JPH0419201Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の目的 ［産業上の利用分野］ 本考案は、圧電アクチユエータに関し、詳しく
は圧電素子の伸縮を圧力室を介して伝達する圧電
アクチユエータに関する。

［従来の技術］ 近年、圧電素子は、その伸長作用の高い応答性
に着目し、アクチユエータとして、高速応答性が
要求される分野で広く用いられている。こうした
分野の一例としては、内燃機関の高速回転に応じ
て応答性良く燃料噴射を行なう燃料噴射装置を挙
げることができ、燃料噴射弁に圧電素子を応用し
た提案が既になされている（例えば特開昭48−
4823号公報の「液圧燃料バルブ組立体」）。

上記燃料噴射装置の一例を第３図に基づいて説
明する。同図に示すように、燃料噴射装置１００
では、電荷の充電・放電を行なう事により伸縮す
る圧電素子１１０がシリンダ１２０内でピストン
１３０を上下方向に駆動する。ピストン１３０が
下方に動かされると、ピストン１３０の下方に位
置する液圧室１４０に封入された制御油が加圧さ
れ摺動孔１５０に組み込まれたプランジヤ１６０
を下降せしめる。こうしてノズル１７０を開弁し
て、燃料を流出している。上記液圧室１４０は、
圧電素子１１０の変位が全長の1/1000程度と小さ
い欠点を解消すべく備えられたもので、パスカル
の原理を用いた液体の変位増幅作用によつてプラ
ンジヤ１６０の変位を大きくしている。

［考案が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来例は、以下に示す如き
問題点を有しており、未だ十分なものではなかつ
た。即ち、 (1) 圧電素子１１０は、ケーシング１９０で外側
を覆われており、圧電素子１１０の周囲との充
分な絶縁性及び冷却性を保つことができるよ
う、ケーシング１９０との間を所定の間〓を設
けて設置する必要がある。このために、組立の
際に圧電素子１１０をケーシング１９０に対し
て正確に位置決めするのが難しく、圧電素子１
１０がケーシング１９０内で傾斜した状態で設
置されることがある。この状態で圧電素子１１
０を駆動すると、ピストン１３０によつて圧電
素子１１０に偏つた応力がかかり、素子に亀裂
等が生じ破損を起こす問題点があつた。

(2) また上記状態で圧電素子１１０を駆動する
と、ピストン１３０に斜め方向の力が加わるた
め、摺動不良が生じ、摺動部が偏磨耗を起こ
し、時にはピン１３０が停止するという問題点
があつた。

(3) ピストン１３０及びプランジヤ１６０は摺動
するものであるから、どうしてもピストン１３
０とシリンダ１２０との間、及びプランジヤ１
６０とシリンダ１２０との間に間〓が生じる。
この為に液圧室１４０の制御油が上記間〓から
漏洩し、その結果、液圧室１４０内部の圧力が
低下し、圧電アクチユエータとしての駆動力お
よび応答性が低下するという問題点があつた。

本考案は、上記問題点に鑑みてなされたもの
で、圧電素子の取り付けの傾斜に起因する圧電素
子の破損及びアクチユエータとしての動作不良を
防止すると共に、液圧室の制御油漏れに起因する
アクチユエータとしての駆動力および応答性を向
上することのできる圧電アクチユエータを提供す
ることを目的としている。

考案の構成 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成すべく、本考案は問題点を解
決するための手段として次の構成をとつた。即
ち、本考案は、 圧電素子と、内部に流体を密封し上記圧電素子
の伸縮を駆動側に伝達する圧力室と、を備えた圧
電アクチユエータにおいて、 上記圧力室を、上記圧電素子の下絶縁部材と、
該下絶縁部材側から駆動側に張り出す金属製ベロ
ニーズと、で囲まれる空間で構成するとともに、 該金属製ベローズを、上記駆動側が閉塞され且
つ周囲に伸縮可能な蛇腹部が設けられた筒状容器
部と、該筒状容器部の開口端部から広がつて上記
圧電素子の伸縮に応じて弾性変形する拡開部と、
から構成し、 更に、上記圧電素子の下絶縁部材と上記拡開部
との間を弾性シールングを介して密封し、 上記拡開部の弾性シーリングの内側に、上記圧
電素子の下絶縁部材に当接するとともに上記圧電
素子の伸縮に伴つて弾性変形する環状隆起部を設
けたことを特徴とする圧電アクチユエータを要旨
としている。

ここで、圧電素子とは、電圧を加えることによ
り力学的な歪みを発生する性質を有した結晶体で
あればどのようなものでもよく、例えばPZTを
積層してなるセラミツクス等の圧電セラミツク
ス、ポリマー系圧電材料、水晶等がそうである。

伸縮性部材とは、例えばベローズあるいはダイ
ヤフラム等がそうである。

拡開部と圧電素子の伸縮方向端面との取付け
は、密封状態で直接もしくは絶縁部材を介して間
接的に取付けられるもので、密封状態を達成すべ
く、例えばＯリング等のシール部材でパツキング
するようにしてもよく、あるいは圧電素子の下端
に設けられた絶縁性の板材に一体として固着する
ようにてもよい。

［作用］ 以上のように構成された本考案の圧電アクチユ
エータにあつては、圧電素子が伸長すると拡開部
の所定部位が係止されているため該伸縮に応じて
拡開部が弾性変形し、該拡開部で囲まれた部分
（拡開空間部）の容積が小さくなる。そうすると、
その小さくなつた容積の流体が拡開部から筒状容
器に圧送され、筒状容器部の蛇腹部が伸びて、筒
状容器部の閉塞された部分を圧電素子と反対方向
に移動させる。

例えば、圧電素子が傾いて取り付けられた場合
に、圧電素子の下がつた側の蛇腹部が縮むと共に
圧電素子の上がつた側の蛇腹部が伸びる。このた
め、圧力室の圧電素子側端面が圧電素子の伸縮軸
方向と垂直になり、圧電素子に加える荷重が必ず
圧電素子の伸縮軸方向となる。従つて圧電素子に
偏つた応力を加えることがない。

また圧力室は圧電素子側に拡開しているため
に、圧力室の閉塞端付近の断面積が圧電素子付近
の断面積より小さなものとなる。従つて、圧電素
子の変位あるいは発生圧力を大きな変位あるいは
発生圧力に増幅して圧力室の閉塞端に伝えること
ができ、たとえ圧電素子が傾いて取り付けられ伸
縮方向が変つたとしても、圧力室の閉塞端に加わ
る圧力の方向を常に一方向とすることができる。

更に圧力室は、一体成形された筒状容器と拡開
部とを圧電素子に密封状態で直接もしくは絶縁部
材を介して間接的に取付けるようなされているた
め、圧力室には従来例のような摺動部分による間
〓がなく、シール性が高い。

［実施例］ 以下、本考案の実施例を図面と共に説明する。

第１図は本考案の一実施例としての圧電アクチ
ユエータの断面図である。

同図に示すように、圧電アクチユエータ１はア
クチユエータハウジング３とアウタカバー５とに
より外形を形成している。アウタカバー５は、ね
じ部材７によりアクチユエータハウジング３に固
定され、その内側上面の中心部には嵌合孔９が穿
設されている。さらにアウタカバー５には、図示
しない駆動回路から電圧を印加される２本の電極
１１がハーメチツクシール１１ａを介して嵌挿さ
れている。

アクチユエータハウジング３の内部には、圧電
素子１３が設けられている。圧電素子１３は、
PZTを積層して構成されたもので、電圧１１か
ら導線１４を介して電圧が印加されると図におけ
る上下方向に伸縮駆動する。圧電素子１３の上端
には円筒状の突部１５を有した円盤状の上絶縁部
材１７が、またその下端には円盤状の下絶縁部材
１９が備えられている。そうして上記突部１５を
上記アウタカバー５の嵌合孔９に嵌合させること
により圧電素子１３が固設され、アクチユエータ
ハウジング３の内壁と一定の間〓をおくよう位置
決めされる。アクチユエータハウジング３の内壁
には、フソ素樹脂よりなる絶縁性被膜２１が被覆
されており、圧電素子１３の電気的絶縁性を高め
ている。

一方、アクチユエータハウジング３の図下部分
には肉厚を大きくしたシリンダ部分３ａが形成さ
れており、このシリンダ部分３ａにベローズ２５
が内蔵されている。ベローズ２５は筒状容器部２
７と拡開部２９とより構成され、ステンレス製で
一体成形されたものである。筒状容器部２７は、
円筒形状をし、その周面に蛇腹部２７ａを備える
と共に一端２７ｂが底板２７ｃにより閉塞されて
いる。また拡開部２９は、筒状容器部２７の他端
２７ｄから拡開されたもので、円環状隆起部２９
ａと円環状陥没部２９ｂとを備えている。

上記のベローズ２５は、円環状陥没部２９ｂの
外底側をシリンダ部分３ａの上面３ｂで係止する
ことにより、円環状隆起部２９ａを下絶縁部材１
９に当接し、下絶縁部材１９を押圧している。こ
うしてベローズ２５と下絶縁部材１９とで圧力室
３１が形成される。

圧力室３１には燃料、即ち制御油が密封されて
おり、円環状陥没部２９ｂと下絶縁部材１９との
間に装着されたＯリング３３により圧力室３１の
シール性を高めている。また下絶縁部材１９の下
面にはピストン部材３５が固着されており、圧力
室３１のデツトボリユームを低減するようなされ
ている。

次に上記圧電アクチユエータ１の動作を説明す
る。電極１１に電圧が印加されると、圧電素子１
３が伸長し、下絶縁部材１９を介してベローズ２
５の円環状隆起部２９ａを押圧する。この時、Ｏ
リング３３も同時に押圧され、円環状隆起部２９
ａと共に押しつぶされる。そうすると拡開部２９
で囲まれた部分（拡開空間部２９ｃ）の容積が小
さくなり、その小さくなつた容積の制御油が拡開
部２９から筒状容器部２７に圧送され、蛇腹部２
７ａが伸びる。この結果、底板２７ｃは図下方向
に移動する。一方、電極１１からの電圧印加を停
止すると、圧電素子１３が短縮する。そうすると
拡開空間部２９ｃが大きくなり、円環状隆起部２
９ａとＯリング３３とが弾性復帰するとともに蛇
腹部２７ａが縮む。この結果、底板２７ｃは図上
方向に移動する。

次に、本実施例の圧電アクチユエータ１を好適
に使用したデイーゼル機関の燃料噴射弁について
第２図の断面図にて説明する。

第２図に示すように燃料噴射弁５０は、本圧電
アクチユエータ１、圧電アクチユエータ１と燃料
流入口５２とを組み付けた燃料噴射弁本体５４、
この燃料噴射弁本体５４にノズルホルダ５６によ
りスペーサ５８を介して固定されるノズル６０等
を備えている。

燃料噴射弁本体５４、スペーサ５８、ノズル６
０内には互いに直列に配置された制御ロツド６
２、加圧ピン６４及びニードル６６が摺動可能に
挿入される。制御ロツド６２の上方には燃料室６
８が形成され、この燃料室６８には図示しない燃
料ポンプにより加圧された燃料が燃料流入口５２
を介して供給される。従つて燃料室６８内の燃料
圧が制御ロツド６２の上面に作用する。ニードル
６６は円錘状をなす受圧面７０を有し、この受圧
面７０の周りにニードル加圧室７２が形成され
る。ニードル加圧室７２は一方では燃料通路７４
を介して燃料室６８に連結され、他方ではニード
ル６６の周りに形成された環状の燃料通路７６を
介して、ノズル６０の先端に形成されたノズル孔
７８に連結される。また燃料噴射弁本体５０内に
加圧ピン６４を下方に向けて付勢する付勢ばね８
０が挿入され、ニードル６６はこの付勢ばね８０
によつても下方に押圧される。制御ロツド６２は
その中間部に円錘状をなす受圧面８２を有し、こ
の受圧面８２の周りに制御ロツド加圧室８４が形
成される。制御ロツド加圧室８４は、シリンダ形
状をし、圧電アクチユエータ１のシリンダ部分３
ａに連通している。

制御ロツド加圧室８４内の燃料、即ち制御油が
加圧されていない場合にはニードル６６には制御
ロツド６２の上面に作用する下向きの力と、付勢
ばね８０による下向きの力と、ニードル６６の受
圧面７０に作用する上向きの力が加わる。このと
き下向きの力の総和が上向きの力よりも若干大き
くなるように制御ロツド６２の径、付勢ばね８０
のばね力およびニードル６６の受圧面７０の面積
が設定されている。従つて通常ニードル６６には
下向きの力が作用しており、斯くして通常ニード
ル６６はノズル孔７８を閉鎖している。

次いで圧電アクチユエータ１に電圧が印加され
ると圧電素子１３が伸びるためにベローズ２５の
底板２７ｃが図左方に移動し、その結果制御ロツ
ド加圧室８４内の制御油圧が上昇する。このとき
制御ロツド６２の受圧面８２に上向きの力が作用
するために制御ロツド６２が上昇し、斯くしてニ
ードル６６が上昇するためにノズル孔７８から燃
料が噴射される。

一方、圧電アクチユエータ１への電圧の印加が
停止せしめられると圧電素子１３は縮み、ベロー
ズ２５の底板２７ｃが図右方に移動し、その結果
制御ロツド加圧室８４内の制御油圧が低下するた
めに制御ロツド６２およびニードル６６が下降し
て燃料噴射が停止せしめられる。

以上詳述してきた本実施例の圧電アクチユエー
タ１は、一体成形されたベローズ２５の拡開部２
９をＯリング３３を介して下絶縁部材１９に押圧
するよう構成されている。このために、従来例の
ような摺動部分による間〓がなく、その摺動部分
にＯリング等のシール部材を設けた場合と比べて
もはるかにシール性が高い。従つて、圧力室３１
の制御油漏れを防止することができ、圧電アクチ
ユエータ１の駆動力および応答性を向上すること
ができる。

また、圧電アクチユエータ１は、ベローズ２５
の復元力（蛇腹部３１および隆起部２９により発
生）により圧電素子１３に絶えず与荷重が加えら
れるようなされている。このため、圧電素子１３
に偏つた応力を加えることがなく、従つて圧電素
子１３の取り付けの傾斜に起因する圧電素子１３
の破損を防止することができる。また従来例のよ
うに皿バネ等の特別の与荷重手段を用いる必要が
ないため、部品点数を減少させることができる。

また圧電アクチユエータ１は、圧電素子１３の
変位を圧力室３１を介して圧力室３１の底板２７
ｃに伝達するよう構成されている。このため、底
板２７ｃに加わる圧力の方向は常に一方向とな
り、例えば底板２７ｃにピストンを当接させて摺
動させようとしても、その摺動部に動作不良が発
生することもない。

なお、本実施例の圧電アクチユエータ１を用い
たデイーゼル機関の燃料噴射弁５０は、上記圧電
アクチユエータ１の多くの利点から、優れた信頼
性を得ることができる。

以上、本考案の実施例を詳述してきたが、本考
案は、上記実施例に何等限定されるものではな
く、本考案の要旨を逸脱しない範囲で種々なる態
様となり得る。

考案の効果 以上詳述してきた本考案の圧電アクチユエータ
は、圧力室を圧電素子の下絶縁部材と下絶縁部材
側から駆動側に張り出す金属製ベローズとで囲ま
れる空間で構成するとともに、金属製ベローズを
駆動側が閉塞され且つ周囲に伸縮可能な蛇腹部が
設けられた筒状容器部と筒状容器部の開口端部か
ら広がつて圧電素子の伸縮に応じて弾性変形する
拡開部とから構成し、更に、圧電素子の下絶縁部
材と拡開部との間を弾性シーリングを介して密封
し、拡開部の弾性シーリングの内側の圧電素子の
下絶縁部材に当接するとともに圧電素子の伸縮に
伴つて弾性変形する環状隆起部を設けている。こ
のために、従来のピストンを用いた場合に比べて
はるかに圧力室のシール性を高めることができ
る。従つて、圧力室の流体の漏れを防止すること
ができ、圧電アクチユエータの駆動力および応答
性を向上することができる。また、圧電素子の取
り付けの傾斜に起因する圧電素子の破損および移
動部分の摺動動作不良を防止することができる。
更に副次的な効果として、従来例のように皿バネ
等の特別の与荷重手段を用いることなし圧電素子
に荷重を加えることができ、部品点数を減少させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例としての圧電アクチ
ユエータの断面図、第２図は上記圧電アクチユエ
ータを好適に使用したデイーゼル機関の燃料噴射
弁の断面図、第３図は従来の圧電アクチユエータ
の断面図である。 １……圧電アクチユエータ、３……アクチユエ
ータハウジング、５……アウタカバー、１３……
圧電素子、２５……ベローズ、２７……筒状容器
部、２７ａ……蛇腹部、２７ｃ……底板、２９…
…拡開部、３１……圧力室、３３……Ｏリング。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 圧電素子と、内部に流体を密封し上記圧電素子
   の伸縮を駆動側に伝達する圧力室と、を備えた圧
   電アクチユエータにおいて、 上記圧力室を、上記圧電素子の下絶縁部材と、
   該下絶縁部材側から駆動側に張り出す金属製ベロ
   ーズと、で囲まれる空間で構成するとともに、 該金属製ベローズを、上記駆動側が閉塞され且
   つ周囲に伸縮可能な蛇腹部が設けられた筒状容器
   部と、該筒状容器部の開口端部から広がつて上記
   圧電素子の伸縮に応じて弾性変形する拡開部と、
   から構成し、 更に、上記圧電素子の下絶縁部材と上記拡開部
   との間を弾性シールングを介して密封し、 上記拡開部の弾性シーリングの内側に、上記圧
   電素子の下絶縁部材に当接するとともに上記圧電
   素子の伸縮に伴つて弾性変形する環状隆起部を設
   けたことを特徴とする圧電アクチユエータ。