JP5408881B2 - 圧電多層素子 - Google Patents

Description

本発明は圧電多層素子に関する。

国際公開第０３／０９４２５２号明細書から、多層構造体として圧電層および圧電層のあいだに配置された内部電極を含むピエゾアクチュエータが公知である。

本発明の解決しようとする課題は、高い機械的負荷および電気的負荷に耐えうる圧電多層素子を提供することである。

ここで説明する圧電多層素子は、例えばセラミックから成るベースボディ、その内部にパターニングされて形成された金属層および外部コンタクトを備えた圧電セラミック素子として構成されている。しかしここではベースボディの電気機械的変形からセラミック層と金属層とのあいだに機械的応力が生じ、金属構造体に断裂が形成されたりコンタクトが遮断されたりしてメタライゼーション部の剥離にまでいたることがある。

本発明によれば、誘電層によって相互に分離された少なくとも２つの金属層を備えており、これら２つの金属層が多孔体を含むコンタクトエレメントにより相互に電気的に接続されている多層素子が提供される。

機械的振動を減衰するには多孔性材料が特に良好に適している。多孔体では音波の拡散が大幅に抑圧される。

ベースボディの多孔性材料のポーラス密度は例えば１０％より大きく、有利には２０％より大きい。ベースボディのポーラス密度とはベースボディの全体積と中空部分の体積との比であると理解されたい。

ポーラスサイズは例えば多孔体の製造に用いられる材料の粒径によって定まる。これは例えば０．１μｍ〜１００μｍ、特に有利には０．１μｍ〜１０μｍである。

本発明の有利な実施形態では、圧電素子は、上下方向に配置された圧電層とそのあいだに配置された電極層とから成る積層体を含むベースボディを備えている。電極層にそれぞれ少なくとも１つずつ内部電極が形成されている。内部電極に接触しかつ多孔性材料を含む導電性コンタクトエレメントが内部電極に対して垂直に延在している。

圧電多層素子は有利には圧電セラミックアクチュエータまたは圧電トランスである。

本発明の多層素子は、コンタクトエレメントの多孔性材料において断裂の形成が抑圧されるので、高い信頼性と周期耐性とにおいて際立っている。断裂は発生したとしてもポーラスで停止する。また時間の経過にともなって形成される多数の小さな断裂がセラミックとメタライゼーション部との界面にかかる機械的応力を低減し、電気的結合の損なわれることがない。

圧電層は有利にはセラミック材料を含み、相互に、また電極層とともに焼結されている。有利には第１の内部電極と第２の内部電極とが上下方向に交互に配置される。第１の内部電極はそれぞれ第１のコンタクトエレメントに接触し、第２のコンタクトエレメントから分離されている。逆に第２の内部電極はそれぞれ第２のコンタクトエレメントに接触し、第１のコンタクトエレメントから分離されている。

有利な実施形態によれば、コンタクトエレメントはピン状に構成されている。有利な実施形態ではピンは多孔性材料から成る。これに代えてピンが導電層の被着された多孔体を有していてもよい。導電層は例えば接着剤、銀および／または銅を含む金属ペーストの形態で多孔体上に塗布される。この実施形態では、ピンは素子のベースボディに設けられた切欠または開口部に収容され、圧電層および電極層とともに焼結される。シンタリングの際に金属ペーストはベースボディ内に焼き込まれ、ピンとベースボディとの固定の接合が形成される。

有利な実施形態では、多孔体は導電性であり、例えば金属スポンジ状に構成される。別の有利な実施形態によれば、導電性かつ多孔性の材料は有機材料である。

有利な実施形態では、多孔体内に導電性材料から成る中実のピンが配置される。導電性材料は特に有利には金属である。

中実のピンには、上下方向に配置され空隙によって相互に分離された複数の多孔体を固定することもできる。多孔体の材料は有利には導電性材料である。

コンタクトエレメントの多孔体の端面には導電性材料から成るコンタクトキャップを設けることもできる。コンタクトキャップの導電性材料ははんだ付け可能である。コンタクトキャップははんだを含んでもよいし、はんだ層によって覆われていてもよい。コンタクトキャップはピン状のコンタクトエレメントの端部または多孔体の端部に圧着された金属シートから形成することもできる。

コンタクトエレメントの一部分のみをベースボディに収容することができる。この場合、ベースボディの一方側にコンタクトエレメントを収容するための切欠が構成される。

コンタクトエレメントの一部は有利には切欠の形状に一致し、接着剤によってその内部に固定される。接着剤は有利には導電層である。当該の接着剤は有機成分を含んでいてもよい。

別の有利な実施形態では、コンタクトエレメントの大部分がベースボディ内部に配置される。ここでコンタクトエレメントの外套面は、コンタクトエレメントの向きに対して横方向の断面で見て、有利には全面がベースボディによって包囲される。ベースボディの内側にコンタクトエレメントを配置するための開口部が形成されている。

多孔性材料はオープンポーラスであってよい。つまり多孔性材料のポーラスはその多数が相互に接続しているものであってよい。

多孔体は無機材料から成り、有利な実施形態によれば表面に導電層の設けられたセラミックなどの非導電性材料から成る。導電層は有利には金属層である。

別の実施形態では、導電性かつ多孔性の材料は表面に金属などの導電層の設けられた有機材料から成っていてもよい。

コンタクトエレメントは有利には圧電軸線に対して平行に配向される。コンタクトエレメントはベースボディのうち機械的応力が僅かしか発生しない位置に配置されると有利である。こうした位置は例えばベースボディの中央領域である。したがってコンタクトエレメントは有利な実施形態ではベースボディ内の中央部に配置される。

ベースボディの内側の中央に配置されたコンタクトエレメントは、金属ピンとこの金属ピンに固定され電気的に接続された導電性かつ多孔性の材料から成る複数のセグメントとを有する。各セグメントは有利には軸線方向で相互に間隔を置いて配置されている。別の実施形態として、周方向に相互に間隔を置いて配置された多孔性材料から成る複数のセグメントをピンに固定することもできる。

コンタクトエレメントは、本発明の第１の実施形態によれば、脱炭および焼結の前に積層体内へ挿入される。その際に、孔の寸法とコンタクトエレメントの寸法とを適合調整すると有利である。このようにすれば、焼結後、積層体は圧電層に含まれるセラミックの収縮によりいわばコンタクトエレメントへ向かって縮み、コンタクトエレメントと電極層との電気的接触が形成される。

このときさらに有利には、コンタクトエレメントは表面積で見て少なくともその５０％が電極層と同じ材料から成る。これによりコンタクトエレメントと電極層との良好な化学的結合が保証され、コンタクトエレメントと電極層との電気的接触が改善される。

孔およびコンタクトエレメントの寸法を適切に設計し、コンタクトエレメントに対するセラミック材料の収縮を適切に調整することにより、コンタクトエレメントとベースボディとの形状による結合または力による結合が形成される。形状による結合はコンタクトエレメントと電極層との電気的接触の形成にとって有利である。

本発明の別の実施形態では、コンタクトエレメントまたは孔の形成は、積層体の脱炭および焼結後に行われる。電極層のコンタクトにコンタクトエレメントが用いられる場合、有利には、孔およびコンタクトエレメントの寸法を相互に調整し、積層体が焼結されたときコンタクトエレメントが孔に押し込まれている状態となるようにする、つまり積層体の内壁とコンタクトエレメントの外壁との遊びが最小となるようにする。確実なコンタクトを形成するために、有利には、例えばコンタクトエレメントの外側にグラファイトまたはその他の導電性平滑化材料を設け、コンタクトエレメントの押し込まれる空間を充填して、コンタクトエレメントと電極層との良好なコンタクトを達成することができる。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。図は実施例を説明するための概略的なものであり、縮尺通りに描かれていないことに注意されたい。同一の要素または同様の機能を有する要素には相応する参照番号を付してある。

図１のＡには多孔性材料から成りベースボディに部分的に収容されたコンタクトエレメントを備えた圧電多層素子の概略図が示されており、Ｂにはこの素子の金属層の平面図が示されており、Ｃにはこの素子の斜視図が示されている。図２のＡには多孔性材料から成りベースボディ内に配置されたコンタクトエレメントを備えた圧電多層素子の概略図が示されており、Ｂにはこの素子の金属層の平面図が示されており、Ｃにはこの素子の斜視図が示されている。図３のＡには多孔体から成るコンタクトエレメントの断面図が示されており、Ｂには多孔体および導電層から成るコンタクトエレメントの断面図が示されている。図４には内部のピンおよび多孔体を備えたコンタクトエレメントの断面図が示されている。図５にはピンおよびこれに固定された複数の多孔体を備えたコンタクトエレメントの断面図が示されている。

図１Ａには圧電多層素子の概略図が示されている。この素子は、上下方向に配置された第１の内部電極３および第２の内部電極４から成るパターニングされた電極層を有している。電極層のあいだに誘電層５、有利にはセラミック層が配置されている。

内部電極３，４は交番的に側方でコンタクトエレメント１，２に接触している。対応する内部電極、すなわち第１の内部電極３または第２の内部電極４はそれぞれ他方の内部電極から分離されたコンタクトエレメント１または２と電気的に接続されている。コンタクトエレメント１，２は内部電極の主表面に対して横方向に延在している。

コンタクトエレメント１，２はそれぞれ１つずつ多孔体１１を含んでいる。多孔体１１の表面または外套面には導電層１２が被着されている。

図１のＢにはパターニングされた電極層すなわち内部に形成された第１の内部電極３が示されている。第１の内部電極３は左方で第１のコンタクトエレメント１に接続されており、右方で切欠により第２のコンタクトエレメント２から電気的に分離されている。

図１のＣには図１のＡの素子を或る側から見た斜視図が示されている。ベースボディの２つの対向する側面に軸線方向に延在する溝の形態の凹部が１つずつ形成されている。

多孔体を有するコンタクトエレメント１，２は有利にはベースボディの焼結前に予成形される。多孔体の外套面および／または表面は接着層、例えば金属ペーストによって覆われ、凹部にコンタクトエレメントが収容される。この場合、ベースボディはコンタクトエレメントとともに焼結される。

図１のＡ〜Ｃに示されている実施例では、断面で見て、コンタクトエレメントの一部のみがベースボディに包囲されている。

図２のＡ〜Ｃに示されている圧電多層素子の別の実施例では、コンタクトエレメント１，２はそれぞれベースボディ内に配置されている。断面で見ると、コンタクトエレメント１，２は完全にベースボディに包囲されている。

ベースボディ内で電極層に対して横方向に、ピンの形状に合わせて予成形されたコンタクトエレメントを収容するための開口部が形成されている。

図３のＡ，Ｂ，図４および図５にはコンタクトエレメントの種々の実施例が示されている。ただし多孔体を含むコンタクトエレメントの他の構成も可能である。

図３のＡには多孔体１１を備えたコンタクトエレメント１が示されている。コンタクトエレメント１はこの実施例では多孔体から成っている。

多孔体１１は有利には円筒状であるが、基本的には任意の断面形状を有する多孔性ピンであってよい。多孔体１１の端部に、例えば素子と線路６０とのコンタクト形成に用いられる導電性のコンタクトキャップ６が被せられている。線路６０は例えば電気線路である。

図３のＢには、図３のＡと同様の多孔体１１を備えかつその外套面が導電層１２によって覆われているコンタクトエレメント１が示されている。

図４には、有利には内部に導電性ピン１００の延在する多孔体１１を備えたコンタクトエレメント１が示されている。ピン１００は、この実施例では有利には、多孔体１１を支持する中実の支持ピンである。

図５には、図４に示されている実施例の変形例が示されている。ここではピン１００に複数の多孔体１０１，１０２，１０３が相互に間隔を置いて固定されている。

ピン１００は有利には金属であるが、必ずしもそうでなくてもよい。これには充分に安定な任意の導電性材料を用いることができる。

図４，図５の中実のピンは金属管によって置換することもできる。

本発明は前述した実施例に限定されない。コンタクトエレメントの多孔体およびベースボディの誘電層の形成には任意の適切な材料を用いることができる。

コンタクトエレメントの多孔体は予成形されなくてもよい。例えば、垂直方向の電気的接続のために、誘電層に設けられた開口部に、導電性粒子のほか焼結の際に気化する他の物質を含む充填物質を充填し、この充填物質にポーラスを形成することもできる。

電極層としてあらゆる焼結条件のもとで安定な金属または合金が適している。特に電極層を、銅、または、重量比９０／１０〜７０／３０の銀およびパラジウムの混合物から形成すると有利である。

ベースボディに部分的に収容されたコンタクトエレメントを備えた圧電多層素子の概略図、平面図および斜視図である。 ベースボディ内に配置されたコンタクトエレメントを備えた圧電多層素子の概略図、平面図および斜視図である。 多孔体から成るコンタクトエレメントの断面図、および、多孔体および導電層から成るコンタクトエレメントの断面図である。 ピンおよび多孔体を備えたコンタクトエレメントの断面図である。 ピンおよび複数の多孔体を備えたコンタクトエレメントの断面図である。

符号の説明

１，２ コンタクトエレメント、 １００ ピン、 １０１〜１０３，１１ 多孔体、 １２ 導電層、 ３，４ 内部電極、 ５ 誘電層、 ６ コンタクトキャップ、 ６０ 線路

Claims (25)

1. 誘電層（５）によって相互に分離された少なくとも２つの金属層を備えており、
   該２つの金属層は多孔体（１１）を含むコンタクトエレメント（１，２）により相互に電気的に接続されており、
   前記コンタクトエレメント（１，２）はピン状に構成されている
   ことを特徴とする圧電多層素子。
2. 前記多孔体（１１）のポーラス密度は体積の１０％より大きい、請求項１記載の圧電多層素子。
3. 上下方向に配置された前記誘電層（５）とそのあいだに配置された内部電極（３，４）とがベースボディを形成しており、前記コンタクトエレメント（１，２）が内部電極（３，４）に対して垂直に延在して該内部電極に接触している、請求項１または２記載の圧電多層素子。
4. 前記誘電層（５）はそれぞれ圧電特性を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
5. 前記誘電層（５）はセラミック材料を含み、相互に焼結されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
6. 第１の内部電極（３）と第２の内部電極（４）とが上下方向に交互に配置されており、ここで前記第１の内部電極（３）は第１のコンタクトエレメント（１）に接触しかつ第２のコンタクトエレメント（２）から分離されており、前記第２の内部電極（４）は第２のコンタクトエレメント（２）に接触しかつ前記第１のコンタクトエレメント（１）から分離されている、請求項３から５までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
7. 前記多孔体（１１）上に導電層（１２）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
8. 前記導電層（１２）は焼付け用の金属ペースト（metallische Einbrennpaste）である、請求項７記載の圧電多層素子。
9. 前記多孔体（１１）内に導電性材料から成る中実のピン（１００）が配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
10. 前記中実のピン（１００）に、上下方向に配置され空隙によって相互に分離された複数の多孔体（１０１，１０２，１０３）が固定されている、請求項９記載の圧電多層素子。
11. 前記コンタクトエレメント（１，２）の前記多孔体（１１）の端面に導電性材料から成るコンタクトキャップ（６）が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
12. 前記コンタクトキャップ（６）の導電性材料ははんだ付け可能である、請求項１１記載の圧電多層素子。
13. 前記ベースボディの外側に前記コンタクトエレメント（１，２）を収容するための切欠が設けられている、請求項３から１２までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
14. 前記ベースボディの内部に前記コンタクトエレメント（１，２）を配置するための開口部が設けられている、請求項３から１２までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
15. 前記多孔体（１１）の材料はオープンポーラスである、請求項１から１４までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
16. 前記多孔体（１１）の材料は導電性である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
17. 前記多孔体（１１）の材料は金属スポンジ状である、請求項１６記載の圧電多層素子。
18. 前記多孔体（１１）の材料は無機材料である、請求項１から１５までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
19. 前記多孔体（１１）の材料は非導電性であり、該多孔体（１１）の表面に導電層（１２）が設けられている、請求項１から１５および１８のうちいずれか１項記載の圧電多層素子。
20. 前記多孔体（１１）の材料はセラミックを含む、請求項１８または１９記載の圧電多層素子。
21. 前記多孔体（１１）の材料は有機材料である、請求項１から１２までのいずれか１項または請求項１６記載の圧電多層素子。
22. 前記多孔体（１１）の表面に導電層（１２）が設けられている、請求項１８または２１記載の圧電多層素子。
23. 前記コンタクトエレメント（１，２）はベースボディ内の中央部に配置されている、請求項１から２２までのいずれか１項記載の圧電多層素子。
24. ベースボディ内の中央部に配置された前記コンタクトエレメント（１，２）は、金属ピン（１００）と該金属ピンに固定され電気的に接続された導電性かつ多孔性の材料から成る複数のセグメント（１０１，１０２，１０３）とを有する、請求項２３記載の圧電多層素子。
25. 前記コンタクトエレメント（１，２）の前記多孔体（１１）は前記金属層に対して横方向に延在している、請求項１から２４までのいずれか１項記載の圧電多層素子。

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