(57)【要約】  本発明はピエゾアクチュエータモジュールに関している。ピエゾアクチュエータ（２）として多層構造体の圧電素子（３）が設けられており、多層構造体の方向で圧電層のあいだに配置された内部電極に対して２つの極性の電圧が交互に印加され、ピエゾアクチュエータは鋼から成るアクチュエータ脚部（４）およびアクチュエータ頭部（５）を有しかつ少なくとも設定された範囲で圧電素子を包囲する弾性の絶縁媒体を有する。本発明によれば、アクチュエータ脚部（４）および／またはアクチュエータ頭部（５）に少なくとも１つの環状の溝（１１；２４）または切欠（１４）が設けられ、この溝または切欠内に、絶縁媒体に結合可能または架橋可能な材料（１２）が配置され、圧電素子の上方および材料を含む溝または切欠の上方に可撓性の管（９）が絶縁媒体として配置され、この管が溝または切欠内の材料に接合される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータ（２）として多層構造体の圧電素子（３）が設けられており、多層構造体の方向で圧電層のあいだに配置された内部電極に対して交互に異なる極性の電圧が印加され、前記アクチュエータは鋼から成るアクチュエータ脚部（４）およびアクチュエータ頭部（５）を有しておりかつ少なくとも設定された範囲で前記圧電素子を包囲する弾性の絶縁媒体を有している、
ピエゾアクチュエータモジュールにおいて、
前記アクチュエータ脚部（４）および／または前記アクチュエータ頭部（５）に少なくとも１つの環状の溝（１１；２４）または切欠（１４）が設けられており、該溝または該切欠内に、前記絶縁媒体に結合可能または架橋可能な材料（１２）が配置されており、前記圧電素子の上方および前記材料を含む前記溝または前記切欠の上方に可撓性の管（９）が前記絶縁媒体として配置され、該管が前記溝または前記切欠内の前記材料に結合または架橋される
ことを特徴とするピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項２】
前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）内の前記材料（１２）は加硫されている、請求項１記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項３】
前記材料（１２）および／または前記管（９）は可撓性のプラスティックから成り、有利にはポリマーまたはエラストマー、ゴムまたはこれらの物質の混合物から成る、請求項１または２記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項４】
前記管（９）は熱作用によって収縮可能なプラスティックから成る、請求項３記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項５】
前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）は長方形の断面を有するかまたは少なくとも一方側が台形であって内側へ向かって拡大する断面を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項６】
前記アクチュエータ脚部（４）および／または前記アクチュエータ頭部（５）の前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）と前記材料（１２）との接合面は有効表面を増大するためにそれぞれ対応する鋸歯状輪郭（６，１７，１８）を有しており、該鋸歯状輪郭は縦方向、横方向または交差方向に三角形の溝、四角形の溝、円弧状の溝または角錐台状の溝を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項７】
前記アクチュエータ脚部（４）および／または前記アクチュエータ頭部（５）と前記材料（１２）とのあいだに環状支持体（１９）が設けられている、請求項５または６記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項８】
前記環状支持体（１９）は溶接部（２１）を介して前記アクチュエータ脚部（４）および／または前記アクチュエータ頭部（５）に溶接、接着またははんだ付けされている、請求項７記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項９】
前記可撓性の管（９）は２つ以上の突起状またはくさび状の架橋部（２２）あるいは四角形または台形の断面を有する架橋部（２３）を介して前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）内の前記材料（１２）に架橋または溶接されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータモジュール。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータモジュールの製造方法において、
組み立て前に、アクチュエータ脚部（４）およびアクチュエータ頭部（５）の環状の溝（１１；２４）または切欠（１４）内へ、可撓性の管（９）に結合可能または架橋可能な材料（１２）を配置し、
前記アクチュエータ脚部（４）、前記アクチュエータ頭部（５）および圧電素子をピエゾアクチュエータ（２）となるように組み立て、
当該のピエゾアクチュエータの上方および前記アクチュエータ脚部（４）および前記アクチュエータ頭部（５）の少なくとも一部の上方に前記可撓性の管（９）を絶縁媒体として引き入れ、
当該の可撓性の管（９）を、まず第１の端部、ついで第２の端部の順に、熱作用により前記材料（１２）へ結合または架橋する
ことを特徴とするピエゾアクチュエータモジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記ピエゾアクチュエータ（２）の上方ならびに前記アクチュエータ脚部（４）および前記アクチュエータ頭部（５）の少なくとも一部の上方に前記可撓性の管（９）を引き入れ、該管の第１の端部を溶接して該管を収縮させることにより前記ピエゾアクチュエータへ圧着し、該管の第２の端部を前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）内の前記材料（１２）に溶接する、請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
前記管（９）の前記第２の端部に真空状態を形成し、該真空状態において前記管の収縮により該第２の端部と前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）内の前記材料（１２）とを溶接する、請求項１０または１１記載の製造方法。
【請求項１３】
前記管（９）と前記溝（１１；２４）または前記切欠（１４）内の前記材料（１２）とを完全に溶接した後、前記管（９）のうち突出している端部を機械的に除去する、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から９までのいずれか１項記載のピエゾアクチュエータモジュールを内燃機関の燃料噴射システムのピエゾインジェクタの要素として用い、当該のピエゾアクチュエータモジュールの管（９）を燃料が環流するようにすることを特徴とするピエゾアクチュエータモジュールの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、特許請求の範囲の主請求項の上位概念に記載されたピエゾアクチュエータモジュールおよびその製造方法に関している。本発明のピエゾアクチュエータモジュールは例えば媒体の環流するシステム内に配置されるため、カバーを備えている。
【０００２】
前述したピエゾアクチュエータモジュールには圧電素子が組み込まれており、いわゆる圧電効果を利用して電磁弁その他のニードルの往復運動が制御されることが公知である。圧電素子の圧電層は適切な結晶構造を有する材料から形成されており、外部電圧が印加されると、結晶構造および電圧の印加領域に応じて、設定された方向での収縮または膨張として各圧電素子の機械的応答が生じる。こうした圧電素子から形成されるピエゾアクチュエータは例えば大きな動作力および高いクロック周波数で往復運動を行う分野に適する。
【０００３】
例えばこのようなピエゾアクチュエータモジュールは独国公開第１００２６００５号明細書のインジェクタの要素として用いられることが知られている。当該のピエゾアクチュエータモジュールはインジェクタのノズルニードルを駆動し、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射するために用いられる。当該のピエゾアクチュエータモジュールでは、電気的および機械的に相互に結合された複数の圧電素子がスタックを形成しており、当該のスタックがアクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部の２つのストッパのあいだの応力を維持している。セラミックのそれぞれの圧電層は外部から電圧の印加される２つの内部電極のあいだに配置されて圧電素子を形成している。印加される電圧に基づいて圧電素子は電位の勾配の方向で小さな往復運動を行うが、この小さな往復運動はピエゾアクチュエータの全往復運動へ加算される。全往復運動は印加される電圧のレベルに応じて可変であり、機械的な調整素子へ伝達される。
【０００４】
こうした公知の装置は燃料を直接噴射するディーゼル機関のいわゆるコモンレールシステムにおいてしばしば用いられる。コモンレールシステムでは噴射圧を簡単に内燃機関の負荷および回転数に適合させることができる。
【０００５】
コモンレールシステムのインジェクタは、ピエゾアクチュエータモジュールによってノズルニードルが間接的に制御され、ピエゾアクチュエータモジュールが直接または間接に燃料圧の作用を受け、ピエゾアクチュエータモジュールとノズルニードルとのあいだに液圧式カップリング空間が存在するように構成されている。ここでは、支持体内部のセンシティブなピエゾアクチュエータが大きな圧力負荷あるいは圧力変動または温度変動から保護されることが重要である。また、電気的絶縁に関する機械的な衝突または圧力からの保護や、湿分（ディーゼル燃料、水、ＲＭＥその他の導電性物質）、粒子状物質または浮遊物質からの保護も必要である。
【０００６】
ピエゾアクチュエータの電気的機械的絶縁を達成するために、ピエゾアクチュエータにカバーを設けることがしばしば提案される。独国公開１０２３００３２号明細書から、前述した問題点を回避するため、媒体の環流するシステム内に配置されるピエゾアクチュエータについて、圧電素子を可変形状の絶縁性物質内に収容することが知られている。ここでは媒体に対してケーシングカバーの側方端部、上方端部および下方端部が閉鎖され、その内部に圧電素子が収容される。
【０００７】
公知の一連の適用分野、すなわち、ピエゾアクチュエータモジュールが直接に燃料回路の高圧に曝される直接接続型のインジェクタにおいて、弾性のプラスティック成型材料によってピエゾアクチュエータを前述した障害影響から保護することが知られている。こうした直接接続型のインジェクタではピエゾアクチュエータモジュールとノズルニードルとのあいだに液圧式の変換を行う機械的なカプラしか存在しないので、ニードルの運動は当該の変換によってピエゾアクチュエータの運動に直接に追従し、２段の変換が可能となる。
【０００８】
公知の装置では、圧電素子の端面のアクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部などの鋼部分をコーティング材料（一般にプラスティック）によって封止する場合に問題が生じる。このときの封止は接着によってしか行えず、コーティング材料と鋼部分との結合度は充分でない。
【０００９】
ノズルニードルを間接制御するための装置は燃料回路の低圧領域に配置されるピエゾアクチュエータを有しており、このピエゾアクチュエータは運動補償素子および温度補償素子として用いられるホース状の金属封止部を有している。ただし当該の装置はノズルニードルの直接制御の適用分野へ移行させることはできない。直接制御における高圧領域でのピエゾアクチュエータモジュールの構造において、剛性の金属封止部では利用されるスペースに対して高圧および高速の運動を維持することができない。
【００１０】
発明の開示
本発明は、ピエゾアクチュエータとして多層構造体の圧電素子が設けられており、多層構造体の方向で圧電層のあいだに配置された内部電極に対して２つの極性の電圧が交互に印加され、ピエゾアクチュエータは鋼から成るアクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部を有しかつ少なくとも設定された範囲で圧電素子を包囲して環流する媒体から保護する弾性絶縁媒体を有する、ピエゾアクチュエータモジュールに関する。本発明によれば、ピエゾアクチュエータ脚部および／またはアクチュエータ頭部に少なくとも１つの環状の溝または切欠が設けられ、当該の溝または切欠内に、絶縁媒体に結合可能または架橋可能な材料が配置され、圧電素子の上方および材料を含む溝または切欠の上方に可撓性のプラスティックから成る管が絶縁媒体として配置され、当該の管が溝または切欠内の材料に溶接される。
【００１１】
管またはホースの材料は、長いスパンで見て、直接かつ高気密には鋼と接合されない。なぜなら管の材料と鋼とは異なる熱膨張係数を有し、せん断応力が生じて断裂ないし漏洩にいたりかねないからである。こうした管は、圧電素子に対して必要な気密性を達成し、付加的に運動膨張補償および−４０℃〜＋１６０℃の範囲での温度膨張補償を達成する。
【００１２】
例えば、本発明の１つの実施形態によれば、鋼の一部に対して材料であるポリマーまたはエラストマーが加硫されて用いられ、ＵＶ光、レーザーまたは炉などを用いた熱作用により、管またはホースの開放端部が材料に結合または架橋される。本発明によれば、それぞれの材料は要求に応じて専用に準備される。これは、加硫されるポリマーまたはエラストマーが熱膨張および接着性の点で鋼に適合化されることを意味する。
【００１３】
こうして、低コストかつ簡単に管の端部の持続的な封止が行われ、ピエゾアクチュエータの耐用期間にわたって媒体の侵入が阻止される。
【００１４】
本発明の別の実施形態によれば、溝または切欠は長方形の断面を有するかまたは少なくとも一方側が台形であって内側へ向かって拡大する断面を有する。これによりアクチュエータ頭部またはアクチュエータ脚部の鋼に対して加硫された材料の保持が改善されるので有利である。
【００１５】
本発明の別の実施形態によれば、アクチュエータ脚部および／またはアクチュエータ頭部の溝または切欠と材料との接合面は有効表面を増大するためにそれぞれ対応する鋸歯状輪郭を有しており、この鋸歯状輪郭は縦方向、横方向または交差方向に三角形の溝、四角形の溝、円弧状の溝または角錐台状の溝を有する。有利には、アクチュエータ脚部および／またはアクチュエータ頭部と材料とのあいだに当該の材料を収容する輪郭を備えた環状支持体が設けられる。
【００１６】
前述した接合面および表面構造体の形状、厚さおよび幅は選択された材料の種類およびスペース比に応じて調整される。
【００１７】
本発明は、さらに、前述したピエゾアクチュエータモジュールの製造方法に関している。本発明の製造方法では、組み立て前に、アクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部の環状の溝または切欠内へ、溶接可能な材料、特にプラスティックまたはプラスティック‐ゴム混合物が収容され、アクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部とそのあいだの圧電素子とがピエゾアクチュエータとして組み立てられ、ピエゾアクチュエータの上方およびアクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部の少なくとも一部の上方に可撓性の溶接可能な管が絶縁媒体として引き入れられ、可撓性の管が、まず第１の端部、ついで第２の端部の順に、熱作用により材料へ結合または架橋される。
【００１８】
本発明の１つの実施形態によれば、管の第２の端部に真空状態が形成され、この真空状態において第２の端部と溝または切欠内のプラスティック‐ゴム混合物とが溶接される。真空状態を形成することにより、同時に、例えば第１の端部の溶接部および場合によりプラスティック管の気密性を検査することができる。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、ピエゾアクチュエータの全長ならびにアクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部の少なくとも一部の上方に可撓性の管が引き入れられ、管の一方の端部を溶接して管を収縮させることによりこの管がピエゾアクチュエータへ圧着され、管の第２の端部が溝内のプラスティックまたはプラスティック‐ゴム混合物に溶接される。
【００２０】
前述した手法は任意に組み合わせることができ、いずれの場合にも、ピエゾアクチュエータのコーティングがほぼ完全に空気の排除された状態でピエゾアクチュエータに接し、ピエゾアクチュエータが環流する媒体の高圧から保護されて摩耗しないことが保証される。また、コーティングがピエゾアクチュエータの往復運動による膨張を弾性的に補償することも保証される。
【００２１】
プラスティック管と溝内のプラスティックまたはプラスティック‐ゴム混合物との完全な溶接が簡単に達成され、溶接の後、管のうち突出している端部が機械的に除去される。
【００２２】
本発明は、特に、アクチュエータ脚部およびアクチュエータ頭部に鋼から成る要素を用いる場合、きわめて良好な鋼とプラスティックとの接合部が形成されるので有利であり、このことは加硫技術の点で見てもそうである。こうした方法では圧電素子をコーティングする際に高い加硫温度により問題を生じることがあるが、本発明の方法によれば、アクチュエータ脚部および／またはアクチュエータ頭部での接合のステップとピエゾアクチュエータの取り付けのプロセスとが分離される。
【００２３】
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００２４】
図面の簡単な説明
以下に本発明のピエゾアクチュエータモジュールを図示の実施例に則して詳細に説明する。
【００２５】
図１にはプラスティック管内に圧電素子、アクチュエータ頭部およびアクチュエータ脚部を備えたピエゾアクチュエータ（噴射弁）の部分断面図が示されている。図２には図１の管とこれに結合ないし架橋されるアクチュエータ脚部の溝内の材料との接合部の詳細図が示されている。図３には図１の管とこれに結合可能ないし架橋可能なアクチュエータ脚部の切欠内の材料との溶接部の詳細図が示されている。図４にはアクチュエータ脚部の切欠内の材料の鋸歯状輪郭の第１の実施例が示されている。図５にはアクチュエータ脚部の切欠内の材料の鋸歯状輪郭のその他の実施例が示されている。図６には環状支持体を用いた鋸歯状輪郭の実施例が示されている。図７には環状支持体を用いた溶接部の実施例が示されている。図８〜図１１には図３の溶接部の種々の変形例が示されている。図１２〜図１４にはアクチュエータ脚部の溝内の材料の形状の種々の変形例が示されている。
【００２６】
実施例の説明
図１には、ピエゾアクチュエータモジュールを備えたインジェクタの断面図が示されている。このピエゾアクチュエータモジュールは内燃機関の燃料噴射装置のニードルの往復運動の制御に用いられる。圧電素子３はピエゾアクチュエータ２の要素であり、このピエゾアクチュエータは鋼から成るアクチュエータ脚部４およびアクチュエータ頭部５を有する。給電線路６，７はアクチュエータ脚部４を通っており、外部電極を介して圧電素子３の図示されていない内部電極へ接続されている。内部電極に電圧を印加することによりピエゾアクチュエータ２が操作されると、アクチュエータ頭部５の下方に存在する機械的装置が垂直に操作され、噴射装置のノズル開放がイネーブルされる。
【００２７】
ピエゾアクチュエータ２を備えた装置１は部分的にしか示されていないインジェクタボディ８に組み込まれており、燃料は当該のインジェクタボディの内室を通ってピエゾアクチュエータのわきを通過する。当該の燃料は例えばいわゆるコモンレールシステムにおいて所定のレール圧またはその他の設定圧を加えられ、図示されていない内燃機関の燃料室へ噴射される。
【００２８】
ピエゾアクチュエータ２を燃料および障害的作用に対して保護するために、プラスティック、ゴムまたはこれらの混合物から成る溶接可能な管９が設けられ、当該の管により特にセンシティブな圧電素子３が固定に包囲され、後述する溶接部１０を介して当該の管とアクチュエータ脚部４およびアクチュエータ頭部５とが接合される。
【００２９】
図２からはアクチュエータ脚部４またはアクチュエータ頭部５の溶接部１０が詳細に見て取れる。ここでは、アクチュエータ脚部４の環状の溝１１が台形状の断面を有しており、その内部に溶接可能な材料１２が加硫されて設けられている。当該の材料は、ゴム、ポリマーまたはエラストマーなどのプラスティック、あるいは、ゴムおよびプラスティックの混合物などである。
【００３０】
前述したピエゾアクチュエータモジュールを製造するために、ピエゾアクチュエータ２は、材料１２の加硫の後、アクチュエータ脚部４およびアクチュエータ頭部５とともに組み立てられる。ピエゾアクチュエータ２を介して溶接可能な可撓性の管９が引き入れられ、その端部が例えばアクチュエータ脚部４の溝１１内の材料１２に溶接部１３を介して溶接される。
【００３１】
第１の変形例として、第２の端部すなわちアクチュエータ頭部側に真空状態を形成し、この真空状態において溶接部１３を介して管９の端部と溝１１内の材料１２とを溶接することができる。これに代えて、管９を収縮可能なプラスティック管とし、収縮によりピエゾアクチュエータ２に圧着してもよい。
【００３２】
図３から見て取れるように、アクチュエータ脚部４の切欠１４内の材料１２は加硫されている。矢印１５は管９と材料１２とがレーザー溶接により架橋されることを表している。
【００３３】
図４，図５には、材料１２と鋼から成るアクチュエータ脚部４との接合面の拡大図が示されている。当該の接合面の断面はそれぞれ鋸歯状であって、三角形の輪郭１６、四角形の輪郭１７または曲線状の輪郭１８を有している。さらに、図示されていない３次元の角錐台状の輪郭を有していてもよい。これらの輪郭は横方向の溝、縦方向の溝または交差方向の溝によって形成される。
【００３４】
図６には材料１２とアクチュエータ脚部４とのあいだの環状支持体１９の付加的な構造が示されている。図６によれば環状支持体１９は領域２０に接着されており、図７によれば環状支持体１９は溶接部２１によってアクチュエータ脚部４に接合されている。
【００３５】
図８〜図１１には、図３の矢印１５に関連する架橋手段のジオメトリの種々の実施例が示されている。図８にはくさび状の２つの突起、図９にはくさび状の３つの突起、図１０には直方体状の１つの突起，図１１には直方体状の２つの突起が示されている。くさび状の突起は幅が狭く深いジオメトリを呈し、直方体状の突起は幅が広く浅いジオメトリを呈する。
【００３６】
図１２〜図１４には結合ないし架橋される材料１２を収容するアクチュエータ脚部４の溝２４の種々の実施例が示されている。図１２には長方形の断面を有する溝が示されており、図１３には台形の断面を有する溝が示されており、図１４には角の丸められた台形の断面を有する溝が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ピエゾアクチュエータの部分断面図である。
【図２】管と脚部の溝内の材料との接合部の詳細図である。
【図３】管と脚部の切欠内の材料との溶接部の詳細図である。
【図４】切欠内の材料の鋸歯状輪郭の第１の実施例を示す図である。
【図５】切欠内の材料の鋸歯状輪郭のその他の実施例を示す図である。
【図６】環状支持体を用いた接合部の実施例を示す図である。
【図７】環状支持体を用いた溶接部の実施例を示す図である。
【図８】溶接部の第１の変形例を示す図である。
【図９】溶接部の第２の変形例を示す図である。
【図１０】溶接部の第３の変形例を示す図である。
【図１１】溶接部の第４の変形例を示す図である。
【図１２】脚部の溝内の材料の形状の第１の変形例を示す図である。
【図１３】脚部の溝内の材料の形状の第２の変形例を示す図である。
【図１４】脚部の溝内の材料の形状の第３の変形例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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2009534826.tif 000020
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