(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射用のインジェクタに用いられる圧電アクチュエータであって、
軸方向に伸縮する圧電素子（２）と、
該圧電素子（２）を収容する筒状部材（３）と、
上記圧電素子（２）の先端側に配され、上記圧電素子（２）の伸縮に伴い軸方向に変位する駆動部材（４）と、
上記筒状部材（３）と上記駆動部材（４）とを連結するダイヤフラム（５）とを有し、
上記ダイヤフラム（５）は、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成され、
かつ、上記ダイヤフラム（５）の硬度は、Ｈｖ４００〜５００であることを特徴とする圧電アクチュエータ（１）。
【請求項２】
上記ダイヤフラム（５）は、上記駆動部材（４）に溶接された内周溶接部（５１）と、上記筒状部材（３）に溶接された外周溶接部（５２）と、上記内周溶接部（５１）と上記外周溶接部（５２）との間において基端側へ向かって凸の状態で湾曲する湾曲部（５３）とを有し、該湾曲部（５３）は、上記内周溶接部（５１）及び上記外周溶接部（５２）からそれぞれ０．１ｍｍ以上離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（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を備えた圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃料噴射用インジェクタに用いられる圧電アクチュエータとしては、軸方向に伸縮する圧電素子と、圧電素子を収容する筒状部材と、圧電素子の伸縮に伴い軸方向に変位する駆動部材と、筒状部材と駆動部材とを連結するダイヤフラムとを有するものがある（特許文献１）。
圧電アクチュエータのダイヤフラムは、圧電素子の伸縮に伴う弾性変形が繰り返されることとなるため、高い疲労強度が要求される。そこで、特許文献１に開示された圧電アクチュエータにおいては、ダイヤフラムを、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｏ合金（マルエージング鋼）によって構成することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−３９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水及び酸素を多く含有した燃料を使用されるケースが増えてきており、その場合、水及び酸がダイヤフラムに接触することにより、ダイヤフラムが腐食することが考えられる。すなわち、水や酸素の含有量の多い燃料の下で、圧電アクチュエータを長期間使用した場合において、ダイヤフラムに応力腐食割れや水素脆化による割れ（腐食割れ）が生じることが懸念される。それゆえ、ダイヤフラムとしては、疲労強度が要求される一方で、高い耐腐食性も要求される。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、疲労強度を確保しつつ耐腐食性に優れたダイヤフラムを備えた圧電アクチュエータを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、燃料噴射用のインジェクタに用いられる圧電アクチュエータであって、
軸方向に伸縮する圧電素子と、
該圧電素子を収容する筒状部材と、
上記圧電素子の先端側に配され、上記圧電素子の伸縮に伴い軸方向に変位する駆動部材と、
上記筒状部材と上記駆動部材とを連結するダイヤフラムとを有し、
上記ダイヤフラムは、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成され、
かつ、上記ダイヤフラムの硬度は、Ｈｖ４００〜５００であることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【発明の効果】
【０００７】
上記圧電アクチュエータにおいて、上記ダイヤフラムは、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されている。これにより、ダイヤフラムの疲労強度を確保しつつ、耐腐食性を向上させることができる。
また、ダイヤフラムの硬度（ビッカース硬さ）をＨｖ４００〜５００とすることにより、高い疲労強度を確保することができる。
【０００８】
以上のごとく、本発明によれば、疲労強度を確保しつつ耐腐食性に優れたダイヤフラムを備えた圧電アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１における、圧電アクチュエータの断面図。
【図２】実施形態１における、圧電アクチュエータの先端部付近の断面図。
【図３】実施形態１における、圧電アクチュエータの先端側から見た平面図。
【図４】実施形態１における、ダイヤフラムの一部の拡大断面図。
【図５】実施形態１における、駆動部材を駆動させる状態の圧電アクチュエータの先端部付近の断面図。
【図６】実験例１における、試験結果を示す線図。
【図７】実験例２における、試験方法を示す説明図。
【図８】実験例２における、試験結果を示す線図。
【図９】実験例３における、試験結果を示す線図。
【図１０】実験例４における、試験結果を示す線図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態１）
圧電アクチュエータの実施形態につき、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態の圧電アクチュエータ１は、図１に示すごとく、軸方向に伸縮する圧電素子２と、圧電素子２を収容する筒状部材３と、圧電素子２の先端側に配された駆動部材４と、筒状部材２と駆動部材４とを連結するダイヤフラム５とを有する。駆動部材４は、圧電素子２の伸縮に伴い軸方向に変位する。
【００１１】
ダイヤフラム５は、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されている。また、ダイヤフラム５の硬度は、Ｈｖ４００〜５００である。
【００１２】
ダイヤフラム５は、図２、図３に示すごとく、駆動部材４に溶接された内周溶接部５１と、筒状部材３に溶接された外周溶接部５２と、内周溶接部５１と外周溶接部５２との間において基端側へ向かって凸の状態で湾曲する湾曲部５３とを有する。湾曲部５３は、内周溶接部５１及び外周溶接部５２からそれぞれ０．１ｍｍ以上離れている。内周溶接部５１及び外周溶接部５２は、例えばレーザ溶接によって形成することができる。
【００１３】
ここで、湾曲部５３は、駆動部材４が最も前進した状態において、駆動部材４及び筒状部材３から離れた状態となる部位である。そして、図４に示すごとく、湾曲部５３と内周溶接部５１との間の最短の距離ａが０．１ｍｍ以上であり、また、湾曲部５３と外周溶接部５２との間の最短の距離ｂが０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、距離ａ及び距離ｂは、１５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
筒状部材３の先端開口部３１は、駆動部材４及びダイヤフラム５によって閉塞されている。
なお、本明細書において、圧電アクチュエータ１の軸方向における駆動部材４が設けられた側を先端側といい、その反対側を基端側という。
【００１５】
ダイヤフラム５の外周溶接部５２は、筒状部材３の先端開口部３１の内周面に接合されている。また、駆動部材４は、環状のダイヤフラム５の内径よりも大きい大径部４１と、大径部４１から先端側へ突出し、大径部４１よりも直径の小さい小径部４２とからなる。そして、駆動部材４の外周面には、大径部４１の外周面と小径部４２の外周面とを繋ぐテーパ面４３が形成されている。そして、小径部４２がダイヤフラム５の内側に、基端側から先端側へ向かって挿通され、テーパ面４３が内周溶接部５１に基端側から当接している。このテーパ面４３と内周溶接部５１との当接部において、駆動部材４がダイヤフラム５に溶接されている。
【００１６】
また、ダイヤフラム５の外周溶接部５２は、軸方向に平行に形成され、筒状部材３の先端開口部３１の内周面に、面接触した状態で配設されている。そして、この外周溶接部５２と先端開口部３１とにおいて、ダイヤフラム５が筒状部材３に溶接されている。
【００１７】
図１に示すごとく、圧電素子２は、圧電材料よりなる圧電層２２と導電性を有する内部電極層２３とを交互に積層してなるセラミック積層体２１を有している。セラミック積層体２１は、略四角柱形状を呈している。
なお、セラミック積層体２１の形状としては、円柱形状、八角柱形等、種々の形状とすることができる。
【００１８】
また、セラミック積層体２１における互いに反対側の側面には、それぞれ側面電極２４が設けられている。各側面電極２４は、セラミック積層体２１の積層方向の一層おきの内部電極層２３と電気的に接続している。そして、一方の側面電極２４と電気的に接続している内部電極層２３は、他方の側面電極２４に対して電気的に絶縁した状態となっている。すなわち、本例のセラミック積層体２１は、いわゆる電極控え構造（部分電極構造）を有している。
【００１９】
また、側面電極２４の基端部は、セラミック積層体２１の基端面２１２に接合した後述するブロック部材２９に配設された電極端子２５に接合されている。また、側面電極２４の側面外周は、図示を省略したが、シリコーン樹脂よりなる絶縁樹脂でモールドされている。
【００２０】
本例において、圧電層２２は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電セラミックスで構成されている。また、内部電極層２３は、Ａｇ／Ｐｄ合金により構成されている。また、側面電極２４は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた導電性接着剤に、金属板を加工したメッシュ状のエキスパンドメタルを埋設して構成されている。
【００２１】
また、セラミック積層体２１の先端面１１１には、アルミナよりなる伝達部材２８が接合されている。伝達部材２８は、圧電素子２の駆動力を駆動部材４に作用させるための部材である。また、セラミック積層体２１の基端面２１２には、アルミナよりなる略円柱形状のブロック部材２９が接合されている。
【００２２】
また、筒状部材３の基端側には、ハウジング部１１が配設されている。ハウジング部１１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）よりなり、円筒状を呈している。ハウジング部１１の内部には、一対のターミナルリード１２を収容するための二つの収容孔１１１が軸方向に貫通して設けられている。また、ハウジング部１１の先端部は、筒状部材３の基端開口部３２に挿入されており、溶接により接合されている。
【００２３】
また、ハウジング部１１は、二つの収容孔１１１においてターミナルリード１２を一本ずつ収容している。収容孔１１１の基端開口部は、ターミナルリード１２とハウジング１１との間をガラスよりなるハーメチックシール１３によりシールしてなる。
【００２４】
次に、圧電アクチュエータ１の作動について説明する。ここでは、圧電アクチュエータ１を自動車エンジンの燃料噴射用のインジェクタに組み付けて使用する態様を想定して説明する。
まず、圧電アクチュエータ１をインジェクタに組み付け、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットする。
【００２５】
このとき、インジェクタからの予荷重によって圧電素子２の先端面（伝達部材２８の先端面２８１）と駆動部材４との間の隙間が無くなるように両者を密着させる（図５）。そして、内周溶接部５１が基端側へ少し移動するように、ダイヤフラム５が弾性変形することとなる。すなわち、圧電素子２に対して電圧が印加されていない自然長の状態で、圧電アクチュエータ１を使用状態にセットしたとき、ダイヤフラム５は、内周溶接部５１が基端側へ、若干移動した状態で弾性変形している。この状態を、便宜的に後退状態という。
【００２６】
そして、この状態から、圧電素子２に対して電圧を印加して圧電素子２を伸長させることにより、圧電素子２の駆動力が駆動部材４に作用し、駆動部材４を先端側へ駆動させる。このとき、ダイヤフラム５は、内周溶接部５１が先端側へ移動するように弾性変形する。この状態を、便宜的に前進状態という。
また、前進状態から、圧電素子２に対する電圧の印加を解除すれば、圧電素子２は自然長の状態となり、圧電アクチュエータ１は上記後退状態に戻る。
【００２７】
このようにして、圧電アクチュエータ１は、前進状態と後退状態とを繰り返して用いられる。この繰り返しに伴い、ダイヤフラム５が弾性変形を繰り返すこととなり、ダイヤフラム５の疲労強度が要求されることとなる。それとともに、水や酸素の含有量の多い燃料の下で、圧電アクチュエータ１が長期間使用されることを想定すると、ダイヤフラム５の耐腐食性も要求される。
【００２８】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記圧電アクチュエータ１において、ダイヤフラム５は、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されている。これにより、ダイヤフラム５の疲労強度を確保しつつ、耐腐食性を向上させることができる。
また、ダイヤフラム５の硬度をＨｖ４００〜５００とすることにより、高い疲労強度を確保することができる。
【００２９】
また、湾曲部５３が内周溶接部５１及び外周溶接部５２からそれぞれ０．１ｍｍ以上離れていることにより、ダイヤフラム５の充分な疲労強度を確保することができる。すなわち、湾曲部５３と内周溶接部５１との距離ａ、及び、湾曲部５３と外周溶接部５２との距離ｂが、それぞれ０．１ｍｍ以上確保されていることにより、後述する実験例４に示すように、湾曲部５３の硬度を確保することができる。その結果、ダイヤフラム５の高い疲労強度を確保することができる。
【００３０】
以上のごとく、本実施形態によれば、疲労強度を確保しつつ耐腐食性に優れたダイヤフラムを備えた圧電アクチュエータを提供することができる。
【００３１】
（実験例１）
本例においては、図６に示すごとく、圧電アクチュエータにおけるダイヤフラムの疲労強度を評価した。
すなわち、上述の実施形態１において示した圧電アクチュエータ１のダイヤフラム５の材質を、表１に示すような組成の合金としたものを、それぞれ、試料１、２、３として作製した。
【００３２】
【表１】
0006375999.tif 000002
【００３３】
試料１は、ダイヤフラムの材質として、本発明の範囲に属するものである。試料２は、試料１と含有成分元素としては同様であるが、その成分比率が異なるダイヤフラムである。試料３は、上述の特許文献１に開示されたマルエージング鋼からなるダイヤフラムである。また、試料１のダイヤフラムの硬度はＨｖ４６０、試料２のダイヤフラムの硬度はＨｖ５００、試料３のダイヤフラムの硬度はＨｖ５９０である。
【００３４】
疲労強度試験は、以下のようにして行った。すなわち、各試料につき、圧電アクチュエータの軸方向に相当する方向に沿って、インジェクタに用いたときに作用する応力と同等の８００ＭＰａがダイヤフラムに発生するよう荷重を繰り返し加えた。試験の結果を図６に示す。同図において、「○」は、所定の繰り返し回数の時点において、ダイヤフラムに異常がないことを示し、「×」が、ダイヤフラムに割れが発生した時点を示す。
【００３５】
同図から分かるように、試料２については、６×１０5回未満の繰り返し回数にて、割れが生じた。これに対し、試料１及び試料３は、１０7回を超える繰り返し回数においても、割れが生じなかった。
【００３６】
上記の結果から、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されたダイヤフラムは、マルエージング鋼からなるダイヤフラムと同様に、充分な疲労強度を有することが確認できた。一方、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃ、Ｎを含む合金からなるダイヤフラムであっても、これらの組成比が上記の範囲内にない場合には、疲労強度を確保することが困難であることが分かる。
【００３７】
（実験例２）
次に、図７、図８に示すごとく、ダイヤフラムの耐腐食性を評価した。
すなわち、上述の実験例１に示したように、疲労強度試験において割れが生じなかった試料１と試料３とについて、以下の耐腐食性試験を行った。
【００３８】
耐腐食性試験としては、図７に示すごとく、実施形態１において示した圧電アクチュエータ１の構成要素のうち、筒状部材３、駆動部材４、ダイヤフラム５を互いに接合した状態の組立体を、試験治具６に取り付けた。試験治具６は、駆動部材４の先端と筒状部材３の基端とを、軸方向に挟持すると共に、ダイヤフラムに所定の応力が作用する状態で、組立体を保持している。ここで、所定の応力とは、インジェクタに用いたときに作用する応力と同等の応力（８００Ｍｐａ）である。
【００３９】
この状態のまま、粗悪燃料相当の溶液に、ダイヤフラムを浸漬する。溶液は、軽油に、水７００ｐｐｍと酢酸２５０ｐｐｍとを含有させた溶液である。そして、各試料を溶液に浸漬したまま放置し、割れが発生する時間を測定した。その結果を、図８に示す。
【００４０】
試料３については、１５０時間で割れが発生したのに対し、試料１については、４００時間経過しても、割れが発生しなかった。
この結果から、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されたダイヤフラムは、耐腐食性にも優れているといえる。
【００４１】
（実験例３）
本例においては、図９に示すごとく、圧電アクチュエータにおけるダイヤフラムの疲労強度を、ダイヤフラムの硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ)との関係において評価した。
評価対象としたダイヤフラムは、上記実験例１に示した試料１と同様の組成のものであるが、硬度をＨｖ３８０、Ｈｖ４００、Ｈｖ４６０、Ｈｖ５００、Ｈｖ５３０と、種々変更したものとした。硬度の調整は、ダイヤフラム作製時における熱処理条件等を調整することにより行った。
【００４２】
各試料につき、圧電アクチュエータの軸方向に相当する方向に沿って、８００ＭＰａの荷重を繰り返し加えた。試験の結果を図９に示す。同図において、「○」は、所定の繰り返し回数の時点において、ダイヤフラムに異常がないことを示し、「×」が、ダイヤフラムに割れが発生した時点を示す。
【００４３】
同図から分かるように、硬度Ｈｖ３８０の試料及び硬度Ｈｖ５３０の試料については、１０6回未満の繰り返し回数にて、割れが生じた。これに対し、硬度Ｈｖ４００、Ｈｖ４６０、Ｈｖ５００の試料は、１０7回を超える繰り返し回数においても、割れが生じなかった。
【００４４】
この結果から、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されたダイヤフラムにおいて、その硬度を、Ｈｖ４００〜５００とすることにより、疲労強度を確保することができると言える。そして、これに加えて、上記実験例１及び実験例２の結果をも勘案すると、上記組成及び硬度を備えたダイヤフラムは、充分な疲労強度を確保しつつ耐腐食性を向上させることができると言える。
【００４５】
（実験例４）
本例においては、図１０に示すごとく、ダイヤフラムにおける溶接部（内周溶接部５１又は外周溶接部５２）からの距離と硬度（ビッカース硬さ：Ｈｖ）との関係を評価した。
評価対象は、上述の試料１と試料３である。各試料について、溶接部からの距離が異なる複数の測定点において、ビッカース硬さを測定した。その結果を、図１０に示す。同図において、符号Ｌ１を付した折れ線が、試料１の測定結果を示し、符号Ｌ３を付した折れ線が、試料３の測定結果を示す。
【００４６】
同図から分かるように、試料３は、溶接部からの距離が０．４ｍｍ以下においては、溶接部に近付くにつれて硬度の低下が見られる。これに対して、試料１について、硬度低下が見られるのは、溶接部からの距離が０．１ｍｍ未満である。また、試料１は、溶接部からの距離が０．１ｍｍ以上であれば、Ｈｖ４５０を確保することができるが、試料３は、溶接部からの距離が０．２ｍｍ以下において、試料１よりも硬度が低い。
なお、図１０において、試料１（Ｌ１）、試料３（Ｌ３）共に、溶接部からの距離が０ｍｍにおける硬度が少し高くなっているのは、当該箇所が溶接部（溶融部）の端縁であるためと考えられる。
【００４７】
上記の結果から、Ｃｒ：１６〜１７重量％、Ｎｉ：４〜５重量％、Ｍｏ：２．５〜３．５重量％、Ｍｎ：０．５〜１重量％、Ｃ：０．０７〜０．１重量％、Ｎ：０．０７〜０．１３重量％、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる合金によって構成されたダイヤフラムは、溶接部（内周溶接部５１又は外周溶接部５２）と湾曲部との距離ａ、ｂを０．１ｍｍ以上確保することで、充分な疲労強度を確保することができることが分かる。そして、溶接部（内周溶接部５１又は外周溶接部５２）と湾曲部との距離ａ、ｂを小さくすることができるため、ダイヤフラムの小型化を実現することができる。その結果、圧電アクチュエータの小型化を実現しやすくなるといえる。
【符号の説明】
【００４８】
１  圧電アクチュエータ
２  圧電素子
３  筒状部材
４  駆動部材
５  ダイヤフラム
【図１】
0006375999.tif 000003
【図２】
0006375999.tif 000004
【図３】
0006375999.tif 000005
【図４】
0006375999.tif 000006
【図５】
0006375999.tif 000007
【図６】
0006375999.tif 000008
【図７】
0006375999.tif 000009
【図８】
0006375999.tif 000010
【図９】
0006375999.tif 000011
【図１０】
0006375999.tif 000012