JPH0436141Y2 - - 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
は圧電素子の伸縮に応じて、機械的な変位を得る
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「液圧燃料バブル組立体」）。このよ
うな燃料噴射装置に用いられる圧電アクチユエー
タの一つに、圧電素子の一端を金属製の筒状ケー
スの一開口部に設けられたカバーに固定すると共
に、他端をその筒状ケースの他の開口部に設けら
れた移動部材に取り付けるようにして、圧電素子
が筒状ケース内にその筒状ケースと間〓を持つよ
う設けられたものがある。この圧電素子には数百
Ｖの電圧が印加され、圧電素子の伸縮に応じて移
動部材を移動させる。こうした圧電アクチユエー
タでは、圧電素子の動作を保障するために、圧電
素子と筒状ケースとの間の電気的絶縁性を充分確
保する必要がある。従つて、従来から、上記筒状
ケース内に電気的絶縁性の液体を封入するか（例
えば特公昭55−10153号公報の「圧電装置の分離
を防ぐ方法」。）、或いは圧電素子に熱収縮チユー
ブ等の被覆材を被覆するか等の対処がなされてい
た。

［考案が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の技術には以下の如き
問題点があり、未だ充分なものではなかつた。即
ち、 (1) 筒状ケース内に電気的絶縁性の液体を封入し
た従来技術は、経時変化に伴い筒状ケースにさ
び等が発生し、上記液体中に不純物が混入する
ようになる。この結果、圧電素子と筒状ケース
との間の電気的絶縁性を損ねるという問題点が
あつた。

(2) 圧電素子に熱収縮チユーブ等の被覆材を被覆
した従来技術は、圧電素子を被覆材で接触して
覆うものであるため、圧電素子の伸縮の際の変
位および発生力を上記被覆材が抑えて減少させ
る問題点があつた。実際、圧電素子の変位は圧
電素子の全長1/1000程度であることから、上記
減少量は大きな問題となる。

本考案は、上記問題点に鑑みてなされたもの
で、筒状ケースと圧電素子との間に不純物が介在
することを防止するとともに、圧電素子の伸縮の
変位および発生力を減少することのない圧電アク
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取つた。即
ち、本考案は、 電気的絶縁性を有するセラミツクにより形成し
た筒状ケースと、 前記筒状ケース内に該筒状ケースと間〓を隔て
て配設され、印加された電圧に応じて伸縮する圧
電素子と、 前記筒状ケースの両開口部のそれぞれにシール
部材を介して収納され、該開口部のそれぞれを液
密に閉じると共に、前記圧電素子の両端に各々位
置し前記圧電素子の伸縮に応じて移動可能とされ
た二つの円柱部材と、 前記筒状ケースと前記圧電素子との間〓に封入
された電気的絶縁性を有する冷却用液体と、 前記二つの円柱部材の少なくとも一方に埋設さ
れ該円柱部材を貫通して、一端が前記筒状ケース
内に位置して前記圧電素子に電気的に接続され、
他端が前記筒状ケース外に位置した一対の電極
と、 を備え、 前記電極を埋設した前記円柱部材を電気的絶縁
性を有するセラミツクにより形成したことを特徴
とする圧電アクチユエータを要旨としている。

ここで、圧電素子は、電圧を加えることにより
力学的な歪みを発生し変位や力が発生するもので
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。
更に、その構造は、例えば薄い圧電単体を多数積
層したものでもよく、あるいは厚い圧電単体を数
個積層したものでもよい。

電気的絶縁性を有するセラミツクとは、例え
ば、アルミナ、ベリリア、マグネシウム、あるい
は窒化圭素等がそうである。

［作用］ 以上のように構成された本考案の圧電アクチユ
エータは、圧電素子と間〓を持つて圧電素子を覆
う筒状ケースを備えるが、該筒状ケースが、電気
的絶縁性を有するセラミツクにより形成されてお
り、耐食性に優れている。従つて、筒状ケースは
腐蝕することがなく、さび等の不純物が筒状ケー
スと圧電素子との間に介在することがない。更
に、筒状ケースは、圧電素子と間〓を持つような
されているので、圧電素子の伸縮駆動に影響を与
えることもなく、圧電素子の変位および発生力を
抑えることがない。

また、筒状ケースと圧電素子との間〓には、冷
却用液体が封入されたいるので、圧電素子に電圧
を加えたとき圧電素子から生じる熱は冷却用液体
を介して発散する。

加えて、筒状ケースの両開口部には、二つの円
柱部材がシール部材を介して収納されているの
で、どちらの円柱部材も筒状ケースに対し相対移
動させることができる。

さらに加えて、電極を埋設した円柱部材が電気
的絶縁性を有するセラミツクで形成されているの
で、電極埋設部分のシール及び電気的絶縁を確保
することが容易である。

［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
ユエータの一部破断図である。

同図に示すように、圧電アクチユエータ１は円
筒形状をした円筒ケース３により外形が形成され
ている。この円筒ケース３は、鋼材と熱伝導率が
同程度の電気絶縁性を有する窒化圭素を材料とし
て成型されたもので、その図左側開口部５の内周
壁５ａには円環状溝５ｂが設けられている。円環
状溝５ｂにはＯリングであるシール部材７が持着
されており、該シール部材７を介して円柱部材９
が収納されている。円柱部材９は、アルミナを主
成分とするセラミツクにより形成されたもので、
その周縁がテーパとなるようなされており、また
その図右側側面には嵌合孔１１を備えている。さ
らに円柱部材９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１３が嵌挿されてい
る。

円筒ケース３の内部には、圧電素子１５が、一
端を円柱部材９の嵌合孔１１に嵌合固着し円筒ケ
ース３と所定の間〓をおくようにして設けられて
いる。圧電素子１５は、PZTを積層して構成さ
れたもので、電極１３から導線１７を介して電圧
が印加されると図における左右方向に伸縮する。

一方、円筒ケース３の図右側開口部１０５の内
周壁１０５ａには、図左側開口部５と同様に、円
環状溝１０５ｂが設けられ、該円環状溝１０５ｂ
にはシール部材１０７が持着されており、該シー
ル部材１０７を介してピストン１０９が摺動自在
に収納されている。ピストン１０９は、円柱部材
９と同様、アルミナを主成分とするセラミツクに
より形成され、その周縁がテーパとなるようなさ
れており、またその図左側面には嵌合孔１１１を
備えている。圧電素子１５の円柱部材９と反対方
向の端は上記嵌合孔１１１に嵌合して当接するよ
うなされている。第１図から明らかなように、円
柱部材９及びピストン１０９は、それぞれシール
部材７及び１０７を介して円筒ケース３の両開口
部に収納固定されている。従つて、圧電素子１５
が伸長すると、円柱部材９及びピストン１０９
は、それぞれ円筒ケース３に対し相対移動する。
例えば、一般的な利用態様として、図示しない壁
面等の固定部材に円筒ケース３と共に円柱部材９
を固定した場合、圧電素子１５が伸長するとピス
トン１０９は図右方向に押圧移動する。また圧電
素子１５が短縮すると、ピストン１０９の圧電素
子１５と反対側の面１１５に加えられる図示しな
いバネ等の復元力によりピストン１０９は図左方
向に移動する。

なお、上記円筒ケース３と圧電素子１５との間
〓には、シリコンオイル１２０が充填されてい
る。

以上の如く構成された本実施例の圧電アクチユ
エータ１は、例えば燃料噴射弁に用いる場合、ピ
ストン１０９の圧電素子１５と反対側の面１１５
にプランジヤを当接するように構成し、圧電素子
１５へ印加する電圧を制御しプランジヤを駆動す
るようなされる。またピストン１０９にプランジ
ヤを直接当接させるのではなく、圧力室を介して
圧電素子１５の変位を増巾してプランジヤを駆動
するよう構成してもよい。

以上詳述してきた本実施例の圧電アクチユエー
タ１は、圧電素子１５の覆う円筒ケース３が窒化
圭素を材料として形成されている。このために、
円筒ケース３が経時変化に伴い腐蝕したりするこ
とがなく、シリコンオイル１２０中に不純物が混
入することもない。この結果、圧電素子１５と円
筒ケース３との間の電気的絶縁性が損ねられるこ
とがない。また円筒ケース３を軽量化することが
でき、ひいては圧電アクチユエータ１を軽量化す
ることができる。

また、円筒ケース３は、圧電素子１５と所定の
間〓を持つよう構成されているため、圧電素子１
３の伸縮駆動に影響を与えることもなく、圧電素
子１５の変位および発生力を減少させることがな
い。

更に、本実施例の圧電アクチユエータ１は、円
筒ケース３の内部にシリコンオイル１２０のよう
な電気的絶縁性を有する冷却液体を充填するよう
構成されているため、圧電素子１５の発生する熱
量をより多く発散することが出来る。従つて、圧
電素子１５の温度上昇によつて、圧電素子１５の
静電容量が変化し、圧電素子１５の変位および発
生力の特性劣化を起こすようなこともなく、圧電
アクチユエータ１の駆動性能を安定化することが
できる。なお、本実施例においては円筒ケース３
が熱伝導性の良い窒化圭素により構成されている
ため、より一層既述した熱量の発散性が高く、上
記効果をより優れたものにしている。

加えて、圧電素子１５の両端にそれぞれ当接す
る円柱部材９及びピストン１０９は、それぞれシ
ール部材７及び１０７を介して円筒ケース３の両
開口部に収納固定されているので、円柱部材９及
びピストン１０９の各々は、圧電素子１５の伸長
により円筒ケース３に対し相対移動可能とされて
いる。従つて、圧電アクチユエータ１を用いる態
様に応じ、例えば円柱部材９又はピストン１０９
のどちらか都合の良い一方を円筒ケース３と共に
固定することにより、他方を圧電素子１５の伸縮
に応じ移動可能とすることができる。それ故、そ
の固定側又は可動側のどちらか電気配線の取り易
い側を円柱部材９とすることができるので、円柱
部材９に埋め込まれた電極１３と電源との間の電
気配線を簡便にすることが可能である。

また、前述のように円柱部材９及びピストン１
０９共に、圧電素子１５の伸縮に応じ、それぞれ
円筒ケース３に対し相対移動可能であるため、例
えば、円筒ケース３のみを固定して円柱部材９及
びピストン１０９を共に移動可能とし、円柱部材
９の外側面及びピストン１０９の外側面の各々に
接続した二つの部材間の距離を圧電素子１５の伸
縮に応じ変化させることもできる。

また、円柱部材９及びピストン１０９の何れも
円筒ケース３から取り外すことができるので、圧
電素子１５を円筒ケース３から取り出し修理など
を行うことが容易である。

更に、電極１３を電気的絶縁性があるセラミツ
クで形成された円柱部材９に埋め込んでいるの
で、簡易に電極１３と円柱部材９との間のシール
及び電気的絶縁を図ることができる。

また、圧電アクチユエータ１は、円筒ケース３と
円柱部材９との間にシール部材７が、円筒ケース
３とピストン１０９との間にシール部材１０７が
装着されている。このために、シリコンオイル１
２０のシール性が高く、シリコンオイル１２０が
円筒ケース３の外部に流出することもなく、また
外部の空気等が円筒ケース３内に侵入することも
ない。

更に圧電アクチユエータ１は、円柱部材９およ
びピストン１０９が、その周縁がテーパとなるよ
う構成されている。このため、圧電アクチユエー
タ１の組立て時にシール部材７，１０７を損傷す
るようなことがない。

なお、上記実施例は、円筒ケース３の内部にシ
リコンオイルを充填するよう構成されているが、
シリコンオイル１２０に代えて、軽油、オイル、
もしくは純粋な水等の他の電気的絶縁性を有する
冷却液体を充填するよう構成してもよく、その冷
却液体もシリコンオイル１２０と同様の効果を奏
する。

また、円筒ケース３の熱発散性を高めるため
に、円筒ケース３の外周壁あるいは内周壁をフイ
ン形状とするよう構成してもよく、圧電素子１５
の発生する熱量をより多く発散することができ
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、圧電素子と間〓を持つて圧電素子を覆う筒状
ケースが、電気的絶縁性を有するセラミツクによ
り形成されている。このために、筒状ケースが経
時変化に伴い腐蝕したりすることがなく圧電素子
と筒状ケースとの間の電気的絶縁性が損ねられる
こともない。また圧電素子の変位および発生力を
減少させることがない。更に副次的な効果とし
て、筒状ケースを軽量化することができ、ひいて
は圧電アクチユエータ全体の軽量化に貢献するこ
とができる。

加えて、筒状ケースと圧電素子との間〓に封入
された冷却用液体により圧電素子から生じた熱は
発散され易くなつているので、圧電素子の温度上
昇は抑えられ、安定した圧電素子の作動を確保す
ることができる。

また、筒状ケースの両開口部にシール部材を介
して収納された二つの円柱部材は、何れも筒状ケ
ースに対し相対移動させることができるので、本
発明を用いる態様に応じ二つの円柱部材の任意の
一方を筒状ケースと共に固定し、他方を圧電素子
の伸縮に応じて移動可能とすることができる。

更に、筒状ケースのみを固定し、二つの円柱部
材を共に移動可能として、圧電素子の伸縮に応じ
二つの円柱部材の各々を共に移動させることもで
きる。

加えて、二つの円柱部材は共に、筒状ケースに
対し相対移動可能に収納されているので、筒状ケ
ースから円柱部材を外して圧電素子を取り出し圧
電素子の修理などを行うことが容易である。

また、電気的絶縁性を有するセラミツクで形成
された円柱部材に電極を埋め込んでいるので、ハ
ーメチツクシール等の複雑なシール構造を用いる
ことなく簡易に電極部分のシールを確保すること
ができ、更に電気的絶縁も確保することが出来
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
ユエータの一部断面図である。 １……圧電アクチユエータ、３……円筒ケー
ス、７，１０７……シール材、９……円柱部材、
１５……圧電素子、１０９……ピストン、１２０
……シリコンオイル。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 電気的絶縁性を有するセラミツクにより形成し
   た筒状ケースと、 前記筒状ケース内に該筒状ケースと間〓を隔て
   て配設され、印加された電圧に応じて伸縮する圧
   電素子と、 前記筒状ケースの両開口部のそれぞれにシール
   部材を介して収納され、該開口部のそれぞれを液
   密に閉じると共に、前記圧電素子の両端に各々位
   置し前記圧電素子の伸縮に応じて移動可能とされ
   た二つの円柱部材と、 前記筒状ケースと前記圧電素子との間〓に封入
   された電気的絶縁性を有する冷却用液体と、 前記二つの円柱部材の少なくとも一方に埋設さ
   れ該円柱部材を貫通して、一端が前記筒状ケース
   内に位置して前記圧電素子に電気的に接続され、
   他端が前記筒状ケース外に位置した一対の電極
   と、 を備え、 前記電極を埋設した前記円柱部材を電気的絶縁
   性を有するセラミツクにより形成したことを特徴
   とする圧電アクチユエータ。