JP2010506412A - 被覆された圧電アクチュエータを有するアクチュエータモジュール - Google Patents

Abstract

本発明で提案されるのは、圧電アクチュエータ（２１；４１）を有するアクチュエータモジュール（２０；４０）であり、このアクチュエータモジュールは、例えば内燃機関において燃料を調量する圧電インジェクタ用のアクチュエータモジュールである。圧電アクチュエータ（２１；４１）は、アクチュエータヘッド（２２；４２）とアクチュエータベース（２３；４３）との間に上下に重なった圧電素子（２４；４４）を有しており、圧電素子（２４；４４）を包囲するエラストマ層（２５；４５）が設けられている。エラストマ層（２５；４５）は、圧電インジェクタによって調量すべき燃料を拡散させない材料からなる波状蛇腹（２６）またはテレスコープ状管（４６，４７）によって包囲されており、波状蛇腹（２６）またはテレスコープ状管（４６，４７）は、その周囲に複数の溝を有し、これらの溝によって上記のエラストマ層（２５；４５）または圧電アクチュエータ（２１；４１）の伸張を吸収することができる。

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、被覆部を有する圧電アクチュエータを備えたアクチュエータモジュールに関し、ここでこのアクチュエータモジュールは、例えば、内燃機関において精確な時点および精確な量で燃料を調量するために圧電インジェクタに使用することができる。

このような圧電インジェクタは実質的に保持体と、この保持体に配置された圧電アクチュエータとからなり、この圧電アクチュエータは、アクチュエータヘッドとアクチュエータベースとの間に配置されかつ上下に積層された複数の圧電素子を有する。これらの圧電素子はそれぞれ、内部電極に囲まれた圧電層から構成される。これらの圧電素子は、圧電層に有利な結晶構造を有する材料（圧電セラミック）を使用してつぎのように構成される。すなわち、上記の内部電極に外部電圧を加えた場合に圧電素子の機械的なリアクションが発生し、このリアクションが結晶構造および電圧の印加領域に依存して所定の方向への圧縮力または引張力になるように構成されるのである。圧電インジェクタにおいて圧電アクチュエータはノズルニードルに接続されているため、上記の圧電素子に電圧を加えることによってノズルが開くのである。

ディーゼル圧電インジェクタではいわゆる直接のノズルニードル制御の際に圧電アクチュエータが高圧のディーゼル燃料において直接駆動される。圧電素子を保護するため、例えばその電気絶縁性について圧電素子を保護するために公知であるのは、ディーゼルに対して耐性のあるエラストマによって圧電アクチュエータを被覆することである。この点について不利であるのは，これに使用されるエラストマが、ディーゼル燃料、水ならびに燃料内の他の媒体の拡散に対して耐性がないことである。

DE 101 39 871 A1からは、ハイドロリック圧力変換器を介して弁素子に作用するアクチュエータモジュールを有する圧電インジェクタが公知であり、ここでは圧電アクチュエータの圧電素子は、波状蛇腹（Wellbalg）を有するカプセルに配置されている。

本発明の開示内容
本発明は、冒頭に述べた形式の圧電アクチュエータを有するアクチュエータモジュールを出発点としており、ここでこの圧電アクチュエータは、アクチュエータヘッドとアクチュエータベースとの間に配置された圧電素子と、少なくともこれらの圧電素子を包囲しかつ流体を通さない圧電アクチュエータの被覆部とを有する。本発明では、エラストマ層にわたって配置される被覆部は、有利には少なくとも部分領域において、波によって形成される溝（Rille）またはテレスコープ状管（Teleskoprohr）を有しており、これらの溝またはテレスコープ状管を用い、また上記の被覆部の周囲におけるこれらの配置構成により、圧電アクチュエータおよび／またはエラストマ層の半径方向および／または軸方向の伸張運動の影響を吸収することができる。

拡散を通さないために必要な、圧電アクチュエータの上記の被覆部に加えて、アクチュエータモジュールの本発明による上記の発展形態は、殊につぎの点で有利である。すなわち、上記の被覆部の下に設けられるエラストマ層は、加熱時に不可避的に膨張することがあり、上記の被覆部がなければ、発生した内部圧力によって機械的に、例えば裂けによって壊れてしまうことがあるのである。さらに本発明により、上記の被覆部が裂けることなく、上記のエラストマ層の気泡および空所を圧縮することができるのである。

本発明の第１実施形態では、上記のアクチュエータモジュールは、被覆部として波状蛇腹を有しており、ここでこの波状蛇腹は有利にはその周囲に溝を有しており、これらの溝は部分領域が波によって形成されており、またこれらの溝を用い、また被覆部の周囲におけるこれらの溝の配置構成により、圧電アクチュエータおよび／またはエラストマ層の半径方向および／または軸方向の伸びの運動の影響を吸収することができる。従来技術から公知の波状蛇腹は、半径方向に硬直したままであるため、このようなことを達成することはできない。

本発明のアクチュエータモジュールの第２実施形態では、上記の被覆部は、一方が他方の中に案内されるテレスコープ状管によって形成される。これらのテレスコープ状管のうち、有利には少なくとも１つは溝を有しており、この溝は部分領域が波によって形成されており、また上記の被覆部の周囲におけるこれらの溝の配置構成により、圧電アクチュエータおよび／またはエラストマ層の半径方向および／または軸方向の伸びの運動の影響を吸収することができる。

上記の最後に提案した実施形態では、一方が他方に案内されるテレスコープ状管間の中間空間をエラストマによって充填することができ、これによって有利にも、周囲にある流体の拡散区間を延長して、圧電アクチュエータに載置されているエラストマ層に比べて拡散面を小さくすることができる。

ここで凹凸のない平らなテレスコープ状管を被覆部として使用する場合、エラストマで充填されたテレスコープ状管の間で軸方向の伸びの補償が行われる。テレスコープ状管の間の間隙が比較的小さいことによってエラストマは大きくせん断されるが、半径方向の伸びの補償、例えば、熱膨張はほとんど不可能である。したがって本発明のように溝を有利に配置することにより、半径方向の伸びの補償も、軸方向の伸びの補償も共に格段に容易になるのである。

ここで提案した上記の溝は、有利には軸方向に伸びる長手方向溝とすることが可能であり、この場合にこれらの長手方向溝により、被覆部を損傷させる危険性なしに圧電アクチュエータの軸方向の熱膨張が容易になる。また提案した上記の溝は、半径方向に伸びる横方向溝とすることも可能であり、これらの横方向溝より、圧電アクチュエータの半径方向の伸張を吸収することができる。これによってエラストマにおけるせん断応力を低減することができる。しかしながら上記の溝は、単巻きまたは複数巻きならびに右巻きおよび／または左巻きで、圧電アクチュエータの長手方向軸または横方向軸に対してあらかじめ定めた角度で延在する溝として構成することも可能である。また提案した溝のすべての実施形態の組み合わせを配置構成することも可能である。

したがって例えば上記の溝の配向の軸方向成分によって簡単に保証できるのは、熱膨張する際のエラストマ層の内圧を低減できることであり、また上記のアクチュエータモジュールまたは被覆部が損傷されないのである。上記のエラストマ層と被覆部との間に気泡が残りまた空所が残存する場合、上記の長手方向溝は半径方向にたわむことができ、空気を圧縮することができ、同様に残りの被覆部を損傷させることがない。

例えば作製を容易にするため、スクリュー状またはコイル状の溝を設けることができる。それはこのような溝は、ローラ（Rollwerkzeug）によって簡単に作製可能だからである。ねじれ運動を発生しないようにするため、有利には右巻きおよび左巻きのコイル状の溝領域を配置することができる。

上記の溝または溝のさまざまな組み合わせは、例えば上記の被覆部の中央領域または長手方向の延びの少なくとも一方の側方端部の領域に配置することができ、または被覆部全体に配置することもできる。長手方向溝またはコイル状または直角の横方向溝の配置は、周囲部において吸収すべき長手方向または横方向の伸びの要求に応じて、波状蛇腹、テレスコープ状またはその他の被覆部の長手延在方向に分散させることができる。コイル状の周囲溝では長さないしは角度を、例えば０°〜４５°の範囲で変化させて組み合わせることができる。

本発明のアクチュエータモジュールの波状蛇腹またはテレスコープの被覆部は、有利には例えば薄い壁状の鋼などの金属製の材料から作製することができる。上記の波状蛇腹またはテレスコープ状管は、ふつうは同様に鋼製である圧電アクチュエータのアクチュエータヘッドおよび／またはアクチュエータベースに簡単に溶接することができる。

本発明のアクチュエータモジュールの有利な適用は、すでに明細書の冒頭で述べたように圧電アクチュエータが、内燃機関における燃料に対する噴射システム用の圧電インジェクタの構成部材である場合であり、ここで燃料は上記の被覆部の周りを流れる。

本発明を以下、図面に基づいて詳しく説明する。

従来技術によるアクチュエータモジュールを有する圧電インジェクタの長手方向概略断面図である。 伸張可能な被覆部を有するアクチュエータモジュールにおける圧電アクチュエータ被覆部の第１実施例として、波状蛇腹を有する本発明のアクチュエータモジュールを示す概略図である。 半径方向に弾性を有する中央のゾーンに長手方向溝を有する波状蛇腹を備えた図２のアクチュエータモジュールの長手方向断面図である。 図３のアクチュエータモジュールを切断線Ａ−Ａで切った断面図である。 側方領域に長手方向溝を有する波状蛇腹の図である。 コイル状の横方向溝を有する波状蛇腹の図である。 圧電アクチュエータの被覆部の第２実施例としてテレスコープ状管を有する本発明のアクチュエータモジュールの概略図である。 テレスコープ状管の軸方向に弾性を有する側方のゾーンに、波状蛇腹の形態の横方向溝を有するアクチュエータモジュールの図である。 外側のテレスコープ状管の半径方向に弾性を有する側方のゾーンに、長手方向溝を有するアクチュエータモジュールの図である。 図９のアクチュエータモジュールを切断線Ａ−Ａで切った断面図である。 内側のテレスコープ状管も外側のテレスコープ状管も共にほぼ全長の長手方向溝を備えているアクチュエータモジュールの図である。

本発明の実施形態
本発明のアクチュエータモジュールを説明するために図１に示した従来技術の圧電インジェクタ１には実質的に支持体２と、支持体２に配置された圧電アクチュエータ３とが含まれており、この圧電アクチュエータはアクチュエータヘッド４およびアクチュエータベース５を有する。ここではアクチュエータヘッド４とアクチュエータベース５との間に、上下に積層された複数の圧電素子６が設けられており、これらの圧電素子はそれぞれ、圧電セラミックと、これを取り囲む内部電極７および８とから構成される圧電層からなる。

圧電素子６の内部電極７および８は、プラグ部分９を介して外部電極１０および１１へ至る線路に電気的に接触接続されている。ここでは詳しく説明しない別の構成部材を有しいわゆるアクチュエータモジュールをなす圧電アクチュエータ３は、カップラ１２を介してノズルニードル１３に接続されている。内部電極７および８を介して圧電素子６に電圧を加え、またこれによって機械的なリアクションが発生することにより、この明細書の冒頭に述べたようにノズル開口部１４が開かれる。圧電アクチュエータ３を有するアクチュエータモジュールは、図１に示した適用例では圧電インジェクタであり、空間１５において、調量すべき燃料が周囲を流れる。

図２には圧電アクチュエータ２１を有する本発明のアクチュエータモジュール２０が示されている。この圧電アクチュエータは、ここではアクチュエータヘッド２２からアクチュエータベース２３まで圧電素子２４を含めて電気絶縁性のエラストマ層２５によって包囲されている。エラストマ層２５の周りには流体を通さない被覆部として金属製の波状蛇腹２６が設けられている。波状蛇腹２６の両端部はそれぞれ溶接接続部２７によってアクチュエータヘッド２２およびアクチュエータベース２３に接続されている。ここで波状蛇腹２６は、圧電インジェクタの周囲の燃料が拡散しないように圧電素子２４を密閉すると共に、長手方向に大きな力を形成することなく圧電アクチュエータ２１の熱および機械的な長さの膨張の影響を弾性的に吸収するため、また熱またはその他によってエラストマ層２５に発生する体積変化の影響を吸収するために使用される。

圧電インジェクタに使用する際には全面から比較的大きな燃料圧力が波状蛇腹２６に加わり、また波状蛇腹２６はスペース上の理由から比較的薄いため、エラストマ層２５は、圧電アクチュエータ２１と波状蛇腹２６との間の内部空間を完全に埋めるはずである。これによって波状蛇腹２６は、付加的な引張応力または圧縮応力なしに全面からの圧力に曝される。図２では波状蛇腹２６の領域Ｌ₁およびＬ₃が識別され、また中央の領域Ｌ₂があり、これはここでは半径方向の伸張の影響を吸収しようとするものである。

波状蛇腹２６において半径方向の引張応力を形成することなしにエラストマ層２５の熱による半径方向の伸張を格段に容易にするため、図３の実施例では長手方向溝２８を中央の領域に配置する。図３では、図２に示した波状蛇腹２６の半径方向の包囲溝に代わって波状蛇腹２６の側方領域にはスクリュー状またはコイル状の周囲溝２９が半径方向の包囲溝に対して所定のピッチ角で設けられている。圧電素子２４に負荷をかけることなくねじり運動を容易にするため、ここでは長手方向溝２８の両側に、右巻きまたは左巻きのコイル状の周囲溝２９を配置する。

図４には図３に示したアクチュエータモジュール２０の切断線Ａ−Ａにおける断面が示されており、ここでは波状蛇腹２６における長手方向溝２８および圧電アクチュエータ２１を包囲するエラストマ層２５を識別することができる。

図５からは、長手方向溝２８が波状蛇腹２６の中央領域の両側に配置されている本発明の１実施形態を識別することができる。

図６には波状蛇腹２６の両側の側方領域に配置された相異なる右巻きまたは左巻きのコイル状の周囲溝３０が示されており、これらはここでは圧電アクチュエータの長手方向軸に対して所定のピッチ角を有する。図６にはさらに圧電アクチュエータが発生するストロークｘが書き込まれており、このストロークにより、相異なる右巻きまたは左巻きのコイル状の周囲溝３０によって側方領域間のねじりが発生する。ピッチ角および周囲溝３０の数を最適化することにより、上記のねじりを最小化して、ｘ方向（圧電アクチュエータのストローク方向）における剛性を小さく維持することができる。

本発明の第２実施例は図７に圧電アクチュエータ４１を有するアクチュエータモジュール４０によって示されており、このアクチュエータモジュールはここではアクチュエータヘッド４２からアクチュエータベース４３まで圧電素子４４を含めて同様に電気絶縁性のエラストマ層４５によって包囲されている。ここではエラストマ層４５の周りに内側のテレスコープ状管４６と、外側のテレスコープ状管４７とが流体を通さない被覆部として設けられている。内側のテレスコープ状管４６はアクチュエータヘッド４２に、また外側のテレスコープ状管４７はアクチュエータベース４３にそれぞれ溶接接続部４８によって溶接されている。

図７に示した実施例では、テレスコープ状管４６と４７との間の中間空間をエラストマ層４５の上記のエラストマによって満たすことができ、ここでは間隙が比較的狭いことにより、機械的に長手方向の伸張が生じた場合にこのエラストマ領域が大きくせん断される。例えばエラストマ層４５が熱膨張する際の半径方向の膨張補償はまったく不可能であり、２つのテレスコープ状管４６および４７間のせん断伸張だけ可能である。

図８には図７の装置を改善する１実施形態が示されており、ここでは２つのテレスコープ状管４６と４７との間のエラストマ層４５の大きな軸方向の伸張を回避するため、外側のテレスコープ状管４７の周囲にこれを取り囲むように、横方向溝４９を有する領域Ｌ₀が配置される。ここで領域Ｌ₀の長さは、伸張の調整するために都度必要になる状況に適合させることができる。

図９に示した実施形態では、外側のテレスコープ状管４７の領域Ｌ₁において長手方向溝５０が側方領域に設けられており、これら例えばエラストマ層４５の半径方向の熱膨張を殊に良好に補償することができる。図１０からは、外側のテレスコープ状管４７の長手方向溝５０を有する領域において、図９に示したアクチュエータモジュールの切断線Ａ−Ａで切断した断面を識別することができる。

図１１には外側のテレスコープ状管４７の長手方向全長Ｌ₂に長手方向溝５１を有する圧電アクチュエータ４１を備えたアクチュエータモジュール４０が示されており、ここでは内側のテレスコープ状管４６にも、相応する長手方向溝を長さL₃で同じように設けることができる。さらに、ここでは示していない仕方で、図８に示した横方向溝４９と、図１１に示した長手方向溝５１とを組み合わせることが可能である。

Claims (11)

1. アクチュエータヘッド（４）とアクチュエータベース（５）との間に配置された圧電素子（６）を有する圧電アクチュエータ（３）と、
   少なくとも前記の圧電素子（６）を包囲するエラストマ層と、
   流体を通さない前記の圧電アクチュエータ（３）の被覆部とを備えたアクチュエータモジュールにおいて、
   前記の被覆部（２６；４６，４７）は、少なくとも部分領域にて、波によって形成される溝（２８；２９；３０；４９；５０；５１）を有しており、
   当該の溝を用い、前記の被覆部（２６；４６，４７）の周囲における当該溝の配置構成により、前記の圧電アクチュエータ（２１；４１）および／またはエラストマ層（２５；４５）の半径方向および／または軸方向の伸びの運動の影響を吸収することを特徴とする、
   アクチュエータモジュール。
2. 被覆部として波状蛇腹（２６）を有しており、
   当該波状蛇腹（２６）はその周囲に溝（２８；２９；３０）を有しており、当該溝は部分領域が波によって形成されており、
   当該の溝を用い、前記の被覆部の周囲における当該溝の配置構成により、前記の圧電アクチュエータ（２１）および／またはエラストマ層（２５）の半径方向および／または軸方向の伸びの運動の影響を吸収する、
   請求項１に記載のアクチュエータモジュール。
3. アクチュエータヘッド（４）とアクチュエータベース（５）との間に配置された圧電素子（６）を有する圧電アクチュエータ（３）と、
   少なくとも前記の圧電素子（６）を包囲するエラストマ層と、
   流体を通さない前記の圧電アクチュエータ（３）の被覆部とを備えたアクチュエータモジュールにおいて、
   前記の被覆部は、一方が他方に案内されるテレスコープ状管（４６，４７）から構成されており、
   当該のテレスコープ状管のうちの少なくとも１つは周囲に溝（４９；５０；５１）を有しており、当該溝は部分領域が波によって形成されており、
   当該の溝を用い、前記の被覆部の周囲における当該溝の配置構成により、前記の圧電アクチュエータ（４５）および／またはエラストマ層（４５）の半径方向および／または軸方向の伸びの運動の影響を吸収することを特徴とする、
   アクチュエータモジュール。
4. 前記の溝は、軸方向に延在する長手方向溝（２８；５０；５１）である、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。
5. 前記の溝は、半径方向に延在する横方向溝（４９）である、
   請求項１から３までのいずれか１項または請求項４と組み合わせに記載のアクチュエータモジュール。
6. 前記の溝は、単巻きまたは多重巻きならびに右巻きおよび／または左巻きで、圧電アクチュエータ（２１）の長手方向軸または横方向軸に対してあらかじめ定めた角度で延在する溝（２９；３０）として構成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項または請求項４または５との組み合わせに記載のアクチュエータモジュール。
7. 前記の溝は、被覆部（２６；４６，４７）の中央領域に配置されている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。
8. 前記の溝は、被覆部（２６；４６，４７）の長手方向の延びの少なくとも一方の側方端部に形成されている、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。
9. 前記の被覆部（２６；４６，４７）は、金属、例えば薄い壁状の鋼から作製される、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。
10. 前記の被覆部（２６；４６，４７）は、圧電アクチュエータ（２１；４１）の金属製のアクチュエータヘッド（２２；４２）および／または金属製のアクチュエータベース（２３；４３）に溶接されている、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。
11. 前記の圧電アクチュエータ（２１；４１）は、内燃機関の燃料に対する噴射システム用の圧電インジェクタ（１）の構成部材であり、
    前記の燃料は被覆部（２６；４６，４７）の周囲を流れる、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載のアクチュエータモジュール。

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