JP5065381B2 - ピエゾ圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、燃料噴射弁用のピエゾ圧電アクチュエータおよびこの種のピエゾ圧電アクチュエータを有する燃料噴射弁に関する。本発明は特に、空気圧縮式の自己着火型内燃機関の燃料噴射装置用のインジェクターの領域に関する。

ＤＥ１９９２８１８９Ａ１号から、弁を操作するためのピエゾアクチュエータが公知である。この公知のピエゾアクチュエータは外側電極を有している。ここでは外側電極の第１の層が金属面によって構成されており、外側電極の第２の層が網状のまたは布状の層として構成されている。この２つの層の接続は例えば点状に行われる。ここで接触接続部の間に、伸張可能な領域が配置される。網状または布状の外側電極は横方向の亀裂を回避するために用いられる。ここでこの横方向の亀裂は内部電極によって薄膜剥離によって生じる。ここで点状にはんだ付けすることによって、ピエゾアクアチュエータの伸張時に外側電極内で大きなセン断応力は生じない。

ＤＥ１９９２８１８９Ａ１号から公知のこのピエゾアクチュエータは次のような欠点を有している。すなわち、ピエゾアクチュエータの伸張時に外側電極内に生じる電圧が、僅かなコンタクト箇所に分配され、負荷が高いことによってこれらのコンタクト箇所が損傷する可能性がある、という欠点を有している。さらに、この公知のピエゾアクチュエータの外側電極の構成はコストがかかり、高い製造コストと結び付いている。

発明の開示
有利な作用
この従来技術に対して、請求項１の特徴部分の構成を有する本発明のピエゾ圧電アクチュエータおよび請求項１０の特徴部分の構成を有する本発明の燃料噴射弁は、外側電極とセラミック層との間で確実な接触接続が得られ、低コストの製造が可能であるという利点を有している。

従属請求項に記載された措置によって、請求項１に記載されたピエゾ圧電アクチュエータおよび請求項１０に記載された燃料噴射弁の有利な発展形態が可能である。

有利には、たてワイヤーが隣り合って延在し、よこワイヤーが次のようにたてワイヤーを通ってガイドされている。すなわち、隣り合って延在しているそれぞれ２つのたてワイヤーのうちの１つがよこワイヤーの上方に延在し、他方がよこワイヤーの下方に延在するようにガイドされている。ここではたてワイヤーが蛇行形状のたてワイヤーとして構成されていてもよい。この場合にはよこワイヤーは近似的に直線のよこワイヤーとして構成される。これは次のような利点を有している。すなわち、長手方向で伸張可能な、比較的密な、外側電極の織り状の構造が得られるという利点を有している。これは高い電圧に耐え、アクチュエータボディの電極層との確実な接続を可能にする。

さらに有利には、よこワイヤーはたてワイヤーよりも大きい直径を有している。ここでよこワイヤーの直径は有利には、たてワイヤーの直径のＸ倍である。ここでＸは１．０よりも大きく、３よりも小さい。このような構成では、薄く、かつ柔軟に、巻き揚げワイヤー（Hubdraehte）として構成されたたてワイヤーが、比較的高い剛性で構成されたよこワイヤーに巻き付く。これによって、外側電極の柔軟な構造が得られる。これは大きい負荷に耐える。

たてワイヤーおよびよこワイヤーは同じ材料から構成されても、違う材料から構成されてもよい。有利にはよこワイヤーは真鍮、銅、銀またはこれらの材料の組み合わせから製造される。また、たてワイヤーは有利にはインバーから製造される。このようなインバー（不変鋼）は例えば３６％のニッケルを含有する鋼から製造される。従って、たてワイヤーは加熱時には伸張しない、ないしはほぼ伸張しない。

よこワイヤーは横方向において、すなわち、長手方向に対して垂直に延在するか、または横方向に関して殊にある程度の角度で、たてワイヤーを通って案内されている。従ってよこワイヤーは、０°よりも大きく、９０°よりも小さい角度を長手方向と成す方向で延在する。

たてワイヤーとよこワイヤーから構成される、外側電極の構造は適切な方法でアクチュエータボディの電極層と、殊にはんだ付けによって接続される。このようなはんだ接続はここでは比較的大きい面積で構成され、必ずしも少ないコンタクト箇所に制限されない。ここで、アクチュエータの操作時に生じるアクチュエータボディの伸張に関する、外側電極の柔軟性は、この柔軟な構造によって保証される。

図面の簡単な説明
本発明の有利な構成を以下で添付の図面に基づいてより詳細に説明する。ここでこれらの図面では相応する部材には同一の参照番号が付与されている。

図１は、ピエゾ圧電アクチュエータを有する燃料噴射弁の概略的な断面図であり、これは本発明の第１の実施例に相応している。

図２は、図１においてＩＩで示された、本発明の第１の実施例の燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの部分である。

図３は、Ｉで示された観察方向での、図２に示された本発明の第１の実施例に相応する燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの部分的な図である。

図４は、本発明の第２の実施例に従った、燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの、図３に示された部分である。

発明の実施形態
図１は、本発明の第１の実施例に相応した、ピエゾ圧電アクチュエータ２を備えた燃料噴射弁１を示している。燃料噴射弁１は殊に、混合気圧縮式の自己点火型内燃機関の燃料噴射装置のインジェクターとして用いられる。燃料噴射弁１の有利な使用は、コモンレールを有する燃料噴射装置に対してである。ここでこれはディーゼル燃料を、高圧下で、複数の燃料噴射弁１へ案内する。本発明のピエゾ圧電アクチュエータ２は殊にこのような燃料噴射弁１に適している。しかし本発明の燃料噴射弁１と本発明のアクチュエータ２は他の用途にも適している。

燃料噴射弁１は、燃料流入接続用パイプ４を備えたバルブハウジング３を有している。燃料流入接続用パイプ４には燃料線路が接続される。これによって燃料はバルブハウジング３内に設けられたアクチュエータ空間５内に導入される。アクチュエータ空間５はハウジング部分６によって、同じようにバルブハウジング３内に設けられた燃料空間７と別個にされる。ここでこのハウジング部分６は貫通開口部８、９を有しており、これによって、供給された燃料はアクチュエータ空間５を介して燃料空間７内に導かれる。

バルブハウジング３と接続されている弁座体１０には、弁座面１１が構成されている。これはピエゾ圧電アクチュエータ２によって、バルブニードル１２を用いて操作される弁閉鎖体１３とともに共働し、シーリングシート（Dichtsitz）を成す。ここで弁閉鎖体１３はバルブニードル１２を介して押圧プレート１５と接続されている。この押圧プレートはアクチュエータ空間５内に配置されている。さらにバルブニードル１２はハウジング部分６を通って軸方向へ、すなわち燃料噴射弁１のバルブハウジング３の軸１６の方向へ案内される。アクチュエータ空間５内には、さらにバルブスプリング１６が設けられている。これは弁閉鎖体１３に、押圧プレート１５およびバルブニードル１２を介して閉鎖力を印加する。これによって弁閉鎖体１３と弁座面１１との間で形成されたシーリングシートが閉鎖される。

バルブハウジング３にはさらに接続部材２０が構成されており、これによって燃料噴射弁１が電気的な給電線に接続される。ここで、電気的な給電線は差込部によって、電気的な線路２１、２２と接続される。電気的な線路２１、２２はバルブハウジング３およびアクチュエータ２のアクチュエータベース２３を通して、アクチュエータ２のアクチュエータボディ２４へ案内される。さらにアクチュエータ２はアクチュエータヘッド２５を有している。

ピエゾ圧電アクチュエータ２のアクチュエータボディ２４は多数のセラミック層２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄと、これらのセラミック層２６Ａ〜２６Ｄの間に配置された多数の電極層２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃを有している。ここでは図を簡単にするために、セラミック層２６Ａ〜２６Ｄ並びに電極層２７Ａ〜２７Ｃのみが示されている。電極層２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃの一部はここで、外側電極２８を介して電気的な線路２１と接続されている。ここで外側電極２８はアクチュエータボディ２４の外側２９で、アクチュエータボディ２４と接続されており、さらに図示の実施例においては電極層２７Ｂと接続されている。電極層２７Ａ〜２７Ｃの別の部分は、外側電極３０を介して電気的線路２２と接続されている。ここで外側電極３０はアクチュエータボディ２４の外側３１でアクチュエータボディ２４並びに電極層２７Ａ、２７Ｃと接続されている。

電気的線路２１、２２を介してアクチュエータ２が充電される。この際にこのアクチュエータは軸１６に沿って伸張する。従って弁閉鎖体１３と弁座面１１との間に形成されたシーリングシートが開放される。これによって燃料が燃料空間７から、リング状隙間３５および開放されたシーリングシートを介して噴霧される。アクチュエータ２の放電時にはこれは収縮する。従って弁閉鎖体１３と弁座面１１との間に形成されたシーリングシートが再び閉成される。

外側電極２８を介して電気的線路２８と接続された電極層２７Ｂは例えばポジティブな電極層２７Ｂを形成する。また外側電極３０によって電気的線路２２と接続されている電極層２７Ａ、２７Ｃはネガティブな電極層２７Ａ、２７Ｃを形成する。電極層２７Ａ、２７Ｃと電気的線路２２との接続を図２および図３に基づいて詳細に説明する。外側電極２８を介した、電極層２７Ｂと電気的線路２１との接続はこれに相応に行われる。

図２は、図１においてＩＩで示された、燃料噴射弁１のピエゾ圧電アクチュエータ２の部分を概略的な断面図で示している。アクチュエータボディ２４は外側３１を有しており、電極層２７Ａ、２７Ｃは外側３１まで延在している。また、電極層２７Ｂはこの外側３１と若干の間隔を空けて構成されている。この外側３１に対向している、アクチュエータボディ２４の図１に示された外側２９に関して、電極層２７Ｂは外側２９まで延在しており、電極層２７Ａ、２７Ｃはこの外側２９に対して若干の間隔を空けて構成されている。外側電極３０は接続層３６によって電極層２７Ａ、２７Ｃと接続されている。ここで接続層３６は例えばはんだから成り、外側電極３０を電極層２７Ａ、２７Ｃとはんだ付けする。外側電極３０は、隣り合って配置されており、相互に平行に延在しているよこワイヤー３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃを有している。さらに外側電極３０はアクチュエータボディ２４の長手方向３８に延在しているたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂを有している。ここでたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂは隣り合って延在し、それぞれ蛇行形状に構成されている。従ってたてワイヤー３９Ａははじめはよこワイヤー３７Ａの上方に延在し、次によこワイヤー３７Ｂの下方に延在し、次によこワイヤー３７Ｃの上方に延在する。これに対して、たてワイヤー３９Ａの隣に配置されたたてワイヤー３９Ｂははじめはよこワイヤー３７Ａの下方に延在し、次によこワイヤー３７Ｂの上方に延在し、次によこワイヤー３７Ｃの下方に延在する。

よこワイヤー３７Ｂの直径４０は、たてワイヤー３９Ａの直径４１よりも大きくなるように選択されている。この実施例では全てのよこワイヤー３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃが少なくともほぼ同じ直径４０を有している。たてワイヤー３９Ａ、３９Ｂは同様に同じ直径４１を有しており、たてワイヤー３９Ａ、３９Ｂの平均直径４１が生じる。よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｃの平均直径４０はたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂの平均直径４１のＸ倍であり、ここでＸは１．０よりも大きく、３よりも小さい、または３と同じである。従って比較的薄く、柔軟なたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂが、比較的高い剛性で、実質的に直線状に構成されたよこワイヤー３７Ａ〜３７Ｃのまわりに巻きつく。

電気的線路２２は適切な方法で、殊にはんだ付けまたは溶接によって、外側電極３０と、殊によこワイヤー３７Ａ〜３７Ｃおよび／またはたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂと接続される。

図３はＩで示された観察方向での、図１および図２に示された第１の実施例の燃料噴射弁１のピエゾ圧電アクチュエータ２の部分図である。ここではさらなるよこワイヤー３７Ｄが示されている。これはよこワイヤー３７Ａの隣に延在している。さらに別のたてワイヤー３９Ｃが示されている。これはたてワイヤー３９Ｂの隣に、長手方向３８に延在しており、たてワイヤー３９Ａに相応に、よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｄの周りに案内されている。

よこワイヤー３７Ｃは、長手方向３８に対して直交に配向されている横方向４２で延在している。従ってよこワイヤー３７Ｃが延在している横方向４２は、長手方向３８と９０°の角度４３を成す。よこワイヤー３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｄはよこワイヤー３７Ｃと平行に延在している。従って、これらも横方向４２で延在しており、長手方向３８に対して直交に配向されている。燃料噴射弁１の作動時にはアクチュエータボディ２４の長手方向３８はアクチュエータボディ２４のストローク方向と一致する。さらに長手方向３８は、図１に示された燃料噴射弁１ではバルブハウジング３の軸１６の方向に配向されている。

図４は、本発明の第２の実施例に従った燃料噴射弁１のピエゾ圧電アクチュエータ２の図３に示された部分である。ここではさらなるよこワイヤー３７Ｅが配置されており、これはよこワイヤー３７Ｄの隣に配置されており、よこワイヤー３７Ｄに対して平行に延在している。

よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅは相互に平行に、横方向４２とは異なる方向４４で延在している。これによってよこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅは部分的にのみ横方向４２で延在する。ここでよこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅが延在している方向４４は、たてワイヤー３９Ａ〜３９Ｃが延在している長手方向３８と角度４３を成す。ここでこの角度は０°よりも大きく、９０°よりも小さい。

図３および図４に示された実施例では、各よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅは次のようにたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃを通って案内されている。すなわち、隣り合っているたてワイヤー３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃのそれぞれ２つのうちの１つが各よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅの上方に延在し、他の１つが各よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅの下方に延在するように案内されている。よこワイヤー３７Ａ〜３７Ｅは剛性の高いよこワイヤーとして構成されており、真鍮、銅および／または銀等の材料が使用されている。たてワイヤー３９Ａ〜３９Ｃは有利には柔軟に構成されており、ここでは例えば３６％の割合でニッケルを含有するインバーからなる構成が有利である。これによって、燃料噴射弁１の作動時に、たてワイヤー３９Ａ〜３９Ｃが温度に起因して伸張することが回避される。

本発明は上述した実施例に制限されない。

ピエゾ圧電アクチュエータを有する燃料噴射弁の概略的な断面図であり、これは本発明の第１の実施例に相応している。 図１においてＩＩで示された、本発明の第１の実施例の燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの部分である。 Ｉで示された観察方向での、図２に示された本発明の第１の実施例に相応する燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの部分的な図である。 本発明の第２の実施例に従った、燃料噴射弁のピエゾ圧電アクチュエータの、図３に示された部分である。

Claims (10)

1. ピエゾ圧電アクチュエータ（２）であって、
   アクチュエータボディ（２４）を有しており、
   当該アクチュエータボディは、多数のセラミック層（２６Ａ〜２６Ｄ）および、当該セラミック層（２６Ａ〜２６Ｄ）の間に配置された多数の電極層（２７Ａ〜２７Ｃ）を有しており、
   前記電極層（２７Ａ、２７Ｃ）の一部と接続されている、少なくとも１つの外側電極（３０）を有しており、
   当該外側電極（３０）は少なくとも実質的に、アクチュエータボディ（２４）のストローク方向である長手方向に延在する複数のたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）と複数のよこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）を有しており、
   前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）の一部が前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の上方に延在し、前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）の別の一部が前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の下方に延在するように、よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）はたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）を通って案内されており、
   前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は少なくとも近似的に直線のよこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）として構成されており、
   前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）は少なくとも実質的に隣り合って延在しており、前記隣り合って延在している、それぞれ２つのたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）のうちの１つがよこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の上方に延在し、別のたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）がよこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の下方に延在するように、よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）はたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）を通って案内されており、
   前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は少なくとも実質的に相互に平行に前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）を通って案内されており、前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）は長手方向（３８）において交互に、前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の上方と前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の下方に延在しており、
   前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は平均直径（４０）を有しており、当該平均直径は、前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）の平均直径（４１）よりも大きい、
   ことを特徴とするピエゾ圧電アクチュエータ。
2. 前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）は少なくとも近似的に蛇行形状のたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）として構成されている、請求項１記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
3. 前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）の平均直径（４０）は、前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）の平均直径（４１）のＸ倍であり、ここでＸは１．０よりも大きく、３よりも小さい、または３と同じである、請求項１または２記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
4. 前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）は柔軟なたてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）として構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
5. 前記たてワイヤー（３９Ａ〜３９Ｃ）はインバーを有する材料から成る、請求項４記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
6. 前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は剛性の高いよこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）として構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
7. 前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は、真鍮および／または銅および／または銀を有する材料から成る、請求項６記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
8. 前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）はアクチュエータボディ（２４）の横方向（４２）に延在しており、ここで横方向（４２）は長手方向（３８）に対して垂直に配向されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
9. 前記よこワイヤー（３７Ａ〜３７Ｅ）は、長手方向（３８）に対して０°よりも大きく、９０°よりも小さい角度（４３）を成す方向（４４）に延在している、請求項１から７までのいずれか１項記載のピエゾ圧電アクチュエータ。
10. 空気圧縮式の自己着火型内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁（１）であって、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載されたピエゾ圧電アクチュエータ（２）を有しており、当該ピエゾ圧電アクチュエータ（２）によって操作される弁閉鎖体（１３）を有しており、当該弁閉鎖体は弁座面（１１）と共働し、シーリングシートとなる、
    ことを特徴とする燃料噴射弁。

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