JP2000506590A - 圧電式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 例えば自動車に搭載された内燃機関の燃料噴射弁を作動するために設けられた圧電式アクチュエータは、該アクチュエータの圧電体のために、該圧電体を圧縮予荷重下におく予荷重ばねエレメントが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電式アクチュエータ 技術分野： 本発明は、互いに積層された圧電材料層又は圧電セラミック材料層とこれらの 圧電材料層間に間挿された金属性又は導電性の電極層とから成る特に多層積層板 として形成された圧電体を備え、前記電極の脈動電圧の印加時に前記圧電体が、 相応に脈動ストローク運動を行なって、該圧電体の相互に離反した２つの端面間 の距離を変化する形式の、自動車の内燃機関用の制御弁又は噴射弁を作動するの に適した圧電式アクチュエータに関する。 背景技術： 圧電式アクチュエータは一般に公知であり、かつ自動車の場合例えば機関の燃 料噴射弁のため並びにアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）及びトラクショ ンコントロールシステム（ＡＳＲ）を有するブレーキ系統において使用される。 このようなアクチュエータによる燃料噴射弁の作動に関する参照文献としては 英国特許第１３２００５７号明細書を挙げることができる。 このような燃料噴射弁は、プッシュロッド状の閉鎖部材によって制御される噴 射ノズルを有している。前 記プッシュロッドには、ノズル寄り作用面が配置されており、該ノズル寄り作用 面は、噴射ノズルに供給される燃料の圧力によって負荷され、その場合、圧力は プッシュロッドを閉鎖部材の開放方向へ押し退けようとする。前記ステムは、前 記作用面よりも大きな横断面積を有するプランジャ状端部でもって制御室内へ侵 入している。該制御室内で作用する圧力は、プッシュロッドを閉鎖部材の閉鎖方 向へ動かそうとする。前記制御室は入口絞りを介して、高圧下にある燃料供給管 路に接続されており、かつ又、概ね絞られた、もしくは出口絞りと組合わされた 排出弁を介して、ごく低い圧力しか有していない燃料戻し導管に接続されている 。前記排出弁が閉鎖されると、前記制御室内には、高い圧力が発生し、この高圧 によってプッシュロッドは、前記ノズル寄り作用面にかかる圧力に抗して閉鎖部 材の閉鎖方向へ動かされ、もしくは閉鎖位置に保持される。排出弁の開弁に伴っ て、前記制御室内の圧力は降下する。その場合圧力降下の量は、入口絞りの設計 及び開放された排出弁の絞り抵抗の設計、もしくは該排出弁と組合わされた出口 絞りの絞り抵抗の設計によって決定される。その結果、排出弁の開弁時に制御室 内の圧力は、プッシュロッドのノズル寄り作用面に作用する圧力に基づいて該プ ッシュロッドを閉鎖部材の開放方向へ動かすか又は開放位置に保持する程度に減 圧する。 前記排出弁は、圧電式アクチュエータによって作動することができ、この場合 圧電式アクチュエータは、噴射ノズルの閉鎖部材のストローク運動に対比して僅 かなストロークで充分である。 発明の開示： 圧電式アクチュエータは、動作確実な調整・駆動部材として実証されている。 圧電式アクチュエータを使用する場合、もしくはこれを配置する場合に当然考慮 されねばならない点は、多層積層技術によって多層積層板として形成された圧電 体に引張り荷重を負荷することは、全く又は極く僅かしか許さるべきでないこと である。これによって、圧電式に作動されるユニットの構造設計が面倒になる。 本発明による圧電式アクチュエータは、引張り方向の負荷の場合にも適してい る。それというのは本発明では圧電体が、該圧電体の圧縮予荷重下で両端面を相 互に緊締する弾性的な囲繞張設体を有しているからである。 本発明は、アクチュエータの圧電体に沿って配置された、もしくは該圧電体に 保持された予荷重エレメントによって、所望の引張り応力の方向とは逆向きに前 記圧電体に弾性的な圧縮予荷重をかけ、ひいては常時この圧電体に圧縮負荷をか けるという思想に基づいており、その場合圧電体は、脈動電界又は交番電界によ る負荷時に前記の両端面を圧電材料の圧縮応力下及び 囲繞張設体の弾性的な伸延下で互いに離間駆動し、かつ前記両端面は次いで、前 記囲繞張設体に弾性的に蓄えられたエネルギを活用して、やはり圧電体の圧縮応 力下で相互に圧迫され、かつ両運動方向で外向きに作用する作業を行うことが可 能である。 本発明では、圧電体の作業ストローク時に相互間隔を変化する両端面が、対応 受けもしくは駆動すべきエレメントに力を伝達するためには、安定した結合エレ メントつまり両端面プレートによってカバーされているべきであるという技術思 想を有利に活用した上で、前記の安定した両端面プレートは、圧電体の所望の圧 縮応力を常時保証するために、設計的に簡単な形式で弾性的な緊張エレメントに よって結合されるのである。 本発明の第１実施形態によれば、前記緊張エレメントは、単数又は複数のクリ ップばねとして形成することができ、該クリップばねは前記の結合エレメントも しくは両端面プレートを、圧電体の圧縮負荷下で相互に圧迫させようとする。 前記クリップばねに代えて、結合エレメントもしくは両端面プレートを、緊張 ストラップばねによって互いに結合することも可能である。 この場合の緊張ストラップばねは、丸形素材又は平形素材から成ることができ る。 最後にまた、前記の結合エレメントもしくは両端面 プレートを、引張りばねの形式で形成された管状のベローズを介して結合するこ とも可能であり、従って圧電体の囲繞張設体は、該圧電体を防護するケーシング を形成することになる。 緊張エレメントは、低い変形剛さを有するように形成するのが有利である。こ のように設計すれば、緊張エレメントの緊締力は、圧電体の脈動運動時に比較的 僅かしか変化せず、この場合特に力の変化量は作用力に対比して僅かでなければ ならない。 図面の簡単な説明： 図１は本発明による圧電式アクチュエータの第１実施形態を一部破断して示し た概略図である。 図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面線に沿った断面図である。 図３は変化実施形態の図２相当断面図である。 図４は別の変化実施形態の図２相当断面図である。 図５はアクチュエータの両端面に配置された安定プレート間に緊張ストラップ ばねを配置した実施形態の正面図である。 図６は図５に示した矢印ＶＩの方向に見た側面図である。 図７は緊張ストラップばねの３種の実施形態の概略図である。 図８はアクチュエータの両端面側の安定プレート間にばねスリーブを配置した 実施形態の断面図である。 図９は噴射弁の全体的な断面図である。 図１０はアクチュエータの別の実施形態を一部破断して示した概略図である。 図１１は圧電体の囲みとして使用される緊張ストラップばねのホルダーの３種 の有利な実施形態の概略図である。 発明を実施するための最良の形態： 次に図面に基づいて本発明の特に有利な実施例を詳説する。 図１及び図２に示した通り、圧電式アクチュエータ１は圧電体２を有し、該圧 電体は例えば多層の圧電セラミック材料層から成ることができ、各圧電セラミッ ク材料層間には夫々導電層が配置されており、これらの導電層は交互に電気的な 接続部３もしくは電気的な接続部４と導電結合されているので、前記圧電体２は 、前記接続部３，４を脈動電圧源又は交流電圧源（図示せず）と接続すると、公 知のように脈動運動させられ、この脈動運動に伴って、図１によれば圧電体２の 上部端面と下部端面との距離が変化する。 前記の上下両端面は安定したプレート５によってカバーされており、該プレー トは、図１及び図２に示した例では、端面中央に１つの溝６を有している。その 場合図１及び図２の図示から判る通り、上位のプレート５の溝６は、下位のプレ ート５の溝６に平行に配置されている。前記溝６は、閉じたリングとして形成さ れたクリップばね７を収容して保持するために使用され、前記クリップばね７は 圧電体２並びにプレート５を枠状に囲繞しており、かつクリップばね７の横方向 域が前記溝６内に収容されている。クリップばね７は、圧電体２の側面に延びる 弾性区分７’を有しており、該弾性区分は引張り予荷重がかけられており、これ に相応して両プレート５間で圧電体２を圧縮予荷重下におく。予め設定すべきば ね剛さを得るために前記弾性区分７’は、単数又は複数の湾曲窪み又は波形部を 有しており、その場合、両プレート５間で作用する引張り力は前記の湾曲窪み又 は波形部を開き曲げようとする。 図３に示した実施形態が、前記の実施形態と相違している点は殊に、圧電体２ に、２つの互いに別個のクリップばね８が配置されており、かつ圧電体２の両端 面の各プレート５内に１つの孔９が設けられ、該孔内にクリップばね８の屈曲端 部が差込まれていることである。 図４に示した実施形態が、図１及び図２の実施形態と相違している点は図３と 同様に２つのクリップばね１０が設けられていることである。該クリップばね１ ０は矢張り、プレート５の溝６内に収容された端部域を有しているが、各端部域 は鉤状に形成されており、しかも鉤状の各端部は、溝６の内部に形成された凹所 １１内に係合している。 前記の全ての実施形態においてクリップばね７，８，１０は、横断面円形のば ね鋼線材から成ることができる。 しかし基本的には別の横断面及び別種ばね材料の使用も考えることができる。 ２つの別個のクリップばね８，１０が配置されて互いに電気的に絶縁されてい る限り、両クリップばねは電気的な接続部として配置され、かつプレス嵌め、鑞 接などによって圧電体２の対応接点面と電気的に結合することもできる。 図５及び図６に示した実施形態では、両端面側の各プレート５には、緊張スト ラップばね１３を保持するためのサイドピン１２がそれぞれ配置されている。 前記緊張ストラップばね１３は、図６によれば安定プレート５のサイドピン１ ２に巻掛けられて延びるループの形式で形成され、かつ両サイドピン１２間の中 間領域に波形部を有することができ、しかも両サイドピン１２間で作用する緊張 力は前記波形部を開き曲げようとする。サイドピン１２の領域では緊張ストラッ プばね１３が比較的大きな幅を有しているのに対して、緊張ストラップばね１３ の波形域は、より狭幅になっている。両サイドピン１２間で作用する緊張ストラ ップばね１３の引張り力によって圧電体２は矢張り、定常的に作用する圧縮予荷 重下におかれる。 図７には、緊張ストラップばね１３の種々異なった 変化実施形態が図示されている。図７のＡでは各緊張ストラップばね１３はその 両端に、サイドピン１２に夫々嵌装される端環１４を有することができる。図７ のＢ及びＣによれば、各サイドピン１２は夫々１つの軸方向スリットを有するこ とができ、該軸方向スリットは、各サイドピン１２に巻掛けられた緊張ストラッ プばね１３の端部域の一端を受容する。 図７のＢに示した例では緊張ストラップばね１３は、サイドピン１２の領域に Ｓ字形区域１３’を有し、該Ｓ字形区域はその形状に基づいてばね作用を有し、 つまり強い引張り力が、このＳ字形区域１３’を平滑に伸延しようとする。 図８に示した実施形態では圧電体２は一方の端部に端面凹面状のプレート１５ を有し、また他方の端部では、該圧電体２から離反した方の側にステム状突起１ ７を備えたプレート１６を有している。該プレート１６の周縁部はリングフラン ジ１８によって受容され、該リングフランジは、ばねスリーブ２０のリング底部 １９と結合されており、前記ばねスリーブの他端は、底部２１に保持されており 、該底部は、内面側の凸面部でもって、これに対面するプレート１５の側に設け られた凹面部内に係合している。ばねスリーブ２０は比較的大きな引張り応力を 受けており、こうしてリング底部１９と底部２１は圧電体２に相応の圧縮予荷重 をかけている。 ばねスリーブ２０は、図８で見て上部領域では実質的に円筒形の形状を有して いるのに対して、下部領域はベローズ状の波形に成形されており、この場合各波 は、図８に示したように、それぞれ半円形の円弧を形成しているのが有利である 。 有利にはばね鋼から成るばねスリーブの肉厚は０．１〜０．６ｍｍであり、殊 に有利には約０．３ｍｍである。最大引張り応力は波形領域において８００〜９ ００Ｎ／ｍｍ²を超えてはならない。波の多重配置に基づいて、ばねスリーブ２ ０の総引張り応力は約５００〜１，５００Ｎである。圧電体の横断面積が１ｃｍ² オーダーであるとすれば、約５００〜２，０００Ｎ／ｃｍ²の圧縮予荷重が生じ る。 底部２１の上には支持プレート２２が配置されており、該支持プレート自体は キャップ形の蓋２３内に収容されている。底部２１、支持プレート２２及び蓋２ ３は、互いに整合する開口を有しており、該開口を通って接続線３，４が導かれ ている。この場合、前記開口内には、場合によっては注型材料から成形すること のできる栓状の閉塞片２５が配置されている。該閉塞片２５は接続接点２６を支 持しており、該接続接点を介して圧電体２に電圧を印加することが可能である。 蓋２３は、ばねスリーブ２０を半径方向間隔をおいて包囲する円筒体２７と結 合されており、該円筒体の下端部は、追って図９との関連において説明すること になるが該円筒体を噴射弁のケーシングに螺合できるようにするための雌ねじ山 を有している。 図９によれば、図示の噴射弁ユニットの多部構成形のケーシング２８には、ニ ードル２９によって制御される噴射ノズル３０が配置されており、該噴射ノズル には、前記ニードル２９を受容するケーシング孔３１を介して燃料が、比較的高 い圧力下で供給される。前記ケーシング孔３１は、ニードル２９と固着結合され たプランジャ状のプッシュロッド３３のための円筒形の作業室３２へ上方に向か って拡張されている。前記プッシュロッド３３は作業室３２の内部にストローク 運動可能に受容されている。前記作業室３２の、図９で見て拡張された下端域は 、図９では看取できないケーシング孔を介して横方向孔３４と連通しており、該 横方向孔はスプリットフィルタ３５を介して、図示を省いた燃料供給導管に接続 されている。横方向孔３４は環状室３６へ開口しており、該環状室は、入口絞り ３７を介して作業室３２の、図９で見て上端域と連通している。それ以外に作業 室３２の上端域には、該作業室３２に対して同軸に穿設されていて出口絞り３８ を有する孔３９が接続している。該孔３９は同軸の接続孔４０に開口し、該接続 孔は放圧室４１並びに補償孔４２に接続されており、該補償孔は前記接続孔４０ に対して平行に配置されており、かつ該接続孔の両端を互いに接続している。接 続孔４０内には制御弁４３ が配置されており、該制御弁は、これに対向した孔３９の入口を制御し、ひいて は該孔３９と放圧室４１との連通を制御する。制御弁４３は、接続孔４０内に配 置されたプッシュロッド４４によって作動され、該プッシュロッド自体は圧電式 アクチュエータ１によって作動される。アクチュエータ１は円筒体２７内に収納 されており、該円筒体の内室は、ケーシング接続部分４５と円筒体２７との間に 保持されたダイヤフラム４６によって、燃料の侵入を封止することができる。 図示の装置の機能態様は次の通りである。すなわち： アクチュエータ１が電圧又は脈動電圧で印加されると圧電体２は脈動運動を行 い、該脈動運動は、圧電体２にか又は該圧電体の端面に配置した安定したプレー ト５に配置されたステム状突起１７を介してプッシュロッド４４に伝達されるの で、該プッシュロッドは制御弁４３を開弁又は閉弁する。制御弁３４が閉弁する と、横方向孔３４を介して供給される燃料の圧力がプランジャ状のプッシュロッ ド３３の両端を負荷する。プランジャ状のプッシュロッド３３の下端は上端に対 比して、ニードル２９の横断面積分だけ減少された横断面積を有しているので、 プランジャ状のプッシュロッド３３は燃料圧によって下向方向に押し下げられ、 従ってニードル２９は噴射ノズル３０を閉鎖する。制御弁４３が開弁すると直ち にプランジャ状のプッシュ ロッド３３の上端に作用する圧力は低下し、この場合の圧力低下は、入口絞り３ ７並びに出口絞り３８の絞り抵抗の比によって決定される。この圧力低下の結果 として、プランジャ状のプッシュロッド３３の下端に作用する燃料圧が該プッシ ュロッド３３を持ち上げ、それに伴ってニードル２９は噴射ノズル３０を開放す る。 図１０に示した実施形態が、図８に示した実施形態と相違している点は殊に、 図８のばねスリーブ２０に代えて配置された波形ストラップばねが、圧電体２か ら離反した方のリングフランジ１８の側をめぐって巻掛けられており、かつこの 巻掛け部位にプレート１６のステム状突起１７のための開口を有していることで ある。 波形ストラップばね４８の両端は夫々、ニップル状の懸架部材４９内に硬鑞接 （銅鑞接）されており、前記懸架部材は円板状の支持兼補償エレメント５０上に 支承されており、該支持兼補償エレメント自体は圧電体２の端面板５１の上に載 設されている。支持兼補償エレメント５０内にも端面板５１内にも、波形ストラ ップばね４８を通すために側方に開いたスリットが配設されている。 波形ストラップばね４８と固着結合された懸架部材４９に代えて、図１１のＡ に示したようにストラップばね４８にアンカー形終端部材５２を一体成形してお くことも可能である。該アンカー形終端部材５２は図１１の例では、工具を係合 させるためのセンタ開口を有する実質的に正方形のラグとして形成されている。 その場合各アンカー形終端部材５２、もしくは該アンカー形終端部材を形成する ラグは、端面板５１内、及び該端面板に配設された支持兼補償エレメント５０内 に配設されていてストラップばね４８の通されるスリットを、該スリットの横方 向で架橋することができ、かつ前記スリットの両側では支持兼補償エレメント５ ０の端面上又は端面板５１上に角隅域５２’でもって支持されるように設計され ている。 ストラップばね４８の前記角隅域５２’と、スリットを通過する（比較的狭幅 の）部分との間の移行部は、Ｕ字形切欠部として、或いは（殊に有利には）鍵孔 形切欠部として形成されており、こうして角隅域５２’が、支持兼補償エレメン ト５０の対向端面もしくは端面板５１に対して向いた短い突起をアンカー形終端 部材５２に形成し、かつ前記移行部における亀裂形成が避けられる。 図１１のＡにおいて側面図で示したアンカー形終端部材５２の第１実施形態を 同図Ａの矢印Ｐの方向に見て示した図１１のＢから判るように、角隅域５２’は 、実質的に扁平に形成され、かつアンカー形終端部材５２のその他の部分とほぼ 等しい平面内に配置することができる。 またこれに代えて、図１１のＣに示したように、アンカー形終端部材５２の平 面に対して角隅域５２’の端部を屈曲させ、角隅域５２’の各屈曲部分を、支持 兼補償エレメント５０の対向端面に有利に面状に支承することも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローガー ポーチン ドイツ連邦共和国 Ｄ―74336 ブラッケ ンハイム フリーダーシュトラーセ 19 (72)発明者 クラウス―ペーター シュモル ドイツ連邦共和国 Ｄ―74251 レーレン シュタインスフェルト リヒャルト―ヴァ ーグナー―シュトラーセ ３ (72)発明者 フリートリヒ ベッキング ドイツ連邦共和国 Ｄ―70499 シュツツ トガルト マインツァー シュトラーセ 27

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 互いに積層された圧電材料層又は圧電セラミック材料層とこれらの圧電材料 層間に間挿された金属性又は導電性の電極層とから成る特に多層積層板として形 成された圧電体を備え、前記電極の脈動電圧の印加時に前記圧電体が、相応に脈 動ストローク運動を行って、該圧電体の相互に離反した２つの端面間の距離を変 化する形式の、自動車の内燃機関用の制御弁又は噴射弁を作動するのに適した圧 電式アクチュエータにおいて、圧電体（２）が、該圧電体（２）の圧縮予荷重下 で両端面を相互に緊締する弾性的な囲繞張設体（７，８，１０，１３）を有して いることを特徴とする、圧電式アクチュエータ。 2. 圧電体（２）の両端面に安定したプレート（５，１５，１６）が配置されて おり、前記の両プレートが、両プレート間で作用する張設エレメント（７，８， １０，１３，２０）によって圧電体（２）の圧縮予荷重下で緊締されている、請 求項１記載のアクチュエータ。 3. 両プレート（５）が、該プレート並びに圧電体（２）を外側から囲繞又は包 括する少なくとも１つのクリップばね（７，８，１０）によって互いに緊締され ている、請求項２記載のアクチュエータ。 4. 夫々実質的にＣ字形に形成された２個の互いに別 体のクリップばね（８，１０）が配置されており、前記の各クリップばねの両端 部が両プレート（５）に被さっている、請求項３記載のアクチュエータ。 5. 単個のクリップばね（７）が、リング状に閉じた部材として形成されている 、請求項３記載のアクチュエータ。 6. 単個のクリップばね（７）又は２個のクリップばね（８，１０）の、圧電体 （２）の側面に延びる領域が、波形部もしくは単数又は複数の湾曲窪みを有して いる、請求項３から５までのいずれか１項記載のアクチュエータ。 7. 両プレート（５）間に緊張ストラップばね（１３）が配置されている、請求 項２記載のアクチュエータ。 8. 両プレート（５）に、緊張ストラップばね（１３）を保持するためのサイド ピン（１２）が配置されている、請求項７記載のアクチュエータ。 9. 緊張ストラップばね（１３）が、サイドピン（１２）に巻掛けられたループ を形成している、請求項８記載のアクチュエータ。 10．緊張ストラップばね（１３）が、該緊張ストラップばねに配置された端環（ １４）によってサイドピン（１２）に保持されている、請求項８記載のアクチュ エータ。 11．緊張ストラップばね（１３）の終端域が、対応し たサイドピン（１２）に巻掛けられており、かつ前記終端域の自由端が、前記サ イドピンに形成された軸方向スリット内に差込まれている、請求項８記載のアク チュエータ。 12．緊張ストラップばね（１３）が両サイドピン（１２）間で波形部もしくは単 数又は複数の湾曲窪みを有している、請求項８から１１までのいずれか１項記載 のアクチュエータ。 13．波形ストラップばね（４８）が、圧電体（２）の一方の端面にか又は一方の 端面側のプレート（１５，１６）に巻掛けられており、かつ前記波形ストラップ ばねの両端に固着された懸架部材（４９）又は一体成形された終端部材（５２） によって、前記圧電体（２）の他方の端面側に配置された端面プレート（５１） の切欠部又はスリットに掛け込まれている、請求項７記載のアクチュエータ。 14．圧電体（２）がばねスリーブ（２０）内に配置されており、該ばねスリーブ が、その両端に配置された２つの底部（１９，２１）を、前記圧電体の圧縮負荷 の下で該圧電体の端面に緊締する、請求項１又は２記載のアクチュエータ。 15．ばねスリーブ（２０）が、圧電体（２）をダスト密かつ液密に包囲している 、請求項１４記載のアクチュエータ。 16．圧電体（２）を負荷する圧縮予荷重が５００〜２ ，０００Ｎ／ｃｍ²である、請求項１から１５までのいずれか１項記載のアクチ ュエータ。 17．両クリップばね（８，１０）が互いに電気絶縁されており、かつ電極のため の接続部として配置されている、請求項４記載のアクチュエータ。