DE10208417A1

DE10208417A1 - Laminierte piezoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10208417A1
Application number: DE10208417A
Authority: DE
Inventors: Shigenobu Nakamura; Koki Ashida
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: GB0204615D0; GB2375886A; GB2375886B; US20020158552A1; US6700306B2; DE10208417B4

Abstract

Angegeben wird eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung mit einem stabartigen Laminat aus alternierend laminierten piezoelektrischen Schichten und Elekrodenschichten sowie mit Außenelektrodenplatten an den Seitenoberflächen des Laminats, wobei die Elektrodenschichten mit den Außenelektrodenplatten elektrisch verbunden sind und an den Seitenoberflächen des Laminats flexible vorragende elektrisch leitende Endpunkte vorliegen, die dem Dehnen und Kontrahieren des Laminats in seiner Höhenrichtung folgen können, sowie die Elektrodenschichten über die genannten Endpunkte mit den Außenelektrodenplatten verbunden sind. Die flexiblen Endpunkte absorbieren die beim Dehmen und Kontrahieren des Laminats entstehenden Spannungen und verleihen der Vorrichtung eine lange Lebensdauer (Fig. 1a).

Description

Die Erfindung betrifft eine laminierte piezoelektrische Vor richtung. Vor allem bezieht sich die Erfindung auf eine lami nierte piezoelektrische Vorrichtung, die besonders vorteilhaft für Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, für Positioniervorrichtungen in Präzisionsausrüstungen, wie in optischen Einrichtungen, und als Antriebsvorrichtung zum Verhindern einer Vibration eingesetzt werden kann.

Laminierte piezoelektrische Vorrichtungen sind mit einem stab artigen Laminat ausgerüstet, das durch alternierendes Lami nieren von piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten (Innenelektroden) gebildet worden ist. Die laminierten Vor richtungen können in zwei Arten klassifiziert werden, d. h. in jene des gemeinsam gebrannten Typs und jene des gestapelten Typs. Unter dem Gesichtspunkt der Herabsetzung der elektrischen Spannung, der Senkung der Herstellungskosten und der Verminderung der Schichtdicken ist die laminierte piezoelek trische Vorrichtung des gemeinsam gebrannten Typs vorteilhaft und findet zunehmend immer weitere Anwendungen.

Fig. 10 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer üblichen laminierten piezoelektrischen Vorrichtung erläutert. Sie weist ein stabartiges Laminat 53 auf, das durch alternie rendes Laminieren von piezoelektrischen Schichten 51 und Innenelektrodenschichten 52 in Richtung der Höhe hergestellt worden ist. Inerte Keramikschichten 55 sind am oberen und am unteren Ende des stabartigen Laminats 53 auflaminiert. Die Innenelektrodenschicht 52 ist an ihrem einen Ende (an der seitlichen Oberfläche) mit einem Isolator 61 bedeckt. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, sind zwei Innenelektrodenschichten 52, die einander benachbart sind und zwischen denen eine pie zoelektrische Schicht 51 sandwichartig eingeschlossen ist, an ihren verschiedenen Enden (an den seitlichen Oberflächen) mit dem Isolator 61 bedeckt. Beispielsweise ist die Oberfläche der rechten Seite der Innenelektrodenschicht 52, die auf die obere Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 51 laminiert ist, mit dem Isolator 61 bedeckt, während die Innenelektrodenschicht 52, die an der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 51 laminiert ist, an ihrer linken seitlichen Oberfläche mit dem Isolator 61 bedeckt ist.

Somit sind die Isolatoren 61 an den verschiedenen seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 53 derart angeordnet, daß sie die seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschicht 52 in alternierender Weise bedecken. Wie Fig. 10 ferner zeigt, sind an den seitlichen Oberflächen gürtelartige Außenelektroden 70 ausgebildet, und Leitungsdrähte 76 sind mittels eines Lots 77 an den gürtelartigen Außenelektroden 70 befestigt. (Eine der gürtelartigen Außenelektroden 70 ist eine positive Elektrode und die andere eine negative Elektrode).

Deshalb sind die Innenelektrodenschichten 52 mit der gürtel artigen Außenelektrode 70 an ihren seitlichen Oberflächen verbunden, die nicht mit den Isolatoren 61 bedeckt sind. Jede der gürtelartigen Außenelektroden 70 ist mit jeder anderen Innenelektrodenschicht 52 leitend verbunden. Von den Innen elektrodenschichten 52, die einander benachbart sind, ist eine mit der gürtelartigen Außenelektrode 70 mit positiver Polarität und die andere mit der gürtelartigen Außenelektrode 70 mit negativer Polarität leitend verbunden.

Bezüglich der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung mit dem vorgenannten Aufbau beschreibt die japanische ungeprüfte Patentanmeldung (Kokai) Nr. 237172/1992 eine Vorrichtung, bei der jedes Ende (die seitliche Oberfläche) der Innenelektro denschicht, die an der seitlichen Oberfläche des stabartigen Laminats freiliegt, mit einer Glasschicht (Isolator) bedeckt, und die Innenelektrodenschicht 52 sowie die benachbarten oberen und unteren piezoelektrischen Schichten 51 sind fest mit der Glasschicht verbunden, die in einem Vertiefungsbereich der Außenelektroden 70 gehalten wird.

Jedoch ergab sich in den letzten Jahren der Trend, daß stärkere elektrische Felder benutzt und die Vorrichtung kontinuierlich während längerer Zeiträume betrieben werden, um ein hohes Maß an Verschiebung unter einem hohen Druck beim Einsatz einer kleinen piezoelektrischen Vorrichtung zu erreichen.

Wenn die vorgenannte bekannte laminierte piezoelektrische Vorrichtung während langer Zeiträume unter Bedingungen eines starken elektrischen Feldes und eines großen Drucks kontinu ierlich betrieben wird, schälen sich jedoch die Innenelek trodenschichten 52, welche zwischen den piezoelektrischen Schichten 51 vorliegen, von den Außenelektroden 70 mit der positiven Polarität und der negativen Polarität ab. Dadurch wird einigen der piezoelektrischen Schichten 51 keine Spannung geliefert, was zu einer Änderung in den Verschiebungseigen schaften während des Betriebs führt. Bei der im oben genannten Stand der Technik beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung kann die Glasschicht (Isolierschicht) sogar brechen, wenn die Vorrichtung unter den Bedingungen eines starken elektrischen Felds und eines großen Drucks kontinuierlich über längere Zeiträume betrieben wird. Aufgrund dieses Brechens tritt zwi schen den Innenelektrodenschichten und den Außenelektroden ein Kurzschluß auf, wodurch zu einigen piezoelektrischen Schichten keine Spannung gelangt, was dann noch zu einer Änderung der Verschiebungseigenschaften während des Betriebs führt.

Das heißt, das stabartige Laminat, das den Hauptkörper der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung ausmacht, unterliegt einer Dehnung und einer Kontraktion in einer Richtung, in der die piezoelektrischen Schichten und die Innenelektrodenschich ten miteinander laminiert sind (in der Richtung der Höhe). Deshalb kann die Glasschicht mit einem hohen Young-Modul, welche die Enden der Innenelektrodenschichten bedeckt (und auch die Enden der den Innenelektrodenschichten benachbarten piezoelektrischen Schichten bedeckt), dem Dehn- und Kontrak tionsvorgang aufgrund des kontinuierlichen Betriebs während ausgedehnter Zeiträume nicht länger widerstehen und wird zerstört. Über die zerstörten Abschnitte entsteht zwischen den Innenelektrodenschichten und den Außenelektroden ein Kurz schluß.

Die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen (Kokai) Nr. 283451/1995 und 51240/1996 beschreiben laminierte piezo elektrische Vorrichtungen mit elektrisch leitenden Ausstül pungen, die durch Plattieren der Enden (der seitlichen Ober flächen) der Innenelektrodenschichten 52 gebildet worden sind. Jedoch ist bei diesen piezoelektrischen Vorrichtungen die Verbindungsfestigkeit zwischen den elektrisch leitenden Aus stülpungen und dem stabartigen Laminat schwach, und beim Be trieb der piezoelektrischen Vorrichtung schälen sich die Enden der Innenelektrodenschichten von den elektrisch leitenden Ausstülpungen ab. Dementsprechend wird, wie im oben erwähnten Fall, einigen der piezoelektrischen Schichten keine Spannung zugeführt. Es kann somit das Problem nicht vermieden werden, daß während des Betriebs der piezoelektrischen Vorrichtung die Verschiebungseigenschaften eine Änderung erfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung anzugeben, die stabile Ver schiebungseigenschaften beibehält und eine hervorragende Dauer haftigkeit ohne den Bruch von Drähten zwischen den Außen- und den Innenelektroden aufweist, und zwar sogar noch nach einem kontinuierlichen Betrieb während ausgedehnter Zeiträume unter den Bedingungen eines starken elektrischen Felds und eines hohen Drucks.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung der vorgenannten laminierten piezoelektrischen Vorrichtung eine Einspritzvorrichtung anzugeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine laminierte pie zoelektrische Vorrichtung angegeben, die ein stabartiges Lami nat aufweist, das durch alternierendes Laminieren der pie zoelektrischen Schichten und der Innenelektrodenschichten in Richtung der Höhe hergestellt worden ist, und ferner mit einem Paar Außenelektrodenplatten versehen ist, die an verschiedenen seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats gebildet worden sind, wobei zwei einander benachbarte Innenelektrodenschichten, zwischen denen eine piezoelektrische Schicht sandwichartig angeordnet ist, an ihren seitlichen Oberflächen mit Außenelektrodenplatten elektrisch verbunden sind, die von einander verschieden sind, und wobei flexible vorragende elek trisch leitende Endpunkte an den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats ausgebildet sind, wo die Außenelektroden angeordnet sind, wobei sich die flexiblen vorragenden elek trisch leitenden Endpunkte entlang der seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten erstrecken und der Dehnung und Kontraktion des stabartigen Laminats in Richtung seiner Höhe nachgeben können sowie die Innenelektrodenschichten über die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte mit den Außen elektrodenplatten verbunden sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Einspritz vorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen Behälter mit einer Einspritzöffnung, eine laminierte piezoelektrische Vor richtung gemäß der Erfindung in dem Behälter und ein Ventil zum Einspritzen einer Flüssigkeit durch die Einspritzöffnung, das durch die laminierte piezoelektrische Vorrichtung betätigt wird, aufweist.

Bei der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der Erfindung sind an beiden seitlichen Oberflächen an einer Seite der Innenelektrodenschichten (d. h., in Abschnitten an den seit lichen Oberflächen des stabartigen Laminats) vorragende elektrisch leitende Endpunkte ausgebildet. Die Innenelektro denschichten sind mit der Außenelektrodenplatte mit positiver Polarität oder mit der Außenelektrodenplatte mit negativer Polarität über die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte verbunden. Das heißt, die in Rahmen der Erfindung benutzten vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte sind flexible und folgen der Dehnung und Kontraktion des stabartigen Laminats in der Richtung der Höhe (in der Richtung, in welcher die pie zoelektrischen Schichten und die Innenelektrodenschichten laminiert sind). Deshalb wird beim Betreiben der piezoelek trischen Vorrichtung, wobei das stabartige Laminat einer Dehnung und einer Kontraktion in der Richtung der Höhe unter liegt, eine durch das Dehnen und Kontrahieren verursachte Zugspannung von den vorragenden elektrisch leitenden Endpunk ten, die eine Deformation erfahren, absorbiert. Dies unter drückt wirksam den Bruch der elektrischen Drähte zwischen den Außenelektrodenplatten und den Innenelektrodenschichten selbst dann, wenn die piezoelektrische Vorrichtung kontinuierlich während langer Zeiträume unter den Bedingungen eines starken elektrischen Felds und eines hohen Drucks betrieben wird. Dadurch wird eine Änderung in den Verschiebungseigenschaften vermieden und eine wesentliche Verbesserung der Dauerhaftigkeit erreicht.

Deshalb arbeitet eine Einspritzvorrichtung, bei der die lami nierte piezoelektrische Vorrichtung mit dem oben erwähnten Aufbau benutzt wird, in stabiler Weise beim Einspritzen von Kraftstoff während ausgedehnter Zeiträume.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die vorragenden elek trisch leitenden Endpunkte durch Aufbringen einer elektrisch leitenden Paste, die ein elektrisch leitendes Metallpulver und ein Glaspulver enthält, gebildet. Die Paste wird auf die seit lichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten, die mit den Außenelektrodenplatten verbunden werden sollen, und auf die seitlichen Oberflächen der piezoelektrischen Schichten, die sich in der Nachbarschaft der Innenelektrodenschichten befin den, aufgebracht sowie erhitzt und gebrannt. Das heißt, das Glaspulver erweicht beim Brennen, und in diesem Zustand wird das Metallpulver, welches ein wenig in die piezoelektrischen Schichten eindiffusiert, an den seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten gesammelt, wobei die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte gebildet werden, die sich ent lang der seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten erstrecken. Außerdem werden die so gebildeten vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte in ihren Fußbereichen in die Glasschicht eingebettet und gut befestigt. Dementsprechend sind die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte und die Innen elektrodenschichten fest miteinander verbunden und die vorra genden elektrisch leitenden Endpunkte werden wirkungsvoll daran gehindert, sich durch die Bewegung der piezoelektrischen Vor richtung abzuschälen (durch das Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann auch ein elektrisch leitendes Element zur Vermeidung einer lokalen Erhitzung an den Außenoberflächen der Außenelektrodenplatten angebracht werden, welche über die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte mit den Innenelektrodenschichten elektrisch verbunden sind. Das elektrisch leitende Element kann eine elektrisch leitende Spule, eine elektrisch leitende gewellte Platte, ein Aggregat von elektrisch leitenden Fasern oder ein elektrisch leitendes Flächenmaterial, das aus einem elektrisch leitenden Klebstoff harzgemisch hergestellt worden ist, sein. Beim Betreiben der piezoelektrischen Vorrichtung durchzuführen von Strom an die Außenelektrodenplatten über solche elektrisch leitenden Ele mente kann erreicht werden, daß ein lokales Erhitzen der Außen elektrodenplatten und ein durch das lokale Erhitzen verur sachter Bruch von Drähten sogar dann verhindert werden, wenn die piezoelektrische Vorrichtung durch Zuführen eines starken Stroms bei hohen Geschwindigkeiten betrieben wird.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1a bis 1c Ansichten einer erfindungsgemäßen lami nierten piezoelektrischen Vorrichtung, wobei Fig. 1a eine perspektivische Ansicht, Fig. 1b die Ansicht eines senk rechten Schnitts entlang der Linie A-A' in Fig. 1a und Fig. 1c eine perspektivische Ansicht eines Teils von Fig. 1a in vergrößertem Maßstab erläutern;

Fig. 2a bis 2c ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen von vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten an der erfin dungsgemäßen laminierten piezoelektrischen Vorrichtung;

Fig. 3 bis 6 seitliche Schnittansichten von laminierten piezoelektrischen Vorrichtungen mit elektrisch leitenden Elementen, die an den Außenoberflächen der Außenelektroden platten ausgebildet sind;

Fig. 7 und 8 perspektivische Ansichten von laminierten piezoelektrischen Vorrichtungen, in denen Nuten und Schlit ze ausgebildet sind;

Fig. 9 eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Ein spritzvorrichtung, die mit einer erfindungsgemäßen lami nierten piezoelektrischen Vorrichtung ausgerüstet ist;

Fig. 10 eine zeitliche Schnittansicht einer üblichen lami nierten piezoelektrischen Vorrichtung.

Aufbau der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung

Gemäß den Fig. 1a bis lc, welche eine erfindungsgemäße pie zoelektrische Vorrichtung erläutern, weist diese ein recht eckiges stabartiges Laminat 50 auf, das durch alternierendes Laminieren von piezoelektrischen Schichten 1 und Innenelek trodenschichten 2 gebildet worden ist. Am oberen und unteren Ende des Laminats sind inerte Keramikschichten 9 angeordnet.

Die piezoelektrische Schicht 1 besteht aus einem piezoelek trischen keramischen Material, das beispielsweise Bleizirco nattitanat Pb(Zr,Ti)O₃ (nachfolgend als "PZT" abgekürzt) oder Bariumtitanat BaTiO₃ enthält. Es ist bevorzugt, daß die piezoelektrische Keramik eine hohe piezoelektrische Verzer rungskonstante d₃₃ aufweist, welche die piezoelektrischen Eigenschaften repräsentiert.

Es ist bevorzugt, daß die piezoelektrische Schicht 1 eine Dicke (einen Abstand zwischen den Innenelektrodenschichten 2) 50 bis 250 µm hat. Das heißt, die Größe der durch Anlegen einer Span nung an die laminierte piezoelektrische Vorrichtung steigt mit der Zunahme der Anzahl der laminierten Schichten. Wenn die Dicke der piezoelektrischen Schicht 1 zu groß ist, wird aber das stabartige Laminat 50 zu hoch und erschwert die Verwirk lichung der laminierten piezoelektrischen Vorrichtung mit kleinen Abmessungen, insbesondere mit kleiner Höhe. Wenn ande rerseits die Dicke der piezoelektrischen Schicht 1 zu gering ist, tritt leicht ein dielektrischer Durchschlag ein.

Die Innenelektrodenschicht 2 zwischen den piezoelektrischen Schichten 1 besteht aus einem guten metallischen Leiter, zum Beispiel Silber, Silber-Platin, Silber-Palladium oder einer Legierung aus solchen Metallen, und dient dazu, eine vorge gebene Spannung auf die piezoelektrischen Schichten 1 zu brin gen, damit aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts eine Verschiebung stattfindet. Die Dicke der Innenelektrodenschicht 1 liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 µm.

Die inerte Keramikschicht 9 besteht im allgemeinen aus der gleichen piezoelektrischen Keramik wie die piezoelektrische Schicht 1. Das heißt, die Schicht 9 ist nicht sandwichartig von Elektrodenschichten eingeschlossen und sie ist inert.

Das stabartige Laminat 50 wird durch alternierendes Laminieren der piezoelektrischen Schicht 1 und der Innenelektrodenschicht 2 in der unten angegebenen Weise hergestellt.

Zuerst wird eine Aufschlämmung hergestellt. Diese erhält man durch Mischen eines calcinierten Pulvers einer piezoelektri schen Keramik, wie PZT, eines organischen hochmolekularen Bindemittels der Art eines Acrylharzes oder eines Butyrals und eines Weichmachers, wie DBP (Dioctylphthalat) oder DOP (Dibu tylphthalat). Durch Einsatz dieser Aufschlämmung wird eine grüne Keramikplatte hergestellt, um die piezoelektrische Schicht 1 zu halten. Dies geschieht mittels eines bekannten Bandformungsverfahrens (z. B. nach dem Rakelverfahren oder dem Kalanderwalzenverfahren).

Als nächstes werden das Bindemittel und der Weichmacher zuge geben und in ein Metallpulver oder ein Legierungspulver (z. B. in ein Silber-Palladium-Pulver) eingemischt, um eine elektrisch leitende Paste herzustellen, die dann auf die obere Oberfläche der vorstehend gebildeten grünen Platte aufgedruckt wird, wobei eine Dicke von 1 bis 40 µm mittels eines Siebdruckverfahrens aufrechterhalten wird.

Die grünen Platten, auf welche die elektrisch leitende Paste aufgedruckt worden ist, werden in einer Mehrzahl übereinander laminiert. Nach dem Entfernen des Bindemittels bei einer vorge gebenen Temperatur wird das Laminat bei 900 bis 1200°C gebrannt, um das vorgenannte stabartige Laminat 50 zu erhalten.

An den verschiedenen seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 werden Außenelektrodenplatten 4 angebracht, und Leitungsdrähte 6 werden durch Löten mit den Außenelektroden platten 4 verbunden. Wenn die Außenelektrodenplatte 4 (4a), welche sich an der einen seitlichen Oberfläche befindet, eine positive Polarität aufweist, hat die Außenelektrodenplatte 4 (4b), die an der anderen seitlichen Oberfläche angeordnet ist, eine negative Polarität.

An der einen seitlichen Oberfläche des stabartigen Laminats 50, die die Außenelektrodenplatte 4 (4a) in Fig. 1b aufweist, ist die seitliche Oberfläche (das Ende) jeder anderen Innenelektro denschicht 2 mit dem Isolator 3 bedeckt, und die seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2, die mit dem Isola tor 3 nicht abgedeckt sind, sind mit den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5 versehen. Die Innenelektrodenschichten 2 sind über die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte mit den Außenelektroden 4 (4a) elektrisch verbunden. Der gleiche Aufbau liegt bei der anderen seitlichen Oberfläche des stabartigen Laminats 50 vor, die mit den Außenelektrodenplatten 4 (4b) ausgerüstet ist. Wenn seine eine seitliche Oberfläche mit dem Isolator 3 bedeckt ist, ist die Innenelektrodenschicht 2 an seiner anderen seitlichen Oberfläche mit den vorragenden leitenden Endpunkten 5 versehen. Deshalb sind die zwei Innenelektrodenschichten 2 und 2, die nach oben und unten einander benachbart sind und die piezoelektrische Schicht 1 sandwichartig zwischen sich einschließen, mit den Außenelektrodenplatten 4 (4a und 4b) elektrisch verbunden, die sich voneinander durch die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 unterscheiden. Das heißt, wenn die Innenelektroden schicht 2, welche auf die piezoelektrische Schicht 1 laminiert ist, mit der Außenelektrodenplatte 4a mit einer beispielsweise positiven Polarität verbunden ist, steht die Innenelektroden schicht 2, welche unter der piezoelektrischen Schicht 1 laminiert ist, mit der Außenelektrodenplatte 4b mit negativer Polarität in Verbindung.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das stabartige Laminat 50 einen Aufbau aufweist, bei dem die Innen elektrodenschicht 2, welche versehen ist mit einem vorragenden elektrisch leitenden Endpunkt 5 zur Verbindung mit der Außen elektrodenplatte 4a mit positiver Polarität und mit einem Isolator 3 zur Isolierung gegenüber der Außenelektrode 4b mit negativer Polarität, sowie die Innenelektrodenschicht 2, die ausgerüstet ist mit einem vorragenden elektrisch leitenden Endpunkt 5 zur Verbindung mit der Außenelektrodenplatte 4b mit negativer Polarität und mit einem Isolator 3 zur Isolierung gegenüber der Außenelektrode 4a mit positiver Polarität, alter nierend übereinander laminiert sind und dazwischen jeweils sandwichartig eine piezoelektrische Schicht 1 angeordnet ist. Beim Zuführen des elektrischen Stroms über die Außenelektroden platte 4 werden deshalb an den piezoelektrischen Schichten 1, die nach oben und unten einander benachbart sind, umgekehrte Spannungen relativ zueinander angelegt. Deshalb dehnt und kontrahiert sich das stabartige Laminat 50 in der Richtung seiner Höhe und es wird eine gewünschte Verschiebung erhalten. Das heißt, eine Gleichspannung von 0,1 bis 3 kV/mm wird an ein Paar der Außenelektroden 4a und 4b über die Leitungsdrähte 6 angelegt, um das stabartige Laminat 50 zu polarisieren. Dadurch wird ein vollständiges laminiertes piezoelektrisches Element als Produkt erhalten. Die Leitungsdrähte 6 sind mit einer externen Spannungsversorgungseinheit verbunden, um über die Leitungsdrähte 6 und die Außenelektroden 4 die Spannung an die Innenelektroden 2 heranzubringen. Dann unterliegen die piezoelektrischen Schichten 1 aufgrund der inversen piezoelek trischen Wirkung einer großen Verschiebung. Durch Benutzen dieser Verschiebung kann die erfindungsgemäße laminierte piezoelektrische Vorrichtung beispielsweise bei einer Ein spritzvorrichtung, wie einem Kraftstoffeinspritzventil für Kraftfahrzeuge zum Einspritzen von Kraftstoff in den Motor, verwendet werden.

Die vorgenannten Außenelektrodenplatten 4 (4a, 4b) können aus einem elektrisch leitenden Metall wie Silber, Nickel, Kupfer, Gold oder Aluminium oder einer Legierung dieser Metalle, herge stellt werden. Vorzugsweise bestehen sie aus Silber, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Verbindungsstärke zu der Innenelek trodenschicht 2 und eines kleinen Young-Moduls. Es ist ferner bevorzugt, daß die Dicke t der Außenelektrodenplatten 4 nicht über 50 µm liegt, so daß sie der Dehnung und Kontraktion des stabartigen Laminats 50 folgen können, wenn das piezoelek trische Element aktiviert ist. Somit tritt kein Bruch der Drähte zwischen den Außenelektroden 4 und den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5 oder zwischen den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5 und den Innenelektroden schichten 2 auf.

Auf den zwei verschiedenen seitlichen Oberflächen (den seit lichen Oberflächen, wo die Außenelektrodenplatten 4 vorgesehen sind) des stabartigen Laminats 50 sind alternierend die Isola toren 3 und die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 vorgesehen, und zwar in Abschnitten der seitlichen Oberflächen (Enden) der Innenelektrodenschichten 2.

Das heißt, die Innenelektrodenschicht 2 ist über den vorra genden elektrisch leitenden Endpunkt 5 entweder mit der Außen elektrodenplatte 4a oder der Außenelektrodenplatte 4b elek trisch verbunden. Durch Vorsehen des Isolators 3 ist deshalb die Innenelektrodenschicht 2 zuverlässig mit der anderen Außen elektrodenplatte (4a oder 4b) elektrisch verbunden. Als Isola tor 3 kann deshalb ein Isoliermaterial mit einem hohen elektri schen Widerstand, wie ein Glas, ein Epoxidharz, ein Polyamid harz, ein Polyamidimidharz oder ein Siliconkautschuck benutzt werden. Um ein Abschälen von den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 wirksam zu verhindern, ist es besonders bevorzugt, Siliconkautschuck als Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul einzusetzen, das dem Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats 50 folgt.

Die vorgenannten Isolatoren 3 werden durch Nachbehandeln der seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 gebildet, das mit den Außenelektrodenplatten 4 versehen ist, Ausbilden einer Nut in der seitlichen Oberfläche jeder Innenelektroden schicht unter Einhaltung einer Tiefe von 50 bis 500 µm und einer Breite von 30 bis 200 µm in der Richtung der Laminierung und Füllen der Nut mit dem oben genannten Isoliermaterial hergestellt. Somit ist die seitliche Oberfläche (das Ende) an einer Seite der Innenelektrodenschicht 2 mit dem Isolator 3 bedeckt, um zuverlässig eine elektrische Leitung zwischen der Innenelektrodenschicht 2 in diesem Bereich und der Außenelek trodenplatte 4a oder 4b zu verhindern.

Die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 an der seit lichen Oberfläche der Innenelektrodenschicht 2, wo der Isolator 3 nicht vorliegt, dient zur elektrischen Verbindung der Innen elektroschicht 2 mit der Außenelektrodenplatte 4. Wie in Fig. 1c dargestellt ist, erstreckt sich der vorragende elektrisch leitende Endpunkt 5 wie eine Schiene entlang der seitlichen Oberfläche der Innenelektrodenschicht 2, und seine Länge wird normalerweise so eingestellt, daß sie etwa die gleiche Größe wie die Breite der Außenelektrodenplatte 4 aufweist. Sofern die Verbindung zu der Außenelektrodenplatte 4 zuverlässig ausgebildet ist, kann natürlich die Länge des vorragenden elektrisch leitenden Endpunkts 5 kürzer sein als die Breite der Außenelektrodenplatte 4.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, daß der vor ragende elektrisch leitende Endpunkt 5 eine Flexibilität auf weist, so daß er dem Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats 50 folgt. Das heißt, beim elektrischen Verbinden der Außenelektrodenplatte 4 mit der Innenelektrodenschicht 2 über den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkt 5, der eine Flexibilität aufweist, wird die Zugbelastung aufgrund der Dehnung und der Kontraktion des stabartigen Laminats 50 in Richtung seiner Höhe, die durch den Betrieb der piezoelek trischen Vorrichtung verursacht wird, durch die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte, welche der Deformation unter liegen, absorbiert. Dies verhindert wirksam einen Bruch der Drähte zwischen den Außenelektrodenplatten und den Innenelek trodenschichten.

Unter dem Gesichtspunkt, daß die vorragenden elektrisch leiten den Endpunkte 5 eine Flexibilität für ein ausreichendes Absor bieren der durch das Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats 50 hervorgerufenen Zugbelastung aufweist, ist es bevorzugt, daß die Dicke B der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 (die Breite in Richtung der Höhe des stabartigen Laminats 50 gemäß Fig. 1c) nicht unter 1 µm, jedoch nicht über der Hälfte der Dicke der piezoelektrischen Schicht 1, insbeson dere in einem Bereich von 5 bis 25 µm, liegt und daß die Höhe h der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 (siehe Fig. 1b) nicht kleiner ist als 1/20 der Dicke der piezoelek trischen Schicht 1 ist und insbesondere in einem Bereich von 15 bis 50 µm liegt. Wenn die Dicke B kleiner als der obengenannte Bereich ist, wird es schwierig, die durch das Dehnen und Kon trahieren entstehende Zugbelastung ausreichend zu absorbieren. Wenn andererseits die Dicke B über dem vorgenannten Bereich liegt, kann der elektrische Widerstand zwischen der Außen elektrodenplatte 4 und der Innenelektrodenschicht 2 ansteigen. Wenn die Höhe h unter dem vorgenannten Bereich vorliegt, wird es schwierig, die durch das Dehnen und Kontrahieren hervorge rufene Zugbelastung ausreichend zu absorbieren. Wenn die Höhe h unnötig groß ist, kann die Festigkeit abnehmen.

Die oben erwähnten vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 können aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehen, die im Zusammenhang mit den vorgenannten Außenelektrodenplatten 4 bereits beispielhaft genannt wurden. Unter dem Gesichtspunkt der Zunahme der Verbindungsstärke zu den Innenelektroden schichten 2 bestehen sie vorzugsweise aus Silber.

Die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 mit einer Flexibilität können durch Aufbringen einer Paste, die haupt sächlich ein elektrisch leitendes Metall, wie Silber, oder eine Legierung hiervon enthält, auf die seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschicht 2, die mit den Außenelektroden 4 ver bunden werden sollen, und nachfolgendes Brennen bei 700 bis 950°C, hergestellt werden.

In diesem Fall handelt es sich bei der Paste um ein Gemisch, bei dem das Glaspulver zusätzlich zu dem elektrisch leitenden Metallpulver oder dem Metallegierungspulver dispergiert ist.

Durch Aufbringen der Paste auf die seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2 und auf die hierzu benachbarten Bereiche, gefolgt von der Stufe des Brennens, erweicht das Glas beim Brennen. Das Silber, welches weniger in die piezoelek trische Schicht 1 hineindiffundiert, diffundiert in die seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2 und wird dadurch gesammelt. Es bildet dadurch die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5, die sich entlang der seitlichen Ober fläche der Innenelektrodenschichten 2 erstrecken. Außerdem werden die so gebildeten vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 in ihren Fußbereichen in der Glasschicht einge bettet und sind sehr fest mit den seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2 verbunden. Deshalb werden trotz der Tatsache, daß das stabartige Laminat 50 einem Dehnen und Kon trahieren unterliegt, die Drähte zwischen den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5 und den Innenelektroden schichten 2 zuverlässig vor einem Bruch bewahrt.

Zum Ausbilden der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 unter Einsatz einer glaspulverhaltigen Paste, wie sie vor stehend beschrieben wurde, werden die Dicke B und die Höhe h dieser Endpunkte 5 derart eingestellt, daß sie innerhalb der vorgenannten Bereiche liegen. Dies geschieht durch Einstellen der Menge des Glaspulvers in der Paste und durch Einstellen der Auftragungsmenge. Beispielsweise werden das elektrisch leitende Metallpulver oder das Legierungspulver und das Glaspulver in einem Volumenverhältnis von 50 : 50 bis 80 : 20 eingesetzt. Es ist ferner bevorzugt, daß das Glaspulver hauptsächlich SiO₂ enthält und einen Erweichungspunkt von 700 bis 780°C aufweist.

Ferner wird die glaspulverhaltige Paste auf nahezu die gesamten seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 aufgebracht, um die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 auszu bilden. Dies bietet den Vorteil eines leichten Auftragungs vorgangs.

Das heißt, gemäß den Fig. 2a bis 2c, die ein Verfahren zum Herstellen der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 erläutern, wird zuerst eine glaspulverhaltige Paste 21 auf die seitlichen Oberflächen (wo die Außenelektrodenplatten 4 vorge sehen sind) des stabartigen Laminats 50 (Fig. 2a) aufgebracht.

Dann wird die Paste 21 bei einer Temperatur (z. B. bei nicht weniger als 780°C), die nicht unter dem Erweichungspunkt des Glaspulvers liegt, gebrannt. Dabei erweicht und schmilzt das Glas in der Paste 21 und das Silber und dergleichen in der Paste 21 sammelt sich an den seitlichen Oberflächen der Innen elektrodenschichten 2. Dadurch bilden sich die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5, wobei ihr Fußbereich in der Glasschicht 10 (Fig. 2b) eingebettet sind. In diesem Zustand werden die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 an den ganzen seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2 gebildet.

Gemäß Fig. 2c wird gezeigt, daß deshalb in der seitlichen Oberfläche jeder Innenelektrodenschicht 2 eine Nut 3a gebildet und mit dem Isolator 3 gefüllt wird, um den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkt 5 an der seitlichen Oberfläche jeder Innenelektrodenschicht 2 herzustellen. In diesem Fall kann die Nut 3a mit dem Isolator 3 gefüllt werden, nachdem die externe Elektrodenplatte 4 angebracht worden ist.

Beim Herstellen der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 in der oben beschriebenen Weise ist es bevorzugt, daß an den seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten 2 verdickte Bereiche 10a der Glasschicht 10 gebildet werden (Fig. 2b und 2c) und daß die Fußbereiche der vorragenden elektrisch leiten den Endpunkte 5 von der Glasschicht 10 festgehalten werden. Um die verdickten Bereiche 10a herzustellen, ist es bevorzugt, das elektrisch leitende Metallpulver oder das Legierungspulver und das Glaspulver in einem Volumenverhältnis von 60 : 40 bis 70 : 30 einzusetzen. Es ist bevorzugt, daß die Glasschicht 10 eine Dicke (ausgenommen die verdickten Bereiche 10a) von etwa 2 bis etwa 100 µm, insbesondere von etwa 5 bis etwa 15 µm, aufweist.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die Außenelektroden platten 4 an den seitlichen Oberflächen des stabartigen La minats 50, an dem die vorragenden elektrisch leitenden End punkte 5 gebildet worden sind, durch Auflegen der Außenelek trodenplatten 4 auf die seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50, so daß sie in Kontakt mit den vorragenden elek trisch leitenden Endpunkten 5 kommen und Wärmebehandeln bei 700 bis 950°C unter Anwendung einer Beladung (üblicherweise 2 bis 80 kPa) hergestellt. Dann diffundieren die elektrisch leitenden Komponenten, wie Silber und dergleichen, sowohl in die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 als auch in die Außenelektrodenplatten 4. Dadurch werden die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte 5 und die Außenelektrodenplatten 4 aufgrund der Diffusion und der Verbindung der elektrisch leitenden Komponenten fest miteinander verbunden.

Die so hergestellte laminierte piezoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist die Außenelektrodenplatten 4 auf, welche mit den Innenelektrodenschichten 2 über flexible vorra gende elektrisch leitende Endpunkte 5 verbunden sind. Selbst wenn die piezoelektrische Vorrichtung in einem starken elek trischen Feld unter einem hohen Druck während ausgedehnter Zeiträume kontinuierlich betrieben wird, wird die durch das Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats 50 verursachte Zugspannung von den vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5 absorbiert, die zu einen sehr hohen Zuverlässigkeit führen. Dadurch werden z. B. Probleme wirksam vermieden, wie das Brechen der elektrischen Drähte, welche die Außenelektrodenplatten 4 mit den Innenelektrodenschichten 2 verbinden, und das Auftretens eines Funkens zwischen den Außenelektrodenplatten 4 und den Innenelektrodenschichten 2.

Die vorgenannte laminierte piezoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf eine Vorrichtung beschränkt, welche den in den Fig. 1a bis 1c gezeigten Aufbau aufweist. Vielmehr kann das Aussehen der Vorrichtung in sehr verschiedener Weise geändert werden.

Wie beispielsweise in den Fig. 3 bis 6 gezeigt wird, können an den Außenoberflächen der Außenelektrodenplatten 4 elektrisch leitende Elemente 7 vorgesehen sein, wobei der elektrische Strom dann von den Außenelektrodenplatten 4 über die elektrisch leitenden Elemente 7 zu den Innenelektrodenschichten 2 geführt wird. Wenn die elektrisch leitenden Elemente 7 vorgesehen sind, fließt der elektrische Strom durch diese Elemente 7 zu den Außenelektrodenplatten 4 sogar dann, wenn die laminierte piezoelektrische Vorrichtung mit einer hohen Geschwindigkeit durch Zuführen eines starken Stroms in die Vorrichtung betrieben wird. Deshalb strömt ein verminderter elektrischer Strom in die Außenelektrodenplatten 4 und verhindert wirksam, daß die Außenelektrodenplatten 4 lokal erhitzt werden mit der Folge eines Bruchs der Drähte. Dadurch ist es möglich, die Haltbarkeit wesentlich zu verbessern.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform bestehen die elek trisch leitenden Elemente 7 aus einem elektrisch leitenden Flächenmaterial, das aus einem elektrisch leitenden Klebstoff harzgemisch hergestellt ist. Das Letztere ist vorzugsweise ein Gemisch, das durch Dispergieren eines elektrisch leitenden Mittels, z. B. eines Metallpulvers oder Ruft in einem hoch wärmebeständigen Polyimidharz erhalten wird. Dies geschieht unter dem Gesichtspunkt, daß das Material selbst beim Betreiben der piezoelektrischen Vorrichtung unter hohen Temperaturen sich nicht verschlechtert. Um das Auftreten von Rissen zu vermeiden, kann ferner ein Verstärkungsmaterial, z. B. ein Metallnetz, in das elektrisch leitende Flächenmaterial eingebettet werden. Das elektrisch leitende Element 7, welches das elektrisch leitende Flächenmaterial enthält, folgt leicht der Dehnung und der Kontraktion des stabartigen Laminats 50 und verhindert somit wirksam ein Abschälen des elektrisch leitenden Elements 7 von den Außenelektrodenplatten 4 sowie das Brechen der Drähte während des Betriebs.

Gemäß Fig. 4 bestehen die elektrisch leitenden Elemente 7 aus elektrisch leitenden Spulen, gemäß Fig. 5 aus elektrisch leitenden Wellblechplatten und gemäß Fig. 6 aus elektrisch leitenden Faseraggregaten, wie Wolle. Auch bei diesen Aus führungsformen folgen die elektrisch leitenden Elemente 7 der Dehnung und der Kontraktion des stabartigen Laminats 50 und verhindern wirksam ein Brechen der Drähte der elektrisch leitenden Elemente 7 sowie ein Abschälen der elektrisch leiten den Elemente von den Außenelektrodenplatten 4 während des Betriebs. Bei diesen Ausführungsformen können die elektrisch leitenden Elemente 7 mit den Außenelektrodenplatten 4 mit Hilfe eines Hartlots oder eines elektrisch leitenden Klebstoffs verbunden sein. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 4 bis 6 werden die elektrisch leitenden Elemente 7 vorzugsweise aus elektrisch leitenden gewellten Silberplatten hergestellt, und zwar unter dem Gesichtspunkt des geringen Widerstandes, des niedrigen Young-Moduls und des kleinen Querschnitts der piezo elektrischen Vorrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen laminierten piezoelektrischen Vor richtung gemäß den Fig. 7 und 8 sind ferner die Außenelektro denplatten 4 mit Ausnehmungsbereichen 12 (Fig. 7) oder Schlitzen 13 (Fig. 8) versehen. Die zwischen den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 und den Außenelektro denplatten 4 gebildeten Räume (die in Fig. 1b mit 15 bezeich neten Räume) werden mit einem elektrisch leitenden Harzgemisch gefüllt. Der Ausnehmungsabschnitt 12 oder der Schlitz 13 er streckt sich in Querrichtung zwischen zwei benachbarten vor ragenden elektrisch leitenden Endpunkten 5. Die Außenelektro denplatten 4 mit solchen Ausnehmungsbereichen 12 oder Schlitzen 13 verformen sich leicht entsprechend der Dehnung oder Kontrak tion des stabartigen Laminats 50 und absorbieren wirksam die durch das Dehnen oder Kontrahieren hervorgerufene Spannung. Dies verhindert ein Brechen der Außenelektrodenplatten 4. Selbst in dem Fall, in welchem die Außenelektroden 4 in Bereichen brechen, in denen die Ausnehmungsbereiche 12 oder die Schlitze 13 ausgebildet sind, bleiben die gebrochenen Bereiche elektrisch verbunden, und zwar durch das in die Räume 15 eingefüllte elektrisch leitende Harz. Deshalb tritt der Fall nicht ein, daß über die Außenelektrodenplatten 4 keine Spannung an die Innenelektrodenschichten 2 gelangt.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 7 und 8 kann das elektrisch leitende Harzgemisch, das in die Räume 15 zwischen den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats 50 und den Außenelektrodenplatten 4 eingefüllt ist, das Gemisch sein, welches zur Herstellung des elektrisch leitenden Flächenmate rials des elektrisch leitenden Elements 7 verwendet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist es bevorzugt, daß die Schlitze 13 eine Länge aufweisen, die nicht kleiner als 2/3 der Breite der Außenelektrodenplatten 4 ist. Dadurch soll ermöglicht werden, daß als Folge der Dehnung und der Kontraktion des stabartigen Laminats 50 die Außenelektrodenplatten 4 verformt werden. In Abhängigkeit vom Einzelfall können die Außenelektrodenplatten 4 durch die Schlitze 13 auch vollständig aufgespalten sein.

Einspritzvorrichtung

Auch beim Betreiben mit hohen Geschwindigkeiten und einer großen Verschiebung durch Zuführen eines großen Stroms unter hohem Druck verhindert die vorgenannte erfindungsgemäße laminierte piezoelektrische Vorrichtung einen Bruch der Drähte zwischen den Außenelektrodenplatten 4 und den Innenelektroden schichten 2 und vermeidet wirksam eine Schwankung im Ausmaß der Verschiebung. Deshalb ist die Vorrichtung für eine Einspritz vorrichtung, z. B. eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bei Kraftfahrzeugmotoren, gut geeignet.

Fig. 9 erläutert einen Aufbau einer solchen Einspritzvorrich tung.

Gemäß Fig. 9 weist die Einspritzvorrichtung einen Behälter 31 mit einer Einspritzöffnung 33 an einem Ende des Behälters auf. Der Behälter 31 enthält ein Nadelventil 35, welches die Einspritzöffnung 33 öffnen und schließen kann.

Ein Kraftstoffdurchgang 37, der mit einer externen Kraftstoff versorgung gekoppelt ist, ist über das Nadelventil 35 mit der Einspritzöffnung 33 verbunden. Der Kraftstoffdurchgang 37 wird mit dem Kraftstoff versorgt, welcher zu jeder Zeit einen vorgegebenen hohen Druck aufrechterhält. D. h., wenn das Nadelventil 35 die Einspritzöffnung 33 öffnet, ist die letztere mit dem Kraftstoffdurchgang 37 verbunden und der in den Kraft stoffdurchgang 37 eingeführte Kraftstoff kann in eine Verbren nungskammer (nicht gezeigt) eines Verbrennungsmotors unter dem vorgegebenen hohen Druck eingespritzt werden.

In dem Behälter 31 ist eine Zylinderkammer 39 ausgebildet, die einen darin verschiebbaren Kolben 41 und die vorgenannte laminierte piezoelektrische Vorrichtung 43 enthält. Das Nadelventil 35 hat ein oberes Ende mit einem großen Durch messer, das mit dem Kolben 41 zusammenwirkt. Der Kolben 41 wird durch eine anfänglich konische Kellerfeder 45 nach oben ge drückt.

Bei dieser Einspritzvorrichtung wird dann, wenn sich die pie zoelektrische Vorrichtung 43 durch das Anlegen einer Spannung streckt, der Kolben 41 angestoßen und gleitet nach unten und das Nadelventil 35 verschließt die Einspritzöffnung 33, um die Kraftstoffzufuhr zu unterbrechen. Wenn das Anlegen der Spannung unterbrochen wird, kontrahiert die piezoelektrische Vorrichtung 43, der Kolben 41 gleitet aufgrund der Federkraft der anfänglich konischen Kellerfeder 45 nach oben und die Einspritzöffnung 33 ist mit dem Kraftstoffdurchgang 37 verbun den, um den Kraftstoff einzuspritzen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Es wurde einen Innenelektrodenschicht aus einer Silber-Palla dium-Legierung mit einer Dicke von 3 µm auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Flächenmaterials aus PZT hergestellt. Die Dicke der Innenelektrodenschicht betrug 150 µm. 300 Stück dieser Flächenmaterialien wurden übereinander laminiert und zusammen gebrannt, um ein stabartiges Laminat zu bilden.

Eine Silber enthaltende Glaspaste wurde auf die seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats aufgebracht und bei 800°C gebrannt, um vorragende elektrisch leitende Endpunkte mit einer Dicke B von 10 µm und einer Höhe h von 20 µm entlang der seitlichen Oberflächen der Innenelektrodenschichten zu bilden, die zu den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats hin freilagen. Dann wurde in der seitlichen Oberfläche jeder Innenelektrodenschicht, die den vorragenden elektrisch leiten den Endpunkt einschließt, eine Nut erzeugt.

Anschließend wurden Außenelektrodenplatten aus Silber mit einer Dicke von 25 µm auf die seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats mit einem Druck von 30 kPa aufgepreßt und bei 900°C wärmebehandelt, so daß die Platten an den vorragenden elek trisch leitenden Endpunkten hafteten. Dann wurde die Nut mit einem Siliconkautschuk ausgefüllt.

Auf diese Weise wurden die Außenelektrodenplatten an den zwei seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats ausgebildet. Ein elektrisches Gleichspannungsfeld von 3 kV/mm wurde an die Außenelektrodenplatten mit einer positiven Polarität und mit einer negativen Polarität durch Leitungsdrähte während 15 Minuten angelegt, um dadurch die Polarisierung zu bewirken und eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 zu erhalten. (Probe Nr. 1).

Eine Gleichspannung von 150 V wurde an die laminierte pie zoelektrische Vorrichtung angelegt, um eine Verschiebung in einem Ausmaß von 40 µm in der Richtung der Laminierung (in der Richtung der Höhe des stabartigen Laminats) zu erreichen.

Ferner wurde eine Wechselspannung von 0 bis +150 V, die eine Frequenz von 120 Hz aufwies, an die laminierte piezoelektrische Vorrichtung bei Raumtemperatur angelegt, um den Betriebstest durchzuführen. Die laminierte piezoelektrische Vorrichtung wurde mit bis zu 1 × 10⁸ Zyklen betrieben, wobei eine Ver schiebung in einem Ausmaß von 40 µm hervorgerufen wurde. Die Außenelektrodenplatten zeigten keinen ungewöhnlichen Zustand. Der Betriebstest wurde fortgesetzt bis zu 1 × 10⁹ Zyklen. Jedoch zeigten die Elektrodenplatten immer noch keinen ungewöhnlichen Zustand.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle I angegeben.

Beispiel 2

Es wurden laminierte piezoelektrische Vorrichtungen (Proben Nr. 2 bis 7) mit dem gleichen Aufbau wie jenem gemäß Beispiel 1 hergestellt, jedoch unter Änderung der Dicke B und der Höhe h der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte und unter Änderung der Dicke t der Außenelektrodenplatten, wie in Tabelle I dargestellt ist.

Ferner wurde zum Vergleich eine laminierte piezoelektrische Vorrichtung (Probe Nr. 8) ohne die Ausbildung von vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten hergestellt, wobei aber eine Glaspaste, in der Silber dispergiert war, auf die seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats aufgebracht und anschließend eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde, um die Außenelektrodenplatten zu bilden.

Eine Wechselspannung von 150 V mit einer Frequenz von 120 Hz wurde an die obige laminierte piezoelektrische Anordnung bei Raumtemperatur angelegt, um den Betriebstest in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 durchzuführen. Das Ausmaß der in der Anfangsstufe erhaltenen Verschiebung betrug immer 40 µm (Proben Nr. 2 bis 8). Die Ergebnisse des Versuchs sind in der Tabelle I angegeben.

Alle Proben mit Ausnahme der Probe Nr. 8 wurden bis zu 1 × 10⁸ Zyklen betrieben und führten zu einer Verschiebung von 40 µm. Die Außenelektrodenplatten zeigten keinen anormalen Zustand.

Bei der Probe Nr. 8 konnten die Außenelektrodenplatten, die aus Silber bestanden, der Dehnung und der Kontraktion des stabar tigen Laminats nicht folgen. Die Drähte brachen zwischen den Außenelektroden und den Innenelektrodenschichten. Auch trat innerhalb kurzer Zeit ein Funke an den Außenelektrodenplatten auf.

Im Fall der Proben Nr. 1 bis 7, bei denen die Innenelektro denschichten über die vorragenden elektrisch leitenden End punkte mit den Außenelektrodenplatten verbunden waren, konnten die vorragenden elektrisch leitfähigen Endpunkte der Dehnung und der Kontraktion der stabartigen Laminate selbst nach einem Betrieb von bis zu 1 × 10⁸ Zyklen noch folgen. Auch trat an den Außenelektrodenplatten kein anormaler Zustand, z. B. ein Bruch, auf.

Nach Fortsetzung des Betriebstests wurde festgestellt, daß die Proben Nr. 1, 2, 3 und 6 mit vorragenden elektrisch leitenden Endpunkten mit einer Dicke B von höchstens 75 µm und einer Höhe h von mindestens 7,5 µm sowie mit Außenelektrodenplatten mit einer Dicke t von höchstens 50 µm in den Verbindungsbereichen zwischen den Außenelektrodenplatten und den Innenelektroden schichten einen ausreichend niedrigen Widerstand beibehielten. Auch konnten sie die durch das Dehnen und Kontrahieren des stabartigen Laminats erzeugte Zugspannung in ausreichendem Maße absorbieren und zeigten bei kontinuierlichem Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 1 × 10⁹ Zyklen keine Abnahme des Ausmaßes der Verschiebung. Schließlich trat an den Außenelek trodenplatten auch kein anormaler Zustand auf.

Beispiel 3

Es wurden laminierte piezoelektrische Vorrichtungen (Proben 9 bis 12) mit dem gleichen Aufbau wie jenem der Probe 1 gemäß Beispiel 1 hergestellt. Jedoch wurden an den Außenoberflächen der Außenelektrodenplatten auch elektrisch leitende Elemente gemäß der Tabelle II angebracht. Die in der Tabelle II angegebene Probe Nr. 1 ist die Probe gemäß dem Beispiel 1.

Die Proben wurden dem Betriebstest durch Anlegen einer Wech selspannung von 150 V mit einer Frequenz von 120 Hz bei Raum temperatur unterworfen. Das Ausmaß der erhaltenen Verschiebung in einer frühen Stufe betrug jeweils 40 µm (Proben Nr. 1 und 9 bis 12). Der Betriebstest wurde unter den gleichen Bedingungen bis zu 1 × 10⁹ Zyklen durchgeführt. Keine der Proben (Nr. 1 und 9 bis 12) entwickelte einen anormalen Zustand.

Anschließend wurde der Betriebstest unter härteren Bedingungen durchgeführt, und zwar durch Anlagen einer Spannung von 200 V mit einer Frequenz von 240 Hz bei Raumtemperatur. Die Ergeb nisse sind gleichfalls in der Tabelle II angegeben.

Aus der Tabelle II ist ersichtlich, daß beim Betrieb der pie zoelektrischen Vorrichtung, die gemäß Beispiel 1 hergestellt worden ist (Probe Nr. 1), mit hoher Geschwindigkeit unter Zuführung eines großen Stroms die Außenelektrodenplatten lokal erhitzt wurden, einige Drähte in den Außenelektrodenplatten brachen und das Ausmaß der Verschiebung abnahm.

Andererseits zeigte sich beim kontinuierlichen Betrieb der Proben Nr. 9 bis 12, die an den Außenoberflächen der Außenelek trodenplatten mit elektrisch leitenden Elementen ausgerüstet waren, bei hohen Geschwindigkeiten und bei Zufuhr eines großen Stroms, daß alle diese Proben einen ausreichend niedrigen Widerstand in den Außenelektrodenplatten beibehielten, in den Außenelektrodenplatten keine lokale Erhitzung eintrat, kein Bruch der Drähte zu den Außenelektrodenplatten entstand und selbst nach einem Betrieb von bis zu 1 × 10¹⁰ Zyklen sich kein anormaler Zustand entwickelte.

Claims

1. Laminierte piezoelektrische Vorrichtung, gekennzeichnet durch ein stabartiges Laminat, das durch alternierendes Laminieren von piezoelektrischen Schichten und Elektro denschichten in der Richtung der Höhe des stabartigen La minats gebildet worden ist, und durch ein Paar Außenelek trodenplatten, die an verschiedenen seitlichen Ober flächen des stabartigen Laminats vorliegen, wobei zwei einander benachbarte Elektrodenschichten, zwischen denen eine piezoelektrische Schicht sandwichartig eingeschlos sen ist, an ihren seitlichen Oberflächen mit Außenelek trodenplatten, die voneinander verschieden sind, elek trisch verbunden sind, und worin an den seitlichen Ober flächen des stabartigen Laminats, wo die Außenelektroden angeordnet sind, flexible vorragende elektrisch leitende Endpunkte vorliegen, die entlang der seitlichen Oberflächen der Elektrodenschichten ausgebildet sind so wie der Dehnung und der Kontraktion des stabartigen Lami nats in der Richtung seiner Höhe folgen können, und die Elektrodenschichten über die genannten vorragenden elek trisch leitenden Endpunkte mit den Außenelektrodenplatten verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats, wo die Außenelektroden angeordnet sind, eine Glasschicht ausgebildet ist, welche die seitlichen Oberflächen der piezoelektrischen Schichten überdeckt, und die Fußbe reiche der vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte in der Glasschicht eingebettet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die vorragenden elektrisch leitenden End punkte eine Dicke B von mindestens 1 µm aufweisen, die aber höchstens die Hälfte der Dicke der piezoelektrischen Schicht beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte eine Vorsprunglänge über die seitlichen Ober flächen des stabartigen Laminats hinaus von mindestens 1/20 der Dicke der piezoelektrischen Schicht aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrodenplatten eine Dicke von höchstens 50 µm aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorragenden elektrisch leitenden Endpunkte und die Außenelektrodenplatten aus einem Leiter bestehen, der mindestens Silber enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenoberflächen der Außen elektrodenplatten elektrisch leitende Elemente zur Ver hinderung einer lokalen Hitzebildung angeordnet sind und eine elektrische Stromversorgung zu den Außenelektroden platten über das elektrisch leitende Element vorliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Element aus einem elektrisch lei tenden Flächenmaterial, das aus einem elektrisch leiten den Klebstoffgemisch erhalten worden ist, einer elek trisch leitenden Spule, einer elektrisch leitenden ge wellten Platte und einem elektrisch leitenden Faseraggre gat ausgewählt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorstehenden elektrisch leitenden Endpunkte durch Aufbringen einer ein Glaspulver und ein elektrisch leitendes Metallpulver enthaltenden elektrisch leitenden Paste auf die seitlichen Oberflächen des stab artigen Laminats und nachfolgendes Erhitzen hergestellt worden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen den seitlichen Oberflächen des stabartigen Laminats und den Innenober flächen der Außenelektrodenplatten mit einem elektrisch leitenden Harzgemisch gefüllt und die Außenelektroden platten mit Nuten oder Schlitzen versehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nuten und Schlitze in der Querrichtung der Außenelektrodenplatten zwischen den benachbarten vorra genden elektrisch leitenden Endpunkten erstrecken.

12. Einspritzvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Behälter mit einer Einspritzöffnung, eine laminierte piezoelek trische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in dem Behälter und ein Ventil zum Einspritzen einer Flüs sigkeit durch die Einspritzöffnung, die durch die lami nierte piezoelektrische Vorrichtung betätigt wird.