JP2004048016A - 圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の技術の欠点を有しない被覆を有する圧電素子を提供する。
【解決手段】エラストマーからなる被覆（１２）を有するセラミックアクチュエータ（１１）を含む圧電素子において、エラストマーが、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／又は有利には二酸化ケイ素をベースとして製造された充填剤を含有する熱伝導性エラストマーである。
【選択図】 図１
【解決手段】エラストマーからなる被覆（１２）を有するセラミックアクチュエータ（１１）を含む圧電素子において、エラストマーが、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／又は有利には二酸化ケイ素をベースとして製造された充填剤を含有する熱伝導性エラストマーである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エラストマーからなる被覆を有するアクチュエータを含む圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記のような圧電素子は、ＤＥ１９８６０００１Ａ１から公知でありかつ自動車の内燃機関、特にディーゼル内燃機関の噴射弁のアクチュエータとして使用される。
【０００３】
圧電アクチュエータを形成する、圧電性セラミック層のスタックと、該層の間に配置された電極層とのモノリススタックからなる公知の圧電素子は、その側部表面に、シリコーンエラストマーかた形成されかつ圧電アクチュエータの敏感な圧電活性表面を損傷、汚れ並びに湿気及び燃料の作用から保護する課題を有する合成樹脂からなる保護層を備えている。
【０００４】
しかしながら、公知の圧電素子の被覆は、圧電アクチュエータの損失熱を場合により十分に良好に導出することができないという欠点を有する。
【０００５】
【特許文献１】
ＤＥ１９８６０００１Ａ１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記欠点を有しない被覆を有する圧電素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、冒頭に記載した形式の圧電素子において、エラストマーが、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／又は有利には二酸化ケイ素をベースとして製造された充填物を含有する熱伝導性エラストマーであることにより解決される。
【０００８】
本発明による圧電素子は、セラミックアクチュエータの損失熱の導出が改良されるという利点を有する。それというのも、充填剤により被覆の高められた熱伝導率を達成することができるからである。更に、アクチュエータの電気絶縁のための付加的な手段を実質的に省くことができる。
【０００９】
用語“被覆”は、その最も広い意味において理解されるべきである。従って、被覆は、アクチュエータに直接施されたエラストマー層、又は、アクチュエータが埋め込まれたエラストマー注型材料であってもよい。
【００１０】
エラストマーは、充填剤が添加されたシリコーンエラストマーであってもよい。特に、被覆が注型材料として構成されている場合には、エラストマーとして、充填剤を含有するようなオルガノポリシロキサンのような反応性の加硫されたシリコーンエラストマー使用するのが有利である。シリコーンエラストマーは弾性であるので、セラミックアクチュエータに作用する機械的応力を低く保持することができる。
【００１１】
少なくとも領域的にセラミックアクチュエータの表面に施された被覆は、セラミックアクチュエータを損傷、汚れ並びに湿気及び燃料の作用から保護するために役立ちかつ電気絶縁部を形成する。また、被覆は簡単な方式でセラミックアクチュエータに施すことが可能である。
【００１２】
本発明による圧電素子は、例えば自動車のディーゼル内燃機関のコモンレール噴射装置のインジェクタにおいて使用することができる。この場合には、充填剤のマトリックスとして、−４０℃〜＋１５０℃の温度範囲内で十分に大きな弾性を有するシリコーンエラストマーを使用するのが有利である。シリコーンエラストマーとしては、例えばジメチルシロキサンが該当する。
【００１３】
シリコーンは、２つの架橋種類、即ち付加架橋と縮合架橋の間で区別することができる、三次元的に架橋する系である。本発明の場合には有利な役割を演じる付加架橋の場合には、副生成物の分離は生じない。更に、該エラストマーは層厚に依存せずに硬化する。
【００１４】
エラストマーは、２００μｍ未満の厚さを有することができる。
【００１５】
充填剤が０．１μｍ〜１００μｍ、特に１μｍ〜１５μｍの粒度を有する場合が有利であることが立証された。
【００１６】
エラストマーの充填物の割合は、圧電素子の本発明による有利な実施態様においては、２０質量％〜７９質量％、特に５０質量％〜６０質量％である。
【００１７】
セラミックアクチュエータ上での付着力を高めるために、エラストマーは付加的に付着助剤を含有することができ、この場合付着助剤自体は、縮合架橋可能な系、例えばアルコキシシランをベースとするシリコーンであってもよい。特に、付着助剤により、アクチュエータの湿気保護をなお一層改良することができる。
【００１８】
付着助剤は、直接エラストマーに添加されていてもよく、又は別の作業工程で基板を形成するセラミックアクチュエータに施すことができる（プライマー）。
【００１９】
エラストマーは一成分系又は二成分系であってよく、その際一成分系が、混合の際の失敗の回避及びロジックにおいて製造技術的利点を有する。
【００２０】
二成分系は、両者の一成分、即ちポリマーと架橋剤が一緒になると直ちに反応するという利点を有する。温度上昇により、架橋を促進することができる。しかしながら、原則的には架橋を室温で行うことも可能である。
【００２１】
それに対して、一成分系は、その反応速度がいわゆる抑制剤により、十分な貯蔵安定性が保証されるまで低下せしめられた抑制系を形成する。抑制剤は、一定の温度、例えば１００℃の温度が達成されると、その作用において、架橋が行われるように妨害される。
【００２２】
原則的に、その都度使用される系の架橋は強度に温度依存性である。例えば、架橋は８０℃の温度では３０分間以内で、１２０℃の温度では８分間以内でかつ１５０℃の温度では５分間以内で行われる。
【００２３】
エラストマーは、有利には浸漬法、キャスト法又はスプレー法でセラミックアクチュエータに塗布する。塗布は室温で行うことができる。塗布した物質の架橋のために、温度を高め、しかも二成分系を使用する際には例えば８０℃〜１５０℃に、一成分系を使用する際には１００℃〜１５０℃の温度に高める。次いで、架橋はそれぞれ選択した温度に基づき４〜３９分間以内で行う。
【００２４】
前記方法を使用することにより、１００μｍ〜２００μｍ、場合により１００μｍ未満の被覆の層厚を製造することができる。
【００２５】
被覆が注型コンパンドである場合には、アクチュエータの組込位置に充填すべき容積内に液体又はペースト状材料を注型材料を注型、射出又はプレスのような無圧又は圧力助勢導入より導入することによりセラミックアクチュエータを注型コンパウンドで被覆する。該容積には、有利には上昇する方向で、その際には有利には材料を無圧で導入することにより、或いはまた落下する方向で、その際には有利には圧力助勢下に充填又は部分充填する。充填すべき容積は、金属、合成樹脂、セラミック又は同種のものからなる、アクチュエータを包囲するスリーブのインジェクタの構造部材、特にセラミックスペースによって与えられる。このような処置により、セラミックの安定な包囲及び開放した容積、いわゆる膨張容積の場合により必要な保持が保証される。
【００２６】
本発明による対象の他の利点及び有利な実施態様は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から推察可能である。
【００２７】
【実施例】
本発明による圧電素子の実施例は、図面に図式的に簡単に示されており、以下の記載において詳細に説明する。
【００２８】
唯一の図面には、圧電素子１０が示されており、該圧電素子はディーゼル内燃機関のコモンレイル噴射装置の、ここでは詳細には図示されていない噴射弁の圧電アクチュエータを形成する。
【００２９】
圧電素子１０は、圧電セラミック層のスタックと、それらの間に配置された電極層とからなるセラミックアクチュエータ１１を有する。
【００３０】
セラミックアクチュエータ１１は被覆１２を有しており、該被覆はセラミックアクチュエータ１１の両端部が被覆されずに残るように施されている。
【００３１】
被覆１２は、二酸化ケイ素をベースとして製造された充填剤が配合されたシリコーンエラストマー、特にジメチルシロキサンからなるエラストマーからなる。充填剤は約１０μｍの粒度を有する。エラストマーの充填剤の割合は、この場合は約５５質量％である。
【００３２】
被覆１２は、選択した実施例においては約１５０μｍの層厚を有する。
【００３３】
被覆１２は、セラミックアクチュエータ１１の損失熱を良好に導出することができるように十分に高い熱導電率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による被覆を有するセラミックアクチュエータの概略図である。
【符号の説明】
１０ 圧電素子、 １１ セラミックアクチュエータ、 １２ 被覆
【発明の属する技術分野】
本発明は、エラストマーからなる被覆を有するアクチュエータを含む圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記のような圧電素子は、ＤＥ１９８６０００１Ａ１から公知でありかつ自動車の内燃機関、特にディーゼル内燃機関の噴射弁のアクチュエータとして使用される。
【０００３】
圧電アクチュエータを形成する、圧電性セラミック層のスタックと、該層の間に配置された電極層とのモノリススタックからなる公知の圧電素子は、その側部表面に、シリコーンエラストマーかた形成されかつ圧電アクチュエータの敏感な圧電活性表面を損傷、汚れ並びに湿気及び燃料の作用から保護する課題を有する合成樹脂からなる保護層を備えている。
【０００４】
しかしながら、公知の圧電素子の被覆は、圧電アクチュエータの損失熱を場合により十分に良好に導出することができないという欠点を有する。
【０００５】
【特許文献１】
ＤＥ１９８６０００１Ａ１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記欠点を有しない被覆を有する圧電素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、冒頭に記載した形式の圧電素子において、エラストマーが、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／又は有利には二酸化ケイ素をベースとして製造された充填物を含有する熱伝導性エラストマーであることにより解決される。
【０００８】
本発明による圧電素子は、セラミックアクチュエータの損失熱の導出が改良されるという利点を有する。それというのも、充填剤により被覆の高められた熱伝導率を達成することができるからである。更に、アクチュエータの電気絶縁のための付加的な手段を実質的に省くことができる。
【０００９】
用語“被覆”は、その最も広い意味において理解されるべきである。従って、被覆は、アクチュエータに直接施されたエラストマー層、又は、アクチュエータが埋め込まれたエラストマー注型材料であってもよい。
【００１０】
エラストマーは、充填剤が添加されたシリコーンエラストマーであってもよい。特に、被覆が注型材料として構成されている場合には、エラストマーとして、充填剤を含有するようなオルガノポリシロキサンのような反応性の加硫されたシリコーンエラストマー使用するのが有利である。シリコーンエラストマーは弾性であるので、セラミックアクチュエータに作用する機械的応力を低く保持することができる。
【００１１】
少なくとも領域的にセラミックアクチュエータの表面に施された被覆は、セラミックアクチュエータを損傷、汚れ並びに湿気及び燃料の作用から保護するために役立ちかつ電気絶縁部を形成する。また、被覆は簡単な方式でセラミックアクチュエータに施すことが可能である。
【００１２】
本発明による圧電素子は、例えば自動車のディーゼル内燃機関のコモンレール噴射装置のインジェクタにおいて使用することができる。この場合には、充填剤のマトリックスとして、−４０℃〜＋１５０℃の温度範囲内で十分に大きな弾性を有するシリコーンエラストマーを使用するのが有利である。シリコーンエラストマーとしては、例えばジメチルシロキサンが該当する。
【００１３】
シリコーンは、２つの架橋種類、即ち付加架橋と縮合架橋の間で区別することができる、三次元的に架橋する系である。本発明の場合には有利な役割を演じる付加架橋の場合には、副生成物の分離は生じない。更に、該エラストマーは層厚に依存せずに硬化する。
【００１４】
エラストマーは、２００μｍ未満の厚さを有することができる。
【００１５】
充填剤が０．１μｍ〜１００μｍ、特に１μｍ〜１５μｍの粒度を有する場合が有利であることが立証された。
【００１６】
エラストマーの充填物の割合は、圧電素子の本発明による有利な実施態様においては、２０質量％〜７９質量％、特に５０質量％〜６０質量％である。
【００１７】
セラミックアクチュエータ上での付着力を高めるために、エラストマーは付加的に付着助剤を含有することができ、この場合付着助剤自体は、縮合架橋可能な系、例えばアルコキシシランをベースとするシリコーンであってもよい。特に、付着助剤により、アクチュエータの湿気保護をなお一層改良することができる。
【００１８】
付着助剤は、直接エラストマーに添加されていてもよく、又は別の作業工程で基板を形成するセラミックアクチュエータに施すことができる（プライマー）。
【００１９】
エラストマーは一成分系又は二成分系であってよく、その際一成分系が、混合の際の失敗の回避及びロジックにおいて製造技術的利点を有する。
【００２０】
二成分系は、両者の一成分、即ちポリマーと架橋剤が一緒になると直ちに反応するという利点を有する。温度上昇により、架橋を促進することができる。しかしながら、原則的には架橋を室温で行うことも可能である。
【００２１】
それに対して、一成分系は、その反応速度がいわゆる抑制剤により、十分な貯蔵安定性が保証されるまで低下せしめられた抑制系を形成する。抑制剤は、一定の温度、例えば１００℃の温度が達成されると、その作用において、架橋が行われるように妨害される。
【００２２】
原則的に、その都度使用される系の架橋は強度に温度依存性である。例えば、架橋は８０℃の温度では３０分間以内で、１２０℃の温度では８分間以内でかつ１５０℃の温度では５分間以内で行われる。
【００２３】
エラストマーは、有利には浸漬法、キャスト法又はスプレー法でセラミックアクチュエータに塗布する。塗布は室温で行うことができる。塗布した物質の架橋のために、温度を高め、しかも二成分系を使用する際には例えば８０℃〜１５０℃に、一成分系を使用する際には１００℃〜１５０℃の温度に高める。次いで、架橋はそれぞれ選択した温度に基づき４〜３９分間以内で行う。
【００２４】
前記方法を使用することにより、１００μｍ〜２００μｍ、場合により１００μｍ未満の被覆の層厚を製造することができる。
【００２５】
被覆が注型コンパンドである場合には、アクチュエータの組込位置に充填すべき容積内に液体又はペースト状材料を注型材料を注型、射出又はプレスのような無圧又は圧力助勢導入より導入することによりセラミックアクチュエータを注型コンパウンドで被覆する。該容積には、有利には上昇する方向で、その際には有利には材料を無圧で導入することにより、或いはまた落下する方向で、その際には有利には圧力助勢下に充填又は部分充填する。充填すべき容積は、金属、合成樹脂、セラミック又は同種のものからなる、アクチュエータを包囲するスリーブのインジェクタの構造部材、特にセラミックスペースによって与えられる。このような処置により、セラミックの安定な包囲及び開放した容積、いわゆる膨張容積の場合により必要な保持が保証される。
【００２６】
本発明による対象の他の利点及び有利な実施態様は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から推察可能である。
【００２７】
【実施例】
本発明による圧電素子の実施例は、図面に図式的に簡単に示されており、以下の記載において詳細に説明する。
【００２８】
唯一の図面には、圧電素子１０が示されており、該圧電素子はディーゼル内燃機関のコモンレイル噴射装置の、ここでは詳細には図示されていない噴射弁の圧電アクチュエータを形成する。
【００２９】
圧電素子１０は、圧電セラミック層のスタックと、それらの間に配置された電極層とからなるセラミックアクチュエータ１１を有する。
【００３０】
セラミックアクチュエータ１１は被覆１２を有しており、該被覆はセラミックアクチュエータ１１の両端部が被覆されずに残るように施されている。
【００３１】
被覆１２は、二酸化ケイ素をベースとして製造された充填剤が配合されたシリコーンエラストマー、特にジメチルシロキサンからなるエラストマーからなる。充填剤は約１０μｍの粒度を有する。エラストマーの充填剤の割合は、この場合は約５５質量％である。
【００３２】
被覆１２は、選択した実施例においては約１５０μｍの層厚を有する。
【００３３】
被覆１２は、セラミックアクチュエータ１１の損失熱を良好に導出することができるように十分に高い熱導電率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による被覆を有するセラミックアクチュエータの概略図である。
【符号の説明】
１０ 圧電素子、 １１ セラミックアクチュエータ、 １２ 被覆
Claims (5)
- エラストマーからなる被覆（１２）を有するセラミックアクチュエータ（１１）を含む圧電素子において、エラストマーが、酸化アルミニウム、二酸化チタン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素及び／又は有利には二酸化ケイ素をベースとして製造された充填剤を含有する熱伝導性エラストマーであることを特徴とするピエゾ電気素子。
- 充填剤が０．１μｍ〜１００μｍの粒度を有する、請求項１記載の圧電素子。
- エラストマーの充填剤が２０質量％〜７９質量％の割合を有する、請求項１又は２記載の圧電素子。
- エラストマーが付着助剤を含有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電素子。
- 被覆（１２）が２００μｍ未満の厚さを有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧電素子。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10231624A DE10231624A1 (de) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | Piezoelektrisches Bauelement |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2003196576A Pending JP2004048016A (ja) | 2002-07-12 | 2003-07-14 | 圧電素子 |
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| JP (1) | JP2004048016A (ja) |
| DE (1) | DE10231624A1 (ja) |
| FR (1) | FR2842354A1 (ja) |
Cited By (1)
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