(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック（１）としての電子的な構成素子であって、該構成素子が、電界の印加に応答する複数の材料層（２）と、複数の第１および第２の電極層（３，４）とから形成されており、各材料層（２）が、１つの第１の電極層（３）と１つの第２の電極層（４）との間に交互に配置されており、
第１のスタック周囲長範囲（５）に第１の接触接続構造体（１３）を被着し、且つ第２のスタック周囲長範囲（６）に第２の接触接続構造体（１４）を被着し、これによって、第１の接触接続構造体（１３）により、各第１の電極層（３）が互いに電気的に接触接続されていて、第２の接触接続構造体（１４）により、各第２の電極層（４）が互いに電気的に接触接続されている、スタックとしての電子的な構成素子を製造する方法において、
ａ）  交互に配置された材料層（２）と第１および第２の電極層（３，４）とから成る未焼結のスタック（１）であって、前記複数の第１および第２の電極層（３，４）が、前記第１および第２のスタック周囲長範囲（５，６）の表面で終端するように延在しているスタック（１）を用意し、その後、焼結によって、第１の電極層（３）が、前記第１および第２のスタック周囲長範囲（５，６）を越えて張り出していて、第２の電極層（４）が、前記第１及び第２のスタック周囲長範囲（５，６）に対して間隔を置いて材料層（２）の内部に位置しているスタック（１）を形成し、
ｂ）  第１の接触接続構造体（１３）を前記第１のスタック周囲長範囲（５）に直接被着して、該第１のスタック周囲長範囲（５）を越えて張り出した第１の電極層（３）を第１の接触接続構造体（１３）内に導電的に埋め込み、
ｃ）  第２の接触接続構造体（１４）を形成するに際して、
前記第２のスタック周囲長範囲（６）において第１の電極層（３）と第２の電極層（４）とを露出し、
第１の電極層（３）を前記第２のスタック周囲長範囲（６）から電気的に絶縁する溶媒不含の絶縁構造体（１５）を加算的な方法によって形成し、
提供された第２のスタック周囲長範囲（６）に導電性の材料を被着し、これによって、第２の接触接続構造体（１４）を形成することを特徴とする、スタックとしての電子的な構成素子を製造する方法。
【請求項２】
材料層（２）と、第１の接触接続構造体（１３）に接続すべき第１の電極層（３）と、第２の接触接続構造体（１４）に接続すべき第２の電極層（４）とが、焼結時にそれぞれ異なる収縮特性を有している、請求項１記載の方法。
【請求項３】
スタック（１）の焼結時に第２の電極層（４）が材料層（２）よりも強く収縮しかつ材料層（２）が第１の電極層（３）よりも強く収縮するように、第１の電極層（３）の材料と、第２の電極層（４）の材料と、材料層（２）の材料とを選択する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
ステップｂ）が、前記第１のスタック周囲長範囲（５）に設けられた第１の接触接続構造体（１３）の材料の焼成を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
ステップｃ）での前記第２のスタック周囲長範囲（６）における第２の電極層（４）の露出が、前記第２のスタック周囲長範囲（６）の研削を含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
第１の接触接続構造体（１３）と第２の接触接続構造体（１４）とを互いに異なる第１および第２のスタック周囲長範囲（５，６）に形成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
絶縁構造体（１５）の形成を、第１の接触接続構造体（１３）に電圧を印加することにより、電気化学的な析出法によって行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタックとしての電子的な構成素子を製造する方法およびスタックとして製造された構成素子に関する。このような構成素子は、たとえば、内燃機関のシリンダの燃焼室内に燃料を噴射するためのアクチュエータユニットとして使用される。
【０００２】
車両の内燃機関の噴射弁に用いられるアクチュエータユニットは、典型的には、スタックとして形成された構成素子を有している。この構成素子は、複数の電極層と、電界の印加に応答する複数の材料層とを有しており、各材料層は、２つの電極層の間に配置されている。材料層と電極層との、互いに重なり合って交互に積層された層のこのような構成素子は、一般的に「スタック」と呼ばれる。今日のこのような公知の電子的な構成素子は、一般的に「ピエゾアクチュエータ」と呼ばれるスタックである。このスタックは、自動車に用いられる種々異なるタイプのエンジンの噴射弁における操作エレメントとして使用される。材料層は、このピエゾアクチュエータの場合、セラミック層である。
【０００３】
通常、このようなスタックは、平面図で見て、長方形または正方形の横断面を有している。スタックは、典型的には、周囲長を形成する辺のうち互いに向かい合って位置する２つの辺において電気的に接触接続される。このことを科学技術的に綿密に実施することができるようにするためには、たとえば、１つおきの電極層だけが両辺のうちの一方の辺にまで側方へ延びているのに対して、それぞれ別の電極層は当該一方の辺にまで延びていないように、電極層が幾何学的に設計される。相応のことが、スタックの他方の辺に類似に当てはまる。さらに、いわゆる「全面活性型(vollaktiv)」のスタックが公知である。このスタックでは、電極層と材料層とが等しい面積を有しており、これによって、全ての電極層が、それぞれ互いに向かい合って位置する辺にまで延びている。
【０００４】
電極層の電気的な接触接続は、両例とも、２つの外部電極を介して行われる。両外部電極は、一般的には構成素子の少なくとも１つの辺、典型的には互いに向かい合って位置する２つの辺において各電極層に電気的に接続されている。このような接触接続は、スタックが全面活性型のスタックであるか否かに関連している。
【０００５】
全面活性型のスタックの場合には、外部電極を形成するために、各辺に不動態化層が被着される。次いで、この不動態化層への溝または切欠きの形成による減算的な方法によって、電極が１つおきに露出される。これに続いて、不動態化層に導電性の材料、たとえば導電性接着剤が被着される。この材料は、溝または切欠き内に進入し、電極層に対する電気的なコンタクトを形成する。この工程は幾つかの欠点に結び付けられている。
【０００６】
不動態化層のためには、いずれ意図的に除去することができ、１９０℃までの耐熱性を有する材料が必要となる。このためには、ポリイミドの材料群が要求される。しかしながら、このポリイミドは、健康を害する溶媒を含んでいる。したがって、この溶媒のために、製造の間、作業者の健康を守るための手段が必要となり、これによって、プロセスに一層手間がかかってしまう。同じことが、電極の露出後に引き続き接触接続を行う導電性接着剤にも当てはまる。
【０００７】
完成した構成素子は、典型的には金属から成る管状ばねによって取り囲まれている。この管状ばねは、アクチュエータユニットの運転中に構成素子スタックに予荷重を加えるために働く。さらに、管状ばねは、変位させられる構成素子スタックに対して十分な性能を提供するために働く。管状ばねと構成素子スタックの外部電極との間の絶縁材料として、構成素子スタックの外周面に、少なくとも外部電極を覆う、たとえばシリコーンから成る層が設けられている。
【０００８】
欧州特許出願公開第１８３５５５３号明細書に基づき、圧電アクチュエータを製造する方法が公知である。この公知の方法では、接触接続構造体が、相応のスタック周囲長範囲に減算的にまたは加算的に被着された絶縁層に被着されている。
【０００９】
本発明の課題は、健康を害する観点に関して製造フローが改善された、構成素子を製造する方法を提供することである。さらに、本発明の課題は、このような方法により製造された構成素子を提供することである。
【００１０】
これらの課題は、請求項１の特徴に係る方法と、スタックとして形成された、請求項９の特徴に係る構成素子によって解決される。有利な態様は、それぞれ従属請求項から明らかである。
【００１１】
本発明は、スタックとしての電子的な構成素子であって、この構成素子が、電界の印加に応答する複数の材料層と、複数の第１および第２の電極層とから形成されており、各材料層が、１つの第１の電極層と１つの第２の電極層との間に交互に配置されている、スタックとしての電子的な構成素子を製造する方法を提供している。少なくとも１つのスタック周囲長範囲に少なくとも１つの第１および第２の接触接続構造体が被着され、これによって、第１の接触接続構造体により、各第１の電極層が互いに電気的に接触接続されていて、第２の接触接続構造体により、各第２の電極層が互いに電気的に接触接続されている。まず、第１の電極層が、少なくとも１つのスタック周囲長範囲を越えて張り出していて、第２の電極層が、少なくとも１つのスタック周囲長範囲に対して間隔を置いて材料層の内部に位置しているスタックが形成される。次いで、第１の接触接続構造体が少なくとも１つのスタック周囲長範囲に直接被着されて、この少なくとも１つのスタック周囲長範囲を越えて張り出した第１の電極層が第１の接触接続構造体内に導電的に埋め込まれる。その後、第２の接触接続構造体を形成するに際して、少なくとも１つのスタック周囲長範囲において第１の電極層と第２の電極層とが露出され、引き続き、第１の電極層を少なくとも１つのスタック周囲長範囲から電気的に絶縁する溶媒不含の絶縁構造体が加算的な方法によって形成され、最後、提供されたスタック周囲長範囲に導電性の材料が被着され、これによって、第２の接触接続構造体が形成される。
【００１２】
提案された方法の利点は、健康を害する物質、たとえば溶媒を含んだ従来必要であったプロセスを不要にすることができる点にある。特にポリイミドから成る不動態化層の被着を省略することができる。これは大きな軽減となる。なぜならば、このようなプロセスには、作動性および耐久性のために、層厚さ、均質性および位置精度に関して高い精度が要求されるからである。また、同じく人間に対して有害な物質を含んだ導電性接着剤層の被着も省略することができる。
【００１３】
スタックの形成のステップは、交互に配置された材料層と第１および第２の電極層とから成る未焼結のスタックの用意を含み、材料層と、第１の接触接続構造体に接続すべき第１の電極層と、第２の接触接続構造体に接続すべき第２の電極層とは、焼結時にそれぞれ異なる収縮特性を有している。
【００１４】
さらに、スタックの形成のステップが、スタックの焼結を含み、これによって、第１の電極層が、少なくとも１つのスタック周囲長範囲を越えて張り出していて、第２の電極層が、少なくとも１つのスタック周囲長範囲に対して間隔を置いて材料層の内部に位置している。
【００１５】
第１の電極層の材料と、第２の電極層の材料と、材料層の材料とは、スタックの焼結時に第２の電極層が材料層よりも強く収縮しかつ材料層が第１の電極層よりも強く収縮するように選択される。
【００１６】
この工程によって、絶縁構造体を前もって提供する必要なしに、第１の接触接続構造体を直接被着することが可能となる。これによって、不動態化層のために必要となる材料を、層厚さ、均質性および位置精度に関して極端な精度で被着しなければならないプロセスが省略される。
【００１７】
特に第１の接触接続構造体の被着は、少なくとも１つのスタック周囲長範囲に設けられた第１の接触接続構造体の材料の焼成によって行われてよい。この工程は、たとえば全面活性型でないスタックの際に使用され、良好に試みられている。第２の接触接続構造体の接触接続は、たとえば導電性接着剤によって行われてよい。
【００１８】
有利な態様では、少なくとも１つのスタック周囲長範囲における第２の電極層の露出が、少なくとも１つのスタック周囲長範囲の研削を含む。この研削によって、スタック周囲長範囲の平らな表面を得ることができる。同時に、第２の電極層にいつ達するのかという極めて正確なコントロールが可能となる。
【００１９】
特に簡単な製造は、第１の接触接続構造体と第２の接触接続構造体とが互いに異なるスタック周囲長範囲に形成されることによって達成される。好ましくは、２つのスタック周囲長範囲が互いに向かい合って位置していて、互いに平行に位置している。
【００２０】
有利な態様によれば、絶縁構造体の形成が、第１の接触接続構造体に電圧を印加することにより、電気化学的な析出法によって行われる。これによって、第２の接触接続構造体を形成すべき領域での、すでに接触接続されている電極の意図的な不動態化を行うことができる。この工程は、すでにスタックに存在している電極と、電解質浴に設けられた第２の電極との間に印加される電圧によって、電解質浴内で、絶縁性の材料の析出が行われることに基づいている。このためには、スタックの全ての電極が、これから接触接続すべきスタック周囲長範囲の表面において露出していることが必要となる。
【００２１】
さらに、本発明は、スタックとして形成された電子的な構成素子を提案している。この構成素子は、複数の第１および第２の電極層と、電界の印加に応答する複数の材料層とを有しており、各材料層は、１つの第１の電極層と１つの第２の電極層との間に交互に配置されている。少なくとも１つのスタック外周領域に第１および第２の接触接続構造体が被着されており、これによって、第１の接触接続構造体により、各第１の電極層が互いに電気的に接触接続されていて、第２の接触接続構造体により、各第２の電極層が互いに電気的に接触接続されている。第１の接触接続構造体は、少なくとも１つのスタック周囲長範囲に直接被着されていて、この少なくとも１つのスタック周囲長範囲を越えて張り出した第１の電極層が、第１の接触接続構造体内に導電的に埋め込まれている。第２の接触接続構造体は、スタックの少なくとも１つのスタック周囲長範囲に設けられた溶媒不含の絶縁構造体に被着されていて、第２の電極層に電気的に接続されている。
【００２２】
提案された構成素子は、より環境適合性に製造することができる。さらに、提案された構成素子は、従来、ポリイミドから成る不動態化層を備えて製造されていたような全面活性型の構成素子よりも大きな耐久性を有している。
【００２３】
以下に、本発明に係る構成素子の製造法を１つの実施の形態に基づき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】それぞれ交互に配置された材料層と電極層とから成る焼結前のスタックの概略的な横断面図である。
【図２】それぞれ交互に配置された材料層と電極層とから成る焼結後のスタックの概略的な横断面図である。
【図３】第１の電極層を接触接続するための第１の接触接続構造体の被着後のスタックの概略的な横断面図である。
【図４】第２の接触接続構造体を被着すべきスタック周囲長範囲の研削後のスタックの概略的な横断面図である。
【図５】第２の接触接続構造体を被着すべきスタック周囲長範囲への絶縁構造体の形成後のスタックの概略的な横断面図である。
【図６】第２の電極層を接触接続するための第２の接触接続構造体の被着後のスタックの概略的な横断面図である。
【００２５】
図１〜図６には、図６に示したスタックとして形成された本発明に係る構成素子を製造するために必要となる中間段階が示してある。
【００２６】
製造プロセスの出発点は、図１に概略的な断面図で示したように、スタック１として形成された電子的な構成素子である。スタック１は、電界の印加に応答する複数の材料層２と、複数の第１の電極層３（破線として図示した）と、複数の第２の電極層４（実線として図示した）とから形成されている。材料層２の各々は、第１の電極層３と第２の電極層４との間に交互に配置されている。両電極層３，４は、セラミックスとしてはまだ未焼成状態にあるので、両側でスタック１の各縁にまで延びている。形成すべき接触接続は、たとえば互いに向かい合って位置しかつ幾何学的に互いに繋がっていないスタック周囲長範囲５，６において行われる。
【００２７】
スタック周囲長範囲５に接触接続構造体１３を形成しかつスタック周囲長範囲６に接触接続構造体１４を形成するためには、電極が１つおきにスタック周囲長範囲５および／またはスタック周囲長範囲６を越えて張り出しており、別の電極が両スタック周囲長範囲５，６に対して間隔を置いて材料層２の内部に位置している。本実施の形態では、第１の電極層３が焼結後にスタック周囲長範囲５，６を越えて突出しており、電極層４がスタック１の内部に位置している（図２参照）。択一的には、電極層４がスタック周囲長範囲５，６の表面で終わっていてもよい。
【００２８】
このことを達成するためには、第１の電極層３の材料性状と第２の電極層４の材料性状とが互いに異なっており、これによって、両電極層３，４が焼結中に互いに異なる収縮特性を有している。これは、未焼成のセラミックスの焼結の間、すでに材料層２と電極層３，４とが、収縮に関して異なる特性を有していることを意味している。
【００２９】
次のステップ（図３参照）では、スタック周囲長範囲５に第１の接触接続構造体１３（いわゆる外側接触接続体）が被着される。このことは、たとえば金属材料の焼成によって行うことができる。たとえば銀電極の焼成が当業者に十分公知である。この方法では、銀ペーストの複数の層が被着され、焼成される。この複数の層の意義は、セラミックスへの付着が、銀ペースト内の添加剤によってしか可能とならないことにある。この添加剤は層状に減じられるので、一番上側の層はもはや添加剤を含んでいない。その後、これに続いて、最終的に後続の接触接続体がろう付けされる。結果として、第１の接触接続構造体１３が、それぞれ１つおきの電極、すなわち、第１の電極層３に接続されており、これによって、接触接続構造体１３への電圧の印加時に全ての電極層３がそれぞれ等しい電位を有することになる。
【００３０】
別の電極、すなわち、第２の電極層４を異なる電位に接続するためには、スタック１の、向かい合って位置するスタック周囲長範囲６が研削加工される。この研削加工は、全ての電極層３，４がスタック周囲長範囲６の表面に隣接するまで行われる。この状況は、図４に示してある。研削は、第２の接触接続構造体１４を形成する前にスタック周囲長範囲６が平らな表面を有するという利点を有している。
【００３１】
すでに形成された第１の接触接続構造体１３への電界の印加によって、電気化学的な析出法を用いて、スタック周囲長範囲６における、第１の接触接続構造体１３に電気的に接続された第１の電極層３の意図的な不動態化が達成される。図５では、紙面内部への垂直な第１の電極層３の延びに相応して、絶縁ストリップ１５が延びている。
【００３２】
最後のステップでは、スタック周囲長範囲６に第２の接触接続構造体１４が被着される。これによって、この接触接続構造体１４に第２の電極層４が電気的に接続されている。このことは、図６に示してある。第２の接触接続構造体１４の被着は、たとえば導電性接着剤によって行うことができる。
【００３３】
このように形成されたスタック１は、たとえば、内燃機関に用いられるピエゾインジェクタのためのピエゾアクチュエータとして働く。
【００３４】
前述した製造法によって、健康を害するポリイミドの省略が可能となる。更なる利点は、層厚さ、均質性および位置精度に関して高い要求を課さないプロセスを一貫して使用することができる点にある。これによって、製造法が簡略化される。
【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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