JP4983405B2 - 圧電アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
圧電アクチュエータの絶縁構造としては、例えば、圧電素子と収納ケースとの間において、圧電素子の外周面を絶縁樹脂で覆い、その周りに絶縁樹脂等で構成された筒状のスリーブを設けた構造のものがある。上記構造の圧電アクチュエータは、圧電素子の外周面に絶縁樹脂を塗布した後、筒状のスリーブ内に絶縁樹脂を塗布した圧電素子を挿入して製造される。
上記圧電素子の側面外周に、電気絶縁性を有する筒状の絶縁カバーを上記圧電素子との間に隙間を設けて配置するカバー配置工程と、
上記圧電素子と上記絶縁カバーとの間に形成された上記隙間に、電気絶縁性を有するモールド樹脂を充填する樹脂充填工程と、
上記収納ケース内に上記圧電素子を挿入して収納する素子収納工程と、
上記収納ケースの上記開口端部に上記ハウジングを接合する接合工程とを有し、
上記絶縁カバーの側面には、少なくとも上記モールド樹脂を注入するための注入開口孔と上記モールド樹脂を吸引するための吸引開口孔とが形成されており、
上記樹脂充填工程においては、上記隙間の両端を密閉した状態で、上記モールド樹脂を上記注入開口孔から上記隙間に注入すると共に該隙間に注入した上記モールド樹脂を上記吸引開口孔から吸引し、上記モールド樹脂を上記隙間内に所定時間流通させることにより少なくとも上記圧電素子の外周面に塗布されるように充填することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法にある(請求項1)。
本発明の圧電アクチュエータは、上記第1の発明の圧電アクチュエータの製造方法により製造されたものである。そのため、上記圧電アクチュエータは、電気絶縁性・信頼性に優れ、生産性の高いものとなる。
また、上記収納ケースに設けた上記伸縮部は、上記圧電素子を駆動させた際に軸方向に伸縮する。上記伸縮部としては、ベローズやダイヤフラム等を用いることができる。
また、上記モールド樹脂の上記隙間への充填は、上記モールド樹脂を上記隙間内に流通させた後、その流通を停止することによって行うことができる。
また、上記絶縁カバーを上記モールド樹脂によって上記圧電素子の側面外周に接着するような構成の場合には、その役割を果たすことができるように充填すればよい。
もちろん、上記モールド樹脂を上記隙間に満充填することもできる。この場合には、絶縁性・信頼性をより一層確保することができる。
また、上記注入開口孔及び上記吸引開口孔の数も、特に限定されるものではなく、上記モールド樹脂を注入及び吸引して上記隙間内を流通させることができればどのような数を選択してもよい。
この場合には、上記樹脂充填工程において、上記モールド樹脂を上記注入開口孔から上記吸引開口孔へと上記隙間内に効率よく流通させることができる。
この場合には、上記モールド樹脂を上記隙間内により一層満遍無く流通させることができる。
もちろん、上記モールド樹脂を重力方向に流通させても、上記本発明の効果を充分に得ることができる。
この場合には、上記モールド樹脂を上記誘導溝に沿って誘導しながら効率よく流通させることができる。そのため、上記モールド樹脂を円滑に流通させることができると共に、生産性の向上を図ることができる。
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの一方の端部を上記ハウジングの上記端面に密接させることが好ましい(請求項5)。
この場合には、上記絶縁カバーの上記一方の端部(ハウジング側の端部)からの上記モールド樹脂のはみ出しを防止することができる。
また、上記絶縁カバーの他方の端部(ハウジングとは反対側の端部)においても、例えば治具等を密接させることにより、上記モールド樹脂のはみ出しを同様に防止することができる。
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの上記変形圧接部を変形させて上記ハウジングの端面に圧接させることが好ましい(請求項6)。
この場合には、上記絶縁カバーの上記一方の端部(ハウジング側の端部)からの上記モールド樹脂のはみ出しをより一層防止することができる。
また、上記絶縁カバーの上記他方の端部(ハウジングとは反対側の端部)においても、上記一方の端部と同様の構造を採用することにより、上記モールド樹脂のはみ出しをより一層防止することができる。
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの上記注入開口孔及び上記吸引開口孔と上記側面電極とが対向位置となるように上記絶縁カバーを配置することが好ましい(請求項7)。
この場合には、上記側面電極の表面に上記モールド樹脂を充分かつ確実に塗布することができる。これにより、上記圧電素子の絶縁性をより一層充分に確保することができる。
この場合には、上記圧電素子と上記収納ケースとの間の絶縁性を充分に確保することができる。
この場合には、上記圧電素子と上記収納ケースとの間の絶縁性を充分に確保することができる。
なお、上記絶縁カバー及び上記モールド樹脂は、上記の材料に限定されるわけではなく、その他の材料を用いることもできる。
上記インジェクタは、高温高湿という過酷な条件下で使用される。そのため、上記の優れた圧電アクチュエータを用いることにより、耐久性・信頼性を向上させることができ、上記インジェクタ全体の性能向上を図ることができる。
本発明の実施例にかかる圧電アクチュエータ及びその製造方法について、図を用いて説明する。
本例において製造する圧電アクチュエータ1は、図1に示すごとく、収納ケース20に積層型の圧電素子10を収納すると共に、電力供給用の外部電極31を備えたハウジング30を収納ケース20の開口端部201に接合してなる圧電アクチュエータである。
圧電アクチュエータ1は、圧電素子10に電圧を印加させることにより圧電素子10を駆動(変位)させ、その駆動力を外部に伝達することができるよう構成されている。
以下、この圧電アクチュエータ1の構成について簡単に説明する。
なお、本例の圧電アクチュエータ1においては、ハウジング30を配設した側を後端側とし、その反対方向を先端側とする。
本例の圧電層12は、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)よりなる圧電セラミックスで構成されている。また、内部電極層13は、Ag/Pd合金により構成されている。
なお、本例の側面電極14は、図示を省略したが、Agフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた導電性接着剤に、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンダメタルよりなる取り出し電極を埋設して構成されている。
また、セラミック積層体11の後端面112には、アルミナよりなる略円柱形状のブロック部材18が接合されている。ブロック部材18は、ハウジング30の挿入部32と当接しており、収納ケース20内における圧電素子10の収納位置を規制している。
また、胴部23の先端側においては、軸方向に伸縮可能な伸縮部21が伝達部材19の外周に設けられている。伸縮部21は、オーステナイト系ステンレスよりなる金属ベローズよりなる。
また、ハウジング30は、収納ケース20の胴部23に挿入する挿入部32を有しており、挿入部32は、収納ケース20の開口端部201を封止するように挿入されている。また、収納ケース20の開口端部201とハウジング30の挿入部32とは、レーザー溶接により接合されており、収納ケース20内は密閉された状態となっている。
本例の絶縁カバー5は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)により構成されている。また、モールド樹脂4は、シリコーン系樹脂である。
また、絶縁カバー5の後端部502には、円形状を呈する2つの注入開口孔52が互いに対向する位置に設けられている。この注入開口孔52は、後述のごとく、モールド樹脂4を隙間40内に注入するための開口孔である。
本例の吸引開口孔51及び注入開口孔52のサイズは、共にφ2.5mmである。
また、絶縁カバー5は、この変形圧接部53を変形させてハウジング30の端面301に圧接され、密接状態となっている(図1)。
本例の圧電アクチュエータ1の製造方法は、図5〜図13に示すごとく、少なくともカバー配置工程、樹脂充填工程、素子収納工程及び接合工程を行う。
樹脂充填工程では、圧電素子10と絶縁カバー5との間に形成された隙間40に、モールド樹脂4を充填する。このとき、隙間40の両端を密閉した状態で、モールド樹脂4を注入開口孔51から隙間40に注入すると共に隙間40に注入したモールド樹脂4を吸引開口孔52から吸引し、モールド樹脂4を隙間40内に所定時間流通させることにより圧電素子10の外周面100に塗布されるように充填する。
素子収納工程では、収納ケース20内に圧電素子10を挿入して収納する。
接合工程では、収納ケース20の開口端部201にハウジング30を接合する。
以下、これを詳説する。
圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛よりなるセラミックス原料粉末を準備し、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてスラリーを作製する。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、一定厚みのグリーンシートを成形する。
なお、グリーンシートの成形方法としては、本例で用いたドクターブレード法以外にも、押出成形法やその他種々の方法を用いることができる。
以上により、圧電素子10が得られる。
本工程では、図7に示すごとく、圧電素子10におけるセラミック積層体11の先端面111に伝達部材19を接合し、後端面112にブロック部材18を接合する。そして、圧電素子10の側面電極14とハウジング30の外部電極31とをスポット溶接する。これにより、ブロック部材18とハウジング30の挿入部32とを当接させた状態で、圧電素子10とハウジング30とを組み付ける。また、外部電極31とハウジング30との隙間は、ガラスよりなるハーメチックシール33により封止しておく。
本工程では、図8に示すごとく、圧電素子10の側面外周に円筒状の絶縁カバー5を圧電素子10との間に隙間40を設けて配置する。すなわち、圧電素子10を円筒状の絶縁カバー5内に挿入する。
そして、図9に示すごとく、絶縁カバー5の後端部502をハウジング30の端面301に密接させる。このとき、絶縁カバー5の後端部502の変形圧接部53(図4(a))を変形させながらハウジング30の端面301に圧接させ、密接状態とする。また、絶縁カバー5の先端部501には、押し当て治具70を押し当てて密接状態とする。これにより、隙間40の両端を密閉した状態とする。
本工程では、図10に示すごとく、まず、圧電素子10の天地を逆にする。そして、絶縁カバー5の先端部501及び後端部502に、絶縁カバー5の位置を固定するための固定治具71、72をそれぞれ取り付ける。固定治具71及び固定治具72は、同様の形状・構造を有するものである。
分割固定治具71a、71bには、モールド樹脂4を吸引するための通路となる吸引通路711がそれぞれ設けられている。吸引通路711は、分割固定治具71a、71bを径方向に貫通するように設けられている。
また、分割固定治具72a、72bには、モールド樹脂4を注入するための通路となる注入通路721がそれぞれ設けられている。注入通路721は、分割固定治具72a、72bを径方向に貫通するように設けられている。
また、絶縁カバー5の後端部502において、分割固定治具72a、72bを絶縁カバーの外周面500上に径方向に合せて締め付けることにより、固定治具72を固定する。このとき、絶縁カバー5の注入開口孔52と固定治具72の注入通路721とが連通するように固定治具72を固定する。
その後、モールド樹脂4の流通を停止し、絶縁カバー5から固定治具71、72を取り外す。これにより、モールド樹脂4の充填を完了する。
本工程では、図12に示すごとく、圧電素子10と絶縁カバー5との間の隙間40に充填されたモールド樹脂41を加熱することにより硬化させる。加熱条件は、180℃、1時間とした。これにより、圧電素子10の外周面100に、モールド樹脂41を介して絶縁カバー42を固定する。その後、絶縁カバー5の先端部501に対する押し当て治具70の押し当てを解除する。
本工程では、図13に示すごとく、圧電素子10を収納ケース20の開口端部201から収納ケース20内に収納する。そして、収納ケース20の開口端部201を封止するようにハウジング30を配置する。すなわち、収納ケース20の開口端部201にハウジング30の挿入部32を挿入する。
本工程では、図1を参照のごとく、収納ケース20の開口端部201とハウジング30の挿入部32とをレーザー溶接により接合する。本例では、ハウジング30の挿入部32を挿入した収納ケース20の開口端部201にレーザービームを照射し、収納ケース20の開口端部201とハウジング30の挿入部32とを溶融接合することにより、両者を強固に接合した。これにより、収納ケース20内を密閉状態とする。
以上により、圧電アクチュエータ1が得られる。
本例の圧電アクチュエータ1は、樹脂充填工程においては、モールド樹脂4を注入開口孔52から隙間40に注入すると共に隙間40に注入したモールド樹脂4を吸引開口孔51から吸引し、モールド樹脂4を隙間40内に所定時間流通させる。
また、樹脂充填工程においては、絶縁カバー5の注入開口孔52を吸引開口孔51よりも下方に位置させた状態で、モールド樹脂4を重力に逆らって隙間40内に流通させる。そのため、モールド樹脂4を隙間40内により一層満遍無く流通させることができる。
例えば、図4(b)に示すごとく、先端に近づくに従って外径が徐々に狭くなるように外周面500がテーパ状となっているもの、図4(c)に示すごとく、先端が曲面状となっているもの、図4(d)に示すごとく、先端に突出した部分を有するもの等を適用することができる。
本例は、実施例1の圧電アクチュエータ1の製造方法におけるカバー配置工程において、絶縁カバー5の配置を変更した例である。
本例では、図15に示すごとく、カバー配置工程において、絶縁カバー5の注入開口孔52と側面電極14とが対向位置となるように絶縁カバー5を配置する。なお、図15では、注入開口孔52と側面電極14との位置関係を示したが、吸引開口孔51と側面電極14との位置関係も同様である。
そして、同図に示すごとく、樹脂充填工程において、絶縁カバー5に固定治具72(71)を取り付け、圧電素子10と絶縁カバー5との間に形成された隙間40にモールド樹脂4を充填する。
その他の工程は、実施例1と同様である。
その他は、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、実施例1の圧電アクチュエータ1をインジェクタ6に用いた例である。
本例のインジェクタ6は、図16に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ6は、同図に示すごとく、駆動部としての圧電アクチュエータ1が収容される上部ハウジング62と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部64が形成される下部ハウジング63を有している。
縦穴621の側方には、高圧燃料通路622が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング62上側部に突出する燃料導入管623内を経て外部のコモンレール(図示略)に連通している。
ドレーン通路624は、縦穴621と駆動部となる圧電アクチュエータ1との間の隙間60を経由し、さらに、この隙間60から上下ハウジング62、63内を下方に延びる図示しない通路によって後述する3方弁651に連通してしる。
10 圧電素子
100 外周面(圧電素子の外周面)
30 ハウジング
40 隙間
4 モールド樹脂
5 絶縁カバー
51 吸引開口孔
52 注入開口孔
Claims (11)
- 軸方向に伸縮する伸縮部を有する有底筒状の収納ケースに積層型の圧電素子を収納すると共に、電力供給用の外部電極を備えたハウジングを上記収納ケースの開口端部に接合してなる圧電アクチュエータを製造する方法において、
上記圧電素子の側面外周に、電気絶縁性を有する筒状の絶縁カバーを上記圧電素子との間に隙間を設けて配置するカバー配置工程と、
上記圧電素子と上記絶縁カバーとの間に形成された上記隙間に、電気絶縁性を有するモールド樹脂を充填する樹脂充填工程と、
上記収納ケース内に上記圧電素子を挿入して収納する素子収納工程と、
上記収納ケースの上記開口端部に上記ハウジングを接合する接合工程とを有し、
上記絶縁カバーの側面には、少なくとも上記モールド樹脂を注入するための注入開口孔と上記モールド樹脂を吸引するための吸引開口孔とが形成されており、
上記樹脂充填工程においては、上記隙間の両端を密閉した状態で、上記モールド樹脂を上記注入開口孔から上記隙間に注入すると共に該隙間に注入した上記モールド樹脂を上記吸引開口孔から吸引し、上記モールド樹脂を上記隙間内に所定時間流通させることにより少なくとも上記圧電素子の外周面に塗布されるように充填することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 請求項1において、上記絶縁カバーの両端部においては、一方に上記注入開口孔が1又は複数形成されており、他方に上記吸引開口孔が1又は複数形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項2において、上記樹脂充填工程においては、上記絶縁カバーの上記注入開口孔を上記吸引開口孔よりも下方に位置させた状態で、上記モールド樹脂を重力に逆らって上記隙間内に流通させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項2又は3において、上記絶縁カバーの内周面には、上記注入開口孔から注入した上記モールド樹脂を上記吸引開口孔へと誘導するための誘導溝が螺旋状に形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記カバー配置工程前に、上記圧電素子よりも大径の上記ハウジングの端面を上記圧電素子の後端面に接合しておき、
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの一方の端部を上記ハウジングの上記端面に密接させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 請求項5において、上記絶縁カバーの上記一方の端部には、先端に向かって徐々に厚みが小さくなる変形圧接部が形成されており、
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの上記変形圧接部を変形させて上記ハウジングの端面に圧接させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項において、上記圧電素子の側面には、上記外部電極に導通された一対の側面電極が設けられており、
上記カバー配置工程においては、上記絶縁カバーの上記注入開口孔及び上記吸引開口孔と上記側面電極とが対向位置となるように上記絶縁カバーを配置することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 請求項1〜7のいずれか1項において、上記絶縁カバーは、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PET(ポリエチレンテレフタレート)又はNY66(66ナイロン)からなることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか1項において、上記モールド樹脂としては、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂又はポリウレタン系樹脂を用いることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータの製造方法により製造してなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項10において、上記圧電アクチュエータは、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタに内蔵するアクチュエータであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
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