(57)【要約】      （修正有）【課題】十分な歪みを生じ応答性の良好な圧電素子を用いた燃料噴射弁を提供すること。【解決手段】燃料噴射弁は、燃料噴射口１０と、この燃料噴射口１０を開閉するニードル弁２０と、燃圧室３０と、背圧室４０と、この背圧室４０と連通した予圧室５０と、この予圧室５０に収容されたアクチュエータ６０とを備える。燃圧室３０は、ニードル弁２０を包囲する空間として形成され、燃料入口１１を介して加圧された液体燃料が充填される。背圧室４０は、ニードル弁２０によって燃圧室３０と区画された空間として形成され、ニードル弁２０を燃料噴射口１０側に押圧付勢するコイルスプリング４１を有する。予圧室５０には、アクチュエータ６０と連結した予圧ピストン５１が設けられ、コイルスプリング５３も設けられる。アクチュエータ６０は、強弾性を有する強誘電体から成る圧電素子である。【選択図】図３
2008091813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強弾性を有する強誘電体から成る圧電素子をアクチュエータとして備え、
上記アクチュエータは、圧縮応力と、この圧縮応力の方向と同じ方向の電界の強さを有する電界を付与されて駆動することを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
上記圧縮応力が、上記電界の付与によって発生する最大歪みの５０％以上の歪みを上記アクチュエータに与え、且つこのアクチュエータにドメイン転換を起こすことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記圧縮応力が液圧を介して付与されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
燃料噴射口と、この燃料噴射口を開閉するニードル弁と、加圧された燃料を充填される燃圧室と、上記ニードル弁によって上記燃圧室と区画され上記ニードル弁を上記燃料噴射口側に押圧付勢するスプリング部材を収容した背圧室と、この背圧室と連通し予圧ピストンを収容した予圧室と、を備え、
上記アクチュエータが、上記予圧室に収容され、上記予圧ピストンと当接していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
更に、上記予圧ピストンに対する圧力調整機構を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
上記圧力調整機構が押圧スプリングを有することを特徴とする請求項５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、燃料噴射弁に係り、更に詳細には、特定の圧電素子をアクチュエータとして用いた燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料噴射インジェクターに用いられるアクチュエータとしては、電磁式が一般的であり、ソレノイドに通電したときに発生する磁場を利用して変位を制御する方式が採用されている。この方式は汎用されているが、電磁誘導を利用するために応答速度に限界がある。
【０００３】
そこで、圧電素子を用いた燃料噴射インジェクターが提案されているが、ソレノイド方式に比べて歪み量が小さいため、短時間に大量の燃料を噴射するには不利であった。これは、このような燃料噴射インジェクターでは、圧電素子に高電圧を印加したときの微小な歪みを利用するので、十分に大きな変位を得るには、極めて高い電圧をかけるか、又は圧電素子を十分に長くしなければならないためである。
【０００４】
しかし、極めて高い電圧の印加には、電極間での絶縁破壊や放電現象の発生のために限界があり、素子長さについても、制限されたエンジンルーム内での大きさをむやみに大きくすることは現実的ではない。
【０００５】
ここで、この高電圧を印加したときの微小な歪みの大きさはｄ３３によって評価されるが、特性の優れた圧電素子でも４００ｐｍ／Ｖ程度である。これは１ｋＶ／ｍｍの電界の下でも０．４％程度の小さな歪みしか発生しないことを意味している。
このｄ３３を高めるには、方位の揃った単結晶を用いるのが好ましく、制御された組成の単結晶では２０００ｐｍ／Ｖ程度の優れた特性の材料も開発されているものの、単結晶は脆く発生する歪みによって割れやすいことが問題視されており、大きな歪みを発生するようなアクチュエータへの応用には限界がある。
【０００６】
しかも、このような優れた材料はいずれも鉛を含むために排気の際に環境に悪影響を与えないような配慮が必要であるから、優れた圧電特性を保有するとともに鉛を含まない材料への変更が強く望まれている。
鉛を含まない電圧材料としては（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）ＮｂＯ３系、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３系、ビスマス層状強誘電体などが候補材料として検討が進められ、これらの材料は圧電特性の異方性が大きいために結晶の配向制御技術についての研究も行われている。
【０００７】
ところで、電界を与えることによって歪みを生ずる材料が圧電体であるが、これは対称性の低い結晶構造を持つ物質である。このような物質では、電界をかけることにより正負のイオンの移動がわずかに起こるが、そのイオンの位置が平衡からずれることによって歪みが生ずる。
このような材料としては、水晶、酸化亜鉛及び窒化アルミニウムなどが知られているが、かかる圧電体の歪みは一般に小さいために大きな変位を必要とするアクチュエータに応用されることはない。アクチュエータにはこのような材料で発揮される以上の更に大きな歪みが誘起される必要があるからである。
【０００８】
大きな圧電歪みを生ずる材料としては、分極された強誘電体が知られている。これは自発分極方向が異なるドメインを一方向に揃えた強誘電体である。かかる強誘電体に電界を印加すると、電界によって誘起される分極が加算され、その加算された分極に応じて歪み量が変化するものであるが、このような分極された強誘電体であっても、アクチュエータに用いるには十分とは言えなかった。
【０００９】
一方、大きな歪みを発生させる他の手法として、いわゆるドメイン転換による手法が知られており、分極による歪みに比べるとドメイン転換によって生ずる歪みは大きいから、これを利用すると大きな歪みを発生させることができる可能性がある。
ドメイン転換機構は、等方向でない結晶構造において、軸方向の変換によって発現するためヒシテリシスが大きいことが問題とされ、長い間注目を集めることはなかった。
【００１０】
なお、ドメイン転換による歪みはドメイン寸法の変化に相当するので、圧電歪み機構とは異なる機構であるが、その大きさは既述したように結晶学的に予測できる。
このドメイン転換が低電圧で可逆的に起これば、実質的に大きなｄ３３が見掛け上得られることになるが、無秩序に配向したドメインについては、印加した電界が一定値を超えたときには電界方向に揃うものの、その電界を取り除いたときには変化はなく、再び無秩序に配向したドメイン構造とするには逆電界をかける必要があった。
【００１１】
このことが、ドメイン転換においてヒシテリシスが大きくなる理由であるが、不純物を含むＢａＴｉＯ３については、キューリー温度以下でアニールすると、酸素欠陥が不純物原子の周囲に集まるために、一定の電界を超えたときにドメインが電界方向に揃うが、その電界を取り除いたときにもドメインはもとの無秩序な構造に戻ることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
このような応答はＰｂ０．９９Ｎｂ０．０２［Ｚｒ０．６Ｓｎ０．４］０．９４Ｔｉ０．０６］０．９８Ｏ３で見られる反強誘電状態と強誘電状態との遷移による自発歪みの変化に似ているが、この相転移の応答速度は比較的遅く５０Ｈｚどまりとされている。
【非特許文献１】ネイチャーマテリアルズ，第３巻，９１ページ，２００４年度発行
【００１２】
一方、強誘電体には強弾性体としての性質があり、圧縮応力を加えることによって短軸のドメインを安定化する効果があるとされている。
このことは、圧縮応力が一定値を超えると一定方向のドメインが安定化されるが、そのドメインの短軸方向に電界をかけてドメインを長くする効果を重畳すると、電界の大きさが十分に大きく、しかも圧縮応力があまりに大きすぎないときにはドメイン方向に変位が生ずる現象に起因するものである。
【００１３】
上記の現象は、圧縮応力と印加した電界との大きさの関係が適正な条件下で起こるものであるから、あまりに大きな圧縮応力の下では、それによるドメインの向きの安定化が強く働いて、ドメインの転換を起こすような強い電気をかけてドメイン転換を図ることは実質的に不可能となる。
なお、強弾性が生ずるのには必ずしも強誘電性は必要ではなく、方解石やジルコニアなどの異方性のある材料でも見出せるが、これらの材料は強誘電体でないので、上述のドメイン転換などは起こらない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のように、ドメイン転換などを起こす材料については既に提案がなされているものの、かかる材料を燃料噴射弁のアクチュエータに用いることは知られていない。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、十分な歪みを生じ応答性の良好な圧電素子を用いた燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の特性を有する圧電素子をアクチュエータとして用いることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１７】
即ち、本発明の燃料噴射弁は、強弾性を有する強誘電体から成る圧電素子をアクチュエータとして備え、
上記アクチュエータは、圧縮応力と、この圧縮応力の方向と同じ方向の電界の強さを有する電界を付与されて駆動することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の燃料噴射弁の好適形態は、燃料噴射口と、この燃料噴射口を開閉するニードル弁と、加圧された燃料を充填される燃圧室と、上記ニードル弁によって上記燃圧室と区画され上記ニードル弁を上記燃料噴射口側に押圧付勢するスプリング部材を収容した背圧室と、この背圧室と連通し予圧ピストンを収容した予圧室と、を備え、
上記アクチュエータが、上記予圧室に収容され、上記予圧ピストンと当接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、所定の特性を有する圧電素子をアクチュエータとして用いることしたため、十分な歪みを生じ応答性の良好な圧電素子を用いた燃料噴射弁を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の燃料噴射弁につき詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、配合量及び充填量などについての「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００２１】
上述の如く、本発明は、応答性が高くしかも歪みも大きなアクチュエータを、強弾性と強誘電性を兼ね備えた材料のドメイン転換による歪み変化によって実現しようとするものである。
本発明により、例えば、応答性が高く単位時間当たり吐出量の大きな燃料噴射インジェクターを得ることができる。
【００２２】
本発明でアクチュエータとして用いる圧電素子は、従来の強誘電体を分極させて得た圧電体ではない。本発明は、強誘電体として性質と強弾性体としての性質とを兼ね備えた物質（上記の圧電素子）に、応力と電界を重畳してドメイン転換を起こす技術を利用するものであるからである。
【００２３】
従来、圧電体に電界を印加するとその大きさに応じた歪みが発生するが、その大きさは一般に小さいため、比較的大きな歪みを発生させることのできる強誘電体を分極させて圧電体に応用してきた。
即ち、強誘電体を分極させると、自発分極を起こす方向が分極処理によって揃えられる。自発分極方向では構成する原子の整列によって、それ以外の方向とは僅かに寸法が異なるから、この分極処理によってドメインを揃えると、結晶の軸方向の差異に相当する寸法変化が起こる。この状態で電界を印加すると、誘起された分極による歪み、即ち逆圧電効果が生じる。これとは逆に、機械的な歪みを与えると、分極が促進して電位差を発生させる圧電効果を生じる。
しかし、このような圧電体で利用する可逆的な歪みは、ドメイン転換によるものではないので、利用可能な歪みを大きくするのには限界があったのである。
【００２４】
ここで、ドメイン転換を起こすための電界の大きさは材料によって異なるが、低いものでも少なくとも０．１ｋＶ／ｍｍ以上が必要で、通常は数ｋＶ／ｍｍである。そして、電界よってドメインが転換されたときは、その後に電界の大きさが低下してもそのドメイン構造にはほとんど変化がなく、ドメインをもとの状態に戻すためには同様な大きさの逆電界をかける必要があり、このため大きなヒシテリシスを伴う難点があった。
【００２５】
本発明は、大きな逆電界をかけることなく、このドメイン転換による歪み変化を追加的に利用することにより、小型で大きな歪みを呈する燃料噴射弁用のアクチュエータを提供するものである。
【００２６】
本発明によれば、圧電素子に圧縮応力を加えることによって、通常の圧電体では利用していないドメイン転換による歪みを発生させることができる。
この圧縮応力は、圧電素子にかける電界の方向、即ち当該電界における電界の強さと同じ方向にかける必要がある。そして、この圧縮応力が所定の適正範囲にあるときには、強弾性によるドメイン転換の効果が現れる。
【００２７】
例えば、圧電性を有する強弾性体のチタン酸バリウムについて、圧縮応力を変えて片振りの電界と誘起歪みの関係を測定すると、図１に示すようになる。これを整理した最大歪みと電界との関係を図２に示す。
図２から、圧縮応力が小さいときには０〜１ｋＶ／ｍｍの電界による誘起歪みは０．１％程度に過ぎないが、２ＭＰａ程度の圧縮応力の付与によって０．４％程度までに増大する。しかし、この応力を更に高めると誘起歪みは再び０．１％程度まで低下することが分かる。
【００２８】
即ち、適正な圧縮応力を付与することによって、圧縮応力の方向が短軸となるドメインが安定化されるが、圧縮方向に電界を付与すると長軸方向のドメインの安定化が図られる。このため、圧縮応力と電界の双方の印加によって大きな誘起歪みを達成することができる。しかし、電界の印加によってドメイン転換が起こる以上に圧縮応力が高いときには、電界の付加によってドメイン転換は起こらないから、大きな誘起歪みの発生は起こらない。
【００２９】
かかる適正な圧縮応力は材料によって異なるから、実験によって求めることになる。例えば、特開２０００−３１５５３号公報には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）について、このようなドメイン転換の起こる応力は２５ＭＰａ以上と示唆されている。
このように、材料によって適正な応力は異なるが、最大の誘起歪みを発生させる付近の応力が好ましく、少なくとも最大の誘起歪みの５０％以上の歪みを発生させる応力とすることが好ましい。
これは、図２に示すように、大きな誘起歪みがある最適な圧縮応力範囲を逸脱すると急激に低下して消滅するためであり、最大の誘起歪みの５０％未満のときには圧縮応力の変動によって誘起歪みが急激に低下するのを制御することが難しいためである。
【００３０】
圧縮応力を付与する方法については、死荷重による方法、バネなどの弾性体による押し付け荷重を利用する方法、液体の圧力による方法などいずれの方式であっても差し支えない。このなかでは、バネなどの弾性体によって力をかける方法は比較的コンパクトに変動の小さい荷重を付与できるので好ましい。また、このような圧縮応力付与は、電界を与える方向に引っ張り応力を付与することによっても原理的に行うことができるが、引っ張り応力による材料の破壊が起きやすいために実現的ではない。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を一実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１）
図３は、本発明の燃料噴射弁の一例を示す断面図である。
同図において、この燃料噴射弁は、全体としてほぼ円筒状（シリンダー状）の形状をなしており、燃料噴射口１０と、この燃料噴射口１０を開閉するニードル弁２０と、燃圧室３０と、背圧室４０と、この背圧室４０と連通した予圧室５０と、この予圧室５０に収容されたアクチュエータ６０とを備えている。
【００３３】
本実施例では、燃圧室３０は、ニードル弁２０を包囲する空間として形成され、ここには燃料入口１１を介して加圧された液体燃料が充填されている。また、背圧室４０は、ニードル弁２０によって燃圧室３０と区画された空間として形成されており、ニードル弁２０を燃料噴射口１０側に押圧付勢するコイルスプリング４１を有している。
更に、予圧室５０には、アクチュエータ６０と連結した予圧ピストン５１が設けられており、また、予圧ピストン５１を背圧室４０側に押圧付勢するコイルスプリング５３も設けられている。
【００３４】
本実施例において、アクチュエータ６０は、上述のようなドメイン転換を起こす強弾性を有する強誘電体から構成されており、アクチュエータ６０に付与する電界を発生する電界発生手段は図示しないが、この電界における「電界の強さ」の方向は、図示矢印Ｅの方向である。また、予圧室５０において、アクチュエータ６０が付与される圧縮応力の方向は矢印Ｐの方向である。
【００３５】
燃料噴射前において、この燃料噴射弁では、液体燃料がニードル弁２０を取り囲む空隙である燃圧室２０に充填されているが、ニードル弁２０後方の背圧室３０の圧力が更に高いためにニードル弁２０が前方に押し込まれて、燃料噴射口１０は閉じられている。
そして、電界の印加によりアクチュエータ６０が収縮すると、その先端部に取り付けられた与圧ピストン５１が後方に戻されて背圧室４０の圧力は低下し、前方に押し込まれたニードル弁２０はコイルスプリング４１を押し込みながら後方に引き込まれ、燃料噴射口１０が開き、燃料が噴射される。
【００３６】
この噴射の際、アクチュエータ６０を構成する圧電素子の寸法変化が大きいと短時間に大量の燃料噴射が行われる。
本実施例では、上述のような特定の圧電素子を用いているので、同一寸法のアクチュエータで単位時間当たりに多量の燃料噴射が可能となる。
【００３７】
なお、圧電素子への適正な圧縮応力の付与は、加圧された燃料の液圧と、シリンダー内側の断面積、具体的には予圧室５０の断面積と、アクチュエータ６０との断面積の比から計算される応力となり、圧電素子に対して最適な圧縮応力となるようにすべく、燃料液圧によってアクチュエータ寸法を設定することができる。
また、与圧室５０に予め圧力をかけておいて、背圧室４０との圧力差がドメイン転換を起こすのに適正な圧力となるようにしてもよい。
【００３８】
本実施例においては、図３に示したように、アクチュエータ６０とこれを取り囲むようにコイルスプリング５３を配して、与圧ピストン５１に力を及ぼす方式によって適正圧力となるように調整している。
また、これ以外の圧力調整方式としては、与圧室５０を液体で満たしてその液体に圧力をかけることにより与圧ピストン５１に力を及ぼす方法などを採用することができる。
【００３９】
なお、圧電アクチュエータ６０の微小な歪みが与圧ピストン５１の位置変化を通じて背圧室４０の圧力変化を引き起こすことが、この方式の燃料噴射弁の動作機構であるが、背圧室４０の圧力変動を、例えば、特開２００２−２１６２０号公報に開示されているように、複動コントロールバルブを介して起こさせる方式など、種々の方式を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】圧電性を有する強弾性材料であるチタン酸バリウムに圧縮応力をかけながら測定した電界の大きさと誘起歪みの関係を示すグラフである。
【図２】チタン酸バリウムに圧縮応力をかけながら０〜１ｋＶ／ｍｍの電界をかけたときの最大誘起歪みの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の燃料噴射弁の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    燃焼噴射口
１１    燃料入口
２０    ニードル弁
３０    燃圧室
４０    背圧室
４１    コイルスプリング
５０    予圧室
５１    予圧スプリング
５３    コイルスプリング
６０    アクチュエータ
【図１】
2008091813.tif 000003
【図２】
2008091813.tif 000004
【図３】
2008091813.tif 000005