(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と内部電極とを交互に積層してなる変位発生用積層型圧電素子と、該変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向一端が固定されたベース部材と、該ベース部材に一端部が固定され、前記変位発生用積層型圧電素子が収容された予荷重印加ケースと、該予荷重印加ケースの内面と前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端との間に設けられた予荷重印加部とを具備するアクチュエータであって、前記予荷重印加部が、前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と前記予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有し、該予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記予荷重印加用積層型圧電素子と前記予荷重印加ケースとの間に、前記予荷重を測定する、圧電体と内部電極とを交互に積層して構成されたリング状のセンサを有することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記予荷重印加部の熱膨張による前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量が、前記予荷重印加ケースの熱膨張による前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向変形量よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記予荷重印加用積層型圧電素子は、前記変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項１乃至４のうちいずれかに記載のアクチュエータと、該アクチュエータの駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ及び噴射装置に係わり、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に使用されるアクチュエータ及び噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧電体１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を複数枚積層して形成した積層型圧電素子を作製していた。この積層型圧電素子は、圧電体に電圧を印加して数〜数十μｍ伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。
【０００３】
ところで、従来、外気との遮断を行い、耐湿性の向上及びオイルや燃料等の異物の侵入を防止するため、積層型圧電素子を金属ケース内に収容してアクチュエータが構成されており、積層型圧電素子の変位を金属ケースに伝達し、金属ケース自体を変位させることが行われている。
【０００４】
このようなアクチュエータとして、特開平６−２８３７７８号公報に開示されるようなものが知られている。この公報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の侵入を防止している。
【０００５】
図４は、この公報に開示されたアクチュエータを示すもので、積層型圧電素子５１の一端がベース部材５２に固定され、該ベース部材５２には、蛇腹（ダイヤフラム）５３の開口部が嵌入され、これにより、積層型圧電素子５１に変位方向と逆向きの予荷重が印加されている。即ち、蛇腹（ダイヤフラム）５３が積層型圧電素子５１への予荷重の印加、及び変位量の伝達を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータでは、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させると、自己発熱や外部の雰囲気の変動などによりアクチュエータが高温に晒され、積層型圧電素子５１と、蛇腹（ダイヤフラム）５３との間に熱膨張差が生じ、予荷重が変動し、所定の変位が得られなくなるという問題があった。
即ち、積層型圧電素子を駆動させると発熱し、その周囲の温度も高くなるが、これに伴い、積層型圧電素子は縮み、金属ケースは伸びるため、熱膨張差が発生し、予荷重が小さくなり、変位が変動するという問題があった。
また、積層型圧電素子が伸長する前と、伸長しきった時では、蛇腹の変形によって荷重が異なり、これにより、積層型圧電素子に印加される予荷重は１サイクル中で変動し、伸長しようとする時は急激な荷重が積層型圧電素子に印加され、この急激な荷重変動による衝撃が長期に渡って繰り返しに作用することにより、積層型圧電素子を構成する圧電体が劣化及びそれに伴う破損を生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は、積層型圧電素子の積層方向に一定の予荷重が印加された状態で長期間駆動させることができるアクチュエータ及び噴射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータは、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる変位発生用積層型圧電素子と、該変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向一端が固定されたベース部材と、該ベース部材に一端部が固定され、前記変位発生用積層型圧電素子が収容された予荷重印加ケースと、該予荷重印加ケースの内面と前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端との間に設けられた予荷重印加部とを具備するアクチュエータであって、前記予荷重印加部が、前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と前記予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有し、該予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることを特徴とする。
【０００９】
一般に、積層型圧電素子は負の熱膨張係数を有している。一方、予荷重を印加するバネ部材、積層型圧電素子を収容する予荷重印加ケースは一般に金属製であり、正の熱膨張係数を有する。従って、外的要因や積層型圧電素子の自己発熱などによりアクチュエータが高温に晒された場合、積層型圧電素子の全長は縮まり、バネ部材、予荷重印加ケースは伸びるために、温度上昇に伴ない、積層型圧電素子に作用する予荷重が低下していくことになる。
【００１０】
本発明では、予荷重印加部が、変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有するため、例えば、積層型圧電素子と、予荷重印加部、予荷重印加ケースとの間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００１１】
また、一般に、変位発生用積層型圧電素子を駆動させると、予荷重を印加するバネ部材は、バネ部材の反力により、圧電素子への印加荷重の変動を生じさせる。この荷重変動は、使用するバネ部材のバネ定数ｋにより決定されるが、小型化を考慮した皿バネなどを使用した場合は、高いバネ定数ｋのため、必然的に荷重変動が大きくなる。
【００１２】
即ち、本発明のアクチュエータでは、予荷重印加用積層型圧電素子を、変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子に印可される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、荷重変動の抑制を図り、安定した変位特性を確保できる信頼性の高いアクチュエータを提供することが可能となる。
【００１３】
また、本発明では、予荷重印加部に予荷重を測定するセンサを有することが望ましい。このセンサからのデータに基づいて、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、さらに精度良く予荷重の調整が可能となる。
【００１４】
さらに、予荷重印加部の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量が、予荷重印加ケースの熱膨張による変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量よりも大きいことが望ましい。予荷重印加部が予荷重印加ケースより大きく熱変形することにより、予荷重を印加するための予荷重印加部のたわみ量の変化が小さくなり、予荷重印加用積層型圧電素子の調整幅を小さくすることができ、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を小さくできるため、信頼性を向上できる。
【００１５】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記アクチュエータと、該アクチュエータの駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のアクチュエータを示すもので、図１において、符号１は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる四角柱状の変位発生用積層型圧電素子を示している。この変位発生用積層型圧電素子１は、両端に変位を発生させない不活性体１ａ、１ｂを有している。
【００１７】
この変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向一端、即ち不活性体１ａがベース部材３に固定されており、このベース部材３には、変位発生用積層型圧電素子１を収容した予荷重印加ケース５の一端部が固定されている。この予荷重印加ケース５は、開口部がベース部材３に固定された密閉ケース６内に収容されている。
【００１８】
予荷重印加ケース５の内面と、変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向他端、即ち不活性体１ｂとの間には、変位伝達部材７及び予荷重印加部９が設けられている。変位伝達部材７は、棒状体７ｂと、不活性体１ｂに当接する拡径部７ａとから構成されており、棒状体７ａが予荷重印加ケース５に設けられた貫通孔５ａを挿通し、密閉ケース６の内面に当接することにより、変位発生用積層型圧電素子１の変位を密閉ケース６伝達するように形成されている。密閉ケース６には、図示しないが、例えば蛇腹状に形成された易変形部が設けられており、変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向に容易に変形するようになっている。
【００１９】
そして、予荷重印加部９には、変位伝達部材７の拡径部７ｂと、棒状体７ａが挿通するリング状の反力板１１との間に設けられたバネ部材１３と、反力板１１と予荷重印加ケース５内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子１５が設けられている。この予荷重印加用積層型圧電素子１５には貫通孔が形成されており、この貫通孔を棒状体７ａが挿通している。バネ部材１３は、２枚の皿バネを積層し、これを対向させて構成されている。本発明では、バネ部材１３として皿バネに限定されるものではなく、コイルバネや油圧を有する予荷重付与機構などであっても良い。
【００２０】
バネ部材１３として皿バネを用いる場合、皿バネ自体のバネ定数ｋは皿バネの径及び厚みと、配列に仕方、即ち直列配列、並列配列などにより決定されるが、このバネ定数ｋは１００〜１０００ｋｇ／ｍｍであることが好ましい。これは、例えば、荷重１００〜５００ｋｇ程度のより高い予荷重を変位発生用積層型圧電素子１に印加する場合、バネ定数ｋが１００ｋｇ／ｍｍよりも小さい場合では、荷重に耐えられるだけの大きな径の皿バネをより多く直列に組み合わせる必要があり、アクチュエータ自体が大型化するからである。
【００２１】
また、バネ定数ｋが１０００ｋｇ／ｍｍよりも大きくなると、皿バネからの反力が大きくなる。つまり、荷重変動が大きくなり、変位発生用積層型圧電素子１の変位が荷重変動により著しく減少するため、アクチュエータとしての効率が低下する。また、荷重変動が大きくなることにより、高速でアクチュエータを作動した場合、変位発生用積層型圧電素子１が受ける衝撃力が大きくなるために、圧電板の破損や、劣化などが生じ、長期間の信頼性が保てなくなるためである。
【００２２】
予荷重印加用積層型圧電素子１５は、変位発生用積層型圧電素子１と同様に、内部電極と圧電体を交互に積層して構成されており、変位発生用積層型圧電素子１よりも圧電体の積層数が少なくされている。予荷重印加用積層型圧電素子１５は、変位発生用積層型圧電素子１が伸長したときに縮むように同期して駆動するようになっている。
【００２３】
以上のように構成されたアクチュエータでは、予荷重印加部９が、バネ部材１３と予荷重印加用積層型圧電素子１５とを有するため、変位発生用積層型圧電素子１と、予荷重印加部９、予荷重印加ケース５との間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子１５に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００２４】
また、予荷重印加用積層型圧電素子１５を、変位発生用積層型圧電素子１が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子１が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子１に印加される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、衝撃で圧電体や不活性体１ｂが破損することがなく、安定した変位特性を確保できる。
【００２５】
即ち、変位発生用積層圧電素子１が外部より電圧を受け伸長した場合、その上部に連結された予荷重印加部９のバネ部材１３は、変位発生用積層圧電素子１の伸長方向、つまり荷重がより増加する方向へ縮められ、その縮められた時に生じる荷重の変動が、変位発生用積層圧電素子１への荷重変動となる。この荷重変動は、予荷重印加部９と予荷重印加ケース５とが強固に連結されている場合は、バネ部材１３の伸縮に依存されるが、バネ部材１３の変形を一定とすることにより、荷重変動の抑制が可能となる。従って、予荷重印加用積層圧電素子１５に印加される電圧を制御して、バネ部材１３の変形を一定とすることによって、安定した変位量の供給が可能となる。
【００２６】
また、予荷重印加ケース５を剛体とすることができるため、予荷重をさらに一定とすることができ、さらに、密閉ケース６に易変形部が形成されているため、変位発生用積層型圧電素子１の変位を変位伝達部材７を介して外部に有効に伝達できる。
【００２７】
図２は、本発明の他の例を示すもので、予荷重印加用積層型圧電素子１５と、予荷重印加ケース５との間には、予荷重を測定するリング状のセンサ２５が設けられている。このセンサ２５は、圧電体と内部電極を交互に積層して構成されており、変位伝達部材７の棒状体７ａが挿通している。
【００２８】
このようなアクチュエータでは、予荷重が一定ならば、センサ２５に発生する電圧が一定となるため、センサ２５の電圧変動により予荷重変動をモニタでき、このデータを予荷重印加用積層型圧電素子１５にフィードバックすることにより、更に精度よく荷重の変動を抑制することができる。
【００２９】
尚、本発明では、予荷重印加部９の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向への変形量が、予荷重印加ケース５の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向への変形量よりも大きくされている。これは、予荷重印加部９が予荷重印加ケース５より大きく熱変形することにより、予荷重を印加するための予荷重印加部９のたわみ量の変化が小さくなり、予荷重印加用積層型圧電素子１５の調整幅を小さくすることができ、予荷重印加用積層型圧電素子１５に印加される電圧を小さくできるため、信頼性を向上できる。
【００３０】
図３は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ２５が収容されている。
【００３１】
噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
【００３２】
また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１を有している。そして、収納容器３１内には、上記したアクチュエータ４３が収納されている。
【００３３】
このような噴射装置では、アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されるとアクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータでは、予荷重印加部が、変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有するため、例えば、積層型圧電素子と、予荷重印加部、予荷重印加ケースとの間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００３５】
また、予荷重印加用積層型圧電素子を、変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子に印可される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、荷重変動の抑制を図ることができる。
【００３６】
従って、高い印加電界で高速で長期間連続作動する場合において、外的要因による温度の変化や荷重の変動があった場合でも、安定した変位特性を確保できる信頼性の高いアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の他のアクチュエータを示す断面図である。
【図３】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図４】従来のアクチュエータを示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・変位発生用積層圧電素子
３・・・ベース部材
５・・・予荷重印加ケース
９・・・予荷重印加部
１３・・・バネ部材
１５・・・予荷重印加用積層型圧電素子
２５・・・センサ
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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