(57)【要約】【課題】ノズルニードルがリフトする際に変位拡大率が途中で変化する燃料噴射弁において、燃料を供給するポンプの容量を小さくする。【解決手段】ノズルニードル１２における反噴孔側の外周に摺動自在にアウタニードルストッパ３が装着され、ピエゾアクチュエータによりピエゾピストン６が駆動されて変位拡大室２２２、２３２の圧力が上昇すると、その圧力をノズルニードル１２とアウタニードルストッパ３が受けてノズルニードル１２が開弁向きに付勢される。ノズルニードル１２のリフト量が所定リフト量に達すると、アウタニードルストッパ３の移動がストッパ２３６にて規制され、変位拡大率が変化する。また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、変位拡大室２２２→ピエゾピストン６の外周側→低圧部位の１系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。【選択図】図２
2008151049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧燃料通路（２４）が形成されたホルダボディ（２）と、
前記高圧燃料通路に連通する背圧室（６４、７６、２３４）と、
通電状態に応じて伸縮するピエゾアクチュエータ（５）と、
前記ピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾピストン（６）と、
前記ピエゾピストンの変位に応じて燃料の圧力が変化する変位拡大室（７２、７４、９２、２２２、２３２）と、
前記高圧燃料通路に接続された噴孔（１１２）をノズルニードル（１２）により開閉するノズル（１）と、
前記ノズルニードルにおける反噴孔側の外周に摺動自在に装着されたアウタニードルストッパ（３）と、
前記ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリング（１３）とを備え、
前記ノズルニードルは、断面積を変化させて形成した肩部（１２６）を軸方向中間部に有し、反噴孔側の端面に前記背圧室の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるとともに、前記肩部に前記変位拡大室の圧力を受けて開弁向きに付勢され、
前記アウタニードルストッパは、一端面に前記変位拡大室の圧力を受けて前記ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ前記ノズルニードルを開弁向きに付勢し、
さらに、前記ノズルニードルと前記アウタニードルストッパは、前記ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ一体的に移動するように構成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記ピエゾアクチュエータ（５）は、前記高圧燃料通路（２４）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ホルダボディ（２）は、前記ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入される第１シリンダ孔（２２１）と前記アウタニードルストッパ（３）が摺動自在に挿入される第２シリンダ孔（２３１）とを備え、
前記第１シリンダ孔内空間に前記変位拡大室の一部（２２２）が形成され、
前記第２シリンダ孔内空間のうち、前記ノズルニードル（１２）の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパの他端面側に前記背圧室（２３４）が形成されるとともに、前記ノズルニードルの肩部（１２６）および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室の一部（２３２）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ（３）に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（２３６）が、前記ホルダボディ（２）に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入される第１シリンダ孔（７１）と前記アウタニードルストッパ（３）が摺動自在に挿入される第２シリンダ孔（７３）とが形成されたシリンダ（７）を備え、
前記第１シリンダ孔内空間に前記変位拡大室の一部（７２）が形成され、
前記第２シリンダ孔内空間のうち、前記ノズルニードル（１２）の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパ（３）の他端面側に前記背圧室（７６）が形成されるとともに、前記ノズルニードルの肩部（１２６）および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室の一部（７４）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ（３）に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（７８）が、前記シリンダ（７）に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入されるシリンダ（９）を備え、
前記ピエゾピストンは筒状であり、
前記ピエゾピストン内に前記アウタニードルストッパ（３）が摺動自在に挿入され、
前記ピエゾピストン内空間のうち、前記ノズルニードル（１２）の反噴孔側の端面および前記アウタニードルストッパの他端面側に前記背圧室（６４）が形成され、
前記シリンダ内空間のうち、前記ノズルニードルの肩部（１２６）および前記アウタニードルストッパの一端面側に前記変位拡大室（９２）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときに前記アウタニードルストッパ（３）に当接して前記アウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（６６）が、前記ピエゾピストン（６）に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記所定リフト量が、５０〜１００μｍに設定されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１の図３に示された燃料噴射弁は、ボディ内にノズルニードルと小径ピストンとバランスピストンが連結配置されている。また、低圧部に配置されたピエゾアクチュエータにより大径ピストン（ピエゾピストンに相当）を駆動して変位拡大室の燃料を加圧し、その加圧された燃料を小径ピストンの下部に供給する構成となっている。さらに、バランス圧力室に導入される高圧燃料の圧力がバランスピストンに作用するようになっている。
【０００３】
かかる構成の場合、バランスピストンが発生する力と、ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリングの力とを合算した力が、ノズルニードルを閉弁向きに付勢する力となる。
【０００４】
また、閉弁時には高圧燃料通路の燃料圧はノズルニードル先端のシート部に作用せず、ノズルニードル径とシート部径の差の部分に作用し、その燃料圧によりノズルニードルは開弁向きに付勢される。さらに、小径ピストンの下部に作用する燃料圧により、小径ピストンはノズルニードルを開弁向きに付勢する力を発生する。
【０００５】
そして、ピエゾアクチュエータに通電することにより、小径ピストン下部の燃料圧を高めてノズルニードルを開弁向きに作動させ、ノズルの噴孔から燃料を噴射させるようになっている。
【０００６】
また、ピエゾアクチュエータの変位量でノズルニードルのリフト量を制御することが可能で、かつ、変位拡大率（すなわち、変位拡大率＝ノズルニードルのリフト量／ピエゾアクチュエータの伸び量）が途中で変わるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−３２２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来の燃料噴射弁は、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路が多い。具体的には、変位拡大室→大径ピストンの外周側→低圧燃料通路の経路、バランス圧力室→バランスピストンの外周側→低圧燃料通路の経路、燃料溜まり→ノズルニードル→低圧燃料通路の経路がある。このため、多くの燃料が低圧部位へリークすることになり、燃料を供給するポンプの容量が大きくなり、コストがアップするという問題がある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、ノズルニードルがリフトする際に変位拡大率が途中で変化する燃料噴射弁において、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、高圧燃料通路（２４）が形成されたホルダボディ（２）と、高圧燃料通路に連通する背圧室（６４、７６、２３４）と、通電状態に応じて伸縮するピエゾアクチュエータ（５）と、ピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾピストン（６）と、ピエゾピストンの変位に応じて燃料の圧力が変化する変位拡大室（７２、７４、９２、２２２、２３２）と、高圧燃料通路に接続された噴孔（１１２）をノズルニードル（１２）により開閉するノズル（１）と、ノズルニードルにおける反噴孔側の外周に摺動自在に装着されたアウタニードルストッパ（３）と、ノズルニードルを閉弁向きに付勢するスプリング（１３）とを備え、ノズルニードルは、断面積を変化させて形成した肩部（１２６）を軸方向中間部に有し、反噴孔側の端面に背圧室の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるとともに、肩部に変位拡大室の圧力を受けて開弁向きに付勢され、アウタニードルストッパは、一端面に変位拡大室の圧力を受けてノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルを開弁向きに付勢し、さらに、ノズルニードルとアウタニードルストッパは、ノズルニードルのリフト量が所定リフト量以下の領域でのみ一体的に移動するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
このようにすれば、ノズルニードル（１２）がリフトする際に、所定リフト量以下の領域と所定リフト量を超える領域とで変位拡大率を変化させることができる。また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、全廃、ないしは変位拡大室（２２２）→ピエゾピストン（６）の外周側→低圧部位の１系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
【００１１】
また、燃料がリークする際の発熱量を抑制できるため、燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを抑制することができる。
【００１２】
この場合、ピエゾアクチュエータ（５）を高圧燃料通路（２４）内に配置すれば、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を全廃することができるため、低圧部位への燃料リーク量がゼロになり、燃料を供給するポンプの容量を一層小さくすることができる。
【００１３】
また、燃料リークによる発熱がないため、その発熱により燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを防止することができる。
【００１４】
さらに、従来必要であったリーク燃料を燃料タンクに戻す配管が不要となり、システムをより安価に製作することが可能である。
【００１５】
また、ホルダボディ（２）が、ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入される第１シリンダ孔（２２１）とアウタニードルストッパ（３）が摺動自在に挿入される第２シリンダ孔（２３１）とを備える場合、ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ（３）に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（２３６）を、ホルダボディ（２）に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
【００１６】
また、ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入される第１シリンダ孔（７１）とアウタニードルストッパ（３）が摺動自在に挿入される第２シリンダ孔（７３）とが形成されたシリンダ（７）を備えるようにすれば、ピエゾアクチュエータ（５）をノズルニードル（１２）と同軸に配置することができる。
【００１７】
この場合、ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ（３）に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（７８）を、シリンダ（７）に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
【００１８】
また、ピエゾピストン（６）が摺動自在に挿入されるシリンダ（９）を備え、ピエゾピストンを筒状とし、ピエゾピストン内にアウタニードルストッパ（３）を摺動自在に挿入し、ピエゾピストン内空間のうち、ノズルニードル（１２）の反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパの他端面側に背圧室（６４）を形成し、シリンダ内空間のうち、ノズルニードルの肩部（１２６）およびアウタニードルストッパの一端面側に変位拡大室（９２）を形成すれば、変位拡大室の容積を小さくすることが可能であり、ピエゾアクチュエータ（５）の伸びの伝達ロスを抑制することができる。また、ピエゾアクチュエータ（５）の伸びを伝達する機構をコンパクトにできるため、燃料噴射弁の長さを短くすることができる。
【００１９】
この場合、ノズルニードル（１２）のリフト量が所定リフト量に達したときにアウタニードルストッパ（３）に当接してアウタニードルストッパの移動を規制するストッパ部（６６）を、ピエゾピストン（６）に設けるようにすれば、所定リフト量以下の領域でのみノズルニードルとアウタニードルストッパを一体的に移動させることを簡単な構成で実現することができる。
【００２０】
ところで、ノズルニードル（１２）のリフト量が概ね１００μｍ以下の領域は、ノズルニードル（１２）のシート部とノズルボディの弁座との隙間が狭く通路絞りになる領域、すなわちノズルニードル（１２）のリフト量を制御して噴射率を制御することが可能な領域である。また、変位拡大率が小さい所定リフト量以下の領域では、ノズルニードル（１２）のリフト量を良好に制御することができる。
【００２１】
そこで、所定リフト量を５０〜１００μｍに設定すれば、通路絞りになる領域のノズルニードル（１２）のリフト量を良好に制御することができる。
【００２２】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図２は図１の燃料噴射弁における要部の断面図である。
【００２４】
燃料噴射弁は、内燃機関（より詳細にはディーゼルエンジン、図示せず）のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器（図示せず）内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。
【００２５】
図１、図２に示すように、燃料噴射弁は、開弁時に燃料を噴射するノズル１を備えている。このノズル１は、ノズルボディ１１と、ノズルボディ１１に摺動自在に保持されたニードル１２とを有している。
【００２６】
ノズルボディ１１には、ホルダボディ（詳細後述）の高圧燃料通路を介して高圧燃料が供給される燃料溜まり１１１、この燃料溜まり１１１を介して供給される高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させる噴孔１１２、噴孔１１２の上流側に設けられたテーパ状の弁座１１３、およびニードル１２を摺動自在に保持するニードル収納孔１１４が形成されている。
【００２７】
ニードル１２には、噴孔１１２側から反噴孔側に向かって順に、テーパ状のシート部１２１、第１円柱部１２２、第１円柱部１２２よりも径が大きい第２円柱部１２３、第２円柱部１２３よりも径が大きい第３円柱部１２４、第３円柱部１２４よりも径が大きい鍔部１２５が形成されている。なお、第２円柱部１２３と第３円柱部１２４との境界部を、肩部１２６という。
【００２８】
そして、シート部１２１が弁座１１３に接離することにより、噴孔１１２が開閉されるようになっている。第２円柱部１２３がニードル収納孔１１４に摺動自在にかつ液密に保持されている。第３円柱部１２４の外周には、円筒状のアウタニードルストッパ３が摺動自在に装着されている。
【００２９】
ノズル１の反噴孔側にはホルダボディ２が配設され、ノズル１とホルダボディ２は、リテーニングナット４により結合されている。ホルダボディ２は第１〜第３ボディ２１〜２３からなり、反ノズル側からノズル１側に向かって順に、第１ボディ２１、第２ボディ２２、第３ボディ２３が配置されている。
【００３０】
第１〜第３ボディ２１〜２３には、蓄圧器から供給される高圧燃料が流通する高圧燃料通路２４が形成されており、高圧燃料通路２４を介して高圧燃料が燃料溜まり１１１に導かれるようになっている。
【００３１】
第１ボディ２１にはアクチュエータ室２１１が形成され、このアクチュエータ室２１１は、低圧燃料通路２１２を介して図示しない低圧部位としての燃料タンクに接続されている。アクチュエータ室２１１には、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾアクチュエータ５が収納されている。
【００３２】
第２ボディ２２には第１シリンダ孔２２１が形成され、この第１シリンダ孔２２１には、ピエゾアクチュエータ５により駆動されるピエゾピストン６が摺動自在に挿入されている。第１シリンダ孔２２１内の空間には、ピエゾピストン６の移動に伴って容積や圧力が変化する第１変位拡大室２２２が形成されている。第１変位拡大室２２２には、ピエゾピストン６をピエゾアクチュエータ５側に付勢する皿ばね６１が配設されている。
【００３３】
第３ボディ２３には第２シリンダ孔２３１が形成され、この第２シリンダ孔２３１には、アウタニードルストッパ３が摺動自在に挿入されている。第２シリンダ孔２３１内の空間には、ノズルニードル１２の肩部１２６における噴孔１側の端面およびアウタニードルストッパ３における噴孔１側の端面に対向して、第２変位拡大室２３２が形成されている。第１変位拡大室２２２と第２変位拡大室２３２は、第２ボディ２２に形成された連通孔２２３および第３ボディ２３に形成された連通孔２３３により接続されるとともに、燃料が充填されている。
【００３４】
そして、ノズルニードル１２は、肩部１２６に第２変位拡大室２３２の圧力を受けて開弁向きに付勢されるようになっている。アウタニードルストッパ３は、ノズルニードル１２の鍔部１２５と係合しているため、噴孔１側の端面に第２変位拡大室２３２の圧力を受けた際には、鍔部１２５を介してノズルニードル１２を開弁向きに付勢するようになっている。
【００３５】
第２シリンダ孔２３１内の空間には、ノズルニードル１２における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ３における反噴孔側の端面に対向して、背圧室２３４が形成されている。この背圧室２３４は、第３ボディ２３に形成された連通孔２３５を介して高圧燃料通路２４に接続されている。ノズルニードル１２は、背圧室２３４の圧力を受けて閉弁向きに付勢されるようになっている。背圧室２３４には、ノズルニードル１２を閉弁向きに付勢するスプリング１３が配設されている。
【００３６】
第２シリンダ孔２３１は段付き形状になっていて、第３ボディ２３にストッパ部２３６が形成されている。そして、アウタニードルストッパ３がノズルニードル１２とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル１２のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ３がストッパ部２３６に当接して、アウタニードルストッパ３の移動が規制されるようになっている。
【００３７】
次に、上記構成になる燃料噴射弁の作動を、図１〜図４に基づいて説明する。なお、図３は燃料噴射弁の作動説明に供するタイムチャート、図４は燃料噴射弁の作動状態を示す要部の断面図である。
【００３８】
まず、ピエゾアクチュエータ５に通電されていないときには、背圧室２３４の圧力Ｐｃとスプリング１３の付勢力によりノズルニードル１２は閉弁向きに付勢され（図４（ａ）の状態）、シート部１２１が弁座１１３に当接して噴孔１１２が閉じられている。
【００３９】
ピエゾアクチュエータ５に通電されると（図３の時刻ｔ１）、ピエゾアクチュエータ５は逆圧電効果により伸張してピエゾピストン６が移動し、第１変位拡大室２２２内の燃料が加圧され、それと連通した第２変位拡大室２３２の圧力Ｐｘが上昇し、第２変位拡大室２３２の圧力Ｐｘがノズルニードル１２の肩部１２６およびアウタニードルストッパ３に作用して、ノズルニードル２を開弁向きに付勢する力（以下、開弁付勢力という）Ｆ２が大きくなる。
【００４０】
ここで、ピエゾピストン６の断面積をＳｐ、アウタニードルストッパ３の断面積をＳｏ、ノズルニードル１２における第３円柱部１２４の断面積をＳｉ、ノズルニードル１２における第２円柱部１２３の断面積をＳｎ、ノズルニードル１２のシート部１２１のうち、閉弁時に高圧燃料通路２４の燃料圧が作用しない領域の断面積をＳｓとする。また、ピエゾアクチュエータ５の加圧力をＦｐとする。
【００４１】
そして、下式（１）のように、開弁付勢力Ｆ２がノズルニードル２を閉弁向きに付勢する力（以下、閉弁付勢力という）Ｆ１を上回ると（図３の時刻ｔ２）、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２は一体で開弁向きに移動し始め（図４（ｂ）の状態）、シート部１２１が弁座１１３から離れて噴孔１１２が開かれ、燃料噴射が開始される。
【００４２】
Ｆ１＝Ｐｃ×（Ｓｂ−Ｓｎ＋Ｓｓ）＜Ｆ２＝Ｐｘ×（Ｓｏ＋Ｓｉ−Ｓｎ）  …式（１）
なお、開弁開始時の第２変位拡大室２３２の圧力Ｐｘを一段目リフト時圧力Ｐｘ１とすると、一段目リフト時圧力Ｐｘ１は下式（２）で表される。
【００４３】
Ｐｘ１＝｛（Ｓｐ−Ｓｎ＋Ｓｓ）・Ｐｃ＋Ｆｐ｝／（Ｓｉ＋Ｓｏ−Ｓｎ）  …式（２）
さらにピエゾアクチュエータ５への通電を継続すると、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２はさらに開弁向きに移動して、図４（ｃ）に示すようにアウタニードルストッパ３がストッパ部２３６に当接する（図３の時刻ｔ３）。このため、アウタニードルストッパ３はノズルニードル１２を開弁向きに付勢することができなくなり、ノズルニードル１２も一端停止する。
【００４４】
そして、第２変位拡大室２３２の圧力Ｐｘがさらに上昇すると、図４（ｄ）および図４（ｅ）に示すように、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２のうちノズルニードル１２のみが開弁向きにさらに移動する（図３の時刻ｔ４〜ｔ５）。
【００４５】
なお、ノズルニードル１２のみが開弁向きに移動を開始する時の第２変位拡大室２３２の圧力Ｐｘを二段目リフト時圧力Ｐｘ２とすると、二段目リフト時圧力Ｐｘ２は下式（３）で表される。
【００４６】
Ｐｘ２＝｛（Ｓｐ−Ｓｎ）・Ｐｃ＋Ｆｐ／（Ｓｉ−Ｓｎ）｝  …式（３）
ここで、ノズルニードル１２のリフト量をＬ、ピエゾアクチュエータ５の伸び量をＬｐとすると、Ｌ／Ｌｐが変位拡大率である。そして、リフト量Ｌ＝０からアウタニードルストッパ３がストッパ部２３６に当接するまでの間の変位拡大率を一段目変位拡大率ａ１とすると、ａ１＝Ｓｐ／（Ｓｏ＋Ｓｉ−Ｓｎ）である。アウタニードルストッパ３がストッパ部２３６に当接した後の変位拡大率を二段目変位拡大率ａ２とすると、ａ２＝Ｓｐ／（Ｓｉ−Ｓｎ）となる。したがって、二段目変位拡大率ａ２は一段目変位拡大率ａ１よりも大きくなる
次に、一段目変位拡大率ａ１の決め方について説明する。まず、二段目変位拡大率ａ２は、ａ２＞（ニードルフルリフト量／ピエゾ伸び量）、であることが必要であることは言うまでもない。また、ピエゾアクチュエータ５及び軽油の合成のバネ定数をｋとすると、通電時にピエゾアクチュエータ５が発生する力（以下、ピエゾ加圧力という）Ｆｐは、Ｆｐ＝ｋ×Ｌ、となる。
【００４７】
そして、ノズルニードル１２に作用する力Ｆｎ＝Ｆｐ／ａ１＞ニードル開弁力Ｆ＝Ｓｓ×Ｐｃ、で開弁することが可能となる。従って、一段目変位拡大率ａ１は、下式（４）を満足する必要がある。
【００４８】
ａ１＜Ｆ／Ｆｐ＝Ｆ／（ｋ×Ｌ）  …式（４）
また、ピエゾアクチュエータ５の最大伸び量をＬｐｍａｘ、リフト量Ｌ＝０からアウタニードルストッパ３がストッパ部２３６に当接するまでの間のリフト量を一段目ニードルリフト量Ｌ１とすると、Ｌｐｍａｘ×ａ１が一段目ニードルリフト量Ｌ１よりも大きくないと二段目のリフトができないことは明らかであることから、一段目変位拡大率ａ１は、下式（５）を満足する必要がある。
【００４９】
ａ１＞Ｌ１／Ｌｐｍａｘ  …式（５）
そして、式（４）および式（５）から、一段目変位拡大率ａ１は、下式（６）の範囲内であることが必要である。
【００５０】
Ｆ／Ｆｐ＝Ｆ／（ｋ×Ｌ）＞ａ１＞Ｌ１／Ｌｐｍａｘ  …式（６）
本実施形態では、ノズルニードル１２がリフトする際に、一段目ニードルリフト量Ｌ１以下の領域と一段目ニードルリフト量Ｌ１を超える領域とで変位拡大率を変化させることができる。換言すると、ピエゾアクチュエータ５により加圧された燃料の圧力を受けて開弁向きの力を発生する部位の受圧面積を切換える構造とすることで、ニードルリフト量が小の時には受圧面積を大とし、小さなエネルギで確実に開弁させると共に、ニードルリフト量が大の時には、受圧面積を小とすることで必要なニードルリフト量を確保することができる。
【００５１】
また、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を、第１変位拡大室２２２→ピエゾピストン６の外周側→アクチュエータ室２１１→低圧燃料通路２１２の１系統のみにすることができるため、低圧部位への燃料リーク量を低減して、燃料を供給するポンプの容量を小さくすることができる。
【００５２】
また、燃料がリークする際の発熱量を抑制できるため、燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを抑制することができる。
【００５３】
ところで、ノズルニードル１２のリフト量が概ね１００μｍ以下の領域は、ノズルニードル１２のシート部１２１とノズルボディ１１の弁座１１３との隙間が狭く通路絞りになる領域、すなわちノズルニードル１２のリフト量を制御して噴射率を制御することが可能な領域である。また、変位拡大率が小さい一段目ニードルリフト量Ｌ１以下の領域では、ノズルニードル１２のリフト量を良好に制御することができる。そこで、一段目ニードルリフト量Ｌ１を５０〜１００μｍに設定することにより、通路絞りになる領域のノズルニードル１２のリフト量を良好に制御することができる。
【００５４】
また、ノズルニードル１２のリフト量が一段目ニードルリフト量Ｌ１に達すると、第２変位拡大室２３２の圧力ＰｘがＰｘ１〜Ｐｘ２の間では、二段目リフトを開始する圧力に達していないため、ノズルニードル１２のリフト量は一段目ニードルリフト量Ｌ１のまま変化しない。従って、少リフト量を多用する場合、一段目ニードルリフト量Ｌ１を必要とされる少リフト量に設定することで、ピエゾアクチュエータ５の伸び量が温度等で変化した場合でも、第２変位拡大室２３２の圧力ＰｘがＰｘ１〜Ｐｘ２の範囲内ではノズルニードル１２のリフト量は一段目ニードルリフト量Ｌ１のまま変化せず、一定のリフト量に制御することが可能である。
【００５５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
第１実施形態では、ピエゾアクチュエータ５が収納されるアクチュエータ室２１１は低圧燃料通路２１２を介して燃料タンクに接続されているが、本実施形態では、図５に示すように、低圧燃料通路２１２が廃止され、ピエゾアクチュエータ５が収納されるアクチュエータ室２１１は高圧燃料通路２４を拡大して形成されている。換言すると、アクチュエータ室２１１は高圧燃料通路２４の一部をなしており、ピエゾアクチュエータ５は高圧燃料通路２４内に配置されている。
【００５７】
これによると、第１変位拡大室２２２は、ピエゾピストン６の外周側を介して、高圧のアクチュエータ室２１１に繋がる。したがって、高圧部位が摺動部を介して低圧部位に繋がる経路を全廃することができ、低圧部位への燃料リーク量がゼロになり、燃料を供給するポンプの容量を一層小さくすることができる。
【００５８】
また、燃料リークによる発熱がないため、その発熱により燃料噴射弁が高温になったり、燃料が劣化することを防止することができる。
【００５９】
さらに、従来必要であったリーク燃料を燃料タンクに戻す配管が不要となり、システムをより安価に製作することが可能である。
【００６０】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図６は本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図７は図６の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６１】
図６、図７に示すように、ホルダボディ２は、分割されておらず、１つの部材からなる。そして、ホルダボディ２は低圧燃料通路２１２（図１参照）が廃止され、アクチュエータ室２１１は高圧燃料通路２４を拡大して形成されている。
【００６２】
アクチュエータ室２１１内には、ピエゾアクチュエータ５よりもノズル１側にシリンダ７が配設されている。シリンダ７におけるピエゾアクチュエータ５側には、ピエゾピストン６が摺動自在に挿入される第１シリンダ孔７１が形成され、第１シリンダ孔７１内の空間には、ピエゾピストン６の移動に伴って容積や圧力が変化する第１変位拡大室７２が形成されている。ピエゾピストン６は、シリンダ７とピエゾピストン６との間に配設されたコイルばね６２により、ピエゾアクチュエータ５側に付勢されている。
【００６３】
シリンダ７におけるノズル１側には、アウタニードルストッパ３が摺動自在に挿入される第２シリンダ孔７３が形成され、第２シリンダ孔７３内の空間には、ノズルニードル１２の肩部１２６における噴孔１側の端面およびアウタニードルストッパ３における噴孔１側の端面に対向して、第２変位拡大室７４が形成されている。第１変位拡大室７２と第２変位拡大室７４は、シリンダ７に形成された連通孔７５により接続されるとともに、燃料が充填されている。
【００６４】
第２シリンダ孔７３内の空間には、ノズルニードル１２における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ３における反噴孔側の端面に対向して、背圧室７６が形成されている。この背圧室７６は、シリンダ７に形成された連通孔７７を介して高圧燃料通路２４に接続されている。
【００６５】
第２シリンダ孔７３は段付き形状になっていて、シリンダ７にストッパ部７８が形成されている。そして、アウタニードルストッパ３がノズルニードル１２とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル１２のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ３がストッパ部７８に当接して、アウタニードルストッパ３の移動が規制されるようになっている。
【００６６】
シリンダ７とノズル１との間には、プレート８が配設されている。プレート８には、ノズルニードル１２の第２円柱部１２３を摺動自在に保持するニードル収納孔８１、および高圧燃料通路２４からの高圧燃料をノズル１に導くための切り欠き溝８２が形成されている。
【００６７】
ノズルボディ１１におけるプレート８側には、ノズルニードル１２の第２円柱部１２３よりも径が大きい拡大孔１１５が形成され、ノズルニードル１２における第２円柱部１２３の外周面には、３ないし４面にカットしたカット面１２７が形成されている。そして、高圧燃料通路２４からの高圧燃料は、切り欠き溝８２、拡大孔１１５、およびカット面１２７を介して、噴孔１１２に導かれるようになっている。
【００６８】
スプリング１３は拡大孔１１５内に配設されており、このスプリング１３によりノズルニードル１２が閉弁向きに付勢されるとともに、プレート８がシリンダ７に押し付けられている。
【００６９】
ピエゾアクチュエータ５とピエゾピストン６とノズルニードル１２は、同軸に配置されている。
【００７０】
上記構成になる燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータ５に通電されると、ピエゾアクチュエータ５が伸張してピエゾピストン６が移動し、第１変位拡大室７２および第２変位拡大室７４の圧力Ｐｘが上昇し、第２変位拡大室７４の圧力Ｐｘがノズルニードル１２の肩部１２６およびアウタニードルストッパ３に作用して、ノズルニードル１２を開弁向きに付勢する。
【００７１】
そして、第１実施形態と同様に、第２変位拡大室７４の圧力Ｐｘの上昇に伴って、ノズルニードル２が２段階にリフトする。
【００７２】
なお、本実施形態は、第１実施形態のノズル１と組合わせてもよいことはいうまでもない。
【００７３】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図８は本発明の第４実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図、図９は図８の燃料噴射弁における要部の断面図である。上記各実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
図８、図９に示すように、ホルダボディ２は、第１ボディ２１と第２ボディ２２からなる。そして、ホルダボディ２は低圧燃料通路２１２（図１参照）が廃止され、アクチュエータ室２１１は高圧燃料通路２４を拡大して形成されている。
【００７５】
アクチュエータ室２１１内には、ピエゾアクチュエータ５よりもノズル１側に筒状のシリンダ９が配設されている。シリンダ９にはシリンダ孔９１が形成されており、シリンダ孔９１に有底円筒状のピエゾピストン６が摺動自在に挿入されている。
【００７６】
ピエゾピストン６にはシリンダ孔６３が形成されており、シリンダ孔６３にアウタニードルストッパ３が摺動自在に挿入されている。
【００７７】
シリンダ９に形成されたシリンダ孔９１内の空間には、ノズルニードル１２の肩部１２６における噴孔１側の端面およびアウタニードルストッパ３における噴孔１側の端面に対向して、変位拡大室９２が形成されている。変位拡大室９２は、燃料が充填されていて、ピエゾピストン６の移動に伴って容積や圧力が変化するようになっている。
【００７８】
ピエゾピストン６に形成されたシリンダ孔６３内の空間には、ノズルニードル１２における反噴孔側の端面およびアウタニードルストッパ３における反噴孔側の端面に対向して、背圧室６４が形成されている。この背圧室６４は、ピエゾピストン６に形成された連通孔６５を介して高圧燃料通路２４に接続されている。
【００７９】
ピエゾピストン６に形成されたシリンダ孔６３は段付き形状になっていて、ピエゾピストン６にストッパ部６６が形成されている。そして、アウタニードルストッパ３がノズルニードル１２とともに開弁向きに移動する際に、ノズルニードル１２のリフト量が所定リフト量に達したときに、アウタニードルストッパ３がストッパ部６６に当接して、アウタニードルストッパ３の移動が規制されるようになっている。
【００８０】
上記構成になる燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータ５に通電されると、ピエゾアクチュエータ５が伸張してピエゾピストン６が移動し、変位拡大室９２の圧力Ｐｘが上昇し、変位拡大室９２の圧力Ｐｘがノズルニードル１２の肩部１２６およびアウタニードルストッパ３に作用して、ノズルニードル２を開弁向きに付勢する。
【００８１】
そして、開弁付勢力Ｆ２が閉弁付勢力Ｆ１を上回ると、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２は一体で開弁向きに移動し始め、燃料噴射が開始される。
【００８２】
さらにピエゾアクチュエータ５への通電を継続すると、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２はさらに開弁向きに移動して、アウタニードルストッパ３がストッパ部６６に当接する。このため、アウタニードルストッパ３はノズルニードル１２を開弁向きに付勢することができなくなり、ノズルニードル１２も一端停止する。
【００８３】
そして、変位拡大室９２の圧力Ｐｘがさらに上昇すると、アウタニードルストッパ３およびノズルニードル１２のうちノズルニードル１２のみが開弁向きにさらに移動する。
【００８４】
すなわち、第１実施形態と同様に、変位拡大室９２の圧力Ｐｘの上昇に伴って、ノズルニードル１２が２段階にリフトする。
【００８５】
上記各実施形態では変位拡大室が２つであるのに対し、本実施形態では変位拡大室９２が１つであるため、変位拡大室の容積を小さくすることが可能であり、ピエゾアクチュエータ５の伸びの伝達ロスを抑制することができる。また、ピエゾアクチュエータ５の伸びを伝達する機構をコンパクトにできるため、燃料噴射弁の長さを短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁における要部の断面図である。
【図３】燃料噴射弁の作動説明に供するタイムチャートである。
【図４】燃料噴射弁の作動状態を示す要部の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図７】図６の燃料噴射弁における要部の断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図９】図８の燃料噴射弁における要部の断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…ノズル、２…ホルダボディ、３…アウタニードルストッパ、５…ピエゾアクチュエータ、６…ピエゾピストン、１２…ノズルニードル、１３…スプリング、２４…高圧燃料通路、６４、７６、２３４…背圧室、７２、７４、９２、２２２、２３２…変位拡大室、１１２…噴孔、１２６…肩部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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