JP5431155B2 - 信頼性の高いセラミック多層構造のピエゾアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、複数の圧電セラミック層および該圧電セラミック層間に配置された少なくとも１つの内部電極を含むセラミック多層構造のピエゾアクチュエータに関する。本発明は、特に、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの内部に発生する機械的応力およびこの機械的応力から生じるクラックの問題に関連している。

ピエゾセラミックアクチュエータはほぼ全ての技術分野において多くの用途に利用されている。電気分野ではピエゾセラミックアクチュエータは幾何学的歪み、特に長さの変化および高さの変化を生じさせる。ピエゾセラミックアクチュエータに印加すべき電圧を低下させ歪みを大きくするために、ピエゾセラミックアクチュエータは、通常、多数の薄い圧電セラミック層とそのあいだに配置された内部電極とを含む積層体すなわちスタックとして構成される。

製造時には、圧電セラミック層はグリーンシートとして準備され、内部電極と交互に積層されて、スタックが形成される。スタックは圧電セラミック層の焼結温度まで加熱され、シートはグリーン状態からセラミック状態へと変換される。ついで外部電極がスタックの表面に堆積され、内部電極と電気的に接続される。各内部電極は２つの外部電極のうち一方のみに接続される。これは、２つの側面に外部電極を１つずつ設け、１つ置きの内部電極の端部を交互に一方ずつの側面の外部電極へ接続し、各内部電極の反対側の端部と外部電極とのあいだに間隔を設けることにより達成される。

特にシンタリングプロセス後の冷却フェーズにおける温度勾配と圧電セラミック層内の横方向の不均一性（例えば微細な構造差による不均一性）とに起因して、スタック内に機械的応力が生じる。

圧電セラミック層のスタックをベーキングした後、外部電極を介して相応の電圧を内部電圧へ印加することにより、高い電場が圧電セラミック層にかけられる。電場の値は、圧電セラミック層の持続的な電気的分極および持続的な歪みが電場のスイッチオフ後にも残留するように選定される。このプロセスは極性調整プロセス（ポーリングプロセス）と称される。

内部電極がスタックの側面の全体に延在してはいないので、圧電セラミック層は横方向に均一な電場にさらされず、このため横方向では均一な分極ひいては均一な歪みが生じない。むしろ、側面の近傍で、圧電セラミック層の内側に機械的応力が発生してしまう。当該の機械的応力はピエゾセラミックアクチュエータが動作しているあいだ増大する。こうなると圧電セラミック層の内部と内部電極に沿った縁部との双方にクラックが発生し、ピエゾセラミックアクチュエータのエラーがしばしば引き起こされる。

欧州公開第０４７９３２８号明細書には、ピエゾアクチュエータにスリットが設けられ、引っ張り応力が低減されることが記載されている。

独国公開第１０３０７８２５号明細書には、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータにおいて、予め定められた破断部として機能するセラミック破断層が２つのセラミック層のあいだに配置されることが記載されている。

独国特許第１０２３４７８７号明細書には、クラック源として作用する微細障害点をアクチュエータの圧電セラミック層の既知の位置に組み込み、クラックの成長を制御可能とすることが記載されている。

独国出願第１０２００４０３１４０２号明細書には、内部電極に予め定められた破断点を有する圧電デバイスが記載されている。

本発明の課題は、信頼性が高くエラーの危険の小さいセラミック多層構造のピエゾアクチュエータおよびその製造方法を提供することである。

この課題は請求項１の特徴を有するセラミック多層構造のピエゾアクチュエータならびに請求項９の特徴を有するセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法により解決される。

本発明は、交互に積層された複数の圧電セラミック層および少なくとも１つの内部電極を含む第１のサブスタックと、交互に積層された複数の圧電セラミック層および少なくとも１つの内部電極を含む第２のサブスタックと、前記第１のサブスタックと前記第２のサブスタックとのあいだに配置された接続層とを有している、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータに関しており、前記接続層は前記第１のサブスタックと前記第２のサブスタックとのあいだの互いに分離された複数の接続領域によって形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法に関しており、交互に積層された複数の圧電セラミック層および少なくとも１つの内部電極を含む第１のサブスタックを設け、交互に積層された複数の圧電セラミック層および少なくとも１つの内部電極を含む第２のサブスタックを設け、前記第１のサブスタックと前記第２のサブスタックとのあいだに接続層を配置してスタックとし、その際に、該接続層を互いに分離した個別の複数の接続領域によって形成することを特徴とする。

セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの垂直断面図である。 接続層の水平断面図である。 セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法のフローチャートである。

本発明は、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータにおいて、第１のサブスタックと第２のサブスタックとのあいだに接続層を配置してこれらのサブスタックを分離し、この接続層を互いに分離された複数の接続領域によって形成することにより、クラックの位置を局所化して特定できるようにすることを基本的着想としている。したがって、機械的応力は縁部、特に当該の領域の凸状特徴部（convex feature）に集中する。機械的応力が集中することにより、クラックが接続層内で発生して接続層内を伝搬する可能性が高まる。こうして、クラックが接続層の外側に生じるおそれは低下する。

特に有利には、接続層は隣接するサブスタックへの複数の単独接続点または複数の単独接続線、すなわち小さいアイランドによって形成される。これにより、多数の小さい径の凸状特徴部が形成される。個々の接続領域の径が小さくなるほど、機械的応力の集中度は大きくなり、上述した接続層内のクラックの局所化がいっそう良好に保証される。

接続層のこうした特性は、接続層に対して、サブスタック内の内部電極の材料の表面張力よりも高い表面張力を有する適切な材料を選択することにより達成される。サブスタックの少なくとも一方の接続表面に対する接続層の濡れ性も完全に等価ではないがこれに関連する。濡れ性が小さい場合、特に当該の濡れ性が隣接する圧電セラミック層の内部電極の材料の濡れ性より小さい場合、均一な接続層に代わる単独接続点または単独接続線が形成されやすくなる。

単独接続点または単独接続線あるいはその他の接続領域により、サブスタック間の接着力が低減される。有利には、各サブスタックの高さは１ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある。各圧電セラミック層の機械的応力が累積されるので、スタック全体またはサブスタックごとの機械的応力はスタックの高さまたはサブスタックの高さが増大するにつれて増大する。数ｍｍの厚さのサブスタック内の機械的応力は小さく、クラックの危険もさほど高くはならない。接続層によってサブスタック間の接着力が低減されるので、複数のサブスタックを重ねることによる機械的応力の累積は阻止される。反対に、サブスタック間の機械的応力により接続層の内部にクラックが生じる。このように接続層が予め定められた破断点となる。

特に有利には、金属性（メタリック）の接続層が設けられる。金属および金属合金は、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造に利用されるプロセスに対して完全な適合性を有する。特に、金属性の接続層をグリーン状態のサブスタック間に積層し、その後でスタック全体を焼成することができる。

有利には、接続層は金属性であり、つまり接続層は金属または金属合金から成る。銀ならびに銅、パラディウム、白金、ニッケルその他の金属を含む銀合金を用いると特に有利である。

サブスタックは最初グリーン状態で準備され、各サブスタックのあいだに接続層を積層した後、スタック全体が焼成される。これに代えて、各サブスタックを既に焼成した状態で準備し、そのあいだに各接続層を積層してもよい。

本発明の他の特徴および利点を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。

図１には、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータの垂直断面図が示されている。垂直断面とはアクチュエータを形成する各層に対する法線の方向の断面図であって、平行に積層された面が見えている。セラミック多層構造のピエゾアクチュエータはサブスタック１２，１４，１６を有する。各サブスタック１２，１４，１６は複数の圧電セラミック層２２と内部電極２４，２６とを有しており、これらは交互に積層されている。１層おきの第１の内部電極２４は第１の外部電極３２へ電気的に接続されており、第２の外部電極３４からは電気的に絶縁されている。第２の内部電極２６は第１の外部電極３２から電気的に絶縁されており、第２の外部電極３４へ電気的に接続されている。

接続層４０は各サブスタック１２，１４，１６のあいだに配置される。各接続層４０は、高い表面張力、高い焼結性またはサブスタックの接続表面４２に対する小さい濡れ性を有する金属、合金、セラミック、ＣＭＣ（Ceramic Matrix Composite）あるいはＭＭＣ（Matrix Composite）を含む。したがって、各接続層は複数の単独接続点または複数の単独接続線から成る。

接続層の構造をこのようにすると、サブスタック間の接着力が小さくなる。特に、接続層４４の接着強さは、各サブスタック内部の圧電セラミック層２２と内部電極２４，２６との接着強さより小さい。したがって、機械的応力が複数のサブスタックを通して累積されることはなくなり、接続層内部にクラックが生じる。これにより、きわめて薄い圧電セラミック層２２と内部電極２４，２６とから成るデリケートな構造のサブスタック１２，１４，１６は大部分のクラックから保護される。仮に本発明の構造を採用しないとすると、セラミック多層構造のピエゾアクチュエータ全体にエラーが容易に発生してしまうはずである。

図２には、図１のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの接続層の水平断面図が示されている。図２には幾つかのタイプの単独接続点または単独接続線が例として示されているが、接続層は唯一のタイプの単独接続点または単独接続線から形成されていてもよい。

断面図で見ると、第１の領域５１では、接続層４０はほぼ同じサイズの円形の複数の接続点４４１から成る。第２の領域５２では、接続層４０はほぼ同じ長さ、ほぼ同じ幅およびほぼ同じ向きの複数の接続線４４２から成る。第３の領域５３では、接続層４０はそれぞれ大きく異なる形状の複数の接続線４４３〜４４５から成り、接続線４４３は直線状、接続線４４４は二叉状、接続線４４５は曲線状をしている。

接続層４０の有利な高さは約０．１μｍ〜約５μｍの範囲にある。有利には、接続層４０は電気的絶縁層であるかまたは高い電気抵抗を形成する層である。接続点または接続線の大きさ、形状および個数ならびに接続層の材料の機械的特性は、スタック全体の剛性が適切となることが保証される値に選定される。単独接続点間または単独接続線間の距離は有利には約３００μｍである。

接続点または接続線の大きさ、形状および個数は、接続層の材料の特性および隣接するサブスタックの接続表面の特性によって定められる。特に、単独接続点または単独接続線の大きさ、形状および向きその他は、接続層の材料の表面張力、接続層の材料とサブスタックの接続表面との界面の界面張力または界面の比エネルギならびにその時点までの表面の処理状態に基づいて定められる。したがって、これらのパラメータを操作することにより、単独接続点または単独接続線の大きさ、形状および向きなどは容易に所望の値に設定される。例えば、接続層の材料とサブスタックの接続表面との界面の比エネルギは接続表面にコーティングを設けることによって変更できる。接続表面は例えば小さい溝を形成する機械的研磨によって処理され、これにより接続線の向きを定めることもできる。

図３にはセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法のフローチャートが示されている。第１のステップ６２で、複数の圧電セラミック層２２および少なくとも１つの内部電極２４，２６を備えた第１のサブスタック１２，１４，１６が形成される。複数の圧電セラミック層２２および少なくとも１つの内部電極２４，２６は交互に積層される。有利には、第１のサブスタック１２，１４，１６はグリーン状態で準備される。これに代えて、グリーン状態の圧電セラミック層２２と内部電極２４，２６の材料とを積層してその後にベーキングするか、あるいは脱ロウまたは焼結のための温度まで加熱することもできる。

第２のステップ６４では、第２のサブスタック１２，１４，１６が形成される。有利には、第２のサブスタック１２，１４，１６は第１のサブスタック１２，１４，１６と同じ特性を有し、特に同じ材料および同じジオメトリ（幾何学的構造）を有する。これに代えて、第２のサブスタックが第１のサブスタックと異なるジオメトリ、例えば異なる高さ、異なる圧電層の厚さまたは異なる圧電層の材料を有していてもよい。

第３のステップ６６では、接続層が第１のサブスタックと第２のサブスタックとのあいだに配置される。有利には、複数のサブスタックが積層され、連続するサブスタックのあいだに接続層４０が差し挟まれる。積層後に当該の積層体に対してラミネーションプロセスを行うことができる。サブスタック１２，１４，１６のタイプに応じて、ダイシングプロセスまたは熱処理プロセスなどの他のプロセスを続いて行うこともできる。

接続層４０は個別のシートまたはフィルムとして形成される。これに代えて、接続層４０をＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法、ゾルゲル法、コールドスプレー法、印刷法、ディップ法などによりサブスタック１２，１４，１６の接続表面４２に堆積することもできる。接続層は無機有機複合材料として堆積された後、有機相を物理的ないし化学的に溶解または分解したり熱処理したりして消去することによって形成することができる。

接続表面４２に対する接続層の材料の濡れ性を設定するために、予め定められた特性を有する機能層をサブスタック１２，１４，１６上に堆積することによって当該の接続表面４２を形成することができる。

第４のステップ６８では、サブスタック１２，１４，１６および接続層４０から成るスタックが接続層などのもとの均一なフィルムを複数の単独接続点または複数の単独接続線へ変化させる高い温度へ加熱される。単独接続点または単独接続線については図２に則して説明した通りである。これに代えて、単独接続点または単独接続線を接続層の材料を接続表面４２に堆積する際に既に形成しておいてもよい。

第４のステップ６８すなわちスタックを高い温度へ加熱するステップのあいだ、接続層の材料に含まれる１つまたは複数の成分または化学元素をサブスタック１２，１４，１６内へ溶解させ、接続層の材料の特性を変更することができる。こうした溶解の利点は、サブスタック１２，１４，１６の接続表面４２に設ける機能層を低減できることである。

Claims (8)

1. 交互に積層された複数の圧電セラミック層（２２）および少なくとも１つの内部電極（２４，２６）を含む第１のサブスタック（１２，１４，１６）と、
   交互に積層された複数の圧電セラミック層（２２）および少なくとも１つの内部電極（２４，２６）を含む第２のサブスタック（１２，１４，１６）と、
   前記第１のサブスタック（１２，１４，１６）と前記第２のサブスタック（１２，１４，１６）とのあいだに配置された接続層（４０）と
   を有している、
   セラミック多層構造のピエゾアクチュエータにおいて、
   前記接続層（４０）は、前記第１のサブスタック（１２，１４，１６）と前記第２のサブスタック（１２，１４，１６）とのあいだにおける複数の単独接続点（４４１）または複数の単独接続線（４４２〜４４５）によって形成されており、ここで、前記複数の単独接続点（４４１）または複数の単独接続線（４４２〜４４５）は、金属からなり、かつ、互いに分離されており、ここで、前記接続層（４０）は、予め定められた破断点を形成する、
   ことを特徴とするセラミック多層構造のピエゾアクチュエータ。
2. 前記接続層（４０）の材料がいずれかのサブスタック（１２，１４，１６）の接続表面（４２）に対して有する濡れ性は、前記内部電極（２４，２６）の材料がいずれかのサブスタック（１２，１４，１６）の隣接する圧電層（２２）に対して有する濡れ性より小さい、請求項１記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータ。
3. 各サブスタック（１２，１４，１６）の高さは１ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある、請求項１または２記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータ。
4. 前記接続層（４０）の高さは０．１μｍ〜５μｍの範囲にある、請求項１から３までのいずれか１項記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータ。
5. 交互に積層された複数の圧電セラミック層（２２）および少なくとも１つの内部電極（２４，２６）を含む第１のサブスタック（１２，１４，１６）を設け（６２）、
   交互に積層された複数の圧電セラミック層（２２）および少なくとも１つの内部電極（２４，２６）を含む第２のサブスタック（１２，１４，１６）を設け（６４）、
   前記第１のサブスタック（１２，１４，１６）と前記第２のサブスタック（１２，１４，１６）とのあいだに接続層（４０）を配置してスタックとし（６６）、ここで、前記接続層（４０）を、複数の単独接続点（４４１）または複数の単独接続線（４４２〜４４５）によって形成し、ここで、前記複数の単独接続点（４４１）または複数の単独接続線（４４２〜４４５）は、金属からなり、かつ、互いに分離されている、
   ことを特徴とするセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法。
6. 前記接続層（４０）を各サブスタック（１２，１４，１６）のあいだに配置する前に、少なくとも１つのサブスタック（１２，１４，１６）を脱ロウまたは焼結する、請求項５記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法。
7. 前記接続層（４０）を各サブスタック（１２，１４，１６）のあいだに配置する（６６）際に、前記サブスタック（１２，１４，１６）および前記接続層（４０）を積層する、請求項５または６記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法。
8. 前記接続層（４０）を各サブスタック（１２，１４，１６）のあいだに配置する際に、前記接続層（４０）の材料から成る層を前記第１のサブスタック（１２，１４，１６）の接続表面（４２）または前記第２のサブスタック（１２，１４，１６）の接続表面（４２）に対して横方向に均一に堆積し、当該の横方向に均一に堆積された層が前記複数の単独接続点（４４１）または複数の単独接続線（４４２〜４４５）から成る前記接続層（４０）へ変化する温度までスタック全体を加熱する（６８）、請求項５から７までのいずれか１項記載のセラミック多層構造のピエゾアクチュエータの製造方法。

Images