JP6756848B2 - 圧電アクチュエータ素子および圧電アクチュエータ素子を製造する製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータ素子およびこのような圧電アクチュエータ素子を製造する製造方法に関する。

圧電アクチュエータ素子は、例えば、内燃機関のシリンダの燃焼室に燃料を噴射するアクチュエータユニットにおける電子部品として使用される。

このアクチュエータ素子は、複数の圧電セラミック層と複数の電極層とから成る少なくとも１つの積層体を有し、これらの層は長手方向軸線に沿って交互に積み重ねられているため、２つのセラミック層の間にはそれぞれ１つの電極層が配置されており、電極層は、これによっていわゆる内部電極を構成している。これらの内部電極は、電圧を印加するために外部から電気的に接触接続され、これによってセラミック層は、圧電効果により長手方向軸線に沿って伸張および収縮することができる。このような圧電アクチュエータ素子は、特に多くの場合、圧電アクチュエータとして使用され、自動車用の種々異なるタイプのエンジンの噴射弁における操作コンポーネントとして使用される。

このようなアクチュエータ素子の内部電極としての電極層の電気的な接触接続部には、例えば比較的高い温度、比較的短時間における比較的多くの噴射回数、比較的大きな機械的負荷などの、アクチュエータ素子に対する要求がますます高まるにつれて、熱的、電気的かつ機械的にますます大きな負荷が掛かるようになっている。これらの高い要求および負荷は、長手方向軸線に沿って１つおきの電極層を電気的に絶縁するパッシベーション層にも、電気的に絶縁されていない１つおきの電極層の、電流を通す接触接続部にも、影響を及ぼす。

これまでに公知であるのは、電極層のこのような接触接続部を導電性接着剤によって実現することである。導電性接着剤は全体として電流負荷容量が小さく、熱伝導率が比較的劣る。さらに、使用される接着剤と電極層との間では接触抵抗が比較的高くなる。

これにより、電極層が導電性接着剤を介して接触接続しているアクチュエータ素子は、次第に高まる要求および負荷に対する耐性がますます悪化している。

したがって、本発明の課題は、これらの欠点を克服することが可能な圧電アクチュエータ素子および対応する製造方法を提案することである。

この課題は、独立請求項１の特徴的構成を備えた圧電アクチュエータ素子によって解決される。

このような圧電アクチュエータ素子を製造する製造方法は、別の独立請求項の対象である。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

圧電アクチュエータ素子は、長手方向軸線に沿って交互に積み重ねられた、複数の圧電セラミック層と複数の電極層とから成る積層体を有し、この積層体は、長手方向軸線に平行に延在する複数の側面を有する。さらに、長手方向軸線に沿って配置された１つおきの電極層を電気的に絶縁する、これらの側面のうちの少なくとも１つにおけるパッシベーション層と、このパッシベーション層によって電気的に絶縁されていない１つのおきの電極を電気的に接触接続する、少なくとも１つの側面における接触接続層と、が設けられており、このパッシベーション層は、電気的に絶縁された電極層のそれぞれにおいて少なくとも部分的に接触接続層によって覆われており、接触接続層は、焼結銀によって形成されており、パッシベーション層は、焼結銀の焼結温度において熱的に安定しているパッシベーション層材料によって形成されている。

したがって、これまで使用されていた導電性接着剤を、導電性接着剤よりも良好な温度伝導率および良好な導電率を有する焼結銀に置き換え、これによって積層体における接触接続層と電極層との間の接触抵抗、および接触接続層を通る抵抗が改善されることが提案される。焼結銀の焼結温度においても熱的に安定しているパッシベーション層を使用することにより、圧電アクチュエータ素子を工業規模でプロセスすることも可能である。

有利な実施形態によれば、パッシベーション層は、３５０℃の温度まで熱的に安定しているパッシベーション層材料によって形成されており、パッシベーション層は、特に完全にイミド化されたポリイミドによって形成されている。

例えば特別な添加物を使用することにより、銀は３５０℃未満の温度においてすでに焼結可能であり、ひいては加工可能である。したがって有利には、完全にイミド化した際に３５０℃においても熱的に依然として安定しているパッシベーション層材料として、例えばポリイミドを使用する場合、パッシベーション層材料および接触接続層材料をまとめて処理することができる有利な温度範囲が得られる。

積層体は、有利には全アクティブな積層体として構成されており、長手方向軸線に沿って配置された全ての電極層は、少なくとも、少なくとも１つの側面において実質的に積層体の表面まで延在している。

全アクティブな積層体は、圧電アクチュエータ素子の操作、所要スペースおよび全体的な動作特性について大きな利点を有する。なぜならば、有利には、部分アクティブな積層体のときと所要スペースが同じ場合に、セラミック層の一層均等な長手方向延伸長さを達成できるからである。

有利な実施形態において、積層体の表面は、少なくとも１つの側面において実質的に、少なくとも１つの側面に配置された、積み重ねられた複数の電極層の端面と、複数のセラミック層の端面とを面一に連ねることによって形成されており、この表面は、特にパッシベーション層の領域において、積層体内に延在する溝を有さずに構成されている。

したがって、有利には、パッシベーション層は、積層体の表面に直接に設けられるため、パッシベーション層の領域に溝を形成することにより、積層体の全アクティブな特性が損なわれることがない。なぜなら、電極面全面を利用できるからである。

有利には、パッシベーション層は、長手方向軸線に平行に配置された連続的な層として構成されており、この連続的な層は、接触接続すべき電極層を露出させるため、長手方向軸線に沿って配置された１つおきの電極層に、特にレーザ構造化によって形成される接触接続溝を有する。代替的に、パッシベーション層は、長手方向軸線に沿って配置された１つおきの電極層に配置された個別パッシベーション層から形成することも可能である。

パッシベーション層を構造化することにより、少なくとも１つの側面において、積層体の表面に個別の層を特に容易に被着することができ、次に接触接続すべき電極層が、例えばレーザ構造化によって容易に露出される。ここでは接触接続すべき電極層の部分領域だけが露出され、パッシベーション層が引き続き、このように形成された接触接続溝を除いて、一貫して延在する連続的な層を形成するように、電極層を露出させることが可能であるが、電極層を完全に露出させて、個別パッシベーション層が、電気的に絶縁されるべきそれぞれの電極層に形成されるようにすることも可能である。

有利には、電極層は、銀、特に銀合金を用いて形成されている。

有利には、電極層が、銀、例えば銀合金を用いて、または銀、例えば銀合金から形成される内部電極として使用される場合、これにより、接触接続層の焼結銀と内部電極との間に極めて良好な接続が得られる。

圧電アクチュエータ素子を製造する製造方法は、以下のステップ、すなわち
・長手方向軸線に沿って交互に積み重ねられた、複数の圧電セラミック層と複数の電極層とから成る積層体を準備するステップであって、この積層体が、長手方向軸線に平行に延在する複数の側面を有する、ステップと、
・複数の側面の少なくとも１つに、電気的に絶縁性のパッシベーション層をパッシベーション層材料から形成するステップと、
・少なくとも１つの側面において、長手方向軸線に沿って配置された１つおきの電極層を露出させるため、パッシベーション層を構造化する、特にレーザ構造化するステップと、
・構造化されたパッシベーション層に焼結銀をコーティングするステップと、
・焼結銀を焼結するステップと、
を有する。

有利には、パッシベーション層材料としてポリイミドを使用し、焼結銀を少なくとも１つの側面にコーティングする前に、ポリイミドを特に完全にイミド化する。

有利な実施形態では、積層体として全アクティブな積層体を準備し、全アクティブな積層体では、長手方向軸線に沿って配置された全ての電極層は、少なくとも、少なくとも１つの側面において実質的に積層体の表面まで延在している。

構造化されたパッシベーション層に焼結銀がコーティングされて、これが全面にわたって焼結銀によって覆われる場合に有利であるのは、パッシベーション層が、完全に少なくとも１つの側面の表面にわたって延在し、これによって有利には、アクチュエータ素子の動作時にフラッシュオーバが発生しないようにすることである。

有利には、焼結銀は、パッシベーション層上に中断部や構造化部を有しない全面の接触接続層を形成し、これによって、そこでは有利には例えば集電極を取り付けることによって簡単な別の接触接続が可能になる。

以下、本発明の有利な実施形態を添付の図面に基づいて詳しく説明する。

圧電アクチュエータ素子の長手方向断面図である。 図１のアクチュエータ素子を９０°回転した図である。 図１および図２のアクチュエータ素子の斜視図である。 図１から図３に示した圧電アクチュエータ素子を製造するための製造ステップを示す概略流れ図である。

図１は、積層体１２を有する圧電アクチュエータ素子１０の長手方向断面図を示しており、この積層体１２は、長手方向軸線１８に沿って交互に積み重ねられた圧電セラミック層１４と電極層１６とから構成されているため、各電極層１６は、２つの圧電セラミック層１４の間に配置されている。

積層体１２は、長手方向軸線１８に平行に延在している複数の側面２０ａ〜２０ｄを有する。

互いに反対側の２つの側面２０ａ，２０ｃにおいて、積層体１２の表面２２は、積み重ねられた電極層１６の端面２４とセラミック層１４の端面２４とが長手方向軸線１８に沿って面一に連なることによって構成されている。

積層体１２は全体として、全アクティブな積層体１２として構成されている。すなわち電極層１６は、長手方向軸線１８に対して直角に、それぞれ隣接するセラミック層１４を全面的に覆って、電極層１６が積層体１２の側面２０ａ〜２０ｄにおいて表面２２まで延在し、したがって積層体１２から突出するように構成されている。全アクティブな積層体１２は、比較的小さなスペースが要求されるときに、全アクティブでない積層体１２において、すなわち電極層１６が交互に積層体１２の表面２２から出発して積層体１２内に後退して配置されている積層体１２において達成することができる伸張特性と少なくとも同等またはそれよりも大きな伸張特性を達成できるという利点を有する。

電極層１６に外部から接触接続する際に、異なる電位を有する隣り合う電極層１６間のフラッシュオーバを回避するため、互い反対側の２つの側面２０ａ，２０ｃにはパッシベーション層２６が表面２２上に配置されており、このパッシベーション層２６によって、長手方向軸線１８に沿って配置された１つおきの電極層１６が外部から電気的に絶縁される。２つの側面２０ａ，２０ｃにおいて電極層１６を電気的に接触接続するため、パッシベーション層２６上には接触接続層２８が被着されている。

この接触接続層２８が接触すべき電極層１６に接触接続できるようにするため、パッシベーション層２６には、例えばレーザ構造化により、接触接続溝３０が加工されているため、接触接続すべき電極層１６は露出している。

図１および図２の長手方向断面図において、これらの接触接続溝３０は、側方から見て取ることができ、図３では斜視図で見て取ることができる。接触接続溝３０を、図３に示した図に示されているように、連続的な層３２として構成されたパッシベーション層２６に加工して構造化することが可能である。しかしながら、パッシベーション層２６が、一貫して延在する連続的な層３２として構成されるのではなく、隣接する個別パッシベーション層とつながっていない固有の個別パッシベーション層をそれぞれ絶縁すべき電極層１６に被着することも可能である。

図３から見て取れるように、接触接続層２８は、まさに、パッシベーション層２６上の領域であって、接触接続すべき電極層１６を露出させるための接触接続溝３０が配置されている領域に被着されている。したがって、パッシベーション層２６は、少なくとも部分的に接触接続層２８によって覆われている。

図３に示したように、パッシベーション層２６が、長手方向軸線１８に対して垂直に表面２２に突出している電極層１６を全面的に覆うのではなく、部分的に露出させている場合、隣り合う電極層１６間のフラッシュオーバを回避するため、接触接続層２８は有利には接触接続溝３０の領域にのみに設けられる。

接触接続層２８には、後に複数の別の接触接続部が、例えば接触接続ピンが挿入され、この場合にはこれらの別の接触接続部を介して、接触接続されたそれぞれの電極層１６に外部から電圧を印加することができる。例えば、内燃機関のインジェクタに組み込まれており、そこで高い温度および大きな機械的負荷が存在する圧電アクチュエータ素子１０に対する一層高い要求を満たす、特に安定した接触接続を実現するため、接触接続層２８は、焼結銀３４によって形成されている。焼結銀３４の利点は、これが極めて良好な温度伝導率および極めて良好な導電率を有していることであり、これによって電極層１６との接触抵抗および接触接続層２８を通る抵抗を改善することができることである。これにより、電極層１６の接触接続部は全体として、高い負荷に対し、良好な熱的、電気的かつ機械的な抵抗力を有する。

焼結銀３４は、接触接続溝３０内に流れて、露出した電極層１６と直接に接触接続する。焼結銀３４はその後、焼結ステップにおいて硬化させられるため、安定した接触接続層２８が形成される。ここでのこの焼結は、大抵は３５０℃未満の温度で行われる。

パッシベーション層２６は、焼結銀３４の焼結ステップの前にすでに積層体１２に被着されているため、パッシベーション層２６を形成するパッシベーション層材料３６が、焼結銀３４の焼結温度において熱的に安定していることが重要である。このために有利には、パッシベーション層材料３６として、焼結銀３４を被着する前にすでに完全にイミド化されるポリイミド３８を使用する。このことが意味するのは、重合によってポリイミド３８を生成するポリイミド前駆体からの重合反応がすでに前もって起こっていることである。このような完全にイミド化されたポリイミド３８は、有利には３５０℃の温度まで熱的に安定しており、したがって焼結銀３４の焼結温度に対して十分な熱的な抵抗力を有する。

したがって、接触接続層材料としての焼結銀３４と、パッシベーション層材料３６としてのポリイミド３８とを有利に組み合わせることにより、内部から外部へ向かって層状に積層体１２を形成することができる。

焼結銀３４を有利な接触接続部材料として使用するというこれまでの試みにおいては、パッシベーション層２６を構成するためにこれまで使用していた材料が熱的に安定していなかったため、繁雑な複数のプロセスステップを使用しなければならなかったという問題があった。これらのプロセスステップでは、焼結銀３４の焼結温度にパッシベーション層材料３６が曝されることを阻止するため、例えば、対応する溝を形成することにより、積層体１２において、パッシベーション層材料３６が、被着される焼結銀層の下になるようにしなければならなかった。しかしながら、このような溝を設けることにより、積層体１２の全アクティブな特性が失われてしまう。これに対し、パッシベーション層材料３６としてポリイミド３８を使用する場合には、この全アクティブな特性を維持することができる。なぜならば、特別に構成された溝では、ポリイミド３８を被着した後、焼結銀３４を上に焼結できるため、このパッシベーション層材料３６が焼結銀３４の下になる必要はないからである。

電極層１６と、接触接続層２８としての焼結銀３４との間の極めて良好な接続を得るために特に有利であるのは、電極層１６が銀合金４０を用いてまたは銀合金４０から形成される場合である。

図４には、圧電アクチュエータ素子１０を製造する製造方法の流れ図が略示されている。第１ステップでは、長手方向軸線１８に沿って交互に積み重ねられたセラミック層１４と電極層１６とを有する積層体１２が準備される。ここで、積層体１２は特に、電極層１６が積層体１２の表面２２まで延在している全アクティブな積層体１２である。

第２ステップでは次に、積層体１２の少なくとも１つの側面２０にパッシベーション層材料３６が被着され、例えば、重合反応によってポリイミド３８を生成することが可能なポリイミド前駆体が被着される。第３ステップでは次に、例えばポリイミド３８を使用して完全にイミド化することによってパッシベーション層材料３６が硬化される。しかしながら、このステップは単に選択的なものであり、すでに完全にイミド化されたラッカーを使用することも可能であるため、これによってイミド化ステップは必ずしも行う必要はない。

その後、例えばレーザ構造化によってパッシベーション層２６を構造化し、これにより、長手方向軸線１８に沿って１つおきに配置される電極層１６を露出させて、この電極層１６が外部から接触接続できるようにする。その後、別のステップにおいて、このような構造化したパッシベーション層２６に焼結銀３４をコーティングし、しかも、パッシベーション層２６において構造化された接触接続溝３０に焼結銀３４が流れ込むようにする。次に、最後に焼結銀３４を焼結して、接触接続層２８を硬化させて、これを形成する。

Claims (11)

1. 圧電アクチュエータ素子（１０）であって、
   長手方向軸線（１８）に沿って交互に積み重ねられた、複数の圧電セラミック層（１４）と複数の電極層（１６）とから成る積層体（１２）であって、前記積層体（１２）が、前記長手方向軸線（１８）に平行に延在する複数の側面（２０ａ〜２０ｄ）を有する、積層体（１２）と、
   前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された１つおきの前記電極層（１６）を電気的に絶縁する、複数の前記側面（２０ａ〜２０ｄ）のうちの少なくとも１つの側面におけるパッシベーション層（２６）と、
   前記パッシベーション層（２６）によって電気的に絶縁されていない１つおきの電極層（１６）を電気的に接触接続する、少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）における接触接続層（２８）と、
   を備え、
   前記パッシベーション層（２６）は、電気的に絶縁された複数の前記電極層（１６）のそれぞれにおいて少なくとも部分的に前記接触接続層（２８）によって覆われており、
   前記接触接続層（２８）は、３５０℃未満の焼結温度を有する焼結銀（３４）によって形成されており、前記パッシベーション層（２６）は、前記焼結銀（３４）の焼結温度において熱的に安定しているパッシベーション層材料（３６）によって形成されている
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ素子（１０）。
2. 前記パッシベーション層（２６）は、３５０℃の温度まで熱的に安定しているパッシベーション層材料（３６）によって形成されており、前記パッシベーション層（２６）は、イミド化されたポリイミド（３８）によって形成されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
3. 前記パッシベーション層（２６）は、完全にイミド化されたポリイミド（３８）によって形成されている、請求項２記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
4. 前記積層体（１２）は、全アクティブな積層体（１２）として構成されており、前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された全ての電極層（１６）は、少なくとも、少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）において前記積層体（１２）の表面（２２）まで延在している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
5. 前記積層体（１２）の表面（２２）は、少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）において、少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）に配置された、積み重ねられた複数の電極層（１６）の端面（２４）と、複数のセラミック層（１４）の複数の端面（２４）とを面一に連ねることによって形成されており、前記表面（２２）は、前記パッシベーション層（２６）の領域において、前記積層体（１２）内に延在する溝を有さずに構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
6. 前記パッシベーション層（２６）は、前記長手方向軸線（１８）に平行に配置された連続的な層（３２）として構成されており、前記連続的な層（３２）は、接触接続すべき前記電極層（１６）を露出させるため、前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された１つおきの前記電極層（１６）に、接触接続溝（３０）を有するか、または前記パッシベーション層（２６）は、前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された１つおきの前記電極層（１６）に配置された個別パッシベーション層から形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
7. 前記電極層（１６）は、銀合金（４０）を用いて形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ素子（１０）。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ素子（１０）を製造する製造方法であって、
   長手方向軸線（１８）に沿って交互に積み重ねられた、複数の圧電セラミック層（１４）と複数の電極層（１６）とから成る積層体（１２）を準備するステップであって、前記積層体（１２）が、前記長手方向軸線（１８）に平行に延在する複数の側面（２０ａ〜２０ｄ）を有する、ステップと、
   複数の前記側面（２０ａ〜２０ｄ）の少なくとも１つに、電気的に絶縁性のパッシベーション層（２６）をパッシベーション層材料（３６）から形成するステップと、
   少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）において、前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された１つおきの電極層（１６）を露出させるため、前記パッシベーション層（２６）を構造化するステップと、
   構造化された前記パッシベーション層（２６）に焼結銀（３４）をコーティングするステップと、
   ３５０℃未満の温度で前記焼結銀（３４）を焼結するステップと、
   を有することを特徴とする、圧電アクチュエータ素子（１０）を製造する製造方法。
9. パッシベーション層材料（２６）としてポリイミド（３８）を使用し、前記焼結銀（３４）を少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）にコーティングする前に、前記ポリイミド（３８）をイミド化する、請求項８に記載の製造方法。
10. 前記焼結銀（３４）を少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）にコーティングする前に、前記ポリイミド（３８）を完全にイミド化する、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記積層体（１２）として全アクティブな積層体（１２）を準備し、全アクティブな前記積層体（１２）では、前記長手方向軸線（１８）に沿って配置された全ての電極層（１６）は、少なくとも、少なくとも１つの前記側面（２０ａ〜２０ｄ）において前記積層体（１２）の表面（２２）まで延在している、請求項８から１０までのいずれか１項記載の製造方法。

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