(57)【要約】例えば機械的な構成部分を操作するためのピエゾアクチュエータを提案する。ここでこのピエゾアクチュエータにはピエゾ層（２）から成る多層構造体が設けられており、圧電性アクティブ領域（Ａ）内に、層の間に配置された内部電極（３，４）を介して電圧が印加可能である。インアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）がピエゾアクチュエータ（１）の層構造内に設けられており、ここで少なくともヘッド部分およびベース部分は、内部電極を有していないインアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）として次のような材料から構成されている。すなわち、インアクティブ領域の誘電率（ε'３３）が、アクティブ領域（Ａ）の誘電率（ε３３）より低くなるような材料から構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータであって、
ピエゾ層（２）から成る多層構造体と、
圧電性アクティブ領域（Ａ）と、
電圧が印加される、層の間に配置された内部電極（３，４）と、
前記ピエゾアクチュエータ（１）のヘッド部分およびベース部分にある、内部電極を有していないインアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）を有している形式のものにおいて、
インアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）である少なくともヘッド部分およびベース部分の誘電率（ε'３３）は、前記アクティブ領域（Ａ）の誘電率（ε３３）より低い、
ことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
前記インアクティブ（Ｂ，Ｃ）領域およびアクティブ領域（Ａ）は、同じセラミック基本物質から製造されており、
前記インアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）内には、最小誘電率（ε'３３）が生じるように付加的なドーピング物質が添加されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
前記基本物質はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、前記ドーピング物質は銀である、請求項２記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
前記複数のインアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）の層厚（ｄＢ，ｄＣ）は同じである、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】
前記インアクティブ領域（Ｂ，Ｃ）は、最小誘電率（ε'３３）が生じるように印加された電界を伴う、電気的に極性化されたセラミックから成る、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載された、例えば機械的な構成部分を操作するためのピエゾアクチュエータに関する。
【０００２】
例えばＤＥ１９９２８１８９Ａ１号から、いわゆるピエゾ効果を利用して、バルブのニードルストロークを制御するピエゾ素子または適切な結晶構造を有する材料からピエゾ素子を構成することが公知である。外部電圧を印加すると、ピエゾ素子が機械的に反応する。この反応は、結晶構造および電圧の印加領域に依存して、所定の方向における押圧または引っ張りとなってあらわれる。
【０００３】
ストローク作用が非常に迅速かつ正確に調整可能であるので、この種のピエゾアクチュエータは、調整部の構造、例えば自動内の燃料噴射システムでのスイッチングバルブの駆動制御のために設けられる。ここでは電圧または負荷によって制御されるピエゾアクチュエータの変位が制御バルブのポジショニングのために使用される。この制御バルブは同じように、ノズルニードルのストロークを調整する。
【０００４】
ピエゾアクチュエータを操作するために必要な電界強度は数ｋＶ／ｍｍの領域にあり、通常は適度な電圧が駆動制御に望まれるので、このようなピエゾアクチュエータの構成はここでは複数の層で行われる。これらの層は、相互に重なって積層された金属化されたピエゾセラミックから成り、いわゆるマルチレイヤーアクチュエータに成る。これに加えて、各層の間には、例えばプレス方法で取り付けられる内部アクチュエータが設けられ、外部電極が設けられている。この外部電極を介して電圧が印加される。このような層を製造するための典型的な方法は、フィルムキャスチング技術（Foliengiesstechnik）である。個々の層はここでは、内部電極を製造するために金属化され、相互に積層される。ここでこの場合には、異なる極性の内部電極を有する２つの層の間でピエゾ効果が作用する。
【０００５】
しかしヘッド領域およびベース領域には通常、内部電極はない。なぜなら一方では、外部へ向けての短絡を回避するために端面に向かってある程度の絶縁区間が必要であり、他方では、外部電極の電気的接続端子のためにパッシブ領域が使用されるからである。パッシブ領域をピエゾアクチュエータの中央に設けることもできる。しかしこの場合には次のような問題が生じる。すなわち、このようなパッシブ層がカバーパケット（Deckpakete）として、電気的なアースに対する寄生容量またはノイズ容量となるという問題が生じる。このような寄生容量またはノイズ容量は自動車またはその他の用途において電磁放射につながる恐れがある。
【０００６】
ＤＥ１００２５９９８Ａ１号から、層構造体の両方の端部にパッシブな、長さが可変なパッシブ領域が配置されることが公知である。この公知のピエゾアクチュエータでは一方ではパッシブ層はアクティブ領域と同じセラミック材料から構成されている。しかし電気的には片側だけ接触している、または完全に接触していない外部電極を有し、これによって、インアクティブ領域にも内部電極金属層が入れられる。他方では各インアクティブ領域は完全に電気的に絶縁された金属ブロックまたはセラミックブロックであり、これは例えばピエゾ電気性のアクティブな領域上に容易に接着される。
【０００７】
発明の利点
冒頭に記載したピエゾアクチュエータは、上述したように、ピエゾ層から成る多層構造体から成り、ピエゾ電気性のアクティブ領域では層の間に配置された内部電極によって構成されており、層ごとに交互になっている内部電極の接触接続部が、電圧を印加するために設けられている。さらに少なくとも１つのインアクティブ領域（例えばカバーパケットとしてのフット部分および／またはベース部分）がアクティブ領域の端部または内部にも、ピエゾアクチュエータの層構造体における全構造長の領域において設けられる。
【０００８】
有利には本発明のピエゾアクチュエータでは、インアクティブ領域である少なくともヘッド部分またはベース部分の誘電率がアクティブ領域の誘電率よりも低い。有利にはインアクティブ領域およびアクティブ領域は同じセラミック基本物質から製造される。この場合にはインアクティブ領域内には付加的なドーピング物質が、ここで最小の誘電率が生じるように添加されている。基本物質は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ドーピング物質は銀である。
【０００９】
有利な実施形態では、インアクティブ領域の層の厚さはヘッド部分および／またはベース部分で同じである。別の実施形態では、インアクティブ領域は、最小の誘電率が生じるように印加された電界を伴う、電気的に極性化されたセラミックから成る。
【００１０】
本発明の利点は殊に、まずはピエゾアクチュエータのアクティブ領域が所定のピエゾセラミックによって侵害されていないままである、すなわちアクティブな調整素子のアイドリングストローク、ブロック力等の特性量が変化せずに残るということである。本発明の材料選択、幾何学的形状またはヘッド部分および／またはベース部分でのカバーパケットの極性状態によって、ヘッド部分および／またはベース部分での寄生容量Ｃｐａｒａが最小化される。
【００１１】
図面
本発明に相応するピエゾアクチュエータの実施例を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１はピエゾセラミック層とアクティブ領域とインアクティブ領域から成る多層構造を有するピエゾアクチュエータの断面であり、
図２は、インアクティブ領域を、同じ極性を有するアクティブ領域の内部電極に結合させたときにピエゾアクチュエータに生じる容量の電気的な等価回路図であり、
図２は、インアクティブ領域を、同じでない極性を有するアクティブ領域の内部電極に結合させたときにピエゾアクチュエータに生じる容量の電気的な等価回路図であり、
図３は、インアクティブ領域の層厚の特定の割合での寄生容量の経過特性である。
【００１３】
実施例の説明
図１にはピエゾアクチュエータ１が示されている。これはそれ自体公知の方法で、適切な結晶構造を有するセラミック材料（例えばいわゆるグリーンフィルム）から成るピエゾ層２から構成されている。従って、外部の電気的な直流電圧が内部電極３および４に、外部接触接続電極５および６を介して印加されると、いわゆるピエゾ効果を使用してピエゾアクチュエータ１は機械的に反応する。
【００１４】
ピエゾアクチュエータ１は、ピエゾ電気性アクティブ領域Ａと、ヘッド終端部およびベース終端部に取り付けられた、カバーパケットであるインアクティブないしパッシブ領域ＢおよびＣに分けられる。アクティブとはこの関連において次の領域をあらわしている。すなわち、交互の極性を有する内部電極３および４が混入されており、最終的には、動作に望まれている、ピエゾアクチュエータ１の長手方向の全体的な伸張に寄与する領域をあらわしている。
【００１５】
本発明の実施例では、マルチレイヤーピエゾアクチュエータ１は次のように構成されている。すなわちセラミック層の材料組成がアクティブ領域Ａとパッシブ領域ＢおよびＣにおいて異なっているように構成されている。従って、グリーンフィルム製造自体に２つのセラミック種類が必要である。これらは例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）に基づいた、異なって処理されたセラミック種類であり得る。共通の、基礎となる基本物質上のこのような、または他のセラミックは、適切なドーピング物質（例えば銀）を加えることによって相応に変えられるまたは整合される。
【００１６】
アクティブ領域Ａにおけるセラミックは、ε３３の誘電率を有している。ここで領域ＢまたはＣの誘電率ε'３３は次のように選択される。すなわち式ε'３３＜＜ε３３が当てはまるように選択される。図１に記載された領域ＢおよびＣのセラミックは次のように選択または修正される。すなわちいずれにせよ誘電率ε'３３が最小化されるように選択または修正される。
【００１７】
領域ＢまたはＣの寄生容量ＣＢおよびＣＣは、層の厚さｄＢおよびｄＣに依存して次式のようになる。
【００１８】
【数１】
2006527486.tif 000002
【００１９】
ここでＡはアクティブな面積をあらわしている。
【００２０】
本発明の実施例はここで次の可能性を含む。すなわち、ヘッド部分Ｂおよびベース部分Ｃへ向かう最後に接続された内部電極層３または４が、同じまたは異なる極性で選択される可能性を含む。
【００２１】
第１の場合には図２に示された等価回路図になり、第２の場合には、図３に示された等価回路図になる。ここでピエゾアクチュエータ１の構成の電気的な整合に応じて、２つの形態のうちの１つが有利である。
【００２２】
図２に記載されたように内部電極３と４を結合させる場合には、寄生容量ＣＢおよびＣＣを最小化するためのさらなる最適化方法が生じる。通常は、ピエゾアクチュエータ１は固定された全長を有しているので、各パッシブ領域ＢまたはＣに対してある程度の長さｄＢ+ｄＣ＝ｄｇｅｓが使用可能である。従って図４に示された、寄生容量ＣＢおよびＣＣの特性１０はＣｐａｒａとして生じる。殊にｄＢ＝ｄＣ＝ｄｇｅｓ／２を選択した場合、Ｃｐａｒａ＝ＣＢ+ＣＣに対して最小値が得られる。
【００２３】
従って本発明は明確に、対称的なカバーパケットＢおよびＣをヘッド部分およびベース部分に有するピエゾアクチュエータ１を含む。殊に、カバーパケットＢおよびＣがアクティブ領域Ａと同じセラミック材料から成る場合にも、この幾何学的形状効果によって最小化が機能する。
【００２４】
ここでは図示されていないアスペクトは、カバーパケットＢおよびＣの少なくとも部分的な極性化による寄生容量Ｃｐａｒａの整合に関する。特別な電気的整合に対して、ある程度の寄生容量ＣｐａｒａをカバーパケットＢおよびＣで調整したい場合には、これは誘電率ε'３３の整合を介して、殊にカバーパケットＢおよびＣの極性状態を介して行われる。極性化されていなセラミックは、極性化されたセラミックの約半分の誘電率しか有していないので、適切な電界を印加することによって寄生容量Ｃｐａｒａが実質的に調整される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ピエゾセラミック層とアクティブ領域とインアクティブ領域から成る多層構造を有するピエゾアクチュエータの断面をあらわす図。
【図２】インアクティブ領域を、同じ極性を有するアクティブ領域の内部電極に結合させたときにピエゾアクチュエータに生じる容量の電気的等価回路図。
【図３】インアクティブ領域を、同じでない極性を有するアクティブ領域の内部電極に結合させたときにピエゾアクチュエータに生じる容量の電気的等価回路図。
【図４】インアクティブ領域の層厚の特定の割合での寄生容量の特性をあらわす図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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