DE102006000175A1

DE102006000175A1 - Geschichtetes piezoelektrisches Element

Info

Publication number: DE102006000175A1
Application number: DE200610000175
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kariya Kobane; Hiroaki Kariya Asano; Hidekazu Kariya Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2006-11-09
Also published as: US20060232173A1; JP2006303045A; US7339310B2; CN1877878A

Abstract

Ein geschichtetes piezoelektrisches Element (1) umfasst ein geschichtetes piezoelektrisches Element (1), das piezoelektrische Schichten (11), die aus einer Keramik gebildet sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten (21a und 21b) aufweist, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, eine erste externe Elektrodenschicht (31), die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) bereitgestellt ist und mit den internen Elektrodenschichten (21a und 21b) elektrisch verbunden ist, und eine zweite externe Elektrodenschicht (32), die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) bereitgestellt ist und mit den internen Elektrodenschichten (21a und 21b) über die erste externe Elektrodenschicht (31) elektrisch verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht (31) als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht (32) als W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W2 sowie 2,5 (W2/W0) x 100 60 gilt, wobei das geschichtete piezoelektrische Element (1) einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt (1a) aufweist, ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein geschichtetes piezoelektrisches Element, das beispielsweise in einem Kraftfahrzeugkraftstoffeinspritzventil, einem Präzisionspositionierungsgerät eines optischen Geräts, einem Ansteuerungselement zur Verhinderung einer Schwingung bzw. Vibration oder einem Tintenstrahldrucker usw. verwendet wird.

Geschichtete piezoelektrische Elemente und insbesondere geschichtete piezoelektrische Elemente, die in Kraftfahrzeugkraftstoffeinspritzventilen verwendet werden, sind erforderlich, um die Zuverlässigkeit über einen breiten Temperaturbereich, der sich von niedrigen Temperaturen zu hohen Temperaturen erstreckt, sicherzustellen. In Umgebungen, in denen sie einem derartigen Temperaturschock unterworfen sind, verursachen Unterschiede in einer thermischen Ausdehnung zwischen dem piezoelektrischen Element und einer externen Elektrode, die bei einer Seite des piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung bzw. Belastung, die von der externen Elektrode an das piezoelektrische Element angelegt wird, was das Problem einer Bildung von Bruchstellen in der externen Elektrode und dem piezoelektrischen Element zur Folge hat.

In den ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen (Kokai) Nr. 2001-345490 und Nr. 8-242025 ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element vorgeschlagen, das die Haltbarkeit der externen Elektrode verbessert, indem eine Vielzahl von externen Elektroden bereitgestellt wird, die unterschiedliche Dehnungsverhältnisse bei einer Seite des piezoelektrischen Elements aufweisen. Zusätzlich ist in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2001-148521 ein geschichtetes piezoelektrisches Element vorgeschlagen, das eine externe Elektrode bei einer Seite des piezoelektrischen Elements, eine Lötschicht, die schmaler als die externe Elektrode ist, bei der externen Elektrode und einen Externe-Elektrodenschicht-Verbindungsleitungsdraht bereitstellt, der die externe Elektrode mit der Lötschicht elektrisch verbindet. Als Ergebnis wird eine thermische Belastung, die auf den Unterschied in einer thermischen Ausdehnung zwischen der Lötschicht und dem piezoelektrischen Element zurückzuführen ist, nicht direkt an das piezoelektrische Element angelegt, da die externe Elektrode breiter ist als die Lötschicht.

Der Stand der Technik, der in der JPP'490 beschrieben ist, ist jedoch für eine Konzentration einer thermischen Beanspruchung, die bei beiden Enden der externen Elektroden erzeugt wird, anfällig, da die Breiten der Vielzahl von externen Elektroden gleich sind, wobei, da die thermische Beanspruchung, die an das piezoelektrische Element von den externen Elektroden angelegt wird, groß ist, das Problem von Bruchstellen, die sich in den externen Elektroden und dem piezoelektrischen Element bilden, vorliegt. Zusätzlich tauchen bei dem Stand der Technik, der in der JPP'521 beschrieben ist, da eine Lötschicht in Bezug auf die Richtung einer Schichtung des piezoelektrischen Elements diskontinuierlich bereitgestellt ist, wenn sich Bruchstellen bei einer Vielzahl von Stellen bei der externen Elektrode, die nicht in Kontakt mit der Lötschicht ist, aufgrund des Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zwischen der Lötschicht und der externen Elektrode bilden, Abschnitte auf, bei denen elektrische Unterbrechungen zwischen den Stellen vorhanden sind, bei denen sich Bruchstellen ausgebildet haben. Zusätzlich erscheinen, wenn sich die Bruchstellen, die sich in dem piezoelektrischen Element gebildet haben, zu der externen Elektrode, die ebenso ohne Kontakt zu der Lötschicht ist, erstrecken, auf ähnliche Weise Abschnitte, bei denen elektrische Unterbrechungen zwischen den Stellen, bei denen sich die Bruchstellen ausgebildet haben, vorhanden sind. Als Ergebnis besteht, da eine Spannung an einen Abschnitt des piezoelektrischen Elements nicht angelegt werden kann und der Versatz des piezoelektrischen Elements sich verkleinert, eine Schwierigkeit, dass sich die Kennlinien bzw. Eigenschaften während der Verwendung ändern. Zusätzlich wird eine thermische Beanspruchung an die externe Elektrode und das piezoelektrische Element von beiden Enden der Lötschicht in der Richtung der Schichtung des piezoelektrischen Elements angelegt, was die Bildung von Bruchstellen in dem piezoelektrischen Element zur Folge hat. Da die Stellen, bei denen sich Bruchstellen bilden, piezoelektrisch aktive Abschnitte sind und die Richtung, in denen sich die Bruchstellen ausbreiten, die Richtung einer Ausdehnung und eines Zusammenziehens des piezoelektrischen Elements ist, wird die Ausbreitung der Bruchstellen beschleunigt, wodurch sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit ergeben.

KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitzustellen, das in der Lage ist, die Bildung von Bruchstellen in einer externen Elektrode und einem piezoelektrischen Element zu verhindern.

Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung besser ersichtlich.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das versehen ist mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, und
einer zweiten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten über die erste externe Elektrodenschicht verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung einer Schichtung ist, mit W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht mit W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht mit W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W2 und 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 ist, das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrischen aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.

Gemäß dieser ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann, da die Breiten der ersten und zweiten externen Elektrodenschichten gleich sind, eine thermische Beanspruchung, die bei beiden Enden jeder externen Elektrodenschicht erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich wird, da W1 > W2 gilt, eine thermische Beanspruchung, die in der ersten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, nicht direkt auf den piezoelektrischen Körper angelegt. Zusätzlich kann, wenn (W2/W0) × 100 gleich 2,5 oder mehr ist, eine Verbindungsstärke sichergestellt werden, die in der Lage ist, einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte, der/die mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden ist, mit der zweiten externen Elektrodenschicht zu verbinden. Zusätzlich kann, wenn (W2/W0) × 100 gleich 60 oder weniger ist, eine thermische Beanspruchung des piezoelektrischen Körpers auf einem niedrigen Pegel gehalten werden, wobei die Bildung von Bruchstellen verhindert werden kann. Zusätzlich kann, wenn die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bereitgestellt ist, die Wirkung einer thermischen Beanspruchung, die an die erste externe Elektrode und den piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der zweiten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung des piezoelektrischen Körpers angelegt wird, minimiert werden. Anders ausgedrückt haben, da beide Enden der zweiten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung des piezoelektrischen Elements im Wesentlichen nicht bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt angeordnet sind, auch wenn sich Bruchstellen ausbilden, diese eine geringe Wirkung auf den piezoelektrisch aktiven Abschnitt. Demgegenüber wird in dem Fall, dass die zweite externe Elektrodenschicht diskontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung an die erste externe Elektrode und den piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der zweiten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten angelegt, was eine größere Anfälligkeit für die Bildung von Bruchstellen in dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt zur Folge hat. Da die Richtung, in der sich die Bruchstellen ausbreiten, mit der Richtung übereinstimmt, in der sich der piezoelektrisch aktive Abschnitt ausdehnt und zusammenzieht, wird die Ausbreitung von Bruchstellen unterstützt, was dementsprechend Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit zur Folge hat.

Ferner sollte erfindungsgemäß, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden sein, bei der 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 gilt. In dem Fall, dass (W2/W0) × 100 kleiner als 5 ist, wird eine Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte und der ersten externen Elektrodenschicht unzureichend. Zusätzlich können in dem Fall, dass (W2/W0) × 100 30 überschreitet, kontinuierliche Effekte nicht adäquat erhalten werden, obwohl die Bildung von Bruchstellen verhindert wird.

Des Weiteren sollte erfindungsgemäß, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrodenschicht als T1 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden sein, bei der 0,05 ≤ (T2/T1) ≤ 300 gilt. In dem Fall, dass T2/T1 300 überschreitet, wird, da die Dicke der zweiten externen Elektrodenschicht in Bezug auf die Dicke der ersten externen Elektrodenschicht, die wirkt, um eine Beanspruchung bzw. Belastung zu verringern, ein zugehöriger Effekt als ein Belastungsverringerungsmaterial niedrig, was die Bildung von Bruchstellen zur Folge hat. Zusätzlich ist, wenn T2/T1 kleiner als 0,05 ist, eine Verbindungsstärke des Leitungsdrahts oder einer Elektrodenplatte mit der zweiten externen Elektrodenschicht unzulänglich.

Außerdem sollte erfindungsgemäß, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrodenschicht als T1 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden sein, bei der 1 ≤ (T2/T1) ≤ 35 gilt. In dem Fall, dass T2/T1 35 überschreitet, wird, da die Dicke der zweiten externen Elektrodenschicht in Bezug auf die Dicke der ersten externen Elektrodenschicht, die wirkt, um eine Beanspruchung bzw. Belastung zu verringern, zu groß ist, ein zugehöriger Effekt als ein Belastungsverringerungsmaterial niedrig, was die Bildung von Bruchstellen zur Folge hat. Zusätzlich wird, wenn T2/T1 kleiner als 1 ist, eine Verbindungsstärke des Leitungsdrahts oder einer Elektrodenplatte mit der zweiten externen Elektrodenschicht unzulänglich.

Zusätzlich ist es erfindungsgemäß zu bevorzugen, dass, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, W0 ≤ 15 mm gilt. In dem Fall, dass W0 1,5 mm überschreitet, wird eine Breite W2 der zweiten externen Elektrodenschicht 9,0 mm oder mehr, und die thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, überschreitet die Stärke der piezoelektrischen Schichten, wodurch eine größere Anfälligkeit für die Bildung von Bruchstellen in dem piezoelektrischen Element die Folge ist.

Zusätzlich wirkt erfindungsgemäß, wenn die erste externe Elektrodenschicht aus einem Metall aufgebaut ist, das zumindest eines, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut umfasst, sowie eine zugehörige Legierung umfasst, wenn der Elastizitätsmodul der ersten externen Elektrodenschicht mit E1 bezeichnet wird und der Koeffizient einer linearen Ausdehnung als α1 bezeichnet wird, während ein Elastizitätsmodul der zweiten externen Elektrodenschicht als E2 bezeichnet wird und der Koeffizient einer linearen Ausdehnung als α2 bezeichnet wird, wenn ein Lötmittel oder ein elektrisch leitfähiges Harzmaterial für die zweite externe Elektrodenschicht verwendet wird, da E1 × α1 kleiner als E2 × α2 gemacht werden kann, die erste externe Elektrodenschicht als eine Pufferschicht, die eine thermische Beanspruchung in der zweiten externen Elektrodenschicht verringert, wodurch es ermöglicht wird, eine thermische Beanspruchung, die an das geschichtete piezoelektrische Element von der zweiten externen Elektrodenschicht angelegt wird, zu verringern.

Zusätzlich kann erfindungsgemäß, wenn die zweite externe Elektrodenschicht ein Lötmittel oder ein elektrisch leitfähiges Harzmaterial umfasst, wenn ein Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden wird, eine Verbindungsstärke des Leitungsdrahts oder der Elektrodenplatte mit der zweiten externen Elektrodenschicht vergrößert werden.

Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt werden, das sowohl eine sichere Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte, der/die mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden ist, und der zweiten externen Elektrodenschicht als auch eine Verhinderung einer Bruchstellenbildung in dem piezoelektrischen Körper verwirklicht.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das versehen ist mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechseln bereitgestellt sind, einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, einer zweiten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten über die erste externe Elektrodenschicht verbunden ist, und einer dritten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und zwischen der ersten externen Elektrodenschicht und der zweiten externen Elektrodenschicht bereitgestellt ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, die Breite der dritten externen Elektrodenschicht als W3 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht als T3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W3 > W2, 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 und 0,05 ≤ (T2/T3) ≤ 300 gilt, wobei das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.

Gemäß dieser zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann, da die Breiten der ersten bis dritten externen Elektrodenschichten nicht gleich sind, eine thermische Beanspruchung, die bei beiden Enden jeder externen Elektrodenschicht erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich kann zusammen damit, dass eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, durch die ersten und dritten externen Elektrodenschichten verringert wird, eine thermische Beanspruchung, die in der dritten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, durch die erste externe Elektrodenschicht verringert werden. Zusätzlich wird, wenn die Beziehung zwischen den Breiten der externen Elektrodenschicht derart ist, dass W1 > W3 > W2 gilt, eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten oder der dritten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, nicht direkt an das piezoelektrische Element angelegt. Zusätzlich kann, wenn (W2/W0) × 100 gleich 2,5 oder mehr ist, eine Verbindungsstärke sichergestellt werden, die in der Lage ist, einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte, der/die mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden wird, mit der zweiten externen Elektrodenschicht zu verbinden. Zusätzlich kann, wenn (W2/W0) × 100 gleich 60 oder weniger ist, da eine thermische Beanspruchung bei dem piezoelektrischen Element auf einem niedrigen Pegel gehalten werden kann, die Bildung von Bruchstellen verhindert werden. Zusätzlich kann, wenn die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung, die an die erste externe Elektrode und den piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der zweiten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten angelegt wird, minimiert werden. Demgegenüber wird in dem Fall, dass die zweite externe Elektrodenschicht diskontinuierlich bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung an die erste externe Elektrode und den piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der zweiten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten angelegt, wobei sich Bruchstellen in dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt einfach bilden. Da die Richtung, in der sich die Bruchstellen ausbreiten, mit der Richtung eines Ausdehnens und Zusammenziehens des piezoelektrisch aktiven Abschnitts übereinstimmt, wird das Ausbreiten von Bruchstellen begünstigt, was Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit zur Folge hat. Zusätzlich wirkt, wenn T2/T1 auf 300 oder weniger eingestellt wird, da die Dicke der zweiten externen Elektrodenschicht bezüglich der Dicke der ersten externen Elektrodenschicht übermäßig groß ist, die erste externe Elektrodenschicht als ein Beanspruchungsverringerungsmaterial, wodurch die Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten verhindert wird. Zusätzlich kann, wenn T2/T1 gleich 0,05 oder mehr ist, eine Verbindungsstärke sichergestellt werden, die in der Lage ist, einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte, der/die mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden wird, mit der zweiten externen Elektrodenschicht zu verbinden.

Ferner sollte erfindungsgemäß, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht als T3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden sein, bei der 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 und 1 ≤ (T2/T3) ≤ 35 gilt. In dem Fall, dass (W2/W0) × 100 größer als 30 ist, kann der kontinuierliche Effekt zum Verhindern einer Bruchstellenbildung in den piezoelektrischen Schichten nicht erreicht werden. Zusätzlich ist in dem Fall, dass (W2/W0) × 100 kleiner als 5 ist, eine Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte und der zweiten externen Elektrodenschicht unzulänglich. Zusätzlich nimmt in dem Fall, dass T2/T1 größer 35 ist, da die Dicke der zweiten externen Elektrodenplatte bezüglich der Dicke der ersten Elektrodenplatte, die als ein Beanspruchungsverringerungsmaterial agiert, übermäßig groß ist, eine zugehörige Wirkung als Beanspruchungsverringerungsmaterial ab und Bruchstellen bilden sich in den piezoelektrischen Schichten. Zusätzlich ist in dem Fall, dass T2/T1 kleiner als 1 ist, eine Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte und der zweiten externen Elektrodenschicht unzulänglich.

Des Weiteren sollte erfindungsgemäß, wenn die erste externe Elektrodenschicht, die zweite externe Elektrodenschicht und die dritte externe Elektrodenschicht jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wenn der Koeffizient einer linearen Ausdehnung der ersten externen Elektrodenschicht als α1 bezeichnet wird und ein zugehöriger Elastizitätsmodul als E1 bezeichnet wird, der Koeffizient einer linearen Ausdehnung der zweiten externen Elektrodenschicht als α2 bezeichnet wird und ein zugehöriger Elastizitätsmodul als E2 bezeichnet wird sowie der Koeffizient einer linearen Ausdehnung der dritten externen Elektrodenschicht als α3 bezeichnet wird und ein zugehöriger Elastizitätsmodul als E3 bezeichnet wird, insbesondere eine Beziehung vorhanden sein, bei der E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2 gilt. Als Ergebnis kann ein Material mit hoher Haftstärke für das Material der dritten externen Elektrodenschicht verwendet werden, das einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte befestigt. Da Materialien, die eine hohe Haftstärke aufweisen, typischer Weise einen großen Elastizitätsmodul aufweisen, wird an die piezoelektrischen Schichten eine erhebliche thermische Beanspruchung angelegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein Material für das Material der dritten externen Elektrodenschicht verwendet werden, das eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, verringert, so dass E3 × α3 < E2 × α2 gilt. Zusätzlich kann, wenn E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2 gilt, eine thermische Beanspruchung schrittweise verringert werden.

Außerdem ist es, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, erfindungsgemäß zu bevorzugen, dass W0 ≤ 15 mm ist. Wenn W0 größer als 15 mm ist, wird eine Breite W2 der zweiten externen Elektrodenschicht 9,0 mm oder mehr und eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, überschreitet die Stärke der piezoelektrischen Schichten, wodurch eine größere Anfälligkeit bezüglich einer Bruchstellenbildung in den piezoelektrischen Schichten die Folge ist.

Zusätzlich, wenn die erste externe Elektrodenschicht aus zumindest einem Metall aufgebaut ist, das aus einer Gruppe, die Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut umfasst, sowie einer zugehörigen Legierung ausgewählt ist, wenn der Elastizitätsmodul der ersten externen Elektrodenschicht als E1 bezeichnet wird und ein zugehöriger Koeffizient einer linearen Ausdehnung als α1 bezeichnet wird und der Elastizitätsmodul der zweiten externen Elektrodenschicht als E2 bezeichnet wird und ein zugehöriger Koeffizient einer linearen Ausdehnung als α2 bezeichnet wird, da E1 × α1 kleiner gemacht werden kann als E2 × α2 in dem Fall einer Verwendung eines Lötmittels oder eines elektrisch leitfähigen Harzmaterials für die zweite externe Elektrodenschicht, agiert die erste externe Elektrodenschicht als eine Pufferschicht, die eine thermische Beanspruchung in der zweiten externen Elektrodenschicht verringert, wodurch es ermöglicht wird, eine thermische Beanspruchung, die bei dem geschichteten piezoelektrischen Element von der zweiten externen Elektrodenschicht angelegt wird, zu verringern.

Zusätzlich kann erfindungsgemäß, wenn die zweite externe Elektrodenschicht und die dritte externe Elektrodenschicht aus einem Lötmittel oder einem elektrisch leitfähigen Harzmaterial aufgebaut sind, wenn ein Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte mit der zweiten oder der dritten externen Elektrodenschicht verbunden wird, die Verbindungsstärke des Leitungsdrahts oder der Elektrodenplatte mit der zweiten oder der dritten externen Elektrodenschicht vergrößert werden.

Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dieser zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt werden, das sowohl eine sichere Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte, der/die mit der zweiten externen Elektrodenschicht verbunden wird, und der zweiten externen Elektrodenschicht sowie eine Verhinderung einer Bruchstellenbildung in dem piezoelektrischen Körper verwirklicht.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das versehen ist mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, und einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 gilt, wobei das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die erste externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.

Gemäß dieser dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist (W1/W0) × 100 gleich 2,5 oder mehr, wobei eine Verbindungsstärke, die in der Lage ist, einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte, der/die mit der ersten externen Elektrodenschicht verbunden ist, mit der ersten externen Elektrodenschicht zu verbinden, sichergestellt werden kann. Zusätzlich kann, wenn (W2/W0) × 100 gleich 60 oder weniger ist, da die thermische Beanspruchung bei den piezoelektrischen Schichten auf einem niedrigen Pegel gehalten werden kann, die Bildung von Bruchstellen verhindert werden. Zusätzlich kann, wenn die erste externe Elektrodenschicht kontinuierlich bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten kontinuierlich bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung, die an dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten angelegt wird, minimiert werden. Anders ausgedrückt, da beide Enden der ersten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten im Wesentlichen nicht bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt angeordnet sind, weisen Bruchstellen, wenn sie sich bilden, einen geringen Effekt auf den piezoelektrisch aktiven Abschnitt auf. Demgegenüber wird in dem Fall, dass die erste externe Elektrodenschicht diskontinuierlich bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung an den piezoelektrisch aktiven Abschnitt von beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten angelegt, wobei sich Bruchstellen in dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt einfach bilden. Da die Richtung, in der sich die Bruchstellen ausbreiten, mit der Richtung eines Ausdehnens und Zusammenziehens des piezoelektrisch aktiven Abschnitts übereinstimmt, wird die Ausbreitung von Bruchstellen begünstigt, was Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit zur Folge hat.

Ferner sollte erfindungsgemäß, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden sein, bei der 5 ≤ (W1/W0) × 100 ≤ 30 gilt. In dem Fall, dass (W1/W0) × 100 größer als 30 ist, kann der kontinuierliche Effekt zum Verhindern einer Bruchstellenbildung in den piezoelektrischen Schichten nicht erreicht werden. Zusätzlich ist in dem Fall, dass (W1/W0) × 100 kleiner als 5 ist, die Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte und der ersten externen Elektrodenschicht unzulänglich.

Des Weiteren ist es, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, erfindungsgemäß zu bevorzugen, dass W0 ≤ 15 mm ist. In dem Fall, dass W0 1,5 mm überschreitet, wird die Breite W1 der ersten externen Elektrodenschicht 9,0 mm oder mehr und die thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht erzeugt wird, überschreitet die Stärke der piezoelektrischen Schichten, wodurch eine größere Anfälligkeit bezüglich der Bildung von Bruchstellen in dem piezoelektrischen Körper die Folge ist.

Außerdem gibt es erfindungsgemäß, wenn die erste externe Elektrodenschicht aus einem Metall, das zumindest eines von Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut umfasst, oder einer zugehörigen Legierung aufgebaut ist, eine geringere thermische Beanspruchung und eine thermische Beanspruchung, die an die piezoelektrischen Schichten angelegt wird, kann verringert werden.

Zusätzlich kann erfindungsgemäß, wenn die erste externe Elektrodenschicht aus einem Lötmittel oder einem elektrisch leitfähigen Harzmaterial aufgebaut ist, in dem Fall, dass ein Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte mit der ersten externen Elektrodenschicht verbunden wird, eine Verbindungsstärke des Leitungsdrahts oder der Elektrodenplatte mit der ersten externen Elektrodenschicht vergrößert werden.

Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dieser dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt werden, das sowohl eine sichere Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte, der/die mit der ersten externen Elektrodenschicht verbunden ist, und der ersten externen Elektrodenschicht sowie eine Verhinderung einer Bruchstellenbildung in dem piezoelektrischen Körper verwirklicht.

Zusätzlich ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzgerät bereitgestellt. Wenn das piezoelektrische Element in dem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzgerät verwendet wird, muss die Zuverlässigkeit über einem breiten Temperaturbereich, der sich von niedrigen Temperaturen zu hohen Temperaturen erstreckt, sichergestellt sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch in Umgebungen, in denen ein Kraftstoffeinspritzgerät einem derartigen thermischen Schock unterzogen wird, ein Kraftstoffeinspritzgerät bereitgestellt werden, das gegenüber Änderungen in Eigenschaften widerstandsfähig ist und eine hohe Zuverlässigkeitsstufe für eine lange Zeitdauer aufrechterhält, da die Bildung von Bruchstellen in dem piezoelektrischen Element, die durch eine thermische Beanspruchung verursacht wird, die externen Elektroden zuordenbar ist, verhindert werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A bis 1C zeigen jeweils eine beispielhafte Zeichnung (1), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
2A und 2B zeigen jeweils eine vergrößerte beschreibende Zeichnung des wesentlichen Abschnitts der 1,
3A und 3B zeigen jeweils eine vergrößerte beispielhafte Zeichnung des wesentlichen Abschnitts eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß dem Stand der Technik,
4A bis 4C zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (2), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
5A bis 5C zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (3), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
6A bis 6C zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (4), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
7A und 7B zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (1), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
8 zeigt eine beschreibende Zeichnung (1), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
9A und 9B zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (2), die den Aufbau eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
10 zeigt eine beschreibende Darstellung, die einen Aufbau zeigt, bei dem ein geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bei einem Kraftstoffeinspritzgerät angewendet wird,
11A bis 11D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung, die das Verfahren zum Definieren der maximalen Breite (W0) eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, zeigt,
12A bis 12C zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung, die das Verfahren zum Definieren der Breiten (W1, W2, W3) von externen Elektrodenschichten in einem geschichteten piezoelektrischen Element gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt,
13A bis 13D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (1), die weitere Ausführungsbeispiele eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt,
14A bis 14D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (2), die weitere Ausführungsbeispiele eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt,
15A bis 15D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (3), die weitere Ausführungsbeispiele eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt,
16A bis 16D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (4), die andere Ausführungsbeispiele eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt, und
17A bis 17D zeigen jeweils eine beschreibende Zeichnung (5), die andere Ausführungsbeispiele eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend unter Bezug auf die zugehörigen bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1:
Nachstehend ist der Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In den 1A bis 1C sind jeweils eine beschreibende Zeichnung gezeigt, die eine Vorderansicht (1A), eine perspektivische Darstellung, wenn sie von einem Pfeil X in 1A betrachtet wird (1B), und eine perspektivische Darstellung, wenn sie von einem Pfeil Y in 1A betrachtet wird (1C), eines geschichteten piezoelektrischen Elements 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigen. Wie es gezeigt ist, ist ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel allgemein gesprochen mit piezoelektrischen Schichten 11, internen Elektrodenschichten 21a und 21b, einer ersten externen Elektrodenschicht 31, einer zweiten externen Elektrodenschicht 32 und einem Leitungsdraht 33 versehen und ist ungefähr in der nachstehend beschriebenen Art und Weise aufgebaut. Das geschichtete piezoelektrische Element 1 ist nämlich abwechselnd mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11, die aus einem PZT-Keramikmaterial aufgebaut sind, das sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und internen Elektrodenschichten 21 zur Zufuhr einer angelegten Spannung versehen. Eine erste Elektrode 31 ist bei einer Außenumfangsseite des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 bereitgestellt, die elektrisch angeschlossen ist, so dass die internen Elektrodenschichten 21a und 21b als unterschiedliche Pole dienen. Der Leitungsdraht 33 ist bei der ersten externen Elektrodenschicht 31 über die zweite externe Elektrodenschicht 32 bereitgestellt.
Nachstehend sind die Eigenschaften einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den 2A und 2B ist jeweils eine vergrößerte Darstellung des wesentlichen Abschnitts des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt. In 2A ist eine schematische Darstellung gezeigt und in 2B ist ein Abschnitt B gezeigt, der in 2A eingekreist ist. Wie es gezeigt ist, ist bei einem geschichteten piezoelektrischen Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wenn die maximale Breite des piezoelektrischen Elements 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrode 31 als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrode 32 als W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden, bei der W1 > W2 und 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 gilt. Als Ergebnis kann, da die Breiten der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 nicht gleich sind, eine thermische Beanspruchung bzw. Belastung, die bei beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich wird, da W1 > W2 ist, eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, nicht direkt an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Zusätzlich ist, da die Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 gilt und eine thermische Beanspruchung, die an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt werden, verringert werden kann, zusammen mit einer Verhinderung einer Bildung von Bruchstellen eine Verbindungsstärke zwischen dem Leitungsdraht 33, der mit er zweiten externen Elektrodenschicht 32 verbunden ist, und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 adäquat bzw. hinreichend. Zusätzlich ist es effektiver, wenn die vorstehend genannte Beziehung derart ist, dass 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 gilt (die Effekte hiervon sind nachstehend beschrieben).
Zusätzlich kann, da die zweite externe Elektrodenschicht 32 kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 bei einem piezoelektrisch aktiven Abschnitt 1a, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, bereitgestellt ist, die thermische Beanspruchung, die an die erste externe Elektrodenschicht 31 und die piezoelektrischen Schichten 11 von beiden Enden der zweiten externen Elektrode 32 in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, minimiert werden.
Zusätzlich ist, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrodenschicht 31 als T1 bezeichnet wird, und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht 32 als T2 bezeichnet wird, T2/T1 innerhalb des Bereichs von 0,05 bis 300. Als Ergebnis ist, da die Dicke der zweiten externen Elektrodenschicht 32 bezüglich der Dicke der ersten externen Elektrodenschicht 31 nicht übermäßig groß ist, die erste externe Elektrodenschicht 31 in der Lage, als ein Beanspruchungsverringerungsmaterial zu wirken und die Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten zu verhindern. Zusätzlich kann eine Verbindungsstärke sichergestellt werden, die in der Lage ist, den Leitungsdraht 33, der mit der zweiten externen Elektrodenschicht 32 verbunden ist, mit der zweiten externen Elektrodenschicht 32 zu verbinden. Zusätzlich ist es effektiver, wenn diese Beziehung derart ist, dass 1 ≤ (T2/T1) ≤ 35 gilt (die Effekte hiervon sind nachstehend beschrieben).
Zusätzlich ist die maximale Breite W0 der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, 15 mm oder weniger. Als Ergebnis ist die Breite W2 der zweiten externen Elektrodenschicht 32 9,00 mm oder weniger, wobei eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, die Stärke der piezoelektrischen Schichten 11 nicht überschreitet, wodurch es Bruchstellen erschwert wird, sich in den piezoelektrischen Schichten 11 zu bilden.
In den 3A und 3B ist jeweils eine beschreibende Zeichnung zur Beschreibung des Falles gezeigt, bei dem die Breite W1 der ersten externen Elektrodenschicht 31 und die Breite W2 der zweiten externen Elektrodenschicht 32 gleich sind. In 3A ist eine schematische Zeichnung gezeigt und in 3B ist die Art und Weise der Bildung von Bruchstellen bei einem Abschnitt B gezeigt, der in 3A eingekreist ist. Wie es gezeigt ist, bilden sich in dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, bei dem die Beziehung W1 = W2 vorhanden ist, da eine Beanspruchung, die bei beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, bei den piezoelektrischen Schichten 11 konzentriert ist, leicht Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten 11, wie es bei einer Bruchstelle 11a gezeigt ist.
Die Effekte einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in den nachstehenden Tabellen beschrieben. In Tabelle 1 ist die Beziehung zwischen W1 und W2 zusammen mit den Ergebnissen einer Messung einer thermischen Beanspruchung bei den piezoelektrischen Schichten für (W2/W0) × 100, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichten ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32 als W2 bezeichnet wird, gezeigt. Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, ist in dem Fall, dass die Beziehung zwischen W1 und W2 derart ist, dass W1 = W2 ist, eine Beanspruchung bzw. Belastung, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird, am größten, wobei die erzeugte Beanspruchung in der Reihenfolge des Falles, bei dem W2 > W1 ist, gefolgt von dem Fall, bei dem W1 > W2 gilt, kleiner wird. Zusätzlich gilt in dem Fall von W1 > W2, je kleiner der Wert von (W2/W0) × 100 ist, desto kleiner ist die Größe der Beanspruchung, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird. Auf der Grundlage dieser Tabelle ist es ersichtlich, dass die Beanspruchung, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird, in dem Fall von W1 > W2 kleiner wird, wobei sie kleiner wird, je kleiner der Wert von (W2/W0) × 100 wird. Tabelle 1
In einer Tabelle 2 sind die Beziehung W1 und W2, die Anzahl von Zyklen als ein Indikator für eine Haltbarkeit und die Ergebnisse einer Messung einer Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 für (W2/W0) × 100, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32 als W2 bezeichnet wird, gezeigt. Nachstehend ist das Testverfahren beschrieben. Bei dem Haltbarkeitstest gemäß dem vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiel ist ein Flüssigkeitstank-Thermoschocktestgerät zur Ausführung von Thermoschocktests verwendet worden. Zuerst sind n (beispielsweise 20) piezoelektrische Elemente, die zu testen sind, in einem abgedichteten Behälter platziert worden. Als Nächstes sind die piezoelektrischen Elemente, die in dem abgedichteten Behälter beinhaltet sind, in einen Hochtemperatur-Flüssigkeitstank, der bei einer Temperatur von 160°C in dem Flüssigkeitstank-Thermoschocktestgerät gehalten wird, eingetaucht worden und dort für eine vorbestimmte Zeitdauer (beispielsweise 10 Minuten) gehalten worden. Als Nächstes sind die piezoelektrischen Elemente, die in dem abgedichteten Behälter beinhaltet sind, in einen Niedrigtemperatur-Flüssigkeitstank, der bei einer Temperatur von –4°C in dem Flüssigkeitstank-Thermoschockgerät gehalten wird, eingetaucht worden und dort für eine vorbestimmte Zeitdauer (beispielsweise 10 Minuten) gehalten worden. Der Vorgang zum Eintauchen in den Hochtemperatur-Flüssigkeitstank und der Vorgang zum Eintauchen in den Niedrigtemperatur-Flüssigkeitstank sind als ein Zyklus definiert worden, wobei dieser Zyklus wiederholt worden ist. Die piezoelektrischen Elemente sind aus dem Flüssigkeitstank-Thermoschocktestgerät entfernt worden, wenn die Anzahl von Zyklen 100, 500, 1000 und 1500 Zyklen erreicht hat, gefolgt von einer Bestätigung der Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Elementen. Die piezoelektrischen Elemente sind als GUT in dem Fall bewertet worden, dass keine Bruchstellen in irgendeinem dieser piezoelektrischen Elemente zu diesem Zeitpunkt vorhanden gewesen sind, und als NG (NICHT GUT) bewertet worden, wenn sich auch nur eine Bruchstelle gebildet hat.
Hierbei ist in dem Fall einer Verwendung eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Kraftstoffeinspritzgerät das Ergebnis der Bewertung vorzugsweise GUT, wenn die Anzahl von Zyklen 1000 oder mehr ist. Zusätzlich ist ein autografisches Gerät zur Ausführung von Zugfestigkeitstests bei Metallmaterialien usw. zur Messung einer Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet worden. Zuerst ist der Leitungsdraht mit einer konstanten Geschwindigkeit mit dem autografischen Gerät gezogen worden, während die Position des piezoelektrischen Elements eingestellt worden ist, so dass die Richtung des Ziehens durch das autografische Gerät und die Tangente zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und dem Leitungsdraht 33 ungefähr horizontal gewesen sind. Als Nächstes ist die Zugstärke, wenn der Leitungsdraht 33 teilweise von dem piezoelektrischen Element getrennt war, gemessen worden, bis der Leitungsdraht 33 vollständig von dem piezoelektrischen Element getrennt gewesen ist, wobei der Durchschnittswert als die Haftstärke des Leitungsdrahts definiert worden ist.
Wie es in der Tabelle 2 gezeigt ist, ist, obwohl ein Probestück Nr. 1 die größte Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 unter allen Probestücken gezeigt hat, dieses als NG bei 100 bis 1500 Zyklen bewertet worden, was ein Problem mit der Haltbarkeit anzeigt. Obwohl Probestücke Nr. 2 und Nr. 3 als GUT bei 100 und 500 Zyklen bewertet worden sind, sind sie als NG bei 1000 und 1500 Zyklen bewertet worden. Obwohl ein Probestück Nr. 4 als GUT bei 100 und 1000 Zyklen bewertet worden ist, ist es bei 1500 Zyklen als NG bewertet worden. Probestücke Nr. 5 bis Nr. 7 sind alle als GUT bei 100 bis 1500 Zyklen bewertet worden und haben eine zufriedenstellende Haltbarkeit gezeigt. Obwohl ein Probestück Nr. 8 als GUT bei 100 bis 1500 Zyklen bewertet worden ist, ist die Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 unzulänglich gewesen.
Es ist aus dieser Tabelle bestimmt worden, dass die Haltbarkeit in dem Fall der Beziehung, die bei den Probestücken Nr. 5 bis Nr. 7 angezeigt wird, zufriedenstellend ist. Hierbei bestanden die tatsächlichen Abmessungen jedes Parameters in dem Probestück Nr. 5 beispielsweise aus W0 = 8,4 mm, W1 = 1,6 mm und W2 = 4,0 mm. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Fall dieser Abmessungen begrenzt, sondern vielmehr ist in dem Fall, dass die Beziehung zwischen W1 und W2 derart ist, dass W1 > W2 gilt, und in dem Fall, dass (W2/W0) × 100 in dem Bereich von 5 bis 30 liegt, die Haltbarkeit zufriedenstellend und die Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 ist hinlänglich bzw. adäquat. Tabelle 2
In einer Tabelle 3 sind die Anzahl von Zyklen als ein Indikator der Haltbarkeit sowie die Ergebnisse von Messungen einer Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 für die Beziehung zwischen T1 und T2 gezeigt, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrode 31 in den piezoelektrischen Schichten 11 als T1 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht 32 als T2 bezeichnet wird. Das Testverfahren ist das gleiche wie das vorstehend beschriebene Testverfahren. Wie es in der Tabelle 3 gezeigt ist, sind Probestücke Nr. 1 bis Nr. 4 alle als GUT bei 100 bis 1500 Zyklen bewertet worden, was eine zufriedenstellende Haltbarkeit anzeigt. Obwohl ein Probestück Nr. 5 als GUT bei 100 bis 1000 Zyklen bewertet worden ist, ist es bei 1500 Zyklen als NG bewertet worden. Obwohl ein Probestück Nr. 6 als GUT bei 100 bis 500 Zyklen bewertet worden ist, ist es als NG bei 1000 und 1500 Zyklen bewertet worden.
Es ist aus dieser Tabelle bestimmt worden, dass die Haltbarkeit in dem Fall der Beziehung, die bei den Probestücken Nr. 1 bis Nr. 4 angegeben ist, zufriedenstellend ist. Hierbei haben die tatsächlichen Abmessungen jedes Parameters bei dem Probestück Nr. 3 beispielsweise aus T1 = 0,015 mm und T2 = 0,15 mm bestanden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Fall dieser Abmessungen begrenzt, sondern vielmehr ist, wenn die Beziehung zwischen T1 und T2 derart ist, dass T2/T1 in dem Bereich von 1 bis 35 liegt, die Haltbarkeit zufriedenstellend und die Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33 ist hinreichend bzw. adäquat. Tabelle 3
Nachstehend ist eine Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 4A bis 4C bis zu den 6A bis 6C angegeben. In den 4A bis 4C bis zu den 6A bis 6C sind beschreibende Zeichnungen gezeigt, die ein geschichtetes piezoelektrisches Element zeigen, das durch ein Schichten von geschichteten piezoelektrischen Einheiten erzeugt wird. Das geschichtete piezoelektrische Element 1, das in diesen Zeichnungen gezeigt ist, ist ungefähr in der nachstehend beschriebenen Art und Weise aufgebaut. Das geschichtete piezoelektrische Element 1 ist nämlich aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Einheiten 1u aufgebaut, wobei die Vielzahl von piezoelektrischen Einheiten 1u mittels Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b, die aus einem Haftmittel aufgebaut sind, geschichtet wird. Eine erste externe Elektrodenschicht 31 ist bei der Außenumfangsseite des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 bereitgestellt, die elektrisch verbunden ist, so dass die internen Elektrodenschichten 21a und 21b als unterschiedliche Pole dienen. Ein Verbindungsdraht 33 ist bei der ersten externen Elektrodenschicht 31 über eine zweite externe Elektrodenschicht 32 bereitgestellt.
Des Weiteren kann die Vielzahl von piezoelektrischen Einheiten 1u ebenso ohne Verwendung der Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b, die aus dem Haftmittel aufgebaut sind, geschichtet werden.
In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in den 4A bis 4C gezeigt ist, ist eine zweite externe Elektrodenschicht 32 bereitgestellt, die durch die Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b getrennt ist, wobei, da es für die zweite externe Elektrodenschicht 32 schwierig ist, den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b zu entsprechen, in dem Fall, dass die zweite externe Elektrodenschicht 32 aus einem elektrisch leitfähigen Harz aufgebaut ist, ein Versatz in den piezoelektrischen Schichten 11 durch die Haftkomponente des elektrisch leitfähigen Harzes begrenzt wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Verringerung in den Eigenschaften, der Zuverlässigkeit usw. zu verhindern. Zusätzlich ist es im Vergleich zu dem Fall, dass die zweite externe Elektrodenschicht 32quer zu den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, da die Verbindungsoberfläche zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32 und dem Leitungsdraht 33, der bei der zweiten externen Elektrodenschicht 32 befestigt ist, kleiner ist, schwierig, ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Leitungsdrahts 33 zu beeinträchtigen. Des Weiteren ist es, obwohl die erste externe Elektrodenschicht 31 quer zu den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, wenn die erste externe Elektrodenschicht 31 aus einer Silberpaste bzw. Art-Clay-Silver aufgebaut ist, da dieses typischer Weise eine Schicht bildet, die eine hohe Viskosität aufweist, schwierig, sie so zu gestalten, dass sie den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b entspricht.
In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in den 5A bis 5C gezeigt ist, kann, da die zweite externe Elektrodenschicht 32 quer zu den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, die zweite externe Elektrodenschicht 32 auf einmal aufgetragen werden, wodurch die Herstellung von Produkten mit niedrigen Kosten ermöglicht wird. Zusätzlich ist es, obwohl die erste externe Elektrodenschicht 31 quer zu den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, in dem Fall, dass die erste externe Elektrodenschicht 31 aus einer Silberpaste bzw. Art-Clay-Silver aufgebaut ist, da dieses typischerweise eine Schicht bildet, die eine hohe Viskosität aufweist, schwierig, sie so zu gestalten, dass sie den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b entspricht.
In dem geschichteten piezoelektrischen Element, das in den 6A bis 6C gezeigt ist, kann, da die zweite externe Elektrodenschicht 32 quer zu den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, eine zweite externe Elektrodenschicht 32 auf einmal aufgetragen werden, wodurch die Herstellung von Produkten mit niedrigen Kosten ermöglicht wird. Zusätzlich ist es, da eine erste externe Elektrodenschicht 31 getrennt durch die Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b bereitgestellt ist, schwierig, sie so zu gestalten, dass sie den Piezoelektrische-Einheit-Verbindungsoberflächen 1b entspricht. Zusätzlich können die piezoelektrischen Einheiten individuell hergestellt und vor einem Verbinden der piezoelektrischen Einheiten geprüft werden, wodurch es ermöglicht wird, die Produktivität als ein Ergebnis einer frühen Erfassung von fehlerhaften Produkten zu verbessern.
In den geschichteten piezoelektrischen Elementen, die durch ein Verbinden von geschichteten piezoelektrischen Einheiten aufgebaut sind, wie es in den 4A bis 4C bis zu den
6A bis 6C gezeigt ist, gilt, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32 als W2 bezeichnet wird, W1 > W2 und 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60. Als Ergebnis kann, da die Breiten der ersten externen Elektrodenschicht 31 der zweiten externen Elektrodenschicht 32 nicht gleich sind, eine thermische Beanspruchung, die in beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich wird, da W1 > W2 gilt, eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32 erzeugt wird, nicht direkt an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Zusätzlich wird, da eine Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 gilt, eine thermische Beanspruchung bei den piezoelektrischen Schichten 11 verringert, wobei zusammen damit, dass die Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten verhindert wird, eine Verbindungsstärke zwischen dem Leitungsdraht 33, der mit der zweiten externen Elektrodenschicht 32 verbunden ist, und der zweiten externen Elektrodenschicht 32 hinreichend bzw. adäquat ist. Zusätzlich ist die Beziehung, bei der 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 gilt, noch effektiver. (Die Effekte hiervon sind nachstehend beschrieben.) Zusätzlich kann, da eine zweite externe Elektrodenschicht 32 kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt 1a, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung, die an die erste externe Elektrodenschicht 31 und die piezoelektrischen Schichten 11 von beiden Enden der zweiten externen Elektrodenschicht 32 in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, minimiert werden.
Ausführungsbeispiel 2:
Nachstehend wird der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In den 7A und 7B ist jeweils eine beschreibende Zeichnung gezeigt, die ein geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie es gezeigt ist, weist das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine erste externe Elektrodenschicht 31 auf, die bei einer Außenumfangsseite einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11 bereitgestellt ist, die aus einer PZT-Keramik aufgebaut sind, die sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird. Eine dritte externe Elektrodenschicht 32a ist bei der ersten externen Elektrodenschicht 3l bereitgestellt. Eine zweite externe Elektrodenschicht 32b ist bei der dritten externen Elektrodenschicht 32a bereitgestellt.
Diese zweite Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als W2 bezeichnet wird, die Breite der dritten externen Elektrodenschicht 32a als W3 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht 32a als T3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W3 > W2, 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 und 1 ≤ (T2/T3) ≤ 35 gilt. Zusätzlich sind die erste externe Elektrodenschicht 31, die zweite externe Elektrodenschicht 32b und die dritte externe Elektrodenschicht 32a alle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Zusätzlich ist, wenn der Elastizitätsmodus der ersten externen Elektrodenschicht 31 als E1 bezeichnet wird und der Koeffizient einer linearen Ausdehnung als α1 bezeichnet wird, der Elastizitätsmodul der zweiten externen Elektrodenschicht 32a als E2 bezeichnet wird und der Koeffizient der linearen Ausdehnung als α2 bezeichnet wird sowie der Elastizitätsmodul der dritten externen Elektrodenschicht 32a als E3 bezeichnet wird und der Koeffizient der linearen Ausdehnung als α3 bezeichnet wird, E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2.
Gemäß dieser zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann, da die Breiten der ersten externen Elektrodenschicht 31, der zweiten externen Elektrodenschicht 32b und der dritten externen Elektrodenschicht 32a nicht gleich sind, eine thermische Beanspruchung, die bei beiden Enden jeder dieser externen Elektrodenschichten erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich kann zusammen damit, dass eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32b erzeugt wird, durch die erste externe Elektrodenschicht 31 und die dritte externe Elektrodenschicht 32a verringert wird, eine thermische Beanspruchung, die in der dritten externen Elektrodenschicht 32a erzeugt wird, durch die erste externe Elektrodenschicht 31 verringert werden. Zusätzlich wird, da W1 > W3 > W2 gilt, eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32b und der dritten externen Elektrodenschicht 32a erzeugt wird, nicht direkt auf die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Zusätzlich wird, da 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 sowie 1 ≤ (T2/T3) ≤ 35 gilt, eine thermische Beanspruchung bei den piezoelektrischen Schichten 11 verringert, wobei zusammen damit, dass die Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten 11 verhindert wird, die Verbindungsstärke zwischen dem Leitungsdraht 33, der mit der zweiten externen Elektrodenschicht 32b verbunden wird, und der zweiten externen Elektrodenschicht 32b hinreichend bzw. adäquat ist.
Zusätzlich sind die erste externe Elektrodenschicht 31, die zweite externe Elektrodenschicht 32b und die dritte externe Elektrodenschicht 32a alle aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Zusätzlich ist, wenn der Elastizitätsmodul der ersten externen Elektrodenschicht 31 als E1 bezeichnet wird und der Koeffizient der linearen Ausdehnung als α1 bezeichnet wird, der Elastizitätsmodul der zweiten externen Elektrodenschicht 32a als E2 bezeichnet wird und der Koeffizient der linearen Ausdehnung als α2 bezeichnet wird sowie der Elastizitätsmodul der dritten externen Elektrodenschicht 32a als E3 bezeichnet wird und der Koeffizient der linearen Ausdehnung als α3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden, bei der E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2 gilt. Als Ergebnis kann ein Material, das eine hohe Haftstärke aufweist, für das Material der zweiten externen Elektrodenschicht 32b verwendet werden, die einen Leitungsdraht und eine Elektrodenplatte befestigt. Da Materialien, die eine hohe Haftstärke aufweisen, typischer Weise ebenso einen großen Elastizitätsmodul aufweisen, wird eine erhebliche thermische Beanspruchung an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein Material, für das das Produkt des Elastizitätsmoduls und des Koeffizienten der linearen Ausdehnung klein ist, um es zu ermöglichen, dass eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32b erzeugt wird, verringert wird, für das Material der dritten externen Elektrodenschicht 32a verwendet werden. Zusätzlich kann, da E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2 gilt, eine thermische Beanspruchung in einer schrittartigen Weise verringert werden.
Zusätzlich kann, da eine zweite externe Elektrodenschicht 32b kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 in dem piezoelektrisch Abschnitt 1a, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, bereitgestellt wird, eine thermische Beanspruchung, die an die erste externe Elektrodenschicht 31, die dritte externe Elektrodenschicht 32a und die piezoelektrischen Schichten 11 von beiden Enden der zweiten externen Elektrode 32b in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, minimiert werden.
Zusätzlich ist die maximale Breite W0 der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, 15 mm oder weniger. Als Ergebnis ist die Breite W2 der zweiten externen Elektrodenschicht 32b 9,0 mm oder weniger, eine thermische Beanspruchung, die in der zweiten externen Elektrodenschicht 32b erzeugt wird, überschreitet nicht die Stärke der piezoelektrischen Schichten 11 und es ist für Bruchstellen schwierig, sich in dem piezoelektrischen Schichten 11 zu bilden.
Die Effekte dieser zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind in den nachstehenden Tabellen beschrieben. In einer Tabelle 4 sind die Beziehung zwischen W1, W2 und W3 sowie die Ergebnisse einer Messung der Beanspruchung, die bei den piezoelektrischen Schichten für (W2/W0) × 100 und T2/T3 erzeugt werden, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als W2 bezeichnet wird, die Breite der dritten externen Elektrodenschicht 32a als W3 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht 32a als T3 bezeichnet wird, gezeigt. Wie es in der Tabelle 4 gezeigt ist, ist in dem Fall, dass die Beziehung zwischen W1, W2 und W3 derart ist, dass W1 = W2 = W3 gilt, die Beanspruchung, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird, am größten, wobei sie nachfolgend in der Reihenfolge des Falles, bei dem W2 > W1 ist (zwei externe Elektrodenschichten an Stelle von drei) und dem Fall, bei dem W1 > W3 > W2 gilt, kleiner wird. Zusätzlich gilt in dem Fall von W1 > W3 > W2, dass je kleiner der Wert von T2/T3 ist, desto kleiner ist die Beanspruchung, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird. Es ist aus der Tabelle ersichtlich, dass in dem Fall, dass die Beziehung zwischen W1, W2 und W3 derart ist, dass W1 > W3 > W2 gilt, je kleiner der Wert von T2/T3 ist, desto größer die Beanspruchung ist, die bei den piezoelektrischen Schichten erzeugt wird. Tabelle 4
In einer Tabelle 5 sind die Beziehung zwischen W1, W2 und W3, die Anzahl von Zyklen als ein Indikator der Haltbarkeit und die Ergebnisse von Messungen einer Haftstärke zwischen der zweiten externen Elektrodenschicht 32b und einem Leitungsdraht 33 für (W2/W0) × 100 und T2/T3 gezeigt, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als W2 bezeichnet wird, die Breite der dritten externen Elektrodenschicht 32a als W3 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht 32a als T3 bezeichnet wird. Der Rest des Testverfahrens ist der gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel 1. Wie es in der Tabelle 5 gezeigt ist, sind alle der Probestücke der Nummern 1 bis 3 als GUT bei 100 bis 1500 Zyklen bewertet worden, was eine zufriedenstellende Haltbarkeit anzeigt. Tabelle 5
Nachstehend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß dieser zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Da das geschichtete piezoelektrische Element 1, das in 8 gezeigt ist, ungefähr den gleichen Aufbau wie das geschichtete piezoelektrische Element 1, das in den vorstehend beschriebenen 7A und 7B gezeigt ist, aufweist, wird lediglich für den Unterschied zwischen diesen zwei, nämlich die Beziehung der Breiten der externen Elektrodenschichten, eine Beschreibung angegeben. Obwohl nämlich die Beziehung, bei der W1 > W3 > W2 in dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in den 7A und 7B gezeigt ist, gilt, wenn die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht 32b als W2 bezeichnet wird und die Breite der dritten externen Elektrodenschicht 32a als W3 bezeichnet wird, bei dem geschichteten piezoelektrischen Element, das in 8 gezeigt ist, vorhanden ist, unterscheidet sich diese Beziehung darin, dass W1 > W2 > W3 gilt. Diese zwei sind jedoch in Bezug auf die nachstehend genannten Punkte gleich. Da nämlich die Breiten der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32b nicht gleich sind, kann eine thermische Beanspruchung, die bei beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32b erzeugt wird, verteilt werden. Zusätzlich wird, da W1 > W2 gilt, eine thermische Beanspruchung, die bei der zweiten externen Elektrodenschicht 32b erzeugt wird, nicht direkt an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Dementsprechend kann ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1 bereitgestellt werden, das in der Lage ist, die Bildung von Bruchstellen in den piezoelektrischen Schichten 11 zu verhindern.
Ausführungsbeispiel 3:
Nachstehend ist eine Beschreibung des Aufbaus eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung gegeben. In den 9A und 9B ist jeweils eine beschreibende Zeichnung gezeigt, die ein geschichtetes piezoelektrisches Element gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie es gezeigt ist, ist das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer ersten externen Elektrodenschicht 31 bei der Außenumfangsseite einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 11 versehen, die aus einer PZT-Keramik aufgebaut sind, die sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird. Ein Leitungsdraht 33 ist bei einer ersten externen Elektrodenschicht 31 bereitgestellt.
Diese dritte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass, wenn die maximale Breite der piezoelektrischen Schichten 11 in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der ersten externen Elektrodenschicht 31 als W1 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W1/W0) × 100 ≤ 60 gilt. Als Ergebnis ist, da eine Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W1/W0) × 100 ≤ 60 gilt und eine thermische Beanspruchung, die an die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, verringert werden kann, zusammen mit einer Verhinderung der Bildung von Bruchstellen die Verbindungsstärke zwischen dem Leitungsdraht 33, der mit der ersten externen Elektrodenschicht 31 verbunden ist, und der ersten externen Elektrodenschicht 31 hinreichend bzw. adäquat. Zusätzlich ist die Beziehung, bei der 5 ≤ (W1/W0) × 100 ≤ 30 gilt, noch effektiver.
Zusätzlich kann, da die erste externe Elektrodenschicht 31 kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 1l bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt 1a, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, bereitgestellt ist, eine thermische Beanspruchung, die an die piezoelektrischen Schichten 11 von beiden Enden der ersten externen Elektrodenschicht 31 in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 angelegt wird, minimiert werden.
Zusätzlich ist die maximale Breite W0 der piezoelektrischen Schichten in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, 15 mm oder weniger. Als Ergebnis ist die Breite W1 der ersten externen Elektrodenschicht 31 9,0 mm oder weniger, eine thermische Beanspruchung, die in der ersten externen Elektrodenschicht 31 erzeugt wird, überschreitet nicht die Stärke der piezoelektrischen Schichten 11 und es ist für Bruchstellen schwierig, sich in den piezoelektrischen Schichten 11 zu bilden.
Ausführungsbeispiel 4.
In 10 ist eine beschreibende Zeichnung gezeigt, die ein Beispiel einer Verwendung eines geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem einer Dieselkraftmaschine zeigt. Wie es in der 10 gezeigt ist, weist eine Einspritzvorrichtung 5 ein oberes Gehäuse 52, das eine Antriebseinheit in der Form des vorstehend beschriebenen geschichteten piezoelektrischen Elements 1 beherbergt, und ein unteres Gehäuse 53 auf, das bei einem zugehörigen unteren Rand fixiert ist, in dem eine Einspritzdüseneinheit 54 innen ausgebildet ist.
Das obere Gehäuse 52 weist ungefähr eine zylindrische Form auf, wobei das geschichtete piezoelektrische Element 1 in einem longitudinalen Loch 521, das in Bezug auf die Mittelachse exzentrisch ist, eingefügt und befestigt ist. Ein Hochdruckkraftstoffweg 522 ist parallel zu dem longitudinalen Loch 521 und bei der Seite des longitudinalen Lochs 521 bereitgestellt, wobei ein zugehöriges oberes Ende mit einem (nicht gezeigten) externen gemeinsamen Modul über ein Kraftstoffeinlassrohr 523, das von der oberen Seite des oberen Gehäuses 52 herausragt, verbunden ist.
Ein Kraftstoffauslassrohr 525, das fortlaufend ist mit einem Ableitungsweg 524, ragt von der oberen Seite des oberen Gehäuses 52 heraus, wobei ein Kraftstoff, der aus dem Kraftstoffauslassrohr 525 herausfließt, zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt wird. Der Ableitungsweg 524 geht durch eine Lücke 50 zwischen dem longitudinalen Loch 521 und der Antriebseinheit (dem geschichteten piezoelektrischen Element) 1 hindurch und ist fortlaufend mit einem Drei-Wege-Ventil 551, das nachstehend beschrieben wird, durch einen (nicht gezeigten) Weg, der sich nach unten durch die oberen und unteren Gehäuse 52 und 53 von dieser Lücke 50 erstreckt.
Eine Einspritzdüseneinheit 54 ist mit einer Düsennadel 541, die vertikal in einem Kolbenkörper 531 gleitet, und einer Einspritzöffnung 543 versehen, die einen Hochdruckkraftstoff, der von einer Kraftstoffsammeleinrichtung 542 zugeführt wird, die durch die Düsennadel 541 geöffnet und geschlossen wird, in jeden Zylinder der Kraftmaschine einspritzt. Die Kraftstoffsammeleinrichtung 542 ist um den Zwischenabschnitt der Düsennadel 541 herum bereitgestellt, wobei das untere Ende des vorstehend genannten Hochdruckkraftstoffweges 522 sich hier hinein öffnet. Die Düsennadel 541 empfängt einen Kraftstoffdruck in der Richtung einer Ventilöffnung von der Ventilsammeleinrichtung 542, während sie ebenso einen Kraftstoffdruck in der Richtung eines Ventilsschließens von einer Gegendruckkammer 544 empfängt, die dem oberen Ende gegenüberliegend bereitgestellt ist, wobei sich, wenn der Druck der Gegendruckkammer 544 abfällt, die Düsennadel 541 anhebt, sich die Einspritzöffnung 543 öffnet und Kraftstoff eingespritzt wird.
Der Druck der Gegendruckkammer 544 wird durch das Drei-Wege-Ventil 551 reguliert. Das Drei-Wege-Ventil 551 verwendet einen Aufbau, der selektiv die Gegendruckkammer 544 mit dem Hochdruckkraftstoffweg 522 oder dem Ableitungsweg 524 verbindet. Hierbei weist es einen kugelförmigen Ventilkörper auf, der eine Öffnung öffnet und schließt, die den Hochdruckkraftstoffweg 522 oder den Ableitungsweg 524 verbindet. Dieser Ventilkörper wird durch die vorstehend genannte Antriebseinheit 1 über einen Kolben mit großem Durchmesser 552, eine Hydraulikkammer 553 und einen Kolben mit kleinem Durchmesser 554, der unter ihr angeordnet ist, angetrieben.
Das geschichtete piezoelektrische Element 1 für eine Einspritzvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dadurch charakterisiert, dass eine Beziehung zwischen den Breiten jeder der externen Elektrodenschichten (W1, W2 und W3), wie es in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 bis 3 beschrieben ist, und eine Beziehung der Breiten der externen Elektrodenschichten (W1, W2) zu der maximalen Breite (W0) des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, vorhanden sind. Als Ergebnis können sowohl die Sicherstellung einer Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte, der/die mit der externen Elektrodenschicht verbunden wird, und der externen Elektrodenschicht sowie eine Verhinderung einer Bruchstellenbildung in den piezoelektrischen Schichten verwirklicht werden. Dementsprechend kann ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1 für eine Einspritzvorrichtung bereitgestellt werden, das in rauen Umgebungen verwendet werden kann und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Herstellungsverfahren:
Nachstehend sind das Herstellungsverfahren des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 sowie ein zugehöriger detaillierter Aufbau beschrieben. Ein geschichtetes piezoelektrisches Element 1, das hier beschrieben ist, kann unter Verwendung des allgemein bekannten Grünlingsblattverfahrens bzw. Grünlingsverfahrens hergestellt werden. Ein Pulver, wie beispielsweise Bleioxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid oder Strontiumcarbonat, das als primäres Rohmaterial des piezoelektrischen Materials dient, wird für die gewünschte Zusammensetzung entsprechend bekannter Verfahren abgewogen. Zusätzlich wird die vorstehend genannte Mischverhältniszusammensetzung vorbereitet, um 1 bis 2 % reicher als das stöchiometrische Verhältnis unter Berücksichtigung des Verdampfens von Blei zu sein. Sie wird dann mit einer Mischvorrichtung trockengemischt, woraufhin eine Kalzinierung bei 800 bis 950°C folgt.
Als Nächstes werden destilliertes Wasser und ein Dispergiermittel hinzufügt, um eine Aufschlämmung zu bilden, dem ein Nassmalen mit einer Kugelmühle folgt. Nachdem das gemahlene Pulver getrocknet und entfettet ist, werden ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher und ein Dispergiermittel usw. hinzugefügt, dem ein Mischen mit einer Kugelmühle folgt. Nachfolgend wird die Aufschlämmung unter Vakuum entgast, wobei eine zugehörige Viskosität eingestellt wird, während sie mit einer Rühreinrichtung in einer Vakuumvorrichtung gerührt wird.
Als Nächstes wird die Aufschlämmung in ein Grünlingsblatt oder einen Grünling einer vorbestimmten Dicke durch eine Rakelvorrichtung bzw. Schabervorrichtung geformt. Der sich ergebende Grünling wird entweder mit einer Presse ausgestanzt oder mit einer Schnitteinrichtung geschnitten, um ihn auf eine vorbestimme Größe zu formen.
Als Nächstes wird ein Muster auf eine Oberfläche des Grünlings mittels Siebdruck gedruckt, dem ein Formen mit beispielsweise einer Silber- und Palladiumpaste, die aus Silber und Palladium mit einem Verhältnis (in Gewichtsprozent) von 7:3 (nachstehend als Ag/Pd-Paste bezeichnet) gebildet wird, folgt.
Ein Muster, das eine geringfügig kleinere Oberfläche als die Oberfläche der piezoelektrischen Schichten 11 aufweist, wird über im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Grünlings, um als piezoelektrische Schicht 11 zu dienen, unter Verwendung der vorstehend genannten Ag/Pd-Paste ausgebildet, um als interne Elektrodenschichten 21a und 21b zu dienen. Ein Abschnitt, der keine interne Elektrodenschicht 21a (21b) ausgebildet aufweist, ist bei der anderen Seite entgegengesetzt zu der Oberfläche des Grünlings bereitgestellt. Anders ausgedrückt erreicht die interne Elektrodenschicht 21a (21b) ein Ende der gegenüberliegenden Seite des Grünlings (ein Abschnitt, der äquivalent zu einer Seite 101 oder der entgegengesetzten Oberfläche des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 ist) nicht, während die interne Elektrodenschicht 21a (21b) das andere entgegengesetzte Ende nicht erreicht.
Eine vorbestimmte Anzahl von geschichteten Schichten von Grünlingen, auf denen die internen Elektrodenschichten 21a und 21b auf diese Art und Weise ausgebildet sind, wird vorbereitet.
Als Nächstes werden diese Grünlingsblätter bzw. Grünlinge geschichtet. In dem Fall eines Schichtens von Grünlingen, auf denen die internen Elektrodenschichten 21a und 21b ausgebildet sind, werden sie derart geschichtet, dass die Abschnitte, bei denen die Elektroden nicht ausgebildet sind, abwechselnd auf der Seite 101 des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 und der zugehörigen entgegengesetzte Seite positioniert werden. Als Ergebnis dient die interne Elektrodenschicht 21a, die durch Ausweiten zu der Grünlingsseite 101 freigelegt ist, als die interne Elektrode eines Pols, während die interne Elektrodenschicht 21b, die durch Erreichen der entgegengesetzten Seite freigelegt ist, als die interne Elektrode des anderen Pols dient. Als Ergebnis weist die Schichtung den Aufbau auf, der in den 1A bis 1C gezeigt ist.
Als Nächstes wird nach einem Heißpressen mit einer Heißwasser-Gummipresse die Schichtung bei 400 bis 700°C mit einem elektrischen Ofen entfettet und dann mit einer Temperatur von 900 bis 1200°C gebrannt.
Als Nächstes wird eine Silberpaste zum Brennen auf die Seite der vorstehend beschriebenen Schichtung mittels Siebdruck gedruckt, dem ein Brennen folgt, um die erste externe Elektrodenschicht 31 zu bilden. Die erste externe Elektrodenschicht 31 wird bei der Stelle ausgebildet, bei der die internen Elektrodenschichten 21a eines der Pole freigelegt sind, und weist mit jeder internen Elektrode 21a eine elektrische Kontinuität auf. Die erste externe Elektrode 31, die bei der (nicht gezeigten) entgegengesetzten Seite bereitgestellt ist, wird bei der Stelle ausgebildet, bei der die internen Elektrodenschichten 21b des anderen Pols freigelegt sind, und weist eine elektrische Kontinuität mit jeder internen Elektrodenschicht 21b auf. Des Weiteren, obwohl die erste externe Elektrodenschicht 31 aus einer Silberpaste zum Backen gemäß diesem Beispiel gebildet ist, kann sie ebenso durch Backen einer Paste gebildet werden, die aus einem Metall, das zumindest ein Material, das aus Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink oder Wismut besteht, oder einer zugehörigen Legierung gebildet ist. Zusätzlich kann sie ebenso mit einem Lötmittel oder durch ein Auftragen eines elektrisch leitfähigen Harzes gebildet werden. Als Nächstes wird eine zweite externe Elektrodenschicht (32, 32b), die aus einem elektrisch leitfähigen Harz gebildet ist, auf die erste externe Elektrodenschicht 31 aufgetragen (dies ist in Ausführungsbeispiel 3 nicht erforderlich, nämlich in dem Fall einer einzelnen externen Elektrodenschicht). Als Nächstes wird eine dritte externe Elektrodenschicht 32a, die aus einem elektrisch leitfähigen Harz gebildet wird, auf die zweite externe Elektrodenschicht 32b, die aus einem elektrisch leitfähigen Harz gebildet ist, aufgetragen (dieser Schritt ist in Ausführungsbeispiel 1 nicht erforderlich, nämlich in dem Fall einer Verwendung von zwei externen Elektrodenschichten).
Vorzugsweise sollte jede externe Elektrodenschicht aus einem unterschiedlichen Material hergestellt sein. Beispiele von Materialien, die für die erste externe Elektrodenschicht 31 verwendet werden sollten, umfassen Materialien, die kleine Unterschiede in einem Koeffizienten einer linearen Ausdehnung zu den piezoelektrischen Schichten 11 umfassen, wie beispielsweise zumindest ein Metall, das aus Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut ausgewählt wird, oder eine zugehörige Legierung. Ein Lötmittel oder ein epoxidbasierendes, elektrisch leitfähiges Harz, das Silber beinhaltet, sollte für die zweite externe Elektrodenschicht (32, 32b) verwendet werden. Wenn die zweite externe Elektrodenschicht (32, 32b) aus einem epoxidbasierenden, elektrisch leitfähigen Harz, das Silber beinhaltet, gebildet ist, sollte das Material der dritten externen Elektrodenschicht 32a ein Material sein, für das das Produkt des zugehörigen Elastizitätsmoduls und des Koeffizienten der linearen Ausdehnung zwischen dem der ersten externen Elektrodenschicht 31 und der zweiten externen Elektrodenschicht 32b liegt, wie beispielsweise ein Material, das aus einem siliziummodifizierten, epoxidbasierenden, elektrisch leitfähigen Harz, das Silber beinhaltet, gebildet ist. Da Materialien, die eine hohe Haftstärke aufweisen, typischer Weise einen großen Elastizitätsmodul aufweisen, wird eine beträchtliche thermische Beanspruchung auf die piezoelektrischen Schichten 11 angelegt. Aufgrund der Effekte der dritten externen Elektrodenschicht 32a kann jedoch ein Material, das eine hohe Haftstärke aufweist, für das Material der zweiten externen Elektrodenschicht 32b, die einen Leitungsdraht oder eine Elektrodenplatte befestigt, verwendet werden.
Als Nächstes wird ein Leitungsdraht 33 mit der zweiten externen Elektrodenschicht (32, 32b) verbunden.
Obwohl der Leitungsdraht typischer Weise zu der Zeit eines Härtens der zweiten externen Elektrodenschicht befestigt wird, kann ein Verbinden des Leitungsdrahts ebenso ausgeführt werden, wenn die dritte externe Elektrodenschicht und die zweite externe Elektrodenschicht härten.
Als Nächstes wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 der Luft ausgesetzt oder in ein isolierendes Öl eingetaucht, wenn es erforderlich ist, und eine Gleichspannung wird über den Leitungsdraht 33 zwischen die internen Elektrodenschichten 21a und 21b angelegt, um die piezoelektrischen Schichten 11 zu polarisieren und ein geschichtetes piezoelektrisches Element zu erhalten.
Allgemeine Maßnahmen:
Nachstehend wird das Verfahren zum Definieren der maximalen Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist (W0), und der Breiten jeder externen Elektrodenschicht (W1, W2 und W3) gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 11A bis 11D bis zu den 13A bis 13D beschrieben.
Zuerst wird das Verfahren zum Definieren der maximalen Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist (W0), gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 11A bis 11D beschrieben. Die 11A bis 11D sind Querschnittsdarstellungen von geschichteten piezoelektrischen Elementen in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist. In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in der 11A gezeigt ist, ist die Form des zugehörigen Querschnitts ungefähr quadratisch. Zu diesem Zeitpunkt ist die maximale Breite W0 bei diesem Querschnitt die Länge der Linie, die zwei entgegengesetzte Ecken des Quadrats verbindet. In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in 11B gezeigt ist, ist die Form des zugehörigen Querschnitts ungefähr rechteckig. Zu diesem Zeitpunkt ist die maximale Breite W0 bei diesem Querschnitt die Länge der Linie, die zwei entgegengesetzte Ecken des Rechtecks verbindet. In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in 11C gezeigt ist, ist die Form des zugehörigen Querschnitts ungefähr oval. Zu diesem Zeitpunkt ist die maximale Breite W0 bei diesem Querschnitt die Länge der axialen Linie in der Längsrichtung des Ovals. In diesem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in 11D gezeigt ist, weist der Querschnitt zwei gekrümmte Abschnitte auf und weist eine Form auf, bei der die entsprechenden Enden der zwei gekrümmten Abschnitte mit geraden Linien verbunden sind (in der Form einer Rennbahn). Zu diesem Zeitpunkt ist die maximale Breite W0 bei diesem Querschnitt die Länge der Linie, die die entsprechenden Scheitelpunkte der zwei gekrümmten Abschnitte verbindet.
Des Weiteren ist die Querschnittsform des geschichteten piezoelektrischen Elements nicht auf die Formen begrenzt, die in den 11A bis 11D gezeigt sind, sondern sie kann vielmehr ebenso ein Oktaeder oder ein anderes Vieleck sein.
Nachstehend ist das Verfahren zum Definieren der Breiten jeder externen Elektrodenschicht (W1, W2 und W3) bei den geschichteten piezoelektrischen Elementen gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 12A bis 12C beschrieben. In 12A ist eine Seitendarstellung des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 gezeigt, in 12B ist eine Querschnittsdarstellung des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 in der Richtung gezeigt, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, und in der 12C ist eine Teilquerschnittsdarstellung des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 in der Richtung gezeigt, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist. Die Breiten jeder externen Elektrodenschicht (W1, W2, W3) sind als die Durchschnittswerte der Breiten jeder externen Elektrodenschicht in dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt 1a des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 definiert. In dem geschichteten piezoelektrischen Element 1, das in der 12A gezeigt ist, ist die Breite der externen Elektrodenschicht 31 nicht konstant. Zu diesem Zeitpunkt wird die Breite der externen Elektrodenschicht 31 als der Durchschnittswert der Breite der externen Elektrodenschicht 31 bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt 1a des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 definiert. In den geschichteten piezoelektrischen Elementen, die in den 12B und 12C gezeigt sind, ist die externe Elektrodenschicht 31 so bereitgestellt, dass sie sich über zwei Oberflächen erstreckt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Breite der externen Elektrodenschicht 31 als der Durchschnittswert der minimalen Breite zwischen den Schnittpunkten von Normalenlinien A und B in Bezug auf die Seite der piezoelektrischen Schichten 11 und beiden Enden der externen Elektrodenschicht 31 definiert (Breite zwischen 31a und 31b).
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß den ersten bis dritten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung durch ein Definieren der Beziehungen zwischen den Breiten jeder externen Elektrodenschicht (W1, W2 und W3) und der Breiten der externen Elektrodenschichten (W1, W2) bezüglich der maximalen Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist (W0), ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt werden, das sowohl eine sichere Verbindungsstärke zwischen einem Leitungsdraht oder einer Elektrodenplatte, der/die mit einer externen Elektrodenschicht verbunden wird, und der externen Elektrodenschicht sowie eine Verhinderung einer Bruchstellenbildung in den piezoelektrischen Schichten verwirklicht.
Des Weiteren ist der Aufbau; der bei der vorliegenden Erfindung angewendet wird, nicht auf die Aufbauten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt, vorausgesetzt, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann erfüllt werden. Beispielsweise ist die Form jeder piezoelektrischen Schicht 11 nicht auf ein Viereck begrenzt, sondern sie kann vielmehr ebenso ein Achteck oder ein anderes Vieleck sein. Zusätzlich können die externen Elektrodenschichten durch einen Siebdruck, eine Auftragung, eine Masken-Beschichtung, die eine Metallmaske verwendet, oder eine Beschichtung mit einer Zerstäubereinrichtung gebildet werden. Zusätzlich kann die Form der externen Elektrodenschichten in geeigneter Weise verändert werden, wobei, wie es beispielsweise in der 13A gezeigt ist, die externe Elektrodenschicht 31, die kontinuierlich auf der Außenumfangsseite des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 bei einem piezoelektrisch aktiven Abschnitt, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, bereitgestellt wird, bei einer Verbindungsoberfläche 1b der piezoelektrischen Einheiten abgetrennt sein kann, während die abgetrennte externe Elektrodenschicht 31 in der Richtung, die orthogonal zu der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 ist, wechselseitig unterschiedlich versetzt bereitgestellt sein kann. Zusätzlich kann, wie es in der 13B gezeigt ist, eine externe Elektrodenschicht 31 ebenso diagonal in Bezug auf eine axiale Linie A in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 bei der Außenumfangsseite des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 bereitgestellt sein. Zusätzlich kann, wie es in der 13D gezeigt ist, die externe Elektrodenschicht 31 ebenso in einer gewellten Art und Weise in Bezug auf eine axiale Linie A in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten 11 bei der Außenumfangsseite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt sein. Zusätzlich kann, wie es in der 13C gezeigt ist, eine externe Elektrodenschicht 31 ebenso in der Form eines Kreises bereitgestellt sein. Zusätzlich ist die Elektrode, die eine Spannung von einer externen Energieversorgung an die externe Elektrodenschicht anlegt, nicht auf einen Leitungsdraht begrenzt, sondern sie kann vielmehr ebenso eine plattenartige Elektrode 33 in der Form einer Platte sein und eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, wie es in den 14A bis 14D bis zu den 16A bis 16D gezeigt ist. Zusätzlich kann das geschichtete piezoelektrische Element 1 ebenso die Form eines geschichteten piezoelektrischen Elements aufweisen, bei dem Einkerbungen in der Seite der piezoelektrischen Schicht 11 bereitgestellt sind, um eine interne Beanspruchung, die durch einen Betrieb des geschichteten piezoelektrischen Elements 1 verursacht wird, zu verringern, wie es in den 17A bis 17D gezeigt ist.
Ein geschichtetes piezoelektrisches Element (1) umfasst ein geschichtetes piezoelektrisches Element (1), das piezoelektrische Schichten (11), die aus einer Keramik gebildet sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten (21a und 21b) aufweist, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, eine erste externe Elektrodenschicht (31), die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) bereitgestellt ist und mit den internen Elektrodenschichten (21a und 21b) elektrisch verbunden ist, und eine zweite externe Elektrodenschicht (32), die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) bereitgestellt ist und mit den internen Elektrodenschichten (21a und 21b) über die erste externe Elektrodenschicht (31) elektrisch verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements (1) in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht (31) als W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht (32) als W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W2 sowie 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 gilt, wobei das geschichtete piezoelektrische Element (1) einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt (1a) aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die zweite externe Elektrodenschicht (32) kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten (11) bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt (1a) bereitgestellt ist.

Claims

Geschichtetes piezoelektrisches Element mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, und einer zweiten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten über die erste externe Elektrodenschicht verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung einer Schichtung ist, mit W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht mit W1 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht mit W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W2 und 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 ist, und das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrischen aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrodenschicht als T1 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 0,05 ≤ (T2/T1) ≤ 300 ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch l, wobei, wenn die Dicke (nach dem Härten) der ersten externen Elektrodenschicht als T1 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der zweiten Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 1 ≤ (T2/T1) ≤ 35 ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W0 ≤ 15 mm ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei die erste externe Elektrodenschicht ein Metall, das aus zumindest einem von Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut besteht, oder eine zugehörige Legierung umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei, die zweite externe Elektrodenschicht ein Lötmittel oder ein elektrisch leitfähiges Harzmaterial umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechseln bereitgestellt sind, einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, einer zweiten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten über die erste externe Elektrodenschicht verbunden ist, und einer dritten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und zwischen der ersten externen Elektrodenschicht und der zweiten externen Elektrodenschicht bereitgestellt ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, die Breite der dritten externen Elektrodenschicht als W3 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht als T3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der W1 > W3 > W2, 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 und 0,05 ≤ (T2/T3) ≤ 300 gilt, wobei das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die zweite externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, die Breite der zweiten externen Elektrodenschicht als W2 bezeichnet wird, die Dicke (nach dem Härten) der zweiten externen Elektrodenschicht als T2 bezeichnet wird und die Dicke (nach dem Härten) der dritten externen Elektrodenschicht als T3 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 30 und 1 ≤ (T2/T3) ≤ 35 ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei die Materialien der ersten externen Elektrodenschicht, der zweiten externen Elektrodenschicht und der dritten externen Elektrodenschicht alle unterschiedliche Materialien sind.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei, wenn der Koeffizient der linearen Ausdehnung der ersten externen Elektrodenschicht als α1 bezeichnet wird, der Koeffizient der linearen Ausdehnung der zweiten externen Elektrodenschicht als α2 bezeichnet wird, der Koeffizient der linearen Ausdehnung der dritten externen Elektrodenschicht als α3 bezeichnet wird, der Elastizitätsmodul der ersten externen Elektrodenschicht als E1 bezeichnet wird, der Elastizitätsmodul der zweiten externen Elektrodenschicht als E2 bezeichnet wird und der Elastizitätsmodul der dritten externen Elektrodenschicht als E3 bezeichnet wird, E1 × α1 < E3 × α3 < E2 × α2 gilt.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, W0 ≤ 15 mm ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei die erste externe Elektrodenschicht ein Metall, das aus zumindest einem von Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut besteht, oder eine zugehörige Legierung umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 8, wobei die zweite externe Elektrodenschicht und die dritte externe Elektrodenschicht ein Lötmittel oder ein elektrisch leitfähiges Harzmaterial umfassen.
Geschichtetes piezoelektrisches Element mit: einem geschichteten piezoelektrischen Element, das piezoelektrische Schichten, die aus einer Keramik aufgebaut sind, die in der Lage ist, sich bei einem Anlegen einer Spannung auszudehnen und zusammenzuziehen, und interne Elektrodenschichten umfasst, die eine Spannung an die piezoelektrischen Schichten anlegen, wobei die internen Elektrodenschichten und die piezoelektrischen Schichten abwechselnd bereitgestellt sind, und einer ersten externen Elektrodenschicht, die bei einer Seite des geschichteten piezoelektrischen Elements bereitgestellt ist und elektrisch mit den internen Elektrodenschichten verbunden ist, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 2,5 ≤ (W2/W0) × 100 ≤ 60 ist, wobei das geschichtete piezoelektrische Element einen piezoelektrisch aktiven Abschnitt aufweist, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn eine Spannung angelegt wird, und die erste externe Elektrodenschicht kontinuierlich in der Richtung der Schichtung der piezoelektrischen Schichten bei dem piezoelektrisch aktiven Abschnitt bereitgestellt ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 15, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird und die Breite der ersten externen Elektrodenschicht als W1 bezeichnet wird, eine Beziehung vorhanden ist, bei der 5 ≤ (W1/W0) × 100 ≤ 30 ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch l5, wobei, wenn die maximale Breite des geschichteten piezoelektrischen Elements in der Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Schichtung ist, als W0 bezeichnet wird, W0 ≤ 15 mm ist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 15, wobei die erste externe Elektrodenschicht ein Metall umfasst, das zumindest aus einem von Silber, Palladium, Platin, Kupfer, Gold, Nickel, Zinn, Blei, Zink und Wismut besteht, oder eine zugehörige Legierung umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 15, wobei die erste externe Elektrodenschicht ein Lötmittel oder ein elektrisch leitfähiges Harzmaterial umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 8, oder 15, das in einem Kraftstoffeinspritzgerät verwendet wird.