JP3827307B2 - テルビウム系希土類磁歪合金の温度特性の金属学的及び機械的補償 - Google Patents
テルビウム系希土類磁歪合金の温度特性の金属学的及び機械的補償 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、磁歪式アクチュエーターに関し、詳細には、磁歪変換の原理で作動する燃料噴射器及び電子式弁タイミングアクチュエーターのような自動車用アクチュエーターに関する。本発明は、さらに詳細には、複雑な電子制御装置を必要とせずに自動車に使用可能な改善された温度応答を与えるように配合された磁歪合金組成物及びそれを用いる方法及び装置に関する。本発明は、さらに詳細には、磁歪応答を改善するための磁歪合金組成物への最適なまたは最適に近い予荷重力の適用に関する。
【０００２】
【発明の背景】
燃料噴射器を作動する従来の方法は、電気機械式ソレノイド装置を利用する。ソレノイドは通常、絶縁被覆を有する導電ワイヤーを巻回して密巻き螺旋状コイルにしたものである。ワイヤーを電流が流れると、コイル内にその軸に平行な方向に磁界が発生する。発生した磁界がコイル内の可動強磁性アーマチャーに力を印加するため、アーマチャーが戻しばねの力に抗してニードル弁を開位置に移動させる。アーマチャーにかかる力は磁界強度に比例し、磁界強度はコイルの巻数及びコイルを流れる電流の大きさの関数である。
【０００３】
従来型燃料噴射器において、アーマチャー、従ってニードルが移動を開始する点は、主として、噴射器を閉位置に保持するばねの予荷重、ニードルの摩擦及び慣性、燃料圧力、磁性材を流れる渦電流及び設計構造の磁気的特性、例えば作動ギャップ内へ磁束を向ける能力により異なる。一般的に、アーマチャーは、磁力の大きさが反対方向の力を克服するに十分な値になるまで移動しない。同様に、ニードルは、閉位置保持用ばねが燃料流の圧力及びニードルの慣性を克服するに十分低いレベルまで磁力が減衰するまで閉位置に戻らない。従来型設計の噴射器では、ニードルが一旦開位置または閉位置に向かって移動を開始すると、それぞれの端部止めに衝突するまで加速し続けるため、ニードル弁の弁座が磨耗したり、ニードルが跳ね返ったり、望ましくない振動やノイズを発生させることになる。
【０００４】
磁歪式燃料噴射器は、ノイズを減少させ弁座の寿命を長くする燃料噴射器作動方法を提供することにより、上記の問題の多くを解決するものと思われている。用語「磁歪」は、文字通り、磁気的収縮を意味するが、一般的に、強磁性材料に関連する以下の類似の効果、即ち、曲がった強磁性の棒が縦方向の磁界でまっすぐになる傾向があるギエミン効果、電流が流れる棒を磁界内に置くとねじれを生じるウィデマン効果、徐々に増加する縦方向磁界に曝されると強磁性材料の長さが徐々に増加するジュール効果、及び縦方向の磁界の存在により磁気誘導が変化するビラーリ効果（逆ジュール効果）を包含するものと理解されている。
【０００５】
強磁性材料を磁界内に置くと発生する寸法の変化は、精密な電磁装置には寸法安定性が必要であるため、通常は望ましくない効果であると考えられる。従って、強磁性合金の製造者は、合金の配合を磁歪効果が非常に小さくなるようにすることが多い。強磁性材料は全て、磁区を整列させ能力により磁気特性を呈する。図１に示すように、磁歪特性の強い材料は、その特徴として、分極方向（北／南）では長く、分極方向に垂直な方向では細いため、磁区は回転すると強磁性材料の主要寸法を変化させることができる。
【０００６】
例えば、磁歪合金テルフェノール−D（例えば、Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.9）は、約５００エルステッドの磁界強度の下で長さ１センチにつき１０umの変位を発生できる。磁化力Ｈ（アンペア−巻数／ｍ（１エルステッド＝７９．６ＡＴ／ｍ）の一般式は、Ｈ＝ＩＮ／Ｌであり、この式において、Ｉ＝電流（アンペア）、Ｎ＝巻数、Ｌ＝パス長である。
【０００７】
テルフェノール−Dは、その環境に応答して巨大な磁歪特性を呈するため「スマート材料」と呼ぶことが多い。しかしながら、磁歪式アクチュエーターの可能性を完全に実現するには、磁歪による伸びの量が自動車の用途で通常遭遇する温度範囲にわたって温度とは無関係であるのが望ましい。磁歪材料の温度補償法では、従来は、磁歪材料の非線形的な温度応答を補償するために複雑な電子制御装置を用いてコイルの電流を制御する必要があった。本発明は、かかる電子的補償を不要にして、磁歪式アクチュエーターの制御に必要な制御システムの複雑さを著しく減少させるものである。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の磁歪作動式燃料噴射器は、入口ポート、出口ポート及び入口ポートから出口ポートへ延びる燃料通路を有する本体と、出口ポート近くに位置する計量手段と、計量手段と作動的接触関係にある磁歪素子と、付勢されると磁束を発生して磁歪素子の長さを変化させ計量手段を作動させるように磁歪素子の近くに配置されたコイルとより成り、磁歪素子の組成により、約−４０℃乃至＋１５０℃の温度範囲にわたって実質的に線形の温度応答が得られる。
【０００９】
本発明はまた、本質的に、化学式がＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyであり、ｘは約０．３１から約０．３３の範囲内であり、ｙは約１．８から約２．２の範囲内である、磁歪式弁用の化合物を提供する。
【００１０】
本発明はさらに、化学式がＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyであり、ｘが約０．３１から約０．３３の範囲内、またｙが約１．８から約２．２の範囲内である化合物により燃料噴射器を成形する方法であって、この化合物を成形して燃料噴射器用磁歪式アクチュエーターとして用いる磁歪素子にするステップを含む方法を提供する。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
現在において好ましい実施例を、主として、磁歪式燃料噴射器に関連して説明する。しかしながら、当業者であればわかるように、これらは限定的な実施例ではなく、例えば、電子式弁タイミングアクチュエーターまたは燃料圧力調整器を含む任意タイプのアクチュエーターに利用可能である。
【００１２】
図２は、現在において好ましい実施例による磁歪式燃料噴射器を示す。この燃料噴射器１００は、弁本体１０２と、噴射器ニードル１０４とを有し、このニードルの先端部１０６は噴射器の弁座１０８と共に弁を形成する。閉位置保持用ばね１１０は、ニードル先端部１０６を噴射器弁座１０８を封止する位置へ付勢するように作動的に配置されている。皿ばねスタック１１２は、噴射器ニードル１０４及び磁歪素子１１６と同軸的に整列する可動プランジャー１１４に力を印加する。燃料入口１１８は、弁本体１０２と作動的に連結されている。磁歪素子１１６は、コイル巻線１２２を有するコイルのボビン１２０と同軸に配置されている。好ましい実施例において、噴射器が作動されると、図２に示すように、噴射器ニードルが外方に開くか、または内方に開く（図示せず）かの何れでもよい。
【００１３】
現在において好ましい実施例では、合金組成及び予荷重値の特定の組み合わせを選択することにより、テルフェノール−Dのアクチュエーター棒の磁歪の伸びを制御するための電子式温度補償が不要になり、かくして、複雑な電子式制御回路を必要とせずに一定の電流で実質的に一定の上昇距離を与える磁歪式アクチュエーターが提供される。
【００１４】
二元及び擬似二元タイプの磁歪合金は、絶対０度近くから２５０℃を超える温度で磁歪、即ち、磁気ひずみを呈するように組成を決定できる。現在において好ましい実施例によると、磁歪式噴射器に用いるテルフェノール−Dは、磁歪の伸びの大きさを制御するための制御回路による補償を不要とするように組成を決定する。これらの特性を示すテルフェノール−D合金の組成を決定するために、種々の組成を低い温度で評価した。その後、最適の低温合金を高温において２つの予荷重点でテストした。このようにして、テルフェノール−D合金におけるテルビウムの含有量を増加することにより低温応答を改善できることが確かめられている。さらに、テルフェノール−Dに圧縮性の予荷重力を印加することにより高温応答を改善できることも確かめられている。上述したように化学量論的調整及び予荷重の調整を組み合わせて温度応答を最適化すると、外部制御回路による補償を必要とせずに約−４０℃乃至＋１５０℃の典型的な自動車の作動温度内で一定の磁界（または電流）において上昇距離を一定に保持することができる。
【００１５】
目標温度範囲（例えば、典型的な自動車の作動温度範囲である約−４０℃乃至＋１５０℃）にわたってテルフェノール−Dの、非線形及び非均等な磁歪の伸び効果を含む、磁歪変位の挙動を最適化する好ましい実施例による方法について説明する。好ましい方法は、磁歪テスト装置、好ましくは自動車用磁歪式噴射器の磁気的及び機械的アーキテクチャーを近似するアクチュエーターを提供することより成る。図３は、実験的な所望の化学量論比を有する合金である少なくとも１つのテルフェノール−Dの棒１３０と、ソレノイドコイル１３２と、最大に近い磁歪を発生させるに必要な最小予荷重を磁歪素子１３０にかける予荷重機構１３４（予荷重機構はオプションであって、用途及び磁歪材料の特定の性質による）とを含む磁歪テスト装置を示す。ソレノイドコイル１３２は、所望の磁歪を発生させるに必要な磁化力を与え、端部キャップ１３６は圧力センサーを含む。
【００１６】
その後、テルフェノール−Dの棒の変位率を、所望の低温範囲（例えば、自動車用として約−４０℃乃至＋２０℃）にわたる温度で測定する。好ましい実施例では、その後、低温での非線形性を、合金ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyのテルビウム含有量を、ｘがほぼ０．３１乃至０．３３、ｙが１．８乃至２．２となるように選択することにより、補償できる。
【００１７】
好ましい実施例では、その後、高温磁歪応答を、予荷重を種々の大きさに変えて最適化することができる。好ましくは、予荷重範囲を、所望の温度範囲にわたって磁界が実質的に一定であるとして、磁歪が実質的に一定である所望の効果を得るように選択する必要がある。
【００１８】
従って、ある特定の組み合わせのテルビウム、ジスプロシウム及び鉄を用いることにより、磁歪の正の伸びのほぼ全範囲、磁界感度及び作動温度を得ることができる。擬似二元合金であるテルフェノール−Dの化学量論比は、主として、以下の範囲、ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１７に入る。例えば、図４は、ヒステリシスと伸びとの妥協により最適化されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の標準組成の複合的温度応答を示す。ｙが増加すると、キューリー温度が減少するが、一方、ｙがほぼ２の値ではキューリー温度は最高（例えば、ＴｂＦｅ2では＋４３８℃）になる。全ての強磁性材料のようなテルフェノール−Dは、最大の減磁が生じる温度に対応するキューリー温度を有する。さらに、ｙが０に近づくと、磁歪は温度の上昇と共に有意に減少する。鉄が存在しないと、キューリー温度が約−３０℃以下になり、極低温に近づくように思われる。
【００１９】
ＴｂとＤｙの関係は、磁気異方性補償温度を決定する。磁気異方性温度より高いと、強い磁歪の異方性軸が磁気的に容易となって磁化に続いて磁歪が発生するが、磁気異方性温度以下では、ほとんど磁歪のない軸が磁気的に容易となり、磁化が磁歪と比べて大きい。
【００２０】
例えば、図５を参照して、テルフェノール−Dの化学量論比：ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyでは、ｘ＝０．３の場合、補償開始温度は約０℃であり、この開始温度は、ｘが０．３より小さいと高温へ移行し、ｘが０．３より大きい場合、低温へ移行する。従って、この温度依存性のピークをＴｂ濃度を変えることにより移動させて、自動車用として最適化することが可能である。さらに、温度上昇による減磁歪（demagnetostriction）の勾配をＦｅ濃度を変えることにより変化することができる。ＴｂとＤｙの関係は、特定の磁界強度で磁歪を最大にするための重要なファクターである低磁界ヒステリシスを決定する。
【００２１】
温度曲線の減磁歪の勾配は、Ｆｅ濃度によるだけでなく、Ｓ−Ｈ曲線（磁歪Ｓを磁界強度Ｈに対してプロットしたもの）上の作動点と共に変化することが観察されている。Ｓ−Ｈ曲線上において相対的位置を移動させるために変化可能な変数の候補がいくつかある。合金の熱処理及び品質は特定の磁界強度における歪みに影響を与えるが、これらの変数は磁歪を最大にするように最適化されるため、これらの変数を変えるのは通常は望ましくない。別の変数候補として、磁界強度及び予荷重が含まれる。
【００２２】
磁界強度を７．６ＭＰａの一定の予荷重下で例えば５００エルステッドから２５０エルステッドへ減少させると、応答が、温度による減磁歪がほとんど０になるＳ−Ｈ曲線の部分に移動する。これは高圧噴射器にとって望ましくないが、その理由は、磁歪素子が伸びるからであり、恐らくさらに重要なことは、低い磁界強度へ移行するため力が犠牲になるからである。図６を参照するとわかるように、一定の磁界強度で予荷重を増加すると、貯蔵磁気エネルギー及び歪みで消費される磁気エネルギーの変化によりＳ−Ｈ曲線全体が移動し、その結果、温度による減磁歪がほとんど０であるＳ−Ｈ曲線上の低いところへ相対的な位置が移動する。高温応答を補償するために予荷重をこのように変化するのは、力のロスがなく、機械的剛性が増加するだけでなくて製造時調整しその後調整が不要になるため、より望ましい。
【００２３】
以下の動作例は、磁歪温度の依存性に対する化学量論比の影響を説明するものであり、テルフェノール−D合金の温度応答の補償に関する上述の原理を検証するために実施したものである。
【００２４】
磁歪棒−以下の磁歪棒を用いた。
【００２５】
第１の材料：ETREMA Products, Inc.により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）
棒番号：ecg96-122A（パックテスト済み）；寸法：４×４×５０ｍｍ
成長方法：改良式ブリッジマン法（MB）、ETREMA ECG
第２の材料：ETREMA Products, Inc.のためにアイオア州立大学により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）
棒番号：MCM-18-07：寸法：直径６．４６ｍｍ×長さ５１．３０ｍｍ
成長方法：自由スタンドゾーンメルティング法（FSZM）、熱処理、双晶性能については明らかでない
第３の材料：ETREMA Products, Inc.のためにアイオア州立大学により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.36Ｄｙ0.64Ｆｅ1.92）
棒番号：MCM-18-09：寸法：直径６．４６ｍｍ×長さ５１．３０ｍｍ
成長方法：自由スタンドゾーンメルティング法（FSZM）、熱処理、双晶性能については明らかでない
【００２６】
コイルのパラメータ−コイルのパラメータは下記の通りであった。
ボビンの寸法：内径６．５ｍｍ、壁圧０．９ｍｍ、コイルの内径８．３ｍｍ、コイル長さ５２．５ｍｍ
ボビンの材料：ナイロン６/６
コイル巻線：６層、総巻数７１０
コイルワイヤー：２６ＡＷＧ
２０℃における抵抗：３．２８オーム
１ｋＨｚでのインダクタンス：組み立て状態で２．０８ｍＨ、予荷重１５ＭＰａで１．３１ｍＨ
【００２７】
計器−以下の計器を使用した。
相１のアクチュエーターの特性化するための電子ドライバー：
電圧：７０ボルト
デューティーサイクル：５％
記録装置：
テクトロニクス社製デジタルオシロスコープModel TDS 744A
位置測定装置（全て３つの合金のヒステリシス及び温度応答）：
レーザー干渉計：Polytec OFV3001 Controller, OFV303 Sensor Head
位置測定装置（好ましい棒の静的上昇距離の測定）：
三豊製作所製のデジマティックインディケーター、増分０．００１ｍｍ
電流測定装置：
テクトロニクス社製５MHｚ電流プローブModel TCP202
ロードセル：
Omegadyne LCGD-500、非線形性＝０．２５％ FSO、繰返し精度＝０．１０％ FSO、３１６SSハウジング
温度計：
Omega KMGSS-010U-12 K-type熱電対を備えたFluke 52 K/J 温度計（高温及び低温テストで共通）
【００２８】
手順−以下の手順を用いた
磁気強度５００エルステッド（３Ａ）及び予荷重８．９ＭＰａで全ての低温ヒステリシス測定を行った。
【００２９】
最大磁歪の百分率を、以下のテルビウム含有量（標準０．３０、０．３３、０．３６）のテルフェノール−Dの組成物につき、−３０℃から＋２０℃において合金毎に８個のデータポイント（−３０℃、−２５℃、−２０℃、−１５℃、−１０℃、−５℃、＋５℃、＋２０℃）で測定した。
【００３０】
０−５００−０エルステッドの磁界強度の変化を経験した各合金のヒステリシス測定値をデジタル値として捕捉し、５００エルステッドを１００％としてその百分率をプロットした。
【００３１】
最適性能の磁歪棒を選択し、磁界強度５００エルステッド、予荷重６ＭＰａで−４０℃、＋２０℃、＋６０℃における静的上昇距離を求めた。
【００３２】
最適磁歪棒を最適な予荷重及び最適の２倍の予荷重でテストすることにより、＋２０℃、＋６０℃、＋１００℃で得られる応答を求めた。選択した予荷重値は、６ＭＰａ及び１２ＭＰａ（測定値では６．２ＭＰａ及び１１．７ＭＰａ）であった。
【００３３】
結果−下記の結果が得られた。
【００３４】
図４を参照するとわかるように、テルビウムの含有量ｘが０．３０の標準のテルフェノール−Dは、約５℃より高い温度で１℃につき約０．３０パーセントの割合で温度変化する減磁歪を示す。約５℃以下では、応答は非線形的で急速に減少する望ましくないものである。
【００３５】
図７を参照するとわかるように、テルビウムの含有量ｘが０．３３の好ましいテルフェノール−Dは、約−４０℃より高い温度で１℃につき約０．２２パーセントの割合で温度変化する減磁歪を示し、ヒステリシスは標準のETREMA製テルフェノール−Dに近い。
【００３６】
図８、９及び１０を比較するとわかるように、テルビウム含有量ｘが０．３６である実験用のテルフェノール−Dは、ヒステリシスが大きすぎて望ましくなく、ｘ＝０．３０またはｘ＝０．３３の化学量論比の何れよりも有意に小さい磁歪を、噴射器で予想される磁界強度（２０００エルステッド以下）において有するものであった。
【００３７】
ｘ＝０．３３及びｘ＝０．３６の組成は共に、低温で引き続き巨大な磁歪を示す。自動車用噴射器の用途では、テルビウム含有量ｘが０．３１＜ｘ＜０．３３の化学量論比で低温性能について最適範囲が与えられる。最適の予荷重の２倍でｘ＝０．３３の化学量論比のテストをさらに行うと（図１１を参照）、一定磁界において最大の上昇距離を犠牲にすることにより減磁歪曲線の勾配を負にできることが確認されている。−４０℃乃至＋１５０℃において一定の上昇距離を保持しながらその距離を最大にするために磁界強度と予荷重をバランスさせるというのは、最適の噴射器の電流と荷重の関係を決定する上で設計上の制約となる。ドライバーの電流が一定であるとして、自動車の温度範囲にわたる磁歪性能による噴射器の上昇距離は、以上述べた原理による設計ではほぼ一定である。
【００３８】
図１２は、標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答と、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答とを、最適値より小さい予荷重値及びほとんど最適の予荷重値の両方について比較したものを示す。図１２に示すように、温度上昇による減磁歪の勾配は、ｘが０．３より大きいテルフェノール−D組成物では、予荷重値が増加するにつれて減少する。
【００３９】
図１３は、標準のテルフェノール−D合金組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答を、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答と、約７．６ＭＰａのほぼ最適の予荷重値について比較したものを示す。図１３は、最適予荷重値のほぼ２倍の予荷重値における、化学式Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92を有する好ましいテルフェノール−Dの予想される温度応答の結果も示す。
【００４０】
図１４は、予荷重値１０ＭＰａにおける好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の荷重応答を特徴付ける変換器測定結果を示す。
【００４１】
図１５は、好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気特性（ひずみ対磁束密度）を示す。
【００４２】
図１６は、好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁化特性を示す。
【００４３】
図１７は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁歪定数特性を示す。
【００４４】
図１８は、多数の予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気透過率特性を示す。
【００４５】
図１９は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の微細組織を示す顕微鏡写真である。
【００４６】
図２０は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の改善された温度応答を示す。図２０を図４と比較すると、好ましい合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の温度曲線の膝部は、典型的な自動車の動作範囲外の約−２５℃であることがわかる。これとは対照的に、標準の合金（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の膝温度は典型的な自動車の動作範囲の十分内側である約０℃である。さらに、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の温度応答特性の勾配は標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の勾配よりも小さく、好ましいテルフェノール−D組成により、自動車の動作温度の全範囲にわたって改善された温度応答が得られることがわかる。
【００４７】
本発明をある特定の好ましい実施例に関連して説明したが、図示説明した実施例に対する多数の変形例及び設計変更が頭書特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることがわかる。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されるものでなくて、特許請求の範囲の文言及び均等物の全範囲を教授するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、外部磁界が材料内の磁区の配向に与える影響及びそれに応じてその材料の外部寸法に与える影響を説明する磁歪材料の断面図である。
【図２】 図２は、本発明の好ましい実施例による磁歪式燃料噴射器の断面図である。
【図３】 図３は、本発明の好ましい実施例による磁歪テスト装置を示す。
【図４】 図４は、ヒステリシスと磁歪による伸びとの間の妥協により最適化した標準のテルフェノール−D（Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.9）の複合温度応答を示す。
【図５】 図５は、種々の量のテルビウムに対する低温応答を示す。
【図６】 図６は、本発明の好ましい実施例に従って、好ましい予荷重値の範囲をカバーする２つの好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）曲線を示す。
【図７】 図７は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３である好ましいテルフェノール−D組成物の温度応答を示す。
【図８】 図８は、テルビウム含有量がｘ＝０．３０であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図９】 図９は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１０】 図１０は、テルビウム含有量がｘ＝０．３６であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１１】 図１１は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３であるテルフェノール−D合金の２つの予荷重値での磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１２】 図１２は、標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答と、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答とを、最適値より小さい予荷重値及びほとんど最適の予荷重値の両方について比較したものを示す。
【図１３】 図１３は、標準のテルフェノール−D合金組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答を、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答と、約７．６ＭＰａのほぼ最適の予荷重値について比較したものを示す。
【図１４】 図１４は、予荷重値１０ＭＰａにおける、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の荷重応答を特徴付ける変換器測定結果を示す。
【図１５】 図１５は、好ましい予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気特性（ひずみ対磁束密度）を示す。
【図１６】 図１６は、好ましい予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁化特性を示す。
【図１７】 図１７は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁歪定数特性を示す。
【図１８】 図１８は、多数の予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気透過率特性を示す。
【図１９】 図１９は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の微細組織を示す顕微鏡写真である。
【図２０】 図２０は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の改善された温度応答を示す。
【発明の分野】
本発明は、磁歪式アクチュエーターに関し、詳細には、磁歪変換の原理で作動する燃料噴射器及び電子式弁タイミングアクチュエーターのような自動車用アクチュエーターに関する。本発明は、さらに詳細には、複雑な電子制御装置を必要とせずに自動車に使用可能な改善された温度応答を与えるように配合された磁歪合金組成物及びそれを用いる方法及び装置に関する。本発明は、さらに詳細には、磁歪応答を改善するための磁歪合金組成物への最適なまたは最適に近い予荷重力の適用に関する。
【０００２】
【発明の背景】
燃料噴射器を作動する従来の方法は、電気機械式ソレノイド装置を利用する。ソレノイドは通常、絶縁被覆を有する導電ワイヤーを巻回して密巻き螺旋状コイルにしたものである。ワイヤーを電流が流れると、コイル内にその軸に平行な方向に磁界が発生する。発生した磁界がコイル内の可動強磁性アーマチャーに力を印加するため、アーマチャーが戻しばねの力に抗してニードル弁を開位置に移動させる。アーマチャーにかかる力は磁界強度に比例し、磁界強度はコイルの巻数及びコイルを流れる電流の大きさの関数である。
【０００３】
従来型燃料噴射器において、アーマチャー、従ってニードルが移動を開始する点は、主として、噴射器を閉位置に保持するばねの予荷重、ニードルの摩擦及び慣性、燃料圧力、磁性材を流れる渦電流及び設計構造の磁気的特性、例えば作動ギャップ内へ磁束を向ける能力により異なる。一般的に、アーマチャーは、磁力の大きさが反対方向の力を克服するに十分な値になるまで移動しない。同様に、ニードルは、閉位置保持用ばねが燃料流の圧力及びニードルの慣性を克服するに十分低いレベルまで磁力が減衰するまで閉位置に戻らない。従来型設計の噴射器では、ニードルが一旦開位置または閉位置に向かって移動を開始すると、それぞれの端部止めに衝突するまで加速し続けるため、ニードル弁の弁座が磨耗したり、ニードルが跳ね返ったり、望ましくない振動やノイズを発生させることになる。
【０００４】
磁歪式燃料噴射器は、ノイズを減少させ弁座の寿命を長くする燃料噴射器作動方法を提供することにより、上記の問題の多くを解決するものと思われている。用語「磁歪」は、文字通り、磁気的収縮を意味するが、一般的に、強磁性材料に関連する以下の類似の効果、即ち、曲がった強磁性の棒が縦方向の磁界でまっすぐになる傾向があるギエミン効果、電流が流れる棒を磁界内に置くとねじれを生じるウィデマン効果、徐々に増加する縦方向磁界に曝されると強磁性材料の長さが徐々に増加するジュール効果、及び縦方向の磁界の存在により磁気誘導が変化するビラーリ効果（逆ジュール効果）を包含するものと理解されている。
【０００５】
強磁性材料を磁界内に置くと発生する寸法の変化は、精密な電磁装置には寸法安定性が必要であるため、通常は望ましくない効果であると考えられる。従って、強磁性合金の製造者は、合金の配合を磁歪効果が非常に小さくなるようにすることが多い。強磁性材料は全て、磁区を整列させ能力により磁気特性を呈する。図１に示すように、磁歪特性の強い材料は、その特徴として、分極方向（北／南）では長く、分極方向に垂直な方向では細いため、磁区は回転すると強磁性材料の主要寸法を変化させることができる。
【０００６】
例えば、磁歪合金テルフェノール−D（例えば、Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.9）は、約５００エルステッドの磁界強度の下で長さ１センチにつき１０umの変位を発生できる。磁化力Ｈ（アンペア−巻数／ｍ（１エルステッド＝７９．６ＡＴ／ｍ）の一般式は、Ｈ＝ＩＮ／Ｌであり、この式において、Ｉ＝電流（アンペア）、Ｎ＝巻数、Ｌ＝パス長である。
【０００７】
テルフェノール−Dは、その環境に応答して巨大な磁歪特性を呈するため「スマート材料」と呼ぶことが多い。しかしながら、磁歪式アクチュエーターの可能性を完全に実現するには、磁歪による伸びの量が自動車の用途で通常遭遇する温度範囲にわたって温度とは無関係であるのが望ましい。磁歪材料の温度補償法では、従来は、磁歪材料の非線形的な温度応答を補償するために複雑な電子制御装置を用いてコイルの電流を制御する必要があった。本発明は、かかる電子的補償を不要にして、磁歪式アクチュエーターの制御に必要な制御システムの複雑さを著しく減少させるものである。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の磁歪作動式燃料噴射器は、入口ポート、出口ポート及び入口ポートから出口ポートへ延びる燃料通路を有する本体と、出口ポート近くに位置する計量手段と、計量手段と作動的接触関係にある磁歪素子と、付勢されると磁束を発生して磁歪素子の長さを変化させ計量手段を作動させるように磁歪素子の近くに配置されたコイルとより成り、磁歪素子の組成により、約−４０℃乃至＋１５０℃の温度範囲にわたって実質的に線形の温度応答が得られる。
【０００９】
本発明はまた、本質的に、化学式がＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyであり、ｘは約０．３１から約０．３３の範囲内であり、ｙは約１．８から約２．２の範囲内である、磁歪式弁用の化合物を提供する。
【００１０】
本発明はさらに、化学式がＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyであり、ｘが約０．３１から約０．３３の範囲内、またｙが約１．８から約２．２の範囲内である化合物により燃料噴射器を成形する方法であって、この化合物を成形して燃料噴射器用磁歪式アクチュエーターとして用いる磁歪素子にするステップを含む方法を提供する。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】
現在において好ましい実施例を、主として、磁歪式燃料噴射器に関連して説明する。しかしながら、当業者であればわかるように、これらは限定的な実施例ではなく、例えば、電子式弁タイミングアクチュエーターまたは燃料圧力調整器を含む任意タイプのアクチュエーターに利用可能である。
【００１２】
図２は、現在において好ましい実施例による磁歪式燃料噴射器を示す。この燃料噴射器１００は、弁本体１０２と、噴射器ニードル１０４とを有し、このニードルの先端部１０６は噴射器の弁座１０８と共に弁を形成する。閉位置保持用ばね１１０は、ニードル先端部１０６を噴射器弁座１０８を封止する位置へ付勢するように作動的に配置されている。皿ばねスタック１１２は、噴射器ニードル１０４及び磁歪素子１１６と同軸的に整列する可動プランジャー１１４に力を印加する。燃料入口１１８は、弁本体１０２と作動的に連結されている。磁歪素子１１６は、コイル巻線１２２を有するコイルのボビン１２０と同軸に配置されている。好ましい実施例において、噴射器が作動されると、図２に示すように、噴射器ニードルが外方に開くか、または内方に開く（図示せず）かの何れでもよい。
【００１３】
現在において好ましい実施例では、合金組成及び予荷重値の特定の組み合わせを選択することにより、テルフェノール−Dのアクチュエーター棒の磁歪の伸びを制御するための電子式温度補償が不要になり、かくして、複雑な電子式制御回路を必要とせずに一定の電流で実質的に一定の上昇距離を与える磁歪式アクチュエーターが提供される。
【００１４】
二元及び擬似二元タイプの磁歪合金は、絶対０度近くから２５０℃を超える温度で磁歪、即ち、磁気ひずみを呈するように組成を決定できる。現在において好ましい実施例によると、磁歪式噴射器に用いるテルフェノール−Dは、磁歪の伸びの大きさを制御するための制御回路による補償を不要とするように組成を決定する。これらの特性を示すテルフェノール−D合金の組成を決定するために、種々の組成を低い温度で評価した。その後、最適の低温合金を高温において２つの予荷重点でテストした。このようにして、テルフェノール−D合金におけるテルビウムの含有量を増加することにより低温応答を改善できることが確かめられている。さらに、テルフェノール−Dに圧縮性の予荷重力を印加することにより高温応答を改善できることも確かめられている。上述したように化学量論的調整及び予荷重の調整を組み合わせて温度応答を最適化すると、外部制御回路による補償を必要とせずに約−４０℃乃至＋１５０℃の典型的な自動車の作動温度内で一定の磁界（または電流）において上昇距離を一定に保持することができる。
【００１５】
目標温度範囲（例えば、典型的な自動車の作動温度範囲である約−４０℃乃至＋１５０℃）にわたってテルフェノール−Dの、非線形及び非均等な磁歪の伸び効果を含む、磁歪変位の挙動を最適化する好ましい実施例による方法について説明する。好ましい方法は、磁歪テスト装置、好ましくは自動車用磁歪式噴射器の磁気的及び機械的アーキテクチャーを近似するアクチュエーターを提供することより成る。図３は、実験的な所望の化学量論比を有する合金である少なくとも１つのテルフェノール−Dの棒１３０と、ソレノイドコイル１３２と、最大に近い磁歪を発生させるに必要な最小予荷重を磁歪素子１３０にかける予荷重機構１３４（予荷重機構はオプションであって、用途及び磁歪材料の特定の性質による）とを含む磁歪テスト装置を示す。ソレノイドコイル１３２は、所望の磁歪を発生させるに必要な磁化力を与え、端部キャップ１３６は圧力センサーを含む。
【００１６】
その後、テルフェノール−Dの棒の変位率を、所望の低温範囲（例えば、自動車用として約−４０℃乃至＋２０℃）にわたる温度で測定する。好ましい実施例では、その後、低温での非線形性を、合金ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyのテルビウム含有量を、ｘがほぼ０．３１乃至０．３３、ｙが１．８乃至２．２となるように選択することにより、補償できる。
【００１７】
好ましい実施例では、その後、高温磁歪応答を、予荷重を種々の大きさに変えて最適化することができる。好ましくは、予荷重範囲を、所望の温度範囲にわたって磁界が実質的に一定であるとして、磁歪が実質的に一定である所望の効果を得るように選択する必要がある。
【００１８】
従って、ある特定の組み合わせのテルビウム、ジスプロシウム及び鉄を用いることにより、磁歪の正の伸びのほぼ全範囲、磁界感度及び作動温度を得ることができる。擬似二元合金であるテルフェノール−Dの化学量論比は、主として、以下の範囲、ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１７に入る。例えば、図４は、ヒステリシスと伸びとの妥協により最適化されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の標準組成の複合的温度応答を示す。ｙが増加すると、キューリー温度が減少するが、一方、ｙがほぼ２の値ではキューリー温度は最高（例えば、ＴｂＦｅ2では＋４３８℃）になる。全ての強磁性材料のようなテルフェノール−Dは、最大の減磁が生じる温度に対応するキューリー温度を有する。さらに、ｙが０に近づくと、磁歪は温度の上昇と共に有意に減少する。鉄が存在しないと、キューリー温度が約−３０℃以下になり、極低温に近づくように思われる。
【００１９】
ＴｂとＤｙの関係は、磁気異方性補償温度を決定する。磁気異方性温度より高いと、強い磁歪の異方性軸が磁気的に容易となって磁化に続いて磁歪が発生するが、磁気異方性温度以下では、ほとんど磁歪のない軸が磁気的に容易となり、磁化が磁歪と比べて大きい。
【００２０】
例えば、図５を参照して、テルフェノール−Dの化学量論比：ＴｂxＤｙ1- ｘＦｅyでは、ｘ＝０．３の場合、補償開始温度は約０℃であり、この開始温度は、ｘが０．３より小さいと高温へ移行し、ｘが０．３より大きい場合、低温へ移行する。従って、この温度依存性のピークをＴｂ濃度を変えることにより移動させて、自動車用として最適化することが可能である。さらに、温度上昇による減磁歪（demagnetostriction）の勾配をＦｅ濃度を変えることにより変化することができる。ＴｂとＤｙの関係は、特定の磁界強度で磁歪を最大にするための重要なファクターである低磁界ヒステリシスを決定する。
【００２１】
温度曲線の減磁歪の勾配は、Ｆｅ濃度によるだけでなく、Ｓ−Ｈ曲線（磁歪Ｓを磁界強度Ｈに対してプロットしたもの）上の作動点と共に変化することが観察されている。Ｓ−Ｈ曲線上において相対的位置を移動させるために変化可能な変数の候補がいくつかある。合金の熱処理及び品質は特定の磁界強度における歪みに影響を与えるが、これらの変数は磁歪を最大にするように最適化されるため、これらの変数を変えるのは通常は望ましくない。別の変数候補として、磁界強度及び予荷重が含まれる。
【００２２】
磁界強度を７．６ＭＰａの一定の予荷重下で例えば５００エルステッドから２５０エルステッドへ減少させると、応答が、温度による減磁歪がほとんど０になるＳ−Ｈ曲線の部分に移動する。これは高圧噴射器にとって望ましくないが、その理由は、磁歪素子が伸びるからであり、恐らくさらに重要なことは、低い磁界強度へ移行するため力が犠牲になるからである。図６を参照するとわかるように、一定の磁界強度で予荷重を増加すると、貯蔵磁気エネルギー及び歪みで消費される磁気エネルギーの変化によりＳ−Ｈ曲線全体が移動し、その結果、温度による減磁歪がほとんど０であるＳ−Ｈ曲線上の低いところへ相対的な位置が移動する。高温応答を補償するために予荷重をこのように変化するのは、力のロスがなく、機械的剛性が増加するだけでなくて製造時調整しその後調整が不要になるため、より望ましい。
【００２３】
以下の動作例は、磁歪温度の依存性に対する化学量論比の影響を説明するものであり、テルフェノール−D合金の温度応答の補償に関する上述の原理を検証するために実施したものである。
【００２４】
磁歪棒−以下の磁歪棒を用いた。
【００２５】
第１の材料：ETREMA Products, Inc.により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）
棒番号：ecg96-122A（パックテスト済み）；寸法：４×４×５０ｍｍ
成長方法：改良式ブリッジマン法（MB）、ETREMA ECG
第２の材料：ETREMA Products, Inc.のためにアイオア州立大学により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）
棒番号：MCM-18-07：寸法：直径６．４６ｍｍ×長さ５１．３０ｍｍ
成長方法：自由スタンドゾーンメルティング法（FSZM）、熱処理、双晶性能については明らかでない
第３の材料：ETREMA Products, Inc.のためにアイオア州立大学により製造されたテルフェノール−D（Ｔｂ0.36Ｄｙ0.64Ｆｅ1.92）
棒番号：MCM-18-09：寸法：直径６．４６ｍｍ×長さ５１．３０ｍｍ
成長方法：自由スタンドゾーンメルティング法（FSZM）、熱処理、双晶性能については明らかでない
【００２６】
コイルのパラメータ−コイルのパラメータは下記の通りであった。
ボビンの寸法：内径６．５ｍｍ、壁圧０．９ｍｍ、コイルの内径８．３ｍｍ、コイル長さ５２．５ｍｍ
ボビンの材料：ナイロン６/６
コイル巻線：６層、総巻数７１０
コイルワイヤー：２６ＡＷＧ
２０℃における抵抗：３．２８オーム
１ｋＨｚでのインダクタンス：組み立て状態で２．０８ｍＨ、予荷重１５ＭＰａで１．３１ｍＨ
【００２７】
計器−以下の計器を使用した。
相１のアクチュエーターの特性化するための電子ドライバー：
電圧：７０ボルト
デューティーサイクル：５％
記録装置：
テクトロニクス社製デジタルオシロスコープModel TDS 744A
位置測定装置（全て３つの合金のヒステリシス及び温度応答）：
レーザー干渉計：Polytec OFV3001 Controller, OFV303 Sensor Head
位置測定装置（好ましい棒の静的上昇距離の測定）：
三豊製作所製のデジマティックインディケーター、増分０．００１ｍｍ
電流測定装置：
テクトロニクス社製５MHｚ電流プローブModel TCP202
ロードセル：
Omegadyne LCGD-500、非線形性＝０．２５％ FSO、繰返し精度＝０．１０％ FSO、３１６SSハウジング
温度計：
Omega KMGSS-010U-12 K-type熱電対を備えたFluke 52 K/J 温度計（高温及び低温テストで共通）
【００２８】
手順−以下の手順を用いた
磁気強度５００エルステッド（３Ａ）及び予荷重８．９ＭＰａで全ての低温ヒステリシス測定を行った。
【００２９】
最大磁歪の百分率を、以下のテルビウム含有量（標準０．３０、０．３３、０．３６）のテルフェノール−Dの組成物につき、−３０℃から＋２０℃において合金毎に８個のデータポイント（−３０℃、−２５℃、−２０℃、−１５℃、−１０℃、−５℃、＋５℃、＋２０℃）で測定した。
【００３０】
０−５００−０エルステッドの磁界強度の変化を経験した各合金のヒステリシス測定値をデジタル値として捕捉し、５００エルステッドを１００％としてその百分率をプロットした。
【００３１】
最適性能の磁歪棒を選択し、磁界強度５００エルステッド、予荷重６ＭＰａで−４０℃、＋２０℃、＋６０℃における静的上昇距離を求めた。
【００３２】
最適磁歪棒を最適な予荷重及び最適の２倍の予荷重でテストすることにより、＋２０℃、＋６０℃、＋１００℃で得られる応答を求めた。選択した予荷重値は、６ＭＰａ及び１２ＭＰａ（測定値では６．２ＭＰａ及び１１．７ＭＰａ）であった。
【００３３】
結果−下記の結果が得られた。
【００３４】
図４を参照するとわかるように、テルビウムの含有量ｘが０．３０の標準のテルフェノール−Dは、約５℃より高い温度で１℃につき約０．３０パーセントの割合で温度変化する減磁歪を示す。約５℃以下では、応答は非線形的で急速に減少する望ましくないものである。
【００３５】
図７を参照するとわかるように、テルビウムの含有量ｘが０．３３の好ましいテルフェノール−Dは、約−４０℃より高い温度で１℃につき約０．２２パーセントの割合で温度変化する減磁歪を示し、ヒステリシスは標準のETREMA製テルフェノール−Dに近い。
【００３６】
図８、９及び１０を比較するとわかるように、テルビウム含有量ｘが０．３６である実験用のテルフェノール−Dは、ヒステリシスが大きすぎて望ましくなく、ｘ＝０．３０またはｘ＝０．３３の化学量論比の何れよりも有意に小さい磁歪を、噴射器で予想される磁界強度（２０００エルステッド以下）において有するものであった。
【００３７】
ｘ＝０．３３及びｘ＝０．３６の組成は共に、低温で引き続き巨大な磁歪を示す。自動車用噴射器の用途では、テルビウム含有量ｘが０．３１＜ｘ＜０．３３の化学量論比で低温性能について最適範囲が与えられる。最適の予荷重の２倍でｘ＝０．３３の化学量論比のテストをさらに行うと（図１１を参照）、一定磁界において最大の上昇距離を犠牲にすることにより減磁歪曲線の勾配を負にできることが確認されている。−４０℃乃至＋１５０℃において一定の上昇距離を保持しながらその距離を最大にするために磁界強度と予荷重をバランスさせるというのは、最適の噴射器の電流と荷重の関係を決定する上で設計上の制約となる。ドライバーの電流が一定であるとして、自動車の温度範囲にわたる磁歪性能による噴射器の上昇距離は、以上述べた原理による設計ではほぼ一定である。
【００３８】
図１２は、標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答と、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答とを、最適値より小さい予荷重値及びほとんど最適の予荷重値の両方について比較したものを示す。図１２に示すように、温度上昇による減磁歪の勾配は、ｘが０．３より大きいテルフェノール−D組成物では、予荷重値が増加するにつれて減少する。
【００３９】
図１３は、標準のテルフェノール−D合金組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答を、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答と、約７．６ＭＰａのほぼ最適の予荷重値について比較したものを示す。図１３は、最適予荷重値のほぼ２倍の予荷重値における、化学式Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92を有する好ましいテルフェノール−Dの予想される温度応答の結果も示す。
【００４０】
図１４は、予荷重値１０ＭＰａにおける好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の荷重応答を特徴付ける変換器測定結果を示す。
【００４１】
図１５は、好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気特性（ひずみ対磁束密度）を示す。
【００４２】
図１６は、好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁化特性を示す。
【００４３】
図１７は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁歪定数特性を示す。
【００４４】
図１８は、多数の予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気透過率特性を示す。
【００４５】
図１９は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の微細組織を示す顕微鏡写真である。
【００４６】
図２０は、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の改善された温度応答を示す。図２０を図４と比較すると、好ましい合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の温度曲線の膝部は、典型的な自動車の動作範囲外の約−２５℃であることがわかる。これとは対照的に、標準の合金（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の膝温度は典型的な自動車の動作範囲の十分内側である約０℃である。さらに、好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の温度応答特性の勾配は標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）の勾配よりも小さく、好ましいテルフェノール−D組成により、自動車の動作温度の全範囲にわたって改善された温度応答が得られることがわかる。
【００４７】
本発明をある特定の好ましい実施例に関連して説明したが、図示説明した実施例に対する多数の変形例及び設計変更が頭書特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることがわかる。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されるものでなくて、特許請求の範囲の文言及び均等物の全範囲を教授するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、外部磁界が材料内の磁区の配向に与える影響及びそれに応じてその材料の外部寸法に与える影響を説明する磁歪材料の断面図である。
【図２】 図２は、本発明の好ましい実施例による磁歪式燃料噴射器の断面図である。
【図３】 図３は、本発明の好ましい実施例による磁歪テスト装置を示す。
【図４】 図４は、ヒステリシスと磁歪による伸びとの間の妥協により最適化した標準のテルフェノール−D（Ｔｂ0.3Ｄｙ0.7Ｆｅ1.9）の複合温度応答を示す。
【図５】 図５は、種々の量のテルビウムに対する低温応答を示す。
【図６】 図６は、本発明の好ましい実施例に従って、好ましい予荷重値の範囲をカバーする２つの好ましい予荷重値における好ましいテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）曲線を示す。
【図７】 図７は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３である好ましいテルフェノール−D組成物の温度応答を示す。
【図８】 図８は、テルビウム含有量がｘ＝０．３０であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図９】 図９は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１０】 図１０は、テルビウム含有量がｘ＝０．３６であるテルフェノール−D合金の磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１１】 図１１は、本発明の好ましい実施例による、テルビウム含有量がｘ＝０．３３であるテルフェノール−D合金の２つの予荷重値での磁歪ヒステリシス（Ｓ−Ｈ）を示す。
【図１２】 図１２は、標準のテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答と、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の高温応答とを、最適値より小さい予荷重値及びほとんど最適の予荷重値の両方について比較したものを示す。
【図１３】 図１３は、標準のテルフェノール−D合金組成（Ｔｂ0.30Ｄｙ0.70Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答を、好ましいテルフェノール−D組成（Ｔｂ0.33Ｄｙ0.67Ｆｅ1.92）を有する磁歪棒の予想される温度応答と、約７．６ＭＰａのほぼ最適の予荷重値について比較したものを示す。
【図１４】 図１４は、予荷重値１０ＭＰａにおける、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の荷重応答を特徴付ける変換器測定結果を示す。
【図１５】 図１５は、好ましい予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気特性（ひずみ対磁束密度）を示す。
【図１６】 図１６は、好ましい予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁化特性を示す。
【図１７】 図１７は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁歪定数特性を示す。
【図１８】 図１８は、多数の予荷重値における、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の磁気透過率特性を示す。
【図１９】 図１９は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の微細組織を示す顕微鏡写真である。
【図２０】 図２０は、本発明の好ましい実施例による好ましいテルフェノール−D合金Ｔｂ0.32Ｄｙ0.68Ｆｅ1.92の改善された温度応答を示す。
Claims (5)
- 入口ポート、出口ポート及び入口ポートから出口ポートへ延びる燃料通路を有する本体と、
出口ポート近くに位置する計量手段と、
計量手段と作動的接触関係にある磁歪素子と、
磁歪素子の近くに配置され、付勢されると磁束を発生して磁歪素子を上昇させ計量手段を作動させるコイルと、
本体内に位置し、磁歪素子に所定の予荷重力をかけるように作動するばね手段とより成り、
磁歪素子は、本質的な組成として、化学式がＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅｙであり、ｘが０．３１から０．３３、ｙが１．８から２．２の範囲内のテルフェノール−Ｄ合金により形成され、
磁歪素子にかかる所定の予荷重力が自動車用の温度範囲にわたり一定の磁界で磁歪素子に実質的に一定の上昇距離を与えるように選択されていることを特徴とする燃料噴射器。 - 所定の予荷重力は１３．８ＭＰａ乃至５２．２ＭＰａの範囲内である請求項１の燃料噴射器。
- 計量手段は、磁束の作用により磁歪素子が上昇すると噴射器の本体の方へ内方に後退するニードル先端部を有する請求項２の燃料噴射器。
- 計量手段は、磁束の作用により磁歪素子が上昇すると噴射器の本体から離れる外方に延びるニードル先端部を有する請求項２の燃料噴射器。
- 磁歪素子の組成により、−４０℃乃至＋１５０℃の温度範囲にわたって実質的に線形の温度応答が得られる請求項１の燃料噴射器。
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