撥水層を形成する撥水層の形成方法および撥水層を備えた燃料噴射弁
【課題】耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔へのデポジット付着抑制の保証とが両立する撥水層を形成する撥水層の形成方法および撥水層を備えた燃料噴射弁を提供。
【解決手段】金属基材２３１の表面２３２に形成する撥水層２３の形成方法において、前記金属素地にプラズマイオン９２を照射することにより金属素地の表面２３２に凹凸を形成する方法であって、上記金属の原子９３とプラズマイオン９２により合金９４を形成し、金属素地のうち、合金９４によりエッチングされない部位と、合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、前記凹凸を形成することで撥水層２３を形成する。
【解決手段】金属基材２３１の表面２３２に形成する撥水層２３の形成方法において、前記金属素地にプラズマイオン９２を照射することにより金属素地の表面２３２に凹凸を形成する方法であって、上記金属の原子９３とプラズマイオン９２により合金９４を形成し、金属素地のうち、合金９４によりエッチングされない部位と、合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、前記凹凸を形成することで撥水層２３を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水層を形成する撥水層の形成方法、および撥水層を備えた燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁としては、例えば内燃機関の気筒に燃料を直接噴射するものが知られている（特許文献１参照）。この種の燃料噴射弁では、噴孔を形成する噴孔形成部を有し、噴孔直下にある気筒の燃焼室内に向けて、燃料を噴孔から噴射させている。
【０００３】
このような燃料噴射弁の一種として特許文献１の開示する技術では、噴孔形成部において、噴孔の内周および噴孔の周囲部分が、フルオロアルキルシラン（以下、ＦＡＳ）からなるＦＡＳ被膜で被覆されるようにしている。この技術では、ＦＡＳ被膜が、フルオロアルキル基の存在により撥水性を有しており、噴孔の内周及び周囲へデポジットの付着抑制を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５９６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１による従来技術では、燃焼室内で発生するデポジットに対し、噴孔への付着抑制機能が低下するという懸念がある。即ち、撥水性を有するＦＡＳ被膜が噴孔にコーティングされているものの、噴孔形成部が燃焼室内の高温ガスに晒される環境にあるため、燃焼室側の噴孔形成部の表面が高温状態になることにより、ＦＡＳ被膜が熱劣化する。ＦＡＳ被膜の熱劣化が生じると、噴孔へのデポジット付着抑制機能の低下を招くのである。
【０００６】
上記ＦＡＳ皮膜に関し、発明者らが鋭意研究の結果、フッ素を含む有機系の高分子からなるフルオロアルキル基が、噴孔形成部での燃焼室側表面温度より比較的低い温度（約２５０℃）で熱分解を開始する。そのようなＦＡＳ被膜は、撥水性機能が上記有機系の高分子でもたらされるものであるため、耐熱性に係わる耐久性の低下を招くと発明者らは考えている。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔へのデポジット付着抑制の保証とが両立する撥水層を形成する撥水層の形成方法および撥水層を備え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】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。
【０００９】
即ち、請求項１に記載の発明では、金属基材の表面に形成する撥水層の形成方法において、前記金属素地にプラズマイオンを照射することにより金属素地の表面に凹凸を形成する方法であって、金属素地の金属とプラズマイオンにより合金を形成し、金属素地のうち、合金によりエッチングされない部位と、合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、前記凹凸を形成することで撥水層を形成することを特徴とする。
【００１０】
これによると、金属基材の金属素地の表面にプラズマイオンを照射することにより微細な凹凸を有する撥水層を形成する。このような撥水層は、有機物ではなく、金属を含む無機物で構成されることになるので、従来技術の有機物で構成される撥水層に比べて、耐熱性の向上が図れる。
【００１１】
さらに、プラズマイオンを金属素地に照射する際に、プラズマイオンの衝突により金属素地の金属原子が弾き飛ばされることで金属素地の表面がエッチングされる。弾き飛ばされた金属原子のうち、表面に浮遊する金属原子にプラズマイオンが衝突すると、金属原子とプラズマイオンが結合し合金となる。そのような合金は、金属素地に衝突しても金属原子を弾き飛ばすエネルギーはなく、金属素地に着く。
【００１２】
そのような金属素地に着く合金部分がエッチングされないことにより、微細な凹凸の凸部を確実に形成することができる。微細な凹凸のうちの凸部間には空気層が形成されるので、微細な凹凸を形成することで撥水層が形成できる。
【００１３】
以上の請求項１の記載の発明によれば、耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔へのデポジット付着抑制の保証とが両立する撥水層を形成し得るのである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明では、凹凸のうちの凸部は、円錐状を呈する柱状突起であることを特徴とする。これによると、デポジットが万が一撥水層、即ち凹凸に付着する場合には、凸部間の空気層と凸部とへの付着割合に関し、空気層に対し凸部の付着割合を小さくすることになるので、撥水性を高めることができ、ひいてはデポジット付着抑制の効果を高めることができる。
【００１５】
また、請求項３乃至４に記載の発明では、金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする。
【００１６】
これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００１７】
また、上記Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇは、耐酸化性が比較的低い金属であるため、請求項４に記載の発明の如く、このような金属からなる金属基材に対し、凹凸を形成した後に、酸化雰囲気中で加熱酸化することが好ましい。これにより、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性を向上させつつ、噴孔へのデポジット付着抑制を保証する撥水層を形成し得るのである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈからなる金属材料群、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅからなる金属材料群、およびＣｒ、及びＴｉからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする。
【００１９】
これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈなどの貴金属からなる金属材料群や、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅなどの融点が比較的高い金属からなる金属材料群や、Ｃｒ、及びＴｉなどの耐酸化性が比較的優れる金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明では、金属基材を有する被覆部材であって、被覆部材の被覆すべき表面に金属基材を被覆する被覆部材に用いることを特徴とする。
【００２１】
これによると、被覆部材の本体に対し、本体以外の一部を金属基材で形成する構成とするので、被覆部材のうち、撥水層が必要な部位のみを、金属基材で構成でき、ひいては金属基材の金属の材料使用量を抑えることができる。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明では、被覆部材の内部本体は、鉄を含む鉄系基材であることを特徴とする。これにより、被覆部材は、金属基材を被覆すべき内部本体を、ステンレス鋼などの鉄を含む鉄系基材で形成することができる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明では、燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁であって、
少なくとも噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えることを特徴とする。
【００２４】
これによると、燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁には、少なくとも噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えるので、噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺は、デポジットの付着抑制機能を長期にわたって維持し得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係わる撥水層を適用する燃料噴射弁の噴孔形成部を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係わる噴孔形成部の撥水層を形成する工程を示す説明図である。
【図３】図２中の撥水層における凹凸を形成する過程を示す図であって、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は、プラズマイオンによりエッチングする各過程を示す説明図である。
【図４】図２中の撥水層に形成される凹凸を示す斜視図である。
【図５】図４中の凹凸構造部分にける接触角を説明する説明図である。
【図６】図２中の撥水層を形成する基材の種類による、凹凸構造の有無による接触角の効果を示す図であって、図６（ａ）は本実施形態の一例を示す説明図、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は変形例における各一例を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係わる撥水層を適用する燃料噴射弁の一例を示す断面図である。
【図８】図７中の噴孔形成部周りを示す断面図である。
【図９】図７の燃料噴射弁の内燃機関への取り付け位置および燃焼室への噴霧の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図７〜図９は撥水層を適用する燃料噴射弁を示している。図１及び図４は、撥水層を適用する燃料噴射弁の噴孔形成部を示しており、図２及び図３は、撥水層の形成方法を示している。
【００２７】
図９に示すように、燃料噴射弁１０はシリンダヘッド１０２に取り付けられ、シリンダヘッド１０２の壁面と、シリンダブロック１００の内壁面と、ピストン１０４の上端面とで形成される燃焼室１０６に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジン用の燃料噴射弁である。燃料噴射弁１０には、図示しない燃料供給ポンプにより燃料噴射圧力相当に加圧された燃料が供給される。当該燃料圧は、１ＭＰａから４０ＭＰａの範囲の所定圧に設定されており、燃料噴射弁１０は燃焼室１０６へ当該範囲相当の燃料噴射圧の燃料を噴射する。
【００２８】
燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴霧２４は、燃焼室１０６内に拡散されるように霧化されることが望ましく、例えば中空円錐状の噴霧形状を基本としている。噴霧形状は、燃料噴射弁１０の先端側に設けられた噴孔の形状、配置等を適宜設定することで形成される。
【００２９】
燃料噴射弁１０は、エンジンの燃焼室１０６の角部側の上記壁面に斜め搭載され、その燃料噴射方向、即ち噴霧２４が、燃料噴射弁１０の中心軸１０８に対し、ピストン１０４の端面に向けて離れるように、中心軸１０８に対し傾斜している。燃料噴射弁１０の中心軸１０８に対し上記噴霧２４を傾斜させる角度が最適な角度に適宜設定されることで、点火プラグ１０５並びに燃焼室１０６の内壁面に、噴霧２４の燃料が付着するのを抑制している。
【００３０】
図７に示すように、弁ボディ１２は弁ハウジング１６の噴孔側端部内壁に溶接などにより固定されている。弁ボディ１２は、燃料通路を形成するとともに燃料下流側に向けて縮径する円錐面１３を有している。円錐面１３には、弁部材３０が着座及び離座する弁座１４が形成されている。
【００３１】
噴孔形成部としての噴孔プレート２０は、噴孔２１を有しており、燃料噴射弁１０の先端に、弁ボディ１２と一体または一体的に設けられている。噴孔プレート２０は、図７の一例に示すように、有底筒状に形成されており、弁ハウジング１６の底部内壁と弁ボディ１２の底部外壁との間に一体的に挟持されている。なお、噴孔プレート２０の詳細については後述する。
【００３２】
筒部材４０は、噴孔プレート２０側から第１磁性筒部４２、非磁性筒部４４および第２磁性筒部４６により構成されている。非磁性筒部４４は第１磁性筒部４２と第２磁性筒部４６との磁気的短絡を防止する。
【００３３】
可動コア５０は、磁性材料で円筒状に形成されており、弁部材３０の反噴孔側の端部３４と溶接などにより固定されている。可動コア５０は弁部材３０と協働して往復移動する。可動コア５０は、内部を貫通する連絡通路５２を有しており、連絡通路５２は燃料通路と連通している。固定コア５４は磁性材料で形成され、可動コア５０と同軸上に配置されている。固定コア５４は筒部材４０内に挿入され、筒部材４０と溶接などにより固定されている。
【００３４】
アジャスティングパイプ５６は、例えば圧入などにより固定コア５４に固定される構造となっており、内部に燃料通路を形成している。スプリング５８は、その両端部が可動コア５０とアジャスティングパイプ５６とに挟み込まれるように配置されている。スプリング５８は、可動コア５０及び弁部材３０を弁座１４に着座する方向へ押し付けている。固定コア５４に圧入されるアジャスティングパイプ５６の圧入量を調整することにより、スプリング５８の付勢力が調整される。
【００３５】
駆動コイル６０はコイル６１とスプール６２とを有している。スプール６２は、樹脂材で筒状に形成され、外周側にコイル６１が巻かれている。巻回されたコイル６１の両端部は、コネクタ６４の端子部６５に電気的に接続されている。筒部材４０を挟んで駆動コイル６０の内周側には固定コア５４が設置されている。
【００３６】
駆動コイル６０に通電していないとき、可動コア５０及び弁部材３０は弁座１４側へ押し付けられ、弁部材３０のシート部が弁座１４に着座する。これにより噴孔２１からの燃料噴射が遮断される。駆動コイル６０に通電すると、可動コア５０が固定コア５４に吸引されて弁部材３０が弁座１４から離座し、噴孔２１から燃料が噴射される。
【００３７】
ここで、弁部材３０が弁座１４から離座している状態を、弁部材３０のリフト時と呼ぶ。弁部材３０のリフト量は、可動コア５０及び固定コア５４の両磁極面間のエアギャップにより決まる。
【００３８】
燃料噴射弁１０の燃料入口部１１には、上記燃料供給ポンプによって燃料（本実施形態ではガソリン燃料）が供給され、燃料入口部１１に供給された燃料は、異物を除去するフィルタ７０を経由して筒部材４０、弁ハウジング１６、及び弁ボディ１２の内周側を流通する。
【００３９】
以上、燃料噴射弁１０の基本構成について説明した。以下、燃料噴射弁１０の特徴的構成について説明する。
【００４０】
（燃料噴射弁１０の特徴的構成）
噴孔プレート２０は、図８に示すように、弁ボディ１２の先端部分に一体的または一体に固定されている。噴孔プレート２０は、円錐面１３の内側に、噴孔プレート２０を貫いて内壁面２６と外壁面２７に開口する複数の噴孔２１を有している。燃料入口部１１に供給された燃料は、噴孔２１からエンジンの燃焼室１０６に噴射される。
【００４１】
図８は、燃料噴射弁１０の噴孔プレート２０周りを示す断面図であって、図７の弁ボディ１２の先端部分を拡大した断面図である。図８に示すように、複数の噴孔２１の入口部２１ｂが同一の仮想円上に配置されている。即ち、上記複数の噴孔入口部２１ｂは、仮想円上に一重環状に配置されている。仮想円の中心は、いわゆる燃料噴射弁１０の中心軸１０８と一致しており、弁ボディ１２及び噴孔プレート２０の中心軸２０ｊにほぼ一致する。
【００４２】
噴孔２１は、円錐面１３及び噴孔プレート２０で形成される凹部の内周側に形成されており、この凹部と弁部材３０とで区画される燃料室８０は、概ね円筒状に形成されている。この燃料室８０には、弁部材３０の離座時に弁座１４側から噴孔２１に向かう燃料通路の燃料が、流入する。この燃料室８０は、燃料室８０に流入する燃料を、各噴孔２１に分配し易くしている。
【００４３】
噴孔２１の中心軸２１ｊの方向は、噴孔２１の出口部２１ａが入口部２１ｂよりも噴孔プレートの中心軸２１ｊから離れる側に位置するように傾斜していることが好ましい。
【００４４】
噴孔プレート２０は、本体部２２と、本体部２２に被着される撥水層２３を有しており、撥水層２３が噴孔プレート２０の外壁面２７に設けられている。撥水層２３は、水や燃料等の油などの液体の液滴を表面から持ち上げ弾く機能を有する。
【００４５】
例えば噴孔２１からの燃料噴射終了後に、噴孔２１内に残留し、デポジットの核になるおそれのある残留燃料に対し、噴孔２１の出口部２１ａ周辺に設けられた撥水層２３により、残留燃料が、出口部２１ａ以外の周辺外側に移動または弾かれる（撥ねられる）ようにし得る。一方、燃料噴射時には、噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃにデポジットが付着した場合があったとしても、噴射時の燃料の力、即ち燃料噴射圧力により、デポジットを噴孔内壁面２１ｃから剥離し得る。
【００４６】
このように撥水層２３を噴孔２１の出口部２１ａ周辺に設けることにより、噴孔２１の出口部２１ａ周辺に付着する残存燃料の低減、ひいては噴孔２１の出口部２１ａへのデポジット付着抑制が図れる。
【００４７】
なお、噴孔プレート２０において撥水層２３を設ける壁面範囲を、燃焼室１０６側の外壁面２７に限定するものに限らず、少なくとも噴孔内壁面２１ｃ及び外壁面２７の壁面範囲に、撥水層２３を設ける構成としてもよい。こうした構成では、噴孔内壁面２１ｃ及び外壁面２７に関し、その壁面範囲でのデポジット付着抑制ができる。燃料噴射及び噴射停止の繰返しにより、噴孔内壁面２１ｃに薄いデポジットがいく層にも堆積するのを抑制できる。
【００４８】
上記噴孔プレートにおいて本体部２２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの鉄系金属材料で形成されている。撥水層２３は、本体部２２と異なる金属材料からなる基材２３１に形成されており、基材２３１は本体部２２に、メッキ処理または蒸着処理により形成され、上記壁面範囲を被覆している。なお、本実施形態では、撥水層２３が基材２３１に一体に形成されている。基材２３１は請求範囲に記載の金属基材に相当する。
【００４９】
撥水層２３は、その外壁面２７に、図４に示すような微細な凹凸を有する凹凸構造を設けている。この凹凸構造は、凹凸のうち、凸部２３５が円錐状を呈する柱状突起であって、円錐状を呈する柱状突起が基材２３１の底部より燃焼室１０６側（図１中の下方向、図４中では上方向）に延びている。
【００５０】
図５は、撥水層２３の凹凸構造を模式的に示している。凹凸構造には、基材２３１の表面に、燃料の液滴の大きさより十分に小さい微細な凹凸が形成されている。なお、この微細な凹凸を有する撥水層２３の形成方法については、後述する。
【００５１】
図５に示されるように、燃料の液滴は、凸部２３５と、凸部２３５間に形成された空気層とに接し、凸部２３５の丁部表面及び空気層の表面によって支持されている。ここで、液滴が接触する表面に関し、凸部２３５の丁部表面が占める割合をＳ１とし、空気層表面が占める割合をＳ２とする。また、凸部２３５、即ち基材２３１における金属材料の真の接触角をθ１とし、空気層の真の接触角をθ２とする。
【００５２】
このとき、液滴に対する撥水層２３の接触角θは、以下の式で表される。
【００５３】
ｃｏｓθ＝Ｓ１×ｃｏｓθ１＋Ｓ２×ｃｏｓθ２
空気層の場合はθ２＝１８０°であるので、凸部２３５の丁部表面割合Ｓ１を小さく設定することにより、撥水層２３の接触角θを大きくし得るのである。
【００５４】
凸部２３５は、その丁部表面に、プラズマイオン９２と基材２３１の金属の原子９３で形成される合金９４が形成されている。この合金９４の大きさにより、微細な丁部表面の大きさが決定されている。なお、本実施形態では、プラズマイオン９２を、Ｇａイオンとし、基材２３１、撥水層２３の原子９３を、Ｍｇとした。
【００５５】
このような凸部２３５を有する凹凸構造では、基材２３１の金属材料の真の接触角が９０°以下のものであっても、撥水層２３の接触角θを９０°より大きくし得るので、基材２３１の金属材料が撥水性、親水性のいずれであるかにかかわらず、撥水層２３の接触角θを大きくし、撥水層２３に優れた撥水性を付与することができる。
【００５６】
こうした撥水層２３は、凸部２３５を含む微細な凹凸により撥水性が付与されるものであるので、基材２３１の金属、及びその合金９４で構成されている。言い換えると、撥水層２３は、従来技術のＦＡＳ被膜のような有機物ではなく、基材２３１の金属を含む無機物で構成されるので、ＦＡＳ被膜などの有機物で構成される撥水層に比べて、耐熱性の向上が図れる。
【００５７】
以上、燃料噴射弁１０の特徴的構成について説明した。以下、撥水層２３を有する噴孔プレート２０の形成方法を、図２〜図３に基づいて説明する。
【００５８】
（撥水層２３を有する噴孔プレート２０の形成方法）
噴孔プレート２０の形成工程は、本体部形成工程、基材蒸着工程、及びプラズマエッチング工程を備えている。
（本体部形成工程）
本体部形成工程は、本体部２２を、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製で形成する。本体部２２には、プレス加工などにより噴孔２１を形成する。噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃに撥水層２３を形成する場合には、エンジンの要求性能から決まる噴孔２１の最適な内径に対し、撥水層２３の厚さを考慮し、最適内径より大きく形成する。
【００５９】
以下の説明では、説明の簡略化のため、撥水層２３を噴孔プレート２０の外壁面２７に形成する場合で説明する。
（基材蒸着工程）
噴孔プレート２０の本体部２２の表面に、マグネシウム（Ｍｇ）からなる基材２３１を被着する。基材２３１の本体部２２への被着はメッキ処理またはスパッタなどの蒸着処理を用い、撥水層２３のもととなる基材２３１を外壁面２７に被膜する。なお、このような噴孔プレート２０は、その外壁面２７に基材２３１を被覆する構成でもあり、請求範囲に記載の被覆部材に相当する。
（プラズマエッチング工程）
プラズマエッチング工程では、図２に示す加工装置９１により、プラズマイオン９２を、噴孔プレート２０の基材２３１の金属表面２３２に照射する。加工装置９１により照射されるプラズマイオン９２は、ガリウム（Ｇａ）イオンを照射する。加工装置９１は、噴孔プレート２０及び図示しない支持台を収容し、真空にする真空装置を有し、アルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ）などのガス雰囲気下で、プラズマを発生させ、プラズマイオン９２に運動エネルギーを付与する。
【００６０】
加工装置９１がプラズマイオン９２に付与する運動エネルギーは、プラズマイオン９２を基材２３１に付着させる皮膜形成のためのエネルギーより大きく、プラズマイオン９２を基材２３１にイオン注入するエネルギーより小さい運動エネルギーに調整されている。
【００６１】
加工装置９１から基材２３１へ照射されるプラズマイオン９２は、図３（ａ）〜図３（ｃ）の撥水層２３の形成過程に示されるように、基材２３１をエッチングする運動エネルギーを有している。
【００６２】
図３（ａ）のエッチング初期過程に示すように、加工装置９１から照射されるプラズマイオン９２は、基材２３１の金属表面２３２に高速で接近し、金属表面２３２の原子９３に衝突し、その原子９３を弾き飛ばす。プラズマイオン９２は原子９３を弾き飛ばすと共に、自らも弾かれて金属表面２３２から遠ざかる。原子９３が弾き飛ばされた部位は、金属表面２３２がエッチングされる。
【００６３】
ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）の二点鎖線枠内に示すように、プラズマイオン９２により弾き飛ばされた原子９３の一部に、新たに照射され、金属表面２３２に高速で接近するプラズマイオン９２が衝突する場合がある。このとき、基材２３１の結晶内の原子９３にプラズマイオン９２が衝突する場合と異なり、衝突によりエネルギーが高められた原子９３とプラズマイオン９２の衝突により合金９４の粒子が形成される。
【００６４】
衝突により形成された合金９４の粒子の運動エネルギーは、プラズマイオン９２の運動エネルギーより小さくなる。合金９４粒子の運動エネルギーは、原子９３を弾き飛ばすエネルギーはなく、基材２３１の金属表面２３２に到達しても、金属表面２３２に合金９４の粒子が付着して固定される。
【００６５】
基材２３１の金属表面２３２に被着した合金９４は、基材２３１の結晶内の原子９３に比べてプラズマイオン９２によりエッチングされににくくなる。言い換えると、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるように、金属表面２３２のうち、合金９４形成がなされていない表面部分が、プラズマイオン９２の金属表面２３２への衝突により、エッチングが促進される。合金９４形成がなされていない表面部分は、合金９４形成がなされた表面部分より深くエッチングされ、凹部２３３が形成されることになる。
【００６６】
図３（ｂ）及び図３（ｃ）の間、凹部２３３において、プラズマイオン９２により弾き飛ばされた原子９３の一部は、凸部２３５の側壁面に再付着する場合がある。弾き飛ばされた原子９３が凸部２３５の側壁面に再付着する確率は、凹部２３３の底部側ほど高くなる。
【００６７】
そのように合金９４形成がなされた表面部分がエッチングされないことにより、微細な凹凸の凸部２３５を確実に形成することができる。これにより特徴構成で説明したように、微細な凹凸のうちの凸部２３５間には空気層が形成されるので、基材２３１の表面に微細な凹凸を形成することで、優れた撥水性を有する撥水層２３を形成し得るのである。
【００６８】
ここで、発明者らは本実施形態による撥水層２３の接触角θを測定した。図６（ａ）はＭｇの金属材料製の基材２３１に凹凸構造を形成した場合（図中の左の棒グラフ）と、凹凸構造を形成しない場合（図中の右の棒グラフ）を示している。Ｍｇの真の接触角θ１が約８０°程度であっても、本実施形態による凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θは、９０°をはるかに超え、約１００°に到達することができる。
【００６９】
微細な凹凸のうちの凸部２３５は、円錐状を呈する柱状突起に形成されているので、デポジットまたは残留燃料が凹凸構造に付着する場合、凸部２３５間の空気層と凸部２３５とへの付着割合に関し、空気層に対し凸部２３５の付着割合を効果的に小さくすることができる。したがって、そのような撥水層２３は、撥水性を高めることができ、ひいてはデポジット付着抑制の効果を高めることができる。
【００７０】
なお、基材２３１の金属材料がマグネシウム（Ｍｇ）の場合には、上記プラズマエッチング工程が終了した後に、噴孔プレート２０の基材２３１を、酸化雰囲気中で加熱酸化する加熱酸化工程を備えていることが好ましい。これにより、噴孔プレート２０における撥水層２３は、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性向上が図れるとともに、噴孔へのデポジット付着抑制を保証し得るのである。
【００７１】
以上説明した本実施形では、噴孔プレート２０の本体部２２に対し、本体部２２以外の一部を金属の基材２３１で形成する構成としている。それ故に、噴孔プレート２０のうち、撥水層２３が必要な部位のみを、金属の基材２３１で構成することができる。したがって、金属の基材２３１からなる撥水層２３を備える噴孔プレート２０は、当該金属基材２３１の金属の材料使用量を抑えることができる。
【００７２】
また、噴孔プレート２０の本体部２２は、ステンレス鋼で形成されている。これに限らず、噴孔プレート２０の本体部２２は、ステンレス鋼などの鉄を含む鉄系基材で形成するもので構成することができる。
【００７３】
また、以上説明した本実施形では、燃料を噴射する噴孔２１を有する燃料噴射弁１０であって、少なくとも噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃ、及び噴孔２１の開口部周辺に、撥水層２３を備える燃料噴射弁１０であることが好ましい。そのような燃料噴射弁１０においては、噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃ、及び噴孔２１の出口部２１ａなどの開口部周辺は、デポジットの付着抑制機能を長期にわたって維持し得るのである。
【００７４】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。
【００７５】
（１）以上説明した本実施形態では、プラズマイオン９２を、Ｇａイオンとし、基材２３１、撥水層２３の原子９３を、Ｍｇとした。プラズマイオン９２としては、Ｇａイオンに限らず、基材２３１を構成する金属の原子と合金を形成するプラズマイオンであれば、いずれであってもよい。
【００７６】
（２）上記原子９３を、Ｍｇに代えて、クロム（Ｃｒ）としてもよい。この場合、Ｃｒの真の接触角θ１は約９２°程度である。これに対し、凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θは、約１０５°に到達し、撥水層２３の撥水性を効果的に高めることができる。
【００７７】
（３）上記基材２３１の金属材料がクロム（Ｃｒ）の場合には、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備える必要がないので、噴孔プレート２０の撥水層２３を形成する工程の簡素化が図れる。
【００７８】
（４）また、上記基材２３１の金属材料を、金（Ａｕ）とする構成であってもよい。この場合、Ａｕの真の接触角θ１が約８０°程度であるものの、凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θを、約１００°に高めることができる。
【００７９】
（５）以上説明した本実施形態において、基材２３１の金属材料がＭｇの場合には、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備えるようにした。基材２３１の金属材料としては、Ｍｇに限らず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）からなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であればよい。これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８０】
また、上記Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇは、耐酸化性が比較的低い金属である。そのため、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備える構成とすることにより、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔２１へのデポジット付着抑制を保証することとを両立させることができる。
【００８１】
（６）以上説明した本実施形態において、基材２３１の金属材料を、Ａｕ、またはＣｒとした。ここで、Ａｕに限らず、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びロジウム（Ｒｈ）、などの貴金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８２】
また、Ｃｒに限らず、チタン（Ｔｉ）などの耐酸化性が比較的優れる金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８３】
また、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びレニウム（Ｒｅ）などの融点が比較的高い金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 燃料噴射弁
１２ 弁ボディ
１３ 円錐面
１４ 弁座
２０ 噴孔プレート（噴孔形成部、被覆部材）
２０ｊ 中心軸
２１ 噴孔
２１ａ 出口部（開口部）
２１ｂ 入口部
２１ｃ 噴孔内壁面
２１ｊ 中心軸
２２ 本体部
２３ 撥水層
２３１ 基材（金属基材）
２３２ 金属表面（表面）
２３３ 凹部
２３５ 凸部
２６ 内壁面
２７ 外壁面
３０ 弁部材
９１ 加工装置
９２ プラズマイオン
９３ 原子
９４ 合金
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撥水層を形成する撥水層の形成方法、および撥水層を備えた燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁としては、例えば内燃機関の気筒に燃料を直接噴射するものが知られている（特許文献１参照）。この種の燃料噴射弁では、噴孔を形成する噴孔形成部を有し、噴孔直下にある気筒の燃焼室内に向けて、燃料を噴孔から噴射させている。
【０００３】
このような燃料噴射弁の一種として特許文献１の開示する技術では、噴孔形成部において、噴孔の内周および噴孔の周囲部分が、フルオロアルキルシラン（以下、ＦＡＳ）からなるＦＡＳ被膜で被覆されるようにしている。この技術では、ＦＡＳ被膜が、フルオロアルキル基の存在により撥水性を有しており、噴孔の内周及び周囲へデポジットの付着抑制を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５９６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１による従来技術では、燃焼室内で発生するデポジットに対し、噴孔への付着抑制機能が低下するという懸念がある。即ち、撥水性を有するＦＡＳ被膜が噴孔にコーティングされているものの、噴孔形成部が燃焼室内の高温ガスに晒される環境にあるため、燃焼室側の噴孔形成部の表面が高温状態になることにより、ＦＡＳ被膜が熱劣化する。ＦＡＳ被膜の熱劣化が生じると、噴孔へのデポジット付着抑制機能の低下を招くのである。
【０００６】
上記ＦＡＳ皮膜に関し、発明者らが鋭意研究の結果、フッ素を含む有機系の高分子からなるフルオロアルキル基が、噴孔形成部での燃焼室側表面温度より比較的低い温度（約２５０℃）で熱分解を開始する。そのようなＦＡＳ被膜は、撥水性機能が上記有機系の高分子でもたらされるものであるため、耐熱性に係わる耐久性の低下を招くと発明者らは考えている。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔へのデポジット付着抑制の保証とが両立する撥水層を形成する撥水層の形成方法および撥水層を備え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】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。
【０００９】
即ち、請求項１に記載の発明では、金属基材の表面に形成する撥水層の形成方法において、前記金属素地にプラズマイオンを照射することにより金属素地の表面に凹凸を形成する方法であって、金属素地の金属とプラズマイオンにより合金を形成し、金属素地のうち、合金によりエッチングされない部位と、合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、前記凹凸を形成することで撥水層を形成することを特徴とする。
【００１０】
これによると、金属基材の金属素地の表面にプラズマイオンを照射することにより微細な凹凸を有する撥水層を形成する。このような撥水層は、有機物ではなく、金属を含む無機物で構成されることになるので、従来技術の有機物で構成される撥水層に比べて、耐熱性の向上が図れる。
【００１１】
さらに、プラズマイオンを金属素地に照射する際に、プラズマイオンの衝突により金属素地の金属原子が弾き飛ばされることで金属素地の表面がエッチングされる。弾き飛ばされた金属原子のうち、表面に浮遊する金属原子にプラズマイオンが衝突すると、金属原子とプラズマイオンが結合し合金となる。そのような合金は、金属素地に衝突しても金属原子を弾き飛ばすエネルギーはなく、金属素地に着く。
【００１２】
そのような金属素地に着く合金部分がエッチングされないことにより、微細な凹凸の凸部を確実に形成することができる。微細な凹凸のうちの凸部間には空気層が形成されるので、微細な凹凸を形成することで撥水層が形成できる。
【００１３】
以上の請求項１の記載の発明によれば、耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔へのデポジット付着抑制の保証とが両立する撥水層を形成し得るのである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明では、凹凸のうちの凸部は、円錐状を呈する柱状突起であることを特徴とする。これによると、デポジットが万が一撥水層、即ち凹凸に付着する場合には、凸部間の空気層と凸部とへの付着割合に関し、空気層に対し凸部の付着割合を小さくすることになるので、撥水性を高めることができ、ひいてはデポジット付着抑制の効果を高めることができる。
【００１５】
また、請求項３乃至４に記載の発明では、金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする。
【００１６】
これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００１７】
また、上記Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇは、耐酸化性が比較的低い金属であるため、請求項４に記載の発明の如く、このような金属からなる金属基材に対し、凹凸を形成した後に、酸化雰囲気中で加熱酸化することが好ましい。これにより、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性を向上させつつ、噴孔へのデポジット付着抑制を保証する撥水層を形成し得るのである。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明では、金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈからなる金属材料群、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅからなる金属材料群、およびＣｒ、及びＴｉからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする。
【００１９】
これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈなどの貴金属からなる金属材料群や、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅなどの融点が比較的高い金属からなる金属材料群や、Ｃｒ、及びＴｉなどの耐酸化性が比較的優れる金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明では、金属基材を有する被覆部材であって、被覆部材の被覆すべき表面に金属基材を被覆する被覆部材に用いることを特徴とする。
【００２１】
これによると、被覆部材の本体に対し、本体以外の一部を金属基材で形成する構成とするので、被覆部材のうち、撥水層が必要な部位のみを、金属基材で構成でき、ひいては金属基材の金属の材料使用量を抑えることができる。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明では、被覆部材の内部本体は、鉄を含む鉄系基材であることを特徴とする。これにより、被覆部材は、金属基材を被覆すべき内部本体を、ステンレス鋼などの鉄を含む鉄系基材で形成することができる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明では、燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁であって、
少なくとも噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えることを特徴とする。
【００２４】
これによると、燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁には、少なくとも噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えるので、噴孔の噴孔内壁面、及び噴孔の開口部周辺は、デポジットの付着抑制機能を長期にわたって維持し得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係わる撥水層を適用する燃料噴射弁の噴孔形成部を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係わる噴孔形成部の撥水層を形成する工程を示す説明図である。
【図３】図２中の撥水層における凹凸を形成する過程を示す図であって、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）は、プラズマイオンによりエッチングする各過程を示す説明図である。
【図４】図２中の撥水層に形成される凹凸を示す斜視図である。
【図５】図４中の凹凸構造部分にける接触角を説明する説明図である。
【図６】図２中の撥水層を形成する基材の種類による、凹凸構造の有無による接触角の効果を示す図であって、図６（ａ）は本実施形態の一例を示す説明図、図６（ｂ）及び図６（ｃ）は変形例における各一例を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係わる撥水層を適用する燃料噴射弁の一例を示す断面図である。
【図８】図７中の噴孔形成部周りを示す断面図である。
【図９】図７の燃料噴射弁の内燃機関への取り付け位置および燃焼室への噴霧の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。図７〜図９は撥水層を適用する燃料噴射弁を示している。図１及び図４は、撥水層を適用する燃料噴射弁の噴孔形成部を示しており、図２及び図３は、撥水層の形成方法を示している。
【００２７】
図９に示すように、燃料噴射弁１０はシリンダヘッド１０２に取り付けられ、シリンダヘッド１０２の壁面と、シリンダブロック１００の内壁面と、ピストン１０４の上端面とで形成される燃焼室１０６に直接燃料を噴射する直噴ガソリンエンジン用の燃料噴射弁である。燃料噴射弁１０には、図示しない燃料供給ポンプにより燃料噴射圧力相当に加圧された燃料が供給される。当該燃料圧は、１ＭＰａから４０ＭＰａの範囲の所定圧に設定されており、燃料噴射弁１０は燃焼室１０６へ当該範囲相当の燃料噴射圧の燃料を噴射する。
【００２８】
燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴霧２４は、燃焼室１０６内に拡散されるように霧化されることが望ましく、例えば中空円錐状の噴霧形状を基本としている。噴霧形状は、燃料噴射弁１０の先端側に設けられた噴孔の形状、配置等を適宜設定することで形成される。
【００２９】
燃料噴射弁１０は、エンジンの燃焼室１０６の角部側の上記壁面に斜め搭載され、その燃料噴射方向、即ち噴霧２４が、燃料噴射弁１０の中心軸１０８に対し、ピストン１０４の端面に向けて離れるように、中心軸１０８に対し傾斜している。燃料噴射弁１０の中心軸１０８に対し上記噴霧２４を傾斜させる角度が最適な角度に適宜設定されることで、点火プラグ１０５並びに燃焼室１０６の内壁面に、噴霧２４の燃料が付着するのを抑制している。
【００３０】
図７に示すように、弁ボディ１２は弁ハウジング１６の噴孔側端部内壁に溶接などにより固定されている。弁ボディ１２は、燃料通路を形成するとともに燃料下流側に向けて縮径する円錐面１３を有している。円錐面１３には、弁部材３０が着座及び離座する弁座１４が形成されている。
【００３１】
噴孔形成部としての噴孔プレート２０は、噴孔２１を有しており、燃料噴射弁１０の先端に、弁ボディ１２と一体または一体的に設けられている。噴孔プレート２０は、図７の一例に示すように、有底筒状に形成されており、弁ハウジング１６の底部内壁と弁ボディ１２の底部外壁との間に一体的に挟持されている。なお、噴孔プレート２０の詳細については後述する。
【００３２】
筒部材４０は、噴孔プレート２０側から第１磁性筒部４２、非磁性筒部４４および第２磁性筒部４６により構成されている。非磁性筒部４４は第１磁性筒部４２と第２磁性筒部４６との磁気的短絡を防止する。
【００３３】
可動コア５０は、磁性材料で円筒状に形成されており、弁部材３０の反噴孔側の端部３４と溶接などにより固定されている。可動コア５０は弁部材３０と協働して往復移動する。可動コア５０は、内部を貫通する連絡通路５２を有しており、連絡通路５２は燃料通路と連通している。固定コア５４は磁性材料で形成され、可動コア５０と同軸上に配置されている。固定コア５４は筒部材４０内に挿入され、筒部材４０と溶接などにより固定されている。
【００３４】
アジャスティングパイプ５６は、例えば圧入などにより固定コア５４に固定される構造となっており、内部に燃料通路を形成している。スプリング５８は、その両端部が可動コア５０とアジャスティングパイプ５６とに挟み込まれるように配置されている。スプリング５８は、可動コア５０及び弁部材３０を弁座１４に着座する方向へ押し付けている。固定コア５４に圧入されるアジャスティングパイプ５６の圧入量を調整することにより、スプリング５８の付勢力が調整される。
【００３５】
駆動コイル６０はコイル６１とスプール６２とを有している。スプール６２は、樹脂材で筒状に形成され、外周側にコイル６１が巻かれている。巻回されたコイル６１の両端部は、コネクタ６４の端子部６５に電気的に接続されている。筒部材４０を挟んで駆動コイル６０の内周側には固定コア５４が設置されている。
【００３６】
駆動コイル６０に通電していないとき、可動コア５０及び弁部材３０は弁座１４側へ押し付けられ、弁部材３０のシート部が弁座１４に着座する。これにより噴孔２１からの燃料噴射が遮断される。駆動コイル６０に通電すると、可動コア５０が固定コア５４に吸引されて弁部材３０が弁座１４から離座し、噴孔２１から燃料が噴射される。
【００３７】
ここで、弁部材３０が弁座１４から離座している状態を、弁部材３０のリフト時と呼ぶ。弁部材３０のリフト量は、可動コア５０及び固定コア５４の両磁極面間のエアギャップにより決まる。
【００３８】
燃料噴射弁１０の燃料入口部１１には、上記燃料供給ポンプによって燃料（本実施形態ではガソリン燃料）が供給され、燃料入口部１１に供給された燃料は、異物を除去するフィルタ７０を経由して筒部材４０、弁ハウジング１６、及び弁ボディ１２の内周側を流通する。
【００３９】
以上、燃料噴射弁１０の基本構成について説明した。以下、燃料噴射弁１０の特徴的構成について説明する。
【００４０】
（燃料噴射弁１０の特徴的構成）
噴孔プレート２０は、図８に示すように、弁ボディ１２の先端部分に一体的または一体に固定されている。噴孔プレート２０は、円錐面１３の内側に、噴孔プレート２０を貫いて内壁面２６と外壁面２７に開口する複数の噴孔２１を有している。燃料入口部１１に供給された燃料は、噴孔２１からエンジンの燃焼室１０６に噴射される。
【００４１】
図８は、燃料噴射弁１０の噴孔プレート２０周りを示す断面図であって、図７の弁ボディ１２の先端部分を拡大した断面図である。図８に示すように、複数の噴孔２１の入口部２１ｂが同一の仮想円上に配置されている。即ち、上記複数の噴孔入口部２１ｂは、仮想円上に一重環状に配置されている。仮想円の中心は、いわゆる燃料噴射弁１０の中心軸１０８と一致しており、弁ボディ１２及び噴孔プレート２０の中心軸２０ｊにほぼ一致する。
【００４２】
噴孔２１は、円錐面１３及び噴孔プレート２０で形成される凹部の内周側に形成されており、この凹部と弁部材３０とで区画される燃料室８０は、概ね円筒状に形成されている。この燃料室８０には、弁部材３０の離座時に弁座１４側から噴孔２１に向かう燃料通路の燃料が、流入する。この燃料室８０は、燃料室８０に流入する燃料を、各噴孔２１に分配し易くしている。
【００４３】
噴孔２１の中心軸２１ｊの方向は、噴孔２１の出口部２１ａが入口部２１ｂよりも噴孔プレートの中心軸２１ｊから離れる側に位置するように傾斜していることが好ましい。
【００４４】
噴孔プレート２０は、本体部２２と、本体部２２に被着される撥水層２３を有しており、撥水層２３が噴孔プレート２０の外壁面２７に設けられている。撥水層２３は、水や燃料等の油などの液体の液滴を表面から持ち上げ弾く機能を有する。
【００４５】
例えば噴孔２１からの燃料噴射終了後に、噴孔２１内に残留し、デポジットの核になるおそれのある残留燃料に対し、噴孔２１の出口部２１ａ周辺に設けられた撥水層２３により、残留燃料が、出口部２１ａ以外の周辺外側に移動または弾かれる（撥ねられる）ようにし得る。一方、燃料噴射時には、噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃにデポジットが付着した場合があったとしても、噴射時の燃料の力、即ち燃料噴射圧力により、デポジットを噴孔内壁面２１ｃから剥離し得る。
【００４６】
このように撥水層２３を噴孔２１の出口部２１ａ周辺に設けることにより、噴孔２１の出口部２１ａ周辺に付着する残存燃料の低減、ひいては噴孔２１の出口部２１ａへのデポジット付着抑制が図れる。
【００４７】
なお、噴孔プレート２０において撥水層２３を設ける壁面範囲を、燃焼室１０６側の外壁面２７に限定するものに限らず、少なくとも噴孔内壁面２１ｃ及び外壁面２７の壁面範囲に、撥水層２３を設ける構成としてもよい。こうした構成では、噴孔内壁面２１ｃ及び外壁面２７に関し、その壁面範囲でのデポジット付着抑制ができる。燃料噴射及び噴射停止の繰返しにより、噴孔内壁面２１ｃに薄いデポジットがいく層にも堆積するのを抑制できる。
【００４８】
上記噴孔プレートにおいて本体部２２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの鉄系金属材料で形成されている。撥水層２３は、本体部２２と異なる金属材料からなる基材２３１に形成されており、基材２３１は本体部２２に、メッキ処理または蒸着処理により形成され、上記壁面範囲を被覆している。なお、本実施形態では、撥水層２３が基材２３１に一体に形成されている。基材２３１は請求範囲に記載の金属基材に相当する。
【００４９】
撥水層２３は、その外壁面２７に、図４に示すような微細な凹凸を有する凹凸構造を設けている。この凹凸構造は、凹凸のうち、凸部２３５が円錐状を呈する柱状突起であって、円錐状を呈する柱状突起が基材２３１の底部より燃焼室１０６側（図１中の下方向、図４中では上方向）に延びている。
【００５０】
図５は、撥水層２３の凹凸構造を模式的に示している。凹凸構造には、基材２３１の表面に、燃料の液滴の大きさより十分に小さい微細な凹凸が形成されている。なお、この微細な凹凸を有する撥水層２３の形成方法については、後述する。
【００５１】
図５に示されるように、燃料の液滴は、凸部２３５と、凸部２３５間に形成された空気層とに接し、凸部２３５の丁部表面及び空気層の表面によって支持されている。ここで、液滴が接触する表面に関し、凸部２３５の丁部表面が占める割合をＳ１とし、空気層表面が占める割合をＳ２とする。また、凸部２３５、即ち基材２３１における金属材料の真の接触角をθ１とし、空気層の真の接触角をθ２とする。
【００５２】
このとき、液滴に対する撥水層２３の接触角θは、以下の式で表される。
【００５３】
ｃｏｓθ＝Ｓ１×ｃｏｓθ１＋Ｓ２×ｃｏｓθ２
空気層の場合はθ２＝１８０°であるので、凸部２３５の丁部表面割合Ｓ１を小さく設定することにより、撥水層２３の接触角θを大きくし得るのである。
【００５４】
凸部２３５は、その丁部表面に、プラズマイオン９２と基材２３１の金属の原子９３で形成される合金９４が形成されている。この合金９４の大きさにより、微細な丁部表面の大きさが決定されている。なお、本実施形態では、プラズマイオン９２を、Ｇａイオンとし、基材２３１、撥水層２３の原子９３を、Ｍｇとした。
【００５５】
このような凸部２３５を有する凹凸構造では、基材２３１の金属材料の真の接触角が９０°以下のものであっても、撥水層２３の接触角θを９０°より大きくし得るので、基材２３１の金属材料が撥水性、親水性のいずれであるかにかかわらず、撥水層２３の接触角θを大きくし、撥水層２３に優れた撥水性を付与することができる。
【００５６】
こうした撥水層２３は、凸部２３５を含む微細な凹凸により撥水性が付与されるものであるので、基材２３１の金属、及びその合金９４で構成されている。言い換えると、撥水層２３は、従来技術のＦＡＳ被膜のような有機物ではなく、基材２３１の金属を含む無機物で構成されるので、ＦＡＳ被膜などの有機物で構成される撥水層に比べて、耐熱性の向上が図れる。
【００５７】
以上、燃料噴射弁１０の特徴的構成について説明した。以下、撥水層２３を有する噴孔プレート２０の形成方法を、図２〜図３に基づいて説明する。
【００５８】
（撥水層２３を有する噴孔プレート２０の形成方法）
噴孔プレート２０の形成工程は、本体部形成工程、基材蒸着工程、及びプラズマエッチング工程を備えている。
（本体部形成工程）
本体部形成工程は、本体部２２を、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製で形成する。本体部２２には、プレス加工などにより噴孔２１を形成する。噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃに撥水層２３を形成する場合には、エンジンの要求性能から決まる噴孔２１の最適な内径に対し、撥水層２３の厚さを考慮し、最適内径より大きく形成する。
【００５９】
以下の説明では、説明の簡略化のため、撥水層２３を噴孔プレート２０の外壁面２７に形成する場合で説明する。
（基材蒸着工程）
噴孔プレート２０の本体部２２の表面に、マグネシウム（Ｍｇ）からなる基材２３１を被着する。基材２３１の本体部２２への被着はメッキ処理またはスパッタなどの蒸着処理を用い、撥水層２３のもととなる基材２３１を外壁面２７に被膜する。なお、このような噴孔プレート２０は、その外壁面２７に基材２３１を被覆する構成でもあり、請求範囲に記載の被覆部材に相当する。
（プラズマエッチング工程）
プラズマエッチング工程では、図２に示す加工装置９１により、プラズマイオン９２を、噴孔プレート２０の基材２３１の金属表面２３２に照射する。加工装置９１により照射されるプラズマイオン９２は、ガリウム（Ｇａ）イオンを照射する。加工装置９１は、噴孔プレート２０及び図示しない支持台を収容し、真空にする真空装置を有し、アルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ）などのガス雰囲気下で、プラズマを発生させ、プラズマイオン９２に運動エネルギーを付与する。
【００６０】
加工装置９１がプラズマイオン９２に付与する運動エネルギーは、プラズマイオン９２を基材２３１に付着させる皮膜形成のためのエネルギーより大きく、プラズマイオン９２を基材２３１にイオン注入するエネルギーより小さい運動エネルギーに調整されている。
【００６１】
加工装置９１から基材２３１へ照射されるプラズマイオン９２は、図３（ａ）〜図３（ｃ）の撥水層２３の形成過程に示されるように、基材２３１をエッチングする運動エネルギーを有している。
【００６２】
図３（ａ）のエッチング初期過程に示すように、加工装置９１から照射されるプラズマイオン９２は、基材２３１の金属表面２３２に高速で接近し、金属表面２３２の原子９３に衝突し、その原子９３を弾き飛ばす。プラズマイオン９２は原子９３を弾き飛ばすと共に、自らも弾かれて金属表面２３２から遠ざかる。原子９３が弾き飛ばされた部位は、金属表面２３２がエッチングされる。
【００６３】
ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）の二点鎖線枠内に示すように、プラズマイオン９２により弾き飛ばされた原子９３の一部に、新たに照射され、金属表面２３２に高速で接近するプラズマイオン９２が衝突する場合がある。このとき、基材２３１の結晶内の原子９３にプラズマイオン９２が衝突する場合と異なり、衝突によりエネルギーが高められた原子９３とプラズマイオン９２の衝突により合金９４の粒子が形成される。
【００６４】
衝突により形成された合金９４の粒子の運動エネルギーは、プラズマイオン９２の運動エネルギーより小さくなる。合金９４粒子の運動エネルギーは、原子９３を弾き飛ばすエネルギーはなく、基材２３１の金属表面２３２に到達しても、金属表面２３２に合金９４の粒子が付着して固定される。
【００６５】
基材２３１の金属表面２３２に被着した合金９４は、基材２３１の結晶内の原子９３に比べてプラズマイオン９２によりエッチングされににくくなる。言い換えると、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるように、金属表面２３２のうち、合金９４形成がなされていない表面部分が、プラズマイオン９２の金属表面２３２への衝突により、エッチングが促進される。合金９４形成がなされていない表面部分は、合金９４形成がなされた表面部分より深くエッチングされ、凹部２３３が形成されることになる。
【００６６】
図３（ｂ）及び図３（ｃ）の間、凹部２３３において、プラズマイオン９２により弾き飛ばされた原子９３の一部は、凸部２３５の側壁面に再付着する場合がある。弾き飛ばされた原子９３が凸部２３５の側壁面に再付着する確率は、凹部２３３の底部側ほど高くなる。
【００６７】
そのように合金９４形成がなされた表面部分がエッチングされないことにより、微細な凹凸の凸部２３５を確実に形成することができる。これにより特徴構成で説明したように、微細な凹凸のうちの凸部２３５間には空気層が形成されるので、基材２３１の表面に微細な凹凸を形成することで、優れた撥水性を有する撥水層２３を形成し得るのである。
【００６８】
ここで、発明者らは本実施形態による撥水層２３の接触角θを測定した。図６（ａ）はＭｇの金属材料製の基材２３１に凹凸構造を形成した場合（図中の左の棒グラフ）と、凹凸構造を形成しない場合（図中の右の棒グラフ）を示している。Ｍｇの真の接触角θ１が約８０°程度であっても、本実施形態による凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θは、９０°をはるかに超え、約１００°に到達することができる。
【００６９】
微細な凹凸のうちの凸部２３５は、円錐状を呈する柱状突起に形成されているので、デポジットまたは残留燃料が凹凸構造に付着する場合、凸部２３５間の空気層と凸部２３５とへの付着割合に関し、空気層に対し凸部２３５の付着割合を効果的に小さくすることができる。したがって、そのような撥水層２３は、撥水性を高めることができ、ひいてはデポジット付着抑制の効果を高めることができる。
【００７０】
なお、基材２３１の金属材料がマグネシウム（Ｍｇ）の場合には、上記プラズマエッチング工程が終了した後に、噴孔プレート２０の基材２３１を、酸化雰囲気中で加熱酸化する加熱酸化工程を備えていることが好ましい。これにより、噴孔プレート２０における撥水層２３は、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性向上が図れるとともに、噴孔へのデポジット付着抑制を保証し得るのである。
【００７１】
以上説明した本実施形では、噴孔プレート２０の本体部２２に対し、本体部２２以外の一部を金属の基材２３１で形成する構成としている。それ故に、噴孔プレート２０のうち、撥水層２３が必要な部位のみを、金属の基材２３１で構成することができる。したがって、金属の基材２３１からなる撥水層２３を備える噴孔プレート２０は、当該金属基材２３１の金属の材料使用量を抑えることができる。
【００７２】
また、噴孔プレート２０の本体部２２は、ステンレス鋼で形成されている。これに限らず、噴孔プレート２０の本体部２２は、ステンレス鋼などの鉄を含む鉄系基材で形成するもので構成することができる。
【００７３】
また、以上説明した本実施形では、燃料を噴射する噴孔２１を有する燃料噴射弁１０であって、少なくとも噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃ、及び噴孔２１の開口部周辺に、撥水層２３を備える燃料噴射弁１０であることが好ましい。そのような燃料噴射弁１０においては、噴孔２１の噴孔内壁面２１ｃ、及び噴孔２１の出口部２１ａなどの開口部周辺は、デポジットの付着抑制機能を長期にわたって維持し得るのである。
【００７４】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。
【００７５】
（１）以上説明した本実施形態では、プラズマイオン９２を、Ｇａイオンとし、基材２３１、撥水層２３の原子９３を、Ｍｇとした。プラズマイオン９２としては、Ｇａイオンに限らず、基材２３１を構成する金属の原子と合金を形成するプラズマイオンであれば、いずれであってもよい。
【００７６】
（２）上記原子９３を、Ｍｇに代えて、クロム（Ｃｒ）としてもよい。この場合、Ｃｒの真の接触角θ１は約９２°程度である。これに対し、凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θは、約１０５°に到達し、撥水層２３の撥水性を効果的に高めることができる。
【００７７】
（３）上記基材２３１の金属材料がクロム（Ｃｒ）の場合には、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備える必要がないので、噴孔プレート２０の撥水層２３を形成する工程の簡素化が図れる。
【００７８】
（４）また、上記基材２３１の金属材料を、金（Ａｕ）とする構成であってもよい。この場合、Ａｕの真の接触角θ１が約８０°程度であるものの、凸部２３５を有する凹凸構造を備えた撥水層２３の接触角θを、約１００°に高めることができる。
【００７９】
（５）以上説明した本実施形態において、基材２３１の金属材料がＭｇの場合には、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備えるようにした。基材２３１の金属材料としては、Ｍｇに限らず、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）からなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であればよい。これによると、プラズマイオンとの衝突により合金が形成される金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８０】
また、上記Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇは、耐酸化性が比較的低い金属である。そのため、プラズマエッチング工程が終了した後に、加熱酸化工程を備える構成とすることにより、耐酸化性及び耐熱性に係わる耐久性の向上と、噴孔２１へのデポジット付着抑制を保証することとを両立させることができる。
【００８１】
（６）以上説明した本実施形態において、基材２３１の金属材料を、Ａｕ、またはＣｒとした。ここで、Ａｕに限らず、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びロジウム（Ｒｈ）、などの貴金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８２】
また、Ｃｒに限らず、チタン（Ｔｉ）などの耐酸化性が比較的優れる金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【００８３】
また、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びレニウム（Ｒｅ）などの融点が比較的高い金属からなる金属材料群のうちの少なくとも一種の金属材料を用いることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 燃料噴射弁
１２ 弁ボディ
１３ 円錐面
１４ 弁座
２０ 噴孔プレート（噴孔形成部、被覆部材）
２０ｊ 中心軸
２１ 噴孔
２１ａ 出口部（開口部）
２１ｂ 入口部
２１ｃ 噴孔内壁面
２１ｊ 中心軸
２２ 本体部
２３ 撥水層
２３１ 基材（金属基材）
２３２ 金属表面（表面）
２３３ 凹部
２３５ 凸部
２６ 内壁面
２７ 外壁面
３０ 弁部材
９１ 加工装置
９２ プラズマイオン
９３ 原子
９４ 合金
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材の表面に形成する撥水層の形成方法において、
前記金属素地にプラズマイオンを照射することにより前記金属素地の表面に凹凸を形成する方法であって、
前記金属素地の金属とプラズマイオンにより合金を形成し、
前記金属素地のうち、前記合金によりエッチングされない部位と、前記合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、
前記凹凸を形成することで撥水層を形成することを特徴とする撥水層の形成方法。
【請求項２】
前記凹凸のうちの凸部は、円錐状を呈する柱状突起であることを特徴とする請求項１に記載の撥水層の形成方法。
【請求項３】
前記金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撥水層の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の撥水層の形成方法は、前記凹凸を形成した後に、酸化雰囲気中で前記金属基材を加熱酸化することを特徴とする撥水層の形成方法。
【請求項５】
前記金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈからなる金属材料群、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅからなる金属材料群、およびＣｒ、及びＴｉからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撥水層の形成方法。
【請求項６】
前記金属基材を有する被覆部材であって、前記被覆部材の被覆すべき表面に前記金属基材を被覆する被覆部材に用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の撥水層の形成方法。
【請求項７】
前記被覆部材の内部本体は、鉄を含む鉄系基材であることを特徴とする請求項６に記載の撥水層の形成方法。
【請求項８】
燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁であって、
少なくとも前記噴孔の噴孔内壁面、及び前記噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１】
金属基材の表面に形成する撥水層の形成方法において、
前記金属素地にプラズマイオンを照射することにより前記金属素地の表面に凹凸を形成する方法であって、
前記金属素地の金属とプラズマイオンにより合金を形成し、
前記金属素地のうち、前記合金によりエッチングされない部位と、前記合金化されていない金属素地部分がエッチングされる部位とで、凹凸を形成し、
前記凹凸を形成することで撥水層を形成することを特徴とする撥水層の形成方法。
【請求項２】
前記凹凸のうちの凸部は、円錐状を呈する柱状突起であることを特徴とする請求項１に記載の撥水層の形成方法。
【請求項３】
前記金属は、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＭｇからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撥水層の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の撥水層の形成方法は、前記凹凸を形成した後に、酸化雰囲気中で前記金属基材を加熱酸化することを特徴とする撥水層の形成方法。
【請求項５】
前記金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｄ、及びＲｈからなる金属材料群、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅからなる金属材料群、およびＣｒ、及びＴｉからなる金属材料群から選ばれた少なくとも一種の金属材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撥水層の形成方法。
【請求項６】
前記金属基材を有する被覆部材であって、前記被覆部材の被覆すべき表面に前記金属基材を被覆する被覆部材に用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の撥水層の形成方法。
【請求項７】
前記被覆部材の内部本体は、鉄を含む鉄系基材であることを特徴とする請求項６に記載の撥水層の形成方法。
【請求項８】
燃料を噴射する噴孔を有する燃料噴射弁であって、
少なくとも前記噴孔の噴孔内壁面、及び前記噴孔の開口部周辺に、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の撥水層を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２０２９５５（Ｐ２０１０−２０２９５５Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２４５３（Ｐ２００９−５２４５３）
【出願日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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