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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Stapelvorrichtung,
die mit einer Keramikaufschichtung, die aus einer Vielzahl von piezoelektrischen
Keramikschichten und einer Vielzahl von Innenelektrodenschichten
besteht, die abwechselnd aufeinander geschichtet sind, mit einem
Paar Seitenelektroden, die auf Seitenflächen der Keramikaufschichtung
ausgebildet sind, und mit Spannungsabsorptionsabschnitten ausgestattet
ist, die in schlitzförmigen Bereichen ausgebildet sind,
die in die Seiten der Keramikaufschichtung eingedrückt
sind.
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STAND DER TECHNIK
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Piezoelektrische
Stapelvorrichtungen werden bekanntermaßen als Antriebsquelle
von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen verwendet. Die piezoelektrische
Stapelvorrichtung besteht zum Beispiel aus einer Keramikaufschichtung,
die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von Innenelektroden und
piezoelektrischer Keramik ausgebildet wird, und einem Paar Außenelektroden,
die abwechselnd mit den Innenelektroden verbunden sind.
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Insbesondere
wenn die piezoelektrische Stapelvorrichtung in Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
eingesetzt wird, wird sie über eine lange Zeitdauer unter harten
Umgebungsbedingungen verwendet. Um die elektrische Isolierung der
Seitenflächen zu verbessern, kommt daher weitgehend eine
Keramikaufschichtung zum Einsatz, die ohne Innenelektrode ausgebildete
Bereiche aufweist, in denen ein Abschnitt eines Endes einer Innenelektrodenschicht
nach innen zurückgesetzt ist.
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Allerdings
kann das Ausbilden der ohne Innenelektrode ausgebildeten Bereiche,
um die Isolierung zu verbessern, dazu führen, dass in der
Keramikaufschichtung beim Anlegen einer Spannung daran Abschnitte
auftreten, die gegenüber einer Verformung empfänglich
und unempfänglich sind, was zu einer Spannungskonzentration
an Grenzflächen zwischen diesen Bereichen und zu Rissen
in der Vorrichtung führt.
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Um
zu vermeiden, dass aufgrund der Spannungskonzentration Risse entstehen,
werden derzeit piezoelektrische Stapelvorrichtungen entwickelt,
die Nute (Spannungsabsorptionsabschnitte) aufweisen, die in Aufschichtungsrichtung
voneinander beabstandet in einem vorgegebenen Intervall in der Seitenfläche
der Keramikaufschichtung ausgebildet sind (siehe Patentdokument
1).
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Doch
auch dann, wenn die Spannungsabsorptionsabschnitte ausgebildet sind,
kann das Anlegen der Spannung an die Spannungsabsorptionsabschnitte
zu Rissen führen, die vom Kopfende der Spannungsabsorptionsabschnitte
ausgehen. Um dies zu vermeiden, muss die Tiefe der Spannungsabsorptionsabschnitte
in einer Richtung senkrecht zur Aufschichtungsrichtung über
den Abstand der ohne Innenelektrode ausgebildeten Bereiche hinaus
erhöht werden. Ein solcher Aufbau führt jedoch
dazu, dass an den Spannungsabsorptionsabschnitten (Nuten) beim Anlegen
einer hohen Spannung daran eine starke elektrische Entladung auftritt,
so dass es zu einem Kurzschluss kommen kann. Dies hat das Problem
einer unzureichenden elektrischen Isolierung zur Folge, was zu einer
Abnahme der Betriebslebensdauer der piezoelektrischen Stapelvorrichtungen
führt.
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Es
werden derzeit piezoelektrische Stapelvorrichtungen entwickelt,
bei denen die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt dazwischen verschachtelten
Innenelektroden auf die gleiche Polarität eingestellt sind,
um die Bildung von Rissen zu vermeiden (siehe Patentdokument 2).
Bei diesen herkömmlichen piezoelektrischen Stapelvorrichtungen ist
es möglich, die mit den Spannungsabsorptionsabschnitt dazwischen
verschachtelten Innenelektroden auf die gleiche Polarität
einzustellen, so dass die zwischen ihnen verschachtelte piezoelektrische
Keramikschicht zu einer spannungsinaktiven Schicht wird, wodurch
sich die Spannung an den spannungsinaktiven Schichten konzentriert,
wenn sich die piezoelektrische Stapelvorrichtung ausdehnt. Dies
führt dazu, dass die Risse gezielt oder bevorzugt in den
Spannungsabsorptionsabschnitten auftreten, wodurch die Risse in
den spannungsaktiven Schichten der Aufschichtung vermieden werden,
so dass sich die Haltbarkeit verbessert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE
PROBLEME
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Wenn
zwei der mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt verschachtelten Innenelektrodenschichten
wie oben beschrieben so gestaltet sind, dass sie die gleiche Polarität
haben, führt dies dazu, dass die Risse gezielt oder bevorzugt
in den Spannungsabsorptionsabschnitten auftreten. Es ist daher möglich,
das Auftreten von Rissen in den piezoelektrisch aktiven Schichten
der piezoelektrischen Stapelvorrichtung zu vermeiden und die Haltbarkeit
zu verbessern.
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Tatsächlich
ist es allerdings auch dann, wenn keine Risse in den Spannungsabsorptionsabschnitten
auftreten, schwierig, für eine ausreichende elektrische
Isolation zu sorgen, was das Problem eines Absinkens der elektrischen
Isolation zur Folge hat und somit zu einem elektrischen Kurzschluss
führt.
- Patentdokument 1: JP 62-271478 A
- Patentdokument 2: JP
2006-216850 A
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Die
Erfindung erfolgte angesichts der obigen Probleme und ihr liegt
die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Stapelvorrichtung zur
Verfügung zu stellen, die so gestaltet ist, dass ein Absinken
des Isolationswiderstands sicher vermieden wird, damit sie eine
hervorragende Haltbarkeit zeigt.
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MITTEL ZUM LÖSEN
DES PROBLEMS
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Die
Erfindung basiert auf einer piezoelektrischen Stapelvorrichtung,
die eine durch abwechselndes Aufeinanderschichten einer Vielzahl
von piezoelektrischen Keramikschichten und einer Vielzahl von Innenelektrodenschichten
ausgebildete Keramikaufschichtung und ein Paar auf Seitenflächen
der Keramikaufschichtung ausgebildeter Seitenelektroden aufweist
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Innenelektrodenschichten
mit einer der beiden Seitenelektroden elektrisch verbunden sind,
dass die Keramikaufschichtung Spannungsabsorptionsabschnitte aufweist,
die in schlitzförmigen Bereichen aufgebildet sind, die
von deren Seitenflächen aus nach innen zurückgesetzt
sind, wobei sich die Spannungsabsorptionsabschnitte leichter als
die piezoelektrischen Keramikschichten verformen lassen, und dass
benachbarte zwei der Innenelektrodenschichten, die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt
dazwischen verschachtelt sind, beide mit einer positiven Seite der
Seitenelektroden elektrisch verbunden sind (Anspruch 1).
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Der
beachtenswerteste Punkt der Erfindung ist der, dass benachbarte
zwei der Innenelektrodenschichten, die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt
dazwischen verschachtelt sind, beide mit der positiven Seite der
Seitenelektroden elektrisch verbunden sind.
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Und
zwar haben die Erfinder die Nachteile untersucht, zu denen es in
der piezoelektrischen Stapelvorrichtung durch die Ausbildung der
Spannungsabsorptionsabschnitte wie den Nuten kommt, und sie stellten
fest, dass die piezoelektrischen Keramikschichten, die zwischen
einer negativen Elektrodenschicht neben dem Spannungsabsorptionsabschnitt und
einer positiven Elektrodenschicht neben der negativen Elektrodenschicht
verschachtelt sind, am frühesten an Isolationswiderstand
verlieren.
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Um
die obigen Einzelheiten zu erläutern, wird zunächst
das Absinken des Isolationswiderstands bei typischen piezoelektrischen
Stapelvorrichtungen diskutiert.
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Wenn
an die piezoelektrische Stapelvorrichtung bei einer hohen Temperatur
fortdauernd ein starkes elektrisches Feld angelegt wird, tritt im
Allgemeinen das Phänomen auf, dass sich von der negativen Elektrodenseite
aus ein Bereich geringeren Widerstands ausbreitet. Die Ursache hierfür
ist zum Beispiel, dass, wenn die piezoelektrische Stapelvorrichtung
durch das Brennen zu einer Einheit geformt wird, leitende Metallionen,
die sich während des Brennens zu den piezoelektrischen
Keramikschichten ausbreiten, durch Elektronen metallisiert werden, die
von der negativen Elektrode abgegeben werden. Dieses Phänomen
führt zu einer Änderung der Verteilung der in
der Aufschichtungsrichtung zwischen der positiven Elektrodenschicht
und der negativen Elektrodenschicht orientierten elektrischen Feldstärke.
Mit anderen Worten sinkt die elektrische Feldstärke in
dem Bereich geringen Widerstands, was zu einem Anstieg der elektrischen
Feldstärke in anderen Bereichen als dem Bereich geringen
Widerstands führt. Der Anstieg der elektrischen Feldstärke
beschleunigt die Verschlechterung des Isolationswiderstands. Die
Ausbreitung des Bereichs geringen Widerstands wird gewöhnlich
durch das Vorhandensein von Wasser beschleunigt.
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So
tritt insbesondere das Phänomen auf, das Ag+-Ionen,
die sich von mit Innenelektrode ausgebildeten Bereichen, die aus
einer AgPd-Elektrode bestehen, zu piezoelektrischen Keramikschichten,
die aus PZT bestehen, ausbreiten, wenn die piezoelektrische Vorrichtung
als Ganzes gebrannt wird, durch Elektronen metallisiert werden,
die während des Antreibens der piezoelektrischen Vorrichtung
von den negativen Elektrodenschichten abgegeben werden, was dazu
führt, dass der Bereich geringen Widerstands ausgebildet
wird, der sich wiederum zur positiven Elektrodenschicht ausdehnt
(Ag+ + e– → metallisches
Ag).
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Insbesondere
in dem Fall der piezoelektrischen Stapelvorrichtung mit den Spannungsabsorptionsabschnitten
stellen die Spannungsabsorptionsabschnitte gewöhnlich einen
Weg dar, der nach außen führt, wo Wasser vorkommt.
Das Phänomen, das sich der Bereich geringen Widerstands
in der negativen Elektrodenschicht ausbreitet, die am nächsten
am Spannungsabsorptionsabschnitt liegt, tritt daher deutlicher zu
Tage.
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Dementsprechend
sinkt der Isolationswiderstand der piezoelektrischen Keramikschicht,
die zwischen der negativen Elektrodenschicht neben dem Spannungsabsorptionsabschnitt
und der positiven Elektrodenschicht neben der negativen Elektrodenschicht
verschachtelt ist, am frühesten. Das Absinken des Isolationswiderstands
tritt tendenziell in dem Fall auf, in dem zumindest eine der benachbarten zwei
Innenelektrodenschichten, die mit dem Spannungsabbauabschnitt dazwischen
verschachtelt sind, die negative Polarität hat. Das Absinken
des Isolationswiderstands findet gewöhnlich zwischen der
Innenelektrodenschicht der negativen Polarität und der
benachbarten Innenelektrodenschicht der positiven Polarität
statt, was zu einem elektrischen Kurzschluss führen kann.
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Und
zwar tritt das Absinken des Isolationswiderstands tendenziell in
dem Fall auf, in dem zumindest eine der benachbarten zwei Innenelektrodenschichten,
die mit dem Spannungsabbauabschnitt dazwischen verschachtelt sind,
die negative Polarität hat. Das Absinken des Isolationswiderstands
findet gewöhnlich zwischen der Innenelektrodenschicht der negativen
Polarität und der benachbarten Innenelektrodenschicht der
positiven Polarität statt, was zu einem elektrischen Kurzschluss
führen kann.
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Wenn
zwei benachbarte Innelektrodenschichten, die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt
dazwischen verschachtelt sind, wie bei der Erfindung beide die positive
Polarität haben, führt dies dazu, dass keine der
Innenelektrodenschichten, die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt
dazwischen verschachtelt sind, zu dem Absinken des Isolationswiderstands
beiträgt, wodurch das Absinken des Isolationswiderstands
vermieden wird und die Haltbarkeit der piezoelektrischen Stapelvorrichtung verbessert
wird.
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Die
positiven Elektrodenschichten und die negativen Elektrodenschichten,
auf die oben Bezug genommen wird, sind die Innenelektrodenschichten, die
jeweils elektrisch mit der positiven und negativen Seite der Seitenelektroden
verbunden sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine erläuternde Ansicht, die den Aufbau einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 zeigt;
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2 ist
eine Schnittansicht einer piezoelektrischen Stapelvorrichtung (Keramikaufschichtung) gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1;
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3 ist
eine erläuternde Ansicht, die einen Prozess zum Ausbilden
einer ersten mit Elektrode bedruckten Lage gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
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4 ist
eine erläuternde Ansicht, die einen Prozess zum Ausbilden
einer zweiten mit Elektrode bedruckten Lage gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
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5 ist
eine erläuternde Ansicht, die einen Prozess zum Ausbilden
einer mit Abbrennschlitz bedruckten Lage gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
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7 ist
eine Draufsicht auf eine Voraufschichtung gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1;
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8 ist
eine Schnittansicht, die den Bereich des Schnitts A-A in 7 zeigt;
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9 ist
eine erläuternde Ansicht, die den Schnittaufbau einer Zwischenaufschichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 zeigt;
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10 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster E1) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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11 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Ca1) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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12 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Cb1) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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13 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster E2) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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14 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Ca2) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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15 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Cb2) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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16 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster E3) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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17 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Ca3) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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18 ist
eine schematische Ansicht des Schnittaufbaus einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung (Muster Cb3) gemäß dem Ausführungsbeispiel
1;
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19 ist
eine erläuternde Ansicht, die die Haltbarkeit von neun
Arten piezoelektrischer Stapelvorrichtungen zeigt, die im Ausführungsbeispiel
1 hergestellt wurden;
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20 ist
eine erläuternde Ansicht, die eine Ausführungsform
zeigt, bei der Keramikaufschichtungen verbunden werden, um eine
piezoelektrische Stapelvorrichtung herzustellen;
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21 ist
eine erläuternde Ansicht, die den Schichtaufbau einer piezoelektrischen
Stapelvorrichtung zeigt, die durch Verbinden von Keramikaufschichtungen
hergestellt wurde;
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22 ist
eine Entwicklungsansicht einer Keramikaufschichtung, die ein Muster
zeigt, in dem Innenelektrodenabschnitte und Schlitzschichten gemäß dem
Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet sind; und
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23 ist
eine erläuternde Ansicht, die Abwandlungen (a) bis (c)
eines Musters zeigt, in dem Innenelektrodenschichten und Schlitzschichten
gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 ausgebildet
sind.
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BESCHREIBUNG DER BEZUGSZAHLEN
- 1
- piezoelektrische
Stapelvorrichtung
- 11
- piezoelektrische
Keramikschicht
- 12
- Spannungsabsorptionsabschnitt
- 13
- Innenelektrodenschicht
- 14
- Innenelektrodenschicht
- 15
- Keramikaufschichtung
- 17
- Seitenelektrode
- 18
- Seitenelektrode
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Als
nächstes wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße piezoelektrische Stapelvorrichtung
ist mit der Keramikaufschichtung und mit einem Paar auf den Seitenflächen
der Keramikaufschichtung ausgebildeter Seitenelektroden ausgestattet.
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Die
Keramikaufschichtung ist durch abwechselndes Aufeinanderschichten
der piezoelektrische Keramikschichten und der Innenelektrodenschichten hergestellt.
Die Keramikaufschichtung weist in den schlitzförmigen Bereichen,
die von den Seitenflächen der Keramikaufschichtung nach
innen zurückgesetzt sind, die Spannungsabsorptionsabschnitte
auf.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte sind Abschnitte der Keramikaufschichtung,
in denen kristalline Teilchen, die die piezoelektrische Keramik
bilden, in der Aufschichtungsrichtung getrennt sind und die sich
in ihrer Form leichter als die piezoelektrischen Keramikschichten
verformen lassen.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte arbeiten so, dass sie die in der
Aufschichtungsrichtung der Keramikaufschichtung gesammelte Spannung
absorbieren. Wenn die Stapelzahl gering ist, führt dies zu
einer Abnahme der Fähigkeit der Spannungsabsorptionsabschnitte,
die Spannungen absorbieren zu können. Es ist daher vorzuziehen,
dass die piezoelektrische Stapelvorrichtung zwanzig oder mehr Innenelektrodenschichten
hat. Aus den gleichen Gründen ist das Intervall zwischen
den Spannungsabsorptionsabschnitten in der Aufschichtungsrichtung vorzugsweise
größer als oder gleich groß wie zehn Innenelektrodenschichten
und kleiner als oder gleich groß wie fünfzig Innenelektrodenschichten.
Wenn das Intervall zwischen den Spannungsabsorptionsabschnitten
kleiner als zehn Innenelektrodenschichten oder größer
als fünfzig Innenelektrodenschichten ist, kann dies zu
einem Mangel an Spannungsabsorptionsvermögen der Spannungsabsorptionsabschnitte
führen.
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Und
zwar können die Spannungsabsorptionsabschnitte zum Beispiel
schlitzförmige Kammern (Nuten) sein und einen Aufbau haben,
bei dem die schlitzförmigen Kammern mit einem Harzmaterial
gefüllt wurden, das einen geringeren Elastizitätsmodul als
die piezoelektrischen Keramikschichten hat, sie können
schlitzförmige, brüchige Schichten sein, die ausgebildet
wurden, indem das gleiche Material wie das der piezoelektrischen
Keramikschichten porös gemacht wurde, sie können
schlitzförmige, brüchige Schichten sein, die aus
einem anderen Material als das der piezoelektrischen Keramikschichten,
etwa aus Titanat, bestehen, oder sie können rissförmige Schlitze
sein, die absichtlich durch Polarisation oder Betätigung
hergestellt wurden.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte sind vorzugsweise schlitzförmige
Nuten, die von der Seitenfläche der Keramikaufschichtung
nach innen zurückgesetzt sind (Anspruch 2).
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Dies
erleichtert die Ausbildung der Spannungsabsorptionsabschnitte.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte sind in den Seitenflächen
der Keramikaufschichtung ausgebildet. Die Spannungsabsorptionsabschnitte
könne in den Seitenflächen, auf denen die Seitenelektroden angeordnet
sind, nur teilweise ausgebildet sein. In diesem Fall ist es vorzuziehen,
dass ein Paar der Spannungsabsorptionsabschnitte ausgebildet ist, das
mit den Seitenflächen der Keramikaufschichtung dazwischen
verschachtelt ist. Die Spannungsabsorptionsabschnitte können
auch so ausgebildet sein, dass sie in Umfangsrichtung in der gesamten
Umfangsfläche verlaufen.
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Die
piezoelektrische Stapelvorrichtung wird vorzugsweise hergestellt,
indem die Vielzahl an piezoelektrischen Keramikschichten und die
Vielzahl an Innenelektrodenschichten zu einer Einheit gebrannt wird
(Anspruch 3).
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Verglichen
mit dem Fall, dass eine piezoelektrische Stapelvorrichtung hergestellt
wird, indem Aufschichtungen, wie später beschrieben wird,
durch einen Klebstoff verbunden werden, ist es in diesem Fall möglich,
den Verschiebungsbetrag zu verbessern und die piezoelektrische Stapelvorrichtung
einfacher herzustellen.
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Die
piezoelektrische Stapelvorrichtung wird vorzugsweise hergestellt,
indem eine Vielzahl der Keramikaufschichtungen in Aufschichtungsrichtung durch
einen Klebstoff verbunden wird (Anspruch 4).
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In
diesem Fall kann, wie in den 20 und 21 dargestellt
ist, indem Keramikaufschichtungen 15 miteinander verbunden
werden, die eine verhältnismäßig geringe
Stapelzahl haben, eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 hergestellt
werden, die eine verhältnismäßig hohe
Stapelzahl hat. Dies erleichtert bei der Herstellung das Entfetten
und Brennen der piezoelektrischen Stapelvorrichtung und erzeugt
leicht eine piezoelektrische Stapelvorrichtung, die eine geringe Änderung
des Verschiebungsbetrags zeigt.
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Wenn
die Keramikaufschichtungen durch den Klebstoff miteinander verbunden
werden, werden die Spannungsabsorptionsabschnitte vorzugsweise ausgebildet,
indem nahe an einem Außenrand der Keramikaufschichtungen
sich nicht verbindende Bereiche vorgesehen werden, auf die kein
Klebstoff aufgebracht ist (Anspruch 5).
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Dies
erleichtert die Ausbildung der Spannungsabsorptionsabschnitte.
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Wenn
nämlich, wie in den 20 und 21 dargestellt
ist, zwei oder mehr Keramikaufschichtungen 15 unter Verwendung
eines Klebstoffs 155 an Verbindungsflächen 151 miteinander
verbunden werden, um die piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 herzustellen,
wird der Klebstoff 155 auf einen zentralen Abschnitt der
Verbindungsfläche 151 der Aufschichtungen 15 aufgebracht,
um nahe am Außenrand der Verbindungsfläche 151 der
Aufschichtung 15 für einen sich nicht verbindenden
Abschnitt 157 zu sorgen, auf dem kein Klebstoff aufgebracht ist.
Die Keramikaufschichtungen 15 werden auf diese Weise verbunden,
um mittels des sich nicht verbindenden Abschnitts um die Klebstoffschicht 155 herum
leicht die schlitzförmige Nut (d. h. den Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 herzustellen.
In diesem Fall wird das Absinken des Isolationswiderstands vermieden,
indem benachbarte zwei der Innenelektrodenschichten, die mit dem
durch den sich nicht verbindenden Abschnitt hergestellten Spannungsabsorptionsabschnitt
dazwischen verschachtelt sind, mit der positiven Seite der Seitenelektroden verbunden
werden. Dadurch ergeben sich die Funktionsweise und Wirkung der
Erfindung, dass die Haltbarkeit gut ist.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte werden vorzugsweise unter Verwendung
eines Abbrennmaterials hergestellt, das im Brennprozess abbrennt (Anspruch
6).
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Als
Abbrennmaterial können pulverförmige Kohlenstoffteilchen,
harzhaltige Teilchen oder durch Verkohlung von organischen Pulvern
hergestellte verkohlte organische Teilchen verwendet werden.
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Insbesondere
dann, wenn die Kohlenstoffteilchen als das Abbrennmaterial verwendet
werden, werden die Spannungsabsorptionsabschnitte präzise geformt,
da die Kohlenstoffteilchen gegenüber einer thermischen
Verformung unempfindlich sind.
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Insbesondere
dann, wenn die verkohlten organischen Teilchen als Abbrennmaterial
verwendet werden, führt dies zu einer Verringerung der
Produktionskosten der Spannungsabsorptionsabschnitte.
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Die
Verwendung der verkohlten organischen Teilchen als das Abbrennmaterial
führt zu einer Verringerung der Produktionskosten, die
zum Ausbilden der Spannungsabsorptionsabschnitte erforderlich sind.
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Als
die organischen Teilchen kommen Teilchen in Frage, die durch Mahlen
von Sojabohnen, Maiskörnern, harzhaltigem Material hergestellt
wurden.
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Die
verkohlten organischen Teilchen stellen, so wie sie hier gemeint
sind, feine oder winzige Teilchen dar, die durch Entfernen von in
organischen Teilchen enthaltenem Wasser hergestellt wurden, um sie
teilweise in dem Maß zu verkohlen, dass das Fließverhalten
und das Dispersionsvermögen gut sind.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte werden vorzugsweise hergestellt,
indem die schlitzförmigen Bereiche durch ein Material ausgebildet
werden, das bewirkt, dass Risse auftreten, wenn die piezoelektrische
Stapelvorrichtung polarisiert oder betätigt wird, und indem
man die schlitzförmigen Bereiche reißen lässt,
wenn die piezoelektrische Stapelvorrichtung polarisiert oder betätigt
wird (Anspruch 7).
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Dies
erleichtert ebenfalls die Ausbildung der Spannungsabsorptionsabschnitte.
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Zwei
der Innenelektrodenschichten, die sich in Aufschichtungsrichtung
am meisten außen von der piezoelektrischen Stapelvorrichtung
befinden, sind vorzugsweise beide mit einer positiven Seite der
Seitenelektroden verbunden (Anspruch 8).
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Dies
verbessert die Haltbarkeit der piezoelektrischen Stapelvorrichtung
weiter.
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Falls
die piezoelektrische Stapelvorrichtung eine einzelne zu einer Einheit
ausgebildete Keramikaufschichtung hat, sind vorzugsweise die zwei
Innenelektrodenschichten, die sich am meisten außen von
der Keramikaufschichtung befinden, mit der positiven Seite der Seitenelektroden
verbunden. Falls die piezoelektrische Stapelvorrichtung durch Verbinden
einer Vielzahl von Keramikaufschichtungen hergestellt ist, sind
vorzugsweise die zwei Innenelektrodenschichten, die sich am meisten
außen von der verbunden Keramikaufschichtung befinden,
mit der positiven Seite der Seitenelektroden verbunden.
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Die
piezoelektrische Stapelvorrichtung wird vorzugsweise in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet
(Anspruch 9).
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In
diesem Fall wird die Betriebsstabilität der piezoelektrischen
Vorrichtung unter harten Umgebungsbedingungen für eine
längere Zeitdauer sichergestellt.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ausführungsbeispiel 1
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Als
nächstes wird anhand der 1 bis 20 eine
piezoelektrische Stapelvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, weist die
piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 dieses Ausführungsbeispiels
eine Keramikaufschichtung 15, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln
einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten 11 und
einer Vielzahl von Innenelektrodenschichten 13 und 14 hergestellt
ist, und ein Paar Seitenelektroden 17 und 18 auf,
die auf Seitenflächen der Keramikaufschichtung 15 ausgebildet
sind. Die Innenelektrodenschichten 13 und 14 sind
mit einer der beiden Seitenelektroden 17 und 18 verbunden.
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Die
Keramikaufschichtung 15 weist in schlitzförmigen
Bereichen, die von den Seitenflächen der Keramikaufschichtung 15 nach
innen zurückgesetzt sind, Spannungsabsorptionsabschnitte 12 auf, die
sich in der Form leichter als die piezoelektrischen Keramikschichten 11 verformen
lassen. Die zwei benachbarten Innenelektrodenschichten 121 und 122, die
mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt 12 verschachtelt
sind, sind beide mit der positiven Seitenelektrode 17 elektrisch
verbunden. Die übrigen Innenelektrodenschichten 13 und 14 sind
abwechselnd mit den Seitenelektroden 17 und 18 elektrisch
verbunden.
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Die
Spannungsabsorptionsabschnitte 12 dieses Ausführungsbeispiels
sind schlitzförmige Nuten (Kammern), die von der Seitenfläche
der Keramikaufschichtung 15 nach innen zurückgesetzt
sind. Die Spannungsabsorptionsabschnitte 12 verlaufen in Umfangsrichtung
in der gesamten Außenumfangsfläche der Keramikaufschichtung 15.
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Als
nächstes wird anhand der 1 bis 9 ein
Produktionsverfahren für die piezoelektrische Stapelvorrichtung
dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird die piezoelektrische Stapelvorrichtung
durch einen Grünlagen-Herstellungsprozess, einen Elektroden-Druckprozess,
einen Abbrennschlitz-Druckprozess, einen Druckverbindungsprozess,
einen Stapel-Schneidprozess und einen Brennprozess hergestellt.
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Als
nächstes wird jeder Prozess des Herstellungsverfahrens
beschrieben.
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– Grünlagen-Herstellungsprozess –
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Zunächst
bereiteten wir keramische Ausgangsmaterialpulver wie Blei-Zirconat-Titanat
(PZT) vor, das ein piezoelektrisches Material ist. Und zwar bereiteten
wir als Startausgangspulver Pb3O4, SrCO3, ZrO2, TiO2, Y2O3 und Nb2O5 vor, wir wogen diese
mit einem stöchiometrischen Verhältnis ab, das so
gewählt war, dass sich eine Zielzusammensetzung PbZrO3-PbTiO3-Pb(Y1/2Nb1/2)O3 ergab, wir mischten diese nass, und wir
kalzinierten diese fünf Stunden lang bei 850°C.
Als nächstes mahlten wir die kalzinierten Pulver unter
Verwendung einer Perlenmühle nass. Wir trockneten die kalzinierten
gemahlenen Pulver (Korngröße (D50): 0,7 ± 0,05 μm)
und mischten sie mit einem Lösungsmittel, einem Bindemittel,
einem Weichmacher und einem Dispergiermittel in einer Kugelmühle,
um eine Schlämme herzustellen. Wir rührten die
Schlämme, vakuumentgasten sie und stellten ihre Viskosität
ein.
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Wir
brachten die Schlämme unter Verwendung des Rakelklingenverfahrens
auf einem Trägerfilm auf, um eine längliche Grünlage
mit einer Dicke von 80 μm herzustellen. Wir schnitten die
Grünlage auf die gewünschte Größe,
um breite Grünlagen 110 herzustellen, wie sie
in den 3 bis 5 gezeigt sind.
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Die
Ausbildung der Grünlage kann neben dem Rakelklingenverfahren
alternativ auch durch Extrusionsformen oder auf eine andere Weise
erfolgen.
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– Elektroden-Druckprozess –
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Als
nächstes wurden, wie in den 3 und 4 dargestellt
ist, auf die Grünlage 110 Elektrodenmaterialien 130 und 140 gedruckt,
die zu den Innenelektrodenschichten wurden. Wir bildeten zwei Arten
von Lagen aus: eine erste mit Elektrode bedruckte Lage 31 und
eine zweite mit Elektrode bedruckte Lage 32.
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Die
Ausbildung der mit Elektrode bedruckten Lagen 31 und 32 wird
nun ausführlicher beschrieben.
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Die
erste mit Elektrode bedruckte Lage 31 wurde, wie in 3 dargestellt
ist, ausgebildet, indem das Elektrodenmaterial 130 auf
einem Abschnitt jedes Druckbereichs 41 der Grünlage 110 gedruckt wurde,
der schließlich zu der Innenelektrodenschicht 13 wurde.
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Die
zweite mit Elektrode bedruckte Lage 41 wurde wie die erste
mit Elektrode bedruckte Lage ausgebildet, indem, wie in 4 dargestellt
ist, das Elektrodenmaterial 140 auf einem Abschnitt jedes Druckbereichs 41 der
Grünlage gedruckt wurde, der schließlich zu der
Innenelektrodenschicht 14 wurde.
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In
der ersten und zweiten mit Elektrode bedruckten Lage 31 und 32 liegen
die auf den Grünlagen 110 ausgebildeten Elektrodenmaterialien 130 und 140 an
voneinander verschiedenen Seitenflächen frei.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wurde für die Elektrodenmaterialen 130 und 140 eine
AgPd-Legierungspaste verwendet. Alternativ können auch
Ag, Pd, Cu, Ni oder eine CuNi-Legierung verwendet werden.
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– Abbrennschlitz-Druckprozess –
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In
diesem Ausführungsbeispiel sind in den Seitenflächen
der Keramikaufschichtung 15 der anzufertigen piezoelektrischen Stapelvorrichtung 1 Schlitze 12 (siehe 1 und 2)
ausgebildet. Und zwar wurde der Abbrennschlitz-Druckprozess wie
in 5 dargestellt durchgeführt, um eine mit
Abbrennschlitz bedruckte Lage 33 auszubilden.
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Wie
in 5 dargestellt ist, wurde durch ein Abbrennmaterial,
das gebrannt werden sollte, damit es abbrennt, auf jedem Druckbereich 41 der
Grünlage 110 die Abbrennschlitzschicht 120 ausgebildet, wodurch
die mit Abbrennschlitz bedruckte Lage 33 gebildet wurde.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wurde als das Abbrennmaterial
zur Herstellung der Abbrennschlitzschicht 120 ein Kohlenstoffpulvermaterial
verwendet, das eine geringe thermische Verformung hat und die Form
der durch den Brennprozess auszubildenden Nuten präzise
halten kann. Alternativ können auch verkohlte organische
Teilchen verwendet werden. Die verkohlten organischen Teilchen können aus
organischen Teilchen, die verkohltem Pulver ähneln, oder
einer gemahlenen verkohlten organischen Substanz bestehen. Als organische
Substanz können Getreidekörner wie Mais, Sojabohnen
oder Mehl verwendet werden, um Herstellungskosten einzusparen.
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In
dem Elektroden-Druckprozess und dem Abbrennschlitz-Druckprozess
werden das Elektrodenmaterial 130 und 140 und
die Abbrennschlitzschichten 120, wie in den 3 bis 5 dargestellt ist,
so aufgedruckt, dass sie voneinander durch Luftspalte 42 beabstandet
sind, wo in dem folgenden Einheiten-Schneidprozess Abschnitte der
Grünlage 110 geschnitten werden. Und zwar erfolgt
das Drucken so, dass zwischen den benachbarten Druckbereichen 41 auf
der Grünlage 110 die Luftspalte 42 vorhanden
sind.
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– Druckverbindungsprozess –
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Als
nächstes wurden, wie in 7 dargestellt
ist, die ersten mit Elektrode bedruckte Lagen 31, die zweiten
mit Elektrode bedruckten Lage 32 und die mit Abbrennschlitz
bedruckten Lagen 33 in einer vorgegebenen Reihenfolge aufeinander
gestapelt, so dass die Druckbereiche 41 in der Aufschichtungsrichtung
ausgerichtet waren. Und zwar wurden die ersten mit Elektrode bedruckten
Lagen 31 und die zweiten mit Elektrode bedruckten Lagen 32 abwechselnd
aufeinander gestapelt. Die mit Abbrennschlitz bedruckten Lagen 33 wurden
jeweils an der Stelle eingeschoben, wo die oben beschriebenen Schlitze
ausgebildet werden sollten. Und zwar wurden die mit Abbrennschlitz
bedruckten Lagen 33 in diesem Ausführungsbeispiel
jeweils auf einen Stapel von elf aus den ersten mit Elektrode bedruckten
Lagen 31 und den zweiten mit Elektrode bedruckten Lagen 32 bestehenden Schichten
aufgestapelt. Die ersten mit Elektrode bedruckten Lagen 31 und
die zweiten der Elektrode bedruckten Lagen 32 wurden so
lange aufeinander gestapelt, bis ihre Gesamtzahl 59 betrug.
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Die
ersten mit Elektrode bedruckten Lagen 31 und die zweiten
mit Elektrode bedruckten Lagen 32 wurden so aufeinander
gestapelt, dass das Elektrodenmaterial 130 und das Elektrodenmaterial 140 abwechselnd
zu einer Endfläche, die den Druckbereichen zugewandt war,
frei lagen. Als die zwei mit Elektrode bedruckten Lagen, die mit
der mit Abbrennschlitz bedruckten Lage 33 verschachtelt
waren, wurden bedruckte Lagen (d. h. erste mit Elektrode bedruckten
Lagen 31) verwendet, die ein zueinander identisches, durch
das Elektrodenmaterial ausgebildetes Muster hatten. Und zwar wurden
die ersten mit Elektrode bedruckten Lagen 31, wie in 6 dargestellt
ist, oberhalb und unterhalb der mit Abbrennschlitz bedruckten Lage 33 platziert
und so orientiert, dass die Elektrodenmaterialien 130,
so wie sie nach dem folgenden Schneidprozess aufgedruckt waren, zur
gleichen Seitenfläche frei lagen.
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Auf
einem oberen Ende der aufzustapelnden Lagen wurde eine Grünlage 110 angeordnet,
die dem Druckprozess nicht unterzogen worden war.
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Die
auf diese Weise aufeinander gestapelten Lagen wurden bei 100°C
erhitzt und bei 50 MPa in der Aufschichtungsrichtung gepresst, um
einen Vorstapel 100 herzustellen. Aus Vereinfachungsgründen stellt 6 den
Vorstapel 100 mit einer geringeren Zahl an aufeinander
gestapelten Schichten als tatsächlich dar.
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– Stapel-Schneidprozess –
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Als
nächstes wurde der Vorstapel 100, wie in den 7 bis 9 gezeigt
ist, an den Schneidpositionen 43 in der Aufschichtungsrichtung
geschnitten, um die Zwischenstapel 10 auszubilden.
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Der
Vorstapel 100 kann in der Einheit des Zwischenstapels 10 oder
in der Einheit von zwei oder mehr von diesen geschnitten werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde der Vorstapel 100 in
der Einheit von jedem der Zwischenstapel 10 geschnitten, so
dass jedes der Elektrodenmaterialien 130 und 140 und
die Abbrennschlitzschichten 120 zu den Seitenflächen
des Zwischenstapels 10 frei lagen.
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Aus
Vereinfachungsgründen stellen die 8 und 9 den
Vorstapel 100 und die Zwischenstapel 10 mit einer
geringeren Anzahl an Stapelschichten als tatsächlich dar.
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– Brennprozess –
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Als
nächstes wurde das in der Grünlage 110 der
Zwischenstapel 10 enthaltene Bindemittelharz zu 90% oder
mehr thermisch entfernt (entfettet). Dies wurde erreicht, indem
das Bindemittelharz allmählich achtzig Stunden lang auf
500°C erhitzt und dort fünf Stunden lang gehalten
wurde.
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Als
nächstes wurden die entfetteten Zwischenstapel 10 gebrannt.
Dies wurde erreicht, indem die Zwischenstapel 10 allmählich
zwölf Stunden lang auf 1050°C erhitzt wurden,
dort zwei Stunden lang gehalten wurden und dann allmählich
abgekühlt wurden.
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Auf
diese Weise wurde die in den 1 und 2 dargestellte
Keramikaufschichtung 15 hergestellt, die die Spannungsabsorptionsabschnitte 12 aufweist,
die durch den Abbrand der Abbrennschlitzschichten 120 gebildet
wurden. Die Spannungsabsorptionsabschnitte 12 sind durch
die schlitzförmigen Kammern definiert, die in der gesamten
Umfangsfläche der Keramikaufschichtung 15 ausgebildet
sind. Wie in den 1 und 2 dargestellt
ist, besteht die Keramikaufschichtung 15 aus den durch
die gesinterten Grünlagen 110 gebildeten piezoelektrischen
Keramikschichten 11 und den durch die Elektrodenmaterialien 130 und 140 gebildeten
Innenelektrodenschichten 13 und 14, die abwechselnd
aufeinander gestapelt sind.
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Nach
dem Brennen wurde die gesamte Oberfläche der Keramikaufschichtung 15 auf
6 mm × 6 mm Fläche und 4,4 mm Höhe poliert.
Auf den beiden Seitenflächen der Keramikaufschichtung 15 wurden
die Seitenelektroden 17 und 18 aufgedruckt. Die Innenelektroden 13 und 14 sind
jeweils abwechselnd mit den Seitenelektroden 17 und 18 elektrisch
verbunden. Die zwei Elektrodenschichten 121 und 122, die
mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt 12 dazwischen verschachtelt
sind, sind mit der Seitenelektrode 17 elektrisch verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Seitenelektrode 17,
mit der die zwei mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt 12 verschachtelten
Innenelektrodenschichten 121 und 123 verbunden
sind, eine positive Elektrode.
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Auf
die obige Weise wurde die piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 hergestellt,
die, wie in den 1 und 2 dargestellt
ist, die durch abwechselndes Aufeinanderstapeln der Vielzahl von
piezoelektrischen Keramikschichten 11 und der Vielzahl
von Innenelektrodenschichten 13 und 14 hergestellte
Keramikaufschichtung 15, die schlitzförmigen Spannungsabsorptionsabschnitte 12 und
das Paar der auf den Seitenflächen der Keramikaufschichtung 15 ausgebildeten
Seitenelektroden 17 und 18 aufweist.
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Aus
Vereinfachungsgründen stellen die 1 und 2 die
piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 mit einer geringeren
Anzahl an Stapelschichten als tatsächlich dar. 2 stellt
außerdem die piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 ohne
die Seitenelektroden dar.
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In
diesem Ausführungsbeispiel wurde die piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 10) mit
dem obigen Herstellungsverfahren hergestellt, bei dem die benachbarten
zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122, die
mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, beide elektrisch mit der positiven Seite der
Seitenelektroden verbunden sind und bei dem die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, elektrisch mit der positiven Seite der Seitenelektroden
verbunden sind. Dies wird als Muster E1 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E1 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 11) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit der negativen Seite der
Seitenelektroden verbunden sind und bei dem die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, wie bei dem Muster E1 elektrisch mit der positiven Seite
der Seitenelektroden verbunden sind. Dies wird als Muster Ca1 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E1 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 12) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden
verbunden sind und bei der die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, wie bei dem Muster E1 elektrisch mit der positiven Seite
der Seitenelektroden verbunden sind. Dies wird als Muster Cb1 bezeichnet.
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Zusätzlich
wurde in diesem Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische
Stapelvorrichtung 1 (siehe 13) mit
dem gleichen Herstellungsverfahren wie oben beschrieben hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, beide elektrisch mit der positiven Seite der
Seitenelektroden verbunden sind und bei der die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, elektrisch mit der negativen Seite der Seitenelektroden
verbunden sind. Dies wird als Muster E2 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E2 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 14) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit der negativen Seite der
Seitenelektrode verbunden sind und bei der die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, wie bei dem Muster E2 elektrisch mit der negativen Seite
der Seitenelektroden verbunden sind. Dies wird als Muster Ca2 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E2 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 15) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden
verbunden sind und zwei der Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am weitesten außen
befanden, wie bei dem Muster E2 elektrisch mit der negativen Seite
der Seitenelektroden verbunden sind. Dies wird als Muster Cb2 bezeichnet.
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Des
Weiteren wurde in diesem Ausführungsbeispiel mit dem obigen
Herstellungsverfahren eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 16) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, beide elektrisch mit der positiven Seite der
Seitenelektroden verbunden sind und bei der die zwei Innen elektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, jeweils elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden
verbunden sind. Dies wird als Muster E3 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E3 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 17) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabsorptionsabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit der negativen Seite der
Seitenelektroden verbunden sind und bei der die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen
befinden, wie bei dem Muster E3 elektrisch mit den verschiedenen
Seitenelektroden verbunden sind. Dies wird als Muster Ca3 bezeichnet.
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Als
Vergleich zu dem Muster E3 wurde eine piezoelektrische Stapelvorrichtung 1 (siehe 18) hergestellt,
bei der die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit der schlitzförmigen Nut (d. h. dem Spannungsabbauabschnitt) 12 dazwischen
verschachtelt sind, jeweils elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden
verbunden sind und bei der die zwei Innenelektrodenschichten 13, die
sich in der Aufschichtungsrichtung am meisten außen befinden,
wie bei dem Muster E3 jeweils elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden
verbunden sind. Dies wird als Muster Cb3 bezeichnet.
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Aus
Vereinfachungsgründen stellen die 10 bis 18 die
piezoelektrischen Stapelvorrichtungen 1 mit einer geringeren
Anzahl an Stapelschichten und Außenelektroden als tatsächlich
dar.
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Mit
den piezoelektrischen Stapelvorrichtungen (d. h. den wie oben hergestellten
Mustern E1 bis E3, Ca1 bis Ca3 und Cb1 bis Cb3) wurden die folgenden
Haltbarkeitsversuche durchgeführt.
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– Haltbarkeitsversuch –
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An
die piezoelektrische Stapelvorrichtung jedes Musters wurde bei 200°C
ein elektrisches Feld von 3,1 kV/mm angelegt, um sie anzutreiben.
Jedes Muster wurde parallel mit einem Widerstand R verbunden, dessen
Widerstandswert bekannt war, um eine Schaltung zu erzeugen. Die
an dem Widerstand R anliegende Spannung (Kriechstromwert) wurde durch
ein digitales Messgerät abgelesen, während an
jedem Muster das elektrische Feld anlag. Es wurde die Zeit gemessen,
die verstrich, bis der Isolationswiderstand der Vorrichtung (des
Musters) unter 10 MΩ fiel, und diese wurde als Betriebslebensdauer der
Vorrichtung definiert. Der Haltbarkeitsversuch erfolgte für
fünf Muster jeder der obigen Bauarten.
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Die
Ergebnisse sind in 19 gezeigt. In 19 gibt
die Abszissenachse die Zeit ab Anlegung des elektrischen Feldes
an. Die Zeit, als der Isolationswiderstand unter 10 MΩ fiel,
ist mit „X” angegeben.
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19 zeigt,
dass die piezoelektrischen Stapelvorrichtungen 1 der Muster
E1 bis E3 (siehe 10, 13 und 16),
bei denen die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122, die
mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt 12 dazwischen verschachtelt
sind, beide elektrisch mit der positiven Seite der Seitenelektroden
verbunden sind, eine hervorragende Haltbarkeit von mehr als mindestens
600 Stunden zeigen.
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Insbesondere
stellte sich heraus, dass in dem Fall, in dem die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung der Keramikaufschichtung
am meisten außen befanden, wie bei dem Muster E1 elektrisch
mit der positiven Seite der Seitenelektroden verbunden sind (siehe 10) bei
keinem der fünf Muster der Isolationswiderstand nach einem
langen Betrieb von 2000 h unter 10 MΩ fiel.
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Es
stellte sich heraus, dass in dem Fall, in dem die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung der Keramikaufschichtung
am meisten außen befinden, wie bei dem Muster E2 elektrisch
mit der negativen Seite der Seitenelektroden verbunden sind (siehe 13),
einige der Muster eine hervorragende Haltbarkeit von mindestens
600 h oder mehr oder ganzen 1100 h oder mehr zeigen.
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Es
stellte sich heraus, dass in dem Fall, in dem die zwei Innenelektrodenschichten 13,
die sich in der Aufschichtungsrichtung der Keramikaufschichtung
am meisten außen befinden, wie bei dem Muster E3 jeweils
elektrisch mit den verschiedenen Seitenelektroden verbunden sind
(siehe 16), einige Muster gibt, die
eine hervorragende Haltbarkeit von mindestens 700 h oder mehr oder
etwa 1100 h zeigen.
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Im
Gegensatz dazu stellte sich heraus, dass die in den 11, 14 und 17 dargestellten piezoelektrischen
Stapelvorrichtungen 1 (d. h. die Muster Ca1–Ca3),
bei denen die benachbarten zwei Innenelektrodenschichten 121 und 122,
die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt 12 dazwischen
verschachtelt sind, beide elektrisch mit der negativen Seite der
Seitenelektroden verbunden sind, einen geringeren Isolationswiderstand
als 10 MΩ haben, wenn sie höchstens 450 h betätigt
wurden, und eine unzureichende Haltbarkeit zeigen.
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Wie
oben beschrieben wurde, vermeidet die Erfindung sicher das Absinken
des Isolationswiderstandes und ermöglicht, dass die piezoelektrischen Stapelvorrichtungen
(d. h. die Muster E1 bis E3) eine hervorragende Haltbarkeit haben.
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In
diesem Ausführungsbeispiel werden die Spannungsabsorptionsabschnitte
unter Verwendung des Abbrennmaterials ausgebildet, das im Brennprozess
abbrennt, doch können sie alternativ auch durch ein Material
(Rissmaterial) ausgebildet werden, das reißt, wenn es polarisiert
oder betätigt wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel sind die Innenelektrodenschichten 13 und 14,
die zurückgesetzten Abschnitte 135 und 145 und
die Schlitzschichten 12 in dem in 22 dargestellten
Kombinationsmuster ausgebildet. Allerdings ist die Erfindung nicht
auf ein solches Muster beschränkt. Bei Betrachtung in der
Aufschichtungsrichtung hat die Keramikaufschichtung überlappende
Abschnitte, die Bereiche sind, in dem sich sämtliche Innenelektrodenabschnitte
miteinander überlappen, und nicht überlappende
Abschnitte, die Bereiche sind, in denen sich die Innenelektrodenabschnitte
nur teilweise miteinander überlappen oder gar nicht überlappen. Die
Spannungsabsorptionsabschnitte können in den nicht überlappenden
Abschnitten 19 ausgebildet werden.
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Mögliche
Kombinationen der Innenelektrodenabschnitte 131 und 141 und
der Schlitzschichten 12 sind in den 23(a) bis 23(c) dargestellt. Jede dieser Kombinationen
bietet eine ausreichende erfindungsgemäße Wirkung.
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ZUSAMNENFASSUNG
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Eine
piezoelektrische Stapelvorrichtung (1) weist eine Keramikaufschichtung
(15), die durch abwechselndes Aufeinanderschichten einer
Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten (11) und
einer Vielzahl von Innenelektrodenschichten (13, 14) ausgebildet
ist, und ein Paar auf deren Seitenflächen ausgebildeter
Seitenelektroden (17, 18) auf. Die Innenelektrodenschichten
(13, 14) sind mit einer der beiden Seitenelektroden
elektrisch verbunden. Die Keramikaufschichtung (15) hat
Spannungsabsorptionsabschnitte (12), die in schlitzförmigen
Bereichen ausgebildet sind, die von deren Seitenflächen
aus nach innen zurückgesetzt sind. Die Spannungsabsorptionsabschnitte
(12) lassen sich leichter als die piezoelektrischen Keramikschichten
(11) verformen. Benachbarte zwei der Innenelektrodenschichten
(13, 14), die mit dem Spannungsabsorptionsabschnitt (12)
dazwischen verschachtelt sind, sind beide elektrisch mit der positiven
Seitenelektrode (17) verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 62-271478
A [0009]
- - JP 2006-216850 A [0009]