(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に噴口を有するハウジングに摺動可能に収装され、前記噴口が開口した座面に接離して噴口を開閉するニードルと、
ニードルを開弁方向に付勢する手段と、
印加される電圧により伸長してニードルを直接的に閉弁方向に駆動し、電圧を遮断することで収縮する、前記ニードルと直列に配置されて前記ニードルと変位方向が一致する圧電素子と、
前記ハウジングによって前記ニードルの開弁方向への移動を制限することで、前記ニードルの閉弁位置から最大開弁位置までのリフト量であるフルリフト量Ａを規制する手段とを備え、
前記規制手段によって前記ニードルのフルリフト量Ａを開弁時の前記圧電素子の収縮量より小さく設定した、
ことを特徴とする噴射弁。
【請求項２】
前記ニードルのフルリフト量Ａを規制する手段として、ニードルとニードルを収装する前記ハウジングとの間にシムを介装したことを特徴とする請求項１に記載の噴射弁。
【請求項３】
前記ニードルを開弁方向に付勢する手段として、ニードルと同心上に配置されるサラバネを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の噴射弁。
【請求項４】
前記ニードルと圧電素子間の当接部の少なくとも一方を凸面状に形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の噴射弁。
【請求項５】
前記ニードルの基端面と前記圧電素子の駆動端に結合される端板とに形成され、それぞれ互いに対向する凹部と、
前記ニードルのフルリフト時に前記ニードルとの間に間隙を生ずるように前記各凹部の間に挟持されるボールと、
を備えたことを特徴とする請求項４に記載の噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃料噴射弁等に適用される、圧電素子をアクチュエータとする弁構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁等に、印加電圧に応じて伸張する積層圧電素子（ピエゾ素子）を用いてニードル（弁体）を開弁作動させるものがあった。ニードルを圧電素子により駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、高出力化に対応するための噴射可能範囲を拡大できる。また、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【０００３】
従来、この種の燃料噴射弁として、例えば図４に示すようなものがある（特公平７−７２５２０号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、ノズルボディ５１にニードル５２が摺動可能に収装される。ノズルボディ５１の内部にはニードル５２のまわりに燃圧室５３が画成される。ノズルボディ５１の先端に噴口５１ｂが開口し、噴口５１ｂはニードル５２によって開閉される。
【０００５】
図示しない燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃料入口６３から燃料通路６２を通して燃圧室５３に導入され、ニードル５２のリフトに伴って噴口５１ｂから噴射される。
【０００６】
ニードル５２をロッド６４等を介して閉弁方向に付勢するスプリング５４が設けられる。
【０００７】
ニードル５２を開弁方向に駆動する圧電素子６０が設けられる。圧電素子６０はリード線６８を介して電圧が印加されることによりスプリング５４に抗して伸長すると、リテーナ６７を介してロッド６４が引き込まれ、ロッド６４に追従させてニードル２をリフトさせる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料噴射弁にあっては、圧電素子６０の変位方向とニードル５２の変位方向が逆転しているため、圧電素子６０の駆動力を逆転させてニードル５２に伝達するリテーナ６７およびロッド６４等の機構が必要となり、構造が複雑化するという問題点が考えられる。
【０００９】
また、ニードル５２のフルリフト量が圧電素子６０の変位量によって決まるため、ニードル５２のフルリフト量Ａが圧電素子６０の固体バラツキに影響され、燃料噴射量にバラツキが生じるという問題点が考えられる。
【００１０】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、圧電素子をアクチュエータとする噴射弁において、構造の簡素化をはかるとともに、燃料噴射量のバラツキを抑えることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の噴射弁は、先端に噴口を有するハウジングに摺動可能に収装され、噴口が開口した座面に接離して噴口を開閉するニードルと、ニードルを開弁方向に付勢する手段と、印加される電圧により伸長してニードルを直接的に閉弁方向に駆動し、電圧を遮断することで収縮する、ニードルと直列に配置されてニードルと変位方向が一致する圧電素子と、ハウジングによってニードルの開弁方向への移動を制限することで、ニードルの閉弁位置から最大開弁位置までのリフト量であるフルリフト量Ａを規制する手段とを備え、規制手段によってニードルのフルリフト量Ａを開弁時の圧電素子の収縮量より小さく設定するものとした。
【００１３】
請求項２に記載の噴射弁は、請求項１に記載の発明において、前記ニードルのフルリフト量Ａを規制する手段として、ニードルとニードルを収装するハウジングの間にシムを介装するものとした。
【００１４】
請求項３に記載の噴射弁は、請求項１または２に記載の発明において、前記ニードルを開弁方向に付勢する手段として、ニードルと同心上に配置されるサラバネを備えるものとした。
【００１５】
請求項４に記載の噴射弁は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記ニードルと圧電素子間の当接部の少なくとも一方を凸面状に形成するものとした。
請求項５に記載の噴射弁は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、前記ニードルの基端面と前記圧電素子の駆動端に結合される端板とに形成され、それぞれ互いに対向する凹部と、前記ニードルのフルリフト時に前記ニードルとの間に間隙を生ずるように前記各凹部の間に挟持されるボールとを備えるものとした。
【００１６】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の噴射弁において、圧電素子に電圧が印加されると、圧電素子が伸長してニードルを座面に近づけ、噴口を閉じる。
【００１７】
圧電素子に印加される電圧を遮断し、かつ両端子を短絡させて内部の電荷を除去することにより瞬時に収縮する。そして、付勢手段がニードルを圧電素子の収縮に追従させてニードルを座面から離し、噴口を開く。
【００１８】
圧電素子の変位方向とニードルの変位方向が一致しているため、圧電素子とニードルを直列に並べ、圧電素子にニードルを当接させて駆動することが可能となる。この結果、従来装置のように圧電素子の駆動力を逆転させてニードルに伝達する機構が不要となり、構造の簡素化がはかれる。
【００１９】
ニードルのフルリフト量Ａを開弁時の圧電素子の収縮量より小さく設定したため、圧電素子の固体バラツキに影響されることなく、一定のフルリフト量Ａが得られる。この結果、多気筒エンジンの燃料噴射弁に適用した場合、各気筒の燃料噴射量にバラツキが生じることを抑え、安定した運転性が確保される。
【００２０】
請求項２に記載の噴射弁において、シムはニードルに当接してニードルの開弁方向の変位量を規制するため、シムの板厚によってニードルのフルリフト量Ａを調節することができる。
【００２１】
請求項３に記載の噴射弁において、ニードルを開弁方向に付勢する手段として、ニードルと同心上に配置されるサラバネは、ニードルに対して周方向に均一に分布する力を付与するため、ニードルを偏心方向に付勢することなく、ニードルの動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。
【００２２】
請求項４に記載の噴射弁において、ニードルと圧電素子の当接部の少なくとも一方に凸面状に形成したため、圧電素子の寸法誤差等に影響されることなく、ニードルの動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。
請求項５に記載の噴射弁において、ニードルと端板とに形成されるそれぞれの凹部の間に挟持されるボールは、ニードルのフルリフト時にニードルとの間に間隙を生ずるので、非拘束状態となって回転が許容される。これによりボールとニードル及び端板との接触箇所が噴射弁の作動毎に変化するのでボールの偏磨耗を防止することができる。よって、ニードルの動きを円滑にして安定した作動性を確保することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、ノズルボディ１とハウジング９の内部にニードル２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１とハウジング９の内部にはニードル２のまわりに燃圧室３が画成される。ノズルボディ１の先端に噴口１ｂが開口し、噴口１ｂはニードル２によって開閉される。
【００２５】
図示しない燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃料入口１３から燃料通路１２を通して燃圧室３に導入され、ニードル２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。ノズルボディ１はエンジンの燃焼室天井壁から燃焼室に臨み、噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出するようになっている。
【００２６】
ノズルボディ１の内側には噴口１ｂのまわりに座面１ａが円錐面状に窪む。一方、ニードル２の先端にはシート部２ａが円錐面状に突出する。シート部２ａが座面１ａに着座することにより、噴口１ｂが閉塞される。シート部２ａが座面１ａから離れることにより、噴口１ｂが開かれる。
【００２７】
ニードル２の途中からは支持部２ｂが外径方向に突出し、支持部２ｂがノズルボディ１の円筒状をした内壁面に摺接することにより、シート部２ａを座面１ａと同軸上に案内する。支持部２ｂとノズルボディ１の内壁面の間には燃料が流通する通路が形成されている。
【００２８】
ニードル２はその基端側にピストン部２ｃが環状に突出形成される。ピストン部２ｃの外周に形成された環状溝にはＯリング５が介装される。Ｏリング５がハウジング９の円筒状をした内壁面に摺接することにより、燃圧室３の密封がはかれる。環状溝にはＯリング５の背後にバックアップリング６が介装され、液圧によりＯリング５が環状溝からはみ出さないようになっている。
【００２９】
ニードル２を開弁方向に付勢するサラバネ４が設けられる。サラバネ４は底のない皿状をしている。ニードル２のピストン部２ｃとノズルボディ１の間にはサラバネ４が圧縮された状態で介装され、ニードル２と同心上に配置される。サラバネ４はその弾性復元力によりニードル２のシート部２ａを座面１ａから離すようになっている。
【００３０】
ニードル２を閉弁方向に駆動する圧電素子１０が設けられる。圧電素子１０はリード線１８を介して電圧が印加されることにより、図１に示すようにニードル２の摺動方向に伸長し、シート部２ａを座面１ａに着座させる。圧電素子１０はこれに印加される電圧を遮断し、かつ両端子を短絡させて内部の電荷を除去することにより瞬時に収縮する。そして、ニードル２が燃圧室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力Ｆによって軸方向に移動し、シート部２ａが座面１ａから離れる。圧電素子１０がニードル２を閉弁方向に駆動する力は、燃圧室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力Ｆより大きく設定されている。
【００３１】
圧電素子１０は円盤状をした複数の圧電単体が、同じく円盤状をした内部電極板を挟んで積層される。圧電単体は、電圧が印加され、電荷が蓄えられることによりその板厚が増える一方、電圧を遮断し、内部の電荷を除去することによりその板厚が減るようになっている。
【００３２】
圧電素子１０の固定端（基端）は端板１５とナット１６およびカバー１４を介してハウジング９に固定される。端板１５は圧電素子１０の固定端に結合されるとともに、これに螺合するナット１６を介してカバー１４に締結される。カバー１４はハウジング９の外周に螺合して結合される。
【００３３】
圧電素子１０の駆動端（先端）とニードル２の間には端板１１とボール８およびシム７が介装される。
【００３４】
圧電素子１０の駆動端には端板１１が結合される。ボール８は端板１１とニードル２の間に介装される。端板１１とニードル２の基端面には球面状に窪む一対の凹部がそれぞれ形成される。ボール８は各凹部の間に挟持される。
【００３５】
シム７は円盤状に形成される。シム７はニードル２の基端とハウジング９の間に介装され、ニードル２の軸方向の移動を規制する。すなわち、シム７の板厚によってニードル２のフルリフト量Ａが決まる。
【００３６】
圧電素子１０の最大伸長量Ｙはニードル２のフルリフト量Ａより大きく設定される。
【００３７】
リード線１８はハウジング９の穴１７から取り出され、穴１７とリード線１８の間はシール１９を介して密封される。
【００３８】
リード線１８は図示しない駆動回路へと延びている。図示しないコントロールユニットはエンジンの吸入空気量や回転数に応じて燃料噴射量を演算する。コントロールユニットで演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がパルス発生器でつくられ、このパルス信号に応じた電圧が駆動回路を介して圧電素子１０に印加される。
【００３９】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４０】
図１はエンジン始動前の状態である燃料噴射弁を示しており、圧電素子１０は電圧が印加されて伸長しており、ニードル２のシート部２ａを座面１ａに着座させている。
【００４１】
図２は燃料噴射弁の開弁作動の過程を示している。圧電素子１０はエンジン回転に同期して印加される電圧を遮断し、両端子間を短絡することにより瞬時に収縮し、ニードル２は燃圧室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力Ｆによって軸方向に移動し、図（ａ）（ｂ）（ｃ）の順にシート部２ａが座面１ａから離れる。
【００４２】
この開弁作動時、サラバネ４はニードル２に対して周方向に均一に分布する力を付与するため、ニードル２を偏心方向に付勢することなく、ニードル２の動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。
【００４３】
この開弁作動時、圧電素子１０の伸長量Ｙは、ニードル２のフルリフト量Ａより大きく設定されているため、ニードル２はシム７に着座して所定のフルリフト量Ａだけ移動する。したがって、ニードル２のフルリフト時には、（ｃ）図に示すように、ニードル２のシート部２ａと座面１ａの間には一定の燃料流路が画成され、燃圧室３に導かれる燃料圧力によって定まる燃料噴射率が得られる。
【００４４】
ニードル２のフルリフト時に、ボール８とニードル２の間には距離Ｂ（＝Ｙ−Ａ）の間隙が空く。圧電素子１０の伸長量Ｙに生じる固体バラツキに対応して、間隙の距離Ｂを伸長量Ｙのバラツキ幅より大きく設定することにより、圧電素子１０の固体バラツキに影響されることなく、一定のフルリフト量Ａが得られる。この結果、多気筒エンジンの場合、各気筒の燃料噴射量にバラツキが生じることを抑え、安定した運転性が確保される。
【００４５】
なお、図示した距離Ｂの寸法は、便宜上実際よりも誇張して大きくしてあるが、実際には数十μｍの値であり、ボール８が端板１１とニードル２の凹部間から脱落することはない。
【００４６】
図３は燃料噴射弁の閉弁作動の過程を示している。圧電素子１０はエンジン回転に同期して電圧が印加されることにより伸長し、ニードル２は燃圧室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力Ｆに抗して軸方向に移動し、図（ｄ）（ｅ）（ｆ）の順にシート部２ａが座面１ａに近づいて着座する。
【００４７】
この閉弁作動時、圧電素子１０の伸長量Ｙは、ニードル２のフルリフト量Ａより大きく設定されているため、圧電素子１０の伸長に伴ってニードル２のシート部２ａは座面１ａに着座する。
【００４８】
この閉弁作動時、圧電素子１０はボール８を介してニードル２に当接するため、圧電素子１０の寸法誤差や圧電素子１０の傾き等に影響されることなく、ニードル２の動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。そして、圧電素子１０に偏荷重が加わることを防止でき、圧電素子の耐久性も向上できる。
【００４９】
燃料噴射弁は、圧電素子１０の変位方向とニードル２の変位方向が一致しているため、圧電素子１０とニードル２を直列に並べ、圧電素子１０にニードル２を当接させて駆動することが可能となる。この結果、従来装置のように圧電素子１０の駆動力を逆転させてニードル２に伝達する機構が不要となり、構造の簡素化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【図２】同じく燃料噴射弁の閉弁作動の過程を示す断面図。
【図３】同じく燃料噴射弁の開弁作動の過程を示す断面図。
【図４】従来例を示す燃料噴射弁の断面図。
【符号の説明】
１    ノズルボディ
１ａ  座面
１ｂ  噴口
２    ニードル
２ａ  シート部
３    燃圧室
４    サラバネ
５    Ｏリング
６    バックアップリング
７    シム
８    ボール
９    ハウジング
１０    圧電素子
１１    端板
１２    燃料通路
１３    燃料入口
１４    カバー
１５    端板
１８    リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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