JPS63207185A - 圧電アクチユエ−タ - Google Patents

圧電アクチユエ−タ

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JPS63207185A
JPS63207185A JP62039969A JP3996987A JPS63207185A JP S63207185 A JPS63207185 A JP S63207185A JP 62039969 A JP62039969 A JP 62039969A JP 3996987 A JP3996987 A JP 3996987A JP S63207185 A JPS63207185 A JP S63207185A
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JP
Japan
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piezoelectric
piezoelectric body
single piezoelectric
laminated
end surface
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JP62039969A
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English (en)
Inventor
Daisaku Sawada
沢田　大作
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H10N30/501—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure having a non-rectangular cross-section in a plane parallel to the stacking direction, e.g. polygonal or trapezoidal in side view

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電アクチュエータに関し、詳しくは板状の
圧電単体を複数枚積層した積層型圧電体からなる圧電ア
クチュエータに関する。
［従来の技術］ 近年、圧電単体は、その伸長作用の高い応答性に着目し
、アクチュエータとして、高速応答性が要求される分野
で広く用いられている。こうしたアクチュエータは、一
般に、第５図に示すような板状の圧電単体１を電極板３
を介して複数枚積層した積層型圧電体５を備える構成で
おる。（例えば特開昭６０−３９８７８号公報、特開昭
６０−３９８７９号公報等）。この積層型圧電体５には
第６図に示すように電極板３がひとつ置きに夫々結線さ
れて、図示しない電線の陽極、陰極に接続され、しかも
第５図に示すように、その積層型圧電体５の積層方向の
一端５ａはアクチュエータのハウジング等に固定されて
いる。こうした構成により、夫々の圧電単体１に電荷が
付与されて圧電単体１が伸縮すると、積層型圧電体５の
他端５ｂが可動し、機械的変位を得ることができる。
なお、この種の積層型圧電単体５では、従来、各々の圧
電単体１が第６図に示すように同一形状、同一底面積を
有していた。
［発明が解決しようとする問題点１ しかしながら、上記従来例の圧電アクチュエータは、以
下に示す問題点を有し、より一層の改善が望まれていた
。
即ち、圧電アクチュエータの駆動時、各々の圧電単体１
にはその圧電単体１より他端５ｂ側にある圧電単体１の
荷重が資性荷重として働くが、この圧電アクチュエータ
を負荷及び変位量が大きい大型で且つ高速応答性を必要
とする、例えば自動車の燃料噴射弁等に用いるべく、駆
動周波数を高く、積層体長を長くすると、その固定され
た一端５ａ付近にある圧電単体１に過大な慣性荷重が働
き、これら固定端５ａ付近の圧電単体１が損傷するとい
った問題点が発生した。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、負荷及
び変位量が大きい大型で且つ高速応答性を必要とする圧
電アクチュエータであっても固定端付近の圧電単体が損
傷することのない圧電アクチュエータを提供することを
目的としている。
発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成すべく、本発明は問題点を解決するた
めの手段として次の構成をとった。即ち、本発明は、 板状の圧電単体を複数枚積層して形成され該積層方向の
一端が固定された積層型圧電体を備え、該積層型圧電体
に電圧を印加することにより上記積層型圧電体の他端を
移動させて機械的変位を得る圧電アクチュエータにおい
て、 上記積層型圧電体の移動可能な端部にある圧電単体底面
積を、上記積層型圧電体の固定された端部にある圧電単
体の底面積より小ざくすると共に、上記積層型圧電体の
各々の圧電単体の底面積を、該圧電単体と上記固定され
た端部側で隣り合う圧電単体の底面積以下にしてなるこ
とを特徴とする圧電アクチュエータを要旨としている。
ここで、圧電単体とは、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ッ
クス等の圧電セラミックス、ポリマー系圧電材料、水晶
等がそうである。
また［積層型圧電体の移動可能な端部にある圧電単体底
面積を、上記積層型圧電体の固定された端部にある圧電
単体の底面積より小さくすると共に、積層型圧電体の各
々の圧電単体の底面積を、該圧電単体と上記固定された
端部側で隣り合う圧電単体の底面積以下にする」とは、
例えば、積層型圧電体の固定された端部にある圧電単体
から移動可能な端部にある圧電単体まで、その底面積を
連続的に減少させるよう構成してもよく、あるいは、段
階的に減少させるよう構成してもよい。
［作用］ 以上の如く構成した本発明の圧電アクチュエータでは、
移動可能な端部側におる圧電単体の底面積が、固定され
た端部側にある圧電単体の底面積より小さくなる。この
ため、移動可能な端部側にある圧電単体の＠量は、従来
例の円筒型の積層型圧電体と較べて小さいから、例え積
層型圧電体が高速で駆動されたとしても、固定された端
部付近にある圧電単体にかかる慣性荷重は、過大なもの
とならない。従って、これら固定された端部付近にある
圧電単体が損傷することはない。
［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
第１図は本発明の第１実施例としての圧電アクチュエー
タの断面図、第２図（ａ＞はその圧電アクチュエータの
一構成要素である積層型圧電体の一部分を示す上面図、
第２図（ｂ）はその正面図、第２図（Ｃ＞はその下面図
でおる。
第１図に示すように、圧電アクチュエータ１１はアクチ
ュエータハウジング１３とキャップ１５とにより外形を
形成している。アクチュエータハウジング３の側面には
、図示しない駆動回路から電圧が印加される２本の電極
端子１７．１８がハーメチックシール１７ａ、１８ａを
介して嵌挿されている。さらにキャップ１５の中心部に
は、後述する可動ピストンを収納するためのシリンダ穴
１９が形成されている。
アクチュエータハウジング１３の内部には、積層型圧電
体２１が設けられている。この積層型圧電体２１は、Ｐ
ＺＴよりなる圧電単体２３を電極板２５を介して複数枚
積層して構成されたもので、その積層方向の上端２１ａ
はアクチュエータハウジング１３の内側端面１３ａに固
定され、またその下端２１ｂは可動部材３１を介してシ
リンダ穴１９に収納された可動ピストン３３に当接され
ている。この積層型圧電体２１における各々の圧電単体
２３は、円盤形状をしたもので、上端２１ａ側にある圧
電単体２３ａから下端２１ｂ側にある圧電単体２３ｂま
でそれぞれの径が連続的に減少するような大きさを有し
ている。一方、圧電単体２３の間に挟持された電極板２
５は、第２図に示すように、円盤形状の電極板２５ａと
電極板２５の端面に固着された端面電極２５ｂとから構
成されたもので、１つ置きに端面電極２５ｂが１８０°
その位相がずれて揃うように積層されている。
なお、電極板２５の大きさも、圧電単体２３と同様に上
端２１ａ側から連続的にその径が下端２１ｂ側まで減少
するよう定められている。また各々の端面電極２５ｂは
、第２図（ｂ）に示すように、一つ置きにリード線３５
．３７で結線され、リード線３５．３７を介して夫々電
極端子１７．１８に接続されている。
そして上記可動部材３１とキャップ１５との間には、皿
バネ３９が可動ピストン３３に挿入状態で設けられてお
り、該皿バネ３９により積層型圧電体２１に初期荷重が
付与される。また可動ピストン３１にはゴム製のオーリ
ング４１が配設されており、シリンダ穴１つとピストン
３１との活動部分の密封性を高めている。
なお、各々の圧電単体２３の径に関する減少割合は、可
動ピストン３３の重量、皿バネ３９による初期荷重、圧
電単体２３の比重、応答性の設計目標、等から圧電単体
２３の耐久性を考慮して定められる。
以上の如く構成した圧電アクチュエータ１１では、電極
端子１７に負の電圧、電極端子１８に正の電圧が印加さ
れると、各々の圧電単体２３に電圧が付与され、圧電単
体２３の圧電特性により積層型圧電体２１が伸縮し、可
動ピストン３３が第１図の上下方向に可動する。
次に、本実施例の圧電アクチュエータ１１を好適に使用
したディーゼル機関の燃料噴射弁について第３図の断面
図にて説明する。
第３図に示すように燃料噴射弁５０は、本圧電アクチュ
エータ１１、圧電アクチュエータ１１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６０内には
互いに直列に配置された制御ロッド６２、加圧ピン６４
及びニードル６６が活動可能に挿入される。制御ロッド
６２の上方には燃料室６８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。従って燃料室６８内の
燃料圧が制御ロッド６２の上面に作用する。ニードル６
６は円錐状をなす受圧面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８０
が挿入され、ニードル６６はこの付勢ばね８０によって
も下方に押圧される。制御ロッド６２はその中間部に円
錐状をなす受圧面８２を有し、この受圧面８２の周りに
制御ロッド加圧室８４が形成される。
制御ロッド加圧室８４はシリンダ形状をし、圧電アクチ
ュエータ１１の可動ピストン３３により加減圧される。
制御ロンド加圧室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には制御ロッド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ッド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。従って通常ニードル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。
次いで圧電アクチュエータ１１に電圧が印加されると積
層型圧電体２１が伸びるために可動ピストン３３が左方
に移動し、その結果制御ロンド加圧室８４内の制御油圧
が上昇する。このとき制御ロジド６２の受圧面８２に上
向きの力が作用するために制御ロッド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、圧電アクチュエータ１１への電圧の印加が停止せ
しめられると積層型圧電体２１は縮み、その結果制御ロ
ンド加圧室８４内の制御油圧が低下するために制御ロッ
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。
以上詳述してきたように本実施例の圧電アクチュエータ
１１では、各々の圧電単体２３が、その径に関し、その
固定された端面２１ａのところにある圧電単体２３ａが
最も大きく、その可動端面２１ｂ側に近づくにつれ徐々
に減少し、その可動端面２１ｂのところにある圧電単体
２３ｂが最も小ざくなるようなされており、積層型圧電
体２１の可動端面２１ｂのところにある圧電単体２３ｂ
の底面積は固定端面２１ａにある圧電単体の底面積より
小さく、しかも各々の圧電単体２３の底面積は、その圧
電単体２３の固定端面２１ａ側の圧電単体の底面積より
小さい。このため、移動可能な端面２１ｂ側に近い圧電
単体２３の重量は、従来例の円筒型のものと比較して小
さなものとなり、例え積層型圧電体２１が高速で駆動さ
れても固定された端面２１ａ付近の圧電単体２３にかか
る・層性荷重が過大とならない。従って、これら固定さ
れた端面２１ａ付近の圧電単体２３が損傷することがな
い。また、既述したように可動端面２１ｂ側の圧電単体
２３の底面積が小さいため、圧電アクチュエータ１１の
小型、軽量化と共に、積層型圧電体２１の容積が小さく
なった力消費電力の低下を図ることができる。
また、既述したように固定端面２１ａ付近の圧電単体２
３にかかる慣性荷重が小さいため、同一応答性を確保す
る設計とした場合、その小さくなった分固定端面２１ａ
付近の圧電単体２３の底面積を小さくすることができ、
上記した小型、軽量、低消費電力化をより促進すること
ができる。
次に本発明の第２実施例を説明する。
本実施例と既述した第１実施例との相違点は、積層型圧
電体の形状にあり、他の構成は同じものである。即ち、
本実施例の積層型圧電体は、第４図の断面図に示すよう
に、移動可能な端部９１側に近づくにつれ圧電単体９３
の径を段階的に減少するよう構成されている。このため
、本実施例の圧電アクチュエータは、既述した第１実施
例と同様に固定端部９５付近の圧電単体９３の損傷を防
止することができると共に小型、軽量、低消費電力化を
図ることができ、しかも圧電単体９３の径の変化が段階
的であるため、製造が容易である。
なお、圧電単体の径の変化している部分９７には応力（
単位面積当りの荷重）が集中するため、本実施例ではそ
の部分９７の圧電単体９３の板厚を他の部分よりも厚く
することにより該応力集中による圧電単体の損傷を防止
している。
以上、本発明の実施例を詳述してきたが、本発明は、上
記実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々なる態様となり得る。
λ更例四里 以上詳述してきたように本発明の圧電アクチュエータは
、積層型圧電体の移動可能な端部にある圧電単体の底面
積を積層型圧電体の固定された端部にある圧電単体の底
面積より小さくすると共に、積層型圧電体の各々の圧電
単体の底面積を該圧電単体と上記固定された端部側で隣
り合う圧電単体の底面積以下にするようなされている。
このために、例え圧電単体が高速で駆動されても上記固
定された端部付近の圧電単体にかかる閂性荷重が過大と
ならず、これら固定された端部付近の圧電単体の損傷を
防止することができる。また小型、軽量、低消費電力化
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例としての圧電アクチュエー
タの断面図、第２図（ａ）は上記圧電アクチュエータの
構成要素である積層型圧電体の一部分を示す上面図、第
２図（ｂ）はその正面図、第２図（Ｃ）はその下面図、
第３図は上記圧電アクチュエータを好適に使用したディ
ーゼル機関の燃料噴射弁の断面図、第４図は本発明の第
２実施層型圧電体の模式図である。 １１・・・圧電アクチュエータ １３・・・アクチュエータハウジング １５・・・キャップ ２１・・・積層型圧電体 ２３・・・圧電単体 ３３・・・可動ピストン

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 　板状の圧電単体を複数枚積層して形成され該積層方向
    の一端が固定された積層型圧電体を備え、該積層型圧電
    体に電圧を印加することにより上記積層型圧電体の他端
    を移動させて機械的変位を得る圧電アクチュエータにお
    いて、 上記積層型圧電体の移動可能な端部にある圧電単体底面
    積を、上記積層型圧電体の固定された端部にある圧電単
    体の底面積より小さくすると共に、上記積層型圧電体の
    各々の圧電単体の底面積を、該圧電単体と上記固定され
    た端部側で隣り合う圧電単体の底面積以下にしてなるこ
    とを特徴とする圧電アクチュエータ。
JP62039969A 1987-02-23 1987-02-23 圧電アクチユエ−タ Pending JPS63207185A (ja)

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US07/141,784 US4814659A (en) 1987-02-23 1988-01-11 Variable cross-section piezoelectric actuator

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