(57)【要約】【課題】高温であると同時に高圧である場合でも、とくに燃料と水分とに対して不透過性であり、したがってとくにディーゼルエンジンの燃料噴射弁の制御に適した圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】少なくとも１つの外表面を有する圧電アクチュエータ１０は、少なくとも１つの圧電セラミック層１８と少なくとも２つの電極２０、２２とを含む多層構造体を備えている。この圧電アクチュエータ１０の少なくとも１つの外表面１２、１２’、１４、１４’、１６は、少なくとも一部がガラスからなる保護材料２４で被覆されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの外表面（１２、１２’、１４、１４’、１６）を有するとともに、少なくとも１つの圧電セラミック層（１８）と少なくとも２つの電極（２０、２２）とを含む多層構造体を備えている圧電アクチュエータ（１０）等の圧電構成部品であって、
該圧電構成部品の上記少なくとも１つの外表面（１２、１２’、１４、１４’、１６）が、少なくとも一部分がガラスからなる保護材料で被覆されていることを特徴とする圧電構成部品。
【請求項２】
上記保護材料が、該保護材料によって被覆されている該圧電構成部品の熱膨張係数より小さい熱膨張係数を有していることを特徴とする、請求項１に記載の圧電構成部品。
【請求項３】
２０℃で測定される上記保護材料の熱膨張係数が、１０×１０−６／Ｋより小さく、好ましくは７．５×１０−６／Ｋより小さく、とくに好ましくは５×１０−６／Ｋより小さく、さらに好ましくは４×１０−６／Ｋより小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電構成部品。
【請求項４】
上記保護材料のガラス転移温度が、少なくとも２５０℃であり、好ましくは少なくとも３５０℃であり、とくに好ましくは少なくとも４５０℃であり、さらに好ましくは少なくとも５００℃であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧電構成部品。
【請求項５】
上記保護材料が、ホウケイ酸ガラス及び／又は石英ガラスを含み、又は、ホウケイ酸ガラス及び／又は石英ガラスからなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧電構成部品。
【請求項６】
上記ホウケイ酸ガラスが、６５〜８５重量％のＳｉＯ２と５〜２５重量％のＢ２Ｏ３とを含み、かつ、Ｎａ２Ｏと、Ｋ２Ｏと、ＣａＯと、ＭｇＯと、Ａｌ２Ｏ３と、ＰｂＯと、これらの化合物のうちの任意のものの組み合わせとで構成されるグループから選択された少なくとも１つの化合物を０〜１５重量％含むことを特徴とする、請求項５に記載の圧電構成部品。
【請求項７】
少なくとも２つの圧電セラミック層（１８）と少なくとも２つの内部電極（２０）とを含む多層構造体を備えている圧電アクチュエータ（１０）等の圧電構成部品であって、
上記各圧電セラミック層（１８）と上記各内部電極（２０）とが互いに交互に層状に並ぶように配列され、かつ、上記各内部電極（２０）が該圧電構成部品の少なくとも１つの側部表面（１２、１２’、１４、１４’）まで少なくとも局所的に伸びていて、
上記各内部電極が少なくとも局所的に伸びてきている該圧電構成部品の上記側部表面（１２、１２’、１４、１４’）のうちの少なくとも１つが、請求項１〜６のいずれか１つに記載の保護材料に関連する特徴を有する保護材料で被覆されていることを特徴とする圧電構成部品。
【請求項８】
圧電構成部品が実質的に平行六面体の形状に形成されていて、
該圧電構成部品の４つの側部表面（１２、１２’、１４、１４’）のうちの互いに背向する２つの側部表面（１２、１２’）が、それぞれ、内部電極（２０）に接続された１つの外部電極（２２）を有し、
該圧電構成部品の少なくとも２つの他の側部表面（１４、１４’）が、請求項１〜６のいずれか１つに記載の保護材料に関連する特徴を有する保護材料で被覆されていることを特徴とする圧電構成部品。
【請求項９】
該圧電構成部品がコモンレールアクチュエータであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の圧電構成部品。
【請求項１０】
圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータを製造する方法であって、
上記圧電構成部品の少なくとも１つの外表面（１２、１２’、１４、１４’、１６）が、請求項１〜６のいずれか１つに記載の保護材料に関連する特徴を有する保護材料を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１１】
上記保護材料が、石英ガラスを含み又は石英ガラスからなり、
上記石英ガラスを、シラン化合物の蒸発により、上記圧電構成部品の上記少なくとも１つの外表面（１６、１６’、１８、１８’）の上に供給し、
好ましくは上記シラン化合物が、テトラアルコキシシラン、テトラアルキルシラン及び／又はジハロゲンシランであり、とくに好ましくはテトラエトキシシラン及び／又はジクロロシランであることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ａ）少なくとも１つの圧電セラミック層（１８）と少なくとも２つの電極（２０）とを含む多層構造体の圧電構成部品の親物質を準備し、上記少なくとも１つの圧電セラミック層（１８）と上記各電極（２０）とを、互いに交互に層状に並ぶように配列するステップと、
ｂ）上記電極（２０）の端部が上記２つの側部表面（１４、１４’）の表面まで伸びて露出されるまで、互いに背向する上記親物質の２つの側面（１４、１４’）を研削するステップと、
ｃ）上記親物質を、少なくとも一部がガラスからなる保護材料で被覆するステップと、
ｄ）上記ステップｂ）で研削されなかった、互いに背向する上記親物質の他の２つの親物質の側部表面（１２、１２’）を研削し、これによりこれらの２つの側部表面（１２、１２’）の上の保護材料を再び除去するステップと、
ｅ）上記多層構造体の底面と上面（１６）との間に電界を生じさせながら第１の極性調整を実施するステップと、
ｆ）上記ステップｄ）で研削された上記２つの側部表面（１２、１２’）の各々に１つの外部電極（２２）を設けるステップと、
ｇ）上記２つの外部電極（２２）に電圧を印加することにより第２の極性調整を実施するステップとを含むことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの外表面を有するとともに、少なくとも１つの圧電セラミック層と少なくとも２つの電極とを含む多層構造体を備えている圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータに関するものである。さらに、本発明は、この種の圧電構成部品を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
既知の圧電アクチュエータは、典型的には、（内部）電極と圧電セラミック層とが交互に積層された構造を有している。ここで、個々の内部電極は、各場合において、その両側で圧電セラミック層によって囲まれている。そして、個々の圧電セラミック層は、各場合において、その両側で内部電極によって囲まれている（ただし、積層体の周縁部に配置された層は例外である）。ここで、それぞれ圧電セラミック層によって互いに分離されている隣り合う各内部電極は異なる極性を有している。例えば、積層体の第１番目、第３番目及び第５番目の内部電極は正の極性を有し、積層体の第２番目、第４番目及び第６番目の内部電極は負の極性を有している。このため、２つの互いに隣り合う内部電極間に電圧が印加されたときには電界が形成される。これは、例えば次のような構造によって実現される。すなわち、すべての２番目の（１つ置きの）内部電極の各端部は、原則的には平行六面体の形状をもつ圧電アクチュエータの第１の側面に配設され第１の外部電極として機能する金属層に電気的に接続される。また、他の内部電極の各端部は、第１の側部表面と反対側に位置し第２の外部電極として機能する圧電アクチュエータの第２の側部表面に配設された金属層と接触する。これらの２つの外部電極に電圧を印加することにより、個々の内部電極は交互に２極化（分極）させられる。このため、極性が異なる２つの内部電極間に配列された個々の圧電セラミック層はすべて電界にさらされる。個々の層の使用可能な長手方向の広がり（extent）の増加（multiplication）は、個々の圧電セラミック層内部電極層との層状の配列を増やすことによって実現される。このため、圧電セラミック層の数に応じて５００μｍまでの移動（displacement）を実現することができる。
【０００３】
内部電極の前記の配列構造に電圧を印加する際における電気短絡回路の発生を回避するために、極性が異なる個々の内部電極と外部電極とを互いに絶縁しなければならない。第１の極性の内部電極と、これとは反対の極性をもつ外部電極との間での短絡回路の発生を回避するために、個々の内部電極（該内部電極が接続されている同一の極性をもつ外部電極を有する側部表面から始まる）は、典型的には、それぞれ各外部電極が設けられた２つの側部表面の間の断面の全幅にわたっては伸びておらず、反対の極性をもつ第２の外部電極が配設されている、反対側に位置する側部表面から特定の距離（間隔）のところまで伸びているだけである。これにより、各場合において、外部電極が設けられた２つの側部表面の各々に、軸方向に伸びる各周縁領域が形成され、その中には１つの極性の内部電極が配置されているだけである。これらの周縁領域においては、外部電極間に電圧が印加されたときに電界は生成されず、このためこれらの周縁の層は圧電的に不活性である。
【０００４】
これらの圧電的に不活性な領域を、外部電極を備えた２つの側部表面の軸方向の周縁領域に限定するために、個々の内部電極は、これを横切る方向に伸びている。ここで、個々の内部電極は、外部電極を有しない側壁から、これと反対側に位置する側壁まで通り抜けて伸びている。このため、個々の内部電極は、外部電極を有していない圧電アクチュエータの側部表面の２つの表面の間を伸びて、そこで露出されている。極性が異なる隣り合う電極間のこれらの側部領域における電気短絡回路の発生を回避するために、これらの２つの側部表面には、典型的には、適当な保護材料からなる柔軟な誘電体のコーティングが設けられる。この目的を達成するためのこれらのコーティングとしては、例えばシリコーンゴム又はフッ化炭素樹脂が用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、既知の保護材料の絶縁特性は、全ての圧電アクチュエータに応用するには十分ではない。圧電アクチュエータがディーゼルエンジンにおける燃料噴射弁を開閉するために用いられる場合、例えば圧電構成部品は１５０℃までの温度及び２００〜２０００バールの噴射圧力にさらされる。この目的のために用いられる保護材料、例えばフッ素重合体は、明らかに、燃料及び水分（湿気）に対して比較的低い透過性を有している。それにもかかわらず、燃料及び水分のいずれに対しても完全に不透過性ではない。とくに、燃料中の水分の含有量が２００ｐｐｍを超える場合、既知の保護材料では、水分が保護層内を拡散して通り抜け、とくに極性が異なる隣り合う電極が露出されているところで、電気短絡回路が生じるおそれがある。
【０００６】
それゆえ、本発明の目的は、高温であると同時に高圧である場合でも、とくに燃料と水分とに対して不透過性であり、したがってとくにディーゼルエンジンの燃料噴射弁の制御に適した圧電アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する圧電構成部品（piezoelectric component）によって達成される。上記目的は、とくに、少なくとも１つの外表面を有するとともに、少なくとも１つの圧電セラミック層と少なくとも２つの電極とを含む多層構造体を備えていて、該圧電構成部品の少なくとも１つの外表面が、少なくとも一部分がガラスからなる保護材料で被覆されている圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータによって達成される。
【０００８】
本発明の構成（フレームワーク）においては、とくに圧電構成部品の操作時に保護材料のコーティングが恒常的に圧縮下におかれることが確実である場合、驚くべきことに、本質的にもろく破損しやすいガラスが、その操作時に寸法が変化する圧電構成部品のための保護材料としてとくに優れているということが発見された。さらに、本発明の構成（フレームワーク）においては、とくにディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて生じる高温状態においても、ガラスは燃料及び水分に対して化学的に抵抗性（耐性）を有するだけでなく、これらの化合物に対しても十分な不透過性を有するということが発見された。さらに、ガラスのコーティングはまた、これにより被覆された表面の良好な電気絶縁性を実現するのに十分な誘電特性を有する。かくして、圧電構成部品のとくに優れた絶縁性は、とくに極性が異なる内部電極が露出された圧電アクチュエータの側部表面を被覆することにより、本発明によって用いられるガラスで形成された保護材料でもって実現される。
【０００９】
本発明の有利な実施態様は、明細書中と、図面中と、特許請求の範囲中とに記載されている。
【００１０】
圧電構成部品の操作時に保護材料内にクラック（割れ目）が形成されるのを回避するために、本発明の技術思想（idea）のさらなる発展形においては、保護材料によって被覆されている圧電構成部品に比べて、熱膨張係数が小さい保護材料を用いることが提案される。これにより、保護材料を圧電構成部品における圧縮状態で問題なく用いることが確実化される。
【００１１】
ここで、（２０℃で測定される）保護材料の熱膨張係数が１０×１０−６／Ｋより小さいときにはとくに良好な結果が得られる。本発明で用いられる保護材料の熱膨張係数は、７．５×１０−６／Ｋより小さいのが好ましく、５×１０−６／Ｋより小さいのがとくに好ましく、４×１０−６／Ｋより小さいのがさらに好ましい。
【００１２】
さらに、本発明の構成（フレームワーク）においては、保護材料のガラス転移温度が、少なくとも２５０℃であるのが有利であり、少なくとも３５０℃であるのが好ましく、少なくとも４５０℃であるのがとくに好ましく、少なくとも５００℃であるのがさらに好ましいということが証明された。
【００１３】
上記の基準を満たすとくに優れたガラス材料は、とくにホウケイ酸ガラス及び石英ガラスである。この理由により、保護材料は、ホウケイ酸ガラス及び／又は石英ガラスを含んでいるのが好ましい。保護材料が上記化合物のうちの１つ又は上記の２つの化合物の混合物からなる場合は、とくに良好な結果が得られる。例えば、ホウケイ酸ガラスは、３×１０−６／Ｋの範囲内の低い熱膨張係数をもつことを特徴とし、高温かつ高圧の環境下においても薬品に対してとくに燃料及び水に対して高い耐性（抵抗性）をもつことを特徴とする。さらに、ホウケイ酸ガラスは、０．２４Ｎ／ｍｍ２Ｋのとくに優れた熱抵抗性（熱耐性）をもつ。このため、ホウケイ酸ガラスは、温度変化及び熱的衝撃（サーマルショック）に対して十分な抵抗性をもつ。本発明に係る発見ないしは知見によれば、石英ガラスもまた同様に、保護材料としてとくに優れた特性をもつ。
【００１４】
本発明の技術思想のさらなる発展形においては、６５〜８５重量％のＳｉＯ２と５〜２５重量％のＢ２Ｏ３とを含み、かつ、Ｎａ２Ｏと、Ｋ２Ｏと、ＣａＯと、ＭｇＯと、Ａｌ２Ｏ３と、ＰｂＯと、これらの化合物のうちの任意のものの組み合わせとで構成されるグループから選択された少なくとも１つの化合物を０〜１５重量％含む、保護材料中のホウケイ酸ガラスを用いることが提案される。
【００１５】
とくに、アルカリ土類金属を含まないホウケイ酸ガラスについては、薬品に対してとくに高い抵抗性（耐性）をもち、かつとくに低い熱膨張係数をもつといったとくに良好な結果が得られた。典型的には、アルカリ土類金属を含まないホウケイ酸ガラスは、１２〜１３重量％のＢ２Ｏ３と、少なくとも８０重量％のＳｉＯ２とを含有している。商業的に入手することができるこの種のホウケイ酸ガラスの具体例としては、ドイツのショット・マインツ社（Schott Mainz）によるデュラン（登録商標：Duran）が挙げられる。
【００１６】
本発明のさらなる主題（subject）は、少なくとも２つの圧電セラミック層と少なくとも２つの内部電極とを含む多層構造体を備えている圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータである。この圧電構成部品においては、各圧電セラミック層と各内部電極とが互いに交互に層状に並ぶように配列されている。ここで、積層体（stack）の上側及び下側の周縁層を除けば、各圧電セラミック層は２つの内部電極によって囲まれ、各内部電極は２つの圧電セラミック層によって囲まれている。そして、各内部電極は、圧電構成部品の少なくとも１つの側部表面まで少なくとも局所的（regionally）に伸びている。圧電セラミック層によって互いに分離されている２つの隣り合う内部電極間における電気短絡回路の発生を回避するために、本発明によれば、各内部電極が少なくとも局所的に伸びてきている少なくとも１つの側部表面が、少なくとも一部分がガラスからなる本発明に係る保護材料で被覆される。
【００１７】
典型的には、例えば図１に示すように、原則的には平行六面体である圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータの交互の各電極は、互いに異なる極性を有している。このため、第１番目、第３番目、第５番目、第７番目等の内部電極は、圧電構成部品の第１の側部表面に配設され、かつ例えば正の極性の電源に接続された第１の外部電極に接続されている。他方、第２番目、第４番目、第６番目、第８番目等の内部電極は、上記第１の側部表面と反対側の側部電極に配設され、かつ例えば負の極性の電源に接続された第２の外部電極に接続されている。外部電極と、該外部電極とは極性が異なる内部電極との間における電気短絡回路の発生を防止するために、個々の内部電極は、それぞれ外部電極を有している２つの側壁によって形成される横断面の全幅にわたっては伸びておらず、極性が同一である外部電極を備えた側部表面から、圧電構成部品の反対側に配置された側部表面からある距離のところまで伸びているだけである。これにより、各場合においてその中に１つの極性の内部電極だけが存在する圧電的に不活性な周縁領域が、外部電極を備えた２つの側部電極の２つの周縁領域に形成される。これと対照的に、従来の圧電構成部品の内部電極は、横断面の全幅わたって外部電極を有していない２つの他の側部表面の間で伸びている。このため、対応する側部表面における極性が異なる内部電極は、これらの間に配置された圧電セラミック層によってのみ互いに分離された状態で、露出される。とくにこれらの側部表面において、さらにとくに高温及び／又は高圧の状態において、電気短絡回路の発生を確実に回避するため、本発明の技術思想のさらなる発展形においては、少なくとも一部分がガラスからなる保護材料を備えた外部電極を有していない少なくとも２つの側部表面を被覆することが提案される。
【００１８】
本発明の特定の実施態様によれば、圧電構成部品は、コモンレールアクチュエータである。
【００１９】
さらに、本発明は、圧電構成部品、とくに圧電アクチュエータを製造する方法であって、圧電構成部品の少なくとも１つの外表面が、本発明に係る保護材料で被覆されている方法に関するものである。
【００２０】
本発明の技術思想のさらなる発展形においては、圧電構成部品の少なくとも１つの側部表面を、ホウケイ酸ガラス及び／又は石英ガラスを含み、又は、ホウケイ酸ガラス及び／又は石英ガラスからなる保護材料で被覆することが提案される。前記の２つの材料の薬品に対する低い熱膨張係数及び良好な抵抗性（耐性）に起因して、圧電構成部品の動作時における保護層でのクラックの形成を確実に回避することができる。
【００２１】
ここにおいて、少なくとも１つの外表面に対する保護材料の供給は、当業者に知られているどのような方法を用いて行ってもよい。保護材料が石英ガラスを含み、又は、石英ガラスからなる場合は、シラン化合物が熱分解してシリカ（ケイ石）を形成する温度で、圧電構成部品の少なくとも１つの外表面へのシラン化合物の蒸発（evaporation）により実施するのが好ましい。この目的を達成するために、熱的に十分に不安定であり、対応する温度で分解してシリカを形成するすべてのシラン化合物を用いることができる。このようなシラン化合物としては、これに限定される訳ではないが、例えばテトラアルコキシシラン、テトラアルキルシラン及びジハロゲンシランが挙げられる。とくに好ましいシラン化合物は、テトラエトキシシラン（TEOS）及びジクロロシランである。
【００２２】
例えば、１１００℃でテトラエトキシシラン又はジクロロシランを蒸発させて圧電構成部品の表面を被覆する場合、テトラエトキシシラン又はジクロロシランは、下記の式で示すように分解してシリカを形成する。
Ｓｉ(Ｃ２Ｈ５Ｏ)４→ＳｉＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋４Ｃ２Ｈ４
２ＳｉＨ２Ｃｌ２＋２ＮＯ２→２ＳｉＯ２＋４ＨＣｌ＋Ｎ２
【００２３】
従来の圧電構成部品における問題は、該圧電構成部品が、圧電的に不活性な周縁領域の領域において破損が生じやすいということである。これは、これらの周縁領域には１つの極性の電極しか存在せず、このためこれらの領域内の極性による電界が形成されず、したがってこれらの領域では結晶子（晶子）が２極化（分極）されないということに起因する。しかしながら、圧電構成部品のこれらの領域における破損は、必然的に保護材料のコーティングに機械的応力（ストレス）を生じさせる結果となり、保護材料にクラックを生じさせる結果となる。これを防止するために、本発明の特定の実施態様によれば、少なくとも周縁領域における結晶子の特定の方向付け（orientation）を実現するために、製造時に２つの異なるステップで圧電構成部品を２極化（分極）させることが提案される。これは、例えば下記のステップを含む方法によって実現することができる。
ａ）  少なくとも１つの圧電セラミック層と少なくとも２つの電極とを含む多層構造体の圧電構成部品の親物質（parent substance）を準備し、少なくとも１つの圧電セラミック層と各電極とを、互いに交互に層状に並ぶように配列させるステップ。
ｂ）  電極の端部が２つの側部表面の表面まで伸びてそこで露出されるまで、互いに背向する親物質の２つの側面を研削（研磨）するステップ。
ｃ）  親物質を、少なくとも一部分がガラスからなる保護材料で被覆するステップ。
ｄ）  ステップｂ）で研削されなかった、互いに背向する親物質の他の２つの親物質の側部表面を研削し、これによりこれらの２つの側部表面の上の保護材料を再び除去するステップ。
ｅ）  多層構造体の底面と上面との間に電界を生じさせながら第１の極性調整を実施するステップ。
ｆ）  ステップｄ）で研削された２つの側部表面の各々に１つの外部電極を設ける（接続する）ステップ。
ｇ）  ２つの外部電極に電圧を印加することにより、第２の極性調整を実施するステップ。
【００２４】
多層構造体の上面と底面との間において第１の２極化を実施するときに、ステップｅ）で電圧を印加する際に、圧電構成部品の全横断面にわたって、とくに側部表面の軸方向の周縁領域に均一な電界（電場）が形成される。これにより、周縁領域における圧電セラミック層もまた、少なくとも特定の程度まで２極化される。かくして、結晶子のより均一な方向付けが実現される。圧電構成部品の横断面表面にわたってみれば、圧電構成部品の周縁領域における破損しやすい傾向は低減される。ステップｅ）及びステップｇ）における特徴に係る第１及び第２の２極化の実施手法は、参照のため本明細書に導入され、本明細書の一部とみなされる国際公開第０３／１０５２４７号パンフレットに詳細に記載されている。
【００２５】
外部電極の形成（application）は、好ましくは、ステップｆ）において、２つの側部表面に対して、圧電セラミック材料のキュリー温度より低い温度で気相（ガスフェイズ）から金属を堆積（蒸着）させることにより行われる。この堆積は、例えば、スパッタリング技術又はアーク蒸発（arc evaporation）により実施することができる。
【００２６】
本発明に係る方法のステップｇ）における第２の２極化は、ステップｆ）における２つの外部電極形成の直後に、又はこれより後の時点で実施することができる。第２の２極化は、圧電構成部品を完全に組み立てた後においてだけ実施するのが好ましい。なぜなら、圧電構成部品は、この時点で、損傷作用（damaging influences）に対して最も良く保護されるからである。とくに、第２の２極化を流体静力学的に（hydrostatically）実施して、第２の２極化において圧電構成部品の全体が加圧（圧縮）された状態に維持されることを確実化するのが有利であるということが証明された。
【００２７】
圧電アクチュエータを燃料噴射システムに用いる場合、第２の２極化は、圧電アクチュエータを燃料噴射弁に取り付けた後で実施するのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の単なる例示として、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００２９】
図１に模式的に示すように、圧電アクチュエータ１０は、平行六面体の形状に形成され、４つの側部表面１２、１２’、１４、１４’と、底面と、上面１６とを有している。この圧電アクチュエータ１０においては、圧電セラミック材料１８の層と内部電極２０の層とが交互に配列されている。ここで、個々の層１８、２０は、互いに交互に層状に並ぶように配列されている。そして、最上層及び最下層を除けば、各圧電セラミック層１８は２つの内部電極２０によって囲まれ、各内部電極２０は２つの各圧電セラミック層１８によって囲まれている。
【００３０】
金属層からなる外部電極２２は、各場合において、平行六面体の形状の圧電アクチュエータ１０の、互いに背向するように位置する２つの側部表面１２、１２’に設けられている。個々の内部電極２０は、各場合において、２つの外部電極２２の一方に接続されている（底部から頂部に向かってみれば）。かくして、下側からみれば、第１番目、第３番目、第５番目等の内部電極２０は、側部表面１２に設けられた外部電極２２に接続されている。他方、第２番目、第４番目、第６番目等の内部電極２０は、側部表面１２に背向するように位置する側部表面１２’に配設された外部電極２２に接続されている。２つの外部電極２２に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ１０（圧電構成部品）の個々の内部電極２０の間に電界を形成することができる。この場合、隣り合う２つの圧電セラミック層１８における個々の電界は、各場合において、内部電極２０の交互に変わる極性に起因して、異なる方向に方向付けられる。
【００３１】
個々の内部電極２０と、これと反対の極性に２極化（分極）された外部電極２２との間での電気短絡回路の発生を防止するために、これらの個々の内部電極２０（該内部電極２０が接続された一方の外部電極２２から始まる）は、反対の極性に２極化された他方の外部電極２２が配設された側部表面１２、１２’、すなわち上記一方の外部電極２２が配設された側部表面と背向する外部電極側部表面１２、１２’まで通り抜けては伸びておらず、そこからある特定の距離のところで終端している（図１の側部表面１４’参照）。内部電極２０の交互に変わる配列構造に起因して、側部表面１２、１２’には軸方向に伸びる周縁領域が形成され、各場合において、それらの中には１つの極性の電極が存在するだけである。
【００３２】
これと対照的に、個々の内部電極２０は外部電極２２を備えていない他の２つの側部表面１４、１４’によって形成される断面間ではその全長にわたって伸びている。このため、個々の内部電極２０は、側部表面１４、１４’の表面に露出され、各場合において、隣り合う２つの内部電極２０は異なる極性をもつ。側部表面１４、１４’の表面に露出している極性が互いに異なる個々の内部電極２０の間に電気短絡回路が生じるのを回避するために、各場合において、２つの側部表面１４、１４’の上に、少なくとも一部分がガラスからなる保護材料のコーティング２４が設けられる。図１中においては、側部表面１４、１４’の上のコーティング２４は、破線及びハッチングで示されている。
【００３３】
図２は、本発明に係る保護層を有しない従来の圧電アクチュエータ１０の熱膨張の温度に対する依存性を示している。図２から明らかなとおり、従来の圧電アクチュエータ１０では、０℃から１１００℃まで加熱すると、０．５９％膨張し、１１００℃から０℃まで冷却すると、同じ量だけ収縮する。
【００３４】
圧電アクチュエータ１０と比べれば、本発明において用いられるガラスの保護材料の熱膨張係数はかなり小さく、例えばホウケイ酸ガラスの場合はほぼ３×１０−６／Ｋである。例えば保護材料が１１００℃で気相堆積（気相蒸着）により圧電アクチュエータ１０に供給されるものと仮定すれば、ガラスのコーティングは、１１００℃から０℃まで冷却する際に、０．５９％圧縮されることになる。
【００３５】
圧電アクチュエータ１０の２極化時に、２極化の軸に沿う圧電アクチュエータ１０（圧電構成部品）の最大の伸縮ないしは引き伸ばし（stretching）はほぼ０．２％であり、２極化の後における残りの引き伸ばし（伸縮）はほぼ０．１１％である。ここで、本発明において用いられるガラスの保護材料のコーティングが１１００℃で圧電アクチュエータ１０の側部表面１４、１４’に形成されるものと仮定すれば、熱膨張係数の相違に起因して、２極化過程の実施時の全体において、ガラスのコーティングは圧縮された状態を維持する。そして、２極化の後における残りの引き伸ばしより小さい異なる熱膨張係数によって惹起される引き伸ばし（伸縮）により、２極化過程の終わりに、ほぼ０．４８％の圧縮で終了する。
【００３６】
ディーゼルエンジンの噴射システムの圧電アクチュエータ１０の動作時においては、圧電アクチュエータ１０は、セラミック多層構造及びガラス保護層の両方を圧縮する噴射圧力にさらされる。２００バールでは、セラミック材料は０．０２３％圧縮され、したがってこの圧縮は２０００バールではほぼ０．２３％となる。その結果、圧電アクチュエータ１０の上のガラスの保護層は、２００バールではほぼ０．４８％圧縮され、２０００バールではほぼ０．７１％圧縮される。
【００３７】
保護層で被覆された圧電アクチュエータ１０が、対応する電圧の印加により１００μｍの移動（displacement）又は行程（stroke）が起こるように設定された場合、長手方向（縦方向）の伸長方向の収縮は、結果的には、動作圧力及び熱膨張係数の相違により惹起される圧縮よりもかなり小さく、ほぼ０．１２５％となる。その結果、保護層は、すべての圧力において圧縮された状態を維持し、その圧縮は、平均ではほぼ０．３５％となる。これにより、圧電アクチュエータ１０の動作時における保護層２４におけるクラックの発生は、確実に回避される。
【００３８】
さらに、とくに極性が異なる電極が露出されている側部表面における、圧電アクチュエータ（圧電構成部品）における電気短絡回路の発生は、少なくとも一部分がガラスからなる本発明において用いられる保護材料により、確実に防止される。薬品、とくに燃料及び水に対するガラスの良好な抵抗性（耐性）、及び、ガラスの低い熱膨張係数は、この点においてとくに有利な効果を生じさせる。さらに、ガラスは、その極めて良好な結合性（bonding capability）に起因して、圧電アクチュエータ（圧電構成部品）を堅固に固定（拘束）することができる。さらに、比較的薄いガラス層は、圧電アクチュエータ（圧電構成部品）から、これを囲んでいる媒体、例えば噴射システム内の燃料への効果的な熱移動を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】保護コーティングを備えた圧電アクチュエータの斜視図である。
【図２】圧電構成部品の伸縮の温度に対する依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１０  圧電アクチュエータ、１２  外部電極を備えた側部表面、１２’  外部電極を備えた側部表面、１４  外部電極を備えていない側部表面、１４’  外部電極を備えていない側部表面、１６  上面、１８  圧電セラミック材料、２０  内部電極、２２  外部電極、２４  保護材料のコーティング。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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