(57)【要約】本発明は、複数の圧電層（２）と、圧電的に活性な領域（Ａ）内で層間に配設され電圧印加可能な内部電極（３，４）とからなる多層構造部と、ピエゾアクチュエータ（１）の層構造部内で内部電極を持たない少なくとも１つの不活性領域（Ｂ，Ｃ）とを有している、例えば機械的構成部材の操作のための、ピエゾアクチュエータに関している。このピエゾアクチュエータ（１）の層構造部内には、少なくとも１つの不活性領域（Ｂ，Ｃ）が存在し、これらの内部電極を持たない少なくとも１つの不活性領域（Ｂ，Ｃ）が、次のような材料、すなわちその機械的及び熱的特性が、圧電層（２）と内部電極（３，４）の材料の組合わせと相互作用も含めて活性領域（Ａ）の特性に相応するような材料から形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電層（２）と、圧電的に活性な領域（Ａ）内で層間に配設され電圧印加可能な内部電極（３，４）とからなる多層構造部と、
ピエゾアクチュエータ（１）の層構造部内で内部電極を持たない少なくとも１つの不活性領域（Ｂ，Ｃ）とを有している、ピエゾアクチュエータにおいて、
内部電極を持たない少なくとも１つの不活性領域（Ｂ，Ｃ）が、次のような材料、すなわちその機械的及び熱的特性が、圧電層（２）と内部電極（３，４）の材料の組合わせと相互作用も含めて活性領域（Ａ）の特性に相応するような材料から形成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】
前記不活性領域（Ｂ，Ｃ）と活性領域（Ａ）は、同じセラミック性の基準物質から製造され、この場合不活性領域（Ｂ，Ｃ）内には付加的なドーピング剤が添加されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
前記基準物質は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とドーピング剤（銀）である、請求項２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
前記不活性領域（Ｂ，Ｃ）及び活性領域（Ａ）の圧電層（２）の相応する機械的及び熱的特性として、ピエゾアクチュエータ（１）の多層構造部の焼結の際の収縮、熱膨張、弾性が用いられる、請求項１から３いずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念による、機械的な構成部材の操作のためのピエゾアクチュエータに関している。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる圧電効果を利用して適当な結晶構造を有する材料からピエゾ素子を構築し得ることは一般に公知である。この圧電電わいセラミックへ外部電圧を印加すると、圧電素子に機械的な反応が生じる。この反応は、結晶構造と電圧の印加領域に依存して、所定の方向への伸縮となって現れる。
【０００３】
非常にに迅速でかつ正確に制御可能なストローク効果に基づいて、そのようなピエゾアクチュエータは、例えば自動車の燃料噴射システムにおける切替え弁の駆動用に使用することが可能である。この場合電圧制御又は負荷制御されたピエゾアクチュエータの偏倚がノズルニードルの行程を制御する制御弁の位置付けに用いられている。
【０００４】
ピエゾアクチュエータの操作に必要な電界強度は数ｋＶ/ｍｍの領域にあり、通常は中程度の電圧が駆動制御に望まれているので、このピエゾアクチュエータの構造は、ここでは、上下に積層され金属化された圧電セラミックからなる複数の層でいわゆる多層アクチュエータでなされる。これに対してそれぞれの層間には、例えばプリント技法によって被着される内部電極と、電圧の印加される外部電極が存在している。そのような層の典型的な製造方法は、フォイル鋳造技法である。その場合個々の層は、内部電極の製造のために金属化され、上下に積層される。この場合内部電極を有する２つの層の間には、異なる極性が圧電効果に作用する。
【０００５】
しかしながらヘッド領域とボトム領域では、通常は内部電極が欠ける。なぜなら一方では外方に向けての短絡を避けるために端面方向で所定の絶縁区間が必要となるからであり、他方ではパッシブゾーンが外部電極の電気的接続のために用いられるからである。このパッシブゾーンはアクチュエータの中央にも存在し得る。しかしながらしばしば、内部電極を有するアクティブゾーンとしての活性領域と、内部電極を持たないパッシブゾーンとしての不活性領域との間の領域には、亀裂の危険性が生じる。このような現象は、寿命の低下につながり、アクチュエータのトータルコストの低下にも結び付く。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許出願DE 100 25 998 A1明細書からは、レイヤ構造ないし層構造の両端部に長さが可変の不活性領域が設けられている構造が公知である。その折々の組立て状況によって固定的に定まるピエゾアクチュエータの全長は、圧電的に不活性のヘッド部分及び/又はボトム部分の、例えば研磨等のハード処理による長さの短縮を介して実現される。
【０００７】
このような公知のピエゾアクチュエータでは、一方では不活性層が活性領域と同じセラミック材料からなっており、いずれにせよ電気的に片側のみか全く非接触の外部電極を有する。そのため内部電極−金属化層を有する不活性領域も生じる。別の側では、そのつどの不活性領域が電気的に完全に絶縁された金属ないしセラミックブロックであり得る。これは例えば圧電的に活性な領域上に容易に接着可能である。
【０００８】
発明の利点
冒頭に述べたようなピエゾアクチュエータは、前述したように複数の圧電層と、圧電的に活性な領域内で層間に設けられている内部電極からなる多層構造部を有するように構成され、さらに電圧印加のための層毎に交互の内部電極コンタクトを備えている。さらに少なくとも１つの不活性領域、例えばボトム及び/又はヘッド部分が、ピエゾアクチュエータの層構造部における全長に亘る領域において一方の端部か若しくは活性領域内部にも存在し得る。
【０００９】
本発明による有利なピエゾアクチュエータによれば、内部電極を持たない少なくとも１つの不活性領域が、次のような材料、すなわちその機械的及び熱的特性が、圧電層と内部電極の材料の組合わせと相互作用も含めて活性領域の特性に相応するような材料から形成されている。不活性領域と活性領域の層の機械的及び熱的特性としては、特にピエゾアクチュエータの多層構造部の焼結の際の収縮特性、熱膨張特性、弾性が挙げられる。
【００１０】
本発明によるピエゾアクチュエータの特に有利な実施形態によれば、不活性領域と活性領域が、同じセラミック性の基準物質から製造され、この場合不活性領域内には付加的なドーピング剤が添加される。この場合有利には、前記基準物質がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とドーピング剤（銀）であり得る。銀は、活性領域内にはしばしば銀が組込まれ、それ故に内部電極が有利にはＡｇＰｄから構成されるので有利である。そのため活性領域内への銀の付加的ドーピングの際には、類似した特性が得られる。
【００１１】
本発明によれば有利には、積層形のピエゾアクチュエータのもとで活性領域から不活性領域への移行部における亀裂の危険性が最小化される。このことはまず製造過程の際に、エラーレートの最小化によって直接現れる。この場合亀裂形成の原因は、とりわけ、ピエゾアクチュエータの焼結の際に内部電極を備えた領域内のセラミックが内部電極を持たない領域内のものとは異なる量だけ収縮することにある。このことは、内部電極の化学的元素がセラミック内へ拡散し、このドーピングに伴って収縮特性が変化することにつながる。この収縮特性のミスマッチは、障害的な機械的緊張となる。
【００１２】
本発明による配置構成はしかしながらピエゾアクチュエータの作動期間中のさらなる信頼性も求めている。アクチュエータの作動の際には、当該アクチュエータが活性領域において縦効果（ｄ３３効果）に基づいて長手方向で伸長する。しかしながら同時に横方向の収縮（ｄ３１効果）も生じる。なぜならば活性領域内ではセラミックが剛性に維持されるので、当該伸長の相違が機械的緊張にもつながるからである。
【００１３】
さらに活性領域と不活性領域の間の熱膨張係数も、活性領域内の内部電極の金属の影響のために異なる。そのため温度変化の際にも機械的緊張が生じる。それに伴う本発明の利点は、とりわけ活性領域と不活性領域の間の領域において機械的緊張が最小化され、その際には亀裂形成を回避するために、前述したような全ての原因が考慮されることである。
【００１４】
図面
本発明によるピエゾアクチュエータの実施例は、図１に基づいて以下の明細書で詳細に説明される。
【実施例】
【００１５】
図１には、ピエゾアクチュエータ１が示されており、このピエゾアクチュエータ１はそれ自体公知の形式でセラミック材料、例えばいわゆるセラミックグリーンフィルムの圧電層２からなる、適当な結晶構造を伴って構成されており、それによって、いわゆる圧電効果の有効利用のもとで、ここには図示されていない外部からコンタクト可能な電極を介した内部電極３及び４への外部直流電圧の印加によって、当該ピエゾアクチュエータの機械的応働が生じる。
【００１６】
このピエゾアクチュエータ１は、１つの圧電的に活性な領域Ａと、２つの、ヘッド部分及びボトム部分に設けられた不活性領域ないしパッシブ領域Ｂ及びＣに分割されている。この関係において、次の領域は活性と称される。すなわち内部電極３及び４によって交互に極性が入り交じり、最終的に作動毎に望まれるピエゾアクチュエータ１の長手方向全体でのひずみないし伸縮に寄与する領域である。
【００１７】
本発明の実施例によれば、多層形ピエゾアクチュエータ１は次のような形式で構成される。すなわちセラミック層の材料組成が活性領域Ａと不活性領域Ｂ，Ｃの間で異なるように構成される。この相違は、次のように作られている。すなわち圧電層の材料の組合わせと相互作用並びに領域Ａにおける内部電極の考慮のもとで、不活性領域Ｂ，Ｃと活性領域Ａの機械的及び熱的な層特性、特にピエゾアクチュエータの多層構造部の焼結の際の熱膨張、弾性、収縮特性が調和的に融合するように作られている。
【００１８】
このこと自体から未焼結フォイルの製造に対して２種類のセラミックが必要である。それらは例えば異なって処理される種類のセラミックであり得る（例えばチタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴをベースにしたセラミックなど）。共通のベースとされる基準物質上でこのような異なった種類のセラミックは、適当なドーピング剤（例えばシルバー）の添加によって相応に変更したり適応化させることが可能である。
【００１９】
この場合各不活性領域Ｂ，Ｃのセラミックは、次のように仕上げられる。すなわち焼結の際の収縮特性と熱膨張特性並びに弾性特性が、複数の内部電極ないしはその相互作用が組み合わされている活性領域Ａのセラミックに対して、理想的な形で調和的融合が図られるように仕上げられる。
【００２０】
それによりこれらの２つのセラミックから２つの未焼結フォイルタイプが製造され得る。この場合ピエゾアクチュエータ１のいわゆる未焼結体に対する積層の際に、ボトム領域とヘッド領域Ｂ，Ｃ並びに場合によっては、ここでは図示されていない中間領域に対して、領域Ｂ及びＣに対するタイプのフォイルが適用される。活性領域に対しては、活性領域Ａ用の未焼結フォイルが適用される。その場合はこれらの未焼結ないしセラミックフォイルは、まだ内部電極の製造に対して金属化されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この図面は、ピエゾセラミックと活性領域並びに不活性性領域からなる複数の層の多層構造を備えたピエゾアクチュエータの断面図である。
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【国際調査報告】
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