JP4629979B2 - 構造化された外部電極を備えた圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、多層電気素子、とりわけ、圧電アクチュエータに関する。さらに、本発明は、この種の多層電気素子を製造する方法に関する。

重ね合わせたセラミック層とこれらセラミック層の間に挟まれた内部電極とからなるスタックを有する基体を備えた圧電アクチュエータは公知である。内部電極は銀とパラジウムの混合物から形成されている。セラミック層はジルコン酸チタン酸鉛をベースとしたセラミックスを含んでおり、このセラミックスはその強誘電性のゆえに圧電効果を有している。圧電効果のゆえに、このセラミックスは、電圧が印加されると伸長する。それゆえ、この種の多層セラミックスからなるアクチュエータの形成が可能となる。

公知の圧電アクチュエータには、さらに、外部電極が設けられており、この外部電極は、基体側面上に切れ目なく配置されており、内部電極と接触している。

圧電アクチュエータの製造コストを下げるために、内部電極の材料と外部電極の材料を銅で代用する努力が為されている。公知の圧電アクチュエータでは、外部電極は切れ目のない層の形態を有している。外部電極のこの形態は銅から形成された外部電極には適していない。切れ目のない層の場合には、例えば接触素子を外部電極にはんだ付けする際に生じる熱負荷の際に、外部電極と圧電アクチュエータの基体との間に剪断負荷が生じ、これによって、外部電極と基体との間の境界面の損傷がもたらされる。境界面のこの損傷は外部電極と基体との間の有効接着面の減少を伴う。

このように製造された圧電アクチュエータは多数の機械的な伸展負荷がかけられているうちに動作不能となってしまい、伸展負荷は再び基体と外部電極との間に剪断応力を生じさせる。これらの付加的な負荷は、銅電極の安定性が比較的高いがために、熱負荷の際に生じる損傷を境界面に沿って面状に拡散させ、外部電極の剥離を生じさせる。これにより、圧電アクチュエータは動作不能となり、再び使用することができなくなる。

本発明の課題は、外部電極の剥離の危険を回避する多層電気素子及びこのような多層電気素子を製造する方法を提供することである。

上記課題は、基体を有し、該基体は重ね合わせたセラミック層と該セラミック層の間に挟まれた内部電極とからなるスタックを有しており、前記基体の側面には、内電極との接触のために外部電極が取り付けられており、前記外部電極は層の形態を有しており、少なくとも１つの凹部が設けられているように構成された多層電気素子により解決される。同様に、上記課題は、ａ）重ね合わせたセラミック層と該セラミック層の間に挟まれた内部電極とからなるスタックを含んだ基体を形成し、前記基体の側面に、前記内部電極に接触するように、層の形態を有し且つ少なくとも１つの凹部が設けられた外部電極を取り付けるステップと、ｂ）前記外部電極と前記基体の側面との間の剪断応力のもとで、前記外部電極を接触素子に接触させるステップとを有する、多層電気素子を製造する方法により解決される。他の請求項は本発明の有利な実施形態に関連するものである。

基体を有する多層電気素子が提供される。基体は重ね合わせたセラミック層と該セラミック層の間に挟まれた内部電極とからなるスタックを含んでいる。基体の側面には、内電極との接触のために外部電極が取り付けられている。

外部電極は、少なくとも１つの凹部が設けられた層の形態を有している。

凹部の位置では、層厚を減少させることができる。これにより、この位置に、層ないし外部電極の引張り強さ及び圧縮強さが低下する目標亀裂位置が生じる。このため、基体に対する外部電極の剪断負荷が比較的小さくても、目標亀裂位置に層を貫く亀裂生じさせるには十分である。これにより、層全体に作用する剪断負荷を明らかに小さくすることができる。というのも、剪断負荷により生じる、層に沿ったないしは基体表面に沿った引張り応力ないし圧縮応力は、相応する短縮された経路を介してのみ加えられるからである。

特に、層厚は凹部の位置において局所的な最小値をとることができる。

しかし、まったく同様に、外部電極が凹部の位置で中断されるように、外部電極に凹部を形成することも可能である。これにより、始めから長い経路を介した引張り応力ないし圧縮応力の印加によって大きな剪断応力が生じないように、ある程度、外部電極の製造の際にすでに予め亀裂が設けられる。

外部電極は実質的に層厚が一定である領域を有していてよい。これは、外部電極をシルクスクリーン印刷法によって取り付けることができるという利点を有している。

多層電気素子の１つの有利な実施形態では、外部電極は銅を含有しており、これにより、素子の材料コストを下げることができる。

さらに、セラミック層が圧電活性を有していると有利である。これは、多層電気素子を圧電アクチュエータとして使用することができるという利点を有している。圧電効果は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛をベースとしたセラミックスを使用することにより得られる。

凹部は溝の形態で延在していてもよい。この場合には、溝は縦軸に沿って延びている。重ね合わせたセラミック層と内部電極とからなるスタックの外部電極側の側面へのこの縦軸の射影は、ある角度で内部電極と交差する。これにより、スタックの相応する外面に沿って延びる各々の内部電極との接触が保証される。

これは、角度αが０°及び１８０°とは異なる値をとることを意味する。

有利には、複数の凹部を等間隔で配置することもできる。これは、外部電極が複数の領域に均等に分割されるという利点を有している。このことは、発生する最大の剪断応力が相応して低減されることを意味する。

さらに、複数の凹部を層上に均一に分布させてもよい。

さらには、複数の凹部が周期的に繰り返す構造（例えば、菱形、正方形）を形成するように、複数の凹部を配置することも可能である。

目標亀裂位置としての凹部の機能を保証するためには、凹部の位置における最小層厚が、実質的に層厚が一定である領域の層厚の最大で７５％であると有利である。

外部電極は、銅粉末を含有したシルクスクリーン印刷ペーストの形態で塗布してもよい。

シルクスクリーン印刷ペーストの形態で外部電極を塗布することの利点は、相応のシルクスクリーン印刷マスクの使用により、凹部の確実かつ均一な配置が簡単な手段で達成できることである。

外部電極をシルクスクリーン印刷ペーストの形態でないしはシルクスクリーン印刷法を用いて塗布する際に、有利には、凹部が最小で２００μｍの幅を有するように注意しなければならない。というのも、そうしなかった場合、ペーストないし使用しているメッシュの軟度のゆえに、はっきり画定された凹部がもはや保証されなくなるからである。より小さな凹部は、通常使用されるシルクスクリーン印刷ペーストの流動性ゆえに、高いコストをかけずには実現することができない。しかしながら、横方向の広がりが比較的少ない凹部を形成することも考えられる。この場合には、比較的に構造粘性の高い又は揺変性の高いシルクスクリーン印刷ペーストが使用される。

さらに、以下のステップを有する多層電気素子を製造する方法が提供される。
ａ）重ね合わせたセラミック層と該セラミック層の間に挟まれた内部電極とからなるスタックを含んだ基体を形成し、該基体の側面に、前記内部電極に接触するように、層の形態を有し且つ少なくとも１つの凹部が設けられた外部電極を取り付ける。
ｂ）前記外部電極と前記基体の側面との間の剪断応力の作用のもとで、前記外部電極を接触素子に接触させる。

通常は、外部電極とセラミック層には熱膨張係数の異なる材料が使用される。

多層電気素子を製造するこの方法は、剪断応力の作用にもかかわらず、凹部により形成される目標亀裂位置ないしは既にあった亀裂により、外部電極の剥離の危険が回避されるという利点を有している。

外部電極とセラミック層とでは通常異なる熱膨張係数を有する各々の機能に適した材料を使用しているのにもかかわらず、本発明は、外部電極をはんた付けによって接触素子に接触させることを可能にする。

外部電極に銅を使用し、スタックのセラミック層にＰＺＴセラミックスを使用する場合、＞２００°Ｃの温度ではんだ付けを行うことが考慮される。この温度でのはんだ付けでは、相応する高温融解はんだの使用が可能となる。この種の高温融解はんだは、例えば自動車の内燃機関において生じるような１５０°Ｃまでの温度でも、例えば圧電アクチュエータなどの電気素子の使用を可能にするという利点を有している。

以下では、実施例及びそれらに関連した図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。

図１は、多層電気素子の例を概略的な断面図で示しており、
図２は、外部電極の別の実施形態を示しており、
図３は、切れ目のない外部電極と切れ目のある外部電極の場合の剪断応力の異なる経過を示しており、
図４は、溝の形態の凹部を示しており、
図５は、規則的な格子に沿って配置された凹部を示しており、
図６は、基体の縁部に中間層が形成された多層電気素子の例を示している。

図１には、重ね合わせたセラミック層２とこれらセラミック層２の間に挟まれた内部電極３からなるスタック１ａを含んだ基体１を備えた圧電アクチュエータが示されている。圧電アクチュエータないし基体１は横倒しで示されている。つまり、スタック１ａの底板及び天井板は、図１の右側ないし左側に位置する。内部電極３は交互にスタック１ａの上側縁部ないし下側縁部に達している。受動領域１３に沿っては、１つ置きにしか内部電極３は存在しないので、この領域では、スタック１ａの上端とスタック１ａの下端とから出た内部電極３の間に電圧が印加されても、圧電アクチュエータは非常に僅かしか歪まない。

基体１の上側面４には、内部電極３との接触のために外部電極５が取り付けられている。外部電極５は凹部６を備えている。詳細には図１に関して、外部電極の形状を決定する局所的最小値の形で凹部６が与えられていることが分かる。凹部６の内部では、層厚ｄは最小値ｄ_ｍｉｎを有する。さらに、外部電極５は層厚ｄが実質的に一定である領域を有している。これは、この領域においては、層厚ｄが１０％未満しか変化しないことを意味している。さらに、詳細には、図１からは、外部電極５をシルクスクリーン印刷法によって取り付ける際に所定の最小限度を下回らないような幅ｂを凹部６が有していることが分かる。というのも、そうでなければ、通常使用されるシルクスクリーン印刷法を、例えば構造粘性の比較的高いシルクスクリーン印刷ペーストを用いて、特別に適応させなければならないからである。凹部６の前記領域における最小層厚ｄ_ｍｉｎは、最大でも外部電極５の層厚ｄの７５％でなければならない。というのも、そうでなければ、目標亀裂位置の機能がもはや保証されなくなるからである。

別の実施例が図２に記載されている。この実施例では、外部電極５は基体１の側面４の凹部６の位置において中断されている。このことは、層厚ｄが凹部６の領域ではゼロに等しいことを意味する。この実施形態は、例えば熱負荷の際に初めて目標亀裂位置で外部電極５に亀裂が入るようにするのではなく、すでに中断部分が存在しており、生じる最大の剪断応力が始めから低減されている（図３の説明も参照）という利点を有している。

図３は、外部電極５を中断させることが例えば圧電アクチュエータが歪むときに生じる剪断応力に対して有する効果を説明する。このために、図３には、圧電アクチュエータの基体１が概略的に示されている。圧電アクチュエータの歪みは双方向矢印によって概略的に示されている。基体１の上面には、切れ目のない外部電極５ａが示されている。圧電アクチュエータないし基体１の下面には、凹部６により中断された外部電極５ｂが概略的に断面で示されている。上側の外部電極５ａと下側の外部電極５ｂとに対する引張り応力（２つの双方向矢印により示されている）が同じである場合を考慮すると、剪断応力Ｓの定性的経過に関して、図３の下側に示された経過が得られる。曲線１０は、切れ目のない外部電極５ａに関して、基体１の縦座標ｚに依存した剪断応力Ｓの経過を記述したものである。それに対して、曲線１１は、中断のある外部電極５ｂに関して、基体１の縦座標ｚに依存した剪断応力Ｓの経過を記述したものである。外部電極５ａの場合には引張り応力ないし圧縮応力は比較的長い経路を介して加わるので、外部電極５ａには、図３においてＳ_２で示されている比較的大きな最大剪断応力が生じる。中断のある外部電極５ｂの場合には、引張り応力ないし圧縮応力は比較的短い経路を介して加わるので、曲線１１の経過から分かるように、結果として比較的小さな最大剪断応力Ｓ_１が生じる。この比較的低い最大剪断応力の結果、例えば、外部電極５ｂに接続されたワイヤが引っ張られることよる又は圧電アクチュエータの複数の歪みによる機械的な負荷の際に、外部電極５ｂが剥離する危険性が減る。

有利な最小幅ｂはおよそ２００μｍである。ふつうにシルクスクリーン印刷法により形成可能な層厚ｄはおよそ１５〜２５μｍである。

図４には、外部電極５の凹部６が、縦軸７に沿って延在する溝の形態で示されている。図４は、例示的な外部電極５の上面図である。さらに、直線８は、内部電極３の列を図１に相応した形で表した図６に示されている。縦軸７は実質的に互いに平行に延びており、０°及び１８０°ではない角度αで直線８と交差している。このことから、直線８により表された内部電極は、外部電極５の層厚ｄが実質的に一定である領域１４に、１つ置きに接触する。これにより、内部電極が外部電極５ないし外部電極５の層厚ｄが実質的に一定である領域１４に１つ置きに接触することが保証される。

図５には、構造化された外部電極５の別の実施例が上面図で示されている。この実施例では、凹部６は、正方形格子を形成する円の形で設けられている。

シルクスクリーン印刷ペーストの形態で外部電極５を取り付ける際、通常は、ガラスフリットを含有したシルクスクリーン印刷ペーストが使用される。このガラスフリットは、基体１１への外部電極５の機械的固着を改善するために使用される。使用されるガラスフリットに応じて、また、使用されるセラミックスに応じて、ないしは、別のプロセスパラメータの調整に依存して、ガラスフリットが、外部電極５と基体１の縁部との間にあり且つ内部電極３の領域内で中断される中間層９を形成するということが起こり得る。外部電極５の剪断ないし剥離の問題を考慮してみれば、図６に示されているように、ガラスフリットからなる中間層９を基体１に割り当てるべきである。好適には、剥離のプロセスは外部電極５と中間層９との間で生じる。

図６には、さらに２つの接触素子が示されている。これらの接触素子は、例えば、細いワイヤの形態をとることができ、はんだ付けにより外部電極５に接続されている。１．５〜２．０×１０^−６ｍ／ｍｋの熱膨張係数を有するセラミック層にＰＺＴセラミックスを使用し、１９×１０^−６ｍ／ｍｋの熱膨張係数を有する銅からなる外部電極５を使用した場合、凹部６を設けることにより、およそ３００°Ｃの温度での接触素子のはんた付けが可能になる。これにより、高温融解はんだ、例えばＰｂベースのはんだの使用が可能になる。

ガラスフリットとしては、例えば、酸化鉛、酸化ケイ素、三酸化二ホウ素、及び場合によってはさらに別の要素を含有した混合物を使用してもよい。

本発明は、圧電アクチュエータにおける使用に限定されるものではなく、原理的にすべての多層電気素子に、例えばコンデンサにも適用可能である。

多層電気素子の例を概略的な断面図で示す。

外部電極の別の実施形態を示す。

切れ目のない外部電極と切れ目のある外部電極の場合の剪断応力の異なる経過を示す。

溝の形態の凹部を示す。

規則的な格子に沿って配置された凹部を示す。

基体の縁部に中間層が形成された多層電気素子の例を示す。

Claims (14)

1. 基体（１）を有し、
   前記基体（１）は、重ね合わせたセラミック層（２）と該セラミック層の間に挟まれた内部電極（３）とからなるスタック（１ａ）を有しており、
   前記内部電極（３）は交互に前記基体（１）の側面（４）まで達しており、
   前記基体（１）の側面（４）には、内電極（３）との接触のために外部電極（５）が取り付けられており、
   前記外部電極（５）は層の形態を有しており、
   少なくとも１つの凹部（６）が設けられており、
   前記外部電極（５）はシルクスクリーン印刷ペーストの形態で塗布されており、該シルクスクリーン印刷ペーストは銅粉末を含有しており、
   前記凹部は前記シルクスクリーン印刷ペーストに設けられていることを特徴とする、多層電気素子。
2. 前記外部電極（５）は実質的に層厚（ｄ）が一定である領域（１４）を有している、請求項１記載の素子。
3. 前記セラミック層（２）は圧電活性を有する、請求項１または２記載の素子。
4. 前記凹部（６）は溝の形態で縦軸（７）の方向に延在しており、
   前記スタック（１ａ）の外部電極側の側面への前記縦軸（７）の射影は、角度αで前記内部電極（３）と交差する、請求項１から３のいずれか１項記載の素子。
5. 複数の凹部（６）が等間隔で配置されている、請求項１から４のいずれか１項記載の素子。
6. 複数の凹部（６）が前記外部電極（５）上に均一に分布している、請求項１から５のいずれか１項記載の素子。
7. 複数の凹部（６）が周期的に繰り返す構造を形成している、請求項１から６のいずれか１項記載の素子。
8. 前記層厚（ｄ）は前記凹部（６）において局所的な最小値（ｄ_ｍｉｎ）を有する、請求項１から７のいずれか１項記載の素子。
9. 前記ｄ_ｍｉｎは最大で前記層厚（ｄ）の７５％である、請求項８記載の素子。
10. 前記外部電極（５）は前記凹部（６）においては中断されている、請求項１から９のいずれか１項記載の素子。
11. 前記凹部（６）は少なくとも２００μｍの幅（ｂ）を有している、請求項１から１０のいずれか１項記載の素子。
12. 多層電気素子を製造する方法において、
    ａ）重ね合わせたセラミック層（２）と該セラミック層の間に挟まれた内部電極（３）とからなるスタック（１ａ）を含んだ基体（１）を形成し、前記内部電極（３）との接触のために、銅粉末を含有するシルクスクリーン印刷ペーストの形態で外部電極（５）を前記基体（１）の側面（４）に塗布し、前記外部電極（５）に少なくとも１つの凹部（６）を設け、その際、前記外部電極（５）は層の形態を有し、前記凹部（６）は前記シルクスクリーン印刷ペーストに設けられ、
    ｂ）前記外部電極（５）と前記基体（１）の側面（４）との間の剪断応力のもとで、前記外部電極（５）を接触素子（１２）に接触させる
    ことを特徴とする、多層電気素子を製造する方法。
13. 前記外部電極（５）と前記セラミック層（２）に熱膨張係数の異なる材料を使用し、前記外部電極（５）の接触素子（１２）への接触をはんだ付けにより行う、請求項１２記載の方法。
14. 前記外部電極（５）には銅を、前記セラミック層にはＰＺＴセラミックを使用し、前記外部電極（５）を接触させるために、温度＞２００°Ｃでのはんだ付けにより、ワイヤを前記外部電極（５）に固定する、請求項１３記載の方法。

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