DE102008000548A1

DE102008000548A1 - Geschichtetes piezoelektrisches Element mit Haftschichten mit geringer Dicke und hoher Haftfestigkeit

Info

Publication number: DE102008000548A1
Application number: DE200810000548
Authority: DE
Inventors: Shinichi Kariya Okamoto; Hiroaki Kariya Asano; Yoichi Kariya Kobane
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2008-10-30
Also published as: JP2008218864A; US20080218032A1; US7567020B2

Abstract

Ein erfindungsgemäßes geschichtetes piezoelektrisches Element beinhaltet eine Vielzahl von Schichteinheiten und eine Vielzahl von Haftschichten. Die Schichteinheiten sind zusammengestapelt. Jede der Schichteinheiten beinhaltet eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten, die mit den piezoehtung der Schichteinheit abwechselnd geschichtet sind. Jede der Haftschichten ist zwischen zwei benachbarten der Schichteinheiten zum Verbinden der beiden Schichteinheiten miteinander ausgebildet. Zudem weist jede der Haftschichten eine Dicke von 1 µm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder mehr auf.

Description

Die Erfindung betrifft geschichtete piezoelektrische Elemente zur Verwendung beispielsweise bei piezoelektrischen Aktuatoren (auch: Stellgliedern) von Brennstoffeinspritzeinrichtungen.
In jüngster Zeit wurden geschichtete piezoelektrische Elemente bei piezoelektrischen Aktuatoren in Verwendung genommen, damit große Stellbewegungen mit geringen Spannungen erhalten werden. Die geschichteten piezoelektrischen Elemente werden im Allgemeinen ausgebildet, indem eine Vielzahl von dünnen piezoelektrischen Keramikschichten, die abwechselnd mit einer Vielzahl von internen Elektrodenschichten geschichtet sind, integriert gebrannt werden. Die Anzahl der piezoelektrischen Keramikschichten bei einem geschichteten piezoelektrischen Element beträgt im Allgemeinen 100 bis 700, und die Dicke der piezoelektrischen Keramikschichten liegt im Allgemeinen bei 20 bis 200 μm.
Mit einer derartigen integriert gebrannten Struktur steigt die bei einem geschichteten piezoelektrischen Element induzierte interne Verspannung mit der Anzahl an piezoelektrischen Keramikschichten im Element in einer Richtung an, welche die durch das Element erzeugte Stellbewegung behindert. Eine übermäßige interne Verspannung verursacht das Auftreten von Rissen in dem geschichteten piezoelektrischen Element, wodurch die Charakteristik des Elementes verschlechtert wird (beispielsweise eine Verringerung des Ausmaßes der Stellbewegung) und die Zuverlässigkeit des Elementes herabsetzt (beispielsweise einen Kurzschluss verursacht).
Zur Lösung dieses Problems wurde ein Verfahren entwickelt, gemäß dem eine Vielzahl von Schichteinheiten zunächst separat ausgebildet werden und dann mit einem Haftmittel zur Ausbildung eines geschichteten piezoelektrischen Elementes gestapelt und miteinander verbunden werden. Als Haftmittel wird im Allgemeinen ein Wärme aushärtendes Silikonharzhaftmittel verwendet, welches einen Platinkatalysator enthält.
Die vorliegenden Erfinder fanden jedoch über Experimente ein Problem mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren heraus. Ein durch das vorstehend beschriebene Verfahren ausgebildetes geschichtetes piezoelektrisches Element verursacht nämlich einen stärkeren Verlust bei der durch das Element erzeugten Stellbewegung als mit der integriert gebrannten Struktur. Bei einer Verwendung in einer Brennstoffeinspritzeinrichtung verursacht dieser Verlust zudem einen Verlust bei der Verschiebung eines Einspritzventils, was zu einem Fehler bei der Brennstoffeinspritzung an der Brennstoffeinspritzeinrichtung führt.
Zur effektiven Unterdrückung des Verlustes bei der Stellbewegung müssen die Haftschichten, von denen jede aus dem Silikonharzhaftmittel zwischen zwei benachbarten Schichteinheiten ausgebildet ist, eine geringe Dicke von beispielsweise 1 μm oder weniger aufweisen.
Mit der Abnahme in der Dicke der Haftschichten wird jedoch die Menge des Platinkatalysators in jeder der Haftschichten entsprechend verringert. Demzufolge wird das Aushärten der Haftschichten verschlechtert, wenn Antikatalysatoren wie etwa Schwefel, Amine und Phosphor sich an die Haftschichten anlagern und damit reagieren, was dazu führt, dass die Haftfestigkeit dieser Schichten verringert wird.
Ferner wird es aufgrund der verringerten Haftfestigkeit unmöglich, eine hohe Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes sicher zu stellen, wenn das Element während seines Betriebs in einer Brennstoffeinspritzeinrichtung einer hohen Temperatur von beispielsweise 120° oder höher ausgesetzt ist.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme.
Erfindungsgemäß wird ein geschichtetes piezoelektrisches Element bereitgestellt, das eine Vielzahl von Schichteinheiten und eine Vielzahl von Haftschichten beinhaltet. Die Schichteinheiten sind zusammengestapelt. Jede der Schichteinheiten beinhaltet eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten, die mit den piezoelektrischen Keramikschichten in der Schichtungsrichtung der Schichteinheit abwechselnd geschichtet sind. Jede der Haftschichten ist zwischen zwei benachbarten der Schichteinheiten ausgebildet, um die Schichteinheiten miteinander zu verbinden. Zudem weist jede der Haftschichten eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder höher auf.
Mit der vorstehend beschriebenen Dicke der Haftschichten ist es möglich, den Verlust bei der durch die piezoelektrischen Keramikschichten erzeugten Stellbewegung aufgrund der Haftschichten zu minimieren, wodurch eine hohe Genauigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes sicher gestellt wird.
Mit der vorstehend beschriebenen Haftfestigkeit der Haftschichten ist es möglich, eine hohe Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes sicher zu stellen, selbst wenn das Element einer hohen Temperatur von beispielsweise 120°C oder höher ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist es außerdem möglich, ein Absorbieren der durch die piezoelektrischen Schichten erzeugten Stellbewegung durch die Haftschichten zu vermeiden, wodurch die Genauigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes weiter verbessert wird.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Implementierung werden die Haftschichten durch Aushärten eines Silikonharzhaftmittels ausgebildet, das ein organisches Peroxid enthält.
Mit der vorstehend beschriebenen Ausbildung ist es möglich, eine derart hohe Festigkeit der Haftschichten wie beispielsweise 1,3 MPa oder höher zu erzielen. Mit dem organischen Peroxid kann das Silikonharzhaftmittel nämlich ausreichend ausgeheilt werden, um die Haftschichten selbst dann auszubilden, wenn es Antikatalysatoren wie etwa Schwefel, Amine und Phosphor in der Umgebung des Haftmittels gibt.
Das Silikonharzhaftmittel kann ein Diorganopolysiloxan und ein Organohydrogenpolysiloxan als Silikongummibestandteile beinhalten. Dabei dient das Diorganopolysiloxan als ein Basispolymer, und das Organohydrogenpolysiloxan dient als Quervernetzer. Zudem kann Diorganopolysiloxan zumindest zwei Alkenylgruppen wie etwa eine Vinylgruppe, eine Allylgruppe, eine Propenylgruppe, eine Isopropenylgruppe, eine Butenylgruppe, eine Hexenylgruppe und eine Cyclohexenylgruppe beinhalten.
Das organische Peroxid in dem Silikonharzhaftmittel wirkt als ein Katalysator zum Quervernetzen der Harzbestandteile des Haftmittels durch eine Radikalenreaktion. Spezifische Beispiele für das organische Peroxid beinhalten Ketonperoxide, Hydroperoxide, Diacylperoxide, Dialkylperoxide, Peroxyketale, Alkylperester und Perkarbonate. Insbesondere ditertiäre Butylperoxide, Dicumylperoxide, diisopropylbenzene Hydroperoxide, 1,3-Bisbenzen, 1,1-Di(t-butylperoxy)cyclohexan oder dergleichen können als die organischen Peroxide verwendet werden.
Die Menge des organischen Peroxids in dem Silikonharzhaftmittel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 bis 10 Gewichtsteilen, noch bevorzugter in einem Bereich von 0,1 bis 5 Gewichtsteilen bezogen auf 100 Gewichtsteile des Basispolymers. Falls die Menge des organischen Peroxids weniger als 0,01 Gewichtsteile beträgt, wird das Haftmittel nicht ausreichend ausgeheilt. Falls im Gegensatz dazu die Menge des organischen Peroxids mehr als 10 Gewichtsteile beträgt, verbleibt ein Rest des organischen Peroxids in den resultierenden Haftschichten.
Dieser Rest wird mit der Zeit zersetzt und kann dadurch eine Änderung der Charakteristik (beispielsweise der Härte) der Haftschichten verursachen. Folglich wird es unmöglich, einen zuverlässigen Betrieb des geschichteten piezoelektrischen Elementes sicher zu stellen.
Vorzugsweise beinhaltet das Silikonharzhaftmittel ferner zusätzlich zu dem organischen Peroxid einen Metallkatalysator der Platingruppe.
Mit dem Metallkatalysator der Platingruppe wird es möglich, die Haftungsfestigkeit der Haftschichten weiter zu verbessern. In einigen Fällen kann nämlich die Wirkung des organischen Peroxids auf den Ausheilvorgang des Silikonharzhaftmittels durch Sauerstoff verringert werden. Die Verwendung von sowohl dem organischen Peroxid als auch dem Metallkatalysator der Platingruppe ermöglicht jedoch ein Anordnen des Metallkatalysators der Platingruppe in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Haftmittel und Luft und ein Anordnen des organischen Peroxids innerhalb des Haftmittels. Mit dieser Anordnung kann das Aushärten des Haftmittels weiter beschleunigt werden, was zu einer weiter erhöhten Haftungsfestigkeit der Haftschichten führt.
Spezifische Beispiele für den Metallkatalysator der Platingruppe können einfache Metalle der Platingruppe wie etwa Platin (einschließlich schwarzes Platinpulver), Rhodium und Palladium beinhalten. Zusätzlich kann ebenso Folgendes als Metallkatalysator der Platingruppe verwendet werden: Platinchloride, Chlorplatinsäure und Chlorplatinate wie etwa H₂PtCl₄·nH₂O, H₂PtCl₆·nH₂O, NaHPtCl₆·H₂O, K₂PtCl₄·nH₂O, PtCl₄·nH₂O, PtCl₂ und Na₂HPtCl₄·nH₂O (dabei ist N = 0 oder eine gerade Zahl von 1 bis 6, vorzugsweise 0 oder 6), und Alkohol-modifizierte Chlorplatinsäure (vergleiche US-Patent Nr. 3,220,972 ); Komplexe aus Chlorplatinsäure und Olefinen (vergleiche US-Patent Nr. 3,159,601 , US-Patent Nr. 3,159,662 und US Patent Nr. 3,775,452 ); durch Katalysatorträger (beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Kohlenstoff) getragene Metalle der Platingruppe (beispielsweise schwarzes Platinpulver und Palladium); Rhodium-Olefin-Komplexe; Chlorotris(tryphenylphosphine)rhodium (Wilkinson Katalysator); und Komplexe aus Platinchloriden, Chlorplatinsäure oder Chloroplatinate mit einer Vinylgruppe enthaltenden Siloxanen (insbesondere eine Vinylgruppe enthaltende zyklische Siloxane).
Die Menge des Metallkatalysators der Platingruppe in dem Silikonharzhaftmittel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1000 ppm, noch bevorzugter in einem Bereich von 0,1 bis 500 ppm und noch bevorzugter in einem Bereich von 0,5 bis 200 ppm bezüglich der Harzbestandteile mit dem Basispolymer und dem Quervernetzer.
Zudem kann das Silikonharzhaftmittel ferner einige Metalle oder metallische Verbindungen beinhalten. Dabei ist es möglich, die Zersetzungsreaktion des organischen Peroxids weiter zu beschleunigen, wodurch das Aushärten des Haftmittels weiter beschleunigt wird. Metalle außer Alkalimetalle und Erdalkalimetalle, und insbesondere Metalle der Gruppen IB, der Gruppe IIB, der Gruppe VIIA und der Gruppe VIII sowie Verbindungen aus diesen Metallen können in dem Silikonharzhaftmittel enthalten sein.
Die Haftschichten des geschichteten piezoelektrischen Elementes können außerdem durch Aushärten eines acrylischen Haftmittels ausgebildet werden, das ein organisches Peroxid enthält. Ein beliebiges bekanntes acrylisches Haftmittel mit einem organischen Peroxid kann zur Ausbildung der Haftschichten verwendet werden.
Das geschichtete piezoelektrische Element wird bevorzugt bei einem piezoelektrischen Aktuator (Stellglied) einer Brennstoffeinspritzeinrichtung verwendet.
Bei der Brennstoffeinspritzeinrichtung wird das geschichtete piezoelektrische Element einer hohen Temperatur von beispielsweise 120°C oder höher ausgesetzt. Da jedoch die Haftschichten eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa aufweisen, ist es noch immer möglich, eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes in der Hochtemperaturumgebung zu gewährleisten. Demzufolge ist es somit möglich, eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffeinspritzeinrichtung sicher zu stellen.
Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element können die piezoelektrischen Keramikschichten aus piezoelektrischen Keramiken wie etwa PZT (Bleizirkonattitanat) ausgebildet sein, und die internen Elektrodenschichten können aus leitenden Metallen ausgebildet sein.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der ausführlichen Beschreibung der beiliegenden Zeichnung über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, was jedoch nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf das spezielle Ausführungsbeispiel sondern lediglich dem Verständnis dienend zu verstehen ist.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines geschichteten piezoelektrischen Elementes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 1;
3 eine vergrößerte Schnittansicht von einem Teil aus 2;
4 eine Perspektivansicht zur Darstellung eines Schichtungsvorgangs bei der Herstellung des geschichteten piezoelektrischen Elementes;
5 eine Perspektivansicht einer Schichteinheit des geschichteten piezoelektrischen Elementes;
6 eine Teilschnittansicht einer Brennstoffeinspritzeinrichtung, bei der das geschichtete piezoelektrische Element eingebaut ist; und
7 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Haftfestigkeitsmessverfahrens, das bei den Experimenten der Erfindung verwendet wurde.
Die 1 bis 3 zeigen die Gesamtstruktur eines geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das geschichtete piezoelektrische Element 1 beinhaltet eine Vielzahl von Schichteinheiten 15, die zusammengestapelt sind, sowie eine Vielzahl von Haftschichten 13, von denen jede zwischen zwei benachbarten Schichteinheiten 15 ausgebildet ist, um die zwei Schichteinheiten 15 miteinander zu verbinden. Jede der Schichteinheiten 15 beinhaltet eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten 151 und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten 153 und 154, die mit den piezoelektrischen Keramikschichten 151 in der Schichtungsrichtung der Schichteinheit 15 abwechselnd geschichtet sind. Jede der Haftschichten 13 weist eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder höher auf. Zudem sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Haftschichten 13 durch Aushärten eines Silikonharzhaftmittels ausgebildet, das ein organisches Peroxid und einen Metallkatalysator der Platingruppe enthält.
Im Einzelnen beinhaltet bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jede der Schichteinheiten 15 23 piezoelektrische Keramikschichten 151. Auf den beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen jeder der Keramikschichten 151 sind jeweils eine interne Elektrodenschicht 153 und eine interne Elektrodenschicht 154 bereitgestellt. Zudem umfasst jede der internen Elektrodenschichten 153 einen auf einer Seitenoberfläche der Schichteinheit 15 freigelegten Abschnitt 158; jede der internen Elektrodenschichten 154 umfasst einen auf einer anderen Seitenoberfläche der Schichteinheit 15 freigelegten Abschnitt 159. Die freigelegten Abschnitte 158 der internen Elektrodenschichten 153 sind mit den freigelegten Abschnitten 159 der internen Elektrodenschichten 154 in der Schichtungsrichtung der Schichteinheit 15 abwechselnd angeordnet. Alle freigelegten Abschnitte 158 der internen Elektrodenschichten 153 sind mit einer Seitenelektrode 5 verbunden, wohingegen alle freigelegten Abschnitte 159 der internen Elektrodenschichten 154 mit einer Seitenelektrode 6 verbunden sind. Ferner bedecken die internen Elektrodenschichten 153 und 154 teilweise die entsprechenden Hauptoberflächen der keramischen Schichten 151, und belassen unbedeckte Abschnitte 155 auf den entsprechenden Hauptoberflächen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beinhaltet darüber hinaus das geschichtete piezoelektrische Element 1 25 Schichteinheiten 15, die gestapelt und mit den Haftschichten 13 miteinander verbunden sind.
Das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch ein Verfahren ausgebildet werden, welches die nachstehend aufgeführten Schritte enthält.
Bei einem ersten Schritt werden die Pulver der Rohmaterialien für PZT (Bleizirkonattitanat) präpariert. Die Rohmaterialien beinhalten Bleioxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Nioboxid und Strontiumkarbonat. Die Pulver werden in vorbestimmten Verhältnissen durch eine Mischeinrichtung trocken gemischt, und die resultierende Mischung wird dann bei einer Temperatur von 800–950°C vorläufig gebrannt.
In einem zweiten Schritt werden reines Wasser und ein Dispergiermittel der vorläufig gebrannten Mischung zur Ausbildung einer wässrigen Masse zusätzlich hinzugegeben. Die wässrige Masse wird sodann mittels einer Mahlkörpermühle nass gemahlen. Die nass gemahlene wässrige Masse wird ferner getrocknet, entfettet und mit einem Lösungsmittel, einem Bindemittel, einem Weichmacher und einem Dispergiermittel mittels einer Kugelmühle gemischt. Die erhaltene Mischung wird dann entschäumt und im Vakuum in der Viskosität eingestellt, während sie im Vakuum durch eine Rühreinrichtung gerührt wird. Im Ergebnis wird die finale wässrige Masse erhalten.
In einem Schritt wird die finale wässrige Masse durch ein Rakelklingenverfahren auf einem Trägerfilm aufgebracht, um einen Grünling mit einer gegebenen Dicke auszubilden. Es versteht sich, dass der Grünling auch durch andere Verfahren wie beispielsweise einem Strangpressvorgang ausgebildet werden kann.
In einem vierten Schritt wird eine Paste aus Silber und Palladium auf dem Grünling in einem spezifischen Muster aufgebracht. Dann wird der Grünling mittels einer Pressmaschine zur Ausbildung von zwei Gruppen von Schichtstücken 7 mit vorgegebener Form und Größe gepresst. Die Schichtstücke 7 der ersten Gruppe weisen jeweils entweder eine interne Elektrodenschicht 153 oder eine interne Elektrodenschicht 154 auf, die gemäß 4 darauf ausgebildet sind. Zudem sind auf den Oberflächen der Schichtstücke 7 der ersten Gruppe auch unbedeckte Abschnitte 75 belassen. Andererseits weisen die Schichtstücke 7 der zweiten Gruppe jeweils weder eine darauf ausgebildete interne Elektrodenschicht 153 noch eine darauf ausgebildete Elektrodenschicht 154 auf.
In einem fünften Schritt werden 21 der Schichtstücke 7 der ersten Gruppe geschichtet, so dass sich die Rechts-/Linkspositionen der unbedeckten Abschnitte 75 der Schichtstücke 7 gemäß 4 in der Schichtungsrichtung abwechseln. Dann werden zwei der Schichtstücke 7 der zweiten Gruppe weiterhin jeweils auf und unter den geschichteten Schichtstücken 7 der ersten Gruppe geschichtet, so dass die äußersten internen Elektrodenschichten 153 und 154 bedeckt sind. Folglich wird eine Zwischenschichteinheit erhalten.
In einem sechsten Schritt wird die Zwischenschichteinheit unter Wärme komprimiert, entfettet und bei einer Temperatur von 900–1200°C gebrannt. Dann wird die Zwischenschichteinheit weiterhin poliert, wobei eine Schichteinheit 15 mit gewünschter Form gemäß 5 ausgebildet wird.
In einem siebten Schritt wird eine Silberpaste auf sowohl der rechten als auch der linken Oberfläche der Schichteinheit 15 aufgebracht und gebacken, um Teile der Seitenelektroden 5 und 6 auszubilden.
In einem achten Schritt werden weitere 24 Schichteinheiten 15 durch Wiederholen der vorstehend beschriebenen fünften bis siebten Schritte ausgebildet.
In einem neunten Schritt werden alle 25 Schichteinheiten 15 gestapelt und mit dem Silikonharzhaftmittel miteinander verbunden, dass das organischen Peroxid und den Metallkatalysator der Platingruppe beinhaltet.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält das Silikonharzhaftmittel ein lineares Organopolysiloxan, das eine Vinylgruppe enthält, als Basispolymer und Organohydrogenpolysiloxan als Quervernetzer. Das Silikonharzhaftmittel enthält ferner 1,1-Di(t-butylperoxy)cyclohexan als das organische Peroxid und eine Toluenlösung aus einem Platin-Divinyl-Tetramethyl-Disiloxan-Komplex als Metallkatalysator der Platingruppe. Ferner ist das Silikonharzhaftmittel so zusammengesetzt, dass es eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder mehr nach dem Ausheilvorgang aufweist.
Das Silikonharzhaftmittel wird zwischen den Schichteinheiten 15 aufgebracht und ausgeheilt, um die Haftschichten 13 auszubilden. Im Einzelnen wird das Silikonharzhaftmittel auf den Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 mittels eines Spenders mit einer Dicke von 1 μm oder weniger aufgebracht. Dann werden alle Schichteinheiten 15 mit einander überlappenden Verbindungsoberflächen zusammengestapelt und insgesamt in einer Rohform angeordnet. Dann werden die Schichteinheiten 15 in Stapelrichtungen komprimiert, und in dem komprimierten Zustand für eine Stunde bei 180°C zum Aushärten der Haftschichten 130 gehalten.
In einem zehnten Schritt werden unter erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2 externe Elektroden 55 und 66 aus rostfreiem Stahl jeweils mit den Seitenelektroden 5 und 6 mit einem leitenden Haftmittel verbunden, das ein Epoxidharz und 70 Gewichtsprozent Silber enthält.
Folglich wird das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhalten. Das geschichtete piezoelektrische Element 1 weist die nachfolgenden Vorteile auf.
Bei dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 weisen die Haftschichten 13 eine Dicke von 1 μm oder weniger auf.
Mit einer derartigen Dicke ist es möglich, den Verlust bei der durch die piezoelektrischen Keramikschichten 151 erzeugten Stellbewegung aufgrund der Haftschichten 13 zu minimieren, wodurch eine hohe Genauigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 gewährleistet ist.
Falls zudem die Dicke der Haftschichten 13 über 1 μm liegt, wird es schwierig, den Verlust bei der Stellbewegung effektiv zu unterdrücken. Die Dicke der Haftschichten 13 kann beispielsweise gemessen werden, indem das geschichtete piezoelektrische Element 1 in Schichtungsrichtung geschnitten wird, und die Haftschichten 13 im Querschnitt unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) betrachtet werden.
Zudem weisen die Haftschichten 13 eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder mehr auf.
Mit einer derartigen Haftfestigkeit ist es möglich, eine hohe Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 sicher zu stellen, selbst wenn das Element 1 einer hohen Temperatur von beispielsweise 120°C oder mehr ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, ein Absorbieren der durch die piezoelektrischen Keramikschichten 151 erzeugten Stellbewegung durch die Haftschichten 13 zu vermeiden, wodurch die Genauigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes weiter verbessert wird.
Falls zudem die Haftfestigkeit der Haftschichten 13 unter 1,3 MPa liegt, ist ein Vermeiden der Absorption der Stellbewegung durch die Haftschichten 13 und eine Gewährleistung der hohen Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 unter einer Hochtemperaturumgebung schwierig. Die Haftfestigkeit der Haftschichten 13 kann beispielsweise gemessen werden, indem auf die Haftschichten 13 eine Verspannung in einer Scherrichtung (d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Schichtungsrichtung) aufgebracht wird, und der Wert der Verspannung gemessen wird, wenn das Element 1 bricht. Die Messung kann beispielsweise mittels eines von Shimadzu AG hergestellten Autographen, einem von Instron Co., Ltd. hergestellten Verspannungstester oder einem Druck-Zug-Druckmesser durchgeführt werden.
6 zeigt eine Gesamtstruktur einer Brennstoffeinspritzeinrichtung 2, bei der das geschichtete piezoelektrische Element 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingebaut ist. Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 2 wird bei einem Brennstoffeinspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung für einen Dieselmotor verwendet.
Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 2 beinhaltet ein oberes Gehäuse 22, in dem das geschichtete piezoelektrische Element 1 aufgenommen wird, und ein unteres Gehäuse 23, das mit einem unteren Ende des oberen Gehäuses 22 fixiert ist, und das den darin ausgebildeten Einspritzdüsenabschnitt 24 aufweist.
Das obere Gehäuse 22 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, und umfasst darin ein longitudinales Bohrloch 221, das gegenüber der Längsachse des oberen Gehäuses 22 versetzt ist. In der longitudinalen Bohrung 221 ist das geschichtete piezoelektrische Element 1 eingesetzt und fixiert.
Eine Brennstoffzufuhrpassage 222, die für die Zufuhr von Hochdruckbrennstoff aus einer (nicht gezeigten) gemeinsamen Kraftstoffleitung in den Einspritzdüsenabschnitt 24 dient, ist in dem oberen Gehäuse 22 parallel zu der longitudinalen Bohrung 221 ausgebildet. Die Brennstoffzufuhrpassage 222 kommuniziert mit der gemeinsamen Kraftstoffleitung über ein Brennstoffeinlassrohr 223, das von einem oberen Endabschnitt des oberen Gehäuses 22 nach oben rechts hervorragt.
Eine Brennstoffabflusspassage 224, die zum Abfluss des Brennstoffs dient, der in der Brennstoffeinspritzeinrichtung 22 nach jeder Brennstoffeinspritzung verbleibt, ist ebenfalls in dem oberen Gehäuse 22 in strömungstechnischer Kommunikation mit der longitudinalen Bohrung 221 ausgebildet. Der restliche Brennstoff wird von der Brennstoffabflusspassage 224 in einen (nicht gezeigten) Brennstofftank über ein Brennstoffabflussrohr 225 zurückgeführt, welches von dem oberen Endabschnitt des oberen Gehäuses 22 nach links oben hervorragt.
Die Brennstoffabflusspassage 224 kommuniziert mit einem (nachstehend näher beschriebenen) Dreiwegeventil 251 durch eine ringförmige Lücke 20, die zwischen der longitudinalen Bohrung 221 und dem geschichteten piezoelektrischen Element 1 und einer (nicht gezeigten) Zwischenbrennstoffpassage ausgebildet ist. Die Zwischenbrennstoffpassage erstreckt sich von der ringförmigen Lücke 20 nach unten durch sowohl das obere als auch das untere Gehäuse 22 bzw. 23.
Der Einspritzdüsenabschnitt 24 beinhaltet eine Düsennadel 241, ein Brennstoffreservoir 242 und ein Einspritzloch 243. Die Düsennadel 241 kann in einem Kolbenkörper 231 vertikal gleiten. Das Brennstoffreservoir 242 ist zum Reservieren des von der Brennstoffzufuhrpassage 222 zugeführten Hochdruckbrennstoffs bereitgestellt. Im Einzelnen ist das Brennstoffreservoir 242 um einen Zentralabschnitt der Düsennadel 241 ausgebildet, und umfasst ein unteres Ende der dazu geöffneten Brennstoffzufuhrpassage 222.
Das Einspritzloch 243 wird durch die Düsennadel 241 geöffnet und geschlossen, wodurch der von dem Brennstoffreservoir 242 in einen Zylinder des Motors zugeführte Hochdruckbrennstoff selektiv eingespritzt wird. Im Einzelnen empfängt die Düsennadel 241 sowohl einen Brennstoffdruck von dem Brennstoffreservoir 242 in Ventilöffnungsrichtung (d. h. in 6 nach oben) als auch einen Brennstoffdruck von einer Rückdruckkammer 244 in Ventilschließungsrichtung (d. h. in 6 nach unten); die Rückdruckkammer 244 ist vertikal über der Düsennadel 241 angeordnet. Wenn der Brennstoffdruck in der Rückdruckkammer 244 abfällt, wird die Düsennadel 241 angehoben, wodurch das Einspritzloch 243 zum Einspritzen des Hochdruckbrennstoffs in den Motorzylinder geöffnet wird.
Der Brennstoffdruck in der Rückdruckkammer 244 wird durch das Dreiwegeventil 251 gesteuert, das mit der Rückdruckkammer 244 und selektiv entweder mit der Brennstoffzufuhrpassage 222 oder der Brennstoffabflusspassage 224 kommuniziert. Im Einzelnen beinhaltet das Dreiwegeventil 251 ein kugelförmiges Ventilelement. Dieses Ventilelement wird durch das geschichtete piezoelektrische Element 1 über einen Kolben 251 mit großem Durchmesser, eine Hydraulikkammer 253 und einem Kolben 254 mit kleinem Durchmesser betätigt, um Anschlüsse zu öffnen und zu schließen, die entweder mit der Brennstoffzufuhrpassage 222 oder der longitudinalen Bohrung 221 kommunizieren.
Gemäß vorstehender Beschreibung ist das geschichtete piezoelektrische Element 1 in der longitudinalen Bohrung 221 angeordnet, die mit Brennstoff mit hoher Temperatur gefüllt ist. Mit anderen Worten, das geschichtete piezoelektrische Element 1 ist in der Brennstoffeinspritzeinrichtung 2 einer hohen Temperatur ausgesetzt. Da jedoch die Haftschichten 13 eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftungsfestigkeit von 1,3 MPa oder mehr aufweisen, ist es noch immer möglich, eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 in einer derartigen Hochtemperaturumgebung zu gewährleisten. Demzufolge ist es somit möglich, eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Brennstoffeinspritzeinrichtung 2 sicher zu stellen.
Experiment 1
Das vorliegende Experiment wurde ausgeführt, um die Wirkung der Zusammensetzung des zur Ausbildung der Haftschichten 13 des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 verwendeten Silikonharzhaftmittels zu bestimmen.
Ein erster piezoelektrischer Stapel vom Typ A1 wurde durch Stapeln von zwei Schichteinheiten 15 gemäß der Beschreibung aus dem vorstehenden Ausführungsbeispiel und Verbinden der beiden Schichteinheiten 15 mit einem Silikonharzhaftmittel X ausgebildet.
Im Einzelnen wies das Silikonharzhaftmittel X dieselbe Zusammensetzung wie das Silikonharzhaftmittel gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel auf, außer dass kein organisches Peroxid in dem Haftmittel X vorhanden war. Dies bedeutet, dass das Haftmittel X das lineare Organopolysiloxan mit der Vinylgruppe als Basispolymer und Organohydrogenpolysiloxan als Quervernetzer enthielt. Das Haftmittel X enthielt ferner die Toluenlösung aus dem Platin-Divinyl-Tetramethyl-Disiloxan-Komplex als Metallkatalysator der Platingruppe. Vor Aufbringen des Haftmittels X wurde ein Antikatalystor (d. h. im vorliegenden Fall Schwefel) an den Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 zur Anhaftung gebracht, indem ein vulkanisiertes Erzeugnis (beispielsweise eine Glovebox) in Kontakt mit diesen Verbindungsoberflächen gebracht wird. Dann wurde das Haftmittel X auf die Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 aufgebracht, und die Schichteinheiten 15 wurden mit einander überlappenden Verbindungsoberflächen miteinander gestapelt. Danach wurde das Haftmittel X auf die bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beschriebene Weise ausgeheilt. Folglich wurde der erste piezoelektrische Stapel vom Typ A1 erhalten, wo die zwischen den beiden Schichteinheiten 15 ausgebildeten Haftschichten 13 eine Dicke von 1 μm oder weniger aufwiesen.
Der erste piezoelektrische Stapel vom Typ A1 wurde dann getestet, um die Haftfestigkeit der Haftschicht 13 zu bestimmen.
Gemäß 7 wurde im Einzelnen der erste piezoelektrische Stapel vom Typ A1 mit einer Einspannvorrichtung 8 fixiert, und eine Kraft F wurde graduell auf den Stapel in einer Richtung senkrecht zu der Schichtungsrichtung des Stapels aufgebracht, bis die zwei Schichteinheiten 15 des Stapels getrennt wurden. Die Verspannung bei der Trennung der beiden Schichteinheiten 15 wurde als die Haftfestigkeit für Typ A1 gemessen.
Ferner wurde ein zweiter piezoelektrischer Stapel vom Typ A1 auf dieselbe Wiese wie der vorstehend beschriebene erste piezoelektrische Stapel ausgebildet. Dann wurde der zweite piezoelektrische Stapel vom Typ A1 in einer Umgebung von 120°C angeordnet, und eine elektrische Spannung wurde wiederholt über die Seitenelektroden 5 und 6 des zweiten Stapels angelegt. Danach wurde beobachtet, ob Risse in den Seitenelektroden 5 und 6 aufgrund einer unzureichenden Haftfestigkeit der Haftschicht 13 auftraten.
Darüber hinaus wurden außerdem piezoelektrische Stapel vom Typ A2 ausgebildet, wobei das Silikonharzhaftmittel X dasselbe war wie das vom Typ A1, außer dass kein Antikatalysator an den Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 bei der Ausbildung der Stapel vom Typ A2 zur Anhaftung gebracht wurden. Die piezoelektrischen Stapel vom Typ A2 wurden dann auf dieselbe Weise wie jene vom Typ A1 getestet.
Ferner wurden piezoelektrische Stapel vom Typ A3 mit einem Silikonharzhaftmittel Y auf dieselbe Weise wie jene vom Typ A1 ausgebildet. Das Haftmittel Y wies dieselbe Zusammensetzung wie das Silikonharzhaftmittel gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel auf. Dies bedeutet, dass das Haftmittel Y das lineare Organopolysiloxan mit der Vinylgruppe als Basispolymer, das Organohydrogenpolysiloxan als Quervernetzer, das 1,1-Di(t-butylperoxy)cyclohexan als das organische Peroxid und die Toluenlösung aus dem Platin-Divinyl-Tetramethyl-Disiloxan-Komplex als Metallkatalysator der Platingruppe enthielt. Die piezoelektrischen Stapel vom Typ A3 wurden dann auf dieselbe Weise wie jene vom Typ A1 getestet.
Danach wurden außerdem piezoelektrische Stapel vom Typ A4 mit dem Silikonharzhaftmittel Y und auf dieselbe Weise wie jene vom Typ A1 ausgebildet, außer dass kein Antikatalysator an den Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 bei der Ausbildung der Stapel vom Typ A4 zur Anhaftung gebracht wurden. Die piezoelektrischen Stapel vom Typ A4 wurden dann auf dieselbe Weise vom Typ A1 getestet.
Tabelle 1 zeigt alle Testergebnisse für die piezoelektrischen Stapel der Typen A1 bis A4, wobei O.P., P.G.M.C. und A.S. Abkürzungen für organisches Peroxid, Metallkatalysator der Platingruppe bzw. Haftfestigkeit sind.

Stapeltyp Haftmittel Antikatalysator A.S. (MPa) Risse

Typ O.P. P.G.M.C.

A1 X ohne mit mit 0 vorhanden

A2 X ohne mit ohne 1 vorhanden

A3 Y mit mit mit 1,5 nein

A4 Y mit mit ohne 5 nein

Tabelle 1
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigten die piezoelektrischen Stapel der Typen A3 und A4, die mit dem Haftmittel Y (d. h. dem Silikonharzhaftmittel gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel) ausgebildet waren, eine hohe Haftfestigkeit von 1,5 oder 5 MPa, und konnten dem wiederholten Anlegen einer elektrischen Spannung widerstehen, ohne Risse zu verursachen.
Demgegenüber wiesen die piezoelektrischen Stapel der Typen A1 und A2, die mit dem Haftmittel X ausgebildet waren, das den Metallkatalysator der Platingruppe aber kein organischen Peroxid enthielt, eine geringe Haftfestigkeit von 1 MPa oder niedriger auf, und konnte dem wiederholten Anlegen einer elektrischen Spannung nicht widerstehen, was zu Rissen führte. Ferner konnte bei den piezoelektrischen Stapeln vom Typ A1 das Haftmittel X mit dem Antikatalysator kaum ausgeheilt werden, so dass die Haftfestigkeit der resultierenden Haftschichten 13 nahezu null war.
Obwohl in Tabelle 1 nicht ausdrücklich gezeigt, wurde zudem ebenfalls experimentell bestätigt, dass zur Gewährleistung einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 bei einer Temperatur von 120°C oder höher die Haftschichten 13 vorzugsweise eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder höher aufwiesen.
Experiment 2
Dieses Experiment wurde ausgeführt, um die Wirkungen von verschiedenen Katalysatoren bei dem zur Ausbildung der Haftschichten 13 des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 verwendeten Silikonharzhaftmittels zu bestimmen.
Bei dem Experiment wurden drei verschiedene Silikonharzhaftmittel X, Y und Z verwendet. Das Haftmittel X war dasselbe wie das bei dem vorstehend beschriebenen Experiment 1 verwendete, und enthielt somit als Katalysator lediglich den Metallkatalysator der Platingruppe. Demgegenüber enthielt das Haftmittel Z als Katalysator lediglich das organische Peroxid. Im Vergleich dazu war das Haftmittel Y dasselbe wie das Silikonharzhaftmittel gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel und enthielt somit sowohl den Metallkatalysator der Platingruppe als auch das organische Peroxid.
Für jedes der drei Haftmittel X, Y und Z wurden drei piezoelektrische Stapel mit dem Haftmittel auf dieselbe Weise wie bei dem vorstehenden Experiment 1 ausgebildet, ohne dass ein Antikatalysator an den Verbindungsoberflächen der Schichteinheiten 15 zur Anhaftung angebracht wurde. Dann wurde jedes der neun piezoelektrischen Stapel auf dieselbe Weise wie bei dem vorstehenden Experiment 1 getestet, um die Anhaftungsfestigkeit der darin ausgebildeten Haftschicht 13 zu bestimmen.
Tabelle 2 zeigt die Testergebnisse für die drei Haftmittel X, Y und Z, wobei die Haftfestigkeit für jedes der drei Haftmittel den Durchschnitt der Haftfestigkeiten der Haftschichten 13 in den drei mit dem Haftmittel ausgebildeten piezoelektrischen Stapeln repräsentiert.
Zudem sind in Tabelle 2 P.G.M.C. und O.P. Abkürzungen für Metallkatalysator der Platingruppe bzw. organisches Peroxid.

Haftmitteltyp Katalysator Haftfestigkeit (MPa)

X P.G.M.C. 0,8

Y P.G.M.C. + O.P. 4

Z O.P. 2,8

Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, betrug die Haftfestigkeit für das Haftmittel X 0,8, was geringer als die zur Gewährleistung einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit des geschichteten piezoelektrischen Elementes 1 benötigten 1,3 MPa ist. Im Vergleich dazu betrug die Haftfestigkeit für das Haftmittel Z 2,8 MPa, was sehr viel höher als 1,3 MPa ist. Zudem betrug die Haftfestigkeit für das Haftmittel Y 4, was bedeutend höher als 1,3 MPa ist.
Während das vorstehend beschriebe besondere Ausführungsbeispiel und die experimentellen Ergebnisse der Erfindung gezeigt und beschrieben sind, ist dem Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen erfolgen können, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen.
Derartige Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen sind innerhalb des Bereichs der beigefügten Patentansprüche möglich.
Ein erfindungsgemäßes geschichtetes piezoelektrisches Element beinhaltet eine Vielzahl von Schichteinheiten und eine Vielzahl von Haftschichten. Die Schichteinheiten sind miteinander gestapelt. Jede der Schichteinheiten beinhaltet eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten, die mit den piezoelektrischen Keramikschichten in der Schichtungsrichtung der Schichteinheit abwechselnd geschichtet sind. Jede der Haftschichten ist zwischen zwei benachbarten der Schichteinheiten zur Verbindung der beiden Schichteinheiten miteinander ausgebildet. Zudem weist jede der Haftschichten eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder höher auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3220972 [0021]
- US 3159601 [0021]
- US 3159662 [0021]
- US 3775452 [0021]

Claims

Geschichtetes piezoelektrisches Element mit: einer Vielzahl von Schichteinheiten, die zusammengestapelt sind, wobei jede der Schichteinheiten eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramikschichten und eine Vielzahl von internen Elektrodenschichten beinhaltet, die mit den piezoelektrischen Keramikschichten in der Schichtungsrichtung der Schichteinheit abwechselnd geschichtet sind, und einer Vielzahl von Haftschichten, die jeweils zwischen zwei benachbarten der Schichteinheiten zum Verbinden der beiden Schichteinheiten miteinander ausgebildet sind, wobei jede der Haftschichten eine Dicke von 1 μm oder weniger und eine Haftfestigkeit von 1,3 MPa oder mehr aufweist.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei die Haftschichten durch Aushärten eines Silikonharzhaftmittels ausgebildet sind, das ein organisches Peroxid umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 2, wobei das Silikonharzhaftmittel ferner einen Metallkatalysator der Platingruppe umfasst.
Geschichtetes piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, wobei das geschichtete piezoelektrische Element in einem piezoelektrischen Aktuator für eine Brennstoffeinspritzeinrichtung verwendet ist.