(57)【要約】本発明は、変形自在の絶縁材内に絶縁材と直接接触するように少なくともある部分が配置された圧電スタックを含む、周囲を流動する媒体のための圧電アクチュエータに関する。絶縁材はハウジングシェルで形成された液密のアクチュエータハウジングに内包されており、ハウジングシェルの一端は寸法的に安定なアクチュエータ最上部により画定され、その他端は寸法的に安定なアクチュエータ底部により画定される。アクチュエータ最上部及びアクチュエータ底部は圧電スタックのアクティブな主面上に配置される。アクチュエータの耐用期間を延ばすため、ハウジングシェルは柔軟かつ／又は弾性を有する材料で作製され、あらゆる箇所において圧電スタックからある距離を置いて配置される。シェルの表面線に沿って計測された長さは、少なくとも圧電スタックの最大寸法に対応しており、かつ／又はハウジングシェルはそれに応じて伸長させることができる。絶縁材は電気絶縁性の流体及び／又はゲルであり、液密のアクチュエータハウジングの内容積を少なくとも大部分満たすものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形自在の絶縁材内に少なくともある領域にわたって前記絶縁材と直接接触するように配置された圧電スタックを備える、周囲を流動する媒体のための圧電アクチュエータであって、前記絶縁材は流体工学的に閉鎖されたアクチュエータハウジングに内包され、前記アクチュエータハウジングはハウジングシェルと前記ハウジングシェルに接続された寸法的に安定なアクチュエータ最上部と前記ハウジングシェルに同様に接続された寸法的に安定なアクチュエータ底部とによって形成され、前記アクチュエータ最上部と前記アクチュエータ底部とは前記圧電スタックのアクティブな主面上に配置され、前記アクチュエータ内において前記圧電スタックの電気接続線は前記アクチュエータ最上部及び／又は前記アクチュエータ底部を経由するか又はそれらの補助を得て前記アクチュエータハウジングから外部へ引き出されている圧電アクチュエータであって、
前記ハウジングシェル（４）は柔軟性かつ／又は弾性を有する材料で作製され、
前記ハウジングシェル（４）はあらゆる点において前記圧電スタック（１）からある距離を置いて配置され、
前記ハウジングシェル（４）の表面線に沿って計測された長さは少なくとも前記圧電スタック（１）の最大伸びに対応しており、かつ／又は前記ハウジングシェル（４）はそれに応じて伸長させることができ、
前記絶縁材（３）は電気絶縁性の流体及び／又はゲルであり、
前記アクチュエータハウジングの内容積は少なくとも大部分が前記絶縁材（３）によって満たされ、前記ハウジングシェル（４）と前記アクチュエータ底部（５ａ）と前記アクチュエータ最上部（５ｂ）とは前記絶縁材（３）と周囲を流動する前記媒体とに関して密閉状態で相互に接続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】
前記圧電スタック（１）が圧電セラミックを備えることを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータ最上部（５ｂ）と前記アクチュエータ底部（５ａ）とは相互に対して等距離に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記ハウジングシェル（４）の前記材料が、その周囲を流動する前記媒体、特に燃料に対し少なくとも高い耐性を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記アクチュエータハウジングの前記内容積は少なくとも大部分が気体を含まないことを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記絶縁媒体（３）の粘度が、周囲を流動する前記媒体の粘度にほぼ一致することを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記ハウジングシェル（４）の前記材料が電気的に中性であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータ最上部（５ｂ）と前記アクチュエータ底部（５ａ）とが異なる断面積を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記絶縁材（３）がシリコーン油であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記絶縁材（３）の熱伝導率が前記圧電スタック（１）の材料の熱伝導率に等しいか又はより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ最上部（５ｂ）及び／又は前記アクチュエータ底部（５ａ）が、前記圧電スタック（１）の伸長の主方向を横切って配置された前記圧電スタック（１）の指定されたアクティブな表面にそれぞれ対応する断面積を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータ最上部（５ｂ）及び／又は前記アクチュエータ底部（５ａ）が、前記圧電スタック（１）の電気接続線（２）のための、相互に対し電気的に絶縁された少なくとも２つの終端領域を有することを特徴とする、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
特に内燃機関、好ましくはガソリンエンジン又はディーゼルエンジンの噴射バルブのための、請求項１に記載の圧電アクチュエータの使用法。
【請求項１４】
比例弁のための、請求項１に記載の圧電アクチュエータの使用法。
【請求項１５】
ソノトロードのための、請求項１に記載の圧電アクチュエータの使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば総括的に確定した特許文献１に開示されるように、請求項１の前文による、周囲を流動する媒体のための圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの使用法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
総括的に確定した特許文献１は、変形自在の絶縁材内にこの絶縁材と直接接触するように配置された圧電スタックを含む、周囲を流動する媒体のための圧電アクチュエータを開示している。この絶縁材はアクチュエータハウジングに内包されている。アクチュエータハウジングはハウジングシェルによって形成され、このハウジングシェルの一端はアクチュエータの寸法的に安定した最上部に接続され他端はアクチュエータの寸法的に安定した底部に接続されている。アクチュエータ最上部及びアクチュエータ底部は圧電スタックのアクティブな主面に接続されている。圧電スタックの電気接続線はアクチュエータ最上部を貫通している。さらに、圧電スタックのアクチュエータ接続をアクチュエータの端板（アクチュエータ最上部又はアクチュエータ底部）までとすること、及び一方又は双方の端板を電気的接触面として用いることも考えられる。
【０００３】
前記電気的な絶縁材は、圧電スタックの外表面に直接支えられた例えばシリコーンなどの弾性プラスチックで形成されているので、使用中の圧電スタックの極めて急速な動きに追従しなければならない。その結果、絶縁材に亀裂が生じ絶縁材が離脱する危険があり、そのため周囲を流動する媒体が圧電スタック内に破壊的に進入することがある。
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８  １８  ０６８  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周囲を流動する媒体のためのそのようなアクチュエータの耐用期間を延ばすことが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本目的は、請求項１の特徴を有するアクチュエータにより達成される。請求された特徴を有する柔軟かつ／又は弾性を有する材料でハウジングシェルを形成することにより、気密のための分離層は圧電スタックの激しく動く表面に接触しない。この結果の一つとして、圧電セラミックを含む圧電スタックと絶縁材との間の磨耗の影響が少なくとも低下する。さらにこれは簡易な構造上の方策によって達成され、その結果、複雑な密閉装置を省くことが可能となる。
【０００７】
このように本発明によるアクチュエータは、周囲を流動する特に攻撃的な媒体、好ましくは加圧された燃料により圧電スタックが湿潤される可能性を少なくとも減ずる効果があり、アクチュエータ、すなわち圧電スタックの長さを自由に変化させることができる。
【０００８】
ハウジングシェルはすべての点において圧電スタックからある距離離れている。さらに、ハウジングシェルの表面線に沿って計測した長さは、少なくともアクチュエータの最大伸びに一致しており、かつ／又はハウジングシェルは、圧電スタックの伸長がハウジングシェルによって受容可能なように少なくとも相応に伸長させることができる。
【０００９】
絶縁材は好ましくは大部分が圧縮不可能な媒体で形成されているので、その寸法の変化、例えば圧電スタックの伸長によるハウジングシェル径の縮小、はハウジングシェルの長さの寸法決定、特に圧電スタックの伸長の方向において考慮に入れることができる。
【００１０】
さらに、電気絶縁性の流体、特に液体、及び／又はゲルがハウジングシェルと圧電スタックとの間に導入され、この絶縁材、特にシリコーン油はアクチュエータハウジングの内容積を少なくとも大部分満たすものである。このようにして、アクチュエータハウジングの内容積の少なくとも大部分には圧縮性の気体は存在しない。
【００１１】
請求された構成の場合、流体の絶縁材のみが圧電スタックと接触している。従って、ここで生じる可能性のあるせん断力は小さいため、アクチュエータの耐用期間が長くなる。この背景に反して、圧電スタックとの間に生じる摩擦熱の除去のため絶縁材が良好で高い熱伝導率を有していれば有利である。
【００１２】
同じことは圧電スタックからの熱の除去についても当てはまり、そのため絶縁材の熱伝導率は圧電スタックの材料の熱伝導率に等しいかそれを上回ることが好ましい。
【００１３】
ある有利な方式では、同じことが２枚の端板（アクチュエータ最上部及びアクチュエータ底部）の熱伝導率に当てはまり、それによって作動中に生じる熱の、周囲を流動する媒体への放散が容易になり、かつ／又は改善される。
【００１４】
アクチュエータの周囲を流動する媒体、とりわけ内燃機関の運転のための燃料は化学的に又は他の意味において攻撃的な性質を有しても差し支えないので、予期されるこれらストレスに対し少なくとも十分に耐性を有する材料がハウジングシェルの材料として便宜的に選択される。
【００１５】
絶縁媒体の粘度を周囲を流動する媒体の粘度にほぼ一致する事が出来る場合は周囲を流動する媒体によるハウジングシェルの材料の負荷を更に低下させることが出来る。
【００１６】
特に端板が電気接点として用いられているアクチュエータを使用する場合、ハウジングシェルの材料には電気絶縁性を有する材料が適している。
【００１７】
用途に応じて、例えば油圧技術においては、アクチュエータ底部とは異なる断面積を有するアクチュエータ最上部を形成することが好ましい。さらなる方式では、アクチュエータ最上部及び／又はアクチュエータ底部はそれぞれの使用条件に適合した断面積を有する。
【００１８】
本発明によるアクチュエータの好適な使用法は、特に内燃機関、好ましくはガソリンエンジン又はディーゼルエンジンの噴射バルブ内及び／噴射バルブとしてである。さらに、このようなアクチュエータを比例弁及び／又はソノトロードにおいて用いてもよい。
【００１９】
適切な改良は従属項から得ることができる。図面に示されている例示的実施形態に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１には、本発明によるアクチュエータの組立分解図が示されている。このアクチュエータは、圧電セラミックからなる多層の圧電シートを含む中央に配置された（ピエゾ）圧電スタック１を内部に備えている。
【００２１】
圧電スタック１は電気絶縁材３、特にシリコーン油に取り巻かれている。絶縁材３は外側をハウジングシェル４に取り巻かれ、ハウジングシェル４は絶縁材３に関して密閉されている。
【００２２】
圧電スタック１のアクティブな主面上には、一方には寸法的に安定なアクチュエータ最上部５ｂが、他方には寸法的に安定なアクチュエータ底部５ａが好ましくは相互に等距離で配置されている。
【００２３】
アクチュエータ底部５ａ及びアクチュエータ最上部５ｂは双方とも絶縁材３及び周囲を流動する媒体に関して密閉状態でハウジングシェル４に接続されている。アクチュエータ底部５ａ、アクチュエータ最上部５ｂ、及びハウジングシェル４は一体として、少なくとも絶縁材３及び周囲を流動する媒体に関して密閉されたアクチュエータハウジングを形成する。
【００２４】
アクチュエータ最上部５ｂには電気接続線２が延びており、電気接続線２は、電気を通すが相互に関して絶縁となるような方式によってアクチュエータ最上部５ｂの領域に双方とも接続されている。接続線２の一方は、圧電シートの単極領域にそれぞれ接続される。それらは電圧を供給するとともに圧電スタック１の伸縮を制御する役割を果たす。このようにして、これら接続線２に接続されたアクチュエータ最上部５ｂの対応する領域はアクチュエータの電気的制御のための接触面となる。
【００２５】
この例示的実施形態では、ハウジングシェル４は柔軟な、好ましくは耐引き裂き性のある材料で構成される。これはすべての点において圧電スタック１から必ずしも一定でない距離を置いて配置される。
【００２６】
図２及び３において、図１に示したアクチュエータは、その周囲を加圧されて（矢印参照）流動している内燃機関用燃料、好ましくはガソリンエンジン又はディーゼルエンジン用燃料の中に描かれている。作動時は柔軟な材料で作製されたハウジングシェル４は、不規則かつ、軸方向（圧電スタック１の伸長の主方向に沿う）及び半径方向（図２参照）に同時に押圧された形状をもつ。圧電スタック１を完全に伸長させると（図３参照）、ハウジングシェル４は伸長して直線に近づく。
【００２７】
図で明らかなようにハウジングシェル４の表面線に沿って計測した最小長さは、少なくともアクチュエータの最大伸長値に対応している。ハウジングシェルの表面線に沿った長さはまた、少なくとも圧電スタックが伸長するときに生ずる可能性のある絶縁材３の変形に対する補償も含んでいる。
【００２８】
液体及び／又はゲル状の絶縁材３、好ましくはシリコーン油の変形は流体の非圧縮性に基づいている。圧電スタック１が伸長するとき、圧縮不可能な絶縁材３の体積は同じままなので、その形状が変化しなければならない。これは例えば図７に表わされるように円筒状から収縮した円筒状への変形を生じることがある。
【００２９】
この結果、圧電スタック１が完全に伸長したとき（図２及び３を参照）、シェルの最小長さは通常、２枚の端板５の間の距離よりも若干大きくなる。単に柔軟で弾性のない材料の場合、ハウジングシェルの長さの寸法決定においては前記の補償を考慮に入れるべきである。弾性のある材料の場合、圧電スタック１の補償された長さ及び／又は変位は特に材料の弾性のみによって与えられる。
【００３０】
図４による例示的実施形態は多くの部分において前記の図面で示したものと同様である。しかしこの描写にはアクチュエータ最上部５ｂ及び絶縁流体が示されていない。しかしながら、この例示的実施形態の場合、制御線７は図示しないアクチュエータ最上部５ｂを貫通して外部に導かれ、相互に電気的に絶縁されている。
【００３１】
他方、図５に示すような例示的実施形態では、一方の接続線はアクチュエータ底部５ａに電気的に導通するように接続され、他方はアクチュエータ最上部５ｂに接続される。特にこの場合において、ハウジングシェル４は電気絶縁材料で作製されるべきである。
【００３２】
図６及び７に表わされているのは、アクチュエータ底部５ａ及びアクチュエータ最上部５ｂが異なる横断面を有するアクチュエータである。ここで、これらの端板は圧電スタック１のための電気接続部として機能する。ハウジングシェル４は、電気的な絶縁性及び弾性を有する材料で作製される。圧電スタック１の弛緩状態（応力がゼロに等しい）では、ハウジングシェルの長さは、それらに密閉状態で接続された２枚の端板５の間の距離よりも大きく、その結果、ハウジングシェルは柔軟な印象を与える。
【００３３】
圧電スタック１の完全伸長状態（図７参照）では、上述の理由により、ハウジングシェル４の表面線は２枚の端板５の間で直線的（平行）に延在せず狭窄を伴う。
【００３４】
この例示的実施形態において付加的に柔軟に取り付けられたハウジングシェル４の前記弾性材料を用いると、前記補償された長さは、圧電スタック１の緊縮位置と比較して大きいシェルの長さと、ハウジングシェル４の材料の弾性とによって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】アクチュエータの組立分解図。
【図２】媒体内に配置された、弛緩状態にある、図１に示されたアクチュエータを示す図。
【図３】完全伸長状態にある、図１に示されたアクチュエータを示す図。
【図４】アクチュエータ最上部が開放され、電線路が一方の側においてアクチュエータハウジングから引き出されたアクチュエータを示す図。
【図５】電線路が両方の端板に配置されたアクチュエータを示す図。
【図６】異なる端板とハウジングシェルのための弾性材料とを備えたアクチュエータを示す図。
【図７】圧電スタックが伸長状態にある、図６に示されたアクチュエータを示す図。
【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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【国際調査報告】
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