JP2009189233A - アクチュエータ用気体加圧カプセル封入体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの絶縁性を向上する。
【解決手段】圧電アクチュエータ１は、大気圧より高い圧力の気体の層が圧電素子３を取り巻くようにカプセル封入されている圧電素子３を備えている。カプセル封入体５内に圧電素子３を取り巻いて気体が存在することによって、圧電アクチュエータ１が加圧気体環境で作動するので、気体の絶縁耐力は、その圧力と共に増すため、圧電素子３と接続されている露出した電極部（電気的接続部７）を不動態化する必要性が回避される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射器で使用するための圧電アクチュエータ用のカプセル封入体に関する。厳密には、本発明は、大気圧より高い圧力の気体を内部に備えているカプセル封入体に関する。

圧電アクチュエータは、数々の様態が原因となって機能しないことが分かっている。例えば、短絡不具合は、水の存在に因る電気化学的なイオン泳動の結果発生することが分かっている。また、圧電アクチュエータは、同じ極性の内部電極が、圧電スタックの表面に露出しているところで、表面フラッシュオーバーに因って機能しない場合も有る。この現象は、圧電スタックの表面が導電材料に汚染されることによって一層悪くなる。また、圧電アクチュエータは、（導電性）鉛金属を形成するために一般的に使用されるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）材料の粒界における絶縁酸化鉛の減少によっても機能しなくなる。

高温で長期間焼成しても、小さなトレースが残るので、製造時に、ＰＺＴ材料から水を完全に除去するのは不可能である。更に、露出した内部電極を不動態化するのに使用される、例えばポリマー類などの材料は、水及び他の水素源を含んでいることがある。

従って、上で述べた不具合様態に因るアクチュエータの不具合を無くすか又は大幅に低減するアクチュエータのカプセル封入の方法が必要とされている。

以上の様な次第で、本発明は、内燃機関の燃料噴射器に使用するための、カプセル封入体（５）の中にカプセル封入されている圧電素子を備えている圧電アクチュエータを提供しており、カプセル封入体の中には、少なくとも部分的には圧電素子を取り巻いている気体のジャケットが存在し、気体は、大気圧より高い圧力を有している。

圧電アクチュエータが、加圧気体環境で作動する場合は、気体の絶縁耐力は、その圧力と共に増すので、圧電素子と接続されている露出した電極を不動態化する必要は無い。圧電素子を固体ではなく気体で取り巻くと、水や水素の様な損傷を引き起こす物質を、アクチュエータの外に、その寿命に亘って追い出すことができる。加えて、気体は、加圧されると熱伝導率が高くなるので、圧電素子によって作り出された熱を圧電素子からより良好に消散させることができるようになる。更に、気体は、対流によってカプセル封入体の中を循環することになるので、圧電素子の表面に損傷を引き起こすどの様な流体も、気体の中に分散され、圧電素子の不具合を引き起こす可能性が低下する。

カプセル封入体の透過性は、低いのが望ましい。カプセル封入体は、不透過性であるのが、更に望ましい。流体、具体的には水が、カプセル封入体の内側へ浸入するのを低減するため、可能な限り低い透過性が所望されている。

使用時に、圧電素子が膨張及び収縮できるように、カプセル封入体は、可撓性を有しているのが望ましい。
気体をカプセル封入体の中へ導入することができるように、カプセル封入体には、気密シール可能な気体接続部が備られているのが望ましい。

気体接続部には、永久的な気密シールが設けられているのが望ましい。シールは、カシメと溶接で形成されているのが望ましい。しかしながら、シールは、例えば、はんだ付け、ろう付けによって、又は接着材を用いて形成してもよい。

或いは、気体接続部には、一時的な気密シールが設けられていてもよい。例えば、一時的なシールは、逆止弁又はストッパでもよい。
化学的に活性な物質をカプセル封入体の内側に入れておいて、使用時に、この物質が化学的に水と結合して化合物を形成する様になっているのが望ましい。水蒸気を化学的に除去するために、カルシウム及び酸化カルシウムの様な金属又は金属酸化物を使用することもできる。

化学的に活性な物質をカプセル封入体の内側に入れておいて、使用時に、この物質が化学的に水素と結合して化合物を形成する様になっているのが望ましい。水素は、金属水素化物の形態で貯蔵することができる。通常のアクチュエータ作動中に、水素が、金属水素化物形態から放出されないようにするためには、約摂氏９０度のアクチュエータの通常の作動温度を超える高温にならないと水素を放出しない金属水素化物を選定することが重要である。適した反応は、以下のようになる。

水素を６．５重量％までを貯蔵することができ、この水素は、温度が、摂氏２００度を超えないと放出されない。マグネシウム及びニッケルをベースにした水素化物も、適している。

２つ又はそれ以上の異なる化学的に活性な物質を、カプセル封入体の中の異なる場所に配置しておくのが望ましい。そうすれば、異なる物質間で何らかの反応の発生することが防止される。更に、化学的に活性な物質を、最も効果的に働くであろう場所に設置することもできる。例えば、カプセル封入体の上面は、相対的に軽量な気体である水素が集まり易い場所なので、水素除去物質を、この上面に隣接して設置することもできる。カプセル封入体の底面は、凝縮した水が集まり易い場所なので、水除去物質を、この底面に隣接して設置することもできる。

１つの実施形態では、気体は、酸素を含む気体の混合物である。この気体混合物内の酸素の比率は、空気中の酸素の比率よりも高い。例えば、この様な酸素濃度の高い気体混合物は、２２容積％より高い比率の酸素を、又は２４質量％より高い比率の酸素を含んでいることもある。もしくは、気体は酸素であってもよい。

酸素は、ＰＺＴの粒界に形成されるあらゆる鉛を酸化する働きがあり、従ってこの粒界の絶縁機能のある酸化鉛が鉛に還元されるのを防止するので、気体が、酸素であるか、又は酸素を含んでいるのが好都合である。乾燥した空気、又はアルゴンの様な不活性気体と酸素の混合物を使用することができる。

本発明の好適な実施形態によるカプセル封入体の概略的な断面立面図である。 図１のカプセル封入体の上面図である。

本発明の好適な実施形態を、添付図面を参照しながら説明してゆく。
圧電アクチュエータ１は、細長い円筒形カプセル封入体５の中に配置され、加圧された気体６に取り巻かれている、圧電素子３を備えている。この好適な実施形態では、圧電アクチュエータ１は、単一ブロックの同時焼成セラミック及び電極層で形成されている一体構造のアクチュエータである。２つの電気的接続部７が、カプセル封入体５の上面９を貫通している。更に、気密シール可能な気体接続部１１が上面９に設けられている。カプセル封入体５の中では、化学的に活性な物質１５が、底面１３上に設置されている。

圧電素子３は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）型の素子である。
カプセル封入体５は、ステンレス鋼で作られ、且つ波形部１７が設けられており、全長をその長手方向軸に沿って膨張又は収縮できるようになっている。

電気的接続部７は、接続部７と上面９の間に溶着されたガラスビーズによって形成されている低透過性シール４を用いて、上面９にシールされている。
気体接続部１１は、気体がカプセル封入体５の中へ導入された後でカシメて閉じられ、次に、カシメた端部が溶接されたステンレス鋼管で形成されている。

化学的に活性な物質１５は、固形形態で、カプセル封入体５の内側に設けられている。
カプセル封入体５は、加圧された酸素が充填されている。しかしながら、加圧酸素を充填する前に、カプセル封入体５は、可能な限り多くの量の水を除去するために、真空引きされ、及び／又は加熱される。カプセル封入体５は、加圧酸素が充填された後、気体接続部１１が密閉される前又は後の何れかに、アクチュエータ１上の表面のあらゆる表面汚染物を酸化させるため、更に加熱される。

１ 圧電アクチュエータ
３ 圧電素子
４ シール
５ カプセル封入体
６ 加圧された気体
７ 電気的接続部
９ 上面
１１ 気体接続部
１３ 底面
１５ 化学的に活性な物質
１７ 波形部

Claims (12)

1. 圧電アクチュエータ（１）において、カプセル封入体（５）の中にカプセル封入されている圧電素子（３）を備えており、前記カプセル封入体（５）の中では、少なくとも部分的には前記圧電素子（３）を取り巻いている気体（６）が存在しており、前記気体は、大気圧よりも高い圧力を有している、圧電アクチュエータ（１）。
2. 前記カプセル封入体（５）の透過性は、低い、請求項１に記載の圧電アクチュエータ（１）。
3. 前記カプセル封入体（５）は、可撓性を有している、請求項１又は請求項２に記載の圧電アクチュエータ（１）。
4. 前記カプセル封入体（５）には、気密シール可能な気体接続部（１１）が設けられている、請求項１、２、又は３の何れかに記載の、圧電アクチュエータ（１）。
5. 前記気体接続部（１１）には、永久的な気密シールが設けられている、請求項４に記載の圧電アクチュエータ（１）。
6. 前記接続部（１１）には、一時的な気密シールが設けられている、請求項４に記載の圧電アクチュエータ（１）。
7. 化学的に活性な物質（１５）が、前記カプセル封入体（５）の内側に設けられており、使用時には、前記物質（１５）は、水と化学的に結合して化合物を形成する、上記請求項の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。
8. 化学的に活性な物質（１５）が、前記カプセル封入体（５）の内側に設けられており、使用時には、前記物質（１５）は、化学的に水素と結合して化合物を形成する、上記請求項の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。
9. ２つ又はそれ以上の異なる化学的に活性な物質（１５）が、前記カプセル封入体（５）内の異なる場所に配置されていてもよい、上記請求項の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。
10. 前記気体は、酸素を含む気体の混合物である、上記請求項の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。
11. 前記気体の混合物内の酸素の比率は、大気内の酸素の比率よりも高い、上記請求項の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。
12. 前記気体（６）は、酸素である、請求項１から９の何れかに記載の圧電アクチュエータ（１）。

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