(57)【要約】【課題】ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑える。【解決手段】ピエゾアクチュエータ１は、ピエゾスタック２と、ピエゾスタック２の伸縮出力を外部１２へ伝達させるピストン部材３と、ピストン部材３と当接されて接合され、ピエゾスタック２の出力側をシールするダイアフラム４とを備え、ピストン部材３においてダイアフラム４と当接されて接合される当接部３２ａを、凸状の曲面とする。これにより、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾスタックと、
前記ピエゾスタックの伸縮出力を外部へ伝達させるピストン部材と、
前記ピストン部材と当接されて接合され、前記ピエゾスタックの出力側をシールするダイアフラムとを備え、
前記ピストン部材において前記ダイアフラムと当接されて接合される当接部を、凸状の曲面とすることを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
前記曲面を、球面とす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。
【請求項３】
前記ピストン部材は、前記伸縮出力を外部へ伝達させる先端部を備え、
前記先端部を、球面とし、
前記先端部の球心と前記当接部の球心のずれを、前記ピエゾスタックの出力軸と直交する方向において０．１ミリメートル以内に設定することを特徴とする請求項２に記載のピエゾアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電により伸縮出力を発生するピエゾスタックを備えたピエゾアクチュエータに関するものであり、特にピエゾスタックの出力側のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾスタックに電圧を印加するとピエゾスタックが伸縮するが、この効果を利用したピエゾアクチュエータが利用されている。例えば、燃料噴射弁のアクチュエータとして、ピエゾスタックとピエゾスタックの伸縮出力を外部へ伝達させるピストン部材とを備えたピエゾアクチュエータを搭載した燃料噴射弁が開示されている（特許文献１を参照）。
【０００３】
燃料噴射弁は、ピエゾスタックの伸縮出力をピストン部材から受け取って変位する大径ピストンと、この変位を油圧の「てこ」によって拡大して弁体に伝達させる小径ピストンとを備える。この弁体を作動させることによって、ノズルニードルを摺動させて、燃料の噴射を制御する。
【０００４】
特許文献１では記述されていないが、ピエゾスタックを収容するスタックケースは、スタックケース内に湿気や異物が侵入してピエゾスタックの性能を損なわないように、密閉構造で形成される。燃料噴射弁のアクチュエータとしてピエゾアクチュエータを利用する場合、ピエゾスタックの周囲が燃料で満たされるか、または、燃料がピエゾスタックの周囲に浸入する可能性があるため、ピエゾアクチュエータは、燃料に対して密閉性（シール性）を有するように構成される。特に、通電により伸縮出力を発生するピエゾスタックの出力側で、ピエゾスタックの伸縮出力を損なわないで燃料に対して高いシール性が要求される。
【０００５】
このシール構造備えたピエゾアクチュエータとして、ピエゾスタックの伸縮出力を外部へ伝達させるピストン部材と、ピストン部材と接合されてピエゾスタックの出力側をシールするダイアフラムとを備えたピエゾアクチュエータが開示されている（特許文献２を参照）。
【０００６】
具体的に、ダイアフラムの中央に円柱状のピストン部材が挿通される貫通穴を形成し、ダイアフラムの外周縁をスタックケースとシール接合し、ダイアフラムの内周縁を円柱状のピストン部材とシール接合して、ピエゾスタックの出力側をシールする。これにより、ピエゾスタックの伸縮出力を損なわないで燃料に対して高いシール性を、確保することを狙っている。
【特許文献１】特開２００２−２５７００２号公報
【特許文献２】独国特許出願公開第１０１１８５６３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２では記述されていないが、一般に、ダイアフラムの外周縁をスタックケースとシール接合した後に、ダイアフラムの内周縁をピストン部材とシール接合する。ここで、ピエゾスタックの製造誤差や、ダイアフラムの外周縁とスタックケースとのシール接合誤差等によって、ダイアフラムとピストン部材の位置関係にずれが生じる。このずれをなくすように、ダイアフラムとピストン部材の位置関係を調整しつつダイアフラムの内周縁をピストン部材とシール接合する。
【０００８】
しかし、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾斜を、ダイアフラムとピストン部材の位置関係の調整によってなくすことができない。このため、ピストン部材のこの傾斜によって、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置がずれるという問題が生じる。この位置ずれによって、ダイアフラムの内周縁とピストン部材を、ダイアフラムの内周縁の全周に渡って確実にシール接合することが困難になる。
【０００９】
また、ピストン部材の傾斜によって、ピストン部材から外部に出力する位置がずれるという問題がある。即ち、外部（燃料噴射弁において大径ピストン）に当接して外部に対してピストン部材が出力する位置がずれるため、外部に対してピストン部材から偏荷重が作用する。ピストン部材から外部に偏荷重が作用すれば、例えば、燃料噴射弁において燃料噴射量のバラツキが大きくなる恐れがある。
【００１０】
これらの問題は、燃料噴射弁のピエゾアクチュエータに限らないで、ピエゾアクチュエータに共通する問題である。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑み、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることを第１の目的とする。
【００１２】
また、本発明は、ピストン部材の出力位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
【００１４】
請求項１に記載のピエゾアクチュエータは、ピエゾスタックと、ピエゾスタックの伸縮出力を外部へ伝達させるピストン部材と、ピストン部材と当接されて接合され、ピエゾスタックの出力側をシールするダイアフラムとを備え、ピストン部材においてダイアフラムと当接されて接合される当接部を、凸状の曲面とすることを特徴とする。
【００１５】
この構成では、当接部を凸状の曲面とするため、ピエゾアクチュエータの長手方向に対してピストン部材が傾いても、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が大きくずれることなく、当接部がダイアフラムにならって位置ずれできる。これにより、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が大きくずれることなく、当接部がダイアフラムに当接できる。即ち、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることができる。
【００１６】
請求項２に記載のピエゾアクチュエータは、曲面を球面とすることを特徴とする。これにより、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾斜が、当接部の球心を中心とする当接部の回転と等価となる。このため、ピエゾアクチュエータの長手方向に対してピストン部材が傾いても、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、原理的にずれない。従って、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることをより抑えることができる。
【００１７】
請求項３に記載のピエゾアクチュエータは、ピストン部材が、伸縮出力を外部へ伝達させる先端部を備え、先端部を、球面とし、先端部の球心と当接部の球心のずれを、ピエゾスタックの出力軸と直交する方向において０．１ミリメートル以内に設定することを特徴とする。
【００１８】
この構成では、ピストン部材の先端部を球面とし、先端部の球心と当接部の球心のずれを、ピエゾスタックの出力軸と直交する方向において０．１ミリメートル以内に設定する。ここで、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾斜が、当接部の球心を中心とする当接部の回転と等価となるため、球面の先端部も、近似的に当接部の球心を中心とする回転と等価となる。このため、ピエゾアクチュエータの長手方向に対してピストン部材が傾いても、先端部において先端部が伸縮出力を外部へ伝達させる位置が、近似的にずれない。即ち、ピストン部材の出力位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一実施形態によるピエゾアクチュエータを、燃料噴射装置の燃料噴射弁に搭載した場合を例に図面に基づいて説明する。
【００２０】
燃料噴射弁１０は、図１に示すように、インジェクタボディ１１の内部に、ピエゾスタック２とピエゾスタック２の伸縮出力（図１において上下方向）を外部へ伝達させるピストン部材３とを備えたピエゾアクチュエータ１を備える。また、燃料噴射弁１０は、ピエゾスタック２の伸縮出力をピストン部材３から受け取って変位する外部である大径ピストン１２と、この変位を油圧の「てこ」によって拡大して弁体１３１に伝達させる小径ピストン１３とを備える。
【００２１】
ピエゾアクチュエータ１が図示しない通電回路から通電ターミナル７を通して通電（高電圧の印加）されると、ピエゾスタック２に伸縮出力が発生する。この伸縮出力が、ピストン部材３から大径ピストン１２と小径ピストン１３を介して制御弁１３１を駆動する。これにより、ノズルニードル１４の背圧（ノズル背圧室141の背圧）を制御し、ノズルニードル14を摺動穴１５内で摺動させて、燃料の噴射を制御する。
【００２２】
ピエゾアクチュエータ１は、図２に示すように、インジェクタボディ１１の内部に形成されたアクチュエータ室１６の内部に装着される。このアクチュエータ室１６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ため、このアクチュエータ室１６に取り付けられるピエゾアクチュエータ１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１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１の内部に燃料が浸入しないように、ピエゾアクチュエータ１は、燃料に対して密閉性（シール性）を有するように構成される。
【００２３】
ピエゾアクチュエータ１は、上述したピエゾスタック２とピストン部材３と通電ターミナル７に加えて、スタックケース５、固定台座６、ダイアフラム４を備える。ピエゾスタック２は、通電により板厚方向に伸張する板状のピエゾ素子を多数積層して構成され、各ピエゾ素子は、圧電体と、この圧電体の両面に形成された内部電極とを備える。ピエゾスタック２の側面には、図示しない側面電極が設けられ、一方の側面電極が圧電体の一方の内部電極と電気的に接続され、他方の側面電極が圧電体の他方の内部電極と電気的に接続される。２つの側面電極は、２つの通電ターミナル７とそれぞれ電気的に接合され、通電回路から通電ターミナル７に高電圧が印加されることで、ピエゾスタック２の各ピエゾ素子が通電されるように構成される。
【００２４】
スタックケース５は、円筒形状の金属ケースであり、その内径はピエゾスタック２の外径より大きく形成され、スタックケース５内でピエゾスタック２を、図２の上下方向に伸縮可能に収容する。固定台座６は、スタックケース５の上端を密閉する金属部品であり、ピエゾスタック２の上端部と当接して、ピエゾスタック２の上端の上下方向の変位を阻止するものである。固定台座６は、スタックケース５の上端の内側に挿入、あるいは圧入された後に、溶接やろう付けなどの金属溶融接合でシール接合される。
【００２５】
ピストン部材３は、略円板形状の板部３１と、球形（半球形）の中間部３２と、球面の先端部３３とを備える一体の金属部品である。尚、中間部３２と先端部３３が同心となるようにピストン部材３が形成される。
【００２６】
板部３１がピエゾスタック２の下端と当接してピエゾスタック２の伸縮出力を受け、先端部３３が大径ピストン１２と当接してピエゾスタック２の伸縮出力を大径ピストン１２へ伝達させる。ピストン部材３は、スタックケース５の内周面においてピエゾスタック２の出力軸方向（ピエゾスタック２の伸縮方向、図２において上下方向）に移動可能に収容されて、ピエゾスタック２の伸縮に伴って移動する。尚、大径ピストン１２の上面の中央側に、先端部３３が当接する凹形の円錐面が形成される。
【００２７】
略円形の薄板形状を有するダイアフラム４は、その中心側がピエゾスタック２の出力軸方向へ変位可能な金属薄板であり、ピエゾスタック２の伸縮出力を損なわないで、ピエゾスタック２の出力側（下側）をシールするシール部材である。具体的に、ダイアフラム４の中央にピストン部材３の先端部３３が挿通される貫通穴を形成し、ダイアフラム４の外周縁側をスタックケース５と金属溶融接合でシール接合し、ダイアフラム４の内周縁側をピストン部材３の中間部３２と当接させて金属溶融接合でシール接合する。これによって、ピエゾスタック２の出力側をシールでき、ピエゾスタック２の伸縮出力を損なわないで、燃料に対して高いシール性を確保できる。
【００２８】
図３において、ピストン部材３の先端部３３は、大径ピストン１２と伝達部３３ａで当接して、伝達部３３ａを介して、ピエゾスタック２の伸縮出力を大径ピストン１２へ伝達させる。また、中間部３２が半球形状を有するため、ピストン部材３の中間部３２においてダイアフラム４と当接されて接合される当接部３２ａは、球面となる。
【００２９】
ここで、固定台座６とスタックケース５をシール接合し、ダイアフラム４の外周縁側とスタックケース５をシール接合した後に、ダイアフラム４の内周縁側とピストン部材の中間部３２をシール接合する。尚、ダイアフラム４の外周縁側とスタックケース５をシール接合し、固定台座６とスタックケース５をシール接合した後に、ダイアフラム４の内周縁側とピストン部材の中間部３２をシール接合することも可能である。
【００３０】
また、ピエゾスタック２の製造誤差、固定台座６とスタックケース５のシール接合誤差、および、ダイアフラム４の外周縁とスタックケース５のシール接合誤差等によって、ダイアフラム４とピストン部材３の中間部３２との位置関係にずれが生じる。このずれをなくすように、ダイアフラム４とピストン部材の中間部３２との位置関係を調整しつつ、ダイアフラム４の内周縁とピストン部材の中間部３２とを当接させてシール接合する。
【００３１】
しかし、図４において、ピエゾアクチュエータ１の長手方向（図４において上下方向）の基準軸Ｗ１に対するピストン部材３の傾斜を、即ち、傾斜角度θの傾斜を、ダイアフラム４とピストン部材３の位置関係の調整によってなくすことができない。図４に示す傾斜例では、ピエゾスタック２が基準軸Ｗ１に対して傾斜角度θだけ傾斜し、即ち、ピエゾスタック２の出力軸Ｗ２が基準軸Ｗ１に対して傾斜角度θだけ傾斜し、ピエゾスタック２にならってピストン部材３も基準軸Ｗ１に対して傾斜角度θだけ傾斜している。
【００３２】
一方、図５に示す傾斜例では、ピエゾスタック２が基準軸Ｗ１に対して傾斜しないで、即ち、ピエゾスタック２の出力軸Ｗ２と基準軸Ｗ１が重なって、ピストン部材３のみ基準軸Ｗ１に対して傾斜角度θだけ傾斜している。または、図４に示す傾斜例と図５に示す傾斜例とを組み合わせた傾斜例も考えられる。例えば、ピエゾスタック２の出力軸Ｗ２が基準軸Ｗ１に対して傾斜角度（θ／２）だけ傾斜し、ピエゾスタック２の出力軸Ｗ２に対して傾斜角度（θ／２）だけピストン部材３が傾斜し、結果として、ピストン部材３が基準軸Ｗ１に対して傾斜角度θだけ傾斜する場合が考えられる。
【００３３】
次に、基準軸Ｗ１に対するピストン部材３の傾斜に対する、本発明の効果について図６に基づいて説明する。
【００３４】
上述したように、ピストン部材３の中間部３２においてダイアフラム４との当接部３２ａを、球面としている。これにより、ピエゾアクチュエータ１の長手方向の基準軸Ｗ１に対する中間部３２（ピストン部材３）の傾斜が、当接部３２ａ（中間部３２）の球心Ｃ１を中心とする当接部３２ａの回転（一点差線Ｒ１で示す球面）と等価となる。このため、基準軸Ｗ１に対して中間部３２が傾いても、ダイアフラム４において中間部３２と当接する位置が、原理的にずれない。
【００３５】
従って、ダイアフラム４において中間部３２と当接する位置が、基準軸Ｗ１に対する中間部３２の傾きによってずれることを、原理的にゼロまで抑えることができる。この結果、ダイアフラム４の内周縁側と中間部３２を、ダイアフラムの内周縁側の全周に渡って確実にシール接合することができる。
【００３６】
上述したように、ピストン部材３の先端部３３も球面であり、先端部３３が中間部３２と同心である。また、基準軸Ｗ１に対する中間部３２の傾斜が、当接部３２ａの球心Ｃ１を中心とする当接部３２ａの回転（一点差線Ｒ１で示す球面）と等価となるため、球面の先端部３３も、当接部３２ａの球心Ｃ１、即ち、先端部３３の球心Ｃ２を中心とする回転（一点差線Ｒ２で示す球面）と等価となる。このため、基準軸Ｗ１に対して中間部３２が傾いても、先端部３３において先端部３３が伸縮出力を大径ピストン１２へ伝達させる位置が、原理的にずれない。
【００３７】
従って、先端部３３の出力位置、即ち、大径ピストン１２において伝達部３３ａが当接する位置が、基準軸Ｗ１に対する中間部３２の傾きによってずれることを、原理的にゼロまで抑えることができる。この結果、燃料噴射弁１０において燃料噴射量のバラツキを小さく抑えることができる。
【００３８】
尚、ピストン部材の傾斜角度θが数度以内であるため、図６において、中間部３２が球形状である必要がなく、当接部３２ａを、数度の範囲内で球面とすれば足りる。同様に、先端部３３の全体が球面である必要がなく、伝達部３３ａを、数度の範囲内で球面とすれば足りる。
【００３９】
（変形例）
上述の例では、ピストン部材３の中間部３２を球形（半球形）とし、先端部３３を球面とし、中間部３２と先端部３３を同心としたが、これに限らない。図６において、先端部３３の球心Ｃ２と当接部３２ａの球心Ｃ１のずれを、ピエゾスタック２の出力軸Ｗ２（図６において上下方向）と直交する方向（図６において左右方向）において０．１ミリメートル（ｍｍ）以内に設定することも可能である。
【００４０】
本変形例においても、基準軸Ｗ１に対する中間部３２（ピストン部材３）の傾斜が、当接部３２ａの球心Ｃ１を中心とする当接部３２ａの回転と等価となるため、球面の先端部３３も、近似的に当接部３２ａの球心Ｃ１を中心とする回転と等価となる。このため、基準軸Ｗ１に対して中間部３２が傾いても、先端部３３において先端部３３が伸縮出力を大径ピストン１２へ伝達させる位置が、近似的にずれない。即ち、先端部３３の出力位置、即ち、大径ピストン１２において伝達部３３ａが当接する位置が、基準軸Ｗ１に対する中間部３２の傾きによってずれることを、抑えることができる。これにより上述と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また、上述の例では、ピストン部材３の中間部３２を球形（半球形）として、当接部３２ａを球面としたが、これに限らない。図７に示す楕円体の中間部３２１として、当接部３２１ａを、凸状の曲面とすることも可能である。
【００４２】
これにより、基準軸Ｗ１に対して中間部３２１が傾いても、図８に示すように、ダイアフラム４において中間部３２１と当接する位置が大きくずれることなく、当接部３２１ａがダイアフラム４にならって位置ずれできる。これにより、ダイアフラム４において中間部３２１と当接する位置が大きくずれることなく、当接部３２１ａがダイアフラム４に当接できる。即ち、ダイアフラム４においてピストン部材３と当接する位置が、基準軸Ｗ１に対するピストン部材３の傾きによってずれることを抑えることができる。尚、図８において、傾斜前の中間部３２１を実線の太線で示し、傾斜後の中間部３２１を二点差線の太線で示す。
【００４３】
また、図７に示す楕円体の中間部３２１に限らないで、当接部３２１ａを、凸状の曲面とする限り、中間部３２１を他の形状とすることができ、これにより上述と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
以上、本発明によるピエゾアクチュエータ１は、ピエゾスタック２と、ピエゾスタック２の伸縮出力を外部である大径ピストン１２へ伝達させるピストン部材３と、ピストン部材３と当接されて接合され、ピエゾスタック２の出力側をシールするダイアフラム４とを備え、ピストン部材３においてダイアフラム４と当接されて接合される当接部３２ａを、凸状の曲面とする。これにより、ダイアフラムにおいてピストン部材と当接する位置が、ピエゾアクチュエータの長手方向に対するピストン部材の傾きによってずれることを抑えることができる。
【００４５】
尚、上述した例に限らないで、これらの組み合わせや、他の種々の変形例が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるピエゾアクチュエータ１を搭載した燃料噴射弁１０の模式図である。
【図２】図２は、図１中のＩＩ部の拡大断面図である。
【図３】図３は、図２中のピエゾアクチュエータ１の模式図である。
【図４】図４は、ピストン部材３の傾斜例を示す模式図である。
【図５】図５は、ピストン部材３の他の傾斜例を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の効果を説明するための模式図である。
【図７】図７は、図３の変形例を示す模式図である。
【図８】図８は、図７に示す変形例の効果を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ピエゾアクチュエータ、２  ピエゾスタック、３  ピストン部材
３１  板部、３２，３２１  中間部、３２ａ、３２１ａ  当接部、３３  先端部
３３ａ  伝達部、４  ダイアフラム、５  スタックケース、６  固定台座
７  通電ターミナル、１０  燃料噴射弁、１１  インジェクタボディ
１２  大径ピストン（外部）、１３  小径ピストン、１３１  制御弁
１４  ノズルニードル、１４１  ノズル背圧室、１５  摺動穴
１６  アクチュエータ室、Ｃ１、Ｃ２  球心、Ｗ１  基準軸、Ｗ２  出力軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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