(57)【要約】【課題】より傾きの補正および／または変位量の補償に好適なアクチュエータを提供する。【解決手段】燃料インジェクタ１００のアクチュエータケースである筐体２０内部に収容されるピエゾアクチュエータ素子１０は、このアクチュエータは表面に圧電体からなるセンシング部５０が設けられ、このセンシング部５０は、ピエゾアクチュエータ素子１０と筐体２０内表面との傾きによって、筐体２０内表面に押圧されるので、ピエゾアクチュエータ素子１０と筐体２０内表面との傾きを検出できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータケース内部に収容される移動体の傾きを検出する機能を有するアクチュエータであって、
前記移動体には、その移動方向側の端面であって、ケース内表面に対向する表面に圧電体からなる圧電体センサが設けられ、
前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きによって、前記アクチュエータケース内表面に前記圧電体センサが押圧される押圧状態が変化し、
この押圧状態の変化に応じた前記圧電体センサより出力される電圧の変化に基づいて前記移動体の傾きを検出するアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータであって、
前記圧電体センサに電力を供給する電力供給手段を有し、
前記傾き具合が検出された場合には、前記圧電体センサに電力を供給し、前記圧電体センサを伸縮させることで前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きを修正するアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載のアクチュエータであって、
前記圧電体センサは、複数設けられ、
前記複数の圧電体センサの出力が略等しくなるように前記電力供給手段による電力供給を制御するアクチュエータ。
【請求項４】
アクチュエータケース内部に操作力を出力するための圧電体が収容され、この圧電体の変位量の減少を補償する機能を有するアクチュエータであって、
この圧電移動体は、その伸縮する方向の端面に独立した調整用電源からの電圧により伸縮する圧電体伸縮部を有し、
前記圧電移動体の変位量の減少が生じた場合には、この圧電体伸縮部に電圧を印加して伸縮することによって、前記圧電体の変位量の減少を補償するアクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載のアクチュエータであって、
前記圧電体伸縮部を圧電体センサと共用し、
前記圧電体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きによって、前記アクチュエータケース内表面に前記圧電体センサが押圧される押圧状態が変化し、
この押圧状態の変化に応じた前記圧電体センサより出力される電圧の変化に基づいて前記移動体の傾きを検出するアクチュエータ。
【請求項６】
請求項５に記載のアクチュエータであって、
前記圧電体センサに電力を供給する電力供給手段を有し、
前記傾き具合が検出された場合には、前記圧電体センサに電力を供給し、前記圧電体センサを伸縮させることで前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きを修正する傾き修正手段を有するアクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載のアクチュエータであって、
前記圧電体センサは、複数設けられ、
前記複数の圧電体センサの出力が略等しくなるように前記電力供給手段による電力供給を制御するアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体が内部に収容されるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータを利用した装置の１つとして、内燃機関であるエンジンに燃料、例えばガソリンを供給する燃料供給装置としての燃料インジェクタが知られている。
【０００３】
この燃料インジェクタは、燃料噴射弁を操作してエンジン内の燃料の燃焼に必要な燃料を、燃焼が繰り返される度に供給する。このような燃料インジェクタは例えば、下記特許文献１〜５に示されている。ここで燃料インジェクタとして、その操作力を圧電積層体への電力供給の制御により得るものが知られている。圧電積層体は、電圧が印加されることで伸縮するので、これを利用して燃料噴射弁を制御することにより、ガソリンをエンジンへの燃料供給を制御できる。
【０００４】
このように圧電積層体は、その伸縮によって、燃料噴射弁による燃料供給を制御するものであるから、その伸縮量を正確に制御する必要がある。この伸縮量を正確に制御するために以下のような技術が開示されている。下記特許文献１には、熱膨張を補償し、異なる燃料圧および機械的な変形を補償することができることが開示されている。下記特許文献２には圧電素子の特性変化や寸法公差などによる燃料噴射特性のばらつきを抑制することが開示されている。下記特許文献３には、熱膨張や機械的な変形などが補償されるようにすることが開示されている。
【０００５】
なお、下記特許文献４には、摺動軸のずれの補正を可能としている燃料噴射弁が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−８９３９８号公報
【特許文献２】特開平１０−２８８１１９号公報
【特許文献３】特開２００２−３１０１０号公報
【特許文献４】特開昭６２−１９１６６２号公報
【特許文献５】特開２００２−２２７７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで積層圧電体は、燃料インジェクタのケースとなる筐体中に収められ、ケース内で伸縮することで操作力を出力する。したがって、積層圧電体を筐体に収める際には、筐体の軸と積層圧電体の軸とをできるだけ一致させることが必要となる。軸ずれを生じた場合には、積層圧電体の変位量を適切なものに制御できず、適切な燃料供給を行えなくなってしまう。また、軸ずれがあると、積層圧電体と筐体とが特定の場所で強く接触し、この接触により積層圧電体および／または筐体が摩耗してしまう場合もある。
【０００８】
また、積層圧電体に用いられる圧電体は電圧により変位する材料の性質を利用している。したがって、長期間使用により、変位量が減少する傾向がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を少なくとも１つ解決すること等に鑑みてなされたものであり、より傾きの補正および／または変位量の補償に好適なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、アクチュエータケース内部に収容される移動体の傾きを検出する機能を有するアクチュエータであって、前記移動体には、その移動方向側の端面であって、ケース内表面に対向する表面に圧電体からなる圧電体センサが設けられ、前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きによって、前記アクチュエータケース内表面に前記圧電体センサが押圧される押圧状態が変化し、この押圧状態の変化に応じた前記圧電体センサより出力される電圧の変化に基づいて前記移動体の傾きを検出することを特徴とする。
【００１１】
上記アクチュエータであって、前記圧電体センサに電力を供給する電力供給手段を有し、前記傾き具合が検出された場合には、前記圧電体センサに電力を供給し、前記圧電体センサを伸縮させることで前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きを修正すると好適である。
【００１２】
上記アクチュエータであって、前記圧電体センサは、複数設けられ、前記複数の圧電体センサの出力が略等しくなるように前記電力供給手段による電力供給を制御すると好適である。
【００１３】
本発明は、アクチュエータケース内部に操作力を出力するための圧電体が収容され、この圧電体の変位量の減少を補償する機能を有するアクチュエータであって、この圧電移動体は、その伸縮する方向の端面に独立した調整用電源からの電圧により伸縮する圧電体伸縮部を有し、前記圧電移動体の変位量の減少が生じた場合には、この圧電体伸縮部に電圧を印加して伸縮することによって、前記圧電体の変位量の減少を補償することを特徴とする。
【００１４】
上記アクチュエータであって、前記圧電体伸縮部を圧電体センサと共用し、前記圧電体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きによって、前記アクチュエータケース内表面に前記圧電体センサが押圧される押圧状態が変化し、この押圧状態の変化に応じた前記圧電体センサより出力される電圧の変化に基づいて前記移動体の傾きを検出すると好適である。
【００１５】
上記アクチュエータであって、前記圧電体センサに電力を供給する電力供給手段を有し、前記傾き具合が検出された場合には、前記圧電体センサに電力を供給し、前記圧電体センサを伸縮させることで前記移動体の前記アクチュエータケース内表面に対する傾きを修正する傾き修正手段を有すると好適である。
【００１６】
上記アクチュエータであって、前記圧電体センサは、複数設けられ、前記複数の圧電体センサの出力が略等しくなるように前記電力供給手段による電力供給を制御すると好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、より傾きの補正および／または変位量の補償に好適なアクチュエータを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態では、アクチュエータケース内部に移動体が収容されるアクチュエータとして、図１に燃料インジェクタ１００を例に挙げて説明する。
【００２０】
燃料インジェクタ１００の筐体２０は、ピエゾアクチュエータ素子１０が内部に収容される筐体ケース２０ａとこの筐体ケース２０ａの後端部を封止しして、ピエゾアクチュエータ素子１０を筐体ケース２０ａ内に密閉する封止部材２０ｂと、筐体２０の先端部にあるノズルボディ２０ｃとから全体構成されている。
【００２１】
「ピエゾアクチュエータ素子およびセンシング部」
図２にはこのセンシングアクチュエータ４０と筐体２０の側面図の模式図が示される。図４には、センシングアクチュエータ４０のセンシング部５０の側面図の模式図が示される。図５には、センシング部５０の上面の模式図が示される。（なお、図４および図５は筐体２０の封止部材２０ｂに当接される絶縁部材５９を便宜上取り除いた状態を示している。）
【００２２】
筐体ケース２０内にピエゾアクチュエータ素子１０が収容されている。このピエゾアクチュエータ素子１０にはセンシング部５０が接合されている。このセンシング部５０とピエゾアクチュエータ素子１０とでセンシングアクチュエータ４０が構成される。
【００２３】
ピエゾアクチュエータ素子１０は、複数の圧電体を積層して構成され、１つの圧電体
正極１６と負極１４の間にピエゾ素子１８が挟まれた構造となっている。この積層された複数の圧電体の各々の正極１６と負極１４との間に外部電源１２から電圧が供給されて、
ピエゾ素子１８が伸縮してピエゾアクチュエータ素子１０が伸縮する。この圧電体が積層されてなるピエゾアクチュエータ素子１０によって、個別の圧電体の伸縮度合いは小さくても、これらの伸縮が総合され、ピエゾアクチュエータ素子１０として大きな伸縮を得ることができる。
【００２４】
センシング部５０は、ピエゾアクチュエータ素子１０の端面に電気的に絶縁する絶縁部材５６を介して接合されている。センシング部５０は、絶縁部材５６上に形成された複数の分割された銀電極５２を下面として、その上にピエゾ素子５８、銀電極５４が接合され構成されている。銀電極５４上には、絶縁部材５９が接合され、これによって、銀電極５４と筐体２０（封止部材２０ｂ）との間を電気的に絶縁している。銀電極５２と銀電極５４は同程度の面積を有し、ピエゾ素子５８を介して対向している。なお、ピエゾ素子５８は完全に分割されていてもよい。
【００２５】
本例では、銀電極５２は４分割されており、それぞれの銀電極５２と銀電極５４との間に４つの電圧計付き電源６０がそれぞれ接続されている。電圧計付き電源６０は、各電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに対してそれぞれ個別に電圧を印加し、それぞれ個別の電極に対応するピエゾ素子５８を伸ばしたり、それぞれ個別の電極に対応するピエゾ素子５８から発生した電圧を計測したりすることができる。複数の電圧計付き電源６０は、コンピュータ７０と接続され、コンピュータ７０は、各電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに備えられた電圧計付き電源６０の電圧を読み込み、その電圧に基づいて演算を行う。また、コンピュータ７０は、各電極にどの程度の電圧を印加するかを制御する。
【００２６】
このようなセンシング部５０とコンピュータ７０により、ピエゾアクチュエータ素子１０の先端部に収容させたセンシングアクチュエータ４０を用いピエゾアクチュエータ素子１０と筐体２０との傾きの検出および／またはピエゾアクチュエータ素子１０の変位量の補償が行える。
【００２７】
「ピエゾアクチュエータ素子の傾き検出」
まず、センシング部５０を用いて、このピエゾアクチュエータ素子１０に対する筐体２０の傾きを検出する工程について説明する。図３は筐体２０（封止部材２０ｂ）に対してピエゾアクチュエータ素子１０が傾いた様子を示す模式図である。筐体２０に対してピエゾアクチュエータ素子１０が傾くと、センシング部５０の一部の５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに対応する圧電素子が他部分に比べ筐体２０に強く押圧されることになり、発生する電圧の大きさが相違することになる。なお、電極は１つであっても傾きによって強く押圧され、その押圧状態が変化することが検出できれば適用可能である。
【００２８】
これに対し、筐体２０の軸に対してセンシングアクチュエータ４０の軸が一致（すなわち、傾きがない：図２）している場合には、全ての電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに対応する圧電素子が封止部材２０ｂに同じ圧力で押圧される。よって、各電極間のピエゾ素子５８から発生する電圧は略同じでである。
【００２９】
センシング部５０に設けられた４つの電極のうち、電極５４ａにのみ対応する圧電素子が筐体２０と片当たりして強く押圧され、他の電極５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが筐体２０から押圧される程度が小さくなるようなセンシングアクチュエータ４０の傾きであるとする（図３）。このような状態では、電極５４ａのみが発生する電圧が大きくなる。一方、他の電極５４ｂ、５４ｃ、５４ｄは、傾きがない場合の電圧よりも押圧によって生じる電圧が小さくなる。
【００３０】
コンピュータ７０には各電極の電圧の情報が各電極に対応した電圧計付き電源６０から送られてきている。コンピュータ７０には、この各電極間の電圧の均衡が乱れた場合、ピエゾアクチュエータ素子１０に傾きが生じているとする。
【００３１】
このような傾きが生じていると検出された場合には、さらに別の傾き補正方法をとることができる。すなわち、その傾きが所定のしきい値よりも大きな傾きの場合には、再度ピエゾアクチュエータ素子１０をピストン３１にセットし直し、傾きを補正する。また、小さな傾きの場合には、以下の傾き補正装置で補正できる以下の傾き検出装置によって傾きを補正する対処をとることができる。
【００３２】
「ピエゾアクチュエータ素子の傾き補正」
次にピエゾアクチュエータ素子１０の傾きが検出された場合に、その傾きを補正する補正を説明する。この補正には、上述のセンシングアクチュエータ４０のセンシング部５０を用いる。上述のセンシング部５０の４端に設けられた４つの電極のうち、電極５４ａのみが筐体２０内表面と片当たりして強く押圧され、他の電極５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが筐体２０から押圧される程度が小さくなるようなセンシングアクチュエータ４０の傾きであるとする。ここで、傾きが検出された場合には、筐体２０（封止部材２０ｂ）から押圧される度合いが小さくなる。したがって、筐体２０ｂ内表面からその表面を覆う絶縁部材５９が離れる傾向にある電極５４ｂ、５４ｃ、５４のいずれか１つまたは複数個に電圧をそれぞれ対応する電圧計付き電源６０によって供給する。どの電極に電圧をどの程度印加するのかはコンピュータ７０が決め、各電圧計付き電源６０に電圧供給の指示を出す。コンピュータ７０には、どのような傾きであるときには、どの電極に電圧をどの程度印加して伸ばせばよいかというデータが予めの実験結果として記憶され、この記憶されたデータに基づいてコンピュータ７０は制御を行う。コンピュータ７０はこのデータに基づいて、その判断された電極に所定の電圧を印加し、その電極に対応する圧電素子を伸ばす。
【００３３】
供給された電圧によって、電極に対応するピエゾ素子５８が伸び、筐体２０の内表面にこれを覆っている絶縁部材５９が当たる。筐体２０の内表面に当たった絶縁部材と筐体２０内表面との跳ね返りの力によって、ピエゾアクチュエータ素子１０の筐体２０内表面に対する傾きが変化する。傾きを変化させた後は、さらに電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４のいずれか１つまたは複数個に電圧をどの程度印加させるかをコンピュータ７０が判断する。この伸びによる傾きを変化させる工程を繰り返す。この傾きを変化させる工程を繰り返すことでピエゾアクチュエータ素子１０の筐体２０内表面に対する傾きが次第に補正される。このようにして筐体２０の電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに対応する圧電素子のいずれか１つまたは複数個に電圧を印加して、電圧が印加された電極に対応する圧電素子を伸ばし、筐体２０内表面に当たった絶縁部材と筐体２０内表面との跳ね返りの力を得て、センシングアクチュエータ４０の筐体２０内表面に対する傾きを補正する工程を繰り返す。
【００３４】
最終的には図２の筐体２０の軸に対してセンシングアクチュエータ４０の軸が一致（すなわち、傾きがない状態）し、全ての電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが封止部材２０ｂに同じ圧力で押圧されている状態にする。この傾きがない状態になったかどうかはコンピュータ７０で常時読み込まれている各電極の電圧値の全てが電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄに対応する圧電素子に対して略同じとなっているかどうかで判断する。すなわち、傾きがなく、全ての電極５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが封止部材２０ｂに同じ圧力で押圧されている状態であるならば（図２）、各電極に対応するピエゾ素子５８から発生する電圧は略同じである。この電圧が略同じかどうかということで均衡状態にあるかどうかを検出して補正の完了時を判定することで傾きが補正される。
【００３５】
「ピエゾアクチュエータ素子の補償」
次にピエゾアクチュエータ素子１０の経年変化により、ピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮による変位量は減少する場合の補償方法について説明する。ピエゾアクチュエータ素子１０の経年変化による減少が確認された場合に、その傾きを補正する補正には、上述のセンシングアクチュエータ４０のセンシング部５０を用いる。
【００３６】
すなわち、ピエゾアクチュエータ素子１０の経年変化により収容当初のピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮程度に対してその伸縮度が１０％低下したのであれば、この１０％低下の程度を補正するためにセンシング部５０のピエゾ素子５８を伸ばすことでこの補償に用いる。このピエゾアクチュエータ素子１０の低下量がわかった場合には、センシング部５０の伸縮でこの低下量を補償するように、全電極に均一に電圧をかける。そうすると、４端面の全電極は均一な伸びとなり、全体として均一な伸びを得ることができる。
【００３７】
この均一電圧については、コンピュータ７０で予めこの低下量に対してはどの程度の電圧を印加すればよいのかが計算されおり、この計算に基づいて決められる。この均一電圧をセンシング部５０にかけ、ピエゾ素子５８の伸びを得、この伸びとピエゾアクチュエータ素子１０との伸縮を同期させることで変位量の減少程度を補償することができる。すなわち、変位量が減少した場合に、上記センシング部５０のピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮の補償としてとして伸縮させ、この変位量を補償することが可能である。
【００３８】
「燃料インジェクタの動作」
筐体２０中のノズルボディ２０ｃはその先端部に開口部２１を有しており、この開口部２１を通じて燃料であるガソリンをエンジンの燃焼室に供給する。このノズルボディ２０ｃの内部には、ピストン弁３０が内部で摺動可能なように備えられている。このピストン弁３０は、開口部２１を弁として塞ぐことができるほど幅が広い針である弁針部２２と、ピストン弁３０をピストンとして摺動させる動力を受けるピストン摺動部２３、および弁針部２２とピストン摺動部２３とをつなぐ棒状のロッド部２４から構成されている。ピストン摺動による摺動力がロッド部２４、弁針部２２と伝達されて、弁針部２２が摺動することによって開口部２１を塞いだり、開かせたりできる。
【００３９】
ノズルボディ２０ｃとピストン弁３０との間には、クリアランス２５が設けられている。このクリアランス２５はピストン摺動部２３の弁ロッド部方向側の部分から弁ロッド部２４とノズルボディ２０ｃとの間まで設けられている。このピストン摺動部２３の弁ロッド部方向側の部分以外は、ピストン摺動部２３とノズルボディ２０ｃとは細く絞られた絞りクリアランス２７となっている。弁針部２２が開口部２１を塞いでいる場合には、弁針部２２に遮断されることによって、開口部２１とクリアランス２５は貫通していないが、弁針部２２が開口部２１を開かせている場合には、弁針部２２に遮断されず、開口部２１とクリアランス２５は貫通している。
【００４０】
このクリアランス２５の側面は、筐体２０に設けられ外部からガソリンを供給するための燃料貫通口２６に接続している。ガソリンは、外部ガソリン源（ガソリンタンク等）から燃料貫通口２６を通じて、ノズルボディ２０ｃの内部のクリアランス２５へと供給される。クリアランス２５へ供給されたガソリンは、弁針部２２へと至る。開口部２１からガソリンをエンジンに供給しないときには、弁針部２２によってクリアランス２５は遮断され、開口部２１からの噴出することができない。開口部２１からガソリンをエンジンに供給したいときには、弁針部２５をピストン駆動により開口部２１を開かせ、クリアランス２５から開口部２１を通じてガソリンをエンジン内に噴出させる。
【００４１】
ピストン摺動部２３の内部には差圧空間２８が設けられている。この差圧空間を利用することによってピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮力をピストン弁３０に伝えることができる。この差圧空間２８は、クリアランス２５と絞りクリアランス２７を介して通じている。ピストン運動の際には、この絞りクリアランス２７を通じて供給された燃料の差圧空間２８との出し入れを行うことができる。差圧空間２８は、筐体ケース２０ａ内に設けられ、筐体ケース２０ａの内部に密着しているピストン３１まで設けられている。上述のように筐体２０中のピストン３１に接合されることでピエゾアクチュエータ素子１０は収容される。このピエゾアクチュエータ素子１０は、外部電源１２と接続されており、この外部電源１２からピエゾアクチュエータ素子１０の圧電体を伸縮する電圧が供給される。ピストン３１は、ピエゾアクチュエータ素子１０と接合され、ピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮力によって伸縮する。ピストン３１にはリターンスプリング３２が設けられ、一度伸びたピストンを元の大きさに戻す補助として機能する。
【００４２】
収容されたピエゾアクチュエータ素子１０の伸縮力によって、ピストン弁２０の弁針部２２がピストン摺動して、開口部２１を開閉する。すなわち、ピエゾアクチュエータ素子１０が伸びた場合には、差圧室２８内のガソリンを押圧してピストン弁を押し、弁針部２２で開口部２１を塞ぐ。ピエゾアクチュエータ素子１０が縮んだ場合には、差圧室２８の空間が急に拡大することによってピストン弁２０が引き戻され、弁針部２２がピストン３１側に引きつけられる。ガソリンは絞りクリアランス２７を通じて差圧部を満たすように供給される。次に再度、ピエゾアクチュエータ素子１０が伸びた場合には、差圧室２８内のガソリンを押圧して、弁針部２２で開口部２１を塞ぐ。このようにして弁針部２２のピストン摺動が行われ、ガソリンがエンジン内部へと供給される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のアクチュエータ一般に適用できる。例えばエンジンの燃料インジェクタが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態に係る燃料インジェクタの断面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料インジェクタの断面図の模式図である。
【図３】本実施形態に係る燃料インジェクタの断面図の模式図である。
【図４】本実施形態に係るセンシング部の断面図の模式図である。
【図５】本実施形態に係るセンシング部の上面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  ピエゾアクチュエータ素子、２０  筐体、３０  ピストン弁、４０  センシングアクチュエータ、５０  センシング部、６０  電圧計付き電源、７０  コンピュータ、１００  燃料インジェクタ。
【図１】
2005237150.tif 000003
【図２】
2005237150.tif 000004
【図３】
2005237150.tif 000005
【図４】
2005237150.tif 000006
【図５】
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