JP2010003980A - 圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性に優れた圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータは、軸方向に伸縮する圧電素子１０と、圧電素子１０を収容し、伸縮可能な伸縮部２１を備えた収容部材２０とを有する。収容部材２０は、圧電素子１０の側面外方を覆う筒状の胴部２３と、胴部２３の先端開口部２３１に配設されると共に圧電素子１０の駆動力が作用する駆動部２１と、胴部２３と駆動部２１との間を連結するよう配設されるダイヤフラム板よりなる伸縮部２２とを有する。伸縮部２２は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子を備えた圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。

自動車等の内燃機関の燃料噴射用インジェクタに用いられる圧電アクチュエータとしては、ベローズ等からなる伸縮部を有する収容部材内に、電圧を印加することにより変位（伸縮）する圧電素子を収納したものが知られている。
従来から、圧電アクチュエータの伸縮部は、圧電素子の伸縮に伴う伸縮変形の繰り返しにより、疲労破壊が生じるという問題がある。特に、圧電アクチュエータを小型化する場合、伸縮部を小型化すると伸縮部に発生する応力が大きくなり、疲労寿命がさらに低下してしまう。

そこで、伸縮部の疲労寿命を高めるために、特許文献１では、伸縮部をベローズ構造とし、圧電素子の伸縮方向の端面と収容ケース端面との間に隙間を設けた圧電アクチュエータが提案されている。また、特許文献２では、伸縮部をダイヤフラム構造とした圧電式のアクチュエータモジュールが提案されている。

特開２００４−２９７０４２号公報 特表２００５−５３３９６８号公報

しかしながら、従来の構造では、圧電素子の伸縮に伴って伸縮部に発生する応力を小さくし、疲労寿命を十分に高めることができるとはいえなかった。特に、伸縮部をダイヤフラム構造とした場合には、伸縮部を小型化すると伸縮部に発生する応力が顕著に大きくなり、疲労寿命の低下を招いてしまう。そのため、圧電アクチュエータの小型化にも限界があった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性に優れた圧電アクチュエータ及びその製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、軸方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子を収容し、伸縮可能な伸縮部を備えた収容部材とを有する圧電アクチュエータにおいて、
上記伸縮部は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からな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）。

本発明の圧電アクチュエータは、上記圧電素子を収容する上記収容部材において、伸縮可能な上記伸縮部を備えている。そして、上記伸縮部は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなる。すなわち、本発明は、上記圧電素子の伸縮に伴って伸縮を繰り返す上記伸縮部を構成する材料として、数ある鋼材料の中から実験結果に基づいてＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金を積極的に選択して採用し、この材料が上記伸縮部に適用するものとして最適であることを見出した発明である。そして、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金の特性を生かして上記伸縮部の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上させることができる。これにより、上記圧電アクチュエータの耐久性・信頼性を高めることができる。また、上記伸縮部を小型化しても、疲労寿命を充分に確保することができるため、上記圧電アクチュエータの小型化を図ることもできる。

このように、本発明によれば、上記特定の材料を積極的に採用することによって、伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性に優れた圧電アクチュエータを提供することができる。

本発明において、上記収容部材の上記伸縮部を構成する材料であるＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）としては、一般的なものを採用することができる。例えば、Ｃをほとんど含まず、多量のＮｉ、その他Ｃｏ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｌ等を加えた鋼を熱処理によりマルテンサイト組織にして時効処理した材料である。
使用するＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼の特性としては、疲労強度が７００ＭＰａ以上、硬度が５４０Ｈｖ以上、引張強さが１８００Ｎ／ｍｍ²であることが好ましい。

また、上記収容部材は、上記圧電素子の側面外方を覆う筒状の胴部と、該胴部の先端開口部に配設されると共に上記圧電素子の駆動力が作用する駆動部と、上記胴部と上記駆動部との間を連結するよう配設されるダイヤフラム板よりなる上記伸縮部とを有する構成とすることができる（請求項２）。
すなわち、上記伸縮部をダイヤフラム構造とした場合でも、該伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性を高めることができる。特に、ダイヤフラム構造の場合には、上記伸縮部を小型化した場合に、上記圧電素子の伸縮に伴って上記伸縮部に発生する応力が大きくなる傾向があるため、上記の効果をより一層発揮することができる。

また、上記収容部材は、上記圧電素子の側面外方を覆う筒状の胴部と、該胴部の先端側に連結される筒状の上記伸縮部と、該伸縮部の先端開口部を閉塞してなると共に上記圧電素子の駆動力が作用する駆動部とを有しており、
上記伸縮部は、大径部と小径部とを交互に有するベローズである構成とすることができる（請求項３）。
すなわち、上記伸縮部をベローズ構造とした場合でも、該伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性を高めることができる。

また、上記圧電アクチュエータは、該圧電アクチュエータ単体の場合には、上記圧電素子が自然長の状態では、該圧電素子の先端面と上記駆動部との間に隙間が形成されており、
上記圧電アクチュエータを使用状態にセットした場合には、上記圧電素子の先端面と上記駆動部とが接触しており、かつ、上記圧電素子が自然長の状態では、上記収容部材の上記伸縮部に圧縮応力が作用するよう構成されていることが好ましい（請求項４）。

そのため、上記圧電アクチュエータを使用状態にセットした場合において、上記圧電素子を伸長させた状態では、該圧電素子の伸長によって上記伸縮部に発生する引張応力を予め作用させておいた圧縮応力分だけ小さくすることができる。すなわち、上記圧電素子が自然長の状態において上記伸縮部に作用する圧縮応力をｆ１、上記圧電素子を伸長させた場合に上記伸縮部に作用する引張応力をｆ２とすると、上記圧電素子を伸長させた状態において最終的に上記伸縮部に作用する応力（引張応力）Ｆは、Ｆ＝ｆ２−ｆ１となる。これにより、上記特定の材料を積極的に採用したことによる効果と相俟って、上記伸縮部の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上させることができる。それ故、上記圧電アクチュエータの耐久性・信頼性を高めることができる。

また、上記圧電アクチュエータの疲労寿命設計は、後述する実施例２の図１０を参照のごとく、金属材料の疲労寿命設計の一般的な手法である修正Ｇｏｏｄｍａｎ線図を用いて行うことができる。修正Ｇｏｏｄｍａｎ線は、平均応力（＝ｆ１＋ｆ２／２）、応力振幅（＝ｆ２／２）を用いて求めることができる。そして、求めた修正Ｇｏｏｄｍａｎ線を基にセット位置、材料選定等を行うことが好ましい。なお、ｆ１、ｆ２は、上述した圧縮応力、引張応力である。

また、上記圧電アクチュエータは、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタに内蔵するアクチュエータであることが好ましい（請求項５）。
上記インジェクタは、上記圧電アクチュエータの伸縮変位約３０μｍかつ繰り返し伸縮回数約１×１０⁹回以上という過酷な条件下で使用される。そのため、上記の優れた圧電アクチュエータを用いることにより、耐久性・信頼性を向上させることができ、上記インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。

次に、上記請求項４の圧電アクチュエータを製造する方法であって、上記収容部材内に上記圧電素子を収容するに当たっては、
上記圧電素子を伸長させた状態で、その先端面を上記駆動部に接触させて上記収容部材内に収容し、
さらに、上記伸縮部に対して実質的に応力が作用しない状態で、上記収容部材の上記胴部と上記伸縮部と上記駆動部とを固定すると共に、上記圧電素子の後端位置を規制するハウジング部と上記胴部とを固定し、
その後、上記圧電素子を自然長の状態に戻し、該圧電素子の先端面と上記駆動部との間に隙間を形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法がある（請求項６）。

この製造方法では、上記圧電素子を伸長させた状態で上記収容部材内に収容し、上記伸縮部に対して実質的に応力が作用しない状態で上記圧電素子と上記収容部材との組み付けを行う。その後、上記伸縮部に対して実質的に応力が作用しない状態を維持しながら、上記圧電素子を自然長の状態に戻し、該圧電素子の先端面と上記駆動部との間に隙間を形成する。そのため、上記圧電アクチュエータを使用状態にセットする際、例えばインジェクタ等に組み付ける際に、インジェクタからの予荷重等によって上記圧電素子の先端面と上記駆動部との間の隙間を無くして両者を接触させることにより、上記収容部材の上記伸縮部を縮ませて該伸縮部に圧縮応力を作用させることができる。

したがって、上記圧電アクチュエータを使用状態にセットした場合において、上記圧電素子を伸長させた状態では、該圧電素子の伸長によって最終的に上記伸縮部に発生する引張応力を予め作用させておいた圧縮応力分だけ小さくすることができる。これにより、上記特定の材料を積極的に採用したことによる効果と相俟って、上記伸縮部の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上させることができる。それ故、上記圧電アクチュエータは、耐久性・信頼性の高いものとなる。
このように、上記の製造方法によれば、伸縮部の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性に優れた圧電アクチュエータを得ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる圧電アクチュエータ及びその製造方法について、図を用いて説明する。
本例の圧電アクチュエータ１は、図１、図２に示すごとく、軸方向に伸縮する圧電素子１０と、圧電素子１０を収容し、伸縮可能な伸縮部２２を備えた収容部材２０とを有する。伸縮部２２は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなる。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、圧電素子１０は、圧電材料よりなる圧電層１２と導電性を有する内部電極層１３とを交互に積層してなるセラミック積層体１１を有している。セラミック積層体１１は、断面四角形状を呈しており、相互に対面する一対の電極接合面１１８、１１９を形成してなる。
なお、セラミック積層体１１の断面形状としては、用途等によって円形、樽形、八角形等の様々な形状とすることもできる。

また、セラミック積層体１１の電極接合面１１８、１１９には、それぞれ側面電極１４が設けられている。各側面電極１４は、セラミック積層体１１の積層方向の一層おきの内部電極層１３と電気的に接続しており、かつ、一方の側面電極１４と電気的に接続している内部電極層１３は、他方の側面電極１４に対して電気的に絶縁した状態となっている。すなわち、本例のセラミック積層体１１は、いわゆる電極控え構造（部分電極構造）を有している。

また、側面電極１４の後端部は、セラミック積層体１１の後端面１１２に接合した後述するブロック部材１９に配設された電極端子１５に接合されている。
また、側面電極１４の側面外周は、図示を省略したが、シリコーン樹脂よりなる絶縁樹脂でモールドされている。

本例の圧電層１２は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電セラミックスで構成されている。また、内部電極層１３は、Ａｇ／Ｐｄ合金により構成されている。
また、側面電極１４は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた導電性接着剤に、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンドメタルを埋設して構成されている。

また、同図に示すごとく、セラミック積層体１１の先端面１１１には、アルミナよりなる伝達部材１８が接合されている。伝達部材１８は、圧電素子１０の駆動力を駆動部２１に作用させるための部材である。
また、セラミック積層体１１の後端面１１２には、アルミナよりなる略円柱形状のブロック部材１９が接合されている。

また、同図に示すごとく、収容部材２０の後端側には、ハウジング部３０が配設されている。ハウジング部３０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）よりなり、円筒状を呈している。ハウジング部３０の内部には、一対のターミナルリード３２を収容するための二つの収容孔３１が軸方向に貫通して設けられている。また、ハウジング部３０の先端部は、収容部材２０の後端開口部２０２に挿入されており、溶接により接合されている。

また、ハウジング部３０は、二つの収容孔３１においてターミナルリード３２を一本ずつ収容している。ターミナルリード３２は、収容孔３１を貫通するように、収容孔３１に挿通させて収容されている。また、ハウジング部３０は、収容孔３１の後端開口部３１２において、ターミナルリード３２との間をガラスよりなるハーメチックシール３３によりシールしてなる。

また、図１、図２に示すごとく、収容部材２０は、有底円筒状を呈している。収容部材２０は、圧電素子１０の側面外方を覆う筒状の胴部２３と、胴部２３の先端開口部２３１に配設されると共に圧電素子１０の駆動力が作用する駆動部２１と、胴部２３と駆動部２１との間を連結するよう配設されるダイヤフラム板よりなる伸縮部２２とにより構成されている。
本例の伸縮部２２は、市販されている一般的なＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）により構成されている。

また、伸縮部２２は、胴部２３及び駆動部２１に対して溶接により接合されている。すなわち、胴部２３の先端開口部２３１は、駆動部２１及び伸縮部２２によって閉塞されている。
また、駆動部２１は、セラミック積層体１１の先端面１１１に接合された伝達部材１８の先端面１８１との間に隙間２９を形成している。隙間２９の軸方向の距離ｄは、３０μｍである。

次に、上記構成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。
まず、圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛よりなるセラミックス原料粉末を準備し、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてスラリーを作製した。そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム上に塗布し、一定厚みのグリーンシートを成形した。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。

次いで、図３に示すごとく、上記グリーンシート上において、内部電極層１３を形成する部分にペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金よりなる電極材料１３０を塗布した。このとき、電極材料１３０を塗布しない控え部１３１も形成した。
そして、上記グリーンシートから所望の大きさのシート片１２０を切り出し、そのシート片１２０を積層し、中間積層体１１０を作製した。このとき、シート片１２０に形成された控え部１３１の位置が交互となるように、シート片１２０を積層した。

次いで、図４に示すごとく、得られた中間積層体１１０を脱脂した後、９００〜１０００℃で１〜５時間焼成を行った。これにより、圧電層１２と内部電極層１３とを交互に積層してなるセラミック積層体１１を得た。
そして、セラミック積層体１１の電極接合面１１８、１１９に導電性接着剤を塗布した後、塗布した導電性接着剤に一対のエキスパンドメタルを配置し、導電性接着剤を加熱硬化させた。これにより、セラミック積層体１１の電極接合面１１８、１１９に側面電極１４を形成した。

次いで、図５に示すごとく、セラミック積層体１１の先端面１１１に伝達部材１８を接合し、後端面１１２にブロック部材１９を接合した。
そして、ブロック部材１９とハウジング部３０とを当接させた状態で、圧電素子１０とハウジング部３０とを組み付けた。このとき、ハウジング部３０の収容孔３１に収容された一対のターミナルリード３２の先端部と圧電素子１０の一対の側面電極１４に接合しておいた電極端子１５とを溶接により接合した。また、ターミナルリード３２とハウジング部３０との間は、収容孔３１の後端開口部３１２において、ガラスよりなるハーメチックシール３３によりシールしておいた。
さらに、図示を省略したが、圧電素子１０の側面外周にシリコーン樹脂よりなる絶縁樹脂を塗布し、１８０℃、１時間の条件で加熱して硬化させた。これにより、圧電素子１０の外周面１００を絶縁樹脂によりモールドした。

次いで、同図に示すごとく、圧電素子１０を収容部材２０の後端開口部２０２から収容した。そして、収容部材２０の後端開口部２０２内に、圧電素子１０の後端位置を規制するハウジング部３０の先端部を挿入し、溶接により接合した。
このとき、図６（ａ）に示すごとく、圧電素子１０に電圧を印加して圧電素子１０を伸長させた状態とし、圧電素子１０の先端面（伝達部材１８の先端面１８１）を駆動部２１に接触させ、伸縮部２２に対して軸方向に実質的に応力が作用しない状態で圧電素子１０を収容した。

その後、図６（ｂ）に示すごとく、圧電素子１０に対する電圧の印加を解除することで圧電素子１０を自然長の状態に戻し、圧電素子１０の先端面（伝達部材１８の先端面１８１）と駆動部２１との間に隙間２９を形成した。このとき、収容部材２０の伸縮部２２は、実質的に応力が作用しない状態が維持されている。
以上により、図１の圧電アクチュエータ１を作製した。

次に、圧電アクチュエータ１の作動について説明する。本例では、圧電アクチュエータ１を自動車エンジンの燃料噴射用のインジェクタ（後述する実施例３の図１１参照）に組み付けて使用する。
まず、圧電アクチュエータ１をインジェクタに組み付け、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットする。

このとき、図７（ａ）に示すごとく、インジェクタからの予荷重Ａによって圧電素子１０の先端面（伝達部材１８の先端面１８１）と駆動部２１との間の隙間２９が無くなるように両者を密着させる。そして、収容部材２０の伸縮部２２を縮ませて伸縮部２２に圧縮応力を作用させた状態で、圧電アクチュエータ１をインジェクタに組み付ける。
すなわち、同図に示すごとく、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットした場合において、圧電素子１０に対して電圧が印加されていない自然長の状態では、収容部材２０の伸縮部２２に圧縮応力ｆ１（＝約４２０ＭＰａ）が作用する。

そして、図７（ｂ）に示すごとく、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットした場合において、圧電素子１０に対して電圧を印加して圧電素子１０を伸長させた状態では、圧電素子１０の駆動力が駆動部２１に作用する。そして、収容部材２０の伸縮部２２には、圧電素子１０の伸長に伴って引張応力ｆ２（＝５６０ＭＰａ）が作用する。
ここで、本例では、予め伸縮部２２に圧縮応力ｆ１が作用しているため、最終的に伸縮部２２に作用する応力（引張応力）Ｆは、Ｆ＝ｆ２−ｆ１（＝約１４０ＭＰａ）となる。
また、図７（ｂ）の状態から圧電素子１０に対する電圧の印加を解除すれば、圧電素子１０は自然長の状態となり、図７（ａ）の状態に戻る。

次に、本例の圧電アクチュエータ１における作用効果について説明する。
本例の圧電アクチュエータ１は、圧電素子１０を収容する収容部材２０において、伸縮可能な伸縮部２２を備えている。そして、伸縮部２２は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなる。すなわち、本例では、圧電素子１０の伸縮に伴って伸縮を繰り返す伸縮部２２を構成する材料として、数ある鋼材料の中から実験結果に基づいてＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金を積極的に選択して採用し、この材料が伸縮部２２に適用するものとして最適であることを見出したのである。そして、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金の特性を生かして伸縮部２２の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上させることができる。これにより、圧電アクチュエータ１の耐久性・信頼性を高めることができる。また、伸縮部２２を小型化しても、疲労寿命を充分に確保することができるため、圧電アクチュエータ１の小型化を図ることもできる。

また、本例では、収容部材２０は、圧電素子１０の側面外方を覆う筒状の胴部２３と、胴部２３の先端開口部２３１に配設されると共に圧電素子１０の駆動力が作用する駆動部２１と、胴部２３と駆動部２１との間を連結するよう配設されるダイヤフラム板よりなる伸縮部２２とを有する。すなわち、伸縮部２２をダイヤフラム構造としている。
このような構造とした場合でも、伸縮部２２の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性を高めることができる。特に、ダイヤフラム構造の場合には、伸縮部２２を小型化した場合に、圧電素子１０の伸縮に伴って伸縮部２２に発生する応力が大きくなる傾向があるため、上記の効果をより一層発揮することができる。

また、圧電アクチュエータ１は、圧電アクチュエータ１単体の場合には、圧電素子１０が自然長の状態では、圧電素子１０の先端面（伝達部材１８の先端面１８１）と駆動部２１との間に隙間２９が形成されており、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットした場合には、圧電素子１０の先端面（伝達部材１８の先端面１８１）と駆動部２１とが接触しており、かつ、圧電素子１０が自然長の状態では、収容部材２０の伸縮部２２に圧縮応力が作用するよう構成されている。

そのため、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットした場合において、圧電素子１０を伸長させた状態では、圧電素子１０の伸長によって伸縮部２２に発生する引張応力を予め作用させておいた圧縮応力分だけ小さくすることができる。すなわち、圧電素子１０が自然長の状態において伸縮部２２に作用する圧縮応力をｆ１、圧電素子１０を伸長させた場合に伸縮部２２に作用する引張応力をｆ２とすると、圧電素子１０を伸長させた状態において最終的に伸縮部２２に作用する応力（引張応力）Ｆは、Ｆ＝ｆ２−ｆ１となる。これにより、上記特定の材料を積極的に採用したことによる効果と相俟って、伸縮部２２の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上させることができる。それ故、圧電アクチュエータ１の耐久性・信頼性を高めることができる。

このように、本例によれば、伸縮部２２の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性に優れた圧電アクチュエータ１及びその製造方法を提供することができる。

なお、本例では、収容部材２０の伸縮部２２の構造としてダイヤフラム構造を採用したが、ベローズ構造を採用することもできる。
ベローズ構造としては、例えば、図８に示すごとく、収容部材２０は、圧電素子１０の側面外方を覆う筒状の胴部２３と、胴部２３の先端側に連結される筒状の伸縮部２２と、伸縮部２２の先端開口部２２１を閉塞してなると共に圧電素子１０の駆動力が作用する駆動部２１とを有する。そして、伸縮部２２は、大径部と小径部とを交互に有するベローズである。その他の構成は、図１のダイヤフラム構造のものと同様である。
この場合にも、圧電アクチュエータ１は、ダイヤフラム構造の場合と同様に、伸縮部２２の疲労寿命を向上させることができ、耐久性・信頼性を高めることができる。

（実施例２）
本例は、本発明の圧電アクチュエータの効果（耐久性）を調べた試験例である。
本例では、まず、本発明品として、収容部材の伸縮部がＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなる実施例１の圧電アクチュエータ（本発明品Ｅ）を準備した。伸縮部は、ダイヤフラム構造を採用したものである。
また、比較品として、伸縮部がそれぞれ析出硬化型ステンレス鋼（ＳＵＳ６３１）、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる圧電アクチュエータ（比較品Ｃ１、Ｃ２）を準備した。

なお、表１に、本発明品Ｅ、比較品Ｃ１及び比較品Ｃ２の伸縮部を構成する材料であるＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）、析出硬化型ステンレス鋼（ＳＵＳ６３１）及びオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の各成分を示した。Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）は、時効硬化後のものである。また、析出硬化型ステンレス鋼（ＳＵＳ６３１）は、析出硬化後のものである。

そして、各圧電アクチュエータを所定の応力振幅で所定の回数作動させ、伸縮部の状態（破断・未破断）を観察し、さらに伸縮部の疲労強度、硬度、引張強さを求めた。
疲労強度は、平滑材の試験片を用いて繰り返し曲げ試験を行うことにより求めた。また、硬度は、ビッカース硬度計を用いて試験片断面の硬度を測定することにより求めた。また、引張強さは、試験片をロードセルで引っ張り、破断した際の荷重を測定することにより求めた。
この結果を表２、表３に示す。

表２は、所定の応力振幅で所定の回数作動させた場合の伸縮部の状態を示したものである。また、表２の結果は、図９にプロットして示してある。
表２、図９からわかるように、比較品Ｃ１は、応力振幅が約４３０ＭＰａを超えると破断してしまう。また、比較品Ｃ２は、応力振幅が約６７０ＭＰａを超えると破断してしまう。これに対して、本発明品Ｅは、約８００ＭＰａを超えても破断しない。

また、表３は、伸縮部の疲労強度、硬度、引張強さを示したものである。
同表からわかるように、疲労強度は、比較品Ｃ１が６２０ＭＰａ、比較品Ｃ２が４２０ＭＰａであるのに対し、本発明品Ｅは８００ＭＰａであった。また、硬度は、比較品Ｃ１がＨｖ４００、比較品Ｃ２がＨｖ１９０であるのに対し、本発明品はＨｖ５９０であった。また、引張強さは、比較品Ｃ１が１３５０ＭＰａ、比較品Ｃ２が７２３ＭＰａであるのに対し、本発明品Ｅは１９８５ＭＰａであった。このように、本発明品Ｅは、疲労強度、硬度、引張強さのいずれも比較品Ｃ１、Ｃ２より高い値を示した。

次に、本発明品Ｅ、比較品Ｃ１及び比較品Ｃ２の疲労強度、引張強さの値を基に修正ｇｏｏｄｍａｎ線図を作成し、疲労寿命を評価した。
修正Ｇｏｏｄｍａｎ線の作成方法は、まず、図１０に示すごとく、横軸に伸縮部（ダイヤフラム板）に作用する平均応力（＝ｆ１＋ｆ２／２）、縦軸に伸縮部（ダイヤフラム板）に作用する応力振幅（＝ｆ２／２）をとる。なお、ｆ１、ｆ２は、実施例１において説明した圧縮応力、引張応力である。

次いで、本発明品Ｅ、比較品Ｃ１及び比較品Ｃ２の伸縮部を構成する材料（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）、析出硬化型ステンレス鋼（ＳＵＳ６３１）及びオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４））の疲労強度及び引張強さをプロットし、この２点を直線で結ぶ。これを修正Ｇｏｏｄｍａｎ線とした。

ここで、図中における伸縮部の使用応力領域Ｒとは、本例の圧電アクチュエータをインジェクタに使用した場合に伸縮部に加わる負荷応力範囲のことであり、伸縮部の形状加工精度のばらつきや圧電素子の先端面と駆動部との隙間の形成精度のばらつきも考慮したものである。使用応力領域Ｒは、圧電アクチュエータをインジェクタにセットした場合に伸縮部に発生する応力とインジェクタ作動時に伸縮部に発生する応力とから、伸縮部を伸縮変位させた場合に発生する応力を応力解析にて計算して求めることができる。
また、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線よりも内側（応力の低い側）の領域は、伸縮部が破損・破断しない応力領域である。

図１０からわかるように、比較品Ｃ１及びＣ２は、伸縮部使用応力領域Ｒの一部が修正Ｇｏｏｄｍａｎ線よりも内側の領域から外れている。そのため、伸縮部の使用条件等によっては破損・破断が生じるおそれがある。一方、本発明品Ｅは、伸縮部使用応力領域Ｒのすべてが修正Ｇｏｏｄｍａｎ線よりも内側の領域にある。よって、伸縮部の破損・破断を防止することができ、比較品Ｃ１及びＣ２に比べて疲労寿命が高い。

以上の結果から、本発明品Ｅの伸縮部は、比較品Ｃ１、Ｃ２の伸縮部よりも耐久性が高く、疲労強度、硬度、引張強さも高い値を示すことがわかった。
すなわち、本発明品の圧電アクチュエータは、収容部材の伸縮部を構成する材料をＮｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）とすることにより、比較品（従来品）に比べて伸縮部の疲労破壊を抑制することができ、疲労寿命を格段に向上できることがわかった。そして、これにより、耐久性・信頼性を高められることがわかった。

（実施例３）
本例は、実施例１の圧電アクチュエータ１をインジェクタ６に用いた例である。
本例のインジェクタ６は、図１１に示すごとく、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ものである。
このインジェクタ６は、同図に示すごとく、駆動部としての圧電アクチュエータ１が収容される上部ハウジング６２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部６４が形成される下部ハウジング６３を有している。

上部ハウジング６２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６２１内に、積層型圧電素子１が挿通固定されている。
縦穴６２１の側方には、高圧燃料通路６２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング６２上側部に突出する燃料導入管６２３内を経て外部のコモンレール（図示略）に連通している。

上部ハウジング６２上側部には、また、ドレーン通路６２４に連通する燃料導出管６２５が突設し、燃料導出管６２５から流出する燃料は、燃料タンク（図示略）へ戻される。
ドレーン通路６２４は、縦穴６２１と駆動部となる圧電アクチュエータ１との間の隙間６０を経由し、さらに、この隙間６０から上下ハウジング６２、６３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する３方弁６５１に連通してしる。

噴射ノズル部６４は、ピストンボデー６３１内を上下方向に摺動するノズルニードル６４１と、ノズルニードル６４１によって開閉されて燃料溜まり６４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔６４３を備えている。燃料溜まり６４２は、ノズルニードル６４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路６２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル６４１は、燃料溜まり６４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室６４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室６４４の圧力が降下すると、ノズルニードル６４１がリフトして、噴孔６４３が開放され、燃料噴射がなされる。

背圧室６４４の圧力は３方弁６５１によって増減される。３方弁６５１は、背圧室６４４と高圧燃料通路６２２、またはドレーン通路６２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路６２２またはドレーン通路６２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン６５２、油圧室６５３、小径ピストン６５４を介して、駆動される。

そして、本例においては、上記構成のインジェクタ６における駆動源として、実施例１の圧電アクチュエータ１を用いている。この圧電アクチュエータ１は、上記のごとく、耐久性・信頼性に優れたものである。そのため、インジェクタ６全体の性能向上を図ることができる。

実施例１における、圧電アクチュエータの構造を示す説明図。 実施例１における、伸縮部周辺の構造を示す説明図。 実施例１における、シート片を積層する工程を示す説明図。 実施例１における、セラミック積層体に側面電極を設けた圧電素子を示す説明図。 実施例１における、圧電素子を収容部材に収納する工程を示す説明図。 実施例１における、圧電素子を収容部材に収容した場合の伸縮部周辺を示す説明図（（ａ）圧電素子が自然長の状態、（ｂ）圧電素子が伸長した状態）。 実施例１における、圧電アクチュエータを使用状態にセットした場合の伸縮部周辺を示す説明図（（ａ）圧電素子が自然長の状態、（ｂ）圧電素子が伸長した状態）。 実施例１における、伸縮部がベローズ構造の圧電アクチュエータを示す説明図。 実施例２における、応力振幅と作動回数との関係を示す説明図。 実施例２における、修正Ｇｏｏｄｍａｎ線を示す説明図。 実施例３における、インジェクタの構造を示す説明図。

符号の説明

１ 圧電アクチュエータ
１０ 圧電素子
２０ 収容部材
２１ 駆動部
２２ 伸縮部
２３ 胴部
２３１ 先端開口部

Claims (6)

1. 軸方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子を収容し、伸縮可能な伸縮部を備えた収容部材とを有する圧電アクチュエータにおいて、
   上記伸縮部は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 請求項１において、上記収容部材は、上記圧電素子の側面外方を覆う筒状の胴部と、該胴部の先端開口部に配設されると共に上記圧電素子の駆動力が作用する駆動部と、上記胴部と上記駆動部との間を連結するよう配設されるダイヤフラム板よりなる上記伸縮部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 請求項１において、上記収容部材は、上記圧電素子の側面外方を覆う筒状の胴部と、該胴部の先端側に連結される筒状の上記伸縮部と、該伸縮部の先端開口部を閉塞してなると共に上記圧電素子の駆動力が作用する駆動部とを有しており、
   上記伸縮部は、大径部と小径部とを交互に有するベローズであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 請求項２又は３において、上記圧電アクチュエータは、該圧電アクチュエータ単体の場合には、上記圧電素子が自然長の状態では、該圧電素子の先端面と上記駆動部との間に隙間が形成されており、
   上記圧電アクチュエータを使用状態にセットした場合には、上記圧電素子の先端面と上記駆動部とが接触しており、かつ、上記圧電素子が自然長の状態では、上記収容部材の上記伸縮部に圧縮応力が作用するよう構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記圧電アクチュエータは、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタに内蔵するアクチュエータであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
6. 請求項４に記載の圧電アクチュエータを製造する方法であって、上記収容部材内に上記圧電素子を収容するに当たっては、
   上記圧電素子を伸長させた状態で、その先端面を上記駆動部に接触させて上記収容部材内に収容し、
   さらに、上記伸縮部に対して実質的に応力が作用しない状態で、上記収容部材の上記胴部と上記伸縮部と上記駆動部とを固定すると共に、上記圧電素子の後端位置を規制するハウジング部と上記胴部とを固定し、
   その後、上記圧電素子を自然長の状態に戻し、該圧電素子の先端面と上記駆動部との間に隙間を形成することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。

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