JP2003510508A - 液体を制御するための弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、液体を制御するための弁であって、弁体（６）に設けられた孔（７）内で軸方向に摺動可能な弁部材（２）が設けられており、該弁部材（２）の一方の端部が弁閉鎖部材（８）を有しており、該弁閉鎖部材（８）が、弁体（６）に設けられた、当該弁（１）を開閉するための弁座（９，１０）と協働するようになっており、さらに、弁部材（２）を操作するための圧電式のユニット（３）と、該圧電式のユニット（３）の長さ伸縮誤差を補償するための誤差補償エレメント（２２）とが設けられている形式のものに関する。本発明の構成では、圧電式のユニット（３）の変位が、変向エレメント（２０）を介して弁部材（２）へ伝達可能であり、圧電式のユニット（３）が、弁部材（２）の運動方向でピエゾヘッド（１７）を弁部材（２）に向けた状態で、ほぼ前記変向エレメント（２０）の長手方向延在長さ内に配置されていて、該変向エレメント（２０）に誤差補償エレメント（２２）を介して結合されている。この誤差補償エレメント（２２）は、圧電式のユニット（３）に対して平行に配置されていて、しかも圧電式のユニット（３）に対して同等の、誤差に基づいた長さ変化特性を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 背景技術 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、液体を制御するための弁か
ら出発する。

【０００２】 欧州特許出願公開第０４７７４００号明細書に基づき、圧電式のアクチュエー
タを介して操作可能である、このような形式の弁が既に公知である。この公知の
弁は、圧電式のアクチュエータの変位変換器（Ｗｅｇｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｏ
ｒ）のための、行程方向で作用する適当な機械的な誤差補償のための装置を有し
ている。この装置では、圧電式のアクチュエータの変位が液圧室もしくはハイド
ロリックチャンバを介して伝達される。

【０００３】 「ハイドロリック式の変換装置（ｈｙｄｒａｕｌｉｓｃｈ．Ｕｅｂｅｒｓｅｔ
ｚｕｎｇ）」として作動するハイドロリックチャンバは、このハイドロリックチ
ャンバを仕切る２つのピストンの間に、共通の補償容積を取り囲んでいる。この
場合、両ピストンは大小異なる直径を有しており、小さな直径を有する方のピス
トン（小径のピストン）は、制御したい弁部材に結合されており、大きな直径を
有する方のピストン（大径のピストン）は圧電式のアクチュエータに結合されて
いる。ハイドロリックチャンバは、大径のピストンが圧電式のアクチュエータに
よって規定のストロークだけ運動させられた場合に、休止位置において１つまた
は複数のばねによって所定の位置に対して相対的に保持されている弁部材の操作
ピストンが、ピストン直径の変換比分だけ増大された行程を実施するように両ピ
ストンの間に挟み込まれている。弁部材と両ピストンと圧電式のアクチュエータ
とはこの場合、１つの共通の軸線に沿って相前後して位置している。

【０００４】 ハイドロリックチャンバの補償容積により、構成部分における温度勾配または
使用される材料の熱膨張率差に基づいた誤差（Ｔｏｌｅｒａｎｚ）ならびに場合
によっては生じるへたり効果もしくは永久ひずみ効果（Ｓｅｔｚｅｆｆｅｋｔｅ
）を、制御したい弁部材の位置変化が生じることなしに補償することができる。

【０００５】 しかし、２つのピストンの間に配置されたハイドロリックチャンバによって圧
電式のアクチュエータ、弁部材または弁ハウジングの長さ変化を補償することは
、手間のかかる構造を必要とすると共に、漏れ損失発生やハイドロリックチャン
バの再充填の点で問題となる。

【０００６】 本発明の課題は、特に圧電式のユニットおよび／または別の弁構成部分の長さ
伸縮誤差を補償するための誤差補償エレメントが、僅かな所要構成スペースしか
必要とせず、しかも単純な構造で実現されているような、圧電式のユニットを用
いて液体を制御するための弁を提供することである。

【０００７】 発明の利点 請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、液体を制御するための本発明による
弁には、次のような利点がある。すなわち、本発明による弁は高い固有周波数で
作動する。なぜならば、固有周波数を二乗的（ｑｕａｄｒａｔｉｓｃｈ）に減少
させる変換なしに、変向エレメントによる直接的な力伝達が行われるからである
。

【０００８】 さらに、本発明の重要な利点は、圧電式のユニットと変向エレメントと誤差補
償エレメントとの本発明による配置形式を有する弁が、コンパクトな構造を有し
ていることにある。

【０００９】 特に温度変化に基づき生ぜしめられる長さ伸縮誤差のための誤差補償エレメン
トは、本発明によれば単純な機械的な手段を用いて廉価に実現されている。

【００１０】 本発明の対象の別の利点および有利な構成は、実施例の説明、図面および特許
請求の範囲に記載されている。

【００１１】 実施例の説明 図１に示した実施例は、本発明による弁の、自動車の内燃機関に用いられる燃
料噴射弁１における有利な使用を示している。燃料噴射弁１はこの場合、ディー
ゼル燃料を噴射するためのコモンレール式インジェクタとして形成されている。

【００１２】 燃料噴射弁１における力の釣り合いにより噴射開始時期と噴射時間と噴射量と
を調節するためには、弁部材２が、ピエゾアクチュエータもしくは圧電式のアク
チュエータ４を備えたピエゾユニットもしくは圧電式のユニット３を介して制御
される。圧電式のアクチュエータ４は弁部材２の、燃焼室とは反対の側で、ピエ
ゾチャンバ５内に配置されている。このピエゾチャンバ５は弁体６もしくは弁ハ
ウジングに形成されている。

【００１３】 ピストン形の弁部材２は、弁体６に長手方向孔として形成された孔７内に軸方
向摺動可能に配置されている。この弁部材２の、燃焼室側の端部は、弁閉鎖部材
を形成する弁ヘッド８を有している。弁部材２はこの実施例では、２ポート２位
置弁として形成されており、この場合、弁ヘッド８は弁体６に形成された第１の
弁座９および第２の弁座１０と協働する。弁ヘッド８が持ち上げられた状態では
、外方に向かって開く弁ヘッド８に戻し力を加えるばね装置１２を備えたばね室
１１に対する接続が形成される。

【００１４】 当然ながら、択一的な別の構成において、弁部材が、中間位置を有する２ポー
ト３位置弁として作動することも考えられる。

【００１５】 ばね室１１には、燃焼室側で流出絞り１３が続いている。この流出絞り１３は
弁制御室１４に通じている。この弁制御室１４には、図面ではシンボリックにし
か図示されていない噴射管路１５が開口している。この噴射管路１５は全ての燃
料噴射弁にとって共通の１つの高圧蓄え室（コモンレール）１６から導出されて
いる。高圧蓄え室１６はこの場合、公知の形式で燃料高圧フィードポンプを用い
てリザーブタンクからの高い圧力の燃料で充填される。

【００１６】 弁部材２を操作するための圧電式のアクチュエータ４は、複数の薄い層から形
成されていて、燃焼室寄りの側にはピエゾヘッド１７を、燃焼室とは反対の側に
は電気的な接触接続部１９を備えたピエゾベース１８を、それぞれ有している。
ピエゾヘッド１７は変向エレメント２０に結合されており、この変向エレメント
２０によって、圧電式のアクチュエータ４の変位が弁部材２へ伝達可能となる。
この場合、圧電式のユニット３は弁部材２の運動方向で、ピエゾヘッド１７を弁
部材２に向けた状態で変向エレメント２０の長手方向延在長さ内に配置されてい
る。変向エレメント２０はこの場合、ほぼ閉じられてかつ内室２１を仕切る変向
スリーブを成している。

【００１７】 圧電式のアクチュエータ４は、圧電式のユニット３または別の弁構成部分、た
とえば弁部材２または弁体６の長さ伸縮誤差を補償するための誤差補償エレメン
ト２２を介して、変向スリーブ２０に結合されている。この誤差補償エレメント
２２は圧電式のユニット３に対して平行に配置されており、この場合、誤差補償
エレメント２２は一方ではピエゾヘッド１７に結合されていて、他方ではピエゾ
ベース１８に隣接した範囲で変向スリーブ２０に設けられた受け２３に結合され
ている。

【００１８】 図面から判るように、誤差補償エレメント２２は圧電式のユニット３に対して
平行に延びる２つの補償ピン２４によって形成されており、両補償ピン２４は、
圧電式のアクチュエータ４の直径を超えて受け状に張り出したピエゾヘッド１７
に固定されている。

【００１９】 当然ながら、択一的な別の構成において、誤差補償エレメントを２つ以外の数
の補償ピンによって形成するか、またはたとえばスリーブ状に形成することも可
能である。

【００２０】 誤差補償エレメント２２は、変向エレメント２０の、弁部材２の位置に影響を
与えるような運動を生ぜしめることなしに、圧電式のユニット３に比べて同等の
、誤差に基づいた長さ変化特性を有している。このためには、誤差補償エレメン
ト２２が、圧電式のアクチュエータ４の長さおよび熱膨張率にほぼ相当する長さ
および熱膨張率を有している。

【００２１】 温度補償のためには、圧電式のアクチュエータ４と誤差補償エレメント２２と
の間の良熱伝導性の熱ブリッジが必要となるので、変向エレメント２０の、圧電
式のアクチュエータ４と誤差補償エレメント２２とを取り囲む内室２１は、高い
熱伝導率を有する熱伝導性媒体３２で充填されている。この場合、変向エレメン
ト２０はいわば熱伝導性媒体３２のための容器として働く。

【００２２】 図示の実施例では、熱伝導性媒体としてシリコーン油から成る熱伝導性ペース
トが選択されているが、しかしこのためには別の媒体、特に合成油から成る別の
媒体も考えられる。

【００２３】 圧電式のユニット３は、弁部材２を収容している孔７と、この孔内に存在する
燃料とに対してシールされている。このためには、シールエレメント２５が設け
られている。このシールエレメント２５はこの場合、シールプレートとして形成
されており、このシールプレートは、この個所で２つの部分から形成されている
弁体６内に支承されている。シールプレート２５は、変向エレメント２０を弁部
材２と接触させるために、それぞれシール装置２６を備えた複数の貫通開口２７
を有している。シール装置２６はＯリングまたはダイヤフラムである。これらの
貫通開口２７を通じて、変向エレメント２０に設けられた複数の貫通ピン２８が
孔７内に突入している。

【００２４】 弁部材２を変向エレメント２０の貫通ピン２８と接触させるためには、弁部材
２が板状の受け２９を備えており、この受け２９の直径はほぼ変向エレメント２
０の直径に相当している。

【００２５】 弁部材２もしくは受け２９は、圧電式のアクチュエータ４が作動させられてい
ない状態では、エアギャップ３０によって変向エレメント２０から分離されてい
る。このエアギャップ３０は、可能となる温度補償時に変向エレメント２０の、
僅か数マイクロメータの運動が補償され得るように寸法設定されている。

【００２６】 シールプレート２５とピエゾヘッド１７との間には、ばね装置３１がプレロー
ドもしくは予荷重をかけられて組み込まれている。このばね装置３１は、複数の
層から「多層（Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ）」構造で構築された圧電式のアクチュエ
ータ４にプレセット荷重を加えるためのプレロードエレメントとして設けられて
いる。このばね装置３１は、圧電式のアクチュエータ４の層が通電時に互いに離
れることを阻止している。

【００２７】 図１に示した燃料噴射弁１は、以下に説明するようにして作動する。

【００２８】 燃料噴射弁１が閉じられた状態、つまり圧電式のアクチュエータ４が通電され
ていない状態では、弁部材２の弁ヘッド８が、この弁ヘッド８に対応配置された
第１の弁座９に当て付けられた状態に保持されるので、燃料が、高圧蓄え室１６
に接続された弁制御室１４から長手方向孔７の範囲に流入することはない。圧電
式のアクチュエータ４はこの場合、ばね装置３１によってピエゾヘッド１７とピ
エゾベース１８との間に緊締されており、そして誤差補償エレメント２２を介し
てピエゾヘッド１７に結合された変向エレメント２０は、エアギャップ３０によ
って弁部材２に対して間隔を置いて保持されている。

【００２９】 圧電式のアクチュエータ４の、温度に基づき生ぜしめられる長さ変化時に生じ
るような緩慢な操作が行われた場合には、誤差補償エレメント２２の補償ピン２
４が圧電式のアクチュエータ４と同等に伸縮するので、変向エレメント２０は運
動させられないか、またはエアギャップ３０の幅よりも小さな最小変位しか受け
ない。いずれの場合でも、このことは弁部材２および燃料噴射弁１全体の閉鎖位
置および開放位置に対して全く影響を与えない。

【００３０】 燃料噴射弁１によって噴射を行いたい場合には、圧電式のアクチュエータ４が
通電される。これにより、圧電式のアクチュエータ４はその軸方向延在長さを衝
撃的に増大させる。圧電式のアクチュエータ４のこのような迅速な操作が行われ
た場合には、ピエゾヘッド１７に結合された変向エレメント２０が同じく強力に
弁部材２の方向へ移動させられるので、変向エレメント２０は弁部材２の板形の
受け２９に当接し、そして弁部材２をその第１の弁座９から引き離して、第２の
弁座１０における開放された位置へもたらす。したがって、弁制御室１４から燃
料が弁体６の長手方向孔７に流入し得る。この場合、流入した燃料は漏れ流出管
路３４を通じて再び逃出することができる。

【００３１】 弁部材２が開放された結果、燃料噴射弁１は力バランスされた状態となるので
、弁制御室１４内の弁制御ピストン３３が上方に向かって運動させられ、このと
きに開放する噴射ノズルを通じて燃料が燃焼室（図示しない）内に噴射される。

【００３２】 圧電式のアクチュエータ４が不活性化されると、圧電式のアクチュエータ４の
長さが再びその出発長さもしくは初期長さにまで収縮し、弁部材２はばね装置１
２の戻し力によって、弁体６に設けられた第１の弁座９へ押圧される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内燃機関に用いられる燃料噴射弁における本発明よる弁の１実施例を示す概略
的な縦断面図である。

【符号の説明】

１ 燃料噴射弁、 ２ 弁部材、 ３ 圧電式のユニット、 ４ 圧電式のア
クチュエータ、 ５ ピエゾチャンバ、 ６ 弁体、 ７ 孔、 ８ 弁ヘッド
、 ９ 第１の弁座、 １０ 第２の弁座、 １１ ばね室、 １２ ばね装置
、 １３ 流出絞り、 １４ 弁制御室、 １５ 噴射管路、 １６ 高圧蓄え
室、 １７ ピエゾヘッド、 １８ ピエゾベース、 １９ 接触接続部、 ２
０ 変向エレメント、 ２１ 内室、 ２２ 誤差補償エレメント、 ２３ 受
け、 ２４ 補償ピン、 ２５ シールエレメント、 ２６ シール装置、 ２
７ 貫通開口、 ２８ 貫通ピン、 ２９ 受け、 ３０ エアギャップ、 ３
１ ばね装置、 ３２ 熱伝導性媒体、 ３３ 弁制御ピストン、 ３４ 漏れ
流出管路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/20 Ｆ０２Ｍ 61/20 Ｎ Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 AD12 BA19 BA44 BA61 BA67 CC06T CC08T CC64T CC64U CC66 CC67 CC68T CC68U CC69 CC70 CD10 CD16 CE13 CE27 CE31 CE34 【要約の続き】 （３）に対して同等の、誤差に基づいた長さ変化特性を 有している。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を制御するための弁であって、弁体（６）に設けられた
   孔（７）内で軸方向に移動可能な弁部材（２）が設けられており、該弁部材（２
   ）の一方の端部が弁閉鎖部材（８）を有しており、該弁閉鎖部材（８）が、弁体
   （６）に設けられた、当該弁（１）を開閉するための弁座（９，１０）と協働す
   るようになっており、さらに、弁部材（２）を操作するための圧電式のユニット
   （３）と、該圧電式のユニット（３）および／または別の弁構成部分（６）の長
   さ伸縮誤差を補償するための誤差補償エレメント（２２）とが設けられている形
   式のものにおいて、圧電式のユニット（３）の変位が、変向エレメント（２０）
   を介して弁部材（２）へ伝達可能であり、圧電式のユニット（３）が、弁部材（
   ２）の運動方向でピエゾヘッド（１７）を弁部材（２）に向けた状態で、ほぼ前
   記変向エレメント（２０）の長手方向延在長さ内に配置されていて、該変向エレ
   メント（２０）に誤差補償エレメント（２２）を介して結合されており、該誤差
   補償エレメント（２２）が、圧電式のユニット（３）に対して平行に配置されて
   いて、しかも前記変向エレメント（２０）の、弁部材（２）の位置に影響を与え
   る運動なしに、圧電式のユニット（３）に対して同等の、誤差に基づいた長さ変
   化特性を有していることを特徴とする、液体を制御するための弁。
2. 【請求項２】 誤差補償エレメント（２２）が、少なくとも１つの圧電式の
   アクチュエータ（４）を有する圧電式のユニット（３）の長さおよび熱膨張率に
   少なくともほぼ相当する長さおよび熱膨張率を有している、請求項１記載の弁。
3. 【請求項３】 誤差補償エレメント（２２）が、一方ではピエゾヘッド（１
   ７）に結合されていて、他方ではピエゾベース（１８）に隣接した範囲で前記変
   向エレメント（２０）に設けられた受け（２３）に結合されている、請求項１ま
   たは２記載の弁。
4. 【請求項４】 圧電式のユニット（３）と誤差補償エレメント（２２）とを
   取り囲む範囲（２１）が、高い熱伝導率を有する熱伝導性媒体（３２）で充填さ
   れている、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
5. 【請求項５】 熱伝導性媒体（３２）が、特に合成油から成る熱伝導性ペー
   ストである、請求項４記載の弁。
6. 【請求項６】 誤差補償エレメント（２２）が、圧電式のユニット（３）に
   対して平行に延びる複数の補償ピン（２４）によって形成されており、該補償ピ
   ン（２４）が、一方では圧電式のユニット（３）の直径を超えて受け状に張り出
   したピエゾヘッド（１７）に固定されている、請求項１から５までのいずれか１
   項記載の弁。
7. 【請求項７】 前記変向エレメント（２０）が、少なくとも部分的に閉じら
   れかつ内室（２１）を仕切っている変向スリーブとして形成されている、請求項
   １から６までのいずれか１項記載の弁。
8. 【請求項８】 圧電式のユニット（３）が、弁部材（２）を収容している孔
   （７）に対してシールされている、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁
   。
9. 【請求項９】 圧電式のユニット（３）が、弁部材（２）を収容している孔
   （７）に対してシールエレメント（２５）によってシールされており、該シール
   エレメント（２５）が、前記変向エレメント（２０）を弁部材（２）と接触させ
   るために、シールされた少なくとも１つの貫通開口（２７）を有している、請求
   項８記載の弁。
10. 【請求項１０】 前記変向エレメント（２０）が、シールプレートとして形
    成されたシールエレメント（２５）を貫いて、弁部材（２）を収容している孔（
    ７）内に突入しており、さらに前記変向エレメント（２０）が、シールプレート
    （２５）を貫通した少なくとも１つの貫通開口（２７）の範囲に貫通ピン（２８
    ）を有している、請求項９記載の弁。
11. 【請求項１１】 圧電式のユニット（３）のためのプレロードエレメントと
    して、前記シールエレメント（２５）に支持されたばね装置（３１）が設けられ
    ている、請求項９または１０記載の弁。
12. 【請求項１２】 弁部材（２）が、前記変向エレメント（２０）との接触の
    ために板状の受け（２９）を備えており、該受け（２９）の直径が、ほぼ前記変
    向エレメント（２０）の直径に相当している、請求項１から１１までのいずれか
    １項記載の弁。
13. 【請求項１３】 当該弁が、内燃機関に用いられる燃料噴射弁の構成要素、
    特にコモンレール式インジェクタ（１）の構成要素として使用されている、請求
    項１から１２までのいずれか１項記載の弁。