JP2009534587A - 防護用カプセル封入 - Google Patents

Abstract

【解決手段】圧電アクチュエータの様な電気装置（２９）は、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して、装置を形状記憶金属材料（４６）でカプセル封入することによって防護されている。形状記憶金属材料（４６）は、装置（２９）をカプセル封入するのに必要な寸法に製造され管の形態をしている。次に、管は、延伸などによって塑性変形され、装置（２９）に外挿され、その変態温度より高い温度に加熱され、その元の形状を回復する。本発明は、不動態化された圧電アクチュエータを防護するのに、特に適している。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料及び化学物質及び／又は水の様な流体の浸透を防止するためのカプセル封入の方法に、排他的にではないが、より具体的には、内燃機関の噴射器装置に使用される圧電アクチュエータの防護に、関する。本発明は、カプセル封入された圧電アクチュエータにも関係する。

既知の圧電燃料噴射器は、通常、それぞれ充放電させるために電極に接続されている圧電セラミックディスク又はプレートのスタックで作られた圧電アクチュエータを使用している。アクチュエータは、エンジンの中へ噴射される燃料を計量するため、弁心を有する噴射器弁を機械的に開閉するように作られている。その様な圧電アクチュエータは、機械式及び／又は油圧式の継ぎ手を介して弁針の動きを制御するため、燃料噴射圧力の掛かった燃料が入っているチャンバ内に配置されている。圧電燃料噴射器の一例は、本出願人の米国特許第６、５２０，４２３号に開示されており、この圧電燃料噴射器は、圧電アクチュエータの長手方向の伸張に応じて噴射器を開くことができるようにするために、油圧式継ぎ手を利用して弁針を弁座から持ち上げる。

圧電セラミックの多層構造には、多くの設計が知られている。普通の設計は、最大の圧電活性断面を有することによって、最大の長手方向の歪み、従って長手方向の動きを、実現することを狙っている。これを実現するため、両極の内部電極は、圧電要素面の２つの面の上に露出している。高い歪みを実現するために要素に高い電界を掛けるということは、相対する極の内部電極の間が短絡する危険性のあることを意味している。その様な面の破壊を防ぐために、圧電多重層要素の露出した電極面は、不動態化材料、普通はシリコンゴムで覆われているのが望ましい。

圧電要素を不動態化すると、表面短絡に対して長期の障壁とすることができ、同時に、表面は、乾燥した燃料が触れない状態に保たれる。しかしながら、燃料及び／又は水分に曝されると、不動態化材料は、その絶縁強度を失い、その意図した目的を達成できなくなる。従って、障壁が圧電要素と不動態化層を覆って塗布され、燃料と水の進入を防ぐのが強く望まれている。

本発明の出願人は、燃料及び／又は水の進入を減らす目的で、不動態化材料で覆われた圧電スタックをカプセル封入する数多くの方法を経験している。この機能を実現するために本出願人が現在研究している１つの方法は、フルオロポリマーで作られた高分子熱収縮材料を使用することである。この他にも、圧電アクチュエータを熱硬化性樹脂で覆ってモールド成形することも提案されている。

又別の方法では、圧電アクチュエータの周りに金属管を使用することが提案されている。この概念は、燃料と水分に対する障壁を提供することではあるが、適切な端部シーリングを設けて、不動態化材料と金属管の間に充填されていない空間が残らないようにするのが難しい。

この様な背景で、本発明の主たる目的は、圧電アクチュエータに適用したときに、燃料（ディーゼル／ガソリン）と水の浸透を大幅に低減して圧電駆動噴射器の寿命を改良するカプセル封入の代替法を提供することである。
米国特許第６、５２０，４２３号

この目的で、１つの態様によれば、本発明は、圧電アクチュエータの様な電気装置を、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な流体の浸透に対して防護する方法であって、電気装置を形状記憶金属材料でカプセル封入する段階を含んでいる方法に在る。

別の態様によれば、本発明は、形状記憶金属材料を使用して圧電アクチュエータの様な電気装置をカプセル封入し、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護することに在る。

本発明は、更に、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護するために形状記憶金属材料によってカプセル封入された、圧電アクチュエータの様な電気装置に在る。

又別の態様によれば、本発明は、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護するために形状記憶金属材料によってカプセル封入された圧電アクチュエータを組み込んでいる燃料噴射器に在る。

本発明の形状記憶金属材料によるカプセル封入は、燃料／水分の障壁として作用するので、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の浸透は大幅に低減され、誘電駆動噴射器の寿命は長くなる。

更に、先に述べた先行技術による提案と比較して、本発明は、形状記憶材料の金属的性質とカプセル封入材料の厚みのある厚さとによって、燃料及び水の浸透が効果的に防止されると言う利点を提供する。更に、本発明による形状記憶金属材料を使えば、大きさ、従ってシールの選択肢に関して大きな自由度が得られる。

形状記憶金属材料は、ディーゼル又はガソリン燃料及び水の浸透を適切に低減するのに矛盾しなければ、どの様な適切な金属材料でもよく、形状記憶合金であるのが望ましい。

例えば、形状記憶合金は、Johnson Matthey が商標名ＮＩＴＩＮＯＬ(Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory)で製造しているものの様なニッケルチタン合金でもよい。形状記憶合金の変態温度を修正するために、鉄のような合金添加物を含有させてもよい。銅をベースにした他の形状記憶合金を使用してもよいが、ニッケルチタン合金の方が、超弾性形状記憶特性を有しているので望ましい。

本発明の全ての形状記憶金属カプセル封入材料は、ディーゼル／ガソリン燃料及び水に対し不浸透性の障壁を提供し、ディーゼル並びにガソリン燃料式直噴エンジン用圧電アクチュエータのためのカプセル封入材料として使用することができる。

或る好適な実施形態では、形状記憶金属材料は、カプセル封入工程に先だって製造された管の形態をしている。例えば、管は、圧電スタックをカプセル封入するために使用することのできる元になる形状記憶金属管を形成するため、主に、５０ミクロン未満の許容誤差を有する最終寸法に機械加工することによって作られる。好都合なことに、機械加工された形状記憶金属管は、肉厚が１ミリメートル未満、望ましくは約２００から５００ミクロンの間にある。

次いで、元の形状記憶金属管は、その変態温度より低い温度で、例えば、マンドレルを管の中に挿入して管を延ばすことによって塑性変形され、内部管面積が実際の圧電スタックの表面積より大きくなり、而して、管をスタック及び不動態化材料を絶縁するのに必要な全ての領域に外挿してこれを覆うことができるようにされる。管をその元の形状から約４％延ばすと、普通は、スタックを挿入できるようになる。

次に、変形した形状記憶金属管を、圧電アクチュエータ上で、その変態温度より高い、例えば約２２０℃に加熱することによって、管はその元の形状を回復する。加熱後、金属管は、不動態化された圧電スタック及び望ましくは更にそのエンドピースの寸法に、ぴったりと装着され、管がエンドピース上で効果的に気密シールを形成する。

或る好適な実施形態では、管の大きさは、アクチュエータ部品に生じる応力が、有効なシールを保証する必要があるエンドピースの領域を除いて、非常に小さくなるように選択される。例えば、管は、（その元の形状を回復した後の）管と、アクチュエータの外側表面を覆う不動態化材料との間の差が、非常に小さく、例えば０．０５ｍｍ以下になるように機械加工される。

代わりに、又はそれに加えて、不動態化材料の低応力状態は、形状記憶材料の正確な組成と、その変態温度を通して達成してもよい。一般に、変態温度は、合金の種類、組成、更には適用される熱機械的処理の関数である。

変態温度は、アクチュエータが燃料噴射器内で遭遇する典型的な作動温度の下で、形状記憶材料がそのオーステナイト状態に止まるようになっているのが望ましい。この点で、形状記憶合金の変態温度は、−４０℃から１５０℃の範囲の外側にあるのが望ましい。

形状記憶合金の変態温度が作動温度範囲より高いのではなく、代わりに、変態温度が作動温度範囲より低くて、形状記憶合金が使用中にオーステナイト状態に止まるようになっていてもよい。

圧電スタックの端部周りのシール性を改良するために、エンドピースのシール面と形状記憶金属管の間に、接着剤又はエラストマー層を使用してもよい。この追加のシーラント相は、例えば、エンドピースの表面上に、又はシール面の周りの溝に適用してもよい。

本発明をもっと容易に理解して頂くために、本発明による幾つかの実施形態について、以下に例を挙げて、添付図面を参照しながら説明する。

既知の圧電作動式燃料噴射器８を、図１に示している。燃料噴射器８は、概括的には、軸方向に伸張する燃料通路１１を有する噴射器本体１０と、燃料通路１１内を軸方向に動くことのできる噴射器弁１２と、噴射器弁１２を作動させるための圧電要素２９と、圧電要素２９と噴射器弁１２を協調させるための油圧系アッセンブリ１８とを含んでおり、圧電要素２９が長手方向に伸張すると、噴射器弁１２がその座から離れて、燃料が燃料噴射器から流れるようになっている。

圧電アクチュエータ２９は、アキュムレータ２２の中に位置し、外部電極３６を有する圧電ディスク３４のスタックを備えている。アクチュエータ２９の圧電要素には、熱可塑性ポリマーのコーティング３０が被覆モールドされ、アクチュエータ２９を形成する個々の要素の間の接合部に燃料が侵入してくるのを防いでいる。

図２の前及び後の図面に概略的に示すように、圧電アクチュエータ２９の電極３６は、不動態化材料３８で防護されている。

具体的には、圧電アクチュエータ２９は、電極４０が互い違いに差し込まれた圧電ディスク３４で作られた多層圧電要素を備えている。外部電極３６は、電極４０と上側エンドピース４２の間の電気的接点を提供している。スタックの上端にある上側エンドピース４２は、組合せ式電気的接続部を組み込み、噴射器本体（図示せず）にシールされ、反対側の端部には下側エンドシール４４があり、運動増幅器（図示せず）に連結されている。次に、シリコンラバーの様な不動態化材料３８が、電極４０の露出した面と外部電極３６の両方を覆うために取り付けられる。

先行技術では、不動態化後、圧電アクチュエータ２９は、ポリマーによる被覆モールディングの様な、更なる処理が施される。しかしながら、何れの既知のポリマーコーティングも、アクチュエータ内への燃料及び／又は水の侵入を防止するという点で完全に信頼できると証明されてはいない。従って、図１に示すように熱可塑性ポリマーのコーティング３０で被覆モールドする代わりに、アクチュエータ２９は、図３に概略的に示すように、形状記憶合金の中にカプセル封入される。

具体的には、段階（ａ）は、図２の不動態化された圧電スタックの周囲に密に装着するのに適切な指定された長さと直径に作られた形状記憶合金管４６を示している。形状記憶合金管４６は、正しい寸法に機械加工された後、製造された管４６の内径より大きい外径を有するマンドレル（図示せず）に外挿して、段階（ｂ）に示すように伸ばされる。

次に、伸ばされた形状記憶合金管４６は、マンドレルから取り外されるが、その時、管４６は、段階（ｃ）に示すように、不動態化されたスタックに滑らせて外挿できるだけの大きな直径になっている。不動態化されたスタックの上に、不動態化層を全て覆うように配置した後、段階（ｄ）に示すように、伸ばされた形状記憶合金管４６の外側に熱が加えられる。熱は、管４６の温度が合金の変態温度まで上昇するに十分な熱でなければならず、変態温度に達すると、管４６は、その元の製造された形状に復帰し、その結果、不動態化されたスタックの周囲にぴったりと装着されることになる。この様にして、アクチュエータが加圧された燃料に取り囲まれる状態になったときに、燃料及び／又は水が不動態化層を貫通するのを排除することができるようになる。

以上の説明は、本発明の好適な実施形態を構成しているが、本説明には、特許請求の範囲に述べる本発明の範囲から逸脱すること無く、修正、変形、変更を施すことができるものと理解されたい。

米国特許第６，５２０，４２３号に開示されており、圧電要素のスタックを備えている圧電アクチュエータを含んでいる燃料噴射器と同様な、圧電作動式燃料噴射器の断面図である。 不動態化前及び後の多層圧電要素を概略的に示している。 本発明の或る実施形態による、圧電アクチュエータの防護用カプセル封入を製作する方法における一連の段階を概略的に示している。

Claims (22)

1. 電気装置（２９）を、燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護する方法であって、前記電気装置（２９）を形状記憶金属材料（４６）でカプセル封入する段階を含んでいる、方法。
2. 前記形状記憶金属材料（４６）を、カプセル封入前に前記電気装置（２９）の外径と実質的に同様な内径を有する管として形成する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記形状記憶金属材料（４６）を、要求される寸法に機械加工する段階を含んでいる、請求項２に記載の方法。
4. 前記形状記憶金属材料（４６）を、壁肉厚約１ｍｍ以下に機械加工する段階を含んでいる、請求項３に記載の方法。
5. 前記形状記憶金属材料（４６）を、壁肉厚約２００から５００ミクロンに機械加工する段階を含んでいる、請求項４に記載の方法。
6. 前記形状記憶金属管（４６）を、その変態温度より低い温度で、内径が前記電気装置（２９）より大きくなるように変形させる段階と、前記変形した管（４６）を前記電気装置（２９）に外挿して設置する段階と、次いで、前記管（４６）をその変態温度より高い温度に加熱して、前記管（４６）がその元の形状に戻り、前記電気装置（２９）をカプセル封入するようにする段階と、を含んでいる、請求項２から５の何れかに記載の方法。
7. 前記管（４６）を、マンドレルの周りに延ばす段階を含んでいる、請求項６に記載の方法。
8. 前記管（４６）を、前記電気装置（２９）に外挿して設置する前に、約４％延ばす段階を含んでいる、請求項６又は７に記載の方法。
9. 燃料噴射系に使用する圧電アクチュエータ（２９）をカプセル封入する段階を含んでいる、上記請求項の何れかに記載の方法。
10. 前記圧電アクチュエータ（２９）は不動態化され、前記方法は、前記圧電アクチュエータ（２９）を前記形状記憶金属材料（４６）でカプセル封入して、前記不動態化物（３８）を隔離する段階を含んでいる、請求項９に記載の方法。
11. 前記形状記憶金属材料（４６）を、カプセル封入後に前記不動態化物（３８）に実質的に応力を生じさせない形状に製造する段階を含んでいる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記形状記憶金属材料（４６）を、前記形状記憶金属材料（４６）と前記不動態化物（３８）の間の差異が約０．５ｍｍ以下になるように製造する段階を含んでいる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記圧電アクチュエータ（２９）は、電気的接続を提供し及び／又は前記燃料噴射器本体をシールするために、エンドピース（４２、４４）に接続されており、前記方法は、前記形状記憶金属材料（４６）を前記エンドピース（４２、４４）にシールする段階を含んでいる、請求項９から１２の何れかに記載の方法。
14. 前記エンドピースと前記形状記憶金属材料（４６）の間にシーラントを塗布する段階を含んでいる、請求項１３に記載の方法。
15. 電気装置（２９）をカプセル封入して燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護するために、請求項１において前記形状記憶金属材料（４６）を使用すること。
16. 前記形状記憶金属材料（４６）は形状記憶金属合金である、請求項１５に記載の使用。
17. 前記形状記憶金属材料（４６）は、ＮＩＴＩＮＯＬ（商標）の様なニッケルチタン合金である、請求項１６に記載の使用。
18. 圧電アクチュエータ（２９）をカプセル封入するための、請求項１５から１７の何れかに記載の使用。
19. 不動態化された圧電アクチュエータ（２９）をカプセル封入するための、請求項１８に記載の使用。
20. 燃料（ディーゼル／ガソリン）及び水の様な有害な流体の浸透に対して防護するために、形状記憶金属材料（４６）でカプセル封入されている、圧電アクチュエータの様な電気装置（２９）。
21. 請求項２０に記載の電気装置（２９）を組み込んでいる燃料噴射器。
22. 前記電気装置（２９）は、圧電アクチュエータであり、請求項２から１４の何れかに記載の方法を使ってカプセル封入されている、請求項２１に記載の燃料噴射器。

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