JP2005506828A - 機械的な構成部分を操作するためのピエゾアクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明はピエゾ素子（２）を備えたピエゾアクチュエータに関する。ピエゾ素子（２）は、ポット形に形成されたばねエレメント（４）を用いて予備荷重がかけられている。本発明により、ポット形のばねエレメント（４）は、簡単かつ安価に製作可能な構造を有しており、かつピエゾ素子（２）の予備荷重のための、必要な高い静的な力および動的な力を提供することができる。

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、特に内燃機関内に設けられた燃料調量のための噴射インジェクタのための、機械的な構成部分を操作する、ピエゾ素子を備えたピエゾアクチュエータであって、ピエゾ素子がばねエレメントにより予備荷重をかけられている形式のものに関する。
【０００２】
ピエゾアクチュエータは、例えば燃料噴射弁において制御弁を操作するために使用され、制御弁は制御弁側で燃料噴射弁のノズルニードルを操作する。この種の圧電式のアクチュエータは、セラミックディスクを積層することにより形成された、円筒形または直方体形の素子であって、この素子は電気的なエネルギを直接的に運動に、より正確にはストロークに変換する。その際、内燃機関のための現在の燃料噴射弁では、ピエゾアクチュエータによって高い切換周波数と極めて短い切換時間とが実現されなければならない。この際に発生する慣性力（Ｍａｓｓｅｎｋｒａｆｔ）がアクチュエータの自己破壊を引き起こしてしまわないように、ピエゾアクチュエータには高い予備荷重もしくはプリセット荷重が加えられていなければならない。燃料噴射弁の場合、例えば約５００Ｎ〜１０００Ｎの予備荷重が加えられていなければならない。
【０００３】
この種の高い予備荷重をピエゾ素子にかけるために、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２８１７９号明細書では、ピエゾ素子を円盤ばねと螺旋ばねとの間で緊締することが提案された。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２８１８６号明細書により、ピエゾ素子を圧力ピンに接続することが公知であり、このピエゾ素子は機械的に、引張り方向にプレロードをかけられたジグザグばね（Ｗｅｌｌｆｅｄｅｒ）に接続されている。ジグザグばねはこの場合ハウジング領域で固定されている。さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２８１８３号明細書により公知のピエゾ素子はばねエレメントにより２つのプレート状の構成部分の間で緊締されている。しかし、ピエゾ素子のための公知の予備荷重装置は、それらが比較的に手間を要して組付けられなければならず、かつ多数の構成部分を有しているという欠点を有している。これにより、この種のピエゾアクチュエータの製作は比較的コストの高いものになってしまう。
【０００４】
本発明の利点
これに対して、請求項１に記載された特徴を備えた本発明によるピエゾアクチュエータは、極めてコンパクトに構成されていて極めて安価に製作可能であるという利点を有している。これに関して、ピエゾ素子に予備荷重をかけるばねエレメントはポット形に形成されているので、ばねエレメントは例えば円板形のブランクとして金属薄板から打ち抜かれることができ、引き続き、例えば深絞り加工によって、そのポット形の形状に加工されることができる。注記しておくべきことは、本発明において、ポット形の形状という概念に、円形の外周のみならず、例えば長円形、長方形、正方形または多角形の外周を備えた形状も含まれるという点である。したがって、ポット形のばねエレメントは底領域と壁領域とを有しており、壁領域は外側の周囲に沿って、正確には底領域の外側の縁部に沿って、該底領域に対して実質的に垂直に配置されている。本発明によるポット形のばねエレメントの使用により、本発明によるピエゾアクチュエータは少ない構成スペースを有している。特に円盤ばねと比して、ポット形のばねエレメントの使用時にはより小さなヒステリシスが得られる。さらに、横方向力成分のない力伝達を実施することができる。ポット形のばねエレメントは簡単かつ良好に再生産可能に製作可能であるので、コスト面での大きな製作上の利点が生じる。
【０００５】
ピエゾアクチュエータの簡単な構造を提供するために、ピエゾ素子は有利にはポット形のハウジング内に配置されている。
【０００６】
本発明の有利な実施形態により、ポット形のばねエレメントは単数又は複数の切欠きを有している。有利には、切欠きは、所望のばね特性がポット形のばねエレメントにより提供され得るように設定される。
【０００７】
この場合、特に有利にはポット形のばねエレメントの切欠きはスリット状に形成されている。
【０００８】
ポット形エレメントの半径方向および軸方向でのばね特性を準備するために、ポット形のばねエレメントの切欠きは有利には、切欠きがばねエレメントの底領域から壁領域にわたって延びているように形成されている。
【０００９】
有利にはポット形のばねエレメントはピエゾ素子のハウジングに点接触を介して接続されている。この際、ポット形のばねエレメントへの均一な力導入を達成するために、この接触部は有利にはポット形のばねエレメントの中心点に、もしくは中心軸線上に位置している。
【００１０】
有利にはこの点接触は、ポット形のハウジングの底部外面に設けられた半球形の接続エレメントにより提供される。この際、ピエゾ素子のハウジングと半球形の接続エレメントとは例えば１つの部材から製作されることができる。
【００１１】
ピエゾ素子の温度依存性の長さ変化を補償し得るために、ポット形のばねエレメントは有利にはハイドロリック式のカプラのピストンに結合されている。この場合、ハイドロリック式のカプラの液体室の容積適合により、ピエゾ素子の温度依存性の長さ変化を補償することができる。この場合さらに、ハイドロリック式のカプラは、カプラがピエゾ素子の比較的小さなストロークを変位拡大するように形成されていることができる。
【００１２】
ポット形のばねエレメントをハイドロリック式のカプラのピストンに簡単に固定することができるように、ピストンは有利には付設部を有しており、この付設部はポット形のばねエレメントの内周に適合する。この場合有利には、ポット形のばねエレメントはプレスばめを用いて、ピストンに設けられた付設部に結合されている。
【００１３】
本発明によるピエゾアクチュエータは特に蓄圧器型噴射システムのための燃料噴射弁に使用される。この場合、ピエゾアクチュエータにより有利には制御弁が操作され、制御弁が制御弁側で燃料噴射弁の弁部材を操作する。
【００１４】
次に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
【００１５】
実施例の説明
以下に図１、図２を参照しながら、第１の実施例による、ポット形のばねエレメントを備えたピエゾアクチュエータもしくは圧電アクチュエータについて説明する。
【００１６】
この際、図１に示したピエゾアクチュエータは、燃料を噴射するための弁１内で使用される。簡単な図示可能性の理由から、弁１のうち、本発明にとって重要な構成部分のみが図示されている。図１に示されているように、多数のセラミックディスク（Ｋｅｒａｍｉｋｓｃｈｅｉｂｅ）から成る積層型のピエゾ素子２がポット形のハウジング３内に配置されている。ポット形のハウジング３の開いた一方の端部には、ピエゾ素子２のための電気的な接続部８が設けられている。ピエゾ素子２はハウジング３を介してポット形のばねエレメント４に接続している。より正確に言えば、ハウジング３には半球形の接続エレメント９が形成されており、それによって、ハウジング３とポット形のばねエレメント４との間に点的な接続が形成されている。ポット形のばねエレメント４は実質的に円筒状に形成されており、かつ底領域１３と側方の円筒環形の壁領域１４とを有している。
【００１７】
図１に示されているように、ポット形のばねエレメント４はハイドロリック式のカプラのピストン５に直接結合されている。このために、ピストン５には環状の段部６が形成されており、この段部６にポット形のばねエレメント４がプレスばめを用いて結合されている。この際、ポット形のばねエレメント４は、該ばねエレメント４が予備荷重を矢印Ｆの方向にハウジング３を介してピエゾ素子２に加え得るように、弁１内に配置されている。その際、ピエゾアクチュエータ２とばねエレメント４とハイドロリック式のカプラとは、弁１のハウジング７内に配置されている。ピエゾ素子２は中間構成部分を介してハウジング７に支持されている。
【００１８】
図２には金属薄板から成る円板形のブランク（Ｒｏｎｄｅ）１０が示されており、このブランク１０からポット形のばねエレメント４が、例えば深絞り加工を用いて製作され得る。これによりポット形のばねエレメント４は特に簡単かつ安価に製作可能である。この際、深絞り加工後に、例えばトリミングおよび焼き入れのようなさらに別の製作ステップが実施され得る。
【００１９】
この場合、本発明によるポット形のばねエレメント４によって、ピエゾ素子２からハイドロリック式のカプラのピストン５への力伝達が横方向力成分を有さずに実施され得る。さらに、本発明によるポット形のばねエレメント４は、従来慣用の圧縮ばねを使用した場合に比べて比較的少ない構成スペースを有しているので、特に弁１の、軸方向の長さを減じることができる。本発明によれば、１つのばねエレメントがピエゾ素子２の一方の側に、予備荷重をかけるために必要とされるにすぎない。この際、本発明によるポット形のばねエレメント４は、必要な高い静的な値と動的な値とが調達されることを保証することができる。
【００２０】
図３から図５には、第２の実施例によるばねエレメントが示されている。第１の実施例に示したものと同一の部分には同一の符号を付与した。
【００２１】
特に図４および図５から明らかであるように、第２の実施例によるポット形のばねエレメント４は、第１の実施例と比較して、多数のスリット状の切欠き１２を有している。この場合、切欠き１２はポット形のばねエレメント４において、切欠き１２が部分的にばねエレメント４の側方の壁領域１４にも底領域１３にも達するように配置されている（図４、図５参照）。これらの切欠きを底領域１３から側方の縁領域１４にかけての移行領域に形成したことにより、第１の実施例によるばねエレメントの場合とは異なるばね特性が得られる。この場合必要に応じて、ポット形のばねエレメント４に設けられた切欠きの個数、サイズ、位置を、別のばね特性を得るために変更することができる。
【００２２】
図３にはブランク１０が示されており、このブランク１０から第２の実施例によるポット形のばねエレメント４が深絞り加工を用いて製作され得る。ブランク１０には多数の切欠き１１が形成されており、切欠き１１は、円形のブランクの中心を取り巻いた円周上に位置している。この際、円筒形の深絞り加工工具は、深絞り加工工具の外周が切欠き１１の領域内に載置しているように、図３に示したブランク１０に当て付けられる。これにより、図４、図５に示した切欠き１２が得られる。図３に示したブランク１０は、例えば打抜きにより平らな金属薄板材料から製作され得る。
【００２３】
したがって、本発明は、ポット形に形成されたばねエレメント４を用いて予備荷重がかけられているピエゾ素子２を備えたピエゾアクチュエータに関する。本発明において、ポット形のばねエレメント４は、簡単かつ安価に製作可能な構造を有しており、さらにピエゾ素子２の予備荷重のための、必要な高い静的および動的な力を非常に小さな構成スペースで提供することができる。
【００２４】
上述した、本発明による実施例の説明は、単に説明の目的を果たしているに過ぎず、本発明の制限を目的とするものではない。本発明の枠内で、本発明の範囲を離れたりその等価性を損なうことなしに、種々異なる変化および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施例による、ポット形のばねエレメントを備えたピエゾアクチュエータの概略的な断面図である。
【図２】
図１に示したポット形のばねエレメントが製作される金属薄板ブランクを示す図である。
【図３】
第２の実施例によるポット形のばねエレメントを製作するための金属薄板ブランクを示す図である。
【図４】
第２の実施例によるポット形のばねエレメントの平面図である。
【図５】
第２の実施例によるポット形のばねエレメントの側面図である。

Claims (10)

1. 特に内燃機関内に設けられた燃料調量のための噴射インジェクタのための、機械的な構成部分（５）を操作する、ピエゾ素子（２）を備えたピエゾアクチュエータであって、ピエゾ素子（２）がばねエレメント（４）により予備荷重をかけられている形式のものにおいて、ばねエレメント（４）がポット形に形成されていることを特徴とする、機械的な構成部分を操作するためのピエゾアクチュエータ。
2. ピエゾ素子（２）がポット形のハウジング（３）内に配置されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータ。
3. ポット形のばねエレメント（４）が少なくとも１つの切欠き（１２）を有している、請求項１または２記載のピエゾアクチュエータ。
4. 切欠き（１２）がスリット状に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
5. ポット形のばねエレメント（４）の切欠き（１２）が底領域（１３）から壁領域（１４）にかけて延在している、請求項３または４記載のピエゾアクチュエータ。
6. ポット形のばねエレメント（４）が、ピエゾ素子（２）の、ポット形のハウジング（３）に、点接触を介して接続されている、請求項２から５までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
7. 上記点接触が、ポット形のハウジング（３）の底部外面に設けられた半球形の接続エレメント（９）により提供されている、請求項６記載のピエゾアクチュエータ。
8. ポット形のばねエレメント（４）がハイドロリック式のカプラのピストン（５）に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。
9. ピストン（５）の、ばねエレメント４に面した側に、環状に延在する段部（６）が、ばねエレメント（４）を収容するために形成されている、請求項８記載のピエゾアクチュエータ。
10. ポット形のばねエレメント（４）が、円形の外周か、長円形の外周か、長方形の外周か、四角形の外周か、または多角形の外周を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータ。