JP5021722B2 - 多層カプセルを備える圧電アクチュエータおよび多層カプセルの製造方法 - Google Patents

Description

１． 本発明の技術分野
本発明は、圧電アクチュエータの多層カプセルの製造方法、ならびに多層カプセルを備える圧電アクチュエータに関する。

２． 本発明の背景
近年、圧電セラミックアクチュエータ、または短縮して圧電アクチュエータへの需要が、例えば自動車工業における最新のディーゼル噴射システムでますます使用されることにより急激に増加している。この需要は同様に圧電アクチュエータの開発も促進している。多くの新しい噴射構造ないしインジェクタ構造では、圧電アクチュエータが完全にディーゼル燃料により包囲される。噴射装置のこの形式の構造は「ウェットデザイン」とも称される。

圧電アクチュエータは、汚染されたディーゼル燃料または添加物により変質したディーゼル燃料と直接接触すると化学的かつ電気的に侵襲されるから、相応の保護カバーを圧電アクチュエータに対して準備しなければならない。この保護カバーは、導電性材料により起こり得る短絡に対して電気的に絶縁されており、かつ周囲の燃料が圧電アクチュエータの構成部材へ侵襲するのを化学的に絶縁すべきである。

従来技術では、圧電アクチュエータを包囲する種々異なる構造の金属ハウジングが公知である。この種の金属ハウジングに対する例はコルゲートパイプである。この金属ハウジングは適切な充填物質により充填され、燃料により形成される圧力を内部の圧電アクチュエータに伝達している。しかしこの構造の解決手段は、製造が面倒で、スペースが必要であるという欠点を有する。

本発明の課題は、圧電アクチュエータを外部の影響に対して電気的かつ化学的に確実に絶縁する、圧電アクチュエータ用の保護を提供することである。

３． 本発明の要約
上記課題は、独立請求項１による圧電アクチュエータの多層カプセルの製造方法によって、ならびに独立請求項１２による多層カプセルを備える圧電アクチュエータによって解決される。本発明のさらなる改善形態および利点は、以下の説明、図面、および従属請求項から明らかである。

圧電アクチュエータの多層カプセルの製造方法、すなわち付加的なハウジング状の包囲構造体を備えない圧電アクチュエータが外部に対して保護される構成は以下のステップを有する：ａ）エラスティック層を圧電アクチュエータの表面に取り付けるステップ、ただし前記エラスティック層はその長手方向または積層方向に対して平行に延在しており、
ｂ）金属層を前記エラスティック層に取り付け、前記金属層が前記エラスティック層を平坦に覆うようにするステップ。

圧電アクチュエータのハウジング状の固体包囲構造体は、圧電アクチュエータを少なくともその側面で多層構造体により被覆することによって置換される。この多層構造体は、エラスティックな材料特性を備える少なくとも１つのエラスティック層と、前記エラスティック層の上に取り付けられた金属層とからなる。上記多層構造体または多層カプセルは、圧電アクチュエータを完全に包囲するか、またはその側面では積層方向に対して平行に制限されている。エラスティック層と金属層を組み合わせることにより、圧電アクチュエータには例えば高圧下にある燃料リザーバ内で十分な媒体気密性が付与される。したがって化学的侵襲性の燃料は、圧電アクチュエータを損傷することができない。さらに多層カプセルは、圧電アクチュエータが、周囲の燃料が高圧であってもこの多層カプセル内で十分に可動であることを保証し、これにより例えば燃料弁の調整過程を行うことができる。

実施形態によれば、エラスティック層は有利にはシリコンエラストマ、ポリウレタン、ポリイミドまたはエポキシドからなる。エラスティック層は、本発明の製造方法の別の択一的実施形態では、適切な被覆方法、例えば浸漬法、噴霧法、射出法、シルクスクリーン印刷法、またはシートのラミネート法により被覆される。

別の実施形態によれば、金属層は拡散に対して密な金属層としてエラスティック層の上に形成される。金属層は、その材料選択と大きさの点で周囲の媒体に適合することができる。これにより金属層はこの媒体に対して化学的分離を形成する。

金属層を形成するために適切な被覆法が、金属を非導電性の表面に析出するために使用される。択一的に例えば活性酸素によるコロナ放電アクティベート法を使用することもできる。別の択一例は、金属層を物理的気相析出法、略してＰＶＤ法（physical vapor deposition）により形成することである。別の択一例によれば、化学的保護のためにまず薄い金属層を形成し、この金属層を後続のステップで電解被覆法により増大することも考えられる。

上記作製方法の別の実施形態によれば、すでに存在するエラスティック層と金属層からなる結合体を、別のエラスティック層を前記金属層に被着し、別の金属層を前記エラスティック層に被着することにより増大するのである。補強の他にこのようにして、圧電アクチュエータの多層カプセルの機械的特性を調整することができ、それぞれの包囲媒体内での圧電アクチュエータの最適動作を保証することができる。したがってさらなるエラスティック層とさらなる金属層は材料選択と厚さの点で次のように適合される。すなわち圧電アクチュエータから最外側の金属層まで特性が滑らかに移行し、この滑らかな特性移行がカプセルと圧電アクチュエータの両立し得る材料特性を保証するように別の択一例によれば、圧電アクチュエータ上に取り付けられた多層カプセルのすべての層が材料特性と大きさの点で整合されており、多層カプセルはその保護特性と、圧電アクチュエータの動作を支援するという点で最適化されている。さらに上記４つの層より多くの層を取り付けることも考えられる。

本発明はさらに、多層カプセルを備える圧電アクチュエータを開示する。この圧電アクチュエータは、付加的なハウジング状のカバー構造体なしで外部に対して保護されている。多層カプセルを備える圧電アクチュエータは、エラスティック層を圧電アクチュエータの表面の上に有し、このエラスティック層はその長さ方向または積層方向に対して平行に延在している。さらにこの圧電アクチュエータは金属層を前記エラスティック層の上に有し、この金属層は前記エラスティック層を全面で覆っている。

４． 添付図面の簡単な説明
本発明の有利な実施形態を以下、添付図面に基づいて詳細に説明する。図面は、圧電アクチュエータを概略的に断面で示すものであり、この圧電アクチュエータは多層カプセルの有利な実施形態をその側面に有する。

５． 有利な実施形態の詳細な説明
圧電アクチュエータ５の保護カバーへの高い要求を、燃料高圧下でもまたは他の周囲媒体による負荷の下でも満たすために、圧電アクチュエータ５には多層カプセル１が設けられている。

この多層カプセル１は、以下に説明する作製方法によって取り付けることができ、これにより多層カプセル１を備える圧電アクチュエータ５が得られる。

多層カプセル１に対する上記要求は、媒体の密閉性、ならびに圧電アクチュエータ５の化学的かつ電気的絶縁を含む。これにより、周囲媒体が圧電アクチュエータ５を侵襲せず、損傷したり、破壊したり、またはその寿命を減少したりしないことが保証される。別の要求として、多層カプセル１により高い伸縮性が、圧電アクチュエータ５と多層カプセル１との間の境界面に形成されるべきである。この境界面での高い伸縮性により、多層カプセル１は圧電アクチュエータ５の動作を制限せず、したがって任意の調整過程のために圧電アクチュエータ５の全制御ストロークが近似的に得られる。

上記の要求を満たすために、多層カプセル１は多層構造体の形状で圧電アクチュエータ５に取り付けられる。第１の択一的実施形態によれば、多層カプセルは圧電アクチュエータ５の全表面に取り付けられる。別の択一的実施形態によれば、多層カプセル１は、積層方向３０に対して平行に延在する圧電アクチュエータ５の横表面だけを覆う。後者の場合、積層方向３０に対して垂直の圧電アクチュエータ５の端面は、その固有の材料特性により、または他の構造／構造体により十分に保護される。

多層カプセル１はまず電気的に絶縁されたエラスティック層１０を有する。この層１０は、圧電アクチュエータ５の表面に直接取り付けられており、例えばプラスチックからなる。電気絶縁性のエラスティック層１０は、外へ向かっての圧電アクチュエータ５の機械的膨張を減衰する役目を有する。このことにより特別の場合には、圧電アクチュエータ５の機械的膨張が、とりわけ電極亀裂の領域でも阻止される。この電極亀裂は下に説明する金属層４０に伝達され、これが損傷される。したがって電気絶縁性のエラスティック層１０は、圧電アクチュエータ５が動的に持続動作した場合でも金属層４０に損傷がないようにする。

電気絶縁性エラスティック層１０の別の役目は、圧電アクチュエータ５の表面の隔離である。この隔離は、外部の媒体全体に対して行われる。これにより、エラスティック層１０の材料も他の別の材料も、細孔、表面亀裂、電極亀裂、または内部電極２５と圧電層２０との間のラミネート剥離に浸入することができない。

種々の実施形態によれば、エラスティック層１０はシリコンエラストマ、ポリウレタン、ポリイミドまたはエポキシドからなる。

エラスティック層１０は適切な被覆方法によって、圧電アクチュエータ５に取り付けられる。この被覆方法によって電気絶縁性のエラスティック層１０は十分な厚さで表面に形成される。この種の被覆方法の種々の択一的実施形態は、浸漬法、噴霧法、射出法、スクリーン印刷法、またはシートのラミネート法である。

多層カプセル１はさらに金属層４０を有する。この金属層はエラスティック層１０に被着されている。金属層は有利には拡散に対して密な金属層として形成される。可能な税量として、被覆方法によって処理することのできる通常の金属が使用される。これは例えば銅またはニッケルである。

金属層４０は、多層カプセル１を備える圧電アクチュエータ５を外側に向かって化学的に絶縁する機能を有する。この化学的絶縁は、とりわけ周囲の侵襲性媒体、例えばディーゼル燃料の化学的浸食を阻止する。

金属層４０は適切なすべての方法によって取り付けることができ、この方法により金属層を非導電性表面に形成することができる。第１の択一的実施例によれば、金属層４０は化学的な直接金属化により形成される。これはＷＯ２００５／０８７９７９に記載されている。ここでは活性酸素による高活性コロナ放電により、金属層がシリコンエラストマ上に形成される。

別の択一的実施例によれば、エラスティック層１０の上にまず金属薄膜だけが物理的気相析出法、ないしはＰＶＤ法により取り付けられる。続いてこの金属層は公知の電解法により増大され、これにより金属層は十分な化学的絶縁を提供する。上記のＰＶＤ法では、金属層４０として析出すべき材料が固体で被覆室に存在する。蒸発、イオン打込み、電子打込み、電流またはレーザ打込みによって、後の層材料が被覆すべき部分に取り付けられ、そこで所望の金属層４０を形成する。上記の電解析出方法の場合、金属イオンが電解溶液から、金属層としてないしは補強部としてすでに存在している金属薄膜に析出される。

多層カプセル１の最良の材料密度、化学的および電気的絶縁、ならびに延性能力を実現し、これによって圧電アクチュエータ５の最適の動作を保証するために、択一的にそれぞれ別のエラスティック層５０および別の金属層６０が既存の層１０，２０に取り付けられる。さらに、複数の別のエラスティック層および別の金属層５０，６０を、既存の多層カプセル１の上に交互に取り付けて配置することも有利である。エラスティック層１０と金属層４０からなるか、または複数のエラスティック層１０、５０と複数の金属層４０，６０からなる多層カプセル１は、圧電アクチュエータ５から多層カプセル１の最外側の金属層６０まで特性が徐々に移行することを保証する。このようにして多層カプセル１の最外側の金属層が、圧電アクチュエータ５の延性特性によって損傷を受けたり、破壊されたりしない。さらに、圧電アクチュエータ５が例えば外部の過度に高い温度により負荷されないことが保証される。

多層カプセル１を備える圧電アクチュエータ５の持続動作のためにはさらに、使用される材料が十分な温度安定性および長期間の安定性を有することが必要である。多層カプセル１を備える圧電アクチュエータ５に対する温度領域は、例えば−４０℃から１８０℃である。さらに使用される材料は、圧電アクチュエータ５の寿命の間、維持されなければならない。例えばこの寿命は約１０年である。とりわけいくつかの金属、例えば銅は、燃料または他の媒体により侵襲されることに注意すべきである。したがってこの金属は、金属性の中間層４０としてだけ使用すべきである。

圧電アクチュエータ５に対するこれまで使用されたカプセル法と比較して上記構成は、小型の構造、動作中の圧電アクチュエータの最小減衰、ならびに圧電アクチュエータ５と多層カプセル１の最外側金属層との間に圧力伝達媒体を必要としない簡単な設計を提供する。さらなる利点は、多層カプセル１が１つの被覆方法で完全な解決手段として実現されることである。したがってこの製造方法に対する作業経費およびコストが、従来技術と比較して低下する。

圧電アクチュエータを概略的に断面で示す図である。

Claims (8)

1. 圧電アクチュエータ（５）の多層カプセル（１）の製造方法であって、付加的なハウジング状の固体カバー構造体を備えずに外部に対して保護された圧電アクチュエータ（５）の製造方法において、
   以下のステップを有する：
   ａ）エラスティック層（１０）を圧電アクチュエータ（５）の表面（２０）に取り付けるステップ、
   ただし前記エラスティック層（１０）はその長手方向または積層方向（３０）に対して平行に延在しており、
   ｂ）金属層（４０）を前記エラスティック層（１０）に取り付け、前記金属層が前記電気絶縁性のエラスティック層（１０）を平坦に覆うようにするステップ、
   ｃ）別の電気絶縁性エラスティック層（５０）を前記金属層（４０）に取り付けるステップ、
   ｄ）別の金属層（６０）を前記別の電気絶縁性エラスティック層（５０）に取り付けるステップ、
   このとき、前記別の電気絶縁性エラスティック層（５０）および前記別の金属層（６０）は、前記エラスティック層（１０）と前記金属層（４０）の上に取り付けられ、または複数の別のエラスティック層と別の金属層（５０，６０）が、前記多層カプセル（１）の上に交互に取り付けられて配置され、
   前記多層カプセル（１）は、複数のエラスティック層（１０，５０）と複数の金属層（４０，６０）からなり、
   これにより前記圧電アクチュエータ（５）から前記多層カプセル（１）の最外側の金属層まで、材料密度および延性能力についての機械的特性が徐々に変化することが保証される、ことを特徴とする製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法であって、
   前記電気絶縁性エラスティック層（１０）はプラスチック層またはポリマー層である製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法であって、
   前記電気絶縁性エラスティック層（１０）は、シリコンエラストマ、ポリウレタン、ポリイミドまたはエポキシドからなる製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の製造方法であって、
   金属を非導電性の表面に析出することにより前記金属層（４０）を作製するステップをさらに有する製造方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の製造方法であって、
   前記金属層は、活性酸素によるコロナ放電アクティベート法によって作製される製造方法。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の製造方法であって、
   前記金属層（４０）は、物理的気相析出法（ＰＶＤ法）によって作製される製造方法。
7. 請求項６記載の製造方法であって、
   前記金属層（４０）の厚さを、電解被覆方法により増大するステップをさらに有する製造方法。
8. 多層カプセル（１）を備える圧電アクチュエータ（５）であって、付加的なハウジング状の固体カバー構造体を備えずに外部に対して保護された多層圧電アクチュエータ（５）において、
   ａ．圧電アクチュエータ（５）と、
   ｂ． 前記圧電アクチュエータ（５）の表面（２０）上にある電気絶縁性エラスティック層（１０）と、
   ただし前記エラスティック層（１０）はその長手方向または積層方向（３０）に対して平行に延在しており、
   ｃ． 前記絶縁性エラスティック層（１０）の上にある金属層（４０）と、
   ただし前記金属層は、前記電気絶縁性エラスティック層（１０）を平坦に覆い、
   ｄ． 前記金属層（４０）の上にある別の電気絶縁性エラスティック層（５０）と、
   ｅ． 前記別の電気絶縁性エラスティック層（５０）の上にある別の金属層（６０）とを有し、
   前記別の電気絶縁性エラスティック層（５０）および前記別の金属層（６０）は、前記エラスティック層（１０）と前記金属層（４０）の上に取り付けられており、
   複数の別のエラスティック層と別の金属層（５０，６０）が、前記多層カプセル（１）の上に交互に取り付けられて配置されており、
   前記多層カプセル（１）は、複数のエラスティック層（１０，５０）と複数の金属層（４０，６０）からなり、
   これにより前記圧電アクチュエータ（５）から前記多層カプセル（１）の最外側の金属層まで、材料密度および延性能力についての機械的特性が徐々に変化することが保証される、ことを特徴とする多層カプセルを備える圧電アクチュエータ。

Images