JP2009517879A - 強誘電体の耐久性に対する改良 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃料噴射システム内で使用するための圧電アクチュエータ（２１）であって、強誘電体層（１６）のスタック（３４）と、スタック（３４）を液体の進入から保護するためのカプセル封入体（３６）と、酸素を強誘電体層（１６）に供給するための、カプセル封入体（３６）とスタック（３４）の間に配置された酸素化手段とを備える圧電アクチュエータ。酸素化手段は、カプセル封入体（３６）とスタック（３４）の間で層を形成する織物（２２）内に含浸されることが好ましい。

Description

本発明は、強誘電体の耐久性を改善する装置および方法に関する。本装置および方法は、強誘電材料、および燃料噴射システム内の圧電アクチュエータにおけるそれらの使用に関し、詳細には、そのような圧電アクチュエータにおける疲労の低減に関する。

燃料噴射システム内での圧電アクチュエータの使用は、文書により十分に立証されている。図１は、内燃機関用の既知の燃料噴射装置１の断面図である。噴射装置１は、アクチュエータ２をその環境から保護するために、一般的にはポリマーまたは金属であるシースまたはカプセル封入体（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ）６内に収容されるピエゾスタック４を有する圧電アクチュエータ２を含む。包まれたアクチュエータ２は、スタックボリューム８と呼ばれる燃料ボリューム内に位置し、スタックボリューム８は、使用時には噴射圧力で燃料が充填される。アクチュエータ２は、ニードル１０の、その弁座１２ｂに向かう、また弁座１２ｂから離れる移動を制御し、したがってノズル１２内の燃料チャネル１２ａを介した、燃焼機関（図示せず）のシリンダへの燃料の供給を制御するように、バルブニードル１０に結合される。

ピエゾスタック４は多層構造１４を備え、その断面が図２に示されている。多層構造１４は、第１の電極グループ１８ａおよび第２の電極グループ１８ｂを形成する複数の内部電極によって分離された、複数の比較的薄い強誘電セラミック層１６を含む。圧電アクチュエータ内で使用される強誘電材料の一例は、一般にＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）である。

第１のグループの電極１８ａは、第２のグループの電極１８ｂとインターディジテートされる。第１のグループの電極１８ａは、第１の外部電極２０ａと接続し、第２のグループの電極１８ｂは、第２の外部電極２０ｂと接続する。使用時には、第１の外部電極２０ａおよび第２の外部電極２０ｂは、隣接するインターディジテートされた電極１８ａ、１８ｂ間で間欠的な電界を生成する印加電圧を受け、それによりスタック４が、印加された電界の方向に沿って伸縮する。その結果、バルブニードル１０は、関連付けられたエンジンシリンダ内への噴射を制御するように動作される。

露出した電極間の表面短絡を防止するために、圧電アクチュエータは、たとえばカプセル封入によって、またはそれに追加してパシベーションすることができる。

圧電アクチュエータ内での使用時には、ＰＺＴは、その周囲に酸素を放出し、それにより強誘電材料内で酸素欠損が生じる。酸素欠損は、２つの電子に等しい反対の電荷を担持する、強誘電材料内の点欠陥である。圧電スタックの約１０^９回の始動後に、約５×１０^−３モル（１ｍｌ）の酸素が放出され、１回の始動は、スタックの１回の伸長と、それに続く１回の収縮と定義される。

アクチュエータが燃料に浸漬され、それによって、空気または酸素がＰＺＴに達し、失われた酸素原子に取って代わることが妨げられることにより、ＰＺＴの所与の試料内における酸素欠損の数は、時間の経過につれて増大する。したがって、ＰＺＴの、圧電性の挙動を示す能力は、最終的にアクチュエータが故障するまで低下する。圧電アクチュエータが受ける疲労は、強誘電材料内に存在する酸素欠損の数に比例すると考えられる。また、カプセル封入層内に含まれる化学薬品は、酸素欠損の形成を悪化させると考えられる。

ＰＺＴ内の酸素濃度の低下による圧電アクチュエータ内の疲労の問題は、米国特許出願第２００３／０１４１７８６Ａ１号において対処されている。この公開は、その内部のインターディジテートされた電極が、酸素欠損の数を減少させるために導電性酸化物を含む圧電スタックを開示している。

当然ながら、強誘電材料内の酸素欠損によって引き起こされる疲労は、ＰＺＴに限定されず、酸素を含有する他の同様の圧電材料、たとえばチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム内に見出すことができる。

したがって、本発明の目的は、酸素欠損によって引き起こされる強誘電材料内の疲労という前述の問題を緩和する、または除去するための装置および方法を提供することである。

本発明によれば、内燃機関の燃料噴射システム内で使用するための圧電アクチュエータであって、強誘電体層のスタックと、スタックを液体の進入から保護するためのカプセル封入体と、酸素を強誘電体層に供給するための、カプセル封入体とスタックの間に配置された酸素化（ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）手段とを備える圧電アクチュエータが提供される。

強誘電材料に供給されるように酸素が使用可能になる本発明により、その材料内での酸素欠損の形成を緩和し、したがってアクチュエータの寿命を延長することが可能である。

本発明では、米国特許出願第２００３／０１４１７８６Ａ１号に開示されているように、酸素化手段が、製造中にスタックの内部電極の表面に適用されない。それどころか、本発明では、標準的な大量生産型圧電スタックを使用することができ、それに対して、酸素化手段がスタックとカプセル封入体の間に配置される。したがって、酸素欠損を減少させるための手段を含む圧電スタックの生産効率が高められ、関連コストが削減される。

さらに、酸素化手段がスタックの内部電極に適用されないため、内部電極の抵抗が影響を受けない。したがって、従来技術の方法と異なり、内部電極によって生み出される電界が悪影響を受ける前にスタックに適用することができる、酸素化手段の量に対する上限がない。アクチュエータの寿命は、少なくとも一部には、スタックに供給することができる酸素の量に依存する可能性があるため、本発明のアクチュエータの寿命は、このようにして制限されない。

スタックの強誘電材料内に存在する酸素欠損を充填するように酸素を供給するための酸素化手段は、酸化剤とすることができる。酸化剤は、酸素を放出する化学薬品または化合物である。

好ましくは、酸化剤は、アクチュエータの動作温度の上限で、またはそれに向かって酸素を放出する。そのような酸化剤の一例は、過マンガン酸カリウムである。アクチュエータの動作温度の上限近くで酸素を放出する酸化剤は、過剰な酸素、すなわち酸素欠損を充填しない酸素が放出される可能性を低減する。理解されるように、酸化剤によって放出される過剰な酸素があればそれは、カプセル封入体の下でのガスポケットの形成により、アクチュエータの動作を妨げるおそれがある。

別法として、酸化剤は、アクチュエータの典型的な動作温度で、またはおよそその温度で酸素を放出してもよい。燃料噴射システム内のアクチュエータの典型的な動作温度は、約９０℃である。この温度で酸素を放出する酸化剤の一例は、過硫酸アンモニウムである。アクチュエータの典型的な動作温度で酸素を放出する酸化剤は、アクチュエータの動作温度の上限に達したときだけ酸素を放出するのではなく、アクチュエータが使用されるとき、強誘電材料に酸素を継続的に供給する。それにより、酸素欠損が形成されたとき、酸素が強誘電材料に与えられる。

酸素の放出を修正するために、圧電アクチュエータは、負の触媒をさらに含むことができる。負の触媒は、当業者には阻害剤としても知られる。二酸化マンガンは、過マンガン酸カリウムに対する阻害剤として働く。負の触媒と酸化剤を組み合わせることにより、酸化剤によって酸素が放出される速度が低下し、その結果、アクチュエータの動作可能な寿命が延長される。さらに、負の触媒で酸化剤を減速することにより、ガスポケットがカプセル封入体の下に形成する危険性なしに、より多くの酸化剤をアクチュエータ内に装填することが可能になる。

化学酸化剤の代替として、酸素化手段は、活性炭素を含むことができる。（活性炭としても知られる）活性炭素は、典型的には１グラム当たり３００から２，０００平方メートルというその高表面積により、極めて多孔性である。

活性炭素は、酸素で処理し、次いで酸素を強誘電体に供給するためにアクチュエータ内で使用することができる。強誘電体によって放出される酸素が比較的少量であるため、活性炭素の必要とされる体積は、燃料噴射装置の再設計の必要を強いることなしに強誘電材料の隣に、またカプセル封入体の下に配置することを可能にするのに十分小さいものである。

別法として、活性炭素によって供給されるガスは亜酸化窒素とすることができるが、容易さおよび経済性のために、このガスは単に空気とすることができる。

本発明のさらに代替の実施形態では、酸素化手段は、多孔性の鉱物顆粒内に含浸させることができる。これらの顆粒は、カプセル封入体の下で強誘電材料と直接接触させることができる。

アクチュエータは、カプセル封入体とスタックの間で層を形成する織物をさらに含むことができる。この織物は、好ましくは不燃性であり、酸素化手段は、確実に酸素が強誘電材料に均一に供給されるように織物内に含浸させることができる。酸素化手段は、織物内に直接含浸させる、または多孔性の鉱物顆粒を織物に添着することにより間接的に含浸させることができる。

また、織物の使用は、カプセル封入体が強誘電材料と直接接触するのを防止することができ、それにより、上述の酸素欠損形成の悪化を低減する。

本発明のさらに他の実施形態では、酸素化手段は、好ましくはカプセル封入体の下に配置される、袋など容器（ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）内で保持することができる。

別法として、酸素化手段は、エラストマーと混合し、それが硬化し好ましくはカプセル封入体とスタックの間で層を形成するスタックに、液体として適用することができる。エラストマーは、不燃性であることが好ましい。

上記の実施形態のアクチュエータは、スタックのある端部に配置された第１のセラミックシールと、スタックの他方の端部に配置された第２のセラミックシールとをさらに備えることができる。好ましくは、カプセル封入体は、第１および第２のシールで耐密封止を形成する。スタックの強誘電体層は、好ましくは電極の第１のグループおよび第２のグループを形成する内部電極によって分離されてよい。

次に、本発明について、例示的なものに過ぎないが、添付の図面を参照して述べる。

図１の燃料噴射装置、および図２の多層ピエゾスタックの断面については、すでに述べた。

本発明の一実施形態による圧電アクチュエータ２１が図３に示されている。ピエゾスタック３４は、一端で上部セラミックシール２６に、またその他端で下部セラミックシール２４に結合される。下部セラミックシール２４は、噴射装置ニードル（図示せず）と協動可能となるように適合される。上部セラミックシールは、それを介して延びる第１の電気端子２８ａおよび第２の電気端子２８ｂを有する。各端子２８ａ、２８ｂは、それぞれの第１および第２の外部電極３０ａ、３０ｂに接続され、それらの外部電極３０ａ、３０ｂは、図２に示されている、また上述のものと同様の、内部のインターディジテートされた電極に接続される。

使用時には、間欠的な電圧が、第１および第２の電気端子２８ａ、２８ｂを介して印加され、スタック３４を上述のように伸縮させる。カプセル封入層３６は、スタック３４および外部電極３０ａ、３０ｂをスタックボリューム（図示せず）内に含まれる、加圧された燃料から保護する。

織物２２が、スタック３４の強誘電材料と接触するようにスタック３４の周りに巻き付けられる。織物２２は、アクチュエータ２１またはそれを収容するためのその対応する燃料噴射装置（図示せず）の再設計を必要とすることなしにカプセル封入体３６の下に配置することができるように十分薄いものである。織物２２は、スタック３４の周りに巻き付けられる前または後に、酸化剤としての過硫酸アンモニウム（図示せず）で含浸される。使用中に強誘電材料によって放出される酸素が少量であり、固体酸化剤内の酸素が高濃度であるため、酸素欠損の形成を中和するために比較的少量の酸化剤が必要とされるにすぎない。

本発明は、その本質的な属性から逸脱することなしに、他の特定の形態で実施することができる。したがって、本発明の範囲を示すものとして、前述の特定の説明を参照するのではなく、添付の特許請求の範囲、および本明細書における他の一般的な記述を参照すべきである。

圧電アクチュエータを備える、内燃機関用の従来技術の燃料噴射装置の図である。 多層ピエゾスタックの断面図である。 本発明の第１の実施形態による圧電アクチュエータの断面図である。

Claims (16)

1. 内燃機関の燃料噴射システム内で使用するための圧電アクチュエータ（２１）であって、
   強誘電体層（１６）のスタック（３４）と、
   前記スタック（３４）を液体の進入から保護するためのカプセル封入体（３６）と、
   酸素を前記強誘電体層（１６）に供給するための、前記カプセル封入体（３６）と前記スタック（３４）の間に配置された酸素化手段と
   を備える圧電アクチュエータ。
2. 前記酸素化手段が酸化剤を含む、請求項１に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
3. 前記酸化剤が、アクチュエータ（２１）の動作温度のおよそ上限で酸素を放出する、請求項２に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
4. 前記酸化剤が、アクチュエータ（２１）のおよそ典型的な動作温度で酸素を放出する、請求項２に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
5. 酸素の供給を減速するために負の触媒をさらに含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
6. 前記酸素化手段が活性炭素を含む、請求項１に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
7. 前記活性炭素がガスで処理される、請求項６に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
8. 前記ガスが酸素である、請求項７に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
9. 前記ガスが亜酸化窒素である、請求項７に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
10. 前記ガスが空気である、請求項７に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
11. 前記酸素化手段が、多孔性の鉱物顆粒内に含浸される、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
12. 前記カプセル封入体（３６）と前記スタック（３４）の間で層を形成する織物（２２）をさらに備える、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
13. 前記酸素化手段が織物内に含浸される、請求項１２に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
14. 前記酸素化手段が容器内で保持される、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
15. 前記酸素化手段がエラストマーと混合される、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ（２１）。
16. 前記エラストマーが、前記カプセル封入体（３６）と前記スタック（３４）の間で層を形成する、請求項１５に記載の圧電アクチュエータ（２１）。

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