Piezoelektrischer Aktuator

专利摘要:
Ein piezoelektrischer Aktuator (1) mit einem piezoelektrischen Einheitselement (11), das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten (15) besteht, von denen jede aus abwechselnd gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten (151) und inneren Elektrodenschichten (153 und 154) besteht, die an ihren äußersten Bondoberflächen in der Stapelrichtung gebondet sind und gebondete Teile (13) bilden. Jede piezoelektrische Elementeinheit (15) besteht aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten (151). Gebondete Keramikschichten (115), die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten (153 und 154) über einem gebondeten Teil (13) liegen, sind inaktiv.
公开号:DE102004007999A1
申请号:DE200410007999
申请日:2004-02-18
公开日:2004-09-23
发明作者:Naoyuki Kariya Kawazoe；Masayuki Kariya Kobayashi
申请人:Denso Corp；
IPC主号:F02M51-06

专利说明:
[0001] Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischenAktuator, der als Antriebsquelle eines Injektors usw. verwendetwird.
[0002] In der Vergangenheit wurde vorgeschlagen,ein piezoelektrisches Element als Antriebsquelle für einen Injektor(Brennkraftmaschinen-Einspritzeinrichtung) einer Brennkraftmaschineeines Automobils usw. zu verwenden. Insbesondere muß ein Injektorwiederholt Kraftstoff mit einer extrem hohen Geschwindigkeit zumindest10⁸ Mal einspritzen, so daß ein extremharter Verwendungszustand das piezoelektrische Element als dessenAntriebsquelle beaufschlagt. Daher muß ein piezoelektrisches Elementfür einenInjektor nicht nur überlegenepiezoelektrische Eigenschaften, sondern auch eine überlegeneDauerhaftigkeit bzw. Haltbarkeit haben.
[0003] Als solch ein piezoelektrisches Elementwird ein gestapeltes Piezoelektrikum, das aus einer Vielzahl vonpiezoelektrischen Keramikschichten, die sich in Übereinstimmung mit der angelegtenSpannung verschieben, und inneren Elektrodenschichten zum Anlegender Spannung, die abwechselnd gestapelt sind, besteht, als am Vielversprechendstenerachtet. Dies ist deshalb so, weil dieses gestapelte Piezoelektrikumeine große Antriebsquelleergeben kann, da sich die zwischen den inneren Elektrodenschichtenliegenden piezoelektrischen Keramikschichten verschieben, wenn siemit Spannung versorgt werden.
[0004] Im allgemeinen kann das vorstehendegestapelte Piezoelektrikum durch Drucken von Elektrodenstrukturenbzw. -mustern auf ungebrannte Keramikplatten mittels einem leitendenPastenmaterial, Überlagern vonmehreren zehn oder hundert derselben, und Pressbonden derselben,um einen Stapel herzustellen, Erwärmen des Stapels, um den Binderzu entfernen (Entfetten), und sodann Brennen desselben erhaltenwerden.
[0005] Ferner wurden bei dem vorstehendengestapelten Piezoelektrikum, um eine größere Verschiebung des gestapeltenPiezoelektrikums zu erhalten, Versuche durchgeführt, um die Anzahl gestapelterSchichten zu erhöhen.Als jedoch die Anzahl gestapelter Schichten erhöht wurde, bestand das Problem,daß nichtnur eine stabile Produktion schwierig wurde, sondern auch dann,wenn die gestapelte Anzahl nahezu einhundert erreichte, die innereBelastung, die erzeugt wird, wenn das piezoelektrische Element betriebenwird, zunahm, sodaß leichtRisse auftraten und die Lebensdauer kürzer wurde.
[0006] Um dieses Problem im Stand der Technikzu lösen,wurde das Verfahren vorgeschlagen, bei dem zunächst Stapel-Untereinheitenhergestellt werden, die aus einer Vielzahl von zusammengestapeltenungebrannten Keramikplatten bestehen, die Stapel-Untereinheitendann entfettet werden, um entfettete Einheiten der Untereinheitenherzustellen, und dann eine Vielzahl dieser entfetteten Einheitengestapelt und gebrannt werden, um ein gestapeltes Piezoelektrikumder gewünschtenAnzahl gestapelter Schichten zu erhalten (vgl. die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung(Kokai) Nr. 64-33980).
[0007] Bei dem vorstehenden gestapeltenPiezoelektrikum bestand jedoch das Problem, daß sich die äußersten Schichten der Stapel-Untereinheiten während desDruckens der Elektroden verformten und die Bondoberflächen derStapel-Untereinheiten beschädigtwurden. Ferner trat eine großeBelastung in den Stapel-Untereinheiten auf und bestand die Gefahr,daß imInneren derselben Risse bzw. Brücheauftreten.
[0008] Daher war ein solches gestapeltesPiezoelektrikum schwer als eine Antriebsquelle für einen wie vorstehend erklärt überlegeneDauerhaftigkeit erfordernden Injektor zu nutzen.
[0009] Die Erfindung erfolgte in Anbetrachtdieser Probleme im Stand der Technik und soll einen hinsichtlich derDauerhaftigkeit überlegenenpiezoelektrischen Aktuator schaffen.
[0010] Ein erster Aspekt der Erfindung schaffteinen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen anden äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 der piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten, diezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, diejeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.
[0011] Der piezoelektrische Aktuator desersten Aspekts der Erfindung weist, wie vorstehend erklärt, einpiezoelektrischen Einheitselement auf, das aus zumindest zwei piezoelektrischenElementeinheiten besteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichtenund inneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapeltund zusammengebondet sind.
[0012] Daher wird sich dann, wenn Spannungan den piezoelektrischen Aktuator angelegt wird, das piezoelektrischeEinheitselement verformen, und kann Antriebsleistung entnommen werden.Daher kann der vorstehende piezoelektrische Aktuator als eine Antriebsquellefür zumBeispiel einen Injektor genutzt werden.
[0013] Ferner besteht bei dem vorstehendenpiezoelektrischen Aktuator jede der piezoelektrischen Elementeinheitenaus nicht mehr aus 50 zusammengestapelten Keramikschichten.
[0014] Indem die Anzahl gestapelter Schichtenjeder der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer als 50gemacht wird, wird die zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugteBelastung unterdrückt.Daher ist es möglich,das Auftreten von Rissen im Inneren der piezoelektrischen Elementeinheitenzur Zeit des Anlegens von Spannung zu verhindern.
[0015] Ferner kann zur Zeit der Herstellungjeder Stapel von aus nicht mehr als 50 Schichten separat entfettet werden.Daher wird die Entfettungszeit verkürzt und wird es nahezu keinenschließlichauf den piezoelektrischen Keramikschichten verbleibenden Bindergeben. Daher könnendie piezoelektrischen Keramikschichten ausreichend ihre ihnen inhärent innewohnenden überlegenenpiezoelektrischen Eigenschaften zeigen.
[0016] Ferner sind bei dem vorstehendenpiezoelektrischen Aktuator die gebondeten Keramikschichten, die zwischenzwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, diejeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv.
[0017] Daher werden sich dann, wenn Spannungangelegt wird, auch dann, wenn sich die piezoelektrischen Elementeinheitenin dem piezoelektrischen Einheitselement stark verformen, die gebondetenKeramikschichten, die selbst an den gebondeten Teilen ausgebildetsind, nicht positiv verformen, und werden ihre Ausmaße der Verformungklein sein.
[0018] Aufgrund dessen ist es möglich, zuverhindern, daß anden Bondoberflächen,an denen die piezoelektrischen Elementeinheiten gebondet werden,wenn der piezoelektrische Aktuator hergestellt wird, eine lokale Beschädigung auftritt.
[0019] Auf diese Art und Weise ist es in Übereinstimmungmit dem ersten Aspekt der Erfindung möglich, einen hinsichtlich derDauerhaftigkeit überlegenenpiezoelektrischen Aktuator bereitzustellen.
[0020] Ein zweiter Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen anden äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischen Elementeinheitein Parallelitätswertvon einer Bondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm ist.
[0021] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordes zweiten Aspekts der Erfindung ist der Parallelitätswert einer Bondoberfläche zu ei neranderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nichthöher als0,1 mm.
[0022] Daher ist es möglich, das Auftreten einerlokalen Belastung an den Bondoberflächen der piezoelektrischenElementeinheiten zu verhindern. Aufgrund dessen ist es möglich, eineBeschädigungan den gebondeten Teilen zu verhindern und die Dauerhaftigkeit despiezoelektrischen Aktuators zu verbessern.
[0023] Ferner besteht in dem piezoelektrischenAktuator jede piezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr aus50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
[0024] Indem die Anzahl gestapelter Schichtenjeder der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer als 50gemacht wird, wird auf dieselbe Art und Weise wie in dem erstenAspekt der Erfindung die zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugteBelastung unterdrückt.Daher ist es möglich,das Auftreten von Rissen im Inneren der piezoelektrischen Elementeinheitenzur Zeit des Anlegens von Spannung zu verhindern. Ferner kann aufdieselbe Art und Weise wie in dem ersten Aspekt der Erfindung zurZeit der Herstellung jeder Stapel aus nicht mehr als 50 Schichtenseparat entfettet werden. Daher wird die Entfettungszeit verkürzt, undwird es nahezu keinen schließlichan den piezoelektrischen Keramikschichten verbleibenden Binder geben.
[0025] Ein dritter Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt sind, gebondetan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung, um gebondete Teile zu bilden, dadurchgekennzeichnet, daß jedepiezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von nicht mehrals 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmo dulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern.
[0026] Der piezoelektrische Aktuator desdritten Aspekts der Erfindung weist Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodulbzw. Young'schenModul größer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten auf.
[0027] Daher ist es möglich, den Verlust zu reduzieren,wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externeMetallelemente usw. übertragenwird.
[0028] Ferner sind das piezoelektrischeEinheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheitenversehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten, bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, umdie innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.
[0029] Daher ist es möglich, das Auftreten von Rissenim Inneren des piezoelektrischen Aktuators zu verhindern.
[0030] Das heißt, wenn Spannung an den piezoelektrischenAktuator angelegt wird, expandiert das piezoelektrische Einheitselementin der Stapelrichtung bzw. dehnt sich aus und kontrahiert in derRichtung senkrecht zu der Stapelrichtung bzw. zieht sich zusammen.Andererseits werden sich die Verbindungselemente nicht verformen.Daher würdendann, wenn das piezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselementedirekt verbunden würden,die Expansion und die Kontraktion des piezoelektrischen Einheitselementsgehemmt, so daß imErgebnis die innere Belastung zunehmen würde und die Gefahr bestünde, daß Risseauftreten.
[0031] Durch Zwischenlegen von Puffereinheitenzwischen die piezoelektrischen Elementeinheiten und die Verbindungselementeauf diese Art und Weise ist es möglich,die Zunahme der inneren Belastung zu unterdrücken und das Auftreten vonRissen zu unterdrücken.Daher wird der piezoelektrische Aktuator hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen.
[0032] Es wird angemerkt, daß das Ausmaß der Verschiebungunter Verwendung eines Laser-Verschiebungsmessers, eines nach demelektrostatischen Kapazitätsprinziparbeitenden Verschiebungsmesser usw. gemessen werden kann.
[0033] Ein vierter Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen anden äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodulkleiner als der der Verbindungselemente haben.
[0034] Der piezoelektrische Aktuator desvierten Aspekts der Erfindung weist auf dieselbe Art und Weise wie derdritte Aspekt der Erfindung Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten auf.
[0035] Daher ist es auf dieselbe Art undWeise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung möglich, den Verlust zu reduzieren,wenn eine Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators auf externeMetallelemente usw. übertragenwird.
[0036] Ferner sind das piezoelektrischeEinheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Dummy-bzw. Blindeinheiten mit einem Elastizitätsmodul kleiner als der derVerbindungselemente versehen.
[0037] Daher ist es möglich, die Zunahme einer innerenBelastung zur Zeit des Anlegens von Spannung zu unterdrücken, unddas Auftreten von Rissen zu unterdrücken.
[0038] Das heißt, wie vorstehend erklärt wurde,wenn Spannung an den piezoelektrischen Aktuator angelegt wird, expandiertdas piezoelektrische Einheitselement in der Stapelrichtung bzw.dehnt sich aus und kontrahiert in der Richtung senkrecht zu derStapelrichtung bzw. zieht sich zusammen. Zu dieser Zeit würde dann, wennder Elastizitätsmodulder Verbindungselemente größer wäre als derElastizitätsmoduldes piezoelektrischen Einheitselements, die Expansion und die Kontraktiondes piezoelektrischen Einheitselements gehemmt, so daß im Ergebnisdie innere Belastung zunehmen würdeund die Gefahr bestünde,daß Risseauftreten.
[0039] Durch Zwischenlegen von Blindeinheitenmit einem Elastizitätsmodulkleiner als der der Verbindungselemente zwischen die Verbindungselementeund das piezoelektrische Einheitselement auf diese Art und Weiseist es möglich,die Zunahme einer inneren Belastung zu unterdrücken, und das Auftreten vonRissen zu unterdrücken.Daher wird der piezoelektrische Aktuator hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen.
[0040] Ein fünfter Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt sind, gebondetan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung, um gebondete Teile zu bilden, dadurchgekennzeichnet, daß jedepiezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechspiezoelektrischen Keramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten,die zwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichtenliegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktivsind.
[0041] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordes fünftenAspekts der Erfindung sind auf dieselbe Art und Weise wie bei demdritten Aspekt der Erfindung die gebondeten Keramikschichten, diezwischen zwei aneinandergrenzenden Elektrodenschichten liegen, diejeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv.
[0042] Daher werden sich dann, wenn Spannungangelegt wird, auf dieselbe Art und Weise wie bei dem ersten Aspektder Erfindung, auch dann, wenn sich die piezoelektrischen Elementeinheitenin dem piezoelektrischen Einheitselement stark verformen, die gebondetenKeramikschichten, die selbst an den gebondeten Teilen ausgebildetsind, nicht positiv verformen, und werden ihre Ausmaße der Verformungklein sein. Aufgrund dessen ist es möglich, zu verhindern, daß eine lokaleBeschädigungan den Bondoberflächenauftritt, an denen die piezoelektrischen Elementeinheiten gebondetsind, wenn der piezoelektrische Aktuator hergestellt wird.
[0043] Ferner besteht in dem fünften Aspektder Erfindung jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindestsechs piezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelterSchichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist,wird das Ausmaß derVerschiebung der gebondeten Keramikschichten groß werden, und wird leicht einelokale Beschädigungan den Bondoberflächenauftreten. In dem fünftenAspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehend erklärt wurde,die gebondeten Keramikschichten inaktiv, so daß es möglich ist, das Auftreten einerBeschädigungan den Bondoberflächenzu unterdrücken.Das heißt,daß dann,wenn sechs oder mehr piezoelektrische Keramikschichten wie in demfünftenAspekt der Erfindung vorhanden sind, der Effekt der Unterdrückung desAuftretens einer Beschädigung,der durch inaktiv machen der gebondeten Keramikschichten erhaltenwird, stärkerbemerkenswert erhalten werden kann.
[0044] Die übrigen Effekte sind ähnlich zudenjenigen des ersten Aspekts der Erfindung.
[0045] Ein sechster Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zu bilden,dadurch gekennzeichnet, daß jedepiezoelektrische Elementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechspiezoelektrischen Keramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischenElementeinheit ein Parallelitätswertvon einer Bondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm ist.
[0046] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordes sechsten Aspekts der Erfindung ist, auf dieselbe Art und Weisewie bei dem zweiten Aspekt der Erfindung, der Parallelitätswert einerBondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm.
[0047] Daher ist es, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem zweiten Aspekt der Erfindung, möglich, dasAuftreten einer lokalen Belastung an den Bondoberflächen derpiezoelektrischen Elementeinheiten zu verhindern. Aufgrund dessenist es möglich,eine Beschädigungan den gebondeten Teilen zu verhindern und die Dauerhaftigkeit despiezoelektrischen Aktuators zu verbessern.
[0048] In dem sechsten Aspekt der Erfindungbesteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechspiezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelterSchichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist,wird das Ausmaß derDeformation bzw. Verformung der gebondeten Keramikschichten groß und wirdleicht eine lokale Beschädigungan den gebondeten Oberflächenauftreten. In dem sechsten Aspekt der Erfindung jedoch ist, wievorstehend erklärtwurde, der Parallelitätswerteiner Bondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden jeder piezoelektrischen Elementeinheit nichthöher als0,1 mm, so daß esmöglichist, das Auftreten einer Beschädigungan den Bondoberflächenzu unterdrücken.Das heißt,daß dann,wenn sechs oder mehr piezoelektrische Keramikschichten wie in demsechsten Aspekt der Erfindung vorhanden sind, der Effekt der Unterdrückung desAuftretens einer Beschädigung,der durch nicht höhermachen des Parallelitätswertsder Bondoberflächenals 0,1 mm erhalten wird, stärkerbemerkenswert erhalten werden kann.
[0049] Der übrigen Effekte sind ähnlich zudenjenigen des zweiten Aspekts der Erfindung.
[0050] Ein siebter Aspekt der Erfindungschafft einen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen anden äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern.
[0051] Der piezoelektrische Aktuator dessiebten Aspekts der Erfindung weist, auf dieselbe Art und Weisewie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, Anschluß- bzw.Verbindungselemente mit einem Elastizitätsmodul größer als der der piezoelektrischenElementeinheiten auf.
[0052] Daher ist es, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, möglich, denVerlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischenAktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.
[0053] Ferner sind, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, das piezoelektrische Einheitselementund die Verbindungselemente zwischen sich mit Puffereinheiten versehen,die aus piezoelektrischen Keramikschichten und inneren Elektrodenschichtenbestehen, die abwechselnd gestapelt sind, um die innere Belastungdes piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern.
[0054] Daher ist es, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem dritten Aspekt der Erfindung, möglich, dasAuftreten von Rissen im Inneren des piezoelektrischen Aktuatorszu verhindern.
[0055] In dem siebten Aspekt der Erfindungbesteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechspiezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelterSchichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder mehrist, wird das Ausmaß derVerschiebung der Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder piezoelektrischenElementeinheit in der Stapelrichtung, das heißt der äußersten Keramikschichten, groß werden.Daher würdedann, wenn das piezoelektrische Einheitselement mit zum Beispieleinem anderen Element, wie beispielsweise einem Verbindungselement,gebondet würde,die Gefahr bestehen, daß einelokale Beschädigungan den Bondoberflächenauftritt. In dem siebten Aspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehenderklärtwurde, die Puffereinheiten zwischengelegt, so daß es möglich ist, das Auftreten einer Beschädigung anden Bondoberflächenzu unterdrückenund die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.
[0056] Die übrigen Effekte sind ähnlich zudenjenigen des dritten Aspekts der Erfindung.
[0057] Ein achter Aspekt der Erfindung schaffteinen piezoelektrischen Aktuator mit einem piezoelektrischen Einheitselement,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten besteht,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt und an Bondoberflächen anden äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodulgrößer alsder der Verbindungselemente haben.
[0058] Der piezoelektrische Aktuator desachten Aspekts der Erfindung weist, auf dieselbe Art und Weise wie derdes vierten Aspekts der Erfindung, Verbindungselemente mit einemElastizitätsmodulgrößer alsdie piezoelektrischen Elementeinheiten auf.
[0059] Daher ist es, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, möglich, denVerlust zu reduzieren, wenn eine Verschiebung des piezoelektrischenAktuators auf externe Metallelemente usw. übertragen wird.
[0060] Ferner sind, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, das piezoelektrischeEinheitselement und die Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheitenmit einem Elastizitätsmodulkleiner als die Verbindungselemente versehen.
[0061] Daher ist es, auf dieselbe Art undWeise wie bei dem vierten Aspekt der Erfindung, möglich, dieZunahme einer inneren Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannungzu unterdrücken,und möglich,das Auftreten von Rissen zu unterdrücken.
[0062] In dem achten Aspekt der Erfindungbesteht jede piezoelektrische Elementeinheit aus zumindest sechspiezoelektrischen Keramikschichten. Falls die Anzahl gestapelterSchichten jeder piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder größer ist,wird das Ausmaß derVerschiebung der Keramikschichten an den äußersten Seiten jeder piezoelektrischenElementeinheit in der Stapelrichtung, das heißt, der äußersten Keramikschichten, groß werden.Daher würdedann, wenn das piezoelektrische Einheitselement mit zum Beispieleinem anderen Element, wie beispielsweise einem Verbindungselement,gebondet wird, die Gefahr bestehen, daß eine lokale Beschädigung anden Bondoberflächenauftritt. In dem achten Aspekt der Erfindung sind jedoch, wie vorstehenderklärtwurde, die Blindeinheiten zwischengelegt, so daß es möglich ist, das Auftreten einerBeschädigungan den Bondoberflächenzu unterdrückenund die Dauerhaftigkeit des piezoelektrischen Aktuators zu verbessern.
[0063] Die übrigen Effekte sind ähnlich zudenjenigen des vierten Aspekts der Erfindung.
[0064] Die Erfindung wird nachstehend unterBezugnahme auf die Zeichnung näherbeschrieben. Es zeigen:
[0065] 1 einezerlegte erklärendeAnsicht eines piezoelektrischen Aktuators gemäß einem Beispiel 1;
[0066] 2 eineSchnittansicht, in der der piezoelektrische Aktuator gemäß Beispiel1 in einer Ebene parallel zu seiner Stapelrichtung in Scheiben geschnittenist;
[0067] 3 einevergrößerte Ansicht,die den Zustand nahe einem gebondeten Teil des in 2 gezeigten piezoelektrischen Aktuatorszeigt;
[0068] 4 eineerklärendeAnsicht des Zustands des Druckens einer inneren Elektrodenschichtauf eine ungebrannte Keramikplatte gemäß Beispiel 1;
[0069] 5 eineerklärendeAnsicht des Zustands des Stapelns ungebrannter Platten, die mitinneren Elektrodenschichten ausgebildet sind, gemäß Beispiel1;
[0070] 6 eineerklärendeAnsicht eines Stapels gemäß Beispiel1;
[0071] 7 eineperspektivische erklärendeAnsicht, die eine piezoelektrische Elementeinheit gemäß Beispiel1 zeigt;
[0072] 8 eineerklärendeAnsicht, die sich auf den Parallelitätswert der Bondoberflächen einerpiezoelektrischen Elementeinheit gemäß Beispiel 1 bezieht;
[0073] 9 eineerste erklärendeAnsicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichtenin einer Puffereinheit gemäß Beispiel1 zeigt;
[0074] 10 einezweite erklärendeAnsicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichtenin einer Puffereinheit gemäß Beispiel1 zeigt;
[0075] 11 einedritte erklärendeAnsicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichtenin einer Puffereinheit gemäß Beispiel1 zeigt;
[0076] 12 einevierte erklärendeAnsicht, die den gestapelten Zustand von piezoelektrischen Keramikschichtenin einer Puffereinheit gemäß Beispiel1 zeigt;
[0077] 13 eineerklärendeAnsicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuatorsgemäß Beispiel1 mit Harzisolationsschichten an den gebondeten Teilen zeigt;
[0078] 14(A) und (B) jeweils eine erklärende Ansicht, die die Formenvon inneren Elektrodenschichten zeigen, die auf piezoelektrischenKeramikschichten gemäß Beispiel1 ausgebildet sind;
[0079] 15(A) und (B) jeweils eine erklärende Ansicht, die innere Elektrodenschichteneiner Vollelektrodenstruktur zeigen, die auf piezoelektrischen Keramikschichtengemäß Beispiel1 ausgebildet sind;
[0080] 16 eineerklärendeSchnittansicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil einespiezoelektrischen Aktuators mit inneren Elektrodenschichten vonVollelektrodenstrukturen gemäß Beispiel1 zeigt;
[0081] 17 eineerklärendeAnsicht, die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischen Aktuatorszeigt, an dem zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten,die einen gebondeten Teil zwischen sich einschließen, mitElektroden derselben Polaritätverbunden sind, gemäß einemBeispiel 2;
[0082] 18 eineteilweise vergrößerte Ansichteines gebondeten Teils einer piezoelektrischen Elementeinheit gemäß Beispiel2;
[0083] 19 einevergrößerte erklärende Ansicht,die den Zustand nahe einem gebondeten Teil eines piezoelektrischenAktuators gemäß einemBeispiel 3 zeigt, das so konfiguriert ist, daß die Dicken der äußersten Keramikschichtengrößer werden;
[0084] 20 eineperspektivische erklärendeAnsicht, die piezoelektrische Elementeinheiten gemäß Beispiel3 zeigt;
[0085] 21 eineerklärendeAnsicht, die die Beziehung zwischen der Anzahl gestapelter Schichtenvon piezoelektrischen Keramikschichten und der innerhalb einer piezoelektrischenElementeinheit auftretenden Belastung zeigt;
[0086] 22 eineerklärendeAnsicht, die die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke gebondeter Keramikschichtenin Bezug auf das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischenEinheitselements und einer piezoelektrischen Konstanten der gebondetenKeramikschichten zeigt;
[0087] 23 eineerklärendeAnsicht, die die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke unddem Ausmaß derVerschiebung des piezoelektrischen Einheitselements zeigt; und
[0088] 24 eineerklärendeAnsicht, die die Beziehung zwischen dem Parallelitätswert derBondoberflächeneiner piezoelektrischen Elementeinheit und einer inneren Belastungzeigt.
[0089] Die Erfindung wird unter Bezugnahmeauf die bevorzugten Ausführungsbeispielederselben näherbeschrieben. Es wird jedoch angemerkt, daß die Erfindung nicht auf dieseAusführungsbeispielebeschränktist.
[0090] In den vorstehenden ersten bis viertenAspekten der Erfindung bestand jede piezoelektrische Elementeinheitaus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
[0091] Hier sind die Ergebnisse des Auffindensder Beziehung zwischen der Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischenKeramikschichten und der im Inneren einer piezoelektrischen Elementeinheitdurch Simulation in 21 gezeigt.
[0092] Die Simulation wurde durch eine piezoelektrischeAnalyse unter Verwendung des Verfahrens der finiten Elemente durchgeführt.
[0093] Wie in 21 gezeigtist, ist allgemein die in der Einheit erzeugte Belastung um so größer, jegrößer dieAnzahl gestapelter Schichten ist. Insbesondere wird bei über 50 Schichteneine großeinnere Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugt. Infolgedessenbesteht die Gefahr, daß Rissebzw. Brüchein der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
[0094] Ferner bestand in den fünften bisachten Aspekten der Erfindung jede piezoelektrische Elementeinheit auszumindest sechs zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
[0095] Falls die Anzahl gestapelter Schichtender piezoelektrischen Keramikschichten kleiner als sechs ist, wirddas Ausmaß derDeformation bzw. Verformung pro piezoelektrischer Elementeinheitkleiner. Daher wäre es,um einen eine ausreichende Verschiebung erzeugenden piezoelektrischenAktuator zu erhalten, notwendig, eine größere Anzahl von piezoelektrischenElementeinheiten zu bonden. Dies würde nicht nur dazu führen, daß die Gesamtlänge nachdem Bonden zunimmt, sondern würdeauch darin resultieren, daß dieDicke in der Stapelrichtung pro piezoelektrischer Elementeinheitkleiner wird, die Handhabung schwieriger würde, der Produktionsprozeß mühsamer würde, undauch die Produktionskosten ansteigen würden.
[0096] Als Nächstes können die piezoelektrischenElementeinheiten mittels einem Kleber gebondet werden. Als ein solcherBinder könnenzum Beispiel ein Silikon-basierter, ein Epoxy-basierter, ein Urethan-basierter, einPolyimid-basierter, oder ein anderer Kleber verwendet werden.
[0097] Ferner wird es in dem ersten Aspektund in dem fünftenAspekt der Erfindung bevorzugt, daß die beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten, die einen gebondeten Teil zwischensich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden werden,und daß dieelektrische Feldstärke(Feldintensität)von gebondeten Keramikschichten nicht größer ist als das koerzitiveelektrische Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
[0098] In diesem Fall können die gebondeten Keramikschichtenim wesentlichen inaktiv gemacht werden.
[0099] Hier sind die Ergebnisse des Auffindensder Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke gebondeter Keramikschichtenin Bezug auf das koerzitive elektrische Feld der piezoelektrischenElementeinheiten und der piezoelektrischen Konstanten der gebondetenKeramikschichten durch Versuche in 22 gezeigt.
[0100] In der Figur zeigt die Abszisse dieelektrische Feldstärkeder gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrischeFeld des piezoelektrischen Einheitselements [(elektrische Feldstärke gebondeter Keramikschichten)/(koerzitiveselektrisches Feld des piezoelektrischen Einheitselements)], während dieOrdinate die piezoelektrische Konstante der gebondeten Keramikschichtenzeigt.
[0101] Wie aus 22 ersichtlich ist, wird dann, wenn dieelektrische Feldstärkeder gebondeten Keramikschichten das koerzitive elektrische Felddes piezoelektrischen Einheitselements überschreitet, die piezoelektrischeKonstante der gebondeten Keramikschichten größer werden. Das heißt, daß dies zeigt,daß dieKeramikschichten aktiv werden. Ferner werden in diesem Fall dieBondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten zur Zeit des Betriebs leichtbeschädigt.
[0102] Ferner beträgt die elektrische Feldstärke dergebondeten Keramikschichten stärkerbevorzugt nicht mehr als das 0,8-fache des koerzitiven elektrischenFelds des piezoelektrischen Einheitselements.
[0103] In diesem Fall wird, wie aus 22 ersichtlich ist, diepiezoelektrische Konstante der gebondeten Keramikschichten zu nahezuNull werden, und werden die gebondeten Keramikschichten in ihremZustand inaktiver werden.
[0104] Als Nächstes wird das koerzitiveelektrische Feld erklärt.
[0105] 23 isteine erklärendeAnsicht des koerzitiven elektrische Felds (Ec). Die Figur zeigtdie elektrische Feldstärke,die das piezoelektrische Einheitselement beaufschlagt, auf der Abszisse,und das Ausmaß derVerschiebung auf der Ordinate. Es wird angemerkt, daß die elektrischeFeldstärkeals Plus (+) fürdieselbe Richtung wie die Polarisationsrichtung und als Minus (–) für die derPolarisationsrichtung entgegengesetzte Richtung angegeben ist.
[0106] Ferner wird beginnend an dem PunktA zunächstdie elektrische Feldstärkean das piezoelektrische Einheitselement in derselben Richtung wieder Polarisationsrichtung angelegt und in ihrem Wert langsam angehoben.Zusammen mit diesem nimmt das Ausmaß der Verschiebung des piezoelektrischenEinheitselements zu. Es wird angemerkt, daß das Ausmaß der Verschiebung durch Messender Verschiebung in der Stapelrichtung bei Anlegen einer konstantenSpannung und Verwenden der Verschiebung pro Einheitslänge in der Stapelrichtungzu dieser Zeit als das Ausmaß derVerschiebung ermittelt werden kann. Dieses Ausmaß der Verschiebung kann unterVerwendung eines Laser-Verschiebungsmessers, eines nach dem elektrostatischen Kapazitätsprinziparbeitenden Verschiebungsmessers usw. gemessen werden.
[0107] Als Nächstes wird, nachdem die elektrischeFeldstärkeden Punkt B erreicht, die elektrische Feldstärke langsam verringert. DiesesMal fälltdas Ausmaß derVerschiebung zusammen mit dem Abfall in der elektrische Feldstärke ab.Auch nachdem die elektrische Feldstärke 0 wird, wird die elektrischeFeld stärkein der zu der Polarisationsrichtung entgegengesetzten Richtung langsamreduziert. Zusammen hiermit fälltdas Ausmaß der Verschiebungweiter ab. Ferner beginnt dann, wenn die elektrische Feldstärke denPunkt C erreicht, das Ausmaß derVerschiebung plötzlichzuzunehmen. Der Absolutwert der elektrischen Feldstärke an diesemPunkt ist das koerzitive elektrische Feld in der vorliegenden Erfindung.
[0108] Als Nächstes wird danach dann, wenndie elektrische Feldstärkeden Punkt D erreicht, die elektrische Feldstärke erneut erhöht. Zusammenmit diesem fälltdieses Mal das Ausmaß derVerschiebung ab. Ferner beginnt dann, wenn die elektrische Feldstärke 0 wirdund die elektrische Feldstärkein der Polarisationsrichtung weiter angehoben wird, das Ausmaß der Verschiebungplötzlichzuzunehmen. Da zwischen dem Punkt D und dem Punkt C verschiedeneFälle vorliegen,wird erfindungsgemäß das koerzitiveelektrische Feld dann, wenn Spannung in der zu der Polarisationsrichtungentgegengesetzten Richtung angelegt wird, zu Ec gemacht.
[0109] Es wird angemerkt, daß wie in 23 gezeigt durch nachfolgendesweiteres Anheben der elektrischen Feldstärke schließlich ein Zustand erreichtwird, der im wesentlichen derselbe ist wie der bei Punkt B, unddann nachfolgend ein ähnlichesVerhalten wiederholt wird.
[0110] Wenn die elektrische Feldstärke dergebondeten Keramikschichten größer istals das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselements,besteht die Gefahr; daß diegebondeten Keramikschichten sich verschieben und die Bondoberflächen zurZeit des Anlegens von Spannung beschädigen.
[0111] Als Nächstes werden bevorzugt zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden,ist eine elektrische Feldstärkegebondeter Keramikschichten größer alsein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten,und weist ein gebondeter Teil eine Harzisolationsschicht auf.
[0112] In diesem Fall ermöglicht esdie Harzisolationsschicht, die tatsächliche elektrische Feldstärke, diean die gebondeten Keramikschichten angelegt wird, kleiner als daskoerzitive elektrische Feld zu machen. Daher ist es leicht möglich, diegebondeten Keramikschichten inaktiv zu machen.
[0113] Die Harzisolationsschicht kann, wievorstehend erklärtwurde, durch Bonden der piezoelektrischen Elementeinheiten mittelszum Beispiel einem Silikon-basierten, einem Epoxy-basierten, einemUrethan-basierten, einem Polyimid-basierten, oder einem anderenKleber erzeugt werden.
[0114] Als Nächstes werden bevorzugt zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden von im wesentlichen gleichem Potential verbunden.
[0115] In diesem Fall ist es auch dann,wenn die gebondeten Keramikschichten beschädigt sind, möglich, Kurzschlüsse an dengebondeten Teilen zu verhindern. Ferner ist es in diesem Fall leichtmöglich,die gebondeten Keramikschichten in ihrem Zustand inaktiv zu machen.
[0116] Ferner sind bevorzugt an einem gebondetenTeil Bondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontakt,und weist der gebondete Teil eine Harzschicht auf.
[0117] In diesem Fall ist es möglich, denVerlust an Verschiebung und erzeugter Kraft an dem gebondeten Teilzu reduzieren. Die Harzisolationsschicht kann durch Bonden der piezoelektrischenElementeinheiten mittels zum Beispiel einem Silikon-basierten, einemEpoxy-basierten, einem Urethan-basierten, einem Polyimid-basierten,oder einem anderen Kleber erzeugt werden.
[0118] Als Nächstes ist in dem sechstenAspekt der Erfindung und dem sechsten Aspekt der Erfindung ein Parallelitätswert einerBondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm.
[0119] Hier ist die Beziehung zwischen demParallelitätswertvon Bondoberflächenund der nahe den Oberflächen(gebondeter Teil) der piezoelektrischen Elementeinheit erzeugtenBelastung in 24 gezeigt.Die Figur zeigt den Parallelitätswertder Bondoberflächenauf der Abszisse und die nahe den Oberflächen (gebondeter Teil) derpiezoelektrischen Elementeinheit erzeugte Belastung auf der Ordinate.
[0120] Wie in 24 gezeigtist, wird allgemein mit größer werdendemParallelitätswertder Bondoberflächen dienahe den Oberflächen(gebondeter Teil) der piezoelektrischen Elementeinheit auftretendeBelastung größer.
[0121] Wie aus der Figur ersichtlich ist,wird dann, wenn der Parallelitätswertder Bondoberflächennicht höher als0,1 mm ist, die in den Einheiten auftretende Belastung extrem klein.Daher ist es möglich,eine Beschädigungan den Bondoberflächenweiter zu verhindern.
[0122] Es wird angemerkt, daß der Parallelitätswert in Übereinstimmungmit dem in JIS-B0621-1984 definierten Verfahren gemessen werdenkann.
[0123] Ferner weisen die piezoelektrischenAktuatoren des dritten Aspekts der Erfindung, des vierten Aspekts derErfindung, des siebten Aspekts der Erfindung, und des achten Aspektsder Erfindung Anschluß-bzw. Verbindungselemente mit einem Young'schen Modul bzw. Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten auf, wie vorstehend beschriebenwurde.
[0124] Als solche Verbindungselemente gibtes zum Beispiel solche, die aus Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid,Bornitrid usw. hergestellt sind.
[0125] Der Elastizitätsmodul kann mittels dem inJIS-R1602-1995 definierten Verfahren gemessen werden. Wenn jedochdie angegebene Prüfprobenformnicht erhalten bzw. hergestellt werden kann, ist es möglich, unterVerwendung einer Probe, die durch Schneiden eines Verbindungselementsund einer piezoelektri schen Elementeinheit auf dieselbe Form erhaltenwurde, und Vergleichen derselben einen zu dem JIS-Standard ähnlichenTest durchzuführen.
[0126] Ferner sind bei den piezoelektrischenAktuatoren des dritten Aspekts der Erfindung und des siebten Aspektsder Erfindung das piezoelektrische Einheitselement und Verbindungselementezwischen sich mit Puffereinheiten versehen, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern.
[0127] Die piezoelektrischen Keramikschichtender Puffereinheiten könnenunter Verwendung von Materialien ähnlich denen der piezoelektrischenKeramikschichten in den piezoelektrischen Elementeinheiten hergestelltwerden.
[0128] Jede Puffereinheit besteht aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten, auf dieselbe Artund Weise wie die piezoelektrischen Elementeinheiten. Als ein bestimmtesVerfahren zum Abpuffern der inneren Belastung in dem piezoelektrischenEinheitselement ist es möglich,die Dikken der piezoelektrischen Keramikschichten in den Puffereinheitengrößer alsdie der piezoelektrischen Keramikschichten in den piezoelektrischenElementeinheiten zu machen. Ferner ist es möglich, piezoelektrische Materialienmit kleineren piezoelektrischen Konstanten als die der piezoelektrischenElementeinheiten zu verwenden, um die Puffereinheiten herzustellen,oder die an die Puffereinheiten angelegte Spannung gegenüber deran die piezoelektrischen Elementeinheiten angelegten Spannung zureduzieren.
[0129] Ferner ist es möglich, die Puffereinheitenund das piezoelektrische Einheitselement mittels einem Harzbinderzu bonden. Die Zwing- bzw. Haltekraft eines Harzbinders ist kleiner,so daß auchin diesem Fall die Wirkung der Zwischenlegung der Puffereinheitenausreichend erhalten werden kann.
[0130] Als Nächstes beträgt der Elastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten.
[0131] Falls der Elastizitätsmodulder Verbindungselemente kleiner ist als das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten, könnte es dann, wenn die Verschiebungdes piezoelektrischen Aktuators nach außen übertragen wird, unmöglich werden,den Verlust an Verschiebung und erzeugter Kraft zwischen dem piezoelektrischenAktuator und dem außenliegendenMetallelement usw. ausreichend zu reduzieren.
[0132] Als Nächstes ist bevorzugt das Ausmaß der Verschiebungpro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner als das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselementsund im wesentlichen dasselbe wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge des piezoelektrischenEinheitselements auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements.
[0133] In diesem Fall ist es möglich, dasAuftreten von Rissen bzw. Brüchenim Inneren des piezoelektrischen Aktuators wirkungsvoller zu verhindern.
[0134] Als ein bestimmtes Mittel zum Machendes Ausmaßesder Verschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner als das der piezoelektrischen Elementeinheitauf der Seite des Verbindungselements und im wesentlichen zu demselbenwie dem des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite despiezoelektrischen Einheitselements gibt es zum Beispiel das folgendeVerfahren.
[0135] Das heißt, dieses kann dadurch verwirklichtwerden, daß dieDicken der piezoelektrischen Keramikschichten im Inneren der Puffereinheitzu im wesentlichen derselben Dicke wie die der piezoelektrischenKeramikschicht des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seitedes piezoelektrischen Einheitselements gemacht werden, und größer alsdie der piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischenElementeinheiten auf der Seite des Verbindungselements gemacht werden.
[0136] Ferner kann dies, als ein anderesVerfahren, währendder Herstellung der Puffereinheit durch Verwenden eines piezoelektrischenMaterials mit einer kleineren piezoelektrischen Konstanten als derder piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheitenfür diepiezoelektrischen Keramikschichten der Verbindungselementseite undVerwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer piezoelektrischen Konstantenim wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Keramikschichtender piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichtender Seite des piezoelektrischen Einheitselements, um die Puffereinheitenherzustellen, verwirklicht werden. Ferner kann dies durch Reduzierender an die Seite des Verbindungselements der Puffereinheit angelegtenSpannung gegenüberder an die Seite des piezoelektrischen Einheitselements angelegtenSpannung verwirklicht werden.
[0137] Ferner sind in dem vierten Aspektder Erfindung und in dem achten Aspekt der Erfindung das piezoelektrischeEinheitselement und Verbindungselemente zwischen sich mit Blindeinheitenmit einem Elastizitätsmodulkleiner als der der Verbindungselemente versehen.
[0138] Der Elastizitätsmodul kann mittels dem inJIS-R1602-1995 definierten Verfahren gemessen werden. Wenn jedochdie angegebene Prüfprobenformnicht erhalten bzw. hergestellt werden kann, ist es möglich, unterVerwendung einer Probe, die durch Schneiden eines Verbindungselementsund einer Blindeinheit auf dieselbe Form erhalten wurde, und Vergleichenderselben einen zu dem JIS-Standard ähnlichen Test durchzuführen.
[0139] Ferner ist es möglich, die Blindeinheiten unddas piezoelektrische Einheitselement mittels einem Harzbinder zubonden. Die Zwing- bzw. Haltekraft eines Harzbinders ist kleiner,so daß auchin diesem Fall die Wirkung der Zwischenlegung der Blindeinheitenausreichend erhalten werden kann.
[0140] Ferner können das piezoelektrische Einheitselementund die Verbindungselemente sowohl Puffereinheiten als auch Blindeinheitenaufweisen, die zwischen sie gelegt sind. In diesem Fall werden daspiezoelektrische Einheitselement, die Puffereinhei ten, die Blindeinheitenund die Verbindungselemente durch den vorstehenden Harzbinder gebondet.
[0141] Bevorzugt beträgt der Elastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten und Blindeinheiten.
[0142] Falls der Elastizitätsmodulder Verbindungselemente kleiner ist als das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten und Blindeinheiten, könnte esdann, wenn die Verschiebung des piezoelektrischen Aktuators nachaußen übertragenwird, unmöglichwerden, den Verlust an Verschiebung und erzeugter Kraft zwischendem piezoelektrischen Aktuator und dem außenliegenden Metallelementusw. ausreichend zu reduzieren.
[0143] Bevorzugt besteht jede Blindeinheitaus einem Keramikmaterial, das dasselbe ist wie das einer piezoelektrischeKeramikschicht der piezoelektrischen Elementeinheiten.
[0144] In diesem Fall wird es nicht nurleicht, die Blindeinheiten herzustellen, sondern kann auch der Elastizitätsmodulder Blindeinheiten im wesentlichen gleich dem der piezoelektrischenElementeinheiten gemacht werden, so daß es auch dann, wenn Rissein den Blindeinheiten von der Seite des Verbindungselements ausgehendauftreten, möglichist, wirkungsvoll das Fortschreiten der Risse zu den piezoelektrischenElementeinheiten zu verhindern.
[0145] Bevorzugt sind die Blindeinheitenund das piezoelektrische Einheitselement zwischen sich mit Puffereinheitenversehen, die aus piezoelektrischen Keramikschichten und innerenElektrodenschichten bestehen, die abwechselnd gestapelt sind, umdie innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselements abzupuffern, undist das Ausmaß derVerschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner als das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheitund im wesentlichen gleich wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelek trischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements.
[0146] In diesem Fall ist es möglich, dasAuftreten von Rissen im Inneren des piezoelektrischen Aktuators wirkungsvollerzu verhindern.
[0147] Als ein bestimmtes Mittel zum Machendes Ausmaßesder Verschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner als das der piezoelektrischen Elementeinheitauf der Seite des Blindelements und im wesentlichen zu demselbenwie dem des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seite despiezoelektrischen Einheitselements gibt es zum Beispiel das folgendeVerfahren.
[0148] Das heißt, dieses kann dadurch verwirklichtwerden, daß dieDicken der piezoelektrischen Keramikschichten im Inneren der Puffereinheitzu im wesentlichen derselben Dicke wie die der piezoelektrischenKeramikschicht des piezoelektrischen Einheitselements auf der Seitedes piezoelektrischen Einheitselements gemacht werden, und größer alsdie einer piezoelektrischen Keramikschicht einer piezoelektrischenElementeinheit auf der Seite der Blindeinheit gemacht werden.
[0149] Ferner kann dies, als ein anderesVerfahren, währendder Herstellung der Puffereinheit durch Verwenden eines piezoelektrischenMaterials mit einer kleineren piezoelektrischen Konstanten als derder piezoelektrischen Keramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheitenfür diepiezoelektrischen Keramikschichten der Seite der Blindeinheit undVerwenden eines piezoelektrischen Materials mit einer piezoelektrischenKonstanten im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Keramikschichtender piezoelektrischen Elementeinheiten für die piezoelektrischen Keramikschichtender Seite des piezoelektrischen Einheitselements, um die Puffereinheitenherzustellen, verwirklicht werden. Ferner kann dies durch Reduzierender an die Seite der Blindeinheit der Puffereinheit angelegten Spannunggegenüberder an die Seite des piezoelektrischen Einheitselements angelegtenSpannung verwirklicht werden.
[0150] Ferner besteht in dem dritten unddem vierten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus nichtmehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten,und sind die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheitin der Stapelrichtung, das heißtdie äußerstenKeramikschichten, inaktiv.
[0151] Die in einer Puffereinheit auftretendeBelastung wird, wie bei einer piezoelektrischen Elementeinheit, umso größer, jegrößer dieAnzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichtenist. Insbesondere wird bei über50 Schichten eine großeinnere Belastung zur Zeit des Anlegens von Spannung erzeugt, sodaß dieGefahr besteht, daß Rissein der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten. Ferner bestehtdann, wenn zur Zeit des Anlegens von Spannung die Keramikschichtenan den äußerstenSeiten jeder Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußerstenKeramikschichten, nicht inaktiv sind, das heißt aktiv sind, die Gefahr,daß sichdie Keramikschichten, die zwischen zwei aneinandergrenzenden innerenElektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischen sicheinschließen,positiv verformen, und besteht die Gefahr, daß die gebondeten Teile zwischenden Puffereinheiten und den piezoelektrischen Elementeinheiten,Verbindungselementen oder Blindeinheiten beschädigt werden.
[0152] Ferner besteht in dem siebten unddem achten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus zumindestsechs zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten, undsind die Keramikschichten an den äußersten Seiten der Puffereinheitin der Stapelrichtung, das heißtdie äußerstenKeramikschichten, inaktiv.
[0153] Falls die Anzahl gestapelter Schichtender piezoelektrischen Keramikschichten in einer Puffereinheit kleinerals sechs ist, wird die Dicke in der Stapelrichtung pro Puffereinheitklein, so daß dieHandhabung schwieriger wird, der Produktionsprozeß mühsamer wird,und auch die Gefahr besteht, daß dieProduktionskosten ansteigen. Ferner besteht dann, wenn zur Zeitdes Anlegens von Spannung die Keramikschichten an den äußersten Seitenjeder Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußerstenKeramikschichten, nicht inaktiv sind, das heißt aktiv sind, die Gefahr,daß sichdie Keramikschichten, die zwischen den beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten liegen, die jeden gebondeten Teil zwischensich einschließen,positiv verformen, und besteht die Gefahr, daß die gebondeten Teile zwischenden Puffereinheiten und den piezoelektrischen Elementeinheiten,Verbindungselementen oder Blindeinheiten beschädigt werden.
[0154] Ferner besteht in dem siebten unddem achten Aspekt der Erfindung bevorzugt jede Puffereinheit aus nichtmehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten.
[0155] Falls die Anzahl von piezoelektrischenKeramikschichten in einer Puffereinheit 50 übersteigt, wird auf dieselbeArt und Weise wie bei einer piezoelektrischen Elementeinheit diein der Puffereinheit auftretende innere Belastung größer werden,und wird zur Zeit des Anlegens von Spannung eine große innereBelastung erzeugt werden, so daß dieGefahr besteht, daß Rissein der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
[0156] Als Nächstes besteht bevorzugt jedepiezoelektrische Elementeinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapeltenpiezoelektrischen Keramikschichten.
[0157] Wie vorstehend erklärt wurde,wird dann, wenn die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelektrischen Keramikschichtenin einer piezoelektrischen Elementeinheit 50 übersteigt, eine große innereBelastung zur Zeit des Anlegens von Spannung auftreten, und bestehtinfolgedessen die Gefahr, daß Rissein der piezoelektrischen Elementeinheit auftreten.
[0158] Als Nächstes wird es in den erstenbis achten Aspekten der Erfindung bevorzugt, daß die Dicken der Keramikschichtenan den äußerstenSeiten der piezoelektrischen Elementeinheiten in der Stapelrichtung,das heißtdie äußerstenKeramikschichten, zumindest die Dicke einer zwischen inneren Elektrodenschichtenin den piezoelektrischen Elementeinheiten gelegten Keramikschicht,das heißteiner Antriebskeramikschicht, sind.
[0159] In diesem Fall ist es möglich, dasAusmaß derVerformung der äußerstenKeramikschichten zu unterdrücken,so daß esmöglichist, eine Beschädigungder Bondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten weiter zu unterdrücken.
[0160] Ferner besteht erfindungsgemäß jede piezoelektrischenKeramikschicht bevorzugt aus einem PZT-basierten Material.
[0161] In diesem Fall ist es möglich, gutenGebrauch von der überlegenenEigenschaft des vorstehenden PZT-Materials [generische Bezeichnungfür einOxyd einer Pb(Zr,Ti)O₃-basierten Perovskitstruktur]als Piezoelektrikum zu machen, um das Leistungsvermögen alsein Aktuator eines Injektors usw. zu verbessern.
[0162] Als die innere Elektrodenschichtist es möglich,ein Metall zu verwenden, das zumindest eines von Ag, Pd, Pt, Cuund Ni oder eine Legierung derselben einschließt.
[0163] Ferner werden die vorstehenden piezoelektrischenAktuatoren bevorzugt fürInjektoren bzw. Einspritzdüsenverwendet.
[0164] In diesem Fall kann die überlegeneDauerhaftigkeit der piezoelektrischen Aktuatoren ausreichend gezeigtwerden.
[0165] Die Erfindung wird unter Bezugnahmeauf ihre Beispiele weiter beschrieben. Es wird jedoch angemerkt,daß dieErfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
[0166] Als Nächstes wird der piezoelektrischeAktuator gemäß einemAusführungsbeispielder Erfindung unter Verwendung der 1 bis 16 erklärt.
[0167] Der piezoelektrische Aktuator 1 diesesBeispiels besteht aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten 15,von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht,die abwechselnd gestapelt sind, wie in 7 gezeigt ist, und an den Oberflächen an den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung, das heißt den Bondoberflächen 155,gebondet sind, um die gebondeten Tei le wie in 1 bis 3 gezeigtzu erzeugen. Jede piezoelektrische Elementeinheit 15 besteht ausnicht mehr als 50 der zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151.Die gebondeten Keramikschichten 115, die zwischen jeweilszwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153 und 154 liegenund beiderseits eines gebondeten Teils 13 liegen, sindinaktiv.
[0168] Als Nächstes wird ein piezoelektrischerAktuator dieses Beispiels unter Verwendung der 1 bis 3 imEinzelnen erklärt.
[0169] Wie in den 1 bis 3 gezeigtist, weist der piezoelektrische Aktuator (Probe E1) 1 desvorliegenden Beispiels ein gebondetes piezoelektrische Einheitselement 11 auf,das aus 20 piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht,die an gebondeten Teilen 13 gebondet sind. Jede piezoelektrischeElementeinheit 15 besteht aus abwechselnd zusammengestapeltenpiezoelektrischen Keramikschichten 151, die aus einem PZT-basiertenMaterial bestehen, und inneren Elektrodenschichten 153 und 154,die aus Ag und Pd bestehen. Aus Gründen der Zweckmäßigkeitder Erstellung der Figuren zeigen die Figuren nicht die Einzelheiten,sondern die Anzahl gestapelter Schichten der aktiven piezoelektrischenKeramikschichten 151, die als piezoelektrische Elementein jeder piezoelektrischen Elementeinheit 15 bis 20 dienen.
[0170] Jede der Elektrodenschichten 153 und 154 istso ausgestaltet, daß sienur eine Seitenoberflächeder piezoelektrischen Keramikschichten 151 erreicht. Fernersind die Seitenoberflächenjeder piezoelektrischen Elementeinheit 15 mit externenElektroden 5 und 6 versehen, die aus Ag bestehenund so mit externen Leistungsquellen mit unterschiedlichen Potentialenverbunden sind, daß siezu beiden Seiten derselben liegen. An den Seitenoberflächen jederpiezoelektrischen Elementeinheit 15 sind die inneren Elektrodenschichten 153 und 154 abwechselndelektrisch mit den externen Elektroden 5 und 6 inder Stapelrichtung verbunden. Daher sind bei dem piezoelektrischenAktuator zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 153 und 154 mitexternen Elektroden mit unterschiedlichen Potentialen verbunden.
[0171] Ferner weist, wie in 1 und 2 gezeigtist, der piezoelektrische Aktuator 1 dieses Beispiels aus Aluminiumoxidhergestellte Verbindungselemente 5 mit einem größeren Elastizitätsmodulals die piezoelektrischen Elementeinheiten 15 an den äußerstenEnden des piezoelektrischen Einheitselements 11 in derStapelrichtung auf.
[0172] Das piezoelektrische Einheitselement 11 undVerbindungselemente 4 weisen zwischen sich gelegt Puffereinheiten2 zum Abpuffern der inneren Belastung des piezoelektrischen Einheitselements 11 undnicht mit Spannung versorgte Blindeinheiten 3 mit einemElastizitätsmodulkleiner als der der Verbindungselemente auf. Die Puffereinheiten 2 unddie Blindeinheiten 3 bestehen aus einem PZT-basierten Material,das dasselbe ist wie das der piezoelektrischen Keramikschichten 151 derpiezoelektrischen Elementeinheiten 15.
[0173] Jede Puffereinheit 2 besteht,wie in 1, 2 und 9 gezeigt ist, aus piezoelektrischenKeramikschichten 151 und inneren Elektrodenschichten 253 und 254.In jeder Puffereinheit ist die Dicke einer als piezoelektrischesElement aktiven piezoelektrischen Keramikschicht 251 imwesentlichen dieselbe wie die einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 ineiner piezoelektrischen Elementeinheit 15 auf der Seitedes piezoelektrischen Einheitselements 11, und ist größer alsdie einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 in einer piezoelektrischenElementeinheit 15 auf der Seite des Verbindungselements.Ferner weist jede Puffereinheit 2 externe Elektroden 5 und 6 auf,die die Seitenoberflächender Puffereinheit auf dieselbe Art und Weise wie bei einer piezoelektrischenElementeinheit 15 zwischen sich einschließen. Dieseexternen Elektroden 5 und 6 sind mit den innerenElektrodenschichten 253 und 254 verbunden.
[0174] Ferner besteht, wie in 1 und 2 gezeigt ist, jede Blindeinheit 3 auspiezoelektrischen Keramikschichten ähnlich den piezoelektrischenKeramikschichten 151 in einer piezoelek trischen Elementeinheit 15 undden piezoelektrischen Keramikschichten 251 in einer Puffereinheit 2,weist aber keine inneren Elektrodenschichten wie eine piezoelektrischeElementeinheit 15 und eine Puffereinheit 2 auf.
[0175] Als Nächstes wird das Verfahren zurHerstellung eines piezoelektrischen Aktuators gemäß diesem Beispielunter Verwendung der 1 bis 9 erklärt.
[0176] Der piezoelektrische Aktuator diesesBeispiels kann unter Verwendung des weithin benutzten Verfahrensungebrannter Platten (green sheet method) produziert werden. Dieungebrannten Platten werden wie folgt vorbereitet: Das heißt, zunächst wirdein bekanntes Verfahren dazu verwendet, Pulver aus Zinkoxid, Zirkoniumoxid,Titanoxid, Nioboxid, Strontiumkarbonat usw., die Hauptzutaten despiezoelektrischen Materials bilden, abzuwiegen, um eine gewünschte Zusammensetzungzu erhalten. In diesem Beispiel erfolgt dies so, daß die endgültige Zusammensetzungzu sogenanntem PZT (Blei Zirkonat Titanat) wird. Ferner werden unterBerücksichtigungder Verdampfung von Blei die Materialien so vorbereitet, daß sie um1 bis 2% reicher als das stöchiometrischeVerhältnisder Zusammensetzung sind. Diese Materialien werden mittels einemMischer trocken gemischt und dann bei 800 bis 950°C kalziniert.
[0177] Als Nächstes wird dem kalziniertenPulver reines Wasser und ein Dispergiermittel hinzugefügt, um einenBrei zu erzeugen, und wird dann mittels einer Kugelmühle naß pulverisiert.Das pulverisierte Material wird dann getrocknet, entfettet, miteinem Lösungsmittel,einem Binder, einem Plasticizer, einem Dispergiermittel usw. ergänzt undmittels einer Kugelmühlegemischt. Als Nächsteswird diesem Brei, währender mittels einem Rührergerührtwird, unter Vakuum Luft entzogen, und wird dieser hinsichtlich derViskositäteingestellt.
[0178] Als Nächstes wird der Brei mittelseinem Doctor Blade- bzw. Abziehklingensystem zu einer ungebranntenPlatte einer konstanten Dicke ausgeformt.
[0179] Die resultierende ungebrannte Plattewird mittels einer Presse gestanzt oder mittels einem Schneider geschnitten,um rechteckförmigePlatten vorbestimmter Größen zu erhalten.
[0180] Als Nächstes wird zum Beispiel, wiein 4 gezeigt ist, eineSilber- und Palladiumpaste mit einem Verhältnis von Silber/Palladiumvon 7/3 (nachstehend in Kurzform als "Ag/Pd-Paste" bezeichnet) dazu verwendet, eine Strukturbzw. ein Muster auf eine Oberflächejeder der ausgeformten ungebrannten Platten 7 mittels Raster-bzw. Siebdruck zu drucken. 4 zeigtein Beispiel einer ungebrannten Platte nach dem Drucken einer Elektrodenstruktur.
[0181] Die Oberfläche jeder ungebrannten Platte 7 ist über ihregesamte Oberflächemit einer Struktur ausgebildet, die etwas kleiner ist als sie. Dieswird als die innere Elektrodenschicht 153 (154)verwendet. Eine von zwei gegenüberliegendenSeiten der Oberflächeder ungebrannten Platte 7 ist mit einem nicht ausgestalteten Teil 75 versehen,an dem die innere Elektrodenschicht 153 (154)nicht ausgebildet ist. Das heißt,die innere Elektrodenschicht 153 (154) ist soangeordnet, daß sieein Ende einer von zwei sich gegenüberliegenden Seiten der ungebranntenPlatte 7 (den der Seitenoberfläche des piezoelektrischen Aktuatorsentsprechenden Abschnitt) nicht erreicht, während die innere Elektrodenschicht 153 (154)das Ende der anderen gegenüberliegendenSeite erreicht.
[0182] Eine vorbestimmte Anzahl von ungebranntenPlatten 7, die mit dieser inneren Elektrodenschicht 153 ausgebildetsind, wird auf der Grundlage der erforderlichen Spezifikation desAusmaßesder Verschiebung des piezoelektrischen Einheitselements 11 undder Puffereinheiten 2 vorbereitet. Ferner wird auch dienotwendige Anzahl von ungebrannten Platten 7, die nichtmit inneren Elektrodenschichten 153 (154) bedrucktsind, vorbereitet.
[0183] Als Nächstes werden diese ungebranntenPlatten 7 wie in 5 gezeigtgestapelt. Zu dieser Zeit werden sie so gestapelt, daß die ungeformtenbzw. nicht ausgestalteten Enden 75 abwechselnd an der linkenSeite und der rechten Seite in der Figur positioniert werden.
[0184] Einundzwanzig (21) ungebranntePlatten, die mit inneren Elektrodenschichten 153 (154)ausgebildet sind, werden auf diese Art und Weise zusammengestapelt,dann werden ungebrannte Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten 153 (154)ausgebildet sind, an der Oberseite und an der Unterseite überlagert, umeinen Stapel 70 zu erzeugen, der aus insgesamt 30 ungebranntenPlatten besteht, wie in 6 gezeigtist. Es wird angemerkt, daß 6 einen Stapel zeigt, indem gewisse gestapelte Schichten aus Gründen der Zweckmäßigkeitbei der Erstellung der Figur weggelassen sind.
[0185] Als Nächstes wird der Stapel 70 heißpressgebondet,dann mittels einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 400bis 700°Centfettet, bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C gebrannt, und dann zu einer gewünschtenForm geschliffen. Aufgrund dessen werden die ungebrannten Keramikplatten 7 zupiezoelektrischen Keramikschichten 151, und wird eine piezoelektrischeElementeinheit 15, die aus piezoelektrischen Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht,die abwechselnd gestapelt sind, wie in 7 gezeigt erhalten. Diese piezoelektrischeElementeinheit 15 hat 20 piezoelektrische Keramikschichten,die als piezoelektrische Elemente aktiv sind. Derselben Routinewie vorstehend wird gefolgt, um 20 solcher piezoelektrischer Elementeinheiten 15 vorzubereiten.
[0186] Der Parallelitätswert der Bondoberflächen 155 jederder piezoelektrischen Elementeinheiten 15 wurde in Übereinstimmungmit dem in JIS-B0621-1984 festgelegten Verfahren gemessen, woraufhin,wie in der spätererwähntenTabelle 1 gezeigt ist, der Parallelitätswert kleiner als 0,05 mmwar.
[0187] Hier wird der Parallelitätswert derBondoberflächeneiner piezoelektrischen Elementeinheit 15 unter Verwendungvon 8 erklärt. 8 ist eine Ansicht einerpiezoelektrischen Elementeinheit von einer Seitenoberfläche ausgesehen.
[0188] Wie in der Figur gezeigt ist, bildendie beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit 15 inder Stapelrichtung zwei Bondoberflächen 155a und 155b,die als Bondoberflächenzum Bonden mit anderen piezoelektrischen Elementeinheiten dienen.Der Parallelitätswertdieser Bondoberflächenist der Parallelitätswert einerBondoberfläche 155a (oder 155b)in Bezug auf eine andere Bondoberfläche 155b (oder 155a)aus den zwei Bondoberflächen 155a und 155b anden beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit 15 inder Stapelrichtung. Das heißtin 8 wird dann, wenneine Linie im wesentlichen parallel zu einer Bondoberfläche 155b alsLinie A bezeichnet wird, die durch den an der anderen Bondoberfläche 155a amweitesten hervorstehenden Abschnitt und parallel zu der Linie Averlaufende Linie als Linie A1 bezeichnet wird, und die durch denan der Bondoberfläche 155a durchden am weitesten zurücktretendenAbschnitt und parallel zu der Linie A verlaufende Linie als LinieA2 bezeichnet wird, der Abstand X zwischen den Linien A1 und A2zu dem Parallelitätswert.
[0189] Als Nächstes wurden Sätze aus19 ungebrannten Platten, die mit inneren Elektrodenschichten ähnlich denjenigen,die bei der Herstellung der vorstehenden piezoelektrischen Elementeinheitenausgebildet waren, gestapelt, um Stapel für Puffereinheiten zu erzeugen.In jedem Puffereinheitsstapel wurden ungebrannte Platten, die nichtmit inneren Elektrodenschichten ausgebildet waren, für den Teilzweier Schichten auf der die Seite des Verbindungselements bildendenSeite nach der Montage des piezoelektrischen Aktuators zwischengelegt,um die Dicke der Seite des Verbindungselements zu dem Zweifachender einer piezoelektrischen Keramikschicht einer piezoelektrischenElementeinheit zu machen. Ferner wurden ungebrannte Platten, dienicht mit inneren Elektrodenschichten ausgebildet waren, weiteran der äußerstenSeite der Seite des Verbindungselements gestapelt.
[0190] Als Nächstes wurden diese Puffereinheitsstapelheißpressgebondet,entfettet, und dann gebrannt, auf dieselbe Art und Weise wie dievorstehenden, um Puffereinheiten 2 wie in 8 gezeigt herzustellen.
[0191] Als Nächstes wurden Sätze aus20 ungebrannten Platten, die nicht mit inneren Elektrodenschichten ausgebildetwaren, gestapelt, um Stapel fürBlindeinheiten herzustellen. Diese Blindeinheitenstapel wurden dannheißpressgebondet,entfettet, und dann gebrannt, auf dieselbe Art und Weise wie dievorstehenden, um Blindeinheiten 3 zu erhalten.
[0192] Ferner wurden Verbindungselemente 4 durchmaschinelles Bearbeiten von gesinterten Aluminiumoxidblöcken aufdie gewünschtenFormen hergestellt.
[0193] Als Nächstes wurden die so hergestelltenpiezoelektrischen Elementeinheiten 15, die Puffereinheiten 2,die Blindeinheiten 3 und die Verbindungselemente 4 gestapelt,um einen in den 1 bis 3 gezeigten piezoelektrischenAktuator auf die folgende Art und Weise herzustellen.
[0194] Im Einzelnen wurden zunächst ausAg bestehende externe Elektroden 5 und 6 so erzeugt,daß diese Seitenoberflächen derpiezoelektrischen Elementeinheiten 15 und der Puffereinheiten 2 zwischensich einschlossen.
[0195] Die externen Elektroden 5 werdenan den Positionen der piezoelektrischen Elementeinheiten 15 und derPuffereinheiten 2 ausgebildet, an denen die inneren Elektrodenschichten 153 oderinneren Elektrodenschichten 253 einer der Polaritäten freigelegtsind und die inneren Elektrodenschichten 153 oder innerenElektrodenschichten 253 leitend verbinden.
[0196] Die externen Elektroden 6 werdenan den Positionen ausgebildet, an denen die inneren Elektrodenschichten 154 oderinneren Elektrodenschichten 254 der anderen der Polaritäten freigelegtsind und die inneren Elektrodenschichten 154 oder innerenElektrodenschichten 254 leitend verbinden.
[0197] Als Nächstes werden die inneren Elektrodenschichten 153 und 154 derpiezoelektrischen Elementeinheiten 15 und die inneren Elektrodenschichten 154 und 254 derPufferschichten, die mit den externen Elektroden ausgebildet sind,mit einer Gleich spannung aus den externen Elektroden 5 und 6 zurPolarisation versorgt.
[0198] Als Nächstes werden, wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, 20 der so polarisiertenpiezoelektrischen Elementeinheiten 15 an den Bondoberflächen 155 gestapelt,werden Puffereinheiten 2 an den beiden Enden gestapelt,werden erneut Blindeinheiten 2 an den beiden Enden gestapelt,und werden erneut Verbindungselemente 4 an den beiden Endengestapelt. Zu dieser Zeit werden, wie in 3 gezeigt ist, diese so gestapelt, daß die beidenaneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153 und 154,die jeden gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, gegenüberliegendeSeitenoberflächenerreichen.
[0199] Auf diese Art und Weise wurde einpiezoelektrischer Aktuator 1 wie in den 1 bis 3 gezeigt hergestellt.Dieser wurde als die Probe E1 verwendet.
[0200] Bei dem piezoelektrischen Aktuator 1 derProbe E1 war die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichten 115 imWesentlichen 0. Das heißt,diese lag unterhalb des koerzitiven elektrischen Felds des piezoelektrischenEinheitselements. Die elektrische Feldstärke der gebondeten Keramikschichtenund das koerzitive elektrische Feld des piezoelektrischen Einheitselementswurden mittels den vorstehenden Verfahren berechnet.
[0201] Ferner wurde in diesem Beispiel einpiezoelektrischer Aktuator 1, der durch Bonden der vorstehenden piezoelektrischenElementeinheiten 15 mittels einem Silikon-basierten Harzbinderund Ausbilden einer Harzisolationsschicht 135 an jedemgebondeten Teil 13 wie in 13 gezeigterhalten wurde, hergestellt. Dieser wurde als die Probe E2 bezeichnet.
[0202] Die Probe E2 ist dieselbe wie dieProbe E1, mit der Ausnahme, daß sieeine Harzisolationsschicht 135 an jedem gebondeten Teil 13 aufweist.
[0203] Ferner wurden in diesem Beispielpiezoelektrische Aktuatoren mittels demselben Verfahren dem wie für die ProbeE1 hergestellt, aber die Anzahl gestapelter Schichten der piezoelek trischenKeramikschichten, die in den piezoelektrischen Elementeinheitenals piezoelektrische Keramikschichten aktiv sind, das Vorhandenseinvon Harzisolationsschichten, der Parallelitätswert der Bondoberflächen derpiezoelektrischen Elementeinheiten, oder das Vorhandensein von Blindeinheitenund Puffereinheiten wurden geändert.Diese wurden als Proben E3 bis E19 bezeichnet. Einzelheiten sindin der späterangegebenen Tabelle 1 gezeigt.
[0204] Als Nächstes wurde Spannung an dieProben E1 bis E19 und die Probe C1 angelegt, um die Dauerhaftigkeitender Proben wie vorstehend erklärtzu untersuchen.
[0205] Zunächst wurden 10 Stücke jederder Proben E1 bis E19 und der Probe C1 vorbereitet. Diese wurden durcheine positive Spannung, ohne Anlegen einer negativen Spannung, für 2 × 10⁸ Zyklusbetriebstests angesteuert. Die Anzahlvon Stücken,die währenddes Betriebs Kurzschlüssenunterlagen, wurde gezählt.Die Proben wurden als "gut" beurteilt, wennkeine Kurzschlüsseauftraten, als "brauchbar", wenn Kurzschlüsse in einigenauftraten, und als "schlecht", wenn Kurzschlüsse in allenauftraten. Ferner wurde die Anzahl von Betriebsabläufen, bisKurzschlüsseauftraten, fürdie Proben E2 und E7 bis E12 gemessen.
[0206] Die Ergebnisse sind in Tabelle 1gezeigt.
[0207] Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist,erfüllendie Proben E1 bis E19 zumindest eines der Erfordernisse aus denBedingungen, daß dieelektrische Feldstärkeder gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrischeFeld der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer istals 1,0 und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß Harzisolationsschichtenvorhanden sind und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind,daß derParallelitätswertder Bondoberflächennicht größer als0,1 ist, daß Puffereinheitenzum Abpuffern der inneren Belastung der piezoelektrischen Einheitselementevorhanden sind, und daß Blindeinheitenmit einem kleineren Elastizitätsmodulals der der Verbindungselemente vorhanden sind. Ferner können diesepiezoelektrischen Aktuatoren zumindest 2 × 10⁸ Malnahezu ohne Kurzschlüssearbeiten und waren daher hinsichtlich der Dauerhaftigkeit überlegen.Daher sind sie besonders fürAnwendungen wie beispielsweise Injektoren geeignet.
[0208] Andererseits litt, wie der Tabelle1 zu entnehmen ist, die Probe C1, die keine der vorstehenden Bedingungenerfüllte,an Kurzschlüssenin allen der 10 Stückewährenddes Betriebs für2 × 10⁸ Ma1.
[0209] Ferner bestand in den Proben E1 bisE14 und den Proben E17 bis E19 jede piezoelektrische Elementeinheitaus nicht mehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten. Daherkonnte eine zur Zeit des Anlegens von Spannung auftretende Belastungunterdrücktwerden, und konnte das Auftreten von Rissen in den piezoelektrischenElementeinheiten wirkungsvoll unterdrückt werden.
[0210] Ferner bestand in den Proben E1 bisE17 und der Probe E19 die piezoelektrische Elementeinheit aus zumindestsechs piezoelektrischen Keramikschichten. Wenn die Anzahl gestapelterSchichten der piezoelektrischen Elementeinheit sechs oder mehr beträgt, wirddas Ausmaß derVerformung der gebondeten Keramikschichten oder der Keramikschichtenan den äußerstenSeiten der piezoelektrischen Elementeinheit in der Stapelrichtung,das heißtan den äußerstenKeramikschichten, größer. Daherbesteht die Gefahr, daß einelokale Beschädigungan den gebondeten Oberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten oder der gebondeten Oberfläche despiezoelektrischen Einheitselements mit einem anderen Element wiebeispielsweise einem Verbindungselement auftritt.
[0211] Bei den Proben E1 bis E17 und derProbe E19 ist jedoch zumindest eines der Erfordernisse aus den Bedingungen,daß dieelektrische Feldstärkeder gebondeten Keramikschichten in Bezug auf das koerzitive elektrischeFeld der piezoelektrischen Elementeinheiten nicht größer istals 1,0 und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind, daß Harzisolationsschichtenvorhanden sind und die gebondeten Keramikschichten inaktiv sind,daß derParallelitätswertder Bondoberflächennicht größer als0,1 ist, daß Puffereinheitenzum Abpuffern der inneren Belastung der piezoelektrischen Einheitselementevorhanden sind, und daß Blindeinheiten miteinem kleineren Elastizitätsmodulals der der Verbindungselemente vorhanden sind, erfüllt. Daherkann eine Beschädigungan den gebondeten Oberflächenunterdrücktwerden, und ist die Dauerhaftigkeit überlegen, wie in der Tabelle1 gezeigt ist.
[0212] Ferner ist, wie der Tabelle 1 entnehmbarist, wenn die Probe E1, die Probe E7, die Probe E10 und die ProbeE11 verglichen werden, unter anderweitig denselben Bedingungen,die kleinste Anzahl von Betriebsabläufen ohne Kurzschlüsse um sogrößer unddie Dauerhaftigkeit um so besser, je kleiner der Parallelitätswert ist.
[0213] Ferner wiesen die piezoelektrischenAktuatoren der Proben E1 bis E8, der Probe E10, der Probe E11 undder Proben E13 bis E19 Puffereinheiten auf. Wie in 9 gezeigt ist, hat jede Puffereinheit 9 einepiezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke imwesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht ineiner piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements 11, und hat eine piezoelektrische Keramikschichtmit einer Dicke des Zweifachen einer piezoelektrischen Keramikschichtin einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements 4.
[0214] Daher ist das Ausmaß der Verschiebungpro Einheitslängeder Puffereinheit 2 kleiner als das Ausmaß der Verschiebungpro Einheitslängeeiner piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselementsund im wesentlichen dasselbe wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements. Daher ist es möglich,das Auftreten von Rissen an der Innenseite des piezoelektrischenAktuators wirkungsvoller zu verhindern.
[0215] Wie vorstehend erklärt wurde,wurde in diesem Beispiel, wie in 9 gezeigtist, Gebrauch von einer Puffereinheit mit der doppelten Dicke derpiezoelektrischen Keramikschicht 251 auf der Seite desVerbindungselements gemacht. Darüberhinaus ist es auch möglich,eine Puffereinheit 2 zu verwenden, die mit piezoelektrischenKeramikschichten 251 wie in den 10 bis 12 gezeigtkonfiguriert ist.
[0216] Das heißt, die in 10 gezeigte Puffereinheit 2 hateine piezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dickeim wesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschichtin einer piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements und vergrößert dieDicken von zwei der piezoelektrischen Keramikschichten 251,die als piezoelektrische Elemente auf der Seite des Verbindungselementsaktiv sind, überder Seite des piezoelektrischen Einheitselements. Ferner ist unterdiesen zwei Schichten die Schicht an der äußersten Seite auf der Seitedes Verbindungselements mit dem Zweifachen der Dicke der piezoelektrischenKeramikschicht auf der Seite des piezoelektrischen Einheitselementsausgestaltet, währenddie andere mit dem 1,5-fachen der Dicke der piezoelektrischen Keramikschichtauf der Seite des piezoelektrischen Einheitselements ausgestaltetist.
[0217] Ferner hat die in 11 gezeigte Puffereinheit 2 einepiezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke imwesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht ineiner piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements, und hat eine piezoelektrische Kera mikschicht 251,die als ein piezoelektrisches Element inaktiv ist und eine Dickegrößer alsdie der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements auf der Seite des Verbindungselements hat.
[0218] Ferner hat die in 12 gezeigte Puffereinheit 2 einepiezoelektrische Keramikschicht 251 mit einer Dicke imwesentlichen gleich der einer piezoelektrischen Keramikschicht ineiner piezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements, vergrößert dieDicke von zwei der piezoelektrischen Keramikschichten 251,die als piezoelektrische Elemente aktiv sind, auf der Seite desVerbindungselements, auf das Zweifache der Dicke der piezoelektrischenKeramikschicht 251 auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements, und hat eine piezoelektrische Keramikschicht 251,das als ein piezoelektrisches Element inaktiv ist und eine Dickegrößer alsdie der piezoelektrischen Keramikschicht auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements auf der Seite des Verbindungselements auf der äußerstenSeite der Seite des Verbindungselements hat.
[0219] Die Formen von piezoelektrischenKeramikschichten 151 und der an den piezoelektrischen Keramikschichten 151 ausgebildeteninneren Elektrodenschichten 153 und 154 in dempiezoelektrischen Aktuator 1 dieses Beispiels sind in den 14(A) und (B) gezeigt.
[0220] Wie in 14 gezeigtist, weist eine piezoelektrische Keramikschicht 151 vierabgeschrägteEcken 159 auf und hat eine im wesentlichen hexagonale Querschnittsform.Die an einer piezoelektrischen Keramikschicht 151 ausgebildeteninneren Elektrodenschichten 153 und 154 erreichenein Ende an den ausgebildeten beiden gegenüberliegenden Seiten nicht,wodurch nicht ausgestaltete Teile 75 erzeugt werden. Dasandere Ende und die Enden der gegenüberliegenden Seiten, die nichtmit den externen Elektroden 5 und 6 ausgebildetsind, haben freiliegende Elektrodenteile 157 und 158,an denen die innere Elektrodenschicht 153 und die innereElektrodenschicht 154 freiliegen.
[0221] In diesem Beispiel wurden innereElektrodenschichten 153 und 154 der in 14 gezeigten Formen erzeugt,jedoch könnendie inneren Elektrodenschichten 153 und 154 mit Änderungender Formen erzeugt werden. Ferner hängen die piezoelektrischenAktuatoren dieses Beispiels (Proben E1 bis E12) nicht von den Formender piezoelektrischen Keramikschichten ab und können auch dann zu ähnlichenWirkungen führen, wenndiese geändertwerden.
[0222] Ferner wurden in diesem Beispielinnere Elektrodenschichten sogenannter "Teilelektrodenstrukturen" so erzeugt, daß nichtausgestaltete Teile an den piezoelektrischen Keramikschichten wievorstehend erklärt ausgebildetwurden; jedoch ist es wie in den 15(A) und (B) gezeigt auch möglich, innere Elektrodenschichten 152 sogenannter "Vollelektrodenstrukturen" so zu erzeugen,daß diegesamten Oberflächender piezoelektrischen Keramikschichten 151 bedeckt werden.
[0223] In diesem Fall wird ein Isolationselement 8 aneinem der Teile erzeugt, an denen die innere Elektrodenschicht zuder externen Elektrode 5 und der externen Elektrode 6 verbindet,um zu ermöglichen,daß zwei aneinandergrenzendeinnere Elektrodenschichten 152 in einer piezoelektrischenElementeinheit abwechselnd mit externen Elektroden 5 und 6 unterschiedlicherPotentiale verbunden werden, auf dieselbe Art und Weise wie in demFall der inneren Elektrodenschichten der vorstehenden Teilelektrodenstrukturen.
[0224] Hier ist 16 eine Schnittansicht des Bereichs naheeinem gebondeten Teil 13 eines piezoelektrischen Aktuators 1 mitinneren Elektrodenschichten 152 von Vollelektrodenstrukturen.
[0225] Wie in 16 gezeigtist, hat jede innere Elektrodenschicht 152 ein Isolationselement 8 aneinem der mit der externen Elektrode 5 und der externenElektrode 6 verbindenden Teile so, daß nur die externe Elektrode 5 oderdie externe Elektrode 6 mit ihm verbunden wird.
[0226] Dieses Isolationselement 8 trenntdie elektrische Verbindung zwischen der externen Elektrode 5 oder 6 undder inneren Elek trodenschicht 152. Daher werden zwei aneinandergrenzendeinnere Elektrodenschichten 152 in einer piezoelektrischenElementeinheit 15 mit einer externen Elektrode 5 undeiner externen Elektrode 6 unterschiedlicher Potentialeverbunden. Infolgedessen ist es möglich, Wirkungen ähnlich zueinem piezoelektrischen Aktuator mit inneren Elektrodenschichtenvon Teilelektrodenstrukturen wie vorstehend erklärt zu erhalten.
[0227] Dieses Beispiel ist ein Beispielder Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators, bei dem zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit Elektroden von im wesentlichen gleichen Potentialen verbundensind.
[0228] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordieses Beispiels sind, wie in 17 gezeigtist, zwei aneinandergrenzende innere Elektrodenschichten 154,die einen gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, mit Elektrodenvon im wesentlichen gleichem Potential verbunden. Der Rest der Konfigurationist derselbe wie bei der Probe E1 von Beispiel 1.
[0229] Bei der Herstellung eines piezoelektrischenAktuators 1 dieses Beispiels wurden zunächst auf dieselbe Art und Weisewie in Beispiel 1 20 piezoelektrische Elementeinheiten 15 wiein 7 gezeigt vorbereitet.
[0230] Ferner wurden auf dieselbe Art undWeise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheitenund Verbindungselemente vorbereitet.
[0231] Als Nächstes wurden die piezoelektrischenElementeinheiten und die Puffereinheiten mit externen Elektroden 5 und 6 versehen,auf dieselbe Art und Weise wie die Probe E1 von Beispiel 1, undwurden ferner auf dieselbe Art und Weise wie die Probe 1 vonBeispiel 1 polarisiert. Als Nächsteswurden 20 mit externen Elektroden 5 und 6 versehenepiezoelektrische Elementeinheiten 15 an ihren Bondoberflächen gestapelt,und wurden dann Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselementean den beiden Enden aufgestapelt, auf dieselbe Art und Weise wiebei der Probe E1 von Beispiel 1. Zu dieser Zeit wurden die piezoelektrischenElementeinheiten wie in 17 gezeigtso gestapelt, daß diebeiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 153,die den gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, dieselbeSeitenoberflächeerreichten. Die piezoelektrischen Elementeinheiten 15 wurdenunter Verwendung eines Silikon-basierten Harzbinders gebondet.
[0232] Auf diese Art und Weise wurde einpiezoelektrischer Aktuator 1 hergestellt.
[0233] Bei dem piezoelektrischen Aktuator 1 diesesBeispiels sind, wie in 17 gezeigtist, die beiden aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten 154,die den gebondeten Teil 13 zwischen sich einschließen, mitderselben externen Elektrode 6 verbunden.
[0234] Daher wird dann, wenn Spannung angelegtwird, dasselbe elektrische Feld an die beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 154, die jeden gebondeten Teil 13 zwischensich einschließen,angelegt.
[0235] Daher verschieben sich die gebondetenKeramikschichten 115 zur Zeit des Anlegens von Spannung nichtallzusehr, und sind in ihrem Zustand inaktiv. Ferner ist es in diesemFall möglich,zu verhindern, daß Kurzschlüsse an dengebondeten Teilen 13 auftreten, und zwar auch dann, wenndie gebondeten Keramikschichten 115 beschädigt werden.
[0236] Ferner kamen, wie in 18 gezeigt ist, an den gebondeten Teilen 13 dieBondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten 15 teilweise indirekten Kontakt, und wurden Harzschichten 138 an den gebondetenTeilen 13 ausgebildet. Daher ist es möglich, den Verlust an Verschiebungan den gebondeten Teilen und den Verlust an verursachter Belastungzu reduzieren. Es wird angemerkt, daß in diesem Beispiel die Harzschichten 138 unterVerwendung eines Silikon-basierten Binders, das heißt eineselektrisch isolierenden Binders, erzeugt wurden, jedoch ist es indem vorliegenden Beispiel, wie vorstehend er klärt wurde, da die beiden aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 154, die jeden gebondeten Teil 13 zwischensich einschließen,mit Elektroden des im Wesentlichen gleichen Potentials verbundensind, nicht notwendigerweise erforderlich, einen Binder mit einerEigenschaft zur elektrischen Isolation zu verwenden.
[0237] Dieses Beispiel ist ein Beispielder Herstellung eines piezoelektrischen Aktuators, der so konfiguriert ist,daß dieDikken der äußerstenKeramikschichten der piezoelektrischen Elementeinheiten größer werdenals die Dicken der Antriebskeramikschichten.
[0238] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordieses Beispiels sind, wie in 19 gezeigtist, die Dicken der Keramikschichten an den äußersten Seiten der piezoelektrischenElementeinheiten 15 in der Stapelrichtung, das heißt die äußerstenKeramikschichten 156, größer als die Dicken der zwischenden inneren Elektroden in den piezoelektrischen Elementeinheitenliegenden Keramikschichten, das heißt der Antriebskeramikschichten 151.Der Rest der Konfiguration ist ähnlichder der Probe E1 von Beispiel 1.
[0239] Bei der Herstellung des piezoelektrischenAktuators dieses Beispiels wurden zunächst auf dieselbe Art und Weisewie in Beispiel 1 20 piezoelektrische Elementeinheiten 15 vorbereitet.Zu dieser Zeit wurden in diesem Beispiel wie in 20 gezeigt piezoelektrische Elementeinheiten 15 mitDicken der äußerstenKeramikschichten 156 größer alsdie Dicken der Antriebskeramikschichten 151 in den piezoelektrischenElementeinheiten 15 vorbereitet.
[0240] Als Nächstes wurden auf dieselbeArt und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheitenund Verbindungselemente vorbereitet.
[0241] Als Nächstes wurden die piezoelektrischenElementeinheiten und die Puffereinheiten auf dieselbe Art und Weisewie bei der Probe E1 von Beispiel 1 mit externen Elektroden versehenund auf dieselbe Art und Weise wie bei der Probe E1 von Beispiel1 polarisiert. Als Nächsteswurden 20 mit externen Elektroden versehene piezoelektrische Elementeinheiten 15 anihren Bondoberflächengestapelt, und wurden auf dieselbe Art und Weise wie bei der ProbeE1 von Beispiel 1 Puffereinheiten, Blindeinheiten und Verbindungselementean den beiden Enden aufgestapelt. Auf diese Art und Weise wurdeein piezoelektrischer Aktuator hergestellt.
[0242] Bei dem piezoelektrischen Aktuatordieses Beispiels waren, wie in 19 gezeigtist, die Dicken der äußerstenKeramikschichten 156 größer alsdie Dicken der Antriebskeramikschichten 151. Daher istes möglich,die Ausmaßeder Verformung der äußerstenKeramikschichten zu unterdrücken,und möglich,eine Beschädigungder Bondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten 15 weiter zu unterdrücken.
[0243] Vorstehend wurde somit ein piezoelektrischerAktuator 1 beschrieben, mit einem piezoelektrischen Einheitselement 11,das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheiten 15 besteht,von denen jede aus abwechselnd gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151 undinneren Elektrodenschichten 153 und 154 besteht,die an ihren äußerstenBondoberflächenin der Stapelrichtung gebondet sind und gebondete Teile 13 bilden.Jede piezoelektrische Elementeinheit 15 besteht aus nichtmehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichten 151.Gebondete Keramikschichten 115, die zwischen zwei aneinandergrenzendeninneren Elektrodenschichten 153 und 154 über einemgebondeten Teil 13 liegen, sind inaktiv.

权利要求:
Claims (33)
[1] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten, diezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, diejeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.
[2] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale ver bunden sind,und eine elektrische Feldstärkegebondeter Keramikschichten nicht größer ist als ein koerzitiveselektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
[3] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind,eine elektrische Feldstärkegebondeter Keramikschichten größer istals ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten,und der gebondete Teil eine Harzisolationsschicht aufweist.
[4] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden von im wesentlichen dem gleichen Potentialverbunden sind.
[5] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, daß aneinem gebondeten Teil Bondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontaktsind und der gebondete Teil eine Harzschicht aufweist.
[6] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischen Elementeinheitein Parallelitätswertvon einer Bondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm ist.
[7] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern.
[8] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, daß derElastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten ist.
[9] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 7 oder 8,dadurch gekennzeichnet, daß einAusmaß derVerschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements,und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements.
[10] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt anBondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von nicht mehr als 50 piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodulkleiner als der der Verbindungselemente haben.
[11] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, daß derElastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten und der Blindeinheiten ist.
[12] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 10 oder11, dadurch gekennzeichnet, daß jedeBlindeinheit aus einem keramischen Material besteht, das dasselbeist wie das einer piezoelektrischen Keramikschicht der piezoelektrischenElementeinheiten.
[13] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 12, dadurchgekennzeichnet, daß dieBlindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern, und daß einAusmaß derVerschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit,und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements.
[14] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 7 bis9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus nichtmehr als 50 piezoelektrischen Keramikschichten besteht, die zusammengestapelt sind,und daß dieKeramikschichten an den äußerstenSeiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußerstenKeramikschichten, inaktiv sind.
[15] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und gebondete Keramikschichten, diezwischen zwei aneinandergrenzenden inneren Elektrodenschichten liegen, diejeden gebondeten Teil zwischen sich einschließen, inaktiv sind.
[16] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind,und eine elektrische Feldstärkegebondeter Keramikschichten nicht größer ist als ein koerzitiveselektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten.
[17] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden unterschiedlicher Potentiale verbunden sind,eine elektrische Feldstärkegebondeter Keramikschichten größer istals ein koerzitives elektrisches Feld der piezoelektrischen Elementeinheiten,und der gebondete Teil eine Harzisolationsschicht aufweist.
[18] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 15, dadurchgekennzeichnet, daß zweianeinandergrenzende innere Elektrodenschichten, die einen gebondetenTeil zwischen sich einschließen,mit externen Elektroden von im wesentlichen dem gleichen Potentialverbunden sind.
[19] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 18, dadurchgekennzeichnet, daß andem gebondeten Teil Bondoberflächender piezoelektrischen Elementeinheiten teilweise in direktem Kontaktsind und der gebondete Teil eine Harzschicht aufweist.
[20] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, und an jeder piezoelektrischen Elementeinheitein Parallelitätswertvon einer Bondoberflächezu einer anderen Bondoberflächeaus den Bondoberflächenan den beiden Enden der piezoelektrischen Elementeinheit nicht höher als0,1 mm ist.
[21] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmo dulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern.
[22] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 21, dadurchgekennzeichnet, daß derElastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten ist.
[23] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 21 oder22, dadurch gekennzeichnet, daß einAusmaß der Verschiebungpro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite des Verbindungselements,und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements.
[24] Piezoelektrischer Aktuator mit einem piezoelektrischenEinheitselement, das aus zumindest zwei piezoelektrischen Elementeinheitenbesteht, von denen jede aus piezoelektrischen Keramikschichten undinneren Elektrodenschichten besteht, die abwechselnd gestapelt undan Bondoberflächenan den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung gebondet sind, um gebondete Teile zubilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus einem Stapel von zumindest sechs piezoelektrischenKeramikschichten besteht, äußerste Endenin der Stapelrichtung des piezoelektrischen Einheitselements Verbindungselementemit einem Elastizitätsmodulgrößer alsder der piezoelektrischen Elementeinheiten aufweisen, und daspiezoelektrische Einheitselement und die Verbindungselemente zwischensich mit Blindeinheiten versehen sind, die einen Elastizitätsmodulgrößer alsder der Verbindungselemente haben.
[25] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 24, dadurchgekennzeichnet, daß derElastizitätsmodulder Verbindungselemente zumindest das Zweifache des Elastizitätsmodulsder piezoelektrischen Elementeinheiten und der Blindeinheiten ist.
[26] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 24 oder25, dadurch gekennzeichnet, daß jedeBlindeinheit aus einem keramischen Material besteht, das dasselbeist wie das einer piezoelektrischen Keramikschicht der piezoelektrischenElementeinheiten.
[27] Piezoelektrischer Aktuator nach Anspruch 26, dadurchgekennzeichnet, daß dieBlindeinheiten und das piezoelektrische Einheitselement zwischensich mit Puffereinheiten versehen sind, die aus piezoelektrischenKeramikschichten und inneren Elektrodenschichten bestehen, die abwechselndgestapelt sind, um die innere Belastung des piezoelektrischen Einheitselementsabzupuffern, und daß einAusmaß derVerschiebung pro Einheitslängeeiner Puffereinheit kleiner ist als ein Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge derpiezoelektrischen Elementeinheit auf der Seite der Blindeinheit,und im wesentlichen dasselbe ist wie das Ausmaß der Verschiebung pro Einheitslänge despiezoelektrischen Einheitselements auf der Seite des piezoelektrischenEinheitselements.
[28] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis23 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus zumindestsechs piezoelektrischen Keramikschichten besteht, die zusammengestapelt sind,und daß dieKeramikschichten an den äußerstenSeiten der Puffereinheit in der Stapelrichtung, das heißt die äußerstenKeramikschichten, inaktiv sind.
[29] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis23, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß jede Puffereinheit aus nichtmehr aus 50 zusammengestapelten piezoelektrischen Keramikschichtenbesteht.
[30] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 15 bis29, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrischeElementeinheit aus nicht mehr als 50 zusammengestapelten piezoelektrischenKeramikschichten besteht.
[31] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis30, dadurch gekennzeichnet, daß Dicken vonKeramikschichten an den äußerstenSeiten in der Stapelrichtung in jeder piezoelektrischen Elementeinheit,das heißtdie äußerstenKeramikschichten, zumindest die Dicke einer Keramikschicht, diezwischen inneren Elektrodenschichten in der piezoelektrischen Elementeinheit,das heißteiner Antriebskeramikschicht, haben.
[32] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis31, dadurch gekennzeichnet, daß jedepiezoelektrische Keramikschicht aus einem PZT-basierten Materialbesteht.
[33] Piezoelektrischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis32, dadurch gekennzeichnet, daß derpiezoelektrische Aktuator füreinen Injektor verwendet wird.

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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JP2004274029A|2004-09-30|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2010-12-16| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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