DE102004007999A1

DE102004007999A1 - Piezoelektrischer Aktuator

Info

Publication number: DE102004007999A1
Application number: DE200410007999
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kariya Kobayashi; Naoyuki Kariya Kawazoe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2004-09-23
Also published as: JP2004274029A

Abstract

Ein piezoelektrischer Aktuator (1) mit einem piezoelektrischen Einheitselement (11), das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten (15) besteht, von denen jede aus abwechselnd gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten (151) und inneren Elektrodenschichten (153 und 154) besteht, die an ihren äußersten Bondoberflächen in der Stapelrichtung gebondet sind und gebondete Teile (13) bilden. Jede piezoelektrische Elementeinheit (15) besteht aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten (151). Gebondete Keramikschichten (115), die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten (153 und 154) über einem gebondeten Teil (13) liegen, sind inaktiv.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktuator, der als Antriebsquelle eines Injektors usw. verwendet wird.

In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen, ein piezoelektrisches Element als Antriebsquelle für einen Injektor (Brennkraftmaschinen-Einspritzeinrichtung) einer Brennkraftmaschine eines Automobils usw. zu verwenden. Insbesondere muß ein Injektor wiederholt Kraftstoff mit einer extrem hohen Geschwindigkeit zumindest 10⁸ Mal einspritzen, so daß ein extrem harter Verwendungszustand das piezoelektrische Element als dessen Antriebsquelle beaufschlagt. Daher muß ein piezoelektrisches Element für einen Injektor nicht nur überlegene piezoelektrische Eigenschaften, sondern auch eine überlegene Dauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit haben.

Als solch ein piezoelektrisches Element wird ein gestapeltes Piezoelektrikum, das aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten, die sich in Übereinstimmung mit der angelegten Spannung verschieben, und inneren Elektrodenschichten zum Anlegen der Spannung, die abwechselnd gestapelt sind, besteht, als am Vielversprechendsten erachtet. Dies ist deshalb so, weil dieses gestapelte Piezoelektrikum eine große Antriebsquelle ergeben kann, da sich die zwischen den inneren Elektrodenschichten liegenden piezoelektrischen Keramikschichten verschieben, wenn sie mit Spannung versorgt werden.

Im allgemeinen kann das vorstehende gestapelte Piezoelektrikum durch Drucken von Elektrodenstrukturen bzw. -mustern auf ungebrannte Keramikplatten mittels einem leitenden Pastenmaterial, Überlagern von mehreren zehn oder hundert derselben, und Pressbonden derselben, um einen Stapel herzustellen, Erwärmen des Stapels, um den Binder zu entfernen (Entfetten), und sodann Brennen desselben erhalten werden.

Ferner wurden bei dem vorstehenden gestapelten Piezoelektrikum, um eine größere Verschiebung des gestapelten Piezoelektrikums zu erhalten, Versuche durchgeführt, um die Anzahl gestapelter Schichten zu erhöhen. Als jedoch die Anzahl gestapelter Schichten erhöht wurde, bestand das Problem, daß nicht nur eine stabile Produktion schwierig wurde, sondern auch dann, wenn die gestapelte Anzahl nahezu einhundert erreichte, die innere Belastung, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element betrieben wird, zunahm, sodaß leicht Risse auftraten und die Lebensdauer kürzer wurde.

Um dieses Problem im Stand der Technik zu lösen, wurde das Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst Stapel-Untereinheiten hergestellt werden, die aus einer Vielzahl von zusammengestapelten ungebrannten Keramikplatten bestehen, die Stapel-Untereinheiten dann entfettet werden, um entfettete Einheiten der Untereinheiten herzustellen, und dann eine Vielzahl dieser entfetteten Einheiten gestapelt und gebrannt werden, um ein gestapeltes Piezoelektrikum der gewünschten Anzahl gestapelter Schichten zu erhalten (vgl. die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 64-33980).

Bei dem vorstehenden gestapelten Piezoelektrikum bestand jedoch das Problem, daß sich die äußersten Schichten der Stapel-Untereinheiten während des Druckens der Elektroden verformten und die Bondoberflächen der Stapel-Untereinheiten beschädigt wurden. Ferner trat eine große Belastung in den Stapel-Untereinheiten auf und bestand die Gefahr, daß im Inneren derselben Risse bzw. Brüche auftreten.

Daher war ein solches gestapeltes Piezoelektrikum schwer als eine Antriebsquelle für einen wie vorstehend erklärt überlegene Dauerhaftigkeit erfordernden Injektor zu nutzen.

Die Erfindung erfolgte in Anbetracht dieser Probleme im Stand der Technik und soll einen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegenen piezoelektrischen Aktuator schaffen.

Ein erster Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 der piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und
gebondete Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.

Der piezoelektrische Aktuator des ersten Aspekts der Erfindung weist, wie vorstehend erklärt, ein piezoelektrischen Einheitselement auf, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und zusammengebondet sind.

Daher wird sich dann, wenn Spannung an den piezoelektrischen Aktuator angelegt wird, das piezoelektrische Einheitselement verformen, und kann Antriebsleistung entnommen werden. Daher kann der vorstehende piezoelektrische Aktuator als eine Antriebsquelle für zum Beispiel einen Injektor genutzt werden.

Ferner besteht bei dem vorstehenden piezoelektrischen Aktuator jede der piezoelektrischen Elementeinheiten aus nicht mehr aus 50 zusammengestapelten Keramikschichten.

Indem die Anzahl gestapelter Schichten jeder der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer als 50 gemacht wird, wird die zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugte Belastung unterdrückt. Daher ist es möglich, das Auftreten von Rissen im Inneren der piezoelektrischen Elementeinheiten zur Zeit des Anlegens von Spannung zu verhindern.

Ferner kann zur Zeit der Herstellung jeder Stapel von aus nicht mehr als 50 Schichten separat entfettet werden. Daher wird die Entfettungszeit verkürzt und wird es nahezu keinen schließlich auf den piezoelektrischen Keramikschichten verbleibenden Binder geben. Daher können die piezoelektrischen Keramikschichten ausreichend ihre ihnen inhärent innewohnenden überlegenen piezoelektrischen Eigenschaften zeigen.

Ferner sind bei dem vorstehenden piezoelektrischen Aktuator die gebondeten Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv.

Daher werden sich dann, wenn Spannung angelegt wird, auch dann, wenn sich die piezoelektrischen Elementeinheiten in dem piezoelektrischen Einheitselement stark verformen, die gebondeten Keramikschichten, die selbst an den gebondeten Teilen ausgebildet sind, nicht positiv verformen, und werden ihre Ausmaße der Verformung klein sein.

Aufgrund dessen ist es möglich, zu verhindern, daß an den Bondoberflächen, an denen die piezoelektrischen Elementeinheiten gebondet werden, wenn der piezoelektrische Aktuator hergestellt wird, eine lokale Beschädigung auftritt.

Auf diese Art und Weise ist es in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung möglich, einen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegenen piezoelektrischen Aktuator bereitzustellen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und
an jeder piezoelektrischen Elementeinheit ein Parallelitätswert von einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm ist.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des zweiten Aspekts der Erfindung ist der Parallelitätswert einer Bondoberfläche zu ei ner anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm.

Daher ist es möglich, das Auftreten einer lokalen Belastung an den Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten zu verhindern. Aufgrund dessen ist es möglich, eine Beschädigung an den gebondeten Teilen zu verhindern und die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.

Ferner besteht in dem piezoelektrischen Aktuator jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr aus 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.

Indem die Anzahl gestapelter Schichten jeder der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer als 50 gemacht wird, wird auf dieselbe Art und Weise wie in dem ersten Aspekt der Erfindung die zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugte Belastung unterdrückt. Daher ist es möglich, das Auftreten von Rissen im Inneren der piezoelektrischen Elementeinheiten zur Zeit des Anlegens von Spannung zu verhindern. Ferner kann auf dieselbe Art und Weise wie in dem ersten Aspekt der Erfindung zur Zeit der Herstellung jeder Stapel aus nicht mehr als 50 Schichten separat entfettet werden. Daher wird die Entfettungszeit verkürzt, und wird es nahezu keinen schließlich an den piezoelektrischen Keramikschichten verbleibenden Binder geben.

Ein dritter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt sind, gebondet an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht,
äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmo dul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und
das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.

Der piezoelektrische Aktuator des dritten Aspekts der Erfindung weist Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul bzw. Young'schen Modul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten auf.

Daher ist es möglich, den Verlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.

Ferner sind das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten, bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.

Daher ist es möglich, das Auftreten von Rissen im Inneren des piezoelektrischen Aktuators zu verhindern.

Das heißt, wenn Spannung an den piezoelektrischen Aktuator angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Einheitselement in der Stapelrichtung bzw. dehnt sich aus und kontrahiert in der Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung bzw. zieht sich zusammen. Andererseits werden sich die Verbindungselemente nicht verformen. Daher würden dann, wenn das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente direkt verbunden würden, die Expansion und die Kontraktion des piezoelektrischen Einheitselements gehemmt, so daß im Ergebnis die innere Belastung zunehmen würde und die Gefahr bestünde, daß Risse auftreten.

Durch Zwischenlegen von Puffereinheiten zwischen die piezoelektrischen Elementeinheiten und die Verbindungselemente auf diese Art und Weise ist es möglich, die Zunahme der inneren Belastung zu unterdrücken und das Auftreten von Rissen zu unterdrücken. Daher wird der piezoelektrische Aktuator hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen.

Es wird angemerkt, daß das Ausmaß der Verschiebung unter Verwendung eines Laser-Verschiebungsmessers, eines nach dem elektrostatischen Kapazitätsprinzip arbeitenden Verschiebungsmesser usw. gemessen werden kann.

Ein vierter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht,
äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und
das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente haben.

Der piezoelektrische Aktuator des vierten Aspekts der Erfindung weist auf dieselbe Art und Weise wie der dritte Aspekt der Erfindung Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten auf.

Daher ist es auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung möglich, den Verlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.

Ferner sind das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Dummy- bzw. Blindeinheiten mit einem Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente versehen.

Daher ist es möglich, die Zunahme einer inneren Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung zu unterdrücken, und das Auftreten von Rissen zu unterdrücken.

Das heißt, wie vorstehend erklärt wurde, wenn Spannung an den piezoelektrischen Aktuator angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Einheitselement in der Stapelrichtung bzw. dehnt sich aus und kontrahiert in der Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung bzw. zieht sich zusammen. Zu dieser Zeit würde dann, wenn der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente größer wäre als der Elastizitätsmodul des piezoelektrischen Einheitselements, die Expansion und die Kontraktion des piezoelektrischen Einheitselements gehemmt, so daß im Ergebnis die innere Belastung zunehmen würde und die Gefahr bestünde, daß Risse auftreten.

Durch Zwischenlegen von Blindeinheiten mit einem Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente zwischen die Verbindungselemente und das piezoelektrische Einheitselement auf diese Art und Weise ist es möglich, die Zunahme einer inneren Belastung zu unterdrücken, und das Auftreten von Rissen zu unterdrücken. Daher wird der piezoelektrische Aktuator hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt sind, gebondet an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und
gebondete Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des fünften Aspekts der Erfindung sind auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung die gebondeten Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv.

Daher werden sich dann, wenn Spannung angelegt wird, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem ersten Aspekt der Erfindung, auch dann, wenn sich die piezoelektrischen Elementeinheiten in dem piezoelektrischen Einheitselement stark verformen, die gebondeten Keramikschichten, die selbst an den gebondeten Teilen ausgebildet sind, nicht positiv verformen, und werden ihre Ausmaße der Verformung klein sein. Aufgrund dessen ist es möglich, zu verhindern, daß eine lokale Beschädigung an den Bondoberflächen auftritt, an denen die piezoelektrischen Elementeinheiten gebondet sind, wenn der piezoelektrische Aktuator hergestellt wird.

Ferner besteht in dem fünften Aspekt der Erfindung jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelter Schichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist, wird das Ausmaß der Verschiebung der gebondeten Keramikschichten groß werden, und wird leicht eine lokale Beschädigung an den Bondoberflächen auftreten. In dem fünften Aspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehend erklärt wurde, die gebondeten Keramikschichten inaktiv, so daß es möglich ist, das Auftreten einer Beschädigung an den Bondoberflächen zu unterdrücken. Das heißt, daß dann, wenn sechs oder mehr piezoelektrische Keramikschichten wie in dem fünften Aspekt der Erfindung vorhanden sind, der Effekt der Unterdrückung des Auftretens einer Beschädigung, der durch inaktiv machen der gebondeten Keramikschichten erhalten wird, stärker bemerkenswert erhalten werden kann.

Die übrigen Effekte sind ähnlich zu denjenigen des ersten Aspekts der Erfindung.

Ein sechster Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und
an jeder piezoelektrischen Elementeinheit ein Parallelitätswert von einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm ist.

Bei dem piezoelektrischen Aktuator des sechsten Aspekts der Erfindung ist, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem zweiten Aspekt der Erfindung, der Parallelitätswert einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm.

Daher ist es, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem zweiten Aspekt der Erfindung, möglich, das Auftreten einer lokalen Belastung an den Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten zu verhindern. Aufgrund dessen ist es möglich, eine Beschädigung an den gebondeten Teilen zu verhindern und die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.

In dem sechsten Aspekt der Erfindung besteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelter Schichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist, wird das Ausmaß der Deformation bzw. Verformung der gebondeten Keramikschichten groß und wird leicht eine lokale Beschädigung an den gebondeten Oberflächen auftreten. In dem sechsten Aspekt der Erfindung jedoch ist, wie vorstehend erklärt wurde, der Parallelitätswert einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm, so daß es möglich ist, das Auftreten einer Beschädigung an den Bondoberflächen zu unterdrücken. Das heißt, daß dann, wenn sechs oder mehr piezoelektrische Keramikschichten wie in dem sechsten Aspekt der Erfindung vorhanden sind, der Effekt der Unterdrückung des Auftretens einer Beschädigung, der durch nicht höher machen des Parallelitätswerts der Bondoberflächen als 0,1 mm erhalten wird, stärker bemerkenswert erhalten werden kann.

Der übrigen Effekte sind ähnlich zu denjenigen des zweiten Aspekts der Erfindung.

Ein siebter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht,
äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und
das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.

Der piezoelektrische Aktuator des siebten Aspekts der Erfindung weist, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, Anschluß- bzw. Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten auf.

Daher ist es, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, möglich, den Verlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.

Ferner sind, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.

Daher ist es, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, möglich, das Auftreten von Rissen im Inneren des piezoelektrischen Aktuators zu verhindern.

In dem siebten Aspekt der Erfindung besteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelter Schichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder mehr ist, wird das Ausmaß der Verschiebung der Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder piezoelektrischen Elementeinheit in der Stapelrichtung, das heißt der äußersten Keramikschichten, groß werden. Daher würde dann, wenn das piezoelektrische Einheitselement mit zum Beispiel einem anderen Element, wie beispielsweise einem Verbindungselement, gebondet würde, die Gefahr bestehen, daß eine lokale Beschädigung an den Bondoberflächen auftritt. In dem siebten Aspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehend erklärt wurde, die Puffereinheiten zwischengelegt, so daß es möglich ist, das Auftreten einer Beschädigung an den Bondoberflächen zu unterdrücken und die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.

Die übrigen Effekte sind ähnlich zu denjenigen des dritten Aspekts der Erfindung.

Ein achter Aspekt der Erfindung schafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht,
äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und
das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodul größer als der der Verbindungselemente haben.

Der piezoelektrische Aktuator des achten Aspekts der Erfindung weist, auf dieselbe Art und Weise wie der des vierten Aspekts der Erfindung, Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als die piezoelektrischen Elementeinheiten auf.

Daher ist es, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, möglich, den Verlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.

Ferner sind, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten mit einem Elastizitätsmodul kleiner als die Verbindungselemente versehen.

Daher ist es, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, möglich, die Zunahme einer inneren Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung zu unterdrücken, und möglich, das Auftreten von Rissen zu unterdrücken.

In dem achten Aspekt der Erfindung besteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelter Schichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist, wird das Ausmaß der Verschiebung der Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder piezoelektrischen Elementeinheit in der Stapelrichtung, das heißt, der äußersten Keramikschichten, groß werden. Daher würde dann, wenn das piezoelektrische Einheitselement mit zum Beispiel einem anderen Element, wie beispielsweise einem Verbindungselement, gebondet wird, die Gefahr bestehen, daß eine lokale Beschädigung an den Bondoberflächen auftritt. In dem achten Aspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehend erklärt wurde, die Blindeinheiten zwischengelegt, so daß es möglich ist, das Auftreten einer Beschädigung an den Bondoberflächen zu unterdrücken und die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.

Die übrigen Effekte sind ähnlich zu denjenigen des vierten Aspekts der Erfindung.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine zerlegte erklärende Ansicht eines piezoelektrischen Aktuators gemäß einem Beispiel 1;
2 eine Schnittansicht, in der der piezoelektrische Aktuator gemäß Beispiel 1 in einer Ebene parallel zu seiner Stapelrichtung in Scheiben geschnitten ist;
3 eine vergrößerte Ansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil des in 2 gezeigten piezoelektrischen Aktuators zeigt;
4 eine erklärende Ansicht des Zustands des Druckens einer inneren Elektrodenschicht auf eine ungebrannte Keramikplatte gemäß Beispiel 1;
5 eine erklärende Ansicht des Zustands des Stapelns ungebrannter Platten, die mit inneren Elektrodenschichten ausgebildet sind, gemäß Beispiel 1;
6 eine erklärende Ansicht eines Stapels gemäß Beispiel 1;
7 eine perspektivische erklärende Ansicht, die eine piezoelektrische Elementeinheit gemäß Beispiel 1 zeigt;
8 eine erklärende Ansicht, die sich auf den Parallelitätswert der Bondoberflächen einer piezoelektrischen Elementeinheit gemäß Beispiel 1 bezieht;
9 eine erste erklärende Ansicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit gemäß Beispiel 1 zeigt;
10 eine zweite erklärende Ansicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit gemäß Beispiel 1 zeigt;
11 eine dritte erklärende Ansicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit gemäß Beispiel 1 zeigt;
12 eine vierte erklärende Ansicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit gemäß Beispiel 1 zeigt;
13 eine erklärende Ansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuators gemäß Beispiel 1 mit Harzisolationsschichten an den gebondeten Teilen zeigt;
14(A) und (B) jeweils eine erklärende Ansicht, die die Formen von inneren Elektrodenschichten zeigen, die auf piezoelektrischen Keramikschichten gemäß Beispiel 1 ausgebildet sind;
15(A) und (B) jeweils eine erklärende Ansicht, die innere Elektrodenschichten einer Vollelektrodenstruktur zeigen, die auf piezoelektrischen Keramikschichten gemäß Beispiel 1 ausgebildet sind;
16 eine erklärende Schnittansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuators mit inneren Elektrodenschichten von Vollelektrodenstrukturen gemäß Beispiel 1 zeigt;
17 eine erklärende Ansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuators zeigt, an dem zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit Elektroden derselben Polarität verbunden sind, gemäß einem Beispiel 2;
18 eine teilweise vergrößerte Ansicht eines gebondeten Teils einer piezoelektrischen Elementeinheit gemäß Beispiel 2;
19 eine vergrößerte erklärende Ansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuators gemäß einem Beispiel 3 zeigt, das so konfiguriert ist, daß die Dicken der äußersten Keramikschichten größer werden;
20 eine perspektivische erklärende Ansicht, die piezoelektrische Elementeinheiten gemäß Beispiel 3 zeigt;
21 eine erklärende Ansicht, die die Beziehung zwischen der Anzahl gestapelter Schichten von piezoelektrischen Keramikschichten und der innerhalb einer piezoelektrischen Elementeinheit auftretenden Belastung zeigt;
22 eine erklärende Ansicht, die die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke gebondeter Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements und einer piezoelektrischen Konstanten der gebondeten Keramikschichten zeigt;
23 eine erklärende Ansicht, die die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke und dem Ausmaß der Verschiebung des piezoelektrischen Einheitselements zeigt; und
24 eine erklärende Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Parallelitätswert der Bondoberflächen einer piezoelektrischen Elementeinheit und einer inneren Belastung zeigt.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele derselben näher beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
In den vorstehenden ersten bis vierten Aspekten der Erfindung bestand jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
Hier sind die Ergebnisse des Auffindens der Beziehung zwischen der Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichten und der im Inneren einer piezoelektrischen Elementeinheit durch Simulation in 21 gezeigt.
Die Simulation wurde durch eine piezoelektrische Analyse unter Verwendung des Verfahrens der finiten Elemente durchgeführt.
Wie in 21 gezeigt ist, ist allgemein die in der Einheit erzeugte Belastung um so größer, je größer die Anzahl gestapelter Schichten ist. Insbesondere wird bei über 50 Schichten eine große innere Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugt. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß Risse bzw. Brüche in der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
Ferner bestand in den fünften bis achten Aspekten der Erfindung jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
Falls die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichten kleiner als sechs ist, wird das Ausmaß der Deformation bzw. Verformung pro piezoelektrischer Elementeinheit kleiner. Daher wäre es, um einen eine ausreichende Verschiebung erzeugenden piezoelektrischen Aktuator zu erhalten, notwendig, eine größere Anzahl von piezoelektrischen Elementeinheiten zu bonden. Dies würde nicht nur dazu führen, daß die Gesamtlänge nach dem Bonden zunimmt, sondern würde auch darin resultieren, daß die Dicke in der Stapelrichtung pro piezoelektrischer Elementeinheit kleiner wird, die Handhabung schwieriger würde, der Produktionsprozeß mühsamer würde, und auch die Produktionskosten ansteigen würden.
Als Nächstes können die piezoelektrischen Elementeinheiten mittels einem Kleber gebondet werden. Als ein solcher Binder können zum Beispiel ein Silikon-basierter, ein Epoxy-basierter, ein Urethan-basierter, ein Polyimid-basierter, oder ein anderer Kleber verwendet werden.
Ferner wird es in dem ersten Aspekt und in dem fünften Aspekt der Erfindung bevorzugt, daß die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden werden, und daß die elektrische Feldstärke (Feldintensität) von gebondeten Keramikschichten nicht größer ist als das koerzitive elektrische Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
In diesem Fall können die gebondeten Keramikschichten im wesentlichen inaktiv gemacht werden.
Hier sind die Ergebnisse des Auffindens der Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke gebondeter Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrische Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten und der piezoelektrischen Konstanten der gebondeten Keramikschichten durch Versuche in 22 gezeigt.
In der Figur zeigt die Abszisse die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements [(elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten)/(koerzitives elektrisches Feld des piezoelektrischen Einheitselements)], während die Ordinate die piezoelektrische Konstante der gebondeten Keramikschichten zeigt.
Wie aus 22 ersichtlich ist, wird dann, wenn die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements überschreitet, die piezoelektrische Konstante der gebondeten Keramikschichten größer werden. Das heißt, daß dies zeigt, daß die Keramikschichten aktiv werden. Ferner werden in diesem Fall die Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten zur Zeit des Betriebs leicht beschädigt.
Ferner beträgt die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten stärker bevorzugt nicht mehr als das 0,8-fache des koerzitiven elektrischen Felds des piezoelektrischen Einheitselements.
In diesem Fall wird, wie aus 22 ersichtlich ist, die piezoelektrische Konstante der gebondeten Keramikschichten zu nahezu Null werden, und werden die gebondeten Keramikschichten in ihrem Zustand inaktiver werden.
Als Nächstes wird das koerzitive elektrische Feld erklärt.
23 ist eine erklärende Ansicht des koerzitiven elektrische Felds (Ec). Die Figur zeigt die elektrische Feldstärke, die das piezoelektrische Einheitselement beaufschlagt, auf der Abszisse, und das Ausmaß der Verschiebung auf der Ordinate. Es wird angemerkt, daß die elektrische Feldstärke als Plus (+) für dieselbe Richtung wie die Polarisationsrichtung und als Minus (–) für die der Polarisationsrichtung entgegengesetzte Richtung angegeben ist.
Ferner wird beginnend an dem Punkt A zunächst die elektrische Feldstärke an das piezoelektrische Einheitselement in derselben Richtung wie der Polarisationsrichtung angelegt und in ihrem Wert langsam angehoben. Zusammen mit diesem nimmt das Ausmaß der Verschiebung des piezoelektrischen Einheitselements zu. Es wird angemerkt, daß das Ausmaß der Verschiebung durch Messen der Verschiebung in der Stapelrichtung bei Anlegen einer konstanten Spannung und Verwenden der Verschiebung pro Einheitslänge in der Stapelrichtung zu dieser Zeit als das Ausmaß der Verschiebung ermittelt werden kann. Dieses Ausmaß der Verschiebung kann unter Verwendung eines Laser-Verschiebungsmessers, eines nach dem elektrostatischen Kapazitätsprinzip arbeitenden Verschiebungsmessers usw. gemessen werden.
Als Nächstes wird, nachdem die elektrische Feldstärke den Punkt B erreicht, die elektrische Feldstärke langsam verringert. Dieses Mal fällt das Ausmaß der Verschiebung zusammen mit dem Abfall in der elektrische Feldstärke ab. Auch nachdem die elektrische Feldstärke 0 wird, wird die elektrische Feld stärke in der zu der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtung langsam reduziert. Zusammen hiermit fällt das Ausmaß der Verschiebung weiter ab. Ferner beginnt dann, wenn die elektrische Feldstärke den Punkt C erreicht, das Ausmaß der Verschiebung plötzlich zuzunehmen. Der Absolutwert der elektrischen Feldstärke an diesem Punkt ist das koerzitive elektrische Feld in der vorliegenden Erfindung.
Als Nächstes wird danach dann, wenn die elektrische Feldstärke den Punkt D erreicht, die elektrische Feldstärke erneut erhöht. Zusammen mit diesem fällt dieses Mal das Ausmaß der Verschiebung ab. Ferner beginnt dann, wenn die elektrische Feldstärke 0 wird und die elektrische Feldstärke in der Polarisationsrichtung weiter angehoben wird, das Ausmaß der Verschiebung plötzlich zuzunehmen. Da zwischen dem Punkt D und dem Punkt C verschiedene Fälle vorliegen, wird erfindungsgemäß das koerzitive elektrische Feld dann, wenn Spannung in der zu der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtung angelegt wird, zu Ec gemacht.
Es wird angemerkt, daß wie in 23 gezeigt durch nachfolgendes weiteres Anheben der elektrischen Feldstärke schließlich ein Zustand erreicht wird, der im wesentlichen derselbe ist wie der bei Punkt B, und dann nachfolgend ein ähnliches Verhalten wiederholt wird.
Wenn die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten größer ist als das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements, besteht die Gefahr; daß die gebondeten Keramikschichten sich verschieben und die Bondoberflächen zur Zeit des Anlegens von Spannung beschädigen.
Als Nächstes werden bevorzugt zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden, ist eine elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten größer als ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten, und weist ein gebondeter Teil eine Harzisolationsschicht auf.
In diesem Fall ermöglicht es die Harzisolationsschicht, die tatsächliche elektrische Feldstärke, die an die gebondeten Keramikschichten angelegt wird, kleiner als das koerzitive elektrische Feld zu machen. Daher ist es leicht möglich, die gebondeten Keramikschichten inaktiv zu machen.
Die Harzisolationsschicht kann, wie vorstehend erklärt wurde, durch Bonden der piezoelektrischen Elementeinheiten mittels zum Beispiel einem Silikon-basierten, einem Epoxy-basierten, einem Urethan-basierten, einem Polyimid-basierten, oder einem anderen Kleber erzeugt werden.
Als Nächstes werden bevorzugt zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden von im wesentlichen gleichem Potential verbunden.
In diesem Fall ist es auch dann, wenn die gebondeten Keramikschichten beschädigt sind, möglich, Kurzschlüsse an den gebondeten Teilen zu verhindern. Ferner ist es in diesem Fall leicht möglich, die gebondeten Keramikschichten in ihrem Zustand inaktiv zu machen.
Ferner sind bevorzugt an einem gebondeten Teil Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontakt, und weist der gebondete Teil eine Harzschicht auf.
In diesem Fall ist es möglich, den Verlust an Verschiebung und erzeugter Kraft an dem gebondeten Teil zu reduzieren. Die Harzisolationsschicht kann durch Bonden der piezoelektrischen Elementeinheiten mittels zum Beispiel einem Silikon-basierten, einem Epoxy-basierten, einem Urethan-basierten, einem Polyimid-basierten, oder einem anderen Kleber erzeugt werden.
Als Nächstes ist in dem sechsten Aspekt der Erfindung und dem sechsten Aspekt der Erfindung ein Parallelitätswert einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm.
Hier ist die Beziehung zwischen dem Parallelitätswert von Bondoberflächen und der nahe den Oberflächen (gebondeter Teil) der piezoelektrischen Elementeinheit erzeugten Belastung in 24 gezeigt. Die Figur zeigt den Parallelitätswert der Bondoberflächen auf der Abszisse und die nahe den Oberflächen (gebondeter Teil) der piezoelektrischen Elementeinheit erzeugte Belastung auf der Ordinate.
Wie in 24 gezeigt ist, wird allgemein mit größer werdendem Parallelitätswert der Bondoberflächen die nahe den Oberflächen (gebondeter Teil) der piezoelektrischen Elementeinheit auftretende Belastung größer.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, wird dann, wenn der Parallelitätswert der Bondoberflächen nicht höher als 0,1 mm ist, die in den Einheiten auftretende Belastung extrem klein. Daher ist es möglich, eine Beschädigung an den Bondoberflächen weiter zu verhindern.
Es wird angemerkt, daß der Parallelitätswert in Übereinstimmung mit dem in JIS-B0621-1984 definierten Verfahren gemessen werden kann.
Ferner weisen die piezoelektrischen Aktuatoren des dritten Aspekts der Erfindung, des vierten Aspekts der Erfindung, des siebten Aspekts der Erfindung, und des achten Aspekts der Erfindung Anschluß- bzw. Verbindungselemente mit einem Young'schen Modul bzw. Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten auf, wie vorstehend beschrieben wurde.
Als solche Verbindungselemente gibt es zum Beispiel solche, die aus Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid, Bornitrid usw. hergestellt sind.
Der Elastizitätsmodul kann mittels dem in JIS-R1602-1995 definierten Verfahren gemessen werden. Wenn jedoch die angegebene Prüfprobenform nicht erhalten bzw. hergestellt werden kann, ist es möglich, unter Verwendung einer Probe, die durch Schneiden eines Verbindungselements und einer piezoelektri schen Elementeinheit auf dieselbe Form erhalten wurde, und Vergleichen derselben einen zu dem JIS-Standard ähnlichen Test durchzuführen.
Ferner sind bei den piezoelektrischen Aktuatoren des dritten Aspekts der Erfindung und des siebten Aspekts der Erfindung das piezoelektrische Einheitselement und Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.
Die piezoelektrischen Keramikschichten der Puffereinheiten können unter Verwendung von Materialien ähnlich denen der piezoelektrischen Keramikschichten in den piezoelektrischen Elementeinheiten hergestellt werden.
Jede Puffereinheit besteht aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten, auf dieselbe Art und Weise wie die piezoelektrischen Elementeinheiten. Als ein bestimmtes Verfahren zum Abpuffern der inneren Belastung in dem piezoelektrischen Einheitselement ist es möglich, die Dikken der piezoelektrischen Keramikschichten in den Puffereinheiten größer als die der piezoelektrischen Keramikschichten in den piezoelektrischen Elementeinheiten zu machen. Ferner ist es möglich, piezoelektrische Materialien mit kleineren piezoelektrischen Konstanten als die der piezoelektrischen Elementeinheiten zu verwenden, um die Puffereinheiten herzustellen, oder die an die Puffereinheiten angelegte Spannung gegenüber der an die piezoelektrischen Elementeinheiten angelegten Spannung zu reduzieren.
Ferner ist es möglich, die Puffereinheiten und das piezoelektrische Einheitselement mittels einem Harzbinder zu bonden. Die Zwing- bzw. Haltekraft eines Harzbinders ist kleiner, so daß auch in diesem Fall die Wirkung der Zwischenlegung der Puffereinheiten ausreichend erhalten werden kann.
Als Nächstes beträgt der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten.
Falls der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente kleiner ist als das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten, könnte es dann, wenn die Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators nach außen übertragen wird, unmöglich werden, den Verlust an Verschiebung und erzeugter Kraft zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem außenliegenden Metallelement usw. ausreichend zu reduzieren.
Als Nächstes ist bevorzugt das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner als das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements und im wesentlichen dasselbe wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
In diesem Fall ist es möglich, das Auftreten von Rissen bzw. Brüchen im Inneren des piezoelektrischen Aktuators wirkungsvoller zu verhindern.
Als ein bestimmtes Mittel zum Machen des Ausmaßes der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner als das der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements und im wesentlichen zu demselben wie dem des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements gibt es zum Beispiel das folgende Verfahren.
Das heißt, dieses kann dadurch verwirklicht werden, daß die Dicken der piezoelektrischen Keramikschichten im Inneren der Puffereinheit zu im wesentlichen derselben Dicke wie die der piezoelektrischen Keramikschicht des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements gemacht werden, und größer als die der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten auf der Seite des Verbindungselements gemacht werden.
Ferner kann dies, als ein anderes Verfahren, während der Herstellung der Puffereinheit durch Verwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer kleineren piezoelektrischen Konstanten als der der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichten der Verbindungselementseite und Verwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer piezoelektrischen Konstanten im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichten der Seite des piezoelektrischen Einheitselements, um die Puffereinheiten herzustellen, verwirklicht werden. Ferner kann dies durch Reduzieren der an die Seite des Verbindungselements der Puffereinheit angelegten Spannung gegenüber der an die Seite des piezoelektrischen Einheitselements angelegten Spannung verwirklicht werden.
Ferner sind in dem vierten Aspekt der Erfindung und in dem achten Aspekt der Erfindung das piezoelektrische Einheitselement und Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten mit einem Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente versehen.
Der Elastizitätsmodul kann mittels dem in JIS-R1602-1995 definierten Verfahren gemessen werden. Wenn jedoch die angegebene Prüfprobenform nicht erhalten bzw. hergestellt werden kann, ist es möglich, unter Verwendung einer Probe, die durch Schneiden eines Verbindungselements und einer Blindeinheit auf dieselbe Form erhalten wurde, und Vergleichen derselben einen zu dem JIS-Standard ähnlichen Test durchzuführen.
Ferner ist es möglich, die Blindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement mittels einem Harzbinder zu bonden. Die Zwing- bzw. Haltekraft eines Harzbinders ist kleiner, so daß auch in diesem Fall die Wirkung der Zwischenlegung der Blindeinheiten ausreichend erhalten werden kann.
Ferner können das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente sowohl Puffereinheiten als auch Blindeinheiten aufweisen, die zwischen sie gelegt sind. In diesem Fall werden das piezoelektrische Einheitselement, die Puffereinhei ten, die Blindeinheiten und die Verbindungselemente durch den vorstehenden Harzbinder gebondet.
Bevorzugt beträgt der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten und Blindeinheiten.
Falls der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente kleiner ist als das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten und Blindeinheiten, könnte es dann, wenn die Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators nach außen übertragen wird, unmöglich werden, den Verlust an Verschiebung und erzeugter Kraft zwischen dem piezoelektrischen Aktuator und dem außenliegenden Metallelement usw. ausreichend zu reduzieren.
Bevorzugt besteht jede Blindeinheit aus einem Keramikmaterial, das dasselbe ist wie das einer piezoelektrische Keramikschicht der piezoelektrischen Elementeinheiten.
In diesem Fall wird es nicht nur leicht, die Blindeinheiten herzustellen, sondern kann auch der Elastizitätsmodul der Blindeinheiten im wesentlichen gleich dem der piezoelektrischen Elementeinheiten gemacht werden, so daß es auch dann, wenn Risse in den Blindeinheiten von der Seite des Verbindungselements ausgehend auftreten, möglich ist, wirkungsvoll das Fortschreiten der Risse zu den piezoelektrischen Elementeinheiten zu verhindern.
Bevorzugt sind die Blindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement zwischen sich mit Puffereinheiten versehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern, und ist das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner als das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit und im wesentlichen gleich wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelek trischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
In diesem Fall ist es möglich, das Auftreten von Rissen im Inneren des piezoelektrischen Aktuators wirkungsvoller zu verhindern.
Als ein bestimmtes Mittel zum Machen des Ausmaßes der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner als das der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Blindelements und im wesentlichen zu demselben wie dem des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements gibt es zum Beispiel das folgende Verfahren.
Das heißt, dieses kann dadurch verwirklicht werden, daß die Dicken der piezoelektrischen Keramikschichten im Inneren der Puffereinheit zu im wesentlichen derselben Dicke wie die der piezoelektrischen Keramikschicht des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements gemacht werden, und größer als die einer piezoelektrischen Keramikschicht einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit gemacht werden.
Ferner kann dies, als ein anderes Verfahren, während der Herstellung der Puffereinheit durch Verwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer kleineren piezoelektrischen Konstanten als der der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichten der Seite der Blindeinheit und Verwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer piezoelektrischen Konstanten im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichten der Seite des piezoelektrischen Einheitselements, um die Puffereinheiten herzustellen, verwirklicht werden. Ferner kann dies durch Reduzieren der an die Seite der Blindeinheit der Puffereinheit angelegten Spannung gegenüber der an die Seite des piezoelektrischen Einheitselements angelegten Spannung verwirklicht werden.
Ferner besteht in dem dritten und dem vierten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten, und sind die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, inaktiv.
Die in einer Puffereinheit auftretende Belastung wird, wie bei einer piezoelektrischen Elementeinheit, um so größer, je größer die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichten ist. Insbesondere wird bei über 50 Schichten eine große innere Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugt, so daß die Gefahr besteht, daß Risse in der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten. Ferner besteht dann, wenn zur Zeit des Anlegens von Spannung die Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, nicht inaktiv sind, das heißt aktiv sind, die Gefahr, daß sich die Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, positiv verformen, und besteht die Gefahr, daß die gebondeten Teile zwischen den Puffereinheiten und den piezoelektrischen Elementeinheiten, Verbindungselementen oder Blindeinheiten beschädigt werden.
Ferner besteht in dem siebten und dem achten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus zumindest sechs zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten, und sind die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, inaktiv.
Falls die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit kleiner als sechs ist, wird die Dicke in der Stapelrichtung pro Puffereinheit klein, so daß die Handhabung schwieriger wird, der Produktionsprozeß mühsamer wird, und auch die Gefahr besteht, daß die Produktionskosten ansteigen. Ferner besteht dann, wenn zur Zeit des Anlegens von Spannung die Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, nicht inaktiv sind, das heißt aktiv sind, die Gefahr, daß sich die Keramikschichten, die zwischen den beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, positiv verformen, und besteht die Gefahr, daß die gebondeten Teile zwischen den Puffereinheiten und den piezoelektrischen Elementeinheiten, Verbindungselementen oder Blindeinheiten beschädigt werden.
Ferner besteht in dem siebten und dem achten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
Falls die Anzahl von piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit 50 übersteigt, wird auf dieselbe Art und Weise wie bei einer piezoelektrischen Elementeinheit die in der Puffereinheit auftretende innere Belastung größer werden, und wird zur Zeit des Anlegens von Spannung eine große innere Belastung erzeugt werden, so daß die Gefahr besteht, daß Risse in der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
Als Nächstes besteht bevorzugt jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
Wie vorstehend erklärt wurde, wird dann, wenn die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichten in einer piezoelektrischen Elementeinheit 50 übersteigt, eine große innere Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung auftreten, und besteht infolgedessen die Gefahr, daß Risse in der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
Als Nächstes wird es in den ersten bis achten Aspekten der Erfindung bevorzugt, daß die Dicken der Keramikschichten an den äußersten Seiten der piezoelektrischen Elementeinheiten in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, zumindest die Dicke einer zwischen inneren Elektrodenschichten in den piezoelektrischen Elementeinheiten gelegten Keramikschicht, das heißt einer Antriebskeramikschicht, sind.
In diesem Fall ist es möglich, das Ausmaß der Verformung der äußersten Keramikschichten zu unterdrücken, so daß es möglich ist, eine Beschädigung der Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten weiter zu unterdrücken.
Ferner besteht erfindungsgemäß jede piezoelektrischen Keramikschicht bevorzugt aus einem PZT-basierten Material.
In diesem Fall ist es möglich, guten Gebrauch von der überlegenen Eigenschaft des vorstehenden PZT-Materials [generische Bezeichnung für ein Oxyd einer Pb(Zr,Ti)O₃-basierten Perovskitstruktur] als Piezoelektrikum zu machen, um das Leistungsvermögen als ein Aktuator eines Injektors usw. zu verbessern.
Als die innere Elektrodenschicht ist es möglich, ein Metall zu verwenden, das zumindest eines von Ag, Pd, Pt, Cu und Ni oder eine Legierung derselben einschließt.
Ferner werden die vorstehenden piezoelektrischen Aktuatoren bevorzugt für Injektoren bzw. Einspritzdüsen verwendet.
In diesem Fall kann die überlegene Dauerhaftigkeit der piezoelektrischen Aktuatoren ausreichend gezeigt werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ihre Beispiele weiter beschrieben. Es wird jedoch angemerkt, daß die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
Als Nächstes wird der piezoelektrische Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung der 1 bis 16 erklärt.
Der piezoelektrische Aktuator 1 dieses Beispiels besteht aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten 15, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 und inneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht, die abwechselnd gestapelt sind, wie in 7 gezeigt ist, und an den Oberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung, das heißt den Bondoberflächen 155, gebondet sind, um die gebondeten Tei le wie in 1 bis 3 gezeigt zu erzeugen. Jede piezoelektrische Elementeinheit 15 besteht aus nicht mehr als 50 der zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151. Die gebondeten Keramikschichten 115, die zwischen jeweils zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153 und 154 liegen und beiderseits eines gebondeten Teils 13 liegen, sind inaktiv.
Als Nächstes wird ein piezoelektrischer Aktuator dieses Beispiels unter Verwendung der 1 bis 3 im Einzelnen erklärt.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, weist der piezoelektrische Aktuator (Probe E1) 1 des vorliegenden Beispiels ein gebondetes piezoelektrische Einheitselement 11 auf, das aus 20 piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht, die an gebondeten Teilen 13 gebondet sind. Jede piezoelektrische Elementeinheit 15 besteht aus abwechselnd zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151, die aus einem PZT-basierten Material bestehen, und inneren Elektrodenschichten 153 und 154, die aus Ag und Pd bestehen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit der Erstellung der Figuren zeigen die Figuren nicht die Einzelheiten, sondern die Anzahl gestapelter Schichten der aktiven piezoelektrischen Keramikschichten 151, die als piezoelektrische Elemente in jeder piezoelektrischen Elementeinheit 15 bis 20 dienen.
Jede der Elektrodenschichten 153 und 154 ist so ausgestaltet, daß sie nur eine Seitenoberfläche der piezoelektrischen Keramikschichten 151 erreicht. Ferner sind die Seitenoberflächen jeder piezoelektrischen Elementeinheit 15 mit externen Elektroden 5 und 6 versehen, die aus Ag bestehen und so mit externen Leistungsquellen mit unterschiedlichen Potentialen verbunden sind, daß sie zu beiden Seiten derselben liegen. An den Seitenoberflächen jeder piezoelektrischen Elementeinheit 15 sind die inneren Elektrodenschichten 153 und 154 abwechselnd elektrisch mit den externen Elektroden 5 und 6 in der Stapelrichtung verbunden. Daher sind bei dem piezoelektrischen Aktuator zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 153 und 154 mit externen Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen verbunden.
Ferner weist, wie in 1 und 2 gezeigt ist, der piezoelektrische Aktuator 1 dieses Beispiels aus Aluminiumoxid hergestellte Verbindungselemente 5 mit einem größeren Elastizitätsmodul als die piezoelektrischen Elementeinheiten 15 an den äußersten Enden des piezoelektrischen Einheitselements 11 in der Stapelrichtung auf.
Das piezoelektrische Einheitselement 11 und Verbindungselemente 4 weisen zwischen sich gelegt Puffereinheiten 2 zum Abpuffern der inneren Belastung des piezoelektrischen Einheitselements 11 und nicht mit Spannung versorgte Blindeinheiten 3 mit einem Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente auf. Die Puffereinheiten 2 und die Blindeinheiten 3 bestehen aus einem PZT-basierten Material, das dasselbe ist wie das der piezoelektrischen Keramikschichten 151 der piezoelektrischen Elementeinheiten 15.
Jede Puffereinheit 2 besteht, wie in 1, 2 und 9 gezeigt ist, aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 und inneren Elektrodenschichten 253 und 254. In jeder Puffereinheit ist die Dicke einer als piezoelektrisches Element aktiven piezoelektrischen Keramikschicht 251 im wesentlichen dieselbe wie die einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 in einer piezoelektrischen Elementeinheit 15 auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements 11, und ist größer als die einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 in einer piezoelektrischen Elementeinheit 15 auf der Seite des Verbindungselements. Ferner weist jede Puffereinheit 2 externe Elektroden 5 und 6 auf, die die Seitenoberflächen der Puffereinheit auf dieselbe Art und Weise wie bei einer piezoelektrischen Elementeinheit 15 zwischen sich einschließen. Diese externen Elektroden 5 und 6 sind mit den inneren Elektrodenschichten 253 und 254 verbunden.
Ferner besteht, wie in 1 und 2 gezeigt ist, jede Blindeinheit 3 aus piezoelektrischen Keramikschichten ähnlich den piezoelektrischen Keramikschichten 151 in einer piezoelek trischen Elementeinheit 15 und den piezoelektrischen Keramikschichten 251 in einer Puffereinheit 2, weist aber keine inneren Elektrodenschichten wie eine piezoelektrische Elementeinheit 15 und eine Puffereinheit 2 auf.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators gemäß diesem Beispiel unter Verwendung der 1 bis 9 erklärt.
Der piezoelektrische Aktuator dieses Beispiels kann unter Verwendung des weithin benutzten Verfahrens ungebrannter Platten (green sheet method) produziert werden. Die ungebrannten Platten werden wie folgt vorbereitet:
Das heißt, zunächst wird ein bekanntes Verfahren dazu verwendet, Pulver aus Zinkoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Strontiumkarbonat usw., die Hauptzutaten des piezoelektrischen Materials bilden, abzuwiegen, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erhalten. In diesem Beispiel erfolgt dies so, daß die endgültige Zusammensetzung zu sogenanntem PZT (Blei Zirkonat Titanat) wird. Ferner werden unter Berücksichtigung der Verdampfung von Blei die Materialien so vorbereitet, daß sie um 1 bis 2% reicher als das stöchiometrische Verhältnis der Zusammensetzung sind. Diese Materialien werden mittels einem Mischer trocken gemischt und dann bei 800 bis 950°C kalziniert.
Als Nächstes wird dem kalzinierten Pulver reines Wasser und ein Dispergiermittel hinzugefügt, um einen Brei zu erzeugen, und wird dann mittels einer Kugelmühle naß pulverisiert. Das pulverisierte Material wird dann getrocknet, entfettet, mit einem Lösungsmittel, einem Binder, einem Plasticizer, einem Dispergiermittel usw. ergänzt und mittels einer Kugelmühle gemischt. Als Nächstes wird diesem Brei, während er mittels einem Rührer gerührt wird, unter Vakuum Luft entzogen, und wird dieser hinsichtlich der Viskosität eingestellt.
Als Nächstes wird der Brei mittels einem Doctor Blade- bzw. Abziehklingensystem zu einer ungebrannten Platte einer konstanten Dicke ausgeformt.
Die resultierende ungebrannte Platte wird mittels einer Presse gestanzt oder mittels einem Schneider geschnitten, um rechteckförmige Platten vorbestimmter Größen zu erhalten.
Als Nächstes wird zum Beispiel, wie in 4 gezeigt ist, eine Silber- und Palladiumpaste mit einem Verhältnis von Silber/Palladium von 7/3 (nachstehend in Kurzform als "Ag/Pd-Paste" bezeichnet) dazu verwendet, eine Struktur bzw. ein Muster auf eine Oberfläche jeder der ausgeformten ungebrannten Platten 7 mittels Raster- bzw. Siebdruck zu drucken. 4 zeigt ein Beispiel einer ungebrannten Platte nach dem Drucken einer Elektrodenstruktur.
Die Oberfläche jeder ungebrannten Platte 7 ist über ihre gesamte Oberfläche mit einer Struktur ausgebildet, die etwas kleiner ist als sie. Dies wird als die innere Elektrodenschicht 153 (154) verwendet. Eine von zwei gegenüberliegenden Seiten der Oberfläche der ungebrannten Platte 7 ist mit einem nicht ausgestalteten Teil 75 versehen, an dem die innere Elektrodenschicht 153 (154) nicht ausgebildet ist. Das heißt, die innere Elektrodenschicht 153 (154) ist so angeordnet, daß sie ein Ende einer von zwei sich gegenüberliegenden Seiten der ungebrannten Platte 7 (den der Seitenoberfläche des piezoelektrischen Aktuators entsprechenden Abschnitt) nicht erreicht, während die innere Elektrodenschicht 153 (154) das Ende der anderen gegenüberliegenden Seite erreicht.
Eine vorbestimmte Anzahl von ungebrannten Platten 7, die mit dieser inneren Elektrodenschicht 153 ausgebildet sind, wird auf der Grundlage der erforderlichen Spezifikation des Ausmaßes der Verschiebung des piezoelektrischen Einheitselements 11 und der Puffereinheiten 2 vorbereitet. Ferner wird auch die notwendige Anzahl von ungebrannten Platten 7, die nicht mit inneren Elektrodenschichten 153 (154) bedruckt sind, vorbereitet.
Als Nächstes werden diese ungebrannten Platten 7 wie in 5 gezeigt gestapelt. Zu dieser Zeit werden sie so gestapelt, daß die ungeformten bzw. nicht ausgestalteten Enden 75 abwechselnd an der linken Seite und der rechten Seite in der Figur positioniert werden.
Einundzwanzig (21) ungebrannte Platten, die mit inneren Elektrodenschichten 153 (154) ausgebildet sind, werden auf diese Art und Weise zusammengestapelt, dann werden ungebrannte Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten 153 (154) ausgebildet sind, an der Oberseite und an der Unterseite überlagert, um einen Stapel 70 zu erzeugen, der aus insgesamt 30 ungebrannten Platten besteht, wie in 6 gezeigt ist. Es wird angemerkt, daß 6 einen Stapel zeigt, in dem gewisse gestapelte Schichten aus Gründen der Zweckmäßigkeit bei der Erstellung der Figur weggelassen sind.
Als Nächstes wird der Stapel 70 heißpressgebondet, dann mittels einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 400 bis 700°C entfettet, bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C gebrannt, und dann zu einer gewünschten Form geschliffen. Aufgrund dessen werden die ungebrannten Keramikplatten 7 zu piezoelektrischen Keramikschichten 151, und wird eine piezoelektrische Elementeinheit 15, die aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 und inneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht, die abwechselnd gestapelt sind, wie in 7 gezeigt erhalten. Diese piezoelektrische Elementeinheit 15 hat 20 piezoelektrische Keramikschichten, die als piezoelektrische Elemente aktiv sind. Derselben Routine wie vorstehend wird gefolgt, um 20 solcher piezoelektrischer Elementeinheiten 15 vorzubereiten.
Der Parallelitätswert der Bondoberflächen 155 jeder der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 wurde in Übereinstimmung mit dem in JIS-B0621-1984 festgelegten Verfahren gemessen, woraufhin, wie in der später erwähnten Tabelle 1 gezeigt ist, der Parallelitätswert kleiner als 0,05 mm war.
Hier wird der Parallelitätswert der Bondoberflächen einer piezoelektrischen Elementeinheit 15 unter Verwendung von 8 erklärt. 8 ist eine Ansicht einer piezoelektrischen Elementeinheit von einer Seitenoberfläche aus gesehen.
Wie in der Figur gezeigt ist, bilden die beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit 15 in der Stapelrichtung zwei Bondoberflächen 155a und 155b, die als Bondoberflächen zum Bonden mit anderen piezoelektrischen Elementeinheiten dienen. Der Parallelitätswert dieser Bondoberflächen ist der Parallelitätswert einer Bondoberfläche 155a (oder 155b) in Bezug auf eine andere Bondoberfläche 155b (oder 155a) aus den zwei Bondoberflächen 155a und 155b an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit 15 in der Stapelrichtung. Das heißt in 8 wird dann, wenn eine Linie im wesentlichen parallel zu einer Bondoberfläche 155b als Linie A bezeichnet wird, die durch den an der anderen Bondoberfläche 155a am weitesten hervorstehenden Abschnitt und parallel zu der Linie A verlaufende Linie als Linie A1 bezeichnet wird, und die durch den an der Bondoberfläche 155a durch den am weitesten zurücktretenden Abschnitt und parallel zu der Linie A verlaufende Linie als Linie A2 bezeichnet wird, der Abstand X zwischen den Linien A1 und A2 zu dem Parallelitätswert.
Als Nächstes wurden Sätze aus 19 ungebrannten Platten, die mit inneren Elektrodenschichten ähnlich denjenigen, die bei der Herstellung der vorstehenden piezoelektrischen Elementeinheiten ausgebildet waren, gestapelt, um Stapel für Puffereinheiten zu erzeugen. In jedem Puffereinheitsstapel wurden ungebrannte Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten ausgebildet waren, für den Teil zweier Schichten auf der die Seite des Verbindungselements bildenden Seite nach der Montage des piezoelektrischen Aktuators zwischengelegt, um die Dicke der Seite des Verbindungselements zu dem Zweifachen der einer piezoelektrischen Keramikschicht einer piezoelektrischen Elementeinheit zu machen. Ferner wurden ungebrannte Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten ausgebildet waren, weiter an der äußersten Seite der Seite des Verbindungselements gestapelt.
Als Nächstes wurden diese Puffereinheitsstapel heißpressgebondet, entfettet, und dann gebrannt, auf dieselbe Art und Weise wie die vorstehenden, um Puffereinheiten 2 wie in 8 gezeigt herzustellen.
Als Nächstes wurden Sätze aus 20 ungebrannten Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten ausgebildet waren, gestapelt, um Stapel für Blindeinheiten herzustellen. Diese Blindeinheitenstapel wurden dann heißpressgebondet, entfettet, und dann gebrannt, auf dieselbe Art und Weise wie die vorstehenden, um Blindeinheiten 3 zu erhalten.
Ferner wurden Verbindungselemente 4 durch maschinelles Bearbeiten von gesinterten Aluminiumoxidblöcken auf die gewünschten Formen hergestellt.
Als Nächstes wurden die so hergestellten piezoelektrischen Elementeinheiten 15, die Puffereinheiten 2, die Blindeinheiten 3 und die Verbindungselemente 4 gestapelt, um einen in den 1 bis 3 gezeigten piezoelektrischen Aktuator auf die folgende Art und Weise herzustellen.
Im Einzelnen wurden zunächst aus Ag bestehende externe Elektroden 5 und 6 so erzeugt, daß diese Seitenoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 und der Puffereinheiten 2 zwischen sich einschlossen.
Die externen Elektroden 5 werden an den Positionen der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 und der Puffereinheiten 2 ausgebildet, an denen die inneren Elektrodenschichten 153 oder inneren Elektrodenschichten 253 einer der Polaritäten freigelegt sind und die inneren Elektrodenschichten 153 oder inneren Elektrodenschichten 253 leitend verbinden.
Die externen Elektroden 6 werden an den Positionen ausgebildet, an denen die inneren Elektrodenschichten 154 oder inneren Elektrodenschichten 254 der anderen der Polaritäten freigelegt sind und die inneren Elektrodenschichten 154 oder inneren Elektrodenschichten 254 leitend verbinden.
Als Nächstes werden die inneren Elektrodenschichten 153 und 154 der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 und die inneren Elektrodenschichten 154 und 254 der Pufferschichten, die mit den externen Elektroden ausgebildet sind, mit einer Gleich spannung aus den externen Elektroden 5 und 6 zur Polarisation versorgt.
Als Nächstes werden, wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, 20 der so polarisierten piezoelektrischen Elementeinheiten 15 an den Bondoberflächen 155 gestapelt, werden Puffereinheiten 2 an den beiden Enden gestapelt, werden erneut Blindeinheiten 2 an den beiden Enden gestapelt, und werden erneut Verbindungselemente 4 an den beiden Enden gestapelt. Zu dieser Zeit werden, wie in 3 gezeigt ist, diese so gestapelt, daß die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153 und 154, die jeden gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, gegenüberliegende Seitenoberflächen erreichen.
Auf diese Art und Weise wurde ein piezoelektrischer Aktuator 1 wie in den 1 bis 3 gezeigt hergestellt. Dieser wurde als die Probe E1 verwendet.
Bei dem piezoelektrischen Aktuator 1 der Probe E1 war die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten 115 im Wesentlichen 0. Das heißt, diese lag unterhalb des koerzitiven elektrischen Felds des piezoelektrischen Einheitselements. Die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten und das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements wurden mittels den vorstehenden Verfahren berechnet.
Ferner wurde in diesem Beispiel ein piezoelektrischer Aktuator 1, der durch Bonden der vorstehenden piezoelektrischen Elementeinheiten 15 mittels einem Silikon-basierten Harzbinder und Ausbilden einer Harzisolationsschicht 135 an jedem gebondeten Teil 13 wie in 13 gezeigt erhalten wurde, hergestellt. Dieser wurde als die Probe E2 bezeichnet.
Die Probe E2 ist dieselbe wie die Probe E1, mit der Ausnahme, daß sie eine Harzisolationsschicht 135 an jedem gebondeten Teil 13 aufweist.
Ferner wurden in diesem Beispiel piezoelektrische Aktuatoren mittels demselben Verfahren dem wie für die Probe E1 hergestellt, aber die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelek trischen Keramikschichten, die in den piezoelektrischen Elementeinheiten als piezoelektrische Keramikschichten aktiv sind, das Vorhandensein von Harzisolationsschichten, der Parallelitätswert der Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten, oder das Vorhandensein von Blindeinheiten und Puffereinheiten wurden geändert. Diese wurden als Proben E3 bis E19 bezeichnet. Einzelheiten sind in der später angegebenen Tabelle 1 gezeigt.
Als Nächstes wurde Spannung an die Proben E1 bis E19 und die Probe C1 angelegt, um die Dauerhaftigkeiten der Proben wie vorstehend erklärt zu untersuchen.
Zunächst wurden 10 Stücke jeder der Proben E1 bis E19 und der Probe C1 vorbereitet. Diese wurden durch eine positive Spannung, ohne Anlegen einer negativen Spannung, für 2 × 10⁸ Zyklusbetriebstests angesteuert. Die Anzahl von Stücken, die während des Betriebs Kurzschlüssen unterlagen, wurde gezählt. Die Proben wurden als "gut" beurteilt, wenn keine Kurzschlüsse auftraten, als "brauchbar", wenn Kurzschlüsse in einigen auftraten, und als "schlecht", wenn Kurzschlüsse in allen auftraten. Ferner wurde die Anzahl von Betriebsabläufen, bis Kurzschlüsse auftraten, für die Proben E2 und E7 bis E12 gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, erfüllen die Proben E1 bis E19 zumindest eines der Erfordernisse aus den Bedingungen, daß die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrische Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer ist als 1,0 und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß Harzisolationsschichten vorhanden sind und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß der Parallelitätswert der Bondoberflächen nicht größer als 0,1 ist, daß Puffereinheiten zum Abpuffern der inneren Belastung der piezoelektrischen Einheitselemente vorhanden sind, und daß Blindeinheiten mit einem kleineren Elastizitätsmodul als der der Verbindungselemente vorhanden sind. Ferner können diese piezoelektrischen Aktuatoren zumindest 2 × 10⁸ Mal nahezu ohne Kurzschlüsse arbeiten und waren daher hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen. Daher sind sie besonders für Anwendungen wie beispielsweise Injektoren geeignet.
Andererseits litt, wie der Tabelle 1 zu entnehmen ist, die Probe C1, die keine der vorstehenden Bedingungen erfüllte, an Kurzschlüssen in allen der 10 Stücke während des Betriebs für 2 × 10⁸ Ma1.
Ferner bestand in den Proben E1 bis E14 und den Proben E17 bis E19 jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten. Daher konnte eine zur Zeit des Anlegens von Spannung auftretende Belastung unterdrückt werden, und konnte das Auftreten von Rissen in den piezoelektrischen Elementeinheiten wirkungsvoll unterdrückt werden.
Ferner bestand in den Proben E1 bis E17 und der Probe E19 die piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten. Wenn die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder mehr beträgt, wird das Ausmaß der Verformung der gebondeten Keramikschichten oder der Keramikschichten an den äußersten Seiten der piezoelektrischen Elementeinheit in der Stapelrichtung, das heißt an den äußersten Keramikschichten, größer. Daher besteht die Gefahr, daß eine lokale Beschädigung an den gebondeten Oberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten oder der gebondeten Oberfläche des piezoelektrischen Einheitselements mit einem anderen Element wie beispielsweise einem Verbindungselement auftritt.
Bei den Proben E1 bis E17 und der Probe E19 ist jedoch zumindest eines der Erfordernisse aus den Bedingungen, daß die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrische Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer ist als 1,0 und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß Harzisolationsschichten vorhanden sind und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß der Parallelitätswert der Bondoberflächen nicht größer als 0,1 ist, daß Puffereinheiten zum Abpuffern der inneren Belastung der piezoelektrischen Einheitselemente vorhanden sind, und daß Blindeinheiten mit einem kleineren Elastizitätsmodul als der der Verbindungselemente vorhanden sind, erfüllt. Daher kann eine Beschädigung an den gebondeten Oberflächen unterdrückt werden, und ist die Dauerhaftigkeit überlegen, wie in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Ferner ist, wie der Tabelle 1 entnehmbar ist, wenn die Probe E1, die Probe E7, die Probe E10 und die Probe E11 verglichen werden, unter anderweitig denselben Bedingungen, die kleinste Anzahl von Betriebsabläufen ohne Kurzschlüsse um so größer und die Dauerhaftigkeit um so besser, je kleiner der Parallelitätswert ist.
Ferner wiesen die piezoelektrischen Aktuatoren der Proben E1 bis E8, der Probe E10, der Probe E11 und der Proben E13 bis E19 Puffereinheiten auf. Wie in 9 gezeigt ist, hat jede Puffereinheit 9 eine piezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke im wesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht in einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements 11, und hat eine piezoelektrische Keramikschicht mit einer Dicke des Zweifachen einer piezoelektrischen Keramikschicht in einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements 4.
Daher ist das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der Puffereinheit 2 kleiner als das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements und im wesentlichen dasselbe wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements. Daher ist es möglich, das Auftreten von Rissen an der Innenseite des piezoelektrischen Aktuators wirkungsvoller zu verhindern.
Wie vorstehend erklärt wurde, wurde in diesem Beispiel, wie in 9 gezeigt ist, Gebrauch von einer Puffereinheit mit der doppelten Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht 251 auf der Seite des Verbindungselements gemacht. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Puffereinheit 2 zu verwenden, die mit piezoelektrischen Keramikschichten 251 wie in den 10 bis 12 gezeigt konfiguriert ist.
Das heißt, die in 10 gezeigte Puffereinheit 2 hat eine piezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke im wesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht in einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements und vergrößert die Dicken von zwei der piezoelektrischen Keramikschichten 251, die als piezoelektrische Elemente auf der Seite des Verbindungselements aktiv sind, über der Seite des piezoelektrischen Einheitselements. Ferner ist unter diesen zwei Schichten die Schicht an der äußersten Seite auf der Seite des Verbindungselements mit dem Zweifachen der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements ausgestaltet, während die andere mit dem 1,5-fachen der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements ausgestaltet ist.
Ferner hat die in 11 gezeigte Puffereinheit 2 eine piezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke im wesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht in einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements, und hat eine piezoelektrische Kera mikschicht 251, die als ein piezoelektrisches Element inaktiv ist und eine Dicke größer als die der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des Verbindungselements hat.
Ferner hat die in 12 gezeigte Puffereinheit 2 eine piezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke im wesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht in einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements, vergrößert die Dicke von zwei der piezoelektrischen Keramikschichten 251, die als piezoelektrische Elemente aktiv sind, auf der Seite des Verbindungselements, auf das Zweifache der Dicke der piezoelektrischen Keramikschicht 251 auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements, und hat eine piezoelektrische Keramikschicht 251, das als ein piezoelektrisches Element inaktiv ist und eine Dicke größer als die der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des Verbindungselements auf der äußersten Seite der Seite des Verbindungselements hat.
Die Formen von piezoelektrischen Keramikschichten 151 und der an den piezoelektrischen Keramikschichten 151 ausgebildeten inneren Elektrodenschichten 153 und 154 in dem piezoelektrischen Aktuator 1 dieses Beispiels sind in den 14(A) und (B) gezeigt.
Wie in 14 gezeigt ist, weist eine piezoelektrische Keramikschicht 151 vier abgeschrägte Ecken 159 auf und hat eine im wesentlichen hexagonale Querschnittsform. Die an einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 ausgebildeten inneren Elektrodenschichten 153 und 154 erreichen ein Ende an den ausgebildeten beiden gegenüberliegenden Seiten nicht, wodurch nicht ausgestaltete Teile 75 erzeugt werden. Das andere Ende und die Enden der gegenüberliegenden Seiten, die nicht mit den externen Elektroden 5 und 6 ausgebildet sind, haben freiliegende Elektrodenteile 157 und 158, an denen die innere Elektrodenschicht 153 und die innere Elektrodenschicht 154 freiliegen.
In diesem Beispiel wurden innere Elektrodenschichten 153 und 154 der in 14 gezeigten Formen erzeugt, jedoch können die inneren Elektrodenschichten 153 und 154 mit Änderungen der Formen erzeugt werden. Ferner hängen die piezoelektrischen Aktuatoren dieses Beispiels (Proben E1 bis E12) nicht von den Formen der piezoelektrischen Keramikschichten ab und können auch dann zu ähnlichen Wirkungen führen, wenn diese geändert werden.
Ferner wurden in diesem Beispiel innere Elektrodenschichten sogenannter "Teilelektrodenstrukturen" so erzeugt, daß nicht ausgestaltete Teile an den piezoelektrischen Keramikschichten wie vorstehend erklärt ausgebildet wurden; jedoch ist es wie in den 15(A) und (B) gezeigt auch möglich, innere Elektrodenschichten 152 sogenannter "Vollelektrodenstrukturen" so zu erzeugen, daß die gesamten Oberflächen der piezoelektrischen Keramikschichten 151 bedeckt werden.
In diesem Fall wird ein Isolationselement 8 an einem der Teile erzeugt, an denen die innere Elektrodenschicht zu der externen Elektrode 5 und der externen Elektrode 6 verbindet, um zu ermöglichen, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 152 in einer piezoelektrischen Elementeinheit abwechselnd mit externen Elektroden 5 und 6 unterschiedlicher Potentiale verbunden werden, auf dieselbe Art und Weise wie in dem Fall der inneren Elektrodenschichten der vorstehenden Teilelektrodenstrukturen.
Hier ist 16 eine Schnittansicht des Bereichs nahe einem gebondeten Teil 13 eines piezoelektrischen Aktuators 1 mit inneren Elektrodenschichten 152 von Vollelektrodenstrukturen.
Wie in 16 gezeigt ist, hat jede innere Elektrodenschicht 152 ein Isolationselement 8 an einem der mit der externen Elektrode 5 und der externen Elektrode 6 verbindenden Teile so, daß nur die externe Elektrode 5 oder die externe Elektrode 6 mit ihm verbunden wird.
Dieses Isolationselement 8 trennt die elektrische Verbindung zwischen der externen Elektrode 5 oder 6 und der inneren Elek trodenschicht 152. Daher werden zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 152 in einer piezoelektrischen Elementeinheit 15 mit einer externen Elektrode 5 und einer externen Elektrode 6 unterschiedlicher Potentiale verbunden. Infolgedessen ist es möglich, Wirkungen ähnlich zu einem piezoelektrischen Aktuator mit inneren Elektrodenschichten von Teilelektrodenstrukturen wie vorstehend erklärt zu erhalten.
Beispiel 2
Dieses Beispiel ist ein Beispiel der Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators, bei dem zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit Elektroden von im wesentlichen gleichen Potentialen verbunden sind.
Bei dem piezoelektrischen Aktuator dieses Beispiels sind, wie in 17 gezeigt ist, zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 154, die einen gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, mit Elektroden von im wesentlichen gleichem Potential verbunden. Der Rest der Konfiguration ist derselbe wie bei der Probe E1 von Beispiel 1.
Bei der Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators 1 dieses Beispiels wurden zunächst auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 20 piezoelektrische Elementeinheiten 15 wie in 7 gezeigt vorbereitet.
Ferner wurden auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselemente vorbereitet.
Als Nächstes wurden die piezoelektrischen Elementeinheiten und die Puffereinheiten mit externen Elektroden 5 und 6 versehen, auf dieselbe Art und Weise wie die Probe E1 von Beispiel 1, und wurden ferner auf dieselbe Art und Weise wie die Probe 1 von Beispiel 1 polarisiert. Als Nächstes wurden 20 mit externen Elektroden 5 und 6 versehene piezoelektrische Elementeinheiten 15 an ihren Bondoberflächen gestapelt, und wurden dann Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselemente an den beiden Enden aufgestapelt, auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1. Zu dieser Zeit wurden die piezoelektrischen Elementeinheiten wie in 17 gezeigt so gestapelt, daß die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153, die den gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, dieselbe Seitenoberfläche erreichten. Die piezoelektrischen Elementeinheiten 15 wurden unter Verwendung eines Silikon-basierten Harzbinders gebondet.
Auf diese Art und Weise wurde ein piezoelektrischer Aktuator 1 hergestellt.
Bei dem piezoelektrischen Aktuator 1 dieses Beispiels sind, wie in 17 gezeigt ist, die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 154, die den gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, mit derselben externen Elektrode 6 verbunden.
Daher wird dann, wenn Spannung angelegt wird, dasselbe elektrische Feld an die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 154, die jeden gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, angelegt.
Daher verschieben sich die gebondeten Keramikschichten 115 zur Zeit des Anlegens von Spannung nicht allzusehr, und sind in ihrem Zustand inaktiv. Ferner ist es in diesem Fall möglich, zu verhindern, daß Kurzschlüsse an den gebondeten Teilen 13 auftreten, und zwar auch dann, wenn die gebondeten Keramikschichten 115 beschädigt werden.
Ferner kamen, wie in 18 gezeigt ist, an den gebondeten Teilen 13 die Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 teilweise in direkten Kontakt, und wurden Harzschichten 138 an den gebondeten Teilen 13 ausgebildet. Daher ist es möglich, den Verlust an Verschiebung an den gebondeten Teilen und den Verlust an verursachter Belastung zu reduzieren. Es wird angemerkt, daß in diesem Beispiel die Harzschichten 138 unter Verwendung eines Silikon-basierten Binders, das heißt eines elektrisch isolierenden Binders, erzeugt wurden, jedoch ist es in dem vorliegenden Beispiel, wie vorstehend er klärt wurde, da die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 154, die jeden gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, mit Elektroden des im Wesentlichen gleichen Potentials verbunden sind, nicht notwendigerweise erforderlich, einen Binder mit einer Eigenschaft zur elektrischen Isolation zu verwenden.
Beispiel 3
Dieses Beispiel ist ein Beispiel der Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators, der so konfiguriert ist, daß die Dikken der äußersten Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten größer werden als die Dicken der Antriebskeramikschichten.
Bei dem piezoelektrischen Aktuator dieses Beispiels sind, wie in 19 gezeigt ist, die Dicken der Keramikschichten an den äußersten Seiten der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten 156, größer als die Dicken der zwischen den inneren Elektroden in den piezoelektrischen Elementeinheiten liegenden Keramikschichten, das heißt der Antriebskeramikschichten 151. Der Rest der Konfiguration ist ähnlich der der Probe E1 von Beispiel 1.
Bei der Herstellung des piezoelektrischen Aktuators dieses Beispiels wurden zunächst auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 20 piezoelektrische Elementeinheiten 15 vorbereitet. Zu dieser Zeit wurden in diesem Beispiel wie in 20 gezeigt piezoelektrische Elementeinheiten 15 mit Dicken der äußersten Keramikschichten 156 größer als die Dicken der Antriebskeramikschichten 151 in den piezoelektrischen Elementeinheiten 15 vorbereitet.
Als Nächstes wurden auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselemente vorbereitet.
Als Nächstes wurden die piezoelektrischen Elementeinheiten und die Puffereinheiten auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 mit externen Elektroden versehen und auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 polarisiert. Als Nächstes wurden 20 mit externen Elektroden versehene piezoelektrische Elementeinheiten 15 an ihren Bondoberflächen gestapelt, und wurden auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselemente an den beiden Enden aufgestapelt. Auf diese Art und Weise wurde ein piezoelektrischer Aktuator hergestellt.
Bei dem piezoelektrischen Aktuator dieses Beispiels waren, wie in 19 gezeigt ist, die Dicken der äußersten Keramikschichten 156 größer als die Dicken der Antriebskeramikschichten 151. Daher ist es möglich, die Ausmaße der Verformung der äußersten Keramikschichten zu unterdrücken, und möglich, eine Beschädigung der Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 weiter zu unterdrücken.
Vorstehend wurde somit ein piezoelektrischer Aktuator 1 beschrieben, mit einem piezoelektrischen Einheitselement 11, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht, von denen jede aus abwechselnd gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151 und inneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht, die an ihren äußersten Bondoberflächen in der Stapelrichtung gebondet sind und gebondete Teile 13 bilden. Jede piezoelektrische Elementeinheit 15 besteht aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151. Gebondete Keramikschichten 115, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153 und 154 über einem gebondeten Teil 13 liegen, sind inaktiv.

Claims

Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale ver bunden sind, und eine elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten nicht größer ist als ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind, eine elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten größer ist als ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten, und der gebondete Teil eine Harzisolationsschicht aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden von im wesentlichen dem gleichen Potential verbunden sind.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem gebondeten Teil Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontakt sind und der gebondete Teil eine Harzschicht aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischen Elementeinheit ein Parallelitätswert von einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm ist.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten ist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements, und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodul kleiner als der der Verbindungselemente haben.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten und der Blindeinheiten ist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blindeinheit aus einem keramischen Material besteht, das dasselbe ist wie das einer piezoelektrischen Keramikschicht der piezoelektrischen Elementeinheiten.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern, und daß ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit, und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, die zusammengestapelt sind, und daß die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, inaktiv sind.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind, und eine elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten nicht größer ist als ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind, eine elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten größer ist als ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten, und der gebondete Teil eine Harzisolationsschicht aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mit externen Elektroden von im wesentlichen dem gleichen Potential verbunden sind.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß an dem gebondeten Teil Bondoberflächen der piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontakt sind und der gebondete Teil eine Harzschicht aufweist.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischen Elementeinheit ein Parallelitätswert von einer Bondoberfläche zu einer anderen Bondoberfläche aus den Bondoberflächen an den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als 0,1 mm ist.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmo dul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten ist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements, und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, äußerste Enden in der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodul größer als der der Verbindungselemente haben.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmoduls der piezoelektrischen Elementeinheiten und der Blindeinheiten ist.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blindeinheit aus einem keramischen Material besteht, das dasselbe ist wie das einer piezoelektrischen Keramikschicht der piezoelektrischen Elementeinheiten.
Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement zwischen sich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern, und daß ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge einer Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge der piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit, und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis 23 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus zumindest sechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, die zusammengestapelt sind, und daß die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußersten Keramikschichten, inaktiv sind.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis 23, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus nicht mehr aus 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten besteht.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten besteht.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß Dicken von Keramikschichten an den äußersten Seiten in der Stapelrichtung in jeder piezoelektrischen Elementeinheit, das heißt die äußersten Keramikschichten, zumindest die Dicke einer Keramikschicht, die zwischen inneren Elektrodenschichten in der piezoelektrischen Elementeinheit, das heißt einer Antriebskeramikschicht, haben.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Keramikschicht aus einem PZT-basierten Material besteht.
Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Aktuator für einen Injektor verwendet wird.