JPH0794797A - 圧電素子アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、圧電素子アクチュエータに関し、
電動ポンプ等を必要とせずに冷媒を循環させてその中央
部を含み均一温度に冷却することを目的とする。 【構成】 リング状の圧電素子１ａを積層して形成され
る圧電素子アクチュエータの本体１と、本体をその外周
部回りに所定隙間３を形成するように取り囲み本体の上
端部を支持するハウジング２と、本体の軸線方向にハウ
ジングを貫通して本体の下端部に当接するプランジャ４
と、ハウジング内に充填された冷媒と、冷媒が本体の内
部空間１５から所定隙間３を通り内部空間１５に戻る冷
媒循環通路を形成するための本体の上端部側の第一連通
路５ｃ及び本体の下端部側の第二連通路６ｃ、とを具備
し、冷媒循環通路に設置された少なくとも二つの同方向
逆止弁１１，１２により本体の伸縮に伴いその容積が増
減する区画を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子アクチュエー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】電圧を印加することで伸縮する圧電素子
は、応答性に優れたアクチュエータとして内燃機関の燃
料噴射弁等に利用することがすでに提案されている。こ
のような圧電素子アクチュエータは、その温度に応じて
変位量が変化するために、作動時の発熱に対して冷却が
実行されると共に、駆動制御には一般的に温度補正が実
行される。この温度補正を含む駆動制御を正確なものと
するためには、圧電素子アクチュエータは均一温度分布
を有するように冷却されなければならず、このための冷
却方法として実開平２−５４２５３号には圧電素子回り
に形成された冷却液体通路にポンプ等を利用して冷却液
体を流すものが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術におい
て、圧電素子は一般的に熱伝達率が低いために、その外
周部は均一に冷却されるが中央部はあまり冷却されず、
圧電素子アクチュエータにおける十分な均一温度分布冷
却を実現することはできない。さらに、冷却液体を供給
するためのポンプ等の供給手段が設けられるために、か
なりのコストアップを必要とする。

【０００４】従って、本発明の目的は、ポンプ等を必要
とせず冷媒を循環させて、その中央部を含み均一温度に
冷却可能な圧電素子アクチュエータを提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電素子ア
クチュエータは、リング状の圧電素子を積層して形成さ
れる圧電素子アクチュエータの本体と、前記本体をその
外周部回りに所定隙間を形成するように取り囲み前記本
体の上端部を支持するハウジングと、前記本体の軸線方
向に前記ハウジングを貫通して前記本体の下端部に当接
するプランジャと、前記ハウジング内に充填された冷媒
と、前記冷媒が前記本体の内部空間から前記所定隙間を
通り前記内部空間に戻る冷媒循環通路を形成するための
前記本体の上端部側の第一連通路及び前記本体の下端部
側の第二連通路、とを具備し、前記冷媒循環通路に設置
された少なくとも二つの同方向逆止弁を使用して前記本
体の伸縮に伴いその容積が増減する区画を形成すること
を特徴とする。

【０００６】

【作用】前述の圧電素子アクチュエータは、圧電素子ア
クチュエータの本体の上端部側の第一連通路及び下端部
側の第二連通路によって、ハウジング内に充填された冷
媒が本体の内部空間からその外周部回りの所定隙間を通
りこの内部空間に戻る冷媒循環通路が形成され、この冷
媒循環通路に設置された少なくとも二つの同方向逆止弁
を使用して本体の伸縮に伴いその容積が増減する区画が
形成されるために、この区画の容積減少時には一方の逆
止弁を介してこの区画から他の区画へ冷媒が排出され、
この区画の容積増加時には他方の逆止弁を介して他の区
画からこの区画へ冷媒が供給されるために、冷媒が本体
の伸縮を利用して冷媒循環通路に沿って循環する。

【０００７】

【実施例】図１は本発明による圧電素子アクチュエータ
の断面図である。１はリング状の圧電素子（例えばＰＺ
Ｔ）１ａが積層して形成された圧電素子アクチュエータ
の本体であり、２はこの本体１をその外周部回りの所定
隙間３が形成されるように取り囲むハウジングである。
ハウジング２の下端部には貫通穴部２ａが形成され、こ
の貫通穴部２ａを通して油密にシールされたプランジャ
４が挿入されている。本体１の上端部は、第一シム５を
介してハウジング２の内部上壁に当接し、また下端部は
第二シム６介してプランジャ４の上部に設けられた位置
調整用プレート７に当接している。

【０００８】８ａ及び８ｂは、圧電素子アクチュエータ
の本体１に電圧を供給するための絶縁被覆されたリード
線であり、ハウジング２外部へ油密にシールされて延在
し制御装置（図示せず）を介してバッテリ（図示せず）
に接続される。リード線８ａ及び８ｂの圧電素子側端部
は、絶縁被覆が除去されており、ハウジング２に対する
絶縁を維持するために、圧電素子アクチュエータの本体
１回りには、絶縁層９が形成されると共に、ハウジング
２内部にはシリコンオイル等の絶縁油が充填されてい
る。

【０００９】第一シム５には、リング状の圧電素子１ａ
の内側穴部と同心で略同一内径を有する貫通穴５ａが形
成され、さらにハウジング２側表面には、それより大き
な内径を有するざぐり穴５ｂと、このざくり穴５ｂと前
述の所定隙間３とを連通するために、複数の放射状通路
から構成される第一連通路５ｃが設けられている。第二
シム６には、第一シム５と同様な貫通穴６ａ及び位置調
整用プレート７側表面の第二連通路６ｃが設けられてい
る。

【００１０】第一シム５のざぐり穴５ｂと対向してハウ
ジング２にはざぐり穴２ｂが形成され、このざぐり穴２
ｂには第一シム５のざぐり穴５ｂ内において貫通穴５ａ
を閉鎖するように第一スプリング１０により付勢された
ポペット状の第一弁体１１が挿入されている。第一弁体
１１の壁部には貫通穴１１ａが設けられ、絶縁油がハウ
ジング２のざぐり穴２ｂ内に確実に侵入するようになっ
ている。

【００１１】また、第二シム６の位置調整用プレート７
側表面には段部６ｄが形成され、板状の第二弁体１２
は、その穴明底板が第二スプリング１３によってこの段
部６ｄの上面に当接するように付勢されると共に、その
筒状側板がハウジング２の内側側壁と略同一の外径を有
してそれに接触するように配置されている。以上の組み
立てを可能にするために、ハウジング２は貫通穴部２ａ
を有する底部と基部に分割されており、両者はハウジン
グ２を取り囲む一対の雄ねじ部材１４ａと雌ねじ部材１
４ｂとの嵌合によって確実に連結されている。

【００１２】圧電素子アクチュエータは、例えば、内燃
機関の燃料噴射弁のための非常に応答性の優れたアクチ
ュエータとして使用される。燃料噴射が停止される時に
は、圧電素子アクチュエータの本体１に数１００Ｖ程度
の設定正電圧が印加され、個々の圧電素子１ａが充電さ
れて伸張するために、燃料噴射弁側に設けられたスプリ
ング（図示せず）に逆らってプランジャ４が図１に示す
位置に押し下げられ、燃料噴射弁を閉弁させる。一方、
燃料噴射が開始される時には、設定負電圧の印加又は電
圧印加中止により圧電素子１ａの放電が実現されて収縮
するために、プランジャ４が図１に示す位置から前述の
スプリングによって押し上げられ、燃料噴射弁を開弁さ
せる。

【００１３】本実施例の圧電素子アクチュエータは、前
述したように、各圧電素子１ａの内側穴部によって形成
される圧電素子アクチュエータの本体１における内部空
間１５とこの本体１の外側の所定隙間３とが、第一シム
５の第一連通路５ｃ及び第二シム６の第二連通路６ｃに
よって互いに連通されて、内部空間１５内の絶縁油が、
第一連通路５ｃ、所定隙間３、及び第二連通路６ｃを通
って内部空間１５に戻るような循環を可能にする循環通
路が形成され、この循環通路にはこの循環方向にだけ開
弁可能な二つの弁体１１及び１２が配置されている。

【００１４】これらの二つの弁体１１及び１２によって
分割される循環通路における本体１の内部空間を含む第
一区画は、本体１のプランジャ４側端部近傍を含むため
に、その大きな変位を利用することにより、前述の本体
１の伸縮に応じてその容積を顕著に増減させることが可
能であり、本実施例において、板状の第二弁体１２がこ
の変位を有効に利用する手段として使用される。

【００１５】圧電素子アクチュエータの本体１が収縮す
る時、それに伴い第二スプリング１３によって第二弁体
１２が上昇するために、前述の第一区画の容積は増大す
ると共に、もう一方の第二区画の容積は減少する。それ
により第一区画内の絶縁油圧力は低下すると共に第二区
画内の圧力は高まり、この第二スプリング１３のバネ定
数は比較的小さく設定されているために、第二弁体１２
は、両区画の圧力差によって容易に開弁され、第二区画
から第一区画へ第二弁体１２を介して絶縁油が流れ、両
区画がほぼ同一圧力となった時に、第二スプリング１３
によって閉弁される。この時、第一弁体１１にも同様な
圧力差が作用するが、第二区画側の圧力の方が高いため
に、それが開弁されることはない。

【００１６】この状態から、圧電素子アクチュエータの
本体１が伸張する時には、それに伴い第二弁体１２が下
降するために、前述の第一区画の容積は減少すると共
に、もう一方の第二区画の容積は増大する。それにより
第一区画内の絶縁油圧力は高まると共に第二区画内の圧
力は低下し、第一スプリング１０のバネ定数も比較的小
さく設定されているために、第一弁体１１は、両区画の
圧力差によって容易に開弁され、第一区画から第二区画
へ第一弁体１１を介して絶縁油が流れ、両区画がほぼ同
一圧力となった時に、第一スプリング１０によって閉弁
される。この時、第二弁体１２にも同様な圧力差が作用
するが、第一区画側の圧力の方が高いために、それが開
弁されることはない。

【００１７】このように、圧電素子アクチュエータの本
体１の伸縮によって、絶縁油は、内部空間１５から、第
一連通路５ｃ、所定隙間３、及び第二連通路６ｃを通っ
て内部空間１５に戻る循環通路に沿って循環するため
に、作動時に発熱する圧電素子アクチュエータの本体１
は、このように循環する絶縁油によって、その中心部を
含み均一温度分布を有するように冷却される。それによ
り、その温度に応じて変位量が変化する圧電素子アクチ
ュエータに対して一般的に実行される温度補正を含む駆
動制御を正確なものとすることができる。また、このよ
うな均一温度分布を実現することにより、圧電素子１ａ
内に熱応力が発生することは防止され、その耐久性を向
上させることができる。

【００１８】本実施例は、このような圧電素子アクチュ
エータの本体１の冷却を実現する冷媒（絶縁油）の循環
が、本体１の伸縮によって自動的に行われるようになっ
ており、電動ポンプ等を使用しないために、装置自身が
簡素化されると共にコストアップすることはない。

【００１９】本実施例において、第二弁体１２は本体１
の伸縮に応じて上下動するように構成され、前述の第一
区画の容積を変化させるのに使用されるが、これは本発
明を特に限定するものではなく、例えば、所定隙間３の
特定高さ位置における全周を閉鎖可能なリードバルブに
置き換えるこも可能であり、この場合において、前述の
第一区画に相当する区画の容積は、例えば本体１の断面
積とプランジャ４の断面積との差を利用することによ
り、本体１の伸張時に減少又は増加させ、収縮時に増加
又は減少させることができ、もう一方の区画に特に逆の
容積変化を発生させなくても同様な冷媒の循環を実現さ
せることが可能である。

【００２０】また、二つの弁体１１及び１２の循環通路
における位置は、本実施例の位置に限定されず、これら
が同一方向に開弁するようになっていて、これらにより
分割される区画の容積が、圧電素子アクチュエータの本
体１の伸縮に応じて増減するようになっていれば、自由
に配置することが可能である。また、本実施例におい
て、冷媒として絶縁油を利用したが、絶縁層９による絶
縁を完全なものとすることにより、さらに良好な冷却性
能を有する冷媒を使用することも可能である。

【００２１】

【発明の効果】このように本発明による圧電素子アクチ
ュエータによれば、圧電素子アクチュエータの本体の上
端部側の第一連通路及び下端部側の第二連通路によっ
て、ハウジング内に充填された冷媒が本体の内部空間か
らその外周部回りの所定隙間を通りこの内部空間に戻る
冷媒循環通路が形成され、この冷媒循環通路に設置され
た少なくとも二つの同方向逆止弁を使用して本体の伸縮
に伴いその容積が増減する区画が形成されるために、こ
の区画の容積減少時には一方の逆止弁を介してこの区画
から他の区画へ冷媒が排出され、この区画の容積増加時
には他方の逆止弁を介して他の区画からこの区画へ冷媒
が供給されるために、圧電素子アクチュエータのコスト
アップ及び複雑化をもたらす電動ポンプ等を使用するこ
となく、冷媒が本体の伸縮を利用して冷媒循環通路に沿
って循環して、圧電素子アクチュエータの中央部と外周
部とを均一温度に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電素子アクチュエータの断面図
である。

【符号の説明】

１…圧電素子アクチュエータの本体 ２…ハウジング ３…所定隙間 ４…プランジャ ５…第一シム ５ｃ…第一連通路 ６…第二シム ６ｃ…第二連通路 １１…第一弁体 １２…第二弁体 １５…内部空間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング状の圧電素子を積層して形成され
   る圧電素子アクチュエータの本体と、前記本体をその外
   周部回りに所定隙間を形成するように取り囲み前記本体
   の上端部を支持するハウジングと、前記本体の軸線方向
   に前記ハウジングを貫通して前記本体の下端部に当接す
   るプランジャと、前記ハウジング内に充填された冷媒
   と、前記冷媒が前記本体の内部空間から前記所定隙間を
   通り前記内部空間に戻る冷媒循環通路を形成するための
   前記本体の上端部側の第一連通路及び前記本体の下端部
   側の第二連通路、とを具備し、前記冷媒循環通路に設置
   された少なくとも二つの同方向逆止弁を使用して前記本
   体の伸縮に伴いその容積が増減する区画を形成すること
   を特徴とする圧電素子アクチュエータ。