DE10254450A1

DE10254450A1 - Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart, Verfahren zum Herstellen derselben und Einspritzeinrichtung

Info

Publication number: DE10254450A1
Application number: DE2002154450
Authority: DE
Inventors: Kazuhide Sato; Shinichi Okamoto; Hiroaki Asano; Toshiatsu Nagaya; Isao Mizuno
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2003-07-17
Also published as: JP4325161B2; JP2003224313A

Abstract

Eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem geteilten und verbundenen Aufbau, die zu einem Unterdrücken der Verringerung des Leistungsvermögens bei einer Hochtemperaturumgebung in der Lage ist, und eine Einspritzeinrichtung, die die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart als ein piezoelektrisches Betätigungsglied verwendet, sind offenbart. Eine Vielzahl an keramischen Lagen (12) und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen (21, 22) sind abwechselnd zueinander gestapelt worden, um ein Stapeleinheitselement (11) zu bilden. Eine Vielzahl der Stapeleinheitselemente (11) wird gestapelt und diese werden miteinander über Haftmittellagen (3) verbunden, um einen keramischen Stapelaufbau (11) dadurch auszubilden, der die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart bildet. Die Gesamtheit der Haftmittellagen (3) hat einen Elastizitätsmodul von zumindest 0,1 bis 10 GPa bei 150 bis 200 DEG C.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart, die für ein piezoelektrisches Betätigungsglied oder dergleichen verwendet wird, und auf eine Einspritzeinrichtung, die die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart aufweist.
In der Vergangenheit wurde zum Erzielen einer hohen Verschiebung bei einer geringen Spannung ein keramischer Stapelaufbau verwendet, bei dem eine Vielzahl an dünnen piezoelektrischen keramischen Lagen und Innenelektrodenlagen abwechselnd zueinander gestapelt sind und einstückig gebacken wurden. Genauer gesagt wurde eine dünne Platte in einer Dicke von 20 bis 200 µm als eine keramische Lage verwendet, die aus piezoelektrischer Keramik bestand, und ungefähr 100 bis 700 keramische Lagen wurden abwechselnd mit Innenelektrodenlagen gestapelt.
Bei dem piezoelektrischen Betätigungsglied mit diesem einstückig gebackenen Aufbau erhöht sich die Innenspannung in einer Richtung zum Hemmen des Betriebs bei einer Zunahme der Anzahl an gestapelten Lagen. Die erhöhte Innenspannung erzeugt während des Betriebs Risse bei dem keramischen Stapelaufbau. Dies führt zu Verschlechterungen der Produkteigenschaften wie beispielsweise die Verschiebung und kann die Zuverlässigkeit des Produktes aufgrund eines Kurzschlusses oder dergleichen verringern.
Um dieses Problem zu überwinden, kann ein sogenannter "getrennter und verbundener Aufbau" anstelle des einstückig gebauten Aufbaus angewendet werden. Bei dem "getrennten und verbundenen Aufbau" werden eine Vielzahl an keramischen Stapelaufbauelementen mit einer geringeren Anzahl an Lagen als die Endzahl an gestapelten Lagen zuvor gebacken und aneinander über Haftlagen verbunden.
Die herkömmliche piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit diesem getrennten und verbundenen Aufbau wirft jedoch die nachstehend beschriebenen Probleme auf.
Genauer gesagt zeigte ein Betriebsversuch, der unter Verwendung eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes ausgeführt wurde, das einen keramischen Stapel mit dem getrennten und verbundenen Aufbau aufwies, dass der Verschiebungsverlust größer als bei dem herkömmlich einstückig gebackenen Aufbau war.
Es wird erachtet, dass dieser Verschiebungsverlust zu dem Problem führt, dass der Ventilkörper nicht ausreichend verschoben wird und der Kraftstoff nicht in dem Fall eingespritzt werden kann, wenn die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit dem getrennten und verbundenen Aufbau als ein piezoelektrisches Betätigungsglied der Einspritzeinrichtung verwendet wird.
Der sich in dem vorstehend erwähnten Betriebsversuch offenbarende Verschiebungsverlust wurde wahrscheinlich durch den Umstand herbeigeführt, dass der Versuch bei einer Hochtemperaturumgebung von 120°C oder höher ausgeführt wurde und daher der Elastizitätsmodul der Haftlagen geringer war.
Die Umgebung, bei der die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart tatsächlich als ein piezoelektrisches Betätigungsglied einer Einspritzeinrichtung verwendet wird, erreicht eine hohe Temperatur, die 120°C überschreitet. Es ist daher erwünscht, eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart zu entwickeln, bei der die Verringerung des Leistungsvermögens aufgrund der Haftlagen sogar bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden kann. Eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart, die ein überlegenes Leistungsvermögen sogar bei einer Hochtemperaturumgebung aufzeigt, würde auch in anderen weiten Anwendungsgebieten und auch für die Einspritzeinrichtung anwendbar sein.

Die vorliegende Erfindung ist in Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme entwickelt worden und ihre Aufgabe ist es, eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem getrennten und verbundenen Aufbau zu schaffen, bei der die Verringerung des Leistungsvermögens bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden kann, und eine Einspritzeinrichtung zu schaffen, die eine derartige piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart als ein piezoelektrisches Betätigungsglied verwendet.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau geschaffen, die einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, und eine Vielzahl an Haftlagen für ein Verbinden der Stapeleinheitselemente miteinander hat, wobei der Elastizitätsmodul der Haftlagen als Ganzes 0,1 bis 10 GPa in einem Temperaturbereich von zumindest 150 bis 200°C beträgt.

Bei diesem Aspekt der Erfindung wird eine Vielzahl an Haftlagen verwendet, die einen Elastizitätsmodul in einer Höhe von 0,1 bis 10 GPa bei einer Hochtemperaturumgebung von 150 bis 200°C haben. Trotz des "getrennten und verbundenen Aufbaus" bei durch die Haftlagen gestapelten Stapeleinheitselementen kann daher der keramische Stapelaufbau gemäß dieser Erfindung eine ausreichende Steifigkeit der Haftlagen sogar bei Hochtemperaturanwendungen sicherstellen. Somit kann bei der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit dem vorstehend beschriebenen Stapelaufbau die Verringerung der Eigenschaften wie beispielsweise des Verschiebungsbetrages bei Anwendungen in einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau geschaffen, die einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, von denen jedes eine Vielzahl an keramischen Lagen und einer Vielzahl an Innenelektrodenlagen hat, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, und eine Vielzahl an Haftlagen für ein Verbinden der Stapeleinheitselemente miteinander hat, wobei die Haftlagen Hochsteifigkeitspartikel mit einem höheren Elastizitätsmodul als die Haftmittelharzkomponente enthält.

Die Haftlagen des keramischen Stapelaufbaus gemäß diesem Aspekt der Erfindung enthalten die Hochsteifigkeitspartikel. Selbst in dem Fall, bei dem die Haftlagen einer Umgebung ausgesetzt sind, die eine vergleichsweise hohe Temperatur hat, und wobei der Elastizitätsmodul ihrer Harzkomponente verringert ist, ist daher die Steifigkeit der Haftlagen als Ganzes durch die Hochsteifigkeitspartikel sichergestellt. Als ein Ergebnis kann bei der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit dem vorstehend erwähnten keramischen Stapelaufbau die Verringerung des Leistungsvermögens wie beispielsweise eines Verschiebungsbetrags sogar bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau geschaffen, die einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, von denen jedes eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen hat, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, und eine Vielzahl an Haftlagen zum Verbinden der Stapeleinheitselemente miteinander hat, wobei die Oberflächenrauigkeit oder Oberflächenrauheit Rz von jedem Paar der keramischen Lagen, die die entsprechenden Haftlagen halten, nicht geringer als 1,5 µm ist.

Bei dem keramischen Stapelaufbau gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist die Oberflächenrauigkeit Rz der keramischen Lagen an beiden Seiten von jeder Haftlage zwangsweise auf nicht weniger als 1,5 µm erhöht. Die strukturierten Oberflächen der keramischen Lagen, die über eine vorgegebene Haftlage einander gegenüberstehen, können daher Vorsprünge haben, die mikroskopisch enger in der Nähe zueinander als in einem angenommenen Fall sind, bei dem die Oberflächen weniger rauh und glatt sind. Selbst in dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Haftlagen als Ganzes bei einer Hochtemperaturumgebung verringert ist, wird daher die Steifigkeit durch die Vorsprünge der sich gegenüberstehenden keramischen Lagen beibehalten. Somit kann bei der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit dem vorstehend beschriebenen keramischen Stapelaufbau die Verringerung des Leistungsvermögens wie beispielsweise eines Verschiebungsbetrages sogar bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau geschaffen, der einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, und eine Vielzahl an Haftlagen zum Verbinden der Stapeleinheitselemente miteinander hat, wobei die Stapeleinheitselemente jeweils eine Vielzahl an Hilfsabschnitten haben, an denen die Innenelektrodenlagen nicht zu den Seitenflächen der Stapeleinheitselemente freigelegt sind, und wobei die Haftlagen nicht zu zumindest den Seitenflächen der Stapeleinheitselemente freigelegt sind und unter Betrachtung durch die Stapeleinheitselemente entlang der Richtung des Stapelns innerhalb eines Bereiches angeordnet sind, der einer Fläche entspricht, die sämtliche Innenelektrodenlagen abdeckt.

Beim Aufbringen einer Spannung an den Innenelektrodenlagen des vorstehend beschriebenen keramischen Stapelaufbaus neigen lediglich die Abschnitte der zwischen den Innenelektrodenlagen angeordneten keramischen Lagen dazu, verschoben zu werden, währen die Hilfsabschnitte, an denen die Innenelektrodenlagen den Seitenflächen der Stapeleinheitselemente nicht ausgesetzt verbleiben, nicht verschoben werden und daher einen Innenspannungswiderstand gegenüber der Verschiebung erzeugen.

Bei dem keramischen Stapelaufbau gemäß diesem Aspekt der Erfindung sind, wie dies vorstehend beschrieben ist, die Haftlagen unter Betrachtung durch die Stapeleinheitselemente entlang der Richtung des Stapelns lediglich in einem Bereich angeordnet, der einer Fläche entspricht, die sämtliche Innenelektrodenlagen abdeckt. Anders ausgedrückt sind die den Hilfsabschnitten entsprechenden Bereiche nicht mit Haftlagen versehen, so dass die Hilfsabschnitte der Stapeleinheitselemente nicht miteinander durch die Haftlagen verbunden sind. Selbst in dem Fall, bei dem der keramische Stapelaufbau verschoben wird und der Spannungswiderstand gegenüber der Verschiebung in dem Hilfsabschnitt von jedem Stapeleinheitselement erzeugt wird, wird daher die Verschiebung durch die Haftlagen abgetrennt und lediglich innerhalb des speziellen Stapeleinheitselementes begrenzt oder beschränkt. Somit wird die Verschiebung nicht in dem gesamten keramischen Stapelaufbau zu einem Zeitpunkt erzeugt. Als ein Ergebnis wird eine geringere innere Spannung in dem gesamten keramischen Stapelaufbau als in dem Fall einer einstückig gebackenen Erzeugnisses erzeugt.

Dieser Wirkeffekt wird bei einer Umgebung mit hoher Temperatur und auch bei einer Umgebung mit niedriger Betriebstemperatur aufgezeigt. Bei der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit dem vorstehend beschriebenen keramischen Stapelaufbau kann daher die Verringerung des Leistungsvermögens wie beispielsweise des Verschiebungsbetrages sogar bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau geschaffen, der einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils einer Vielzahl an keramischen Lagen und einer Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, und eine Vielzahl an Haftlagen für ein Verbinden der Stapeleinheitselemente miteinander hat, wobei jedes Stapeleinheitselement Kontaktabschnitte hat, an denen die Oberflächen der keramischen Lagen in einem direkten Kontakt zueinander sind, und Nichtkontaktabschnitte hat, an denen die Oberflächen der keramischen Lagen nicht in einem direkten Kontakt zueinander stehen, wobei die Haftlage zwischen den Oberflächen der keramischen Lagen bei zumindest einem Teil der Nichtkontaktabschnitte eingefüllt ist.

Bei der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit den Kontaktabschnitten und den Nichtkontaktabschnitten gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist eine Vielzahl an Stapeleinheitselementen miteinander durch die Haftlagen verbunden, die in den Nichtkontaktabschnitten vorhanden sind. Unabhängig von dem Vorhandensein der Haftlagen kann das Vorhandensein der Kontaktabschnitte den Verschiebungsverlust verringern und das verringerte Leistungsvermögen bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrücken.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist eine Einspritzeinrichtung geschaffen, die daran angepasst ist, das Kraftstoffeinspritzen zu steuern, indem ein die Verschiebung eines piezoelekrischen Betätigungsgliedes nutzender Ventilkörper betrieben wird, wobei das piezoelektrische Betätigungsglied eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem des ersten bis fünften Aspektes der Erfindung hat, die vorstehend beschrieben sind.

Die Einspritzeinrichtung gemäß diesem Aspekt der Erfindung wendet ein piezoelektrisches Betätigungsglied an, das eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem Aspekt des ersten bis fünften Aspektes der Erfindung hat. Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann die Verringerung des Leistungsvermögens wie beispielsweise des Verschiebungsbetrages von diesem piezoelektrischen Betätigungsglieds sogar bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden. Das Leistungsvermögen sogar der unter schwierigen Bedingungen wie beispielsweise einer Hochtemperaturumgebung verwendeten Einspritzeinrichtung kann daher in ausreichender Weise gehalten werden. Desweiteren können die Betriebseffekte, die dem vorstehend beschriebenen "getrennten und verbundenen Aufbau" gleich sind, aufgezeigt werden, d. h. die Neigung zum Erzeugen von Rissen kann zum Zweck einer verbesserten Haltbarkeit stärker als bei dem einstückig gebackenen Aufbau unterdrückt werden. Als ein Ergebnis kann das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit der Einspritzeinrichtung als Ganzes verbessert werden.

Gemäß einem siebenten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Herstellen einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, von denen jedes eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen hat, die abwechselnd zueinander gestapelt sind; und
Stapeln einer Vielzahl der Stapeleinheitselemente über ein Haftmittel und Erwärmen des sich ergebenden Stapelaufbaus bei einer Temperatur von 150 bis 300°C, während gleichzeitig ein Druck von 0,5 bis 60 MPa entlang der Stapelrichtung aufgebracht wird, wodurch das Haftmittel gehärtet wird und eine Vielzahl an Haftlagen ausgebildet werden.

Bei dem Schritt des Härtens des Herstellverfahrens gemäß dieser Erfindung wird das Haftmittel gehärtet, indem der Stapelaufbau bei einem spezifischen Temperaturbereich erwärmt wird, während gleichzeitig ein spezifischer Druckbereich angewendet wird. Da ein Druck bei durch das Erwärmen verringerter Viskosität des Haftmittels aufgebracht wird, kann die Dicke der Haftlagen verringert werden, wodurch es ermöglicht wird, eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart bei verringertem Verschiebungsverlust herzustellen.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Aufbaus eines keramischen Stapelaufbaus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung eines Aufbaus einer piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung von einem Aufbau eines Stapeleinheitselementes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus der Haftlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Gehalt an Hochsteifigkeitspartikeln und dem Elastizitätsmodul der gesamten Haftlagen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Abschnitte, an denen die Haftlagen angeordnet sind, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Abschnitte, an denen die Haftlagen angeordnet sind, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Fig. 8a bis 8c zeigen Darstellungen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Hilfsabschnitten und den Bereichen, an denen die Haftlagen angeordnet sind, gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Abstand, der durch die Hilfsabschnitte abgedeckt wird, und der maximalen Spannung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Muster der Innenelektrodenlagen und der Muster der Haftlagen gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 11 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Einspritzeinrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Aspekt der Erfindung beträgt der Elastizitätsmodul der Haftlagen als Ganzes 0,1 bis 10 GPa bei 150 bis 200°C. In dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Haftlagen geringer als 0,1 GPa bei diesem Temperaturbereich ist, wirft die Anwendung der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart in diesem vorstehend beschriebenem Temperaturbereich jenes Problem auf, dass die Steifigkeit der Haftlagen verringert ist und überlegene Eigenschaften nicht aufgezeigt werden können. In dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Haftlagen in dem gleichen Temperaturbereich über 10 GPa beträgt, kann andererseits die Spannung nicht entspannt werden.
Der Elastizitätsmodul der Haftlagen ist vorzugsweise in dem Bereich von 0,3 GPa bis 3 GPa. In dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Haftlagen nicht mehr als 0,3 GPa beträgt, wird der Verschiebungsverlust weniger effektiv zu dem Zeitpunkt des Betriebs unterdrückt. In dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Haftlagen 3 GPa überschreitet, nimmt andererseits der an den Stapeleinheitselementen von den Haftlagen ausgeübte thermische Spannung auf ein derartiges Maß zu, dass die Stapeleinheitselemente wahrscheinlich Risse bilden.
Bei dem ersten Aspekt der Erfindung enthalten die Haftlagen vorzugsweise Hochsteifigkeitspartikel mit einem höheren Elastizitätsmodul als die Harzkomponente des Haftmittels. In diesem Fall kann das Vorhandensein der Hochsteifigkeitspartikel den Elastizitätsmodul der Haftlagen als Ganzes bei Temperaturen von 150 bis 200°C im Vergleich zu dem Stand der Technik bemerkenswert verbessern.
Auch bei dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung ist der Elastizitätsmodul der Hochsteifigkeitspartikel vorzugsweise 2 bis 10 mal so groß wie bei der Harzkomponente des Haftmittels. In dem Fall, bei dem der Elastizitätsmodul der Hochsteifigkeitspartikel kleiner als 2-mal so groß wie der Elastizitätsmodul der Harzkomponente des Harzmittels ist, wird ein Problem dahingehend aufgeworfen, dass das Vorhandensein der Hochsteifigkeitspartikel die Steifigkeit weniger wirkungsvoll verbessert. In dem Fall, bei dem er mehr als 10-mal so groß ist, ist das Problem andererseits, dass die Spannung nicht entspannt werden kann.
Die Größe der Hochsteifigkeitspartikel ist vorzugsweise 1,5 µm bis 20 µm.
In dem Fall, bei dem die Partikelgrösse geringer als 1,5 µm ist, wird das Problem aufgeworfen, dass das Vorhandensein der Hochsteifigkeitspartikel lediglich eine geringe Wirkung beim Verbessern des Elastizitätsmoduls erzeugen kann. In dem Fall, bei dem die Partikelgrösse mehr als 20 µm beträgt, wird andererseits die Dicke der Haftlagen als Ganzes zu groß, und das Verhältnis der Länge der Haftlagen zu der Länge des gesamten keramischen Stapelaufbaus erhöht sich auf ein derartiges Maß, dass der keramische Stapelaufbau verlängert wird für beispielsweise die gleiche Verschiebung.
Jede Haftlage enthält vorzugsweise zumindest drei Hochsteifigkeitspartikel. Diese Hochsteifigkeitspartikel können zumindest drei Stellen zwischen den keramischen Lagen bei dazwischen befindlichen entsprechenden Haftlagen stützen. In dieser Weise kann der Elastizitätsmodul der Haftlagen in stabiler Weise durch die Hochsteifigkeitspartikel beibehalten werden. Insbesondere die vorstehend beschriebenen drei oder mehr Hochsteifigkeitspartikel sind höchst effektiv nicht linear sondern verteilt an beliebigen Stellen an einer Ebene angeordnet.
Die Haftlagen enthalten vorzugsweise 10 bis 80 Gewichtsprozent der Hochsteifigkeitspartikel. In dem Fall, bei dem der Gehalt an Hochsteifigkeitspartikeln geringer als 10 Gewichtsprozent ist, kann der Elastizitätsmodul der Haftlagen nicht wirksam verbessert werden. Vorzugsweise beträgt daher der Gehalt nicht weniger als 20 Gewichtsprozent. Bei mehr als 80 Gewichtsprozent wird andererseits die Festigkeit des Basismetalls der Haftlagen verringert. Daher ist 50 Gewichtsprozent oder weniger eher zu bevorzugen.
Die Hochsteifigkeitspartikel bestehen vorzugsweise aus zumindest einem ausgewählten Stoff von Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Kalziumkarbonat. Die aus einem dieser Materialien bestehenden Partikel haben einen überlegenen Elastizitätsmodul sogar bei einer Hochtemperaturumgebung und sind als Hochsteifigkeitspartikel sehr geeignet. Als eine Alternative können andere anorganischen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften natürlich auch angewendet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen dritten Aspekt der Erfindung ist die Oberflächenrauigkeit Rz der keramischen Lagen, die die entsprechende Haftlage zwischen ihnen halten, auf nicht weniger als 1,5 µm eingestellt.
Mit der Oberflächenrauigkeit Rz ist die 10-Punkte-Höhe an Unregelmäßigkeiten gemeint, die in JIS B 0601-1994 definiert ist. Genauer gesagt ist die Oberflächenrauigkeit Rz in einer derartigen Weise bestimmt, dass eine Rauigkeitskurve erhalten wird unter Verwendung eines Oberflächenrauigkeitsmessgerätes der Kontaktart (beispielsweise SURFCOM 550AD von Tokyo Seimitsu, Contactor Spec. No. 0102501, vorn R 5 µm, Konus 90°) gemäß JIS und eine Referenzlänge entlang der Richtung der gemittelten Kurve abgetastet wird. Der Absolutmittelwert der Höhe von der höchsten Erhebung bis zu der fünft-höchsten Erhebung gemessen in der Richtung senkrecht zu der gemittelten Kurve des abgetasteten Abschnittes wird zu dem Absolutmittelwert der Höhe von der niedrigsten Vertiefung bis zu der fünft-niedrigsten Vertiefung gemessen in ähnlicher Weise hinzugefügt, so dass die sich ergebende Summe in Mikrometer (µm) als die Oberflächenrauigkeit Rz ausgedrückt wird.
Die Messstelle der Oberflächenrauigkeit Rz kann beispielsweise über ungefähr 5 mm des mittleren Abschnittes der keramischen Lagen eingestellt werden, die die entsprechende Haftmittellage zwischen ihnen halten.
Bei dem vorstehend beschriebenen dritten Aspekt der Erfindung haben die Haftlagen vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 10⁹ Ω × cm. In dem Fall, bei dem der elektrische Widerstand der Haftlagen geringer als 10⁹ Ω × cm ist, können die an den Seitenflächen der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart angeordneten Elektroden elektrisch miteinander über die Haftlagen verbunden sein. Aus diesem Grund ist der elektrische Widerstand der Haftlagen vorzugsweise nicht geringer als 10¹² Ω × cm.
Die vorstehend beschriebene piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart kann als eine Antriebsquelle der Einspritzeinrichtung verwendet werden. Anders ausgedrückt kann die Einspritzeinrichtung unter strengen Bedingungen einer Hochtemperaturumgebung verwendet werden. Auch bei dieser Einspritzeinrichtung kann ein hohes Leistungsvermögen gehalten werden, indem die vorstehend beschriebene überlegene piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart als ein piezoelektrisches Betätigungsglied verwendet wird. In dieser Weise können das Leistungsvermögen und die Zuverlässigkeit der Einspritzeinrichtung als Ganzes verbessert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten bis sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine piezoelektrische Keramik wie beispielsweise PZT (Bleizirkonattitanat) für die keramischen Lagen verwendet werden.
Das Urethanharz, Silikonharz, Epoxydharz oder Polyimidharz mit einem günstigen Haftvermögen mit den keramischen Lagen kann als die Harzkomponente des Haftmittels der Haftlagen verwendet werden. Unter ihnen sind das Epoxydharz und das Polyimidharz zu bevorzugen, die den Elastizitätsmodul von nicht weniger als 1 GPa bei Raumtemperatur haben.
Bei dem siebenten Aspekt der Erfindung ist die Erwärmungstemperatur bei dem Schritt des Härtens in dem Bereich von 150 bis 300°C eingestellt, wie dies vorstehend beschrieben ist. Die Erwärmungstemperatur ist nicht niedriger als 150°C einerseits eingestellt, um einen gewissen Spielraum oberhalb von 120°C sicherzustellen, die als niedrigste Temperatur der Betriebsumgebung der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart eingestellt ist. In dem die Erwärmungstemperatur auf nicht weniger als 150°C eingestellt wird, wird die Vernetzungsdichte des Haftmittels zum Zwecke einer verbesserten Thermoalterungsfestigkeit verbessert. Desweiteren kann die Erzeugung eines Gases, die ansonsten durch die Zersetzung der monomerischen Komponenten des Haftmittels bei der Produktbetriebsumgebung bewirkt werden kann, unterdrückt werden. Diese Effekte werden bei Temperaturen unterhalb von 150°C verringert. In dem Fall, bei dem die Erwärmungstemperatur 300°C überschreitet, wird andererseits das Grundgerüst der Hochpolymerkomponenten, die das Hauptpolymer des Haftmittels ausmachen, thermisch zersetzt. Eine noch eher zu bevorzugende Erwärmungstemperatur ist daher nicht geringer als 250°C.
Der Druck bei dem Schritt des Härtens ist in dem Bereich von 0,5 bis 60 MPa eingestellt. Für einen Druck von weniger als 0,5 MPa ist die Dicke der Haftlagen aufgrund der Oberflächenspannung des Haftmittels erhöht. Somit ist ein Druck erforderlich, der höher als die Oberflächenspannung ist. Vorzugsweise ist daher der Druck auf nicht weniger als 1 MPa eingestellt. In dem Fall, bei dem Druck 60 MPa andererseits überschreitet, kann eine unausgeglichene Belastung Risse in den Stapeleinheitselementen oder Mikrorisse in deren Oberflächen entwickeln. Daher ist der Druck von 10 MPa oder weniger eher zu bevorzugen.
Eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 erläutert.
Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat gemäß Fig. 1 einen keramischen Stapelaufbau 10, der einen Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen 11 mit einer Vielzahl an keramischen Lagen 12 und einer Vielzahl an Innenelektrodenlagen 21, 22, die alternativ zueinander gestapelt sind, hat, wobei die Stapeleinheitselemente 11 miteinander über eine Vielzahl an Haftlagen 3 jeweils verbunden sind. Die Haftlagen 3 enthalten Hochsteifigkeitspartikel 35 mit einem höheren Elastizitätsmodul als die Haftmittelharzkomponente 30.
Nachstehend ist eine detaillierte Beschreibung dargelegt.
Die Stapeleinheitselemente 11 haben jeweils die Innenelektrodenlagen 21 und 22, die alternativ zu der positiven bzw. negativen Seite ausgebildet sind, zwischen den jeweiligen keramischen Lagen 12. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist jedes Stapeleinheitselement 11 aus einem Stapel von 50 keramischen Lagen 12 ausgebildet. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat somit einen "getrennten und verbundenen Aufbau", bei dem ein Stapel von 10 Stapeleinheitselementen 11 miteinander durch die Haftlagen 3 verbunden sind (Fig. 4).
Beim Herstellen von jedem Stapeleinheitselement 11 (Stapeleinheitselementherstellschritt) werden die Innenelektrodenlagen 21 und 22 an einem breiten Rohblatt angeordnet, um eine Vielzahl an keramischen Lagen auszumachen, woraufhin ein Stanzen und Stapeln folgt. Dann werden 50 keramische Lagen 12 in einer derartigen Weise gestapelt, dass die gesamte Oberfläche der keramischen Lagen 12 den Endflächen entlang der Stapelrichtung ausgesetzt ist. Die somit erhaltenen 50 Stapelstrukturen werden einem Thermokompressionsverbinden unterworfen und werden dadurch gebacken, um das Stapeleinheitselement 11 herzustellen. Das Verfahren und die Abfolge des Stanzens, Stapelns und Thermokompressionsverbindens kann in verschiedener Weise geändert werden.
Die keramischen Lagen 12 werden fein eingestellt, so dass sie die Zusammensetzung der piezoelektrischen Keramik aus PZT (Bleizirkonattitanat) haben. Eine piezoelektrische Keramik aus anderen Substanzen kann ebenfalls angewendet werden.
Die Innenelektrodenlagen 21 und 22 können durch Siebdrucken einer Paste aus Silber und Palladium an der Oberfläche des Rohblattes für die keramischen Lagen ausgebildet werden. Das Material der Innenelektrodenlagen 21 und 22 kann alternativ irgendein anderes leitfähiges Material wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Platin, Silber oder eine Mischung aus diesen haben.
Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, haben die Innenelektrodenlagen 21 und 22, die den größten Teil der benachbarten keramischen Lagen 12 bedecken, Hilfsabschnitte 19 als ein Teil der keramischen Lagen 12, der nicht durch die Innenelektrodenlagen bedeckt ist. Im gestapelten Zustand sind die Hilfsabschnitte 19 abwechselnd an linker und rechter Position angeordnet.
Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, werden 10 somit hergestellte Stapeleinheitselemente 11 vorbereitet und miteinander durch die Haftlagen 3 verbunden. Die Seitenelektrode 31 wird zuvor ausgebildet, indem eine Silberpaste an den Seitenflächen 101 und 102 von jedem Stapeleinheitselement 11 gebacken wird, um ein Leiten zu den Innenelektroden 21 bzw. 22 zu sichern.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Haftmittel für die Haftlagen 3, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, aus einer Haftmittelharzkomponente 30 aus Epoxydharz zusammengesetzt, das Aluminiumoxidpartikel mit einer Partikelgrösse von 5 bis 12 µm als Hochsteifigkeitspartikel 35 enthält. Die Haftlagen 3 sind so aufgebaut, dass sie, nachdem sie gehärtet worden sind, einen Gesamtelastizitätsmodul in dem Bereich von 0,1 bis 10 GPa bei einer Hochtemperaturumgebung von 150 bis 200°C einnehmen.
Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Haftmittel der Haftlagen 3 zwischen den Stapeleinheitselementen 11 angeordnet und gehärtet (Härteschritt), wodurch der keramische Stapelaufbau 10 hergestellt ist, der einen Stapel von insgesamt 500 keramischen Lagen 11 hat.
Dieser Vorgang wird spezifisch in einer derartigen Weise ausgeführt, dass die über die Haftlagen 3 gestapelten Stapeleinheitselemente 11 in einem Werkzeug so angeordnet werden, dass ihre Seitenflächen gänzlich eingeschränkt sind. Dann wird ein Druck von 3 MPa entlang der Stapelrichtung aufgebracht, während die Temperatur bei 180°C eine Stunde lang gehalten wird, um dadurch die Haftlagen 3 auszuhärten. Das Temperaturanstiegsprofil für den Härteschritt hat vorzugsweise mehrere Schritte. Als ein Ergebnis wird verhindert, dass die Haftlagen 3 in ihnen Leerstellen entwickeln.
Eine Außenelektrode 33 aus SUS (rostfreier Stahl für Spezialzwecke) wird an jeder Seitenelektrode 31 unter Verwendung eines leitfähigen Haftmittels verbunden (Epoxydharz und 70 Gewichtsprozent an Silber), wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Somit ist die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart gemäß diesem Ausführungsbeispiel vollendet.
Nachstehend sind die Betriebswirkungen von diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat der keramische Stapelaufbau 10 einen "geteilten und verbundenen Aufbau" und die Haftmittellagen 3 enthalten die Hochsteifigkeitspartikel 35. Dieser keramische Stapelaufbau 10 ist so gestaltet, dass er ein Elastizitätsmodul in einer Höhe von 0,1 bis 10 GPa bei einer Hochtemperaturumgebung von 150 bis 200°C hat.
Trotz des geteilten und verbundenen keramischen Stapelaufbaus 10 mit einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen 11, die über die Haftmittellagen 3 gestapelt sind, kann die Steifigkeit der Haftmittellagen 3 sogar bei einer Hochtemperaturumgebung in zufriedenstellender Weise gesichert werden. In spezifischer Weise wird selbst dann, wenn der Elastizitätsmodul der Haftmittelharzkomponente 30 durch das Aussetzen der Haftlagen 3einer Hochtemperaturumgebung verringert ist, die Gesamtsteifigkeit, d. h. der Gesamtelastizitätsmodul durch die Hochsteifigkeitspartikel 35 gesichert. Bei der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Stapelart mit dem keramischen Stapelaufbau 10 kann daher die Verschlechterung des Leistungsvermögens wie beispielsweise der Verschiebungsbetrag selbst bei einer Hochtemperaturumgebung unterdrückt werden, wodurch ein Überwinden des Nachteils des geteilten und verbundenen Aufbaus ermöglicht wird. Somit können die ursprünglichen Effekte des "geteilten und verbundenen Aufbaus", d. h. die Effekte des Verhinderns von Rissen während des Betriebs mit dem Ergebnis erzeugt werden, dass die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowohl überlegene Eigenschaften als auch eine hohe Zuverlässigkeit hat.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 2 beschrieben.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde der Gehalt an Hochsteifigkeitspartikeln 35 in den Haftlagen 3 bei dem ersten Ausführungsbeispiel verändert, und die Veränderung des Elastizitätsmoduls der gesamten Haftlagen bei der Änderung des Partikelgehalts wurde gemessen.
Genauer gesagt wurden 4 Arten an Haftmittel (Proben 1 bis 4) mit dem Gehalt an 0%, 20%, 50% bzw. 70% an den Hochsteifigkeitspartikeln 35 vorbereitet und gehärtet, um Haftlagen auszubilden, und während des Änderns der Temperatur wurde der Elastizitätsmodul gemessen.
Das Messergebnis ist in Fig. 5 gezeigt, wobei die Abszisse die Temperatur in °C angibt und die Ordinate den Elastizitätsmodul in GPa zeigt. Die Haftmittellagen mit dem Gehalt an 0% Hochsteifigkeitspartikel (Probe 1) sind durch S1 bezeichnet, die Haftmittellagen mit einem Gehalt an 20% (Probe 2) sind als S2 bezeichnet, die Haftmittellagen mit dem Gehalt an 50% (Probe 3) sind als S3 bezeichnet und die Haftmittellagen mit dem Gehalt an 70% (Probe 4) sind als S4 bezeichnet.
Wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist der Elastizitätsmodul von Probe 1, die keine Hochsteifigkeitspartikel aus Aluminiumoxid enthält, deutlich bei Temperaturen von oberhalb 100°C verringert und fällt auf 0,1 oder weniger bei Temperaturen von oberhalb 150°C ab.
Für sämtliche Proben 2 bis 4, die Hochsteifigkeitspartikel enthalten, fällt der Elastizitätsmodul andererseits allmählich über 100°C ab, jedoch kann der Elastizitätsmodul in dem Bereich von 0,1 bis 10 GPa in zufriedenstellender Weise selbst bei Temperaturen von 150 bis 200°C gesichert werden.
Dies zeigt deutlich, dass das Hinzufügen der Hochsteifigkeitspartikel sehr effektiv bei der Verbesserung des Elastizitätsmoduls der Haftlagen ist und zu der Verbesserung von sowohl dem Leistungsvermögen als auch der Zuverlässigkeit der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Stapelart mit dem keramischen Stapelaufbau 10 beiträgt.
Wenn L der Verschiebungsverlust ist, t die Dicke der Haftlage ist, E der Elastizitätsmodul der Haftlage ist und σ die beim Betrieb erzeugte Spannung ist, muss bekanntermaßen die nachstehend aufgeführte Beziehung gehalten werden:
L = t × σ/E
Diese Formel zeigt außerdem, dass die Verbesserung des Elastizitätsmoduls E der Haftlagen in der vorstehend beschriebenen Weise den Verschiebungsverlust L verringern kann.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 3 beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt einen Fall, bei dem gemäß Fig. 6 die Größe der Hochsteifigkeitspartikel 35 der Haftlagen 3 bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit ungefähr 3 Mikrometer groß ist, und wobei jede Haftlage 3 zumindest 3 Hochsteifigkeitspartikel 35 enthält.
In diesem Fall kann selbst wenn der Elastizitätsmodul der Haftmittelharzkomponente 30 der Haftlagen 3 bei hohen Temperaturen verringert wird, der Elastizitätsmodul der Haftmittellagen 3 durch die Hochsteifigkeitspartikel 35, die als eine Stütze wirken, weiter verbessert werden.
Eine übermäßig große Größe der Hochsteifigkeitspartikel 35 erhöht jedoch den Anteil, den die Haftlagen von der ganzen Länge des keramischen Stapelaufbaus repräsentieren, und würde ein Verlängern des keramischen Stapelaufbaus für den gleich Verschiebungsbetrag erforderlich machen. Daher ist die Größe der Hochsteifigkeitspartikel 35 vorzugsweise nicht größer als 20 µm.
In dem Fall, bei dem die Größe der Hochsteifigkeitspartikel 35 nicht zu gering ist, wird andererseits der Elastizitätsmodul weniger effektiv verbessert, und daher ist die Größe vorzugsweise nicht geringer als 1,5 µm.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 4 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 die Hochsteifigkeitspartikel 35 überhaupt nicht mit den Haftmittellagen 3 vermischt, sondern die Oberflächenrauigkeit Rz der keramischen Lagen 12, die die entsprechende Haftmittellage 3 zwischen ihnen halten, ist auf nicht weniger als 1,5 µm eingestellt. Genauer gesagt wird die Oberfläche auf eine Rauigkeit Rz von 3 µm behandelt.
Die Oberflächenrauigkeit wird auf der Grundlage der 10-Punkte- Höhe an Unregelmäßigkeiten Rz ausgewertet, die in JIS B 0601- 1994 definiert ist. Für die Messung der Rauigkeit wird das Rauigkeitsmessgerät der Kontaktart von Tokyo Seimitsu (SURFCOM 550AD, Contactor Spec. No. 0102501, Vorderende R 5 µm, 90° Konus) verwendet. Die Kontakteinrichtung hat eine konische Form mit einem spitzen Winkel von 90° und hat ein kugelartiges Vorderende mit einem Krümmungsradius R von 5 µm.
Die Oberflächenrauigkeit wird durch das vorstehend erwähnte Rauigkeitsmessgerät im Wesentlichen über den 5 mm großen mittleren Abschnitt der Oberfläche der keramischen Lage 12 gemessen.
Die 10-Punkte-Höhe an Unregelmäßigkeiten Rz ist vorstehend definiert.
In diesem Fall können gemäß Fig. 7 die keramischen Lagen 12 miteinander verbunden werden, während die Vorsprünge an ihren strukturierten Oberflächen nahe zueinander sind. Daher kann die Verringerung, sofern vorhanden, bei dem Elastizitätsmodul der Haftmittelharzkomponente 30 der Haftlagen 3 bei hohen Temperaturen durch die keramischen Lagen 12 ausgeglichen werden.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 5 beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt einen Fall, bei dem gemäß Fig. 8 die Haftlagen 3 bei dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Bereich, der der Fläche A entspricht, die sämtliche Innenelektrodenlagen 21 und 22 abdeckt, unter Betrachtung durch die Stapeleinheitselemente 11 in der Stapelrichtung angeordnet werden. Der Bereich oder die Fläche A, die in Fig. 8 gezeigt ist, ist der andere Bereich außer dem linken und rechten Hilfsabschnitt 19, bei dem die Innenelektroden 21 und 22 an den keramischen Lagen 12 fehlen. Die Hilfsabschnitte 19 erstrecken sich nach oben zu einer Position, die um B (genannt der Hilfselektrodenabstand) von den Seitenenden der keramischen Lagen 12 beabstandet ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zum sicheren Bestimmen der Wirkung des Begrenzens der Position der Haftmittellagen 3, die bei dem Betreiben von jeder piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart erzeugte Innenspannung auf der Grundlage der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Stapelart als ein Model berechnet, bei der der Abstand von dem Seitenende der keramischen Lage 12 zu dem Seitenende der Haftmittellage 3 (genannt der Hilfshaftmittelabstand) von einem Maximum bei 1,5 mm auf 0 mm geändert wird.
Das Messergebnis ist in Fig. 9 gezeigt. In Fig. 9 zeigt die Abszisse das Verhältnis des Hilfshaftmittelabstandes zu dem Hilfselektrodenabstand und zeigt die Ordinate die erzeugte maximale Spannung (in %). Die maximale Spannung ist als das Ergebnis der Berechnung der Innenspannung (maximale Hauptspannung) definiert, die erzeugt wird, wenn der keramische Stapelaufbau um 0,1% verlängert wird.
Wie dies aus Fig. 9 ersichtlich ist, ist in Betrieb die Spannung um so größer, je kürzer der Hilfshaftmittelabstand ist. Die Spannung ist außerordentlich verringert, wenn das Verhältnis des Hilfshaftmittelabstandes zu dem Hilfselektrodenabstand nahe zu annähernd Eins wird.
Dies zeigt deutlich, dass das Leistungsvermögen der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart effektiv verbessert werden kann, indem die Fläche oder der Bereich der Haftmittellagen 3 vorzugsweise auf die Fläche oder den Bereich A in einer Weise begrenzt wird, dass sie nicht zu den Seitenflächen des Stapeleinheitselementes freigelegt ist. Das gleiche kann von der piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart gesagt werden, die bei einer Hochtemperaturumgebung angewendet wird.
Die Innenelektrodenlagen 21 und 22 und die keramischen Lagen 12 können irgendeine von verschiedenen Formen beispielsweise einnehmen, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
Fig. 10 zeigt eine Vielzahl an Mustern der Haftmittellagen 3, d. h. eine Vielzahl der Verbindungsbereiche (Spalten c bis e) entsprechend den vier Innenelektrodenlagenmustern (Spalten a und b) E1 bis E4. Dennoch können andere als die gezeigte Formen natürlich mit gleichem Effekt verwendet werden.
Fig. 10 zeigt lediglich ein Beispiel und der Verbindungsbereich stimmt nicht unbedingt mit dem Abschnitt der übereinander angeordneten Innenelektrodenlagenmuster (der Fläche A entsprechende Bereich) überein, sondern kann verschoben sein, obwohl die Haftmittellagen natürlich vorzugsweise in dem übereinander angeordneten Abschnitt enthalten sind, um die Spannung zu entspannen, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel 6 beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart des ersten Ausführungsbeispiels als ein piezoelektrisches Betätigungsglied der Einspritzeinrichtung 5 verwendet.
Die Einspritzeinrichtung 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird gemäß Fig. 11 für das Common-Rail-Einspritzsystem des Dieselmotors verwendet.
Die Einspritzeinrichtung 5 hat gemäß Fig. 11 ein oberes Gehäuse 52, in dem die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart als eine Antriebseinheit untergebracht ist, und ein unteres Gehäuse 53, das an dem unteren Ende des oberen Gehäuses 52 befestigt ist und in dem ein Einspritzdüsenabschnitt 54 ausgebildet ist.
Das obere Gehäuse 52 ist im Wesentlichen zylindrisch und die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart ist feststehend in ein vertikales Loch 521 eingeführt, das zu der Mittelachse exzentrisch ist.
Eine Hochdruckkraftstoffbahn 522 ist parallel an der Seite des vertikalen Loches 521 angeordnet. Der obere Endabschnitt der Hochdruckkraftstoffbahn 522 steht mit einer (nicht gezeigten) externen Common-Rail über das Innere eines Kraftstoffeinleitungsrohrs 523 in Verbindung, das von dem oberen Gehäuse 52 nach oben vorragt.
Ein Kraftstoffherausführrohr 525, das mit einer Ablaufbahn 524 in Verbindung steht, ragt von der oberen Seite des oberen Gehäuses 52 so vor, dass der aus dem Kraftstoffherausführrohr 525 herausströmende Kraftstoff zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückkehrt.
Die Ablaufbahn 524 steht mit einem nachstehend beschriebenen Drei-Wege-Ventil 551 mittels einer nicht gezeigten Bahn in Verbindung, die sich nach unten über das Innere des oberen und unteren Gehäuses 52 und 53 von dem Zwischenraum 50 zwischen dem vertikalen Loch 521 und der Antriebseinheit (piezoelektrische Vorrichtung) 1 erstreckt.
Der Einspritzdüsenabschnitt 54 hat eine Düsennadel 541, die gleitfähig vertikal in einem Kolbenkörper 53 ist, und ein Strahlloch 543 für ein Einspritzen des unter hohem Druck stehenden Kraftstoff in jeden Zylinder aus einem Kraftstoffbecken 542, das durch die Düsennadel 541 geöffnet/geschlossen wird. Das Kraftstoffbecken 542 ist um den mittleren Abschnitt der Düsennadel 541 herum angeordnet, zu dem der untere Endabschnitt der Hochdruckkraftstoffbahn 522 offen ist. Die Düsennadel 541 empfängt einerseits den Kraftstoffdruck von dem Kraftstoffbecken 542 in einer derartigen Richtung, dass das Ventil geöffnet wird, und den Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 544, die dem oberen Ende des Kraftstoffbeckens 542 zugewandt ist, in einer derartigen Richtung, dass das Ventil geschlossen wird. Durch die Verringerung des Drucks der Gegendruckkammer 544 wird die Düsennadel 541 so angehoben, dass das Strahlloch 542 geöffnet wird, wodurch der Kraftstoff eingespritzt wird.
Der Druck der Gegendruckkammer 544 wird durch das Drei-Wege- Ventil 551 erhöht/verringert. Das Drei-Wege-Ventil 551 ist so aufgebaut, dass es wahlweise eine Verbindung zwischen der Gegendruckkammer 544 und der Hochdruckkraftstoffbahn 522 oder der Ablaufbahn 524 errichtet. Das Drei-Wege-Ventil 551 hat einen kugelartig geformten Ventilkörper für ein Öffnen/Schließen einer Öffnung, die mit der Hochdruckkraftstoffbahn 522 oder der Ablaufbahn 524 in Verbindung steht. Dieser Ventilkörper wird durch die Antriebseinheit 1 über einen Kolben 552 mit einem großen Durchmesser, eine Öldruckkammer 553 und einen Kolben 554 mit einem kleinen Durchmesser, die unter der Antriebseinheit angeordnet sind, angetrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart als eine Antriebsquelle für die Einspritzeinrichtung 5 verwendet, die in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist. Die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart hat einen "geteilten und verbundenen Aufbau" 1 wie dies vorstehend beschrieben ist. Somit beträgt der Elastizitätsmodul der Haftlagen 3 der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Stapelart 0,1 bis 10 GPa bei hohen Temperaturen von 150 bis 200°C, wodurch eine überlegene Steifigkeit bei einer Hochtemperaturumgebung vorgesehen wird. Der Betrieb der Düsennadel 541 der Einspritzeinrichtung 5 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann daher durch die piezoelektrische Vorrichtung 1 der Stapelart sogar bei einer Hochtemperaturumgebung genau gesteuert werden. Als ein Ergebnis hat die Einspritzeinrichtung 5 sowohl eine überlegene Eigenschaft als auch eine hohe Haltbarkeit (Zuverlässigkeit) teilweise aufgrund des "geteilten und verbundenen Aufbaus" der piezoelektrischen Vorrichtung 1 der Stapelart.
Die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem geteilten und verbundenen Aufbau, die zu einem Unterdrücken der Verringerung des Leistungsvermögens bei einer Hochtemperaturumgebung in der Lage ist und eine Einspritzeinrichtung, die die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart als ein piezoelektrisches Betätigungsglied verwendet, sind offenbart. Eine Vielzahl an keramischen Lagen 12 und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen 21, 22 sind abwechselnd zueinander gestapelt worden, um ein Stapeleinheitselement 11 zu bilden. Eine Vielzahl der Stapeleinheitselemente 11 wird gestapelt und diese werden miteinander über Haftmittellagen 3 verbunden, um einen keramischen Stapelaufbau 11 dadurch auszubilden, der die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart bildet. Die Gesamtheit der Haftmittellagen 3 hat einen Elastizitätsmodul von zumindest 0,1 bis 10 GPa bei 150 bis 200°C.

Claims

1. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, wobei die Stapeleinheitselemente miteinander durch eine Vielzahl an Haftlagen verbunden sind;
wobei der Elastizitätsmodul der Gesamtheit der Haftmittellagen zumindest 0,1 bis 10 GPa bei dem Temperaturbereich von 150 bis 200°C beträgt.

2. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß Anspruch 1, wobei die Haftmittellagen Hochsteifigkeitspartikel mit einem höheren Elastizitätsmodul als die Harzkomponente des Haftmittels enthalten.

3. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, wobei die Stapeleinheitselemente miteinander durch eine Vielzahl an Haftlagen verbunden sind;
wobei die Haftmittellagen Hochsteifigkeitspartikel mit einem höheren Elastizitätsmodul als die Harzkomponente des Haftmittels enthalten.

4. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Elastizitätsmodul der Hochsteifigkeitspartikel 2 bis 10 mal größer als derjenige der Haftmittelharzkomponente ist.

5. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei jede Haftmittellage zumindest drei Hochsteifigkeitspartikel enthält.

6. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Haftmittellagen 10 bis 80 Gewichtsprozent der Hochsteifigkeitspartikel enthalten.

7. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Hochsteifigkeitspartikel aus einem Material hergestellt sind, das zumindest aus entweder Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Kalziumkarbonat ausgewählt wird.

8. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, wobei die Stapeleinheitselemente miteinander durch eine Vielzahl an Haftlagen verbunden sind;
wobei die Rauigkeit Rz der Oberfläche der keramischen Lagen, die die entsprechende Haftmittellage halten, nicht geringer als 1,5 µm ist.

9. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß Anspruch 8, wobei die Haftmittellagen einen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 10⁹ Ω × cm haben.

10. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, wobei die Stapeleinheitselemente miteinander durch eine Vielzahl an Haftlagen verbunden sind;
wobei die Stapeleinheitselemente jeweils eine Vielzahl an Hilfsabschnitten haben, an denen die Innenelektrodenlagen nicht zu den Seitenflächen der Stapeleinheitselemente freigelegt sind; und
wobei die Haftmittellagen nicht zumindest zu den Seitenflächen der Stapeleinheitselemente freigelegt sind und innerhalb eines Bereiches, der der Fläche entspricht, die sämtliche Innenelektrodenlagen unter Betrachtung durch die Stapeleinheitselemente abdeckt, entlang der Stapelrichtung angeordnet sind.

11. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart mit einem keramischen Stapelaufbau mit einem Stapel aus einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind, wobei die Stapeleinheitselemente miteinander durch eine Vielzahl an Haftlagen verbunden sind;
wobei der keramische Stapelaufbau eine Vielzahl an Kontaktabschnitten, an denen die Oberflächen der keramischen Lagen, die die entsprechenden Haftmittellagen zwischen ihnen halten, in einem direkten Kontakt miteinander stehen, und eine Vielzahl an Nichtkontaktabschnitten hat, an denen die Oberflächen der keramischen Lagen nicht in direktem Kontakt zueinander stehen, wobei die Haftmittellagen zwischen den Oberflächen der keramischen Lagen gefüllt sind, die zumindest einen Teil der Nichtkontaktabschnitte repräsentieren.

12. Piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart ein piezoelektrisches Betätigungsglied ist, das aus einer Antriebsquelle für die Einspritzeinrichtung verwendet wird.

13. Einspritzeinrichtung, die so aufgebaut ist, dass die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird durch ein Betätigen eines Ventilkörpers unter Ausnutzung der Verschiebung eines piezoelektrischen Betätigungsgliedes, wobei das piezoelektrische Betätigungsglied eine piezoelektrische Vorrichtung der Stapelart gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hat.

14. Verfahren zum Herstellen einer piezoelektrischen Vorrichtung der Stapelart mit den folgenden Schritten:
Herstellen einer Vielzahl an Stapeleinheitselementen, die jeweils eine Vielzahl an keramischen Lagen und eine Vielzahl an Innenelektrodenlagen haben, die abwechselnd zueinander gestapelt sind; und
nach einem über ein Haftmittel erfolgenden Stapeln einer Vielzahl der Stapeleinheitselemente bewirktes Aushärten der Haftmittellagen, um dadurch die Haftmittellagen auszubilden durch ein Aufbringen eines Drucks von 0,5 bis 60 MPa entlang der Stapelrichtung, während gleichzeitig die Stapeleinheitselemente bei einer Temperatur von 150 bis 300°C erwärmt werden.