JP4149773B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、独立請求項の上位概念の構成による、たとえばバルブ等の機械的構成部材を操作するためのピエゾアクチュエータのための圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるピエゾ作用を使用する圧電素子を、適切な結晶構造を有する材料から製造することが、一般的に知られている。外部電圧を印加すると圧電素子の機械的応答が生じ、この機械的応答は結晶構造および電圧の印加領域に依存して、押力または張力を設定可能な方向へ示す。非常に高速かつ正確に調整可能なこの作用を基にして、この種のピエゾアクチュエータは、たとえば車両内の燃料噴射システムにおいてスイッチバルブを駆動するための調整器を構成するために設けることができる。この場合ピエゾアクチュエータは制御バルブを位置決めするために、電圧制御または電荷制御され、この制御バルブはニードル弁のストロークを調整する。このピエゾアクチュエータの大きな利点は、正確で非常に高速な運動が大きな力でもって実現できることである。
【０００３】
ピエゾアクチュエータを操作するために必要な電界強度は数ｋＶ/ｍｍの範囲にあり、通常は中程度の電圧がこの制御のために望ましいので、このピエゾアクチュエータは、この場合約１００μｍの複数の層で構成される（多層アクチュエータ）。この場合、それぞれ層と層の間に内部電極が設けられており、この内部電極はたとえばプリント法で取り付けられる。また、電圧を印加するための外部電極が設けられている。
【０００４】
この場合、セラミックス層は電気的に並列接続されるので、必要な制御電圧は、層の長さと数が等しい場合、モノリシック・ピエゾアクチュエータと比較して減少する。この種の層を形成するための典型的な方法は、個々の層を金属化してそれを相互に積層させるフィルムキャスティング技術である。
【０００５】
ＥＰ０８４４６７８Ａｌからは、このようなピエゾアクチュエータが公知である。この場合、ピエゾアクチュエータ・ブロックのそれぞれ対向する側に、異なる極性を有する２つの外部電極が設けられている。内部電極が層ごとに異なって側方の外部電極と接触接続されている場合、それぞれ隣接した層内において内部電極が外側に引き出されていない領域内で接触接続が行われる。
【０００６】
内部電極を有する層は、重なり合ってキャパシタのように作用するため、キャパシタ全体の放電を保証するために、通常、ブリーダ抵抗が並列接続される。たとえばこれは、接続装置のコネクタ領域内のワイヤ抵抗によって実施することができる。しかしこの場合、前記抵抗を付加的にはんだ付けしなければならないため、製造過程は比較的面倒である。また、この抵抗は付加的な場所を必要とする。さらにこの構成が、振動負荷に対しても耐久性を有する必要があることに留意しなければならない。しかしこのことは、この構成をより困難なものにする。
【０００７】
この公知のピエゾアクチュエータの頂部および底部には通常、内部電極は設けられていない。というのも、ショートが外側に向かって生じるのを阻止するために、端面にある程度の絶縁区間を設ける必要があり、パッシブゾーンが外部電極の電気接続のために使用されるからである。
【０００８】
【特許文献１】
ＥＰ０８４４６７８Ａｌ
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の場合に、キャパシタンスとして作用する内部電極層の放電を、低コストで保証できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、パッシブな頂部および底部に抵抗層を配置し、形成されたブリーダ抵抗の接続端を外部電極と接触接続させることによって解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
冒頭に述べた圧電素子は、すでに述べたように、ピエゾ層の多層構造およびその間に配置された内部電極によって構成されており、電圧を印加するために内部電極が層ごとに異なって接触接続するように構成されている。本発明の第１の実施形態によれば、有利には、パッシブな底部および頂部が頂部および/または底部に設けられている構成の場合、１つの抵抗層が配置され、そのように形成されたブリーダ抵抗の接続は外部電極と接触接続している。
【００１２】
この抵抗層は有利には、プリント法で頂部および/または底部に取り付けることができ、続いて寸法を規定することができる。この場合抵抗層を、内部でアクティブな内部電極に向けるか、または外部で被覆層に取り付けることができる。たとえば、抵抗の経路を側面領域内に、所定の間隔をおいて外部電極の側に向かうように配置することができる。有利には、抵抗はメアンダ状の経路によって形成される。このような経路は、抵抗層から切り取ることによって作製されている。抵抗のこの経路は、たとえばＣｕ、ＡｇＰｄまたはＡｇＰｔから形成され、有利にはレーザー処理によって切り取られる。
【００１３】
本発明の構成によって、キャパシタとして作用する内部電極層の放電が、外部電極に接続されたブリーダ抵抗を介して簡単に保証できる。本発明に従ってこの抵抗を圧電素子に組み入れることにより、製造コストの重点を圧電素子ないしはピエゾアクチュエータに移すことができる。また、別個の外部接触接続を省くことによりコストが低減される。
【００１４】
第２の実施形態によれば、内部電極を埋没させて配置する場合、抵抗層は圧電素子の外側に配置されている。この抵抗の経路は、内部電極と接触接続していない外側の領域に配置され、この場合も、このように形成されたブリーダ抵抗の接続端は外部電極と接触接続している。
【００１５】
【実施例】
本発明の圧電素子の実施例は、図面に基づいて説明される。
【００１６】
図１には、圧電素子としてピエゾアクチュエータ１が示されている。このピエゾアクチュエータはそれ自体公知のように、適切な結晶構造を有する石英を材料としたピエゾシートを含む層２から構成されており、いわゆるピエゾ作用を使用して、ここには図示されていない外部電極を介して、セラミックス層に取り付けられた内部電極に外部電圧を印加した場合、ピエゾアクチュエータ１の機械的応答が縦軸方向に発生する。
【００１７】
この場合外部電圧はそれぞれ、同じ極性を有する内部電極に接触接続している。それぞれ同じ極性を有する、２つのうち１つの内部電極は、ピエゾアクチュエータ１の一方の側まで貫通し、そこで接触接続している。それぞれ他方の側では、それぞれ同じ極性を有する同じ側の外部電極から間隔をおいて絶縁されている。また、縦方向で見て外側にあるピエゾ層２の表面には、電気的に絶縁された頂部３および底部４がそれぞれ１つ取り付けられている。前記頂部および底部はそれぞれ機械的にパッシブな領域であり、これらの部分によってピエゾアクチュエータ１全体を外部に対して絶縁することができる。
【００１８】
図１には、底部４に抵抗層５が示されており、この抵抗層は図２により詳しく示されている。ここでは、抵抗層５からメアンダ状の抵抗経路６が形成されている。この抵抗経路は端部を以て外部電極７および８と接続されており、明細書の冒頭で説明したブリーダ抵抗を形成している。
【００１９】
図３には、抵抗経路６が抵抗層５からレーザーによって切り取られた様子が示されており、図４にもまた、外部電極７および８への接続が示されている。図３および４に図示されている抵抗経路は、ここではピエゾ層２の面の１領域にのみ設けられている。この場合、抵抗値を満たす限り、全ての幾何学的構成が可能である。
【００２０】
図５に示されている択一的構成は、頂部３の被覆層に抵抗層５が取り付けられている圧電素子１を示している。この場合も、抵抗経路６の構成および接続は前記のように行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピエゾ層およびパッシブな頂部および底部を有する圧電素子を概略的に示した平面図である。
【図２】ブリーダ抵抗の経路の第１の実施形態を示した図である。
【図３】レーザーによって切り取られた領域を含むブリーダ抵抗の経路の第２の実施形態を示した図である。
【図４】図３に示した実施例を別の図示方法で示した図である。
【図５】ピエゾ層とパッシブな頂部および底部とが設けられており、抵抗が被覆層に設けられている圧電素子を、概略的に示した平面図である。
【符号の説明】
１ ピエゾアクチュエータ
２ ピエゾ層
３ 頂部
４ 底部
５ 抵抗層
６ 抵抗経路
７、８ 外部電極への接続端

Claims (7)

1. ピエゾ層（２）の多層構造がパッシブな底部（４）および頂部（３）との間に設けられており、
   それぞれ層と層の間に内部電極が配置されており、
   前記内部電極には電圧が印加可能であり、
   前記内部電極は、層ごとに異なって、各極性のための少なくとも１つの外部電極（７、８）と接触接続されており、
   前記接触接続は、それぞれ隣接した層内に内部電極が外側へ引き出されていない領域内で行われる形式の圧電素子において、
   パッシブな頂部（３）および底部（４）内には抵抗層（５）が配置されており、
   ブリーダ抵抗として作用する該抵抗層（５）の接続端は外部電極（７、８）と接触接続していることを特徴とする圧電素子。
2. 前記抵抗層（５）はプリント法で頂部（３）および/または底部（４）に取り付けられた後、レーザ切除によって、必要な抵抗値が得られるように寸法調整される、請求項１記載の圧電素子。
3. 前記抵抗層（５）は、面を横断して前記圧電素子（１）の相互に対向する側面に配置された外部電極（７，８）まで延在し、
   該抵抗層（５）は片側に偏って、前記外部電極（７）が設けられた両側面のうち一方の側面に偏って形成された経路の形態で設けられ、他方の外部電極（８）が設けられた側面に対して間隔をおいて配置されている、請求項１または２記載の圧電素子。
4. ピエゾ層（２）の多層構造がパッシブな底部（４）および頂部（３）との間に設けられており、
   それぞれ層と層の間に内部電極が配置されており、
   前記内部電極には電圧が印加可能であり、
   前記内部電極は、層ごとに異なって、各極性のための少なくとも１つの外部電極（７、８）と接触接続されており、
   前記接触接続は、それぞれ隣接した層内で内部電極が外側に引き出されていない領域内で行われる形式の圧電素子において、
   前記内部電極は該ピエゾ層（２）の多層構造に埋め込まれて配置されており、かつ、抵抗層は圧電素子の外側面に配置されており、
   該抵抗層は、内部電極と接触接続していない該圧電素子の外側面に配置されており、
   ブリーダ抵抗として作用する該抵抗層（５）の接続端は外部電極と接触接続していることを特徴とする圧電素子。
5. 前記抵抗層（５）はプリント法で圧電素子の外側に取り付けられた後、レーザ切除によって、必要な抵抗値が得られるように寸法調整される、請求項４記載の圧電素子。
6. 前記抵抗層はメアンダ状経路（６）によって構成され、該経路は抵抗層（５）から切り取ることによって作製されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電素子。
7. 前記抵抗経路（６）はＣｕ、ＡｇＰｄまたはＡｇＰｔから形成されており、前記切り取り作業はレーザー処理によって実行される、請求項６記載の圧電素子。

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