(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間に介在している金属内部電極（３）を有する、圧電セラミックスからなる薄板の焼結された積層体（２）からなるモノリシックの積層型アクチュエータ（１）であって、該内部電極が交互に積層体（２）から導出されておりかつ外部電極によって電気的に並列接続されており、この場合、金属内部電極（３）を並列接続するために、外部電極は、積層体（２）の、施与された基礎金属被覆（４）からなる接触側面に存在しており、この基礎金属被覆（４）が電気接続用素子（５）と結合しているモノリシックの積層型アクチュエータ（１）において、基礎金属被覆（４）と電気接続用素子（５）の間に三次元構造化された導電性の電極（６）が基礎金属被覆（４）を介する金属内部電極（３）との並列接続のために配置されており、この場合、該電極（６）が部分的な接触箇所（７）を介して基礎金属被覆と結合しておりかつこれら接触箇所（７）と接触箇所（７）の間で伸長可能な状態で形成されていることを特徴とする、モノリシックの積層型アクチュエータ（１）。
【請求項２】
前記の導電性の電極（６）が接触箇所（７）の間で基礎金属被覆（４）から引き離されている、請求項１記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項３】
前記の導電性の電極（６）が構造化された金属箔である、請求項１又は２記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項４】
前記の導電性の電極（６）が波形の断面を有している、請求項１から３までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項５】
前記の導電性の電極（６）が基礎金属被覆（４）との接触箇所（７）に突起部（８）を有している、請求項１から４までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項６】
前記の導電性の電極（６）が基礎金属被覆（４）の洗浄過程のための開口部（９）を有している、請求項１から５までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項７】
前記の導電性の電極（６）がニッテッド・ワイヤ／金網（１０）又は連続気泡のスポンジ金属（１１）である、請求項１から６までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項８】
前記の導電性の電極（６）が接触箇所（７）でロウ付け、導電接着剤を用いた接着又は溶接によって基礎金属被覆（４）と結合している、請求項１から７までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【請求項９】
前記の導電性の電極（６）が青銅又は黄銅から製造されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載のモノリシックの積層型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
層間に介在している金属内部電極を有する、圧電セラミックスからなる薄板の焼結された積層体からなるモノリシックの積層型アクチュエータ(Vielschichtaktor)であって、該内部電極が交互に積層体から導出されておりかつ外部電極によって電気的に並列接続されており、この場合、内部電極（３）を並列接続するために、外部電極は積層体の、施与された基礎金属被覆からなる接触側面に存在しており、この基礎金属被覆が電気接続用素子と有利にロウ付けによって結合しているモノリシックの積層型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックスの場合には、該圧電セラミックスが機械的な圧縮下ないしは引張下に帯電され、かつ他方で帯電の場合には伸長ないしは収縮する効果が利用される。この効果を増強するために、層間に介在している金属内部電極を有する圧電セラミックス（例えばジルコン酸チタン酸鉛）からなる薄板の焼結された積層体からなるモノリシックの積層型アクチュエータは、使用される。該内部電極は、交互に積層体から導出されかつ外部電極によって電気的に並列接続される。積層体の接触側面には、このために基礎金属被覆(Grundmetatallisierung)が施与されており、この基礎金属被覆は、各内部電極と結合している。ロウによる基礎金属被覆の全面的ないしは部分的な被覆によって該基礎金属被覆は、補強される。一方で、積層型アクチュエータの動作の際に発生する高い電流量（約２０〜８０アンペア）に耐えるために、この補強によって必要な材料断面が形成される。他方では電気リード線のロウ付けが可能となる。
【０００３】
外部電極に電圧が印加される場合には、この圧電性薄板は、電界の方向に伸長する。各圧電性薄板の機械的な直列連結によって、圧電セラミックス全体の公称伸長は、既に低い電圧で達成される。
【０００４】
上記のモノリシックの積層型アクチュエータは、ドイツ国特許出願公開第４０３６２８７号明細書に詳細に記載されている。このドイツ国特許出願公開明細書の場合にも流量−調整弁における使用が記載されている。
【０００５】
圧電セラミックスは、本来脆性であり、かつ僅かな引張強さ（約８０×１０6Ｐａ）を有するのみである。この引張強さは、モノリシックの積層型アクチュエータの場合には、内部電極の積層配置によって、及び分極の際に生じる強さの異方性によってさらに減少される。最大許容引張応力は、しばしば既に分極の際に越えられ、その結果、絶対的な亀裂形成が生じる。
【０００６】
しかしながら、この種の亀裂形成が通常の動作条件下でアクチュエータ(Aktor)の破壊に至ることについての示唆はない。
【０００７】
その上、セラミックス内部の亀裂の成長は、粒度、粒界の組成及び気孔率によって良好に影響が与えられることができる。有利に調整された条件下で、亀裂は、結晶を横断して進行せず、かつエネルギー低下によって粒界及び気孔のところで急速に停止される。既に約１０００回の帯電サイクルで亀裂の成長は、十分に完結しており、かつ長い動作時間（１０9サイクル）の後にもきわめて僅かに増加する。
【０００８】
しかしながら、積層型アクチュエータの高い動荷重の場合に、即ちセラミックス内の亀裂が基礎金属被覆及び施与されたロウ層を切断する場合には、この亀裂は、危険である可能性がある。この場合には、最も有利な場合には各圧電性薄板のみが分離されている。しかしながら、本質的によりしばしば亀裂縁部において積層型アクチュエータの破壊に至る電圧のフラッシュオーバーが生じ、それというのも、この箇所を流れる全ての動作電流が切断されるからである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、層間に介在している金属内部電極を有する、圧電セラミックスからなる薄板の焼結された積層体からなるモノリシックの積層型アクチュエータ(Vielschichtaktor)であって、該内部電極が交互に積層体から導出されておりかつ外部電極によって電気的に並列接続されており、この場合、外部電極は積層体の、施与された基礎金属被覆からなる接触側面に存在しており、この基礎金属被覆が電気接続用素子と有利にロウ付けによって結合しているモノリシックの積層型アクチュエータを、高い動荷重の場合にも積層型アクチュエータの破壊が生じない程度に改善することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば上記課題は、基礎金属被覆と接続用素子の間に三次元構造化された導電性の電極が基礎金属被覆（４）を介する内部電極（３）との並列接続のために配置されており、この場合、該電極が部分的な接触箇所を介して基礎金属被覆と結合しておりかつこれら接触箇所の間で伸長可能な状態で形成されていることによって解決される。この装置によってアクチュエータの動作電流は、二次電流に分配される。二次電流は、接触箇所から基礎金属被覆を介して金属内部電極へと流れ、かつ典型的に０．５アンペアである。この電流に対して基礎金属被覆の補強は、必要ない。
【００１１】
この本発明による上記形成によって、積層型アクチュエータの動的運転中に基礎金属被覆に亀裂が生じうることは許容される。しかしながらこの亀裂は、三次元構造化された電極中に伝わらず、それというのも該電極が部分的な接触箇所を介して基礎金属被覆と結合しておりかつこれら接触箇所の間で伸長可能な状態で形成されているからである。このことによって電気的接続は、常に維持され、それというのも三次元電極中に流れる動作電流がまったく中断されないからである。基礎金属被覆中に生じる亀裂は、三次元電極を介した二次電流の方向転換を生じさせるのみである。
【００１２】
動荷重とは、交流電圧の印加のことである。動荷重の強度は、各インパルス及び周波数の立ち上がりの険しさ(Flankensteilheit)に依存している。高い動荷重の場合には、典型的に１０〜５００μｓであり、周波数は、典型的に１０〜１０００Ｈｚである。試験によって、長時間の試験によっても、上記の動荷重の場合に本発明による積層型アクチュエータの破壊が記録されえなかったという結果が得られた。
【００１３】
有利な実施態様の場合には電極は、接触箇所の間で基礎金属被覆から引き離されており、かつ有利に、構造化された金属箔である。約５０μｍの厚さを有する該箔は、伸長可能でありかつ本発明による電極に特に適当である。
【００１４】
電極が波形の断面を有している場合には、基礎金属被覆からの引き離しは、簡単に達成することができる。上から見て、ヘリンボーン模様もまた特に適当である。
【００１５】
電極が基礎金属被覆から若干離れているために、有利に電極は、接触箇所に突起部(Noppen)を有している。同様に、電極が基礎金属被覆の洗浄過程のための開口部を有していることは、有利である。該洗浄過程によって、使用された融剤は、問題なく除去することができる。
【００１６】
有利な実施態様の場合には電極は、ヒートシンクとして形成されている。このことによって積層型アクチュエータの熱負荷は、回避される。
【００１７】
電極は、有利にニッテッド・ワイヤ(Drahtgewirk)、金網(Drahtgegeflecht)又は連続気泡のスポンジ金属(Metallschaum)であることもできる。
【００１８】
有利に電極は、接触箇所でロウ付け、導電接着剤を用いた接着又は溶接、例えばレーザ溶接によって基礎金属被覆と結合される。
【００１９】
電極のための材料として青銅又は黄銅は、特に有利であることが判明している。
【００２０】
本発明の更なる特徴は、以下に記載されている図に明らかである。
【００２１】
【実施例】
図１は、公知技術水準による積層型アクチュエータを概略的に示している。積層体２は、層間に介在している金属内部電極３を有する圧電セラミックスからなる焼結された薄板からなる。電極３は、交互に積層体から導出されておりかつ外部電極によって電気的に並列接続されている。
【００２２】
図２は、積層型アクチュエータの断面図で示している。並列接続のために積層体２の接触側面に基礎金属被覆４が施与されている。基礎金属被覆４上にロウ付け即ちロウ１２によって接続用素子５が固定されている。接続用素子５への電圧の印加の場合には、積層体２は、矢印１３の方向に伸長する。相応する電力の交流電圧が印加される場合には、積層体２は、交番周波数の周期で伸長−及び収縮運動を行なう。
【００２３】
この動荷重によってセラミックスに、最悪の場合には基礎金属被覆４及び施与されたロウ層１２が切断する浅い亀裂１４が生じる。
【００２４】
図３は、本発明による、基礎金属被覆４と結合した波形の三次元電極６を有する積層型アクチュエータの、図２と同様の断面図を示している。図６は、平行に配置された波の谷及び波の山からなる電極６の上面図を示している。該電極６は、接触箇所７において基礎金属被覆４と、例えばレーザ溶接によって導電的に結合している。基礎金属被覆４の清浄化のために、電極６中に開口部９が配置されている。図３の場合には例示的にこれら開口部９のいくつかが示されている。電極６は、有利に、例えば青銅又は黄銅からなる金属箔からなる。この場合には、接触箇所７の間の領域が伸長可能であることが重要であり、その結果、セラミックスの亀裂１４が原因で破断が電極６に生じることはありえない。大きな表面積によって電極６は、積層型アクチュエータためのヒートシンクとして使用することができる。接続用素子５は、任意の箇所で電極６と結合させることができる。
【００２５】
図４は、電極６としてニッテッド・ワイヤ(Drahtgewirk)１０を有するアクチュエータを示している。基礎金属被覆とのニッテッド・ワイヤ１０の個々の接触箇所ないしはロウ付けは、参照番号７で示されている。亀裂１４によって電極６の切断がもたらされず、それというのも該亀裂１４が電気的に電極６によって架橋されるからである。
【００２６】
図５は、電極６としてスポンジ金属１１を有するアクチュエータを示している。スポンジ金属１１は、有利に連続気泡の形で形成されている。接触箇所ないしは個々のロウ付け位置は、ここでは簡易化のため示されていない。他の点については同じ参照番号は、同じ対象を示している。
【００２７】
図６は、既述のとおり、波形の電極６を上面図で示している。波列は、この場合には直線に進みかつ平行に配置されている。
【００２８】
図７にはヘリンボーン模様を有する電極６が上面図で示されている。この場合にもそれぞれ１つの波の谷は、１つの波の山に隣接して配置されている。
【００２９】
図８は、図６の波の谷の線分Ａ−Ａに沿った断面図を示している。電極６は、この場合には突起部８で基礎金属被覆に接触している。
【００３０】
当業者にとって種々の他の電極の形状を考えることは可能であり、この場合、電極が多数の接触箇所によってのみ、即ち全面においてではなく基礎金属被覆に接触しておりかつ２つの接触箇所間の中間領域が積層体の伸長及び収縮に関係して一定の伸長を実施することができ、その結果、電極６がこの領域内で、セラミックスで生じた亀裂によって切断されないことが常に保証されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知技術水準による積層型アクチュエータの概略図である。
【図２】亀裂によって使用不可能になった公知技術水準による積層型アクチュエータの断面図である。
【図３】本発明による、構造化された波形の電極を有する積層型アクチュエータの断面図である。
【図４】電極としてニッテッド・ワイヤを有する積層型アクチュエータの断面図である。
【図５】電極としてスポンジ金属を有する積層型アクチュエータの断面図である。
【図６】図３の場合に類似の、断面が波形の電極の上面図である。
【図７】ヘリンボーン模様を有する電極の上面図である。
【図８】図６の波の谷の線分Ａ−Ａに沿った断面図である。
【符号の説明】
１  積層型アクチュエータ、  ２  積層体、  ３  内部電極、  ４  基礎金属被覆、  ５  接続用素子、  ６  電極、  ７  接触箇所、  ８  突起部、  ９  開口部、  １０  ニッテッド・ワイヤ／金網、  １１  スポンジ金属
【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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