(57)【要約】【課題】常時リークを無くすことができ、更に、制御バルブ１６が低圧ポート１９を閉じた時のシート性を向上できること。【解決手段】バルブ室１５に高圧ポート２０を介して連通するガイド穴１７には、制御バルブ１６と一体に可動するガイド部１８が摺動自在に収容され、スプリング２６により制御バルブ１６が低圧ポート１９を閉じる方向に付勢されている。高圧ポート２０には、分岐通路２３を介して高圧通路より高圧燃料が供給され、この燃料圧力が、制御バルブ１６とガイド部１８とに略等しく作用し、制御バルブ１６を押し上げる力と、ガイド部１８を押し下げる力とが釣り合う様に構成されている。また、ガイド部１８より反高圧ポート側のガイド穴１７（油溜室１７ａ）とバルブ室１５とがバイパス通路２７によって連通されることで、油溜室１７ａとバルブ室１５とが常時同じ燃料圧力に保たれている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧通路に通じる低圧ポートと高圧通路に通じる高圧ポート、及び油圧制御の対象となる油圧制御室に連通する制御ポートを有するバルブ室と、
前記高圧ポートを介して前記バルブ室に連通するガイド穴と、
前記バルブ室に収容され、前記低圧ポートと前記高圧ポートの何方か一方を閉塞できる制御バルブと、
前記ガイド穴に摺動自在に収容され、前記制御バルブに連結されて前記制御バルブと一体に可動すると共に、前記制御バルブが前記低圧ポートを開いて前記高圧ポートを閉じる方向（前記高圧ポートの圧力が前記制御バルブに及ぼす圧力荷重をキャンセルする方向）に前記高圧ポートの燃料圧力を受けるガイド部と、
印加電圧に応じて伸長する圧電素子を有し、この圧電素子の変位を前記制御バルブに伝達して、前記低圧ポートを開いて前記高圧ポートを閉じる方向に前記制御バルブを駆動する駆動手段とを備え、
前記低圧ポートと前記高圧ポートのどちらか一方を前記制御バルブが閉塞することにより、前記制御ポートに連通する前記低圧ポートと前記高圧ポートとを切り替える圧電素子駆動による３方向切替弁であって、
前記ガイド部より反高圧ポート側の前記ガイド穴に形成される油溜室と前記バルブ室とを連通するバイパス通路を設けたことを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項２】
請求項１に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記制御バルブによって閉塞される前記高圧ポートのシート径と、前記ガイド穴の内径とが略同一寸法に設けられていることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項３】
請求項１または２に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記油溜室にスプリングが配設され、このスプリングの反力が前記ガイド部に作用して、前記制御バルブが前記高圧ポートを開いて前記低圧ポートを閉じる方向に付勢していることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記油圧制御室から前記制御ポートに通じる燃料通路を有し、この燃料通路の一部に絞りが設けられていることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項５】
請求項１〜３に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記油圧制御室から前記制御ポートに通じる燃料通路を有し、この燃料通路は、前記油溜室と前記バルブ室とを連通する前記バイパス通路と、前記油溜室と前記油圧制御室とを連通する連通路とで形成され、この連通路に絞りが設けられていることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項６】
請求項１〜５に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記制御バルブは、前記低圧ポートを閉じる時に、前記低圧ポートの開口部に設けられる低圧側シートに着座する低圧側シート部と、前記高圧ポートを閉じる時に、前記高圧ポートの開口部に設けられる高圧側シートに着座する高圧側シート部とを有し、前記低圧側シート部と前記高圧側シート部との間で分割されていることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項７】
請求項６に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記制御バルブは、前記低圧側シート部を有する低圧側弁体と、前記高圧側シート部を有する高圧側弁体とで構成され、
前記低圧側弁体は、平坦面を有する半球形状に設けられて、前記平坦面に前記低圧側シート部が形成され、
前記高圧側弁体は、円錐状に凹設された保持面を有し、この保持面にて前記低圧側弁体の半球表面を支持していることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項８】
請求項６に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、
前記制御バルブは、前記低圧側シート部を有する低圧側弁体と、前記高圧側シート部を有する高圧側弁体とで構成され、
前記低圧側弁体は、平坦面を有する半球形状に設けられて、その半球表面に前記低圧側シート部が形成され、この低圧側シート部が、前記低圧ポートの開口部に形成される円錐状のシート面に着座して前記低圧ポートを閉塞し、
前記高圧側弁体は、平坦に形成された保持面を有し、この保持面にて前記低圧側弁体の平坦面を支持していることを特徴とする圧電素子駆動による３方向切替弁。
【請求項９】
請求項１〜８に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁を用いた燃料噴射弁であって、
燃料を噴射するための噴孔を有すると共に、前記噴孔を開閉するためのニードルを内蔵するノズル部を備え、
前記油圧制御室の燃料圧力が前記ニードルを閉弁方向へ付勢する様に構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧制御室に連通する制御ポートを、高圧ポートと低圧ポートの何方か一方の連通状態に切り替えるための圧電素子駆動による３方向切替弁、およびその３方向切替弁を用いた燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼル機関等の燃焼室に高圧燃料を噴射するための燃料噴射弁がある。
例えば、特許文献１に記載された燃料噴射弁Ａは、図６に示す様に、ニードル１００によって噴孔１１０を開閉するノズル部１２０と、ニードル１００を閉弁方向に付勢する燃料圧力を蓄える背圧室１３０（制御室）と、この背圧室１３０に通じるバルブ室１４０に収容されて、そのバルブ室１４０と低圧通路１５０あるいは高圧通路１６０との間を連通または遮断する制御バルブ１７０と、この制御バルブ１７０を駆動する駆動手段等より構成され、その駆動手段として、応答性の良いピエゾアクチュエータ１８０が採用されている。ピエゾアクチュエータ１８０は、印加電圧に応じて伸長する圧電素子を用いて構成され、その圧電素子の変位が、油密室１９０を挟んで対向する大小２個のピストン２００、２１０を介して制御バルブ１７０に伝達される。
【０００３】
制御バルブ１７０を収容するバルブ室１４０は、低圧通路１５０に通じる低圧ポート２２０と、高圧通路１６０に通じる高圧ポート２３０とを有し、制御バルブ１７０によって低圧ポート２２０と高圧ポート２３０の何方か一方が閉塞される。これにより、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を開くと、背圧室１３０と低圧通路１５０とが連通して背圧室１３０の燃料圧力が低下するため、ニードル１００がリフトして噴射が行われる。その後、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を閉じると、背圧室１３０と低圧通路１５０との間が遮断されて背圧室１３０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１００が押し戻されて噴射が終了する。
【０００４】
しかし、上記の燃料噴射弁Ａでは、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を開いて高圧ポート２３０を閉じる際に、高圧圧力に抗して制御バルブ１７０を駆動する必要がある。このため、駆動手段にピエゾアクチュエータ１８０を用いると、図３に破線位置で示す様に、高圧ポート２３０を閉じるために必要な印加電圧が大きくなってしまう。なお、図中の黒丸は、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を開く際に、ピエゾアクチュエータ１８０に掛かる開弁負荷であり、黒四角は、制御バルブ１７０が高圧ポート２３０を閉じる際に、ピエゾアクチュエータ１８０に掛かる閉弁負荷であり、それぞれピエゾアクチュエータ１８０の出力荷重と出力変位とで表される。つまり、高圧ポート２３０を閉じる時は、高圧圧力に抗して制御バルブ１７０を駆動するため、出力荷重が大きく、且つ低圧ポート２２０を開く時より出力変位が大きくなるので、図中の破線位置で示される様に、印加電圧が大きくなる。
【０００５】
これに対し、特許文献２に記載された燃料噴射弁Ｂでは、図７に示す様に、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を開いて高圧ポート２３０を閉じる際に、制御バルブ１７０に掛かる高圧圧力をキャンセルできる圧力バランス弁が採用されている。
この圧力バランス弁は、制御バルブ１７０と一体に可動するガイド部２４０を備え、このガイド部２４０に掛かる高圧圧力が、制御バルブ１７０を図示下方へ付勢する力となり、この力が、制御バルブ１７０を図示上方へ付勢する高圧圧力と略釣り合うことで、高圧ポート２３０を閉じる時に必要な出力荷重を小さくできる。
【０００６】
また、ガイド部２４０が収容されるガイド穴２５０の底部は、連通路２６０を介して低圧通路１５０に接続されているため、ガイド部２４０の底面に低圧圧力が作用している。このため、特許文献１に記載した燃料噴射弁Ａと比較すると、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を開く時に必要な出力荷重も小さくできる。その結果、図３に示す様に、低圧ポート２２０を開く時の開弁負荷（図中の白丸）、及び高圧ポート２３０を閉じる時の閉弁負荷（図中の白四角）を小さくできるので、ピエゾアクチュエータ１８０の印加電圧を実線位置まで下げることができる。
【特許文献１】特開２００３−１４８２７７号公報
【特許文献２】特願２００２−３４５５８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献２に記載した燃料噴射弁Ｂでは、ガイド穴２５０の底部が低圧通路１５０に通じており、高圧ポート２３０との圧力差が大きいため、ガイド穴２５０とガイド部２４０との摺動隙間（クリアランス）より常時リークが生じるという問題があった。  また、制御バルブ１７０は、ガイド部２４０に支持され、そのガイド部２４０がガイド穴２５０に摺動自在に収容されることで、制御バルブ１７０の姿勢が保たれている。このため、例えば、制御バルブ１７０の上端部の低圧側シート部がテーパ状のシート形状を有する場合には、低圧ポート２２０の中心とガイド穴２５０の中心とがずれている（つまり同軸度が確保されていない）と、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を閉じる際に、ガイド部２４０がガイド穴２５０の内周面に片当たりして摩耗が発生し、その結果、上記のリーク量が増大する虞があった。
【０００８】
また、制御バルブ１７０の上端部の低圧側シート部が平面状のシート形状を有する場合でも、低圧ポート２２０のシート面に対してガイド穴２５０の中心が傾いている（直角度が確保されていない）と、制御バルブ１７０が低圧ポート２２０を閉じた時のシート性が低下するという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、制御バルブが低圧ポートを閉じた時のバルブ摺動部の常時リークを無くすことができ、更に、制御バルブが低圧ポートを閉じた時のシート性を向上できる圧電素子駆動による３方向切替弁、およびその３方向切替弁を用い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】
【０００９】
（請求項１の発明）
本発明は、低圧ポートと高圧ポートのどちらか一方を制御バルブが閉塞することにより、制御ポートに連通する低圧ポートと高圧ポートとを切り替える圧電素子駆動による３方向切替弁であって、バルブ室に高圧ポートを介して連通するガイド穴と、このガイド穴に摺動自在に収容され、制御バルブに連結されて制御バルブと一体に可動すると共に、制御バルブが低圧ポートを開いて高圧ポートを閉じる方向（高圧ポートの圧力が制御バルブに及ぼす圧力荷重をキャンセルする方向）に高圧ポートの燃料圧力を受けるガイド部とを備え、このガイド部より反高圧ポート側のガイド穴に形成される油溜室とバルブ室とを連通するバイパス通路を設けたことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、ガイド部より反高圧ポート側のガイド穴に形成される油溜室とバルブ室とがバイパス通路によって連通されているので、制御バルブが低圧ポートを閉じて、バルブ室が高圧ポート圧となる時（無噴射時）には、高圧ポートと油溜室とが常に同じ燃料圧力となり、ガイド穴とガイド部との摺動隙間（クリアランス）による常時リークを無くすことができる。
【００１１】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、制御バルブによって閉塞される高圧ポートのシート径と、ガイド穴の内径とが略同一寸法に設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、高圧ポート内の燃料圧力が制御バルブとガイド部とに略同等に作用する。つまり、制御バルブを低圧ポート側へ付勢する燃料圧力と、制御バルブを高圧ポート側へ付勢する燃料圧力（ガイド部に作用する燃料圧力）とが略釣り合うため、駆動手段が制御バルブを高圧ポート側へ駆動する際に、制御バルブに作用する燃料圧力（制御バルブを低圧ポート側へ付勢する燃料圧力）をキャンセルできる。その結果、制御バルブにより高圧ポートを閉じるために必要な閉弁荷重を小さくできるため、制御バルブを駆動するために必要な圧電素子の印加電圧を小さくできる。
【００１２】
（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、油溜室にスプリングが配設され、このスプリングの反力がガイド部に作用して、制御バルブが高圧ポートを開いて低圧ポートを閉じる方向に付勢していることを特徴とする。
これにより、圧電素子への通電が停止されて放電されると、高圧ポートを閉じていた制御バルブがスプリングの反力で押し戻され、高圧ポートを開いて低圧ポートを閉じることができる。
【００１３】
（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、油圧制御室から制御ポートに通じる燃料通路の一部に絞りが設けられていることを特徴とする。
制御バルブが低圧ポートを開くと、油圧制御室の高圧燃料がバルブ室を介して低圧通路へ流出するため、油圧制御室の圧力が低下する。このとき、油圧制御室から制御ポートに通じる燃料通路の一部に絞りが設けられているため、油圧制御室の圧力低下が急激に行われることを抑制できる。
【００１４】
（請求項５の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、油圧制御室から制御ポートに通じる燃料通路は、油溜室とバルブ室とを連通するバイパス通路と、油溜室と油圧制御室とを連通する連通路とで形成され、この連通路に絞りが設けられていることを特徴とする。
制御バルブが低圧ポートを開くと、油圧制御室の高圧燃料がバルブ室を介して低圧通路へ流出するため、油圧制御室の圧力が低下する。このとき、油溜室と油圧制御室とを連通する連通路に絞りが設けられているため、油圧制御室の圧力低下が急激に行われることを抑制できるとともに、油溜室の圧力が即座に低減して、制御バルブの駆動抵抗（油圧負荷）を早急に低減することにより、制御バルブの駆動応答性を向上することができる。
【００１５】
（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁において、制御バルブは、低圧ポートを閉じる時に、低圧ポートの開口部に設けられる低圧側シートに着座する低圧側シート部と、高圧ポートを閉じる時に、高圧ポートの開口部に設けられる高圧側シートに着座する高圧側シート部とを有し、低圧側シート部と高圧側シート部との間で分割されていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、ガイド穴と低圧ポートとの同軸度、または直角度にずれが生じている場合でも、制御バルブの低圧側シート部と高圧側シート部との間で同軸度または直角度のずれを吸収できるので、低圧ポートを閉じた時のシート性が向上する。
なお、図７で示す特許文献２に記載した燃料噴射弁Ｂのように、油溜室を低圧通路に常時連通した場合では、低圧側シート部と高圧側シート部とを別体化すると、バルブ室の圧力荷重により、高圧側シート部が常にシートする方向に付勢されるため、高圧側シート部を開弁することができない状態となる。
【００１７】
（請求項７の発明）
請求項６に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、制御バルブは、低圧側シート部を有する低圧側弁体と、高圧側シート部を有する高圧側弁体とで構成され、低圧側弁体は、平坦面を有する半球形状に設けられて、平坦面に低圧側シート部が形成され、高圧側弁体は、円錐状に凹設された保持面を有し、この保持面にて低圧側弁体の半球表面を支持していることを特徴とする。この場合、高圧側弁体に支持される低圧側弁体の姿勢を自由に調整できるので、ガイド穴と低圧ポートとの直角度にずれが生じている場合でも、低圧側弁体の姿勢が変化することで直角度のずれを吸収でき、低圧ポートを閉じた時のシート性が向上する。
【００１８】
（請求項８の発明）
請求項６に記載した圧電素子駆動による３方向切替弁において、制御バルブは、低圧側シート部を有する低圧側弁体と、高圧側シート部を有する高圧側弁体とで構成され、低圧側弁体は、平坦面を有する半球形状に設けられて、その半球表面に低圧側シート部が形成され、この低圧側シート部が、低圧ポートの開口部に形成される円錐状のシート面に着座して低圧ポートを閉塞し、高圧側弁体は、平坦に形成された保持面を有し、この保持面にて低圧側弁体の平坦面を支持していることを特徴とする。
【００１９】
この場合、高圧側弁体に対し低圧側弁体が水平方向に移動できるので、ガイド穴と低圧ポートとの同軸度にずれが生じている場合でも、高圧側弁体に対して低圧側弁体の位置がずれることで同軸度のずれを吸収でき、低圧ポートを閉じた時のシート性が向上する。
また、低圧側弁体は、低圧ポートのシート面に対し低圧側シート部（半球表面）が当接する位置を自由に調整できるので、ガイド穴と低圧ポートとの直角度にずれが生じている場合でも、低圧側弁体の姿勢が変化することで直角度のずれを吸収でき、低圧ポートを閉じた時のシート性が向上する。
【００２０】
（請求項９の発明）
請求項１〜８に記載した何れかの圧電素子駆動による３方向切替弁は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の圧電素子駆動による３方向切替弁を用いた燃料噴射弁１の全体断面図である。
本実施例の燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼル機関用の蓄圧式燃料噴射装置（図示せず）に使用されるもので、ディーゼル機関の各気筒毎に取り付けられ、共通のコモンレール（図示せず）より高圧燃料が供給される。
この燃料噴射弁１は、以下に説明するノズル部２と、背圧室３、背圧制御部、及び駆動手段等より構成される。
【００２３】
ａ）ノズル部２は、ノズルボディ４とニードル５とで構成される。
ノズルボディ４には、燃料を噴射するための噴孔６と、この噴孔６にサック室７を介して連通する縦孔８とが形成され、縦孔８とサック室７との境界部がノズルシート９として設けられている。
ニードル５は、縦孔８の内周面をガイド面として摺動する摺動部５ａが一体に設けられ、この摺動部５ａの上部に配設されるスプリング１０により、常時閉弁方向（噴孔６を閉じる方向）に付勢されている。
【００２４】
ニードル５の周囲（摺動部５ａより下側の周囲）には、縦孔８の内周に環状の燃料溜め室１１が形成され、この燃料溜め室１１にコモンレールから供給された高圧燃料が高圧通路１２を通じて導入されている。高圧通路１２は、燃料噴射弁１のハウジング１３とノズルボディ４とに形成されている。なお、図１では、ノズルボディ４とハウジング１３とが一体に図示されている。
ニードル５の先端部には、円錐状の弁部５ｂが設けられ、この弁部５ｂが前記ノズルシート９に着座してサック室７の入口を閉じることにより、燃料溜め室１１とサック室７との間が遮断される。
【００２５】
ｂ）背圧室３は、例えば、縦孔８の一部として形成され、摺動部５ａの上端面と縦孔８の内壁面とで区画されている。この背圧室３は、オリフィス１４を介して高圧通路１２と連通し、その高圧通路１２より導入される燃料圧力が摺動部５ａの上端面に作用して、前記スプリング１０と共にニードル５を閉弁方向に付勢している。
【００２６】
ｃ）背圧制御部は、図２の拡大図に示される様に、背圧室３に連通するバルブ室１５と、このバルブ室１５に収容される制御バルブ１６と、バルブ室１５に連通して形成されたガイド穴１７と、このガイド穴１７に摺動自在に収容されるガイド部１８等より構成される。
バルブ室１５は、背圧室３の上方に形成され、低圧ポート１９と高圧ポート２０、及び制御ポート２１を有している。
【００２７】
低圧ポート１９は、バルブ室１５の上端面に開口して、ハウジング１３に形成された低圧通路２２（図１参照）に連通している。なお、低圧通路２２は、燃料タンクに通じるリターン通路（図示せず）に接続されている。
高圧ポート２０は、バルブ室１５の下端面に開口して、分岐通路２３を通じて前記高圧通路１２に連通している。なお、低圧ポート１９と高圧ポート２０は、両者の中心が同一直線上に配置されている。つまり、高圧ポート２０の図示真上に低圧ポート１９が形成されている。
制御ポート２１は、バルブ室１５の側面に開口して、後述する燃料通路を介して背圧室３に通じている。
【００２８】
制御バルブ１６は、バルブ室１５に開口する低圧ポート１９の周囲（低圧側シート１９ａと呼ぶ）に着座して低圧ポート１９を閉塞する低圧側シート部１６ａと、バルブ室１５に開口する高圧ポート２０の周囲（高圧側シート２０ａと呼ぶ）に着座して高圧ポート２０を閉塞する高圧側シート部１６ｂとが設けられ、低圧側シート部１６ａが低圧ポート１９を閉じる位置（図２に示す位置）と、高圧側シート部１６ｂが高圧ポート２０を閉じる位置との間でバルブ室１５内を移動可能に設けられている。
【００２９】
ガイド穴１７は、高圧ポート２０を反低圧ポート方向（図示下方）へ延長して形成され、そのガイド穴１７の内径が、高圧側シート２０ａの径（高圧シート径と呼ぶ）、即ち高圧ポート２０の内径と略同一寸法に設けられている。
ガイド部１８は、ガイド穴１７の内周面に微小なクリアランスを有して挿入される円柱形状を有し、連結部２５を介して制御バルブ１６と一体に設けられている。
連結部２５は、制御バルブ１６及びガイド部１８より外径が小さい円柱形状を有し、高圧ポート２０内を通って制御バルブ１６とガイド部１８とを連結している。これにより、連結部２５の周囲には、高圧ポート２０内に環状の空間が形成され、この環状の空間に通じる分岐通路２３を通って高圧通路１２より高圧燃料が導入されている。
【００３０】
ガイド部１８より反高圧ポート側のガイド穴１７（以下、油溜室１７ａと呼ぶ）には、スプリング２６が収容され、このスプリング２６の反力が、ガイド部１８の底面に付与されて、ガイド部１８と一体に制御バルブ１６を図示上方（低圧ポート１９を閉じる方向）に付勢している。
また、ガイド穴１７の油溜室１７ａは、バイパス通路２７を介してバルブ室１５と連通すると共に、オリフィス２８ａ（本発明の絞り）を有する連通路２８を介して背圧室３とも連通している。上記の燃料通路は、油溜室１７ａを介して連通するバイパス通路２７と連通路２８とで構成されている。
【００３１】
ｄ）駆動手段は、図１に示す様に、ピエゾ素子（圧電素子）を複数枚積層して構成されるピエゾスタック２９と、このピエゾスタック２９の変位を受けて可動する大径ピストン３０と、この大径ピストン３０との間に油密室３１を介して同軸上に配置された小径ピストン３２等より構成される。
ピエゾスタック２９は、ハウジング１３内の上部に収容され、駆動回路（図示せず）を介して電荷が注入（充電）されると、ピエゾ素子の積層方向、即ち図１の上下方向に出力荷重を発生させて伸長し、電荷が放出（放電）されると、出力荷重が低下して元の長さまで収縮する。
【００３２】
大径ピストン３０は、ピエゾスタック２９の下方にスペーサ３３を介して配設され、シリンダブロック３４の上端側に形成された大径シリンダ内に摺動自在に保持されて、ピストン上部に設けられたフランジ部３０ａとシリンダブロック３４との間に配設されるスプリング３５により、図示上方（ピエゾスタック２９側）へ付勢されている。
なお、スペーサ３３の外周には、Ｏリング等のシール部材３６が配設されて、ピエゾスタック２９側に燃料が漏れない様に構成されている。
【００３３】
小径ピストン３２は、シリンダブロック３４の下端側に形成された小径シリンダ内に摺動自在に保持され、ピストン下部に設けられたフランジ部３２ａとシリンダブロック３４との間に配設されるスプリング３７により、制御バルブ１６を開弁しない比較的小さな（スプリング２６より小さい）付勢力にて、図示下方へ付勢されている。この小径ピストン３２には、フランジ部３２ａの径方向中央部より図示下方に突出するピン部３２ｂが一体に設けられ、このピン部３２ｂが、低圧ポート１９内を通って制御バルブ１６の上端面に当接している。
油密室３１は、大径シリンダと小径シリンダとが連通して形成され、内部に燃料が充填されている。
【００３４】
次に、本実施例の燃料噴射弁１の作動を説明する。
ピエゾスタック２９が放電状態で収縮している時は、スプリング２６の反力で制御バルブ１６が図示上方に付勢されることにより、制御バルブ１６の低圧側シート部１６ａが低圧側シート１９ａに着座して低圧ポート１９を閉じている。この場合、背圧室３と低圧通路２２との間が遮断されて、背圧室３が高圧となっているため、ニードル５の弁部５ｂがノズルシート９に着座しており、噴射は行われない（この時、リークゼロ）。
【００３５】
この状態から、ピエゾスタック２９に電荷が注入されると、ピエゾスタック２９が伸長して大径ピストン３０が大径シリンダ内を図示下方に押し下げられ、油密室３１の燃料が加圧されることにより、その加圧された燃料圧力を受けて小径ピストン３２が小径シリンダ内を下方へ押し下げられる。その結果、小径ピストン３２の変位が、ピン部３２ｂを介して制御バルブ１６に伝達され、その制御バルブ１６がバルブ室１５内を図示下方へ移動する。これにより、制御バルブ１６の低圧側シート部１６ａが低圧側シート１９ａから離れて低圧ポート１９を開いた後、更に、高圧側シート部１６ｂが高圧側シート２０ａに着座して高圧ポート２０を閉じるため、背圧室３が低圧通路２２と連通して、背圧室３の燃料が低圧通路２２へ排出される。
【００３６】
なお、背圧室３には、高圧通路１２よりオリフィス１４を介して高圧燃料が流入するが、その背圧室３に流入する燃料量より、背圧室３から流出する燃料量の方が多いため、背圧室３の燃料圧力が次第に低下する。これにより、ニードル５に作用する閉弁力（背圧室３の燃料圧力とスプリング１０の反力との合計）よりニードル５を開弁方向へ付勢する燃料圧力の方が上回ると、ニードル５が縦孔８内をリフトしてサック室７の入口が開くことにより、燃料溜め室１１からサック室７に高圧燃料が流入して、噴孔６よりディーゼル機関の燃焼室に噴射される。
【００３７】
その後、ピエゾスタック２９の電荷が放出されると、ピエゾスタック２９が収縮して、大径ピストン３０がスプリング３５の反力で押し上げられることにより、油密室３１の燃料圧力が低下して、ピン部３２ｂを介して制御バルブ１６を押し下げていた力が解除される。その結果、制御バルブ１６がスプリング２６の反力で押し上げられ、高圧ポート２０を開いて低圧ポート１９を閉じることにより、背圧室３と低圧通路２２との間が遮断される。これにより、背圧室３の燃料圧力が上昇して、ニードル５が縦孔８内を下方へ押し戻され、ニードル５の弁部５ｂがノズルシート９に着座してサック室７の入口を閉じることにより、噴射が終了する。
【００３８】
（実施例１の効果）
本実施例の燃料噴射弁１は、制御バルブ１６が低圧ポート１９を開いて高圧ポート２０を閉じる際に、制御バルブ１６に作用する燃料圧力（制御バルブ１６を図示上方へ付勢する燃料圧力）をキャンセルできる圧力バランス弁を採用している。即ち、連結部２５によって制御バルブ１６と一体に設けられたガイド部１８を有し、このガイド部１８に作用する燃料圧力（ガイド部１８を図示下方へ付勢する燃料圧力）が、制御バルブ１６に作用する燃料圧力と釣り合う様に構成されている。
【００３９】
この圧力バランス弁を採用した場合、ガイド部１８より下側の油溜室１７ａとバルブ室１５との燃料圧力が異なると、ガイド穴１７とガイド部１８との摺動隙間（クリアランス）を通じて常時リークが発生する。これに対し、本実施例では、バルブ室１５と油溜室１７ａとがバイパス通路２７によって連通されているため、バルブ室１５と油溜室１７ａとが常に同じ燃料圧力となる。その結果、バルブ室１５が高圧となる時（ノズル部２が燃料を噴射していない時）は、ガイド穴１７とガイド部１８とのクリアランスによる常時リークを無くすことができる（一般に、燃料噴射期間は、無噴射期間の１／１００〜１／３０程度であるため、バルブ摺動部からのリークは、図７に示すタイプの数％に低減可能である）。
【００４０】
また、本実施例では、上記の様に、圧力バランス弁を採用し、且つ高圧側シート径とガイド穴１７の内径とが略同一寸法に設けられているので、制御バルブ１６が低圧ポート１９を開いて高圧ポート２０を閉じる際に、高圧ポート２０内の燃料圧力が制御バルブ１６とガイド部１８とに略同等に作用する。つまり、制御バルブ１６に作用する燃料圧力（制御バルブ１６を図示上方へ付勢する燃料圧力）と、ガイド部１８に作用する燃料圧力（ガイド部１８を図示下方へ付勢する燃料圧力）とが釣り合うため、図３に示す様に、制御バルブ１６の高圧側シート部１６ｂを高圧側シート２０ａに着座させるために必要な閉弁荷重を小さくできる（特許文献２の場合と略同等）。その結果、制御バルブ１６を駆動するために必要なピエゾスタック２９の印加電圧を小さくできる（特許文献１の燃料噴射弁Ａと比較すると、図３の実線位置まで下げることができる）。
【実施例２】
【００４１】
図４は背圧制御部の断面図である。
本実施例は、図４に示す様に、制御バルブ１６を低圧側弁体１６Ａと高圧側弁体１６Ｂとに分割した一例である。
低圧側弁体１６Ａは、平坦面を有する半球形状に設けられ、前記平坦面が低圧側シート部１６ａとして形成されている。
高圧側弁体１６Ｂは、連結部２５を介してガイド部１８と一体に設けられると共に、低圧側弁体１６Ａの半球表面を支持する円錐状の保持面１６ｃが形成されている。
【００４２】
上記の制御バルブ１６によれば、高圧側弁体１６Ｂに支持される低圧側弁体１６Ａの姿勢を自由に調整できるので、ガイド穴１７と低圧ポート１９との直角度にずれが生じている場合でも、低圧側弁体１６Ａの姿勢が変化することで直角度のずれを吸収できる。その結果、制御バルブ１６の低圧側シート部１６ａ、即ち低圧側弁体１６Ａの平坦面が低圧ポート１９の周囲に形成される低圧側シート１９ａに着座した時に、隙間無く低圧ポート１９を閉じることができ、シート性が向上する。
【実施例３】
【００４３】
図５は背圧制御部の断面図である。
本実施例は、図５に示す様に、制御バルブ１６を低圧側弁体１６Ａと高圧側弁体１６Ｂとに分割した他の例である。
低圧側弁体１６Ａは、平坦面１６ｄを有する半球形状に設けられ、その半球表面が低圧側シート部１６ａとして形成されている。なお、低圧ポート１９の開口部には、低圧側弁体１６Ａの低圧側シート部１６ａ（半球表面）が着座する円錐状のシート面１９ｂが形成されている。
高圧側弁体１６Ｂは、平坦に形成された保持面１６ｅを有し、この保持面１６ｅにて低圧側弁体１６Ａの平坦面１６ｄを支持している。
【００４４】
上記の制御バルブ１６によれば、高圧側弁体１６Ｂに対し低圧側弁体１６Ａが水平方向（図５の左右方向）に移動できるので、ガイド穴１７と低圧ポート１９との同軸度にずれが生じている場合でも、高圧側弁体１６Ｂに対して低圧側弁体１６Ａの位置がずれることで同軸度のずれを吸収でき、低圧ポート１９を閉じた時のシート性が向上する。
また、低圧側弁体１６Ａは、低圧ポート１９のシート面１９ｂ（円錐面）に対し低圧側シート部１６ａ（半球表面）が当接する位置を自由に調整できるので、ガイド穴１７と低圧ポート１９との直角度にずれが生じている場合でも、低圧側弁体１６Ａの姿勢が変化することで直角度のずれを吸収でき、低圧ポート１９を閉じた時のシート性が向上する。
【００４５】
なお、実施例１では、本発明の圧電素子駆動による３方向切替弁を燃料噴射弁１に適用した例を説明したが、燃料噴射弁１に限定されるものではない。例えば、ブレーキ圧を制御するＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）等の圧力制御バルブに適用することも可能であるし、コモンレールの蓄圧燃料の圧力制御弁（調圧弁、減圧弁）等に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１に係わる燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】実施例１に係わる燃料噴射弁の背圧制御部の拡大断面図である。
【図３】ピエゾ素子の特性図である。
【図４】実施例２に係わる背圧制御部の断面図である。
【図５】実施例３に係わる背圧制御部の断面図である。
【図６】従来技術（特許文献１）に係わる燃料噴射弁の全体断面図である。
【図７】従来技術（特許文献２）に係わる燃料噴射弁の全体断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    燃料噴射弁
２    ノズル部
３    背圧室（油圧制御室）
５    ニードル
６    噴孔
１２    高圧通路
１５    バルブ室
１６    制御バルブ（３方向切替弁）
１６Ａ  低圧側弁体
１６Ｂ  高圧側弁体
１６ａ  低圧側シート部
１６ｂ  高圧側シート部
１６ｃ  円錐状に凹設された保持面
１７    ガイド穴
１７ａ  油溜室
１８    ガイド部
１９    低圧ポート
１９ａ  低圧側シート
１９ｂ  円錐状のシート面
２０    高圧ポート
２０ａ  高圧側シート
２１    制御ポート
２２    低圧通路
２６    スプリング
２７    バイパス通路（燃料通路）
２８    連通路（燃料通路）
２８ａ  オリフィス（絞り）
２９    ピエゾスタック（圧電素子）
３０    大径ピストン（駆動手段）
３１    油密室（駆動手段）
３２    小径ピストン（駆動手段）
【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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