(57)【要約】  本発明のピエゾアクチュエータでは、上下方向に配置された複数の圧電セラミック層（３）とこの圧電セラミック層のあいだに配置された複数の内部電極（２１，２２）とを有する積層体（１）が設けられており、この積層体（１）の少なくとも１つの縁領域（４）には内部電極（２１，２２）が存在せず、さらにこの縁領域（４）に圧電セラミック層（３）の誘電定数よりも低い誘電定数を有するカバー層（５１，５２）が配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に配置された複数の圧電セラミック層（３）と該圧電セラミック層のあいだに配置された複数の内部電極（２１，２２）とを有する積層体（１）が設けられており、
該積層体（１）の少なくとも１つの縁領域（４）には内部電極（２１，２２）が存在せず、
さらに該縁領域（４）に圧電セラミック層（３）の誘電定数よりも低い誘電定数を有するカバー層（５１，５２）が配置されている
ことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
カバー層（５１，５２）はセラミック材料を含む、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
カバー層（５１，５２）は隣接する層とともに焼結されている、請求項１または２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
カバー層（５１，５２）は隣接する層に接着されている、請求項１または２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
管状ばねを介したアース接続に起因する浮遊容量が低い誘電定数を有するカバー層を使用することにより低減される、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】
機械的力形成装置（７）が積層体（１）の端面に接して設けられている、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピエゾアクチュエータに関する。ピエゾアクチュエータは例えば車両内のバルブの駆動制御に用いられる。
【０００２】
独国公開第１０３０７８２５号明細書から内部電極を備えたピエゾアクチュエータが公知である。
【０００３】
本発明の課題は、浮遊容量の小さいピエゾアクチュエータを提供することである。
【０００４】
本発明のピエゾアクチュエータでは、上下方向に配置された複数の圧電セラミック層がベースボディを形成している。これらの圧電セラミック層のあいだに複数の内部電極が配置されるが、この内部電極には２種類のものがある。
【０００５】
第１の内部電極は電圧源の第１の極へ接続されている。第２の内部電極は電圧源の第２の極へ接続されている。各内部電極は、並列接続のコンデンサが形成されるように配置される。これにより、電圧が印加されると、逆圧電効果に基づいて、電気エネルギが機械エネルギへ変換される。
【０００６】
さらに、ベースボディは内部電極の存在しない少なくとも１つの縁領域を有する。当該の縁領域は積層体の端面に直接に接する。
【０００７】
有利には、積層体の各端面に２つの縁領域が設けられる。有利には、ピエゾアクチュエータの縁領域に低い誘電定数を有するカバー層が設けられる。カバー層の誘電定数は有利には１００より小さく、特に有利には２０未満である。
【０００８】
本発明によれば、縁領域に配置されたカバー層の誘電定数は圧電セラミック層の誘電定数よりも低い。圧電セラミック層は必ずしも全て同一に構成しなくてよいが、カバー層の誘電定数は隣接する圧電セラミック層の誘電定数より必ず小さくなくてはならない。
【０００９】
これは、本願の発明者らが、ピエゾアクチュエータの浮遊容量が特にベースボディの縁領域の材料の誘電定数に依存すると突き止めたことによっている。
【００１０】
したがって、こうしたカバー層により、浮遊容量のきわめて小さいピエゾアクチュエータが提供される。ピエゾアクチュエータと周囲との容量結合が積層体の上側または下側に配置された層の誘電定数によって定まるからである。コンデンサの縁領域での容量結合は当該の領域の誘電定数が大きくなるにつれて大きくなる。つまりベースボディの縁領域のカバー層がきわめて小さい誘電定数を有することにより、浮遊容量が低減されるのである。
【００１１】
本発明の有利な実施形態によれば、カバー層はセラミック材料、例えば酸化アルミニウムを含む。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、カバー層は隣接する圧電セラミック層またはさらに隣接するセラミック層とともに焼結される。セラミック層は必ずしも圧電効果を有さなくてよい。これによりカバー層と残りの層との内部接続が特に良好に形成される。
【００１３】
また、圧電セラミック層と内部電極とが共通に焼結されるので、製造が迅速かつ簡単となる。圧電セラミック層および１つまたは複数のカバー層の共通のシンタリングから、特に良好な電気機械的特性および高い機械的安定性を有するモノリシックモジュールが得られる。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、カバー層は隣接する層に接着される。有利には、カバー層はベースボディの上側または下側に簡単に接着される。
【００１５】
本発明の別の実施形態によれば、上下方向に配置されたベースボディまたは積層体および場合により同時に焼結された層に機械的力形成装置が設けられる。機械的力形成装置は例えばピエゾアクチュエータにバイアスすべき圧力を形成する。ピエゾアクチュエータは、圧力がバイアスされると膨張して仕事をなし、外部電圧が消失すると応力に基づいて自動的に少なくともその一部が膨張状態から平常状態へ戻る。
【００１６】
当該の機械的力形成装置には例えば管状ばねが適している。
【００１７】
当該の機械的力形成装置はベースボディの１つまたは複数の端面に接して設けられる。これによりベースボディの端面が周囲へ結合され、カバー層が電気的結合に対して重要な意義を得ることになる。
【００１８】
以下に本発明のピエゾアクチュエータを図示の実施例に則して詳細に説明する。図１には車両内にピエゾアクチュエータを組み込んだ様子が示されている。図２にはピエゾアクチュエータの第１の実施例の概略的な長手方向断面図が示されている。図３にはピエゾアクチュエータの第２の実施例の概略的な長手方向断面図が示されている。
【００１９】
ピエゾアクチュエータの同一の要素または同様の機能を有する要素には相応する参照番号を付してある。図は縮尺通りに描かれておらず、わかりやすくするために拡大または縮小してあるので、場合によって歪みが存在することに注意されたい。
【００２０】
図１には、上下方向に積み重ねられた複数の層から成る積層体１を有するピエゾアクチュエータが示されている。ピエゾアクチュエータはその駆動に用いられる電気回路９に接続されている。またピエゾアクチュエータに対する機械的力を形成する機械的力形成装置として管状ばね７が設けられている。図示の組み込み状況では、ピエゾアクチュエータ、特にその積層体１の２つの端面が車両のアース８へ電気的に結合している。アースへの容量結合は２つのカップリングコンデンサＣＫ１，ＣＫ２によって表されている。アクチュエータの駆動時、特にアクチュエータに機械的負荷がかかると、制御不能な電荷が発生し、これがカップリングコンデンサＣＫ１，ＣＫ２を介して車両のアースへ流れる。
【００２１】
低い誘電定数を有するカバー層を用いることにより、浮遊容量の問題点が緩和される。
【００２２】
低い誘電定数を有するカバー層を用いることにより、カップリングコンデンサＣＫ１，ＣＫ２によって表される浮遊容量に対して、低減された値が得られる。こうして交番負荷における高い電気抵抗を達成することができる。
【００２３】
図２，図３には、上下方向に積層された圧電セラミック層３を有するピエゾアクチュエータの長手方向断面図が示されている。圧電セラミック層３は積層体１またはベースボディを形成している。また、積層体１は上側および下側に縁領域４を有している。縁領域４には内部電極が存在せず、したがってこれは積層体の活性部のパケットに関与していない。活性部のパケットの上縁および下縁にはそれぞれ１つずつ付加的な圧電セラミック層３が配置されている。活性部のパケットの内部にはくし状に相互にかみ合わされた第１のタイプの内部電極２１と第２のタイプの内部電極２２とが配置され、多層コンデンサの形態に応じた構造体を形成している。内部電極２１，２２の外部コンタクトは図示されていないが、適切な手段によって実現可能である。圧電セラミック層３および内部電極は上下方向に積層され、その後プレスおよびシンタリングされる。
【００２４】
図２によれば、積層体１の上側および下側の縁領域４にそれぞれ１つずつカバー層５１，５２が配置されている。これらのカバー層は圧電セラミック層３とともに焼結することのできる適切なセラミック材料から成る。
【００２５】
例えば図２の或る実施例では、カバー層の材料として、Ｂａ６−ｘ（ＳａｙＮｄ１−ｙ）８＋２ｘ／３Ｔｉ１８Ｏ５４の組成の材料が用いられる。ここで、圧電セラミック層とカバー層との共通のシンタリングに必要な焼結温度および収縮特性の適合化は、ガラスフリット、有利には硼酸亜鉛シリケートガラス（Zinkborosilikatglas）を適切に添加することによって達成される。カバー層のセラミック材料の組成パラメータｘ，ｙについては、
ｘ＝１．５；ｙ＝０．９
ｘ＝２；ｙ＝０．７
が用いられる。
【００２６】
このような組成は圧電セラミックとの共通のシンタリングに特に良好に適している。カバー層の前述の材料の誘電定数は約８０である。
【００２７】
特に、前述した式は、銅から成る内部電極または銅を含む内部電極を有するピエゾアクチュエータに適している。この場合例えば、圧電セラミック材料として、
Ｐｂ０．９７Ｎｄ０．０２Ｖ０．０１（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３
が用いられる。ここでＶは空位を表している。共通のシンタリングは約１０００℃で行われるので、銅電極は損なわれない。
【００２８】
図２の別の実施例では、内部電極が銀およびパラジウムの合金から形成される。この場合、幾分高い温度でシンタリングすることができる。相応に、例えば、カバー層のセラミック材料として、
（Ｂａ３．６０３Ｐｂ０．２０５Ｂｉ１．３７１Ｎｄ７．６８１Ｐｒ０．１８９）（Ｔｉ１７．８８５Ｎｂ０．１１５Ｏ５４）
が用いられる。
【００２９】
当該の組成には圧電セラミック材料への収縮特性および焼結温度の適合化のためにガラスフリットの成分が含まれる。この実施例で使用されるセラミック材料の特徴は、Ｖで表された空位の部分がシンタリング中に銀パラジウム内部電極からの銀の吸収により占有され、
Ｐｂ０．７９Ｎｄ０．０２Ａｇ０．０２（Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７）Ｏ３
となることである。
【００３０】
この場合、圧電セラミック層に対して、Ｖの部分がＡｇによって置換された上記の組成からのバリエーションも使用される。
【００３１】
カバー層の材料の誘電定数は約９０である。
【００３２】
これに対して圧電セラミック層の誘電定数の値は約３０００〜３５００である。
【００３３】
カバー層の誘電定数は圧電セラミック層の誘電定数に比べて少なくとも係数１０、場合によっては係数１００ほども小さい。
【００３４】
このことは図３の実施例にも当てはまる。ピエゾアクチュエータを形成する活性部のパケットが製造された後、最上部の圧電セラミック層３上に接着層６を介して例えば酸化アルミニウムを含むカバー層５１が被着され、および／または、最下部の圧電セラミック層３にカバー層５２が固定される。カバー層の前述の材料は約１０の誘電定数を有しており、圧電セラミック材料に比べて係数で見て約３００小さい。
【００３５】
図３のカバー層５１，５２は例えば焼結された酸化アルミニウムセラミックから成り、焼結プレートとして設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】車両内に組み込まれたピエゾアクチュエータを示す図である。
【図２】ピエゾアクチュエータの第１の実施例の概略的な長手方向断面図である。
【図３】ピエゾアクチュエータの第２の実施例の概略的な長手方向断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  積層体、  ２１，２２  内部電極、  ３  圧電セラミック層、  ４  縁領域、  ５１，５２  カバー層、  ６  接着層、  ７  管状ばね、  ８  アース、  ９  電気回路、  ＣＫ１，ＣＫ２  カップリングコンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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