JP4889156B2

JP4889156B2 - Actuator and injection device

Info

Publication number: JP4889156B2
Application number: JP2001097426A
Authority: JP
Inventors: 幸喜芦田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002299709A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ及び噴射装置に係わり、例えば、自動車用燃料噴射弁、光学装置等の精密位置決め装置や振動防止用の駆動素子等に使用されるアクチュエータ及び噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、圧電体は、電圧を印加することにより伸縮する逆圧電効果を有している。しかしながら、圧電体１枚１枚の伸縮量は微量であることから、圧電体を複数枚積層して形成した積層型圧電素子を作製していた。この積層型圧電素子は、圧電体に電圧を印加して数〜数十μｍ伸長させ、アクチュエータの駆動力源とするものである。
【０００３】
ところで、従来、外気との遮断を行い、耐湿性の向上及びオイルや燃料等の異物の侵入を防止するため、積層型圧電素子を金属ケース内に収容してアクチュエータが構成されており、積層型圧電素子の変位を金属ケースに伝達し、金属ケース自体を変位させることが行われている。
【０００４】
このようなアクチュエータとして、特開平６−２８３７７８号公報に開示されるようなものが知られている。この公報に開示されたアクチュエータでは、積層型圧電素子を金属ケースに封入することにより、外気との遮断を行い、耐湿性の向上、及びオイルや燃料等の侵入を防止している。
【０００５】
図４は、この公報に開示されたアクチュエータを示すもので、積層型圧電素子５１の一端がベース部材５２に固定され、該ベース部材５２には、蛇腹（ダイヤフラム）５３の開口部が嵌入され、これにより、積層型圧電素子５１に変位方向と逆向きの予荷重が印加されている。即ち、蛇腹（ダイヤフラム）５３が積層型圧電素子５１への予荷重の印加、及び変位量の伝達を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平６−２８３７７８号報に開示されたアクチュエータでは、高電界、高圧力下で長期間連続駆動させると、自己発熱や外部の雰囲気の変動などによりアクチュエータが高温に晒され、積層型圧電素子５１と、蛇腹（ダイヤフラム）５３との間に熱膨張差が生じ、予荷重が変動し、所定の変位が得られなくなるという問題があった。
即ち、積層型圧電素子を駆動させると発熱し、その周囲の温度も高くなるが、これに伴い、積層型圧電素子は縮み、金属ケースは伸びるため、熱膨張差が発生し、予荷重が小さくなり、変位が変動するという問題があった。
また、積層型圧電素子が伸長する前と、伸長しきった時では、蛇腹の変形によって荷重が異なり、これにより、積層型圧電素子に印加される予荷重は１サイクル中で変動し、伸長しようとする時は急激な荷重が積層型圧電素子に印加され、この急激な荷重変動による衝撃が長期に渡って繰り返しに作用することにより、積層型圧電素子を構成する圧電体が劣化及びそれに伴う破損を生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は、積層型圧電素子の積層方向に一定の予荷重が印加された状態で長期間駆動させることができるアクチュエータ及び噴射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータは、圧電体と内部電極とを交互に積層してなる変位発生用積層型圧電素子と、該変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向一端が固定されたベース部材と、該ベース部材に一端部が固定され、前記変位発生用積層型圧電素子が収容された予荷重印加ケースと、該予荷重印加ケースの内面と前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端との間に設けられた予荷重印加部とを具備するアクチュエータであって、前記予荷重印加部が、前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と前記予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有し、該予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることを特徴とする。
【０００９】
一般に、積層型圧電素子は負の熱膨張係数を有している。一方、予荷重を印加するバネ部材、積層型圧電素子を収容する予荷重印加ケースは一般に金属製であり、正の熱膨張係数を有する。従って、外的要因や積層型圧電素子の自己発熱などによりアクチュエータが高温に晒された場合、積層型圧電素子の全長は縮まり、バネ部材、予荷重印加ケースは伸びるために、温度上昇に伴ない、積層型圧電素子に作用する予荷重が低下していくことになる。
【００１０】
本発明では、予荷重印加部が、変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有するため、例えば、積層型圧電素子と、予荷重印加部、予荷重印加ケースとの間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００１１】
また、一般に、変位発生用積層型圧電素子を駆動させると、予荷重を印加するバネ部材は、バネ部材の反力により、圧電素子への印加荷重の変動を生じさせる。この荷重変動は、使用するバネ部材のバネ定数ｋにより決定されるが、小型化を考慮した皿バネなどを使用した場合は、高いバネ定数ｋのため、必然的に荷重変動が大きくなる。
【００１２】
即ち、本発明のアクチュエータでは、予荷重印加用積層型圧電素子を、変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子に印可される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、荷重変動の抑制を図り、安定した変位特性を確保できる信頼性の高いアクチュエータを提供することが可能となる。
【００１３】
また、本発明では、予荷重印加部に予荷重を測定するセンサを有することが望ましい。このセンサからのデータに基づいて、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、さらに精度良く予荷重の調整が可能となる。
【００１４】
さらに、予荷重印加部の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量が、予荷重印加ケースの熱膨張による変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量よりも大きいことが望ましい。予荷重印加部が予荷重印加ケースより大きく熱変形することにより、予荷重を印加するための予荷重印加部のたわみ量の変化が小さくなり、予荷重印加用積層型圧電素子の調整幅を小さくすることができ、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を小さくできるため、信頼性を向上できる。
【００１５】
本発明の噴射装置は、噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された上記アクチュエータと、該アクチュエータの駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のアクチュエータを示すもので、図１において、符号１は、複数の圧電体と複数の内部電極とを交互に積層してなる四角柱状の変位発生用積層型圧電素子を示している。この変位発生用積層型圧電素子１は、両端に変位を発生させない不活性体１ａ、１ｂを有している。
【００１７】
この変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向一端、即ち不活性体１ａがベース部材３に固定されており、このベース部材３には、変位発生用積層型圧電素子１を収容した予荷重印加ケース５の一端部が固定されている。この予荷重印加ケース５は、開口部がベース部材３に固定された密閉ケース６内に収容されている。
【００１８】
予荷重印加ケース５の内面と、変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向他端、即ち不活性体１ｂとの間には、変位伝達部材７及び予荷重印加部９が設けられている。変位伝達部材７は、棒状体７ｂと、不活性体１ｂに当接する拡径部７ａとから構成されており、棒状体７ａが予荷重印加ケース５に設けられた貫通孔５ａを挿通し、密閉ケース６の内面に当接することにより、変位発生用積層型圧電素子１の変位を密閉ケース６伝達するように形成されている。密閉ケース６には、図示しないが、例えば蛇腹状に形成された易変形部が設けられており、変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向に容易に変形するようになっている。
【００１９】
そして、予荷重印加部９には、変位伝達部材７の拡径部７ｂと、棒状体７ａが挿通するリング状の反力板１１との間に設けられたバネ部材１３と、反力板１１と予荷重印加ケース５内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子１５が設けられている。この予荷重印加用積層型圧電素子１５には貫通孔が形成されており、この貫通孔を棒状体７ａが挿通している。バネ部材１３は、２枚の皿バネを積層し、これを対向させて構成されている。本発明では、バネ部材１３として皿バネに限定されるものではなく、コイルバネや油圧を有する予荷重付与機構などであっても良い。
【００２０】
バネ部材１３として皿バネを用いる場合、皿バネ自体のバネ定数ｋは皿バネの径及び厚みと、配列に仕方、即ち直列配列、並列配列などにより決定されるが、このバネ定数ｋは１００〜１０００ｋｇ／ｍｍであることが好ましい。これは、例えば、荷重１００〜５００ｋｇ程度のより高い予荷重を変位発生用積層型圧電素子１に印加する場合、バネ定数ｋが１００ｋｇ／ｍｍよりも小さい場合では、荷重に耐えられるだけの大きな径の皿バネをより多く直列に組み合わせる必要があり、アクチュエータ自体が大型化するからである。
【００２１】
また、バネ定数ｋが１０００ｋｇ／ｍｍよりも大きくなると、皿バネからの反力が大きくなる。つまり、荷重変動が大きくなり、変位発生用積層型圧電素子１の変位が荷重変動により著しく減少するため、アクチュエータとしての効率が低下する。また、荷重変動が大きくなることにより、高速でアクチュエータを作動した場合、変位発生用積層型圧電素子１が受ける衝撃力が大きくなるために、圧電板の破損や、劣化などが生じ、長期間の信頼性が保てなくなるためである。
【００２２】
予荷重印加用積層型圧電素子１５は、変位発生用積層型圧電素子１と同様に、内部電極と圧電体を交互に積層して構成されており、変位発生用積層型圧電素子１よりも圧電体の積層数が少なくされている。予荷重印加用積層型圧電素子１５は、変位発生用積層型圧電素子１が伸長したときに縮むように同期して駆動するようになっている。
【００２３】
以上のように構成されたアクチュエータでは、予荷重印加部９が、バネ部材１３と予荷重印加用積層型圧電素子１５とを有するため、変位発生用積層型圧電素子１と、予荷重印加部９、予荷重印加ケース５との間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子１５に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００２４】
また、予荷重印加用積層型圧電素子１５を、変位発生用積層型圧電素子１が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子１が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子１に印加される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、衝撃で圧電体や不活性体１ｂが破損することがなく、安定した変位特性を確保できる。
【００２５】
即ち、変位発生用積層圧電素子１が外部より電圧を受け伸長した場合、その上部に連結された予荷重印加部９のバネ部材１３は、変位発生用積層圧電素子１の伸長方向、つまり荷重がより増加する方向へ縮められ、その縮められた時に生じる荷重の変動が、変位発生用積層圧電素子１への荷重変動となる。この荷重変動は、予荷重印加部９と予荷重印加ケース５とが強固に連結されている場合は、バネ部材１３の伸縮に依存されるが、バネ部材１３の変形を一定とすることにより、荷重変動の抑制が可能となる。従って、予荷重印加用積層圧電素子１５に印加される電圧を制御して、バネ部材１３の変形を一定とすることによって、安定した変位量の供給が可能となる。
【００２６】
また、予荷重印加ケース５を剛体とすることができるため、予荷重をさらに一定とすることができ、さらに、密閉ケース６に易変形部が形成されているため、変位発生用積層型圧電素子１の変位を変位伝達部材７を介して外部に有効に伝達できる。
【００２７】
図２は、本発明の他の例を示すもので、予荷重印加用積層型圧電素子１５と、予荷重印加ケース５との間には、予荷重を測定するリング状のセンサ２５が設けられている。このセンサ２５は、圧電体と内部電極を交互に積層して構成されており、変位伝達部材７の棒状体７ａが挿通している。
【００２８】
このようなアクチュエータでは、予荷重が一定ならば、センサ２５に発生する電圧が一定となるため、センサ２５の電圧変動により予荷重変動をモニタでき、このデータを予荷重印加用積層型圧電素子１５にフィードバックすることにより、更に精度よく荷重の変動を抑制することができる。
【００２９】
尚、本発明では、予荷重印加部９の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向への変形量が、予荷重印加ケース５の熱膨張による変位発生用積層型圧電素子１の伸縮方向への変形量よりも大きくされている。これは、予荷重印加部９が予荷重印加ケース５より大きく熱変形することにより、予荷重を印加するための予荷重印加部９のたわみ量の変化が小さくなり、予荷重印加用積層型圧電素子１５の調整幅を小さくすることができ、予荷重印加用積層型圧電素子１５に印加される電圧を小さくできるため、信頼性を向上できる。
【００３０】
図３は、本発明の噴射装置を示すもので、図において符号３１は収納容器を示している。この収納容器３１の一端には噴射孔３３が設けられ、また収納容器３１内には、噴射孔３３を開閉することができるニードルバルブ２５が収容されている。
【００３１】
噴射孔３３には燃料通路３７が連通可能に設けられ、この燃料通路３７は外部の燃料供給源に連結され、燃料通路３７に常時一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を開放すると、燃料通路３７に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の図示しない燃料室内に噴出されるように形成されている。
【００３２】
また、ニードルバルブ３５の上端部は直径が大きくなっており、収納容器３１に形成されたシリンダ３９と摺動可能なピストン４１を有している。そして、収納容器３１内には、上記したアクチュエータ４３が収納されている。
【００３３】
このような噴射装置では、アクチュエータ４３が電圧を印加されて伸長すると、ピストン４１が押圧され、ニードルバルブ３５が噴射孔３３を閉塞し、燃料の供給が停止される。また、電圧の印加が停止されるとアクチュエータ４３が収縮し、皿バネ４５がピストン４１を押し返し、噴射孔３３が燃料通路３７と連通して燃料の噴射が行われるようになっている。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータでは、予荷重印加部が、変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有するため、例えば、積層型圧電素子と、予荷重印加部、予荷重印加ケースとの間に熱膨張差が生じた場合や、経時的に予荷重が低下した場合には、予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることができる。
【００３５】
また、予荷重印加用積層型圧電素子を、変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することにより、変位発生用積層型圧電素子が伸長しようとする時と、伸長しきった時でも変位発生用積層型圧電素子に印可される予荷重は１サイクル中で殆ど変動せず、荷重変動の抑制を図ることができる。
【００３６】
従って、高い印加電界で高速で長期間連続作動する場合において、外的要因による温度の変化や荷重の変動があった場合でも、安定した変位特性を確保できる信頼性の高いアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の他のアクチュエータを示す断面図である。
【図３】本発明の噴射装置を示す説明図である。
【図４】従来のアクチュエータを示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・変位発生用積層圧電素子
３・・・ベース部材
５・・・予荷重印加ケース
９・・・予荷重印加部
１３・・・バネ部材
１５・・・予荷重印加用積層型圧電素子
２５・・・センサ
３１・・・収納容器
３３・・・噴射孔
３５・・・バルブ
４３・・・アクチュエータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator and an injection device, and more particularly to an actuator and an injection device used for a precision positioning device such as an automobile fuel injection valve and an optical device, a drive element for preventing vibration, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a piezoelectric body has an inverse piezoelectric effect that expands and contracts when a voltage is applied. However, since the amount of expansion / contraction of each piezoelectric material is very small, a multilayer piezoelectric element formed by laminating a plurality of piezoelectric materials has been manufactured. This multilayer piezoelectric element is applied with a voltage to a piezoelectric body and stretched by several to several tens of μm to serve as a driving force source for the actuator.
[0003]
By the way, conventionally, in order to cut off from the outside air and improve moisture resistance and prevent the intrusion of foreign matters such as oil and fuel, an actuator is configured by housing a multilayer piezoelectric element in a metal case. The displacement of the piezoelectric element is transmitted to the metal case, and the metal case itself is displaced.
[0004]
As such an actuator, one disclosed in JP-A-6-283778 is known. In the actuator disclosed in this publication, the laminated piezoelectric element is sealed in a metal case to block out from the outside air, thereby improving moisture resistance and preventing intrusion of oil, fuel, or the like.
[0005]
FIG. 4 shows the actuator disclosed in this publication. One end of the laminated piezoelectric element 51 is fixed to a base member 52, and an opening of a bellows (diaphragm) 53 is fitted into the base member 52. As a result, a preload in the direction opposite to the displacement direction is applied to the multilayer piezoelectric element 51. That is, a bellows (diaphragm) 53 applies a preload to the multilayer piezoelectric element 51 and transmits a displacement amount.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the actuator disclosed in the above Japanese Patent Laid-Open No. 6-283778, when it is continuously driven for a long time under a high electric field and high pressure, the actuator is exposed to high temperature due to self-heating or a change in the external atmosphere. There is a problem that a difference in thermal expansion occurs between the piezoelectric element 51 and the bellows (diaphragm) 53, the preload fluctuates, and a predetermined displacement cannot be obtained.
That is, when the multilayer piezoelectric element is driven, heat is generated and the ambient temperature rises. However, the multilayer piezoelectric element contracts and the metal case expands, resulting in a difference in thermal expansion and a small preload. Thus, there was a problem that the displacement fluctuated.
In addition, the load differs depending on the deformation of the bellows before and when the multilayer piezoelectric element is extended, and the preload applied to the multilayer piezoelectric element fluctuates in one cycle and tries to expand. When a sudden load is applied to the multilayer piezoelectric element, the impact due to this sudden load fluctuation repeatedly acts over a long period of time, causing the piezoelectric body constituting the multilayer piezoelectric element to deteriorate and break down. There was a problem that occurred.
[0007]
An object of the present invention is to provide an actuator and an injection device that can be driven for a long time in a state in which a constant preload is applied in the stacking direction of the stacked piezoelectric elements.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The actuator of the present invention includes a displacement-generating multilayer piezoelectric element in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately stacked, a base member to which one end of the displacement generating multilayer piezoelectric element is fixed, and the base A preload application case in which one end is fixed to the member and the multilayer piezoelectric element for generating displacement is accommodated, and an inner surface of the preload application case and the other end in the expansion / contraction direction of the multilayer piezoelectric element for generating displacement An actuator having a preload application section provided on the other end, wherein the preload application section is provided at the other end of the displacement generating laminated piezoelectric element in the expansion / contraction direction, the spring member, It possesses a preload applying multilayer piezoelectric element disposed between the preload applied inner surface of the case, by controlling the voltage applied to the laminated piezoelectric element for該予load application, a constant preload It is characterized by doing.
[0009]
In general, the multilayer piezoelectric element has a negative coefficient of thermal expansion. On the other hand, a spring member for applying a preload and a preload application case for housing a multilayer piezoelectric element are generally made of metal and have a positive thermal expansion coefficient. Therefore, when the actuator is exposed to high temperature due to external factors or self-heating of the multilayer piezoelectric element, the total length of the multilayer piezoelectric element is shortened, and the spring member and the preload application case are elongated. As a result, the preload acting on the multilayer piezoelectric element decreases.
[0010]
In the present invention, the preload application section is provided with a spring member provided at the other end in the expansion / contraction direction of the multilayer piezoelectric element for generating displacement, and a preload application provided between the spring member and the inner surface of the preload application case. For example, if there is a difference in thermal expansion between the multilayer piezoelectric element and the preload application part or preload application case, or if the preload decreases with time By controlling the voltage applied to the preload application multilayer piezoelectric element, the preload can be made constant.
[0011]
In general, when the displacement-generating multilayer piezoelectric element is driven, the spring member to which the preload is applied causes the applied load to the piezoelectric element to vary due to the reaction force of the spring member. This load variation is determined by the spring constant k of the spring member to be used. However, when a disc spring or the like considering miniaturization is used, the load variation inevitably increases because of the high spring constant k.
[0012]
That is, in the actuator according to the present invention, the displacement-generating multilayer piezoelectric element is extended by driving the preload-applied multilayer piezoelectric element synchronously so as to contract when the displacement-generating multilayer piezoelectric element expands. The preload applied to the displacement-generating layered piezoelectric element hardly fluctuates in one cycle even when fully extended, and the load fluctuation can be suppressed to ensure stable displacement characteristics. It is possible to provide a high actuator.
[0013]
Moreover, in this invention, it is desirable to have a sensor which measures a preload in a preload application part. By controlling the voltage applied to the preload application multilayer piezoelectric element based on the data from the sensor, the preload can be adjusted with higher accuracy.
[0014]
Furthermore, the deformation amount in the expansion / contraction direction of the displacement-generating multilayer piezoelectric element due to the thermal expansion of the preload application unit is larger than the deformation amount in the expansion / contraction direction of the displacement generation multilayer piezoelectric element due to the thermal expansion of the preload application case. Is desirable. When the preload application part is thermally deformed more than the preload application case, the change in the deflection amount of the preload application part for applying the preload is reduced, and the adjustment range of the multilayer piezoelectric element for preload application is reduced. Since the voltage applied to the preload-applied multi-layer piezoelectric element can be reduced, the reliability can be improved.
[0015]
An injection device according to the present invention includes a storage container having an injection hole, the actuator stored in the storage container, and a valve that ejects liquid from the injection hole by driving the actuator. .
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an actuator of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a quadrangular prism-shaped displacement-generating piezoelectric element in which a plurality of piezoelectric bodies and a plurality of internal electrodes are alternately stacked. Yes. This displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 has inert bodies 1a and 1b that do not generate displacement at both ends.
[0017]
One end of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 in the expansion / contraction direction, that is, an inert body 1a is fixed to the base member 3, and a preload application accommodating the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 is applied to the base member 3. One end of the case 5 is fixed. The preload application case 5 is accommodated in a sealed case 6 whose opening is fixed to the base member 3.
[0018]
Between the inner surface of the preload application case 5 and the other end in the expansion / contraction direction of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1, that is, the inert body 1b, a displacement transmission member 7 and a preload application unit 9 are provided. The displacement transmission member 7 is composed of a rod-like body 7b and a diameter-expanded portion 7a that contacts the inert body 1b. The rod-like body 7a is inserted through a through hole 5a provided in the preload application case 5 and sealed. By contacting the inner surface of the case 6, the displacement of the displacement generating multilayer piezoelectric element 1 is transmitted to the sealed case 6. Although not shown, the hermetic case 6 is provided with an easily deformable portion formed in, for example, a bellows shape, and is easily deformed in the extending and contracting direction of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1.
[0019]
Then, pre the heavy applying section 9, and the enlarged diameter portion 7 b of the displacement transmitting member 7, a spring member 13 provided between the ring-shaped reaction force plate 11 rod-like body 7a is inserted, reaction force plate 11 and a preload application multilayer piezoelectric element 15 provided between the inner surface of the preload application case 5. The preload applying multilayer piezoelectric element 15 has a through hole, and a rod-like body 7a is inserted through the through hole. The spring member 13 is configured by stacking two disc springs and making them face each other. In the present invention, the spring member 13 is not limited to a disc spring, but may be a coil spring or a preload application mechanism having hydraulic pressure.
[0020]
When a disc spring is used as the spring member 13, the spring constant k of the disc spring itself is determined by the diameter and thickness of the disc spring and the manner of arrangement, that is, the series arrangement, the parallel arrangement, and the like. It is preferable that it is 1000 kg / mm. This is because, for example, when a higher preload with a load of about 100 to 500 kg is applied to the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1, when the spring constant k is smaller than 100 kg / mm, the diameter is large enough to withstand the load. This is because it is necessary to combine more disc springs in series, and the actuator itself becomes larger.
[0021]
Moreover, when the spring constant k becomes larger than 1000 kg / mm, the reaction force from a disc spring will become large. That is, the load variation becomes large, and the displacement of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 is significantly reduced by the load variation, so that the efficiency as the actuator is lowered. Further, when the actuator is operated at a high speed due to a large load fluctuation, the impact force applied to the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 is increased, resulting in breakage or deterioration of the piezoelectric plate. This is because reliability cannot be maintained.
[0022]
Similar to the displacement generating multilayer piezoelectric element 1, the preload applying multilayer piezoelectric element 15 is configured by alternately laminating internal electrodes and piezoelectric bodies, and is more piezoelectric than the displacement generating multilayer piezoelectric element 1. The number of stacked bodies is reduced. The preload applying multilayer piezoelectric element 15 is driven synchronously so as to contract when the displacement generating multilayer piezoelectric element 1 expands.
[0023]
In the actuator configured as described above, the preload application unit 9 includes the spring member 13 and the preload application multilayer piezoelectric element 15, so that the displacement generation multilayer piezoelectric element 1 and the preload application unit 9 are included. When a difference in thermal expansion occurs with the preload application case 5 or when the preload decreases with time, the voltage applied to the preload application multilayer piezoelectric element 15 is controlled. The preload can be made constant.
[0024]
Further, when the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 is about to expand by driving the preload applying multilayer piezoelectric element 15 synchronously so as to contract when the displacement generating multilayer piezoelectric element 1 expands. The preload applied to the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 even when it is fully extended hardly fluctuates in one cycle, and the piezoelectric body and the inactive body 1b are not damaged by an impact, so that stable displacement can be achieved. Characteristics can be secured.
[0025]
That is, when the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 is extended by receiving a voltage from the outside, the spring member 13 of the preload application unit 9 connected to the upper portion of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 has an extension direction, that is, a load. The variation in the load that is contracted in a further increasing direction and that occurs when the contraction is performed becomes the variation in the load on the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1. This load variation depends on the expansion and contraction of the spring member 13 when the preload application unit 9 and the preload application case 5 are firmly connected, but by making the deformation of the spring member 13 constant, Load fluctuation can be suppressed. Therefore, by controlling the voltage applied to the preload application multilayer piezoelectric element 15 and making the deformation of the spring member 13 constant, a stable displacement amount can be supplied.
[0026]
Further, since the preload application case 5 can be a rigid body, the preload can be made more constant, and the easily deformable portion is formed in the sealed case 6, so that the multilayer piezoelectric element for generating displacement is provided. 1 displacement can be effectively transmitted to the outside through the displacement transmission member 7.
[0027]
FIG. 2 shows another example of the present invention, and a ring-shaped sensor 25 for measuring the preload is provided between the preload application multilayer piezoelectric element 15 and the preload application case 5. ing. The sensor 25 is configured by alternately stacking piezoelectric bodies and internal electrodes, and the rod-shaped body 7a of the displacement transmitting member 7 is inserted therethrough.
[0028]
In such an actuator, if the preload is constant, the voltage generated in the sensor 25 becomes constant. Therefore, the preload fluctuation can be monitored by the voltage fluctuation of the sensor 25, and this data is used as the preload application multilayer piezoelectric element 15. By feeding back to the load, fluctuations in the load can be suppressed more accurately.
[0029]
In the present invention, the amount of deformation in the expansion / contraction direction of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 due to thermal expansion of the preload application section 9 is the same as that of the displacement-generating multilayer piezoelectric element 1 due to thermal expansion of the preload application case 5. It is larger than the amount of deformation in the expansion / contraction direction. This is because when the preload application section 9 is thermally deformed more than the preload application case 5, the change in the deflection amount of the preload application section 9 for applying the preload is reduced, and the preload application multilayer piezoelectric Since the adjustment width of the element 15 can be reduced and the voltage applied to the preload-application multilayer piezoelectric element 15 can be reduced, the reliability can be improved.
[0030]
FIG. 3 shows an injection device according to the present invention. In the figure, reference numeral 31 denotes a storage container. An injection hole 33 is provided at one end of the storage container 31, and a needle valve 25 that can open and close the injection hole 33 is stored in the storage container 31.
[0031]
A fuel passage 37 is provided in the injection hole 33 so as to be able to communicate. The fuel passage 37 is connected to an external fuel supply source, and fuel is always supplied to the fuel passage 37 at a constant high pressure. Therefore, when the needle valve 35 opens the injection hole 33, the fuel supplied to the fuel passage 37 is formed to be injected into a fuel chamber (not shown) of the internal combustion engine at a constant high pressure.
[0032]
The upper end of the needle valve 35 has a large diameter, and has a cylinder 39 formed in the storage container 31 and a piston 41 that can slide. In the storage container 31, the above-described actuator 43 is stored.
[0033]
In such an injection device, when the actuator 43 is applied with voltage and extended, the piston 41 is pressed, the needle valve 35 closes the injection hole 33, and the supply of fuel is stopped. When the application of voltage is stopped, the actuator 43 contracts, the disc spring 45 pushes back the piston 41, and the injection hole 33 communicates with the fuel passage 37 so that fuel is injected.
[0034]
【Effect of the invention】
In the actuator according to the present invention, the preload application section includes a spring member provided at the other end in the expansion / contraction direction of the displacement-generating multilayer piezoelectric element, and a preload provided between the spring member and the inner surface of the preload application case. For example, when there is a difference in thermal expansion between the multilayer piezoelectric element and the preload application part or preload application case, or when the preload decreases with time In other words, the preload can be made constant by controlling the voltage applied to the preload-applied multi-layer piezoelectric element.
[0035]
In addition, the displacement-generating multilayer piezoelectric element is driven to synchronize so as to contract when the displacement-generating multilayer piezoelectric element expands, so that the displacement-generating multilayer piezoelectric element expands and contracts. The preload applied to the displacement-generating multilayer piezoelectric element hardly fluctuates in one cycle even when the displacement occurs, and the load fluctuation can be suppressed.
[0036]
Therefore, in the case of continuous operation for a long time at a high speed with a high applied electric field, it is possible to provide a highly reliable actuator that can ensure stable displacement characteristics even when there is a change in temperature or load due to an external factor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an actuator of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing another actuator of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing an injection device of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional actuator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Displacement generation laminated piezoelectric element 3 ... Base member 5 ... Preload application case 9 ... Preload application part 13 ... Spring member 15 ... Preload application multilayer piezoelectric element 25 ... Sensor 31 ... Storage container 33 ... Injection hole 35 ... Valve 43 ... Actuator

Claims

圧電体と内部電極とを交互に積層してなる変位発生用積層型圧電素子と、該変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向一端が固定されたベース部材と、該ベース部材に一端部が固定され、前記変位発生用積層型圧電素子が収容された予荷重印加ケースと、該予荷重印加ケースの内面と前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端との間に設けられた予荷重印加部とを具備するアクチュエータであって、前記予荷重印加部が、前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向他端に設けられたバネ部材と、該バネ部材と前記予荷重印加ケース内面との間に設けられた予荷重印加用積層型圧電素子とを有し、該予荷重印加用積層型圧電素子に印加される電圧を制御することにより、予荷重を一定とすることを特徴とするアクチュエータ。A displacement-generating multilayer piezoelectric element in which piezoelectric bodies and internal electrodes are alternately laminated, a base member to which one end of the displacement-generating multilayer piezoelectric element is fixed, and one end fixed to the base member A preload application case in which the displacement-generating multilayer piezoelectric element is accommodated, and a preload provided between the inner surface of the preload application case and the other end in the expansion / contraction direction of the displacement generation multilayer piezoelectric element. An actuator including an application unit, wherein the preload application unit includes a spring member provided at the other end of the displacement-generating multilayer piezoelectric element in the expansion / contraction direction, the spring member, and an inner surface of the preload application case. possess a preload applying multilayer piezoelectric element disposed between the, by controlling the voltage applied to該予load applying multi-layer piezoelectric element, characterized in that the preload constant Actuator.

前記予荷重印加用積層型圧電素子と前記予荷重印加ケースとの間に、前記予荷重を測定する、圧電体と内部電極とを交互に積層して構成されたリング状のセンサを有することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。 Between the preload applying the laminated piezoelectric element and said preload application case, the preload measuring the, in that it has a sensor of the piezoelectric body and the internal electrode and the rings formed by laminating alternately the actuator of claim 1, wherein.

前記予荷重印加部の熱膨張による前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向の変形量が、前記予荷重印加ケースの熱膨張による前記変位発生用積層型圧電素子の伸縮方向変形量よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。Deformation amount of expansion and contraction direction of the displacement generating the multi-layer piezoelectric element due to thermal expansion of the preload applying portion is greater than the expansion and contraction direction deformation amount of the displacement generating the multi-layer piezoelectric element due to thermal expansion of the preload applied Case The actuator according to claim 1 or 2 , wherein

前記予荷重印加用積層型圧電素子は、前記変位発生用積層型圧電素子が伸長したときに縮むように同期して駆動することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のアクチュエータ。 The preload applying the laminated piezoelectric element, an actuator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said displacement generating multilayer piezoelectric element is driven synchronously to compress when elongated.

噴射孔を有する収納容器と、該収納容器内に収容された請求項１乃至４のうちいずれかに記載のアクチュエータと、該アクチュエータの駆動により前記噴射孔から液体を噴出させるバルブとを具備してなることを特徴とする噴射装置。 A storage container having an injection hole, an actuator according to any one of claims 1 to 4 accommodated in the storage container, and a valve for ejecting liquid from the injection hole by driving the actuator. An injection device characterized by comprising: