JP5879272B2 - 多層圧電デバイス及び多層圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，圧電層を有する圧電デバイスに関するものである。

多層圧電アクチュエータ等の多層圧電デバイスは，複数の圧電材料層を備えている。圧電アクチュエータは，例えば，車両用燃料噴射装置における駆動手段として使用することができる。

圧電アクチュエータは，例えば，ドイツ特許出願公開第10 2004 031 404号公報，ドイツ特許出願公開第10 2005 052 686号公報及びヨーロッパ特許出願公開第1926156号明細書により既知である。

ドイツ特許出願公開第10 2004 031 404号公報 ドイツ特許出願公開第10 2005 052 686号公報 ヨーロッパ特許出願公開第1926156号明細書

本発明の課題は，信頼性の高い圧電デバイスを提供することである。

本発明は，複数の圧電層を重ねて配置した積層体を備える中間製品としての多層圧電デバイスを提供する。この積層体は，圧電層の間に電極層を配置した活性領域と，少なくとも１つの不活性領域とを備えている。活性領域は，多層圧電デバイスの最終製品において，電極層に印加される電圧によって変形するように設けられるものである。不活性領域は，少なくとも１つの犠牲層を含んでいる。犠牲層は，電気絶縁材料及び金属を含有している。その金属は，多層デバイスを加熱することにより，少なくとも一部が犠牲層から不活性領域の圧電層に拡散可能である。

圧電デバイスの最終製品は，多層構造の圧電アクチュエータとして構成することができる。その多層圧電デバイスにおける活性領域は，圧電層間に電極層が配置されている。電極層に電圧を印加すると，活性領域内で圧電材料が変形を生じる。圧電デバイスを圧電アクチュエータとして構成した場合，その変形は「圧電ストローク」と称することもできる。

不活性領域の変形は，活性領域の電極層に印加される電圧に応じての活性領域の変形よりも小さい。好適には，不活性領域は，不活性領域内に配置される圧電材料に印加される電圧に対して実質的に変形しない構成とする。特に好適には，不活性領域には電極層を配置しない。不活性領域は，例えば，多層デバイスが組み込まれたケーシングに対して活性領域を電気的に絶縁するために設けることができる。また，不活性領域は，例えば多層デバイスを固定するためのデバイス端部として使用することもできる。

多層デバイス，特に中間製品の圧電層は，いわゆるグリーンシートから形成することができる。グリーンシートは，セラミック粉末に加えて，焼結助剤等の添加成分を含んでいる。グリーンシートには，例えばスクリーン印刷プロセスにより，活性領域の電極層を形成することができる。グリーンシートを積層して多層デバイスの中間製品を形成した後，全体を焼結することにより，多層デバイスの中間製品から最終製品としてのモノリシックな基体を形成する。

中間製品を熱する際，特に焼結工程中に，金属が活性領域の電極層から活性領域の圧電層に拡散される。不活性領域に電極層が設けられていない場合，不活性領域において圧電層への金属の拡散は発生しない。その結果，活性領域と不活性領域の圧電層における金属濃度が異なってくる。特に，活性領域の電極層から圧電層に拡散される金属は，特に高い焼結温度によって活性領域の焼結収縮を加速させる。これにより，焼結収縮特性及び焼結収縮温度が活性領域と不活性領域との間で異なることとなり，結果的に性領域と不活性領域との境界において機械的応力が発生する。この機械的応力により，中間製品を熱する際又は最終製品を使用する際に，活性領域と不活性領域の境界にクラックが発生しかねない。そのようなクラックは，圧電アクチュエータに欠陥を生じさせる。従って，クラックの発生を低減させることは，従ってアクチュエータの信頼性及び寿命の向上に大きく貢献する。

本発明に係る中間製品において，不活性領域は少なくとも１つの犠牲層を有し，その犠牲層は金属を含有する。その金属は，中間製品の加熱中，特に焼結中に，不活性領域の犠牲層から不活性領域の圧電層に拡散させることにより，不活性領域の焼結収縮代を活性領域の焼結収縮代と同等とするものである。好適には，犠牲層における金属は，活性領域と不活性領域の圧電層を，中間製品の焼結後に同等の金属濃度とする量だけ含有させる。好適には，犠牲層に含まれる絶縁材料の量は，最終製品における不活性領域の絶縁効果が，犠牲層に含まれている金属に関わらず保証されるように選択する。

上述した圧電デバイスは，犠牲層に含有させた金属により活性領域と不活性領域の圧電層における金属濃度が同等となり，これにより積層体の活性領域及び不活性領域の焼結収縮特性を制御可能としたものである。その結果，特に活性領域と不活性領域の境界において，例えば圧電デバイスの加熱中又は最終製品の使用中におけるクラックの発生を回避し，又は少なくとも低減することができる。

犠牲層は，金属及び電気絶縁材料に加えて有機結合剤を含むことができ，その有機結合剤は，好適には中間製品の焼結前の適切な温度処理によって揮発させる。

更に，最終製品としての多層圧電デバイスは，互いに重なり合う圧電層の積層体を備えている。積層体は，圧電層の間に配置された電極層を持つ１つの活性領域と，少なくとも１つの不活性領域とを有する。活性領域は，電極層に印加される電圧に応じて変形するように設けられている。好適には，活性領域及び不活性領域の圧電層は，実質的に同一濃度の金属を含有している。

「実質的に同一濃度」とは，活性領域及び不活性領域の圧電層における金属の濃度として，活性領域及び不活性領域の焼結収縮代の相違が，焼結工程中のクラック形成を生じない程度に小さくなるように選択された濃度を意味している。その際，活性領域と不活性領域の圧電層は同一の金属を含むことができる。また，活性領域の圧電層の金属は，不活性領域の圧電層の金属とは異なるものでもよい。

活性領域及び不活性領域の圧電層は，好適には同一の化学組成，特に同一の金属濃度を有する。好適には，活性領域及び不活性領域の圧電層は同一の金属を含有する。好適には，活性領域及び不活性領域の圧電層は，活性領域の電極層に含有される金属，例えば銅を含有する。これにより，活性領域及び不活性領域の焼結収縮特性が制御可能である。

好適には，不活性領域に含有される金属の量は，不活性領域の圧電層に含まれる金属にかかわらず，不活性領域が活性領域に対して電気的に絶縁され，アクチュエータに設けられた外部電極を機能させるように選択する。

中間製品の有利な実施形態において，不活性領域の犠牲層の数及び各犠牲層における金属量は，多層デバイスの加熱後に，不活性領域に配置される圧電層が，活性領域に配置される圧電層と同一の金属濃度となるように選択する。更に，不活性領域の犠牲層の数及び各犠牲層における金属量は，不活性領域の絶縁特性，特にアクチュエータに設けられた外部電極に対する不活性領域の絶縁効果が保証されるように選択する。

犠牲層に含有される金属の量は，不活性領域の圧電層が，中間製品の加熱中にどれだけの量の金属を含有できるかに応じて選択する。これは，特に不活性領域の圧電層の厚さに依存する。好適には，犠牲層は，加熱中に不活性領域の圧電層に拡散させ得る以上の金属を含有する。

中間製品の一実施形態において，犠牲層は，金属と絶縁材料の重量比が，１つの領域において１：５〜１：５０の範囲である。

中間製品の一実施形態において，圧電層は，圧電セラミック材料で構成する。

例えば，圧電層は，チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスで構成する。特に，活性領域と不活性領域の圧電層は，同一の圧電セラミック材料で構成することができる。

中間製品の一実施形態では，犠牲層は，その絶縁材料を圧電層と同一の圧電材料でする。

これにより，不活性領域と活性領域における金属の拡散挙動を制御することができる。好適には，犠牲層は，デバイスの加熱後，不活性領域の圧電層と同一組成を有し，別個の層として認識されなくなる。

犠牲層は，犠牲層から不活性領域の圧電層への金属の拡散により，圧電層の金属の飽和が実現される程度の金属を少なくとも含有する。好適には，活性領域及び不活性領域の圧電層において金属の飽和が達成される程度の金属を，焼結工程中に活性領域の電極層から活性領域の圧電層に，そして犠牲層から不活性領域の圧電層に拡散させる。犠牲層が，焼結工程中に不活性領域の圧電層が受け入れ可能な金属よりも多量の金属を含有する場合，焼結工程後に残余の金属を例えば小さな金属粒子の状態で犠牲層に残留させ，犠牲層を最終製品においても認識可能とすることができる。

中間製品の一実施形態では，犠牲層は粒径０．２μｍ以上１．５μｍ以下のセラミック粉末から形成する。

中間製品の一実施形態では，犠牲層は，粒径０．０１μｍ以上３．０μｍ以下の金属粉末から形成する。

好適には，粒径は，犠牲層における粒径分布の平均粒径ｄ５０である。中間製品の加熱前のセラミック粒子の粒径は，０，２μｍ以上１．５μｍ以下とすることができ，好適には０，４μｍ以上１．５μｍ以下である。中間製品の加熱前の金属粒子の粒径は０．０１μｍ以上３．０μｍ以下とすることができ，好適には０，４μｍ以上１．５μｍ以下である。好適には，金属粒子は，活性領域の電極層の金属と同一の粒径を有する。また，好適には，セラミック粒子は，活性領域及び不活性領域の圧電層の圧電材料と同一の粒径を有する。これにより，特に，金属の拡散挙動が活性領域と非活性領域とで同一となり，これはデバイスを加熱する間の活性領域及び不活性領域における焼結収縮を制御する上で好都合である。

更なる実施形態では，不活性領域における２つの犠牲層の間の距離を，活性領域における隣接する２つの電極層の間の距離の０．３〜３倍とする。

好適には，不活性領域における２つの犠牲層の間の距離は，活性領域における隣接する２つの電極層の間の距離と等しい。２つの犠牲層の間の距離を２つの電極層の間の距離とすることにより，活性領域と不活性領域の圧電層において金属の正確な濃度分布が実現される。よって，積層体の不活性領域における圧電層と犠牲層の間の遷移領域と，積層体の活性領域における圧電層と電極層の間の遷移領域における圧電層は，遷移領域から更に離れた圧電層の領域よりも高い金属濃度を有している。

中間製品の更なる実施形態は，積層方向に垂直な面内で構造化された犠牲層を備える。

この場合に犠牲層は，不活性領域の圧電層の一部のみが被覆された不連続構造とすることができる。犠牲層は，例えば島配列として不活性領域の圧電層に形成することができる。犠牲層は，例えば，格子構造として不活性領域の圧電層の一部のみを被覆する凹部を有することができる。

上述した犠牲層の構成により，焼結工程の際に不活性領域の圧電層に拡散される金属の量を付加的に制御することができる。

中間製品の一実施形態では，犠牲層の幾何学的パターンは活性領域における電極層の幾何学的パターンと同一とする。

犠牲層と電極層の形成パターンを同一とすれば，犠牲層からの金属の拡散挙動は，電極層からの金属の拡散挙動と特に良好に適合させることができ，活性領域と不活性領域における焼結収縮代の違いを更に最小限に抑えることができる。

本発明は，中間製品及び最終製品としての多層圧電デバイスに加え，中間製品及び最終製品としての多層圧電デバイスの製造方法を提供するものである。

本発明に係る多層圧電デバイスの中間製品を製造するための方法は，次のステップを含んでいる。

先ず，第１ステップでは，不活性領域に配置される圧電層に少なくとも一部が拡散する金属の量，特に犠牲層の金属の重量を決定する。別のステップでは，犠牲層の最大重量を決定する。次のステップでは，犠牲増の最大重量と犠牲層のために決定された金属の重量との差から絶縁材料の量，特に犠牲層のための絶縁材料の重量を決定する。更なるステップでは，犠牲層は，所定量の金属及び絶縁材料で不活性領域に配置される圧電層を形成する。最終ステップでは，上記各ステップに従って形成された不活性領域のための少なくとも１つの圧電層と，活性領域のための相互に重なり合う圧電層及び該圧電層間に配置される電極層とを有する積層体を形成する。

好適には，犠牲層に存在する絶縁材料の量を，不活性領域の絶縁効果が犠牲層に含まれる金属に関係なく保証されるように決定する。

好適には，犠牲層中の金属の量は，電極層から活性領域の圧電材料に拡散される金属と同量の金属を，焼結工程中に犠牲層から不活性領域の圧電材料に拡散可能とする量である。これにより，活性領域及び不活性領域の焼結収縮特性を制御することができる。犠牲層内の金属の量は，不活性領域内の圧電材料の化学組成に依存する。更に，金属の量は金属の種類に依存する。また，不活性領域の体積から犠牲層毎の金属重量を決定することができる。

犠牲層の最大重量は，金属の重量に依存する。犠牲層の層厚及び最大重量は，例えば不活性領域の圧電層に犠牲層を形成するためのスクリーン印刷等の方法に依存する。

本発明に係る方法の一実施形態では，多層圧電デバイスの最終製品を得るために，中間製品の加熱，特に焼結を行う。

中間製品として製造される多層圧電デバイスを焼結すると，金属の少なくとも一部が犠牲層から不活性領域の圧電層に拡散され，更に電極層から活性領域の圧電層に拡散される。好適には，焼結によって得られる最終製品，特にその活性領域及び不活性領域における圧電層は，実質的に同一の金属濃度及び焼結収縮特性を有する。

以下，図１〜図３に示す実施形態を参照して，本発明を更に詳述するする。

圧電アクチュエータの最終製品の概略図である。 一実施形態に係る，圧電アクチュエータの中間製品の一部の概略図である。 Ａ〜Ｆは，犠牲層の種々の実施形態を示す説明図である。

実施形態及び図面において，同一の構成部品又は同等の機能を持つ構成部品には，それぞれ同一の参照番号を付している。図示する構成要素及びこれらの構成要素の相互の比率は，実際の尺度で表わしたものでなく，例えば層，部品，デバイス，領域等の個別的構成要素の明瞭性を高め又は理解を深めるために誇張的に厚く，又は大きく表わしている。

図１は，多層圧電アクチュエータ１の最終製品を示しており，このアクチュエータ１は多数の圧電層３を積層してなる積層体２を備える。

積層体２は，積層方向に沿って活性領域６と，２つの不活性領域７とに区分されている。不活性領域７は，活性領域６と積層方向に隣接しており，積層体２の端部を構成している。積層体２の活性領域６は，圧電層３の間に配置された電極層４を有している。活性領域６内の電極層４に簡単に電気接触できるように，アクチュエータ１は，同一極性の電極層４のみがアクチュエータ１の縁部領域に達するように構成されている。その際，別の極性の電極層４はアクチュエータ１の縁部領域に達していない。このように，電極層４はそれぞれ入れ子状の櫛形に構成されている。積層体２の外側に配置したメタライゼーション５の接触面を介して電極層４に電圧を印加することができる。電極層４に電圧を印加すると，活性領域６における圧電材料が変形を生じる。

不活性領域７には電極層４が設けられていない。メタライゼーション５に電圧を印加しても，不活性領域７では電界が発生しない。特に，メタライゼーション５に電圧を印加しても，不活性領域７で圧電材料の変形は発生しない。従って，不活性領域７では圧電アクチュエータ１のストロークが生じない。不活性領域７は，活性領域６の電気絶縁に用いられる。不活性領域７は，例えば，アクチュエータ１の固定にも使用される。

アクチュエータ１における圧電層３を形成するためには，例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミック材料よりなる薄膜が使用される。膜から圧電層３の構成層を形成することができる（図２に示す中間製品における圧電層３内の構成層３’を参照）。圧電層３は，圧電材料よりなる複数の構成層３’を含むことができる（図２参照）。アクチュエータ１の最終製品の場合，すなわち中間製品の焼結後，図１に示すように，構成層３’は相互の区別ができなくなる。

アクチュエータ１は全体で同一の圧電材料が使用される。圧電材料にはドーパントを添加することができる。例えば，圧電材料にネオジム又は亜鉛とニオブの混合物をドープすることができる。活性領域６の電極層４は金属ペースト，例えば銅ペースト，銀ペースト又は銀・パラジウムペースト等のスクリーン印刷工程により成膜することができる。不活性領域７に関しては，活性領域６と同一の圧電材料の膜を使用する。しかしながら，不活性領域７の膜には，電極層４を形成するための金属ペースト印刷が行われない。全ての膜を積層してプレスし，９００℃〜１２００℃の温度下で焼結することにより，最終製品としてのモノリシック体を製造する。

図２は，一実施形態に係る圧電アクチュエータ１の中間製品の一部の概略を示している。特に図２は，多層圧電アクチュエータ１の不活性領域７と，不活性領域７に隣接する活性領域６の一部を示している。図１のアクチュエータ１に関連する記載は，全てが本発明に係る最終製品にも適用される。その最終製品は，以下に記載する中間生製物から形成することができる。ただし，最終製品は，不活性領域７の圧電層３，特に活性領域６及び不活性領域７の圧電層３内における金属濃度が同一である。その詳細は，以下のとおりである。

図示の実施形態において，不活性領域７は圧電層３を有している。不活性領域７の圧電層３は，図１に関連して前述したように，例えばＰＺＴ等の圧電材料よりなる複数の構成層３’を備えている。

活性領域６は，複数の圧電層３で構成されており，各圧電層はそれぞれ圧電材料よりなる複数の構成層３’（明示せず）を備えている。不活性領域７は，活性領域６と同様に圧電材料で構成されている。活性領域６における各圧電層３間には，それぞれ異なる極性と接触する電極層４が配置されている。

不活性領域７における圧電層３の層厚は，好適には活性領域６における圧電層３の層厚の少なくとも１０倍である。不活性領域７の圧電層が厚くなるほど，アクチュエータ１の不活性領域７間における活性領域６の電気絶縁性が高まる。しかしながら，不活性領域７に配置される圧電層３の層厚は，特に不活性領域７が複数の圧電層３を有する場合，活性領域６の圧電層３の層厚以下とすることもできる。

活性領域６及び不活性領域７で焼結収縮を制御し，これにより特に焼結工程中に活性領域６と不活性領域７の間の境界でクラックが発生するのを回避するため，不活性領域７の圧電層３及び特に，不活性領域７の圧電材料の構成層３’に犠牲層８（明示のために破線で表わす）を設ける。

犠牲層８は，結合剤と，金属粉末及び電気絶縁材料（本実施形態ではセラミック粉末）の混合物とで構成されている。この場合，犠牲層８のセラミック粉末は，活性領域６及び不活性領域７における圧電層３の圧電材料，例えばＰＺＴと同一の化学組成を有する。金属粉末は，アクチュエータ１の活性領域６における電極層４と同一の金属を含有する。例えば，金属粉末は銅を含有する。活性領域６の電極層４に銀ペースト又は銀・パラジウムペーストを使用する場合，犠牲層８の金属粉末は銀を含有する。金属粉末は，例えばパラジウムを含有していない。パラジウムは，アクチュエータ１の加熱による拡散率が低いからである。

犠牲層８に含有させた金属は，焼結中，不活性領域７の圧電層３内，特に犠牲層８に隣接する圧電層３の構成層３’内に拡散させるものである。これにより，焼結工程中に活性領域及び不活性領域７の圧電層３内の金属濃度が同一となる。その結果，活性領域６及び不活性領域７の焼結収縮特性を制御することができる。従って，後述するように，焼結工程中のクラックの発生を回避し，又は少なくとも低減することが可能である。

犠牲層８のセラミック粉末は，好適には，０．４μｍ以上１．５μｍ以下の粒径を有する。金属粉末は，好適には，０．４μｍ以上１．５μｍ以下の粒径を有する。金属粉末は，特に，セラミック粉末よりも小さな粒径を有することができ，これにより不活性領域７の圧電層３で金属粉末がより良好に拡散される。好適には，金属粒子は電極層４の金属と同一の粒径を有する。

図２に示すように，不活性領域７における圧電材料の各構成層３’には１つの犠牲層８を設けることができる。或いは，不活性領域７における圧電材料の選択的な構成層３’のみ，例えば１つおきの構成層３’に１つの犠牲層８を設けることができる。不活性領域７の圧電材料において，犠牲層８が設けられた２つの構成層３’間の距離は，図２に示すように，活性領域６における隣接する２つの電極層４間の距離とほぼ等しい。

焼結工程中，金属の少なくとも一部が，犠牲層８から，不活性領域７における圧電層３の，犠牲層８に隣接する構成層３’に拡散される。焼結工程後，活性領域６における圧電材料及び不活性領域７における圧電材料は，結果的に同一の化学組成と，特に同一の金属量を有する。

焼結によって製造されたアクチュエータ１の最終製品は，前述したように，活性領域６及び不活性領域７における圧電層３の金属濃度が最終製品において同一である点を除き，図１に関連して説明した最終製品と同一である。

犠牲層８に含まれる金属は，焼結中，特に飽和状態に達するまで，ほぼ全てが不活性領域７の圧電層３内に拡散され，更に犠牲層８は活性領域６及び不活性領域７の圧電層３と同一のセラミック材料を含んでいるので，犠牲層８は焼結工程後に活性領域６及び不活性領域７の圧電層３の圧電材料と全く，又は殆ど区別できない。換言すれば，好適には焼結後に活性領域６及び活性領域７の圧電材料の間に違いがなくなる。

犠牲層８が焼結工程中に不活性領域７の圧電層３よりも多くの金属を含んでいる場合，特に飽和状態に達するまで維持できる場合，例えば小さな金属粒子状の残留金属は，焼結工程後に犠牲層８に残留させることができる。この場合，アクチュエータ１の最終製品，即ち焼結後の中間製品においても，不活性領域７内の犠牲層８を認識することができる。

金属の一部が犠牲層８に残留している場合でさえも，最終製品において，犠牲層８の金属と図１に示す積層体２の外側のメタライゼーション５との間の電気的な接続は存在しない。特に，犠牲層８からは，メタライゼーション５と接続する不活性領域７の電極層は生じない。

犠牲層８は，活性領域６における電極層４と同様に，スクリーン印刷工程により不活性領域の圧電材料の構成層３’に形成することができる。これにより，犠牲層８は，積層方向に垂直な面内で構造化される。特に，犠牲層８を不活性領域７における圧電材料の構成層３’の局部領域のみに集中させることにより，そして，犠牲層８に印刷される構成層３’の面の形状と大きさを適切に選択することにより，焼結工程中に不活性領域７の圧電層３に拡散される金属量を付加的に制御することができる。

犠牲層８と電極層４の形成パターンが同一であるため，犠牲層８からの金属の拡散挙動を，電極層４からの金属の拡散挙動に適合させ，焼結収縮代の違いを更に小さくすることができる。特に，不活性領域７の圧電層３と活性領域６の圧電層３を，焼結工程後に同一の金属濃度とすることができる。

図３Ａ〜図３Ｆは，犠牲層８の種々の実施形態を示している。

図３Ａは犠牲層８の平面図である。犠牲層８は，不活性領域７において圧電材料の構成層３’の上面全体を覆っている。

代替案として，犠牲層８は，前述したように，積層体２の活性領域６における電極層４の形成パターンと類似しており，構成層３’に形成することができる。この場合，犠牲層８は，例えば構成層３’の端部の凹部から離れた構成層３’の上面全体に形成する（図示せず）。

図３Ｂは，犠牲層８の平面図である。犠牲層８は，構成層３’の縁部を囲む凹部９から離れた不活性層領域７における圧電材料の構成層３’の上面全体を覆っている。凹部９により，不活性領域７における圧電材料の構成層３’の縁部領域において，犠牲層８からの金属の拡散を低減させることができる。これにより，図３Ａに示した犠牲層８の実施形態と対比して不活性層７の絶縁効果が増大する。特に，凹部９は，アクチュエータ１に形成されたメタライゼーション５（図１参照）に対する不活性領域７の電気絶縁効果を継続的に確保する上で特に有利である。

図３Ｃは，構造化された犠牲層８の平面図を示している。ここでは，個々の島１０の形状の犠牲層８の材料が，構成層３’の上面に形成されている。島１０の間には，凹部１２が設けられ，従って犠牲層８は構成層３’の上面の一部のみを被覆している。凹部１２の大きさを変化させることにより，犠牲層８から不活性領域７の圧電層３に拡散される金属の量を更に制御することができる。

島１０は，例えば円形で，相互に一定の間隔で配置されている。構成層３’の端部には，周回状の凹部９が認められる。前述したように，凹部９によりメタライゼーション５に対する不活性領域７の電気絶縁効果を保証することができる。

図３Ｄは，島１０が正方形の場合の犠牲層８の実施形態を示している。

図３Ｅは，活性領域７における圧電材料の構成層３’に格子構造１１として形成した犠牲層８を示している。従って，犠牲層８は，構成層３’に正方形の凹部１２が形成されたサブブロック構造となっている。構成層３’の端部には更に周回凹部９が設けられている。

図３Ｆは，同心状かつ枠状の領域１３，１４の配置として構成層３’に形成した犠牲層８を示している。これらの領域１３，１４は，円形又は四角形の輪郭を有することができる。これらは共通の中心を持つ環状の島とみなすことができる。特に，犠牲層８の枠状領域１４は，枠状領域１３内に同心的に配置されている。枠状領域１３，１４の間には凹部１２ａが設けられている。更に，枠状領域１４内，特に構成層３’の中心には，犠牲層８の凹部１２ｂが設けられている。構成層３’の端部には，周回凹部９が設けられている。枠状領域の数及び形状並びに凹部９，１２の大きさを変化させることにより，不活性領域７の圧電層３内に拡散される金属の量を制御することができ，それによって活性領域６の電極層４から拡散される金属の量を調整することができる。

１ 多層デバイス
２ 積層体
３ 圧電層
３’ 構成層
４ 電極層
５ メタライゼーション
６ 活性層
７ 不活性層
８ 犠牲層
９ 凹部
１０ 島
１１ 格子構造
１２ 凹部
１２ａ 凹部
１２ｂ 凹部
１３ 枠状領域
１４ 枠状領域

Claims (13)

1. 中間製品としての多層圧電デバイス（１）であって，複数の圧電層（３）を重ねて配置してなる積層体（２）を備え，該積層体（２）は，圧電層（３）の間に配置された電極層（４）を有する１つの活性領域（６）と，少なくとも１つの不活性領域（７）とを備え，活性領域（６）は，多層圧電デバイス（１）の最終製品において，電極層（４）に印加される電圧に応じてそれ自体が変形し，不活性領域（７）は，複数の圧電層を含有し，該複数の圧電層の間に少なくとも１つの犠牲層（８）が配置され，犠牲層（８）は電気絶縁材料及び金属を含有し，該金属は，多層圧電デバイス（１）を加熱することにより，少なくとも一部が犠牲層（８）から不活性領域（７）の圧電層（３）に拡散可能であり、犠牲層（８）は，中間製品の焼結後において不活性領域（７）の絶縁効果が与えられるような混合比で電気絶縁材料及び金属の混合物を含有する，多層圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の多層圧電デバイス（１）において，不活性領域（７）における犠牲層（８）の数と，各犠牲層（８）における金属の含有量を，多層圧電デバイス（１）の加熱した後，不活性領域（７）に配置された圧電層（３）が，活性領域（６）に配置された圧電層（３）と実質的に同一の金属濃度となるように選択されている，多層圧電デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）における金属及び絶縁材料の重量比が，１：５〜１：５０の範囲内である，多層圧電デバイス。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，圧電層（３）が圧電セラミック材料を含む多層圧電デバイス。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）が，絶縁材料として，圧電層（３）と同一の圧電材料を含む，多層圧電デバイス。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）が，電極層（４）と同一の金属を含む，多層圧電デバイス。
7. 請求項５又は６に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）は，粒径が０．２μｍ以上１．５μｍ以下のセラミック粉末を有する，多層圧電デバイス。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）は，粒径が０．０１μｍ以上３．０μｍ以下の金属粉末を有する，多層圧電デバイス。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，不活性領域（７）における２つの犠牲層（８）の間の距離が，活性領域（６）における隣接する２つの電極層（４）の間の距離の０．３〜３．０倍である，多層圧電デバイス。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）が，積層方向に垂直な面内に構造化されている，多層圧電デバイス。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の多層圧電デバイス（１）において，犠牲層（８）の幾何学的パターンが，活性領域（６）における電極層（４）の幾何学的パターンと同一である，多層圧電デバイス。
12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載の中間製品としての多層圧電デバイス（１）を製造するための方法であって，
    Ａ）犠牲層（８）の金属量として，不活性領域（７）に配置される圧電層（３）に少なくとも部分的に拡散する金属量を決定するステップと，
    Ｂ）犠牲層（８）の最大重量を決定するステップと，
    Ｃ）犠牲層（８）の最大重量と，犠牲層（８）について決定した金属量の差に基づいて，犠牲層（８）の絶縁材料の量を決定するステップと，
    Ｄ）それぞれ決定された量の金属及び絶縁材料から，不活性領域（７）に配置される各圧電層（３）内に犠牲層（８）を形成するステップと，
    Ｅ）ステップＡ）〜Ｄ）に従って形成される不活性領域（７）のための少なくとも１つの圧電層（３）と，活性領域（６）のための相互に重なり合う圧電層（３）及び該圧電層間に配置される電極層（４）とを有する積層体（２）を形成するステップと，
    を含む製造方法。
13. 請求項１２に記載の方法により得られた中間製品を焼結することにより，最終製品としての多層圧電デバイス（１）を製造する方法。

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