DE102007000357B4

DE102007000357B4 - Mehrschichtiges piezoelektrisches Element und piezoelektrische Betätigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007000357B4
Application number: DE102007000357.0A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Asano; Yoichi Kobane
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: DE102007000357A1; JP4929875B2; JP2008010742A; US20080001503A1; US7429817B2

Abstract

Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) mit: einem mehrschichtigen keramischen Körper (10), der einen gestapelten Aufbau aufweist, bei dem piezoelektrische Schichten (11), die aus einem piezoelektrischen Material und einer Vielzahl von inneren Elektrodenschichten (21, 22) mit einer elektrischen Leitfähigkeit gebildet sind, abwechselnd in einer ersten Richtung gestapelt sind, und einem Paar äußerer Elektroden (33), die in der ersten Richtung auf einem Paar Elektrodenverbindungsoberflächen (101) bei Außenumfangsoberflächen (103) des mehrschichtigen keramischen Körpers (10) angeordnet sind, so dass die äußeren Elektroden (33) abwechselnd mit der Vielzahl von inneren Elektrodenschichten (21, 22) elektrisch verbunden sind, wobei jede äußere Elektrode (33) aufweist: einen fixierten Teil (331), der elektrisch mit der entsprechenden Elektrodenverbindungsoberfläche durch ein Verbindungsmaterial (32) mit einer elektrischen Leitfähigkeit kontaktiert ist, wobei das Verbindungsmaterial (32) eine Breite in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung und parallel zu den Elektrodenverbindungsoberflächen (101) ist, aufweist, die kleiner als eine Breite in der zweiten Richtung der äußeren Elektrode (33) ist, einen freien Teil (332) mit einer Vielzahl von Öffnungen, die in einer Netzstruktur (330) ausgebildet sind, der nicht in Kontakt mit dem Verbindungsmaterial (32) ist und in der ersten Richtung dehnbar ist, und einen starren Teil (333), der keine Öffnungen aufweist und der nicht in Kontakt mit dem Verbindungsmaterial (32) ist, wobei eine Gesamtquerschnittsfläche des starren Teils (333), die senkrecht zu der ersten Richtung und parallel zu der zweiten Richtung ist, immer größer als eine Gesamtquerschnittsfläche, die senkrecht zu der ersten Richtung ist und parallel zu der zweiten Richtung ist, sowohl des freien Teils (332) als auch des fixierten Teils (331) ist, wobei jede äußere Elektrode (33) zumindest eine Sektion aufweist, in der der fixierte Teil (331), der freie Teil (332) und der starre Teil (333) entlang der zweiten Richtung eingeordnet sind, wobei die Gesamtschnittfläche des freien Teils (332) in der zweiten Richtung größer als Null ist, und der starre Teil (333) eine Beziehung Im/Sr < Ia erfüllt, wobei Sr die Schnittfläche des starren Teils (333) ist, Im der maximale Ansteuerungsstrom ist, der durch das mehrschichtige piezoelektrische Element (1) fließt, und Ia ein zulässiger Strom pro Einheitsfläche ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element, das für verschiedene Anwendungen zu verwenden ist, wie beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzventil für Fahrzeuge, Präzisionspositionierungsvorrichtungen für eine Verwendung in optischen Geräten, ein Ansteuerungselement zur Verhinderung von Vibrationen und eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung für eine Verwendung in Tintenstrahldruckern.
Es gibt ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bzw. piezoelektrisches Multilayer-Element für eine Verwendung in einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung und dergleichen, das ein Paar äußerer Elektroden aufweist, die auf Oberflächen eines mehrschichtigen keramischen Körpers ausgebildet sind, der aus aus piezoelektrischen Materialien hergestellten piezoelektrischen Schichten und inneren Elektroden mit einer elektrischen Leitfähigkeit aufgebaut ist, die abwechselnd geschichtet oder gestapelt sind. Wenn eine bestimmte Spannung an die inneren Elektroden in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element angelegt wird, wird eine Auslenkung bzw. Verstellung jeder piezoelektrischen Schicht verursacht, wobei das mehrschichtige piezoelektrische Element eine Antriebsleistung erzeugt und ausgibt.
Bei einer neueren Verwendung wird eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung kleiner Größe durch ein höheres elektrisches Feld in einer Hochdruckumgebung für eine lange Zeitdauer angewendet, um eine große Auslenkungsgröße in der Betätigungseinrichtung zu erhalten. Wenn eine derartige piezoelektrische Betätigungseinrichtung, die aus einem mehrschichtigen piezoelektrischen Element hergestellt ist, unter einem hohen elektrischen Feld und einem hohen Druck für eine lange Zeitdauer verwendet wird, wird ein Ablösen bzw. ein Abtrennen der äußeren Elektroden von dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element verursacht oder es werden Bruchstellen darin verursacht, wobei diese Phänomene ein Brechen der äußeren Elektroden verursachen. Das Auftreten derartiger Bruchstellen oder eines teilweisen Brechens der äußeren Elektroden unterbricht eine Spannungsversorgung, und die Auslenkungseigenschaft des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements variiert während der Arbeit. Um die Variation der Auslenkungseigenschaft zu vermeiden, gibt es Techniken gemäß dem Stand der Technik, bei denen vielerlei Typen von mehrschichtigen piezoelektrischen Betätigungseinrichtungen vorgeschlagen worden sind. Beispielsweise ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2002 - 9 356 A ein mehrschichtiges piezoelektrisches Betätigungselement vorgeschlagen worden, das leitfähige Materialien aufweist, die in ihrer Position von einem mehrschichtigen Körper durch äußere Elektroden getrennt sind. Diese Konfiguration kann die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Betätigungselements vermindern, auch wenn Bruchstellen in dem mehrschichtigen Körper oder den äußeren Elektroden auftreten.
In der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP H08 - 242 025 A als ein anderer Stand der Technik ist eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung vorgeschlagen worden, in der Verbindungselektroden eines piezoelektrischen Elements mit einer dünnen Plattenform, die in einer zugehörigen Breiterichtung ausgebildete Einkerbungen bzw. Nuten aufweist, bei Seitenoberflächen eines piezoelektrischen Elementkörpers mit einem leitfähigen Haftmittel kontaktiert werden, um diese Verbindungselektroden mit inneren Elektroden der piezoelektrischen Betätigungseinrichtung elektrisch zu kontaktieren.
In dem deutschen Patent Nr. DE 199 45 933 C1 als ein weiterer Stand der Technik ist eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung offenbart worden, bei der elektrische Schichten mit Kontaktstiften über Kontaktdrähte jeweils verbunden werden, um die Leitfähigkeit des gesamten mehrschichtigen Körpers der piezoelektrischen Betätigungseinrichtung aufrechtzuerhalten.
Die vorstehend beschriebenen Techniken gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch die nachstehend genannten Schwierigkeiten auf. Da der primäre Stand der Technik gemäß der JP 2002 - 9 356 A die elektrische Leitfähigkeit des gesamten leitfähigen Materials nicht in adäquater Weise aufrechterhält und eine kleine Stromkapazität aufweist, ist es nicht möglich, ihn auf dem technischen Gebiet der Hochgeschwindigkeitsbetätigungseinrichtungen, wie beispielsweise bei einer Einspritzeinrichtung für Fahrzeuge, anzuwenden.
Obwohl der sekundäre Stand der Technik gemäß der JP H08 - 242 025 A eine Wirkung zur Verringerung einer Beanspruchung aufweist, die an die in den Verbindungselektroden des piezoelektrischen Elements mit einer dünnen Plattenform ausgebildeten Nuten angelegt wird, werden Bruchstellen in den Bereichen erzeugt, die zu dem Nutenausbildungsbereich verschieden sind, bei dem die Nuten durch das leitfähige Haftmittel fixiert werden, wobei diese Bereiche die angelegte Beanspruchung nicht in adäquater Weise verringern können. Das Vorhandensein der Bruchstellen kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Verbindungselektroden des piezoelektrischen Elements und den inneren Elektroden nicht in adäquater Weise aufrechterhalten und wird die Auslenkungseigenschaft des piezoelektrischen Elements während eines zugehörigen Antriebs variieren.
Weiterhin kann der Stand der Technik gemäß der DE 199 45 933 C1 nicht Drähte mit allen elektrischen Schichten bei der Herstellung verbinden, wobei hierdurch eine zugehörige Haltbarkeit für eine lange Zeitdauer nicht in adäquater Weise aufrechterhalten werden kann.
Dementsprechend besteht ein hoher Bedarf für eine Bereitstellung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elements, das in der Lage ist, das Auftreten von Bruchstellen und von Brüchen hierin zu unterdrücken und eine zugehörige Leistungsfähigkeit, wie beispielsweise eine Auslenkungseigenschaft, aufrechtzuerhalten, auch wenn es für eine lange Zeitdauer in verschiedenen strengen Umgebungen verwendet wird.
Die Druckschrift DE 10 2004 002 484 A1 offenbart einen Piezoaktor mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktfahne. Der insbesondere für ein Einspritzventil einer Brennkraftmaschine vorgesehener Piezoaktor weist einen Aktorkörper aus einem piezoelektrischen Material auf, der im Betrieb des Piezoaktors expandiert und kontrahiert, sowie mindestens eine am Aktorkörper angebrachte, elektrisch leitfähige Kontaktfahne, die expandierbar und kontrahierbar ist. Die elektrisch leitfähige Kontaktfahne ist mit einer strukturierten Folie gestaltet.
Die Druckschrift DE 101 63 358 A1 offenbart einen vielschichtigen piezoelektrischen Aktuator, der eine piezoelektrische Vielschichteinheit umfasst, welche ihr Ausdehnen oder Zusammenziehen aushält, damit der Kontaktverlust der äußeren Elektroden vermieden wird. Die piezoelektrische Vielschichteinheit beinhaltet eine Vielzahl von piezoelektrischen Platten aus einem piezoelektrischen Material und eine Vielzahl von inneren Elektroden aus einem leitenden Material, die in alternierenden Schichten angeordnet sind. Die äußeren Elektroden sind jeweils auf den Seitenoberflächen der piezoelektrischen Vielschichteinheit angeordnet, und mit der Vielzahl der inneren Elektroden elektrisch verbunden. Die äußeren Elektroden sind jeweils aus einer in Kontakt mit einer entsprechenden Seitenoberfläche der piezoelektrischen Vielschichteinheit angeordneten Elektrodenbasis, einem auf der Elektrodenbasis angeordneten röhrenförmigen Metallnetzleiter und einer Vielzahl von leitenden Haftmitteln für die teilweise Verbindung der Elektrodenbasis und des röhrenförmigen Metallnetzleiters konfiguriert. Benachbarte der leitenden Haftmittel weisen einen in der zu den piezoelektrischen Platten parallelen Richtung wechselweise überlagerten Abschnitt auf.
Die Druckschrift DE 10 2006 000 176 A1 beschreibt ein piezoelektrisches Element in Schichtbauart, das eine erste externe Elektrodenschicht umfasst, die auf einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elementes in Schichtbauart angeordnet ist, mit internen Elektrodenschichten elektrisch kontinuierlich ausgebildet ist und viele dehnbare und kontrahierbare Öffnungsabschnitte in einer Stapelrichtung des piezoelektrischen Elementes in Schichtbauart umfasst. Da die erste externe Elektrodenschicht mit dem piezoelektrischen Element in Schichtbauart über eine elektrisch leitendes Haftmittelelement verbunden ist und das elektrisch leitende Haftmittelelement schmaler als die erste externe Elektrodenschicht ist, dringt das elektrisch leitende Haftmittelelement in die Öffnungsabschnitte der ersten externen Elektrodenschicht zur Ausbildung von Verbindungen in der Form eines Ankers ein. Daher ist die erste externe Elektrodenschicht fest mit dem piezoelektrischen Element in Schichtbauart verbunden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element bereitzustellen, das ein Paar äußerer Elektroden aufweist, die in der Lage sind, eine zugehörige Leistungsfähigkeit zu vergrößern und eine zugehörige Haltbarkeit für eine lange Zeitdauer zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch mehrschichtiges piezoelektrisches Element gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung für eine Einspritzeinrichtung gemäß Patentanspruch 13 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Wie es in den Patentansprüchen definiert ist, weist jede äußere Elektrode des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung den fixierten Teil, den freien Teil und den starren Teil auf. Der freie Teil weist eine Vielzahl von Öffnungen (oder Poren) auf, die in der Stapelrichtung des mehrschichtigen keramischen Körpers dehnbar sind. Das Vorhandensein derartiger Öffnungen (oder Poren) kann die Beanspruchung, die durch die Auslenkung der piezoelektrischen Schichten (nachstehend abgekürzt als „piezoelektrische Auslenkung“ bezeichnet) erzeugt wird, entspannen bzw. abschwächen. Dies kann ein Auftreten von Brüchen und ein Ablösen der verschiedenen Teile der äußeren Elektroden unterdrücken und kann die Leistungsfähigkeit der äußeren Elektroden verbessern.
Die Schnittfläche (Teilfläche) des starren Teils in der Breiterichtung der äußeren Elektrode ist größer als die sowohl des fixierten als auch des freien Teils. Es ist möglich, die Stromkapazität der äußeren Elektrode durch ein Ausbilden des starren Teils mit einer derartigen Konfiguration in einem Teil der äußeren Elektrode zu vergrößern. Dies kann die Größe der Auslenkung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements bei einem Arbeiten hiervon vergrößern und hierdurch die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements verbessern.
Eine optionale Schnittfläche (Teilfläche) eines jeweiligen Teils, wie beispielsweise des fixierten Teils, des freien Teils und des starren Teils, wird mit einer jeweils anderen in der Breiterichtung der äußeren Elektrode verglichen. Wenn jeder Teil mehrere Teile aufweist, wird die Gesamtteilfläche der mehreren Teile miteinander verglichen.
Ferner ist die Breite des Verbindungsmaterials in der Breiterichtung der äußeren Elektrode kleiner als die der äußeren Elektrode. Auch wenn die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung ein Brechen des fixierten Teils in der Breiterichtung der äußeren Elektrode verursacht, können der freie Teil und der starre Teil, die nicht bei dem Verbindungsmaterial fixiert sind, die elektrische Verbindung mit der äußeren Elektrode (nachstehend auch abgekürzt einfach als „Leitfähigkeit“ bezeichnet) aufrechterhalten. Hierdurch ist es für das mehrschichtige piezoelektrische Element möglich, die Änderung der Auslenkungseigenschaft des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements während der Arbeit zu unterdrücken.
Weiterhin weist die äußere Elektrode den Teil auf, bei dem der fixierte Teil, der freie Teil und der starre Teil in der Breiterichtung der äußeren Elektrode eingeordnet sind. Das heißt, das Vorhandensein des zwischen dem fixierten Teil und dem starren Teil platzierten, dehnbaren freien Teils, der in der Lage ist, die angelegte Beanspruchung abzuschwächen, kann die Aufweitung eines gebrochenen Teils in dem fixierten Teil unterdrücken. Es ist möglich, ein Brechen des starren Teils, der in der Lage ist, die Stromkapazität zu vergrößern und eine zugehörige Leistungsfähigkeit zu verwirklichen, zu verhindern, wobei es hierdurch möglich ist, die bessere Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements bei einer Verwendung für eine lange Zeitdauer aufrechtzuerhalten.
Wie es vorstehend beschrieben ist, weist das mehrschichtige piezoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung die äußeren Elektroden auf, wobei jede äußere Elektrode den fixierten Teil, den freien Teil und den starren Teil eingeordnet aufweist. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass die äußeren Elektroden die verbesserte Haltbarkeit für eine lange Zeitdauer haben, und ermöglicht es, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element eine zugehörige Leistungsfähigkeit steigert. Auch wenn das mehrschichtige piezoelektrische Element unter strengen Bedingungen für eine lange Zeitdauer verwendet wird, ist es insbesondere möglich, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element seine Auslenkungseigenschaft und dergleichen aufrechterhält. Ein derartiges Merkmal ermöglicht es, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element bei Hochgeschwindigkeitsvorrichtungen, wie beispielsweise bei einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitender Einspritzeinrichtung, angewendet werden kann.
Es ist ebenso annehmbar, dass jedes des fixierten Teils, des freien Teils und des starren Teils aus einer Vielzahl von Unterteilen aufgebaut ist. Es ist ferner zu bevorzugen, die mehreren Unterteile des freien Teils in der Stapelrichtung (die gleich der longitudinalen Richtung der äußeren Elektrode ist) des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements kontinuierlich auszubilden. Das heißt, es ist möglich, den Beanspruchungsabschwächungseffekt durch die kontinuierliche Ausbildung der Unterteile des freien Teils in der Auslenkungsrichtung der piezoelektrischen Schichten bereitzustellen. Ferner ist es möglich, die Unterteile des starren Teils in der äußeren Elektrode entlang der Stapelrichtung (als die longitudinale Richtung der äußeren Elektrode) des mehrschichtigen keramischen Körpers kontinuierlich oder getrennt auszubilden.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass die mehreren Öffnungen in dem freien Teil in der äußeren Elektrode in einer Netzstruktur angeordnet sind. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass der freie Teil eine verbesserte Dehneigenschaft aufweist. Der freie Teil stellt ferner den Beanspruchungsabschwächungseffekt bereit, wobei es hierdurch möglich ist, das Auftreten von Brüchen der äußeren Elektroden zu unterdrücken.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, dass der fixierte Teil eine Vielzahl von Öffnungen (nämlich feine Löcher oder Poren) aufweist. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass ein Haftmittel als das Verbindungsmaterial in den Öffnungen in dem fixierten Teil aufgenommen wird. Das Verbindungsmaterial und der fixierte Teil werden hierdurch eng miteinander verbunden. Dies kann die Stärke der Verbindung zwischen der äußeren Elektrode und dem mehrschichtigen keramischen Körper vergrößern.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, dass die Öffnungen in einer Netzstruktur angeordnet sind. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass das Verbindungsmaterial und der fixierte Teil eng miteinander fixiert werden. Dies kann die Stärke der Verbindung zwischen der äußeren Elektrode und dem mehrschichtigen keramischen Körper vergrößern.
Außerdem ist es zu bevorzugen, dass die Öffnungen durch eine Aufweitungsverarbeitung, eine Stanzverarbeitung, eine Ätzverarbeitung bzw. eine Laserstrahlverarbeitung erzeugt werden. Diese Verfahren können in einfacher Art und Weise verschiedene Formen der Öffnungen ausbilden. Es ist annehmbar, dass die Öffnungen verschiedene Formen aufweisen, wie beispielsweise eine Kreisform, eine elliptische Form, eine Dreiecksform und eine Viereckform. Insbesondere kann eine Konfiguration der Öffnungen in dem freien Teil, die eine Kreisform und eine elliptische Form ohne Ecken annimmt, das Auftreten von Brüchen der äußeren Elektrode unterdrücken, da die durch die piezoelektrische Auslenkung bei dem freien Teil erzeugte Beanspruchung nur schwer konzentriert werden kann.
Es ist zu bevorzugen, dass der starre Teil eine Plattenform ohne irgendwelche Öffnungen aufweist. Diese Konfiguration kann eine möglichst große Teilfläche des starren Teils bereitstellen, wobei es hierdurch möglich ist, die Stromkapazität der äußeren Elektrode zu vergrößern und die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements zu vergrößern.
Es ist zu bevorzugen, dass der starre Teil bei dem Ende jeder äußeren Elektrode in der zugehörigen Breiterichtung ausgebildet ist. Diese Konfiguration kann in adäquater Weise die Entfernung von dem fixierten Teil zu dem starren Teil aufrechterhalten. Das heißt, diese Konfiguration kann in adäquater Weise die Breite des freien Teils aufweisen, der zwischen dem fixierten Teil und dem starren Teil ausgebildet ist. Hierdurch kann die Konfiguration eines derartigen freien Teils die durch die piezoelektrische Auslenkung bei einem Arbeiten erzeugte Beanspruchung sicher abschwächen und das Auftreten von Brüchen des bei der Außenseite des freien Teils ausgebildeten starren Teils unterdrücken.
Es ist zu bevorzugen, dass die Gesamtbreite Wa jeder äußeren Elektrode kleiner als 10,0 mm ist. Wenn Wa ≥ 10,0 mm ist, werden die Materialkosten zur Herstellung der äußeren Elektrode erhöht. Zusätzlich wird es schwierig, die äußere Elektrode zu verarbeiten, da die Gesamtbreite der äußeren Elektrode größer wird als die des mehrschichtigen keramischen Körpers.
Es ist zu bevorzugen, dass die Breite Wr des starren Teils größer als 0,3 mm ist. Wenn Wr ≤ 0,3 mm ist, besteht die Möglichkeit, dass es unmöglich wird, den starren Teil in der äußeren Elektrode auszubilden. Wenn der starre Teil aus mehreren Unterteilen aufgebaut ist, wird die Breite des starren Teils durch die Summe der Breite jedes Unterteils bestimmt.
Es ist zu bevorzugen, dass die Breite Wf des freien Teils und die longitudinale Länge Lp des mehrschichtigen keramischen Körpers eine Beziehung Wf > 0,01 Lp erfüllen. Bei einer üblichen Verwendung wird ein derartiger mehrschichtiger keramischer Körper um näherungsweise 0,1 % ausgedehnt. Folglich ist es schwierig, die Breite Wf des freien Teils hinsichtlich der Länge Lp des mehrschichtigen keramischen Körpers in der Stapelrichtung in adäquater Weise einzuhalten, wenn Wf ≤ 0,01 Lp ist. Da diese Konfiguration des freien Teils einen geringen Abschwächungseffekt auf die anzulegende Beanspruchung aufweist, besteht insbesondere die Möglichkeit, einen Ermüdungsbruch in der äußeren Elektrode zu verursachen. Eine Verwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements bei der Einspritzeinrichtung und dergleichen, die eine große Ausdehn- und Zusammenziehgröße aufweist, verursacht eindeutig ein derartiges Ermüdungsbruchphänomen. Wenn der freie Teil aus mehreren Unterteilen aufgebaut ist, ist die Breite des freien Teils durch die Summe der Breite jedes Unterteils definiert.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass die Teilfläche Sr des starren Teils, ein maximaler Ansteuerungsstrom Im des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements und ein zulässiger Strom Ia jeder äußeren Elektrode pro Einheitsfläche eine Beziehung gemäß (Im/Sr) < Ia erfüllen. Das Auftreten eines Brechens des fixierten Teils und des freien Teils bei (Im/Sr) > Ia verkleinert die Stromkapazität der äußeren Elektrode. Dementsprechend ist es zu bevorzugen, die äußere Elektrode so auszubilden, dass die Beziehung (Im/Sr) < Ia erfüllt ist, um das Auftreten von Schwierigkeiten zu vermeiden, auch wenn der gesamte Strom (wie der maximale Ansteuerungsstrom Im) in dem starren Teil fließt. Das Erfüllen der vorstehend genannten Beziehung kann das Auftreten eines Variierens der Auslenkungseigenschaft des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements bei einem Arbeiten beseitigen. Indem die Teilfläche Sr des starren Teils in adäquater Weise eingehalten wird, kann eine Wärmeerzeugung während des Fließens des Ansteuerungsstroms unterdrückt werden. Dieses Merkmal kann eine Verschlechterung des Verbindungsmaterials unterdrücken und kann die Haltbarkeit der äußeren Elektroden in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element vergrößern.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass jede äußere Elektrode hauptsächlich aus Cu, Au bzw. Ag hergestellt ist. Die Verwendung eines derartigen Metalls kann die Stärke der äußeren Elektrode vergrößern und die Stromkapazität der äußeren Elektrode vergrößern.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass jede äußere Elektrode hauptsächlich aus Edelstahl hergestellt ist und die Oberfläche jeder äußeren Elektrode mit Cu, Au bzw. Ag plattiert bzw. metallisiert ist. Die Ausführung einer derartigen Plattierung bzw. Metallisierung kann die Stärke der äußeren Elektrode vergrößern und in adäquater Weise die Stromkapazität bei der Oberfläche der äußeren Elektrode aufrechterhalten.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass das Verbindungsmaterial ein leitfähiges Haftmittel ist. Die Verwendung des leitfähigen Haftmittels kann in adäquater Weise die elektrische Leitfähigkeit zwischen der inneren Elektrode des mehrschichtigen keramischen Körpers und den äußeren Elektroden aufrechterhalten und stellt eine einfache Verbindungsarbeit für die äußeren Elektroden bei den Elektrodenverbindungsoberflächen bereit.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass das Verbindungsmaterial ein Lötmittel ist. Die Verwendung eines Lötmittels kann in adäquater Weise die elektrische Leitfähigkeit zwischen der inneren Elektrode des mehrschichtigen keramischen Körpers und den äußeren Elektroden aufrechterhalten und stellt eine stärkere Verbindung der äußeren Elektroden mit den Elektrodenverbindungsoberflächen bereit.
Es ist ferner zu bevorzugen, dass das mehrschichtige piezoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung für eine Verwendung in einer Einspritzeinrichtung angewendet wird. Die Einspritzeinrichtung wird im Allgemeinen unter strengen Bedingungen oder Umgebungen verwendet, wie beispielsweise bei einer hohen Temperatur unter einem hohen Druck. Eine Verwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Betätigungseinrichtung in der Einspritzeinrichtung für Fahrzeuge kann die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit hiervon vergrößern und verbessern, wobei es folglich möglich ist, die gesamte Leistungsfähigkeit der Einspritzeinrichtung zu vergrößern.
Nachstehend ist unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung als Beispiel ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung, die eine Gesamtkonfiguration eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 eine Schnittdarstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements entlang einer Linie A-A, die in 1 gezeigt ist,
3 einen Graphen, der eine Fehlerrate eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 bis 12 schematische Darstellungen, wobei jede Darstellung eine andere Konfiguration des geschichteten piezoelektrischen Elements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und
13 eine schematische Darstellung, die eine Konfiguration einer Einspritzeinrichtung zeigt, bei der das mehrschichtige piezoelektrische Element, das in 1 und 2 gezeigt ist, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Nachstehend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Nummern gleiche oder äquivalente Bauteile innerhalb der einzelnen Diagramme.
Nachstehend ist eine Beschreibung eines mehrschichtigen piezoelektrischen Elements bzw. eines piezoelektrischen Multilayer-Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 gegeben.
In 1 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. In 2 ist eine Schnittdarstellung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements entlang eine Linie A-A in 1 gezeigt.
Wie es in 1 und 2 gezeigt ist, ist das mehrschichtige piezoelektrische Element gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus einem mehrschichtigen keramischen Körper 10 und einem Paar äußerer Elektroden 33 aufgebaut. Der mehrschichtige keramische Körper 10 ist aus piezoelektrischen Schichten, die aus einem piezoelektrischen Material hergestellt sind, und inneren Elektroden 21 und 22 aufgebaut, die aus einem leitfähigen Material hergestellt sind, wobei die piezoelektrischen Schichten 33 und die inneren Elektroden 21 und 22 abwechselnd geschichtet oder gestapelt sind. Ein Paar der äußeren Elektroden 33 ist so ausgebildet, dass ein Paar Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102, die auf der Außenoberfläche 103 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 ausgebildet sind, elektrisch mit den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 kontaktiert ist.
Wie es in 2 gezeigt ist, sind die äußeren Elektroden 33 elektrisch mit den Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 über ein Verbindungsmaterial 32 mit einer elektrischen Leitfähigkeit verbunden, dessen Breite kleiner ist als die Breite jeder äußeren Elektrode 33. Jede äußere Elektrode 33 ist aus einem Fixierteil 331, einem freien Teil 332 und einem starren Teil 333 aufgebaut. Der Fixierteil 331 ist mit dem Verbindungsmaterial 32 kontaktiert. Der freie Teil 332 weist eine Vielzahl von Öffnungen 330 (oder feine Löcher oder Poren) auf, die in einer Stapelrichtung Y des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 (nachstehend auch abgekürzt als „Stapelrichtung Y“ bezeichnet) dehnbar sind. Der starre Teil 330 ist nicht mit dem Verbindungsmaterial 32 in Kontakt, wobei eine Teilfläche bzw. Stirnfläche oder Schnittfläche des starren Teils 333 größer ist als die sowohl des Fixierteils 331 als auch des freien Teils 332. Die äußere Elektrode 33 weist zumindest einen Teil auf, bei dem der Fixierteil 331, der freie Teil 332 und der starre Teil 333 in der Breiterichtung der äußeren Elektrode 33 der Reihe nach angeordnet sind bzw. eingeordnet sind.
Nachstehend ist die Konfiguration der äußeren Elektrode 33 ausführlich beschrieben.
Wie es in 1 und 2 gezeigt ist, weist der mehrschichtige keramische Körper 10 mit einer Vierecksäulenform in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 1 einen viereckig geformten Querschnitt auf, bei dem ein Paar der Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 auf dem Außenoberflächenbereich 103 so ausgebildet ist, dass die Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 zueinander entgegengesetzt sind. Es ist ebenso annehmbar, dass der mehrschichtige keramische Körper 10 zusätzlich zu einem viereckigen Querschnitt entsprechend einer Verwendung oder Anwendung eine Fassform, einen kreisförmigen Querschnitt, einen achteckigen Querschnitt und dergleichen aufweist.
Der keramische Körper 10 weist einen mehrschichtigen Aufbau auf, bei dem die piezoelektrische Schicht 11 und die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 abwechselnd geschichtet sind, wie es in 1 gezeigt ist. Ein Teil des Außenumfangs der inneren Elektrodenschicht 21 und ein Teil des Außenumfangs der inneren Elektrodenschicht 22 sind abwechselnd bei einem Paar der Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 freigelegt. Demgegenüber sind ein Teil des Außenumfangsteils der inneren Elektrodenschicht 21 und ein Teil des Außenumfangsteils der inneren Elektrodenschicht 22 als ein Strebenteil 19 bei der Innenseite der Außenumfangsoberfläche 103 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 platziert. Das heißt, der mehrschichtige keramische Körper 10 weist einen Elektrodenstrebenaufbau (als ein Teilelektrodenaufbau) auf, um eine elektrische Isolierung der inneren Elektrodenschichten 21 und 22 von äußeren Vorrichtungen und Elementen (nicht gezeigt) bei der Außenumfangsoberfläche 103 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 aufrechtzuerhalten.
Der mehrschichtige keramische Körper 10 ist aus einem Ansteuerungsteil 10a, der bei einem Zwischenteil in der Stapelrichtung oder der Schichtungsrichtung ausgebildet ist, einem Paar Pufferteile 10b und einem Paar Blindteilen bzw. Dummy-Teile 10c aufgebaut. Bei dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 ist der Ansteuerungsteil 10a zwischen einem Paar der Pufferteile 10b platziert und der Ansteuerungsteil 10a und ein Paar der Pufferteile 10b sind zwischen einem Paar der Blindteile 10c platziert, wie es in 1 gezeigt ist.
Eine Ausdehnungsgröße in jedem des Ansteuerungsteils 10a, der Pufferteile 10b und der Blindteile 10c wird in dieser Reihenfolge verkleinert. In einem konkreten Beispiel wird die Dicke der piezoelektrischen Schicht 11 jedes des Ansteuerungsteils 10a, der Pufferteile 10b und der Blindteile 10c in dieser Reihenfolge vergrößert.
Die piezoelektrische Schicht 11 ist aus piezoelektrischen Keramiken aufgebaut, die aus Blei-Zirkonat-Titanat (oder PZT) hergestellt sind. Die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 sind aus einer Legierung aus Ag und Pd hergestellt. Es ist ebenso annehmbar, zur Herstellung der inneren Elektroden 21 und 22 Ag, Pd, Cu, Ni, eine Legierung aus Cu und Ni oder dergleichen zu verwenden.
Wie es in 2 gezeigt ist, sind die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 bei der Elektrodenverbindungsoberfläche 101 und 102 in dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 jeweils freigelegt. Eine Seitenelektrode 31 ist auf jeder Elektrodenverbindungsoberfläche 101 und 102 ausgebildet, um den Endteil jeder inneren Elektrodenschicht 21 und 22 mit der Seitenelektrode 31 elektrisch zu kontaktieren. Das Verbindungsmaterial 32 ist auf der Seitenelektrode 31 ausgebildet. Über das Verbindungsmaterial 32 ist die äußere Elektrode 33 mit den Seitenelektroden 31 jeder inneren Elektrodenschicht 21 und 22 elektrisch verbunden.
Die Außenumfangsoberfläche 103 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 ist mit einem (nicht gezeigten) Formmaterial bzw. Gussmaterial abgedeckt.
Jede Seitenelektrode 31 ist auf dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch Backen einer aus Ag (97 Gew.%) und Glasfritte (3 Gew.%) gemachten Ag-Paste ausgebildet. Es ist möglich, an Stelle der Ag-Paste verschiedene Pasten zu verwenden, wie beispielsweise Ag/Pd, Pt, Cu, Ni und Au.
Das Verbindungsmaterial 32 ist aus einem leitfähigen Haftmittel hergestellt, das einen Ag-Füllstoff in Epoxydharz umfasst. Es ist möglich, an Stelle eines derartigen leitfähigen Haftmittels ein Lötmittel zu verwenden. Das Formmaterial ist aus Silikonharz als ein isolierendes Harz hergestellt.
Nachstehend sind die äußeren Elektroden 33 ausführlich beschrieben.
Jede äußere Elektrode 33 ist aus Edelstahl (SUS304) hergestellt, der mit Ni als eine Grundlage metallisiert wird, wobei Ag auf die Ni-Metallisierung aufgetragen bzw. metallisiert wird. Es ist ebenso möglich, an Stelle von Ag mit Cu, Au und dergleichen zu metallisieren. Es ist ebenso möglich, die gesamte äußere Elektrode 33 aus Cu, Au, Ag und dergleichen auszubilden.
Wie es in 1 gezeigt ist und vorstehend beschrieben worden ist, ist die äußere Elektrode 33 elektrisch mit dem aus einem leitfähigen Haftmittel hergestellten Verbindungsmaterial 32 kontaktiert. Die Breite Wd des Verbindungsmaterials 32 ist kleiner als die Breite Wa der äußeren Elektrode 33. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Breite Wd des Verbindungsmaterials 32 1,2 mm und die Breite Wa der äußeren Elektrode 33 ist 3,0 mm.
Jede äußere Elektrode 33 ist aus dem Fixierteil 331, der mit dem Verbindungsmaterial kontaktiert ist, dem freien Teil 332, der nicht mit dem Verbindungsmaterial kontaktiert ist, und dem starren Teil 333 aufgebaut.
Der Fixierteil 331 und der freie Teil 332 weisen eine Vielzahl der Öffnungen 330 (oder Poren) in einem Gitter- bzw. Netzmuster mit einer Rautenform auf. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Öffnungen 330 durch eine Aufweitungsverarbeitung ausgebildet. Es ist annehmbar, an Stelle der Aufweitungsverarbeitung eine andere Verarbeitung zum Ausbilden der Öffnungen 330 zu verwenden, beispielsweise eine Stanzverarbeitung, eine Ätzverarbeitung oder eine Laserstrahlbearbeitungsverarbeitung.
Der starre Teil 333 weist eine Plattenform ohne irgendeine Öffnung 330 auf, was hinsichtlich der Konfiguration sowohl zu dem Fixierteil 331 als auch dem freien Teil 332 unterschiedlich ist. Dementsprechend weist der starre Teil 333 eine größere Teilfläche in der Breiterichtung als sowohl der Fixierteil 33 als auch der freie Teil 332 auf. Wie es in 2 gezeigt ist, ist bei einem optionalen Querschnitt in der Breiterichtung der äußeren Elektrode 33 die Teilfläche Sd des Fixierteils 331 0,04 mm² und die Teilfläche Sf des freien Teils 332 ist 0,04 mm², wobei die Teilfläche Sr des starren Teils 333 0,05 mm² ist.
Der Fixierteil 331 ist kontinuierlich in der longitudinalen Richtung „y“ (nachstehend abgekürzt als die Längenrichtung „y“ bezeichnet) bei dem mittleren Teil in der Breiterichtung „x“ ausgebildet (siehe 1). Das leitfähige Haftmittel als das Verbindungsmaterial 32 wird in den Öffnungen 330 in dem Fixierteil 331 aufgenommen, so dass das Verbindungsmaterial 32 und die äußere Elektrode 33 eng miteinander fixiert sind. Somit ist die äußere Elektrode 33 eng bei dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 durch den Fixierteil 331 fixiert. Die Breite Wd des Fixierteils 331 ist 1,2 mm, was gleich zu der des Verbindungsmaterials 32 ist.
Ein Ende des starren Teils 333 in der Breiterichtung „x“ der äußeren Elektrode 33 ist kontinuierlich in der longitudinalen Richtung „y“ ausgebildet. Die Breite Wr des starren Teils 333 beträgt 0,5 mm.
Der Teil, der zu dem Fixierteil 331 und dem starren Teil 333 unterschiedlich ist, ist der freie Teil, der nicht mit dem Verbindungsmaterial 32 in Kontakt ist. Da er in sich eine Vielzahl der Öffnungen 330 aufweist, ist der freie Teil 332 in der longitudinalen Richtung „y“, nämlich in der Schichtungsrichtung „Y“, dehnbar (siehe 1).
In der Konfiguration gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann, da der freie Teil 332 auf beiden Seiten des Fixierteils 331 ausgebildet ist, die Breite Wf des freien Teils 332 durch ein Addieren von Wf1 + Wf2 (Wf = Wf1 + Wf2) erhalten werden, wie es in 1 gezeigt ist. Die Breite Wf des freien Teils 332 in dem ersten Ausführungsbeispiel ist 1,3 mm.
Es gibt den Teil, bei dem der Fixierteil 331, der freie Teil 332 und der starre Teil 333, die die äußere Elektrode 33 bilden, in der Breiterichtung „x“ eingeordnet sind. Wenn die Länge des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 in der Schichtungsrichtung Y Lp ist, ist die Beziehung Wf > 0,01LP erfüllt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Länge Lp des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 30,0 mm.
Die Beziehung Im/Sr < Ia wird in dem starren Teil 333 erfüllt, wobei die Teilfläche des starren Teils 333 Sr ist, der maximale Ansteuerungsstrom, der durch das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 fließt, Im ist und ein zulässiger Strom pro Einheitsfläche der äußeren Elektrode 33 Ia ist. Als ein konkretes Beispiel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist Sr 0,05 mm², ist Im 20,0 A und ist Ia 420,0 A/mm².
Nachstehend wird eine kurze Schilderung eines Herstellungsverfahrens des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Es ist möglich, das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch ein allgemein bekanntes Grünlingsverfahren herzustellen.
Zuerst werden Hauptrohmaterialien als piezoelektrisches Material vorbereitet, die hauptsächlich aus Bleioxid, Zirkonoxid, Titanioxid, Nioboxid und Strontiumcarbonat in einer vorgegebenen prozentualen Mischzusammensetzung bestehen. Da die Bleikomponente in Bleioxid bei einer hohen Temperatur verdampft, ist die Menge von Bleioxid etwa 1% bis 2% höher als bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung. Das Gemisch der vorbereiteten Rohmaterialen wird ohne Hinzufügung von Wasser durch einen Mischer gemischt und das so erhaltene Mischpulver wird bei einer hohen Temperatur in einem Bereich von 800 bis 950°C gebrannt.
Im Nachgang zu dem Brennschritt werden destilliertes Wasser und ein Dispergiermittel dem Mischpulver hinzugefügt, um eine wässrige Masse bzw. einen Brei zu bilden. Die wässrige Masse wird durch ein Nassmahlen durch eine Perlenmühle zermahlen. Der gemahlene Brei wird getrocknet und entfettet. Nach diesem Schritt werden ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmachermittel (oder ein Weichmacher), ein Dispergiermittel der wässrigen Masse hinzugefügt. Die wässrige Masse wird dann durch eine Kugelmühle gemischt. Die wässrige Masse wird dann in ein Vakuumgerät gegeben und dann in dem Vakuumgerät durch ein Rührgerät gerührt, um eine Vakuumentgasung und eine Viskositätseinstellung auszuführen.
Im Nachgang hierzu wird die wässrige Masse in einen Grünling mit einer spezifizierten Dicke durch eine Rakelklingevorrichtung geformt. Der geformte Grünling wird durch eine Pressmaschine gestanzt oder durch eine Schneidevorrichtung geschnitten, um einen Grünling mit einer spezifizierten Länge zu erhalten. Es ist ebenso annehmbar, ein zu dem Rakelklingenverfahren unterschiedliches Verfahren zu verwenden, beispielsweise ein Strangpressverfahren sowie andere Verfahren. Dann wird mittels eines Siebdruckverfahrens eine Ag/Pd-Paste auf einen Teil der Oberfläche des Grünlings aufgebracht, der die piezoelektrische Schicht 11 wird, wo die inneren Elektroden 21 und 22 bei dem Teil ausgebildet werden, wobei die Ag/Pd-Paste aus Ag(70 Gew.%) und Pd (30 Gew.%) zusammengesetzt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenso der Elektrodenstrebenteil (als der Elektrodenstrebenaufbau) ausgebildet, bei dem die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 nicht ausgebildet sind.
Eine vorgegeben Anzahl der zu stapelnden oder zu schichtenden Grünlinge wird entsprechend der Spezifikation für die Auslenkungsgröße durch den Ansteuerungsteil 10a und den Pufferteil 10b vorbereitet. Zusätzlich wird eine vorgegebene Anzahl der Grünlinge, die keine inneren Elektrodenschichten 21 oder 22 aufweisen, ebenso für den Pufferteil 10b und den Blindteil 10c vorbereitet.
Nachfolgend wird eine Vielzahl der vorbereiteten Grünlinge so gestapelt, dass der (nicht gezeigte) Elektrodenstrebenteil abwechselnd zwischen den Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 positioniert ist. Hierdurch werden die inneren Elektrodenschichten 21 und 22 abwechselnd bei den Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 freigelegt.
Die Grünlinge für den Ansteuerungsteil 10a werden zuerst gestapelt und die Grünlinge für die Pufferteile 10b werden anschließend auf beide Oberflächen der gestapelten Grünlinge für den Ansteuerungsteil 10a gestapelt. Abschließend werden die Grünlinge für die Blindteil 10c auf beide Endoberflächen der gestapelten Grünlinge für den Ansteuerungsteil 10a gestapelt, um einen mehrschichtigen Zwischenkörper, der in 1 gezeigt ist, zu erhalten.
Nachfolgend wird der mehrschichtige Zwischenkörper mit einem vorgegebenen Druck gepresst, während er bei einer vorgegebenen Temperatur innerhalb eines Bereichs von 400 bis 700°C erwärmt und dann entfettet wird, wobei er bei einer vorgegebenen Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1200°C gebrannt wird. Hierdurch wird der mehrschichtige keramische Körper 10 erhalten.
Als nächstes wird eine Ag-Paste auf die Elektrodenverbindungsoberflächen 101 und 102 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 aufgebracht. Der mehrschichtige keramische Körper 10 wird dann gebacken, um die Seitenelektroden 31 zu erhalten.
Das Verbindungsmaterial 32, das aus einem leitfähigen Haftmittel hergestellt ist, wird dann auf die Seitenelektroden 31 aufgebracht. Die äußeren Elektroden 33 werden auf dem aufgebrachten Verbindungsmaterial 32 ausgebildet. Zu diesem Zeitpunkt werden die äußeren Elektroden 33 so platziert, dass das Verbindungsmaterial 32 in den Öffnungen 330 der äußeren Elektroden 33 aufgenommen wird. Nach diesem Vorgang wird das Verbindungsmaterial 32 durch Erwärmen gehärtet, so dass die äußeren Elektroden 33 mit dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 verbunden sind.
Abschließend wird die gesamte äußere Umfangsoberfläche 103 des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 mit einem aus einem Isolationsharz hergestellten Formmaterial bzw. Gussmaterial (in den Zeichnungen weggelassen) eingegossen. Hierdurch wird das mehrschichtige piezoelektrische Element 1, das in 1 und 2 gezeigt ist, erhalten.
Nachstehend werden eine Handlung und Wirkungen des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1, das durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren erhalten wird, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Jede äußere Elektrode 33 in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 1 weist den fixierten Teil 331, den freien Teil 332 und den starren Teil 333 auf.
Der freie Teil 332 weist eine Vielzahl der Öffnungen 330 auf, die in der Schichtungsrichtung Y (oder in der Stapelrichtung Y) des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 dehnbar sind. Diese Konfiguration kann die durch eine piezoelektrische Auslenkung erzeugte und an die äußeren Elektroden 33 aufgebrachte Beanspruchung abschwächen bzw. entspannen. Hierdurch ist es möglich, ein Auftreten von Brüchen und ein Ablösen bzw. Abtrennen der äußeren Elektroden 33 von dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 zu unterdrücken sowie die Haltbarkeit der äußeren Elektroden 33 zu vergrößern.
Der starre Teil 333 ist in der Teilfläche in der Breiterichtung „x“ der äußeren Elektrode 33 relativ größer als der fixierte Teil 331 und der freie Teil 332. Es ist möglich, die Stromkapazität der äußeren Elektrode 33 zu vergrößern, indem ein derartiger starrer Teil 333 bei einem Teil der äußeren Elektrode 33 ausgebildet wird. Es ist hierdurch möglich, die Auslenkungsgröße in dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 1 während des Arbeitens zu vergrößern. Dies kann die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 verbessern.
Wie es in 2 gezeigt ist, ist das Verbindungsmaterial 32 hinsichtlich der Breite kleiner als die äußere Elektrode 33. Auch wenn der fixierte Teil 332, der bei dem Verbindungsmaterial 32 fixiert ist, in der Breiterichtung „x“ durch die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung bricht, ist es möglich, die elektrische Leitfähigkeit zwischen den inneren Elektroden 21 und 22 und den äußeren Elektroden 33 durch den freien Teil 332 und den starren Teil 333, die nicht bei dem Verbindungsmaterial 32 fixiert sind, aufrechtzuerhalten. Hierdurch ist es möglich, eine Änderung der Auslenkungseigenschaft des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements während der Arbeit zu unterdrücken.
Die äußere Elektrode 33 weist einen Teil auf, bei dem der fixierte Teil 331, der freie Teil 332 und der starre Teil 333 in der Breiterichtung „x“ der Außenelektrode 33 eingeordnet sind. Es ist möglich, ein Aufweiten des gebrochenen Teils, der in dem fixierten Teil 331 aufgetreten ist, zu unterdrücken, indem der freie Teil 332, der in der Lage ist, die aufzubringende Beanspruchung abzuschwächen, zwischen dem fixierten Teil 331 und dem starren Teil 333 ausgebildet wird. Diese Konfiguration kann ein Auftreten von Brüchen in dem starren Teil 333 verhindern, der in der Lage ist, die Stromkapazität und die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements zu vergrößern. Die vorstehend beschriebene Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 kann die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 für eine lange Zeitdauer aufrechterhalten.
In der Konfiguration des ersten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Dehnfähigkeit des freien Teils 332 zu vergrößern und dadurch die Beanspruchungsabschwächungsfähigkeit des freien Teils 332 zu steigern, da jede in dem freien Teil 332 ausgebildete Öffnung 330 eine Gitterform- bzw. Netzformkonfiguration aufweist. Dies kann das Auftreten von Brüchen der äußeren Elektroden 33 weiter unterdrücken.
Der fixierte Teil 331 weist wie die Konfiguration des freien Teils 332 eine Vielzahl der Öffnungen 330 auf. Da jede in dem fixierten Teil 331 ausgebildete Öffnung 330 eine Gitterform- bzw. Netzformkonfiguration aufweist, ist es möglich, das Verbindungsmittel 32 in die Öffnungen 330 des fixierten Teils 331 einzubringen, um sie eng miteinander zu fixieren. Diese Konfiguration kann die Verbindungsstärke zwischen den äußeren Elektroden 33 und den mehrschichtigen keramischen Körper 10 vergrößern.
Der starre Teil 333 weist eine ebene Form auf und hat keine Öffnungen 330. Hierdurch ist es möglich, die Teilfläche des starren Teils 333 so groß wie möglich zu halten, wenn sie mit der Teilfläche sowohl des fixierten Teils 331 auch als des freien Teils 332 verglichen wird. Diese Konfiguration kann ferner die Leistungsfähigkeit der Stromkapazität und die Leistungsfähigkeit der Verbindungsstärke der äußeren Elektroden 33 vergrößern.
Da der starre Teil 333 bei dem Endteil in der Breiterichtung der äußeren Elektrode 33 ausgebildet ist, ist es möglich, den freien Teil 332 innerhalb der Breiterichtung der äußeren Elektrode 33 in adäquater Weise zu platzieren. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass der freie Teil 332 die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung abschwächt, und ermöglicht es ebenso, dass der bei der Außenseite des freien Teils 332 ausgebildete starre Teil 333 bricht.
Ferner ist die Beziehung Wf > 0,01 Lp erfüllt, wenn die Breite des freien Teils 332 Wf ist und die Länge des freien Teils 332 in der Stapelrichtung Y des mehrschichtigen keramischen Körpers 10 Lp ist. Hierdurch ist es für den freien Teil möglich, die durch die äußeren Elektroden 33 durch die piezoelektrische Auslenkung aufgebrachte Beanspruchung abzuschwächen bzw. zu entspannen.
Weiterhin ist die Beziehung (Im/Sr) ≤ Ia erfüllt, wenn die Teilfläche des starren Teils 333 Sr ist, der maximale Ansteuerungsstrom des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 Im ist und der zulässige Strom pro Einheitsfläche der äußeren Elektrode 33 Ia ist. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Variation der Auslenkungseigenschaft des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 zu unterdrücken, so dass sie während eines Arbeitens nicht verändert wird, auch wenn ein Brechen des fixierten Teils 331 und des freien Teils 332 in der äußeren Elektrode 33 auftritt und die gesamte Strommenge nur durch den starren Teil 333 fließt.
Weiterhin ist es möglich, die Erzeugung von Wärme bei einem Fließen von Strom zu unterdrücken, wobei es hierdurch möglich ist, die Verschlechterung des Verbindungsmaterials 32 zu unterdrücken, und wobei es hierdurch möglich ist, die Haltbarkeit der äußeren Elektroden 33 zu steigern, da die Teilfläche Sr des starren Teils 333 in adäquater Weise in der äußeren Elektrode 33 aufrechterhalten wird.
Außerdem ist es möglich, die Stärke der äußeren Elektrode 33 zu vergrößern, da die äußere Elektrode 33 hauptsächlich aus Edelstahl hergestellt ist und die Oberfläche der äußeren Elektrode mit Silber Ag metallisiert ist. Die Ag-Metallisierung ermöglicht es, dass die äußere Elektrode 33 eine zugehörige Stromkapazität vergrößert.
Des Weiteren ist es gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel möglich, das Verbindungsmaterial 32 in die Öffnungen 330 des fixierten Teils 331 einzubringen, um das Verbindungsmaterial 32 und die äußere Elektrode 33 eng miteinander zu fixieren, da ein leitfähiges Haftmittel als das Verbindungsmaterial 32 verwendet wird. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass die äußere Elektrode 33 eine höhere Verbindungsstärke aufweist. Es ist ebenso möglich, die äußere Elektrode 33 in einfacher Weise mit dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 zu verbinden, und es ist ebenso möglich, die elektrische Leitfähigkeit zwischen den inneren Elektroden 21 und 22 und den äußeren Elektroden 33 in adäquater Weise aufrechtzuerhalten.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 eine Konfiguration auf, bei der jede äußere Elektrode 33 aus dem fixierten Teil 331, dem freien Teil 332 und dem starren Teil 333 aufgebaut ist, die in einer derartigen Anordnung platziert sind. Es ist folglich möglich, sowohl die Haltbarkeit als auch die Leistungsfähigkeit der äußeren Elektrode 33 gleichzeitig zu erhöhen. Auch wenn das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 unter strengen Bedingungen für eine lange Zeitdauer verwendet wird, ist es möglich, die zugehörige Auslenkungseigenschaft aufrechtzuerhalten.
Nachstehend ist ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bewertet worden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Teilfläche Sr des starren Teils 333 in der äußeren Elektrode 33 geändert worden, um die Fehlerrate des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 zu erhalten.
Die Bewertung hinsichtlich der Fehlerrate des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 ist unter den nachstehenden genannten Bedingungen ausgeführt worden. Ein Ansteuerungsstrom wird dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element 1 zugeführt, indem eine Spannung mit einem trapezförmigen Impuls angelegt wird, dessen Anstiegszeit 0,1 ms beträgt, dessen maximale Spannung 150 V beträgt und dessen Abfallzeit 0,1 ms wird, wobei das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 10⁹ Mal bei ein 100 Hz in Schwingung versetzt wird.
In 3 ist ein Graph gezeigt, der die erhaltene Fehlerrate des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 zeigt. In 3 zeigt die vertikale Linie das Fehlerverhältnis (%) an und die horizontale Linie bezeichnet die Teilfläche Sr (mm²) des starren Teils 333.
Wie es aus 3 ersichtlich wird, gilt, dass je größer die Teilfläche Sr des starren Teils 333 in der äußeren Elektrode 33 ist, desto drastischer wird das Fehlerverhältnis kleiner. Aus den in 3 gezeigten experimentellen Ergebnis ist es ersichtlich, dass die Vergrößerung der Teilfläche des starren Teils 333 die Erzeugung von Wärme unterdrücken kann, die durch ein Fließen eines großen Stroms verursacht wird. Hierdurch ist es möglich, die Verschlechterung des Verbindungsmaterials 32 zu unterdrücken und die Haltbarkeit der äußeren Elektrode 33 zu vergrößern.
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf 4 bis 12 verschiedene Konfigurationen der äußeren Elektrode 33 bei dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben.
In 4 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 4 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-1 ist ein fixierter Teil 331-1 bei einem Mittelteil in der Breiterichtung „x“ der äußeren Elektrode 33-1 ausgebildet und der starre Teil 333-1 ist ein wenig von dem einen Ende der äußeren Elektrode 33-1 hin zu der Innenseite der Richtung „x“ verschoben. Der freie Teil ist in zwei Teile 332-11 und 332-12 aufgeteilt. Diese Konfiguration stellt bereit, dass die freien Teile 332-11 und 332-12 bei beiden Enden des starren Teils 333-1 ausgebildet sind. Die in 4 gezeigte Konfiguration kann ein Auftreten von Brüchen des starren Teils 333-1 verhindern.
In 5 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 5 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-2 ist der fixierte Teil 331-2 bei dem Mittelteil der äußeren Elektrode 33-2 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil ist in zwei Teile 333-21 und 333-22 aufgeteilt, die bei beiden Enden der äußeren Elektrode 33-2 ausgebildet sind. Diese Konfiguration kann die starren Teile 333-21 und 333-22 mit einer großen Teilfläche Sr bereitstellen und die Stromkapazität der äußeren Elektrode 33 vergrößern. Hierdurch ist es möglich, die Leistungsfähigkeit des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-2 weiter zu vergrößern.
In 6 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 6 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-3 ist der fixierte Teil 331-3 bei einem Ende der äußeren Elektrode 33-3 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil 333-3 ist bei dem anderen Ende der äußeren Elektrode 33-3 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet. Diese Konfiguration der äußeren Elektrode 33-3 kann die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung weiter abschwächen, da eine große Breite Wf des freien Teils 332-3 gebildet werden kann.
In 7 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 7 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-4 ist der fixierte Teil 331-4 bei einem Ende der äußeren Elektrode 33-4 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil 333-4 ist bei einem leicht innerhalb liegenden Bereich des anderen Endes der äußeren Elektrode 33-4 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet. Der freie Teil ist in zwei Teile 332-41 und 332-42 aufgeteilt. Diese Konfiguration der äußeren Elektrode 33-4 kann die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung weiter abschwächen, da der freie Teil 332-42 mit einer großen Breite Wf ausgebildet werden kann. Ferner ist es möglich, ein Auftreten von Brüchen des starren Teils 333-4 zu verhindern, da die freien Teile 332-41 und 332-42 bei beiden Enden des starren Teils 333-4 ausgebildet sind.
In 8 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 8 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-5 ist der fixierte Teil 331-5 bei einem Ende der äußeren Elektrode 33-5 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil ist in zwei Teile aufgeteilt, den oberen starren Teil 333-51 und den unteren starren Teil 333-52. Der obere starre Teil 333-51 und der untere starre Teil 333-52 sind zueinander in der Breiterichtung „x“ der äußeren Elektrode 33-5 verschoben.
In 9 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 9 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-6 ist der fixierte Teil 331-6 bei dem Mittelteil der äußeren Elektrode 33-6 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil 333-6 ist in zwei Teile aufgeteilt, den oberen starren Teil 333-61 und den unteren starren Teil 333-62. Der obere starre Teil 333-61 und der untere starre Teil 333-62 sind zueinander in der Breiterichtung „x“ der äußeren Elektrode 33-6 verschoben. In dieser Konfiguration ist es möglich, die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung durch das Vorhandensein dieser zwei Teile, des oberen starren Teils 333-61 und des unteren starren Teils 333-62, abzuschwächen, da der starre Teil, der die Eigenschaft aufweist, schwer zu dehnen zu sein, in die zwei Teile, den oberen starren Teil 333-61 und den unteren starren Teil 333-62, in der longitudinalen Richtung „y“ aufgeteilt ist.
Es ist möglich, das Auftreten von Brüchen des starren Teils zu verhindern, auch wenn eine große Ausdehnungsgröße in dem mehrschichtigen keramischen Körper 10 mit einer längeren Länge erzeugt wird.
In 10 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 10 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-7 ist der fixierte Teil in zwei Teile 331-71 und 331-72 aufgeteilt. In ähnlicher Weise ist der freie Teil in zwei Teile 332-71 und 332-72 aufgeteilt. Insbesondere ist der starre Teil 333-7 bei dem Mittelteil der äußeren Elektrode 33 ausgebildet.
In 11 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 11 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-8 ist der fixierte Teil 331-8 bei dem Mittelteil der äußeren Elektrode 33-8 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil 333-8 weist eine „L“-Form auf, wobei der starre Teil 333-8 bei einem Endteil der äußeren Elektrode 33-8 in der Breiterichtung „x“ und ebenso bei einem Endteil hiervon in der longitudinalen Richtung „y“ ausgebildet ist. Diese Konfiguration kann eine einfache elektrische Verbindung beider äußerer Elektroden 33-8 mit (nicht gezeigten) externen Vorrichtungen bereitstellen.
In 12 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die eine andere Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In der in 12 gezeigten Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-9 ist der fixierte Teil 331-9 bei dem Mittelteil der äußeren Elektrode 33-9 in der Breiterichtung „x“ ausgebildet und der starre Teil 333-9 weist eine „L“-Form auf, wobei der starre Teil 333-9 bei einem Endteil der äußeren Elektrode 33-9 in der Breiterichtung „x“ und ebenso bei einem Endteil hiervon in der longitudinalen Richtung „y“ ausgebildet ist. Insbesondere ist ein Aussparungsteil 39 zwischen dem starren Teil 333-9 und dem freien Teil 332-9 ausgebildet. Ähnlich zu der in 11 gezeigten Konfiguration kann die in 12 gezeigte Konfiguration eine einfache elektrische Verbindung beider äußerer Elektroden 33-9 mit (nicht gezeigten) externen Vorrichtungen bereitstellen. Die Ausbildung des Aussparungsteils 39 schwächt ferner die durch die piezoelektrische Auslenkung erzeugte Beanspruchung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1-9 ab.
In den Konfigurationen jeder äußeren Elektrode in den mehrschichtigen piezoelektrischen Elementen, die in 4 bis 12 gezeigt sind, werden die Teile, die zu dem fixierten Teil und dem starren Teil unterschiedlich sind, der freie Teil. Die äußere Elektrode weist zumindest einen Teil auf, bei dem der fixierte Teil, der freie Teil und der starre Teil eingeordnet sind. Andere Konfigurationen der mehrschichtigen piezoelektrischen Elemente, die in 4 bis 12 gezeigt sind, sind im Wesentlichen gleich zu der Konfiguration des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in 1 und in 12 gezeigt ist.
Nachstehend ist eine Beschreibung einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung einer Einspritzeinrichtung 6 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel als eine praktische Anwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
Wie es in 13 gezeigt ist, wird die Einspritzeinrichtung 6 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel bei einem Common-Rail-Einspritzsystem für eine Dieselkraftmaschine angewendet.
Die Einspritzeinrichtung 6 ist hauptsächlich aus einem oberen Gehäuse 62 und einem unteren Gehäuse 63 aufgebaut. Das obere Gehäuse 62 beherbergt das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 als einen Ansteuerungsteil bzw. Antriebsteil. Das untere Gehäuse 63, das bei einem Bodenteil des oberen Gehäuses 62 befestigt ist, beherbergt eine Einspritzdüse 64.
Das obere Gehäuse 62 weist eine näherungsweise zylindrische Form auf, und das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 ist in ein longitudinales Loch 621, das nicht zu der Mittelachse des oberen Gehäuses 62 koaxial ist, eingebracht und darin fixiert.
Ein Hochdruckkraftstoffpfad 662 ist bei dem Seitenteil des longitudinalen Lochs 621 ausgebildet, wobei der obere Teil des Hochdruckkraftstoffpfads 662 mit einem (nicht gezeigten) Common-Rail (gemeinsame Kraftstoffleitung) über ein Kraftstoffeinlassrohr 623 verbunden ist, das von dem oberen Gehäuse 62 herausragt.
Ferner ragt ein Kraftstoffeinbringrohr 625, das mit einem Ablaufpfad 624 verbunden ist, von dem oberen Teil des oberen Gehäuses 62 heraus. Der durch das Kraftstoffeinbringrohr 625 fließende Kraftstoff wird zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt. Der Abflusspfad 624 verbindet sich mit einem Drei-Wege-Ventil 651 (das nachstehend beschrieben wird) über einen (nicht gezeigten) Pfad, der sich in dem oberen Gehäuse 62 und dem unteren Gehäuse 63 von einem zwischen dem longitudinalen Loch 621 und dem Ansteuerungsteil 1 (dem mehrschichtigen piezoelektrischen Element) ausgebildeten Raum 60 nach unten erstreckt.
Die Einspritzdüse 64 ist mit einer Düsennadel 641 und einer Einspritzdüse 643 ausgestattet. Die Düsennadel 641 gleitet in der longitudinalen Richtung (oder in der vertikalen Richtung) in einen Kolbenkörper 631. Der Öffnungs- und Schließbetrieb der Einspritzdüse 643 wird durch die Düsennadel 641 gesteuert, um einen von einem Kraftstoffreservoir 642 zugeführten Hochdruckkraftstoff in jeden Zylinder der Kraftmaschine einzuspritzen. Das Kraftstoffreservoir 642 ist bei dem Mittelteil um die Düsennadel 641 herum angeordnet, wobei sich das Kraftstoffreservoir 642 und der Bodenteil des Hochdruckkraftstoffpfads 622 miteinander verbinden. Die Düsennadel 641 empfängt den Kraftstoffdruck in einer Ventilöffnungsrichtung von dem Kraftstoffreservoir 642 und empfängt ebenso einen Kraftstoffdruck, der in der Ventilöffnungsrichtung von einem Gegendruckraum 644 angelegt wird, der gegenüberliegend zu der oberen Oberfläche der Düsennadel 641 ausgebildet ist. Eine Abnahme des von dem Gegendruckraum 644 zugeführten Drucks hebt die Düsennadel 641 an und das Einspritzloch 643 wird hierdurch geöffnet, wobei der Kraftstoff hierdurch in jeden Zylinder der Kraftmaschine durch das Einspritzloch 643 eingespritzt wird.
Das Drei-Wege-Ventil 651 steuert den Druck des Gegendruckraums 644. Das Drei-Wege-Ventil 651 weist eine Konfiguration auf, die in der Lage ist, den Gegendruckraum 644 und den Hochdruckkraftstoffpfad 622 oder den Abflusspfad 624 selektiv zu verbinden. Das Drei-Wege-Ventil 651 weist ein kugelförmiges Ventil auf, das in der Lage ist, die Öffnung zu öffnen, die den Gegendruckraum 644 und den Hochdruckkraftstoffpfad 622 oder den Abflusspfad 624 verbindet. Das kugelförmige Ventil wird über einen Kolben 652 mit großem Durchmesser, einen Öldruckraum 653 und einen Kolben 654 mit kleinem Durchmesser angesteuert.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 mit der Konfiguration gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen als die Antriebsleistungsquelle für die Einspritzeinrichtung 6 verwendet. Wie es vorstehend beschrieben ist, weist das mehrschichtige piezoelektrische Element 1 eine bessere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auf. Folglich kann die Verwendung des mehrschichtigen piezoelektrischen Elements 1 die Leistungsfähigkeit der Einspritzeinrichtung 6 verbessern.

Claims

Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) mit: einem mehrschichtigen keramischen Körper (10), der einen gestapelten Aufbau aufweist, bei dem piezoelektrische Schichten (11), die aus einem piezoelektrischen Material und einer Vielzahl von inneren Elektrodenschichten (21, 22) mit einer elektrischen Leitfähigkeit gebildet sind, abwechselnd in einer ersten Richtung gestapelt sind, und einem Paar äußerer Elektroden (33), die in der ersten Richtung auf einem Paar Elektrodenverbindungsoberflächen (101) bei Außenumfangsoberflächen (103) des mehrschichtigen keramischen Körpers (10) angeordnet sind, so dass die äußeren Elektroden (33) abwechselnd mit der Vielzahl von inneren Elektrodenschichten (21, 22) elektrisch verbunden sind, wobei jede äußere Elektrode (33) aufweist: einen fixierten Teil (331), der elektrisch mit der entsprechenden Elektrodenverbindungsoberfläche durch ein Verbindungsmaterial (32) mit einer elektrischen Leitfähigkeit kontaktiert ist, wobei das Verbindungsmaterial (32) eine Breite in einer zweiten Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung und parallel zu den Elektrodenverbindungsoberflächen (101) ist, aufweist, die kleiner als eine Breite in der zweiten Richtung der äußeren Elektrode (33) ist, einen freien Teil (332) mit einer Vielzahl von Öffnungen, die in einer Netzstruktur (330) ausgebildet sind, der nicht in Kontakt mit dem Verbindungsmaterial (32) ist und in der ersten Richtung dehnbar ist, und einen starren Teil (333), der keine Öffnungen aufweist und der nicht in Kontakt mit dem Verbindungsmaterial (32) ist, wobei eine Gesamtquerschnittsfläche des starren Teils (333), die senkrecht zu der ersten Richtung und parallel zu der zweiten Richtung ist, immer größer als eine Gesamtquerschnittsfläche, die senkrecht zu der ersten Richtung ist und parallel zu der zweiten Richtung ist, sowohl des freien Teils (332) als auch des fixierten Teils (331) ist, wobei jede äußere Elektrode (33) zumindest eine Sektion aufweist, in der der fixierte Teil (331), der freie Teil (332) und der starre Teil (333) entlang der zweiten Richtung eingeordnet sind, wobei die Gesamtschnittfläche des freien Teils (332) in der zweiten Richtung größer als Null ist, und der starre Teil (333) eine Beziehung Im/Sr < Ia erfüllt, wobei Sr die Schnittfläche des starren Teils (333) ist, Im der maximale Ansteuerungsstrom ist, der durch das mehrschichtige piezoelektrische Element (1) fließt, und Ia ein zulässiger Strom pro Einheitsfläche ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach Anspruch 1, wobei der fixierte Teil (331) eine weitere Vielzahl von Öffnungen (330) aufweist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl der Öffnungen (330) in dem fixierten Teil (331) in einer Netzstruktur ausgebildet ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der starre Teil (333) eine Plattenform ohne Öffnung aufweist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der starre Teil (333) bei einem Ende jeder äußeren Elektrode (33) in der zweiten Richtung (X) ausgebildet ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Gesamtbreite Wa jeder äußeren Elektrode (33) kleiner als 10,0 mm ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Breite Wr des starren Teils (333) größer als 0,3 mm ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Breite Wf des freien Teils (332) und eine longitudinale Länge Lp des mehrschichtigen keramischen Körpers (10) eine Beziehung Wf > 0,01 Lp erfüllen.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede äußere Elektrode (33) aus zumindest einem Element aus Cu, Au und Ag hergestellt ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede äußere Elektrode (33) zumindest aus Edelstahl hergestellt ist und die Oberfläche jeder äußeren Elektrode (33) mit Cu, Au oder Ag metallisiert ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verbindungsmaterial (32) ein leitfähiges Haftmittel ist.
Mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verbindungsmaterial (32) ein Lötmittel ist.
Piezoelektrische Betätigungseinrichtung für eine Einspritzeinrichtung (6), die ein mehrschichtiges piezoelektrisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.