JP5511394B2 - 浸潤バリアおよび保護層を有する圧電コンポーネントと該圧電コンポーネントの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モノリシック構造の積層体を有する圧電コンポーネントに関する。この圧電コンポーネントは、交互に積層されて配置された圧電セラミック含有圧電セラミック層および電極層と、積層体の機械的な過負荷の際に亀裂を形成するために積層体内に配置された少なくとも1つの多孔性保護層とを有している。本発明は、圧電コンポーネントの製造方法にも関する。

圧電コンポーネントは、モノリシック多層構造のセラミック製圧電アクチュエータである。この種の多層アクチュエータは、いくつかの実施形態で多孔性のセラミック製または金属製の保護層（保護構造物）を有している。この多孔性保護層には規定破断箇所としての機能があり、圧電アクチュエータの積層体に機械的な過負荷が生じると、この保護層において優先的に亀裂（電極亀裂ないしは分極亀裂Polungsrisse）が形成される。これによって、分極にあたりまたは作動中に発生する分極亀裂の位置の規定および誘導が可能となる。この保護層は、多孔性を高めた電極層（内部電極）またはセラミック層から形成することができる。

電気的接触のために、内部電極が相互に電気絶縁性の積層体の側方表面区間に交互に配置されている。表面区間には金属化部（外部金属化部）が取り付けられている。この金属化部を介して、内部電極が交互に電気的に並列に接続されている。

圧電アクチュエータの積層体には、シリコーン製プラスチックカバーが設けられている。このプラスチックカバーは積層体の不動態化処理に用いられる。このことが意味するのは、プラスチックカバーによって積層体の側方表面まで及ぶ内部電極が電気的に絶縁され、機械的な破壊から保護されているということである。

シリコーンおよび金属化部を積層体表面に取り付ける際、金属と溶融ガラス（金属化部の接着促進剤）とシリコーンの成分とが多孔性保護層に浸潤する可能性がある。これによって、上述の材料の浸潤が引き起こされる。このような浸潤の結果、不所望な保護層の導電性または機械的なノッチ効果が亀裂において発生させられ、このことによって保護層並びにその周辺の損傷が生じるおそれがある。圧電コンポーネントの尚早の破損という結果を招く可能性がある。

本発明の課題は、モノリシック構造の積層体を有する圧電コンポーネントの製造プロセス中、多孔性保護層への異物の浸潤を阻止することである。

前記課題は、モノリシック構造の積層体を有する以下のような圧電コンポーネントによって解決される。すなわちこの圧電コンポーネントは、交互に積層されて配置された圧電セラミック含有圧電セラミック層および電極層と、積層体の機械的な過負荷の際に亀裂を形成するために積層体内に配置された少なくとも1つの多孔性保護層とを有している。
この圧電コンポーネントは、保護層と積層体の側方表面区間の間において、保護層への異物の侵入を抑止するために浸潤バリアが配置されていることを特徴としている。

前記課題は、次の方法ステップを備えた以下のような圧電コンポーネントの積層体の製造方法によっても解決される。すなわちこの方法は、a）金属層とセラミック製グリーンシートを交互に積層して配置してグリーンシート複合体を形成するステップを有しており、このステップにおいて、このグリーンシート複合体に少なくとも1つの保護層の初期層を組み込み、b）このグリーンシート複合体を熱処理してモノリシック構造の積層体を形成するステップを有しており、このステップにおいて、セラミック製グリーンシートから圧電セラミック層を形成し、金属層から電極層を形成し、保護層の初期層から保護層を形成し、浸潤バリアが形成されるステップを有している。

本発明の基礎となる着想は、異物の浸潤から多孔性保護層を保護することである。このことは浸潤バリアによって実現される。この浸潤バリアは積層体の周縁を成し、有利にはむき出しの多孔性を有さない。これによって、異物が浸潤するということが阻止される。この浸潤バリアは密な周縁領域を成している。

１つの特別な実施形態では、浸潤バリアが保護層を取り囲んでいる。この保護層は、全積層体断面にわたる面全体には形成されていない。これによって、幅の狭い環状の周縁領域が積層体の側方表面区間に沿って存在している。

別の実施形態では、浸潤バリアは積層体の圧電活性ではない接触領域に配置されている。この接触領域では、内部電極が１つおきに共通の側方表面区間に案内されている。そこにおいて、表面区間に取り付けられた外部金属化部を介して、内部電極の電気的な接触が行われる。これによって、内部電極の櫛状の構造が形成されている。これをいわゆる多層コンデンサ構造とも称する。このような接触形式によって、接触領域において、異なる極性の電極層の間に直接おかれる圧電活性な領域と比較して明らかに異なる電界が圧電セラミックに加わるようになる。このことが、分極中および作動中に生じる亀裂形成の主な原因である。

接触領域において浸潤バリアが存在しなければ、金属化部を取り付けている間に異物が多孔性保護層へ浸潤してしまう。例えば金属化部の導電材料が浸潤する。その結果、接触領域において所望しない導電性が表れてしまう。したがって、圧電コンポーネントの機能を保証することができなくなってしまう。しかしながら、浸潤バリアによって導電材料が浸潤する可能性が阻止され、この圧電コンポーネントの機能が保障されている。

有利にはこの場合、浸潤バリアは接触領域の寸法より小さい寸法を有している。この浸潤バリアは、金属化部が取り付けられている側方表面区間に沿う接触領域の周縁を成している。この浸潤バリアの寸法は例えばこの浸潤バリアの深さである。接触領域の深さは浸潤（バリア）領域の深さより大きい。有利には、接触領域の深さは浸潤（バリア）領域の深さより著しく大きい。例えば、接触領域の深さと浸潤バリアの深さの比は４倍またはそれ以上である。

浸潤バリアの小さな周縁領域しか形成されないことにより、所望される亀裂開始およびその亀裂の形成過程には保護層において悪影響を及ぼさない。同時に、例えば製造プロセス中の液体材料のような異物が保護層に浸潤せず、そこで損傷を引き起こさないようになる。

本発明による方法の特別な実施形態によれば、浸潤バリアは、熱処理を中断し、次の更なる方法ステップを実行することによって形成される。すなわちこの方法は、c）部分的に焼成された積層体の側方表面区間にバリア材料を注入するステップと、d）熱処理を継続し、このバリア材料から浸潤バリアを形成するステップを有している。

この中断によって、積層体のか焼（ansintern）しか行うことができず、部分的に焼成された積層体が形成される。このほか、完全に焼成を行い、焼成後、つまり完全に焼成された積層体に注入を行い、ついで熱処理を行うことも考慮される。

有利には、バリア材料を注入するために、ゾルゲル法とスラリー法と吹き付けと浸漬とから成るグループから選択される方法が使用される。この際、代替的な手法として例えば刷毛塗りによるバリア材料の塗布も可能である。

特別な実施形態では、浸潤バリアは圧電セラミックと同種（arteigen）のバリア材料を有している。このバリア材料は、積層複合体のグリーンシートの圧電セラミックないし圧電セラミック層の圧電セラミックと同一種から成る。例えば圧電セラミックとしてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が使用される。この浸潤バリアも同様にチタン酸ジルコン酸鉛である。この場合、隣接する圧電セラミック層の圧電セラミックからバリア層が形成されるケースも考えられる。代替的な材料として例えば酸化ジルコニウムも同様に考慮される。重要であるのは、バリア材料を注入し、引き続いて熱処理することによって密な周縁領域を成し、積層体処理中に異物の浸潤が行われないようにすることである。

別の実施形態では、金属層およびセラミック製グリーンシートを積層して配置する前に次の更なる方法ステップが実行される。すなわちこの方法は、e）セラミック製グリーンシートを形成するステップと、f）保護層の初期層を配置するステップを有している。初期層を配置するために、例えばペーストがグリーンシート上に印刷される。この際、ペーストがグリーンシートの表面全体に塗布されないように行うことができる。これによって、周縁部が残される。グリーンシートと初期層の複合体上にさらに別のグリーンシートが設けられ、それによって生じた複合体が焼成されると、１つのグリーンシートの圧電セラミックとさらに別のグリーンシートの圧電セラミックが接合される。これによって、隣接する圧電セラミック層の圧電セラミックから浸潤バリアが生じる。保護層の初期層が薄いほど、上述の方法はより良好に機能する。

別の実施形態では、保護層の初期層に加えて浸潤バリアの前駆体がグリーンシート上に配置される。このような方法は、浸潤バリアのバリア材料が圧電セラミック層の圧電セラミックと異なる場合に適している。ただしこの場合も、同種の材料を使用することもできる。

初期層および前駆体の配置は慣用の方法、例えばスクリーン印刷によって行われる。この場合、グリーンシート上には、保護層および浸潤バリアが形成される構造がおかれる。この構造はスクリーン印刷において、すなわち（セラミック製または金属製）保護層材料を堆積させる際に、相応の印刷レイアウトないしマスクレイアウトによって形成することができる。

上述のモノリシック多層構造の積層体を有する圧電コンポーネントは、有利にはバルブを駆動制御するために、殊に内燃機関の噴射バルブを駆動制御するために使用される。

以上要約すると、本発明に次の重要な利点がもたらされる。

浸潤バリアを用いることによって、圧電コンポーネントの積層体の製造プロセス中、保護層への異物の侵入が阻止される。

保護層の機能性である亀裂形成および亀裂の成長のコントロールが維持され続ける。

不所望な浸潤の発生、例えば導電性の増大が回避される。

次に、実施形態およびそれに対応した図面に基づき、本発明について詳しく説明する。この図面は概略的であり、縮尺どおりに描かれていない。

圧電コンポーネントのモノリシック構造の積層体の側面図 保護層の箇所での積層体断面図 別の実施形態における圧電コンポーネントのモノリシック構造の積層体の側面図 保護層の箇所での断面図

圧電コンポーネント１は、多層構造によるモノリシック圧電アクチュエータである（図１および２参照）。この多層構造の圧電アクチュエータは、交互に積層されて配置された圧電セラミック層１０１および電極層１０２から成る積層体１０を有している。この圧電セラミック層はチタン酸ジルコン酸鉛を有している。電極層はパラジウム銀合金から形成される。積層体には、多孔性保護層１０３が組み込まれている。第１の実施形態によれば、保護層はセラミック製である。それに対する代替的な実施形態では、保護層は金属層から形成される。両実施形態では、保護層は積層体の他の部分と比較して多孔性が高められている。このことによって、保護層が規定破断箇所としての機能を有し、積層体に機械的な過負荷が生じると、多孔性を高めた保護層において優先的に亀裂が現れるようになる。このようにして、亀裂の形成と亀裂の広がりとの制御が可能となる。

積層体の側方表面区間１０７には、金属化部１０６が積層体の電極層の電気的接触のために配置されている。図面には、それぞれただ１つの金属化部が示されている。しかしながら実際には、少なくとももう１つの金属化部が存在している。両金属化部を介して、電極層に異なった電位を交互に印加することができる。

接触領域１０５には、保護層１０３と側方表面区間１０７の間において、浸潤バリア１０４が配置されている。この浸潤バリアは、積層体の側方表面区間に向かう方向で設けられ、積層体の周縁領域を成している。この浸潤バリアは密度が高められている点で優れており、これによって多孔性保護層への異物の浸潤が阻止される。したがって、保護層の機能が維持され続ける。

別の実施例によれば、浸潤バリアが保護層を完全に取り囲んでいる。（図３および４参照）。この保護層はどこにおいても積層体の側方表面区間までは案内されていない。

モノリシック構造の積層体を製造するために、セラミック製グリーンシートに金属が印刷され、グリーンシート接合部の上下に積層され、バインダ除去され、焼成されてモノリシック構造の積層体が形成される。このグリーンシートが圧電セラミック層となる。印刷された金属（金属層）から結果として電極層が生じる。加えてグリーンシート接合部には、保護層の初期層が組み込まれ、この初期層から焼成プロセス中に保護層が形成される。

浸潤バリアを組み込むために、焼成後、焼結後に形成された多孔性保護層の周縁領域にバリア材料が注入される。このバリア材料とは同種のチタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴである。

別の実施形態によれば、複合体がか焼されるだけであり、つまり完全には焼成つまり圧縮固化されない。この焼成プロセスが中断され、バリア材料が注入される。注入後、焼成プロセスが継続される。これによって、浸潤バリアが形成される。

浸潤バリアを組み込むための１つの代替的な実施形態によれば、保護層の初期層および浸潤バリアの前駆体がグリーンシートに取り付けられる。この取り付けはスクリーン印刷によって行われる。印刷されたこのグリーンシートはほかのグリーンシートと共に積層され、ラミネート加工され、バインダ除去され、焼成される。熱処理プロセス中、前駆体から浸潤バリアが生じる。

さらに別の実施形態によれば、浸潤バリアの前駆体の配置が省略される。これによって、グリーンシートには保護層の薄い初期層のみ印刷される。この時、グリーンシートの周縁領域は印刷されずに残っている。引き続く別のグリーンシートを用いた積層および焼成によって、１つのグリーンシートの圧電セラミックとすぐ隣接するさらに別のグリーンシートの圧電セラミックが接合されるようになる。これによって、浸潤バリアが圧電セラミック層の圧電セラミックから生じる。

Claims (10)

1. モノリシック構造の積層体（１０）を有する圧電コンポーネント（１）において、
   該圧電コンポーネント（１）は、交互に積層されて配置された圧電セラミック含有圧電セラミック層（１０１）および電極層（１０２）と、
   前記積層体（１０）の機械的な過負荷の際に亀裂を形成するために、該積層体（１０）の層間に配置された少なくとも1つの多孔性保護層（１０３）とを有しており、
   前記保護層（１０３）と前記積層体（１０）の側方表面区間（１０７）の間において、該保護層（１０３）への異物の侵入を抑止するために浸潤バリア（１０４）が配置され、
   外部金属化部（１０６）は、前記各電極層（１０２）と電気的に接触し、当該外部金属化部（１０６）を介して前記電極層（１０２）同士を互いに電気的に接触させるように、前記積層体（１０）の側方表面において積層方向に延在して設けられ、かつ、当該外部金属化部（１０６）は前記浸潤バリア（１０４）の上に配置されていることを特徴とする圧電コンポーネント。
2. 前記浸潤バリア（１０４）は前記保護層（１０３）を取り囲んでいる、請求項１記載の圧電コンポーネント。
3. 前記浸潤バリア（１０４）は、前記積層体（１０）の圧電活性ではない接触領域（１０５）に配置されている、請求項１または２記載の圧電コンポーネント。
4. 前記浸潤バリア（１０４）は、前記接触領域（１０５）の寸法より小さい寸法を有している、請求項３記載の圧電コンポーネント。
5. 前記浸潤バリア（１０４）は、前記圧電セラミックと同種のバリア材料を有している、請求項１から４のいずれか１項記載の圧電コンポーネント。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の圧電コンポーネントの積層体の製造方法において、
   a）金属層とセラミック製グリーンシートを交互に積層して配置してグリーンシート複合体を形成するステップを有しており、該ステップにおいて、該グリーンシート複合体に少なくとも1つの保護層の初期層を積層させて組み込み、
   b）前記グリーンシート複合体を熱処理してモノリシック構造の前記積層体を形成するステップを有しており、該ステップにおいて、前記セラミック製グリーンシートから圧電セラミック層を形成し、前記金属層から電極層を形成し、前記保護層の初期層から該保護層を形成し、前記保護層と前記積層体の側方表面区間の間において浸潤バリアが形成され、該浸潤バリア上で、前記積層体の側方表面において積層方向に延在するように、外部金属化部を形成することで、前記各電極層と電気的に接触させ、当該外部金属化部を介して前記電極層同士を電気的に接触させる
   ことを特徴とする製造方法。
7. 前記浸潤バリアを形成するために熱処理を中断し、
   c）部分的に焼成された前記積層体の側方表面区間にバリア材料を注入するステップと、
   d）熱処理を継続し、前記バリア材料から前記浸潤バリアを形成するステップ
   を実行する、請求項６記載の製造方法。
8. 前記バリア材料を注入するために、ゾルゲル法とスラリー法と吹き付けと浸漬とから成るグループから選択される方法が使用される、請求項７記載の製造方法。
9. 金属層および前記セラミック製グリーンシートを積層して配置する前に、
   e）前記セラミック製グリーンシートを形成するステップと、
   f）前記保護層の初期層を配置するステップ
   を実行する、請求項６記載の製造方法。
10. 前記保護層の初期層を配置すると共に、グリーンシートへ浸潤バリアの前駆体を配置する、請求項９記載の製造方法。

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