JP2008206387A - 圧電アクチュエータ及びこのアクチュエータ用の包囲構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの圧電エレメントを包囲するための包囲構造体（１）を提供する。
【解決手段】包囲構造体（１）は、少なくとも一つの歪補償形成部を形成するように賦形された側壁を有する。歪補償形成部は、側壁を長さ方向軸線と平行に伸長したり収縮したりできる長さ方向に伸縮可能な部分（５）、及び側壁を長さ方向軸線に対して横方向に撓ませることができる内方に撓み得る部分（９）から選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及びこのようなアクチュエータの圧電エレメント用の包囲構造体に関する。本発明のアクチュエータは、内燃エンジン、特にディーゼルエンジン用の燃焼噴射装置で使用するのに適している。

本出願人に付与された欧州特許出願第ＥＰ０９９５９０１号に記載の周知の燃焼噴射装置では、燃焼空間内への燃料の送出を制御するため、圧電アクチュエータを作動させることができる。このようなアクチュエータは、代表的には、休止時の厚さが各々約８０μｍの圧電エレメント又はセグメントでできたスタックを含む。使用時に各エレメントの前後に可変の電圧を加え、スタックは、アクチュエータの中央軸線に沿って伸長したり収縮したりする。スタックの長さの変化により、噴射装置のバルブニードルを弁座に関して移動し、これによって燃料の噴射を制御する。

更に詳細には、スタックの圧電エレメントは、金属製内部電極と交互になった極性圧電材料で形成されている。スタックのエレメントは、電極によって離間されており且つこれらの電極に結合されている。各電極は、必要な電圧を、二つの隣接した圧電エレメントに提供できる。従って、これらの電極は、スタックに沿って極性が逆になっている。電極の縁部は、スタックの側面に露呈されている。

隣接した電極間の電位差は、代表的には、アクチュエータの状態に応じて＋２００Ｖ乃至−６０Ｖで変化する。アクチュエータにより噴射装置バルブを閉鎖する必要がある場合には、圧電スタックのエレメントに＋２００Ｖを加えることによって、圧電スタックを約１２０μｍ伸長する。これによって、アクチュエータにより噴射装置のバルブニードルを弁座に着座させ、燃料の流路を閉鎖する。噴射装置のバルブをその閉鎖状態に維持するため、燃料を噴射することが必要とされる場合を除き、上記電圧をスタックに加え続けなければならない。燃料を噴射することが必要とされるとき、−６０Ｖの負の電圧を電極に加える。これにより、スタックを収縮し、噴射装置のバルブニードルを弁座から引っ込めて燃料流路を非常に短時間開放する。負の電圧は、引っ込め速度のため、使用される。

アクチュエータは、使用時に高圧の燃料を受け取る噴射装置のアキュムレータ容積内に配置される。従って、アクチュエータは、その作動寿命に亘り燃料に浸漬され、燃料噴射システムの使用時に、アクチュエータは、例えば０．２×１０6 ｈＰａ乃至２×１０6 ｈＰａ（２００バール乃至２０００バール）で変動するレール圧の燃料に露呈される。圧電スタックを損傷しないように保護するため、スタックを、アキュムレータ容積内の燃料の化学的作用及び誘電作用から遮断することが重要である。こうした作用は、燃料に代表的に存在する水汚染物によって悪化する。

燃料と圧電スタックとの間に効果的な障壁が設けられていない場合には、スタックに沿って極性が逆になった電極の露呈された縁部間で表面短絡が発生する場合がある。表面短絡が発生すると、短絡が発生した領域で圧電材料が変化するため、有用な機能が失われてしまう。従って、漏れ及び／又は透過によって燃料及び／又は水が侵入することがないようにする障壁を形成する保護包囲構造体内にスタックをパッケージングすることが必要である。

例えば、欧州特許第ＥＰ０９９５９０１号では、可撓性シーラント材料で形成されたコーティング又はスリーブ内に圧電スタックがパッケージされている。スタックをプラスチックコーティング内に封入するための被せ成形技術を使用すること、即ち本出願人の特許出願である国際特許出願第ＷＯ０２／０６１８５６号に記載されたスリーブを適用することが周知である。このような包囲構造体は、代表的には、圧電スタックの作動と関連しｔｅ張したり収縮したりできる誘電性ポリマー材料を含む。材料は、更に、アキュムレータ容積内の燃料の静水圧の大きな変化による歪を吸収しなければならない。この変化は、連続した噴射順序で周期的に発生する。包囲構造体は、適当には、例えばポリビニリデンフルオライド（ＰＤＦＥ）又はエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）等の耐燃料性で低透過性のフルオロポリマーで形成される。

ポリマー障壁は、燃料及び水の透過を制限するが、停止せず、ポリマー障壁が設けられているにも関わらず、燃料及び水が圧電スタックと包囲構造体との間の界面に侵入することが観察された。

アクチュエータへの燃料及び水の侵入は、様々な機構で生じる。一つの機構は、包囲構造体を通した化学的拡散による。別の機構は、アキュムレータ容積内の燃料の圧力の周期的変化により、包囲構造体に歪が発生することによる。別の機構は、噴射装置の作動中の主に単極性電界の親水性効果による。これに関し、燃料噴射装置のバルブは、エンジンの作動中、非常に短い期間しか、即ち、燃料の噴射時にしか開放せず、バルブはその作動時間の大部分に亘って閉鎖している。噴射間のはるかに長い中間期間には、バルブを閉鎖状態にしておくために圧電スタックを＋２００Ｖで賦勢し続けなければならない。これは、経時的に、閉鎖状態と開放状態との間に不均衡を生じ、閉鎖状態の高い電圧により、スタック内及びその周囲に主に端極電界が発生する。このような電界は、水をイオン及び／又は分子として引き付けることが示されている。

障壁材料の透過抵抗は、燃料噴射装置の圧電スタックの丈夫さにおける重要なファクタである。障壁の透過性を低下するため、組み立て後にポリマー障壁を金属化することが使用されてきたが、本発明は、障壁の透過性を更に低下することを目的とする。

稠密な金属製包囲構造体は、透過の問題に対する有効な解決策である。しかしながら、圧電スタックの作動中、及び噴射装置のアキュムレータ容積内での燃料圧力の変動中に加わる歪に耐えるように包囲構造体を形成できる場合にしか、金属製包囲構造体は使用できない。更に、金属製包囲構造体は、導電性であるため、スタックの表面から離しておかなければならず、そうでない場合には、スタックの隣接した電極間で短絡が発生する。
欧州特許出願第ＥＰ０９９５９０１号 国際特許出願第ＷＯ０２／０６１８５６号

本発明は、圧電スタックの周囲に金属製包囲構造体を備えたアクチュエータを提供しようとする本出願人の努力によるものである。本発明の特徴は、このような包囲構造体に金属を使用することに特に適しており、そのような用途で金属を使用できるようにするが、こうした特徴は、他の材料でできた包囲構造体で使用してもよい。従って、本発明は、その最も広い意味において、金属製包囲構造体に限定されない。

本発明では、圧電アクチュエータの圧電エレメントを包囲するための包囲構造体を提供する。この包囲構造体は細長く、長さ方向軸線を形成する。包囲構造体の側壁は、側壁を長さ方向軸線と平行に伸長したり収縮したりできる長さ方向に伸縮可能な部分、及び側壁を長さ方向軸線に対して横方向に撓ませることができる内方に撓み得る部分から選択された少なくとも一つの歪補償形成部を形成するように、賦形されている。

有利には、長さ方向に伸縮可能な部分により、包囲構造体内の圧電スタックが使用中に長くなったり収縮したりするとき、包囲構造体は、損傷なしで長さ方向に膨張したり収縮したりできる。長さ方向に伸縮可能な部分のため、使用時に包囲構造体の外側に燃料の静水圧が繰り返し加わるとき、包囲構造体に、その長さ方向軸線に対して横方向に歪を、損傷なしで加えることができる。

一実施例では、包囲構造体は、少なくとも一つの長さ方向に伸縮可能な部分及び少なくとも一つの内方に撓み得る部分を含む。これらの歪補償特徴は、独立して作用するが、協働して包囲構造体の多くの歪モードを吸収する。

長さ方向に伸縮可能な部分は、少なくとも一つの外方に突出した形成部、又は溝等の少なくとも一つの内方に凹所をなした形成部を含むのが好ましい。更に好ましくは、長さ方向に伸縮可能な部分は、各形成部の少なくとも一つを有する。有利には、長さ方向に伸縮可能な部分には、交互に連続した複数の突出部及び複数の溝を備えている場合、優れた伸縮自在性が提供される。更に、突出部及び溝は、包囲構造体の周囲に亘って延びていてもよい。有利には、使用時に包囲構造体を延ばしたり縮めたりするのに程度に合わせて、突出部及び溝の数、長さ、高さ、及び深さを選択できる。

長さ方向に伸縮可能な部分の断面は、適当には、実質的に円形であるか或いは八角形である。長さ方向に伸縮可能な部分の断面は、内方に撓み得る部分の断面と実質的に同じであってもよいしこれらの断面が大幅に異なっていてもよい。

好ましい実施例では、包囲構造体は、包囲構造体の長さに沿って間隔が隔てられた複数の長さ方向に伸縮可能な部分を含む。これらの複数の長さ方向に伸縮可能な部分は、直線的な歪を包囲構造体全体に伝達し、内方に撓み得る部分と圧電スタックとの間の内部摩擦を補償するのを補助する。内方に撓み得る部分は、前記複数の長さ方向に伸縮可能な部分間に配置でき、各部分に加わる均衡をとるため、これらの部分の相対的な長さを調節できる。これらの特徴の両方により、包囲構造体全体に亘る応力の分布を更に高めることができる。

包囲構造体の内方に撓み得る部分の断面は、第１及び第２の部分を含む。これらの部分の両方に同じ外部静水圧が加わったとき、第１部分は、第２部分よりも容易に撓むことができる。例えば、第１部分は、横方向に弾性的に撓んでもよく、内方に弓なりになることができ、噴射サイクル中に燃料圧力が変化するに従って比較的平らな形状に弾性的に回復できる。従って、包囲構造体の比較的剛性の部分には、圧力による変形応力が加わらず、包囲構造体のその他の場所の歪が最小になる。

第２部分は、撓みに対する抵抗が、第１部分を形成する側壁部分よりも大きく、好ましくは実質的に平らな側壁部分を備えていてもよい。第２部分は、狭幅であり及び従って剛性であるため、第１部分を支持し、包囲構造体全体に剛性を提供する。

内方に撓み得る部分の断面は、好ましくは、断面に亘って交互になった複数の第１及び第２の部分を含む。例えば、第１及び第２の部分は、実質的に八角形の断面を形成してもよい。

長さ方向に伸縮可能な部分と同様に、複数の内方に撓み得る部分もまた、包囲構造体の長さに沿って間隔が隔てられている。
有利には、包囲構造体の側壁には継ぎ目がない、即ちシームレスである。好ましくは、実質的に不透過性の、例えば、耐漏抵抗が、ヘリウムに対し、１×１０-9ｃｃ／秒よりも良好な実質的に不透過性の材料で形成されている。側壁は、金属製であるのが好ましい。これは、このような材料の透過抵抗及び熱伝達率が、従来技術で使用されたポリマー材料と比較して優れているためである。

本発明は、圧電アクチュエータ用の圧電スタック及び圧電スタックを包囲するための包囲構造体の組み合わせに関する。この組み合わせは、長さ方向軸線を形成する細長い包囲構造体を含み、この包囲構造体の側壁は、側壁を長さ方向軸線と平行に伸長したり収縮したりできる長さ方向に伸縮可能な部分、及び側壁を長さ方向軸線に対して横方向に撓ませることができる内方に撓み得る部分から選択された少なくとも一つの歪補償形成部を形成するように、賦形されている。この組み合わせは、更に、複数の圧電層を有し、所定の断面形状を有するスタックを含む。

スタックと包囲構造体との間の内容積を最小にするため、包囲構造体の側壁の長さ方向に伸縮可能な部分及び内方に撓み得る部分の少なくとも一方の断面形状が、スタックの断面形状と実質的に同じであるのが好ましい。

本発明の好ましい実施例では、組み合わせは、更に、スタックと包囲構造体との間に隙間空間を有する。この隙間空間により、誘電性充填体をスタックの周囲に導入でき、内方に撓み得る部分を、使用時に、スタックに向かって内方に撓ませることができる。更に、スタックを取り囲む不動態層を含むのが有利である。不動態層及び誘電性充填体は、両方とも、スタックを短絡から保護する。

上文中に説明した圧電スタック及び包囲構造体の組み合わせはアクチュエータに適用でき、更に詳細には、このようなアクチュエータを持つ燃料噴射装置に適用できる。
本発明には、更に、圧電アクチュエータの圧電エレメントを包囲するための包囲構造体の製造方法が含まれる。本方法は、長さ方向軸線を形成する、少なくとも一つの歪補償形成部を形成する形状の細長いマンドレルに一層の金属を電着し、包囲構造体の側壁を形成する工程であって、形成部は、形成後に側壁を長さ方向軸線と平行に伸長したり収縮できるように長さ方向に伸縮可能な部分と、側壁を長さ方向軸線に対して横方向に撓ませることができる内方に撓み得る部分とから選択される、工程と、次いで、マンドレルを取り外す工程とを含む。本発明は、更に、上記方法で使用するように賦形されたマンドレルに関する。

本発明を更に容易に理解するため、例として、以下に添付図面を参照する。

以下の特定の説明における寸法は、単に例示を目的としたものであって、本発明の広い意味を制限しようとするものではない。
図１は、中空シームレス包囲構造体１を示し、この包囲構造体はニッケル合金でできていてもよく、圧電スタック２６を収容している。スタック２６は、この図では、包囲構造体１内に配置されている。包囲構造体１は、図１の断続的な図では大きく短縮化して示してある。図７は、別の態様であるが、図１の包囲構造体１の細長い部分全体を示す。

図１に示す包囲構造体１は全体にチューブ状であり、開放した上シール端３と、この上シール端３の内側にある、長さ方向に伸縮可能な部分５と、閉鎖端２０に続く、内方に撓み得る部分９と、長さ方向に伸縮可能な部分５と内方に撓み得る部分９との間の移行区分７とを含む。 上シール端３及び長さ方向に伸縮可能な部分５の各々は円形断面を有する。上シール端３の外径は、長さ方向に伸縮可能な部分５の最大外径と一致する。逆に、内方に撓み得る部分９は、平行であり且つ互いに直交した二つの対をなした四つの主面２２と、これらの主面と交互になっており、隣接した主面２２の各々に対して４５°で配置された四つの副面４４とを含む八つの平らな面を有し、不規則な八角形断面を形成する。

上述の実施例では、内方に撓み得る部分９の長さは、約６４．１８ｍｍであり、向き合った主面２２間の外径は約８．５２ｍｍである。面間の縁部の各々の半径は約０．２ｍｍである。

移行区分７の一端１３は、長さ方向に伸縮可能な部分５と隣接した場所の断面が円形であり、他端１５は、内方に撓み得る部分９と隣接した場所の断面が八角形である。これらの端部１３、１５間で、移行区分７の八つの面が、長さ方向に伸縮可能な部分５から内方に撓み得る部分９まで、内方にテーパしている。移行区分７の長さは約１ｍｍである。

図２ａ、及び詳細には図２ｂは、圧電スタック２６が、包囲構造体１の内方に撓み得る部分９の八角形断面と同様であるが、大きさがこれと比例して小さい八角形断面を備えていることを示す。厚さが約０．１ｍｍの誘電性不動態層３４が、スタック２６の外面に付けてあり、スタック２６を包囲している。

圧電スタック２６の向き合った主面間の直径は約７．９ｍｍであり、内方に撓み得る部分９にぴったりと嵌まる。これにより、スタック２６と包囲構造体１との間の内容積が最少になる。しかしながら、内方に撓み得る部分９内でスタック２６と包囲構造体１の内側との間に約０．３１ｍｍの実質的に一定の隙間が維持される。この隙間により、誘電性充填流体３０を、以下に説明するように、スタック２６の周囲に導入できる。更に、この隙間により、内方に撓み得る部分９の主面２２を、使用中、以下に説明するように、スタック２６に向かって内方に撓ませることができる。

包囲構造体１が円形断面を持ち、その外径が約１０．２ｍｍの上シール端３のところに、及び長さ方向に伸縮可能な部分５内に、包囲構造体１の内部と圧電スタック２６の向き合った副面との間に小さな隙間がある。包囲構造体１の内部と圧電スタック２６の向き合った主面との間に更に大きな隙間が存在する。

例示として、空の包囲構造体１の内容積は、約５５１０ｍｍ3 であるのに対し、側部電極３２及び不動態層３４を備えた圧電スタック２６の容積は約５２８１ｍｍ3 である。かくして、組み立て後、圧電スタック２６と包囲構造体１との間に形成される内容積は、約２２９ｍｍ3 である。

長さ方向に伸縮可能な部分５は、上シール端３の内側にあると説明した。図３に示すように、チューブ状端部分２４が、長さ方向に伸縮可能な部分５と上シール端３との間に形成される。図示の例では、端部分２４は、外径が約１０．２ｍｍであり、長さが約２．５ｍｍである。これは、シールディスク（図示せず）を上シール端３のところで包囲構造体１に結合するのに使用される内結合面を形成する。

更に詳細には、包囲構造体１を圧電スタック２６上に配置した後、セラミック製又は金属製の内シールディスクを上シール端３のところで包囲構造体１に取り付ける。内シールディスクは、包囲構造体１の上シール端３にぴったりと嵌まり、その周縁に亘って包囲構造体１のチューブ状端部分２４内に結合する。ポリマー結合接着剤を、セラミック製又は金属製のシールディスクで使用してもよいが、透過抵抗を最適にするため、金属製シールディスクを使用し、ハンダ付けやレーザー溶接等の一般的な技術を使用して金属製の包囲構造体１に関して冶金学的結合部を形成するのが好ましい。

上シール端３は、更に、内シールディスクに重ねられた外シールディスク（図示せず）を含む。外シールディスクは、内シールディスクに関して角度移動するため、包囲構造体１のチューブ状端部分内に取り付けられる。この場合も、外シールディスクは、セラミック製であってもよいし金属製であってもよいが、透過性が小さい金属結合を行うため、金属製であるのが好ましい。これらのシールディスクの各々には、対応する位置に小孔が設けられている。外シールディスクを内シールディスクに関して回転することにより、これらのシールディスクの穴を選択的に整合させ、これらのディスクを通して包囲構造体１の内部にアクセスするための通路を形成する。次いで、整合させた穴を通して、圧電スタック２６と包囲構造体１の内部との間の空間に誘電性充填流体３０を供給してもよい。

誘電性充填流体３０による充填は、好ましくは周囲圧力で行われ、超音波攪拌により、充填中又は充填後に気泡が形成されないようにする。充填プロセス中及び／又は充填プロセス後に気体を除去するため、真空補助を使用してもよい。流体３０で内容積を充填した後、外シールディスクを内シールディスクに関して回転させて穴を不整合にし、及び従って通路を閉鎖することにより、包囲構造体１をシールする。その後、外シールディスクを内シールディスクに結合し、包囲構造体１をシールする。

内シールディスクへの外シールディスクの結合は、耐燃料性接着剤又はハンダによって行ってもよい。内シールディスクを包囲構造体１にハンダ付けする場合には、外シールディスクを内シールディスクに結合するのに融点が比較的低いハンダを使用しなければならない。勿論、内シールディスクが包囲構造体１に溶接してある場合には、これは問題にならない。

本発明で使用するのに適した誘電性充填流体３０は、フルオリナートＦＣ−４３であるが、その代りに、圧縮性が最小で同様の特性を持つ別の材料を使用してもよい。誘電性充填流体３０の所望の特性には、複雑な包囲構造体１の充填を容易にするため、耐熱性、熱伝導性、圧電スタック２６から熱を吸収して包囲構造体１に伝達し、この包囲構造体１から、包囲構造体１の周囲を流れる燃料に伝達する特性、低い水溶性、低い粘度、及び低い表面張力が含まれる。フルオリナートＦＣ−４３は、これらの特性を全て備えている他、（２×１０6 ｈＰａ（２０００バール））で１６％しか圧縮されないようになっているため、特に有用な選択である。

長さ方向に伸縮可能な部分５により、使用時にスタック２６の圧電エレメントに加えられる電圧の作用で圧電スタック２６が包囲構造体１内で伸び縮みするに従って、包囲構造体１を損傷なしに長さ方向に膨張させたり収縮させたりできる。従って、長さ方向に伸縮可能な部分５は長さ方向で伸び縮みでき、好ましくは、長さ方向で弾性である。伸び縮み自在性は、連続した平行な交互の押縁及び溝を含む一連の環状コルゲーションによって、長さ方向に伸縮可能な部分５に提供される。コルゲーションは、包囲構造体１の周囲に亘って完全に且つその長さ方向に沿って部分的に延びるベローズ部分のプリーツ即ちフルートを形成する。明瞭化を図るため、図１に幾つかのコルゲーションを示す。

図３の拡大詳細図に最もよく示すように、コルゲーションは、ほぼ波形の長さ方向区分を集合的に形成する。かくして、各コルゲーションは、波形の一つの山及び一つの谷を含む。これらの山及び谷は、更に、各コルゲーションの押縁及び溝の夫々と対応するピーク及びトラフと対応する。波形の波長と対応する各コルゲーションの長さは、一つのコルゲーション上の所与の点から、隣接したコルゲーション上の対応する点までの直線的長さ方向距離である。各コルゲーションの山と谷との間の横方向距離と表現される各コルゲーションの深さは、波形の振幅の二倍である。

波形の数、及びこれらの波形の長さ及び深さは、使用時に包囲構造体１を延ばしたり縮めたりする必要の程度に合わせて選択できる。例として、各々の長さが約０．４５ｍｍの２２個のコルゲーションにより、ベローズ部分の全長を約９．９ｍｍにする。長さ方向に伸縮可能な部分５を含む、包囲構造体１全体の壁厚は、約０．０２５４ｍｍ（即ち千分の一インチ）であり、個々のコルゲーションの各々の深さは、波形の山の最大外径から波形の谷の最小内径まで、約０．３ｍｍである。各谷及び各山の曲率半径は、約０．１ｍｍである。ベローズ部分の各端の移行曲率半径もまた、約０．１ｍｍである。

内方に撓み得る部分９により、使用時に包囲構造体１の外側に周期的静燃料圧が加わったとき、包囲構造体１の長さ方向軸線に対して横方向に、損傷を生じることなく、包囲構造体１に歪を加えることができる。詳細には、内方に撓み得る部分９の主面２２は、横方向に弾性的に撓むことができ、注入サイクル中に燃料圧力が変化するに従って内方に弓なりになることができ、弾性的に回復して比較的平らな形状になることができる。内方に撓み得る部分９の副面４４は比較的狭幅であり、及び従って比較的剛性であり、かくして主面２２を支持し、包囲構造体１全体に剛性を提供する。

図２ｂは、内方に撓み得る部分９内の包囲構造体１の内側と圧電スタック２６の外側との間の隙間を示すということに着目されたい。この隙間により、内方に撓み得る部分９の主面２２を、圧電スタック２６内の電極３２を短絡させる危険なしに、内方に変形させることができる。誘電性不動態層３４及びスタック２６の周囲の誘電性充填流体３０が、スタック２６を短絡から保護する。

かくして、包囲構造体１は、包囲構造体１を使用時に無傷のままにしておくことができる二つの主要な弾性歪補償特徴を有する。長さ方向に伸縮可能な部分５は、直線的歪補償特徴であり、圧電スタック２６が発生する伸長歪／収縮歪を補償する。内方に撓み得る部分９は、横方向歪補償特徴であり、噴射装置の作動中に発生する燃料圧力の周期的変化による歪を補償する。

包囲構造体１のこれらの二つの歪補償特徴は、独立して作用するが、協働により包囲構造体１の多数の歪モードを達成する。これらの特徴は、移行区分７によって関連しているが、長さ方向に伸縮可能な部分５の伸長又は収縮は、内方に撓み得る部分９の長さに影響を及ぼさず、内方に撓み得る部分９の内方又は外方への撓みは、長さ方向に伸縮可能な部分５の直径に影響を及ぼさない。従って、移行区分７により、隣接した部分に歪が加わらないようにするのに役立ち、これらの隣接した部分は応力を取り扱って適当なレベルに保持するようになっていない。

内方に撓み得る部分９の可撓性主面２２は、高い圧力が作用すると容易に変形し、従って誘電性充填流体３０の容積を減少し、従って、包囲構造体１の比較的剛性の部分が圧力で変形することがないようにし、包囲構造体１のその他の部分に作用する応力及び歪を最少にする。

包囲構造体１の部分に加わる応力は、長さ方向に伸縮可能な部分５のベローズ部分のコルゲーションの数で決まる。更に、長さ方向に伸縮可能な部分５及び内方に撓み得る部分９の相対的長さは、これらの部分に加わる相対的応力を決定する上で何らかの役割を果たす。例えば、ベローズ部分が長いと、圧電スタック２６の作動中にベローズに作用する伸長応力が減少するけれども、内方に撓み得る部分９の平らな面に作用する応力が上昇する。これは、単に、面が短いと面積が減少し、外部燃料圧力を内部誘電性流体圧力と均衡させるためにこれらを内方に撓ませなければならないためである。従って、長さ方向に伸縮可能な部分５及び内方に撓み得る部分９の相対的長さは、これらに加わる応力の均衡がとれるように調節しなければならない。

内方に撓み得る部分９と圧電スタック２６との間の内部摩擦に鑑みると、閉鎖端２０から、包囲構造体１の反対側の端の一つのベローズ部分５に直線的な歪が完全に伝達されることはない。従って、長さ方向に伸縮可能な部分５は一つ以上設けられていてもよく、例えば、このような部分が包囲構造体１の各端に一つづつ設けられていてもよい。

図４は本発明の変形例を示し、包囲構造体１は、内方に撓み得る部分９とは反対側の包囲構造体１の閉鎖端に、第２ベローズ部分３８の形態の長さ方向に伸縮可能な第２部分３８を有する。第２ベローズ部分３８を包囲構造体１の閉鎖端２０に配置することにより、直線的な歪に対し、包囲構造体１全体に亘って更に均等に補償できる。

図５の第２ベローズ部分３８の断面図は、内方に撓み得る部分９と同様に、第２ベローズ部分３８が、圧電スタック２６と実質的に同様の八角形断面形状を持つことを示す。この場合も、スタック２６と第２ベローズ部分３８との間に誘電性充填流体３０用の空間を提供する隙間がある。

図６の拡大詳細図は、図３に示すベローズ５と同様に、第２ベローズ部分３８が、ほぼ波形の長さ方向断面を集合的に形成するコルゲーションを備えていることを示す。図６に示す波形の寸法は、図３に示す波形の寸法と同様であるが、波形の振幅が図６におけるよりも小さい。更にコルゲーションは、内方でなく外方に突出している。詳細には、図６の個々のコルゲーションの各々の高さは、波形の山のところの最大外径から波形の谷のところの最小内径まで約０．２５１ｍｍである。このことは、第２ベローズ部分３８が、必ずしも第１ベローズ部分５と同様に容易に延ばすことができることを必要としないということを意味する。

図７は、複数の長さ方向に伸縮可能な部分５及び複数の内方に撓み得る部分９を含む多数の歪補償特徴を持つ本発明を概念的に可視化したものを示す。これにより、応力が包囲構造体１全体に亘って更に均等に分配されるようにする。詳細には、図７に示す包囲構造体１は、５つのベローズ部分５、３８、及び５つの内方に撓み得る部分９をを含み、これらは包囲構造体１の長さに沿って互いに交互になっている。応力を制御するため、任意の数のこれらの部分を包囲構造体１に組み込むことができ、これらの部分の相対的な長さ及び歪補償特性もまた変化させることができる。

包囲構造体１の閉鎖端２０を噴射装置バルブと関連させるのに使用される構成要素（図示せず）は、耐燃料接着剤で包囲構造体１に結合できる。
ニッケル合金製包囲構造体は、シームレス非孔質壁を有し、ヘリウムに対する耐漏抵抗が１×１０-9ｃｃ／秒よりも良好である。約１７７℃の温度までは、前記ニッケル合金は以下の有利な特性を有する。即ち、引張強度が８６２ＭＰａ、降伏強度が７５８ＭＰａ、ヤング率が１６１０３４ＭＰａ、最小延びが１．０％、及び最小ビッカース硬度が２７０である。この種のニッケル合金製包囲構造体は、従来技術で使用されたポリマー材料と比べて、透過性に対する抵抗が優れており且つ熱伝達率が高い。しかしながら、他の合金を使用して本発明の包囲構造体を形成してもよい。

包囲構造体は、ニッケル合金を適当な形状のマンドレルに電着した後、マンドレルを取り外すといった標準的な電着技術によって形成してもよい。これは、金属製薄壁耐漏製品を形成するための周知の商業的方法である。包囲構造体は、例えば、米国ニュージャージー州のサーボメーター精密製造グループＬＬＣが刊行した、「金属製ベローズ及び電子形成」に公開された、このような製品を製造する上での材料の制限及びガイダンスを満たす。

本発明の概念内で多くの変更が可能である。例えば、包囲構造体は、上文中に説明した二つの主要な種類の歪補償特徴のうちの一方だけを使用できる。例えば、歪を直線的に補償する長さ方向に伸縮可能な部分が設けられていてもよいし、歪を横方向で補償する内方に撓み得る部分が設けられていてもよいが、必ずしもこれらの両方が同じ包囲構造体に設けられていなくてもよい。しかしながら、これらの両方の種類の歪補償特徴を一緒に使用するように協働するのが望ましく、そして好ましい。

図１は、長さ方向に伸縮可能な部分及び内方に撓み得る部分を持つ、圧電スタックを含むアクチュエータの部分側面図である。 図２ａは、図１のＡ−Ａ線での断面図である。 図２ｂは、図１のＢ−Ｂ線での断面図である。 図３は、図１の包囲構造体の長さ方向に伸縮可能な部分を形成するコルゲート壁の長さ方向拡大概略断面図である。 図４は、追加の長さ方向に伸縮可能な部分を持つ、図１の包囲構造体の変形例の部分側面図である。 図５は、図４のＣ−Ｃ線での断面図である。 図６は、図４の包囲構造体の追加の長さ方向に伸縮可能な部分を形成するコルゲート壁の長さ方向拡大概略断面図である。 図７は、本発明の概念を可視化した、アクチュエータ用の包囲構造体の斜視図である。

符号の説明

１ 中空シームレス包囲構造体
３ 上シール端
５ 長さ方向に伸縮可能な部分
７ 移行区分
９ 内方に撓み得る部分
２０ 閉鎖端
２２ 主面
２４ チューブ状端部分
２６ 圧電スタック
４４ 副面

Claims (34)

1. 圧電アクチュエータの圧電エレメント（２６）を包囲するための包囲構造体（１）において、
   前記包囲構造体（１）は、長さ方向軸線を形作る細長い形状を有し、
   前記包囲構造体（１）は、少なくとも一つの歪補償形成部を形成する側壁を有し、
   前記少なくとも一つの歪補償形成部は、伸縮可能な部分（５）又は内方に撓み得る部分のいずれかであり、
   前記伸縮可能な部分において、前記側壁は前記長さ方向軸線と平行に伸長及び収縮することができ、
   前記内方に撓み得る部分（９）において、前記側壁は前記長さ方向軸線に対して横方向に撓むことができる、包囲構造体（１）。
2. 請求項１に記載の包囲構造体（１）において、
   少なくとも一つの長さ方向に伸縮可能な部分（５）及び少なくとも一つの内方に撓み得る部分（９）を有する、包囲構造体（１）。
3. 請求項１又は２に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、外方に突出した少なくとも一つの形成部を含む、包囲構造体（１）。
4. 請求項１、２、又は３に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、内方に凹所をなした少なくとも一つの形成部を含む、包囲構造体（１）。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、外方に突出した少なくとも一つの形成部及び少なくとも一つの内方に凹所をなした少なくとも一つの形成部を含む、包囲構造体（１）。
6. 請求項５に記載の包囲構造体（１）において、
   前記外方に突出した形成部は突出部であり、前記内方に凹所をなした形成部は溝であり、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、複数の突出部及び複数の溝を交互に備えている、包囲構造体（１）。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、前記包囲構造体（１）の周囲に亘って延びている、包囲構造体（１）。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、実質的に円形の断面を有する、包囲構造体（１）。
9. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
   前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、実質的に八角形の断面を有する、包囲構造体（１）。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）は、前記内方に撓み得る部分（９）の断面と実質的に同じ断面を有する、包囲構造体（１）。
11. 請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記包囲構造体（１）の長さに沿って間隔が隔てられた複数の長さ方向に伸縮可能な部分（５、３８）を有する、包囲構造体（１）。
12. 請求項１１に記載の包囲構造体（１）において、
    前記複数の長さ方向に伸縮可能な部分（５、３８）間に内方に撓み得る部分（９）が配置されている、包囲構造体（１）。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記内方に撓み得る部分（９）は、第１及び第２の部分（２２、４４）を含む断面を有し、前記部分の両方に同じ静水圧が外部から加わったとき、前記第１部分（２２）は、前記第２部分（４４）よりも容易に撓む、包囲構造体（１）。
14. 請求項１３に記載の包囲構造体（１）において、
    前記断面の前記第２部分（４４）は、撓みに対する抵抗が、前記第１部分（２２）を形成する側壁部分よりも大きい側壁部分によって形成されている、包囲構造体（１）。
15. 請求項１３又は１４に記載の包囲構造体（１）において、
    前記断面の前記第１部分（２２）は、休止時に実質的に平らな側壁部分によって形成されている、包囲構造体（１）。
16. 請求項１３、１４、又は１５に記載の包囲構造体（１）において、
    前記断面の前記第２部分（４４）は、実質的に平らな側壁部分によって形成されている、包囲構造体（１）。
17. 請求項１３乃至１６のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記断面の前記第１部分（２２）は、前記断面の前記第２部分（４４）よりも長い、包囲構造体（１）。
18. 請求項１３乃至１７のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記内方に撓み得る部分（９）の断面は、複数の第１及び第２の部分（２２、４４）を含む、包囲構造体（１）。
19. 請求項１８に記載の包囲構造体（１）において、
    前記第１及び第２の部分（２２、４４）は、前記内方に撓み得る部分の断面に亘って交互になっている、包囲構造体（１）。
20. 請求項１９に記載の包囲構造体（１）において、
    前記交互の第１及び第２の部分（２２、４４）は、実質的に八角形の断面を形成する、包囲構造体（１）。
21. 請求項１乃至２０のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記包囲構造体（１）に沿って間隔が隔てられた複数の内方に撓み得る部分（９）を含む、包囲構造体（１）。
22. 請求項１乃至２１のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記包囲構造体（１）の前記側壁は、シームレスである、包囲構造体（１）。
23. 請求項１乃至２２のうちのいずれか一項に記載の包囲構造体（１）において、
    前記包囲構造体（１）の前記側壁は、実質的に不透過性の材料で形成されている、包囲構造体（１）。
24. 請求項２３に記載の包囲構造体（１）において、
    前記材料は金属材料である、包囲構造体（１）。
25. 請求項２３又は２４に記載の包囲構造体（１）において、
    前記材料の耐漏抵抗は、ヘリウムに対し、１×１０-9ｃｃ／秒よりも良好である、包囲構造体（１）。
26. 圧電アクチュエータ用圧電スタックと前記圧電スタック（２６）を包囲するための包囲構造体（１）の組み合わせにおいて、
    前記包囲構造体（１）は、長さ方向軸線を形作る細長い形状を有し、
    前記包囲構造体（１）は、少なくとも一つの歪補償形成部を形成する側壁を有し、
    前記少なくとも一つの歪補償形成部は、伸縮可能な部分（５）又は内方に撓み得る部分のいずれかであり、
    前記伸縮可能な部分において、前記側壁は前記長さ方向軸線と平行に伸長及び収縮することができ、
    前記内方に撓み得る部分（９）において、前記側壁は前記長さ方向軸線に対して横方向に撓むことができ、
    前記スタック（２６）は、複数の圧電層を有し、所定の断面形状を有する、組み合わせ。
27. 請求項２６に記載の組み合わせにおいて、
    前記包囲構造体（１）の前記側壁の前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）及び前記内方に撓み得る部分（９）の少なくとも一方の断面の形状が、前記スタックの断面形状と実質的に同じである、組み合わせ。
28. 請求項２６又は２７に記載の組み合わせにおいて、更に、
    前記スタックと前記包囲構造体（１）との間に隙間空間を有する、組み合わせ。
29. 請求項２８に記載の組み合わせにおいて、
    前記隙間空間は、誘電性充填体を収容する、組み合わせ。
30. 請求項２６乃至２９のうちのいずれか一項に記載の組み合わせにおいて、更に、
    前記スタックを取り囲む不動態層を含む、組み合わせ。
31. 請求項２６乃至３０のうちのいずれか一項に記載の組み合わせを含む圧電アクチュエータ。
32. 請求項３１に記載の燃料噴射装置。
33. 圧電アクチュエータの圧電エレメント（２６）を包囲するための包囲構造体（１）の製造方法において、
    長さ方向軸線を形成する細長いマンドレルに一層の金属を電着する工程であって、前記マンドレルは、前記包囲構造体（１）の側壁を形成するように、前記マンドレル上に電着された金属の層内に少なくとも一つの歪補償形成部を形成するように形作られており、前記形成部は、長さ方向に伸縮可能な部分（５）又は内方に撓み得る部分（９）のいずれかであり、前記長さ方向に伸縮可能な部分（５）において側壁は前記長さ方向軸線と平行に伸長又は収縮することができ、前記内方に撓み得る部分（９）において前記側壁は前記長さ方向軸線に対して横方向に撓むことができる、工程と、
    上記電着する工程に引き続いて実行される、前記マンドレルを取り外す工程と
    を含む、方法。
34. 請求項３３に記載の方法で使用するように形成されたマンドレル。

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