DE102004012283A1

DE102004012283A1 - Piezoelektrisches Stellglied, Herstellungsverfahren und Einspritzdüse

Info

Publication number: DE102004012283A1
Application number: DE200410012283
Authority: DE
Inventors: Ken Kariya Mizutani; Yoshinori Kariya Ohmi; Satoshi Kariya Hayashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2004-11-11
Also published as: JP2004297042A; JP4715097B2

Abstract

Die Patentanmeldung befasst sich mit einem piezoelektrischen Stellglied mit verbesserter Haltbarkeit, einem Herstellungsverfahren dafür und einer Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung, in der dieses piezoelektrische Stellglied eingebaut ist. Das piezoelektrische Stellglied (1) beherbert ein piezoelektrisches Schichtelement (10) in einem Ausbewahrungsgehäuse (20), das einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt (21) hat, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann. In dem piezoelektrischen Stellglied (1) ist eine auf einer elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) des Aufbewahrungsgehäuses (20) basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement (10) in der Richtung wirkt, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, auf Null bzw. auf weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrischen Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N eingestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Stellglied mit einem piezoelektrischen Schichtelement, auf ein Herstellungsverfahren dafür und auf eine Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung mit einem solchen darin eingebauten piezoelektrischen Stellglied.

Wenn ein piezoelektrisches Schichtelement lastfrei betrieben wird, besteht generell die Möglichkeit, dass es in den übereinander geschichteten Keramikschichten oder Elektrodenschichten zu einer Schichttrennung kommt, bei der einige der miteinander verbundenen Schichten durch die Antriebskraft getrennt werden, die in dem piezoelektrischen Schichtelement aufgrund des piezoelektrischen Effekts entsteht.

Angesichts dessen muss bei der Verwendung eines piezoelektrischen Schichtelements eine Vorlast (eingestellte Last) aufgebracht werden, die größer oder gleich einem vorgeschriebenen Betrag ist und das piezoelektrische Schichtelement in Axialrichtung zusammenpresst.

Bei einem piezoelektrischen Stellglied, das das piezoelektrische Schichtelement in einem Gehäuse beherbergt, das einen aus einem Metallbalg oder dergleichen bestehenden Expansions-/Kontraktionsabschnitt hat, kann der Fall auftreten, dass das piezoelektrische Schichtelement so in dem Gehäuse untergebracht ist, das es, wenn das piezoelektrische Stellglied allein verwendet wird, zu einer Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts kommt. Mit anderen Worten wird die Vorlast dabei durch die elastische Kraft erzeugt, die die Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts des Gehäuses begleitet. (Siehe hierzu beispielsweise JP 2002-26410 A, Absatz [0008] der Beschreibung und 1.) Dieses herkömmliche piezoelektrische Stellglied hat jedoch das folgende Problem: Auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt, der sich unter Erzeugung der elastischen Kraft ausdehnt, wirkt ständig eine Zugspannung, weswegen es leicht zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Wenn auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt ständig eine Zugspannung wirkt, besteht die Tendenz, dass sich dessen Ermüdungsdauerfestigkeit verkürzt und dass sich für das piezoelektrische Stellglied nur schwer eine ausreichende Produktlebensdauer sicher stellen lässt.

Angesichts dieses Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Stellglied mit hervorragender Haltbarkeit, ein Herstellungsverfahren dafür und eine Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung mit einem solchen darin eingebauten piezoelektrischen Stellglied zur Verfügung zu stellen.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu ein piezoelektrisches Stellglied vor, das ein piezoelektrisches Schichtelement in einem Aufbewahrungsgehäuse beherbergt, das einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt hat, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine auf der elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts des Aufbewahrungsgehäuses basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement in der Richtung wirkt, dass es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt (Anspruch 1).

In dem obigen piezoelektrischen Stellglied gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist also die auf der elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts basierende Gehäuselast, die von dem Aufbewahrungsgehäuse aus auf das piezoelektrische Schichtelement in der Richtung wirkt, dass es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, auf eine Last eingestellt, die weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.

Mit anderen Worten wird die Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts auf einen bestimmten Bereich beschränkt, so dass der Wert der Gehäuselast in den oben genannten Belastungsbereich fällt.

Daher besteht eine nur geringe Wahrscheinlichkeit, dass in dem obigen piezoelektrischen Stellglied auf den Expansions-/Kontraktionsabschnitt ständig eine zu große Zugspannung wirkt.

Und zwar ist, wenn auf den Expansions-/Kontraktionsabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses eine Dehnung von 0,1% aufgebracht wird, die der Expansions-/Kontraktionsverlagerung eines üblichen piezoelektrischen Schichtelements entspricht, die Wahrscheinlichkeit eines Ermüdungsbruches des Expansions-/Kontraktionsabschnitts bei wiederholter Betätigung des piezoelektrischen Schichtelements äußerst gering, wenn die Zugbelastung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts bei eingerichtetem (eingebautem) piezoelektrischen Schichtelement weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schicht element erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.

Daher ist die auch Wahrscheinlichkeit gering, dass es zu einem Ermüdungsdefekt des Expansions-/Kontraktionsabschnitts kommt, und kann das piezoelektrische Stellglied über eine lange Zeitdauer eine hervorragende Leistungsfähigkeit zeigen.

Das piezoelektrische Schichtelement kann bloß ein Keramikschichtkörper sein, der den piezoelektrischen Effekt zeigt, oder auch ein Element, dass einen Keramikschichtkörper, ein dessen Endflächen schützendes Haltebauteil, ein die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte Antriebskraft nach außen übertragendes Antriebskraftübertragungsbauteil usw. umfasst.

Bei der oben beschriebenen ersten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Gehäuselast vorzugsweise weniger als ein Hunderstel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N (Anspruch 2).

Wenn sich die Last generell einstellen lässt, d.h. wenn die Zugbelastung auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt bei eingerichtetem (eingebauten) piezoelektrischen Schichtelement weniger als ein Hunderstel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N beträgt, reicht die Einrichtungsgenauigkeit bei eingerichtetem piezoelektrischem Schichtelement aus, um die Ermüdung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts bei wiederholter Betätigung des piezoelektrischen Schichtelements zu verhindern.

Dabei kommt es vorzugsweise zu keiner Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts und beträgt die Gehäuselast Null (Anspruch drei).

In diesem Fall lässt sich dadurch, dass die ständig auf den Expansions-/Kontraktionsabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses wirkende Zugspannung auf Null reduziert wird, die Wahrscheinlichkeit verringern, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt zu einem Ermüdungsdefekt kommt, und lässt sich die Produktlebensdauer des piezoelektrischen Stellglieds weiter verlängern.

Die Gehäuselast lässt sich beispielsweise auf Null reduzieren, indem das piezoelektrische Schichtelement so in dem Aufbewahrungsgehäuse untergebracht wird, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt zu keiner Dehnung kommt.

Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung vor, in der ein piezoelektrischen Stellglied eingebaut ist, das ein piezoelektrisches Schichtelement in einem Aufbewahrungsgehäuse beherbergt, das einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt hat, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein elastisches Bauteil enthält, das in Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements auf eine Betriebsfläche, auf der die Antriebskraft des piezoelektrischen Stellglieds wirkt, eine Last aufbringt, und dass eine auf einer elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts des Aufbewahrungsgehäuses basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement in der Richtung wirkt, dass es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, in dem piezo elektrischen Stellglied allein weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt (Anspruch 4).

Die Einspritzdüse gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung enthält also das elastische Bauteil, um auf der Betriebsfläche des zum Antrieb der Einspritzdüse dienenden piezoelektrischen Stellglieds in der Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements eine Last vorzusehen bzw. auf diese aufzubringen.

In der obigen Einspritzdüse wird daher für eine Vorlast gesorgt, die der Summe der auf der elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts basierenden Gehäuselast, die von dem Aufbewahrungsgehäuse aus auf dem piezoelektrischen Schichtelement in seiner Axialrichtung wirkt, und der durch das elastische Bauteil erzeugten Last auf dem piezoelektrischen Schichtelement entspricht.

Demzufolge lässt sich in der obigen Einspritzdüse die ständig auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkende Zugspannung reduzieren, was die vom Expansions-/Kontraktionsabschnitt zu erzeugende elastische Kraft und seine Dehnung verringert.

Nebenbei gesagt steht der Ausdruck „das piezoelektrische Stellglied allein" für den Zustand des piezoelektrischen Stellglieds, in dem es sich befindet, wenn es noch nicht in die Einspritzdüse eingebaut ist.

Da bei der Einspritzdüse gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung auf das piezoelektrische Schichtelement eine ausreichende Vorlast ausgeübt wird, kommt es bei ihr selten zu Schwierigkeiten wie einer Schichttrennung usw. und hat sie eine hervorragende Haltbarkeit und Zuverlässigkeit, wobei die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, lässt sich leicht eine Wartung vornehmen, etwa ein Austausch des auf der Außenseite des piezoelektrischen Stellglieds angeordneten elastischen Bauteils, weswegen die Einspritzdüse ihre hervorragende Leistungsfähigkeit über eine längere Zeitdauer zeigen kann.

Bei der oben beschriebenen zweiten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Gehäuselast vorzugsweise weniger als ein Hundertstel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N (Anspruch 5).

Dabei kommt es vorzugsweise zu keiner Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts und beträgt die Gehäuselast in dem piezoelektrischen Stellglied allein Null (Anspruch 6).

In diesem Fall lässt sich dadurch, dass die Verformungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts in dem piezoelektrischen Stellglied allein auf Null gehalten wird, die Wahrscheinlichkeit verringern, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt in dem in der Einspritzdüse eingebauten piezoelektrischen Stellglied zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass es in der oben beschriebenen Einspritzdüse an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt des piezoelektrischen Stellglieds zu einem Ermüdungsdefekt kommt, und kann die Einspritzdüse ihre hervorragende Leistungsfähigkeit über eine längere Zeitdauer beibehalten.

In dem Zustand, in dem das piezoelektrische Schichtelement in der Einspritzdüse eingebaut ist und das elastische Bauteil darauf eine Vorspannkraft ausübt, ist die Vorlast, die auf das piezoelektrische Schichtelement in der Richtung wirkt, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, vorzugsweise größer oder gleich einem Viertel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft (Anspruch 7).

In diesem Fall kann in Axialrichtung für eine ausreichende Vorlast auf das piezoelektrische Schichtelement gesorgt werden, das die zur Betätigung der Einspritzdüse dienende Antriebskraft erzeugt.

Dadurch, dass die ständig auf das Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkende Zugspannung reduziert wird, lässt sich die Wahrscheinlichkeit verringern, dass es in dem piezoelektrischen Schichtelement zu Schwierigkeiten wie einer Schichttrennung kommt, während gleichzeitig die Ermüdungsdauerfestigkeit verlängert wird.

Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds vor, das ein piezoelektrisches Schichtelement in einem Aufbewahrungsgehäuse beherbergt, das einen rohrförmigen Stammabschnitt, der zumindest teilweise einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt umfasst, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und eine Antriebstafel hat, die an einem Ende des Stammabschnitts angeordnet ist und auf der die Antriebskraft des piezoelektrischen Schichtelements wirkt, und bei dem mit dem anderen Ende des Stammabschnitts ein Fuß verbunden ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
einen Elementausbildungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement hergestellt wird;
einen Unterbringungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement durch einen offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses eingeführt und in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses an einer vorgeschriebenen Position eingerichtet wird; und
einen Verbindungsvorgang, in dem der Fuß so mit dem offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses verbunden wird, dass eine in Axialrichtung gelegene Endfläche des Fußes mit der hinteren Endfläche des in dem Aufbewahrungsgehäuse untergebrachten piezoelektrischen Schichtelements in Kontakt kommt, wobei
das piezoelektrische Schichtelement in dem Unterbringungsvorgang so in dem Aufbewahrungsgehäuse des piezoelektrischen Stellglieds untergebracht wird, dass die auf das piezoelektrische Schichtelement wirkende Gehäuselast in der Richtung, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt (Anspruch 8).

Der Unterbringungsvorgang in dem Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt also auf eine solche Weise, dass die Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement in dem piezoelektrischen Stellglied wirkt, weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.

Dadurch wird in dem durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren erzielten piezoelektrischen Stellglied die an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses auftretende Dehnung auf einen vorgeschriebenen Bereich beschränkt.

Durch die Reduzierung der ständig auf das Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkenden Zugspannung lässt sich demzufolge die Wahrscheinlichkeit verringern, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Daher lässt sich mit dem obigen Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Stellglieds ein piezoelektrisches Stellglied mit hervorragender Haltbarkeit und hoher Zuverlässigkeit herstellen.

Bei der oben beschriebenen dritten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Gehäuselast in dem Unterbringungsvorgang vorzugsweise weniger als ein Hundertstel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N (Anspruch 9).

Wenn die Last generell einstellbar ist, d.h. wenn die Zugbelastung auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt bei eingerichtetem piezoelektrischem Schichtelement weniger als ein Hundertstel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N beträgt, ist die Einrichtungsgenauigkeit bei eingerichtetem piezoelektrischem Schichtelement gegenüber einer Ermüdung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts bei wiederholter Betätigung des piezoelektrischen Schichtelements ausreichend hoch.

In dem Unterbringungsvorgang wird das piezoelektrische Schichtelement vorzugsweise an einer Einrichteposition eingerichtet, die bezogen auf eine Bezugseinführposition des piezoelektrischen Schichtelements in dem Aufbewahrungsgehäuse in der zur Einführrichtung des piezoelektrischen Schichtelements entgegengesetzten Richtung um eine Kontraktionslänge zurückgesetzt ist, die beim Verbindungsvorgang in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses erzeugt wird, wobei die Bezugseinführposition so festgesetzt ist, dass sie eine Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts realisiert, die beim Erzeugen einer elastischen Kraft auftritt, die im Großen und Ganzen der vorgeschriebenen Gehäuselast entspricht (Anspruch 10).

In diesem Fall wird also das piezoelektrische Schichtelement in dem Unterbringungsvorgang an der Einrichteposition eingerichtet, die unter Berücksichtigung der Kontraktion festgesetzt wurde, die in dem Aufbewahrungsgehäuse auftreten kann.

In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Stellglied kann daher die Dehnung des Expansions-/Kontraktions abschnitts so eingestellt werden, dass sie im Großen und Ganzen einem vorgesehenen Verformungswert entspricht.

Demzufolge ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die ständig auf das Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkende Zugspannung zu groß ist und dass es in dem durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten piezoelektrischen Stellglied zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Die vorgeschriebene Gehäuselast von weniger als einem Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft oder von weniger als 100 N schließt eine Last von Null ein.

Wenn die vorgeschriebene Gehäuselast Null beträgt, kann die Bezugseinführposition beliebig in einem Bereich zwischen einer Position, an der die Wirkendfläche des Aufbewahrungsgehäuses lastfrei mit der vorderen Endfläche des piezoelektrischen Schichtelements in Kontakt kommt, und einer Position liegen, an der ein Spalt auftritt.

Die Einrichteposition entspricht dabei vorzugsweise einer Position, an der ein Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements mit der Antriebstafel des Aufbewahrungsgehäuses in Kontakt kommt, dessen Expansions-/Kontraktionsabschnitt um eine Verformungslänge zusammengedrückt worden ist, die der Kontraktionslänge des Aufbewahrungsgehäuses minus der Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts entspricht, die beim Erzeugen einer elastischen Kraft auftritt, die im Großen und Ganzen der vorgeschriebenen Gehäuselast entspricht (Anspruch 11).

Indem das piezoelektrische Schichtelement in diesem Fall vollständig in das Aufbewahrungsgehäuse eingeführt wird, dessen Expansions-/Kontraktionsabschnitt zusammengedrückt worden ist, lässt sich der Unterbringungsvorgang leicht und sicher durchführen.

In dem oben beschriebenen piezoelektrischen Stellglied kann die vorgeschriebene Gehäuselast von der Wirkendfläche aus auf dem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements vorgesehen bzw. auf diesen aufgebracht werden, wenn zumindest ein Teil der in dem Verbindungsvorgang erzeugten Kontraktionslänge des Aufbewahrungsgehäuses durch die freie Ausdehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts aufgehoben wird.

Die vorgeschriebene Gehäuselast beträgt vorzugsweise Null, wobei die Bezugseinführposition einer Position entspricht, an der zwischen einem Endabschnitt in Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements und der Wirkendfläche des Aufbewahrungsgehäuses ein Spalt gebildet wird, der größer oder gleich der Kontraktionslänge ist (Anspruch 12).

In diesem Fall kann in dem piezoelektrischen Stellglied zwischen dem piezoelektrischen Schichtelement und der Wirkendfläche ein Spalt gebildet werden, durch den die an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses auftretende Dehnung auf jeden Fall auf Null gesenkt werden.

Dadurch, dass die ständig auf das Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkende Zugspannung auf Null reduziert wird, lässt sich die Wahrscheinlichkeit verringern, dass es zu einem Ermüdungsdefekt kommt.

Der Verbindungsvorgang entspricht dabei vorzugsweise einem Vorgang, bei dem der Fuß mit dem offenen Endabschnitt verschweißt wird (Anspruch 13).

In diesem Fall besteht beim Verbindungsvorgang eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es in der Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses zu einer Kontraktion kommt, was das Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung besonders effektiv macht.

Das Schweißverfahren schließt Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, WIG-Schweißen usw. ein.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 im Schnitt den Aufbau eines piezoelektrischen Stellglieds in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Diagramm zur Erläuterung des Aufdruckens eines Elektrodendruckmusters im ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein Diagramm zur Erläuterung des Aufschichtens eines Keramikschichtkörpers im ersten Ausführungsbeispiel;
4 im Schnitt den Schichtaufbau des Keramikschichtkörpers im ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein Diagramm zur Erläuterung eines Unterbringungsvorgangs im ersten Ausführungsbeispiel;
6 ein Diagramm zur Erläuterung des Montageaufbaus beim Unterbringungsvorgang im ersten Ausführungsbeispiel;
7 im Schnitt den Aufbau eines weiteren piezoelektrischen Stellglieds in einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels;
8 im Schnitt den Aufbau eines weiteren piezoelektrischen Stellglieds in einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels;
9 ein Diagramm zur Erläuterung der Montage in einem Unterbringungsvorgang in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 im Schnitt den Aufbau einer Einspritzdüse mit einem darin eingebauten piezoelektrischen Stellglied in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
11 in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der Gehäuselast und der Amplitude eines piezoelektrischen Schichtelements in einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Erstes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 wird im Folgenden ein piezoelektrisches Stellglied 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieses piezoelektrischen Stellglieds 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.
Wie in 1 gezeigt ist, ist in dem piezoelektrischen Stellglied 1 dieses Ausführungsbeispiels ein piezoelektrisches Schichtelement 10 in einem Aufbewahrungsgehäuse 20 untergebracht, das einen Expansions-/ Kontraktionsabschnitt 21 hat, der sich in Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements 10 elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann.
In dem piezoelektrischen Stellglied 1 ist die auf der elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 des Aufbewahrungsgehäuses 20 basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement 10 in der Richtung wirkt, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, Null.
Dies wird nun genauer erläutert.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das piezoelektrische Schichtelement 10 einen aus abwechselnd übereinander geschichteten Keramikschichten 111 und Elektrodenschichten 112 bestehenden Keramikschichtkörper 11 sowie ein Haltebauteil 12 und ein Übertragungsbauteil 13, die in Aufschichtungsrichtung mit den beiden Endflächen des Keramikschichtkörpers 11 verbunden sind.
Der Keramikschichtkörper 11 enthält 50 bis 700 Schichten, in denen die 50 bis 200 μm dicken Keramikschichten 111 und die 0,5 bis 5 μm dicken Elektrodenschichten 112 abwechselnd übereinander geschichtet sind.
Wie in 3 gezeigt ist, hat der Keramikschichtkörper 11 in diesem Ausführungsbeispiel einen Teilelektrodenaufbau aus übereinander geschichteten Keramiklagenplättchen 521, auf denen ein Elektrodenabschnitt 503 und ein Leerabschnitt 504 ausgebildet sind.
Wie in 4 gezeigt ist, ist an der Außenumfangsfläche des Keramikschichtkörpers 11 ein Paar Seitenebenen 115 ausgebildet, die zueinander entgegengesetzt liegen und parallel zur Axialrichtung des Keramikschichtkörpers 11 verlaufen, und ist die Querschnittsfläche des Keramikschichtkörpers 11 in der zur Aufschichtungsrichtung des Keramikschichtkörpers 11 senkrechten Richtung im Großen und Ganzen tonnenförmig.
Wie in 1 gezeigt ist, ist mit den Seitenebenen 115 jeweils eine Seitenelektrode 116 verbunden. Die Seitenelektroden 116 sind jeweils elektrisch mit den Elektrodenschichten 112 verbunden, die die Elektrodenabschnitte 503 enthalten, die bei jeder zweiten Schicht an der Seitenebene 115 frei liegen, wobei die elektrisch mit einer der Seitenelektroden 116 verbundenen Elektrodenschichten 112 elektrisch von den mit der anderen Seitenelektrode 116 verbundenen Elektrodenschichten 112 isoliert sind.
Ein Endabschnitt der Seitenelektrode 116 ist elektrisch mit einem Elektrodenanschluss 117 verbunden, der, wie in 1 gezeigt ist, an dem mit der Endfläche des Keramikschichtkörpers 11 verbundenen Haltebauteil 12 angeordnet ist.
Das piezoelektrische Stellglied 1 ist so gestaltet, dass dann, wenn mit dem piezoelektrischen Schichtelement 10 der später noch ausführlicher beschriebene Fuß 30 verbunden wird, über die Elektrodenanschlüsse 117 die Seitenelektroden 116 und ein Paar durch den Fuß 30 gehender Außenelektroden 31 verbunden werden.
Das piezoelektrische Schichtelement 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass eine Antriebskraft erzeugt wird, wenn von den Außenelektroden 31 aus elektrische Energie zugeführt wird.
Wie in 1 gezeigt ist, hat das Übertragungsbauteil 13 an der anderen Endfläche des Keramikschichtkörpers 11 im Großen und Ganzen eine Doppelsäulenform, bei der zwei Säulenarten miteinander verbunden sind, da es einen Verbindungsabschnitt 131 mit einem Durchmesser, der im Großen und Ganzen dem des Keramikschichtkörpers 11 entspricht, und einen Stababschnitt 132 mit einem Durchmesser, der kleiner als der Verbindungsabschnitt 131 ist, umfasst.
Die vordere Endfläche des Stababschnitts 132 kommt bei Verwendung des piezoelektrischen Stellglieds 1 mit einer Wirkendfläche 221 des Aufbewahrungsgehäuses 20 in Kontakt, die später beschrieben wird.
Wie in 1 gezeigt ist, hat das Aufbewahrungsgehäuse 20 im Großen und Ganzen eine Becherform und umfasst einen zylinderförmigen Stammabschnitt 24 und eine Antriebstafel 22, die eine Betriebsfläche 100 zur Übertragung der Antriebskraft des piezoelektrischen Stellglieds 1 bildet.
Auf der Rückseite der Antriebstafel 22 ist die Wirkendfläche 221 ausgebildet, die mit der vorderen Endfläche des Übertragungsbauteils 13 in Kontakt kommt.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Stammabschnitt 24 den Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21, der aus einem Metallbalg besteht und in der Nähe des Endabschnitts nahe der Wirkendfläche 221 angeordnet ist. Der Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 ist so gestaltet, dass er so an den Außenumfangsseiten des Stababschnitts 132 des Übertragungsbauteils 13 des piezoelektrischen Schichtelements 10 eingerichtet ist, dass zwischen dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 und der Außen umfangsfläche des Stababschnitts 132 ein vorgeschriebener Spalt vorhanden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Antriebstafel 22 nahe dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 mit dem Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses 20 durch Laserschweißung verbunden.
Der mit der Antriebstafel 22 verbundene Abschnitt des Aufbewahrungsgehäuses 20 kann mit Hilfe einer Hydraulikpresse usw. durch Tiefziehen einstückig mit dem Stammabschnitt 24 ausgebildet werden.
Wie in 1 gezeigt ist, besteht der Fuß 30 aus einem im Großen und Ganzen säulenförmigen Bauteil aus rostfreiem Stahl SUS304, durch das ein Paar Außenelektroden 31 geht. Die Spalte zwischen dem Fuß 30 und den durch ihn hindurch gehenden Außenelektroden 31 sind mit luftdicht schließenden Glasdichtungen 33 abgedichtet.
Darüber hinaus ist an dem Endabschnitt des Fußes 30 nahe dem Aufbewahrungsgehäuse 20 ein Einfuhrabschnitt 32 ausgebildet, der in den Stammabschnitt 24 des Aufbewahrungsgehäuses 20 einzuführen ist.
In dem piezoelektrischen Stellglied 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind das Aufbewahrungsgehäuse 20 und der Fuß 30 wie in 1 gezeigt durch Laserschweißung an dem in den Stammabschnitt 24 eingeführten Einfuhrabschnitt 32 verbunden.
In dem piezoelektrischen Stellglied 1 ist die Unterbringungsposition des piezoelektrischen Schichtelements 10 in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 dadurch festgesetzt, dass der Endabschnitt des Fußes 30 nahe dem Einfuhr abschnitt 32 mit dem Endabschnitt des Haltebauteils 12 des piezoelektrischen Schichtelements 10 in Kontakt kommt.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Stellglieds 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Der Herstellungsablauf für das piezoelektrische Stellglied 1 umfasst: einen Elementausbildungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement 10 hergestellt wird; einen Unterbringungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement 10 durch einen offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses 20 eingeführt und an einer vorgeschriebenen Position in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses 20 eingerichtet wird; und einen Verbindungsvorgang, in dem der Fuß 30 so mit dem offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses 20 verbunden wird, dass die Endfläche des Fußes 30 in Axialrichtung mit der hinteren Endfläche des an der vorgeschriebenen Position eingerichteten piezoelektrischen Schichtelements 10 in Kontakt kommt.
Es wird zunächst der Elementausbildungsvorgang zur Herstellung des piezoelektrischen Schichtelements 10 erläutert.
Vor der Herstellung des das piezoelektrische Schichtelement 10 ergebenden Keramikschichtkörpers 11 wird zunächst aus einer Schlämme für eine Grünlage, die dem Material des piezoelektrischen Elements entspricht, eine Grünlage 500 hergestellt (siehe 2).
Die Schlämme wird wie folgt zubereitet: Nachdem ein Bindemittel und eine kleine Menge Weichmacher und Antischäummittel zu einem Keramikmaterial gegeben wurden, das eine piezoelektrische Keramik wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bildet, wird das Ganze in einem organischen Lösungsmittel verteilt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schlämme durch ein Schaberverfahren auf einen nicht gezeigten Trägerfilm aufgebracht und wird dann die 40 bis 250 μm dicke Grünlage 500 ausgebildet. Abgesehen von dem Schaberverfahren kann die Grünlage 500 auch durch ein Extrusionsformverfahren oder verschiedene andere Verfahren aus der Schlämme hergestellt werden.
Wie in 2 gezeigt ist, wird als Nächstes durch Siebdruck auf dem Bereich einer Aufschichtungsfläche 501 auf der Grünlage 500 eine Ag-Pd Paste aufgebracht, die ein leitendes Material darstellt. Auf der Aufschichtungsfläche 501 wird ein aus dem Elektrodenabschnitt 503 und dem Leerabschnitt 504 bestehendes Elektrodendruckmuster 502 ausgebildet, indem die Ag-Pd Paste bis auf einen Teil des Rands der Aufschichtungsfläche 501 auf der gesamten Aufschichtungsfläche 501 aufgebracht wird.
Danach wird auf die gesamte Aufschichtungsfläche 501, auf der das leitende Material aufgebracht worden ist, die Schlämme aufgebracht, um als Klebstoff zu dienen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, werden auf der Oberfläche der Grünlage 500 zwei Arten von Elektrodendruckmustern 502 aufgebracht, die zueinander spiegelbildlich sind, wobei die Lage des Leerabschnitts 504 auf der Grünlage 500 jedes Mal von der einen zu der anderen von zwei Positionen wechselt, wenn das Lagenplättchen 521 ausgestanzt wird.
Wie in 3 gezeigt ist, werden aus der Grünlage 500 dann die Lagenplättchen 521 mit den Elektrodendruckmuster 502 darauf ausgestanzt, die dann übereinander geschichtet werden.
Wie in 3 gezeigt ist, wird durch das Übereinanderschichten der Lagenplättchen 521 mit den beiden spiegelbildlichen Elektrodenmustern 502 ein (nicht gezeigter) Zwischenschichtkörper gebildet und wird gleichzeitig durch das Brennen des Zwischenschichtkörpers der Keramikschichtkörper 11 hergestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Zwischenschichtkörper, nachdem er zwei Stunden lang in einer 1200°C heißen Atmosphäre gebrannt wurde, im Ofen abgekühlt.
Dadurch bilden die auf den Aufschichtungsflächen 501 aufgebrachten Elektrodenabschnitte 503 im Keramikschichtkörper 11 die in 4 gezeigten übereinander geschichteten Elektrodenschichten 112. Der Keramikschichtkörper 11 hat dann einen Aufbau, bei dem die Elektrodenabschnitte 503 an jeder zweiten Elektrodenschicht 112 zu einer der beiden entgegengesetzten Seitenebenen hin frei liegen, wobei bei diesem Aufbau, wenn ein Leerabschnitt 504 in einer Elektrodenschicht 112 zu einer der Seitenebenen hin frei liegt, der Elektrodenabschnitt 503 in derselben Elektrodenschicht 112 zu der anderen Seitenebene hin frei liegt.
Das Paar im Großen und Ganzen flacher Seitenebenen 115 wird bei dem Keramikschichtkörper 11 dieses Ausführungsbeispiels dadurch gebildet, dass die Seitenebenen wie in 4 abgeflacht werden, an denen der Elektrodenabschnitt 503 und der Leerabschnitt 504 abwechselnd an jeder zweiten Schicht in Aufschichtungsrichtung auftreten.
Wie in 1 gezeigt ist, wird das piezoelektrische Schichtelement 10 in diesem Ausführungsbeispiel dadurch gebildet, dass mit den Seitenebenen 115 des Keramikschichtkörpers 11 jeweils mit Hilfe eines leitenden Klebstoffs die Seitenelektroden 116 verbunden werden und dass mit den beiden Endflächen des Keramikschichtkörpers 11 in seiner Aufschichtungsrichtung das Haltebauteil 12 und das Übertragungsbauteil 13 verbunden werden.
Für den leitenden Klebstoff kann eine Ag-Pd Paste, eine Ag Paste, eine Au Paste, eine Cu Paste oder dergleichen verwendet werden.
Als Nächstes wird der Unterbringungsvorgang zur Unterbringung des piezoelektrischen Schichtelements 10 in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 beschrieben.
Bei diesem Vorgang wird der Fuß 30 zunächst, wie in 5 gezeigt ist, nahe dem Haltebauteil 12 mit dem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel werden dadurch, dass die in dem Haltebauteil 12 angeordneten Elektrodenanschlüsse 117 und die Außenelektroden 31 des Fußes 30 durch Laserpunktschweißung verbunden werden, das Haltebauteil 12 und der Fuß 30 so zusammengebaut, dass beide Bauteile miteinander in Kontakt kommen.
Bevor das piezoelektrische Schichtelement 10 wie in 5 gezeigt in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 untergebracht wird, wird arithmetisch die Bezugseinführposition des piezoelektrischen Schichtelements 10 berechnet, an der die vordere Endfläche des Übertragungsbauteils 13 des piezoelektrischen Schichtelements 10 mit der Wirkendfläche 221 des Aufbewahrungsgehäuses 20 in Kontakt kommt und an der es gleichzeitig zu keiner Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 kommt. Dazu wird zunächst experimentell die Kontraktionslänge in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses 20 ermittelt, die in dem Verbindungsvorgang auftreten kann.
Dann wird das piezoelektrische Schichtelement 10 eingeführt und an der Einrichteposition eingerichtet, die von der Bezugseinführposition aus in der zu der Richtung, in der das piezoelektrische Schichtelement 10 eingeführt wird, entgegengesetzten Richtung um die Kontraktionslänge zurückgesetzt ist.
Experimentell wurde ermittelt, dass sich das Aufbewahrungsgehäuse 20 in diesem Ausführungsbeispiel in dem durch das Laserschweißen erfolgenden Verbindungsvorgang, der später beschrieben wird, etwa 70 μm in Axialrichtung zusammenzieht.
Wenn das piezoelektrische Schichtelement 10 in diesem Ausführungsbeispiel in der Einrichteposition eingerichtet wird, wird also zwischen der Wirkendfläche 221 des Aufbewahrungsgehäuses 20 und dem Endabschnitt des Übertragungsbauteils 13 des piezoelektrischen Schichtelements 10 wie in 6 gezeigt ein 70 μm großer Spalt G vorgesehen.
In dem Unterbringungsvorgang dieses Ausführungsbeispiels wird das piezoelektrische Schichtelement 10 also in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 untergebracht und an der in 6 gezeigten Einrichteposition eingerichtet.
Als Nächstes wird in dem Verbindungsvorgang der Fuß 30, der die Position des piezoelektrischen Schichtelements 10 in seiner Axialrichtung definiert, so mit dem Aufbewahrungsgehäuse 20 verbunden, dass die Einrichteposition des piezoelektrischen Schichtelements 10 bezüglich des Aufbewahrungsgehäuses 20 beibehalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Fuß 30 durch Laserschweißen mit dem Aufbewahrungsgehäuse 20 verbunden.
In dem Verbindungsvorgang zieht sich das Aufbewahrungsgehäuse 20 wie gesagt aufgrund der während des Schweißens erzeugten Hitze etwa 70 μm in Axialrichtung zusammen.
Der in dem Unterbringungsvorgang zwischen der Wirkendfläche 22 und dem Endabschnitt des Übertragungsbauteils 13 vorgesehene Spalt G (siehe 6) wird dann in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 wie in 1 gezeigt auf Null verringert.
Wenn es in dem Verbindungsvorgang wie erwartet zu der Kontraktion kommt, kommen die Wirkendfläche 22 und der Endabschnitt des Übertragungsbauteils 13, ohne dass eine Last anliegt, miteinander in Kontakt. Dabei tritt keine Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 des Aufbewahrungsgehäuses 20 auf.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das piezoelektrische Schichtelement also an einer Einrichteposition eingerichtet, die unter Berücksichtigung der Kontraktion des Aufbewahrungsgehäuses, die in dem Verbindungsvorgang auftreten kann, festgesetzt wurde. Daher lässt sich die Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 des piezoelektrischen Stellglieds 1 passend einstellen und die ständig auf dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 wirkende Zugspannung verringern.
Dadurch ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Wahrscheinlichkeit gering, dass es zu einem Ermüdungsdefekt des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 des piezoelektrischen Stellglieds 1 kommt, und kann das piezoelektrische Stellglied 1 in Betrieb über eine lange Zeitdauer eine hervorragende Leistungsfähigkeit zeigen.
Die Bezugseinführposition kann auch einer Position entsprechen, bei der zwischen der Wirkendfläche 221 und dem Übertragungsbauteil 13 ein Spalt ausgebildet ist. In diesem Fall liegt in dem fertigen piezoelektrischen Stellglied 1, wie in 7 gezeigt ist, zwischen der Wirkendfläche 22 und dem piezoelektrischen Schichtelement 10 ein Spalt vor. Dadurch lässt sich die Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 auf jeden Fall auch dann verhindern, wenn in dem Verbindungsvorgang ein mehr oder weniger großer Fehler beim Ausmaß der Kontraktion in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses 20 auftritt.
Darüber hinaus kann die vorgeschriebene Gehäuselast, die das in dem piezoelektrischen Stellglied 1 eingebaute piezoelektrische Schichtelement 10 in Axialrichtung zusammendrückt, auch in einem Bereich von weniger als einem Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement 10 erzeugten Antriebskraft bzw, von weniger als 100 N auf einen Wert von größer als Null eingestellt werden.
In diesem Fall entspricht die Bezugseinführposition einer Position, an der das piezoelektrische Schichtelement 10 so eingeführt ist, dass die durch die Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 bedingte elastische Kraft im Großen und Ganzen der vorgeschriebenen Gehäuselast entspricht. Die Einrichteposition ist dann von der Bezugseinführposition in der zur Einführrichtung entgegengesetzten Richtung um die in dem Verbindungsvorgang auftretende Kontraktionslänge zurückgesetzt.
Wie in 8 gezeigt ist, ist es auch möglich, den Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 in Axialrichtung über den gesamten Stammabschnitt 24 des Aufbewahrungsgehäuses 20 auszubilden und das piezoelektrische Schichtelement 10 innerhalb der Innenumfangsseite des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 anzuordnen.
In diesem Fall lässt sich dadurch, dass die pro Längeneinheit des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21 wirkende Spannung reduziert wird, die Ermüdungsdauerfestigkeit erhöhen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Hinblick darauf, wie der Unterbringungsvorgang durchgeführt wird.
In dem piezoelektrischen Stellglied 1 dieses Ausführungsbeispiels wird die Gehäuselast, die auf dem piezoelektrischen Schichtelement 10 in der Richtung wirkt, dass es in der Axialrichtung zusammengedrückt wird, auf eine vorgeschriebene Gehäuselast eingestellt, die in einem Bereich von weniger als einem Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement 10 erzeugten Antriebskraft oder von weniger als 100 N größer als Null ist.
In dem Unterbringungsvorgang dieses Ausführungsbeispiels wird das piezoelektrische Stellglied 1, wie in 9 gezeigt ist, so montiert, dass der Endabschnitt in Einführrichtung des piezoelektrischen Schichtelements 10 mit der Wirkendfläche 221 des zuvor in Axialrichtung zusammengedrückten Aufbewahrungsgehäuses 20 in Kontakt kommt.
Bevor der Unterbringungsvorgang in diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, muss zuvor die Kontraktionslänge L1 in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses 20 ermittelt werden, die in dem Verbindungsvorgang auftreten kann, sowie die Dehnungslänge L2 des Expansions-/Kontraktionsabschnitts 21, die benötigt wird, um das piezoelektrische Schichtelement 10 in seiner Axialrichtung mit einer vorgeschriebenen Gehäuselast zusammenzudrücken.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die vorgeschriebene Gehäuselast wie gesagt in einem Bereich von weniger als einem Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement 10 erzeugten Antriebskraft oder von weniger als 100 N auf einen Wert von größer als Null eingestellt.
Es wird davon ausgegangen, das die Kontraktionslänge minus der Dehnungslänge einer vorgeschriebenen Länge P entspricht, mit der der Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 zusammengedrückt werden sollte. Es gilt also P = L1 – L2.
Bevor in diesem Ausführungsbeispiel der Unterbringungsvorgang durchgeführt wird, wird daher das Aufbewahrungsgehäuse 20 zuvor um die vorgeschriebene Länge P in Axialrichtung zusammengezogen.
In dem Unterbringungsvorgang wird das piezoelektrische Schichtelement 10 dann in das Gehäuse 20 eingeführt und an einer Position eingerichtet, an der das Übertragungsbauteil 13 des piezoelektrischen Schichtelements 10 mit der Wirkendfläche 221 des zusammengedrückten Aufbewahrungsgehäuses 20 in Kontakt kommt. Wenn danach der Verbindungsvorgang durchgeführt wird, zieht sich das Aufbewahrungsgehäuse 20 in Axialrichtung im Großen und Ganzen um die der Kontraktionslänge L1 entsprechende Länge zusammen.
Wenn dann die das Aufbewahrungsgehäuse 20 zusammendrückende Kraft weggenommen wird, kehrt das Aufbewahrungsgehäuse 20 zu seiner ursprünglichen Länge zurück, indem es sich um die vorgeschriebene Länge P ausdehnt. Wenn die ursprüngliche Gesamtlänge (Innenseite) des Aufbewahrungsgehäuses 20 L beträgt, beträgt seine Gesamtlänge (Innenseite) nach dem Verbindungsvorgang dann L – L1.
Die Gesamtlänge (Innenseite) des Aufbewahrungsgehäuses 20 beträgt im zusammengedrückten Zustand vor dem Verbindungsvorgang L – P = L – (L1 – L2). Vor dem Verbindungsvorgang kommt die Wirkendfläche 221 des Aufbewahrungsgehäuses 20 mit dem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 in Kontakt, weswegen die Gesamtlänge der Inhalte in dem Aufbewahrungsgehäuse 20, d.h. die Gesamtlänge des piezoelektrischen Schichtelements 10, L – P = L – (L1 – L2) betragen muss.
Die Gesamtlänge L – L1 des Aufbewahrungsgehäuses ist nach dem Verbindungsvorgang um L2 kürzer als die Gesamtlänge (L – L1 + L2) des piezoelektrischen Schichtelements 10.
Das bedeutet, dass sich der Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 des Aufbewahrungsgehäuses 20 nach dem Verbindungsvorgang um L2 ausdehnt.
Durch den um L2 ausgedehnten Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 wird demzufolge auf das piezoelektrische Schichtelement 10 in der Richtung, in der es zusammengedrückt wird, die der ursprünglichen Auslegung entsprechende vorgeschriebene Gehäuselast ausgeübt.
In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Einrichteposition des piezoelektrischen Schichtelements 10 in dem Aufbewahrungsgehäuse 20 der durch das Verfahren in dem ersten Ausführungsbeispiel berechneten Einrichteposition.
Mit anderen Worten wird in diesem Ausführungsbeispiel das Einführen des piezoelektrischen Schichtelements 10 in das Gehäuse 20 und das Einrichten an der Einrichteposition durch diesen Unterbringungsvorgang, in dem der Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements 10 mit der Wirkendfläche 221 des zuvor auf die vorgeschriebene Länge zusammengedrückten Aufbewahrungsgehäuses 20 in Kontakt gebracht wird, erleichtert.
Die Gestaltung, Funktionsweise und Wirkungen sind ansonsten die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Drittes Ausführungsbeispiel
Das dritte Ausführungsbeispiel betrifft eine Einspritzdüse, in der das piezoelektrische Schichtelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingebaut ist.
Die in 10 gezeigte Einspritzdüse 6 dieses Ausführungsbeispiels ist Bestandteil eines Systems, das Hochdruckkraftstoff, der bei etwa 180 MPa in einem nicht gezeigten Commonrail gespeichert ist, in einen Motorzylinder einspritzt.
Wie in 10 gezeigt ist, hat die Einspritzdüse 6 ein Gehäuse 50, in dem das piezoelektrische Stellglied 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel untergebracht ist, und ein Düsengehäuse 60, in dem ein Düsenabschnitt 61 mit einer Düse 65 ausgebildet ist.
Das einen im Großen und Ganzen säulenförmigen Umriss aufweisende Gehäuse 50 umfasst, wie in 10 gezeigt ist: einen Vertiefungsabschnitt 51, der von der nahe an einem Anschlussabschnitt 70 gelegenen Endfläche des Gehäuses 50 aus an einer zur Mittelachse exzentrischen Position hineingebohrt wurde und eine Großen und Ganzen kreisförmige Schnittfläche hat; einen ersten Zylinder 53, der von der nahe an dem Düsengehäuse 60 gelegenen Endfläche des Gehäuses 50 aus im Großen und Ganzen gleichachsig zum Vertiefungsabschnitt 51 hineingebohrt wurde und eine im Großen und Ganzen kreisförmige Schnittfläche hat; und einen Kraftstoffzuführungsweg 52, der von der gleichen Endfläche aus neben dem ersten Zylinder 53 und dem Vertiefungsabschnitt 51 hineingebohrt wurde.
Der Vertiefungsabschnitt 51 und der erste Zylinder 53 stehen über ein Verbindungsloch 54 in Verbindung, das wie in 10 gezeigt im Wesentlichen gleichachsig zum Vertiefungsabschnitt 51 von seinem Boden aus hineingebohrt wurde. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsloch 54 so ausgebildet, dass sein Durchmesser kleiner als der des Vertiefungsabschnitts 51 und des ersten Zylinders 53 ist. Der Kraftstoffzuführungsweg 52 öffnet sich zu einem Verbindungsabschnitt 520 hin, der sich in dem nahe an dem Anschlussabschnitt 70 gelegenen Endabschnitt des Gehäuses 50 befindet, und ist über ein in dem Verbindungsabschnitt 520 vorgesehenes, nicht gezeigtes Kraftstoffeinleitungsrohr 525 mit dem Commonrail verbunden.
In einem an der Rückseite des Gehäuses 50 befindlichen Verbindungsabschnitt 580 ist ein Abflussweg 58 hineingebohrt, der mit einem später noch zu beschreibenden Drei-Wege-Ventil 62 in Verbindung steht und mit dem ein zur Kraftstoffabgabe dienendes Kraftstoffabgaberohr 585 verbunden ist.
Wie in 10 gezeigt ist, ist das piezoelektrische Stellglied 1 in dem Gehäuse 50 innerhalb des Vertiefungsabschnitts 51 vorgesehen, während in dem ersten Zylinder 53 ein erster Kolben 530 untergebracht ist, der einen innerhalb des ersten Zylinders 53 gleitenden Stammabschnitt 531 und einen durch das Verbindungsloch 54 gehenden Schaftabschnitt 532 hat.
Die Endfläche des Schaftabschnitts 532 kommt über eine Antriebsübertragungseinheit 55 mit der Antriebstafel 22 in Kontakt, die als Betriebsfläche des piezoelektrischen Stellglieds 1 fungiert.
Die Antriebsübertragungseinheit 55 umfasst: eine Vorspannungsstange 553, die in Axialrichtung an ihrem einen Ende mit dem ersten Kolben 530 und an ihrem anderen Ende mit dem piezoelektrischen Stellglied 1 in Kontakt kommt; eine Spiralfeder 552, die den Vorspannungsstab 553 gegen das piezoelektrische Stellglied 1 drängt; und einen Federsitz 551.
An dem Vorspannungsstab 553 ist in der Nähe des nahe an dem piezoelektrischen Stellglied 1 gelegenen End abschnitts des Vorspannungsstabs 553 ein Sitzabschnitt 554 ausgebildet, dessen Durchmesser größer als der der Spiralfeder 552 ist. Der Vorspannungsstab 553 wird durch die Vorspannungskraft, die von der Spiralfeder 552 auf den Sitzabschnitt 554 wirkt, gegen das piezoelektrische Stellglied 1 gedrückt.
Der Federsitz 551 ist so gestaltet, dass er mit einem zwischen dem Vertiefungsabschnitt 51 in dem Verbindungsloch 54 vorgesehenen absatzförmigen Abschnitt zusammengreift und die Position des einen Endabschnitts der Spiralfeder 552 in Axialrichtung begrenzt. In dem mittleren Abschnitt des Federsitzes 551 ist ein Durchgangsloch hineingebohrt, durch den der Vorspannungsstab 553 geht.
In der Antriebsübertragungseinheit 55 dieses Ausführungsbeispiels ist die statische Drucklast, die von dem Vorspannungsstab 553 aus auf die Betriebsfläche 100 des piezoelektrischen Stellglieds 1 wirkt, auf größer oder gleich einem Viertel der durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugten Antriebskraft eingestellt.
Andererseits ist die auf das piezoelektrische Schichtelement 1 wirkende Gehäuselast in dem piezoelektrischen Stellglied 1 allein auf Null eingestellt.
Demzufolge wirkt auf das piezoelektrische Schichtelement 10 des in die Einspritzdüse 6 eingebauten piezoelektrischen Stellglieds 1 eine Vorlast, die größer oder gleich einem Viertel der durch das piezoelektrische Schichtelement 10 in seiner Axialrichtung erzeugten Antriebskraft ist.
Darüber hinaus ist die Einspritzdüse 6 so gestaltet, dass über die durch den Fuß 30 gehenden Außenelektroden 31 (siehe 1) an jede Keramikschicht 111 des piezoelektrischen Schichtelements 10 durch Anlegen einer vorgeschriebenen Spannung an ein in dem Verbindungsabschnitt 70 untergebrachtes (nicht gezeigtes) Elektrodenpaar eine Spannung angelegt werden kann.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst das Düsengehäuse 60: einen zweiten Zylinder 63, der von der nahe an dem Gehäuse 50 gelegenen Endfläche aus gleichachsig hineingebohrt wurde; das Drei-Wege-Ventil 62, das mit dem Kraftstoffzuführungsweg 52 oder dem Abflussweg 58 in Verbindung steht; und den Düsenabschnitt 61.
Der zweite Zylinder 63 ist so gestaltet, dass er mit dem ersten Zylinder 53 in Verbindung steht, wenn das Düsengehäuse 60 mit dem Gehäuse 50 verbunden ist. In dem zweiten Zylinder 63 ist gleitfähig ein zweiter Kolben 630 untergebracht.
Zwischen dem ersten Kolben 530 und dem zweiten Kolben 630 befindet sich daher eine Druckkammer 506, die von dem ersten Zylinder 53 zum zweiten Zylinder 63 verläuft.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Druckkammer 506 so mit einem Arbeitsfluid gefüllt, dass sich der zweite Kolben 630 wie in 10 gezeigt entsprechend der Bewegung des ersten Kolbens 530 hubweise bewegen kann.
Der zweite Zylinder 63 ist so gestaltet, dass sein Durchmesser kleiner als der des ersten Zylinders 53 ist. Daher kann die Hubbewegung des ersten Kolbens 530 verstärkt werden, die den zweiten Kolben 630 in der Einspritzdüse 6 bewegt.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst das Drei-Wege-Ventil 62 einen (nicht gezeigten) Ventilkörper, um den Kraftstoffzuführungsweg 52 oder den Abflussweg 58 gezielt mit einer Gegendruckkammer 610 in Verbindung zu setzen, die später beschrieben wird. Der Ventilkörper ist so gestaltet, dass er durch die Bewegung des zweiten Kolbens 630 in Richtung des Düsengehäuses 60 bewegt wird, um so den Abflussweg 58 mit der Gegendruckkammer 610 in Verbindung zu setzen. Außerdem ist der Ventilkörper so gestaltet, dass er den Kraftstoffzuführungsweg 52 mit der Gegendruckkammer 610 in Verbindung setzt, wenn sich der zweite Kolben 630 nahe dem Gehäuse 50 befindet.
Die Gegendruckkammer 610 der Einspritzdüse 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel also normalerweise, indem der Hochdruckkraftstoff eingeleitet wird, unter einem hohen Druck gehalten und ist so gestaltet, dass der Druck in der Gegendruckkammer 610 reduziert wird, wenn die Gegendruckkammer 610 durch Bewegung des zweiten Kolbens 630 zum Düsengehäuse 60 hin mit dem Abflussweg 58 in Verbindung gebracht wird.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst der Düsenabschnitt 61 die am vorderen Ende des Düsengehäuses 60 angeordnete Düse 65, eine zum Öffnen und Schließen der Düse 65 dienende Düsennadel 615 und einen zum Speichern des einzuspritzenden Kraftstoffs dienenden Kraftstoffspeicher 612.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst die Düse 65 ein gleichachsig zur Achsenmitte der Düse 65 gebohrtes Nadelloch 650, das sich als ein zum Einspritzen von Kraftstoff dienendes Einspritzloch zum vorderen Ende der Düse 65 hin öffnet.
Die Düsennadel 615 hat eine zweistufige Form, bei der zwei im Großen und Ganzen säulenförmige Elemente verbunden sind, wobei die eine Säule an ihrem vorderen Ende einen kleineren Durchmesser hat und in dem Nadelloch 650 untergebracht ist, so dass sich der Stufenabschnitt 616, an dem sich der Durchmesser der Düsennadel 615 ändert, in dem Kraftstoffspeicher 612 befindet. Darüber hinaus ist die Düsennadel 615 so gestaltet, dass ein kugelförmiger vorderer Endabschnitt 613 von ihr das Einspritzloch an dem vorderen Ende der Düse 65 öffnet und schließt.
An dem anderen Endabschnitt der Düsennadel 615 ist wie in 10 gezeigt die Gegendruckkammer 610 ausgebildet, die mit dem Drei-Wege-Ventil 62 in Verbindung steht. Eine in der Gegendruckkammer 610 angeordnete Feder 618 ist so gestaltet, dass sie die Düsennadel 615 in die Richtung drängt, die das Einspritzloch an dem vorderen Ende der Düse 65 schließt.
Darüber hinaus steht der Kraftstoffspeicher 612, der am Außenrand des Stufenabschnitts 616 der Düsennadel 615 ausgebildet ist und eine im Großen und Ganzen kreisförmige Querschnittsfläche hat, wie in 10 gezeigt mit dem Kraftstoffzuführungsweg 52 in Verbindung, der den Hochdruckkraftstoff zuführt. Der Druck des Hochdruckkraftstoffs in dem Kraftstoffspeicher 612, der in die Richtung wirkt, der die Düsennadel 615 zum Gehäuse 50 hin zurücksetzt, wirkt auf den Stufenabschnitt 616 der Düsennadel 615.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Einspritzdüse 6 dieses Ausführungsbeispiels beschrieben, die in einem Commonrail-Einspritzsystem eines Dieselmotors Anwendung findet.
Damit von der Düse 65 aus durch Betätigung der Einspritzdüse 6 mit einem Druck von 180 MPa Kraftstoff in den Motorzylinder eingespritzt wird, wird an das in 10 gezeigte piezoelektrische Stellglied 1 eine vorgeschriebene Spannung angelegt.
Durch die Ausdehnung des piezoelektrischen Stellglieds 1 infolge der angelegten Spannung bewegt sich der Vorspannungsstab 553 der Antriebsübertragungseinheit 55, der sich mit der Betriebsfläche 100 des piezoelektrischen Stellglieds 1 in Kontakt befindet, zum ersten Kolben 530.
Der erste Kolben 530, der sich mit dem Vorspannungsstab 553 in Kontakt befindet, bewegt sich innerhalb des ersten Zylinders 53 mit einer Hubbewegung zum Düsengehäuse 60. Da die Bewegung des ersten Kolbens 530 das Volumen innerhalb des ersten Zylinders 53 verringert, strömt das Arbeitsfluid in der Druckkammer 506 in den zweiten Zylinder 63 und bewegt den zweiten Kolben 630 zur Düse 65, um so das Volumen innerhalb des zweiten Zylinders 63 zu erhöhen.
Durch die Hubbewegung des zweiten Kolbens 630 wird der Ventilkörper des Drei-Wege-Ventils 62 wie in 10 gezeigt nach unten zur Düse 65 gedrückt. Wenn der Ventilkörper nach unten gedrückt wird, wird der Weg von dem Kraftstoffzuführungsweg 52 zur Gegendruckkammer 610 unterbrochen und anstelle dessen der Weg von dem Abflussweg 58 zur Gegendruckkammer 610 aufgebaut. Dann wird der Kraftstoff, mit dem die Gegendruckkammer 610 gefüllt ist, über den Abflussweg 58 aus dem Kraftstoffabgaberohr 585 nach außen abgegeben und der Druck innerhalb der Gegendruckkammer 610 reduziert.
Die Druckdifferenz, die zwischen der Gegendruckkammer 610 und den Kraftstoffspeicher 610 auftritt, wenn der Druck innerhalb der Gegendruckkammer 610 reduziert wird, erzeugt eine Kraft, die die Düsennadel 615 wie in 10 gezeigt zum Gehäuse 50 hin nach oben drückt. Durch die Bewegung der Düsennadel 615 zum Gehäuse 50 öffnet sich dann das Einspritzloch an dem vorderen Ende der Düse 65, das zuvor durch den vorderen Endabschnitt 613 der Düsennadel 615 verschlossen war. Wenn sich das Einspritzloch öffnet, wird der Hochdruckkraftstoff in dem Kraftstoffspeicher 612 in den Motorzylinder eingespritzt.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Kraftstoffeinspritzung wiederholt zu einem passenden Zeitpunkt durchgeführt, indem die an jedem Motorzylinder angebrachte Einspritzdüse 6 unter Verwendung einer zur Motorsteuerung dienenden (nicht gezeigten) elektronischen Motorsteuerungseinheit angesteuert wurde.
Bei der Einspritzdüse 6, die die Spiralfeder 552 enthält, um das darin eingebaute piezoelektrische Stellglied 1 in Axialrichtung zusammenzudrücken, ist es wie oben beschrieben möglich, auf dem piezoelektrischen Schichtelement 10 innerhalb des piezoelektrischen Stellglieds 1 für eine passende Vorlast zu sorgen.
Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass es in dem piezoelektrischen Schichtelement 10 innerhalb des piezoelektrischen Stellglieds 1 der Einspritzdüse 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zu Schwierigkeiten wie einer Schichttrennung kommt.
Die Gehäuselast, die in der Einspritzdüse 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 des Aufbewahrungsgehäuses 20 erzeugt werden muss, kann also relativ gesehen verringert werden, wobei die Gehäuselast in diesem Ausführungsbeispiel auf Null eingestellt ist.
Daher kann in der Einspritzdüse 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die ständig auf den Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 wirkende Zugspannung auf Null reduziert werden und ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass es an dem Expansions-/Kontraktionsabschnitt 21 zu einem Ermüdungsdefekt kommt.
Die Gestaltung, Funktionsweise und Wirkungen sind ansonsten die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Viertes Ausführengsbeispiel
Im vierten Ausführungsbeispiel wurde die Ermüdungsdauerfestigkeit des Expansions-/Kontraktionsabschnitts des Aufbewahrungsgehäuses in dem piezoelektrischen Stellglied der Einspritzdüse gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel untersucht.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde dazu der Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der durch die Dehnung erzeugten elastischen Kraft und der Ermüdungsdauerfestigkeit des Expansions-/Kontraktionsabschnitts in dem piezoelektrischen Stellglied allein untersucht. Die durch die Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts erzeugte elastische Kraft entspricht im Großen und Ganzen der Gehäuselast, die auf das in dem piezoelektrischen Stellglied eingebaute piezoelektrische Schichtelement in der Richtung wirkt, in der es in Axialrichtung zusammengedrückt wird.
Daher wurde der in 11 gezeigte Zusammenhang zwischen der auf das piezoelektrische Schichtelement in dem piezoelektrischen Stellglied wirkenden Gehäuselast (Vorlast (eingestellte Last) in dem piezoelektrischen Stellglied allein) und der Betriebsamplitude (μm) des piezoelektrischen Stellglieds ermittelt, um die Fehlerwahrscheinlichkeit nach 2 × 10⁹-maliger Betätigung bei kleiner oder gleich 50% halten zu können.
In der Figur bezeichnet die horizontale Achse das auf das piezoelektrische Schichtelement wirkende Gehäuselastverhältnis (das Verhältnis der Gehäuselast bezogen auf eine durch das piezoelektrische Schichtelement erzeugte Antriebskraft von 1000 N) und die vertikale Achse die Betriebsamplitude des piezoelektrischen Stellglieds.
Die Fläche, die nach 2 × 10⁹-maliger Betätigung eine Fehlerwahrscheinlichkeit von 50% oder weniger, also das vorgesehene Ziel realisiert, ist mit einer Schraffur versehen.
Die Fehlerwahrscheinlichkeit nach 2 × 10⁹-maliger Betätigung steht für das Verhältnis der Anzahl an nach 2 × 10⁹-maliger Betätigung defekten piezoelektrischen Stellgliedern bezogen auf die Gesamtmenge einer ausreichend großen Anzahl piezoelektrischer Stellglieder.
Der negative Bereich im äußersten linken Teil der horizontalen Achse bezeichnet einen Zustand, in dem zwischen dem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements und der Betriebsendfläche des Aufbewahrungsgehäuses in dem piezoelektrischen Stellglied allein ein Spalt ausgebildet ist. Mit anderen Worten bezeichnet der negative Bereich den Bereich, in dem die Gehäuselast des piezoelektrischen Schichtelements im Großen und Ganzen Null ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird daher die Last, die zum Zusammendrücken erforderlich ist, bis die Betriebsendfläche mit dem Endabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements in Kontakt kommt, aus Gründen der Einfachheit als negative Last bezeichnet, um die Größe des Spalts quantitativ darzustellen zu können.
Aus 11 ergibt sich, dass das Gehäuselastverhältnis des piezoelektrischen Schichtelements auf kleiner oder gleich 1/10 eingestellt werden sollte, um mit einem Gesamtlängenverhältnis von 0,1%, das einer üblichen Betriebsamplitude eines piezoelektrischen Schichtelements entspricht, und einer Fehlerwahrscheinlichkeit von kleiner oder gleich 50% nach 2 × 10⁹-maliger Betätigung vereinbar zu sein. Der Grund dafür ist wohl der Folgende.
Wenn die Gehäuselast reduziert wird, kann die Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts verkürzt und die auf den Expansions-/Kontraktionsabschnitt wirkende Zugspannung reduziert werden. Durch das Reduzieren der darauf ausgeübten Zugspannung ist es folglich möglich, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass es zu einem Ermüdungsdefekt des Expansions-/Kontraktionsabschnitts kommt.
Die Gestaltung, Funktionsweise und Wirkungen sind ansonsten die gleichen wie im dritten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben, die aus Gründen der Veranschaulichung gewählt wurden, doch sollte ersichtlich sein, dass der Fachmann verschiedene Abwandlungen vornehmen kann, ohne vom Grundkonzept und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Piezoelektrisches Stellglied (1), das ein Piezoelektrisches Schichtelement (10) in einem Aufbewahrungsgehäuse (20) beherbergt, das einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt (21) hat, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine auf der elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) des Aufbewahrungsgehäuses (20) basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement (10) in der Richtung wirkt, dass es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.
Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1, bei dem die Gehäuselast weniger als ein Hunderstel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N beträgt.
Piezoelektrisches Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es zu keiner Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) kommt und die Gehäuselast Null beträgt.
Einspritzdüse (6) zur Kraftstoffeinspritzung, in der ein piezoelektrischen Stellglied (1) eingebaut ist, das ein piezoelektrisches Schichtelement (10) in einem Aufbewahrungsgehäuse (20) beherbergt, das einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt (21) hat, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein elastisches Bauteil (552) enthält, das in Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements (10) auf eine Betriebsfläche (100), auf der die Antriebskraft des piezoelektrischen Stellglieds (1) wirkt, eine Last aufbringt, und dass eine auf einer elastischen Kraft des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) des Aufbewahrungsgehäuses (20) basierende Gehäuselast, die auf das piezoelektrische Schichtelement (10) in der Richtung wirkt, dass es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, in dem piezoelektrischen Stellglied (1) allein weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.
Einspritzdüse nach Anspruch 4, bei der die Gehäuselast weniger als ein Hundertstel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N beträgt.
Einspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5, bei der es zu keiner Dehnung des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) kommt und die Gehäuselast in dem piezoelektrischen Stellglied (1) allein Null beträgt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der in dem Zustand, in dem das piezoelektrische Schichtelement (10) in der Einspritzdüse (6) eingebaut ist und das elastische Bauteil (552) darauf eine Vorspannkraft ausübt, die Vorlast, die auf das piezoelektrische Schichtelement (10) in der Richtung wirkt, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, größer oder gleich einem Viertel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft ist.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds (1), das ein piezoelektrischen Schichtelement (10) in einem Aufbewahrungsgehäuse (20) beherbergt, das einen rohrförmigen Stammabschnitt (24), der zumindest teilweise einen Expansions-/Kontraktionsabschnitt (21) umfasst, der sich in seiner Axialrichtung elastisch ausdehnen und zusammenziehen kann, und eine Antriebstafel (22) hat, die an einem Ende des Stammabschnitts (24) angeordnet ist und auf der die Antriebskraft des piezoelektrischen Schichtelements (10) wirkt, und bei dem mit dem anderen Ende des Stammabschnitts (24) ein Fuß (30) verbunden ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: einen Elementausbildungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement (10) hergestellt wird; einen Unterbringungsvorgang, in dem das piezoelektrische Schichtelement (10) durch einen offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses (20) eingeführt und in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses (20) an einer vorgeschriebenen Position eingerichtet wird; und einen Verbindungsvorgang, in dem der Fuß (30) so mit dem offenen Endabschnitt des Aufbewahrungsgehäuses (20) verbunden wird, dass eine in Axialrichtung gelegene Endfläche des Fußes (30) mit der hinteren Endfläche des in dem Aufbewahrungsgehäuse (20) untergebrachten piezoelektrischen Schichtelements (10) in Kontakt kommt, wobei das piezoelektrische Schichtelement (10) in dem Unterbringungsvorgang so in dem Aufbewahrungsgehäuse (20) des piezoelektrischen Stellglieds (1) untergebracht wird, dass die auf das piezoelektrische Schichtelement (10) wirkende Gehäuselast in der Richtung, in der es in seiner Axialrichtung zusammengedrückt wird, weniger als ein Zehntel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 100 N beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds nach Anspruch 8, bei dem die Gehäuselast in dem Unterbringungsvorgang weniger als ein Hundertstel der durch das piezoelektrische Schichtelement (10) erzeugten Antriebskraft oder weniger als 10 N beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das piezoelektrische Schichtelement (10) in dem Unterbringungsvorgang an einer Einrichteposition eingerichtet wird, die bezogen auf eine Bezugseinführposition des piezoelektrischen Schichtelements in dem Aufbewahrungsgehäuse in der zur Einführrichtung des piezoelektrischen Schichtelements entgegengesetzten Richtung um eine Kontraktionslänge zurückgesetzt ist, die beim Verbindungsvorgang in Axialrichtung des Aufbewahrungsgehäuses (20) erzeugt wird, wobei die Bezugseinführposition so festgesetzt ist, dass sie eine Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts realisiert, die beim Erzeugen einer elastischen Kraft auftritt, die im Großen und Ganzen der vorgeschriebenen Gehäuselast entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds nach Anspruch 10, bei dem die Einrichteposition einer Position entspricht, an der ein Endabschnitt (13) des piezoelektrischen Schichtelements (10) mit der Antriebstafel (22) des Aufbewahrungsgehäuses in Kontakt kommt, dessen Expansions-/Kontraktionsabschnitt (21) um eine Verformungslänge (P) zusammengedrückt worden ist, die der Kontraktionslänge des Aufbewahrungsgehäuses (20) minus der Dehnungslänge des Expansions-/Kontraktionsabschnitts (21) entspricht, die beim Erzeugen einer elastischen Kraft auftritt, die im Großen und Ganzen der vorgeschriebenen Gehäuselast entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds nach Anspruch 10, bei dem die vorgeschriebene Gehäuselast Null beträgt und die Bezugseinführposition einer Position entspricht, an der zwischen einem Endabschnitt (13) in Axialrichtung des piezoelektrischen Schichtelements (10) und der Wirkendfläche (221) des Aufbewahrungsgehäuses (20) ein Spalt (G) gebildet wird, der größer oder gleich der Kontraktionslänge ist.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Stellglieds nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Verbindungsvorgang einem Vorgang entspricht, bei dem der Fuß (30) mit dem offenen Endabschnitt verschweißt wird.