(57)【要約】  圧電式のアクチュエータと、内燃機関のための、圧電式のアクチュエータを有するインジェクタが提案される。この圧電式のアクチュエータの電磁両立性は、従来のインジェクタに比べて著しく改善されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電式のアクチュエータであって、複数の圧電セラミック層（３１）から成るスタックを有しており、圧電セラミック層（３１）の間に、それぞれ１つの電極層（３３，３５）が設けられており、さらにベース部分（２３）と、ヘッド部分（２５）とを有している形式ものにおいて、前記ベース部分（２３）および／またはヘッド部分（２５）が、セラミック製の材料から成っていることを特徴とする、圧電式のアクチュエータ。
【請求項２】
前記ヘッド部分（２５）および／またはベース部分（２３）が、酸化アルミニウムから成っている、請求項１記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項３】
圧電式のアクチュエータ（３）の前記電極層（３３，３５）が、２つの外部電極（３７，３９）よって接触されており、該外部電極（３７，３９）が、アクチュエータ（３）の端面とベース部分（２３）との間に案内されている、請求項１または２記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ベース部分（２３）内に、少なくとも１つのケーブル案内部（４７）が設けられており、該ケーブル案内部（４７）内に電気的な線路（２１）が延在しており、該電気的な線路（２１）が、外部電極（３７，３９）と導電接続されている、請求項３記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項５】
圧電式のアクチュエータ（３）が、弾性かつ液密な周壁（４９）によって取り囲まれており、該周壁（４９）が、ヘッド部分（２５）とベース部分（２３）とに密に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ヘッド部分（２５）および／またはベース部分（２３）が、１つまたは複数の周面溝（５１）を有しており、周壁（４９）が、形状接続式に周面溝（５１）に結合している、請求項５記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項７】
前記周壁（４９）が、アクチュエータ（３）、ヘッド部分（２５）、ベース部分（２３）を射出成形によってゴムまたはプラスチックで包囲することよって製造されている、請求項５または６記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項８】
前記周壁（４９）が、収縮性チューブから製造されている、請求項５または６記載の圧電式のアクチュエータ。
【請求項９】
内燃機関の燃料噴射システムのためのインジェクタであって、ハウジング（１）を有しており、該ハウジング（１）内に、圧電式のアクチュエータ（３）と、ハイドロリック式の制御弁（７）と、ノズルモジュール（９）とが配置されていて、該ノズルモジュール（９）が、ノズルニードル（１１）を有しており、圧電式のアクチュエータ（３）が、一方の端部で少なくとも間接的にハウジング（１）に対して支持されており、圧電式のアクチュエータ（３）が、他方の端部で少なくとも間接的に制御弁（７）に対して支持されており、圧電式のアクチュエータ（３）と制御弁（７）との間に調整プレート（２７）が設けられている形式のものにおいて、前記調整プレート（２７）が、セラミック製の材料から成っていることを特徴とするインジェクタ。
【請求項１０】
前記圧電式のアクチュエータ（３）とハウジング（１）との間に、セラミック製の材料から成るスペーサ部材（２９）が設けられている、請求項９記載のインジェクタ。
【請求項１１】
前記圧電式のアクチュエータ（３）が、請求項１から８までのいずれか１項記載のアクチュエータである、請求項９または１０記載のインジェクタ。
【請求項１２】
前記調整プレート（２７）および／またはスペーサ部材（２９）が、酸化アルミニウムから成っている、請求項９または１０記載のインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の形式の圧電式のアクチュエータ、すなわち圧電式のアクチュエータであって、複数の圧電セラミック層から成るスタックを有しており、圧電セラミック層の間に、それぞれ１つの電極層が設けられており、さらにベース部分と、ヘッド部分とを有している形式ものに関する。
【０００２】
たとえばドイツ連邦共和国特許公開第１９８３８８６２号明細書によれば、圧電セラミック層を有するピエゾアクチュエータが公知である。この公知のピエゾアクチュエータでは、圧電セラミック層が、多層スタックを成すように互いに上下に積層して配置されており、圧電セラミック層の間には、それぞれ１つの電極層が設けられている。電極層は、第１の外部電極および第２の外部電極を介して、電流供給部に接続されている。
【０００３】
ピエゾアクチュエータは、制御装置によって高周波でかつ有利にはタイミングを合わせて制御される。高速の切換えプロセスによって著しい電磁妨害が生ぜしめられ、この電磁妨害は、ピエゾアクチュエータの制御装置または給電線路に設けられた費用のかかる手段によって減じられなければならない。
【０００４】
本発明の課題は、改善された電磁両立性（ＥＭＶ）を有する圧電式のアクチュエータと、圧電式のアクチュエータを備えるインジェクタを提供することである。
【０００５】
この課題を解決するために本発明では、圧電式のアクチュエータであって、複数の圧電セラミック層から成るスタックを有しており、圧電セラミック層の間に、それぞれ１つの電極層が設けられており、さらにベース部分と、ヘッド部分とを有している形式のものにおいて、ベース部分および／またはヘッド部分が、セラミック製の材料から成っているようにした。
【０００６】
発明の利点
本発明は、ピエゾアクチュエータから発せられる妨害信号を、その発生地で抑制する。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がセラミック製の材料から製造されることによって、電気的なアースとピエゾアクチュエータとの間に形成された電気的なコンデンサの静電容量が減じられる。これによって、ピエゾアクチュエータの切換え時に発生する妨害信号の強度が著しく弱められ、ひいては本発明による圧電式のアクチュエータの電磁両立性が改善される。
【０００７】
できるだけ小さい誘電率を有するセラミック製の材料から成るアクチュエータヘッドとアクチュエータベースとが選択されると有利である。たとえば酸化アルミニウムが特に有利な材料であることが判った。本発明による圧電式のアクチュエータの別の主な利点は、付加的な構成部分が必要とならないために、構成部分の数が増えないことである。金属製の材料をセラミック製の材料に替えることによって、特に圧電式のアクチュエータの剛性（スティフネス）が高められる。なぜならば、セラミック製の材料は金属に比べて、実質的に大きな弾性係数を有しているからである。
【０００８】
圧電式のアクチュエータ自体もセラミック製の材料から成っているので、アクチュエータヘッドおよびアクチュエータベースの製造を、圧電式のアクチュエータの製造プロセスに組み入れることは製造技術的に比較的簡単に可能である。したがって、本発明によるアクチュエータの製造が簡略化され、一連の全製造工程に付加的な組付けステップが発生しない。
【０００９】
本発明の特に有利な実施態様では、圧電式のアクチュエータの圧電電極層が、２つの外部電極によって接触されており、これらの外部電極は、アクチュエータの端面とベース部分との間に案内されている。これによって、特に外部電極の端部を機械的な損傷から保護することが簡単な形式で可能になる。
【００１０】
この実施態様のさらに有利な別の実施態様では、ベース部分に、少なくとも１つのケーブル案内部が設けられており、このケーブル案内部内には電気的な線路が延在している。これによって、圧電式のアクチュエータを簡単な形式で電流供給部に接続することが可能になる。このような種類の電流供給部、もしくは外部電極の接触接続部は極めて頑丈であり、したがって非常に信頼性がよい。
【００１１】
本発明による圧電式のアクチュエータは、アクチュエータが弾性かつ液密な周壁によって取り囲まれており、この周壁がヘッド部分とベース部分とに密に結合されていると、電磁両立性に関してさらに改善され得る。このことによって、閉鎖された金属ハウジングを省くことができ、圧電式のアクチュエータから発せられる妨害信号がさらに減じられる。同時に圧電式のアクチュエータの、燃料に対するシールのための構造手間が簡略化される。
【００１２】
本発明の有利な実施態様では、ヘッド部分および／またはベース部分が、１つまたは複数の周面溝を有しており、周壁は、この周面溝に形状接続的、つまり形状に基づく束縛により結合されている。これによって、周壁とアクチュエータヘッド、および周壁とアクチュエータベースの極めて負荷耐性が強い、耐疲労性かつ液密な結合部が得られる。
【００１３】
周壁は、アクチュエータ、ヘッド部分、およびベース部分を射出成形によりゴムまたはプラスチックで包囲することによって製造されていてよい。
【００１４】
択一的には、周壁が収縮性チューブから製造されてもよい。このためには、収縮性チューブが、アクチュエータベース、圧電式のアクチュエータ、およびアクチュエータヘッドの上に引っ張られ、次いで加熱される。この加熱によって収縮性チューブが収縮し、液密な周壁を形成する。
【００１５】
冒頭で述べた課題を解決するために本発明では、内燃機関の燃料噴射システムのためのインジェクタであって、ハウジングを有していて、該ハウジング内に圧電式のアクチュエータと、ハイドロリック式の制御弁と、ノズルニードルを備えるノズルモジュールとが配置されており、圧電式のアクチュエータが、一方の端部で少なくとも間接的にハウジングに対して支持されており、圧電式のアクチュエータが、他方の端部で少なくとも間接的に制御弁に対して支持されており、圧電式のアクチュエータと制御弁との間に調整プレートが設けられている形式のものにおいて、調整プレートが、セラミック製の材料から成っているようにした。
【００１６】
調整プレートは、インジェクタ内の長手方向の公差を補償し、圧電式のアクチュエータのストロークを調整するために働く。ここでも、金属製の材料からセラミック製の材料に材料を替えることによって、構成部分の数が増えることなく、インジェクタの電磁両立性が高められ得る。同時に、セラミック製の調整プレートの高められた剛性によって、ピエゾアクチュエータのストロークの、制御弁への伝達が改善される。これによって、本発明によるインジェクタの作動状態が改善される。
【００１７】
セラミック製の材料は通常、金属、特に鋼よりも小さい比重を有しているので、材料を替えることによって、インジェクタの可動部分の慣性質量が減じられ、これはインジェクタのダイナミクスに有利に作用する。
【００１８】
本発明によるインジェクタの電磁両立性は、圧電式のアクチュエータとハウジングとの間にセラミック製の材料から成るスペーサ部材が設けられていると、さらに改善される。
【００１９】
このことによって、本発明によるインジェクタの内側の剛性が高められ、同時に電磁両立性が改善される。
【００２０】
本発明によるインジェクタの特に有利な実施態様では、圧電式のアクチュエータが、請求項１から６までのいずれか１項記載のアクチュエータである。このことによって、本発明による手段を組み合わせて、その効果を少なくとも部分的に加算させることができる。これにより結果として、非常に良好な電磁両立性を有するインジェクタが得られる。これによって、圧電式のアクチュエータから発せられる妨害信号を抑制するための費用のかかる手段を省くことができるか、または少なくとも、非常に簡略化された費用のより安い択一的な手段に替えることができる。
【００２１】
本発明によって提案された全ての手段では共通して構成部分の数が増加されず、したがって付加的な製造手間および組付け手間が発生しない。
【００２２】
さらに本発明による手段は、付加的な取付けスペースを必要としていない。このことは、非常に重要な別の利点である。つまり既に大量生産されているインジェクタを、大きな構造的な変化なしに完全にまたは部分的に組み替えることもしばしば可能である。たとえば、調整プレートを、構造的な変化なしにセラミック製の調整プレートに替えることができる。このことはアクチュエータとハウジングとの間にあるスペーサ部材にも同様に通用する。当然のことだが、従来のピエゾインジェクタに、請求項１から８までのいずれか１項記載の本発明による圧電式のアクチュエータを組み込むことも可能である。この場合も、インジェクタのハウジングおよび制御弁またはノズルモジュールにおける構造的な変化は必要とならない。
【００２３】
本発明の別の利点および有利な実施態様は、以下の図面、実施例の説明、および請求項から判る。図面、実施例の説明、および請求項で開示される全ての特徴は、個別でも、互いに有利な組合せにおいても、本発明の本質を成すものであり得る。
【００２４】
図面
図１は、本発明によるインジェクタの第１の実施例の縦断面図であり、図２は、本発明による圧電式のアクチュエータの実施例を部分的な縦断面で示した縦断面図である。
【００２５】
実施例の説明
図１には、本発明のよるピエゾアクチュエータの著しく簡略化された縦断面図が示されている。本発明によるピエゾアクチュエータは、ハウジング１を有している。ハウジング１内には、圧電式のアクチュエータ３と、ハイドロリック式のカップラ５と、制御弁７と、ノズルモジュール９とが収容されている。ノズルモジュール９は、ノズルニードル１１と、複数の噴射孔１３とを有している。インジェクタのハウジング１内には、高圧接続部１５と、漏れ導出管１７と、電流供給部１９とが設けられている。
【００２６】
インジェクタは、電流供給部１９を介して制御装置（図示せず）に接続されている。圧電式のアクチュエータ３が制御されると、エンジン制御装置（図示せず）によって電流供給部１９に電圧が印加される。電流供給部１９は、電気的な線路２１を介して圧電式のアクチュエータ３に接続されている。これによって、電流供給部１９の制御によって圧電式のアクチュエータ３を作動させることが可能になる。圧電式のアクチュエータの電気的な接触接続部の詳細は、図１には示されていない。
【００２７】
ピエゾアクチュエータ３は、図１において上側にある端部で、ベース部分２３を介してハウジング１に対して支持されている。本発明によって、このベース部分２３は、できるだけ小さい誘電率を有するセラミック製の材料から製造されている。適当なセラミック製の材料は、たとえば酸化アルミニウムである。
【００２８】
圧電式のアクチュエータ３の下側には、ヘッド部分２５が配置されている。このヘッド部分２５は、アクチュエータストロークを、調整プレート２７を介してハイドロリック式のカップラ５に伝達する。本発明によって、ヘッド部分２５および／または調整プレート２７が、小さい誘電率を有するセラミック製の材料から製造される。通常は鋼から製造されるベース部分２３、ヘッド部分２５、および調整プレート２７を、小さい誘電率を有するセラミック製の材料から成るワークピースで代替することによって、圧電式のアクチュエータ３と、本発明によるインジェクタが組み込まれている自動車の電気的なアースとによって形成されるコンデンサの静電容量が著しく減じられる。これによって、圧電式のアクチュエータ３の高周波制御による、電気的なアースを介して自動車内にもたらされる妨害信号も著しく減じられる。その結果、本発明による圧電式のアクチュエータの電磁両立性が改善される。特にこの解決手段では、妨害信号の原因が効果的に抑制され、その結果、内燃機関のワイヤハーネスまたは制御装置内の費用のかかる手段を完全に、または部分的に省くことができるので有利である。
【００２９】
本発明の別の主な利点として、本発明による手段が、付加的な取付けスペースを必要とせず、かつ構成部分の数が増加されないことが挙げられる。さらには、セラミック製の材料が、鋼や他の金属製の材料に比べて極めて高い弾性係数を有しているので、ベース部分２３と、ヘッド部分２５と、圧電式のアクチュエータ３と、調整プレート２７とから成る本発明の配列の剛性が高められることにも言及しておく。これによって、本発明による圧電式のアクチュエータ３、もしくはこのアクチュエータによって開放されるインジェクタのダイナミクスが改善され、圧電式のアクチュエータもしくは制御弁７内の作動部材（符号なし）の有効なストロークが拡大する。
【００３０】
さらに、付加的な手段として、ヘッド部分２５の上側にスペーサ部材２９が設けられている。このスペーサ部材２９は、インジェクタのハウジング１と、インジェクタ１のベース部分２３との間に配置されており、やはり小さい誘電率を有するセラミック製の材料から成っている。
【００３１】
図２には、本発明による圧電式のアクチュエータ３の特に有利な実施例を部分的に破断して示す。
【００３２】
圧電式のアクチュエータ３を拡大した図面からは、実際の圧電式のアクチュエータが、複数のセラミック層３１から構成されていることが判る。見やすくするために、全てセラミック層３１に符号がつけられているわけではない。セラミック層３１の間には、それぞれ１つの電極層３３および３５が配置されている。ここでも見やすくするために、全ての電極層３３および３５に符号がつけられているわけではない。
【００３３】
電極層３３は、電極層の第１のグループを形成していて、第１の外部電極３７に導電接続されている。
【００３４】
電極層３５は、電極層の第２のグループを形成していて、第２の外部電極３９に導電接続されている。
【００３５】
図２において最も上方に配置されている電極層３５の上側に、カバー層４１が破断して示されている。この第１のカバー層４１は、最も下方の電極層３３の下側に配置されている第２のカバー層４３と同様に、セラミック層３１よりも厚い。これらのカバー層４１，４３は、やはりセラミック製の材料から成っている。通常、これらのカバー層４１，４３は、セラミック層３１と同じセラミック製の材料から成っている。しかしながら、カバー層４１および４３は、圧電式のアクチュエータ３のストロークには寄与していない。なぜならば、圧電式のアクチュエータ３が通電されても、カバー層４１および４３内には、電極層３３と電極層３５の間の電界が生ぜしめられないからである。
【００３６】
カバー層４１内には、凹部４５が形成されており、この凹部４５内に、第１の外部電極３７および第２の外部電極３９が案内される。このことは、外部電極３７および３９が圧電式のアクチュエータ３の端面において終端することを意味している。
【００３７】
圧電式のアクチュエータ３のベース部分２３内には、２つのケーブル案内部４７が設けられている。ケーブル案内部４７内には電気的な線路２１が延在している。この電気的な線路２１は、圧電式のアクチュエータ３の端面の領域で、外部電極３７および３９と互いに導電接続されている。このような種類の接触接続部は極めて負荷に強い。なぜならば、接触個所が、圧電式のアクチュエータ３のカバー層４１か、または圧電式のアクチュエータ３のベース部分２３によって、あらゆる側で取り囲まれているからである。
【００３８】
さらには、ベース部分２３もセラミック製の材料から成っているので、電気的な線路２１と外部電極３７，３９との間の電気的な接続部を、電極層３３，３５と外部電極３７，３９との電気的な接続部が形成されるプロセスと同様の製造プロセスで製造することが可能である。これによって、製造プロセスの簡略化と、高められた処理量が得られる。
【００３９】
図２からは、本発明による圧電式のアクチュエータ３の主な別の特徴が判る。通常、圧電式のアクチュエータは周囲に対して液密にシールされていなければならない。これは従来のピエゾアクチュエータでは、圧電式のアクチュエータ３と、ヘッド部分２５と、ベース部分２３とを取り囲む金属ハウジングが配置されることによって行われていた。当然のことだがこの金属ハウジングは、破損することなく圧電式のアクチュエータ３のストロークを伝達できるように、弾性でなければならない。この金属ハウジングは、極めて費用のかかるものであり、電磁両立性を損なう。
【００４０】
本発明によるピエゾアクチュエータ３では、圧電式のアクチュエータ３と、ヘッド部分２５と、ベース部分２３とが、周壁４９によって取り囲まれている。この周壁４９は、圧電式のアクチュエータ３を完全に取り囲んでおり、ヘッド部分２５およびベース部分を部分的に取り囲んでいる。周壁４９は、ベース部分２３、ヘッド部分２５、および圧電式のアクチュエータ３を射出成形によりゴムまたは弾性プラスチックで包囲することで得られる。択一的には、周壁４９が収縮性チューブによって形成されていてもよく、この収縮性チューブ４９は、伸ばされた状態で、ベース部分２３、ヘッド部分２５、および圧電式のアクチュエータ３に押し被せられる。最終的に、この収縮性チューブ４９は加熱され、その結果、収縮する。これによって、圧電式のアクチュエータ３の、液密かつ十分に弾性なシールが得られる。
【００４１】
一方の周壁４９と、他方のベース部分２３およびヘッド部分２５との結合部をさらに負荷耐性に形成するために、ベース部分２３とヘッド部分２５とに複数の周面溝５１が設けられている。この周面溝５１は、周壁４９と、ベース部分２３およびヘッド部分２５との形状接続的な結合、つまり形状による束縛に基づいた結合を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるインジェクタの第１の実施例の縦断面図である。
【図２】本発明による圧電式のアクチュエータの実施例を部分的な縦断面で示した縦断面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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