JPH06343273A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度変化により可動部材の位置および移動量
が変化しないこと。 【構成】 小径部１１の先端に噴射口１２を有し第１の
大径部１３と第２の大径部１６とを有する弁本体１と、
弁本体１に介挿されるインナバルブ２０を備えたニード
ル弁部材２と、ニードル弁部材２と第１の大径部１３と
の間に介挿され、ニードル弁部材２を開く方向に付勢す
るスプリング部材３と、弁本体１内においてニードル弁
部材２と弁本体１の蓋部１５に一端が係止されたバネ部
材を構成するコイルスプリング４２の他端に係止された
係止部材４３との間に正の電圧が印加された状態で介挿
された中実円筒体４０であって、印加電圧が負に切り換
えられたら収縮してニードル弁部材２を開く方向に制御
する圧電装置４と、係止部材４３と第２の大径部１６の
肩部１６Ｓとの間に負の電圧を印加した状態で介挿され
圧電装置４と同軸的に並設した圧電装置より成る並設部
材７とから成る圧電アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクチュエータ本体内
に介挿した圧電装置にセラミックスもしくは圧電装置よ
り成る並設部材を並設し、温度変化の悪影響を受けるこ
と無く、印加電圧の制御により可動部材の移動を制御す
る圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料噴射弁に適用された圧電アク
チュエータ（特開平２−１１２６６３）は、図５に示す
ように噴射口Ｏを有する金属製の弁ケースＣ内に同軸的
に可動部材としての金属製のニードル弁Ｎが介挿され、
ニードル弁Ｎと弁フタＦとの間にコイルバネＢが介挿さ
れ、ニードル弁Ｎの肩部Ｓと弁ケースＣの先端部Ｅとの
間に図６に示す中空円筒状の圧電装置Ｐがニードル弁Ｎ
と同軸的に介挿されているものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の圧電アクチ
ュエータは、金属製のニードル弁Ｎと弁ケースＣとの間
に中空円筒状の圧電装置Ｐを介挿するものであるため、
温度が変化するとニードル弁Ｎおよび弁ケースＣと圧電
装置Ｐの線膨張係数の差により、ニードル弁のストロー
クにバラツキが生じたり、極端な場合は開弁および閉弁
に悪影響が出るという問題があった。

【０００４】そこで本発明者らは、圧電装置の線膨張係
数に近いセラミックスより成る並設部材を圧電装置に並
設して、線膨張係数の差により可動部材のアクチュエー
タ本体内における位置が変化しないようにするという本
発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結
果、温度が変化しても可動部材の移動量が変化しないよ
うにするとともに可動部材の動作に悪影響が出ないよう
にするという目的を達成する本発明に到達したものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１に記載
の第１発明）の圧電アクチュエータは、圧電アクチュエ
ータ本体と、アクチュエータ本体内に介挿された可動部
材と、アクチュエータ本体内に介挿され、可動部材を一
方の方向に付勢するスプリング部材と、アクチュエータ
本体内に介挿され、一端を可動部材に係止するとともに
他端をバネ部材に係止された係止部材に係止された筒状
体の圧電素子であって、印加される電圧が制御されるこ
とにより可動部材を移動させる圧電装置と、係止部材と
アクチュエータ本体との間に介挿され、圧電装置に並設
されたセラミックスより成る並設部材とから成るもので
ある。

【０００６】本発明（請求項２に記載の第２発明）の圧
電アクチュエータは、圧電アクチュエータ本体と、アク
チュエータ本体内に介挿された可動部材と、アクチュエ
ータ本体内に介挿され、可動部材を一方の方向に付勢す
るスプリング部材と、アクチュエータ本体内に介挿さ
れ、一端を可動部材に係止するとともに他端をバネ部材
に係止された係止部材に係止された筒状体の圧電素子で
あって、印加される電圧が制御されることにより可動部
材を移動させる圧電装置と、係止部材とアクチュエータ
本体との間に介挿され、圧電装置に並設される第２の圧
電装置で構成された並設部材とから成るものである。

【０００７】

【作用】上記構成より成る第１発明の圧電アクチュエー
タは、温度が変化しても圧電装置とセラミックスの並設
部材の線膨張係数に差が殆ど無いので、圧電装置と並設
部材の温度変化による軸方向の変形量が等しいので、ア
クチュエータ本体に対して並設部材、係止部材および圧
電装置を介して係止される可動部材の相対的位置が殆ど
変化しない。

【０００８】上記構成より成る第２発明の圧電アクチュ
エータは、温度が変化しても圧電装置と圧電装置で構成
される並設部材の線膨張係数に差が無いので、圧電装置
と並設部材の温度変化による軸方向の変形量が等しいの
で、アクチュエータ本体に対して並設部材、係止部材お
よび圧電装置を介して係止される可動部材の相対的位置
が変化しない。

【０００９】

【発明の効果】上記作用を奏する第１発明の圧電アクチ
ュエータは、温度が変化してもアクチュエータ本体内に
おける可動部材の位置が殆ど変化せず、可動部材の移動
量が変化しないとともに、可動部材の動作に悪影響が出
ないようにするという効果を奏する。

【００１０】上記作用を奏する第２発明の圧電アクチュ
エータは、第１発明の効果に加え、圧電装置と並設部材
の圧電装置にそれぞれ正負逆の振幅を与えることによ
り、可動部材のストローク量を大きくすることを可能に
するという効果を奏する。

【００１１】

【実施例】以下本発明の実施例につき、図面を用いて説
明する。

【００１２】（第１実施例）第１実施例の圧電アクチュ
エータを適用した燃料噴射弁は、図１および図２に示す
ように、小径部１１の先端に噴射口１２を有するととも
に燃料入口１４を形成した第１の大径部１３と第２の大
径部１６とを有する弁本体１と、弁本体１の小径部１１
に介挿されるインナバルブ２０を備えた小径の第１部材
２１と第１の大径部１３に介挿される第２部材２２およ
び第２部材２２に当接する第３部材２３とから成るニー
ドル弁部材２と、ニードル弁部材２の第２部材と第１の
大径部１３との間に介挿されたコイルスプリング３０に
より構成され、ニードル弁部材２を開く方向に付勢する
スプリング部材３と、弁本体１内においてニードル弁部
材２の第３部材２３と弁本体１の蓋部１５に一端が係止
されたバネ部材を構成するコイルスプリング４２の他端
に係止された係止部材４３との間に介挿された中実円筒
体４０の圧電素子であって、印加電圧が負に切り換えら
れたら収縮してニードル弁部材２を開く方向に制御する
圧電装置４と、係止部材４３と第２の大径部１６の肩部
１６Ｓとの間に負の電圧を印加した状態で介挿され圧電
装置４と同軸的に並設した圧電装置より成る並設部材７
と、圧電装置４および並設部材７を駆動する駆動回路５
と、駆動回路５を制御するＥＦＩコンピュータ６とから
成るものである。

【００１３】弁本体１は、図１に示すように、同軸的に
直列に一体形成した小径部１１と第１の大径部１３およ
び第２の大径部１６とから成る中空円筒体１０である。
小径部１１の開口部には、テーパ面より成る弁座部１１
Ｓと、噴射口１２が同軸的に形成されている。第１の大
径部１３の外周壁には、燃料導入口１４が形成されてい
る。第２の大径部１６の開口端には、円形の蓋部１５が
装着される。第１および第２の大径部１３および１６
は、それぞれ異なった径の内周面を有し、開口端に近づ
くに従い径が階段状に大きくなるように形成されてい
る。

【００１４】ニードル弁部材２の第１部材２１は、図１
に示すように略Ｔ字状の縦断面を有する部材で構成さ
れ、弁座部１１Ｓに当接する先細形状のインナバルブ２
０と第２部材２２と係合するＴ字部２１Ｔと、先端のイ
ンナバルブ２０とＴ字部２１Ｔとを連結する小径棒状の
連結部２１Ｎとから成る。

【００１５】ニードル弁部材２の第２部材２２は、略Ｕ
字状の縦断面を有する部材で構成され、先端底部には第
１部材２１のＴ字部２１Ｔを介挿する穴部２２Ｈが形成
され、側壁には貫通穴２２Ｐが形成されている。

【００１６】ニードル弁部材２の第３部材２３は、略Ｕ
字状の縦断面を有する部材で構成され、先端には平坦面
２３Ｐが形成され、外周面には環状の溝２３Ｇが形成さ
れ、燃料をシールするためのＯリング２３Ｏが介挿され
ている。

【００１７】ニードル弁部材２の第１部材２１のＴ字部
２１Ｔと第３部材の平坦面２３Ｐとの間に一定の付勢力
で第１部材２１を弁本体１の弁座部１１Ｓに対して押圧
するコイルスプリング２４が介挿されている。

【００１８】スプリング部材３は、弁本体１の第１の大
径部１３の肩部１３Ｓとニードル弁部材２の第２部材２
２の底部２２Ｓとの間に介挿されたコイルスプリング３
０で構成され、ニードル弁部材２を弁本体１の噴射口１
２から遠ざける方向に常時一定の付勢力で付勢する構成
より成る。

【００１９】圧電装置４は、中実円板の圧電素子が軸方
向に多数積層された中実円筒体４０で構成され、正の一
定の印加電圧が印加され軸方向に膨張した状態でニード
ル弁部材２の第３部材２３の底部と弁本体１の蓋部１５
に係止されたバネ部材を構成するコイルスプリング４２
によって付勢された円形の係止部材４３との間に介挿さ
れ、スプリング部材３の付勢力に抗して噴射口１２の弁
座部１１Ｓにニードル弁部材２のインナバルブ２０を当
接させており、燃料噴射時には、負の一定の印加電圧に
切り換えられると、圧電装置４が軸方向に収縮するとと
もに、スプリング部材３のコイルスプリング３０の付勢
力によりニードル弁部材２のインナバルブ２０を噴射口
１２の弁座部１１Ｓより離し、燃料が噴射口１２より噴
射することを可能にする構成より成る。

【００２０】並設部材７は、環状の圧電素子が軸方向に
多数積層された中空円筒体の圧電装置７０で構成され、
圧電装置４と第２の大径部１６との間に挿置され、第２
の大径部１６の肩部１６Ｓと係止部材４３との間に負の
一定の電圧が印加され軸方向に収縮した状態で介挿され
ており、燃料噴射時には後述する駆動回路５により印加
される電圧が正の一定の電圧に切り換えられるのでコイ
ルスプリング４２に抗して軸方向に膨張し得る構成より
成る。

【００２１】駆動回路５は、図２に示すようにイグニッ
ションスイッチＩＧを介さずにバッテリＢに直接接続さ
れた回路であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、直列に
接続され中点を接地したコンデンサ５２、５３と、およ
び切換スイッチ５４とから成り、切換スイッチ５４の切
換により圧電装置４および並設部材７に正又は負の一定
の電圧を印加する構成より成る。すなわち、エンジンが
停止している時も正および負の一定の電圧が圧電装置４
および並設部材７に印加される構成より成る。

【００２２】ＥＦＩコンピュータ６は、イグニッション
スイッチＩＧを介してバッテリＢに接続されており、エ
ンジンの回転に同期して各気筒の噴射信号を出力するこ
とにより、各気筒に対応する駆動回路５の切換スイッチ
５４を負の一定電圧が供給されている端子に切り換え得
る構成より成る。

【００２３】上記構成より成る第１実施例の圧電アクチ
ュエータを適用した燃料噴射弁は、燃料を噴射しない時
においては、正側のコンデンサ５２からの正の一定電圧
が切換スイッチ５４を介して圧電装置４に印加されると
ともに並設部材７の圧電装置７０には負の一定電圧が印
加されており、圧電装置４はそれによりコイルスプリン
グ３０に抗して軸方向に膨張しているとともに並設部材
７の圧電装置７０は軸方向に収縮しているのて、ニード
ル弁部材２のインナバルブ２０が噴射口１２の弁座部１
１Ｓに当接している。

【００２４】この状態においてＥＦＩコンピュータ６か
ら燃料の噴射信号が出力されると、切換スイッチ５４が
切り換えられ負側のコンデンサ５３からの負の一定電圧
が圧電装置４に印加されるとともに圧電装置７０には正
の一定電圧が印加され、圧電装置４が軸方向に収縮する
とともに圧電装置７０が軸方向に膨張するので、圧電装
置７０がコイルスプリング４２に抗して係止部材４３を
軸方向左方に移動させ、コイルスプリング３０の付勢力
により、ニードル弁部材２を軸方向図１中左方に移動す
るので、インナバルブ２０が噴射口１２の弁座部１１Ｓ
から離れ、燃料が噴射口１２より噴射される。

【００２５】上記作用を奏する第１実施例の圧電アクチ
ュエータを適用した燃料噴射弁は、係止部材４３を介し
て圧電装置４と圧電装置７０より成る並設部材７とを並
設するものであるため、使用中温度が変化しても、可動
部材であるニードル弁部材２の位置が変化せず、ストロ
ーク量が変化しないとともに、噴射弁が開いたり、閉じ
たりすることが無いという効果を奏する。

【００２６】また第１実施例の圧電アクチュエータを適
用した燃料噴射弁は、駆動回路５により、圧電装置４に
は負の一定電圧を印加するとともに、並設部材７を構成
する圧電装置７０には正の一定電圧を印加して、圧電装
置７０により圧電装置４を係止する係止部材４３をコイ
ルスプリング４２に抗して軸方向左方へ移動させるとと
もに圧電装置４を軸方向に収縮させるので、圧電装置４
の変形のみを利用するものに比べ大振幅（ストローク）
を得ることが出来るとともに、同一の振幅に揃えるとす
れば圧電装置４の積層枚数を減らすことができ、軸長の
短い圧電アクチュエータを実現し、燃料噴射弁をコンパ
クトにすることができるという効果を奏する。

【００２７】（第２実施例）第２実施例の圧電アクチュ
エータを適用した燃料噴射弁は、第１発明の実施例であ
り、図３に示すように第１実施例において圧電装置７０
により構成した並設部材７を中空円筒状のセラミックス
７１により構成した点が第１実施例との主たる相違点で
ある。

【００２８】上記構成より成る第２実施例の圧電アクチ
ュエータを適用した燃料噴射弁は、並設部材７を圧電装
置４の線膨張係数に近いセラミックス７１により構成し
たので、使用中温度が変化しても、ニードル弁部材２の
位置が殆ど変化せず、噴射弁が開いたり閉じたりするこ
とが無く、ストローク量が変化することがないという効
果を奏する。

【００２９】（第３実施例）第３実施例の圧電アクチュ
エータを適用した燃料噴射弁は、第１発明の実施例であ
り、図４に示すように並設部材７を圧電装置４の積層さ
れた素子の電極のトータルの厚さに相当する厚さを有す
るステンレス層７２を介挿したサンドイッチ構造のセラ
ミックス７１により構成するもので、並設部材７の温度
変化に伴う膨張量および収縮量を圧電装置４のそれと同
一化するもので、使用中温度が変化してもニードル弁部
材の位置が変化せず、噴射弁が開いたり閉じたりするこ
とが無く、ストローク量が変化することが無いという効
果を奏する。

【００３０】上述の実施例は、説明のために例示したも
ので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無
く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記
載から当業者が認識することができる本発明の技術的思
想に反しない限り、変更および付加が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の圧電アクチュエータを適
用した燃料噴射弁を示す縦断面図である。

【図２】第１実施例の駆動回路を示すブロック図であ
る。

【図３】第２実施例の圧電アクチュエータを適用した燃
料噴射弁を示す縦断面図である。

【図４】第３実施例の圧電アクチュエータを適用した燃
料噴射弁を示す縦断面図である。

【図５】従来装置を示す縦断面図である。

【図６】従来装置の圧電装置を示す横断面図である。

【符号の説明】

１ 弁本体 ２ ニードル弁部材 ３ スプリング部材 ４ 圧電装置 ５ 駆動回路 ６ ＥＦＩコンピュータ ７ 並設部材 １１ 小径部 １１Ｓ 弁座部 １２ 噴射口 １３ 第１の大径部 １４ 燃料導入口 １５ 蓋部 １６ 第２の大径部 ２０ インナバルブ ２１Ｔ Ｔ字部 ２１Ｎ 連結部 ２２ 第２部材 ２２Ｈ 穴部 ２２Ｐ 貫通穴 ２３ 第３部材 ２３Ｐ 平坦面 ２３Ｇ 溝 ２３Ｏ Ｏリング ２４、３０、４２ コイルスプリング ４０ 中実円筒体 ４１ スペーサ ４３ 係止部材 ５１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ５２、５３ コンデンサ ５４ 切換スイッチ ７０ 圧電装置 ７１ セラミックス ７２ ステンレス Ｂ バッテリ ＩＧ イグニッションスイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電アクチュエータ本体と、 アクチュエータ本体内に介挿された可動部材と、 アクチュエータ本体内に介挿され、可動部材を一方の方
   向に付勢するスプリング部材と、 アクチュエータ本体内に介挿され、一端を可動部材に係
   止するとともに他端をバネ部材に係止された係止部材に
   係止された筒状体の圧電素子であって、印加される電圧
   が制御されることにより可動部材を移動させる圧電装置
   と、 係止部材とアクチュエータ本体との間に介挿され、圧電
   装置に並設されたセラミックスより成る並設部材とから
   成ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 圧電アクチュエータ本体と、 アクチュエータ本体内に介挿された可動部材と、 アクチュエータ本体内に介挿され、可動部材を一方の方
   向に付勢するスプリング部材と、 アクチュエータ本体内に介挿され、一端を可動部材に係
   止するとともに他端をバネ部材に係止された係止部材に
   係止された筒状体の圧電素子であって、印加される電圧
   が制御されることにより可動部材を移動させる圧電装置
   と、 係止部材とアクチュエータ本体との間に介挿され、圧電
   装置に並設される第２の圧電装置で構成された並設部材
   とから成ることを特徴とする圧電アクチュエータ。