JP2004535688A - ハウジングの中のモノリシック多層アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は圧電セラミックから成る薄膜の焼結したスタックから成るモノリシック多層アクチュエータであって、金属製の内部電極が埋め込まれており、接続ワイヤ（５）が設けられており、前記金属製内部電極が、前記スタックから交互に外部へ通じており且つ外部電極（３，４）を介して電気的に並列接続されている形式のモノリシック多層アクチュエータに関する。アクチュエータの特性を変化させずに、アクチュエータに長期間にわたって定格電圧を印加できるように、アクチュエータは金属製又はセラミック製のハウジング（８，１１，１６）により密閉包囲されており、接続ワイヤ（５）はハウジング底板（１１）に一体形成された構成部分であり、ハウジング（８，１１，１６）は吸水性媒質（１４）と電気的に絶縁性の水分輸送媒質（１５）とで満たされるようにすることが提案される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念によるモノリシック多層アクチュエータに関する。
【０００２】
圧電セラミック多層アクチュエータ（ＰＭＡ、図１参照）は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）である圧電活物質２の薄層のスタックから成っており、これらの薄層の間には、交互にアクチュエータ表面へと通じる導電性の内部電極７が配置されている。外部電極３，４はこれらの内部電極をつないでいる。これにより、内部電極は電気的に並列接続され、アクチュエータの２つの極端子である２つのグループにまとめられる。これらの極端子に電圧を印加すると、電圧はすべての内部電極に並列に伝わり、活物質のすべての層に電界が生じ、活物質はこれにより機械的に変形される。これらの機械的変形の総計は、アクチュエータの端面において、有用な伸張６及び／又は力として利用される。極端子は電気接続ワイヤを介してドライブされる。
【０００３】
従来の技術によれば、圧電多層アクチュエータはモノリスとして実施される。つまり、活物質が、焼結の前に、貴金属ペーストを用いたシルクスクリーン印刷法によって、いわゆる生乾きフィルムとして内部電極とともに設けられ、アクチュエータのスタックにプレスされ、熱分解され、焼結され、これによりモノリシックアクチュエータが形成される。
【０００４】
アクチュエータ本体の表面は成形技術により、一般には研磨により処理される。アクチュエータ１の外部に通じる内部電極７の領域には、例えば亜鉛メッキ法又は金属ペーストのシルクスクリーン印刷により、ベースメタライゼーション３３が塗布される。このベースメタライゼーションは、金属材料３４を塗布することにより、例えば構造化された金属薄板又は金網をはんだ付けすることにより強化される。この強化された層には電気接続ワイヤ５がはんだ付けされる。接続ワイヤのはんだ付けの前又は後に、アクチュエータには電気的に絶縁性のコーティングが施される。このコーティングはさらにアクチュエータ表面を機械的な損傷から保護する。
【０００５】
図１はＰＭＡを全体的に示し、図２はさらなる詳細を示している。
【０００６】
この種のアクチュエータ及び外部電極の構造及び製造は、例えばＤＥ ３３ ３０５３８Ａ１，ＤＥ ４０ ３６ ２８７ Ｃ２，ＵＳ ５ ２８１ ８８５，ＵＳ ４ ８４５ ３９９，ＵＳ ５ ４０６ １６４及びＪＰ ０７−２２６５４１Ａに詳しく記載されている。
【０００７】
アクチュエータの多くの用途は、構成部材の特性を変化させずに、構成部材に長い期間にわたって定格電圧を印加することができることを要求する。典型的な用途は作動／ポジショニング駆動装置である。この駆動装置は、所定の位置で運転を開始させ、状況によっては、この位置を数ヶ月及び数年にわたって維持しなければならない。この要求は上記の従来技術によるアクチュエータによっては満たすことができない。
【０００８】
このことの原因は、アクチュエータ表面における強い電界強度により、周囲から極性分子が、通常は水蒸気が引き寄せられることである。この水蒸気は既知のすべてのポリマー外装に多かれ少なかれ迅速に浸透し、最終的にはアクチュエータ表面に過度に高い伝導性及び過度に増大したリーク電流を生じさせる。リーク電流は、同じく上昇するアクチュエータ温度により、電界による水蒸気の吸着とアクチュエータ温度による脱着との平衡が生じるまで増大する。グラフ１は、２００Ｖ、２５°Ｃ、４０％ｒＦの通常の実験室条件の下で、内部の電界強度が２０００Ｖ／ｍｍである場合の寸法７×７×３０ｍｍ^３のアクチュエータに関するリーク電流の一般的な経時変化を示している。
【０００９】
被覆としてセラミックコーティング又はガラスを使用した場合、水蒸気は、アクチュエータの作動により必然的に生じるコーティングの微細な亀裂を通って浸透する。
【００１０】
金属製ハウジング内に適切な封止剤を注入してもうまくいかない。というのも、すでに封止剤に含まれている又は被包措置の間に浸入した極少量の水分だけでも、上記の作用を引き起こすに十分だからである。
【００１１】
接続ワイヤはコーティングないしハウジングを通って外へと通じなければならないが、この接続ワイヤがさらに別の弱点をもたらす。上で述べた理由から、ポリマーで絶縁されたワイヤは目的を達しない。金属／ガラス製の引き込み碍子は、アクチュエータの運動により破壊されるので、問題が生じる。
【００１２】
本発明の課題は、アクチュエータの特性を変化させずに、アクチュエータに長期間にわたって定格電圧を印加できるように、請求項１の上位概念による多層アクチュエータを改善することである。
【００１３】
本発明によれば、この課題は、多層アクチュエータが金属製又はセラミック製のハウジングにより密閉包囲されており、接続ワイヤがハウジング底板に一体形成された構成部分であり、ハウジングが吸水性媒質と電気的に絶縁性の水分輸送媒質とで満たされているようにすることで解決される。
【００１４】
このように被包されたアクチュエータは、恒常的に定格電界強度で動作する場合でも、一定の少ないリーク電流を示す。グラフ２はこのような被包されたアクチュエータのリーク電流の変動を示している。アクチュエータの寸法及びその他のパラメータはグラフ１の測定と同じである。被包された構成部材のリーク電流は被包されていないアクチュエータのリーク電流よりもおよそ１０００倍少ない。使用したのは、セラミックハウジング、ケイ酸塩乾燥剤及び過フルオロ化ポリエーテル充填剤である。
【００１５】
これにより、場合によっては存在する、弾力性のあるカバー接合部から浸入した水分、又はすでにハウジング内に存在している水分が阻止され、無害となる。
【００１６】
有利な実施形態では、ハウジングはハウジングカバーとハウジング底板とを備えたハウジング外装、とりわけ管状のハウジング外装から構成されており、ハウジングカバーは永久弾性充填媒質を用いてハウジング外装に被せる。
【００１７】
ハウジング底板は有利にはセラミックからできている。
【００１８】
接続ワイヤは有利には導体路の形でハウジング底板の上に配置される。
【００１９】
有利には、導体路は厚層法（金属ペーストのプリント及びハウジング底板への焼き付け）により形成される。
【００２０】
接続ワイヤ又は導体路には、有利にはハウジング外装の外部の部分において、接続プラグがはんだ付けされている。
【００２１】
有利には、電気的に絶縁性の水分輸送媒質は気体又は流体であり、とりわけ、シリコン油又は過フルオロ化炭素化合物の族から由来するものである。有利には、電気的に絶縁性の水分輸送媒質は過フルオロ化ポリエーテル又は乾燥空気である。
【００２２】
吸水性媒質は、有利には、ケイ酸塩化合物、無水酸化カルシウム、又は、塩化カルシウムもしくは塩化リチウムのような吸湿性物質であり、とりわけ、乾燥ゲル又は分子ふるいから成る。
【００２３】
つぎに、本発明による多層アクチュエータの製造を詳細に説明する。
【００２４】
低音焼結した圧電セラミック、例えばＤＥ １９８ ４０ ４８８ Ａ１によるＳＫＮ５３は、有機質粘結システムによって１２５μｍの厚さのフィルムとして準備される。このフィルムの上に市販の内部電極ペーストがシルクスクリーン印刷法により塗布される。このようなフィルムが多数積み重ねられ、プレスされて１つのラミネートが形成される。その際、ラミネートの上面及び／又は下面には、不活性な領域を形成するために、内部電極を持たないフィルムがいくつか残される。アクチュエータは後にこの不活性領域に電気的に接触することができる。ラミネートは棒状の個々のアクチュエータに分けられ、個々のアクチュエータは９００°Ｃ〜１１００°Ｃで、有利には１０００°Ｃで焼結される。アクチュエータの研磨の後、銀から成るベースメタライゼーション３３がシルクスクリーン印刷／焼き付け処理によりコンタクト面上に設けられる。ベースメタライゼーション３３の上には、金網から成る外部電極がはんだ付けされる。機械的損傷からの防護及び電気的絶縁のために、後続の測定過程において、アクチュエータは市販のシリコンラッカーを用いて絶縁される。シリコンは既知のすべてのタイプのラッカーの内で水蒸気に対する透過性が最も高い。アクチュエータは分極させて電気的に測定することができる。
【００２５】
アクチュエータハウジングは、金属管又はセラミック管をハウジング外装８として、アクチュエータ１よりもおよそ０．５ｍｍ短くすることにより製造される。管部材の内径は、アクチュエータ１を管の中に挿入したときにアクチュエータ１が管の壁に触れない程度である。金属管を使用する場合、底板部分１１の導体路１３が管８の下を通っている位置に２つの凹部を維持しなければならない。
【００２６】
ハウジングの底板部分１１は、面平行なセラミック小板上に、さもなければ任意に成形されたセラミック小板上に、シルクスクリーン印刷と焼き入れとによって、厚層ペーストを用いて、例えば銀−パラジウム合金から成る２つの導体路１３を印刷及び焼き入れすることにより形成される。これら２つの導体路は、アクチュエータ１へのコンタクト部を形成するものであり、セラミック又は金属の管８の下から突き出ている。
【００２７】
アクチュエータ１は、つぎに、２つの導体路１３により接触されうるように、例えばエポキシ接着剤を用いて底板部分に接着される。コンタクト部は、はんだ付け、溶接又は導電性接着剤による接着により形成される。金属製のＬ字形コンタクト条板はこのプロセスを容易にする。
【００２８】
アクチュエータハウジングないしハウジング外装８はアクチュエータ１の上に被せるように差し込まれ、例えばエポキシ接着剤を用いて底板部分１１に接着される。アクチュエータ１は約０．５ｍｍだけハウジングから突き出ている。この過程では、アクチュエータ１はハウジングに触れてはならない。
【００２９】
アクチュエータとアクチュエータハウジングとの間の隙間は、粉末状の吸水性媒質１４、例えば細かく砕いた乾燥ゲルで充填される。粉末に流動性を持たせるために、粉末は所定の粒径で、例えば０．１ｍｍの粒径でふるいにかけられる。乾燥粉末は、充填する前に、高温で脱水される。しかし、やり方は使用される乾燥剤の種類による。原則的には、すべての親水性物質、例えば酸化カルシウム、塩化カルシウム、塩化リチウムなどが使用可能である。ただし、後者はあまりに多くの水を受け入れると液相を示し、アクチュエータの表面にフラッシュオーバを生じさせる可能性がある。例えばシリカゲルやペロフスカイト分子ふるいのようなケイ酸塩ベースの乾燥剤は、結晶構造の中の水分を結合する。乾燥剤が消耗すると、リーク電流が次第に増大する。構成部材の破壊にはいたらない。
【００３０】
それから、粉体層に液状であるが水を通す絶縁媒質１５をしみ込ませる。この絶縁媒質は、充填する前に、例えば加熱により無水の状態にしなければならない。ここではとりわけシリコン油及び過フルオロ化炭素化合物が適している。シリコン封止剤と鉱油は作用の仕方（水分輸送）が緩慢であるが、周到な無水状態での使用であれば原則的にまったく同じように適切である。
【００３１】
面平行なセラミック小板から成るハウジングカバーは、例えばエポキシ接着剤を用いてアクチュエータに接着される。
【００３２】
ハウジングカバー１６とアクチュエータハウジング８との間に残された隙間１７は、永久弾性充填媒質、例えばシリコン充填剤を用いて充填される。
【００３３】
モノリシック多層アクチュエータを製造する際の上記方法は、冒頭に記載したように、特許文献及びその他の刊行物において詳細に論じられている。アクチュエータを被包する際の本発明による方法は、上記の動作手順に一致している必要はない。熟練した当業者にとっては、同じ結果をもたらす類似の手法を導出することも可能である。
【００３４】
実施例１：
この実施例は図３に示されている。
【００３５】
ＳＫＮ５３から成る１２５μｍの厚さの生乾きフィルムは、約１μｍの平均粒径に砕かれたセラミック粉末を溶媒、有機質粘結剤、可塑化及び分散剤によりキャスト用スラリーへと加工し、このスラリーからドクターブレード法により固体フィルムをキャストし、乾燥することにより作られる。
【００３６】
金属粉末として銀／パラジウムを混合比７０／３０で含有する内部メタライゼーションペーストは、シルクスクリーン印刷により、所望の内部電極デザインの形で生乾きフィルム上にプリントされる。その際、乾燥後のプリント層の厚さは８μｍである。
【００３７】
３６０のプリントされたフィルムと６０のプリントされないフィルムが積み重ねられ、１つのブロックを形成するように高温でプレスされる。このブロックは、超硬合金から成る切削器具を用いて個々の棒状のアクチュエータに分割される。
【００３８】
アクチュエータは４００°Ｃで熱分解され、続いて１０００°Ｃで１０時間焼結される。その後の内部電極の厚さは約３μｍとなる。焼結の後、アクチュエータの外部寸法は７．１×７．１×３０．５ｍｍ^３となる。
【００３９】
アクチュエータはつぎに全面にわたってダイヤモンド製のグラインダにより適度に研磨される。この過程の後、外部寸法は７×７×３０ｍｍ^３である。
【００４０】
８０／２０の銀／パラジウムから成る外部電極は、シルクスクリーン印刷によりコンタクト面上に塗布され、８００°Ｃで焼き付けられる。
【００４１】
網状の編組み線（ＥＰ ０ ８４４ ６７８ Ａ１）は補強のためはんだ付けされる。
【００４２】
アクチュエータはつぎに市販のシリコンコーティングラッカーにより保護される。
【００４３】
続いて、構成部材に約１２０°Ｃの温度で２００Ｖの電圧を印加することにより、分極が生じる。
【００４４】
内径１０ｍｍ、外径１２ｍｍ、長さ２９．５ｍｍの酸化アルミニウムセラミック８から成る管が形成される。
【００４５】
厚さ１ｍｍ、長さ１５ｍｍ、幅１２ｍｍの寸法を有する酸化アルミニウムセラミック小板１１（ハウジング底板）が形成される。厚さは面平行に研磨されている。この小板の上には、８０／２０の銀／パラジウムから成る長手方向に並列した２つの導体路１３がシルクスクリーン印刷により塗布され、８００°Ｃで焼き付けられる。これらの導体路１３は、長さ１４ｍｍ、幅５ｍｍであり、１ｍｍの間隔を有している。
【００４６】
直径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍの寸法を有する酸化アルミニウムセラミック小板１６（ハウジングカバー）が形成される。厚さは面平行に研磨されている。
【００４７】
乾燥粉末１４は、乾燥剤（青色ゲル）を平板インパクトミルにより粉砕し、５０μｍ〜１００μｍの粒径でふるいにかけることにより生産される。この粉末は乾燥棚において１２０°Ｃで約１０時間にわたって無水状態にまで乾燥される。
【００４８】
絶縁媒質１５であるシリコン油は１２０°Ｃで約１０時間にわたって無水状態にまで乾燥される。
【００４９】
アクチュエータ１は、全体的なハウジングの直径を考慮して、底板が片側に突き出るように、エポキシ接着剤を用いて不活性脚部１８とともに底板に接着される。
【００５０】
外部電極４は銅フィルムの条板を用いて導体路１３にはんだ付けされる。
【００５１】
セラミック管８はアクチュエータに被さるように案内され、エポキシ接着剤を用いて底板１１に接着される。底板は片側に突き出ている。
【００５２】
ハウジング部分はつぎにアクチュエータとともに１２０°Ｃで１０時間焼成される。アクチュエータとハウジング壁との間の隙間は乾燥粉末１４で充填される。乾燥粉末にはシリコン油１５がしみ込まされる。カバー部分１６はエポキシ接着剤を用いてアクチュエータに同心に接着される。このステップでは、ハウジングの温度は１００°Ｃを下回ってはならない。
【００５３】
冷却後、ハウジングカバーとハウジングとの間に残された隙間１７はシリコン充填剤で充填される。
【００５４】
底板の突き出した導体路１３には、１つの接続プラグ（プリント基板接続子）がはんだ付けされる。
【００５５】
このようにして被包されたアクチュエータは、２００Ｖの直流電圧により駆動される場合、以下の特性を有する。
【００５６】
充電電流が弱まった後、およそ１〜２μＡのリーク電流が流れる。このリーク電流は３０００時間後でも変化しない。
【００５７】
実施例２：
この実施例は図４に示されている。
【００５８】
圧電モノリシック多層アクチュエータが実施例１と同様に作られる。
【００５９】
内径１０ｍｍ、外径１０．５ｍｍ、長さ２９．５ｍｍのアルミニウムから成る管８が作られる。この管は、高さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍの寸法の有する２つの凹部１０を有している。
【００６０】
厚さ１ｍｍ、長さ１６．５ｍｍ、幅１０．５ｍｍの寸法を有する酸化アルミニウムセラミック小板１１（ハウジング底板）が作られる。厚さは面平行に研磨されている。小板上には、８０／２０の銀／パラジウムから成る長手方向に前後して並んだ２つの導体路１３がシルクスクリーン印刷により塗布され、８００°Ｃで焼き付けられる。これらの導体路は長さ７．５ｍｍ、幅４ｍｍであり、１ｍｍの間隔を有している。
【００６１】
直径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍの寸法を有する酸化アルミニウムセラミック小板１６（ハウジングカバー）が形成される。厚さは面平行に研磨されている。
【００６２】
乾燥粉末１４として、砕かれた無水酸化カルシウムが使用される。
【００６３】
絶縁媒質１５としては、過フルオロ化ポリエーテルが使用される。過フルオロ化ポリエーテルの鎖長は、２４０°Ｃの沸騰温度が生じるように調整されている。媒質は数分で沸騰温度まで加熱され、無水状態が維持される。
【００６４】
アクチュエータは、外部電極４が底板部分の導体路に接続できるように、エポキシ接着剤を用いて不活性脚部１８に接着される。
【００６５】
外部電極４は銅フィルムの条板を用いて導体路１３にはんだ付けされる。
【００６６】
アルミニウム管８は、凹部が導体路１３の上方にくるように、アクチュエータ１に被さるように案内され、エポキシ接着剤を用いて底板部分１１に接着される。底板部分は両側に突き出ている。凹部１０は接着剤で充填され、それにより密閉されている。
【００６７】
つぎに、ハウジング部分がアクチュエータとともに１２０°Ｃで１０時間焼成される。アクチュエータとハウジング壁との間の隙間は乾燥粉末１４で充填される。乾燥粉末１４には絶縁媒質１５がしみ込まされる。カバー部分１６はエポキシ接着剤を用いてアクチュエータに同心に接着される。このステップでは、ハウジングの温度は１００°Ｃを下回ってはならない。
【００６８】
冷却後、ハウジングカバーとハウジングとの間に残された隙間１７はシリコン充填剤で充填される。
【００６９】
底板の突き出した導体路１３には、２つの接続プラグ（プリント基板接続子）がはんだ付けされる。
【００７０】
このようにして被包されたアクチュエータは、２００Ｖの直流電圧により駆動される場合、以下の特性を有する。
【００７１】
充電電流が弱まった後、およそ２〜３μＡのリーク電流が流れる。このリーク電流は３０００時間後でも変化しない。このような被包には幾らか不利な傾向がある。というのも、導体路−ハウジング−導体路の短い絶縁路を大量のリーク電流が流れ、このリーク電流が全体として測定すべきリーク電流を増大させるからである。
【００７２】
図面
図１：モノリシック多層アクチュエータの構造
図２：図１の詳細図
図３：セラミックハウジング内の本発明に従って封止されたアクチュエータ、外面図、２つの断面図
図４：セラミックハウジング内の本発明に従って封止されたアクチュエータ、外面図、２つの断面図
グラフ１：封止されていない標準的アクチュエータのリーク電流の変化
グラフ２：本発明に従って封止された標準的アクチュエータのリーク電流の変化
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】モノリシック多層アクチュエータの構造を示す。
【００７４】
【図２】図１の詳細を示す。
【００７５】
【図３】セラミックハウジング内の本発明に従って被包されたアクチュエータの外面図及びその２つの断面図を示す。
【００７６】
【図４】セラミックハウジング内の本発明に従って被包されたアクチュエータの外面図及びその２つの断面図を示す。
【００７７】
【図５】被包されていない標準的アクチュエータのリーク電流の変化を示す。
【００７８】
【図６】本発明に従って被包された標準的アクチュエータのリーク電流の変化を示す。

Claims (9)

1. 圧電セラミックから成る薄膜の焼結したスタックから成るモノリシック多層アクチュエータ（１）であって、
   金属製の内部電極が埋め込まれており、接続ワイヤ（５）が設けられており、前記金属製内部電極が、前記スタックから交互に外部へ通じており且つ外部電極を介して電気的に並列接続されている形式のモノリシック多層アクチュエータ（１）において、
   前記多層アクチュエータ（１）は金属製又はセラミック製のハウジング（８，１１，１６）により密閉包囲されており、前記接続ワイヤ（５）はハウジング底板（１１）に一体形成された構成部分であり、前記ハウジング（８，１１，１６）は吸水性媒質（１４）と電気的に絶縁性の水分輸送媒質（１５）とで満たされている、ことを特徴とするモノリシック多層アクチュエータ。
2. 前記ハウジングは、ハウジングカバー（１６）を備えたハウジング外装（８）とハウジング底板（１１）とから構成されており、前記ハウジングカバー（１６）は永久弾性充填媒質を用いて前記ハウジング外装（８）の上に被せてある、請求項１記載の多層アクチュエータ。
3. 前記ハウジング底板（１１）はセラミックから成る、請求項２記載の多層アクチュエータ。
4. 前記接続ワイヤ（５）は導体路（１３）の形で前記ハウジング底板（１１）の上に配置されている、請求項１から３のいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
5. 前記導体路（１３）は厚層法（金属ペーストの印刷及びハウジング底板（１１）への焼き付け）により形成されている、請求項４記載の多層アクチュエータ。
6. 前記接続ワイヤ（５）又は導体路（１１）の前記ハウジング外装（８）外部の部分に、接続プラグがはんだ付けされている、請求項１から５のいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
7. 前記電気的に絶縁性の水分輸送媒質（１５）は気体又は流体であり、とりわけ、シリコン油又は過フルオロ化炭素化合物の族から由来するものである、請求項１から６のいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
8. 前記電気的に絶縁性の水分輸送媒質（１５）は過フルオロ化ポリエーテル又は乾燥空気である、請求項７記載の多層アクチュエータ。
9. 前記吸水性媒質（１４）は、ケイ酸塩化合物、無水酸化カルシウム、又は、塩化カルシウムもしくは塩化リチウムのような吸湿性物質であり、とりわけ、乾燥ゲル又は分子ふるいから成る、請求項１から８のいずれか１項記載の多層アクチュエータ。

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