JP2008205474A - 多層圧電セラミックアクチュエータ、および多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法 - Google Patents

多層圧電セラミックアクチュエータ、および多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法 Download PDF

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Abstract

【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

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 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。 セキュリティ層の微細構造を概略的に表す図である。 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
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

Claims (12)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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