(57)【要約】  本発明は圧電多層素子に関しており、ここでこの圧電多層素子は、上下に重ねられた多数の圧電層（１）と、これらの圧電層（１）の間に配置された電極層（２ａ，２ｂ）とを有しており、この積層体に機械的な振動エネルギーを吸収するための吸収層（４）が配置されている。
2008546206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電多層素子において、
-  上下に重ねられた多数の圧電層（１）と、
-  該圧電層（１）の間に配置された電極層（２ａ，２ｂ）とを有しており、
-  当該の積層体に少なくとも１つの吸収層（４）が設けられており、
該吸収層（４）により、圧力波または振動的衝撃（Schwingungsimpulse）に対して境界面作用（Grenzflaecheneffekt）が及ぼされることを特徴とする
圧電多層素子。
【請求項２】
前記の吸収層（４）により、機械的な振動的衝撃または圧力波に対し、吸収、屈折、拡散、偏向のうちの少なくとも１つの作用が及ぼされる、
請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記の圧力波または振動的衝撃は、衝撃エネルギー、打撃エネルギー、音波エネルギーまたは振動エネルギーによって形成される、
請求項１または２に記載の素子。
【請求項４】
前記の吸収層（４）はセラミック層である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項５】
前記の吸収層（４）はセラミック層である、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項６】
前記の吸収層（４）は、隣接する圧電層（１）よりも密度が小さい、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項７】
前記の吸収層（４）には、固体または気体状の構成成分からなる圧縮可能な領域が含まれている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項８】
前記の吸収層（４）は、隣接する圧電層（１）よりも多孔度が高い、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項９】
前記の積層体は、一緒に焼結される圧電層から形成される、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１０】
前記の素子は、焼結によって作製されるモノリシック素子である、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１１】
複数の吸収層（４）が設けられている、
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１２】
前記の吸収層（４）が、積層体の高さにわたって均一に分けられている、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１３】
前記の少なくとも１つの吸収層（４）には、圧電セラミックに加えて無機材料が含まれている、
請求項１から１２までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１４】
少なくとも１つの吸収層（４）には、無機材料が含まれており、
該無機材料により、吸収層が圧縮可能になり、
また当該無機材料が分散することによって圧力波に対する境界面作用が発生する、
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１５】
少なくとも１つの吸収層（４）には、無機材料が含まれており、
該無機材料は、気体、分散された結晶質の固体または非晶質の固体である、
請求項１から１４までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１６】
少なくとも１つの吸収層（４）には金属またはセラミックが含まれている、
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１７】
少なくとも１つの吸収層（４）には有機材料が含まれている、
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１８】
少なくとも１つの吸収層（４）には接着剤またはデュロプラスチックが含まれている、
請求項１から１７までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項１９】
吸収層（４）に直接隣接する電極層（２ａ，２ｂ）は、素子の同じ電気的な極に割り当てられている、
請求項１から１８までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２０】
少なくとも１つの吸収層（４）の多孔度を圧電層（１）に比べて1.2〜３倍高めた、
請求項１から１９までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２１】
少なくとも１つの吸収層（４）には、圧電層（１）と同じセラミック材料が含まれている、
請求項１から２０までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２２】
前記の吸収層（４）は、隣接する層よりも高い弾力性を有する、
請求項１から２１までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２３】
前記の吸収層（４）は、その周囲よりも高い圧縮性を有する、
請求項１から２２までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２４】
前記の吸収層（４）により、多層素子全体の剛性が低減される、
請求項１から２３までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２５】
前記の吸収層（４）は動作時にひび割れがない状態のままである、
請求項１から２４までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２６】
前記の素子の動作中、複数の吸収層（４）のうちの少なくとも１つにて当該の吸収層の長さよりも格段に長いひび割れが発生して、当該のひび割れにより、滑らかなひび割れよりも多くの振動エネルギーが吸収される、
請求項１から２５までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２７】
前記の吸収層（４）には、圧電層の基本材料とは異なる物質が含まれている、
請求項１から２６までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２８】
前記の吸収層（４）は、圧電層よりも格段に厚い、
請求項１から２７までのいずれか１項に記載の素子。
【請求項２９】
圧電多層素子における吸収層（４）の使用方法において、
機械的な振動エネルギーを拡散、偏向または減衰することによって圧電多層素子の機械的な負荷を取り除くために吸収層（４）を使用することを特徴とする、
使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに記載されているのは、上下に重ねられたセラミック層と、その間に設けられた電極層とを有する圧電多層素子である。
【０００２】
刊行物DE 103 07 825 A1から圧電アクチュエータが公知であり、ここでは上下に重ねられた圧電セラミック層が積層体に配置されている。
【０００３】
本発明において解決すべき課題は、自動車における使用に対して殊に有利な圧電多層素子を提供することである。
【０００４】
この課題は、請求項１に記載した圧電多層素子によって解決される。上記の圧電多層素子の有利な実施形態は他の請求項に記載されている。
【０００５】
圧電素子の少なくとも１つの実施形態によれば、上下に重ねられた圧電層からなる積層体が提供される。
【０００６】
圧電層の間には複数の電極層を配置することができ、ここでこれらの電極層は有利には内部電極の機能を有し、また上記の圧電層において電場を形成するために使用される。
【０００７】
有利には２つの圧電層の間に電極層がそれぞれ配置される。
【０００８】
上記の素子の１実施形態によれば、少なくとも１つの吸収層が上記の積層体に配置される。有利には吸収層を構成して、この吸収層が機械的な振動を吸収するのに有利であるようにする。
【０００９】
上記の素子の１実施形態によれば、少なくとも１つの吸収層が上記の積層体に配置され、ここでこの吸収層により、圧力波ないしは音波または機械的な振動的衝撃（Schwingungsimpulse）に対して境界面作用（Grenzflaecheneffekt）が形成される。
【００１０】
境界面作用とは、波が第１の密度の媒体から第２の密度の媒体に進入する場合のこの波の挙動のことである。この際に波の特性、例えば、その形状および／または伝搬モードが変化する。このような波の特性の変化は、振幅変化、偏向、歪みまたは屈折によって示すことができる。
【００１１】
ここでこの境界面作用は、上記の吸収層内部においても、吸収層と、これに隣接する電極層または圧電層との間の境界面においても発生し得る。
【００１２】
機械的な振動は、上記の圧電素子において、例えば、この素子が自動車の燃料噴射装置に適用される場合に発生する。この場合に噴射システムの構成に応じて機械的な力が圧電多層素子に加わる。この機械的な負荷は、例えば、噴射過程のダイナミックの考慮の下に力-距離-ダイヤグラム（Kraft-Weg-Diagramm）から得ることができる。上記の圧電多層素子の伸張が機械的なストッパによって制限される場合、例えば、ディーゼルエンジン用のポンプ-ノズル-噴射システムの場合がそうであるが、極めて大きな機械的負荷が発生し、損傷の危険があるため、この機械的負荷に対して圧電多層素子を保護してやらなければならないのである。同様に噴射システムのダイナミックな反作用により、例えば、高速に運動する機械的な部分が圧電多層素子に衝突する際、素子の機械的な振動ないしは機械的な負荷が発生し得るのである。
【００１３】
ここに記載した吸収層を有する素子を使用することにより、機械的な振動エネルギー、例えば衝撃ネルギーないしは打撃エネルギーの少なくとも一部をこの吸収層によって吸収することができるため、多層素子が機械的に損傷されてしまう危険性が低減されるという利点が得られるのである。
【００１４】
有利には上記の吸収層を構成して、この吸収層によって、散逸機能が提供されるようにすることである。すなわち、振動エネルギーないしは機械的なエネルギーを熱に変換できるようにすることである。
【００１５】
上記の吸収層内または吸収層における境界面作用は、例えば、機械的なエネルギーの吸収、屈折、拡散または偏向などを発生させ得る。ここで機械的エネルギーは、圧力波から、ないしは機械的な振動的衝撃から発生することがあり、また例えば、衝撃エネルギー、打撃エネルギーまたは振動エネルギーによって形成され得る。
【００１６】
ここに記載した実施形態によれば、殊に、打撃または振動によって上記の素子に発生する機械的エネルギーは、複数の吸収層のうちの１つで拡散、偏向または減衰される。例えば、吸収層は、密度が変化しひいては弾性ないしは圧縮性が変化する素子の領域として構成することができる。この領域により、圧力波ないし音波の向きを変えて振動エネルギーを吸収する。ここに記載されている多層素子を動作させる際、吸収層にひび割れが生じることを意図してはいない。しかしながらそれでもひび割れが発生する場合、このひび割れは、できる限り長くかつ吸収層全体に延在して多くのエネルギーを吸収するひび割れである。有利にはジグザグ曲線形のひび割れが発生し、このジグザグ曲線はこのひび割れの延在方向を基準にできる限り多くの方向変化を有しかつ積層体の半径方向の広がりに対してできる限り大きな全体長を有する。ここでは吸収層における滑らかなひび割れは対象ではない。
【００１７】
さらに上記の吸収層はつぎのような利点を有する。すなわち、多層素子に対して複数の機械的な衝撃が短い間隔で続いた場合、これによって発生する衝撃波の持続的な伝搬、例えば、素子の外側の端部における反射によるものも効果的に低減することができるという利点を有するのである。
このために上記の吸収層を構成して、例えば、音速てｎ上記の素子を通過する衝撃波が、吸収層と圧電層との間の境界面において、ないしは吸収層と内部電極層との間の境界面において、回折または屈折して、衝撃波の直線的な伝搬が減衰されるようにする。
これにより、短い間隔で続く機械的な衝撃によって発生しかつ大きく揺動ないしは蓄積する衝撃波束の強度を低減して、素子が破壊される危険性を少なくすることができるのである
上記の吸収層は例えば、セラミック製の、例えば圧電層とすることができる。
【００１８】
有利には吸収層が、隣接する圧電層とは異なる密度、有利にはこの圧電層よりも小さい密度を有するようにする。ここでこの吸収層は、圧縮可能な領域を含むことも可能であり、この領域は固体の材料からまたは気体状の材料から構成することも可能である。
【００１９】
例えば、上記の吸収層がセラミック材料をベースに作製される場合には、これが上記の圧電層よりも厚く、または格段に厚くすると有利である。例えば、吸収層は、残りの圧電層よりも２〜３倍の厚さを有することができる。これによって素子全体の弾力性を高めて、打撃に対する弱さを相応に低減することができる。
【００２０】
上記の吸収層を完全に弾性材料、例えば接着剤によって構成することも可能である。この場合には圧電層と比べて薄い吸収層ですでに十分であり、これだけで積層体全体の全体的な弾性を十分に高めることができる。
【００２１】
上記の吸収層は有利には、その周囲よりも弾性が高く、殊に圧電層よりも弾性が高い。
【００２２】
この吸収層の圧縮性も積層体の残りの層よりも高くすると有利である。この結果、上記の素子は、低減された剛性を有することができる。
【００２３】
吸収層は有利には、圧電層の基本材料とは異なる物質を含む。
【００２４】
上記の素子の１実施形態によれば、吸収層はセラミック層である。殊に積層体の圧電層もセラミック層とすることが可能である。この場合には、吸収層が、隣接する圧電セラミック層よりも高い多孔度を有することによってその密度が小さくなると有利である。
【００２５】
上記の素子の別の実施形態によれば、この素子は、上下に重ねられる複数のセラミック製グリーンシートを一緒に焼結することによって作製される。このような焼結プロセスによって、例えば、モノリシック素子を作製することができる。
【００２６】
さらに上記の素子の１実施形態では、複数の吸収層を積層体にわたって分けて配置することができる。吸収層としてセラミック材料を使用する場合、この吸収層と、残りの圧電セラミック層とを一緒に焼結することができる。これによって吸収層と、素子の残りの部分とが殊に良好に機械的に接続されるため、この素子の機械的な荷重容量が改善される。
【００２７】
ここで説明した素子には、例えば、無機材料を含む少なくとも１つの吸収層が設けることができる。この無機材料により、層の圧縮性が得られる。例えばこの材料は、それを分散させることによって圧力波に対する境界効果（Grenzeffekt）を発生させることができ、ここでこの境界効果によって圧力波が拡散および屈折される。この無機材料は、例えば、気体とすることが可能である。しかしながら相応に分散させた結晶質の固体または非晶質の固体も対象となる。上記の無機材料の分散は有利には粒子の形で行うことができ、ここでこれらの粒子は、層の厚さおよび横方向の長さにわたって均一に分散される。
【００２８】
上記の素子の１実施形態では、無機材料を含む吸収層が設けられる。例えば、金属またはセラミック材料も使用することができる。さらに素子の１実施形態によれば、上記の吸収層が有機材料を含むようにするか、またはこの吸収層を完全に有機材料から構成する。これに対して接着剤またはデュロプラスチックが対象となる。
【００２９】
例えば、上記の有機構成成分を選択して、この有機構成成分により、その材料特性に相応して、また吸収層における分散に相応して振動エネルギーが吸収されて圧力波が屈折されるかまたは拡散されるようにする。有機構成成分の分散は、有利には上記の無機構成成分の場合と同様に選択される。
【００３０】
素子の１実施形態では、吸収層の吸収力は、この吸収層がセラミック層に対して一層大きな多孔度を有することによって得られる。
【００３１】
上記の素子は有利には、上下に重なっているセラミック製グリーンシートと、これらの間にある電極層との積層体を焼結することによって作製される。これによって、簡単かつ安価に作製できかつさらなる加工ステップに対して十分な機械的安定性を有するモノリシック素子が得られるのである。
【００３２】
機械的な振動に対する素子の吸収力をさらに向上させるため、長手方向軸の複数の個所に吸収層を設けることが可能である。これによって上記の素子は、長手方向軸に沿ってほとんど複数の部分素子に分割されるのである。
【００３３】
セラミック製多層素子の多孔層は、圧力波に対して不連続性を示す。さらに孔においては外部から液体または気体が素子に浸入することがある。したがって有利であるのは、素子の動作時に多孔層に十分に電磁場がないように維持して、望ましくないマイグレーション作用が回避されるようにすることである。これは、吸収層に直接隣り合う２つの電極層が、素子の同じ電気的な極に割り当てられることによって行われる。この場合には、もはや取り立てていうほどの電磁場が吸収層にわたって形成されることはない。
【００３４】
素子の１実施形態では、吸収層の多孔度を、セラミック層よりも１，２および３倍の間で増大させる。この多孔度のデータは、多孔度を測定するつぎの方法に関係しているものである。
【００３５】
ここでは素子の長手方向の面を考察する。セラミック層にも吸収層にも発生し得る孔は、色のコントラストないしは明暗のコントラストによって、これを包囲するセラミック材料から区別される。層の種類毎に、すなわちセラミック層に対してまた吸収層に対し、単位面積について、この単位面積における孔の面積の割合を求める。孔の面積についての２つの割合から得られる商により、増大させた多孔度の上記の倍数が得られる。
【００３６】
この多孔度は、理論的な可能な密度の一部分として示すことも可能である。この場合、セラミック層は理論上の密度の約９７〜９８％の密度を、また吸収層は理論上の密度の９０〜９５％を有する。
【００３７】
さらに吸収層が、圧電セラミック層と同じセラミック材料から構成されると有利である。これによってこの素子の材料の多様性を有利にも低減することができ、このことはさらにつぎのようなプラスの副次的作用を有する。すなわち、素子を作製するための別のプロセス、例えば、バインダ除去および焼結を一層容易に行うことができるのである。
【００３８】
さらに殊に有利であるのは、この電気多層素子が自動車に使用可能な圧電アクチュエータである場合である。
【００３９】
ここで提供される積層体の利点は、この積層体の複数のグリーンシートうちの１つまたは複数のグリーンシートにおいて接合剤の体積の割合を多くすることによって、多孔度の高いセラミック層を作製できることである。すなわち、この接合剤は焼結の前に脱炭プロセス（Entkohlungsprozess）によってさらに除去され、高い割合で接合剤が存在していた層の個所につぎに孔を形成できるのである。
【００４０】
ここで殊に有利であるのは、接合剤の体積の割合を1.5〜３倍で増大させることである。これによってつぎのような危険性を低減することができる。すなわち、セラミック層にセラミック粉末が少な過ぎて、焼結の後にモノリシック素子ではなく、電気的な動作の前にすでに個々の部分素子に分かれたた素子ができてしまうという危険性を低減できるのである。
【００４１】
殊にここで説明した手段を用いることによって、隣接する層よりも高い弾力性を有する吸収層が得られ、これによって圧力波の吸収を改善することができる。さらに多層素子に吸収層を配置することによって素子の圧縮性が改善され、ひいては剛性が低減される。
【００４２】
以下では実施例およびこれに対応する図面に基づいて素子を詳しく説明する。
【００４３】
図１には多層素子の例が斜視図で示されており、
図２には図１の素子の部分領域の長手方向断面が示されている。
【００４４】
図１および２には圧電アクチュエータが示されており、ここで多数のセラミック層１が長手軸３に沿って上下に積層されている。これらのセラミック層１用のセラミック材料として、殊にＰＺＴセラミック、例えば、組成物Pb0.96Cu0.02Nd0.02 (Zr0.54Ti0.46)O3を使用可能である。
【００４５】
この他に電極層２ａ，２ｂが設けられており、これらはそれぞれ隣接する２つのセラミック層１の間に配置されている。ここで電極層２ａはこの素子の一方の電気的な極に、また電極層２ｂはこの電気素子の他方の極に所属している。素子の最も右側のエッジにまで案内されている電極層２ｂは、外部コンタクト部５１によって互いに導電接続されており、また同時にこの外部コンタクト部５１によって電圧源の一方の極を接続することができる。
【００４６】
これに相応して、素子の左側において外側のエッジに到達している電極層２ｂは、素子の左側に配置されている（図１では見えない）外部コンタクト部５２に導電接続されている。外部コンタクト部５２には上記の電圧源の他方の極を接続することができる。
【００４７】
パッシブゾーン７の領域において電極層２ａおよび２ｂは互いに重なっておらず、ただ１つの種類の複数の電極層、例えば、電極層２ａ（図２を参照されたい）がパッシブゾーン７に設けられている。外部から発生する衝突８がこの素子に及ぼす破壊作用を弱めるため、吸収層４が設けられている。
【００４８】
圧電アクチュエータの動作時にもできる限りに場が発生しないように吸収層４を維持するため、図２に示したように、吸収層４に直接隣接する複数の電極層２ａを圧電アクチュエータの同じ電気的な極に割り当てる。
【００４９】
ここで長手軸３に沿って吸収層４をつぎのように分けて、複数の部分アクチュエータ９が形成され、その高さが極めて低くなり、圧電アクチュエータの通常動作時に発生する機械的な振動によってこのアクチュエータがもはや破壊され得ないようにする。
【００５０】
例えば、３０ｍｍの高さの圧電アクチュエータにおいて、これを９つの吸収層４によって１０個の部分アクチュエータ９に分けることができ、ここで各部分アクチュエータ９は３ｍｍの高さを有する。この３ｍｍの高さは、アクチュエータの１実施例において３７個のセラミック層１に相応する。
【００５１】
実質的にセラミック製の吸収層の場合には、これらの吸収層は、圧電層の厚さが１２０μｍの場合に有利には１２０〜３００μｍの厚さを有することができる。
【００５２】
実質的に弾力性を有する吸収層の場合、例えば、プラスチックまたは接着剤からなる吸収層では、数μｍの厚さで十分である。
【００５３】
電極層２ａ，２ｂの材料として対象となるのは、例えば、銀とパラジウムからなる混合物であり、これは圧電セラミック層との一緒に焼結するのに有利である。しかしながらさらに、銅を含むかまたは完全に銅からなる電極層２ａ，２ｂも対象となる。図１および２に示した圧電アクチュエータの作製は、外観こそ図１および２に示した素子と実質的に同じであるが、外部コンタクト部５１，５２が設けられていない積層体を用いて行うことができる。残りの点ではセラミック層、電極層および吸収層の構造は、積層体の構造に相応し、ここでこのセラミック層は未加工状態で、セラミック粉末および有機接合剤を含むセラミックグリーンシートとして実施される。上記の電極層は、金属粉末を含有するペーストとして実施される。上記の吸収層は、セラミック層と同様にグリーンシートとして実施されるが、後に吸収層に加工される層における有機接合剤の割合は、残りのセラミック層よりも高くされる。例えば上記のセラミック層に対してグリーンシートを使用することができ、これらのグリーンシートでは体積の割合で３０％の有機接合剤が必要である。上記積層体の所定の層における体積の割合を高めるため、上記の有機接合剤を体積の割合で５０〜６０％に高めることができる。有機接合剤の体積の割合をこのようにすると、セラミック粉末が凝集して所定のシートをもはや被せることとができないという問題を回避することができる。
【００５４】
この素子は、積層体に設けられる複数の層を一緒に焼結することによって作製される。これは有利にはただ１つのプロセスステップにおいて行われる。
【００５５】
ここで指摘しておきたいのは、上で説明した電気多層素子は上記のセラミック材料には制限されないことである。むしろ圧電効果を示す考えられ得る限りのすべてのセラミック材料が対象となる。さらに上記の素子は、圧電アクチュエータに制限されない。むしろ電気的な機能を示す考えられ得る限りのすべてのセラミック材料が対象となる。例えば、上記の素子は、機械的な負荷、例えば衝突の負荷に曝される個所に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】多層素子の例を示す斜視図である。
【図２】図１の素子の部分領域の長手方向断面を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  圧電層、  ２ａ，ｂ  電極層、  ３  長手方向軸、  ４  吸収層、  ５１，５２  外部コンタクト部、  ７  パッシブゾーン、  ８  衝突の負荷、  ９  部分アクチュエータ
【図１】
2008546206.tif 000003
【図２】
2008546206.tif 000004
【国際調査報告】
2008546206.tif 000005
2008546206.tif 000006
2008546206.tif 000007
2008546206.tif 000008
2008546206.tif 000009
2008546206.tif 000010