-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Technisches Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen bzw.
piezoelektrische Aktoren, die durch Verwenden eines geschichteten
piezoelektrischen Elements hergestellt sind. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung,
die einen verbesserten Aufbau zur zuverlässigen Verhinderung eines
Auftretens von Defekten in einem Übertragungselement der
piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung aufweist.
-
2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
-
In
jüngster Zeit sind eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung
verwendende Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für Kraftfahrzeuge
zum Zwecke einer Verbesserung der Kraftstoffeinsparung und zur Verringerung
von Emissionen entwickelt worden.
-
Beispielsweise
ist in der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2003-97418 eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung
offenbart, die ein geschichtetes piezoelektrisches Element und ein
Gehäuse umfasst, das in sich das piezoelektrische Element
aufnimmt. Das Gehäuse umfasst einen rohrförmigen
Körperabschnitt und einen Deckelabschnitt, der ein Ende
des Körperabschnitts schließt. Ferner ist zwischen
dem piezoelektrischen Element und dem Deckelabschnitt ein Übertragungselement
zur Übertragung einer durch das piezoelektrische Element
erzeugten Betätigungskraft zu dem Deckelabschnitt zwischengebracht
bzw. angeordnet.
-
In
einer derartigen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung
weisen, damit die Betätigungskraft effektiv übertragen
wird, das Übertragungselement und der Deckelabschnitt des
Gehäuses jeweils eine flache Endoberfläche und
eine flache Innenoberfläche auf und stellen einen Kontakt
miteinander über eine Angrenzung zwischen den flachen End-
und Innenoberflächen her.
-
Wenn
jedoch die flache Endoberfläche des Übertragungselements
und die flache Innenoberfläche des Deckelabschnitts beispielsweise
aufgrund einer Positionsabweichung nicht parallel zueinander sind,
wird eine Schwierigkeit mit dem Übertragungselement verursacht.
-
Genauer
gesagt tritt, wenn die Betätigungskraft von dem Übertragungselement
zu dem Deckelabschnitt des Gehäuses übertragen
wird, eine lokale Belastungskonzentration an der Endoberfläche
des Übertragungselements auf. Insbesondere in dem Fall,
dass die Endoberfläche des Übertragungselements
einen mit einem rechten oder spitzen Winkel ausgebildeten Außenrand
aufweist, stellt der Außenrand einen Kontakt mit der Innenoberfläche
des Deckelabschnitts des Gehäuses her, was ein Auftreten einer
lokale Beanspruchungskonzentration bei dem Außenrand verursacht.
Dementsprechend treten durch wiederholte Betätigungen der
piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung Defekte, wie beispielsweise
Risse oder Bruchstellen, in dem Übertragungselement auf.
Als Ergebnis wird es unmöglich, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung sicherzustellen.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorstehend genannten
Schwierigkeiten gemacht worden.
-
Es
ist folglich eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung bereitzustellen,
die einen verbesserten Aufbau zur zuverlässigen Verhinderung
eines Auftretens von Defekten in einem Übertragungselement
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung aufweist.
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung
(1) bereitgestellt, die ein geschichtetes piezoelektrisches
Element (10), ein Gehäuse (2) und ein Übertragungselement
(19) umfasst.
-
Das
piezoelektrische Element (10) erzeugt eine Betätigungskraft,
wenn es mit Energie versorgt wird. Das Gehäuse (2)
nimmt in sich das piezoelektrische Element (10) auf und
umfasst einen rohrförmigen Körperabschnitt (21)
und einen Deckelabschnitt (22), der ein Ende des Körperabschnitts
(21) schließt. Das Übertragungselement
(19) ist zwischen dem piezoelektrischen Element (10)
und dem Deckelabschnitt (22) des Gehäuses angeordnet,
um die durch das piezoelektrische Element (10) erzeugte
Betätigungskraft zu dem Deckelabschnitt (22) zu übertragen.
Das Übertragungselement (19) weist eine flache Endoberfläche
(191) auf, die einen Kontakt mit einer flachen Innenoberfläche
(221) des Deckelabschnitts (22) herstellt.
-
Die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung (1) ist
dadurch gekennzeichnet, dass: das Übertragungselement (19)
eine Abfasung oder Abrundung (194) aufweist, die entlang
einem Außenrand (193) der Endoberfläche
(191) des Übertragungselements (19) ausgebildet
ist, und die Abfasung oder Abrundung (194) eine Breite
C in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm aufweist. Die Breite C ist
als eine Entfernung zwischen dem Außenrand (193)
der Endoberfläche (191) und einem Außenrand
(195) der Abfasung oder Abrundung (194) in einer
Richtung definiert, die parallel zu der Endoberfläche (191)
ist.
-
Mit
dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist es möglich, in
zuverlässiger Art und Weise ein Auftreten von Defekten,
wie beispielsweise Rissen oder einer Bruchstelle, in dem Übertragungselement
(19) zu verhindern. Genauer gesagt ist es mit der Abfasung
oder Abrundung (194) möglich, das Auftreten einer
lokalen Beanspruchungskonzentration bei dem Außenrand (193)
der Endoberfläche (191) während einer Übertragung
der Betätigungskraft zuverlässig zu verhindern, auch
wenn die Endoberfläche (191) des Übertragungselements
(19) und die Innenoberfläche (221) des
Deckelabschnitts (22) beispielsweise aufgrund einer Positionsabweichung
nicht parallel zueinander sind. Dementsprechend kann ein Auftreten
von Defekten in dem Übertragungselement (19) für
eine lange Lebensdauer in zuverlässiger Art und Weise verhindert
werden.
-
Ferner
ist es durch ein Spezifizieren des Bereichs der Breite C wie vorstehend
beschrieben möglich, die durch das piezoelektrische Element
(10) erzeugte Betätigungskraft zuverlässig
zu dem Deckelabschnitt (22) des Gehäuses (2)
zu übertragen, während ein Auftreten von Defekten
in dem Übertragungselement (19) zuverlässig
verhindert wird.
-
Als
Ergebnis sind sowohl die Haltbarkeit als auch die Zuverlässigkeit
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
sichergestellt.
-
Vorzugsweise
ist in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
ein Winkel (α) zwischen der Abfasung oder Abrundung (194)
und der Endoberfläche (191) des Übertragungselements
(19) größer als 90° und kleiner
als 180°.
-
Durch
ein Spezifizieren des Bereichs des Winkels (α) wie vorstehend
beschrieben ist es möglich, weiter in zuverlässiger
Art und Weise ein Auftreten einer lokalen Beanspruchungskonzentration
bei dem Außenrand (193) der Endoberfläche
(191) des Übertragungselements zu verhindern.
-
In
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
kann die Abfasung oder Abrundung (194) des Übertragungselements
(19) in einem gegebenen Krümmungsradius gebogen
sein.
-
In
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
ist das Übertragungselement (19) vorzugsweise
aus einem keramischen Material und noch bevorzugter aus Aluminiumoxid
hergestellt.
-
Durch
ein Verwenden eines derartigen keramischen Materials kann das Übertragungselement (19)
einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen, wodurch die durch
das piezoelektrische Element (10) erzeugte Betätigungskraft
zuverlässig zu dem Deckelabschnitt (22) des Gehäuses
(2) übertragen wird.
-
In
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
kann der Körperabschnitt (21) des Gehäuses (2)
einen flexiblen Abschnitt (211) umfassen, der in der Lage
ist, sich axial entsprechend der durch das piezoelektrische Element
(10) erzeugten Betätigungskraft auszudehnen und
zusammenzuziehen.
-
Andernfalls
kann zwischen dem Körperabschnitt (21) und dem
Deckelabschnitt (22) des Gehäuses (2)
eine Membran (29) angeordnet sein, die entsprechend der
durch das piezoelektrische Element (10) erzeugten Betätigungskraft
elastisch verformbar ist.
-
Vorzugsweise
wird die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung (1)
in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (6) für
eine Verbrennungskraftmaschine verwendet.
-
In
einer derartigen Kraftstoffeinspritzvorrichtung (6) ist
die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung (1)
im Allgemeinen einer hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit
unterworfen. Da jedoch die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (1)
wie vorstehend beschrieben sichergestellt sind, ist es möglich,
die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Kraftstoffeinspritzvorrichtung
(6) sicherzustellen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGNEN
-
Die
vorliegende Erfindung ist aus der nachstehend angegebenen ausführlichen
Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung besser verständlich,
das jedoch nicht als Begrenzung der Erfindung auf das spezifische
Ausführungsbeispiel verstanden werden soll, sondern lediglich
zum Zwecke der Beschreibung und zum Verständnis dienen
soll.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Querschnittsseitendarstellung einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
-
2A eine
Seitendarstellung eines Übertragungselements der piezoelektrischen
Betätigungsvorrichtung,
-
2B eine
Endansicht des Übertragungselements,
-
3 eine
schematische Darstellung, die Grünlingsteile veranschaulicht,
die bei einer Herstellung der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung geschichtet
werden,
-
4 eine
perspektivische Darstellung eines Zwischenlaminats, das durch Schichten
der Grünlingsteile erhalten wird,
-
5 eine
Teilquerschnittsdarstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
die die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung gemäß 1 umfasst,
-
6 eine
schematische Darstellung, die eine Ermittlung der Wirkung einer
Breite einer Abfasung oder Abrundung auf die Lastfestigkeit des Übertragungselements
in der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung veranschaulicht,
-
7 eine
graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Ermittlung gemäß 6 zeigt,
-
8A und 8B Seitenansichten,
die jeweils die tatsächliche und die vereinfachte Form
von Probestücken veranschaulichen, die in einer Ermittlung
der Wirkung der Breite der Abfasung oder Abrundung auf den Versatzverlust
des Übertragungselements verwendet werden,
-
9 eine
graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Ermittlung gemäß den 8A und 8B zeigt,
-
10A und 10B Seitendarstellungen, die
jeweils Variationen des Übertragungselements mit unterschiedlichen
Abfasungswinkeln veranschaulichen,
-
11A und 11B Seitendarstellungen, die
jeweils Variationen des Übertragungselements veranschaulichen,
die mit unterschiedlichen Krümmungsradien gebogen sind,
und
-
12 eine
Querschnittsseitendarstellung einer Membrantyp-Variation der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung.
-
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
In 1 ist
der Gesamtaufbau einer piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt.
-
Wie
es in 1 gezeigt ist, umfasst die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 ein
geschichtetes piezoelektrisches Element 10 und ein Gehäuse 2,
das in sich das piezoelektrische Element 10 aufnimmt. Das
piezoelektrische Element 10 erzeugt eine Betätigungskraft,
wenn es mit Energie versorgt wird. Das Gehäuse 2 umfasst
einen rohrförmigen Körperabschnitt 21 und
einen Deckelabschnitt 22, der ein unteres Ende des Körperabschnitts 21 schließt.
Ferner ist zwischen dem piezoelektrischen Element 10 und
dem Deckelabschnitt 22 des Gehäuses 2 ein Übertragungselement 19 zur Übertragung
der durch das piezoelektrische Element 10 erzeugten Betätigungskraft
zu dem Deckelabschnitt 22 angeordnet bzw. zwischengebracht.
-
Das Übertragungselement 19 und
der Deckelabschnitt 22 weisen eine flache Endoberfläche 191 bzw.
eine flache Innenoberfläche 221 auf und stellen
einen Kontakt miteinander durch eine Angrenzung zwischen der Endoberfläche 191 und
der Innenoberfläche 221 her. Ferner weist das Übertragungselement 19 eine
Abfasung oder Abrundung 194 auf, die entlang einem Außenrand 193 der
Endoberfläche 191 ausgebildet ist. Die Abfasung
oder Abrundung 194 weist eine Breite C in dem Bereich von 0,1
bis 0,8 mm auf.
-
Das
geschichtete piezoelektrische Element 10 umfasst ein keramisches
Laminat 11, das durch abwechselndes Schichten einer Vielzahl
von piezoelektrischen Schichten 12 und einer Vielzahl von
internen Elektrodenschichten 13 ausgebildet ist. Das keramische
Laminat 11 weist einen rechteckigen longitudinalen Querschnitt
und ein entgegengesetztes Paar von Seitenoberflächen 111 und 112 auf.
Die piezoelektrischen Schichten 12 sind aus einer piezoelektrischen
Keramik hergestellt, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
Die internen Elektrodenschichten 13 sind aus einer Ag/Pd-Legierung
hergestellt.
-
Auf
den Seitenoberflächen 111 und 112 des keramischen
Laminats 11 sind jeweils ein Paar von Seitenelektroden 14 ausgebildet.
Genauer gesagt sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die
Seitenelektronen 14 durch Aufbringen einer Ag-Paste auf
die Seitenoberflächen 111 und 112 und durch
Härten der Ag-Paste ausgebildet. Ferner sind mit den Seitenelektroden 14 jeweils
ein Paar von Seitenelektrodenplatten 16 verbunden, die
ein leitfähiges Haftmittel verwenden, das aus einem Epoxydharz
mit einem darin eingemischten Ag-Füllmittel hergestellt
ist. Die Seitenelektrodenplatten 16 sind aus einem ausgedehnten
Metallnetz hergestellt.
-
Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine der Seitenelektroden 14 elektrisch
mit einer ersten Gruppe der internen Elektrodenschichten 13 verbunden
und die andere ist elektrisch mit einer zweiten Gruppe derselben
verbunden. Die internen Elektrodenschichten 13 der ersten
Gruppe sind abwechselnd zu denjenigen der zweiten Gruppe in der
longitudinalen Richtung des keramischen Laminats 11 angeordnet.
Ferner sind die internen Elektrodenschichten 13 der ersten
Gruppe elektrisch zu denen der zweiten Gruppe isoliert. Anders ausgedrückt weist
das keramische Laminat 11 gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel einen Teilelektrodenaufbau auf. Die
gesamte Außenoberfläche des keramischen Laminats 11 ist
mit einem (nicht gezeigten) Formmaterial abgedeckt, das aus einem
isolierenden Silikonharz hergestellt ist.
-
Außerdem
ist mit einem oberen Ende des keramischen Laminats 11 ein
Verbindungselement 18 verbunden, das aus einer hermetischen
Dichtung hergestellt ist. Das Verbindungselement 18 weist
ein Paar externer Elektroden 20 in sich ausgebildet auf, die
jeweils mit den Seitenelektrodenplatten 16 beispielsweise
durch Laserschweißen verbunden sind.
-
Bei
einem unteren Ende des keramischen Laminats 11 ist das Übertragungselement 19 bereitgestellt,
das aus Aluminiumoxid hergestellt ist und arbeitet, um die durch
das piezoelektrische Element 10 erzeugte Betätigungskraft
zu dem Deckelabschnitt 22 des Gehäuses 2 zu übertragen.
-
Das
Gehäuse 2 ist aus einem Metall hergestellt und
umfasst den Körperabschnitt 21 und den Deckelabschnitt 22.
Der Körperabschnitt 21 ist im Wesentlichen zylindrisch
und umfasst einen flexiblen Abschnitt 211 als zugehörigen
unteren Teil. Der flexible Abschnitt 211 weist die Form
eines metallischen Balgs auf, um sich entsprechend der Betätigungskraft
des piezoelektrischen Elements 10 axial auszudehnen und
zusammenzuziehen. Der flexible Abschnitt 211 ist mit dem
Deckelabschnitt 22 beispielsweise durch Laserschweißen
verbunden.
-
Ein
offenes Ende 201 des Gehäuses 2 ist durch
das Verbindungselement 18 abgedichtet, so dass die Innenseite
des Gehäuses 2 vollständig zu der Außenseite
isoliert ist. Zusätzlich ist das Verbindungselement 18 mit
dem Gehäuse 2 bei dem offenen Ende 201 beispielsweise
durch Laserschweißen verbunden.
-
Wie
es vorstehend beschrieben ist, weist das Übertragungselement 19 die
flache Endoberfläche 191 auf, während
der Deckelabschnitt 22 des Gehäuses 2 die
flache Innenoberfläche 221 aufweist. Das Übertragungselement 19 und
der Deckelabschnitt 22 des Gehäuses 2 durch
die Angrenzung zwischen der Endoberfläche 191 und
der Innenoberfläche 221 sind in engem Kontakt
miteinander.
-
Ferner
ist, wie es in den 2A und 2B gezeigt
ist, das Übertragungselement 19 zylindrisch und
weist die Abfasung oder Abrundung 194 auf, die entlang
dem Außenrand 193 der Endoberfläche 191 ausgebildet
ist. Die Abfasung oder Abrundung 194 weist einen Außenrand 195 und
einen Innenrand 193 auf (d. h. den Außenrand 193 der
Endoberfläche 191).
-
Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Übertragungselement 19 einen
Außendurchmesser von 6 mm auf und die Endoberfläche 191 weist
einen Außendurchmesser von 5 mm auf. Dementsprechend ist
die Breite C der Abfasung oder Abrundung 194, die die Entfernung
zwischen dem inneren Rand 193 und dem äußeren
Rand 195 der Abfasung 194 in der radialen Richtung
des Übertragungselements 19 ist, gleich 0,5 mm.
Außerdem beträgt ein Winkel α zwischen
der Endoberfläche 191 und der Abfasung oder Abrundung 194 135°.
Mit diesem Wert von α ist die Länge der Abfasung
oder Abrundung 194 in der axialen Richtung des Übertragungselements 19 ebenso
gleich 0,5 mm.
-
Es
ist anzumerken, dass das Übertragungselement 19 ebenso
statt eines kreisförmigen Querschnitts senkrecht zu der
radialen Richtung einen viereckigen, sechseckigen oder achteckigen
Querschnitt senkrecht zu der axialen Richtung aufweisen kann. In
derartigen Fällen kann die Breite C der Abfasung oder Abrundung 194 als
die Entfernung zwischen dem inneren Rand 193 und dem äußeren Rand 195 der
Abfasung oder Abrundung 194 in einer Richtung parallel
zu der Endoberfläche 191 definiert sein.
-
Die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 191 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel kann beispielsweise in
der nachstehend beschriebenen Art und Weise hergestellt werden.
-
Zuerst
wird ein Pulver einer piezoelektrischen Keramik, die PZT umfasst,
vorbereitet. Ein Lösungsmittel, ein Bindemittel, ein Weichmacher
und ein Dispergiermittel werden ferner dem Pulver hinzugefügt,
um eine wässrige Masse zu bilden. Die wässrige
Masse wird dann durch ein Rakelverfahren auf einer Trägerschicht
aufgebracht, um einen Grünling einer vorgegebenen Dicke
zu bilden. Es ist anzumerken, dass der Grünling ebenso
durch andere Verfahren gebildet werden kann, beispielsweise durch
ein Strangpressen.
-
Zweitens
wird unter Bezugnahme auf 3 ein Elektrodenmaterial 130 auf
Abschnitte des Grünlings 120 zum Bilden der internen
Elektrodenschichten 13 aufgebracht. Dann wird der Grünling 120 in eine
Vielzahl von Grünlingsteilen 100 mit einer vorgegebenen
Größe geschnitten. Auf jedem der Grünlingsteile 100 gibt
es einen reservierten Abschnitt 131, auf dem kein Elektrodenmaterial 130 aufgebracht
worden ist. Zusätzlich kann eine Paste einer Ag/Pd-Legierung
als das Elektrodenmaterial 130 verwendet werden.
-
Drittens
werden die Grünlingsteile 100 geschichtet, um
ein Zwischenlaminat 110 zu bilden, wie es in 4 gezeigt.
In dem Zwischenlaminat 110 werden die reservierten Abschnitte 131 der
Grünlingsteile 100 in der longitudinalen Richtung
des Zwischenlaminats 110 auf jeweils zwei entgegengesetzten Seiten
(d. h. den linken und rechten Seiten in 4) abwechselnd
angeordnet. Dann wird das Zwischenlaminat 110 entfettet
und gebrannt. Als Ergebnis wird das keramische Laminat 11 erhalten,
in dem die piezoelektrischen Schichten 12 und die internen Elektrodenschichten 13 abwechselnd
in der longitudinalen Richtung des keramischen Laminats 11 angeordnet
sind.
-
Viertens
wird wieder unter Bezugnahme auf 1 eine Ag-Paste
auf die entgegengesetzten Seitenoberflächen 111 und 112 des
keramischen Laminats 11 aufgebracht. Dann wird Ag-Paste
gehärtet, um die Seitenelektroden 14 auf den Seitenoberflächen 111 und 112 zu
bilden.
-
Fünftens
wird das (nicht gezeigte) leitfähige Haftmittel auf die
Seitenelektroden 14 aufgebracht, wobei die Seitenelektrodenplatten 16 ferner
auf dem leitfähigen Haftmittel platziert werden.
-
Dann
wird das leitfähige Haftmittel wärmegehärtet,
wodurch die Seitenelektrodenplatten 16 jeweils mit den
Seitenelektroden 14 verbunden werden.
-
Sechstens
wird das Verbindungselement 18 mit einem der longitudinalen
Enden (d. h. dem oberen Ende in 1) des keramischen
Laminats 11 verbunden und das Übertragungselement 19 wird
mit dem anderen (d. h. dem unteren Ende in 1) verbunden.
Dann werden die in dem Verbindungselement 18 ausgebildeten
externen Elektroden 20 jeweils beispielsweise durch Laserschweißen
mit den Elektrodenplatten 16 verbunden.
-
Schließlich
wird das keramische Laminat 11 mit dem Verbindungselement 18 und
dem Übertragungselement 19, die damit verbunden
sind, in dem Gehäuse 20 von dem oberen Ende 201 her
platziert, so dass die Endoberfläche 191 des Übertragungselements 19 in
Angrenzung mit der Innenoberfläche 221 des Deckelabschnitts 22 des
Gehäuses 2 gebracht wird. Dann wird das Verbindungselement 18 beispielsweise
durch Laserschweißen mit dem Gehäuse 2 bei
dem oberen Ende 201 verbunden. Dementsprechend ist die
Innenseite des Gehäuses 2 hermetisch von der Außenseite
durch das Verbindungselement 18 abgedichtet.
-
Als
Ergebnis wird die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel erhalten.
-
Die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die nachstehend
genannten Vorteile auf.
-
In
der piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 stoßen
die Endoberfläche 191 des Übertragungselements 19 und
die Innenoberfläche 221 des Deckelabschnitts 22 des
Gehäuses 2 gegeneinander an. Anders ausgedrückt
stellen das Übertragungselement 19 und der Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses 2 durch die Angrenzung zwischen den flachen
Oberflächen 191 und 221 einen Kontakt
miteinander her. Ferner weist das Übertragungselement 19 die
Abfasung oder Abrundung 194 auf, die entlang dem Außenrand 193 der
Endoberfläche 191 ausgebildet ist. Somit wird
es möglich, in zuverlässiger Art und Weise ein
Auftreten von Defekten, wie beispielsweise von Rissen oder einer
Bruchstelle, in dem Übertragungselement 19 zu
verhindern.
-
Genauer
gesagt ist es mit der Abfasung oder Abrundung 194 möglich,
in zuverlässiger Art und Weise ein Auftreten einer lokalen
Beanspruchungskonzentration bei dem Außenrand 193 der
Endoberfläche 194 während einer Übertragung
der Betätigungskraft zu verhindern, auch wenn die Endoberfläche 191 des Übertragungselements 19 und
die Innenoberfläche 221 des Deckelabschnitts 22 beispielsweise
aufgrund einer Positionsabweichung nicht parallel zueinander sind.
-
Dementsprechend
kann ein Auftreten von Defekten in dem Übertragungselement 19 für
eine lange Lebenszeit zuverlässig verhindert werden. Als Ergebnis
können sowohl die Haltbarkeit als auch die Zuverlässigkeit
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 1 sichergestellt
werden.
-
Ferner
ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Breite C der Abfasung oder Abrundung 194 des Übertragungselements 19 so
spezifiziert, dass sie in dem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm liegt.
-
Durch
ein Spezifizieren des Bereichs der Breite C wie vorstehend beschrieben
ist es möglich, die durch die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 erzeugte
Betätigungskraft zuverlässig zu dem Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses zu übertragen, während ein Auftreten
von Defekten in dem Übertragungselement 19 zuverlässig
verhindert wird.
-
Zusätzlich
ist es, wenn die Breite C kleiner als 0,1 mm ist, schwierig, ein
Auftreten einer lokalen Beanspruchungskonzentration bei dem Außenrand 193 der
Endoberfläche 191 des Übertragungselements 19 zuverlässig
zu verhindern. Demgegenüber ist es, wenn die Breite C größer
als 0,8 mm ist, schwierig, die durch das piezoelektrische Element 10 erzeugte
Betätigungskraft zuverlässig zu dem Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses 2 zu übertragen.
-
Gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Winkel α zwischen
der Endoberfläche 191 und der Abfasung oder Abrundung 194 des Übertragungselements 19 so
spezifiziert, dass er größer als 90° und
kleiner als 180° ist.
-
Durch
ein Spezifizieren des Bereichs des Winkels α wie vorstehend
beschrieben ist es möglich, weiter zuverlässig
ein Auftreten einer lokalen Beanspruchungskonzentration bei dem
Außenrand 193 der Endoberfläche 191 des Übertragungselements 19 zu
verhindern.
-
Unter
Bezugnahme auf 5 ist nachstehend eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 beschrieben,
die die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 verwendet.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 ist für eine
Verwendung in einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem für
eine Dieselkraftmaschine entworfen.
-
Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 umfasst ein oberes Gehäuse 62,
in dem die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 untergebracht
ist, und ein unteres Gehäuse 63, das an einem
unteren Ende des oberen Gehäuses 62 fixiert ist
und einen Einspritzdüsenabschnitt 64 aufweist,
der darin ausgebildet ist.
-
Das
obere Gehäuse 62 ist im Wesentlichen zylindrisch
und weist in sich ausgebildet eine longitudinale Bohrung 621 auf,
die zu einer longitudinalen Achse des oberen Gehäuses 62 versetzt
ist. In die longitudinale Bohrung 621 wird die geschichtete
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 eingefügt
und fixiert.
-
Ein
Kraftstoffzufuhrkanal 622, der zur Zufuhr eines Hochdruckkraftstoffes
von einem (nicht gezeigten) Common-Rail zu dem Einspritzdüsenabschnitt 64 dient,
ist in dem oberen Gehäuse 62 parallel zu der longitudinalen
Bohrung 62 ausgebildet. Der Kraftstoffzufuhrkanal 622 steht
mit dem Common-Rail über ein Kraftstoffeinbringrohr 623 in
Verbindung, das nach oben und rechts von einem oberen Endabschnitt
des oberen Gehäuses 62 herausragt.
-
Ein
Kraftstoffablasskanal 624, der zum Ablassen des Kraftstoffs
dient, der in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 nach
jeder Kraftstoffeinspritzung verbleibt, ist ebenso in dem oberen
Gehäuse 62 in einer strömungstechnischen
Verbindung mit der longitudinalen Bohrung 621 ausgebildet.
Der verbleibende Kraftstoff wird von dem Kraftstoffablasskanal 624 zu
einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank über ein Kraftstoffablassrohr 625 zurückgeführt,
das nach oben und links von dem oberen Endabschnitt des oberen Gehäuses 62 herausragt.
-
Der
Kraftstoffablasskanal 624 steht mit einem Drei-Wege-Ventil 651,
das nachstehend beschrieben ist, durch einen Zwischenraum 60,
der zwischen der longitudinalen Bohrung 621 und der piezoelektrischen
Betätigungsvorrichtung 1 ausgebildet ist, und
einen (nicht gezeigten) Zwischenkraftstoffkanal in Verbindung, der
sich von dem Zwischenraum 60 nach unten durch sowohl das
obere Gehäuse 62 als auch das untere Gehäuse 63 erstreckt.
-
Der
Einspritzdüsenabschnitt 64 umfasst eine Düsennadel 641,
ein Kraftstoffreservoir 642 und ein Einspritzloch 643.
Die Düsennadel 641 ist in einem Kolbenkörper 631 vertikal
gleitbar. Das Kraftstoffreservoir 642 ist bereitgestellt,
um den von dem Kraftstoffzufuhrkanal 622 zugeführten
Hochdruckkraftstoff zurückzuhalten. Genauer gesagt ist
das Kraftstoffreservoir 642 um einen Mittelabschnitt der Düsennadel 641 herum
ausgebildet und weist ein dazu geöffnetes unteres Ende
des Kraftstoffzufuhrkanals 622 auf.
-
Das
Einspritzloch 643 wird durch die Düsennadel 641 geöffnet
und geschlossen, wodurch selektiv der Hochdruckkraftstoff, der von
dem Kraftstoffreservoir 642 zugeführt wird, in
einen Zylinder der Kraftmaschine eingespritzt wird. Genauer gesagt empfängt
die Düsennadel 641 sowohl einen Kraftstoffdruck
von dem Kraftstoffreservoir 642 in einer Ventilöffnungsrichtung
(d. h. die nach oben gerichtete Richtung in 1) und einen
Kraftstoffdruck von einer Gegendruckkammer 644 in einer
Ventilschließrichtung (d. h. die nach unten gerichtete
Richtung in 1); die Gegendruckkammer 644 ist
vertikal oberhalb der Düsennadel 641 angeordnet.
Wenn der Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 644 abfällt,
wird die Düsennadel 641 nach oben angehoben, wodurch
das Einspritzloch 643 geöffnet wird, um den Hochdruckkraftstoff
in den Kraftmaschinenzylinder einzuspritzen.
-
Der
Kraftstoffdruck in der Gegendruckkammer 644 wird durch
das Drei-Wege-Ventil 651 gesteuert, das mit der Gegendruckkammer 644 und
selektiv entweder mit dem Kraftstoffzufuhrkanal 622 oder
dem Kraftstoffablasskanal 624 in Verbindung steht. Genauer
gesagt umfasst das Drei-Wege-Ventil 651 ein kugelförmiges
Ventilelement. Dieses Ventilelement wird durch die piezoelektrische
Betätigungsvorrichtung 1 über einen Kolben 652 mit
großem Durchmesser, eine Hydraulikkammer 653 und
einen Kolben 654 mit kleinem Durchmesser betätigt,
um selektiv Öffnungen, die jeweils mit dem Kraftstoffzufuhrkanal 622 und
der longitudinalen Bohrung 621 in Verbindung stehen, zu öffnen
und zu schließen.
-
Wie
es vorstehend beschrieben ist, ist die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 in
der longitudinalen Bohrung 621 angeordnet, die mit einem Hochtemperaturkraftstoff
gefüllt ist. Anders ausgedrückt unterliegt die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 einer
hohen Temperatur und einer hohen Feuchtigkeit. Da jedoch die piezoelektrische
Betätigungsvorrichtung 1 gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel eine hohe Haltbarkeit
und Zuverlässigkeit aufweist, ist es möglich,
die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der gesamten Kraftstoffeinspritzvorrichtung 6 sicherzustellen.
-
Ermittlung 1
-
Diese
Ermittlung ist durchgeführt worden, um die Wirkung der
Breite C der Abfasung oder Abrundung 194 auf die Lastfestigkeit
des Übertragungselements 19 der piezoelektrischen
Betätigungsvorrichtung 1 zu bestimmen.
-
Probestücke
des Übertragungselements 19 sind vorbereitet worden,
von denen jedes aus Aluminiumoxid hergestellt ist und eine Größe
von 6 mm × 6 mm × 18 mm aufweist. Die Breite C
ist für diese Probestücke im Bereich von 0 bis
1,5 mm variiert worden.
-
In
der Ermittlung ist jedes der Probestücke in einem Gehäuse 2 angeordnet
worden, das lediglich aus dem flexiblen Abschnitt 211 und
dem Deckelabschnitt 22 besteht, wie es in 6 gezeigt
ist, um einen Kontakt mit dem Deckelabschnitt 22 herzustellen.
Ein Abstandsstück 31 ist unter dem Deckelabschnitt 22 platziert
worden, wodurch ein Winkel von 2° zwischen der Endoberfläche 191 des
Probestücks (d. h. des Übertragungselements) und
der Innenoberfläche 221 des Deckelabschnitts 22 hergestellt wird.
Dann ist eine Last F auf das Probestück in der axialen
Richtung angelegt worden, wobei die Last F allmählich bis
zu 2 kN oder bis zum Auftreten von Defekten, wie beispielsweise
von Rissen oder einer Bruchstelle, in dem Probestück erhöht
worden ist.
-
In 7 sind
die Ergebnisse der Ermittlung gezeigt, wobei die horizontale Achse
und die vertikale Achse jeweils die Breite C in mm und die Last
F in kN darstellen, die Darstellungen „X" diejenigen Probestücke
anzeigen, bei denen Defekte aufgetreten sind, und die Darstellungen „O"
diejenigen Probestücke darstellen, bei denen keine Defekte
aufgetreten sind, bis die Last F auf 2 kN erhöht worden
ist.
-
Wie
es aus 7 ersichtlich ist, ist es mit einer Vergrößerung
der Breite C schwieriger geworden, dass Defekte in den Probestücken
auftreten. Insbesondere wenn die Breite C größer
als 0,1 mm gewesen ist, sind keine Defekte in den Probestücken aufgetreten,
bis die Last F auf 2 kN erhöht worden ist.
-
Dementsprechend
ist es aus den Ermittlungsergebnissen klar, dass die Breite C vorzugsweise
nicht kleiner als 0,1 mm hinsichtlich einer zuverlässigen
Verhinderung eines Auftretens von Defekten in dem Übertragungselement 19 ist.
-
Ermittlung 2
-
Diese
Ermittlung ist durchgeführt worden, um die Wirkung der
Breite C der Abfasung oder Abrundung 14 auf die Größe
eines Versatzverlustes des Übertragungselements 19 zu
bestimmen.
-
Probestücke
des Übertragungselements 19 sind betrachtet worden,
die jeweils aus Aluminiumoxid hergestellt sind und eine Größe
von 6 mm × 6 mm × 18 mm aufweisen. Die Breite
C ist für diese Probestücke in einem Bereich von
0 bis 2 mm variiert worden.
-
In
der Ermittlung hat jedes Probestück eine tatsächliche
Form aufgewiesen, wie sie in 8A gezeigt
ist. Bei einer Berechnung des Versatzverlustes ist die Form jedes
Probestücks jedoch vereinfacht worden, um einen Abschnitt 19A mit
großem Durchmesser und einen Abschnitt 19B mit
kleinem Durchmesser zu umfassen, wie es in 8B gezeigt
ist.
-
Für
jedes Probestück sind eine Größe εA
einer Verformung des Abschnitts 19A mit großem Durchmesser
und eine Größe εB einer Verformung des
Abschnitts 19B mit kleinem Durchmesser jeweils durch die
nachstehenden Gleichungen berechnet worden: εA = (F/SA)/E × (L – C) (Gleichung 1) εB = (F/SB)/E × C (Gleichung 2)
-
Hierbei
stellt F die auf das Probestück in der axialen Richtung
aufgebrachte Last dar, wie es in 8B gezeigt
ist, SA und SB stellen jeweils die Querschnittsflächen
des Abschnitts 19A mit großem Durchmesser und
des Abschnitts 19B mit kleinem Durchmesser dar, E stellt
den Elastizitätsmodul des Probestücks dar, L stellt
die axiale Gesamtlänge des Probestücks dar und
C stellt die Breite der Abfasung 194 des Probestücks
dar.
-
Zusätzlich
ist in der Ermittlung die Last F 500 N gewesen und der Elastizitätsmodul
E ist 3,6 × 105 für Aluminiumoxid
gewesen.
-
Dann
ist die Gesamtgröße εΣ einer
Verformung des Probestücks unter Verwendung der nachstehenden
Gleichung berechnet worden: εΣ = εA
+ εB (Gleichung 3)
-
Die
vorstehend genannte Gesamtgröße εΣ einer
Verformung ist als die Größe eines Versatzverlustes
betrachtet worden, der in dem Probestück aufgetreten ist.
-
In 9 sind
die Ergebnisse der Ermittlung gezeigt, wobei die horizontale Achse
die Breite C der Abfasung 194 in mm darstellt, während
die vertikale Achse die Größe des Versatzverlustes
in mm darstellt.
-
Wie
es aus 9 ersichtlich ist, nimmt die Größe
des Versatzverlustes mit einer Vergrößerung der
Breite C zu. Insbesondere nimmt die Größe des Versatzverlustes
deutlich zu, wenn die Breite C über 0,8 mm zugenommen hat.
-
Zusätzlich
ist, wenn die Größe des Versatzverlustes groß ist,
die Größe einer durch das Übertragungselement 19 von
dem piezoelektrischen Element 10 zu dem Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses 2 übertragene Versetzung entsprechend
klein. Als Folge kann die Betätigungskraft durch das Übertragungselement 19 von
dem piezoelektrischen Element 10 zu dem Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses 2 nicht zuverlässig übertragen
werden.
-
Dementsprechend
ist aus den Ermittlungsergebnissen klar, dass die Breite C der Abfasung 194 vorzugsweise
nicht größer als 0,8 mm hinsichtlich einer zuverlässigen Übertragung
der durch das piezoelektrische Element 10 erzeugten Betätigungskraft zu
dem Deckelabschnitt 22 des Gehäuses 2 ist.
-
Obwohl
das vorstehende spezifische Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann
ersichtlich, dass verschiedenerlei Modifikationen, Änderungen und
Verbesserungen ausgeführt werden können, ohne
den Umfang der Erfindung zu verlassen.
-
Beispielsweise
sind in den 10A und 10B Variationen
des Übertragungselements 19 gezeigt, bei denen
der Winkel α unterschiedliche Werte innerhalb des vorstehend
spezifizierten Bereichs aufweist.
-
In
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die
Abfasung oder Abrundung 194 des Übertragungselements 19 gerade,
wie es in den 1 und 2A gezeigt
ist. Die Abfasung oder Abrundung 194 kann jedoch ebenso
mit einem gegebenen Krümmungsradius gebogen sein, wie es
in den 11A und 11B gezeigt
ist.
-
In
den 11A und 11B weist
der Krümmungsdurchmesser der Abfasung 194 unterschiedliche
Werte auf.
-
In
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische
Betätigungsvorrichtung 1 ein Balgtyp. Das heißt,
der Körperabschnitt 21 des Gehäuses 2 in
der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 1 umfasst
den flexiblen Abschnitt 211, der die Form eines Metallbalgs
aufweist, um sich axial entsprechend der durch das piezoelektrische
Element 10 erzeugten Betätigungskraft auszudehnen und
zusammenzuziehen.
-
Die
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 1 kann
jedoch ein Membrantyp sein. Genauer gesagt kann, wie es in 12 gezeigt
ist, der Körperabschnitt 21 des Gehäuses 2 keinen
flexiblen Abschnitt 211 umfassen; stattdessen kann eine Membran 29 zwischen
dem Körperabschnitt 21 und dem Deckelabschnitt 22 des
Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Membran 29 ist
entsprechend der durch das piezoelektrische Element 10 erzeugten
Betätigungskraft elastisch verformbar.
-
Eine
piezoelektrische Betätigungsvorrichtung (1) umfasst
ein geschichtetes piezoelektrisches Element (10), ein Gehäuse
(2) und ein Übertragungselement (19).
Das piezoelektrische Element (10) erzeugt eine Betätigungskraft,
wenn es mit Energie versorgt wird. Das Gehäuse (2)
nimmt in sich das piezoelektrische Element (10) auf und
umfasst einen rohrförmigen Körperabschnitt (21)
sowie einen Deckelabschnitt (22), der ein Ende des Körperabschnitts
(21) schließt. Das Übertragungselement
(19) ist zwischen dem piezoelektrischen Element (10)
und dem Deckelabschnitt (22) des Gehäuses (2)
angeordnet, um die durch das piezoelektrische Element (10)
erzeugte Betätigungskraft zu dem Deckelabschnitt (22)
zu übertragen. Das Übertragungselement (19)
weist eine flache Endoberfläche (191), die in
Kontakt mit einer flachen Innenoberfläche (221)
des Deckelabschnitts (22) ist, und eine Abfasung oder Abrundung (194)
auf, die entlang einem Außenrand (193) der Endoberfläche
(191) ausgebildet ist. Die Abfasung oder Abrundung (194)
weist eine Breite C in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-