JP2013519223A - 圧電コンポーネント - Google Patents

Abstract

本発明は圧電コンポーネント（１）に関し、該圧電コンポーネント（１）内において、クラック（２３）を制御した状態の下で発生及び案内させるための計画破断層（５）を備える。この計画破断層（５）は、積層方向（２０）において、互いに隣接する２つの電極層（３，４，３１，４１）間に介在させる。これら２つの電極層（３，４，３１，４１）間における間隔ｄ_２は、互いに隣接し、かつ中間に計画破断層５を介在させない２つの電極層（３，４）間の間隔ｄ_１よりも大きいものとする。
【選択図】図４

Description

本発明は、計画破断層を備える圧電コンポーネントに関し、該計画破断層は、コンポーネント内におけるクラック（亀裂）の発生及び伝播を制御するよう機能する。本発明のコンポーネントは例えば圧電アクチュエータとして構成し、この圧電アクチュエータは、車両における噴射バルブを作動させるために使用することができる。

特許文献１（独国特許出願公開第１０３０７８２５号）には圧電アクチュエータが記載され、この圧電アクチュエータを構成するスタック（積層体）内には、セラミック製の計画破断層を配置する。

特許文献２（国際公開第２００９／０９２５８４号）には圧電アクチュエータが記載され、この圧電アクチュエータにおいては、金属製の犠牲層により、計画破断層を形成する。

独国特許出願公開第１０３０７８２５号明細書 国際公開第２００９／０９２５８４号パンフレット

本発明の課題は、高い信頼性を備える圧電コンポーネントを得ることにある。

本発明は圧電コンポーネントを提供し、該圧電コンポーネントは、圧電層及びこれら圧電層間に介在させた電極層で構成するスタックを備える。このスタックは、コンポーネント内において、クラックを制御した状態の下で発生及び案内させるための少なくとも１つの計画破断層を有する。

例えば圧電コンポーネントは、圧電アクチュエータとして構成する。電極層に電圧を印加した場合、圧電層が積層方向に膨張し、従ってアクチュエータのストロークが生ずる。

圧電層はセラミック材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を含有することができる。コンポーネントの製造においては、圧電性のグリーンシート使用することができ、これらグリーンシート上には、スクリーン印刷法により電極層を形成するため、金属ペーストを塗布する。例えばこの金属ペーストは、銅ペースト、銀ペースト、又は銀及びパラジウムの混合ペースト若しくは合金ペーストを使用することができる。シートは積層し、プレスし、また一緒に焼結し、これにより一体的な焼結体を構成する。

例えば電極層は、積層方向に見て、スタックにおける一方の外側面まで交互に達するよう配置し、他方の外側面に対しては離間させる。電極層に電気的に接触するため、互いに対向する外側面に、例えばベースメタライジング層とした外部電極を形成することができ、これら外部電極により、それぞれの外側面まで達する電極層に接続する。これら外部電極を介して、互いに隣接する電極層の間に電圧を印加することができる。

圧電コンポーネントの作動時においては、圧電コンポーネント内に機械的応力が生じ、このことに起因してクラックが生ずるおそれがある。さらに製造時、例えば圧電材料の分極化又は他の熱処理工程に際しても、コンポーネント内にクラックが生ずるおそれがある。生じたクラックが、異なる極性を有する複数の電極層を貫通するよう伝播した場合、短絡が生ずる可能性があり、このような短絡がコンポーネントの故障につながるおそれがある。

スタック内に１つ又は複数の計画破断層を配置することにより、上述したようなクラックによるコンポーネントの故障のリスクを低減することが望ましい。このために、計画破断層により、クラックをコンポーネント内に制御した状態で生じさせ、これらクラックが異なる極性を有する複数の電極層を貫通しないよう案内する構成とする。制御した状態でクラックを生じさせることにより、コンポーネント内の機械的応力を選択的に低減することが可能となる。

好適には、計画破断層は、クラックがコンポーネント内における所定箇所でのみ生ずるよう構成し、かつクラックを電極層に対して平行な平面にのみ伝播させる。特に好適には、計画破断層は、これら計画破断層に隣接する材料に比べて低い機械的応力を有し、従ってクラックは高確率で計画破断層内に生じ、かつ計画破断層内でのみ伝播する構成とする。

好適な一実施形態において、計画破断層は、圧電材料を含有する。

例えば計画破断層は、スタック内の圧電層と同一材料を含有する。この場合、コンポーネントを特に安価に製造することが可能である。なぜなら、計画破断層は、コンポーネントにおける他の圧電層と同一材料のだけで形成できるからである。

好適には、計画破断層は、他の圧電層よりも高い多孔性を有する構成とする。

層の多孔性は、層の体積に対する空孔の容積率により算出される。より高い多孔性を有する計画破断層は、例えばバインダの含有量を増加したグリーンシートにより形成することができる。焼結前に、バインダを脱炭工程により除去することで、バインダが含有されていた層内の箇所に孔が残留する。バインダの含有量を増加することにより、多孔性、例えば層内における孔の大きさや個数を増大することができる。

計画破断層は、積層方向において、互いに隣接する２つの電極層間に配置し、これら電極層は、電圧を印加すると異なる極性を示す。該２つの電極層における間隔ｄ_２は、互いに隣接し、かつ中間に計画破断層を介在させない２つの電極層間の間隔ｄ_１に比べて大きくする。

互いに隣接しかつ中間に計画破断層を介在させた、異なる極性を有する電極層間におけるスタック領域において、コンポーネントの機能が発揮される。コンポーネントを圧電アクチュエータとして構成した場合、上述のスタック領域において、アクチュエータのストロークが生ずる。

上述した２つの電極層間のより大きな間隔ｄ_２により、これら電極層間における電界強度は、間隔ｄ１とした電極層間における電界強度よりも弱い。電界強度Ｅであって、間隔ｄで配置し、かつ異なる極性を有する電極層間における電界強度Ｅは、印加電圧ＵによりＥ＝Ｕ／ｄで算出される。電界強度の低下により、スタック内に侵入する異物、例えば水分、燃料、潤滑剤又は被覆材料の構成成分によるコンポーネントにおける損傷のリスクを低減できる。例えばこれらの物質は、多孔性の計画破断層における孔内又は計画破断層に生じたクラック内に侵入し、コンポーネントの損傷につながるおそれがある。強い電界強度により、極性を有する異物が計画破断層内又は生じたクラック内に侵入し易くなる。コンポーネント内に侵入した異物は、強い電界強度の影響により、コンポーネントの変形や破損、例えば圧電層内の材料における破損につながるおそれがある。

電界強度の低下により、異物侵入を回避する他のコストのかかる措置が不要となる。例えばコンポーネントを、コストのかかる被覆部を設けずに構成することができ、例えば計画破断層を均質に形成し、異物侵入を回避する付加的な構造を設ける必要がなくなる。

互いに隣接し、かつ中間に計画破断層を介在させる２つの電極層間の間隔を適切に設定することにより、一方でコンポーネントが故障するリスクを低減し、他方でスタックにおけるこれらの領域においてもコンポーネントの機能を発揮させることが可能となる。例えば圧電アクチュエータであって、異なる極性を有する２つの電極層間に１つ以上の計画破断層を備える圧電アクチュエータのストロークは、同一極性を有する２つの電極層の間に計画破断層を備える同一長さの圧電アクチュエータのストロークに比べて、より大きい。後者の圧電アクチュエータにおいては、２つの電極層における領域間に電界が発生せず、従ってアクチュエータのストロークに寄与することはない。

コンポーネントの一実施形態においては、間隔ｄ_１及びｄ_２に、ｄ_２＞２ｄ_１の関係が成り立つものとする。

この実施形態においては、計画破断層を配置するスタック領域の電界強度が低下され、これにより、異物侵入によるコンポーネントにおける故障のリスクが可能な限り低減される。従ってこの実施形態は、特に高い信頼性を有する。特に好適には、間隔ｄ_１及びｄ_２に、ｄ_２＞＝２．５ｄ_１の関係が成り立つものとする。

コンポーネントの代替的な実施形態においては、間隔ｄ_１及びｄ_２に、ｄ_２＜２ｄ_１の関係が成り立つものとする。

この実施形態においては、計画破断層を配置する領域の電界強度は、他の領域に比べてやや低下する。これにより、異物侵入のリスクが低減される。同時に、コンポーネントに計画破断層を介在させるこの領域は、他の領域に比べて、僅かな機能の低下しか示さない。例えば圧電アクチュエータであって、１つ以上の計画破断層を備え、かつ電極層の配置間隔がｄ_２＜２ｄ_１の関係を満足させる圧電アクチュエータのストロークは、電極層の全てを互いに間隔ｄ_１で介在させる圧電アクチュエータのストロークに比べて、僅かにのみ小さい。

一実施形態においては、計画破断層を少なくとも１つの圧電層に隣接させる。好適には、計画破断層は、２つの圧電層間に隣接して配置する。

特に好適には、計画破断層に隣接する少なくとも１つの圧電層を、互いに隣接する電極層であって、計画破断層を中間に介在させるのと同一の電極層間に介在させる。特にこの場合、計画破断層と圧電層との間に電極層を介在させない。

計画破断層をこのように配置した場合、クラックが異なる極性を有する電極層を貫通する、又は侵入物質が電極層に達するリスクは特に低い。なぜならこの場合、クラック又は侵入物質は、まず隣接する圧電層を通過する必要があるからである。例えば、計画破断層に隣接する層の層厚は、計画破断層に隣接しない圧電層の層厚に比べて厚くする。

好適には、計画破断層は、この計画破断層に直接隣接する２つの圧電層間に配置し、これら２つの圧電層は、互いに隣接し、かつ中間に計画破断層を介在させるのと同一の電極層間に配置する。

この場合、例えば計画破断層に隣接する層の層厚は、計画破断層に隣接しない圧電層の層厚に比べて厚くする。特にこの場合、計画破断層は、電極層に隣接して配置しない。これにより、クラックによる電極層の貫通、又は侵入物質が電極層に達するおそれは特に低い。

計画破断層を圧電層に隣接して配置する場合、好適には、計画破断層は、圧電層よりも低い機械的強度を示すものとする。

これにより、クラックは、より高確率で計画破断層に隣接する圧電層ではなく、計画破断層内に生じ、しかも高確率で計画破断層内においてのみ伝播する。特に、隣接する圧電層内へのクラックの折れ曲がりを回避することが可能となる。

好適には、計画破断層の層厚は、隣接する圧電層の層厚に比べて薄くする。特に好適には、計画破断層の層厚は、隣接する圧電層の層厚に比べて大幅に薄くする。

これにより、例えば計画破断層が低い圧電性に起因してコンポーネントの機能、例えばアクチュエータのストロークに関して僅かにしか寄与しない又は全く寄与しない場合に、この機能低下を僅かに抑えることが可能となる。これに加えて、クラック又は計画破断層内に侵入する異物を狭い領域に限定することができ、従ってコンポーネントの不具合を可能な限り低減することが可能となる。計画破断層をグリーンシートで形成する場合、このグリーンシートの層厚は、他の圧電層を形成するグリーンシートの層厚に比べて大幅に薄くすることができる。この代案として、計画破断層は、単一のグリーンシートで形成し、他の圧電層は、互いに積層し、かつ印刷していない複数のグリーンシートで形成することができる。

計画破断層は、導電性材料で構成することもできる。計画破断層は特に、金属、例えば銅、銀又はパラジウム、若しくはこれら金属の混合物又は合金を含有することができる。計画破断層は、電極層と同一材料で形成してもよい。

一実施形態において、計画破断層は金属層として形成する。この場合、計画破断層は、複数の金属を含有する又は主成分として１種以上の金属を含有する。例えば計画破断層は、電極層と類似の又は同一の材料組成を有する。

好適には、計画破断層は、積層方向に直交してスタックの断面全体にわたって配置する。

この場合、断面全体にわたってクラックの発生及び案内を制御することができる。特に、計画破断層内に伝播するクラックが積層方向に沿って折れ曲がることを回避することができる。このことは、窪みを有する計画破断層にも該当することであり、選択する窪みの配置及び大きさにより、横断面全体にわたってクラックが電極層の平面に対して平行に案内することが実現される限り、窪みを有する計画破断層にも該当することである。

以下、本発明のコンポーネントを概略的かつ縮尺どおりでない図面につき説明する。

圧電コンポーネントを示す縦断面図である。 圧電コンポーネントの部分断面図であり、積層方向に伝播しているクラックを示す。 圧電コンポーネントの部分断面図であり、電極層の平面に対して平行に伝播しているクラックを示す。 計画破断層を備える圧電コンポーネントを示す縦断面図である。 図３Ａに示すコンポーネントの部分断面図であり、計画破断層内に伝播しているクラックを示す。 計画破断層を備える圧電コンポーネントにおける部分縦断面図であり、電極層間の間隔にｄ_２＞２ｄ_１の関係を適用したことを示す。

図１は、圧電アクチュエータとして構成した圧電コンポーネント１を示す。コンポーネント１は多層コンポーネントであり、この多層コンポーネントは、圧電層６及びこれら圧電層６間に配置した電極層３，４で構成するスタック２を備える。圧電層６は、電極層３，４に電圧を印加すると積層方向２０に膨張する。

電極層３，４は、積層方向２０に見て、交互にスタック２における一方の外側面まで達し、他方の外側面に対しては距離を置くよう延在させる。スタックの外側面には平坦な外部電極７，８を配置し、これら外部電極７，８は、対応する外側面まで達する電極層３，４に電気的に接続する。これにより、外部電極７，８を通して、互いに隣接する電極層３，４間に電圧を印加することができる。この場合、一方の外部電極７に電気的に接続した第１電極層３は、第１極性を示し、他方の外部電極８に電気的に接続した第２電極層４は、第１電極層３とは異なる第２極性を示す。

例えば圧電層６は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミック材料を含有する。コンポーネント１の製造においては、セラミックのグリーンシートを使用することができ、これらグリーンシートには、電極層３，４を形成するため、金属を含有するペーストを印刷する。例えばペーストには、銅ペースト、銀ペースト、又は銀及びパラジウムの混合ペースト若しくは合金ペーストを使用する。

電極層３，４の配置構成（ジオメトリ）により不活性領域２４が形成され、これら不活性領域２４内においては、積層方向２０に見て、互いに隣接する電極層３，４がオーバーラップしない。スタック２のこれら領域において、電極層３，４に電圧を印加した場合の電界強度は、電極層３，４が互いにオーバーラップする活性領域２６内の電解強度に比べて、大幅に弱い。このことは、スタック２内に機械的応力を生じさせ、クラック発生につながる。

図２Ａは、圧電コンポーネント１の一部を示す。この圧電コンポーネント１の一部は、活性領域２６内と不活性領域２４内との間における機械的応力により、スタック２内にクラック２２が生じている。クラック２２は、スタックにおける一方の外側面に生じたものであり、不活性領域２４内においては電極層３，４に対して平行に伝播している。クラック２２が活性領域２６内に伝播するとき、このクラック２２は、積層方向２０に折れ曲がり、従って互いに隣接し、かつ異なる極性を有する電極層３，４を貫通する。このことは、例えば導電性物質がクラック２２内に侵入した場合、短絡及びコンポーネント１の故障につながる。

図２Ｂは、圧電コンポーネント１のクラック２３が生じている部分を示し、これらクラック２３は、不活性領域２４内だけでなく活性領域２６内においても電極層３，４に対して平行に伝播している。図２Ａの実施形態に示すクラック２２とは異なり、図示の実施形態におけるクラック２３は短絡を生じさせるものではない。なぜなら、クラック２３が電極層３，４を貫通しないからである。クラック２３が平行に伝播することにより、コンポーネント１内に生ずる機械的応力を制御した状態で低減することができる。この理由から、スタック２内においては、平行に伝播するクラック２３が望ましい。

計画破断層をスタック２内に配置することにより、クラック２３の発生及び伝播を制御し、クラック２３が計画破断層内又はこの計画破断層の隣接領域にのみ、したがって、電極層３，４の平面に対してほぼ平行に伝播するようになる。

図３Ａは、圧電アクチュエータとして構成した圧電コンポーネント１を示し、図１に示すコンポーネント１と同様に構成するが、計画破断層５を付加的に設け、この場合、計画破断層５に制御されたクラック２３を生じ、かつ電極層３，４の平面に対して平行となるよう案内される。

各計画破断層５は、互いに隣接し、かつ異なる極性を有する２つの電極層３１，４１間に配置し、２つの圧電層６に隣接する。計画破断層５は、それ自体は隣接する圧電層６と同一材料で形成するが、圧電層６よりも高い多孔性を有する構成とする。これにより、計画破断層５は、隣接する圧電層６よりも低い機械的強度を示す。従って、スタック２内に機械的応力が加わった場合、クラックは高確率で計画破断層５に生じ、またこの計画破断層５内で伝播する。

図３Ｂは、図３Ａに示すスタック２からの一部分を示し、この部分には、クラック２３が計画破断層５内に生じている。このクラックは、計画破断層５内に、従って電極層３，４の平面に対して平行に延びている。

図４は、圧電コンポーネント１の一部を示し、この場合、圧電コンポーネント１は、図３Ａに示す実施形態の圧電コンポーネント１と同様であるが、互いに隣接する電極層３，４，３１，４１における間隔ｄ_２，ｄ_１を選択し、この選択は、一方で物質の侵入による故障のリスクを低レベルに維持し、他方で作動時におけるコンポーネント１の性能をほとんど損なうことがないものとする。

計画破断層５は、積層方向２０において、互いに隣接し、かつ異なる極性を有する２つの電極層３１，４１の間に配置する。これら２つの電極層３１，４１間の間隔ｄ_２は、互いに隣接し、かつ中間に計画破断層５を配置しない２つの電極層３，４間の間隔ｄ_１よりも大きいものとする。

大きい間隔ｄ_２により、計画破断層５が介在する電極層３１，４１間に生ずる電界強度は低下する。このことにより、異物が計画破断層５内、又は生じたクラック２３内に侵入する確率が低下する。さらに、計画破断層５内又はクラック２３内に侵入した異質が電極層３１，４１に達することを回避できる。これにより、コンポーネント１の信頼性を高めることが可能となる。例えば、間隔ｄ_２は間隔２ｄ_１よりも大きくする。

計画破断層５は、スタックの断面全体にわたって延在させる。計画破断層５には微細な窪みを設けることができ、これら窪みには、例えば、隣接する圧電層６の圧電材料が充填される。計画破断層５は、断面全体にわたって延在させ、これにより、断面全体にわたって電極層３，４に対して平行なクラックが伝播する構成とする。

コンポーネント１内には、１つ以上の計画破断層５を設けることができる。好適には、計画破断層５は、スタック２全体にわたって等間隔で分布させる。

１ 圧電コンポーネント
２ スタック
２０ 積層方向
２２，２３ クラック
２４ 不活性領域
２６ 活性領域
３，３１ 第１極性を有する内部電極
４，４１ 第２極性を有する内部電極
５ 計画破断層
６ 圧電層
７ 第１極性を有する外部電極
８ 第２極性を有する外部電極
ｄ_１ 互いに隣接し、中間に計画破断層が介在しない２つの電極層における配置間隔
ｄ_２ 互いに隣接し、中間に計画破断層が介在する２つの電極層における配置間隔

Claims (13)

1. 圧電コンポーネントであって、該圧電コンポーネントは、
   圧電層（６）及び該圧電層（６）間に介在させた電極層（３，４，３１，４１）を有するスタック（２）を備え、該スタック（２）は、前記圧電コンポーネント（１）内におけるクラック（２３）の発生及び案内を制御するための少なくとも１つの計画破断層（５）を有し、該計画破断層（５）は、積層方向（２０）において、互いに隣接し、かつ電圧を印加すると異なる極性を示す２つの前記電極層（３１，４１）間に介在させ、かつ該２つの電極層（３１，４１）間の間隔ｄ_２を、互いに隣接し、かつ中間に前記計画破断層（５）を介在させない２つの前記電極層（３，４）間の間隔ｄ_１よりも大きくした、圧電コンポーネント。
2. 請求項１に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記間隔ｄ_１及びｄ_２に、ｄ_２＞２ｄ_１の関係が成り立つものとした、圧電コンポーネント。
3. 請求項１に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記間隔ｄ_１及びｄ_２に、ｄ_２＜２ｄ_１の関係が成り立つものとした、圧電コンポーネント。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）は、圧電材料を含有する、圧電コンポーネント。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）は、導電性材料を含有する、圧電コンポーネント。
6. 請求項５に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）を、金属層として形成した、圧電コンポーネント。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）を、少なくとも１つの前記圧電層（６）に隣接させた、圧電コンポーネント。
8. 請求項７に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）を、２つの前記圧電層（６）間に介在かつ隣接させた、圧電コンポーネント。
9. 請求項７又は８に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）に隣接する少なくとも１つの前記圧電層（６）は、前記計画破断層（５）と同様、互いに隣接する電極層（３１，４１）間に介在させた、圧電コンポーネント。
10. 請求項７〜９のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）は、隣接する前記圧電層（６）よりも低い機械的強度を有する、圧電コンポーネント。
11. 請求項７〜１０のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）は、隣接する前記圧電層（６）よりも高い多孔性を有する圧電コンポーネント。
12. 請求項７〜１１のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）は、隣接する前記圧電層（６）よりも薄い層厚を有する圧電コンポーネント。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記計画破断層（５）を、前記スタック（２）の前記積層方向（２０）に直交する断面全体にわたって配置した圧電コンポーネント。

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