JP4277000B2 - 圧電式のアクチュエータモジュール、及びこの圧電式のアクチュエータモジュールを組み付けるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、特に自動車の蓄圧式噴射システム「コモンレール」を備えた噴射装置の高圧部内におけるインジェクターのための圧電式のアクチュエータモジュール、並びにこのアクチュエータモジュールを組み付けるための、請求項６の上位概念部に記載した方法に関する。

このような形式のアクチュエータモジュールは、実際に使用されており、特にディーゼル内燃機関のためのコモンレール蓄圧式噴射システムと協働して使用される。この場合、圧電式のアクチュエータモジュールは、弁状に構成された弁制御モジュールに配属されていて、弁制御モジュールの弁閉鎖部材を操作するために用いられる。弁制御モジュールによって、噴射弁のノズルモジュールのノズルニードルが操作可能である。ノズルニードルは、内燃機関の燃焼室に通じる少なくとも１つの噴射開口と協働する。

圧電式のアクチュエータモジュールは一般的な形式で、噴射弁のケーシングに支えられたアクチュエータフットと、電圧を印加することによって伸張する圧電素子と、アクチュエータヘッドとを有しており、このアクチュエータヘッドを介して圧電素子の伸張が、いわゆる調節ピストンに伝達され、それによって調節ピストンが軸方向でしゅう動せしめられる。調節ピストンは、液圧室として構成された液圧式のカプラーを介していわゆる操作ピストンと協働し、この操作ピストンは弁閉鎖部材に接続されている。このような構造は、ドイツ連邦共和国特許第１９９４６８３１号明細書に記載されている。

ドイツ連邦共和国特許第１００４３６２６号明細書には、圧電式のアクチュエータモジュールが開示されており、このアクチュエータモジュールは、軸方向に延びるスリーブによって包囲されていて、このスリーブは、汚れ及び燃料、並びに組み付け時の損傷に対して圧電素子を保護するために用いられる。アクチュエータヘッドの領域内には、圧電式のアクチュエータモジュールが折り畳みベローズによってシールされており、この折り畳みベローズは、一方ではアクチュエータストロークを許容し、他方では圧電素子の負の温度膨張係数を補償することができる。

しかしながら折り畳みベローズは、比較的大きい構造スペースを必要とし、構成部分のコストが高い、という欠点を有している。

発明の利点
請求項１の上位概念部に記載した特徴を有する本発明による圧電式のアクチュエータモジュールは、ダイヤフラムが環状に形成され、かつ圧電素子に向かって湾曲して構成されており、前記アクチュエータヘッドが円錐形部分を有していて、この円錐形部分に前記ダイヤフラムが固定されている。このように構成された本発明による圧電式のアクチュエータモジュールは、前記公知のものに対して、ダイヤフラムが著しく安価に構成され、従ってわずかな構造スペースしか必要としない、という利点を有している。しかもダイヤフラムの費用は、折り畳みベローズの費用よりも著しく安価である。

本発明による圧電式のアクチュエータモジュールのダイヤフラムは、有利な形式で、圧電素子の伸張によってリリースされる、例えば４０μｍのアクチュエータヘッドの移動に追従するように設計されている。ダイヤフラムがアクチュエータモジュールを軸方向でシールすると、アクチュエータモジュールを半径方向で制限するスリーブと協働して、アクチュエータモジュールの保護被覆部を形成する。これによって、アクチュエータフットと圧電素子とアクチュエータヘッドとスリーブとダイヤフラムとから成る構成部分全体は、一種の圧電式のアクチュエータカートリッジを形成する。

従ってダイヤフラムは次のような機能を有している。つまり、シール機能；加熱時の負の長手方向伸張を有する圧電素子と正の長手方向伸張を有するスリーブとの間の温度補償機能；アクチュエータストロークの伝達機能（アクチュエータヘッドとスリーブとの接続）を有している。

ダイヤフラムは、有利な構成では、例えばばね鋼又は析出硬化された材料より製作されている。

ダイヤフラムとアクチュエータヘッドとの特に確実な結合は、これらの構成部分が互いに溶接されていることによって得られる。

さらに、ダイヤフラムはスリーブと溶接されているか、又はスリーブと一体的に製作されている。いずれの場合も有利な形式で、ダイヤフラムは圧電素子の伸張を少なくとも１つのピストンに伝達するためのアクチュエータヘッドの先細りした領域用の中央の貫通孔を有している。従ってダイヤフラムは環状に形成されている。

本発明による圧電式のアクチュエータモジュールのための有利な実施例によれば、環状に構成されたダイヤフラムは湾曲した横断面を有している。この実施例では、運転中にダイヤフラムに作用する機械的な負荷は最小である。

種々異なる曲率半径を有する横断面を備えたダイヤフラムを使用すれば、提供された構造スペース及びアクチュエータモジュールの運転中における負荷に関連して特に有利である。このような形式のダイヤフラムの横断面は、例えばアクチュエータヘッドとの接続部の領域において平らに構成されているので、ダイヤフラムはこの領域において円錐形に構成されており、この場合、円錐形の領域に続いて、まず第１の曲率半径を有する領域が設けられていて、この第１の曲率半径を有する領域に続いて、この第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径を有する領域が設けられており、さらにこの第２の曲率半径を有する領域に続いて、この第２の曲率半径よりも小さい第３の曲率半径を有する領域が設けられている。第３の曲率半径を有する領域にはさらに、スリーブに対して平行に整列された円筒形の領域が続いていて、この円筒形の領域を介してダイヤフラムがスリーブに接続されている。ダイヤフラムの円筒形の領域と円錐形の領域との間の角度は、例えば４５゜である。環状のダイヤフラムの外径が例えば９．８５ｍｍで、環状のダイヤフラムの内径が例えば３．７ｍｍの場合、第１の曲率半径は１．９ｍｍ、第２の曲率半径は１．５ｍｍ、第３の曲率半径は１．０ｍｍである。このようなダイヤフラム形状は、所定の構造スペース下におけるＦＥＭ（有限要素法）−最適化の結果である。例えば８０μｍのダイヤフラム厚さを有する、このようなダイヤフラム形状によれば、アクチュエータモジュールの運転中に発生する負荷を補償することができる。この負荷は、特にダイヤフラムで発生する最大６０ｂａｒの液圧と、−４０℃〜１６０℃の間の温度変化と、約３５μｍのアクチュエータストロークとから成っている。アクチュエータヘッド若しくはスリーブに対するダイヤフラムの接続は、有利にはレーザー溶接継ぎ目を介して行われる。

１実施例によれば、ダイヤフラムの厚さは７０μｍ〜０．２ｍｍの間である。

本発明は、少なくとも圧電素子とアクチュエータフットとアクチュエータヘッドとを有していて、該アクチュエータヘッドが前記圧電素子によって操作しようとする構成部分と協働するようになっており、前記アクチュエータモジュールが、軸方向に延びるスリーブによって包囲されている形式の圧電式のアクチュエータモジュールを組み付けるための方法で、記環状のスリーブを、アクチュエータヘッドに向いた側の端面側で、ほぼ半径方向に延びているダイヤフラムによって閉鎖する方法に関する。本発明によれば、前記環状のダイヤフラムを圧電素子に向かって湾曲して構成し、前記アクチュエータヘッドに円錐形部分を設け、この円錐形部分に、円錐形の領域を有する前記ダイヤフラムを固定するようにした。

有利な形式でダイヤフラムは、スリーブを閉鎖する際に無負荷でアクチュエータヘッドに溶接されるようになっている。次いでダイヤフラムはアクチュエータヘッドと共にスリーブ内に挿入され、圧電素子が初期負荷で負荷される。アクチュエータの剛性が４０Ｎ／μｍである場合、７５０Ｎの初期負荷は約１９μｍのストロークに相当する。この場合、ダイヤフラム自体は無負荷状態に維持される。次いでダイヤフラムが、圧電素子が負荷されるとスリーブに溶接され、次いでアクチュエータヘッドから初期負荷が取り除かれ、これによってダイヤフラムはアクチュエータフットに向かって１９μｍだけ変位する。このような組み付け法において、スリーブに作用する７５０Ｎの初期負荷に基づいて、ダイヤフラムの正の変位が補償される。次いでダイヤフラムは、圧電素子が操作されない状態、及びダイヤフラムに液圧が作用しない状態で、例えば２０℃の温度においてゼロ位置にあり、この時に負荷はゼロである。

本発明のその他の利点及び有利な実施態様は、以下の説明、図面及び請求項に記載されている。

図面
圧電式のアクチュエータモジュールの５つの実施例が図面に概略的に示されていて、以下に詳しく説明されている。

図１は、噴射弁の制御ユニットとして使用された圧電式のアクチュエータモジュールの概略的な縦断面図、
図２は、図１に示したアクチュエータモジュールのアクチュエータヘッド領域の斜視図、
図３は、噴射弁における第２実施例による圧電式のアクチュエータモジュールの、図１に対応する図、
図４は、第３実施例によるアクチュエータモジュールの縦断面図、
図５は、第４実施例による圧電式のアクチュエータモジュールの縦断面図、
図６は、図５に破線で示した領域ＶＩの拡大図、
図７は、第５実施例の、図６に対応する図である。

実施例の説明
図１及び図２に示した実施例は、ここでは有利な形式でディーゼル燃料を噴射するためのコモンレールインジェクタとして構成された、自動車の内燃機関に組み込むために設けられた燃料噴射システム１の一部を示している。

インジェクターはアクチュエータ２を有しており、このアクチュエータ２は保持体３に収容されていて、カプラーモジュールを介して、弁状に構成された弁制御モジュールに配属されている。弁制御モジュールは、詳しく図示していないノズルモジュール内に配置されたノズルニードルを操作するために用いられる。保持体３内に、アクチュエータモジュール２に対して平行に延びる別の燃料供給通路４が形成されており（高圧孔）、この燃料供給通路４は、燃料をコモンレールリザーバユニットから噴射弁１のノズルモジュールに供給するために用いられる。

アクチュエータ２はいわゆるアクチュエータフット５を有しており、このアクチュエータフット５を介してアクチュエータモジュール２は保持体３で支えられている。アクチュエータ２はさらに、一般的なように圧電材料の複数の層から製作された、アクチュエータフット５に軸方向で接続された圧電素子６と、アクチュエータフット５とは反対側で圧電素子６に接続されたいわゆるアクチュエータヘッド７を有している。アクチュエータヘッド７は、圧電素子６の伸張若しくは収縮を、弁制御ユニットの図示していない公知の調節ピストンに伝達するために使用される。有利には、この公知の調節ピストンは原則的に、液体を制御するための、ドイツ連邦共和国特許出願第１９９４６８３１号明細書に記載された弁と同様に構成されている。

従って調節ピストンは一般的な形式で、液圧室として構成された液圧式のカプラー（カプラーモジュール）を介して、いわゆる操作ピストンと作用接続しており、この場合、下側の操作ピストンは有利には同様に、弁座と協働する弁閉鎖部材に接続されている。

この実施例では、圧電素子６の伸張の伝達は、補償部材として用いられる球８を介して行われる。球８は例えば約３ｍｍの直径を有している。

圧電式のアクチュエータモジュール２は、軸方向に延在する、ほぼ円筒形に形成された薄壁状のスリーブ９によって包囲されており、このスリーブ９は、例えば安価なステンレス鋼より製作されていて、アクチュエータモジュール２を半径方向でシールする。

アクチュエータフット５とは反対側において、圧電式のアクチュエータモジュール２は、この実施例ではばね鋼より形成されたダイヤフラム１０によって軸方向でシールされている。このダイヤフラム１０は、ほぼ半径方向に延びていて、環状に構成され、アクチュエータヘッド７のピン状の領域１２のための中央の貫通孔を有している。

ダイヤフラムは例えば、０．０８ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さと、９．５ｍｍの直径と、２．５ｍｍの内径とを有している。

ほぼ平らな若しくはプレート状の形状を有するダイヤフラム１０は、ピン状の領域１２に向いた内側の制限部で溶接継ぎ目１３を介してアクチュエータヘッド７に堅固に結合されている。スリーブ９に向いた外側の制限部では、ダイヤフラム１０が溶接継ぎ目１４を介してスリーブ９に接続されている。

図３には、圧電式のアクチュエータモジュール２０の選択的な実施例が示されている。この実施例は、図１及び図２に示した実施例とはダイヤフラム２１が異なっている。この実施例ではダイヤフラム２１は、楕円形から円弧状まで湾曲されており、この場合、圧電素子６に向かって湾曲している。ほぼ半径方向に延びるダイヤフラム２１は、同様に環状に構成されていて、外側の制限部が溶接継ぎ目１４を介してスリーブ９に接続されている。この実施例では、運転中にダイヤフラムに作用する機械的な負荷が小さい。

図４には、本発明による圧電式のアクチュエータモジュール３０の第３実施例が示されている。この実施例は、図１及び図２に示した実施例とは異なり、スリーブ９と一体的に形成され、かつスリーブ９と１つのユニットを形成しているダイヤフラム３１を有している。フラット若しくは平らな幾何学形状を有するダイヤフラム３１は、環状に構成されていて、その内側の制限部が溶接継ぎ目１３を介してアクチュエータヘッド７に接続されている。

本発明は図示の実施例に限定されるものでないことは明らかである。むしろ、ダイヤフラムは、当業者が所定の使用条件に適していると見なした、考えられるその他のすべての形状を有していてよい。

図５には、本発明による圧電アクチュエータモジュール４０の第４実施例が示されている。図５に示したアクチュエータモジュール４０の構成は、図１に示したアクチュエータモジュール４０の構成とは異なり、種々異なる曲率半径の横断面を有するダイヤフラム４１を備えており、環状のダイヤフラム４１が圧電素子６に向かって湾曲して構成されている。

図６に拡大して示されたダイヤフラム４１の横断面は、円錐形に構成された、横断面が平らな領域４２を有しており、この領域４２は、スリーブ９と４５゜の角度を成していて、０．７ｍｍの長さｄｌを有している。ダイヤフラム４１は円錐形の領域４２を介してアクチュエータヘッド７と溶接されている。領域４２に、１．９ｍｍの第１の曲率半径を有する領域４３が続いていて、この領域４３に続いて、１．５ｍｍの第２の曲率半径を有する領域４４が設けられていて、さらにこの領域４４に、１．０ｍｍの第３の曲率半径を有する領域４５が続いている。この第３の曲率半径を有する領域４５に、さらに、横断面が平らで円筒形の領域４６が続いており、この領域４６を介してダイヤフラム４１がスリーブ９に溶接されている。０．７ｍｍの高さｄ２を有するダイヤフラム４１の領域４６は、スリーブ９に対して０．３ｍｍだけ突き出している。第３の曲率半径を有する領域４５は、１．５ｍｍのダイヤフラム高さまで延びていて、第２の曲率半径を有する領域４４は、１．８ｍｍの高さｄ４の位置にあるダイヤフラム４１の頂点を通って、１．７８ｍｍの高さｄ５で終わっている。第１の曲率半径を有する領域４３は、１．２５ｍｍのダイヤフラム高さから１．７８ｍｍのダイヤフラム高さまで延びている。

ダイヤフラム４１の外径は９．８５ｍｍであって、ダイヤフラム４１の内径は３．７ｍｍである。

図５及び図６に示したダイヤフラムは、まずアクチュエータヘッド７がダイヤフラム４１の領域に負荷なしで溶接されるように、組み付けられる。平均応力レベルを調節するために、アクチュエータヘッド７は、１９μｍのアクチュエータストロークに相当する７５０Ｎの初期負荷（Vorlast）で圧電素子６に押し付けられ、この際に、ダイヤフラム４１の領域４６は、この初期負荷の元でスリーブ９に溶接される。

選択的に、ダイヤフラム４１の領域４６は、所望に変形せしめられ、スリーブ９に押し付けられ、次いでスリーブ９に溶接することができる。

ダイヤフラムを組み付ける際にプレロード（予圧）を加えることによって、作動ポイントにおける応力レベルは著しく低下せしめられる。

図７には、本発明による圧電式のアクチュエータモジュール５０の第５実施例が示されている。この第５実施例によるアクチュエータモジュール５０は、図５及び図６に示したアクチュエータモジュールにおけるダイヤフラムとは異なる幾何学形状のダイヤフラム５１を有している。

ダイヤフラム５１は圧電素子６に向かって湾曲して構成されていて、圧電素子６の軸線に直角に整列され、かつアクチュエータヘッドを包囲する環状領域５２によって形成されており、この環状領域５２に円錐形の領域５３が続いていて、この円錐形の領域５３内で、ダイヤフラム５１が約０．３ｍｍの長さｅｌに亘ってアクチュエータヘッド７に溶接されている。円錐形の領域５３に、第１の曲率半径１．４ｍｍを有する領域５４が続いており、この領域５４に、第２の曲率半径２．４７ｍｍを有する領域５５が続いていて、さらにこの領域５５に、第３の曲率半径０．５ｍｍを有する領域５６が続いている。第３の曲率半径を有する領域５６には、横断面が平らな円筒形の領域５７が続いていて、この円筒形の領域５７を介してダイヤフラム５１が、約０．３ｍｍの長さｅ２に亘ってスリーブ９に溶接されている。円筒形の領域５７は、圧電素子６の軸線に対して直角に整列された、裾をからげたような折り曲げ領域５８によって制限されている。円筒形の領域５７は、１．２ｍｍの高さｅ３を有していて、スリーブ９を越えて延びている。第３の曲率半径を有する領域５６は１．７５ｍｍのダイヤフラム高さｅ４まで延びていて、第２の曲率半径を有する領域５５は、１．８５ｍｍの高さｅ５を有する、ダイヤフラム５１の頂点を通過して、１．６２ｍｍの高さｅ６で終わっている。第１の曲率半径を有する領域５４は、１．２４ｍｍのダイヤフラム高さから１．６６ｍｍのダイヤフラム高さｅ７まで延びている。

ダイヤフラム５１の外径は、前記折り曲げ領域５８において１０．３５ｍｍ、円筒形の領域５７において９．８９ｍｍである。ダイヤフラム５１の内径は３．５ｍｍである。

本発明による圧電式のアクチュエータモジュールは前記のように燃料噴射弁に使用すれば非常に有利であるが、本発明に従って構成された圧電式のアクチュエータモジュールは、別の使用領域、特に圧電素子が汚れ又は攻撃的な媒体から保護されるべき領域において使用することも考えられる。

噴射弁の制御ユニットとして使用された圧電式のアクチュエータモジュールの概略的な縦断面図である。 図１に示したアクチュエータモジュールのアクチュエータヘッド領域の斜視図である。 噴射弁における第２実施例による圧電式のアクチュエータモジュールの、図１に対応する図である。 第３実施例によるアクチュエータモジュールの縦断面図である。 第４実施例による圧電式のアクチュエータモジュールの縦断面図である。 図５に破線で示した領域ＶＩの拡大図である。 第５実施例の、図６に対応する図である。

Claims (9)

1. 圧電式のアクチュエータモジュールであって、少なくとも圧電素子（６）とアクチュエータフット（５）とアクチュエータヘッド（７）とを有しており、該アクチュエータヘッド（７）が前記圧電素子（６）によって操作しようとする構成部分と協働するようになっており、前記アクチュエータモジュール（２；２０；３０；４０）が、軸方向に延びるスリーブ（９）によって包囲されており、前記アクチュエータヘッド（７）に続いてダイヤフラム（４１；５１）が設けられており、このダイヤフラムは、ほぼ半径方向に延びて、前記スリーブ（９）に接続されていて、異なる曲率半径を有する複数の領域より成る横断面を有している形式のものにおいて、
   前記ダイヤフラム（４１；５１）が環状に形成され、かつ圧電素子（６）に向かって湾曲して構成されており、前記アクチュエータヘッド（７）が円錐形部分を有していて、この円錐形部分に前記ダイヤフラム（４１，５１）が固定されていることを特徴としている、圧電式のアクチュエータモジュール。
2. 前記ダイヤフラム（４１；５１）がアクチュエータヘッド（７）に溶接されている、請求項１記載の圧電式のアクチュエータモジュール。
3. 前記ダイヤフラム（４１；５１）がスリーブ（９）に溶接されている、請求項１又は２記載の圧電式のアクチュエータモジュール。
4. 前記ダイヤフラム（４１；５１）が、約７０μｍ〜２００μｍの間の厚さを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータモジュール。
5. 殊に自動車のコモンレール噴射弁の燃料噴射弁（１）の制御ユニットとして使用されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータモジュール。
6. 少なくとも圧電素子（６）とアクチュエータフット（５）とアクチュエータヘッド（７）とを有していて、該アクチュエータヘッド（７）が前記圧電素子（６）によって操作しようとする構成部分と協働するようになっており、前記アクチュエータモジュール（２；２０；３０）が、軸方向に延びるスリーブ（９）によって包囲されている形式の圧電式のアクチュエータモジュールを組み付けるための方法であって、前記環状のスリーブ（９）を、アクチュエータヘッド（７）に向いた側の端面側で、ほぼ半径方向に延びているダイヤフラム（４１；５１）によって閉鎖する方法において、
   前記環状のダイヤフラム（４１；５１）を圧電素子（６）に向かって湾曲して構成し、前記アクチュエータヘッド（７）に円錐形部分を設け、この円錐形部分に、円錐形の領域（４２，５３）を有する前記ダイヤフラム（４１，５１）を固定することを特徴とする、圧電式のアクチュエータモジュールを組み付けるための方法。
7. ダイヤフラム（４１；５１）とアクチュエータヘッド（７）とを無負荷で溶接する、請求項６記載の方法。
8. ダイヤフラム（４１；５１）に溶接されたアクチュエータヘッド（７）をスリーブ（９）内に導入し、圧電素子（６）に向かって初期負荷で負荷する、請求項７記載の方法。
9. 初期負荷されたアクチュエータヘッド（７）においてダイヤフラム（４１；５１）をスリーブ（９）に溶接する、請求項８記載の方法。

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