JP5431170B2

JP5431170B2 - ピエゾ積層体およびピエゾ積層体の製造方法

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Publication number: JP5431170B2
Application number: JP2009550277A
Authority: JP
Inventors: ハマンクリストフ; ヨハネスカストルハラルト
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: US8129883B2; WO2008101908A1; DE102007008120A1; JP2010519749A; EP2126993B1; CN101641805A; US20100225204A1; EP2126993A1; CN101641805B

Description

本発明は、ピエゾ積層体と、ピエゾ積層体の製造方法とに関する。

ピエゾ圧電素子は、とりわけ位置決め素子、超音波変換器、センサのため、およびインクジェットプリンタにおいて使用される。ピエゾ圧電素子の機能は、電界の作用下における例えば鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩などの圧電セラミック材料の変形に基づいている。ピエゾ圧電素子に電圧が印加されると該ピエゾ圧電素子は、電圧によって形成された電界に対して垂直方向に伸長する。

ピエゾ圧電素子の利点は、とりわけ速度が比較的速く、効果が比較的大きく、またピエゾアクチュエータとして使用される場合に制御ストロークが比較的小さいことである。

しかしながら、ピエゾアクチュエータによって比較的大きい制御ストロークを達成すべき場合には、ピエゾアクチュエータのために、交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層と複数の内部電極層とからなるピエゾ積層体が用いられる。

ピエゾ積層体において、該ピエゾ積層体の伸長によって内部電極層を横断する有害な亀裂が引き起こされるのを阻止するためには、伸長に起因するピエゾ積層体内の機械的な応力を、圧電セラミック材料にとって無害なレベルより下に留め置くべきである。このことは例えば、ピエゾ積層体を比較的短い部分に分けることによって達成することができる。

したがって本発明の課題は、以下のようなピエゾ積層体、すなわち一方では亀裂形成が所期のように引き起こされ、かつ他方では比較的動作確実に構成されている、ピエゾ積層体を提供することである。

本発明のさらなる課題は、このようなピエゾ積層体を製造する方法を提供することである。

本発明の課題は、以下のようなピエゾ積層体によって解決される。すなわち、交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層および複数の内部電極層と、少なくとも１つの安全層とを有するピエゾ積層体において、前記内部電極層は、ピエゾ積層体の外側面面に配置された２つの外部電極と交互に電気的に接続されており、前記安全層は、前記複数の内部電極層の１つの代わりに順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子の間に配置されており、前記安全層は、内部の中断部を有するように構造化されており、該中断部は以下のように構成されている、すなわち前記安全層が２つの前記外部電極と接触接続しておりかつ導電性である場合に、前記安全層が２つの外部電極の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されている、ことを特徴とするピエゾ積層体によって解決される。

本発明のさらなる課題は、以下のような、ピエゾ積層体の製造方法によって解決される。すなわち、交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層および複数の内部電極層と、少なくとも１つの安全層とを有するピエゾ積層体の製造方法において、前記内部電極層は、ピエゾ積層体の外側面面に配置された２つの外部電極と交互に電気的に接続され、前記安全層は、前記内部電極層のうちの１つの代わりに順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子の間に配置され、前記安全層は内部の中断部を有するように構造化され、前記中断部は以下のように構成される、すなわち前記安全層が２つの前記外部電極と接触接続しておりかつ導電性である場合に、前記安全層が２つの外部電極の間における電気コンタクトを形成しないように構成されている、ことを特徴とするピエゾ積層体の製造方法によって解決される。

本発明のピエゾ積層体は、順次重なり合う複数のピエゾ圧電層および複数の内部電極層と、２つの外部電極とを含む。したがって、順次重なり合う２つのピエゾ圧電層の間に１つの内部電極が配置されている。さらにこの複数の内部電極層は、交互に２つの外部電極の１つと接触接続されている。外部電極は、ピエゾ積層体の外側面面、例えば対向する２つの外側面面に配置されている。

ピエゾ積層体の動作時には、これら２つの外部電極に電圧が印加され、これに従って電圧が複数の内部電極層にも交互に印加され、これによって２つの内部電極層の間に設けられたピエゾ圧電層が伸長する。

本発明のピエゾ積層体内において、不所望な亀裂発生のリスクを少なくとも低減するか、もしくは完全に阻止するために、本発明のピエゾ積層体は少なくとも１つの安全層を有しており、この安全層は、複数の内部電極層の１つの代わりに、２つのピエゾ圧電層の間に配置されている。

とりわけ本発明のピエゾ積層体は、安全層を１つだけか、または複数有することができ、これらの安全層はそれぞれ内部電極の１つと置換される。

安全層は以下のように構成することができる。すなわち安全層を、実質的にピエゾ積層体の横断面全体に亘って延在し、かつ基本的に２つの外部電極と接続されているように構成することができるのである。

２つの外部電極が安全層によって電気的に短絡されないよう保証するために、本発明によれば、安全層は以下のように構造化されている。すなわち安全層は、少なくとも１つの内部の中断部を有し、前記安全層が導電性である場合に該中断部が外部電極の電気的短絡を阻止するように、構造化されているのである。このようにして、安全層が、始めは電気絶縁性材料から製造されていて、時間が経過すると導電性になるという場合であっても、２つの外部電極の短絡は確実に阻止される。

安全層は、例えば中心部にて中断することができる。さらに安全層は、本発明のピエゾ積層体が所期のように断裂可能に構成することができる。さらに、少なくとも１つの中断部は、本発明のピエゾ積層体の機械的な応力分布に適合させることができる。

本発明のピエゾ積層体の実施形態によれば、安全層内の中断部は、少なくとも１つのスリットとして構成することができる。そうすると安全層は、少なくとも２つの、スリットによって分断された部分安全層を有することとなり、これに応じてこれらの部分安全層は電気的に互いに絶縁される。そうして部分安全層の１つは、複数の外部電極のうちの１つとだけ接続され、もう一方の部分安全層は、他方の外部電極とだけ接続される。このようにして２つの外部電極の電気的短絡を確実に阻止することができる。安全層に複数のスリットが設けられる場合には、スリットのうちの１つが例えば加工技術的な理由によって充分に広く形成されなかった場合にも、外部電極の短絡を阻止することができる。

本発明のピエゾ積層体の１つの実施形態によれば、安全層は電気絶縁性材料から製造されている。このことは例えば、安全層が始めは導電性であり、この安全層が、例えば本発明のピエゾ積層体を製造する際の熱処理中に導電性成分が放散することによって電気絶縁性になるということによって実現される。安全層のための適当な材料は、例えば銀パラジウムである。

本発明のピエゾ積層体の実施形態によれば、安全層の強度は、内部電極層の強度よりも小さい。安全層の強度は、例えば約３０ＭＰａよりも小さい。

添付された概略的な図面に、本発明の１つの実施例が一例として示されている。

図１は、ピエゾ積層体の斜視側面図である。図２は、ピエゾ積層体の製造方法を示すフローチャートである。図３は、ピエゾ積層体の断面図である。図４は、別のピエゾ積層体の断面図である。図５は、別のピエゾ積層体の断面図である。

図１は、本発明の実施例における、直方体に構成されたピエゾ積層体１を示し、図２は、ピエゾ積層体１の製造方法を示すフローチャートであり、図３は、ピエゾ積層体１の断面図を示す。

ピエゾ積層体１は、複数のピエゾ圧電層２と、これらの間に配置された層形状の複数の内部電極３、４とを有する。ピエゾ圧電層２は、圧電セラミック材料を含み、本発明の実施例では、鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩である。内部電極３，４は、本発明の実施例では導電性の金属層である。

本発明の実施例では、対向する外側面面５，６には、外部金属被覆部として前記外側面面５，６に沿って載置された外部電極７，８が配置されている。外側面５に配置された外部電極７が、内部電極３とは接触接続するが内部電極４とは接触接続しないようにするために、本発明の実施例においては、内部電極３は、外側面５まで貫通して導かれており、内部電極４は、外部電極７の領域において、ピエゾ積層体１の内部へと充分に後方へ戻されている。

外側面６に配置された外部電極８が、内部電極４と接触接続するが内部電極３とは接触接続しないようにするために、本発明の実施例においては、内部電極４は、外側面６まで貫通して導かれており、内部電極３は、外部電極８の領域において、ピエゾ積層体１の内部へと充分に後方へ戻されている。

このようにして外部電極７は内部電極３と接触接続され、外部電極８は内部電極４と接触接続され、これによって内部電極３，４は、それぞれ交替交代に２つの電極７，８と接触接続されることとなる。

ピエゾ積層体１はさらに安全層９を有し、この安全層は、内部電極３，４の代わりに２つのピエゾ圧電層９の間に配置されている。本発明の実施例においては、安全層９はピエゾ積層体１の横断面全体にわたって延在しており、基本的に２つの外部電極７，８と接触接続している。図３は安全層９の平面図を示し、この安全層９は図のように構造化されている。

本発明の実施例においては、ピエゾ積層体１は、フローチャートのステップＡ、すなわち個々のピエゾ圧電層２と、内部電極３，４と、構造化された安全層９とを積層するプロセスステップ、およびフローチャートのステップＢ、すなわち後続の切断、バインダ除去、研磨、によって形成される。引き続きステップＣにおいて、外部電極７，８が外側面５，６に配置された。

図３から見て取れるように、個々の安全層９は、本発明の実施例においては、スリット１３によって分断されたそれぞれ２つの部分安全層１１，１２を有するように構造化されている。本発明の実施例においては、２つの外部電極７，８は、対角に向かい合うピエゾ積層体１の２つの角部１４，１５の近傍にて外側面５，６に配置されており、スリット１３は、ピエゾ積層体１の別の２つの角部１６，１７に関連して対角に延在している。さらに、外部電極７は部分安全層１１と接触接続し、外部電極８は部分安全層１２と接触接続している。しかしながら安全層の構造化によって、すなわちスリット１３によって、２つの部分安全層１１，１２は互いに分断されているので、仮に安全層９が導電性であった場合でも、安全層９は、２つの外部電極７，８を電気的に接続しない。

本発明の実施例においては、安全層９は例えば銀パラジウムから構成されている。ピエゾ積層体１の製造中における熱処理によって、安全層９は、導電性成分の放散によって自身の導電特性を失う。それでも仮に安全層９が、例えほんの僅かだけでも導電性であったとしても、スリット１３のおかげで２つの外部電極７，８が安全層９によって電気的に接続されることはない。このようにしてとりわけ約６．８ｘ６．８ｍｍ²よりも小さい断面積を有するピエゾ積層体を、動作確実に製造することができる。

図４は、安全層４０の択一的実施形態を示し、この安全層４０は、安全層９の代わりにピエゾ積層体１のために使用することができる。

図３で示した安全層９とは異なり、図４で示す安全層４０は、３つの部分安全層４１〜４３と、２つのスリット４４，４５を有する。部分安全層４１は、外部電極８と接続されており、スリット４４によって部分安全層４２とは分断されている。部分安全層４２は、スリット４５によって部分安全層４３とは分断されており、この部分安全層４３そのものは、外部電極４７と接続されている。

図３，４に図示したスリット１３，４４，４５は、図示した実施例において、ストライプ形状に構成されている。しかしこのことは必須ではない。

図５は、安全層５０の択一的実施形態を示し、この安全層５０は、安全層９の代わりにピエゾ積層体１のために使用することができる。安全層５０は、本発明の実施例において、安全層９と同様に２つの部分安全層５１，５２を有し、これらの部分安全層は、対角に延在するスリット５３によって互いに分断されている。部分安全層５１は外部電極８と接続されており、部分安全層５２は外部電極７と接続されている。

図３に示した安全層９のスリット１３とは異なり、スリット５３は、ストライプ形状には構成されてはおらず、自身の中央に向かって細くなっている。これによって、ピエゾ積層体１の機械的応力分布が改善される。

Claims

交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層（２）と、複数の内部電極層（３，４）と、少なくとも１つの安全層（９，４０，５０）と、を有するピエゾ積層体において、
前記内部電極層（３，４）は、ピエゾ積層体（１）の外側面（５，６）に配置された２つの外部電極（７，８）と交互に電気的に接続されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、前記複数の内部電極層（３，４）の１つの代わりに、順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子（２）の間に配置されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、
導電性であり、
実質的に前記ピエゾ積層体（１）の横断面全体に亘って延在し、
２つの前記外部電極（７，８）と接触接続し、
内部の中断部（１３，４４，４５，５３）を有するように構造化されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）が２つの外部電極（７，８）の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）の中心部に配置されており、前記安全層（９，４０，５０）を少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）に分ける少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）として構成されており、
前記外部電極（７，８）は、対角に向かい合う前記ピエゾ積層体の２つの角部（１４，１５）の近傍に配置されており、
前記少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）は、前記外部電極（７，８）が設けられていない２つの角部（１６，１７）を結ぶ対角線上に存在している、
ことを特徴とするピエゾ積層体。
交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層（２）と、複数の内部電極層（３，４）と、少なくとも１つの安全層（９，４０，５０）と、を有するピエゾ積層体において、
前記内部電極層（３，４）は、ピエゾ積層体（１）の外側面（５，６）に配置された２つの外部電極（７，８）と交互に電気的に接続されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、前記複数の内部電極層（３，４）の１つの代わりに、順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子（２）の間に配置されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、
導電性であり、
実質的に前記ピエゾ積層体（１）の横断面全体に亘って延在し、
２つの前記外部電極（７，８）と接触接続し、
内部の中断部（１３，４４，４５，５３）を有するように構造化されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）が２つの外部電極（７，８）の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）の中心部に配置されており、前記安全層（９，４０，５０）を少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）に分ける少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）として構成されており、
前記少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）の幅は、前記少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）の１つの幅より小さい、
ことを特徴とするピエゾ積層体。
前記安全層は、３つの部分安全層（４１，４２，４３）と、２つのスリット（４４，４５）を有する、
ことを特徴とする請求項１または２記載のピエゾ積層体。
前記２つの部分安全層（５１，５２）を分断する前記スリット（５３）は、自身の中央に向かって細くなっている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のピエゾ積層体。
前記安全層（９，４０，５０）の強度は、前記内部電極層（３，４）の強度よりも小さい
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のピエゾ積層体。
交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層（２）と、複数の内部電極層（３，４）と、少なくとも１つの安全層（９，４０，５０）と、を有するピエゾ積層体の製造方法において、
前記内部電極層（３，４）は、ピエゾ積層体（１）の外側面（５，６）に配置された２つの外部電極（７，８）と交互に電気的に接続され、
前記安全層（９，４０，５０）は、前記複数の内部電極層（３，４）の１つの代わりに、順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子（２）の間に配置され、
前記安全層（９，４０，５０）は、
導電性であり、
実質的に前記ピエゾ積層体（１）の横断面全体に亘って延在し、
２つの前記外部電極（７，８）と接触接続し、
内部の中断部（１３，４４，４５，５３）を有するように構造化され、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）が２つの外部電極（７，８）の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）の中心部に配置されており、前記安全層（９，４０，５０）を少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）に分ける少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）として構成されており、
前記外部電極（７，８）は、対角に向かい合う前記ピエゾ積層体の２つの角部（１４，１５）の近傍に配置されており、
前記少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）は、前記外部電極（７，８）が設けられていない２つの角部（１６，１７）を結ぶ対角線上に存在している、
ことを特徴とする製造方法。
交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層（２）と、複数の内部電極層（３，４）と、少なくとも１つの安全層（９，４０，５０）と、を有するピエゾ積層体の製造方法において、
前記内部電極層（３，４）は、ピエゾ積層体（１）の外側面（５，６）に配置された２つの外部電極（７，８）と交互に電気的に接続され、
前記安全層（９，４０，５０）は、前記複数の内部電極層（３，４）の１つの代わりに、順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子（２）の間に配置され、
前記安全層（９，４０，５０）は、
導電性であり、
実質的に前記ピエゾ積層体（１）の横断面全体に亘って延在し、
２つの前記外部電極（７，８）と接触接続し、
内部の中断部（１３，４４，４５，５３）を有するように構造化され、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）が２つの外部電極（７，８）の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）の中心部に配置されており、前記安全層（９，４０，５０）を少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）に分ける少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）として構成されており、
前記少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）の幅は、前記少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）の１つの幅より小さい、
ことを特徴とする製造方法。
前記安全層（９，４０，５０）の強度は、前記内部電極層（３，４）の強度よりも小さい
ことを特徴とする請求項６または７記載の製造方法。
前記安全層は、３つの部分安全層（４１，４２，４３）と、２つのスリット（４４，４５）を有する、
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の製造方法。
前記２つの部分安全層（５１，５２）を分断する前記スリット（５３）は、自身の中央に向かって細くなっている、
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項記載の製造方法。
交互に順次重なり合う複数のピエゾ圧電層（２）と、複数の内部電極層（３，４）と、少なくとも１つの安全層（９，４０，５０）と、を有するピエゾ積層体において、
前記内部電極層（３，４）は、ピエゾ積層体（１）の外側面（５，６）に配置された２つの外部電極（７，８）と交互に電気的に接続されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、前記複数の内部電極層（３，４）の１つの代わりに、順次重なり合う２つのピエゾ圧電素子（２）の間に配置されており、
前記安全層（９，４０，５０）は、
電気絶縁性材料から製造されており、
実質的に前記ピエゾ積層体（１）の横断面全体に亘って延在し、
２つの前記外部電極（７，８）と接触接続し、
内部の中断部（１３，４４，４５，５３）を有するように構造化されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）が２つの外部電極（７，８）の間における電気的コンタクトを形成しないように構成されており、
前記中断部は、前記安全層（９，４０，５０）の中心部に配置されており、前記安全層（９，４０，５０）を少なくとも２つの部分安全層（１１，１２，４１，４３，５１，５２）に分ける少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）として構成されており、
前記外部電極（７，８）は、対角に向かい合う前記ピエゾ積層体の２つの角部（１４，１５）の近傍に配置されており、
前記少なくとも１つのスリット（１３，４４，４５，５３）は、前記外部電極（７，８）が設けられていない２つの角部（１６，１７）を結ぶ対角線上に存在している、
ことを特徴とするピエゾ積層体。