(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧により伸長する複数の積層されたピエゾ素子と、
前記積層されたピエゾ素子の両端に接合する一対の端板と、
前記積層されたピエゾ素子の外周を包むように配置され、前記各端板を介してピエゾ素子を圧縮方向に与圧するコイルバネと、
前記コイルバネの一方の端部に連結される環状のバネケースと、
前記バネケースが螺合する筒状のガイド部と前記コイルバネの軸方向の荷重を前記一方の端板に作用させる底部とを有するアクチュエータガイドと、
前記アクチュエータガイドの底部と前記端板のいずか一方に形成された凹部と、
前記凹部に収装され、前記コイルバネの荷重を前記バネケースを介して前記端板に作用させるとともに、前記アクチュエータガイドを回転させたときに前記ピエゾ素子に回転方向の捩り荷重が発生することを防止するボールと、
を備えたことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
前記コイルバネの内側に積層された各ピエゾ素子が収装されるガス室を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
前記ガス室を区画形成する筒状をしたベローズを備えた
ことを特徴とする請求項２に記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
前記ガス室を区画形成し、前記アクチュエータガイドに摺動可能に嵌合させた有底円筒部材と、
前記アクチュエータガイドと前記有底円筒部材との嵌合部に介装した前記ガス室を密封するＯリングと、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のピエゾアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加される電圧により伸長するピエゾアクチュエータの与圧構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁等に、印加電圧に応じて伸張するピエゾ素子を積層したピエゾアクチュエータを備え、ピエゾアクチュエータを介してニードル（弁体）を開弁作動させるものがあった。ニードルをピエゾアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、高出力化に対応するための噴射可能範囲を拡大できる。また、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【０００３】
従来、この種のピエゾアクチュエータとして、例えば図４に示すようなものがある(特開平７−１９３２９５号公報、参照)。
【０００４】
これについて説明すると、積層型ピエゾアクチュエータ７１は、その両端に端板７２，７３が取付けられ、各端板７２，７３を介してピエゾアクチュエータ７１を圧縮する円筒状をしたバネ７４が設けられる。ピエゾアクチュエータ７１は筒状バネ７４を介して通常の動作力の２〜３割の与圧が付与されることにより、安定した作動性が確保される。
【０００５】
ピエゾアクチュエータ７１の製造時、筒状バネ７４は所定温度に加熱された状態で各端板７２，７３に溶接により結合される。溶接後に筒状バネ７４が常温まで低下すると、熱膨張差により所定の与圧荷重がピエゾアクチュエータ７１に付与されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒状バネ７４は、熱膨張差を利用して与圧荷重を発生させる構造のため、与圧荷重にバラツキが生じやすいという問題点があった。
【０００７】
また、ピエゾアクチュエータ７１の温度変化によって筒状バネ７４が付与する与圧荷重が大きく変化するため、ピエゾアクチュエータ７１の作動特性が安定しないという問題点があった。
【０００８】
特に、こうしたピエゾアクチュエータを例えば自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁のように使用環境が高温になる装置に適用すると、高温時に与圧荷重が少なくなり、ピエゾアクチュエータの安定作動がより一層困難になるのである。
【０００９】
これに対処して、筒状バネ７４を各端板７２，７３に溶接する際の温度を３００°Ｃ程度に高めることが考えられるが、これはピエゾアクチュエータ７１を過熱することになり、この場合、複数のピエゾ素子を積層する際に用いられる接着剤等の剥離を招く可能性がある。
【００１０】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、ピエゾアクチュエータに無理無く与圧荷重を付加することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のピエゾアクチュエータは、印加される電圧により伸長する複数の積層されたピエゾ素子と、前記積層されたピエゾ素子の両端に接合する一対の端板と、前記積層されたピエゾ素子の外周を包むように配置され、前記各端板を介してピエゾ素子を圧縮方向に与圧するコイルバネと、前記コイルバネの一方の端部に連結される環状のバネケースと、前記バネケースが螺合する筒状のガイド部と前記コイルバネの軸方向の荷重を前記一方の端板に作用させる底部とを有するアクチュエータガイドと、前記アクチュエータガイドの底部と前記端板のいずか一方に形成された凹部と、前記凹部に収装され、前記コイルバネの荷重を前記バネケースを介して前記端板に作用させるとともに、前記アクチュエータガイドを回転させたときに前記ピエゾ素子に回転方向の捩り荷重が発生することを防止するボールとを備えるものとした。
【００１２】
請求項２に記載のピエゾアクチュエータは、請求項１に記載の発明において、前記コイルバネの内側に積層された各ピエゾ素子が収装されるガス室を備えるものとした。
【００１３】
請求項３に記載のピエゾアクチュエータは、請求項２に記載の発明において、前記ガス室を区画形成する筒状をしたベローズを備えるものとした。
【００１４】
請求項４に記載のピエゾアクチュエータは、請求項２に記載の発明において、前記ガス室を区画形成し、前記アクチュエータガイドに摺動可能に嵌合させた有底円筒部材と、前記アクチュエータガイドと前記有底円筒部材との嵌合部に介装した前記ガス室を密封するＯリングとを備えるものとした。
【００１７】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、ピエゾアクチュエータは各ピエゾ素子に電圧が印加されて電荷が蓄えられることにより瞬時に伸長し、電圧を遮断しその両端子間を短絡することにより瞬時に収縮する。
【００１８】
ピエゾアクチュエータはコイルバネを介して通常の動作力に対して所定割合の圧縮荷重が軸方向に付与される。線材がコイル状に巻かれたコイルバネは、各ピエゾ素子の径方向に付与するアンバランス荷重が小さく、ピエゾアクチュエータの安定した作動性が確保される。
【００１９】
線材がコイル状に巻かれたコイルバネは、積層されたピエゾ素子の両端の距離に応じて線材が大きく弾性変形する構造のため、コイルバネの加工精度や組立精度に影響されることなく、ピエゾアクチュエータに付与される与圧荷重を高い精度で管理することができる。
【００２０】
また、コイルバネと各ピエゾ素子間の熱膨張差による与圧荷重の変化が小さく、温度変化によって与圧荷重が変動することが抑えられ、ピエゾアクチュエータの安定した作動性が確保される。
【００２１】
コイルバネはその伸縮に伴ってボールを介してピエゾアクチュエータに対して相対回転し、コイルバネから捩り荷重が各ピエゾ素子に付与されることがなく、ピエゾアクチュエータの安定した作動性が得られる。
【００２２】
バネケースのアクチュエータガイドに対する螺合位置を変えることにより、コイルバネがピエゾアクチュエータに付与するコイルバネの圧縮荷重を容易に調節することができ、生産性、整備性の向上がはかれる。
【００２３】
請求項２に記載の発明において、ピエゾ素子を収装するガス室が画成されることにより、ピエゾアクチュエータの温度変化による結露が各ピエゾ素子に生じることを防止できる。
【００２４】
ガス室がコイルバネの内側に配置されることにより、ピエゾアクチュエータの大型化が避けられる。
【００２５】
請求項３に記載の発明において、各ピエゾ素子の伸縮に伴ってベローズが伸縮し、ガス室の密封性が確保される。
【００２６】
請求項４に記載の発明において、各ピエゾ素子の伸縮に伴ってアクチュエータガイドと有底円筒部材とが摺動し、両者の間に介装されたＯリングを介してガス室の密封性が確保される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１に示すように、ピエゾアクチュエータ１は円盤状をした複数のピエゾ素子１３が、同じく円盤状をした内部電極板を挟んで積層され、接着剤を介して固定される。各ピエゾ素子は内部電極板を介して電圧が印加されて電荷が蓄えられることにより瞬時に板厚が増え、電圧を遮断しその両内部電極板を短絡することにより瞬時に板厚が減るようになっている。
【００２９】
各ピエゾ素子１３の間にはマイナス側の内部電極板とプラス側の内部電極板が交互に積層される。マイナス側の内部電極板と、プラス側の内部電極板は、それぞれ積層された各ピエゾ素子１３の側面に設けられた帯状の各外部電極に結合され、リード線を介して駆動回路に接続されている。
【００３０】
円柱状に積層された各ピエゾ素子１３の両端には一対の端板２，３が設けられる。各端板２，３はピエゾ素子１３に内部電極板を介して接着される。
【００３１】
円柱状に積層された各ピエゾ素子１３を圧縮方向に与圧するコイルバネ４が設けられる。コイルバネ４の両端には一対のバネケース６，５が取付けられる。各バネケース６，５の間にコイルバネ４が伸長した状態で介装され、バネケース６，５の間に端板２．３を介して積層された各ピエゾ素子１３が挟持される。
【００３２】
上部バネケース６と上部端板２の間にはアクチュエータガイド７が設けられる。アクチュエータガイド７は有底円筒状に形成され、上部端板２を着座させる円盤状の底部２１と、底部２１から筒状に延びるガイド部２２を有する。ガイド部２２の外周にはネジ部９が刻まれ、環状の上部バネケース６がこのネジ部９に螺合する。これによりバネケース６６に形成されたバネ支持部６ｂはコイルバネ４の上部を任意の位置に保持することができる。同じく有底円筒状のバネケース５に端板３を収納すことにより、バネ支持部５５はコイルバネ４の下端を保持する。
【００３３】
上部端板２の中央部にはアクチュエータガイド７の底部２１に対峙するように円錐上に窪む凹部２４が形成され、凹部２４とアクチュエータガイド７の間に鋼球等の硬質材料からなるボール８が介装される。なお、凹部２４を底部２１側に形成することも可能である。
【００３４】
ピエゾアクチュエータ５を構成する、上下の各端板２，３、各バネケース６，５、コイルバネ４、アクチュエータガイド７、ボール８は、それぞれ円柱状に積層された各ピエゾ素子１３と同軸上に配置される。
【００３５】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００３６】
ピエゾアクチュエータ１は各ピエゾ素子１３に電圧が印加されることにより伸長し、電圧が遮断されることにより収縮する。
【００３７】
ピエゾアクチュエータ１はコイルバネ４を介して通常の動作力に対して所定割合の圧縮荷重が軸方向に付与される。線材がコイル状に巻かれたコイルバネ４は、各ピエゾ素子１３の径方向に付与するアンバランス荷重が小さく、ピエゾアクチュエータ１の安定した作動性が確保される。
【００３８】
線材がコイル状に巻かれたコイルバネ４は、バネケース６，５間の距離に応じて線材が大きく弾性変形する構造のため、コイルバネ４の加工精度や組立精度に影響されることなく、ピエゾアクチュエータ１に付与される与圧荷重を高い精度で管理することができる。
【００３９】
また、コイルバネ４と各ピエゾ素子１３の熱膨張差による与圧荷重の変化が小さく、温度変化によって与圧荷重が変動することが抑えられ、ピエゾアクチュエータ１の作動特性が安定する。
【００４０】
上部バネケース６のアクチュエータガイド７に対する螺合位置を変えることにより、コイルバネ４がピエゾアクチュエータ１に付与するコイルバネ４の圧縮荷重を容易に調節することができ、生産性、整備性の向上がはかれる。
【００４１】
このとき、アクチュエータガイド７と端板２との間にボール８が介装されているので、アクチュエータガイド７を回転させることにより、コイルバネ４を捩ることなく、バネケース６とアクチュエータガイド７との螺合位置を変えることができる。
【００４２】
さらに、コイルバネ４の組付け時にピエゾアクチュエータ１を加熱する必要がなく、接着剤等の剥離を回避できる。
【００４３】
コイルバネ４が各ピエゾ素子１３の外周を包むように配置されるため、ピエゾアクチュエータ５のコンパクト化がはかれる。
【００４４】
コイルバネ４はその伸縮に伴ってボール８を介してピエゾアクチュエータ１と相対回転し、コイルバネ４から捩り荷重を各ピエゾ素子１３に付与することがなく、ピエゾアクチュエータ１の安定した作動性が得られる。
【００４５】
次に、図２に示す実施形態について説明する。なお、図１との対応部分には同一符号を付す。
【００４６】
コイルバネ４の内側に積層された各ピエゾ素子１３を収装するガス室１４が設けられる。
【００４７】
ガス室１４は一対のアクチュエータガイド７，１０とベローズ１５等によって画成される。ガス室１４には窒素ガスが封入される。
【００４８】
上部アクチュエータガイド７は有底円筒状に形成され、上部端板２を着座させる円盤状の底部２１と、底部２１から筒状に延びるガイド部２２を有する。ガイド部２２の外周にはネジ部９が刻まれ、環状の上部バネケース６はこのネジ部９に螺合する。
【００４９】
下部アクチュエータガイド１０は円筒状に形成され、その下端がＯリング１６を介して下部バネケース５に着座する。
【００５０】
ベローズ１５はその断面が蛇腹状に曲折した筒状に形成され、各アクチュエータガイド７，１０の間に圧縮された状態で介装される。
【００５１】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５２】
ガス室１４には窒素ガスが封入されることにより、ピエゾアクチュエータ１の温度変化による結露が各ピエゾ素子１３に生じることを防止できる。
【００５３】
各ピエゾ素子１３の伸縮に伴ってベローズ１５が伸縮し、ベローズ１５の弾性復元力によりＯリング１６が下部バネケース５に押圧され、ガス室１４の密封性が確保される。
【００５４】
また、ガス室１４がコイルバネ４の内側に配置されることにより、ピエゾアクチュエータ１の大型化が避けられる。
【００５５】
次に、図３に示す実施形態について説明する。なお、図１との対応部分には同一符号を付す。
【００５６】
コイルバネ４の内側に積層された各ピエゾ素子１３を収装するガス室１４が設けられる。
【００５７】
ガス室１４は一対のアクチュエータガイド７，１０等によって画成される。ガス室１４には窒素ガスが封入される。
【００５８】
上部アクチュエータガイド７は有底円筒状に形成され、上部端板２を着座させる円盤状の底部２１と、底部２１から筒状に延びるガイド部２２を有する。ガイド部２２の外周にはネジ部９が刻まれ、環状の上部バネケース６はこのネジ部９に螺合する。
【００５９】
下部アクチュエータガイド１０は円筒状に形成され、その下端が下部端板３に溶接により結合される。
【００６０】
上部アクチュエータガイド７の筒部２２の外側に下部アクチュエータガイド１０が嵌合し、両者の間にＯリング１７が介装される。
【００６１】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００６２】
この場合も、ガス室１４には窒素ガスが封入されることにより、ピエゾアクチュエータ１の温度変化による結露が各ピエゾ素子１３に生じることを防止できる。
【００６３】
各ピエゾ素子１３の伸縮に伴って各アクチュエータガイド７，１０が摺動し、両者の間に介装されたＯリング１７を介してガス室１４の密封性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すピエゾアクチュエータの断面図。
【図２】他の実施形態を示すピエゾアクチュエータの断面図。
【図３】さらに他の実施形態を示すピエゾアクチュエータの断面図。
【図４】従来例を示すピエゾアクチュエータの断面図。
【符号の説明】
１    ピエゾアクチュエータ
２    端板
３    端板
４    コイルバネ
５    バネケース
６    バネケース
７    アクチュエータガイド
８    ボール
９    ネジ部
１０    アクチュエータガイド
１３    ピエゾ素子
１４    ガス室
１５    ベローズ
１６    Ｏリング
１７    Ｏリング
２１    底部
２２    ガイド部
２４    凹部
【図１】
0003944931.tif 000002
【図２】
0003944931.tif 000003
【図３】
0003944931.tif 000004
【図４】
0003944931.tif 000005