(57)【要約】  課題を解決する本発明の構成は、モノリシックな多層構造の全積層体（１０）を備えたピエゾアクチュエータ（１）であって、少なくとも１つの圧電活性の部分積層体（１２）が設けられていて、該部分積層体が、互いに交互に重なって配置された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された電極層とを有しており、圧電活性の部分積層体の上に、少なくとも１つの圧電不活性の終端領域（１５）が配置されていて、圧電活性の部分積層体と終端領域との間に、少なくとも１つの移行領域（１１）が配置されており、移行領域が、相互に重なって配置された移行領域圧電セラミック層と、該移行領域圧電セラミック層の間に配置された移行領域電極層とを有しており、移行領域圧電セラミック層及び移行領域電極層は互いに次のように、すなわち、移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと、移行領域電極層の電気的な制御によって移行領域圧電セラミック層に連結可能な電界が漸次に変化させられるように、配置されており、圧電活性の部分積層体が移行領域に向かって安全層（１３）を有しており、該安全層では機械的な過負荷時に有利には亀裂が形成されるようにした。このピエゾアクチュエータは、内燃機関の噴射弁を制御する場合に使用される。
2010507912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシックな多層構造の全積層体を備えたピエゾアクチュエータであって、
少なくとも１つの圧電活性の部分積層体が設けられていて、該部分積層体が、互いに交互に重なって配置された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された電極層とを有しており、
圧電活性の部分積層体の上に、少なくとも１つの圧電不活性の終端領域が配置されていて、
圧電活性の部分積層体と終端領域との間に、少なくとも１つの移行領域が配置されており、
移行領域が、相互に重なって配置された移行領域圧電セラミック層と、該移行領域圧電セラミック層の間に配置された移行領域電極層とを有しており、
移行領域圧電セラミック層及び移行領域電極層は互いに次のように、すなわち、移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと、移行領域電極層の電気的な制御によって移行領域圧電セラミック層に連結可能な電界が漸次に変化させられるように、配置されており、
圧電活性の部分積層体が移行領域に向かって安全層を有しており、該安全層では機械的な過負荷時に有利には亀裂が形成されることを特徴とする、移行領域と安全層とを備えたモノリシックなピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
移行領域の積層方向が、電気的に活性の部分積層体から終端領域に向かって延びていて、移行領域電極層の層厚さが、移行領域電極層から移行領域電極層へと漸次に増大する、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
移行領域圧電セラミック層の層厚さが、層厚さ単位１を起点として、以下のファクタ：１.２；１.５；２.０；２.８；３.８でもって増大する、請求項２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
移行領域圧電セラミック層のうちの少なくとも１つが、互いに重なって配置されたシングル圧電セラミック層を有している、請求項１から３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５】
移行領域電極層の層厚さ単位が、圧電活性の部分積層体の圧電セラミック層の層厚さに相当している、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】
圧電活性の部分積層体の安全層と移行領域の安全層との間に、最大で１０の圧電セラミック層が配置され、特に最大で５つの圧電セラミック層が配置されている、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。
【請求項７】
安全層が、圧電活性の部分積層体の電極層のうちの１つによって、及び／又は、圧電活性の部分積層体の電極層のうちの１つと隣接した圧電セラミック層との間の境界面によって形成されている、請求項１から６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８】
圧電活性の部分積層体及び／又は終端領域が、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲から、特に３ｍｍ〜５ｍｍの範囲から選択された部分積層体高さを有している、請求項１から７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９】
移行領域が、０.２ｍｍ〜５.０ｍｍの範囲から、特に０.５ｍｍ〜２.０ｍｍの範囲から選択された移行領域積層体高さを備えた移行領域部分積層体を有している、請求項１から８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１０】
全積層体が、１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲から選択された全積層体高さを有している、請求項１から９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１１】
弁、特に内燃機関の噴射弁を制御するための、請求項１から１０までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モノリシックな多層構造のピエゾアクチュエータに関する。
【０００２】
このようなピエゾアクチュエータは大きな信号領域（数ｋＶ／ｍｍの電界強度）にまで最初に電気的に制御された場合に、圧電セラミック材料は極性付けられる。これにより不可逆性の長さ変化、いわゆる残留変形（remanente Dehnung）が生じる。この残留変形と、ピエゾアクチュエータの運転時における電極層の電気的な制御の際に生じる付加的な変形とに基づいて、全積層体内においては引張り応力が発生する。このような引張り応力によって、極性の経過又はピエゾアクチュエータの運転時に、例えば圧電セラミック層と電極層との間の境界面に沿って亀裂（極性亀裂）が生じる。このような亀裂は、特に活性の部分積層体と終端領域との間の移行領域において生じる。この場合亀裂が枝分かれするか又は全積層体の長手方向において拡がると、特に有害である。そしてこのような亀裂によって、ピエゾアクチュエータは早期に故障してしまう。
【０００３】
本発明の課題は、上述の亀裂の形成及び亀裂の増大に関する確率が、従来技術に比べて減じられているピエゾアクチュエータを提供することである。
【０００４】
この課題を解決するために本発明の構成では、モノリシックな多層構造の全積層体を備えたピエゾアクチュエータであって、少なくとも１つの圧電活性の部分積層体が設けられていて、該部分積層体が、互いに交互に重なって配置された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配置された電極層とを有しており、圧電活性の部分積層体の上に、少なくとも１つの圧電不活性の終端領域が配置されていて、圧電活性の部分積層体と終端領域との間に、少なくとも１つの移行領域が配置されており、移行領域が、相互に重なって配置された移行領域圧電セラミック層と、該移行領域圧電セラミック層の間に配置された移行領域電極層とを有しており、移行領域圧電セラミック層及び移行領域電極層は互いに次のように、すなわち、移行領域の積層方向において移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと、移行領域電極層の電気的な制御によって移行領域圧電セラミック層に連結可能な電界が漸次に変化させられるように、配置されており、圧電活性の部分積層体が移行領域に向かって安全層を有しており、該安全層では機械的な過負荷時に有利に亀裂が形成されるようになっている。
【０００５】
本発明の有利な構成では、移行領域の積層方向が、電気的に活性の部分積層体から終端領域に向かって延びていて、移行領域電極層の層厚さが、移行領域電極層から移行領域電極層へと漸次に増大するようになっている。
【０００６】
終端領域は全積層体のヘッド領域にあっても基部領域にあってもよい。また終端領域は１つの層から成っていても又は複数の層から成っていてもよい。後者の場合には、複数の層が１つのカバーセットを形成する。終端領域の材料としては、セラミック材料又は金属材料が挙げられる。
【０００７】
圧電セラミック層の圧電セラミック材料と移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料とは同じであってよい。しかしながらまた異なった材料を使用することも可能である。
【０００８】
本発明の基礎となる思想は、圧電セラミックの変位に関して勾配を有する移行領域、つまり圧電セラミックの変位に関して段階付けられている移行領域を提供することにある。このような勾配もしくは段階付けによって、移行領域電極層の電気的な制御時における圧電セラミックの変位は、移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと漸次に変化することになる。そして変位は、活性の部分積層体から不活性の終端領域に向かって減じられる。ひいては変位への適合が行われる。これによって機械的な内部応力は種々異なる変位に基づいて減じられる。同時に近傍には安全層が配置されている。安全層は、モノリシックな全積層体において最も弱い部位を形成している。亀裂は、（内部における又は外部から加えられた）機械的な過負荷時に、特に安全層の内部又は表面において形成される。移行領域における勾配もしくは段階付けと圧電活性の部分積層体における安全層との組合せによって、ピエゾアクチュエータの信頼性は著しく高められる。
【０００９】
層厚さの増大は任意に選択することができる。しかしながら、移行領域圧電セラミック層の層厚さが、層厚さ単位１を起点として、以下のファクタ：１.２；１.５；２.０；２.８；３.８でもって増大すると、有利である。択一的な順序は例えば以下のファクタ：１.１；１.３；１.６；２.０；２.５；３.１によって規定されており、この場合層厚さ単位は、例えば８０μｍである。
【００１０】
移行領域圧電セラミック層はそれぞれ１つの層から形成されていることができる。移行領域圧電セラミック層は単層である。しかしながら、移行領域圧電セラミック層が多層であると有利である。そのために本発明の別の構成では、移行領域圧電セラミック層のうちの少なくとも１つが、互いに重なって配置されたシングル圧電セラミック層を有している。多層の移行領域圧電セラミック層は、複数の圧電セラミックグリーンシートから構成される。
【００１１】
本発明の別の構成では、移行領域電極層の層厚さ単位が、圧電活性の部分積層体の圧電セラミック層の層厚さに相当している。このことはすなわち、例えば、圧電活性の部分積層体に直に隣接した移行領域圧電セラミック層は、圧電活性の部分積層体の隣接した圧電セラミック層の層厚さを有している、ということを意味する。そのために本発明の特に有利な構成では、圧電活性の部分積層体の安全層と移行領域の安全層との間に、最大で１０の圧電セラミック層が配置され、特に最大で５つの圧電セラミック層が配置されている。そのために、安全層は移行領域の近傍に配置されている。
【００１２】
安全層は、圧電活性の部分積層体の圧電セラミック層によって形成されていてもよい。本発明の別の有利な構成では、安全層が、圧電活性の部分積層体の電極層のうちの１つによって、及び／又は、圧電活性の部分積層体の電極層のうちの１つと隣接した圧電セラミック層との間の境界面によって形成されている。
【００１３】
本発明の特に有利な構成では、圧電活性の部分積層体及び／又は終端領域が、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲から、特に３ｍｍ〜５ｍｍの範囲から選択された部分積層体高さを有している。部分積層体の高さは例えば２ｍｍである。このような部分積層体高さによって応力ピークが極めて良好に減衰されることが分かっている。本発明の別の有利な構成では、移行領域部分積層体が、０.２ｍｍ〜５.０ｍｍの範囲から、特に０.５ｍｍ〜２.０ｍｍの範囲から選択された移行領域積層体高さを有している。これらの部分積層体によって、極めて高さの高い全積層体が得られる。本発明の別の有利な構成では、全積層体が、１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲から選択された全積層体高さを有している。これよりもさらに高い全積層体高さも同様に得ることができる。
【００１４】
電気的な制御時に全積層体において生じる機械的な応力を減じるための別の処置を、さらに付加的に施すことも可能である。これらの処置としては、例えば、終端領域内に電気的に不活性の電極層を組み込むことが挙げられる。電気的に不活性の電極層は、極性付けの間及びピエゾアクチュエータの運転中に電気的に制御されない。
【００１５】
このような本発明による信頼できるピエゾアクチュエータは、弁、特に内燃機関の噴射弁を制御するために、有利に使用される。内燃機関は例えば自動車のエンジンである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】モノリシックな多層構造のピエゾアクチュエータを示す側面図である。
【００１７】
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００１８】
ピエゾアクチュエータ１は、モノリシックな多層構造の全積層体１０を備えたピエゾアクチュエータである。ピエゾアクチュエータ１は圧電活性の部分積層体１２、つまり圧電素子として働く部分積層体１２を有しており、この部分積層体１２においては、圧電セラミック材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を備えた圧電セラミック層と、銀パラジウム合金から成る電極層とが交互に重なって配置されている。
【００１９】
圧電活性の部分積層体１２の上には、セラミック層から成るセラミック製のカバーセットとしての圧電不活性の終端領域１５、つまり圧電素子として働かない終端領域１５が配置されている。
【００２０】
圧電活性の部分積層体１２とカバーセット１５との間には、移行領域積層体としての移行領域１１が配置されている。この移行領域積層体１１は、交互に重なった配置された移行領域圧電セラミック層と移行領域電極層とを有している。移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料と、圧電活性の部分積層体の圧電セラミック層の圧電セラミック材料とは、同じである。択一的な実施形態では、これらの圧電勢多ミック材料は異なっている。移行領域電極層の電極材料は、圧電活性の部分積層体の電極層の電極材料に相当している。択一的には、異なった電極材料が使用される。
【００２１】
圧電活性の部分積層体、移行領域積層体及び終端領域は一緒に、１つのモノリシックな全積層体１０を形成している。圧電活性の部分積層体の領域及び移行領域積層体の領域における全積層体の側面には、各電極層の電気的な接触接続のための外側金属化部（図示せず）が設けられている。
【００２２】
積層方向１０１における全積層体１０の全高１０３は、３０ｍｍである。圧電活性の部分積層体１２の部分積層体高さ１２３は、約１０ｍｍである。移行領域積層体１１の移行領域部分積層体高さ１１３は、約２ｍｍである。
【００２３】
移行領域部分積層体の内部において、積層方向で見て圧電活性の部分積層体から終端領域に向かって、移行領域圧電セラミック層の層厚さは増大している。
【００２４】
付加的に、圧電活性の部分積層体１２の内部において移行領域１１の近傍には、安全層１３が配置されている。この安全層１３は電極層によって形成されている。
【００２５】
別の実施例では、図示の配置形式とは択一的に、ただ１つの終端領域１６だけが所属の移行領域を備えて全積層体の基部領域に設けられている。
【００２６】
このようなピエゾアクチュエータ１は、自動車のエンジンの噴射弁を制御するために使用される。
【図１】
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【国際調査報告】
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