JP5774680B2 - 中間電極層および圧電材料層が交互に配置された積層体を有するアクチュエータの製造工程 - Google Patents

Description

本発明の主題は、圧電材料に基づくアクチュエータの製造工程であり、より詳細には、電極層および圧電材料層の、少なくとも１つの積層体を備えたアクチュエータの製造工程である。このアクチュエータは、自動車産業における流体インジェクタ（例えば燃料噴射器）において使用することができる。

燃料噴射器は、燃焼を改善して汚染物質の排出を低減する目的で、極めて微細な燃料の噴霧を形成するために使用される。圧電型の超音波流体インジェクタ（piezoelectric ultrasonic fluid injectors）により、燃焼室内への燃料の浸透を制御することができるようになり、したがって、希薄混合気または成層混合気での動作を可能にする。

圧電型または磁歪型の超音波流体インジェクタは、以下を注入する目的で使用することができる。
− 直接噴射式または予燃焼室式のディーゼルエンジンにおけるディーゼル燃料または任意の他の燃料
− 直接噴射式または間接噴射式のガソリンエンジンにおけるガソリン燃料または任意の他の燃料
− 内燃機関、またはガスタービンなどにおける任意の他の燃料
− 再生型デポリューションシステム（例えば亜酸化窒素トラップまたは微粒子トラップ（一般には微粒子フィルタ（ＰＦ）と称される））の燃料

超音波インジェクタは、流体を分断することによって流体噴霧を生成する。図１は、このようなインジェクタ１を示している。インジェクタ１は、インジェクタ本体２および流体入口３を備えており、流体入口３を通って流体が高圧で入る。インジェクタ１では、流体は、振動する機械的装置を通過し、この機械的装置は、ニードル弁のヘッド４をその弁座４０から離すことによって得られるオリフィスである。このオリフィスは、超音波周波数で開閉する。機械的励起の供給源は、圧電セラミックの積層体５、または、磁歪材料もしくは類似する特性を有する材料の棒である。これらの電気活性材料には、適切な電源によって電力が供給される。

以下の説明では、圧電材料層の積層体を備えたアクティブアレイ（active array）（すなわちアクチュエータ）を想定する。このアクティブアレイは、閉じたノズルインジェクタ（closed nozzle injector）および開いたノズルインジェクタ（open nozzle injector）の両方において使用することができる。

圧電セラミック積層体は、従来、２つの形態をとる。

第一の形態として、１〜５ｍｍの単一厚さを有する厚いセラミック層による積層体であって、リングまたは孔のあいた円盤の形であり、予圧ねじ（preload screw）を積層体に軸方向に通すことができる積層体が知られている。この積層体は、また、厚さ数十ミクロン〜数百ミクロンの金属合金からなる中間電極を備えている。このタイプのアセンブリは、産業規模での生産において技術的およびコスト的な問題が生じる。

その理由として、このタイプの積層体では、完全な再現性を得るためには、予圧ねじを挿入することができるように、部品の孔あけに関連する追加の機械加工が要求される。さらに、このタイプの積層体では、各セラミックおよび各中間電極層の各面がサブミクロン平坦性を持つことが要求され、すなわち、層によって積層体を形成する前に各層の両面を慎重に研磨しなければならない。

第二の形態として、小さい単一厚さ（一般には約１００μｍ（マイクロメートルまたはミクロン））を有するセラミック層の積層体であって、厚さ数ミクロン（例えば約５μｍ）の中間電極を備えており、中間電極がセラミックの上に堆積している積層体が知られている。この場合、中間電極は、例えば、導電性材料によって満たされたポリマーを使用して、接続電極に接続されており、接触領域は、高さ数ミクロン（例えば５μｍ）にわたり中間電極と局所的に接触している。このタイプのアセンブリは、一方で接続を形成することが難しいので、他方で呼の接続が接触領域（５μｍ以下）では機械的に脆弱であるので、問題を引き起こす。したがって、このアセンブリは、高出力超音波（power ultrasound）を発生させるのに適しておらず、また、導電性ポリマーが燃料と反応するため、存在する液体または気体の炭化水素に対する十分な耐性を備えていない。

高出力超音波は、超音波周波数（一般には１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内）での大きな振幅（約５〜１０μｍ）、高い負荷（約４０ＭＰａ）の振動運動によって発生する。高出力超音波に関連する問題として、中間電極と接続電極とが接触している接合部に相当な剪断応力が発生しうる。

本発明の目的は、これらの欠点を克服することである。

本発明は、特に、厚い電極層および圧電材料層の積層体を備えたアクチュエータを、単純かつ低コストで、かつ高い精度で製造することのできる工程を提供する。

したがって、本発明の主題は、高出力超音波を発生させるのに適しており、中間電極層および圧電材料層が交互に配置された積層体を備えたアクチュエータの製造工程である。

本発明による工程は、
− 中間電極層および圧電材料層が交互に配置された最初の積層体（initial stack）を形成するステップであって、積層体の各端部が圧電材料層または中間電極層である、ステップと、
− 隣接する層を互いにしっかりと接合するステップと、
− 最初の積層体を基本ユニット（elementary unit）に切断するステップと、
− 各基本ユニットの中間電極層を互いに接続するステップと、
を含んでいる。

隣接する層を互いにしっかりと接合するステップは、接着接合またははんだ付けするステップであることが有利である。

本工程は、接続電極を、中間電極層の対応する視認可能な面（visible face）に溶接するステップを含んでいることができる。中間電極層の厚さは、数百ミクロンとすることができる。したがって、中間電極層の厚さは、１００μｍ〜１ｍｍの範囲内とすることができる。

中間電極層は、基本ユニットの中間電極層を受け入れるように意図された切り欠きを備えた接続電極を使用して互いに接続することができ、接続電極は、少なくとも一部分を、最初の積層体の圧電材料層中の凹部（indent）の中に位置させることができる。

最初の積層体の圧電材料層中の凹部は、圧電材料層に形成された孔を通るように圧電材料層を切断することによって得ることができる。

最初の積層体の圧電材料層における孔は、円形であることが好ましい。

孔は、ドリル加工によって得ることができる。

最初の積層体の圧電材料層は、凹部が設けられた２つの対向する端部を有することが有利であり、最初の積層体の中間電極層は、凹部が設けられた１つの端部を有することができる。

最初の積層体の２枚の連続する中間電極層の、凹部が設けられたそれぞれの端部は、互いに向かい合って位置していることが有利である。

以下では、本発明について、添付の図面を参照しながら例示を目的として説明する。本発明の上記以外の特徴および利点は、以下の説明を読み進めることによってさらに明らかになるであろう。

上述した燃料噴射器を示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第１の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程の各ステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。 第２の実施形態における、本発明によるアクチュエータの製造工程のさまざまなステップを示す図である。

工程の開始時、圧電セラミックおよび中間電極を、セラミックおよび電極の積層体が正しく整列するように注意しながら、あらかじめ組み付ける必要がある。これによって、厚いセラミック（厚さ数ミリメートル）と中間電極（厚さ数百ミクロン）との一体的な多層積層体が得られる。セラミック層のそれぞれを通って印加される電界を使用してセラミック層を励起することを可能にするために、セラミックと中間電極とを交互に積み重ねなければならない。電界は、当該セラミック層の両側の２面に位置する２つの中間電極の端子に電圧を印加した結果として発生する。

図２Ａに示したように、本工程は、大きな圧電セラミックシート６と大きな中間電極箔７とを積層することで開始する。

圧電セラミックシート６は、一般には寸法１５０ｍｍ×１００ｍｍを有し、厚さが１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。

中間電極７は金属箔とすることができ、その寸法は１５０ｍｍ×１００ｍｍ、厚さは好ましくは１００μｍ〜１ｍｍの範囲内である。中間電極７は、一般には、銅合金、チタン合金、または銀合金からなる。

選択する金属は、最適化するべきパラメータ、例えば、音響伝達、はんだ付けまたは接着の接合面における応力の低減、中間電極と接続電極の接続の容易性によって決まる。

第２のステップにおいては、例えば図２Ｂに示したように、平行六面体５が得られるように積層体をはんだ付けまたは接着接合する。

ほぼ完璧な幾何学形状が得られるように、平行六面体５の６つの平面を調整することができる。この平行六面体５の寸法は、一般には、１５０ｍｍ×１００ｍｍ、高さ４０ｍｍとすることができる。

平行六面体５、圧電セラミックシート６、および中間電極箔７の大きさおよび形状は、一例として示したものであり、これらに限定されない。例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍの断面領域を有するシートおよび箔を使用することもできる。

はんだ付けまたは接着接合は、充填材の役割も果たす接合工程であり、平坦性の不良が補正され、したがって圧電セラミックシート６および中間電極箔７の両面に超微細研磨を施す必要がなくなる。シートと箔とをしっかりと接合するもう１つの利点として、以降に平行六面体５を最初に扱うときと、その後に基本ユニット５Ａを扱うときに、固定手段（clamping means）を使用する必要がない。

次いで、平行六面体５を切断して基本ユニット５Ａを得る。これらの基本ユニット５Ａは、例えば上述した超音波インジェクタの高出力超音波を発生することができるアクチュエータを製造するのに適する大きさ（すなわち、面積約１５ｍｍ×１５ｍｍ×４０ｍｍ）のものであることが好ましい（図２Ｃ）。非限定的なもう１つの例として、この寸法を２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍとすることができる。

図２Ｄは、はんだ付けまたは接着接合された平行六面体５を切断した結果として得られた、正方形断面を有する（例えば１５ｍｍ×１５ｍｍの）基本ユニット５Ａを示している。

圧電セラミックシート６それぞれにおいて電界が得られ、かつセラミック層６それぞれに誘導される動きの位相が逆向きになるように中間電極７を相互接続する目的で、接続電極８を使用する必要がある。

図２Ｅ、図２Ｆ、および図２Ｇは、第１の実施形態を示している。

この第１の実施形態によると、接続電極８は波形であり、中間電極７と接触する平坦な領域を備えている。接続電極８は、例えばレーザ光を使用して、中間電極７に溶接されている。中間電極７と接続電極８は、中間電極７の視認可能な面において接触している。この接触およびレーザ溶接が可能であるのは、厚さが数百ミクロン、好ましくは厚さ１００μｍ〜１ｍｍの範囲内の中間電極７が使用されているためである。この厚さは、多層積層体に採用され、導電性接着剤を使用して接続電極に接続される極めて薄い中間電極（数ミクロン）の厚さと比較される。特に、中間電極７と接続電極８とを互いに溶接（例えばスポット溶接）することによって、高出力超音波用として適切な、（特に剪断応力に対して）ずっと強い接合部が形成される。中間電極７と接続電極８との間の接触領域の全体または一部分を、スポット溶接することができる。

図２Ｆは、組立後の積層体を示している。

組立てがはんだ付けによって達成される場合、本工程は、当業者に周知である技術を使用して、基本ユニット５Ａをバイアスさせる（biasing）ステップで終了することが好ましい。この動作は、適切な電圧を印加すること、および適切な温度にされた誘電油９の中に積層体を浸すことによって行われる（図２Ｇ）。

この第１の実施形態においては、図から理解できるように、中間電極７と接続電極８が平坦な領域を介して接続されており、接続電極８の形状は、電気アークや短絡が防止されるように、逆バイアスされた中間電極７から十分に離れて維持されるように適切に設計されている。図２Ｅ、図２Ｆ、および図２Ｇにおいては、この適切に設計された形状は、２つの平坦な領域の間に湾曲したセクションを備えている。

図３Ａ〜図３Ｆは、第２の実施形態を示している。この第２の実施形態においては、例えば図３Ａに示したような、各中間電極７と同じ高さの切り欠きを含んだ直線状の厚い接続電極８を使用することを想定することができる。このタイプの接続電極８により、よりコンパクトな基本アクチュエータユニット５Ａを得ることができる。接続電極８と中間電極７との間の接触領域は、切り欠き８Ａによって大きくすることが可能である。切り欠き８Ａは、接続電極８の幅全体にわたり形成された溝であることが好ましい。

中間電極７に切り欠き８を介して接続電極８を接続する目的で、圧電セラミック層６すべての、接続電極８に面している面に、凹部６Ｂを形成する必要がある。

接続電極８と逆バイアスされた中間電極７との間に十分な距離を存在させる目的で、さらに、これら中間電極７の、接続電極８に面している面に凹部７Ｂを形成する必要がある。このようにすることで、接続電極８と逆バイアスされた中間電極７との間の電気アークや短絡が防止される。

凹部６Ｂおよび／または凹部７Ｂは、例えば、ほぼ半円形とすることができる。これらの半円形は、孔を切断した結果として得ることができる。この実施形態においては、アクチュエータの製造工程は、圧電材料シート６および中間電極箔７にドリル加工するステップを含んでいることができる。

図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄに従って、圧電セラミックシート６に孔６Ａを形成する。シート６の幅全体にわたり一列の孔６Ａを形成する。これらの孔６Ａの中心は、平行六面体５を切り出した後に得られる基本ユニット５Ａの幅に実質的に等しい孔間距離をあけて配置されている。次いで、切断後に得られる基本ユニット５Ａの長さに実質的に等しい間隔で、シート６に沿って縦方向に、この一列の孔６Ａを再形成する。この間隔は、孔６Ａの中心を通る、各列の軸線の間であるものと定義する。

箔７の幅全体にわたり一列の孔が形成されるように、中間電極箔７においても孔７Ａを同様に形成する。しかしながら、箔７の縦方向には、一列の孔７Ａを２倍の間隔で反復的に形成する。

本例は、正方形断面を有する基本ユニット５Ａの形成に対応する。当然ながら、本例は本発明を制限するものではなく、当業者には、製造すべき基本ユニットの所望の断面に応じて、孔の位置を変更することができるであろう。

セラミックシート６および中間電極箔７に孔６Ａおよび孔７Ａを形成する。これらのシート６およびこれらの箔７を、はんだ付け、または接着接合によって交互に接合し、次いで、平行六面体５を孔６Ａの中心を通って横方向に切断する。

図３Ｂは、圧電セラミックシート６および中間電極７のドリル加工を示している。したがって、セラミックシート６は孔６Ａを含んでおり、中間電極７は孔７Ａを含んでいる。したがって、中間電極箔７は、シートに沿って縦方向は、セラミックシート６の孔の１／２の数の孔を有する。さらに、２枚の連続する中間電極箔７は、一方の箔を他方に対して半回転だけ回転させることによって得られる。この形態の利点として、製造される中間電極箔７が同じであり、１枚おきに回転させることで積層体が形成される。

次いで、積層体５が形成されるように、圧電セラミックシート６および中間電極箔７を交互に重ねる（図３Ｃ）。はんだ付けまたは接着接合の後、平行六面体５が得られ（図３Ｄ）、これを切断して基本積層体５Ａを得る（図３Ｅ）。セラミックシート６の孔６Ａの中心を通る軸線に沿って横方向に、かつ孔６Ａの列の間を通る軸線に沿って縦方向に切断が実行される。

次いで、切り欠きが形成されている接続電極８の切り欠き８Ａを、中間電極７と同じ高さに位置させ、切り欠き８Ａと中間電極７との間の接触領域を、例えばレーザ光を使用して溶接する。このようにすると、例えば図３Ｆに示すような、一体に接続された基本積層体５Ａが得られる。溶接は、レーザ溶接に限定されず、当業者に公知である任意の適切な溶接方法を使用することができる。

溶接動作は、特に、はんだ付けによってしっかりとした接合が得られている場合、溶接ステップの中で、当業者に公知である技術を使用して積層体をバイアスさせるステップことを含むことができる。

このステップは、上述したように、適切な電圧を印加し、適切な温度にされた誘電油の中に積層体を浸すことによって行う。

正方形断面の基本ユニット５Ａが適切ではなく、円形断面が要求されることがある。（第２の実施形態に特定の）この変形形態においては、凹部を含む基本ユニット５Ａから開始し、接続電極を溶接する前に、正方形断面を有するユニット５Ａを円形断面を有する一体ユニットに変換するように、機械加工工具上で正方形断面を有するユニット５Ａを回転させることだけが必要とされる。接続電極の切り欠きは、これらの円盤形状の中間電極に適する任意の形状とすることができる。

この場合、凹部により、中間電極を接続電極と接触させることができるようにすることが有利である。次いで、接触の品質は、正方形断面の一体基本ユニットの場合に得られる品質と同じになる。

１ インジェクタ
２ インジェクタ本体
３ 流体入口
４ ニードル弁のヘッド
４０ 弁座
５ 積層体
５ 平行六面体
５Ａ 基本ユニット
５Ａ 基本アクチュエータユニット
６ 圧電セラミックシート
６Ａ 孔
６Ｂ 凹部
７ 中間電極
７ 中間電極箔
７Ａ 孔
７Ｂ 凹部
８ 接続電極
８Ａ 切り欠き

Claims (9)

1. 高出力超音波を発生させるのに適しており、中間電極層（７）および圧電材料層（６）が交互に配置された積層体を備えたアクチュエータ（５）の製造工程であって、
   中間電極層（７）および圧電材料層（６）が交互に配置された最初の積層体（５）を形成するステップであって、前記積層体（５）の各端部が圧電材料層（６）または中間電極層（７）である、を形成するステップと、
   隣接する層（６、７）を互いにしっかりと接合するステップと、
   前記最初の積層体（５）を、基本ユニット（５Ａ）に切断するステップと、
   各基本ユニット（５Ａ）の前記中間電極層（７）を互いに接続するステップと、
   を含み、
   当該中間電極層（７）が、前記基本ユニット（５Ａ）の当該中間電極層（７）を受け入れるように意図された切り欠き（８Ａ）を備えた接続電極（８）を使用して、互いに接続され、当該接続電極（８）が、少なくとも部分的に、前記最初の積層体（５）の前記圧電材料層（６）中の凹部（６Ｂ）の中に位置することを特徴とする、製造工程。
2. 隣接する層（６、７）を互いにしっかりと接合する前記ステップが、接着接合またははんだ付けするステップであることを特徴とする、請求項１に記載の工程。
3. 前記中間電極層（７）の対応する視認可能な面に接続電極（８）を溶接するステップを含んでいることを特徴とする、請求項１または２に記載の工程。
4. 前記中間電極層（７）の厚さが、１００μｍ〜１ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項３に記載の工程。
5. 前記最初の積層体（５）の前記圧電材料層（６）中の前記凹部（６Ｂ）が、前記圧電材料層（６）に形成された孔（６Ａ）を通して前記圧電材料層（６）を切断することによって得られることを特徴とする、請求項１に記載の工程。
6. 前記最初の積層体（５）の前記圧電材料層（６）中の前記孔（６Ａ）が円形であることを特徴とする、請求項５に記載の工程。
7. 前記孔（６Ａ）がドリル加工によって得られることを特徴とする、請求項６に記載の工程。
8. 前記最初の積層体（５）の前記圧電材料層（６）が、凹部（６Ｂ）が設けられた２つの対向する端部を有し、前記最初の積層体（５）の前記中間電極層（７）が、凹部（７Ｂ）が設けられた１つの端部を有することを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の工程。
9. 前記最初の積層体（５）の２枚の連続する中間電極層（７）の、凹部（７Ｂ）が設けられた前記それぞれの端部が、互いに向かい合って位置していることを特徴とする、請求項８に記載の工程。

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