(57)【要約】  燃料噴射弁（１）用の圧電アクチュエータ２が、多数のセラミック層（２５，２６，２７）と、これらセラミック層（２５，２６，２７）の間に配置された多数の電極層（２８，２９）を有する。ここで電極層（２９）と、この電極層（２９）に隣接するセラミック層（２７）との間に接合領域（４０）が設けられている。この接合領域では、電極層とセラミック層（２７）との間の付着力が部分的に低減されている。これにより目標破断個所がアクチュエータ本体（１３）内に形成され、この目標破断個所は、大きな力、とりわけ大きな横方向力が衝撃的に加わるときに層をコントロールしてひび割れさせることができる。
2009540778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータ本体（１３）を備える圧電アクチュエータ（２）、とりわけ燃料噴射弁用のアクチュデータであって、
前記アクチュエータ本体（１３）は、多数のセラミック層（２５，２６，２７）と、当該セラミック層（２５，２６，２７）の間に配置された多数の電極層（２８，２９）とを有する形式の圧電アクチュエータにおいて、
少なくとも１つの接合領域（４０）が、前記１つの電極層（２９）と、該電極層（２９）に隣接する１つのセラミック層（２７）との間に設けられており、
前記接合領域では前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が部分的に低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記接合領域（４０）は少なくとも１つの部分領域（４１）を有し、
該部分領域においては前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極層（２９）は前記接合領域（４０）の部分領域（４１）内では粗化されており、
該部分領域において前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項２または３記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極層（２９）は前記接合領域（４０）の部分領域（４１）内では粗化および／またはパターン化されており、
該部分領域において前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２から４までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ本体（１３）は少なくとも実質的にシリンダ状のアクチュエータ本体（１３）として構成されており、
前記部分領域（４１）は少なくとも近似的に円形の部分領域（４１）として構成されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項２から４までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記アクチュエータ本体（１３）は少なくとも実質的に直方体のアクチュエータ本体（１３）として構成されており、
前記部分領域（４１）は少なくとも近似的に矩形の部分領域（４１）として構成されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項２から６までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記接合領域（４０）は少なくとも１つの付着部分層（５２）を有し、
該付着部分領域では、前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が、前記電極層（２９）と前記セラミック層（２７）との間の付着力が低減されている部分領域（４０）での付着力よりも大きい、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、
別の接合領域（４２）が、前記電極層（２９）と、該電極層（２９）に隣接する別のセラミック層（２６）との間に設けられており、
前記別の接合領域では前記電極層（２９）と前記別のセラミック層（２６）との間の付着力が部分的に低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極層（２８，２９，２９′）と前記セラミック層（２５，２６，２７）との間にある複数の接合領域（４０，４２）が、それぞれ相互に隣接する電極層（２８，２９，２９′）とセラミック層（２５，２６，２７）との間に設けられており、
当該接合領域においては、それぞれの電極層（２８，２９，２９′）と、当該それぞれ電極層（２８，２９，２９′）に隣接するセラミック層（２５，２６，２７）と間の付着力が部分的に低減されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９記載の圧電アクチュエータにおいて、
付着力が部分的に低減された前記接合領域（４０，４２）は、少なくとも実質的に前記アクチュエータ本体（１３）上に均等に分散されている、ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
燃料噴射弁（１）、とりわけ空気圧縮式自己着火型内燃機関用のインジェクタであって、請求項１から１０までのいずれか一項記載の圧電アクチュエータと、該アクチュエータにより操作される弁閉鎖体とを備え、該弁閉鎖体は弁座面（１１）とシール面のために共働する燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関噴射弁用の圧電アクチュエータ、およびこのような圧電アクチュエータを備える燃料噴射弁に関する。とりわけ本発明は、空気圧縮自己着火型内燃機関の燃料噴射装置のためのインジェクタ領域に関するものである。
【０００２】
DE 102 06 115 A1から、圧電セラミック多層アクチュエータが公知である。公知のアクチュエータは、圧電活性材料の積層された薄い層からなり、層の間には導電性内部電極が配置されている。内部電極は交互にアクチュエータ表面に導かれている。
【０００３】
外側電極は内部電極を接続する。これにより内部電極は電気的に並列に接続され、２つのグループにまとめられる。２つの外側電極はアクチュエータの接続極である。ここで外側電極は基本金属化部を有し、この基本金属化部は同極の内部電極を接続する。さらに金属材料からなる別の層が設けられており、この別の層は前記基本金属化部を補強し、例えば構造化された薄板またはワイヤネットにより形成することができる。
【０００４】
公知のアクチュエータの動作時には、不活性領域、すなわち基本金属化部の下にある絶縁領域に強い引っ張り応力が作用するという問題がある。そのためひび割れが発生し、このひび割れは低温脆性であり、引っ張り強度の弱い基本金属化部から絶縁領域へ延在する。
【０００５】
DE 102 06 115 A1では、ひび割れが基本金属化部に接触する内部電極に沿って広がることは問題ないと評価している。なぜなら、このようなひび割れの経過はアクチュエータの機能に影響しないからである。これに対して絶縁領域を通ってコントロールできずに延在するひび割れは危険であると評価される。なぜなら、このようなひび割れは絶縁間隔を減少し、スパークオーバによるアクチュエータ故障の確率を格段に高めるからである。DE 102 06 115 A1から公知のアクチュエータでは、不活性領域、すなわち絶縁領域の表面に、この表面を中断する研磨によって構造体が形成される。この研磨は複数の層にわたって伸長している。外側電極に対する基本金属化部はもっぱら構造体から残った表面に載置される。したがって外側電極は多層アクチュエータの表面と完全に平坦には接続されておらず、結合体の剛性が低下される。
【０００６】
DE 102 06 115 A1から公知のアクチュエータは、急激な負荷時、またはアクチュエータ内に横方向の力が発生する際にさらに激しい応力が発生し得るという欠点がある。さらに公知のアクチュエータでは、さらなる応力が内部電極に沿ってアクチュエータに導入される。そのため、公知のアクチュエータでは電極層とこの電極層に接するセラミック層との間に応力が発生し、この応力がセラミックのひび割れ、または内部電極に沿ったひび割れを引き起こす。とりわけ割れ目の入った内部電極は完全に引き裂かれることがあり、そのためアクチュエータの機能がこの割れ目の入った内部電極の領域で障害される。
発明の概要
発明の利点
これに対して請求項１の構成を備える本発明の圧電アクチュエータ、および請求項１１の構成を備える本発明の燃料噴射弁は、アクチュエータ内の有利には複数の異なる個所に層が設けられており、この層において付着力が所期のように低減されるという利点を有する。このことによりとりわけ、急激な負荷時、または横方向の力が発生する際に、アクチュエータのセラミックにコントロールできないひび割れが発生したり、および／または内部電極にコントロールできないひび割れが発生することが阻止される。とりわけ本発明の圧電アクチュエータと本発明の燃料噴射弁の信頼性を向上することができる。
【０００７】
従属請求項に記載された手段によって、請求項１に示された圧電アクチュエータおよび請求項１１に示された燃料噴射弁の有利な改善形態が可能である。
【０００８】
有利には接合領域が少なくとも１つの部分領域を有し、この部分領域において電極層とセラミック層との付着力が低減される。このことにより、部分領域にある層間に応力が発生しさらに伝播することが、低下された付着力によって減少または阻止される。これによって、層にコントロールできないひび割れの発生することが阻止される。
【０００９】
さらに、電極層とセラミック層との付着力が低減されている接合領域の部分領域にある電極層を粗化して形成し、これにより付着力を低減するのが有利である。この場合、粗化の際にとりわけパラメータ；表面粗さとパターニングによって所期のように簡単に電極層を作製することができる。このとき電極層の作製に使用されるペーストの組成を、部分領域に関して変更する必要はない。とりわけ所定の組成を備えるペーストによる電極層の作製が可能である。
【００１０】
有利には、電極層尾セラミック層との付着力が低減されている接合領域の部分領域は、アクチュエータ本体の幾何形状と内部電極構造に依存して構成される。とりわけ部分領域の輪郭は、有利には幾何形状の内部電極構造に依存して選択される。ここでは、アクチュエータ本体がシリンダ状の場合、部分領域を環形の部分領域として構成すると有利である。さらにアクチュエータ本体が直方体の場合、付着力の低減される部分領域を矩形の部分領域として構成するのが有利である。このことによって電極層に部分的にひび割れが生じても、高い信頼性が電極層の機能性の点で保証される。
【００１１】
さらに接合領域が少なくとも１つの付着部分領域を有し、この付着部分領域では電極層とセラミック層との付着力が、電極層とセラミック層との付着力が低減されている部分領域での付着力よりも大きいようにすると有利である。この付着部分層によって、電極層および／またはセラミック層に関して予定破断個所を形成することができ、これにより応力が相応に大きい場合には、電極層および／またはセラミック層のひび割れが確実に所定の個所に生じるようコントロールされる。
【００１２】
有利には、電極層と、電極層に隣接する別のセラミック層との間に別の接合領域が設けられており、この別の接合領域では電極層と別のセラミック層との間の付着力が部分的に低減されている。このことにより電極層の両側では、セラミック層ないしは別のセラミック層に対する付着力を部分的に低減することができる。付着力が低減された領域は有利には電極層の両側で相互に整合して配置されており、所期の予定破断個所が設けられている。これにおり電極層がコントロールされずにひび割れることが阻止される。
図面
本発明の有利な実施例を以下に、添付図面に基づき詳細説明する。図面中、相応するエレメントには同じ参照符合が付してある。
図１は、圧電アクチュエータを有する燃料噴射弁の概略的断面図であり、これは本発明の第１実施例に相当する。
図２は、図１にIにより示した本発明の圧電アクチュエータの部分を、図３にIIにより示した断面線に沿って示す詳細な断面図である。
図３は、本発明の第１実施例の圧電アクチュエータを、図１および図２にIIIにより示した断面線に沿って示す断面図である。
図４は、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータを、図３に示された断面で示す図である。
【００１３】
実施例の説明
図１は、圧電アクチュエータ２を有する燃料噴射弁１を示し、これは本発明の第１実施例に相当する。燃料噴射弁１はとりわけ、混合気圧縮された自己着火型内燃機関の燃料噴射装置に対するインジェクタとして用いることができる。この燃料噴射弁１は、コモンレール式燃料噴射装置に使用するのが有利であり、コモンレールはディーゼル燃料を高圧下で複数の燃料噴射弁に搬送する。本発明の圧電アクチュエータ２は、とりわけこのような燃料噴射弁１に適する。しかし本発明の燃料噴射弁１および本発明のアクチュエータ２は、他の適用事例にも適する。
【００１４】
燃料噴射弁１は弁ハウジング３と、この弁ハウジング３に接合された燃料インテークパイプ４を有する。燃料インテークパイプ４には燃料管が接続され、燃料が弁ハウジング３のバイブに設けられたアクチュエータ空間５に導入される。アクチュエータ空間５はハウジング部材６により、同様に弁ハウジング３の内部に設けられた燃料空間７から分離されている。ハウジング部材６には通路開口部８，９が設けられており、これにより内燃機関インテークパイプ４を介してアクチュエータ空間５へ導入された燃料が燃料空間７に導かれる。
【００１５】
弁ハウジング３と接合された弁座体１には、弁座面１１が形成されており、この弁座面は弁閉鎖体１２と共にシール面となるよう共働する。ここで弁閉鎖体１２は、バルブニードル１５と一体的に構成されており、このバルブニードルを介して弁閉鎖体１２は、アクチュエータ空間５に設けられた圧力板１６と結合されている。ハウジング部材６は、バルブニードル１５を燃料噴射弁１の軸１７方向に案内する。弁ばね１８は一方ではハウジング部材６に、他方では圧力板１６に当接する。この弁ばね１８はバルブニードル１５に、圧力板１６によって閉鎖力を加える。これにより弁閉鎖体１２と弁座面１１の間に形成されたシール面が閉鎖される。
【００１６】
さらに弁ハウジング３には接続エレメント２０が形成されており、これにより電気線路が燃料噴射弁１に接続される。ここで電気線路は、プラグによって電気線路２１，２に接続することができる。電気線路２１，２２は、ハウジング３とアクチュエータ脚部２３を通ってアクチュエータ本体１３に導かれる。このアクチュエータ脚部２３はアクチュエータ２のアクチュエータ本体１３に配設されている。アクチュエータ２のアクチュエータ本体１３にはさらに、アクチュエータヘッド２４が配設されており、このアクチュエータヘッド２４を介してアクチュエータ本体１３は弁ばね１８の力に抗して圧力板１６に作用する。アクチュエータ２は図示の実施例では、アクチュエータ本体１３と、アクチュエータ脚部２３と、アクチュエータヘッド２４を有する。
【００１７】
圧電アクチュエータ２のアクチュエータ本体１３は、多数のセラミック層２５，２６，２７と、これらセラミック層２５，２６，２７の間に配置された多数の電極層２８，２９を有する。ここで図１には、セラミック層２５，２６，２７と電極層２８，２９，２９′だけが示されている。電極層２８，２９，２９′は、電気線路２１および電気線路２２と交互に接続されている。例えば電極層２８により代表される電極層は電気線路２１と接続されており、これらの電極層は正の電極を形成する。電極層２９により代表される電極層は電気線路２２と接続されており、これらの電極層は負の電極を形成する。
【００１８】
電気線路２１，２２を介してアクチュエータ２充電することができ、その際にアクチュエータは軸方向に伸長する。これにより弁閉鎖体１２と弁座面１１との間に形成されたシール面が開放される。これにより燃料が燃料空間７から、リング空隙３５と開放されたシール面を介して噴射される。アクチュエータ２の放電の際にこのアクチュエータは再び収縮し、これにより弁閉鎖体１２と弁座面１１との間に形成されたシール面は閉鎖される。
【００１９】
電気線路２１，２２と電極層２８，２９との接続は、外部にある電極接続部３６，３７（図２）によって、または内部にある電極接続部によって行うことができる。外部にある電極接続部はアクチュエータ２の外側３８ないしは３９に設けられている。アクチュエータ本体１３のそれぞれ隣接する２つの層、すなわち電極層２８，２９の１つとセラミック層２５，２６，２７の１つは相互に機械的に結合されており、これによりアクチュエータ本体１３の機械的安定性が保証されている。アクチュエータ２のアクチュエータ本体１３の構成について、図２と３に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２０】
図２は、図１にＩにより示した圧電アクチュエータの部分を、図３にＩＩにより示した断面線に沿って示す断面図である。
【００２１】
電極層２９に関して、電極層２９とこの電極層２９に隣接するセラミック層２７との間に接合領域４０が設けられている。ここで図２は、接合領域４０の部分領域４１の断面を示す図であり、この部分領域では電極層２９とセラミック層との付着力が低減されている。さらに電極層２９に関して、別の接合領域４２が電極層２９とこの電極層２９に隣接するセラミック層２６との間に設けられている。このセラミック層２６は電極層２９を基準にしてセラミック層２７に対向している。
【００２２】
ここで図２には、別の接合領域４２の部分領域４３の断面が示されており、この部分領域においては電極層２９とセラミック層２６との付着力が低減されている。
【００２３】
さらに電極層２８とこの電極層２８に隣接するセラミック層２６との間には、通常の低減されていない付着力を備える接合領域４４が設けられており、電極層２８とこの電極層２８に隣接するセラミック層２５との間にも通常の付着力を備える接合領域４５が形成されている。セラミック層２５はセラミック層２６に電極層２８を基準にして対向している。
【００２４】
電極層２９は表面４６と、これとは反対側の表面４７を有する。表面４６は接合領域４０の部分領域４１で粗化され、パターン化されている。さらに表面４７も別の接合領域４２の部分領域４３で粗化され、パターン化されるように構成されている。電極層２９のこれらの構成は、有利には電極層２９が生である状態で、すなわち層２５から２９が硬化するアクチュエータ本体１３の焼成前に行われる。このことによりアクチュエータ本体が硬化すると付着力が、接合領域４０の部分領域４１でも、別の接合領域４２の部分領域４２でも低減される。
【００２５】
表面４６，４７のパターンは、例えば表面４６ないし表面４７での複数の溝４８，４９により形成することができる。このパターンによって、部分領域４１，４３内に予定破断個所が形成され、これにより相応に大きな力が電極層２８に作用するとき、とりわけ横方向力が作用するとき、電極層２９をコントロールしてひび割れさせることができる。ここで予定破断個所ないしは付着力の低減された部分領域４１，４３は、接合領域４０，４２を介して分割されており、電極層２９の機能性はコントロールされたひび割れの後でも少なくとも十分に維持される。
【００２６】
外側３８の領域にはセラミック材料性のウェブ５０が設けられている。このウェブ５０はセラミック層２５，２６を接続し、同時に電極層２８を電極接続部３６から絶縁する。さらにセラミック材料性からなるウェブ５１が設けられている。このウェブ５１はセラミック層２６、２７を相互に接続し、同時に電極層２９を電極接続部３７から絶縁する。
【００２７】
図３は、本発明の第１実施例の燃料噴射弁１を、図１および図２にＩＩＩにより示した断面線に沿って示す断面図である。接合領域４０は、付着力の低減された部分領域４１と、部分領域４１に相応する別の部分領域４１′を有する。ここで電極層２９と、この電極層２８に隣接するセラミック層２６との間の付着力は、別の部分領域４１′においても同様に相応に低減されている。さらに接合領域４０は付着部分領域５２を有する。この付着部分領域では、電極層２９とこの電極層２８に隣接するセラミック層２６との付着力が低減されておらず、したがって部分領域４１，４１′での付着力よりも大きい。接合領域４０の付着部分領域５２における電極層２９とこの電極層２９に隣接するセラミック層２６の構成は、すでに電極２８とこの電極層２８に隣接するセラミック層２について図２で説明した構成に相当する。ここで電極層２９の表面４６は接合領域４０の付着部分領域５２では、粗くないか、または比較的小さな粗度しか有しておらず、またパターン化されていないか、またはわずかなパターンしか有していない。
【００２８】
さらに電極層２９の表面４７も、付着部分領域５２に対向する別の接合領域４２の付着部分領域において、少なくとも実質的に同じように構成されている。すなわち粗くないか、または小さな粗度しか有しておらず、またパターン化されていないか、またはわずかなパターンしか有していない。
【００２９】
比較的大きな応力がアクチュエータ本体１３の層２５から２９に発生すると、電極層２９ないしはこの電極層に隣接するセラミック層が接合領域４０の部分領域４１および／または部分領域４１′でコントロールされてひび割れることができる。このとき電極層２９および／またはセラミック層２７のひび割れは接合領域４０の付着部分領域５２においては少なくとも実質的に阻止される。さらに接合領域４０の部分領域４１、４１′では、電極層２９とセラミック層２７との間である程度のずれが可能である。電極層２９および／またはセラミック層２６のひび割れは接合領域４０の付着部分領域５２においては少なくとも実質的に阻止されているから、機能性が層２９，２７については維持される。ここで層２５，２８，２６の領域に発生する応力も、電極層２９とこれに隣接するセラミック層２６，２７との間の層構造を介して吸収され、したがって電極層２８とこの電極層２８に隣接するセラミック層２５，２６に関しての機能性は維持される。
【００３０】
有利にはアクチュエータ本体１３の電極層２８，２９の数は電極層２９に相応して構成され、電極層２９に相応して構成された電極層はアクチュエータ本体１３に均等に分散される。これにより圧電アクチュエータ２のアクチュエータ本体１３全体の高い信頼性が保証される。例えばアクチュエータ本体１３の各ｎ番目の電極層は電極層２９に相応して構成することができる。ここでｎは１と等しいかこれより大きい整数である。例えばｎが３の場合、アクチュエータ本体１３の電極層２９′は電極層２９に相応して、図１に示すように構成することができる。
【００３１】
図１から３に示した本発明の第１実施例では、圧電アクチュエータ２のアクチュエータ本体１３が直方体のアクチュエータ本体１３として構成されている。したがって図３の断面図は、アクチュエータ本体１３の矩形、とりわけ正方形の断面を示す。接合領域４０は矩形の部分領域４１，４１′と、部分領域４１，４１′の間にある矩形の付着部分領域５２を有する。ここで付着部分領域５２は、外側３８の領域にある電極接続部３６から、外側３９の領域にある電極接続部３７のウェブ５１まで伸長している。部分領域４１は、電極接続部３６から電極接続部３７のウェブ５１まで伸長しており、一方ではアクチュエータ本体１３の外側５３に接し、他方では付着部分領域５２に接している。さらに部分領域４１′は、電極接続部３６から電極接続部３７のウェブ５１まで伸長しており、一方では外側５４に接し、他方では付着部分領域５２に接している。択一的に構成は以下、図４に基づいて説明する。
【００３２】
図４は、本発明の第２実施例によるアクチュエータ本体１３を、図３に示された断面で示す図である。この実施エリではアクチュエータ本体１３がシリンダ形に構成されており、したがってアクチュエータ本体１３は図４に示したように円形の横断面を有する。この場合、接合領域４０の部分領域４１は円形の部分領域４１として構成されており、この部分領域４１はアクチュエータ本体１３の外側３８まで伸長している。円形の部分領域４１の内部にある付着部分領域５２は円形の付着部分領域５２として構成されている。図４に示したアクチュエータ本体１３への電極３６，３７の接続は複数の形式で行うことができる。例えばアクチュエータ本体１３の中央に延在する内側の電極接続部３６を、図４に示すように設けることができる。この内側の電極接続部３６は、電極層２９により代表されるアクチュエータ本体１３の電極層と接続される。電極接続部３７は、例えば外側の電極接続部３７として設けることができる。この電極接続部は適切なやり方で、電極層２８により代表される電極層と接続されており、電極層２９により代表される電極層から絶縁されている。
【００３３】
本発明は、上に説明した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、圧電アクチュエータを有する燃料噴射弁の概略的断面図であり、これは本発明の第１実施例に相当する。
【図２】図２は、図１にIにより示した本発明の圧電アクチュエータの部分を、図３にIIにより示した断面線に沿って示す詳細な断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施例の圧電アクチュエータを、図１および図２にIIIにより示した断面線に沿って示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータを、図３に示された断面で示す図である。
【図１】
2009540778.tif 000003
【図２】
2009540778.tif 000004
【図３】
2009540778.tif 000005
【図４】
2009540778.tif 000006
【国際調査報告】
2009540778.tif 000007
2009540778.tif 000008
2009540778.tif 000009
2009540778.tif 000010
2009540778.tif 000011
2009540778.tif 000012