JP2011129736A - Piezoelectric actuator - Google Patents

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piezoelectric actuator
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Koichi Mochizuki
孝一 望月
Teppei Matsumoto
哲平 松本
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Denso Corp
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Denso Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator that can be also used in a high-pressure fluid in which various impurities are mixed, and has a large degree of freedom of design for qualities of the high-pressure fluid and a piezo stack. <P>SOLUTION: A case 50 which houses the piezo stack 4 is formed using an elastically deformable metal material, and has a thin elastic portion 51a formed of an annular groove 51c extending to the overall periphery, and the thin elastic portion 51a is elastically deformed in response to expansion and contraction of the piezo stack 4 to axially extend and contract. Also, in the case 50, second metal members 52 made cylindrically of metals are arranged opposite each other. Consequently, portions which are exposed to the high-pressure fluid are made of the metals to form a structure which is not easily influenced by impurities, and the expansion and contraction of the piezo stack 4 can be coped with, by varying the thickness and width of the thin elastic portion 51a. Therefore, the thickness and width of the thin elastic portion 51 can be easily and precisely varied not to mention adaptation to various high-pressure fluids, thereby the degree of freedom of design is large. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a piezoelectric actuator used as a drive source for various functional components, and is particularly suitable as a drive source for a functional component used under a high-pressure fluid, such as an injector of a fuel injection device for an internal combustion engine mounted on a vehicle. The present invention relates to a piezoelectric actuator.

(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)。
(Conventional technology)
Conventionally, a piezoelectric actuator using expansion and contraction of a piezo stack is known as a driving source that exhibits a powerful driving force. In recent years, in particular, in fuel injection devices for internal combustion engines, fuel injection pressure has been increased by injectors in order to further atomize the fuel spray injected from the injectors and increase combustion efficiency, enhancing injection response. Including this, a piezoelectric actuator has been adopted as a drive source for the injector (see, for example, Patent Document 1).

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。   However, since this type of piezoelectric actuator does not like the moisture and foreign matter entering from the outside, the place where the piezoelectric stack is accommodated must be devised such as a sealed structure. There are restrictions.

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。
On the other hand, when a piezoelectric actuator is employed as the drive source of the above-described injector, as is apparent from Patent Document 1, the surroundings of the piezoelectric actuator are made of fuel from the physique, functional aspect, manufacturing aspect, and the like imposed on the injector itself. It is in a situation where the structure that is satisfied, in other words, the structure in which the piezoelectric actuator is exposed to the high-pressure fuel must be taken.
In addition, as fuel is apt to dissolve in water, as represented by gasoline, it is important to pay attention to the fuel to be used because foreign matter and impurities are easily mixed even with light oil.

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)。
Therefore, there is a strong demand for a versatile one that completes the sealing of the piezo stack by itself on the piezoelectric actuator side and can be mounted on various injectors.
Therefore, in the piezoelectric actuator, as a structure for sealing the piezo stack, it is considered that the entire piezo stack is surrounded by a resin such as a resin film or accommodated in a bellows-like metal case (for example, Patent Document 2, 3).

(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。
(Problems of conventional technology)
However, such a structure has the following problems.
First, the former resin surrounding structure (see Patent Document 2) has a protective function against moisture and foreign matters, but as represented by light oil, the fuel includes chemical substances such as cleaning agents and ionized substances (hereinafter referred to as impurities). In general, the impurities may cause deterioration of the resin due to the influence of the impurities, or may penetrate the resin film and adversely affect the piezo stack. In particular, recently, fuels contain various impurities in terms of production and handling, and fuels with various components tend to be developed and used as alternatives to fossil fuels. For example, it has poor versatility as a powerful drive source using piezoelectric actuators.

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。   Further, since the latter bellows structure (see Patent Document 3) is made of metal, the degree of freedom of fuel selection can be ensured, but the desired expansion / contraction appropriate for the pressure of the fuel used and the required characteristics of the piezo stack can be ensured. In order to ensure the action, it is necessary to form the bellows part, the peak part, and the valley part with a certain thickness and with a high accuracy in a curved surface, but it is difficult to manufacture such a curved part with high accuracy. Further, productivity is poor and design flexibility for obtaining a desired stretching action is lacking.

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。   The example of the injector has been described in detail above. This type of piezoelectric actuator is now used in various applications such as a drive source of a valve of a hydraulic device, and can be used for various high-pressure fluids. Therefore, a useful piezoelectric actuator having a design freedom corresponding to diversification of applications is desired.

特開2008−255869号公報JP 2008-255869 A 特表2009−527117号公報Special table 2009-527117 独国特許出願公開第102008003839号明細書German Patent Application Publication No. 102008003839

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。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can be used even under a high-pressure fluid in which various impurities are mixed, and that has a high degree of design freedom with respect to the characteristics of the high-pressure fluid and piezo stack according to the application.

[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。
[Means of claim 1]
According to the first aspect of the present invention, the case that forms a cylindrical body as a whole that divides the inside that accommodates the piezo stack and the outside that is exposed to the high-pressure fluid is formed of an elastically deformable metal material. , Having a thin thin elastic portion formed by a groove over the entire circumference, and this thin elastic portion is elastically deformed in response to expansion and contraction in the axial direction of the piezo stack (piezo element stacking direction). As a result, the case expands and contracts in the axial direction.

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。   As a result, the portion exposed to the high-pressure fluid has a structure made of metal and is not easily affected by impurities, so that it can handle high-pressure fluids of various properties, as well as the thickness and axial width of the thin elastic portion. Furthermore, the degree of axial elasticity (a kind of spring constant) in the case can be freely set by the combination of the number of the thin elastic portions arranged in the axial direction. Since it can be selected easily and accurately, the productivity is high, and the design flexibility for the characteristics of the high-pressure fluid and piezo stack according to the application is large.

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。   Further, a metal reinforcing member having a cylindrical body is provided inside the case with a predetermined clearance. Since this reinforcing member has its own rigidity due to its cylindrical shape, it can prevent problems (such as excessive local deformation that leads to plastic deformation of the thin elastic part) due to the provision of the thin elastic part, and by providing clearance. Since the contact area between the case and the reinforcing member can be reduced, inhibition of expansion and contraction due to contact can be minimized.

[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。
[Means of claim 2]
According to the invention described in claim 2, the case is combined with a part of the reinforcing member to partition the inside and the outside. Therefore, the reinforcing member can be effectively used as a part of the case component as well as the case reinforcement.

[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。
[Means of claim 3]
According to invention of Claim 3, all the reinforcement members are accommodated in the inside of a case. According to such a configuration, the reinforcing member is not involved in the inside and outside compartments of the case at all, and thus may not be a complete cylindrical body.

[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。
[Means of claim 4]
According to invention of Claim 4, a thin elastic part is provided by the groove | channel formed only in the outer peripheral surface of a case. According to such a configuration, the thin elastic portion is located on the inner peripheral surface side, and even if the influence of high-pressure fluid is applied when elastically deforming so as to swell inward (reinforcing member side), the base of the thin elastic portion is provided. The stress applied to the portion can be reduced.

[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。
[Means of claim 5]
According to invention of Claim 5, a thin elastic part is provided by the some annular groove formed only in the outer peripheral surface of a case.
[Means of claim 6]
According to the sixth aspect of the present invention, the thin elastic portion is provided by a spiral groove formed only on the outer peripheral surface of the case.
According to the configurations of both of the above claims, since the axial width of the thin elastic portion can be substantially divided into a plurality of portions, the degree of elasticity (a kind of spring constant) can be freely adjusted while maintaining the strength. be able to.

[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。
[Means of Claim 7]
According to the seventh aspect of the present invention, the coating made of a material having a low friction coefficient is provided on the inner peripheral surface of the case or the outer peripheral surface of the reinforcing member. Therefore, even if the inner peripheral surface of the case comes into contact with the outer peripheral surface of the reinforcing member due to the elastic deformation of the thin elastic portion, it smoothly slides and does not adversely affect the expansion / contraction action of the piezo stack. Further, the clearance can be set smaller, which is advantageous for downsizing.

[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。
[Means of Claim 8]
According to the eighth aspect of the invention, the coating made of a material having a low coefficient of friction is provided only on the surface of the thin elastic portion facing the reinforcing member, or only on the surface of the reinforcing member facing the thin elastic portion. According to this configuration, the same function as that of the invention of claim 7 can be obtained efficiently with a small amount of coating.

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。It is a longitudinal section showing typically the whole composition of the injector provided with the piezoelectric actuator concerning Example 1 of the present invention. 図1に示す圧電アクチュエータの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the piezoelectric actuator shown in FIG. 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。It is a longitudinal cross-sectional view of the piezoelectric actuator which concerns on Example 2 of this invention. (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。(A), (b) It is typical sectional drawing of the effect verification model for demonstrating the characteristic of the piezoelectric actuator which concerns on this invention. 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。It is a graph which shows the analysis result of the effect verification model shown in FIG.

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。   The best mode for carrying out the present invention can be used even under a high-pressure fluid mixed with various impurities, and increases the degree of design freedom with respect to the characteristics of the high-pressure fluid and piezo stack according to the application. The piezo stack housing case is devised, that is, a case made of an elastically deformable metal material, a thin elastic part is formed by a groove around the entire circumference, and this case is reinforced inside the case. This is realized by providing a cylindrical metal reinforcing member and elastically deforming the thin elastic portion in response to expansion and contraction of the piezo stack.

[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。
[Example 1]
FIG. 1 shows an injector provided with a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention as a drive source. First, the overall configuration and function of the injector 1 will be described.

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。
The injector 1 is mounted on a direct injection type engine (not shown) such as a diesel engine, and injects and supplies high pressure fuel received from a common rail directly into the cylinder, and lifts the needle 2. The fuel is injected by opening the nozzle hole 3 by driving.
A piezoelectric actuator 5 having a built-in piezo stack 4 is incorporated as means for enhancing this driving force, and the extension force of the piezo stack 4 is used as the driving force for the needle 2. Details of the piezoelectric actuator 5 will be described later.

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。   The injector 1 includes a needle 2 that opens and closes a nozzle hole 3, a piezoelectric actuator 5 that expands and contracts in the axial direction, a piston 6 that moves forward and backward in the axial direction in accordance with the expansion and contraction of the piezoelectric actuator 5, and a needle 2 that is slidable. A first sleeve 7 for supporting, a second sleeve 8 for slidably supporting the piston 6, a flange 9 disposed between the first and second sleeves 7, 8, and the first and second sleeves 7, 8 and a body 10 into which the flange 9 is loosely inserted.

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。   The needle 2 forms a first shaft portion 13 that is supported by the first sleeve 7 at a portion on the rear end side in the axial direction. Further, the portion on the distal end side in the axial direction forms a second shaft portion 14 that is provided with a smaller diameter than the first shaft portion 13 and is slidably supported by the body 10. Furthermore, the portion on the tip side from the second shaft portion 14 (that is, the tip portion of the needle 2) is provided with a diameter smaller than that of the second shaft portion 14 and forms a valve portion 15 that opens and closes the nozzle hole 3. Therefore, the needle 2 opens and closes the nozzle hole 3 when the first and second shaft portions 13 and 14 are individually slidably supported and displaced in the axial direction.

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。
Here, the body 10 includes a first inner chamber 17 having a large diameter that accommodates the first and second sleeves 7 and 8 and the flange 9, and a second inner portion having a smaller diameter than the first inner chamber 17 at the distal end thereof. The second shaft portion 14 is supported by the body 10 such that its outer peripheral surface 19 is in sliding contact with an inner peripheral surface 20 forming the second inner chamber 18.
The first and second sleeves 7 and 8 and the flange 9 are integrally arranged adjacent to each other in the axial direction in the order of the first sleeve 7, the flange 9, and the second sleeve 8 from the front end side. The body 21 is constituted.

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。   In the second inner chamber 18, the space formed by the inner peripheral surface 20 and the outer peripheral surface 22 of the valve portion 15 forms a nozzle chamber 23 into which fuel that exerts fuel pressure on the needle 2 in the valve opening direction flows in and out. In addition, a seat surface 24 to which the valve portion 15 is attached and detached is provided on the distal end side of the inner peripheral surface 20, and the injection hole 3 is opened at the distal end of the seat surface 24. Therefore, when the valve portion 15 is separated from the seat surface 24, the space between the nozzle hole 3 and the nozzle chamber 23 is opened, the fuel in the nozzle chamber 23 is injected from the nozzle hole 3, and the valve portion 15 is seated on the seat surface 24. Then, the space between the nozzle hole 3 and the nozzle chamber 23 is closed, and fuel injection is stopped.

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。   The piezoelectric actuator 5 has a rear end fixed to the body 10 and a front end in contact with the rear end surface of the piston 6. When a voltage is applied, the piezoelectric actuator 5 expands toward the distal end side and biases the piston 6 toward the distal end side. The first internal chamber 17 is filled with high-pressure fuel received from the common rail, and the piezoelectric actuator 5 is housed in the first internal chamber 17 and is therefore exposed to the high-pressure fuel.

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。   The piston 6 forms a cylindrical body having a flange portion 25 on the rear end side, and forms a pressure chamber 27 by the front end surface 26. The piston 6 is displaced to the front end side by an extension force received from the piezoelectric actuator 5, and the pressure chamber 27. Increase the fuel pressure. That is, the tip surface 26 forms a pressurizing surface that increases the fuel pressure in the pressure chamber 27. When the extension force of the piezoelectric actuator 5 is no longer generated, the piston 6 is biased by a first spring 28 described later and is displaced to the rear end side.

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。   The first sleeve 7 is urged toward the distal end side and is seated on the inner surface 30 forming the first inner chamber 17, thereby forming a control chamber 31 together with the needle 2 and the body 10. That is, the control chamber 31 is defined by the inner peripheral surface 32 of the first sleeve 7, the outer peripheral surface 19 of the second shaft portion 14, the tip surface 33 of the first shaft portion 13, and the inner surface 30.

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。   The front end surface 33 functions as a pressure receiving surface that receives the fuel pressure in the control chamber 31 toward the rear end, so that the needle 2 is urged in the valve opening direction by the fuel pressure in the control chamber 31. The sleeve body 21 is urged toward the distal end side by a first spring 28 described later, and the distal end surface of the first sleeve 7 is seated on the inner surface 30.

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。   The second sleeve 8 forms a pressure chamber 27 together with the piston 6 and the flange 9. That is, the pressure chamber 27 is defined by the inner peripheral surface 36 of the second sleeve 8, the front end surface 26 of the piston 6, and the rear end surface 37 of the flange 9. And the fuel pressure of the pressure chamber 27 is increased / decreased because the front end surface 26 functions as a pressurization surface as mentioned above. That is, as the piston 6 advances and retreats, the volume of the pressure chamber 27 is expanded and contracted, and the fuel pressure in the pressure chamber 27 is increased or decreased.

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。   Further, since the pressure chamber 27 communicates with the control chamber 31 through the communication passage 35, when the fuel pressure in the pressure chamber 27 is increased or decreased, the fuel pressure in the control chamber 31 is also increased or decreased. That is, the fuel pressure in the control chamber 31 is also increased or decreased according to the advance / retreat of the piston 6. Note that. The communication path 35 is isolated from the flange 9 filled with high-pressure fuel and the first inner chamber 17 on the outer peripheral side of the first sleeve 7, and penetrates the flange 9 and the first sleeve 7.

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。   A first spring 28 is mounted between the tip of the second sleeve 8 and the flange 25 of the piston 6. The first spring 28 urges the second sleeve 8 and the piston 6 in opposite directions in the axial direction, and urges the second sleeve 8 toward the distal end side so that the first sleeve 7 is moved toward the body 10. Seated on the inner surface 30. The first spring 28 functions as a restoring spring for the piston 6 by urging the piston 6 toward the rear end.

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。   The flange 9, together with the first sleeve 7 and the needle 2, forms a back pressure chamber 41 into which fuel that exerts fuel pressure on the needle 2 in the valve closing direction flows in and out. Therefore, the needle 2 receives the fuel pressure of the back pressure chamber 41 in the valve closing direction by the rear end face 42. The front end surface 43 of the flange 9 comes into contact with the rear end surface 42 of the needle 2 when the needle 2 is lift-driven and displaced toward the rear end side. That is, the flange 9 functions as a stopper that regulates the lift amount of the needle 2.

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。   Further, the back pressure chamber 41 communicates with the first internal chamber 17 through a communication passage 40 provided in the flange 9, and fuel flows into and out of the first internal chamber 17 through the communication passage 40. . Further, the back pressure chamber 41 communicates with the nozzle chamber 23 through a communication passage 46 provided in the second shaft portion 14. The back pressure chamber 41 accommodates a second spring 47 that biases the needle 2 in the valve closing direction.

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。   With the above configuration, when a voltage is applied to the piezoelectric actuator 5, the piston 6 is displaced to the tip side, and the fuel pressure in the pressure chamber 27 is increased. As a result, the fuel increased in pressure in the pressure chamber 27 flows into the control chamber 31 via the communication path 35, so that the fuel pressure in the control chamber 31 is also increased and the needle 2 is driven in the valve opening direction. For this reason, the nozzle hole 3 is opened and the fuel in the nozzle chamber 23 is injected.

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。   At this time, the fuel in the back pressure chamber 41 flows out to the first inner chamber 17 through the communication passage 40, and the lift amount of the needle 2 is regulated by the first shaft portion 13 coming into contact with the flange 9. Further, high-pressure fuel flows into the nozzle chamber 23 from the first inner chamber 17 through the communication passage 40, the back pressure chamber 41, and the communication passage 46.

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。   When the voltage application to the piezoelectric actuator 5 is stopped, the fuel pressure in the pressure chamber 27 is not increased, so the fuel pressure in the control chamber 31 is also reduced. As a result, the needle 2 is urged by the second spring 47 and driven in the valve closing direction, the nozzle hole 3 is closed, and fuel injection is stopped. Further, high pressure fuel flows from the first inner chamber 17 into the back pressure chamber 41 through the communication passage 40, and the piston 6 is urged by the first spring 28 to be displaced to the rear end side.

(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。
(Background of Example 1)
As described above, since the piezoelectric actuator 5 is efficiently incorporated in the injector 1, it is constantly exposed to high-pressure fuel. For this reason, when the piezo stack 4 is exposed and directly touches the fuel, problems such as malfunction occur due to the influence of components contained in the fuel. Therefore, it is important to seal the piezo stack 4.

(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。
(Characteristics of Example 1)
The above-mentioned piezo stack 4 itself is a well-known general one, and is configured by laminating a plurality of piezo elements, and has a function of expanding and contracting in the laminating direction by charge and discharge, and seals the piezo stack 4. Therefore, the piezoelectric actuator 5 according to the first embodiment employs the following technique and will be described in detail with reference to FIG.

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。   The piezoelectric actuator 5 is arranged so as to cover the outer periphery of the piezo stack 4, and includes a case 50 that divides an inside that accommodates the piezo stack 4 and an outside that is exposed to fuel (high pressure fluid) and seals the piezo stack 4. Yes. The case 50 has a cylindrical body (particularly a cylindrical body) as a whole, and is disposed inside the first metal member 51 and a first metal member 51 that forms an outer frame that is substantially exposed to fuel. A pair of metal members that support the second metal member 52 that reinforces the first metal member 51 and the both ends of the piezo stack 4 in the stacking direction and that covers the open ends of the first and second metal members 51 and 52. Support members 53 and 54.

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。   The first metal member 51 is made of an elastically deformable metal material. As this material, an amorphous metal such as metallic glass (for example, Zr—Al—Ni—Cu alloy) or a titanium alloy such as rubber metal (registered trademark) is preferable. These metals have characteristics such as being able to achieve both low Young's modulus and high tensile strength, exhibiting non-hysteretic elastic deformation behavior with superelastic properties, and a simplified shape as described below. Can be manufactured accurately and easily by known casting methods and cold working methods.

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。   Further, the first metal member 51 has a thin elastic portion 51a having a small thickness and a rigid portion 51b having a large thickness by changing the thickness only on the outer peripheral surface side. In other words, the thin elastic portion 51a and the rigid portion 51b are divided and formed by a plurality of annular grooves 51c over the entire circumference, and each has an annular shape with a rectangular cross section so as to surround the outer periphery of the first metal member 51. None and are alternately arranged in the axial direction. Therefore, the first metal member 51 expands and contracts in the axial direction due to the elastic deformation of the thin elastic portion 51a. Thus, the expansion / contraction function can be ensured with a simple shape of only the thin elastic portion 51a.

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。   On the other hand, the second metal member 52 is formed of a high-strength material such as stainless steel (for example, SUS304), and has a cylindrical body as a whole. A large-diameter portion 52a having an outer diameter substantially the same as the inner diameter of one metal member 51, and a lower-diameter portion having an outer diameter smaller than the inner diameter of the first metal member 51 toward the lower end side (tip side) in the figure below 52b. The outer peripheral surface of the small diameter portion 52b faces the inner peripheral surface of the first metal member 51 through a slight clearance 55 that allows elastic deformation of the thin elastic portion 51a.

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。   Of the pair of support members 53 and 54, one support member 53 located on the upper end side (rear end side) in the figure has a disk shape. Further, the other support member 54 located on the lower end side (tip side) in the figure has a disk shape as a whole, but the upper surface side in the figure has a stepped recess having a large diameter hole part 54a and a small diameter hole part 54b. The lower surface side in the figure is formed as a spherical convex portion 54d. The convex portion 54d acts on the piston 6 described above.

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。   And the inner peripheral surface of the large diameter part 52a of the 2nd metal member 52 is fitted to the outer peripheral surface of one supporting member 53, and it seal-joins by laser welding over the perimeter. Further, the outer peripheral surface of one end (the lower end side in the figure) of the first metal member 51 is fitted into the inner peripheral surface of the large-diameter hole portion 54a of the other support member 54, and is sealed and bonded by laser welding over the entire periphery. . Further, the inner peripheral surface of the other end (the upper end side in the drawing) of the first metal member 51 is fitted to the outer peripheral surface of the large-diameter portion 52a of the second metal member 52 and is sealed by laser welding over the entire periphery. . Therefore, the large diameter portion 52a forms a part of the case 50 that accommodates the piezo stack 4 and is exposed to the fuel.

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。   The small-diameter portion 52b of the second metal member 52 is free at the lower end in the figure, although it is inserted into the small-diameter hole portion 54b of the concave portion 54c with respect to the other support member 54. The space 56 between the small-diameter portion 52b and the concave portion 54c is adjusted to such a dimension that the lower end of the small-diameter portion 52b does not contact the bottom portion of the concave portion 54c even when the first metal member 51 contracts to the maximum.

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。
Therefore, the conventionally known piezo stack 4 includes, for example, an integrally laminated element group 4a configured by laminating a plurality of piezo elements, an insulating substrate 4b for electrically insulating the support members 53 and 54, and an element. The insulating coating 4c that protects the group 4a is formed as a main component.
As described above, the piezo stack 4 expands when a voltage is applied, and the axial length of the first metal member 51 needs to be preset in order to be used as an actual machine.

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。   That is, the state shown in the figure shows a state when the piezo stack 4 is extended to the maximum extent (at the time of operation), and when the piezo stack 4 is not operating (at the time of the minimum shaft length), the first state is correspondingly generated. The metal member 51 itself must also have its axial length contracted. Therefore, in the process of assembling the first metal member 51, the above-described seal joining (the first metal member 51 and the support member 54) is performed in a state where the thin elastic portion 51a is elastically deformed (deformed so as to swell toward the inner peripheral surface). Is made). In addition, in order to ensure this contracted state smoothly, the above-described clearance 55 and separation space 56 are useful.

(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。
(Effect of Example 1)
In the above configuration, the first metal member 51 responsible for the axial expansion and contraction of the case 50 must respond to the expansion and contraction characteristics of the piezo stack 4. The expansion / contraction characteristics (a kind of spring constant) of the first metal member 51 can be uniquely determined by the degree of elasticity of the thin elastic portion 51a. In other words, in the thin elastic part 51a, the degree of elasticity can be freely selected according to the thickness, the axial width, and the number of installations (the number of divisions), and it also has a simple shape as a whole. As described above, the manufacture of the first metal member 51 can be accurately and easily achieved by a known manufacturing method. Thereby, the design freedom with respect to the fuel pressure according to the application and the characteristics of the piezo stack 4 can be largely secured.

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。
The first metal member 51 is exposed to high-pressure fuel, and particularly has a thin elastic portion 51a. Therefore, the first metal member 51 is easily bent in the radial direction, and the thin elastic portion 51a locally undergoes excessive elastic deformation. This may cause problems such as malfunction of the piezo stack 4 and damage to the first metal member 51. On the other hand, the second metal member 52 disposed on the inner side has a cylindrical shape and has a rigidity itself, so that the first metal member 51 is reinforced from the inner side to prevent the above-described problems. Can do.
The second metal member 52 can be easily obtained by cutting a metal pipe like a stainless steel pipe, but a pair of halved cylindrical members may be joined to form a pipe.

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。
Further, since the clearance 55 exists between the first metal member 51 and the second metal member 52, even if the thin elastic portion 51a is elastically deformed so as to swell toward the inner peripheral surface side, the second metal member Contact with 52 can be avoided.
In addition, this thin elastic part 51a is located in the inner peripheral surface side, and as a matter of course, the stress at the time of elastic deformation applied to the base portion can be reduced as compared with the case where it is positioned on the outer peripheral surface side. In this embodiment, the root portion is provided at a right angle, but the stress can be further relaxed by forming it at a curved surface.

[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。
[Example 2]
FIG. 3 shows the piezoelectric actuator 5 according to the second embodiment of the present invention. Compared to the first embodiment, the structure of the case 50 has the following characteristics.
In the present embodiment, one support member 53 located on the upper end side (rear end side) in the figure has a disk shape but has a large diameter portion 53a and a small diameter portion 53b. The upper end of the cylindrical first metal member 51 is directly fitted into the large-diameter portion 53a, and is sealed by laser welding.
On the other hand, the second metal member 52 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the first metal member 51, but has the same outer diameter over the entire length, and an upper end that forms a fixed end inside the first metal member 51. Is fitted into the small-diameter portion 53b and sealed by laser welding.

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。   According to the said structure, since the 2nd metal member 52 is located inside the 1st metal member 51 over the full length and all are accommodated in the 1st metal member 51, it is not exposed to a high pressure fuel. Therefore, the 2nd metal member 52 should just be a form of the grade which achieves a reinforcement function, and does not need to be a perfect cylindrical body. For example, a pair of substantially halved members may be arranged to face each other with a gap therebetween to constitute a substantially cylindrical body. In this way, selection of a material for forming the second metal member 52 is advantageous.

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。
Since the features of the present invention are summarized in the structure of the case 50, the verification results of characteristics obtained by the present invention will be described with reference to FIGS.
First, two types of models shown in FIGS. 4A and 4B were prepared as effect verification models for the case 50. 4A shows a plurality of types of thin elastic portions 51a of the first metal member 51, and FIG. 4B shows a single type of thin elastic portions 51a of the first metal member 51 that are extremely wide. Is schematically shown.

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。
The outer tube A corresponds to the first metal member 51, which is made of metal glass as an elastically deformable metal material and formed into a predetermined shape by a casting method. Fixed and fully constrained.
The inner tube B corresponds to the second metal member 52, is made of a stainless steel tube, and is disposed on the inner side of the outer tube A via a clearance C (corresponding to the above-described clearance 55). The upper end is fixed to the support base X and is in a completely restrained state, but the lower end is separated from the support base Y and becomes a free end.

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。
Here, the outer tube A had a Young's modulus of 100 GPa and a yield stress of 1650 MPa, and the dimensions of the main shape necessary as a model were determined as follows.
Inner diameter D of first metal member 51 = 7.5 mm, maximum effective length L = 20 mm contributing to elastic deformation, thickness Ta = 0.1 mm of thin elastic portion 51a, Tb = 0.114 mm, axis of thin elastic portion 51a Directional width Ha = 3, thickness Tc of rigid portion 51b = 0.2 mm, axial width Hb of rigid portion 51b = 1.25 mm, axial length K of both ends of first metal member 51 = 3 mm, first metal member The thickness Td of both ends of 51 is 1 mm.

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。
When an external pressure corresponding to a high pressure fluid is applied from the outer periphery of the outer tube A (in this example, it is uniquely set to 20 MPa), the outer tube A is elastically deformed, and its inner peripheral surface is the outer peripheral surface of the inner tube B. To touch. The graph of FIG. 5 shows the result of measuring the total radial load R (kN) applied to the inner tube B at this time according to the size of the clearance C (μm). The solid line shown in FIG. 5 is the result of the model shown in FIG. 4A, and the broken line shown in FIG. 5 is the result of the model shown in FIG. 4B. As shown by the arrows, the solid line is about 20 (μm). It can be put to practical use up to the nearby clearance.
The frictional force generated when the inner peripheral surface of the outer tube A slides on the outer peripheral surface of the inner tube B due to elastic deformation of the outer tube A can be converted into a radial load applied to the inner tube B.

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。
On the other hand, making the clearance C as small as possible is important for miniaturization of the piezoelectric actuator 5 and lowers the coefficient of friction during sliding contact between the inner peripheral surface of the outer tube A and the outer peripheral surface of the inner tube B. It is desirable to take measures. As such means, use of a coating made of a material having a low friction coefficient can be mentioned. As a material having a low coefficient of friction, a well-known Teflon (registered trademark) or molybdenum material having excellent lubricity can be used.
Next, this film will be described.

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。
One is means for providing a coating made of a material having a low coefficient of friction on at least one of the inner peripheral surface of the first metal member 51 and the outer peripheral surface of the second metal member 52.
As another example, a coating made of a material having a low friction coefficient only on the surface of the thin elastic portion 51a facing the second metal member 52 or only on the surface of the second metal member 52 facing the thin elastic portion 51a. It is means to provide. According to this latter means, a coating is effectively provided only on the surface where friction is most likely to occur, and the same low friction function can be efficiently imparted with a small amount of coating.

[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。
[Modification]
In the above embodiment, the case 50 has a cylindrical shape as an example. However, it may be a polygonal cylinder such as a square. In short, it covers the outer periphery of the piezo stack 4 and houses the piezo stack 4 and the high pressure. Any shape may be used as long as it forms a cylindrical body that divides the outside exposed to the fluid and prevents the piezo stack 4 from touching the high-pressure fluid. It is also possible to integrate the first metal member 51 and the one support member 53.
The annular groove 51c forming the thin elastic portion 51a may be spiral. In this case, the thin elastic portion 51a also has a spiral shape, and the case 50 expands and contracts in the axial direction while rotating. This is useful for applications that allow such movement.
In any case, substantially dividing the axial width of the thin elastic portion 51a into a plurality of grooves by a plurality of grooves can freely adjust the degree of elasticity (a kind of spring constant) while maintaining the strength. Therefore, as is clear from the comparison shown in FIGS. 4 and 5, it is advantageous in design.

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
4 Piezo stack 5 Piezoelectric actuator 50 Case 51 First metal member 51a Thin elastic portion 51b Rigid portion 51c Annular groove 52 Second metal member (reinforcing member)
53 Support members
54 Support member 55 Clearance

Claims (8)

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。
A piezo stack that is constructed by laminating a plurality of piezo elements, and expands and contracts in the laminating direction by charge and discharge,
A case that is arranged so as to cover the outer periphery of the piezo stack, and that forms a cylindrical body as a whole that divides the inside that houses the piezo stack and the outside that is exposed to the high-pressure fluid;
In the piezoelectric actuator in which the case expands and contracts in the stacking direction of the piezo stack as the piezo stack expands and contracts,
The case is formed of an elastically deformable metal material, and has a thin thin elastic portion formed by a groove over the entire circumference,
Provided inside the case is a metal reinforcing member that is disposed opposite to the case via a clearance that allows elastic deformation of the thin elastic portion and forms a cylindrical body that reinforces the case. Piezoelectric actuator characterized by being made.
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。
The piezoelectric actuator according to claim 1,
A portion of the reinforcing member is exposed to a high pressure fluid;
The other part of the reinforcing member is accommodated in the case,
The case is combined with a part of the reinforcing member, and divides an inside that houses the piezo stack and an outside that is exposed to a high-pressure fluid.
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。
The piezoelectric actuator according to claim 1,
All of the reinforcing members are accommodated in the case.
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。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thin elastic portion is provided by the groove formed only on the outer peripheral surface of the case.
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。
The piezoelectric actuator according to claim 4,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thin elastic portion is provided by a plurality of annular grooves formed only on the outer peripheral surface of the case.
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。
The piezoelectric actuator according to claim 4,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the thin elastic portion is provided by a spiral groove formed only on the outer peripheral surface of the case.
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。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6,
A piezoelectric actuator characterized in that a coating made of a material having a low friction coefficient is provided on at least one of the opposing surfaces of the case and the reinforcing member.
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。



The piezoelectric actuator according to any one of claims 4 to 6,
A piezoelectric actuator characterized in that a coating made of a material having a low coefficient of friction is provided only on a surface of the thin elastic portion facing the reinforcing member or only on a surface of the reinforcing member facing the thin elastic portion.



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