DE10164171A1

DE10164171A1 - Piezoelektrischer Aktuator mit von piezoelektrischer Einrichtung getrenntem Isolierelement

Info

Publication number: DE10164171A1
Application number: DE10164171A
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Kawazoe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2002-07-25
Also published as: US6731048B2; JP2002203997A; US20020084723A1

Abstract

In einem piezoelektrischen Aktuator (1), der eine in Schichten aufgebaute piezoelektrische Einrichtung (10) mit einer Vielzahl von aufeinander geschichteten piezoelektrischen Schichten verwendet, ist außen von der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung (10) ein Metallgehäuse (2) vorgesehen. Zwischen der piezoelektrischen Einrichtung (10) und dem Gehäuse (2) befindet sich ein Isolierelement (4), das aus einem von der piezoelektrischen Einrichtung (10) getrennten Stück hergestellt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Aktuator, der eine piezoelekrische Einrichtung verwendet.

Für piezoelektrische Aktuatoren wurden bislang verschiedene Konstruktionen vorgeschlagen. Zum Beispiel ist der in der Japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 7-335952 offenbarte piezoelektrische Aktuator mit einer piezoelektrischen Einrichtung versehen, deren Umfang mit einem äußeren dichten Film (einer Harzform) gleichmäßiger Dicke beschichtet ist.

Des weiteren hat der in der Japanischen Auslegeschrift (Kokoku) Nr. 6-28832 offenbarte piezoelektrische Aktuator einen abgedichteten Aufbau, bei dem an einer Seitenfläche einer piezoelektrischen Einrichtung ein auseinander ziehbares Gehäuse angeordnet ist.

Darüber hinaus offenbart die Japanischen Offenlegungs schrift Nr. 2-250678 einen piezoelektrischen Aktuator, bei dem der Zwischenraum zwischen einer piezoelektrischen Einrichtung und einem Gehäuse hermetisch mit einem Silikonöl gefüllt ist.

Es ist nach wie vor schwierig, herkömmliche piezo elektrische Aktuatoren in Vorrichtungen einzusetzen, an die im Einsatz hohe Anforderungen gestellt werden, etwa in einer Einspritzdüse (Kraftstoffeinspritzsystem) für beispielsweise einen Verbrennungsmotor eines Motor fahrzeugs. So muss der Aktuator in einer Einspritzdüse zum Beispiel klein und schnell ansprechend sein.

Um für eine elektrische Isolierung zwischen der piezo elektrischen Einrichtung und dem Gehäuse zu sorgen, muss zwischen diesen ein bestimmter Isolationsabstand eingehalten werden. Mit Hinblick auf eine Miniaturisie rung (Verkleinerung des Durchmessers) trägt das Einbringen eines Harzes usw. stärker zur Miniaturisierung bei, als wenn nur für den Isolationsabstand gesorgt wird.

Wenn die elektrische Isolierung durch die angesprochene Harzform erfolgt, verhindert diese das Auseinander- und Zusammenziehen der piezoelektrischen Einrichtung, was zu einer Verringerung der von der piezoelektrischen Einrichtung aufzubringenden Kraft führt. Zudem kann die Harzform durch den wiederholten Auseinanderzieh- und Zusammenziehvorgang reißen, sodass es zu einer Verschlechterung der elektrischen Isolierung kommen kann. Die Risswahrscheinlichkeit nimmt in einer Einspritzdüse, die ein schnelles Ansprechverhalten erfordert, besonders stark zu.

Die Erfindung zielt angesichts des Stands der Technik darauf ab, einen piezoelektrischen Aktuator zur Verfügung zu stellen, der sich leicht miniaturisieren lässt und der eine starke elektrische Isolierung aufzeigt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden bei einem piezoelektrischen Aktuator, der eine in Schichten aufgebaute piezoelektrische Einrichtung mit abwechselnd aufgeschichteten piezoelektrischen Schichten und Elektrodenschichten verwendet, Vorkehrungen für ein Metallgehäuse, das sich außen von der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung befindet, und für ein von der piezoelektrischen Einrichtung getrenntes Isolier element getroffen, das sich zwischen der piezo elektrischen Einrichtung und dem Gehäuse befindet.

Es werden nun die Funktionsweise und die Wirkung der Erfindung erläutert.

Bei der Erfindung befindet sich das Isolierelement zwischen der piezoelektrischen Einrichtung und dem Gehäuse. Das Isolierelement besteht aus einem von der piezoelektrischen Einrichtung getrennten Stück. Wenn es zu dem Auseinanderziehen und Zusammenziehen der piezo elektrischen Einrichtung kommt, werden daher die Bewegungen durch das Isolierelement kaum eingeschränkt. Folglich wird auch die durch die piezoelektrische Einrichtung erzeugte Kraft durch das Isolierelement kaum verringert.

Außerdem kommt es, anders als bei der Harzform, zu keinem Reißen des Isolierelements infolge der durch die Auseinanderzieh- und Zusammenziehbewegungen der piezo elektrischen Einrichtung verursachten Auseinanderzieh- und Zusammenziehbewegungen des Isolierelements. Infolge dessen lässt sich bezogen auf das Isolierelement ein hohes elektrisches Isoliervermögen aufrecht erhalten. Durch die Anwesenheit des Isolierelements kann verglichen mit dem Fall, dass das Isolierelement fehlt, der Abstand zwischen dem Metallgehäuse und der piezoelektrischen Einrichtung verringert werden. Der piezoelektrische Aktuator lässt sich daher miniaturisieren.

Erfindungsgemäß wird demnach ein piezoelektrischer Aktuator mit hohem elektrischen Isoliervermögen erzielt, der sich leicht miniaturisieren lässt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist der, dass das Isolierelement vorzugsweise eine aus Harz oder Papier hergestellte zylinderförmige Hülse sein sollte. Da das Isolierelement in Form einer Hülse vorliegt, kann das Isolierelement in diesem Fall einfach durch Einschieben der piezoelektrischen Einrichtung in die Hülse angeordnet werden, sodass sich der piezoelektrische Aktuator leicht zusammenbauen lässt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Isolierelement in Form einer um die piezoelektrische Einrichtung herum gewickelten Harz- oder Papierlage vorliegen. Das Isolierelement wird also in diesem Fall beim Zusammenbau gewickelt, sodass sich für das Isolier element leicht eine optimale Form erzielen lässt, die der Querschnittsform, Größe usw. der piezoelektrischen Einrichtung entspricht.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorzuziehen, dass zumindest die sich überlappenden Abschnitte des gewickelten Lagenmaterials aneinander haften. Und zwar wird das Lagenelement vorzugsweise mit einer Klebeschicht beschichtet oder vorzugsweise aus einem selbstklebenden Harz hergestellt, sodass die sich überlappenden Abschnitte aneinander haften. Bei dieser Alternative kommt es in dem Gehäuse zu keiner Verschiebung der sich überlappenden Abschnitte des Isolierelements, sodass sich eine stabile Anordnung ergibt.

Dabei ist zu beachten, dass die mit Klebemittel beschichtete Lage beim Herumwickeln um die piezo elektrische Einrichtung an der piezoelektrischen Einrichtung anhaften kann. In diesem Fall ist das Anhaften solange akzeptabel, wie sich die piezo elektrische Einrichtung auseinanderziehen und zusammen ziehen kann. Das Anhaften trägt sogar zu einer stabilen Anordnung des Isolierelements bei.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorzuziehen, dass die maximale Dicke des Isolierelements nicht mehr als 0,3 mm beträgt. In diesem Fall kann das Wärmeabstrahlvermögen des Isolierelements gesteigert werden.

Die Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 veranschaulichend den Aufbau eines piezo elektrischen Aktuators gemäß Ausführungsbeispiel 1;

Fig. 2 im Querschnitt den piezoelektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 1 (Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1);

Fig. 3 in Perspektivansicht eine piezoelektrische Einrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1;

Fig. 4(a) und Fig. 4(b) in Draufsicht jeweils eine piezo elektrische Schicht mit einer inneren Elektrodenschicht und Fig. 4(c) in Perspektivansicht den Schichtaufbau aus piezoelektrischen Schichten und inneren Elektroden schichten bei Ausführungsbeispiel 1;

Fig. 5 in Querschnittansicht einen piezoelektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 2;

Fig. 6 in Querschnittansicht einen piezoelektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 3;

Fig. 7 in Querschnittansicht einen piezoelektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 4;

Fig. 8 in Querschnittansicht einen weiteren piezo elektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 4;

Fig. 9 veranschaulichend den Aufbau einer Einspritzdüse gemäß Ausführungsbeispiel 5;

Fig. 10 in Querschnittansicht einen piezoelektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 6;

Fig. 11 in Querschnittansicht einen weiteren piezo elektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 4; und

Fig. 12 in Querschnittansicht einen weiteren piezo elektrischen Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 4.

Ausführungsbeispiel 1

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird ein piezo elektrischer Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, setzt sich der piezoelektrische Aktuator 1 bei diesem Ausführungs beispiel aus einer in Schichten aufgebauten piezo elektrischen Einrichtung 10 mit einer Vielzahl von aufeinander geschichteten piezoelektrischen Schichten zusammen.

Außen von der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung 10 befindet sich ein Metallgehäuse 2. Zwischen der piezoelektrischen Einrichtung 10 und dem Gehäuse 2 ist ein Isolierelement 4 angeordnet, das aus einem von der piezoelektrischen Einrichtung 10 getrennten Stück hergestellt ist.

Das Ausführungsbeispiel wird im Folgenden ausführlicher erläutert.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, weist die piezoelektrische Einrichtung 10 innere Elektroden schichten 21, 22 auf, die zwischen den piezoelektrischen Schichten 11 angeordnet sind, sodass sie abwechselnd positive und negative Elektroden bilden. Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, liegen die einen inneren Elektrodenschichten 21 zu einer Seitenfläche 101 und die anderen inneren Elektrodenschichten 22 zu der anderen Seitenfläche 102 frei. An den Seitenflächen 101 und 102 der piezoelektrischen Einrichtung befinden sich Seiten elektroden 31, 32 aus gebranntem Silber, die die frei liegenden Enden der inneren Elektrodenschichten 21 bzw. 22 elektrisch verbinden. Das gebrannte Silber, aus denen die Seitenelektroden 31 und 32 bestehen, wird durch Aushärten einer Ag-Paste aus Ag (97%) und einem Glas frittenbestandteil (3%) hergestellt.

Mit den Seitenelektroden 31 und 32 sind durch ein leitendes Klebemittel, das aus 80% Ag und 20% Epoxidharz besteht, äußere Elektroden 34 verbunden (in Fig. 1 gezeigt).

Bei der in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Einrichtung 10 werden der in Aufschichtungsrichtung mittlere Abschnitt als Antriebsabschnitt 111, die Abschnitte, die von beiden Seiten den Antriebsabschnitt bedecken, als Pufferabschnitte 112 und die Abschnitte, die von beiden Seiten die Pufferabschnitte 112 bedecken, als Blindabschnitte 113 bezeichnet.

Es werden nun ein Verfahren zur Herstellung der piezo elektrischen Einrichtung 10 und ihr genauer Aufbau erläutert.

Die piezoelektrische Einrichtung 10 dieses Ausführungs beispiels kann durch ein weithin verwendetes Grünlagen verfahren hergestellt werden. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Pulver der Hauptbestandteile des piezoelektrischen Materials, wie etwa Bleimonoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Strontiumcarbonat usw., abgemessen, um die gewünschte Zusammensetzung der Grünlage zu erzielen. In der Praxis werden unter Berücksichtigung der Bleiabdampfung die Bestandteile in einem gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis um 1-2% angereicherten Verhältnis gemischt. Die Komponenten werden mit einen Mischer trocken gemischt und kurzzeitig bei 800-950°C gebrannt.

Danach wird das kurzzeitig gebrannte Pulver unter Zugabe reinen Wassers und eines Dispergiermittels in eine Schlämme umgewandelt. Die Schlämme wird durch eine Umwerfmühle nass pulverisiert, getrocknet, entfettet und durch eine Kugelmühle mit einem Lösungsmittel, Binde mittel, Weichmacher, Dispergiermittel usw. gemischt. Danach wird die Schlämme innerhalb einer Vakuum vorrichtung von einem Rührer gerührt, sodass sie vakuum entschäumt und die Viskosität eingestellt werden kann.

Die Schlämme wird mit Hilfe einer Abziehklingen vorrichtung in eine Grünlage gleichmäßiger Dicke geformt. Die erholte Grünlage wird mit einer Pressmaschine oder einer Schneidevorrichtung zu einem rechteckigen Körper vorbestimmter Größe gestanzt bzw. geschnitten. Die Grünlage kann gemeinhin für den Antriebsabschnitt, die Pufferabschnitte und die Blindabschnitte verwendet werden.

Eine der Seitenflächen der ausgebildeten Grünlage wird unter Verwendung einer Paste aus beispielsweise Silber : Palladium = 7 : 3 (nachstehend als "Ag/Pd-Paste" bezeichnet) durch Siebdruck mit einem Muster bedruckt. Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen ein Beispiel der mit dem Muster bedruckten Grünlage. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind den im Großen und Ganzen identischen Teilen die gleichen Bezugszahlen zugewiesen.

Mit der Ag/Pd-Paste wird die Grünlage 11 im Wesentlichen auf der gesamten die piezoelektrische Schicht definieren den Oberfläche mit Mustern 21 (22) bedruckt, die etwas kleiner als die Oberfläche sind, um die inneren Elektrodenschichten 21 (22) zu bilden. Die unbedruckten Abschnitte 119, an denen die inneren Elektrodenschichten 21 (22) nicht ausgebildet sind, befinden sich an den beiden entgegengesetzten Seiten der Oberfläche der Grünlage 11. Und zwar sind die inneren Elektroden schichten 21 (22) so angeordnet, dass sie nicht die beiden entgegengesetzten Seiten der Grünlage 11 erreichen, sondern das gegenüberliegende andere Ende erreichen.

Entsprechend den Spezifikationen für den Verschiebungs betrag des Antriebsabschnitts 111 und der Puffer abschnitte 112 wird eine vorbestimmte Anzahl Grünlagen 11 angefertigt, die jeweils die inneren Elektrodenschichten 21 (22) aufweisen. Außerdem wird die für die Puffer abschnitte 112 und die Blindabschnitt 113 benötigte Anzahl an Grünlagen ohne darauf aufgedruckte innere Elektrodenschichten angefertigt.

Als nächstes werden die Grünlagen 11 übereinander gelegt. Fig. 4(c) zeigt in einer auseinandergezogenen Ansicht der piezoelektrischen Einrichtung 10 den Schichtaufbau der Grünlagen 11. Dabei ist zu beachten, dass Fig. 4(c) in erster Linie den Antriebsabschnitt und die damit zusammenhängenden Abschnitte zeigt.

Die Grünlagen 11 mit den inneren Elektrodenschichten 21 (22) darauf werden so aufeinander gelegt, dass die unbedruckten Teile 119 der Elektroden wie in der Figur gezeigt abwechselnd links und rechts angeordnet sind. Dadurch bilden die inneren Elektrodenschichten 21 der Grünlagen 11, die in der Figur die rechte Seitenfläche 101 erreichen und dort frei liegen, eine innere Elektrode einer Polarität und bilden die inneren Elektroden schichten 22, die die linke Seitenfläche 102 erreichen und dort frei liegen, eine innere Elektrode entgegen gesetzter Polarität.

In dem in Fig. 4(c) gezeigten mittleren Antriebsabschnitt 111 sind lediglich die Grünlagen 11 mit den darauf ausgebildeten inneren Elektrodenschichten 21 (22) aufeinander geschichtet. In den Pufferabschnitten 112 sind die Grünlagen 11 so aufeinander geschichtet, dass sich zwischen ihnen die Grünlagen 12 ohne innere Elektrodenschicht befinden. In den Blindabschnitten 113 sind lediglich die Grünlagen 12 ohne innere Elektroden schichten aufeinander geschichtet. Auf diese Weise wird der in Fig. 3 gezeigte mehrlagige Aufbau erzielt.

Nachdem die aufeinander geschichteten Grünlagen durch Heißwassergummipressen usw. einem Thermokompressions- Bindungsvorgang unterzogen wurden, werden sie in einem elektrischen Ofen bei 400-700°C entfettet und bei 900-1200°C gebrannt.

Danach werden die Seiten des Schichtaufbaus mit der Ag- Paste beschichtet und ausgehärtet, um die Seiten elektroden 31, 32 zu bilden. Die Seitenelektroden können beispielsweise auch durch Aushärten einer Ag/Pd-Paste ausgebildet werden, obwohl sie bei diesem Ausführungs beispiel aus ausgehärtetem Silber bestehen.

Als Material für die inneren Elektrodenschichten können, anders als bei diesem Ausführungsbeispiel, auch Kupfer, Nickel, Platin, Silber/Palladium usw. verwendet werden.

Die in Fig. 3 rechts gezeigte Seitenelektrode 31 befindet sich auf den frei liegenden Abschnitten der inneren Elektrodenschichten 21 einer Polarität, sodass die inneren Elektrodenschichten elektrisch verbunden werden können. Die andere, in Fig. 3 links gezeigte Seiten elektrode 32 befindet sich auf den frei liegenden Abschnitten der inneren Elektrodenschichten 22 entgegen gesetzter Polarität, um so die inneren Elektroden schichten 22 elektrisch zu verbinden.

Danach werden die äußeren Elektroden 34 (Fig. 1) mit den Seitenelektroden 31 und 32 durch eine darauf aufgebrachte leitende Klebemittelpaste verbunden und gebrannt.

Anschließend wird der mit den äußeren Elektroden 34 versehene Schichtaufbau in Fluorinertsubstanz (hergestellt von 3M) eingetaucht und werden die piezo elektrischen Schichten 11 durch Anlegen einer Gleich stromspannung zwischen den inneren Elektrodenschichten 21 und 22 über die äußeren Elektroden 23 polarisiert, um die piezoelektrische Einrichtung 10 zu erzielen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden an die Seiten elektroden gewellte SUS304-Folien mit einer Dicke von 0,05 mm angebracht, um die äußeren Elektroden zu bilden. Anstelle des bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Verbindungsverfahrens können die äußeren Elektroden auch durch Löten, Hartlöten usw. angebracht werden. Wahlweise ist es auch möglich, die äußeren Elektroden mit den inneren Elektroden mittels eines elektrisch leitenden Klebemittels zu verbinden, ohne die Seitenelektroden auszubilden. Außerdem kann als Material für die äußeren Elektroden, anders als bei diesem Ausführungsbeispiel, eine Metallfolie oder ein Metalldraht (einschließlich eines beschichteten Drahts) usw. verwendet werden, die/der elektrisch leitend ist.

Die äußeren Elektroden 34 können im Wesentlichen mit der gesamten Länge der Seitenelektroden verbunden werden, obwohl sie in diesem Ausführungsbeispiel nur mit Teilen der Seitenelektroden verbunden sind.

Die äußeren Elektroden 34 können jeweils gebildet werden, indem zwei Stücke, d. h. ein elektrisch außen von dem Gehäuse verbundenes Stück und ein elektrisch mit den Seitenelektroden der piezoelektrischen Einrichtung verbundenes Stück, durch Schweißen, Löten, Hartlöten oder Verstemmen usw. verbunden werden.

Danach wird die piezoelektrische Einrichtung 10 zusammen mit dem in Form einer Hülse vorliegenden Isolierelement 4 in dem aus rostfreien Stahl hergestellten Gehäuse 2 untergebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird für das Isolierelement 4 eine 0,3 mm dicke zylinderförmige Harzhülse aus Nylon 66 verwendet. Das Nylon 66 der Harzhülse kann durch verschiedene andere Harzmaterialien mit elektrischem Isoliervermögen ersetzt werden. Bezogen auf Einspritzdüsen usw., die einer hohen Temperatur ausgesetzt sind, lassen sich insbesondere wärmebeständige Materialien wie Polyphenylensulfid, Fluorkohlenstoffharz, Polyimid, Polyimid/-amid, Silikonharz usw. effektiv einsetzen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Innendurchmesser der Harzhülse senkrecht zur Auseinanderzieh- und Zusammenziehrichtung der piezoelektrischen Einrichtung größer als der Umkreis eines Querschnitts der piezo elektrischen Einrichtung. Wahlweise kann der Innen durchmesser der Harzhülse aber auch senkrecht zur Auseinanderzieh- und Zusammenziehrichtung der piezoelektrischen Einrichtung etwas kleiner als der Umkreis des Querschnitts der piezoelektrischen Einrichtung sein. Bei dieser Alternative ist die Hülse mit einem Schlitz versehen, sodass sich die Hülse nach dem Zusammenbau in Durchmesserrichtung ausdehnt. Aufgrund ihrer Elastizität kann sich die Hülse daher an der piezoelektrischen Einrichtung halten.

Das Gehäuse 2 ist an seinem einen Ende mit einem auseinanderziehbaren Teil 21 zur Absorption der Auseinanderzieh- und Zusammenziehbewegung der piezo elektrischen Einrichtung 10 versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird für das auseinanderziehbare Teil 21 ein Balg verwendet, in dem abwechselnd Teile 211 großen Durchmessers und Teile 212 kleinen Durchmessers angeordnet sind. Anstelle dessen können auch andere Konstruktionen Anwendung finden, zum Beispiel ein Doppelrohraufbau, bei dem zwei durch einen O-Ring abgedichtete Rohre gleitend angeordnet sind.

Die piezoelektrische Einrichtung 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel außerdem an ihrem einen Ende mit einem Stempelelement 25 versehen, dessen vorderes Ende mit einer unteren Platte 28 verbunden ist. Das vordere Ende des auseinanderziehbaren Teils 21 und die untere Platte 28 sind an ihren Außenumfängen miteinander verschweißt, sodass das vordere Ende abgedichtet ist.

Des weiteren ist die piezoelektrische Einrichtung 10 an dem anderen Ende (Oberseite in Fig. 1) mit einer oberen Platte 27 versehen, die an den Außenumfängen mit dem oberen Ende des Gehäuses 2 verschweißt ist, sodass sich ein abgedichteter Aufbau ergibt. Vor dem Umfangsschweißen wird die Luft in den Gehäuse 2 mit trockener Luft getauscht, um eine Beeinträchtigung, etwa durch innere Korrosion usw., zu verhindern.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es von Bedeutung, dass für das Isolierelement 4 eine Harzhülse verwendet wird, die aus einem von der piezoelektrischen Einrichtung 10 getrennten Stück hergestellt ist. Und zwar befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel das in Form einer Hülse vorliegende Isolierelement 4, das nicht an der piezo elektrischen Einrichtung 10 anhaftet, zwischen der piezoelektrischen Einrichtung 10 und dem Gehäuse 2. Wenn es zu dem Auseinanderziehen und Zusammenziehen der piezoelektrischen Einrichtung 10 kommt, werden die Bewegungen daher durch das Isolierelement 4 kaum eingeschränkt. Folglich wird auch die durch die piezo elektrische Einrichtung 10 erzeugte Kraft kaum durch das Isolierelement 4 gesenkt.

Des weiteren kommt es, anders als bei der Harzform, zu keinem Reißen des Isolierelements infolge der Auseinanderzieh- und Zusammenziehbewegungen der piezo elektrischen Einrichtung. Daher kann bezogen auf das Isolierelement 4 ein hohes elektrisches Isolations vermögen aufrecht erhalten werden. Durch die Anwesenheit des Isolierelements 4 kann der Abstand zwischen dem Metallgehäuse 2 und der piezoelektrischen Einrichtung 10 verglichen mit dem Fall, dass das Isolierelement fehlt, verringert werden. Daher lässt sich der piezoelektrische Aktuator 1 miniaturisieren.

Ausführungsbeispiel 2

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird anstelle des aus der Harzhülse bestehenden Isolier elements in Ausführungsbeispiel 1 ein Isolierelement 42 verwendet, das aus gewickeltem Isolationspapier hergestellt ist. Und zwar wird bei diesem Ausführungs beispiel für das Isolierelement 42 ein 0,18 mm dickes Nomex-Aramidpapier (hergestellt von Du Pont) angefertigt und mit einer Wicklung oder mehr um den Außenumfang der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung 10 gewickelt. Für das gewickelte Isolierelement 42 kann anstelle des Isolationspapiers auch ein Lagenmaterial wie ein Harzfilm usw. eingesetzt werden. Als Lagenmaterial können auch ein Klebeband und ein Selbstverschweißungs band mit einer Klebeschicht verwendet werden. Als Selbst verschweißungsband kann beispielsweise ein selbst verschweißendes Silikongummiband Nr. 66, hergestellt von Nittoshinko Corp., usw. verwendet werden. Der Aufbau ist bei diesem Ausführungsbeispiel ansonsten der gleiche wie bei Ausführungsbeispiel 1.

Da sich bei diesem Ausführungsbeispiel das Isolierelement 42 dadurch ergibt, dass dieses um die piezoelektrische Einrichtung 10 gewickelt wird, lässt sich der Zusammenbau stark vereinfachen. Abgesehen von dem einfachen Zusammen bau lässt sich die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung wie bei Ausführungsbeispiel 1 erzielen.

Ausführungsbeispiel 3

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel wird anstelle des als Harzhülse vorliegenden Isolierelements in Ausführungsbeispiel 1 ein an der Innenwand des Gehäuses 2 anhaftendes Isolierelement 43 verwendet. Und zwar wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Innenwand des Gehäuses 2 mit einem wärmehärtenden Polyamidharz beschicht, gehärtet und bei 250 W gebrannt. Das Polyamid harz kann auch durch Harzmaterialien wie Epoxidharz, Silikonharz usw. oder anorganische Materialien wie Glas usw. ersetzt werden. Der Aufbau dieses Ausführungs beispiels ist ansonsten der gleiche wie bei Ausführungs beispiel 1.

Da das Isolierelement 43 bei diesem Ausführungsbeispiel als eine Einheit mit dem Gehäuse 2 hergestellt ist, lässt sich das Isolierelement 43 stabil befestigen. Abgesehen von der stabilen Befestigung lassen sich die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung wie bei Ausführungsbeispiel 1 erzielen.

Ausführungsbeispiel 4

Bei dem in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungs beispiel ist die Querschnittsform der piezoelektrischen Einrichtung 10 verglichen mit dem Ausführungsbeispiel 1 abgewandelt. Und zwar weist die piezoelektrische Einrichtung 10 bei dem in Fig. 7 gezeigten piezo elektrischen Aktuator 1 eine tonnenförmige Querschnitts form auf. Bei dem in Fig. 8 gezeigten piezoelektrischen Aktuator 1 weist die piezoelektrische Einrichtung 10 eine achteckige (polygonale) Querschnittsform auf. Die piezo elektrische Einrichtung 10 in dem piezoelektrischen Aktuator 1 kann außerdem eine wie in Fig. 11 gezeigte runde Querschnittsform oder eine wie in Fig. 12 gezeigte elliptische Querschnittsform aufweisen.

Verglichen mit Ausführungsbeispiel 1 ähnelt die Querschnittsform der piezoelektrischen Einrichtung 10 bei diesen piezoelektrischen Aktuatoren 1 mehr einem Kreis, sodass die piezoelektrische Einrichtung 10 einen großen Teil des Innenraums des kreisförmigen Gehäuses 2 einnehmen kann. Indem der Hohlraum effektiv genutzt wird, kann daher ein kleiner piezoelektrischer Aktuator mit hoher Leistung erzielt werden. Abgesehen davon lassen sich die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung wie bei Ausführungsbeispiel 1 erzielen.

Ausführungsbeispiel 5

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Aktuator gemäß Ausführungsbeispiel 1 in einer Einspritz düse 5 eingebaut.

Bei diesem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel kommt die Einspritzdüse 5 bei einem Commonrail-Einspritzsystem für einen Dieselmotor zum Einsatz. Wie in der Figur gezeigt ist, setzt sich die Einspritzdüse 5 aus einem oberen Gehäuse 52, in dem der piezoelektrische Aktuator 1 als Antriebsabschnitt untergebracht ist, und einem unteren Gehäuse 53 zusammen, der in sich ein Einspritz düsenteil 54 aufweist und an dem unteren Ende des oberen Gehäuses 52 befestigt ist.

Das obere Gehäuse 52 ist im Wesentlichen zylinderförmig und weist ein gegenüber der Mittelachse exzentrisches Längsloch 521 auf, in das der piezoelektrische Aktuator 1 eingeschoben und befestigt ist.

Neben dem Längsloch 521 und parallel dazu befindet sich eine Hochdruckkraftstoffleitung 522. Das obere Ende der Leitung 522 ist über ein Kraftstoffeinleitungsrohr 523, das sich von dem oberen Abschnitt des oberen Gehäuses 52 nach oben erstreckt, mit einem (nicht in der Figur gezeigten) äußeren Commonrail verbunden.

Aus dem oberen Teil des oberen Gehäuses 52 ragt ein Kraftstoffablassrohr 525 vor und ist mit einer Ablauf leitung 524 verbunden. Aus dem Ablassrohr 525 abgelassener Kraftstoff wird zu einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank zurückgeführt.

Die Ablaufleitung 524 steht mit einem Spalt 50 zwischen dem Längsloch 521 und dem Antriebsabschnitt (piezo elektrische Einrichtung) 1 in Verbindung und ist über eine (nicht gezeigte) sich von dem Spalt 50 nach unten erstreckende Leitung in dem oberen und unteren Gehäuse 52, 53 mit einem Dreiwegeventil 551 verbunden, das nachstehend diskutiert wird.

Das Einspritzdüsenteil 54 setzt sich aus einer Düsennadel 541, die vertikal in einem Kolbenkörper 531 gleiten kann, und einem Einspritzloch 543 zusammen, das durch die Düsennadel 541 geöffnet und geschlossen wird, um den von einer Kraftstoffwanne 542 aus zugeführten Hochdruck kraftstoff in jeden Motorzylinder einzuspritzen. Die Kraftstoffwanne 542 umgibt den Mittelteil der Düsennadel 541. Das untere Ende der Hochdruckkraftstoffleitung 522 öffnet sich in die Kraftstoffwanne 542. Die Düsennadel 541 erfährt in Ventilöffnungsrichtung einen Kraftstoff druck von der Kraftstoffwanne 542 und in Ventilschließ richtung einen Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 544, die ihrer oberen Endfläche zugewandt ist. Wenn der Druck der Gegendruckkammer 544 abnimmt, wird die Düsen nadel 541 angehoben und öffnet sich das Einspritzloch 543, sodass es zu der Kraftstoffeinspritzung kommt.

Der Druck in der Gegendruckkammer 544 wird durch das Dreiwegeventil 551 erhöht oder gesenkt. Das Dreiwege ventil 551 verbindet die Gegendruckkammer 544 selektiv mit der Hochdruckkraftstoffleitung 522 oder der Ablauf leitung 524. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Dreiwegeventil 551 einen kugelförmigen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen einer mit der Hochdruckkraftstoff leitung 522 oder der Ablaufleitung 524 verbunden Öffnung auf. Der Ventilkörper wird durch den Antriebsabschnitt 1 über einen Kolben 552 großen Durchmessers, eine Hydraulikdruckkammer 553 und einen Kolben 554 kleinen Durchmessers angetrieben, die unterhalb des Antriebs abschnitts 1 angeordnet sind.

Der piezoelektrische Aktuator 1 ist in den Längsloch 521 der Einspritzdüse 5 so eingeschoben, dass sich der Spalt 50 ergibt, durch den der Kraftstoff hindurchgeht. Der piezoelektrische Aktuator 1 ist so angeordnet, dass der Gehäusekörper 41 befestigt ist und sich das Vorderende des auseinanderziehbaren Teils 42 hin und her bewegt.

Um die Größe der Einspritzdüse 5 zu verringern, ist der Innendurchmesser des Längslochs 521 eingeschränkt und ist der piezoelektrische Aktuator 1 entsprechend geformt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie auch in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, in dem piezoelektrischen Aktuator 1 das aus einem getrennten Stück hergestellte Isolierelement 4 zwischen der piezoelektrischen Einrichtung 10 und dem Gehäuse 2 vorgesehen. Wenn es zu dem Auseinanderziehen und dem Zusammenziehen der piezo elektrischen Einrichtung 10 kommt, werden daher die Bewegungen durch das Isolierelement kaum eingeschränkt. Folglich wird auch die durch die piezoelektrischen Einrichtung 10 erzeugte Kraft durch das Isolierelement 4 kaum verringert.

Wie zuvor beschrieben wurde, kommt es außerdem zu keinem Reißen des Isolierelements 4 infolge der Auseinanderzieh- und Zusammenziehbewegungen der piezoelektrischen Einrichtung 10. Dadurch kann bezogen auf das Isolier element 4 ein hohes elektrisches Isolationsvermögen aufrecht erhalten werden. Der piezoelektrische Aktuator gemäß diesem Ausführungsbeispiel gewährleistet daher ein schnelles Ansprechverhalten, wie es beim Einsatz der piezoelektrischen Aktuators 1 in der Einspritzdüse 5 erforderlich ist, und kann das Leistungsvermögen und die Haltbarkeit der Einspritzdüse 5 verbessern.

Ausführungsbeispiel 6

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine piezoelektrische Einrichtung 10 verwendet, deren Aufbau sich teilweise von dem der piezoelektrischen Einrichtung in Ausführungsbeispiel 1 unterscheidet.

Und zwar liegen bei dem Ausführungsbeispiel 1 an keiner der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung 10 innere Elektrodenschichten beider Polarität frei, während bei diesem Ausführungsbeispiel positive und negative Elektroden frei liegen.

Wenn die jeweilige piezoelektrische Schicht zu dünn ist, um für einen ausreichenden Isolationsabstand zwischen den positiven und negativen Elektroden zu sorgen, kann das gleiche Isolierelement 4 wie in Ausführungsbeispiel 1 Anwendung finden, wenn wie in Fig. 10 gezeigt eine Isolationsbeschichtung 36 vorgesehen wird, die die positive und negative Elektrode isoliert. Für diese Isolationsbeschichtung wird vorzugsweise ein fettartiges, gelartiges Isolierelement verwendet, in dem keine Risse auftreten und das die Auseinanderzieh- und Zusammenzieh bewegung der piezoelektrischen Einrichtung nicht verhindert. Abgesehen davon gleicht das Ausführungs beispiel dem Ausführungsbeispiel 1.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele nur der Erläuterung der Erfindung dienen und dass, wie der Fachmann unschwer erkennt, weitere Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können.

Claims

1. Piezoelektrischer Aktuator (1), der eine in Schichten aufgebaute piezoelektrische Einrichtung (10) mit abwechselnd aufeinander geschichteten piezo elektrischen Schichten (11) und Elektrodenschichten (20, 22) verwendet, mit:
einem Metallgehäuse (3), das sich außen von der Seitenfläche der piezoelektrischen Einrichtung (10) befindet; und
einem Isolierelement (4; 42; 43), das sich zwischen der piezoelektrischen Einrichtung (10) und dem Gehäuse (2) befindet,
dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (4; 42; 43) aus einem von der piezoelektrischen Einrichtung (10) getrennten Stück hergestellt ist.

2. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, bei dem das Isolierelement eine zylinderförmige Harz- oder Papierhülse (4) ist.

3. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, bei dem das Isolierelement eine um die piezoelektrische Einrichtung (10) gewickelte Papier- oder Harzlage (42) ist.

4. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach Anspruch 3, bei dem zumindest sich überlappende Abschnitte der gewickelten Lage (42) aneinander haften.

5. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach Anspruch 1, bei dem das Isolierelement (43) an der Innenwand des Gehäuses (2) anhaftet.

6. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die piezoelektrische Einrichtung (10) senkrecht zu ihrer Auseinanderzieh- und Zusammenziehrichtung einen polygonalen oder tonnen förmigen Querschnitt aufweist.

7. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die maximale Dicke des Isolierelements (4; 42; 43) nicht mehr als 0,3 mm beträgt.

8. Piezoelektrischer Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der in einer Einspritzdüse (5) eingebaut ist und die Einspritzdüse antreibt.