(57)【要約】  本発明は、複数のセラミック層（２６，２７）およびこれらのセラミック層のあいだに配置された複数の電極層（２８，２９）を含むアクチュエータボディ（２３）を備えた燃料噴射弁（１）用の圧電アクチュエータモジュール（１９）に関する。本発明によれば、アクチュエータボディの外面（３５）にベース層（３８）が被着されており、このベース層の設けられたアクチュエータボディを中心として金属層（４０）が巻き回されており、絶縁層（３９）によってベース層と金属層とが分離されている。
2010535971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック層（２６，２７）および該複数のセラミック層のあいだに配置された複数の電極層（２８，２９）を含む少なくとも１つのアクチュエータボディ（２３）を備えた圧電アクチュエータモジュール（１９）、特に燃料噴射弁用の圧電アクチュエータモジュールにおいて、
前記アクチュエータボディの外面（３５）を少なくともほぼ包囲するようにベース層（３８）が被着されており、
該ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として金属層（４０）が巻き回されており、
少なくとも１つの絶縁層（３９）によって前記ベース層と前記金属層とが分離されている
ことを特徴とする圧電アクチュエータモジュール。
【請求項２】
前記絶縁層は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん巻き回されており、前記金属層は前記絶縁層とともに巻き回された前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん巻き回されている、請求項１記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項３】
前記絶縁層は接着剤層（４２）を介して前記金属層に接合されている、請求項２記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項４】
前記絶縁層は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディに直接に載置されている、請求項３記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項５】
前記絶縁層と前記ベース層とはそれぞれの材質による結合を形成しない、請求項３または４記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項６】
前記絶縁層および前記金属層を含む多層構造体（４１）が設けられており、該多層構造体は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん載置されている、請求項１記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項７】
前記多層構造体は前記絶縁層と前記金属層とのあいだにバインダ層（４３）を備えている、請求項６記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項８】
前記多層構造体は少なくとも１つの外面に接着剤層（４２）を備えている、請求項６または７記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項９】
前記接着剤層は前記絶縁層の一方側に設けられている、請求項８記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１０】
前記金属層は少なくともほぼ平行四辺形の幾何学的形状を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１１】
前記金属層は少なくともほぼ２つの平行四辺形が合わさった形の幾何学的形状を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１２】
空気圧縮型かつ自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁（１）、特にインジェクタであって、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール（１９）と、該圧電アクチュエータモジュールによって作動されて弁座面（１１）に対する密閉面を形成する弁閉鎖体（１２）とを有していることを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、燃料噴射弁用の圧電アクチュエータモジュールおよび圧電アクチュエータモジュールを備えた燃料噴射弁に関連する。特に、本発明は、空気圧縮型かつ自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置用のインジェクタに関連する。
【０００２】
独国公開第１０２１７３６１号明細書から、圧電素子およびこれを備えた噴射ノズルが公知である。当該の圧電素子は、複数の圧電セラミック層と複数の内部電極層とが上下に交互に積層されたセラミック層列を含む。このセラミック層列の一部の表面上に有機材料から形成される有機絶縁層が配置されており、さらに、この有機絶縁層上に無機材料から形成される無機絶縁層が配置されている。ここで、有機絶縁層は圧電素子の膨張・収縮を吸収する充分な弾性を有するが、湿分の浸透を阻止できず、湿分に対して透過性を有する。これに対して、無機絶縁層は湿分の浸透は阻止できるが、弾性を有さない。
【０００３】
前掲の独国公開第１０２１７３６１号明細書から公知の圧電素子およびこれを備えた噴射ノズルは、その製造に大きなコストがかかるという欠点を有する。また、製造中または動作中に無機絶縁層に孔や亀裂が発生し、そこから有機絶縁層へ燃料が浸透して内部電極層が短絡してしまうという問題も存在する。
【０００４】
発明の開示
本発明の請求項１の特徴を有する圧電アクチュエータモジュールおよび請求項１２の特徴を有する燃料噴射弁は、低コストに製造可能であり、媒体に対する確実な保護が達成されるという利点を有する。これにより、高い信頼性および機能性が保証される。
【０００５】
従属請求項には本発明の圧電アクチュエータモジュールまたは燃料噴射弁の有利な実施形態が挙げられている。
【０００６】
本発明によれば、絶縁層はベース層の設けられたアクチュエータボディを中心として１層ぶんまたは複数層ぶん巻き回されており、金属層は絶縁層とともに巻き回されたアクチュエータボディを中心として１層ぶんまたは複数層ぶん巻き回されている。このとき、ベース層の設けられたアクチュエータボディは、有利には、まず絶縁層とともに数回巻き回され、絶縁層とベース層との物質による結合は生じない。特に、絶縁層とアクチュエータボディとを接合する材料、例えば接着剤は用いられない。ついで、金属層が絶縁層とともに巻き回されたアクチュエータボディを中心として数回巻き回され、ここで、金属層と絶縁層とを接合するために接着剤層が設けられる。これにより、絶縁層の位置は剛性の金属層によって保持され、金属層とベース層とのあいだのさらなる電気的絶縁が達成される。このようにすれば、圧電アクチュエータモジュールの製造が簡単化される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例の圧電アクチュエータモジュールを備えた燃料噴射弁の断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した断面の第１の形態の断面図である。
【図３】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した断面の第２の形態の断面図である。
【図４】図３の囲み部分ＩＶの詳細図である。
【図５】本発明の圧電アクチュエータモジュールの金属層、絶縁層および／または多層構造体の第１の幾何学的形状を示す図である。
【図６】本発明の圧電アクチュエータモジュールの金属層、絶縁層および／または多層構造体の第２の幾何学的形状を示す図である。
【０００８】
絶縁層により、金属層を介して発生しうる短絡に対する確実な防止手段が得られる。特に、ベース層の材料は形状の持続性を有さず、金属層とともに巻き回すことにより塑性変形可能である。絶縁層により、アクチュエータボディの外面と金属層との接触が阻止される。
【０００９】
有利には、絶縁層は少なくとも１つのポリプロピレンスルフィドおよび／または少なくとも１つのポリイミドをベースとして形成される。
【００１０】
有利には、絶縁層および金属層を含む多層構造体が設けられ、この多層構造体がアクチュエータボディを中心として１層ぶんまたは複数層ぶん巻き回される。こうした多層構造体は圧電アクチュエータモジュールの製造を容易にする。また、こうした多層構造体によって、機械的に負荷される金属層を利用した絶縁層の固定が確実となり、絶縁層の機械的保護が保証される。このために、特に有利には、多層構造体は絶縁層と金属層とのあいだにこれらを接合するバインダ層を有する。
【００１１】
さらに有利には、多層構造体は少なくとも１つの外面に接着剤層を備える。これにより多層構造体がベース層に確実に固定され、多層構造の場合、つまり多層構造体が複数層ぶん巻き回される場合に、上下に位置する個々の層の接合が保証され、高い機械的安定性が達成される。
【００１２】
有利には、金属層はアクチュエータボディに適合する幾何学的形状を有する。特に、金属層は簡単な長方形の形状を有しており、アクチュエータボディおよび金属層の１層ぶんまたは複数層ぶんの巻き回しが容易になる。
【００１３】
有利には、金属層は少なくともほぼ平行四辺形の幾何学的形状を有する。これにより、アクチュエータボディを巻き回す際に螺旋形の巻き回しが行われる。また、有利には、金属層は少なくともほぼ２つの平行四辺形が合わさった形の幾何学的形状を有する。このようにすると、互いに反対向きの２つの螺旋の形態で巻き回しを行うことができる。もちろん、単純螺旋ないし二重螺旋の巻き回しが可能となる形状であれば、これらは理想的な平行四辺形または２つの平行四辺形が合わさった形から或る程度偏差していてもよい。こうした構造は、巻き回しのための付加的な弾性が得られるという利点を有する。これは特に、複数のアクチュエータボディと場合により１つまたは複数の中間部材とを有するために構造長さが長くなるアクチュエータモジュールで有利である。また、こうした長い構造の圧電アクチュエータモジュールの製造が容易となる。
【００１４】
本発明を図示の有利な実施例に則して詳細に説明する。図中、同一の素子には相応する参照番号を付してある。
【００１５】
本発明の実施例
図１には、本発明の第１の実施例の圧電アクチュエータ２を備えた燃料噴射弁１が示されている。燃料噴射弁１は特には空気圧縮型かつ自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置用のインジェクタである。有利には、燃料噴射弁１は、コモンレールを備えた燃料噴射装置に対して用いられ、高圧のディーゼル燃料を複数の燃料噴射弁１へ供給する。本発明の圧電アクチュエータ２は特にこうした燃料噴射弁１の駆動および圧電アクチュエータ２の逆駆動に適している。しかし、本発明の燃料噴射弁１および圧電アクチュエータ２は他の適用例にも適する。
【００１６】
燃料噴射弁１は弁ケーシング３とこの弁ケーシング３に接続された燃料流入ピラー４とを有する。燃料流入ピラー４は燃料管に接続されており、これにより燃料噴射弁１がコモンレールを介してまたは直接に高圧ポンプへ接続される。燃料は燃料流入ピラー４を介して弁ケーシング３の内部に設けられたアクチュエータ室５へ流入し、燃料噴射弁１の動作時には燃料が圧電アクチュエータ２のアクチュエータ室５内に存在することになる。アクチュエータ室５はケーシング部材６によって弁ケーシング３の内部に設けられた燃料室８から分離されている。ケーシング部材６には燃料流入ピラー４を介してアクチュエータ室５へ供給される燃料を燃焼室７内へ流入させる流入開口８，９が設けられている。
【００１７】
弁ケーシング３は弁座体１０に接続されており、そこに弁座面１１が形成されている。弁座面１１は弁閉鎖体１２に対して密閉面（密閉位置）を形成する。ここで、弁閉鎖体１２は弁ニードル１５と一体に構成されており、この弁ニードル１５を介してアクチュエータ室５に存在する圧力板１６に接続されている。弁ニードル１５は、ケーシング部材６を通して、燃料噴射弁１の軸線１７に沿って案内されている。さらに、一方側でケーシング部材６に接し、他方側で圧力板１６に接するばね素子１８が圧電アクチュエータ２にあらかじめ応力をかけており、応力の印加により、弁ニードル１５が圧力板１６によって操作される。こうして弁閉鎖体１２と弁座面１１とのあいだに形成される密閉面が閉じる。
【００１８】
また、弁ケーシング３は、燃料噴射弁１の電気的接続を可能にする接続素子２０を有している。当該の接続素子２０がプラグとなって電気線路２１，２２の接続が行われる。電気線路２１，２２は弁ケーシング３ならびにアクチュエータボディ２３の脚部２４を通して案内されている。アクチュエータボディ２３にはさらに頭部２５が存在しており、そこでアクチュエータボディ２３はばね素子１８のばね力に対して反対向きに圧力板１６に作用する。圧電アクチュエータ２は図示の実施例ではアクチュエータボディ２３、脚部２４および頭部２５を有しており、これらがアクチュエータモジュール１９を形成している。
【００１９】
アクチュエータモジュールを２つ以上のアクチュエータボディ２３から形成してもよい。その場合、個々のアクチュエータボディ２３のあいだに中間部材が設けられるか、または、個々のアクチュエータボディ２３が各端面で相互に接着される。
【００２０】
圧電アクチュエータ２のアクチュエータボディ２３は複数のセラミック層２６，２７とそのあいだに配置される複数の電極層２８，２９とを有する。図１では、簡単化のために、セラミック層２６，２７および電極層２８，２９しか示されていない。電極層２８，２９は交互に電気線路２１または電気線路２２へ接続されており、セラミック層２６，２７のあいだで交互に正の電極または負の電極となっている。
【００２１】
電気線路２１，２２を介して圧電アクチュエータ２が充電されるとこの圧電アクチュエータ２が軸線１７の方向に膨張し、弁閉鎖体１２と弁座面１１とのあいだに形成される密閉面が開かれる。これにより、燃料が燃料室８から環状空隙３０および開放された密閉面を通って噴射される。圧電アクチュエータ２が放電されるとこの圧電アクチュエータ２はこんどは収縮し、弁閉鎖体１２と弁座面１１とのあいだに形成される密閉面が再び閉じられる。
【００２２】
本発明の圧電アクチュエータ２のアクチュエータモジュール１９の第１の形態を図１および図２に則して詳細に説明する。アクチュエータボディ２３の外面３５には、電気線路２１，２２に接続された外側電極３６，３７が設けられている。図示の実施例では、電極層２８，２９は外側電極３６，３７を介して交互に電気線路２１，２２に接続される。ただし、外側電極３６，３７の一方または双方が内部電極として形成されていてもよい。
【００２３】
さらに、アクチュエータボディ２３の外面３５にはベース層３８が被着されており、これは、外側電極３６，３７の近傍ではこれらの外側電極３６，３７を覆っている。ベース層３８は少なくとも部分的にアクチュエータの脚部２４の上および頭部２５の上に延在している。ベース層３８は個々の電極層２８，２９のあいだの電気的なブレークダウン耐性を保証する。また、ベース層３８はアクチュエータボディ２３の外面３５を周囲に対して、特にアクチュエータ室５内の燃料に対して封止する。ベース層３８は動作中のアクチュエータボディ２３の膨張に追従するための弾性を有するように形成されるので、破断にはいたらない。ベース層３８は例えばシリコーンエラストマーまたはペルフルオロエーテルをベースとして形成されるかまたは外面３５上にレジストとして被着される。
【００２４】
圧電アクチュエータモジュール１９は電気的絶縁性を有する絶縁層３９を有しており、有利には、ベース層３８の設けられたアクチュエータボディ２３ならびに部分的にベース層３８を有する移行部すなわちアクチュエータの頭部２４および脚部２５を中心として、有利には多重に巻き回されている。絶縁層３９は接着剤層によってベース層３８に接続されている。
【００２５】
絶縁層によって包囲されたアクチュエータボディ２３および２つの移行部である脚部２４および頭部２５の周囲にはさらに金属層４０が巻き回される。ここで、金属層４０は絶縁層３９の周囲に多重に巻き回される。絶縁層３９は有利には接着剤層を介して金属層４０に接続され、この場合、絶縁層３９は接着剤層その他なしでベース層３８を有するアクチュエータボディ２３の周囲に巻き回される。絶縁層３９の機械的な安定性は剛性の金属層４０によって保証される。
【００２６】
絶縁層３９により、金属層４０とアクチュエータボディ２３との接触ひいては電極層２８，２９間の短絡が防止される。例えば、金属層４０とともに巻き回されるときに発生する機械的な力によってベース層３８が塑性変形するおそれが存在する。電気的絶縁層３９は、ベース層３８の材料への要求を低減し、その選択可能性を広げるという利点を有する。ベース層３８，絶縁層３９および金属層４０の巻き回しは有利にはベース層３８の硬化後に行われる。金属層４０はベース層３８への影響に対して高い機械的抵抗力および化学的抵抗力を有しているので、ベース層３８の媒体耐性および機械的耐性への要求も低減される。金属層４０は有利にはアルミニウムまたはステンレス貴金属から形成される。
【００２７】
また、絶縁層３９は金属層４０と外側電極３６，３７とのあいだの短絡を防止する。さらに、絶縁層３９により、金属層４０と場合により金属から形成される付加的部材すなわちアクチュエータの脚部２４ないし頭部２５との電気的接触が生じない。これにより、アクチュエータ２の結合容量の低下が回避される。
【００２８】
図３には、圧電アクチュエータ２のアクチュエータモジュール１９の第２の形態が示されている。この形態においても、第１の形態と同様に、外側電極３６，３７を有するアクチュエータボディ２３がベース層３８によって包囲されている。ただしここでは、絶縁層３９および金属層４０を含む多層構造体４１が設けられている。多層構造体４１はこの場合には２重にアクチュエータボディ２３に巻き回されており、２層構造である。多層構造体４１は有利には絶縁層３９に接続されている。さらには多層構造体４１の個々の層が相互に接合されている。多層構造体４１は僅かなコストでアクチュエータボディ２３に巻き回すことができる。多層構造体４１の構造は図４に則して詳細に説明する。
【００２９】
図４には、図３の圧電アクチュエータモジュール１９の囲みＩＶの部分が詳細に示されている。多層構造体４１は層列４１Ａ，４１Ｂを有し、それぞれ順に接着剤層４２，絶縁層３９，バインダ層４３および金属層４０を有する。層列４１Ａの絶縁層３９は層列４１Ａの接着剤層４２を介してベース層３８に接合されている。また、層列４１Ａ内部では、金属層４０はバインダ層４３を介して絶縁層３９に接続されている。層列４１Ｂの絶縁層３９は層列４１Ｂの接着剤層４２を介して層列４１Ａの金属層４０に接合されている。このようにすれば、多層構造体４１を備えた圧電アクチュエータモジュール１９に高い機械的耐性が得られる。
【００３０】
絶縁層３９と金属層４０とのあいだのバインダ層４３を省略できることに注意されたい。また、接着剤層４２を省略してもよい。
【００３１】
金属層４０は有利な結合を達成するためにレジスト、シリコーンエラストマーまたはペルフルオロエーテルに含浸することができる。ここでの結合にはベース層３８と同じ材料を利用できる。金属層４０の含浸は巻き回しの後に行われる。これに代えて、バインダ材料を金属層への巻き回し前に例えばブレードコーティングによって被着してもよい。これは例えば多層構造体４１のバインダ層４３に則して説明したのと同様である。
【００３２】
図５には、本発明の絶縁層３９，金属層４０および多層構造体４１の幾何学的形状の第１の例が示されている。他の例については金属層４０または多層構造体４１に即して後述する。例えば多層構造体４１は長方形状を有し、その１つの側辺がアクチュエータボディ２３の周より長く、他の側辺がアクチュエータモジュール１９の構造長さより長く構成されることができる。図５の実施例では、多層構造体４１の幾何学的形状は長方形とは異なっており、平行四辺形の側辺４４がアクチュエータボディ２３の周より長く選定されており、また、平行四辺形の高さ４５はアクチュエータボディ２３の構造長さより長く選定されている。アクチュエータモジュール１９の取り付け時の巻き方向４６は有利には側辺４４に対して平行となるように選定される。これによりアクチュエータボディ２３，脚部２４および頭部２５は単純螺旋状に巻き回される。こうした幾何学的形状は特にアクチュエータモジュール１９の構造長さが大きいときに有利である。
【００３３】
図６には、本発明の金属層４０の幾何学的形状の第２の例が示されている。ここでは、金属層４０は２つの平行四辺形が合わさった形を有し、相互に反対向きの２つの螺旋として巻き回される。２つの平行四辺形が合わさった形の側辺４４はアクチュエータの周より長く選定されており、また、２つの平行四辺形が合わさった形の高さ４５はアクチュエータボディ２３の長さより大きく選定されている。巻き方向４６は有利には側辺４４に対して平行となるように選定される。
【００３４】
多層構造体４１の幾何学的形状について、他の構造、例えば図５の平行四辺形または図６の２つの平行四辺形が合わさった形を用いることができる。
【００３５】
本発明を有利な実施例に則して説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
2010535971.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月14日(2010.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック層（２６，２７）および該複数のセラミック層のあいだに配置された複数の電極層（２８，２９）を含む少なくとも１つのアクチュエータボディ（２３）を備えた圧電アクチュエータモジュール（１９）において、
前記アクチュエータボディの外面（３５）を包囲するようにベース層（３８）が被着されており、
該ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として金属層（４０）が巻き回されており、
少なくとも１つの絶縁層（３９）によって前記ベース層と前記金属層とが分離されている
ことを特徴とする圧電アクチュエータモジュール。
【請求項２】
前記絶縁層は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん巻き回されており、前記金属層は前記絶縁層とともに巻き回された前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん巻き回されている、請求項１記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項３】
前記絶縁層は接着剤層（４２）を介して前記金属層に接合されている、請求項２記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項４】
前記絶縁層は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディに直接に載置されている、請求項３記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項５】
前記絶縁層と前記ベース層とはそれぞれの材質による結合を形成しない、請求項３または４記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項６】
前記絶縁層および前記金属層を含む多層構造体（４１）が設けられており、該多層構造体は前記ベース層の設けられた前記アクチュエータボディを中心として少なくとも１層ぶん載置されている、請求項１記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項７】
前記多層構造体は前記絶縁層と前記金属層とのあいだにバインダ層（４３）を備えている、請求項６記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項８】
前記多層構造体は少なくとも１つの外面に接着剤層（４２）を備えている、請求項６または７記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項９】
前記接着剤層は前記絶縁層の一方側に設けられている、請求項８記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１０】
前記金属層は平行四辺形の幾何学的形状を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１１】
前記金属層は２つの平行四辺形が合わさった形の幾何学的形状を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１２】
前記圧電アクチュエータモジュールは燃料噴射弁のインジェクタに使用される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール。
【請求項１３】
空気圧縮型かつ自己着火式の内燃機関の燃料噴射装置用の燃料噴射弁（１）であって、請求項１から１２までのいずれか１項記載の圧電アクチュエータモジュール（１９）と、該圧電アクチュエータモジュールによって作動されて弁座面（１１）に対する密閉面を形成する弁閉鎖体（１２）とを有していることを特徴とする燃料噴射弁。
【国際調査報告】
2010535971.tif 000009
2010535971.tif 000010
2010535971.tif 000011
2010535971.tif 000012