(57)【要約】  本発明は、包封されたアクチュエータ、ならびにアクチュエータ／積層体を包封部材に封入する方法に関し、アクチュエータ／積層体は、少なくとも、最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材と、これを覆う最外部の熱収縮性重合体スリーブ部材とを備える。スリーブ部材は、それぞれ異なる収縮温度を有し、最外部のスリーブ部材の収縮温度は、最内部のスリーブ部材の収縮温度より高い。方法は、原則的に、以下のステップ：ａ．最内部のスリーブ部材の内側に積層体を配置するステップと、ｂ．最内部のスリーブ部材を覆うように最外部のスリーブ部材を配置するステップと、ｃ．積層体からガスを抜くように真空下に積層体を設置するステップと、ｄ．最外部のスリーブ部材を収縮させるように最外部のスリーブ部材の収縮温度を超えて積層体を加熱するステップと、ｅ．大気圧下で積層体を設置するステップと、ｆ．積層体を冷却するステップと、を含む。【選択図】図１
2013516772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータ積層体および電気的接続手段を備えるアクチュエータを包封する方法であって、前記積層体が、包封部材に包封され、前記包封部材が、少なくとも、最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材と、前記最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材を覆う最外部の熱収縮性重合体スリーブ部材とを備え、前記最内部及び最外部のスリーブ部材が、それぞれ異なる収縮温度を有し、前記最外部のスリーブ部材の前記収縮温度が、前記最内部のスリーブ部材の前記収縮温度より高く、
ａ．前記最内部のスリーブ部材の内側に前記積層体を配置するステップと、
ｂ．前記最内部のスリーブ部材を覆うように前記最外部のスリーブ部材を配置するステップと、
ｃ．前記積層体からガスを抜くように、真空下に前記積層体を設置するステップと、
ｄ．前記最外部のスリーブ部材を収縮させるように、前記最外部のスリーブ部材の前記収縮温度を超えて前記積層体を加熱するステップと、
ｅ．大気圧下に前記積層体を設置するステップと、
ｆ．前記積層体を冷却するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記方法が、ステップａとステップｂとの間で、
ａ１）前記最内部のスリーブ部材を収縮させるように、前記最内部のスリーブ部材の前記収縮温度を超えて前記積層体を加熱するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最内部及び最外部のスリーブ部材が、異なる溶融温度を有し、前記最外部のスリーブ部材の前記収縮温度が、前記最内部のスリーブ部材の前記溶融温度より高く、前記最内部のスリーブ部材が、ステップｃの間に溶融される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記方法が、ステップａとステップｂとの間で、前記最内部のスリーブ部材の周りを金属膜で包むステップをさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、ステップａとステップｂとの間で、１つまたは複数の他のスリーブ部材の内部に前記積層体を配置するステップをさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記方法が、前記アクチュエータを端部封止するステップをさらに含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記方法が、前記包封部材を成形するように前記包封部材を機械的に圧縮するステップをさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータ積層体が、包封前に不動態化される、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
圧電アクチュエータ積層体および電気的接続手段を備える、包封されたアクチュエータであって、前記積層体が、包封部材に包封され、前記包封部材が、少なくとも、最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材と、前記最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材を覆う最外部の熱収縮性重合体スリーブ部材とを備え、前記最内部及び最外部のスリーブ部材が、それぞれ異なる収縮温度を有し、前記最外部のスリーブ部材の前記収縮温度が、前記最内部のスリーブ部材の前記収縮温度より高い、包封されたアクチュエータ。
【請求項１０】
前記包封部材が、前記最内部のスリーブ部材の周りに金属膜をさらに備える、請求項９に記載の包封されたアクチュエータ。
【請求項１１】
前記包封部材が、前記最内部のスリーブ部材と前記最外部のスリーブ部材との間に、少なくとも１つの他の熱収縮性の重合体スリーブ部材を備える、請求項９または１０に記載の包封されたアクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電アクチュエータ積層体が、不動態化された圧電アクチュエータ積層体である、請求項９から１１のいずれかに記載の包封されたアクチュエータ。
【請求項１３】
前記スリーブ部材の前記収縮温度の間の差が、５℃〜６０℃の範囲にある、請求項９から１２のいずれかに記載の包封されたアクチュエータ。
【請求項１４】
前記スリーブ部材の前記収縮温度の間の差が、好ましくは少なくとも１０℃、より好ましくは少なくとも２０℃、最も好ましくは少なくとも３０℃である、請求項９から１３のいずれかに記載の包封されたアクチュエータ。
【請求項１５】
前記スリーブ部材の前記収縮温度の間の差が、好ましくは６０℃以下、より好ましくは５０℃以下、最も好ましくは４０℃以下である、請求項９から１４のいずれかに記載の包封されたアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、内燃機関の燃料系、特に蓄積式またはコモンレール式の燃料系の中で使用するための燃料噴射器を組み立てる方法に関し、燃料噴射器は、圧電アクチュエータを使用して制御される方式のものである。
【背景技術】
【０００２】
[0002]内燃機関の燃料噴射器の中で圧電アクチュエータを使用することは知られている。そのような圧電的に動作可能な燃料噴射器は、燃焼サイクル内の噴射事象のタイミングおよび各噴射事象の間に分配される燃料の体積に対して、高度な制御をもたらす。このことは、燃焼過程に対する改善された制御を可能にし、このことは、厳格さを増す世界的な環境規制に対応するために不可欠である。そのような燃料噴射器は、圧縮点火（ディーゼル）エンジンまたは火花点火（ガソリン）エンジンにおいて使用されうる。
【０００３】
[0003]自動車用燃料噴射器の中で使用するために設計される典型的な圧電アクチュエータユニットは、圧電素子もしくは圧電層と平面内部電極とが交互に連続して形成される積層構造を有する。圧電層は、同じく、交互に連続する反対に分極した層を形成し、内部電極は、交互に連続する正および負の内部電極を形成する。正の内部電極は、第１の外部電極と電気的に接続しており、以下、正側の電極と呼ぶ。同様に、負の群の内部電極は、第２の外部電極と電気的に接続しており、以下、負側の電極と呼ぶ。
【０００４】
[0004]電圧が、２つの外部電極の間に加えられる場合、正および負の内部電極の隣接対それぞれの間にもたらされる電界が、各圧電層、それゆえ圧電積層体に、その長さに沿った、すなわち各内部電極の平面に垂直な軸に沿った応力を受けさせる。圧電層の分極のため、印加電圧を調節することによって、応力の大きさが制御されうるばかりでなく、印加電圧の極性を切り替えることによって、応力の方向が反転されうるという結果になる。印加電圧の大きさおよび／または極性を急速に変えることが、圧電層にまたがる電界の強さおよび／または方向における急速な変化を拭き起こし、結果的に圧電アクチュエータの長さに、急速な変化を引き起こす。典型的には、積層体の圧電層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの強誘電材料で形成される。
【０００５】
[0005]そのようなアクチュエータは、例えば、本出願人の欧州特許である欧州特許第０９９５９０１号から知られる種類の燃料噴射器の中での使用に適する。燃料噴射器は、アクチュエータの長さの変化が、弁針の運動をもたらすように配置される。したがって、弁針は、アクチュエータの長さを制御することによって、弁座から持ち上げられ、または弁座の上に下ろされることができ、それにより、ある量の燃料が、弁座の中に設けられた穿孔（drilling）を通過することを許容する。
【０００６】
[0006]使用中、そのような燃料噴射器のアクチュエータは、高圧の燃料で取り囲まれる。燃料圧力は、２００メガパスカル（２０００バール）以上になりうる。圧電アクチュエータを損傷および潜在的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「包封（encapsulation）部材」と呼ばれる、少なくとも一層の障壁材料（barrier material）によって、この環境から隔離される必要がある。例えば、本出願人の欧州特許出願公開第１３５６５２９号に説明されるように、圧電アクチュエータを不活性フッ素重合体で包封する（encapsulate）ことが知られており、そのことが、液体燃料、水、および水または燃料の中に溶解している汚染物質が、アクチュエータの構造の中に浸透するのを防止するように働く。圧電アクチュエータを包封する手段として合格するために、包封手段は、同様に、約１０年である燃料噴射器の寿命の間、約−４０℃と約１７５℃との間の全動作温度範囲にわたって、燃料および水の浸透に耐えうることが必要である。
【０００７】
[0007]自動車用燃料噴射器の中で使用するのに適切な圧電アクチュエータは、装置本体を保護的に包封するように装置本体支持包封部材を備え、包封部材は、いくつかの有機層（organic layer）を含み、少なくとも１つの金属層が、本出願人のＰＣＴ特許出願の国際公開第２００７０９３９２１号から知られる。
【０００８】
[0008]フッ素重合体に基づく、知られている包封体は、ディーゼル燃料、菜種メチルエステル（ＲＭＥ）に基づく燃料、および水などの液体に対して完全には不浸透性でないこと、ならびに妥当なコストでより良い包封を確実にするために、さらなる努力が必要であることが分かった。実際、燃料または他の液体が、包封手段を通して浸透し、圧電アクチュエータの、ひいては全体としての燃料噴射器の致命的な構成要素故障につながる時期については、多くの場合、時間と温度との問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[0009]この背景に対して、長時間にわたって、燃料、水、およびそれらの中の他の物質に対して低減された浸透性をもたらす、改善された包封方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0010]この目的は、圧電アクチュエータ積層体および電気的接続手段を備えるアクチュエータを包封する方法であって、積層体が、包封部材に包封され、前記包封部材が、少なくとも、最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材と、これを覆う最外部の熱収縮性重合体スリーブ部材とを備え、スリーブ部材が、それぞれ異なる収縮温度を有し、最外部のスリーブ部材の収縮温度が、最内部のスリーブ部材の収縮温度より高く、
ａ．最内部のスリーブ部材の内側に積層体を配置するステップと、
ｂ．最内部のスリーブ部材を覆うように最外部のスリーブ部材を配置するステップと、
ｃ．積層体からガスを抜くように真空下に積層体を設置するステップと、
ｄ．最外部のスリーブ部材を収縮させるように最外部のスリーブ部材の収縮温度を超えて積層体を加熱するステップと、
ｅ．大気圧下に積層体を設置するステップと、
ｆ．アクチュエータを冷却するステップと
を含む、方法によって達成される。
【００１１】
[0011]本発明による方法の主要な利点は、長時間にわたって、改善された燃料封止を有する圧電アクチュエータ積層体を提供することにある。
[0012]包封手段が、異なる収縮温度を有する熱収縮性材料の少なくとも２つの層を備えるという事実、および積層体が真空のもとで加熱され、収縮が真空のもとで発生し、圧力が回復されて初めて、積層体が大気温度に冷却されるという事実が、燃料封止特性を大幅に向上させるのみならず、圧電積層体の中の亀裂に起因する電気的故障に対する耐性を改善することを可能にする。したがって、本発明による包封方法は、長時間にわたって、燃料、水、およびそれらの中の他の物質に対する低減された浸透性を提供する。
【００１２】
[0013]通常、「熱収縮体（heat shrink）」または「収縮管（shrink tubing）」と呼ばれる、熱収縮性のスリーブまたは管はよく知られており、線、電気的構成要素および他の対象物を束ね、電気的に絶縁し、保護するために、主として使用される。
【００１３】
[0014]スリーブの元々の内径は、覆われる構成要素の上を滑動するのに十分な大きさに選択され、スリーブは、その後、熱エネルギー源を使用してスリーブを加熱することによって積層体の上に収縮される。
【００１４】
[0015]多数の重合体が、現在、熱収縮性スリーブを生産するために利用可能である：
・ＰＴＦＥ（フッ素重合体）管は、最大の動作温度範囲（−２７０℃〜２６０℃）と、低い摩擦係数と、高い耐化学薬品性とを有する。１．５：１、２：１、および４：１の収縮比が、市販されている。
【００１５】
・Ｖｉｔｏｎは、高い耐化学性および高い柔軟性を有する別のフッ素重合体である。Ｖｉｔｏｎは、通常、成形品または押出品において使用される合成ゴムおよびフッ素重合体エラストマの商標である。名称は、ＤｕＰｏｎｔ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ  Ｌ．Ｌ．Ｃ．の登録商標である。Ｖｉｔｏｎフッ素エラストマは、ＡＳＴＭ  Ｄ１４１８＆ＩＳＯ  １６２９  ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＦＫＭの下で分類される。このクラスのエラストマは、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）およびフッ化ビニリデン（ＶＤＦまたはＶＦ２）の共重合体、テトラフルオロエチレンのターポリマ（ＴＦＥ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）およびヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）、ならびに特殊性を含むペルフルオロメチルビニルエーテル（ＰＭＶＥ）を含む族（family）である。
【００１６】
・ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）管は、−５５℃から１５０℃まで（可撓性ＰＶＤＦ）または１７５℃まで（半剛性のＫｙｎａｒ）の高温用途を意図されている。共通の収縮比は２：１であり、収縮温度は約１７０℃に及ぶ。
【００１７】
・フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）は、ＰＴＦＥに対する低コストの代替品である。その動作温度範囲は、２０４℃までであり、収縮温度は低く、１９０℃である。利用可能な収縮比は、３：１および６：１である。
【００１８】
・シリコンゴムは、引っ掻き摩耗（scrape abrasion）に対する優れた耐性と、高い柔軟性とを提示する。収縮温度は、２００℃である。
[0016]本発明の背景において特に好ましいのは、熱収縮性スリーブのための以下の熱可塑性重合体：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）熱可塑性物質、ポリビニルジフルオライド（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）もしく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）、およびテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびビニリデンフルオライド（ＴＨＶ）の重合体、である。
【００１９】
[0017]本発明の第２の態様は、上で論じられた方法を提供し、方法は、ステップａとｂとの間の以下のステップ
ａ１）前記最内部のスリーブ部材を収縮させるために、最内部のスリーブ部材の収縮温度を超えて積層体を加熱するステップ、
をさらに含む。
【００２０】
[0018]この「二重収縮」は、積層体に対して特に緊密に密着した包封を成し遂げることを可能にする。
[0019]本発明の別の態様は、上で論じられた方法を提供し、スリーブ部材は、異なる溶融温度を有し、最外部のスリーブ部材の収縮温度は、最内部のスリーブ部材の溶融温度より高く、最内部のスリーブ部材は、ステップｃの間に溶融される。
【００２１】
[0020]好ましい実施形態によれば、方法は、ステップａとステップｂとの間で、１つまたは複数のさらなる追加のスリーブ部材の内部に積層体を配置するステップをさらに含む。これらのスリーブ部材は、例えば、燃料の１つまたは複数の特定の成分に関して改善された不浸透性などの特別な特性を提示する、異なる材料で作られてよい。
【００２２】
[0021]方法は、ステップａとステップｂとの間で、最内部のスリーブ部材の周りを金属膜で包むステップをさらに含んでよい。また、金属層が、例えば国際公開第２００７／０９３９２１号に記載されるように、有機内層の間に適用されてよい。
【００２３】
[0022]最内部のスリーブ部材の材料は、積層体または最外部のスリーブ部材および／または任意選択の金属膜への接着を容易にするために、基板または積層体の表面に接着させるために、化学的または物理的に修正されてよい。
【００２４】
[0023]方法は、アクチュエータを端部封止する（end seal）ステップをさらに含んでよい。例えば、欧州特許出願公開第１７８３８４２号、国際公開第２００７／１２８９４８号、欧州特許出願公開第１９７８２４２号、欧州特許出願公開第２０１４９６６号、または欧州特許出願公開第２０８６０２８号の特許出願に記載されるように、適切な端部封止するステップが、包封体の重合体を締め付け力によって機械的に圧縮するステップによって、燃料に耐性のある封止材を基板と重合体との間に設置する（または設置しない）ステップによって、および封止特性を改善するために基板を成形するステップによって、達成されてよい。
【００２５】
[0024]必要とされない可能性はあるが、圧電アクチュエータ積層体は、包封の前に不動態化されてよい。
[0025]上で論じられた実施形態の発想は、多層配置（multi layer arrangement）における、最内部のスリーブ部材および任意選択の他のスリーブの再溶解される材料のための容器として、最外部の（外側の）熱収縮性スリーブを使用することである。有機の最内部のスリーブの溶融は、真空の下で最外部の（外側の）層を収縮させている間に成し遂げられる。内部のスリーブ部材の材料を溶融することによって、優れた付着力が、層自体の間、および該当する場合は、層と金属膜との間に達することができ、そのことが、包封全体の浸透特性を向上させる。また、包封の機械的安定性が増大される。
【００２６】
[0026]方法は、噴射器とのより良い密着を成し遂げるために、包封部材を、成形するために機械的に圧縮するステップをさらに含んでよい。
[0027]結果としてもたらされる、再溶融された多層包封を有する積層体の利点は複数ある。すなわち、
・環境（高圧の燃料）からアクチュエータをより良く保護すること：各障壁の材料は、燃料または添加物の特定の成分に対する保護を考慮して選択され、適合され得る。
【００２７】
・アクチュエータの電気ブリッジ（electrical bridge）を埋め込むことが、アクチュエータをより堅固にし、亀裂のリスクを低減する。
・アクチュエータの形状を滑らかにし、非常に鋭い幾何学的形状の変化によって包封体の中に導かれる応力を減少させる。
【００２８】
・包封手段の内部の自由空間を無くすことによって、包封手段の内部における燃料のポンピング効果を回避すること。
・圧電積層体の不動態化を、最も内側の重合体層によって置き換えることができ、それゆえ、導電材料が危険域（critical region）で搬送されることを回避する。
【００２９】
・端部基板（end pieces substrate）においてすべての隙間および表面の欠陥を満たすことによって端部封止性能を向上させること。
[0028]また、本発明は、圧電アクチュエータ積層体および電気的接続手段を備える、包封されたアクチュエータであって、積層体が、包封部材に包封され、前記包封部材が、少なくとも、最内部の熱収縮性重合体スリーブ部材と、これを覆う最外部の熱収縮性重合体スリーブ部材とを備え、スリーブ部材が、それぞれ異なる収縮温度を有し、最外部のスリーブ部材の収縮温度が、最内部のスリーブ部材の収縮温度より高い、包封されたアクチュエータに関する。
【００３０】
[0029]好ましい実施形態によれば、包封部材は、最内部のスリーブ部材の周りに置かれた金属膜をさらに備える。
[0030]そのような金属膜は、当業者に知られている異なる方法で実現されうる。いくつかの適切な例が、国際公開第２００７０９３９２１号において、より詳細に説明される。アルミニウムおよびステンレススチールが、金属膜に対して好ましい。
【００３１】
[0031]包封部材は、最内部のスリーブ部材と最外部のスリーブ部材との間に、少なくとも１つの他の熱収縮性重合体スリーブ部材をさらに備えてよい。
[0032]代替的実施形態では、圧電アクチュエータ積層体は、不動態化された圧電アクチュエータ積層体であってよい。
【００３２】
[0033]スリーブ部材の収縮温度の間の差は、好ましくは、５℃〜６０℃の範囲にある。スリーブ部材の収縮温度の間の差は、好ましくは少なくとも１０℃、より好ましくは少なくとも２０℃、最も好ましくは少なくとも３０℃である。スリーブ部材の収縮温度の間の差は、好ましくは６０℃以下、より好ましくは５０℃以下、最も好ましくは４０℃以下である。
【００３３】
[0034]次に、本発明の好ましい実施形態が、添付の図面を参照して、例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】圧電アクチュエータを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
[0035]図１を参照すると、全体として１０で言及される包封されたアクチュエータ装置は、圧電素子の積層体を備える。アクチュエータ装置は、内燃機関の気筒に燃料を分配するための燃料噴射器の中で使用するのに適切な種類のものである。アクチュエータ装置は、アクチュエータ１０の上端および下端（top and bottom extremities）において、端部（end piece）１２、２６および端部封止（end sealing）１４、２４を備える。アクチュエータの包封体は、ＰＺセラミック不動態化処理（圧電セラミック層の間の電気的短絡を回避する有機層）１６、金属膜１８、および最外部のスリーブ２０を備える。最内部のスリーブ２２は、ＰＺセラミック不動態化処理１６と金属膜１８との間に挟まれる。最内部のスリーブ２２は、再溶融された重合体材料で作られ、最外部のスリーブ２０と同じように、端部封止１４、２４の下部に延びる。最内部のスリーブが、真空の下で溶融されるという事実が、いかなる隙間をも充填することを可能にする。
【００３６】
[0036]適切な材料の例は、
・内部スリーブ：２００℃の収縮温度および２２５℃の溶融温度を有する、旭硝子株式会社によるＥＴＦＥ  ＬＭ  ７２０、
・外部ＨＳ：２４０℃の収縮温度および２６０℃の溶融温度を有するＥＴＦＥ  ＤＡＩＫＩＮ  ＥＰ５２１、
・金属膜：ＡＩＳＩ  ３０４、３０１、３１６による、２０μｍのＡｌまたは１０μｍのステンレススチールを有する積層膜
である。
【００３７】
[0037]絶縁層１６を供給される積層体は、ポリイミド（例えば、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標））など、高い絶縁耐力（dielectric strength）を有する重合体で作られ、不動態化層として働く。次いで、積層体は、例えばＥＴＦＥ  ＬＭ  ７２０で作られた重合体のスリーブの内部に誘導され、次いで、スリーブが収縮されるように、約２０分の間、約２００℃に加熱される。冷却後、次いで、積層体は、上で論じられたように、金属箔で包まれ、例えばＥＴＦＥ  ＤＡＩＫＩＮ  ＥＰ５２１で作られた第２のスリーブの中に導入される。第２のスリーブ材料が、内部スリーブに使用される材料より高い収縮温度および高い溶融温度を有することに留意することは価値がある。次いで、積層体は、オーブンの中に導入され、約１００パスカル（１０ミリバール）の真空が、オーブン内で生成される。その後、部品は、真空の下で、約２４０℃で約６０分間加熱され、それにより、内部スリーブの材料が溶融し、外部スリーブの材料が収縮する。次いで、大気圧が、オーブン内に回復され、部品が取り出されて雰囲気温度で冷却される。
【符号の説明】
【００３８】
１０  アクチュエータ
１２  アクチュエータの端部
１４  端部封止
１６  ｐｚセラミック不動態化処理
１８  金属膜
２０  最外部のスリーブ
再溶融された重合体の最内部のスリーブ
２２  ポリマー
２４  端部封止
２６  端部
【図１】
2013516772.tif 000003
【国際調査報告】
2013516772.tif 000004
2013516772.tif 000005