JP2007288866A - ピエゾアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾスタックにリード線を接続した場合に、高い気密性を確保する。
【解決手段】リード線３の一端がピエゾスタック１に接続され、リード線３の他端がケーシング２の外部に取り出されるピエゾアクチュエータであって、リード線３とケーシング２との間のシールを行うゴムブッシュ４は、リード線３の芯線３１が挿入されてその芯線３１と当接する芯線挿入穴４１２が形成されている。そして、芯線挿入穴４１２と芯線３１との当接によりゴムブッシュ４とリード線３との間のシールがなされる。
【選択図】図３

Description

本発明は、多数のピエゾ素子を積層したピエゾスタックを備えるピエゾアクチュエータに関し、特に燃料噴射装置のインジェクタに好適である。

従来の燃料噴射装置は、コモンレール内に蓄えられた高圧燃料をインジェクタを介して内燃機関の各気筒の燃焼室内に噴射供給するように構成されている。インジェクタは、噴孔をニードルにて開閉して開弁時に燃料を噴射するノズルや、ニードルにおける反噴孔側に作用する圧力を制御してノズルの開閉作動を制御するピエゾアクチュエータを備えている（例えば、特許文献１参照）。

ピエゾアクチュエータは、周知のように、多数のピエゾ素子を絶縁層を形成しながら積層してピエゾスタックを形成し、このピエゾスタックに金属製の丸棒のリード電極を接続した後、ピエゾスタックをケーシングに収納している。

ここで、ピエゾ素子の最小板厚は数十μｍであり、また、比較的高電圧が印加されるため、隣接するピエゾ素子間のショートが発生しやすい環境になっている。したがって、ピエゾアクチュエータ内に水分が浸入すると容易にショートが発生するため、ピエゾアクチュエータは特に高い気密性が要求される。そこで、電極とケーシングとの間は、絶縁と気密を両立すべくガラスハーメチックを施していた。
特開２００２−２５７００２号公報

しかしながら、ピエゾアクチュエータの小型化と電極取り出し自由度を加味すると、ピエゾスタックからの電極取り出しはリード線であることが望まれる。

従来のように、ピエゾスタックにリード電極を接続し、ガラスハーメチックを施した後、リード電極にリード線を接続することも可能であるが、この場合ガラスハーメチックのコストが高いことや、接続箇所が増加することによる信頼性の低下が問題となる。

本発明は上記点に鑑みて、ピエゾスタックにリード線を接続した場合に、高い気密性を確保することを目的とする。

本発明は、ピエゾスタック（１）がケーシング（２）に収納され、リード線（３）の一端がピエゾスタック（１）に接続され、リード線（３）の他端がケーシング（２）の外部に取り出されたピエゾアクチュエータであって、リード線（３）とケーシング（２）との間のシールを行うゴムブッシュ（４）は、芯線（３１）が挿入される芯線挿入穴（４１２）が形成されており、その芯線挿入穴（４１２）は、芯線（３１）の外周面が当接可能な穴径となっている内壁を少なくとも一部に有することを特徴とする。

そして、ゴムブッシュ（４）とリード線（３）の被覆部材（３２）との当接によりゴムブッシュ（４）とリード線（３）との間のシールを行った場合には、芯線（３１）と被覆部材（３２）との間を通ってピエゾアクチュエータ内に水分が浸入してしまうが、本発明によると、ゴムブッシュ（４）と芯線（３１）との当接によりゴムブッシュ（４）とリード線（３）との間のシールがなされるため、芯線（３１）と被覆部材（３２）との間からの水分の浸入が防止される。したがって、ピエゾスタック（１）にリード線（３）を接続した場合でも高い気密性を確保することができる。

この場合、ゴムブッシュ（４）は、芯線挿入穴（４１２）内に環状の突起（４４）を備えることができる。

このようにすれば、ゴムブッシュ（４）と芯線（３１）との当接部位の面圧が上がり気密性が向上する。

また、ゴムブッシュ（４）は、ケーシング（２）と当接する部位に環状の突起（４５）を備えることができる。

このようにすれば、ゴムブッシュ（４）とケーシング（２）との当接部位の面圧が上がり気密性が向上する。

また、ゴムブッシュ（４）は、芯線挿入穴（４１２）におけるケーシング外部側の端部に、被覆部材（３２）の端部が当接する段差部（４２）を備えることができる。

このようにすれば、段差部（４２）はリード線（３）の位置決め用ストッパとして機能する。したがって、芯線（３１）の露出部の長さを管理し、被覆部材（３２）が段差部（４２）に当たる位置まで芯線（３１）を芯線挿入穴（４１２）に挿入することにより、ピエゾスタック（１）の側面電極（１４）と芯線（３１）との溶接部長さを管理でき、溶接部の信頼性を向上させることができる。

また、芯線（３１）を単芯線にすることができる。このようにすれば、芯線（３１）がより線である場合の問題、すなわち、線間の隙間を通ってピエゾアクチュエータ内に水分が浸入する問題が発生せず、高い気密性を確実に確保することができる。

また、ゴムブッシュ（４）を、ピエゾスタック（１）におけるピエゾ素子積層方向の一端側に配置し、ケーシング（２）に、ゴムブッシュ（４）が収納される収納穴（２２１）を形成し、この収納穴（２２１）に、ピエゾ素子積層方向へのゴムブッシュ（４）の移動を阻止する位置決め面（２２２）を形成することができる。

このようにすれば、ピエゾ素子積層方向へのゴムブッシュ（４）のがたつきが防止される。このため、ゴムブッシュ（４）と芯線（３１）との相対移動によるシール部の摩耗が防止され、シール部の信頼性が向上する。また、ゴムブッシュ（４）とピエゾスタック（１）との相対移動による溶接部の破損が防止され、溶接部の信頼性が向上する。

また、ゴムブッシュ（４）を、ピエゾスタック（１）におけるピエゾ素子積層方向の一端側に配置し、ゴムブッシュ（４）とピエゾスタック（１）との間に、リード線（３）を案内する案内部材（５）を設けることができる。

ゴムブッシュ（４）と案内部材（５）を一体にして形成する場合には、多くのアンダカットがあって型による成形が容易ではないが、それらを別体にすることにより型による成形が容易になる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るピエゾアクチュエータの断面図である。

ピエゾアクチュエータは、電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック１が収納されるケーシング２を備え、このケーシング２は、金属製の円筒状の筒部材２１の一端側開口部に金属製の段付き円筒状のキャップ２２が気密的に溶接され、筒部材２１の他端側開口部に金属製の薄板状のダイヤフラム２３が気密的に溶接されている。また、ダイヤフラム２３の中心部には、ピエゾスタック１の変位を伝達する金属製のロッド２４が気密的に溶接されている。このロッド２４は、円錐台状の円錐部２４１と、円柱状の円柱部２４２とを備えている。そして、円錐部２４１はケーシング２の内部に配設され、円柱部２４２はダイヤフラム２３の中心部に形成された貫通穴に挿入されてケーシング２の外部に突出している。

ピエゾスタック１は、多数のピエゾ素子と内部電極とを交互に積層した積層体１１を備え、ピエゾ素子の積層方向（以下、ピエゾ素子積層方向という）両端にアルミナ製の端板１２、１３が配置され、一方の端板１２がケーシング２のキャップ２２および後述するゴムブッシュ４に当接し、他方の端板１３がロッド２４の円錐部２４１に当接している。積層体１１の側面には一対の側面電極１４が設けられており、各ピエゾ素子の両側に位置する２つの内部電極のうちの一方が、一方の側面電極１４に接続され、他方の内部電極が他方の側面電極１４に接続されている。

ピエゾスタック１の側面電極１４には、一対のリード線３が接続されている。このリード線３は、芯線３１が被覆部材３２にて覆われている。本実施形態で用いる芯線３１は単芯線である。ケーシング２のキャップ２２内には、リード線３とキャップ２２との間のシールを行う段付き円柱状のゴムブッシュ４が挿入されている。そして、リード線３は、ゴムブッシュ４を貫通してケーシング２の外部に取り出され、図示しない外部の駆動回路に接続される。なお、ゴムブッシュ４は、耐熱性に富むフッ素ゴムよりなる。また、積層体１１の外周、側面電極１４の表面、および側面電極１４とリード線３の接続部には、ケーシング２との間の絶縁を確保するために絶縁部材（図示せず）が配設されている。

図２は、リード線３、ゴムブッシュ４、およびケーシング２のキャップ２２を分解して示す断面図である。

この図２に示すように、ゴムブッシュ４は、リード線３が挿入される一対の挿入穴４１が形成されている。この挿通穴４１は、３つの挿入穴部４１１〜４１３からなり、ケーシング２の内部と外部とを連通するようになっている。

最もケーシング外部側に位置する円柱状の第１挿入穴部４１１は、芯線３１および被覆部材３２が挿入されて、被覆部材３２の外周面と当接する。中間部に位置する円柱状の第２挿入穴部４１２は、芯線３１のみが挿入されて、芯線３１の外周面と当接する。より詳細には、芯線３１の外周面は、全周に渡って第２挿入穴部４１２の内壁面に当接する。この第２挿入穴部４１２は、本発明の芯線挿入穴に相当する。

最もケーシング内部側に位置する第３挿入穴部４１３は、一対の芯線３１の先端部（すなわち、ケーシング内部側端部）間の間隔を、一対の側面電極１４の間隔と同程度の寸法に拡げる機能を有しており、ケーシング外部側から内部側に向かうのに伴って外側に拡がっている。

第１挿入穴部４１１と第２挿入穴部４１２は同軸に配置されている。また、自由状態においては、第１挿入穴部４１１の内径は第２挿入穴部４１２の内径よりも大きく設定されている。より詳細には、自由状態においては、第１挿入穴部４１１の内径は被覆部材３２の外径よりも大きく、第２挿入穴部４１２の内径は芯線３１の外径よりも小さくなっている。したがって、第１挿入穴部４１１と第２挿入穴部４１２との境界には段差部４２があり、この段差部４２に被覆部材３２の端部が当接可能になっている。また、ゴムブッシュ４の外周面には、ゴムブッシュ４の軸線方向中間部に、ゴムブッシュ４の軸線に直交する外周端面４３が形成されている。さらに、第２挿入穴部４１２の内径は第３挿入穴部４１３の内径よりも小さくなっている。

ケーシング２のキャップ２２は、ゴムブッシュ４が収納される段付き円柱状の収納穴２２１が形成されている。この収納穴２２１には、キャップ２２の軸線方向中間部に、キャップ２２の軸線に直交する内周端面２２２が形成されている。そして、図１に示すようにピエゾアクチュエータの組み付けが完了した状態では、ゴムブッシュ４の外周端面４３がキャップ２２の内周端面２２２に当接して、ピエゾ素子積層方向へのゴムブッシュ４の移動を阻止するようになっている。なお、キャップ２２の内周端面２２２は、本発明の位置決め面に相当する。

次に、ピエゾアクチュエータの組み付けについて説明する。図３は、ピエゾアクチュエータを、ピエゾスタック１と、リード線３等の集合体と、筒部材２１等の集合体に分解して示す断面図である。

まず、図３に示すように、ピエゾスタック１と、リード線３等の集合体と、筒部材２１等の集合体を準備する。

リード線３等の集合体は、次のようにして製造する。リード線３の被覆部材３２の不要な部分を剥き、ゴムブッシュ４の第１挿入穴部４１１側からリード線３を挿通穴４１に挿入する。リード線３を挿通穴４１に挿入する過程において、芯線３１は第３挿入穴部４１３に案内されて外側に拡がる。このとき、第３挿入穴部４１３の内径は、第２挿入穴部４１２よりも大きいので、芯線３１の取り出しが容易である。また、リード線３を挿通穴４１に挿入することにより、第２挿入穴部４１２の内周面と芯線３１が密着して気密性が確保される。この後、このリード線３を通したゴムブッシュ４にケーシング２のキャップ２２を被せる。これにより、ゴムブッシュ４とキャップ２２との間の気密が行われる。

ここで、芯線３１の露出部の長さＬ１（図２参照）を管理し、被覆部材３２の端部が段差部４２に当接する位置までリード線３を挿入することにより、芯線３１の挿通穴４１からの突出長さＬ２、ひいては側面電極１４と芯線３１との溶接部長さを管理することができる。

一方、筒部材２１とダイヤフラム２３とロッド２４を溶接にて一体化して筒部材２１等の集合体を製造する。

ピエゾスタック１と、リード線３等の集合体と、筒部材２１等の集合体を準備した後に、それらの組み付けを行う。まず、ピエゾスタック１の端面にリード線３等の集合体を配置し、側面電極１４にリード線３を溶接する。この後、ピエゾスタック１を筒部材２１等の集合体に挿入し、キャップ２２を筒部材２１の開口部に挿入し、キャップ２２と筒部材２１を溶接する。これにより、図１に示すピエゾアクチュエータが完成する。

本実施形態では、ゴムブッシュ４の第２挿入穴部４１２の内周面とリード線３の芯線３１が密着して、ゴムブッシュ４とリード線３との間のシールがなされる。したがって、ピエゾスタック１の側面電極１４にリード線３を接続する場合でも高い気密性を確保することができる。

また、ゴムブッシュ４の段差部４２はリード線３の位置決め用ストッパとして機能するため、芯線３１の挿通穴４１からの突出長さＬ２、ひいては側面電極１４と芯線３１との溶接部長さを管理することができ、溶接部の信頼性を向上させることができる。

また、ケーシング２のキャップ２２に形成された収納穴２２１の内周端面２２２により、ピエゾ素子積層方向へのゴムブッシュ４のがたつきが防止される。このため、ゴムブッシュ４と芯線３１との相対移動によるシール部の摩耗が防止され、シール部の信頼性が向上する。また、ゴムブッシュ４とピエゾスタック１との相対移動による、側面電極１４とリード線３との溶接部の破損が防止され、溶接部の信頼性が向上する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は第２実施形態に係るピエゾアクチュエータにおけるゴムブッシュの断面図、図５は図４のＡ部の拡大断面図、図６は図４のゴムブッシュにリード線を装着した状態を示す断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４、図５に示すように、ゴムブッシュ４の挿通穴４１における第２挿入穴部４１２の内周面には、環状に連続した突起４４が２つ形成されている。また、自由状態での突起４４の先端の内径は、リード線３の芯線３１の外径よりも小さく設定されている。したがって、図６に示すように、リード線３を挿通穴４１に挿入すると突起４４の先端が弾性変形して芯線３１に密着し、突起４４と芯線３１との当接部位の面圧が上がって気密性が向上する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７は第３実施形態に係るピエゾアクチュエータにおけるゴムブッシュの断面図、図８は図７のＢ部の拡大断面図、図９は図７のゴムブッシュにケーシングのキャップを装着した状態を示す断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７、図８に示すように、ゴムブッシュ４の外周面には、キャップ２２の収納穴２２１に挿入される部位に、環状に連続した突起４５が２つ形成されている。また、自由状態での突起４５の先端の外径は、キャップ２２の収納穴２２１の内径よりも大きく設定されている。したがって、図９に示すように、ゴムブッシュ４にキャップ２２を装着すると突起４５の先端が弾性変形して収納穴２２１の内周面に密着し、突起４５と収納穴２２１の内周面との当接部位の面圧が上がって気密性が向上する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図１０は第４実施形態に係るピエゾアクチュエータの断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、芯線３１を案内する第３挿入穴部４１３を、ゴムブッシュ４に形成したが、本実施形態では、第３挿入穴部４１３をゴムブッシュ４とは別の部材に形成している。

すなわち、図１０に示すように、第３挿入穴部４１３は、ゴムブッシュ４と別体の樹脂製の案内部材５に形成されている。そして、この案内部材５は、ケーシング２のキャップ２２に挿入されてゴムブッシュ４とピエゾスタック１との間に配置される。

ゴムブッシュ４に第３挿入穴部４１３も形成する場合には、多くのアンダカットがあって型による成形が容易ではないが、ゴムブッシュ４と別体の案内部材５に第３挿入穴部４１３を形成することにより、型によるゴムブッシュ４の成形が容易になる。

（他の実施形態）
上記各実施形態のピエゾアクチュエータは、燃料噴射装置のインジェクタに適用することができるとともに、他の機器にも適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るピエゾアクチュエータの断面図である。 図１のリード線、ゴムブッシュ、およびキャップを分解して示す断面図である。 図１のピエゾアクチュエータを分解して示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るピエゾアクチュエータにおけるゴムブッシュの断面図である。 図４のＡ部の拡大断面図である。 図４のゴムブッシュにリード線を装着した状態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るピエゾアクチュエータにおけるゴムブッシュの断面図である。 図７のＢ部の拡大断面図である。 図７のゴムブッシュにケーシングのキャップを装着した状態を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係るピエゾアクチュエータの断面図である。

符号の説明

１…ピエゾスタック、２…ケーシング、３…リード線、４…ゴムブッシュ、３１…芯線、３２…被覆部材、４１２…第２挿入穴部（芯線挿入穴）。

Claims (7)

1. 多数のピエゾ素子を積層したピエゾスタック（１）がケーシング（２）に収納され、芯線（３１）を被覆部材（３２）にて覆ったリード線（３）の一端が前記ピエゾスタック（１）に接続され、前記リード線（３）の他端が前記ケーシング（２）の外部に取り出されたピエゾアクチュエータであって、
   前記リード線（３）と前記ケーシング（２）との間のシールを行うゴムブッシュ（４）を備え、
   このゴムブッシュ（４）は、前記芯線（３１）が挿入される芯線挿入穴（４１２）が形成されており、
   その芯線挿入穴（４１２）は、前記芯線（３１）の外周面が当接可能な穴径となっている内壁を少なくとも一部に有することを特徴とするピエゾアクチュエータ。
2. 前記ゴムブッシュ（４）は、前記芯線挿入穴（４１２）の内周面に環状の突起（４４）を備えることを特徴とする請求項１に記載のピエゾアクチュエータ。
3. 前記ゴムブッシュ（４）は、前記ケーシング（２）と当接する部位に環状の突起（４５）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のピエゾアクチュエータ。
4. 前記ゴムブッシュ（４）は、前記芯線挿入穴（４１２）におけるケーシング外部側の端部に、前記被覆部材（３２）の端部が当接する段差部（４２）を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のピエゾアクチュエータ。
5. 前記芯線（３１）は単芯線であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のピエゾアクチュエータ。
6. 前記ゴムブッシュ（４）は、前記ピエゾスタック（１）におけるピエゾ素子積層方向の一端側に配置され、
   前記ケーシング（２）は、前記ゴムブッシュ（４）が収納される収納穴（２２１）が形成され、
   この収納穴（２２１）には、ピエゾ素子積層方向への前記ゴムブッシュ（４）の移動を阻止する位置決め面（２２２）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のピエゾアクチュエータ。
7. 前記ゴムブッシュ（４）は、前記ピエゾスタック（１）におけるピエゾ素子積層方向の一端側に配置され、
   前記ゴムブッシュ（４）と前記ピエゾスタック（１）との間には、前記リード線（３）を案内する案内部材（５）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のピエゾアクチュエータ。

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