JP4325110B2 - 圧電アクチュエータ装置と燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射システムに用いられる圧電アクチュエータ装置および燃料噴射弁に関する。
【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弁を用いることが検討されている。かかる燃料噴射弁は、一般に、圧電アクチュエータの変位を油圧ピストンに伝達し、該油圧ピストンの往復動に伴い油圧室内の圧力を増減させて、該油圧により直接、あるいは油圧バルブを介して間接的にノズルニードルを駆動している。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主要部として備え、各層間に介設される電極に通電することによって伸縮し、変位を発生する。
【０００３】
ここで、ピエゾスタックの使用に際しては、破損を防止する目的で圧縮力を付与することが、一般に行われている。例えば、ピエゾスタックの両端面間を相互に緊締する予荷重ばねエレメントを設けた圧電アクチュエータが、特表２０００−５０６５９０号公報に記載されているが、ピエゾスタックの周囲に予荷重ばねエレメントが配置されるため、外径が大きくなりやすい。また、ピエゾスタックの電極のマイグレーション等を防止するために、ピエゾスタックをケーシング内に収納して外気から遮断することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、本発明者等は、ピエゾスタックを、その変位を伝達する部材としてのロッドとともに円筒状ケーシング内に収納し、さらに、ロッド周りの円筒状ケーシングの一部をベローズ状に成形することを検討した。この構成では、ベローズによってピエゾスタックに圧縮力を付与することができ、また、小径のロッド周りに変位に追従して伸縮するベローズを配置することにより、圧電アクチュエータ外径を小さくし、全体をコンパクトにすることが可能になる。
【０００５】
ところが、このように構成された圧電アクチュエータの一端側に油圧ピストンを配設し、油圧ピストンに伝達された変位を油圧に変換する機構を採用した場合、以下のような問題が生じる。すなわち、圧電アクチュエータの作動時、ピエゾスタックで発生する変位は、第一にピエゾスタックとロッドとの当接部で一部吸収され、第二にロッドとケーシングの底面構成部材との当接部で一部吸収され、第三にケーシングの底面構成部材と油圧ピストンとの当接部で一部吸収されてしまう。ピエゾスタックの変位は微少であるため、部材間の当接により変位が吸収されてしまうと、油圧室への変位の伝達が妨げられ有効に油圧変換されない、という不具合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ピエゾスタックの変位を複数の部材を介して機械的に伝達し、油圧に変換する機構において、変位伝達の際の変位の吸収を抑制し、発生する変位を有効に油圧変換することのできる圧電アクチュエータ装置およびこれを用いた燃料噴射弁を実現することを目的とする。また、ピエゾスタックに必要な圧縮力を容易に付与し、圧電アクチュエータ装置の信頼性を高めることを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の圧電アクチュエータ装置は、両端閉鎖の筒状ケーシング内に収納される圧電アクチュエータの伸縮変位を上記ケーシングの一端側に設けたピストン部材に伝達し、該ピストン部材の往復動に伴い流体室内の圧力を増減させるものであり、上記圧電アクチュエータが、ピエゾスタックとその一端側に当接して変位を伝達するロッドからなる。該ロッドは、上記ピエゾスタックの外径よりも径の小さい小径部を有している。
そして、上記ロッドの上記小径部外周の上記ケーシング壁を伸縮可能なフレキシブル形状に成形して、上記ロッドを上記ケーシングの閉鎖端面に当接させる一方、上記ピストン部材を上記ケーシング方向に付勢して上記閉鎖端面に当接させるとともに、上記圧電アクチュエータを圧縮方向に付勢してこれに予荷重を付与するバネ部材を設け、上記ロッドの変位を、これに追従して変位する上記ケーシングの上記閉鎖端面を介して、上記ピストン部材に伝達することを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、上記バネ部材の付勢力によって上記ピストン部材と上記ケーシング、さらに上記ケーシングと上記圧電アクチュエータとの間の接触圧を高めて、これらの当接部での変位の吸収を最小限に抑制することができる。また、この付勢力が同時に上記圧電アクチュエータに圧縮方向の予荷重を与えるので、必要な圧縮力を容易に得ることができ、コンパクトで信頼性の高い圧電アクチュエータ装置が得られる。
そして、上記ケーシング壁の一部をフレキシブル形状に成形することで、上記圧電アクチュエータに追従して容易に伸縮可能となり、また、この一部をロッド外周に配することで、外径の大型化が回避できる。
【０００９】
請求項２の発明では、上記バネ部材が、上記ピストン部材の細径部外周に配置される。
【００１０】
細径部外周に配することで、外径の大型化が回避できる。
【００１１】
請求項３の発明では、上記ケーシングの上記閉鎖端面と、これに当接する上記ピストン部材の端面のうちの一方を凹面、他方を凸面として、凹凸曲面にて当接させている。
【００１２】
この構成では、上記ケーシングと上記ピストン部材の軸にずれが生じても、当接面を凹凸曲面とすることで、自動調心が可能であり、ピエゾスタックに偏心荷重がかかるのを防止できる。
【００１３】
請求項４の発明では、上記圧電アクチュエータに必要な予荷重の大半が、上記バネ部材によって与えられるものとする。上記ピストン部材を付勢する上記バネ部材によって上記圧電アクチュエータに必要な予荷重を与えることによって、構成が簡易になる。
【００１４】
請求項５の発明では、上記バネ部材が、矩形断面の線材で成形されたコイルスプリングとする。バネ定数の大きな矩形断面のバネを用いることにより、上記圧電アクチュエータへの圧縮力を大きくすることができる。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか記載の圧電アクチュエータ装置を備えた燃料噴射弁であり、上記圧電アクチュエータの伸縮変位を上記ピストン部材に伝達して上記流体室内の圧力を増減させるのに伴い、ノズルニードルを昇降させて燃料噴射の開始・停止を行う。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を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第１の実施の形態について説明する。図１に本発明のアクチュエータ装置を備えた燃料噴射弁の全体構成を示す。図中、燃料噴射弁は、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（図略）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（図略）へ戻される。
【００１７】
ハウジングＨ１は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６１内に、上記圧電アクチュエータ１を収容する金属製の薄肉円筒状ケーシング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、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およびピエゾスタック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おり、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。この時、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。
【００１８】
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１４の外周に溶接固定されており、円盤状部材１４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１４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、その大半は後述するコイルスプリング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１４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。この時、ロッド１３下端面の曲率半径は、円盤状部材１４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。
【００１９】
大径ピストン２は、上半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１４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１４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１４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１４とロッド１４、細径部２ａとをいずれも曲面で当接させるのは、組付け時等に軸のずれが生じても自動調心可能として、ピエゾスタック１２に偏心荷重がかかって破損するといった不具合を防止するためである。
【００２０】
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の上端部外周に嵌着固定したリング状部材２ｂを上方に付勢しており、このリング状部材２ｂを介してスプリング力が大径ピストン２に作用し、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１４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。従って、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。
【００２１】
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１４、円盤状部材１４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。従って、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。
【００２２】
ピエゾスタック１２は、ケーシング１１の上端に固定したコネクタ部１６のリード線１６ａ、１６ｂに接続され、また、外周に絶縁部材（図略）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。
【００２３】
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、小径ピストン４によって、３方弁５の弁体５１を駆動するようになしている。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、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の変位を油圧変換し、大小ピストン２、４の径差によって拡大して、小径ピストン４に伝達する。
【００２４】
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。
【００２５】
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なる。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、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。
【００２６】
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りなり、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。この時、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。
【００２７】
上記構成において、ピエゾスタック１２の変位は、ロッド１３、円盤状部材１４、大径ピストン２の複数の部材を用いて機械的に伝達され、変位拡大室３で油圧変換される。ここで、本実施の形態では、これら複数の部材の最終段の部材、すなわち、大径ピストン２をピエゾスタック１２方向へ付勢するコイルスプリング２ｃを設けたので、この付勢力によって、ピエゾスタック１２に必要な所定の予荷重の大半を与えることができるとともに、各部材間の接触圧を高めて、変位伝達の際の損失を抑制し、ピエゾスタック１２の変位を効率よく伝達することができる。また、ピエゾスタック１２とロッドを密閉されたケーシング１１内に収納したので、外気や作動油から容易に遮断することができ、さらに、小径のロッド１３の周囲にベローズ１５を配置したので、外径が大きくなることもない。従って、発生する変位を有効に伝達してノズルニードルを駆動し、コンパクトかつ信頼性に優れる燃料噴射弁が得られる。
【００２８】
ここで、上記第１の実施の形態では、図１のように、コイルスプリング２ｃを構成する線材を円形断面としたが、図２に示すように、矩形断面の線材を用いてコイルスプリング２ｃを成形することもできる。一般に、ピエゾスタック１２に要求される圧縮付勢力は、信頼性の面から、ピエゾスタック１２が発生する力の半分程度と考えられており、通常の燃料噴射弁では約５００Ｎに達する。これを円形断面のコイルスプリングで確保しようとすると、コイルスプリングの体格が大きくなるおそれがある。このような場合には、図２に示す矩形断面のコイルスプリング２ｃを用いることが望ましく、体格を大きくすることなく、必要な付勢力を得ることができる。
【００２９】
上記実施の形態では、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の実施の形態における燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】コイルスプリング形状の他の例を示す図である。
【符号の説明】
Ｈ１ ハウジング
１ 圧電アクチュエータ
１１ ケーシング
１２ ピエゾスタック
１３ ロッド
１４ 円盤状部材
１５ ベローズ
２ 大径ピストン（ピストン部材）
２ａ 細径部
２ｂ リング状部材
２ｃ コイルスプリング（バネ部材）
２１ 逆止弁
３ 変位拡大室（流体室）
４ 小径ピストン
５ ３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

Claims (6)

1. 両端閉鎖の筒状ケーシング内に収容される圧電アクチュエータの伸縮変位を上記ケーシングの一端側に設けたピストン部材に伝達し、該ピストン部材の往復動に伴い流体室内の圧力を増減させる圧電アクチュエータ装置であって、
   上記圧電アクチュエータが、ピエゾスタックとその一端側に当接して変位を伝達するロッドからなり、該ロッドが上記ピエゾスタックの外径よりも径の小さい小径部を有するとともに、
   該ロッドの上記小径部外周の上記ケーシング壁を伸縮可能なフレキシブル形状に成形して、上記ロッドを上記ケーシングの閉鎖端面に当接させる一方、
   上記ピストン部材を上記ケーシング方向に付勢して上記閉鎖端面に当接させるとともに、上記圧電アクチュエータを圧縮方向に付勢してこれに予荷重を付与するバネ部材を設け、
   上記ロッドの変位を、これに追従して変位する上記ケーシングの上記閉鎖端面を介して、上記ピストン部材に伝達することを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
2. 上記バネ部材が、上記ピストン部材の細径部外周に配置される請求項１記載の圧電アクチュエータ装置。
3. 上記ケーシングの上記閉鎖端面と、これに当接する上記ピストン部材端面のうちの一方を凹面、他方を凸面として、凹凸曲面にて当接させた請求項１または２記載の圧電アクチュエータ装置。
4. 上記圧電アクチュエータに必要な予荷重の大半が、上記バネ部材によって与えられる請求項１ないし３のいずれか記載の圧電アクチュエータ装置。
5. 上記バネ部材が、矩形断面の線材で形成されたコイルスプリングである請求項１ないし４のいずれか記載の圧電アクチュエータ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか記載の圧電アクチュエータ装置を備え、上記圧電アクチュエータの伸縮変位を上記ピストン部材に伝達して上記流体室内の圧力を増減させるのに伴い、ノズルニードルを昇降させて燃料噴射の開始・停止を行うことを特徴とする燃料噴射弁。

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