JP5582785B2 - 保護層が設けられた圧電コンポーネントおよび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、電極層を電気的に接触させるために側方表面区間に配置された少なくとも1つの外部電極と、積層体を保護するための積層体のプラスチックカバーとを有している。このプラスチックカバーはシリコーンを有している。この圧電コンポーネントのほか、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。外部電極の構成要素と見なすことができる金属化部を介して、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。

シリコーンを積層体表面に取り付ける際、シリコーンの成分が多孔性保護層に浸潤する可能性がある。このような浸潤によって、殊に外部金属化領域およびそのすぐ下の領域で放電または機械的な圧縮応力によってシリコーンが分解されたり、その分解生成物が堆積したりしてしまう。このことによって、機械的なノッチ効果が亀裂において発生させられ、保護層およびその周辺を損傷してしまうおそれがある。このことが、積層体の積層方向に沿う長手方向の亀裂の原因となる可能性がある。それ故に、この圧電コンポーネントの尚早の破損が、予めプログラミングされているのである。

発明の開示
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、多孔性保護層へのシリコーン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、電極層を電気的に接触させるために側方表面区間に配置された少なくとも1つの外部電極と、積層体を保護するための積層体のプラスチックカバーとを有している。このプラスチックカバーはシリコーンを有している。この圧電コンポーネントは、外部電極とプラスチックカバーの間において、外部電極にシリコーン不含のポリマーを有するコーティング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コンポーネント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) 交互に積層されて配置された圧電セラミック層および電極層を有するモノリシック構造の積層体と、積層体の機械的な過負荷の際に亀裂を形成するための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、積層体の側方表面区間に取り付けられる外部電極とを形成するステップと、b)外部電極へのシリコーン不含のポリマーから成るコーティングを配置するステップと、c)コーティングにプラスチックカバーを配置するステップとを有している。

本発明の基礎となる着想は、シリコーン不含のポリマーを用いて外部電極を被覆することである。このコーティングによって、外部電極の下方にある多孔性保護層領域が同時に被覆されている。このコーティングはシリコーンに対する浸潤バリアとして機能する。

因みにシリコーン不含が意味するのは、シリコーンの割合が１ｍｏｌ％以下、殊に０，１ｍｏｌ％以下ときわめてわずかであるということである。このシリコーン不含のポリマーとして、多くの合成樹脂が考慮されている。有利には、シリコーン不含のポリマーは、ポリアミド（ＰＡ）とポリエステルとポリイミド（ＰＩ）とポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）とポリウレタン（ＰＵ）とのグループから選択可能な少なくとも１つの合成樹脂である。ほかの適切な物質には、例えばポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）とポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）とポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）とポリカーボネート（ＰＣ）とエポキシ樹脂（ＥＰ）とがある。

外部電極は種々の構成要素を有している。例えば積層体の側方表面区間に焼付金属化部（外部金属化部）が取り付けられている。この外部金属化部に、例えばはんだ路（Lotbahn）によってワイヤハープ（Drahtharfen）がはんだ付けされる。加えて、ホットバーソルダリングプロセス（Buegelloet-Prozess）（サーモードソルダリングプロセスThermodenloet-Prozess）が使用される。外部電極を取り付けた後に、外部電極のコーティングが少なくともこの外部電極が積層体に取り付けられている領域（接触領域）において行われる。有利には、サーモードソルダリングプロセス中、サーモードを保護するために使用されるカプトンテープ（登録商標）をコーティング材として直接利用することができる。

コーティングがシリコーン不含のポリマーによってなされた後に、シリコーン製プラスチックカバーを置くことができる。このことは、例えば射出成型法で行われる。

記載されたモノリシック多層構造による積層体を有する圧電コンポーネントは、有利にはバルブ例えば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。

外部金属化部に直接シリコーン不含のポリマー製合成樹脂から成るコーティングを用いることによって、製造プロセス中、そして圧電アクチュエータの作動中に、液体材料が保護層領域および外部金属化部のすぐ下方に浸潤するのが遅くなる。

同じように、積層体の分極後ないしは、分極亀裂が発生した後に、積層体の保護層において物質の浸潤が阻止される。

両利点によって、不所望な機械的応力および横方向の亀裂の開始が保護層領域において阻止されるようになる。このことは、圧電コンポーネントの機能性維持につながり、殊に電気的、機械的および熱的負荷が高い場合であってもこの機能性維持につながる。

実施形態およびそれに対応した図面に基づいて、本発明は以下に詳細に記載されている。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

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ＰＺＴ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。この保護層によって、積層体は部分積層体に分割されている。

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１０５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。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。加えて、図示されてないワイヤハープがホットバーソルダリング法によって金属化部にはんだ付けされている。

金属化部の上に、シリコーン不含のポリマーから成るコーティング１０４が設けられている。このシリコーン不含のポリマーとは第１の実施形態ではポリウレタンである。代替的な実施形態では、コーティングはポリイミドから成る。

シリコーン製のカバー１０８が終端部を成している。外部電極とカバーの間にシリコーン不含のポリマーから成るコーティングが配置されている。

圧電コンポーネントを製造するために、まず圧電セラミック層と電極層と多孔性保護層とを有するモノリシック構造の積層体が形成される。その際には、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。

引き続いて、積層体の側方表面区間に外部電極が取り付けられる。その際には、まず金属化部が取り付けられ、上述のように、金属化部にワイヤハープがはんだ付けされる。

ワイヤハープをはんだ付けした後に、ポリマーないし架橋可能なシリコーン不含のポリマーが塗布される。このことは射出成形することによって行われる。塗布した後に、ポリマーの架橋が適切なやり方で開始される。このことによって、シリコーン不含のポリマーから成るコーティングが形成される。

コーティングを形成した後に、シリコーンが射出成型法によって塗布され、硬化される。このシリコーンには、ワイヤハープのワイヤに対する支持部としての機能がある。さらに、圧電コンポーネントの外形（輪郭）が構成される。この外形はコンポーネントの使用に従い適合させられている。例えば、プラスチックカバーはコンポーネントに丸みを持たせる役割を果たす。それに対する代替的な実施形態では、モノリシック構造の積層体は外部電極とシリコーン不含のポリマーから成るコーティングとを含めてスリーブに挿入され、スリーブと積層体の間のスペースにシリコーンが射出される。

また有利には、外部電極は、コーティングによって被覆されている金属化部路（Metallisierungsbahn）および／またははんだ路を有している。

さらに有利には、コーティングを配置するために、ポリマーの架橋または部分架橋ではない原材料が、刷毛塗り、スクリーン印刷および／または射出成形法のグループから選択可能な方法によって外部金属化部に塗布され、引き続いて架橋される。

Claims (6)

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）内に配置された少なくとも１つの多孔性保護層（１０３）と、なお、前記積層体（１０）は前記少なくとも１つの多孔性保護層（１０３）によって分割されており、
   前記電極層（１０２）を電気的に接触させるために側方表面区間（１０７）に配置された少なくとも１つの外部電極（１０６）と、
   前記積層体（１０）を保護するための該積層体（１０）のプラスチックカバー（１０８）とを有し、
   前記プラスチックカバー（１０８）はシリコーンを有しており、
   前記外部電極（１０６）と前記プラスチックカバー（１０８）の間において、該外部電極（１０６）に浸潤バリアとして機能するシリコーン不含のポリマーからなるコーティング（１０４）が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. 前記外部電極は、前記コーティングによって被覆されている金属化部路またははんだ路を有している、請求項１記載の圧電コンポーネント。
3. 前記シリコーン不含のポリマーは、ポリアミドとポリエステルとポリイミドとポリエーテルエーテルケトンとポリウレタンとのグループから選択可能な少なくとも１つの合成樹脂である、請求項１または２記載の圧電コンポーネント。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の圧電コンポーネントの製造方法において、
   a）交互に積層されて配置された電極層および圧電セラミック層を有するモノリシック構造の積層体と、積層体の機械的な過負荷の際に亀裂を形成するための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、積層体の側方表面区間に取り付けられる外部電極とを形成するステップと、
   b）外部電極上にシリコーン不含のポリマーからなるコーティングを浸潤バリアとして配置するステップと、
   c）前記コーティングにシリコーン含有プラスチックカバーを配置するステップと
   を有することを特徴とする製造方法。
5. 前記コーティングを配置するために、ポリマーの架橋または部分架橋ではない原材料が、刷毛塗り、スクリーン印刷または射出成形法のグループから選択可能な方法によって前記外部電極に塗布され、引き続いて架橋される、請求項４記載の製造方法。
6. 請求項１から３のいずれか１項記載の圧電コンポーネントを備えた内燃機関の噴射バルブ駆動制御装置。

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