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Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Betätigungsglied und eine das piezoelektrische Betätigungsglied anwendende Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
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In letzter Zeit wurde zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff (unter hohem Druck gesetzten Kraftstoff) in eine Dieselbrennkraftmaschine und dergleichen die Anwendung einer hydraulischen Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Betracht gezogen, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied anwendet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung in dieser Art überträgt einen Versatz, der in Zusammenhang mit der Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Betätigungsglieds auftritt, auf einen hydraulischen Kolben. Eine Hydraulikdruckkammer ist an einer Endoberfläche des Hydraulikkolbens angeordnet. Der Hydraulikdruck in der Hydraulikdruckkammer steuert den Gegendruck einer Düsennadel durch ein Hydraulikdruckventil. Der Hydraulikkolben wird durch Erregung des piezoelektrischen Betätigungsglieds bewegt. Somit wird der Druck in der Hydraulikdruckkammer geändert und wird die Düsennadel indirekt angetrieben.
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Das piezoelektrische Betätigungsglied weist einen Piezostapel auf, der durch Stapeln einer Vielzahl von Schichten aus einem piezoelektrischen Material geformt ist. Falls Elektroden, die zwischen den jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material angeordnet sind, gespeist werden, expandiert oder kontrahiert das piezoelektrische Betätigungsglied und erzeugt den Versatz. Zur Vermeidung des Eindringens von Feuchtigkeit oder Fremdstoffen von außerhalb in den Piezostapel weist das piezoelektrische Betätigungsglied einen Einheitsaufbau zum Abdichten des Piezostapels innerhalb eines Gehäuses auf, das einen Teil aufweist, das in der Lage ist, sich zu expandieren oder kontrahieren.
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Eine Technik zum Formen (Gießen) eines elektrischen Widerstandselements in ein Speisungsanschlusselement, das die Speisung (Versorgung mit Energie) von außerhalb auf das piezoelektrische Betätigungsglied überträgt, ist in der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 40 346 A1 offenbart. In dieser Technik wird das elektrische Widerstandselement außerhalb des Einheitsaufbaus angebracht, um den innerhalb der Einheit angeordneten Piezostapel vor einer elektrischen Ladung zu schützen, die durch eine Temperaturänderung und dergleichen erzeugt wird.
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In der vorstehend beschriebenen Technik wird das elektrische Widerstandselement nicht an einem einzelnen Stück der Einheit im Verlauf eines Herstellungsprozesses angebracht. Daher kann die Einheit nicht geschützt werden, falls die Einheit einer Umgebung ausgesetzt wird, in der die Temperatur während des Transports, Lagerung, Zusammenbau oder dergleichen sich ändert.
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Weiterhin gibt es, da ein Freiraum zum Abdichten des elektrischen Widerstandselements in dem Verbinder erforderlich ist, eine Möglichkeit, dass die physikalische Größe des piezoelektrischen Betätigungsglieds vergrößert wird.
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Da weiterhin ein Verbindungsprozess zum elektrischen Verbinden bzw. Anschließen des elektrischen Widerstandselements an das piezoelektrischen Betätigungsglied erforderlich ist, sind Löt- bzw. Schweißeinrichtungen zur Durchführung des Verbindungsprozesses erforderlich, weshalb aufgrund des Lötprozesses die Arbeitsstunden erhöht werden. Folglich gibt es die Möglichkeit, dass die Produktkosten erhöht werden.
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Die Druckschrift
JP H03-106884 U zeigt ein piezoelektrisches Betätigungsglied.
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Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 101 47 666 A1 offenbart ein Piezoelement, bei dem eine Widerstandsschicht vorgesehen ist, die aus Widerstandsbahnen besteht. Vorzugsweise ist diese Widerstandsschicht im Kopf- oder Fußteil ausgebildet.
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Die Druckschrift
DE 693 08 512 T2 offenbart einen piezoelektrischen Antrieb, bei dem an einem piezoelektrischen Betätigungsglied Dehnungsmesseinrichtungen vorgesehen, die ihren Widerstand proportional zu der Größe der Dehnung ändern und als Teil von entsprechenden Widerstandsbrücken verwendet werden.
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Die Druckschrift
US 6 285 116 B1 zeigt ein piezoelektrisches Element, bei dem Induktivitäten in Form von Spulenmustern auf zumindest einer Schicht eines piezoelektrischen Elements vorgesehen ist.
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Die Druckschrift
US 2003/0015939 A1 zeigt ein piezoelektrisches Element, das in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Betätigungsglied und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Piezostapel oder ein einzelnes Einheitsstück des Piezostapels zuverlässig zu schützen, ohne dass die physikalischen Abmessungen Größe des Piezostapels oder der Einheit des Piezostapels erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein piezoelektrisches Betätigungsglied gelöst, wie es in Patentanspruch 1 oder 2 angegeben ist, oder alternativ durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gelöst, wie sei in Patentanspruch 9 oder 10 angegeben ist.
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Erfindungsgemäß kann eine durch eine Temperaturänderung erzeugte elektrische Ladung des Piezostapels in das mit den Piezostapel elektrisch verbundenen elektrische Widerstandselement abgeleitet (abgeführt) werden, selbst falls die Temperatur während des Transports, der Lagerung oder des Zusammenbaus in einem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigungsglieds oder einer Vorrichtung, die das piezoelektrische Betätigungsglied anwendet, sich ändert. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch des Piezostapels verhindert werden.
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Somit kann, selbst falls ein einzelnes Stück des Piezostapels einer Umgebung ausgesetzt wird, in der sich die Temperatur ändert, das eingebaute elektrische Widerstandselement die Schutzfunktion ausführen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anwendet,
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2 eine Querschnittsdarstellung des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Piezostapels des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 eine auseinander gezogene Darstellung des Piezostapels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 eine Querschnittsdarstellung eines Piezostapels eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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6 ein elektrisches Schaltbild des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 `ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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8 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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9 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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10 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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11 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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In 1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung veranschaulicht, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel verwendet.
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Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (Kraftstoffinjektor) durch Anordnen eines Düsenkörpers H4 an einem unteren Ende eines Gehäuses H1 durch Strömungsdurchlassformungsteile H2 und H3 sowie durch fluiddichtes Befestigen des Düsenkörpers H4 mit einer Halterung H5. Ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 ist in dem Gehäuse H1 untergebracht. Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 innerhalb des Gehäuses H1 in einer vertikalen Richtung gemäß 1 geformt. Der Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 ist mit einem äußeren Common-Rail über ein Kraftstoffeinleitungsrohr 63 verbunden, das nach oben vorspringt. Ein Kraftstoffrückflussrohr 65, das mit einem Ablaufdurchlass 64 kommuniziert, ist an einer oberen Seite des Gehäuses H1 angeordnet, so dass das Kraftstoffrückflussrohr 65 vorspringt. Auslaufender Kraftstoff, der aus dem Kraftstoffrückflussrohr 65 ausströmt, wird zu einem Kraftstofftank zurückgeführt.
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Das Gehäuse 1 ist im Wesentlichen in der Form eines kreisförmigen Zylinders geformt. Eine Längsöffnung 61 ist in dem Gehäuse H1 exzentrisch in Bezug auf die Zentralachse des Gehäuses H1 geformt. Ein zylindrisches Behälterteil (nachstehend als Behältnis bezeichnet) 11, das aus einem dünnen metallischen Zylinder geformt ist, ist in die Längsöffnung 61 entnehmbar eingesetzt. In dem Behältnis 11 ist das piezoelektrische Betätigungsglied 1 untergebracht. Die Längsöffnung 61 ist neben dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 parallel geformt. Der Ablaufdurchlass 64 verläuft durch einen Raum zwischen der Längsöffnung 61 und dem Behältnis 11 und erstreckt sich in der Darstellung gemäß 1 weiter nach unten. Das piezoelektrische Betätigungsglied 1 weist eine Stange 13 auf, die eine untere Endoberfläche eines Piezostapels 12 berührt, der in dem Behältnis 11 untergebracht ist, wobei die Stange 13 sich mit dem Piezostapel 12 nach oben oder unten bewegt. Der Durchmesser der Stange 13 ist kleiner als derjenige des Piezostapels 12. Eine zylindrische Wand eines unteren Endes des Behältnisses 11, die den äußeren Rand der Stange 13 umgibt, ist gefaltet, um Bälge 15 bereit zu stellen, die in der Lage sind, sich auszudehnen und zusammenzuziehen. Ein äußerer Durchmesser der Bälge 15 stimmt im Wesentlichen mit einem äußeren Durchmesser des Hauptkörpers des Behältnisses 11 überein.
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Der Rand eines unteren Endes der Bälge 15 ist an einem äußeren Rand eines scheibenartigen Teils 14a geschweißt und befestigt, das eine untere Oberfläche des Behältnisses 11 bereitstellt. Eine obere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a berührt eine untere Endoberfläche der Stange 13. Somit blockiert das scheibenartige Teil 14a ein Ende (das untere Ende) des Behältnisses 11. Dabei dient das scheibenartige Teil 14a als Versatzübertragungsteil, um den Versatz des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 auf einen Kolben mit größerem Durchmesser 2 als Kolbenteil zu übertragen. Die Kolben 15 dehnen sich in vertikaler Richtung aus bzw. ziehen sich zusammen entsprechend dem Versatz des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1, so dass das scheibenartige Teil 14 sich bewegen kann, wobei eine Vorlast dem Piezostapel 12 in Kompressionsrichtung beaufschlagt wird. Diese Kompressionskraft ist ein Teil der erforderlichen Vorlast. Ein Hauptteil der erforderlichen Vorlast wird durch eine Schraubenfeder 2c bereitgestellt. Die untere Endoberfläche der Stange 13 ist in Form einer konvexgekrümmten Oberfläche geformt. Die Mitte der oberen Endoberfläche des scheibenartigen Teils 14a, die die untere Endoberfläche der Stange 13 berührt, ist in Form einer konkavgekrümmten Oberfläche geformt. Somit können die Mitten automatisch durch den Kontakt zwischen der konvexgekrümmten Oberfläche und der konkavgekrümmten Oberfläche justiert (ausgerichtet) werden. Ein Krümmungsradius der unteren Endoberfläche der Stange 13 ist etwas kleiner derjenige der oberen Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a, um eine Kontaktfläche zu gewährleisten.
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Der Kolben mit großen Durchmesser 2 ist derart geformt, dass ein Durchmesser von dessen oberen Endabschnitt verengt wird, um einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a bereit zu stellen. Eine Spitzenoberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a berührt eine untere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a. Die Spitzenoberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a ist in Form einer konvexgekrümmten Oberfläche geformt. Die untere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a, die die konvexgekrümmte Oberfläche berührt, ist in Form einer konkavgekrümmten Oberfläche derart geformt, dass der Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a und das scheibenartige Teil 14a sich einander durch die konvexgekrümmte Oberfläche und die konkavgekrümmte Oberfläche berühren. Der Krümmungsradius der konvexgekrümmten Oberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a ist etwas kleiner als derjenige der konkavgekrümmten Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a. Somit berühren sich das scheibenartige Teil 14a, die Stange 13 und der Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a einander über gekrümmten Oberflächen derart, dass deren Mitten justiert werden können, selbst falls deren Achsen beim Zusammenbau und dergleichen voneinander verschoben werden. Mithin kann ein Bruch verhindert werden, der verursacht würde, falls eine exzentrische Last auf den Piezostapel 12 beaufschlagt wird.
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Die Schraubenfeder 2c als ein Federteil ist um den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a des Kolbens mit großem Durchmesser 2 angeordnet. Die Schraubenfeder 2c spannt ein ringartiges Teil 2b in Aufwärtsrichtung vor, das an den äußeren Rand des oberen Endes des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a pressgepasst ist. Die Vorspannkraft wirkt auf den Kolben mit großem Durchmesser 2 durch das ringartige Teil 2b ein. Als Ergebnis spannt die Schraubenfeder 2c den Kolben mit großem Durchmesser 2 zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied 1 hin vor. Die Vorspannkraft der Schraubenfeder 2c wirkt ebenfalls durch das scheibenartige Teil 14a und die Stange 13 auf den Piezostapel 12 ein. Somit fungiert die Vorspannkraft als Kompressionskraft des Piezostapels 12. Die Kompressionskraft der Schraubenfeder 2c und die Kompressionskraft der Bälge 15 können derart eingestellt werden, dass die Summe der Kompressionskräfte mit der vorbestimmten Vorlast übereinstimmt, die für die Piezostapel 12 erforderlich ist.
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Die Vorspannkraft der Schraubenfeder 2c weist eine Wirkung auf eine Erhöhung der Kontaktdrücke zwischen den jeweiligen Teilen, die den Versatz übertragen, oder den Kontaktdruck zwischen dem Kolben mit großen Durchmesser 2 und dem scheibenartigen Teil 14a, den Kontaktdruck zwischen dem scheibenartigen Teil 14a und der Stange 13 und den Kontaktdruck zwischen der Stange 13 und den Piezostapel 12 jeweils auf. Als Ergebnis kann ein Verlust (Versatzverlust), der erzeugt wird, wenn der Versatz des Piezostapels 12 auf dem Kolben mit dem großen Durchmesser 2 übertragen wird, auf einen minimalen Wert begrenzt werden, so dass der Versatz effektiv übertragen werden kann.
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Der Piezostapel 12 als das piezoelektrische Element ist durch Anordnen innerer Elektrodenschichten 121, 122 zwischen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A derart geformt, dass positive Elektroden und negative Elektroden abwechselnd angeordnet sind. Wie es in 2 und 3 gezeigt ist, sind die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die inneren Elektrodenschichten 121, 122 gleichzeitig derart geformt, dass die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die innere Elektrodenschichten 121, 122 abwechselnd in einer Vielzahl von Schichten gestapelt sind. Die Pfeilmarkierung ”A” in 2 zeigt die Richtung des Zusammenziehens und Auseinanderziehens des Piezostapels 12. Die Schicht aus piezoelektrischem Material 12A ist aus einem Rohling mit piezoelektrischen Materialien geformt, dessen Hauptrohmaterialien Bleioxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Niobium-Oxid, Strontium-Karbonat und dergleichen sind. Wenn der Rohling geformt wird, werden Pulver der vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Materialien gewichtsmäßig gemessen, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erzielen. Die piezoelektrischen Materialien werden derart gemischt, dass das Verhältnis des Bleioxids um ein bis zwei Prozent fetter (reicher) als ein stöchiometrisches Verhältnis des Mischungsverhältnisses in der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung ist, wenn die Verdampfung des Bleis berücksichtigt wird. Die vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Materialien werden in einer Mischeinrichtung durch Trockenmischen gemischt, und die Mischung wird bei einer Temperatur von 800 bis 950°C kalziniert. Dann werden die kalzinierten Pulver in eine Aufschlämmung umgewandelt, indem reines Wasser (destilliertes Wasser) und ein Dispergiermittel zu den kalzinierten Pulver hinzugefügt werden, und die Aufschlämmung der kalzinierten Pulver werden durch Nassmahlen in einer Perlmühle gemahlen. Dann wird die gemahlene Substanz getrocknet und entfettet, und wird mit einem Lösungsmittel, einem Bindemittel, einem Elastifizierer (elasticizer), einem Dispergiermittel und dergleichen in einer Kugelmühle gemischt. Dann werden eine Vakuumentschäumung und eine Viskositätsjustierung der wässrigen Masse durchgeführt, während die Aufschlämmung mit einer Rühreinrichtung in einer Vakuumausrüstung gerührt wird. Dann wird die Aufschlämmung mittels einer Rakelvorrichtung in die Rohlinge geformt, die eine vorbestimmte Dicke aufweisen. Der erhaltene Rohling wird mit einem Pressgerät (Stanzgerät) oder durch eine Schneidemaschine in rechteckige Teile mit einer vorbestimmten Größe geschnitten. Dieselben Rohlinge werden in einem Antriebsabschnitt 111, einem Pufferabschnitt 112 und einem Blindabschnitt (Dummy-Abschnitt) 113 des Piezostapels 12 verwendet, wie es in 3 gezeigt ist. Danach wird ein Muster auf einer Oberfläche des geformten Rohlings mit einer Paste aus einer Mischung von Silber und Palladium (die nachstehend als Ag/Pd-Paste ist) gedruckt, wobei das Verhältnis von Silber zu Palladium 7 zu 3 beträgt. Ein Muster 121 (122), das etwas kleiner als die im Wesentlichen gesamte Oberfläche des Rohlings 12A als die Schicht aus piezoelektrischen Material ist, wird auf der Oberfläche des Rohlings 12A mit der Ag/Pd-Paste geformt. Auf diese Weise wird die innere Elektrodenschicht 121 (122) geformt. Kupfer, Nickel, Platin, Silber oder eine Mischung aus diesen Metallen kann als Material für die innere Elektrode verwendet werden. Die mit den inneren Elektrodenschichten 121 (122) geformten Rohlinge 12A werden in Bezug auf eine vorbestimmte Anzahl der gestapelten Schichten entsprechend den erforderlichen Spezifikationen des Versatzes des Antriebsabschnitts 111 und des Pufferabschnitts 112 vorbereitet. Rohlinge 12B, auf denen die innere Elektrodenschicht nicht gedruckt ist, werden in Bezug auf eine vorbestimmte Anzahl vorbereitet, die für den Pufferabschnitt 112 und dem Blindabschnitt 113 erforderlich ist.
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Wie es in 4 gezeigt ist, wird ein Rohling 12C als eine Widerstandselementschicht vorbereitet. Das Material des Widerstands ist nicht auf ein leitendes Widerstandsmaterial wie Bariumtitanat, Silizium-Carbid, Silizium-Nitrit, Molybden-Disulfid und dergleichen beschränkt. Allgemein bekannte Materialien zum Formen des elektrischen Widerstandselements können als Material für den Widerstand verwendet werden, falls der Rohling 12C zur selben Zeit wie die anderen Rohlinge 12A und 128 geformt werden kann. Wie bei den Rohlingen 12A wird ein Muster 121 (122), das etwas kleiner als die im Wesentlichen gesamte Oberfläche des Rohlings 12C ist, auf der Oberfläche des Rohlings 12C mit der Ag/Pd-Paste geformt. Der Rohling 12C stellt das elektrische Widerstandselement bereit.
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Dann werden, wie es in 3 und 4 gezeigt ist, die Rohlinge 12A, 12B und 12C gestapelt. 4 zeigt eine Darstellung des gestapelten Zustands der Rohlinge 12A. 4 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des Piezostapels, der sich entsprechend der Erregung (Speisung, Versorgung mit Energie) zusammenzieht oder auseinanderzieht. Auf diese Weise wird die geschichtete Struktur geformt, wie es in 3 gezeigt ist.
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Dann wird eine Thermokompression durch Heizwassergummipressen (hot water rubber press) und dergleichen durchgeführt. Danach wird ein Entfetten mittels eines elektrischen Ofens bei einer Temperatur von 400 bis 700°C durchgeführt. Daraufhin wird der beschichtete Körper bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C gesintert. Dann werden die Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Auftragen einer Silberpaste auf die seitlichen Oberflächen des beschichteten Körpers und durch Einbrennen der aufgetragenen Silberpaste geformt. Alternativ dazu können die Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Einbrennen in der Ab/Pd-Paste geformt werden. Anstelle des in der Silberpaste verwendeten Silbers kann Nickel, Platin, eine Mischung aus Silber und Palladium angewandt werden.
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Dann werden Leitungsdrähte 16a und 16b als externe Elektroden gemäß 2 mit den Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 mit einem leitenden Klebemittel verbunden. Dann wird eine Gleichspannung zwischen den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 des beschichteten Körpers durch die Leitungsdrähte 16a und 16b angelegt, um die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A zu polarisieren. Auf diese Weise wird der Piezostapel 12 erhalten. Die Leitungsdrähte 16a und 16b können mit den Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Löten, Hartlöten und dergleichen verbunden werden. Die Leitungsdrähte 16a und 16b können mit den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 mit leitenden Klebemitteln ohne Formen der Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 verbunden werden. Für die Leitungsdrähte 16a und 16b kann eine leitende Metallfolie oder ein Metalldraht (einschließlich eines beschichteten Drahts) angewandt werden. Die Leitungsdrähte 16a und 16b sind die externen Elektroden eines Anschlusselements (Verbinders) 16, der in einem oberen Ende des Behältnisses 11 befestigt ist, um dem Piezostapel 12 von außen Energie zuzuführen.
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Der Rand des oberen Endes des Behältnisses 11 ist an einen äußeren Rand eines zylindrischen Teils 14b befestigt und dichtet das obere Ende des Behältnisses 11 ab. Das zylindrische Teil 14b ist mit Durchgangsöffnungen zum Hindurchführen der Leitungsdrähte 16a und 16b nach außen geformt. Die Freiräume zwischen den Durchgangsöffnungen und den Leitungsdrähten 16a und 16b sind mit Abdichtungsteilen und dergleichen aufgefüllt. Isolierteile sind um die Leitungsdrähte 16a und 16b angeordnet, um eine Isolierung zwischen dem Behältnis 11 und den Leitungsdrähten 16a und 16b zu gewährleisten. Das Behältnis 11 ist mit einem oberen Ende der Längsöffnung 61 durch Klemmen einer Sicherungsmutter 17 befestigt, die um den Rand des Anschlusselements 16 angeordnet ist. Eine ringförmige Unterlegscheibe 18 ist zwischen einem an dem äußeren Rand des Verbinders 16 geformten Flansch und einem gestuften Abschnitts der Längsöffnung 61 angeordnet, um den Raum zwischen den Flansch des Verbinders 16 und dem gestuften Abschnitt der Längsöffnung 61 abzudichten. Dabei wird durch die Unterlegscheibe die Höhe zur Einpassung des Behältnisses 11 justiert.
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Die Ag/Pd-Paste wird auf die eine Oberfläche jeder Schicht aus piezoelektrischem Material 12A aufgetragen, um die innere Elektrodenschicht 121 (122) zu bilden.
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Alternativ dazu können beispielsweise die innere Elektrode 121 und die andere innere Elektrode 122 an beiden Oberflächen jeder Schicht aus piezoelektrischen Material 12A gedruckt werden, wie es in 4 dargestellt ist. Dies liegt daran, dass die Seitenoberflächenelektrode 161 und 162 sowie die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 gleichzeitig wie die Schicht aus piezoelektrischem Material 12A durch Kalzinierung geformt werden können.
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Der Piezostapel 12, der auf einmal geformt wird, wird durch Stapeln der Vielzahl der Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa, 12Ab, 12Ac, 12Ad, 12Ae, 12Af, 12Ag, 12Ah geformt, wie es in 4 gezeigt ist. Die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah sind im Wesentlichen in derselben Form geformt. Genauer sind die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah dünne Keramikplatten, deren Dicke annähernd von 0,05 mm bis 1,0 mm beispielsweise reicht, und eine Form eines Polygons oder eines Kreises aufweisen, deren Durchmesser beispielsweise von etwa 5 bis 15 mm reicht. Die inneren Elektrodenschichten 121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g und 121h sowie die inneren Elektrodenschichten 122a, 122b, 122c, 122d, 122e, 122f, 122g und 122h werden auf beiden Seiten der jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah mit dünnen Membranen aus einer Mischung aus Silber und Palladium geformt, deren Dicke einige Mikrometer beträgt. Die innere Elektrodenschicht 121r und die innere Elektrodenschicht 122r sind an beiden Seiten des elektrischen Widerstandselements 12C mit dünnen Membranen aus der Mischung von Silber und Palladium geformt, deren Dicke einige Mikrometer beträgt. Das elektrische Widerstandselement 12C ist im Wesentlichen in derselben Form wie die Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah geformt, und ist innerhalb der gestapelten Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah angeordnet.
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Wie es in einer Schaltung gemäß 4 dargestellt ist, sind die inneren Elektroden 121a bis 121h elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 161 verbunden, die elektrisch mit dem Leitungsdraht 16a verbunden sind. Die inneren Elektroden 122a bis 122h sind elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 162 verbunden, die elektrisch mit dem Leitungsdraht 16b verbunden ist. Die innere Elektrodenschicht 121r ist elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 161 verbunden. Die innere Elektrodenschicht 122r ist elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 162 verbunden. Genauer sind die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und die elektrische Widerstandselementschicht 12C, die den Piezostapel 12 bilden, elektrisch miteinander parallel verbunden, wie es in 4 dargestellt ist. Die Ladung, die erzeugt wird, wenn die Spannung an die isolierenden Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah angelegt wird, kann durch das elektrische Widerstandselement 12C abgeleitet (leaked) werden. Der Wert des Widerstands des elektrischen Widerstandselement 12C reicht von 0,1 bis 3 MΩ (Megaohm), der einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die angelegte Spannung in einer Anlegezeitdauer von einigen Millisekunden aufweist. Die Ladung wird in einer Zeitdauer von einigen Zehnmillisekunden bis Hundertmillisekunden abgeleitet. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch der Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah verhindert werden und können die Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah geschützt werden.
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Eine Versatzvergrößerungskammer 3 als eine Fluidkammer und ein Kolben mit kleinem Durchmesser 4 sind koaxial unter dem Kolben mit großem Durchmesser 2 angeordnet, wie es in 1 dargestellt ist. Der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 treibt ein Ventilteil 51 eines Dreiwegeventils 5 an. Der Kolben mit großem Durchmesser 2 und der Kolben mit kleinem Durchmesser sind gleitfähig in einem zylindrischen Teil 66 mit zwei unterschiedlichen inneren Durchmessern entsprechend den äußeren Durchmessern des Kolbens mit großem Durchmesser 2 und des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 angeordnet. Die Versatzvergrößerungskammer 3 ist geformt, indem der Kraftstoff als Betriebsfluid in einen Freiraum eingefüllt wird, der zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 2 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 4 vorgesehen ist. Die Versatzvergrößerungskammer 3 wandelt den Versatz des Piezostapels 12 in den Hydraulikdruck um. Genauer vergrößert die Versatzvergrößerungskammer 3 den Versatz unter Verwendung eines Durchmesserunterschieds zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 2 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 4 und überträgt den Versatz auf den Kolben mit dem kleinen Durchmesser 4.
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Das Dreiwegeventil 5 verbindet einen Kommunikationsdurchlass 52, der zu einer Gegendruckkammer 71 einer Düsennadel 7 führt, mit einem Hochdruckdurchlass 53 oder einem Niedrigdruckdurchlass 54 wahlweise, um den Druck in der Gegendruckkammer 71 zu erhöhen oder zu verringern. Der Hochdruckdurchlass 53 ist mit dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 verbunden. Der Niedrigdruckdurchlass 54 ist mit dem Ablaufdurchlass 64 verbunden. Falls der Piezostapel 12 durch die Speisung ausgedehnt wird, wird der Versatz des Piezostapels 12 auf den Kolben mit großem Durchmesser 2 übertragen, und der Versatz wird vergrößert und auf den Kolben mit dem kleinen Durchmesser 4 unter Verwendung des Kraftstoffdrucks in der Versatzvergrößerungskammer 3 vergrößert. Falls der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 und das Ventilteil 51 absinken, wird der Niedrigdruckdurchlass 54 geöffnet und strömt der Kraftstoff in der Gegendruckkammer 71 aus dem Dreiwegeventil 5 in den Ablaufdurchlass 64. Dabei steigt die Düsennadel 7 an und wird Kraftstoff eingespritzt. Falls die Speisung gestoppt wird, um den Piezostapel 12 zusammenzuziehen, steigt der Kolben mit großem Durchmesser 2 an und steigt der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 an. Dann steigt das Ventilteil 51 aufgrund des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckdurchlass 53 an, und der Hochdruckkraftstoff strömt in die Gegendruckkammer 71 aus dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62. Auf diese Weise wird die Düsennadel 7 abgesenkt. Somit kann das Starten und Stoppen des Kraftstoffeinspritzens durch Erhöhen oder Absinken lassen der Düsennadel 7 auf der Grundlage des Auseinanderziehens oder Zusammenziehens oder des Versatzes des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 durchgeführt werden.
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Ein Absperrventil (Rückschlagventil, Sperrventil, check valve) 21 ist mit dem unteren Ende des Kolbens mit großem Durchmesser 2 integriert. Das Absperrventil 21 weist einen plattenförmigen Ventilkörper und eine Tellerfeder auf. Der Ventilkörper des Absperrventils 21 ist in einem Absperrventilhalter angeordnet, der an dem äußeren Rand des unteren Endes des Kolbens mit großem Durchmesser 2 befestigt ist. Ein Abschnitt des Absperrventilhalters ist in eine Konkavform geformt. Die Tellerfeder des Absperrventils 21 spannt den Ventilkörper zu den Kolben mit großem Durchmesser 2 hin vor. Der Ventilkörper öffnet oder schließt einen Durchlass, der innerhalb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 geformt ist und mit dem Ablaufdurchlass 64 verbunden ist. Eine Durchgangsöffnung ist an der Mitte des Absperrventilhalters geformt, um das innere mit dem äußeren zu verbinden. Falls der Druck in der Versatzvergrößerungskammer 3 durch den Kraftstoffauslauf und dergleichen verringert wird, öffnet der Ventilkörper, so dass der Kraftstoff in die Versatzvergrößerungskammer 3 aus dem Ablaufdurchlass 64 durch den Durchlass innerhalb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 wieder aufgefüllt wird. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Blasen und dergleichen in der Versatzvergrößerungskammer 3 verhindert werden.
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Ein Anschlag 8 ist in der Versatzvergrößerungskammer 3 zur Begrenzung der Aufwärtsbewegung des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgesehen. Der Anschlag 8 ist aus einem ringförmigen Teil geformt, dessen Zentralöffnung derart geformt ist, dass ein innerer Durchmesser der Öffnung kleiner als der äußere Durchmesser des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 ist. Der Anschlag 8 ist pressgepasst und in der Versatzvergrößerungskammer 3 befestigt. Die Öffnung des Anschlags 8 dient ebenfalls als Dämpfer zum Dämpfen der Vibrationen des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 unter Verwendung der Kraftstoffströmung. Eine obere Endoberfläche des ringförmigen Teils 8 ist an einer Stelle angeordnet, an der eine Störung mit dem Kolben mit großem Durchmesser 2 vermieden werden kann. Somit behindert das ringförmige Teil 8 den Antrieb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 nicht.
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In dem piezoelektrischen Betätigungsglied 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird das elektrische Widerstandselement 12C, das mit dem Piezostapel 12 elektrisch verbunden ist, zur gleichen Zeit wie der Piezostapel 12 geformt. Daher kann, selbst falls die Temperatur während des Transports, der Speicherung oder des Zusammenbauens in dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigungsglieds oder der Vorrichtung, die das piezoelektrische Betätigungsglied anwendet, geändert wird, die elektrische Ladung des Piezostapels, die durch die Temperaturänderung erzeugt wird, in das elektrische Widerstandselement abgeleitet werden, das elektrisch mit dem Piezostapel verbunden ist. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch des Piezostapels verhindert werden. Daher kann, selbst wenn ein einzelnes Stück des Piezostapels einer Umgebung ausgesetzt wird, in der die Temperatur sich ändert, das eingebaute elektrische Widerstandselement die Schutzfunktion ausführen.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht der Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C von 0,1 bis 3 MΩ. Falls der Wert des Widerstandswerts niedriger als 0,1 MΩ ist, fließt ein Strom durch das elektrische Widerstandselement 12C, wenn eine Spannung an dem Piezostapel 12 angelegt wird, da der Widerstandswert zu niedrig ist. In diesem Fall gibt es die Möglichkeit, dass keine vorbestimmte Spannung an die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angelegt werden kann. Falls der Widerstandswert höher als 3 MΩ ist, besteht die Möglichkeit, dass die Steuerung der elektrischen Ladung eine lange Zeit benötigt, wenn die an dem Piezostapel 12 angelegte Spannung ausgeschaltet wird. Somit kann die zum Ausdehnen oder Zusammenziehen des Piezostapels 12 erforderliche Spannung an die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angelegt werden. Dabei kann ein Ansprechen gewährleistet werden, so dass die elektrische Ladung innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer abgeleitet wird, wenn die an den Piezostapel 12 angelegte Spannung ausgeschaltet wird. Die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C, die den Piezostapel 12 bilden, sind elektrisch miteinander parallel verbunden, wie es in 4 dargestellt ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C einstückig mit den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 geformt, indem das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 geformt werden. Auf diese Weise werden das elektrische Widerstandselement 12C und die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A miteinander gestapelt. Dementsprechend kann der Raum zum Anbringen des elektrischen Widerstandselements 12C im Vergleich zu der Technik verringert werden, in der das elektrische Widerstandselement in den Speisungsverbinder (das Speisungsanschlusselement) eingegossen wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das elektrische Widerstandselement 12C aus dem elektrischen Widerstandsmaterial geformt werden, das Barium-Titanat als Hauptrohmaterial zusätzlich zu dem allgemein bekannten elektrischen Widerstandsmaterial geformt werden. In dem Fall, dass Barium-Titanat als Hauptrohmaterial verwendet wird, bildet das elektrische Widerstandselement 12C eine Keramik mit positiven Temperaturkoeffizienten (eine PTC-Keramik). Die PTC-Keramik weist eine hervorragende PTC-Charakteristik auf. Da die PTC-Keramik ebenfalls durch Sintern geformt wird, kann das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie der Piezostapel 12 geformt werden. Da die PTC-Keramik als elektrisches Widerstandselement 12C verwendet wird, kann die Curie-Temperatur einen weiten Bereich eingestellt werden und kann die Temperatur in einem relativ breiten Bereich erfasst (sensiert) werden. Daher kann die Temperaturkompensation der Ausdehnung oder des Zusammenziehens bzw. des Versatzes des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
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Weiterhin steigt der Widerstandswert des Widerstandselements 12C, der die PTC-Keramik verwendet, mit ansteigender Temperatur an. Daher kann die Wärmeerzeugung durch das elektrische Widerstandselement verringert werden, so dass der thermische Einfluss auf das Betätigungsglied auf ein geringes Mal verringert werden kann.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Nachstehen ist ein piezoelektrische Betätigungsglied 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C an einer Position angeordnet, die von der Speisungsschaltung zum Speisen des Piezostapels 12 von außerhalb entfernt ist.
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Wie es in 5 gezeigt ist, wird das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A geformt, so dass das elektrische Widerstandselement 12C an einer Seite der Schicht aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet wird, die entgegengesetzt zu den Wurzeln (Anschlüssen) der Leitungsdrähte 16a und 16b liegt. Wie es in 6 gezeigt ist, sind die Leitungsdrähte 16a und 16b des piezoelektrischen Betätigungsglied 1 mit einer Energieversorgungsschaltung (nachstehend als Antriebsschaltung bezeichnet) 80 zur Zufuhr der Leistung bzw. Energie zu dem Piezostapel 12 und einer Steuerungsschaltung (die nachstehend als elektronische Steuerungseinheit, ECU, bezeichnet ist) 90 zur Steuerung des Startens und des Stoppens der Speisung (Versorgung mit Energie) des Piezostapels 12 verbunden. Die Antriebsschaltung 80 und die ECU 90 bilden eine Speisungsschaltung zum Speisen des Piezostapels 12.
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Somit kann selbst, falls ein Fehler in der Leitung (der nachstehend als offener Stromkreis bezeichnet ist) durch einen Durchbruch in den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, den inneren Elektrodenschichten 121, 122 und dergleichen verursacht wird, die dem Piezostapel 12 bilden, die elektrische Ladung in den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, die an einer entfernteren Position als im Vergleich zu der Position der Schaltungsunterbrechung angeordnet sind, schnell durch das eingebaute elektrische Widerstandselement 12C verbraucht werden. Daher kann ein Phänomen wie das verhindert werden, dass die Expansion (Ausdehnung) oder die Kontraktion (das Zusammenziehen) des Piezostapels 12 nicht rückgängig gemacht (zurückgezogen, withdrawn) werden kann, selbst falls die Speisungsschaltung wie die Antriebsschaltung 80 ausgeschaltet wird.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C in der Mitte des Piezostapels 12 angeordnet, wie es in 7 dargestellt ist. Somit ist das elektrische Widerstandselement 12C in der Mitte der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 selbst dann effektiv erfasst werden, falls der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seiner Ausdehnungsrichtung aufweist.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
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Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet, wie es in 8 gezeigt ist. Somit sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 effektiv selbst dann erfasst werden, wenn der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seiner Ausdehnungsrichtung aufweist. In dem Fall, dass die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet sind, kann die Fehlersicherheitsredundanz für die Schaltungsunterbrechung verbessert werden.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
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Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an der Mitte an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet, wie es 9 dargestellt ist. Somit sind die elektrischen Widerstandselemente 12C and der Mitte und an beiden Enden der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 effektiv selbst dann erfasst werden, falls der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seine Ausdehnungsrichtung aufweist.
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In dem Fall, dass die elektrischen Widerstandselement 12C an der Mitte und beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet sind, kann die Fehlersicherheitsredundanz für die Stromkreisunterbrechung (circuit open) verbessert werden. Weiterhin kann eine nicht lineare Verteilung der Temperatur des Piezostapels 12, deren lineare Interpolation schwierig ist, an den drei Punkten interpoliert werden, so dass die Temperaturerfassungsgenauigkeit des Piezostapels 12 verbessert werden kann.
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Sechstes Ausführungsbeispiel
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Nachstehen ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
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Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel sind mehrere Schichten der Piezostapel 12, die jeweils die elektrischen Widerstandselemente 12C und die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen, gestapelt, um eine geschichtete Struktur zu bilden. Wie es in 10 gezeigt ist, sind die Piezostapel 12a, 12b, 12c gestapelt, um den Piezostapel 12 insgesamt zu bilden. Das elektrische Widerstandselement 12C ist unterhalb (nachgelagert, downstream) jeder der jeweiligen Piezostapel 12a, 12b und 12c angeordnet. Somit kann die Produktivität in dem Fall verbessert werden, in dem die Anzahl der Vielzahl der Schichten, in denen die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, die elektrischen Widerstandselemente 12C und die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 abwechselnd gestapelt sind, größer als eine vorbestimmte Zahl ist, so dass die Vielzahl der Schichten beispielsweise nicht gleichzeitig gebildet werden können. Dabei kann, selbst wenn das einzelne Stück des Piezostapels alleine gelassen wird, die Schutzfunktion zuverlässig ausgeführt werden.
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Die jeweiligen Piezostapel 12a, 12b und 12c mit den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den elektrischen Widerstandselement 12C sind als Einheiten geformt, und die Einheiten sind in die Vielzahl der Schichten gestapelt. Daher kann die Erfassungsgenauigkeit der Temperatur des Piezostapels 12 verbessert werden, indem die Änderung der Widerstandswerte der elektrischen Widerstandselemente 12C der Piezostapel 12a, 12b und 12c jeweils erfasst wird.
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Da die Einheiten 12a, 12b und 12c in mehreren Schichten gestapelt sind, kann die Produktivität in den Fällen verbessert werden, in denen die Piezostapel unterschiedlicher Spezifikationen mit unterschiedlichen Stapellängen geformt werden. Weiterhin kann, selbst falls jede der Einheiten 12a, 12b und 12c in Form eines einzelnen Stücks während des Herstellungsprozesses alleine gelassen wird, der Polarisationsdurchbruch aufgrund der Temperaturänderung in der Umgebung verhindert werden, der die Einheit 12a, 12b und 12c ausgesetzt werden, da die elektrischen Widerstandselemente 12C mit den Einheiten 12a, 12b und 12c jeweils kombiniert sind.
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Siebtes Ausführungsbeispiel
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Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
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Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an den Mitten der Piezostapel 12a, 12b und 12c jeweils anstelle an den abwärts gelegenen Enden der Piezostapel 12a, 12b und 12c wie gemäß im sechsten Ausführungsbeispiel angeordnet. Somit kann die Schutzfunktion zuverlässig durch die in den Mitten der Einheiten 12a, 12b und 12c jeweils angeordneten elektrischen Widerstandselement 12C wie gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden, selbst falls das einzelne Stück eines der Piezostapel 12a, 12b und 12c frei belassen wird.
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Modifikationen
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C einstückig gestapelt und kalziniert, und werden gleichzeitig geformt. Alternativ dazu können die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C getrennt kalziniert werden und dann gestapelt werden. Durch beide Verfahren kann das elektrische Widerstandselement 12C einstückig den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 einstückig gestapelt werden. Daher kann der Raum zum Anordnen des elektrischen Widerstandselements 12C verringert werden.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die PTC-Keramik, die in der Lage ist, die Temperatur des Piezostapels 12 zu erfassen, als elektrisches Widerstandselement 12C verwendet. Falls der elektrische Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C eine Temperaturcharakteristik aufweist, kann das elektrische Widerstandselement 12C die Temperatur des Piezostapels 12 erfassen.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde das piezoelektrische Betätigungsglied 1 in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet. Die externe ECU 90 überwacht den elektrischen Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C, das den Piezostapel 12 mit aufbaut, kontinuierlich oder regelmäßig. Die ECU 90 erfasst die Temperatur des Piezostapels 12 auf der Grundlage des elektrischen Widerstandswerts. Als Ergebnis kann die ECU 90 die Temperaturkompensation der Kraftstoffeinspritzvorrichtung durch Steuerung der Spannung, der Ladungsenergie des Piezostapels 12 und der Speisungszeitdauer entsprechend der erfassten Temperatur durchführen. Weiterhin ist die Speisungszeitdauer (Speisungsperiode) entsprechend der Einspritzzeitdauer zur Zufuhr des Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine kürzer als die Speisungszeitdauer für das Verstreuen der elektrischen Ladung, die von einigen Zehnmillisekunden bis Hundertmillisekunden reicht. Daher wird im normalen Betrieb das elektrische Widerstandselement 12C nicht durch die Speisung betätigt, die durch die von der ECU 90 angesteuerten Antriebsschaltung 80 durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu arbeitet das elektrische Widerstandselement 12C und führt die Schutzfunktion aus, falls die ungewollte Ladung die piezoelektrischen Betätigungsglied 1 beispielsweise beaufschlagt wird, wenn die Temperatur in der Umgebung sich ändert, der das Piezoelektrische Betätigungsglied 1 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ausgesetzt ist.
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Weiterhin wird in dem Fall, dass das elektrische Widerstandselement 12C aus der PTC-Keramik geformt ist, der Piezostapel 12 mit geringer Spannung gespeist und wird unter Verwendung der PTC-Charakteristik der PTC-Keramik erhitzt, während die Temperatur der Brennkraftmaschine niedrig ist. Als Ergebnis kann der Effekt erreicht werden, dass das Piezoelektrische Betätigungsglied 1 sich schnell erhitzt und dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung betrieben werden kann, nachdem die Temperatur des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 einen stabilen Betriebsbereich erreicht hat.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Dreiwegeventil durch die Erhöhung und Verringerung in der Versatzvergrößerungskammer als die Fluidkammer durch den Kolben mit kleinem Durchmesser angetrieben. Alternativ dazu kann die Düsennadel durch die Erhöhung und Verringerung des Hydraulikdrucks ohne Verwendung des Dreiwegeventils angetrieben werden. Alternativ kann die Düsennadel durch ein Zweiwegeventil anstelle durch das Dreiwegeventil geöffnet oder geschlossen werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern kann in vielerlei Weise ohne Abweichen von der erfinderischen Idee gesetzt werden.
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Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 einen Piezostapel 12 auf, in dem Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und innere Elektrodenschichten 121, 122 abwechselnd gestapelt sind. Weiterhin weist das piezoelektrische Betätigungsglied 1 ein zylindrisches Behälterteil 11 zur Unterbringung des Piezostapels 12 derart auf, dass der Piezostapel 12 sich ausdehnen und zusammenziehen kann, und weist ein elektrisches Widerstandselement 12C auf, das elektrisch mit dem Piezostapel 12 verbunden ist. Das elektrische Widerstandselement 12C ist in dem zylindrischen Behälterteil 11 eingebaut. Elektrische Ladung des Piezostapels 12, die durch eine Temperaturänderung erzeugt wird, wird in das elektrische Widerstandselement 12C abgeleitet. Somit kann, selbst falls ein einzelnes Stück des Piezostapels 12 einer Umgebung ausgesetzt wird, in der sich die Temperatur ändert, der Piezostapel 12 durch das elektrische Widerstandselement 12C geschützt werden.