり湿気に敏感なアクチュエータが、かなりの割合で見受けられる。
【００１１】
埋込電極の公差問題を回避するために、未焼成の圧電セラミック膜をアクチュエータ表面上に積層し、次いで焼結してもよい（例えば独国特許出願公開第１００２１９１９号明細書（DE10021919））。また、圧電セラミックペーストから成る層を、例えばスクリーン印刷によって被着して焼結してもよい。いずれの場合においても、統計上見ても同様に、アクチュエータの動作によって被覆に亀裂が生じるおそれがある。
【００１２】
したがって、焼結されたセラミック保護層を有するアクチュエータはすべて、実現可能な最大出力で動作させることができない。動作中に保護層に亀裂が生じないまま保持されるように注意する必要がある。
【００１３】
さらに、非常に薄い圧電セラミック保護層の場合には、結晶粒界に沿った湿気の電気化学反応の結果が注目される。層が薄ければ薄いほど、起こる反応はより明確となる。０．２ｍｍの比較的厚いセラミック層であっても、その反応が、漏れ電流として検出されることがある。
【００１４】
現在公知かつ有効な唯一の方法は、密閉された金属ハウジング内へアクチュエータを封止することであり、吸着された湿気がハウジング内で適切な充填媒体によって化学的に分解されるようにする必要がある（米国特許出願公開第２０１４／３６８０８６号明細書（US2014368086））。このような方法の場合、製造時に付加的にかかる相当な手間、コストの増大、およびアクチュエータの大幅な構造スペースの増加が欠点である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
したがって、本発明の課題は、比較的簡単に製造することができ、安価に生産でき、可能な限り最小の構造スペースを備えた、耐湿保護層を有する多層アクチュエータを提供することである。さらに、アクチュエータは、動作中に可能な限り小さな漏れ電流を示すのが望ましい。このような課題は、請求項１に記載された本発明による多層アクチュエータによって解決される。好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【００１６】
本発明によると、空気流堆積法、特に好ましくはＡＤＭ法によって製造された層は、アクチュエータ表面上で、湿気に対する保護層として使用される（図２）。
【００１７】
この保護層は、セラミック層であることが好ましく、このセラミックを、好ましくは圧電セラミック、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、またはその他の無機物質から選択することができる。
【００１８】
ＡＤＭ法（エアロゾルデポジション法、またはＲＴＩＣ＝常温衝撃固化現象）では、ガス流中の粒子が、超音速に加速され、アクチュエータ表面上に析出される。このとき、塑性変形に加えて、粒子は、密でかつ良好に付着する層に配列される、ナノメートルサイズの破片に破砕される。この方法全体は、室温で行われる。粒子を被着する間の温度は、６００℃未満、好ましくは３００℃未満である。
【００１９】
したがって、保護層は、基本的に（破砕されて、互いに結合された）粒子から成る。このような粒子層を、被着後に熱処理によって、特に８００℃未満、好ましくは６００℃未満、特に好ましくは３００℃の温度で後処理してもよい。
【００２０】
このように製造された層の層厚は、１〜１００μｍの範囲内であってよく、５〜３０μｍの範囲が特に好ましい。
【００２１】
ＡＤＭによって製造された層は、非常に高い密度（相対密度＞９５％、好ましくは、＞９８％）を有し、非多孔質であり、焼結プロセスによって生じるような「結晶粒界」を含まない。焼結セラミックに生じるような電気化学的伝導事象は起こらない。このような層は、密度が高いので、十分な保護作用を有したまま、非常に薄く、ひいてはアクチュエータの動作時に亀裂を発生させないことが可能である。
【００２２】
圧電セラミック多層アクチュエータの、湿気から保護する保護層を、好適な実施形態に従って、粒子、好ましくはセラミック粒子から構成する。
【００２３】
１つの好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層を、好ましくは６００℃未満、好ましくは３００℃未満の温度で被着し、８００℃未満、好ましくは６００℃未満、特に好ましくは３００℃の温度で後処理する。
【００２４】
さらに好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層を、空気流堆積法、特に好ましくはエアロゾルデポジション法によって被着する。
【００２５】
さらに好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層は、端面を除くアクチュエータ全体を取り囲んでおり、リード線をはんだ付けするための、保護層のない箇所のみ開放されている。
【００２６】
さらに好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層は、外部電極層を支持しない、アクチュエータの側面のみを覆っている。
【００２７】
さらに好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層は、電流を伝導しない。
【００２８】
さらに好適な実施形態では、セラミック粒子から成る保護層は、水蒸気と化学反応を起こさない。
【００２９】
さらに好適な実施形態では、保護層を、圧電セラミック粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化ジルコニウム粒子、または酸化チタン粒子から構成する。
【００３０】
さらに好適な実施形態では、保護層は、５〜１００μｍの層厚を有し、１０〜３０μｍの範囲が特に好ましい。
【００３１】
本発明には、圧電セラミック多層アクチュエータの製造方法も含まれており、湿気から保護する保護層を、空気流堆積法、特に好ましくはエアロゾルデポジション法によって被着する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】圧電セラミック多層アクチュエータである。
【図２】湿気から保護する保護層を有する圧電セラミック多層アクチュエータである。
【実施例】
【００３３】
７×７×３０ｍｍ３の寸法を有する一体型圧電セラミック多層アクチュエータ用のセラミック体を製造し、外部側電極ストリップを設けた。
【００３４】
比較例１
アクチュエータを非水性媒体で洗浄し、乾燥させ、シリコーンラッカー（相似被覆）で絶縁のために被覆した。
【００３５】
比較例２
アクチュエータを脱塩水で洗浄し、乾燥させ、シリコーンラッカー（相似被覆）で絶縁のために被覆した。
【００３６】
発明例３
アクチュエータを圧電セラミックから成るＡＤＭ層で被覆した（ＳＰ５０５、層厚１０μｍ）。
【００３７】
発明例４
アクチュエータを圧電セラミックから成るＡＤＭ層で被覆した（ＳＰ５０５、層厚３０μｍ）。
【００３８】
発明例５
アクチュエータを圧電セラミックから成るＡＤＭ層で被覆した（ＳＰ５３、層厚２０μｍ）。
【００３９】
漏れ電流の測定
上述の方法で製造されたアクチュエータを２００Ｖの電圧（通常動作電圧）に接続し、電流を測定した。このとき、アクチュエータを２５℃の温度、および３０％ｒＦの湿度にさらした。
【００４０】
電流は、まず急速に減少し（充電および分極プロセス）、最小値（Ｉｍｉｎ）に達し、その後急速に増加する（アクチュエータへの湿気の侵入）。耐湿性の基準は、電流が最初に１μＡの値を超えるまでの時間（ｔａ）である。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
これらの結果から、十分な密度および厚さを有するＡＤＭ層を備えた被覆は、特に先行技術から公知のシリコーンラッカーと比較して、湿気に対して優れた保護作用をもたらすことが可能である、ということが分かる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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