JP2500684B2 - 圧電駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は駆動装置に関し、詳しくは圧電素子を用いた
圧電駆動装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、圧電素子の圧電効果を利用した高応答性を
有する種々の圧電駆動装置が提案されている（例えば、
特開昭59-183069）。この圧電駆動装置に用いられた圧
電素子は伸縮量が小さく、従って圧電駆動装置の駆動量
も小さい。そこで、一般にはこの駆動量を油圧手段等に
より変位増幅して必要な変位を得ている。このようなも
のとして、種々の燃料噴射弁が知られている（例えば、
特開昭59-206668）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、こうした従来の圧電駆動装置では、圧
電素子の伸縮量を増幅して使用しているため、圧電素子
の経時劣化等による伸縮量の変化も同様に増幅され、変
位量の精度維持・向上を図る上で問題があった。そのた
め、燃料噴射弁に用いた場合には、このような圧電素子
の経時劣化により必要な変位が得られず、従って、圧力
室の圧力が十分上昇しないため、必要とするニードルリ
フト量が得られず、燃料噴射弁の噴射特性の低下を招く
場合があるという問題があった。

一方、圧力室に別途圧力センサを取り付けて圧力室圧
力を検出する構造とすると、装置が大型となりまたコス
トの上昇及び圧力室の容積増大による噴射性能の低下を
引き起こすという問題があった。

そこで、本発明は上記の問題点を解決することを目的
とし、簡単な構成で、常に必要とする伸縮量が得られる
圧電駆動装置を提供することを目的としてなされた。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成すべく、本発明は問題点を解決する
ための手段として次の構成をとった。即ち、 伸縮方向にばね付勢された積層構造の圧電素子M1と、 該圧電素子M1の伸縮により移動する移動部材M2と、 予め定められた前記移動部材M2の目標移動量に応じた
電圧を上記圧電素子M1の一部に印加して伸縮駆動する一
部圧電素子駆動手段M5と、 上記圧電素子M1の一部の伸縮による上記ばね付勢力の
変化若しくは上記ばね付勢力と外力との合力の変化を上
記圧電素子M1の残部により上記移動部材M2の移動量とし
て検出する移動量検出手段M3と、 該移動量と上記目標移動量とを比較する移動量比較手
段M4と、 上記移動量比較手段M4の比較結果に基づいて上記圧電
素子M1の残部を伸縮駆動し、上記移動部材M2の移動量を
上記目標移動量となるようフィードバック制御するフィ
ードバック制御手段M6と、 を備えた圧電駆動装置の構成がそれである。

上記圧電素子M1は積層構造であれば良く、例えば積層
構造の２つの圧電素子を更に積み重ねて、一方を圧電素
子M1の一部とし他方を圧電素子M1の残部としたものでも
良く、あるいは、圧電素子M1の一部と残部とを交互に積
層したものでも良い。

［作用］ 上記構成を有する本発明の圧電駆動装置は、一部圧電
素子駆動手段M5により圧電素子M1の一部を伸縮して移動
部材を移動すると共に、移動量検出手段M3により上記伸
縮によるばね付勢力の変化若しくはばね付勢力と外力と
の合力の変化を圧電素子M1の残部により移動部材M2の移
動量として検出し、移動量比較手段M4により該移動量と
予め定めた目標移動量とを比較し、フィードバック制御
手段M6により移動量比較手段M4の比較結果に基づいて圧
電素子M1の残部を伸縮し、移動部材M2の移動量を目標移
動量とするよう働く。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第２図は本発明の一実施例である圧電駆動装置の概略
構成図である。この圧電駆動装置の圧電アクチュエータ
１には、アクチュエータ本体２に絶縁プレート３を介し
て第１圧電素子４及び第２圧電素子５が内装されてい
る。この第１圧電素子４は圧電単体が多数積層された積
層構造をなしている。第１圧電素子４からは２本の電極
6,8が引き出され、２本の電極6,8は各々ハーメチックシ
ール10,12を介してアクチュエータ本体２に貫装されて
いる。この第１圧電素子４に外部より歪みを与えると２
本の電極6,8間に電圧が生じ、逆に２本の電極6,8に正電
圧を印加すると第１圧電素子４に歪みが生じ、軸方向に
伸長する。また、負電圧を印加すると縮小する（いわゆ
る電圧効果）。

上記第２圧電素子５は上述した第１圧電素子４に絶縁
プレート14を介して連設されている。この第２圧電素子
５からは２本の電極18,20が引き出され、２本の電極18,
20は各々ハーメチックシール22,24を介してアクチュエ
ータ本体２に貫装されている。この第２圧電素子５は第
１圧電素子４と同様に第１圧電素子４と同一外径を有す
る圧電単体による積層構造である。全体として第１圧電
素子４の3.5倍の厚さを有する。

上記第２圧電素子５に連接して絶縁プレート26を介し
てピストン28が配設されている。このピストン28を摺動
自在に支持するシリンダ本体30はアクチュエータ本体２
に螺合され、ピストン28とシリンダ本体30との間には皿
バネ32が挿入されている。この皿バネ32によりピストン
28を介して第１圧電素子４と第２圧電素子５とは図上方
に付勢されている。

次に、本実施例の圧電駆動装置の電子制御回路50につ
いて説明する。

第２図に示すように電子制御回路50は周知のCPU51,RO
M52,RAM53を論理演算回路の中心として構成され、外部
と入出力を行なう入出力回路、ここでは第１圧電素子入
出力回路54,第２圧電素子出力回路55等をコモンバス56
を介して相互に接続して構成されている。

CPU51は第１圧電素子４からの信号を第１圧電素子入
出力回路54を介して入力する。また、ROM52には予め皿
バネ32に所定のたわみを与えたときのバネ力の値及び目
標移動量等が書き込まれている。一方、これらの信号及
びROM52,RAM53内のデータに基づいてCPU51は第１圧電素
子入出力回路54を介して第１圧電素子４に駆動信号を出
力し、第２圧電素子出力回路55を介して第２圧電素子５
に駆動信号を出力し、ピストン28の移動量を制御してい
る。

次に上述した電子制御回路50において行なわれる処理
について、第３図のフローチャートに拠って説明する。

本圧電駆動装置は電源が投入されると第３図のフロー
チャートに示す圧電駆動装置制御ルーチンを実行する。
まず、第２圧電素子出力回路55を介して第２圧電素子５
に目標移動量に応じた所定の電圧を印加する（ステップ
100）。この時、第２圧電素子５は、印加された電圧に
応じて軸方向に所定量伸長する。第２圧電素子５の伸長
により皿バネ53を圧縮し、皿バネ32の図上方作用力に抗
してピストン28を図下方に移動する。これに伴って、皿
バネ32の圧縮量に応じた図上方作用力がピストン28,絶
縁プレート26,14,第２圧電素子５を介して第１圧電素子
４に作用する。この作用力に応じて第１圧電素子４の圧
電効果により第１圧電素子４の電極6,8間に電圧が生
じ、この電圧を第１圧電素子入出力回路54を介して読み
込む（ステップ110）。次に、この検出された電圧に応
じた作用力から、予めROM52に記憶された皿バネ32のた
わみとバネ力の値の関係により、皿バネ32のたわみ量が
算出される。皿バネ32のたわみ量はピストン26の移動量
と等しく、このたわみ量を算出してピストン26の移動量
を求める（ステップ120）。続いて、この求めた移動量
を目標移動量から減算して移動の誤差量Ａを求める（ス
テップ130）。

この誤差量Ａがプラスであるときは（ステップ14
0）、誤差量Ａに応じた正電圧を第１圧電素子入出力回
路54を介して第１圧電素子４に印加し、第１圧電素子４
を伸長して誤差量Ａの補正を行なう（ステップ150）。
また、誤差量Ａがマイナスであるときは（ステップ14
0）、誤差量Ａに応じた負電圧を第１圧電素子４に印加
し、第１圧電素子４を縮小して誤差量Ａの補正を行なう
（ステップ160）。一方、誤差量Ａが零であるときは、
第１圧電素子４に電圧を印加しない。

このようにして第１圧電素子４及び第２圧電素子16の
駆動を終了すると、第１、第２圧電素子4,5に印加した
電圧を取り去り、皿バネ32のバネ力によりピストン28を
初めの状態に戻し（ステップ170）、本制御ルーチンを
終了する。

尚、本制御ルーチンにおいては、第２圧電素子５を伸
長してピストン28を移動する場合について説明したが、
第２圧電素子５を縮小してピストン28を図上方に移動
し、移動量を第１圧電素子４により補正することも同様
にして実行することができる。

上述したように本実施の圧電駆動装置は、第２圧電素
子５によるピストン28の移動量を第１圧電素子４により
検出し、誤差量Ａに応じて第１圧電素子４を伸縮して移
動量を補正する。これにより、第２圧電素子５が何らか
の原因により、例えば経時劣化により、所定量伸縮せ
ず、ピストン28の移動量に誤差を生じても、第１圧電素
子４を伸縮することにより、この移動量を補正すること
ができる。更に、第２圧電素子５には比較的高電圧であ
る前記目標移動量に応じた所定の電圧を供給するのみで
あるため、一般に制御精度の維持が困難である高電圧を
高精度に制御する必要がない。従って、特別に高精度な
機器を用いなくともよく、コスト増を招かない。一方、
前記誤差量Ａに応じた電圧は比較的小さな電圧であり、
この補正分の小電圧は第１圧電素子４で制御するように
している。低電圧の制御は一般に精度の維持が容易であ
るため、この第１圧電素子４における補正分の小電圧の
制御は特別に高精度な機器を用いずとも高精度を維持す
ることができる。従って、第２圧電素子５の伸縮量に誤
差を生じても、ピストン28の移動量を正確に維持するこ
とができる。また、第２圧電素子５の伸縮量に限らず、
伸縮速度を第１圧電素子４により検出することで、第２
圧電素子５の伸縮速度を制御することもできる（第５図
（ａ）参照）。更に、第２圧電素子５の伸縮速度を一定
にして伸縮量を制御することもできる（第５図（ｂ）参
照）。

尚、第１圧電素子４の圧電単体の厚さを厚くして同一
圧力に対する検出信号レベルを向上する構成としてもよ
く、あるいは圧電単体の厚さを薄くして積層枚数を増し
て静電容量を増し、信号のレベル安定及び検出度向上を
図る構成としてもよく、使用条件に応じて圧電単体の厚
さを最適にすればよい。

次に、本実施例の圧電駆動装置を応用した燃料噴射弁
について、燃料噴射弁の断面図である第４図に拠って説
明する。

上記圧電アクチュエータ１が取り付けられた燃料噴射
弁は、燃料噴射弁本体150に連接しノズル孔152が形成さ
れたノズル154、ノズル154に外装されノズル154を燃料
噴射弁本体150に固定するノズルホルダ156を備えてい
る。また、上記燃料噴射弁本体150内には所定の隙間を
備えて絞り通路158を形成すると共に軸方向に摺動可能
に制御ロッド160が挿入され、ノズル154内には同じく軸
方向に摺動可能に挿入されたニードル162が直列に配設
されている。更に、燃料噴射弁本体150下端に形成され
たばね室164内にはニードル162を図下方に向けて付勢す
るばね166が挿入され、ニードル162はこのばね166によ
り図下方に押圧される。このニードル162にはその中間
部に円錘状をなす受圧面162aが形成され、ノズル154内
にはこの受圧面162aの周りに油だまり168が設けられて
いる。

上記燃料噴射弁本体150の側面には燃料流入口170が形
成されると共に、この燃料流入口170に連接して燃料孔1
72が穿設されている。この燃料孔172と油だまり168とを
連通する燃料孔174がノズル154に設けられている。ま
た、油だまり168はニードル162上部の周りに形成された
環状の燃料通路176及びばね室164により絞り通路158と
連通されると共に、ニードル162下部の周りに形成され
た環状の燃料通路178を介してノズル孔152に連通されて
いる。

一方、圧電駆動装置は、一端がシリンダ本体30に螺入
され、他端が燃料噴射弁本体150に螺入された接続ナッ
ト180により燃料噴射弁本体150に取り付けられている。
この接続ナット180,シリンダ本体30,ピストン28により
圧力室182が形成されると共に、接続ナット180,燃料噴
射弁本体150,制御ロッド160により背圧室184が形成さ
れ、更に、圧力室182と背圧室184とを連通する燃料孔18
6が接続ナット180に形成されている。この圧力室182の
断面積は背圧室184の断面積より大きく、従って、ピス
トン28の移動量は制御ロッド160に増幅されて伝達され
る。

上記構成を有する燃料噴射弁は、図示しない燃料供給
ポンプにより、所定圧に加圧された燃料が燃料流入口17
0に供給されると、燃料は燃料孔172,174,油だまり168,
燃料通路176,ばね室164,絞り通路158を順次通過して背
圧室184に流入し、さらに燃料孔186を介して圧力室182
に流入する。

次に、第２圧電素子５に負電圧を印加すると第２圧電
素子５は縮小し、ピストン28は皿バネ32の付勢力により
図上方に移動する。このピストン28の移動量は増幅され
て制御ロッド160に伝達され、制御ロッド160を図上方に
移動する。この制御ロッド160が図上方に移動し、制御
ロッド160の上端面が接続ナット180に当接すると、圧力
室182内の圧力が急激に低下し、第１圧電素子４に加わ
る圧力及び皿バネ32の付勢力も急激に低下する。この急
激な低下を電子制御回路50により検出して制御ロッド16
0の上昇を確認できる。この時、圧力の急激な低下が所
定時間内に検出されない場合には、第２圧電素子５の縮
小が不足して制御ロッド160の上昇が十分でないとし
て、電子制御回路50により第１圧電素子４に負電圧を印
加して縮小し、更に制御ロッド160を上昇させる。

この制御ロッド160の上昇によりニードル162は受圧面
162aに作用する燃料圧によりばね166の付勢力に抗して
図上方に移動し、ノズル孔152から燃料が噴射される。

一方、第２圧電素子５に正電圧を印加すると、第２圧
電素子５は伸長し、この伸長量が増幅されて制御ロッド
160に伝達される。従って、制御ロッド160が図下方に移
動すると共に、ニードル162を図下方に移動し、ニード
ル162とノズル154とが当接する。この当接により圧力室
182内の圧力が急激に上昇し、第１圧電素子４に加わる
圧力及び皿バネ32の付勢力も増加する。この増加を電子
制御回路50により検出して制御ロッド160の下降を確認
できる。この時、圧力の急激な上昇が所定時間内に検出
されない場合には、第２圧電素子５の伸長が不足して制
御ロッド160の下降が十分でないとして、電子制御回路5
0により第１圧電素子４に正電圧を印加して伸長し、更
に制御ロッド160を下降させる。この下降によりニード
ル162とノズル154とを当接し、燃料噴射を遮断する。

このように本実施例の圧電制御装置を燃料噴射弁に応
用することによりニードル162の移動を確認することが
できると共に、第２圧電素子５によるニードル162の移
動量が不足したときには、第１圧電素子４によりこれを
補正することができる。従って、第２圧電素子５の経時
劣化等による伸縮量の変化を補正し、燃料噴射弁による
燃料噴射を確実に実行することができる。また、移動量
を自由に制御できることから、噴射率パターンの可変
化、可変噴射率制御における精度向上をも図ることがで
きる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこ
のような実施例に何等限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し
得ることは勿論である。

発明の効果 以上詳述したように本発明の圧電駆動装置によると、
圧電素子の一部の伸縮量の誤差を圧電素子により補正す
るので、簡便な構造で移動部材の正確な移動量を確保で
きるという優れた効果を奏する。従って、例えば本発明
の圧電駆動装置を燃料噴射弁に用いると噴射特性を向上
させることができ、内燃機関の出力、燃費、騒音、エミ
ッション等を改善することもできる。更に、圧電素子
は、予め定められた目標移動量に対応する高電圧の基本
電圧が供給される部分（圧電素子の一部）と、フィード
バック補正分の補正電圧が供給される部分（圧電素子の
残部）とに分けられているので、低コストで高精度な電
圧制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第３図は本
実施例の制御回路において行なわれる制御ルーチンの一
例を示すフローチャート、第４図は本発明を応用した燃
料噴射弁の一例を示す断面図、第５図（ａ）は圧電素子
の伸長量と時間の関係を速度をパラメータとして示すグ
ラフ、第５図（ｂ）は圧電素子の伸長量の変化を時間と
共に示すグラフ、である。 １……圧電アクチュエータ、４……第１圧電素子 ５……第２圧電素子、28……ピストン 50……電子制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伸縮方向にばね付勢された積層構造の圧電
   素子と、 該圧電素子の伸縮により移動する移動部材と、 予め定められた前記移動部材の目標移動量に応じた電圧
   を上記圧電素子の一部に印加して伸縮駆動する一部圧電
   素子駆動手段と、 上記圧電素子の一部の伸縮による上記ばね付勢力の変化
   若しくは上記ばね付勢力と外力との合力の変化を上記圧
   電素子の残部により上記移動部材の移動量として検出す
   る移動量検出手段と、 該移動量と上記目標移動量とを比較する移動量比較手段
   と、 上記移動量比較手段の比較結果に基づいて上記圧電素子
   の残部を伸縮駆動し、上記移動部材の移動量を上記目標
   移動量となるようフィードバック制御するフィードバッ
   ク制御手段と、 を備えた圧電駆動装置。