JP2009538106A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電層の多層構造からなる圧電素子（２）を備える圧電アクチュエータ（１）から出発する。この圧電層の間に配置された内部電極には、圧電素子（２）の層構造の方向に、極性の異なる電圧が交番に印加される。この圧電アクチュエータはさらに、アクチュエータベース（３）と、アクチュエータヘッド（４）と、少なくとも圧電層の周囲を取り囲む絶縁媒体（５，６）とを備える。圧電素子（２）の表面には第１電気絶縁層が設けられており、圧電アクチュエータ（１）は、少なくとも圧電素子（２）の領域にて少なくとも一層の金属製シート（５）によって巻かれている。この金属製シート（５）に、また圧電素子（２）とアクチュエータベース（３）およびアクチュエータヘッド（４）との接続個所に重なるように、プラスチック（６）の層が被着されている。

Description

本発明は、主請求項の上位概念に記載された構成によれば、少なくとも部分的に被覆された圧電アクチュエータ、例えば液体状の媒体が周囲を流れる圧電アクチュエータに関する。

従来技術
上記の圧電アクチュエータを構成するために、いわゆる圧電効果を利用してバルブ等のニードルのストロークを制御できる圧電素子を使用することが公知である。圧電素子は適当な結晶構造を備える材質から構成されており、外部から電圧が印加されると機械的な作用が生じる。この機械的な作用は、結晶構造および電圧の印加範囲に応じた所定の方向への伸縮である。このような圧電アクチュエータは、例えばストローク運動が高い作動力および高いクロック周波数において行われるような適用に適している。

例えばこのような圧電アクチュエータは、DE 10026005 A1からピエゾインジェクタの構成部材として公知であり、このピエゾインジェクタは、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するためのインジェクタにおいてノズルニードルを制御するために使用することができる。この圧電アクチュエータでは、圧電素子は、電気的に互いに結合された複数の圧電セラミック層の積層体として構成されており、この圧電素子は、アクチュエータベースとアクチュエータヘッドを介して予荷重が加えられて２つのストッパー間に保持されている。各圧電セラミック層は、圧電層として２つの内部電極の間に囲まれており、これらの内部電極を介して外部から電圧を印加することができる。この電圧印加によって、各圧電セラミック層は電位勾配の方向に小さなストローク運動を行い、このストローク運動が加算されて圧電アクチュエータの総ストロークになる。この総ストロークは、印加する電圧の高さによって変更することができ、またこの総ストロークを機械的な調整部材に伝達することができる。

このような公知の装置は、直接噴射式のディーゼルエンジンに燃料を供給するいわゆるコモンレールシステムとして使用されることが多い。このコモンレールインジェクタとして公知のシステムでは、噴射圧力を内燃機関の負荷および回転数に簡単に適合させることができる。

このコモンレールインジェクタを、圧電アクチュエータによって間接的に制御されるノズルニードルが設けられているように構成することができる。圧電アクチュエータは、燃料圧によって直接的または間接的に取り囲まれており、ノズルニードルと圧電アクチュエータの間にはハイドロリック式の連結室のみが設けられている。

とりわけこのような噴射システムにおいて重要なことは、比較的脆弱な圧電アクチュエータを、保持体の内部で媒体に耐え得るように構成することである。圧電アクチュエータは、種々異なる燃料ならびに変化する圧力や温度に対して耐性がなければならない。さらに取り付けおよび輸送の際には確実な取り扱いが要求され、またこれに加えてとりわけ電気絶縁の点から、機械的なショックや圧力からの保護が必要である。

圧電アクチュエータを電気的および機械的に絶縁するために、圧電アクチュエータモジュールを被覆することが多い。DE 10230032 A1から、上記の欠点を回避するために、媒体が周囲を流れる圧電アクチュエータを備える装置が公知であり、この装置では圧電素子のセラミック層が、変形可能な絶縁物質の中に設けられており、さらにこの絶縁物質そのものは、媒体に対して側方および上下の端部で閉じられた、スリーブとしての金属製のケーシング被覆部の中に入れられている。

ここでとりわけ考慮すべき問題は、圧電アクチュエータの被覆材料および場合によりスリーブを、アクチュエータベースの端部と、アクチュエータヘッドの端部と、場合によっては通常は金属製の保持体の端部とにおいて密閉し、この装置をこれらの箇所においても機械的な障害から保護することである。圧電アクチュエータおよび被覆部またはコーティング部は、動作中、圧電アクチュエータ自体のストロークによって付加的に機械的な伸長力を受けざるを得ないため、従来の方法では金属のスリーブも薄膜と接続されて使用されている。しかしこの公知の装置は製造にコストがかかり、ひいては高価になる。

発明の開示
本発明は、圧電層の多層構造からなる圧電素子を備える冒頭に述べた圧電アクチュエータから出発する。この装置において、この圧電層の間に配置された内部電極には、圧電素子の層構造の方向に、極性の異なる電圧が交番に印加される。この圧電アクチュエータはさらに、アクチュエータベースと、アクチュエータヘッドと、少なくとも圧電層の周囲を取り囲む絶縁媒体とを備える。本発明によれば有利には、圧電素子の表面に第１電気絶縁層が設けられている。さらに圧電アクチュエータは、場合によっては、軸方向に予荷重が加えられて一体となったアクチュエータベースおよびアクチュエータヘッドも含めて、少なくとも一層の金属製シートによって巻かれており、この金属製シートに、また圧電素子とアクチュエータベースおよびアクチュエータヘッドとの接続個所に重なるように、プラスチックの層が被着されている。

このようにして本発明によれば、コスト的に有利に製造可能な圧電アクチュエータが形成される。この圧電アクチュエータは、冒頭で述べたように、内燃機関における燃料噴射システムのためのピエゾインジェクタの構成部材とすることができ、ここでは燃料がプラスチック部の周囲を流れている。上記のように被覆することによって、本発明の圧電アクチュエータは媒体に対する耐性が格段に高まり、さらに輸送および取り付けの際の確実な取り扱いが保証される。

特に有利な実施形態によれば、金属製シートの突出した端部は少なくともアクチュエータベースの領域で延長されて合流しており、またこれによって端部を、軸方向に伸びる実質的な円筒形にしっかりと一かたまりにすることができる。さらに、アクチュエータベースにおいて軸方向に中央の孔部を設けると有利であり、この孔部に、前記合流した金属製シートの端部が結合されて挿入される。

ここで挙げた機械的および温度的負荷に対して、部分的に融通性のあるプラスチック部が最後の層として被着されており、このプラスチック部は、堅い粒子が添加されて強化されたプラスチック射出成形被覆部材から簡単に構成することができる。このプラスチック射出成形被覆部材は、有利にはプラスチックＰＡ６６または同様の材料とすることができ、上記堅い粒子は、とりわけプラスチックの熱伝導性を改善するために例えば金属またはシリコンから構成することができる。

圧電素子の表面にある第１電気絶縁層は有利には、公知の方法によって被着される電気絶縁性のラッカーであり、その厚さは約１００〜２００μmである。この第１電気絶縁層の上に巻かれる金属製シートは、例えば厚さ約１０〜２０μmとすることができる。

ユニットにおける圧電アクチュエータのそれぞれの使用に応じて、この圧電アクチュエータは円形または長方形の断面を有することができる。

図の簡単な説明
本発明の圧電アクチュエータの実施例を、図に基づいて詳細に説明する。
図１は、シートおよびプラスチック射出成形被覆部材を備え、かつ被覆された圧電アクチュエータの断面図を示し、この圧電アクチュエータはアクチュエータヘッドとアクチュエータベースとを備えている。
図２は、図１の長方形の断面を有する圧電アクチュエータの断面図を示す。
図３は、シートおよびプラスチック射出成形被覆部材を備え、かつ被覆された圧電アクチュエータの一部を示し、この圧電アクチュエータは、アクチュエータベースの孔部の中に、突出し結合されたシート端部を備えている。

発明の実施形態
図１には圧電アクチュエータ１が示されており、この圧電アクチュエータ１は、例えば内燃機関の燃料噴射システムにおけるノズルニードルのストローク制御のために使用することができる。圧電素子２は圧電アクチュエータ１の構成部材であり、さらに圧電アクチュエータ１は、通常は鋼製のアクチュエータベース３とアクチュエータヘッド４とを有する。図２によれば、圧電アクチュエータ１が長方形の断面を有することがわかるが、適用事例に応じて円形またはその他の適当な断面を有することも可能である。

圧電素子２には、ここでは明示しない内部電極が設けられており、これらの内部電極は、同様にここで図示しない、アクチュエータベース３を通して導かれる電気リード線と、外部電極とを介して接触接続されている。内部電極の電圧印加によって圧電アクチュエータ１を作動させると、ここではアクチュエータヘッド４に軸方向に後置されている機械的装置を作動させることができ、これによって上記の適用事例において、燃料噴射システムのノズル開放をイネーブルすることができる。

圧電アクチュエータ１はふつう、ここに図示しない保持体またはインジェクタボディの中に取り付けられており、燃料はこのインジェクタボディの内室を通って圧電アクチュエータ１の横を通過する。その後この燃料は、例えばいわゆるコモンレールシステムにおいて、冒頭で述べたレール圧力下または別に設定可能な圧力下で、ここでは図示しない内燃機関の燃焼室に噴射することができる。

この圧電アクチュエータ１の周囲に流れる燃料および他の有害な作用から圧電アクチュエータ１を保護するために、この圧電アクチュエータ１には本発明によって被覆されている。この被覆では、まず圧電素子２の表面に第1電気絶縁層１１が設けられており、この電気絶縁層１１は、電気絶縁性の厚さ約１００〜２００μmのラッカーからなる。

さらにこの圧電アクチュエータは、例えば厚さ約１０から２０μmの少なくとも一層の金属製シート５によって巻かれている。この金属製シート５は圧電アクチュエータの上に、すなわち圧電素子２の上と、少なくとも部分的にアクチュエータベース３およびアクチュエータヘッド４の上に巻き付けられている。この際圧電素子２を、アクチュエータベース３およびアクチュエータヘッド４と、軸方向に予荷重を加えて一体化させ、配向させるべきである。シート５とこれらの部材との上に部分的に重ね合わさるようにして、プラスチック層６が被着される。

最後の層として被着される有利には部分的に融通性のあるプラスチック部６は、例えばＰＡ６６などのプラスチック射出成形被覆部材から簡単に構成することができる。プラスチック射出成形被覆部材は、例えば金属またはシリコンからなる堅い粒子が添加されて強化されている。プラスチック射出成形被覆部材およびこのとき使用される製造装置を相応に選択すると、場合によっては、例えば円筒形ばねまたはコイルばねによる圧電アクチュエータ１の複数の構成部材間の上記の予荷重を、上記被覆および射出成形被覆する際に省略することも可能である。

図３には別の実施例が示されている。ここでは圧電素子２がほぼ完全に巻かれており、シート５の突出した端部７がアクチュエータベース３の領域において合流しており、また実質的に円筒形に一かたまりにされている。この円筒形部分は、アクチュエータベース３にある孔部８の中へ軸方向に伸長している。ここでもプラスチック部６は、プラスチック射出成形被覆部材として被着されている。さらに図３から、アクチュエータベース３がシールエッジ９を介して、ここでは略示だけされている保持体１０に当接する様子を概略的に見て取ることができる。

図１は、シートおよびプラスチック射出成形被覆部材を備え、かつ被覆された圧電アクチュエータの断面図を示し、この圧電アクチュエータはアクチュエータヘッドとアクチュエータベースとを備えている。 図２は、図１の長方形の断面を有する圧電アクチュエータの断面図を示す。 図３は、シートおよびプラスチック射出成形被覆部材を備え、かつ被覆された圧電アクチュエータの一部を示し、この圧電アクチュエータは、アクチュエータベースの孔部の中に、突出し結合されたシート端部を備えている。

Claims (9)

1. 圧電素子（２）と、アクチュエータベース（３）と、アクチュエータヘッド（４）とからなり、かつ少なくとも前記圧電素子を取り囲む絶縁媒体とを備える圧電アクチュエータ（１）において、
   前記圧電素子（２）の表面に、第１電気絶縁層（１１）が設けられており、
   前記圧電アクチュエータ（１）は、少なくとも前記圧電素子（２）の領域にて少なくとも一層の金属製のシート（５）によって巻かれており、
   前記シート（５）に、また前記圧電素子（２）と前記アクチュエータベース（３）およびアクチュエータヘッド（４）との接続個所に重なるようにプラスチック（６）の層が被着されている、
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記金属製シート（５）の端部（７）は、少なくとも前記アクチュエータベース（３）の領域で延長されて合流しており、
   前記アクチュエータベース（３）には軸方向に中央の孔部（８）が設けられており、
   該孔部（８）に前記合流したシート（５）の端部（７）が結合されて挿入されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記プラスチック部（６）はプラスチック射出成形被覆部材からなり、
   該プラスチック射出成形被覆部材には堅い粒子が添加されて強化されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記プラスチック射出成形被覆部材の前記プラスチック部（６）は、ＰＡ６６から形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記堅い粒子は金属またはシリコンからなる、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記圧電素子（２）の表面にある前記第１電気絶縁層（１１）は、電気絶縁性の厚さ約１００〜２００μmのラッカーである、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
7. 円形の断面を有する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
8. 長方形の断面を有する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記圧電アクチュエータ（１）は、内燃機関における燃料噴射システムのためのピエゾインジェクタの構成部材であり、
   燃料が前記プラスチック射出成形被覆部材のプラスチック部（６）の周囲を流れている、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の圧電アクチュエータの使用方法。

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