(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のピエゾ素子と電極板とを交互に積層してなるアクチュエータにおいて、
各電極板から放射状に延設した端子を相互に連結する導電性材料からなる縦通部材を設け、
前記縦通部材には、前記端子が臨むスリット状の溝部を備え、
前記溝部に臨む端子部分と縦通部材とを接合部として各電極板に通電するようにしたことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
端子は、電極板から放射状に延びる腕部とこの腕部の先端から腕部に対して略直角方向に延びる突起部とを有すると共に、前記縦通部材の溝部に各電極板の端子を挿通した状態で縦通部材の表面側に端子突起部を接合した構成を有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】
縦通部材は、ピエゾ素子の外周面に絶縁状態で着座する脚部を有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４】
脚部の高さをアクチュエータ全長の１．５％以上に設定したことを特徴とする請求項３に記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
縦通部材は、ピエゾ素子の変位方向に沿って伸縮自在な弾性部材で形成され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６】
電極板は、ピエゾ素子の円周方向に沿って交互に突出する複数組の端子を有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７】
正負の電極はそれぞれ円周上１８０間隔で２個の端子を有すると共に、正極の端子と負極の端子とは円周上９０度間隔で配置されることを特徴とする請求項４に記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項８】
ピエゾ素子を包囲すると共に正負電極の各縦通部材を保持する円筒状部材を絶縁体で形成すると共に、この円筒状部材の外周面に金属皮膜を形成したことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のピエゾアクチュエータ。
【請求項９】
円筒状部材は、その一方の端部をアクチュエータ端部に設けられる端板に固定したことを特徴とする請求項８に記載のピエゾアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料噴射弁等に用いられるピエゾアクチュエータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内燃料噴射方式の火花点火式内燃機関に適用する燃料噴射弁には高度の応答性及び開閉精度が求められる。このような要求に応える燃料噴射弁として、ピエゾアクチュエータに信号電流を供給して伸縮させることにより針弁の開閉を制御するようにしたものが知られている。
【０００３】
ピエゾアクチュエータは、円盤状のピエゾ素子と正負の電極板とを交互に多数積層して形成されており、電極板から延設された端子を介して通電を制御することにより伸縮変位させることができる（特開平５−１２１７９１号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のピエゾアクチュエータでは、電極板から延設された端子を正極または負極同士で隣接するものにハンダ付けにより逐次連結し、端部に位置する端子に接続したリード線によりすべてのピエゾ素子に通電を行う構成となっている。
【０００５】
ところが、このため１カ所でも端子の連結部分が剥がれたり端子が折れたりすると、そこから先の電極及び素子には通電できなくなってしまうという問題が生じる。端子は通常は１つの電極毎に複数設けられているので、そのうちの１つの端子が折損したとしてもただちに通電ができなくなるわけではないが、ピエゾアクチュエータではその変位による伸縮動作や電極板の歪み、さらには振動等が作用するので端子の折損を起こしやすく、しかも端子同士の接続箇所が多数に及ぶので、確実な信頼性を得るために改善すべき余地が大きいといえる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、板状のピエゾ素子と電極板とを交互に積層してなるアクチュエータにおいて、各電極板から放射状に延設した端子を相互に連結する導電性材料からなる縦通部材を設け、前記縦通部材には、前記端子が臨むスリット状の溝部を備え、前記溝部に臨む端子部分と縦通部材とを接合部として各電極板に通電するように図る。
【０００７】
請求項２の発明は、上記発明の端子を、電極板から放射状に延びる腕部とこの腕部の先端から腕部に対して略直角方向に延びる突起部とを有すると共に、前記縦通部材の溝部に各電極板の端子を挿通した状態で縦通部材の表面側に端子突起部を接合した構成とする。
【０００８】
請求項３の発明は、上記発明の縦通部材を、ピエゾ素子の外周面に絶縁状態で着座する脚部を設けた構成とする。
【０００９】
請求項４の発明は、上記脚部の高さをアクチュエータ全長の１．５％以上に設定したものとする。
【００１０】
請求項５の発明は、上記縦通部材を、ピエゾ素子の変位方向に沿って伸縮自在な弾性部材で形成したものとする。
【００１１】
請求項６の発明は、上記発明の電極板を、ピエゾ素子の円周方向に沿って交互に突出する複数組の端子を有するものとする。
【００１２】
請求項７の発明は、上記発明において正負の電極をそれぞれ円周上１８０間隔で２個の端子を有する構成とすると共に、正極の端子と負極の端子とは円周上９０度間隔で配置したものとする。
【００１３】
請求項８の発明は、上記発明において、ピエゾ素子を包囲すると共に正負電極の各縦通部材を保持する円筒状部材を絶縁体で形成すると共に、この絶縁体の周囲に金属皮膜を形成したものとする。
【００１４】
請求項９の発明は、上記円筒状部材を、その一方の端部をアクチュエータ端部に設けられる端板に固定した構成とする。
【００１５】
【作用・効果】
請求項１以下の各発明によれば、アクチュエータの伸縮方向に多数配列された電極板は、それぞれの端子が、隣接するもの同士ではなく、縦通部材に接続していることから、仮に一部の端子が折損するようなことがあっても他の電極及び素子への通電がとぎれてしまうようなことがなく、また縦通部材により各端子が共通に保持された構成となることから全体として端子の強度が向上し、振動等の外力に対して破損しにくくなる。これらにより、ピエゾアクチュエータの信頼性が極めて高いものとなる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、縦通部材の溝部を通して端子突起部が縦通部材の外側面に露出するので、端子と縦通部材をハンダ付け等により接続するときの作業が容易であり、優れた生産性が得られる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、縦通部材がその脚部によりピエゾ素子の外側に乗った状態で各電極端子に嵌合するので、端子と縦通部材とを接続するときの作業性がより向上する。
【００１８】
請求項４の発明によれば、上記縦通部材の脚部の高さをアクチュエータ長の１．５％以上と長くとったことにより、アクチュエータが伸縮変位するときの電極端子の歪み方向の変形しろが十分に確保されることになり、これにより端子の破損をより確実に防止できる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、縦通部材がピエゾ素子の変位方向に沿って伸縮自在であるので、端子との接続部分も素子の変位に伴って容易に変位し、したがって伸縮時に端子に無理な力が作用するのを回避してその耐久性を向上できる。
【００２０】
請求項６または請求項７の発明によれば、正負電極の端子がピエゾ素子の周囲に交互に位置するように複数箇所にあるので、強い振動等の外力または慣性力がピエゾ素子に側方から作用して一方向に変形し、これにより何れかの端子が破損するようなことがあっても他方側の端子により通電が確保されるので、振動等に対する信頼性が一層向上する。
【００２１】
請求項８の発明によれば、円筒状部材に保持されることで縦通部材の強度が向上すると共に、円筒状部材外周を覆う金属皮膜により素子及び電極からのノイズが外部に放射されるのを防止できる。
【００２２】
請求項９の発明によれば、上記円筒状部材の一端がアクチュエータ端部の端板に固定されているので、円筒状部材の保持強度を確保してより耐久性の高いものとすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施形態につき図面を示して説明する。図１は第１の実施形態としてのピエゾアクチュエータを適用した燃料噴射弁１の概略断面構造を示している。
【００２４】
燃料噴射弁１は、筒状の本体１１の内部にアクチュエータ１２が収装されるとともに、この本体１１の先端部には、内部に針弁１３を収装したノズルボディ１４が設けられている。
【００２５】
アクチュエータ１２は、詳細は後述するが、薄板状のピエゾ素子を多数積層して円柱状に形成されている。その背後側の端部に設けられた端板１５は、本体１１に嵌合したキャップ１６に対してボール１７を介して位置決めされている。先端側にはピストン１８が設けられており、このピストン１８は本体内に形成されたシリンダ部１９にシールリング２０を介して油密的にかつ摺動可能に嵌合している。
【００２６】
ピストン１８の前方にはシリンダ部１９との間に圧力室２１が画成されており、この圧力室２１に収装された皿ばね２２の張力によりピストン１８は背後方向に付勢されている。
【００２７】
ノズルボディ１４にはその先端部に開口した噴孔２３を開閉する針弁１３が収装されている。この針弁１３は、基端部が太径のピストン部２４となっており、このピストン部２４がホルダ内周に形成されたシリンダ部２５に沿って摺動可能に保持されている。ピストン部２４の背後部に画成された圧力室２６にはコイルスプリング２７が介装されており、このスプリング２７の張力により針弁１３は閉弁方向に付勢されている。
【００２８】
ピストン部２４よりも前方のノズルボディ１４内の空間は燃料室２８となっており、この燃料室２８には燃料供給口２９に接続した燃料通路３１を介して所定圧力に調圧された燃料が供給される。また背後の圧力室２６は通路３０を介してその背後の圧力室２１と連通している。
【００２９】
この燃料噴射弁では、図示しない燃料噴射制御回路により、例えば内燃機関の回転数及び吸入空気量をパラメータとして燃料噴射量を決定し、該燃料噴射量に相当するパルス幅を有する噴射信号をアクチュエータ１２に付与して燃料噴射を行わせる。
【００３０】
このような噴射信号が入力したときの燃料噴射弁１の作動の詳細は次のとおりである。まず、この燃料噴射弁１では、非噴射時にはアクチュエータ１２は伸張状態にあり、圧力室２１の容積を小さく保っている。燃料室２８に供給されている燃料の圧力は、針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙を介して圧力室２６及び２１にも作用しているため、針弁１３の前後圧力は平衡しており、したがって針弁１３はスプリング２７の張力により閉弁保持されている。
【００３１】
この状態から圧縮方向への駆動信号が印加されると、アクチュエータ１２及びピストン１９は速やかに所期の位置にまで収縮するため、圧力室２１はその容積を拡大して圧力を低下させる。この圧力低下は通路３０を介して直ちに針弁背後の圧力室２６に伝えられるが、このとき針弁ピストン部２４とシリンダ部２５との間の摺動間隙がオリフィスとして作用するので、圧力室２６の圧力低下に対して燃料室２８の圧力変化に遅れを生じ、燃料室２８は相対的に高圧になる。このピストン部２４の前後圧力差に基づき、針弁１３はスプリング２７に抗して背後方向にリフト作動し、噴孔２３を開放して燃料噴射を行う。
【００３２】
そのときの要求燃料噴射量に応じて定められた時間が経過した後に再びアクチュエータ１２を伸張させると、これにより圧力室２１及び２６の圧力が上昇するため針弁１３が閉弁方向に移動して燃料噴射は終了する。非噴射時の針弁１３の閉弁状態は上述のようにピストン２４前後の圧力平衡状態により保持される。
【００３３】
ところで、こうした燃料噴射弁１において、既述したようにアクチュエータ１２の電極が振動等により破損して部分的に作動しない素子が生じるとその分だけ伸縮変位量が減少してしまうため、噴射信号に対応した燃料噴射量が得られなくなる。本発明は、このような電極の破損に原因する作動不良を起こさないピエゾアクチュエータを得ることを目的としており、そのための具体的な構成例としては図２以下に示した通りである。
【００３４】
図２または図３において、アクチュエータ１２は円盤状のピエゾ素子と正負の電極とを交互に多数積層した構造からなっており、正極の電極板には外側に向けて１８０度間隔で１対の端子１２Ａが、負極の電極板には同じく１対の端子１２Ｂが設けられ、かつ正負の各端子１２Ａと１２Ｂは互いに９０度間隔となるように向きが決められている。
【００３５】
アクチュエータ１２の軸方向に多数配列された各端子１２Ａまたは１２Ｂを相互に連結するように、各端子列には略コの字断面形状を有する導電性材料からなる縦通部材３２が取り付けられる。縦通部材３２の外側面には軸方向にスリット状の溝部３２ａが形成されており、この溝部３２ａを介してのハンダ付け等により縦通部材３２と端子１２Ａまたは端子１２Ｂとが電気的に接続される。
【００３６】
このような構成によれば、アクチュエータ１２の伸縮方向に多数配列された電極板は、それぞれの端子１２Ａまたは１２Ｂが、隣接するもの同士ではなく、縦通部材３２に接続していることから、仮に多数の端子のうちの一部が折損するようなことがあっても他の電極及び素子への通電がとぎれてしまうようなことがなく、また縦通部材３２により各端子１２Ａまたは１２Ｂが共通に保持された構成となることから全体として端子の強度が向上し、振動等の外力に対して破損しにくくなる。
【００３７】
縦通部材３２を伸縮性に富んだ弾性材料で形成し、その端部を端板１５またはピストン１８に固定してアクチュエータ１２とともに伸縮するように構成することもでき、これによれば縦通部材３２と端子１２Ａまたは１２Ｂとの接続部分も素子と共に軸方向に変位することとなるため、端子折損等の不具合を起こすおそれはさらに低減する。
【００３８】
また、この実施形態では、正負電極の端子１２Ａ，１２Ｂがピエゾ素子の周囲に交互に位置するように複数箇所に設けられているので、強い振動等の外力または慣性力がアクチュエータ１２の側方から作用して一方向に変形し、これにより何れかの側の端子が破損するようなことがあっても他方側の端子により通電が確保されるので、振動等に対する信頼性が一層向上する。
【００３９】
図４と図５に本発明の第２の実施形態を示す。これは図示したように端子１２Ａまたは１２Ｂの先端部両側方に突起部１２ｐを設けられて略Ｔ字形状に形成されるとともに、この突起部１２ｐが嵌合する第二の溝部３２ｂが縦通部材３２に外側向きに開放する態様で形成されている。
【００４０】
また、縦通部材３２には素子外周面に着座するように脚部３２ｃが形成されている。脚部３２ｃは素子や電極板を短絡しないように電気的に絶縁される。これは縦通部材３２ないし脚部３２ｃ全体を電気絶縁体で形成して端子１２Ａ，１２Ｂとの接続部分のみ金属で形成するか、または脚部３２ｃと素子表面との間に絶縁体を介在させることで絶縁状態が確保される。
【００４１】
上記溝部３２ａ、３２ｂは図４に示されるように縦通部材３２の一端側で開放しており、この開放部を介して縦通部材３２を各端子列に挿入したうえで溝部３２ｂ上面に端子突起部１２ｐをハンダ付けすることで縦通部材３２と各端子１２Ａまたは１２Ｂとの電気的接続がなされる。
【００４２】
このように、この実施形態によれば、縦通部材３２の溝部３２ａ、３２ｂを通して端子突起部１２ｐが縦通部材３２の外側面に露出するので、端子１２Ａ、１２Ｂと縦通部材３２をハンダ付け等により接続するときの作業が容易であり、優れた生産性が得られる。
【００４３】
また、縦通部材３２がその脚部３２ｃにより素子外周部に乗った状態で各電極端子１２Ａまたは１２Ｂに嵌合するので、接続作業のときに縦通部材３２を保持しておく必要がなく、したがって作業性が一層向上する。
【００４４】
ところで、本出願人の知見によれば、上記各実施の形態において、端子１２Ａまたは１２Ｂの素子表面からの突出高さ、または縦通部材脚部３２ｃの高さＣＬ（図５参照）をアクチュエータ１２全長の１．５％以上に長くとることにより、アクチュエータ１２が伸縮変位するときの端子の歪み方向の変形しろが十分に確保されるのでその破損をより確実に防止することができる。
【００４５】
図６〜図８は本発明の第３の実施形態である。これは、図３のものと同様にアクチュエータ１２の周囲に配設された４箇の縦通部材３２が嵌合する嵌合溝３３ａを備えた円筒状部材３３にてアクチュエータ１２を包囲した構成を有する。円筒状部材３３は隣接する縦通部材３２同士の短絡を防止するために電気絶縁体から形成されると共に、その外周面には金属皮膜３３ｂが形成されている。また、この円筒状部材３３はその一端部が端板１５に固定されている。
【００４６】
この実施形態によれば、円筒状部材３３の嵌合溝３３ａに保持されることで縦通部材３２の強度が向上すると共に、円筒状部材３３の外周を覆う金属皮膜３３ｂにより素子及び電極からのノイズが外部に放射されるのを防止できる。また、円筒状部材３３の一端を端板１５に固定した構成により円筒状部材３３の保持強度を確保してより耐久性の高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態としてのピエゾアクチュエータを適用した燃料噴射弁の概略断面図。
【図２】上記実施形態のピエゾアクチュエータの側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】本発明の第２の実施形態としてのピエゾアクチュエータの要部斜視図。
【図５】同じく正面断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態としてのピアゾアクチュエータの側面断面図。
【図７】図６のＢ−Ｂ断面図。
【図８】図７のＣ部拡大図。
【符号の説明】
１    燃料噴射弁
１１  燃料噴射弁の本体
１２  アクチュエータ
１２Ａ，１２Ｂ  端子
１２ｐ  端子の突出部
１３  針弁
１４  ノズルボディ
１５  端板
１６  キャップ
１７  ボール
１８  ピストン
１９  シリンダ部
２０  シールリング
２１  圧力室
２２  皿ばね
２３  噴孔
２４  ピストン部
２５  シリンダ部
２６  圧力室
２７  コイルスプリング
２８  燃料室
２９  燃料供給口
３０  通路
３２  縦通部材
３２ａ、３２ｂ  溝部
３２ｃ  脚部
３３  円筒状部材
３３ａ  嵌合溝
３３ｂ  金属皮膜
【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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