液体噴射装置
本発明による液体噴射装置が備える液体噴射デバイス１０は、第１液体が導入されるチャンバー１０−３と、圧電／電歪素子１１と、圧電／電歪素子１１を保持する加振用チャンバー１２とを具備している。圧電／電歪素子は、複数の電極層を備えて振動する活性部と、電極層を備えずに振動しない不活性部とからなる。活性部は圧電／電歪素子のＹ軸方向略中央部にのみ設けられ、Ｙ軸方向両端部は不活性部となっている。加振用チャンバーは圧電／電歪素子のＹ軸方向両端部の不活性部にて同圧電／電歪素子を保持する。圧電／電歪素子の活性部の変形による振動は加振用チャンバー内の第２液体を介して液体噴射孔１０−３ａから噴射される第１液体に伝達される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、噴射する液体を微粒子化するように構成された液体噴射装置に関する。
【背景技術】
従来から知られるこの種の液体噴射装置は、図１８に記載したように、圧電素子３０１により容積が変更せしめられるとともに液体噴射孔３０２を備えたチャンバー３０３と、液体導入孔３０４と、液体供給通路３０５とを備えている。液体は、液体供給通路３０５内に供給され、次いで、液体導入孔３０４を介してチャンバー３０３内に導入される。そして、液体は、チャンバー３０３内において圧電素子３０１の作動により加圧され、液体噴射孔３０２から噴射される（例えば、特開２０００−２７９７９６号公報（第２頁、第３頁、図２）参照。）。
しかしながら、従来の装置は、圧電／電歪素子３０１の発生する加圧力のみで液体を噴射しようとするため、液体を噴射する空間の温度及び圧力等が激しく変動する周囲環境下で使用された場合、液体を確実に微粒子化しながら噴射することが困難となる場合がある。またチャンバー３０３の上面を金属等により形成し圧電／電歪素子３０１を同金属に接着した場合、接着面が圧電／電歪素子３０１により頻繁に変形されることになるため、同圧電／電歪素子３０１が剥離する可能性もある。
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、噴射される液滴を確実に微粒子化することができるとともに、接着部分が振動されることのない構造を採用することにより耐久性がより向上された液体噴射装置を提供することにある。
本発明による液体噴射装置は、第１液体を加圧するとともに同加圧された第１液体を吐出部から吐出する加圧手段と、前記吐出部から吐出された第１液体が導入される液体導入空間を画定する壁と同壁に備えられた液体噴射孔とを有する液体噴射部と、圧電／電歪層と少なくとも一対の電極層とを含むとともに同一対の電極層により同圧電／電歪層に電界が付与される活性部と同圧電／電歪層に電界が付与されない不活性部とを有するように構成された圧電／電歪素子を同不活性部にて保持し、且つ、前記液体噴射部の壁の外面に固定されて同壁の外面とともに液体収容空間を画定する壁を備え、同液体収容空間内に同圧電／電歪素子の活性部と第２液体とを収容した加振用チャンバーと、を備え、前記圧電／電歪素子の活性部の変形による振動が前記第２液体を介して前記液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達されるように構成されている。
なお、本明細書において、「液体噴射孔」は「壁に設けられた中空円筒状の貫通孔（即ち、流れの方向に断面積を変化させていない流路）」のみでなく、「第１液体のもつ圧力や熱のエネルギーを運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向に断面積を変化させた流路（即ち、ノズル）」をも含む用語として使用される。
これによれば、第１液体が液体噴射孔を介して噴射されるのに必要な圧力は加圧手段により発生され、第１液体が微粒子化するための振動は圧電／電歪素子により付与される。従って、上記液体噴射装置は、液体を噴射する空間の環境が激しく変化しても、第１液体の噴射及び微粒子化を確実に達成することができる。
また、圧電／電歪素子は、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバーに保持されるので、その保持部が圧電／電歪素子により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子の活性部に生じる振動は第２液体を介して第１液体に伝達されるので、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはない。従って、この液体噴射装置は、圧電／電歪素子を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上する。
この場合、前記加圧手段の吐出部から前記液体噴射孔までの間であって前記液体噴射部に介装されるとともに、前記加圧手段から前記液体噴射孔に向けての前記第１液体の通流を停止及び許容する開閉弁を備えることが好適である。
これによれば、第１液体の噴射開始タイミング及び噴射終了タイミングを確実に制御することが可能となる。
この場合、圧電／電歪素子の一対の電極層の間に電位差を付与したとき、圧電／電歪層に電界が確実に付与されるようにするため、前記第２液体は非導電性（絶縁性）の液体であることが好適である。
また、電極層の間に付与される電位差による発火を防止するため、前記第２液体は不燃性の液体であることが望ましい。
さらに、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に更に固体の粒子を収容することが好ましい。これによれば、圧電／電歪素子の活性部の振動に基づく圧力波の進行方向を固体の粒子によって分散することができるので、より大きな面積の壁面を均一な圧力で加振することが可能となる。その結果、液体噴射孔をより大きな面積を有する部分に配置できるので、均一に微粒子化された液滴を大量に噴射することが可能となる。
また、前記圧電／電歪素子は、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に前記不活性部を有するとともに、同不活性部に連続した不活性部の両端において前記加振用チャンバーに保持されることが好適である。
これによれば、圧電／電歪素子の活性部の伸縮を不活性部によって同圧電／電歪素子の屈曲変形という形で発現させることができる。従って、電極層間に付与する電位差を小さくしても、十分な振動を第１液体に伝達することが可能となる。その結果、圧電／電歪素子の消費電力を低減することができる。
この場合、前記活性部が前記不活性部よりも前記液体噴射部の壁側に配置されることが好適である。
これによれば、大きな圧力変動を有する圧力波を前記液体噴射部の壁側に向けて発生させ易くなるので、圧電／電歪素子の消費電力をより一層低減することができる。
また、前記加振用チャンバーは前記液体収容空間内に発生する気体を外部に排出する気体排出部を備えることが好適である。
これによれば、第２液体中の溶存気体が同第２液体の圧力変動で気体となった場合に、同気体を加振用チャンバーの外部に排出することができる。従って、加振用チャンバー内において、圧電／電歪素子による振動が気体により吸収されるととが回避される。
【図面の簡単な説明】
図１は、内燃機関に適用した本発明の第１実施形態に係る液体噴射装置の概略を示した図である。
図２は、図１に示した電磁開閉式吐出弁の正面図である。
図３は、図１に示した液体噴射デバイスの平面図である。
図４は、図３の１−１線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図及び図２に示した電磁開閉式吐出弁の拡大正面図である。
図５は、図３の２−２線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図６は、本発明の第２実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図である。
図７は、本発明の第３実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図８は、図７の３−３線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図９は、図７の４−４線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１０は、本発明の第４実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図１１は、図１０の５−５線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１２は、図１０の６−６線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１３は、本発明の第５実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図１４は、図１３の７−７線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１５は、図１３の８−８線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１６Ａは本発明の第６実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図であり、図１６Ｂは図１６Ａの９−９線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１７は、本発明の第７実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図である。
図１８は、従来の液体噴射装置の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明による液体噴射装置（液体噴霧装置、液体供給装置、液滴吐出装置）の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る液体噴射装置は、図１の概略構成図に示したように、例えば、微粒子化された液体（燃料）を必要とする機械装置としての内燃機関に対する電子式燃料噴射制御装置（電子式液体噴射制御装置）として使用される。
この液体噴射装置は、アクチュエータとして機能する圧電／電歪素子を備えた液体噴射デバイス１０、加圧手段としての加圧ポンプ（燃料ポンプ）２１、燃料供給管（液体供給管、燃料配管）２２、プレッシャレギュレータ２３、電磁開閉式吐出弁（吐出弁、開閉弁）２４、燃料タンク（液体貯蔵タンク）２５及び電気制御装置４０を含んでいる。加圧ポンプ２１及びプレッシャレギュレータ２３は燃料供給管２２に介装されている。係る液体噴射装置は、内燃機関の吸気管（又は吸気ポート）３０等により形成される燃料噴射空間（液体噴射空間）３１に、内燃機関の吸気弁３２の背面に向けて、微粒子化された液体（液体燃料、例えばガソリン、以下、単に「燃料」又は「第１液体」と云うこともある。）を噴射するようになっている。
加圧ポンプ２１は、燃料供給管２２を介して燃料タンク２５の底部に連通された導入部２１ａと、同燃料供給管２２を介してプレッシャレギュレータ２３に接続された吐出部２１ｂとを備えている。加圧ポンプ２１は、燃料タンク２５内の燃料を導入部２１ａから導入して加圧するとともに、同加圧した燃料を吐出部２１ｂから吐出するようになっている。加圧ポンプ２１は、仮に液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子が作動されていない場合であっても、燃料がプレッシャレギュレータ２３と電磁開閉式吐出弁２４と液体噴射デバイス１０とを介して液体噴射空間３１に対し噴射され得る圧力以上の圧力（この圧力を「加圧ポンプ吐出圧」と云う。）にまで加圧するようになっている。
プレッシャレギュレータ２３は、図示しない配管により吸気管３０内の圧力が与えられている。プレッシャレギュレータ２３は、この吸気管３０内の圧力に基づいて加圧ポンプ２１により加圧された燃料の圧力を減圧（又は、調圧）するようになっている。この結果、プレッシャレギュレータ２３と電磁開閉式吐出弁２４との間の液体供給管２２内の燃料の圧力は、吸気管３０内の圧力よりも所定（一定）圧力だけ高い圧力（この圧力を「調整圧」と云う。）となるように調整される。従って、電磁開閉式吐出弁２４が所定時間だけ開弁されると、同所定時間に略比例した燃料量の燃料が吸気管３０内の圧力に拘らず同吸気管３０内に噴射される。
電磁開閉式吐出弁２４は、従来から内燃機関の電子式燃料噴射制御装置に広く採用されている周知のフューエルインジェクタ（電磁噴射弁）である。図２は、この電磁開閉式吐出弁２４の正面図であって、その先端側部位を同電磁開閉式吐出弁２４の中心線を含む平面にて切断した断面により示している。
電磁開閉式吐出弁２４は、液体供給管２２が接続されてプレッシャレギュレータ２３に連通した液体導入口２４ａと、同液体導入口２４ａに連通した液体通路２４ｂを形成する外筒部２４ｃと、電磁式開閉弁として作動する開閉弁（ニードル弁）２４ｄと、外筒部２４ｃの先端に形成されるとともに開閉弁２４ｄの先端により開閉される吐出孔２４ｅと、開閉弁２４ｄを駆動する図示しない電磁機構とを備えている。電磁開閉式吐出弁２４の液体通路２４ｂは吐出孔２４ｅを介して液体噴射デバイス１０に接続されている。これにより、電磁開閉式吐出弁２４は、液体通路２４ｂ（吐出孔２４ｅ）が開閉弁２４ｄにより開放されたとき、プレッシャレギュレータ２３を介して加圧ポンプ２１から供給される加圧された燃料を同液体通路２４ｂ及び吐出孔２４ｅを介して液体噴射デバイス１０に供給するようになっている。
液体噴射デバイス１０は、燃料噴射空間３１に噴射する液体（吸気弁３２の背面に向けて噴射する燃料）を微粒子化するために少なくともその壁面に圧電／電歪素子を形成したチャンバーと、その圧電／電歪素子が形成された壁と異なる壁に形成された液体噴射孔（液体噴射用ノズル）とを備えた噴射デバイスであり、図３〜図５に詳細に示されている。
液体噴射デバイス１０は、各辺が互いに直交するＸ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる略直方体形状を有している。液体噴射デバイス１０の基体部（以下、「液体噴射部」とも称呼する。）は、図４及び図５に示したように、順に積層されて互いに接合された複数の金属の薄板（以下、「金属板」と云う。）１０ａ〜１０ｃからなっている。金属板１０ａ〜１０ｃの材質は、この例においてはステンレス（ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６）である。金属板１０ｃは後述する加振用チャンバー１２に支持された圧電／電歪素子１１によって発生される振動を伝達する振動伝達板として機能する。なお、後述する他の実施形態に係る金属板の材質も金属板１０ａ〜１０ｃと同様である。
液体噴射デバイス１０は、液体導入口１０−１と、液体供給通路１０−２と、チャンバー１０−３と、液体供給通路１０−２とチャンバー１０−３とを連通する液体導入通路部１０−４と、圧電／電歪素子１１と、金属板１０ｃの上に固定されるとともに圧電／電歪素子１１を保持する加振用チャンバー１２とを備えている。
液体導入口１０−１は、金属板１０ｃに形成された円形の貫通穴である。液体導入口１０−１は、金属板１０ｃのＹ軸方向中央であってＸ軸負方向端部近傍に設けられている。液体導入口１０−１には、図４に示したように、電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅがスリーブ２５により液密に接続されている。
液体供給通路１０−２は、金属板１０ａの上面と、金属板１０ｂに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定された空間である。液体供給通路１０−２の平面形状（Ｚ軸正方向から見た形状）は、図３に示したように、液体導入口１０−１の円弧と一致する頂部Ｐと、同頂部ＰからＸ軸正方向に所定距離だけ隔てた位置においてＹ軸に沿った底辺Ｔを有する略二等辺三角形である。底辺Ｔの長さはＷである。
チャンバー１０−３は、金属板１０ａの上面と、液体供給通路１０−２に対してＸ軸正方向に所定距離隔てた位置において金属板１０ｂに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定された空間である。チャンバー１０−３の平面形状は、図３に示したように、Ｙ軸及びＸ軸にそれぞれ沿う長辺ＬＨ及び短辺ＳＨを有する略長方形である。長辺ＬＨの長さは、液体供給通路１０−２の底辺Ｔの長さＷより僅かだけ長くなっている。一対の短辺ＳＨの位置は、底辺Ｔの両端部よりＹ軸方向の外側（Ｙ軸正方向外側及びＹ軸負方向外側）に位置している。
チャンバー１０−３を構成している一つの壁（下壁）である金属板１０ａには、複数（この例では、全部で１５×８＝９０個）の貫通孔が液体噴射孔（液体噴射用ノズル）１０−３ａとして形成されている。各液体噴射孔１０−３ａは、Ｚ軸方向に軸を有する底面の直径がｄである円筒状の空間である。従って、金属板１０ａの下面には、直径ｄの円形の噴射口が複数個形成されている。複数の液体噴射孔１０−３ａは正方格子状に配列されている。
即ち、複数の液体噴射孔１０−３ａの各中心点は、一定の距離を隔てて配列された複数のＸ軸に平行な線と、同じ一定の距離を隔てて配列された複数のＹ軸に平行な線との交点に一致している。なお、本明細書においては、「液体噴射孔」は「液体噴射孔１０−３ａのようにチャンバー１０−３を構成する壁に設けられた中空円筒状の液体噴射用貫通孔（即ち、流れの方向に断面積を変化させていない流路）」のみでなく、「第２液体のもつ圧力や熱のエネルギーを運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向（この場合、Ｚ軸負方向）に断面積を変化（減少）させた液体噴射用の流路」をも含む用語として使用される。
液体導入通路部１０−４は、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部の上面及びこの上面のＹ軸方向両端部から立設した側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定され、薄板状の中空空間（即ち、スリット）を構成する空間である。このスリットは、液体導入通路とも呼ばれる。金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部の上面のＺ軸方向の高さは、金属板１０ｂのＸ軸方向両端部のＺ軸方向の高さよりｔだけ低くなっている。従って、上記スリットのＺ軸方向長さ（スリットの巾）はｔである。
液体導入通路部１０−４のスリットの平面形状は、図３に示したように、Ｙ軸及びＸ軸にそれぞれ沿う長辺ＬＩと短辺ＳＩを有する略長方形である。長辺ＬＩは液体供給通路１０−２の底辺Ｔと同じ長さＷである。一方の長辺ＬＩは液体供給通路１０−２の底辺Ｔと一致している。従って、一対の短辺ＳＩの始点は、底辺Ｔの両端部と一致している。
このように、液体導入通路部１０−４のスリットは平面視において短辺ＳＩと長辺ＬＩの長方形状をなしている。この長方形の対向する一対の短辺ＳＩ，ＳＩは液体の通流方向（Ｘ軸方向）と平行である。複数の液体噴射孔１０−３ａは、平面視において、一対の短辺ＳＩ，ＳＩを仮想的にＸ軸正方向に延長した直線で規定される領域の内側のみに配設されている。
従って、液体は各液体噴射孔１０−３ａに対してほぼ同じ圧力を有しながら到達することができ、各液体噴射孔１０−３ａ内における流速が互いに略等しくなる。この結果、各液体噴射孔１０−３ａからの液体噴射速度が互いに略同一となるから、各液体噴射孔１０−３ａから噴射される液滴の粒径を略均一にすることが可能となる。
図３に示したように、液体導入通路部１０−４には、複数の支持部（桟部）１０−４ａが設けられている。各支持部１０−４ａは、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部上面においてＸ軸方向に延びている。複数の支持部１０−４ａはＹ軸方向に沿う所定の距離毎に配置される。各支持部１０−４ａは、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部上面から金属板１０ｃの下面に到っている。
この支持部１０−４ａにより、液体導入通路部１０−４のスリットが複数（ここでは５個）の独立したスリットに分割されている。この複数のスリットは互いに同一形状を備える。各スリットをＹ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した断面はＺ軸方向及びＹ軸方向に短辺及び長辺をそれぞれ有する長方形状となっている。
アクチュエータとしての圧電／電歪素子１１は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる略直方体形状を有している。圧電／電歪素子１１のＸ軸方向長さは、チャンバー１０−３のＸ軸方向長さより僅かに短い。圧電／電歪素子１１のＹ軸方向長さは、チャンバー１０−３のＹ軸方向長さより長く、且つ、金属板１０ａ〜１０ｃのＹ軸方向長さより短い。
圧電／電歪素子１１は、一対の電極１１ａ，１１ｂ及び圧電／電歪層１１ｃからなっている。一対の電極１１ａ，１１ｂは、それぞれの共通電極からＸ−Ｙ平面に平行に平面的に広がった複数の櫛歯状電極（電極層）を備えている。電極１１ａの複数の櫛歯状電極と電極１１ｂの複数の櫛歯状電極とは交互に対向している。対向する櫛歯状電極間のそれぞれには、圧電／電歪層１１ｃが存在している。
図５に示したように、一対の電極１１ａ，１１ｂの櫛歯状電極は、圧電／電歪層１１ｃのＹ軸方向略中央部であってチャンバー１０−３の上方にのみ設けられ、圧電／電歪層１１ｃのＹ軸方向両端部には設けられていない。圧電／電歪層１１ｃの櫛歯状電極が形成されている部分は、これらの電極により電界が付与される活性部を形成している。また、圧電／電歪層１１ｃの櫛歯状電極が形成されていない部分は、圧電／電歪層１１ｃに電界が付与されない不活性部を形成している。
即ち、圧電／電歪素子１１は、層状の圧電／電歪素子と層状の電極とを交互に多層にわたり積層することで形成された「横効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」であり、一対の電極１１ａ，１１ｂに周期的に電圧が変化する駆動電圧が付与されたとき、その活性部に周期的に変化する電界が加わり、その活性部のみがＹ軸方向に縮みＺ軸方向に延びて（伸縮して）振動するようになっている。
加振用チャンバー１２は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる各辺を備えた略直方体形状を有していて、平面視においてチャンバー１０−３よりも僅かだけ大きくなっている。加振用チャンバー１２は、絶縁性の樹脂（例えば、アクリル系樹脂、ｐｅｅｋ系樹脂、又はポリカーボネイト系樹脂等）からなる固定部１２ａ及び蓋部１２ｂを備えている。
固定部１２ａは、上面及び下面が開放された中空の角柱状枠体であって、金属板１０ｃの上に接着により固定されている。固定部１２ａの側壁（Ｚ−Ｘ平面に平行な壁）の上側には切り込み部が形成されている。蓋部１２ｂは、上面が閉塞され下面が開放された中空の角柱状蓋体であって、側壁（Ｚ−Ｘ平面に平行な壁）の下側には切り込み部が形成されている。
加振用チャンバー１２は、固定部１２ａの切り込み部と蓋部１２ｂの切り込み部との間に、圧電／電歪素子１１の不活性部である圧電／電歪素子１１のＹ軸方向両端部を挟み込み、圧電／電歪素子１１を保持するようになっている。固定部１２ａ、圧電／電歪素子１１及び蓋部１２ｂは、互いに接着性ゴム等により固着されている。この結果、加振用チャンバー１２は、金属板１０ｃとともに、その内部に圧電／電歪素子１１の活性部を備えた密閉空間１２ｃを形成するようになっている。
加振用チャンバー１２の密閉空間１２ｃには、液体が収容されている。この液体を便宜上「第２液体」と称呼する。第２液体は非導電性で、且つ、不燃性の液体である。この第２液体は、圧電／電歪素子１１の伸縮に伴う振動を、粗密波（縦波）として金属板１０ｃ等に伝達する。
なお、加振用チャンバー１２は、例えばＳＵＳ或いはアルミニウム合金等の金属を絶縁膜で被覆した材質により構成してもよい。また、固定部１２ａ、圧電／電歪素子１１及び蓋部１２ｂを互いに絶縁性の接着性ゴムにより接着したり、或いは、固定部１２ａ及び蓋部１２ｂと圧電／電歪素子１１との間にゴム等の絶縁性部材を介在させるように構成すれば、加振用チャンバー１２自体を絶縁膜を有さない金属のみで構成することもできる。
図１に示した電気制御装置４０は、マイクロコンピュータを含む回路であり、エンジン回転速度センサ４１及び吸気管圧力センサ４２等のセンサと接続されている。電気制御装置４０は、これらのセンサからエンジン回転速度Ｎや吸気管圧力Ｐを入力して内燃機関に必要な燃料量及び噴射開始タイミングを決定するとともに、同決定した燃料量及び噴射開始タイミングに応じて電磁開閉式吐出弁２４の電磁機構に吐出弁駆動信号ＩＮＪを供給するようになっている。
また、電気制御装置４０は、少なくとも吐出弁駆動信号ＩＮＪが供給及び供給停止されることによりチャンバー１０−３内の液体の圧力が上昇及び下降している期間、圧電／電歪素子１１の電極１１ａ及び１１ｂ間に駆動周波数ｆで０（Ｖ）とＶｍａｘ（Ｖ）との間を変化する圧電素子駆動電圧信号ＤＶを送出するようになっている。
以上の構成により、電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅから吐出された燃料は、液体注入口１０−１を介して液体供給通路１０−２に供給され、その後、液体導入通路部１０−４のスリットを介して（スリット内をＸ軸方向に通流して）チャンバー１０−３内に導入される。そして、チャンバー１０−３内に導入された液体は液体噴射孔１０−３ａ（液体噴射孔の噴射口）を介し吸気管３０内に押し出される（噴射される）。
このとき、圧電／電歪素子１１の作動による振動が、第２液体及び金属板１０ｃを介してチャンバー１０−３内の噴射される燃料に加えられる。従って、噴射される燃料に付与された振動によるくびれ部が発生し、同燃料はその先端部において同くびれ部からちぎれるように離脱する。この結果、均一で精細に微粒子化された燃料が吸気管３０の燃料噴射空間３１内に噴射される。なお、以下に述べる他の実施形態に係る液体噴射装置も、上述した液体噴射装置の作動と同様に作動する。
以上、説明したように、液体噴射デバイス１０によれば、第１液体（燃料）が液体噴射孔１０−３ａを介して噴射されるのに必要な圧力は加圧手段である加圧ポンプ２１により発生され、第１液体が微粒子化するための振動は圧電／電歪素子１１により付与される。従って、液体噴射デバイス１０は、液体を噴射する空間の環境が激しく変化しても、第１液体の噴射及び微粒子化を確実に達成することができる。
また、圧電／電歪素子１１は、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバー１２に保持されている。従って、その保持部が圧電／電歪素子１１により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子１１の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔１０−３ａから噴射される第１液体に伝達される。この結果、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはないので、液体噴射デバイス１０は、圧電／電歪素子１１を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
なお、液体導入通路部１０−４のスリットの断面形状である長方形状の短辺の長さｔは０．００５乃至０．５ｍｍであることが好ましい。短辺の長さｔが０．００５ｍｍより小さいと液体導入通路部１０−４の呈する流路抵抗が過大となり、チャンバー１０−３内に大量の液体を導入することができず、その結果、大量の液体を噴射することができないからである。また、短辺の長さｔが０．５ｍｍより大きいと、圧電／電歪素子１１の作動によりチャンバー１０−３内の液体に付与された圧力変動が液体供給通路１０−２に伝達されてしまうので、チャンバー１０−３内における液体の圧力変動を大きくできず、その結果、液体の微粒子化が困難になる恐れがあるからである。
また、支持部１０−４ａは、スリットの剛性向上のために有効に機能するが、省略することもできる。
更に、液体噴射孔１０−３ａの直径ｄ（円筒形底面及び上面の直径ｄ）を０．０３ｍｍとし、液体噴射孔１０−３ａの個数を９０個とした実施例において、液体噴射デバイス１０に流入する燃料の流量（従って、噴射される燃料の流量）が４０ｃｃ／分であるとき、圧電素子駆動電圧信号ＤＶの駆動周波数ｆ（即ち、加振用チャンバー１２内により発生されて噴射される燃料に伝達される圧力波の周波数ｆ）を７０ｋＨｚとすると、それぞれの直径が略０．０６ｍｍである粒子径（液滴径）の液滴を得ることができた。また、圧力波の周波数ｆを除き上記と同一の条件で、圧力波の周波数ｆを１４０ｋＨｚとすると、それぞれの直径が略０．０３５ｍｍである粒子径（液滴径）の液滴を得ることができた。
更に、液体噴射孔１０−３ａから噴射される液滴の速度をＶ（ｍｍ／秒）、液体噴射孔１０−３ａの直径をｄ（ｍｍ）、前述した圧力波の周波数をＦ（Ｈｚ）としたとき、直径ｄは０．００５〜０．１（ｍｍ）で、周波数ＦはＶ／（４．４９・ｄ）の０．５〜５倍の範囲内の値とすることが好ましい。Ｖ／（４．４９・ｄ）という値は、上記条件で液体を噴射したときに自然に得られる単位時間あたりの液滴の個数に相当する値であって、液柱分裂についてのレイリーの理論（液柱分裂に関与する変動波の波長は、液柱径の４．４９倍であるという理論）に基づく値である。
直径ｄを０．００５（ｍｍ）より大きくするのは、直径ｄが０．００５（ｍｍ）以下となると、液体中に含まれる異物により液体噴射孔１０−３ａが詰まり易くなるので、安定した噴射ができなく恐れがあるからである。また、直径ｄを００．１（ｍｍ）より小さくするのは、直径ｄが０．１（ｍｍ）以上であると、噴射される液体の直径が過大となって噴射後の飛行中に分裂するため、均一な直径を有する液滴を得ることが困難となるからである。
また、圧力波の周波数ＦをＶ／（４．４９・ｄ）の０．５〜５倍の範囲内の値とするのは、次の理由による。即ち、圧力波の周波数ＦがＶ／（４．４９・ｄ）の０．５倍より小さいと、液体噴射孔１０−３ａから噴射された液体のくびれの間隔が過大となり、液体の微粒子化が不十分となる。これに対し、圧力波の周波数ＦがＶ／（４．４９・ｄ）の５倍以上となると、液体のくびれの間隔が過小となって周波数Ｆに応じた直径の液滴が形成され難くなるか、或いは、仮に噴射される液滴が周波数Ｆに応じた直径に微粒子化されても、それらの液滴の間隔が過小となって、噴射後の飛行中に再結合し易くなるからである。
この場合、液体噴射孔１０−３ａからある程度の距離だけ離れた位置において、均一な直径を有する液滴を確実に形成することを考慮すると、圧力波の周波数ＦはＶ／（４．４９・ｄ）の１倍以上で３倍以下の範囲内の値であることが更に好適である。特に、圧力波の周波数ＦをＶ／（４．４９・ｄ）の整数倍近傍の値（即ち、略１倍、略２倍、又は略３倍）とすると、圧電／電歪素子１１に与える電力量をより小さくしても所望の液滴を確実に形成することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第２実施形態に係る液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４を液体導入通路部１０−５に置換した液体噴射デバイス５０を同液体噴射デバイス１０に代えて採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図６を参照しながら説明する。
液体導入通路部１０−５は、液体噴射デバイス１０の金属板１０ｂに代わる金属体１０ｄにより構成されている。金属体１０ｄは、複数の金属板１０ｄ１〜１０ｄ６からなっている。そして、液体導入通路部１０−５には、金属板１０ｄ１〜１０ｄ３により巾（高さ）ｔ１の第１スリットが形成され、金属板１０ｄ３〜１０ｄ５により巾（高さ）ｔ２の第２スリットが形成され、金属板１０ｄ５、１０ｄ６及び１０ｃにより巾（高さ）ｔ３の第３スリットが形成されている。
第１〜第３スリットの平面形状は液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４におけるスリットの平面形状と同一である。第１〜第３スリットのＸ軸方向及びＹ軸方向位置も、液体導入通路部１０−４におけるスリットのＸ軸方向及びＹ軸方向位置と同一である。巾ｔ３は前述した液体導入通路部１０−４におけるスリットの巾ｔと同一である。巾ｔ２は巾ｔ３より大きく、巾ｔ１は巾ｔ２よりも大きい。
即ち、液体噴射デバイス５０は、液体導入通路部１０−５において、複数（ここでは３個）の互いに平行なスリットを有していて、何れのスリットもＹ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した断面はＺ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ短辺及び長辺を有する長方形状となっている。また、それらのスリットは、その巾（厚み、Ｚ軸方向長さ）が互いに異なり、Ｚ軸負方向に行くにしたがって（金属板１０ａに近づくにしたがって）大きくなっている。
以上、説明したように、液体噴射デバイス５０の液体導入通路部１０−５は、液体導入通路部１０−４のスリットと同等のスリットを複数備えている。従って、液体噴射デバイス５０は、より大量の液体をチャンバー１０−３に導入することができるので、より大量の液体を噴射することができる。また、液体噴射デバイス５０は、チャンバー１０−３及び液体供給通路１０−２内の気泡が滞留し易い部分（例えば、チャンバー１０−３又は液体供給通路１０−２と、液体導入通路部１０−６と、金属板１０ａとにより形成される角部で、図６中に黒塗りの三角で示した部分）に液体の流れを形成することが可能となるので、気泡の排出が促進される。
この結果、液体噴射デバイス５０を採用した第２実施形態の液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０を採用した第１実施形態の液体噴射装置が有する利点に加え、チャンバー１０−３内において液体に圧力変動を適切に付与することができるので（気泡により圧力変動の付与を阻害され難いので）、液体の噴射を安定した状態で行うことが可能となるという利点を有している。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第３実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態の液体噴射デバイス１０に代えて液体噴射デバイス６０を採用した点のみにおいて同第１実施形態の液体噴射装置と異なっている。また、液体噴射デバイス６０は、液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１３に置換した点のみにおいて同液体噴射デバイス１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として図７〜図９を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１３は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向に沿った各辺を有する略直方体形状を有していて、層状の圧電／電歪素子と層状の電極とを交互に多層にわたり積層することで形成された「縦効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」である。即ち、一対の電極１３ａ，１３ｂには複数の櫛歯状電極が交互に接続されている。その櫛歯状電極（電極層）及び圧電／電歪層１３ｃの層面はＺ−Ｘ平面に平行である。圧電／電歪素子１３は、平面視でチャンバー１０−３よりも僅かに小さく、同平面視でチャンバー１０−３の内側に配設されている。
一対の電極１３ａ，１３ｂの櫛歯状電極は、圧電／電歪層１３ｃのＹ軸方向略中央部であってチャンバー１０−３の上方にのみ設けられ、圧電／電歪層１３ｃのＹ軸方向両端部には設けられていない。圧電／電歪層１３ｃの櫛歯状電極が形成されている部分は、これらの櫛歯状電極により電界が付与される活性部を形成している。また、圧電／電歪層１３ｃの櫛歯状電極が形成されていない部分は、圧電／電歪層１１ｃに電界が付与されない不活性部を形成している。そして、圧電／電歪素子１３は、一対の電極１３ａ，１３ｂに周期的に電圧が変化する駆動電圧が付与されたとき、その活性部に周期的に変化する電界が加わり、その活性部がＹ軸方向に延びＺ軸方向に縮んで（伸縮して）振動するようになっている。
この圧電／電歪素子１３は、圧電／電歪素子１１と同様に、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバー１２に保持されている。従って、その保持部が圧電／電歪素子１３により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子１３の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔１０−３ａから噴射される第１液体に伝達される。この結果、液体噴射デバイス６０を採用した液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０を採用した液体噴射装置と同様に、圧電／電歪素子１１を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第４実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１４に置換した液体噴射デバイス７０を採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図１０〜図１２を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１４は、電極１４ａ，１４ｂのＸ−Ｙ平面に平行に広がる櫛歯状電極がＹ軸方向略中央部で且つＺ軸負方向にのみに形成されている。即ち、圧電／電歪素子１４は、加振用チャンバー１２の液体収容空間１２ｃ内において活性部が不活性部よりもチャンバー１０−３側（液体噴射デバイスの金属板１０ｃ側）に配置されている。また、圧電／電歪素子１４は、圧電／電歪素子１１と同様に、Ｙ軸方向両端部に形成された不活性部にて加振用チャンバー１２に保持されている。
この結果、液体噴射デバイス７０は、圧電／電歪素子１４の活性部の伸縮を、その活性部よりもＺ軸上方に設けられた不活性部により、同圧電／電歪素子１４の屈曲変形という形で発現させることができる。従って、電極１４ａ，１４ｂ間に付与する駆動電圧の電位差（即ち、圧電素子駆動電圧信号ＤＶの最大値Ｖｍａｘ）を小さくしても、十分な振動を燃料に伝達することが可能となる。従って、圧電／電歪素子１４の消費電力を低減することができる。
また、圧電／電歪素子１４は、活性部が不活性部よりもチャンバー１０−３の金属板１０ｃ側に配置されている。従って、大きな圧力変動を有する圧力波を金属板１０ｃに向けて発生させ易くなるので、圧電／電歪素子１４の消費電力をより一層低減することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第５実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射装置の液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１５に置換するとともに、加振用チャンバー１２を加振用チャンバー１６に置換した液体噴射デバイス８０を採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図１３〜図１５を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１５は、図１５に示したように、Ｙ軸方向両端部にてＺ軸正方向に屈曲するとともにＸ軸方向に延びるフランジ部１５ｆ１，１５ｆ２を有している点のみにおいて、圧電／電歪素子１１と相違している。このフランジ部１５ｆ１の上面には電極１５ａの共通電極が形成され、フランジ部１５ｆ２の上面には電極１５ｂの共通電極が形成されている。
従って、図１５に仮想線にて示したように、フランジ１５ｆ１，１５ｆ２をコネクタ（クリップ）ＣＬ，ＣＬで挟持することにより、圧電／電歪素子１４の電極１５ａ，１５ｂの共通電極を確実に保持して電気制御装置４０との電気的接続を維持することができるので、液体噴射デバイス８０の信頼性を向上することができる。
一方、加振用チャンバー１６は、加振用チャンバー１２に対して気体排出部を備えた点のみにおいて、同加振用チャンバー１２と相違している。即ち、気体排出部は、蓋部１２ｂと同様な蓋部１６ｂの上壁に形成された貫通孔１６ｄと、その貫通孔１６ｄの中に配設されたフィルタ１６ｅとからなっている。
これによれば、第２液体中の溶存気体が同第２液体の圧力変動により気体となった場合に、同気体を気体排出部を介して加振用チャンバー１６の外部に排出することができる。従って、加振用チャンバー１６内において、圧電／電歪素子１５による振動が気体により吸収されるととが回避されるので、液体噴射孔１０−３ａから噴射される液体に確実に振動を付与することができる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る液体噴射装置について図１６Ａ及び図１６Ｂを参照しながら説明する。第６実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射装置の液体噴射デバイス１０に代わる液体噴射デバイス９０を採用した点のみにおいて、同第１実施形態に係る液体噴射装置と相違している。従って、以下、液体噴射デバイス９０を中心として説明する。
液体噴射デバイス９０は、チャンバー９１と液体導入通路部９２と加振用チャンバー９３と、圧電／電歪素子９４とからなっている。チャンバー９１は略円錐形状（ロート形状）をなしている。その底壁９１ａには、液体噴射孔１０−３ａと同一である中空円筒状の液体噴射孔（液体噴射用ノズル）９１ａ１が複数個形成されている。複数の液体噴射孔９１ａ１は正方格子状に配列されている。
液体導入通路部９２は、図１６Ｂに示したように、金属の薄板で構成された管である。液体導入通路部９２は、その一端がチャンバー９１の頂部に接続されるとともに、その他端が図示しない電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅに接続されている。これにより、液体導入通路部９２は、電磁開閉式吐出弁２４の液体通路２４ｂ（吐出孔２４ｅ）が開閉弁２４ｄにより開放されたとき、プレッシャレギュレータ２３を介して加圧ポンプ２１から供給される加圧された燃料をチャンバー９１に流入せしめるようになっている。
加振用チャンバー９３は、加振用チャンバー１２と同様な構成を有している。圧電／電歪素子９４は、圧電／電歪素子１１と同様な構成を有していて、その両端部に設けられた不活性部におて加振用チャンバー９３に保持されている。加振用チャンバー９３は、液体導入通路部９２の壁の一部に固定されていて、この壁とともに形成される密閉空間に第２液体を収容している。
液体噴射デバイス９０を採用した液体噴射装置の作動は、液体噴射デバイス１０を採用した液体噴射装置の作動と同様である。即ち、圧電／電歪素子９４の図示しない電極に所定の周波数を有する圧電素子駆動電圧信号ＤＶが印加されると、圧電／電歪素子９４が伸縮し、その伸縮に基づく振動が第２液体及び液体導入通路９２を構成している壁を介して液体導入通路部９２内の液体（燃料）に伝達される。これにより、液体噴射孔９１ａ１から噴射される液体が微粒子化される。このように、加振用チャンバー９３は、液体導入通路部９２に隣接配置してもよい。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第７実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態の液体噴射デバイス１０に代わる液体噴射デバイス１００を採用した点のみにおいて同第１実施形態の液体噴射装置と相違している。
液体噴射デバイス１００は、液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４を省略して、液体供給通路１０−２とチャンバー１０−３とを一体化した一つのチャンバー１００−１を備えたものであり、その他の点は液体噴射デバイス１０と同様な構成を有している。この液体噴射デバイス１００も、液体噴射デバイス１０と同様に作動する。このように、液体導入通路部１０−４は必ずしも必要ではない。
以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る液体噴射装置は、圧電／電歪素子を実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバーに保持させている。従って、加振用チャンバーの保持部が圧電／電歪素子により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達される。この結果、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはないので、液体噴射装置は、圧電／電歪素子を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
また、上述した各実施形態に係る液体噴射装置は、液体を加圧する加圧手段（加圧ポンプ２１）と、電磁開閉式吐出弁２４とを備えていて、電磁開閉式吐出弁２４内の液体通路２４ｂが開放されたとき加圧手段２１から供給される加圧された液体が同液体通路２４ｂを介して液体導入通路部（１０−４〜１０−７、１０−１０〜１０−１３）に供給されるようになっている。
その液体は、更に、液体導入通路部を介してチャンバーに供給され、チャンバーの液体噴射孔を介して噴射される。従って、液体の噴射に必要な圧力は加圧手段２１により発生されることから、適用する機械の運転条件等の変動などにより、液体噴射空間３１の環境（例えば、吸気管３０内の圧力や温度）が激しく変動しても、同液体を所望の微細な粒子として安定して噴射、供給することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態の液体噴射装置は、吸気管（吸気ポート）３０内に燃料を噴射する形式のガソリン内燃機関に適用されていたが、本発明による液体噴射装置を、気筒内に燃料を直接噴射する所謂「直噴式ガソリン内燃機関」に適用することもできる。
即ち、従来のフューエルインジェクタを用いた電気制御式燃料噴射装置により気筒内に直接的に燃料を噴射すると、シリンダーとピストンとの隙間（クレビス）に燃料が溜まることがあり、未燃ＨＣ（ハイドロカーボン）量が増大する場合があったのに対し、本発明による液体噴射装置を用いて気筒内に直接的に燃料を噴射すると、燃料が微粒子化された状態で気筒内に噴射されるので、気筒内壁面への燃料付着量が低減でき、あるいはシリンダーとピストンとの隙間に侵入する燃料量を低減できるから、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。更に、本発明による液体噴射装置を、ディーゼルエンジン用の直噴インジェクタとして用いることも有効である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【技術分野】
本発明は、噴射する液体を微粒子化するように構成された液体噴射装置に関する。
【背景技術】
従来から知られるこの種の液体噴射装置は、図１８に記載したように、圧電素子３０１により容積が変更せしめられるとともに液体噴射孔３０２を備えたチャンバー３０３と、液体導入孔３０４と、液体供給通路３０５とを備えている。液体は、液体供給通路３０５内に供給され、次いで、液体導入孔３０４を介してチャンバー３０３内に導入される。そして、液体は、チャンバー３０３内において圧電素子３０１の作動により加圧され、液体噴射孔３０２から噴射される（例えば、特開２０００−２７９７９６号公報（第２頁、第３頁、図２）参照。）。
しかしながら、従来の装置は、圧電／電歪素子３０１の発生する加圧力のみで液体を噴射しようとするため、液体を噴射する空間の温度及び圧力等が激しく変動する周囲環境下で使用された場合、液体を確実に微粒子化しながら噴射することが困難となる場合がある。またチャンバー３０３の上面を金属等により形成し圧電／電歪素子３０１を同金属に接着した場合、接着面が圧電／電歪素子３０１により頻繁に変形されることになるため、同圧電／電歪素子３０１が剥離する可能性もある。
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、噴射される液滴を確実に微粒子化することができるとともに、接着部分が振動されることのない構造を採用することにより耐久性がより向上された液体噴射装置を提供することにある。
本発明による液体噴射装置は、第１液体を加圧するとともに同加圧された第１液体を吐出部から吐出する加圧手段と、前記吐出部から吐出された第１液体が導入される液体導入空間を画定する壁と同壁に備えられた液体噴射孔とを有する液体噴射部と、圧電／電歪層と少なくとも一対の電極層とを含むとともに同一対の電極層により同圧電／電歪層に電界が付与される活性部と同圧電／電歪層に電界が付与されない不活性部とを有するように構成された圧電／電歪素子を同不活性部にて保持し、且つ、前記液体噴射部の壁の外面に固定されて同壁の外面とともに液体収容空間を画定する壁を備え、同液体収容空間内に同圧電／電歪素子の活性部と第２液体とを収容した加振用チャンバーと、を備え、前記圧電／電歪素子の活性部の変形による振動が前記第２液体を介して前記液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達されるように構成されている。
なお、本明細書において、「液体噴射孔」は「壁に設けられた中空円筒状の貫通孔（即ち、流れの方向に断面積を変化させていない流路）」のみでなく、「第１液体のもつ圧力や熱のエネルギーを運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向に断面積を変化させた流路（即ち、ノズル）」をも含む用語として使用される。
これによれば、第１液体が液体噴射孔を介して噴射されるのに必要な圧力は加圧手段により発生され、第１液体が微粒子化するための振動は圧電／電歪素子により付与される。従って、上記液体噴射装置は、液体を噴射する空間の環境が激しく変化しても、第１液体の噴射及び微粒子化を確実に達成することができる。
また、圧電／電歪素子は、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバーに保持されるので、その保持部が圧電／電歪素子により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子の活性部に生じる振動は第２液体を介して第１液体に伝達されるので、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはない。従って、この液体噴射装置は、圧電／電歪素子を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上する。
この場合、前記加圧手段の吐出部から前記液体噴射孔までの間であって前記液体噴射部に介装されるとともに、前記加圧手段から前記液体噴射孔に向けての前記第１液体の通流を停止及び許容する開閉弁を備えることが好適である。
これによれば、第１液体の噴射開始タイミング及び噴射終了タイミングを確実に制御することが可能となる。
この場合、圧電／電歪素子の一対の電極層の間に電位差を付与したとき、圧電／電歪層に電界が確実に付与されるようにするため、前記第２液体は非導電性（絶縁性）の液体であることが好適である。
また、電極層の間に付与される電位差による発火を防止するため、前記第２液体は不燃性の液体であることが望ましい。
さらに、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に更に固体の粒子を収容することが好ましい。これによれば、圧電／電歪素子の活性部の振動に基づく圧力波の進行方向を固体の粒子によって分散することができるので、より大きな面積の壁面を均一な圧力で加振することが可能となる。その結果、液体噴射孔をより大きな面積を有する部分に配置できるので、均一に微粒子化された液滴を大量に噴射することが可能となる。
また、前記圧電／電歪素子は、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に前記不活性部を有するとともに、同不活性部に連続した不活性部の両端において前記加振用チャンバーに保持されることが好適である。
これによれば、圧電／電歪素子の活性部の伸縮を不活性部によって同圧電／電歪素子の屈曲変形という形で発現させることができる。従って、電極層間に付与する電位差を小さくしても、十分な振動を第１液体に伝達することが可能となる。その結果、圧電／電歪素子の消費電力を低減することができる。
この場合、前記活性部が前記不活性部よりも前記液体噴射部の壁側に配置されることが好適である。
これによれば、大きな圧力変動を有する圧力波を前記液体噴射部の壁側に向けて発生させ易くなるので、圧電／電歪素子の消費電力をより一層低減することができる。
また、前記加振用チャンバーは前記液体収容空間内に発生する気体を外部に排出する気体排出部を備えることが好適である。
これによれば、第２液体中の溶存気体が同第２液体の圧力変動で気体となった場合に、同気体を加振用チャンバーの外部に排出することができる。従って、加振用チャンバー内において、圧電／電歪素子による振動が気体により吸収されるととが回避される。
【図面の簡単な説明】
図１は、内燃機関に適用した本発明の第１実施形態に係る液体噴射装置の概略を示した図である。
図２は、図１に示した電磁開閉式吐出弁の正面図である。
図３は、図１に示した液体噴射デバイスの平面図である。
図４は、図３の１−１線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図及び図２に示した電磁開閉式吐出弁の拡大正面図である。
図５は、図３の２−２線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図６は、本発明の第２実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図である。
図７は、本発明の第３実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図８は、図７の３−３線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図９は、図７の４−４線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１０は、本発明の第４実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図１１は、図１０の５−５線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１２は、図１０の６−６線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１３は、本発明の第５実施形態に係る液体噴射デバイスの平面図である。
図１４は、図１３の７−７線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１５は、図１３の８−８線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１６Ａは本発明の第６実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図であり、図１６Ｂは図１６Ａの９−９線に沿った平面にて液体噴射デバイスを切断した断面図である。
図１７は、本発明の第７実施形態に係る液体噴射デバイスの断面図である。
図１８は、従来の液体噴射装置の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、本発明による液体噴射装置（液体噴霧装置、液体供給装置、液滴吐出装置）の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る液体噴射装置は、図１の概略構成図に示したように、例えば、微粒子化された液体（燃料）を必要とする機械装置としての内燃機関に対する電子式燃料噴射制御装置（電子式液体噴射制御装置）として使用される。
この液体噴射装置は、アクチュエータとして機能する圧電／電歪素子を備えた液体噴射デバイス１０、加圧手段としての加圧ポンプ（燃料ポンプ）２１、燃料供給管（液体供給管、燃料配管）２２、プレッシャレギュレータ２３、電磁開閉式吐出弁（吐出弁、開閉弁）２４、燃料タンク（液体貯蔵タンク）２５及び電気制御装置４０を含んでいる。加圧ポンプ２１及びプレッシャレギュレータ２３は燃料供給管２２に介装されている。係る液体噴射装置は、内燃機関の吸気管（又は吸気ポート）３０等により形成される燃料噴射空間（液体噴射空間）３１に、内燃機関の吸気弁３２の背面に向けて、微粒子化された液体（液体燃料、例えばガソリン、以下、単に「燃料」又は「第１液体」と云うこともある。）を噴射するようになっている。
加圧ポンプ２１は、燃料供給管２２を介して燃料タンク２５の底部に連通された導入部２１ａと、同燃料供給管２２を介してプレッシャレギュレータ２３に接続された吐出部２１ｂとを備えている。加圧ポンプ２１は、燃料タンク２５内の燃料を導入部２１ａから導入して加圧するとともに、同加圧した燃料を吐出部２１ｂから吐出するようになっている。加圧ポンプ２１は、仮に液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子が作動されていない場合であっても、燃料がプレッシャレギュレータ２３と電磁開閉式吐出弁２４と液体噴射デバイス１０とを介して液体噴射空間３１に対し噴射され得る圧力以上の圧力（この圧力を「加圧ポンプ吐出圧」と云う。）にまで加圧するようになっている。
プレッシャレギュレータ２３は、図示しない配管により吸気管３０内の圧力が与えられている。プレッシャレギュレータ２３は、この吸気管３０内の圧力に基づいて加圧ポンプ２１により加圧された燃料の圧力を減圧（又は、調圧）するようになっている。この結果、プレッシャレギュレータ２３と電磁開閉式吐出弁２４との間の液体供給管２２内の燃料の圧力は、吸気管３０内の圧力よりも所定（一定）圧力だけ高い圧力（この圧力を「調整圧」と云う。）となるように調整される。従って、電磁開閉式吐出弁２４が所定時間だけ開弁されると、同所定時間に略比例した燃料量の燃料が吸気管３０内の圧力に拘らず同吸気管３０内に噴射される。
電磁開閉式吐出弁２４は、従来から内燃機関の電子式燃料噴射制御装置に広く採用されている周知のフューエルインジェクタ（電磁噴射弁）である。図２は、この電磁開閉式吐出弁２４の正面図であって、その先端側部位を同電磁開閉式吐出弁２４の中心線を含む平面にて切断した断面により示している。
電磁開閉式吐出弁２４は、液体供給管２２が接続されてプレッシャレギュレータ２３に連通した液体導入口２４ａと、同液体導入口２４ａに連通した液体通路２４ｂを形成する外筒部２４ｃと、電磁式開閉弁として作動する開閉弁（ニードル弁）２４ｄと、外筒部２４ｃの先端に形成されるとともに開閉弁２４ｄの先端により開閉される吐出孔２４ｅと、開閉弁２４ｄを駆動する図示しない電磁機構とを備えている。電磁開閉式吐出弁２４の液体通路２４ｂは吐出孔２４ｅを介して液体噴射デバイス１０に接続されている。これにより、電磁開閉式吐出弁２４は、液体通路２４ｂ（吐出孔２４ｅ）が開閉弁２４ｄにより開放されたとき、プレッシャレギュレータ２３を介して加圧ポンプ２１から供給される加圧された燃料を同液体通路２４ｂ及び吐出孔２４ｅを介して液体噴射デバイス１０に供給するようになっている。
液体噴射デバイス１０は、燃料噴射空間３１に噴射する液体（吸気弁３２の背面に向けて噴射する燃料）を微粒子化するために少なくともその壁面に圧電／電歪素子を形成したチャンバーと、その圧電／電歪素子が形成された壁と異なる壁に形成された液体噴射孔（液体噴射用ノズル）とを備えた噴射デバイスであり、図３〜図５に詳細に示されている。
液体噴射デバイス１０は、各辺が互いに直交するＸ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる略直方体形状を有している。液体噴射デバイス１０の基体部（以下、「液体噴射部」とも称呼する。）は、図４及び図５に示したように、順に積層されて互いに接合された複数の金属の薄板（以下、「金属板」と云う。）１０ａ〜１０ｃからなっている。金属板１０ａ〜１０ｃの材質は、この例においてはステンレス（ＳＵＳ３０４又はＳＵＳ３１６）である。金属板１０ｃは後述する加振用チャンバー１２に支持された圧電／電歪素子１１によって発生される振動を伝達する振動伝達板として機能する。なお、後述する他の実施形態に係る金属板の材質も金属板１０ａ〜１０ｃと同様である。
液体噴射デバイス１０は、液体導入口１０−１と、液体供給通路１０−２と、チャンバー１０−３と、液体供給通路１０−２とチャンバー１０−３とを連通する液体導入通路部１０−４と、圧電／電歪素子１１と、金属板１０ｃの上に固定されるとともに圧電／電歪素子１１を保持する加振用チャンバー１２とを備えている。
液体導入口１０−１は、金属板１０ｃに形成された円形の貫通穴である。液体導入口１０−１は、金属板１０ｃのＹ軸方向中央であってＸ軸負方向端部近傍に設けられている。液体導入口１０−１には、図４に示したように、電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅがスリーブ２５により液密に接続されている。
液体供給通路１０−２は、金属板１０ａの上面と、金属板１０ｂに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定された空間である。液体供給通路１０−２の平面形状（Ｚ軸正方向から見た形状）は、図３に示したように、液体導入口１０−１の円弧と一致する頂部Ｐと、同頂部ＰからＸ軸正方向に所定距離だけ隔てた位置においてＹ軸に沿った底辺Ｔを有する略二等辺三角形である。底辺Ｔの長さはＷである。
チャンバー１０−３は、金属板１０ａの上面と、液体供給通路１０−２に対してＸ軸正方向に所定距離隔てた位置において金属板１０ｂに設けられた貫通穴を形成する側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定された空間である。チャンバー１０−３の平面形状は、図３に示したように、Ｙ軸及びＸ軸にそれぞれ沿う長辺ＬＨ及び短辺ＳＨを有する略長方形である。長辺ＬＨの長さは、液体供給通路１０−２の底辺Ｔの長さＷより僅かだけ長くなっている。一対の短辺ＳＨの位置は、底辺Ｔの両端部よりＹ軸方向の外側（Ｙ軸正方向外側及びＹ軸負方向外側）に位置している。
チャンバー１０−３を構成している一つの壁（下壁）である金属板１０ａには、複数（この例では、全部で１５×８＝９０個）の貫通孔が液体噴射孔（液体噴射用ノズル）１０−３ａとして形成されている。各液体噴射孔１０−３ａは、Ｚ軸方向に軸を有する底面の直径がｄである円筒状の空間である。従って、金属板１０ａの下面には、直径ｄの円形の噴射口が複数個形成されている。複数の液体噴射孔１０−３ａは正方格子状に配列されている。
即ち、複数の液体噴射孔１０−３ａの各中心点は、一定の距離を隔てて配列された複数のＸ軸に平行な線と、同じ一定の距離を隔てて配列された複数のＹ軸に平行な線との交点に一致している。なお、本明細書においては、「液体噴射孔」は「液体噴射孔１０−３ａのようにチャンバー１０−３を構成する壁に設けられた中空円筒状の液体噴射用貫通孔（即ち、流れの方向に断面積を変化させていない流路）」のみでなく、「第２液体のもつ圧力や熱のエネルギーを運動エネルギーに変換して流れを増速させる目的で、流れの方向（この場合、Ｚ軸負方向）に断面積を変化（減少）させた液体噴射用の流路」をも含む用語として使用される。
液体導入通路部１０−４は、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部の上面及びこの上面のＹ軸方向両端部から立設した側壁面と、金属板１０ｃの下面とにより画定され、薄板状の中空空間（即ち、スリット）を構成する空間である。このスリットは、液体導入通路とも呼ばれる。金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部の上面のＺ軸方向の高さは、金属板１０ｂのＸ軸方向両端部のＺ軸方向の高さよりｔだけ低くなっている。従って、上記スリットのＺ軸方向長さ（スリットの巾）はｔである。
液体導入通路部１０−４のスリットの平面形状は、図３に示したように、Ｙ軸及びＸ軸にそれぞれ沿う長辺ＬＩと短辺ＳＩを有する略長方形である。長辺ＬＩは液体供給通路１０−２の底辺Ｔと同じ長さＷである。一方の長辺ＬＩは液体供給通路１０−２の底辺Ｔと一致している。従って、一対の短辺ＳＩの始点は、底辺Ｔの両端部と一致している。
このように、液体導入通路部１０−４のスリットは平面視において短辺ＳＩと長辺ＬＩの長方形状をなしている。この長方形の対向する一対の短辺ＳＩ，ＳＩは液体の通流方向（Ｘ軸方向）と平行である。複数の液体噴射孔１０−３ａは、平面視において、一対の短辺ＳＩ，ＳＩを仮想的にＸ軸正方向に延長した直線で規定される領域の内側のみに配設されている。
従って、液体は各液体噴射孔１０−３ａに対してほぼ同じ圧力を有しながら到達することができ、各液体噴射孔１０−３ａ内における流速が互いに略等しくなる。この結果、各液体噴射孔１０−３ａからの液体噴射速度が互いに略同一となるから、各液体噴射孔１０−３ａから噴射される液滴の粒径を略均一にすることが可能となる。
図３に示したように、液体導入通路部１０−４には、複数の支持部（桟部）１０−４ａが設けられている。各支持部１０−４ａは、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部上面においてＸ軸方向に延びている。複数の支持部１０−４ａはＹ軸方向に沿う所定の距離毎に配置される。各支持部１０−４ａは、金属板１０ｂのＸ軸方向略中央部上面から金属板１０ｃの下面に到っている。
この支持部１０−４ａにより、液体導入通路部１０−４のスリットが複数（ここでは５個）の独立したスリットに分割されている。この複数のスリットは互いに同一形状を備える。各スリットをＹ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した断面はＺ軸方向及びＹ軸方向に短辺及び長辺をそれぞれ有する長方形状となっている。
アクチュエータとしての圧電／電歪素子１１は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる略直方体形状を有している。圧電／電歪素子１１のＸ軸方向長さは、チャンバー１０−３のＸ軸方向長さより僅かに短い。圧電／電歪素子１１のＹ軸方向長さは、チャンバー１０−３のＹ軸方向長さより長く、且つ、金属板１０ａ〜１０ｃのＹ軸方向長さより短い。
圧電／電歪素子１１は、一対の電極１１ａ，１１ｂ及び圧電／電歪層１１ｃからなっている。一対の電極１１ａ，１１ｂは、それぞれの共通電極からＸ−Ｙ平面に平行に平面的に広がった複数の櫛歯状電極（電極層）を備えている。電極１１ａの複数の櫛歯状電極と電極１１ｂの複数の櫛歯状電極とは交互に対向している。対向する櫛歯状電極間のそれぞれには、圧電／電歪層１１ｃが存在している。
図５に示したように、一対の電極１１ａ，１１ｂの櫛歯状電極は、圧電／電歪層１１ｃのＹ軸方向略中央部であってチャンバー１０−３の上方にのみ設けられ、圧電／電歪層１１ｃのＹ軸方向両端部には設けられていない。圧電／電歪層１１ｃの櫛歯状電極が形成されている部分は、これらの電極により電界が付与される活性部を形成している。また、圧電／電歪層１１ｃの櫛歯状電極が形成されていない部分は、圧電／電歪層１１ｃに電界が付与されない不活性部を形成している。
即ち、圧電／電歪素子１１は、層状の圧電／電歪素子と層状の電極とを交互に多層にわたり積層することで形成された「横効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」であり、一対の電極１１ａ，１１ｂに周期的に電圧が変化する駆動電圧が付与されたとき、その活性部に周期的に変化する電界が加わり、その活性部のみがＹ軸方向に縮みＺ軸方向に延びて（伸縮して）振動するようになっている。
加振用チャンバー１２は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸に対して平行に延びる各辺を備えた略直方体形状を有していて、平面視においてチャンバー１０−３よりも僅かだけ大きくなっている。加振用チャンバー１２は、絶縁性の樹脂（例えば、アクリル系樹脂、ｐｅｅｋ系樹脂、又はポリカーボネイト系樹脂等）からなる固定部１２ａ及び蓋部１２ｂを備えている。
固定部１２ａは、上面及び下面が開放された中空の角柱状枠体であって、金属板１０ｃの上に接着により固定されている。固定部１２ａの側壁（Ｚ−Ｘ平面に平行な壁）の上側には切り込み部が形成されている。蓋部１２ｂは、上面が閉塞され下面が開放された中空の角柱状蓋体であって、側壁（Ｚ−Ｘ平面に平行な壁）の下側には切り込み部が形成されている。
加振用チャンバー１２は、固定部１２ａの切り込み部と蓋部１２ｂの切り込み部との間に、圧電／電歪素子１１の不活性部である圧電／電歪素子１１のＹ軸方向両端部を挟み込み、圧電／電歪素子１１を保持するようになっている。固定部１２ａ、圧電／電歪素子１１及び蓋部１２ｂは、互いに接着性ゴム等により固着されている。この結果、加振用チャンバー１２は、金属板１０ｃとともに、その内部に圧電／電歪素子１１の活性部を備えた密閉空間１２ｃを形成するようになっている。
加振用チャンバー１２の密閉空間１２ｃには、液体が収容されている。この液体を便宜上「第２液体」と称呼する。第２液体は非導電性で、且つ、不燃性の液体である。この第２液体は、圧電／電歪素子１１の伸縮に伴う振動を、粗密波（縦波）として金属板１０ｃ等に伝達する。
なお、加振用チャンバー１２は、例えばＳＵＳ或いはアルミニウム合金等の金属を絶縁膜で被覆した材質により構成してもよい。また、固定部１２ａ、圧電／電歪素子１１及び蓋部１２ｂを互いに絶縁性の接着性ゴムにより接着したり、或いは、固定部１２ａ及び蓋部１２ｂと圧電／電歪素子１１との間にゴム等の絶縁性部材を介在させるように構成すれば、加振用チャンバー１２自体を絶縁膜を有さない金属のみで構成することもできる。
図１に示した電気制御装置４０は、マイクロコンピュータを含む回路であり、エンジン回転速度センサ４１及び吸気管圧力センサ４２等のセンサと接続されている。電気制御装置４０は、これらのセンサからエンジン回転速度Ｎや吸気管圧力Ｐを入力して内燃機関に必要な燃料量及び噴射開始タイミングを決定するとともに、同決定した燃料量及び噴射開始タイミングに応じて電磁開閉式吐出弁２４の電磁機構に吐出弁駆動信号ＩＮＪを供給するようになっている。
また、電気制御装置４０は、少なくとも吐出弁駆動信号ＩＮＪが供給及び供給停止されることによりチャンバー１０−３内の液体の圧力が上昇及び下降している期間、圧電／電歪素子１１の電極１１ａ及び１１ｂ間に駆動周波数ｆで０（Ｖ）とＶｍａｘ（Ｖ）との間を変化する圧電素子駆動電圧信号ＤＶを送出するようになっている。
以上の構成により、電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅから吐出された燃料は、液体注入口１０−１を介して液体供給通路１０−２に供給され、その後、液体導入通路部１０−４のスリットを介して（スリット内をＸ軸方向に通流して）チャンバー１０−３内に導入される。そして、チャンバー１０−３内に導入された液体は液体噴射孔１０−３ａ（液体噴射孔の噴射口）を介し吸気管３０内に押し出される（噴射される）。
このとき、圧電／電歪素子１１の作動による振動が、第２液体及び金属板１０ｃを介してチャンバー１０−３内の噴射される燃料に加えられる。従って、噴射される燃料に付与された振動によるくびれ部が発生し、同燃料はその先端部において同くびれ部からちぎれるように離脱する。この結果、均一で精細に微粒子化された燃料が吸気管３０の燃料噴射空間３１内に噴射される。なお、以下に述べる他の実施形態に係る液体噴射装置も、上述した液体噴射装置の作動と同様に作動する。
以上、説明したように、液体噴射デバイス１０によれば、第１液体（燃料）が液体噴射孔１０−３ａを介して噴射されるのに必要な圧力は加圧手段である加圧ポンプ２１により発生され、第１液体が微粒子化するための振動は圧電／電歪素子１１により付与される。従って、液体噴射デバイス１０は、液体を噴射する空間の環境が激しく変化しても、第１液体の噴射及び微粒子化を確実に達成することができる。
また、圧電／電歪素子１１は、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバー１２に保持されている。従って、その保持部が圧電／電歪素子１１により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子１１の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔１０−３ａから噴射される第１液体に伝達される。この結果、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはないので、液体噴射デバイス１０は、圧電／電歪素子１１を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
なお、液体導入通路部１０−４のスリットの断面形状である長方形状の短辺の長さｔは０．００５乃至０．５ｍｍであることが好ましい。短辺の長さｔが０．００５ｍｍより小さいと液体導入通路部１０−４の呈する流路抵抗が過大となり、チャンバー１０−３内に大量の液体を導入することができず、その結果、大量の液体を噴射することができないからである。また、短辺の長さｔが０．５ｍｍより大きいと、圧電／電歪素子１１の作動によりチャンバー１０−３内の液体に付与された圧力変動が液体供給通路１０−２に伝達されてしまうので、チャンバー１０−３内における液体の圧力変動を大きくできず、その結果、液体の微粒子化が困難になる恐れがあるからである。
また、支持部１０−４ａは、スリットの剛性向上のために有効に機能するが、省略することもできる。
更に、液体噴射孔１０−３ａの直径ｄ（円筒形底面及び上面の直径ｄ）を０．０３ｍｍとし、液体噴射孔１０−３ａの個数を９０個とした実施例において、液体噴射デバイス１０に流入する燃料の流量（従って、噴射される燃料の流量）が４０ｃｃ／分であるとき、圧電素子駆動電圧信号ＤＶの駆動周波数ｆ（即ち、加振用チャンバー１２内により発生されて噴射される燃料に伝達される圧力波の周波数ｆ）を７０ｋＨｚとすると、それぞれの直径が略０．０６ｍｍである粒子径（液滴径）の液滴を得ることができた。また、圧力波の周波数ｆを除き上記と同一の条件で、圧力波の周波数ｆを１４０ｋＨｚとすると、それぞれの直径が略０．０３５ｍｍである粒子径（液滴径）の液滴を得ることができた。
更に、液体噴射孔１０−３ａから噴射される液滴の速度をＶ（ｍｍ／秒）、液体噴射孔１０−３ａの直径をｄ（ｍｍ）、前述した圧力波の周波数をＦ（Ｈｚ）としたとき、直径ｄは０．００５〜０．１（ｍｍ）で、周波数ＦはＶ／（４．４９・ｄ）の０．５〜５倍の範囲内の値とすることが好ましい。Ｖ／（４．４９・ｄ）という値は、上記条件で液体を噴射したときに自然に得られる単位時間あたりの液滴の個数に相当する値であって、液柱分裂についてのレイリーの理論（液柱分裂に関与する変動波の波長は、液柱径の４．４９倍であるという理論）に基づく値である。
直径ｄを０．００５（ｍｍ）より大きくするのは、直径ｄが０．００５（ｍｍ）以下となると、液体中に含まれる異物により液体噴射孔１０−３ａが詰まり易くなるので、安定した噴射ができなく恐れがあるからである。また、直径ｄを００．１（ｍｍ）より小さくするのは、直径ｄが０．１（ｍｍ）以上であると、噴射される液体の直径が過大となって噴射後の飛行中に分裂するため、均一な直径を有する液滴を得ることが困難となるからである。
また、圧力波の周波数ＦをＶ／（４．４９・ｄ）の０．５〜５倍の範囲内の値とするのは、次の理由による。即ち、圧力波の周波数ＦがＶ／（４．４９・ｄ）の０．５倍より小さいと、液体噴射孔１０−３ａから噴射された液体のくびれの間隔が過大となり、液体の微粒子化が不十分となる。これに対し、圧力波の周波数ＦがＶ／（４．４９・ｄ）の５倍以上となると、液体のくびれの間隔が過小となって周波数Ｆに応じた直径の液滴が形成され難くなるか、或いは、仮に噴射される液滴が周波数Ｆに応じた直径に微粒子化されても、それらの液滴の間隔が過小となって、噴射後の飛行中に再結合し易くなるからである。
この場合、液体噴射孔１０−３ａからある程度の距離だけ離れた位置において、均一な直径を有する液滴を確実に形成することを考慮すると、圧力波の周波数ＦはＶ／（４．４９・ｄ）の１倍以上で３倍以下の範囲内の値であることが更に好適である。特に、圧力波の周波数ＦをＶ／（４．４９・ｄ）の整数倍近傍の値（即ち、略１倍、略２倍、又は略３倍）とすると、圧電／電歪素子１１に与える電力量をより小さくしても所望の液滴を確実に形成することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第２実施形態に係る液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４を液体導入通路部１０−５に置換した液体噴射デバイス５０を同液体噴射デバイス１０に代えて採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図６を参照しながら説明する。
液体導入通路部１０−５は、液体噴射デバイス１０の金属板１０ｂに代わる金属体１０ｄにより構成されている。金属体１０ｄは、複数の金属板１０ｄ１〜１０ｄ６からなっている。そして、液体導入通路部１０−５には、金属板１０ｄ１〜１０ｄ３により巾（高さ）ｔ１の第１スリットが形成され、金属板１０ｄ３〜１０ｄ５により巾（高さ）ｔ２の第２スリットが形成され、金属板１０ｄ５、１０ｄ６及び１０ｃにより巾（高さ）ｔ３の第３スリットが形成されている。
第１〜第３スリットの平面形状は液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４におけるスリットの平面形状と同一である。第１〜第３スリットのＸ軸方向及びＹ軸方向位置も、液体導入通路部１０−４におけるスリットのＸ軸方向及びＹ軸方向位置と同一である。巾ｔ３は前述した液体導入通路部１０−４におけるスリットの巾ｔと同一である。巾ｔ２は巾ｔ３より大きく、巾ｔ１は巾ｔ２よりも大きい。
即ち、液体噴射デバイス５０は、液体導入通路部１０−５において、複数（ここでは３個）の互いに平行なスリットを有していて、何れのスリットもＹ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した断面はＺ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ短辺及び長辺を有する長方形状となっている。また、それらのスリットは、その巾（厚み、Ｚ軸方向長さ）が互いに異なり、Ｚ軸負方向に行くにしたがって（金属板１０ａに近づくにしたがって）大きくなっている。
以上、説明したように、液体噴射デバイス５０の液体導入通路部１０−５は、液体導入通路部１０−４のスリットと同等のスリットを複数備えている。従って、液体噴射デバイス５０は、より大量の液体をチャンバー１０−３に導入することができるので、より大量の液体を噴射することができる。また、液体噴射デバイス５０は、チャンバー１０−３及び液体供給通路１０−２内の気泡が滞留し易い部分（例えば、チャンバー１０−３又は液体供給通路１０−２と、液体導入通路部１０−６と、金属板１０ａとにより形成される角部で、図６中に黒塗りの三角で示した部分）に液体の流れを形成することが可能となるので、気泡の排出が促進される。
この結果、液体噴射デバイス５０を採用した第２実施形態の液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０を採用した第１実施形態の液体噴射装置が有する利点に加え、チャンバー１０−３内において液体に圧力変動を適切に付与することができるので（気泡により圧力変動の付与を阻害され難いので）、液体の噴射を安定した状態で行うことが可能となるという利点を有している。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第３実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態の液体噴射デバイス１０に代えて液体噴射デバイス６０を採用した点のみにおいて同第１実施形態の液体噴射装置と異なっている。また、液体噴射デバイス６０は、液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１３に置換した点のみにおいて同液体噴射デバイス１０と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として図７〜図９を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１３は、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向に沿った各辺を有する略直方体形状を有していて、層状の圧電／電歪素子と層状の電極とを交互に多層にわたり積層することで形成された「縦効果タイプの積層ピエゾアクチュエータ」である。即ち、一対の電極１３ａ，１３ｂには複数の櫛歯状電極が交互に接続されている。その櫛歯状電極（電極層）及び圧電／電歪層１３ｃの層面はＺ−Ｘ平面に平行である。圧電／電歪素子１３は、平面視でチャンバー１０−３よりも僅かに小さく、同平面視でチャンバー１０−３の内側に配設されている。
一対の電極１３ａ，１３ｂの櫛歯状電極は、圧電／電歪層１３ｃのＹ軸方向略中央部であってチャンバー１０−３の上方にのみ設けられ、圧電／電歪層１３ｃのＹ軸方向両端部には設けられていない。圧電／電歪層１３ｃの櫛歯状電極が形成されている部分は、これらの櫛歯状電極により電界が付与される活性部を形成している。また、圧電／電歪層１３ｃの櫛歯状電極が形成されていない部分は、圧電／電歪層１１ｃに電界が付与されない不活性部を形成している。そして、圧電／電歪素子１３は、一対の電極１３ａ，１３ｂに周期的に電圧が変化する駆動電圧が付与されたとき、その活性部に周期的に変化する電界が加わり、その活性部がＹ軸方向に延びＺ軸方向に縮んで（伸縮して）振動するようになっている。
この圧電／電歪素子１３は、圧電／電歪素子１１と同様に、実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバー１２に保持されている。従って、その保持部が圧電／電歪素子１３により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子１３の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔１０−３ａから噴射される第１液体に伝達される。この結果、液体噴射デバイス６０を採用した液体噴射装置は、液体噴射デバイス１０を採用した液体噴射装置と同様に、圧電／電歪素子１１を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第４実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１４に置換した液体噴射デバイス７０を採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図１０〜図１２を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１４は、電極１４ａ，１４ｂのＸ−Ｙ平面に平行に広がる櫛歯状電極がＹ軸方向略中央部で且つＺ軸負方向にのみに形成されている。即ち、圧電／電歪素子１４は、加振用チャンバー１２の液体収容空間１２ｃ内において活性部が不活性部よりもチャンバー１０−３側（液体噴射デバイスの金属板１０ｃ側）に配置されている。また、圧電／電歪素子１４は、圧電／電歪素子１１と同様に、Ｙ軸方向両端部に形成された不活性部にて加振用チャンバー１２に保持されている。
この結果、液体噴射デバイス７０は、圧電／電歪素子１４の活性部の伸縮を、その活性部よりもＺ軸上方に設けられた不活性部により、同圧電／電歪素子１４の屈曲変形という形で発現させることができる。従って、電極１４ａ，１４ｂ間に付与する駆動電圧の電位差（即ち、圧電素子駆動電圧信号ＤＶの最大値Ｖｍａｘ）を小さくしても、十分な振動を燃料に伝達することが可能となる。従って、圧電／電歪素子１４の消費電力を低減することができる。
また、圧電／電歪素子１４は、活性部が不活性部よりもチャンバー１０−３の金属板１０ｃ側に配置されている。従って、大きな圧力変動を有する圧力波を金属板１０ｃに向けて発生させ易くなるので、圧電／電歪素子１４の消費電力をより一層低減することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第５実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射装置の液体噴射デバイス１０の圧電／電歪素子１１を圧電／電歪素子１５に置換するとともに、加振用チャンバー１２を加振用チャンバー１６に置換した液体噴射デバイス８０を採用した点のみにおいて同第１実施形態に係る液体噴射装置と異なっている。従って、以下、係る相違点を中心として図１３〜図１５を参照しながら説明する。
圧電／電歪素子１５は、図１５に示したように、Ｙ軸方向両端部にてＺ軸正方向に屈曲するとともにＸ軸方向に延びるフランジ部１５ｆ１，１５ｆ２を有している点のみにおいて、圧電／電歪素子１１と相違している。このフランジ部１５ｆ１の上面には電極１５ａの共通電極が形成され、フランジ部１５ｆ２の上面には電極１５ｂの共通電極が形成されている。
従って、図１５に仮想線にて示したように、フランジ１５ｆ１，１５ｆ２をコネクタ（クリップ）ＣＬ，ＣＬで挟持することにより、圧電／電歪素子１４の電極１５ａ，１５ｂの共通電極を確実に保持して電気制御装置４０との電気的接続を維持することができるので、液体噴射デバイス８０の信頼性を向上することができる。
一方、加振用チャンバー１６は、加振用チャンバー１２に対して気体排出部を備えた点のみにおいて、同加振用チャンバー１２と相違している。即ち、気体排出部は、蓋部１２ｂと同様な蓋部１６ｂの上壁に形成された貫通孔１６ｄと、その貫通孔１６ｄの中に配設されたフィルタ１６ｅとからなっている。
これによれば、第２液体中の溶存気体が同第２液体の圧力変動により気体となった場合に、同気体を気体排出部を介して加振用チャンバー１６の外部に排出することができる。従って、加振用チャンバー１６内において、圧電／電歪素子１５による振動が気体により吸収されるととが回避されるので、液体噴射孔１０−３ａから噴射される液体に確実に振動を付与することができる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る液体噴射装置について図１６Ａ及び図１６Ｂを参照しながら説明する。第６実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態に係る液体噴射装置の液体噴射デバイス１０に代わる液体噴射デバイス９０を採用した点のみにおいて、同第１実施形態に係る液体噴射装置と相違している。従って、以下、液体噴射デバイス９０を中心として説明する。
液体噴射デバイス９０は、チャンバー９１と液体導入通路部９２と加振用チャンバー９３と、圧電／電歪素子９４とからなっている。チャンバー９１は略円錐形状（ロート形状）をなしている。その底壁９１ａには、液体噴射孔１０−３ａと同一である中空円筒状の液体噴射孔（液体噴射用ノズル）９１ａ１が複数個形成されている。複数の液体噴射孔９１ａ１は正方格子状に配列されている。
液体導入通路部９２は、図１６Ｂに示したように、金属の薄板で構成された管である。液体導入通路部９２は、その一端がチャンバー９１の頂部に接続されるとともに、その他端が図示しない電磁開閉式吐出弁２４の吐出孔２４ｅに接続されている。これにより、液体導入通路部９２は、電磁開閉式吐出弁２４の液体通路２４ｂ（吐出孔２４ｅ）が開閉弁２４ｄにより開放されたとき、プレッシャレギュレータ２３を介して加圧ポンプ２１から供給される加圧された燃料をチャンバー９１に流入せしめるようになっている。
加振用チャンバー９３は、加振用チャンバー１２と同様な構成を有している。圧電／電歪素子９４は、圧電／電歪素子１１と同様な構成を有していて、その両端部に設けられた不活性部におて加振用チャンバー９３に保持されている。加振用チャンバー９３は、液体導入通路部９２の壁の一部に固定されていて、この壁とともに形成される密閉空間に第２液体を収容している。
液体噴射デバイス９０を採用した液体噴射装置の作動は、液体噴射デバイス１０を採用した液体噴射装置の作動と同様である。即ち、圧電／電歪素子９４の図示しない電極に所定の周波数を有する圧電素子駆動電圧信号ＤＶが印加されると、圧電／電歪素子９４が伸縮し、その伸縮に基づく振動が第２液体及び液体導入通路９２を構成している壁を介して液体導入通路部９２内の液体（燃料）に伝達される。これにより、液体噴射孔９１ａ１から噴射される液体が微粒子化される。このように、加振用チャンバー９３は、液体導入通路部９２に隣接配置してもよい。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態に係る液体噴射装置について説明する。第７実施形態に係る液体噴射装置は、第１実施形態の液体噴射デバイス１０に代わる液体噴射デバイス１００を採用した点のみにおいて同第１実施形態の液体噴射装置と相違している。
液体噴射デバイス１００は、液体噴射デバイス１０の液体導入通路部１０−４を省略して、液体供給通路１０−２とチャンバー１０−３とを一体化した一つのチャンバー１００−１を備えたものであり、その他の点は液体噴射デバイス１０と同様な構成を有している。この液体噴射デバイス１００も、液体噴射デバイス１０と同様に作動する。このように、液体導入通路部１０−４は必ずしも必要ではない。
以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る液体噴射装置は、圧電／電歪素子を実質的に変形することのない不活性部において加振用チャンバーに保持させている。従って、加振用チャンバーの保持部が圧電／電歪素子により振動されることがない。更に、圧電／電歪素子の活性部に生じる振動は第２液体を介して液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達される。この結果、従来の装置のように、圧電／電歪素子の接着面が振動されることはないので、液体噴射装置は、圧電／電歪素子を長期に渡り確実に保持することができ、その耐久性が著しく向上したものとなっている。
また、上述した各実施形態に係る液体噴射装置は、液体を加圧する加圧手段（加圧ポンプ２１）と、電磁開閉式吐出弁２４とを備えていて、電磁開閉式吐出弁２４内の液体通路２４ｂが開放されたとき加圧手段２１から供給される加圧された液体が同液体通路２４ｂを介して液体導入通路部（１０−４〜１０−７、１０−１０〜１０−１３）に供給されるようになっている。
その液体は、更に、液体導入通路部を介してチャンバーに供給され、チャンバーの液体噴射孔を介して噴射される。従って、液体の噴射に必要な圧力は加圧手段２１により発生されることから、適用する機械の運転条件等の変動などにより、液体噴射空間３１の環境（例えば、吸気管３０内の圧力や温度）が激しく変動しても、同液体を所望の微細な粒子として安定して噴射、供給することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態の液体噴射装置は、吸気管（吸気ポート）３０内に燃料を噴射する形式のガソリン内燃機関に適用されていたが、本発明による液体噴射装置を、気筒内に燃料を直接噴射する所謂「直噴式ガソリン内燃機関」に適用することもできる。
即ち、従来のフューエルインジェクタを用いた電気制御式燃料噴射装置により気筒内に直接的に燃料を噴射すると、シリンダーとピストンとの隙間（クレビス）に燃料が溜まることがあり、未燃ＨＣ（ハイドロカーボン）量が増大する場合があったのに対し、本発明による液体噴射装置を用いて気筒内に直接的に燃料を噴射すると、燃料が微粒子化された状態で気筒内に噴射されるので、気筒内壁面への燃料付着量が低減でき、あるいはシリンダーとピストンとの隙間に侵入する燃料量を低減できるから、未燃ＨＣの排出量を低減することができる。更に、本発明による液体噴射装置を、ディーゼルエンジン用の直噴インジェクタとして用いることも有効である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液体を加圧するとともに同加圧された第１液体を吐出部から吐出する加圧手段と、
前記吐出部から吐出された第１液体が導入される液体導入空間を画定する壁と同壁に備えられた液体噴射孔とを有する液体噴射部と、
圧電／電歪層と少なくとも一対の電極層とを含むとともに同一対の電極層により同圧電／電歪層に電界が付与される活性部と同圧電／電歪層に電界が付与されない不活性部とを有するように構成された圧電／電歪素子を同不活性部にて保持し、且つ、前記液体噴射部の壁の外面に固定されて同壁の外面とともに液体収容空間を画定する壁を備え、同液体収容空間内に同圧電／電歪素子の活性部と第２液体とを収容した加振用チャンバーと、
を備え、前記圧電／電歪素子の活性部の変形による振動が前記第２液体を介して前記液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達されるように構成された液体噴射装置。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の液体噴射装置であって、
前記加圧手段の吐出部から前記液体噴射孔までの間であって前記液体噴射部に介装されるとともに、前記加圧手段から前記液体噴射孔に向けての前記第１液体の通流を停止する開閉弁を備えた液体噴射装置。
【請求項３】
請求の範囲１又は請求の範囲２に記載の液体噴射装置であって、前記第２液体は非導電性の液体である液体噴射装置。
【請求項４】
請求の範囲３に記載の液体噴射装置であって、前記第２液体は不燃性の液体である液体噴射装置。
【請求項５】
請求の範囲１乃至請求の範囲４の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に更に固体の粒子を収容した液体噴射装置。
【請求項６】
請求の範囲１乃至請求の範囲５の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記圧電／電歪素子は、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に前記不活性部を有するとともに、同不活性部に連続した不活性部の両端において前記加振用チャンバーに保持されてなる液体噴射装置。
【請求項７】
請求の範囲６に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーの液体収容空間内において前記活性部が前記不活性部よりも前記液体噴射部の壁側に配置されてなる液体噴射装置。
【請求項８】
請求の範囲１乃至請求の範囲７の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーは前記液体収容空間内に発生する気体を外部に排出する気体排出部を備えた液体噴射装置。
【請求項１】
第１液体を加圧するとともに同加圧された第１液体を吐出部から吐出する加圧手段と、
前記吐出部から吐出された第１液体が導入される液体導入空間を画定する壁と同壁に備えられた液体噴射孔とを有する液体噴射部と、
圧電／電歪層と少なくとも一対の電極層とを含むとともに同一対の電極層により同圧電／電歪層に電界が付与される活性部と同圧電／電歪層に電界が付与されない不活性部とを有するように構成された圧電／電歪素子を同不活性部にて保持し、且つ、前記液体噴射部の壁の外面に固定されて同壁の外面とともに液体収容空間を画定する壁を備え、同液体収容空間内に同圧電／電歪素子の活性部と第２液体とを収容した加振用チャンバーと、
を備え、前記圧電／電歪素子の活性部の変形による振動が前記第２液体を介して前記液体噴射孔から噴射される第１液体に伝達されるように構成された液体噴射装置。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の液体噴射装置であって、
前記加圧手段の吐出部から前記液体噴射孔までの間であって前記液体噴射部に介装されるとともに、前記加圧手段から前記液体噴射孔に向けての前記第１液体の通流を停止する開閉弁を備えた液体噴射装置。
【請求項３】
請求の範囲１又は請求の範囲２に記載の液体噴射装置であって、前記第２液体は非導電性の液体である液体噴射装置。
【請求項４】
請求の範囲３に記載の液体噴射装置であって、前記第２液体は不燃性の液体である液体噴射装置。
【請求項５】
請求の範囲１乃至請求の範囲４の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に更に固体の粒子を収容した液体噴射装置。
【請求項６】
請求の範囲１乃至請求の範囲５の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記圧電／電歪素子は、前記加振用チャンバーの液体収容空間内に前記不活性部を有するとともに、同不活性部に連続した不活性部の両端において前記加振用チャンバーに保持されてなる液体噴射装置。
【請求項７】
請求の範囲６に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーの液体収容空間内において前記活性部が前記不活性部よりも前記液体噴射部の壁側に配置されてなる液体噴射装置。
【請求項８】
請求の範囲１乃至請求の範囲７の何れか一項に記載の液体噴射装置であって、前記加振用チャンバーは前記液体収容空間内に発生する気体を外部に排出する気体排出部を備えた液体噴射装置。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０６７２９
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【発行日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０６５６９（Ｐ２００５−５０６５６９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００７７４８
【国際出願日】平成１６年５月２８日（２００４．５．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１２月９日（２００４．１２．９）
【発行日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００７７４８
【国際出願日】平成１６年５月２８日（２００４．５．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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