(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状のピエゾスタックの一方の端面を固定壁に、他方の端面を可動体にそれぞれ当接して支持するとともに、調整ネジによって前記固定壁の軸方向の位置を調整可能としたピエゾアクチュエータにおいて、
前記調整ネジは、ピッチの異なる２個のネジ部を有し、一方のネジ部が前記固定壁を有する支持体に設けたネジ部と螺合し、他方のネジ部が前記ピエゾスタックのケーシングに設けたネジ部と螺合し、
前記支持体の調整ネジ側の面に溝を形成するとともに前記調整ネジに軸方向の貫通孔を設け、前記調整ネジを挿通させたドライバー様の工具または治具を前記溝に係合させることにより、前記調整ネジを締め込む際の前記支持体の回り止めを行うとしたことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のピエゾアクチュエータの他の端面に当接する可動体により弁の開閉を行うピエゾ制御弁。
【請求項３】
請求項２に記載のピエゾ制御弁によって、
ノズルニードルの背圧室に導入した高圧流体を排出することにより、前記ノズルニードルをリフトさせることを特徴とするピエゾインジェクタ。
【請求項４】
請求項２に記載のピエゾ制御弁が、請求項３に記載のノズルニードルの背圧室を低圧源または高圧源のいずれかへの導通を選択的に切替えるための三方弁であることを特徴とするピエゾインジェクタ。
【請求項５】
調整ネジによってその位置が調整可能な固定壁に一端を固定されたピエゾスタックの他端に当接する可動体を有するピエゾアクチュエータと、該可動体により駆動される三方弁とからなるピエゾ制御弁とを備え、該三方弁によってノズルニードルの背圧室が高圧源または低圧源のいずれかへ導通を選択的に切替されるピエゾインジェクタにおいて、
前記ピエゾアクチュエータに電荷を注入した状態において、前記三方弁に所定の着座力が得られるように、かつ、該ピエゾアクチュエータの電圧が所定値になるように前記調整ネジにより前記固定壁の位置を調整することを特徴とするピエゾインジェクタ。
【請求項６】
請求項５に記載のピエゾインジェクタにおいて、
前記調整ネジは、ピッチの異なる２個のネジ部を有し、一方のネジ部が前記固定壁を有する支持体に設けたネジ部と螺合し、他方のネジ部がピエゾアクチュエータのケーシングに設けたネジ部と螺合していることを特徴とするピエゾインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピエゾスタックに加える初期荷重の設定を正確にしたピエゾアクチュエータ、該ピエゾアクチュエータを用いたピエゾ制御弁および該ピエゾ制御弁を組み込んだ内燃機関のピエゾインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜状の電極の間に薄膜状に形成したピエゾ素子（圧電素子）を挟み、これを積層して棒状に成形したピエゾスタックは、ピエゾ（圧電）アクチュエータとして使用されている。このピエゾアクチュエータの変位を弁体に伝達して弁の開閉を行うピエゾ制御弁は、ディーゼルなど内燃機関の燃料噴射弁に組み込まれてピエゾインジェクタに適用されており、特開平９−１８４４６３号公報、アメリカ合衆国特許第５７４０９６９号公報などに提案されている。
【０００３】
これらのピエゾアクチュエータ、ピエゾ制御弁、ピエゾインジェクタは、ピエゾスタックの変位量が微小であるため、組付けたときにピエゾアクチュエータと可動体または弁体（以下、弁体と称する）とが過不足ない力で当接していることが重要である。当接力が不足したり隙間がある場合には、ピエゾスタック（ピエゾアクチュエータ）の変位を正確に弁体など被動体に伝えることができない。また、当接力が過剰であれば、ピエゾアクチュエータが変位する前に開弁の状態となり、閉弁することが不可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ピエゾアクチュエータと弁体とを適正な当接力で当接させるために、調整ネジを使用することは、上記従来の技術文献にも記載があるが実際には極めて困難である。当接力の調整は２μｍ以下の精度を要するが、たとえばピッチ１ｍｍのネジでは、５度の回転でも１４μｍの軸方向の変位が生じてしまい、微調整は不可能に近い。
【０００５】
この発明の目的は、ピエゾアクチュエータ（ピエゾスタック）と弁体とを適正な当接力で当接させるために、ピッチの異なる２つのネジを用いて、２つのネジのピッチの差だけピエゾアクチュエータを移動させることで、精度良く初期値の調整ができるようにしたピエゾアクチュエータ、ピエゾ制御弁、ピエゾインジェクタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
［請求項１について］
調整ネジは、ピッチの異なる２個のネジ部を有し、一方のネジ部が固定壁を有する支持体に設けたネジ部と螺合し、他方のネジ部がピエゾスタックのケーシングに設けたネジ部と螺合している。
たとえば、一方のネジ部のピッチを１．０ｍｍ、他方のネジ部のピッチを０．９ｍｍとすると、ボルト１回転に対し０．１ｍｍの差だけ移動する。すなわち５度の回転に対して１．４μｍだけ移動する。これにより、適正な初期値の調整が容易にできるピエゾアクチュエータ、ピエゾ制御弁、ピエゾインジェクタが得られる。
【０００８】
また、支持体の調整ネジ側の面に溝を形成するとともに調整ネジに軸方向の貫通孔を設け、調整ネジを挿通させたドライバー様の工具または治具を溝に係合させることにより、調整ネジを締め込む際の支持体の回り止めを行うことができる。
【０００９】
［請求項２について］
ピエゾ制御弁は、請求項１に記載のピエゾアクチュエータの他の端面に当接する可動体により弁の開閉を行うことができる。
【００１０】
［請求項３について］
ピエゾインジェクタは、請求項２に記載のピエゾ制御弁によって、ノズルニードルの背圧室に導入した高圧流体を排出することにより、ノズルニードルをリフトさせることができ、燃料噴射装置に好適である。
【００１１】
［請求項４について］
ピエゾインジェクタは、請求項２に記載のピエゾ制御弁が、請求項３に記載のノズルニードル背圧室を低圧源または高圧源のいずれかへの導通を選択的に切替えするための三方弁である。
部品点数が少なく、構成が簡単であり、燃料噴射装置に好適である。
【００１２】
［請求項５について］
ピエゾインジェクタは、ピエゾアクチュエータに電荷を注入した状態において、三方弁に所定の着座力が得られるように、かつ、ピエゾアクチュエータの電圧が所定値になるように、調整ネジにより固定壁の位置を調整する構成である。
このため、ピエゾアクチュエータの初期位置を、容易にかつ正確に設定することができる。
【００１４】
［請求項６について］
ピエゾインジェクタにおいて、調整ネジは、ピッチの異なる２個のネジ部を有し、一方のネジ部が固定壁を有する支持体に設けたネジ部と螺合し、他方のネジ部がピエゾアクチュエータのケーシングに設けたネジ部と螺合している。
これにより、ピエゾアクチュエータの初期位置を、容易、且つ精密に設定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、ディーゼル機関の燃料噴射に用いられるピエゾインジェクタ１００を示す。ピエゾインジェクタ１００は、ピエゾアクチュエータ１、三方弁２および燃料噴射ノズル３を同軸的に連結した構造を有する。ピエゾアクチュエータ１と三方弁２とは、ピエゾアクチュエータ１によって開閉されるピエゾ弁２００を構成している。
【００１６】
ピエゾアクチュエータ１は、円筒状のケーシング１０内の下部に同軸的に円柱状のピエゾスタック１１が収容されている。ケーシング１０またはピエゾスタック１１は円以外の断面を有する筒体または柱体であってもよい。ケーシング１０内の上部には、ピエゾスタック１１の支持体であり、下端面がピエゾスタック１１の上端面１Ａに当接して固定壁４０となっている上部ピストン４が軸方向に摺動自在に嵌め込まれている。上部ピストン４（支持体）の上のケーシング１０内にはボルト状の調整ネジ５が嵌め込まれている。ピエゾスタック１１の下には、上端面がピエゾスタック１１の下端面１Ｂに当接して可動体となる下部ピストン６が配されている。
【００１７】
調整ネジ５には、２個のネジ部として、この実施例では上部に大径外ねじ５１、下部に同じ向きの小径外ねじ５２が設けられている。ケーシング１０の上端部には内ねじ１２が設けられており、上部ピストン４（支持体）の上面には、内ねじ４１付き穴４２が形成されている。大径外ネジ５１は内ねじ１２と螺合し、小径外ネジ５２は、内ねじ４１に螺合している
【００１８】
大径外ネジ５１のピッチは小径外ネジ５２のピッチより僅かに大きく、たとえば大径外ネジ５１のピッチを１．０ｍｍ、小径外ネジ５２のピッチを０．９ｍｍとしている。上部ピストン４は、外周の下部に形成した周溝４３にＯリング４４が嵌め込まれており、該Ｏリング４４によりケーシング１０の内周壁との気密が保持されている。なお、気密の保持は、他のシール手段を用いてもよい。
【００１９】
調整ネジ５の頭にはマイナスまたはプラス溝５４が設けてあり、ドライバ等の工具でこの調整ネジ５を締め込んで行くと、１回転で調整ネジ５は下方に１ｍｍ沈み、上部ピストン４は調整ネジ５に対して０．９ｍｍ持ち上がる。よって上部ピストン４はケーシング１０の中に０．１ｍｍ沈み込み、固定壁４０の微調整が可能になる。
【００２０】
このとき、上部ピストン４の回転を防止する手段として、上部ピストン４の外周の上部にスリット４５を設けるとともに、ケーシング１０の半径方向からねじ込んだビス４６の先端がスリット４５内に嵌まり込むようにしている。上部ピストン４の回転防止手段は、上部ピストン４の軸方向の移動を許容し回転を阻止できるものであれば他の機構が採用できることは当然である。
【００２１】
バルブボディ２０は、上部ボディ２０Ａおよび下部ボディ２０Ｂとからなる。下部ボディ２０Ｂとノズルボディ３０は、円筒状のノズルホルダ２０Ｃに外嵌され、ノズルホルダ２０Ｃの上端部に形成された内ねじが上部ボディ２０Ａの下端に設けられた外ねじに螺着されることにより上部ボディ２０Ａに締結されている。三方弁２はバルブボディ２０の内部に設けた油圧制御室（弁室）２１内に球状の弁体２２を収容している。
【００２２】
上部ボディ２０Ａは、上部に径大孔２３、中間部に径中孔２４、下部に径小孔２５を有し、下端に前記油圧制御室（弁室）２１の上部を形成する円錐状の凹所が設けられている。下部ボディ２０Ｂは、上端に前記油圧制御室（弁室）２１の下部を形成する逆円錐状の凹所が設けられている。
【００２３】
下部ピストン（可動体）６は、前記径大孔２３および径中孔２４に摺動自在に嵌め込まれた大径部６１および中径部６２と、前記径小孔２５を挿通して弁室２１内の球状の弁体２２に当接するプッシュロッド６３からなる。下部ピストン６は、大径部６１と、バルブボディ２０の径中孔２４との間に介装された皿バネ１３により上方へ付勢されている。
【００２４】
ピエゾスタック１１は、円柱状または角柱状で１００Ｖ〜２００Ｖの電圧を印加することによって電荷を注入され、軸方向に伸長する。電圧をゼロにする事によって電荷が放出され軸方向に収縮して元の長さに戻る。ピエゾスタック１１は、リード線１４によって外部のコントローラ（図示せず）から電荷の注入、放出が制御される。ピエゾスタック１１の伸長、収縮による変位はピエゾスタック１１の下端面１Ｂで生じ、上端面１Ａは上部ピストン４の固定壁４０によって固定位置に保たれる。
【００２５】
下部ピストン６の大径部６１と径大孔２３とのクリアランスは５μｍから１５μｍと比較的大きく設定してあり、ピエゾスタック１１をドライに保つためのシールとして周溝６４を形成するとともにＯリング６５を嵌め込んでいる。中径部６２と径中孔２４とのクリアランスは、１〜４μｍと比較的に小さく、プッシュロッド６３の軸心が確保できるようにしている。プッシュロッド６３の下端は、油圧制御室２１内においてボール状の弁体２２と当接している。
【００２６】
油圧制御室２１は、上端にスピルポート２Ａ、下端に高圧ポート２Ｂ、側部に背圧ポート２Ｃの３つのポートを有し、スピルポート２Ａと高圧ポート２Ｂはテーパーシート２ａ、２ｂを有している。弁体２２は、テーパーシート２ａに着座してスピルポート２Ａを閉塞し、テーパーシート２ｂに着座して高圧ポート２Ｂを閉塞する。スピルポート２Ａは、下部ピストン６の中径部６２とプッシュロッド６３とで形成される肩部６６に設けられるスピル室２６と導通しており、スピル室２６はドレーン通路２７と導通している。
【００２７】
ドレーン通路２７は、上部ボディ２０Ａに外部への開口２Ｄを有し、外部の低圧源（例えば燃料タンク）と導通している。また、径大孔２３の下端部、すなわち下部ピストン６の肩部６７もドレーン通路２７と導通している。高圧ポート２Ｂは高圧通路２８と導通しており、高圧通路２８は上部ボディ２０Ａの外部への開口２Ｅを有し、外部の高圧源（たとえばコモンレールと呼ばれる高圧燃料リザーバやサプライポンプ）と導通している。
【００２８】
燃料噴射ノズル３は、ノズルボディ３０内にノズルニードル３１と、該ノズルニードル３１を駆動させるコマンドピストン３２を配した構造を有する。コマンドピストン３２の上部は、下部ボディ２０Ｂに設けられたシリンダ２９内に摺動可能に収納されており、シリンダ２９内に於けるコマンドピストン３２の上部空間が背圧室３３を形成している。背圧ポート２Ｃは、燃料噴射ノズル３のコマンドピストン３２の頂部に設けられた背圧室３３と常に導通している。
【００２９】
コマンドピストン３２の下端にはフランジ３４が形成されており、ノズルボディ３０の上部に設けたスプリング室３５内にて配設されたスプリング３６により下方に付勢されている。スプリング室３５はドレーン通路２７と導通している。コマンドピストン３２の下端面は、スプリング室３５内においてノズルニードル３１の上端面に当接しており、背圧室３３の油圧とスプリング３６の付勢力により、ノズルニードル３１を下方に付勢し、ノズルニードル３１が噴射口３７を閉じるように働く。
【００３０】
ノズルニードル３１は、ノズルボディ３０の下部に設けた油溜３８内にて直径が上部径大から下部径小に変わり、その肩部３９には油溜３８の油圧が上向きに作用する。ノズルニードル３１のいずれの直径もコマンドピストン３２の直径より小さく設定されている。油溜３８は、ノズルボディ３０、下部ボディ２０Ｂ、上部ボディ２０Ａを貫通して設けた高圧通路２８と導通している。
【００３１】
つぎに、ピエゾインジェクタ１００の作用を説明する。
始動時においてはピエゾスタック１１には電荷が注入されておらず、収縮の状態にあり、プッシュロッド６３の先端は油圧制御室２１から上方に引っ込んでいる。弁体２２は自重によりテーパーシート２ｂに着座し、高圧ポート２Ｂを閉塞している。高圧通路２８に外部の高圧源から高圧の燃料油が供給されると、その高圧燃料は高圧ポート２Ｂより油圧制御室２１に流入し、その際に弁体２２をテーパーシート２ａに押し付けてスピルポート２Ａを閉塞する。
【００３２】
このとき、プッシュロッド６３の先端が弁体２２に当接した状態になる。油圧制御室２１の高圧燃料は、背圧ポート２Ｃを介して背圧室３３に流入し、コマンドピストン３２に下向きの力として作用する。高圧通路２８の高圧燃料は、油溜３８にも流入し、ノズルニードル３１の肩部３９に作用してこれを上昇させようと働くが、肩部３９の面積よりもコマンドピストン３２の面積の方が大きいため、ノズルニードル３１は下端に位置して噴射口３７を閉塞状態に維持する。
【００３３】
燃料噴射は、つぎのようになされる。
ピエゾスタック１１に電圧を印加し、これに電荷を注入すると、ピエゾスタック１１は伸長し、プッシュロッド６３が弁体２２をテーパーシート２ａから押し下げてテーパーシート２ｂに押し付ける。これにより、油圧制御室２１はドレーン通路２７と導通し、高圧通路２８との導通を遮断される。よって、油圧制御室２１は低圧となり、背圧室３３も低圧となってコマンドピストン３２の下方への付勢力は低下して、ノズルニードル３１は上昇し噴射口３７を油溜３８に対して開放するため、噴射口３７から外部に対しての燃料噴射が開始される。
【００３４】
燃料噴射の停止は、つぎの様になされる。
ピエゾスタック１１の電荷を放出させるとピエゾスタック１１は収縮し、プッシュロッド６３の先端は油圧制御室２１から引っ込む。この結果、弁体２２は高圧ポート２Ｂから流入する燃料圧によってテーパーシート２ｂを離れ、テーパーシート２ａに押し付けられてスピルポート２Ａを閉塞する。よって、制御油圧室２１の油圧は高圧通路２８と同じ値まで上昇し、同時に背圧室３３の油圧も上昇するのでコマンドピストン３２は下降し、ノズルニードル３１に噴射口３７を閉塞させるので燃料噴射は停止する。
【００３５】
この動作において上部ピストン４の位置は重要である。もし、ピエゾスタック１１の電荷が放出され、収縮の状態にあるときに、上部ピストン４の位置が下すぎた場合、プッシュロッド６３は油圧制御室２１内に突き出して弁体２２をテーパーシート２ａに着座させず、油圧制御室２１をドレーン通路２７に導通させたままとなる。このため、過度の場合は燃料噴射を停止させることができず、そうでなくても高圧燃料のドレーン通路２７への流出、すなわちエネルギーロスの増大を招く。
【００３６】
もしピエゾスタック１１の電荷が供給され伸長の状態にあるときに、上部ピストン４の位置が上過ぎた場合、プッシュロッド６３の油圧制御室２１内への突出量が不足して弁体２２をテーパーシート２ｂに着座させることができず、油圧制御室２１を高圧通路２８に導通させたままとなる。このため、過度の場合は燃料噴射を開始させることができず、そうでなくても高圧燃料のドレーン通路２７への流出、すなわちエネルギーロスの増大を招く。
【００３７】
上部ピストン４の最適位置は、ピエゾスタック１１が伸長した状態で、テーパーシート２ｂへの着座力が所定値に確保されることであって、この調整は高圧通路２８の燃料圧がゼロの時に行うことができる。これの調整を図２により説明する。
ピエゾスタック１１に駆動電圧Ｖ1 より所定量低い電圧Ｖ2 を印加して電荷を注入し、電気的にオープン状態で調整ネジ５を締め込んで行くと、上部ピストン４は下降し、弁体２２をテーパーシート２ｂに押し付けてゆく。
【００３８】
押し付け力の発生するネジ締め込み量がθ1 であって、θ1 まではピエゾスタック１１の電圧はＶ2 を維持する。ネジ込み量がθ1 を越えると着座力Ｆに比例してピエゾスタック１１の電圧も上昇し、駆動電圧Ｖ1 に達したところで所定の着座力Ｆ1 が得られるように予め電圧Ｖ2 が設定してある。駆動電圧Ｖ1 に達するまで調整ネジ５を締め込むことにより、上部ピストン４の位置を最適に設定することが可能になる。
【００３９】
初期設定を行っても、調整ネジ５が緩むこともあるため、調整ネジ５に接着剤の塗布を行ってから前記調整を行うか、調整後に調整ネジ５の外部への突出し部をかしめるか、またはスポット溶接をする等の緩み止め手段を講じることが望ましい。またケーシング１０とピエゾスタック１１との熱膨張差により、前記着座力が変化するために、ケーシング１０にはインバー等の低熱膨張材を用いることが望ましい。
【００４０】
図３はピエゾインジェクタ１００の第２実施例を示す。この実施例では、上部ピストン（支持体）４の上端から外ネジ４７を延設するとともに、調整ネジ５は、締め込むための手掛かりである六角部５Ａを有し、内ねじ５５付き貫通穴５６を設けている。また、上部ピストン４の回り止めとして、上部ピストン４の頂面に溝４８を設け、該溝４８に貫通穴５６を挿通してドライバなど差し込み、調整ネジ５を締め込む際の上部ピストン４の回転阻止を行う。
【００４１】
図４はピエゾインジェクタ１００の第３実施例を示す。この実施例では、図１に示す上部ピストン４を袋ナット状の支持体７に形成している。ピエゾスタック１１の上端は袋ナット状の支持体７で固定されており、リード線１４はこの支持体７の頂面を貫通して外部に取り出されている。調整ネジ８はリング状で外ねじ８１、内ねじ８２を有し、締め込むための手掛かりとして下部に六角部８３が設けてある。
【００４２】
調整ネジ８の外ねじ８１は支持体７の内ねじ７１と、調整ネジ８の内ねじ８２はケーシング１０の雄ねじ１９とそれぞれ螺合する。内ねじ８２は外ねじ８１より僅かにピッチが大きく、調整ネジ８を支持体７側に締め込んで行くと支持体７は徐々に下方に移動する。尚ピッチは外ねじ８１が内ねじ８２よりも大きくてもよく、その場合は調整ネジ８をケーシング１０側に締め込んで行くと、支持体７は徐々に下方に移動する。支持体７とケーシング１０の気密のためにＯリング７２が用いられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のピエゾインジェクタの断面図である。
【図２】ネジ締め込み量とピエゾ電圧または着座力の特性グラフである。
【図３】第２実施例のピエゾインジェクタの断面図である。
【図４】第３実施例のピエゾインジェクタの断面図である。
【符号の説明】
１００  ピエゾインジェクタ
２００  ピエゾ弁
１      ピエゾアクチュエータ
１０    ケーシング
１１    ピエゾスタック
２      三方弁
２０    バルブボディ
３      燃料噴射ノズル
３０    ノズルボディ
３１    ノズルニードル
４      上部ピストン
４０    固定壁
４５    スリット
４６    ビス
４８    溝
５      調整ネジ
５１    大径外ねじ（一方のネジ部）
５２    小径外ねじ（他方のネジ部）
６      下部ピストン（可動体）
７      支持体
【図１】
0004292653.tif 000002
【図２】
0004292653.tif 000003
【図３】
0004292653.tif 000004
【図４】
0004292653.tif 000005