(57)【要約】本発明はピエゾアクチュエータ、例えば機械部品を操作するための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圧電層（２）とそのあいだに配置された内部電極（３，４；１４，１５）とから成る多層構造を有している。またピエゾアクチュエータでは内部電極（３，４；１４，１５）が外部電極（５，６；１１）へ交互にコンタクトしており、外部電極（５，６）のあいだの領域に適切なアイソレーション部（１２，１３）が設けられている。ここで本発明によれば、ピエゾアクチュエータの外表面の外部電極（５，６；１１）のあいだの領域に圧電層（２）とほぼ等しい特性を有する材料から成る絶縁層（１２，１３）が被着されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層（２）とそのあいだに配置された内部電極（３，４；１４，１５）とから成る多層構造を有しており、内部電極（３，４；１４，１５）が外部電極へ交互にコンタクトしており、外部電極のあいだの領域にアイソレーション部が設けられている
ピエゾアクチュエータにおいて、
ピエゾアクチュエータ（１；１０）の外表面の外部電極（５，６；１１）のあいだの領域に圧電層（２）とほぼ等しい特性を有する材料から成る絶縁層（１２，１３）が被着されている
ことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
絶縁層（１２，１３）はピエゾアクチュエータ（１；１０）のエッジを包囲している、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
絶縁材料はスラリである、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】
外部電極（５，６；１１）は圧電材料の露出領域上に被着されている、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】
第１の方法ステップとしてピエゾアクチュエータ（１０）のシンタリング前のグリーン状態において絶縁層（１２，１３）をピエゾアクチュエータの外側全体に被着し、
ピエゾアクチュエータのシンタリング後に外部電極（５，６；１１）の接触している領域（１６，１７）を露出させる
ことを特徴とするピエゾアクチュエータの製造方法。
【請求項６】
ピエゾアクチュエータの全面または２面を流体状の絶縁材料に浸漬するかまたはこれによって湿らせる、請求項５記載の方法。
【請求項７】
外部電極（５，６；１１）の接触している領域（１６，１７）を研磨により露出させる、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
外部電極（５，６；１１）の接触している領域（１６，１７）をエッチングにより露出させる、請求項５または６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来の技術
本発明は独立請求項の上位概念記載のピエゾアクチュエータ、特にバルブなどの機械部品を操作するためのピエゾアクチュエータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
いわゆる圧電効果を利用するために、適切な結晶構造を有するセラミック材料を含む圧電素子を形成することが一般に知られている。外部電圧を印加すると圧電素子は機械的に応答し、結晶構造および電圧の印加範囲に依存して設定方向への圧力またはテンションが生じる。このようなピエゾアクチュエータは例えば内燃機関のインジェクタでのガソリン噴射装置またはディーゼル噴射装置などでの迅速かつ正確な切換過程における使用に適している。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの構造は多層のいわゆるマルチレイヤピエゾアクチュエータであり、内部電極を介してそのあいだに配置された層に電圧が印加される。このために内部電極として印刷された電極シートと圧電シートとが交互に積層される。シートの端子は一方側のみに設けられ、他方側の縁には内部電極を設けずに絶縁距離を残しておかなければならない。２つの側は外部電極を介して接続される。このように周知の手段でピエゾアクチュエータは複数のプレートを備えたキャパシタと同様に形成される。
【０００４】
周知のようにマルチレイヤピエゾアクチュエータはいわゆるシート成形プロセスでスラリから形成される。ここから得られるいわゆるグリーンシートは積層された後にシンタリングされる。この場合、シンタリングにおける硬化処理またはシンタリング前のグリーンシート状態での成形のいずれによっても所望のジオメトリを形成することができる。このようにすれば一般に湿分および機械的損傷に対して保護されたピエゾアクチュエータを製造することができる。
【０００５】
たいていの内部電極設計では、前述のように、ピエゾアクチュエータの一方側の表面まで内部電極の各極性側が交互に露出している。このとき絶縁が不充分であったり、搬送・組み立て・駆動などの際に機械的損傷が生じたりすると、電極層のあいだで短絡が起こるおそれがある。これに対処するものとしていわゆる半埋め込みまたは全埋め込みと称される内部電極設計の手段がある。すなわち一方の極性の内部電極のみを外部へ通じさせるか、またはコンタクトの必要のない電極を外部へ通じさせないようにする。ただしこの手段には手間のかかる正確な積層プロセスおよび／または分離プロセスが必要となる。
【０００６】
例えば独国出願第１９９２８１８０号明細書から、外部電極のコンタクトのあいだの領域において圧電層を内側へ向かって所定の量だけ切り欠き、溝を形成することが知られている。この溝はピエゾアクチュエータの表面処理時や外部電極の被着時に外部電極間に電極材料が塗り込まれてしまうのを防ぐ。これによりピエゾアクチュエータのブレイクダウン耐性が著しく高められる。
【０００７】
本発明の利点
冒頭に言及したピエゾアクチュエータは例えば機械部品の操作に使用されるピエゾアクチュエータであり、圧電層とそのあいだに配置された内部電極とから成る多層構造を有している。ピエゾアクチュエータにはさらに内部電極が両側の外部電極へ交互にコンタクトしており、外部電極のあいだの領域に適切なアイソレーション部が設けられている。ここで本発明によれば、外部電極のあいだの領域のピエゾアクチュエータの外表面に圧電層とほぼ等しい特性を有するセラミック材料から成る絶縁層が被着されている。セラミック材料は有利にはスラリである。
【０００８】
特に有利には、圧電層のシート成形に使用されたのと同一のスラリが使用される。
【０００９】
外部電極は簡単には絶縁材料の露出領域に被着される。
【００１０】
有利な製造方法によれば、第１の方法ステップとしてピエゾアクチュエータのシンタリング前のグリーン状態において絶縁層はピエゾアクチュエータの外側全体に被着される。このためにピエゾアクチュエータの全面をスラリに浸漬することができる。場合によってはピエゾアクチュエータの感応面、つまり内部電極の両方の極性面が外部へ通じている面のみをコーティングしてもよい。これに適するプロセスはいわゆる浸漬リフロープロセスである。
【００１１】
本発明によれば、典型的には５０μｍ〜４００μｍの範囲の層厚さが得られる。この層厚さはシンタリング後には焼結収縮により１０％〜３０％低減される。ここでは所定の層厚さをスラリの粘性および／または多重のコーティングによって達成可能である。適切な層厚さにより、内部電極から表面までの充分な層間距離が保証され、内部電極間でのフラッシュオーバが防止される。さらにこの層厚さは駆動中に亀裂が生じないように調整される。
【００１２】
絶縁性の保護層の製造にピエゾアクチュエータそのものと同一のセラミック材料を使用すると、続くシンタリングにおいて、圧電層の積層体のセラミックと外側の絶縁層とのあいだにきわめて密な結合が生じる。ここでセラミック層はアクチュエータの有効な保護カバーとなる。使用される圧電セラミックに一般に存在するポーラス孔が閉じられれば、このセラミック層には充分な厚さがあるので湿分は不透過となる。ピエゾアクチュエータのシンタリング後、外部電極の接触している領域と場合により端面とが露出される。露出は例えば研磨またはエッチングにより行われる。
【００１３】
したがって有利にはピエゾアクチュエータを高い湿分のもとで使用しても短絡耐性が保証される。またピエゾアクチュエータの取り扱いも簡単になり、絶縁のためのレジストが必要なくなる。
【００１４】
図面
本発明のピエゾアクチュエータの実施例を図に則して説明する。図１には圧電セラミック層および電極層から成る多層構造の従来技術のピエゾアクチュエータの概略図が示されている。図２には保護層および露出した外部電極を備えた本発明のピエゾアクチュエータの斜視図が示されている。図３には図２のピエゾアクチュエータのＡ−Ａ線での断面図が示されている。図４にはシンタリング後のピエゾアクチュエータを上から見た図が示されており、図５には外部電極の領域が露出された後のピエゾアクチュエータを上から見た図が示されている。図６，図７にはピエゾアクチュエータの内部電極を上から見た図が示されている。
【００１５】
実施例の説明
図１には従来技術の形式のピエゾアクチュエータ１が示されている。これは周知のように、適切な結晶構造を有する石英ガラス材料の圧電層または圧電シート２から構成されている。ここではコンタクト面または外部電極５，６を介して外部電圧を内部電極３，４へ印加したときのいわゆる圧電効果が利用され、ピエゾアクチュエータ１に機械的応答が発生する。
【００１６】
図２には本発明のピエゾアクチュエータ１０が示されている。ここでは外表面の外部電極（図２では外部電極１１しか見えていない）のあいだの領域に絶縁層１２，１３が設けられている。絶縁層は圧電層２とほぼ等しい特性を有するセラミック材料、有利にはそのスラリから形成されている。
【００１７】
図３には図２のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。ここからは内部電極１４，１５および絶縁層１２，１３が見て取れる。
【００１８】
製造方法の説明のために、図４には、ピエゾアクチュエータ１０のシンタリング前のいわゆるグリーン状態が示されている。絶縁層１２，１３はこの時点ではピエゾアクチュエータ１０の外側全体に被着されている。このためにピエゾアクチュエータ１０の全面が絶縁層の材料のスラリに浸漬される。またピエゾアクチュエータをスラリ槽で湿らせてもよい。ここでスラリの充填レベルの高低は調整することができる。
【００１９】
図５にはピエゾアクチュエータ１０のシンタリング後の状態が示されている。ここでは外部電極１１の接触している領域１６，１７が研磨またはエッチングにより露出され、これにより絶縁層１２，１３が形成されている。
【００２０】
図６には内部電極１４を上から見た図、図７には内部電極１５を上から見た図が示されている。ここで図６では内部電極１４の領域１７（図５）が外部電極に接触しており、図７では内部電極１５の領域１６（図５）が外部電極に接触している。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術のピエゾアクチュエータの概略図である。
【図２】本発明のピエゾアクチュエータの斜視図である。
【図３】図２のピエゾアクチュエータのＡ−Ａ線での断面図である。
【図４】シンタリング後のピエゾアクチュエータを上から見た図である。
【図５】外部電極の領域が露出された後のピエゾアクチュエータを上から見た図である。
【図６】ピエゾアクチュエータの内部電極を上から見た図である。
【図７】ピエゾアクチュエータの内部電極を上から見た図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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