JP2008258588A - 多層圧電セラミックアクチュエータ、および多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より頑強な多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とを提供する。
【解決手段】セキュリティ層２０はマトリックス材料３２内に組み込まれた粒子３０を含んでいる。各粒子３０と、隣接する各圧電セラミック層１２の間には薄いギャップ３４がある。多層圧電セラミックアクチュエータの製造中には、マトリックス材料３２と粒子３０の混合物がグリーン（未焼成）シートの間に積層される。マトリックス材料３２と粒子３０の混合物はその後、所定の時間の間に上昇された温度まで加熱される。このプロセスの間に、グリーンシートは圧電セラミック層１２に変換され、電極層は内部電極に変換され、マトリックス材料３２と粒子３０の混合物はセキュリティ層２０に変換される。これによって、セキュリティ層２０と隣接する圧電セラミック層１２の間の総体的な効果的な結合が低減される。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明
本発明は、多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とに関する。

多層圧電セラミックアクチュエータは、電気的信号を機械的動作に変換する。多層圧電セラミックアクチュエータの電極に印加された電圧により、該多層圧電セラミックアクチュエータは複数の圧電セラミック層の圧電特性に起因して自身の長さを変える。スタック内では、内部電極と圧電セラミック層とが交互に配置されている。それぞれ他方の内部電極は第１の外部電極に導電接続されており、それぞれ他方の内部電極は第２の外部電極に導電接続されている。各圧電セラミック層はそれぞれ、第１の外部電極に接続された１つの内部電極と第２の外部電極に接続された１つの内部電極との間に配置されている。このような多層圧電セラミックアクチュエータは、メカニクス、流体等を駆動または制御するために使用される。内燃機関用の燃料インジェクタは重要なアプリケーションである。

製造後には、この多層圧電セラミックアクチュエータに大きな電圧が印加される。この大きな電圧が圧電セラミック層を分極し、圧電セラミック層の残留変形を生じさせる。外部電極の周辺では、すべての他方の内部電極が、隣接する圧電セラミック層のエッジまで完全には伸長せず、この外部電極から分離される。このことにより、圧電セラミック層内の電界は不均質となり、残留ひずみも、アクチュエータの通常の動作中のひずみも不均質となる。多層圧電セラミックアクチュエータの不均質なひずみおよび不完全性は、どのようなものでも、該多層圧電セラミックアクチュエータ内に機械的なひずみおよび応力を引き起こす。とりわけ、大きなダイナミック動作条件および高い温度では、内部電極と圧電セラミック層との間の境界面と、活性のスタックと非活性の頂部層または底部層との間の境界面と、圧電セラミック層内とにひびが生じる。分岐するひびまたはスタック方向に成長するひびはとりわけ損傷となる。ひびが内部電極の一部を電気的に絶縁すると直ちに、不均質さはさらに増大され、ひびの成長が加速される。さらに、化学反応性の流体がひびに侵入して、圧電セラミック層および／または内部電極を化学的に破壊するおそれがある。

本発明の課題は、より頑強な多層圧電セラミックアクチュエータと、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法とを提供することである。

前記課題は、請求項１に記載の多層圧電セラミックアクチュエータと、請求項１１に記載の製造方法とによって解決される。すなわち前記課題は、
多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）であって、
複数の圧電セラミック層（１２）と、セキュリティ層（２０）とを含み：
・前記圧電セラミック層（１２）は、焼結温度で焼結された圧電セラミック第１材料を含み；
・前記セキュリティ層（２０）は２つの圧電セラミック層（１２）の間に設けられており、
前記セキュリティ層（２０）は第２の材料（３２）と、該第２の材料（３２）内に少なくとも部分的に組み込まれている粒子（３０）とを含んでおり、
前記粒子（３０）は、前記第１の材料と異なり、かつ前記第２の材料（３２）と異なる第３の材料を含んでおり、
前記第３の材料と前記第１の材料の間の接着力は、前記第２の材料（３２）と前記第１の材料の間の接着力よりも弱い、
ことを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータによって解決され、前記課題はさらに、
多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）の製造方法であって、以下のステップを含み：すなわち、
・複数のグリーン層を設けるステップ（９１）を含み、当該グリーン層は、後続の加熱ステップにおいて、圧電セラミック材料を含む圧電セラミック層に変換され；
・第２の材料（３２）と、該第２の材料（３２）内に組み込まれている粒子（３０）とを含むセキュリティ層材料混合物を設けるステップ（９２）を含み、前記粒子（３０）は、前記第１の材料および前記第２の材料とは異なる第３の材料を含み；
・前記２つのグリーン層の間にセキュリティ層（２０）を積層するステップ（９３）を含み、これによってグリーンスタックを形成し；
当該グリーンスタックを焼結温度まで加熱するステップ（９４）を含み、ここで前記グリーン層は圧電セラミック層に変換され、
ここで少なくとも前記加熱ステップ（９４）の後で、前記第３の材料と第１の材料の間の接着力は、前記第２の材料（３２）と第１の材料の間の接着力よりも弱い、
ことを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法によって解決される。

従属請求項に有利な実施形態の構成が定義されている。

本発明は、セキュリティ層のマトリックス材料内に粒子を入れることによって、圧電セラミック層と隣接するセキュリティ層との間の機械的な接続、または、セキュリティ層にわたる２つの隣接する圧電セラミック層間の機械的な接続を弱める、または低下させる、または減ずるという思想に基づいている。この粒子は、圧電セラミック層の間にセラミックブリッジを形成しない。セラミックブリッジは圧電セラミック層およびスタック全体の結合を強固にする、または持続させる。むしろ粒子は科学的に不活性であり、科学的に圧電セラミック材料またはセキュリティ層のマトリックス材料と科学反応せず、焼成後に、粒子と圧電セラミック材料との間、または粒子とセキュリティ層のマトリックス材料の間の接着力（adhesion）は低い。択一的に、粒子は圧電セラミック材料および／またはセキュリティ層のマトリックス材料と反応せず、焼成後の、粒子と圧電セラミック材料との間の接着力は低い、または粒子とセキュリティ層のマトリックス材料の間の接着力は低い。

本出願を通して、低い接着力とは、接着力がないこと、または実質的に接着力がないこと、または圧電セラミック層とセキュリティ層のマトリックス材料との間の接着力よりも弱い接着力を意味する。

粒子と圧電セラミック材料との間および／または粒子とセキュリティ層のマトリックス材料との間の低い接着力は、圧電セラミック層と隣接するセキュリティ層との間の機械的な結合またはセキュリティ層を介した２つの圧電セラミック層の間の機械的な結合を弱める。両方のケースにおいて、多くの粒子がセキュリティ層内に含まれるほど、またはセキュリティ層における粒子の体積割合が高くなるほど、セキュリティ層と隣接する圧電セラミック層の間または隣接する圧電セラミック層間の機械的結合が弱まる。従って、少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも２０％または少なくとも４０％の体積占拠率が有利である。殊に、粒子と圧電セラミック材料との間の接着力が低い場合には、各粒子の大きさは有利にはセキュリティ層の厚さと実質的に同じであるか、またはセキュリティ層の厚さを僅かに上回る。

上述した低い接着力に対して択一的または付加的に、粒子の材料は圧電セラミック材料より脆弱であり、セキュリティ層のマトリックス材料よりも脆弱である。粒子のこの脆弱性は粒子の元来の性質であるか、または科学反応および／または圧電セラミック材料からまたはセキュリティ層のマトリックス材料から粒子への、またはその反対の成分拡散に起因する、焼成の間の粒子の材料の物質変換から生じる結果である。本明細書を通じて、科学反応とはあらゆる種類の科学反応または、１つの科学構造から別の科学構造への科学的物質変換および、結晶格子または多結晶相またはアモルファス相の格子面または間入面内への拡散されたまたは元来存在する成分または原子のあらゆる種類の組込みを含む。さらに、結晶構造のあらゆる変性が含まれる。これは例えば、結晶外の結晶化の水分の駆動である。

上述した低い接着力および／または粒子の高い脆弱性に対して択一的または付加的に、粒子は部分的に脆弱性を上昇させるおよび／または圧電セラミック材料および／または粒子の近傍でセキュリティ層のマトリックス材料の結合を低減させる。このような圧電セラミック材料の脆弱性の上昇および／または結合の低減は、焼成の間に、科学反応に起因して、および／または、圧電セラミック材料からまたはマトリックス材料から粒子への、またはその逆の、成分の拡散に起因してあらわれる。例えば結晶化の水分は、粒子から圧電セラミック材料へ、マトリックス材料へまたは圧電セラミック材料へ拡散する、またはその逆に拡散し、これによって結晶構造が変化する。この収縮は例えば、相変化または結晶構造の変性に起因して、焼成プロセスの間に生じる。これは焼成プロセス後の冷却によって逆戻りしない。

有利には、セキュリティ層または、圧電セラミック層とセキュリティ層との間の界面での圧電セラミック材料の薄い層のマトリックス材料の焼きしまりおよび／または焼結特性は、成分または素子の拡散および／または科学反応によって修正または変更される。このようにして、セキュリティ層と圧電セラミック層の間の接着力が低減される。

ＰＺＴ圧電セラミック材料の特別なケースでは、セキュリティ層と圧電セラミック層との間の界面でのＰｂＰｄＯ相の生成に影響が与えられる。ＰＺＴはＰｂＴｉＯ_３およびＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２へ分けられるかまたは非混合状態にされ、これによってマイクロ構造が破壊され、ＰＺＴの結合が強く低減される。

１つまたは複数の上述した機構に対して択一的または付加的に、焼成中の粒子の成長および／または粒子およびセキュリティ層のマトリックス材料の異なる熱膨張係数によって、焼成の間および／またはスタックが冷却されるときに張力または微少亀裂が生成され、増大する。

上記の機構および処置により、圧電セラミック層と隣接するセキュリティ層との間の機械的な接続または結合、またはセキュリティ層を介した２つの圧電セラミック層間の機械的な接続または結合が弱められる。このようにして、セキュリティ層、またはセキュリティ層と隣接する圧電セラミック層との間の境界面は、所定の破壊点を形成する。機械的な応力は、セキュリティ層内でのひびの形成および成長を引き起こすか、または、セキュリティ層と圧電セラミック層との間の境界面に沿ってひびの形成および成長を引き起こす。

有利には、多層圧電セラミックアクチュエータはサブスタックを有し、各サブスタックは所定数の圧電セラミック層と、相応の数の内部電極とを有する。本発明によるセキュリティ層はこのサブスタック間に配置される。機械的な応力によってセキュリティ電極内にひびが誘発されるが、非常に高い確率でサブスタック内にはひびは誘発されない。このようにして、サブスタックの動作および作用は保証され、多層圧電セラミックアクチュエータ全体の信頼性は向上する。

択一的に、全ての内部電極がセキュリティ層として設けられてもよい。これは殊に、粒子がセキュリティ層の結合を弱めないが、圧電セラミック層へのセキュリティ層の接着力を弱める場合である。このような場合にはセキュリティ層のマトリックス材料は導電性である。

本発明の別の利点は、粒子が容易にセキュリティ層内に入れられるということである。ＴｉＯ_２，ＺｒＴｉＯ_２，Ｃｅ_２０_３およびＬａ_２Ｏ_３および他の無機材料は、粒子の適切な材料の例である。

本発明の幾つかの実施例を、以下で、添付された図面を参照して説明する。

図１は、多層圧電セラミックアクチュエータ１０を概略的に示す図である。この多層圧電セラミックアクチュエータ１０は、複数の圧電セラミック層１２と、複数の第１の内部電極１６と、複数の第２の内部電極１８とを有する。圧電セラミック層１２は、焼結温度で焼結され圧電効果を呈する圧電セラミックの第１の材料を含む。第１の内部電極１６は第１の外部電極２２に導電接続されており、第２の内部電極１８は、図１に示されていない第２の外部電極に導電接続されている。第１の内部電極１６はこの第２の外部電極から電気的に絶縁されており、第２の内部電極１８は第１の外部電極２２から電気的に絶縁されている。圧電セラミック層１２と内部電極１６，１８とから成るグループがサブスタック２４を構成する。セキュリティ層２０はサブスタック２４間に配置される。多層圧電セラミックアクチュエータ１０の頂部および底部は、頂部層および底部層１４によってカバーされる。

セキュリティ層２０の幾つかの択一的な実施形態を、図２〜６を参照して順次説明する。図２〜６はそれぞれ、多層圧電セラミックアクチュエータの一部分を概略的に示している。ここでこの部分は圧電セラミック層１２、内部電極１６、１８およびセキュリティ層２０に対して垂直である。図２〜６はそれぞれ単に１つのセキュリティ層および隣接する２つの圧電セラミック層を示しているが、各多層圧電セラミックアクチュエータはあらゆる数の圧電セラミック層、あらゆる数の内部電極およびあらゆる数のセキュリティ層を含むことが可能である。各実施形態において、セキュリティ層は電気的に絶縁性であるか、または導電性である。後者の場合には、セキュリティ層は内部電極として用いられるかまたは多層圧電セラミックアクチュエータの全ての内部電極がセキュリティ層であってよい。

図２を参照すると、セキュリティ層２０はマトリックス材料３２および、少なくとも部分的にこのマトリックス材料３２内に組み込まれた粒子３０を含んでいる。各粒子３０の直径は実質的にセキュリティ層２０の厚さに等しいか、またはセキュリティ層２０の厚さを僅かに上回る。各粒子３０と、隣接する各圧電セラミック層１２の間には薄いギャップ３４がある。

図２を参照して説明した多層圧電セラミックアクチュエータの製造中には、マトリックス材料３２と粒子３０の混合物がグリーン（未焼成）シートの間に積層される。複数のグリーンシートを含むグリーンスタック、複数の電極層および、グリーンシートの間に挟まれているマトリックス材料３２と粒子３０の混合物はその後、所定の時間の間に上昇された温度まで加熱される。この脱結合および焼結プロセスまたはベーキングプロセスまたは焼成プロセスの間に、グリーンシートは圧電セラミック層１２に変換され、電極層は内部電極１６、１８に変換され、マトリックス材料３２と粒子３０の混合物はセキュリティ層２０に変換される。

焼成プロセスの間または焼成プロセス後に、薄いギャップ３４は幾つかの択一的な方法で生成される。第１の実施形態では、焼成プロセスの間に粒子３０が収縮し、マトリックス材料３２は収縮しないまたは成長する、または粒子３０の収縮はマトリックス材料３２の収縮を上回る、またはマトリックス材料３２は粒子３０よりも成長する。粒子３０またはマトリックス材料３２のあらゆる収縮は、各材料の焼きしまりまたは焼結に起因して、および／または各材料から近傍への成分の拡散に起因するものであってよい。例えば、粒子３０から隣接するグリーン層またはマトリックス材料３２への粒子３０の科学的成分の拡散によって、粒子３０が収縮する、および／またはマトリックス材料３２またはグリーン層が成長する。この収縮は例えば、相変化または結晶構造の変性に起因して、焼成プロセスの間に生じる。これは焼成プロセス後の冷却の間に逆戻りすることはない。

択一的に、薄いギャップ３４は、焼成プロセス後にスタックを冷却する間に生じる。冷却時には、ポジティブな熱膨張係数を有するあらゆる材料が収縮する。粒子３０の熱膨張係数がマトリックス材料３２の熱膨張係数を上回る場合には、粒子３０はマトリックス材料３２よりもより収縮し、ギャップ３４が現れる。

ギャップ３４が焼成中に現れるか、または焼成後に現れるかにかかわらず、粒子３０とグリーンシートと圧電セラミック層１２の間に接着力がないことまたは接着力が低いことによって、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面でのギャップ３４の形成は助長される。

図３は他の多層圧電セラミックアクチュエータの一部分の概略図を示している。２つの圧電セラミック層１２の間のセキュリティ層２０はマトリックス材料３２と、マトリックス材料３２内に少なくとも部分的に組み込まれている粒子３０を含む。粒子３０の直径は実質的にセキュリティ層２０の厚さと等しい。従って、多くのまたは全ての粒子３０は、隣接する両方の圧電セラミック層１２と接触している。ギャップ３６はマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間に配置されている。

セキュリティ層２０はマトリックス材料３２と粒子３０との混合物をグリーンシートの間に積層することによって生成される。図２を参照して上述した焼成プロセスと類似の焼成プロセスにおいて、グリーンシートは圧電セラミック層１２に変換される。マトリックス材料３２が粒子３０よりも収縮する場合、または粒子３０がマトリックス材料３２よりも成長する場合、またはマトリックス材料３２が収縮し、粒子３０が成長する場合には、この焼成プロセスの間にギャップ３６が現れる。択一的または付加的に、マトリックス材料３２の熱膨張係数が粒子３０の熱膨張係数を上回る場合にギャップ３６は焼成プロセス後に生じるかまたは成長する。ギャップが主に焼成プロセスの間に生じるかまたは焼成プロセス後に生じるかにかかわらず、ギャップ３６の形成は、マトリックス材料３２とグリーンシートと圧電セラミック層１２の間の接着力が低いことまたは接着力がないことによって助長される。

図４は他の多層圧電セラミックアクチュエータの一部分の概略図を示している。圧電セラミック層１２の間のセキュリティ層２０はマトリックス材料３２と、このマトリックス材料３２内に少なくとも部分的に組み込まれている粒子３０とを含んでいる。粒子３０はガラスまたは他の壊れやすい材料を含んでいる。この材料はマトリックス材料３２および圧電セラミック層１２の材料よりも脆弱であるおよび／または延性がない。従って、焼成プロセス中または焼成プロセス後またはアクチュエータの通常動作中の多層圧電セラミックアクチュエータ内の機械的な応力またはひずみによって、粒子３０内にひび４０が生じる。ひび４０の形成は、粒子３０内の低い結合によって助長される。

高い脆弱性および低い結合性はそれぞれ、粒子３０の元来の性質であってもよいし、または焼成プロセス中に粒子３０の材料変化によって生じるものであってもよい。

図２〜４を参照して説明された多層圧電セラミックアクチュエータにおいて、ギャップ３４、３６およびひび４０の寸法および形状はそれぞれ、図２〜４に示されたそれと異なっていてもよい。殊に、図２を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータのギャップ３４は、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面に関連して多少ずらされてよい。例えば、圧電セラミック層１２と粒子３０との間の接着力が粒子３０内の結合よりも強い場合、ギャップ３４は少なくとも部分的に、圧電セラミック層１２から離れて粒子３０内に（僅かに）ずれることがある。例えば、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の接着力が圧電セラミック層１２内の結合よりも強い場合、ギャップ３４は少なくとも部分的に、粒子３０から離れて圧電セラミック層１２内に（僅かに）ずれることがある。さらにギャップ３４は少なくとも部分的に、粒子３０とマトリックス材料３２との間の界面に沿って、またはマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の界面に沿って延在し得る。あらゆるケースにおいて、ギャップ３４は、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の全ての界面で形成されていなければいけないわけではない。

図３を参照して示された多層圧電セラミックアクチュエータにおいては、ギャップ３６はマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の界面から離れる方向にシフトされていてもよい。例えば、圧電セラミック層１２内の結合がマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の接着力よりも弱い場合には、ギャップ３６は少なくとも部分的に、圧電セラミック層１２内に（僅かに）移動し得る。例えば、マトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の接着力がマトリックス材料３２内の結合よりも強い場合には、ギャップ３６は少なくとも部分的に、マトリックス材料３２内に（僅かに）移動し得る。さらにギャップ３６は少なくとも部分的に、粒子３０とマトリックス材料３２との間の界面に沿って、または粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面に沿って延在し得る。

図４を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータにおいて、ひび４０は粒子３０とマトリックス材料３２との間の界面を越えて、マトリックス材料３２内へ延在してよい。有利には、ひび４０は粒子３０と圧電セラミック層１２の間の界面を越えて、圧電セラミック層１２内へは延在しない。

図２〜４を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータ内では、セキュリティ層と隣接する圧電セラミック層との間の効果的な全界面領域が低減されている。これによって、セキュリティ層と隣接する圧電セラミック層の間の総体的な効果的な結合が低減される。

図５は別の多層圧電セラミックアクチュエータの一部分の概略図を示している。圧電セラミック層１２の間のセキュリティ層２０はマトリックス材料３２と、このマトリックス材料３２内に少なくとも部分的に組み込まれている粒子３０とを含んでいる。第１の実施形態では、粒子３０および圧電セラミック層１２の材料は、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面４２で、粒子３０と圧電セラミック層１２との間に低い接着力を提供する、または接着力を提供しない。この低い接着力は、後続の焼成プロセスにおいてセキュリティ層２０および圧電セラミック層１２に変換されるグリーン層を含むグリーンスタック内に元来存在するものであってよい。択一的に、低い接着力は焼成プロセスの間に、粒子３０、マトリックス材料３２および圧電セラミック層１２の間の成分の拡散に起因して、および／または粒子３０および／または粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面４２の隣接部内の圧電セラミック層１２の科学的な変性に起因して生じてもよい。さらなる選択肢として、低い接着力は焼成プロセスの間に、粒子３０の結晶構造の相変化または変性によって生じてもよい。

別の実施形態では、粒子３０は局部的に、圧電セラミック層１２を、粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面４２近傍、および／またはマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の界面近傍の材料に変える。この変性は、圧電セラミック層１２から粒子３０へ、またはその逆の成分の拡散に起因して、および／または粒子３０と圧電セラミック層１２との間の界面４２での、またはその近傍での科学反応、およびマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の界面４４でのまたはその近傍での科学反応に起因するものであってよい。例えば、圧電セラミック層１２がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を含み、粒子３０が鉛（Ｐｂ）を吸収可能である場合、粒子と圧電セラミック層との間の界面で、またはこの界面近傍で、ＰＺＴは局部的にＰｂＴｉＯ_３、ＺｒＯ_２およびＴｉＯ_２に分けられるか、または非混合状態にされる。これによって圧電セラミック層１２の微少構造が部分的に破壊され、脆弱性が高められ、延性が低減される。

別の実施形態では、粒子３０は、粒子３０と圧電セラミック層１２との間および／またはマトリックス材料３２と圧電セラミック層１２との間の界面４２でＰｂＰｄＯ相の生成に影響を与え、これによって、圧電セラミック層１２とセキュリティ層２０との間の接着力が低減される。

別の実施形態では、圧電セラミック層１２またはそのグリーン状態（未焼成）の前駆物の焼きしまり特性を局部的に変えることが可能であり、極端な例では、圧電セラミック層１２とセキュリティ層２０との間の界面で通気孔網が生じる。Ａｇ蒸気および／またはＰｂＯ蒸気はこれらの通気孔に侵入することができる。

図２〜５に関連して上述した全ての多層圧電セラミックアクチュエータにおいて、ギャップ３４、３６、ひび４０、界面４２、４４での低い接着力、局部的に破壊された微少構造または通気孔網は、圧電セラミック層１２とセキュリティ層２０との間の機械的な接続または結合を弱める。このようにして、セキュリティ層２０は、はぎ取り式便せんの切り取り点線と同じように所定の破壊ポイントを形成し、セキュリティ層２０に対するあらゆるひびの生成または生長を局部限定するまたは制限する。多層圧電セラミックアクチュエータ内のあらゆる機械的ひずみまたは応力は非常に高い確率で、セキュリティ層２０に沿ってひびを生じさせ、成長させる。これによって、ひびが圧電セラミック層１２または内部電極１６、１８を破壊してしまう恐れが大幅に低減される。

図２〜５を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータにおいて、上述したように粒子３０の直径は基本的にセキュリティ層２０の厚さに等しい。これは、図２および３を参照して上述したように、幾つかの側面に対して、殊にギャップ３４、３６の形成に対して有利である。

しかし、セキュリティ層２０の厚さを下回るまたは格段に下回る粒子３０も有利である。図６は、圧電セラミック層１２の間にセキュリティ層２０を有する多層圧電セラミックアクチュエータの概略的な部分断面図を示している。セキュリティ層２０はマトリックス材料３２と、少なくとも部分的にこのマトリックス材料３２内に組み込まれている粒子３０とを含んでいる。粒子３０の高い脆弱性、粒子３０とマトリックス材料３２との間の低い接着力またはセキュリティ層２０近傍で粒子がＰｂＰｄＯ相の生成または圧電セラミック層１２の焼きしまり特性に与えるあらゆる影響によって、図２〜５を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータと類似の所定の破壊点が得られる。殊に、セキュリティ層は粒子３０とマトリックス材料３２との間の拡散、拡散された材料の科学反応および／または相変化または、粒子３０の高い脆弱性および／またはマトリックス材料３２への粒子３０の低い接着力を生じさせる粒子３０の結晶構造の変化によって弱められる。

図７は、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法を概略的に示すフローチャートである。第１のステップ９１では、複数のグリーンシートまたはグリーン層が提供される。このグリーンシートまたはグリーン層は、本方法の実施中に圧電セラミック層に変換される。第２のステップ９２では、マトリックス材料としての第２の材料と、この第２の材料内に組み込まれている粒子とを含んでいるセキュリティ層材料混合物が提供される。この粒子は、第１の材料および第２の材料とは異なる第３の材料を含む。第３のステップ９３では、セキュリティ層は２つのグリーン層の間に積層され、これによってグリーンスタックが形成される。第４のステップでは、このグリーンスタックははじめに脱結合温度まで加熱され、その後、所定の時間の間、焼結温度まで加熱される。この焼成ステップまたはベーキングステップまたは焼結ステップの間、グリーン層は、圧電セラミック第１材料を含む圧電セラミック層に変換される。第５のステップ９５において、多層圧電セラミックアクチュエータは室温またはそれよりもさらに低い温度まで冷却される。

上述の方法が、図１を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータを製造するために用いられる場合には、第４のステップおよび／または第５のステップの間に、第３の材料は第２の材料よりも収縮する、または第２の材料は第３の材料よりも成長する。図３を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータを製造するためには、第４のステップおよび／または第５のステップの間に、第３の材料は第２の材料よりも成長する、または第２の材料は第３の材料よりも収縮する。図４を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータを製造するためには、第４のステップの間に第３の材料が有利には科学的に変えられるかまたは変換される。これによってその脆弱性が高まる。図５を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータを製造するために、グリーン層から粒子への、またはその逆の成分（例えば鉛Ｐｂ）の拡散、または、マトリックス材料から粒子への、またはその逆の成分拡散、またはグリーン層からマトリックス材料への、またはその逆の成分拡散および／または科学反応は局部的に、第１の材料の焼きしまり特性および／または焼結特性および／または第１の材料と第２の材料または第３の材料との間の接着力を変える、および／またはセキュリティ層近傍において第１の材料の脆弱性を局部的に上昇させる。図２〜６を参照して上述した全ての多層圧電セラミックアクチュエータに対して、セキュリティ層を弱める上述したメカニズムは択一的に、焼成プロセスの間の粒子３０の結晶構造の相変化または変性から成るか、または焼成プロセスの間の粒子３０の結晶構造の相変化または変性によって補助され得る。

図２〜６を参照して上述した多層圧電セラミックアクチュエータにおいては、マトリックス材料３２は導電性であるか、または電気的絶縁性である。マトリックス材料が導電性である場合には、セキュリティ層は内部電極として用いられる。

多層圧電セラミックアクチュエータが、セキュリティ層を介して相互に機械的に接続されている多数のサブスタックを含むのは有利であるが（ここで各サブスタックは多数の内部電極を含んでいる）、多層圧電セラミックアクチュエータの全ての内部電極が、図２〜６を参照して上述したようにセキュリティ層であってもよい。

粒子は有利にはＴｉＯ_２，ＺｒＴｉＯ_２，Ｃｅ_２０_３またはＬａ_２Ｏ_３または、あらゆる他の電気的絶縁性材料またはマトリックス材料を含むが、特定の用途に対しては他の材料が有利であってもよい。

多層圧電セラミックアクチュエータを概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの一部を概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの一部を概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの一部を概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの一部を概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの一部を概略的に表す図 多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法を示す概略的なフローチャート

符号の説明

１０ 多層圧電セラミックアクチュエータ、 １２ 圧電セラミック層、 １４ 頂部層、底部層、 １６ 第１の内部電極、 １８ 第２の内部電極、 ２０ セキュリティ層、 ３０ 粒子、 ３２ マトリックス材料、 ３４ ギャップ、 ４０ ひび、 ４２ 界面、 ４４ 界面

Claims (16)

1. 多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）であって、
   複数の圧電セラミック層（１２）と、セキュリティ層（２０）とを含み：
   ・前記圧電セラミック層（１２）は、焼結温度で焼結された圧電セラミック第１材料を含み；
   ・前記セキュリティ層（２０）は２つの圧電セラミック層（１２）の間に設けられており、
   前記セキュリティ層（２０）は第２の材料（３２）と、該第２の材料（３２）内に少なくとも部分的に組み込まれている粒子（３０）とを含んでおり、
   前記粒子（３０）は、前記第１の材料と異なり、かつ前記第２の材料（３２）と異なる第３の材料を含んでおり、
   前記第３の材料と前記第１の材料の間の接着力は、前記第２の材料（３２）と前記第１の材料の間の接着力よりも弱い、
   ことを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータ。
2. 前記第３の材料は無機材料である、請求項１記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
3. 前記粒子（３０）と、前記複数の圧電セラミック層（１２）のうちの少なくとも１つとの間の界面でギャップ（３４）を含んでいる、請求項１または２記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
4. 前記第３の材料は基本的に前記第１の材料の焼結温度では、前記第１の材料または前記第２の材料（３２）と科学反応しない、請求項１から３までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
5. 前記第１の材料の焼結温度で、前記粒子（３０）に含まれている元来の材料は前記第３の材料に変換される、請求項１から３までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
6. 前記第１の材料の焼結温度で、前記粒子（３０）に含まれている元来の材料は前記第１の材料の一部または前記第２の材料（３２）と科学的に反応し、これによって前記第３の材料に変換される、請求項５記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
7. 前記各粒子の大きさは基本的に、前記セキュリティ層（２０）の厚さと等しい、請求項１から６までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
8. 前記粒子（３０）の総体積は少なくとも、前記セキュリティ層（２０）の総体積の少なくとも５％または少なくとも１０％または少なくとも２０％または少なくとも４０％である、請求項１から７までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
9. 前記第３の材料の熱膨張係数は、前記第２の材料（３２）の熱膨張係数とは異なる、請求項１から８までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
10. 前記第３の材料と前記第２の材料（３２）の間の界面エネルギーは、前記第３の材料と前記第１の材料の間の界面エネルギーとは異なる、請求項１から９までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）。
11. 多層圧電セラミックアクチュエータ（１０）の製造方法であって、以下のステップを含み：すなわち、
    ・複数のグリーン層を設けるステップ（９１）を含み、当該グリーン層は、後続の加熱ステップにおいて、圧電セラミック材料を含む圧電セラミック層に変換され；
    ・第２の材料（３２）と、該第２の材料（３２）内に組み込まれている粒子（３０）とを含むセキュリティ層材料混合物を設けるステップ（９２）を含み、前記粒子（３０）は、前記第１の材料および前記第２の材料とは異なる第３の材料を含み；
    ・前記２つのグリーン層の間にセキュリティ層（２０）を積層するステップ（９３）を含み、これによってグリーンスタックを形成し；
    当該グリーンスタックを焼結温度まで加熱するステップ（９４）を含み、ここで前記グリーン層は圧電セラミック層に変換され、
    ここで少なくとも前記加熱ステップ（９４）の後で、前記第３の材料と第１の材料の間の接着力は、前記第２の材料（３２）と第１の材料の間の接着力よりも弱い、
    ことを特徴とする、多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法。
12. 前記加熱ステップ（９４）において、前記第３の材料は基本的に前記第１の材料または前記第２の材料（３２）と科学的に反応しない、請求項１１記載の方法。
13. 前記加熱ステップ（９４）において、前記第３の材料は前記第１の材料または前記第２の材料と科学的に反応し、これによって局部的に、前記第１の材料または前記第２の材料（３２）に対して低い接着力を有する材料に変換される、請求項１１記載の方法。
14. 前記加熱ステップ（９４）において、科学反応または相変化または前記第３の材料の結晶構造の変性が起こり、前記第３の材料はその後、前記第１の材料または前記第２の材料（３２）に対して低い接着力を提供する、請求項１１記載の方法。
15. 前記第２の材料（３２）の熱膨張係数は、前記第３の材料の熱膨張係数とは異なり、
    当該方法はさらに、前記加熱ステップ（９４）の後にスタックを冷却するステップ（９５）を含み、
    当該冷却ステップ（９５）において、ギャップ（３４；３６）またはひび（４０）が、前記第２の材料（３２）と前記第３の材料の熱膨張係数の違いによって、セキュリティ層（２０）内またはセキュリティ層（２０）と隣接する圧電セラミック層（１２）との間または前記粒子（３０）内に生成される、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の多層圧電セラミックアクチュエータの製造方法であって、当該方法は請求項１１から１５までのいずれか１項記載のステップを含む、
    ことを特徴とする方法。

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