JP5260286B2 - スタックエレメントを備えたモノリシックピエゾアクチュエータの製造方法及びスタックエレメントを備えたピエゾアクチュエータ並びにその使用方法 - Google Patents

Description

本発明はスタックエレメントを備えたモノリシックピエゾアクチュエータの製造方法に関している。また本発明はピエゾアクチュエータの他にピエゾアクチュエータの使用方法にも関している。

背景技術
上下に配設ないし積層された複数のスタックエレメントからなるピエゾアクチュエータは公知である。これらのスタックエレメントの各々は圧電セラミック材料からなる上下に配設された圧電セラミック層と該圧電セラミック層の間に配設される電極層（内部電極）とを有している。モノリシックな、つまり一体的なピエゾアクチュエータの場合には、圧電セラミック層と電極層からなる装置全体が共通の焼結プロセスにおいて得られる。その結果としてモノリシックな複数のスタックエレメントから構築されたトータルスタックエレメントが得られる。

そのようなピエゾアクチュエータの最初の電気的な駆動制御のもとでは相当に高い信号領域においてまで（例えば数ｋＶ/ｍｍの電界強度）圧電セラミック材料が分極される。その際には非可逆的な長さ変化が生じ、これはいわゆる残留歪みとも称される。この残留歪みと付加的な歪みに基づいて（これらの歪みはピエゾアクチュエータの作動中に電極層の電気的な駆動制御の際に現れる）、スタックエレメント全体に引張り応力が生じる。この引張り応力は分極の経過中に若しくはピエゾアクチュエータの作動中に例えば圧電セラミック層と電極層の間の境界面に沿って亀裂（分極クラック）を引き起こす。そのときに特に致命的となるのは枝分かれした亀裂か若しくはトータルスタックエレメントの長手方向に拡がる亀裂が生じることである。そのような亀裂によってピエゾアクチュエータの過度に早期の故障は不可避となる。

本発明の課題は公知のピエゾアクチュエータにおいて所期の負荷軽減クラックをもたらすことにより、分極の際にも作動の際にも、前述したような分極亀裂の原因となり得る高い引張り応力の発生を未然に防ぐことである。

この課題の解決のために本発明によるモノリシック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法によれば、スタックエレメントと、少なくとも１つのさらなるスタックエレメントとを有し、前記スタックエレメントの各々は、上下に配設された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配設された電極層とを有しており、前記各スタックエレメントの各電極層は、スタックエレメントの少なくとも２つの側方表面区分の少なくとも１つにおいて延在しており、そのつどのスタックエレメントの側方表面区分において外部金属化層が、上下に隣接して配置されたスタックエレメントの電極層に自身を介して間接的に種々異なる電位が印加されるように配設され、スタックエレメントの複数の電極層と接続されており、前記スタックエレメントは、モノリシックなトータルスタックエレメントを形成すべく上下に配設されており、さらに前記スタックエレメントは、スタックエレメント間に配設されている少なくとも１つの接続層を用いて相互に接続されている。この方法は次の方法ステップを有する。すなわちａ）トータルスタックエレメントを準備するステップと、ｂ）負荷軽減クラックを接続層に形成するステップを有する。トータルスタックエレメントの提供のために外部金属化領域が導電材料の構造化された被着によって形成され得る。また導電材料からなる一塊の外部金属化部を被着させることも考えられる。この外部金属化部の所定の箇所の除去によって相互に電気的に絶縁された外部金属化領域が形成される。

前記課題の解決のために本発明によるモノリシック多層構造のピエゾアクチュエータによれば、スタックエレメントと、少なくとも１つのさらなるスタックエレメントとを有し、前記スタックエレメントの各々は、上下に配設された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層の間に配設された電極層とを有しており、前記各スタックエレメントの各電極層は、スタックエレメントの少なくとも２つの側方表面区分の少なくとも１つにおいて延在しており、そのつどのスタックエレメントの側方表面区分において外部金属化層が、上下に隣接して配置されたスタックエレメントの電極層に自身を介して間接的に種々異なる電位が印加されるように配設され、スタックエレメントの複数の電極層と接続されており、前記スタックエレメントは、モノリシックなトータルスタックエレメントを形成すべく上下に配設されており、さらに前記スタックエレメントは、スタックエレメント間に配設されている少なくとも１つの接続層を用いて相互に接続されている。このピエゾアクチュエータは、前記接続層が負荷軽減クラックを有しており、前記スタックエレメントの外部金属化層は、トータルスタックエレメントの外部金属化領域を形成し、前記接続層によって相互に分離されており、前記外部金属化領域は、該領域を用いてスタックエレメントの電極層に同じ電位を印加させるべく形成され、電気的な橋絡手段を介して相互に導電接続されるように構成されていることを特徴としている。

この接続層もスタックエレメントの層の１つである。例えば接続層は圧電セラミック層である。ただしこの接続層は電極層から形成されてもよい。前記負荷軽減クラックは接続層の内部に発生させてもよい。

有利には負荷軽減クラックは接続層とそれに隣接する層の間の境界面に形成される。

本発明の基礎をなす考察とは、所定の引張り応力ないし圧縮応力をトータルスタックエレメントの中で発生させることにある。所定の引張り応力／圧縮応力プロファイルに基づいて負荷軽減クラックがトータルスタックエレメントの所定の箇所、詳細にはスタックエレメント間の境界に形成される。この箇所では分極クラックが誘発され促進される。誘発された分極クラックは、分極中ないしは作動中のトータルスタックエレメントにおける引張り／圧縮応力プロファイルの最大量の低減に結び付く。負荷軽減クラックを伴うトータルスタックエレメントにおいては、このような負荷軽減クラックを持たないトータルスタックエレメントにおける引張り／圧縮応力よりも少ない引張り／圧縮応力が現われる。その結果としてさらなる亀裂形成が生じる確率も低減される。これらはコントロールのきかない亀裂の形成ないし成長に至ることはない。

誘発された負荷軽減クラックは通常は電極層と圧電セラミック層に対して平行にトータルスタックエレメントの表面方向で（ないしは表面区分の方向で）伝播される。このことは表面区分に設けられる外部金属化部の遮断にもつながる。負荷軽減クラックを意図的にもたらすことによって、外部金属化部が高い確率で遮断される箇所もわかるようになる。この遮断により、外部金属化領域が生じる。電気的な中断は電気的な橋絡手段を用いることによって克服することが可能である。この橋絡手段は外部電極として機能する。橋絡手段を介してコンタクトされた外部金属化領域は互いに導電的に接続されるため、同じ電位の印加が可能となる。それに適した橋絡手段としては例えば外部金属化領域に半田付けされるボンディングワイヤが挙げられる。またその他の橋絡手段、例えば金属薄板、金属線路、扁平ワイヤなども考えられる。

特に有利な実施例によれば、前記負荷軽減クラックの形成に対してさらに、ｃ）所定のスタックエレメントを分極させるステップと、ｄ）さらなるスタックエレメントも分極させるステップが実施される。ここではまずスタックエレメントの一部のみが分極される。それに対しては分極すべきスタックエレメントの電極層のみが電気的に駆動される。その他のスタックエレメントの電極層には同じ電位が印加される（例えばアース電位）。それ故有利には前記スタックエレメントの分極中にさらなるスタックエレメントの電極層が短絡される。スタックエレメントの分極により生じる長さ変化に基づいてこのスタックエレメントと、別のさらなるスタックエレメントとの間の接続層には非常に高い引張り応力が生じる。この引張り応力に基づいて負荷軽減クラックが生じる。それに続いてさらなるスタックエレメントの分極が生じる。このさらなるスタックエレメントの分極中にスタックエレメントの電極層が短絡される。

さらに別の有利な実施例によれば、前記負荷軽減クラックの形成に対してさらに、ｅ）トータルスタックエレメントを分極するステップと、ｄ）スタックエレメントの一部を復極するステップが実施される。ここではまずトータルスタックエレメントが分極される。その後でスタックエレメントの一部が復極される。このことはスタックエレメントの長さ変化につながる。再び機械的な引張り応力が誘発され、これは接続層の負荷軽減クラックに結び付く。

前述した分極ステップは、圧電セラミック材料のほぼ完全な分極を引き起こす。例えばこのことは、トータルスタックエレメントの分極が伴う前記方法ステップｅ）にあてはまる。

しかしながら部分的な分極のみを実施することも可能である。それ故にさらに別の実施例によれば、所定のスタックエレメントの分極に対して、及び／又は前記さらなるスタックエレメントの分極に対して部分的な分極が実施される。

個々の分極ステップの間は、負荷軽減クラックの形成に有利な任意のパラメータの変更、若しくは負荷軽減クラックの所定箇所への配設を容易にさせるパラメータの変更が可能である。例えば分極期間中にトータルスタックエレメントにおいて温度勾配を生じさせてもよい。しかしながらまた有利には、所定のスタックエレメントの分極期間中、及び／又はさらなるスタックエレメントの分極期間中、及び／又はトータルスタックエレメントの分極期間中、及び／又はスタックエレメントの１つの復極期間中に、圧縮応力がトータルスタックエレメントに印加される。印加される圧縮応力は、分極ないしは復極中に生じる長さ変化と負荷軽減クラックの形成に影響を及ぼす。スタックエレメントにはバイアスがかけられる。その場合のバイアス圧力は５０メガパスカルまでの値であってもよい。このバイアス圧力は一軸性のスタックエレメント方向で行われる。均衡的な圧力利用も同様に可能である。

負荷軽減クラックの伴う接続層によってピエゾアクチュエータのトータルスタックエレメントは、少なくとも２つのスタックエレメントに分けられる。トータルスタックエレメントを比較的小さなスタックエレメントに分割することによって、ピエゾアクチュエータの電気的な駆動の際には自動的に僅かな機械的応力ないし張力が発生する。

この場合有利には、スタックエレメントの少なくとも１つが専ら１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内で選択されるスタックエレメント高さを有し、特に有利には３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内で選択されたスタックエレメント高さを有している。これらの範囲内では、電極層の電気的駆動によって生じる機械的応力ないし張力が非常に良好に処理できる。しかしながら同時に比較的高いスタックエレメント高とピエゾアクチュエータの比較的大きな変位も可能である。その場合には特に１０ｍｍから２００ｍｍまでの範囲から選択されたスタックエレメント高を有するトータルスタックエレメントが利用可能である。その結果として高い偏倚性と十分な応力伝達能力並びに負荷軽減クラックにもかかわらず非常に高い剛性を備えたトータルスタックエレメントが得られる。

本発明によれば新規で信頼性の高いピエゾアクチュエータが実現される。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。

実施例
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。図面は本発明の実施例を概略的に示した図である。

図１は複数のスタックエレメントを備えたモノリシックな多層構造のピエゾアクチュエータを表している。

ピエゾアクチュエータ１はモノリシックな多層構造のスタックエレメント（トータルスタックエレメント）１０を有するピエゾアクチュエータである。このアクチュエータ１はスタックエレメント１１と少なくとも１つのさらなるスタックエレメント１２からなっている。これらのスタックエレメントは上下に配設されている。これらのスタックエレメントの間には図には示されていない負荷軽減クラックを有する接続層１３が存在している。この接続層１３は電気的にコンタクトされていない電極層である。それに対して代替的に接続層は圧電セラミック層である。積層方向１０１におけるトータルスタックエレメント１０の全高１０３は３０ｍｍである。スタックエレメント１１３と１２３のスタックエレメント高はそれぞれ約２ｍｍである。

スタックエレメント１１及び１２のそれぞれはＰＺＴからなる圧電セラミック層１１１ないし１２１と、銅からなる電極層１１２ないし１２２２からなっている。代替的な実施形態によれば、電極層は銀ないし銀−パラジウム合金からなっている。トータルスタックエレメント１０ないいスタックエレメント１１，１２においては隣接する電極層がトータルスタックエレメント１０ないしスタックエレメント１１、１２の異なる側方領域に案内されている。そこでは電極層の電気的なコンタクトのために金属化部１４が設けられている。図中では金属化部１４の１つが示されている。金属化部１４はスタックエレメント１１，１２の各々に対する２つの金属化領域１４１，１４２を有している。これらの金属化領域１４１，１４２は半田付けされワイヤの形態の電気的な橋絡手段１４３を介して互いに導電的に接続されている。

ピエゾアクチュエータ１ないしはピエゾアクチュエータ１のトータルスタックエレメント１０の製造のために電極材料を備えた未処理のセラミックグリーンフィルムが印刷され、上下にスタックされて、単軸圧力のもとに積層される。続いてそのように得られた"グリーン"スタックエレメントを接続解除し焼結する。この温度処理ステップ（Co-firing）はモノリシックトータルスタックエレメント１０に結び付けられる。続いてトータルスタックエレメントの表面区分１０４に外部金属化部１４が被着される。第１の実施形態によれば、金属化部はまず表面区分１０４全体に被着され、続いて金属化部の除去によって外部金属化領域１４１，１４２に分割される。これらの外部金属化領域は電気的に相互に絶縁され、個別に電気的に駆動可能である。それに対して代替的に外部金属化領域は構造化されて被着され得る。すなわち外部金属化領域は相互に電気的に絶縁された外部金属化領域の形態で被着される。外部金属化領域形成のための後からの金属化部の除去は不要である。

このように若しくは類似の形式で製造されたトータルスタックエレメント１０は続いて分極される。それに対してはスタックエレメント１１の電極層１１２のみが電気的に駆動される。さらなるスタックエレメント１２の電極層１２２は短絡される。スタックエレメント１１の電極層１２２の電気的な駆動制御によってこのスタックエレメント１１の長さ変化のみが生じる。それによりスタックエレメント１１とさらなるスタックエレメント１２の間の境界領域に機械的な応力／張力が発生し、これは接続層１３内にクラックを引き起こす。ここでは負荷軽減クラックが生じる。引き続きトータルスタックエレメントが分極される。すなわちさらなるスタックエレメント１２の電極層１２２も電気的に駆動制御される。

図示の分極手法に対して代替的にトータルスタックエレメントの第１のステップにおいて分極されてもよい。その場合スタックエレメント１１の電極層１１２と、さらなるスタックエレメント１２の電極層１２２が電気的に駆動制御される。その後でスタックエレメント１１ないし１２の一部が復極される。このことはスタックエレメント１１ないしさらなるスタックエレメント１２の異なる長さ変化につながり、それと共に接続層１３の負荷軽減クラックにつながる機械的緊張の構築につづく。

さらなる実施形態によれば、スタックエレメント１１１の分極中に、若しくはトータルスタックエレメント１０の分極中に、及び／又は復極の際にトータルスタックエレメント１０の積層方向１０１で圧縮応力が印加される。

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。

本発明の実施例を概略的に示した図

Claims (8)

1. モノリシック多層構造でピエゾアクチュエータ（１）を製造するための方法であって、
   スタックエレメント（１１）と、
   少なくとも１つのさらなるスタックエレメント（１２）とを有し、
   前記スタックエレメントの各々は、積層された圧電セラミック層（１１１，１２１）と、該圧電セラミック層の間に配設された電極層（１１２，１２２）とを有しており、
   前記各スタックエレメント（１１，１２）の各電極層（１１２，１２２）は、スタックエレメントの少なくとも２つの側方表面区分（１０４）の少なくとも１つにおいて延在しており、
   そのつどのスタックエレメントの側方表面区分において、積層されて配置されたスタックエレメントの電極層に、種々異なる電位が印加されるように外部金属化層が配設され、前記外部金属化層は、スタックエレメントの複数の電極層と接続されており、
   前記スタックエレメントは、モノリシックなトータルスタックエレメントを形成すべく積層されており、さらに
   前記スタックエレメントは、スタックエレメント間に配設されている少なくとも１つの接続層を用いて相互に接続されている形式の方法において、
   前記方法が以下のステップ、
   ａ）複数のスタックエレメントからトータルスタックエレメントを準備するステップ、
   ｂ）負荷軽減クラックを接続層に形成するステップ、
   を有しており、ここで、
   前記負荷軽減クラックを形成するステップはさらに以下のステップ、
   ｃ）所定のスタックエレメントを分極させるステップ、
   ｄ）他のさらなるスタックエレメントも分極させるステップ、
   ｅ）前記スタックエレメントのうちの１つを復極させるステップ、
   を有しており、
   さらに、前記所定のスタックエレメントの分極期間中、及び／又は他のさらなるスタックエレメントの分極期間中、及び／又はトータルスタックエレメントの分極期間中、及び／又はスタックエレメントの１つの復極期間中に、圧縮応力をトータルスタックエレメントに印加するようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記スタックエレメントの分極期間中に他のさらなるスタックエレメントの電極層を短絡させるようにした、請求項１記載の方法。
3. トータルスタックエレメントを準備した後で、トータルスタックエレメントの負荷軽減クラックを形成する前に、モノリシックなトータルスタックエレメントのために焼結処理を施す、請求項１または２記載の方法。
4. 外部金属化層を、トータルスタックエレメントの焼結後に側方表面区分に被着させる、請求項３記載の方法。
5. モノリシック多層構造のピエゾアクチュエータであって、
   スタックエレメント（１１）と、
   少なくとも１つのさらなるスタックエレメント（１２）とを有し、
   前記スタックエレメントの各々は、積層された圧電セラミック層（１１１，１２１）と、該圧電セラミック層の間に配設された電極層（１１２，１２２）とを有しており、
   前記各スタックエレメントの各電極層（１１２，１２２）は、スタックエレメントの少なくとも２つの側方表面区分（１０４）の少なくとも１つにおいて延在しており、
   そのつどのスタックエレメントの側方表面区分において、積層されて配置されたスタックエレメントの電極層に、種々異なる電位が印加されるように外部金属化層が配設され、スタックエレメントの複数の電極層と接続されており、
   前記スタックエレメントは、モノリシックなトータルスタックエレメントを形成すべく積層されており、さらに
   前記スタックエレメントは、スタックエレメント間に配設されている少なくとも１つの接続層を用いて相互に接続されている形式のものにおいて、
   前記接続層が負荷軽減クラックを有しており、
   前記負荷軽減クラックは、分極された前記スタックエレメントおよび前記さらなるスタックエレメントのうちの１つを復極することによって形成されたものであり、
   前記スタックエレメントの外部金属化層は、トータルスタックエレメントの外部金属化領域を形成し、前記接続層によって相互に分離されており、
   前記外部金属化領域は、該領域を用いてスタックエレメントの電極層に同じ電位を印加させるべく形成され、電気的な橋絡手段を介して相互に導電接続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。
6. 前記スタックエレメントの少なくとも１つが１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内で選択されたスタックエレメント高さ（１１３，１２３）を有している、請求項５記載のピエゾアクチュエータ。
7. 前記トータルスタックエレメントはトータルスタックエレメント高さ（１０３）を有し、該トータルスタックエレメント高さ（１０３）は１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲内で選択されたものである、請求項５または６記載のピエゾアクチュエータ。
8. 内燃機関の弁、例えば噴射弁を駆動制御する請求項５から７いずれか１項記載のピエゾアクチュエータの使用方法。

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