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Die Erfindung bezieht sich auf ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement, das zum Beispiel als eine Antriebsquelle für eine Kraftstoffeinspritzdüse eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Als Antriebsquelle für eine Einspritzdüse eines Fahrzeugmotors oder dergleichen wird manchmal ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement verwendet, in dem eine vorbestimmte Anzahl piezoelektrischer Einheiten mit jeweils abwechselnd übereinander geschichteten piezoelektrischen Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet ist. Das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement eignet sich als Antriebsquelle für die Einspritzdüse, da es eine geringe Betriebsbelastung hat und dementsprechend eine große Verstellung erreicht werden kann. Ein solches in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement ist zum Beispiel aus der
JP 61-206281 A und der
JP 09-036450 A bekannt.
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Allerdings hat ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement mit herkömmlichem Aufbau das Problem, dass ein großer Verstellverlust auftritt.
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Zwar sind die piezoelektrischen Einheiten in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement übereinander geschichtet und durch ein Haftmittel (engl. adhesive) verbunden, doch ist das Haftmittel die Ursache für den Verstellverlust.
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Genauer gesagt ist jede der entgegengesetzten Stirnflächen der piezoelektrischen Einheit in ihrer Aufschichtungsrichtung einer benachbarten piezoelektrischen Einheit zugewandt und bilden die entgegengesetzten Stirnflächen der piezoelektrischen Einheit daher Haftmittelflächen, die den Haftmittelflächen anderer piezoelektrischer Einheiten zugewandt sind.
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Wenn die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und verbunden werden, wird das Haftmittel auf eine oder beide der gegenüberliegenden Haftmittelflächen aufgebracht und werden die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und wird dann in der Aufschichtungsrichtung auf die entgegengesetzten Stirnflächen der übereinander geschichteten piezoelektrischen Einheiten durch eine Klemme oder dergleichen eine Belastung aufgebracht, um die piezoelektrischen Einheiten zu vereinen.
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Das Haftmittel verteilt sich aufgrund der Belastung, die in der Aufschichtungsrichtung durch die Klemme oder dergleichen aufgebracht wird, über die gesamte Haftmittelfläche. Das Haftmittel verteilt sich infolge der aufgebrachten Belastung häufig auch dann über die gesamte Haftmittelfläche, wenn das Haftmittel nur teilweise auf die Haftmittelfläche aufgebracht wird und die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet werden.
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Es ist bekannt, dass es piezoelektrische Schichtelemente mit Teilelektroden und Vollelektroden gibt. Bei jeder dieser Bauarten bildet die Umgebung der Mitte der Haftmittelfläche einen aktiven Bereich, in dem sich die piezoelektrischen Schichten ausdehnen, wenn von den Innenelektrodenschichten aus eine Spannung auf die piezoelektrischen Schichten aufgebracht wird. Wenn in dem den aktiven Bereich beinhaltenden Abschnitt der Haftmittelfläche Haftmittel vorliegt, absorbiert das Haftmittel, der sich bei Energiebeaufschlagung nicht ausdehnt, die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten, was zu einem Verstellverlust führt.
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Wenn der tatsächliche Verstellbetrag kleiner als der Verstellbetrag ist, der sich auf Grundlage der die piezoelektrische Schicht bildenden Materialien, der angelegten Spannung, der Dicke der piezoelektrischen Schicht und der Anzahl der das piezoelektrische Schichtelement bildenden piezoelektrischen Schichten vorhersagen lässt, definiert die Differenz zwischen diesen Verstellbeträgen den ”Verstellverlust”.
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Um den Verstellverlust zu verringern, ist es vorzuziehen, dass zwischen den piezoelektrischen Einheiten kein Haftmittel vorliegt. Als ein Verfahren, die piezoelektrischen Einheiten ohne Haftmittel übereinander zu schichten, ist ein Verfahren bekannt, bei dem die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und die übereinander geschichteten Einheiten dann von außen fixiert werden.
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Mit dem Verfahren, das die übereinander geschichteten Einheiten von außen fixiert, lässt sich jedoch nur äußerst schwer verhindern, dass die piezoelektrischen Einheiten voneinander abweichen. Im Hinblick auf die Produktionsleistung ist es daher vorzuziehen, dass die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden werden, um die piezoelektrischen Einheiten rasch übereinander schichten und verbinden zu können.
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Aus diesem Gesamtzusammenhang heraus ist auf
14 der
JP 2000-150977 A zu verweisen, die anregt, das Haftmittel zum Verbinden der piezoelektrischen Einheiten in lediglich einem Außenumfangsbereich der Haftmittelflächen der piezoelektrischen Einheiten vorzusehen, auf denen das Haftmittel aufgebracht wird, während auf den Innenbereich der Haftmittelflächen in der Mitte der piezoelektrischen Schichtelemente kein Haftmittel aufgebracht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement, in dem die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind und dessen Verstellverlust gering ist, sowie ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement vorgesehen, wie es im Patentanspruch 1 definiert ist.
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Das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung hat einen Aufbau, bei dem sich das Haftmittel in lediglich einem Außenumfangsbereich befindet, der dem Abschnitt der Haftmittelfläche mit Ausnahme ihres Schwerpunkts und seiner Umgebung entspricht, wenn die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind.
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Es ist bekannt, dass es piezoelektrische Schichtelemente mit Teilelektroden und Vollelektroden gibt. Bei jeder dieser Bauarten bildet die Umgebung der Mitte der Haftmittelfläche einen aktiven Bereich, in dem sich die piezoelektrischen Schichten ausdehnen, wenn von der Innenelektrodenschicht aus eine Spannung auf die piezoelektrischen Schichten aufgebracht wird. Wenn das Haftmittel in dem den aktiven Bereich beinhaltenden Abschnitt der Haftmittelfläche vorliegt, absorbiert das Haftmittel, der sich bei Energiebeaufschlagung nicht ausdehnt, die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten, was zu einem Verstellverlust führt.
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Bei dem Aufbau gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Menge des in dem aktiven Bereich vorliegenden Haftmittels im Vergleich zu einem herkömmlichen piezoelektrischen Element geringer und kann dementsprechend der Verstellverlust in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement verringert werden.
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Das Haftmittel liegt zwar in lediglich dem Außenumfangsbereich vor, dennoch weichen die piezoelektrischen Einheiten kaum voneinander ab, da sie übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind.
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Die Maßabweichung tritt hauptsächlich in der zur Aufschichtungsrichtung der piezoelektrischen Einheiten senkrechten Richtung auf. Dieser Zustand entspricht einer sogenannten ”Schichtstoffabweichung”.
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Bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung wird als Haftmittel kein spezielles Haftmittel für die piezoelektrischen Einheiten verwendet, sondern es wird ein Außenelektrodenelement oder ein Formelement verwendet. Dadurch lässt sich der Herstellungsvorgang verschlanken.
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Und zwar sind bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung auf den Seitenflächen des die piezoelektrischen Einheiten enthaltenden Schichtstoffkörpers elektrisch mit den Innenelektrodenschichten verbundene Außenelektrodenelemente und Formelemente zum Bedecken der Seitenflächen des Schichtstoffkörpers aufgebracht, und als Haftmittel werden die Außenelektrodenelemente und/oder Formelemente verwendet.
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Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung eines in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements vor, wie es im Anspruch 7 definiert ist.
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Bei der zweiten Ausgestaltung der Erfindung werden die piezoelektrischen Einheiten bei der Herstellung des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements übereinander geschichtet, um einen Schichtstoffkörper anzufertigen, ohne vorher das Haftmittel auf die Haftmittelfläche aufzubringen. Danach wird das Haftmittel auf Schichtstoffgrenzen zwischen den piezoelektrischen Einheiten aufgebracht. Das Haftmittel wird von den Schichtstoffgrenzen aus eingebracht, um so zwischen den piezoelektrischen Einheiten einzudringen, dass das Haftmittel in der Haftmittelfläche auf den Außenumfangsbereich aufgebracht wird.
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Mit diesem Verfahren lässt sich das Haftmittel leicht auf den Außenumfangsbereich der Haftmittelfläche aufbringen.
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Die piezoelektrischen Einheiten werden durch das Haftmittel verbunden, das lediglich im Außenumfangsbereich vorliegt, und der Verstellverlust in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement kann entsprechend verringert werden. Das Haftmittel liegt zwar in lediglich dem Außenumfangsbereich vor, dennoch weichen die piezoelektrischen Einheiten kaum voneinander ab, da sie übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden werden, und lassen sich leicht übereinander schichten, weswegen sich die Produktionsleistung verbessert.
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Es ist vorzuziehen, dass das Haftmittel auf den gesamten Umfang der Schichtstoffgrenze aufgebracht wird. Allerdings kann das Haftmittel auch nur auf einen Teil des Umfangs und nicht den gesamten Umfang aufgebracht werden.
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Folglich kann durch die Erfindung ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement, in dem die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind und dessen Verstellverlust gering ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung gestellt werden.
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Das piezoelektrische Schichtelement liegt im Allgemeinen in zwei Bauarten vor, und zwar als eine Vollelektrodenbauart, bei der sich die Schnittbilder der piezoelektrischen Schichten und der Innenelektrodenschichten gleichen und an einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elements die Innenelektrodenschichten frei liegen, und als eine Teilelektrodenbauart, bei der die Schnitte der Innenelektrodenschichten kleiner als die der piezoelektrischen Schichten sind und an einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elements lediglich einige der Innenelektrodenschichten frei liegen. Die erste und zweite Ausgestaltung der Erfindung können bei beiden Bauarten Anwendung finden. Mit dem obigen Schnittbild ist die Form eines Schnittes in der im Großen und Ganzen senkrecht zur Aufschichtungsrichtung der Schichten verlaufenden Richtung gemeint.
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Bei der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung können piezoelektrische Schichten verwendet werden, deren Schnitt die Form eines Vierecks, eines Rechtecks, eines Quadrats, einer Tonne oder eines Vierecks oder Rechtecks mit abgeschrägten Ecken hat.
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Die Form der Innenelektrodenschicht unterliegt keinen Beschränkungen, und bei der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung können verschiedene Schichtformen angewandt werden.
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Es ist vorzuziehen, dass sich der aktive Bereich des obigen in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements ausdehnt, wenn von den Innenelektrodenschichten aus eine Spannung auf den aktiven Bereich aufgebracht wird, und dass in der Annahme, dass eine durch den Schwerpunkt G in der Haftmittelfläche gehende Linie ”X” entspricht, die Länge ”L” Innenbereichs entlang der Linie X und die Länge ”L0” aktiven Bereichs entlang der Linie X in der Haftmittelfläche L0/4 ≤ L erfüllen.
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Es ist vorzuziehen, dass die Länge ”L” des Innenbereichs entlang der Linie X und die Länge ”L0” des Antriebsbereichs entlang der Linie X in der Haftmittelfläche L0/2 ≤ L erfüllen.
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Wenn dabei in der Annahme, dass eine beliebige Linie X durch den Schwerpunkt G in der Haftmittelfläche geht, die obige Beziehung für die Linie X erfüllt ist, lässt sich die erfindungsgemäße Wirkung zuverlässig erreichen und kann dementsprechend ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement mit geringem Verstellverlust erzielt werden.
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Wenn 10/4 > L erfüllt ist, besteht die Möglichkeit, dass der Verstellverlust zunimmt.
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Es ist vorzuziehen, dass der Außenumfangsbereich in der Haftmittelfläche, in dem das Haftmittel vorliegt, der Abschnitt der Haftmittelfläche mit Ausnahme des aktiven Bereichs ist.
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Auf diese Weise lässt sich ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement erzielen, in dem im aktiven Bereich kein Haftmittel vorliegt, und kann der Verstellverlust entsprechend auf einen äußerst niedrigen Wert verringert werden.
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Wenn das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement der Vollelektrodenbauart entspricht, ist der Flächeninhalt des aktiven Bereichs gleich dem der Haftmittelfläche.
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Es ist vorzuziehen, dass sich der aktive Bereich des obigen in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements ausdehnt, wenn von den Innenelektrodenschichten aus eine Spannung an den aktiven Bereich angelegt wird, und dass in der Annahme, dass der Flächeninhalt des Innenbereichs ”S” und der Flächeninhalt des aktiven Bereichs in der Haftmittelfläche ”S0” entspricht, S0/16 ≤ S erfüllt ist.
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Es ist vorzuziehen, dass der Flächeninhalt ”S” des Innenbereichs und der Flächeninhalt ”S0” des aktiven Bereichs in der Haftmittelfläche S0/4 ≤ S erfüllen.
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Auf diese Weise lässt sich die erfindungsgemäße Wirkung zuverlässig erreichen und kann entsprechend ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement mit geringem Verstellverlust erzielt werden.
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Wenn S0/16 > S erfüllt ist, besteht die Möglichkeit, dass der Verstellverlust zunimmt.
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”L0”, ”L” und ”S0”, ”S” können durch Untersuchung mit einem Mikroskop gemessen werden, wobei die Haftmittelfläche freigelegt wird, indem das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement in der senkrecht zur Aufschichtungsrichtung verlaufenden Richtung durchschnitten wird oder die miteinander verbundenen piezoelektrischen Einheiten getrennt werden.
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Für das obige Haftmittel kann ein Haftmittel aus einem Material auf Epoxidbasis, einem Material auf Polyimidbasis usw. verwendet werden. Es ist allerdings vorzuziehen, dass das Haftmittel aus einem Material auf Silikonbasis und/oder einem Material auf Urethanbasis besteht, die einen niedrigen Elastizitätskoeffizienten haben, damit es der von dem piezoelektrischen Element vorgegebenen Verstellung folgt, ohne dass es zu Rissen kommt.
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Ein Haftmittel aus einem Material auf Silikonbasis hat eine hohe Wärmebeständigkeit, und entsprechend kann ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement erzielt werden, das sich für eine Einspritzdüse eines Fahrzeugmotors (Dieselmotor usw.) eignet.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements gemäß der zweiten Ausgestaltung wird das Haftmittel auf die Schichtstoffgrenzen zwischen den piezoelektrischen Einheiten aufgebracht, die an Seitenflächen des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements frei liegen, so dass das Haftmittel über die Schichtstoffgrenzen zwischen den piezoelektrischen Einheiten eindringt, um das Haftmittel auf den Außenumfangsbereich der Haftmittelfläche aufzubringen. Bei dieser Art der Haftmittelaufbringung dringt das Haftmittel spontan zwischen ihnen ein.
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Und zwar zeigt eine Vergrößerung der Haftmittelfläche der piezoelektrischen Einheit, die mit Hilfe eines Mikroskops oder dergleichen erstellt wird, dass die Haftmittelfläche im Allgemeinen Vorsprünge und Vertiefungen hat (siehe hierzu die 11A, 11B, die später beschrieben werden).
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Da sich die die Vorsprünge und Vertiefungen aufweisenden Haftmittelflächen miteinander in Kontakt befinden, sind daher in der Schichtstoffgrenze äußerst kleine Zwischenräume ausgebildet. Demnach dringt das auf die Seitenflächen des Schichtstoffkörpers aufgebrachte Haftmittel aufgrund der Kapillarkraft spontan zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein.
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Das Eindringen des Haftmittels lässt sich steuern, indem die Viskosität des Haftmittels geändert wird und indem auf die entgegengesetzten Stirnflächen in der Aufschichtungsrichtung der piezoelektrischen Einheiten ein passender Druck aufgebracht wird, wenn die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet sind.
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Um die piezoelektrischen Einheiten zu vereinen, werden die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und wird das Haftmittel auf die Seitenflächen der Einheiten aufgebracht und dann ausgehärtet. Bei diesem Vorgang nimmt manchmal die Viskosität des Haftmittels ab, wenn das Haftmittel zur Aushärtung erhitzt wird. In diesem Fall dringt das Haftmittel selbst während der Aushärtung des Haftmittels zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein.
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Es ist vorzuziehen, dass das Haftmittel unter reduziertem Luftdruck auf den Schichtstoffkörper aufgebracht wird.
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In der Schichtstoffgrenze, in der sich die Haftmittelflächen der piezoelektrischen Einheiten miteinander in Kontakt befinden, befinden sich wie gesagt äußerst kleine Zwischenräume, weswegen das Einbringen des Haftmittels problemlos durchgeführt werden kann, da die in den äußerst kleinen Zwischenräumen enthaltene Luft bei der Aufbringung des Haftmittels unter reduziertem Luftdruck leicht aus den piezoelektrischen Einheiten abgeführt werden kann.
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Die Ecken der piezoelektrischen Einheiten, die der Haftmittelfläche zugewandt sind, werden vorher abgeschrägt (siehe 14A, 14B), wodurch das Haftmittel leicht in die Schichtstoffgrenze eingeführt werden kann.
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Es ist vorzuziehen, dass die piezoelektrischen Einheiten, nachdem sie polarisiert wurden, übereinander geschichtet werden und das Haftmittel auf die Schichtstoffgrenze aufgebracht wird (siehe 12A, 12B).
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Der aktive Bereich wird polarisiert, damit er sich in Aufschichtungsrichtung ausdehnt, wodurch sich das Schnittbild der piezoelektrischen Einheit so ändert, dass sich im Schichtstoffkörper die Schichtstoffgrenze zwischen den piezoelektrischen Einheiten öffnet (siehe 13A, 13B). Daher kann das Haftmittel leicht in die Schichtstoffgrenze eingebracht werden.
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Nachdem das Haftmittel auf die Schichtstoffgrenze des Schichtstoffkörpers aufgebracht wurde, kann das Haftmittel vor oder nach Abschluss der Einbringung des Haftmittels zwischen den piezoelektrischen Einheiten erhitzt werden. Das Haftmittel kann sich bewegen, bis es durch das Erhitzen aushärtet.
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Wie in den später beschriebenen Beispielen gezeigt ist, werden auf den Seitenflächen jeder piezoelektrischen Einheit vorher aus gebranntem Silber usw. bestehende Seitenflächenelektrodenelemente aufgebracht. Danach werden die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet, wobei dann das Außenelektrodenelement auf einer Vielzahl von Seitenflächenelektrodenelementen aufgebracht werden kann, um die Seitenflächenelektrodenelemente zu verbinden.
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Es ist vorzuziehen, dass das Außenelektrodenelement gebildet wird, indem ein Außenelektrodenmaterial, das ein leitendes Material und ein wärmehärtbares Harz enthält und nach der Aufbringung eine Viskosität von 0,1 bis 200 Pa·s hat, wärmeausgehärtet wird.
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Es ist vorzuziehen, dass das Formelement durch Wärmeaushärten eines Formmaterials gebildet wird, das ein wärmehärtbares Harz enthält und nach der Aufbringung eine Viskosität von 0,1 bis 100 Pa·s hat.
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Außerdem ist es bei der zweiten Ausgestaltung der Erfindung vorzuziehen, dass als Haftmittel die elektrisch mit den Innenelektrodenschichten verbundenen Außenelektrodenelemente und/oder die Formelemente zum Bedecken von Seitenflächen des Schichtstoffkörpers verwendet werden, wobei die Außenelektrodenelemente und die Formelelemente nach der Anfertigung des Schichtstoffkörpers auf den Seitenflächen des Schichtstoffkörpers aufgebracht werden, so dass die Außenelektrodenelemente und/oder Formelemente zwischen den piezoelektrischen Einheiten eindringen, und dass die Außenelektrodenelemente und die Formelemente wärmeausgehärtet werden.
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Es ist vorzuziehen, dass das Außenelektrodenelement gebildet wird, indem ein Außenelektrodenmaterial, das ein leitendes Material und ein wärmehärtbares Harz enthält und nach dem Aufbringen eine Viskosität von 0,1 bis 200 Pa·s hat, wärmeausgehärtet wird. Es ist vorzuziehen, dass das Formelement gebildet wird, indem ein Formmaterial, das ein wärmehärtbares Harz enthält und nach dem Aufbringen eine Viskosität von 0,1 bis 100 Pa·s hat, wärmeausgehärtet wird.
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Wenn dabei als Haftmittel das Außenelektrodenelement verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass sich die Viskosität des Außenelektrodenelements bei seiner Aufbringung zwischen 0,1 und 200 Pa·s bewegt. Wenn die Viskosität des Außelektrodenelements weniger als 0,1 Pa·s beträgt, kommt es zu einem Problem wie Abtropfen, da die Viskosität zu gering ist, und leidet die Verarbeitbarkeit bei der Herstellung. Es ist daher vorzuziehen, dass die Viskosität nicht weniger als 10 Pa·s beträgt. Wenn die Viskosität dagegen mehr als 200 Pa·s beträgt, dringt das Haftmittel kaum zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein. Es ist daher vorzuziehen, dass die Viskosität nicht mehr als 100 Pa·s beträgt.
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Für das leitende Material, das in dem aufzubringenden Außenelektrodenelement enthalten ist, kann zum Beispiel ein Silberfüllstoff verwendet werden.
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Es ist vorzuziehen, dass als wärmehärtbares Harz, das in dem aufzubringenden Außenelektrodenelement enthalten ist, ein Harz verwendet wird, bei dem die Zeit (Gelierzeit), die verstreicht, bevor es aufgrund des Wärmeaushärtens zu einem Anstieg seiner Viskosität kommt, 10 Sekunden bis 20 Minuten beträgt. Wenn die Gelierzeit zu kurz ist, dringt das Haftmittel unzureichend zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein. Es ist daher vorzuziehen, dass die Gelierzeit nicht weniger als 20 Sekunden beträgt. Wenn die Gelierzeit dagegen mehr als 20 Minuten beträgt, ist der Aushärtezustand kaum stabil.
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Es ist vorzuziehen, dass zu dem aufzubringenden Außenelektrodenelement 1 bis 10 Gew.-% niedermolekulares Polymer oder Lösungsmittel hinzugegeben wird.
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Wenn das wärmehärtbare Harz aus Epoxid besteht, ist das niedermolekulare Polymer ein Reaktivverdünner und beispielsweise insbesondere n-Butylglycidylether, Allylglycidylether, 2-Ethylhexylglycidylether, Ethylenglycoldiglycidylether usw.
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Wenn das wärmehärtbare Harz aus Silikon besteht, ist das niedermolekulare Polymer ein niedermolekulares Siloxan und beispielsweise insbesondere ein Organosiloxan. Das angesprochene Lösungsmittel ist ein Alkohollösungsmittel wie Ethylenglycol, Propylenglycol, Benzylalkohol, Diethylenglycol, ein Etherlösungsmittel wie Anisol, Methylcarbitol oder ein anderes Lösungsmittel wie Butylcellosolve, Butylcarbitolacetat, Butylcarbitol.
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Jeder dieser Zusatzstoffe hat eine hohe Polarität, weswegen das Außenelektrodenelement leicht zwischen den piezoelektrischen Einheiten eindringen kann. Wenn die Konzentration des Zusatzstoffs weniger als 1 Gew.-% beträgt, entfaltet der Zusatzstoff nicht seine Wirkung. Wenn die Konzentration des Zusatzstoffs mehr als 10 Gew.-% beträgt, besteht die Möglichkeit, dass Hohlräume auftreten, wenn das Außenelektrodenelement erhitzt wird.
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Wenn als Haftmittel das Formelement verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass sich die Viskosität des Formelements bei seiner Aufbringung zwischen 0,1 und 100 Pa·s bewegt. Wenn die Viskosität des Formelements weniger als 0,1 Pa·s beträgt, kann ein Problem wie ein Abtropfen oder dergleichen auftreten, da die Viskosität zu gering ist, und wird die Verarbeitbarkeit bei der Herstellung beeinträchtigt. Es ist daher besser, dass die Viskosität nicht weniger als 5 Pa·s beträgt. Wenn die Viskosität dagegen mehr als 100 Pa·s beträgt, dringt das Haftmittel kaum zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein. Es ist daher vorzuziehen, dass die Viskosität nicht mehr als 30 Pa·s beträgt.
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Es ist vorzuziehen, dass als das wärmehärtbare Harz, das in dem aufzubringenden Formelement enthalten ist, ein Harz verwendet wird, bei dem die Zeit (Gelierzeit), die verstreicht, bevor es aufgrund der Wärmeaushärtung zu einem Anstieg seiner Viskosität kommt, 10 Sekunden bis 20 Minuten beträgt. Wenn die Gelierzeit zu kurz ist, dringt das Haftmittel unzureichend zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein. Es ist daher vorzuziehen, dass die Gelierzeit nicht weniger als 20 Sekunden beträgt. Wenn die Gelierzeit dagegen mehr als 20 Minuten beträgt, ist der Aushärtungszustand kaum stabil.
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Bei der Aufbringung des Haftmittels auf die Schichtstoffgrenze ist es vorzuziehen, dass auf den Schichtstoffkörper in seiner Aufschichtungsrichtung eine Druckbeanspruchung aufgebracht wird. Auf diese Weise kann das Haftmittel leicht zwischen den piezoelektrischen Einheiten eindringen, während sich die piezoelektrischen Einheiten miteinander in Kontakt befinden, und kann das Eindringen des Haftmittels in den Schwerpunkt der Haftmittelfläche entsprechend leicht verhindert werden.
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Es ist vorzuziehen, dass die Druckbeanspruchung während der Zeit zwischen der Aufbringung des Haftmittels auf die Schichtstoffgrenze und der Aushärtung des Haftmittels kontinuierlich aufgebracht wird. Auf diese Weise kann die Haftwirkung durch das Haftmittel verbessert werden.
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Außerdem ist gemäß Anspruch 13 eine Einspritzdüse vorgesehen, in der zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzung durch eine Verstellung in einem piezoelektrischen Stellglied ein Ventil geöffnet und geschlossen wird, wobei das piezoelektrische Stellglied das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst.
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In der Einspritzdüse wird also ein piezoelektrisches Stellglied verwendet, das das obige in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement umfasst. Das piezoelektrische Stellglied hat daher ein hervorragendes Antriebsverhalten mit geringem Verstellverlust. Daher kann auch mit der mit dem piezoelektrischen Stellglied ausgestatteten Einspritzdüse ein besonders hervorragendes Antriebsverhalten erzielt werden.
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Die Erfindung wird nun genauer anhand von Beispielen beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Unter diesen Beispielen ist das Beispiel 6 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Die anderen Beispiele dienen dem leichteren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 den Gesamtaufbau eines nicht erfindungsgemäßen in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements nach Beispiel 1;
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2A bis 2C schematisch eine piezoelektrische Schicht, eine Innenelektrodenschicht und einen aktiven Bereich bei Beispiel 1;
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3 schematisch einen Außenumfangsbereich und einen Innenumfangsbereich einer Haftmittelfläche bei Beispiel 1;
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4 schematisch die Längen eines aktiven Bereichs und eines Innenbereichs in einer Haftmittelfläche bei Beispiel 1;
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5 schematisch einen Außenumfangsbereich und zwei Innenumfangsbereiche in einer Haftmittelfläche bei Beispiel 1;
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6A und 6B schematisch eine tonnenförmige piezoelektrische Schicht und eine Innenelektrodenschicht bei Beispiel 1;
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7A und 7B schematisch eine achteckige piezoelektrische Schicht und eine Innenelektrodenschicht bei Beispiel 1;
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8 schematisch die Länge eines aktiven Bereichs und die Länge eines Innenbereichs in einer Haftmittelfläche bei Beispiel 2;
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9 als grafische Darstellung den Zusammenhang zwischen der Länge eines Innenbereichs und dem Verstellverlust bei Beispiel 2;
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10 als grafische Darstellung den Zusammenhang zwischen dem Flächeninhalt eines Innenbereichs und dem Verstellverlust bei Beispiel 2;
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11A und 11B schematisch piezoelektrische Einheiten, die gemäß einem Beispiel 3 nach dem Übereinanderschichten mit einem Haftmittel beschichtet werden;
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12A und 12B schematisch im Schnitt piezoelektrische Einheiten, die gemäß Beispiel 3 nach dem Übereinanderschichten mit einem Haftmittel beschichtet wurden;
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13A und 13B schematisch piezoelektrische Einheiten, die gemäß einem Beispiel 4 polarisiert werden;
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14A und 14B schematisch piezoelektrische Einheiten, die gemäß Beispiel 4 nach dem Polarisieren übereinander geschichtet wurden;
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15A und 15B schematisch piezoelektrische Einheiten, deren Ecken gemäß einem Beispiel 5 abgerundet sind;
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16A schematisch piezoelektrische Einheiten, die gemäß einem Beispiel 6, einer Ausführungsform der Erfindung, übereinander geschichtet werden;
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16B schematisch Außenelektrodenelemente, die bei Beispiel 6 gerade auf Seitenflächen eines Schichtstoffkörpers aufgebracht wurden;
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16C schematisch Außenelektrodenelemente, die bei Beispiel 6 zwischen Haftmittelflächen der piezoelektrischen Einheiten eingedrungen sind;
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17A schematisch Formelemente, die bei Beispiel 6 gerade auf Seitenflächen eines Schichtstoffkörpers aufgebracht wurden;
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17B schematisch Formelemente, die bei Beispiel 6 zwischen Haftmittelflächen piezoelektrischer Einheiten eingedrungen sind;
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18 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Außenelektrodenelementen bei Beispiel 6;
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19 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Außenelektrodenelementen bei Beispiel 6;
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20 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Außenelektrodenelementen bei Beispiel 6;
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21 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Außenelektrodenelementen und Formelementen bei Beispiel 6;
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22 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Außenelektrodenelementen und Formelementen bei Beispiel 6;
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23 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Formelementen bei Beispiel 6;
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24 schematisch ein Beispiel für das Eindringen von Formelementen bei Beispiel 6; und
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26 schematisch den Aufbau einer Einspritzdüse gemäß Beispiel 7.
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Als erstes wird Beispiel 1, wobei 1 keine Ausführungsform der Erfindung zeigt, beschrieben. Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, wird das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 gemäß diesem Beispiel gebildet, indem eine Vielzahl von piezoelektrischen Einheiten 2 mit im Wechsel aufgeschichteten piezoelektrischen Schichten 21 und Innenelektrodenschichten 211, 212 übereinander geschichtet und mit einem Haftmittel 11 verbunden wird.
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Das Haftmittel 11 zum Verbinden der piezoelektrischen Einheiten 2 liegt in einer Haftmittelfläche 25 der piezoelektrischen Einheit 2 in einem Außenumfangsbereich 251 vor, nicht aber in einem Innenbereich 252 einschließlich des Schwerpunkts G der Haftmittelfläche 25.
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Das Beispiel 1 wird im Folgenden ausführlicher erläutert.
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Das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 gemäß diesem Beispiel wird als eine Antriebsquelle einer Einspritzdüse zur Kraftstoffeinspritzung in einem Dieselmotor verwendet. Der Kraftstoffeinspritzdruck ist mit 200 MPa hoch.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement 1 gemäß diesem Beispiel ein aus einem Gemisch aus Epoxidharz und einem Silberfüllstoff bestehendes Außenelektrodenelement 152 mit Innenelektrodenschichten 211, 212 über aus einem Gemisch aus Glas und Silber bestehende, den Stromdurchgang gewährleistende Seitenflächenelektrodenelemente 151 auf Seitenflächen 291, 292 eines Schichtstoffkörpers verbunden, in dem die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet sind, während Formelemente 153 die gesamte Außenumfangsfläche des Schichtstoffkörpers bedecken, in dem die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet sind.
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Wie in den 1 und 2A bis 2C gezeigt ist, sind bei diesem Beispiel zwei Arten quadratischer piezoelektrischer Schichten 21 kombiniert, welche die piezoelektrische Einheit 2 bilden. Und zwar sind abwechselnd quadratische piezoelektrische Schichten, die mit Innenelektrodenschichten 212 und elektrodenfreien Abschnitten 210 auf der rechten Seite in den Zeichnungen versehen sind, und quadratische piezoelektrische Schichten kombiniert, die mit Innenelektrodenschichten 211 und elektrodenfreien Abschnitten 210 auf der linken Seite in den Zeichnungen versehen sind.
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In der piezoelektrischen Einheit 2 wird daher an die Innenelektrodenschichten 211, 212 so eine Spannung angelegt, dass die Elektrodenschichten verschiedene elektrische Potenziale haben. Dadurch dehnt sich ein wie in 2C gezeigter aktiver Bereich 221 aus, der zwischen den beiden Innenelektrodenschichten 211, 212 liegt. Der zwischen den elektrodenfreien Abschnitten 210 liegende inaktive Bereich 220 dehnt sich auch bei Energiebeaufschlagung nicht aus.
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Wie in 1 gezeigt ist, sind die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet, während ihre Haftmittelflächen 25 einander gegenüberliegen. Wie jedoch in 3 gezeigt ist, liegt das Haftmittel 11 im Außenumfangsbereich 251 der Haftmittelfläche 25 vor, nicht aber im Innenumfangsbereich 252 einschließlich des Schwerpunkts G.
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Um zu verdeutlichen, dass das Haftmittel zwischen den Haftmittelflächen eindringt, zeigt 1 in diesem Ausführungsbeispiel, dass sich die Haftmittelflächen 25 der piezoelektrischen Einheiten 2 nicht miteinander in Kontakt befinden. Wie jedoch in 12 gezeigt ist, die später beschrieben wird, weist die Haftmittelfläche 25 auf ihrer Oberfläche in Wirklichkeit Vertiefungen und Vorsprünge auf, weswegen einige Vorsprünge in die Vertiefungen passen oder sich in Kontakt mit den anderen Vorsprüngen befinden. Außerdem sind manchmal äußerst kleine Zwischenräume zwischen den Haftmittelflächen ausgebildet.
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Es wird nun die in 4 gezeigte Linie X erörtert, die durch den Schwerpunkt G in der Haftmittelfläche 25 geht. Die Länge ”L” des Innenbereichs 252 entlang der Linie X und die Länge ”L0” des aktiven Bereichs 221 entlang der Linie X erfüllen in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement 1 gemäß diesem Beispiel für jedwede Linie X L0/4 ≤ L.
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Wie in 5 gezeigt ist, kann eine Vielzahl von unabhängigen Innenbereichen 252 vorhanden sein.
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In dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement gemäß diesem Beispiel sind die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet und durch das Haftmittel 11, das in lediglich dem Außenumfangsbereich 251 und nicht am Schwerpunkt G und seiner Umgebung vorliegt, miteinander verbunden.
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Bei dem obigen Aufbau gemäß diesem Beispiel ist die Menge des auf dem aktiven Bereich 221 vorliegenden Haftmittels verglichen mit einem herkömmlichen piezoelektrischen Element geringer, weswegen der Verstellverlust in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement 1 verringert werden kann.
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Das Haftmittel liegt zwar in lediglich dem Außenumfangsbereich 251 vor, dennoch weichen die piezoelektrischen Einheiten 2 kaum voneinander ab, da sie übereinander liegen und durch das Haftmittel 11 verbunden sind.
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Mit diesem Beispiel lässt sich ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement erzielen, in dem die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind und dessen Verstellverlust gering ist.
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In dem oben beschriebenen Beispiel hat das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 quadratische piezoelektrische Schichten 2. Es kann allerdings auch tonnenförmige piezoelektrische Schichten haben, wie sie in den 6A, 6B gezeigt sind, oder im Großen und Ganzen achteckige piezoelektrische Schichten, wie sie in den 7A, 7B gezeigt sind, die durch Abtrennen der Ecken der quadratischen piezoelektrischen Schichten erzielt werden. Darüber hinaus wurde in diesem Beispiel eine piezoelektrische Einheit mit Teilelektroden beschrieben, doch kann auch eine Vollelektrode vorgesehen werden.
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Es wird nun Beispiel 2 beschrieben. In diesem Beispiel wird das Verhalten des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements mit dem Aufbau gemäß Beispiel 1 anhand eines Vergleichs mit Vergleichsbeispielen beurteilt.
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Und zwar wurden Musterstücke 1 bis 3 des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements angefertigt.
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Wie in 8 gezeigt ist, befindet sich das Haftmittel in der Haftmittelfläche 25 dieses Ausführungsbeispiels auf dem Außenumfangsbereich 251 und liegt nicht im Innenumfangsbereich 252 einschließlich des Schwerpunkts G vor. Der Außenumfangsbereich 251 ist bei diesem Beispiel im Wesentlichen rechteckig. Die Länge des Innenbereichs 252 entlang der Linie X, die durch den Schwerpunkt G in der Haftmittelfläche 25 geht, wird als ”L” und die Länge des aktiven Bereichs 221 entlang der Linie X in der Haftmittelfläche 25 als ”L0” bezeichnet. Die Linie X ist hierbei so gezeichnet, dass sie durch die Mittelpunkte der zueinander entgegengesetzten Seiten der quadratischen piezoelektrischen Schicht geht.
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Im Musterstück 1 besteht das Haftmittel aus einem Material auf Epoxidbasis und beträgt die Länge L des Innenbereichs zwischen dem Schwerpunkt G und dem Endabschnitt der piezoelektrischen Schicht auf der rechten Seite der Zeichnung in der Annahme, dass die Länge des aktiven Bereichs ”L0” entspricht, 0,3L0 und die Länge L des Innenbereichs zwischen dem Schwerpunkt G und dem Endabschnitt der piezoelektrischen Schicht auf der linken Seite der Zeichnung 0,35L0.
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In dem Musterstück 2 besteht das Haftmittel aus einem Material auf Epoxidbasis und beträgt die Länge L des Innenbereichs zwischen dem Schwerpunkt G und dem Endabschnitt der piezoelektrischen Schicht auf der rechten Seite der Zeichnung 0,15L0 und die Länge L des Innenbereichs zwischen dem Schwerpunkt G und dem Endabschnitt der piezoelektrischen Schicht auf der linken Seite der Zeichnung 0,2L0.
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Im Musterstück 3 besteht das Haftmittel aus einem Material auf Silikonbasis und ist die Länge des Innenbereichs gleich der des Musterstücks 2.
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Als Bezugsmusterstück wurde ein piezoelektrisches Schichtelement angefertigt, in dem die piezoelektrischen Schichten und die Innenelektrodenschichten ohne Verwendung eines Haftmittels übereinander geschichtet wurden. Es wurde der Verstellbetrag bei Anlegung einer Spannung von 150 V an das Bezugsmusterstück gemessen, während dieses in der Aufschichtungsrichtung der Schichten einer Vorbelastung von 500 N unterlag.
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Die Differenz zwischen dem Verstellbetrag des Bezugsmusterstücks und dem unter den gleichen Bedingungen gemessenen Versteilbetrag der Musterstücke 1, 2 oder 3 wird als ”Verstellverlust” bezeichnet.
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Auf Grundlage eines Haltbarkeitsversuchs, in dem die in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelemente der Musterstücke 1 bis 3 durch Anlegen einer Spannung wiederholt ausgedehnt und zusammengezogen wurden, wurde die Zuverlässigkeit der Isolierung beurteilt.
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Es ergab sich, dass der Verstellverlust im Musterstück 1 nicht mehr als 0,1 μm und in den Musterstücken 2 und 3 0,2 μm betrug. Die Zuverlässigkeit der Isolierung betrug beim Musterstück 1 1000 Stunden, beim Musterstück 2 1500 Stunden und beim Musterstück 3 2000 Stunden.
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Die Ergebnisse zeigen also, dass ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement mit geringerem Verstellverlust erzielt werden kann, wenn das Haftmittel so im Außenumfangsbereich aufgebracht wird, dass er L0/4 ≤ L erfüllt.
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Außerdem ergibt sich aus der Messung der Isolationszuverlässigkeit, dass die Isolationszuverlässigkeit verbessert werden kann, indem die Spannung des Haftmittels beispielsweise durch Ersetzen des Materials auf Epoxidbasis im Musterstück 2 mit einem Material auf Silikonbasis im Musterstück 3 verringert wird, und dass sich die Lebensdauer des in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelements verlängert.
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In dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement mit dem Aufbau des Musterstücks 1 wurde die Länge L des Innenbereichs nach Bedarf geändert und für jedes Element der Verstellverlust gemessen. Die Ergebnisse sind in der grafischen Darstellung von 9 angegeben.
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Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Verstellverlust wirksam verringern lässt, wenn L0/2 ≤ L erfüllt ist.
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In dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement mit dem Aufbau des Musterstücks 1 wurde nach Bedarf der Flächeninhalt S des Innenbereichs geändert und für jedes Element der Verstellverlust gemessen. Die Ergebnisse sind in der grafischen Darstellung von 10 angegeben.
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Die Ergebnisse zeigen, dass der Verstellverlust wirksam verringert werden kann, wenn S0/4 ≤ S erfüllt ist.
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Es wird nun das Beispiel 3 beschrieben. Dieses Beispiel befasst sich mit einem Herstellungsverfahren für das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement gemäß Beispiel 1 und wird unter Bezugnahme auf die 11A, 11B, 12A und 12B beschrieben.
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Es wird zunächst ein Pulver aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) angesetzt. Das Pulver wird zermahlen und dann werden zu dem zermahlenen Pulver weitere Zusatzstoffe oder Bindemittel hinzugegeben, um eine Schlämme herzustellen. Aus der Schlämme wird durch Rakeln oder dergleichen eine Grünlage angefertigt.
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Zu Ag-Pulver und Pd-Pulver werden Zusatzstoffe oder Bindemittel hinzugegeben, um eine Paste herzustellen, und aus dieser Paste wird eine leitende Paste für die Innenelektrodenschicht angefertigt.
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Die Lage wird in Stücke mit einer vorbestimmten Größe gestanzt, wobei auf jedes Stück die leitende Paste gedruckt wird. 20 bedruckte Stücke werden übereinander geschichtet, wobei auf zumindest die entgegengesetzten Stirnflächen in Aufschichtungsrichtung ein Druck aufgebracht wird, um die Stücke zusammenzupressen. Danach werden die übereinander geschichteten Stücke auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, um einen einer piezoelektrischen Einheit ähnelnden, durch Pressung verbundenen Körper anzufertigen, in dem die bedruckten Abschnitte bzw. Innenelektrodenschichten abwechselnd alle zwei Schichten an einer der entgegengesetzten Seitenflächen des durch Pressung verbundenen Körpers frei liegen. Der durch Pressung verbundene Körper wird gesintert. Danach wird auf die Seitenflächen des durch Pressung verbundenen Körpers eine ein Glasmaterial und Silber enthaltende leitende Paste aufgebracht und dann gesintert.
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Auf diese Weise wird die piezoelektrische Einheit 2 erzielt, in der die Innenelektrodenschichten 211 und 212 in jeder zweiten Lage elektrisch über aus einem Gemisch aus Glas und Silber bestehende Seitenflächenelektrodenelemente 151 auf den jeweiligen Seitenflächen 291 und 292 verbunden werden können.
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Danach wird, wie in 11A gezeigt ist, eine vorbestimmte Anzahl piezoelektrischer Einheiten 2 übereinander geschichtet. Die 11A und 11B zeigen aus Gründen der Klarheit nur zwei übereinander geschichtete piezoelektrische Einheiten 2. Tatsächlich werden im Beispiel 1 23 piezoelektrische Einheiten 2 übereinander geschichtet, um das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 zu bilden. Es können etwa 2 bis 40 piezoelektrische Einheiten 2 übereinander geschichtet werden, um durch das Verfahren gemäß diesem Beispiel das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1a anzufertigen.
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Wie in den 11B und 12A gezeigt ist, wird das Haftmittel 11 in dem Schichtstoffkörper 200, in dem die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet sind, auf eine Schichtstoffgrenze 250 zwischen den piezoelektrischen Einheiten 2 aufgebracht, die an den Seitenflächen des Schichtstoffkörpers 200 frei liegt.
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Auf diese Weise wird das Haftmittel 11, wie in 12B gezeigt ist, spontan in die Außenumfangsbereiche der Haftmittelflächen 25 in der piezoelektrischen Einheit 2 eingebracht und dringt zwischen diesen ein.
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Wie in den 12A und 12B gezeigt ist, ist der Grund dafür der, dass zwischen den piezoelektrischen Einheiten 2 ein äußerst kleiner Zwischenraum 259 vorliegt, da die Haftmittelfläche 25 der piezoelektrischen Einheit 2 nicht völlig flach ist und eine Anzahl von Vorsprüngen und Vertiefungen hat, weswegen das Haftmittel 11 aufgrund der Kapillarwirkung spontan in den äußerst kleinen Zwischenraum 259 eindringt.
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Danach wird auf die entgegengesetzten Enden des in den 12A und 12B gezeigten Schichtstoffkörpers 200 in der Aufschichtungsrichtung eine Belastung aufgebracht und der Schichtstoffkörper wärmeausgehärtet, wodurch die piezoelektrischen Einheiten 2 miteinander vereint werden. Auf das Seitenflächenelektrodenelement 151 wird durch Siebdruck ein Außenelektrodenelement 152 aus einem Epoxidharz und einem Silberfüllstoff aufgebracht, wobei das Seitenflächenelektrodenelement 151 wärmeausgehärtet wird, nachdem an dem Seitenflächenelektrodenelement 151 eine Außenelektrodenplatte 154 angebracht wurde. Schließlich wird durch Verteilen ein Formelement 153 aufgebracht, und dann wärmeausgehärtet, um das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 zu erzielen.
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In dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement 1, das durch das Verfahren gemäß diesem Beispiel hergestellt wird, lässt sich das Haftmittel 11 leicht auf den Außenumfangsbereich 251 der Haftmittelfläche 25 aufbringen.
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Die piezoelektrischen Einheiten 2 werden durch das auf lediglich dem Außenumfangsbereich 251 befindliche Haftmittel 11 verbunden, wodurch der Verstellverlust in dem in Form einer Einheit vorliegenden piezoelektrischen Schichtelement verringert werden kann. Das Haftmittel liegt zwar in lediglich dem Außenumfangsbereich 251 vor, jedoch weichen die piezoelektrischen Einheiten 2 kaum voneinander ab, da sie übereinander geschichtet und durch das Haftmittel 11 verbunden sind. Außerdem lassen sich die piezoelektrischen Einheiten 2 leicht übereinander schichten, weswegen die Produktionsleistung verbessert werden kann.
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Durch dieses Beispiel kann ein Herstellungsverfahren für das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement zur Verfügung gestellt werden, in dem die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet und durch das Haftmittel verbunden sind und dessen Verstellverlust gering ist.
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Es wird nun Beispiel 4 beschrieben. Dieses Beispiel befasst sich mit der Polarisation, die an den piezoelektrischen Einheiten 2 während des Herstellungsvorgangs gemäß Beispiel 3 vorgenommen wird.
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Und zwar wird ein Paar Seitenflächenelektrodenelemente 151 in der piezoelektrischen Einheit 2 mit einem negativen Pol und einem positiven Pol verbunden und wird den Elektrodenelementen dann eine Gleichspannung zugeführt, um auf die piezoelektrischen Elemente 21 in der Aufschichtungsrichtung verschiedene Potenziale aufzubringen. Wie in 13A gezeigt ist, sind die entgegengesetzten Stirnflächen (die als Verbindungsflächen dienen, wenn die piezoelektrischen Einheiten übereinander geschichtet werden) vor der Zuführung des Gleichstroms in der Aufschichtungsrichtung im Wesentlichen flach und parallel zueinander. Wie in 13B gezeigt ist, ist der aktive Bereich 221 jedoch nach der Zuführung des Gleichstroms verformt, so dass er in die Aufschichtungsrichtung vorragt, und zeigt im Großen und Ganzen eine Wölbung oder Tonnenform.
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Wenn die polarisierten piezoelektrischen Einheiten 2 wie in 14B gezeigt übereinander geschichtet werden, bilden sich daher in der Schichtstoffgrenze 250, auf die das angesprochene Haftmittel aufgebracht wird, Öffnungen 261 mit keilförmigem Querschnitt. Das Haftmittel dringt daher leicht zwischen den piezoelektrischen Einheiten ein. Aus Vergleichsgründen sind in 14A übereinander geschichtete piezoelektrische Einheiten 2 gezeigt, die noch nicht polarisiert sind.
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Die übrigen Einzelheiten sind die gleichen wie bei Beispiel 3 und es wird eine ähnliche Wirkung erzielt.
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Es wird nun Beispiel 5 beschrieben. Dieses Beispiel befasst sich mit dem Abrunden der Ecken der piezoelektrischen Einheit 2 in dem Herstellungsvorgang gemäß Beispiel 3.
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Wie in den 15A und 15B gezeigt ist, werden die Ecken der piezoelektrischen Einheit 2, die den Haftmittelflächen 25 zugewandt sind, vorher abgeschrägt, weswegen das Haftmittel leicht in die Schichtstoffgrenze 250 eingeführt werden kann.
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Und zwar werden, wie in den 15A und 15B gezeigt ist, in der Schichtstoffgrenze 250, auf die das angesprochene Haftmittel aufgebracht wird, Öffnungen 266 mit einem keilförmigen Querschnitt ausgebildet. Das Haftmittel 11 dringt daher leicht zwischen den piezoelektrischen Einheiten 2 ein.
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Die übrigen Einzelheiten sind die gleichen wie bei Beispiel 3 und es kann eine vergleichbare Wirkung erzielt werden.
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Es wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand Beispiel 6 beschrieben. In diesem Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 16A bis 22 ein Beispiel für ein in Form einer Einheit vorliegendes piezoelektrisches Schichtelement beschrieben, bei dem bei der Herstellung als Haftmittel das Außenelektrodenelement und das Formelement verwendet werden.
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Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 3 wird ein Pulver aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) angesetzt. Das Pulver wird zermahlen und zu dem zermahlenen Pulver werden weitere Zusatzstoffe oder Bindemittel hinzugegeben, um eine Schlämme herzustellen. Aus der Schlämme wird durch Rakeln oder dergleichen eine Grünlage angefertigt.
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Zu Ag-Pulver und Pd-Pulver werden Zusatzstoffe oder Bindemittel hinzugegeben, um eine Paste herzustellen, und aus dieser Paste wird eine leitende Paste für die Innenelektrodenschicht angefertigt.
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Die Lage wird in Stücke mit einer vorbestimmten Größe gestanzt, wobei auf jedes Stück die leitende Paste gedruckt wird. 20 bedruckte Stücke werden übereinander geschichtet, wobei auf zumindest die entgegengesetzten Stirnflächen in Aufschichtungsrichtung ein Druck aufgebracht wird, um die Stücke zusammenzupressen. Danach werden die übereinander geschichteten Stücke auf eine vorbestimmte Größe geschnitten, um einen einer piezoelektrischen Einheit ähnelnden, durch Pressung verbundenen Körper anzufertigen, in dem die bedruckten Abschnitte bzw. Innenelektrodenschichten abwechselnd alle zwei Schichten an einer der entgegengesetzten Seitenflächen des durch Pressung verbundenen Körpers frei liegen. Der durch Pressung verbundene Körper wird gesintert. Danach wird auf die Seitenflächen des durch Pressung verbundenen Körpers eine ein Glasmaterial und Silber enthaltende leitende Paste aufgebracht und dann gesintert.
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Auf diese Weise wird die in 16A gezeigte piezoelektrische Einheit 2 erzielt, in der die Innenelektrodenschichten 211 und 212 jeder zweiten Lage elektrisch über aus einem Gemisch aus Glas und Silber bestehende Seitenflächenelektrodenelemente 151 auf den jeweiligen Seitenflächen 291 und 292 verbunden werden können.
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Danach wird, wie in 16A gezeigt ist, eine vorbestimmte Anzahl piezoelektrischer Einheiten 2 übereinander geschichtet und mit einem vorbestimmten Druck F zusammengeklemmt. Die 16A bis 16C und 17A, 17B zeigen aus Klarheitsgründen in übertriebener Form Zwischenräume zwischen den Haftmittelflächen 25 der piezoelektrischen Einheiten 2. In Wirklichkeit befinden sich die Haftmittelflächen teilweise in Kontakt miteinander.
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In dem Schichtstoffkörper 200, in dem die piezoelektrischen Einheiten 2 übereinander geschichtet sind, werden, wie in 166 gezeigt ist, entlang einer Vielzahl von Seitenflächenelektrodenelementen 151, die in Reihe an den Seitenflächen angeordnet sind und dort frei liegen, auf die Seitenflächen des Schichtstoffkörpers 200 die Außenelektrodenelemente 152 aufgebracht, um die Seitenflächenelektrodenelemente 151 zu bedecken.
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In diesem Beispiel findet als Außenelektrodenelement 152 ein Außenelektrodenelement Anwendung, das als leitendes Element einen Silberfüllstoff, als wärmehärtbares Harz ein Epoxidharz und als Reaktivverdünner Ethylenglykolglycidylether enthält und eine Viskosität von 30 Pa·s und eine Gelierzeit von 10 Minuten hat.
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Wie in 16C gezeigt ist, wird das Außenelektrodenelement 152 in die Außenumfangsbereiche der Haftmittelflächen 25 der piezoelektrischen Einheiten 2 eingebracht und dringt spontan zwischen diesen ein, wobei es außerdem als das angesprochene Haftmittel fungiert. In diesem Zustand wird das Außenelektrodenelement 152 wärmeausgehärtet, um die vielen piezoelektrischen Elemente 2 miteinander zu vereinen.
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In diesem Beispiel gehen die Seitenflächenelektrodenelemente 151 in Aufschichtungsrichtung nicht bis zu den entgegengesetzten Enden der piezoelektrischen Einheit 2, so dass sich an den entgegengesetzten Enden der Seitenflächen Ränder befinden. Aufgrund des Fehlens des Seitenflächenelektrodenelements 151 in der nahen Umgebung der Haftmittelflächen der piezoelektrischen Einheit 2 kann das Außenelektrodenelement 152 daher zufriedenstellend zwischen den verbundenen Flächen eindringen.
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Wie in 17A gezeigt ist, wird in diesem Beispiel auf der Seitenfläche des Schichtstoffkörpers 200 ein Formelement 153 verteilt, damit dieser im Großen und Ganzen vollständig bedeckt ist. Als Formelement 153 kann ein Formelement Anwendung finden, das als wärmehärtbares Harz Polyorganosiloxan und Diorganosiloxan enthält und eine Viskosität von 15 Pa·s und eine Gelierzeit von 5 Minuten hat.
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Wie in 17B gezeigt ist, wird das Formelement 153 in die Außenumfangsbereiche der Haftmittelflächen 25 der piezoelektrischen Einheiten 2 eingebracht und dringt spontan zwischen diesen ein, wobei es außerdem als das oben genannte Haftmittel fungiert. In diesem Zustand wird das Formelement 153 wärmeausgehärtet, um die vielen piezoelektrischen Einheiten 2 fest miteinander zu vereinen.
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In diesem Beispiel fungieren sowohl das Außenelektrodenelement 152 als auch das Formelement 153 als das angesprochene Haftmittel. Allerdings kann auch nur eines dieser Elemente als Haftmittel verwendet werden. Die Seitenflächenelektrodenelemente 151 werden im Voraus auf den Seitenflächen jeder piezoelektrischen Einheit 2 aufgebracht. Das Aufbringen der Seitenflächenelektrodenelemente 151 kann aber auch entfallen, wenn die Außenelektrodenelemente 152 elektrisch ausreichend mit den Innenelektrodenschichten 211, 212 verbunden werden.
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Es ist nicht immer notwendig, dass der Haftmittelbestandteil gänzlich in der Zusammensetzung des Außenelektrodenelements verteilt ist. So muss der Haftmittelabschnitt beispielsweise nicht unbedingt das leitende Material des Außenelektrodenelements enthalten oder kann im Harzbestandteil lediglich einen Aushärtungsbestandteil aus einem niedermolekularen Polymer enthalten.
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Es werden nun unter Bezugnahme auf die 18 bis 20 Muster für das Eindringverhalten des Materials des Außenelektrodenelements 152 beschrieben, das als das in die Verbindungsflächen eindringende Haftmittel verwendet wird.
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In dem in 18 gezeigten Beispiel dringt das Material der Außenelektrodenelemente 152 in die piezoelektrische Einheit 2 an den in Breitenrichtung mittleren Abschnitten am tiefsten ein. In dem in 19 gezeigten Beispiel dringt das Material der Außenelektrodenelemente 152 seiner Lage entsprechend im Großen und Ganzen gleichmäßig ein. In dem in 20 gezeigten Beispiel dringt das Material der Außenelektrodenelemente 152 zwischen den piezoelektrischen Einheiten 2 ein und verteilt sich über deren gesamtem Umfang, wobei auch die Seitenflächen mit den Außenelektrodenelementen beschichtet werden.
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Das Eindringen des Materials des Außenelektrodenelements lässt sich dadurch steuern, dass die Viskosität und die Gelierzeit des Außenelektrodenelements 152 und die Form oder die Eigenschaften der Haftmittelfläche jeder piezoelektrischen Einheit 2 eingestellt werden.
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Es werden nun Muster für das Eindringverhalten des Haftmittels zwischen den Haftmittelflächen beschrieben, wenn bei den in den 18 und 20 gezeigten Beispielen zusätzlich das Formelement 153 als Haftmittel verwendet wird.
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In 21 erfolgt durch die in 18 gezeigten Außenelektrodenelemente 152 eine Teilverbindung und dringt außerdem hauptsächlich zwischen den Abschnitten, in denen kein Außenelektrodenelement 152 vorliegt, das Formelement 153 ein.
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In 22 werden die Haftmittelflächen durch das Haftmittel verbunden, das wie in 20 gezeigt, im gesamten Außenumfang der Haftmittelflächen vorliegt, und verteilt sich außerdem das Formelement 153 über den gesamten Umfang einschließlich des Abschnitts, in dem das Außenelektrodenelement 152 vorliegt.
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Die 23 und 24 zeigen Beispiele, in denen das Material der Außenelektrodenelemente 152 nicht zwischen den Haftmittelflächen eindringt und lediglich das Material des Formelements 153 eindringt und sich im Wesentlichen über den Außenumfang der Haftmittelflächen ausbreitet, weswegen lediglich das Formelement 153 als Haftmittel verwendet wird.
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Es gibt verschiedene andere Muster für das Eindringverhalten zwischen den Haftmittelflächen.
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Schließlich wird Beispiel 7 beschrieben. In diesem Beispiel wird das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 gemäß Beispiel 1 als ein piezoelektrisches Stellglied einer Einspritzdüse 6 verwendet.
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Die in 25 gezeigte Einspritzdüse 6 gemäß diesem Beispiel wird in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Dieselmotors eingesetzt.
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Die Einspritzdüse 6 enthält ein oberes Gehäuse 62, in dem das als ein aktiver Bereich dienende, in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 untergebracht ist, und ein mit dem unteren Ende des oberen Gehäuses verbundenes unteres Gehäuse 63, in dem ein Einspritzdüsenabschnitt 64 ausgebildet ist.
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Das obere Gehäuse 62 ist im Großen und Ganzen säulenförmig, wobei das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 in einem Längsloch 621 eingeführt und befestigt ist, dessen Achse von der Achse des oberen Gehäuses 62 abweicht.
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Parallel zu dem Längsloch 621 befindet sich ein Hochdruckkraftstoffkanal 622.
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Das obere Ende des Kanals 622 steht über ein Kraftstoffeinlassrohr 623, das auf dem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 62 vorragt, mit dem außen befindlichen (nicht gezeigten) Common-Rail in Verbindung.
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Von dem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 62 ragt auch ein mit einem Ableitungskanal 624 verbundenes Kraftstoffabführrohr 625 vor, wobei der von dem Kraftstoffabführrohr 625 abgeführte Kraftstoff zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt wird.
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Der Ablaufkanal 624 steht über einen Zwischenraum 60 zwischen dem Längsloch 621 und dem Antriebsabschnitt (piezoelektrisches Element) 1 und einem (nicht gezeigten) im oberen und unteren Gehäuse 62, 63 nach unten verlaufenden Kanal mit einem Drei-Wege-Ventil 651 in Verbindung, das später beschrieben wird.
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Der Einspritzdüsenabschnitt 64 ist mit einer in einem Kolbenkörper 631 nach oben und unten gleitenden Düsennadel 641 und einem Einspritzloch versehen, das durch die Düsennadel 641 geöffnet und geschlossen wird, um dem jeweiligen Zylinder eines Motors von einem Kraftstoffspeicher 642 zugeführten Hochdruckkraftstoff zuzuführen. Der Kraftstoffspeicher 642 ist um den mittleren Abschnitt der Düsennadel 641 angeordnet, wobei sich das untere Ende des Hochdruckkraftstoffkanals 622 in den Kraftstoffspeicher 642 öffnet. Die Düsennadel 641 nimmt einen das Einspritzloch öffnenden Kraftstoffdruck von dem Kraftstoffspeicher 642 und einen das Einspritzloch öffnenden Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 644 auf, die dem oberen Ende der Düsennadel zugewandt ist, wobei der Druck in der Gegendruckkammer 644 entsprechend verringert wird, um die Düsennadel 641 zu heben, so dass sich das Einspritzloch 643 unter Einspritzung des Kraftstoffs öffnet.
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Der Druck in der Gegendruckkammer 644 wird durch das Drei-Wege-Ventil 651 erhöht und gesenkt. Das Drei-Wege-Ventil 651 wird gezielt mit der Gegendruckkammer 644, dem Hochdruckkraftstoffkanal 622 und dem Ablaufkanal 624 verbunden. Das Drei-Wege-Ventil hat dafür einen kugelförmigen Ventilkörper, der eine mit dem Hochdruckkraftstoffkanal 622 oder dem Ablaufkanal 624 in Verbindung stehende Öffnung öffnet und schließt. Der Ventilkörper wird durch den Antriebsabschnitt 1 über einen Kolben großen Durchmessers 652, eine Hydraulikkammer 653 und einen Kolben kleinen Durchmessers 654 angetrieben, die sich unterhalb des Antriebsabschnitts 1 befinden.
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In diesem Beispiel wird in der Einspritzdüse 6 mit dem obigen Aufbau als Antriebsquelle das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 gemäß Beispiel 1 verwendet. Das in Form einer Einheit vorliegende piezoelektrische Schichtelement 1 hat wie gesagt einen geringen Verstellverlust und ein hervorragendes Betriebsverhalten. Daher können das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit der gesamten Einspritzdüse 6 verbessert werden.
