(57)【要約】  本発明は、例えば機械的な構成部品を操作するための、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリ、例えばピエゾインジェクタであって、複数のピエゾ層（２６）からなる多層構造が設けられており、これらのピエゾ層（２６）がピエゾ素子（３；２１）として保持体（２；２９，３０）内に保持されており、ピエゾ素子（３；２１）に、内部電極（２２，２３）とコンタクトエレメント（２４，２５）との間の交互のコンタクト形成部が存在し、かつ保持体（２９）のヘッド部（３０）を通してコンタクトエレメント（２４，２５）に向かって案内されている電気的な線路（３４，３５）が設けられている形式のものに関する。本発明により、電気的な線路が、その長さを適合可能な接続エレメント（５０，５１，５２）を介して、保持体（２９）のヘッド部（３０）を通してコンタクトエレメント（２４，２５）に向かって案内されており、前記接続エレメントが、設定可能な長さの電気伝導性のスリーブ（５０）からなっており、該スリーブ（５０）内に、一方の側で、コネクタ部の電気的な線路の端部（５１）が、他方の側で、コンタクトエレメント（２４，２５）の延長部としての線路の端部（５２）が装入可能であるようにした。
2009509493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリであって、
複数のピエゾ層（２６）からなる多層構造が設けられており、これらのピエゾ層（２６）がピエゾ素子（３；２１）として保持体（２；２９，３０）内に保持されており、ピエゾ素子（３；２１）に、内部電極（２２，２３）とコンタクトエレメント（２４，２５）との間の交互のコンタクト形成部が存在し、かつ
保持体（２９）のヘッド部（３０）を通してコンタクトエレメント（２４，２５）に向かって案内されている電気的な線路（３４，３５）が設けられている形式のものにおいて、
電気的な線路が、その長さを適合可能な接続エレメント（５０，５１，５２）を介して、保持体（２９）のヘッド部（３０）を通してコンタクトエレメント（２４，２５）に向かって案内されており、
前記接続エレメントが、設定可能な長さの電気伝導性のスリーブ（５０）からなっており、該スリーブ（５０）内に、一方の側で、コネクタ部の電気的な線路の端部（５１）が、他方の側で、コンタクトエレメント（２４，２５）の延長部としての線路の端部（５２）が装入可能である
ことを特徴とする、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリ。
【請求項２】
ピエゾ素子（２１）の方向で接続エレメントの下側に、ピエゾ素子（２１）内にまたはピエゾ素子（２１）に沿って設けられたコンタクトエレメント（２４，２５）に通じる線路が、ガラス封着部（５３）内で液体の高圧に対して密に埋設されている、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項３】
ガラス封着部（５３）が保持体（２９）のヘッド部（３０）の領域に埋設されている、請求項２記載のアッセンブリ。
【請求項４】
電気伝導性のスリーブ（５０）が絶縁スリーブ（５４）によりヘッド部（３０）から絶縁されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のアッセンブリ。
【請求項５】
ガラス封着部（５３）と伝導性のスリーブ（５０）との間に、付加的な絶縁管（５４）が配置されており、該絶縁管（５４）の外径が、ガラス封着部（５３）の外径よりも小さい、請求項２から４までのいずれか１項記載のアッセンブリ。
【請求項６】
電気的な線路の端部がスリーブ内で金属製のピン（５１，５２）として形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のアッセンブリ。
【請求項７】
金属製のピン（５１，５２）が一定の長さを有する、請求項６記載のアッセンブリ。
【請求項８】
コネクタ部に通じる線路が、スリーブ（５０）の外で、フラットピン（５５）として形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のアッセンブリ。
【請求項９】
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を備えたアッセンブリを製作する方法において、
第１の方法ステップで、ピエゾ素子（２１）の分極および信号検査ならびに高圧シールの検査を実施し、かつ
第２の方法ステップで、接続エレメント（５０，５１，５２）内でのコネクタ部とコンタクトエレメント（３４，３５）との間の線路（２４，２５；５１，５２）の接続を実施する
ことを特徴とする、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリを製作する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、主請求項の上位概念部に記載した形式の、弁またはこれに類するもののような機械的な構成部品を操作するための、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリ、例えばピエゾインジェクタ、要するに、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリであって、複数のピエゾ層からなる多層構造が設けられており、これらのピエゾ層がピエゾ素子として保持体内に保持されており、ピエゾ素子に、内部電極とコンタクトエレメントとの間の交互のコンタクト形成部が存在し、かつ保持体のヘッド部を通してコンタクトエレメントに向かって案内されている電気的な線路が設けられている形式のものに関する。さらに本発明は、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリを製作する方法に関する。
【０００２】
背景技術
このようなアッセンブリは例えば有利には自動車内で燃料噴射のためのニードルの行程の制御のために利用可能であり、厳密には単段の変換を行う制御のためにも２段の変換を行う制御のためにも利用可能である。上記ピエゾアクチュエータを構成するために、ピエゾ素子を、いわゆる圧電効果の利用下で弁またはこれに類するもののニードル行程の制御を実施し得るように使用し得ることは自体公知である。ピエゾ素子は、適当な結晶構造を有する材料から、外的な電圧の印加時にピエゾ素子の機械的な反応が生じる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範囲に依存して、設定可能な方向での押し引き（プッシュまたはプル）を実現する。この種のピエゾアクチュエータは例えば、ストローク運動が高い操作力および高いクロック周波数で進行する用途のために適している。
【０００３】
例えば、このようなピエゾアクチュエータは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６００５号明細書から公知である。この公知のピエゾアクチュエータは、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するためのインジェクタでノズルニードルを起動制御するために使用され得る。このピエゾアクチュエータでは、ピエゾ素子が、前述の通り、電気的に互いに連結された複数の圧電セラミックス層のスタックとして構成されている。スタックは予備荷重をかけられた状態で２つのストッパ間に保持されている。各圧電セラミックス層はピエゾ層として２つの内部電極間に挟持されており、内部電極を介して外部から電圧が印加され得る。この電圧に基づいて、圧電セラミックス層はそれぞれ、小さなストローク運動を電位降下の方向で実施する。これらのストローク運動は合計されてピエゾアクチュエータの全体のストロークを形成する。この総ストロークは、印加される電圧の高さを介して変更可能であり、機械的な作動部材へ伝達され得る。
【０００４】
前記ピエゾアクチュエータでは、異なる電位を導くために、外側の電極を介した内部電極の交互の側方でのコンタクト形成が行われる。外側の電極で、伝導性の面は、ピエゾ素子のそれぞれ１つの側面に取り付けられており、それぞれの内部電極とコンタクト形成されている。これに対して、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３３５０１９号明細書から公知のピエゾアクチュエータでは、内部電極と、ピエゾ素子のそれぞれ１つの内側の切欠き内に位置するコンタクトエレメントとの間の内在的なコンタクト形成が行われる。
【０００５】
さらに、欧州特許出願公開第１１７４６１５号明細書にも、ピエゾ素子がアクチュエータとして内燃機関の噴射インジェクタの直接的なニードル行程制御のために存在するピエゾアクチュエータが記載されている。アクチュエータとしてのピエゾ素子と、ニードルとの間には、膨張補償のための液圧的な変換装置を備えたカップラだけが存在する。この場合、ピエゾ素子の作動により、予備荷重下で噴射ノズルの閉鎖のために保持されたニードルがノズル開口から離間される。それというのも、ニードルが直接変換されてアクチュエータの運動に従うからである。
【０００６】
冒頭で述べた背景技術としてのドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２６００５号明細書では、外部の電圧源へのピエゾ素子の電気的な接続が、外側の電極の延長部により、ピエゾアクチュエータのベース部分を通して行われる。この延長部はさらにコネクタまで案内され得る。その結果、延長部は機械的にクリティカルでない領域でコンタクト形成される。延長部はその際、電気的に絶縁されて、例えば鋼からなるアクチュエータベースを通して案内され得る。アクチュエータベースにはピエゾ素子が当接または固定されている。さらにこの背景技術から、延長部を外部電極の固定および引張荷重緩和のために注型材料内に保持することが公知である。注型材料はアクチュエータベースの切欠き内に、場合によっては鋼またはポリマーからなる成形部分により包囲されて、装入されている。
【０００７】
しばしば、前記ピエゾアクチュエータでは、構造長さが用途に合わせて適合されなければならない。これにより、ピエゾアクチュエータのための保持体のヘッド部の領域で、特にアクチュエータベースとコネクタ部との間の供給線路の長さは変化する。公知のピエゾアクチュエータでは、ピエゾ素子に電圧を供給するためのコンタクトエレメントが、一貫した、つまり連続した線により、コネクタ部まで案内される。
【０００８】
公知の一貫した線は、高圧に対して密なガラス封着部に結合されており、その長さに関して、ピエゾアクチュエータ、例えば噴射インジェクタの、顧客によりそれぞれ異なる固有の長さに適合されなければならない。線は一般に、小さな熱膨張を有する材料、例えばＮｉＦｅから製作され、電気伝導性が低く、その上比較的細いので、この場合、線の端部での電気的な接続の実現は極めて困難である。
【０００９】
発明の開示
本発明は、冒頭で述べた形式の、ピエゾアクチュエータを備えたアッセンブリから出発する。アッセンブリは複数のピエゾ層からなる多層構造をピエゾ素子内に有する。ピエゾ層は保持体内に保持されている。その際、ピエゾ素子に、内部電極とコンタクトエレメントとの間の交互のコンタクト形成部が存在する。さらに、電気的な線路としての給電線が保持体のヘッド部を通してコンタクトエレメントに向かって案内されている。本発明により、有利には、電気的な線路が、その長さを適合可能な接続エレメントを介して、保持体のヘッド部を通してコンタクトエレメントに向かって案内されている。接続エレメントはその際、設定可能な長さの電気伝導性のスリーブからなっており、このスリーブ内に、一方の側で、コネクタ部の電気的な線路の端部が、他方の側で、コンタクトエレメントの延長部としての線路の端部が装入可能である。
【００１０】
有利には、ピエゾ素子の方向で接続エレメントの下側に、ピエゾ素子内にまたはピエゾ素子に沿って設けられたコンタクトエレメントに通じる線路が、ガラス封着部内で液体の高圧に対して密に埋設されている。その際、ガラス封着部は有利には保持体のヘッド部の領域に埋設されている。ガラス封着は本発明により比較的簡単に実施され得る。それというのも、長い線端部が存在しないからである。これにより、取り扱い、搬送および組み立ての簡単化が生じる。
【００１１】
本発明により線路をガラス封着部の上側で分割したことにより、それゆえ、付加的な差込接続によって、ＮｉＦｅ線による一貫した細い接続の欠点は解消され得る。ピエゾアクチュエータの長さへの線路の簡単な長さ適合および膨張補償が実施され得る。さらに、線路の、コネクタ部側の上側の端部は、自由に選択可能な材料から製作され得る。この場合、コネクタ部に通じる線路はスリーブの外側でフラットピンとして形成されてもよい。
【００１２】
電気伝導性のスリーブは絶縁スリーブによりヘッド部から絶縁されることができる。さらにガラス封着部と伝導性のスリーブとの間に、付加的な絶縁管が配置されることができ、この絶縁管の外径は、ガラス封着部の外径よりも小さい。スリーブは、ＮｉＦｅ線よりも導電性の高い材料、例えば銅または黄銅から、より大きな太さで製作され得る。
【００１３】
有利な製作法では、第１の方法ステップで、ピエゾ素子の分極および信号検査ならびに高圧シールの検査を実施し、かつ第２の方法ステップで、接続エレメント内でのコネクタ部とコンタクトエレメントとの間の線路の接続を実施することができる。
【００１４】
図面の簡単な説明
本発明によるアッセンブリの実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、背景技術による原理的な幾何学構造を有した、ピエゾアクチュエータを備えたピエゾインジェクタの縦断面図であり、
図２は、電気的な線路が外側のコネクタから保持体のヘッド部を通してガラス封着部と共に案内されている、ピエゾ素子の内部電極の内在的なコンタクト形成部を備えたピエゾアクチュエータの本発明による一実施例の部分縦断面図であり、
図３ａおよび図３ｂは、ピエゾ素子のための保持体の、それぞれ異なる長さのヘッド部と、線路のための相応に適合されたスリーブとを示す概略図であり、かつ
図４および図５はそれぞれ、コネクタおよびコンタクトエレメントへと至る線路の端部のためのスリーブを示す詳細図である。
【００１５】
発明の実施形態
図１には、ピエゾアクチュエータを備えた公知の単段のピエゾインジェクタの原理的な構造が示されている。ピエゾインジェクタ１は、その提案される用途に基づいて、以下噴射インジェクタとも呼ばれ、例えば内燃機関において燃料のための噴射システム内で直接的なニードル行程制御のために使用され得る。上側の部分には保持体２が存在する。保持体２はその幾何学寸法の点で実質的に特有の使用場所に適合され得る。保持体２にはここでは図示しないコネクタ部が存在する。やはり特有の使用事例に適合されたコネクタ構成を備えるコネクタ部により、ピエゾ素子３を起動制御するための電圧が接続され得る。
【００１６】
コネクタ部から、ここでは電気的な線路４および５としての給電線が、ピエゾ素子３に設けられた外部電極６および７に向かって案内されている。ピエゾ素子３は作動時に、ここでは垂直に下方に存在する、カプラ８を備えた機械的なアッセンブリを介して、ノズルニードル９に作用し、ここではノズル開口１０の開放を実施し得る。これにより、ピエゾアクチュエータ１の内部で保持体２の内室を通して案内される燃料は、ここでは図示しない内燃機関の燃焼室内に噴射され得る。
【００１７】
ピエゾ素子３は、図１によれば、アクチュエータベース１１を介して上側で、保持体２の内室内に設けられた球状のシール座に当接する。その際、ピエゾ素子３は良好なシール座を形成するためにばね１２により押し付けられる。特に冒頭で述べたコモンレールシステムの場合、ここでは電気的な接続室１３に対する高圧シールが必要である。電気的な接続室１３を通して、２つの電気的な線路４および５がピエゾ素子３に向かって案内されている。
【００１８】
図１に示した保持体２は特にヘッド部で、一般にその長さＬｏに関して、用途特有の事情、例えば内燃機関における燃料インジェクタとしての事情に適合されなければならない。これにより、電気的な線路を内部で案内する際に、さらにはコンタクト形成に関して、固有の特徴が生じる。
【００１９】
図２からは、組み立てられた状態にある本発明によるピエゾアクチュエータ２０の一部が見て取れる。ここではピエゾ素子２１が存在する。ここでは例示的に内部電極２２および２３にのみ符号が付されている。内部電極２２，２３には、ピエゾ素子２１のスタック構造内で、交互にそれぞれ内側のコンタクトエレメント２４および２５を介して電圧が供給される。電圧の印加時の電位降下により、内部電極２２と内部電極２３との間のセラミックシートからなるピエゾ層２６内での、冒頭で説明した機械的な反応が生じる。
【００２０】
ピエゾ素子２１はさらに、セラミックスからなるカバープレート２７と、鋼からなるアクチュエータベース２８とを介して、ピエゾアクチュエータ２０の保持体２９に当接する。その際、保持体２９はヘッド部３０を有する。ヘッド部３０は燃料供給部３１および電気的な接続部３２を有する。ピエゾ素子２１は保持体２９の内部の燃料に対してさらに外側の絶縁層３３によりシールされている。
【００２１】
ヘッド部３０の内部には、線路３４および３５としての給電線が絶縁されてはめ込まれている。線路３４，３５は、ピエゾ素子２１への接続のために、高圧に対して密に、有利にはガラス封着部（Ｇｌａｓｅｉｎｓｃｈｍｅｌｚｕｎｇ）３６により圧入されており、かつコンタクトエレメント２４および２５への接続のためにコンタクト接続部３７または３８が存在する。コンタクト接続部３７，３８はそれぞれ絶縁スリーブまたはセンタリングスリーブ３９内に位置する。
【００２２】
図２では、線路３４および３５が従来慣用の形式で、コンタクト接続部３７および３８の後、一貫した線として、ここでは詳細には示されていないコネクタ部３２まで案内されている。その際、線長さは保持体２９のヘッド部３０の所要長さＬｏに適合されなければならない。例えばＮｉＦｅからなる線路３４および３５の線は比較的細く、しかも導電性が低いので、線路３４および３５の端部におけるピン接続の実現は比較的困難である。
【００２３】
本発明により、図３ａおよび図３ｂならびに図４および図５には、それぞれ異なる長さのヘッド部２９内での、線路３４および３５の用途特有の長さ適合が認識できる。この場合、主に図３を例にとって説明する。部材の符号もほぼ同一である。図３ａには、固定の長さＬ１およびＬ２の他に、ここでは比較的短い長さＬｖａｒｉａｂｅｌが存在していることが見て取れる。これに対して図３ｂは、比較的長い長さＬｖａｒｉａｂｅｌを有する長いヘッド部２９を示す。両アッセンブリではそれぞれ１つの電気伝導性のスリーブ５０が存在する。スリーブ５０は例えば銅、青銅または黄銅からなり、線の両側からの挿入時にフレキシブルなコネクタ状の接続部も形成し得る。
【００２４】
このようなコネクタ状の接続部はそれぞれ図４および図５から見て取れる。この場合、供給線路３４および３５はそれぞれ線もしくはピン５１および５２により代替される。線もしくはピン５１，５２は両側でスリーブ５０内に挿入され、これによりフレキシブルなコネクタ状の接続部を形成する。コンタクトエレメント２４または２５に接続される下側のピン５２はその際、ガラス封着部５３を介してヘッド部２９内に位置する。ガラス封着部５３の上側で、ピン５２は、スリーブ５０内に開口するまで絶縁スリーブ５４内で案内されている。ピン５１はその際、他方の端部でコネクタピン５５、例えばフラットピンとして形成されてもよい。
【００２５】
図５に示した変化態様では、例えばポリマーからなるか、または収縮チューブとして形成される付加的な絶縁管５６が取り付けられている。絶縁管５６の外径は、ガラス封着部５３よりも小さい。これにより、例えばろう接、溶接、圧着または導電性接着剤を用いた接着による、固定的にピン５２に取り付けられるスリーブ５０共々のガラス封着部５３の取り付けが可能となる。その際、スリーブ５０の外径はやはりガラス封着部５３の直径よりも小さい。
【００２６】
前記ガラス封着部５３は、ここで説明したアッセンブリでは、ピエゾ素子２１または溶接シーム４１（図２参照）の外部への漏れ時、外部への液圧に対する高圧シールとして役立つ。
【００２７】
産業上の利用可能性
本発明は、自動車内で燃料噴射のためのニードルの行程の制御のために利用可能であり、厳密には単段の変換を行う制御でも２段の変換を行う制御でも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】背景技術による原理的な幾何学構造を有した、ピエゾアクチュエータを備えたピエゾインジェクタの縦断面図である。
【図２】電気的な線路が外側のコネクタから保持体のヘッド部を通してガラス封着部と共に案内されている、ピエゾ素子の内部電極の内在的なコンタクト形成部を備えたピエゾアクチュエータの本発明による一実施例の部分縦断面図である。
【図３】ピエゾ素子のための保持体の、図３ａと図３ｂとでそれぞれ異なる長さのヘッド部と、線路のための相応に適合されたスリーブとを示す概略図である。
【図４】コネクタおよびコンタクトエレメントへと至る線路の端部のためのスリーブを示す詳細図である。
【図５】コネクタおよびコンタクトエレメントへと至る線路の端部のためのスリーブを示す詳細図である。
【図１】
2009509493.tif 000003
【図２】
2009509493.tif 000004
【図３ａ】
2009509493.tif 000005
【図３ｂ】
2009509493.tif 000006
【図４】
2009509493.tif 000007
【図５】
2009509493.tif 000008
【国際調査報告】
2009509493.tif 000009
2009509493.tif 000010
2009509493.tif 000011
2009509493.tif 000012