JP4253679B2 - アクチュエータに用いられる中空筒状ばねおよび該中空筒状ばねを組み付けるための方法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、アクチュエータに用いられる中空筒状ばね（Rohrfeder）および請求項１３または請求項１７の上位概念部に記載の形式の、本発明による中空筒状ばねを組み付けるための方法に関する。

一般に、内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁を操作するための圧電式または磁気歪み式のアクチュエータは、引張力および剪断力を回避するためにばねによって予荷重もしくはプリロードをかけられる。通常、予荷重もしくはプリロードを形成するためには、燃料噴射弁に設けられた戻しばねの、燃料噴射弁が閉じられた状態でも存在する残留応力が利用される。

たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９５１０１２号明細書に基づき、特に内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁を操作するためのアクチュエータが公知である。この公知のアクチュエータは圧電性または磁気歪み性の材料から成る、積み重ねられてスタック配置された複数の層を有している。この公知のアクチュエータは、中央の切欠き内に配置された抗張材によって、逆回りのねじ山によって予荷重もしくはプリロードをかけられる。位置固定および力伝達はトッププレートとボトムプレートとを介して行われる。

この公知の構造において不都合となるのは、特に抗張材を切欠き内に収納できるようにするために、スタックアクチュエータを中空に形成することが必要となることである。これにより、このアクチュエータは前組付け時および組付け時に一層損傷を受け易くなっている。

さらに国際公開第９９／０８３３０号パンフレットに基づき公知の圧電式のアクチュエータは、ばねスリーブ内に押し込まれかつ予荷重もしくはプリロードをかけられた状態でばねスリーブの両端部に摩擦接続的にかつ／または形状接続的に、つまり嵌合に基づいた係合により、結合される。これにより、圧電式のアクチュエータの予荷重力もしくはプリロード力が永続的に規定されている構成ユニットが製造される。

この公知のアクチュエータにおいて不都合となるのは、特にアクチュエータにかけられる予荷重もしくはプリロードがばねスリーブの弾性率によってのみ規定されていることである。これによって、短い制御時間を補償するためのプログレッシブな挙動を達成することはできない。

発明の利点
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、アクチュエータに用いられる本発明による中空筒状ばねおよび請求項１３および請求項１７の特徴部に記載の特徴を有する、該中空筒状ばねを組み付けるための方法には、従来のものに比べて次のような利点がある。すなわち、中空筒状ばねに設けられた組付け係合部が中空筒状ばねおよびアクチュエータの均一な予荷重付与もしくはプリロード付与を可能にすると同時に、中空筒状ばねとアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースとの歪みなしの溶接をも可能にする。

請求項２〜請求項１２もしくは請求項１４〜請求項１６もしくは請求項１８〜請求項１９にそれぞれ記載の手段により、請求項１に記載の中空筒状ばねならびに請求項１３および請求項１７にそれぞれ記載の方法の有利な改良および改善が可能となる。

組付け係合部は中空筒状ばねの閉じられた端範囲の少なくとも一方の端範囲に配置されていると有利である。これにより、一方では中空筒状ばねのばね特性に不都合な影響は与えられなくなる。一方の端範囲にのみ組付け係合部を導入することにより、より大きなアクチュエータストロークが得られるという好都合な影響付与が可能となる。

さらに、組付け係合部が対称的にかつペアになって、もしくは等間隔で同じ角度間隔を置いて中空筒状ばねに配置されていると有利である。これにより、均一なプリロード付与が可能となる。

さらに、まずアクチュエータモジュールの前組付けが歪みなしの状態で実施され、その後でアクチュエータモジュールがプリロード付与および最終組付けのために組付け装置に挿入されることが有利である。これにより、アクチュエータは既に剪断力による損傷に対して保護されていて、引き続き行われる加工にまで貯蔵されかつ搬送され得るようになる。

図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１は、本発明による中空筒状ばねを装着するために適した燃料噴射弁の概略図であり；
図２は、中空筒状ばねを製造するために準備された、第１実施例によるブランクの平面図であり；
図３は、図２に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを組み付けるために必要とされる組付けステップを示す概略図であり；
図４は、図２および図３に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す斜視図であり、
図５は、中空筒状ばねを製造するために準備された、第２実施例によるブランクの平面図であり、
図６は、図５に示した、本発明により形成された中空筒状ばねのブランクを、丸く曲げられた状態で示す概略図であり、
図７Ａは、図５および図６に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す断面図であり、
図７Ｂは、図５および図６に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す側面図である。

実施例の説明
図１には、本発明を分かり易く説明するために、本発明により形成された中空筒状ばねを装備するために適した燃料噴射弁が著しく概略的に描かれている。

図１に示した燃料噴射弁１は特に、内燃機関の燃焼室（図示しない）内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁１として適している。

燃料噴射弁１はノズルボディ２を有している。このノズルボディ２内には弁ニードル３が案内されている。この弁ニードル３の下流側の端部は弁閉鎖体４を有している。この弁閉鎖体４は弁座面５と共にシールシートを形成している。燃料噴射弁１は、外方へ向かって開弁するタイプの燃料噴射弁１として形成されている。弁ニードル３は、ノズルボディ２内に配置された戻しばね６により負荷されており、この場合、燃料噴射弁１が休止段階で、閉じられた状態に保持されるようになるか、もしくは弁ニードル３が開放段階の後に弁ニードル３の休止位置へ戻されるようになる。

ノズルボディ２はハウジング７に通じている。このハウジング７内には、ハイドロリック式のカップラ８とアクチュエータモジュール９とが配置されている。

アクチュエータモジュール９は、有利には圧電式のスタックアクチュエータ１０を有している。このスタックアクチュエータ１０は剪断力に対する保護のために、本発明により形成された中空筒状ばね１１によって予荷重もしくはプリロードをかけられる。スタックアクチュエータ１０は本実施例では付加的に、このスタックアクチュエータ１０を包埋するように射出成形された射出成形周壁１２によって保護されている。スタックアクチュエータ１０はアクチュエータベース１３とアクチュエータヘッド１４とを有しており、このアクチュエータベース１３およびアクチュエータヘッド１４はそれぞれ中空筒状ばね１１と、たとえば溶接されている。中空筒状ばね１１ならびにスタックアクチュエータ１０の構成部分については、さらに下で図２〜図４につき詳しく説明する。

アクチュエータモジュール９の流入側に配置されたハイドロリック式のカップラ８は、作業ピストン１５を有している。この作業ピストン１５はカップラスプリング１６によってハウジング７に対して予荷重もしくはプリロードをかけられている。ハイドロリック式のカップラ８は圧電式のスタックアクチュエータ１０の小さなストロークを弁ニードル３の大きなストロークに変換する。

カップラ８とアクチュエータモジュール９は、１つのアクチュエータハウジング１７内にカプセル封入されている。このアクチュエータハウジング１７は、中央で流入管片１８を介して供給された燃料によって取り囲まれるように流過される。この燃料はハウジング７とノズルボディ２とを通ってシールシートにまで流れる。燃料噴射装置１は電気的な差込みコンタクト１９を介して作動可能である。

スタックアクチュエータ１０の組付け時ならびに運転時に、スタックアクチュエータ１０の破壊を招く恐れのある剪断力が回避されることを確保するために、スタックアクチュエータ１０は中空筒状ばね１１内にカプセル封入されている。この中空筒状ばね１１はスタックアクチュエータ１０に予荷重もしくはプリロードをかけているので、スタックアクチュエータ１０は、このスタックアクチュエータ１０に作用する専ら軸方向の力によって安定化される。

中空筒状ばね１１は、図２および図５に２種類の実施例に関して図示されているように製造される。まず、ブランク２０からの打抜き成形により、基本形状が製造される。この基本形状は図６に第２実施例に関して図示されているように丸く曲げられる。中空筒状ばね１１の両縁部２１が相並んで位置する突合わせ範囲では、両縁部２１が長手方向溶接によって互いに結合されるので、１つの閉じた中空筒状の管が生まれる。

基本形状の製造時では、ブランク２０に複数のスリット状の切欠き２２が加工成形される。これらの切欠き２２は中空筒状ばね１１の面の一部にわたって規則的に分配されており、この場合、切欠き２２はほぼ「８の字形」に形成されている。切欠き２２は打抜き加工またはこれに類似した方法により製造される。各切欠き２２の間には、加工プロセスによりウェブ２３が残る。これらのウェブ２３は中空筒状ばね１１のばね弾性的な支持作用を生ぜしめる。切欠き２２の「８の字形」の形状により、中空筒状ばね１１は軸方向の延在方向でフレキシブルとなるので、中空筒状ばね１１を容易に伸縮させることができる。中空筒状ばね１１のばね定数には、切欠き２２の数、形状、サイズおよび配置形式により影響が与えられる。

図２に示した第１実施例では、切欠き２２が中空筒状ばね１１の中央の範囲３２に形成されており、それに対して両端範囲３３は切欠き２２を有しておらず、さらに下で詳しく説明する組付け係合部２４は別として、閉じた面を有している。図５および図６に示した第２実施例では、切欠き２２が中央の範囲３２にも、両端範囲３３の一方の端範囲３３にも形成されている。

本発明によれば、組付け係合部２４が設けられている。この組付け係合部２４は中空筒状ばね１１内にスタックアクチュエータ１０を組み付けるために必要とされる。組付け係合部２４は図２に示した第１実施例では中空筒状ばね１１の両端範囲３３に設けられており、図５および図６に示した第２実施例では片方の端範囲３３にしか組付け係合部２４が形成されていない。これにより、切欠き２２が形成されている範囲は大きくなり、これにより中空筒状ばね１１はより弾性的となる。

図２に示した第１実施例から判るように、組付け係合部２４は均一な力導入のために少なくともペアになって互いに向かい合って位置するように設けられている。それに対して図５および図６に示した第２実施例では、少なくとも３つの組付け係合部２４が設けられている。これらの組付け係合部２４は中空筒状ばね１１の全周にわたって等間隔で同じ角度間隔を置いて分配されている。各組付け係合部２４の間には、別の切欠き３４が設けられていてよい。切欠き３４ならびに付加的な数の切欠き２２は中空筒状ばね１１を一層柔らかくし、これによりスタックアクチュエータ１０のより大きなストロークを可能にする。組付け係合部２４の機能については、図３もしくは図７Ａおよび図７Ｂにつき詳しく説明する。

図３には、図２に示した中空筒状ばね１１内へのスタックアクチュエータ１０の組付けが図示されている。

中空筒状ばね１１内へのスタックアクチュエータ１０の組付けは、アクチュエータモジュール９における力制御されたストローク調節によって予荷重もしくはプリロードが生ぜしめられるように行われると有利である。製作公差および剛性公差にもかかわらず、別の構成部分の使用なしに予荷重力もしくはプリロード力を極めて正確に調節することができる。アクチュエータヘッド１４およびアクチュエータベース１３と中空筒状ばね１１との溶接はこの場合、このプリロード力により負荷されていない範囲で行うことができる。これにより、溶接部は応力なしに、つまり歪みなしに形成され得るようになり、著しく改善された耐久性を有している。このことは、組付け係合部２４の範囲における中空筒状ばね１１の剛性に基づいて可能となる。

組付けはこの場合、次の順序で行われる。まず、中空筒状ばね１１がアクチュエータベース１３に被せ嵌められて、第１の溶接シーム２５によってアクチュエータベース１３と溶接される。その後に、スタックアクチュエータ１０が中空筒状ばね１１内へ導入される。スタックアクチュエータ１０が、アクチュエータベース１３に当て付けられた状態に保持される間、センタリングピン２６が電気的な線路１９と中空筒状ばね１１との間に挿入され、これによりスタックアクチュエータ１０は中空筒状ばね１１内でセンタリングされる。次いで、アクチュエータヘッド１４が挿入され、この場合、アクチュエータヘッド１４は、このアクチュエータヘッド１４がスタックアクチュエータ１０に接触するまで中空筒状ばね１１内へ押し込まれる。

このようにして前組付けされたアクチュエータモジュール９は、既に問題なく運搬可能となる。なぜならば、敏感なスタックアクチュエータ１０が中空筒状ばね１１内に配置されて、剪断力に対して保護されているからである。

アクチュエータモジュール９は、図３に概略的に図示した組付け装置２７内へ挿入される。この場合、中空筒状ばね１１の流出部側の組付け係合部２４内には、コレットチャック２８がスナップイン式に係合する。アクチュエータヘッド１４には、ロードセル（Kraftmessdose）２９が接触している。

ロードセル２９はまず較正され、次いでコレットチャック２８が中空筒状ばね１１と共にロードセル２９の方向へ移動させられる（矢印３０参照）。この場合、中空筒状ばね１１がアクチュエータヘッド１４に押圧される際の力Ｆは、いかなる時点でも直接にロードセル２９で読取り可能となる。スタックアクチュエータ１０に対する所望の予荷重もしくはプリロードが達成されるまで中空筒状ばね１１を移動させることができる。力の程度はスタックアクチュエータ１０のストロークならびに所望の制御特性に課せられる要求に左右される。中空筒状ばね１１の適当な設計によって、プログレッシブなばね定数を得ることもできる。

最後に、中空筒状ばね１１は第２の溶接シーム３１を介してアクチュエータヘッド１４と溶接される。中空筒状ばね１１における力伝達経路は、あとから過重を受ける全ての構成部分が、予荷重もしくはプリロードをかけられる際にも負荷されるように延びている。組付け係合部２４が形成されている、中空筒状ばね１１の端範囲３３だけが力伝達経路に位置していないので、第２の溶接シーム３１は無応力もしくは無歪みの状態で形成され得る。

図４には、組付けの完了したアクチュエータモジュール９が示されている。中空筒状ばね１１は両溶接シーム２５，３１を介してアクチュエータベース１３およびアクチュエータヘッド１４と溶接されている。組付け係合部２４はたしかに中空筒状ばね１１の、アクチュエータヘッド１４に近い側の端範囲３３においてしか必要とならないが、しかし図２および図３にも示したように、ばね特性を誤めることを回避するための対称性の理由からも、コスト上の理由からも、中空筒状ばね１１の両端部に設けられることが望ましい。

図７Ａおよび図７Ｂには、図６に示した中空筒状ばね１１を備えた、組付けの完了したアクチュエータモジュール９が、側面図および断面図で図示されている。

組付けのための方法は、図５〜図７に示した第２実施例による中空筒状ばね１１のためには、次のような組付けステップを有している：まず、スタックアクチュエータ１０が、アクチュエータベース１３に結合された燃料流入部もしくは流入管片１８に被せ嵌められる。次いで、中空筒状ばね１１が同じくアクチュエータベース１３に被せ嵌められて、このアクチュエータベース１３と第１の溶接シーム２５を介して歪みなしに結合される。中空筒状ばね１１は次いで、組付け係合部２４における引張りによって予荷重もしくはプリロードをかけられる。このときに、中空筒状ばね１１はまず、必要とされる引張力を超えて過剰延伸される。引き続き、引張力が約６００Ｎの所要の引張力にまで低減される。

最後に、中空筒状ばね１１が第２の溶接シーム３１を介してアクチュエータヘッド１４と溶接される。中空筒状ばね１１における力伝達経路は、あとで過重を受ける全ての構成部分が、予荷重もしくはプリロードをかけられる際にも負荷されるように延びている。中空筒状ばね１１の、組付け係合部２４が形成されている方の端範囲３３だけが力伝達経路に位置していないので、第２の溶接シーム３１は歪みなしの状態で製造され得る。

本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、特に燃料噴射弁の多数の構造形式において使用可能である。また、実施例の全ての特徴は任意に互いに組合せ可能である。

本発明による中空筒状ばねを装着するために適した燃料噴射弁の概略図である。 中空筒状ばねを製造するために準備された、第１実施例によるブランクの平面図である。 図２に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを組み付けるために必要とされる組付けステップを示す概略図である。 図２および図３に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す斜視図である。 中空筒状ばねを製造するために準備された、第２実施例によるブランクの平面図である。 図５に示した、本発明により形成された中空筒状ばねのブランクを、丸く曲げられた状態で示す概略図である。 図５および図６に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す断面図である。 図５および図６に示した、本発明により形成された中空筒状ばねを、組付けの完了した状態で示す側面図である。

Claims (13)

1. 内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁（１）を操作するために働く圧電式または磁気歪み式のアクチュエータ（１０）に用いられる中空筒状ばね（１１）において、当該中空筒状ばね（１１）が、中央の範囲（３２）に複数の切欠き（２２）と、該切欠き（２２）の間に位置するウェブ（２３）とを有しており、当該中空筒状ばね（１１）が組付け係合部（２４）を有しており、該組付け係合部（２４）が、当該中空筒状ばね（１１）の両端範囲（３３）のうちの第１の端範囲にのみ形成されているか、または当該中空筒状ばね（１１）の両端範囲（３３）に形成されており、しかも該組付け係合部（２４）は、当該中空筒状ばね（１１）が該組付け係合部（２４）における引張りによって予荷重もしくはプリロードをかけられように形成されていることを特徴とする、アクチュエータに用いられる中空筒状ばね。
2. 各端範囲（３３）にそれぞれ少なくとも２つの組付け係合部（２４）が設けられている、請求項１記載の中空筒状ばね。
3. 組付け係合部（２４）がそれぞれペアになって互いに向かい合って位置するように配置されている、請求項２記載の中空筒状ばね。
4. 第２の端範囲（３３）が、中央の範囲（３２）と同様に複数の切欠き（２２）およびウェブ（２３）を備えている、請求項１記載の中空筒状ばね。
5. 少なくとも３つの組付け係合部（２４）が設けられている、請求項１または４記載の中空筒状ばね。
6. 少なくとも３つの組付け係合部（２４）が、均一な角度間隔を置いて当該中空筒状ばね（１１）に配置されている、請求項５記載の中空筒状ばね。
7. 各組付け係合部（２４）の間に別の切欠き（３４）が形成されている、請求項６記載の中空筒状ばね。
8. 当該中空筒状ばね（１１）が、アクチュエータヘッド（１４）およびアクチュエータベース（１３）に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の中空筒状ばね。
9. 結合が溶接シーム（２５;３１）を介して行われる、請求項８記載の中空筒状ばね。
10. 内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁（１）を操作するために働く圧電式または磁気歪み式のアクチュエータ（１０）に用いられる中空筒状ばね（１１）を組み付けるための方法であって、該中空筒状ばね（１１）が少なくとも２つの組付け係合部（２４）を有している形式の方法において、
    当該方法が以下の組付けステップ：
    −アクチュエータ（１０）と中空筒状ばね（１１）とアクチュエータベース（１３）とアクチュエータヘッド（１４）とから成るアクチュエータモジュール（９）を前組付けし、
    −前組付けされたアクチュエータモジュール（９）を組付け装置（２７）に挿入し、
    −アクチュエータモジュール（９）に予荷重もしくはプリロードをかけて該アクチュエータモジュール（９）を最終組付けする、
    を有しており、ただし
    第１の方法ステップが以下の部分ステップ：
    −中空筒状ばね（１１）をアクチュエータベース（１３）に被せ嵌め、
    −中空筒状ばね（１１）をアクチュエータベース（１３）と第１の溶接シーム（２５）によって溶接し、
    −アクチュエータ（１０）を中空筒状ばね（１１）内へ導入し、
    −アクチュエータ（１０）をアクチュエータベース（１３）に当て付けた状態に保持し、
    −アクチュエータベース（１３）に配置された電気的な線路（１９）と中空筒状ばね（１１）との間にセンタリングピン（２６）を挿入し、
    −アクチュエータヘッド（１４）を中空筒状ばね（１１）内に挿入し、アクチュエータヘッド（１４）がアクチュエータ（１０）に接触するまでアクチュエータヘッド（１４）を中空筒状ばね（１１）内へ押し込む、
    を有しており、
    第２の方法ステップが以下の部分ステップ：
    −前組付けされたアクチュエータモジュール（９）を組付け装置（２７）内に挿入し、
    −中空筒状ばね（１１）に設けられた組付け係合部（２４）内にコレットチャック（２８）を係合させ、かつロードセル（２９）をアクチュエータヘッド（１４）に当て付け、
    −該ロードセル（２９）を較正する、
    を有しており、
    第３の方法ステップが以下の部分ステップ：
    −コレットチャック（２８）を中空筒状ばね（１１）と共にロードセル（２９）の方向へ移動させ、
    −ロードセル（２９）で力を読み取り、
    −第２の溶接シーム（３１）によって中空筒状ばね（１１）をアクチュエータヘッド（１４）と溶接する、
    を有している
    ことを特徴とする、アクチュエータに用いられる中空筒状ばねを組み付けるための方法。
11. 内燃機関の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁（１）を操作するために働く圧電式または磁気歪み式のアクチュエータ（１０）に用いられる中空筒状ばね（１１）を組み付けるための方法であって、該中空筒状ばね（１１）が少なくとも２つの組付け係合部（２４）を有している形式の方法において、
    当該方法が以下の組付けステップ：
    −アクチュエータ（１０）を、アクチュエータベース（１３）に結合された燃料流入部（１８）に被せ嵌め、
    −中空筒状ばね（１１）をアクチュエータベース（１３）に被せ嵌めて第１の溶接シーム（２５）を介して溶接し、
    −組付け係合部（２４）を引っ張ることによって中空筒状ばね（１１）に予荷重もしくはプリロードをかけ、
    −予荷重もしくはプリロードをかけられた中空筒状ばね（１１）をアクチュエータヘッド（１４）に被せ嵌めて、第２の溶接シーム（３１）を介して溶接する、
    を有することを特徴とする、アクチュエータに用いられる中空筒状ばねを組み付けるための方法。
12. 中空筒状ばね（１１）を、まず所要の引張力を超えて過剰延伸させ、引き続き引張力を所要の引張力にまで減少させる、請求項１１記載の方法。
13. 所要の引張力が約６００Ｎである、請求項１２記載の方法。

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