(57)【要約】圧電装置（２）が、装置本体を保護するようにカプセル化するためのカプセル化手段（３０）を有する装置本体を備え、カプセル化手段（３０ａ）がイオン交換膜（３０ａ）を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置本体を保護するようにカプセル化するためのカプセル化手段（３０）を有する装置本体を備え、前記カプセル化手段（３０）がイオン交換膜（３０ａ）を含む、圧電装置（２）。
【請求項２】
前記イオン交換膜（３０ａ）がカチオンに対して反応するように選択された、請求項１に記載の圧電装置（２）。
【請求項３】
前記イオン交換膜（３０ａ）がアニオンに対して反応するように選択された、請求項１に記載の圧電装置（２）。
【請求項４】
前記イオン交換膜（３０ａ）がバイポーラ型膜である、請求項１に記載の圧電装置（２）。
【請求項５】
前記バイポーラ型膜が、不活性の中間層をはさむ積層式の第１および第２のユニポーラ型膜を備える、請求項４に記載の圧電装置（２）。
【請求項６】
前記イオン交換膜（３０ａ）が均質である、前記請求項のいずれか一項に記載の圧電装置（２）。
【請求項７】
前記イオン交換膜（３０ａ）が不均質である、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電装置（２）。
【請求項８】
前記カプセル化手段（３０ａ）が前記イオン交換膜（３０ａ）の外側に隣接するポリマー絶縁層（３０ｂ）をさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の圧電装置（２）。
【請求項９】
噴射装置本体と前記請求項のいずれかに記載の圧電装置（２）とを備える、燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電装置に関し、具体的には、装置が作動する環境から装置を保護するカプセル化手段を備える圧電装置に関する。本発明は、圧電式で作動する自動車用燃料噴射装置のアクチュエータとして使用される圧電装置の場合に特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータを内燃機関の燃料噴射装置中で使用することは知られている。このような圧電式で動作可能な燃料噴射装置は、燃焼サイクルにおける噴射のタイミングと各噴射毎に送達される燃料の量を高度に制御できる。このことは、益々厳しくなる世界の環境規制に歩調をあわせるために不可欠な燃焼工程制御の改善を可能にする。このような燃料噴射装置は、圧縮点火（ディーゼル）エンジンまたは火花点火（ガソリン）エンジンで使用できる。
【０００３】
噴射装置の中には、圧電アクチュエータが、通常ディーゼル燃料、バイオディーゼル燃料またはガソリンである加圧された液体燃料に取り囲まれているものがある。典型的には、液体燃料は、約２００ＭＰａ（約２０００ｂａｒ）以上まで加圧される。この種の噴射装置は、例えば本出願人の欧州特許第９９５９０１号に記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電アクチュエータを損傷および潜在的な故障から保護するために、圧電アクチュエータは、本明細書で「カプセル化手段」と呼ばれる少なくとも１層の障壁材料でこの環境から隔離されなければならない。圧電アクチュエータを、液体燃料、およびその燃料中に望ましくない汚染物質として存在する可能性のある水分がアクチュエータの構造内に浸透するのを防ぐ働きをする不活性のフルオロポリマーでカプセル化することは知られている。圧電アクチュエータのカプセル化手段として有効であるために、カプセル化手段はまた、約−４０℃および約１６０℃の間の全動作温度範囲で燃料の浸透および水分に耐えることができなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記背景に対して本発明は、第１の態様において、装置本体を保護するようにカプセル化するためのカプセル化手段を有する装置本体を備え、カプセル化手段がイオン交換膜を含む、圧電装置を提供する。
【０００６】
本発明は、圧電アクチュエータの形態であることが好ましい圧電装置が、高圧燃料内に浸漬するように噴射装置内に収容されている、圧電式で作動する自動車用燃料噴射装置の場合に特に適している。本発明は、アクチュエータが、燃料内に存在する可能性があり、通過した場合にはアクチュエータに対する損傷を引き起こすおそれがあるイオン種の通過に対して不透過性の膜または層を備えるという利点を提供する。こうした損傷は、装置によって生成される高電界の存在によって助長される。
【０００７】
イオン交換膜は、カチオンに対して反応するように選択されてよく（例えばカチオン交換膜）、またはアニオンに対して反応するように選択されてよい（例えばアニオン交換膜）。本明細書で、用語「膜」および「層」は、交換可能に使用され、イオン交換膜を参照することに留意されたい。
【０００８】
代替の実施形態において、カプセル化手段はバイポーラ型イオン交換膜を含み、すなわちイオン交換膜はアニオンおよびカチオンの通過を防ぐ。バイポーラ型イオン交換膜は、不活性の中間層をはさむ積層式の第１および第２のユニポーラ型膜の形態であってよい。あるいは、バイポーラ型イオン交換膜は単層であってよい。
【０００９】
イオン交換膜は専らイオン交換材料で構成されてよく（すなわち均質な膜）、あるいは、不活性な基質に埋め込まれたイオン交換材料で構成されてよい（すなわち不均質な膜）。
【００１０】
使用時に、例えば浸漬される可能性のある加圧された燃料の諸要素からアクチュエータをさらに保護するために、カプセル化手段は、イオン交換膜の外側に隣接するポリマー絶縁層をさらに含んでよい。
【００１１】
第２の態様において、本発明は噴射装置本体および上述の圧電装置を備える燃料噴射装置を提供する。
【００１２】
より容易に理解することができるように、本発明について、これより例示のみを目的として、図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、多層式圧電アクチュエータ２の斜視図である。アクチュエータ２は、複数の内部電極６、８によって互いに分離された圧電層または圧電素子４のスタックから形成されている。通常、圧電素子４は、ＰＺＴとして当業者に知られるチタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電材料から形成される。図１に示されたアクチュエータの構造は、例示的なものにすぎず、実際にはアクチュエータ２は、示されているより多く（典型的には数百程度）の層および電極を、はるかに狭い間隔で含むことになることをここで述べておかねばならない。
【００１４】
内部電極６、８は、正の電極群（そのうち２つのみが６で識別されている）と負の電極群（そのうち２つのみが８で識別されている）の２つの群に分けられる。正の電極群６は、負の電極群８とインターディジテートされ、正の電極群がアクチュエータ２の正の外部電極１０と接続し、負の電極群がアクチュエータ２の正の外部電極１０と反対側の負の外部電極（図示せず）に接続している。
【００１５】
アクチュエータの構造によって、互いに極性が反対の内部電極間にアクティブ領域が生じる。外部電極間に電圧を印加すると、アクティブ領域が膨張する結果、アクチュエータ２の長手方向軸が伸張する。
【００１６】
使用時には、正負の外部電極は、隣接するインターディジテートされた内部電極６、８間で強度が急速に変化する電界を生成するように構成された印加電圧を受ける。印加される電界が変化することにより、アクチュエータ２は印加される電界の方向に沿って周期的に伸縮する。
【００１７】
圧電素子４に印加される高い電界によって、互いに極性が反対の内部電極の側端の間に電気アークのリスクが生じる。このようなアークを防ぐために、アクチュエータ２はまた、外部電極１０を除いて実質的にスタック４の表面全体を覆う電気的パッシベーション層２０を備えている。パッシベーション層２０の機能は、スタック表面に表出する内部電極６、８の端部を絶縁して、内部電極層６、８に印加される高い電圧を原因とする電気アークに対して保護することにある。
【００１８】
図２は、本発明に従って取り付けられたカプセル化手段３０を備える図１のアクチュエータ２を水平断面図で詳細に示す。本実施形態において、カプセル化手段３０は、実質的にアクチュエータ２の表面全体を覆うように標準グレードの電気用接着剤でアクチュエータ２に貼り付けられたイオン交換膜３０ａを含む。カプセル化手段３０はまた、膜を完全に覆うようにイオン交換膜３０ａの外側に隣接してアクチュエータ２に貼り付けられたポリマー材料、例えばＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥまたはＰＶＤＦなどのフッ素系ポリマーの層３０ｂを含む。カプセル化手段はまた、耐燃料性を提供するために、ＰＰＳ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫおよびＰＢＩなどの半結晶性ポリマーで形成されてよい。
【００１９】
イオン交換膜３０ａは、カチオンに対して反応するように選択され、したがって、カプセル化手段３０全体にわたってカチオンの侵入を防止する。カチオン交換膜３０ａがなければ、カプセル化手段は、アクチュエータが収容されている噴射装置の、燃料で充填された経路中に存在するカチオンを隔離するのに使用時に効果がないことになり、その結果、カチオンがアクチュエータ２に浸透し損傷を引き起こす可能性がある。イオン種の存在は、圧電アクチュエータにより生成される高い電界強度がイオン種のアクチュエータ構造への移動の増加を加速させる効果があるため特に問題である。
【００２０】
イオン交換膜の使用は、例えば脱塩処理、および酸と塩基性溶液を生成する上で知られている。カチオン交換膜は通常、ポリマー骨格に結合したスルホン酸基群を有し、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素系ポリマーか、あるいはポリエーテルケトンを適切に構成する。膜３０ａに入るカチオンは、膜の中に存在する酸性官能基の陽子と交換可能である。膜３０ａのイオン保持力は、ｍｅｑ／ｇで与えられるいわゆるイオン交換容量で特徴づけられる。一般的なスルホン酸系カチオン交換膜のイオン交換容量は、２ｍｅｑ／ｇ程度である。イオンの移送は、いわゆる「ビークル機構（ｖｅｈｉｃｌｅ−ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）」が水中に存在するときに加速される。使用時に、カチオン交換膜は陽子を放出し、これにより水素が少量発生し得る。水素イオンは、圧電アクチュエータの構造上使用される材料中に導電性通路を形成すると考えられていない。
【００２１】
カチオン交換膜は、大抵、薄膜またはチューブの形態で入手可能である。カチオン交換膜は、自然に水中で溶解しているＫ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋などのカチオンを保持し交換するのに適している。
【００２２】
カチオン交換膜３０ａは、標準電気グレードの接着剤によってアクチュエータに接着される。標準グレードの電気用接着剤は、パッシベーション層が貼り付けられていても、いなくてもよい圧電アクチュエータに、障壁被覆を施すときに適切に使用することができる。
【００２３】
ポリマー層３０ｂは、使用時に、アクチュエータが浸漬される高圧の燃料からアクチュエータ２を保護する障壁を実現するように働く。ポリマー層は、アクチュエータをその中で受けることができるようにスタックの外側寸法より大きい初期直径を有する熱収縮チューブとして貼り付けられることが好ましい。チューブを加熱すると、チューブの直径が短くなり、アクチュエータ２の輪郭にしっかり合うように収縮する。熱収縮チューブは、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥまたはＰＶＤＦなどのフルオロポリマーの形態であることが好ましい。
【００２４】
代替の実施形態では、イオン交換膜３０ａはアニオンに対して反応するように選択される。このようなアニオン交換膜は通常、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）官能基を含む。アニオン交換膜は、有害となり得る塩化銀（ＡｇＣｌ）を生成する可能性のある塩化物イオン（Ｃｌ−）などのアニオンや他の導電相の圧電式スタックへの通過を防ぐことができる。
【００２５】
より高いイオン交換容量が、架橋したポリベンゾイミダゾールビニル亜リン酸（ＰＢＩ−ＶＰＡ）膜で達成できる。このような膜では、ポリマー骨格は耐熱、耐ケミカル性のポリベンゾイミダゾール材料である。イオンの移送および拡散は、この材料では架橋の量によって、電子かまたは化学的官能性を介してさらに制御できる。
【００２６】
イオン保護を改善するために、代替の実施形態は、アニオンおよびカチオンの交換官能性の組合せを備える。ある変形形態では、多層のカプセル化組立体を構築するように１つまたは複数のアニオン交換膜と１つまたは複数のカチオン交換膜とを不活性のＰＴＦＥポリマー層と介挿して、二重のイオン交換官能性をもたらす。層は、当技術分野でポリマー対ポリマー接合として知られる技術を使用して、互いに接合される。各イオン交換膜およびＰＴＦＥ層の適切な厚さは、約１ミクロンと約５００ミクロンの間で障壁被覆の必要要件に応じて変わる可能性がある。イオン交換膜の層の厚さは約２００ミクロンであることが好ましい。
【００２７】
さらなる変形形態では、二重のイオン交換官能性を、バイポーラ型イオン交換膜によってもたらす。バイポーラ型イオン交換膜は、共通界面全体にわたって一体にされた、一方の層がカチオン、他方の層がアニオンの、熱可塑性の均質合成有機ポリマー材料の２層を備える。バイポーラ型積層膜は、どちらの層も、例えば、ポリエチレンスチレングラフトポリマー薄膜またはガラス繊維強化ＰＴＦＥから導出して製造することができる。
【００２８】
本発明によってアクチュエータ２は、使用時にそれが置かれる湿度のある環境からの改善された保護を与えられる。組み合わせることにより、カプセル化手段は、液体成分（例、燃料と水）およびイオン種（例、水性溶質）の浸透に対する耐性をもたらす。その結果、カプセル化手段は大きく改善された性能を示し、このようなカプセル化されたアクチュエータが故障する傾向を減らす。
【００２９】
上記の実施形態には、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることを理解されたい。例えば、上記で圧電アクチュエータは単一のイオン交換膜を有するカプセル化手段を含むと記載されているが、これが常である必要はないことおよび多層式イオン膜組立体を形成するためにバイポーラ型および／またユニポーラ型イオン交換膜の複数の層が使用されてよいことを理解されたい。このような組立体はまた、例えばＰＴＦＥ製の、不活性な介挿された層状の薄膜を含んでよい。このようにして本発明は、圧電アクチュエータにイオン交換膜と不活性材料の層とが交互の多層式カプセル化手段を提供する。このような構成はアクチュエータが燃料中に存在するイオン元素から保護される時間の長さを伸ばすのに有利であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】既知の圧電アクチュエータの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態によるカプセル化手段を有する図１の圧電アクチュエータの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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