JP6778276B2 - 多層素子及び外部電極の使用 - Google Patents

Description

本発明は多層素子に関し、特にセラミックの多層素子に関する。
本発明はさらに多層素子のための外部電極の使用に関する。

多くの多層素子では、多層素子の正及び負の極性が、駆動制御の相応の極性と正しく接続されることは、性能のために重要である。これは一般的に、多層素子の性能を確実にするために、セラミック内で順序状態（Ordnungszustaende）を確立しなければならない場合である。典型的な例は、電界の影響下でドメインが整列される、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛（Blei-Zirkonat-Titanat））多層素子での分極プロセスステップである。かかる多層素子に対して、製造ラインにおいて決められた極性割り当ては、さらなるプロセスステップにおいて、既知に保たれなければならない。

例えば、多層素子に、ラベルを正しい極性でプリントすることや、面取りを正しい極性で付与することが知られている。

解決すべき課題は、改良された多層素子、及び、多層素子のための改良された外部電極の使用を提供することである。

この課題は請求項１による電子素子及び請求項１１による使用方法によって解決される。

１つの一態様によれば、多層素子が提供される。多層素子は基体を有する。基体は、複数の、交互に配置されたセラミック層と内部電極とを有する。セラミック層は例えばＮｄドーピングされたＰＺＴ材料を含む。内部電極は、例えば銀及び／又はパラジウムを含む。内部電極は、相互に例えば、０．１ｍｍから０．８ｍｍの間隔、例えば０．４ｍｍ＋／−０．０５ｍｍの間隔において、配置されている。間隔は、セラミック層の厚さに略相当する。

素子は、内部電極の電気的コンタクトのために少なくとも２つの外部電極を有する。例えば、多層素子は、第１外部電極と電気的に接続された少なくとも１つの第１内部電極と、第２外部電極と電気的に接続された少なくとも１つの第２内部電極とを有する。

外部電極は、例えば層状に基体の対向する側面上に配置される。特に外部電極はスパッタ層として形成されることができる。外部電極は、クロム、ニッケル及び銀の材料を含むことができる。例えば、外部電極は、ＣｒＮｉＡｇ層構造を有する。

少なくとも２つの外部電極は、異なる極性を有する。多層素子の製造の際に、セラミック層は外部電極間への電圧の印加によって分極される。この分極は、作動中の多層素子の電気接続を確立する。特に、外部電極のうちの１つは正の外部電として、かつ、外部電極のうちの１つは負の外部電極として構成される。

外部電極は異なる幾何学的形状を有する。代替的に又は付加的に、外部電極は異なるサイズを有する。代替的に又は付加的に、外部電極は、基体の外面又は側面への異なる配置を有する。特に、外部電極は、それらの上面図が回転によって互いに入れ替えることができない（nicht durch Drehung ineinander ueberfuehrbar）ように構成されている。

外部電極の異なる設計は、外部電極の異なる極性の目印（Kenntlichmachung）の役割を果たす。プロセスラインにおいて、外部電極の付与は、常にセラミック内の順序作成のプロセスステップの前に行われる。順序作成のプロセスステップのためには駆動制御可能な内部電極を必要となるからである。このプロセスステップが既に存在する極性マーキングに対して正しい位置で実行されると、その後、多層素子の極性は常に認識されることができる。

このようにして、多層素子に常に存在する外部電極によって、容易な費用対効果的な方法で極性がマーキングされることができる。その際、外部電極に追加の機能が割り当てられる。極性マーキングを付与するための追加のコストは省略される。外部電極はいずれにせよ取り付けられなければならないからである。多層素子の正しい組み立て、特に外部電極の正しい電気接続は容易に費用対効果的に確保される。従って費用対効果的な容易なユーザーフレンドリーな多層素子が提供される。

実施形態によれば、第１外部電極は、第２外部電極よりも小さい面積を有するか、又はその逆である。特に外部電極は、極性マーキングのために異なる面積を有する。重要なのは、外部電極のうちの少なくとも１つが、その寸法において、それぞれの外部電極の本来の機能のために必要とされる大きさよりも拡大されていることである。さらなる外部電極は、ちょうど外部電極の本来の機能のために必要とされる面積又は寸法を有することができる。このようにして、外部電極の極性は容易な方法で識別されることができる。

実施形態によれば、外部電極はそれぞれ、セラミック層の積層方向に対して垂直な方向に幅を有する。第１外部電極の幅は、第２外部電極の幅よりも小さい。逆の場合も考えられ、第２外部電極の幅は、第１外部電極の幅よりも小さい。

外部電極はそれぞれ、セラミック層の積層方向に対して平行な方向に、高さを有する。第１外部電極の高さは、第２外部電極の高さよりも大きくてもよく、その逆でもよい。

実施形態によれば、外部電極は同じ高さを有し、異なる幅を有することもできる。実施形態によれば、外部電極は同じ幅を有し、異なる高さを有することもできる。

実施形態によれば、第１外部電極は矩形形状を有し、第２外部電極は円形形状を有するか、又はその逆である。

実施形態によれば、多層素子は回転対称に形成されている。多層素子は、例えば多層素子の積層方向に延在する垂直軸周りの回転に関して対称である。基体は、特に相互に対向する側面を有し、それぞれの外部電極は、基体のそれぞれの側面上の中央に配置されている。

実施形態によれば、多層素子は崩れた（gebrochene）回転対称を有する。基体は、相互に対向する側面を有し、外部電極のうちの１つは、それぞれの側面を画定するエッジの方へ（zu einer die jeweilige Seitenfl?che begrenzende Kante hin）ずれて配置されている。多層素子は、例えば、多層素子の積層方向に延在する垂直軸の１８０°の回転に関して非対称（unsymmetrisch beueglich einer Rotation um 180° um eine vertikale Achse）である。

実施形態によれば、多層素子は、ピエゾ層アクチュエータとして、多層圧力センサとして又はセラミックコンデンサとして構成される。

圧力センサは、例えば、燃料噴射弁の弁ニードルの閉鎖を監視するＮＣＳセンサ（ニードルクロージングセンサ（needle closing sensor））として構成される。例えば、圧力センサは、基体の上面及び/又は下面に圧力が作用したときに、外部電極において電気信号を測ることができるように構成されている。上面（Oberseite）と下面（Unterseite）は、基体を層の積層方向において上又は下で終わらせる面である。外部電極は、好ましくは、積層体の上面を形成せず、下面を形成しない側面に配置されている。特に側面は上面及び下面に対して垂直に配置されている。

さらなる態様によれば、外部電極の使用が説明される。外部電極は好ましくは上述した外部電極に相当する。外部電極及び多層素子との関係で述べられた全ての特徴は、使用にも適用される。またその逆もである。

上述の外部電極は、上述した多層素子のために用いられる。外部電極は、外部電極の異なる極性の目印（Kennzeichnung）のために、特に多層素子の極性のマーキングのために用いられる。外部電極は、極性マーキングのために、異なる幾何学的形状及び／又は異なる大きさ及び／又は多層素子の基体上の異なる配置を有する。外部電極は、さらに、容易な費用対効果的な方法によって、多層素子の極性を特徴づけることができるという機能を有する。

本発明は、例示的な実施形態および関連する図面を参照して、以下により詳細に説明される。

以下で説明する図面は、縮尺通りには当てはまらないものとする。むしろ、より好適な表現のために、個々の寸法を拡大、縮小又は歪めることができる。

相互に同一の要素又は同一の機能を担う要素は、同一の符号で示される。

従来技術による多層素子の断面を模式的に示す図である。 第１実施形態による多層素子を斜視図で示す図である。 図２ａの多層素子の上面図である。 さらなる実施形態による多層素子を斜視図で示す図である。 １８０°回転させた図３ａの多層素子を斜視図で示す図である。 さらなる実施形態による多層素子を斜視図で示す図である。 １８０°回転させた図４ａの多層素子を斜視図で示す図である。

図１は、従来技術による多層素子の断面を模式的に示す図である。

多層素子１は、基体１ａを有する。基体１ａは複数のセラミック層２を有する。特にセラミック層２はピエゾセラミック層である。セラミック層２は例えばＮｄドーピングされたＰＺＴ材料を含む。

セラミック層２の間には内部電極３ａ，３ｂが配置されている。内部電極３ａ，３ｂは例えば、銀とパラジウムを含む合金を有する。

内部電極３ａ，３ｂはセラミック層２を電気的に駆動制御するのに役立つ。セラミック層２及び内部電極３ａ，３ｂは、積層体として上下に配置されている。複数の内部電極３ａ，３ｂは、基体１ａから、それぞれ交互に、基体１ａの側面６において引き出されている。特に、異なる極性に割り当てられた内部電極３ａ，３ｂは、基体１ａのそれぞれ対向する側面６において、基体１ａの表面まで達する。

多層素子１は２つの外部電極４ａ，４ｂを有し、これらは基体１ａの対向する側面６に配置されている。外部電極４ａ，４ｂは加熱処理された金属層として形成されることができる。外部電極４ａ，４ｂは好ましくはスパッタリングされた層として形成されている。例えば、外部電極４ａ，４ｂはＣｒＮｉＡｇからなるスパッタ層を含むことができる。内部電極３ａ，３ｂは、積層方向において、外部電極４ａ，４ｂのうちの１つと交互に電気的に接続され、他の外部電極４ｂ，４ａから電気的に絶縁されている。外部電極４ａ，４ｂは、即ち内部電極３ａ，３ｂを接続し、それらの共通の駆動制御を可能にする。

多層素子１は例えばピエゾ多層構造、多層圧力センサ、又はセラミックコンデンサを有することができる。セラミック層２は、多層素子１の本来の機能性要素を構成する。内部電極３ａ，３ｂに電圧を印加する場合、内部電極３ａ，３ｂは、多層素子１の種類に応じて、キャパシティ、機械的ストローク又はセンサ信号出力を実現する。

多層素子１の製造において、セラミック層２は、外部電極４ａ，４ｂ間での電圧の印加によって、分極される。多層素子１の分極の際に、例えば第１外部電極４ａは電圧源のマイナス極に、第２外部電極４ｂは電圧源のプラス極に接続される。相応に、第１外部電極４ａはマイナス電極／負外部電極として、第２外部電極はプラス電極／正外部電極と称されることができる。もちろん逆の割り当ても可能である。従って、第２外部電極４ｂはマイナス電極／負外部電極として、第１外部電極４ａはプラス電極／正外部電極として当てられることもできる。

多層素子１の電気的性能のために、多層素子１における正及び負の極性が駆動制御の相応の極性と正しく接続されることが重要である。そのため、図２ａ乃至４ｂは、多層素子１における極性を特徴づけることができる実施形態を取り扱う。図２ａ乃至４ｂの基礎となる多層素子１は、形状、寸法及び／又は外部電極４ａ，４ｂの配置を除いて、基本的には図１による多層素子１に相応する。

図２ａは、実施形態による多層素子の斜視図を示す。図２ｂは、図２ａによる多層素子上の上面図を示す。

本実施形態において、外部電極４ａ，４ｂは矩形の形状を有する。しかし、例えば円形状などの、外部電極４ａ，４ｂのための他の幾何学的形状も考えられる。

多層素子１への、極性のマーキングのために、外部電極４ａ，４ｂの異なる寸法が適用される。本実施形態において、第１外部電極４ａは、第２外部電極４ｂの幅ｂ２よりも小さい、幅ｂ１を有する。外部電極４ａ，４ｂの幅は、セラミック層２の積層方向に対して垂直方向に延在する、外部電極４ａ，４ｂの広がりを示す。例えば、第１外部電極４ａの幅ｂ１は、第２外部電極の幅ｂ２の半分の大きさを有する。本実施形態において、第１外部電極４ａは負の外部電極に、第２外部電極４ｂは正の外部電極４ｂに相当する。

さらに、第１外部電極４ａの高さｈ１は、第２外部電極４ｂの高さｈ２よりも大きい。外部電極４ａ，４ｂの高さｈ１，ｈ２は、セラミック層２の積層方向に対して平行な方向における、外部電極４ａ，４ｂの広がりを示す。まとめると、第１外部電極４ａは、第２外部電極４ｂよも小さい面積を有する。従って、第１外部電極４ａは、例えば、第２外部電極の面積の０．４〜０．７倍である。例えば、第１外部電極４ａの面積は、第２外部電極の面積の半分の大きさである。

もちろん、極性は逆であっても良い。即ち、例えば負の外部電極４ａの幅ｂ１は、正の外部電極４ｂの幅ｂ２よりも大きくても良い。負の外部電極４ａの高さｈ１は、正の外部電極４ｂの高さｈ２よりも小さくてもよい。負の外部電極４ａの面積は、正の外部電極４ｂの面積よりも大きくてもよい。重要なのは、外部電極４ａ，４ｂのうちの少なくとも１つが、その寸法において、それぞれの外部電極4a、4bの実際の機能（内部電極３ａ，３ｂの確実な給電）のために必要とされる大きさを超えて（ueber das Mass）拡大されていることである。

さらに、本実施形態において、多層素子の回転対称性は崩れている。特に、第１外部電極４ａは、基体１ａの側面の中央には配置されていない。むしろ、第１外部電極４ａは、側面６を画定するエッジ６ａの方へ（zu einer die Seitenflaeche 6 begrenzende Kante 6a hin）ずれて配置される。換言すると、かかる側面６上から見ると、第１外部電極４ａは側面のエッジ６ａの方へ左にずれている。もちろん、外部電極４ａを別の方向へずらすことも考えられる。かかる側面６上の上面図において、第１外部電極４ａは、エッジ６ａの方向において左、右、上又は下にずれていてもよい。

反対に、第２外部電極４ｂは、対向する側面６の中央に配置される。それぞれの外面上の外部電極４ａ，４ｂの異なる配置によっても、外部電極４ａ，４ｂの極性は、識別できるようにされる（kenntlich gemacht werden）ことができる。従って、負の外部電極４ａはエッジ６ａの方へずれて、正の外部電極４ｂは側面６の中央に回転対称に形成される。

もちろん、逆の場合（中央の負外部電極４ａとずれた正外部電極４ｂ）も可能である。それぞれの側面６上の外部電極４ａ，４ｂの異なる配置によって、多層素子の回転対称性は崩れている（図４ａ及び４ｂも参照）。多層素子１を多層素子１の垂直軸ｖで１８０°だけ回転することによって（Nach Rotation des Vielschichtbauelements 1 um 180° um eine vertikale Achse v ）（図３ａ及び３ｂ参照）、第１外部電極４ａは、側面のエッジ６ａの方へ右にずれている（図示せず）。

両外部電極４ａ，４ｂは、極性識別のために、代替的に又は付加的に異なる幾何学的形状を有することもできる。したがって、第１外部電極４ａは円形状を有し、第２外部電極４ｂは矩形状を有することもでき、またその逆も可能である。例えば台形状などの、外部電極４ａ，４ｂの他の形状も考えられる。需要なのは、幾何学的形状のみによって極性を識別する場合、両外部電極４ａ，４ｂは異なる幾何学的形状を有することである。

図３ａは，さらなる実施形態による多層素子の斜視図を示す。図３ｂは、１８０°回転された図３ａによる多層素子の斜視図を示す

本実施形態において、第１外部電極４ａは、第２外部電極の幅ｂ２より小さい幅ｂ１を有する。第１外部電極４ａは、第２外部電極４ｂの高さｈ２よりも大きい高さｈ１を有する。総合すると、第１外部電極４ａは、第２外部電極４ｂよりも小さい面積を有する。このようにして両外部電極４ａ，４ｂの極性は、容易な方法でマーキングされ、従って識別されることができる。

この第１外部電極４ａの幅ｂ１は、図２ａ，２ｂによる外部電極４ａの幅ｂ１よりも小さい。換言すると、本実施形態において第１外部電極４ａは、格別に細く形成されている。この第１外部電極４ａの高さｈ１は、図２ａ，２ｂによる第１電極４ａの高さｈ１よりも大きい。換言すると、本実施桁位における第１外部電極４ａは格別に長く形成されている。例えば、本実施形態における第１外部電極４ａは、外部電極の本来の機能のためにちょうど必要とされる大きさの面積を有する。

反対に、この第２外部電極４ｂの幅ｂ２は、図２ａ，２ｂによる第２電極４ｂの幅２ｂよりも大きい。この第２外部電極４ｂの高さｈ２は、図２ａ，２ｂによる第２外部電極４ｂの高さｈ２よりも小さい。このようにして、それぞれの外部電極４ａ，４ｂが、外部電極４ａ，４ｂの本来の機能、即ち内部電極３ａ，３ｂの給電、のために必要とされる最小寸法を有する限り、かかる外部電極４ａ，４ｂに対する種々の寸法又は面積が考えられる。

さらに、図２ａ，２ｂによる実施形態とは対照的に、ここでは多層素子１の回転対称性は崩れていない。特に、第１外部電極４ａだけでなく、第２電極４ｂも、基体１ａの対向する側面６の中央に配置される。多層素子１を多層素子１の垂直軸ｖで１８０°だけ回転しても（Nach Rotation des Vielschichtbauelements 1 um 180°）（矢印５によって示す）、結果として、両外部電極４ａ，４ｂは、引き続き、側面６の中央に配置されている（図示せず）。

図４ａは、さらなる実施形態による多層素子の斜視図を示す。図４ｂは、図４ａによる多層素子を１８０°回転した斜視図を示す。

図３ａ，３ｂにおいて示される実施形態とは異なり、図４ａ及び４ｂによる多層素子１の回転対称性は崩れている。第１外部電極４ａは特に基体１ａの側面６の中央に配置されておらず、側面６を画定するエッジ７ａの方へずれて配置されている。かかる側面６の上面図において、第１外部電極４ａは側面６のエッジ６ａの方向において右へずれている。

第２外部電極４ｂは対向する側面６上の中央に配置されている。それぞれの外面上における外部電極４ａ，４ｂの異なる配置によって、外部電極４ａ，４ｂの極性は識別できるようにされることができる。

図４ａ及び４ｂによる多層素子１の全てのさらなる特徴は、図３ａ及び３ｂとの関係で述べられた特徴に相当する。

本発明は、実施形態に基づく説明に限定されるものではない。むしろ、新規な各特徴、及び複数の特徴の各組み合わせ、特に複数の請求項に含まれる複数の特徴の各組み合わせが、それ自身が請求項又は実施形態に記載されていなかったとしても、本発明はこれらの特徴又はこれらの組み合わせを含む。

１ 多層素子
２ セラミック層
３ 内部電極
４ 外部電極
５ 矢印
６ 側面
６ａ エッジ
ｂ１、ｂ２ 幅
ｈ１、ｈ２ 高さ
ｖ 垂直軸

Claims (12)

1. 複数の、交互に配置されたセラミック層及び内部電極を有する基体と、
   複数の前記内部電極の電気的コンタクトのための２つの外部電極と、
   を有する多層素子であって、
   前記２つの外部電極は異なる極性割り当てを有し、
   前記基体は相互に対向する側面を有し、
   各前記外部電極は、前記基体の前記の相互に対向するそれぞれの側面上にのみ配置されており、
   前記異なる極性割り当ての目印にするために、前記外部電極は異なる幾何学的形状及び／又は異なるサイズ及び／又は前記基体の外面への異なる配置を有し、
   前記２つの外部電極のうちの少なくとも１つの外部電極は、その寸法が、それぞれの外部電極の、前記内部電極への給電機能のために必要とされる大きさを超えて拡大されており、
   前記外部電極はそれぞれ、前記セラミック層の積層方向に対して垂直な方向における幅を有し、
   第１の前記外部電極の前記幅は、第２の前記外部電極の前記幅よりも小さい、
   多層素子。
2. 第１の前記外部電極は、第２の前記外部電極よりも小さい面積を有する、
   請求項１記載の多層素子。
3. 前記外部電極はそれぞれ、前記セラミック層の積層方向に対して平行な方向における高さを有し、
   第１の前記外部電極の前記高さは、第２の前記外部電極の前記高さよりも高い、
   請求項１又は２いずれか１項記載の多層素子。
4. 第１の前記外部電極は矩形の形状を有し、第２の前記外部電極は円形の形状を有するか、若しくは、
   第１の前記外部電極は円形の形状を有し、第２の前記外部電極は矩形の形状を有するか、又は、
   第１の前記外部電極は台形の形状を有し、第２の前記外部電極は台形の形状を有する、
   請求項１乃至３いずれか１項記載の多層素子。
5. 前記外部電極は、外部電極が配置されている前記基体の前記側面の中央に配置されており、
   前記外部電極は、前記多層素子の対称軸周りの１８０°の回転に関して対称であり、
   前記対称軸は前記多層素子の前記外部電極が配置されている前記側面に対して垂直であり、前記対称軸は前記外部電極が配置されている前記側面の中心を通って延在する、
   請求項１乃至４いずれか１項記載の多層素子。
6. 各前記外部電極は前記基体の各前記側面上の中央に配置されている、
   請求項１乃至５いずれか１項記載の多層素子。
7. 前記多層素子は崩れた回転対称性を有している、
   請求項１乃至４いずれか１項記載の多層素子。
8. 前記基体は相互に対向する側面を有し、
   前記外部電極のうちの１つは、それぞれの側面を画定するエッジの方へずれて配置されている、
   請求項１乃至４いずれか１項記載の多層素子。
9. 前記多層素子と前記外部電極とは、前記外部電極が配置されている前記外面の中心点を通って垂直に延在する前記多層素子の対称軸周りでの前記多層素子の１８０°の回転に関して対称である、
   請求項１乃至６いずれか１項記載の多層素子。
10. 前記多層素子はピエゾ多層アクチュエータとして、多層圧力センサとして又はセラミックコンデンサとして構成されている、
    請求項１乃至９いずれか１項記載の多層素子。
11. 請求項１乃至１０いずれか１項記載の多層素子の複数の外部電極を、当該外部電極の異なる極性割り当ての目印として使用する方法。
12. 前記外部電極は異なる幾何学的形状及び／又は異なるサイズ及び／又は多層素子の基体上での異なる配置を有する、
    請求項１１記載の使用する方法。

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