(57)【要約】  本発明は、圧電アクチュエータ（２；２１）を形成する装置に関する。圧電アクチュエータはそれぞれ圧電層の多層構造から構成されている少なくとも１つの圧電素子（３；２２，２３）を有し、圧電層間に配置されている内部電極（８，９）には圧電素子の層構造の方向において極の異なる電圧が交番的に印加されている。１つの圧電素子の周囲、または操作方向に圧電素子が直列に接続されている場合には複数の圧電素子の周囲、また少なくとも部分的にアクチュエータヘッド（５）およびアクチュエータベース（４）の周囲に絶縁材料の少なくとも１つの層からなる被覆層系（２４）が配置されており、少なくとも１つの層は１つまたは複数の圧電素子間の接合個所および圧電素子とアクチュエータヘッドとの間の接続部および圧電素子とアクチュエータベース（４）との間の接続部を密に包囲する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータ（２；２１）を形成する装置であって、
前記圧電アクチュエータ（２；２１）はそれぞれ圧電層の多層構造から構成されている少なくとも１つの圧電素子（３，２３）を有し、該少なくとも１つの圧電素子（３；２２，２３）の端部にはアクチュエータヘッド（５）およびアクチュエータベース（４）が設けられている装置において、
１つの前記圧電素子（２２，２３）の周囲、または操作方向に圧電素子（２２，２３）が直列に接続されている場合には複数の前記圧電素子（２２，２３）の周囲、また少なくとも部分的に前記アクチュエータヘッド（５）およびアクチュエータベース（４）の周囲に絶縁材料の少なくとも１つの層からなる被覆層系（２４）が配置されており、該少なくとも１つの層は１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）間の接合個所および前記圧電素子（２３）と前記アクチュエータヘッド（５）との間の接続部および前記圧電素子（２２）と前記アクチュエータベース（４）との間の接続部を密に包囲することを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記圧電アクチュエータ（２１）は操作方向に直列に配置されている少なくとも２つの圧電素子（２２，２３）から構成されており、該圧電素子（２２，２３）は不活性領域を介して相互に接合されており、且つ前記アクチュエータヘッド（５）および前記アクチュエータベース（４）と接合されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記被覆層系（２４）の少なくとも１つの層と１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）との間、また前記アクチュエータヘッド（５）ならびに前記アクチュエータベース（４）との間の接続部は少なくとも部分的に形状結合（Formschluss、形状による束縛）によって形成されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記被覆層系（２４）の少なくとも１つの層と１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）との間、また前記アクチュエータヘッド（５）ならびに前記アクチュエータベース（４）との間の接続部は化学結合によって形成されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項５】
前記被覆層系（２４）の少なくとも１つの層と１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）との間、また前記アクチュエータヘッド（５）ならびに前記アクチュエータベース（４）との間の接続部、および／または、多層の被覆層系（２４）では前記層間の接続部が少なくとも部分的に接着剤によって形成されている、請求項１または２記載の装置。
【請求項６】
多層の被覆層系（２４）においては部分的にのみ複数の層が設けられており、１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）の表面の各個所、および少なくとも部分的に前記アクチュエータヘッド（５）および前記アクチュエータベース（４）の周囲に、前記絶縁材料の少なくとも１つの層が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
多層の被覆層系（２４）においては少なくとも前記層が１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）の表面および前記アクチュエータヘッド（５）および前記アクチュエータベース（４）の周囲に弾性の材料から形成されており、該弾性の材料は相応の弾性率によって長手方向に伸張し、前記被覆層系（２４）の外側の表面における機械的な応力は最小にされている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
多層の被覆層系（２４）においては少なくとも前記層は１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）の表面に固着せず、それぞれの前記圧電素子（２２，２３）の表面に対する前記層の相対運動および／または層相互の相対運動が行われる、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
少なくとも前記層は１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）の表面において電気的に絶縁性の材料から形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも前記層は１つまたは複数の前記圧電素子（２２，２３）の表面において少なくとも部分的に導電性の材料から形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
複数の前記圧電素子（２２，２３）相互間の接続部、および／または、前記圧電素子（２２，２３）と前記アクチュエータヘッド（５）および／または前記アクチュエータベース（４）との間の接続部は形状結合（Fromschluss、形状による束縛）、摩擦結合（Kraftschluss、摩擦による束縛）または接着によって形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
装置（２０）内に形成されている前記圧電アクチュエータ（２１）は内燃機関における燃料の噴射系のための圧電インジェクタの構成要素であり、前記燃料は前記被覆層系（２４）の周りを流れる、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載されている構成による少なくとも１つの圧電素子を有する被覆された圧電アクチュエータを備えた装置に関する。
【０００２】
従来技術
前述の圧電アクチュエータを構成するために、いわゆる圧電効果を利用してバルブなどのノズルのストロークを制御できる圧電素子を使用することが公知である。圧電素子は外部から電圧が印加された際に機械的な反応を行うように構成されている。この機械的な反応は結晶構造および電圧の印加領域に依存する所定の方向へのプッシュプルを表す。この種の圧電アクチュエータは例えば高い操作力や高いクロック周波数でストローク運動が行われる用途に適している。
【０００３】
例えばDE 10026005 A1からは、内燃機関の燃焼室への燃料噴射用のインジェクタにおける噴射ノズルの駆動制御に使用できる、圧電インジェクタの構成要素としてのその種の圧電アクチュエータが公知である。この圧電アクチュエータにおいては圧電素子が相互に電気的に結合されている複数の圧電セラミック層の積層体として構成されており、この圧電素子はアクチュエータベースおよびアクチュエータヘッドを介してプリロードが加えられて２つのストッパ間に保持されている。各圧電セラミック層は圧電層として２つの内部電極の間に囲まれており、これらの内部電極を介して外部から電圧を印加することができる。この電圧に基づきそれぞれの圧電セラミック層の電位勾配の方向への小さなストローク運動が行われ、これらの小さなストローク運動が圧電アクチュエータの総ストロークに加算される。この総ストロークは印加される電圧の高さに応じて変更可能であり、またこの総ストロークを機械的な作動部材に伝達することができる。
【０００４】
その種の公知の装置はいわゆるコモンレールシステムとして、直接噴射式のディーゼル機関に燃料を供給するために使用されることが多い。コモンレールインジェクタとして公知のこのシステムにおいては、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】
このコモンレールインジェクタを圧電アクチュエータによって直接的に制御される噴射ノズルが設けられるように構成することができる。この構成において圧電アクチュエータには直接的または間接的に燃料の圧力が加えられており、また噴射ノズルと圧電アクチュエータとの間には液圧式の結合空間のみが存在する。比較的敏感な圧電アクチュエータが高圧下の燃料で充填されている保持体の内部体積においてこの燃料によって腐食も破損もされないことが重要である。
【０００６】
殊に圧電アクチュエータが圧電インジェクタの低圧領域に設けられている場合には、この圧電アクチュエータを周囲の媒体に対してシーリングするための方法も勿論幾つか公知である。例えば、その種のアクチュエータを安定した金属スリーブにおいてカプセル化することができ、圧電アクチュエータの機械的で能動的な端面にはアクチュエータヘッドが設けられており、このアクチュエータヘッドは圧電アクチュエータのストロークおよび力を外部に伝達させる。このアクチュエータヘッドはダイアフラムを介して安定したスリーブと接続されている。これによってダイアフラムはアクチュエータヘッドとスリーブとの間のフレキシブルで密な接続を生じさせる。
【０００７】
しかしながら圧電インジェクタの高圧領域において圧電アクチュエータを使用する場合、前述の解決手段はダイアフラムの安定性に関して、またスリーブの安定性に関して不利である。DE 10217361 A1からは、個々の圧電アクチュエータの表面の一部に先ず有機のベース層が被着され、続いてこのベース層に無機の被覆層が設けられ、この被覆層がベース層を周囲の燃料に対してシーリングする解決手段が公知である。そのような被覆層が設けられていない場合には、有機のベース層が腐食する可能性がある。
【０００８】
さらに例えば、WO 0261856 A1からは圧電アクチュエータにおいて先ず収縮性チューブが圧電素子、アクチュエータベースおよびアクチュエータヘッドを介して引っ張られることが公知である。続いて、収縮性チューブと圧電アクチュエータとの間の中間空間が充電材料で充填され、最後に収縮性チューブが熱作用によって収縮され、それにより圧電アクチュエータおよび充填材料が密に閉じられる。これら公知の装置は通常の場合、非常に繁雑でコストの掛かるやり方でしか実現できない。
【０００９】
発明の開示
本発明は、それぞれ圧電層の多層構造から構成されている少なくとも１つの圧電素子を有する圧電アクチュエータを形成するための冒頭で述べた形式の装置に関する。この装置においては圧電層の間に配置されている内部電極に圧電素子の層構造の方向において極の異なる電圧が交番的に印加されている。さらには、少なくとも圧電層を包囲する絶縁媒体が設けられており、また圧電素子の端部にはアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースが設けられている。この装置によって形成される圧電アクチュエータは有利には、内燃機関における燃料の噴射系のための冒頭で述べたような圧電インジェクタの構成要素でよい。燃料は被覆された圧電アクチュエータの周りを流れる。
【００１０】
本発明によれば、１つまたは複数の圧電素子の周囲、また少なくとも部分的にアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースの周囲に有利には、絶縁材料の少なくとも１つの層からなる被覆層系が配置されている。少なくとも１つの層は１つまたは複数の圧電素子とアクチュエータヘッドならびにアクチュエータベースとの間の接合部も密に包囲する。被覆層系の層は有利にはプラスチック材料から製造されている。有利な実施形態においては、圧電アクチュエータが操作方向に直列に配置されている少なくとも２つの圧電素子から構成されており、これらの圧電素子は不活性領域、すなわち電圧が印加される内部電極を有していない領域を介して相互に接合されており、またアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースと接合されている。アクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースは通常の場合、金属性の材料またはセラミック性の材料から製造されている。
【００１１】
被覆層系の少なくとも１つの層と１つまたは複数の圧電素子との間、またアクチュエータヘッドならびにアクチュエータベースとの間の接続部は有利には少なくとも部分的に形状結合（Formschluss、形状による束縛）によって形成されている。しかしながら用途に応じて、多層の被覆層系では層間に配置することができる、化学結合または接着剤の使用も考えられる。
【００１２】
有利には、多層の被覆層系においては単に部分的に複数の層を表面の経過に沿って配置することができるが、１つまたは複数の圧電素子の表面の各個所、また少なくとも部分的にアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースの周囲に、絶縁材料の少なくとも１つの層を設けることが望ましい。別の有利な実施形態によれば、多層の被覆層系において少なくとも層が１つまたは複数の圧電素子の表面、またアクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースの周囲において弾性の材料から形成されており、この弾性の材料は例えば圧電アクチュエータのストロークによって生じる長手方向の伸張と一緒に伸張する。これはこの層の相応の弾性率によって達成されるので、被覆層系の外側の表面における機械的な応力は最小になっている。
【００１３】
さらに多層の被覆層系においては少なくとも、１つまたは複数の圧電素子の表面に固着することのない層を直接的に構成することができるので、それぞれの圧電素子の表面に対する層の相対運動および／または層相互の相対運動も行われる。被覆層系の材料を有利には、少なくとも層が１つまたは複数の圧電素子の表面に電気的に絶縁性の材料から形成されているように選択することができる。しかしながら、少なくとも部分領域においてはこの材料が導電性の材料であってもよい。
【００１４】
さらには簡単なやり方で、複数の圧電素子相互間の接続部、および／または、圧電素子とアクチュエータヘッドおよび／またはアクチュエータベースとの間の接続部を形状結合（Fromschluss、形状による束縛）、摩擦結合（Kraftschluss、摩擦による束縛）または接着によって形成することができる。
【００１５】
図面の簡単な説明
本発明による圧電アクチュエータの実施例を図面に基づき説明する。ここで、
図１は、従来技術による、スリーブおよびダイアフラムを備えた圧電アクチュエータの断面図を示す。
図２は、単層または多層の被覆層系によって周囲が被覆されており、また並んで接続されている２つの圧電素子を有する、本発明による圧電アクチュエータの断面図を示す。
図３は、図２とは異なり、単層または多層の被覆層系によって部分的にしか周囲が被覆されていない本発明による圧電アクチュエータの断面図を示す。
【００１６】
本発明の実施形態
図１には、圧電アクチュエータ２を備えた従来から公知の装置１が示されており、この装置１を例えば内燃機関の燃料噴射系におけるノズルストローク制御に使用することができる。圧電素子３は圧電アクチュエータ２の構成要素であり、この圧電アクチュエータ２は例えば鋼からなるアクチュエータベース４およびアクチュエータヘッド５をさらに有する。給電線６および７がアクチュエータベース４を通って案内されており、これらの給電線６および７はここでは詳細に図示していない外部電極を介して圧電素子３内の内部電極と接触している。内部電極８および９への電圧の印加によって圧電アクチュエータ２が操作されると、アクチュエータヘッド５の下方に垂直に設けられている機械的な装置が操作され、噴射系のノズル開口部を開放することができる。
【００１７】
圧電アクチュエータ２を備えた装置１はここでは詳細に示していないインジェクタヘッド内に取付けられており、燃料がインジェクタヘッドの内部空間を通って装置１に沿って案内される。この燃料を例えばいわゆるコモンレールシステムでは冒頭で述べたレール圧力下または別の所定の圧力下で、ここでは詳細に図示していない内燃機関の燃焼室に噴射することができる。
【００１８】
図１による圧電アクチュエータ２をその周囲に流れる燃料および他の妨害的な作用から保護するために絶縁層１０が設けられており、この絶縁層１０もスリーブ１１およびダイアフラム１２によって包囲されている。
【００１９】
図２には本発明による装置２０が示されており、この装置２０においては圧電アクチュエータ２１が２つの圧電素子２２および２３から構成されており、これらの圧電素子２２および２３は操作方向に直列に接続されている。２つの圧電素子２２および２３はそれぞれの不活性端部において適切なやり方で相互に接合されており、この接合により外部電極と接続するための電気的な接続部２５も形成される。この実施例においては被覆層系２４が絶縁材料の少なくとも１つの層から構成されており、この被覆層系は少なくとも部分的にアクチュエータヘッド５およびアクチュエータベース４の周囲にも案内されている。
【００２０】
図３による別の実施例においては、被覆層系２４が圧電素子２２と２３との間の接合個所、圧電素子２２とアクチュエータベース４との接続部、および圧電素子２３とアクチュエータヘッド５との接続部に取付けられている。絶縁材料の１つまたは複数の層から成る本発明による被覆層系２４をそれぞれの幾何学的な要求に容易に適合させることができ、前述の圧電インジェクタの保持体内に提供されている取付け空間における圧電アクチュエータ２１の良好な保護が達成される。
【００２１】
被覆層系２４を圧電アクチュエータ２１のストロークによって生じる長手方向の伸張と一種に伸張する弾性材料から構成することができる。他方では、圧電アクチュエータ２１の表面への固着を省略することもできるので、それぞれの圧電素子２２および／または２３の表面に対する層の相対運動および／または層相互の相対運動が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術による、スリーブおよびダイアフラムを備えた圧電アクチュエータの断面図を示す。
【図２】単層または多層の被覆層系によって周囲が被覆されており、また並んで接続されている２つの圧電素子を有する、本発明による圧電アクチュエータの断面図を示す。
【図３】単層または多層の被覆層系によって部分的にしか周囲が被覆されていない本発明による圧電アクチュエータの断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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