JPH0380581A

JPH0380581A - 圧電式アクチュエータの製造装置

Info

Publication number: JPH0380581A
Application number: JP1215028A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Ishikawa; 友二石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-08-23
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1991-04-05
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JP2770459B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、たとえば自動車用内燃機関の燃料噴射装置に
使用することができる、圧電式アクチュエータの製造装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

積層されたセラミックス等からなる圧電素子を使用する
圧電式アクチュエータは、たとえば特開昭６１−４３２
６６号公報に記載されている。この従来技術でも、圧電
素子に予め圧縮荷重を付与する皿ばね等の手段を設け、
荷重−ひずみ量の特性曲線における直線領域で作動させ
ることにより、特性のばらつきが生じないようにしてい
る。

従来の技術による圧電式アクチュエータの代表的なもの
は、第３図に示したような構造を有する。

積層された圧電素子１０１を収容するハウジング１０２
の螺子部１０３には袋ナツト１０４が係合し、それによ
って、キャップ１０５を取りつけており、キャップ１０
５によりボール１０６を介して支持されるスペ−サ１０
７が圧電素子１０１に接している。圧電素子１０１の下
端はピストン１０８によって支持され、ピストン１０８
は適当なばね１０９によって付勢されていて、圧電素子
１０１に予荷重を与えている。圧電素子１０１の伸縮に
よるピストン１０８の変位は、ロッド１１０によって外
部にとり出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に圧電素子は、現実に使用することができる範囲で
、印加電圧に対する変位量が数十ハ程度というように極
めて小さい。圧電素子を積層して使用するときは、前記
の特開昭６１−４３２６６号公報にも記載されているよ
うに、各素子板の間には面粗度による間隙などが存在す
るために、素子の端子電圧と変位量との間には非直線的
な関係が生じる。

そこで、皿ばね等によって、圧電素子に大きい予荷重を
加えて使用することになるが、あまり大きい予荷重を加
えると、疲労による圧電素子の破損が生じやすくなるの
で、適切な初期応力が発生するように、厳密な管理を行
なう必要がある。

しかしながら皿ばね等を使用するだけでは、その製造誤
差や特性のばらつき等の原因によって、正確に最適値の
予荷重を発生させ得ない場合がある。

そこで本発明は、圧電素子にかかる予荷重が正確に所定
の値になるように管理しながら組立てを行なう圧電式ア
クチュエータの製造装置を提供することを、発明の解決
すべき課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電式アクチュエータの製造装置は、積層され
た圧電素子を収容しているハウジング及びキャップから
なるアクチュエータのケースを所定の位置に支持する手
段と、前記圧電素子の変位軸方向に前記キャップを介し
て荷重を印加してその状態を保持する手段と、前記圧電
素子の発生電圧を計測して予め設定した目標電圧と比較
する手段と、前記圧電素子の発生電圧と前記目標電圧と
の差が設定値以下になるまで前記圧電素子に印加してい
る前記荷重の大きさを変化させる手段と、前記電圧の差
が設定値以下になったときに前記圧電素子に印加された
荷重を保持したまま前記ハウジングに対して前記キャッ
プを固定する手段とを備えていることを特徴とする。

〔作　用〕

本発明は前記のような手段によって構成されているから
、まず、積層された圧電素子を収容しているハウジング
及びキャップからなるアクチュエータのケースは、仮組
み状態で製造装置の所定の位置に置かれる。次に圧電素
子の変位軸方向に荷重を印加する手段が付勢され、キャ
ップを介して圧電素子に荷重が作用する。そのため、圧
電素子は印加された荷重に対応する電圧を発生するので
、それが取り出されて予め設定されている目標電圧と比
較される。発生電圧と目標電圧との間の差が設定値以上
のときは荷重の大きさを変化させて、その差が設定値以
下になるように調節される。前記電圧の差が設定値以下
になったときは、印加した荷重が所定値にほぼ合致した
ときであるから、その状態を保持しながらキャップをハ
ウジングに対して固定し、圧電式アクチーエータの組立
てを完了する。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を概念的に示すもので、図中、
ＰＺは被加工物である圧電式アクチュエータを示し、そ
の部分構造として、■は電圧を印加されて軸方向に変位
する積層された圧電素子、２は圧電素子１の下端を支持
するピストン、３は圧電素子１の伸縮によるピストン２
の変位を伝達するロッド、４はピストン２を下方から支
えて圧縮力を発生しているスプリング、５はスプリング
４の圧縮力を支持すると共に圧電素子１のケースとなる
ハウジング、６はハウジング５に対し本発明の特徴とす
る手段によって結合され、圧縮力を保持するキャップ、
７は圧電素子１の上端を支持するスペーサ、８は圧電素
子の軸中心に荷重を印加するためのボールをそれぞれ示
している。ボール座はキャップ６とスペーサ７の表面に
ボール８と略同径の凹球面の一部として形成され、これ
らによって球面ジヨイントが構成されている。９はハウ
ジング５とキャップ６のかしめによる結合部であるよ圧電式アクチュエータＰＺを製造する装置が一般的にＭ
として示されており、その中で、１０はかしめをするた
めのローラ、１１は圧電式アクチュエータＰＺの支持台
でもある製造装置Ｍ本体の固定座、１２はアクチュエー
タＰＺを固定座１１に対しはさみつけ、圧電素子１に荷
重を印加するための可動部、１３は可動部１２を上下に
動かすためのボールねじ、１４はボールねじ１３のねじ
スピンドル１３ａを回転させるための駆動源であるＤＣ
サーボモータ１５とスピンドル１３ａを結合させるため
のカップリングである。なお、１６は固定座１１の一部
に支持されたガイド軸で可動部１２の回転を止め、上下
方向にのみ移動することができるように案内する。なお
、１７及び１８は圧電素子１の極板から導出されるリー
ド線を示す。

ローラ１０から軸１６までを構成要素とするものが、圧
電素子１へ適正な予荷重を印加しながらアクチュエータ
ＰＺを製造する装置Ｍのワークヘッド部ＷＨであって、
２０は荷重を印加された圧電素子１が発生した電荷をコ
ンデンサにチャージ（積分〉し電圧に変換して出力する
チャージアンプ、２１はチャージアンプ２０から出力さ
れた電圧Ｅ、と設定荷重に対応した目標電圧Ｅ、との差
を増巾する差動増巾器、２２は増巾された電圧ＥｒとＤ
Ｃサーボモータ１５の回転角度を人力としてサーボモー
タ１５を目標電圧ＥＣに対応した位置まで回転させるた
めの電圧Ｅｄを出力するサーボアンプ、２３はサーボモ
ータ１５が回転するために必要な電力（この場合は電流
〉を増巾する装置、具体的にはパワートランジスタアン
プである。

第４図は製造装置Ｍのワークヘッド部ＷＨを含むかしめ
装置全体を示す正面図、第５図はその平面図を表す。ま
た第６図はワークヘッド部ＷＨの詳細図である。次にか
しめ装置の構造を、第４図及び第５図を用いて説明する
。

かしめ装置は、前述の圧電式アクチュエータＰＺを定位
置に保持し、荷重を印加した状態でかしめるワークヘッ
ド部ＷＨと、かしめ工具であるローラ１０を圧電式アク
チュエータＰＺのケースに接触させるためのスイングア
ーム３０、ローラ１０を回転させるためのモータ３１、
スイングアームの回転軸である固定シャフト３２、スイ
ングアーム３０を、固定シャフト３２を中心として回転
させるための駆動源であるモータ３３、モータの回転を
減速させるためのウオーム３４、ウオームホイール３５
、さらに、圧電式アクチュエータＰＺのケースであるハ
ウジング５とキャップ６を保持するためのコレットチャ
ック３６．３７、コレットチャックを締めたり緩めたり
するための駆動源であるモータ３８、ワークヘッド部Ｗ
Ｈが取付けられているコラム３９、製造装置Ｍの本体の
ベース４０等より成る。

次に第６図を用いてワークヘッド部ＷＨの詳細構造を説
明する。４１ａ及び４１ｂは、圧電式アクチュエータＰ
Ｚのケースをつかむコレットチャック３６．３７を持つ
同一軸線上の上下一対の回転可能なシャフト、４２　、
４３はコレットチャック３６　、３７を締つけるための
テーパ一部と螺子部４４．４５をもつ歯車（螺子部４４
と４５は互いに逆ねじになっている。）、４６はアクチ
ュエータＰＺを回転させるために、常時、前記歯車４２
．４３と噛合っている歯車であり、電磁クラッチ４７を
介して回転軸４８に装着されている。４９は第４図に示
したコレットチャック３６　、３７を作動させるための
駆動源であるモータ３８からの回転力を伝達する歯車で
ある。

また、５０は外径側にスプラインが設けられた円板、５
１は円板５０のスプラインに嵌入してシャフト４１の回
り止めを行う係止軸、５２は係止軸５１を軸方向に押す
ための偏心カム、５３はローラ１０の回転軸、５４はロ
ーラ１０を回転するための駆動源であるモータ３１から
の回転力を伝達するための歯付きベルト、５５は歯付き
ベルト５４と係合するように回転軸５３に取付けられた
歯車、５６は可動部１２が上下方向に移動するときの案
内となるガイド軸１６に設けられたブツシュである。な
お、第６図に示されている圧電式アクチュエータＰＺは
、第１図に示されているそれとは若干構造の異なるもの
で、スペーサ７やボール８を設けずに、キャップ６によ
って直接に圧電素子１の上端を押圧するようになってい
るが、このように、本発明における被加工物である圧電
式アクチュエータＰＺは図示のようなものに限られない
。

次に、被加工物である圧電式アクチュエータＰＺが取付
けられる前の装置の状態を第４図及び第５図によって説
明する。ローラｌＯは作動上の原位置である第５図のＡ
の位置にある。また、可動部１２は、サーボモータ１５
が原位置にあるため、第４図でいうと上方向に持ち上っ
ており、被加工物が取付は可能な位置に静止している。

上記状態において被加工物である圧電式アクチュエータ
ＰＺを仮組みしてコレットチャック３６．３７内に挿入
する。

機械の起動ボタンが押されると、圧電素子ｌが可動部１
２からシャツ）４１ａを通じて加えられる荷重によって
発生する電圧Ｅ、が、目標電圧Ｅ０に達するまでサーボ
モータ１５が回転し、ボールねじ１３により下方に動か
される可動部１２が被加工物を圧縮する。それによって
キャップ６はハウジング５に対してより深く重なり合い
、圧電素子１の間隙もなくなる。この状態は、第２図の
圧電素子ｌの発生電圧を示す特性曲線上において、０点
から出発して屈曲部を過ぎ、直線状部に移ったところの
所定位置である０点まで続行される。０点においては、
発生電圧Ｅ１は目標電圧ＥＣに達し、荷重あるいは応力
はＰＣとなっている。また、圧電素子１の長さの変化を
示す可動部１２の変位量Ｓは、第２図に示す下半の特性
曲線上のＣ′点に達し、そのときの変位量はＳｃである
。目標電圧Ｅ０と発生電圧Ｅ、が等しくなると、サーボ
モータは回転を停止して、そ回転角度を保持する。この
状態でシャツ）４１ａｂの回り止めが行なわれ、電磁ク
ラッチ４７がＯＮした後モータ３８が所定の角度だけ回
転し、歯車４６によって歯車４２．４３を回転させ、螺
子部４４．４５によりコレットチャック３６．３７を締
める。

コレットチャック３６．３７が締められると電磁クラッ
チ４７が○ＦＦＬ、、回り止めがはずされる。次にモー
タ３３が所定の角度だけ回転し、スイングアーム３０が
Ａの位置からＢの位置へ回転移動する。

この回転移動と同時にモータ３１も連続回転し始め、ベ
ルト５４を介してローラ１０を回転させる。ローラ１０
がＢの位置へくると圧電式アクチュエータＰＺのキャッ
プ５はケースのハウジング５に対し結合部９を形成する
ようにかしめ付けられる。従って圧電素子１は第２図に
示す最適な予荷重（又は応力）Ｐｃを印加されたまま組
付けられることになる。かしめは被加工物が軸４１　ａ
　、　４１　ｂによって回転することによって被加工物
の全周にわたって行なわれる。組立てられた圧電式アク
チュエータＰＺを取りはずす場合は、上記の作動と逆の
工程となる。

この作動をフローチャートによって示したものが第７図
である。その内容は明らかであって説明を要しないが、
このような手順の一部又は全部を自動的に行なわせるに
は、マイクロプロセッサを有する電子制御装置を用いる
こともできる。

〔発明の効果〕

本発明は前記のような手段によって、正確に作動特性を
所定のものに合致させることができるので、厳密な意味
でばらつきのない製品が得られ、最適値の初期荷重を圧
電素子に与えることによって、直線的な作動特性を保持
しながらも、疲労による破損を最小限におさえることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置を概念的に示す一部断面図
、第２図は圧電素子の特性を示す線図、第３図はアクチ
ュエータの従来例を示す縦断面図、第４図は本発明実施
例装置を具体的に示す正断面図、第５図はその平面図、
第６図は第４図の一部を拡大して示す断面図、第７図は
実施例装置の作動を示すフローチャートである。１・・・圧電素子、　　　　４・・・スプリング、５・
・・ハウジング、　　　　６・・・キャップ、７・・・
スペーサ、　　　　８・・・ボール、９・・・かしめ結
合部、　　１０・・・ローラ、１１・・・固定座、　　
　　　１２・・・可動部、１３・・・ボールねじ、　　
　　１４・・・カップリング、１５・・・ＤＣサーボモ
ータ、１６・・・ガイド軸、１７．１８・・・リード線
、　　２０・・・チャージアンプ、２１・・・差動増幅
器、　　　２２・・・サーボアンプ、２３・・・パワー
トランジスタアンプ、３０・・・スイングアーム、３１
・・・モータ、３２・・・固定シャフト、３３・・・モ
ータ、３５・・・ウオームホイール、３６．３７・・・コレットチャック、３８・・・モータ、３９・・・コラム、４０・・・ベー
ス、　　　　　４１ａ、４１ｂ・・・シャフト、４２．
４３・・・歯車、　　　　４４．４５・・・螺子部、４
７・・・電磁クラッチ、　　４８・・・回転軸、５０・
・・円板、　　　　　　５１・・・係止軸、５３・・・
ローラ軸、５４・・・歯付きベルト、５５・・・歯車、
　　　　　　５６・・・ブツシュ、１０１・・・圧電素
子、　　　１０３・・・螺子部、１０９・・・ばね、ＰＺ・・・圧電式アクチュエータ、ＷＨ・・・ワークヘッド、Ｍ・・・アクチュエータ製造装置。

Claims

【特許請求の範囲】

　積層された圧電素子を収容しているハウジング及びキ
ャップからなるアクチュエータのケースを所定の位置に
支持する手段と、前記圧電素子の変位軸方向に前記キャ
ップを介して荷重を印加してその状態を保持する手段と
、前記圧電素子の発生電圧を計測して予め設定した目標
電圧と比較する手段と、前記圧電素子の発生電圧と前記
目標電圧との差が設定値以下になるまで前記圧電素子に
印加している前記荷重の大きさを変化させる手段と、前
記電圧の差が設定値以下になったときに前記圧電素子に
印加された荷重を保持したまま前記ハウジンクに対して
前記キャップを固定する手段とを備えていることを特徴
とする圧電式アクチュエータの製造装置。