JP2006296130A - 変位増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 予荷重ばねが必要がなく、また、断面積の差分に比例して増幅量を大きくすること。
【解決手段】 アクチュエータは、励磁コイル４で発生した磁界で伸縮する超磁歪素子５により、軸部材６を介して、板ばね７を変位させる。この板ばね７が変位することにより、油（媒体）が密閉された油圧室８の圧力が上昇し、ピストン９を前進させる。ピストン９の変位量（ｘ３）は、超磁歪素子５の変位量（ｘ１）に、板ばね７に隣接する油室の断面積（Ｓ２）と、ピストン９の突出部１０に隣接する油室の断面積（Ｓ３）との比率（Ｓ２／Ｓ３）を掛けた分である。板ばね７は、その有効断面積（Ｓ２）は、超磁歪素子５の断面積（Ｓ１）より大きく設定してあり、超磁歪素子５より断面積が大きな板ばね７で構成される油圧室８に収納した油（媒体）によりピストン９を往復動するので、その断面積の差分に比例して増幅量が大きくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超磁歪素子を用いたアクチュエータ等において、超磁歪素子の伸縮を弾性体及び圧力室に収納した媒体を用いて増幅する変位増幅装置に関する。

図２は、従来の特許文献１に係る燃料噴射弁の縦断面図である。

天然ガス用の直噴エンジンに使用する燃料噴射弁１０１は、概略円筒状のハウジング１１１を備えており、その前端部および後端部にノズル１１２およびキャップ１１３がそれぞれ固定される。

燃料噴射弁１０１を駆動すべくハウジング１１１の後部に収納される超磁歪アクチュエータＡは、磁界発生手段としてのコイル１１４と、第１超磁歪材１１５と、第２超磁歪材１１６と、連結部材１１７とを備える。

円筒状に形成されてハウジング１１１の内周面に嵌合するコイル１１４の前端は、ガイド孔１１８ａを有する前部ガイド部材１１８を介してハウジング１１１の段部１１１ａに係止され、またコイル１１４の後端は、ガイド孔１１９ａおよびストッパ面１１９ｂを有する後部ガイド部材１１９を介してキャップ１１３の前面に係止される。

第１超磁歪材１１５は、円柱状に形成された超磁歪材本体１１５ａと、この超磁歪材本体１１５ａの前端および後端にそれぞれ固定された前部エンド部材１１５ｂおよび後部エンド部材１１５ｃとから構成され、後部エンド部材１１５ｃの外周面に段部１１５ｄが形成される。

第２超磁歪材１１６は、円筒状に形成された超磁歪材本体１１６ａと、この超磁歪材本体１１６ａの前端および後端にそれぞれ固定された前部エンド部材１１６ｂおよび後部エンド部材１１６ｃとから構成され、前部エンド部材１１６ｂの内周面に段部１１６ｄが形成される。

非磁性体で概略円筒状に形成された連結部材１１７は、その前端側の外周面に段部１１７ａを有するとともに、その後端側の内周面に段部１１７ｂを有する。

而して、ハウジング１１１に嵌合支持されたコイル１１４の内側に第２超磁歪材１１６が配置され、その内側に連結部材１１７が配置され、その内側に第１超磁歪材１１５が配置されるが、この状態でハウジング１１１、コイル１１４、第２超磁歪材１１６、連結部材１１７および第１超磁歪材１１５は、燃料噴射弁１０１の軸線Ｌに対して同心に整列する。

第２超磁歪材１１６の後部エンド部材１１６ｃは後部ガイド部材１１９のストッパ面１１９ｂに当接して位置決めされ、前部エンド部材１１６ｂは、前部ガイド部材１１８のガイド孔１１８ａの内周面に摺動自在に嵌合する。

更に第２超磁歪材１１６の前部エンド部材１１６ｂの段部１１６ｄは、連結部材１１７の前側の段部１１７ａに係合し、また連結部材１１７の後側の段部１１７ｂは、第１超磁歪材１１５の後部エンド部材１１５ｃの段部１１５ｄに係合する。このとき、第１超磁歪材１１５の後部エンド部材１１５ｃは、後部ガイド部材１１９のガイド孔１１９ａに摺動自在に嵌合する。

ハウジング１１１の前部内周に形成されたシリンダ１１１ｂに出力部材としてのピストン１２０が摺動自在に嵌合しており、このピストン１２０から後方に延びるピストンロッド１２０ａが、第１超磁歪材１１５の前部エンド部材１１５ｂに当接する。

シリンダ１１１ｂの内部に収納された予荷重ばね１２１の前端がカラー１２２およびワッシャ１２３を介してノズル１１２の後端に係止され、その後端がピストン１２０の前面に係止される。従って、この予荷重ばね１２１の弾発力でピストン１２０は後方に付勢される。

先端にノズル孔１１２ａを有するノズル１１２の内部に弁座１２４および弁体支持部材１２５が収納され、外周面にネジを形成したナットをノズル１１２の内周面に螺合することにより固定される。

弁体１２７は、頭部１２７ａおよび軸部１２７ｂを備えており、頭部１２７ａは、弁座１２４の前面に着座可能であり、かつ軸部１２７ｂは、弁体支持部材１２５のガイド孔に摺動自在に支持される。

弁体１２７の軸部１２７ｂの後端にばね座が設けられており、このばね座１２８の前面と弁体支持部材１２５との間に弁ばね１２９が圧縮状態で支持される。この弁ばね１２９により、弁体１２７の頭部１２７ａが後方に付勢されて弁座１２４に着座する。

ハウジング１１１の前部に燃料供給孔１１１ｃが形成されており、ここからシリンダ１１１ｂ内に供給された高圧の燃料は弁体支持部材１２５のリブ間を通過し、更に弁座１２４および弁体１２７の頭部１２７ａ間の間隙を通過してノズル孔１１２ａからエンジンのシリンダ内に噴射される。

図３は、従来の特許文献２に係る磁歪アクチュエータの概略断面図である。２１１は、磁歪素子であり、２１２は、筒状弾性体であり、２１３は、ケーシングであり、２１４は、コイルであり、２１５は、液体であり、２１６は、液圧室であり、２１７は、ピストンであり、２１８は、Ｏリングである。

ケーシング２１３に、ピストン２１７を備えかつ液体２１５の満ちた液圧室２１６を形成するシリンダ部が取り付けられている。

図３は、コイル２１４による磁界を印加した場合である。ピストン２１７には液体漏れを防止する密封手段のＯリング２１８が取り付けられている。

コイル２１４へ電流を流して磁界を発生させ、磁歪素子２１１に磁界を印加して、磁歪効果によって磁歪素子２１１が長手方向に伸びかつ半径方向に縮む。

結果として、筒状弾性体２１２の体積が増加して、液圧室２１６の収容容量がそれだけ減少して液圧室から液体２１５を押し出し、ピストン２１７を押し上げる。このようにしてピストンを往復運動させることのできる磁歪アクチュエータが得られる。
特開２０００−２５７５２７号公報 特開平６−１９７５７３号公報

しかしながら、特許文献１に係る図２の超磁歪アクチュエータの場合、超磁歪材の伸縮を制御するため、超磁歪材に予荷重を与えている。このため、予荷重ばねが必要であった。

また、特許文献２に係る図３の磁歪素子内蔵のアクチュエータ及びポンプの場合、磁歪素子の変位がそのまま液圧室の液体の圧力上昇に寄与するといったことがある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであって、予荷重ばねが必要がなく、また、断面積の差分に比例して増幅量を大きくすることができる、変位増幅装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に係る変位増幅装置は、磁界を発生して励磁するコイルと、
当該励磁により伸縮する超磁歪素子と、
超磁歪素子の伸縮に比例して変位する弾性体と、
当該弾性体の変位により圧力が上昇する圧力室内に収納した媒体と、
当該媒体の圧力変動に比例して往復するピストンと、からなることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る変位増幅装置は、前記圧力室は、前記弾性体に隣接する断面積（Ｓ２）が、前記ピストンの突出部に隣接する断面積（Ｓ３）より大きく設定してあることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る変位増幅装置は、前記弾性体は、ばねであり、前記油圧室に隣接する有効断面積（Ｓ２）は、前記超磁歪素子の断面積（Ｓ１）より大きく設定してあることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る変位増幅装置は、前記媒体は、作動油であることを特徴とする。

本発明によれば、超磁歪アクチュエータの変位増幅装置のための弾性体は、変位を増幅するとともに、予圧負荷ができるので、予荷重ばねをそのためだけに設ける必要がない。

また、超磁歪素子より断面積が大きな弾性体で構成される圧力室に収納した媒体によりピストンを往復動するので、その断面積の差分に比例して増幅量が大きくなる。

以下、本発明の実施の形態に係る変位増幅装置を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁歪アクチュエータの概略断面図である。

本実施の形態では、ハウジングは、大径であって底部を有する筒状の大径ハウジング１と、小径であって大径ハウジング１を閉鎖するカバーを有する筒状の小径ハウジング２と、小径ハウジング２を閉鎖するカバー３と、からなる。

アクチュエータは、大径ハウジング１内に収納した励磁コイル４を備えている。この励磁コイル４の内径側には、超磁歪素子５が軸方向伸縮自在に配置してある。これにより、超磁歪素子５は、励磁コイル４により発生した磁界で伸縮されるようになっている。

超磁歪素子５には、軸部材６の一端が連結してある。この軸部材６の他端は、板ばね７（弾性体）の略中央部に連結してある。板ばね７は、軸部材６を介して伝わった超磁歪素子５の変位を増幅する働きをする。

なお、板ばね７の有効断面積は、全断面積のうち弾性体として機能を発揮する図１のＳ２であり、この断面積が板ばね７の有効断面積となる。

板ばね７に隣接して、小径ハウジング２との間に、油圧室８（圧力室）が形成してある。この油圧室８は、板ばね７に隣接して大きな断面積（Ｓ２）を有する油室と、ピストン９の突出部１０に隣接して小さな断面積（Ｓ３）を有する油室とからなる。

なお、この油圧室８の構成は、２つの断面積のみを有する油室の組合せに限定されず、板ばね７に隣接する断面積（Ｓ２）が大きく、ピストン９の突出部１０に隣接する断面積（Ｓ３）が小さくなる構成であれば良い。

また、この油圧室８には、板ばね７が変位することにより圧力が上昇する油（媒体）が密封してある。

小径ハウジング２内には、油圧室８の油（媒体）の圧力の上昇に伴って移動するピストン９が収納してある。なお、ピストン９の突出部１０は、油圧室８の油（媒体）に直接的に接触してある。

また、小径ハウジング２内には、圧力の除荷に伴いピストン９を後退させる戻しばね１１が収納してある。

なお、小径ハウジング２のカバー部と大径ハウジング１とは、Ｏリング１２により密閉してあり、ピストン９の突出部１０は、小径ハウジング２に対してＯリング１３により摺動自在でありながら油（媒体）の漏れを防止するようになっている。

次に、本実施の形態では、アクチュエータは、励磁コイル４で発生した磁界で伸縮する超磁歪素子５により、軸部材６を介して、板ばね７を変位させる。

この板ばね７が変位することにより、油（媒体）が密閉された油圧室８の圧力が上昇し、ピストン９を前進させる。

このときのピストン９の変位量（ｘ３）は、超磁歪素子５の変位量（ｘ１）に、板ばね７に隣接する油室の断面積（Ｓ２）と、ピストン９の突出部１０に隣接する油室の断面積（Ｓ３）との比率（Ｓ２／Ｓ３）を掛けた分移動する。

すなわち、ｘ３＝ｘ１×Ｓ２／Ｓ３により、変位を増幅する。

板ばね７の有効断面積は、全断面積のうち弾性体として機能を発揮する図１の前記断面積と等しいＳ２であり、この油室に隣接する断面積が板ばね７の有効断面積となる。

なお、ピストン９の後退は、戻しばね１１でなされる。超磁歪素子５への予荷重は、板ばね７で予め与えられる。

また、実施の形態では、軸部材６と板ばね７を別体としているが、一体で構成することも可能である。さらに、ピストン９を移動させる圧力室の媒体は、油を用いているが、油に限らず、水などの他の液体や空気等の気体でも良いが、圧縮性が小さく一般的な使い勝手から通常油圧として用いられる作動油が望ましい。

以上から、本実施の形態では、超磁歪アクチュエータの変位増幅装置のための弾性体は、板ばね７であり、変位を増幅するとともに、予圧負荷ができるので、予荷重ばねをそのためだけに設ける必要がない。

また、弾性体は、板ばね７であり、隣接する油室の断面積（Ｓ２）は、超磁歪素子５の断面積（Ｓ１）より大きく設定してある。

したがって、超磁歪素子５より断面積が大きな板ばね７で構成される油圧室８に収納した油（媒体）によりピストン９を往復動するので、その断面積の差分に比例して増幅量が大きくなる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、種々変形可能である。

本発明の実施の形態に係る磁歪アクチュエータの概略断面図である。 従来の特許文献１に係る燃料噴射弁の縦断面図である。 従来の特許文献２に係る磁歪アクチュエータの概略断面図である。

符号の説明

１ 大径ハウジング
２ 小径ハウジング
３ カバー
４ 励磁コイル（コイル）
５ 超磁歪素子
６ 軸部材
７ 板ばね（弾性体）
８ 油圧室（圧力室）
９ ピストン
１０ 突出部
１１ 戻しばね
１２，１３ Ｏリング
１１２ａ ノズル孔
１１５ 第１超磁歪材
１１６ 第２超磁歪材
１２０ ピストン
１２１ 予荷重ばね
１２７ 弁体
１２９ 弁ばね
Ａ 超磁歪アクチュエータ
２１１ 磁歪素子
２１２ 筒状弾性体
２１３ ケーシング
２１４ コイル
２１５ 液体
２１６ 液圧室
２１７ ピストン
２１８ Ｏリング

Claims (4)

1. 磁界を発生して励磁するコイルと、
   当該励磁により伸縮する超磁歪素子と、
   超磁歪素子の伸縮に比例して変位する弾性体と、
   当該弾性体の変位により圧力が上昇する圧力室内に収納した媒体と、
   当該媒体の圧力変動に比例して往復するピストンと、からなることを特徴とする変位増幅装置。
2. 前記圧力室は、前記弾性体に隣接する断面積（例えばＳ２）が、前記ピストンの突出部に隣接する断面積（例えばＳ３）より大きく設定してあることを特徴とする請求項１に記載の変位増幅装置。
3. 前記弾性体は、ばねであり、前記油圧室に隣接する有効断面積（例えばＳ２）は、前記超磁歪素子の断面積（例えばＳ１）より大きく設定してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位増幅装置。
4. 前記媒体は、作動油であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位増幅装置。

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