(57)【要約】【解決手段】自動車の燃料噴射器に使用するのに適した圧電作動器において、装置本体を保護的に封止する封止手段（２０）が装着されている装置本体を備えており、封止手段は、少なくとも１つの有機層と少なくとも１つの金属層を含んでいる、圧電作動器。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の燃料噴射器に使用するのに適した圧電作動器において、装置本体を保護的に封止する封止手段を装着した装置本体を備えており、前記封止手段は、少なくとも１つの有機層と少なくとも１つの金属層を含んでいる、作動器。
【請求項２】
前記少なくとも１つの有機層は、熱可塑性ポリマー、フルオロポリマー、ポリイミド、アクリレート、シリコン、及びエポキシ樹脂から成るグループの内の１つ又はそれ以上から選択される、請求項１に記載の作動器。
【請求項３】
前記ポリイミドは、Kapton（商標）、Kapton（商標）−ＦＥＰ、及び金属化されたKapton（商標）から選択される、請求項２に記載の作動器。
【請求項４】
前記フルオロポリマーは、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）熱可塑性樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、又はポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）を備えている、請求項２に記載の作動器。
【請求項５】
前記少なくとも１つの金属層は、アルミニウム、銅、亜鉛、すず、ニッケル、金、銀、鉄、及びチタンで構成されているグループから選択された金属、又は上記金属の１つ又はそれ以上を備えた金属合金を備えている、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項６】
前記少なくとも１つの金属層は、連続する自己支持金属膜を備えている、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項７】
前記自己支持金属膜は、金属シート、金属リーフ、及び金属箔から選択される、請求項６に記載の作動器。
【請求項８】
前記自己支持金属膜は、約１から約２５０ミクロン（μｍ）の間の厚さを有しており、約５から約２００ミクロンの間にあれば望ましく、約１０から約１００ミクロンの間にあれば更に望ましく、約１２から約３０ミクロンの間にあれは最も望ましい、請求項６又は７に記載の作動器。
【請求項９】
前記封止手段は、少なくとも１つの非金属無機層を更に含んでいる、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項１０】
前記非金属無機層は、シリコン又は金属の酸化物、炭化物、窒化物、酸素ホウ化物、及び酸素窒化物で構成されているグループから選択される、請求項９に記載の作動器。
【請求項１１】
前記金属は、アルミニウム、亜鉛、インジウム、すず、ジルコニウム、クロニウム、ハフニウム、タリウム、タンタラム、ニオビウム、及びチタンで構成されているグループから選択される、請求項１０に記載の作動器。
【請求項１２】
前記非金属無機層は、シリコン酸化物を備えている、請求項１０に記載の作動器。
【請求項１３】
前記非金属無機層は、ゾルゲル処理を介して塗布又は貼り付けられる、請求項１０から１２の何れかに記載の作動器。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの金属層は、前記少なくとも１つの有機層上に担持され、それ自体が、少なくとも１つの別の有機層を担持している、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項１５】
前記封止手段内に含まれている前記層の少なくとも１つは、物理蒸着法、化学蒸着法、スパッタリング、無電解めっき、及びオーバーモールディングで構成されているグループから選択される処理を介して塗布又は貼り付けられる、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項１６】
前記封止手段は、イオン交換膜を更に含んでいる、上記請求項の何れかに記載の作動器。
【請求項１７】
前記イオン交換膜は、カチオンと反応するよう選択されている、請求項１６に記載の作動器。
【請求項１８】
前記イオン交換膜は、アニオンと反応するよう選択されている、請求項１６に記載の作動器。
【請求項１９】
前記イオン交換膜は、バイポーラ膜である、請求項１６に記載の作動器。
【請求項２０】
前記バイポーラ膜は、不活性中間層を挟んでいる、層状の第１及び第２のユニポーラ膜を備えている、請求項１９に記載の作動器。
【請求項２１】
前記イオン交換膜は均質である、請求項１６から２０の何れかに記載の作動器。
【請求項２２】
前記イオン交換膜は不均質である、請求項１６から２０の何れかに記載の作動器。
【請求項２３】
上記請求項の何れかに記載の前記封止されている圧電作動器が設けられている自動車の燃料噴射器。
【請求項２４】
装置本体を有する圧電作動器を封止する方法において、
第１有機層を前記装置本体の少なくとも一部分に塗布又は貼り付ける段階と、
前記第１有機層に第１金属層を塗布又は貼り付ける段階と、
前記第１金属層に第２有機層を塗布又は貼り付ける段階と、から成り、
前記封止は、液体燃料及び水に対して実質的に不透過性のバリヤ被覆を提供して、圧電作動器が自動車の燃料噴射器内で機能できるようにする、方法。
【請求項２５】
前記第１及び第２有機層は、異なる材料で構成されている、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１及び／又は第２有機層は、熱可塑性ポリマー、フルオロポリマー、ポリイミド、アクリレート、シリコン、及びエポキシ樹脂で構成されているグループの内の１つ又はそれ以上から選択された材料を備えている、請求項２４又は２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１有機層は、ポリイミドを備えている、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ポリイミドは、Kapton（商標）、Kapton（商標）−ＦＥＰ、及び金属化されたKapton（商標）から選択される、請求項２６又は２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記フルオロポリマーは、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）熱可塑性樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、又はポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）を備えている、請求項２６から２８の何れかに記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの金属層は、アルミニウム、銅、亜鉛、すず、ニッケル、金、銀、及びチタンから成るグループから選択される金属、又は上記金属の内の１つ又はそれ以上を備えた金属合金を備えている、請求項２４から２９の何れかに記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの金属層は、連続する自己支持金属膜を備えている、請求項２４から３０の何れかに記載の方法。
【請求項３２】
前記金属膜は、前記第１有機層の回りに巻き付けられている、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記自己支持金属膜は、金属シート、金属リーフ、及び金属箔から選択される、請求項３１又は３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記自己支持金属膜は、約１から約２５０ミクロン（μｍ）の間の厚さを有しており、約５から約２００ミクロンの間にあれば望ましく、約１０から約１００ミクロンの間にあれば更に望ましく、約１２から約３０ミクロンの間にあれは最も望ましい、請求項３１から３３の何れかに記載の方法。
【請求項３５】
前記封止手段は、少なくとも１つの非金属無機層を更に含んでいる、請求項２４から３４の何れかに記載の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの非金属無機層は、前記第１金属層が塗布又は貼り付けられる前に、前記第１有機層に塗布又は貼り付けられる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの非金属無機層は、前記第２有機層に塗布又は貼り付けられる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記非金属無機層は、シリコン又は金属の酸化物、炭化物、窒化物、酸素ホウ化物、及び酸素窒化物で構成されているグループから選択される、請求項３５から３７の何れかに記載の方法。
【請求項３９】
前記金属は、アルミニウム、亜鉛、インジウム、すず、ジルコニウム、クロニウム、ハフニウム、タリウム、タンタラム、ニオビウム、及びチタンで構成されているグループから選択される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記非金属無機層は、シリコン酸化物を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記非金属無機層は、ゾルゲル処理を介して塗布又は貼り付けられる、請求項３５から４０の何れかに記載の方法。
【請求項４２】
前記封止手段内に含まれる前記層の少なくとも１つは、物理蒸着法、化学蒸着法、スパッタリング、無電解めっき、及びオーバーモールディングで構成されているグループから選択される処理を介して塗布又は貼り付けられる、請求項２４から４１の何れかに記載の方法。
【請求項４３】
イオン交換膜の塗布又は貼り付けを更に含んでいる、請求項２４から４２の何れかに記載の方法。
【請求項４４】
前記イオン交換膜は、カチオンに反応するよう選択されている、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記イオン交換膜は、アニオンに反応するよう選択されている、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記イオン交換膜は、バイポーラ膜である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１及び第２のユニポーラ膜は、不活性中間層を挟むように塗布又は貼り付けられている、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記イオン交換膜は、均質であるように選択される、請求項４３から４７の何れかに記載の方法。
【請求項４９】
前記イオン交換膜は、不均質であるように選択される、請求項４３から４７の何れかに記載の方法。
【請求項５０】
自動車の燃料噴射器に使用するのに適しており、請求項２４から４９の何れかに記載の方法により塗布又は貼り付けられるバリヤ被覆を備えている、圧電作動器。
【請求項５１】
装置本体を有する圧電作動器を封止する方法において、
少なくとも第１及び第２有機層を前記装置本体の少なくとも一部分に塗布又は貼り付ける段階と、
前記第１及び第２有機層の何れか又は両方に非金属無機層を塗布又は貼り付ける段階と、から成り、
前記封止は、液体燃料及び水に対して実質的に不透過性なバリヤ被覆を提供して、圧電作動器が自動車の燃料噴射器内で機能できるようにする、方法。
【請求項５２】
前記非金属無機層は、シリコン又は金属の酸化物、炭化物、窒化物、酸素ホウ化物、及び酸素窒化物で構成されているグループから選択される、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記金属は、アルミニウム、亜鉛、インジウム、すず、ジルコニウム、ニオビウム、及びチタンで構成されているグループから選択される、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記非金属無機層は、シリコン酸化物を備えている、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記非金属無機層は、ゾルゲル処理を介して塗布又は貼り付けられる、請求項５１から５４の何れかに記載の方法。
【請求項５６】
前記第１有機層は、ポリイミドを備えている、請求項５１から５５の何れかに記載の方法。
【請求項５７】
前記ポリイミドは、Kapton（商標）、Kapton（商標）−ＦＥＰ、及び金属化されたKapton（商標）から選択される、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記第２有機層は、熱可塑性ポリマー、フルオロポリマー、アクリレート、シリコン、及びエポキシ樹脂で構成されているグループから選択された材料を備えている、請求項５１から５７の何れかに記載の方法。
【請求項５９】
前記フルオロポリマーは、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）熱可塑性樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、又はポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）である、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記バリヤ被覆は、金属層、非金属無機層、及び有機層から選択された少なくとも１つの追加層を更に備えている、請求項５１から５９の何れかに記載の方法。
【請求項６１】
前記封止手段内に含まれている前記層の少なくとも１つは、物理蒸着法、化学蒸着法、スパッタリング、無電解めっき、及びオーバーモールディングで構成されているグループから選択される処理を介して塗布又は貼り付けられる、請求項５１から６０の何れかに記載の方法。
【請求項６２】
イオン交換膜の塗布又は貼り付けを更に含んでいる、請求項５１から６１の何れか１つに記載の方法。
【請求項６３】
前記イオン交換膜は、カチオンに反応するよう選択されている、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記イオン交換膜は、アニオンに反応するよう選択されている、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記イオン交換膜は、バイポーラ膜である、請求項６２に記載の方法。
【請求項６６】
前記バイポーラ膜は、不活性中間層を挟んでいる層状の第１及び第２ユニポーラ膜を備えている、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記イオン交換膜は、均質であるように選択される、請求項６２から６６の何れかに記載の方法。
【請求項６８】
前記イオン交換膜は、不均質であるように選択される、請求項６２から６６の何れかに記載の方法。
【請求項６９】
自動車の燃料噴射器に使用するのに適しており、請求項５１から６８の何れかに記載の方法により塗布又は貼り付けられるバリヤ被覆を備えている、圧電作動器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電装置に、より具体的には、装置をその作動環境から保護するための封止手段が設けられている圧電装置に関する。本発明は、圧電作動自動車用燃料噴射器の作動器として利用される圧電装置の関係において特別なな有用性を有している。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料噴射器に圧電作動器を使用することは知られている。その様な圧電的に作動する燃料噴射器は、燃焼サイクル内の噴射事象のタイミングと、各噴射事象の間に送出される燃料の量に高度な制御を提供する。これによって、益々厳しくなる世界的環境規制と足並みを揃えるのに不可欠な燃焼プロセスに関する改良された制御を行うことができるようになる。その様な燃料噴射器は、圧縮点火（ディーゼル）機関又は火花点火（ガソリン）機関で利用することができる。
【０００３】
圧電作動器は、インクジェット印刷の分野でも知られてきた。実際、作動器要素を封止して、大気中の湿度と液体インクの進入から保護するよう試みられてきた。インクジェットプリンタ用途に適した封止方法については、例えば、押収特許第０６４６４６４号に記載されている。しかしながら、圧電作動器をインクジェット印刷で使用する際の全体的物理的構造と環境は、共に、自動車の燃料噴射器で使用するための作動器のそれとは、相当に異なっている。
【０００４】
自動車の燃料噴射器に使用するように設計されている代表的な圧電作動器ユニットを図１に示している。圧電作動器１０は、圧電要素又は層１２と平坦な内部電極１４を交互に配置して形成されたスタック構造を有している。圧電層１２は、逆の極性を有する層を交互に配置して形成されており、内部電極１２は、正と負の内部電極を交互に配置して形成されている。正の内部電極は、以後正側電極と呼ぶ第１外部電極１６と電気的に接続されている。同様に、負の群の内部電極は、以後負側電極と呼ぶ第２外部電極１８と電気的に接続されている。
【０００５】
両側の電極の間に電圧が加えられると、各隣接する対の正及び負の内部電極の間に生じた電界により、各圧電層１２、従って圧電スタックには、その長さに沿って、即ち、各内部電極１４の面に垂直な軸に沿って歪が生じる。圧電層の極性のために、印加電圧を調節することによって歪の大きさを制御できるだけでなく、印加電圧の極性を切り替えることによって歪の方向を変えることもできる。印加電圧の大きさ及び／又は極性を迅速に変えると、圧電層の電界の強さ及び／又は方向が迅速に変わり、その結果、圧電作動器１０の長さが迅速に変動することになる。通常、スタックの圧電層は、ジルコンチタン酸鉛（ＰＺＴ）の様な強誘電性材料で形成されている。
【０００６】
その様な作動器は、例えば、本発明の出願人の欧州特許ＥＰ第０９９５９０１Ｂ号で知られている型式の燃料噴射器に使用するのに適している。燃料噴射器は、作動器の長さの変化が、弁針の運動になるように配置されている。針は、或る量の燃料が弁座に設けられている穿孔を通過できるように作動器の長さを制御することによって、この様に弁座の上に上げ下げすることができる。
【０００７】
使用時、その様な燃料噴射器の作動器は、高圧の燃料に取り囲まれている。燃料の圧力は、２０００バール又はそれ以上になる。圧電作動器を損傷及び考えられる故障から保護するために、圧電作動器は、ここでは「封止手段」と呼ぶ、少なくとも一層のバリヤ材料によって、この環境から隔離されなければならない。例えば、本発明の出願人の欧州特許出願ＥＰ第１３５６５２９Ａ号に記載されている様に、液体燃料、水、及び水又は燃料に溶けている汚染物質が作動器の構造内に透過するのを防ぐ働きをする不活性フルオロポリマーで圧電作動器を封止することが知られている。圧電性作動器を封止する手段として成功するには、封止手段は、約−４０℃から約１７５℃の間の全作動温度範囲に亘って、燃料と水の透過に耐えることができなければならない。
【０００８】
フルオロポリマー類は、ディーゼル燃料及び水の様な液体に対して完全に不透過性ではないことが分かっている。従って、何時、燃料又は他の液体がフルオロポリマー封止手段を透過して、圧電作動器、従って燃料噴射器全体の致命的な構成要素の故障に繋がるかは、時間と温度の問題であることが多い。
【０００９】
この背景に対抗して、燃料、水、及び中に含まれている他の物質に対する透過性を低減したバリヤ被覆の形態をした封止手段を提供することが望まれる。
【特許文献１】ＥＰ第０６４６４６４号
【特許文献２】ＥＰ第０９９５９０１Ｂ号
【特許文献３】ＥＰ出願第１３５６５２９Ａ号
【特許文献４】ＥＰ出願第０６２５２３５２．７号
【特許文献５】ＧＢ出願第０６０２９５７．３号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様では、本発明は、自動車の燃料噴射器に使用するのに適した圧電作動器を提供しており、本燃料噴射器は、装置本体を保護的に封止する封止手段を装着した装置本体を備えており、封止手段は、少なくとも１つの有機層と少なくとも１つの金属層を含んでいる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、装置本体を有する圧電作動器を封止する方法を提供しており、本方法は、
第１有機層を、装置本体の少なくとも一部分に塗布又は貼り付ける段階と、
第１金属層を第１有機層に塗布又は貼り付ける段階と、
第２有機層を第１金属層に塗布又は貼り付ける段階と、から成り、
封止は、液体燃料及び水に対して実質的に不透過性なバリヤ被覆を提供して、圧電作動器が自動車の燃料噴射器内で機能できるようにする。
【００１２】
本発明の第３の態様は、装置本体を有する圧電作動器を封止する方法を提供し、本方法は、
少なくとも第１及び第２の有機層を、装置本体の少なくとも一部分に塗布又は貼り付ける段階と、
第１及び第２の有機層の何れか又は両方に非金属無機層を塗布又は貼り付ける段階と、から成り、
封止は、液体燃料及び水に対して実質的に不透過性なバリヤ被覆を提供して、圧電作動器が自動車の燃料噴射器内で機能できるようにする。
【００１３】
本発明の別の態様は、上に述べた本発明の方法に従って準備されたバリヤ被覆を備えた圧電作動器を提供する。
本発明の好適な及び／又は代わりの特徴は、特許請求の範囲に含まれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
既知の圧電作動器の斜視図を示す図１は、既に参照した。本発明を更に分かり易くするために、一例として、他の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図２に示すように、本発明の第１の実施形態では、バリヤ被覆２０によって封止されている、圧電スタックと、正側電極１６と、負側電極（図２に図示せず）とを含んでいる圧電作動器１０が提供されている。
【００１５】
圧電スタックは、複数の圧電要素又は層１２を備えており、各層は、スタック内の１つ又は複数の隣接する層から、内部電極１４によって実質的に分離されている。内部電極１４は、交互に配置された正及び負の電極を備えている。各隣接する正及び負の内部電極の対は、その間にそれぞれ圧電材料の層１２が配置されており、圧電材料は、正と負の内部電極の間に印加される電圧に応答して歪を呈する。
【００１６】
各正の内部電極はスタックの正の面２２で終端し、各負の内部電極はスタックの負の面で終端している（図示せず）。スタックの正の面２２は正側電極１６を担持しており、スタックの負の面は負側電極１８を担持している。正の内部電極は、正側電極１６と電気的に接続されており、同様に、負の内部電極は、負側電極１８と電気的に接続されている。作動器が組み立てられるとき、正及び負側の電極は、作動器の長さを制御することができるように可変電圧電源に接続される。
【００１７】
バリヤ被覆２０は、有機材料の層、例えば、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）で作られているフルオロポリマー層２４を備えており、この層は、少なくとも、作動器の使用時に燃料に曝されることになる部分を覆っている。フルオロポリマー層２４は、作動器の表面上に担持されている。バリヤ層は、更に、無機層、例えば、金属膜２６を備えており、この層は、フルオロポリマー層２４の外側表面上に担持されている。
【００１８】
この有機層は、装置本体の表面に直接塗布又は貼り付けられるフルオロポリマー又は他の熱可塑性ポリマー、ポリイミド、熱硬化性又はシリコンベースの有機ポリマーでもよく、第１有機層には他の層が塗布又は貼り付けられることになる。その様な有機層の材料の例には、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）熱可塑性樹脂、ポリジフッ化ビニル（ＰＶＤＦ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、又はポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）がある。
【００１９】
本発明の第１の実施形態のバリヤ被覆を形成する好適な方法は、例えば、上記欧州特許出願ＥＰ第１３５６５２９Ａ号に記載されている様に、熱収縮処理を使って、フルオロポリマーの層で作動器を封止する段階を含んでいる。必ずしも上記熱収縮処理によって有機層を貼り付ける必要は無く、熱可塑性オーバーモールディングの様な適切な処理によって行ってもよいものと理解されたい。
【００２０】
金属膜２６は、以下に述べる物理蒸着（ＰＶＤ）処理によってフルオロポリマー層２４の表面に貼り付けられる。作動器に貼り付けられた後、フルオロポリマーの表面は、例えば、洗浄する段階、触媒又はプライマーで被覆する段階、及びプラズマ処置に供する段階を含む、一連の段階で前処理される。作動器は、次に、ＰＶＤチャンバ内に配置される。チャンバは、１０−４ミリバール未満の圧力まで排気され、無機層を形成することになる或る量の金属をチャンバ内で蒸発させる。アルゴンがチャンバ内に注入され、チャンバの温度は、１００℃より低く保持される。金属の蒸気は、前処理されたフルオロポリマー層の表面上に接着し、その上に膜２６を形成し易いので、作動器のフルオロポリマー層２４の外側表面は、金属の薄膜で被覆される。
【００２１】
本発明のバリヤ被覆を形成する代替方法は、作動器を先に述べたフルオロポリマー層で封止する段階と、その後、無電解めっきを使用して、フルオロポリマー２４の外側表面を金属で被覆し、金属膜２６を提供する段階を含んでいる。どの様な適切な代替金属を用いてもよいが、無電解めっきに適した１つの金属はニッケルである。
【００２２】
どの様な他の適切なポリマー金属化技法により金属膜を備えた無機層を形成することによって、本発明のバリヤ被覆を形成することもできる。例えば、アルミニウム−亜鉛合金膜は、ツインワイヤーアークスプレー被覆又はアークスパッタリング被覆技法によって形成することもできる。
【００２３】
図３に示すように、或る代替実施形態では、絶縁層２８は、作動器の表面に担持されている。絶縁層２８は、ポリイミド（例えば、Kapton（商標））の様な高い誘電強度を有するポリマーから作られており、不動態化層として働く。金属膜３０は、絶縁層２８上に担持されている。絶縁層２８は、作動器の電極１４、１６、１８と圧電層１２を金属膜３０から絶縁している。更に、フルオロポリマー３２の様な有機層が、金属膜３０上に担持されている。従って、バリヤ被覆は、２つのポリマー層２８と３２の間に挟まれた金属膜３０を備えている。
【００２４】
本発明の封止バリヤ被覆を形成する適した方法は、金属化ポリイミド膜の様な金属化ポリマー膜のポリマー表面を、シリコンベースの接着剤で被覆する段階を含んでいる。金属化ポリマー膜は、次に、作動器の回りに巻き付けられる。接着剤被覆が、この様に作動器の表面に塗布され、金属化ポリマー膜は、（ポリマーと接触する接着剤によって）作動器に接着される。金属化ポリマー膜のポリイミド層は、絶縁層２８を提供し、金属化ポリマー膜の金属化表面は、金属層３０を提供する。次に、フルオロポリマー層３２は、先に述べた様に、金属層３０を覆って塗布又は貼り付けられる。金属化ポリマー層の表面全体を接着剤で被覆してもよいし、代わりに、金属化ポリマー膜２８の端部又は条片だけを接着剤で被覆してもよく、事情によってはその方が好都合なこともある。更には、フルオロポリマー層３２を、例えば、本発明の出願人の係属中の欧州特許出願ＥＰ第０６２５２３５２．７号に記載の作動器の電気コネクタである作動器の端部片（図示せず）に接合させてもよい。
【００２５】
本発明の封止バリヤ被覆を形成する代替方法は、ポリイミド膜の様な有機層を作動器の本体に塗布又は貼り付け、次いで金属膜３０をポリイミド膜の回りに巻き付けることによって絶縁層２８を形成する段階を含んでいる。次に、作動器、金属膜、及びポリイミド膜は、先に述べた様に、フルオロポリマー層３２によって熱収縮処理により封止される。本発明のこの方法によれば、金属膜は、金属又は金属合金から成る自己支持性の実質的に連続した層である。「自己支持性」という用語は、この金属層は、層状の封止バリヤ複合材から分離して、完全性と結合性を維持することのできる金属膜であるという意味である。而して、自己支持性の金属層は、通常、スパッタリング、めっき、又は蒸着技法を介して本来の場所に形成されることはない。金属膜は、金属箔、金属リーフ、又は金属シートを含んでいる。通常、自立した金属が使用されるが、好適な厚さは、約１から約２５０ミクロン（μｍ）、望ましくは約５から約２００ミクロン、更に望ましくは約１０から約１００ミクロン、最も望ましくは約１２から約３０ミクロンである。本発明の或る例では、約２０ミクロンの厚さを有するアルミニウム箔が、不動態化有機層２８で既に封止されている作動器の回りに巻き付けられている。
【００２６】
本発明の一般的概念の中に幾つかの修正が含まれている。例えば、バリヤ膜は、実質的に作動器の全体を封止してもよいし、作動器表面の一部だけを封止してもよい。更に、図３には具体的に示していないが、バリヤ被覆は、封止の保護特性を更に改良するために、外側のフルオロポリマー層３２と類似の別のフルオロポリマー層３１を、金属膜３０と不動態化層２８の中間に含んでいてもよいものと理解されたい。
【００２７】
図４に示すように、絶縁層２８は、作動器の表面と電極１６（図４には１つだけを示している）を覆うように、作動器の表面上に担持されている。絶縁層２８は、接着剤層（図示せず）によって作動器に固定されており、ポリイミド（例えば、Kapton（商標））の様な高い誘電強度を有するポリマーで作られており、作動器の内部電極１２、１４の露出している両縁部に電弧が発生するのを防いでいる。絶縁層２８は、図４に関連して、作動器の露出しているセラミック表面と作動器に塗布又は貼り付けられている外部電極を覆っていると述べたが、この場合はそうである必要は無く、絶縁層２８は、代わりに、作動器の露出しているセラミック表面だけを覆い、外部電極を覆わないように配置してもよいものと理解されたい。接着剤層は、シリコン接着剤、具体的には接着テープの形態をしたものが望ましい。
【００２８】
有機フルオロポリマー層３１は、先に述べたように、絶縁層２８上に担持されている。金属膜３０、望ましくはアルミニウム箔は、第１有機層３１上に、作動器の半径方向外向きに担持されている。第２有機フルオロポリマー層３２は、先に述べたように、金属膜３０上に担持されている。
【００２９】
封止を更に強化するために、随意的に、ＳｉＯ２層の様な非金属無機層３３が、第２有機フルオロポリマー層３２の上に塗布又は貼り付けられ、担持されている。本発明のこの実施形態では、非金属無機層３３は、液体燃料に対して高い不透過性を提供するのに対して、金属膜３０は、有機層２８及び３２によってもたらされる水及び他の汚染物質による透過に対する抵抗を高める。
【００３０】
非金属無機層は、作動器が中に配置される液体燃料の侵入に対して特に不透過性であるのが望ましい。本発明の本バリヤ封止手段、即ちバリヤ被覆は、従って、作動器が、燃料と他の物質の両方との接触に対して良好に保護されており、従って短絡発生の危険性が減っているので、当技術で既知の封止手段を凌駕して改良されている。
【００３１】
無機層は、実質的にどの様な非金属無機材料から選択してもよい。特に、シリコンの酸化物、炭化物、窒化物、酸素ホウ化物、及び酸素窒化物か、或いは、シリコン、又は、アルミニウム、亜鉛、インジウム、すず、ジルコニウム、クロニウム、ハフニウム、タリウム、タンタラム、ニオビウム、及びチタンの様な金属の酸化物、炭化物、窒化物、酸素ホウ化物、及び酸素窒化物が適している。
【００３２】
有機層も、或る範囲の適した材料から選択することができる。例えば、有機層は、接着材料であってもよい。
バリヤ被覆は、多層構造でもよく、例えば、有機層によって分離された２つ又はそれ以上の無機層であってもよいし、無機層によって分離された２つ又はそれ以上の有機層であってもよい。本発明の第２の実施形態は、後者の例である。バリヤ被覆は、実質的にどの様な数の層、及び異なる種類の有機層のどの様な組み合わせを備えていてもよい。更に、幾つかの隣接する金属の層を、更には非金属無機材料の層を、バリヤ被覆内に設けてもよい。例えば、第１の塗布又は貼り付けられた層の透過性がそれほど低くない場合は、１つ又はそれ以上の追加の金属の層を、第１の塗布又は貼り付けられた膜を覆って塗布又は貼り付けてもよい。同様に、有機材料の幾つかの隣接する層を、非金属無機材料の幾つかの層を組み込んでもよいのと同様に、バリヤ被覆内に設けてもよい。
【００３３】
ＰＶＤ処理は、異なる有機及び無機材料の多重層を作動器上に形成する方法として特に適している。例えば、有機層は、プラズマ重合化可能ポリマーの気体モノマーをＰＶＤチャンバ内に噴射することによってＰＶＤ処理で堆積させて、作動器の表面又は既存の部分的に形成されるバリヤ被覆の上に架橋結合ポリマーの被覆とすることができる。代わりに、異なる被覆技法を使って、連続する層を塗布又は貼り付けてもよい。
【００３４】
ＰＶＤで作られた被覆のマイクロ構造は、チャンバの圧力と温度を含む処理パラメーターの範囲に依存する。ＰＶＤ処理の間に、より密な被覆構造を実現するため、アルゴンガスがチャンバに噴射される。アルゴンが在れば、蒸発した金属原子の軌道は、原子が被覆対象の表面に大きな入射角度の範囲で衝突するように修正される。しかしながら、アルゴンの代わりに別のガスを用いてもよい。或いは、ガス噴射を実行してもよい。３５０℃までの処理温度を使用することができる。ガスの圧力、温度、及び、チャンバの形状の様な他のパラメーターは、所望の被覆マイクロ構造を作り出すために選択することができる。
【００３５】
バリア被覆を更に強化するには、１つ又は複数の金属膜に加えて、シリコン酸化物から作られた１つ又は複数の非金属無機層を設けてもよい。例えば、シリコン酸化物層を、フルオロポリマー層の上に塗布又は貼り付けてもよい。
【００３６】
先に述べた様に、非金属無機層は、燃料がバリヤ封止手段の中へと透過するのを防ぐために、有機層の表面に塗布又は貼り付けられる。本発明の或る例では、無機層は、シリコン酸化物を備えており、ゾル−ゲル被覆法を使って設けられる。シロキサン前駆物質の入った溶液が、作動器又は部分的に形成されたバリヤ被覆に塗布される。加水分解と凝縮処理によって、シリコン酸化物ネットワークが形成される。シリコン酸化物表面を疎水性にするか、又は抗接着特性を得るために、機能性モノマーを前駆物質溶液に組み込んでもよい。例えば、フッ素が入っているシロキサンモノマーを用いてもよい。更に、前駆物質溶液に、ナノ粒子、又は膜形成時にナノ粒子を形成するモノマーが入っていてもよい。ナノ粒子は、有機−無機層の特性を改良する。前駆物質溶液は、噴霧、浸漬、又ははけ塗りの様などの様な適した方法で、剥き出しの、又は部分的に封止されている作動器に塗布又は貼り付けてもよい。その後、材料を重合し、余分な溶剤を取り除くために、硬化及び乾燥の段階が続く。
【００３７】
更に強化する場合、バリヤ被覆は、更に、係属中のＧＢ出願第０６０２９５７．３号に記載されている様に、膜又は被膜の形態をしたイオン交換材料を含んでいてもよい。
イオン交換膜は、カチオン又はアニオンに反応するように選択されるので、その様なイオンが膜を横断して作動器に輸送されるのを防ぐ。カチオン交換膜は、通常、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＥＥＰの様なフッ化ポリマー、又は代わりにポリエーテルケトンを適切に備えたポリマーバックボーンに取り付けられたスルホン酸基を有している。溶液内に存在するカチオンは、膜の中に入り、その中に在る酸官能基のプロトンと交換することができる。膜のイオン保有力は、ｍｅｑ／ｇで表されるいわゆるイオン交換能力で特徴付けられる。スルホン化カチオン交換膜の代表的なイオン交換能力は、２ｍｅｑ／ｇ程度である。イオンの輸送は、水が在る場合、いわゆる「車両機構」によって加速される。使用時、カチオン交換膜は、プロトンを放出し、それによって少量の水素が生成される。水素イオンは、圧電作動器を構築するのに用いられる材料内に導電経路を作り出すとは考えられていない。カチオン交換膜は、大部分が膜又はチューブの形態で入手可能である。カチオン交換膜は、自然に水中に溶けるＫ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋の様なカチオンを保有し、交換するのに適している。
【００３８】
他方で、アニオン交換膜には、通常、アンモニウム水酸化物（ＮＨ４ＯＨ）官能基が入っている。アニオン交換膜は、有害な恐れのある塩化銀（ＡｇＣｌ）の導電性相を圧電スタック内に生成しかねない塩化物イオン（ＣＴ）の様なアニオンが通過するのを防ぐことができる。
【００３９】
架橋結合されたベンズイミダゾール−ビニルホスホン酸（ＰＢＩ−ＶＰＡ）膜では、更に高いイオン交換能力を実現することができる。その様な膜では、ポリマーバックボーンは、熱及び化学的に抵抗力のあるポリベンズイミダゾール材料である。この材料では、電子又は化学的官能性の何れかを介する架橋の量によって、イオンの輸送と拡散を更に制御することができる。
【００４０】
別の代替案として、多層封止アッセンブリを作るために、１つ又は複数のアニオン交換膜と１つ又は複数のカチオン交換膜に、不活性ＥＴＦＥポリマー層を差し込むことによって、二倍のイオン交換機能が提供される。各層は、高分子対高分子接合の分野では既知の技法を使って一体に接合される。各イオン交換膜とＥＴＦＥ層の適切な厚さは、バリヤ被覆の必要な要件に依って、約１ミクロンから約５００ミクロンの間で変化する。イオン交換膜の層の厚さは、約２００ミクロンであるのが望ましい。
【００４１】
二倍のイオン交換機能は、バイポーライオン交換膜によっても提供される。バイポーライオン交換膜は、一方はカチオンで他方はアニオンの、共通の界面全体に亘って結合されている、熱可塑性均質合成有機ポリマー材料の２つの層を備えている。バイポーラ積層膜は、例えば、ポリセン−スチレングラフトポリマー膜又はガラス繊維強化ＥＴＦＥから導き出された両層によって作ることができる。
【００４２】
本発明は、広範囲に、代表的な順序に配置された第１有機層、金属層、第２有機層を備えているバリヤ被覆に及んでいる。この層状ユニットは、必要であれば、１回又は複数回繰り返すことができる。先に述べた様に、第１及び第２の有機層は、ポリマー組成物であり、同じポリマーでも、異なるポリマーでもよい。使用されている本発明の特定の例では、第１有機層はＥＴＦＥ熱可塑性層であり、金属層は自己支持アルミニウム箔であり、第２有機層は、これもＥＴＦＥ熱可塑性層である。この例では、装置の電気要件に依って、最も奥に不動態化層２８が含まれる。本発明は、更に、バリヤ被覆の外側表面、即ち、第２有機層の外向きの面に好都合に形成することのできる非金属無機層を含むまでに広がっている。本発明の別の例では、第１有機層はＥＴＦＥ熱可塑性層であり、金属層はアルミニウム層であり、第２有機層は、これもＥＴＦＥ熱可塑性層であり、非金属無機層はシリコン酸化物の層である。これらの層の組み合わせは、上に追加され、作動器が曝されている液体燃料、水、及び他の汚染物質からの透過に対する抵抗を実質的に改良する。
【００４３】
本発明は、上に述べた構成に限定されない。本発明は、有機層、金属層、又は非金属無機層で構成されているあらゆる一連の及び或る順序の層に関する。例えば、非金属無機層３３の塗布又は貼り付けは、外側のＥＴＦＥ熱可塑性層３２に限定されない。従って、第２又は第３の内側無機層は、内側有機層３１又は金属層３０の上に塗布又は貼り付けてもよい。
【００４４】
本発明の何れの実施形態のバリヤ被覆を形成するための方法も、上に述べた何れかの方法から適切に選択することができる。更に、他の適した方法を使用してもよい。それぞれがバリヤ被覆の一部を形成するように、方法を組み合わせて用いてもよい。封止バリヤ層を圧電作動器装置に塗布又は貼り付けるときは、不動態化層が既にそこに塗布又は貼り付けられていてもいなくても、標準的な階級の電気的接着を適切に用いることができる。
【００４５】
本発明は、圧電作動器スタックのバリヤ被覆に適用が限定されるものではない旨理解されたい。他の電気構成要素も、本発明の範囲から逸脱すること無く、バリヤ被覆で封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】既知の圧電作動器の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による、多層バリヤ被覆が設けられている図１の作動器の一部分の部分断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による、多層バリヤ被覆が設けられている図１の作動器の一部分の部分断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による、多層バリヤ被覆が設けられている図１の作動器の一部分の部分断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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