JP2012523684A - 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電アクチュエータ（２）、特に燃料噴射弁用の圧電アクチュエータであって、複数のセラミック層（１６〜２２）と、該セラミック層（１６〜２２）の間に配置された複数の電極層（２３〜２８）とを有するアクチュエータボディ（１５）が設けられている形式のものに関する。このような形式の圧電アクチュエータにおいて本発明では、第１のセラミック層（１７）が、前焼結された第１のセラミックディスク（４１）によって形成されており、第２のセラミック層（１８）が、前焼結された第２のセラミックディスク（４１′′）によって形成されており、第１のセラミックディスク（４１）によって形成されたセラミック層（１７）と、第２のセラミックディスク（４１′′）によって形成されたセラミック層（１８）とは、第１のセラミック層（１７）と第２のセラミック層（１８）との間に設けられた電極層（２４）を用いて互いに結合されていて、該電極層（２４）は金属ペースト（４５）から形成されている。

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、特に燃料噴射弁用の圧電アクチュエータ、このような圧電アクチュエータを備えた燃料噴射弁、並びに圧電アクチュエータを製造する方法に関する。本発明は特に、内燃機関の燃料噴射装置用のインジェクタの分野に関する。

ＤＥ１００６２６７２Ａ１に基づいて、モノリシックな多層構造形式の圧電構造エレメントが公知であり、この構造エレメントは、複数のセラミック層と、それぞれ２つのセラミック層の間に配置された複数の電極層とから成る積層体を備えており、ＤＥ１００６２６７２Ａ１にはさらに、このような構造エレメントを製造する方法が開示されている。この公知の構造エレメントは、熱加水分解によって分解可能な結合剤を含有するセラミック生シートから製造されている。この結合剤はこの場合ポリウレタン分散液である。この構造エレメントを製造する方法は複数のステップを有している。この場合結合剤を含有するセラミック生シートと電極層とから成る積層体が、生シートもしくは電極層の積重ねと次いで行われるラミネーションとによって製造される。次いで不活性ガスと酸素とを含有する雰囲気内において積層体の結合剤除去（Entbindern）が行われ、この際に酸素含有量は、適宜な量の水素ガスの調量添加によって又は残留ガス除去によって、電極層が損傷されないように減じられる。

ＤＥ１００６２６７２Ａ１に基づいて公知の圧電部材及び公知の方法には、製造に手間がかかり、ひいては製造コストが高いという欠点がある。

発明の開示
請求項１記載の本発明による圧電アクチュエータ、請求項６記載の本発明による燃料噴射弁及び請求項７記載の本発明による方法には、圧電アクチュエータの製造が簡単化されているという利点がある。特に、圧電アクチュエータの層の数を減じることができ、アクチュエータの構造及び製造がさらに単純もしくは簡単になる。

請求項１記載の本発明によるアクチュエータでは、圧電アクチュエータ、特に燃料噴射弁用の圧電アクチュエータであって、複数のセラミック層と、該セラミック層の間に配置された複数の電極層とを有するアクチュエータボディが設けられている形式のものにおいて、第１のセラミック層が、前焼結された第１のセラミックディスクによって形成されており、少なくとも１つの第２のセラミック層が、前焼結された第２のセラミックディスクによって形成されており、第１のセラミックディスクによって形成されたセラミック層と、第２のセラミックディスクによって形成されたセラミック層とは、第１のセラミック層と第２のセラミック層との間に設けられた電極層を用いて互いに結合されていて、該電極層は少なくとも１つの金属ペーストから形成されているようにした。

請求項６記載の本発明による燃料噴射弁では、燃料噴射弁、特に空気圧縮型自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置のためのインジェクタであって、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータによって操作される弁閉鎖体とが設けられていて、該弁閉鎖体は弁座面と共働してシール座を形成しているようにした。

また請求項７記載の本発明による方法は、圧電アクチュエータを製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、
イ）圧電材料から複数のセラミックディスクを製造し、
ロ）該セラミックディスクを焼結し、
ハ）該セラミックディスクの少なくとも片面に金属ペーストをプリントし、
ニ）プリントされたセラミックディスクを積み重ねて積層し、
ホ）プリントされて積層されたセラミックディスクを、少なくとも１つの熱的なプロセスによって結合させるという方法ステップを有することを特徴とする。

圧電アクチュエータとしては、圧電材料から成る金属化されたセラミック製の構造エレメントを使用することができる。このような圧電アクチュエータは特に調節エレメントとして適している。有利な使用分野としては、自動車の内燃機関への燃料の調整された噴射が挙げられる。この場合には圧電アクチュエータの電圧制御又は電気量制御された変位を、制御弁の位置決めのために使用することができ、これによりノズルニードルの行程が調整される。圧電アクチュエータの大きな利点は、大きな力で正確かつ迅速な変位を実現できることにある。

例えば自動車において使用される適度な電圧を用いて作業できるようにするために、セラミック層と金属製の電極層とから成る層複合体である多層アクチュエータには利点がある。このような多層アクチュエータでは、内部に位置している電極層を交互に外部に向かって導いて、外部電極と接触接続させることができる。外部電極と後退させられた内部電極との間にはそれぞれ絶縁性のセラミック層を残しておくことができる。１つの極性を有する電極層が互いに一緒に接続されており、これによって例えば２００Ｖの制御電圧がそれぞれのアクティブなセラミック層に印加され、約２ｋＶ／ｍｍの電界が生じる。例えばそれぞれ９０μｍの層厚を有する３００のセラミック層と、それぞれ約２μｍ〜約３μｍの厚さを有する、銀と鉛とから成る電極層とを、互いに積層することができる。

さらに多層アクチュエータの構造のためには、金属製の電極層を備えた約１１０μｍの厚さのフレキシブルなセラミックシートをプリントし、積み重ね、ラミネートプロセスにおいて高温及び高圧で互いに結合させることが可能である。後続のプロセスステップにおいて、このようにして構成されたブロックから多数の直方体形状のアクチュエータを鋸断することができ、後続の熱的なプロセス中に、特に結合剤除去と焼結中に、最初に有機成分が排除され、次いで約１０００℃の高温で焼結プロセスを開始することができる。焼結時に、多結晶のセラミック組織が、静的に異なった配向領域を備えた粒から生じる。セラミック層と金属製の電極層とが一緒に焼結されると、１つのプロセスにおいて１つの共通の焼結、つまり共焼結が行われる。アクチュエータ表面の研磨及び外部電極面における主金属化の後で、高温成極が行われ、その後でセラミック層は、残る極性状態を有することになる。これによってアクチュエータに極性が与えられ、その結果電気的な制御時に可逆式の長さ変化が可能になる。

結合剤除去と共焼結のプロセスステップは、しかしながら高コストに結び付いている。従って有利には、アクチュエータボディのセラミック層は、既に焼結されたセラミックディスクによって形成されている。これらのセラミックディスクは次いで、金属ペーストを介して有利な形式で互いに結合されることができる。これによって単数又は複数の複雑なプロセスステップ、特に結合剤除去及び共焼結を省くことができる。さらにこの場合、高価な材料を節約することもできる。特に、外部電極組織を形成するために適したインバール又は、電極材料として適したパラジウムを節約することができる。これによってさらなるコスト節減及び製造の簡単化が可能になる。

さらに、セラミックディスクは比較的大きな層厚を有していると有利である。特に、既に焼結されたセラミックディスクはそれぞれ１００μｍよりも大きな層厚さを有することができる。特にセラミックディスクの層厚さはそれぞれ０.１ｍｍよりもはるかに大きな値であってよい。これによってセラミックディスクの数を著しく減じることができる。そしてこれによりアクチュエータボディの構造、ひいては圧電アクチュエータの構造が簡単になる。

さらにセラミック層及び電極層の共焼結を省くことができるという利点があり、その結果、共焼結に起因して生じる、電極層の材料への要求（電極層の材料に対する制限）とは無関係に、セラミック特性を選択することができる。特に、共焼結時には、電極層のための金属の溶融温度に関する制限、及びセラミック又はこれに類したものへの金属拡散に関する制限がある。このような制限は、セラミックディスクの前焼結によってなくなる。その結果圧電アクチュエータの製造が簡単になる。さらに場合によってはそれぞれの使用例に関して改善されたセラミック特性を所定すること、及び実現することができる。

セラミックディスクの層厚の増大、ひいてはアクチュエータボディのセラミック層の厚さの増大にはさらに、アクチュエータボディの全容量が減じられるという利点がある。通常、コンスタントな長さのアクチュエータの容量は、プレートキャパシタのための電気に関する方程式によって生ぜしめられるように、層厚の増大に連れて二次方程式の形で減じられる。これによって、例えば自動車において圧電アクチュエータを制御するために使用される制御装置又はこれに類したものをも、相応に減じられた出力に対して設計することができる。

電極層は有利には、全面的な電極層として形成されている。これによってアクチュエータボディの高い機械的な安定性、特にセラミック層の確実な結合部が保証される。この場合さらに有利な構成では、電極層と接触接続する外部電極が設けられており、該外部電極は、折り曲げられた外部電極として、特に折り曲げられた接合用平線又は折り曲げられた金属薄板として形成されている。これによって電極層を交互に接触接続することが可能になり、このような接触接続は安価に形成することができる。電極層への外部電極の接続はポストファイアリング、つまり後焼成を用いて、特に金属ペーストを用いて、ボンディング又は溶接を用いて行うことができる。外部電極の折り曲げはこの場合、折り曲げられた外部電極が、内部に位置している逆極性の電極層に対して必要な絶縁間隔を有するように行うことができる。内部に位置している逆極性の電極層はこの場合、それぞれの外部電極によって橋絡される。

さらに、アクチュエータボディが高い電気絶縁性を有する注型物質によって取り囲まれていると有利であり、この注型物質は有利には高い破断点伸びを有している。外部電極の接触接続は例えばエナメル線又はテフロン被覆された導線を用いて実現することができる。

セラミックディスクは、例えばＰＺＴセラミックをベースとした粉体からプレスされて焼結される。この場合セラミックディスクは有利には中実セラミックブロックによって形成されている。

さらに有利には、セラミックディスクは、全面的に金属ペーストをプリントされる平面平行な端面を有している。互いに上下に積層し、プレスし、次いで熱的なプロセス、特にポストファイアリングを行うことによって、高い安定性を有するアクチュエータボディを製造することができ、このようなアクチュエータボディでは特に、セラミックディスクは電極層を介して互いに確実に結合されている。

次に図面を参照しながら本発明の有利な実施例を説明する。図面において対応するエレメントに対しては同一符号が使用されている。

本発明の１実施例における圧電アクチュエータを備えた燃料噴射弁を部分的に断面して示す概略図である。 本発明の１実施例における圧電アクチュエータを製造する方法を示すフローチャートである。

図１には、本発明の１実施例における圧電アクチュエータ２を備えた燃料噴射弁１が、部分的に断面して略示されている。この燃料噴射弁１は特に、空気圧縮型自己着火式の内燃機関又は混合機圧縮型外部点火式の内燃機関の燃料噴射装置のためのインジェクタとして働く。燃料噴射弁１は有利には、ディーゼル燃料を高圧下で複数の燃料噴射弁１に導くコモンレールを備えた燃料噴射装置のために使用される。本発明による圧電アクチュエータ２は特に、このような燃料噴射弁１のために適している。本発明による燃料噴射弁１及び本発明による圧電アクチュエータ２は、しかしながら他の使用例に対しても適している。

燃料噴射弁１はノズル体３を有しており、このノズル体３は適宜な形式で、図示されていない弁ハウジングと結合されている。ノズル体３内にはノズルニードル４が配置されており、このノズルニードル４は、二重矢印５によって示されているように圧電アクチュエータ２によって操作することができる。圧電アクチュエータ２はこの場合ノズルニードル４と作用結合されているが、間接的な結合形式も可能である。

ノズル体３には弁座面６が形成されている。ノズルニードル４によって操作可能な弁閉鎖体７は、弁座面６と共働してシール座を形成している。この実施例では弁閉鎖体７はノズルニードル４と一体に形成されている。さらにノズル体３には燃料室８が設けられており、この燃料室８内には、運転中に高圧下にある燃料が存在している。圧電アクチュエータ２を用いたノズルニードル４の操作時に、ノズルニードル４はその座から持ち上がり、その結果弁座面６と弁閉鎖体７との間に形成されたシール座は開放される。これによって燃料は燃料室８から、開放したシール座とノズル孔９とを介して、内燃機関の燃焼室内に噴射される。

圧電アクチュエータ２はアクチュエータボディ１５を有している。このアクチュエータボディ１５は多数のセラミック層１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２を有している。さらにアクチュエータボディ１５は、セラミック層１６〜２２の間に配置された多数の電極層２３，２４，２５，２６，２７，２８を有している。アクチュエータボディ１５は図１において単にその一部が示されている。

個々のセラミック層、特にセラミック層２２は、パッシブなセラミック層として形成されていてもよい。例えばセラミック層２２はアクチュエータボディ１５の端部２９に設けられていてよく、このようになっていると、セラミック層２２は運転時において、アクチュエータボディ１５の長手方向軸線３０に沿ったアクチュエータボディ１５の伸長及び／又は収縮に寄与しない。

さらに圧電アクチュエータ２は外部電極３１，３２を有している。これらの外部電極３１，３２はこの場合アクチュエータボディ１５の外側面３３に沿って配置されている。外部電極３１は折り曲げ箇所３４，３５，３６を有しており、これらの折り曲げ箇所３４，３５，３６において外部電極３１はアクチュエータボディ１５の外側面３３に導かれている。外部電極３１はそのために折り曲げ箇所３４，３５，３６において折り曲げられている。これによって外部電極３１と電極層２４，２６，２８との接触が可能になっている。接触接続は例えばボンディング又は溶接によって行うことができる。さらに接触接続のために、折り曲げ箇所３４，３５，３６の領域において外部電極３１とアクチュエータボディ１５の外側面３３との間に金属ペーストを付着させることも可能である。熱的なプロセス、特にポストファイアリングの後で、外部電極３１は電極層２４，２６，２８と結合されている。

外部電極３２は折り曲げ箇所３７，３８，３９を有しており、これらの折り曲げ箇所３７，３８，３９において外部電極３２はアクチュエータボディ１５の外側面３３に向かって折り曲げられている。外部電極３２は相応な形式で電極層２３，２５，２７と電気的に接続されている。これによって外部電極３１，３２による電極層２３〜２８の交互の接触接続が可能である。外部電極３１，３２はこの場合それぞれ逆の極性を有する電極層を橋絡している。外部電極３１は電極層２３，２５，２７を橋絡している。外部電極３２は電極層２４，２６を橋絡している。外部電極３２は電極層２７において終端しているので、外部電極３２は、アクチュエータボディ１５の端部２９に位置している電極層２８には達していない。

これによって電極層２３〜２８は全面的な電極層２３〜２８として形成されていてよい。特に、それぞれ他方の極性を有する外部電極の電気的な接触を回避するために考えられる、アクチュエータボディ１５の外側面３３から電極層２３〜２８を交互に間隔をおいて配置することは、不要である。これによって、電極層２３〜２８はアクチュエータボディ１５の高い安定性を保証することができる。さらにセラミック層１６〜２１は少なくともほぼその全横断面（軸線３０に対して直交する面）にわたって、活性化することができる。これによってアクチュエータボディ１５の最適化された伸長及び／又は収縮特性が可能になる。この際に有利な力の発揮が達成され、セラミック層１６〜２２内において運転時に生じる応力が減じられ、これにより亀裂形成が阻止されるか又は少なくとも減じられる。

図２は、燃料噴射弁１の圧電アクチュエータ２を製造する方法を示すフローチャートである。ステップＳ０で方法が始まる。次のステップＳ１において複数のセラミックディスク４１が圧電材料から製造される。このようなセラミックディスク４１は比較的大きな厚さ（層厚）４２を有している。例えばこの厚さ４２は０.１ｍｍよりも明らかに大きくてよい。セラミックディスク４１は端面４３，４４を有している。端面４３，４４はこの場合平面平行に研磨又はラップ仕上げされる。これによってセラミック層もしくはセラミックディスク４１の厚さ４２は所定の範囲内において合わせられることができる。

セラミックディスク４１はステップＳ１においてさらに焼結される。これによってセラミックディスク４１の前焼結が可能である。例えば結合剤除去（Entbindern）や共焼結（Co-Sintern）のような複雑なプロセスステップは、これによって省くことができる。さらに高価な材料も節約することができる。例えば外部電極３１，３２の材料は僅かな要求を満たすだけでよく、従って外部電極３１，３２は、インバールとは異なった材料から形成することができる。さらに電極層２３〜２８は有利な金属製材料から形成することができる。パラジウムのような比較的高価な材料はこの場合不要である。

ステップＳ１に続くステップＳ２において、セラミックディスク４１は少なくとも１つの端面において被覆される。例えばセラミックディスク４１には両方の端面４３，４４において金属ペースト４５がプリントされる。端面４３，４４には、金属ペースト４５から成るペースト層４６，４７がプリントされる。

次のステップＳ３においてセラミックディスク４１には、セラミックディスク４１に相応して形成されていてプリントされた別のセラミックディスク４１′，４１′′，４１′′′が積み重ねられ、これによって複合体４８が形成される。この複合体４８において、セラミックディスク４１′の、ペースト４５から成るペースト層４７′は、金属ペースト４５から成るペースト層４６と全面的に接触する。さらにセラミックディスク４１′′の、金属ペースト４５から成るペースト層４７′′は、セラミックディスク４１′′′の、金属ペースト４５から成るペースト層４６′′′と全面的に接触する。これによって複合体４８のプレス時には、金属ペースト４５から形成されたペースト層４６，４６′，４６′′，４６′′′，４７，４７′，４７′′，４７′′′を介して、確実な結合が生じる。

次いでステップＳ３において、積層されたプリントされたセラミックディスク４１，４１′，４１′′，４１′′′を結合するための熱的なプロセス、特に後焼成（ポストファイアリング；Postfiring）が実施される。

ステップＳ３に続くステップＳ４の始めには、従って熱的なプロセスによって、図２に示された電極層２３〜２５及び別の電極層２６，２７，２８が形成されている。例えば電極層２４は、セラミックディスク４１，４１′′の間において、金属ペースト４５から形成されたペースト層４６′′，４７によって形成される。セラミックディスク４１はこの場合セラミック層１７を形成している。さらにセラミックディスク４１′，４１′′，４１′′′はアクチュエータボディ１５のセラミック層１６，１８，１９を形成している。アクチュエータボディ１５の外側面３３において場合によっては行われる研磨プロセスの後で、折り曲げられた外部電極３１，３２が取り付けられ、電極層２３〜２８と電気的に接続される。

電極層２３〜２８は全面的な電極層２３〜２８として構成されている。これによってセラミック層１６〜２２は高い強度をもって互いに結合されている。従ってアクチュエータボディ１５の高い機械的な安定性を保証することができる。

ステップＳ４に続くステップＳ５において、外部電極３１，３２を備えたアクチュエータボディ１５は、高い電気絶縁性を有する注型物質５０によって取り囲まれる。この場合注型物質５０は高い破断点伸び（Reissdehnung）を有している。

これによって圧電アクチュエータ２が形成される。外部電極３１，３２の接触接続は例えばエナメル線又はテフロン被覆された導線を用いて実現することができる。この方法はステップＳ６において終了する。

本発明は図示の実施例に制限されるものではない。

Claims (12)

1. 圧電アクチュエータ（２）、特に燃料噴射弁用の圧電アクチュエータであって、複数のセラミック層（１６〜２２）と、該セラミック層（１６〜２２）の間に配置された複数の電極層（２３〜２８）とを有するアクチュエータボディ（１５）が設けられている形式のものにおいて、
   第１のセラミック層（１７）が、前焼結された第１のセラミックディスク（４１）によって形成されており、少なくとも１つの第２のセラミック層（１８）が、前焼結された第２のセラミックディスク（４１′′）によって形成されており、第１のセラミックディスク（４１）によって形成されたセラミック層（１７）と、第２のセラミックディスク（４１′′）によって形成されたセラミック層（１８）とは、第１のセラミック層（１７）と第２のセラミック層（１８）との間に設けられた電極層（２４）を用いて互いに結合されていて、該電極層（２４）は少なくとも１つの金属ペースト（４５）から形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 金属ペースト（４５）は、少なくともほぼ、金属製材料をベースとしている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 第１及び第２のセラミックディスク（４１，４１′′）は、比較的大きな層厚（４２）を有している、請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 少なくとも第１及び第２のセラミックディスク（４１，４１′′）の層厚（４２）はそれぞれ、０.１ｍｍよりも大きい、請求項３記載の圧電アクチュエータ。
5. 第１のセラミック層（１７）と第２のセラミック層（１８）との間に設けられた電極層（２４）は、少なくともほぼ、全面的な電極層（２４）として形成されており、電極層（２３〜２８）と接触接続する外部電極（３１，３２）が設けられており、該外部電極（３１，３２）は、折り曲げられた外部電極（３１，３２）として形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ。
6. 燃料噴射弁（１）、特に空気圧縮型自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置のためのインジェクタであって、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータ（２）と、該圧電アクチュエータ（２）によって操作される弁閉鎖体（７）とが設けられていて、該弁閉鎖体（７）は弁座面（６）と共働してシール座を形成していることを特徴とする燃料噴射弁。
7. 圧電アクチュエータを製造する方法であって、下記の方法ステップ、すなわち、
   イ）圧電材料から複数のセラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を製造し、
   ロ）該セラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を焼結し、
   ハ）該セラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）の少なくとも片面に金属ペースト（４５）をプリントし、
   ニ）プリントされたセラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を積み重ねて積層し、
   ホ）プリントされて積層されたセラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を、少なくとも１つの熱的なプロセスによって結合させる
   という方法ステップを有することを特徴とする、圧電アクチュエータを製造する方法。
8. 少なくともほぼすべてのセラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）の両面に金属ペースト（４５）をプリントする、請求項７記載の方法。
9. セラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）の少なくともほぼ全面に、金属ペースト（４５）をプリントする、請求項７又は８記載の方法。
10. 下記のステップ、すなわち、
    外部電極（３１，３２）を取り付け、
    折り曲げられた外部電極（３１，３２）を、セラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）の間に設けられた金属ペースト（４５）によって形成される電極層（２３，２８）と接触接続させる、
    という方法ステップを有している、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. プリントされて積層されたセラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を互いに結合するための熱的なプロセスを、後焼成プロセスとして実施する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. セラミックディスク（４１，４１′，４１′′，４１′′′）を、０.１ｍｍよりも大きな層厚（４２）で製造する、請求項７から１１までのいずれか１項記載の方法。

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