(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用燃料噴射装置(5)に使用するための強誘電性材料(2a)の分極方法において、
隣接する層(4)が第１電極(6a)と第２電極(6b)とを形成する複数の内部電極(6a, 6b)によって互いに分離された、複数層の圧電性のスタックを提供する工程であって、前記複数層の圧電性のスタック(4)の中央部分において前記第１電極(6a)と前記第２電極(6b)とは交互に重なり合うようにされ端部では重ならないようにされ、当該端部では第１電極同士のみまたは第２電極同士のみがそれぞれ重なりあうようにされ、隣接する電極が同じ電位となり、分極されないようになされている、工程と、
前記圧電性のスタックに、前記圧電性のスタック(4)の表面全体に加えられる多軸圧力(22)を加える工程と、
前記第１電極(6a)と前記第２電極(6b)との間に電位差を与えることによって前記第１電極(6a)と第２電極(6b)との間に電界を発生させて、まだ多軸圧力(22)が加えられている間に前記強誘電性材料(2a)を分極する工程であって、前記スタックの、隣接する電極の間の領域は、これらの領域内の前記隣接する電極が同じ電位であるため、分極されないままである、工程と、
を備える分極方法。
【請求項２】
前記多軸圧力は、流体によって加えられることを特徴とする請求項１に記載の分極方法。
【請求項３】
前記流体は、加圧されていることを特徴とする請求項２に記載の分極方法。
【請求項４】
前記流体は、誘電性流体であることを特徴とする請求項２、又は３に記載の分極方法。
【請求項５】
前記流体は、燃料であることを特徴とする請求項２、又は３に記載の分極方法。
【請求項６】
前記電界を前記第１電極と第２電極との間に発生させる前に、前記強誘電性材料を前記燃料噴射装置内に位置決めする工程を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の分極方法。
【請求項７】
前記多軸圧力を前記強誘電性材料から取り除く前に、前記第１電極と第２電極との間の前記電界を取り除く工程を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の分極方法。
+
【請求項８】
前記材料の第１端面に第１電極を付与する工程と、前記材料の前記第１端面に対向する、第２端面に第２電極を付与する工程と、二段階分極方法の第１段階として、前記第１電極と第２電極との間に初期電界を発生させる工程と、前記第１電極と第２電極との間の前記初期電界を取り除く工程と、前記二段階分極方法の第２段階として、前記第１電極と第２電極との間に前記電界を発生させる工程とを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の分極方法。
【請求項９】
前記多軸圧力を前記強誘電性材料に加える工程の前に、前記第１電極と第２電極との間の前記初期電界を取り除く工程を備えることを特徴とする請求項８に記載の分極方法。
【請求項１０】
前記第１電極は、前記第１端面の表面を覆い、前記第２電極は前記第２端面の表面を覆うことを特徴とする請求項８、又は９に記載の分極方法。
【請求項１１】
前記初期電界は、前記第１電極と第２電極との間に電位差を与えることによって発生されることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の分極方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性を得るために積層された複数の強誘電性層からなる、強誘電性材料の分極方法に関する。特に限定するものではないが、本発明は内燃機関用燃料噴射装置の圧電アクチュエータに使用するための多層強誘電性材料の分極方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、圧縮着火内燃機関用の燃料噴射装置５（図２参照）のバルブニードルを作動させるために、一般的に使用される圧電アクチュエータ２の概略図である。この圧電アクチュエータ２は、それぞれ正内部電極６ａと負内部電極６ｂとを形成する複数の内部電極によって分離された複数の圧電層４を有し、その圧電層４は分極された圧電性のスタック２ａを備える。これは単なる例示であり、前記スタック２ａは、図示されているものよりも多数の層と電極を備えていていても良い。隣接するように交互に重なり合う正内部電極６ａと負内部電極６ｂとの間に示される矢印４ａと４ｂは、前記圧電層４に含まれる双極子の残留分極の主な方向を示しているが、ここで、各矢印４ａと４ｂとの矢頭は各双電極の負極の位置を示し、矢尾は各双電極の正極の位置を示している。これらの矢印は、単なる例示であり、実際には図示されているものよりも遥かに多数の双極子が存在する。
【０００３】
前記正内部電極６ａの電極は正外部電極８ａと、前記負内部電極６ｂの電極は負外部電極８ｂと接続された状態で交互に重なり合うように備えられる。使用に際し、前記正外部電極８ａと負外部電極８ｂとに対しては、正内部電極６ａと負内部電極６ｂとの間に断続的電界を作る電圧が印加される。前記断続的電界の強度が急激に変化することにより、前記スタック２ａは印加された電界方向に沿って伸縮する。
【０００４】
前記スタック２ａの最下方の圧電層４と隣接して下エンドキャップ１０ｂが設けられ、前記スタック２ａの最上方の圧電層４に隣接して上エンドキャップ１０ａが設けられる。前記下エンドキャップ１０ｂは、直接的、又は中間の機械式、及び／又は油圧式接続部を介して、噴射バルブニードル７（図２参照）に接続される。したがって、スタック２ａが電界を印加されて伸縮すると噴射バルブニードル７が動作し、対応するエンジンシリンダ（図示せず）内への加圧燃料噴射を制御する。
【０００５】
図２は、圧電アクチュエータを使用した内燃機関用燃料噴射装置の概略図である。図２において、前記噴射バルブニードル７はシリンダ内への燃料噴射を防止するために噴射ノズルシート１５ｂにしっかりと当接される。したがって、燃料が燃料経路１５ａを介してノズル１５内に流入するのを防止することができる。これは、スタック２ａを伸縮させる２００Ｖの電圧を前記正内部電極６ａの電極に印加することにより可能となる。一方、前記負内部電極６ｂの電極は０Ｖに保持される。燃料噴射は、比較的短時間であるため、燃料用の前記噴射バルブニードル７は、燃料噴射の作動サイクルにおける９５%において、前記方法で当接する噴射ノズルシート１５ｂと係合することとなる。
【０００６】
シリンダ内に燃料を噴射するには、正内部電極６ａの電極へ印加した電圧を急激に降下させ、これによってスタック２ａを収縮させる。この降下させる電圧は燃料の圧力に依存する。最小圧力約２００バール（例えば、エンジンアイドリング時等）では、前記正内部電極６ａの電極への印加電圧は２０Ｖまで降下し、最大圧力約２０００バールでは正内部電極６ａの電極への印加電圧は−２０Ｖまで降下し、しばらくの間、正内部電極６ａの電極を負電圧にする。
【０００７】
前記圧電アクチュエータ２が上述した動作をさせるには、圧電性のスタック２ａを分極する必要がある。圧電性のスタック２ａを分極する従来技術の一つとして、図３から図５を参照して説明する。
【０００８】
圧電性の前記スタック２ａが構成される分極されていない多層強誘電性サンプルの一例を図３に示す。図３において、多層構造３は図１と同様に、複数の比較的薄い強誘電性セラミックからなる圧電層４により形成されている。強誘電性材料の一例として、当業者にＰＺＴとして知られているチタン酸ジルコン酸鉛がある。
【０００９】
多層構造３は、前記正外部電極８ａと負外部電極８ｂとに電位差を与えることにより、前記正内部電極６ａと負内部電極６ｂとに電位差を生じ分極される。前記圧電材料内に含まれる双極子を分極するには、双極子を恒久的結晶学的再配列と双極子再配向を起こすのに十分大きな電界にさらさなければならない。この変化を起こすのに必要な最小の電界強度は、「保持力」電界強度と呼ばれる。内部電界の極性が代わることにより、圧電材料内の双極子の分極方向は、矢印４ｃと４ｄが示すように正内部電極６ａと負内部電極６ｂとに対して直交するように構造全体にあらわれる。（図４参照）。
【００１０】
強誘電性材料は、前記保持力電界強度にさらされる場合においてのみ分極される。図５に示されるように、多層構造３において保持力電界が与えられると、隣接する互いに逆電圧を印加された正内部電極６ａと負内部電極６ｂとの間の中央領域（中央領域１４として図示）が分極される。しかし、側方領域１２内の圧電層４の端部では、隣接する電極が同じ電位であるために電界を受けることができず、側方領域１２の圧電材料は分極されないままとなる。したがって、分極された領域と分極されていない領域との間で強誘電性歪の不連続性が発生し、分極されていない領域は張力を受け、分極された領域は圧縮力を受けることとなる。これは、強誘電性材料が分極されると、結晶学的再配列により印加された電界方向に沿って恒久的、並びに一時的な伸張が発生することによる。前記多層構造３において、この伸縮は交互に重なり合った前記中央領域１４でのみ生じる。その結果、分極された材料が応力を受け、アクチュエータのストロークが小さくなる可能性がある。一方、分極されていない材料は、前記中央領域１４の伸張により発生した張力によって破壊され、亀裂が生じる可能性がある。この亀裂１６は図１に示されている。更に、前記側方領域１２における分極されていない材料による分極された材料の受ける応力が均一でない場合には、長手方向の歪を発生させる可能性もある。
【００１１】
アクチュエータの使用に際し、断続的電界によって与えられる引張歪を繰り返すことにより縁部における複合構造が更にストレスを受けることから、前記亀裂１６は更に悪化してしまう。前記断続的電界によって作り出されるスタック２ａの一時的伸張に加えて、分極された中央領域１４の恒久的及び一時的な歪により前記上エンドキャップ１０ａと下エンドキャップ１０ｂは圧縮と曲げを受けドーミング（丘状隆起）が現れることとなる。
【００１２】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１５１６３７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、上述の問題を改善し、又は軽減する強誘電性材料の分極方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための本発明に係る、内燃機関用燃料噴射装置に使用するための強誘電性材料の分極方法の特徴は、隣接する層が第１電極と第２電極とを形成する内部電極によって、互いに分離された複数の強誘電性層のスタックを有する強誘電性材料を提供する工程と、前記強誘電性材料に多軸圧力を加える工程と、前記第１電極と第２電極との間に電界を発生させて前記強誘電性材料を分極する工程と、を備える点にある。
【００１５】
このような構成とすれば、前記強誘電性材料が分極中に多軸圧力を受ける際、均一な恒久的結晶学的再配列と双極子配向を起こすことができる。
【００１６】
また、前記分極方法は前記多軸圧力が流体によって加えられ、更には、この液体は加圧される構成とすると好適である。また、この流体は誘電性流体、例えば、Fluorinert（商標登録）とすることができ、前記流体は燃料、例えば、ディーゼル燃料とすることも可能である。
【００１７】
また、前記分極方法は前記第１電極と第２電極との間に前記電界を発生させる前に、前記燃料噴射装置内において、前記強誘電性材料の位置決めをする工程を備える構成とすると好適である。
【００１８】
このような構成とすれば、燃料噴射装置内において材料を分極することができ、材料を燃料噴射装置外で分極した後に燃料噴射装置内に取り付ける方法よりも容易とすることが可能である。
【００１９】
また、前記分極方法は前記多軸圧力を前記強誘電性材料から取り除く前に前記第１電極と第２電極との間の前記電界を取り除く工程を備え、また、前記電界は前記第１電極と第２電極との間に電位差を与えることによって発生される構成とすると好適である。更には、前記第１電極と第２電極とは交互に重なり合う構成とすることも好適である。
【００２０】
更に、本発明では、前記材料の第１端面に第１電極を付与する工程と、前記材料の前記第１端面に対向する、第２端面に第２電極を付与する工程と、二段階分極方法の第１段階として、前記第１電極と第２電極との間に初期電界を発生させる工程と、前記第１電極と第２電極との間の前記初期電界を取り除く工程と、前記二段階分極方法の第２段階として、前記第１電極と第２電極との間に前記電界を発生させる工程とを備えることが提案される。
【００２１】
このような構成とすれば、前記強誘電性材料の二段階分極は、更に、強誘電性歪を低減させることが可能となる。
【００２２】
また、前記分極方法は前記多軸圧力を前記強誘電性材料に加える工程の前に前記第１電極と第２電極との間の前記初期電界を取り除く工程を備え、また、前記第１電極は前記第１端面の表面を覆い、前記第２電極は前記第２端面の表面を覆う構成とすると好適である。更には、前記初期電界は、前記第１電極と第２電極との間に電位差を与えることによって発生される構成とすることも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。上述の亀裂の問題を改善するために、図６に図示されるように分極中にスタック２ａに対して一軸方向の圧力を加えることが提案される。この圧力は矢印１８によって示されているようにスタック２ａに対して電界の軸心に沿って加えられ、スタック２ａの伸張を部分的に抑制することにより分極中における上述した伸張歪を抑えることができる。したがって、分極されていない領域が受ける張力歪が小さくなる為、強誘電性材料の亀裂の発生が大幅に低減されることとなる。しかし、亀裂を抑制する力によって双極子の再配列が限定されるため、部分的に分極されることになる。これは、図６において双極子の分極方向を示す矢印が抜けた空隙２０として図示される。分極していない強誘電性材料において双極子がランダムに配向し分布していることは当業者によく知られている。したがって、一軸方向に沿って強誘電性材料に圧力を加えると、その軸心に沿う一部の双極子の再配列が阻害されることになる。スタック２ａに対して、さらに高い電界を与えることにより、この問題がある程度、軽減されることがわかっている。しかしながら、その高電界が除去されると一軸方向の圧力によってスタック２ａの強誘電性材料が分極されなくなってしまう。
【００２４】
本発明の第一の実施形態
本発明に係る分極方法の一例として、図７を用いて説明する。図７のとおり、圧電性のスタック２ａは矢印２２によって示されるように、分極中に、その表面全体に圧力（多軸圧力）が加えられ、一段階分極を使用して分極される。この多軸圧力を加える１つの方法は、スタック２ａを加圧流体中に浸漬することである。一般的には、この流体としてFluorinert（商標登録）等の誘電性流体が使用される。スタック２ａは静水圧下において、保磁力電界を越えるのに十分大きな電位差が正内部電極６ａと負内部電極６ｂを介して与えられる。保磁力電界の強度は通常１〜２ｋＶ／ｍｍである。しかし、分極中にスタック２ａの温度を上げることによって保磁力電界の強度は１ｋＶ／ｍｍ以下まで低下する。分極後、スタック２ａを加圧流体から取り出す前に保磁力電界を取り除くが、保磁力電界がスタック２ａに作用している間に圧力を取り除くとスタック２ａに一時的伸張が生じ、強誘電性材料に亀裂が発生してしまう。
【００２５】
図８は、一段階分極後における圧電性のスタックを図示したものである。スタック２ａの表面全体を加圧することにより、均一で恒久的結晶学的再配列と双極子の再配向が行われ、一軸圧力下におけるスタック２ａの分極の際に発生する部分的分極は生じない。したがって、圧電材料内の双極子の分極方向を示す矢印４ｃと４ｄによって示されるように均一性が得られる。均一な再配列は分極前のランダムに配向された双極子が全方向において等しい圧力を受けることにより起こるものであり、その結果、全双極子に対しその再配列を阻害する力となる一軸圧力はかからない。
【００２６】
本実施形態に係る分極方法を使用して分極された圧電性のスタック２ａは、静水圧の元で封入されるため、再配列が阻害されないことから亀裂の発生を少なくすることが可能となる。
【００２７】
本発明の第二の実施形態
上述のとおり、本実施形態に係る分極方法を使用して分極された圧電性のスタック２ａには、図８のとおり亀裂１６が発生する傾向は少なくなるが、残留歪を受けている可能性が残っている。本発明に係る他の実施形態として、圧電性のスタック２ａを加圧流体に浸漬した後、二段階分極をすることによってこの残留歪による影響を改善することができる。
【００２８】
この二段階分極の第１段階では、圧電性のスタック２ａの上エンドキャップ１０ａと下エンドキャップ１０ｂの外端面１１ａと１１ｂとに電極を取り付ける。この電極は上エンドキャップ１０ａと下エンドキャップ１０ｂとを覆うのに十分な面積を有すると良い。次に両電極間に第１保磁力電界が与えられ、この電界によりその側方領域１２、及び上エンドキャップ１０ａと下エンドキャップ１０ｂとを含めてスタック２ａ全体を分極する。この第１保磁力電界は、静圧を保ちながら、スタック２ａから取り除かれる。
【００２９】
二段階分極を利用する改良実施形態としては、第１保磁力電界は静圧とすることなく与えることができる。しかし、スタック２ａを誘電性流体に浸漬することによってスタックが破壊される可能性は低くなる。第１保磁力電界の除去後、正内部電極６ａと負内部電極６ｂとの間に第２の保磁力電界を与える。
【００３０】
保磁力電界以上の第２の電界を与えることにより、交互の分極方向（交互層）が作られる。したがって、スタック２ａの交互層が第１保磁力電界の方向の反対方向に作用する保磁力電界を受けることになり、この層の双極子は分極方向の反転を受けることになる。しかし、二段階分極が従来技術のように一軸圧下で行われると、上述した一軸圧力下での一段階分極における双極子方向の反転が阻害されることとなる。したがって、二段階分極においてスタック２ａを多軸圧力下に置くことにより、阻害されない均一な双極子方向反転が可能となる。更に、静圧によって逆方向の強誘電性層を確実に圧縮状態とすることができる。その結果、強誘電性層、及び内部電極層の亀裂、又は剥離の可能性が低くなる。
【００３１】
圧電性のスタック２ａを均一に分極することに加えて、多軸圧力での二段階分極を併用することによって、側方領域１２と中心領域１４間の強誘電性歪の非連続性が少なくなり、亀裂、又は剥離の可能性が更に低くなる。これは、方向反転を受けていない双極子を含む層が、側方領域１２の強誘電性材料と同じ恒久的伸張を第１保磁力電界の方向に沿って受けるからである。図９は、二段階分極後における圧電性のスタックを示した図である。図９のように、矢印２４は側方領域１２の双極子の分極方向を示し、矢印４ｃと４ｄは中央領域１４の双極子の分極方向を示している。
【００３２】
上述した圧電アクチュエータ２の１つの用途として、欧州特許出願公開第０９９５９０１号に記載されているような燃料噴射装置用のアクチュエータがある。この圧電アクチュエータ２は外部からの保護のためにプラスチック製シース９（又はカプセル）内に納められている。このように納められた圧電アクチュエータ２は、噴射圧力下おいて燃料で充填されるスタック空間部１３と称する第１空間部内に備えられる。
【００３３】
圧電性のスタック２ａを、一段階分極、又は二段階分極で、静圧下で分極することは、その使用時にスタック２ａが受ける圧力と同様となる。使用時は、スタック２ａを分極した同様の条件下で使用することにより、圧電アクチュエータ２は更に安定したものとなり、使用中における亀裂形成の可能性が低減する。したがって、圧電アクチュエータ２の寿命が延びることとなり、燃料噴射装置５の信頼性が増すこととなる。
【００３４】
本発明の第三の実施形態
本発明に係る更なる実施形態としては、圧電性のスタック２ａの静圧分極を特に燃料噴射装置５の組み立て工程と一体化することができる。したがって、製造コストを低減し製造を単純化することが可能となる。加圧流体、例えば、ディーゼル燃料やFluorinert（商標登録）をスタック空間部１３に入れる前に、分極されていないスタック２ａを燃料噴射装置５に取り付ける。スタック２ａを燃料噴射装置５に取り付けると、一段階分極、又は二段階分極を行うことができるようになる。したがって、分極中、又は使用中において、プラスチック製シース９によって外部の流体がスタックの電極および／又は圧電材に侵入することを防止することが可能となる。
【００３５】
本発明のその他の実施形態
本発明は、表面フラッシュオーバー（flash over）作用を防止するその他の従来技術と組み合わせて使用することができる。例えば比較的高い誘電強度を有するポリマーでカプセル化した後、圧電アクチュエータ２を多軸圧力に保持するなどといった、圧電アクチュエータ２の表面に対して何らかのパッシベーションをすることにより、このパッシベーションが押し込まれて圧電アクチュエータ２に接触させることにより、表面フラッシュオーバー（flash over）作用の生じる可能性を更に低減することができる。
【００３６】
上述のとおり、各実施形態では、燃料噴射装置における分極方法として説明したがこれに限らない。その他の具体的形態で実施することも当然に本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】燃料噴射装置に使用される分極された圧電アクチュエータを示す図
【図２】圧電アクチュエータを使用した内燃機関用燃料噴射装置を示す図
【図３】分極前の多層強誘電性サンプルを示す図
【図４】分極後の多層強誘電性サンプルを示す図
【図５】多層サンプルの拡大図
【図６】本発明に係る一軸圧力下での分極方法の圧電アクチュエータを示す図
【図７】本発明に係る多軸圧力下での分極方法の圧電アクチュエータを示す図
【図８】本発明に係る一段階分極後の圧電アクチュエータを示す図
【図９】本発明に係る二段階分極後の圧電アクチュエータを示す図
【符号の説明】
【００３８】
２    圧電アクチュエータ
３    多層構造
４    圧電層
５    燃料噴射装置
７    噴射バルブニードル
９    プラスチック製シース
１３  スタック空間部
１４  中央領域
１５  ノズル
１６  亀裂
２０  空隙
２ａ  スタック
６ａ  正内部電極
６ｂ  負内部電極
８ａ  正外部電極
８ｂ  負外部電極
１０ａ  上エンドキャップ
１０ｂ  下エンドキャップ
１５ａ  燃料経路
１５ｂ  噴射ノズルシート
＋ｖｅ  正電圧
−ｖｅ  負電圧
【図１】
0005435838.tif 000002
【図２】
0005435838.tif 000003
【図３】
0005435838.tif 000004
【図４】
0005435838.tif 000005
【図５】
0005435838.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005435838.tif 000008
【図８】
0005435838.tif 000009
【図９】
0005435838.tif 000010