Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Betätigungsglied und eine das piezoelektrische Betätigungsglied anwendende Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.The present invention relates to a piezoelectric actuator and a piezoelectric actuator using fuel injection device for an internal combustion engine.
In letzter Zeit wurde zum Einspritzen von Hochdruckkraftstoff (unter hohem Druck gesetzten Kraftstoff) in eine Dieselbrennkraftmaschine und dergleichen die Anwendung einer hydraulischen Kraftstoffeinspritzvorrichtung in Betracht gezogen, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied anwendet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung in dieser Art überträgt einen Versatz, der in Zusammenhang mit der Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Betätigungsglieds auftritt, auf einen hydraulischen Kolben. Eine Hydraulikdruckkammer ist an einer Endoberfläche des Hydraulikkolbens angeordnet. Der Hydraulikdruck in der Hydraulikdruckkammer steuert den Gegendruck einer Düsennadel durch ein Hydraulikdruckventil. Der Hydraulikkolben wird durch Erregung des piezoelektrischen Betätigungsglieds bewegt. Somit wird der Druck in der Hydraulikdruckkammer geändert und wird die Düsennadel indirekt angetrieben.Recently, for injecting high-pressure fuel (high-pressure fuel) into a diesel engine and the like, the use of a hydraulic fuel injection device applying a piezoelectric actuator has been considered. The fuel injection device of this type transmits an offset, which occurs in connection with the expansion or contraction of the piezoelectric actuator, to a hydraulic piston. A hydraulic pressure chamber is disposed on an end surface of the hydraulic piston. The hydraulic pressure in the hydraulic pressure chamber controls the back pressure of a nozzle needle by a hydraulic pressure valve. The hydraulic piston is moved by energizing the piezoelectric actuator. Thus, the pressure in the hydraulic pressure chamber is changed and the nozzle needle is driven indirectly.
Das piezoelektrische Betätigungsglied weist einen Piezostapel auf, der durch Stapeln einer Vielzahl von Schichten aus einem piezoelektrischen Material geformt ist. Falls Elektroden, die zwischen den jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material angeordnet sind, gespeist werden, expandiert oder kontrahiert das piezoelektrische Betätigungsglied und erzeugt den Versatz. Zur Vermeidung des Eindringens von Feuchtigkeit oder Fremdstoffen von außerhalb in den Piezostapel weist das piezoelektrische Betätigungsglied einen Einheitsaufbau zum Abdichten des Piezostapels innerhalb eines Gehäuses auf, das einen Teil aufweist, das in der Lage ist, sich zu expandieren oder kontrahieren.The piezoelectric actuator has a piezo stack formed by stacking a plurality of layers of a piezoelectric material. If electrodes disposed between the respective layers of piezoelectric material are fed, the piezoelectric actuator expands or contracts and generates the offset. To prevent moisture or foreign substances from entering the piezo stack, the piezoelectric actuator has a unitary structure for sealing the piezo stack within a housing having a portion capable of expanding or contracting.
Eine Technik zum Formen (Gießen) eines elektrischen Widerstandselements in ein Speisungsanschlusselement, das die Speisung (Versorgung mit Energie) von außerhalb auf das piezoelektrische Betätigungsglied überträgt, ist in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 199 40 346 A1 offenbart. In dieser Technik wird das elektrische Widerstandselement außerhalb des Einheitsaufbaus angebracht, um den innerhalb der Einheit angeordneten Piezostapel vor einer elektrischen Ladung zu schützen, die durch eine Temperaturänderung und dergleichen erzeugt wird.A technique for molding (casting) an electrical resistance element into a feed terminal element which transfers the power supply to the piezoelectric actuator from outside is in the German Offenlegungsschrift DE 199 40 346 A1 disclosed. In this technique, the electrical resistance element is mounted outside of the unitary structure to protect the piezo stack disposed within the unit from electrical charge generated by a temperature change and the like.
In der vorstehend beschriebenen Technik wird das elektrische Widerstandselement nicht an einem einzelnen Stück der Einheit im Verlauf eines Herstellungsprozesses angebracht. Daher kann die Einheit nicht geschützt werden, falls die Einheit einer Umgebung ausgesetzt wird, in der die Temperatur während des Transports, Lagerung, Zusammenbau oder dergleichen sich ändert.In the technique described above, the electrical resistance element is not attached to a single piece of the unit during a manufacturing process. Therefore, the unit can not be protected if the unit is exposed to an environment in which the temperature changes during transportation, storage, assembly or the like.
Weiterhin gibt es, da ein Freiraum zum Abdichten des elektrischen Widerstandselements in dem Verbinder erforderlich ist, eine Möglichkeit, dass die physikalische Größe des piezoelektrischen Betätigungsglieds vergrößert wird.Further, since a clearance for sealing the electric resistance element in the connector is required, there is a possibility that the physical size of the piezoelectric actuator is increased.
Da weiterhin ein Verbindungsprozess zum elektrischen Verbinden bzw. Anschließen des elektrischen Widerstandselements an das piezoelektrischen Betätigungsglied erforderlich ist, sind Löt- bzw. Schweißeinrichtungen zur Durchführung des Verbindungsprozesses erforderlich, weshalb aufgrund des Lötprozesses die Arbeitsstunden erhöht werden. Folglich gibt es die Möglichkeit, dass die Produktkosten erhöht werden.Further, since a connection process for electrically connecting the electrical resistance element to the piezoelectric actuator is required, soldering or welding devices are required for performing the connection process, and therefore, the working hours are increased due to the soldering process. Consequently, there is the possibility that the product cost will be increased.
Die Druckschrift JP H03-106884 U zeigt ein piezoelektrisches Betätigungsglied.The publication JP H03-106884 U shows a piezoelectric actuator.
Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 101 47 666 A1 offenbart ein Piezoelement, bei dem eine Widerstandsschicht vorgesehen ist, die aus Widerstandsbahnen besteht. Vorzugsweise ist diese Widerstandsschicht im Kopf- oder Fußteil ausgebildet.The post-published publication DE 101 47 666 A1 discloses a piezoelectric element in which a resistance layer is provided which consists of resistance paths. Preferably, this resistance layer is formed in the top or bottom part.
Die Druckschrift DE 693 08 512 T2 offenbart einen piezoelektrischen Antrieb, bei dem an einem piezoelektrischen Betätigungsglied Dehnungsmesseinrichtungen vorgesehen, die ihren Widerstand proportional zu der Größe der Dehnung ändern und als Teil von entsprechenden Widerstandsbrücken verwendet werden.The publication DE 693 08 512 T2 discloses a piezoelectric actuator in which strain gages are provided on a piezoelectric actuator which change their resistance in proportion to the amount of strain and are used as part of respective resistance bridges.
Die Druckschrift US 6 285 116 B1 zeigt ein piezoelektrisches Element, bei dem Induktivitäten in Form von Spulenmustern auf zumindest einer Schicht eines piezoelektrischen Elements vorgesehen ist.The publication US Pat. No. 6,285,116 B1 shows a piezoelectric element in which inductances are provided in the form of coil patterns on at least one layer of a piezoelectric element.
Die Druckschrift US 2003/0015939 A1 zeigt ein piezoelektrisches Element, das in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine verwendet wird.The publication US 2003/0015939 A1 shows a piezoelectric element used in a fuel injection device of an internal combustion engine.
Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Betätigungsglied und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Piezostapel oder ein einzelnes Einheitsstück des Piezostapels zuverlässig zu schützen, ohne dass die physikalischen Abmessungen Größe des Piezostapels oder der Einheit des Piezostapels erhöht werden.The present invention has for its object to provide a piezoelectric actuator and a fuel injection device for an internal combustion engine, which are able to reliably protect a piezo stack or a single unit piece of the piezo stack without the physical dimensions of the size of the piezo stack or the unit of the piezo stack increases become.
Diese Aufgabe wird durch ein piezoelektrisches Betätigungsglied gelöst, wie es in Patentanspruch 1 oder 2 angegeben ist, oder alternativ durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gelöst, wie sei in Patentanspruch 9 oder 10 angegeben ist.This object is achieved by a piezoelectric actuator, as in Claim 1 or 2 is given, or alternatively solved by a fuel injection device, as is stated in claim 9 or 10.
Erfindungsgemäß kann eine durch eine Temperaturänderung erzeugte elektrische Ladung des Piezostapels in das mit den Piezostapel elektrisch verbundenen elektrische Widerstandselement abgeleitet (abgeführt) werden, selbst falls die Temperatur während des Transports, der Lagerung oder des Zusammenbaus in einem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigungsglieds oder einer Vorrichtung, die das piezoelektrische Betätigungsglied anwendet, sich ändert. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch des Piezostapels verhindert werden.According to the invention, an electric charge of the piezo stack generated by a temperature change can be dissipated (dissipated) into the electric resistance element electrically connected to the piezo stack, even if the temperature during transportation, storage or assembly in a manufacturing process of the piezoelectric actuator or a device the piezoelectric actuator applies, changes. As a result, polarization breakdown of the piezo stack can be prevented.
Somit kann, selbst falls ein einzelnes Stück des Piezostapels einer Umgebung ausgesetzt wird, in der sich die Temperatur ändert, das eingebaute elektrische Widerstandselement die Schutzfunktion ausführen.Thus, even if a single piece of the piezo stack is exposed to an environment in which the temperature changes, the built-in electrical resistance element can perform the protective function.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:The invention is described below by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 eine Querschnittsdarstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anwendet, 1 FIG. 12 is a cross-sectional view of a fuel injection apparatus for an internal combustion engine adopting a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention; FIG.
2 eine Querschnittsdarstellung des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, 2 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric actuator according to the first embodiment;
3 eine perspektivische Darstellung eines Piezostapels des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, 3 a perspective view of a piezo stack of the piezoelectric actuator according to the first embodiment,
4 eine auseinander gezogene Darstellung des Piezostapels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 4 an exploded view of the piezo stack according to the first embodiment of the present invention,
5 eine Querschnittsdarstellung eines Piezostapels eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 5 1 is a cross-sectional view of a piezo stack of a piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention;
6 ein elektrisches Schaltbild des piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, 6 an electrical circuit diagram of the piezoelectric actuator according to the second embodiment,
7 `ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 7 `An electric circuit diagram of a piezoelectric actuator according to a third embodiment of the present invention,
8 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 8th FIG. 2 is an electric circuit diagram of a piezoelectric actuator according to a fourth embodiment of the present invention; FIG.
9 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 9 an electrical circuit diagram of a piezoelectric actuator according to a fifth embodiment of the present invention,
10 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 10 an electrical circuit diagram of a piezoelectric actuator according to a sixth embodiment of the present invention, and
11 ein elektrisches Schaltbild eines piezoelektrischen Betätigungsglieds gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 11 an electrical circuit diagram of a piezoelectric actuator according to a seventh embodiment of the present invention.
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
In 1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung veranschaulicht, die ein piezoelektrisches Betätigungsglied für eine Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel verwendet.In 1 a fuel injection device is illustrated which uses a piezoelectric actuator for an internal combustion engine according to a first embodiment.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (Kraftstoffinjektor) durch Anordnen eines Düsenkörpers H4 an einem unteren Ende eines Gehäuses H1 durch Strömungsdurchlassformungsteile H2 und H3 sowie durch fluiddichtes Befestigen des Düsenkörpers H4 mit einer Halterung H5. Ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 ist in dem Gehäuse H1 untergebracht. Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 innerhalb des Gehäuses H1 in einer vertikalen Richtung gemäß 1 geformt. Der Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 ist mit einem äußeren Common-Rail über ein Kraftstoffeinleitungsrohr 63 verbunden, das nach oben vorspringt. Ein Kraftstoffrückflussrohr 65, das mit einem Ablaufdurchlass 64 kommuniziert, ist an einer oberen Seite des Gehäuses H1 angeordnet, so dass das Kraftstoffrückflussrohr 65 vorspringt. Auslaufender Kraftstoff, der aus dem Kraftstoffrückflussrohr 65 ausströmt, wird zu einem Kraftstofftank zurückgeführt.As it is in 1 1, the fuel injector is arranged by disposing a nozzle body H4 at a lower end of a housing H1 through flow passage forming parts H2 and H3 and fluid-tightly fixing the nozzle body H4 with a bracket H5. A piezoelectric actuator 1 is housed in the housing H1. As it is in 1 is a high pressure fuel passage 62 within the housing H1 in a vertical direction according to FIG 1 shaped. The high pressure fuel passage 62 is with an outer common rail via a fuel inlet pipe 63 connected, which projects upwards. A fuel return pipe 65 that with a drain passage 64 is arranged on an upper side of the housing H1, so that the fuel return pipe 65 projects. Leaking fuel coming out of the fuel return pipe 65 flows out, is returned to a fuel tank.
Das Gehäuse 1 ist im Wesentlichen in der Form eines kreisförmigen Zylinders geformt. Eine Längsöffnung 61 ist in dem Gehäuse H1 exzentrisch in Bezug auf die Zentralachse des Gehäuses H1 geformt. Ein zylindrisches Behälterteil (nachstehend als Behältnis bezeichnet) 11, das aus einem dünnen metallischen Zylinder geformt ist, ist in die Längsöffnung 61 entnehmbar eingesetzt. In dem Behältnis 11 ist das piezoelektrische Betätigungsglied 1 untergebracht. Die Längsöffnung 61 ist neben dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 parallel geformt. Der Ablaufdurchlass 64 verläuft durch einen Raum zwischen der Längsöffnung 61 und dem Behältnis 11 und erstreckt sich in der Darstellung gemäß 1 weiter nach unten. Das piezoelektrische Betätigungsglied 1 weist eine Stange 13 auf, die eine untere Endoberfläche eines Piezostapels 12 berührt, der in dem Behältnis 11 untergebracht ist, wobei die Stange 13 sich mit dem Piezostapel 12 nach oben oder unten bewegt. Der Durchmesser der Stange 13 ist kleiner als derjenige des Piezostapels 12. Eine zylindrische Wand eines unteren Endes des Behältnisses 11, die den äußeren Rand der Stange 13 umgibt, ist gefaltet, um Bälge 15 bereit zu stellen, die in der Lage sind, sich auszudehnen und zusammenzuziehen. Ein äußerer Durchmesser der Bälge 15 stimmt im Wesentlichen mit einem äußeren Durchmesser des Hauptkörpers des Behältnisses 11 überein.The housing 1 is shaped substantially in the shape of a circular cylinder. A longitudinal opening 61 is formed in the housing H1 eccentrically with respect to the central axis of the housing H1. A cylindrical container part (hereinafter referred to as a container) 11 , which is formed of a thin metallic cylinder, is in the longitudinal opening 61 removable used. In the container 11 is the piezoelectric actuator 1 accommodated. The longitudinal opening 61 is next to the high pressure fuel passage 62 shaped in parallel. The outlet passage 64 passes through a space between the longitudinal opening 61 and the container 11 and extends in the illustration according to 1 further down. The piezoelectric actuator 1 has a pole 13 on, which is a lower end surface of a piezo stack 12 touched in the container 11 is housed, with the rod 13 with the piezostack 12 moved up or down. The diameter of the rod 13 is smaller than that of the piezostack 12 , A cylindrical wall of a lower end of the container 11 that is the outer edge of the pole 13 surrounds, is folded to bellows 15 to be able to expand and contract. An outer diameter of the bellows 15 is substantially consistent with an outer diameter of the main body of the container 11 match.
Der Rand eines unteren Endes der Bälge 15 ist an einem äußeren Rand eines scheibenartigen Teils 14a geschweißt und befestigt, das eine untere Oberfläche des Behältnisses 11 bereitstellt. Eine obere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a berührt eine untere Endoberfläche der Stange 13. Somit blockiert das scheibenartige Teil 14a ein Ende (das untere Ende) des Behältnisses 11. Dabei dient das scheibenartige Teil 14a als Versatzübertragungsteil, um den Versatz des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 auf einen Kolben mit größerem Durchmesser 2 als Kolbenteil zu übertragen. Die Kolben 15 dehnen sich in vertikaler Richtung aus bzw. ziehen sich zusammen entsprechend dem Versatz des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1, so dass das scheibenartige Teil 14 sich bewegen kann, wobei eine Vorlast dem Piezostapel 12 in Kompressionsrichtung beaufschlagt wird. Diese Kompressionskraft ist ein Teil der erforderlichen Vorlast. Ein Hauptteil der erforderlichen Vorlast wird durch eine Schraubenfeder 2c bereitgestellt. Die untere Endoberfläche der Stange 13 ist in Form einer konvexgekrümmten Oberfläche geformt. Die Mitte der oberen Endoberfläche des scheibenartigen Teils 14a, die die untere Endoberfläche der Stange 13 berührt, ist in Form einer konkavgekrümmten Oberfläche geformt. Somit können die Mitten automatisch durch den Kontakt zwischen der konvexgekrümmten Oberfläche und der konkavgekrümmten Oberfläche justiert (ausgerichtet) werden. Ein Krümmungsradius der unteren Endoberfläche der Stange 13 ist etwas kleiner derjenige der oberen Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a, um eine Kontaktfläche zu gewährleisten.The edge of a lower end of the bellows 15 is at an outer edge of a disc-like part 14a welded and fastened, which is a lower surface of the container 11 provides. An upper surface of the disk-like part 14a touches a lower end surface of the rod 13 , Thus, the disc-like part blocked 14a one end (the lower end) of the container 11 , This serves the disc-like part 14a as an offset transmission part to the displacement of the piezoelectric actuator 1 on a piston with a larger diameter 2 to be transferred as a piston part. The pistons 15 expand in a vertical direction or contract according to the displacement of the piezoelectric actuator 1 so that the disc-like part 14 can move, with a preload the piezo stack 12 is acted upon in the compression direction. This compression force is part of the required preload. A major part of the required preload is provided by a coil spring 2c provided. The lower end surface of the rod 13 is shaped in the shape of a convex curved surface. The center of the upper end surface of the disk-like part 14a , which is the lower end surface of the rod 13 is touched, shaped in the form of a concave curved surface. Thus, the centers can be automatically adjusted (aligned) by the contact between the convex curved surface and the concave curved surface. A radius of curvature of the lower end surface of the rod 13 is slightly smaller than that of the upper surface of the disc-like part 14a to ensure a contact surface.
Der Kolben mit großen Durchmesser 2 ist derart geformt, dass ein Durchmesser von dessen oberen Endabschnitt verengt wird, um einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a bereit zu stellen. Eine Spitzenoberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a berührt eine untere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a. Die Spitzenoberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a ist in Form einer konvexgekrümmten Oberfläche geformt. Die untere Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a, die die konvexgekrümmte Oberfläche berührt, ist in Form einer konkavgekrümmten Oberfläche derart geformt, dass der Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a und das scheibenartige Teil 14a sich einander durch die konvexgekrümmte Oberfläche und die konkavgekrümmte Oberfläche berühren. Der Krümmungsradius der konvexgekrümmten Oberfläche des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a ist etwas kleiner als derjenige der konkavgekrümmten Oberfläche des scheibenartigen Teils 14a. Somit berühren sich das scheibenartige Teil 14a, die Stange 13 und der Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a einander über gekrümmten Oberflächen derart, dass deren Mitten justiert werden können, selbst falls deren Achsen beim Zusammenbau und dergleichen voneinander verschoben werden. Mithin kann ein Bruch verhindert werden, der verursacht würde, falls eine exzentrische Last auf den Piezostapel 12 beaufschlagt wird.The piston with large diameter 2 is formed such that a diameter is narrowed from the upper end portion thereof to a small-diameter portion 2a to provide. A tip surface of the small-diameter portion 2a touches a lower surface of the disc-like part 14a , The tip surface of the small diameter portion 2a is shaped in the shape of a convex curved surface. The lower surface of the disc-like part 14a which contacts the convex-curved surface is shaped in the form of a concave-curved surface such that the small-diameter portion 2a and the disc-like part 14a touching each other through the convex curved surface and the concave curved surface. The radius of curvature of the convex curved surface of the small diameter portion 2a is slightly smaller than that of the concave-curved surface of the disc-like member 14a , Thus, touch the disc-like part 14a , the pole 13 and the small diameter section 2a each other over curved surfaces such that their centers can be adjusted, even if their axes are displaced from each other during assembly and the like. Thus, a breakage that would be caused if an eccentric load on the piezo stack 12 is charged.
Die Schraubenfeder 2c als ein Federteil ist um den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 2a des Kolbens mit großem Durchmesser 2 angeordnet. Die Schraubenfeder 2c spannt ein ringartiges Teil 2b in Aufwärtsrichtung vor, das an den äußeren Rand des oberen Endes des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 2a pressgepasst ist. Die Vorspannkraft wirkt auf den Kolben mit großem Durchmesser 2 durch das ringartige Teil 2b ein. Als Ergebnis spannt die Schraubenfeder 2c den Kolben mit großem Durchmesser 2 zu dem piezoelektrischen Betätigungsglied 1 hin vor. Die Vorspannkraft der Schraubenfeder 2c wirkt ebenfalls durch das scheibenartige Teil 14a und die Stange 13 auf den Piezostapel 12 ein. Somit fungiert die Vorspannkraft als Kompressionskraft des Piezostapels 12. Die Kompressionskraft der Schraubenfeder 2c und die Kompressionskraft der Bälge 15 können derart eingestellt werden, dass die Summe der Kompressionskräfte mit der vorbestimmten Vorlast übereinstimmt, die für die Piezostapel 12 erforderlich ist.The coil spring 2c as a spring member is around the small diameter portion 2a of the large diameter piston 2 arranged. The coil spring 2c clamps a ring-like part 2 B in the upward direction, that at the outer edge of the upper end of the small-diameter portion 2a is press-fitted. The biasing force acts on the large diameter piston 2 through the ring-like part 2 B one. As a result, the coil spring tensions 2c the piston with a large diameter 2 to the piezoelectric actuator 1 out in front. The preload force of the coil spring 2c also acts through the disc-like part 14a and the pole 13 on the piezostack 12 one. Thus, the biasing force acts as a compression force of the piezo stack 12 , The compression force of the coil spring 2c and the compression force of the bellows 15 can be adjusted such that the sum of the compressive forces matches the predetermined preload that for the piezo stack 12 is required.
Die Vorspannkraft der Schraubenfeder 2c weist eine Wirkung auf eine Erhöhung der Kontaktdrücke zwischen den jeweiligen Teilen, die den Versatz übertragen, oder den Kontaktdruck zwischen dem Kolben mit großen Durchmesser 2 und dem scheibenartigen Teil 14a, den Kontaktdruck zwischen dem scheibenartigen Teil 14a und der Stange 13 und den Kontaktdruck zwischen der Stange 13 und den Piezostapel 12 jeweils auf. Als Ergebnis kann ein Verlust (Versatzverlust), der erzeugt wird, wenn der Versatz des Piezostapels 12 auf dem Kolben mit dem großen Durchmesser 2 übertragen wird, auf einen minimalen Wert begrenzt werden, so dass der Versatz effektiv übertragen werden kann.The preload force of the coil spring 2c has an effect on increasing the contact pressures between the respective parts that transmit the offset or the contact pressure between the large-diameter piston 2 and the disc-like part 14a , the contact pressure between the disc-like part 14a and the pole 13 and the contact pressure between the rod 13 and the piezostack 12 each on. As a result, a loss (offset loss) that is generated when the offset of the piezo stack 12 on the piston with the big diameter 2 is limited to a minimum value so that the offset can be transmitted effectively.
Der Piezostapel 12 als das piezoelektrische Element ist durch Anordnen innerer Elektrodenschichten 121, 122 zwischen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A derart geformt, dass positive Elektroden und negative Elektroden abwechselnd angeordnet sind. Wie es in 2 und 3 gezeigt ist, sind die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die inneren Elektrodenschichten 121, 122 gleichzeitig derart geformt, dass die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die innere Elektrodenschichten 121, 122 abwechselnd in einer Vielzahl von Schichten gestapelt sind. Die Pfeilmarkierung ”A” in 2 zeigt die Richtung des Zusammenziehens und Auseinanderziehens des Piezostapels 12. Die Schicht aus piezoelektrischem Material 12A ist aus einem Rohling mit piezoelektrischen Materialien geformt, dessen Hauptrohmaterialien Bleioxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Niobium-Oxid, Strontium-Karbonat und dergleichen sind. Wenn der Rohling geformt wird, werden Pulver der vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Materialien gewichtsmäßig gemessen, um eine gewünschte Zusammensetzung zu erzielen. Die piezoelektrischen Materialien werden derart gemischt, dass das Verhältnis des Bleioxids um ein bis zwei Prozent fetter (reicher) als ein stöchiometrisches Verhältnis des Mischungsverhältnisses in der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung ist, wenn die Verdampfung des Bleis berücksichtigt wird. Die vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Materialien werden in einer Mischeinrichtung durch Trockenmischen gemischt, und die Mischung wird bei einer Temperatur von 800 bis 950°C kalziniert. Dann werden die kalzinierten Pulver in eine Aufschlämmung umgewandelt, indem reines Wasser (destilliertes Wasser) und ein Dispergiermittel zu den kalzinierten Pulver hinzugefügt werden, und die Aufschlämmung der kalzinierten Pulver werden durch Nassmahlen in einer Perlmühle gemahlen. Dann wird die gemahlene Substanz getrocknet und entfettet, und wird mit einem Lösungsmittel, einem Bindemittel, einem Elastifizierer (elasticizer), einem Dispergiermittel und dergleichen in einer Kugelmühle gemischt. Dann werden eine Vakuumentschäumung und eine Viskositätsjustierung der wässrigen Masse durchgeführt, während die Aufschlämmung mit einer Rühreinrichtung in einer Vakuumausrüstung gerührt wird. Dann wird die Aufschlämmung mittels einer Rakelvorrichtung in die Rohlinge geformt, die eine vorbestimmte Dicke aufweisen. Der erhaltene Rohling wird mit einem Pressgerät (Stanzgerät) oder durch eine Schneidemaschine in rechteckige Teile mit einer vorbestimmten Größe geschnitten. Dieselben Rohlinge werden in einem Antriebsabschnitt 111, einem Pufferabschnitt 112 und einem Blindabschnitt (Dummy-Abschnitt) 113 des Piezostapels 12 verwendet, wie es in 3 gezeigt ist. Danach wird ein Muster auf einer Oberfläche des geformten Rohlings mit einer Paste aus einer Mischung von Silber und Palladium (die nachstehend als Ag/Pd-Paste ist) gedruckt, wobei das Verhältnis von Silber zu Palladium 7 zu 3 beträgt. Ein Muster 121 (122), das etwas kleiner als die im Wesentlichen gesamte Oberfläche des Rohlings 12A als die Schicht aus piezoelektrischen Material ist, wird auf der Oberfläche des Rohlings 12A mit der Ag/Pd-Paste geformt. Auf diese Weise wird die innere Elektrodenschicht 121 (122) geformt. Kupfer, Nickel, Platin, Silber oder eine Mischung aus diesen Metallen kann als Material für die innere Elektrode verwendet werden. Die mit den inneren Elektrodenschichten 121 (122) geformten Rohlinge 12A werden in Bezug auf eine vorbestimmte Anzahl der gestapelten Schichten entsprechend den erforderlichen Spezifikationen des Versatzes des Antriebsabschnitts 111 und des Pufferabschnitts 112 vorbereitet. Rohlinge 12B, auf denen die innere Elektrodenschicht nicht gedruckt ist, werden in Bezug auf eine vorbestimmte Anzahl vorbereitet, die für den Pufferabschnitt 112 und dem Blindabschnitt 113 erforderlich ist.The piezostack 12 as the piezoelectric element is by arranging inner electrode layers 121 . 122 between layers of piezoelectric material 12A shaped such that positive electrodes and negative electrodes are alternately arranged. As it is in 2 and 3 shown is, the layers are made of piezoelectric material 12A and the inner electrode layers 121 . 122 at the same time shaped such that the layers of piezoelectric material 12A and the inner electrode layers 121 . 122 alternately stacked in a plurality of layers. The arrow mark "A" in 2 shows the direction of contraction and separation of the piezo stack 12 , The layer of piezoelectric material 12A is formed of a blank with piezoelectric materials whose main raw materials are lead oxide, zirconium oxide, titanium oxide, niobium oxide, strontium carbonate and the like. When the blank is molded, powders of the piezoelectric materials described above are measured by weight to obtain a desired composition. The piezoelectric materials are mixed such that the lead oxide ratio is one to two percent richer than a stoichiometric ratio of the mixing ratio in the composition described above, taking into consideration the evaporation of the lead. The above-described piezoelectric materials are mixed in a mixer by dry blending, and the mixture is calcined at a temperature of 800 to 950 ° C. Then, the calcined powders are converted into a slurry by adding pure water (distilled water) and a dispersant to the calcined powders, and the slurry of the calcined powders are ground by wet-milling in a bead mill. Then, the ground substance is dried and defatted, and is mixed with a solvent, a binder, an elasticizer, a dispersant and the like in a ball mill. Then, a vacuum defoaming and a viscosity adjustment of the aqueous mass are carried out while stirring the slurry with a stirrer in a vacuum equipment. Then, the slurry is formed by means of a doctor device in the blanks, which have a predetermined thickness. The blank obtained is cut by a pressing device (punching device) or by a cutting machine into rectangular parts having a predetermined size. The same blanks are in a drive section 111 , a buffer section 112 and a blind section (dummy section) 113 of the piezo stack 12 used as it is in 3 is shown. Thereafter, a pattern is printed on a surface of the molded blank with a paste of a mixture of silver and palladium (hereinafter referred to as Ag / Pd paste), wherein the ratio of silver to palladium is 7 to 3. A pattern 121 ( 122 ), which is slightly smaller than the substantially entire surface of the blank 12A As the layer of piezoelectric material is on the surface of the blank 12A molded with the Ag / Pd paste. In this way the inner electrode layer becomes 121 ( 122 ) shaped. Copper, nickel, platinum, silver, or a mixture of these metals can be used as the material for the inner electrode. The with the inner electrode layers 121 ( 122 ) shaped blanks 12A are relative to a predetermined number of the stacked layers according to the required specifications of the offset of the drive section 111 and the buffer section 112 prepared. blanks 12B on which the inner electrode layer is not printed are prepared with respect to a predetermined number of those for the buffer section 112 and the blind section 113 is required.
Wie es in 4 gezeigt ist, wird ein Rohling 12C als eine Widerstandselementschicht vorbereitet. Das Material des Widerstands ist nicht auf ein leitendes Widerstandsmaterial wie Bariumtitanat, Silizium-Carbid, Silizium-Nitrit, Molybden-Disulfid und dergleichen beschränkt. Allgemein bekannte Materialien zum Formen des elektrischen Widerstandselements können als Material für den Widerstand verwendet werden, falls der Rohling 12C zur selben Zeit wie die anderen Rohlinge 12A und 128 geformt werden kann. Wie bei den Rohlingen 12A wird ein Muster 121 (122), das etwas kleiner als die im Wesentlichen gesamte Oberfläche des Rohlings 12C ist, auf der Oberfläche des Rohlings 12C mit der Ag/Pd-Paste geformt. Der Rohling 12C stellt das elektrische Widerstandselement bereit.As it is in 4 is shown becomes a blank 12C prepared as a resistive element layer. The material of the resistor is not limited to a conductive resistive material such as barium titanate, silicon carbide, silicon nitrite, molybdenum disulfide and the like. Well-known materials for forming the electrical resistance element can be used as material for the resistor if the blank 12C at the same time as the other blanks 12A and 128 can be shaped. As with the blanks 12A becomes a pattern 121 ( 122 ), which is slightly smaller than the substantially entire surface of the blank 12C is, on the surface of the blank 12C molded with the Ag / Pd paste. The blank 12C provides the electrical resistance element.
Dann werden, wie es in 3 und 4 gezeigt ist, die Rohlinge 12A, 12B und 12C gestapelt. 4 zeigt eine Darstellung des gestapelten Zustands der Rohlinge 12A. 4 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des Piezostapels, der sich entsprechend der Erregung (Speisung, Versorgung mit Energie) zusammenzieht oder auseinanderzieht. Auf diese Weise wird die geschichtete Struktur geformt, wie es in 3 gezeigt ist.Then, as it is in 3 and 4 shown is the blanks 12A . 12B and 12C stacked. 4 shows a representation of the stacked state of the blanks 12A , 4 shows an exploded view of the piezo stack, which contracts according to the excitation (supply, power supply) or pulls apart. In this way, the layered structure is formed as shown in FIG 3 is shown.
Dann wird eine Thermokompression durch Heizwassergummipressen (hot water rubber press) und dergleichen durchgeführt. Danach wird ein Entfetten mittels eines elektrischen Ofens bei einer Temperatur von 400 bis 700°C durchgeführt. Daraufhin wird der beschichtete Körper bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C gesintert. Dann werden die Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Auftragen einer Silberpaste auf die seitlichen Oberflächen des beschichteten Körpers und durch Einbrennen der aufgetragenen Silberpaste geformt. Alternativ dazu können die Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Einbrennen in der Ab/Pd-Paste geformt werden. Anstelle des in der Silberpaste verwendeten Silbers kann Nickel, Platin, eine Mischung aus Silber und Palladium angewandt werden.Then, thermocompression is performed by hot water rubber press and the like. Thereafter, degreasing by means of an electric furnace at a temperature of 400 to 700 ° C is performed. Then, the coated body is sintered at a temperature of 900 to 1200 ° C. Then the side surface electrodes become 161 and 162 formed by applying a silver paste on the side surfaces of the coated body and by baking the applied silver paste. Alternatively, the side surface electrodes 161 and 162 be formed by baking in the Ab / Pd paste. Instead of the silver used in the silver paste, nickel, platinum, a mixture of silver and palladium can be used.
Dann werden Leitungsdrähte 16a und 16b als externe Elektroden gemäß 2 mit den Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 mit einem leitenden Klebemittel verbunden. Dann wird eine Gleichspannung zwischen den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 des beschichteten Körpers durch die Leitungsdrähte 16a und 16b angelegt, um die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A zu polarisieren. Auf diese Weise wird der Piezostapel 12 erhalten. Die Leitungsdrähte 16a und 16b können mit den Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 durch Löten, Hartlöten und dergleichen verbunden werden. Die Leitungsdrähte 16a und 16b können mit den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 mit leitenden Klebemitteln ohne Formen der Seitenoberflächenelektroden 161 und 162 verbunden werden. Für die Leitungsdrähte 16a und 16b kann eine leitende Metallfolie oder ein Metalldraht (einschließlich eines beschichteten Drahts) angewandt werden. Die Leitungsdrähte 16a und 16b sind die externen Elektroden eines Anschlusselements (Verbinders) 16, der in einem oberen Ende des Behältnisses 11 befestigt ist, um dem Piezostapel 12 von außen Energie zuzuführen.Then become wires 16a and 16b as external electrodes according to 2 with the Surface electrodes 161 and 162 connected with a conductive adhesive. Then, a DC voltage between the inner electrode layers 121 and 122 of the coated body through the lead wires 16a and 16b applied to the layers of piezoelectric material 12A to polarize. In this way the piezostack becomes 12 receive. The wires 16a and 16b can with the side surface electrodes 161 and 162 be connected by soldering, brazing and the like. The wires 16a and 16b can with the inner electrode layers 121 and 122 with conductive adhesives without forming the side surface electrodes 161 and 162 get connected. For the lead wires 16a and 16b For example, a conductive metal foil or a metal wire (including a coated wire) may be used. The wires 16a and 16b are the external electrodes of a connection element (connector) 16 which is in an upper end of the container 11 is attached to the piezo stack 12 to supply energy from the outside.
Der Rand des oberen Endes des Behältnisses 11 ist an einen äußeren Rand eines zylindrischen Teils 14b befestigt und dichtet das obere Ende des Behältnisses 11 ab. Das zylindrische Teil 14b ist mit Durchgangsöffnungen zum Hindurchführen der Leitungsdrähte 16a und 16b nach außen geformt. Die Freiräume zwischen den Durchgangsöffnungen und den Leitungsdrähten 16a und 16b sind mit Abdichtungsteilen und dergleichen aufgefüllt. Isolierteile sind um die Leitungsdrähte 16a und 16b angeordnet, um eine Isolierung zwischen dem Behältnis 11 und den Leitungsdrähten 16a und 16b zu gewährleisten. Das Behältnis 11 ist mit einem oberen Ende der Längsöffnung 61 durch Klemmen einer Sicherungsmutter 17 befestigt, die um den Rand des Anschlusselements 16 angeordnet ist. Eine ringförmige Unterlegscheibe 18 ist zwischen einem an dem äußeren Rand des Verbinders 16 geformten Flansch und einem gestuften Abschnitts der Längsöffnung 61 angeordnet, um den Raum zwischen den Flansch des Verbinders 16 und dem gestuften Abschnitt der Längsöffnung 61 abzudichten. Dabei wird durch die Unterlegscheibe die Höhe zur Einpassung des Behältnisses 11 justiert.The edge of the upper end of the container 11 is at an outer edge of a cylindrical part 14b attaches and seals the top of the container 11 from. The cylindrical part 14b is with through holes for passing the lead wires 16a and 16b shaped outwards. The clearances between the through holes and the wires 16a and 16b are filled with sealing parts and the like. Insulating parts are around the lead wires 16a and 16b arranged to provide insulation between the container 11 and the wires 16a and 16b to ensure. The container 11 is with an upper end of the longitudinal opening 61 by clamping a locknut 17 fastened around the edge of the connecting element 16 is arranged. An annular washer 18 is between one on the outer edge of the connector 16 shaped flange and a stepped portion of the longitudinal opening 61 arranged around the space between the flange of the connector 16 and the stepped portion of the longitudinal opening 61 seal. The washer is used to adjust the height of the container 11 adjusted.
Die Ag/Pd-Paste wird auf die eine Oberfläche jeder Schicht aus piezoelektrischem Material 12A aufgetragen, um die innere Elektrodenschicht 121 (122) zu bilden.The Ag / Pd paste is applied to the one surface of each layer of piezoelectric material 12A applied to the inner electrode layer 121 ( 122 ) to build.
Alternativ dazu können beispielsweise die innere Elektrode 121 und die andere innere Elektrode 122 an beiden Oberflächen jeder Schicht aus piezoelektrischen Material 12A gedruckt werden, wie es in 4 dargestellt ist. Dies liegt daran, dass die Seitenoberflächenelektrode 161 und 162 sowie die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 gleichzeitig wie die Schicht aus piezoelektrischem Material 12A durch Kalzinierung geformt werden können.Alternatively, for example, the inner electrode 121 and the other inner electrode 122 on both surfaces of each layer of piezoelectric material 12A be printed as it is in 4 is shown. This is because the side surface electrode 161 and 162 and the inner electrode layers 121 and 122 at the same time as the layer of piezoelectric material 12A can be formed by calcination.
Der Piezostapel 12, der auf einmal geformt wird, wird durch Stapeln der Vielzahl der Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa, 12Ab, 12Ac, 12Ad, 12Ae, 12Af, 12Ag, 12Ah geformt, wie es in 4 gezeigt ist. Die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah sind im Wesentlichen in derselben Form geformt. Genauer sind die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah dünne Keramikplatten, deren Dicke annähernd von 0,05 mm bis 1,0 mm beispielsweise reicht, und eine Form eines Polygons oder eines Kreises aufweisen, deren Durchmesser beispielsweise von etwa 5 bis 15 mm reicht. Die inneren Elektrodenschichten 121a, 121b, 121c, 121d, 121e, 121f, 121g und 121h sowie die inneren Elektrodenschichten 122a, 122b, 122c, 122d, 122e, 122f, 122g und 122h werden auf beiden Seiten der jeweiligen Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah mit dünnen Membranen aus einer Mischung aus Silber und Palladium geformt, deren Dicke einige Mikrometer beträgt. Die innere Elektrodenschicht 121r und die innere Elektrodenschicht 122r sind an beiden Seiten des elektrischen Widerstandselements 12C mit dünnen Membranen aus der Mischung von Silber und Palladium geformt, deren Dicke einige Mikrometer beträgt. Das elektrische Widerstandselement 12C ist im Wesentlichen in derselben Form wie die Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah geformt, und ist innerhalb der gestapelten Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah angeordnet.The piezostack 12 which is formed at one time is formed by stacking the plurality of layers of piezoelectric material 12aa . 12ab . 12ac . 12a-d . 12ae . 12af . 12Ag . 12Ah shaped as it is in 4 is shown. The respective layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah are essentially shaped in the same shape. More specifically, the respective layers are of piezoelectric material 12aa to 12Ah thin ceramic plates whose thickness is approximately from 0.05 mm to 1.0 mm, for example, and have a shape of a polygon or a circle whose diameter ranges for example from about 5 to 15 mm. The inner electrode layers 121 . 121b . 121c . 121d . 121e . 121f . 121g and 121h and the inner electrode layers 122a . 122b . 122c . 122d . 122e . 122f . 122g and 122h be on both sides of the respective layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah formed with thin membranes of a mixture of silver and palladium, the thickness of which is a few microns. The inner electrode layer 121r and the inner electrode layer 122r are on both sides of the electrical resistance element 12C formed with thin membranes of the mixture of silver and palladium, whose thickness is a few microns. The electrical resistance element 12C is substantially in the same shape as the layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah shaped, and is within the stacked layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah arranged.
Wie es in einer Schaltung gemäß 4 dargestellt ist, sind die inneren Elektroden 121a bis 121h elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 161 verbunden, die elektrisch mit dem Leitungsdraht 16a verbunden sind. Die inneren Elektroden 122a bis 122h sind elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 162 verbunden, die elektrisch mit dem Leitungsdraht 16b verbunden ist. Die innere Elektrodenschicht 121r ist elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 161 verbunden. Die innere Elektrodenschicht 122r ist elektrisch mit der Seitenoberflächenelektrode 162 verbunden. Genauer sind die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und die elektrische Widerstandselementschicht 12C, die den Piezostapel 12 bilden, elektrisch miteinander parallel verbunden, wie es in 4 dargestellt ist. Die Ladung, die erzeugt wird, wenn die Spannung an die isolierenden Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah angelegt wird, kann durch das elektrische Widerstandselement 12C abgeleitet (leaked) werden. Der Wert des Widerstands des elektrischen Widerstandselement 12C reicht von 0,1 bis 3 MΩ (Megaohm), der einen geringen oder gar keinen Einfluss auf die angelegte Spannung in einer Anlegezeitdauer von einigen Millisekunden aufweist. Die Ladung wird in einer Zeitdauer von einigen Zehnmillisekunden bis Hundertmillisekunden abgeleitet. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch der Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah verhindert werden und können die Schichten aus piezoelektrischen Material 12Aa bis 12Ah geschützt werden.As it is in a circuit according to 4 are shown, the inner electrodes 121 to 121h electrically with the side surface electrode 161 connected electrically to the conductor wire 16a are connected. The inner electrodes 122a to 122h are electrical with the side surface electrode 162 connected electrically to the conductor wire 16b connected is. The inner electrode layer 121r is electrically connected to the side surface electrode 161 connected. The inner electrode layer 122r is electrically connected to the side surface electrode 162 connected. More specifically, the layers are of piezoelectric material 12A and the electrical resistance element layer 12C that the piezostack 12 form, electrically connected in parallel with each other, as in 4 is shown. The charge that is generated when the voltage applied to the insulating layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah can be applied, by the electrical resistance element 12C be derived (leaked). The value of the resistance of the electrical resistance element 12C ranges from 0.1 to 3 MΩ (megohms), which has little or no influence on the applied voltage in a few millisecond application period. The Charge is derived in a period of a few tens of milliseconds to hundreds of milliseconds. As a result, a polarization breakdown of the layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah can be prevented and the layers of piezoelectric material 12aa to 12Ah to be protected.
Eine Versatzvergrößerungskammer 3 als eine Fluidkammer und ein Kolben mit kleinem Durchmesser 4 sind koaxial unter dem Kolben mit großem Durchmesser 2 angeordnet, wie es in 1 dargestellt ist. Der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 treibt ein Ventilteil 51 eines Dreiwegeventils 5 an. Der Kolben mit großem Durchmesser 2 und der Kolben mit kleinem Durchmesser sind gleitfähig in einem zylindrischen Teil 66 mit zwei unterschiedlichen inneren Durchmessern entsprechend den äußeren Durchmessern des Kolbens mit großem Durchmesser 2 und des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 angeordnet. Die Versatzvergrößerungskammer 3 ist geformt, indem der Kraftstoff als Betriebsfluid in einen Freiraum eingefüllt wird, der zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 2 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 4 vorgesehen ist. Die Versatzvergrößerungskammer 3 wandelt den Versatz des Piezostapels 12 in den Hydraulikdruck um. Genauer vergrößert die Versatzvergrößerungskammer 3 den Versatz unter Verwendung eines Durchmesserunterschieds zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 2 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 4 und überträgt den Versatz auf den Kolben mit dem kleinen Durchmesser 4.An offset magnification chamber 3 as a fluid chamber and a small diameter piston 4 are coaxial under the large diameter piston 2 arranged as it is in 1 is shown. The piston with a small diameter 4 drives a valve part 51 a three-way valve 5 at. The piston with a large diameter 2 and the small diameter piston are slidable in a cylindrical part 66 with two different inner diameters corresponding to the outer diameters of the large diameter piston 2 and the small diameter piston 4 arranged. The offset magnification chamber 3 is formed by the fuel is filled as operating fluid in a free space, which is between the piston of large diameter 2 and the small diameter piston 4 is provided. The offset magnification chamber 3 converts the offset of the piezo stack 12 into the hydraulic pressure. Specifically, the offset magnification chamber increases 3 the offset using a diameter difference between the large diameter piston 2 and the small diameter piston 4 and transfers the offset to the small diameter piston 4 ,
Das Dreiwegeventil 5 verbindet einen Kommunikationsdurchlass 52, der zu einer Gegendruckkammer 71 einer Düsennadel 7 führt, mit einem Hochdruckdurchlass 53 oder einem Niedrigdruckdurchlass 54 wahlweise, um den Druck in der Gegendruckkammer 71 zu erhöhen oder zu verringern. Der Hochdruckdurchlass 53 ist mit dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62 verbunden. Der Niedrigdruckdurchlass 54 ist mit dem Ablaufdurchlass 64 verbunden. Falls der Piezostapel 12 durch die Speisung ausgedehnt wird, wird der Versatz des Piezostapels 12 auf den Kolben mit großem Durchmesser 2 übertragen, und der Versatz wird vergrößert und auf den Kolben mit dem kleinen Durchmesser 4 unter Verwendung des Kraftstoffdrucks in der Versatzvergrößerungskammer 3 vergrößert. Falls der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 und das Ventilteil 51 absinken, wird der Niedrigdruckdurchlass 54 geöffnet und strömt der Kraftstoff in der Gegendruckkammer 71 aus dem Dreiwegeventil 5 in den Ablaufdurchlass 64. Dabei steigt die Düsennadel 7 an und wird Kraftstoff eingespritzt. Falls die Speisung gestoppt wird, um den Piezostapel 12 zusammenzuziehen, steigt der Kolben mit großem Durchmesser 2 an und steigt der Kolben mit kleinem Durchmesser 4 an. Dann steigt das Ventilteil 51 aufgrund des Kraftstoffdrucks in dem Hochdruckdurchlass 53 an, und der Hochdruckkraftstoff strömt in die Gegendruckkammer 71 aus dem Hochdruckkraftstoffdurchlass 62. Auf diese Weise wird die Düsennadel 7 abgesenkt. Somit kann das Starten und Stoppen des Kraftstoffeinspritzens durch Erhöhen oder Absinken lassen der Düsennadel 7 auf der Grundlage des Auseinanderziehens oder Zusammenziehens oder des Versatzes des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 durchgeführt werden.The three-way valve 5 connects a communication passage 52 leading to a back pressure chamber 71 a nozzle needle 7 leads, with a high pressure passage 53 or a low pressure passage 54 optionally, the pressure in the back pressure chamber 71 increase or decrease. The high pressure passage 53 is with the high pressure fuel passage 62 connected. The low pressure passage 54 is with the drain passage 64 connected. If the piezostack 12 is extended by the feed, the offset of the piezo stack 12 on the piston with a large diameter 2 transferred, and the offset is increased and on the piston with the small diameter 4 using the fuel pressure in the offset increasing chamber 3 increased. If the piston has a small diameter 4 and the valve part 51 fall, the low pressure passage 54 opened and flows the fuel in the back pressure chamber 71 from the three-way valve 5 in the drain passage 64 , The nozzle needle rises 7 and fuel is injected. If the power supply is stopped, around the piezo stack 12 contract, the large diameter piston rises 2 and increases the piston with a small diameter 4 at. Then the valve part rises 51 due to the fuel pressure in the high pressure passage 53 and the high pressure fuel flows into the back pressure chamber 71 from the high pressure fuel passage 62 , In this way, the nozzle needle 7 lowered. Thus, starting and stopping fuel injection can be achieved by raising or lowering the nozzle needle 7 based on the extraction or contraction or offset of the piezoelectric actuator 1 be performed.
Ein Absperrventil (Rückschlagventil, Sperrventil, check valve) 21 ist mit dem unteren Ende des Kolbens mit großem Durchmesser 2 integriert. Das Absperrventil 21 weist einen plattenförmigen Ventilkörper und eine Tellerfeder auf. Der Ventilkörper des Absperrventils 21 ist in einem Absperrventilhalter angeordnet, der an dem äußeren Rand des unteren Endes des Kolbens mit großem Durchmesser 2 befestigt ist. Ein Abschnitt des Absperrventilhalters ist in eine Konkavform geformt. Die Tellerfeder des Absperrventils 21 spannt den Ventilkörper zu den Kolben mit großem Durchmesser 2 hin vor. Der Ventilkörper öffnet oder schließt einen Durchlass, der innerhalb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 geformt ist und mit dem Ablaufdurchlass 64 verbunden ist. Eine Durchgangsöffnung ist an der Mitte des Absperrventilhalters geformt, um das innere mit dem äußeren zu verbinden. Falls der Druck in der Versatzvergrößerungskammer 3 durch den Kraftstoffauslauf und dergleichen verringert wird, öffnet der Ventilkörper, so dass der Kraftstoff in die Versatzvergrößerungskammer 3 aus dem Ablaufdurchlass 64 durch den Durchlass innerhalb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 wieder aufgefüllt wird. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Blasen und dergleichen in der Versatzvergrößerungskammer 3 verhindert werden.One shut-off valve (check valve, check valve) 21 is with the lower end of the large diameter piston 2 integrated. The shut-off valve 21 has a plate-shaped valve body and a plate spring. The valve body of the shut-off valve 21 is disposed in a check valve holder which is located at the outer edge of the lower end of the large diameter piston 2 is attached. A portion of the check valve holder is formed into a concave shape. The diaphragm spring of the shut-off valve 21 biases the valve body to the large diameter pistons 2 out in front. The valve body opens or closes a passage within the large diameter piston 2 is shaped and with the drain passage 64 connected is. A through hole is formed at the center of the check valve holder to connect the inner and outer. If the pressure in the offset increasing chamber 3 is reduced by the fuel spout and the like, the valve body opens, allowing the fuel in the displacement increasing chamber 3 from the outlet passage 64 through the passage within the large diameter piston 2 is replenished. In this way, the generation of bubbles and the like in the offset increasing chamber 3 be prevented.
Ein Anschlag 8 ist in der Versatzvergrößerungskammer 3 zur Begrenzung der Aufwärtsbewegung des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgesehen. Der Anschlag 8 ist aus einem ringförmigen Teil geformt, dessen Zentralöffnung derart geformt ist, dass ein innerer Durchmesser der Öffnung kleiner als der äußere Durchmesser des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 ist. Der Anschlag 8 ist pressgepasst und in der Versatzvergrößerungskammer 3 befestigt. Die Öffnung des Anschlags 8 dient ebenfalls als Dämpfer zum Dämpfen der Vibrationen des Kolbens mit kleinem Durchmesser 4 unter Verwendung der Kraftstoffströmung. Eine obere Endoberfläche des ringförmigen Teils 8 ist an einer Stelle angeordnet, an der eine Störung mit dem Kolben mit großem Durchmesser 2 vermieden werden kann. Somit behindert das ringförmige Teil 8 den Antrieb des Kolbens mit großem Durchmesser 2 nicht.An attack 8th is in the offset magnification chamber 3 for limiting the upward movement of the small diameter piston 4 provided within a predetermined range. The stop 8th is formed of an annular member whose central opening is shaped such that an inner diameter of the opening is smaller than the outer diameter of the small-diameter piston 4 is. The stop 8th is press-fitted and in the offset magnification chamber 3 attached. The opening of the stop 8th Also serves as a damper for damping the vibrations of the small diameter piston 4 using the fuel flow. An upper end surface of the annular part 8th is disposed at a position where interference with the large-diameter piston 2 can be avoided. Thus hinders the annular part 8th the drive of the large diameter piston 2 Not.
In dem piezoelektrischen Betätigungsglied 1 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird das elektrische Widerstandselement 12C, das mit dem Piezostapel 12 elektrisch verbunden ist, zur gleichen Zeit wie der Piezostapel 12 geformt. Daher kann, selbst falls die Temperatur während des Transports, der Speicherung oder des Zusammenbauens in dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Betätigungsglieds oder der Vorrichtung, die das piezoelektrische Betätigungsglied anwendet, geändert wird, die elektrische Ladung des Piezostapels, die durch die Temperaturänderung erzeugt wird, in das elektrische Widerstandselement abgeleitet werden, das elektrisch mit dem Piezostapel verbunden ist. Als Ergebnis kann ein Polarisationsdurchbruch des Piezostapels verhindert werden. Daher kann, selbst wenn ein einzelnes Stück des Piezostapels einer Umgebung ausgesetzt wird, in der die Temperatur sich ändert, das eingebaute elektrische Widerstandselement die Schutzfunktion ausführen.In the piezoelectric actuator 1 with the structure described above is the electrical resistance element 12C that with the piezostack 12 is electrically connected, at the same time as the piezo stack 12 shaped. Therefore, even if the temperature is changed during transportation, storage or assembling in the manufacturing process of the piezoelectric actuator or the device employing the piezoelectric actuator, the electric charge of the piezo stack generated by the temperature change can be introduced into the piezoelectric actuator electrical resistance element are derived, which is electrically connected to the piezo stack. As a result, polarization breakdown of the piezo stack can be prevented. Therefore, even if a single piece of the piezo stack is exposed to an environment in which the temperature changes, the built-in electrical resistance element can perform the protective function.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht der Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C von 0,1 bis 3 MΩ. Falls der Wert des Widerstandswerts niedriger als 0,1 MΩ ist, fließt ein Strom durch das elektrische Widerstandselement 12C, wenn eine Spannung an dem Piezostapel 12 angelegt wird, da der Widerstandswert zu niedrig ist. In diesem Fall gibt es die Möglichkeit, dass keine vorbestimmte Spannung an die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angelegt werden kann. Falls der Widerstandswert höher als 3 MΩ ist, besteht die Möglichkeit, dass die Steuerung der elektrischen Ladung eine lange Zeit benötigt, wenn die an dem Piezostapel 12 angelegte Spannung ausgeschaltet wird. Somit kann die zum Ausdehnen oder Zusammenziehen des Piezostapels 12 erforderliche Spannung an die jeweiligen Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angelegt werden. Dabei kann ein Ansprechen gewährleistet werden, so dass die elektrische Ladung innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer abgeleitet wird, wenn die an den Piezostapel 12 angelegte Spannung ausgeschaltet wird. Die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C, die den Piezostapel 12 bilden, sind elektrisch miteinander parallel verbunden, wie es in 4 dargestellt ist.According to the present embodiment, the resistance value of the electric resistance element is sufficient 12C from 0.1 to 3 MΩ. If the value of the resistance value is lower than 0.1 MΩ, a current flows through the electric resistance element 12C when a voltage on the piezo stack 12 is applied because the resistance value is too low. In this case, there is the possibility that no predetermined voltage is applied to the respective layers of piezoelectric material 12A can be created. If the resistance value is higher than 3 MΩ, there is a possibility that the control of the electric charge takes a long time when that on the piezo stack 12 applied voltage is turned off. Thus, the expansion or contraction of the piezo stack 12 required voltage to the respective layers of piezoelectric material 12A be created. In this case, a response can be ensured, so that the electric charge is discharged within a predetermined period of time, when the to the piezo stack 12 applied voltage is turned off. The layers of piezoelectric material 12A and the electrical resistance element 12C that the piezostack 12 form, are electrically connected in parallel with each other, as in 4 is shown.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C einstückig mit den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 geformt, indem das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie die Schichten aus piezoelektrischen Material 12A und die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 geformt werden. Auf diese Weise werden das elektrische Widerstandselement 12C und die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A miteinander gestapelt. Dementsprechend kann der Raum zum Anbringen des elektrischen Widerstandselements 12C im Vergleich zu der Technik verringert werden, in der das elektrische Widerstandselement in den Speisungsverbinder (das Speisungsanschlusselement) eingegossen wird.According to the present embodiment, the electrical resistance element 12C integral with the layers of piezoelectric material 12A and the inner electrode layers 121 and 122 formed by the electrical resistance element 12C at the same time as the layers of piezoelectric material 12A and the inner electrode layers 121 and 122 be formed. In this way, the electrical resistance element 12C and the layers of piezoelectric material 12A stacked together. Accordingly, the space for mounting the electric resistance element 12C can be reduced in comparison with the technique in which the electrical resistance element is poured into the feeding connector (the feeding terminal member).
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das elektrische Widerstandselement 12C aus dem elektrischen Widerstandsmaterial geformt werden, das Barium-Titanat als Hauptrohmaterial zusätzlich zu dem allgemein bekannten elektrischen Widerstandsmaterial geformt werden. In dem Fall, dass Barium-Titanat als Hauptrohmaterial verwendet wird, bildet das elektrische Widerstandselement 12C eine Keramik mit positiven Temperaturkoeffizienten (eine PTC-Keramik). Die PTC-Keramik weist eine hervorragende PTC-Charakteristik auf. Da die PTC-Keramik ebenfalls durch Sintern geformt wird, kann das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie der Piezostapel 12 geformt werden. Da die PTC-Keramik als elektrisches Widerstandselement 12C verwendet wird, kann die Curie-Temperatur einen weiten Bereich eingestellt werden und kann die Temperatur in einem relativ breiten Bereich erfasst (sensiert) werden. Daher kann die Temperaturkompensation der Ausdehnung oder des Zusammenziehens bzw. des Versatzes des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.According to the present embodiment, the electric resistance element 12C are formed from the electrical resistance material, the barium titanate as the main raw material in addition to the well-known electrical resistance material are formed. In the case of using barium titanate as the main raw material, the electrical resistance element forms 12C a ceramic with positive temperature coefficients (a PTC ceramic). The PTC ceramic has excellent PTC characteristics. Since the PTC ceramic is also formed by sintering, the electrical resistance element 12C at the same time as the piezo stack 12 be formed. Since the PTC ceramic as an electrical resistance element 12C is used, the Curie temperature can be set a wide range and the temperature can be detected (sensed) in a relatively wide range. Therefore, the temperature compensation of the expansion or contraction or displacement of the piezoelectric actuator 1 be performed with high accuracy.
Weiterhin steigt der Widerstandswert des Widerstandselements 12C, der die PTC-Keramik verwendet, mit ansteigender Temperatur an. Daher kann die Wärmeerzeugung durch das elektrische Widerstandselement verringert werden, so dass der thermische Einfluss auf das Betätigungsglied auf ein geringes Mal verringert werden kann.Furthermore, the resistance of the resistance element increases 12C using the PTC ceramic, with increasing temperature. Therefore, the heat generation by the electrical resistance element can be reduced, so that the thermal influence on the actuator can be reduced to a small extent.
Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment
Nachstehen ist ein piezoelektrische Betätigungsglied 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C an einer Position angeordnet, die von der Speisungsschaltung zum Speisen des Piezostapels 12 von außerhalb entfernt ist.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a second embodiment with reference to 5 and 6 described. According to the second embodiment, the electrical resistance element 12C arranged at a position that the power supply circuit for feeding the piezo stack 12 from outside.
Wie es in 5 gezeigt ist, wird das elektrische Widerstandselement 12C zur gleichen Zeit wie die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A geformt, so dass das elektrische Widerstandselement 12C an einer Seite der Schicht aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet wird, die entgegengesetzt zu den Wurzeln (Anschlüssen) der Leitungsdrähte 16a und 16b liegt. Wie es in 6 gezeigt ist, sind die Leitungsdrähte 16a und 16b des piezoelektrischen Betätigungsglied 1 mit einer Energieversorgungsschaltung (nachstehend als Antriebsschaltung bezeichnet) 80 zur Zufuhr der Leistung bzw. Energie zu dem Piezostapel 12 und einer Steuerungsschaltung (die nachstehend als elektronische Steuerungseinheit, ECU, bezeichnet ist) 90 zur Steuerung des Startens und des Stoppens der Speisung (Versorgung mit Energie) des Piezostapels 12 verbunden. Die Antriebsschaltung 80 und die ECU 90 bilden eine Speisungsschaltung zum Speisen des Piezostapels 12.As it is in 5 is shown, the electrical resistance element 12C at the same time as the layers of piezoelectric material 12A shaped so that the electrical resistance element 12C on one side of the layer of piezoelectric material 12A is arranged opposite to the roots (terminals) of the lead wires 16a and 16b lies. As it is in 6 is shown are the lead wires 16a and 16b the piezoelectric actuator 1 with a power supply circuit (hereinafter referred to as a drive circuit) 80 to supply the power or Energy to the piezo stack 12 and a control circuit (hereinafter referred to as electronic control unit, ECU) 90 for controlling the starting and stopping of the supply (supply of energy) of the piezo stack 12 connected. The drive circuit 80 and the ECU 90 form a supply circuit for feeding the piezostack 12 ,
Somit kann selbst, falls ein Fehler in der Leitung (der nachstehend als offener Stromkreis bezeichnet ist) durch einen Durchbruch in den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, den inneren Elektrodenschichten 121, 122 und dergleichen verursacht wird, die dem Piezostapel 12 bilden, die elektrische Ladung in den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, die an einer entfernteren Position als im Vergleich zu der Position der Schaltungsunterbrechung angeordnet sind, schnell durch das eingebaute elektrische Widerstandselement 12C verbraucht werden. Daher kann ein Phänomen wie das verhindert werden, dass die Expansion (Ausdehnung) oder die Kontraktion (das Zusammenziehen) des Piezostapels 12 nicht rückgängig gemacht (zurückgezogen, withdrawn) werden kann, selbst falls die Speisungsschaltung wie die Antriebsschaltung 80 ausgeschaltet wird.Thus, even if a fault in the line (hereinafter referred to as an open circuit) may be due to a breakdown in the layers of piezoelectric material 12A , the inner electrode layers 121 . 122 and the like caused to the piezo stack 12 form the electrical charge in the layers of piezoelectric material 12A , which are located at a position farther away from the position of the circuit break, as quickly as possible through the built-in electrical resistance element 12C consumed. Therefore, a phenomenon such as that can be prevented, the expansion (expansion) or the contraction (contraction) of the piezo stack 12 can not be undone (withdrawn, withdrawn), even if the power supply circuit is like the drive circuit 80 is turned off.
Drittes AusführungsbeispielThird embodiment
Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a third embodiment with reference to 7 described.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Widerstandselement 12C in der Mitte des Piezostapels 12 angeordnet, wie es in 7 dargestellt ist. Somit ist das elektrische Widerstandselement 12C in der Mitte der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 selbst dann effektiv erfasst werden, falls der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seiner Ausdehnungsrichtung aufweist.According to the third embodiment, the electrical resistance element 12C in the middle of the piezostack 12 arranged as it is in 7 is shown. Thus, the electrical resistance element 12C in the middle of the direction of extension of the stacked layers including the layers of piezoelectric material 12A arranged. Therefore, the temperature of the piezo stack 12 even then be detected effectively if the piezo stack 12 having a temperature distribution along its extension direction.
Viertes AusführungsbeispielFourth embodiment
Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a fourth embodiment with reference to 8th described.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet, wie es in 8 gezeigt ist. Somit sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 effektiv selbst dann erfasst werden, wenn der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seiner Ausdehnungsrichtung aufweist. In dem Fall, dass die elektrischen Widerstandselemente 12C an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet sind, kann die Fehlersicherheitsredundanz für die Schaltungsunterbrechung verbessert werden.According to the fourth embodiment, the electric resistance elements 12C at both ends of the piezo stack 12 arranged as it is in 8th is shown. Thus, the electrical resistance elements 12C at both ends of the extension direction of the stacked layers including the layers of piezoelectric material 12A arranged. Therefore, the temperature of the piezo stack 12 can be effectively detected even when the piezo stack 12 having a temperature distribution along its extension direction. In the case that the electrical resistance elements 12C at both ends of the piezo stack 12 can be arranged, the error safety redundancy for the circuit interruption can be improved.
Fünftes AusführungsbeispielFifth embodiment
Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a fifth embodiment with reference to 9 described.
Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an der Mitte an beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet, wie es 9 dargestellt ist. Somit sind die elektrischen Widerstandselemente 12C and der Mitte und an beiden Enden der Ausdehnungsrichtung der gestapelten Schichten einschließlich der Schichten aus piezoelektrischem Material 12A angeordnet. Daher kann die Temperatur des Piezostapels 12 effektiv selbst dann erfasst werden, falls der Piezostapel 12 eine Temperaturverteilung entlang seine Ausdehnungsrichtung aufweist.According to the fifth embodiment, the electric resistance elements 12C at the middle at both ends of the piezo stack 12 arranged, like it 9 is shown. Thus, the electrical resistance elements 12C at the center and at both ends of the extension direction of the stacked layers including the layers of piezoelectric material 12A arranged. Therefore, the temperature of the piezo stack 12 can be detected effectively even if the piezostack 12 having a temperature distribution along its extension direction.
In dem Fall, dass die elektrischen Widerstandselement 12C an der Mitte und beiden Enden des Piezostapels 12 angeordnet sind, kann die Fehlersicherheitsredundanz für die Stromkreisunterbrechung (circuit open) verbessert werden. Weiterhin kann eine nicht lineare Verteilung der Temperatur des Piezostapels 12, deren lineare Interpolation schwierig ist, an den drei Punkten interpoliert werden, so dass die Temperaturerfassungsgenauigkeit des Piezostapels 12 verbessert werden kann.In the case that the electrical resistance element 12C at the middle and both ends of the piezo stack 12 can be arranged, the error safety redundancy for the circuit open (circuit open) can be improved. Furthermore, a non-linear distribution of the temperature of the piezo stack 12 whose linear interpolation is difficult to be interpolated at the three points, so that the temperature detection accuracy of the piezo stack 12 can be improved.
Sechstes AusführungsbeispielSixth embodiment
Nachstehen ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a sixth embodiment with reference to 10 described.
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel sind mehrere Schichten der Piezostapel 12, die jeweils die elektrischen Widerstandselemente 12C und die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen, gestapelt, um eine geschichtete Struktur zu bilden. Wie es in 10 gezeigt ist, sind die Piezostapel 12a, 12b, 12c gestapelt, um den Piezostapel 12 insgesamt zu bilden. Das elektrische Widerstandselement 12C ist unterhalb (nachgelagert, downstream) jeder der jeweiligen Piezostapel 12a, 12b und 12c angeordnet. Somit kann die Produktivität in dem Fall verbessert werden, in dem die Anzahl der Vielzahl der Schichten, in denen die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A, die elektrischen Widerstandselemente 12C und die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 abwechselnd gestapelt sind, größer als eine vorbestimmte Zahl ist, so dass die Vielzahl der Schichten beispielsweise nicht gleichzeitig gebildet werden können. Dabei kann, selbst wenn das einzelne Stück des Piezostapels alleine gelassen wird, die Schutzfunktion zuverlässig ausgeführt werden.According to the sixth embodiment, a plurality of layers of the piezo stack 12 , each containing the electrical resistance elements 12C and the layers of piezoelectric material 12A according to the first embodiment, stacked to form a layered structure. As it is in 10 shown are the piezo stacks 12a . 12b . 12c stacked to the piezostack 12 to form a total. The electrical resistance element 12C is below (downstream, downstream) each of the respective piezo stack 12a . 12b and 12c arranged. Thus, the productivity can be improved in the case where the number of the plurality of layers in which the layers of piezoelectric material 12A , the electrical resistance elements 12C and the inner electrode layers 121 and 122 are alternately stacked, is larger than a predetermined number, so that the plurality of layers, for example, can not be formed simultaneously. In this case, even if the single piece of the piezo stack is left alone, the protective function can be performed reliably.
Die jeweiligen Piezostapel 12a, 12b und 12c mit den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den elektrischen Widerstandselement 12C sind als Einheiten geformt, und die Einheiten sind in die Vielzahl der Schichten gestapelt. Daher kann die Erfassungsgenauigkeit der Temperatur des Piezostapels 12 verbessert werden, indem die Änderung der Widerstandswerte der elektrischen Widerstandselemente 12C der Piezostapel 12a, 12b und 12c jeweils erfasst wird.The respective piezostacks 12a . 12b and 12c with the layers of piezoelectric material 12A and the electrical resistance element 12C are formed as units, and the units are stacked in the plurality of layers. Therefore, the detection accuracy of the temperature of the piezo stack 12 be improved by changing the resistance values of the electrical resistance elements 12C the piezo stack 12a . 12b and 12c each recorded.
Da die Einheiten 12a, 12b und 12c in mehreren Schichten gestapelt sind, kann die Produktivität in den Fällen verbessert werden, in denen die Piezostapel unterschiedlicher Spezifikationen mit unterschiedlichen Stapellängen geformt werden. Weiterhin kann, selbst falls jede der Einheiten 12a, 12b und 12c in Form eines einzelnen Stücks während des Herstellungsprozesses alleine gelassen wird, der Polarisationsdurchbruch aufgrund der Temperaturänderung in der Umgebung verhindert werden, der die Einheit 12a, 12b und 12c ausgesetzt werden, da die elektrischen Widerstandselemente 12C mit den Einheiten 12a, 12b und 12c jeweils kombiniert sind.Because the units 12a . 12b and 12c stacked in multiple layers, productivity can be improved in cases where piezostacks of different specifications are formed with different stack lengths. Furthermore, even if any of the units 12a . 12b and 12c is left alone in the form of a single piece during the manufacturing process, which prevents polarization breakdown due to the temperature change in the environment affecting the unit 12a . 12b and 12c be exposed because the electrical resistance elements 12C with the units 12a . 12b and 12c each combined.
Siebtes AusführungsbeispielSeventh embodiment
Nachstehend ist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.Below is a piezoelectric actuator 1 according to a seventh embodiment with reference to 11 described.
Gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Widerstandselemente 12C an den Mitten der Piezostapel 12a, 12b und 12c jeweils anstelle an den abwärts gelegenen Enden der Piezostapel 12a, 12b und 12c wie gemäß im sechsten Ausführungsbeispiel angeordnet. Somit kann die Schutzfunktion zuverlässig durch die in den Mitten der Einheiten 12a, 12b und 12c jeweils angeordneten elektrischen Widerstandselement 12C wie gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel ausgeführt werden, selbst falls das einzelne Stück eines der Piezostapel 12a, 12b und 12c frei belassen wird.According to the seventh embodiment, the electric resistance elements 12C at the middle of the piezostackel 12a . 12b and 12c each instead of at the downstream ends of the piezo stack 12a . 12b and 12c as arranged according to the sixth embodiment. Thus, the protective function can be reliably controlled by those in the centers of the units 12a . 12b and 12c respectively arranged electrical resistance element 12C as stated in the sixth embodiment, even if the single piece is one of the piezo stack 12a . 12b and 12c is left free.
Modifikationenmodifications
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C einstückig gestapelt und kalziniert, und werden gleichzeitig geformt. Alternativ dazu können die Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und das elektrische Widerstandselement 12C getrennt kalziniert werden und dann gestapelt werden. Durch beide Verfahren kann das elektrische Widerstandselement 12C einstückig den Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und den inneren Elektrodenschichten 121 und 122 einstückig gestapelt werden. Daher kann der Raum zum Anordnen des elektrischen Widerstandselements 12C verringert werden.According to the embodiments described above, the layers are of piezoelectric material 12A and the electrical resistance element 12C are stacked in one piece and calcined, and are molded simultaneously. Alternatively, the layers of piezoelectric material 12A and the electrical resistance element 12C be calcined separately and then stacked. By both methods, the electrical resistance element 12C integral with the layers of piezoelectric material 12A and the inner electrode layers 121 and 122 be stacked in one piece. Therefore, the space for arranging the electric resistance element 12C be reduced.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die PTC-Keramik, die in der Lage ist, die Temperatur des Piezostapels 12 zu erfassen, als elektrisches Widerstandselement 12C verwendet. Falls der elektrische Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C eine Temperaturcharakteristik aufweist, kann das elektrische Widerstandselement 12C die Temperatur des Piezostapels 12 erfassen.According to the embodiments described above, the PTC ceramic that is capable of the temperature of the piezo stack 12 to capture, as an electrical resistance element 12C used. If the electrical resistance of the electrical resistance element 12C has a temperature characteristic, the electrical resistance element 12C the temperature of the piezo stack 12 to capture.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde das piezoelektrische Betätigungsglied 1 in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet. Die externe ECU 90 überwacht den elektrischen Widerstandswert des elektrischen Widerstandselements 12C, das den Piezostapel 12 mit aufbaut, kontinuierlich oder regelmäßig. Die ECU 90 erfasst die Temperatur des Piezostapels 12 auf der Grundlage des elektrischen Widerstandswerts. Als Ergebnis kann die ECU 90 die Temperaturkompensation der Kraftstoffeinspritzvorrichtung durch Steuerung der Spannung, der Ladungsenergie des Piezostapels 12 und der Speisungszeitdauer entsprechend der erfassten Temperatur durchführen. Weiterhin ist die Speisungszeitdauer (Speisungsperiode) entsprechend der Einspritzzeitdauer zur Zufuhr des Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine kürzer als die Speisungszeitdauer für das Verstreuen der elektrischen Ladung, die von einigen Zehnmillisekunden bis Hundertmillisekunden reicht. Daher wird im normalen Betrieb das elektrische Widerstandselement 12C nicht durch die Speisung betätigt, die durch die von der ECU 90 angesteuerten Antriebsschaltung 80 durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu arbeitet das elektrische Widerstandselement 12C und führt die Schutzfunktion aus, falls die ungewollte Ladung die piezoelektrischen Betätigungsglied 1 beispielsweise beaufschlagt wird, wenn die Temperatur in der Umgebung sich ändert, der das Piezoelektrische Betätigungsglied 1 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ausgesetzt ist.According to the above-described embodiments, the piezoelectric actuator has become 1 used in the fuel injection device. The external ECU 90 monitors the electrical resistance of the electrical resistance element 12C that the piezostack 12 with built up, continuously or regularly. The ECU 90 detects the temperature of the piezo stack 12 based on the electrical resistance value. As a result, the ECU 90 the temperature compensation of the fuel injection device by controlling the voltage, the charge energy of the piezo stack 12 and the feed time corresponding to the detected temperature. Further, the feeding period (feeding period) corresponding to the injection period for supplying the fuel to the internal combustion engine is shorter than the feeding period for the scattering of the electric charge ranging from several tens of milliseconds to hundreds of milliseconds. Therefore, in normal operation, the electrical resistance element 12C not actuated by the power supplied by the ECU 90 controlled drive circuit 80 is carried out. In contrast, the electrical resistance element works 12C and performs the protective function if the unwanted charge is the piezoelectric actuator 1 is acted upon, for example, when the temperature changes in the environment, the piezoelectric actuator 1 and the fuel injector is exposed.
Weiterhin wird in dem Fall, dass das elektrische Widerstandselement 12C aus der PTC-Keramik geformt ist, der Piezostapel 12 mit geringer Spannung gespeist und wird unter Verwendung der PTC-Charakteristik der PTC-Keramik erhitzt, während die Temperatur der Brennkraftmaschine niedrig ist. Als Ergebnis kann der Effekt erreicht werden, dass das Piezoelektrische Betätigungsglied 1 sich schnell erhitzt und dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtung betrieben werden kann, nachdem die Temperatur des piezoelektrischen Betätigungsglieds 1 einen stabilen Betriebsbereich erreicht hat.Furthermore, in the case where the electrical resistance element 12C is formed from the PTC ceramic, the piezo stack 12 powered with low voltage and is heated using the PTC characteristic of the PTC ceramic, while the temperature of the internal combustion engine is low. As a result, the effect can be achieved that the piezoelectric actuator 1 heats up quickly and that the fuel injector can be operated after the temperature of the piezoelectric actuator 1 has reached a stable operating range.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Dreiwegeventil durch die Erhöhung und Verringerung in der Versatzvergrößerungskammer als die Fluidkammer durch den Kolben mit kleinem Durchmesser angetrieben. Alternativ dazu kann die Düsennadel durch die Erhöhung und Verringerung des Hydraulikdrucks ohne Verwendung des Dreiwegeventils angetrieben werden. Alternativ kann die Düsennadel durch ein Zweiwegeventil anstelle durch das Dreiwegeventil geöffnet oder geschlossen werden.According to the above-described embodiments, the three-way valve is driven by the increase and decrease in the displacement increasing chamber as the fluid chamber by the small-diameter piston. Alternatively, the nozzle needle may be driven by increasing and decreasing the hydraulic pressure without using the three-way valve. Alternatively, the nozzle needle may be opened or closed by a two-way valve instead of the three-way valve.
Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern kann in vielerlei Weise ohne Abweichen von der erfinderischen Idee gesetzt werden.The invention is not limited to the disclosed embodiments but can be set in many ways without departing from the inventive idea.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist ein piezoelektrisches Betätigungsglied 1 einen Piezostapel 12 auf, in dem Schichten aus piezoelektrischem Material 12A und innere Elektrodenschichten 121, 122 abwechselnd gestapelt sind. Weiterhin weist das piezoelektrische Betätigungsglied 1 ein zylindrisches Behälterteil 11 zur Unterbringung des Piezostapels 12 derart auf, dass der Piezostapel 12 sich ausdehnen und zusammenziehen kann, und weist ein elektrisches Widerstandselement 12C auf, das elektrisch mit dem Piezostapel 12 verbunden ist. Das elektrische Widerstandselement 12C ist in dem zylindrischen Behälterteil 11 eingebaut. Elektrische Ladung des Piezostapels 12, die durch eine Temperaturänderung erzeugt wird, wird in das elektrische Widerstandselement 12C abgeleitet. Somit kann, selbst falls ein einzelnes Stück des Piezostapels 12 einer Umgebung ausgesetzt wird, in der sich die Temperatur ändert, der Piezostapel 12 durch das elektrische Widerstandselement 12C geschützt werden.As described above, a piezoelectric actuator has 1 a piezo stack 12 in which layers of piezoelectric material 12A and inner electrode layers 121 . 122 are stacked alternately. Furthermore, the piezoelectric actuator 1 a cylindrical container part 11 for accommodating the piezo stack 12 such that the piezo stack 12 can expand and contract, and has an electrical resistance element 12C on, the electric with the piezo stack 12 connected is. The electrical resistance element 12C is in the cylindrical container part 11 built-in. Electric charge of the piezo stack 12 , which is generated by a temperature change, is in the electrical resistance element 12C derived. Thus, even if a single piece of the piezostack 12 is exposed to an environment in which the temperature changes, the piezo stack 12 through the electrical resistance element 12C to be protected.
