JP4571750B2 - 圧電式アクチエータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、自動車における制御弁又は噴射弁を作動するための圧電式のアクチエータであって、圧電材料から成る互いに上下に重ねられた層とその間にある金属製もしくは導電性の、電極として役立つ層とから構成された多層のラミネートの形をしたアクチエータ本体を備え、該アクチエータの端面に軸方向に突出する弁タペットを有する弁側のヘッドプレートと、これに対向したフットプレートとがそれぞれ取付けられており、アクチエータ本体が弁ケーシングの軸方向孔内に位置しかつ端面側にてヘッドプレートとフットプレートとの間でばね部材によって軸方向にバイアスがかけられている形式のものに関する。
【０００２】
このような圧電式のアクチエータは例えばロバート ボッシュ社のＤＥ１９６５０９００Ａ１号明細書によって公知である。
【０００３】
このような圧電式の多層アクチエータは電極層にてパルス化された電圧で負荷されると同様にパルス化された行程運動を、両端面の間の間隔を変化させて行う。多層−圧電式アクチエータは、高すぎる場合の強度をもたらす電圧で稼働させられる。通常は場の強度は２ＫＶ／ｍｍから３ＫＶ／ｍｍである。稼働電圧は１００Ｖから２５０Ｖである。圧電式の多層アクチエータは噴射弁のスチールケーシング内に短絡が生じないように支承されていなければならない。したがって外壁に対し規定された間隔を有し、アクチエータ本体と外壁との間に短絡が生じないようにセンタリングされた組込みが必要とされる。
【０００４】
このような圧電式の多層アクチエータの稼働に際しては、圧電式アクチエータの故障及び作動の妨げを回避するためには外部へ、すなわち、例えば噴射弁又は制御弁の弁ケーシングへ逃さなければならない熱がアクチエータ本体に発生する。
【０００５】
上記ＤＥ１９６５０９００Ａ１号明細書においては、アクチエータを弁ケーシングの内部でセンタリングするために、ヘッドプレートとフットプレートとの間に、比較的に大きな引張り応力のかけられたばねスリーブを用いて、ヘッドプレートとフットプレートとがアクチエータ本体に適当な圧縮応力を作用させるように締め込まれている。この場合にはばねスリーブはアクチエータ本体から発生させられた熱を受容し、それを外へ逃し、同時に絶縁のために弁ケーシングにおいてアクチエータ本体をセンタリングするために役立つ。
【０００６】
ジーメンスＡＧ社の特許ＤＥ１９７１５４８８Ｃ１号明細書によれば、アクチエータ本体がポリマ被覆体で取囲まれている。該ポリマ被覆体はそれ自身と弁ケーシングの内壁との間に空隙を有している。これによりこの場合には弁ケーシングに対する熱の導出が空隙により弱められるという欠点が生じる。
【０００７】
本発明の利点と課題
前記の記述に基づき、本発明の課題は、弁ケーシングへ取付けられる前にすでに汚れと湿気とに対し保護され、弁ケーシングにおけるアクチエータの簡単なセンタリングと弁ケーシングに対するアクチエータの電気的な絶縁とアクチエータから弁ケーシングへの良好な熱伝導性とが達成される、冒頭に述べた形式の圧電式のアクチエータを可能にすることである。
【０００８】
前記課題は請求項に記載した構成により解決された。
【０００９】
本発明による重要な構想によれば、アクチエータが少なくともヘッドプレートを含めて、電気的に絶縁するエラストマスリーブによって取囲まれ、アクチエータがエラストマスリーブで弁ケーシングの軸方向孔の内壁に、アクチエータの領域でぴったりと接触させられている。有利にはこのエラストマスリーブはアクチエータを軸方向孔に挿入する前はコンベックスな膨出部を有している。この膨出部の直径はケーシングの軸方向孔の内径を上回っており、しかもアクチエータ本体の軸方向の全長に亘っている。これによりアクチエータは本発明によれば、弁ケーシング内へ取付けたあとで、アクチエータ本体の全長に亘ってセンタリングされ、弁ケーシング内で電気的に絶縁され、取付け前の汚染と損傷に対し保護される。さらにこの場合にはアクチエータ本体から弁ケーシングへの良好な熱伝導が保証される。本発明による圧電式のアクチエータにおいては、少なくともフットプレートがエラストマスリーブによりアクチエータ本体と統合され、ひいてはアクチエータ本体及びフットプレートに結合されたエラストマスリーブが組込みに際しより良くセンタリングされる。さらにヘッド及びフットプレートの統合は少なくともフットプレートが弁ケーシング内で確保されている限り、アクチエータの回動を阻止する。
【００１０】
ヘッド及びフットプレートが完全に又は部分的に、電気的に絶縁する材料から製作されていると、アクチエータのヘッド及びフットにおける短絡の危険ははっきりと改善される。金属製のヘッドプレート及びフットプレートの場合にもエラストマスリーブの注型は短絡をきわめて強く防止する。
【００１１】
エラストマにおいて意図的に形成された気泡は、必要な場合に、熱膨脹によって発生した圧縮応力を減衰させる。
【００１２】
必要な場合にはアクチエータ本体のセンタリングは硬質ポリマから成るセンタリングリングにより改善される。
【００１３】
エラストマスリーブは可動なヘッドプレートを一緒に取囲んでいるので、エラストマスリーブはヘッドプレートのところでアクチエータをセンタリングしかつガイドするために役立つ。その際ヘッドプレートと弁ケーシングとの間に摩耗は発生しない。
【００１４】
取付けられる前にエラストマスリーブが注型されたアクチエータは、より良くかつより確実に搬送される。
【００１５】
有利にはエラストマスリーブの熱伝導性、ひいてはアクチエータ本体にて稼働中に発生する熱の放出を改善する熱伝導性の添加粒子でエラストマスリーブを充填しておくこともできる。
【００１６】
エラストマスリーブの他に膨脹性の他のポリマを使用することもできる。
【００１７】
上記利点及び別の有利な特徴は、図面に基づき、本発明による圧電式のアクチエータの複数の実施例について成された記述により一層明確になる筈である。
【００１８】
実施例
図１に参考例として概略的な縦断面の形で示された、全体として符号１０で示された圧電式のアクチエータは、図示されていない多層のラミネートの形をした圧電式のアクチエータ本体１を有している。前記ラミネートは積層された圧電材料層と圧電材料層の間にある金属製もしくは導電性の、電極２７として役立つ層から成っている。アクチエータ本体１の端面にはそれぞれ、軸方向に突出する弁タペット３を有する弁側のヘッドプレートとこれとは反対側に配置された、弁ケーシング６に固定されたフットプレート４とが位置し、アクチエータ１０は鋼から成る弁ケーシング６内に組込まれている。端面側ではアクチエータ１０には例えばコイルばね５でバイアスがかけられている。何故ならばアクチエータ１０は圧縮力しか伝達できず、動的な運転に際し引張り応力が作用してはならないからである。かけられるバイアスの力の接続は、金属製の弁ケーシング６と加圧円板７の肩とを介して行なわれる。加圧円板７は確保リング８又はねじ結合（図１には図示せず）を用いて弁ケーシング６に固定される。
【００１９】
アクチエータ本体１、フットプレート４、軸方向に突出する弁タペット３を有するヘッドプレートとから成るアクチエータは、アクチエータ１０を組込む前にすでに、電気的に絶縁するエラストマスリーブ９，１８で補完されるので、このように注型成形されたアクチエータ１０はより良くかつより確実に搬送されかつ組込まれることができる。何故ならばフットプレート４とヘッドプレート２はアクチエータ本体１にエラストマスリーブ９，１８で統合されているからである。
【００２０】
図１の参考例では圧縮ばね５もヘッドプレート２の上側に設けられたエラストマスリーブ９，１８によってアクチエータ本体１に統合できることが示されている。
【００２１】
図２の参考例によれば、ヘッドプレート２とフットプレート４とを有するアクチエータ本体１と場合によっては圧縮ばね５を取囲むエラストマスリーブ９，１８の直径は、少なくともアクチエータ本体１に沿って、圧電式のアクチエータ１０を軸方向孔１６に挿入する前は、弁ケーシング６の軸方向孔１６の直径ｄよりもいくらか大きく、アクチエータ１０が図１の組込まれた状態でエラストマスリーブ９，１８が弁ケーシング６の内壁にフィットさせられるようになっている。この処置により、このように形成された圧電式のアクチエータ１０は他のセンタリング処置なしで弁ケーシング６にてセンタリングされ、弁ケーシング６に対し電気的に絶縁され、しかも熱伝導的に良好に弁ケーシング６と接触させられる。弁ケーシング６に対するエラストマスリーブ９，１８の熱伝導性を一層改善するためにはエラストマスリーブ９は熱伝導性の添加粒子２１で充たされている。
【００２２】
フットプレート４は弁ケーシング６に確保されている。したがってフットプレート４とヘッドプレート２とがエラストマスリーブ９，１８と統合されていることにより、フットプレート４が弁ケーシング６に固定されているために、アクチエータ１０全体が回動を阻止される。ヘッドプレート２と弁ケーシング６との間にあるエラストマスリーブ９は稼働中に動かされるヘッドプレート２を、弁ケーシング６に対するヘッドプレート２の摩耗を生ぜしめることなく弁ケーシング６内でセンタリングしかつガイドするために役立つ。
【００２３】
図２には圧電式アクチエータ１０の第２参考例が、該アクチエータ１０が弁ケーシングに挿入される前の状態で示されている。アクチエータ本体１を取囲むエラストマスリーブ９は図２には図示されていない弁ケーシング６の軸方向孔１６の内径をいくらか上回る外径を、外方へ湾曲させられ外側輪郭２０の形で有している。図２の膨出２０は種々の形に構成されていることができる。例えば図２に示したように樽形に又は円筒形に（図５参照）又は円錐形に構成することも可能である。エラストマスリーブ９の前述の如く膨らまされた輪郭はその直径Ｄが少なくとも区分的に、つまりアクチエータ本体１の領域にて、弁ケーシング６における軸方向孔１６の内径ｄをいくらか越えている（Ｄ＞ｄ）限り、製作、組立及び機能にとって合目的的である形を有することができる。
【００２４】
選択的に取付けは前もって施された内のエラストマスリーブの外側輪郭の上にエラストマから成る中間膜を付加的に設けて行なうことができる。新しいエラストマ膜はその後で、つまり取付け後に硬化し、これにより弁ケーシング６における軸方向孔１６の壁との接触状態が改善される。この結果、アクチエータ１０を図２に示された場合とは異なって、外径が孔の内径ｄよりも小さい減径された内部のエラストマスリーブを用いて製作し、残った空隙が取付け後、新しいエラストマ層で充たされるようになる。
【００２５】
図１に示された圧電式アクチエータ１０の第１の参考例とは異なって図２に示された第２の参考例では気泡１１がエラストマ９に閉じ込められている。この気泡１１はエラストマ９の圧縮性を改善する。あとで図３Ａに示した本発明の１実施例に基づき説明するように気泡１１の代りに、意識的にエラストマスリーブ９に溝１２が設けられている。これによりアクチエータ１０の取付けが改善され、熱膨脹に際しての圧力が低減される。
【００２６】
図３Ａに示された、本発明の圧電式アクチエータ１０の実施例においては、ヘッドプレート２及び該ヘッドプレート２に一体に接続された弁タペット３並びにフットプレート４は電気的に絶縁するセラミック材料から成っている。フットプレート４は強度の理由から金属円板１３によってバックアップされているが完全にセラミックから成ることもできる。アクチエータ本体１はセラミックプレート２，４、タペット３及びエラストマスリーブ９によって完全に電気的に絶縁されている。これは故障の安全性を顕著に高める。セラミック材料から成るフットプレート４の代りに図３Ｂに示された第２実施例によれば、金属製のフットプレート４の上のプラズマ噴射層１４を使用することもできる。このプラズマ噴射層１４はエラストマスリーブ９と関連してアクチエータ１０の電気的な絶縁に用いられている。このようなプラズマ噴射層は（図３Ａ及び３Ｂには図示されていないにも拘わらず）アクチエータ本体１に向いた端面にて（金属製の）ヘッドプレート２に取付けられていることもできる（図５参照）。
【００２７】
図３Ａに示された第１実施例によれば、図２に示された参考例にてエラストマスリーブ９に設けられた気泡１１は、エラストマスリーブ９にアクチエータ本体１の領域で意識的に設けられた溝１２、例えばリング溝で置換えられている。
【００２８】
図４に示されたアクチエータ１０の参考例においては、アクチエータストロークで運動させられたヘッドプレート２の側方案内はヘッドプレート２の軸方向の延長部２３によって改善されている。このヘッドプレート２は図示のように同様にエラストマスリーブ９により包囲されている。
【００２９】
図５には本発明による圧電式アクチエータ１０の１実施例が概略的な長手方向断面図で示されている。この実施例では金属製のフットプレート４と金属製のヘッドプレート２は絶縁作用を有するプラズマ噴射層１４，２２によって、それぞれ圧電式のアクチエータ本体１に対し絶縁されている。アクチエータ本体１をアクチエータ１０においてセンタリングしかつアクチエータ１０をケーシング６においてセンタリングするためには、プラスチックから成る付加的なセンタリングリング１５がフットプレート４に接着されている（接着層１７）。センタリングリング１５は常に、該センタリングリング１５がアクチエータ本体１の周囲に摩擦接続で嵌合するように成形されている。この利点はフットプレート４がコスト的に有利に研削されかつリング１５が容易に接着され得ることである。センタリングリング１５は硬いポリマから成ることができる。
【００３０】
硬いポリマから成る別のセンタリングリング１５ａは、アクチエータ本体１のセンタリングを改善しかつ特に横断面に比して長いアクチエータ本体１が使用される場合にアクチエータの折曲の危険を減じるために、アクチエータ本体１の任意の個所に多数取付けられていることができる。さらにセンタリングリング１５ａはエラストマスリーブ９と共にアクチエータを横振動に対しても安定させる。
【００３１】
図２に示された参考例に使用された丸く湾曲させられたエラストマ層９の外側輪郭とは異なって、図５に示された実施例ではエラストマ層９の外側輪郭は円筒形であり、アクチエータ本体１の外側輪郭の外径Ｄは弁ケーシング６の孔１６の内径ｄをコンスタントに上回っている。アクチエータ本体１の横断面は図５においては例えば正方形である。正方形の横断面の代りにアクチエータ本体１は、長方形、円形、楕円形又は他の横断面形状を有していることもできる。場合によっては弁ケーシング６における孔１６は円筒形であるだけではなく、正方形又は長方形又は楕円形の輪郭を有していることができる。
【００３２】
本発明によっては以下の利点が得られる：
（イ）アクチエータの取付け前に付与されたエラストマスリーブによってアクチエータは汚染及び湿気に対し保護され、これによりストック及び組立が容易になる。
【００３３】
（ロ）ヘッドプレート及びフットプレートがアクチエータ本体と統合されていることにより、組み立てに際してセンタリングが改善される。
【００３４】
（ハ）少なくともフットプレートが弁ケーシング内で確保されている限り、アクチエータ本体の回動が、同様にヘッドプレートとフットプレートとがアクチエータ本体に統合されていることで阻止される。
【００３５】
（ニ）ヘッドプレートとフットプレートとが完全に又は部分的に、電気的に絶縁する材料から製作されているとアクチエータのヘッド部とフット部における短絡の危険は著しく改善される。この場合、本発明によって設けられたエラストマスリーブを用いた注型部は、金属製のヘッド及びフットプレートの場合でも、すでに短絡安全性を著しく高める。
【００３６】
（ホ）エラストマスリーブに意識的に設けられた溝によって、熱膨脹による圧縮応力が減退させられる。
【００３７】
（ヘ）アクチエータのセンタリングは必要な場合には比較的に硬いポリマから成る、挿入されたセンタリングリングにより改善される。
【００３８】
（ト）エラストマスリーブはアクチエータの可動なヘッドプレートにおいても該ヘッドプレートを、静止した金属製の弁ケーシングにおいてセンタリングしかつ案内する。この際、ケーシングに対するヘッドプレートにおける摩耗は発生しない。
【００３９】
（チ）注型されたアクチエータは、注型されていないアクチエータに較べてより良くかつ確実に搬送されかつ取付けることができる。
【００４０】
（リ）エラストマスリーブに熱伝導性の添加粒子を混入させることにより、エラストマスリーブの熱伝導性を高め、これによりアクチエータの冷却を改善することができる。
【００４１】
本発明によって構成された圧電式の多層アクチエータは有利にはディーゼル又はガソリン噴射装置もしくは弁に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 弁ケーシングに組込まれた圧電式のアクチエータの１参考例の縦断面図。
【図２】 弁ケーシングに組込まれる前の圧電式のアクチエータの別の参考例の概略的な縦断面図。
【図３】 Ａは弁ケーシングに組込まれた本発明の実施例の概略的な縦断面：Ｂはプラズマ噴射層を備えた金属性のフットプレートを有する択一的な実施例の側面図。
【図４】 軸方向に延長されたヘッドプレートを有する圧電式アクチエータの参考例の概略的な縦方向断面図。
【図５】 センタリングリングを備えた本発明による圧電式アクチエータの１実施例を、弁ケーシングに組込む前の状態で概略的に示した縦断面図。
【符号の説明】
１ アクチエータ本体、 ２ ヘッドプレート、 ３ 弁タペット、 ４ フットプレート、 ５ コイルばね、 ６ 弁ケーシング、 ７ 押圧円板、 ８ 確保リング、 ９ エラストマスリーブ、 １０ アクチエータ、 １４ プラズマ噴射層、 １６ 軸方向孔、 １８ エラストマスリーブ、 ２０ 外側輪郭、 ２１ 添加粒子、 ２２ プラズマ噴射層、 ２３ 延長部

Claims (13)

1. 自動車における制御弁又は噴射弁を作動するための圧電式のアクチエータであって、圧電材料から成る互いに上下に重ねられた層とその間にある金属製もしくは導電性の、電極として役立つ層（２７）とから構成された多層のラミネートの形をしたアクチエータ本体（１）を備え、該アクチエータ（１）の端面に軸方向に突出する弁タペット（３）を有する弁側のヘッドプレート（２）と、これに対向したフットプレート（４）とがそれぞれ取付けられており、アクチエータ本体（１）が弁ケーシング（６）の軸方向孔（１６）内に位置しかつ端面側にてヘッドプレート（２）とフットプレート（４）との間でばね部材（５）によって軸方向にバイアスがかけられている形式のものにおいて、アクチエータ（１０）が少なくともヘッドプレート（２）を含めて、電気的に絶縁するエラストマスリーブ（９．１９；１８）によって包み込まれており、エラストマスリーブ（９）の外側輪郭が規定された個所に溝（１２）を有しており、エラストマスリーブ（９，１９；１８）を備えたアクチエータ（１０）が、組込まれた状態で弁ケーシング（６）の軸方向孔（１６）の内壁に、アクチエータ（１０）の領域にてぴったりと接触していることを特徴とする、圧電式のアクチエータ。
2. エラストマスリーブ（９，１９）が軸方向孔（１６）に挿入される前に、アクチエータ本体（１）の軸方向長さを全体に亘って湾曲した膨出部（２０）を有し、該膨出部（２０）の直径（Ｄ）が、該膨出部の長さの少なくとも一部に亘って弁ケーシング（６）の軸方向孔（１６）の内径（ｄ）よりも大きい、請求項１記載の圧電式のアクチエータ。
3. エラストマスリーブ（９）が気泡（１１）を内蔵している、請求項１又は２記載の圧電式のアクチエータ。
4. 溝（１２）がリング溝として構成されている、請求項１記載の圧電式のアクチエータ。
5. エラストマスリーブ（９，１９）に熱伝導性の添加粒子（２１）が添加されている、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エータ。
6. 硬度の比較的に大きいポリマ材料から成る少なくとも１つの半径方向のセンタリングリング（１５，１５ａ）がアクチエータ本体（１）の周囲にあり、センタリングリング（１５，１５ａ）の内輪郭がアクチエータ本体（１）の外輪郭に合わせられかつセンタリングリング（１５，１５ａ）の外輪郭が弁ケーシング（６）の軸方向孔（１６）の内輪郭に合わせられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電式のアクチエータ。
7. エラストマスリーブ（９，１９）がアクチエータ（１０）の周囲の内側の包囲層（９）と、アクチエータ（１０）を取付けるときに前記内側の包囲層（９）の外側輪郭の周囲に与えられたエラストマフィルムとから成っており、該エラストマフィルムがアクチエータ（１０）の取付け後に硬化する、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧電式のアクチエータ。
8. アクチエータ（１０）のヘッドプレート（２）とフットプレート（４）とが絶縁性のセラミック材料から成り、アクチエータ本体（１）とヘッドプレート（２）とフットプレート（４）とエラストマスリーブ（９，１９）とから成る構成ユニットが弁ケーシング（６）に対し完全に電気的に絶縁されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧電式のアクチエータ。
9. フットプレートが金属から成り、アクチエータ本体（１）に向いた側に与えられたプラズマ噴射層（１４）によりアクチエータ本体（１）に対し絶縁されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧電式のアクチエータ。
10. ヘッドプレート（２）も金属から成り、アクチエータ本体（１）に向いた側に与えられたプラズマ噴射層（２２）によってアクチエータ本体（１）に対して絶縁されている、請求項９記載の圧電式のアクチエータ。
11. ばね部材（５）がコイルばねであって、該コイルばねがヘッドプレート（２）と、弁ケーシング（６）の半径方向の内肩との間で緊縮されている、請求項９記載の圧電式のアクチエータ。
12. ばね部材（５）が皿ばね組であって、該皿ばね組がヘッドプレート（２）と弁ケーシング（６）の半径方向の内肩との間で緊縮されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧電式のアクチエータ。
13. エラストマスリーブ（１８）でばね部材（５）も包囲されている、請求項１１又は１２記載の圧電式のアクチエータ。

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