(57)【要約】【課題】より頑強な多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とを提供することである。【解決手段】前記課題は、セキュリティ層材料である第２の材料の焼結度を、内部電極材料である第３の材料の焼結度と、該第２の材料および第３の材料それぞれにおける焼結を示す焼結度および／または該第２の材料と第３の材料との間の表面における焼結を示す焼結度と、圧電セラミック層材料である第１の材料の焼結度より低くすることによって解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）において、
・焼結温度で焼結される圧電セラミックの第１の材料を含む複数の圧電セラミック層（１２）と、
・第２の材料を含んでおり、２つの圧電セラミック層（１２）間に配置されるセキュリティ層（２０）と、
・第３の材料を含んでいる複数の内部電極（１６，１８）と
を有しており、
各内部電極（１６，１８）は２つの圧電セラミック層（１２）間に設けられており、
該第２の材料の焼結度は、該第３の材料の焼結度と、該第２の材料および第３の材料それぞれにおける焼結を示す焼結度および／または該第２の材料と第３の材料との間の表面における焼結を示す焼結度と、該第１の材料の焼結度より低くされることを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項２】
前記第２の材料の融点は前記第３の材料の融点より高い、請求項１記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項３】
前記第２の材料は、実質的にＰｄまたはＰｔである、請求項１または２記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の材料の粒子の表面積と体積との平均比は、前記第３の材料の表面積と体積との平均比より小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の材料の粒子の平均サイズは、前記第３の材料の粒子の平均サイズより大きい、請求項１から４までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項６】
前記第２の材料の粒子の平均的形状は、前記第３の材料の粒子の平均的形状と異なる、請求項１から５までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項７】
前記第２の材料の粒子の表面は浸出されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項８】
前記第２の材料の粒子は、焼結活性度を低減するコーティングを提供する、請求項１から７までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ。
【請求項９】
多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）の製造方法において、
・後の加熱ステップで圧電セラミック材料を含む圧電セラミック層（１２）に変換される複数のグリーン層を提供するステップ（９１）と、
・セキュリティ層材料を提供するステップ（９２）と、
・内部電極材料を提供するステップ（９３）と、
・該複数のグリーン層の第１のグリーン層と第２のグリーン層との間に該セキュリティ層材料を積層し、該複数のグリーン層の該第２のグリーン層と第３のグリーン層との間に該内部電極材料を積層することにより、グリーン状態のスタックを形成するステップ（９４）と、
・該グリーン状態のスタックを焼結温度に加熱し、該グリーン層を該圧電セラミック層（１２）に変換するステップ（９５）
とを有し、
該セキュリティ層材料の焼結度は該内部電極材料の焼結度より低いことを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
前記セキュリティ層材料の融点は前記内部電極材料の融点より高い、請求項９記載の製造方法。
【請求項１１】
前記スタックを焼結温度に加熱するステップにおいて、前記セキュリティ層材料は焼結しないか、または実質的に焼結しない、請求項９または１０記載の製造方法。
【請求項１２】
前記セキュリティ層材料は実質的にＰｄまたはＰｔである、請求項９から１１までのいずれか１項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
多層圧電セラミックアクチュエータは、電気的信号を機械的動作に変換する。多層圧電セラミックアクチュエータの電極に印加された電圧により、該多層圧電セラミックアクチュエータは複数の圧電セラミック層の圧電セラミック特性に起因して該多層圧電セラミックアクチュエータの長さを変化する。スタック内では、内部電極と圧電セラミック層とが交互に配置されている。それぞれ他方の内部電極は第１の外部電極に導電接続されており、それぞれ他方の内部電極は第２の外部電極に導電接続されている。各圧電セラミック層はそれぞれ、第１の外部電極に接続された１つの内部電極と第２の外部電極に接続された１つの内部電極との間に配置されている。このような多層圧電セラミックアクチュエータは、メカニクス、流体等を駆動または制御するために使用される。内燃機関用の燃料インジェクタは重要なアプリケーションである。
【０００３】
製造後には、この多層圧電セラミックアクチュエータに大きな電圧が印加される。この大きな電圧が圧電セラミック層を分極し、圧電セラミック層の残留変形を生じさせる。外部電極の周辺では、すべての他方の内部電極が、隣接する圧電セラミック層のエッジまで完全には伸長せず、この外部電極から分離される。このことにより、圧電セラミック層内の電界は不均質となり、残留ひずみも、アクチュエータの通常の動作中のひずみも不均質となる。多層圧電セラミックアクチュエータの不均質なひずみおよび不完全性は、どのようなものでも、該多層圧電セラミックアクチュエータ内に機械的なひずみおよび応力を引き起こす。とりわけ、大きなダイナミック動作条件および高い温度では、内部電極と圧電セラミック層との間の境界面と、活性のスタックと非活性の頂部層または底部層との間の境界面と、圧電セラミック層内とにひびが生じる。分岐するひびまたはスタック方向に成長するひびはとりわけ損傷となる。ひびが内部電極の一部を電気的に絶縁すると直ちに、不均質さはさらに増大され、ひびの成長が加速化される。さらに、化学反応性の流体がひびに侵入して、圧電セラミック層および／または内部電極を化学的に破壊するおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、より頑強な多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題は、
・焼結温度で焼結される圧電セラミックの第１の材料を含む複数の圧電セラミック層（１２）と、
・第２の材料を含んでおり、２つの圧電セラミック層（１２）間に配置されるセキュリティ層（２０）と、
・第３の材料を含んでいる複数の内部電極（１６，１８）と
を有しており、
各内部電極（１６，１８）は２つの圧電セラミック層（１２）間に設けられており、
該第２の材料の焼結度は、該第３の材料の焼結度と、該第２の材料および第３の材料それぞれにおける焼結を示す焼結度および／または該第２の材料と第３の材料との間の表面における焼結を示す焼結度と、該第１の材料の焼結度より低くされることを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータ
によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、圧電セラミック層と隣接するセキュリティ層との間の機械的な接続、または、セキュリティ層にわたる２つの隣接する圧電セラミック層間の機械的な接続を弱めるかまたは劣化するかまたは損なうことにより、多層圧電セラミックアクチュエータ内の所定の破壊点を形成するという思想に基づいている。こうするためには、セキュリティ層の材料を次のように選定する。すなわち、セキュリティ層の材料の焼結度が多層圧電セラミックアクチュエータの内部電極の焼結度より小さくなるように選定する。
【０００７】
このような低い焼結度はたとえば、セキュリティ層の材料の融点を内部電極の材料の融点より高くすることによって実現される。
【０００８】
有利には、内部電極材料の融点とセキュリティ層材料の融点との差は少なくとも１００Ｋであるか、少なくとも２００Ｋであるか、または少なくとも３００Ｋであるか、または少なくとも４００Ｋである。
【０００９】
択一的構成として、セキュリティ層材料および内部電極材料は実質的に等しい融点を有し、異なる手法によって異なる焼結活性度を実現する。たとえば、内部電極と比較してセキュリティ層の焼結活性度を低くするためには、内部電極材料の粒子または微粒子より小さい表面積を有する該セキュリティ層の材料の粒子または微粒子、および／または、内部電極材料の粒子または微粒子より大きい直径を有するセキュリティ層材料の粒子または微粒子、および／または、内部電極材料の粒子または微粒子の形状と異なるセキュリティ層材料の粒子または微粒子の形状（とりわけ、内部電極材料の粒子または微粒子の形状より滑らかまたは粗い形状）、および／または、セキュリティ層材料の粒子または微粒子の浸出表面、および／または、セキュリティ層材料の粒子表面のコーティングが使用される。このコーティングは、焼結活性度を低減するコーティングである。
【００１０】
有利には、セキュリティ層材料である第２の材料の粒子の表面積と体積との平均比は、内部電極材料である第３の材料の表面積と体積との平均比より小さい。また有利には、前記第２の材料の粒子の平均的形状は、前記第３の材料の粒子の平均的形状と異なる。
【００１１】
本発明は、セキュリティ層材料のバルクでの焼結度が内部電極材料のバルクでの焼結度より低い構成を含む。択一的または付加的に、セキュリティ層と該セキュリティ層に隣接する圧電セラミック層との間の表面における焼結度は、内部電極と該圧電セラミック層との間の表面における焼結度より小さい。後者の場合、セキュリティ層材料の粒子と圧電セラミック層材料の粒子との間の焼結活性度は、内部電極材料の粒子と該圧電セラミック層材料の粒子との間の焼結活性度より小さい。
【００１２】
本願全体において、セキュリティ層材料の焼結度は内部電極の焼結度より小さいという記載は、内部電極材料が燃焼中または焼成中に部分的または完全に溶融される一方で、セキュリティ層材料は溶融されない構成を含む。こうするためには、多層圧電セラミックアクチュエータの燃焼温度または焼成温度は内部電極材料の融点より高く選択され、かつ、セキュリティ層材料の融点より低く選択される。
【００１３】
それ以外のケースでは「焼結度」という用語は、材料の粒子間の隙間の低減度である。この焼結度は、（いずれの加熱ステップも、いずれの焼成ステップも、いずれの燃焼ステップも行われる前の）生またはグリーン状態の材料では０であり、たとえば、各材料が完全に溶融された場合には１００％である。
【００１４】
択一的にこの焼結度は、焼結工程中に粒子間に形成される架橋部の直径として測定されるか、または、該架橋部の直径と粒子の直径との比として測定される。
【００１５】
別の択一的構成として焼結度は、部分的に焼結された材料の引張強度と完全に溶融および固化された後の引張強度との比として測定または定義される。とりわけセキュリティ層材料は、ＰｄまたはＰｔであるか、または実質的にＰｄまたはＰｔであるか、または主にＰｄまたはＰｔを含むか、または１５００℃を超える融点を有する任意の別の材料であるか、または１７００℃を超える融点を有する任意の別の材料であることが有利である。というのも、最も通常の圧電セラミック材料および最も通常の内部電極材料の焼結温度または焼成温度または燃焼温度は格段に低いからである。このようにして、セキュリティ層材料の格段に高い融点に起因して、セキュリティ層材料の焼結度は内部電極材料の焼結度より低いか、格段に低くなる。
【００１６】
上記の尺度により、圧電セラミック層と隣接するセキュリティ層との間の機械的な接続または結合、またはセキュリティ層を介する２つの圧電セラミック層間の機械的な接続または結合は弱められる。このようにして、セキュリティ層、またはセキュリティ層と隣接する圧電セラミック層との間の境界面は、所定の破壊点を形成する。機械的な応力は、セキュリティ層にひびの形成および成長を引き起こすか、または、セキュリティ層と圧電セラミック層との間の境界面に沿ってひびの形成および成長を引き起こす。
【００１７】
有利には、多層圧電セラミックアクチュエータはサブスタックを有し、各サブスタックは所定数の圧電セラミック層と、相応の数の内部電極とを有する。本発明によるセキュリティ層はサブスタック間に配置される。機械的な応力によってセキュリティ電極にひびが誘発されるが、非常に高い確率でサブスタックにはひびは誘発されない。このようにして、サブスタックの動作および作用は保証され、多層圧電セラミックアクチュエータ全体の信頼性は上昇される。
【実施例】
【００１８】
ここで、添付されている図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図１は、多層圧電セラミックアクチュエータ１０を概略的に示す図である。この多層圧電セラミックアクチュエータ１０は、複数の圧電セラミック層１２と、複数の第１の内部電極１６と、複数の第２の内部電極１８とを有する。圧電セラミック層１２は、焼結温度で焼結され圧電効果を呈する圧電セラミックの第１の材料を含む。第１の内部電極１６は第１の外部電極２２に導電接続されており、第２の内部電極１８は、図１に示されていない第２の外部電極に導電接続されている。第１の内部電極１６は第２の外部電極から電気的に絶縁されており、第２の内部電極１８は第１の外部電極２２から電気的に絶縁されている。圧電セラミック層１２と内部電極１６，１８とから成るグループがサブスタック２４を構成する。セキュリティ層２０はサブスタック２４間に配置される。多層圧電セラミックアクチュエータ１０の頂部および底部は、頂部層および底部層１４によってカバーされる。
【００２０】
図２は、上記で図１に基づいて説明したセキュリティ層２０のうち１つの前駆物であるグリーン層またはバインダ除去されたグリーン層の微細構造を概略的に示す図である。セキュリティ層材料の微細構造は、相互間に隙間４０を有する細粒または微粒子３０を有する。微粒子３０は接触点３２において相互に接触する。微粒子３０の弾性変形または塑性変形を除外すれば、接触点３２は非常に小さい。微粒子３０の弾性変形または塑性変形によって接触点３２は、１つまたは幾つかの原子よりもさらに拡張される。しかし微粒子の結合力は、グリーン状態では比較的弱い。
【００２１】
この生材料がより高い温度まで加熱されると、材料の移動が開始するか、またはより厳密に言うと、増強される。セラミックに使用される多くの材料と、とりわけ圧電セラミックアクチュエータに使用される多くの材料では、低い温度、とりわけ室温では、材料のこのような移動を無視できる。通常は、材料の融点に近い温度で、材料の有意な移動が生じる。通常はセラミックスと、とりわけ圧電セラミック材料を製造するためには、所定の上昇された温度に所定の時間にわたって生材料を加熱する。この工程は通常、焼成工程または燃焼工程または焼結工程と称される。
【００２２】
図３は、焼結された材料の微細構造、たとえば、所定の焼結温度に所定の時間にわたって加熱された後の、図２に基づいて上記で説明された材料の微細構造を概略的に示す図である。上記の材料移動に起因して、図２に示された単なる接触点の代わりに、微粒子３０間に架橋部３４が形成される。この架橋部３４によって材料の機械的な強度が格段に増大され、とりわけ引張強度が格段に増大される。
【００２３】
短時間の焼結工程または低温での焼結工程によって小さい架橋部３４が形成され、温度上昇および／または時間の延長とともに架橋部３４は大きくなることは明らかである。焼結度は、架橋部３４の直径の平均値＜ｄ＞と微粒子３０の直径Ｄの平均値＜Ｄ＞との比＜ｄ＞／＜Ｄ＞として定義することができる。択一的に、焼結度を隙間の全容積の低減比率として定義することができる。別の択一的構成として、焼結度は密集度として定義されるか、または、焼結工程前の材料の密度と焼結工程後の材料の密度との比として定義される。別の択一的構成として焼結度は、微粒子３０の全体積と隙間４０を含む材料の全体積との比をベースとして定義することができる。焼結度は別の数多くの定義でも定義できることは明らかである。
【００２４】
また、同じ焼結工程を行った後では、焼結度は特定の材料と該材料の特性とに依存し、とりわけ、微粒子３０の材料の融点に依存することも明らかである。本発明によれば、図１に示された圧電セラミック層１２は圧電セラミックの第１の材料を含み、セキュリティ層２０は第２の材料を含み、内部電極１６，１８は第３の材料を含む。多層圧電セラミックアクチュエータ全体は、焼結温度で所定の時間にわたって焼結されている。異なる材料特性に起因して、セキュリティ層２０に含まれる第２の材料の焼結度は、内部電極１６，１８に含まれる第３の材料の焼結度より低い。このことはたとえば、セキュリティ層２０に含まれる第２の材料の融点を、内部電極１６に含まれる第３の材料の融点より高くするかまたは格段に高くすることによって実現される。
【００２５】
図４は、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法を概略的に示すフローチャートである。第１のステップ９１では、複数のグリーンシートまたはグリーン層が提供される。このグリーンシートまたはグリーン層は、本方法の実施中に圧電セラミック層に変換される。第２のステップ９２において、生のセキュリティ層材料が提供される。このセキュリティ層材料は、本発明の実施中にセキュリティ層に変換される。第３のステップ９３において、生の内部電極材料が提供される。この内部電極材料は、本発明の実施中に内部電極材料に変換される。第４のステップ９４において、生のセキュリティ層材料は複数のグリーン層のうち第１のグリーン層と第２のグリーン層との間に積層され、生の内部電極材料は該複数のグリーン層のうち第２のグリーン層と第３のグリーン層との間に積層される。このようにして、生のスタックが構成される。第５のステップ９５において、この生のスタックは所定の焼結温度に、所定の時間にわたって加熱される。このようにしてグリーン層は圧電セラミック層１２に変換され、生のセキュリティ層材料はセキュリティ層材料に変換されてセキュリティ層２０を形成し、生の内部電極材料は内部電極材料に変換されて内部電極１６，１８を形成する。グリーン層の材料の選定と、生のセキュリティ層材料の選定と、生の内部電極材料の選定と、所定の焼結温度および所定の時間の長さの選択とによって、これらの材料はそれぞれ、加熱ステップ９５後に所望の焼結度を呈するようになる。とりわけ、セキュリティ層材料の焼結度は内部電極材料の焼結度より低い。たとえば、内部電極材料は焼結されるのに対し、セキュリティ層材料は焼結されないかまたは実質的に焼結されない。
【００２６】
このようにして、セキュリティ層２０の機械的特性は内部電極１６，１８の機械的特性より弱くなる。有利にはとりわけ、セキュリティ層２０の引張強度は内部電極１６，１８の引張強度より低くなる。このようにして、セキュリティ層２０は多層圧電セラミックアクチュエータ全体において所定の破壊点を形成し、多層圧電セラミックアクチュエータ内に発生したすべての機械的ひずみが引き起こすひびは、セキュリティ層に局在化または限定され、圧電セラミック層および内部電極を破壊することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】多層圧電セラミックアクチュエータを概略的に表す図である。
【図２】生のセキュリティ層の微細構造を概略的に表す図である。
【図３】セキュリティ層の微細構造を概略的に表す図である。
【図４】多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  多層圧電アクチュエータ
１２  圧電セラミック層
１４  頂部層／底部層
１６，１８  内部電極
２０  セキュリティ層
２２  第１の外部電極
２４  サブスタック
３０  粒子
３２  接触点
４０  隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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