JP4363313B2 - ピエゾアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、通電により伸縮出力を発生するピエゾアクチュエータに関するものであり、特にピエゾアクチュエータの出力側のシール構造に関する。

ピエゾスタックに電圧を加えてピエゾスタックが伸縮するのを利用したピエゾアクチュエータが知られている。このピエゾスタックは、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スタックケース内を密閉した構造を採用している。
特に、燃料噴射装置のインジェクタのアクチュエータとしてピエゾアクチュエータを搭載する場合は（例えば、特許文献１参照）、ピエゾアクチュエータの周囲が燃料で満たされる、あるいは燃料がピエゾアクチュエータの周囲に浸入する可能性があるため、燃料がスタックケースの内部（スタック室）に浸入するのを阻止する必要があり、ピエゾアクチュエータの出力側に高い燃料シール性が要求される。

ピエゾアクチュエータの出力側は、ピエゾスタックの発生する変位（発生力）を損なわずに密閉することが条件としてあげられる。
この条件を満たすシール構造として、図７に示されるように、ピエゾアクチュエータＪ１の出力側にダイアフラムＪ２を用いる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２に開示される従来技術では、ダイアフラムＪ２を用いる場合、図８に示すように、ダイアフラムＪ２の中央に出力ロッドＪ３が挿通される貫通穴Ｊ４を形成して、（１）ダイアフラムＪ２の外周縁をスタックケースＪ５とシール接合し、（２）ダイアフラムＪ２の内周縁を出力ロッドＪ３とシール接合して、ピエゾアクチュエータＪ１の出力側をシールする構造を採用している。
ここで、シール箇所が多いと、シール漏れの可能性が懸念される。
しかし、ダイアフラムＪ２を用いてピエゾアクチュエータＪ１の出力側をシールする従来技術は、シール箇所がダイアフラムＪ２の外周縁と内周縁の２箇所もあり、シール漏れに対する信頼性が懸念される。
特開２００２−２５７００２号公報 独国特許出願公開第１０１１８５６３号明細書

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的はダイアフラムによる出力側のシール箇所を１箇所のみにして、信頼性を高めたピエゾアクチュエータの提供にある。

［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用するピエゾアクチュエータは、ダイアフラムに貫通穴が無い。このため、ダイアフラムのシール箇所を、ダイアフラムの外周縁の１箇所のみにできる。これによって、シール漏れに対するピエゾアクチュエータの信頼性を高めることができる。

［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用するピエゾアクチュエータは、ダイアフラム凹部が可動台座に設けられた台座凹部に嵌め入れられるものである。
これによって、可動台座の変位が遅滞無くダイアフラムに伝えられるとともに、ダイアフラムに伝えられる変位が遅滞無く可動台座へ伝えられる。

［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用するピエゾアクチュエータの棒状の出力ロッドは、ピエゾスタックの出力端に当接する可動台座に設けられて、この可動台座の変位を外部へ伝える。
これによって、出力ロッドの変位が遅滞無くダイアフラムに伝えられるとともに、ダイアフラムに伝えられる変位が遅滞無く出力ロッドへ伝えられる。

［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用するピエゾアクチュエータのスタックケースおよびダイアフラムは、ともに金属部材よりなり、スタックケースとダイアフラムは、溶接、ろう付けなどの金属溶融接合によってシール接合されるものである。

［請求項５の手段］
請求項５の手段を採用するピエゾアクチュエータは、燃料噴射装置のピエゾインジェクタに搭載されるものである。
これによって、燃料漏れに対するピエゾアクチュエータの信頼性を高めることができ、結果的にピエゾインジェクタの信頼性を高めることができる。

最良の形態１のピエゾアクチュエータは、ピエゾスタックを収容するスタックケースの出力側をダイアフラムによってシールする構造を採用する。
そして、ダイアフラムは、その中央部に貫通しないダイアフラム凹部を有し、且つ、ピエゾスタックの出力発生部品を覆い、外周縁のみがスタックケースにシール接合されて、当該スタックケースの出力側をシールする。
また、出力発生部品は、ピエゾスタックの出力端に当接する可動台座であり、ダイアフラム凹部の内部に、可動台座の変位を外部へ伝える棒状の出力ロッドが当接または圧入される。
これによって、ダイアフラムに貫通穴は必要無く、ダイアフラムのシール箇所を、ダイアフラムの外周縁の１箇所にできる。

本発明のピエゾアクチュエータを燃料噴射装置のピエゾインジェクタに搭載した実施例１を図１〜図４を参照して説明する。図１はピエゾインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータの断面図を示し、図２はピエゾインジェクタの構成部品の１つであるダイアフラムの断面図および平面図を示す。なお、以下の実施例では、図１の上側を上と称し、図１の下側を下と称して説明する。

（ピエゾインジェクタ１の概略説明）
ピエゾインジェクタ１は、バルブボディ２の内部にピエゾアクチュエータ３を搭載するものであり、そのピエゾアクチュエータ３がＥＤＵ等の通電回路から通電（高電圧の印加）を受けると、ノズル内のニードルを上昇させて、バルブボディ２内に形成された高圧燃料通路４を介して供給された高圧燃料をノズル先端の噴孔から噴射する構造を採用している。なお、ピエゾアクチュエータ３が通電を受けるとノズル内のニードルが上昇し、ピエゾアクチュエータ３の通電が停止されるとノズル内のニードルが下降する構造は周知（例えば、特開２００２−２５７００２号公報、特開２００４−２４８３５１号公報など）であり、説明は省略する。

ピエゾアクチュエータ３は、バルブボディ２の内部に形成されたアクチュエータ室５の内部に装着される。このアクチュエータ室５の内部は、燃料で満たされる、あるいは燃料が浸入する可能性がある。即ち、このアクチュエータ室５に取り付けられるピエゾアクチュエータ３の周囲は、燃料で満たされる、あるいは燃料がピエゾアクチュエータ３の周囲に浸入する可能性がある。このため、ピエゾアクチュエータ３の内部に燃料が浸入するのを阻止する必要があり、以下ではピエゾアクチュエータ３の構成と、そのシール構造について説明する。

（ピエゾアクチュエータ３の構成）
ピエゾアクチュエータ３は、主要な構成部品として、ピエゾスタック１１、スタックケース１２、固定台座（上側台座）１３、可動台座（下側台座）１４、出力ロッド（出力伝達部材）１５、ダイアフラム１６を備え、ピエゾスタック１１が通電を受けて伸びるとその伸力が出力ロッド１５を介して出力ロッド１５の下端に当接するピストン１７を下方へ押圧する。また、ピエゾスタック１１の通電が停止されてピストン１７が縮むと、ピストン１７に加わる上方への付勢荷重（図示しないスプリングの付勢力）によってピエゾスタック１１が通電前の状態に収縮する。

次に、ピエゾアクチュエータ３の各構成部品を個別に説明する。
ピエゾスタック１１は、周知構成のものであり、その一例を説明する。ピエゾスタック１１は、通電により板厚方向に膨張する板状のピエゾ素子２１を多数積層してなる。各ピエゾ素子２１は、略円板形状を呈する圧電体、この圧電体の両面に形成された内部電極とからなり、多数のピエゾ素子２１を板厚方向に積層してピエゾスタック１１が構成される。
また、ピエゾスタック１１の側面には、２つの側面電極２２が設けられている。一方の側面電極２２は圧電体の一方の内部電極と電気的に接続され、他方の側面電極２２は圧電体の他方の内部電極と電気的に接続されている。ここで、側面電極２２は、図１に示すように、上端部（固定端側）を硬質電極２２ａとし、他部分を軟質電極２２ｂとしても良いが、すべて軟質電極２２ｂであっても良い。なお、２つの側面電極２２は、固定台座１３内を上下方向に貫通する２つの通電ターミナル２３とそれぞれ電気的に接合するものであり、外部から通電ターミナル２３に高電圧が印加されることで、ピエゾスタック１１の各ピエゾ素子２１が通電されるようになっている。
ここで、この実施例では、ピエゾスタック１１としてピエゾ素子２１のみを積層する例を示すが、ピエゾスタック１１の一部に通電により発熱する加熱用の電気抵抗素子を介在させる構成を採用するなど、適宜、他の素子を介在させても良い。

スタックケース１２は、円筒形状を呈した金属ケースであり、その内部はピエゾスタック１１の外径より僅かに大径のスタック室１２ａであって、このスタック室１２ａにおいてピエゾスタック１１を上下方向に伸縮可能に収容する。

固定台座１３は、下側の大径部１３ａ、上側の小径部１３ｂ、中間のテーパ部１３ｃからなる金属部品であり、その大径部１３ａがスタックケース１２の上端（反出力側の端部）に固着されて、スタック室１２ａの上端を密閉するものである。なお、スタック室１２ａの上端を密閉する上部シール構造については後述する。
また、固定台座１３は、ピエゾスタック１１の上端部と当接して、ピエゾスタック１１の上端の上下方向の変位を阻止する部材である。

可動台座１４は、板厚の厚い略円板形状を呈した金属部品であり、ピエゾスタック１１の下端と当接するとともに、スタックケース１２の内周面において軸方向（ピエゾスタック１１の伸縮方向）に移動可能に収容されて、ピエゾスタック１１の伸縮に伴って移動する。

出力ロッド１５は、可動台座１４の伸縮変位をスタック室１２ａの下側（外部）に配置されたピストン１７へ伝える上下方向に伸びる棒状の金属部材である。
この出力ロッド１５の上端は、可動台座１４の下面の中心部に保持される。なお、出力ロッド１５の上端がダイアフラム１６を介して可動台座１４の下面に装着される構造は後述する。
また、出力ロッド１５の下端には、凸形の曲面（半球面）１５ａが形成されている。一方、ピストン１７の上面の中心部には、出力ロッド１５の下端が当接する凹形の円錐面１７ａが形成されている。このように、出力ロッド１５の下端の曲面１５ａと、ピストン１７の円錐面１７ａを当接させることにより、出力ロッド１５とピストン１７が自動調芯されるようになっている。なお、ピストン１７の円錐面１７ａを凹形の曲面（半球面）に設けても良い。

ダイアフラム１６は、薄板で略円板形状を呈して中心部が軸方向（ピエゾスタック１１の伸縮方向）に変位可能な金属板であり、ピエゾスタック１１の出力変位を損ねずに、スタック室１２ａの出力側（下側）を密閉するシール部材である。

（ピエゾアクチュエータ３のシール構造）
ピエゾアクチュエータ３は、上述したように、ピエゾインジェクタ１内のアクチュエータ室５に取り付けられるため、ピエゾアクチュエータ３の周囲は燃料で満たされる、あるいは燃料がピエゾアクチュエータ３の周囲に浸入する可能性がある。このため、スタックケース１２の内部（スタック室１２ａ）に燃料が浸入するのを阻止する必要がある。
スタックケース１２は、筒状容器であるため、スタックケース１２の上側からの燃料の浸入を阻止する上部シール構造と、スタックケース１２の下側からの燃料の浸入を阻止する下部シール構造が必要となる。

（上部シール構造）
上部シール構造は、スタックケース１２と固定台座１３との接合部からの燃料の浸入を阻止する技術と、固定台座１３と通電ターミナル２３の間からの燃料の浸入を阻止する技術とからなる。
まず、スタックケース１２と固定台座１３との接合部からの燃料の浸入を阻止する技術を説明する。
固定台座１３は、上述したように、下側の大径部１３ａ、上側の小径部１３ｂ、中間のテーパ部１３ｃを備える。大径部１３ａの外径は、スタックケース１２の上端の内径に一致、あるいはスタックケース１２の上端の内径より僅かに大径に設けられており、固定台座１３の大径部１３ａをスタックケース１２の上端の内側に挿入、あるいは圧入した後、溶接やろう付けなどの金属溶融接合で大径部１３ａとスタックケース１２とがシール接合されて、スタックケース１２と固定台座１３との接合部から燃料がスタック室１２ａに浸入しないようになっている。

次に、固定台座１３と通電ターミナル２３の間からの燃料の浸入を阻止する技術を説明する。
バルブボディ２には、固定台座１３の小径部１３ｂが下方から挿入可能な挿入穴５ａが形成されているとともに、固定台座１３のテーパ部１３ｃと一致するテーパ受部５ｂが形成されている。
ピエゾアクチュエータ３は、ピストン１７による付勢荷重などにより、上方へ押圧されるものであり、固定台座１３のテーパ部１３ｃがバルブボディ２のテーパ受部５ｂに押圧され、テーパ部１３ｃとテーパ受部５ｂとが一致して、アクチュエータ室５の燃料が上方へ浸入するのを阻止、あるいは上方へ漏れる燃料の圧力を減圧するようになっている。
また、小径部１３ｂの中間部にはＯリング２４が装着され、小径部１３ｂと挿入穴５ａの上方へ燃料が漏れるのを完全にシールしている。
このように設けることで、固定台座１３における通電ターミナル２３の外側の挿入穴５ａに燃料が達しなくなり、固定台座１３と通電ターミナル２３の間から燃料がスタック室１２ａに浸入するのを阻止することができる。
なお、固定台座１３と通電ターミナル２３の間には、樹脂などによるシール剤が充填されて外部からの湿気や異物等の侵入を防ぐように設けられている。

（下部シール構造）
スタック室１２ａの下部（スタックケース１２の出力側）は、ダイアフラム１６によってシールされる。
この実施例１のダイアフラム１６は、可動台座１４（出力発生部品の一例）を覆って、この可動台座１４をスタックケース１２内に封止するものであり、図２に示すようにダイアフラム１６には貫通穴は無く、ダイアフラム１６の外周縁のみがスタックケース１２と溶接、ろう付け等の金属溶融接合によりシール接合されて、スタックケース１２の出力側を完全にシールするものである。
なお、この実施例１では、ダイアフラム１６の外周縁を、スタックケース１２の内周に接合する例を示すが、後述する実施例３に示すように、ダイアフラム１６の外周縁を、スタックケース１２の外周面に接合しても良い。

ここで、ピエゾアクチュエータ３は、可動台座１４の変位を遅滞無く出力ロッド１５に伝えるとともに、出力ロッド１５の変位を遅滞無く可動台座１４に伝える必要があるため、可動台座１４と出力ロッド１５は、ダイアフラム１６を介して変位方向で当接（この実施例では圧接）する。

この可動台座１４、出力ロッド１５、ダイアフラム１６の接合構造を説明する。
ダイアフラム１６は、可動台座１４の下面の略中央に形成された台座凹部１４ａに嵌め入れられる。このため、ダイアフラム１６の略中央には、台座凹部１４ａに挿入されるダイアフラム凹部１６ａが形成される。そして、そのダイアフラム凹部１６ａに、出力ロッド１５が圧入される。
ダイアフラム凹部１６ａは、可動台座１４の台座凹部１４ａの形状に沿うように形成されて、台座凹部１４ａに挿入されるものである。出力ロッド１５は、台座凹部１４ａにダイアフラム凹部１６ａを挿入した後に、ダイアフラム凹部１６ａに圧入されるものである。
このようにして、可動台座１４と出力ロッド１５は、ダイアフラム１６を介して変位方向に圧接される。
また、ダイアフラム１６は、可動台座１４と出力ロッド１５の間に挟まれて支持されるものであり、出力ロッド１５を挿通しないため、出力ロッド１５を挿通する貫通穴を設けることなく、スタックケース１２の出力側を密閉することができる。

（実施例１の効果）
ピエゾインジェクタ１に搭載されるピエゾアクチュエータ３は、上述したように、ダイアフラム１６に出力ロッド１５の挿通する貫通穴は形成されておらず、ダイアフラム１６の外周縁のみがスタックケース１２にシール接合されて、スタックケース１２の出力側を完全にシールする。
このように、ダイアフラム１６のシール箇所がダイアフラム１６の外周縁の１箇所のみであるため、従来技術（ダイアフラム１６のシール箇所が内外周縁の２箇所）に比較して、シール漏れに対するピエゾアクチュエータ３の信頼性を高めることができる。即ち、ピエゾインジェクタ１の信頼性を高めることができる。
また、ダイアフラム１６の中心に出力ロッド１５の貫通穴を形成しないため、貫通穴を形成する際に発生する廃材を無くすことができる。

図５を参照して実施例２を説明する。なお、以下の実施例では、実施例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
上記の実施例１では、ダイアフラム１６を介在させたまま出力ロッド１５を可動台座１４に圧入することで、ダイアフラム１６に貫通穴を形成しない例を示した。
これに対し、実施例２は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、出力ロッド１５（出力発生部品の一例）を覆って、この可動台座１４および出力ロッド１５をスタックケース１２内に封止することで、ダイアフラム１６に貫通穴を形成しないように設けたものである。即ち、ダイアフラム１６は、出力ロッド１５の外側（下端）を覆ってスタックケース１２の出力側を密閉するものである。
なお、出力ロッド１５は、可動台座１４と一体に形成したものであっても良いし、出力ロッド１５を可動台座１４とは別体で設け、出力ロッド１５を圧入などの固着技術によって可動台座１４に組付けたものであっても良い。
一方、出力ロッド１５とダイアフラム１６は常に当接する様に構成される。これによって、出力ロッド１５の変位がダイアフラム１６を介してピストン１７に遅滞無く確実に伝達される。

図６を参照して実施例３を説明する。
上記の各実施例では、ダイアフラム１６の外周縁を、スタックケース１２の内周にシール接合する例を示した。
これに対し、この実施例３は、ダイアフラム１６の外周縁をスタックケース１２の外周面にシール接合したものである。
シール接合する手段として、溶接技術を用いる場合、ダイアフラム１６の外周縁をスタックケース１２の外周面で容易に溶接することができる。

（変形例）
上記の各実施例では、ダイアフラム１６の外周縁を、スタックケース１２の内周または外周にシール接合する例を示したが、ダイアフラム１６の外周縁をスタックケース１２の先端部にシール接合しても良い。
上記の各実施例では、ピエゾアクチュエータ３をピエゾインジェクタ１に搭載する例を示したが、ピエゾスタック１１の伸縮力を利用した全てのピエゾアクチュエータ３に本発明を適用することができる。
上記の実施例では、燃料の浸入を防ぐために、スタックケース１２やダイアフラム１６を金属で設け、溶接やろう付けなどの金属溶融接合で接合箇所をシール接合する例を示したが、湿気や異物の侵入を防ぐ場合などでは、スタックケース１２やダイアフラム１６を樹脂など他の素材で形成し、シール剤、接着剤、Ｏリング等によって接合箇所をシール接合しても良い。

ピエゾインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータの断面図である（実施例１）。 ダイアフラムの断面図および平面図である（実施例１）。 ピエゾアクチュエータの主要構成部品の断面図である（実施例１）。 出力ロッドの側面図である（実施例１）。 ピエゾアクチュエータの下部シール構造を示す断面図である（実施例２）。 ピエゾアクチュエータの下部シール構造を示す断面図である（実施例３）。 ピエゾインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータの断面図である（従来例）。 ダイアフラムの断面図および平面図である（従来例）。

符号の説明

１ ピエゾインジェクタ
３ ピエゾアクチュエータ
１１ ピエゾスタック
１２ スタックケース
１２ａ スタック室
１３ 固定台座
１４ 可動台座（出力発生部品の一例）
１４ａ 台座凹部
１５ 出力ロッド（出力発生部品の一例）
１６ ダイアフラム
１６ａ ダイアフラム凹部
２１ ピエゾ素子

Claims (5)

1. ピエゾスタックを収容するスタックケースの出力側をダイアフラムによってシールするピエゾアクチュエータにおいて、
   前記ダイアフラムは、その中央部に貫通しないダイアフラム凹部を有し、且つ、前記ピエゾスタックの出力発生部品を覆い、外周縁のみが前記スタックケースにシール接合されて、当該スタックケースの出力側をシールし、
   前記出力発生部品は、前記ピエゾスタックの出力端に当接する可動台座であり、
   前記ダイアフラム凹部の内部に、前記可動台座の変位を外部へ伝える棒状の出力ロッドが当接または圧入されることを特徴とするピエゾアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のピエゾアクチュエータにおいて、
   前記ダイアフラム凹部は、前記可動台座に設けられた台座凹部に嵌め入れられることを特徴とするピエゾアクチュエータ。
3. 請求項１に記載のピエゾアクチュエータにおいて、
   前記棒状の出力ロッドは、前記ピエゾスタックの出力端に当接する可動台座に設けられて、この可動台座の変位を外部へ伝えることを特徴とするピエゾアクチュエータ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のピエゾアクチュエータにおいて、
   前記スタックケースおよび前記ダイアフラムは、ともに金属部材よりなり、
   前記スタックケースと前記ダイアフラムは、溶接、ろう付けなどの金属溶融接合によってシール接合されていることを特徴とするピエゾアクチュエータ。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のピエゾアクチュエータにおいて、
   このピエゾアクチュエータは、燃料噴射装置のピエゾインジェクタに搭載されることを特徴とするピエゾアクチュエータ。

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