DE102005035158A1

DE102005035158A1 - Geschichtetes piezoelektrisches Element und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005035158A1
Application number: DE200510035158
Authority: DE
Inventors: Kazuhide Kariya Sato; Hidekazu Kariya Hattori; Takeshi Kariya Kaji
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2006-03-02
Also published as: JP2006041279A

Abstract

So ist nach vorstehender Beschreibung ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das ein Keramiklaminat 10 mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten 20 und internen Elektrodenschichten 21, 22, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, sowie Herausführungselektroden 34 zum Zuführen elektrischer Energie, die mit Seitenflächen 101, 102 des Keramiklaminats 10 über ein elektrisch leitendes Haftmittel 33 verbunden sind, umfasst. Zudem weist jede der Herausführungselektroden eine Netzform mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf und erlaubt dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 ein Eindringen in die durchgehenden Löcher. Im Bereich von 50% oder mehr an Fläche einer Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 beträgt die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels 33 weniger als die Dicke der Herausführungselektrode.

Description

Die Erfindung betrifft ein geschichtetes piezoelektrisches Element, das auf einen piezoelektrischen Aktuator angewandt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten piezoelektrischen Elementes.

Das geschichtete piezoelektrische Element umfasst im Allgemeinen ein Keramiklaminat mit piezoelektrischen Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzt sind, und internen Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeit, welche abwechselnd gestapelt sind, sowie ein mit jeder zweiten internen Elektrodenschicht auf einer Seite des Keramiklaminats elektrisch verbundenes Seitenelektrodenpaar. Das geschichtete piezoelektrische Element ist so aufgebaut, dass eine piezoelektrische Verschiebung durch eine an ein Paar von mit den Seitenelektroden elektrisch verbundenen Herausführungselektroden angelegte Ansteuerungsspannung verursacht wird.

Ein derartiges geschichtetes piezoelektrisches Element weist jedoch die Probleme auf, dass ein Fehler und eine verringerte Zuverlässigkeit aufgrund des Fehlers verursacht werden, wobei eine Verspannung bei verbundenen Abschnitten der Herausführungselektroden durch während einer Ansteuerungsperiode verursachte Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten bewirkt wird, und ein Reißen in elektrisch leitenden Haftmitteln auftritt, die an den verbundenen Abschnitten angeordnet sind, und die Herausführungselektroden sich von der Seitenoberfläche des Keramiklaminats ablösen.

Die Druckschriften JP-A 2-251185, JP-A-4-167579 und JP-A-10-229227 beschreiben Herausführungselektrodenstrukturen für das geschichtete piezoelektrische Element, die zum Lösen der vorstehend angeführten Probleme entworfen wurden.

Die in dieser Patentliteratur offenbarten Herausführungselektrodenstrukturen beinhalten eine Struktur der teilweisen Verbindung zwischen der Herausführungselektrode und der Seitenoberfläche des Keramiklaminats (vergleiche Druckschriften JP-A-2-251185 und JP-A-4-167579), sowie eine Struktur zu deren Anhaftung über das elektrisch leitende Haftmittel (vergleiche Druckschrift JP-A-10-229227) und dergleichen. Dadurch wird es leicht, die Herausführungselektrode gegen die Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten elastisch zu verformen. Ausreichende Festigkeiten der Verbindung und der Anhaftung werden jedoch mit diesen Strukturen nicht erhalten. Daher ist es schwierig, die Probleme wie etwa ein Ablösen der Herausführungselektroden aufgrund der an den Verbindungsabschnitten der Herausführungselektroden durch Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten verursachten Verspannung zu lösen.

Andererseits kann ebenfalls in Betracht gezogen werden, die Herausführungselektroden vollständig an den Seitenelektroden zu befestigen, um die Verbindungsfestigkeit oder die Anhaftungsfestigkeit der Herausführungselektroden ausreichend sicherzustellen. Dabei wird es jedoch schwierig, die Herausführungselektroden gegen die Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten leicht elastisch zu verformen, und die an den Verbindungsabschnitten der Herausführungselektroden verursachte Verspannung wird größer. Daher ist es auch dabei schwierig, das Auftreten von Rissen an den Verbindungsabschnitten der Herausführungselektroden sicher zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereit zu stellen, bei dem Herausführungselektroden vorgesehen sind, die leicht elastisch zu verformen sind, und die eine ausreichende Anhaftungsfestigkeit aufweisen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem Keramiklaminat mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, sowie Herausführungselektroden zum Zuführen von elektrischer Energie, die mit Seitenflächen des Keramiklaminats über ein elektrisch leitendes Haftmittel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Herausführungselektrode die Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern aufweist, und dem elektrisch leitenden Haftmittel ein Eindringen in die durchgehenden Löcher erlaubt, und in einem Bereich von 50% oder mehr der Fläche der Gesamtverbindungsfläche zwischen Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels weniger als die Dicke der Herausführungselektrode beträgt.

Bei dem erfindungsgemäßen geschichteten piezoelektrischen Element weist jede der Herausführungselektroden die Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf, und erlaubt dem elektrisch leitenden Haftmittel ein Eindringen in die durchgehenden Löcher. Zudem ist in einem Bereich von 50% oder mehr der Fläche der Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels weniger als die Dicke der Herausführungselektrode.

Dadurch können sich die Herausführungselektroden gegenüber den Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten leicht elastisch verformen, und eine ausreichende Anhaftungsfestigkeit kann für das elektrisch leitende Haftmittel sichergestellt werden.

Der Grund hierfür kann wie folgt gesehen werden.

Jede der Herausführungselektroden weist nach vorstehender Beschreibung die Form eines Netzes auf, und deren Verschiebung ist in einem bestimmten Bereich möglich. Die Herausführungselektrode weist die Eigenschaft des Schrumpfens in der Breitenrichtung auf, wenn sie in Längsrichtung ausgedehnt wird. Wenn eine derartige Herausführungselektrode zu stark durch das elektrisch leitende Haftmittel verbunden ist, wird die zwischen der Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel verursachte Verspannung groß, und die vorstehend angeführten Probleme wie etwa Risse können nicht gelöst werden.

In Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung eine Struktur sicher, wobei im Bereich von 50% oder mehr der Fläche einer Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels weniger als die Dicke der Herausführungselektrode beträgt, während die durchgehenden Löcher der Herausführungselektroden durch das elektrisch leitende Haftmittel durchdrungen und verbunden sind.

Dadurch vermeidet die Herausführungselektrode eine zu starke Verbindung, indem die in dem elektrisch leitenden Haftmittel befestigten Abschnitte verringert werden, wobei eine ausreichende Anhaftungsstärke für das elektrisch leitende Haftmittel sichergestellt wird. Daher ist es möglich, die durch die Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten verursachten Verspannung zu entspannen, und das Auftreten von Rissen, Ablösevorgängen und dergleichen zu reduzieren.

Auf diese Weise wird das erfindungsgemäße geschichtete piezoelektrische Element mit den Herausführungselektroden versehen, die leicht elastisch verformt werden können, und die eine ausreichende Anhaftungsfestigkeit aufweisen.

Die zweite Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes mit einem Keramiklaminat mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten, die abwechselnd gestapelt sind, sowie mit Herausführungselektroden zum Zuführen von elektrischer Energie, die mit Seitenflächen des Keramiklaminats über ein elektrisch leitendes Haftmittel verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Laminatausbildungsschritt zum Ausbilden des Keramiklaminats durch abwechselndes Stapeln der piezoelektrischen Schicht der internen Elektrodenschicht, einen Anhaftungsmittelaufbringungsschritt zum Aufbringen des elektrisch leitenden Haftmittels auf die Seitenflächen des Keramiklaminats dünner als die Dicke der Herausführungselektrode, und eine Herausführungselektrodenanordnungsschritt zum Ausbilden eines oder mehr durchdringend freigelegter Abschnitte mit einer freiliegenden Fläche, die ein durchgehendes Loch durchdringt und an der Oberflächenseite der Herausführungselektrode an Abschnitten freiliegt, die unter Druck mit einem Druckelement in Kontakt kommen, indem die Herausführungselektroden mit der Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf einer Oberfläche des elektrisch leitenden Haftmittels angeordnet werden, und das elektrisch leitende Haftmittel in einem Zustand ausgeheilt wird, indem die Herausführungselektrode an seiner Oberfläche durch das Druckelement gepresst wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung wird der Herausführungselektrodenanordnungsschritt nach dem Laminatausbildungsschritt und dem Haftmittelaufbringungsschritt ausgeführt.

Bei dem Herausführungselektrodenanordnungsschritt werden die Herausführungselektroden mit der Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf einer Oberfläche des elektrisch leitenden Haftmittels angeordnet. Dann wird das elektrisch leitende Haftmittel in einem Zustand ausgeheilt, indem die Herausführungselektrode auf einer Oberfläche durch das Druckelement gepresst wird. Dadurch werden ein oder mehr durchdringend freiliegende Abschnitte mit einer freiliegenden Fläche, die das durchgehende Loch durchdringen und auf der Oberflächenseite der Herausführungselektrode freiliegen, an Abschnitten ausgebildet, die unter Druck mit dem Druckelement in Kontakt stehen.

Mit anderen Worten, bei dem Herausführungselektrodenanordnungsschritt wird das Druckelement auf Abschnitten angeordnet und gedrückt, wo die durchdringenden freiliegenden Abschnitte ausgebildet sind. Durch kleine Verformungen während dieser Druckdauer wird das elektrisch leitende Haftmittel in einen Haftzustand auf der Peripherie des Druckelementes versetzt. Während dieser Zustand beibehalten wird, werden dann, während das elektrisch leitende Haftmittel ausheilt, die durchdringend freiliegenden Abschnitte ausgebildet, nachdem das Druckelement entfernt wurde.

Da die Dicke der Herausführungselektrode weniger als die Dicke des elektrisch leitenden Haftmittels beträgt, wird andererseits das elektrisch leitende Haftmittel ausgeheilt, ohne die Herausführungselektrode in dem Bereich zu durchdringen, wo das Druckelement nicht unter Druck kontaktiert wird.

Durch eine derartige Bereitstellung von ein oder mehr durchdringend freiliegenden Abschnitten vermeidet die Herausführungselektrode eine zu starke Verbindung, indem nur einige Abschnitte ausgebildet werden, wo die Herausführungselektrode in dem elektrisch leitenden Haftmittel befestigt ist, wobei eine ausreichende Haftungsfestigkeit für das elektrisch leitende Haftmittel sichergestellt wird. Daher ist es möglich, die durch die Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten verursachte Verspannung zu entspannen, und die Erzeugung von Rissen, Ablösevorgängen und dergleichen zu reduzieren.

Auf diese Weise wird das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene geschichtete piezoelektrische Element ein mit Herausführungselektroden versehenes piezoelektrisches Element, die leicht elastisch verformt werden können und eine ausreichende Haftungsfestigkeit aufweisen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Zeichnung zur Darstellung der Struktur eines geschichteten piezoelektrischen Elementes nach Beispiel 1;
2 eine Seitenansicht eines geschichteten piezoelektrischen Elementes nach Beispiel 1;
die 3(a) bis 3(d) Zeichnungen zur Darstellung von Schritten zur Ausbildung einer piezoelektrischen Einheit nach Beispiel 1;
die 4(a) und 4(b) Zeichnungen zur Darstellung von Schritten zum Anordnen von Seitenelektroden und zur Ausbildung eines Keramiklaminats nach Beispiel 1;
5 eine Zeichnung zur Darstellung einer Struktur eines mit Seitenelektroden versehenen Keramiklaminats nach Beispiel 1;
die 6(a) bis 6(d) Zeichnungen zur Darstellung von Schritten zum Aufbringen eines elektrisch leitenden Haftmittels und zum Anordnen von Herausführungselektroden nach Beispiel 1;
die 7(a) bis 7(c) Zeichnungen zur Darstellung von Beispielen zum Anordnen von durchdringend freiliegenden Abschnitten nach Beispiel 2;
die 8(a) bis 8(d) Zeichnungen zur Darstellung von Beispielen zur Anordnung von durchdringend freiliegenden Abschnitten nach Beispiel 2;
die 9(a) bis 9(d) Seitenansichten zur Darstellung von Beispielen der Form von Punkten nach Beispiel 3;
10 eine Zeichnung zur Darstellung einer Beziehung zwischen einem Punktabstand und einer Anhaftungsstärke nach Beispiel 4;
11 eine Zeichnung zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Punktabstand und Betriebsvorgängen nach Beispiel 4;
12 eine Zeichnung zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Punktfläche und der Anhaftungsstärke nach Beispiel 5;
13 eine Zeichnung zur Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Punktfläche und den Betriebsvorgängen nach Beispiel 5; und
14 eine Zeichnung zur Darstellung einer Struktur eine Injektionseinrichtung nach Beispiel 6.
Bei dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen geschichteten piezoelektrischen Element liegt die Fläche, wo die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels weniger als die Dicke der Herausführungselektrode beträgt, vorzugsweise im Bereich von 50% bis 95% der Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel.
Wenn die Fläche weniger als 50% beträgt, wird es potenziell schwierig, dass die Herausführungselektroden durch die Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten leicht elastisch verformt werden. Wenn die Fläche mehr als 95% beträgt, wird es zudem potenziell unmöglich, dass die Herausführungselektroden eine ausreichende Anhaftungsstärke für das elektrisch leitende Haftmittel erhalten.
Es können verschiedene Materialien mit einer Vielzahl der durchgehenden Löcher als die Herausführungselektrode verwendet werden. Es kann beispielweise ein durch Verarbeiten einer Metallplatte wie etwa aus Streckmetall oder Stanzmetall und dergleichen erhaltenes Material verwendet werden. Zudem können Edelstahl, Kupfer, eine Eisennickellegierung und dergleichen als Rohmaterialien verwendet werden. Als bevorzugte Größe der Herausführungselektrode liegt die Länge im Bereich von 5% bis 100 der Länge des Laminatelements, die Breite liegt im Bereich von 5% bis 100 der Breite des Laminatelements, und die Dicke liegt im Bereich von 50 μm bis 500 μm. Dabei kann die Größe auf einen piezoelektrischen Aktuator und dergleichen mit einer allgemein verwendeten Größe angewendet werden.
Zudem sind die piezoelektrischen Schichten vorzugsweise aus einem Bleizirkonattitanat zusammengesetzt, das ein Oxyd mit einer Perovskitstruktur mit der Formel Pb(Zr, Ti)O₃ ist. Das Bleizirkonattitanat (PZT) weist ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften auf, und kann außerdem dem geschichteten piezoelektrischen Element ausgezeichnete Eigenschaften verleihen. Für die Umwelt ist es ebenso bevorzugt, ein bleifreies piezoelektrisches Keramiklaminat zu verwenden.
Das Keramiklaminat kann von einer Einheitenbauart sein, wobei jede piezoelektrische Einheit, die aus piezoelektrischen Schichten zusammengesetzt ist, die weniger als die Gesamtendanzahl der Schichten sind, kalziniert wird, und die piezoelektrischen Einheiten sodann aneinander angehaftet werden, oder sie kann von der einstückig kalzinierten Bauart sein, die in einem Stück kalziniert wird, nachdem alle benötigen piezoelektrischen Schichten im Voraus geschichtet wurden.
Zudem kann das Keramiklaminat auch in einer Teilelektrodenstruktur oder einer Gesamtelektrodenstruktur vorliegen.
Es ist außerdem möglich, eine Seitenelektrode auf einer Seitenfläche des Keramiklaminats bereitzustellen, und die Herausführungselektrode mit der Seitenelektrode über das elektrisch leitende Haftmittel zu verbinden. Dabei kann eine sehr viel höhere elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden.
Das elektrisch leitende Haftmittel bildet einen oder mehr durchdringend freiliegende Abschnitte mit einer freiliegenden Fläche aus, die das durchgehende Loch durchdringt und auf der Oberseitenfläche der Herausführungselektrode freiliegt. Dabei werden die Anhaftungseigenschaften zwischen dem elektrisch leitenden Haftmittel und der Herausführungselektrode verbessert, und deren Ablösen wird aufgrund der Existenz des durchdringend freiliegenden Abschnitts erschwert.
Es ist bevorzugt, dass der durchdringend freiliegende Abschnitt die Form eines Punktes aufweist, und dass die durchdringend freiliegenden Abschnitte an vielen verstreuten Stellen angeordnet sind. Dabei kann die Verbindungsfestigkeit und dergleichen relativ leicht durch Einstellen der Orte, der Anzahl und dergleichen der durchdringend freiliegenden Abschnitte optimiert werden.
Ferner sind die durchdringend freiliegenden Abschnitte vorzugsweise homogen verteilt. Dabei kann vermieden werden, dass die Herausführungselektrode bei der Verschiebung der piezoelektrischen Schicht nicht homogen elastisch verformt wird, und der Effekt der Vermeidung von Reißen, Ablösen und dergleichen kann weiter verbessert werden.
Die Größe jeder freiliegenden Fläche der durchdringend freiliegenden Abschnitte liegt vorzugsweise im Bereich von 2 × 10^-3 mm² bis 13 mm².
Wenn die Größe jeder freiliegenden Fläche weniger als 2 × 10^-3 mm² beträgt, weist die Herausführungselektrode potenziell keine ausreichende Anhaftungsfestigkeit mit dem elektrisch leitenden Haftmittel auf. Wenn zudem die Größe jeder freiliegenden Fläche mehr als 13 mm² beträgt, wird die Herausführungselektrode potenziell nur schwer bei der Verschiebung der piezoelektrischen Schicht elastisch verformt.
Vorzugsweise weist der durchdringend freiliegende Abschnitt eine freiliegende Fläche mit der Form einer kontinuierlichen geraden Linie, einer kontinuierlichen Kurve, einer unterbrochenen geraden Linie oder einer unterbrochenen Kurve auf. Dabei wird die Wirkung aufgrund der Bereitstellung der durchdringend freiliegenden Abschnitte erhalten.
Außerdem stehen die durchdringend freiliegenden Abschnitte vorzugsweise gegenüber der Oberfläche der Herausführungselektrode zumindest in einem Abschnitt der freiliegenden Fläche hervor, und das Ausmaß des Hervorstehens liegt im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm.
Wenn das Ausmaß des Hervorstehens weniger als 0,01 mm beträgt, weist die Herausführungselektrode potenziell keine ausreichende Anhaftungsfestigkeit für das elektrisch leitende Haftmittel auf. Wenn zudem das Ausmaß des Hervorstehens über 0,3 mm liegt, überschreitet der Vorsprung die Dicke des isolierenden Harzes und eine ausreichende Isolation nach außen kann nicht sichergestellt werden.
Außerdem ist das geschichtete piezoelektrische Element vorzugsweise ein piezoelektrischer Aktuator für eine Injektionseinrichtung, der als Ansteuerungskraft der Injektionseinrichtung verwendet wird.
Die Injektionseinrichtung wird unter den schweren Bedingungen einer hohen Temperatur verwendet. Daher wird die Beständigkeit des Aktuators sowie die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der ganzen Injektionseinrichtung unter Verwendung des ausgezeichneten geschichteten piezoelektrischen Elementes als Aktuator verbessert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung umfasst das Druckelement vorzugsweise einen oder mehr Stiftabschnitte, die unter Druck mit der Herausführungselektrode in Kontakt kommen, sowie eine oder mehr Federn, die jeweils jedem der Stiftabschnitte einen Impuls nach vorne verleihen, und es ist vorzugsweise so aufgebaut, dass sich die Stiftabschnitte gegen eine Impulskraft der Federn bewegen können, wenn die Stiftabschnitte unter Druck mit der Herausführungselektrode in Kontakt kommen. Dabei können die durchdringend freiliegenden Abschnitte genau angeordnet sein. Durch Einstellen der Form der Spitze, der Last und dergleichen des Druckelementes kann die Form und das Ausmaß des Vorsprungs des durchdringend freiliegenden Abschnitts sowie die Größe der freiliegenden Fläche gesteuert werden.
Beispiel 1
Das geschichtete piezoelektrische Element und das Verfahren zu dessen Herstellung bei einem Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6(d) beschrieben.
Das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel umfasst gemäß 1 ein Keramiklaminat 10 mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten 20 und interne Elektrodenschichten 21, 22, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, und Herausführungselektroden 34 zum Zuführen von elektrischer Energie, die mit Seitenflächen des Keramiklaminats 10 über ein elektrisch leitendes Haftmittel 33 verbunden sind.
Jede der Herausführungselektroden 34 weist eine netzartige Form mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 341 auf, und erlaubt ein Durchdringen des elektrisch leitendes Haftmittels 33 in die durchgehenden Löcher 341 (wobei die durchgehenden Löcher in 1 und in den 6(b) bis 6(d) weggelassen sind). Im Bereich von 50% oder mehr Fläche der Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 beträgt die Dicke des in die durchgehenden Löcher 341 eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels 33 weniger als die Dicke der Herausführungselektrode 34.
Dies ist nachstehend näher beschrieben.
Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel ist gemäß den 1 und 2 da Keramiklaminat 10 durch Stapeln und Anhaften von piezoelektrischen Einheiten 2 ausgebildet, die durch jeweils abwechselndes Stapeln von aus piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten 20 und internen Elektrodenschichten 21, 22 mit elektrischer Leitfähigkeit mit einem aus Silikonharz zusammengesetzten Haftmittel 101 ausgebildet sind.
Das Keramiklaminat 10 umfasst eine auf der Seitenfläche 101 bereitgestellte erste Seitenelektrode 31 und ein auf der zweiten Seitenfläche 102 bereitgestellte zweite Seitenelektrode. Die mit der ersten Seitenelektrode 31 elektrisch verbundene erste interne Elektrodenschicht 21 und die mit der zweiten Seitenelektrode 32 verbundene zweite interne Elektrodenschicht 22 sind abwechselnd angeordnet. Die Seitenelektroden 31, 32 sind auf den Seiten der piezoelektrischen Einheit 2 im Voraus bereitgestellt.
Wie in denselben Figuren gezeigt ist, ist ein Endabschnitt der zweiten internen Elektrodenschicht 22 auf der Seitenfläche 101 nicht freigelegt, wo die erste Seitenelektrode 31 in dem Keramiklaminat bereitgestellt ist. Andererseits ist ein Endabschnitt der ersten internen Elektrodenschicht 21 nicht auf der Seitenfläche 102 freigelegt, wo die zweite Seitenelektrode 32 in dem Keramiklaminat bereitgestellt ist. Mit anderen Worten weist das Keramiklaminat 10 gemäß dem vorliegenden Beispiel eine Teilelektrodenstruktur auf.
Die Herausführungselektroden 34 sind mit der ersten Seitenelektrode 31 und der zweiten Seitenelektrode 32 über das elektrisch leitende Haftmittel 33 verhaftet. Es ist ebenfalls möglich, die Herausführungselektroden 34 mit den Seitenflächen 101, 102 des Keramiklaminats 10 über das elektrisch leitende Haftmittel 33 zu verbinden, ohne die Seitenelektroden 31, 32 bereitzustellen.
Zudem dringt gemäß denselben Figuren das elektrisch leitende Haftmittel 33 durch die durchgehenden Löcher 341 der Herausführungselektroden 34 in der Form eines Netzes hindurch, und bildet die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 mit der freiliegenden Fläche 332 aus, die auf der Oberflächenseite der Herausführungselektroden 34 freilegt.
Jeder der durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 gemäß dem vorliegenden Beispiel weist die Form eines kreisförmigen Zylinders auf, die freiliegende Fläche 332 weist die Form eines kreisförmigen Punktes auf, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind in einer Reihe in Längsrichtung mit regelmäßigen Abständen angeordnet.
In dem Bereich von 50% oder mehr der Fläche der Gesamtverbindungsfläche zwischen den Herausführungselektroden 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 beträgt die Dicke des in die durchgehenden Löcher 341 eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels 33 weniger als die Dicke der Herausführungselektrode 34. Die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind mit anderen Worten nicht in dem vorstehend angeführten Bereich ausgebildet.
Ein Vergussmaterial 35 (wobei das Vergussmaterial 35 in 2 weggelassen ist) aus Silikonharz ist als isolierendes Material auf dem gesamten Umfang der Seitenflächen des Keramiklaminats 10 bereitgestellt, so dass die Herausführungselektroden 34 und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 bedeckt sind.
Die internen Elektrodenschichten 21, 22 sind durch Kalzinieren von elektrisch leitenden Pasten 210, 220 ausgebildet. Die elektrisch leitenden Pasten 210, 220 enthalten Ag (Silber) und Pd (Palladium). Cu (Kupfer) kann ebenfalls als Hauptmaterial für die internen Elektrodenschichten 21, 22 verwendet werden.
Die Seitenelektroden 31, 32 sind durch Kalzinieren von elektrisch leitenden Pasten 310, 320 ausgebildet. Die elektrisch leitenden Pasten 310, 320 enthalten Silber und Glasurmasse.
Das elektrisch leitende Haftmittel 33 ist ein Material, bei dem Silberfüllmaterial in Epoxydharz enthalten ist.
Ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 ist nachstehend beschrieben.
Zum Herstellen des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel werden zumindest der Laminatausbildungsschritt, der Haftmittelaufbringungsschritt und der Herausführungselektrodenanordnungsschritt ausgeführt.
Der Laminatausbildungsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden des Keramiklaminats 10 durch jeweils abwechselndes Stapeln der piezoelektrischen Schichten 20 und der internen Elektrodenschicht 21, 22.
Der Haftmittelaufbringungsschritt ist ein Schritt zum Aufbringen des elektrisch leitenden Haftmittels 33 auf der Seitenfläche des Keramiklaminats 10 in einer dünneren Dicke als die Dicke der Herausführungselektrode 34.
Bei dem Herausführungselektrodenanordnungsschritt werden die Herausführungselektroden 34 mit der Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 341 auf einer Oberfläche des elektrisch leitenden Haftmittels 33 angeordnet. Sodann wird das elektrisch leitende Haftmittel 33 in einem Zustand ausgeheilt, bei dem die Herausführungselektrode 34 auf seiner Oberfläche durch das Druckelement gepresst wird. Der Herausführungselektrodenanordnungsschritt ist ein Schritt zum Ausbilden von einem oder mehr durchdringend freiliegenden Abschnitten 331 mit einer freiliegenden Fläche, die durch das durchgehende Loch 341 hindurchdringt und auf der Oberflächenseite der Herausführungselektroden 34 an Abschnitten freiliegt, die unter Druck mit dem Presselement in Kontakt kommt.
Zunächst wurde ein in ein piezoelektrisches Material auszubildendes Pulver aus Bleizirkonattitanat (PZT) vorbereitet, und teilweise bei 800 bis 950°C kalziniert. Dann wurden reines Wasser und ein Dispergiermittel dem teilweise kalzinierten Pulver zur Ausbildung einer wässrigen Masse hinzugefügt. Die wässrige Masse wurde durch eine Perlenmühle in Wasser gemahlen. Nachdem dieses gemahlene Material getrocknet und entfettet wurde, wurde ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher, ein Dispergiermittel und dergleichen der wässrigen Masse hinzugefügt, und die wässrige Masse wurde danach durch eine Kugelmühle gemischt. Die wässrige Masse wurde sodann unter Vakuum entgast und seine Viskosität wurde eingestellt, während es in einer Ausrüstung unter Vakuum gemischt wurde.
Gemäß 3(a) wurde ein Grünling 200 mit einer konstanten Dicke aus der wässrigen Masse durch eine Rakelklingenausrüstung ausgebildet. Der erhaltene Grünling 200 wurde in quadratische Stücke durch eine Schneidemaschine geschnitten. Die Form der Stücke kann gemäß der gewünschten Form des geschichteten piezoelektrischen Elementes variiert werden.
Dann wurden gemäß 3(b) die elektrisch leitenden Pasten 210, 220 mit Silber und Palladium auf die Oberfläche des Grünlings 200 in einem Siebdruckvorgang aufgebracht. Nicht-polige Teile 219, 229, wo die internen Elektrodenschichten 21, 22 nicht ausgebildet werden sollen, wurden nicht bedruckt. Gemäß 3(c) wurden 20 Schichten der gedruckten Schichten sodann gestapelt, unter Druck verbunden und kalziniert. Auf diese Weise wurde die piezoelektrische Einheit 2 mit den piezoelektrischen Schichten 20 und den internen Elektrodenschichten 21, 22, die jeweils abwechselnd gestapelt waren, erhalten.
Ferner wurden dann gemäß 4(a) die elektrisch leitenden Pasten 310, 320 mit Silber und Glasurmasse auf die Seitenflächen 101, 102 der piezoelektrischen Einheit 2 in einem Siebdruckvorgang aufgebracht. Die bedruckten Flächen wurden mit Fixierelementen geklammert, und in einem durch eine Last zusammengepressten Zustand erhitzt. Durch einen Abkühlvorgang nach Abschluss des Erwärmungsvorgangs wurden die elektrisch leitenden Pasten in kalziniertem Zustand ausgebildet, und die erste Seitenelektrode 31 und die zweite Seitenelektrode 32 wurden jeweils auf den Seitenflächen 101, 102 ausgebildet.
Sodann wurden gemäß 4(b) 25 Stück der piezoelektrischen Einheiten 2 mit den Seitenelektroden 31, 32 durch das Haftmittel 11 aneinander gehaftet. Durch Belasten des erhaltenen Laminats von beiden Enden in der Stapelrichtung und dessen Ausheilung mit Wärme wurden die piezoelektrischen Einheiten 2 in ein Stück integriert. Auf diese Weise wurde gemäß 5 das mit den Seitenelektroden 31, 32 versehene Keramiklaminat 10 erhalten.
Zudem wurde das ein Silberfüllmaterial in Epoxydharz enthaltende elektrisch leitende Haftmittel 33 gemäß 6(a) durch einen Metallmaskendruckvorgang auf den Seitenelektroden 31, 32 aufgebracht. Gemäß 6(b) wurde die aus einem Streckmetall aus Edelstahl zusammengesetzte Herausführungselektrode 34 mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern in Dickenrichtung mit einer Länge von 40 mm, einer Breite von 3 mm und einer Dicke von 150 μm auf dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 angeordnet.
Danach wurde gemäß 6(c) das elektrisch leitende Haftmittel 33 in einem Zustand, in dem die Herausführungselektrode 34 mit Stiftabschnitten 41 des (in 6(c) weggelassenen) Druckelementes fixiert ist, mit Wärme ausgeheilt.
Dadurch übt das Druckelement mit den Stiftabschnitten 41 und den Federn 42 einen Impuls auf die Stiftabschnitte 41 in Vorwärtsrichtung aus. Das Druckelement ist so konfiguriert, dass die Stiftabschnitte 41 gegen die Impulskraft der Federn 42 zurückweichen können, wenn die Stiftabschnitte unter Druck mit der Herausführungselektrode in Kontakt kommen.
Wenn danach die Stiftabschnitte 41 des Druckelementes gemäß 6(d) entfernt werden, durchdringt das elektrisch leitende Haftmittel 33 die durchgehenden Löcher 341, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 mit der freiliegenden Fläche 332 wurden ausgebildet, die auf der Oberflächenseite der Herausführungselektroden 34 freigelegt ist. Jede der freiliegenden Flächen 332 beträgt 0,8 mm², und das Ausmaß des Vorsprungs des durchdringend freiliegenden Abschnitts 331 liegt bei 0,02 mm.
Schließlich wurde das geschichtete piezoelektrische Element 1 in Einheitenbauart erhalten, indem das Vergussmaterial 35 auf den gesamten Umlauf der Seitenfläche des Keramiklaminats 10 durch ein Spendeverfahren aufgebracht wurde.
Die Wirkungen des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel sind nachstehend beschrieben.
Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 gemäß dem vorliegenden Beispiel sind die Herausführungselektroden 34 in der Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern 341 ausgebildet, und erlauben dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 ein Eindringen in die durchgehenden Löcher 341. Zudem ist in einem Bereich von 50% oder mehr der Fläche einer Gesamtverbindungsfläche zwischen den Herausführungselektroden 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 die Dicke des in die durchgehenden Löcher 341 eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels weniger als die Dicke der Herausführungselektroden 34.
Mit anderen Worten, obwohl das elektrisch leitende Haftmittel 33 in die durchgehenden Löcher 341 eindringt, und der durchdringend freiliegende Abschnitt 331 mit der freiliegenden Fläche 332 auf der Oberfläche ausgebildet und fixiert ist, sichert die Herausführungselektrode 34 eine Struktur, bei der im Bereich von 50% oder mehr der Fläche der Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 die Dicke des in die durchgehenden Löcher 341 eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels 33 weniger als die Dicke der Herausführungselektrode beträgt.
Dadurch vermeidet die Herausführungselektrode 34 eine zu starke Verbindung, indem weniger Abschnitte ausgebildet werden, die in das elektrisch leitende Haftmittel 33 zur Sicherstellung einer ausreichenden Haftungsfestigkeit für das elektrisch leitende Haftmittel 33 befestigt werden. Daher kann die durch eine Verschiebung der piezoelektrischen Schicht verursachte Verspannung erleichtert werden, und das Auftreten von Rissen, Ablösungen und dergleichen kann reduziert werden.
Besonders bei dem vorliegenden Beispiel liegt die freiliegende Fläche 332 in der Form eines kreisförmigen Punktes vor, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind in einer Reihe mit regelmäßigen Abständen in der Längsrichtung der Herausführungselektroden 34 angeordnet. Daher können die vorstehend beschriebenen Wirkungen zur Reduktion von Rissen, Ablösungen und dergleichen weiter verbessert werden.
Auf diese Weise kann das gemäß dem vorliegenden Beispiel erhaltene geschichtete piezoelektrische Element 1 mit den Herausführungselektroden 34 versehen werden, die leicht elastisch verformt werden und eine ausreichende Haftungsfestigkeit aufweisen.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde zur Herstellung des Keramiklaminats 10 das Verfahren zur Ausbildung des Laminats durch Anhaften zwischen den piezoelektrischen Einheiten mit Haftmittel nach deren Kalzinierung verwendet. Anstelle diese Verfahrens kann jedoch ebenso ein Verfahren zum Kalzinieren der piezoelektrischen Einheit in einstückiger Bauart nach einem Stapeln der Schichten im Zustand eines Grünlings sowie andere Verfahren verwendet werden.
Obwohl die Teilelektrodenstruktur für das Keramiklaminat 10 verwendet wurde, kann ebenfalls die Gesamtelektrodenstruktur verwendet werden.
Obwohl ferner ein Keramiklaminat 10 in quadratischer Bauart verwendet wurde, können verschiedene Formen wie etwa eine kreisförmige Bauart, eine hexagonale Bauart, oder eine oktagonale Bauart ebenfalls verwendet werden.
Beispiel 2
Bei dem vorliegenden Beispiel zeigen die 7(a) bis 7(c) und die 8(a) bis 8(b) Beispiele der Anordnung der durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 mit der freiliegenden Fläche 332, die ausgebildet wurden, indem ein Eindringen des elektrisch leitenden Haftmittels 33 durch die durchgehenden Löcher 341 der Herausführungselektrode 34 und deren Freiliegen ermöglicht wird.
In 7(a) weist jede der freiliegenden Flächen 332 die Form eines Punktes auf, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind in einer Reihe in der Längsführung der Herausführungselektroden 34 angeordnet.
In 7(b) weist jede der freiliegenden Flächen 332 die Form eines Punktes auf, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind in zwei Reihen in der Längsrichtung der Herausführungselektrode 34 angeordnet. Die zwei Reihen von durchdringend freiliegenden Abschnitten 331 sind zueinander verschoben.
In 7(c) weist jede der freiliegenden Flächen 332 die Form eines Punktes auf, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 sind zufällig auf den Herausführungselektroden 34 angeordnet.
In 8(a) weist die freiliegende Fläche 332 die Form einer kontinuierlich geraden Linie auf, und der durchdringend freiliegende Abschnitt 331 ist in einer geraden Linie in der Längsrichtung der Herausführungselektrode 34 angeordnet.
In 8(b) weist die freiliegende Fläche 332 die Form einer kontinuierlichen Kurve auf, und der durchdringend freiliegende Abschnitt 331 ist in einer Kurve in der Längsrichtung der Herausführungselektrode 34 angeordnet.
In 8(c) weist jede der freiliegenden Flächen 332 die Form einer unterbrochenen geraden Linie auf, und viele durchdringend freiliegende Abschnitte 331 sind in der Längsrichtung der Herausführungselektroden 34 angeordnet.
In 8(d) weist jede der freiliegenden Flächen 332 die Form einer unterbrochenen Kurve auf, und viele durchdringend freiliegende Abschnitte 331 sind in der Längsrichtung der Herausführungselektroden 34 angeordnet.
Jede dieser Anordnungen der durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 kann ähnliche Wirkungen wie gemäß Beispiel 1 bereitstellen.
Beispiel 3
Bei dem vorliegenden Beispiel werden unter Verwendung der 9(a) bis 9(d) Beispiele für Formen der durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 mit der freiliegenden Fläche 332 beschrieben, die durch Eindringen in des elektrisch leitenden Haftmittels 33 durch die durchgehenden Löcher 341 (die in den 9(a) bis 9(b) weggelassen sind) und deren Freilegen ausgebildet wurden.
Bei dem vorliegenden Beispiel sind beispielsweise in den 7(a) bis 7(c) nach Beispiel 2 gezeigte Beispiele der durchdringend freiliegenden Abschnitte 331 (die nachstehend als Punkte bezeichnet werden) gezeigt, die durch Verteilen in einen oder mehrere Abschnitte angeordnet sind.
In 9(a) weist der Punkt 331 die Form beispielsweise eines kreisförmigen Zylinders, eines Primas oder dergleichen auf, und dessen Längsschnitt ist ungefähr 1 Quadrat.
In 9(b) weist der Punkt 331 die Form beispielsweise eines kreisförmigen Kegelstumpfes, eines Pyramidenstumpfes oder dergleichen auf, und dessen Längsquerschnitt ist ungefähr ein Trapezoid.
In 9(c) weist der Punkt 331 die Form beispielsweise eines kreisförmigen Kegels, einer Pyramide oder dergleichen auf, und dessen Längsschnitt ist ungefähr ein Dreieck.
In 9(d) weist der Punkt 331 die Form beispielsweise eines kreisförmigen Kegelstumpfes auf, wobei dessen Oberfläche nicht eben sondern uneben ist.
Jeder dieser Formen der Punkte 331 kann ähnliche Wirkungen wie bei Beispiel 1 bereitstellen.
Beispiel 4
Bei dem vorliegenden Beispiel wurden für das in Beispiel 1 erhaltene geschichtete piezoelektrische Element 1 die Anhaftungsstärke der Herausführungselektrode 34 mit dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 und die Anzahl der Betriebsvorgänge, bis ein fehlerhafter Betriebsvorgang verursacht wird, unter wiederholtem Anlegen eines elektrischen Feldes an das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemessen und gemäß dem Punktabstand bewertet.
Jeder der Punkte 331 weist die Form eines kreisförmigen Zylinders auf, und die Punkte 331 sind in einer Reihe in der Längsrichtung in regelmäßigen Abständen auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 angeordnet. Die Fläche des Punktes beträgt 0,8 mm².
Dabei bedeutet der Punktabstand eine Durchschnittsanzahl von zwischen beiden Mittelpunkten von zwei benachbarten Punkten 331 gestapelten piezoelektrischen Schichten.
Die Punktfläche bedeutet eine Durchschnittsfläche (mm²) der freiliegenden Flächen 332 der Punkte 331.
Diese Begriffe werden auch bei dem nachstehend wiedergegebenen Beispiel 5 verwendet.
Die 10 und 11 zeigen die Ergebnisse der Messungen. In jeder Figur gibt die vertikale Achse die Anhaftungsstärke bzw. die Anzahl der Betriebsvorgänge und die horizontale Achse den Punktabstand (in Schichten) an.
10 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Punktabstand und der Anhaftungsstärke. Sie zeigt, dass die Anhaftungsstärke sinkt, wenn der Punktabstand größer als 100 Schichten ist.
11 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Punktabstand und der Anzahl der Betriebsvorgänge. Sie zeigt, dass die Anzahl der Betriebsvorgänge sinkt, wenn der Punktabstand weniger als 5 Schichten beträgt.
Aus diesen Ergebnissen im Bereich von 5 bis 100 Schichten des Punktabstandes kann geschlossen werden, dass sowohl die Anhaftungsstärke der Herausführungselektrode 34 als auch die Anzahl der Betriebsvorgänge des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 ausreichend befriedigt sein können, wie auch die anderen Wirkungen nach Beispiel 1 erzielt werden.
Beispiel 5
Bei dem vorliegenden Beispiel wurden für das bei Beispiel 1 erhaltene geschichtete piezoelektrische Element 1 die Anhaftungsstärke der Herausführungselektrode 34 mit dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 und die Anzahl der Betriebsvorgänge, bis ein fehlerhafter Betriebsvorgang verursacht wurde, unter wiederholtem Anlegen eines elektrischen Feldes an das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemessen und gemäß einem Punktabstand bewertet.
Jeder der Punkte 331 weist die Form eines kreisförmigen Zylinders auf, und die Punkte 331 sind in einer Reihe in der Längsrichtung mit regelmäßigen Abständen auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 angeordnet. Der Punktabstand beträgt 30 Schichten.
12 und 13 zeigen die Ergebnisse der Messungen. In jeder Figur bezeichnet die vertikale Achse die Anhaftungsstärke (N) bzw. die Anzahl an Betriebsvorgängen (Vorgänge), und die horizontale Achse bezeichnet die Punktfläche (mm²).
12 zeigt den Zusammenhang zwischen der Punktfläche und der Anhaftungsstärke. Es ist gezeigt, dass die Anhaftungsstärke sinkt, wenn die Punktfläche weniger als 2 × 10^-3 mm² beträgt.
13 zeigt den Zusammenhang zwischen der Punktfläche und der Anzahl an Betriebsvorgängen. Sie zeigt, dass die Anzahl an Betriebsvorgängen sinkt, wenn die Punktfläche größer als 13 mm² ist.
Gemäß diesen Ergebnissen kann im Bereich von 2 × 10^-3 bis 13 mm² für die Punktfläche angeordnet werden, so dass sowohl die Anhaftungsstärke der Herausführungselektrode 34 als auch die Anzahl an Betriebsvorgängen des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 ausreichend befriedigt werden, und dieselben Wirkungen wie bei Beispiel 1 erzielt werden.
Beispiel 6
Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß Beispiel 1 als piezoelektrischer Aktuator einer Injektionseinrichtung 6 verwendet.
Die Injektionseinrichtung 6 gemäß dem vorliegenden Beispiel wird nach 14 für das Injektionssystem in der Bauart mit gemeinsamer Kraftstoffleitung für einen Dieselmotor verwendet.
Diese Injektionseinrichtung 6 umfasst gemäß 14 ein oberes Gehäuse 62, wo das geschichtete piezoelektrische Element 1 als Ansteuerungsteil eingebaut ist, und ein unteres Gehäuse 63, das mit dem unteren Ende des oberen Gehäuses fixiert ist, wo ein Injektionsdüsenabschnitt 64 intern ausgebildet ist.
Das obere Gehäuse 62 weist ungefähr die Form eines kreisförmigen Zylinders auf, und das geschichtete piezoelektrische Element 1 ist innerhalb eines Längslochs 621 eingefügt und fixiert, das gegen die Zentralachse dezentriert ist.
Auf der Seite des Längslochs 621 ist eine Hochdruckbrennstoffpassage 622 parallel angeordnet, und deren oberes Ende ist mit einer Kommunikationspassage durch eine Brennstoffeinlassröhre 623 versehen, die auf der oberen Seite des oberen Gehäuses 62 zu einer (in 14 weggelassenen) äußeren gemeinsamen Brennstoffleitung hervorsteht.
Das obere Gehäuse 62 ist außerdem mit einer Brennstoffauslassröhre 625 mit einer Kommunikationspassage zu einer Abflusspassage 624 vorspringend versehen, und ein aus der Brennstoffauslassröhre 625 herausfließender Brennstoff wird einem (in 14 weggelassenen) Brennstofftank zurückgeführt.
Die Abflusspassage 625 ist mit einer Kommunikationspassage durch eine Lücke 60 zwischen dem Längsloch 621 und dem Ansteuerungsteil (dem geschichteten piezoelektrischen Element) 1 zu einem Dreiwegeventil 651 über eine (in 14 weggelassene) Passage versehen, die sich von dieser Lücke 60 in dem oberen Gehäuse 62 und dem unteren Gehäuse 63 nach unten erstreckt.
Der Injektionsdüsenabschnitt 64 ist mit einer in einem Kolbenkörper 631 nach oben oder unten gleitenden Düsennadel 641 und einem Injektionsschlitz 643 versehen, der den Hochdruckbrennstoff, der von einem durch die Düsennadel 641 geöffneten/geschlossenen Brennstoffreservoir 642 zugeführt wird, an jeden Zylinder des Motors injiziert. Das Brennstoffreservoir 642 ist auf der Peripherie des Mittelabschnitts der Düsennadel 641 eingerichtet, und der Bodenabschnitt der Hochdruckbrennstoffpassage 622 ist dort geöffnet. Die Düsennadel 641 empfängt Brennstoffdruck in der Ventilöffnungsrichtung von dem Brennstoffreservoir 642 und sie empfängt außerdem Brennstoffdruck in der Ventilschließungsrichtung von einer dem oberen Bereich zugewandt bereitgestellten Rückdruckkammer 644. Wenn der Druck der Rückdruckkammer 644 fällt, hebt sich die Düsennadel 641 und der Injektionsschlitz 643 wird geöffnet, und der Brennstoff wird injiziert.
Der Druck der Rückdruckkammer 644 erhöht sich oder verringert sich durch das Dreiwegeventil 651. Das Dreiwegeventil 651 ist so konfiguriert, dass es mit einer Kommunikationspassage mit der Rückdruckkammer 644 und der Hochdruckbrennstoffpassage 622 oder der Abflusspassage 624 selektiv versehen ist. Ein Ventilelement mit der Form einer Kugel, die einen Anschluss mit einer Kommunikationspassage zu der Hochdruckbrennstoffpassage 622 oder der Abflusspassage 624 öffnet oder schließt, ist dort bereitgestellt. Dieses Ventilelement verzweigt sich von dem Ansteuerungsteil 1 über einen Kolben 652 mit einem großen Durchmesser, einer Öldruckkammer 653 und einen Kolben 652 mit kleinem Durchmesser.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß Beispiel 1 als Ansteuerungsquelle für die Injektionseinrichtung 6 mit der vorstehend beschriebenen Struktur verwendet. Dieses geschichtete piezoelektrische Element 1 ist gemäß vorstehender Beschreibung mit den Herausführungselektroden versehen, die gegenüber den Verschiebungen der piezoelektrischen Schichten leicht elastisch verformt werden können und eine ausreichende Anhaftungsstärke aufweisen. Daher kann die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des gesamten Injektionssystems 6 verbessert werden.
So ist nach vorstehender Beschreibung ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das ein Keramiklaminat 10 mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten 20 und internen Elektrodenschichten 21, 22, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, sowie Herausführungselektroden 34 zum Zuführen elektrischer Energie, die mit Seitenflächen 101, 102 des Keramiklaminats 10 über ein elektrisch leitendes Haftmittel 33 verbunden sind, umfasst. Zudem weist jede der Herausführungselektroden eine Netzform mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf, und erlaubt dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 ein Eindringen in die durchgehenden Löcher. Im Bereich von 50% oder mehr an Fläche einer Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode 34 und dem elektrisch leitenden Haftmittel 33 beträgt die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels 33 weniger als die Dicke der Herausführungselektrode.

Claims

Geschichtetes piezoelektrisches Element mit einem Keramiklaminat mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, sowie Herausführungselektroden für die Zufuhr von elektrischer Energie, die mit den Seitenflächen des Keramiklaminats über ein elektrisch leitfähiges Haftmittel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Herausführungselektrode die Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern aufweist, und dem elektrisch leitenden Haftmittel das Eindringen in die durchgehenden Löcher erlaubt, und im Bereich von 50% oder mehr der Fläche einer Gesamtverbindungsfläche zwischen der Herausführungselektrode und dem elektrisch leitenden Haftmittel die Dicke des in die durchgehenden Löcher eindringenden elektrisch leitenden Haftmittels geringer als die Dicke der Herausführungselektrode ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Haftmittel einen oder mehr durchdringend freiliegende Abschnitte mit einer freiliegenden Fläche aufweist, die in das durchgehende Loch eindringen und auf der Oberflächenseite der Herausführungselektrode freigelegt sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, wobei der durchdringend freiliegende Abschnitt die Form eines Punktes aufweist, und die durchdringend freiliegenden Abschnitte an mehreren verstreuten Stellen angeordnet sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 3, wobei die Größe der freiliegenden Fläche der durchdringend freiliegenden Abschnitte im Bereich von 2 × 10^-3 mm² bis 13 mm² liegt.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, wobei jeder der durchdringend freiliegenden Abschnitte eine freiliegende Fläche mit der Form einer kontinuierlichen oder unterbrochenen geraden Linie oder Kurve aufweist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei jeder der durchdringend freiliegende Abschnitte von einer Oberfläche der Herausführungselektrode zumindest zu einem Abschnitt der freiliegenden Fläche vorsteht, und das Ausmaß des Vorstehens im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm liegt.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das geschichtete piezoelektrische Element ein piezoelektrischer Aktuator für eine Injektionseinrichtung ist, der als Ansteuerungskraft der Injektionseinrichtung verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements mit einem Keramiklaminat mit aus einem piezoelektrischen Material zusammengesetzten piezoelektrischen Schichten und internen Elektrodenschichten, die jeweils abwechselnd gestapelt sind, sowie mit Herausführungselektroden für die Zufuhr von elektrischer Energie, die mit Seitenflächen des Keramiklaminats über ein elektrisch leitendes Haftmittel verbunden sind, gekennzeichnet durch einen Laminatausbildungsschritt zum Ausbilden des Keramiklaminats durch abwechselndes Stapeln der piezoelektrischen Schicht und der internen Elektrodenschicht, einen Haftmittelaufbringungsschritt zum Aufbringen des elektrisch leitenden Haftmittels auf den Seitenflächen des Keramiklaminats, dünner als die Dicke der Herausführungselektrode, und einen Herausführungselektrodenanordnungsschritt zum Ausbilden eines oder mehrerer durchdringend freiliegender Abschnitte mit einer freiliegenden Fläche, welche ein durchgehendes Loch durchdringen und auf der Oberflächenseite der Herausführungselektroden freiliegen, an Abschnitten, die unter Druck mit einem Druckelement in Kontakt stehen, indem die Herausführungselektroden mit der Form eines Netzes mit einer Vielzahl von durchgehenden Löchern auf einer Oberfläche des elektrisch leitenden Haftmittels angeordnet werden, und das elektrisch leitende Haftmittel in einem Zustand ausgeheilt wird, bei dem die Herausführungselektrode auf einer Oberfläche durch das Druckelement gepresst wird.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten piezoelektrischen Elements nach Anspruch 8, wobei das Druckelement einen oder mehr Stiftabschnitte, die unter Druck mit der Herausführungselektrode in Kontakt kommen, sowie eine oder mehr Federn aufweist, die jedem der Stiftabschnitte in Vorwärtsrichtung jeweils einen Impuls verleihen, und das so aufgebaut ist, dass die Stiftabschnitte gegen die Impulskraft der Federn zurückweichen können, wenn die Stiftabschnitte unter Druck mit der Herausführungselektrode in Kontakt kommen.