JP6022057B2 - 固体アクチュエータを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に流体インジェクタに使用され、たとえば圧電式のアクチュエータであってよい固体アクチュエータを製造する方法に関する。このような流体インジェクタは、たとえば内燃機関において燃料を調量供給するために使用される。自動車内に配置された内燃機関に課せられる高い要求、たとえば極めて的確な出力調整および／または厳しい有害物質エミッション規定の充足に関して、各流体インジェクタによる流体の正確な調量供給が重要となる。

これに関連して、特にディーゼル内燃機関でも、固体アクチュエータを備えた流体インジェクタが使用される。調量供給すべき流体は、たとえばディーゼルの場合、しばしば最大約２５００ｂａｒの供給圧を伴って流体インジェクタに供給され、その後、この流体インジェクタによって内燃機関の各燃焼室内に調量供給される。

固体アクチュエータはアクチュエータ構成ユニットを有している。これについては、高い効率の観点から、このアクチュエータ構成ユニットにその横断面に関連した力で予荷重を加えることが重要となる。設定された予荷重力を提供することによって、十分な耐久性能を得ることもできる。

さらに、流体インジェクタ内のアクチュエータ構成ユニットは、通常、絶縁体または電気的な接触接続体における損傷を回避するために、燃料との接触に対して防護される。

これに関連して、たとえば、ピエゾスタックとして形成されたアクチュエータ構成ユニットにおいて、予荷重力を管状ばねによって設定することが公知である。密封は、インジェクタボディとアクチュエータ構成ユニットのボトムプレートとに溶接されたダイヤフラムによって行われる。

本発明の課題は、固体アクチュエータを製造する方法を改良して、構成スペースが極端に制限されて提供されている場合でも、確実な運転に貢献する固体アクチュエータを製造することである。

この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な態様は、従属請求項に特徴づけてある。

１つの態様によれば、本発明は、アクチュエータ構成ユニットと、ヘッドプレートと、ボトムプレートとを備えた固体アクチュエータを製造する方法の点で優れている。マルエージング鋼から成る中空円筒部材が用意される。「マルエージング(Maraging)」という概念は、英語の「マルテンサイト(Martensit)」と「エージング(Aging)」との合成語であり、通常、マルテンサイト硬化可能な鋼に対して用いられる。

したがって、中空円筒部材は管状、特に管片状に形成されている。

この中空円筒部材は、マルエージング鋼がオーステナイト状態となる設定された第１の温度に加熱される。マルエージング鋼がオーステナイト状態にある間、変形加工プロセスによって中空円筒部材から波形管が成形される。次いで、この波形管が冷却されて、マルエージング鋼がマルテンサイト状態となる。

アクチュエータ構成ユニットが波形管内に挿入される。アクチュエータ構成ユニットが、設定された予荷重力を伴ってヘッドプレートとボトムプレートとの間に緊締されているように、ヘッドプレートとボトムプレートとが波形管に位置固定される。予荷重力は、設定された温度、たとえば室温およびアクチュエータ構成ユニットの設定された状態、特に中立の状態に相当していてよい帯電状態において設定されている。

こうして、特にアクチュエータストロークが大きい場合でも、高い信頼性、特に高い耐久性を保証することができる。流体インジェクタにおける密封が、ボトムプレートと流体インジェクタのインジェクタボディとに溶接されたダイヤフラムによって行われる解決手段と異なり、このダイヤフラムの耐荷限度の超過の問題は回避される。このことは、液圧的な遊び補償が提供されていて、固体アクチュエータとインジェクタボディとの間の熱的な長さ変化差が、いわば静的なストロークひいては流体に対するシール機能を引き受ける構成部材に対する負荷として生じる流体インジェクタに固体アクチュエータを使用する場合に特に有利となる。

アクチュエータ構成ユニットを波形管内に設けて、アクチュエータ構成ユニットが、設定された予荷重力を伴ってヘッドプレートとボトムプレートとの間に緊締されているように、ヘッドプレートとボトムプレートとを波形管に位置固定することによって、特にボトムプレートおよび／またはヘッドプレートを波形管に密に位置固定する位置固定に関して、アクチュエータ構成ユニットが、特に燃料である流体から気密に分離されていることを確保することができる。

さらに、この工程によって、波形管が所要のばね定数を得るように、波形管を成形することができる。なお、その際には、耐久性を得るために、許容可能な応力が超過されることはない。このためには、波形管に関する設計パラメータとして、特に波形管の肉厚、波の周期および振幅が提供される。

固体アクチュエータの製造時の上述したステップに関連してマルエージング鋼を設けることによって、変形加工プロセスに際して、特に有利には、中空円筒部材の形状から波形管へと塑性変形を行うことができる。

次いで、マルエージング鋼が、特に大部分においてマルテンサイト状態となるように、波形管を冷却することによって、極めて高い強度を達成することができる。さらに、この工程によって、構成スペースが制限されて提供されている場合でも、波形管を所要の特性を備えて製造することができる。

有利な態様によれば、第１の温度は、７００〜９５０℃の範囲内にある。第１の温度のこの温度範囲内において、マルエージング鋼はオーステナイト状態に変態されている。この状態では、塑性変形能が極めて高く、たとえば３０％よりも大きい。

別の有利な態様によれば、変形加工プロセス後、まず、設定された条件が満たされるまで、波形管が冷却される。設定された条件は、たとえば室温にほぼ相当していてよい設定された第２の温度がほぼ達成された場合に満たすことができる。次いで、波形管が再び加熱され、設定された期間、設定された温度範囲内で時効処理される。この期間は、たとえば２〜４時間の範囲内であってよい。時効処理のための設定された温度範囲が、４００〜５００℃、特に４５０〜４８０℃であると特に有利である。特に室温にほぼ相当する第２の温度への初回の冷却後、マルエージング鋼の格子の大部分がマルテンサイト状態にせん断変形する。「熟成」とも「ねかし」とも呼ばれる時効処理によって、マルテンサイト形成が完全なものにされ、たとえば２０００ＭＰａ以上の数値を有することができる特に高い強度を達成することができる。

別の有利な態様によれば、変形加工プロセスは、中空円筒部材を型部材内に挿入することと、中空円筒部材の空いた内室に、設定されたガス圧を加えることとを含む。このガス圧は、約７００ｂａｒの範囲内にある。これに関連して、ガスとして、好適には窒素が使用される。

本発明の実施の形態を概略図に基づき以下に詳しく説明する。

固体アクチュエータを備えた流体インジェクタの部分的な横断面図である。 波形管を示す図である。 図２に示した波形管の一部を拡大して示す図である。 固体アクチュエータを示す図である。 固体アクチュエータの製造に関するフローチャートである。

同一の構造または同一の機能のエレメントには、図面を通じて同じ符号が付してある。

流体インジェクタ１はインジェクタボディを有している。このインジェクタボディは、基本的には一体型に形成されているものの、好適には複数の部材から形成されている。複数の部材から成る構成では、インジェクタボディは、インジェクタボディ部材３と、中間プレート９と、制御プレート１１と、終端プレート１３とを有している。

インジェクタボディ部材３はアクチュエータ用孔５を有しており、このアクチュエータ用孔５内に固体アクチュエータ７が挿入されている。この固体アクチュエータ７は、たとえば圧電式のアクチュエータとして形成されていて、電磁式の変換器である。

インジェクタボディ、特にインジェクタボディ部材３は、場合により必ずしも温度補償機能を果たしている必要はなく、耐高圧性に関して最適化することができる材料から製造されてよい。

特に制御プレート１１に制御ピストンユニット用孔が形成されており、この制御ピストンユニット用孔内に制御ピストンユニットが配置されている。

さらに、中間プレート９に伝達ピン用孔が設けられている。この伝達ピン用孔は中間プレート９を、特に軸方向で制御ピストンユニット用孔に向かって貫通している。伝達ピン用孔内には、伝達ピン１５が、伝達ピン用孔を貫通しかつ固体アクチュエータ７を制御ピストンユニットに機械的に接続するように配置されている。

制御ピストンユニットによって、第１の制御室１７が画定される。この第１の制御室１７は、接続孔を介して第２の制御室１９に液圧的に接続されている。

さらに、ノズルボディ４５が設けられている。このノズルボディ４５はノズルボディ孔４７を有している。このノズルボディ孔４７から、これを起点としてノズルボディ４５を外側に向かって貫通するように、ノズル先端の領域４９に１つ以上の噴射孔が形成されている。ノズルボディ孔４７内には、ノズル先端と反対の側の端面で第２の制御室１９を画定するノズルニードル５３が配置されている。このノズルニードル５３はノズルボディ孔４７内に軸方向可動に配置されていて、閉鎖位置では、１つ以上の噴射孔を通る流体の流れを妨げており、その他の場合には、この流体の流れを放出するようになっている。さらに、インジェクタボディ部材３と、中間プレート９と、制御プレート１１と、終端プレート１３とに、供給孔５６が設けられている。この供給孔５６は流体接続路６１に液圧的に接続されている。この流体接続路６１は、運転の間、流体供給路に液圧的に接続されており、この流体供給路を介して、流体インジェクタ１の運転の間、この流体インジェクタ１に、調量供給すべき供給圧下にある流体が供給される。

ノズルボディ４５は、インジェクタボディにノズル緊締ナット５９を介して連結されている。このノズル緊締ナット５９は、たとえば溶接結合によってインジェクタボディ、特にインジェクタボディ部材３に不動に固定されていてよい。

固体アクチュエータ７は波形管６９（図２参照）を有している。この波形管６９は、マルエージング鋼から製造されている。マルエージング鋼は高強度であり、高い強度と良好な靭性とを有している。マルエージング鋼は、ほぼ炭素不含の合金を含んでいて、高い割合のニッケル、たとえば１２％よりも多いニッケルを含んで合金化されている。マルエージング鋼は、場合により別種の合金元素、たとえばアルミニウム、モリブデン、銅、ニオブ、コバルトおよび／またはチタンも含んでいる。

波形管６９の設計パラメータは、材料のほかに、肉厚Ｗ、波の周期ＰＥＲおよび波の振幅ＡＭＰである。外径が、たとえば９．２ｍｍの場合には、肉厚Ｗが、たとえば約０．２ｍｍ、波の振幅ＡＭＰが、約０．４ｍｍ、波の周期ＰＥＲが、約２ｍｍに設定されていてよい。完成した固体アクチュエータ７では、設定された温度およびアクチュエータ構成ユニット６３の設定された状態、特に帯電状態において、約８００Ｎの予荷重力で、たとえば１．８Ｎ／μｍのばね定数を得ることができる。なお、帯電状態は、特に中立状態であり、この中立状態では、アクチュエータ構成ユニット６３が、主として、除電されている。

波形管６９は、たとえば６３ｍｍの長さを有している。

アクチュエータ構成ユニット６３は、好適にはピエゾアクチュエータ、特にピエゾスタックである。

固体アクチュエータ７は、アクチュエータ構成ユニット６３のほかに、波形管６９と、ヘッドプレート６５と、ボトムプレート６７とを有している。

固体アクチュエータ７の製造を図５のフローチャートに基づき以下に説明する。このフローチャートはステップＳ１において開始される。ステップＳ３では、マルエージング鋼から成る中空円筒部材が用意される。

ステップＳ５では、この中空円筒部材が、設定された第１の温度Ｔ１に加熱される。この第１の温度Ｔ１において、マルエージング鋼はオーステナイト状態となる。第１の温度Ｔ１は、好適には７００〜９５０℃の範囲内、特にたとえば８５０℃である。

ステップＳ７では、マルエージング鋼がオーステナイト状態にある間、変形加工プロセスによって中空円筒部材から波形管６９が成形される。このためには、中空円筒部材が、波形管６９の外側輪郭に対応する半径方向内側に位置する輪郭を有する型部材内に挿入される。その後、中空円筒部材の空いた内室に、たとえば６００〜８００ｂａｒの範囲内、特に約７００ｂａｒの設定されたガス圧が加えられ、好適には窒素が供給される。こうして、外側輪郭が型部材の内側輪郭に適合され、ひいては、波形管６９が形成される。

これに関連して確認しておくと、温度が適度に高いと、このときにオーステナイト状態にあるマルエージング鋼の特に良好な変形が可能となる。一般的に約２００℃を上回る温度に該当する、引き続きオーステナイト状態が存在するより低い温度でも、基本的には、中空円筒部材を変形加工して、波形管６９を形成することは可能である。しかしながら、上述した温度範囲内での変形加工が、特に有利に可能となる。

ステップＳ９では、設定された条件が満たされるまで、波形管６９の冷却が行われる。この設定された条件は、たとえば、ほぼ室温、特に約２０℃が達成されるように設定されている。

次いで、ステップＳ１１において、たとえば４００℃〜５００℃、特に４５０℃〜４８０℃の温度範囲内にある設定された第３の温度Ｔ３への波形管６９の再度の昇温によって、マルエージング鋼の時効処理が実施される。その後、この温度範囲内で波形管６９が、たとえば２〜４時間の設定された期間ＴＤ、当該温度にさらされる。この工程は、「熟成」とも「ねかし」とも呼ばれ、マルテンサイト形成を完全なものにする。こうして、たとえば２０００ＭＰａ以上の数値を有することができる極めて高い強度値を達成することができる。

ステップＳ１３では、アクチュエータ構成ユニット６３が波形管６９内に挿入される。さらに、アクチュエータ構成ユニット６３が、設定された予荷重力を伴ってヘッドプレート６５とボトムプレート６７との間に緊締されるように、ヘッドプレート６５およびボトムプレート６７が波形管６９に位置固定される。予荷重力は、たとえば室温にほぼ相当する設定された温度およびアクチュエータ構成ユニット６３の、特に中立状態に相当する設定された状態で付与されている。予荷重力は、たとえば約８００Ｎである。

ヘッドプレート６５およびボトムプレート６７の位置固定は、たとえば溶接、特にレーザ溶接によって行われてよい。位置固定は、アクチュエータ構成ユニット６３が固体アクチュエータ７の周辺に対して気密に密封されているように行われる。その後、ステップＳ１５において加工が終了される。

Claims (10)

1. ピエゾスタックとして形成されたアクチュエータ構成ユニット（６３）と、当該アクチュエータ構成ユニット（６３）の両端に配置されるヘッドプレート（６５）およびボトムプレート（６７）とを備えた固体アクチュエータ（７）を製造する方法において、
   マルエージング鋼から成る中空円筒部材を用意し、
   該中空円筒部材を、マルエージング鋼がオーステナイト状態となる設定された第１の温度（Ｔ１）に加熱し、
   マルエージング鋼がオーステナイト状態にある間、変形加工プロセスによって中空円筒部材から波形管（６９）を成形し、
   該波形管（６９）を冷却して、マルエージング鋼をマルテンサイト状態にし、
   アクチュエータ構成ユニット（６３）を波形管（６９）内に挿入し、
   アクチュエータ構成ユニット（６３）が、波形管（６９）によって形成される設定された予荷重力を伴ってヘッドプレート（６５）とボトムプレート（６７）との間に緊締されているように、ヘッドプレート（６５）とボトムプレート（６７）とを波形管（６９）に位置固定し、当該位置固定の際に、アクチュエータ構成ユニット（６３）が、波形管（６９）とヘッドプレート（６５）およびボトムプレート（６７）とによって密封される、
   ことを特徴とする、固体アクチュエータを製造する方法。
2. 第１の温度（Ｔ１）が、７００℃〜９５０℃の範囲内にある、請求項１記載の方法。
3. 変形加工プロセス後、まず、設定された条件が満たされるまで、波形管（６９）を冷却し、次いで、該波形管（６９）を再び加熱して、設定された期間（ＴＤ）、設定された温度範囲内で時効処理する、請求項１または２記載の方法。
4. 時効処理のための設定された温度範囲が、４００℃〜５００℃である、請求項３記載の方法。
5. 変形加工プロセスが、中空円筒部材を型部材内に挿入することと、中空円筒部材の空いた内室に、設定されたガス圧を加えることとを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 固体アクチュエータ（７）において、
   固体アクチュエータ（７）は、ピエゾスタックとして形成されたアクチュエータ構成ユニット（６３）と、当該アクチュエータ構成ユニット（６３）の両端に配置されるヘッドプレート（６５）およびボトムプレート（６７）とを備えており、
   マルエージング鋼から成り、アクチュエータ構成ユニット（６３）が内部に配置される波形管（６９）を備えており、
   アクチュエータ構成ユニット（６３）は、波形管（６９）によって形成される設定された予荷重力を伴ってヘッドプレート（６５）とボトムプレート（６７）との間に緊締されているように、波形管（６９）内に位置固定されており、
   アクチュエータ構成ユニット（６３）は、波形管（６９）とヘッドプレート（６５）とボトムプレート（６７）とによって密封されている、
   ことを特徴とする固体アクチュエータ（７）。
7. 予荷重力は、波形管（６９）の肉厚、波の周期および振幅を設計パラメータとして設定されている、請求項６記載の固体アクチュエータ（７）。
8. インジェクタボディとノズルボディ（４５）とを備える流体インジェクタ（１）において、
   インジェクタボディ内に、請求項６または７に記載の固体アクチュエータ（７）が配置されている、
   ことを特徴とする流体インジェクタ（１）。
9. インジェクタボディは、固体アクチュエータ（７）が配置されるアクチュエータ用孔（５）を有するインジェクタボディ部材（３）に加えて、中間プレート（９）と制御プレート（１１）と終端プレート（１３）とを有しており、
   中間プレート（９）は、当該中間プレート（９）を貫通し、伝達ピン（１５）が配置される伝達ピン用孔を有しており、
   伝達ピン（１５）は、固体アクチュエータ（７）を制御ピストンユニットに機械的に接続し、
   制御プレート（１１）は、制御ピストンユニットが配置される制御ピストンユニット用孔を有しており、
   中間プレート（９）と終端プレート（１３）の間に、制御ピストンユニットによって第１の制御室（１７）が画定され、
   ノズルボディ（４５）は、ノズル先端と反対の側の端面で第２の制御室（１９）を画定するノズルニードル（５３）が配置されるノズルボディ孔（４７）を有しており、
   第１の制御室（１７）は第２の制御室（１９）と、終端プレート（１３）の接続孔を介して液圧的に接続されている、
   請求項８記載の流体インジェクタ（１）。
10. インジェクタ部材（３）と、中間プレート（９）と、制御プレート（１１）と、終端プレート（１３）とを通ってノズルボディ孔（４７）に接続された、アクチュエータ用孔（５）から独立な、流体供給用の供給孔（５６）を有している、
    請求項８または９記載の流体インジェクタ（１）。

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