(57)【要約】      （修正有）【課題】種々な不純物が混入している高圧流体下でも用いることができ、高圧流体やピエゾスタックの特質に対する設計自由度の大きい圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】ピエゾスタック４を収容するケース５０は、弾性変形可能な金属材料によって形成され、全周に亘る環状溝５１ｃによって形成された薄肉弾性部５１ａを有しており、ピエゾスタック４の伸縮に呼応して薄肉弾性部５１ａが弾性変形し、軸方向に伸縮する。また、ケース５０の内側には、筒状体をなした金属製の第２金属部材５２を対向配置している。これにより、高圧流体に晒される部分が金属製で、不純物に影響されにくい構造とすることができ、薄肉弾性部５１ａの肉厚や幅の変更によってピエゾスタック４の伸縮に対応することができる。したがって、種々な高圧流体下での適応は勿論のこと、薄肉弾性部５１ａの肉厚や幅の変更は簡単に精度よく行えるため、設計自由度が大きい。【選択図】図２
2011129736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のピエゾ素子を積層して構成され、充放電により積層方向へ伸縮するピエゾスタックと、
このピエゾスタックの外周囲を覆って配置され、前記ピエゾスタックを収容する内部と高圧流体に晒される外部とを区画する全体として筒状体をなしたケースとを具備し、
前記ピエゾスタックの伸縮に伴い前記ケースが前記ピエゾスタックの積層方向へ伸縮する圧電アクチュエータにおいて、
前記ケースは、弾性変形可能な金属材料によって形成されるとともに、全周に亘る溝によって形成された肉厚の薄い薄肉弾性部を有し、
前記ケースの内側には、このケースとの間に前記薄肉弾性部の弾性変形を許容するクリアランスを介して対向配置されて、前記ケースを補強する筒状体をなした金属製の補強部材が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記補強部材の一部は、高圧流体に晒され、
前記補強部材の他部は、前記ケースの内部に収容されており、
前記ケースは、前記補強部材の一部と組み合わされて、前記ピエゾスタックを収容する内部と高圧流体に晒される外部とを区画することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記補強部材の全ては、前記ケースの内部に収容されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記薄肉弾性部は、前記ケースの外周面のみに形成された前記溝によって設けられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記薄肉弾性部は、前記ケースの外周面のみに形成された複数の環状溝によって設けられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記薄肉弾性部は、前記ケースの外周面のみに形成された螺旋状の溝によって設けられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記ケースと前記補強部材との対向面の少なくとも一方の面には、低摩擦係数の材料よりなる被膜が設けられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項８】
請求項４ないし請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記薄肉弾性部において前記補強部材に対向する面のみ、あるいは前記補強部材において前記薄肉弾性部に対向する面のみに、低摩擦係数の材料よりなる被膜が設けられることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種機能部品の駆動源として用いられる圧電アクチュエータに関するもので、特に車両に搭載される内燃機関用燃料噴射装置のインジェクタのごとく高圧流体下で使用される機能部品の駆動源として好適な圧電アクチュエータに係る。
【背景技術】
【０００２】
(従来の技術）
従来より、強力な駆動力を発揮する駆動源として、ピエゾスタックの伸縮を利用した圧電アクチュエータが知られている。特に近年、内燃機関用燃料噴射装置においては、インジェクタから噴射される燃料の噴霧をより微粒化して燃焼効率を上げるべく、インジェクタによる燃料の噴射圧力の高圧化が進んでおり、噴射応答性を強化することも含めて、インジェクタの駆動源として圧電アクチュエータが採用されるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、この種の圧電アクチュエータは、その中枢をなすピエゾスタックが外部からの湿気や異物の侵入を嫌うため、ピエゾスタックを収容する場所を、密閉構造にするなど工夫しなければならないという使用面での制約がある。
【０００４】
一方、上述のインジェクタの駆動源として圧電アクチュエータを採用する場合には、インジェクタ自体に課せられた体格、機能面、製作面などから、特許文献１でも明らかなように、圧電アクチュエータの周囲が燃料で満たされる構成、換言すれば圧電アクチュエータが高圧燃料に晒される構造をとらざるを得ない状況にある。
しかも、燃料はガソリンに代表されるように水分が溶け込みやすく、軽油でも異物や不純物が混入しやすいため、使用する燃料に注意を払うことが肝要となる。
【０００５】
そこで、ピエゾスタックの密封を圧電アクチュエータ側単体で完結し、種々なインジェクタに搭載可能な汎用性のあるものが切望されている。
そのため、圧電アクチュエータにおいて、ピエゾスタックを密封する構造として、ピエゾスタック全体を樹脂製フイルムなどの樹脂で囲繞したり、蛇腹状の金属ケースに収容することが考えられている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
（従来技術の問題点）
しかしながら、このような構造には、それぞれ次のような問題がある。
まず、前者の樹脂囲繞構造（特許文献２参照）は、水分や異物に対する保護機能はあるものの、軽油に代表されるように、燃料には洗浄剤のごとき化学的物質やイオン化物質（以下不純物と総称する）が混入する場合があり、この不純物の影響で往々にして樹脂の劣化損傷を招いたり、樹脂フイルムなどを透過してピエゾスタックに悪影響を及ぼす恐れがある。特に最近、燃料には生成面、取扱い面で種々な不純物が混じるとか、化石燃料の代替として種々な成分の燃料が開発・使用される傾向にあるため、燃料の性状によって適否を決定する必要があるなど、圧電アクチュエータによる強力な駆動源としての汎用性に乏しい。
【０００７】
また、後者の蛇腹構造（特許文献３参照）は、金属製であるため、燃料の選択自由度は確保できるものの、使用される燃料の圧力やピエゾスタックの要求特性に応じて適切な所望の伸縮作用を確保するために蛇腹部自体、山部・谷部とも一定の肉厚でしかも曲面状に精度よく形成する必要があるが、このような曲面状部分を高精度に製作することが困難で、生産性が悪く、かつ所望の伸縮作用を得るための設計自由度に欠ける。
【０００８】
以上、インジェクタの例について詳述したが、この種の圧電アクチュエータは、今や油圧装置の弁の駆動源など様々な用途で活用されるようになってきており、種々な高圧流体に即応できる汎用性、用途の多様化に応じた設計自由度を兼ね備える有用な圧電アクチュエータが嘱望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２５５８６９号公報
【特許文献２】特表２００９−５２７１１７号公報
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００８００３８３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、種々な不純物が混入している高圧流体下でも用いることができ、しかも用途に応じた高圧流体やピエゾスタックの特性に対する設計自由度が大きい圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
［請求項１の手段］
請求項１に記載の発明によれば、ピエゾスタックを収容する内部と高圧流体に晒される外部とを区画する全体として筒状体をなしたケースは、弾性変形可能な金属材料によって形成されるとともに、全周に亘る溝によって形成された肉厚の薄い薄肉弾性部を有していて、この薄肉弾性部がピエゾスタックの軸方向（ピエゾ素子の積層方向）の伸縮に呼応して弾性変形することにより、ケースが軸方向に伸縮するようにしている。
【００１２】
これにより、高圧流体に晒される部分が、金属製で不純物に影響されにくい構造であるため、種々な性状の高圧流体に対応できるのは勿論のこと、薄肉弾性部の肉厚や軸方向の幅、さらには薄肉弾性部の軸方向の配設個数の組み合わせによって、ケースにおける軸方向の弾性度合（一種のバネ定数）を自在に設定することができ、しかも、上記の組み合わせはケースの製作過程で簡単に精度よく選定することができるため、生産性が高く、用途に応じた高圧流体やピエゾスタックの特性に対する設計自由度も大きい。
【００１３】
また、ケースの内側には、筒状体をなした金属製の補強部材が所定のクリアランスをもって設けられる。この補強部材は、筒状体故に自体剛性を有するため、薄肉弾性部を設けたことによる不具合（薄肉弾性部の塑性変形に繋がる過度な局部変形など）を防ぐことができ、クリアランスを設けることでケースと補強部材との接触面積を小さくすることができるため、接触による伸縮の阻害を最小限にできる。
【００１４】
［請求項２の手段］
請求項２に記載の発明によれば、ケースは、補強部材の一部と組み合わされて、内部と外部を区画している。よって、補強部材を、ケースの補強のみならず、ケースの構成部品の一部として有効活用することができる。
【００１５】
［請求項３の手段］
請求項３に記載の発明によれば、補強部材の全てがケースの内部に収容されている。かかる構成によれば、補強部材はケースの内部と外部の区画に全く関与しないため、完全な筒状体でなくてもよい。
【００１６】
［請求項４の手段］
請求項４に記載の発明によれば、薄肉弾性部は、ケースの外周面のみに形成された溝によって設けられる。かかる構成によると、薄肉弾性部は、内周面側に位置することになり、内側（補強部材側）に膨らむように弾性変形する際に高圧流体の影響が加わっても、薄肉弾性部の付け根部分に加わる応力を軽減することができる。
【００１７】
［請求項５の手段］
請求項５に記載の発明によれば、薄肉弾性部は、ケースの外周面のみに形成された複数の環状溝によって設けられる。
［請求項６の手段］
請求項６に記載の発明によれば、薄肉弾性部は、ケースの外周面のみに形成された螺旋状の溝によって設けられる。
上記の両請求項の構成によれば、薄肉弾性部の軸方向の幅を実質的に複数に分割して形成できるため、強度を維持しつつ弾性度合（一種のバネ定数）を自在に調整することができる。
【００１８】
［請求項７の手段］
請求項７に記載の発明によれば、ケースの内周面または補強部材の外周面に、低摩擦係数の材料よりなる被膜が設けられる。よって、薄肉弾性部の弾性変形によりケースの内周面が補強部材の外周面に接触しても、円滑に摺接し、ピエゾスタックの伸縮作用に悪影響を及ぼさない。また、クリアランスもより小さく設定することができ、小型化に有利である。
【００１９】
［請求項８の手段］
請求項８に記載の発明によれば、薄肉弾性部において補強部材に対向する面のみ、あるいは補強部材において薄肉弾性部に対向する面のみに、低摩擦係数の材料よりなる被膜が設けられる。かかる構成によれば、少ない被膜量で効率的に請求項７の発明と同様な機能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１に係る圧電アクチュエータを備えたインジェクタの全体構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示す圧電アクチュエータの縦断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータの縦断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）本発明に係る圧電アクチュエータの特性を説明するための効果検証モデルの模式的断面図である。
【図５】図４に示す効果検証モデルの解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態は、種々な不純物が混入している高圧流体下でも用いることが可能で、しかも用途に応じた高圧流体やピエゾスタックの特性に対する設計自由度を大きくすることができる課題を、ピエゾスタック収容用のケース自体の工夫、すなわち弾性変形可能な金属材料よりなるケースに、全周に亘る溝によって薄肉弾性部を形成するとともに、ケースの内側に、このケースを補強する筒状で金属製の補強部材を設けて、薄肉弾性部をピエゾスタックの伸縮に呼応させて弾性変形させることで実現した。
【実施例】
【００２２】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る圧電アクチュエータを駆動源として備えたインジェクタを示したものであり、まず、インジェクタ１の全体構成ならびにその機能について説明する。
【００２３】
インジェクタ１は、例えば、ディーゼルエンジンのような直噴型のエンジン（図示せず）に搭載され、コモンレールから受け入れた高圧の燃料を、直接、気筒内に噴射供給するものであり、ニードル２をリフト駆動して噴孔３を開放することで燃料を噴射する。
そして、この駆動力を強化する手段として、ピエゾスタック４を内蔵した圧電アクチュエータ５が組み込まれており、ピエゾスタック４の伸長力をニードル２の駆動力として利用している。なお、圧電アクチュエータ５の詳細については後述する。
【００２４】
このインジェクタ１は、噴孔３を開閉するニードル２と、軸方向に伸縮する圧電アクチュエータ５と、この圧電アクチュエータ５の伸縮に応じて軸方向に進退するピストン６と、ニードル２を摺動自在に支持する第１スリーブ７と、ピストン６を摺動自在に支持する第２スリーブ８と、第１、第２スリーブ７、８の間に配されるフランジ９と、第１、第２スリーブ７、８およびフランジ９が遊挿されるボディ１０とを備える。
【００２５】
ニードル２は、軸方向後端側の部分が第１スリーブ７に支持される第１軸部１３をなす。また、その軸方向先端側の部分は、第１軸部１３よりも径小に設けられ、ボディ１０に摺動自在に支持される第２軸部１４をなす。さらに、第２軸部１４より先端側の部分（つまり、ニードル２の先端部）は、第２軸部１４よりも径小に設けられ、噴孔３を開閉する弁部１５をなす。よって、ニードル２は、第１、第２軸部１３、１４が個別に摺動自在に支持されて軸方向に変位することにより噴孔３を開閉する。
【００２６】
ここで、ボディ１０は、第１、第２スリーブ７、８およびフランジ９を収容する径大の第１内部室１７と、その先端側に、第１内部室１７よりも径小の第２内部室１８を有しており、第２軸部１４は、自身の外周面１９が第２内部室１８をなす内周面２０に摺接することでボディ１０に支持されている。
なお、第１、第２スリーブ７、８およびフランジ９は、先端側から第１スリーブ７、フランジ９、第２スリーブ８の順に軸方向に隣り合って一体的に配され、全体としてひとつのスリーブ体２１を構成している。
【００２７】
第２内部室１８において、内周面２０と弁部１５の外周面２２とで形成される空間は、ニードル２に対し開弁方向に燃料圧を及ぼす燃料が流出入するノズル室２３をなしており、内周面２０の先端側に弁部１５が離着するシート面２４が設けられ、シート面２４の先端に噴孔３が開口している。よって、弁部１５がシート面２４から離座すると、噴孔３とノズル室２３との間が開放されてノズル室２３の燃料が噴孔３から噴射され、弁部１５がシート面２４に着座すると、噴孔３とノズル室２３との間が閉鎖されて燃料の噴射が停止される。
【００２８】
圧電アクチュエータ５は、後端がボディ１０に固定されるとともに先端がピストン６の後端面に当接している。圧電アクチュエータ５は、電圧印加を受けると先端側に向けて伸長し、ピストン６を先端側に付勢する。なお、第１内部室１７には、コモンレールから受け入れた高圧の燃料が充満しており、圧電アクチュエータ５は、この第１内部室１７に収容されるため、高圧の燃料に晒されることになる。
【００２９】
ピストン６は、後端側に鍔部２５を有する円柱体をなしていて、先端面２６により圧力室２７を形成しており、圧電アクチュエータ５から受ける伸長力により先端側に変位して圧力室２７の燃料圧を増圧する。つまり、先端面２６は、圧力室２７の燃料圧を増圧する加圧面をなす。なお、圧電アクチュエータ５の伸長力が発生しなくなると、ピストン６は後記する第１スプリング２８に付勢されて後端側に変位する。
【００３０】
第１スリーブ７は、先端側に付勢されて第１内部室１７をなす内部表面３０に着座することで、ニードル２およびボディ１０とともに制御室３１を形成する。すなわち、制御室３１は、第１スリーブ７の内周面３２、第２軸部１４の外周面１９、第１軸部１３の先端面３３および内部表面３０により区画されて形成される。
【００３１】
そして、先端面３３が制御室３１の燃料圧を後端側に向けて受ける受圧面として機能することで、ニードル２は、制御室３１の燃料圧により開弁方向に付勢される。なお、スリーブ体２１は、後記する第１スプリング２８により先端側に付勢されて、第１スリーブ７の先端面が内部表面３０に着座している。
【００３２】
第２スリーブ８は、ピストン６およびフランジ９とともに圧力室２７を形成する。すなわち、圧力室２７は、第２スリーブ８の内周面３６、ピストン６の先端面２６およびフランジ９の後端面３７により区画されて形成される。そして、前記のように先端面２６が加圧面として機能することで、圧力室２７の燃料圧が増減される。つまり、ピストン６の進退に応じて、圧力室２７の容積が拡縮され圧力室２７の燃料圧が増減される。
【００３３】
また、圧力室２７は、連通路３５により制御室３１と連通しているため、圧力室２７の燃料圧が増減されると、制御室３１の燃料圧も増減される。つまり、ピストン６の進退に応じて制御室３１の燃料圧も増減される。なお。連通路３５は、高圧の燃料が充満するフランジ９および第１スリーブ７の外周側の第１内部室１７とは隔離され、フランジ９および第１スリーブ７を貫通している。
【００３４】
また、第２スリーブ８の先端部とピストン６の鍔部２５との間に、第１スプリング２８が装着されている。第１スプリング２８は、第２スリーブ８とピストン６とを軸方向に互いに逆向きに付勢しており、第２スリーブ８を先端側に付勢することで、第１スリーブ７をボディ１０の内部表面３０に着座させている。また、第１スプリング２８は、ピストン６を後端側に付勢することで、ピストン６に対する復元バネとして機能する。
【００３５】
フランジ９は、第１スリーブ７およびニードル２とともに、ニードル２に対し閉弁方向に燃料圧を及ぼす燃料が流出入する背圧室４１を形成する。よって、ニードル２は、後端面４２により背圧室４１の燃料圧を閉弁方向に受ける。なお、フランジ９の先端面４３は、ニードル２がリフト駆動されて後端側に変位すると、ニードル２の後端面４２と当接する。つまり、フランジ９は、ニードル２のリフト量を規制するストッパとして機能する。
【００３６】
また、背圧室４１は、フランジ９に設けられた連通路４０により第１内部室１７と連通しており、連通路４０を介して第１内部室１７との間で燃料が流出入される。また、背圧室４１は、第２軸部１４に設けられた連通路４６によりノズル室２３と連通している。なお、背圧室４１には、ニードル２を閉弁方向に付勢する第２スプリング４７が収容されている。
【００３７】
以上の構成により、圧電アクチュエータ５に電圧が印加されると、ピストン６が先端側に変位して圧力室２７の燃料圧が増圧される。これにより、圧力室２７で増圧された燃料が連通路３５を介して制御室３１に流入するので、制御室３１の燃料圧も増圧されてニードル２が開弁方向に駆動される。このため、噴孔３が開放されてノズル室２３の燃料が噴射される。
【００３８】
このとき、背圧室４１の燃料は連通路４０を介して第１内部室１７に流出し、ニードル２のリフト量は、第１軸部１３がフランジ９に当接することで規制される。また、ノズル室２３には、連通路４０、背圧室４１、連通路４６を介して第１内部室１７から高圧の燃料が流入する。
【００３９】
そして、圧電アクチュエータ５への電圧印加が停止されると、圧力室２７の燃料圧が増圧されなくなるので、制御室３１の燃料圧も低下する。これにより、ニードル２が第２スプリング４７に付勢されて閉弁方向に駆動され、噴孔３が閉鎖されて燃料の噴射が停止される。また、背圧室４１には連通路４０を介して第１内部室１７から高圧の燃料が流入し、ピストン６は第１スプリング２８に付勢されて後端側に変位する。
【００４０】
（実施例１の背景）
上述のごとく、圧電アクチュエータ５は、インジェクタ１内に効率よく組み込まれるため、高圧の燃料に常時晒されることになる。このため、ピエゾスタック４が露出していて燃料に直接触れると、燃料に含まれる成分の影響を受けて作動不良などの問題が生じる。したがって、ピエゾスタック４を密封することが肝要となる。
【００４１】
（実施例１の特徴）
上記のピエゾスタック４自体は従来周知の一般的なもので、複数のピエゾ素子を積層して構成され、充放電により積層方向へ伸縮する機能を有するものであって、このピエゾスタック４を密封するために、実施例１の圧電アクチュエータ５では、次の技術を採用しており、図２を用いて詳述する。
【００４２】
圧電アクチュエータ５は、ピエゾスタック４の外周囲を覆って配置され、ピエゾスタック４を収容する内部と燃料（高圧流体）に晒される外部とを区画し、ピエゾスタック４を密封するケース５０を備えている。このケース５０は、全体として筒状体（特に円筒体）をなしており、実質的に燃料に晒される外枠を形成する第１金属部材５１と、この第１金属部材５１の内側に配置されて第１金属部材５１の補強をする第２金属部材５２と、ピエゾスタック４の積層方向の両端を支持し、第１、第２金属部材５１、５２の開放端の蓋をなす一対の金属製の支持部材５３、５４とからなる。
【００４３】
第１金属部材５１は、弾性変形可能な金属材料によって形成されている。この材料としては金属ガラス（例えばＺｒ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ合金）のごときアモルファス金属やゴムメタル（登録商標）のごときチタン合金が好適である。これらの金属は、低ヤング率と高引張強度の両立を図れ、超弾性的性質でヒステリシスのない非線形な弾性変形挙動を呈するなどの特質を有しており、かつ後述のごとき単純化された形状のものを、公知の鋳造法や冷間加工法により精度よく簡単に製作できる。
【００４４】
また、第１金属部材５１は、外周面側のみにおいて肉厚を変化させて、肉厚の薄い薄肉弾性部５１ａと肉厚の厚い剛性部５１ｂとを有している。つまり、この薄肉弾性部５１ａおよび剛性部５１ｂは、全周に亘る複数の環状溝５１ｃによって分割形成されたもので、いずれも第１金属部材５１の外周囲を囲繞するように断面矩形の環状をなし、かつ軸方向に交互に配設されている。よって、薄肉弾性部５１ａの弾性変形により第１金属部材５１が軸方向に伸縮する。かくして、薄肉弾性部５１ａのみの単純な形状で伸縮機能を確保できる。
【００４５】
一方、第２金属部材５２は、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）のごとく高強度の材料にて形成され、全体として円筒体をなしているが、図示上端側（後端側）の一部が、第１金属部材５１の内径とほぼ同径の外径を有する大径部５２ａで、それより下方は図示下端側（先端側）に向かって第１金属部材５１の内径より小さい外径を有する小径部５２ｂになっている。この小径部５２ｂの外周面が、薄肉弾性部５１ａの弾性変形を許容する程度の僅かなクリアランス５５を介して、第１金属部材５１の内周面と対面している。
【００４６】
一対の支持部材５３、５４のうち、図示上端側（後端側）に位置する一方の支持部材５３は円盤状をなしている。また、図示下端側（先端側）に位置する他方の支持部材５４は、全体として円盤状をなしているものの、図示上面側が大径穴部５４ａと小径穴部５４ｂとを有する段付状の凹部５４ｃに形成され、図示下面側が球面状の凸部５４ｄに形成されている。この凸部５４ｄが前述のピストン６に作用する。
【００４７】
そして、一方の支持部材５３の外周面には、第２金属部材５２の大径部５２ａの内周面が嵌合し全周にわたってレーザー溶接によりシール接合されている。また、他方の支持部材５４の大径穴部５４ａの内周面には、第１金属部材５１の一端（図示下端側）の外周面が嵌入し、全周にわたってレーザー溶接によりシール接合されている。さらに、第１金属部材５１の他端（図示上端側）の内周面は、第２金属部材５２の大径部５２ａの外周面に嵌合し、全周にわたってレーザー溶接によりシール接合されている。したがって、この大径部５２ａは、ピエゾスタック４を収容するケース５０の一部を形成し、燃料に晒されることになる。
【００４８】
なお、第２金属部材５２の小径部５２ｂは、図示下端側が、他方の支持部材５４に対し、凹部５４ｃの小径穴部５４ｂに挿入しているものの遊離しており、自由端になっている。この小径部５２ｂと凹部５４ｃとの離間スペース５６は、第１金属部材５１が最大限に収縮した場合にも、小径部５２ｂの下端が凹部５４ｃの底部に接触しない寸法に調整されている。
【００４９】
しかして、従来周知のピエゾスタック４は、複数のピエゾ素子を積層して構成される例えば一体積層型の素子群４ａと、支持部材５３、５４との電気的絶縁を図る絶縁基板４ｂと、素子群４ａを保護する絶縁被膜４ｃとを主要構成要素として成り立っている。
このピエゾスタック４は、前述のごとく、電圧の印加により伸長するものであり、実機として使用するためには、第１金属部材５１の軸長をプリセットしておく必要がある。
【００５０】
つまり、図示の状態は、ピエゾスタック４が最大限に伸長したときの状態（作動時）を示しており、ピエゾスタック４の非動作時（最小軸長時）にはこれに呼応して第１金属部材５１自体も軸長を収縮させておかなければならない。そのため、第１金属部材５１の組付け過程において、薄肉弾性部５１ａを弾性変形（内周面側に膨らむように変形）させた状態で、前述のシール接合（第１金属部材５１と支持部材５４との接合）がなされる。なお、この収縮状態を円滑に確保するために、前述のクリアランス５５および離間スペース５６が役立つ。
【００５１】
（実施例１の効果）
以上の構成において、ケース５０の軸方向の伸縮を担う第１金属部材５１は、ピエゾスタック４の伸縮特性に呼応しなければならない。この第１金属部材５１の伸縮特性（一種のバネ定数）は、薄肉弾性部５１ａの弾性度合によって一義的に決定することができる。換言すれば、薄肉弾性部５１ａにおいて、その肉厚、軸方向の幅、設置個数（分割数）によって、その弾性度合を自在に選定することができるわけで、しかも全体として単純な形状を呈するため、このような第１金属部材５１の製作は前述のごとく、公知の製造方法により精度よく、簡単に達成できる。これにより、用途に応じた燃料圧やピエゾスタック４の特性に対する設計自由度を大きく確保できる。
【００５２】
また、第１金属部材５１は、高圧の燃料に晒されており、特に薄肉弾性部５１ａが設けられているため、径方向にたわみやすく、また薄肉弾性部５１ａが局部的に過度な弾性変形を惹起し、ピエゾスタック４の作動不良や第１金属部材５１の破損などの不具合が生じる恐れがある。これに対し、内側に配置された第２金属部材５２は、筒状体をなし、それ自体剛性を有する形態であるため、第１金属部材５１をその内側より補強し、上述の不具合を防ぐことができる。
なお、第２金属部材５２は、ステンレス管のごとく金属パイプを切断することにより簡単に得られるが、一対の半割り円筒形状のものを接合してパイプとしてもよい。
【００５３】
また、第１金属部材５１と第２金属部材５２との間にはクリアランス５５が存在しているため、薄肉弾性部５１ａが内周面側に膨らむように弾性変形しても、第２金属部材５２との接触を回避できる。
なお、この薄肉弾性部５１ａは、内周面側に位置しており、外周面側に位置させる場合に比して、付け根部分に加わる弾性変形時の応力を軽減できることは勿論である。この実施例では、付け根部分を直角状に設けているが、曲面状に形成することで一層応力緩和ができる。
【００５４】
［実施例２］
図３は、本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータ５を示したもので、上述の実施例１に比して、ケース５０の構造に次のような特徴がある。
本実施例では、図示上端側（後端側）に位置する一方の支持部材５３は、円盤状をなしているものの、大径部５３ａと小径部５３ｂとを有している。この大径部５３ａには、円筒状の第１金属部材５１の上端が直接嵌合し、レーザー溶接によりシール接合されている。
一方、第２金属部材５２は、第１金属部材５１の内径より小さい外径を有するものの、全長にわたって同一の外径を有しており、第１金属部材５１の内側において、固定端をなす上端が小径部５３ｂに嵌合し、レーザー溶接によりシール接合されている。
【００５５】
上記構成によれば、第２金属部材５２は、全長にわたって第１金属部材５１の内側に位置し、全てが第１金属部材５１に収容されるため、高圧燃料に晒されることはない。よって、第２金属部材５２は、補強機能を達成する程度の形態であればよく、完全な筒状体でなくてもよい。例えば、一対の略半割状のものを、隙間を隔てて対向配置して実質的な筒状体を構成するようにしてもよい。かくすれば、第２金属部材５２を形成するための素材の選定が有利となる。
【００５６】
しかして、本発明の特徴は、ケース５０の構造に集約されるので、図４および図５を用いて、本発明により得られる特性の検証結果について説明する。
まず、ケース５０の効果検証モデルとして、図４（ａ）、（ｂ）に示す２種類のものを用意した。ちなみに、図４（ａ）は、第１金属部材５１の薄肉弾性部５１ａが複数のタイプ、図４（ｂ）は、第１金属部材５１の薄肉弾性部５１ａが極端に幅広の１個のタイプを模式的に示している。
【００５７】
外側管Ａは、第１金属部材５１に相当するもので、弾性変形可能な金属材料として金属ガラスを用い、鋳造法によりそれぞれの所定形状に形成したもので、その両端は支持台Ｘ、Ｙに固定され、完全拘束状態である。
内側管Ｂは、第２金属部材５２に相当するもので、ステンレス管製であり、外側管Ａの内側にクリアランスＣ（前述のクリアランス５５に相当）を介して対向配置されている。その上端は支持台Ｘに固定し完全拘束状態にあるが、下端は支持台Ｙに対し遊離させて自由端となっている。
【００５８】
ここで、外側管Ａは、ヤング率１００ＧＰａ、降伏応力１６５０ＭＰａであって、モデルとして必要な主要形状の寸法を、次のように決定した。
第１金属部材５１の内径Ｄ＝７．５ｍｍ、弾性変形に貢献する最大有効長Ｌ＝２０ｍｍ、薄肉弾性部５１ａの肉厚Ｔａ＝０．１ｍｍ、Ｔｂ＝０．１１４ｍｍ、薄肉弾性部５１ａの軸方向幅Ｈａ＝３、剛性部５１ｂの肉厚Ｔｃ＝０．２ｍｍ、剛性部５１ｂの軸方向幅Ｈｂ＝１．２５ｍｍ、第１金属部材５１の両端部の軸長Ｋ＝３ｍｍ、第１金属部材５１の両端部の肉厚Ｔｄ＝１ｍｍ。
【００５９】
そして、外側管Ａの外周囲から高圧流体に相当する外圧（本例では一義的に２０ＭＰａに設定した）を加えると、外側管Ａが弾性変形し、その内周面が内側管Ｂの外周面に接触する。このときの内側管Ｂに加わる径方向の荷重総和Ｒ（ｋＮ）を、クリアランスＣ（μｍ）の大きさに応じて計測した結果を、図５のグラフに示す。図５に示す実線が、図４（ａ）のモデルの結果であり、図５に示す破線が、図４（ｂ）のモデルの結果であり、矢視で示すように、約２０（μｍ）付近のクリアランスまで実用に供することができる。
なお、外側管Ａの弾性変形によりその内周面が内側管Ｂの外周面を摺接する際の摩擦力は、上記の内側管Ｂに加わる径方向の荷重に換算することができる。
【００６０】
一方、上述のクリアランスＣをできるだけ小さくすることは、圧電アクチュエータ５の小型化のために重要であり、外側管Ａの内周面および内側管Ｂの外周面の摺接時における摩擦係数を低くする手段を講じることが望ましい。このような手段として、低摩擦係数の材料よりなる被膜の活用が挙げられる。なお、低摩擦係数の材料としては、潤滑性に優れた周知のテフロン（登録商標）系もしくはモリブデン系の材料を用いることができる。
次に、この被膜について説明する。
【００６１】
ひとつは、第１金属部材５１の内周面または第２金属部材５２の外周面の少なくともいずれか一方に、低摩擦係数の材料よりなる被膜を設ける手段である。
また、別の例としては、薄肉弾性部５１ａにおいて第２金属部材５２に対向する面のみ、あるいは第２金属部材５２において薄肉弾性部５１ａに対向する面のみに、低摩擦係数の材料よりなる被膜を設ける手段である。この後者の手段によれば、最も摩擦が起き易い面のみに効果的に被膜を設けることになり、少ない被膜量で効率的に同様な低摩擦機能を付与することができる。
【００６２】
［変形例］
以上の実施例では、ケース５０の形状について、円筒を例示したが、四角などの多角筒であってもよく、要は、ピエゾスタック４の外周を覆って、ピエゾスタック４を収容する内部と高圧流体に晒される外部とを区画し、ピエゾスタック４が高圧流体に触れるのを防ぐ筒状体をなしていれば、いかなる形状でもよい。第１金属部材５１と一方の支持部材５３とを一体化することも可能である。
また、薄肉弾性部５１ａを形成する環状溝５１ｃは、螺旋状でもよい。この場合、薄肉弾性部５１ａも螺旋形状になり、ケース５０は回動しながら軸方向に伸縮することになるが、このような動きを許容する用途には有用である。
いずれにしても、複数の溝により薄肉弾性部５１ａの軸方向の幅を実質的に複数に分割することは、強度を維持しつつ弾性度合（一種のバネ定数）を自在に調整することができるため、図４、図５に示す対比からも明らかなごとく、設計上有利である。
【符号の説明】
【００６３】
４    ピエゾスタック
５    圧電アクチュエータ
５０    ケース
５１    第１金属部材
５１ａ  薄肉弾性部
５１ｂ  剛性部
５１ｃ  環状溝
５２    第２金属部材（補強部材）
５３    支持部材  
５４    支持部材
５５    クリアランス
【図１】
2011129736.tif 000003
【図２】
2011129736.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011129736.tif 000006
【図５】
2011129736.tif 000007