JP2004297042A - Piezoelectric actuator, its manufacturing method, and injector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型圧電素子を利用してなる圧電アクチュエータ及び、圧電アクチュエータを内蔵した燃料噴射用のインジェクタに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator using a laminated piezoelectric element and an injector for fuel injection incorporating the piezoelectric actuator.
一般的に、無負荷状態で積層型圧電素子を動作させると、該積層型圧電素子の圧電効果による駆動力により、積層したセラミック層あるいは電極層の層間剥離を生じるおそれがある。
そのため、積層型圧電素子を使用するに当たっては、積層型圧電素子を軸方向に圧縮する所定の大きさ以上の予荷重(セット荷重)を作用させておく必要がある。
Generally, when a multilayer piezoelectric element is operated in a no-load state, there is a possibility that delamination of a laminated ceramic layer or electrode layer may occur due to a driving force due to a piezoelectric effect of the multilayer piezoelectric element.
Therefore, when using the laminated piezoelectric element, it is necessary to apply a preload (set load) having a predetermined size or more for compressing the laminated piezoelectric element in the axial direction.
そこで、金属ベローズ等よりなる伸縮部を有するケース内に積層型圧電素子を収容してなる圧電アクチュエータでは、該圧電アクチュエータ単体時において伸縮部の伸長変形が生じるように、上記ケース内に積層型圧電素子を収容する場合がある。すなわち、上記ケースの伸縮部の伸長変形に伴う弾性力によって上記予荷重を発生させている(例えば、特許文献1参照。)。 Therefore, in a piezoelectric actuator in which a laminated piezoelectric element is accommodated in a case having an elastic portion made of a metal bellows or the like, the laminated piezoelectric element is placed in the case so that the elastic portion expands and deforms when the piezoelectric actuator alone is used. The element may be accommodated. That is, the preload is generated by the elastic force generated by the extension and deformation of the elastic portion of the case (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記の従来の圧電アクチュエータでは、次のような問題がある。すなわち、弾性力を生じさせるべく伸長変形させた上記伸縮部には、定常的に引っ張り応力が作用し、疲労破壊が生じ易いという問題がある。
上記伸縮部に、定常的に引っ張り応力を作用させると疲労寿命が短くなる傾向にあり、上記圧電アクチュエータ全体として製品寿命を十分に確保することが難しい。
However, the above-mentioned conventional piezoelectric actuator has the following problems. That is, there is a problem that a tensile stress is constantly applied to the above-mentioned expansion and contraction portion which has been elongated and deformed to generate an elastic force, and fatigue failure is likely to occur.
When a tensile stress is constantly applied to the expansion and contraction portion, the fatigue life tends to be short, and it is difficult to secure a sufficient product life of the entire piezoelectric actuator.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐久性に優れた圧電アクチュエータ、その製造方法及び、その圧電アクチュエータを内蔵した燃料噴射用のインジェクタを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a conventional problem, and has as its object to provide a piezoelectric actuator having excellent durability, a method of manufacturing the same, and an injector for fuel injection incorporating the piezoelectric actuator.
第1の発明は、軸方向に弾性的に伸縮可能な伸縮部を有する収納ケースに、積層型圧電素子を収容してなる圧電アクチュエータにおいて、
上記収納ケースの上記伸縮部の弾性力に基いて、上記積層型圧電素子に対してその軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重であることを特徴とする圧電アクチュエータにある(請求項1)。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator in which a multilayer piezoelectric element is housed in a housing case having an elastic portion that can elastically expand and contract in the axial direction.
Based on the elastic force of the expansion and contraction portion of the storage case, the case load acting on the multilayer piezoelectric element in the direction of compressing the multilayer piezoelectric element in the axial direction is 1/10 of the driving force generated by the multilayer piezoelectric element. The load is less than 100 N or less than 100 N.
上記第1の発明の上記圧電アクチュエータでは、上記伸縮部の上記弾性力に基づいて、上記収納ケースから上記積層型圧電素子に対して、その軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重を、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重となるように設定してある。 In the piezoelectric actuator according to the first aspect of the invention, based on the elastic force of the expansion and contraction portion, a case load acting on the laminated piezoelectric element from the storage case in a direction of compressing the laminated piezoelectric element in an axial direction thereof is reduced. The load is set to be less than 1/10 or less than 100N of the driving force generated by the laminated piezoelectric element.
すなわち、上記伸縮部の伸長変形を一定の範囲に制限して、上記ケース荷重の値が上記荷重範囲に収まるようにしてある。 In other words, the extension deformation of the elastic portion is limited to a certain range so that the value of the case load falls within the load range.
そのため、上記圧電アクチュエータでは、過大な引っ張り応力が上記伸縮部に定常的に作用するおそれが少ない。
つまり、一般的な積層型圧電素子の伸縮変位である0.1%歪みを収納ケースの伸縮部に作用させた場合において、積層型圧電素子のセット時における上記伸縮部の引っ張り荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重であれば、伸縮部の積層型圧電素子の繰り返し作動による疲労に対し、破損するおそれが極めて少なくなる。
したがって、上記伸縮部は疲労破壊するおそれが少なく、上記圧電アクチュエータにあっては、長年に渡って優れた性能を発揮し得る。
なお、上記積層型圧電素子としては、圧電効果を発揮するセラミック積層体単体としての素子であっても良く、或いは、セラミック積層体に、さらに端面を保護する保持部材や、圧電効果による駆動力を外部に伝達するための駆動力伝達部材等を含む素子であっても良い。
Therefore, in the piezoelectric actuator, there is little possibility that an excessive tensile stress constantly acts on the expansion and contraction portion.
In other words, when 0.1% strain, which is the expansion and contraction displacement of a general multilayer piezoelectric element, is applied to the expansion and contraction section of the storage case, the tensile load of the expansion and contraction section when the multilayer piezoelectric element is set is increased by the above-described lamination. If the load is less than 1/10 or less than 100 N of the driving force generated by the piezoelectric element, the possibility of breakage due to fatigue caused by repeated operation of the laminated piezoelectric element in the expansion and contraction portion is extremely reduced.
Therefore, the expansion and contraction portion is less likely to be broken by fatigue, and the piezoelectric actuator can exhibit excellent performance for many years.
The multilayer piezoelectric element may be an element as a single ceramic laminate that exerts a piezoelectric effect, or a holding member that further protects an end face of the ceramic laminate, and a driving force due to the piezoelectric effect. An element including a driving force transmitting member or the like for transmitting to the outside may be used.
第2の発明は、軸方向に伸縮する伸縮部を有する収納ケースに、積層型圧電素子を収容してなる圧電アクチュエータを内蔵した燃料噴射用のインジェクタにおいて、
上記インジェクタは、上記圧電アクチュエータの駆動力が作用する動作面に対して、軸方向の荷重を作用する弾性部材を設けてなり、
上記圧電アクチュエータは、該圧電アクチュエータ単体時において、上記収納ケースの上記伸縮部の弾性力に基いて、上記積層型圧電素子に対してその軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重であることを特徴とする燃料噴射用のインジェクタにある(請求項4)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an injector for fuel injection in which a storage case having an expansion and contraction portion that expands and contracts in an axial direction has a built-in piezoelectric actuator that houses a laminated piezoelectric element.
The injector is provided with an elastic member that applies an axial load to an operation surface on which the driving force of the piezoelectric actuator is applied,
The piezoelectric actuator is configured such that, when the piezoelectric actuator is used alone, a case load acting on the laminated piezoelectric element in a direction of compressing the laminated piezoelectric element in the axial direction is based on the elastic force of the elastic portion of the storage case. A fuel injection injector characterized in that the load is less than 1/10 or less than 100 N of the driving force generated by the piezoelectric element.
上記第2の発明の燃料噴射用のインジェクタは、インジェクタ駆動用の上記圧電アクチュエータの上記動作面に軸方向の荷重を作用する上記弾性部材を備えている。
そのため、上記インジェクタでは、上記伸縮部の弾性力に基づいて上記収納ケースから上記積層型圧電素子の軸方向に作用するケース荷重と、上記弾性部材による荷重とを合わせた予荷重を上記積層型圧電素子に作用させることができる。
それ故、上記インジェクタにおいては、上記伸縮部で発生させるべき弾性力及び、その伸長変形量を抑制し、上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力を低減することができる。
なお、上記圧電アクチュエータ単体時とは、上記インジェクタに未だ内蔵していない部品としての圧電アクチュエータの状態をいうものである。
The fuel injector according to the second aspect of the invention includes the elastic member that applies an axial load to the operating surface of the piezoelectric actuator for driving the injector.
Therefore, in the injector, based on the elastic force of the expansion / contraction part, the preload obtained by combining the case load acting on the laminated piezoelectric element from the storage case in the axial direction of the laminated piezoelectric element and the load by the elastic member is applied to the laminated piezoelectric element. It can act on the element.
Therefore, in the injector, it is possible to suppress the elastic force to be generated in the expansion and contraction portion and the amount of extensional deformation thereof, and reduce the tensile stress constantly acting on the expansion and contraction portion.
Note that the term "single piezoelectric actuator alone" refers to the state of the piezoelectric actuator as a component which is not yet built in the injector.
したがって、上記第2の発明のインジェクタは、上記積層型圧電素子に十分な予荷重を作用させてあるため層間剥離等のトラブルが少なく、かつ、上記伸縮部に疲労破壊が発生するおそれが少ない耐久性、信頼性に優れたものである。
なお、上記のごとく圧電アクチュエータの外部に配置した上記弾性部材は、交換等のメンテナンス作業を容易に実施でき、上記インジェクタの優れた性能をさらに長期間に渡って発揮させることができる。
Therefore, the injector according to the second aspect of the invention has a durability in which a sufficient preload is applied to the multilayer piezoelectric element, so that there is little trouble such as delamination, and there is little possibility of fatigue fracture occurring in the elastic part. It is excellent in performance and reliability.
Note that the elastic member disposed outside the piezoelectric actuator as described above can easily perform maintenance work such as replacement, and the excellent performance of the injector can be exhibited for a longer period of time.
第3の発明は、軸方向に弾性的に伸縮する伸縮部を少なくとも一部に形成した筒状の胴部と、該胴部の一方の端部に配設されて上記積層型圧電素子の駆動力が作用する駆動板とを有してなる収納ケースに積層型圧電素子を収容した上、上記胴部の他方の端部に基台を接合してなる圧電アクチュエータを製造する製造方法において、
上記積層型圧電素子を作製する素子形成工程と、
上記収納ケースの上記開口端部から上記積層型圧電素子を挿入し、該積層型圧電素子を上記収納ケースの軸方向の所定の位置に配置する収容工程と、
上記収納ケースに収容した上記積層型圧電素子の後端面に上記基台の軸方向の端面を当接させた状態で、上記収納ケースの開口端部に上記基台を接合する接合工程とを含み、
上記収容工程では、上記圧電アクチュエータの上記収納ケースにおいて、上記積層型圧電素子を軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重となるように、上記積層型圧電素子を収容することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法にある(請求項8)。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a cylindrical body having at least a portion formed with an elastic portion which elastically expands and contracts in an axial direction, and a driving mechanism for the laminated piezoelectric element which is provided at one end of the body. In a manufacturing method for manufacturing a piezoelectric actuator in which a stacked type piezoelectric element is housed in a storage case having a driving plate with a force acting thereon and a base is joined to the other end of the body.
An element forming step of manufacturing the laminated piezoelectric element,
A housing step of inserting the laminated piezoelectric element from the opening end of the storage case and disposing the laminated piezoelectric element at a predetermined position in the axial direction of the storage case,
A joining step of joining the base to an opening end of the storage case in a state where an axial end face of the base is in contact with a rear end face of the laminated piezoelectric element housed in the storage case. ,
In the housing step, in the housing case of the piezoelectric actuator, a case load acting in a direction of compressing the multilayer piezoelectric element in the axial direction is less than 1/10 of a driving force generated by the multilayer piezoelectric element or 100N. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the stacked piezoelectric element is housed so that the load is less than (claim 8).
上記第3の発明の製造方法における上記収容工程は、上記圧電アクチュエータにおける上記積層型圧電素子に作用する上記ケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重となるように実施する。
そのため、上記製造方法により得られる上記圧電アクチュエータは、上記収納ケースの上記伸縮部に生じる伸長変形を所定の範囲に抑えたものとなる。
The accommodating step in the manufacturing method according to the third invention is characterized in that the case load acting on the laminated piezoelectric element in the piezoelectric actuator is less than 1/10 or less than 100N of a driving force generated by the laminated piezoelectric element. Perform so that it becomes a load.
For this reason, the piezoelectric actuator obtained by the above-described manufacturing method is one in which the elongation deformation generated in the elastic portion of the storage case is suppressed to a predetermined range.
そして、上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力を抑制することにより、該伸縮部に疲労破壊を生じるおそれを抑制することができる。
したがって、上記圧電アクチュエータの製造方法によれば、耐久性に優れ、信頼性の高い圧電アクチュエータを製造することができる。
In addition, by suppressing the tensile stress that constantly acts on the elastic portion, the possibility of fatigue fracture occurring in the elastic portion can be suppressed.
Therefore, according to the method for manufacturing a piezoelectric actuator, a highly reliable piezoelectric actuator having excellent durability can be manufactured.
上記第1の発明においては、上記ケース荷重は、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重であることが好ましい(請求項2)
積層型圧電素子のセット時における組付け精度として、一般的に調整可能な程度の荷重、即ち、積層型圧電素子のセット時における上記伸縮部の引っ張り荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重である場合には、上記伸縮部の積層型圧電素子の繰り返し作動による疲労に対し、十分余裕のあるものとなる。
また、上記伸縮部は伸長変形を生じておらず、上記ケース荷重は、ゼロであることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記収納ケースの上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力をゼロとして、該伸縮部に疲労破壊が生じるおそれを抑制でき、上記圧電アクチュエータの製品寿命をさらに向上することができる。
ここで、上記ケース荷重をゼロとする方法としては、例えば、上記伸縮部の伸長変形が生じないように上記収納ケースに上記積層型圧電素子を収容する等の方法がある。
In the first invention, the case load is preferably a load of less than 1/100 or less than 10 N of a driving force generated by the multilayer piezoelectric element (claim 2).
As a mounting accuracy when setting the multilayer piezoelectric element, a load that can be generally adjusted, that is, a tensile load of the expansion and contraction portion when setting the multilayer piezoelectric element is a driving force generated by the multilayer piezoelectric element. When the load is less than 1/100 of the force or less than 10N, there is a sufficient margin against the fatigue caused by the repeated operation of the laminated piezoelectric element in the elastic portion.
Further, it is preferable that the elastic portion does not undergo elongation deformation, and the case load is zero (claim 3).
In this case, the tensile stress that constantly acts on the expansion and contraction portion of the storage case can be set to zero, and the possibility of fatigue fracture occurring in the expansion and contraction portion can be suppressed, and the product life of the piezoelectric actuator can be further improved. .
Here, as a method of reducing the case load to zero, for example, there is a method of storing the multilayer piezoelectric element in the storage case so that the expansion and contraction of the expansion and contraction portion does not occur.
上記第2の発明においては、上記ケース荷重は、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重であることが好ましい(請求項5)。
積層型圧電素子のセット時における組付け精度として、一般的に調整可能な程度の荷重、即ち、積層型圧電素子のセット時における上記伸縮部の引っ張り荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重である場合には、上記伸縮部の積層型圧電素子の繰り返し作動による疲労に対し、十分余裕のあるものとなる。
また、上記圧電アクチュエータ単体時において上記伸縮部は伸長変形を生じておらず、上記ケース荷重は、ゼロであることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記インジェクタに内蔵した上記圧電アクチュエータについて、該圧電アクチュエータ単体時における上記伸縮部の変形長さをゼロとして、該伸縮部に疲労破壊を生じるおそれを抑制できる。
そのため、上記インジェクタは、上記圧電アクチュエータの上記伸縮部に疲労破壊が発生するおそれが少なく、さらに長期間に渡って優れた性能を維持することができる。
In the second aspect, the case load is preferably a load of less than 1/100 or less than 10 N of a driving force generated by the multilayer piezoelectric element (claim 5).
As a mounting accuracy when setting the multilayer piezoelectric element, a load that can be generally adjusted, that is, a tensile load of the expansion and contraction portion when setting the multilayer piezoelectric element is a driving force generated by the multilayer piezoelectric element. When the load is less than 1/100 of the force or less than 10N, there is a sufficient margin against the fatigue caused by the repeated operation of the laminated piezoelectric element in the elastic portion.
Further, it is preferable that, when the piezoelectric actuator is used alone, the expansion and contraction portion does not undergo any extensional deformation, and the case load is zero (claim 6).
In this case, with respect to the piezoelectric actuator incorporated in the injector, the deformation length of the expansion and contraction portion when the piezoelectric actuator is used alone can be set to zero, thereby suppressing the possibility of causing fatigue fracture in the expansion and contraction portion.
Therefore, the injector is less likely to cause fatigue failure in the expansion and contraction portion of the piezoelectric actuator, and can maintain excellent performance for a long period of time.
また、上記インジェクタに内蔵され、上記弾性部材による付勢力を受けた状態において、上記積層型圧電素子を軸方向に圧縮する方向に作用する予荷重は、積層型圧電素子の発生する駆動力の1/4以上であることが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記インジェクタの作動するための駆動力を発生する上記積層型圧電素子の軸方向に十分な予荷重を作用させることができる。
そのため、上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力を抑制して疲労寿命を延ばしつつ、該積層型圧電素子の層間剥離等のトラブルを生じるおそれを抑制することができる。
Further, in a state where the piezoelectric device is built in the injector and receives the urging force of the elastic member, the preload acting in the direction of compressing the multilayer piezoelectric element in the axial direction is one of the driving force generated by the multilayer piezoelectric element. It is preferably at least / 4 (claim 7).
In this case, a sufficient preload can be applied in the axial direction of the laminated piezoelectric element that generates a driving force for operating the injector.
Therefore, it is possible to suppress the tensile stress that constantly acts on the expansion and contraction portion, thereby prolonging the fatigue life and suppressing the occurrence of troubles such as delamination of the laminated piezoelectric element.
上記第3の発明においては、上記収容工程における上記ケース荷重は、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重であることが好ましい(請求項9)。
積層型圧電素子のセット時における組付け精度として、一般的に調整可能な程度の荷重、即ち、積層型圧電素子のセット時における上記伸縮部の引っ張り荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/100未満或いは10N未満の荷重である場合には、上記伸縮部の積層型圧電素子の繰り返し作動による疲労に対し、十分余裕のあるものとなる。
また、上記収容工程においては、上記所定のケース荷重に略一致する弾性力を生じる際の上記伸縮部の伸長変形長さを実現するための上記積層型圧電素子の上記収納ケース内での基準挿入位置を基にして、上記接合工程で発生する上記収納ケースの軸方向の収縮長さ分だけ上記積層型圧電素子を挿入逆方向に後退させた位置である組み付け位置に、上記積層型圧電素子を配置することが好ましい(請求項10)。
In the third aspect, it is preferable that the case load in the accommodation step is a load of less than 1/100 or less than 10 N of a driving force generated by the multilayer piezoelectric element (claim 9).
As a mounting accuracy when setting the multilayer piezoelectric element, a load that can be generally adjusted, that is, a tensile load of the expansion and contraction portion when setting the multilayer piezoelectric element is a driving force generated by the multilayer piezoelectric element. When the load is less than 1/100 of the force or less than 10N, there is a sufficient margin against the fatigue caused by the repeated operation of the laminated piezoelectric element in the elastic portion.
Further, in the housing step, a reference insertion of the laminated piezoelectric element into the housing case for realizing an extension deformation length of the expansion and contraction portion when an elastic force substantially corresponding to the predetermined case load is generated. Based on the position, the laminated piezoelectric element is inserted at a position where the laminated piezoelectric element is retracted in the reverse direction by the axial contraction length of the storage case generated in the joining step, and the laminated piezoelectric element is It is preferable to arrange them (claim 10).
この場合には、上記収容工程において、上記収納ケースに生じ得る収縮を考慮して定めた上記組み付け位置に上記積層型圧電素子を配置する。
そのため、上記圧電アクチュエータでは、上記伸縮部の伸長変形量を設計値に略一致させて設定することができる。
したがって、上記製造方法により製造した上記圧電アクチュエータでは、上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力が過大となるおそれが少なく、疲労破壊を生じるおそれが少ない。
In this case, in the accommodation step, the multilayer piezoelectric element is arranged at the attachment position determined in consideration of shrinkage that may occur in the accommodation case.
Therefore, in the piezoelectric actuator, the extension deformation amount of the expansion / contraction portion can be set to substantially match the design value.
Therefore, in the piezoelectric actuator manufactured by the manufacturing method, there is little possibility that the tensile stress constantly acting on the expansion and contraction portion becomes excessive, and there is little possibility that fatigue fracture occurs.
なお、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満又は100N未満の所定のケース荷重はゼロを含むものである。
そして、該所定のケース荷重がゼロである場合には、上記基準挿入位置は、上記収納ケースの上記作用端面と上記積層型圧電素子の先端面とが無荷重の状態で当接している状態から隙間を空けた状態までの範囲のうちの任意の位置にある。
The predetermined case load of less than 1/10 or less than 100 N of the driving force generated by the laminated piezoelectric element includes zero.
When the predetermined case load is zero, the reference insertion position is shifted from a state where the working end face of the storage case and the tip end face of the multilayer piezoelectric element are in contact with no load. It is at an arbitrary position in the range up to the state where the gap is left.
また、上記組み付け位置は、上記所定のケース荷重に略一致する弾性力を生じる際の上記伸縮部の伸長変形長さを、上記収縮長さから差し引いた長さ分だけ、上記伸縮部を圧縮させた上記収納ケースにおける上記駆動板に上記積層型圧電素子の端部が当接する位置であることが好ましい(請求項11)。 Further, the assembling position compresses the expansion and contraction portion by a length obtained by subtracting an extension deformation length of the expansion and contraction portion when an elastic force substantially corresponding to the predetermined case load is subtracted from the contraction length. It is preferable that the end of the multilayer piezoelectric element abuts on the drive plate in the storage case (claim 11).
この場合には、予め、上記伸縮部を圧縮した上記収納ケースの奥まで、上記積層型圧電素子を挿入することにより、上記収容工程を容易かつ確実に実施することができる。
そして、上記圧電アクチュエータにおいては、接合工程で生じるおそれがある収縮長さの少なくとも一部を、上記伸縮部の自由伸長により相殺して、上記積層型圧電素子の端部と上記作用端面との間に上記所定のケース荷重を作用させることができる。
In this case, the storage step can be easily and reliably performed by inserting the multilayer piezoelectric element to the back of the storage case in which the expansion and contraction portion is compressed in advance.
In the piezoelectric actuator, at least a part of the contraction length that may be generated in the joining step is offset by the free extension of the expansion and contraction portion, so that the distance between the end of the multilayer piezoelectric element and the working end surface is reduced. The above-mentioned predetermined case load can be applied to the above.
また、上記所定のケース荷重はゼロであり、上記基準挿入位置は、上記積層型圧電素子の軸方向の端部と、上記収納ケースの上記作用端面との間に、上記収縮長さ以上の隙間が形成される位置であることが好ましい(請求項12)。
この場合には、上記圧電アクチュエータにおいて、上記積層型圧電素子と上記作用端面との間に隙間を形成することができる。そのため、上記収納ケースの上記伸縮部で生じる伸長変形を確実にゼロにできる。
したがって、上記伸縮部に定常的に作用する引っ張り応力をゼロとして、疲労破壊が生じるおそれをさらに抑制することができる。
Further, the predetermined case load is zero, and the reference insertion position is a gap between the axial end of the multilayer piezoelectric element and the working end face of the storage case, the gap being equal to or more than the contracted length. Is preferably formed at the position where (a) is formed.
In this case, in the piezoelectric actuator, a gap can be formed between the multilayer piezoelectric element and the working end face. Therefore, the extension deformation generated in the elastic portion of the storage case can be reliably reduced to zero.
Therefore, it is possible to further suppress the possibility of fatigue fracture by setting the tensile stress constantly acting on the elastic portion to zero.
また、上記接合工程は、上記開口端部に上記基台を溶接する工程であることが好ましい(請求項13)。
この場合には、上記接合工程において、上記収納ケースの軸方向の収縮を生じるおそれが高く、上記第3の発明による製造方法が特に有効になる。
なお、溶接方法としては、レーザ溶接、電子ビーム溶接、Tig溶接等の方法がある。
Preferably, the joining step is a step of welding the base to the opening end.
In this case, there is a high possibility that the storage case will shrink in the axial direction in the joining step, and the manufacturing method according to the third aspect of the invention is particularly effective.
In addition, as a welding method, there are methods such as laser welding, electron beam welding, and Tig welding.
(実施例1)
本例の圧電アクチュエータ1及びその製造方法について、図1〜図8を用いて説明する。
本例の圧電アクチュエータ1は、図1に示すごとく、軸方向に弾性的に伸縮可能な伸縮部21を有する収納ケース20に、積層型圧電素子10を収容してなる圧電アクチュエータである。
該圧電アクチュエータ1においては、収納ケース20の伸縮部21の弾性力に基いて積層型圧電素子10に対して、その軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重がゼロである。
以下に、この内容について詳しく説明する。
(Example 1)
The
As shown in FIG. 1, the
In the
Hereinafter, this content will be described in detail.
上記積層型圧電素子10は、図1に示すごとく、セラミック層111と電極層112とを交互に積層してなるセラミック積層体11の積層方向の両端面に、保持部材12と、伝達部材13とを接合してなる素子である。
上記セラミック積層体11は、50〜200μm厚のセラミック層111と0.5〜5μm厚の電極層112とを、50〜700層交互に積層してなるものである。
As shown in FIG. 1, the laminated
The
本例のセラミック積層体11は、図3に示すごとく、電極部503と控え部504とを形成したセラミックよりなるシート片521を積層した部分電極構造を呈する積層体である。
そして、セラミック積層体11の外周面には、図4に示すごとく、軸方向に平行であって、相互に対向する一対の側面115を配置してあり、セラミック積層体11の積層方向に略直交する断面は、略樽形状を呈している。
As shown in FIG. 3, the
As shown in FIG. 4, a pair of side surfaces 115 that are parallel to the axial direction and face each other are arranged on the outer peripheral surface of the ceramic
そして、各側面115には、図1に示すごとく、それぞれ側面電極116を接合してある。各側面電極116は、各側面115に一層おきに露出する電極部503を含む電極層112と電気的に接続されており、かつ、一方の側面電極116と電気的に接続した電極層112は、他方の側面電極116と電気的に絶縁した状態にしてある。
As shown in FIG. 1,
側面電極116の端部は、図1に示すごとく、セラミック積層体11の端面に接合した上記保持部材12に配設した電極端子117と電気的に接続してある。
そして、積層形圧電素子1に後述する基台30を組み付けたとき、該基台30に貫通配置した一対の外部電極31と上記側面電極116とが、電極端子117を介して電気的に接続するように構成してある。
なお、本例の積層型圧電素子10は、外部電極31から電力を供給して駆動力を発生するように構成してある。
As shown in FIG. 1, the end of the
When a
Note that the multilayer
また、セラミック積層体11の他方の端面の上記伝達部材13は、図1に示すごとく、セラミック積層体11と略同一径の接合部131と、該接合部131よりも小径のロッド部132とよりなる略2重円柱形状を呈する部材である。
そして、圧電アクチュエータ1の使用時においては、該ロッド部132の先端面が、上記収納ケース20の後述する作用端面221と当接するように構成してある。
As shown in FIG. 1, the
When the
上記収納ケース20は、図1に示すごとく、筒状を呈する胴部24と、上記圧電アクチュエータ1の駆動力を伝達する動作面100をなす駆動板22とを有する略コップ状を呈する部材である。
そして、駆動板22の裏面には、上記伝達部材13の先端面と当接する作用端面221を形成してある。
As shown in FIG. 1, the
An operating
上記胴部24は、図1に示すごとく、上記作用端面22に近い端部付近に金属ベローズよりなる伸縮部21を形成してなる。そして、この伸縮部21は、上記積層形圧電素子10の伝達部材13のロッド部132の外周側に、該ロッド部132の外周面と所定の隙間を設けた状態で配置されるように構成してある。
As shown in FIG. 1, the
そして、本例では、上記駆動板22は、収納ケース20における伸縮部21側の端部にレーザ溶接してある。
なお、収納ケース20における駆動板22に当たる部分は、油圧プレスによる絞り加工等により、胴部24と一体的に形成することもできる。
In the present embodiment, the
The portion of the
上記基台30は、図1に示すごとく、SUS304よりなる略円柱状の部材に、一対の外部電極31を貫通配置したものである。そして、貫通した上記外部電極31と基台30との隙間は、ガラスよりなるハーメチックシール33によりシールしてある。
さらに、基台30の上記収納ケース20側の端部には、該収納ケース20の胴部24に挿入する挿入部32を形成してある。
As shown in FIG. 1, the
Further, an
そして、本例の圧電アクチュエータ1は、図1に示すごとく、胴部24に挿入した挿入部32をレーザ溶接することにより、収納ケース20と基台30とを接合してなるものである。
圧電アクチュエータ1では、基台30の挿入部32側の端部と、積層型圧電素子10の保持部材12の端部とを当接させることにより、収納ケース20内における積層型圧電素子10の収容位置を規制してある。
Then, as shown in FIG. 1, the
In the
次に、本例の圧電アクチュエータ1を製造する方法について説明する。
該圧電アクチュエータ1を製造する工程は、積層型圧電素子10を作製する素子形成工程と、収納ケース20の開口端部から積層型圧電素子10を挿入し、該積層型圧電素子10を収納ケース20の軸方向の所定の位置に配置する収容工程と、所定の位置に配置した積層型圧電素子10の後端面に基台30の軸方向の端面を当接させた状態で、収納ケース20の開口端部に基台30を接合する接合工程とを含む工程である。
Next, a method for manufacturing the
The step of manufacturing the
まず、積層型圧電素子10を作製する上記素子形成工程について説明する。
積層型圧電素子10を構成する上記セラミック積層体11を作製するに当たっては、予め、圧電素子材料であるグリーンシート用のスラリーからグリーンシート500(図2参照)を作製する。
このスラリーは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電セラミックスになるセラミック原料にバインダーと微量の可塑剤及び消泡剤を添加した後、有機溶媒中に分散させたものである。
First, the above-described element forming step of manufacturing the multilayer
In producing the
This slurry is obtained by adding a binder, a small amount of a plasticizer and a defoamer to a ceramic raw material such as lead zirconate titanate (PZT) to be a piezoelectric ceramic, and then dispersing the slurry in an organic solvent.
本例では、ドクターブレード法によって図示しないキャリアフィルム上に、上記スラリーを塗布し、厚さ40〜250μmのグリーンシート500を生成した。なお、スラリーからグリーンシート500を生成する方法としてはドクターブレード法の他、押出成形法その他種々の方法を採ることができる。
In this example, the slurry was applied onto a carrier film (not shown) by a doctor blade method, to produce a
次に、図2に示すごとく、グリーンシート500における積層面501となる領域に、導電材料であるAg−Pdペーストをスクリーン印刷により塗布する。ここで、積層面501の外周部に当たる1箇所を残してAg−Pdペーストを塗布することにより、積層面501上に電極部503と控え部504とからなる電極印刷パターン502を形成する。
そしてその後、導電材料を塗布した積層面501全面に、接着材としての上記スラリーを塗布する。
Next, as shown in FIG. 2, an Ag-Pd paste, which is a conductive material, is applied by screen printing to a region to be the
Then, the slurry as an adhesive is applied to the entire surface of the
また、本例では、図2及び図3に示すごとく、グリーンシート500を打ち抜くごとに、シート片521における控え部504の配置が交互に入れ替わるように、図2に示すごとく、グリーンシート500表面に鏡像関係にある2種類の電極用印刷パターン502を形成した。
Further, in this example, as shown in FIGS. 2 and 3, the arrangement of the retaining
その後、図3に示すごとく、グリーンシート500から電極用シートパターン502を有するシート片521を打ち抜き、打ち抜いたシート片521を順次、積層する。
ここでは、同図に示すごとく、鏡像関係にある2種類の電極用印刷パターン502を有するシート片521を交互に積層して中間積層体(図示略)を作製すると共に、これを焼成してセラミック積層体11を作製する。
なお、本例では、1200℃雰囲気中に2時間保持して中間積層体を焼成した後、炉冷を実施した。
Thereafter, as shown in FIG. 3,
Here, as shown in the figure,
In addition, in this example, the furnace was cooled after being held in a 1200 ° C. atmosphere for 2 hours to fire the intermediate laminate.
そうすると、上記積層面501(図1)に塗布した電極部503は、図4に示すごとく、上記セラミック積層体11において層状をなす各電極層112を形成することになる。
そして、上記セラミック積層体11は、対向する側面において1層おきの電極層112の電極部503を露出しており、かつ、一方の側面で電極部503を露出する電極層112は、他方の側面では控え部504を露出するように構成される。
Then, the
In the
なお、本例のセラミック積層体11は、図4に示すごとく、積層方向の一層おきに電極部503及び控え部504が現れる側面を平面加工してなり、一対の略平面状の側面115を形成したものである。
そして、本例の積層型圧電素子10は、図1に示すごとく、上記セラミック積層体11の各側面115に、導電性接着剤により側面電極116を接合すると共に、セラミック積層体11の積層方向の両端面に上記保持部材12と上記伝達部材13とを接合したものである。
なお、上記導電性接着剤としては、Ag−Pdペースト、Agペースト、Auペースト、Cuペースト等を利用することができる。
As shown in FIG. 4, the ceramic
As shown in FIG. 1, the laminated
In addition, an Ag-Pd paste, an Ag paste, an Au paste, a Cu paste, or the like can be used as the conductive adhesive.
次に、上記収納ケース20に積層型圧電素子10を収容する上記収容工程について説明する。
この工程では、図5に示すごとく、予め、積層型圧電素子10の保持部材12側の端部に、基台30を組み付ける。
本例では、保持部材12に配設した電極端子117と、基台30の外部電極31とを、レーザ照射によるスポット溶接により接合することにより、保持部材12と基台30とを当接させた状態で両者を組み付けた。
Next, the accommodating step of accommodating the multilayer
In this step, as shown in FIG. 5, the
In this example, the holding
図5に示すごとく、収納ケース20に積層型圧電素子10を収容するに当たっては、予め、該積層型圧電素子10の伝達部材13の先端面が、収納ケース20の作用端面221と接触する一方、伸縮部21に伸長変形を生じない積層型圧電素子10の基準挿入位置を計算的に算出すると共に、接合工程で発生し得る収納ケース20の軸方向の収縮長さを実験的に算出してある。
そして、上記基準挿入位置から、上記収縮長さ分だけ積層型圧電素子10を挿入逆方向に後退させた位置を組み付け位置とし、該組み付け位置に積層型圧電素子10を挿入、配置した。
As shown in FIG. 5, in storing the multilayer
Then, a position where the laminated
なお、後述する本例のレーザ溶接による接合工程では、収納ケース20について、およそ70μmの軸方向の収縮が生じることを実験的に求めている。
したがって、本例では、図6に示すごとく、収納ケース20の作用端面221と、積層型圧電素子10の伝達部材13の端部との間に、70μmの隙間Gが形成される位置が上記組み付け位置となる。
そこで、本例の収容工程では、図6に示すごとく、積層型圧電素子10を上記組み付け位置に収容、配置した。
In the joining step by laser welding of the present example described later, it is experimentally determined that the
Therefore, in this example, as shown in FIG. 6, the position where the gap G of 70 μm is formed between the working
Therefore, in the housing step of the present example, as shown in FIG.
次に、上記接合工程は、収納ケース20に対する積層型圧電素子10の上記組み付け位置を保持した状態で、該積層型圧電素子10の軸方向位置を規制する基台30を収納ケース20に接合する工程である。本例では、レーザ溶接により基台30を収納ケース20に接合した。
Next, in the bonding step, the base 30 that regulates the axial position of the multilayer
上記接合工程では、上記のごとく、溶接の熱により上記収納ケース20には70μm程度の軸方向の収縮を生じる。
このとき、収納ケース20の内部では、図7に示すごとく、上記収容工程において上記作用端面22と伝達部材13の端部との間に設けた隙間G(図6参照。)が狭められ、その隙間がなくなる。
ここで、上記接合工程において設計通りの収縮が生じた場合には、作用端面22と伝達部材13の端部とはゼロ荷重で接触するようになり、収納ケース20の伸縮部21に伸長変形を生じることはない。
In the joining step, as described above, the
At this time, as shown in FIG. 7, the gap G (see FIG. 6) provided between the working
Here, when the contraction as designed occurs in the above-mentioned joining step, the working
このように、本例では、上記接合工程で生じる上記収納ケースの収縮を考慮して定めた上記組み付け位置に上記積層型圧電素子を配置する。
そのため、圧電アクチュエータ1における伸縮部21の伸長変形長さを適正に設定することができ、該伸縮部21に定常的に作用する引っ張り応力を抑制することができる。
したがって、本例の圧電アクチュエータ1は、伸縮部21が疲労破壊するおそれが少なく、長期間の仕様に渡って優れた性能を発揮することができる。
As described above, in the present embodiment, the multilayer piezoelectric element is disposed at the mounting position determined in consideration of the contraction of the storage case that occurs in the bonding process.
Therefore, the extension deformation length of the
Therefore, the
なお、上記基準挿入位置としては、上記作用端面22と伝達部材13との間に隙間が形成される位置とすることもできる。この場合には、図7に示すごとく、製造された圧電アクチュエータ1において、上記作用端面22と上記積層型圧電素子10との間に隙間を形成することができる。
そのため、上記接合工程における収納ケース20の軸方向の収縮量に多少の誤差を生じた場合であっても、伸縮部21に伸長変形を確実に防止することができる。
Note that the reference insertion position may be a position where a gap is formed between the working
Therefore, even if a slight error occurs in the amount of contraction of the
さらに、圧電アクチュエータ1に内蔵した積層型圧電素子10を軸方向に圧縮する所定のケース荷重を、積層型圧電素子10の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の範囲でゼロより大きく設定することもできる。
この場合には、上記基準挿入位置は、上記伸縮部21の伸長変形による弾性力が、上記所定のケース荷重と略一致する際の積層型圧電素子10の挿入位置となる。そして、この基準挿入位置から上記接合工程での収縮長さ分、挿入逆方向に後退させた位置が上記組み付け位置になる。
Further, a predetermined case load for compressing the laminated
In this case, the reference insertion position is the insertion position of the multilayer
なお、図8に示すごとく、上記収納ケース20の胴部24の軸方向の全域に渡って伸縮部21を形成して、該伸縮部21の内周側に積層型圧電素子1を配設することもできる。
この場合には、伸縮部21の単位長さ当たりに作用する応力を分散して、疲労寿命を延ばすことができる。
As shown in FIG. 8, an
In this case, stress acting per unit length of the
(実施例2)
本例は、実施例1を基にして、上記収容工程の実施の方法を変更した例である。
また、本例の圧電アクチュエータ1では、積層型圧電素子10の軸方向に圧縮する方向に作用する上記ケース荷重として、ゼロよりも大きく積層型圧電素子10の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の範囲にある所定のケース荷重を設定した。
(Example 2)
This example is an example in which the method of performing the above-described storing step is changed based on Example 1.
In the
そして、本例の収容工程は、図9に示すごとく、予め、軸方向に圧縮した収納ケース20の作用端面221に、積層型圧電素子10の挿入方向の端部を当接させることにより組み付ける工程である。
本例の収容工程を実施するに当たっては、予め、上記接合工程において生じ得る収納ケース20の軸方向の収縮長さL1と、所定のケース荷重により積層型圧電素子10を軸方向に圧縮するために必要な伸縮部21の伸長変形長さL2とを求めておく。
なお、本例では、上記所定のケース荷重を、積層型圧電素子10の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の範囲でゼロより大きく設定した。
Then, as shown in FIG. 9, the housing step of this example is a step of assembling by bringing the end of the laminated
In carrying out the housing step of the present example, in order to compress the laminated
In this example, the predetermined case load is set to be larger than zero in a range of less than 1/10 or less than 100 N of the driving force generated by the laminated
そして、上記収縮長さから上記伸長変形長さを差し引いた長さ分を、伸縮部21を圧縮すべき上記所定の長さPとする。すなわち、P=L1−L2とする。
そこで、本例の収容工程を実施するに当たって、まず、収納ケース20を軸方向に上記所定の長さPだけ縮めておく。
The length obtained by subtracting the extension deformation length from the contraction length is defined as the predetermined length P at which the expansion and
Therefore, in carrying out the housing process of this example, first, the
そして、上記収容工程では、圧縮した収納ケース20の作用端面221に積層型圧電素子10の伝達部材13が接触する位置に、積層型圧電素子を挿入配置する。その後、上記接合工程を実施すると、上記収縮長さに略一致して上記収納ケース20が軸方向に長さL1分だけ収縮する。
その後、収納ケース20を圧縮していた力を解放すると、該収納ケース20は、上記所定の長さPだけ伸長復帰することになる。
In the accommodation step, the laminated piezoelectric element is inserted and arranged at a position where the transmitting
Thereafter, when the force compressing the
ここで、収納ケース20のもとの全長(内側)をLとすると、接合工程実施後の全長(内側)は、L−L1である。
接合工程前の、圧縮した状態の収納ケース20の全長(内側)は、L−P=L−(L1−L2)である。そして、接合工程前では、収納ケース20の作用端面221と積層型圧電素子10の端部とを接触させてあるので、収納ケース20の内容物すなわち積層型圧電素子10の全長は、L−P=L−(L1−L2)となっているはずである。
Here, assuming that the original full length (inside) of the
The total length (inside) of the compressed
収納ケース20の接合工程後の全長L−L1と、積層型圧電素子10の全長L−L1+L2とを比較すると、収納ケース20の全長がL2だけ短い。
それ故、接合工程後では、収納ケース20の伸縮部21は、L2分だけ伸長変形することになる。
そして、L2分だけ伸長変形を生じた伸縮部21は、上記当初の設計の通りの所定のケース荷重を、積層型圧電素子10を圧縮する方向に作用することになる。
Comparing the total length L-L1 of the
Therefore, after the joining process, the
The expansion and
ここで、本例で、収納ケース20における積層型圧電素子10の組み付け位置は、実施例1に示した方法で算出する上記組み付け位置と全く等しい位置である。
つまり、本例は、予め所定の長さに圧縮した収納ケース20の作用端面221に、積層型圧電素子10の端部を当接させるという上記収容工程により、上記組み付け位置への積層型圧電素子10の挿入配置を容易にした例である。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
Here, in this example, the mounting position of the multilayer
In other words, in the present embodiment, the stacking step of bringing the end of the stacking type
The other configuration and operation and effect are the same as those of the first embodiment.
(実施例3)
本例は、実施例1の積層型圧電素子を内蔵したインジェクタについての例である。
本例のインジェクタ6は、図10に示すごとく、図示しないコモンレール内に蓄えたおよそ180MPaの高圧の燃料を、エンジンシリンダ内に噴射する装置である。
(Example 3)
This example is an example of an injector incorporating the multilayer piezoelectric element of the first embodiment.
As shown in FIG. 10, the
このインジェクタ6は、図10に示すごとく、実施例1の圧電アクチュエータ1が収容されるハウジング50と、インジェクションノズル65を含む噴射ノズル部61を形成したノズルハウジング60とを組み付けてなるものである。
As shown in FIG. 10, the
略円柱状の外形を呈するハウジング50は、図10に示すごとく、中心軸から偏芯してコネクタ70側の端面から穿孔された断面略円形状を呈する凹部51と、該凹部51と略同軸上に、ノズルハウジング60側の端面から穿孔された断面略円形状を呈する第1シリンダ53と、該第1シリンダ53及び凹部51に隣接して同端面から穿孔された燃料供給通路52とを有している。
As shown in FIG. 10, the
凹部51と第1シリンダ53とは、図10に示すごとく、凹部51の底部から略同軸上に穿孔された連通穴54により連通している。本例では、この連通穴54は、凹部51及び第1シリンダ53よりも小径に形成してある。また、燃料供給通路52は、ハウジング50におけるコネクタ70側の端部に配設されたジョイント部520に開口し、該ジョイント部520に収容した燃料導入管525を介して、図示しないコモンレールと接続してある。
さらに、ハウジング50の後端側に形成されたジョイント部580は、後述する三方弁62に連通するドレイン通路58を穿設してあり、該ドレイン通路58には燃料を排出する燃料導出管585を連接してある。
As shown in FIG. 10, the
Further, a
ハウジング50は、図10に示すごとく、凹部51内に圧電アクチュエータ1を有している。また、第1シリンダ53内には、第1プランジャ530を収容してある。この第1プランジャ530は、第1シリンダ53内を摺動する胴部531と、上記連通穴54に貫通する軸部532とを有している。
そして、軸部532の端面において、駆動伝達ユニット55を介して、圧電アクチュエータ1の動作面としての駆動板22に当接している。
The
The end surface of the
駆動伝達ユニット55は、軸方向の両端部で第1プランジャ530と圧電アクチュエータ1に当接する付勢ロッド553と、該付勢ロッド553を圧電アクチュエータ1に向けて付勢するコイルスプリング552と、スプリングシート551とを有してなる。
The
付勢ロッド553は、圧電アクチュエータ1側の端部付近にコイルスプリング552よりも大径のシート部554を形成してある。そして、付勢ロッド553は、コイルスプリング552がシート部554に作用する付勢力により、圧電アクチュエータ1に向けて押圧されている。
The urging
スプリングシート551は、凹部51から連通穴54に至る棚部に係合してコイルスプリング552の一方の端部の軸方向の位置を規制するように構成してある。そして、該スプリングシート551の中央部には、上記付勢ロッド553を挿通させる貫通穴を穿孔してある。
The
なお、本例の駆動伝達ユニット55では、付勢ロッド553から圧電アクチュエータ1の動作面100に作用する静的な圧縮荷重を、積層型圧電素子10の発生する駆動力の1/4以上に設定してある。
一方、圧電アクチュエータ1単体時において、積層型圧電素子1に作用する上記ケース荷重はゼロにしてある。
そのため、インジェクタ6に内蔵した圧電アクチュエータ1の積層型圧電素子10に対しては、その軸方向に積層型圧電素子10の発生する駆動力の1/4以上の予荷重が作用することになる。
In the
On the other hand, when the
Therefore, a preload equal to or more than 4 of the driving force generated by the laminated
また、インジェクタ6は、該コネクタ70に収容した一対の電極(図示略)に所定の電圧を印加することにより、上記基台30に貫通配置した外部電極31(図1参照。)を介して積層型圧電素子1の各セラミック層111に電圧を印加できるように構成してある。
The
ノズルハウジング60は、図10に示すごとく、ハウジング50側の端面から同軸上に穿孔された第2シリンダ63と、燃料供給通路52又はドレイン通路58に連通する三方弁62と、噴射ノズル部61とを有している。
ノズルハウジング60をハウジング50に組み付けたとき、上記第1シリンダ53と連通するように第2シリンダ63を形成してある。そして、上記第2シリンダ63には、第2プランジャ630を摺動自在に収容してある。
したがって、第1プランジャ530と第2プランジャ630との間には、第1シリンダ53から第2シリンダ63にかけて1つの圧力室506が形成されている。
As shown in FIG. 10, the
When the
Therefore, one
本例では、図10に示すごとく、この圧力室506内に作動流体を充填し、第1プランジャ530に従動して第2プランジャ630をストロークさせることができるように構成してある。
ここで、第2シリンダ63は、第1シリンダ53よりも小径に形成してある。そのため、このインジェクタ6では、第1プランジャ530のストロークを増幅して、第2プランジャ630をストロークさせることができるように構成してある。
In this example, as shown in FIG. 10, the
Here, the
上記三方弁62は、図10に示すごとく、燃料供給通路52又はドレイン通路58と、後述する背圧室610とを選択的に連通させる弁体(図示略)を有している。この弁体は、第2プランジャ630のノズルハウジング60側方向のストロークによって作用して、ドレイン通路58と背圧室610とを連通させるように構成されている。
As shown in FIG. 10, the three-
また、第2プランジャ630がハウジング50側に位置するときには、弁体は、燃料供給通路52と背圧室610とを連通させるよう構成されている。
すなわち、本例のインジェクタ6の背圧室610は、通常、高圧の燃料が導入されて高圧に保持されており、第2プランジャ630のノズルハウジング60側に向かうストロークにより、背圧室610とドレイン通路58との連通により、背圧室610内が減圧されるように構成してある。
When the
That is, the
上記噴射ノズル部61は、図10に示すごとく、ノズルハウジング60の先端側に配設されたインジェクションノズル65と、該インジェクションノズル65を開閉するノズルニードル615と、噴射する燃料を蓄える燃料溜まり612とを有している。
As shown in FIG. 10, the
インジェクションノズル65は、図10に示すごとく、軸芯と同軸上に穿孔されたニードル穴650を有している。そして、このニードル穴650は、燃料を噴出する噴孔として、インジェクションノズル65の先端に開口している。
上記ノズルニードル615は、先端方向が小径である2段の略円柱形状を呈しており、直径が変化する段部616が上記燃料溜まり612に位置するよう上記ニードル穴650内に収容されている。また、ノズルニードル615は、その球状を呈する先端部613により、インジェクションノズル65先端の噴孔を開閉できるように構成してある。
As shown in FIG. 10, the
The
また、ノズルニードル615の他方の端部側には、図10に示すごとく、三方弁62と連通する背圧室610を形成してある。この背圧室610に配置されたスプリング618は、インジェクションノズル65先端の噴孔を閉じる方向にノズルニードル615を付勢するように構成してある。
On the other end side of the
さらに、ノズルニードル615の段部616の外周に形成された、略断面円形状を呈する燃料溜まり612には、図10に示すごとく、高圧の燃料を供給する燃料供給通路52を連通させてある。燃料溜まり612の高圧の燃料は、該ノズルニードル615をハウジング50側に後退させる方向の圧力を、ノズルニードル615の段部616に作用するように構成してある。
Further, as shown in FIG. 10, a
以下に、図示しないディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用した本例のインジェクタ6の動作について説明する。
上記のインジェクタ6を動作させて、インジェクションノズル65からエンジンシリンダ内へ、180MPaという高圧の燃料を噴射するには、図10に示すごとく、圧電アクチュエータ1に所定の電圧を印加する。
電圧の印加による圧電アクチュエータ1の伸長により、該圧電アクチュエータ1の動作面100に当接した駆動伝達ユニット55の付勢ロッド553は、上記第1プランジャ530に向けてストロークさせる。
Hereinafter, the operation of the
In order to operate the
The urging
そして、付勢ロッド553に当接してストロークした第1プランジャ530は、第1シリンダ53内をノズルハウジング60側に移動する。第1プランジャ530の移動により第1シリンダ53内の容積が減少されることにより、圧力室506の作動流体は、第2シリンダ63内に流入し、第2シリンダ63内の容積を増大させるよう第2プランジャ630をインジェクションノズル65側に向けて移動させる。
Then, the
第2プランジャ630のストロークにより、三方弁62の弁体は、図10に示すごとく、インジェクションノズル65側に向けて押し下げられる。この弁体の押し下げにより、燃料供給通路52から背圧室610に至る通路が遮断されて、代わりに、ドレイン通路58から背圧室610に至る通路が連通される。そして、背圧室610内に充填されていた燃料は、ドレイン通路58を介して燃料導出管585より外部へ排出され、背圧室610内が減圧される。
By the stroke of the
背圧室610の圧力低下に伴って該背圧室610と燃料溜まり612との間に生じた圧力差は、図10に示すごとく、ノズルニードル615をハウジング50側に押し上げる力を発生する。そして、ノズルニードル615のハウジング50側への移動により、ノズルニードル615の先端部613により閉じられていたインジェクションノズル615先端の噴孔が開口する。そして、噴孔が開口すると、燃料溜まり612内の高圧の燃料がエンジンシリンダ内へ噴射される。
なお、本例では、エンジンを制御するエンジンECU(図示略)により、各エンジンシリンダに取り付けたインジェクタ6を制御して、的確なタイミングにより、上記のごとく燃料の噴射を繰り返し実施した。
The pressure difference generated between the
In this example, the
以上のごとく、内蔵した圧電アクチュエータ1を軸方向に圧縮するコイルスプリング552を備えたインジェクタ6は、圧電アクチュエータ1内部の積層型圧電素子10に適切な予荷重を作用させることができる。
そのため、本例のインジェクタ6では、圧電アクチュエータ1の内部で積層型圧電素子10の層間剥離等のトラブルを生じるおそれが少ない。
As described above, the
Therefore, in the
そして相対的には、本例のインジェクタ6では、収納ケース20の伸縮部21で発生させる必要がある上記ケース荷重を抑制することができる。本例ではケース荷重をゼロとしてある。
したがって、本例の圧電アクチュエータ1では、上記伸縮部21に定常的に作用する引っ張り応力をゼロとすることができ、伸縮部21に疲労破壊が発生するおそれが少ない。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
And relatively, in the
Therefore, in the
The other configuration and operation and effect are the same as those of the first embodiment.
(実施例4)
本例は、実施例3のインジェクタの圧電アクチュエータについて、収納ケースの伸縮部の疲労寿命を調べた例である。
本例では、圧電アクチュエータ単体時における伸縮部の伸長変形による弾性力の大きさと、疲労寿命との関係を調べた。ここで、伸縮部の伸長変形による弾性力は、圧電アクチュエータに内蔵した積層型圧電素子を軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重と略一致している。
(Example 4)
This example is an example of examining the fatigue life of the expansion and contraction portion of the storage case for the piezoelectric actuator of the injector according to the third embodiment.
In the present example, the relationship between the magnitude of the elastic force due to the extension deformation of the expansion and contraction portion when the piezoelectric actuator is used alone and the fatigue life was examined. Here, the elastic force due to the extension deformation of the expansion and contraction portion substantially matches the case load acting in the direction of compressing the laminated piezoelectric element built in the piezoelectric actuator in the axial direction.
そこで、図11に示すごとく、圧電アクチュエータの積層型圧電素子に作用するケース荷重(圧電アクチュエータ単体時においての予荷重(セット荷重))と、2×109回作動させた際に故障確率50%以下を維持するための圧電アクチュエータの動作振幅(μm)との関係を求めた。
なお、同図には、横軸に積層型圧電素子に作用するケース荷重比(積層型圧電素子の発生する駆動力1000Nに対するケース荷重の比率。)を、縦軸に圧電アクチュエータの動作振幅を規定している。
そして、設計目標である2×109回作動時の故障確率50%以下を実現し得る領域をハッチング領域として図示してある。
ここで、2×109回作動時の故障確率とは、十分な母集合の圧電アクチュエータについて、それぞれ2×109回作動させたとき、母集合に対して故障を生じた個体の割合である。
Therefore, as shown in FIG. 11, the case load (preload (set load) when the piezoelectric actuator is used alone) acting on the laminated piezoelectric element of the piezoelectric actuator and the failure probability of 50% or less when the actuator is operated 2 × 109 times. The relationship with the operating amplitude (μm) of the piezoelectric actuator for maintaining the value was obtained.
In the drawing, the horizontal axis indicates the case load ratio acting on the multilayer piezoelectric element (the ratio of the case load to the driving force 1000N generated by the multilayer piezoelectric element), and the vertical axis indicates the operating amplitude of the piezoelectric actuator. are doing.
An area in which the design target, that is, a failure probability of 50% or less at the time of 2 × 109 operations, is shown as a hatched area.
Here, the failure probability at the time of 2 × 109 operations is the ratio of individuals having a failure to the mother set when the piezoelectric actuators of a sufficient population are operated 2 × 109 times, respectively.
ここで、横軸の左端部のマイナス部分の領域は、圧電アクチュエータ単体時において、積層型圧電素子の端部と収納ケースの作用端面との間に隙間が形成された状態を示している。すなわち、本来的には、積層型圧電素子のケース荷重が、ゼロとなる領域を示している。
そこで、本例では、便宜的に上記隙間の大きさを定量化して表現するべく、作用端面と積層型圧電素子の端部とを当接させるまで圧縮するのに必要な荷重を、マイナス荷重として表現している。
Here, a minus region at the left end of the horizontal axis shows a state in which a gap is formed between the end of the multilayer piezoelectric element and the working end surface of the storage case when the piezoelectric actuator is used alone. In other words, it essentially indicates a region where the case load of the laminated piezoelectric element is zero.
Therefore, in this example, in order to quantify and express the size of the gap for convenience, the load required to compress until the working end face and the end of the multilayer piezoelectric element are brought into contact with each other is defined as a minus load. expressing.
同図によれば、積層型圧電素子の一般的な動作振幅である全長比0.1%と、2×109回作動時の故障確率50%とを両立するためには、積層型圧電素子のケース荷重比を、1/10以下にすれば良いことが判る。この理由については以下のように考えることができる。
すなわち、上記ケース荷重を小さくすれば、伸縮部の伸長変形長さを短く設定することができ、該伸縮部に作用する引っ張り力を抑制することができる。そして、引っ張り力を抑制した伸縮部では、疲労破壊が生じるおそれを抑制することが可能である。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例3と同様である。
According to the figure, in order to achieve both the overall operation ratio of 0.1%, which is a general operation amplitude of the multilayer piezoelectric element, and the failure probability of 50% at the time of 2 × 109 operations, it is necessary to use the multilayer piezoelectric element. It is understood that the case load ratio should be set to 1/10 or less. The reason can be considered as follows.
That is, if the case load is reduced, the length of the extension deformation of the elastic portion can be set short, and the pulling force acting on the elastic portion can be suppressed. And in the elastic | stretch part which suppressed the pulling force, it is possible to suppress the possibility that fatigue fracture may arise.
The other configuration and operation and effect are the same as those of the third embodiment.
1 圧電アクチュエータ
10 積層型圧電素子
11 セラミック積層体
12 保持部材
13 伝達部材
20 収納ケース
21 伸縮部
24 胴部
30 基台
31 外部電極
6 インジェクタ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
上記収納ケースの上記伸縮部の弾性力に基いて、上記積層型圧電素子に対してその軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that houses a laminated piezoelectric element in a storage case having an elastic portion that can elastically expand and contract in the axial direction,
Based on the elastic force of the expansion and contraction portion of the storage case, the case load acting on the multilayer piezoelectric element in the direction of compressing the multilayer piezoelectric element in the axial direction is 1/10 of the driving force generated by the multilayer piezoelectric element. A load of less than 100 N.
上記インジェクタは、上記圧電アクチュエータの駆動力が作用する動作面に対して、軸方向の荷重を作用する弾性部材を設けてなり、
上記圧電アクチュエータは、該圧電アクチュエータ単体時において、上記収納ケースの上記伸縮部の弾性力に基いて、上記積層型圧電素子に対してその軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重であることを特徴とする燃料噴射用のインジェクタ。 In a fuel injector having a built-in piezoelectric actuator containing a laminated piezoelectric element in a storage case having an elastic portion that expands and contracts in the axial direction,
The injector is provided with an elastic member that applies an axial load to an operation surface on which the driving force of the piezoelectric actuator is applied,
The piezoelectric actuator is configured such that, when the piezoelectric actuator is used alone, a case load acting on the laminated piezoelectric element in a direction of compressing the laminated piezoelectric element in the axial direction is based on the elastic force of the elastic portion of the storage case. An injector for fuel injection, wherein the load is less than 1/10 or less than 100 N of the driving force generated by the piezoelectric element.
上記積層型圧電素子を作製する素子形成工程と、
上記収納ケースの上記開口端部から上記積層型圧電素子を挿入し、該積層型圧電素子を上記収納ケースの軸方向の所定の位置に配置する収容工程と、
上記収納ケースに収容した上記積層型圧電素子の後端面に上記基台の軸方向の端面を当接させた状態で、上記収納ケースの開口端部に上記基台を接合する接合工程とを含み、
上記収容工程では、上記圧電アクチュエータの上記収納ケースにおいて、上記積層型圧電素子を軸方向に圧縮する方向に作用するケース荷重が、上記積層型圧電素子の発生する駆動力の1/10未満或いは100N未満の荷重となるように、上記積層型圧電素子を収容することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 A cylindrical body formed at least in part with a telescopic part that elastically expands and contracts in the axial direction, and a drive plate disposed at one end of the body and on which the driving force of the laminated piezoelectric element acts In a manufacturing method for manufacturing a piezoelectric actuator in which a stacked type piezoelectric element is housed in a storage case having a base and joined to a base at the other end of the body,
An element forming step of manufacturing the laminated piezoelectric element,
A housing step of inserting the laminated piezoelectric element from the opening end of the storage case and disposing the laminated piezoelectric element at a predetermined position in the axial direction of the storage case,
A joining step of joining the base to an opening end of the storage case in a state where an axial end face of the base is in contact with a rear end face of the laminated piezoelectric element housed in the storage case. ,
In the housing step, in the housing case of the piezoelectric actuator, a case load acting in a direction of compressing the multilayer piezoelectric element in the axial direction is less than 1/10 of a driving force generated by the multilayer piezoelectric element or 100N. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the stacked piezoelectric element is housed so as to have a load of less than.
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