(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間生成物としての圧電多層構成要素であって、
順に重ねて置かれた未加工の圧電セラミック層（２）の積層体（１）を含み、
第１の電極層（３ａ）が圧電セラミック層（２）に置かれて第１の金属を含み、
第２の電極層（３ｂ）がさらなる圧電セラミック層に、積層方向において前記第１の電極層と隣接して置かれ、
前記第２の電極層（３ｂ）が、前記第１の電極層が含むよりも高い重量比の前記第１の金属を含み、
前記第１の電極層（３ａ）が、追加の、前記第１の金属とは異なる第２の金属を含み、
前記第１の金属が銅であり、
前記第２の金属が、アルミニウム、マンガン、ビスマス、クロム、モリブデン、ニオブ、ルビジウムから選択される、
圧電多層構成要素。
【請求項２】
前記第１の金属が前記第１の電極層（３）中で最大で８０％の重量比である、請求項１に記載の圧電多層構成要素。
【請求項３】
前記第１の金属が０．１から１０μｍの間の直径を有する粒子からなる、
請求項１または２に記載の圧電多層構成要素。
【請求項４】
前記第２の金属が、前記第１の電極層（３ａ）に隣接する圧電セラミック層（２）を介して前記第１の金属と同様には拡散されない、
請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素。
【請求項５】
前記第１の金属が、前記第２の金属よりも、前記第１の電極層（３ａ）においてより高い重量比である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素。
【請求項６】
前記第２の電極層（３ｂ）が、金属として前記第１の金属のみを含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素。
【請求項７】
前記多層構成要素が加熱されたときに前記第２の電極層（３ｂ）からの第１の金属の拡散が材料を前記第２の電極層（３ｂ）から失わせ、前記第２の電極層（３ｂ）が構造的に完全なままであり、多層構成要素の動作の間に電極層としてはたらくことが可能であるように、前記第１の電極層（３ａ）と前記第２の電極層（３ｂ）との間の前記第１の金属の重量比の差が設定される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素。
【請求項８】
前記圧電セラミック層（２）がＰＺＴセラミックからなる、
請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素。
【請求項９】
圧電多層構成要素を生産する方法であって、中間生成物として生成される請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電多層構成要素を焼結し、前記第１の金属を部分的に前記第２の電極層（３ｂ）から前記第１の電極層（３ａ）中へ拡散させ、それによって前記第２の電極層（３ｂ）に空洞（７）を残し、したがって、前記第２の電極層を機械的に脆弱化する、方法。
【請求項１０】
隣接する圧電セラミック層（２）が、焼結の間に前記空洞（７）の間で互いに結合する、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の方法を用いて直接生産されることができる、圧電多層構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧電多層構成要素を生成するための方法、ならびに、該方法によって生成されることができ、機械的構造安定性が少ない領域を有する圧電多層構成要素が記載される。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、弱い層を有する圧電多層構成要素を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６０３１０８５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
達成すべき１つの目的は、可能な限り長い期間にわたって安定した形態で作動することができる圧電多層構成要素を記載することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
中間生成物としての圧電多層構成要素が記載され、それは順に重ねて置かれた未加工の圧電セラミック層の積層体を有する。第１の電極層は圧電セラミック層に置かれ、第１の金属を含む。第２の電極層がさらなる圧電セラミック層に、積層方向において第１の電極層に隣接して置かれる。第２の電極層は第１の電極層が含むよりも高い濃度の第１の金属を含む。用語「濃度」はこの場合には、それぞれの電極層における金属の重量による比率を表す。
【０００６】
中間生成物が焼結される場合、第１の金属は第２の電極層から第１の電極層へと部分的に拡散し、その過程において第２の電極層に空洞を残す。第１の金属の濃度の違いはこの場合には、多層構成要素が特定の機械的負荷のもとで第２の電極層内でひび割れるまで、第２の電極層がなおも多層構成要素の動作において電極層として働くことができるよう、選択される。第２の電極層は、したがって、弱い層として働く。
【０００７】
第１の電極層内の第１の金属の濃度は１００％よりも小さい。この場合には、第１の電極層内の第１の金属の濃度が最大でも８０％であることが好ましい。
【０００８】
銅は、比較的低い温度で軟化するので第１の金属として用いるのに特に適しており、圧電多層構成要素の保護的な焼結はそれゆえ可能であり、焼結の間に銅は圧電層に良好に結びつくことが判明している。さらに、銅は、パラジウムや白金などの他の金属と比べて、圧電セラミックを介して比較的容易に拡散することがわかっている。このことが、以下の文章に記載されるように、空洞を有し弱い電極層として働く機械的に弱くされた領域によって、圧電多層構成要素を生成することを容易にする。
【０００９】
異なる金属、例えば銀またはニッケルなどが、第１の金属として銅の代わりに用られてもよい。
【００１０】
一実施形態によれば、第１の電極層は追加の第２の金属を含み、それは第１の金属とは異なる。
【００１１】
第２の金属は第１の金属よりも、第１の電極層に隣接した圧電セラミック層を介して拡散しないことが好ましい。多層構成要素を介した金属の拡散は、したがって主に第１の金属、特に銅によって達成される。
【００１２】
第２の金属は好ましくは、どの金属が第１の電極層内の第１の金属として用いられるかに応じて、パラジウム、ベリリウム、アルミニウム、マンガン、亜鉛、スズ、ビスマス、ニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、ニオブ、ルビジウムから選択される。
【００１３】
第１の電極層において第１の金属の濃度が第２の金属の濃度よりも高いことが有利である。例えば、第１の電極層において第１の金属の濃度が７０％であってもよく、第２の金属の濃度が３０％であってもよい。この場合には、第１の電極層における第１の金属の濃度が第２の電極層における第１の金属の濃度よりも低いことが重要である。したがって、第２の電極層から第１の電極層への拡散が可能になる。第１の金属の拡散は、第１の電極層と第２の電極層の間の第１の金属の濃度差を減少させ、すなわち、第２の電極層内の第１の金属の濃度は自然に減少する。
【００１４】
一実施形態によれば、第２の電極層は金属として第１の金属のみを含む。第２の電極層はしたがって、例えば、金属として銅のみを含んでもよい。しかしながら、それは銅（第１の金属として）の混合物を含んでもよく、例えば、ニッケル酸化物または銅とニッケルの合金を含んでもよい。この場合には、銅−ニッケル合金が第１の金属と見なされるべきである。
【００１５】
圧電セラミック物質中で異なる拡散速度を有する金属が、好ましくは第１のおよび第２の電極層に用いられ、拡散が１つの方向に好ましい方法で発生することを確実にし、その結果として１つのタイプの電極層のみが材料を消耗し、それゆえに機械的に弱くなる。
【００１６】
第１の電極層と第２の電極層との間の第１の金属の濃度差は、好ましくは、多層構成要素が加熱されたとき、第２の電極層からの第１の金属の拡散が第２の電極層内の材料の損失につながるように設定される。この場合には、濃度差、すなわち第２の電極層における第１の金属の濃度と比較しての第１の電極層における第１の金属の濃度は、第２の電極層が、第１の金属の比率の移動後にも構造的に完全なままであるように設定される。第２の金属層はそれゆえ、多層構成要素の動作の間に電極層としてはたらきうる。
【００１７】
これに対して、第２の電極層からの過度の材料損失が、圧電セラミック層および互いに異なる極性の電極層と共に、もはや著しい電場を発生させることができず、その結果として第２の電極層に隣接した圧電セラミックもまた延びることができなくなることにつながる。動作の間の圧電多層構成要素の性能はしたがって減少する。
【００１８】
特に、前記濃度差は、電気的接続が第２の電極層と、積層体の一方の側に置かれうる外部接点との間に残るように設定される。外部接点と第２の電極層との間の電気的接続は、したがって、第１の金属の拡散によって阻止されるべきではない。
【００１９】
圧電多層構成要素の圧電セラミック層は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックを含むことが好ましい。金属、特に銅は、圧電多層構成要素の焼結の間にＰＺＴセラミックを介して比較的少ない抵抗で拡散しうることがわかっている。第１の金属が異なる濃度である、圧電多層構成要素の２つの領域の間の金属の拡散過程は、したがって促進されうる。
【００２０】
一実施形態によれば、中間生成物は圧電セラミックとそれらの間に位置する電極層とを含み、第１の電極層は重量比で５０％より多い主要な構成要素として第１の金属を含む。第１の電極層は第１の金属と同一ではない第２の金属を重量比で５０％未満の第２の構成要素として含み、金属の拡散に関して、第１の金属は第２の金属が有するよりも高い可動性をセラミック物質中で有する。第２の電極層は好ましくは積層方向において第１の電極層に隣接し、第２の電極層は第１の電極層中の対応する重量比よりも大きい重量比で、主要構成要素としての第１の金属を有する。
【００２１】
さらに、圧電多層構成要素を生産するための方法が記載され、そこではここに記載される中間生成物が焼結され、第１の金属が第２の電極層から第１の電極層へ部分的に拡散し、その過程において第２の電極層に空洞を残し、したがって第２の電極層を機械的に脆弱化する。
【００２２】
圧電多層構成要素の動作の間、機械的に脆弱化された第２の電極層は、弱い層として用いられることができ、それによって、例えば特定の引張荷重が多層構成要素に発生する場合、制御されたひび割れが圧電セラミック層に平行に走るか、または電極層に平行に走ることができる。
【００２３】
焼結過程の間、隣接する圧電セラミック層が空洞の間の領域内で互いに結合することができる。
【００２４】
記載された主題は、以下に例示する実施形態および図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】圧電アクチュエータを貫く長手方向断面図である。
【図２ａ】圧電アクチュエータのポーリングひび割れ（Ｐｏｌｕｎｇｓｒｉｓｓｅｎ）を示す図である。
【図２ｂ】圧電アクチュエータのポーリングひび割れを示す図である。
【図３】第１の電極層が第２の電極層に隣接する、圧電アクチュエータの部分を貫く長手方向断面図である。
【図４】互いに異なる極性を有する第１の電極層を有する、圧電アクチュエータの部分を貫く長手方向断面図である。
【図５】同一の極性を有する第１の電極層を有する、圧電アクチュエータの部分を貫く長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は概略的に図示された圧電アクチュエータを通る長手方向断面を示す。該圧電アクチュエータは、圧電セラミック層２およびその間に位置する電極層３からなる積層体１を有する。外部接点は積層体１の２つの長手方向面に外部メタライゼーションの形態で置かれ、これらの長手方向面に導かれる電極層３と電気的に接触する。異なる極性を有する隣接した電極層は、（圧電アクチュエータの積層体の軸に平行に向く）正射影において重なり合う。活性領域と呼ばれることができる重なり領域における電場は、これらの電極層の間に存在する圧電セラミック層２を屈折させるか引き延ばす。互いに反対の極性の隣接する電極層３が重なり合わない領域は不活性領域と呼ばれる。この領域では、圧電効果は実質的に全く屈折しない結果となる。
【００２７】
図２ａは、ひび割れ６がどのように複数の電極層３にまたがるか、特に、圧電アクチュエータ中の互いに反対の極性の電極層３にまたがるかを示す。
【００２８】
本願の発明者は、圧電アクチュエータの信頼性が、発生する任意のひび割れへの対処に決定的に依存することを発見した。熱処理、例えば８００℃と１５００℃の間の温度での焼結の間、メタライゼーションおよびはんだ付けの間、焼結された圧電アクチュエータの極性形成の間、活性領域および非活性領域内で発生する異なる歪みは、圧電アクチュエータ中で、いわゆる張力緩和ひび割れ（Ｅｎｔｌａｓｔｕｎｇｓｒｉｓｓｅｎ）および／またはポーリングひび割れ（Ｐｏｌｕｎｇｓｒｉｓｓｅｎ）につながる機械的な応力をもたらす。これらは非活性領域内または電極層３内を走る。これらのひび割れは遷移領域において活性領域へと曲がりうる。この場合にこれらのひび割れが少なくとも２つの電極層を橋渡しするならば、圧電アクチュエータを不具合にする短絡回路が発生しうる。これに対して、内部電極に平行に走るひび割れは、圧電アクチュエータのライフサイクルに実質的に危険を及ぼさない。
【００２９】
図２ｂは圧電アクチュエータの積層体１内のひび割れ６の安全な断面を示す。この場合には、ひび割れは実質的に電極層３および圧電セラミック層２に平行に走り、その結果としてひび割れは互いに異なる極性の電極層にまたがることなく、それゆえいかなる短絡も発生させることはない。
【００３０】
図２ａに示されたような有害なひび割れを回避する１つの考えは、異なる材料からなる隣接の金属層を用い、焼結過程の間の高い温度で、これらの金属層の組成が異なることの結果として発生することが意図される拡散過程を促進することである。拡散過程の間、金属層またはこの層の合金の構成要素は他方の層よりも多くの材料を失うはずである。この過程において、空洞がこの金属層内で形成され、この層を機械的脆弱化に導く。したがって、ポーリングひび割れまたは他のひび割れが、機械的に脆弱化した金属層内で好ましくは発生し、そこのみを伝わっていく。
【００３１】
図３は、圧電多層構成要素の積層体１の断面図を示し、第１の電極層３ａは２つの第２の電極層３ｂの間の圧電セラミック層２に置かれる。第１の電極層３ａは隣接する第２の電極層が有するよりも低い濃度の第１の金属を有する。
【００３２】
例として、圧電セラミック層は以下の式による組成を有するセラミックからなる。
（ＰｂｘＮｄｙ）（（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）１−ａＮｉａ）Ｏ３
ここで  ０．９０≦ｘ≦１．１０、
０．０００１≦ｙ≦０．０６、
０．３５≦ｚ≦０．６０、
０≦ａ≦０．１０。
【００３３】
例として、第２の電極層３ｂは銅のみを含む。例として、第１の電極層３ａは組成（１−ｘ）Ｃｕ／ｘＰｄの材料を含み、ここで０＜ｘ＜１である。この材料は、銅粉末とパラジウム粉末の混合物であることも、２つの金属の合金であることもできる。これの代替例として、銅の代わりに銀などの他の金属を用いることも可能である。第１の電極層３ａは、例えば、銀とパラジウムの混合物または合金を含んでもよい。例として、第２の電極層３ｂは銀のみからなる。
【００３４】
第１の電極層３ａおよび第２の電極層３ｂの組成の相違が、比較的高い温度における拡散過程を促進する。銅はパラジウムよりも、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミック内において大きい移動性を有することがわかっている。このことは、拡散が一方向のみに、特に、純銅からなる第２の電極層３ｂから銅およびパラジウムを含む第１の電極層３ａへの方向に発生することにつながる。銅およびパラジウムを含む第１の電極層３ａは、したがって銅シンクとして作用する。銅−パラジウムからなる第１の電極層３ａの直近の第２の電極層３ｂにおける材料の損失は、第２の電極層３ｂ中の、または第２の電極層３ｂと周囲のまたは周辺の圧電セラミック層２との間の境界中の、空洞の形成につながる。したがって、圧電セラミック層２に実質的に平行に走る、制御されたひび割れが形成されて伝わっていくように、状態がつくられる。
【００３５】
第２の電極層３ｂにおける空洞の比率は、第１の電極層の組成、第１のおよび第２の電極層の厚さ、および各電極層の金属粒子の粒子寸法によって制御されることができる。
【００３６】
この場合には、拡散過程を促進するように特別な材料組成を有する必要がある電極層は一定の数のみである。このことは圧電アクチュエータの生産を簡素化する。
【００３７】
圧電アクチュエータを焼結する過程の間、第２の電極層３ｂはそれらの材料のある割合を失い、したがって機械的に脆弱化される。脆弱化された第２の電極層内の空洞の割合はこの場合には好ましくは過剰ではなく、動作の間これらの第２の電極層は電気的に活性なままであり、すなわちそれらは電場を築くために用いられることができる。したがって、動作の間の圧電アクチュエータの性能の損失を避けるために、（ａ）第２の電極層の十分な脆弱化を達成するために十分大きい空洞と、（ｂ）第２の電極層内で過剰に大きくはない多数の空洞と、の間で妥協が達成されるように、２つの型の電極層の複合体が設定されることが好ましい。この妥協が達成された場合、このことは記載された圧電アクチュエータのさらなる利点へとつながる。すなわち、圧電アクチュエータの体積の全体が電気的に活性なままであることができる。
【００３８】
圧電アクチュエータにおける第２の電極層３ｂはまた、銅の代わりに、銅と何らかの他の金属との合金、または銅粉末と他の無機材料、例えば金属または酸化物などとの混合物などの、別の材料を含んでもよい。
【００３９】
例えば、第２の電極層は銅またはニッケルの混合物または合金からなってもよく、あるいは銅およびニッケル酸化物の混合物からなってもよい。
【００４０】
今や、第１の電極層の１つの好ましい組成のより詳細な記載が与えられる。この場合、銅の重量比は９９．９％から７０％、特に好ましくは９７％から７５％の比率である。第１の電極層の残りは金属としてパラジウムを含む。この場合には、銅とパラジウムとの合金または銅粉とパラジウム粉との混合物が用いられる。
【００４１】
第１の電極層３ａおよび／または第２の電極層３ｂの中の銅粒子は０．１から１０μｍ、好ましくは０．４から１．５μｍの直径を有する。
【００４２】
第１の電極層中のパラジウム粒子は同様に０．１から１０μｍ、好ましくは０．４から１．５μｍの直径を有する。他の金属粒子、例えば金属合金の粒子も、同様にこれらの寸法を有してよい。
【００４３】
第１の電極層３ａおよび第２の電極層３ｂは、好ましくは圧電セラミック層へのスクリーン印刷、スパッタリング、または噴霧によって置かれる。
【００４４】
焼結されていない状態の圧電アクチュエータにおける両方の型の電極層３ａ、３ｂの厚さは好ましくは０．１から２０μｍの間、好ましくは１．０から１０μｍの間である。
【００４５】
第１の型の電極層３ａの少なくとも１つが圧電アクチュエータにぴったり合うのが好ましい。圧電アクチュエータの１つを除いたすべての電極層３が、第１の電極層３ａの形状であり、残りの電極層が第２の電極層３ｂの形態であることも可能である。したがって、少なくとも１つの弱い電極層が焼結の間に生成される。第１の電極層３ａは、しかしながら、好ましくは圧電アクチュエータ中に存在する電極層３の全数の５から２０％を占める。
【００４６】
図４は圧電アクチュエータの積層体１の一部を通る長手方向断面図であり、第１の電極層３ａが交互に積層体２の異なる長手方向面へとつながっている。したがって、第１の電極層３ａの極性は積層方向に従って交代する。これは第１の電極層３ａが２つの異なる外部接点（図示せず。この文脈では図１参照）と交互に接触するためである。
【００４７】
図５は圧電アクチュエータの積層体１の一部を通る長手方向断面図であり、第１の電極層３ａが常に、積層方向に従って積層体の同じ長手方向面へとつながっている。したがって、第１の電極層３ａは同一の極性を有すると理解されうる。これは第１の電極層が同一の外部接点（図示せず。この文脈では図１参照）に接触するためである。
【符号の説明】
【００４８】
１  圧電セラミック層および電極層の積層体
２  圧電セラミック層
３  電極層
３ａ  第１の電極層
３ｂ  第２の電極層
４  外部接点
５  ひび割れ
【図１】
0005539902.tif 000002
【図２ａ）】
0005539902.tif 000003
【図２ｂ）】
0005539902.tif 000004
【図３】
0005539902.tif 000005
【図４】
0005539902.tif 000006
【図５】
0005539902.tif 000007