JP4840407B2 - 圧電部品を製造するための圧入装置 - Google Patents

Description

本発明は圧電部品を製造するに当たり、圧電素子に部品を高精度に圧入する際、圧電素子自体の起電力を利用することで、圧入装置で用いられるロードセルや位置決めセンサなどのセンサ類を不要とした、圧電部品を製造するための圧入装置に関するものである。

従来から、一つの部材（被圧入部材）の空部に他の部材（圧入部材）の突部を圧入する圧入方法および圧入装置がある。

被圧入部材を圧入すべき位置に高精度に圧入する圧入方法および圧入装置として、例えば特許文献１に開示された圧入方法および圧入装置がある。
この圧入装置の圧入方法は、圧入荷重に対する圧入部材および被圧入部材の圧入方向への変形量や、圧入部材を押圧する圧入装置の圧入方向への変形量を考慮することなく目標圧入量の近傍まで圧入部材を圧入する荒圧入工程と、圧入時に圧入荷重を測定し、上記変形量を加味して圧入する本圧入工程とからなる。

特開平９−２７７１２２号公報

また、特許文献２では、圧入深さの精度を向上させる圧入装置及び圧入方法を提案している。
すなわち、特許文献２では、第一部材の筒状開口部に第二部材を圧入する装置であって、圧入軸方向に筒状開口部の側壁を圧縮し、第一部材を挟持するクランプと、筒状開口部に第二部材を圧入する圧入手段とを備える圧入装置を開示している。
これにより、圧入軸方向に筒状開口部の側壁を圧縮し、第一部材をクランプし、クランプされた第一部材の筒状開口部に第二部材を圧入するようにしている。
さらに特許文献２では、第二部材を筒状開口部に圧入する圧入手段として、第二部材に当接する当接部材と、当接部材に圧入方向の衝撃を与える圧電素子アクチュエータとを備えている。
これにより、圧電素子アクチュエータを用いて第二部材に圧入方向の衝撃を与えつつ、筒状開口部に第二部材を圧入するようにしている。

特開２０００−２６３３５１号公報

ところで、近年、本出願人は、自動車の燃費、排気ガス等の対策の面から、圧電部品である圧電アクチュエータを用いた自動車の燃料噴射用インジェクタの開発を進めている。この圧電アクチュエータは、インジェクタ内に組み込まれ、厳しい環境下において使用されるため、コンパクトな構造や高い耐久性が要求されている。
上記圧電アクチュエータとしては、積層型の圧電素子を収納ケース内に密閉収容したものが知られている（例えば特許文献３参照）。

特開２００８−４１９８３号公報

かかる圧電アクチュエータの製造工程において課題としては、収納ケースと圧電素子に電力を供給するための外部電極を備えたハウジングとを溶接によって接合した圧電アクチュエータを製造する際に、収納ケースとハウジングとの接合は、収納ケース内にハウジングの一部を圧入した後、両者を溶接して接合するが、この圧入や溶接の際に収納ケースに傾きが生じ、部材の組付け不良等が生じる。そのため、収納ケース内の圧電素子に偏芯が生じ、駆動時において偏荷重がかかる。これにより、長時間駆動させると圧電素子に割れ等が生じ、耐久性が低下する。

そこで、圧電アクチュエータ１の収納ケース２内の圧電素子３に偏芯が生じることないように、収納ケース２を圧電素子３に圧入するための圧入装置４を用いて、収納ケース２を圧入すべき位置に高精度に圧入することが提案されている（図３参照）。

しかしながら、上述の圧入装置４においては、高精度に圧入するために、圧入荷重を計測するロードセル５および圧入位置を検知する位置センサ６が不可欠であり、製造コストを抑制することが困難である。しかも、圧入位置が同じでも、圧入荷重が異なると、圧入装置４および被圧入物である収納ケース２の弾性変形により、圧入終了後の復元により、圧入位置が変動してしまう。
そこで、本発明者は、特許文献２のように、組み付ける部品に圧電素子アクチュエータがあることに着目し、圧入荷重を圧電素子で計測することで、ロードセルを不要とし、また、圧入部品が弾性体に支持されていることから、弾性体を予め所定量変形させて圧入することにより、圧入終了後の復元量を安定化し、圧入精度が向上することを見出した。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、圧電部品を製造するに当たり、圧電素子に部品を高精度に圧入する際、圧電素子自体の起電力を利用することで、圧入装置で用いられるロードセルや位置決めセンサなどのセンサ類を不要とした、圧電部品を製造するための圧入装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１にかかる発明では、圧入部材としての収納ケース（２４）を圧入する被圧入部材としての圧電素子（２３）を保持するワーク保持部（１２）と、収納ケース（２４）を把持すると共に圧電素子（２３）に圧入するための圧入パンチ（１７）と、圧入パンチ（１７）に同軸的に配置して、圧入パンチ（１７）とは独立して作動可能なピストン押圧具（２５）と、ピストン押圧具（２５）に、バネ部材（２７）を介して変動可能に支持して、圧電素子（２３）端面に当接し押圧するピストン（２６）と、圧入パンチ（１７）に押圧力を付与する加圧動作部（１３）と、加圧動作部（１３）により、ピストン押圧具（２５）を予め作動させて圧電素子（２３）端面にピストン（２６）を当接した状態で、圧入パンチ（１７）を作動させて収納ケース（２４）を圧電素子（２３）に圧入し、ピストン（２６）と圧電素子（２３）との接触によって生じる電圧を監視して、このピストン−圧電素子接触電圧が所定電圧に達した時点で、加圧動作部（１３）を停止させ、加圧動作部（１３）を逆転駆動して、圧入パンチ（１７）およびピストン押圧具（２５）を退動させる制御部（１４）とを具備していて、ピストン（２６）は、ピストン押圧具（２５）に、ピストン押圧具（２５）の中心軸に対して適宜角度偏向した状態でバネ部材（２７）を介して揺動可能に取付けていることを特徴とする。

これにより、圧入部材としての収納ケース（２４）を被圧入部材としての圧電素子（２３）を圧入する際、ピストン（２６）と圧電素子（２３）との接触によって生じる電圧を監視して、収納ケース（２４）の正確な圧入が可能となり、これまでのような圧入装置のように、ロードセルや位置センサなどのセンサ類は不要となる。
また、ピストン（２６）を、圧電素子２３上端に追従して、偏在することなく全体的に当接させることができ、バネ部材（２７）の緩衝作用により、略均圧状態で当接することができる。

請求項２にかかる発明では、ワーク保持部（１２）に保持した圧電素子（２３）の端子に、ピストン−圧電素子接触電圧を計測する電圧計（２８）を接続してなることを特徴とする。

これにより、圧電素子（２３）に生じる、ピストン−圧電素子接触電圧は、圧電素子（２３）の端子に接続した電圧計（２８）によって把握することができ、制御部（１４）に送って所定の圧入工程を実行させることができる。また、電圧計（２８）によって、どの程度圧入されたかを視認することができる。

なお、上記各構成要素に記載する各構成要素に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明にかかる圧電部品を製造するための圧入装置の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
図１に、圧電部品１０を製造する工程において用いられる圧入装置１１を示す。
この圧入装置１１は、圧電部品１０を製造する工程において、圧電部品１０における圧入部材（後述）を、被圧入部材である圧電素子（後述）に所定量、圧入する工程を行うものである。
すなわち、圧入装置１１は、被圧入部材である圧電素子をクランプし保持するワーク保持部１２と、圧入部材を被圧入部材に向けて押圧する圧入手段である加圧動作部１３と、加圧動作部１３における圧入パンチ（後述）のピストンが圧電素子に接触することで発生する接触電圧にかかる出力信号等を受信し、加圧動作部１３を操作する制御信号を出力する制御部１４とを備えている。

ワーク保持部１２はテーブル１５上に設置され、加圧動作部１３は、フレーム１６を介してテーブル１５に立設されている。
加圧動作部１３は、圧入部材に当接する圧入パンチ１７とサーボモータ１８と、伝達機構部１９を介してサーボモータ１８に連結され圧入パンチ１７に当接するボールネジ２０とを有する。

なお、ボールネジ２０の上端部とテーブル１５の面（基準面）との間には、変位センサ２１が配設されており、ボールネジ２０の移動量をサーボモータ１８にフィードバックし、ボールネジ２０の移動量を精度良く制御するようにしている。

ここで、対象ワークである、圧電部品１０の構成について説明する。かかる圧電部品１０は、圧電アクチュエータとして製造する工程のうち、圧入工程によって得られる部品を示しており、実質的に、支持基部２２により支持される圧電素子２３と、圧電素子２３を支える支持基部２２に圧入してなる収納ケース２４である円筒状のパイプ２４と、支持基部２２に介装している圧電素子端子２３ａと、圧電素子端子２３ａの先端部に設けた、ターミナル部２２ａとによって構成している。

また、以上のような圧電部品１０として形成されるために、圧入装置１１における加圧動作部１３の圧入パンチ１７によって、圧入部材であるパイプ２４を、被圧入部材である圧電素子２３に向けて押圧して圧入する工程を実行するわけであるが、加圧動作部１３の圧入パンチ１７は、ボールネジ２０先端部に設けられる。
また、かかる圧入パンチ１７には、中心軸に同心的に圧入部材であるパイプ２４が把持され、中心軸に同心的に、圧入パンチ１７に対して独立的に昇降動作するピストン押圧具２５を配設している。
そして、ピストン押圧具２５には、ピストン２６を、ピストン押圧具２５の中心軸に対して適宜角度偏向した状態でバネ部材２７を介して揺動可能に取付けている。
ピストン２６は、圧入パンチ１７にパイプ２４を把持した際に、パイプ２４内において所定の間隔Ｇを以って、圧電素子２３上端面と対向するようにしている。

次に、加圧動作部１３を操作する制御信号を出力する制御部１４について説明する。
制御部１４は、前述のように、加圧動作部１３における圧入パンチ１７のピストン２６が圧電素子２３に接触することで発生する接触電圧にかかる出力信号等を受信し、加圧動作部１３を操作する制御信号を出力する構成であるが、圧入加工時に、圧入装置１１におけるワーク保持部１２に、圧電素子２３を支える支持基部２２を保持した際に、支持基部２２内の圧電素子端子２３ａの先端部のターミナル部２２ａに、電気的に接続される電圧計２８の電圧信号を取り込んでいる。
そして、制御部１４は、かかる電圧計２８によって得られる圧入パンチ１７のピストン２６が圧電素子２３に接触することで発生する接触電圧にかかる出力信号等に基づいて、後述する手順に従って、加圧動作部１３のサーボモータ１８を作動制御するように構成されている。

本発明にかかる圧電部品を製造するための圧入装置１１は以上のように構成されるものであり、次に、圧入装置１１による圧入工程について、図２に示すグラフを参照しながら説明する。
先ず、圧入装置１１におけるテーブル１５上のワーク保持部１２に、被圧入部材である圧電素子２３を支える支持基部２２を保持する。
次いで、支持基部２２内の圧電素子端子２３ａの先端部のターミナル部２２ａに、電圧計２８を接続する。
ここで、加圧動作部１３における圧入パンチ１７に、圧入部材である円筒状のパイプ２４を把持する。次に、圧入パンチ１７中心部に同軸的に設けられたピストン押圧具２５を所定量下降させる。これにより、ピストン押圧具２５に支持されたピストン２６が接触し、圧入パンチ１７に把持されるパイプ２４との位置関係が相対的に変わることなく維持される。
ピストン２６は、ピストン押圧具２５にバネ部材２７を介して偏向状態に保持されているが、ピストン２６は、バネ部材２７のバネ力に抗して変位し、圧電素子２３上端に密接させることができる。このようにすることで、ピストン２６は、圧電素子２３上端に追従して、偏在することなく全体的に当接させることができる。また、この場合、バネ部材２７の緩衝作用により、略均圧状態で当接することができる。

かかる状態で、圧入装置１１の制御部１４に動作指令を与えて、加圧動作部１３のサーボモータ１８を駆動させ、ボールネジ２０を作動させて、ボールネジ２０先端の圧入パンチ１７を下降させることで、圧入パンチ１７に把持したパイプ２４を圧電素子２３を支える支持基部２２に圧入することができる。

圧入パンチ１７を下降させていくと、パイプ２４が、圧電素子２３を支える支持基部２２に圧入されていき、ピストン２６と圧電素子２３との接触圧が増加し、発生する接触電圧が上昇していく。この接触電圧は、圧電素子端子２３ａの先端部のターミナル部２２ａに接続した電圧計２８によって計測され、電圧計２８から接触電圧にかかる出力信号が制御部１４に送られる。
従って、制御部１４は、パイプ２４が所定の位置まで圧入されたことを、接触電圧にかかる出力信号によって把握することができる。なお、パイプ２４がどの程度圧入されたかは、電圧計２８を用いたことにより、目視によって確認することもできる。

そして、制御部１４は、接触電圧にかかる出力信号によってパイプ２４が所定の位置まで圧入されたことを把握したら、加圧動作部１３のサーボモータ１８を停止させ、今度は、サーボモータ１８を逆転駆動して、ボールネジ２０を逆転させて、ボールネジ２０先端の圧入パンチ１７およびピストン押圧具２５を上昇させる。
そして、パイプ２４が所定位置まで圧入された状態の圧電部品１０として取出すことができ、かかる圧電部品１０を後続の工程へと送ることができる。

以上のように、圧電部品を製造するに当たり、圧電素子に部品を高精度に圧入する際、圧電素子自体の起電力を利用することで、圧入装置で用いられるロードセルや位置決めセンサなどのセンサ類を不要とすることができ、設備コストを大幅に抑制することができる。
しかも、前述の圧入方法によって、圧電部品のパイプ内の圧電素子に偏芯が生じることないように、パイプを圧電素子に高精度に圧入することができ、高品質な圧電部品を製造することができる。

本発明にかかる圧電部品を製造するための圧入装置の一実施形態、並びに対象とする圧電部品の一例を示した、概略的構成説明図である。 図１に示した圧入装置を用いて、行われる圧入工程を説明するための、グラフである。 従来における圧電部品の圧入工程を行うための、圧入装置の一例と、対象とする圧電部品の一例を示した、概略的構成説明図である。

符号の説明

１０ 圧電部品
１１ 圧入装置
１２ ワーク保持部
１３ 加圧動作部
１４ 制御部
１５ テーブル
１６ フレーム
１７ 圧入パンチ
１８ サーボモータ
１９ 伝達機構部
２０ ボールネジ
２１ 変位センサ
２２ 支持基部
２２ａ ターミナル部
２３ 圧電素子
２３ａ 圧電素子端子
２４ パイプ
２５ ピストン押圧具
２６ ピストン
２７ バネ部材
２８ 電圧計
Ｇ 隙間

Claims (2)

1. 圧入部材としての収納ケース（２４）を圧入する被圧入部材としての圧電素子（２３）を保持するワーク保持部（１２）と、
   前記収納ケース（２４）を把持すると共に前記圧電素子（２３）に圧入するための圧入パンチ（１７）と、
   前記圧入パンチ（１７）に同軸的に配置して、圧入パンチ（１７）とは独立して作動可能なピストン押圧具（２５）と、
   前記ピストン押圧具（２５）に、バネ部材（２７）を介して変動可能に支持して、前記圧電素子（２３）端面に当接し押圧するピストン（２６）と、
   前記圧入パンチ（１７）に押圧力を付与する加圧動作部（１３）と、
   前記加圧動作部（１３）により、前記ピストン押圧具（２５）を予め作動させて前記圧電素子（２３）端面に前記ピストン（２６）を当接した状態で、前記圧入パンチ（１７）を作動させて前記収納ケース（２４）を前記圧電素子（２３）に圧入し、前記ピストン（２６）と圧電素子（２３）との接触によって生じる電圧を監視して、このピストン−圧電素子接触電圧が所定電圧に達した時点で、前記加圧動作部（１３）を停止させ、前記加圧動作部（１３）を逆転駆動して、前記圧入パンチ（１７）およびピストン押圧具（２５）を退動させる制御部（１４）と、
   を具備していて、
   前記ピストン（２６）は、前記ピストン押圧具（２５）に、ピストン押圧具（２５）の中心軸に対して適宜角度偏向した状態でバネ部材（２７）を介して揺動可能に取付けていることを特徴とする圧電部品を製造するための圧入装置。
2. 前記ワーク保持部（１２）に保持した圧電素子（２３）の端子に、ピストン−圧電素子接触電圧を計測する電圧計（２８）を接続してなることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品を製造するための圧入装置。

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