(57)【要約】  本発明は、粉末状の原料と、結合剤と、可塑剤と、溶剤とから成る鋳込み泥漿から製造され、次いで、焼結されるグリーンシートによって圧電セラミックスを製造するための方法に関する。本発明によれば、鋳込み泥漿内に有機金属化合物のドーピングが行われる。粉末状の原料は、有利にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、鋳込み泥漿内の有機金属化合物は、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末状の原料と、結合剤と、可塑剤と、溶剤とから成る鋳込み泥漿から製造され、次いで、焼結されるグリーンシートによって圧電セラミックスを製造するための方法において、前記鋳込み泥漿内に有機金属化合物のドーピングを行うことを特徴とする、圧電セラミックスを製造するための方法。
【請求項２】
前記粉末状の原料が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記グリーンシートの製造時に、前記有機金属化合物が、非水性の前記溶剤に可溶であり、前記有機金属化合物の有機残基を前記グリーンシートの脱脂時にほぼ残分なしに取り除く、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法により圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿において、該鋳込み泥漿内の有機金属化合物が、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有していることを特徴とする、圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿。
【請求項５】
前記鉄を含んだ前記有機金属化合物が、フェロセン（Ｆｅ（ＩＩＩ）２，４−ペンタンジオネート）を含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項６】
前記アルミニウムを含んだ前記有機金属化合物が、アルマトラン（Ｃ６Ｈ１２ＮＯ３Ａｌ）を含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項７】
前記イットリウムを含んだ前記有機金属化合物が、（２，４−ペンタンジオネート（Ｃ１５Ｈ２１Ｏ６Ｙ））を含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項８】
前記ケイ素を含んだ前記有機金属化合物が、（ポリ）カルボシランを含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項９】
圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータ（１）において、該圧電アクチュエータ（１）が、請求項１から８までのいずれか１項により製造された圧電セラミックスから成る複数の圧電層（３）を有しており、該圧電層（３）が、その間に配置された内部電極（４，５）を備えており、該内部電極（４，５）を備えた圧電層（３）が、積層されて多層構造体を形成し、プレスされるかまたは貼り合わされてモノリシックボディを形成していることを特徴とする、圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
ピエゾインジェクタにおいて、該ピエゾインジェクタが、保持体と、該保持体内に配置された請求項９記載の圧電アクチュエータモジュールとを備えていることを特徴とする、ピエゾインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末状の原料と、結合剤と、可塑剤と、溶剤とから成る鋳込み泥漿から製造され、次いで、焼結されるグリーンシートによって圧電セラミックスを製造するための方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、前述した方法により圧電セラミックスを製造するための材料、特に鋳込み泥漿に関する。
【０００３】
さらに、本発明は、圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータに関する。
【０００４】
さらに、本発明は、ピエゾインジェクタに関する。
【０００５】
背景技術
前述した圧電アクチュエータを形成するためには、いわゆる「圧電効果」を利用して弁またはこれに類するもののニードルストロークの制御を行うことができるような圧電素子を使用することが自体公知である。この圧電素子は、たとえば出発材料の焼結および／または仮焼によって得られた適切な結晶構造を備えた圧電セラミックスから成る圧電層を有していて、この圧電層をそれぞれ挟み込む内部電極への外部の電圧の印加時に圧電素子の機械的な反応が生じるようになっている。
【０００６】
圧電アクチュエータは、端面において互いに、典型的には貼合せによって互いに結合された１つまたはそれ以上の圧電素子と、このような圧電素子に沿って延びる、内部電極を電気的に接続するための外部電極とから成っている。
【０００７】
結晶構造と電圧の印加範囲とに関連して、機械的な反応は、設定可能な方向への伸縮を成している。このような圧電アクチュエータは、たとえばストローク運動が、高い操作力および高いクロック周波数のもとで実行される使用例に適している。
【０００８】
圧電アクチュエータは、たとえばピエゾインジェクタに使用される。このピエゾインジェクタは、周期的に作業する内燃機関に燃料を時機・量正確に調量するために使用される。このようなピエゾインジェクタは、主として、保持体と、この保持体内に加圧プリロード下で配置された圧電アクチュエータモジュールとから成っている。この圧電アクチュエータモジュールは、ヘッド部分と、ベース部分と、ヘッド部分とベース部分との間に配置された、１つまたはそれ以上の圧電素子から成る圧電アクチュエータとから成っている。圧電アクチュエータモジュールのヘッド部分はノズルニードルに結合されており、これによって、圧電素子への電圧の印加または圧電素子からの電圧の除去によって、ノズル開口が開閉される。アクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースとも呼ばれるヘッド部分とベース部分とは、圧電アクチュエータの互いに反対の側の端面に配置されている。
【０００９】
このようなピエゾインジェクタは、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３５３１６９号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０４５６６３号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０４７４２６号明細書に基づき公知である。
【００１０】
公知先行技術における圧電アクチュエータは、典型的には、すだれ状とも呼ばれる交互配置形の内部電極構成を有している。この内部電極構成は、圧電素子全体にわたって、一様な層厚さの複数の圧電層と、これらの圧電層をそれぞれ挟み込む内側電極とによって形成された活性の範囲を有している。この活性の範囲には、圧電アクチュエータモジュールのベース部分およびヘッド部分に向けられた端部において、ベース側でもヘッド側でも、内部電極を備えていない圧電層から成る不活性の範囲もしくは受動的な範囲が続いている。このような圧電セラミックスもしくはこのような圧電セラミックスを製造するための方法は、たとえばドイツ連邦共和国特許第２８３７５０８号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４４４１７７号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８４０４８８号明細書およびドイツ連邦共和国特許第１０２００５０１４７６５号明細書によって公知である。
【００１１】
冒頭で述べた圧電セラミックスでは、たとえば燃料噴射装置に用いられる前述したインジェクタへの圧電式のアクチュエータの使用時に所望のドーピングレベルを調整するための厳密な方法が必要となる。圧電セラミックスを備えた圧電アクチュエータは、自体公知の形式において貼り合わされた構造体で製造される。まず、原料のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ粉末）と、有機バインダと、可塑剤とから成る、いわゆる「グリーンシート」にのちの内部電極が印刷され、グリーンシートが積層され、プレスされるかもしくは貼り合わされて、モノリシックボディが形成される。これに続くプロセスステップでは、グリーンシートから有機材料が除去（脱脂）され、圧電セラミックスが後続の熱処理によって緻密化される。
【００１２】
完成した圧電アクチュエータの電気化学的な性能は、主として、不純物とドープ剤の含有量とに対するＰＺＴ粉末のセラミック組織、特に粒径分布と、材料組成とによって規定される。しかし、この場合に使用されるＰＺＴ粉末の製造時の原料、たとえばＰｂＯ、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２は、望ましくない不純物、たとえばＡｌ２Ｏ３、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎａ２Ｏ、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３等の変動する含有量も含んでいる。特に、いわゆる「ガラス形成物（たとえばＳｉＯ２）」と、３価のイオン（Ｆｅ３＋、Ａｌ３＋、Ｙ３＋）とが、ＰＺＴ粉末の焼結活性に著しく影響を与え、これによって、使用される原料装入量に関連して、全く種々異なる電気化学的な特性を備えた圧電アクチュエータが製造されることがある。
【００１３】
前述した問題は、実際の使用において欠点を成している。なぜならば、短期間、材料変動に応答するために、圧電アクチュエータ製造における調整ループがしばしば過度に緩慢となるからである。その結果、製造において品質的に十分な圧電アクチュエータの歩留りが変動してしまうと共に予測しがたいものとなってしまうことがある。
【００１４】
発明の開示
本発明に係る方法によれば、前記鋳込み泥漿内に有機金属化合物のドーピングを行う。
【００１５】
本発明に係る方法の有利な態様によれば、前記粉末状の原料が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。
【００１６】
本発明に係る方法の有利な態様によれば、前記グリーンシートの製造時に、前記有機金属化合物が、非水性の前記溶剤に可溶であり、前記有機金属化合物の有機残基を前記グリーンシートの脱脂時にほぼ残分なしに取り除く。
【００１７】
本発明に係る鋳込み泥漿によれば、該鋳込み泥漿内の有機金属化合物が、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有している。
【００１８】
本発明に係る鋳込み泥漿の有利な態様によれば、前記鉄を含んだ前記有機金属化合物が、フェロセン（Ｆｅ（ＩＩＩ）２，４−ペンタンジオネート）を含有している。
【００１９】
本発明に係る鋳込み泥漿の有利な態様によれば、前記アルミニウムを含んだ前記有機金属化合物が、アルマトラン（Ｃ６Ｈ１２ＮＯ３Ａｌ）を含有している。
【００２０】
本発明に係る鋳込み泥漿の有利な態様によれば、前記イットリウムを含んだ前記有機金属化合物が、（２，４−ペンタンジオネート（Ｃ１５Ｈ２１Ｏ６Ｙ））を含有している。
【００２１】
本発明に係る鋳込み泥漿の有利な態様によれば、前記ケイ素を含んだ前記有機金属化合物が、（ポリ）カルボシランを含有している。
【００２２】
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、該圧電アクチュエータが、本発明により製造された圧電セラミックスから成る複数の圧電層を有しており、該圧電層が、その間に配置された内部電極を備えており、該内部電極を備えた圧電層が、積層されて多層構造体を形成し、プレスされるかまたは貼り合わされてモノリシックボディを形成している。
【００２３】
本発明に係るピエゾインジェクタによれば、該ピエゾインジェクタが、保持体と、該保持体内に配置された本発明における圧電アクチュエータモジュールとを備えている。
【００２４】
本発明は、粉末状の原料と、結合剤と、可塑剤と、溶剤とから成る鋳込み泥漿から製造され、次いで、焼結されるグリーンシートによって圧電セラミックスを製造するための方法に係る。本発明によれば、有利には、鋳込み泥漿内への有機金属化合物のドーピングが行われる。粉末状の原料は、有利にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。したがって、本発明によって、このＰＺＴの材料特性をグリーンシートのドーピングによって均一化することができるコンセプトが提案される。したがって、ＰＺＴ圧電セラミックスの材料組成とセラミック組織とを１つの圧電アクチュエータにおいて均質化することを本発明の役割と見なすことができる。これによって、この圧電アクチュエータの電気化学的な特性を均一化することができ、ひいては、圧電アクチュエータの、いわゆる「歩留り」および品質を改善することができる。
【００２５】
本発明に係る方法では、グリーンシートの製造時に、有機金属化合物が、非水性の溶剤に可溶であり、有機金属化合物の有機残基が、グリーンシートの脱脂時にほぼ残分なしに取り除かれる。
【００２６】
さらに、本発明は、前述した圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿に関する。本発明では、この鋳込み泥漿内の有機金属化合物が、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有している。鉄を含んだ有機金属化合物は、フェロセン（Ｆｅ（ＩＩＩ）２，４−ペンタンジオネート）を含有していてよく、アルミニウムを含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物がアルマトラン（Ｃ６Ｈ１２ＮＯ３Ａｌ）を含有していてよく、イットリウムを含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物が（２，４−ペンタンジオネート（Ｃ１５Ｈ２１Ｏ６Ｙ））を含有していてよく、ケイ素を含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物が（ポリ）カルボシランを含有していてよい。
【００２７】
さらに、本発明の対象は、圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータである。この圧電アクチュエータは、前述したように製造された圧電セラミックスから成る複数の圧電層と、これらの圧電層の間に配置された内部電極とを備えており、この内部電極を備えた圧電層が、積層されて多層構造体を形成し、プレスされるかまたは貼り合わされてモノリシックボディを形成している。これに基づき、有利には、保持体と、この保持体内に配置された圧電アクチュエータモジュールとを備えたピエゾインジェクタを形成することができる。このピエゾインジェクタは、特に頑丈性および寿命に対して高い要求が換えられる場合に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明における圧電セラミックスを備えた圧電アクチュエータの概略図である。
【００２９】
発明を実施するための形態
本発明の実施の形態を図面に示し、以下に詳しく説明する。
【００３０】
図１に概略的に示した、機械的な構造において自体公知の圧電アクチュエータ１は、多層構造体として積層された複数の圧電素子を有している。これらの圧電素子は、それぞれ圧電セラミックスから成る圧電層３と、この圧電層３を挟み込む内部電極４，５とから成っている。圧電アクチュエータ１は、たとえば内燃機関において燃料噴射を制御するためのピエゾインジェクタの構成要素であってよい。圧電素子の内部電極４，５は、外部電極６，７によって相互に電圧源８に接続されており、これによって、各内部電極４，５への電圧の印加時に圧電効果を利用して、介在している圧電層３にわたって多層構造体のスタック方向に圧電アクチュエータ１の機械的な反応を生じさせることができる。
【００３１】
以下に、圧電層３の圧電セラミックスに対する製造法を説明する。この圧電セラミックスはグリーンシートから製造される。また、この圧電セラミックスでは、製造プロセスの途中に、グリーンシートに使用されるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）原料装入量に関連して、グリーンシートの出発材料としての鋳込み泥漿内へのドーピングが行われる。
【００３２】
鋳込み泥漿内へのこのようなドーピングは、まず、有利にはＰｂＯ、ＺｒＯ２およびＴｉＯ２から成るＰＺＴ粉末の製造を含めて、全てのプロセスステップが変更される必要がないという利点を有している。該当するＰＺＴ粉末の不純度に応じて、本発明によれば、グリーンシートを製造するための鋳込み泥漿内への的確なドーピングが行われる。したがって、このドーピングは、圧電アクチュエータ１の製造時の一連のプロセスにおいて極めて後期の時点で大きな手間をかけることなく柔軟にかつ廉価に行うことができる。
【００３３】
ＰＺＴ粉末の均一化によって、図１に示した圧電アクチュエータ１を製造するためのプロセスが著しく簡単となる。この場合、このプロセスが、最適化されたグリーンシートに合わせられなければならず、これによって、ＰＺＴ材料変動に基づく圧電アクチュエータ製造の後続のプロセス制御がもはや不要であれば十分である。
【００３４】
鋳込み泥漿内への効果的なドーピングのためには、以下の前提条件が満たされていさえすればよい：
−  ドープ剤が鋳込み泥漿系内で均質に混合可能でなければならない。
−  鋳込み泥漿の処理時間の範囲内でドープ剤の凝集もしくは分解が行われてはならない。
−  鋳込み泥漿処理の間に望ましくない（化学的な）反応、たとえば空気湿分に相俟った爆発的な分解が生じないように、ドープ剤がある程度の安定性を有していなければならない。
【００３５】
本発明における有機金属化合物は、通常、金属イオンまたは金属原子と有機金属残基とから成っていて、前述した前提条件をほぼ理想的に満たしている。多種の有機金属化合物は、鋳込み泥漿製造時に必要となるような非水性の溶剤に可溶である。さらに、有機金属化合物のこのような溶剤は分子分散性である、すなわち、最適にかつ均質に分配されている。有機金属化合物の有機残基は脱脂時に残分なしに取り除かれるので、圧電アクチュエータ１の焼結工程の間、純粋なドープ剤だけが付与されている。原子分散性のもしくは分子分散性の分配に基づき、本発明におけるドープ剤は、高い拡散速度を有していて、ＰＺＴセラミックスにおける粒界および／または相応の格子点に対する作用メカニズムに相応して、焼結工程の間にその作用を発揮することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  圧電アクチュエータ
３  圧電層
４  内部電極
５  内部電極
６  外部電極
７  外部電極
８  電圧源
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年7月25日(2012.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末状の原料と、結合剤と、可塑剤と、溶剤とから成る鋳込み泥漿から製造され、次いで、焼結されるグリーンシートによって圧電セラミックスを製造するための方法において、前記鋳込み泥漿内に有機金属化合物のドーピングを行うことを特徴とする、圧電セラミックスを製造するための方法。
【請求項２】
前記粉末状の原料が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記グリーンシートの製造時に、前記有機金属化合物が、非水性の前記溶剤に可溶であり、前記有機金属化合物の有機残基を前記グリーンシートの脱脂時に残分不含に取り除く、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法により圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿において、該鋳込み泥漿内の有機金属化合物が、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有していることを特徴とする、圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿。
【請求項５】
前記鉄を含んだ前記有機金属化合物が、フェロセンを含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項６】
前記アルミニウムを含んだ前記有機金属化合物が、アルマトラン（Ｃ６Ｈ１２ＮＯ３Ａｌ）を含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項７】
前記イットリウムを含んだ前記有機金属化合物が、（２，４−ペンタンジオネート（Ｃ１５Ｈ２１Ｏ６Ｙ））を含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項８】
前記ケイ素を含んだ前記有機金属化合物が、（ポリ）カルボシランを含有している、請求項４記載の鋳込み泥漿。
【請求項９】
圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータ（１）において、該圧電アクチュエータ（１）が、請求項１から３までのいずれか１項の方法と、請求項４から８までのいずれか１項記載の鋳込み泥漿とにより製造された圧電セラミックスから成る複数の圧電層（３）と、該圧電層（３）の間に配置された内部電極（４，５）とから成る複数の圧電素子を有しており、該圧電素子が、積層されて多層構造体を形成し、プレスされるかまたは貼り合わされてモノリシックボディを形成していることを特徴とする、圧電アクチュエータモジュールに用いられる圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
ピエゾインジェクタにおいて、該ピエゾインジェクタが、保持体と、該保持体内に配置された請求項９記載の圧電アクチュエータ（１）とを備えていることを特徴とする、ピエゾインジェクタ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明に係る鋳込み泥漿の有利な態様によれば、前記鉄を含んだ前記有機金属化合物が、フェロセンを含有している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
さらに、本発明は、前述した圧電セラミックスを製造するための鋳込み泥漿に関する。本発明では、この鋳込み泥漿内の有機金属化合物が、鉄、アルミニウム、イットリウムまたはケイ素を含有している。鉄を含んだ有機金属化合物は、フェロセンを含有していてよく、アルミニウムを含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物がアルマトラン（Ｃ６Ｈ１２ＮＯ３Ａｌ）を含有していてよく、イットリウムを含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物が（２，４−ペンタンジオネート（Ｃ１５Ｈ２１Ｏ６Ｙ））を含有していてよく、ケイ素を含んだ有機金属化合物では、この有機金属化合物が（ポリ）カルボシランを含有していてよい。
【国際調査報告】
2013518420.tif 000004
2013518420.tif 000005
2013518420.tif 000006
2013518420.tif 000007
2013518420.tif 000008
2013518420.tif 000009
2013518420.tif 000010
2013518420.tif 000011
2013518420.tif 000012
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