(57)【要約】【課題】製造コストの上昇を抑制でき、かつ検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁を提供する。【解決手段】燃料噴射弁２のニードル１２の開閉駆動を制御する圧電アクチュエータ２２は、ピエゾ素子層６１、７１、８１と内部電極層６２ａ、ｂ、７２ａ、ｂとを積層することにより形成されている圧電体ユニット２３を有している。圧電体ユニット２３は、電圧を印加することにより伸長する駆動部７０と、駆動部７０から発生する荷重を検出する荷重センサ部６０を有している。駆動部７０と荷重センサ部６０との間には接続層８０が設けられており、駆動部７０における荷重センサ部６０側の駆動部側終端内部電極層７３の極性および前記荷重センサ部６０における駆動部７０側のセンサ部側終端内部電極層６３の極性は、共に負側である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層されてなる圧電体ユニットを有する圧電アクチュエータであって、
前記圧電体ユニットは、前記圧電体層と前記圧電体層を挟む一対の前記内部電極層を含み、前記内部電極層を介して前記圧電体層に印加する電圧に応じて歪む駆動部と、前記圧電体層と前記圧電体層を挟む一対の前記内部電極層を含み、前記圧電体層に作用する荷重に応じた荷重信号を前記内部電極層を介して出力する荷重センサ部とを備え、
前記駆動部の前記圧電体層に電圧が印加される際の前記駆動部における前記内部電極層の極性は、一方の前記内部電極層が正側に、他方の前記内部電極層が負側となり、
前記荷重センサ部に荷重が作用した際の前記荷重センサ部における前記内部電極層の極性は、一方の前記内部電極層が正側に、他方の前記内部電極層が負側となり、
前記駆動部における前記内部電極層のうち、前記駆動部に電圧が印加されたときの前記荷重センサ部に最も近くに配置される駆動部側終端内部電極層の極性、および前記荷重センサ部における前記内部電極層のうち、前記荷重センサ部に荷重が作用したときの前記駆動部に最も近くに配置されるセンサ部側終端内部電極層の極性は、共に負側であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記センサ部終端内部電極層と前記駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、
前記接続層は、前記圧電体層であって、前記荷重センサ部における前記圧電体層、または前記駆動部における前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記センサ部終端内部電極層と前記駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、
前記接続層は、前記圧電体層と前記内部電極層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動部側終端内部電極層と、前記駆動部側終端内部電極層の前記荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される前記終端圧電体層は、前記駆動部における他の前記圧電体層よりも厚いことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部の一部分を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であるセンサ部付圧電体ユニットと、前記駆動部の他の部分を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体であるセンサ部圧電体ユニットと、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記荷重センサ部は、前記圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されてい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圧電アクチュエータ。
【請求項９】
燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を有するボデーと、
前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、
前記ボデーに収容され、前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかの燃料圧力を制御する制御弁と、
請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの変位を前記制御弁に伝達する変位伝達部と、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１０】
燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を内部に有するボデーと、
前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、
前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、
前記ボデーに収容され、移動することにより前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダと、
前記シリンダを直接駆動する請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１１】
前記ボデーには、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを収容するアクチュエータ室が形成されており、
前記圧電アクチュエータは、前記弁部材とは反対側に位置する前記アクチュエータ室の固定端側に前記荷重センサ部が位置するように前記アクチュエータ室に収容されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体層と内部電極層とが交互に積層され、圧電体層に内部電極層より電圧を印加することにより伸長する圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータの端部に非導電性部材からなるスペーサを介して設けられる圧電体からなる荷重センサとを有する燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。この燃料噴射弁では、荷重センサにて圧電アクチュエータからの荷重を検出し、その検出結果に基づいて圧電アクチュエータに送信する開弁信号および閉弁信号を学習補正している。
【特許文献１】特開平１０−２８８１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術の燃料噴射弁では、圧電アクチュエータと荷重センサとは、ケーシング内で一体化させているものの、当該アクチュエータと当該センサとの間には非導電性部材からなるスペーサが介在している。このため、当該アクチュエータおよび当該センサの製造コストを上昇させてしまっており、燃料噴射弁の製造コストをも上昇させている原因の一つとなる。
【０００４】
この製造コストの上昇の原因の一つとなっている考えるスペーサを排除し、当該アクチュエータと当該センサとを隣接して配置させれば、上記問題は解消すると考えるが、次に挙げる新たな問題が発生するおそれがある。製造コストの上昇を抑制すべく、単にスペーサを排除して、当該アクチュエータと当該センサとを隣接して配置させると、高電圧が印加される圧電アクチュエータから荷重センサへの電気リークが発生するおそれがある。
【０００５】
荷重センサへの電気リークが発生すると、圧電アクチュエータからの荷重に応じた荷重センサが発する電圧信号に電気的なノイズがのってしまい、荷重センサの検出精度が低下するという問題が発生する。その結果、その荷重センサからの検出結果に基づいて圧電アクチュエータを制御しようとすることとなるため、噴射制御精度が低下するという問題が発生する。
【０００６】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストの上昇を抑制でき、かつ検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータおよびそれを用いた燃料噴射弁を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層されてなる圧電体ユニットを有する圧電アクチュエータであって、圧電体ユニットは、圧電体層と圧電体層を挟む一対の内部電極層を含み、内部電極層を介して圧電体層に印加する電圧に応じて歪む駆動部と、圧電体層と圧電体層を挟む一対の内部電極層を含み、圧電体層に作用する荷重に応じた荷重信号を内部電極層を介して出力する荷重センサ部とを備え、
駆動部の圧電体層に電圧が印加される際の駆動部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、荷重センサ部に荷重が作用した際の荷重センサ部における内部電極層の極性は、一方の内部電極層が正側に、他方の内部電極層が負側となり、
駆動部における内部電極層のうち、駆動部に電圧が印加されたときの荷重センサ部に最も近くに配置される駆動部側終端内部電極層の極性、および荷重センサ部における内部電極層のうち、荷重センサ部に荷重が作用したときの駆動部に最も近くに配置されるセンサ部側終端内部電極層の極性は、共に負側であることを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、駆動部における駆動部側終端内部電極層の駆動部に電圧が印加されたときの極性、および荷重センサ部におけるセンサ部側終端内部電極層の荷重センサ部に荷重が作用したときの極性、は共に負側であるため、両終端内部電極層間の電位差が非常に小さくなる。両終端内部電極層間の電位差が非常に小さくなるため、駆動部の圧電体層を伸長させるべく、駆動部側終端内部電極層を含む内部電極層に高電圧を印加したとしても、駆動部から荷重センサ部への電気リークを抑えられる。荷重センサ部への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部の内部電極層から取り出される荷重に応じた荷重信号に電気的なノイズがのるという問題を解消でき、荷重センサ部の検出精度を向上できる。
【０００９】
また、荷重センサ部への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部と駆動部との間にスペーサなどの絶縁層を設ける必要性が無くなる、または、絶縁層を非常に薄くできる。圧電アクチュエータの製造コストの上昇を抑制できる。
【００１０】
したがって、両終端内部電極層の極性を負側とすることにより、製造コストの上昇を抑制でき、かつ荷重センサ部における検出精度を向上させることができる圧電アクチュエータを提供することができる。
【００１１】
なお、特許請求の範囲に記載の「内部電極層の極性が負側」とは、駆動部においては、駆動部に電圧を印加する際の一対の内部電極層のうち、電位が低い側の内部電極層を意味し、荷重センサ部においては、荷重センサ部に荷重が作用したときの一対の内部電極層のうち、電位が低い側の内部電極層を意味する。したがって、極性が負側となる内部電極層の接地の方式は問わない。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、センサ部終端内部電極層と駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、接続層は、圧電体層であって、荷重センサ部における圧電体層、または駆動部における圧電体層よりも厚いことを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、両終端内部電極層間に配設される接続層は圧電体層であって、その圧電体層は、荷重センサ部における圧電体層または駆動部における圧電体層よりも厚くなっている。このため、荷重センサ部と駆動部との間の絶縁性をより確かなものとすることができ、荷重センサ部の検出精度を向上させることができる。なお、圧電体層の厚さとは、向かいあう内部電極層の表面間の距離を言う。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、センサ部終端内部電極層と駆動部終端内部電極層との間に接続層が配設され、接続層は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されていることを特徴としている。
【００１５】
この発明によれば、両終端内部電極層間に配設される接続層は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されているため、接続層の絶縁性を高めるべく荷重センサ部や駆動部に使用する圧電体層とは異なる構造（例えば、層の厚さが他の圧電体層に比べ厚くなっている構造）とせずとも、接続層の厚さを厚くして絶縁性を高めることができる。また、圧電体層と内部電極層とが交互に積層されている状態であるため、荷重センサ部や駆動部の積層構造と同じとすることができる。
【００１６】
これによれば、圧電体ユニットを一体積層型で形成する際、接続層も荷重センサ部や駆動部と同じ環境で焼成させることができる。このため、焼成後の接続層の状態を荷重センサ部や駆動部と同様とすることができる。内部電極層に焼結助剤としての機能を有する場合は、接続層の機械的強度を確保することができ、圧電体ユニットの品質を向上させることができる。また、圧電体ユニットを構成する圧電体層の厚さの種類を少なくできるため、製造コストの上昇を抑えられる。
【００１７】
そして、内部電極層を含む圧電体層と、内部電極層を含まない圧電体層とでは焼成時の収縮率が異なる。本発明によれば、接続層と、荷重センサ部並びに駆動部との焼成収縮を整合することができる。その結果、焼成収縮が未整合による圧電体ユニットの焼成後の剥離、クラックなどを回避できる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、駆動部側終端内部電極層と、駆動部側終端内部電極層の荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される終端圧電体層は、駆動部における他の圧電体層よりも厚いことを特徴としている。
【００１９】
この発明によれば、駆動部側終端内部電極層の荷重センサ部とは反対側に隣接して配設される終端圧電体層を、駆動部における他の圧電体層よりも厚くしているので、駆動部を伸縮させたときの、駆動部の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、前記圧電体ユニットは、前記荷重センサ部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層と、前記駆動部を構成する前記圧電体層および前記内部電極層とを有する積層焼成体であることを特徴としている。
【００２１】
圧電体ユニットの構成は、大きく分けて二つの形態がある。一つは単板積層型であり、もう一つは一体積層型である。単板積層型の圧電体ユニットは、予め焼成した圧電体層に、内部電極層を印刷、焼成したものを積層するものであり、一体積層型の圧電体ユニットは、圧電体層（グリーンシート）に内部電極層を印刷したものを予め積層しておき、その後、焼成することにより圧電体層と内部電極層とを一体化させるものである。特許請求の範囲に記載の「積層焼成体」は、一体積層型のものを意味している。
【００２２】
なお、単板積層型の圧電体ユニットでは、一般的には、内部電極層と外部とを電気的に接続する導電体（例えば、ステンレスや銅などの金属箔）が圧電体層間に配置されている。
【００２３】
荷重センサ部と駆動部とを単板積層型の圧電体ユニットに形成した場合、駆動部を伸長させたときの荷重を荷重センサ部にて検出しようとすると、導電体が変形する。このため、力の伝達損失が発生し、荷重センサ部の検出精度が低下するおそれがある。また、この導電体の変形は、使用状況により変化するため、駆動部に所定量伸長させるべく所定の電圧を印加したとしても、荷重センサ部の検出結果が変化してしまい検出精度が低下する。
【００２４】
これに対し、この発明によれば、圧電体ユニットは積層焼成体であるため、内部電極層を圧電体層の側壁に露出させることは研削などを行うことで容易に行える。このため、導電体を圧電体層間に挟み込む必要が無い。その結果、駆動部から荷重センサ部に伝わる力の損失を抑制でき、荷重センサ部の検出精度が単板積層型のものと比べ向上する。
【００２５】
圧電体層をアクチュエータとして利用する場合、駆動部の伸長量を極力大きくするために、一層あたりの圧電体層を極力薄く形成し、それらを複数枚積層するとよい。ところが、極力薄くした圧電体層にて駆動部と荷重センサ部とを一つの積層焼成体として形成すると、駆動部を伸長させたとき、駆動部の側面近傍に応力が集中し、応力が集中した箇所が破損するおそれがある。この現象は、駆動部の圧電体層の積層数が多ければ多いほど顕著となる。
【００２６】
請求項６に記載の発明のように、圧電体ユニットを、荷重センサ部を構成する圧電体層および内部電極層と、駆動部の一部分を構成する圧電体層および内部電極層とを有する積層焼成体であるセンサ部付圧電体ユニットと、駆動部の他の部分を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成させることにより、駆動部を伸長させたときの、側面近傍に集中する応力の程度を小さくすることができる。このため、圧電体ユニットの品質を向上させることができる。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、圧電体ユニットは、荷重センサ部を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体であるセンサ部圧電体ユニットと、駆動部を構成する圧電体層および内部電極層を有する積層焼成体である駆動部圧電体ユニットとから構成されていることを特徴としている。
【００２８】
この発明によれば、一つのユニットに荷重センサ部と駆動部とを備える場合に比べ、センサ部圧電体ユニットと駆動部圧電体ユニットの仕様を分ける必要が無く、共通の仕様の圧電体ユニットとすることができる。このため、低コストで荷重センサ部を有する圧電アクチュエータを製造できる。
【００２９】
請求項８に記載の発明は、荷重センサ部は、圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されていることを特徴としている。
【００３０】
この発明によれば、荷重センサ部は圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されているので、荷重センサ部の内部電極層に接続する配線と、駆動部の内部電極層に接続する配線の構造を極力簡素化できる。また、荷重センサ部は、圧電体ユニットのいずれか一方の端部に形成されているので、駆動部の影響（伸長による引張力や発熱などの外乱）を受け難い。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、燃料が噴射される噴孔、噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を有するボデーと、ボデーに収容され、噴孔と高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、高圧燃料通路と連通し、弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、高圧燃料通路と連通し、弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、ボデーに収容され、第一液圧室または第二液圧室のいずれかの燃料圧力を制御する制御弁と、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータの変位を制御弁に伝達する変位伝達部と、を備えることを特徴としている。
【００３２】
この発明によれば、変位伝達部を介して制御弁を駆動するアクチュエータに請求項１から８に記載の圧電アクチュエータを用いることにより、制御弁の駆動状態を正確に把握することができる。制御弁の駆動状態を正確には把握できるため、制御弁の動作にともなって駆動する弁部材の駆動状態も正確に把握することができる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射の精度を向上させることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明は、燃料が噴射される噴孔、前記噴孔に高圧燃料を供給する高圧燃料通路を内部に有するボデーと、前記ボデーに収容され、前記噴孔と前記高圧燃料通路との断続を制御する弁部材と、前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより開弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第一液圧室と、前記高圧燃料通路と連通し、前記弁部材に作用することにより閉弁方向の力を発生させる前記高圧燃料通路からの高圧燃料を溜める第二液圧室と、前記ボデーに収容され、移動することにより前記第一液圧室または前記第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダと、前記シリンダを直接駆動する請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、を備えることを特徴としている。
【００３４】
この発明によれば、移動することにより、第一液圧室または第二液圧室のいずれかまたは両方の容積を変化させ、燃料圧力を制御するシリンダを直接駆動するアクチュエータに請求項１から８に記載の圧電アクチュエータを用いることにより、弁部材の駆動状態を正確に把握することができる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射の精度を向上させることができる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明は、ボデーには、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを収容するアクチュエータ室が形成されており、圧電アクチュエータは、液圧調整機構とは反対側に位置するアクチュエータ室の固定端側に荷重センサ部が位置するようにアクチュエータ室に収容されていることを特徴としている。
【００３６】
この発明では、圧電アクチュエータは、前記液圧調整機構とは反対側に位置するアクチュエータ室の固定端側に荷重センサ部が位置するようにアクチュエータ室に収容されているため、荷重センサ部を液圧調整機構側に配置させる場合に比べ、駆動部が発生する荷重の伝達損失を抑制することができ、液圧調整機構または弁部材の駆動状態を正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００３８】
（第１実施形態）
以下、本発明の圧電アクチュエータ２２を、燃料噴射弁２に適用した場合を例に説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料噴射弁２を含む燃料供給装置１の全体構成を示す断面図である。燃料供給装置１は、ディーゼルエンジンなどの多気筒内燃機関の各気筒に燃料を供給する。燃料供給装置１が取り扱う燃料は、ディーゼル燃料に限らずガソリン燃料であっても良い。
【００３９】
燃料供給装置１は、燃料噴射弁２、駆動回路３、電子制御装置４（以下、ＥＣＵという）などを備えている。燃料噴射弁２は、多気筒内燃機関のシリンダヘッドに装着されている。燃料噴射弁２は、蓄圧器（図示せず）に蓄えられた高圧燃料を各気筒内に直接燃料を噴射する。燃料噴射弁２に供給された燃料のうち、燃料噴射に利用されなかった燃料はリターン経路８より燃料タンク１０に戻される。
【００４０】
燃料噴射弁２は、ノズル１１、制御弁１８、およびアクチュエータ部２１などから構成され、これらの部品は、棒状に形成されているボデー４０に収容されている。
【００４１】
ボデー４０は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部４１、およびリターン経路８に接続する燃料出口部４２を有している。ボデー４０の軸方向一端側には、収容部４３が形成されており、その収容部４３には、燃料の噴射、非噴射を制御するノズル１１が収容されている。なお、収容部４３が、特許請求の範囲に記載の「第一液圧室」に相当する。
【００４２】
ノズル１１は、ニードル１２、ノズルスプリング１６、およびノズルシリンダ１７を有している。ニードル１２は、収容部４３内に摺動自在に保持されている。収容部４３の軸方向一端側には、高圧燃料通路４６を介して燃料入口部４１と連通する噴孔４４が形成されている。
【００４３】
この噴孔４４の燃料入口部４１側には、ニードル１２に形成されているシート部１３が着座する弁座４５が形成されている。弁座４５にシート部１３が着座することにより、噴孔４４への燃料の流れが閉ざされ、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。弁座４５からシート部１３が離座することにより、噴孔４４への燃料の流れが許容され、噴孔４４から燃料が噴射する。
【００４４】
ノズルシリンダ１７は、筒状に形成されており、ニードル１２のシート部１３とは反対側の端部に形成されているピストン部１４を内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入している。ノズルシリンダ１７は、ピストン部１４および収容部４３の内壁とともに内部の燃料圧力が高圧と低圧とに切り替えられる制御室５２を形成する。なお、制御室５２が、特許請求の範囲に記載の「第二液圧室」に相当する。
【００４５】
ニードル１２のシート部１３とピストン部１４との間にはフランジ部１５が形成され、このフランジ部１５とノズルシリンダ１７との間には、ノズルスプリング１６が設けられている。このノズルスプリング１６は、ニードル１２を、シート部１３が弁座４５に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
【００４６】
ニードル１２は、制御室５２内の燃料圧力により閉弁方向に付勢される。また、ニードル１２は、燃料入口部４１から高圧燃料通路４６を介して収容部４３に導かれる高圧燃料によりシート部１３が弁座４５から離座する方向、つまり開弁方向に付勢される。ニードル１２は、制御室５２内の燃料圧力、収容部４３に導かれる高圧燃料の燃料圧力、およびノズルスプリング１６の付勢力のバランスにより、閉弁方向または開弁方向への移動が決定される。
【００４７】
制御弁１８は、ボデー４０の軸方向中間部に形成されているバルブ室５３内に収容され、制御室５２内の燃料圧力の高圧、低圧を切り替え制御する。バルブ室５３は、制御室５２と常時連通する連絡通路５０、収容部４３から分岐した高圧連絡通路４７、低圧燃料通路４８と接続している。連絡通路５０には、コモンオリフィス５１が設けられている。
【００４８】
制御弁１８は、弁体１９、およびバルブスプリング２０を有している。弁体１９は、バルブ室５３の内壁における低圧燃料通路４８の開口部の周囲に形成されている低圧側シート面５４に離着座することにより、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通、遮断を制御する。また、弁体１９は、バルブ室５３の内壁における高圧連絡通路４７の開口部の周囲に形成されている高圧側シート面５５に離着座することにより、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通、遮断を制御する。弁体１９は、低圧側シート面５４に着座しているときは、高圧側シート面５５から離座しており、反対に低圧側シート面５４から離座しているときは、高圧側シート面５５に着座する。バルブスプリング２０は、低圧側シート面５４に着座させる向きに弁体１９を付勢する。
【００４９】
アクチュエータ部２１は、ボデー４０の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室５６に収容されている。アクチュエータ室５６は、低圧連絡通路４９を介して低圧燃料通路４８に接続している。
【００５０】
燃料タンク１０と燃料出口部４２とを接続するリターン経路８には、低圧燃料通路４８側の圧力を制御する背圧弁９が配置されている。蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が１００ＭＰａ以上であるのに対し、背圧弁９は低圧燃料通路４８側の燃料圧力を１ＭＰａ程度に制御する。
【００５１】
アクチュエータ部２１は、圧電アクチュエータ２２、および変位伝達部３０を有している。圧電アクチュエータ２２は、主に圧電体層を複数積層させることにより構成されており、電荷の充放電により伸縮する。圧電アクチュエータ２２の構造については後ほど詳細に説明する。
【００５２】
変位伝達部３０は、圧電アクチュエータ２２の伸縮変位を制御弁１８の弁体１９に伝達する。変位伝達部３０は、アクチュエータシリンダ３１、第一ピストン３２、および第二ピストン３３を有する。第一ピストン３２および第二ピストン３３は、アクチュエータシリンダ３１の内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入されている。第一ピストン３２と第二ピストン３３との間には、燃料が充填された液室３４が形成されている。
【００５３】
第一ピストン３２は、第一スプリング３５により圧電アクチュエータ２２側に向かって付勢されている。第一ピストン３２は、圧電アクチュエータ２２により直接駆動される。圧電アクチュエータ２２の伸長時、第一ピストン３２が液室３４に向かって移動するため、液室３４内の燃料圧力が上昇する。
【００５４】
第二ピストン３３は、第二スプリング３６により制御弁１８の弁体１９側に向かって付勢されている。第二ピストン３３は、弁体１９と機械的に接続されており、第二ピストン３３が液室３４内の燃料圧力を受けて、弁体１９に向かって移動することにより弁体１９をバルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通する方向に移動させる。
【００５５】
圧電アクチュエータ２２の伸長時、第一ピストン３２は液室３４の方向に移動する。すると液室３４内の燃料圧力は上昇する。第二ピストン３３は、液室３４内の高圧化された燃料圧力を受け、弁体１９をバルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断する方向に移動させる。
【００５６】
圧電アクチュエータ２２の収縮時、液室３４内の燃料圧力は低下する。第二ピストン３３は、制御弁１８のバルブスプリング２０の付勢力により第一ピストン３２側に移動する。バルブスプリング２０の付勢力は、第二スプリング３６の付勢力よりも大きい。これにより、弁体１９は、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する方向に移動する。
【００５７】
圧電アクチュエータ２２は、圧電体ユニット２３および金属製のハウジング２４を有している。圧電体ユニット２３は、圧電体層（以下、ピエゾ素子層という）Ｐと内部電極層Ｅとを積層させたものであって、内部電極層Ｅを介してピエゾ素子層Ｐに電圧を印加することにより伸長する駆動部７０と、伸長する際に作用する荷重に応じた荷重信号を内部電極層Ｅを介して出力する荷重センサ部６０を有する。荷重センサ部６０は、ピエゾ素子層Ｐの圧電効果を利用したものである。本実施形態では、荷重センサ部６０の内部電極層Ｅから出力される荷重信号は荷重に応じた電荷および電圧信号である。
【００５８】
圧電アクチュエータ２２は、駆動回路３に接続されている。駆動回路３は、圧電アクチュエータ２２の駆動部７０に充電電流を供給して、駆動部７０のピエゾ電圧を高める。駆動部７０の伸長量は、ピエゾ電圧に応じて変化する。駆動回路３には、ＥＣＵ４が接続されている。ＥＣＵ４は、各種情報に基づき、駆動部７０へ供給するピエゾ電圧および通電タイミングに応じた充電制御信号を生成し、指令信号として駆動部７０に送信する。
【００５９】
また、荷重センサ部６０は、駆動回路３に接続されている。荷重センサ部６０からの電荷と電圧信号は、駆動回路３を介してＥＣＵ４に入力される。ＥＣＵ４には、吸入空気量、アクセルペダル踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧力などを検出する各種センサ（図示せず）とも接続され、これらの各種センサからの信号が入力されるようになっている。
【００６０】
本実施形態では、圧電アクチュエータ２２の駆動部７０を充放電させる方法として、マルチスイッチング方式（以下、ＭＳ方式という）を採用している。
【００６１】
駆動回路３は、直流電源（図示せず）からインダクタ（図示せず）を介して圧電アクチュエータ２２に通電する経路中に、直流電源を直接切り離すことができるスイッチング素子（図示せず）を備えている。ＭＳ方式では、ＥＣＵ４からの充電制御信号に基づいて、当該スイッチング素子を複数回オン／オフすることにより、圧電アクチュエータ２２の駆動部７０を数回に分けて充電する。
【００６２】
スイッチング素子がオンしている間は、駆動部７０へ漸増する充電電流が流れる。スイッチング素子がオフされると、フライホイール作用で駆動部７０へ漸減する充電電流が流れる。このように駆動部７０に充電電流が流れる間、駆動部７０のピエゾ素子層Ｐにおけるピエゾ電圧は増加し続ける。なお、ＭＳ方式の詳細な駆動方法や回路構成などは、例えば特開２００１−５３３４８号公報にて周知である。
【００６３】
ＥＣＵ４は、ＭＰＵ５、ＡＤ変換部６、ＤＳＰ７などを有している。また、ＥＣＵ４は、図示しないＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびＲＡＭなどを備えている。ＭＰＵ５は、ＲＯＭに記憶したプログラムに従って演算処理を行う。ＥＣＵ４は、荷重センサ部６０より入力される電荷と電圧信号とをＡＤ変換部６にて高速Ａ／Ｄ処理することにより駆動部７０が伸長する際に作用する荷重を算出するとともに、算出した荷重や、各種センサから入力される信号に基づき、駆動部７０へ与える充電制御信号などを生成する。
【００６４】
次に、上記燃料供給装置１の作動を説明する。圧電アクチュエータ２２の駆動部７０が伸長していないとき、第二ピストン３３は、制御弁１８のバルブスプリング２０の付勢力により第一ピストン３２側に移動している。これにより、弁体１９は、バルブ室５３内の燃料圧力を受けて低圧燃料通路４８の方向に移動して低圧側シート面５４に着座し、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する。これにより、バルブ室５３内の燃料圧力は、高圧燃料通路４６の燃料圧力と等しくなり、バルブ室５３と連通している制御室５２内の燃料圧力は、高圧燃料通路４６の燃料圧力と等しくなる。
【００６５】
このとき、高圧燃料通路４６の燃料圧力がニードル１２の周囲に作用することによるニードル１２に発生する開弁方向の力は、制御室５２の燃料圧力がニードル１２のピストン部１４に作用することによるニードル１２に発生する閉弁方向の力、およびノズルスプリング１６の付勢力によるニードル１２に発生する閉弁方向の力の合計よりも小さい。そのため、ニードル１２のシート部１３が弁座４５に着座し、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。
【００６６】
ＥＣＵ４からの指令により圧電アクチュエータ２２の駆動部７０が伸長すると、駆動部７０の伸長にともなって、第一ピストン３２は液室３４に向かって移動する。すると、液室３４内の燃料圧力が上昇する。第二ピストン３３は、上昇した燃料圧力を受けて弁体１９側に向かって移動する。弁体１９は、高圧連絡通路４７の方向に移動して高圧側シート面５５に着座し、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断する。すると、制御室５２内の燃料は、コモンオリフィス５１、連絡通路５０、バルブ室５３、および低圧燃料通路４８を介して燃料タンク１０へ戻される。これにより、制御室５２内の燃料圧力が低下する。
【００６７】
このとき、高圧燃料通路４６の燃料圧力がニードル１２の周囲に作用することによるニードル１２に発生する開弁方向の力は、制御室５２の燃料圧力がニードル１２のピストン部１４に作用することによる閉弁方向の力、およびノズルスプリング１６の付勢力による閉弁方向の力の合計よりも大きい。そのため、ニードル１２のシート部１３が弁座４５から離座し、噴孔４４からの燃料の噴射が行われる。
【００６８】
その後、再び駆動部７０が収縮すると、駆動部７０の収縮にともなって、第二ピストン３３はバルブスプリング２０の付勢力により第一ピストン３２側に移動する。これにより、弁体１９は、低圧側シート面５４に着座し、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する。これにより、蓄圧器からの高圧燃料が高圧燃料通路４６、高圧連絡通路４７、バルブ室５３、連絡通路５０、およびコモンオリフィス５１を介して制御室５２に導入される。
【００６９】
これにより、制御室５２内の燃料圧力は再び上昇する。このため、ニードル１２に発生する開弁方向の力は、ニードル１２に発生する閉弁方向の力よりも小さくなり、ニードル１２のシート部１３が弁座４５に着座する。その結果、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。圧電アクチュエータ２２の伸縮を繰り返すことにより、噴孔４４からの燃料の噴射が断続される。
【００７０】
次に、上記燃料供給装置１の圧電アクチュエータ２２を駆動する際の制御について、図２、図３を用いて説明する。図２は、ＥＣＵ４にて実行される制御処理を示すフローチャートである。図３は、その制御処理を行ったときの作動例を示すタイムチャートである。
【００７１】
図２に示す処理は、燃料噴射弁２から燃料を噴射させることを許可する噴射許可信号がオンになると開始される。なお、噴射許可信号は、ＥＣＵ４にてＥＣＵ４に入力される各種センサからの信号に基づいて生成される。
【００７２】
図２に示すように、噴射許可信号がオンすると、ステップＳ１０（以下、単にＳ１０という。他のステップについても同様とする。）では、駆動回路３の作動を制御するための充電制御信号を駆動回路３に出力する。
【００７３】
充電制御信号がオンしている間は、前述したスイッチング素子がオンされて駆動部７０へ漸増する充電電流が流れ、また充電制御信号がオフになるとスイッチング素子がオフされてフライホイール作用で駆動部７０へ漸減する充電電流が流れる。これにより、ピエゾ電圧は増加し続ける。
【００７４】
Ｓ２０では、第一時刻Ｔａと第二時刻Ｔｂにおいて、駆動部７０が発生している荷重（以下、ピエゾ荷重という）を荷重センサ部６０から取得した電荷と電圧信号により検出する。
【００７５】
ここで、図３の時刻Ｔ０は、駆動回路３から駆動部７０へ充電電流の供給が開始された時刻である。以下、時刻Ｔ０を充電開始時刻という。第一時刻Ｔａは、充電開始時刻Ｔ０から所定時間が経過したときであり、弁体１９が低圧側シート面５４から離座するタイミング近傍に予め設定されている。この第一時刻Ｔａは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。本実施形態では、この第一時刻Ｔａで検出したピエゾ荷重Ｆａを第一時刻荷重Ｆａという。
【００７６】
また、第二時刻Ｔｂは、第一時刻Ｔａからさらに所定時間が経過したときであり、弁体１９が高圧側シート面５５に着座する直前のタイミングに予め設定されている。この第二時刻Ｔｂは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。本実施形態では、この第二時刻Ｔｂで検出したピエゾ荷重Ｆｂを第二時刻荷重Ｆｂという。
【００７７】
Ｓ３０では、第一時刻荷重Ｆａと第二時刻荷重Ｆｂとを比較して、弁体１９が低圧側シート面５４から離座しているか否かを判定する。
【００７８】
ここで、弁体１９が低圧側シート面５４に着座している状態では、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との圧力差により弁体１９が低圧側シート面５４側に付勢されるのに対し、弁体１９が低圧側シート面５４および高圧側シート面５５の何れにも着座していない状態では、圧力差により弁体１９が低圧側シート面５４側に付勢される力は発生しない。したがって、Ｆａ＞Ｆｂの場合、つまり、Ｓ３０における判定がＹＥＳの場合は、弁体１９が正常に作動していると判断し、Ｓ４０に進む。
【００７９】
Ｓ４０では、弁体１９が高圧側シート面５５に着座してバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断したタイミングＴｃ（以下、高圧側閉時刻という）を検出する。具体的には、弁体１９が高圧側シート面５５に着座するとピエゾ荷重が大きくなるので、第二時刻Ｔｂ以後においてピエゾ荷重が閾値Ｆｃに達したときに、弁体１９が高圧側シート面５５に着座し、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断したと推定する。
【００８０】
弁体１９が高圧側シート面５５に着座した状態では、弁体１９は高圧連絡通路４７からの燃料圧力によって高圧側シート面５５から離座する方向に付勢されるため、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を確実に遮断するには、燃料圧力が高くなるほど弁体１９を高圧側シート面５５に大きな力で押し付ける必要がある。
【００８１】
したがって、閾値Ｆｃは、蓄圧器内の燃料圧力が高くなるほど大きくするようにする。これにより、弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を実質的に遮断したタイミングを正確に検出することができる。この閾値Ｆｃと蓄圧器との関係を定義したマップは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。
【００８２】
Ｓ５０では、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの時間ΔＴ（以下、制御弁応答時間という）を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔＴは、充電開始時刻Ｔ０から高圧側閉時刻Ｔｃまでの時間（ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔ０）である。
【００８３】
Ｓ６０では、制御弁応答時間ΔＴが、予め定めた許容範囲内（ΔＴｍｉｎ≦ΔＴ≦ΔＴｍａｘ）にあるか否かを判定する。ΔＴｍｉｎは補正可能な制御弁応答時間ΔＴの許容最小値であり、ΔＴｍａｘは補正可能な制御応答時間ΔＴの許容最大値である。
【００８４】
本実施形態では、ピエゾ電圧の上昇速度Ｖｃ（以下、充電速度Ｖｃという）を適宜補正することにより制御弁応答時間ΔＴを目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致させている。
【００８５】
制御弁応答時間ΔＴが許容範囲内にある場合、つまりＳ６０における判定がＹＥＳの場合は、Ｓ７０に進む。
【００８６】
Ｓ７０では、次回噴射時の充電速度Ｖｃおよび次回噴射時の充電制御信号を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔＴが目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致するように、次回噴射時の充電速度Ｖｃを次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐに基づいて算出する。また、次回噴射時の充電速度Ｖｃを実現するための補正後の充電制御信号を算出する。
【００８７】
次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐが今回噴射時の制御弁応答時間ΔＴよりも短い場合には、次回噴射時の充電速度Ｖｃを高くする。具体定期には、一点鎖線で示すように、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を長くして、駆動部７０へ漸増する充電電流が流れる期間を長くする。この際、次回噴射時の合計の充電エネルギ量が今回噴射時の合計の充電エネルギ量と等しくなるように、次回噴射時における二回目以降の充電制御信号のオン時間を短くする。
【００８８】
一方、次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐが今回噴射時の制御弁応答時間ΔＴよりも長い場合には、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を短くして次回噴射時の充電速度Ｖｃを低くする。充電速度Ｖｃは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶された演算式にて算出される。充電速度Ｖｃと充電制御信号との関係を定義したマップは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。ＥＣＵ４は、そのマップを用いて、次回噴射時の充電速度Ｖｃに対応する充電制御信号を算出する。
【００８９】
Ｓ８０では、駆動部７０の充電完了後、ピエゾ荷重が安定したときの第三時刻Ｔｄにおけるピエゾ荷重Ｆ１（以下、充電後荷重Ｆ１という）を計測する。なお、第三時刻Ｔｄは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。
【００９０】
Ｓ９０では、充電後荷重Ｆ１と目標充電後荷重Ｆ０との荷重誤差ΔＦ（ΔＦ＝Ｆ１−Ｆ０）を算出する。なお、目標充電後荷重Ｆ０は、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。
【００９１】
Ｓ１００では、荷重誤差ΔＦが所定範囲内（ΔＦｍｉｎ≦ΔＦ≦ΔＦｍａｘ）にあるか否かを判定する。ΔＦｍｉｎは荷重誤差ΔＦの許容最小値であり、ΔＦｍａｘは荷重誤差ΔＦの許容最大値である。本実施形態では、Ｓ７０で求めた充電制御信号をさらに補正して充電エネルギ量を適宜補正することにより、充電後荷重Ｆ１を適切な大きさにする。
【００９２】
荷重誤差ΔＦが所定範囲内にある場合、つまり、充電後荷重Ｆ１が許容荷重範囲内にある場合（Ｓ１００がＹＥＳ）は、Ｓ１１０に進む。Ｓ１１０では、今回の充電エネルギ量Ｅ０の値を保持し、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１をＥ０とする。したがって、Ｓ７０にて算出した充電制御信号は補正されず、次回噴射時の充電後荷重Ｆ１は変化しない。
【００９３】
一方、Ｓ１００にて荷重誤差ΔＦが所定範囲内に入っていない場合、つまりＳ１００における判定がＮＯの場合、Ｓ１２０に進む。Ｓ１２０では、荷重誤差ΔＦに基づいて、荷重誤差ΔＦの関数である充電エネルギ補正値ΔＥを算出する。荷重誤差ΔＦと充電エネルギ補正値ΔＥとの関係を定義したマップは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。ＥＣＵ４は、この定義されたマップを用いて充電エネルギ補正値ΔＥを算出する。
【００９４】
Ｓ１３０では、充電エネルギ補正値ΔＥが、予め規定された範囲内（ΔＥｍｉｎ≦ΔＥ≦ΔＥｍａｘ）にあるか否かを判定する。ΔＥｍｉｎは充電エネルギ補正値ΔＥの許容最小値であり、ΔＥｍａｘは充電エネルギ補正値ΔＥの許容最大値である。このΔＥｍｉｎおよびΔＥｍａｘは、ＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。
【００９５】
充電エネルギ補正値ΔＥが範囲内にある場合、つまり、Ｓ１３０における判定がＹＥＳの場合、Ｓ１４０に進む。
【００９６】
Ｓ１４０では、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１および次回噴射時の充電制御信号（補正後の充電制御信号）を算出する。
【００９７】
具体的には、今回噴射時の充電エネルギ量Ｅ０に充電エネルギ補正値ΔＥを加算した値を、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１とする。また、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１を実現するために、Ｓ７０にて算出した充電制御信号をさらに補正する。
【００９８】
例えば、充電エネルギ補正値ΔＥが正の場合は、Ｓ７０にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を長くする。充電エネルギ補正値ΔＥが負の場合は、Ｓ７０にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を短くする。
【００９９】
次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１と充電制御信号の補正量との関係を定義したマップはＥＣＵ４のＲＯＭに記憶されている。ＥＣＵ４は、この定義されたマップを用いて充電制御信号の補正量を算出する。
【０１００】
次回のＳ１０では、Ｓ７０にて算出した充電制御信号、あるいはＳ１４０にてさらに補正した充電制御信号を、駆動回路３に出力する。
【０１０１】
Ｓ１４０にて補正した充電制御信号に基づいて駆動部７０への充電を制御することにより、充電後荷重Ｆ１が許容荷重範囲内に調整されるため、高圧側シート面５５への弁体１９の押し付け荷重が不足することによるシール不良を防止できるとともに、過大な押し付け荷重による弁体１９や高圧側シート面５５の摩耗を防止ないしは抑制することができる。
【０１０２】
Ｓ１１０またはＳ１４０に続いて実行されるＳ１５０では、噴射許可信号がオフとなったか否かが判定される。Ｓ１５０にて噴射許可信号がオフしていないと判定されると、引き続き噴射許可信号がオフされたか否かの判定が繰り返される。Ｓ１５０にて噴射許可信号がオフされたと判定されるとＳ１６０に進む。
【０１０３】
Ｓ１６０では、放電制御信号を駆動回路３に出力して、駆動部７０に充電された電荷を周知の方法で放電させる。これにより、弁体１９が高圧側シート面５５から離座してバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間が連通するとともに、弁体１９が低圧側シート面５４に着座してバルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通が遮断され、燃料の噴射が停止する。本フローは、Ｓ１６０の処理を実行後、終了する。
【０１０４】
なお、Ｓ３０がＮＯの場合、すなわちＦａ≦Ｆｂの場合、Ｓ６０がＮＯの場合、すなわちΔＴｍｉｎ＞ΔＴ＞ΔＴｍａｘの場合、Ｓ１３０がＮＯの場合、すなわちΔＥｍｉｎ＞ΔＥ＞ΔＥｍａｘの場合は、駆動部７０や変位伝達部３０の異常などによる制御弁１８の作動不良と判定し、Ｓ１７０に進む。
【０１０５】
Ｓ１７０では、Ｓ３０、Ｓ６０、Ｓ１３０で異常と判定した燃料噴射弁２がどの気筒の燃料噴射弁２であるかの情報を、ＥＣＵ４のＥＥＰＲＯＭに記憶するとともに、その気筒の燃料噴射を停止する処置をする。
【０１０６】
駆動部７０への充電を開始してから噴射が開始されるまでの時間のうち、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの時間は駆動部７０の特性の影響を受けるが、弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断してから噴射が開始されるまでの時間は駆動部７０の特性の影響を受けない。
【０１０７】
したがって、Ｓ７０にて算出した充電制御信号に基づいて駆動部７０への充電を制御することにより、駆動部７０の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの制御弁応答時間ΔＴを目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致させることができる。これによれば、駆動部７０の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、噴射開始時期や噴射量を精度良く制御することができる。
【０１０８】
次に、本実施形態の特徴部分について、図４から図８を用いて詳細に説明する。
【０１０９】
図４は、図１における圧電アクチュエータ２２の圧電体ユニット２３の斜視図である。図５は、圧電体ユニット２３の断面図である。図６は、圧電体ユニット２３の一部を拡大した断面図である。
【０１１０】
図４に示すように、圧電体ユニット２３は、ピエゾ素子層６１、７１、８１と内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂとを積層させたものである。圧電アクチュエータ２２の外観は、八角柱となっている。
【０１１１】
圧電体ユニット２３の上端部には、複数のピエゾ素子層６１と、それらのピエゾ素子層６１を挟む複数の内部電極層６２ａ、６２ｂからと構成される荷重センサ部６０が形成されている。荷重センサ部６０よりも下方には、複数のピエゾ素子層７１と、それらのピエゾ素子層７１を挟む複数の内部電極層７２ａ、７２ｂとから構成される駆動部７０が、同じくピエゾ素子層８１からなる接続層８０を介して形成されている。なお、荷重センサ部６０は、少なくとも一層のピエゾ素子層６１と、そのピエゾ素子層６１を挟む少なくとも一対の内部電極層６２ａ、６２ｂを有しておれば良い。
【０１１２】
図１に示すように、圧電体ユニット２３は、荷重センサ部６０が、ボデー４０の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室５６の軸方向他端側の固定端５７に直接的、または間接的に当接するように収容されている。
【０１１３】
圧電体ユニット２３の一方の側面には、荷重センサ部６０の正極側外部電極６５ａおよび駆動部７０の正極側外部電極７５ａが設けられている。これら正極側外部電極６５ａ、７５ａが設けられている上記一方の側面の反対側の側面である他方の側面には、荷重センサ部６０の負極側外部電極６５ｂおよび駆動部７０の負極側外部電極７５ｂが設けられている。
【０１１４】
正極側外部電極６５ａは、駆動回路３における荷重センサ部６０にて発生した荷重信号を受け取る一対の端子のうち、電位の高い側の端子に接続され、負極側外部電極６５ｂは、もう一方の電位の低い側の端子に接続されている（図示せず）。
【０１１５】
正極側外部電極７５ａは、駆動回路３における駆動部７０に電圧を印加するための一対の端子のうち、電位の高い側の端子に接続され、負極側外部電極７５ｂは、もう一方の電位の低い側の端子に接続されている（図示せず）。
【０１１６】
荷重センサ部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂと駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂは、それぞれ同一側面上に設ける必要は無い。図７に示すように、正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂの配置と、正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂの配置とが９０度ずれて設けられていても良い。
【０１１７】
図５、図６に示すように、荷重センサ部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂは、それぞれ圧電体ユニット２３の上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部６４ａ、６４ｂを有している。内部電極層６２ａ、６２ｂは、電極露出部６４ａ、６４ｂを介して上記一対の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂのいずれか一方に接続する。内部電極層６２ａ、６２ｂは、一層おきに交互にその接続先の外部電極６５ａ、６５ｂを変更する。
【０１１８】
一方の駆動部７０における内部電極層７２ａ、７２ｂも、上記荷重センサ部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂと同様に、上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部７４ａ、７４ｂを有している。内部電極層７２ａ、７２ｂは、電極露出部７４ａ、７４ｂを介して上記一対の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂのいずれか一方に接続する。内部電極層７２ａ、７２ｂは、一層おきに交互にその接続先の外部電極７５ａ、７５ｂを変更する。
【０１１９】
本実施形態では、圧電体ユニット２３は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック原料からなるピエゾ素子層６１、７１、８１と、Ａｇ／Ｐｄ合金からなる内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂを上述した配置となるように積層させた後、焼成させることにより完全に一体化した一体積層型の焼成物としたものである。
【０１２０】
本実施形態では、荷重センサ部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂのうち、駆動部７０に最も近いセンサ部側終端内部電極層６３は、負極側外部電極６５ｂに接続させている。一方、駆動部７０における内部電極層７２ａ、７２ｂのうち、荷重センサ部６０に最も近い駆動部側終端内部電極層７３は、負極側外部電極７５ｂに接続させている。
【０１２１】
センサ部側終端内部電極層６３および駆動部側終端内部電極層７３は、いずれも負極側の電極層となっている。両終端内部電極層６３、７３の間には、接続層８０が介在している。
【０１２２】
ここで、図１に示すように駆動部７０に充電電流を供給すると、駆動部７０におけるピエゾ素子層７１が積層方向に伸長する。駆動部７０が積層方向に伸長する際、荷重センサ部６０には、図８に示すように、駆動部７０が発生する荷重に応じた電圧信号が発生する。発生する電圧は、０Ｖから５０Ｖ程度である。
【０１２３】
本実施形態では、上述したように両終端内部電極層６３、７３がいずれも負極側外部電極層６５ｂ、７５ｂに接続されているため、両終端内部電極層６３、７３の極性は負側となる。このため、駆動部７０に充電電流を供給し、荷重センサ部６０に電荷と電圧信号は発生した状態であっても、両終端内部電極層６３、７３間の電位差が非常に小さくなる。
【０１２４】
駆動部７０に充電電流を供給すべく、ピエゾ素子層７１に約１５０Ｖ程度の高電圧を印加しても、両終端内部電極層６３、７３の極性が負側であるため、駆動部７０から荷重センサ部６０への電気リークを抑えられる。このとき、荷重センサ部６０のピエゾ素子層６１には、数１０Ｖ程度の電圧信号が発生している。荷重センサ部６０への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂから取り出される駆動部７０の荷重に相当する電圧信号等に電気的なノイズがのるという問題を解消することができ、荷重センサ部６０の検出精度を向上できる。
【０１２５】
これにより、図３の制御フローにおけるＳ２０、Ｓ４０、Ｓ８０でのピエゾ荷重の検出精度が格段に向上する。このため、作動状態を確実に把握することが可能となる。その結果、制御弁応答時間ΔＴの検出精度が向上するため、噴射開始時期や噴射量をより精度良く制御することができる。
【０１２６】
また、荷重センサ部６０への電気リークを抑えられるため、荷重センサ部６０と駆動部７０とを接続する接続層８０にピエゾ素子層８１以外の例えば絶縁層などを設ける必要がなくなる。すなわち、本実施形態のように接続層８０をピエゾ素子層８１のみとすることができ、圧電アクチュエータ２２の製造コストの上昇を抑制できる。圧電アクチュエータ２２の燃料噴射弁２に使用した場合、燃料噴射弁２の製造コストの上昇を抑制できる。
【０１２７】
本実施形態では、接続層８０をピエゾ素子層８１のみとしたが、両終端内部電極層６３、７３の極性を負側とするという技術を採用すれば、スペーサを用いる場合であっても、このスペーサを極力薄くすることができ、製造コストの上昇を抑制できる。
【０１２８】
また、本実施形態では、荷重センサ部６０を駆動部７０のいずれかの端部に形成している。このため、圧電体ユニット２３の製造が容易となり製造コストの上昇を抑制できる。
【０１２９】
両終端内部電極層６３、７３の極性を負側同士とすることにより、製造コストの上昇を抑制でき、かつ荷重センサ部６０における検出精度を向上させることができ圧電アクチュエータ２２を提供することができる。
【０１３０】
また、本実施形態では、図１に示すように、圧電体ユニット２３を荷重センサ部６０がアクチュエータ室５６の軸方向他端側の固定端５７に直接的、または間接的に当接するように収容されている。これによれば、弁体１９が低圧側シート面５４から離座する第一時刻Ｔａにおける第一時刻荷重Ｆａと、弁体１９が高圧側シート面５５に着座する直前の第二時刻Ｔｂにおける第二時刻荷重Ｆｂとの差、および第二時刻荷重Ｆｂと、弁体１９が高圧側シート面５５に着座してバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断した高圧側閉時刻Ｔｃにおける閾値Ｆｃとの差を、荷重センサ部６０をアクチュエータ室５６の軸方向一端側に設けた場合に比べ大きくすることができる（図１、図３参照）。このため、弁体１９がどういった状態（低圧側シート面５４からの離座、高圧側シート面５５への着座、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通の遮断）にあるのかの検出精度が向上する。
【０１３１】
次に、荷重センサ部６０をアクチュエータ室５６の軸方向一端側（変位伝達部３０側）に配置させた場合と、アクチュエータ室５６の軸方向他端側（固定端５７側）に配置させた場合のピエゾ荷重の変化を説明する。
【０１３２】
図９は、図３のタイムチャートうち、ピエゾ荷重の部分のみのタイムチャートを取出して示したものである。図中、実線は本実施形態を示し、破線は比較例を示している。
【０１３３】
図９かも明らかなように、本実施形態では、第一時刻Ｔａにおける第一時刻荷重Ｆａと第二時刻Ｔｂにおける第二時刻荷重Ｆｂとの差、および第二時刻荷重Ｆｂと高圧側閉時刻Ｔｃにおける閾値Ｆｃとの差が、破線で示す比較例に比べ大きくなっている。
【０１３４】
荷重センサ部６０がアクチュエータ室５６の軸方向他端側に位置していると、軸方向一端側に位置しているものと比べ、荷重の損失が無いため、第一時刻荷重Ｆａおよび閾値Ｆｃの荷重が大きくなる。荷重センサ部６０がアクチュエータ室５６の軸方向一端側に位置していると、荷重センサ部６０の端面に変位伝達部３０や液室３４や各種スプリング２０、３５、３６の可動部材が存在しているため、これらの部材により荷重の損失が発生し、第一時刻荷重Ｆａ、閾値Ｆｃが本実施形態のものと比べ低くなると考えられる。一方、第二時刻Ｔｂでは、荷重センサ部６０の両端から荷重がある程度作用してしまうため、第二時刻荷重Ｆｂが本実施形態のものと比べ高くなってしまうと考えられる。
【０１３５】
このため、本実施形態のように荷重センサ部６０をアクチュエータ室５６の固定端５７側に直接的または間接的に当接させることにより、第一時刻荷重Ｆａと第二時刻荷重Ｆｂとの差、および第二時刻荷重Ｆｂと閾値Ｆｃとの差を大きくすることができる。
【０１３６】
次に、本実施形態の圧電体ユニット２３の製造方法を、図１０から図１６を用いて説明する。
【０１３７】
本実施形態における圧電体ユニット２３は、グリーンシート作製工程、電極印刷工程、焼失スリット印刷工程、圧着工程、積層体切断工程、焼成工程、絶縁樹脂配設工程、および分極工程を経て製造される。以下、製造工程ごとに説明する。
【０１３８】
（グリーンシート作製工程）
まず、ピエゾ素子材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてＰｂ３Ｏ４、ＳｒＣＯ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３およびＮｂ２Ｏ５を準備し、これらの出発原料を目的組成ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３−Ｐｂ（Ｙ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３となるような化学量論比で秤量し、湿式混合し、温度８５０℃で５時間仮焼した。
【０１３９】
次に仮焼粉をパールミルにより湿式粉砕した。この仮焼粉粉砕物（粒径（Ｄ５０値）：０．７±０．０５μｍ）を乾燥した後、溶剤、バインダ、可塑剤、分散剤などを加えてボールミルにより混合し、得られたスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をした。
【０１４０】
そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム上に塗布し、厚さ８０μｍの長尺のグリーンシートを成形した。このグリーンシートを所定の大きさに切断して、幅広のグリーンシート１００を作製した。
【０１４１】
なお、グリーンシートの成形方法としては、本実施形態で用いたドクターブレード法のほか、押し出し成形法やその他種々の方法を採用することができる。
【０１４２】
（電極印刷工程）
次に、図１０、図１１の如く、グリーンシート１００上に内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂとなる電極材料１０１ａ、１０１ｂを印刷し、第一電極印刷シート１１０ａおよび第二電極印刷シート１１０ｂの二種類のシートを形成した。
【０１４３】
第一電極印刷シート１１０ａの形成に当たっては、図１０に示す如く、グリーンシート１００上の印刷領域１０２において、最終的に内部電極層６２ａ、７２ａとなる部分に電極材料１０１ａを印刷して、第一電極印刷シート１１０ａを形成した。
【０１４４】
第二電極印刷シート１１０ｂの形成に当たっては、第一電極印刷シート１１０ａと同様に、図１１に示す如く、グリーンシート１００上の印刷領域１０２において、内部電極層６２ｂ、７２ｂとなる部分に電極材料１０１ｂを印刷して、第二電極印刷シート１１０ｂを形成した。
【０１４５】
第一電極印刷シート１１０ａおよび第二電極印刷シート１１０ｂにおいては、グリーンシート１００上に形成された電極材料１０１ａ、１０１ｂがそれぞれ異なる前述の一方の側面および他方の側面に露出している。
【０１４６】
本実施形態では、電極材料１０１ａ、１０１ｂとして、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いた。電極材料１０１ａ、１０１ｂとしては、上記以外にも、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉなどの単体金属、Ｃｕ／Ｎｉなどの合金を用いても良い。
【０１４７】
（焼失スリット印刷工程）
本実施形態では、図１３に示すように、製造しようとする圧電体ユニット２３のピエゾ素子層７１の側面にスリット溝部１２０を設けている。なお、図４から図６に示す圧電体ユニット２３では、説明上、スリット溝部１２０の記載を省略している。このスリット溝部１２０は、圧電アクチュエータ２２を作動させるときに発生する内部応力を緩和する機能を持っている。スリット溝部１２０は、上述の第一電極印刷シート１１０ａと第二電極印刷シート１１０ｂとの間にこの工程で形成する焼失スリット印刷シート１１１を挟み込むことにより形成する。
【０１４８】
図１２に示す如く、上記のグリーンシート１００上の印刷領域１０２において、最終的にスリット溝部１２０となる部分に焼成によって焼失する焼失材料よりなる焼失スリット層１１２を印刷し、焼失スリット印刷シート１１１を形成した。
【０１４９】
電極印刷工程および焼失スリット印刷工程では、図１０から図１２に示す如く、後工程の積層体切断工程において切断される部分を避けるように間隙１０３を設けて、電極材料１０１ａ、１０１ｂ、および焼失スリット層１１２の印刷を行う。
【０１５０】
（圧着工程）
次に、図１４に示す如く、形成した第一電極印刷シート１１０ａ、第二電極印刷シート１１０ｂおよび焼失スリット印刷シート１１１を所定の順序で各印刷領域１０２を積層方向に揃えて積層した。本実施形態では、駆動部７０の荷重センサ部６０側の端部に位置する電極印刷シートと、荷重センサ部６０の駆動部７０側の端部に位置する電極印刷シートとを何れも第二電極印刷シート１１０ｂとし、さらに、それらの第二電極印刷シート１１０ｂの間には、電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２の印刷が施されていないグリーンシート１００を積層させた。このグリーンシート１００が焼成後、接続層８０となる。そして、圧電体ユニット２３の両端部に電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２の印刷が施されていないグリーンシート１００を積層させた（図１５参照）。
【０１５１】
このようにして積層した積層体を温度１００℃で加熱するとともに、積層方向に５０ＭＰａで加圧し、予備積層体１３０を作製した。
【０１５２】
（積層体切断工程）
次に、図１５、図１６に示す如く、形成した予備積層体１３０を切断位置に沿って積層方向に切断し、中間積層体１４０を形成した。なお、予備積層体１３０の切断は、中間積層体１４０ごとに切断しても良いし、複数の中間積層体１４０を含んで切断しても良い。本実施形態では、中間積層体１４０ごとに切断し、各電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２が中間積層体１４０の側面に露出するように切断した。
【０１５３】
（焼成工程）
次に、中間積層体１４０のグリーンシート１００に含有されているバインダ樹脂を９０％以上加熱除去（脱脂）した。加熱は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温し、５時間保持することにより行った。
【０１５４】
次に、脱脂した中間積層体１４０を焼成した。焼成は、温度１０５０℃まで１２時間かけて徐々に昇温させ、２時間保持後、徐々に冷却することにより行った。
【０１５５】
このようにして、図４から図６に示す如く、完全に一体化した焼成物からなる一体積層型の圧電体ユニット２３が形成された。このようにして、焼成工程を経ると、図４から図６には図示していないが、焼失スリット層１１２が焼失してスリット状のスリット溝部１２０が圧電体ユニット２３の側面に形成される（図１３参照）。
【０１５６】
次いで、焼成後、圧電体ユニット２３の四つ角を積層方向に沿って切り欠いた。これにより、圧電体ユニット２３は、径方向断面が八角柱状となる。その後、全面に研磨処理を施し、内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂのそれぞれの電極露出部６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂを側面に露出させるとともに、所定の大きさの圧電体ユニット２３を形成した。さらにその後、荷重センサ部６０用の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂ、および駆動部７０用の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂをスクリーン印刷によって形成した。
【０１５７】
このとき、内部電極層６２ａ、６２ｂの電極露出部６４ａ、６４ｂは、それぞれ荷重センサ部６０の正極側外部電極層６５ａ、負極側外部電極層６５ｂに電気的に接続される。また、内部電極層７２ａ、７２ｂの電極露出部６４ａ、６４ｂは、それぞれ駆動部７０の正極側外部電極層７５ａ、負極側外部電極層７５ｂに電気的に接続される。
【０１５８】
荷重センサ部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂと駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂは、一定の電気絶縁距離を保つように形成した。好ましくは、電界強度が１ｋＶ／ｍｍ以下となるように形成した。
【０１５９】
そして、荷重センサ部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂおよび駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂのそれぞれにリード線、もしくはメッシュ状の電極板を導電性樹脂または半田などで接続した。
【０１６０】
（絶縁樹脂配設工程）
次いで、本実施形態では、図１３に示すように、絶縁樹脂１２１をスリット溝部１２０に配設した。具体的には、加熱硬化型のシリコーン樹脂からなる絶縁樹脂１２１をスリット溝部１２０に塗布し、加熱させて硬化させることにより配設した。絶縁樹脂１２１としては、耐熱性の高いウレタン樹脂やフロロシリコーン樹脂などを用いても良い。
【０１６１】
（分極工程）
次いで、上記工程を経た圧電体ユニット２３に対して分極処理を実行する。本実施形態では、１６０Ｖの直流電圧を荷重センサ部６０と駆動部７０に２分間通電した。その際、荷重センサ部６０におけるセンサ部側終端内部電極層６３（図５、図６参照）と、駆動部７０における駆動部側終端内部電極層７３（図５、図６参照）の極性が何れも負極側となるように、分極処理を実行する。
【０１６２】
荷重センサ部６０と駆動部７０の分極処理は、同時に行っても良いし、別々に行っても良い。また、荷重センサ部６０および駆動部７０の積層数に応じて、所定の予荷重を付与する治具に取付けた状態で分極処理を実行しても良い。また、分極処理を実行する際の雰囲気温度を変更しても良い。例えば、１４０℃下で分極処理を実行しても良い。また、分極処理は、直流電圧を印加することによって行うだけでなく、正弦波や台形波などの交流電圧を印加して行っても良い。
【０１６３】
上述した分極工程を経て、センサ部側終端内部電極層６３および駆動部側終端内部電極層７３がともに負極側同士となっている圧電体ユニット２３を得た。
【０１６４】
なお、本実施形態では、駆動部７０を構成する第一電極印刷シート１１０ａと第二電極印刷シート１１０ｂとの間に焼失スリット印刷シート１１１を挿入して、駆動部７０の側面にスリット溝部１２０を形成しているが、この焼失スリット印刷シート１１１は、必ずしも必要無い。
【０１６５】
本実施形態では、圧電体ユニット２３を所謂、一体積層型の圧電体ユニットとして形成した。圧電体ユニット２３の形態としては一体積層型とは別に単板積層型がある。単板積層型の圧電体ユニットは、一体積層型のものとは異なり、予め焼成したピエゾ素子層に内部電極層を印刷、焼成し、適宜積層して圧電体ユニットとするものである。
【０１６６】
この単板積層型の圧電体ユニットであっても、センサ部側終端内部電極層６３と駆動部側終端内部電極層７３の極性を負側とすることによっても、上述した本実施形態の作用効果を得ることはできる。
【０１６７】
しかしながら、圧電体ユニット２３を一体積層型とすると、以下の点で単板積層型のものよりも優れる。単板積層型の圧電体ユニットでは、一般的には、内部電極層と外部との電気的に接続する導電体（例えば、ステンレスや銅などの金属箔）がピエゾ素子層間に配置されている。
【０１６８】
荷重センサ部６０と駆動部７０とを単板積層型にて形成した場合、駆動部７０を伸長させたときの荷重を荷重センサ部６０にて検出しようとすると、ピエゾ素子層間に配置されている導電体が変形する。このため、力の伝達損失が発生し、荷重センサ部６０の検出精度が低下するおそれがある。また、この導電体の変形は、使用状況により変化するため、駆動部７０に所定量伸長させるべく、所定の電圧を印加したとしても、荷重センサ部６０の検出結果が変化してしまい検出精度が低下する。
【０１６９】
これに対し、本実施形態の圧電体ユニット２３は、上述したように一体積層型の焼成体として形成されている。ここで、上述したように、一体積層型の圧電体ユニット２３では、焼成した後に、研磨することにより内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂの電極露出部６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂを露出させることが容易である。このため、一体積層型の圧電体ユニット２３では、ピエゾ素子層間に導電体を挿入させる必要が無い。圧電体ユニット２３を一体積層型とすることにより、駆動部７０から荷重センサ部６０に伝わる力の損失を抑制でき、荷重センサ部６０の検出精度が単板積層型のものと比べ向上する。
【０１７０】
また、一体積層型の圧電体ユニット２３は一つの焼成物となっているため、別々に焼成した焼成物を積層させる単板積層型のものと比べ、荷重センサ部６０や駆動部７０における物性が非常に近い。このため、荷重センサ部６０から出力される電圧信号の温度特性の校正（補正）が容易である。
【０１７１】
（第２実施形態）
図１７、図１８に示すように、本発明の第２実施形態は、第１実施形態の変形例である。第１実施形態では圧電体ユニット２３が一つの焼成物から構成されているのに対し、第２実施形態では、圧電体ユニット２３が単一のユニット２３ａと複数のユニット２３ａ、２３ｂとから構成されている。具体的には、圧電体ユニット２３は、荷重センサ部６０と駆動部７０の一部を有する一つのセンサ部付圧電体ユニット２３ａ、および駆動部７０の他の部分のみを有する五個の駆動部圧電体ユニット２３ｂが積み重なって構成されている。
【０１７２】
本実施形態における圧電体ユニット２３の外観は、第１実施形態とほぼ同じであり、八角柱状となっている。図１７、図１８に示すように、センサ部付圧電体ユニット２３ａの側面には、荷重センサ部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂおよび駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂが設けられている。また、駆動部圧電体ユニット２３ｂにも、駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂが設けられている。
【０１７３】
図１８に示すように、センサ部付圧電体ユニット２３ａと駆動部圧電体ユニット２３ｂ、および駆動部圧電体ユニット２３ｂ同士の接合は、例えばシリコーン系の接着剤９０などで接合されている。
【０１７４】
本実施形態においても、センサ部付圧電体ユニット２３ａおよび駆動部圧電体ユニット２３ｂは、第１実施形態の圧電体ユニット２３と同様、一体積層型の圧電体ユニットである。製造方法は、第１実施形態にて説明した方法と同様である。
【０１７５】
このように、複数の圧電体ユニットを集合させて一つの圧電体ユニットとすることにより、以下に示すような効果がある。
【０１７６】
ここで、第１実施形態のように所定の長さの圧電体ユニット２３を一体焼成物として形成すると、駆動部７０を伸長させたとき、駆動部７０の側面近傍に応力が集中することがある。側面近傍に応力が集中すると、応力が集中した箇所が破損するおそれがある。この現象は、駆動部７０のピエゾ素子層７１の積層数が多ければ多いほど顕著となる。
【０１７７】
これに対し、第２実施形態では、所定の長さの圧電体ユニット２３を、一つのセンサ部付圧電体ユニット２３ａ、および複数の駆動部圧電体ユニット２３ｂを積み重ねることにより形成している。
【０１７８】
これによれば、駆動部７０を伸長させたときの、駆動部７０の側面近傍に集中する応力の程度を小さくすることができる。このため、圧電体ユニット２３の損傷を極力抑制でき、品質を向上させることができる。
【０１７９】
（第３実施形態）
図１９に示すように、本発明の第３実施形態は、第２実施形態の変形例である。第３実施形態では、圧電体ユニット２３が複数のユニットから構成されている点では、第２実施形態の圧電体ユニットと共通するが、荷重センサ部６０を有する圧電体ユニットの構成が異なる。具体的には、圧電体ユニット２３は、荷重センサ部６０のみからなるセンサ部圧電体ユニット２５ａ、および駆動部７０のみからなる駆動部圧電体ユニット２５ｂが複数個積み重なって構成されている。なお、駆動部圧電体ユニット２５ｂは、少なくとも１つあれば良く、必ずしも複数個積み重ねる必要は無い。
【０１８０】
図１９に示すように、センサ部圧電体ユニット２５ａのセンサ部側終端内部電極層６３、および駆動部圧電体ユニット２５ｂの駆動部側終端内部電極層７３は共に負極側の電極層である。
【０１８１】
また、図１９に示すように、センサ部圧電体ユニット２５ａと駆動部圧電体ユニット２５ｂとの間には、例えば、アルミナや窒化珪素などからなる絶縁性のセラミック板９１が設けられている。これにより、駆動部圧電体ユニット２５ｂからセンサ部圧電体ユニット２５ａへの駆動部圧電体ユニット２５ｂからセンサ部圧電体ユニット２５ａへの電気リークを確実に防止することができる。
【０１８２】
また、この実施形態によれば、第２実施形態に示すような一つのユニットに荷重センサ部６０と駆動部７０とを備えるユニットを用意する場合に比べ、センサ部圧電体ユニット２５ａと駆動部圧電体ユニット２５ｂの仕様を分ける必要が無く、共通の仕様の圧電体ユニットとすることができる。このため、低コストで荷重センサ部６０を有する圧電アクチュエータ２２を製造できる。
【０１８３】
（第４実施形態）
図２０に示すように、本発明の第４実施形態は、第１〜３実施形態の変形例である。第４実施形態では、接続層８０ａの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、ピエゾ素子層８１ａの厚さが、他の荷重センサ部６０および駆動部７０におけるピエゾ素子層６１、７１と比べ厚くなっている。
【０１８４】
このため、荷重センサ部６０と駆動部７０との間の絶縁性をより確かなものとすることができ、荷重センサ部６０の検出精度を向上させることができる。
【０１８５】
（第５実施形態）
図２１に示すように、本発明の第５実施形態は、第１〜４実施形態の変形例である。第５実施形態では、接続層８０ｂの構造が他の実施形態のものと異なっている。具体的には、接続層８０ｂは、ピエゾ素子層８１のみではなく、ピエゾ素子層８１と内部電極層８２とが交互に積層されて形成されている。ピエゾ素子層８１および内部電極層８２は、荷重センサ部６０や駆動部７０におけるピエゾ素子層６１、７１や内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂと同じグリーンシート１００や電極材料１０１ａ、１０１ｂから構成されている。内部電極層８２は、どの外部電極６５ａ、６５ｂ、７５ａ、７５ｂにも接続されていない。
【０１８６】
この構成によれば、焼成後、接続層８０ｂとなる部分に配置されるグリーンシート１００を荷重センサ部６０や駆動部７０となる部分に配置されるグリーンシート１００と同じものを使用することができ、製造コストの上昇を抑えられる。
【０１８７】
また、ピエゾ素子層８１と内部電極層８２とが交互に積層されているため、ピエゾ素子層８１を複数層重ねることができる。この構成によっても、接続層８０を厚く形成することができるため、荷重センサ部６０と駆動部７０との絶縁性を確保することができる。
【０１８８】
また、荷重センサ部６０や駆動部７０と同様、接続層８０ｂもピエゾ素子層８１と内部電極層８２とが交互に積層されているため、圧電体ユニット２３を一体積層型で形成する際、接続層８０ｂも荷重センサ部６０や駆動部７０と同じ環境で焼成させることができ、焼成後の接続層８０ｂの状態も荷重センサ部６０や駆動部７０と同様とすることができる。ピエゾ素子層８１を挟む内部電極層８２に焼結助剤としての機能があれば、接続層８０ｂの機械的強度を確保することができ、圧電体ユニット２３の品質を向上させることができる。
【０１８９】
内部電極層を含むピエゾ素子層と、内部電極層を含まないピエゾ素子層とでは焼成時の収縮率が異なる。本実施形態によれば、接続層８０ｂと、荷重センサ部６０並びに駆動部７０との焼成収縮を整合することができる。その結果、焼成収縮が未整合による圧電体ユニット２３の焼成後の剥離、クラックなどを回避できる。
【０１９０】
（第６実施形態）
図２２に示すように、本発明の第６実施形態は、第１〜５実施形態の変形例である。第６実施形態では、駆動部側終端内部電極層７３とその隣の駆動部７０における内部電極層７２ａとの間に配設されるピエゾ素子層７１ａの構造が他の実施形態のものと異なる。具体的には、このピエゾ素子層７１ａの厚さを、駆動部７０における中央部のピエゾ素子層７１よりも厚くしている。この構成によれば、駆動部７０を伸縮させたときの、駆動部７０の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
【０１９１】
（第７実施形態）
図２３に示すように、本発明の第７実施形態は、第１実施形態の変形例である。第７実施形態では、ニードル２１２の閉弁駆動および開弁駆動を制御する機構が異なる。第１実施形態における燃料噴射弁２は、圧電アクチュエータ２２にて直接変位伝達部３０を駆動し、その変位伝達部３０における変位を制御弁１８に伝達することにより、制御弁１８の弁体１９を駆動して制御室２４６の圧力を調整してニードル２１２の開閉駆動を制御する。これに対して、第７実施形態における燃料噴射弁２００は、シリンダ２１７の移動量を圧電アクチュエータ２２にて変えることにより制御室２４６内の燃料圧力を制御し、ニードル２１２の開閉駆動を制御する。
【０１９２】
燃料噴射弁２００は、ノズル２１１、シリンダ２１７、固定ピストン２２０、アクチュエータ部２３０などから構成され、これらの部品は、棒状に形成されているボデー２４０に収容されている。
【０１９３】
ボデー２４０は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部２４１を備えている。ボデー２４０の軸方向一端側には、収容部２４２が形成されており、その収容部２４２には、燃料の噴射、非噴射を制御するノズル２１１が収容されている。なお、収容部２４２が、特許請求の範囲に記載の「第一液圧室」に相当する。
【０１９４】
ノズル２１１は、ニードル２１２、ノズルスプリング２１６を有している。ニードル２１２は、収容部２４２内に摺動自在に保持されている。収容部２４２の軸方向一端側には、高圧燃料通路２４５を介して燃料入口部２４１と連通する噴孔２４３が形成されている。
【０１９５】
この噴孔２４３の燃料入口部２４１側には、ニードル２１２に形成されているシート部２１３が着座する弁座２４４が形成されている。弁座２４４にシート部２１３が着座することにより、噴孔２４３への燃料の流れが閉塞され、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する。弁座２４４からシート部２１３が離座することにより、噴孔２４３への燃料の流れが開放され、噴孔２４３から燃料が噴射する。ニードル２１２のシート部２１３とは反対側の端部にはピストン部２１４が形成されている。
【０１９６】
このピストン部２１４は、シリンダ２１７に摺動自在に挿入されている。ニードル２１２のシート部２１３とピストン部２１４との間にはフランジ部２１５が形成され、このフランジ部２１５とシリンダ２１７との間には、ノズルスプリング２１６が設けられている。このノズルスプリング２１６は、ニードル２１２を、シート部２１３が弁座２４４に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
【０１９７】
収容部２４２の軸方向他端側には、アクチュエータ部２３０が収容されている。アクチュエータ部２３０は、第１実施形態から第５実施形態にて説明した圧電アクチュエータ２２と、圧電アクチュエータ２２からの変位をシリンダ２１７に伝達するプッシュプレート２３１とを有する。圧電アクチュエータ２２の駆動部７０が伸縮すると、プッシュプレート２３１を介してシリンダ２１７が駆動される。
【０１９８】
シリンダ２１７は、内周面に段付き部を備える段付き円筒状の部材であって、段付き部の一方側に第一シリンダ孔２１８が形成され、段付き部の他方側に、第一シリンダ孔２１８よりも大径の第二シリンダ孔２１９が形成されている。シリンダ２１７は、第一、第二シリンダ孔２１８、２１９がボデー２４０の軸方向に沿って並んで配置されるように収容部２４２に収容されている。第一シリンダ孔２１８は、第二シリンダ孔２１９よりも噴孔２４３側に配置されている。
【０１９９】
第二シリンダ孔２１９には、固定ピストン２２０が摺動自在に挿入されている。固定ピストン２２０は、固定ピストン部２２１と固定ピストン部２２１よりも径方向外側に突出するフランジ部２２２を有する。第二シリンダ孔２１９には、固定ピストン部２２１のみが挿入されている。
【０２００】
固定ピストン部２２１とニードル２１２のピストン部２１４との間には、シリンダ２１７、固定ピストン部２２１、ピストン部２１４にて、制御室２４６が形成される。この制御室２４６には、収容部２４２に流入した高圧燃料が第一シリンダ孔２１８とピストン部２１４、および第二シリンダ孔２１９と固定ピストン部２２１とのクリアランスを介して流入するようになっている。なお、制御室２４６が、特許請求の範囲に記載の「第二液圧室」に相当する。
【０２０１】
図２４は、固定ピストン２２０を噴孔２４３側から見たＸＸＩＶ視図である。この図に示すように、固定ピストン２２０のフランジ部２２２は、周方向に沿って三個に分割されており、隣接するフランジ部２２２間に切欠き部２２３が形成されている。図２３に示すように、フランジ部２２２が、収容部２４２の内壁に支持されているスペーサ２３４と、収容部２４２の内壁に支持されている固定スプリング２３５とに挟まれることにより、固定ピストン２２０がボデー２４０に対して固定される。
【０２０２】
図２５（ａ）はプッシュプレート２３１の正面図であり、図２５（ｂ）はプッシュプレート２３１の下面図である。図２５に示すように、プッシュプレート２３１は、円柱状の円板部２３２と、円板部２３２の一端面から軸方向に突出する三個の円柱状の脚部２３３とを備えている。
【０２０３】
これら脚部２３３は、プッシュプレート２３１と固定ピストン２２０とを組み合わせたときに、脚部２３３が切欠き部２２３に挿入される位置に周方向に沿って設けられている（図２４を参照）。図２３に示すように、プッシュプレート２３１は、円板部２３２が圧電アクチュエータ２２の駆動部７０に当接し、脚部２３３がシリンダ２１７に当接するように収容部２４２に収容される。
【０２０４】
次に、上記燃料噴射弁２００の作動を説明する。圧電アクチュエータ２２の駆動部７０が伸長していないとき、シリンダ２１７はノズルスプリング２１６の付勢力により圧電アクチュエータ２２側に移動している。このとき、制御室２４６には、第一シリンダ孔２１８とピストン部２１４とのクリアランス、および第二シリンダ孔２１９と固定ピストン部２２１とのクリアランスを介して、収容部２４２内の高圧燃料が流入し、制御室２４６と収容部２４２との燃料圧力が等しくなっている。
【０２０５】
この状態のとき、ニードル２１２は、制御室２４６内の燃料圧力がピストン部２１４に作用することによるニードル２１２に発生する閉弁方向の力と、ノズルスプリング２１６の付勢力によるニードル２１２に発生する閉弁方向の力の合計が、収容部２４２内の高圧燃料がニードル２１２に作用することによるニードル２１２に発生する開弁方向の力よりも大きい。このため、ニードル２１２のシート部２１３が弁座２４４に着座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する（図２３の状態）。
【０２０６】
駆動部７０が伸長すると、駆動部７０の伸長にともなってシリンダ２１７が噴孔２４３側に移動する。第一シリンダ孔２１８は、第二シリンダ孔２１９よりも径が小さいため、シリンダ２１７が噴孔２４３側に移動すると制御室２４６内の容積が大きくなる。これにより、制御室２４６内の燃料圧力がシリンダ２１７の移動量にともなって低くなる。これにより、上記ニードル２１２に発生する閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも小さくなり、ニードル２１２が開弁方向に移動し、シート部２１３が弁座２４４から離座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が行われる。
【０２０７】
その後、再び駆動部７０が収縮すると、シリンダ２１７はノズルスプリング２１６の付勢力により、圧電アクチュエータ２２側に移動し、制御室２４６の容積が小さくなる。これにより、制御室２４６内の燃料圧力が上昇し、上記閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも大きくなる。これにより、シート部２１３が弁座２４４に着座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する。
【図面の簡単な説明】
【０２０８】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を含む燃料供給装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料噴射弁を制御する電子制御装置にて実行される制御処理を示すフローチャートである。
【図３】図２における制御処理を行ったときの燃料噴射弁の作動を示すタイムチャートである。
【図４】図１に設けられている圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの斜視図である。
【図５】図４に示す圧電体ユニットの構成を示す断面図である。
【図６】図４に示す圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図７】図４に示す圧電体ユニットの他の例を示す圧電体ユニットの構成を示す斜視図である。
【図８】図４に示す圧電体ユニットから発生する荷重と荷重センサ部からの出力との関係を示した特性図である。
【図９】図４に示す圧電体ユニットの荷重センサ部をアクチュエータ室の軸方向一端側、若しくは軸方向他端側に配置させたときの効果を説明するためのピエゾ荷重を示すタイムチャートである。
【図１０】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、電極印刷工程における第一電極印刷シートの構成を示す斜視図である。
【図１１】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、電極印刷工程における第二電極印刷シートの構成を示す斜視図である。
【図１２】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、焼失スリット印刷工程における焼失スリット印刷シートの構成を示す斜視図である。
【図１３】図４に示す圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図１４】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、圧着工程における予備積層体の構成を示す斜視図である。
【図１５】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、積層体切断工程における予備積層体の構成を示す側面図である。
【図１６】図４に示す圧電体ユニットの製造工程のうち、積層体切断工程にて切断された後の中間積層体の構成を示す側面図である。
【図１７】第２実施形態による圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの構成を示す斜視図である。
【図１８】図１７に示す圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図１９】第３実施形態による圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図２０】第４実施形態による圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図２１】第５実施形態による圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図２２】第６実施形態による圧電アクチュエータにおける圧電体ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図２３】第７実施形態による燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
【図２４】図２３の固定ピストンのＸＸＩＶ視図である。
【図２５】（ａ）は図２３のプッシュプレートの正面図、（ｂ）はそのプッシュプレートの下面図である。
【符号の説明】
【０２０９】
１  燃料供給装置、２  燃料噴射弁、３  駆動回路、４  電子制御装置（ＥＣＵ）、８  リターン経路、９  背圧弁、１０  燃料タンク、１１  ノズル、１２  ニードル、１６  ノズルスプリング、１７  ノズルシリンダ、１８  制御弁、１９  弁体、２０  バルブスプリング、２１  アクチュエータ部、２２  圧電アクチュエータ、２３  圧電体ユニット、３０  変位伝達部、３４  液室、４０  ボデー、４１  燃料入口部、４３  収容部、４４  噴孔、４６  高圧燃料通路、４７  高圧連絡通路、４８  低圧燃料通路、４９  低圧連絡通路、５０  連絡通路、５２  制御室、５３  バルブ室、５４  低圧側シート面、５５  高圧側シート面、５６  アクチュエータ室、５７  固定端、６０  荷重センサ部、６１  ピエゾ素子層、６２ａ・６２ｂ  内部電極層、６３  センサ部側終端内部電極層、６４ａ・６４ｂ  電極露出部、６５ａ  正極側外部電極、６５ｂ  負極側外部電極、７０  駆動部、７１  ピエゾ素子層、７２ａ・７２ｂ  内部電極層、７３  駆動部側終端内部電極層、７４ａ・７４ｂ  電極露出部、７５ａ  正極側外部電極、７５ｂ  負極側外部電極、８０  接続層、８１  ピエゾ素子層、８２  内部電極層、１００  グリーンシート、１０１ａ  電極材料、１０１ｂ  電極材料、１０２  印刷領域、１１０ａ  第一電極印刷シート、１１０ｂ  第二電極印刷シート、１１１  焼失スリット印刷シート、１１２  焼失スリット層、１３０  予備積層体、１４０  中間積層体
【図１】
2010103315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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