(57)【要約】【課題】構成が簡易で、小型かつ高性能なピエゾスタック装置を提供する。【解決手段】圧電板と内部電極を交互に積層したピエゾスタック１の上端部を、ハウジング２の保持部２１に設けた溝部２２に嵌着し、ピエゾスタック１の下端面に、プレート部材３を当接させる。その下方から略Ｕ字形の平板状バネ材からなるプリセットスプリング４を装着し、プリセットスプリング４の両側面部の上部端縁を、保持部２１の外周面に溶接することで、ピエゾスタック１に所定のプリセット荷重を印加する。【選択図】　　　　図１
2004022661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板と内部電極を交互に積層してなるピエゾスタックの上端部を、ハウジングに設けた保持部にて保持し、上記ピエゾスタックの下端面にこれと一体に変位するプレート部材を配設するとともに、略Ｕ字形の平板状バネ材からなるプリセットスプリングを、上記ピエゾスタックおよび上記プレート部材の下方から覆着し、該プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに固定することにより、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重を印加することを特徴とするピエゾスタック装置。
【請求項２】
両端開口の筒状ケース内に、圧電板と内部電極を交互に積層してなるピエゾスタックを収容し、上記筒状ケースに固定されたハウジングに、上記ピエゾスタックの上端部を保持する保持部を設けるとともに、上記ピエゾスタックの下端面にこれと一体に変位するプレート部材を配設して、略Ｕ字形の平板状バネ材からなるプリセットスプリングを、上記ピエゾスタックおよび上記プレート部材の下方から覆着し、該プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに固定することにより、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重を印加することを特徴とするピエゾスタック装置。
【請求項３】
上記保持部に設けた溝部に上記ピエゾスタックの上端部を嵌合するとともに、上記プリセットスプリングの上部開口端を上記保持部の外周に溶接固定した請求項１または２記載のピエゾスタック装置。
【請求項４】
上記プリセットスプリングの両側面部を、上記ピエゾスタックの側面と接触しないように配置する請求項１ないし３のいずれか記載のピエゾスタック装置。
【請求項５】
上記プレート部材の上記プリセットスプリングとの接触面を上記プリセットスプリング形状に沿う曲面状とした請求項１ないし４のいずれか記載のピエゾスタック装置。
【請求項６】
上記プレート部材の下面中央に球面状の凸部を設けた請求項１ないし５のいずれか記載のピエゾスタック装置。
【請求項７】
上記プリセットスプリングの、上記プレート部材の上記凸部に対向する部位に開口を設けた請求項１ないし６のいずれか記載のピエゾスタック装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか記載のピエゾスタック装置を製造する方法であって、上記ピエゾスタックの一方の端部を、上記ハウジングに設けた保持部に装着し、上記ピエゾスタックの上記保持部と反対側の端面に、上記プレート部材を配置して、該プレート部材の下方から、略Ｕ字形の上記プリセットスプリングを覆着し、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重が印加されるように、上記プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに溶接固定することを特徴とするピエゾスタック装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射装置用のピエゾアクチュエータ等に使用されるピエゾスタック装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾスタック装置は、ＰＺＴ等よりなる圧電板と内部電極を交互に積層したピエゾスタックに、外部より電圧を印加して変位を発生させるもので、応答性が良好であることから、燃料噴射弁を駆動するアクチュエータ等への利用が検討されている。
【０００３】
従来のピエゾスタック装置は、通常、ピエゾスタックの下方に設けたロッド周りにコイルスプリングを配設して、ピエゾスタックに圧縮方向のプリセット荷重を印加する構造となっている。このような構造とすると、ピエゾスタックの破損を防止する効果が得られる。しかしながら、この上記従来の構造では、構成部品が多く、組み付けにも手間がかかる。さらに、軸方向長が長くなるため、設置スペースを確保する必要がある。
【０００４】
一方、ドイツ公開特許第１９９０６４６８号公報に記載されるように、ピエゾスタックの外周にスプリングを配置したものがある。その一例を、図２に示すと、ピエゾスタック１００の両端面にプレート部材１０１、１０２が配置され、これらプレート部材１０１、１０２間に蛇腹状のスプリング１０３、１０４が配設してある。スプリング１０３、１０４の両端は、それぞれ、プレート部材１０１、１０２に設けられた孔に挿通され、固定ピン１０５、１０６、１０７、１０８で固定される。
【０００５】
しかしながら、この構成では、軸方向長は短くなるものの、ピエゾスタック１００の周囲に蛇腹状のスプリング１０３、１０４を有するために、外径が大きくなりやすい。また、外径が小さくなるようにすると、ピエゾスタック１００を構成する圧電板の面積が小さくなり、ピエゾ発生力を十分大きくできない問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピエゾスタック装置の構成をより簡素化し、部品点数が少なく、小型で、製作が容易であり、しかも高性能なピエゾスタック装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１のピエゾスタック装置は、圧電板と内部電極を交互に積層したピエゾスタックの上端部を、ハウジングに設けた保持部にて保持しており、上記ピエゾスタックの下端面にはこれと一体に変位するプレート部材を密着配置してある。そして、略Ｕ字形の平板状バネ材からなるプリセットスプリングを、上記ピエゾスタックおよび上記プレート部材の下方から覆着し、該プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに固定することにより、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重を印加することを特徴とするものである。
【０００８】
上記構成のピエゾスタック装置は、略Ｕ字形の平板状のプリセットスプリングを用いているので、ピエゾスタックの外周に配置しても外径を大きくすることがない。よって、圧電板の面積を小さくすることなく、コンパクトなピエゾスタック装置を実現できる。また、構成が簡易で、ピエゾスタックとプレート部材にプリセットスプリングを覆着し、ハウジングに固定することで、容易に組付けができる。従って、コンパクトで、ピエゾ発生力が大きいピエゾスタック装置とすることができる。
【０００９】
請求項２のピエゾスタック装置は、両端開口の筒状ケース内に、圧電板と内部電極を交互に積層してなるピエゾスタックを収容する一方、上記筒状ケースにハウジングを固定して、このハウジングに上記ピエゾスタックの上端部を保持する保持部を設ける。そして、上記ピエゾスタックの下端面にこれと一体に変位するプレート部材を配置して、略Ｕ字形の平板状バネ材からなるプリセットスプリングを、上記ピエゾスタックおよび上記プレート部材の下方から覆着し、該プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに固定することにより、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重を印加する。
【００１０】
上記構成のピエゾスタック装置は、ピエゾスタックを筒状ケース内に収容しているので、ピエゾスタックを保護し、取り扱いを容易にすることができる。そして、上述したように、略Ｕ字形の平板状のプリセットスプリングを用いることで、外径を小さくできるので、筒状ケース内にピエゾスタックを収容しても、大型化せず、コンパクトで、高性能なピエゾスタック装置を容易に実現できる。
【００１１】
請求項３の発明では、上記保持部に設けた溝部に上記ピエゾスタックの上端部を嵌合するとともに、上記プリセットスプリングの上部開口端を上記保持部の外周部に溶接固定する。上記溝部により、上記ピエゾスタックの位置決めを行い、上記プリセットスプリングを装着して、溶接することで、組付けが容易にできる。
【００１２】
請求項４の発明では、上記プリセットスプリングの両側面部を、上記ピエゾスタックの側面と接触しないように配置する。これにより、上記ピエゾスタックと上記プリセットスプリングとの摩擦を防止し、摩耗粉による機能不良等の不具合を防止できる。
【００１３】
請求項５の発明では、上記プレート部材の上記プリセットスプリングとの接触面を上記プリセットスプリング形状に沿う曲面状とする。上記プレート部材が上記プリセットスプリングとの接触面にエッジを有しない形状とすることにより、上記プリセットスプリングの応力集中を緩和することができる。
【００１４】
請求項６の発明では、上記プレート部材の下面中央に球面状の凸部を設ける。上記プレート部材は、上記ピエゾスタックの変位を伝達する部材であり、上記球面状の凸部を有することで、相手部品形状によらず、ピエゾ発生力のロスを低減することができる。
【００１５】
請求項７の発明では、上記プリセットスプリングの、上記プレート部材の上記凸部に対向する部位に開口を設ける。上記プリセットスプリングの装着時に、この開口を、上記プレート部材の上記凸部に嵌合させることで、位置決めが容易になる。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれか記載のピエゾスタック装置を製造する方法である。まず、上記ピエゾスタックの一方の端部を、上記ハウジングに設けた保持部に装着し、上記ピエゾスタックの上記保持部と反対側の端面に、上記プレート部材を配置する。次いで、該プレート部材の下方から、略Ｕ字形の上記プリセットスプリングを覆着し、上記ピエゾスタックに所定のプリセット荷重が印加されるように、上記プリセットスプリングの上部開口端を上記ハウジングに溶接固定する。
【００１７】
この方法によれば、上記ハウジングに上記ピエゾスタックを保持した状態で、反対側の端部に上記プレート部材を配置し、略Ｕ字形の上記プリセットスプリングを覆着して、溶接する簡単な方法で、ピエゾスタック装置を製作することができる。この時、上記プリセットスプリングの溶接位置を変更することで、印加される荷重を容易に調整することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を基に説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、本発明のピエゾスタック装置は、ハウジング２に保持された角柱状のピエゾスタック１と、ピエゾスタック１と一体に変位するプレート部材３と、ピエゾスタック１に所定のプリセット荷重を印加するためのプリセットスプリング４を有している。ハウジング２は、両端が開口する円筒状ケース５の上端開口を閉鎖するように配設されており、ピエゾスタック１は、プレート部材３およびプリセットスプリング４とともに、ケース５内に収容されている。
【００１９】
ピエゾスタック１は、公知の積層体構造とすることができ、例えば、矩形の圧電板と内部電極を交互に積層して一体化してなる。角柱状の積層体の対向する二側面には、一対の側面電極１１が形成される。圧電板は、例えば、ＰＺＴ　（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料を矩形に成形してなり、その表面に銀ペースト等の導電性ペーストを用いて内部電極を印刷形成したものを、所定枚数、積層して焼成することにより一体化する。この時、内部電極が、交互に、対向する二側面の一方または他方に露出するように、導電性ペーストを印刷形成することで、圧電板の上下表面に接する内部電極の一方を、一対の側面電極１１の一方に、内部電極の他方を、一対の側面電極１１の他方に接続することができる。従って、図示しない外部の駆動装置により一対の側面電極１１に電圧を印加すると、圧電効果により圧電板が伸長し、軸方向の変位を発生する。
【００２０】
ピエゾスタック１とプリセットスプリング４の間には、プレート部材３が介設されて、直接ピエゾスタック１に荷重がかかる、あるいは摩擦力がかかるのを防止している。プレート部材３は、また、ピエゾスタック１と一体に変位して、その変位を図示しない被動作部材に伝達するための部材として機能する。プレート部材３は蒲鉾状で、上端面は、ピエゾスタック１の下端面に密接し、先端面（下端面）は、後述するプリセットスプリング４形状に沿う略Ｕ字状の曲面となっている。先端面中央には、球面状の凸部３１が突出形成されており、これにより、被動作部材との軸のずれを吸収して、被動作部材の形状によらずピエゾ発生力を垂直に伝達することができる。また、球面状の凸部３１は、プリセットスプリング４の位置決めの役割を果たす。
【００２１】
プリセットスプリング４は、略Ｕ字形の平板状バネ材（例えば、ＳＫ５Ｍ等）よりなり、ピエゾスタック１の側面電極１１が形成されない二側面およびプレート部材３の曲面状の先端面を覆うように配設されて、ピエゾスタック１を上方に付勢し、必要なプリセット荷重を付与している。プリセットスプリング４のＵ字状に湾曲する中央部は、プレート部材３の先端面に密着しており、その中央には、プレート部材３の球面状の凸部３１に対応する円形開口４１が設けてあって、該開口４１から球面状の凸部３１が露出している。プリセットスプリング４の両側面部は、図１（ｂ）のように、板面に複数の開口部を有する形状となっており、これら開口部の大きさや板厚等を適宜設定することにより、所定のバネ力や強度が得られるようにしている。
【００２２】
ピエゾスタック１を保持するハウジング２は、円筒状ケース５の外径と同径の円板状で、その下面からケース２内に突出して、ピエゾスタック１の上端部を保持する保持部２１を有している。図１（ｃ）のように、保持部２１には、ピエゾスタック１と同幅の溝部２２が形成してあり、組付け時に、この溝部２２にピエゾスタック１の上端部を嵌合させることで、位置決めが容易にできる。保持部２２は、外周面に、プリセットスプリング４の上部開口端を、溶接固定するようになっており、この際、プリセットスプリング４を上下させて溶接部６の位置を調整することで、ピエゾスタック１に所定のプリセット荷重が印加されるようにしている。
【００２３】
ここで、プリセットスプリング４は、上部開口端が外側にやや開いた状態となるように微小な角度を有して、保持部２２に固定される。この時、保持部２１の外径を適宜設定して、プリセットスプリング４の側面が、ピエゾスタック１の側面から離れるように配置するとよく、両者の接触をなくして、摩擦による異物の発生等を防止することができる。なお、プリセットスプリング４とピエゾスタック１の側面が接触しなければ、プリセットスプリング４の両側面部が平行となっていても、もちろんよい。
【００２４】
次に、上記構成のピエゾスタック装置を製造する方法について説明する。まず、ピエゾスタック１の上端部を、ハウジング２の保持部２１に設けた溝部２２に嵌着する。次に、ピエゾスタック１の下端面に、プレート部材３を当接させ、その下方からプリセットスプリング４を覆うように装着する。この時、プリセットスプリング４の両側面部が、ピエゾスタック１の側面電極１１を有しない面と対向するように配置し、プリセットスプリング４の円形開口４１に、プレート部材３の球面状の凸部３１を嵌合させて位置決めする。
【００２５】
そして、ハウジング２を固定した状態で、プレート部材３下端より荷重を印加し、プリセットスプリング４の上端縁を、ハウジング２の保持部２１外周面に溶接する。この際、ピエゾスタック弾性、プリセットスプリング弾性を考慮して、組付け後に必要なプリセット荷重が得られるように、印加される荷重を設定しておく。プリセットスプリング４によりピエゾスタック１に印加される荷重は、ピエゾスタックの発生電荷によって検出することができるので、この値が、予め決められた設定値となるように、プレート部材３を押し上げてから、溶接すればよい。その後、ピエゾスタック１を、プレート部材３およびプリセットスプリング４とともにケース５内に挿通し、ハウジング２をケース５の上端開口に固定することにより、本発明のピエゾスタック装置が得られる。
【００２６】
以上のように、本発明のピエゾスタック装置は、Ｕ字形の平板バネよりなるプリセットスプリング４を、ピエゾスタック１の外周に配置する構成としたので、構成が簡単で、部品点数が少なく、製作が容易である。しかも、外径が小さくでき、軸方向長も短いため、全体をケース２に収容しても、設置に大きなスペースを要さず、取り扱いが容易で、ピエゾスタック１の破損等を防止する効果が高い。さらに、ピエゾスタック１の圧電板の面積が大きくできるので、ピエゾ発生力が大きくなり、コンパクトで耐久性に優れる高性能な装置を実現できる。
【００２７】
また、プレート部材３の先端面の形状をプリセットスプリング４のＵ字形状に沿わせたので、応力を低減でき、さらに、プレート部材３に球面状の凸部３１を設けることにより、ピエゾ発生力を効果的に伝達できる。また、この球面状の凸部３１とプリセットスプリング４の開口４１、ハウジング２の保持部２１に設けた溝部２２により、組付け時の位置決めが容易にできる。
【００２８】
なお、上記実施の形態では、ピエゾスタック１を円筒状のケース５内に収容する構成としたが、ケース５を有しない構成としてもよく、外径をより小さくできるので、スペースが制約される場合に有利である。また、プリセットスプリング４に、プレート部材３の球面状の凸部３１に対応する開口４１を設けているが、開口４１に代えて、球面状の凸部３１に対応する形状の凹部を設けることもできる。さらに、ケース５や、ハウジング２、ピエゾスタック１等の形状も、上記実施の形態のものに限らず、用途に応じて、適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態におけるピエゾスタック装置の全体断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は蓋状部材の形状を示す側面図および下方視図である。
【図２】従来のピエゾスタック装置の全体断面図図である。
【符号の説明】
１　ピエゾスタック
１１　側面電極
２　ハウジング
２１　保持部
２２　溝部
３　プレート部材
３１　球面状の凸部
４　プリセットスプリング
４１　開口
５　円筒状ケース
６　溶接部
【図１】
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【図２】
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