JP5069233B2 - 移行領域において分極方向が回転するモノリシックピエゾアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明はモノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータに関し、このピエゾアクチュエータは、交互に重なって配置されている圧電セラミック材料からなる圧電セラミック層とこの圧電セラミック層間に配置されている電極層（内部電極）とを有する少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体と、この圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域と、圧電性の活性部分積層体と終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域とを有し、圧電性の活性部分積層体、終端領域および移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている。

大きな信号領域（数ｋＶ／ｍｍの電界強度）においてその種のピエゾアクチュエータが最初に電気的に駆動制御される際に圧電セラミック材料は分極される。これにより不可逆性の長さ変化、いわゆる残留変形が生じる。この残留変形および、ピエゾアクチュエータの動作時に電極層を電気的に駆動制御する際に生じる付加的な変形に基づき全積層体内では引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力により分極の経過において、またはピエゾアクチュエータの動作時に例えば圧電セラミック層と電極層との間の境界面に沿って亀裂（分極割れ）が生じる。その種の亀裂は殊に活性部分積層体と終端領域との間の移行領域においても生じる。亀裂が枝分かれするか、全積層体の長手方向において拡がる場合は殊に悪影響が及ぼされる。その種の亀裂によりピエゾアクチュエータが早期に故障することは不可避である。

本発明の課題は、上述の亀裂の形成および亀裂の増大に関する確率が従来技術に比べて低減されているピエゾアクチュエータを提供することである。

この課題を解決するために、交互に重なって配置されている圧電セラミック層とこの圧電セラミック層間に配置されている電極層とを有する少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体と、この圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域と、圧電性の活性部分積層体と終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域とを有し、圧電性の活性部分積層体、終端領域および移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている、モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータが提供される。このピエゾアクチュエータは以下の特徴を有する。すなわち、移行領域が移行領域積層体を有しており、この移行領域積層体は相互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層とこれらの移行領域圧電セラミック層間に配置されている移行領域電極層とを有しており、これらの移行領域圧電セラミック層および移行領域電極層は次のように構成され、相互に配置されている。すなわち、移行領域積層体の積層方向において、移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと、分極主軸および／または電気的駆動制御の主軸が漸次的に回転するように構成され、相互に配置されている。これらの主軸は、分極ベクトルないしは電界のベクトルに関する。ここでこの電界は電気的駆動制御によって生起され、それぞれ移行領域圧電セラミック層内に入力される。ここで、２つまたは３つの、直接的に相互に重なって積層されている圧電セラミック層の主軸は等しく配向されている。これらの圧電セラミック層は１つの圧電セラミック層セットを構成し、これは等しく配向された、分極主軸を有している。

終端領域は全積層体の頂部領域または底部領域でよい。終端領域を１つまたは複数の層から構成することができる。後者の場合には１つのカバーセットとなる。終端領域の材料としてセラミック材料または金属材料が考えられる。

電気的駆動制御の主軸は電界の主軸を定める。ここでこの電界は移行圧電セラミック層内での駆動制御によって誘起される。

圧電セラミック層の圧電セラミック材料と移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料は同一のものでよい。しかしながら異なる材料を使用することもできる。同様にこれらの層の総厚は同一でもよいし、異なっていてもよい。

本発明の基礎となる着想は、移行領域圧電セラミック層の変形が段階的に変化する移行領域を提供することである。段階的な変化により従来技術から公知である、圧電性の活性部分積層体と圧電性の不活性終端領域との間の高い引っ張り応力が著しく低減される。

特に有利な構成では、各主軸の回転は、移行領域部分積層体の積層方向に対して実質的に平行な配向から、移行領域部分積層体の積層方向に対して実質的に垂直な配向への主軸の回転を含む。ここでは実質的に、正確な垂直ないし平行配向が設けられる必要はない。５０％までのずれは許容可能である。

この回転により、分極の間または動作中に生じる変形も変化する。横方向（ａ／ｂ方向）において生じる変形と積層方向（ｃ方向）において生じる変形はもはやｄ₃₁（負）成分およびｄ₃₃（正）成分のみから構成されているものではない。その結果この効果の重ね合わせが生じる。層平面に対する分極ベクトルおよび駆動制御ベクトルの所定の方向においては、それぞれの方向における最小変形が達成される。これにより、移行領域の２つの層間では相応に僅かな機械的な引っ張り応力が生じる。

有利には実質的に垂直な配向は、移行領域部分積層体と終端領域との間の境界領域に配置されている。分極が漸次的に「不鮮明になる（Verschmierung）」。この結果、移行領域と不活性終端領域との間の境界領域において、非常に小さい機械的応力が生じる。亀裂が生じる確率は格段に低減される。

特に有利な構成では、移行領域電極層の構造および／または寸法の変化によって、回転が生起される。移行領域電極層の漸次的な変化によって段階的な変化が生起される。

このために、それぞれの移行領域電極層の横方向の拡張に対して移行領域電極層の構造は櫛状である。別の実施形態においては、それぞれの移行領域電極層の横方向の拡張に平行な構造は円形である。殊に櫛状の構造は交差指型構造（Interdigital-Structure）の形成に適している。したがって殊に有利な実施形態によれば、隣接する移行領域電極層が１つの交差指型構造を形成する。

殊に有利な実施形態によれば、活性部分積層体および／または終端領域が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、殊に３ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲から選択された部分積層体高さを有する。例えば部分積層体高さは２ｍｍである。この部分積層体高さにより電圧スパイクを非常に良好に除去することができる。殊に有利な実施形態によれば、移行領域部分積層体は０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、殊に０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の範囲から選択された移行領域積層体高さを有する。部分積層体により非常に高い全積層体が得られる。殊に有利な実施形態においては全積層体が、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲から選択された全積層体高さを有する。それよりも高い全積層体高さも同様に得られる。

この新たな信頼性の高いピエゾアクチュエータは有利には内燃機関の弁、殊に噴射弁を駆動制御するために使用される。内燃機関は例えば自動車のエンジンである。

以下では本発明を複数の実施例および所属の図面に基づき詳細に説明する。図面は概略的に示されたものであり、縮尺通りに描かれていない。

図１はモノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータの側面図を示し、
図２Ａは移行領域電極層の櫛状構造の漸次的な変更を示し、図２Ｂは移行領域電極層の櫛状構造の漸次的な変更を示す。

ピエゾアクチュエータ１はモノリシックな多層構造の全積層体１０を有するピエゾアクチュエータである。ピエゾアクチュエータ１は圧電性の活性部分積層体１１を有し、この部分積層体１１においては圧電セラミック材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を有する圧電セラミック層１１１と銀パラジウム合金からなる電極層１１２とが交互に重なって配置されている。

圧電性の活性部分積層体１１の上には、セラミック層からなるセラミック性のカバーセットの形の圧電性の不活性終端領域１２が配置されている。

圧電性の活性部分積層体１１とカバーセット１２との間には移行領域積層体の形の移行領域１３が配置されている。移行領域積層体１３は交互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層１３１と移行領域電極層１３２とを有する。移行領域圧電セラミック層の圧電セラミック材料と圧電性の活性部分積層体１１の圧電セラミック層の圧電セラミック材料は同一である。択一的な実施形態においては、これらの圧電セラミック層の圧電セラミック材料は異なる。

圧電性の活性部分積層体１１、移行領域積層体１３および終端領域１２は一緒に１つのモノリシックな全積層体１０を形成する。

活性部分積層体１１の領域および移行領域積層体１３の領域における全積層体の側面にはそれぞれの電極層と電気的に接触するための外部金属化部１４が取付けられている。
交番的に接触するために図示していない別の外部金属化部が設けられている。

積層方向１０１における全積層体１０の全高１０３は３０ｍｍである。圧電性の活性部分積層体１１の部分積層体高さ１１３は約１０ｍｍである。移行領域積層体１３の移行領域部分積層体高さ１１４は約２ｍｍである。

移行領域圧電セラミック層１３１および移行領域電極層１３２は、次のように構成され、相互に配置されている。すなわち、移行領域積層体１３の積層方向１３３において、移行領域圧電セラミック層から移行領域圧電セラミック層へと漸次的に、分極主軸１３４の回転１３５が行われるように構成され、相互に配置されている。択一的に、電気的駆動制御の主軸１３４の回転１３５が行われる。

各主軸１３４の回転１３５は、移行領域部分積層体１３の積層方向１３３に対して実質的に平行な配向（活性部分積層体１１と移行領域積層体１３との間の移行領域１２１において）から、移行領域部分積層体１３の積層方向１３３に対して実質的に垂直な配向（移行領域積層体１３と圧電性不活性カバーセット１２との間の移行領域において）への主軸１３４の回転を含む。

第１の実施形態によれば、移行領域電極層１３２は櫛状の構造を有する。
この櫛状の構造１３２１は図２Ａに示されている。この実施例によれば、移行領域電極層１３２の櫛状の構造１３２１が連続的に変更される。図２Ａに示されているように、櫛状の構造１３２１のウェブ間の間隔は移行領域電極層から移行領域電極層へ変更される。隣接する移行領域電極層１３２は一緒にそれぞれ１つの交差指型構造１３４を形成する。

択一的な実施形態では、移行領域電極層１３２は環状の構造１３２２を有する（図２Ｂ）。ここで環状構造１３２２の円の間の間隔は、移行領域電極層から移行領域電極層へと変化する。

別の実施例によれば、終端領域１２および移行領域１３の図示した配置構成に付加的もしくは択一的に、全積層体１０の頂部領域に終端領域１２が配置され、全積層体１０の底部領域に移行領域が配置される。

この新たなピエゾアクチュエータ１は自動車のエンジンの噴射弁を駆動制御するために使用される。

モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータの側面図 図２Ａは移行領域電極層の櫛状構造の漸次的な変更 図２Ｂは移行領域電極層の櫛状構造の漸次的な変更

Claims (10)

1. モノリシックな多層構造を有するピエゾアクチュエータ（１）であって、
   ・少なくとも１つの圧電性の活性部分積層体を有し、該活性部分積層体は交互に重なって配置されている圧電セラミック層（１１１，１２１）と該圧電セラミック層間に配置されている電極層（１１２，１２２）とを有し、
   ・前記圧電性の活性部分積層体の上に配置されている少なくとも１つの圧電性の不活性終端領域を有し、
   ・前記圧電性の活性部分積層体と前記活性終端領域との間に配置されている少なくとも１つの移行領域を有し、
   ・前記圧電性の活性部分積層体、前記終端領域および前記移行領域は相互に接続されて１つのモノリシックな全積層体となっている、ピエゾアクチュエータにおいて、
   ・前記移行領域が、相互に重なって配置されている移行領域圧電セラミック層と該移行領域圧電セラミック層間に配置されている移行領域電極層とを有し、
   ・前記移行領域圧電セラミック層および前記移行領域電極層は相互に配置されており、前記移行領域積層体の積層方向において、圧電性の活性部分積層体から不活性終端領域へ向けて、前記移行領域圧電セラミック層の分極方向および／または電界の印加方向が漸次的に回転されるように構成されていることを特徴とする、ピエゾアクチュエータ。
2. 前記移行領域圧電セラミック層の分極方向及び／または電界の印加方向は、前記移行領域部分積層体と前記圧電性の活性部分積層体の間の境界領域においては、前記移行領域部分積層体の積層方向に対して平行に配向されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
3. 前記移行領域電極層の構造および／または寸法を変えることによって、前記回転が生じる、請求項１または２記載のピエゾアクチュエータ。
4. それぞれの前記移行領域電極層の平面構造は櫛状構造である、請求項３記載のピエゾアクチュエータ。
5. それぞれの前記移行領域電極層の平面構造は環状構造である、請求項３記載のピエゾアクチュエータ。
6. 隣接する移行領域電極層が１つの交差指型構造（１１２１）を形成する、請求項４記載のピエゾアクチュエータ。
7. 前記活性部分積層体および／または前記終端領域が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲から選択された積層体高さを有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
8. 前記移行領域部分積層体は０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲から選択された移行領域積層体高さを有する、請求項１から７までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
9. 前記全積層体は１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲から選択された全積層体高さ（１０３）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
10. 内燃機関の噴射弁を駆動制御する、請求項１から９までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。

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