DE102004012284A1

DE102004012284A1 - Piezoelektrisches Schichtelement

Info

Publication number: DE102004012284A1
Application number: DE102004012284A
Authority: DE
Inventors: Hidekazu Kariya Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2004-12-09
Also published as: JP2004297043A

Abstract

Die Patentanmeldung befasst sich mit einem piezoelektrischen Schichtelement (1), mit: einer Schichtkörpereinheit (100), in der eine Vielzahl von Elementeinheiten (2) übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd piezoelektrische Schichten (21, 22) und Innenelektrodenschichten (23, 24) übereinander geschichtet sind, und einem Paar auf den Seiten (101, 102) der Schichtkörpereinheit (100) befindlicher Seitenelektroden (151, 152), die jede zweite Innenelektrodenschicht (23, 24) elektrisch miteinander verbinden.
Zwischen der Seitenelektrode (151) und der zwischen den Elementeinheiten (2) ausgebildeten Aufschichtungsgrenze (200) ist ein Hohlraumabschnitt (10) vorhanden, der aus einer Nut besteht, die sich zur Seitenelektrode (151) hin öffnet. Es ist vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts (10) in der Aufschichtungsrichtung 8 bis 20% der Dicke jeder Elementeinheit (2) in der Aufschichtungsrichtung beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schichtelement, das sich aus einer Schichtkörpereinheit zusammensetzt, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten übereinander geschichtet ist.

Durch ein herkömmliches piezoelektrisches Schichtelement, das sich aus einer Schichtkörpereinheit zusammensetzt, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten übereinander geschichtet ist, kann die Höhe in Aufschichtungsrichtung verringert werden, so dass Spannungen abgebaut werden und sich die Zuverlässigkeit erhöht. Die Elementeinheiten sind jeweils so aufgebaut, dass abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind und dass an der Seite der Elementeinheiten Seitenelektroden ausgebildet sind, die jede zweite Innenelektrodenschicht elektrisch miteinander verbinden.

Wenn in diesem piezoelektrischen Schichtelement die Seitenelektroden mit elektrischer Energie versorgt werden und auf jede piezoelektrische Schicht eine elektrische Potenzialdifferenz gegeben wird, wird das piezoelektrische Element erregt, so dass sich die piezoelektrischen Schichten ausdehnen.

Wenn die Elektroden jedoch in Bereichen, die von den Außenumfangsabschnitten der piezoelektrischen Schichten beabstandet sind, kontaktfreie Flächen enthalten, in denen die Innenelektrodenschichten nicht teilausgebildet sind, kommt es bei der Energiezuführung zu einer Längendifferenz zwischen dem mittleren Abschnitt und dem Außenumfangsabschnitt des piezoelektrischen Schichtelements. Wie in 18 gezeigt ist, bildet sich daher zwischen der Aufschichtungsgrenze 200 der Elementeinheiten 2 und der Seitenelektrode 91 eine Öffnung und entsteht in diesem Abschnitt eine nicht unbeträchtliche Spannung, weswegen die Seitenelektrode 91 brechen kann.

Wie in 16 gezeigt ist, beträgt der Abstand Y1 zwischen den Elementeinheiten 2 null, bevor eine Spannung angelegt wird. Wenn das piezoelektrische Schichtelement mit elektrischer Energie versorgt wird, öffnet sich dann, wie in 17 gezeigt ist, die Aufschichtungsgrenze 200 der Schichtkörpereinheit von der Stelle aus, an der die Aufschichtungsgrenze 200 der Seitenelektrode 91 gegenüber liegt, und bildet sich ein Öffnungsabschnitt 92 mit halbkreisförmigem Querschnitt.

Der Abstand zwischen den Elementeinheiten 2 ist in diesen Öffnungsabschnitt 92 mit Y2 bezeichnet. Die in diesem Zustand in der Seitenelektrode 91 erzeugte Dehnung ε beträgt dann (Y2 – Y1)/Y1. Da Y1 null ist, wird die Dehnung ε unendlich. Es ist daher davon auszugehen, dass an der Seitenelektrode 91 eine sehr hohe Kraft anliegt. Daher kann die Seitenelektrode 91, wie in 18 gezeigt ist, leicht durch die Dehnung ε reißen.

Es ist bereits bekannt, die Dehnung ε abzubauen und zu absorbieren, indem die Seitenelektrode 91 aus verschiedenen flexiblen Materialien hergestellt wird. Dennoch lässt sich ein Bruch der Seitenelektrode 91 nach wie vor nur schwer verhindern.

Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Schichtelement zur Verfügung zu stellen, das sich aus übereinander geschichteten Elementeinheiten zusammensetzt und sich dadurch auszeichnet, dass die Seitenelektrode selten bricht und die Haltbarkeit hoch ist.

Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht ein piezoelektrisches Schichtelement vor, mit: einer Schichtkörpereinheit, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten übereinander geschichtet ist, wobei in jeder Elementeinheit abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind, auf denen kontaktfreie Flächen vorhanden sind, in denen die Innenelektrodenschichten in Bereichen, die von den Außenumfangsabschnitten der piezoelektrischen Schichten beabstandet sind, nicht teilausgebildet sind; und einem Paar an den Seiten der Schichtkörpereinheit befindlicher Seitenelektroden, die jede zweite Innenelektrodenschicht elektrisch miteinander verbinden, wobei zwischen der Seitenelektrode und der zwischen den Elementeinheiten ausgebildeten Aufschichtungsgrenze ein Hohlraumabschnitt vorhanden ist, der aus einer Nut besteht, die sich zur Seitenelektrode hin öffnet.

Es wird nun die Funktionsweise der ersten Ausgestaltung der Erfindung erläutert.

Wie in 5 gezeigt ist, beträgt die maximale Öffnungsbreite des Öffnungsabschnitts in der Aufschichtungsrichtung, in der der Hohlraumabschnitt 10 der Seitenelektrode 151 gegenüber liegt, vor der Spannungsanlegung Y1.

Wenn die piezoelektrische Schicht über die Seitenelektrode 151 des piezoelektrischen Schichtelements mit elektrischer Energie versorgt wird, dehnt sich die Elementeinheit 2 in der Aufschichtungsrichtung aus. Wie in 6 gezeigt ist, vergrößert sich daher die maximale Öffnungsbreite. Die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts 10 beträgt zu diesem Zeitpunkt Y2.

Die in diesem Zustand in der Seitenelektrode 151 erzeugte Dehnung ε beträgt (Y2 – Y1)/Y1. Da Y1 nicht null ist, ist die Dehnung ε ein endlicher Wert. Daher kann die an der Seitenelektrode 151 anliegende Spannung gegenüber der auf der Seitenelektrode 151 des herkömmlichen Aufbaus anliegenden Spannung deutlich gesenkt werden. Dementsprechend schwer bricht die Seitenelektrode.

Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht ein piezoelektrisches Schichtelement vor, mit: einer Schichtkörpereinheit, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten übereinander geschichtet ist, wobei in jeder Elementeinheit abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind, auf denen kontaktfreie Flächen vorhanden sind, in denen die Innenelektrodenschichten in Bereichen, die von den Außenumfangsabschnitten der piezoelektrischen Schicht beabstandet sind, nicht teilausgebildet sind; an den beiden Endabschnitten der Schichtkörpereinheit befindlichen Blindelementeinheiten ohne piezoelektrische Eigenschaften; und einem Paar an den Seiten der Schichtkörpereinheit befindlicher Seitenelektroden, die jede zweite Innenelektrode elektrisch miteinander verbinden, wobei zwischen einer ersten, zwischen den Elementeinheiten ausgebildeten Aufschichtungsgrenze und der Seitenelektrode sowie zwischen einer zweiten, zwischen der Schichtkörpereinheit und der Blindelementeinheit ausgebildeten Aufschichtungsgrenze und der Seitenelektrode ein Hohlraumabschnitt vorhanden ist, der aus einer Nut besteht, die sich zur Seitenelektrode hin öffnet.

Der Hohlraumabschnitt ist also in sowohl der ersten Aufschichtungsgrenze, die zwischen den Elementeinheiten ausgebildet ist, als auch der zweiten Aufschichtungsgrenze vorhanden, die zwischen dem Blindelement, das keine piezoelektrischen Eigenschaften hat und sich bei Stromfluss nicht ausdehnt, da auf das Blindelement kein elektrisches Potenzial gegeben wird, und der Schichtkörpereinheit ausgebildet ist, die sich bei Stromfluss ausdehnt. Aufgrund dessen wird die in der Seitenelektrode entstehende Spannung verringert. Dadurch kann ein Bruch der Seitenelektrode verhindert werden.

Die Wirkung, die in der zweiten Aufschichtungsgrenze den Bruch der Seitenelektrode verhindert, ist die gleiche wie bei der ersten Ausgestaltung der Erfindung.

Gemäß der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann also ein piezoelektrisches Schichtelement zur Verfügung gestellt werden, bei dem sich die übereinander geschichteten Elementeinheiten dadurch auszeichnen, dass die Seitenelektrode selten bricht und dass die Haltbarkeit hoch ist.

Die piezoelektrische Schicht der Elementeinheiten besteht bei der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung üblicherweise aus PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und die Innenelektrodenschicht üblicherweise aus einer aus verschiedenen Edelmetallen bestehenden Elektrode. In einigen Fällen werden aber auch andere Materialien verwendet.

Die Elementeinheiten können durch ein isolierendes Klebemittel miteinander verbunden werden. Wahlweise ist es aber auch möglich, die Elementeinheiten zu einem Körper zu vereinen, indem die Elementeinheiten miteinander in direkten Kontakt gebracht und übereinander geschichtet werden und dann durch eine Befestigung wie ein Isolierrohr, das den Außenumfangsabschnitt der Elementeinheiten hält, relativ zueinander fixiert und miteinander vereint werden.

In der Aufschichtungsgrenze zwischen den Elementeinheiten liegen die Flächen der übereinander geschichteten Elementeinheiten nebeneinander. Der Hohlraumabschnitt ist dabei zwischen der Aufschichtungsgrenze und der Seitenelektrode ausgebildet. Aufgrund dieses Hohlraumabschnitts berühren sich die Aufschichtungsgrenze und die Seitenelektrode im Prinzip nicht.

Die Umstände sind bei der zweiten Ausgestaltung der Erfindung in der ersten und zweiten Aufschichtungsgrenze die gleichen. Durch den Hohlraumabschnitt berührt die erste und zweite Aufschichtungsgrenze die Seitenelektrode im Prinzip nicht.

Wenn die Schichtkörpereinheit und die Seitenelektroden wie später beschrieben durch einen leitenden Klebstoff verbunden werden, werden die Aufschichtungsgrenze und die Seitenelektrode nur indirekt miteinander über den leitenden Klebstoff verbunden.

Dabei ist es vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung 8 bis 20% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt.

Die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung entspricht der maximalen Größe des Abschnitts, in dem der Hohlraumabschnitt und die Seitenelektrode einander zugewandt sind. Ein Beispiel für die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung ist in 6 gezeigt, die später beschrieben wird.

Wenn der Aufbau des Hohlraumabschnitts dem oben angegebenen Bereich entspricht, ist die Wirkung der ersten Ausgestaltung der Erfindung noch deutlicher erkennbar. Die Seitenelektrode bricht daher noch schwerer.

Wenn die maximale Öffnungsbreite weniger als 8% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, nimmt zwar das Bruchrisiko der Seitenelektrode ab, doch besteht die Möglichkeit, dass die Haltbarkeit, wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben wird, bei längerer Nutzung des piezoelektrische Schichtelements nicht ausreichend hoch ist.

Wenn die maximale Öffnungsbreite mehr als 20% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, beispielsweise wenn der Hohlraumabschnitt aus einem abgefasten Abschnitt besteht, erreicht der Ausgangspunkt des abgefasten Abschnitts die Innenelektrodenschicht. Damit der abgefaste Abschnitt die Innenelektrodenschicht nicht erreicht, muss an beiden in der Aufschichtungsrichtung liegenden Endabschnitten der Elementeinheit die Dicke der piezoelektrischen Schicht erhöht werden. Wenn jedoch dieser Aufbau gewählt wird, um die gleichen Ausdehnungseigenschaften zu erreichen, muss auch die Größe des piezoelektrischen Schichtelements erhöht werden. Es ist daher schwierig, ein kompaktes piezoelektrisches Schichtelement zu erzielen.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Seitenelektrode und die Schichtkörpereinheit, wie in 11 gezeigt ist, miteinander durch einen leitenden Klebstoff verbunden sind.

In diesem Fall lässt sich die Verbindungsfestigkeit der Seitenelektrode mit der Schichtkörpereinheit steigern.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der leitende Klebstoff in den Hohlraumabschnitt hineinragt und dass die in den Hohlraumabschnitt hineinragenden Abschnitte des leitenden Klebstoffs, wie in 12 gezeigt ist, nicht miteinander in der Aufschichtungsrichtung verbunden sind.

Wenn die hineinragenden Abschnitte des leitenden Klebstoffs miteinander in der Aufschichtungsrichtung verbunden wären, wären die Seitenelektrode und die Schichtkörpereinheit miteinander verbunden. In diesem Fall bestünde das Risiko, dass die durch die Trennung der Seitenelektrode von der Schichtkörpereinheit erzielte Wirkung verloren ginge, die Spannung zu verringern. Außerdem bestünde die Möglichkeit, dass durch diesen leitenden Klebstoff die Dehnung der piezoelektrischen Schicht auf die Seitenelektrode übertragen würde, so dass die Möglichkeit bestünde, dass die Seitenelektrode bricht.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der Hohlraumabschnitt aus einem abgefasten Abschnitt besteht, der sich dadurch ergibt, dass eine der Ecken der miteinander benachbarten piezoelektrischen Schichten in der Aufschichtungsrichtung abgefast wird.

Da sich die Ecke leicht abfasen lässt, lässt sich einfach ein vorbestimmter Hohlraumabschnitt bilden.

Es ist vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung 8 bis 20% der durchschnittlichen Dicke der die Schichtkörpereinheit bildenden Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt.

Wenn der Aufbau des Hohlraumabschnitts dem oben angegebenen Bereich entspricht, ist die Wirkung der ersten Ausgestaltung der Erfindung noch deutlicher erkennbar. Daher bricht die Seitenelektrode schwerer.

Wenn die maximale Öffnungsbreite weniger als 8% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, nimmt zwar das Bruchrisiko der Seitenelektrode ab, doch besteht die Möglichkeit, dass die Haltbarkeit, wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben wird, bei längerer Nutzung des piezoelektrischen Schichtelements nicht ausreichend hoch ist.

Wenn die maximale Öffnungsbreite mehr als 20% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, wenn der Hohlraumabschnitt beispielsweise aus einem abgefasten Abschnitt besteht, erreicht der Ausgangspunkt des abgefasten Abschnitts die Innenelektrodenschicht. Damit der abgefaste Abschnitt die Innenelektrodenschicht nicht erreicht, muss an beiden in der Aufschichtungsrichtung liegenden Endabschnitten der Elementeinheit die Dicke der piezoelektrischen Schicht erhöht werden. Wenn jedoch dieser Aufbau gewählt wird, um die gleichen Ausdehnungseigenschaften zu erreichen, muss auch die Größe des piezoelektrischen Schichtelements erhöht werden. Es ist daher schwierig, ein kompaktes piezoelektrisches Schichtelement zu erzielen.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der Hohlraumabschnitt aus abgefasten Abschnitten besteht, die sich ergeben, wenn beide Ecken der miteinander benachbarten piezoelektrischen Schichten in der Aufschichtungsrichtung abgefast werden.

Da sich die Ecken leicht abfasen lassen, lässt sich einfach ein vorbestimmter Hohlraumabschnitt bilden.

Es ist vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung 4 bis 10% der durchschnittlichen Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung entspricht.

Wenn der Aufbau des Hohlraumabschnitts diesem Bereich entspricht, ist die Wirkung der ersten Ausgestaltung der Erfindung noch deutlicher erkennbar. Daher bricht die Seitenelektrode schwerer.

Wenn die maximale Öffnungsbreite weniger als 4% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, nimmt zwar das Bruchrisiko der Seitenelektrode ab, doch besteht die Möglichkeit, dass die Haltbarkeit, wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben wird, bei längerer Nutzung des piezoelektrischen Schichtelements nicht ausreichend hoch ist.

Wenn die maximale Öffnungsbreite mehr als 10% der Dicke der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt, beispielsweise wenn der Hohlraumabschnitt aus einem abgefasten Abschnitt besteht, erreicht der Ausgangspunkt des abgefasten Abschnitts die Innenelektrodenschicht. Damit der abgefaste Abschnitt die Innenelektrodenschicht nicht erreicht, muss an beiden in der Aufschichtungsrichtung liegenden Endabschnitten der Elementeinheit die Dicke der piezoelektrischen Schicht erhöht werden. Wenn jedoch dieser Aufbau gewählt wird, um die gleichen Ausdehnungseigenschaften zu erreichen, muss auch die Größe des piezoelektrischen Schichtelements erhöht werden. Es ist daher schwierig, ein kompaktes piezoelektrisches Schichtelement zu erzielen.

Die genaue Form des angesprochenen abgefasten Abschnitts wird in dem später beschriebenen Ausführungsbeispiel 6 erläutert. Der abgefaste Abschnitt kann in die Form einer Ebene oder in eine Form mit gekrümmter Oberfläche gebracht werden.

Das beschriebene piezoelektrische Schichtelement kann als ein piezoelektrisches Stellglied verwendet werden.

So kann das piezoelektrische Stellglied beispielsweise in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Kraftfahrzeugmotors eingebaut werden. Die Einzelheiten dieses Stellglieds werden später in Ausführungsbeispiel 7 beschrieben.

Da das piezoelektrische Stellglied unter harten Umgebungsbedingungen genutzt wird, ist das erfindungsgemäße piezoelektrische Schichtelement, dessen Seitenelektrode wegen der Wirkung des Hohlraumabschnitts selten bricht, besonders günstig, da es eine höhere Haltbarkeit hat.

Es ist vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung nicht weniger als 20 μm beträgt.

Die Einzelheiten werden zwar später in Ausführungsbeispiel 3 beschrieben, doch hängt die Bruchwahrscheinlichkeit der Seitenelektrode stark von der Ermüdungsfestigkeit der Seitenelektrode ab. Wenn die Ermüdungsfestigkeit gesteigert wird und der Hohlraumabschnitt eine Öffnungsabschnittsbreite von nicht weniger als 20 μm hat, ergeben sich die gleichen Wirkungen wie bei der ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung, so dass die Seitenelektrode selten bricht.

Was die maximale Öffnungsbreite betrifft, kann, wenn der Hohlraumabschnitt beispielsweise aus einem abgefasten Abschnitt besteht, der Ausgangspunkt des abgefasten Abschnitts die Innenelektrodenschicht erreichen. Damit verhindert wird, dass der abgefaste Abschnitt die Innenelektrodenschicht erreicht, muss die Dicke der piezoelektrischen Schicht an beiden Endabschnitten der Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung erhöht werden. Damit der abgefaste Abschnitt die Innenelektrodenschicht nicht erreicht, muss an beiden in der Aufschichtungsrichtung liegenden Endabschnitten der Elementeinheit die Dicke der piezoelektrischen Schicht erhöht werden. Wenn jedoch dieser Aufbau gewählt wird, um die gleichen Ausdehnungseigenschaften zu erreichen, muss auch die Größe des piezoelektrischen Schichtelements erhöht werden. Es ist daher schwierig, ein kompaktes piezoelektrisches Schichtelement zu erzielen. Aus diesen Gründen ist es vorzuziehen, dass die maximale Öffnungsbreite weniger als 200 μm beträgt.

Die Erfindung wird nun genauer anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 schematisch ein piezoelektrisches Schichtelement gemäß Ausführungsbeispiel 1;
2 schematisch eine Schichtkörpereinheit und die maximale Öffnungsbreite eines Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsrichtung in Ausführungsbeispiel 1;
3A und 3B schematisch eine piezoelektrische Schicht der Schichtkörpereinheit in Ausführungsbeispiel 1;
4 in Perspektiveinheit die Schichtkörpereinheit und einen in einem Eckabschnitt befindlichen abgefasten Abschnitt in Ausführungsbeispiel 1;
5 schematisch den Hohlraumabschnitt und die maximale Öffnungsbreite in Ausführungsbeispiel 1;
6 schematisch die maximale Öffnungsbreite bei ausgedehnter piezoelektrischer Schicht in Ausführungsbeispiel 1;
7 grafisch den Zusammenhang zwischen dem Dehnungsquotienten und der Anzahl an Wiederholungen vor dem Bruch in Ausführungsbeispiel 2;
8A die maximale Öffnungsbreite in Ausführungsbeispiel 2;
8B grafisch den Zusammenhang zwischen der maximalen Öffnungsbreite eines Hohlraumabschnitts und dem Dehnungsquotienten;
9 grafisch den Zusammenhang zwischen dem Dehnungsquotienten und der Anzahl an Wiederholungen vor dem Bruch in Ausführungsbeispiel 3;
10 schematisch ein piezoelektrisches Schichtelement mit einer Schichtkörpereinheit und einer Blindeinheit gemäß Ausführungsbeispiel 4;
11 schematisch ein piezoelektrisches Schichtelement in Ausführungsbeispiel 5, bei dem die Schichtkörpereinheit und die Seitenelektrode durch einen leitenden Klebstoff verbunden sind;
12 schematisch ein piezoelektrisches Schichtelement in Ausführungsbeispiel 5, bei dem die Schichtkörpereinheit und die Seitenelektrode durch einen leitenden Klebstoff verbunden sind und der leitende Klebstoff in den Hohlraumabschnitt ragt;
13 schematisch ein piezoelektrisches Schichtelement in Ausführungsbeispiel 5, bei dem die Schichtkörpereinheit und die Seitenelektrode durch einen leitenden Klebstoff verbunden sind und der leitende Klebstoff den Hohlraumabschnitt ausfüllt;
14A bis 14H schematisch Ausführungsbeispiel 6, bei dem ein Hohlraumabschnitt aus abgefasten Abschnitten verschiedener Form besteht;
15 schematisch ein piezoelektrisches Stellglied gemäß Ausführungsbeispiel 7;
16 schematisch den Bereich einer herkömmlichen Seitenelektrode und Aufschichtungsgrenze;
17 schematisch einen Zustand, in dem sich der Bereich der Aufschichtungsgrenze gleichzeitig mit der sich ausdehnenden piezoelektrischen Schicht öffnet; und
18 schematisch einen Zustand, in dem sich der Bereich der Aufschichtungsgrenze öffnet und gleichzeitig mit der sich ausdehnenden piezoelektrischen Schicht die Seitenelektrode bricht.
Ausführungsbeispiel 1
Im Folgenden wird das piezoelektrische Schichtelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in den 1 bis 4 gezeigt ist, enthält das piezoelektrische Schichtelement 1 dieses Ausführungsbeispiels eine Schichtkörpereinheit 100, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten 2 übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd piezoelektrische Schichten 21, 22 und Innenelektrodenschichten 23, 24 übereinander geschichtet sind, und ein Paar an den Seiten 101, 102 der Schichtkörpereinheit 100 befindlicher Seitenelektroden 151, 152, die jede zweite Innenelektrodenschicht 23, 24 elektrisch miteinander verbinden.
Zwischen der Seitenelektrode 151, 152 und der zwischen den Elementeinheiten 2 ausgebildeten Aufschichtungsgrenze 200 befindet sich ein Hohlraumabschnitt 10, der aus einer Nut besteht, die sich zur Seitenelektrode 151, 152 hin öffnet.
Dieser Aufbau wird nun genauer beschrieben.
Wie in den 1 bis 4 gezeigt ist, setzt sich das piezoelektrische Schichtelement 1 dieses Ausführungsbeispiels aus der Schichtkörpereinheit 100 zusammen, in der die Elementeinheiten 2 übereinander geschichtet sind. Um die Beschreibung zu vereinfachen, sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Elementeinheiten 2 übereinander geschichtet. Allerdings sind auch piezoelektrische Schichtelemente üblich, in denen beispielsweise 5 bis 30 einzelne Elementeinheiten übereinander geschichtet sind. Der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Hohlraumabschnitt lässt sich auch wirksam bei einem solchen mehrlagigen piezoelektrischen Element verwenden.
Die Eckabschnitte der Elementeinheiten 2, die der Seitenelektrode 151, 152 in der Aufschichtungsgrenze 200 gegenüber liegen, sind, wie in 4 gezeigt ist, abgefast und in die Form einer schrägen Ebene gebracht. Dadurch ergeben sich die abgefasten Abschnitte 251, 252, 261, 262. Da sich die abgefasten Abschnitte 251, 252, 261, 262 auf der Ober- und Unterseite der Aufschichtungsgrenze 200 befinden, sind in der Aufschichtungsgrenze 200 Nutabschnitte ausgebildet, die sich zur Seitenelektrode 151, 152 hin öffnen. Diese Nutabschnitte ergeben die Hohlraumabschnitte 10.
Der Querschnitt der Elementeinheit 2 dieses Ausführungsbeispiels ist senkrecht zur Aufschichtungsrichtung der piezoelektrischen Schichten 21, 22 im Großen und Ganzen viereckig. Die die Hohlraumabschnitte 10 dieses Ausführungsbeispiels bildenden abgefasten Abschnitte 251, 252, 261, 262 verlaufen entlang der beiden gesamten, einander gegenüber liegenden Seiten des viereckigen Querschnitts. Wenn der Hohlraumabschnitt 10 jedoch aus einem abgefasten Abschnitt gebildet wird, der nur so breit wie die Seitenelektroden 151, 152 ist, lässt sich die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels dennoch erreichen.
Die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels lässt sich im Übrigen nicht nur dann erreichen, wenn die abgefasten Abschnitte einander wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt gegenüber liegen, sondern auch dann, wenn sich die abgefasten Abschnitte nicht gegenüber liegen. Die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels lässt sich auch dann erreichen, wenn sich der abgefaste Abschnitt zumindest auf einer Fläche befindet, mit der die Seitenelektrode verbunden ist. Natürlich lässt sich die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels auch dann erreichen, wenn der abgefaste Abschnitt entlang des gesamten Umfangsabschnitts verläuft.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, ist die Elementeinheit 2 so aufgebaut, dass die piezoelektrischen Schichten 21, 22 und die Innenelektrodenschichten 23, 24 abwechselnd übereinander geschichtet sind und dass sich an beiden Endabschnitten in der Vertikalrichtung piezoelektrische Blindschichten 25, 26 befinden, die sich auch bei Stromfluss nicht ausdehnen. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, berührt nur eine der beiden oberen und unteren Endabschnitte der piezoelektrischen Blindschichten 25, 26 die Innenelektrodenschichten 23, 24. Daher verformen sich die piezoelektrischen Blindschichten 25, 26 auch dann nicht, wenn sie mit elektrischer Energie versorgt werden.
Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, hat die Elementeinheit 2 dieses Ausführungsbeispiels einen Teilelektrodenaufbau. Die Innenelektrodenschichten 23, 24 sind dabei so ausgebildet, dass auf den piezoelektrischen Schichten 21, 22 die kontaktfreien Flächen 210, 220 zurückbleiben. Die Endfläche 230 der Innenelektrodenschicht 23 und die Endfläche 240 der Innenelektrodenschicht 24 liegen jeweils zu den Seiten 101, 102 der Schichtkörpereinheit 100 hin frei und kommen mit entweder der Seitenelektrode 151 oder der Seitenelektrode 152 in Kontakt und sind dadurch mit ihr elektrisch verbunden.
Wie in den 2 und 5 gezeigt ist, beträgt die maximale Öffnungsbreite Y1 des Hohlraumabschnitts 10 dieses Ausführungsbeispiels in der Aufschichtungsrichtung 0,3 mm und die Dicke der Elementeinheit 2 2 mm. Die maximale Öffnungsbreite beträgt 15% der Dicke der Elementeinheit 2. Die maximale Öffnungsbreite fällt in einen Bereich von 8 bis 20% der Dicke der Elementeinheit 2.
Es wird nun die Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels beschrieben.
Wie in 5 gezeigt ist, entspricht die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts 10 vor dem Spannungsanlegen Y1. Wenn das piezoelektrische Schichtelement 1 über die Seitenelektroden 151, 152 mit elektrischer Energie versorgt wird, nimmt die Öffnungsbreite wie in 6 gezeigt zu. Die Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts 10 entspricht zu diesem Zeitpunkt Y2. Die in diesem Zustand in den Seitenelektroden 151, 152 entstandene Dehnung ε beträgt dann (Y2 – Y1)/Y1. Da Y1 in diesem Fall nicht null ist, ist ε ein endlicher Wert. Daher ist die auf die Seitenelektroden 151, 152 aufgebrachte Dehnung verglichen mit dem herkömmlichen Aufbau deutlich geringer und brechen die Seitenelektroden selten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es also möglich, ein piezoelektrisches Schichtelement mit übereinander geschichteten Elementeinheiten zur Verfügung zu stellen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Seitenelektroden selten brechen und die Haltbarkeit hoch ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Form sämtlicher Hohlraumabschnitte 10 dieselbe, doch muss dies nicht unbedingt der Fall sein. So kann die maximale Öffnungsbreite für jede Aufschichtungsgrenze verschieden sein. Allerdings ist es vorzuziehen, dass in dem in jeder Aufschichtungsgrenze vorhandenen Hohlraumabschnitt die Bedingung bezüglich der Dicke jeder Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung erfüllt ist.
Ausführungsbeispiel 2
Es wird nun erläutert, wie über die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsgrenze zu entscheiden ist.
Ob die Seitenelektrode bricht, wird stark durch die Dehnung der piezoelektrischen Schicht und die Ermüdungsfestigkeit der Seitenelektrode beeinflusst.
Wenn auf die Schichtkörpereinheit eine Potenzialdifferenz gegeben wird, beträgt die maximale Dehnung der piezoelektrischen Schicht in diesem Zusammenhang üblicherweise 0,1% der Gesamtdicke der Schichtkörpereinheit. Die Erfinder fanden heraus, dass die Dehnung auf der Seite der Schichtkörpereinheit, mit der die Seitenelektrode verbunden ist, etwa 70% der maximalen Dehnung der Schichtkörpereinheit beträgt. Das heißt, dass bei ausgedehnter Schichtkörpereinheit etwa 30% der maximalen Dehnung der Schichtkörpereinheit an der Seite der Schichtkörpereinheit, mit der die Seitenelektrode verbunden ist, in der gesamten Elementeinheitsaufschichtungsgrenze offen (gedehnt) ist.
Mit der Seitenelektrode, die bei dem piezoelektrischen Schichtelement gemäß Ausführungsbeispiel 1 verwendet wurde, wurde wie in 7 gezeigt eine Haltbarkeitsprüfung durchgeführt. Bei dieser Prüfung wurde auf die Seitenelektrode eine vorbestimmte Spannung aufgebracht, um die Seitenelektrode auszudehnen. Dann wurde die Seitenelektrode wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückgeführt, indem die vorbestimmte Spannung auf der Seitenelektrode beendet wurde. Der obige Vorgang wurde wiederholt und die Anzahl an Wiederholungen gemessen, bis die Seitenelektrode brach. Das Ergebnis dieser Überprüfung ist grafisch in 7 dargestellt, in der die Ordinatenachse dem Dehnungsquotienten und die Abszissenachse der Anzahl der Wiederholungen entspricht, bis die Seitenelektrode brach.
In diesem Fall bedeutet das Bezugszeichen x, bei dem der Dehnungsquotient 0,9% beträgt und die Anzahl an Wiederholungen 1,00E+05 betrug, bis die Seitenelektrode brach, dass die Seitenelektrode brach, wenn auf die Seitenelektrode eine Kraft gegeben wurde und sie so ausgedehnt wurde, dass der Dehnungsquotient 0,9% betragen konnte, und dieser Vorgang 100.000-mal wiederholt wurde.
Wenn das piezoelektrische Schichtelement für das später beschriebene piezoelektrische Stellglied verwendet wird, ist es in diesem Zusammenhang erforderlich, dass die Seitenelektrode auch dann nicht bricht, wenn die Wiederholung 10.000.000-mal und mehr erfolgt. Wie aus 7 hervorgeht, bricht die Seitenelektrode bei 10.000.000-maliger Wiederholung dann, wenn der Dehnungsquotient mehr als 0,4% beträgt.
8A zeigt die maximale Öffnungsbreite Y1 des zwischen den Elementeinheiten ausgebildeten Hohlraumabschnitts in dem piezoelektrischen Schichtelement gemäß Ausführungsbeispiel 1. 8B zeigt grafisch den Zusammenhang zwischen der maximalen Öffnungsbreite Y1 des in 8A gezeigten Hohlraumabschnitts und dem ungefähren Dehnungsquotienten bei der maximalen Öffnungsbreite Y1.
Die Achse, auf der die Öffnungsbreite 0 mm beträgt, entspricht in der Grafik der Aufschichtungsgrenze.
Wie sich aus der Grafik ergibt, muss in dem Eckabschnitt der miteinander in der Aufschichtungsgrenze benachbarten Elementeinheiten jeweils ein 0,075 mm großer Hohlraum ausgebildet sein, damit der Dehnungsquotient nicht mehr als 0,4% beträgt, bzw. muss in der Aufschichtungsgrenze ein insgesamt 0,15 mm großer Hohlraum vorhanden sein. Dementsprechend darf die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts nicht weniger als 8% der Dicke jeder Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung betragen.
Ausführungsbeispiel 3
Wie in Ausführungsbeispiel 2 angesprochen wurde, wird die Tatsache, ob die Seitenelektrode bricht, stark von der Ermüdungsfestigkeit der Seitenelektrode beeinflusst. Wenn die Ermüdungsfestigkeit der Seitenelektrode gesteigert wird, kann natürlich die maximale Öffnungsbreite des Hohlraumabschnitts in der Aufschichtungsgrenze verringert werden.
In Ausführungsbeispiel 2 wurde eine gitterförmige Seitenelektrodenplatte verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch eine wellenförmige Seitenelektrodenplatte mit besserer Ermüdungsfestigkeit verwendet, wobei nun erläutert wird, wie in diesem Fall, in dem die wellenförmige Seitenelektrodenplatte verwendet wird, über die maximale Öffnungsbreite in der Aufschichtungsgrenze zu entscheiden ist.
9 zeigt grafisch das Ergebnis einer Haltbarkeitsprüfung, die mit der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Seitenelektrode durchgeführt wurde.
Wie aus 9 hervorgeht, bricht die Seitenelektrode nach 10.000.000-maliger Wiederholung der Vorgänge, wenn der Dehnungsquotient mehr als 3% beträgt.
Im Zusammenhang mit der grafischen Darstellung von 8 ergibt sich daher, dass in den beiden in der Aufschichtungsgrenze benachbarten Einheiten ein 0,01 mm großer Hohlraum ausgebildet werden muss, damit der Dehnungsquotient nicht mehr als 3% beträgt, bzw. dass in der Aufschichtungsgrenze ein insgesamt 0,02 mm großer Hohlraum vorhanden sein muss. Wenn in der Aufschichtungsgrenze für einen 0,02 mm großen Hohlraum gesorgt wird, kann also ein piezoelektrisches Schichtelement mit übereinander geschichteten Elementeinheiten zur Verfügung gestellt werden, das sich dadurch auszeichnet, dass die Seitenelektroden selten brechen und die Haltbarkeit hoch ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zwar eine wellenförmige Seitenelektrode verwendet, doch kann unabhängig von der Form und dem Material der Seitenelektrode für die gleiche Wirkung gesorgt werden, solange die Ermüdungsfestigkeit verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiel 4
Wie in 10 gezeigt ist, enthält das piezoelektrische Schichtelement 3 dieses Ausführungsbeispiels eine Schichtkörpereinheit 30, in der eine Vielzahl von Elementeinheiten 2 übereinander geschichtet ist, in denen abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind, zwei an den beiden Endabschnitten der Schichtkörpereinheit 30 befindliche Blindelementeinheiten 33 ohne piezoelektrische Eigenschaften und ein Paar an den Seiten der Schichtkörpereinheit 30 befindlicher Seitenelektroden 151, 152, die jede zweite Innenelektrode elektrisch miteinander verbinden.
Die Schichtkörpereinheit 30 enthält in Aufschichtungsrichtung in der Mitte einen Antriebsabschnitt 31 und an beiden Endabschnitten zwei Pufferabschnitte 32, um den Antriebsabschnitt 31 zu halten. Der Antriebsabschnitt 31 und die Pufferabschnitte 32 bestehen jeweils aus den Elementeinheiten 2, in denen abwechselnd die piezoelektrischen Schichten und die Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind.
Wenn die Seitenelektroden 151, 152 mit elektrischer Energie versorgt werden, verlagert sich die piezoelektrische Schicht in dem Antriebsabschnitt 31 in der Aufschichtungsrichtung. Wenn die Seitenelektroden 151, 152 mit elektrischer Energie versorgt werden, wird auch der Pufferabschnitt 32 in der Aufschichtungsrichtung verschoben, wobei jedoch die Verschiebung des Pufferabschnitts 32 kleiner als die des Antriebsabschnitts 31 ist.
Die den Antriebsabschnitt 31 bildenden Elementeinheiten 2 sind die gleichen wie in Ausführungsbeispiel 1. Der Grundaufbau der die Pufferabschnitte 32 bildenden Elementeinheiten ist der gleiche wie der Grundaufbau der den Antriebsabschnitt 31 bildenden Elementeinheiten 2. Um jedoch die Verschiebung zu verringern, ist die Dicke der piezoelektrischen Schicht zwischen den benachbarten Innenelektrodenschichten größer als die Dicke der piezoelektrischen Schicht in den den Antriebsabschnitt 31 bildenden Elementeinheiten 2.
Die Blindelemente 33 stoßen an die beiden Endabschnitte der Pufferabschnitte 32.
Auch dann, wenn die Seitenelektroden 151, 152 mit elektrischer Energie versorgt werden, werden die Blindelemente 33 nicht angetrieben. Mit anderen Worten haben die Blindelemente 33 keine piezoelektrischen Eigenschaften.
Der Pufferabschnitt 32 dient dazu, die Spannung zu verringern, die auf das Blindelement 33 aufgebracht wird, das nicht angetrieben werden kann.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 3 dieses Ausführungsbeispiels besteht die erste, zwischen den Elementeinheiten liegende Aufschichtungsgrenze aus zwei Arten. Die eine ist die Aufschichtungsgrenze 30% zwischen den den Antriebsabschnitt 31 bildenden Elementeinheiten 2 und die andere die Aufschichtungsgrenze 302 zwischen dem Antriebsabschnitt 31 und dem Pufferabschnitt 32.
Wenn der Pufferabschnitt 32 aus einer Vielzahl von Elementeinheiten besteht, gehört die Aufschichtungsgrenze zwischen den Elementeinheiten auf der Seite des Pufferabschnitts zu der obigen ersten Aufschichtungsgrenze.
Die zweite Aufschichtungsgrenze entspricht der Aufschichtungsgrenze 303 zwischen der Schichtkörpereinheit 30 und der Blindelementeinheit 33. Da sich der Pufferabschnitt ausdehnt, obwohl die Blindelementeinheit 33 nicht angetrieben wird, muss in dem Abschnitt zwischen der Aufschichtungsgrenze 303 und den Seitenelektroden 151, 152 die Spannung verringert werden, indem für den Hohlraumabschnitt 10 gesorgt wird.
In dem piezoelektrischen Schichtelement 3 muss also in der Aufschichtungsgrenze, die zwischen den anzutreibenden Abschnitten ausgebildet ist, sowie in der Aufschichtungsgrenze, die zwischen den nicht anzutreibenden Abschnitten ausgebildet ist, der Hohlraumabschnitt 10 vorhanden sein. Aufgrund dieses Aufbaus kann die zwischen den Aufschichtungsgrenzen 301 bis 303 und den Seitenelektroden 151, 152 erzeugte Spannung verringert werden, so dass die Seitenelektroden 151, 152 daran gehindert werden zu brechen.
Die anderen Punkte entsprechen ansonsten denen des Ausführungsbeispiels 1, weswegen die gleiche Funktionsweise wie in Ausführungsbeispiel 1 erzielt werden kann.
Ausführungsbeispiel 5
Der Aufbau des piezoelektrischen Schichtelements dieses Ausführungsbeispiels ist der gleiche wie der in Ausführungsbeispiel 1, wobei die Seitenelektroden mit der Schichtkörpereinheit mit Hilfe eines leitenden Klebstoffs verbunden sind.
Wie in 11 gezeigt ist, sind die Seitenelektrode 151 und die Schichtkörpereinheit mit Hilfe des leitenden Klebstoffs 171 verbunden und ragt der leitende Klebstoff 171 in diesem Fall nicht in den Hohlraumabschnitt 10 hinein.
In 12 ragt der leitende Klebstoff 171 zwar von beiden Seiten in den Hohlraumabschnitt 10 hinein, doch ist der hineinragende Teil nicht durchgehend. Die hineinragenden Abschnitte sind in der Zeichnung mit den Bezugszahlen 173, 174 gekennzeichnet.
Wenn die sich auf beiden Seiten in Aufschichtungsrichtung befindenden hineinragenden Abschnitte des leitenden Klebstoffs 171 miteinander verbunden wären oder wenn der Hohlraumabschnitt 10 wie in 13 gezeigt mit dem leitenden Klebstoff 174 ausgefüllt wäre, könnte nicht für die Wirkung gesorgt werden, die die Seitenelektroden 151, 152 daran hindert zu brechen.
So bestünde die Wahrscheinlichkeit, dass sich wie in 13 gezeigt in dem leitenden Klebstoff 174 von der Aufschichtungsgrenze 200 zur Seitenelektrode 151 hin ein Riss 175 bildet und es von diesem Riss 175 zur Seitenelektrode 151 hin zu einem Bruch kommt. Darüber hinaus bestünde die Möglichkeit, dass auf die Seitenelektrode 151 ähnlich wie bei einem Aufbau, in dem kein Hohlraumabschnitt vorhanden ist, eine hohe Spannung aufgebracht wird.
Ausführungsbeispiel 6
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Form des den Hohlraumabschnitt bildenden abgefasten Abschnitts erläutert.
Der Hohlraumabschnitt 10 in den 14A bis 14C ergibt sich, wenn die Eckabschnitte der Elementeinheiten 2, die sich auf beiden Seiten der Aufschichtungsgrenze 200 befinden, mit der gleichen Form und Größe abgefast werden.
In 14A sind die Eckabschnitte der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten Elementeinheiten 2 bogenförmig nach außen abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt gebildet werden kann.
In 14B sind die Eckabschnitte der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten Elementeinheiten 2 bogenförmig nach innen ausgenommen, so dass der Hohlraumabschnitt gebildet werden kann.
In 14C sind die Eckabschnitte der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten Elementeinheiten 2 durch Herausschneiden abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt gebildet werden kann.
In 14D erfolgte die Abfasung auf die gleiche Weise wie in 14C, wobei jedoch in den auf beiden Seiten der Aufschichtungsgrenze 200 befindlichen Elementeinheiten 2 das Ausmaß der Abfasung bei der oberen Elementeinheit 2 etwas höher ist.
In den 14E bis 14H ist lediglich der obere Eckabschnitt der Elementeinheiten 2 abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt 10 gebildet werden kann.
In 14E ist der Eckabschnitt der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten unteren Elementeinheit 2 schräg in Form einer Ebene abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt 10 gebildet werden kann.
In 14F ist der Eckabschnitt der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten unteren Elementeinheit 2 bogenförmig abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt 10 gebildet werden kann.
In 14G ist der Eckabschnitt der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten unteren Elementeinheit 2 in einer vertieften Bogenform abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt 10 gebildet werden kann.
In 14H ist der Eckabschnitt der der Aufschichtungsgrenze 200 zugewandten unteren Elementeinheit 2 viereckig abgefast, so dass der Hohlraumabschnitt 10 gebildet werden kann.
Durch einen Hohlraumabschnitt 10 beliebiger Form lassen sich die gleichen Wirkungen wie in Ausführungsbeispiel l erreichen.
Ausführungsbeispiel 7
In diesem Ausführungsbeispiel wird das piezoelektrische Schichtelement 1 gemäß Ausführungsbeispiel 1 als ein piezoelektrisches Stellglied verwendet, das in einer Einspritzdüse 5 eingebaut ist.
Die in 15 gezeigte Einspritzdüse 5 dieses Ausführungsbeispiels findet in einem Commonrail-Einspritzsystem eines Dieselmotors Verwendung.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, enthält diese Einspritzdüse 5 ein oberes Gehäuse 52, um das piezoelektrische Schichtelement 1 aufzunehmen, das als ein Antriebsabschnitt verwendet wird, und ein an dem unteren Endabschnitt des oberen Gehäuses 52 befestigtes unteres Gehäuse 53, in dem ein Düsenabschnitt 54 ausgebildet ist.
Das obere Gehäuse 52 ist im Großen und Ganzen säulenförmig. In einem Längsloch 521, das bezüglich der Mittel achse exzentrisch ist, wurde das piezoelektrische Schichtelement 1 eingeführt und befestigt.
Auf der einen Seite des Längslochs 521 befindet sich parallel dazu ein Hochdruckkraftstoffweg 522, dessen oberer Endabschnitt über ein von dem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 52 vorragendes Kraftstoffeinleitungsrohr 523 mit dem (nicht in der Zeichnung gezeigten) außen gelegenen Commonrail verbunden ist.
In dem oberen Seitenabschnitt des oberen Gehäuses 52 ragt ein Kraftstoffabführrohr 525 vor, das mit einem Abflussweg 524 in Verbindung steht. Der aus dem Kraftstoffabführrohr 525 herausfließende Kraftstoff wird daher in einen (nicht in der Zeichnung gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt.
Der Abflussweg 524 verläuft in dem Spalt zwischen dem Längsloch 521 und dem Antriebsabschnitt bzw. piezoelektrischen Element 1 und steht über einen nicht gezeigten Weg, der von diesem Spalt 50 zu dem oberen und unteren Gehäuse 52, 53 läuft, mit einem noch zu beschreibenden Drei-Wege-Ventil 551 in Verbindung.
Der Düsenabschnitt 54 enthält eine vertikal in einem Kolbenkörper 531 gleitende Düsennadel 541 und ein durch die Düsennadel 541 zu öffnendes und schließendes Einspritzloch 543, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff einzuspritzen, der von einem Kraftstoffspeicher 542 zugeführt wird. Der Kraftstoffspeicher 542 umgibt den mittleren Abschnitt der Düsennadel 541, wobei sich ein unterer Endabschnitt des Hochdruckkraftstoffwegs 522 in den Kraftstoffspeicher 542 öffnet. Auf die Düsennadel 541 wird in Öffnungsrichtung der Kraftstoffdruck aus dem Kraftstoffspeicher 542 aufgebracht, während auf die Düsennadel 541 gleichzeitig in der Ventilschließrichtung ein Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 544 aufgebracht wird, die der oberen Endfläche zugewandt ist. Wenn der Druck in der Gegendruckkammer 544 abnimmt, wird die Düsennadel 541 daher angehoben und öffnet sich das Einspritzloch 543, so dass Kraftstoff eingespritzt werden kann.
Der Druck in der Gegendruckkammer 544 wird durch Betätigung des Drei-Wege-Ventils 551 erhöht und gesenkt. Das Drei-Wege-Ventil 551 ist so aufgebaut, dass die Gegendruckkammer 544 gezielt mit dem Hochdruckkraftstoffweg 522 oder dem Abflussweg 524 in Verbindung gebracht werden kann. Das Drei-Wege-Ventil 551 ist in diesem Fall mit einem kugelförmigen Ventilkörper versehen, der eine mit dem Hochdruckkraftstoffweg 522 oder dem Abflussweg 524 in Verbindung stehende Öffnung öffnen und schließen kann. Dieser Ventilkörper wird durch den Antriebsabschnitt 1 über einen Kolben großen Durchmessers 552, eine Hydraulikkammer 553 und einen Kolben kleinen Durchmessers 554 angetrieben, die unterhalb des Antriebsabschnitts 1 angeordnet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel wird das angesprochene piezoelektrische Schichtelement 1 als Antriebsquelle für die wie oben beschrieben aufgebaute Einspritzdüse 5 verwendet. Das piezoelektrische Schichtelement 1 hat wie oben beschrieben in den Aufschichtungsgrenzen Hohlraumabschnitte. Die Seitenelektroden brechen daher schwer. Dementsprechend kann die Haltbarkeit des piezoelektrischen Schichtelements 1 über eine lange Zeitdauer gewährleistet werden und kann die Betätigung der Düsennadel 541 präzise durch das piezoelektrische Schichtelement 1 gesteuert werden.
Der Fachmann kann an den obigen, ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung Abwandlungen vornehmen, ohne vom Erfindungsprinzip und Schutzumfang abzuweichen.

Claims

Piezoelektrisches Schichtelement (1), mit: einer Schichtkörpereinheit (100), in der eine Vielzahl von Elementeinheiten (2) übereinander geschichtet ist, wobei in jeder Elementeinheit (2) abwechselnd piezoelektrische Schichten (21, 22) und Innenelektrodenschichten (23, 24) übereinander geschichtet sind, auf denen kontaktfreie Flächen (210, 220) vorhanden sind, in denen die Innenelektrodenschichten (23, 24) in Bereichen, die von den Außenumfangsabschnitten der piezoelektrischen Schichten (21, 22) beabstandet sind, nicht teilausgebildet sind; und einem Paar an den Seiten (101, 102) der Schichtkörpereinheit (100) befindlicher Seitenelektroden (151, 152), die jede zweite Innenelektrodenschicht (23, 24) elektrisch miteinander verbinden, wobei zwischen der Seitenelektrode (151) und der zwischen den Elementeinheiten (2) ausgebildeten Aufschichtungsgrenze (200) ein Hohlraumabschnitt (10) vorhanden ist, der aus einer Nut besteht, die sich zur Seitenelektrode (151) hin öffnet.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 1, bei dem die maximale Öffnungsbreite (Y1) des Hohlraumabschnitts (10) in der Aufschichtungsrichtung 8 bis 20% der Dicke der Elementeinheit (2) in der Aufschichtungsrichtung beträgt.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Seitenelektrode (151) und die Schichtkörpereinheit miteinander durch einen leitenden Klebstoff (171) verbunden sind.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 3, bei dem der leitende Klebstoff (171) in den Hohlraumabschnitt (10) hineinragt und die in den Hohlraumabschnitt (10) hineinragenden Abschnitte (173, 174) des leitenden Klebstoffs (171) nicht miteinander in der Aufschichtungsrichtung verbunden sind.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Hohlraumabschnitt aus einem abgefasten Abschnitt besteht, der sich dadurch ergibt, dass einer der Eckabschnitte der miteinander benachbarten piezoelektrischen Schichten in der Aufschichtungsrichtung abgefast wird.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 5, bei dem die maximale Öffnungsbreite des abgefasten Abschnitts in der Aufschichtungsrichtung 8 bis 20% der Dicke jeder Elementeinheit in der Aufschichtungsrichtung beträgt.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Hohlraumabschnitt (10) aus abgefasten Abschnitten (251, 252, 261, 262) besteht, die sich ergeben, wenn beide Eckabschnitte der miteinander benachbarten piezoelektrischen Schichten (25, 26) in der Aufschichtungsrichtung abgefast werden.
Piezoelektrisches Schichtelement nach Anspruch 7, bei dem die maximale Öffnungsbreite des abgefasten Abschnitts (251, 252, 261, 262) in der Aufschichtungsrichtung 4 bis 10% der Dicke jeder Elementeinheit (2) in der Aufschichtungsrichtung entspricht.
Piezoelektrisches Schichtelement (3), mit: einer Schichtkörpereinheit (30), in der eine Vielzahl von Elementeinheiten (2, 32) übereinander geschichtet ist, wobei in jeder Elementeinheit (2, 32) abwechselnd piezoelektrische Schichten und Innenelektrodenschichten übereinander geschichtet sind, auf denen kontaktfreie Flächen vorhanden sind, in denen die Innenelektrodenschichten in Bereichen, die von den Außenumfangsabschnitten der piezoelektrischen Schicht beabstandet sind, nicht teilausgebildet sind; an den beiden Endabschnitten der Schichtkörpereinheit (30) befindlichen Blindelementeinheiten (33) ohne piezoelektrische Eigenschaften; und einem Paar an den Seiten der Schichtkörpereinheit (30) befindlicher Seitenelektroden (151, 152), die jede zweite Innenelektrode elektrisch miteinander verbinden, wobei zwischen einer ersten, zwischen den Elementeinheiten (2, 32) ausgebildeten Aufschichtungsgrenze (301, 302) und der Seitenelektrode (151) sowie zwischen einer zweiten, zwischen der Schichtkörpereinheit (30) und der Blindelementeinheit (33) ausgebildeten Aufschichtungsgrenze (303) und der Seitenelektrode (151) ein Hohlraumabschnitt (10) vorhanden ist, der aus einer Nut gebildet ist, die sich zur Seitenelektrode (151) hin öffnet.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das ein piezoelektrisches Stellglied ist.
Piezoelektrisches Schichtelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die maximale Öffnungsbreite (Y1) des Hohlraumabschnitts (10) in der Aufschichtungsrichtung nicht weniger als 20 μm beträgt.