(57)【要約】  本発明は交互に重なって配置されている圧電セラミック層とその間に配置されている電極層とを有する少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体と、活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域と、活性部分積層体と圧電性の不活性終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域を有し、活性部分積層体、不活性終端領域および移行領域は相互に接続されてモノリシックな全積層体となっているピエゾアクチュエータに関し、移行領域が相互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層とその間に配置されている移行領域電極層とを有し、移行領域圧電セラミック層および移行領域電極層は、移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層毎の圧電性の活性面積が移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へ連続的に変更されているように構成されており、相互に重なって配置されていることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータであって、
少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体を有し、該活性部分積層体は交互に重なって配置されている圧電セラミック層（１１１，１２１）と該圧電セラミック層（１１１，１２１）間に配置されている電極層（１１２，１２２）とを有し、
前記圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域を有し、
前記圧電性の活性部分積層体と前記圧電性の不活性終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域を有し、
前記圧電性の活性部分積層体、前記圧電性の不活性終端領域および前記移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている、ピエゾアクチュエータにおいて、
前記移行領域が相互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層と該移行領域圧電セラミック層間に配置されている移行領域電極層とを有し、
前記移行領域圧電セラミック層および前記移行領域電極層は、前記移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層毎の圧電性の活性面積が移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へ連続的に変更されているように構成されており、また相互に重なって配置されていることを特徴とする、ピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
それぞれの前記移行領域電極層の横方向の拡張（１３２２）に平行な構造は櫛状である、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
それぞれの前記移行領域電極層の横方向の拡張に並行な構造は円形である、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
隣接する移行領域電極層が１つの交差指型構造（１１２１）を形成する、請求項１から３までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
前記活性部分積層体および／または前記終端領域が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、例えば３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲から選択された積層体高さ（１１３）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項６】
前記移行領域は０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲から選択された移行領域積層体高さ（１１４）を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項７】
前記全積層体は１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲から選択された全積層体高さ（１０３）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項８】
内燃機関の弁、例えば噴射弁を駆動制御する請求項１から７までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータに関し、このピエゾアクチュエータは、交互に重なって配置されている圧電セラミック材料からなる圧電セラミック層と圧電セラミック層間に配置されている電極層（内部電極）とを有する少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体と、圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域と、圧電性の活性部分積層体と終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域とを有し、圧電性の活性部分積層体、終端領域および移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている。ピエゾアクチュエータの他にピエゾアクチュエータの使用が提供される。
【０００２】
大きな信号領域（数ｋＶ／ｍｍの電界強度）においてその種のピエゾアクチュエータが最初に電気的に駆動制御される際に圧電セラミック材料は極性付けられる。これにより不可逆性の長さ変化、いわゆる残留変形が生じる。この残留変形またピエゾアクチュエータの動作時に電極層を電気的に駆動制御する際に生じる付加的な変形に基づき全積層体内では引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力により極性付けの経過において、またはピエゾアクチュエータの動作時に例えば圧電セラミック層と電極層との間の境界面に沿って亀裂（極性亀裂）が生じる。その種の亀裂は殊に活性部分積層体と終端領域との間の移行領域においても生じる。亀裂が枝分かれするか、全積層体の長手方向において拡がる場合は殊に悪影響が及ぼされる。その種の亀裂によりピエゾアクチュエータが早期に故障することは不可避である。
【０００３】
本発明の課題は、上述の亀裂の形成および亀裂の増大に関する確率が従来技術に比べて低減されているピエゾアクチュエータを提供することである。
【０００４】
この課題を解決するために、交互に重なって配置されている圧電セラミック層とこの圧電セラミック層間に配置されている電極層とを有する少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体と、圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域と、圧電性の活性部分積層体と終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域とを有し、圧電性の活性部分積層体、終端領域および移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている、モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータが提供される。このピエゾアクチュエータは以下の特徴を有する。すなわち、移行領域が相互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層とこの移行領域圧電セラミック層間に配置されている移行領域電極層とを有し、これらの移行領域圧電セラミック層および移行領域電極層は、移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層毎の圧電性の活性面積が移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へ連続的に変更されているように構成されており、また相互に重なって配置されていることを特徴とする。２つまたはそれ以上の直接的に相互に重なって積層化されている移行領域圧電セラミック層の圧電性の活性面積が等しい、またはほぼ等しいことも十分に考えられる。この移行領域圧電セラミック層は圧電性の活性面積が等しい移行領域圧電セラミック層の１つのセットを形成する。
【０００５】
終端領域は全積層体の頂部領域または底部領域でよい。終端領域を１つまたは複数の層から構成することができる。後者の場合には１つのカバーセットとなる。終端領域の材料としてセラミック材料または金属材料が考えられる。
【０００６】
圧電セラミック層の圧電セラミック材料と移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料は同一のものでよい。しかしながら異なる材料を使用することもできる。同様にこれらの層の総厚は同一でもよいし、異なっていてもよい。
【０００７】
本発明の基礎となる着想は、移行領域電極層の構造が段階的に変化する移行領域を提供することである。段階的な変化により圧電性の活性面積、したがって圧電性の活性体積は圧電セラミック層から圧電セラミック層へ変化する。段階的な変化により従来技術から公知である、圧電性の活性部分積層体と圧電性の不活性終端領域との間の高い引っ張り応力が著しく低減される。
【０００８】
構造の変更により、極性付けの間または動作中に生じる変形も変化する。横方向（ａ／ｂ方向）において生じる変形と積層方向（ｃ方向）において生じる変形はもはやｄ31（負）成分およびｄ33（正）成分のみから構成されているものではない。その結果この効果の重ね合わせが生じる。層平面に対する極性付けベクトルおよび制御ベクトルの所定の方向においてはそれぞれの方向における最小変形が達成される。これにより、移行領域の２つの層間では相応に僅かな機械的な引っ張り応力が生じる。
【０００９】
有利には、それぞれの移行領域電極層の横方向の拡張に平行な移行領域電極層の構造は櫛状である。別の実施形態においては、それぞれの移行領域電極層の横方向の拡張に平行な構造は円形である。殊に櫛状の構造は交差指型構造（Interdigital-Structure）の形成に適している。したがって殊に有利な実施形態によれば、隣接する移行領域電極層が１つの交差指型構造を形成する。
【００１０】
殊に有利な実施形態によれば、活性部分積層体および／または終端領域が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、殊に３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲から選択された部分積層体高さを有する。例えば部分積層体高さは２ｍｍである。この部分積層体高さにより電圧スパイクを非常に良好に除去することができる。殊に有利な実施形態によれば、移行領域部分積層体は０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、殊に０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲から選択された移行領域積層体高さを有する。部分積層体により非常に高い全積層体が得られる。殊に有利な実施形態においては全積層体が、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲から選択された全積層体高さを有する。それよりも高い全積層体高さも同様に得られる。
【００１１】
この新たな信頼性の高いピエゾアクチュエータは有利には内燃機関の弁、殊に噴射弁を駆動制御するために使用される。内燃機関は例えば自動車のエンジンである。
【００１２】
以下では本発明を複数の実施例および所属の図面に基づき詳細に説明する。図面は概略的に示されたものであり、縮尺通りに描かれていない。
【００１３】
図１はモノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータの側面図を示し、
図２Ａは移行領域電極層の構造の連続的な変更を示し、
図２Ｂは移行領域電極層の構造の別の連続的な変更を示し、
図３は移行領域電極層の櫛状の構造の連続的な変更を示す。
【００１４】
ピエゾアクチュエータ１はモノリシックな多層構造の全積層体１０を有するピエゾアクチュエータである。ピエゾアクチュエータ１は圧電性の活性部分積層体１１を有し、この部分積層体１１においては圧電セラミック材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を有する圧電セラミック層１１１と銀パラジウム合金からなる電極層１１２とが交互に重なって配置されている。
【００１５】
圧電性の活性部分積層体１１の上には、セラミック層からなるセラミック性のカバーセットの形の圧電性の不活性終端領域１２が配置されている。
【００１６】
圧電性の活性部分積層体１１とカバーセット１２との間には移行領域積層体の形の移行領域１３が配置されている。移行領域積層体１３は交互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層１３１と移行領域電極層１３２とを有する。移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料と圧電性の活性部分積層体１１の圧電セラミック層の圧電セラミック材料は同一である。択一的な実施形態においては、これらの圧電セラミック層の圧電セラミック材料は異なる。移行領域電極層の電極材料は圧電性の活性部分積層体の電極層の電極材料に相当する。択一的に異なる電極材料が使用される。
【００１７】
圧電性の活性部分積層体１１、移行領域積層体１３および終端領域１２は一緒に１つのモノリシックな全積層体１０を形成する。活性部分積層体１１の領域および移行領域積層体１３の領域における全積層体の側面にはそれぞれの電極層と電気的に接触するための外部金属化部１４が取付けられている。交番的に接触するために図示していない別の外部金属化部が設けられている。
【００１８】
積層方向１０１における全積層体１０の全高１０３は３０ｍｍである。圧電性の活性部分積層体１１の部分積層体高さ１１３は約１０ｍｍである。移行領域積層体１３の移行領域部分積層体高さ１１４は約２ｍｍである。
【００１９】
移行領域圧電セラミック層１３１および移行領域電極層１３２は、移行領域積層体１３の積層方向１３３において移行領域圧電セラミック層毎の圧電性の活性面積が移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へ連続的に変更されるように構成されており、また重なって配置されている。このことは、移行領域電極層の横方向の寸法１３２３を変更することによって達成される。移行領域電極層の横方向の拡張部１３２２に沿って寸法１３２３は変わる。
【００２０】
第１の実施形態によれば、移行領域電極層１３２は櫛状の構造を有する。この櫛状の構造１３２１は図３に示されている。
【００２１】
この実施例によれば、移行領域電極層１３２の櫛状の構造１３２１が連続的に変更される。図２Ａに示されているように、櫛状の構造１３２１のウェブ間の間隔は移行領域電極層から移行領域電極層へ変更される。隣接する移行領域電極層１３２は一緒にそれぞれ１つの交差指型構造１１２１を形成する。
【００２２】
別の実施例によれば、終端領域１２および移行領域１３の図示した配置構成に付加的もしくは択一的に、全積層体１０の頂部領域に終端領域１２が配置され、全積層体１０の底部領域に移行領域が配置される。
【００２３】
この新たなピエゾアクチュエータ１は自動車のエンジンの噴射弁を駆動制御するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータの側面図を示す。
【図２Ａ】移行領域電極層の構造の連続的な変更を示す。
【図２Ｂ】移行領域電極層の構造の別の連続的な変更を示す。
【図３】移行領域電極層の櫛状の構造の連続的な変更を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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