JP2010103315A - 圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストの上昇を抑制でき、かつ検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁2のニードル12の開閉駆動を制御する圧電アクチュエータ22は、ピエゾ素子層61、71、81と内部電極層62a、b、72a、bとを積層することにより形成されている圧電体ユニット23を有している。圧電体ユニット23は、電圧を印加することにより伸長する駆動部70と、駆動部70から発生する荷重を検出する荷重センサ部60を有している。駆動部70と荷重センサ部60との間には接続層80が設けられており、駆動部70における荷重センサ部60側の駆動部側終端内部電極層73の極性および前記荷重センサ部60における駆動部70側のセンサ部側終端内部電極層63の極性は、共に負側である。
【選択図】図5
【解決手段】燃料噴射弁2のニードル12の開閉駆動を制御する圧電アクチュエータ22は、ピエゾ素子層61、71、81と内部電極層62a、b、72a、bとを積層することにより形成されている圧電体ユニット23を有している。圧電体ユニット23は、電圧を印加することにより伸長する駆動部70と、駆動部70から発生する荷重を検出する荷重センサ部60を有している。駆動部70と荷重センサ部60との間には接続層80が設けられており、駆動部70における荷重センサ部60側の駆動部側終端内部電極層73の極性および前記荷重センサ部60における駆動部70側のセンサ部側終端内部電極層63の極性は、共に負側である。
【選択図】図5
Description
本発明は、圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁に関する。
圧電体層と内部電極層とが交互に積層され、圧電体層に内部電極層より電圧を印加することにより伸長する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの端部に非導電性部材からなるスペーサを介して設けられる圧電体からなる荷重センサとを有する燃料噴射弁が知られている(特許文献1参照)。この燃料噴射弁では、荷重センサにて圧電アクチュエータからの荷重を検出し、その検出結果に基づいて圧電アクチュエータに送信する開弁信号および閉弁信号を学習補正している。
特開平10−288119号公報
しかしながら、上記従来技術の燃料噴射弁では、圧電アクチュエータと荷重センサとは、ケーシング内で一体化させているものの、当該アクチュエータと当該センサとの間には非導電性部材からなるスペーサが介在している。このため、当該アクチュエータおよび当該センサの製造コストを上昇させてしまっており、燃料噴射弁の製造コストをも上昇させている原因の一つとなる。
この製造コストの上昇の原因の一つとなっている考えるスペーサを排除し、当該アクチュエータと当該センサとを隣接して配置させれば、上記問題は解消すると考えるが、次に挙げる新たな問題が発生するおそれがある。製造コストの上昇を抑制すべく、単にスペーサを排除して、当該アクチュエータと当該センサとを隣接して配置させると、高電圧が印加される圧電アクチュエータから荷重センサへの電気リークが発生するおそれがある。
荷重センサへの電気リークが発生すると、圧電アクチュエータからの荷重に応じた荷重センサが発する電圧信号に電気的なノイズがのってしまい、荷重センサの検出精度が低下するという問題が発生する。その結果、その荷重センサからの検出結果に基づいて圧電アクチュエータを制御しようとすることとなるため、噴射制御精度が低下するという問題が発生する。
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストの上昇を抑制でき、かつ検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁を提供することである。
請求項1に記載の発明は、複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層されてなる圧電体ユニットを有する圧電アクチュエータであって、圧電体ユニットは、圧電体層と圧電体層を挟む一対の内部電極層を含み、内部電極層を介して圧電体層に印加する電圧に応じて歪む駆動部と、圧電体層と圧電体層を挟む一対の内部電極層を含み、圧電体層に作用する荷重に応じた荷重信号を内部電極層を介して出力する荷重センサ部とを備え、
駆動部の圧電体層に電圧が印加される際の駆動部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、荷重センサ部に荷重が作用した際の荷重センサ部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、
駆動部における内部電極層のうち、駆動部に電圧が印加されたときの荷重センサ部に最も近くに配置される駆動部側終端内部電極層の極性、および荷重センサ部における内部電極層のうち、荷重センサ部に荷重が作用したときの駆動部に最も近くに配置されるセンサ部側終端内部電極層の極性は、共に負側であることを特徴としている。
駆動部の圧電体層に電圧が印加される際の駆動部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、荷重センサ部に荷重が作用した際の荷重センサ部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、
駆動部における内部電極層のうち、駆動部に電圧が印加されたときの荷重センサ部に最も近くに配置される駆動部側終端内部電極層の極性、および荷重センサ部における内部電極層のうち、荷重センサ部に荷重が作用したときの駆動部に最も近くに配置されるセンサ部側終端内部電極層の極性は、共に負側であることを特徴としている。
この発明によれば、駆動部における駆動部側終端内部電極層の駆動部に電圧が印加されたときの極性、および荷重センサ部におけるセンサ部側終端内部電極層の荷重センサ部に荷重が作用したときの極性、は共に負側であるため、両終端内部電極層間の電位差が非常に小さくなる。両終端内部電極層間の電位差が非常に小さくなるため、駆動部の圧電体層を伸長させるべく、駆動部側終端内部電極層を含む内部電極層に高電圧を印加したとしても、駆動部から荷重センサ部への電気リークを抑えられる。荷重センサ部への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部の内部電極層から取り出される荷重に応じた荷重信号に電気的なノイズがのるという問題を解消でき、荷重センサ部の検出精度を向上できる。
また、荷重センサ部への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部と駆動部との間にスペーサなどの絶縁層を設ける必要性が無くなる、または、絶縁層を非常に薄くできる。圧電アクチュエータの製造コストの上昇を抑制できる。
したがって、両終端内部電極層の極性を負側とすることにより、製造コストの上昇を抑制でき、かつ荷重センサ部における検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータを提供することができる。
なお、特許請求の範囲に記載の「内部電極層の極性が負側」とは、駆動部においては、駆動部に電圧を印加する際の一対の内部電極層のうち、電位が低い側の内部電極層を意味し、荷重センサ部においては、荷重センサ部に荷重が作用したときの一対の内部電極層のうち、電位が低い側の内部電極層を意味する。したがって、極性が負側となる内部電極層の接地の方式は問わない。
請求項2に記載の発明は、センサ部終端内部電極層と駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、接続層は、圧電体層であって、荷重センサ部における圧電体層、または駆動部における圧電体層よりも厚いことを特徴としている。
この発明によれば、両終端内部電極層間に配設される接続層は圧電体層であって、その圧電体層は、荷重センサ部における圧電体層または駆動部における圧電体層よりも厚くなっている。このため、荷重センサ部と駆動部との間の絶縁性をより確かなものとすることができ、荷重センサ部の検出精度を向上させることができる。なお、圧電体層の厚さとは、向かいあう内部電極層の表面間の距離を言う。
請求項3に記載の発明は、センサ部終端内部電極層と駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、接続層は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されていることを特徴としている。
この発明によれば、両終端内部電極層間に配設される接続層は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されているため、接続層の絶縁性を高めるべく荷重センサ部や駆動部に使用する圧電体層とは異なる構造(例えば、層の厚さが他の圧電体層に比べ厚くなっている構造)とせずとも、接続層の厚さを厚くして絶縁性を高めることができる。また、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されている状態であるため、荷重センサ部や駆動部の積層構造と同じとすることができる。
これによれば、圧電体ユニットを一体積層型で形成する際、接続層も荷重センサ部や駆動部と同じ環境で焼成させることができる。このため、焼成後の接続層の状態を荷重センサ部や駆動部と同様とすることができる。内部電極層に焼結助剤としての機能を有する場合は、接続層の機械的強度を確保することができ、圧電体ユニットの品質を向上させることができる。また、圧電体ユニットを構成する圧電体層の厚さの種類を少なくできるため、製造コストの上昇を抑えられる。
そして、内部電極層を含む圧電体層と、内部電極層を含まない圧電体層とでは焼成時の収縮率が異なる。本発明によれば、接続層と、荷重センサ部並びに駆動部との焼成収縮を整合することができる。その結果、焼成収縮が未整合による圧電体ユニットの焼成後の剥離、クラックなどを回避できる。
請求項4に記載の発明は、駆動部側終端内部電極層と、駆動部側終端内部電極層の荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される終端圧電体層は、駆動部における他の圧電体層よりも厚いことを特徴としている。
この発明によれば、駆動部側終端内部電極層の荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される終端圧電体層を、駆動部における他の圧電体層よりも厚くしているので、駆動部を伸縮させたときの、駆動部の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
請求項5に記載の発明は、前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であることを特徴としている。
圧電体ユニットの構成は、大きく分けて二つの形態がある。一つは単板積層型であり、もう一つは一体積層型である。単板積層型の圧電体ユニットは、予め焼成した圧電体層に、内部電極層を印刷、焼成したものを積層するものであり、一体積層型の圧電体ユニットは、圧電体層(グリーンシート)に内部電極層を印刷したものを予め積層しておき、その後、焼成することにより圧電体層と内部電極層とを一体化させるものである。特許請求の範囲に記載の「積層焼成体」は、一体積層型のものを意味している。
なお、単板積層型の圧電体ユニットでは、一般的には、内部電極層と外部とを電気的に接続する導電体(例えば、ステンレスや銅などの金属箔)が圧電体層間に配置されている。
荷重センサ部と駆動部とを単板積層型の圧電体ユニットに形成した場合、駆動部を伸長させたときの荷重を荷重センサ部にて検出しようとすると、導電体が変形する。このため、力の伝達損失が発生し、荷重センサ部の検出精度が低下するおそれがある。また、この導電体の変形は、使用状況により変化するため、駆動部に所定量伸長させるべく所定の電圧を印加したとしても、荷重センサ部の検出結果が変化してしまい検出精度が低下する。
これに対し、この発明によれば、圧電体ユニットは積層焼成体であるため、内部電極層を圧電体層の側壁に露出させることは研削などを行うことで容易に行える。このため、導電体を圧電体層間に挟み込む必要が無い。その結果、駆動部から荷重センサ部に伝わる力の損失を抑制でき、荷重センサ部の検出精度が単板積層型のものと比べ向上する。
圧電体層をアクチュエータとして利用する場合、駆動部の伸長量を極力大きくするために、一層あたりの圧電体層を極力薄く形成し、それらを複数枚積層するとよい。ところが、極力薄くした圧電体層にて駆動部と荷重センサ部とを一つの積層焼成体として形成すると、駆動部を伸長させたとき、駆動部の側面近傍に応力が集中し、応力が集中した箇所が破損するおそれがある。この現象は、駆動部の圧電体層の積層数が多ければ多いほど顕著となる。
請求項6に記載の発明のように、圧電体ユニットを、荷重センサ部を構成する圧電体層および内部電極層と、駆動部の一部分を構成する圧電体層および内部電極層とを有する積層焼成体であるセンサ部付圧電体ユニットと、駆動部の他の部分を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成させることにより、駆動部を伸長させたときの、側面近傍に集中する応力の程度を小さくすることができる。このため、圧電体ユニットの品質を向上させることができる。
請求項7に記載の発明は、圧電体ユニットは、荷重センサ部を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体であるセンサ部圧電体ユニットと、駆動部を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴としている。
この発明によれば、一つのユニットに荷重センサ部と駆動部とを備える場合に比べ、センサ部圧電体ユニットと駆動部圧電体ユニットの仕様を分ける必要が無く、共通の仕様の圧電体ユニットとすることができる。このため、低コストで荷重センサ部を有する圧電アクチュエータを製造できる。
請求項8に記載の発明は、荷重センサ部は、圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されていることを特徴としている。
この発明によれば、荷重センサ部は圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されているので、荷重センサ部の内部電極層に接続する配線と、駆動部の内部電極層に接続する配線の構造を極力簡素化できる。また、荷重センサ部は、圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されているので、駆動部の影響(伸長による引張力や発熱などの外乱)を受け難い。
請求項9に記載の発明は、燃料が噴射される噴孔、噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を有するボデーと、ボデーに収容され、噴孔と高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、高圧燃料通路と連通し、弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、高圧燃料通路と連通し、弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、ボデーに収容され、第一液圧室または第二液圧室のいずれかの燃料圧力を制御する制御弁と、請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータの変位を制御弁に伝達する変位伝達部と、を備えることを特徴としている。
この発明によれば、変位伝達部を介して制御弁を駆動するアクチュエータに請求項1から8に記載の圧電アクチュエータを用いることにより、制御弁の駆動状態を正確に把握することができる。制御弁の駆動状態を正確には把握できるため、制御弁の動作にともなって駆動する弁部材の駆動状態も正確に把握することができる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射の精度を向上させることができる。
請求項10に記載の発明は、燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を内部に有するボデーと、前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、前記ボデーに収容され、移動することにより前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダと、前記シリンダを直接駆動する請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、を備えることを特徴としている。
この発明によれば、移動することにより、第一液圧室または第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダを直接駆動するアクチュエータに請求項1から8に記載の圧電アクチュエータを用いることにより、弁部材の駆動状態を正確に把握することができる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射の精度を向上させることができる。
請求項11に記載の発明は、ボデーには、請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを収容するアクチュエータ室が形成されており、圧電アクチュエータは、液圧調整機構とは反対側に位置するアクチュエータ室の固定端側に荷重センサ部が位置するようにアクチュエータ室に収容されていることを特徴としている。
この発明では、圧電アクチュエータは、前記液圧調整機構とは反対側に位置するアクチュエータ室の固定端側に荷重センサ部が位置するようにアクチュエータ室に収容されているため、荷重センサ部を液圧調整機構側に配置させる場合に比べ、駆動部が発生する荷重の伝達損失を抑制することができ、液圧調整機構または弁部材の駆動状態を正確に把握することができる。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
以下、本発明の圧電アクチュエータ22を、燃料噴射弁2に適用した場合を例に説明する。図1は、本発明の第1実施形態による燃料噴射弁2を含む燃料供給装置1の全体構成を示す断面図である。燃料供給装置1は、ディーゼルエンジンなどの多気筒内燃機関の各気筒に燃料を供給する。燃料供給装置1が取り扱う燃料は、ディーゼル燃料に限らずガソリン燃料であっても良い。
以下、本発明の圧電アクチュエータ22を、燃料噴射弁2に適用した場合を例に説明する。図1は、本発明の第1実施形態による燃料噴射弁2を含む燃料供給装置1の全体構成を示す断面図である。燃料供給装置1は、ディーゼルエンジンなどの多気筒内燃機関の各気筒に燃料を供給する。燃料供給装置1が取り扱う燃料は、ディーゼル燃料に限らずガソリン燃料であっても良い。
燃料供給装置1は、燃料噴射弁2、駆動回路3、電子制御装置4(以下、ECUという)などを備えている。燃料噴射弁2は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに装着されている。燃料噴射弁2は、蓄圧器(図示せず)に蓄えられた高圧燃料を各気筒内に直接燃料を噴射する。燃料噴射弁2に供給された燃料のうち、燃料噴射に利用されなかった燃料はリターン経路8より燃料タンク10に戻される。
燃料噴射弁2は、ノズル11、制御弁18、およびアクチュエータ部21などから構成され、これらの部品は、棒状に形成されているボデー40に収容されている。
ボデー40は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部41、およびリターン経路8に接続する燃料出口部42を有している。ボデー40の軸方向一端側には、収容部43が形成されており、その収容部43には、燃料の噴射、非噴射を制御するノズル11が収容されている。なお、収容部43が、特許請求の範囲に記載の「第一液圧室」に相当する。
ノズル11は、ニードル12、ノズルスプリング16、およびノズルシリンダ17を有している。ニードル12は、収容部43内に摺動自在に保持されている。収容部43の軸方向一端側には、高圧燃料通路46を介して燃料入口部41と連通する噴孔44が形成されている。
この噴孔44の燃料入口部41側には、ニードル12に形成されているシート部13が着座する弁座45が形成されている。弁座45にシート部13が着座することにより、噴孔44への燃料の流れが閉ざされ、噴孔44からの燃料の噴射が停止する。弁座45からシート部13が離座することにより、噴孔44への燃料の流れが許容され、噴孔44から燃料が噴射する。
ノズルシリンダ17は、筒状に形成されており、ニードル12のシート部13とは反対側の端部に形成されているピストン部14を内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入している。ノズルシリンダ17は、ピストン部14および収容部43の内壁とともに内部の燃料圧力が高圧と低圧とに切り替えられる制御室52を形成する。なお、制御室52が、特許請求の範囲に記載の「第二液圧室」に相当する。
ニードル12のシート部13とピストン部14との間にはフランジ部15が形成され、このフランジ部15とノズルシリンダ17との間には、ノズルスプリング16が設けられている。このノズルスプリング16は、ニードル12を、シート部13が弁座45に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
ニードル12は、制御室52内の燃料圧力により閉弁方向に付勢される。また、ニードル12は、燃料入口部41から高圧燃料通路46を介して収容部43に導かれる高圧燃料によりシート部13が弁座45から離座する方向、つまり開弁方向に付勢される。ニードル12は、制御室52内の燃料圧力、収容部43に導かれる高圧燃料の燃料圧力、およびノズルスプリング16の付勢力のバランスにより、閉弁方向または開弁方向への移動が決定される。
制御弁18は、ボデー40の軸方向中間部に形成されているバルブ室53内に収容され、制御室52内の燃料圧力の高圧、低圧を切り替え制御する。バルブ室53は、制御室52と常時連通する連絡通路50、収容部43から分岐した高圧連絡通路47、低圧燃料通路48と接続している。連絡通路50には、コモンオリフィス51が設けられている。
制御弁18は、弁体19、およびバルブスプリング20を有している。弁体19は、バルブ室53の内壁における低圧燃料通路48の開口部の周囲に形成されている低圧側シート面54に離着座することにより、バルブ室53と低圧燃料通路48との間の連通、遮断を制御する。また、弁体19は、バルブ室53の内壁における高圧連絡通路47の開口部の周囲に形成されている高圧側シート面55に離着座することにより、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通、遮断を制御する。弁体19は、低圧側シート面54に着座しているときは、高圧側シート面55から離座しており、反対に低圧側シート面54から離座しているときは、高圧側シート面55に着座する。バルブスプリング20は、低圧側シート面54に着座させる向きに弁体19を付勢する。
アクチュエータ部21は、ボデー40の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室56に収容されている。アクチュエータ室56は、低圧連絡通路49を介して低圧燃料通路48に接続している。
燃料タンク10と燃料出口部42とを接続するリターン経路8には、低圧燃料通路48側の圧力を制御する背圧弁9が配置されている。蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が100MPa以上であるのに対し、背圧弁9は低圧燃料通路48側の燃料圧力を1MPa程度に制御する。
アクチュエータ部21は、圧電アクチュエータ22、および変位伝達部30を有している。圧電アクチュエータ22は、主に圧電体層を複数積層させることにより構成されており、電荷の充放電により伸縮する。圧電アクチュエータ22の構造については後ほど詳細に説明する。
変位伝達部30は、圧電アクチュエータ22の伸縮変位を制御弁18の弁体19に伝達する。変位伝達部30は、アクチュエータシリンダ31、第一ピストン32、および第二ピストン33を有する。第一ピストン32および第二ピストン33は、アクチュエータシリンダ31の内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入されている。第一ピストン32と第二ピストン33との間には、燃料が充填された液室34が形成されている。
第一ピストン32は、第一スプリング35により圧電アクチュエータ22側に向かって付勢されている。第一ピストン32は、圧電アクチュエータ22により直接駆動される。圧電アクチュエータ22の伸長時、第一ピストン32が液室34に向かって移動するため、液室34内の燃料圧力が上昇する。
第二ピストン33は、第二スプリング36により制御弁18の弁体19側に向かって付勢されている。第二ピストン33は、弁体19と機械的に接続されており、第二ピストン33が液室34内の燃料圧力を受けて、弁体19に向かって移動することにより弁体19をバルブ室53と低圧燃料通路48との間を連通する方向に移動させる。
圧電アクチュエータ22の伸長時、第一ピストン32は液室34の方向に移動する。すると液室34内の燃料圧力は上昇する。第二ピストン33は、液室34内の高圧化された燃料圧力を受け、弁体19をバルブ室53と低圧燃料通路48との間を連通するとともに、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断する方向に移動させる。
圧電アクチュエータ22の収縮時、液室34内の燃料圧力は低下する。第二ピストン33は、制御弁18のバルブスプリング20の付勢力により第一ピストン32側に移動する。バルブスプリング20の付勢力は、第二スプリング36の付勢力よりも大きい。これにより、弁体19は、バルブ室53と低圧燃料通路48との間の連通を遮断するとともに、バルブ室53と高圧連絡通路47との間を連通する方向に移動する。
圧電アクチュエータ22は、圧電体ユニット23および金属製のハウジング24を有している。圧電体ユニット23は、圧電体層(以下、ピエゾ素子層という)Pと内部電極層Eとを積層させたものであって、内部電極層Eを介してピエゾ素子層Pに電圧を印加することにより伸長する駆動部70と、伸長する際に作用する荷重に応じた荷重信号を内部電極層Eを介して出力する荷重センサ部60を有する。荷重センサ部60は、ピエゾ素子層Pの圧電効果を利用したものである。本実施形態では、荷重センサ部60の内部電極層Eから出力される荷重信号は荷重に応じた電荷および電圧信号である。
圧電アクチュエータ22は、駆動回路3に接続されている。駆動回路3は、圧電アクチュエータ22の駆動部70に充電電流を供給して、駆動部70のピエゾ電圧を高める。駆動部70の伸長量は、ピエゾ電圧に応じて変化する。駆動回路3には、ECU4が接続されている。ECU4は、各種情報に基づき、駆動部70へ供給するピエゾ電圧および通電タイミングに応じた充電制御信号を生成し、指令信号として駆動部70に送信する。
また、荷重センサ部60は、駆動回路3に接続されている。荷重センサ部60からの電荷と電圧信号は、駆動回路3を介してECU4に入力される。ECU4には、吸入空気量、アクセルペダル踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧力などを検出する各種センサ(図示せず)とも接続され、これらの各種センサからの信号が入力されるようになっている。
本実施形態では、圧電アクチュエータ22の駆動部70を充放電させる方法として、マルチスイッチング方式(以下、MS方式という)を採用している。
駆動回路3は、直流電源(図示せず)からインダクタ(図示せず)を介して圧電アクチュエータ22に通電する経路中に、直流電源を直接切り離すことができるスイッチング素子(図示せず)を備えている。MS方式では、ECU4からの充電制御信号に基づいて、当該スイッチング素子を複数回オン/オフすることにより、圧電アクチュエータ22の駆動部70を数回に分けて充電する。
スイッチング素子がオンしている間は、駆動部70へ漸増する充電電流が流れる。スイッチング素子がオフされると、フライホイール作用で駆動部70へ漸減する充電電流が流れる。このように駆動部70に充電電流が流れる間、駆動部70のピエゾ素子層Pにおけるピエゾ電圧は増加し続ける。なお、MS方式の詳細な駆動方法や回路構成などは、例えば特開2001−53348号公報にて周知である。
ECU4は、MPU5、AD変換部6、DSP7などを有している。また、ECU4は、図示しないROM、EEPROM、およびRAMなどを備えている。MPU5は、ROMに記憶したプログラムに従って演算処理を行う。ECU4は、荷重センサ部60より入力される電荷と電圧信号とをAD変換部6にて高速A/D処理することにより駆動部70が伸長する際に作用する荷重を算出するとともに、算出した荷重や、各種センサから入力される信号に基づき、駆動部70へ与える充電制御信号などを生成する。
次に、上記燃料供給装置1の作動を説明する。圧電アクチュエータ22の駆動部70が伸長していないとき、第二ピストン33は、制御弁18のバルブスプリング20の付勢力により第一ピストン32側に移動している。これにより、弁体19は、バルブ室53内の燃料圧力を受けて低圧燃料通路48の方向に移動して低圧側シート面54に着座し、バルブ室53と低圧燃料通路48との間の連通を遮断するとともに、バルブ室53と高圧連絡通路47との間を連通する。これにより、バルブ室53内の燃料圧力は、高圧燃料通路46の燃料圧力と等しくなり、バルブ室53と連通している制御室52内の燃料圧力は、高圧燃料通路46の燃料圧力と等しくなる。
このとき、高圧燃料通路46の燃料圧力がニードル12の周囲に作用することによるニードル12に発生する開弁方向の力は、制御室52の燃料圧力がニードル12のピストン部14に作用することによるニードル12に発生する閉弁方向の力、およびノズルスプリング16の付勢力によるニードル12に発生する閉弁方向の力の合計よりも小さい。そのため、ニードル12のシート部13が弁座45に着座し、噴孔44からの燃料の噴射が停止する。
ECU4からの指令により圧電アクチュエータ22の駆動部70が伸長すると、駆動部70の伸長にともなって、第一ピストン32は液室34に向かって移動する。すると、液室34内の燃料圧力が上昇する。第二ピストン33は、上昇した燃料圧力を受けて弁体19側に向かって移動する。弁体19は、高圧連絡通路47の方向に移動して高圧側シート面55に着座し、バルブ室53と低圧燃料通路48との間を連通するとともに、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断する。すると、制御室52内の燃料は、コモンオリフィス51、連絡通路50、バルブ室53、および低圧燃料通路48を介して燃料タンク10へ戻される。これにより、制御室52内の燃料圧力が低下する。
このとき、高圧燃料通路46の燃料圧力がニードル12の周囲に作用することによるニードル12に発生する開弁方向の力は、制御室52の燃料圧力がニードル12のピストン部14に作用することによる閉弁方向の力、およびノズルスプリング16の付勢力による閉弁方向の力の合計よりも大きい。そのため、ニードル12のシート部13が弁座45から離座し、噴孔44からの燃料の噴射が行われる。
その後、再び駆動部70が収縮すると、駆動部70の収縮にともなって、第二ピストン33はバルブスプリング20の付勢力により第一ピストン32側に移動する。これにより、弁体19は、低圧側シート面54に着座し、バルブ室53と低圧燃料通路48との間の連通を遮断するとともに、バルブ室53と高圧連絡通路47との間を連通する。これにより、蓄圧器からの高圧燃料が高圧燃料通路46、高圧連絡通路47、バルブ室53、連絡通路50、およびコモンオリフィス51を介して制御室52に導入される。
これにより、制御室52内の燃料圧力は再び上昇する。このため、ニードル12に発生する開弁方向の力は、ニードル12に発生する閉弁方向の力よりも小さくなり、ニードル12のシート部13が弁座45に着座する。その結果、噴孔44からの燃料の噴射が停止する。圧電アクチュエータ22の伸縮を繰り返すことにより、噴孔44からの燃料の噴射が断続される。
次に、上記燃料供給装置1の圧電アクチュエータ22を駆動する際の制御について、図2、図3を用いて説明する。図2は、ECU4にて実行される制御処理を示すフローチャートである。図3は、その制御処理を行ったときの作動例を示すタイムチャートである。
図2に示す処理は、燃料噴射弁2から燃料を噴射させることを許可する噴射許可信号がオンになると開始される。なお、噴射許可信号は、ECU4にてECU4に入力される各種センサからの信号に基づいて生成される。
図2に示すように、噴射許可信号がオンすると、ステップS10(以下、単にS10という。他のステップについても同様とする。)では、駆動回路3の作動を制御するための充電制御信号を駆動回路3に出力する。
充電制御信号がオンしている間は、前述したスイッチング素子がオンされて駆動部70へ漸増する充電電流が流れ、また充電制御信号がオフになるとスイッチング素子がオフされてフライホイール作用で駆動部70へ漸減する充電電流が流れる。これにより、ピエゾ電圧は増加し続ける。
S20では、第一時刻Taと第二時刻Tbにおいて、駆動部70が発生している荷重(以下、ピエゾ荷重という)を荷重センサ部60から取得した電荷と電圧信号により検出する。
ここで、図3の時刻T0は、駆動回路3から駆動部70へ充電電流の供給が開始された時刻である。以下、時刻T0を充電開始時刻という。第一時刻Taは、充電開始時刻T0から所定時間が経過したときであり、弁体19が低圧側シート面54から離座するタイミング近傍に予め設定されている。この第一時刻Taは、ECU4のROMに記憶されている。本実施形態では、この第一時刻Taで検出したピエゾ荷重Faを第一時刻荷重Faという。
また、第二時刻Tbは、第一時刻Taからさらに所定時間が経過したときであり、弁体19が高圧側シート面55に着座する直前のタイミングに予め設定されている。この第二時刻Tbは、ECU4のROMに記憶されている。本実施形態では、この第二時刻Tbで検出したピエゾ荷重Fbを第二時刻荷重Fbという。
S30では、第一時刻荷重Faと第二時刻荷重Fbとを比較して、弁体19が低圧側シート面54から離座しているか否かを判定する。
ここで、弁体19が低圧側シート面54に着座している状態では、バルブ室53と低圧燃料通路48との圧力差により弁体19が低圧側シート面54側に付勢されるのに対し、弁体19が低圧側シート面54および高圧側シート面55の何れにも着座していない状態では、圧力差により弁体19が低圧側シート面54側に付勢される力は発生しない。したがって、Fa>Fbの場合、つまり、S30における判定がYESの場合は、弁体19が正常に作動していると判断し、S40に進む。
S40では、弁体19が高圧側シート面55に着座してバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断したタイミングTc(以下、高圧側閉時刻という)を検出する。具体的には、弁体19が高圧側シート面55に着座するとピエゾ荷重が大きくなるので、第二時刻Tb以後においてピエゾ荷重が閾値Fcに達したときに、弁体19が高圧側シート面55に着座し、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断したと推定する。
弁体19が高圧側シート面55に着座した状態では、弁体19は高圧連絡通路47からの燃料圧力によって高圧側シート面55から離座する方向に付勢されるため、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を確実に遮断するには、燃料圧力が高くなるほど弁体19を高圧側シート面55に大きな力で押し付ける必要がある。
したがって、閾値Fcは、蓄圧器内の燃料圧力が高くなるほど大きくするようにする。これにより、弁体19がバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を実質的に遮断したタイミングを正確に検出することができる。この閾値Fcと蓄圧器との関係を定義したマップは、ECU4のROMに記憶されている。
S50では、駆動部70への充電を開始してから弁体19がバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断するまでの時間ΔT(以下、制御弁応答時間という)を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔTは、充電開始時刻T0から高圧側閉時刻Tcまでの時間(ΔT=Tc−T0)である。
S60では、制御弁応答時間ΔTが、予め定めた許容範囲内(ΔTmin≦ΔT≦ΔTmax)にあるか否かを判定する。ΔTminは補正可能な制御弁応答時間ΔTの許容最小値であり、ΔTmaxは補正可能な制御応答時間ΔTの許容最大値である。
本実施形態では、ピエゾ電圧の上昇速度Vc(以下、充電速度Vcという)を適宜補正することにより制御弁応答時間ΔTを目標制御弁応答時間ΔTpに一致させている。
制御弁応答時間ΔTが許容範囲内にある場合、つまりS60における判定がYESの場合は、S70に進む。
S70では、次回噴射時の充電速度Vcおよび次回噴射時の充電制御信号を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔTが目標制御弁応答時間ΔTpに一致するように、次回噴射時の充電速度Vcを次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔTpに基づいて算出する。また、次回噴射時の充電速度Vcを実現するための補正後の充電制御信号を算出する。
次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔTpが今回噴射時の制御弁応答時間ΔTよりも短い場合には、次回噴射時の充電速度Vcを高くする。具体定期には、一点鎖線で示すように、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を長くして、駆動部70へ漸増する充電電流が流れる期間を長くする。この際、次回噴射時の合計の充電エネルギ量が今回噴射時の合計の充電エネルギ量と等しくなるように、次回噴射時における二回目以降の充電制御信号のオン時間を短くする。
一方、次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔTpが今回噴射時の制御弁応答時間ΔTよりも長い場合には、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を短くして次回噴射時の充電速度Vcを低くする。充電速度Vcは、ECU4のROMに記憶された演算式にて算出される。充電速度Vcと充電制御信号との関係を定義したマップは、ECU4のROMに記憶されている。ECU4は、そのマップを用いて、次回噴射時の充電速度Vcに対応する充電制御信号を算出する。
S80では、駆動部70の充電完了後、ピエゾ荷重が安定したときの第三時刻Tdにおけるピエゾ荷重F1(以下、充電後荷重F1という)を計測する。なお、第三時刻Tdは、ECU4のROMに記憶されている。
S90では、充電後荷重F1と目標充電後荷重F0との荷重誤差ΔF(ΔF=F1−F0)を算出する。なお、目標充電後荷重F0は、ECU4のROMに記憶されている。
S100では、荷重誤差ΔFが所定範囲内(ΔFmin≦ΔF≦ΔFmax)にあるか否かを判定する。ΔFminは荷重誤差ΔFの許容最小値であり、ΔFmaxは荷重誤差ΔFの許容最大値である。本実施形態では、S70で求めた充電制御信号をさらに補正して充電エネルギ量を適宜補正することにより、充電後荷重F1を適切な大きさにする。
荷重誤差ΔFが所定範囲内にある場合、つまり、充電後荷重F1が許容荷重範囲内にある場合(S100がYES)は、S110に進む。S110では、今回の充電エネルギ量E0の値を保持し、次回噴射時の充電エネルギ量E1をE0とする。したがって、S70にて算出した充電制御信号は補正されず、次回噴射時の充電後荷重F1は変化しない。
一方、S100にて荷重誤差ΔFが所定範囲内に入っていない場合、つまりS100における判定がNOの場合、S120に進む。S120では、荷重誤差ΔFに基づいて、荷重誤差ΔFの関数である充電エネルギ補正値ΔEを算出する。荷重誤差ΔFと充電エネルギ補正値ΔEとの関係を定義したマップは、ECU4のROMに記憶されている。ECU4は、この定義されたマップを用いて充電エネルギ補正値ΔEを算出する。
S130では、充電エネルギ補正値ΔEが、予め規定された範囲内(ΔEmin≦ΔE≦ΔEmax)にあるか否かを判定する。ΔEminは充電エネルギ補正値ΔEの許容最小値であり、ΔEmaxは充電エネルギ補正値ΔEの許容最大値である。このΔEminおよびΔEmaxは、ECU4のROMに記憶されている。
充電エネルギ補正値ΔEが範囲内にある場合、つまり、S130における判定がYESの場合、S140に進む。
S140では、次回噴射時の充電エネルギ量E1および次回噴射時の充電制御信号(補正後の充電制御信号)を算出する。
具体的には、今回噴射時の充電エネルギ量E0に充電エネルギ補正値ΔEを加算した値を、次回噴射時の充電エネルギ量E1とする。また、次回噴射時の充電エネルギ量E1を実現するために、S70にて算出した充電制御信号をさらに補正する。
例えば、充電エネルギ補正値ΔEが正の場合は、S70にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を長くする。充電エネルギ補正値ΔEが負の場合は、S70にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を短くする。
次回噴射時の充電エネルギ量E1と充電制御信号の補正量との関係を定義したマップはECU4のROMに記憶されている。ECU4は、この定義されたマップを用いて充電制御信号の補正量を算出する。
次回のS10では、S70にて算出した充電制御信号、あるいはS140にてさらに補正した充電制御信号を、駆動回路3に出力する。
S140にて補正した充電制御信号に基づいて駆動部70への充電を制御することにより、充電後荷重F1が許容荷重範囲内に調整されるため、高圧側シート面55への弁体19の押し付け荷重が不足することによるシール不良を防止できるとともに、過大な押し付け荷重による弁体19や高圧側シート面55の摩耗を防止ないしは抑制することができる。
S110またはS140に続いて実行されるS150では、噴射許可信号がオフとなったか否かが判定される。S150にて噴射許可信号がオフしていないと判定されると、引き続き噴射許可信号がオフされたか否かの判定が繰り返される。S150にて噴射許可信号がオフされたと判定されるとS160に進む。
S160では、放電制御信号を駆動回路3に出力して、駆動部70に充電された電荷を周知の方法で放電させる。これにより、弁体19が高圧側シート面55から離座してバルブ室53と高圧連絡通路47との間が連通するとともに、弁体19が低圧側シート面54に着座してバルブ室53と低圧燃料通路48との間の連通が遮断され、燃料の噴射が停止する。本フローは、S160の処理を実行後、終了する。
なお、S30がNOの場合、すなわちFa≦Fbの場合、S60がNOの場合、すなわちΔTmin>ΔT>ΔTmaxの場合、S130がNOの場合、すなわちΔEmin>ΔE>ΔEmaxの場合は、駆動部70や変位伝達部30の異常などによる制御弁18の作動不良と判定し、S170に進む。
S170では、S30、S60、S130で異常と判定した燃料噴射弁2がどの気筒の燃料噴射弁2であるかの情報を、ECU4のEEPROMに記憶するとともに、その気筒の燃料噴射を停止する処置をする。
駆動部70への充電を開始してから噴射が開始されるまでの時間のうち、駆動部70への充電を開始してから弁体19がバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断するまでの時間は駆動部70の特性の影響を受けるが、弁体19がバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断してから噴射が開始されるまでの時間は駆動部70の特性の影響を受けない。
したがって、S70にて算出した充電制御信号に基づいて駆動部70への充電を制御することにより、駆動部70の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、駆動部70への充電を開始してから弁体19がバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断するまでの制御弁応答時間ΔTを目標制御弁応答時間ΔTpに一致させることができる。これによれば、駆動部70の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、噴射開始時期や噴射量を精度良く制御することができる。
次に、本実施形態の特徴部分について、図4から図8を用いて詳細に説明する。
図4は、図1における圧電アクチュエータ22の圧電体ユニット23の斜視図である。図5は、圧電体ユニット23の断面図である。図6は、圧電体ユニット23の一部を拡大した断面図である。
図4に示すように、圧電体ユニット23は、ピエゾ素子層61、71、81と内部電極層62a、62b、72a、72bとを積層させたものである。圧電アクチュエータ22の外観は、八角柱となっている。
圧電体ユニット23の上端部には、複数のピエゾ素子層61と、それらのピエゾ素子層61を挟む複数の内部電極層62a、62bからと構成される荷重センサ部60が形成されている。荷重センサ部60よりも下方には、複数のピエゾ素子層71と、それらのピエゾ素子層71を挟む複数の内部電極層72a、72bとから構成される駆動部70が、同じくピエゾ素子層81からなる接続層80を介して形成されている。なお、荷重センサ部60は、少なくとも一層のピエゾ素子層61と、そのピエゾ素子層61を挟む少なくとも一対の内部電極層62a、62bを有しておれば良い。
図1に示すように、圧電体ユニット23は、荷重センサ部60が、ボデー40の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室56の軸方向他端側の固定端57に直接的、または間接的に当接するように収容されている。
圧電体ユニット23の一方の側面には、荷重センサ部60の正極側外部電極65aおよび駆動部70の正極側外部電極75aが設けられている。これら正極側外部電極65a、75aが設けられている上記一方の側面の反対側の側面である他方の側面には、荷重センサ部60の負極側外部電極65bおよび駆動部70の負極側外部電極75bが設けられている。
正極側外部電極65aは、駆動回路3における荷重センサ部60にて発生した荷重信号を受け取る一対の端子のうち、電位の高い側の端子に接続され、負極側外部電極65bは、もう一方の電位の低い側の端子に接続されている(図示せず)。
正極側外部電極75aは、駆動回路3における駆動部70に電圧を印加するための一対の端子のうち、電位の高い側の端子に接続され、負極側外部電極75bは、もう一方の電位の低い側の端子に接続されている(図示せず)。
荷重センサ部60の正極側、負極側外部電極65a、65bと駆動部70の正極側、負極側外部電極75a、75bは、それぞれ同一側面上に設ける必要は無い。図7に示すように、正極側、負極側外部電極65a、65bの配置と、正極側、負極側外部電極75a、75bの配置とが90度ずれて設けられていても良い。
図5、図6に示すように、荷重センサ部60における内部電極層62a、62bは、それぞれ圧電体ユニット23の上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部64a、64bを有している。内部電極層62a、62bは、電極露出部64a、64bを介して上記一対の正極側、負極側外部電極65a、65bのいずれか一方に接続する。内部電極層62a、62bは、一層おきに交互にその接続先の外部電極65a、65bを変更する。
一方の駆動部70における内部電極層72a、72bも、上記荷重センサ部60における内部電極層62a、62bと同様に、上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部74a、74bを有している。内部電極層72a、72bは、電極露出部74a、74bを介して上記一対の正極側、負極側外部電極75a、75bのいずれか一方に接続する。内部電極層72a、72bは、一層おきに交互にその接続先の外部電極75a、75bを変更する。
本実施形態では、圧電体ユニット23は、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などのセラミック原料からなるピエゾ素子層61、71、81と、Ag/Pd合金からなる内部電極層62a、62b、72a、72bを上述した配置となるように積層させた後、焼成させることにより完全に一体化した一体積層型の焼成物としたものである。
本実施形態では、荷重センサ部60における内部電極層62a、62bのうち、駆動部70に最も近いセンサ部側終端内部電極層63は、負極側外部電極65bに接続させている。一方、駆動部70における内部電極層72a、72bのうち、荷重センサ部60に最も近い駆動部側終端内部電極層73は、負極側外部電極75bに接続させている。
センサ部側終端内部電極層63および駆動部側終端内部電極層73は、いずれも負極側の電極層となっている。両終端内部電極層63、73の間には、接続層80が介在している。
ここで、図1に示すように駆動部70に充電電流を供給すると、駆動部70におけるピエゾ素子層71が積層方向に伸長する。駆動部70が積層方向に伸長する際、荷重センサ部60には、図8に示すように、駆動部70が発生する荷重に応じた電圧信号が発生する。発生する電圧は、0Vから50V程度である。
本実施形態では、上述したように両終端内部電極層63、73がいずれも負極側外部電極層65b、75bに接続されているため、両終端内部電極層63、73の極性は負側となる。このため、駆動部70に充電電流を供給し、荷重センサ部60に電荷と電圧信号は発生した状態であっても、両終端内部電極層63、73間の電位差が非常に小さくなる。
駆動部70に充電電流を供給すべく、ピエゾ素子層71に約150V程度の高電圧を印加しても、両終端内部電極層63、73の極性が負側であるため、駆動部70から荷重センサ部60への電気リークを抑えられる。このとき、荷重センサ部60のピエゾ素子層61には、数10V程度の電圧信号が発生している。荷重センサ部60への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部60における内部電極層62a、62bから取り出される駆動部70の荷重に相当する電圧信号等に電気的なノイズがのるという問題を解消することができ、荷重センサ部60の検出精度を向上できる。
これにより、図3の制御フローにおけるS20、S40、S80でのピエゾ荷重の検出精度が格段に向上する。このため、作動状態を確実に把握することが可能となる。その結果、制御弁応答時間ΔTの検出精度が向上するため、噴射開始時期や噴射量をより精度良く制御することができる。
また、荷重センサ部60への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部60と駆動部70とを接続する接続層80にピエゾ素子層81以外の例えば絶縁層などを設ける必要がなくなる。すなわち、本実施形態のように接続層80をピエゾ素子層81のみとすることができ、圧電アクチュエータ22の製造コストの上昇を抑制できる。圧電アクチュエータ22の燃料噴射弁2に使用した場合、燃料噴射弁2の製造コストの上昇を抑制できる。
本実施形態では、接続層80をピエゾ素子層81のみとしたが、両終端内部電極層63、73の極性を負側とするという技術を採用すれば、スペーサを用いる場合であっても、このスペーサを極力薄くすることができ、製造コストの上昇を抑制できる。
また、本実施形態では、荷重センサ部60を駆動部70のいずれかの端部に形成している。このため、圧電体ユニット23の製造が容易となり製造コストの上昇を抑制できる。
両終端内部電極層63、73の極性を負側同士とすることにより、製造コストの上昇を抑制でき、かつ荷重センサ部60における検出精度を向上させることができ圧電アクチュエータ22を提供することができる。
また、本実施形態では、図1に示すように、圧電体ユニット23を荷重センサ部60がアクチュエータ室56の軸方向他端側の固定端57に直接的、または間接的に当接するように収容されている。これによれば、弁体19が低圧側シート面54から離座する第一時刻Taにおける第一時刻荷重Faと、弁体19が高圧側シート面55に着座する直前の第二時刻Tbにおける第二時刻荷重Fbとの差、および第二時刻荷重Fbと、弁体19が高圧側シート面55に着座してバルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通を遮断した高圧側閉時刻Tcにおける閾値Fcとの差を、荷重センサ部60をアクチュエータ室56の軸方向一端側に設けた場合に比べ大きくすることができる(図1、図3参照)。このため、弁体19がどういった状態(低圧側シート面54からの離座、高圧側シート面55への着座、バルブ室53と高圧連絡通路47との間の連通の遮断)にあるのかの検出精度が向上する。
次に、荷重センサ部60をアクチュエータ室56の軸方向一端側(変位伝達部30側)に配置させた場合と、アクチュエータ室56の軸方向他端側(固定端57側)に配置させた場合のピエゾ荷重の変化を説明する。
図9は、図3のタイムチャートうち、ピエゾ荷重の部分のみのタイムチャートを取出して示したものである。図中、実線は本実施形態を示し、破線は比較例を示している。
図9かも明らかなように、本実施形態では、第一時刻Taにおける第一時刻荷重Faと第二時刻Tbにおける第二時刻荷重Fbとの差、および第二時刻荷重Fbと高圧側閉時刻Tcにおける閾値Fcとの差が、破線で示す比較例に比べ大きくなっている。
荷重センサ部60がアクチュエータ室56の軸方向他端側に位置していると、軸方向一端側に位置しているものと比べ、荷重の損失が無いため、第一時刻荷重Faおよび閾値Fcの荷重が大きくなる。荷重センサ部60がアクチュエータ室56の軸方向一端側に位置していると、荷重センサ部60の端面に変位伝達部30や液室34や各種スプリング20、35、36の可動部材が存在しているため、これらの部材により荷重の損失が発生し、第一時刻荷重Fa、閾値Fcが本実施形態のものと比べ低くなると考えられる。一方、第二時刻Tbでは、荷重センサ部60の両端から荷重がある程度作用してしまうため、第二時刻荷重Fbが本実施形態のものと比べ高くなってしまうと考えられる。
このため、本実施形態のように荷重センサ部60をアクチュエータ室56の固定端57側に直接的または間接的に当接させることにより、第一時刻荷重Faと第二時刻荷重Fbとの差、および第二時刻荷重Fbと閾値Fcとの差を大きくすることができる。
次に、本実施形態の圧電体ユニット23の製造方法を、図10から図16を用いて説明する。
本実施形態における圧電体ユニット23は、グリーンシート作製工程、電極印刷工程、焼失スリット印刷工程、圧着工程、積層体切断工程、焼成工程、絶縁樹脂配設工程、および分極工程を経て製造される。以下、製造工程ごとに説明する。
(グリーンシート作製工程)
まず、ピエゾ素子材料となるジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などのセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてPb3O4、SrCO3、ZrO2、TiO2、Y2O3およびNb2O5を準備し、これらの出発原料を目的組成PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3となるような化学量論比で秤量し、湿式混合し、温度850℃で5時間仮焼した。
まず、ピエゾ素子材料となるジルコン酸チタン酸鉛(PZT)などのセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてPb3O4、SrCO3、ZrO2、TiO2、Y2O3およびNb2O5を準備し、これらの出発原料を目的組成PbZrO3−PbTiO3−Pb(Y1/2Nb1/2)O3となるような化学量論比で秤量し、湿式混合し、温度850℃で5時間仮焼した。
次に仮焼粉をパールミルにより湿式粉砕した。この仮焼粉粉砕物(粒径(D50値):0.7±0.05μm)を乾燥した後、溶剤、バインダ、可塑剤、分散剤などを加えてボールミルにより混合し、得られたスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をした。
そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム上に塗布し、厚さ80μmの長尺のグリーンシートを成形した。このグリーンシートを所定の大きさに切断して、幅広のグリーンシート100を作製した。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本実施形態で用いたドクターブレード法のほか、押し出し成形法やその他種々の方法を採用することができる。
(電極印刷工程)
次に、図10、図11の如く、グリーンシート100上に内部電極層62a、62b、72a、72bとなる電極材料101a、101bを印刷し、第一電極印刷シート110aおよび第二電極印刷シート110bの二種類のシートを形成した。
次に、図10、図11の如く、グリーンシート100上に内部電極層62a、62b、72a、72bとなる電極材料101a、101bを印刷し、第一電極印刷シート110aおよび第二電極印刷シート110bの二種類のシートを形成した。
第一電極印刷シート110aの形成に当たっては、図10に示す如く、グリーンシート100上の印刷領域102において、最終的に内部電極層62a、72aとなる部分に電極材料101aを印刷して、第一電極印刷シート110aを形成した。
第二電極印刷シート110bの形成に当たっては、第一電極印刷シート110aと同様に、図11に示す如く、グリーンシート100上の印刷領域102において、内部電極層62b、72bとなる部分に電極材料101bを印刷して、第二電極印刷シート110bを形成した。
第一電極印刷シート110aおよび第二電極印刷シート110bにおいては、グリーンシート100上に形成された電極材料101a、101bがそれぞれ異なる前述の一方の側面および他方の側面に露出している。
本実施形態では、電極材料101a、101bとして、ペースト状のAg/Pd合金を用いた。電極材料101a、101bとしては、上記以外にも、Ag、Pd、Cu、Niなどの単体金属、Cu/Niなどの合金を用いても良い。
(焼失スリット印刷工程)
本実施形態では、図13に示すように、製造しようとする圧電体ユニット23のピエゾ素子層71の側面にスリット溝部120を設けている。なお、図4から図6に示す圧電体ユニット23では、説明上、スリット溝部120の記載を省略している。このスリット溝部120は、圧電アクチュエータ22を作動させるときに発生する内部応力を緩和する機能を持っている。スリット溝部120は、上述の第一電極印刷シート110aと第二電極印刷シート110bとの間にこの工程で形成する焼失スリット印刷シート111を挟み込むことにより形成する。
本実施形態では、図13に示すように、製造しようとする圧電体ユニット23のピエゾ素子層71の側面にスリット溝部120を設けている。なお、図4から図6に示す圧電体ユニット23では、説明上、スリット溝部120の記載を省略している。このスリット溝部120は、圧電アクチュエータ22を作動させるときに発生する内部応力を緩和する機能を持っている。スリット溝部120は、上述の第一電極印刷シート110aと第二電極印刷シート110bとの間にこの工程で形成する焼失スリット印刷シート111を挟み込むことにより形成する。
図12に示す如く、上記のグリーンシート100上の印刷領域102において、最終的にスリット溝部120となる部分に焼成によって焼失する焼失材料よりなる焼失スリット層112を印刷し、焼失スリット印刷シート111を形成した。
電極印刷工程および焼失スリット印刷工程では、図10から図12に示す如く、後工程の積層体切断工程において切断される部分を避けるように間隙103を設けて、電極材料101a、101b、および焼失スリット層112の印刷を行う。
(圧着工程)
次に、図14に示す如く、形成した第一電極印刷シート110a、第二電極印刷シート110bおよび焼失スリット印刷シート111を所定の順序で各印刷領域102を積層方向に揃えて積層した。本実施形態では、駆動部70の荷重センサ部60側の端部に位置する電極印刷シートと、荷重センサ部60の駆動部70側の端部に位置する電極印刷シートとを何れも第二電極印刷シート110bとし、さらに、それらの第二電極印刷シート110bの間には、電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112の印刷が施されていないグリーンシート100を積層させた。このグリーンシート100が焼成後、接続層80となる。そして、圧電体ユニット23の両端部に電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112の印刷が施されていないグリーンシート100を積層させた(図15参照)。
次に、図14に示す如く、形成した第一電極印刷シート110a、第二電極印刷シート110bおよび焼失スリット印刷シート111を所定の順序で各印刷領域102を積層方向に揃えて積層した。本実施形態では、駆動部70の荷重センサ部60側の端部に位置する電極印刷シートと、荷重センサ部60の駆動部70側の端部に位置する電極印刷シートとを何れも第二電極印刷シート110bとし、さらに、それらの第二電極印刷シート110bの間には、電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112の印刷が施されていないグリーンシート100を積層させた。このグリーンシート100が焼成後、接続層80となる。そして、圧電体ユニット23の両端部に電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112の印刷が施されていないグリーンシート100を積層させた(図15参照)。
このようにして積層した積層体を温度100℃で加熱するとともに、積層方向に50MPaで加圧し、予備積層体130を作製した。
(積層体切断工程)
次に、図15、図16に示す如く、形成した予備積層体130を切断位置に沿って積層方向に切断し、中間積層体140を形成した。なお、予備積層体130の切断は、中間積層体140ごとに切断しても良いし、複数の中間積層体140を含んで切断しても良い。本実施形態では、中間積層体140ごとに切断し、各電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112が中間積層体140の側面に露出するように切断した。
次に、図15、図16に示す如く、形成した予備積層体130を切断位置に沿って積層方向に切断し、中間積層体140を形成した。なお、予備積層体130の切断は、中間積層体140ごとに切断しても良いし、複数の中間積層体140を含んで切断しても良い。本実施形態では、中間積層体140ごとに切断し、各電極材料101a、101bおよび焼失スリット層112が中間積層体140の側面に露出するように切断した。
(焼成工程)
次に、中間積層体140のグリーンシート100に含有されているバインダ樹脂を90%以上加熱除去(脱脂)した。加熱は、80時間かけて徐々に500℃まで昇温し、5時間保持することにより行った。
次に、中間積層体140のグリーンシート100に含有されているバインダ樹脂を90%以上加熱除去(脱脂)した。加熱は、80時間かけて徐々に500℃まで昇温し、5時間保持することにより行った。
次に、脱脂した中間積層体140を焼成した。焼成は、温度1050℃まで12時間かけて徐々に昇温させ、2時間保持後、徐々に冷却することにより行った。
このようにして、図4から図6に示す如く、完全に一体化した焼成物からなる一体積層型の圧電体ユニット23が形成された。このようにして、焼成工程を経ると、図4から図6には図示していないが、焼失スリット層112が焼失してスリット状のスリット溝部120が圧電体ユニット23の側面に形成される(図13参照)。
次いで、焼成後、圧電体ユニット23の四つ角を積層方向に沿って切り欠いた。これにより、圧電体ユニット23は、径方向断面が八角柱状となる。その後、全面に研磨処理を施し、内部電極層62a、62b、72a、72bのそれぞれの電極露出部64a、64b、74a、74bを側面に露出させるとともに、所定の大きさの圧電体ユニット23を形成した。さらにその後、荷重センサ部60用の正極側、負極側外部電極65a、65b、および駆動部70用の正極側、負極側外部電極75a、75bをスクリーン印刷によって形成した。
このとき、内部電極層62a、62bの電極露出部64a、64bは、それぞれ荷重センサ部60の正極側外部電極層65a、負極側外部電極層65bに電気的に接続される。また、内部電極層72a、72bの電極露出部64a、64bは、それぞれ駆動部70の正極側外部電極層75a、負極側外部電極層75bに電気的に接続される。
荷重センサ部60の正極側、負極側外部電極65a、65bと駆動部70の正極側、負極側外部電極75a、75bは、一定の電気絶縁距離を保つように形成した。好ましくは、電界強度が1kV/mm以下となるように形成した。
そして、荷重センサ部60の正極側、負極側外部電極65a、65bおよび駆動部70の正極側、負極側外部電極75a、75bのそれぞれにリード線、もしくはメッシュ状の電極板を導電性樹脂または半田などで接続した。
(絶縁樹脂配設工程)
次いで、本実施形態では、図13に示すように、絶縁樹脂121をスリット溝部120に配設した。具体的には、加熱硬化型のシリコーン樹脂からなる絶縁樹脂121をスリット溝部120に塗布し、加熱させて硬化させることにより配設した。絶縁樹脂121としては、耐熱性の高いウレタン樹脂やフロロシリコーン樹脂などを用いても良い。
次いで、本実施形態では、図13に示すように、絶縁樹脂121をスリット溝部120に配設した。具体的には、加熱硬化型のシリコーン樹脂からなる絶縁樹脂121をスリット溝部120に塗布し、加熱させて硬化させることにより配設した。絶縁樹脂121としては、耐熱性の高いウレタン樹脂やフロロシリコーン樹脂などを用いても良い。
(分極工程)
次いで、上記工程を経た圧電体ユニット23に対して分極処理を実行する。本実施形態では、160Vの直流電圧を荷重センサ部60と駆動部70に2分間通電した。その際、荷重センサ部60におけるセンサ部側終端内部電極層63(図5、図6参照)と、駆動部70における駆動部側終端内部電極層73(図5、図6参照)の極性が何れも負極側となるように、分極処理を実行する。
次いで、上記工程を経た圧電体ユニット23に対して分極処理を実行する。本実施形態では、160Vの直流電圧を荷重センサ部60と駆動部70に2分間通電した。その際、荷重センサ部60におけるセンサ部側終端内部電極層63(図5、図6参照)と、駆動部70における駆動部側終端内部電極層73(図5、図6参照)の極性が何れも負極側となるように、分極処理を実行する。
荷重センサ部60と駆動部70の分極処理は、同時に行っても良いし、別々に行っても良い。また、荷重センサ部60および駆動部70の積層数に応じて、所定の予荷重を付与する治具に取付けた状態で分極処理を実行しても良い。また、分極処理を実行する際の雰囲気温度を変更しても良い。例えば、140℃下で分極処理を実行しても良い。また、分極処理は、直流電圧を印加することによって行うだけでなく、正弦波や台形波などの交流電圧を印加して行っても良い。
上述した分極工程を経て、センサ部側終端内部電極層63および駆動部側終端内部電極層73がともに負極側同士となっている圧電体ユニット23を得た。
なお、本実施形態では、駆動部70を構成する第一電極印刷シート110aと第二電極印刷シート110bとの間に焼失スリット印刷シート111を挿入して、駆動部70の側面にスリット溝部120を形成しているが、この焼失スリット印刷シート111は、必ずしも必要無い。
本実施形態では、圧電体ユニット23を所謂、一体積層型の圧電体ユニットとして形成した。圧電体ユニット23の形態としては一体積層型とは別に単板積層型がある。単板積層型の圧電体ユニットは、一体積層型のものとは異なり、予め焼成したピエゾ素子層に内部電極層を印刷、焼成し、適宜積層して圧電体ユニットとするものである。
この単板積層型の圧電体ユニットであっても、センサ部側終端内部電極層63と駆動部側終端内部電極層73の極性を負側とすることによっても、上述した本実施形態の作用効果を得ることはできる。
しかしながら、圧電体ユニット23を一体積層型とすると、以下の点で単板積層型のものよりも優れる。単板積層型の圧電体ユニットでは、一般的には、内部電極層と外部との電気的に接続する導電体(例えば、ステンレスや銅などの金属箔)がピエゾ素子層間に配置されている。
荷重センサ部60と駆動部70とを単板積層型にて形成した場合、駆動部70を伸長させたときの荷重を荷重センサ部60にて検出しようとすると、ピエゾ素子層間に配置されている導電体が変形する。このため、力の伝達損失が発生し、荷重センサ部60の検出精度が低下するおそれがある。また、この導電体の変形は、使用状況により変化するため、駆動部70に所定量伸長させるべく、所定の電圧を印加したとしても、荷重センサ部60の検出結果が変化してしまい検出精度が低下する。
これに対し、本実施形態の圧電体ユニット23は、上述したように一体積層型の焼成体として形成されている。ここで、上述したように、一体積層型の圧電体ユニット23では、焼成した後に、研磨することにより内部電極層62a、62b、72a、72bの電極露出部64a、64b、74a、74bを露出させることが容易である。このため、一体積層型の圧電体ユニット23では、ピエゾ素子層間に導電体を挿入させる必要が無い。圧電体ユニット23を一体積層型とすることにより、駆動部70から荷重センサ部60に伝わる力の損失を抑制でき、荷重センサ部60の検出精度が単板積層型のものと比べ向上する。
また、一体積層型の圧電体ユニット23は一つの焼成物となっているため、別々に焼成した焼成物を積層させる単板積層型のものと比べ、荷重センサ部60や駆動部70における物性が非常に近い。このため、荷重センサ部60から出力される電圧信号の温度特性の校正(補正)が容易である。
(第2実施形態)
図17、図18に示すように、本発明の第2実施形態は、第1実施形態の変形例である。第1実施形態では圧電体ユニット23が一つの焼成物から構成されているのに対し、第2実施形態では、圧電体ユニット23が単一のユニット23aと複数のユニット23a、23bとから構成されている。具体的には、圧電体ユニット23は、荷重センサ部60と駆動部70の一部を有する一つのセンサ部付圧電体ユニット23a、および駆動部70の他の部分のみを有する五個の駆動部圧電体ユニット23bが積み重なって構成されている。
図17、図18に示すように、本発明の第2実施形態は、第1実施形態の変形例である。第1実施形態では圧電体ユニット23が一つの焼成物から構成されているのに対し、第2実施形態では、圧電体ユニット23が単一のユニット23aと複数のユニット23a、23bとから構成されている。具体的には、圧電体ユニット23は、荷重センサ部60と駆動部70の一部を有する一つのセンサ部付圧電体ユニット23a、および駆動部70の他の部分のみを有する五個の駆動部圧電体ユニット23bが積み重なって構成されている。
本実施形態における圧電体ユニット23の外観は、第1実施形態とほぼ同じであり、八角柱状となっている。図17、図18に示すように、センサ部付圧電体ユニット23aの側面には、荷重センサ部60の正極側、負極側外部電極65a、65bおよび駆動部70の正極側、負極側外部電極75a、75bが設けられている。また、駆動部圧電体ユニット23bにも、駆動部70の正極側、負極側外部電極75a、75bが設けられている。
図18に示すように、センサ部付圧電体ユニット23aと駆動部圧電体ユニット23b、および駆動部圧電体ユニット23b同士の接合は、例えばシリコーン系の接着剤90などで接合されている。
本実施形態においても、センサ部付圧電体ユニット23aおよび駆動部圧電体ユニット23bは、第1実施形態の圧電体ユニット23と同様、一体積層型の圧電体ユニットである。製造方法は、第1実施形態にて説明した方法と同様である。
このように、複数の圧電体ユニットを集合させて一つの圧電体ユニットとすることにより、以下に示すような効果がある。
ここで、第1実施形態のように所定の長さの圧電体ユニット23を一体焼成物として形成すると、駆動部70を伸長させたとき、駆動部70の側面近傍に応力が集中することがある。側面近傍に応力が集中すると、応力が集中した箇所が破損するおそれがある。この現象は、駆動部70のピエゾ素子層71の積層数が多ければ多いほど顕著となる。
これに対し、第2実施形態では、所定の長さの圧電体ユニット23を、一つのセンサ部付圧電体ユニット23a、および複数の駆動部圧電体ユニット23bを積み重ねることにより形成している。
これによれば、駆動部70を伸長させたときの、駆動部70の側面近傍に集中する応力の程度を小さくすることができる。このため、圧電体ユニット23の損傷を極力抑制でき、品質を向上させることができる。
(第3実施形態)
図19に示すように、本発明の第3実施形態は、第2実施形態の変形例である。第3実施形態では、圧電体ユニット23が複数のユニットから構成されている点では、第2実施形態の圧電体ユニットと共通するが、荷重センサ部60を有する圧電体ユニットの構成が異なる。具体的には、圧電体ユニット23は、荷重センサ部60のみからなるセンサ部圧電体ユニット25a、および駆動部70のみからなる駆動部圧電体ユニット25bが複数個積み重なって構成されている。なお、駆動部圧電体ユニット25bは、少なくとも1つあれば良く、必ずしも複数個積み重ねる必要は無い。
図19に示すように、本発明の第3実施形態は、第2実施形態の変形例である。第3実施形態では、圧電体ユニット23が複数のユニットから構成されている点では、第2実施形態の圧電体ユニットと共通するが、荷重センサ部60を有する圧電体ユニットの構成が異なる。具体的には、圧電体ユニット23は、荷重センサ部60のみからなるセンサ部圧電体ユニット25a、および駆動部70のみからなる駆動部圧電体ユニット25bが複数個積み重なって構成されている。なお、駆動部圧電体ユニット25bは、少なくとも1つあれば良く、必ずしも複数個積み重ねる必要は無い。
図19に示すように、センサ部圧電体ユニット25aのセンサ部側終端内部電極層63、および駆動部圧電体ユニット25bの駆動部側終端内部電極層73は共に負極側の電極層である。
また、図19に示すように、センサ部圧電体ユニット25aと駆動部圧電体ユニット25bとの間には、例えば、アルミナや窒化珪素などからなる絶縁性のセラミック板91が設けられている。これにより、駆動部圧電体ユニット25bからセンサ部圧電体ユニット25aへの駆動部圧電体ユニット25bからセンサ部圧電体ユニット25aへの電気リークを確実に防止することができる。
また、この実施形態によれば、第2実施形態に示すような一つのユニットに荷重センサ部60と駆動部70とを備えるユニットを用意する場合に比べ、センサ部圧電体ユニット25aと駆動部圧電体ユニット25bの仕様を分ける必要が無く、共通の仕様の圧電体ユニットとすることができる。このため、低コストで荷重センサ部60を有する圧電アクチュエータ22を製造できる。
(第4実施形態)
図20に示すように、本発明の第4実施形態は、第1〜3実施形態の変形例である。第4実施形態では、接続層80aの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、ピエゾ素子層81aの厚さが、他の荷重センサ部60および駆動部70におけるピエゾ素子層61、71と比べ厚くなっている。
図20に示すように、本発明の第4実施形態は、第1〜3実施形態の変形例である。第4実施形態では、接続層80aの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、ピエゾ素子層81aの厚さが、他の荷重センサ部60および駆動部70におけるピエゾ素子層61、71と比べ厚くなっている。
このため、荷重センサ部60と駆動部70との間の絶縁性をより確かなものとすることができ、荷重センサ部60の検出精度を向上させることができる。
(第5実施形態)
図21に示すように、本発明の第5実施形態は、第1〜4実施形態の変形例である。第5実施形態では、接続層80bの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、接続層80bは、ピエゾ素子層81のみではなく、ピエゾ素子層81と内部電極層82とが交互に積層されて形成されている。ピエゾ素子層81および内部電極層82は、荷重センサ部60や駆動部70におけるピエゾ素子層61、71や内部電極層62a、62b、72a、72bと同じグリーンシート100や電極材料101a、101bから構成されている。内部電極層82は、どの外部電極65a、65b、75a、75bにも接続されていない。
図21に示すように、本発明の第5実施形態は、第1〜4実施形態の変形例である。第5実施形態では、接続層80bの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、接続層80bは、ピエゾ素子層81のみではなく、ピエゾ素子層81と内部電極層82とが交互に積層されて形成されている。ピエゾ素子層81および内部電極層82は、荷重センサ部60や駆動部70におけるピエゾ素子層61、71や内部電極層62a、62b、72a、72bと同じグリーンシート100や電極材料101a、101bから構成されている。内部電極層82は、どの外部電極65a、65b、75a、75bにも接続されていない。
この構成によれば、焼成後、接続層80bとなる部分に配置されるグリーンシート100を荷重センサ部60や駆動部70となる部分に配置されるグリーンシート100と同じものを使用することができ、製造コストの上昇を抑えられる。
また、ピエゾ素子層81と内部電極層82とが交互に積層されているため、ピエゾ素子層81を複数層重ねることができる。この構成によっても、接続層80を厚く形成することができるため、荷重センサ部60と駆動部70との絶縁性を確保することができる。
また、荷重センサ部60や駆動部70と同様、接続層80bもピエゾ素子層81と内部電極層82とが交互に積層されているため、圧電体ユニット23を一体積層型で形成する際、接続層80bも荷重センサ部60や駆動部70と同じ環境で焼成させることができ、焼成後の接続層80bの状態も荷重センサ部60や駆動部70と同様とすることができる。ピエゾ素子層81を挟む内部電極層82に焼結助剤としての機能があれば、接続層80bの機械的強度を確保することができ、圧電体ユニット23の品質を向上させることができる。
内部電極層を含むピエゾ素子層と、内部電極層を含まないピエゾ素子層とでは焼成時の収縮率が異なる。本実施形態によれば、接続層80bと、荷重センサ部60並びに駆動部70との焼成収縮を整合することができる。その結果、焼成収縮が未整合による圧電体ユニット23の焼成後の剥離、クラックなどを回避できる。
(第6実施形態)
図22に示すように、本発明の第6実施形態は、第1〜5実施形態の変形例である。第6実施形態では、駆動部側終端内部電極層73とその隣の駆動部70における内部電極層72aとの間に配設されるピエゾ素子層71aの構造が他の実施形態のものと異なる。具体的には、このピエゾ素子層71aの厚さを、駆動部70における中央部のピエゾ素子層71よりも厚くしている。この構成によれば、駆動部70を伸縮させたときの、駆動部70の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
図22に示すように、本発明の第6実施形態は、第1〜5実施形態の変形例である。第6実施形態では、駆動部側終端内部電極層73とその隣の駆動部70における内部電極層72aとの間に配設されるピエゾ素子層71aの構造が他の実施形態のものと異なる。具体的には、このピエゾ素子層71aの厚さを、駆動部70における中央部のピエゾ素子層71よりも厚くしている。この構成によれば、駆動部70を伸縮させたときの、駆動部70の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
(第7実施形態)
図23に示すように、本発明の第7実施形態は、第1実施形態の変形例である。第7実施形態では、ニードル212の閉弁駆動および開弁駆動を制御する機構が異なる。第1実施形態における燃料噴射弁2は、圧電アクチュエータ22にて直接変位伝達部30を駆動し、その変位伝達部30における変位を制御弁18に伝達することにより、制御弁18の弁体19を駆動して制御室246の圧力を調整してニードル212の開閉駆動を制御する。これに対して、第7実施形態における燃料噴射弁200は、シリンダ217の移動量を圧電アクチュエータ22にて変えることにより制御室246内の燃料圧力を制御し、ニードル212の開閉駆動を制御する。
図23に示すように、本発明の第7実施形態は、第1実施形態の変形例である。第7実施形態では、ニードル212の閉弁駆動および開弁駆動を制御する機構が異なる。第1実施形態における燃料噴射弁2は、圧電アクチュエータ22にて直接変位伝達部30を駆動し、その変位伝達部30における変位を制御弁18に伝達することにより、制御弁18の弁体19を駆動して制御室246の圧力を調整してニードル212の開閉駆動を制御する。これに対して、第7実施形態における燃料噴射弁200は、シリンダ217の移動量を圧電アクチュエータ22にて変えることにより制御室246内の燃料圧力を制御し、ニードル212の開閉駆動を制御する。
燃料噴射弁200は、ノズル211、シリンダ217、固定ピストン220、アクチュエータ部230などから構成され、これらの部品は、棒状に形成されているボデー240に収容されている。
ボデー240は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部241を備えている。ボデー240の軸方向一端側には、収容部242が形成されており、その収容部242には、燃料の噴射、非噴射を制御するノズル211が収容されている。なお、収容部242が、特許請求の範囲に記載の「第一液圧室」に相当する。
ノズル211は、ニードル212、ノズルスプリング216を有している。ニードル212は、収容部242内に摺動自在に保持されている。収容部242の軸方向一端側には、高圧燃料通路245を介して燃料入口部241と連通する噴孔243が形成されている。
この噴孔243の燃料入口部241側には、ニードル212に形成されているシート部213が着座する弁座244が形成されている。弁座244にシート部213が着座することにより、噴孔243への燃料の流れが閉塞され、噴孔243からの燃料の噴射が停止する。弁座244からシート部213が離座することにより、噴孔243への燃料の流れが開放され、噴孔243から燃料が噴射する。ニードル212のシート部213とは反対側の端部にはピストン部214が形成されている。
このピストン部214は、シリンダ217に摺動自在に挿入されている。ニードル212のシート部213とピストン部214との間にはフランジ部215が形成され、このフランジ部215とシリンダ217との間には、ノズルスプリング216が設けられている。このノズルスプリング216は、ニードル212を、シート部213が弁座244に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
収容部242の軸方向他端側には、アクチュエータ部230が収容されている。アクチュエータ部230は、第1実施形態から第5実施形態にて説明した圧電アクチュエータ22と、圧電アクチュエータ22からの変位をシリンダ217に伝達するプッシュプレート231とを有する。圧電アクチュエータ22の駆動部70が伸縮すると、プッシュプレート231を介してシリンダ217が駆動される。
シリンダ217は、内周面に段付き部を備える段付き円筒状の部材であって、段付き部の一方側に第一シリンダ孔218が形成され、段付き部の他方側に、第一シリンダ孔218よりも大径の第二シリンダ孔219が形成されている。シリンダ217は、第一、第二シリンダ孔218、219がボデー240の軸方向に沿って並んで配置されるように収容部242に収容されている。第一シリンダ孔218は、第二シリンダ孔219よりも噴孔243側に配置されている。
第二シリンダ孔219には、固定ピストン220が摺動自在に挿入されている。固定ピストン220は、固定ピストン部221と固定ピストン部221よりも径方向外側に突出するフランジ部222を有する。第二シリンダ孔219には、固定ピストン部221のみが挿入されている。
固定ピストン部221とニードル212のピストン部214との間には、シリンダ217、固定ピストン部221、ピストン部214にて、制御室246が形成される。この制御室246には、収容部242に流入した高圧燃料が第一シリンダ孔218とピストン部214、および第二シリンダ孔219と固定ピストン部221とのクリアランスを介して流入するようになっている。なお、制御室246が、特許請求の範囲に記載の「第二液圧室」に相当する。
図24は、固定ピストン220を噴孔243側から見たXXIV視図である。この図に示すように、固定ピストン220のフランジ部222は、周方向に沿って三個に分割されており、隣接するフランジ部222間に切欠き部223が形成されている。図23に示すように、フランジ部222が、収容部242の内壁に支持されているスペーサ234と、収容部242の内壁に支持されている固定スプリング235とに挟まれることにより、固定ピストン220がボデー240に対して固定される。
図25(a)はプッシュプレート231の正面図であり、図25(b)はプッシュプレート231の下面図である。図25に示すように、プッシュプレート231は、円柱状の円板部232と、円板部232の一端面から軸方向に突出する三個の円柱状の脚部233とを備えている。
これら脚部233は、プッシュプレート231と固定ピストン220とを組み合わせたときに、脚部233が切欠き部223に挿入される位置に周方向に沿って設けられている(図24を参照)。図23に示すように、プッシュプレート231は、円板部232が圧電アクチュエータ22の駆動部70に当接し、脚部233がシリンダ217に当接するように収容部242に収容される。
次に、上記燃料噴射弁200の作動を説明する。圧電アクチュエータ22の駆動部70が伸長していないとき、シリンダ217はノズルスプリング216の付勢力により圧電アクチュエータ22側に移動している。このとき、制御室246には、第一シリンダ孔218とピストン部214とのクリアランス、および第二シリンダ孔219と固定ピストン部221とのクリアランスを介して、収容部242内の高圧燃料が流入し、制御室246と収容部242との燃料圧力が等しくなっている。
この状態のとき、ニードル212は、制御室246内の燃料圧力がピストン部214に作用することによるニードル212に発生する閉弁方向の力と、ノズルスプリング216の付勢力によるニードル212に発生する閉弁方向の力の合計が、収容部242内の高圧燃料がニードル212に作用することによるニードル212に発生する開弁方向の力よりも大きい。このため、ニードル212のシート部213が弁座244に着座し、噴孔243からの燃料の噴射が停止する(図23の状態)。
駆動部70が伸長すると、駆動部70の伸長にともなってシリンダ217が噴孔243側に移動する。第一シリンダ孔218は、第二シリンダ孔219よりも径が小さいため、シリンダ217が噴孔243側に移動すると制御室246内の容積が大きくなる。これにより、制御室246内の燃料圧力がシリンダ217の移動量にともなって低くなる。これにより、上記ニードル212に発生する閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも小さくなり、ニードル212が開弁方向に移動し、シート部213が弁座244から離座し、噴孔243からの燃料の噴射が行われる。
その後、再び駆動部70が収縮すると、シリンダ217はノズルスプリング216の付勢力により、圧電アクチュエータ22側に移動し、制御室246の容積が小さくなる。これにより、制御室246内の燃料圧力が上昇し、上記閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも大きくなる。これにより、シート部213が弁座244に着座し、噴孔243からの燃料の噴射が停止する。
1 燃料供給装置、2 燃料噴射弁、3 駆動回路、4 電子制御装置(ECU)、8 リターン経路、9 背圧弁、10 燃料タンク、11 ノズル、12 ニードル、16 ノズルスプリング、17 ノズルシリンダ、18 制御弁、19 弁体、20 バルブスプリング、21 アクチュエータ部、22 圧電アクチュエータ、23 圧電体ユニット、30 変位伝達部、34 液室、40 ボデー、41 燃料入口部、43 収容部、44 噴孔、46 高圧燃料通路、47 高圧連絡通路、48 低圧燃料通路、49 低圧連絡通路、50 連絡通路、52 制御室、53 バルブ室、54 低圧側シート面、55 高圧側シート面、56 アクチュエータ室、57 固定端、60 荷重センサ部、61 ピエゾ素子層、62a・62b 内部電極層、63 センサ部側終端内部電極層、64a・64b 電極露出部、65a 正極側外部電極、65b 負極側外部電極、70 駆動部、71 ピエゾ素子層、72a・72b 内部電極層、73 駆動部側終端内部電極層、74a・74b 電極露出部、75a 正極側外部電極、75b 負極側外部電極、80 接続層、81 ピエゾ素子層、82 内部電極層、100 グリーンシート、101a 電極材料、101b 電極材料、102 印刷領域、110a 第一電極印刷シート、110b 第二電極印刷シート、111 焼失スリット印刷シート、112 焼失スリット層、130 予備積層体、140 中間積層体
Claims (11)
- 複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層されてなる圧電体ユニットを有する圧電アクチュエータであって、
前記圧電体ユニットは、前記圧電体層と前記圧電体層を挟む一対の前記内部電極層を含み、前記内部電極層を介して前記圧電体層に印加する電圧に応じて歪む駆動部と、前記圧電体層と前記圧電体層を挟む一対の前記内部電極層を含み、前記圧電体層に作用する荷重に応じた荷重信号を前記内部電極層を介して出力する荷重センサ部とを備え、
前記駆動部の前記圧電体層に電圧が印加される際の前記駆動部における前記内部電極層の極性は、一方の前記内部電極層が正側に、他方の前記内部電極層が負側となり、
前記荷重センサ部に荷重が作用した際の前記荷重センサ部における前記内部電極層の極性は、一方の前記内部電極層が正側に、他方の前記内部電極層が負側となり、
前記駆動部における前記内部電極層のうち、前記駆動部に電圧が印加されたときの前記荷重センサ部に最も近くに配置される駆動部側終端内部電極層の極性、および前記荷重センサ部における前記内部電極層のうち、前記荷重センサ部に荷重が作用したときの前記駆動部に最も近くに配置されるセンサ部側終端内部電極層の極性は、共に負側であることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記センサ部終端内部電極層と前記駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、
前記接続層は、前記圧電体層であって、前記荷重センサ部における前記圧電体層、または前記駆動部における前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記センサ部終端内部電極層と前記駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、
前記接続層は、前記圧電体層と前記内部電極層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記駆動部側終端内部電極層と、前記駆動部側終端内部電極層の前記荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される前記終端圧電体層は、前記駆動部における他の前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部の一部分を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であるセンサ部付圧電体ユニットと、前記駆動部の他の部分を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体であるセンサ部圧電体ユニットと、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記荷重センサ部は、前記圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を有するボデーと、
前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、
前記ボデーに収容され、前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかの燃料圧力を制御する制御弁と、
請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの変位を前記制御弁に伝達する変位伝達部と、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。 - 燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を内部に有するボデーと、
前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、
前記ボデーに収容され、移動することにより前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダと、
前記シリンダを直接駆動する請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。 - 前記ボデーには、請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを収容するアクチュエータ室が形成されており、
前記圧電アクチュエータは、前記弁部材とは反対側に位置する前記アクチュエータ室の固定端側に前記荷重センサ部が位置するように前記アクチュエータ室に収容されていることを特徴とする請求項9または10に記載の燃料噴射弁。
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