JPH10173248A - ピエゾアクチュエータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾアクチュエータにおいて、品質の向上
をはかる。 【解決手段】 印加される電圧により伸長する複数のピ
エゾ素子１３を備え、各ピエゾ素子１３を内部電極１
４，１５を挟んで積層したピエゾアクチュエータ１０に
おいて、各ピエゾ素子１３に穴１６を形成し、穴１６を
貫通して各ピエゾ素子１３を支持する支持体１７を備え
るものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのピエゾ
アクチュエータとその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジン等に備えられる燃料噴
射弁にあっては、印加電圧に応じて伸張するピエゾ素子
（圧電素子）を積層したピエゾアクチュエータを備え、
ピエゾアクチュエータを介してニードル（弁体）を開弁
作動させるものがあった。ニードルをピエゾアクチュエ
ータにより駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答
性が高まり、高出力化に対応するための噴射可能範囲を
拡大できる。また、少量の燃料を安定して噴射すること
が可能となり、燃費の低減がはかれる。

【０００３】従来、この種のピエゾアクチュエータとし
て、例えば図４、図５に示すようなものがある(特開平
５−１２１７９１号公報、参照)。

【０００４】これについて説明すると、積層型ピエゾア
クチュエータ７５は、多数のピエゾ素子７１が内部電極
７３，７４を介して積層される。プラス側の内部電極７
４とマイナス側の内部電極７３がピエゾ素子７１を挟ん
で交互に配置される。

【０００５】各ピエゾ素子７１および内部電極７３，７
４は円盤状に形成される。マイナス側の内部電極７３か
ら突出した３つの脚７３ｂは、円柱状をしたピエゾアク
チュエータ７５の側面に設けられた帯状の各マイナス側
外部電極７６にスポット溶接により結合される。プラス
側の内部電極７４から突出した３つの脚７４ｂは、ピエ
ゾアクチュエータ７５の側面に設けられた帯状の各プラ
ス側外部電極７７にスポット溶接により結合される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のピエゾアクチュエータ７５にあっては、積層
された各ピエゾ素子７１がそのまわりに配置された帯状
の各外部電極７６，７７を介して支持される構造となっ
ていたため、各ピエゾ素子７１および各内部電極７３，
７４の同軸度を確保することが難しく、ピエゾアクチュ
エータ７５の形状にバラツキが生じやすいという問題点
が考えられる。

【０００７】また、ピエゾアクチュエータ７５の作動に
伴う各ピエゾ素子７１の変位によって、各外部電極７
６，７７の摩耗やショートが生じる可能性がある。

【０００８】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、ピエゾアクチュエータにおいて、品質の向上
をはかることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のピエゾ
アクチュエータは、印加される電圧により伸長する複数
のピエゾ素子を備え、各ピエゾ素子を電極を挟んで積層
したピエゾアクチュエータにおいて、各ピエゾ素子に穴
を形成し、穴を貫通して各ピエゾ素子を支持する支持体
を備えるものとした。

【００１０】請求項２に記載のピエゾアクチュエータ
は、請求項１に記載の発明において、前記ピエゾ素子の
積層体と支持体との間に弾性体を介装し、支持体が弾性
体を介してピエゾ素子の積層体を圧縮方向に付勢するも
のとした。

【００１１】請求項３に記載のピエゾアクチュエータ
は、請求項１または２に記載の発明において、前記ピエ
ゾ素子を円盤状に形成し、支持体をピエゾ素子と同軸上
に配置するものとした。

【００１２】請求項４に記載のピエゾアクチュエータ
は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記支持体の一端にピストンを連結し、ピストンを
介して伸縮される流体圧室を画成するものとした。

【００１３】請求項５に記載のピエゾアクチュエータの
製造方法は、電極の間に接着剤を介在させ、各ピエゾ素
子および電極を支持体を介して積層した状態で接着剤を
加熱することにより各電極を接着するものとした。

【００１４】

【発明の作用および効果】請求項１に記載のピエゾアク
チュエータにおいて、各ピエゾ素子に穴を形成し、穴を
貫通して各ピエゾ素子を支持する支持体を備える構造の
ため、各ピエゾ素子の同軸度を確保し、ピエゾアクチュ
エータの形状のバラツキを抑え、品質の向上がはかれ
る。

【００１５】この結果、ピエゾアクチュエータのまわり
に配設される外部電極に各ピエゾ素子を保持する機能を
持たせる必要がなく、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴
って外部電極の摩耗やショートが生じることを防止でき
る。

【００１６】請求項２に記載のピエゾアクチュエータに
おいて、弾性体はその弾性復元力により各ピエゾ素子を
支持体を介して予め与圧する。このとき、与圧は弾性体
を介して与えられるので、支持体からピエゾ素子に対し
て偏荷重が加わることを防止でき、ピエゾ素子等の耐久
性を向上できる。

【００１７】請求項３に記載のピエゾアクチュエータに
おいて、円盤状をした各ピエゾ素子は、支持体を介して
同軸上に支持され、ピエゾアクチュエータの形状を直円
柱状として均一化することができる。

【００１８】請求項４に記載のピエゾアクチュエータに
おいて、支持体の一端に連結されたピストンは、各ピエ
ゾ素子に対する同軸度が確保されるのでその動きが円滑
になり、これを燃料噴射弁等に用いた場合に安定した作
動性が得られる。

【００１９】請求項５に記載のピエゾアクチュエータの
製造方法において、電極の間に接着剤を介在させ、各ピ
エゾ素子および電極を支持体を介して積層した状態で接
着剤を加熱することにより各電極を接着するため、各ピ
エゾ素子の同軸度を確保し、ピエゾアクチュエータの形
状のバラツキを抑えることができ、また、組立性の向上
がはかれる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を筒内噴射式火花点
火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２１】図１に示すように、ノズルボディ１の内部
にニードル２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１
の内部にはニードル２のまわりに燃圧室３が画成され
る。ノズルボディ１の先端に噴口１ｂが開口し、噴口１
ｂはニードル２によって開閉される。

【００２２】図示しない燃料噴射ポンプから圧送される
燃料は、燃料通路３９から燃圧室３に導入され、ニード
ル２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。ノズル
ボディ１はエンジンの燃焼室天井壁から燃焼室に臨み、
噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出す
るようになっている。

【００２３】ニードル２はその基端側にピストン部２ｃ
が環状に突出形成される。ノズルボディ１およびケーシ
ング９とピストン部２ｃの間には背圧室８が画成され
る。燃圧室３と背圧室８はピストン部２ｃの外周に形成
された絞り通路５を介して連通される。

【００２４】ニードル２を閉弁方向に付勢するコイルバ
ネ４が設けられる。コイルバネ４はニードル２のピスト
ン部２ｃとケーシング９の間に圧縮された状態で介装さ
れ、ニードル２と同軸上に配置される。

【００２５】ケーシング９の内部には背圧室８を画成す
るピストン１１が摺動可能に介装される。ピストン１１
の外周にはＯリング１２が介装される。Ｏリング１２が
ケーシング９の円筒状をした内壁面に摺接することによ
り、背圧室８の密封がはかれる。

【００２６】ピストン１１を介してニードル２を開弁方
向に駆動するピエゾアクチュエータ１０が設けられる。
ピエゾアクチュエータ１０はリード線１８，１９を介し
て電圧が印加されることにより伸長し、背圧室８の圧力
を高めてニードル２を閉弁させる。ピエゾアクチュエー
タ１０はこれに印加される電圧が遮断されることにより
収縮し、背圧室８の圧力を低下させてコイルバネ４を圧
縮しながらニードル２を開弁方向に駆動する。

【００２７】リード線１８，１９は図示しない駆動回路
へと延びている。図示しないコントロールユニットはエ
ンジンの吸入空気量や回転数に応じて燃料噴射量を演算
する。コントロールユニットで演算された燃料噴射量に
対応するパルス信号がパルス発生器でつくられ、このパ
ルス信号に応じた電圧が駆動回路を介してピエゾアクチ
ュエータ１０に印加される。

【００２８】図１はエンジン始動前の状態にある燃料噴
射弁を示しており、ピエゾアクチュエータ１０の各ピエ
ゾ素子１３は電圧が印加されて伸長しており、ニードル
２をノズルボディ１のシート部に着座させている。この
状態で図示しない燃料噴射ポンプは電動モータによって
駆動され、燃圧室３および背圧室８の圧力が高められ
る。

【００２９】なお、エンジン停止時も、コイルバネ４の
弾性復元力により、ニードル２のノズルボディ１のシー
ト部に着座させて、燃料の洩れを防止するようになって
いる。

【００３０】エンジン始動時および始動後における燃料
噴射弁の開弁作動は、各ピエゾ素子１３がエンジン回転
に同期して印加される電圧を遮断されることにより収縮
し、ピストン１１が移動することにより背圧室８の圧力
が直ちに低下し、ニードル２がコイルバネ４に抗してノ
ズルボディ１のシート部から離れる。ニードル２がシー
ト部から離れると、燃圧室３に導かれる高圧燃料が噴口
１ｂを通ってエンジンの燃焼室に噴射される。

【００３１】燃料噴射弁の閉弁作動は、各ピエゾ素子１
３がエンジン回転に同期して電圧を印加されることによ
り伸長し、ピストン１１が移動することにより背圧室８
の圧力が直ちに上昇し、ニードル２がノズルボディ１の
シート部に応答性よく着座する。ニードル２がシート部
に着座することにより、噴口１ｂが閉塞され、燃料の噴
射が停止される。

【００３２】燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータ１０
の変位方向とニードル２の変位方向が一致しているた
め、ピエゾアクチュエータ１０とニードル２を直列に並
べることが可能となる。この結果、ピエゾアクチュエー
タ１０の駆動力を逆転させてニードル２に伝達する機構
が不要となり、構造の簡素化がはかれる。

【００３３】なお、本実施形態では、圧電素子１０の変
位が縮小してニードル２に伝えられる構造としたが、圧
電素子１０の変位が直接的にニードル２に伝えられる構
造としてもよい。

【００３４】図２に示すように、ピエゾアクチュエータ
１０は円盤状をした複数のピエゾ素子１３が、同じく円
盤状をした内部電極１４，１５を挟んで積層される。各
ピエゾ素子１３は内部電極１４，１５を介して電圧が印
加されることによりその板厚が増え、電圧が遮断される
ことによりその板厚が減るようになっている。なお、後
述するが、２８は接着剤である。

【００３５】図３にも示すように、各ピエゾ素子１３に
穴１６が形成される一方、ピストン１１に穴１６を貫通
して各ピエゾ素子１３を支持する支持体１７が設けられ
る。

【００３６】支持体１７はピストン１１と一体形成さ
れ、ピストン１１と同軸上に延びる円柱状に形成され
る。

【００３７】穴１６は円盤状ピエゾ素子１３と同軸上に
配置された円形に形成される。各ピエゾ素子１３は、そ
れぞれの穴１６に支持体１７を挿通させることにより、
互いに同軸上に積層された状態に支持される。

【００３８】ピエゾアクチュエータ１０の固定端（基
端）には円盤状をした端板２９が配置される。端板２９
とピストン１１の間には積層されたピエゾ素子１３が挟
持される。端板２９はケーシング９に固定されている。

【００３９】支持体１７の先端にはナット２５が螺合
し、ナット２５を介して端板２９が支持体１７の先端に
締結される。

【００４０】各ピエゾ素子１３を電圧を印加しない状態
で予め与圧する弾性体２０が設けられる。これは積層さ
れたピエゾ素子が伸長する際に、これらを接着する接着
剤が剥離してしまうことを防止するためである。したが
って、円柱状をした弾性体２０が端板２９とナット２５
の間に圧縮された状態で介装される。これは、ナット２
５を締めることにより、偏荷重が端板２９よりピエゾ素
子１３に加わることを防止するためである。なお、弾性
体２０は支持体１７よりも弾性係数が低い。

【００４１】図２に示すように、各ピエゾ素子１３の間
にはマイナス側の内部電極１４とプラス側の内部電極１
５が交互に積層される。各内部電極１４，１５は円盤状
に形成される。

【００４２】マイナス側の内部電極１４は、円柱状をし
たピエゾアクチュエータ１０の側面に設けられた帯状の
マイナス側外部電極２６に結合される。プラス側の内部
電極１４は、ピエゾアクチュエータ１０の側面に設けら
れた帯状のプラス側外部電極２７に結合される。マイナ
ス側外部電極２６にはリード線１８が接続され、プラス
側外部電極２７にリード線１９が接続される。

【００４３】ピエゾアクチュエータ１０の組立時に、マ
イナス側の内部電極１４とプラス側の内部電極１５の間
には円盤状をした接着剤２８が同軸上に介装される。接
着剤２８はガラス等を材質として、各ピエゾ素子１３お
よび各内部電極１４，１５を支持体１７を介して同軸上
に支持した状態で加熱することにより、各内部電極１
４，１５を接着する。

【００４４】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００４５】各ピエゾ素子１３に穴１６を形成し、穴１
６を貫通して各ピエゾ素子１３を支持する支持体１７を
備える構造のため、円盤状をした各ピエゾ素子１３の同
軸度を確保でき、ピエゾアクチュエータ１０の形状のバ
ラツキを抑え、品質の向上がはかれる。

【００４６】この結果、ピエゾアクチュエータ１０のま
わりに配設される外部電極２６，２７に各ピエゾ素子１
３を保持する機能を持たせる必要がなく、ピエゾアクチ
ュエータ１０の伸縮に伴って外部電極２６，２７の摩耗
やショートが生じることを防止できる。

【００４７】弾性体２０は電圧を印加しない状態（収縮
した状態）でその弾性復元力により各ピエゾ素子１３を
支持体１７を介して与圧する。各ピエゾ素子１３の伸長
時に、弾性体２０は既に圧縮されているので、各ピエゾ
素子１３の変位は支持体１７を介してピストン１１に伝
えられ、また、ピエゾ素子１３等に偏荷重が加わること
を防止できる。

【００４８】各内部電極１４，１５の間に接着剤２８を
介在させ、各ピエゾ素子１３および内部電極１４，１５
を支持体１７を介して積層した状態で接着剤２８を加熱
することにより各内部電極１４，１５を接着するため、
各ピエゾ素子１３の同軸度を確保し、ピエゾアクチュエ
ータ１０の形状のバラツキを抑えることができる。

【００４９】支持体１７の一端に連結されたピストン１
１は、各ピエゾ素子１３に対する同軸度が確保され、ピ
ストン１１の動きを円滑にして、安定した作動性が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。

【図２】同じくピエゾアクチュエータの製造工程を示す
断面図。

【図３】同じくピエゾアクチュエータの断面図。

【図４】従来例を示すピエゾアクチュエータの分解斜視
図。

【図５】同じくピエゾアクチュエータの斜視図。

【符号の説明】

１ ノズルボディ １ｂ 噴口 ２ ニードル ２ｃ ピストン部 ３ 燃圧室 ４ コイルバネ ５ オリフィス ８ 背圧室 ９ ケーシング １０ ピエゾアクチュエータ １１ ピストン １３ ピエゾ素子 １４ 内部電極 １５ 内部電極 １６ 穴 １７ 支持体 １８ リード線 １９ リード線 ２０ 弾性体 ２５ ナット ２６ 外部電極 ２７ 外部電極 ２８ 接着剤 ３９ 燃料通路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】印加される電圧により伸長する複数のピエ
   ゾ素子を備え、 各ピエゾ素子を電極を挟んで積層したピエゾアクチュエ
   ータにおいて、 各ピエゾ素子に穴を形成し、 穴を貫通して各ピエゾ素子を支持する支持体を備えたこ
   とを特徴とするピエゾアクチュエータ。
2. 【請求項２】前記ピエゾ素子の積層体と支持体との間に
   弾性体を介装し、 支持体が弾性体を介してピエゾ素子の積層体を圧縮方向
   に付勢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。
3. 【請求項３】前記ピエゾ素子を円盤状に形成し、 支持体をピエゾ素子と同軸上に配置したことを特徴とす
   る請求項１または２に記載のピエゾアクチュエータ。
4. 【請求項４】前記支持体の一端にピストンを連結し、 ピストンを介して伸縮される流体圧室を画成したことを
   特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のピエ
   ゾアクチュエータ。
5. 【請求項５】前記電極の間に接着剤を介在させ、 各ピエゾ素子および電極を支持体を介して積層した状態
   で接着剤を加熱することにより各電極を接着することを
   特徴とするピエゾアクチュエータの製造方法。