JP2012509582A - 多孔性の伸張可能な金属製の導電層としての外部電極を備えた多層アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、金属製の複数の内部電極（７）が組み込まれている、ピエゾセラミックより成る複数の薄層を積層しかつ焼結したスタックより成る一体式の多層アクチュエータ（１５）であって、一方の極性を有するすべての内部電極が、スタック上に被着されたベース金属被覆（３，４）によって電気的に並列接続されていて、ベース金属被覆（３，４）と電気的に接触させるために、外部電極（５）がベース金属被覆（３，４）に導電接続されている形式のものに関する。外部電極を簡単かつ安価な手段によって、ベース金属被覆上に被着することができ、かつ、外部電極がアクチュエータ内に発生する亀裂エネルギーを解放し、しかも破壊されることがないように、外部電極を伸張可能とするために、外部電極（５）が、焼結結合された金属粒子（１２）より成る、多孔性の伸張可能な金属製の導電層（１０）であって、ベース金属被覆（３，４）上に被着されている。

Description

本発明は、金属製の複数の内部電極が組み込まれている、ピエゾセラミックより成る複数の薄層を積層しかつ焼結したスタックより成る一体式の（モノリシックな）多層アクチュエータであって、一方の極性を有するすべての内部電極が、スタック上に被着されたベース金属被覆によって電気的に並列接続されていて、これらのベース金属被覆と電気的に接触させるために、外部電極がベース金属被覆に導電接続されている形式のものに関する。

ピエゾセラミック製の多層アクチュエータ（図１、図２及び図３参照）は、薄層の、圧電活性材料２、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を積層したスタックより成っており、該圧電活性材料２間に、交互にアクチュエータ面に通じている導電性の内部電極７が配置されている。ベース金属被覆３，４は、これらの内部電極７を接続する。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つの接続端子極を成す２つのグループにまとめられる。接続端子極に電圧が印加されると、電圧はすべての内部電極に並列に伝送され、圧電活性材料のすべての層に電界が形成され、それによって圧電活性材料は機械的に変形する。これらすべての機械的な変形の合計が、アクチュエータの両端面において、有効な伸張及び／又は力２０として作用する。

ピエゾセラミック式の多層アクチュエータは、従来技術によれば一体式に構成されている。つまり圧電活性材料２は、いわゆる生がわきフィルム（green film）として、焼結前にスクリーン印刷によって内部電極を備えており、この圧電活性材料２が、圧縮され、かつ熱分解されて積層アクチュエータを形成し、次いで焼結され、それによって一体式のアクチュエータが形成される。

アクチュエータスタック１の、引き出された内部電極７の領域に、例えば金属ペーストをスクリーン印刷することによって又は電気めっきによってベース金属被覆３，４が施される。ベース金属被覆３，４は、ベース金属被覆毎に、金属材料より成る外部電極５を被着することによって、例えば微細構造化された金属薄板又はワイヤネットをはんだ付けすることによって、補強される。この外部電極５に電気的な接続ワイヤ６がはんだ付けされる。

このような形式の多層アクチュエータ及び外部電極の構造及び製造法は、例えば特許文献ＷＯ９８／２０７２１号明細書、ＵＳ５２８１８８５号明細書、ＵＳ４８４５３９９号明細書、ＵＳ５４０６１６４号明細書並びに特開平０７−２２６５４１号公報に詳しく記載されている。

このように構成されたアクチュエータは、次のような欠点を有している。運転中に、ベース金属被覆３，４の下の絶縁領域１１（図３参照）上に、強い引張応力が作用する。この絶縁領域１１はベース金属被覆３，４と共に、１つの均質なユニットを形成しているので、このユニットは、最も弱い部分の引張強さを越える引張応力が作用すると役に立たなくなり、亀裂が生じる。亀裂は、最大引張応力９の領域から始まって、ベース金属被覆３，４に向かって進行する。このような典型的な亀裂１３，１４は、複数のものが図３に示されている。

これらの亀裂が、導電層若しくは外部電極５を破壊しないようにするために、ひいては構成部材の故障を避けるために、この導電層は、例えば微細構造化することによって、伸張可能に構成されている。それについては、特許文献ＥＰ０８４４６７８号明細書又はＷＯ９８／２０７２１号明細書に詳しく記載されている。

このようなやり方は基本的に、それぞれ複雑に微細構造化された金属部分（金属薄板、ワイヤ、製織品）を、ベース金属被覆上にはんだ付け又は接着によって導電可能に被着する、という点にある。

このような金属部分は、製造コストが非常に高く、しかも技術的に著しく困難な、欠陥の多い高価なプロセスによって、ベース金属被覆に施さなければならない、という欠点がある。

本発明の課題は、請求項１の上位概念部に記載した一体式の多層アクチュエータを改良して、簡単で安価な手段によって、外部電極をベース金属被覆に被着することができ、しかも外部電極は、破壊されることなしに、アクチュエータ内に発生する亀裂の破壊エネルギーを解放する程度に伸張可能であるようにすることである。

この課題を解決した本発明の多層アクチュエータは、請求項１の特徴部に記載されている。

外部電極が、焼結結合された金属粒子より成る、多孔性の伸張可能な金属製の導電層であって、ベース金属被覆上に被着されているようにしたことによって、アクチュエータ本体からベース金属被覆を通って導電層まで達する亀裂が、導電層を破壊することはない。何故ならば、亀裂先端における破壊エネルギーは、導電層の多孔性の組織内で解放されるからである。

有利な実施態様によれば、金属粒子が、球状及び／又は糸状に構成されている。糸状の金属粒子は、焼結時に、機械的な応力を回転運動に変換するので、著しく伸張可能なフェルト状の構造が得られる。

セラミック体に対する付着性を向上させると共に、導電層の担体でもあるベース金属被覆は、適当に選択される。

有利な形式で、ベース金属被覆の金属部分は、銀又は銀合金より成っていて、ベース金属被覆に、ガラスを形成する一種又は数種の物質が混合されている。有利な実施態様によれば、ガラスを形成する物質はＰｂＯ，ＢｉＯ_２又はＳｉＯ_２である。何故ならば、これらの物質は、ＰＺＴセラミックの特性を変化させることがないからである。

導電層の金属粒子は、銀、銅、銀合金又は銅合金より成っており、特に有利には、Ａｇ、３０％迄のＰｄ割合を有するＡｇＰｄ，Ｃｕ、５０％迄のＮｉ割合を有するＣｕＮｉより成っている。ＣｕＮｉ合金は、純粋な金属よりも、酸化物に対して耐性があり、簡単かつ安価な方法で焼結することができる。

導電層の球状の金属粒子は有利には、１〜１００μｍの直径を有しており、特に有利には１０〜５０μｍの直径を有している。これに基づく多孔性によって、亀裂エネルギーを十分に解放することができる。

補強のために、導電層に、５〜２０μｍの直径及び０．１〜０．５ｍｍの長さを有する糸状の金属粒子を含有させることができる。この場合、糸状の粒子の割合は、導電層の１〜１００％である。

また補強のために、導電層内に金属ワイヤ製織品が埋め込まれており、該金属ワイヤ製織品が有利には前記導電層の金属粒子と同じ金属より成っている。

有利な実施態様によれば、導電層は、０．０１〜１ｍｍの厚さ、特に有利には０．１〜０．３ｍｍの厚さを有している。

また、本発明は、金属製の複数の内部電極が組み込まれた、ピエゾセラミックより成る複数の薄層を積層しかつ焼結したスタックより成る一体式の多層アクチュエータを製造するための方法で、一方の極性を有するすべての内部電極を、スタック上に被着されたベース金属被覆によって電気的に並列接続し、これらのベース金属被覆と電気的に接触させるために、外部電極をベース金属被覆に導電接続する方法に関する。本発明による多層アクチュエータを製造するための方法によれば、外部電極として特に球状及び／又は糸状の金属粒子を含有するペーストを、ベース金属被覆上に被着し、かつ焼成し、この際に、焼成温度を、金属粒子を焼結結合させるのには十分であるが、金属粒子が圧縮された固体になることはない程度の温度に設定し、それによって焼成過程において前記ペーストが、焼結結合された金属粒子より成る、金属製の多孔性で伸張可能な導電層に移行するようにした。

有利には、ペーストは、ステンシル印刷技術によってベース金属被覆に被着される。このような被着技術によって、有利には０．１〜０．３ｍｍの層厚を問題なしに得ることができる。次いで、被着されたペーストは乾燥され、高い温度で焼結結合され、それによって、十分な導電性を有する、多孔性かつ伸張可能な金属製の導電層が形成される。

有利な実施態様によれば、ペーストとして、球状及び／又は糸状の金属粒子と有機結合剤及び溶剤との混合物を使用し、前記ペーストのためにガラス形成剤を使用しない。何故ならば、ガラス形成剤は、焼結された導電層を脆くし、導電性を低下させるからである。

有利には、ペーストのために、１〜１００μｍの直径、有利には１０〜５０μｍの直径を有する球状の金属粒子が使用される。何故ならば、このような球状の金属粒子は、亀裂エネルギーを解放するために特に適しているからである。

本発明の実施態様によれば、補強のために、５〜２０μｍの直径及び０．１〜０．５ｍｍの長さを有する糸状の金属粒子がペーストに埋め込まれており、この場合、糸状の金属粒子は、ペーストの金属割合の１〜１００％である。

別の実施態様によれば、補強のために、ペーストに少なくとも１つの金属ワイヤ製織品が埋め込まれており、この場合、金属ワイヤ製織品は、有利には前記導電層の金属粒子と同じ金属より成っている。

本発明の実施態様によれば、電気的な接触を得るために後からリード線がはんだ付けされるべき、導電層の箇所が、少なくとも表面的に圧縮されている。

このように形成された外部電極を備えたアクチュエータにおいては、アクチュエータの耐用年数又はその他の特性に影響を与えることなしに、電気的な接触部が、外部電極のどの箇所にもはんだ付けによって取り付けることができる。使用されたはんだが導電層を突き抜けて、外部電極内に入り込むことを阻止するだけでよい。これは、はんだ箇所の導電層の表面を圧縮し、はんだ付け時間を数秒に短縮することによって、実現することができる。

有利な形式で鋼製の工具を導電層の表面上を横方向に移動させることによって、導電層の、所望のはんだ付け箇所が圧縮される。その代わり、後からリード線がはんだ付けされるはんだ付けポイントに適当なはんだ（Ｓｎ−合金）を設けてもよい。その他の接続技術、例えばワイヤボンディング又は溶接も考えられる。

導電層の厚さは、印刷ステンシルによって容易に調節することができる。最小厚さは、アクチュエータ型式、アクチュエータ固有の延性及びひいては導電層内の亀裂の延在幅（約５０μｍ）に基づく。これに対して、最大厚さは、アクチュエータの所要電流によって規定され、０．５ｍｍまでである。

次に本発明の方法について説明する。

低い温度で焼結されたピエゾセラミックは、例えば特許文献ＤＥ１９８４０４８８号明細書によれば、有機結合剤系を有する１２５μｍの厚さの薄膜として提供される。この薄膜上に、重量比７０／３０の銀・パラジウム粉末及び適当な結合剤系より成る内部電極ペーストがスクリーン印刷によって施される。このような形式の多数の薄膜が積層され、１つの積層品に圧縮される。積層品は、個別の棒状のアクチュエータに分離され、これらのアクチュエータは、約５００℃の温度で熱分解され、約１０００℃で焼結される。次いで、アクチュエータベース体のすべての側が機械的に処理される。

例えば適当な銀又は銀・パラジウム端子ペーストより成るベース金属被覆は、スクリーン印刷プロセスによって、接点側に施され、焼成される。この際に、ペースト内に設けられたガラス形成剤は溶解し、ペーストの焼結結合された金属部分をセラミックベース体に接着接続する。

このベース金属被覆上に、例えばステンシル印刷によって、より厚い層のペースト（例えば０．２ｍｍの厚さ）が施され、このペーストは、比較的粗い粒状の金属粒子（例えば２０μｍの直径を有する球状の銀粒子８０％と、２０μｍの直径及び０．３ｍｍの長さを有する糸状の銀粒子２０％とから成る）と、有機結合剤と、溶剤とから成っている。この層は、ガラス形成剤を含有していない。何故ならば、ガラス形成剤は導電層を脆くし、導電層の導電性低下させるからである。

このペーストは、金属粒子を焼結結合させるのに十分高いが、粒子を圧縮して固体にするのを避けるには十分に低い温度で焼成される。

導電層は、鋼製の工具を導電層の表面上を横方向に移動させることによって、所望のはんだ箇所において圧縮される。その代わりに、適当なはんだ（Ｓｎ−合金）を、後からリード線がはんだ付けされるはんだ付けポイントに設けてもよい。例えばワイヤボンディング又は溶接などのその他の接続技術も考えられる。

また、接触部を塗装後に設けることも可能である。この場合、はんだ付け又は溶接領域には、一般的に塗料は施されていない。

次いでアクチュエータは、塗装膜で保護される。

次いで、アクチュエータに極性が与えられ、電気的に測定される。

一体式の多層アクチュエータの構造を示す概略図である。 従来技術によるアクチュエータの概略図である。 約１０^６のストレスサイクルによって形成される、典型的な亀裂を有する、アクチュエータの一部を示す概略図である。 本発明による導電層及びベース金属被覆を有するアクチュエータの概略図である。 導電層内の金属粒子を示す、本発明によるアクチュエータの拡大した概略的な断面図である。

図１乃至図３は、従来技術による多層アクチュエータを示す。これらの図面は本明細書の冒頭に詳しく説明されている。

図４及び図５は、複数の金属製の内部電極７が組み込まれている、ピエゾセラミックより成る複数の薄膜を積層しかつ焼結したスタックより成る多層アクチュエータを示す。一方の極性を有する内部電極７は、積層されたベース金属被覆３，４によって電気的に並列接続されている。電気的な接触を得るために、ベース金属被覆３，４に外部電極５が導電接続されている。

本発明によれば、この外部電極５は、多孔性の伸張可能な金属の導電層１０であって、この導電層１０は、一緒に焼結された球状及び／又は糸状の金属粒子１２より成っている。図５には導電層１０が、個別の金属粒子１２を象徴的に示した個別の円として概略的に示しされている。この場合、重要なことは、ペースト若しくは、ペースト内に存在する金属粒子１２が、金属粒子１２を互いに焼結結合するのに十分であるが、金属粒子１２は圧縮されて固体になることはない程度の温度で焼成される、ということである。従って、焼成過程において、金属粒子は、金属より成る伸張可能な多孔性の導電層１０に移行する。この場合、固体とは、内部に中空室が存在しない、閉じた表面を有するものである。

この導電層１０は、内部の中空室と開放気泡の表面とを備えたスポンジ又はフェルトであってよい。従って、導電層１０は、部分的な接触箇所だけを介してベース金属被覆３，４に接続されていて、接触箇所間ではベース金属被覆３，４から離れている。これによって、導電層１０は、接触箇所間で伸張可能であり、電気的な接続部の破壊、ひいてはアクチュエータの故障を招くことなしに、アクチュエータ内に発生する亀裂エネルギーを吸収することができる。

この導電層１０は、球状及び／又は糸状の金属粒子と有機結合剤及び溶剤との混合物であるペーストより成っている。このペーストは、スクリーン印刷技術又はステンシル印刷技術によってベース金属被覆３，４上に被着され、集中的なエネルギー供給によって焼成される。この方法の詳細については前述されている。

１ アクチュエータスタック、 ２ 圧電活性材料、 ３，４ ベース金属被覆、 ５ 外部電極、 ６ リード線、接続ワイヤ、 ７ 内部電極、 ９ 最大引張応力、 １０ 導電層、 １１ 絶縁領域、 １２ 金属粒子、 １５ 多層アクチュエータ

Claims (16)

1. 金属製の複数の内部電極（７）が組み込まれている、ピエゾセラミックより成る複数の薄層を積層しかつ焼結したスタックより成る一体式の多層アクチュエータ（１５）であって、一方の極性を有するすべての内部電極が、スタック上に被着されたベース金属被覆（３，４）によって電気的に並列接続されていて、これらのベース金属被覆（３，４）と電気的に接触させるために、外部電極（５）がベース金属被覆（３，４）に導電接続されている形式のものにおいて、
   外部電極（５）が、焼結結合された金属粒子（１２）より成る、多孔性の伸張可能な金属製の導電層（１０）であって、ベース金属被覆（３，４）上に被着されていることを特徴とする、一体式の多層アクチュエータ。
2. 前記金属粒子が、球状及び／又は糸状に構成されている、請求項１記載の多層アクチュエータ。
3. 前記ベース金属被覆（３，４）の金属成分が、銀又は銀合金より成っていて、ベース金属被覆（３，４）に、ガラスを形成する一種又は数種の物質が混合されている、請求項１又は２記載の多層アクチュエータ。
4. ガラスを形成する前記物質が、ＰｂＯ、ＢｉＯ_２又はＳｉＯ_２である、請求項３記載の多層アクチュエータ。
5. 前記導電層（１０）の金属粒子（１２）が、銀、銅、銀合金又は銅合金より成っており、特に有利には、Ａｇ、３０％迄のＰｄ割合を有するＡｇＰｄ、Ｃｕ、５０％迄のＮｉ割合を有するＣｕＮｉより成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
6. 前記導電層（１０）の球状の金属粒子（１２）が、１〜１００μｍの直径を有しており、特に有利には１０〜５０μｍの直径を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
7. 前記導電層（１０）が、５〜２０μｍの直径及び０．１〜０．５ｍｍの長さを有する短繊維の金属糸を含有しており、前記導電層における金属糸の割合が１〜１００％である、請求項１から６までのいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
8. 前記導電層（１０）内に金属ワイヤ製織品が埋め込まれており、該金属ワイヤ製織品が有利には前記導電層（１０）の金属粒子（１２）と同じ金属より成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
9. 前記導電層（１０）が、０．０１〜１ｍｍの厚さ、特に有利には０．１〜０．３ｍｍの厚さを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の多層アクチュエータ。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の、金属製の複数の内部電極（７）が組み込まれている、ピエゾセラミックより成る複数の薄層を積層しかつ焼結したスタックより成る一体式の多層アクチュエータ（１５）を製造するための方法であって、一方の極性を有するすべての内部電極を、スタック上に被着されたベース金属被覆（３，４）によって電気的に並列接続し、これらのベース金属被覆（３，４）と電気的に接触させるために、外部電極（５）をベース金属被覆（３，４）に導電接続する方法において、
    外部電極（５）として特に球状及び／又は糸状の金属粒子（１２）を含有するペーストを、ベース金属被覆（３，４）上に被着し、かつ焼成し、焼成温度を、金属粒子（１２）を焼結結合させるのには十分であるが、金属粒子（１２）が圧縮された固体になることはない程度の温度に設定し、それによって焼成過程において前記ペーストが、焼結結合された金属粒子（１２）より成る、金属製の多孔性で伸張可能な導電層（１０）に移行することを特徴とする、多層アクチュエータ（１５）を製造するための方法。
11. 前記ペーストをステンシル印刷技術によってベース金属被覆（３，４）に被着する、請求項１０記載の方法。
12. 前記ペーストとして、球状及び／又は糸状の金属粒子（１２）と有機結合剤及び溶剤との混合物を使用し、前記ペーストのためにガラス形成剤を使用しない、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 前記ペーストのために、１〜１００μｍの直径、有利には１０〜５０μｍの直径を有する球状の金属粒子（１２）を使用する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 前記ペーストに、５〜２０μｍの直径及び０．１〜０．５ｍｍの長さを有する糸状の金属粒子を含有させ、該糸状の金属粒子の割合を、前記ペーストに含まれる金属の１〜１００％とする、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 前記ペースト内に少なくとも１つの金属ワイヤ製織品を埋め込み、該金属ワイヤ製織品を有利には前記ペーストの金属粒子（１２）と同じ金属より製作する、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 電気的な接触を得るために後からリード線がはんだ付けされる、導電層（１０）の箇所を、少なくとも表面的に圧縮する、請求項１０から１５までのいずれか１項記載の方法。

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