(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の圧電式アクチュエータを製造するための方法であって、以下の方法段階つまり、
圧電式のセラミック材料よりフィルム（１０）を製造し、
該フィルム（１０）の少なくとも１つの表面に電極（３）を被着し、
フィルム（１０）を積み重ねて圧縮して１つのスタックを形成し、
該スタックを各アクチュエータ（１）に分離する、
方法段階で行う方法において、
フィルム（１０）を積み重ねる前に、しかも焼結する前に、それぞれのアクチュエータ（１）のための少なくとも１つの切欠（１１）をフィルム（１０）に設け、フィルム（１０）の切欠（１１）を、積み重ね時に正確に整列させて互いに上下に配置し、それによって各アクチュエータ（１）の貫流開口（３１）を形成することを特徴とする、圧電式アクチュエータを製造するための方法。
【請求項２】
フィルム（１０）を積み重ねる前に、しかも焼結する前に、各アクチュエータ（１）の外側輪郭（１４）をフィルム（１０）に予成形する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
フィルム（１０）に、各アクチュエータ（１）に配属されたアクチュエータ領域（１３）と、フレーム領域（１７）と、前記アクチュエータ領域（１３）をフレーム領域（１７）に接続する接続ウエブ（１６）とを形する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
各アクチュエータ領域（１３）に２つの接続ウエブ（１６）を配属し、これらの接続ウエブ（１６）を直径方向で互いに向き合って配置する、請求項３記載の方法。
【請求項５】
アクチュエータ領域（１３）を円環状に構成する、請求項３又は４記載の方法。
【請求項６】
フィルム（１０）のフレーム領域（１７）を、このフレーム領域（１７）が、外側フレーム（１８）と、該外側フレーム（１８）内に列状に配置された横方向クロスバー（１９）とを有するように構成し、この際に、接続ウエブ（１６）が、アクチュエータ領域（１３）を横方向クロスバー（１９）又は外側フレーム（１８）に接続するようにする、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
フィルム（１０）を、積み重ねる時に、フィルム（１０）のフレーム領域（１７）に設けられたセンタリング孔（２２）によってセンタリングする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
接続ウエブ（１６）を、焼結後に分離面（２０）で分離する、請求項３から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
接続ウエブ（１６）の分離を、鋸、フライス切断、レーザー切断又は折り取りによって行う、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
接続ウエブ（１６）の分離面（２０）に、分離後に、電極（３）を接続するための少なくとも１つの導体路（６）を被着する、請求項８又は９記載の方法。
【請求項１１】
前記切欠（１１）を打ち抜き成形又はレーザー切断によって行う、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
電極（３）が切欠（１１）に対して及び／又はアクチュエータ（１）の外側輪郭（１４）に対して所定の間隔（ａ）を保って配置されるように、電極（３）を被着する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した形式の、特に燃料噴射弁のための多数の圧電式アクチュエータを製造するための方法に関する。
【０００２】
特に燃料噴射弁を操作するための圧電式アクチュエータは、種々異なる構造のものが、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９５００７０６号明細書又はドイツ連邦共和国特許第４３０６０７３号明細書により公知である。圧電式アクチュエータは、互いに上下に積み重ねられた多数の圧電層より成っており、これらの圧電層はの、それぞれ１つの表面には電極が被着されている。一般的な圧電式アクチュエータは、このような互いに上下に層を成して配置された多数の圧電層より成っている。このような形式で比較的大きい操作行程（操作ストローク）が得られる。例えばドイツ連邦共和国特許公開第３７１３６９７号明細書に詳しく記載されているように、各圧電層の電極は、各層内で同じ方向に向けられた電界を生ぜしめるために、交互に電圧源に接続されるようにしなければならない。この場合、それぞれ２番目の電極が、１つの電圧源の第１の極に接続され、これに対してこれらの２番目の電極の間に位置する電極は、１つの電圧源の第２の極に接続されている。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５３４４４５号明細書によれば、中央の貫通部を有する圧電式アクチュエータが公知である。
【０００４】
圧電式アクチュエータを製造する際には、従来では、薄いフィルム若しくはシート(Folien)を圧電式のセラミック材料より製造し、このフィルムの表面に例えば蒸着又はスパッタリングによって電極を被着する。次いでフィルムを互いに上下に積み重ねて圧縮する。次いで、積み重ねられたフィルムを焼結し、それによって各層を互いに焼き付ける(verbacken)。次いで積み重ねられたスタックは例えば鋸引きによってそれぞれのアクチュエータに分離される。
【０００５】
燃料噴射弁を操作するために設けられたアクチュエータが、コンパクトな構造を得るために、燃料のための中央の貫流開口を有して構成される限りは、この中央の貫流開口は、従来では、積みかさね及び燒結後に行われる切削作業段階、一般的には穿孔によって形成される。しかしながら切削作業段階は費用がかかるものであって、しかも燒結されたセラミック層は、比較的高い硬度を有しているので、なおさら費用は高くなる。さらに従来では、穿孔によって製造された中央の貫流開口は、電極間の短絡を避けるために、精密加工によって後処理する必要がある。また特に、穿孔によっては単に丸い貫流開口しか製造することができないという欠点がある。しかしながら実際には、別の形状の貫流開口を製造する必要がある。積み重ねられ、燒結されたフィルムを鋸引きによって個別のアクチュエータに分離することによって、方形横断面を有するアクチュエータが形成される。しかしながら中空円筒形のケーシング輪郭形状を有する燃料噴射弁に組み付けるためには、組み付けスペースを節約するために円筒形の外側輪郭形状を有する圧電式アクチュエータが有利である。鋸引きによって形成された方形横断面を有する直方体状のアクチュエータから、円形横断面を有する円筒形のアクチュエータを製造するために、アクチュエータを再びフライス切削又は回転切削によって後加工する必要があり、これは比較的高価であって、高い製造コストを必要とする。
【０００６】
発明の利点
これに対して、請求項１の特徴部に記載した構成を有する圧電式アクチュエータを製造するための本発明による方法は、積み重ね及び燒結の前にフィルムに相応の切欠を設け、この切欠がフィルムを積み重ねた後でアクチュエータの中央の貫流開口部を形成することによって、各アクチュエータのための中央の貫流開口を簡単に製造することができるという利点を有している。このために、フィルムを、積み重ねる前に互いに正確に整列合致させて配置する必要があるが、これは、例えばフィルムに設けられたセンタリング開口によって困難なしに可能である。フィルムを互いに正確に整列させることによって、滑らかな内壁を有する中央の貫流開口が得られ、これは後加工を必要としない。従って本発明による方法は特に大量生産において著しく合理的に用いることができる。切削加工は必要としない。
【０００７】
別の利点は、円形の貫流開口だけではなく、その他の輪郭形状を有する貫流開口も製造することができるという点にある。
【０００８】
従属請求項に記載した手段によって、請求項１に記載した方法の有利な変化実施例及び改良が可能である。
【０００９】
本発明の方法によれば、中央の貫流開口のための内側輪郭形状だけではなく、アクチュエータの外柄輪郭も予成形（前もって成形）することができる。このためには各フィルムは、積み重ね前に、これらのフィルムが積み重ね後にアクチュエータを形成する多数のアクチュエータ領域を有していて、これらのアクチュエータ領域が接続ウエブを介して、アクチュエータ領域を保持するフレーム領域に接続するように成形される。接続ウエブの外側でアクチュエータ領域は、既にその最終的な輪郭形状を有しており、この場合フィルムは、アクチュエータ領域の外側、接続ウエブの外側及びフレーム領域の外側で、例えば打つ抜き成形又はレーザー切断によって分離される。この場合、積み重ねて燒結されたアクチュエータが切削加工段階例えば回転切削又はフライス切削によって後加工する必要なしに、例えば円形アクチュエータ外側輪郭も製造することができる。円形の外側輪郭を有するアクチュエータは、燃料噴射弁において使用するために特に適している。何故ならばこのアクチュエータは、中空円筒形の弁ケーシングにスペースを節約して組み込むことができるからである。
【００１０】
フィルムのフレーム領域は有利には、１つの外側フレームと、列状に外側フレーム内に配置された多数の横方向クロスバーとから成っており、これらの横方向クロスバーでは、アクチュエータ領域が接続ウエブを介して固定されている。フィルムを積み重ねて燒結した後で、各アクチュエータは、接続ウエブを例えばレーザー切断又は折り切断によって分離することによって、スタック（積み重ねたもの）から切り離される。この場合、接続ウエブにおける分離しようとする区分は、比較的短い。
【００１１】
有利な形式で電極は、これらの電極が、アクチュエータの切欠及び外側輪郭から所定の間隔を保って、フィルム上に設けられる。これによって確実に、電極がアクチュエータの外側面まで若しくは中央の貫流開口まで達することはなく、従ってアクチュエータの周囲に対して若しくは中央の貫流開口内に流入する燃料に対して絶縁される。
【００１２】
図面
本発明の実施例は図面に示されていて、以下に詳しく説明されている。
【００１３】
実施例の説明
本発明を分かり易くするために、図１には従来技術による圧電式アクチュエータ１の、段付けして断面された図が示されている。
【００１４】
圧電式アクチュエータ１は、電極３が埋め込まれている圧電式のセラミック材料より成るセラミックブロック２より成っており、この場合図１では、横方向側面４における第１の導体路６だけが示されている。同様に、第２の横方向側面５に存在する導体路は図１では見えていない。それぞれ２つの電極３は、第１の横方向側面４に設けられた第１の導体路６に接続されており、それに対して、これらの間に存在する電極３は、第２の横方向側面５に設けられた導体路に接続されている。電圧を供給することによって、横方向側面４，５に設けられた導体路６間に電界が生じ、この電界は、結晶方向に応じて、圧電式アクチュエータ１の伸張及び収縮を生ぜしめる。この伸張又は収縮は、例えば燃料噴射弁の弁閉鎖体を操作するために利用される。
【００１５】
このような形式の圧電式アクチュエータ１を製造するための公知の製造方法によれば、まずフィルムを圧電式のセラミック材料より製造し、このセラミック材料の表面に電極３を例えば蒸着又はスパッタリングによって被着するようになっている。この場合、電極３は有利には、電極３が、後のアクチュエータ１の縁部まで達するのではなく、後のアクチュエータに対して所定の間隔を保つ配置されるように、被着される。次いで、電極３によって成膜されたフィルムを積み重ねて、互いに圧縮する。次いでセラミックフィルムより成るこのスタック（積み重ねたもの）を燒結し、それによってフィルムの堅固な結合を得る。つまりフィルムは１つのセラミックブロック２に焼き付けられる。この場合、多数のアクチュエータ１が同時に完成され、各アクチュエータ１は例えば鋸引きによって互いに切り離される。各アクチュエータ１の分離は、燒結の前にも行うことができ、燒結前に各アクチュエータを圧縮することによって、アクチュエータの有効な長さを調節することができる。スタックを個別のアクチュエータに分離した後で、導体路６を再び２つの横方向側面４及び５に取り付けて、それによって電極３を互いに交互に接続しなければならない。
【００１６】
燃料噴射弁を操作するために圧電式アクチュエータを使用する際には、アクチュエータ１内に中央の貫流開口を設け、この貫流開口を通って燃料がアクチュエータ１を貫流することができるようになっている。従来では、中央の貫流開口は、切削作業段階特に穿孔によって完成したアクチュエータに設けることが一般的であった。しかしながらこの場合、穿孔によって生ぜしめられる電極間の短絡を取り除くために、貫流開口の内壁を後処理しなければならない。さらにまた、アクチュエータ１を燃料噴射弁の中空円筒形の弁ケーシング内に容易に組み込むことができるようにするために、アクチュエータ１に円形の外側輪郭形状を設ければ有利である。しかしながらスタックを鋸引きすることによって、方形の横断面形状を有する直方体状のアクチュエータがまず生じる。円形の外側輪郭を得るためには、この方形のアクチュエータ１を切削加工段階にもたらす必要がある。従って従来技術におけるアクチュエータの後処理は比較的高価である。さらに、貫流開口は穿孔によって円形の内側輪郭形状を有するものしか製造できない。しかしながら実際には、その他の内側輪郭形状を有する貫流開口を形成することが望ましい場合もある。
【００１７】
本発明は前記基本的な方法から出発して、これを次のように変化させることである。
【００１８】
本発明の方法においても、まず圧電式のセラミック材料より成る多数のフィルムを製造し、このフィルムに電極３を例えば蒸着又はスパッタリングによって被着する。次いでフィルムを互いに上下に重ね合わせて、１枚のスタックに圧縮し、焼結する。最後にこのスタックを個別のアクチュエータに切り離す。
【００１９】
従来技術とは異なり、中央の貫流開口は、後作業による切削加工段階例えば穿孔によって設けられるのではない。むしろ、フィルムに、積み重ねの前及び焼結の前に、各アクチュエータのためのそれぞれの切欠を設けて、フィルムを積み重ね合わせる時に互いに正確に上下に整列合致させて配置させればよい。それによって、各アクチュエータ１のために設けられた切欠は、フィルムを互いに上下に重ね合わせる際に中央の貫流開口を形成する。
【００２０】
図２には、本発明に従って形成された、セラミック材料より成るフィルム１０の第１実施例が示されている。この図２に示した実施例では円形の切欠１１が設けられている。各切欠１１は、それぞれ後のアクチュエータ１に対応配置されている。この場合、フィルム１０は、破線１２によって互いに分離された多数のアクチュエータ領域１３を有している。フィルム１０を互いに上下に重ね合わせて、この重ね合わせたフィルム１０を焼結した後で、アクチュエータ領域１３は例えば鋸引き又はレーザー切断によって互いに切り離されて、個別のアクチュエータ１が互いに分離される。重要なことは、互いに上下に配置されたフィルム１０の切欠１１が、滑らかな壁部を有する貫流開口を形成するように、個別のフィルム１０を正確に互いに上下に整列させることである。
【００２１】
切欠１１は例えば打ち抜き又はレーザー切断によって設けられる。電極３は、コーティング段階においてフィルム１０上に設けられる。しかしながら有利な形式で、切欠１１の領域は、電極３が切欠１１から所定の間隔ａを保つように、被着から除外される。さらに電極３を、電極３が導体路６と接続される側を除いて、分離線１２から同様に間隔を保つようにすれば有利であり、従って電極３は外方に対しても、また切欠１１によって形成された貫流開口に対しても絶縁される。
【００２２】
図３には、圧電式のセラミック材料より成るフィルム１０の第２実施例の平面図が示されており、この実施例でも圧電式アクチュエータ１はフィルム１０を打ち抜き成形し、次いで焼結することによって製造することができる。図２に示した実施例とは異なり、切欠１１の形状によってあらかじめ与えられたアクチュエータ１の内側輪郭形状だけでなく、アクチュエータは外側輪郭１４もフィルム１０を積み重ねる前にフィルム１０を加工することによって、前もって完成される。このためには切欠１１だけがフィルム１０から例えばレーザー切断又は打ち抜きによって切り離されるのではなく、付加的なエレメント１５も切り離されるので、アクチュエータ領域３は、残りの接続ウエブ１６だけを介して、１０のフレーム領域１７に接続されている。エレメント１５の切り離しは、同様にレーザー切断又は打ち抜きによって行われる。
【００２３】
フィルム１０のフレーム領域１７は、図示の実施例では外側を取り囲んで延びる外側フレーム１８と、この外側フレーム１８内に列状に配置された横方向クロスバー１９とから成っている。図３の上側範囲では、円形に構成されたアクチュエータ領域３がそれぞれ単独の接続ウエブ１６を介して、外側フレーム１８か又は横方向クロスバー１９に接続されている。この実施例の変化実施例を示す図３の下側範囲では、アクチュエータ領域３が、直径方向で互いに向き合って配置されたそれぞれ２つの接続ウエブ１６を介して横方向クロスバー１９又は外側フレーム１８に接続されている。アクチュエータ領域３が、図３の下側に示された構成に応じて、それぞれ２つの接続ウエブ１６を介して特別に堅固にフレーム領域１７に接続されているのに対して、図３の上側に示された構成は、アクチュエータ領域３が、単独の接続ウエブ１６を切り離すことによって比較的容易に、フィルム１０の接合及び焼結後にフレーム領域１７から切り離すことができる。
【００２４】
フィルム１０の接合後及び焼結後に、各アクチュエータ１はフレーム領域１７から、例えば折り取り、鋸引き、フライス切削又はレーザー切断によって分離される。フレーム領域１７からのアクチュエータ領域の分離は、破線で示された分離面２０において行われる。有利な構成に従って、接続ウエブ１６の分離面２０には分離後に、電極３を接続するための導体路６が設けられる。
【００２５】
フィルム１０を積み重ねる際に、正確に合致して整列させるために、フレーム１７は少なくとも２つの角縁部でセンタリング孔２２を有している。これらのセンタリング孔２２は、図示の実施例では、フレーム１７の角縁部から突き出る突き出し部２１に形成されている。少なくとも２つのセンタリング孔２２は、例えばセンタリング孔２２内に導入されたガイド舌片と協働することによって、それぞれのフィルム１０の互いに正確な位置決めを可能にする。
【００２６】
図４には、本発明に従って製造された圧電式アクチュエータ１を備えた燃料噴射弁３０の実施例が断面図で示されている。前述のように、アクチュエータ１は中央の貫流開口３１を有しており、この貫流開口３１は、各フィルム１０内で切欠１１を互いに整列させることによって形成されている。
【００２７】
圧電式アクチュエータ１は、弁ケーシング３３のカバーエレメント３２で支えられていて、弁ニードル３４を操作し、この弁ニードル３４に図示の実施例では弁閉鎖体３５が一体成形されている。弁閉鎖体３５は、弁ケーシング３３に接続された弁座対３６と協働してシール座を形成している。圧電式アクチュエータ１を操作すると、このアクチュエータ１は伸張して、弁ニードル３４を介して弁閉鎖体３５を操作し、この弁閉鎖体３５は弁座体３６から持ち上がって燃料噴射弁３０を開放する。圧電式アクチュエータ１を励磁する電圧が遮断されると、戻しばね３７が弁閉鎖体３５を再びその閉鎖位置に戻し案内する。
【００２８】
燃料の供給は、カバーエレメント３２内に形成された燃料取り入れ口４を介して行われる。燃料はさらに、圧電式アクチュエータ１の貫流開口３１並びに、弁ニードル３４のフランジ３９内に設けられた貫流開口３８を通って、ばね収容室４０内に供給されて、燃料はシール座に達する。圧電式アクチュエータ１を通って、燃料を中央でガイドすることによって、燃料噴射弁３０の形状は著しく簡略にされる。円形の貫流開口３１の他に、本発明の製造方法によれば、貫流開口３１の別の内側輪郭形状例えば方形又は星形の内側輪郭形状も製造可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による圧電式アクチュエータの、破断した概略的な斜視図である。
【図２】  本発明の第１実施例による、圧電式のセラミック材料より成る処理されたフィルムを示す図である。
【図３】  本発明の第２実施例による、圧電式のセラミック材料より成る処理されたフィルムを示す図である。
【図４】  本発明に従って製造された圧電式アクチュエータを備えた燃料噴射弁の１実施例の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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