JP5295100B2

JP5295100B2 - グラジエント−カプセル層を有する圧電アクチュエータおよび該圧電アクチュエータの製造法

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Publication number: JP5295100B2
Application number: JP2009507061A
Authority: JP
Inventors: バイアーハイナー; フロイデンベルクヘルムート; ガンシュターアクセル; ハマンクリストフ; ヘニッヒオリヴァー; ダールイェンセンイェンス; ルガートギュンター; モックランドルフ; シューカールステン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: CN101432902A; JP2009535794A; EP2013920B1; US20090278423A1; US8198783B2; DK2013920T3; WO2007125059A3; DE502007006883D1; CN101432902B; EP2013920A2; ATE504945T1; WO2007125059A2; DE102006019900A1

Description

１．本発明の技術分野
本発明は、圧電アクチュエータのグラジエント−カプセル層(Gradient-Verkapselungsschicht)の製造法ならびにグラジエント−カプセル層を有す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省略して圧電アクチュエータの需要が、例えば自動車産業の最新のディーゼル噴射システムにおけるその増大する利用に基づき急激に増大してきた。同様に、この需要は圧電アクチュエータの開発も促進している。種々の新しい噴射構造もしくはインジェクタ構造においては、圧電アクチュエータは完全にディーゼル燃料によって取り囲まれている。噴射装置のこのタイプの構造は、"ウェットデザイン(wet design)"とも称される。

圧電アクチュエータは、汚染されたまたは添加剤によって変質されたディーゼル燃料との直接的な接触に際して化学的かつ電気的に腐食されるので、相応する保護カバー(Schutzhuelle)が圧電アクチュエータのために供給されなければならない。この保護カバーは、導電性燃料によって起こり得る短絡に対して電気的に絶縁すべきであるのみならず圧電アクチュエータの構成部材への周囲の燃料による腐食に対して化学的に絶縁すべきである。従来技術においては、圧電アクチュエータを取り囲む様々の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関する例はコルゲートパイプである。該金属ハウジングは適した液状の充填材料で充填されており、燃料によってもたらされる圧力を内部の圧電アクチュエータに伝達することを実現している。しかしながらこの構造的な解決策はその製造に費用がかかり、かつ大きなスペースを要するという欠点を有する。

それゆえ本発明の課題は、圧電アクチュエータを外側の影響に対して電気的かつ化学的に確実に絶縁することを保証する、圧電アクチュエータのための保護を提供することである。

３．本発明の要約
上述の問題は、独立請求項１に記載の圧電アクチュエータのグラジエント−カプセル層の製造法によって、ならびに独立請求項８に記載のグラジエント−カプセル層を有する圧電アクチュエータによって解決される。本発明の発展形態および利点は、以下の説明、図面および従属請求項から明らかになる。

上述の製造法により圧電アクチュエータのグラジエント−カプセル層が作製され、そうして付加的なハウジング状のカバー構造体を有さない圧電アクチュエータが外側に対して保護される。この製造法は、以下の工程：ａ）選択された媒体に対して化学的耐性である第一の原材料からの第一の粒子を第一の粉末コンベヤーに積載する工程、ｂ）弾性の材料特性を持つ第二の原材料からの第二の粒子を第二の粉末コンベヤーに積載する工程、およびｃ）グラジエント−カプセル層が生じるように、第一および第二の粉末コンベヤーによって第一および第二の粒子を圧電アクチュエータの表面に溶射、殊にコールドガス溶射(Kaltgasspritzen)する工程を有する。

本発明による方法は、溶射法、殊にコールドガス溶射により作業される。この方法の場合、相応する表面への施与前にコーティング材料の溶融は行われない。その代わりに、様々の原材料の粉末粒子が高い運動エネルギーによりコーティングされるべき表面に噴霧される。個々の粒子が表面に衝突する際、個々のどの粒子についても局所的な溶接−／溶融帯域が生じる。コールドガス溶射された粒子が圧電アクチュエータの表面に層を形成する一方で、出発材料の特性は変化しないかまたはごくわずかしか変化しない。それゆえ圧電アクチュエータにグラジエント−カプセル層を作製するために、様々の原材料または原材料組成物の粒子が施与され、そうしてグラジエント−カプセル層内で目的に合わせてグラジエント−カプセル層の物理的および／または化学的な特性が調整可能となる。グラジエント−カプセル層を施与する間、様々の粒子の割合が変化させられ、それによってグラジエント−カプセル層の様々の層深さにおいて、もしくは圧電アクチュエータの表面に対する様々の間隔においてこの層内で様々の物理的および／または化学的な特性がもたらされる。

本製造法の実施態様に従って、グラジエント−カプセル層において、その層厚に応じて第一および／または第二の粒子の化学的および／または物理的な材料特性が化学的および／または物理的な層特性を決定し、かつこの層特性がグラジエント−カプセル層の層厚とともに変わるようにするために、コールドガス溶射中に第一の粒子の割合および／または第二の粒子の割合が変化させられる。

圧電アクチュエータを、例えば高圧下でのディーゼル燃料における使用に際して十分に保護するために、グラジエント−カプセル層は化学的のみならず機械的にも保護されていなければならない。化学的な保護は、グラジエント−カプセル層が周囲のディーゼル燃料に接する、燃料の化学的な腐食に対して耐性である金属領域を有することによって保証される。この種の金属領域は、金属粒子、有利には球状金属粒子のコールドガス溶射によって得られる。

有利には、圧電アクチュエータの標準運転からの過負荷をかける伸びから外側の金属領域を保護するために、圧電アクチュエータの表面とグラジエント−カプセル層における金属領域との間に、良好な弾性変形性によって際立つ領域が作製される。例えばポリマーまたは他のプラスチックが提供するこれらの弾性特性によって圧電アクチュエータの通常の運転伸びは、圧電アクチュエータの表面との間隔が増大するにつれてグラジエント−カプセル層内で緩和され、そうして圧電アクチュエータの伸びのほんの一部しかグラジエント−カプセル層の金属領域に伝えられないことから、これは損傷されない。グラジエント−カプセル層内のこの種の弾性領域は、プラスチックでコーティングされた金属粒子のコールドガス溶射によってか、または第二の粒子としてのプラスチック粒子のコールドガス溶射によって生成可能である。プラスチックでコーティングされた金属粒子は、例えばＣａｐｓｕｌｕｔｉｏｎＮａｎｏＳｃｉｅｎｃｅＡＧ，ＢｅｒｌｉｎのＬＢＬ法により製造される。

第二の粒子の材料特性を、それが弾性の材料特性と同時に電気的に絶縁作用も示すように調整することも同様に考えられうる。これは第二の粒子を圧電アクチュエータの表面に直接施与し、そうして外側に突出する内部電極間の短絡ならびに、例えば極性に亀裂が生じた場合の負の影響を防止するために適していると考えられる。

第三の粒子の原材料特性を、その割合に応じてグラジエント−カプセル層において目的に合わせてグラジエント−カプセル層の層厚領域において層特性として生成可能とするために、付加的に少なくとも第三の粒子のコールドガス溶射を実施することも同様に考えられうる。

本発明によるグラジエント−カプセル層を有する圧電アクチュエータは、以下の特徴：ａ）圧電アクチュエータ、有利には多層アクチュエータ、ｂ）圧電アクチュエータの表面との間隔が増大するにつれて変わる、少なくとも１つの化学的および／または物理的な特性を有する、圧電アクチュエータの外側表面に施与されたグラジエント−カプセル層を有する。有利には、グラジエント−カプセル層のこの特性は、圧電アクチュエータの表面との間隔が増大するにつれて漸次変わる。

有利な一実施態様によれば、グラジエント−カプセル層は圧電アクチュエータの表面に接して弾性の材料挙動の第一の領域を包含し、かつグラジエント−カプセル層の外側の面に接して化学的に抵抗力のある材料挙動を有する第二の領域を包含する。これは例えば、第一の領域がプラスチックまたはプラスチック−金属−混合物から成り、かつ第二の領域が金属から成ることによって達成される。

４．添付図面の説明
本発明は、添付図面の参照下でより詳しく説明される。これは有利な実施態様によるグラジエント−カプセル層を有する圧電アクチュエータの概略的な断面図を示す。

５．有利な実施態様の詳細な説明
図は、グラジエント−カプセル層２０を有する圧電アクチュエータ１の概略図を示す。グラジエント−カプセル層２０は、圧電アクチュエータ１の表面１０に施与されている。有利には、該グラジエント−カプセル層は、圧電アクチュエータ１のスタック方向３０と平行にその表面１０において延伸する。さらなる代替案によれば、圧電アクチュエータ１は完全にグラジエント−カプセル層２０によって包囲されている。

グラジエント−カプセル層２０はコールドガス溶射によって作製される。この方法は、表面への施与前にコーティング材料の溶融が行われない溶射の形をとる。コールドガス溶射によってグラジエント−カプセル層２０を作製するために、コーティング材料は粉末の形で高い運動エネルギーにより圧電アクチュエータの表面１０に噴霧される。このためにグラジエント−カプセル層２０の出発材料もしくは原材料は公知の粉末コンベヤーによりキャリアーガスに供給され、そうしてキャリアーガスがコーティング材料の粒子を表面１０の方向に加速させる。

コーティング材料の粒子の準備以外に、粉末コンベヤーによって、どういった組成で、加速させられる粉末粒子の量が圧電アクチュエータ１の表面１０に向けられるかが調整される。これは、グラジエント−カプセル層２０の物理的および化学的な特性を目的に合わせてグラジエント−カプセル層２０の様々の深さ領域において調整するために重要である。すなわち層形成にも関わらず、出発材料またはコールドガス溶射中に施与されるべき粉末粒子の化学的および機械的な特性は変化しないか、またはほんのわずかしか変化しない。それゆえ出発材料もしくは少なくとも２つの粉末の粒子の割合がグラジエント−カプセル層２０の形成に際してどのように選択されるかに応じて、グラジエント−カプセル層２０の選択された領域において、該粒子によってあらかじめ規定された相応する特性が生じる。例えば圧電アクチュエータの表面１０が弾性プラスチックからの粒子によりコーティングされる場合、弾性の材料特性を有する層が生じる。これらの弾性の材料特性は、圧電アクチュエータの表面１０を、プラスチックコーティングを有する金属粒子によりコーティングすることによって他の構成においても得ることができる。さらに、化学的に絶縁性であるかまたは化学的な腐食に耐性な材料挙動によって際立つ金属領域がグラジエント−カプセル層２０において作製されるように、コールドガス溶射を高い割合の金属粒子によるかまたはもっぱら金属粒子のみにより行うことが有利である。

圧電アクチュエータの表面１０のグラジエント−カプセル層２０は、以下の特性を満たす。圧電アクチュエータ１に直接接して、該層は電気的に絶縁する領域を供給する。これは圧電アクチュエータの表面１０まで突き出ている内部電極間の短絡が起こらないことを保証する。さらに、電気的に絶縁する領域はその材料特性を顧慮して、該領域が圧電アクチュエータ１の表面１０にあり得る細孔または極性の亀裂に侵入しないように形成される。このようにグラジエント−カプセル層２０は亀裂の広がりを防止し、かつそれによって起こり得る圧電アクチュエータ１の故障を助長しない。さらに、グラジエント−カプセル層２０が圧電アクチュエータの表面１０近くに弾性特性を有することが有利である。これは、圧電アクチュエータの運転中にスタック方向３０に垂直なこの伸びが層厚の増大とともに緩和され、かつ同時に圧電アクチュエータ１がその運転を妨害されないことを保証する。

グラジエント−カプセル層２０を有する圧電アクチュエータ１が、例えば"ウェットデザイン"において使用される場合、それは常置されて化学的にアグレッシブな燃料によって取り囲まれる。圧電アクチュエータ１を化学的な腐食および損傷から保護するために、金属領域がグラジエント−カプセル層２０において作製される。この金属領域はグラジエント−カプセル層２０の外側の境界を形成し、ひいては周囲の化学的にアグレッシブな媒体に対する境界面を形成する。コーティング材料として、燃料による腐食に対して化学的耐性である金属からの粒子が適している。周囲の媒体ならびに加工性に応じて適した金属が選択可能であり、そうして圧電アクチュエータ１およびグラジエント−カプセル層２０の化学的な遮断がアグレッシブな媒体に対して保証される。

グラジエント−カプセル層２０の外側の面の金属領域は、圧電アクチュエータ１の運転中にグラジエント−カプセル層２０を介して金属領域に伝えられる該圧電アクチュエータの伸びによって負荷を受ける。この理由からグラジエント−カプセル層２０は、この伝えられたとどまる残留伸びがグラジエント−カプセル層２０の金属領域を損傷または破壊しない程度に、金属領域にいたるまでのまたは一般的に化学的耐性領域にいたるまでの該圧電アクチュエータの伸びが緩和されるように構成されている。

グラジエント−カプセル層２０の上述の特性を得るために、該層は以下の実施態様により製造される。上記のコールドガス溶射によって、プラスチックでコーティングされたおよびコーティングされなかった球状金属粒子が圧電アクチュエータ１の表面１０に噴霧される。まず圧電アクチュエータ１の表面１０に弾性および電気的に絶縁する領域を作製するために、プラスチックでコーティングされた金属粒子の高い割合を有する粒子混合物が噴霧される。プラスチックでコーティングされた金属粒子は、例えばＣａｐｓｕｌｕｔｉｏｎＮａｎｏＳｃｉｅｎｃｅＡＧ，ＢｅｒｌｉｎのＬＢＬ法（交互積層法(Layer-by-Layer-Technologie)）によって製造されている。同様に、圧電アクチュエータ１の表面１０をまずプラスチック粒子のみでコーティングするかまたは高い割合のプラスチック粒子でコーティングし、グラジエント−カプセル層２０の弾性および電気的に絶縁する特性を得ることも考えられうる。

さらに、すでに上で議論された圧電アクチュエータの伸びの減衰をグラジエント−カプセル層２０内でスタック方向３０に垂直な表面１０に対する間隔を増大させることにより達成する必要がある。このためにグラジエント−カプセル層２０において材料勾配が、グラジエント−カプセル層２０の剛性が圧電アクチュエータ１との間隔が増大するにつれて増大するように作製される。増大する剛性をグラジエント−カプセル層２０において調整するために、段々と増大するプラスチックコーティングされなかった金属粒子の割合を有するグラジエント−カプセル層２０が層厚の増大とともに作製される。同様に、その混合によってグラジエント−カプセル層２０に機械的補強作用を及ぼす他の原材料からの粒子を使用することも考えられうる。代替案は、セラミック粒子によるコーティングである。

それゆえグラジエント−カプセル層２０の作製に際して、使用される粒子の割合はその原材料特性に応じて、特性勾配がグラジエント−カプセル層２０の層厚ｄを介して生じるように変化させられる。それゆえ有利には、グラジエント−カプセル層２０の剛性は圧電アクチュエータの表面１０との間隔が増大するにつれて増大する。さらに、例えば導電性は、プラスチックコーティングされなかった金属粒子が補強粒子として混合される場合に、表面１０からの間隔が増大するにつれて増大する。有利には化学的抵抗力は、グラジエント−カプセル層２０の外側の面で金属領域が金属の大部分の割合を有するか、またはもっぱら金属粒子によって形成され、かつ金属粒子の割合が層形成に際して圧電アクチュエータ１の方向に向かって減少する場合に、外側から内側に向かって減少する。

圧電アクチュエータ１のこれまで用いられてきたカプセル法と比較して、加えて圧電アクチュエータ１の運転中にスタック方向３０に向かう伸び挙動の最小の緩和を引き起こす、より小型の配置が適している。さらに、金属カプセルも、圧電アクチュエータ１と金属カプセルとの間の圧力伝達媒体も必要としない、より簡単なデザインが存在する。さらに他の一利点は、上述のコーティング法が金属カプセルへの圧電アクチュエータの組み込みと比較して、費やされる時間および材料コストがわずかであるという点にある。

従って上述の製造法によって、グラジエント−カプセル層２０を有する圧電アクチュエータ１が提供され、該層内では少なくとも１つの化学的および物理的な特性が、圧電アクチュエータ１の表面１０からの間隔が増大するにつれて漸次変わる。有利には、このグラジエント−カプセル層２０は圧電アクチュエータの表面に接して、有利にはプラスチックまたはプラスチック−金属−混合物からの弾性の材料挙動の第一の領域を包含し、かつグラジエント−カプセル層２０の外側の面に接して、有利には金属または比較可能な化学的耐性材料からの化学的抵抗力のある材料挙動を有する第二の領域を包含する。

有利な実施態様によるグラジエント−カプセル層を有する圧電アクチュエータの概略的な断面図を示す図

符号の説明

１圧電アクチュエータ、１０表面、２０グラジエント−カプセル層、３０スタック方向、ｄ層厚

Claims

圧電アクチュエータ（１）を付加的なハウジング状のカバー構造体なしに外側に対して保護するための、圧電アクチュエータ（１）のグラジエント−カプセル層（２０）の製造法であって、以下の工程：
ａ．選択された媒体に対して化学的耐性である第一の原材料からの第一の粒子を第一の粉末コンベヤーに積載する工程、
ｂ．弾性の材料特性かつ電気絶縁作用を持つ第二の原材料からの第二の粒子を第二の粉末コンベヤーに積載する工程、および
ｃ．グラジエント−カプセル層（２０）が生じるように、第一および第二の粉末コンベヤーによって第一および第二の粒子を圧電アクチュエータ（１）の表面（１０）に溶射する工程
を有し、さらに前記ｃ．の工程において、
グラジエント−カプセル層（２０）において、圧電アクチュエータ側が弾性の材料特性かつ電気絶縁作用を有し、表面側が選択された媒体に対して化学的耐性を有する層特性とするために、溶射中に第一の粒子の割合および／または第二の粒子の割合を変化させる工程
を有する、圧電アクチュエータ（１）のグラジエント−カプセル層（２０）の製造法。
前記溶射がコールドガス溶射である、請求項１記載の製造法。
さらに前記ｃ．の工程において、グラジエント−カプセル層（２０）の外側の面において化学的耐性の金属領域が生じるように、第一の粒子としての金属粒子をコールドガス溶射する工程を有する、請求項２記載の製造法。
前記金属粒子が球状金属粒子である、請求項３記載の製造法。
さらに前記ｃ．の工程において、グラジエント−カプセル層（２０）の内側の面において圧電アクチュエータ（１）に接して弾性の材料特性かつ電気絶縁作用を示す領域が生じるように、第二の粒子としてのプラスチックでコーティングされた金属粒子またはプラスチック粒子をコールドガス溶射する工程を有する、請求項２から４までのいずれか１項記載の製造法。
さらに前記ｃ．の工程において、第三の粒子であるセラミック粒子の原材料特性を、その割合に応じてグラジエント−カプセル層（２０）が圧電アクチュエータ側から所定の厚さの領域において、層特性として有するために、少なくとも第三の粒子をコールドガス溶射する工程を有する、請求項２から５までのいずれか１項記載の製造法。
請求項１から６までのいずれか１項記載の製造法により製造されたグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）であって、該圧電アクチュエータ（１）が付加的なハウジング状のカバー構造体なしに外側に対して保護されるための、グラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）であり、以下の特徴：
ａ．圧電アクチュエータ（１）、および
ｂ．圧電アクチュエータ（１）の表面（１０）に接して弾性の材料特性かつ電気絶縁作用を示す第一の領域を有し、かつグラジエント−カプセル層（２０）の外側の面に接して、化学的耐性の材料特性を示す第二の領域を有する、圧電アクチュエータ（１）の外側表面（１０）に施与されたグラジエント−カプセル層（２０）
を有する、グラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）。
前記圧電アクチュエータ（１）が多層アクチュエータである、請求項７記載のグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）。
グラジエント−カプセル層（２０）の圧電アクチュエータ側が弾性の材料特性かつ電気絶縁作用を有し、表面側が選択された媒体に対して化学的耐性を有する層特性が、圧電アクチュエータ（１）の表面（１０）との間隔が増大するにつれて漸次変わる、請求項７または８記載のグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）。
グラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）の前記第一の領域がプラスチック、またはプラスチックと金属の混合物から成り、かつグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）の前記第二の領域が金属から成る、請求項７から９までのいずれか1項記載のグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）。
圧電アクチュエータ（１）のグラジエント−カプセル層（２０）が該圧電アクチュエータ（１）の側面を、そのスタック方向と平行またはその表面全体を覆う、請求項７から１０までのいずれか１項記載のグラジエント−カプセル層（２０）を有する圧電アクチュエータ（１）。