JP4048967B2

JP4048967B2 - 圧電アクチュエータおよび内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4048967B2
Application number: JP2003032759A
Authority: JP
Inventors: 重行近藤; 猪頭　　敏彦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: JP2004248351A; DE102004006266B4; DE102004006266A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータおよびそれを用いた内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等に高圧燃料を噴射するために、近年、圧電アクチュエータを用いた油圧駆動式の燃料噴射装置を用いることが検討されている。この種の燃料噴射装置は、圧電アクチュエータの伸縮に伴う変位を、油圧ピストンに伝達している。その油圧ピストンの端面には油圧室が配置されている。その油圧室内の油圧は、油圧バルブを介してノズルニードルの背圧を制御している。そして、圧電アクチュエータに通電して油圧ピストンを変位させることによって、油圧室内の圧力を増減させて間接的にノズルニードルを駆動している。
【０００３】
圧電アクチュエータは、圧電材料を多数積層してなるピエゾスタックを備え、各層に介設される電極に通電することによって伸縮し、変位を発生している。なお、このピエゾスタックは外部からの湿気や異物の侵入を嫌うため、圧電アクチュエータは、ピエゾスタックを、伸縮部を有するケース内に封止するユニット構造を有している。
【０００４】
圧電アクチュエータへ外部から通電を受ける通電用コネクタ内に、電気抵抗素子をモールドする技術が開示されている（特許文献１）。この特許文献１の開示によれば、この電気抵抗素子は、ユニット構造の外に取付けられ、ユニット内に配置されたピエゾスタックを、温度変化等により生じる電荷から保護する。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許出願公開第１９９４０３４６号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報開示による従来技術では、製造工程途中等の上記ユニット単体では電気抵抗素子が取り付いていないため、搬送、保管、組立等の状態において温度変化がある環境に放置された場合には、保護されない。
【０００７】
また、コネクタ内に電気抵抗素子を封入するためのスペースが要求されるので、場合によっては体格が大きくなる可能性がある。
【０００８】
さらにまた、電気抵抗素子を圧電アクチュエータに電気的に接続するための接合工程が必要となるため、接合のための溶接の設備、およびその溶接のための工数が増え、結果として製品コストが高くなる恐れがある。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、したがってその目的は、体格を大きくすることなく、ピエゾスタックもしくはユニット単体の放置においても保護が図れる圧電アクチュエータおよび内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。
【００１０】
また、別の目的は、ピエゾスタックもしくはユニット単体での保護が図れるとともに、圧電アクチュエータを用いた装置の温度補償が可能な圧電アクチュエータおよび内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された構造のピエゾスタックを有する圧電アクチュエータであって、ピエゾスタックを伸縮可能に収容する筒状容器部材と、ピエゾスタックに電気的に接続している電気抵抗素子とを備え、電気抵抗素子は、筒状容器部材に内蔵されており、圧電体層および内部電極層とともに積層配置した後に一体焼成されている。
【００１２】
これにより、圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータを用いる装置を製造する工程途中等において、搬送、保管、組立等のいずれかの状態で温度変化がある場合であっても、ピエゾスタックに電気的に接続している電気抵抗素子に、温度変化によって生じたピエゾスタックの電荷をリークさせることが可能である。その結果、ピエゾスタックの分極破壊を防止することが可能である。したがって、ピエゾスタック単体が温度変化のある環境に放置されたとしても、内蔵された電気抵抗素子によって保護機能が果たせる。
特に、電気抵抗素子が圧電体層等とともに積層配置した後に一体焼成されるので、従来の通電用コネクタ内に電気抵抗素子をモールドする技術に比べて、電気抵抗素子を取付けるスペースの小型化が図れる。
【００１３】
本発明の請求項２によれば、電気抵抗素子の抵抗値は、０．１〜３ＭΩの範囲にある。
【００１４】
これにより、ピエゾスタックの伸縮のために必要な電圧を各圧電体層に印加することが可能であるとともに、ピエゾスタックへの印加をオフにしたとき、電荷の除去が所定時間内になるように応答性の確保が可能である。
【００１７】
本発明の請求項３によれば、電気抵抗素子の抵抗が温度特性を有しており、ピエゾスタックの温度の検出に用いることができる。
【００１８】
本発明の請求項４によれば、電気抵抗素子は、ピエゾスタックの中央および両端のうち少なくともいずれか一方に配置されている。
【００１９】
これにより、圧電体層および内部電極層が積層されるピエゾスタックの延在方向の中央もしくは両端に、少なくとも電気抵抗素子が配置されるので、延在方向に温度分布を生じるピエゾスタックであっても、ピエゾスタックの温度を効果的に検出することが可能である。
【００２０】
本発明の請求項５によれば、電気抵抗素子とピエゾスタックとの組合せを一つのユニットとして一体焼成した後に、そのユニットを複数層に重ね合わせている。
【００２１】
これにより、積層長さの異なる仕様のピエゾスタックを製造する際の生産性の向上が図れるとともに、各ユニット毎に電気抵抗素子が組合せてあるので、製造工程上にて各ユニットが単体にて放置されることがあっても、温度変化時の分極破壊を防ぐことができる。
【００２２】
本発明の請求項６によれば、電気抵抗素子がＰＴＣセラミックスである。
【００２３】
これにより、電気抵抗素子として、ＰＴＣセラミックスを用いるので、高温となるほど電気抵抗値が高くなり、電気抵抗素子による発熱量を低くすることができ、アクチュエータへの熱的影響を低く抑えることが可能である。
【００２４】
本発明の請求項７によれば、電気抵抗素子が、ピエゾスタックに通電する通電回路から遠い部位に配置されている。
【００２５】
これにより、ピエゾスタックを構成する圧電体層および内部電極層等の断線による導通不良が生じたとしても、導通不良の部位よりさらに遠い部位にあるピエゾスタック部分の電荷を、内蔵されている電気抵抗素子によって速やかに消費することが可能である。したがって、駆動回路等の通電回路をオフにしてもピエゾスタックの伸縮が戻らない等の現象防止が可能である。
【００２６】
本発明の請求項８によれば、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備え、圧電アクチュエータの伸縮に伴い、ノズルニードルを昇降させて燃料噴射の開始・停止を行なう。
【００２７】
これにより、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えた内燃機関の燃料噴射装置は、内燃機関へ燃料を供給するための噴射期間での短い印加時間では電気抵抗素子は作動せず、温度変化等の意図しない電荷が印加される場合にのみ保護機能を果たすことができる。
【００２８】
本発明の請求項９によれば、圧電アクチュエータの収縮に伴う変位が伝達されるピストン部材と、ピストン部材の往復動によって圧力が増減する流体室を備えることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料噴射装置を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の圧電アクチュエータを用いた内燃機関の燃料噴射装置の概略構成を表す断面図である。図２は、実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を示す断面図である。図３は、図２中のピエゾスタックを示す斜視図である。図４は、図３のピエゾスタックの構造を表す模式的断面図である。
【００３１】
図１において、燃料噴射装置は、圧電アクチュエータ１が収容されるハウジングＨ１の下端に、流路形成部材Ｈ２、Ｈ３を介してノズルボディＨ４を配設し、リテーナＨ５で油密に固定してなる。ハウジングＨ１内には、上下方向に高圧燃料通路６２が形成され、上側部に突設した燃料導入管６３を介して、外部のコモンレール（図示せず）に連通している。ハウジングＨ１上側部には、また、ドレーン通路６４に連通する燃料導出管６５が突設され、燃料導出管６５から流出する燃料は、燃料タンク（図示せず）へ戻される。
【００３２】
ハウジングＨ１は略円柱状に形成されている。このハウジングＨ１は、中心軸に対し偏心する縦穴６１内に、圧電アクチュエータ１を収容する金属製の薄肉円筒状の筒状容器部材（以下、ケーシングと呼ぶ）１１が脱着可能に挿通配設されている。縦穴６１は、高圧燃料通路６２の側方に平行に設けられている。ドレーン通路６４は、縦穴６１とケーシング１１との間の隙間を経由してさらに下方に延びている。圧電アクチュエータ１は、ともにケーシング１１内に収納されるピエゾスタック１２の下端面に当接して一体に上下動するロッド１３を有している。ロッド１３の径はピエゾスタック１２よりも小径となっている。そのロッド１３外周を取り巻くケーシング１１下端部筒壁は伸縮可能に折曲成形されてベローズ１５となっている。なお、ベローズ１５の外径がケーシング１１本体部の外径と略同一となるようにする。
【００３３】
ベローズ１５の下端縁は、ケーシング１１の底面を構成する円盤状部材１４ａの外周に溶接固定されており、円盤状部材１４ａの上面はロッド１３の下端面に当接している。これにより、円盤状部材１４ａは、ケーシング１１の一端（下端）側を閉鎖するとともに、変位伝達部材として機能し、圧電アクチュエータ１の変位をピストン部材である大径ピストン２に伝達する。ベローズ１５は、圧電アクチュエータ１の変位に追従して上下方向に伸縮することにより円盤状部材１４を変位可能となすとともに、ピエゾスタック１２に圧縮方向の予荷重を与える。この圧縮力は必要な予荷重の一部であり、その大半はコイルスプリング２ｃによって与えられる。また、ロッド１３は下端面を凸型の曲面形状に成形してあり、一方、これに当接する円盤状部材１４ａの上面中央部は凹型の曲面形状に成形してあって、凹凸曲面にて当接させることにより自動調心を可能にしている。このとき、ロッド１３下端面の曲率半径は、円盤状部材１４ａ上面の曲率半径よりも僅かに小さくして接触面積を確保している。
【００３４】
大径ピストン２は、上端部の径が細くなっており、この細径部２ａの頂面が円盤状部材１４ａの下面に当接している。同様に、細径部２ａの頂面も凸型の曲面形状に成形してあり、これに当接する円盤状部材１４ａの下面を凹型の曲面形状に成形することにより、凹凸曲面にて当接させている。曲率半径は、細径部２ａ側が円盤状部材１４ａ側より僅かに小さくなるようにする。このように、円盤状部材１４ａとロッド１３、細径部２ａとをいずれも曲面で当接させるのは、組付等において軸のずれが生じても自動調心を可能とし、ピエゾスタック１２に偏心荷重がかかって破損することを防止する。
【００３５】
大径ピストン２の細径部２ａ周りには、バネ部材としてのコイルスプリング２ｃが配設されている。コイルスプリング２ｃは、細径部２ａの上端側外周に嵌着固定したリング状部材２ｂを上方に付勢している。このリング状部材２ｂを介してその付勢力が大径ピストン２に作用している。その結果、コイルスプリング２ｃは、大径ピストン２を圧電アクチュエータ１方向に付勢している。このコイルスプリング２ｃの付勢力は、円盤状部材１４ａおよびロッド１３を介してピエゾスタック１２にも作用して、ピエゾスタック１２の圧縮力となっている。コイルスプリング２ｃの圧縮力とベローズ１５によって与えられる圧縮力の和が、ピエゾスタック１２に必要な所定の予荷重となるように、これら付勢力を設定すればよい。
【００３６】
さらに、コイルスプリング２ｃの付勢力は、変位を伝達する各部材間、すなわち、大径ピストン２と円盤状部材１４ａ、円盤状部材１４ａとロッド１３、ロッド１３とピエゾスタック１２の間の接触圧をそれぞれ高める作用を有する。その結果、ピエゾスタック１２の変位が大径ピストン２まで伝達される際の損失（変位の吸収）を最小限に抑制し、変位を有効に伝達させる。
【００３７】
圧電体素子としてのピエゾスタック１２は、図２、図３に示すように、圧電体層１２Ａの層間に内部電極層１２１、１２２を交互に正負となるように形成されるよう構成されている。これら圧電体層１２Ａ、内部電極層１２１、１２２は、図２、３に示すように、交互に積層して複数層に同時形成される。圧電体層１２Ａは、主原料が酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、炭酸ストロンチウム等の圧電材料を有するグリーンシートからなる。グリーンシートは、これら圧電材料の粉末を所望の組成となるように秤量する。また、鉛の蒸発を考慮して、上記混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し、その後８００〜９５０℃で仮焼する。次に、その仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリーとし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合する。その後、このスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調節する。次に、スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに形成する。回収したグリーンシートはプレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、所定の大きさの矩形体に形成する。グリーンシートは駆動部１１１、バッファー部１１２、およびダミー部１１３に共通である。次いで、例えば銀／パラジウム＝７／３の比率からなる銀およびパラジウムのペースト（以下、Ａｇ／Ｐｄペーストと呼ぶ）により、成形後のグリーンシートの一方の表面に印刷する。圧電体層となるグリーンシート１２Ａの表面には、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、その表面の略全面よりやや小さなパターン１２１（１２２）を形成し、内部電極層１２１（１２２）とする。なお、内部電極材料としては、本例の他に、銅、ニッケル、白金、銀等、あるいはこれらの混合物を用いてもよい。この様に内部電極層１２１（１２２）を形成したグリーンシート６１Ａは、駆動部１１１、バッファー部１１２の変位量の要求仕様に基いて所定の積層枚数分を用意する。また、バッファー部１１２、ダミー部１１３用の内部電極層を印刷していないグリーンシート１２Ｂも必要枚数準備する。
【００３８】
ここで、図４に示すように、抵抗体層となるグリーンシート１２Ｃを用意する。抵抗体材料としては、例えばチタン酸バリウム、炭化珪素、窒化珪素および二硫化モリブブデン等の導電性抵抗材料に限らず、他のグリーンシート１２Ａ、１２Ｂと同時成形することが可能であるものであれば、周知の電気抵抗素子を形成する材料であってもよい。グリーンシート１２Ａと同様に、上記Ａｇ／Ｐｄペーストにより、その表面の略全面よりやや小さなパターン１２１（１２２）を形成する。このグリーンシート１２Ｃは電気抵抗素子を構成する。
【００３９】
次に、図３、図４に示すように、これらのグリーンシート１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを重ねる。図４は、グリーンシート１２Ａの積層状態を示すもので、実質的に通電により伸縮するピエゾスタックの分解図となっている。これにより、図３に示す積層体構造となる。
【００４０】
次に、温水ラバープレス等による熱圧着後、電気炉により４００〜７００℃で脱脂し、その後９００〜１２００℃の温度下で焼結する。次に、上記積層体の側面にＡｇペーストを塗布、焼き付けることにより側面電極１６１、１６２を形成する。なお、本例では焼き付け銀により側面電極を構成したが、例えばＡｇ／Ｐｄペーストを焼き付けて形成することもできる。本例のＡｇペーストに用いた銀の他に、銀、ニッケル、白金、銀／パラジウム等を用いてもよい。
【００４１】
次に、外部電極としてのリード線１６ａ、１６ｂ（図２参照）を導電性接着剤を用いて側面電極１６１、１６２に接合する。その後、上記リード線１６ａ、１６ｂを設けた積層体に、リード線１６ａ、１６ｂを介して内部電極層１２１、１２２間に直流電圧を印加して圧電体層１２Ａを分極し、ピエゾスタック１２を得る。なお、リード線１６ａ、１６ｂの接合方法としては、本例の他に、半田付け、ろう付け等でも構わない。また、側面電極１６１、１６２を形成せず、導電性接着剤でリード線１６ａ、１６ｂを内部電極層１２１、１２２に接続することも可能である。リード線１６ａ、１６ｂとして、本例以外に導電性を有する金属箔や金属線（含む被覆線）等を用いてもよい。なお、このリード線１６ａ、１６ｂは、ケーシング１１の上端に固定したコネクタ部１６の外部電極であって、ピエゾスタック１２へ外部から電力を供給する。
【００４２】
ケーシング１１の上端縁は、円筒状部材１４ｂの外周に固定され、ケーシング１１の上端を封じている。なお、この円筒状部材１４ｂは、リード線１６ａ、１６ｂを外部へ導く貫通孔を有しており、貫通孔とリード線１６ａ、１６ｂとの隙間はシール部材等によって埋められている。また、外周に絶縁部材（図示せず）を配設してケーシング１１との間の絶縁を確保している。ケーシング１１は、コネクタ部１６の外周に配したリテーニングナット１７を締め付けることによって縦穴６１の上端に固定される。コネクタ部１６外周のフランジ部と縦穴６１の段付部の間には、リング状のシム１８が介設されてこれらの間をシールするとともに、ケーシング１１の取付け高さの調整を行っている。
【００４３】
なお、圧電体層１２Ａとなるグリーンシートは、その両表面の一方に内部電極層１２１（１２２）となるＡｇ／Ｐｄペーストを印刷する構成（図３参照）で説明したが、内部電極層１２１および内部電極層１２２をそれぞれその両面に印刷するものであってもよい（例えば、電気的構成を示す図４参照）。側面電極１６１、１６２および内部電極層１２１、１２２は、焼成することで、圧電体層１２Ａとともに同時成形することが可能であるからである。
【００４４】
この様に同時成形されたピエゾスタック１２は、図４に示すように、複数枚からなる圧電体層１２Ａａ、１２Ａｂ、１２Ａｃ、１２Ａｄ、１２Ａｅ、１２Ａｆ、１２Ａｇ、１２Ａｈを積層してなる。各圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈは略同一形状であって、多角形または円形（例えばφ５〜φ１５ｍｍ程度の大きさ）のセラミックスの薄板（厚さが０．０５〜１．０ｍｍ程度の大きさ）である。各圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈの両面には、内部電極層１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、１２１ｅ、１２１ｆ、１２１ｇ、１２１ｈおよび内部電極層１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ、１２２ｅ、１２２ｆ、１２２ｇ、１２２ｈが薄いＡｇ／Ｐｄの皮膜（皮膜厚さが数μｍ程度）によって形成されている（図４参照）。また、電気抵抗素子１２Ｃもその両面には、内部電極層１２１ｒおよび内部電極層１２２ｒが薄いＡｇ／Ｐｄの皮膜（皮膜厚さが数μｍ程度）によって形成されている。電気抵抗素子１２Ｃは、圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈと略同一形状であって、複数枚層に積層された圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈ群の内部に配置されている。
【００４５】
電気的構成を示す図４において、内部電極１２１ａ〜１２１ｈは側面電極１６１に電気的に接続しており、側面電極１６１はリード線１６ａに電気的に接続している。内部電極１２２ａ〜１２２ｈは側面電極１６２に電気的に接続しており、側面電極１６２はリード線１６ｂに電気的に接続している。内部電極層１２１ｒは側面電極１６１に、他方の内部電極層１２２ｒは側面電極１６２に電気的に接続されている。すなわち、ピエゾスタック１２を構成する圧電体層１２Ａおよび電気抵抗素子１２Ｃは互いに並列に電気的に接続されている（図４参照）。絶縁性の圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈに印加された電圧は、電気抵抗素子１２Ｃを介して電圧印加によって生じた電荷をリークすることが可能である。なお、この電気抵抗素子の抵抗値は０．１〜３ＭΩであって、印加期間が数ｍｓ程度の電圧印加に対してはほとんど影響しない。数十〜数百ｍｓに渡ってこれをリークする。その結果、圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈの分極破壊を防止するので、圧電体層１２Ａａ〜１２Ａｈの保護が図れる。
【００４６】
大径ピストン２の下方には、流体室としての変位拡大室３と小径ピストン４が、同軸的に設けられている。その小径ピストン４によって、３方弁５の弁体５１を駆動するように構成されている。大小ピストン２、４は、これらの外径に対応する２つの異なる内径を有するシリンダ部材６６内に摺動自在に配設されている。変位拡大室３は、大小ピストン２、４間に形成される空間に、作動流体となる燃料を充填することにより形成される。変位拡大室３は、ピエゾスタック１２の変位を油圧変換する。さらに、大小ピストン２、４の径差によってその変位を拡大して、小径ピストン４に伝達する。
【００４７】
３方弁５は、ノズルニードル７の背圧室７１への連通路５２を、高圧通路５３または低圧通路５４に選択的に連通させることにより、背圧室７１の圧力を増減する。高圧通路５３は高圧燃料通路６２に、低圧通路５４はドレーン通路６４にそれぞれ連通している。ピエゾスタック１２が通電により伸長すると、その変位が大径ピストン２に伝えられ、変位拡大室３の燃料圧力を利用して変位を拡大して小径ピストン４に伝える。これにより、小径ピストン４とともに弁体５１が下降すると、低圧通路５４が開放されて、背圧室７１内の燃料が３方弁５からドレーン通路６４に流出し、ノズルニードル７が上昇して燃料が噴射される。一方、通電を終了して、ピエゾスタック１２を収縮させると、大径ピストン２が上昇するのに伴い、小径ピストン４が上昇し、次いで弁体５１が高圧通路５３の燃料圧で上昇して、背圧室７１に高圧燃料通路６２から高圧燃料が流入し、ノズルニードル７を下降させる。これにより、圧電アクチュエータ１の伸縮ないし変位に基いて、ノズルニードルを昇降させて燃料噴射の開始・停止を行なうことができる。
【００４８】
大径ピストン２の下端部には、逆止弁２１が一体に設けられている。逆止弁２１は、大径ピストン２の下端部外周に固定される断面凹状の逆止弁ホルダ内にプレート状の弁体と、該弁体を大径ピストン２側に付勢する皿バネを保持している。弁体は、大径ピストン２内に設けられドレーン通路６４に連通する通路を開閉するものであって、逆止弁ホルダの中央には、その内外を連通させる貫通穴が設けられる。燃料リーク等により、変位拡大室３内の圧力が低下すると弁体が開弁し、ドレーン通路６４から大径ピストン２内の通路を経て変位拡大室３へ燃料が補充される。これにより、変位拡大室３内の気泡の発生等を防止することができる。
【００４９】
なお、変位拡大室３内には、小径ピストン４の上方への移動量を所定範囲に規制するストッパ８が配してある。ストッパ８は、中央の穴径が小径ピストン４の外径より小さいリング状部材よって構成され、変位拡大室３内に圧入固定される。また、ストッパ８中央の穴は、燃料の流通によって小径ピストン４の振動を減衰するダンパ部としても機能する。なお、リング状部材８の上端面は、大径ピストン２と干渉しない位置にあり、その駆動を妨げることはない。
【００５０】
上記構成において、圧電アクチュエータ１は、ピエゾスタック１２に電気的に接続している電気抵抗素子１２Ｃを、ピエゾスタック１２とともに同時成形している。これにより、圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータを用いる装置を製造する工程途中等において、搬送、保管、組立等のいずれかの状態で温度変化がある場合であっても、ピエゾスタックに電気的に接続している電気抵抗素子に、温度変化によって生じたピエゾスタックの電荷をリークさせることが可能である。その結果、ピエゾスタックの分極破壊を防止することが可能である。したがって、ピエゾスタック単体が温度変化のある環境に放置されたとしても、内蔵された電気抵抗素子によって保護機能が果たせる。
【００５１】
なお、本実施形態では、電気抵抗素子１２Ｃの抵抗値が、０．１〜３ＭΩの範囲にある。その抵抗値が０．１ＭΩ以下の場合では、ピエゾスタック１２に電圧を印加時に、電気抵抗素子１２Ｃの抵抗が小さすぎるため、電気抵抗素子１２Ｃに電流が流れてしまって、ピエゾスタック１２の各圧電体層１２Ａに所定の電圧が印加できなくなる恐れがある。一方、その抵抗値が３ＭΩ以上の場合では、ピエゾスタック１２の印加をオフにしたとき、電荷が抜けるのが遅くなる恐れがある。これにより、ピエゾスタック１２の伸縮のために必要な電圧を各圧電体層１２Ａに印加することが可能であるとともに、ピエゾスタック１２への印加をオフにしたとき、電荷の除去が所定時間内になるように応答性の確保が可能である。なお、ピエゾスタック１２を構成する圧電体層１２Ａおよび電気抵抗素子１２Ｃは互いに並列に電気的に接続されている（図４参照）。
【００５２】
さらになお、本実施形態では、電気抵抗素子１２Ｃが、圧電体層１２Ａおよび内部電極層１２１、１２２とともに同時成形することで、一体的に積層されている。これにより、電気抵抗素子１２Ｃが圧電体層１２Ａ等とともに積層されることで、従来の通電用コネクタ内に電気抵抗素子をモールドする技術に比べて、電気抵抗素子１２Ａを取付けるスペースの小型化が図れる。
【００５３】
さらになお、本実施形態では、電気抵抗素子１２Ａとして、周知の電気抵抗素子の電気抵抗材料からなるものの他に、チタン酸バリウムを主成分とする電気抵抗材料で形成してもよい。チタン酸バリウムを主成分とする場合、電気抵抗素子１２ＡはＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）セラミックスを形成する。このＰＴＣセラミックスは大きなＰＴＣ特性を有している。なお、ＰＴＣセラミックスも焼結により形成されるので、ピエゾスタック１２とともに同時成形が可能である。これにより、電気抵抗素子１２Ｃとして、ＰＴＣセラミックスを用いるので、キュリー温度の設定範囲を広くでき、比較的広範囲な温度検出ができる。したがって、圧電アクチュエータ１の伸縮ないし変位の温度補償を精度よく行なうことが可能である。
【００５４】
さらに、ＰＴＣセラミックスを用いた電気抵抗素子１２Ｃは、高温となるほど電気抵抗値が高くなるため、電気抵抗素子による発熱量を低くすることができ、アクチュエータへの熱的影響を低く抑えられる。
【００５５】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
【００５６】
第２の実施形態では、第１の実施形態で説明したピエゾスタック１２内における電気抵抗素子１２Ｃの位置を、図５、図６に示すように、ピエゾスタック１２に外部から通電する通電回路から遠い部位に配置する。図５は、本実施形態に係わるピエゾスタックの構造を表す模式的断面図である。図６は、図５圧電アクチュエータに係わる電気的構成を表す電気回路図である。
【００５７】
図５に示すように、電気抵抗素子１２Ｃは、ピエゾスタック１２内に積層される圧電体層１２Ａのうち、リード線１６ａ、１６ｂの根元側の圧電体層１２Ａとは反対端側にある圧電体層１２Ａに重なって同時成形されている。図６において、圧電アクチュエータ１は、ピエゾスタック１２に設けられたリード線１６ａ、１６ｂが、ピエゾスタック１２へ電力を供給するエネルギ供給回路（以下、駆動回路と呼ぶ）８０と、ピエゾスタックへ通電の開始、停止を制御する制御回路（以下、ＥＣＵと呼ぶ）９０に電気的に接続している。なお、駆動回路８０およびＥＣＵ９０は、ピエゾスタック１２に通電する通電回路を構成している。
【００５８】
これにより、ピエゾスタック１２を構成する圧電体層１２Ａおよび内部電極層１２１、１２２等の断線による導通不良が生じた（以下、回路オープンと呼ぶ）としても、導通不良の部位よりさらに遠い部位にある圧電体層１２Ａ部分の電荷を、内蔵されている電気抵抗素子１２Ｃによって速やかに消費することが可能である。したがって、駆動回路８０等の通電回路をオフにしてもピエゾスタック１２の伸縮が戻らない等の現象防止が可能である。
【００５９】
（第３から第５の実施形態）
第３から第５の実施形態を、それぞれ図７、図８、図９に従って説明する。図７は、第３の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。図８は、第４の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。図９は、第５の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【００６０】
第３の実施形態では、第２の実施形態で説明した電気抵抗素子１２Ｃの配置位置を、図７に示すように、ピエゾスタック１２の中央に配置する。第４の実施形態は、電気抵抗素子１２Ｃの配置位置を、図８に示すように、ピエゾスタック１２の両端に配置する。第５の実施形態は、電気抵抗素子１２Ｃの配置位置を、図９に示すように、ピエゾスタック１２の中央および両端に配置する。これにより、ピエゾスタック１２における電気抵抗素子１２Ｃの配置位置として、圧電体層１２Ａ等が積層される延在方向の中央もしくは両端に、少なくとも電気抵抗素子１２Ｃが配置されるので、延在方向に温度分布を生じるピエゾスタック１２であっても、ピエゾスタック１２の温度を効果的に検出することが可能である。
【００６１】
なお、電気抵抗素子１２Ｃを両端に配置する場合には、回路オープンに対するフェイルセーフの冗長性の向上が図れる。
【００６２】
なお、電気抵抗素子１２Ｃを中央および両端に配置する場合には、回路オープンに対するフェイルセーフの冗長性の向上が図れる。さらに、例えばピエゾスタック１２の温度分布がその分布から直線補間することが難しい非線形分布を、３点補間することが可能であるので、ピエゾスタック１２の温度検出の精度の向上が図れる。
【００６３】
（第６から第７の実施形態）
第６から第７の実施形態を、それぞれ図１０、図１１に従って説明する。図１０は、第６の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。図１１は、第７の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【００６４】
第６の実施形態では、第１の実施形態で説明した電気抵抗素子１２Ｃと圧電体層１２Ａを有するピエゾスタック１２を、図１０に示すように、複数層重ね合わせて、積層体構造を形成する。図１０において、ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分を積層して全体として一つのピエゾスタック１２を形成する。電気抵抗素子１２Ｃは、各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分の下流側に配置されている。これにより、圧電体層１２Ａ、電気抵抗素子１２Ｃおよび内部電極層１６１、１６２を交互に積層配置する所定の複数層が、例えば製造上同時成形することが困難な所定の複数層以上の場合において、生産性の向上が図れるとともに、ピエゾスタック単体での放置に対しても保護機能が確実に果たされる。
【００６５】
なお、圧電体層１２Ａおよび電気抵抗素子１２Ｃを有する各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分をそれぞれ一つのユニットとして、そのユニットを複数層に重ね合わせるので、各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分ごとに、電気抵抗素子１２Ｃの抵抗値変化を検出することで、ピエゾスタック１２の温度検出の精度向上が図れる。
【００６６】
また、この様にユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃを複数層に重ね合わせることで、積層長さの異なる仕様のピエゾスタックを製造する際の生産性の向上が図れる。さらに、各ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃ毎に電気抵抗素子１２Ｃが組み合わされているので、製造工程上において、各ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃが単体にて放置されることがあっても、放置された環境の温度変化に伴う分極破壊を防ぐことができる。
【００６７】
第７の実施形態では、第６の実施形態で説明した各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分における電気抵抗素子１２Ｃの配置位置を、その各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分の下流側の端部に代えて、その各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分の中央とする。これによっても、各ピエゾスタック１２ａ、１２ｂ、１２ｃ部分のうち、最も下流側の各ピエゾスタック１２ｃによって、ピエゾスタック単体での放置に対しても保護機能が確実に果たされる。
【００６８】
以上説明した実施形態では、圧電体層１２Ａおよび電気抵抗素子１２Ｃを一緒に積層して一体焼成することで同時成形する他に、圧電体層１２Ａおよび電気抵抗素子１２Ｃを個別に焼成したものを積層してもよい。いずれの方法であっても、電気抵抗素子１２Ｃが圧電体層１２Ａおよび内部電極層１２１、１２２とともに一体的に積層されることができるので、電気抵抗素子１２Ｃを取付けるスペースの小型化が図れる。
【００６９】
以上説明した実施形態では、電気抵抗素子１２Ｃとして、ピエゾスタック１２の温度検出が可能なＰＴＣセラミックスで説明したが、電気抵抗素子１２Ｃの電気抵抗が温度特性を有するものであれば、ピエゾスタック１２の温度検出ができる。
【００７０】
以上説明した実施形態では、本発明の圧電アクチュエータを燃料噴射装置に用いた。外部のＥＣＵ９０によって、ピエゾスタック１２を構成する電気抵抗素子１２Ｃの電気抵抗が、常にまたは定期的に監視している。この電気抵抗からピエゾスタック１２の温度をＥＣＵ９０が検知する。その結果、ＥＣＵ９０は、その検出した温度に該当する電圧、ピエゾスタック１２の充電エネルギ、および印加時間を制御し、燃料噴射装置の温度補償を行なうことが可能である。さらに、内燃期間へ燃料を供給するための噴射期間にあたる印加期間は、上記数十〜数百ｍｓの印加期間に比べて短い。このため、通常運転時、ＥＣＵ９０によって駆動される駆動回路８０による印加では電気抵抗素子１２Ｃは作動しない。これに対して、圧電アクチュエータ１および燃料噴射装置の放置される環境が温度変化ある状態等の意図しない電荷が印加される場合に、電気抵抗素子１２Ｃは作動し、保護機能を果たせる。
【００７１】
さらになお、電気抵抗素子１２ＣがＰＴＣセラミックスで形成されている場合には、ＰＴＣセラミックスのＰＴＣ特性を利用して、内燃機関の冷間時に、ピエゾスタック１２へ低電圧で連続的に通電させ、ピエゾスタック１２を加熱する。その結果、圧電アクチュエータ１を急速加熱させ、安定作動領域の温度に達してから燃料噴射装置を作動させるという効果を奏することも可能である。
【００７２】
以上説明した実施形態では、流体室としての変位拡大室の油圧の増減により、小径ピストンを介して３方弁を駆動する構成としたが、３方弁を用いず、油圧の増減により直接ノズルニードルを駆動する構成とすることもできる。あるいは、３方弁に代えて２方弁を用いてノズルニードルを開閉する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の圧電アクチュエータを用いた内燃機関の燃料噴射装置の概略構成を表す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を示す断面図である。
【図３】図２中のピエゾスタックを示す斜視図である。
【図４】図３のピエゾスタックの構造を表す模式的断面図である。
【図５】第２の実施形態に係わるピエゾスタックの構造を表す模式的断面図である。
【図６】図５圧電アクチュエータに係わる電気的構成を表す電気回路図である。
【図７】第３の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【図８】第４の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【図９】第５の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【図１０】第６の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【図１１】第７の実施形態に係わる圧電アクチュエータの構成を表す電気回路図である。
【符号の説明】
１圧電アクチュエータ
１１ケーシング（筒状容器部材）
１２ピエゾスタック
１２Ａ圧電体層
１２Ｃ電気抵抗素子
１２１、１２２内部電極層
１３ロッド
１４ａ、１４ｂ円盤状部材
１５ベローズ（ケーシングの一部）
１６ａ、１６ｂリード線（外部電極）
１６１、１６２側面電極
２大径ピストン（ピストン部材）
３変位拡大室（流体室）
４小径ピストン
５３方弁
５１弁体
６１縦穴
６２高圧燃料通路
６３導入管
６４ドレーン通路
６５導出管
７ノズルニードル
７１背圧室
８０駆動回路（エネルギ供給回路）
９０ＥＣＵ（制御回路）

Claims

圧電体層と内部電極層とが交互に積層された構造のピエゾスタックを有する圧電アクチュエータであって、
前記ピエゾスタックを伸縮可能に収容する筒状容器部材と、前記ピエゾスタックに電気的に接続している電気抵抗素子とを備え、
前記電気抵抗素子は、
前記筒状容器部材に内蔵されており、
前記圧電体層および前記内部電極層とともに積層配置した後に一体焼成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子の抵抗値は、０．１〜３ＭΩの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子の抵抗が温度特性を有しており、前記ピエゾスタックの温度の検出に用いられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子は、前記ピエゾスタックの中央および両端のうち少なくともいずれか一方に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子と前記ピエゾスタックとの組合せを一つのユニットとして一体焼成した後に、前記ユニットを複数層に重ね合わせることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子がＰＴＣセラミックスであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
前記電気抵抗素子が、前記ピエゾスタックに通電する通電回路から遠い部位に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備え、
前記圧電アクチュエータの伸縮に伴い、ノズルニードルを昇降させて燃料噴射の開始・停止を行なうことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
前記圧電アクチュエータの伸縮に伴う変位が伝達されるピストン部材と、前記ピストン部材の往復動によって圧力が増減する流体室を備えていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の燃料噴射装置。