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    • 专利摘要:
    Einlaminiertes piezoelektrisches Element (1) mit einem durch abwechselndeLamination einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (11) undeiner Vielzahl von internen Elektrodenschichten (21) gebildeten keramischenLaminat (10). Eine mit der ersten Seitenflächenelektrode (31) verseheneSeitenfläche(101) ist ferner mit ersten ausgesparten Nutenbereichen (41), welchedie Enden der zweiten internen Elektroden (22) in den Bodenbereichen(410) hiervon in Kontakt bringt, versehen, und eine mit der zweitenSeitenflächenelektrode(32) versehene Seitenfläche(102) ist ferner mit zweiten ausgesparten Nutenbereichen (42), welchedie Enden der ersten internen Elektrodenn (21) in den Bodenbereichenin Kontakt bringt, versehen. Die ersten ausgesparten Nutenbereiche(41) und die zweiten ausgesparten Nutenbereiche (42) sind mit einemisolierenden Füllmaterial(5) mit elektrisch isolierender Eigenschaft so gefüllt, umdie Enden der zweiten internen Elektroden (22) und die Enden derersten internen Elektroden (21) zu bedecken. Das isolierende Füllmaterial (5)umfaßtein isolierendes Harz (50) mit elektrisch isolierender Eigenschaftund anorganische Teilchen (51) eines in dem isolierenden Harz (50)enthaltenen anorganischen Materials.
    公开号:DE102004012033A1
    申请号:DE200410012033
    申请日:2004-03-11
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Akira Kariya Fujii；Shinichi Kariya Okamoto；Kazuhide Kariya Sato
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:F02M51-00
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf ein laminiertes piezoelektrischesElement, das an ein piezoelektrisches Stellglied oder ähnlichesangelegt sein kann.
    [0002] Einlaminiertes piezoelektrisches Element der Ganzflächenelektrodenstruktur, indem die internen Elektrodenschichten die ganzen Oberflächen derpiezoelektrischen Schichten bedecken, erzeugt eine größere Auslenkungals eine partielle Elektrodenstruktur, in der die internen ElektrodenschichtenBereiche ohne Bedeckung der piezoelektrischen Schichten haben, undermöglichtweniger an den Enden der internen Elektroden konzentrierte Spannung.Die Anwendung der Ganzflächenelektrodenstrukturmacht es daher möglich,ein laminiertes piezoelektrisches Element mit höheren Auslenkungseigenschaftenund höhererZuverlässigkeitzu erhalten, als die der partiellen Elektrodenstrukturen.
    [0003] Indem Fall der Ganzflächenelektrodenstruktursind die Enden der internen Elektrodenschichten mit den ganzen Seitenflächen deslaminierten piezoelektrischen Elements in Kontakt gebracht. DieEnden müssen elektrischleitfähigzu einem der Paare der Seitenflächenelektroden,aber von der anderen Seitenflächenelektrodeelektrisch isoliert sein. Wenn das laminierte piezoelektrische Elementeiner Auslenkung unterliegt, wird eine große Spannung an die isolierendenBereiche zwischen den Seitenflächenelektrodenund den internen Elektrodenschichten angelegt. Folglich ist einestrukturelle Vorrichtung zur Verbesserung der Isolation zwischenden internen Elektrodenschichten und den Seitenflächenelektrodennotwendig. Eine isolierende Struktur wurde vordem vorgeschlagen,gemäß dererNuten in den Seitenflächendes laminierten piezoelektrischen Elements der Ganzflächenelektrodenstrukturgebildet und mit einem isolierenden Harz (siehe zum Beispiel die ungeprüfte JapanischePatentveröffentlichungen(Kokai) Nrn. 2001-69771, 2001-102647, 2002-111088, 2001-244513 und2001-77436) gefülltwurden.
    [0004] Mitder vorstehenden konventionellen isolierenden Struktur jedoch bestehtein großerUnterschied in dem Koeffizienten der linearen Ausdehnung zwischendem in die Nuten gefülltenisolierenden Harz und dem piezoelektrischen Material. Folglich tretenAbschälungin der Grenzflächezwischen dem isolierenden Harz und der piezoelektrischen Schichtoder Risse in dem isolierenden Harz zu einem relativ frühen Zeitpunktin der Zuverlässigkeitsprüfung wieAbkühl-/Ausheizzyklusprüfung auf.Die Risse löseneinen Kurzschluß unterden internen Elektrodenschichten oder zwischen den internen Elektrodenschichtenund den Seitenflächenelektroden,die davon isoliert sein sollten, aus.
    [0005] Dievorliegende Erfindung zielt auf die Lösung der vorstehend genanntenProbleme des Standes der Technik ab und stellt ein laminiertes piezoelektrischesElement mit gesteigerter Zuverlässigkeitin der Struktur der Isolation zwischen den internen Elektrodenschichtenund den Seitenflächenelektrodenbereit.
    [0006] Eineerste Erfindung befaßtsich mit einem laminierten piezoelektrischen Element, das über einkeramisches Laminat verfügt,welches durch abwechselnde Lamination einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten,die ein piezoelektrisches Material umfassen, und einer Vielzahlvon internen Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeitgebildet wurde, wobei die Seitenflächen des keramischen Laminatsmit einer ersten Seitenflächenelektrodeund einer zweiten Seitenflächenelektrodeversehen sind, und die internen Elektrodenschichten die abwechselndangeordneten ersten zu den ersten Seitenflächenelektroden leitenden internen Elektrodenschichtenund die zweiten zu den zweiten Seitenflächenelektroden leitenden internenElektrodenschichten umfassen, in welchen die Seitenfläche desmit der ersten Seitenflächenelektrodeversehenen keramischen Laminats ferner mit ersten ausgesparten Nutenbereichenversehen ist, welche die ausgesparten Nuten mit den Enden der zweiten internenElektroden in den Bodenbereichen hiervon in Kontakt bringt, unddie mit der zweite Seitenflächenelektrodeversehenen Seitenflächeferner mit zweiten ausgesparten Nutenbereichen versehen ist, welchedie ausgesparten Nuten mit den Enden der ersten internen Elektrodenin den Bodenbereichen hiervon in Kontakt bringt, die erstenausgesparten Nutenbereiche und die zweiten ausgesparten Nutenbereichemit einem isolierenden Füllmaterialmit elektrisch isolierender Eigenschaft so gefüllt sind, daß die Endender zweiten internen Elektroden und der ersten internen Elektrodenbedeckt sind, und das isolierende Füllmaterial ein isolierendesHarz mit einer elektrisch isolierenden Eigenschaft und anorganischeTeilchen, die ein anorganisches Material umfassen, in dem isolierendenHarz umfaßt.
    [0007] Indem laminierten piezoelektrischen Element der vorliegenden Erfindungumfaßt,wie vorstehend beschrieben, das in die ersten ausgesparten Nutenbereicheund in die zweiten ausgesparten Nutenbereiche gefüllte isolierendeFüllmaterialdas isolierende Harz und die darin enthaltenen anorganischen Teilchen.Folglich weist die auf dem isolierenden Füllmaterial beruhende isolierendeStruktur eine bemerkenswert erhöhteZuverlässigkeitverglichen mit der des Standes der Technik auf.
    [0008] Dasisolierende Harz hat nämlicheinen viel höherenlinearen Ausdehnungskoeffizienten als das piezoelektrische Material,welches das keramische Laminat aufbaut. Wenn das isolierende Füllmaterialnur durch die Verwendung des isolierenden Harzes gebildet wird,baut sich folglich eine thermische Spannung zwischen dem piezoelektrischenMaterial und dem isolierenden Harz auf, wenn der Abkühl-/Aufheizzykluswiederholt wird, was Schwierigkeiten wie Risse entwickelt.
    [0009] Gemäß der vorliegendenErfindung enthältdas isolierende Harz andererseits anorganische Teilchen. Die anorganischenTeilchen haben einen kleinern linearen Ausdehnungskoeffizientenverglichen mit dem des isolierenden Harzes. Folglich zeigt das dieanorganischen Teilchen enthaltende isolierende Füllmaterial als Ganzes einenlinearen Ausdehnungskoeffizienten, der verglichen mit dem des isolierendenHarzes alleine sehr verringert ist.
    [0010] Folglichwird selbst bei Wiederholung des Abkühl/Aufheizzyklus für das laminiertepiezoelektrische Element das in die ersten ausgesparten Nutenbereicheund in die zweiten ausgesparten Nutenbereiche gefüllte isolierendeFüllmaterialin einem intakten Zustand gehalten, der das Auftreten von Rissenoder Lückenunterdrückt.
    [0011] Folglichweist das vorstehende laminierte piezoelektrische Element im Vergleichzum Stand der Technik eine verbesserte Zuverlässigkeit in der Struktur derIsolation zwischen den internen Elektrodenschichten und den Seitenflächenelektrodenauf.
    [0012] Einezweite Erfindung befaßtsich mit einer Einspritzvorrichtung, die so aufgebaut ist, daß die Treibstoffeinspritzungdurch Öffnenund Schließeneines Ventilkörpersdurch Ausnutzung der Auslenkung eines piezoelektrischen Stellgliedskontrolliert werden kann, in welchem das piezoelektrische Stellgliedein laminiertes piezoelektrisches Element gemäß der vorliegenden Erfindungumfaßt.
    [0013] DieEinspritzvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet ein piezoelektrischesStellglied, das das vorstehend genannte exzellente laminierte piezoelektrischeElement umfaßt.Wie vorstehend beschrieben, besitzt das piezoelektrische Stellgliedeine hohe Zuverlässigkeitin der Struktur der Isolation zwischen den internen Elektrodenschichtenund den Seitenflächenelektrodenund weist sehr exzellente Beständigkeitauf. Selbst bei der Verwendung als eine Einspritzvorrichtung unterso harten Bedingungen wie Hochtemperaturatmosphäre unterdrückt das piezoelektrische Stellgliedwährenddes Betriebs das Auftreten von Rissen, bietet eine verbesserte Beständigkeitund macht es möglich,Leistungsverhalten und Zuverlässigkeitder Einspritzvorrichtung als Ganzes zu verbessern.
    [0014] 1 ist eine schematischeAnsicht, welche die Struktur eines laminierten piezoelektrischenElements in Beispiel 1 darstellt.
    [0015] 2 ist eine schematischeAnsicht, welche einen Zustand der Füllung mit einem isolierendenFüllmaterialin Beispiel 1 darstellt.
    [0016] 3 ist eine schematischeAnsicht, welche die Anordnung der Lamination eines keramischen Laminatsin Beispiel 1 darstellt.
    [0017] 4 ist eine schematischeAnsicht, welche das keramische Laminat in Form eines Rechteckpolsin Beispiel 1 darstellt.
    [0018] 5 ist eine schematischeAnsicht, welche das keramische Laminat in Form eines Achteckpolsin Beispiel 1 darstellt.
    [0019] 6 ist eine schematischeAnsicht, welche einen Zustand darstellt, in dem erste ausgesparteNutenbereiche und zweite ausgesparte Nutenbereiche in Beispiel 1gebildet sind.
    [0020] 7 ist eine schematischeAnsicht, welche einen Zustand darstellt, in dem die ersten ausgesparten Nutenbereicheund die zweiten ausgesparten Nutenbereiche mit einem isolierendenFüllmaterialin Beispiel 1 gefülltsind.
    [0021] 8 ist eine schematischeAnsicht, welche das laminierte piezoelektrische Element im Querschnitt imrechten Winkel zur Laminierrichtung in Beispiel 1 darstellt.
    [0022] 9 ist eine schematischeAnsicht, welche eine andere Form der ersten ausgesparten Nutenbereicheund der zweiten ausgesparten Nutenbereiche im Querschnitt in Beispiel1 darstellt.
    [0023] 10 ist eine schematischeAnsicht, welche eine weitere Form der ersten ausgesparten Nutenbereicheund der zweiten ausgesparten Nutenbereiche im Querschnitt in Beispiel1 darstellt.
    [0024] 11 ist eine schematischeAnsicht, welche noch eine weitere Form der ersten ausgesparten Nutenbereicheund der zweiten ausgesparten Nutenbereiche im Querschnitt in Beispiel1 darstellt.
    [0025] 12 ist eine schematischeAnsicht, welche die Struktur eines laminierten piezoelektrischenElements zum Vergleich in Beispiel 2 darstellt.
    [0026] 13 ist eine schematischeAnsicht, welche die Struktur einer Einspritzvorrichtung in Beispiel3 darstellt.
    [0027] 14 ist eine graphische Darstellung,die die Beziehungen zwischen der Zugabemenge anorganischer Teilchen,dem linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Zugfestigkeit in Beispiel4 darstellt, wenn das isolierende Harz Silicon ist.
    [0028] 15 ist eine graphische Darstellung,die die Beziehungen zwischen der Zugabemenge anorganischer Teilchen,dem linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Zugfestigkeit in Beispiel4 darstellt, wenn das isolierende Harz Epoxy ist.
    [0029] 16 ist eine graphische Darstellung,die die Beziehung zwischen der Tiefe der ausgesparten Nuten undden isolierenden Eigenschaften in Beispiel 5 darstellt.
    [0030] Inder vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, daß die anorganischen TeilchenAluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Bornitrid beinhalten.
    [0031] Alsanorganische Teilchen könnenalle bekannten Teilchen verwendet werden, die aus einem anorganischenMaterial mit einem kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.Im Besonderen haben Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumnitridoder Bornitrid verglichen mit dem des isolierendes Harzes einensehr kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten und sind zur Verwendungals anorganische Teilchen geeignet.
    [0032] Alsisolierendes Harz zur Bildung des isolierenden Füllmaterials können zumBeispiel ein Siliconharz, ein Urethanharz, ein Polyimidamidharz,ein Polyimidharz oder ein Epoxyharz verwendet werden. Diese Harze habensehr großelineare Ausdehnungskoeffizienten von etwa 200 bis etwa 300 ppm/°C. Andererseitshaben die die keramischen Laminate bildenden piezoelektrischen Schichteneinen sehr kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 0,5bis etwa 5 ppm/°C.Der lineare Ausdehnungskoeffizient der anorganischen Teilchen liegtnahe an dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der piezoelektrischenSchichten. Durch das Enthalten der anorganischen Teilchen in demisolierenden Harz kann der lineare Ausdehnungskoeffizient des vorstehendenisolierenden Füllmaterialsfolglich bis auf etwa 10 bis 200 ppm/°C gesenkt werden.
    [0033] Esist gewünscht,daß derGehalt der anorganischen Teilchen in dem isolierenden Füllmaterialetwa 10 bis 70 Gew.-% und wünschenswerteretwa 30 bis 60 Gew.-% ist. Wenn der Gehalt der anorganischen Teilchenkleiner als 10 Gew.-% ist, ist die Wirkung zur Erniedrigung deslinearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Füllmaterialswahrscheinlich nicht genug. Bevorzugt ist der Gehalt der anorganischenTeilchen folglich nicht kleiner als 30 Gew.-%. Wenn der Gehalt deranorganischen Teilchen 70 Gew.-% übersteigt, wird ferner dasVerhältnisdes isolierenden Füllmaterialszu klein und das isolierende Füllmaterialals Ganzes zeigt eine verringerte Festigkeit. Bevorzugter ist derGehalt der anorganischen Teilchen folglich nicht größer als60 Gew.-%.
    [0034] Esist ferner gewünscht,daß dieanorganischen Teilchen eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,1 bis 30 μm und bevorzugteretwa 1 bis 10 μmhaben. Wenn die mittlere Teilchengröße der anorganischen Teilchen kleinerals 0,1 μmist, besteht eine Neigung zum Auftreten solcher Schwierigkeitenwie eine Verschlechterung der Verarbeitbarkeit aufgrund von Aggregationder anorganischen Teilchen und aufgrund einer Anstiegs in der Viskosität des isolierendenHarzes. Bevorzugter ist die mittlere Teilchengröße folglich nicht kleiner als1 μm. Wenndie mittlere Teilchengröße 30 μm übersteigt,scheitert andererseits die homogenen Verteilung der anorganischenTeilchen in dem isolierenden Harz, und das isolierende Füllmaterialzeigt keinen gleichmäßigen linearenAusdehnungskoeffizienten. Wenn die mittlere Teilchengröße 10 μm übersteigt,neigen die anorganischen Teilchen ferner zum Ausscheiden und werdennicht homogen dispergiert.
    [0035] Esist gewünscht,daß dasisolierende Füllmaterialeinen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 10 bis 200 ppm/°C und bevorzugteretwa 10 bis 100 ppm/°Chat. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des isolierenden Füllmaterialsals Ganzes kann im Vertrauen auf die Eigenschaften und Mengen derdarin enthaltenen anorganischen Teilchen eingestellt werden. Esist gewünscht,daß derthermische Ausdehnungskoeffizient des isolierenden Füllmaterialsin einem Bereich von etwa 10 bis 200 ppm/°C eingestellt wird. Das machtes möglich,die Beständigkeitder isolierenden Struktur durch die Verwendung des isolierendenFüllmaterialsaußerordentlichanzuheben und ein laminiertes piezoelektrisches Element mit einerhöherenZuverlässigkeitzu erhalten. Um die Wirkung der Erniedrigung der Spannung durchErniedrigung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierendenFüllmaterialsweiter anzuheben, ist es gewünscht,daß derlineare Ausdehnungskoeffizient nicht größer als 100 ppm/°C ist.
    [0036] Esist gewünscht,daß einstumpfer Winkel durch die Seitenflächen des keramischen Laminatsund durch die Seitenwandflächender ersten ausgesparten Nutenbereiche und der zweiten ausgespartenNutenbereiche eingeschlossen wird. In diesem Fall konzentriert sichdie Spannung wenig in den von den Seitenflächen des keramischen Laminatsund den Seitenwandflächender ersten ausgesparten Nutenbereiche und der zweiten ausgespartenNutenbereiche eingeschlossenen Eckteilen, selbst wenn eine Spannungan die Seitenflächendes keramischen Laminats angelegt wird, was das Auftreten von Rissenverhindert.
    [0037] Esist gewünscht,daß dieerste Seitenflächenelektrodeund die zweite Seitenflächenelektrodeaus elektrisch leitenden Harzschichten bestehen, die ein elektrischleitendes Material in einem Harzmaterial enthalten und das Harzmaterialim Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das isolierendeHarz hat. In diesem Fall hat das die erste Seitenflächenelektrodeund die zweite Seitenflächenelektrodebildende Harzmaterial nahezu die gleiche Zusammensetzung wie dasdas isolierende Füllmaterialbildende isolierende Harz, was es möglich macht, die Haftung zwischenden beiden und infolgedessen die Anschlußfestigkeit zwischen den beidenzu verbessern.
    [0038] Diedie erste Seitenflächenelektrodeund die zweite Seitenflächenelektrodebildenden elektrisch leitenden Harzschichten haben im Wesentlichendie gleiche Zusammensetzung wie das isolierende Füllmaterial, welchedurch das Enthalten des elektrisch leitenden Materials oder deranorganischen Teilchen in dem Harz mit im Wesentlichen der gleichenZusammensetzung erhalten werden. Als elektrisch leitendes Materialkönnen fernerMetallteilchen mit kleinem linearen Ausdehnungskoeffizienten wieSilber, Kupfer oder Nickel verwendet werden. Folglich wird der lineareAusdehnungskoeffizient der elektrisch leitenden Harzschicht vielkleiner als der lineare Ausdehnungskoeffizient des Harzmaterials,was es möglichmacht, einen Unterschied von dem linearen Ausdehnungskoeffizientendes isolierenden Füllmaterialszu verringern. Folglich wird die Anschlußfestigkeit zwischen der elektrischleitenden Harzschicht und dem isolierende Füllmaterial weiter gesteigert.
    [0039] Esist gewünscht,daß dieinternen Elektrodenschichten Kupfer als ihre Hauptkomponente enthalten.
    [0040] Alsinterne Elektrodenschichten könnenSilber oder eine Silber-Palladium-Legierung verwendet werden, dienormalerweise als ein Material fürdie Vermittlung einer elektrischen Leitung Verwendung finden. Wie vorstehendbeschrieben, ist es jedoch gewünscht,Kupfer zu verwenden. Das Silber enthaltende interne Elektrodenmaterialneigt in einer feuchten Atmosphäre dazu,Migration zu entwickeln. Um dies zu bewältigen, kann es verstandenwerden, die Palladiummenge oder die Tiefe der ersten ausgespartenNutenbereiche und der zweiten ausgesparten Nutenbereiche zu erhöhen, wasjedoch von einem Problem begleitet wird. Palladium ist nämlich sehrteuer und eine Erhöhungseiner Menge treibt die Kosten hoch. Eine Erhöhung in der Tiefe der Nutenführt zueiner Abnahme der effektiven Elektrodenfläche zum Anlegen einer Spannungvon positiver oder negativer Polarität an die piezoelektrischenSchichten, was es schwierig macht, eine günstige Auslenkung zu erhalten.
    [0041] Andererseitstritt weniger Migration auf, wenn die internen Elektrodenschichtendurch Verwendung von preiswertem Kupfer gebildet werden, als beider Verwendung von Silber, und die Tiefe der Nuten kann verringertwerden, was sowohl eine günstigeAuslenkung als auch eine Verringerung der Kosten erreicht. Wennnur Migration verhindert werden muß, kann jedes andere Metallverwendet werden, was jedoch ein Problem bezüglich der elektrischen Leitunghervorruft.
    [0042] Silberbesitzt einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 19 ppm/°C, während Kupfereinen linearen Ausdehnungskoeffizienten so klein wie 17 ppm/°C hat. Folglichkann der lineare Ausdehnungskoeffizient der internen Elektrodenschichtennahe an den der piezoelektrischen Schichten gebracht werden, wennKupfer verwendet wird. Das steigert ferner die Zuverlässigkeitdes laminierten piezoelektrischen Elements. Wenn auch die Silber-Palladium-Legierungverwendet wird, ist der lineare Ausdehnungskoeffizient nahe an demvon Silber. Folglich ist die Verwendung von Kupfer verglichen zuder Silber-Palladium-Legierung vorteilhaft.
    [0043] DieKupfer enthaltenden internen Elektrodenschichten werden zum Beispieldurch Plattieren von Kupfer auf die Oberfläche der piezoelektrischen Schichtenoder durch das Einbringen einer Kupferfolie zwischen die piezoelektrischenSchichten gebildet.
    [0044] Esist gewünscht,daß dieersten ausgesparten Nutenbereiche und die zweiten ausgesparten NutenbereicheTiefen von weniger als 50 μmund bevorzugter nicht kleiner als 10 μm und kleiner als 50 μm besitzen. Indiesem Fall ergibt sich eine kleinere Verringerung in der effektivenElektrodenflächeder die piezoelektrischen Schichten bedeckenden internen Elektrodenschichten,und das laminierte piezoelektrische Element behält die Auslenkung zu einemgenügendenGrad. Wenn die Tiefe der Nuten nicht kleiner als 50 μm ist, können dieAuslenkungseigenschaften abnehmen. Wenn die Tiefe der Nuten kleinerals 10 μmist, kann sich andererseits die Wirkung der Isolierung (Durchschlagsspannungseffekt)durch das isolierende Füllmaterialverringern.
    [0045] Esist gewünscht,daß, wenndie bei Dicke der piezoelektrischen Schicht mit L bezeichnet wird,die ersten ausgesparten Nutenbereiche und die zweiten ausgespartenNutenbereiche jeweils eine Breite haben, welche die Größe der Richtungist, in der die piezoelektrischen Schichten laminiert sind, undwelche in einem Bereich von etwa 0,1 L bis 1,0 L liegen. Mit derBreite der Nuten kleiner als 0,1 L setzt eine Zugspannung an demisolierenden Füllmaterialan, wenn das laminierte piezoelektrische Element die Auslenkungdurchläuft, unddas isolierende Füllmaterialkann sich von Seitenwandflächender Nuten abschälen.Wenn die Breite der Nuten 1,8 L übersteigt,wird die Wirkung der thermischen Spannung in den Abkühl-/Aufheizzyklenaufgrund eines immer noch bestehenden Unterschieds in den linearenAusdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials nicht vermieden,trotzdem der lineare Ausdehnungskoeffizient des isolierenden Füllmaterialsals Ganzes durch die Zugabe anorganischer Teilchen, wie vorstehendbeschrieben, erniedrigt wird und solche Schwierigkeiten wie Risseoder Abschälungauftreten können.
    [0046] Esist gewünscht,daß derVolumengehalt der anorganischen Teilchen in dem isolierenden Füllmaterial beietwa 3 bis 45 Vol.-% liegt. Wenn der Volumengehalt der anorganischenTeilchen kleiner als 3 Vol.-% ist, kann die Wirkung für die Erniedrigungdes linearen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Füllmaterials nichtausreichen. Wenn der Volumengehalt der anorganischen Teilchen 45Vol.-% übersteigt,wird andererseits das Verhältnisdes isolierenden Harzes so klein, daß das isolierende Füllmaterialals Ganzes eine verringerte Festigkeit zeigt.
    [0047] Esist gewünscht,daß diepiezoelektrischen Schichten aus einem Bleizirconattitanat hergestelltsind, welches ein Oxid der Formel Pb(Zr,Ti)O3 miteiner Perowskitstruktur ist. Bleizirconattitanat (PZT) hat exzellente piezoelektrischeEigenschaften und macht es möglich,das laminierte piezoelektrische Element mit sehr exzellenten Eigenschaftenzu erhalten.
    [0048] Dievorliegende Erfindung wird ferner unter Bezug auf ihre Beispielebeschrieben. Man beachte jedoch, daß die vorliegende Erfindungnicht auf diese Beispiele beschränktsein sollte.
    [0049] Einlaminiertes piezoelektrisches Element gemäß einem der Beispiele der vorliegendenErfindung wird nun unter Bezug auf die 1 bis 8 beschrieben.
    [0050] Bezugnehmendauf 1 besitzt ein laminiertespiezoelektrisches Element 1 dieses Beispiels ein keramischesLaminat 10, das durch abwechselndes Laminieren einer Vielzahlvon piezoelektrischen Schichten 11 aus einem piezoelektrischenMaterial und einer Vielzahl von internen Elektrodenschichten 21 und 22 mit elektrischerLeitfähigkeiterhalten wurde. Eine erste Seitenflächenelektrode 31 undeine zweite Seitenflächenelektrode 32 sindauf den Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats 10 gebildet. Die internen Elektrodenschichten 21 und 22 sinddie mit den ersten Seitenflächenelektroden 31 inVerbindung stehende erste interne Elektrodenschicht 21 unddie mit den zweiten Seitenflächenelektroden 32 inVerbindung stehende zweite interne Elektrodenschicht 22.
    [0051] Bezugnehmendauf 1 und 2 ist eine mit der erstenSeitenflächenelektrode 31 ausgestatteteSeitenfläche 101 fernermit ersten ausgesparten Nutenbereichen 41, die die ausgespartenNuten mit den Enden der zweiten internen Elektrode 22 inden Bodenbereichen 410 hiervon in Kontakt bringt, ausgestattet,und eine mit der zweiten Seitenflächenelektrode 32 ausgestatteteSeitenfläche 102 hiervonist ferner mit zweiten ausgesparten Nutenbereichen, die die ausgespartenNuten mit den Enden der ersten internen Elektrode in den Bodenbereichen 420 hiervonin Kontakt bringt, ausgestattet. Die ersten Nutenbereiche 41 unddie zweiten Nutenbereiche 42 sind mit einem isolierendenFüllmaterial 5 mitelektrisch isolierender Eigenschaft so gefüllt, daß die Enden der zweiten internenElektroden und der Enden der ersten internen Elektroden bedecktsind. Ferner beinhaltet das isolierende Füllmaterial 5 ein isolierendesHarz 50 mit elektrisch isolierender Eigenschaft und anorganischenTeilchen 51 eines in dem isolierenden Harz 50 enthaltenenanorganischen Materials.
    [0052] Daslaminierte piezoelektrische Element wird im weiteren Detail beschrieben.
    [0053] Bezugnehmendauf 1, 5 und 8 besitztdas laminierte piezoelektrische Element 1 ein achteckiges polähnlicheskeramisches Laminat 10, das aus abwechselnd laminiertenpiezoelektrischen Schichten 11 besteht und sich unter Anlegeneiner Spannung ausdehnt und zusammenzieht, und interne Elektroden(erste interne Elektroden und zweite interne Elektroden) 21 und 22 zumAnlegen der Spannung. Unter seinen Seitenflächen sind ein Paar Seitenflächen 101 und 102 mitder ersten Seitenflächenelektrode 31 undder zweiten Seitenflächenelektrode 32 versehen,zu der ferner Bleidrähte 7 zurVerbindung zu externen Elektroden verbunden sind. In diesem Beispielist das keramische Laminat 10 mit sogenannten Blindschichten 18 und 19 anseinem oberen Ende und an seinem unteren Ende in der Richtung derLamination versehen, ohne durch die internen Elektrodenschichten 21 und 22 eingeschlossenzu sein. Das Laminat kann eine zylindrische Form, eine dreieckigePolform oder eine quadratische Polform zusätzlich zu den vorstehend genanntenFormen haben. Die externen Elektroden müssen sich nicht gegenüberstehen.Die Bleidrähtekönnenauf den unteren Bereichen des Laminats gebildet werden, ohne aufdie oberen Bereiche hiervon beschränkt zu sein.
    [0054] Bezugnehmendauf 1, 2 und 8 istdie erste interne Elektrode 21 an ihrem Ende mit der Seitenfläche 101 inKontakt gebracht und direkt mit der ersten Seitenflächenelektrode 31 verbunden.Auf der Seitenfläche 102 gegenüber derSeitenfläche 101 istdie erste interne Elektrode 21 andererseits mit dem Bodenbereich 420 deszweiten ausgesparten Nutenteils 42 in Kontakt gebrachtund mit dem in das zweite ausgesparte Nutenteil 42 gefüllten isolierendeFüllmaterials 5 bedeckt.Die zweite Seitenflächenelektrode 32 istauf der Außenseitedes isolierenden Füllmaterials 5 angeordnet.
    [0055] In ähnlicherWeise ist die zweite interne Elektrode 22 an ihrem Endemit der Seitenfläche 102 inKontakt gebracht und direkt mit der zweiten Seitenflächenelektrode 32 verbunden.Auf der Seitenfläche 101 gegenüber derSeitenfläche 102 istandererseits die zweite interne Elektrode 22 mit dem Bodenbereich 410 des erstenausgesparten Nutenteils 41 in Kontakt gebracht und mitdem in das zweite ausgesparte Nutenteil 41 gefüllten isolierendeFüllmaterials 5 bedeckt.Die erste Seitenflächenelektrode 31 istauf der Außenseitedes isolierenden Füllmaterials 5 angeordnet.
    [0056] Wiein 2 und 8 gezeigt, haben die ersten ausgespartenNutenbereiche 41 und die zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 nahezuparallel zu den Seitenflächen 101 und 102 angeordneteBodenbereiche 410 und 420 und eine NutentiefeD (siehe 2) von etwa40 μm. Fernerhaben die ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und diezweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 eine NutenbreiteW (siehe 2) von etwa60 μm, wasetwa 75 % der Dicke der piezoelektrischen Lage 11 entspricht.
    [0057] Fernerwird, wie in 2 gezeigt,ein Winkel α,der ein stumpfer Winkel ist, durch die Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats 10 und den Seitenwandflächen 415 und 425 derersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 eingeschlossen. Konkret liegt der Winkel bei110°. Wiein 2 gezeigt, bildendie ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und die zweitenausgesparten Nutenbereiche 92 mit den Bodenbereichen 410 und 420 alsOberseiten nahezu eine Trapezform.
    [0058] Dieersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und die zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 sind mit dem isolierenden Füllmaterial 5 gefüllt, dasdas isolierende Harz 50 mit elektrisch isolierender Eigenschaftund im isolierenden Harz 50 enthaltene anorganische Teilchen 51 umfaßt. In diesemBeispiel werden ein Epoxyharz als isolierendes Harz 50 undAluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm als anorganischeTeilchen 51 verwendet. Das Verhältnis des Gehalts der anorganischenTeilchen 51 in dem isolierenden Füllmaterials 5 (isolierendesHarz 50 + anorganische Teilchen 51) wurde bei60 Gew.-% eingestellt.
    [0059] Dieerste Seitenflächenelektrode 31 unddie zweite Seitenflächenelektrodesind aus elektrisch leitenden Schichten aufgebaut, die durch dasEinbinden eines elektrisch leitenden Materials in ein Harzmaterialmit elektrisch isolierender Eigenschaft erhalten wurden. Als vorstehendesHarzmaterial wird in diesem Beispiel ein Epoxyharz mit der gleichenZusammensetzung wie die des vorstehenden isolierenden Harzes 50 verwendet. Alselektrisch leitendes Material wird ferner ein Silberfüller miteinem Verhältnisvon 70 Gew.-% verwendet.
    [0060] Alsnächsteswird unten kurz ein Verfahren zur Herstellung des laminierten piezoelektrischenElements 1 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung beschrieben.
    [0061] Erstwird ein Schritt des Brennens der piezoelektrischen Schicht durchgeführt, umdie piezoelektrische Schicht 11 durch Brennen einer keramischenGrünfoliezu erhalten, die das piezoelektrische Materials darstellt.
    [0062] Indiesem Beispiel, wird die Grünfoliewie nachstehend beschrieben hergestellt, um das PZT als piezoelektrischeSchicht 11 anzuwenden. Zunächst werden Pulver von Bleioxid,Zirconiumoxid, Titanoxid, Nioboxid und Strontiumcarbonat, welchedie hauptsächlichenAusgangsmaterialien sind, abgewogen, um die gewünschte Zusammensetzung zu erhalten.Unter Berücksichtigungder Verdampfung von Blei werden die ferner vorstehenden Komponentenum 1 bis 2 % reicher als das stöchiometrische Verhältnis dervorstehenden Mischungszusammensetzung gemischt. Die Mischung wirdunter Verwendung eines Mischers trocken gemischt und dann bei 800bis 950 °Ckalziniert.
    [0063] Danachwerden reines Wasser und ein Dispergator zu dem kalzinierten Pulverzugegeben, um einen Schlicker hiervon herzustellen, der dann unterVerwendung einer Perlenmühlenaßgemahlenwird. Das gemahlene Material wird getrocknet und entbindert, undzu diesem ein Lösungsmittel,ein Binder, ein Weichmacher und ein Dispergator gegeben, die dannunter Verwendung einer Kugelmühlezusammengemischt werden. Danach wird der Schlicker in einer Vakuumvorrichtungunter Verwendung eines Rührersgerührt,vakuumentschäumtund auf seine Viskositäteingestellt.
    [0064] DerSchlicker wird unter Verwendung einer Doctor-Blade-Vorrichtung zu einer Grünfolie einervorbestimmten Dicke geformt
    [0065] Dieerholte, bzw. getrocknete Grünfoliewird in eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von 7 mm mit einer Preßmaschine,bzw. Stanzpresse gestanzt oder mit einem Messer geschnitten. DieGrünfoliekann in eine quadratische Form, eine elliptische Form oder eineZylinderform abhängigvon der Form des laminierten piezoelektrischen Elements, das erhaltenwerden soll, geformt werden.
    [0066] Alsnächsteswird die Grünfolieentbindert und gebrannt, um die piezoelektrische Schicht 11 zuerhalten. Die Entbinderung wird durch Halten der Grünfolie beieiner Temperatur von 400 bis 700 °Cfür einenvorbestimmten Zeitraum in einem elektrischen Ofen durchgeführt. DasBrennen wird durch Halten der Grünfolie beieiner Temperatur von 900 bis 1200 °C für einen vorbestimmten Zeitraumdurchgeführt.In diesem Beispiel wird daher eine gebrannte piezoelektrische Schicht 11 mit einerDicke von 80 μmerhalten, die PZT, welches im Wesentlichen ein Oxid der Formel Pb(Zr,Ti)O3 mit einer Perowskitstruktur ist, umfaßt.
    [0067] AlsnächstesBezug nehmend auf 3 wirdein Schritt zur Herstellung eines Laminats durch abwechselnde Laminationder auf diese Weise erhaltenen piezoelektrischen Schichten 11 undder Kupfer enthaltenden Elektrodenmaterialien 20 durchgeführt.
    [0068] Indiesem Beispiel wird eine Kupferfolie, die ein Kupfer der Reinheit99,9 % umfaßtund eine Dicke von 5 μmbesitzt, als Elektrodenmaterial 20 verwendet. Wie in 3 gezeigt, besitzt die Kupferfolieeine quadratische Form mit einer Seitenlänge von 7 mm wie die piezoelektrischeSchicht 11. Die piezoelektrische Schicht 11 unddie Elektrodenmaterialien 20 werden abwechselnd laminiert,und ein Laminat mit 250 laminierten piezoelektrischen Schichten 11 wirdhergestellt. Piezoelektrische Blindschichten werden an den oberenund unteren Endes des Laminats in Richtung der Lamination angeordnet.
    [0069] Alsnächsteswird das Laminat in einem Zustand in einem Ofen aufgestellt, indem eine Last von etwa 3 MPa aus Richtung der Lamination daraufaufgebracht wird, die Atmosphärein dem Ofen wird auf einen Vakuumgrad von 1 × 10–2 Paevakuiert und dann N2-Gas, welches ein Inertgasist, in den Ofen eingeführt,so daß einDruck von 10 Pa in dem Ofen aufrechterhalten wird. Dann wird einSchritt der Wärmeverbindungdurchgeführt,um die internen Elektrodenschichten 21, 22, diedas Elektrodenmaterial 20 und die piezoelektrischen Schichten 11 umfassen,durch Aufrechterhaltung einer Temperatur von 960 °C für 10 Minutenzu verbinden.
    [0070] Dannwird, wie in 4 gezeigt,das keramische Laminat 10 von nahezu quadratischer Polformmit vier Seitenflächen 101 bis 104 undmit seinen mit den Enden in Kontakt gebrachten internen Elektrodenschichten 21 und 22 anallen seinen Seitenflächenerhalten.
    [0071] Alsnächstes,wie in 5 gezeigt, werdendie Ecken des quadratischen Pols flachgeschliffen, um vier neueSeitenflächen 105 bis 108 zubilden, wodurch ein keramisches Laminat 10 von nahezu achteckigerPolform gebildet wird.
    [0072] Danach,wie in 6 gezeigt, werdenNuten in der Seitenfläche 101 deskeramischen Laminats 10 durch die Einstrahlung eines Laserstrahlsentlang der Enden der zweiten internen Elektroden 22 geformt,die dazu vorgesehen sind, dadurch erste ausgesparte Nutenteile 41 zuformen. In ähnlicherWeise werden ferner Nuten in der Seitenfläche 102 des keramischenLaminats 10 durch die Einstrahlung eines Laserstrahls entlang derEnden der zweiten internen Elektroden 21 geformt, die dazuvorgesehen sind, dadurch erste ausgesparte Nutenteile 42 zuformen. In diesem Beispiel wird ein CO2-Laserverwendet und bei einer hohen Geschwindigkeit unter Verwendung einesgalvano-optischer Meßfühlers gerastert.Die Nuten könnendurch Schleifen unter Verwendung eines Schleifsteins oder durchKugelstrahlen anstatt der Bearbeitung mit der Einstrahlung eines Laserstrahlsgebildet werden.
    [0073] Diegebildeten ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und diezweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 haben eine Nutentiefevon etwa 40 μmund eine Nutenbreite von etwa 60 μm.
    [0074] Alsnächsteswerden, wie in 7 gezeigt,die ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und die zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 mit dem isolierenden Füllmaterial 5 unterVerwendung eines Verteilers beschichtet und evakuiert, um ohne Lücke relativzu den Innenflächender ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweitenausgesparten Nutenbereiche 42 gefüllt zu werden. Zusätzlich zudem vorstehenden Beschichtungsverfahren kann Siebdruck oder Metallmaskendruckangewendet werden. Wie früherbeschrieben, umfaßtdas isolierende Füllmaterial 5 einEpoxyharz als Grundlage, das 60 Gew.-% eines Aluminiumoxidfüllers enthält.
    [0075] Alsnächsteswird das isolierende Füllmaterial 5 beieiner Temperatur von 180 °Cfür 60Minuten wärmebehandelt,um das isolierende Harz 51 zu härten. Das überquellende isolierende Füllmaterial 5 derersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 wird durch das Oberflächenschleifen abgetrennt.
    [0076] Dannwerden elektrisch leitende Harzschichten, die das Epoxyharz mithierzu zugegebenen 70 Gew.-% Silberfüller (erste Seitenflächenelektrode 31 undzweite Seitenflächenelektrode 32)umfassen, mit einem Metallmaskenverfahren gedruckt und thermischbei einer Temperatur von 150 °Cfür 30Minuten gehärtet. Daherwird die elektrische Leitung zwischen der ersten Seitenflächenelektrode 31 undallen der ersten internen Elektroden 21 auf der Seitenfläche 101 unddie elektrische Leitung zwischen der zweiten Seitenflächenelektrode 32 undallen zweiten internen Elektroden 22 auf der Seitenfläche 102 aufrechterhalten.
    [0077] Fernerwerden Bleidrähte 7 mitder ersten Seitenflächenelektrode 31 undmit der zweiten Seitenflächenelektrode 32 unterVerwendung des mit Silberfüllerversetzten Epoxyharzes verbunden. Das in 1 dargestellte laminierte piezoelektrischeElement 1 wird daher erhalten.
    [0078] Nachstehendwerden die Funktion und Wirkung des in diesem Beispiel erhaltenenlaminierten piezoelektrischen Elements 1 beschrieben.
    [0079] Indem laminierten piezoelektrischen Element 1 dieses Beispielswie vorstehend beschrieben, umfaßt das in die ersten ausgespartenNutenbereiche 41 und in die zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 gefüllte isolierendeFüllmaterial 5 dasisolierende Harz 50 und die darin enthaltenen anorganischenTeilchen 51. Folglich ist der lineare Ausdehnungskoeffizientdes isolierenden Füllmaterials 5 alsGanzes viel kleiner als der des allein verwendeten isolierendenHarzes 50. Der Unterschied des linearen Ausdehnungskoeffizientender piezoelektrischen Schichten 11 ist verglichen mit demdes Standes der Technik sehr verringert.
    [0080] Folglichwird selbst bei Wiederholung des Abkühl/Aufheizzyklus für das laminiertepiezoelektrische Element 1 das in die ersten ausgespartenNutenbereiche 41 und in die zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 gefüllten isolierendeFüllmaterial 5 ineinem intakten Zustand gehalten, der das Auftreten von Rissen oder Lücken unterdrückt.
    [0081] Folglichweist das vorstehende laminierte piezoelektrische Element 1 imVergleich zum Stand der Technik verbesserte Zuverlässigkeitin der Struktur der Isolation zwischen den internen Elektrodenschichten 21 und 22 undden Seitenflächenelektroden 31 und 32 auf.
    [0082] Indiesem Beispiel ist ferner ein Winkel α (siehe 2), welcher ein stumpfer Winkel ist,durch die Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats 10 und durch die Seitenwandflächen derersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 eingeschlossen. Folglich konzentriert sichdie Spannung wenig in den von den Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats 10 und den Seitenwandflächen derersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 eingeschlossenen Eckteilen, selbst wenneine Spannung aufgrund der Auslenkung an die Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats angelegt wird, was das Auftreten von Rissenverhindert.
    [0083] Dieerste Seitenflächenelektrode 31 unddie zweite Seitenflächenelektrode 32 sinddurch die elektrisch leitenden Harzschichten aufgebaut, die durchdas Enthalten des Silberfüllersin einer Menge von 70 Gew.-% erhalten wurden, und das Harzmaterialhat im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die des isolierendenHarzes 50 des isolierenden Füllmaterials 5. Diesermöglichtdem isolierenden Füllmaterial 5,stark mit der ersten Seitenflächenelektrode 31 undder zweiten Seitenflächenelektrode 32 verbundenzu sein.
    [0084] Aufgrundder Gegenwart des Silberfüllersweisen die erste Seitenflächenelektrode 31 unddie zweite Seitenflächenelektrode 32 einenlinearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 100 ppm/°C auf, während das isolierendeFüllmaterial 5 einenlinearen Ausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 20 bis 200ppm/°C zeigt,welche dicht beieinander liegen. Dies trägt zu einer weiteren Förderungder Verbindungsbeständigkeit zwischenden beiden bei.
    [0085] Dieinternen Elektrodenschichten 21, 22 in diesemBeispiel verwenden Kupfer als elektrisch leitendes Material. ImVergleich zur Verwendung von Silber oder Silber-Palladium-Legierung,die allgemein als interne Elektrodenschichten verwendet werden,ist es folglich möglich,die Erzeugung von Migration zu unterdrücken. Es ist daher möglich, dieersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und die zweiten ausgespartenNutenbereiche 42 mit einer Nutentiefe von 40 μm zu bilden,was kleiner als 50 μmist, um die günstigenAuslenkungseigenschaften aufrechtzuerhalten.
    [0086] Daferner die Nutenbreite W der ersten ausgesparten Nutenbereiche 41 undder zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 bei 75 % derDicke L der piezoelektrischen Schicht 11 festgelegt wird,wird ferner eine überschüssige Zugspannungnicht angelegt, trotzdem das laminierte piezoelektrische Elementausgelenkt wird. Folglich ist die Wirkung der thermischen Spannungin den Abkühl-/Aufheizzyklenverringert, was die Wirkung zur Unterdrückung von Schwierigkeiten wieRisse oder Abschälungsteigert.
    [0087] ObgleichKupfer in diesem Beispiel als interne Elektrodenschichten 21 und 22 verwendetwird, kann die vorstehend genannte Wirkung des isolierenden Füllmaterialsselbstverständlichauch bei der Verwendung der normalerweise verwendeten Silber oderSilber-Palladium-Legierungenthaltenen internen Elektrodenschichten erhalten werden.
    [0088] Indiesem Beispiel haben, wie vorstehend beschrieben, die ersten ausgespartenNutenbereiche 41 und die zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 imQuerschnitt eine Trapezform. Diese können jedoch in einer rechteckigenForm wie im Stand der Technik gebildet sein. Wie in den 9 bis 11 dargestellt, ist gewünscht, daß ein stumpferWinkel durch die Seitenflächen 101 und 102 deskeramischen Laminats 10 und durch die Seitenwandflächen 415 und 425 derersten ausgesparten Nutenbereiche 41 und der zweiten ausgesparten Nutenbereiche 42 eingeschlossenwird. 9 stellt ein Beispieleiner nahezu dreieckigen Form im Querschnitt dar, und die 10 und 11 zeigen Beispiele von nahezu vieleckigenFormen, die biasymmetrisch sind.
    [0089] Indiesem Beispiel werden eine Vielzahl von laminierten piezoelektrischenElementen einschließlich deslaminierten piezoelektrischen Elements (Probe E1) aus Beispiel 1hergestellt und eine Prüfungzum Vergleich ihrer Beständigkeitendurchgeführt.
    [0090] Diezusätzlichzu der vorstehenden Probe E1 hergestellten laminierten piezoelektrischenElemente schließenzwei Arten von Produkten der Erfindung (Probe E2 und Probe E3) undeine Art eines konventionellen Produkts (Probe C1) ein.
    [0091] DieProbe E2 ist ein laminiertes piezoelektrisches Element wie die ProbeE1, außerdaß einSiliconharz als isolierendes Harz für die Bildung des isolierendenFüllmaterialsverwendet wurde.
    [0092] DieProbe E3 ist ein laminiertes piezoelektrisches Element wie die ProbeE1, außerdaß dieNutentiefe der ersten ausgesparten Nutenbereiche und der zweitenausgesparten Nutenbereiche der Probe E1 von 40 μm auf 100 μm erhöht wurde.
    [0093] DieProbe C1 ist ein konventionelles laminiertes piezoelektrisches Element 9,welches, wie in 12 dargestellt,in der Hinsicht unterschiedlich von der Probe E1 ist, daß die erstenausgesparten Nutenbereiche 941 und die zweiten ausgespartenNutenbereiche 942 im Querschnitt eine rechteckige Formund eine Nutentiefe von 100 um haben, und daß das isolierende Füllmaterial 95 nurein isolierendes Harz ohne enthaltene anorganische Teilchen umfaßt.
    [0094] Tabelle1
    [0095] EinePrüfungzur Messung der vorstehenden vier Arten von Proben für ihre Auslenkungseigenschaften wurdedurchgeführt.Die Prüfungwurde unter den Bedingungen einer Antriebsspannung von 150 V ohneLast (frei von Last) ausgeführt.
    [0096] DiePrüfungsergebnissewerden in Tabelle 1 gezeigt, woraus zu ersehen ist, daß die ProbenE1 und E2 mit einer Nutentiefe von 40 μm in den ausgesparten Nutenbereichen(erste ausgesparte Nutenbereiche und zweite ausgesparte Nutenbereiche)eine Auslenkungsgröße erzeugen,die um etwa 10 % größer istals die Auslenkungsgröße der ProbenE3 und C1 mit einer Nutentiefe von 100 μm.
    [0097] Alsnächsteswurde die Abkühl-/Aufheizzyklusprüfung unterden Bedingungen von 40 und 125 °Cfür jeweils60 Minuten durchgeführt.Als nächsteswurde die Anzahl der Betriebshäufigkeitenbis zum Bruch der Probe festgestellt und die gebrochenen Teile betrachtet.Die Ergebnisse werden in vorstehender Tabelle 1 gezeigt, aus derabgeschätztwurde, daß dieProben E1 bis E3 , welche Produkte der vorliegenden Erfindung sind,offensichtlich viel längereLebensdauern haben als die der Probe C1, welche ein Produkt nachdem Stand der Technik ist.
    [0098] Ausdem Unterschied in den gebrochenen Bereichen wurde geschlossen,daß diedas Siliconharz als isolierendes Harz verwendende Probe E2 letztendlichAbschälungzwischen der Seitenflächenelektrodeund dem isolierenden Füllmaterialmit verschiedenen Arten von Harzen entwickelt, und die Proben E1und E2 letztendlich Abschälungzwischen dem PZT (piezoelektrisches Material) und dem isolierendenFüllmaterialentwickeln.
    [0099] Indiesem Beispiel wird das laminierte piezoelektrische Element 1 ausBeispiel 1 als piezoelektrisches Stellglied einer Einspritzvorrichtung 6 verwendet.
    [0100] Wiein 13 gezeigt, wirddie Einspritzvorrichtung 6 dieses Beispiels auf ein Einspritzsystemfür die gemeinsameKraftstoffleitung von Dieselmotoren angewendet.
    [0101] Wiegezeigt, umfaßtdie Einspritzvorrichtung 6 ein oberes Gehäuse 62,das das laminierte piezoelektrische Element 1, welchesals eine Antriebseinheit arbeitet, aufnimmt, und ein am unterenEnde hiervon befestigtes unteres Gehäuse 63, das ein Einspritzdüsenteil 64 darinbildet.
    [0102] Dasobere Gehäuse 62 istnahezu von zylindrischer Form und das laminierte piezoelektrischeElement 1 eingefügtund in einem von der Mittelachse verschobenen vertikalen Loch 621 befestigt.
    [0103] EinHochdrucktreibstoffdurchgang 622 ist an der Seite des vertikalenLochs 621 parallel dazu angebracht und sein oberes Endeist mit einer externen gemeinsamen Treibstoffleitung (nicht gezeigt)durch eine Treibstoffeinführleitung 623 verbunden,die außerhalbeines Oberseitenbereichs des oberen Gehäuses 62 herausragt.
    [0104] Fernerragt eine mit einem Ableitungsdurchgang 624 verbundeneTreibstofführungsleitung 625 auseinem Oberseitenbereich des oberen Gehäuses 62 heraus, undaus der Treibstofführungsleitung 625 ausfließender Treibstoffwird in den Treibstoffbehälter(nicht gezeigt) zurückgeführt.
    [0105] DerAbleitungsdurchgang 624 ist mit einem später beschriebenenDreiwegeventil 651 verbunden, das durch eine Lücke 60 zwischendem vertikalen Loch 621 und der Antriebseinheit (piezoelektrischesElement) 1 und durch einen nicht gezeigten Durchgang, dersich von der Lücke 60 hinunterdurch die oberen und unteren Gehäuse 62 und 63 erstreckt,führt.
    [0106] DasEinspritzdüsenteil 64 istmit einer Düsennadel 641,die in einem Kolbenkörper 631 auf-und abgleitet und einer Einspritzöffnung 643 versehen,die durch die Düsennadel 641 geöffnet undgeschlossen wird und den von einem Treibstoffempfänger 642 eingespeistenTreibstoff mit einem hohen Druck in die Zylinder des Motors hineineinspritzt. Der Treibstoffempfänger 642 istum einen zwischenliegenden Bereich der Düsennadel 641 herumangeordnet und das untere Ende des Hochdrucktreibstoffdurchgangs 622 istin diesem Bereich geöffnet.Die Düsennadel 641 empfängt denTreibstoffdruck in einer Richtung des Ventilöffnens von dem Treibstoffempfänger 642 alsauch den Treibstoffdruck in einer Richtung des Ventilschließens voneiner Gegendruckkammer 644, die mit der Gegenseite deroberen Endflächeversehen ist. Wenn der Druck in der Gegendruckkammer 644 sinkt,wird die Düsennadel 641 hochgehobenum die Einspritzöffnung 643 zu öffnen, was demTreibstoff ermöglicht,eingespritzt zu werden.
    [0107] DerDruck in der Gegendruckkammer 644 wird durch das Dreiwegeventil 651 erhöht odergesenkt. Das Dreiwegeventil 651 ist in der Weise angeordnet,daß esselektiv mit der Gegendruckkammer 644 und mit dem Hochdrucktreibstoffdurchgangs 622 odermit dem Ableitungsdurchgang 624 verbunden werden kann. Hierbesitzt das Dreiwegeventil 651 einen ballähnlichenVentilkörperzum Öffnenund Schließender Öffnung, diemit dem Hochdrucktreibstoffdurchgang 622 oder dem Ableitungsdurchgang 624 verbundenist. Der Ventilkörperwird durch die Antriebseinheit 1 durch einen Kolben mitgroßemDurchmesser 652, einer hydraulischen Druckkammer 653 undeinem Kolben mit kleinem Durchmesser 654 angetrieben, diehierunter angeordnet sind.
    [0108] Indiesem Beispiel wird das in Beispiel 1 beschriebene laminierte piezoelektrischeElement 1 als eine Antriebsquelle für die vorstehend beschriebeneEinspritzvorrichtung 6 verwendet. Wie vorher beschrieben,besitzt das laminierte piezoelektrische Element 1 einehohe Zuverlässigkeitin der Struktur der Isolation zwischen den internen Elektrodenschichten 21 uns22 und den Seitenflächenelektroden 31 und 32 undweist sehr exzellente Beständigkeitauf. Selbst wenn die Einspritzvorrichtung 6 unter hartenBedingungen in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird, werden Risseam Auftreten währenddes Betriebs unterdrückt,was die Beständigkeiterhöht.Folglich weist die Einspritzvorrichtung 6 als Ganzes erhöhtes Leistungsverhaltenund Zuverlässigkeitauf.
    [0109] Indiesem Beispiel werden das das isolierende Füllmaterial bildende isolierendeHarz und die darin enthaltenen anorganischen Teilchen in einer Vielfaltvon Möglichkeitenkombiniert, um die Koeffizienten der linearen Ausdehnung und dieZugfestigkeiten zu messen.
    [0110] Zunächst stellt 14 die linearen Ausdehnungskoeffizientenund die Zugfestigkeiten eines isolierenden Füllmaterials, das durch dieZugabe von sphärischenAluminiumoxidteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm zu einemSiliconharz (Zugabetyp Dimethylpolysiloxan) gebildet wurde, dar.
    [0111] Dasdurch Erhitzen gehärteteisolierende Füllmaterialder vorstehenden Zusammensetzung wird in kurze Streifen geschnitten,um seinen linearen Ausdehnungskoeffizienten durch Verwendung einesTMA (Thermomechanischer Analysator) zu messen.
    [0112] In ähnlicherWeise wird das durch Erhitzen gehärtete isolierende Füllmaterialin kurze Streifen geschnitten, um seine Zugfestigkeit durch Verwendungeines Autographen zu messen.
    [0113] In 14 stellt die Abszisse dieMenge der zugegebenen anorganischen Teilchen sowohl in Gewichtsprozent(Gew.-%) als auch in Volumenprozent (Vol.-%) dar, und die Ordinatezur Linken stellt den linearen Ausdehnungskoeffizienten und dieOrdinate zur Rechten die Zugfestigkeit dar.
    [0114] Wieaus 14 abgeschätzt, sinddie Ergebnisse der Messungen so, daß der lineare Ausdehnungskoeffizientsinkt, wenn Aluminiumoxidteilchen zugegeben werden. Andererseitssteigt die Zugfestigkeit wenn Aluminiumoxidteilchen zugegeben werdenund die Menge der Zugabe hiervon 60 Gew.-% übersteigt. Wenn die Menge der Zugabevon anorganischen Teilchen zu groß wird, bleibt das isolierendeHarz nicht längerfähig, dieanorganischen Teilchen zu verankern. Vom Standpunkt des linearenAusdehnungskoeffizienten ist es daher gewünscht, daß die anorganischen Teilchenin großenMengen zugegeben werden. Vom Standpunkt der Zugfestigkeit jedochliegt der gewünschteBereich bei 30 bis 60 Gew.-%.
    [0115] Alsnächstesstellt 15 den linearenAusdehnungskoeffizienten und die Zugfestigkeit des isolierendenFüllmaterialsdar, das durch die Zugabe von sphärischen Aluminiumoxidteilchenmit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm zu dem Epoxyharz (Phenol-Novolak-Typ Epoxyharz)erhalten wurde.
    [0116] Dasdurch Erhitzen gehärteteisolierende Füllmaterialwird in der gleichen Weise wie vorstehend beschrieben in kurze Streifengeschnitten, um seinen linearen Ausdehnungskoeffizienten durch Verwendungdes TMA (Thermomechanischer Analysator) zu messen. In ähnlicherWeise wurde das durch Erhitzen gehärtete isolierende Füllmaterialin kurze Streifen geschnitten, um seine Zugfestigkeit durch Verwendungeines Autographen zu messen.
    [0117] Wieaus 15 deutlich wird,sind die Ergebnisse der Messung so, daß der lineare Ausdehnungskoeffizientsinkt, wenn Aluminiumoxidteilchen zugegeben werden. Im Vergleichzur Verwendung des Siliconharzes als isolierendes Harz in 14, hat das Epoxyharz einenniedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten. Wenn jedoch die anorganischenTeilchen zugegeben werden, sinkt der lineare Ausdehnungskoeffizientweiter. Fürdie Zugfestigkeit gibt es keinen großen Unterschied, wenn Aluminiumoxidteilchenzu dem Siliconharz zugegeben werden. Dennoch bleibt die Festigkeithoch, selbst wenn die anorganischen Teilchen zugegeben werden, dadas Epoxyharz selbst eine großeFestigkeit besitzt.
    [0118] Indiesem Beispiel, wie in 16 gezeigt,werden ausgesparte Nuten von nahezu einer rechteckigen Form im Querschnitt(siehe 12) als ersteausgesparte Nutenbereiche 41 oder zweite ausgesparte Nutenbereiche 42 indem laminierten piezoelektrischen Element 1 aus Beispiel1 angewendet, um die Beziehung zwischen der Tiefe der ausgespartenNuten und der isolierenden Eigenschaft zu untersuchen.
    [0119] Dasverwendete isolierende Füllmaterialist das, welches durch Zugabe sphärischer Aluminiumoxidteilchenmit einem mittleren Teilchendurchmesser von 5 μm zu dem Siliconharz (ZugabetypDimethylpolysiloxan) aus Beispiel 4 (siehe 14) erhalten wurde, wobei die Aluminiumoxidteilchenin einer Menge von 60 Gew.-% zugegeben wurden.
    [0120] DieErgebnisse werden in 16 gezeigt,worin die Abszisse die Tiefe der ausgesparten Nuten, die Ordinatedie angelegte Spannung, X die Wirkung aufgrund von Kurzschluß, Δ eine Abnahmeim Isolationswiderstand hinunter auf 1 GΩ oder kleiner und O eine günstige Isolationdarstellt.
    [0121] Wieaus 16 abgeschätzt wird,sinkt der Isolationswiderstand (hinunter auf nicht mehr als 1 GΩ), wenndie angelegte Spannung steigt, und ein Fehler aufgrund von Kurzschluß wird inden Nutenbereichen mit flachen Tiefen beobachtet.
    [0122] Einlaminiertes piezoelektrisches Element (1) mit einem durchabwechselnde Lamination einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten(11) und einer Vielzahl von internen Elektrodenschichten(21) gebildeten keramischen Laminat (10). Einemit der ersten Seitenflächenelektrode(31) versehene Seitenfläche(101) ist ferner mit ersten ausgesparten Nutenbereichen(41), welche die Enden der zweiten internen Elektroden(22) in den Bodenbereichen (410) hiervon in Kontaktbringt, versehen, und eine mit der zweiten Seitenflächenelektrode(32) versehene Seitenfläche(102) ist ferner mit zweiten ausgesparten Nutenbereichen(42), welche die Enden der ersten internen Elektroden (21)in den Bodenbereichen in Kontakt bringt, versehen. Die ersten ausgespartenNutenbereiche (41) und die zweiten ausgesparten Nutenbereiche(42) sind mit einem isolierenden Füllmaterial (5) mitelektrisch isolierender Eigenschaft so gefüllt, um die Enden der zweiteninternen Elektroden (22) und die Enden der ersten internenElektroden (21) zu bedecken. Das isolierende Füllmaterial(5) umfaßt einisolierendes Harz (50) mit elektrisch isolierender Eigenschaftund anorganische Teilchen (51) eines in dem isolierendenHarz (50) enthaltenen anorganischen Materials.
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] Laminiertes piezoelektrisches Element mit einemdurch abwechselnde Lamination einer Vielzahl von piezoelektrischenSchichten mit einem piezoelektrischen Material und einer Vielzahlvon internen Elektrodenschichten mit elektrischer Leitfähigkeitgebildeten keramischen Laminat, wobei die Seitenfläche deskeramischen Laminats mit einer ersten Seitenflächenelektrode und einer zweitenSeitenflächenelektrodeversehen sind, und die abwechselnd angeordneten internen Elektrodenschichtendie erste interne Elektrode beinhalten, die zu der ersten Seitenflächenelektrodeleitet, und die zweite interne Elektrode, die zu der zweiten Seitenflächenelektrodeleitet, in welcher die Seitenfläche des mit der ersten Seitenflächenelektrodeversehenen keramischen Laminats ferner mit ersten ausgesparten Nutenbereichenversehen ist, welche die ausgesparten Nuten sind, die die Endender zweiten internen Elektrode in den Bodenteilen hiervon in Kontaktbringen, und die mit der zweiten Seitenflächenelektrode versehene Seitenfläche hiervonferner mit zweiten ausgesparten Nutenbereichen versehen ist, welchedie ausgesparten Nuten sind, die die Enden der ersten internen Elektrodein den Bodenteilen hiervon in Kontakt bringen, die ersten Nutenbereicheund die zweiten Nutenbereiche mit einem isolierenden Füllmaterialmit elektrisch isolierender Eigenschaft so gefüllt sind, daß die Endender ersten internen Elektrode und die Enden der zweiten internenElektrode bedeckt sind, und das isolierende Füllmaterialmit einem isolierenden Harz mit elektrisch isolierender Eigenschaftund anorganischen Teilchen mit einem anorganischen Material in demisolierenden Harz beinhaltet.
    [2] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1, worin die anorganischen Teilchen Aluminiumoxid, Siliciumoxid,Siliciumnitrid und Bornitrid enthalten.
    [3] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin der Gehalt der anorganischen Teilchen in dem isolierendenFüllmaterialbei 10 bis 70 Gew.-% liegt.
    [4] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin der Gehalt der anorganischen Teilchen in dem isolierendenFüllmaterialbei 30 bis 60 Gew.-% liegt.
    [5] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die anorganischen Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,1bis 30 μmhaben.
    [6] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die anorganischen Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 1bis 10 μmhaben.
    [7] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin das isolierende Füllmaterial einen linearen Ausdehnungskoeffizientenvon 10 bis 200 ppm/°Chat.
    [8] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin das isolierende Füllmaterial einen linearen Ausdehnungskoeffizientenvon 10 bis 100 ppm/°Chat.
    [9] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin ein durch die Seitenflächen des keramischen Laminatsund durch die Seitenwandflächender ersten ausgesparten Nutenbereiche und der zweiten ausgespartenNutenbereiche eingeschlossener Winkel ein stumpfer Winkel ist.
    [10] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die erste Seitenflächenelektrode und die zweiteSeitenflächenelektrodedurch elektrisch leitende Harzschichten gebildet werden, die einelektrisch leitendes Material in einem Harzmaterial enthalten, unddas Harzmaterial im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung hatwie die des isolierenden Harzes.
    [11] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die internen Elektrodenschichten Kupfer als Hauptkomponentehiervon enthalten.
    [12] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die ersten ausgesparten Nutenbereiche und die zweitenausgesparten Nutenbereiche jeweils eine Tiefe von kleiner als 50 μm haben.
    [13] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die ersten ausgesparten Nutenbereiche und die zweitenausgesparten Nutenbereiche jeweils eine Tiefe von nicht kleinerals 10 μmund kleiner als 50 μmhaben.
    [14] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin, wenn die Dicke der piezoelektrischen Schicht mitL bezeichnet ist, die ersten ausgesparten Nutenbereiche und diezweiten ausgesparten Nutenbereiche jeweils eine Breite haben, welchedie Größe der Richtungist, in der die piezoelektrischen Schichten laminiert sind, undwelche in einem Bereich von 0,1 L bis 1,0 L liegen.
    [15] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin der Volumengehalt der anorganischen Teilchen indem isolierenden Füllmaterialbei 3 bis 45 Vol.-% liegt.
    [16] Laminiertes piezoelektrisches Element nach Anspruch1 oder 2, worin die piezoelektrischen Schichten ein Bleizirconattitanatbeinhalten, welches ein Oxid der Formel Pb(Zr,Ti)O3 miteiner Perowskitstruktur ist.
    [17] Einspritzvorrichtung, die so aufgebaut ist, daß die Treibstoffeinspritzungdurch Öffnenund Schließen einesVentilkörpersdurch Ausnutzung der Auslenkung eines piezoelektrischen Stellgliedskontrolliert werden kann, in welchem das piezoelektrische Stellgliedein in einem der Ansprüche1 bis 16 beschriebenes laminiertes piezoelektrisches Element enthält.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP2004297041A|2004-10-21|
    US7061162B2|2006-06-13|
    US20040178701A1|2004-09-16|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-01-20| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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