JP2009545288A - バネ要素及びバネ要素を備えた圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

圧電アクチュエータＰに予め負荷を加えるためのバネ要素が開示され、バネ要素は開口部２を備えた管状体１を示す。それぞれの場合で開口部は丸い隅部２ａを備えた多角形の形状で構築される。そのようなバネ要素を備えた圧電アクチュエータも開示される。
【選択図】図１

Description

圧電アクチュエータとともに使用するためのバネ要素に関する。

開口部を有する管状バネ要素を備えた圧電アクチュエータは特許文献１から知られている。

開口部を有する管状バネ要素を備えた圧電アクチュエータは特許文献２からも知られている。

国際公開第２００５／０６２３９５号 米国特許出願公開第２００３／０３４５９４号明細書

本発明の実施形態は、プレテンション要素又は長い間完璧に使用できるプレテンション要素を備える圧電アクチュエータを提供する。

圧電アクチュエータに予め張力をかけるための、管状体を含むバネ要素が明記される。管状体は丸い隅部を備えた開口部を有する。そして、各開口部の外形は丸い隅部だけを有し得る。

管状体は、多角形の形状をした開口部で作られ、多角形の隅部は丸いことが好ましい。この場合、開口部は連続した途切れのない外形を有し得る。特に、開口部はそれぞれ、丸い隅部を備えたひし形の形状に設計されることが好ましい。

バネ要素は、例えば、多層素子よりも短く、多層素子の表面に機械的に、例えば、軸受け支えを介して、直接的又は間接的に、固定されることによって、圧電アクチュエータの圧電多層素子を圧力がかけられた状態にすることが可能である。

丸い隅部を有する、多角形の、特にひし形の開口部は、開口部により管状体が途切れた構造を有するにも関わらず、機械的応力にさらされたとしても、構造の完全性を害する機械的応力が発生し得ないという利点を有する。例えば、圧電アクチュエータに予め張力をかけるための管状体で鋭い端又は隅部を有する開口部を備えたものは、機械的応力下で亀裂を生じ得ることがわかる。

さらに、丸い隅部を有する開口部は、開口部を押し抜くために使用されるスタンピング工具の裁断装置をそれほど頻繁に磨く又は研ぐ必要がないという利点を有している。特に、丸い隅部を有する開口部は、スタンピング工具の裁断装置又は刃がすでに鈍化した場合でも、十分に打ち抜かれ得る。従って、スタンピング工具の待機費用及び待機損失は有利に減少し得る。

丸い隅部を有する開口部は、管状体が伸張し、収縮し、その際に、折り重なり又は曲がった場合にも利点を有する。特に、ひし形の開口部を有する管状体が曲げられた場合に、管状体の外面形状は曲点において少ししか変化しないことが確認された。隅部が丸くない、他の形状を有する開口部は、これらの状況の下、円形とはかなり異なる外面形状になる。これは、管状体の機械的安定性に対して悪影響を及ぼす。

バネ要素の好適実施形態によれば、開口部は規則的なパタンを形成する。これは、機械的応力の分布が管状体の至る所で特に均一であり、機械的負荷がかかる状況下でより大きな機械的応力点が生じることが予想されないという利点を与える。開口部は列状に配置され得、第１列の各開口部は第２列の開口部と管の軸の長さに沿って投影して合わさる。これは開口部の格子模様を形成し、機械的安定性、特に弾力性に関して特に有利である。

バネ要素の可能な実施形態は正多角形の形状の外面形状を有する管状体を含む。外面形状は、管状体を上面から見る場合、又は管状体の長手方向軸に対して直角に延びる断面が観察される場合に見える管状体の形状である。

六角形の外面形状は、管状体の機械的安定性に関して、特に有益であるということがわかる。八角形の外面形状も有益であることがわかる。

管状体は連続して湾曲した形状の外面形状も有し得る。この場合、円形構造、又は波形のあるいは平坦な円形構造が外面形状になり得る。

管状体は様々な厚さを有し得る。管状体が本体の他の領域よりも薄い場合、例えば機械的応力がかかるとより簡単に折り重なる又は曲がり得る。これは、折り重なる又は湾曲するという最大の傾向を有する管状体の領域を狭め、又は明確にする。この領域の管状体は、意図的に、所望の曲げ特性、又はそこで安定性を確立するために、多数の、又は少数の、丸い隅部を有するひし形の形状をした開口部を備え得る。

管状体は長期間安定な弾性をもたらし、しかし同時に圧電多層素子に予め張力をかけるために十分な剛性をもたらす材料を含むことが好ましい。弾性のある材料は特に使用され得る。金属又は合金は好ましい。特に好ましいのは、非鉄金属と同様に、鋼又は合金鋼である。しかし、プラスティックも使用され得る。

多くの積層圧電層及び電荷層を有する圧電多層素子を有する圧電アクチュエータも明記される。この場合、圧電層は圧電セラミック、例えばＰＺＴセラミックを含むことが好ましい。さらに、圧電アクチュエータは、本発明の実施形態によるとバネ要素を有し、圧電多層素子はバネ要素内に少なくとも部分的に配置される。

圧電多層素子は積層セラミックグリーンフィルムによって作られ得、電荷層を備え、それらを焼固する。その際、モノリシック多層素子が作られるのが好ましい。

圧電多層素子を圧力によって張力がかけられた状態にするように、バネ要素は作られ、機械的に圧電多層素子に接着される。

圧電アクチュエータの１つの実施形態によると、バネ要素は機械的に軸受け支えに、表面側又は端側の両方において、接着される。軸受け支えは電気的多層素子の１つの表面に接着されるのが好ましく、バネ要素と共に固定される。例えば、バネ要素は、軸受け支えの少なくとも１つにはんだ付けされる。軸受け支えは、例えば、キャップとして作られ得る。

圧電多層素子の電荷層は電荷連結要素に互いに接続され得る。電荷連結要素は軸受け支えの少なくとも１つを通って外に出され得、構造物の空間節約様式として有利である。

この場合の電気連結要素は圧電アクチュエータの電気リードから構成され得る。リードは連結ワイヤ、ケーブル又は突起としても設計され得る。

圧電アクチュエータの１つの実施形態によれば、電気連結要素は、電荷層に接続され、圧電多層素子の表面に取り付けられる接続層から構成される。

記載されている実施形態は、以下の図を用いて、より詳細に説明される。

ひし形の開口部を有するバネ要素を示す図である。 ひし形の開口部を有するバネ要素を備えた圧電アクチュエータを示す図である。 圧電アクチュエータを示す図である。 様々な形状をしたバネ要素の断面を示す図である。

図１は丸い隅部を有するひし形の形状２を示し、それは圧電アクチュエータに予め張力をかけるための管状バネにおける開口部として使用される。しかし、例えば、三角形の形状、四角い形状、又は丸い端を有する他の多角形２も、管状バネにおける開口部として使用され得る。

図２は管状バネ１を示し、多数のひし形の開口部２が規則的なパタンで作られている。開口部はスタンピングによって、又はスタンピング工具を用いて作られ得る。

図１及び図２の開口部２は、丸い隅部２ａを有するひし形である。このようにして作られた開口部２は、開口部間又は開口部でのノッチ効果を避けることができるという利点を有する。ノッチ効果は、材料の鋭端又は鋭角部の領域で起こる材料破壊を引き起こす機械的応力によって特徴づけられる。しかし、提案した開口部は、それらの外周において鋭い端を有しないので、これは、管状バネ１の構造が、同様に、各開口部２のそばに又は各開口部２に沿った鋭い端を有しないことを意味する。それによって、管状バネの構造的な完全性に危険を及ぼす機械的応力は、生じない、又は少なくともかなり減少する。

開口部２間の管状バネ１の材料は曲げキャリアの機能を果たし、これにより、バネの剛性が、開口部のない、圧電アクチュエータのプレテンション要素と比較してかなり減少する。曲げキャリアは、破壊されることなく曲がる又は変形し得るキャリア又はキャリア材料である。

ノッチ効果の影響を受けにくい開口部により、微少クラックの発生確率が減少するので、さらに、管状バネの長期強度が増加し得る。

ひし形の開口部は鋭い隅部又は端を有しないので、バネ要素からそれらを打ち抜く、打ち抜き工具はそれほど頻繁に研がなくてもよい。従って、打ち抜き工具の実行時間は有利に増加し得る。

ひし形の開口部は、また、管状バネ内の機械的応力点を小さくするという利点を有し、言い換えれば、管状バネが鋭い隅部又は鋭い端の領域を有した場合に、機械的応力点が生じ得る。

管状バネが曲がる、又は圧縮され或いは伸張された場合に、ひし形の開口部は、空洞の円筒形の管状バネの外面形状の同心性の変動をより少なくさせることがわかる。

図３は、圧電多層素子３及び素子の周りに形成された管状バネ１を有する圧電アクチュエータＰを示す。管状バネは、溶接又はスポット溶接５を用いて、機械的に、軸受け支え４の端の各表面に接着される。さらに、管状バネは圧電要素３よりもわずかに短くなるように作られる。軸受け支えはここに概略的に示される。しかし、それらは、圧電アクチュエータの追加要素用の貫通路又は空洞空間を有し、又は例えば電気接続要素或いは例えばバルブの作動のたわみ機構の機構のような要素に機械的に結びつけられ得る。バルブは、注入装置、特に燃料注入装置、の要素となり得る。

管状体１の両端面は軸受け支え４に接着され得るが、圧電多層素子３の端面が少なくとも部分的に管状体の端の領域によって覆われるように、管状体の周りの少なくとも１つの端面を曲げることが可能である。このようにして、管状体の他の端は軸受け支えを備え得、管状体のこの端は軸受け支えまで完全に伸びないことが好ましい。２つの要素の接続は、例えば、圧電多層素子３の溶接によって、必要な予め張力を与え得る。

図４は、管状体１の外面形状の異なる実施形態ａ、ｂ、ｃを上面図で示し、そこに圧電多層素子３が挿入される。円形、六角形、及び八角形の外面形状が示される。

Ｐ 圧電アクチュエータ
１ 管状プレテンション要素
２ 丸い隅部を有するひし形の開口部
２ａ 丸い隅部
３ 圧電多層素子
４ 軸受け支え
５ スポット溶接

Claims (18)

1. 圧電アクチュエータ（Ｐ）に予め張力をかけるためのバネ要素であって、
   多数の開口部（２）を有する管状体（１）から構成され、
   各開口部は丸い端部（２ａ）を有する多角形の形状を有する
   ことを特徴とするバネ要素。
2. 各開口部（２）のどの隅部（２ａ）も丸い
   ことを特徴とする請求項１に記載のバネ要素。
3. 各開口部（２）は丸い隅部（２ａ）を有するひし形の形状を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバネ要素。
4. 前記開口部（２）は規則的なパタンで配置される
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバネ要素。
5. 前記開口部（２）は列状に配置され、
   第1列の各開口部は、管の軸に沿って投影して、第２列の開口部（２）と合わさる
   ことを特徴とする請求項４に記載のバネ要素。
6. 前記管状体（１）は正多角形の外面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のバネ要素。
7. 前記管状体（１）は連続的に湾曲した形状を有する外面形状を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のバネ要素。
8. 前記管状体（１）は継ぎ目がない
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のバネ要素。
9. 前記管状体（１）はさまざまな厚さを有することを
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のバネ要素。
10. 前記管状体（１）は輪郭が明確である
    ことを特徴とする請求項９に記載のバネ要素。
11. 多数の積層圧電層及び電荷層を備える圧電多層素子（３）と、
    丸い隅部を備えた多角形の形状を有する多数の開口部を備える管状体から構成されるばね要素と、から構成され、
    前記圧電多層素子は前記ばね要素内に少なくとも部分的に配置される
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ（Ｐ）。
12. 前記バネ要素は、前記圧電多層素子（３）を圧縮張力がかかった状態にさせる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
13. 前記バネ要素は、上側及び下側で前記圧電多層素子（３）を固定する軸受け支え（４）と端側で接着される
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
14. 前記バネ要素は前記軸受け支え（４）に溶接（５）される
    ことを特徴とする請求項１３に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
15. 各電荷層は電気接続要素に接続される
    ことを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
16. 前記電気接続要素の少なくとも１つが前記軸受け支え（４）の少なくとも１つを通って外に出される
    ことを特徴とする請求項１５に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
17. 前記電気接続要素の少なくとも１つは前記圧電アクチュエータの導線から構成される
    ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の圧電アクチュエータ（Ｐ）。
18. 前記電気接続要素の少なくとも１つは、前記圧電多層素子（３）の表面に取り付けられ、前記電荷層に接続される接触層から構成される
    ことを特徴とする請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

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