JP2010206888A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ばねの設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができるのはもちろんのこと、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力の低減を図ることができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１１０は、部材１１２を移動させるピエゾ素子１０１と、ピエゾ素子１０１に初期荷重（予荷重）として圧縮荷重を負荷するばね１とを備えている。ばね１の本体部は、たとえば部材１１１，１１２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在し、皿ばねとしての機能を有する。ばね１の荷重特性は、皿ばねの特性と同様に、略平坦領域を有するように非線形となる。ばね１では、本体部と突出部の境界部に角部が形成されている。角部は、荷重印加時に相手部材からの押圧力に応じてその角度を変化させるように弾性変形するので、突出部の部材１１１，１１２に対する摺動を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ばねにより初期荷重が負荷されるピエゾ素子を備えたアクチュエータに係り、特にばねの改良に関する。

ディーゼルエンジンやガソリン直噴エンジン等に使用される燃料噴射システムでは、近年、燃料効率の向上を図るために、燃料噴出を精密に制御することが要求されている。その制御の精密化は、燃料噴出用開閉機構の応答の高速化により実現することができることから、従来の開閉機構に比べて２〜４倍の高速応答性を示すピエゾ式インジェクタが採用されている。

ピエゾ式インジェクタでは、燃料噴出用開閉機構の制御用素子としてピエゾ素子を備えたアクチュエータが使用されている。ピエゾ素子の圧電セラミックスは、圧縮荷重が負荷された場合、高発生力を示すが、そこに引張応力が作用した場合、破損しやすいことから、ピエゾ素子には初期荷重（予荷重）として圧縮荷重を負荷する必要がある。

ばねは、ピエゾ素子に初期荷重を負荷することができるだけでなく、アクチュエータの使用時、燃料噴出用開閉機構に用いられるピストンに対して復元力も発生することができることから、初期荷重負荷用部材として提案されている。

たとえば特許文献１の技術は、初期荷重負荷用ばねとして、中空円筒状のスリットばねを用いている。しかしながら、中空円筒状のスリットばねの荷重特性が線形であるため、その設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現には、ばね定数を大きくする必要がある。その結果、使用範囲での荷重変動が大きくなるため、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力が増大する。

そこで、非線形荷重特性を示す皿ばねを用いることが考えられる（たとえば特許文献２）。皿ばねでは、図９の荷重特性に示すように、高荷重を支えることができるとともにばね定数を小さく設定することができる略平坦領域Ａを設定することができる。これにより、 ばねの設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができる。

特開２００３−６５１７９号公報 特開２００６−３１６７６９号公報

しかしながら、皿ばねは、その形状が荷重負荷により略平坦状をなすように変形するときに、皿ばねの内周縁部および外周縁部が、相手部材に対して摺動して摩擦が発生する。このため、皿ばねの使用範囲を図９の領域Ａの範囲に設定した場合、実際の荷重曲線には、図１０に示すヒステリシスが生じる。このため、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力が増大する。

したがって、本発明は、ばねの設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができるのはもちろんのこと、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力の低減を図ることができるアクチュエータを提供することを目的としている。

本発明のアクチュエータは、ピエゾ素子と、ピエゾ素子に初期荷重を負荷するばねとを備え、ばねは、孔部を有する本体部と、本体部の内周部および外周部の少なくとも一方に設けられた突出部と、 本体部と突出部との境界部に形成された角部とを備え、 本体部は、ピエゾ素子からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、 突出部は、本体部の周部からピエゾ素子の側あるいはそれとは反対側に向けて突出し、角部は、その角度が押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であることを特徴としている。

本発明のアクチュエータでは、ピエゾ素子に初期荷重を負荷するばねの本体部が、そのばねの上下側に位置する相手部材からの押圧力の方向に交差する方向に延在しているから、その荷重特性が、図９に示す皿ばねの特性と同様に、略平坦領域Ａを有するように非線形となる。したがって、ばねの使用範囲を、略平坦領域Ａに設定することにより、ピエゾ素子の作動中に負荷される荷重の変動を抑制することができるから、ばねの設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができるのはもちろんのこと、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力の低減を図ることができる。

ここで、ばねの突出部は、本体部の周部からピエゾ素子の側あるいはそれとは反対側に向けて突出しているから、アクチュエータの所定部位と当接する当接部を有することができる。そのような本体部と突出部の境界部に形成した角部は、荷重印加時に相手部材からの押圧力に応じてその角度を変化させるように弾性変形することができる。この場合、角部は、上記のような位置関係にある本体部と突出部の境界部に形成された部位であるから、そのような角部は、荷重印加時にその角度を変化させながら、本体部の延在方向における突出部が設けられた周部の外部側に移動することができる。なお、ここでいう外部側とは、突出部が設けられた周部が内周部の場合、内周部の内側のことであり、突出部が設けられた周部が外周部の場合、外周部の外側のことである。

このように荷重印加時に角部は弾性変形することができるので、突出部における角部と相手部材との間の距離を適宜設定することにより、荷重印加時に突出部の相手部材近傍の部位の変形を防止することができる。これにより、突出部の相手部材に対する摺動を防止することができるので、突出部と相手部材との間に摩擦が発生しなく、その結果、ばねの荷重特性にヒステリシスが発生しない。したがって、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力の低減をさらに図ることができる。

本発明のアクチュエータは種々の構成を用いることができる。たとえば、ばねの突出部は、アクチュエータの所定部位と当接する当接部を有することができ、この場合、当接部は、押圧力が変化しても、上記のように所定部位に対して摺動しない。この態様では、当接部は所定部位に対して摺動しないから、当接部を所定部位に固定することができ、これにより、ばねの荷重特性でのヒステリシス発生を確実に防止することができる。

また、上記ばねを複数用い、ピエゾ素子の変位方向に沿って重ねて配置することができる。この態様では、高荷重を発生することができるとともに、省スペース化を図ることができる。

本発明のアクチュエータによれば、ばねの設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができるのはもちろんのこと、ピエゾ素子の駆動に必要な消費電力の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータが適用されるインジェクタを表し、インジェクタにおけるアクチュエータが設けられた部分の概略構成を表す側断面図である。 図１に示すばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は、ばね１の右側部分の側断面図である。 図１に示すばねの右側部分の動作状態を表し、（Ａ）は、ばねの動作前（点線）と動作時（実線）の側断面図であり、（Ｂ）は、ばねの動作時の第１角部および第２角部の拡大側断面図である。 図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す各状態のピエゾ素子の発生力と変位との関係を表すグラフである。 （Ａ）はピエゾ素子に初期荷重を負荷しない状態、（Ｂ）はピエゾ素子に初期荷重として一定の低荷重を負荷した状態、（Ｃ）はピエゾ素子に線形荷重を負荷した状態を表す概念図である。 本発明例のばねのおよび比較例の皿ばねの荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。 図１に示すばねの変形例を表し、そのばねが直列に配列された形態を表す側断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図７に示すばねの内周部側突出部および外周部側突出部の端部の長さの関係を表す側断面図である。 皿ばねの荷重特性を表すグラフである。 ヒステリシスが生じる実際の皿ばねの荷重特性を表すグラフである。

（１）実施形態の構成
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ１１０が適用されるインジェクタ１００を表し、インジェクタ１００におけるアクチュエータ１１０が設けられた部分の概略構成を表す側断面図である。インジェクタ１００は、たとえばディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムに適用される。インジェクタ１００は、アクチュエータ１１０のピエゾ素子１０１により、燃料噴出口（図示略）の開閉機構の制御が行われるピエゾ式インジェクタである。

インジェクタ１００は、内部に空間１００Ａが形成された本体部１１１を備えている。空間１００Ａには、第１ピストン１１２が摺動自在に設けられている。第１ピストン１１２の内部には、第２ピストン１１３が配置されている。第１ピストン１１２と第２ピストン１１３との間には、油密室１１４が形成されている。第２ピストン１１３は大径部と小径部を有している。第２ピストン１１３の大径部は、第１ピストン１１２の内部に摺動自在に設けられ、第２ピストン１１３の小径部は、本体部１１１の孔部に摺動自在に設けられている。第２ピストン１１３の小径部は、本体部１１１の下部の制御弁（図示略）を介して、燃料噴出口の開閉を行うニードル弁（図示略）に接続されている。

アクチュエータ１１０は、第１ピストン１１２を移動させるピエゾ素子１０１と、ピエゾ素子１０１に初期荷重（予荷重）として圧縮荷重を負荷するばね１とを備えている。ピエゾ素子１０１は、第１ピストン１１２の上面に配置されるとともに、図の垂直方向への伸縮による変位が可能である。ばね１は、第１ピストン１１２の下面と本体部１１１の空間１００Ａの上面との間に配置されている。

図２は、ばね１の構成を表し、（Ａ）はばね１の斜視図、（Ｂ）は、第１部材１１１（本体部）と第２部材１１２（第１ピストン）との間に配置されたばね１の右側部分の側断面図である。

ばね１は、たとえば、ばね鋼や強化材プラスチックからなる。ばね１は、たとえば中心部に孔部１０Ａが形成された本体部１０を備えている。本体部１０は、たとえば第１部材１１１と第２部材１１２からの押圧力の方向に対して交差する方向に延在し、皿ばねとしての機能を有する。本体部１０は、たとえばたとえば下方に向かうに従って傾斜する略円錐形状をなしている。これにより、ばね１は、その荷重特性が、図９に示す皿ばねの特性と同様に、略平坦領域Ａを有するように非線形となる。

孔部１０Ａは、たとえば円形状をなしている。本体部１０の内周部には、第１部材１１１に向けて突出する第１突出部１１（突出部）が設けられている。第１突出部１１（突出部）の上端部は、第１部材１１１に当接する当接部である。本体部１０の外周部には、第２部材１１２に向けて突出する第２突出部１２（突出部）が設けられている。第２突出部１２の下端部は、第１部材１１２に当接する当接部である。突出部１１，１２は、たとえば円筒状をなす円筒部である。

本体部１０と第１突出部１１との境界部には第１角部１３が形成され、本体部１０と第２突出部１２との境界部には第２角部１４が形成されている。第１角部１３および第２角部１４は、第１部材１１１と第２部材１１２からの押圧力に応じて、その角度を変化させるように弾性変形可能である。

第１角部１３および第２角部１４は、種々の手法により形成することができる。第１角部１３および第２角部１４は、たとえば第１角部１３および第２角部１４は、本体部１０と第１突出部１１の境界部および本体部１０と第２突出部１２の境界部を折り曲げて形成することができる。また、たとえば、本体部１０と第１突出部１１の溶接および本体部１０と第２突出部１２の溶接により形成することができる。

荷重印加時における突出部１１，１２の機能について、おもに図３を参照して説明する。図３は、第１部材１１１と第２部材１１２の間に設置された１個のばね１の動作状態を表し、（Ａ）は、ばね１の動作前（点線）と動作時（実線）の断面図であり、（Ｂ）は、ばね１の動作時の第１角部１３および第２角部１４の拡大断面図である。なお、図３では、図２（Ｂ）と同様に、１個のばね１の右側部分のみを図示している。

図３（Ａ）の点線で示すように、第１部材１１１と第２部材１１２の間に配置されたばね１に対して、第１部材１１１から下側方向の荷重を加える。すると、図３（Ｂ）の実線で示すように、ばね１は撓んで第１部材１１１が下方に移動する。図中の符号ｄは、ばね１の撓みの大きさを示している。

本体部１０は、第１部材１１１からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、ばね１の上側において、第１突出部１１は、本体部１０の内周部から第１部材１１１に向けて突出してそこに当接している。そのような本体部１０と第１突出部１１の境界部に形成した第１角部１３は、荷重印加時に第１部材１１１からの押圧力に応じて角度αが変化するように弾性変形することができる。この場合、第１角部１３は、上記のような位置関係にある本体部１０と第１突出部１１の境界部に形成された部位であるから、そのような第１角部１３は、荷重印加時に角度αを変化させながら、本体部１０の内周部の内側（図の左側）に移動することができる。

このように荷重印加時に第１角部１３は弾性変形することができるので、第１突出部１１が荷重印加時に第１部材１１１側の不変形部分（図３（Ｂ）中の点Ｓより上側）を有するように第１突出部１１の長さを適宜設定することにより、第１突出部１１の第１部材１１１側部分の変形を防止することができる。

一方、ばね１の下側において、第２突出部１１は、本体部１０の内周部から第２部材１１２に向けて突出してそこに当接している。この場合、第１角部１３と同様な機能を有する第２角部１４は、荷重印加による弾性変形時に、第２部材１１２からの押圧力に応じて、角度βを変化させながら、本体部１０の外周部の外部側（図の右側）に移動することができる。

このように荷重印加時に第２角部１４は弾性変形することができるので、第２突出部１２が荷重印加時に第２部材１１２側の不変形部分（図３（Ｂ）中の点Ｔより下側）を有するように第２突出部１２の長さを適宜設定することにより、第２突出部１２の第２部材１１２側部分の変形を防止することができる。

以上のようにばね１は、突出部１１，１２に不変形部分を有するので、ばね１と相手部材との摺動を防止することができる。その結果、ばね１の荷重特性では、皿ばねで問題となっていたヒステリシスが発生しない。

（２）実施形態の動作
以上のようにインジェクタ１００に適用されたアクチュエータ１００の動作について、おもに図１，４〜６を参照して説明する。図４は、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す各状態のピエゾ素子の発生力と変位との関係を表すグラフである。図５は、（Ａ）はピエゾ素子に初期荷重を負荷しない状態、（Ｂ）はピエゾ素子に初期荷重として一定の低荷重を負荷した状態、（Ｃ）はピエゾ素子に線形荷重を負荷した状態を表す概念図である。図６は、本発明例のばねのおよび比較例の皿ばねの荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。

インジェクタ１００では、ピエゾ素子１０１が通電により軸線方向の下側に変位する（伸びる）と、第１ピストン１１２が下方に移動し、油密室１０４の圧力が上昇する。すると、第２ピストン１１３が、本体部１１１の下側の制御弁（図示略）を開き、ニードル弁（図示略）の背圧が低下する。これにより、ニードル弁の上方移動によって燃料噴射口が開放され、燃焼が噴射される。

このようにニードル弁による燃料噴出口の開閉動作の制御を行うピエゾ素子１０１は、ばね１により初期荷重が負荷されており、その状態から軸線方向の下側に変位する（伸びる）。

たとえば図５（Ａ）に示すように、ピエゾ素子Ａに初期荷重を負荷しない場合、図４の実線に示すようなピエゾ素子の発生力と変位との関係が得られる。この場合、ピエゾ素子Ａに引張応力が作用したとき、破損しやすいことから、図５（Ｂ），（Ｃ）に示すようにピエゾ素子Ａに初期荷重として圧縮荷重を負荷する必要がある。

図５（Ｃ）に示すようにピエゾ素子Ａに初期荷重として線形荷重（ばねＫによる荷重）を負荷する場合は、図５（Ｂ）に示すようにピエゾ素子Ａには初期荷重として一定の圧縮荷重（たとえば物体Ｗによる荷重）を負荷する場合と比較したとき、初期荷重を等しく設定したとしても、ピエゾ素子Ａの動作中、同一の変位を得るためには、大きな発生力（電圧）が必要になる。したがって、図５（Ｂ）に示すようにピエゾ素子Ａに対して一定の圧縮荷重（たとえば物体Ｗによる荷重）を負荷する場合が望ましい。

ここで、本実施形態のばね１の本体部１０は、上記のように第１部材１１１（本体部）と第２部材１１２（第１ピストン）からの押圧力の方向に交差する方向に延在しているから、その荷重特性が、図９に示す皿ばねの特性と同様に、略平坦領域Ａを有するように非線形となる。これにより、ばね１の使用範囲を略平坦領域Ａに設定することにより、図５（Ｂ）に示すようなピエゾ素子Ａの発生力と変位との関係を実現することができる。

また、ばね１は、上記のように突出部１１，１２に不変形部分を有するので、ばね１と相手部材１１１，１１２との摺動を防止することができる。その結果、ばね１の荷重特性では、皿ばねで問題となっていたヒステリシスが発生しない。図６は、本発明のアクチュエータで使用されるばね１（本発明例）と、従来のアクチュエータで使用される皿ばね（従来例）の荷重特性に関するシミュレーション結果を表すグラフである。図６に示すように、相手部材と摺動する従来例では、荷重特性に摩擦によるヒステリシスが発生するが、相手部材と摺動しない本発明例では、荷重特性に摩擦によるヒステリシスが発生しないことを確認した。

以上のように本実施形態では、ばね１の使用範囲を、略平坦領域Ａに設定することにより、ピエゾ素子１０１の作動中に負荷される荷重の変動を抑制することができるから、ばね１の設置箇所の省スペース化および高発生荷重の実現を図ることができるのはもちろんのこと、ピエゾ素子１０１の駆動に必要な消費電力の低減を図ることができる。また、ばね１の荷重特性にヒステリシスが発生しないから、ピエゾ素子１０１の駆動に必要な消費電力の低減をさらに図ることができる。

（３）変形例
以上のように上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。なお、以下の変形例では、上記実施形態と同様な構成要素には同符号を付し、その説明は省略している。

本発明のアクチュエータ１００に用いられるばね１の突出部１１，１２の形状を適宜変更することにより、ピエゾ素子１０１の変位方向に直列に配置することができる。この場合、突出部１１，１２は相手部材に対して摺動しないから、次のような形態を用いることができる。

具体的には、第１突出部１１では、図８（Ａ）に示すように、角部１３側の端部の内径ｓ２が角部１３とは反対側の端部の外径ｓ１よりも大きく設定されている（すなわち、ｓ２＞ｓ１）。第２突出部１２では、角部１４側の端部の外径ｔ１が角部１４とは反対側の端部の内径ｔ２よりも小さく設定されている（すなわち、ｔ１＜ｔ２）。この態様では、図７に示すように、互いに隣接するばね１の第１突出部１１同士が嵌合可能となり、互いに隣接するばね１の第２突出部１２同士が嵌合可能となる。

また、ばね１の向きを同方向にして重ねる（たとえば図７では全ての第１突出部１１を部材１１１に向け、全ての第２突出部１２を部材１１２に向けて重ねている）上記態様の代わりに、ばね１の向きを交互に変えて重ねる（たとえば図２に示す第１突出部１１の上側端面同士を当接させ、第２突出部１２の下側端面同士を当接させて重ねる）態様を用いることができる。この態様では、第１突出部１１の互いの当接部を凹凸状とするとともに、第２突出部１２の互いの当接部を凹凸状とし、第１突出部１１同士および第２突出部１２同士を互いに嵌合する形態を用いることができる。

上記形態では、ばね同士の軸合わせ用のガイドが不要となる。また、第１突出部１１同士および第２突出部１２同士が当接する部分は固定することができる。この場合、たとえば溶接や接着、かしめ等の各種固定手法を用いることができる。また、第１突出部１１および第２突出部１２が当接する第１部材１１１および第２部材１１２には、そこに第１突出部１１および第２突出部１２を固定するストッパを形成することができる。この態様では、摺動によるヒステリシスの発生を確実に防止することができる。

さらにばね１の本体部１０および突出部１１，１２には、軽量化のためにスリットを形成することができる。本発明の本体部は、たとえば、外周部から内周部に向かって下方に傾斜する円錐状、Ｓ字状や、階段状、平坦状をなすことができる。突出部は、筒状であればよく、その側断面形状は、曲線状でもよい。

また、上記実施形態では、第１突出部１１を第１部材１１１に向けて突出させてそこに当接させ、かつ第２突出部１２を第２部材１１２に当接させたが、第１突出部１１を第２部材１１２向けて突出させてそこに当接させ、第２突出部１２を第１部材１１に向けて突出させてそこに当接させてもよい。さらに、第１突出部１１および第２突出部１２を本体部１０の内周部および外周部に形成したが、第１突出部１１および第２突出部１２のいずれか一方のみに形成してもよい。 加えて、第１角部１３および第２角部１４の形状は、図示の形状に限定されるものではなく、曲面形状等の種々の形状に変更可能である。

上記実施形態では、本発明のアクチュエータ１００をディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムに適用したが、これに限定されるものではない。本発明のアクチュエータ１００は、ばねによってピエゾ素子１０１に初期荷重を負荷するアクチュエータを用いる各種システムに適用することができる。以上のような各種変形例は適宜組み合わせることができるのは言うまでもない。

１…ばね、１０…本体部、１０Ａ…孔部、１１…第１突出部（突出部）、１２…第２突出部（突出部）、１３…第１角部（角部）、１４…第２角部（角部）、１０１…ピエゾ素子、１１１…第１部材、１１２…第２部材

Claims (3)

1. ピエゾ素子と、
   前記ピエゾ素子に初期荷重を負荷するばねとを備え、
   前記ばねは、
   孔部を有する本体部と、
   前記本体部の内周部および外周部の少なくとも一方に設けられた突出部と、
   前記本体部と前記突出部との境界部に形成された角部とを備え、
   前記本体部は、前記ピエゾ素子からの押圧力の方向に交差する方向に延在し、
   前記突出部は、前記本体部の前記周部から前記ピエゾ素子の側あるいはそれとは反対側に向けて突出し、
   前記角部は、その角度が前記押圧力に応じて変化するように弾性変形可能であることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記ばねの突出部は、相手部材と当接する当接部を有し、
   前記当接部は、前記押圧力が変化しても、前記相手部材に対して摺動しないことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記ばねを複数備え、
   前記ばねは、前記ピエゾ素子の変位方向に沿って重ねられていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。

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