JP4546931B2 - 目標破損個所を備えた圧電部材及び圧電部材を製造する方法並びに圧電部材の使用 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのモノリシックのピエゾエレメントを備えた圧電部材及び圧電部材を製造する方法並びに圧電部材の使用に関する。

圧電部材は例えば、互いに上下に積み重ねられた複数のモノリシックのピエゾエレメントから成る、モノリシックのアクチュエータ体を備えた圧電式のアクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）である。ピエゾエレメントは１つの電極層と、少なくとも１つの別の電極層と、両電極層の間に配置された少なくとも１つのピエゾセラミック層とから成っている。ピエゾエレメントのピエゾセラミック層と電極層とは互いに次のように、すなわち電極層の電気的な制御によって電界がピエゾセラミック層に入力結合されるように、互いに結合されている。入力結合された電界に基づいて、ピエゾセラミック層が変位し、ひいてはピエゾエレメントが変位する。

上に述べた形式の圧電式のアクチュエータは、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１００２６６３５号明細書に基づいて公知である。この公知の圧電式のアクチュエータでは、ピエゾエレメントは積重ね方向において互いに上下に配置されていて、モノリシックのアクチュエータ体を形成している。内側電極と呼ばれる複数の電極層と複数のピエゾセラミック層とは、交互に互いに上下に積み重ねられ、一緒にモノリシックのアクチュエータ体へと焼成される。ピエゾセラミック層はチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Ti,Zr)0_３, PZT）から成っている。電極層は銀・パラジウム合金から成っている。電極層を電気的に接触接続するために、積重ね方向において隣接した電極層は交互に、アクチュエータ体の互いに電気絶縁された２つの側部の表面区分へと案内されている。両方の側部の表面区分においてアクチュエータ体はそれぞれ、条片状の金属被覆部を有している。

アクチュエータ体の前記表面区分の領域において、各ピエゾエレメントは圧電的に不活性である。電極層が表面区分へと交互に案内されていることに基づいて、圧電式の層の圧電不活性領域に、電界が入力結合され、この電界は、ピエゾセラミック層の圧電活性領域に入力結合される電界とは明らかに異なっている。ピエゾセラミック層の圧電活性領域は、圧電不活性領域とは異なり、ピエゾエレメントの電極層の間に直接位置している。

電極層の電気的な制御時、つまりピエゾセラミックの分極時もしくは成極時及び／又はピエゾアクチュエータの運転時には、種々異なった電界に基づいて、圧電活性領域及び圧電不活性領域においてピエゾセラミック層の変位は異なる。その結果ピエゾエレメント内においては機械的な応力が発生し、これによって、積重ね方向に対して横方向にいわゆる極性亀裂（Polungsriss）が発生すること、又は既に存在している亀裂が増大することがある。この場合極性亀裂は、アクチュエータ体の各表面区分に設けられた金属被覆部にまで延びることがある。そしてこれにより、アクチュエータ体の電極層の少なくとも一部の電気的な接触接続が中断してしまう。

アクチュエータ体に存在している極性亀裂がピエゾアクチュエータの故障を惹起しないようにするために、公知のピエゾアクチュエータではアクチュエータ体の側部に設けられた金属被覆部に、各１つのフレキシブルな電気的な接続エレメントが設けられている。フレキシブルな各接続エレメントは、複数の導電性のワイヤを有している。アクチュエータ体の積重ね方向に沿って、接続エレメントのワイヤは、金属被覆部のうちの１つにろう接されている。ワイヤは、（各金属被覆部を介して間接的に）アクチュエータ体の電極層の電気的な接触接続のために働く。接続エレメントのワイヤの電気的な接触接続のために、アクチュエータ体の積重ね方向に沿って方向付けられた剛性の電気的な接続ピンが設けられており、この接続ピンにワイヤがろう接されている。ワイヤとアクチュエータ体の内側電極との接触接続は、次のような場合でも、すなわちアクチュエータ体の変位（積重ね方向に沿った膨張及び収縮）によって積重ね方向に対して横方向に極性亀裂が生じた場合もしくは積重ね方向に対して横方向に存在していた極性亀裂の成長が生じた場合でも、保証されている。

しかしながら、上に述べた圧電式のアクチュエータの動的な運転においては、存在している極性亀裂は方向を変化させることがある。そして極性亀裂はコントロールされずに成長する。例えば極性亀裂は、積重ね方向に対して横方向にではなく、積重ね方向に対して平行に又はほぼ平行に成長する。そしてアクチュエータ体において長手方向亀裂が形成される。極性亀裂のコントロールされない成長は、不都合な固有の影響値及び／又は外部からの影響値に起因する。固有のつまり内因性の影響値としては例えば、ピエゾセラミック層及び／又は電極層の組織構造が挙げられる。この組織構造はそれぞれの層の内部において異方性の亀裂抵抗を生ぜしめる可能性がある。亀裂抵抗は層の内部において種々異なった方向において異なっている。外部からのつまり外因性の影響値は、例えば、動的な運転における電気的な立上がりエッジ（Anstiegsflanke）に、又はアクチュエータ体の不十分なクランプに基づくものである。

極性亀裂のコントロールされない成長の結果として、圧電式のアクチュエータは故障してしまうことがある。つまり公知の構成ではアクチュエータの確実性が保証されていない。

ゆえに本発明の課題は、モノリシックのピエゾエレメントから成る圧電部材を改良して、従来技術に比べてより確実な圧電部材を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、少なくとも１つのモノリシックのピエゾエレメントを備えた圧電部材において、１つの電極層と、少なくとも１つの別の電極層と、前記電極層の間に配置された少なくとも１つのピエゾセラミック層と、ピエゾエレメントの機械的な過負荷時に、モノリシックのピエゾエレメントにおいて所定の亀裂を形成する少なくとも１つの目標破損個所とが設けられており、該目標破損個所を電極層が有しているようにした。

前記課題を解決するための本発明の方法では、圧電部材を製造する方法において、以下の方法ステップ：すなわち、イ）主面と該主面とは反対側の別の主面とを備えている、ピエゾセラミックを有するセラミックのグリーンシートを準備し、ロ）該セラミックのグリーンシートの主面に導電性の材料を配置し、かつセラミックのグリーンシートの別の主面に別の導電性の材料を配置し、ハ）セラミックのグリーンシートと導電性の材料とを一緒に焼成させ、この際に導電性の材料から電極層を形成し、別の導電性の材料から別の電極層を形成し、さらにセラミックのグリーンシートからピエゾエレメントのピエゾセラミック層を形成する、という方法ステップによって圧電部材を製造するようにした。

目標破損個所は、過負荷時に、いわばヒューズと同様に、亀裂の形成によってつまり存在する亀裂の成長によって破壊されるピエゾエレメントの一構成部分である。この場合亀裂は実質的に目標破損個所に制限されている。そして目標破損個所だけが破壊され、ピエゾエレメント全体又はピエゾエレメントのその他の領域は破壊されない。亀裂は局部的に目標破損個所に制限されていて、ピエゾエレメントの他の領域には拡がらない。これによって、亀裂の形成もしくは亀裂の成長をコントロールすることができる。

亀裂によって、モノリシックのピエゾエレメントは目標破損個所において破損する。この破損は、材料の機械的に誘導される変形を終わらせる動作である。この破損は特に脆性破壊である。脆性破壊はクリーピング（クリープ破壊）によって、特に疲労（疲労破壊）によって生ぜしめられる。疲労というのは、進行する亀裂成長による材料の故障もしくは破損のことであり、これは繰り返される（機械的な）応力サイクルによって生ぜしめられる。

目標破損個所には、ピエゾエレメントの主要な構成部分、つまり電極層のうちの１つが関与している。すなわちピエゾエレメントの目標破損個所を形成するために付加的な構成部材を導入する必要はない。ピエゾエレメントに付加的な構成部材を設けると、ピエゾエレメントの圧電活性容量が減じられてしまう。このような付加的な構成部材は例えば、ピエゾエレメントのセラミック製の安全層であり、この安全層は、圧電不活性セラミック材料から成っており、このような材料は、ピエゾセラミック層のピエゾセラミックに比べて低い亀裂抵抗によって傑出している。

本発明の特別な構成では、目標破損個所が電極層によって形成されているか又は電極層とピエゾセラミック層との間の境界面によって形成されている。

特に、目標破損個所が電極層によって形成されている場合には、電極層の亀裂抵抗は、別の電極層の別の亀裂抵抗よりも小さい。すなわち電極層の電極材料の破損強度は、別の電極層の別の電極材料の破損強度よりも小さい。同様に、電極材料の破損強度はピエゾセラミック層の破損強度よりも小さい。電極材料の破損強度が別の電極材料及びピエゾセラミック層に比べて低いことによって、目標破損個所は電極層に存在している。電極層は最も弱い部位である。機械的な負荷が加えられた場合には、電極層に亀裂が生じる。

目標破損個所が、電極層とピエゾセラミック層との間における境界面によって形成されている場合には、この境界面における電極層とピエゾセラミック層との間における固着強度が、別の電極層と別のピエゾセラミック層との間における別の固着強度よりも小さい。この場合電極層とピエゾセラミック層との間における境界面が最も弱い部位である。そして機械的な負荷が加えられた場合には、電極層とピエゾセラミック層との間における境界面に亀裂が生じる。

種々異なった亀裂抵抗もしくは固着強度を得るために、本発明の別の構成では、電極層の電極材料と別の電極層の別の電極材料とが互いに異なっている。電極層は種々異なった電極材料から成っている。特に、電極材料と別の電極材料とが、化学的な組成及び／又は材料構造において互いに異なっている。材料構造としては例えば、電極材料の構造（例えばコア・シェル構造）及び粒子のサイズもしくはサイズ分布並びに電極材料の組織が挙げられる。組織というのは、例えば電極材料の極性である。電極材料の異なった極性は例えば、ピエゾエレメントの製造時に異なった金属ペーストを使用することによって実現することができる。金属ペーストは電極層を形成するために、単数又は複数の電極層に押し付けられる。種々異なった金属ペーストは例えば、種々異なった結合剤含有量及び／又は固形物含有量によって特徴付けられる。結合剤及び／又は固形物としては例えば、焼成時に分解される物質が使用される。このような物質は例えば炭素又は炭化水素から成っている。金属ペーストは例えばプラスチック球を含有している。平均的な粒子直径は０.１μｍ〜２.０μｍである。結合解離（Entbindern）時もしくは焼成時に、プラスチック球は燃え尽きる。そして焼成時に発生した電極層には孔が残っている。種々様々な孔比率及び／又は孔サイズによって、種々異なった亀裂抵抗及び固着強度が生ぜしめられる。

電極材料の化学的な組成としては特に、電極材料の導電性の電極物質が挙げられる。電極層は種々異なった導電性の電極物質を有している。種々異なった電極物質は種々異なった元素もしくはエレメントから成っていることができる。例えば電極層の電極物質はプラチナであり、別の電極層の別の電極物質は銀・パラジウム合金である。プラチナは例えば、銀・パラジウム合金に比べて著しく劣った、チタン酸ジルコン酸鉛における固着性によって、傑出している。これによって、プラチナを有する電極層とチタン酸ジルコン酸鉛から成るピエゾセラミック層との間における固着強度は、銀・パラジウム合金を有する別の電極層とピエゾセラミック層との間における固着強度に対して弱くなる。

しかしながらまた、電極材料の種々異なった電極物質が異なった物質系ではなく、等しい物質系に相当するようなことも可能である。電極物質は同じ元素もしくはエレメントを有している。しかしながらエレメントの割合は、ある電極物質と別の電極物質との間で異なっている。例えば電極材料の導電性の電極物質と別の電極材料の導電性の電極物質とはそれぞれ、銀・パラジウム合金から成っているが、しかしながら銀とパラジウムとの配分は異なっている。

電極材料の異なった化学的な組成は、導電性の電極物質のみならず、導電性の電極物質への添加剤にも当て嵌まる。例えば２つの電極層の導電性の電極物質が同じであり、一方の電極層は、ただ導電性の電極物質からだけ成っており、これに対して他方の電極層は、導電性の電極物質と添加剤とを備えた複合材料から成っている。

例えばピエゾセラミック層のピエゾセラミックはチタン酸ジルコン酸鉛である。このチタン酸ジルコン酸鉛の焼成時に一酸化鉛（PbO）が遊離される。電極物質に添加剤として加えられるチタン酸ジルコン酸塩（(Ti,Zr)0_２, ZTO）によって、チタン酸ジルコン酸鉛の焼成時に遊離する一酸化鉛が結合される。そしてチタン酸ジルコン酸鉛が形成され、このチタン酸ジルコン酸鉛は、チタン酸ジルコン酸鉛から成るピエゾセラミック層に対する境界面における固着強度を高める。固着強度を高めるために直接、チタン酸ジルコン酸鉛を添加剤として使用することも可能である。前記添加剤は有利には別の電極層が備えている。これによってピエゾセラミック層における別の電極層の固着強度が改善される。そしてこのような添加剤を有していない電極層との間における境界面が、目標破損個所になる。

本発明による圧電部材の別の構成では、電極層の電極構造と別の電極層の別の電極構造とが、互いに異なっている。異なった構造を有する電極層によって、電極層は別の電極層に比べて小さな亀裂抵抗を有するようになり、つまり電極層とピエゾセラミック層との間においては、別の電極層とピエゾセラミック層との間におけるよりも小さな固着強度が生ぜしめられる。そのために電極層は例えば格子形状又は孔付マスクに似た形に構造化されている。このような種々異なった電極構造は、例えば、金属ペーストを備えたセラミックのグリーンシートをプリントする際に、種々異なったプリントデザインによって得ることができる。

電極層の層厚さを異ならせることによっても同様に、亀裂抵抗と固着強度に影響を与えることができる。従って本発明の別の有利な構成では、電極構造が特定の電極層厚さであり、かつ別の電極構造が別の電極厚さである。この場合それぞれの電極層は一貫して、ほぼ等しい電極層厚さを有している。電極層の内部において電極層厚さが異なっているような構成も可能である。例えば、電極層又は別の電極層の横方向の延びに沿って電極層厚さが勾配を有しているような構成が可能である。

本発明の別の構成では、複数のピエゾエレメントが、所定の積層方向で配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体を形成している。ピエゾエレメントは互いに上下に積み重ねられてアクチュエータ体を形成している。この場合アクチュエータ体は、それぞれ１つの目標破損個所を備えたピエゾエレメントからだけ構成されていてもよい。本発明の別の構成では、ピエゾエレメントと少なくとも１つの別のピエゾエレメントとが、所定の積層方向で配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体を形成しており、別のピエゾエレメントが、少なくとも２つの別の電極層と、該別の電極層の間に配置された少なくとも１つの別のピエゾセラミック層とを有している。別のピエゾセラミック層は、目標破損個所を備えたピエゾエレメントのピエゾセラミック層とは異なったピエゾセラミック物質から成っていてもよい。しかしながらピエゾエレメントと別のピエゾエレメントとが同じピエゾセラミック物質を有していると、有利である。別の電極層は同じであるので、別のピエゾエレメントには少なくとも電極層に関しては目標破損個所が存在しない。目標破損個所を備えていないピエゾエレメントが、目標破損個所を備えたピエゾエレメントに比べて著しく多く互いに上下に配置されていると、有利である。このようになっていると、幾つかの僅かな目標破損個所が存在するアクチュエータ体を実現することができる。これらの目標破損個所は積重ね方向に沿ってアクチュエータ体にわたって分配配置されている。

本発明の別の構成では、複数のピエゾエレメントと複数の別のピエゾエレメントとが次のように、すなわち、隣接したピエゾエレメントがそれぞれ少なくとも１つの共通の電極層を有するように、かつ共通の電極層がアクチュエータ体の積層方向で交互に、アクチュエータ体の互いに電気絶縁された少なくとも２つの側部の表面区分へと案内されているように、配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体を形成している。アクチュエータ体の１つの側部の表面区分は例えば、アクチュエータ体の側面又は縁部によって形成され、この側面又は縁部には金属被覆路が設けられている。多層コンデンサ構造を有するアクチュエータ体がある。この多層コンデンサ構造の内部においては、電極層が交互に、互いに電気絶縁された表面区分へと案内されている。

本発明の別の構成では、複数のピエゾエレメントが複数の目標破損個所を備えたアクチュエータ体を形成していて、この場合目標破損個所アクチュエータ体の積層方向に沿って、それぞれ亀裂が形成される機械的な過負荷に関しての勾配を有している。つまり強度勾配が得られる。この構成は、積層方向に沿ってアクチュエータ体の機械的な負荷に相応な勾配が存在する場合に有利である。強度勾配を生ぜしめるためには、個々の電極層及び境界面の強度に影響を与える上に述べた可能性を利用することができる。さらに、アクチュエータ体の製造時における所望のプロセスガイドによって、強度勾配の形成を促進することができる。例えばチタン酸ジルコン酸鉛と銀・パラジウム合金の電極物質とを一緒に焼成する際に、電極層とピエゾセラミック層との間に、アモルファスの鉛・酸化パラジウム中間層の形成を促進することができる。

本発明のさらに別の構成では、アクチュエータ体のピエゾエレメントのうちの少なくとも１つのピエゾエレメントの目標破損個所が、次のように、すなわちピエゾエレメント内に生じる亀裂がアクチュエータ体を少なくとも２つの部分積層体に分割し、かつ１つの共通の側部の表面区分へと案内されている各部分積層体の電極層が、電気的な部分接続エレメントを用いて電気的に接触接続されたままになるように、構成されている。部分接続エレメントは、導電性の接続手段を用いて側部の表面区分と電気的及び機械的に接続されている。導電性の接続手段としては例えば導電性接着剤又はろう材が挙げられる。部分接続エレメントは表面区分に接着又はろう接されている。溶接による接続もまた同様に可能である。

本発明の有利な構成では、電気的な部分接続エレメントがフレキシブルな部分接続エレメントである。このようになっていると、部分接続エレメントは、アクチュエータ体の部分積層体の膨張及び収縮に追従することができる。

フレキシブルな部分接続エレメントは、例えば、構造化された導電性のシートによって形成される。本発明の有利な構成では、電気的な部分接続エレメントが少なくとも１つの導電性のワイヤを有している。部分接続エレメントは例えば、複数のワイヤ又はワイヤメッシュから成っている。さらにまた、ただ１つのワイヤである部分接続エレメントも可能である。この場合ワイヤは、部分積層体の接触接続される電極層を制御するために必要な電流容量が保証されるように、寸法設定されている。

さらにワイヤもしくはワイヤメッシュ及び、アクチュエータ体の側部の表面区分への接続部は、部分積層体の膨張・収縮時に予想される機械的な応力を考慮して構成されている。このような機械的な応力は、個々の部分積層体において互いに異なっていることができる。従って部分接続エレメント及び表面区分への部分接続エレメントの結合に対しては、種々様々な要求が生じる。アクチュエータ体の静止領域、つまり電極層の制御によって部分積層体の僅かな変位しか生ぜしめられない領域の部分積層体では、ただ１つの、その代わり比較的太いワイヤを電極層の電気的な接触接続のために使用することで、十分である。これに対して有利な別の構成では、大きな変位が生じるアクチュエータ体の領域の部分積層体では、細いひいてはフレキシブルな複数のワイヤを使用することができる。

種々異なった部分積層体の電極層に等しい電位を供給するために、相応な複数の部分接続エレメントが、１つの共通の接続エレメントにまとめられている。そのために例えば複数のワイヤが、別の接続手段を用いて、共通の剛性の電気的な接続ピンに導電的にかつ摩擦力結合式（kraftschluessig）にろう接又は接着されている。電気的な接続エレメントもしくは電気的な部分接続エレメントは、ワイヤハープ（Drahtharfe）として存在している。

方法に関しては、導電性の物質を配置するため及び／又は別の導電性の物質を配置するために、それぞれ組成の異なった各１つの金属ペーストが使用される。金属ペーストは単数又は複数のセラミックのグリーンシートにプリントされる。プリンティングのために例えばスクリーン印刷法が実施される。電極物質及び／又は別の電極物質はこの場合、異なった構造で例えば異なった層厚さで、被着されることができる。異なった電極物質がプリントされると有利である。例えば電極物質は銀・パラジウム合金から成っており、これに対して別の電極層の電極物質はプラチナ合金から成っている。これらの材料は、焼成時に生じるピエゾセラミック層に異なった形式で堅固に結合するので、固着強度の異なった境界面が生ぜしめられる。

上に述べた圧電部材、特にモノリシック多層構造形式のアクチュエータ体を備えた圧電式のアクチュエータは、有利には弁を制御するため、特に内燃機関の噴射弁を制御するために使用される。

要約すると、本発明によって以下に記載の主要な利点が得られる：
・目標破損個所を用いて、圧電部材における亀裂形成及び亀裂成長（特に長手方向亀裂の）をコントロールすること及び制限することが可能になる。
・目標破損個所が電極層の取付け下で実現されることによって、最大可能な圧電活性容量を有する圧電部材が得られる。
・亀裂のコントロールによって、圧電部材の電極層の電気的な接触接続が簡単になる。
・目標破損個所を備えた圧電部材を製造する方法は、ピエゾアクチュエータのための現存の製造方法に組み込むことができる。

次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。

図１は、１つのピエゾエレメントと１つの別のピエゾエレメントとをそれぞれ示す断面図であり、
図２Ａは、内部に亀裂が生ぜしめられている電極層を備えた目標破損個所を示す断面図であり、
図２Ｂは、境界面に亀裂が生ぜしめられている電極層を備えた目標破損個所を示す断面図であり、
図３は、モノリシックの多層構造形式のアクチュエータ体を備えたピエゾアクチュエータの形の、圧電部材を示す断面図である。

圧電部材１は、モノリシック多層構造形式のアクチュエータ体２０を備えた圧電式のアクチュエータである（図３）。アクチュエータ体２０のベース面は正方形である。

アクチュエータ体２０は、互いに上下に積層されたピエゾエレメント１０と別のピエゾエレメント１１とから成っている（図１）。ピエゾエレメント１０はこの場合電極層１０１と、少なくとも１つの別の電極層１０２と、電極層１０１と電極層１０２との間に配置された少なくとも１つのピエゾセラミック層１０３とから成っている。ピエゾセラミック層１０３はチタン酸ジルコン酸鉛から成っている。

電極層１０１，１０２はピエゾセラミック層１０３の主面に次のように、すなわち電極層１０１，１０２の電気的な制御によって電界がピエゾセラミック層１０３に入力結合され、その結果ピエゾセラミック層１０３の変位が、ひいてはピエゾエレメント１０の変位が生ぜしめられるように、配置されている。

電気的な接触接続のために電極層１０１，１０２は、ピエゾエレメント１０の、互いに電気絶縁された２つの側部の表面区分１０４，１０５に案内されている。この両表面区分１０４，１０５において両電極層１０１，１０２はそれぞれ電気的な接続エレメント（図１には図示せず）と電気的に接触接続されている。互いに隔てられた表面区分１０４，１０５への電極層１０１，１０２の案内によって、ピエゾエレメント１０は、１つの圧電活性領域１０６と少なくとも２つの圧電不活性領域１０７とを有している。

別のピエゾエレメント１１は原則的にはピエゾエレメント１０と同じ構造を有している。別のピエゾエレメント１１の別の電極層１１１の間には、チタン酸ジルコン酸鉛製の別のピエゾセラミック層１１３が配置されている。電極層１１１は別のピエゾエレメント１１の側部の表面区分１１４，１１５に案内されていて、そこで電気的に接触接続されている。別の電極層１１１の電気的な制御によって、別のピエゾエレメント１１の変位が生ぜしめられる。別のピエゾエレメント１１は、この別のピエゾエレメント１１の別の圧電活性領域１１６と圧電不活性領域１１７とが生じるように、構成されている。

ピエゾエレメント１０と別のピエゾエレメント１１とは、モノリシックの積層されたアクチュエータ体２０に対して次のように配置されている。すなわちこの場合隣接したピエゾエレメント２００，２０１が共通の電極層２０２，２０３を有していて、これらの電極層２０２，２０３はアクチュエータ体２０の積層方向２１において交互に、アクチュエータ体２０の、互いに電気絶縁された２つの側部の表面区分２０４，２０５に案内されている。つまりアクチュエータ体２０は、互いに上下に交互に積み重ねられた複数のピエゾセラミック層と電極層とから成っている。

アクチュエータ体２０の側部の表面区分２０４は、ピエゾエレメント１０及び別のピエゾエレメント１１の側部の表面区分１０４，１１４から形成されている。アクチュエータ体２０の別の側部の表面区分２０５は、ピエゾエレメント１０及び別のピエゾエレメント１１の別の側部の表面区分１０５，１１５から形成されている。電極層１０１及び別の電極層１０２；１１１の電気的な接触接続のために、アクチュエータ体２０の側部の表面区分２０４，２０５には、金属被覆路２０６が設けられており、これらの金属被覆路２０６にはろう材路２０７を介して電気的な接続エレメント２４がろう接されている。各電気的な接続エレメント２４は、導電性のワイヤ２４１から成っており、この場合ワイヤ２４１は、電極層に等しい電位を負荷するために、共通の合成の電気的な接続ピン２４２に（ろう材路２４３を介して）ろう接されている。択一的に各接続エレメント２４は、構造化されたもしくはストラクチャリングされた導電性の金属シートから成っている。

ピエゾエレメント１０と別のピエゾエレメント１１との間における相違は、ピエゾエレメント１０の電極層１０１が目標破損個所１００を有していることにある。これに対して別のピエゾエレメント１１の別の電極層１１１は、目標破損個所１００を有していない。

第１実施形態では目標破損個所１００はもっぱら、ピエゾエレメント１０の電極層１０１によって形成される（図２Ａ）。そのために電極層１０１の亀裂抵抗（Risswiderstand）は、ピエゾエレメント１０の別の電極層１０２の亀裂抵抗もしくはピエゾエレメントのピエゾセラミック層１０３の亀裂抵抗よりも小さい。同様に電極層１０１の亀裂抵抗は、別の電極層１１１の亀裂抵抗及び別のピエゾエレメント１１のピエゾセラミック層１１３の亀裂抵抗よりも小さい。これによって、アクチュエータ体２０に対する機械的な過負荷時にはピエゾエレメント１０の目標破損個所１００において正確かつ確実に亀裂を発生させることができる。種々異なった亀裂抵抗はさらに、亀裂１１０をほぼ目標破損個所１００のところに留まらせるためにも、役立つ。亀裂１１０は確かに、アクチュエータ体２０の側部の表面区分２０４に設けられた金属被覆路２０６と、被着されたろう材路２０７とには拡がることができるが、ピエゾエレメント１０もしくはアクチュエータ体２０のその他の領域には拡がることができない。亀裂１１０は目標破損個所１００に局部的に制限されている。

別の実施形態では、目標破損個所１００はピエゾエレメント１０の電極層１０１と隣接したピエゾセラミック層１０３との間の境界面１０８によって形成されている（図２Ｂ）。目標破損個所１００は、電極層１０１とピエゾセラミック層１０３との間の接着力もしくは固着強度が、ピエゾセラミック層１０３と別の電極層１０２との間の接着力もしくは固着強度よりも小さいことによって、生ぜしめられる。同様に電極層１０１とピエゾセラミック層１０３との間の固着強度は、別のピエゾエレメント１１の別の電極層１１１と別のピエゾセラミック層１１３との間の固着強度よりも小さい。このような僅かな固着強度に基づいて、アクチュエータ体２０に対する機械的な過負荷時に主として境界面１０８のところで亀裂１１０が発生する。さらにまた同時に、隣接したピエゾセラミック層１０３は比較的大きな亀裂強度を有しているので、このピエゾセラミック層１０３への亀裂成長もしくは亀裂拡大は回避される。

種々異なった亀裂抵抗もしくは固着強度を得るために、第１の実施形態によれば、種々異なった電極材料を有する電極層１０１，１０２；１１１が使用される。択一的な実施形態によれば、電極層が種々異なった電極構造を有している。

アクチュエータ体２０に関する第１実施例によれば、１つの目標破損個所１００を備えたただ１つの電極層１０１が設けられている。アクチュエータ体２０は、目標破損個所１００を備えた互いに隣接した２つのピエゾエレメント１０と、目標破損個所１００を備えていない複数の別のピエゾエレメント１１とから成っている。アクチュエータ体２０の機械的な過負荷時には、目標破損個所１００において亀裂が形成される。これによってアクチュエータ体２０は２つの部分積層体２２，２３に分割される。アクチュエータ体２０の各１つの共通の表面区分２０４において案内されている部分積層体２２の電極層２２１は、金属被覆路２０６及びろう材路２０７内に延びている亀裂１１０の発生時に、電気的な部分接続エレメント２２２の導電性のワイヤ２２３と電気的に接触接続したままである。

電気的な接触接続を保証するためには、個々の部分積層体２２の各１つの共通な表面区分２０４のためのただ１つの部分接続エレメント２２２だけで十分である。そのために必要な部分接続エレメント２２２は、相応に寸法設定されたただ１つの導電性のワイヤ２２３しか有することができない。択一的に各部分接続エレメント２２２は複数のワイヤ２２３又は構造化された金属シートから成っている。単数もしくは複数のワイヤ及び構造化された導電性のシートは、アクチュエータ体２０の部分積層体２２の電極層を制御するために必要な電流負荷容量（Stromtragfaehigkeit）が保証されるように、構成されている。

アクチュエータ体２０に関する別の実施例によれば、複数の目標破損個所１００がアクチュエータ体２０にわたって積層方向２１に分配配置されている。これらの目標破損個所１００によって、アクチュエータ体２０は複数の部分積層体２２，２３に分割される。各部分積層体２２，２３のために、相応な部分接続エレメント２２２が設けられている。

複数の目標破損個所１００を備えたアクチュエータ体２０の別の実施形態では、目標破損個所１００において種々異なった機械的な過負荷によって、亀裂が形成されるようになっている。この場合目標破損個所１００は次のように構成されている。すなわちアクチュエータ体２０の積層方向２１に沿って、亀裂１１０が形成される臨界的な過負荷に関する勾配が設けられている。そのために所属の電極層は種々異なった亀裂抵抗を有しており、かつ／又は隣接したピエゾセラミック層との間における電極層の固着強度が異なっている。

１つのピエゾエレメントと１つの別のピエゾエレメントとをそれぞれ示す断面図である。 内部に亀裂が生ぜしめられている電極層を備えた目標破損個所を示す断面図である。 境界面に亀裂が生ぜしめられている電極層を備えた目標破損個所を示す断面図である。 モノリシックの多層構造形式のアクチュエータ体を備えたピエゾアクチュエータの形の、圧電部材を示す断面図である。

Claims (17)

1. 積層された複数のピエゾエレメント（１０，１１）から成るモノリシックの圧電部材（１）であって、
   積層された前記ピエゾエレメント（１０，１１）がそれぞれ、
   １つの電極層（１０１，１１１）と、
   １つの別の電極層（１０２，１１２）と、
   両電極層（１０１，１０２；１１１，１１２）の間に配置された１つのピエゾセラミック層（１０３，１１３）とを有しており、
   積層された前記ピエゾエレメント（１０，１１）のうちの少なくとも１つのピエゾエレメント（１０）が、
   ピエゾエレメント（１０）の機械的な過負荷時に、他の部分より亀裂抵抗が小さいか又は固着強度が小さいことに基づいて所定の亀裂（１１０）を形成することになる少なくとも１つの目標破損個所（１００）を有しており、
   該目標破損個所（１００）を電極層（１０１）が有していることを特徴とする、目標破損個所を備えた圧電部材。
2. 目標破損個所（１００）が電極層（１０１）によって形成されているか又は電極層（１０１）とピエゾセラミック層（１０３）との間の境界面（１０８）によって形成されている、請求項１記載の圧電部材。
3. 目標破損個所（１００）が電極層（１０１）によって形成されていて、該電極層（１０１）の亀裂抵抗が、別の電極層（１１１）の別の亀裂抵抗よりも小さい、請求項２記載の圧電部材。
4. 目標破損個所（１００）が、電極層（１０１）とピエゾセラミック層（１０３）との間における境界面（１０８）によって形成されていて、該境界面（１０８）における電極層（１０１）とピエゾセラミック層（１０３）との間における固着強度が、別の境界面（１０９）における別の電極層（１０２）と別のピエゾセラミック層（１０３）との間における別の固着強度よりも小さい、請求項２記載の圧電部材。
5. 電極層（１０１）の電極材料と別の電極層（１０２）の別の電極材料とが互いに異なっている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電部材。
6. 電極材料と別の電極材料とが、化学的な組成及び／又は組織構造において互いに異なっている、請求項５記載の圧電部材。
7. 電極材料と別の電極材料とをそれぞれ形成する導電性の電極物質の化学的な組成が、互いに異なっている、請求項６記載の圧電部材。
8. 電極材料と別の電極材料とをそれぞれ形成する導電性の電極物質の化学的な組成が、導電性の電極物質への添加剤によって互いに異なっている、請求項６又は７記載の圧電部材。
9. 電極層（１０１）の電極構造と別の電極層（１０２）の別の電極構造とが、互いに異なっている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電部材。
10. 電極構造が特定の電極層厚さであり、かつ別の電極構造が別の電極厚さである、請求項９記載の圧電部材。
11. 複数のピエゾエレメント（１０）が、所定の積層方向（２１）で配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体（２０）を形成している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧電部材。
12. ピエゾエレメント（１０）と少なくとも１つの別のピエゾエレメント（１１）とが、所定の積層方向（２１）で配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体（２０）を形成しており、別のピエゾエレメント（１１）が、少なくとも２つの別の電極層（１１１）と、該別の電極層（１１１）の間に配置された少なくとも１つの別のピエゾセラミック層（１１３）とを有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧電部材。
13. 複数のピエゾエレメント（１０）と複数の別のピエゾエレメント（１１）とが次のように、すなわち、
    隣接したピエゾエレメント（２００，２０１）がそれぞれ少なくとも１つの共通の電極層（２０２，２０３）を有するように、
    かつ共通の電極層（２０２，２０３）がアクチュエータ体（２０）の積層方向（２１）で交互に、アクチュエータ体（２０）の互いに電気絶縁された少なくとも２つの側部の表面区分（２０３，２０５）へと案内されているように、
    配置されていて、モノリシックの積層体形状のアクチュエータ体（２０）を形成している、請求項１２記載の圧電部材。
14. 複数のピエゾエレメント（１０）が複数の目標破損個所（１００）を備えたアクチュエータ体（２０）を形成していて、この場合目標破損個所（１００）アクチュエータ体（２０）の積層方向（２１）に沿って、それぞれ亀裂（１１０）が形成される機械的な過負荷に関しての勾配を有している、請求項１から１３までのいずれか１項記載の圧電部材。
15. アクチュエータ体（２０）の少なくとも１つのピエゾエレメント（１０）の目標破損個所（１００）が、次のように、すなわちピエゾエレメント（１０）内に生じる亀裂（１１０）がアクチュエータ体（２０）を少なくとも２つの部分積層体（２２，２３）に分割し、かつ１つの共通の側部の表面区分（２０４）へと案内されている各部分積層体（２２）の電極層（２２１）が、電気的な部分接続エレメント（２２２）を用いて電気的に接触接続されたままになるように、構成されている、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の圧電部材。
16. 電気的な部分接続エレメント（２２２）が、各部分積層体（２２，２３）との接触接続のために、少なくとも１つの導電性のワイヤ（２２３）を有している、請求項１５記載の圧電部材。
17. 電気的な部分接続エレメント（２２２）が、導電性のシートを有している、請求項１５又は１６記載の圧電部材。

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