(57)【要約】【課題】  変位拡大機構を有する燃料噴射弁において、摺動部クリアランスを小さくして油密性を高めるとともに、ピストン摺動部の摩擦による不具合を解消して制御性・耐久性を向上させる。【解決手段】  燃料噴射弁１は、高圧通路１２１から供給された燃料を噴射する噴孔５１を開閉するノズルニードル５の背圧を、変位拡大機構を介して駆動される弁体４によって制御する。変位拡大機構はピエゾアクチュエータ２に駆動される大径ピストン３１と、先端部が弁体４を押し下げる小径ピストン３２と、これらの間に形成される変位拡大室３を有し、大径ピストン３１と小径ピストン３２は、摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜３１ａ、３１ｂで被覆してあるので、外周のクリアランスが小さい非潤滑環境下でも摩擦抵抗が増加しない構造とすることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給路から供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がノズルニードルにより切り替え自在なノズル部と、
上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室を有し、上記制御油圧室と低圧源との間を制御弁で開閉することにより、上記制御油圧室と低圧源との間を連通と遮断のいずれかの状態に切り替える背圧制御部と、
上記制御弁を駆動する駆動部とを具備し、
上記駆動部が、アクチュエータの変位に伴い圧力を増減させる変位伝達室と、該変位伝達室の圧力を受けてシリンダ内を摺動し、先端部が上記制御弁を押し下げることによりこれを開弁するピストン部材とを有し、
該ピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。  
【請求項２】
燃料供給路から供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がノズルニードルにより切り替え自在なノズル部と、
上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室を有し、上記制御油圧室と低圧源との間を制御弁で開閉することにより、上記制御油圧室と低圧源との間を連通と遮断のいずれかの状態に切り替える背圧制御部と、
上記制御弁を駆動する駆動部とを具備し、
上記駆動部が、アクチュエータによって駆動されてシリンダ内を摺動する第１のピストン部材と、該第１のピストン部材の変位に伴い圧力を増減させる変位伝達室と、該変位伝達室の圧力を受けてシリンダ内を摺動し、先端部が上記制御弁を押し下げることによりこれを開弁する第２のピストン部材とを有し、
該第２のピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。  
【請求項３】
上記第１のピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆した請求項２記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項４】
上記コーティング膜が、ＷＣ／Ｃ、 ＣｒＣ／Ｃ、 ＤＬＣ、ＣｒＮから選ばれる少なくとも１種からなる請求項１ないし３のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項５】
上記第１のピストン部材および上記第２のピストン部材を、一体のシリンダ形成部材に同軸的に形成した第１のシリンダおよび第２のシリンダ内にそれぞれ摺動自在に収容し、上記第１のピストン部材と上記第２のピストン部材の対向面間に形成される空間に作動油を充填して上記変位伝達室となした請求項２ないし４のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項６】
上記第１のシリンダまたは上記第２のシリンダと、上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材の摺動面との間のクリアランスが６μｍ以下である請求項２ないし５のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項７】
上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材の可動範囲が１ｍｍ以下である請求項２ないし６のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項８】
上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材が５〜２５ｋＨｚの高周波数で摺動する請求項２ないし７のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項９】
上記変位伝達室が、大径とした上記第１のピストン部材と、小径とした上記第２のピストン部材の径差に応じて変位を拡大させる変位拡大室である請求項２ないし８のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項１０】
上記コーティング膜厚が５μｍ以下である請求項１ないし９のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【請求項１１】
上記アクチュエータがピエゾアクチュエータである請求項１ないし１０のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムに用いられる燃料噴射弁の構造に関わり、詳しくは、ノズルニードルの背圧をピエゾ駆動の油圧制御弁にて高・低に切り替えてノズルの閉・開を行なわせる方式の燃料噴射弁において、油圧制御弁を安定作動させるための駆動機構に関わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムに用いられ、ノズルニードルの背圧をピエゾ駆動の油圧制御弁にて高・低に切り替えてノズルの閉・開を行なわせる方式の燃料噴射弁は、例えば、特許文献１等にて知られている。ピエゾアクチュエータを構成するＰＺＴ等の圧電セラミックは金属と熱変形量が異なるため、両者を混在させる手段として、一般に、油圧を利用した変位伝達機構が採用される。また、ピエゾアクチュエータは変位が微小であることから、上記方式の燃料噴射弁では、ピエゾアクチュエータの変位を拡大して油圧制御弁の弁体を駆動するために、油圧室と大小ピストンを組み合わせた変位拡大機構が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２０２０２２号公報
【０００３】
図４は、変位拡大機構を有する従来の燃料噴射弁構成を示すもので、コモンレールから高圧通路１２１に供給される燃料は、ノズルニードル１１１下端部外周の油溜まり１１２に供給されて噴射燃料となる一方、メインオリフィス１１３およびサブオリフィス１１４を経てノズルニードル１１１の後端面を室壁とする制御油圧室１１５に導入される。制御油圧室１１５の燃料は、ノズルニードル１１１に閉弁方向の圧力を作用させる制御油として供され、ノズルニードル１１１による噴孔１１６の開閉は、制御油圧室１１５に連通する弁室１１７に配設した弁体１１８によって制御される。
【０００４】
ピエゾアクチュエータ１１９が伸長して、その下面に当接するピエゾピストン１２０が大径ピストン１２２を下方に駆動すると、変位拡大室１２３の燃料圧が上昇し、小径ピストン１２４を押し下げる。これに伴い、小径ピストン１２４先端のプッシュピンが弁体１１８を押し下げると、制御油圧室１１５がドレーン通路１３１に連通し、高圧燃料が弁室１１７、スピル室１２５、ドレーン通路１３１を経て流出するために制御油圧室１１５の圧力が低下する。この圧力が所定圧を下回るとノズルニードル１１１がノズルシート１２６からリフトし、噴孔１１６から燃料が噴射される。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、油圧を介在させた変位伝達機構を備える燃料噴射弁では、部材間で異なる熱変形量を、変位拡大室１２３への燃料流入及び燃料リークにより吸収して、良好な伝達性能を維持することができる。ここで、ピエゾアクチュエータ１１９の変位を効率よく油圧に変換し、増幅して油圧制御弁へ伝達するには、油密性が重要であり、大径ピストン１２２および小径ピストン１２４と、これらピストンが摺動するシリンダ間のクリアランスを極力小さくして、変位拡大室１２３からの燃料リークを抑制することが望ましい。
【０００６】
ところが、油密性を重要視したクリアランス管理を行なうと、大小ピストン１２２、 １２４の摺動面へ潤滑油としての作動油の供給がされにくくなるために、ピストンの摺動摩擦が大きくなり、甚だしい場合にはシリンダとピストンとが固着する等のおそれがある。特に、バネ力が大きいスプリング１２７によって初期位置へ強制的に復帰する大径ピストン１２２に比べて、スプリング１２８のバネ力が小さい小径ピストン１２４では、固着や摩擦による摩耗等の問題が発生しやすい。その結果、ピエゾアクチュエータ１１９を駆動しても小径ピストン１２４が安定して作動せず、弁体１１８の制御性が損なわれる懸念があった。
【０００７】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、変位拡大機構を有する燃料噴射弁において、摺動部クリアランスを小さくして油密性を高めるとともに、ピストン摺動部の摩擦による不具合を解消して制御性・耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明において、内燃機関の燃料噴射弁は、燃料供給路から供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がノズルニードルにより切り替え自在なノズル部と、
上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室を有し、上記制御油圧室と低圧源との間を制御弁で開閉することにより、上記制御油圧室と低圧源との間を連通と遮断のいずれかの状態に切り替える背圧制御部と、
上記制御弁を駆動する駆動部とを具備する。
上記駆動部は、アクチュエータの変位に伴い圧力を増減させる変位伝達室と、該変位伝達室の圧力を受けてシリンダ内を摺動し、先端部が上記制御弁を押し下げることによりこれを開弁するピストン部材とを有しており、該ピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆している。
【０００９】
上記構成によれば、摺動面に施された上記コーティング膜がピストン部材の摺動を良好にする効果がある。従って、油膜が切れやすい環境下においても、すなわち上記アクチュエータの微小変位を効率よく上記ピストン部材に伝達するために、摺動クリアランスを微小としても、摩擦抵抗が増加しない構造とすることができる。よって、クリアランスを高度に制御して変位伝達機構の油密性を確保し、しかも摩擦抵抗の増加による固着や摩耗等の不具合を防止することができる。その結果、高いエネルギー変換効率と、制御弁の安定した作動を両立させ、高性能で高耐久な燃料噴射弁を実現する。
【００１０】
請求項２記載の発明において、内燃機関の燃料噴射弁は、燃料供給路から供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がノズルニードルにより切り替え自在なノズル部と、
上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室を有し、上記制御油圧室と低圧源との間を制御弁で開閉することにより、上記制御油圧室と低圧源との間を連通と遮断のいずれかの状態に切り替える背圧制御部と、
上記制御弁を駆動する駆動部とを具備する。
上記駆動部は、アクチュエータによって駆動されてシリンダ内を摺動する第１のピストン部材と、該第１のピストン部材の変位に伴い圧力を増減させる変位伝達室と、該変位伝達室の圧力を受けてシリンダ内を摺動し、先端部が上記制御弁を押し下げることによりこれを開弁する第２のピストン部材とを有しており、該第２のピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆している。
【００１１】
上記構成によれば、摺動面に施された上記コーティング膜が第１のピストン部材の摺動を良好にする効果がある。従って、油膜が切れやすい環境下においても、すなわち上記第１のピストン部材の微小変位を効率よく上記第２のピストン部材に伝達するために、摺動クリアランスを微小としても、摩擦抵抗が増加しない構造とすることができる。よって、クリアランスを高度に制御して変位伝達機構の油密性を確保し、しかも摩擦抵抗の増加による固着や摩耗等の不具合を防止することができる。その結果、高いエネルギー変換効率と、制御弁の安定した作動を両立させ、高性能で高耐久な燃料噴射弁を実現する。
【００１２】
請求項３記載の燃料噴射弁は、上記第１のピストン部材の摺動面を低摩擦材料よりなるコーティング膜で被覆してある。
【００１３】
上記第２のピストン部材に加えて、上記第１のピストン部材にもコーティング膜を形成することで摩擦抵抗を低下させ、固着や摩耗等を防止する効果を高めることができる。よって、変位拡大機構による制御弁の駆動を安定した作動を摺動部材の動作をより確実にし、高効率で噴射制御性に優れる燃料噴射弁が得られる。
【００１４】
請求項４記載の燃料噴射弁は、上記コーティング膜として、ＷＣ／Ｃ、 ＣｒＣ／Ｃ、 ＤＬＣ、ＣｒＮから選ばれる少なくとも１種からなる膜を用いる。
【００１５】
上記効果を得るために、具体的には、ＷＣ／Ｃ、 ＣｒＣ／Ｃ、 ＤＬＣ、ＣｒＮ等からなるコーティング膜が用いられる。これらコーティング膜は低摩擦係数かつ硬質であるため、ピストン摺動部の固着や摩擦による摩耗等を防止し、長期に渡り良好な動作を維持する。
【００１６】
請求項５記載の燃料噴射弁は、上記第１のピストン部材および上記第２のピストン部材を、一体のシリンダ形成部材に同軸的に形成した第１のシリンダおよび第２のシリンダ内にそれぞれ摺動自在に収容し、上記第１のピストン部材と上記第２のピストン部材の対向面間に形成される空間に作動油を充填して上記変位伝達室とする。
【００１７】
具体的には、一体のシリンダ形成部材内に第１、第２のピストン部材を摺動自在に収容し、これらの間に作動油を充填することで上記変位伝達室を容易に形成することができる。
【００１８】
請求項６記載の燃料噴射弁は、上記第１のシリンダまたは第２のシリンダと、上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材の摺動面との間のクリアランスを６μｍ以下とする。
【００１９】
本発明の構成とすることで、上記第１のピストン部材、第２のピストン部材の摺動部クリアランスをごく小さくすることができる。具体的には、クリアランスを６μｍ以下とすると、油密性を確保するができるので好ましい。
【００２０】
請求項７記載の燃料噴射弁は、上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材の可動範囲が１ｍｍ以下である。
【００２１】
本発明を適用することで、上記第１のピストン部材、第２のピストン部材の摺動距離が１ｍｍ以下とごく小さく、非潤滑環境となりやすい場合でも低摩擦力を維持して摺動を良好にすることができる。
【００２２】
請求項８記載の燃料噴射弁は、上記第１のピストン部材または上記第２のピストン部材が５〜２５ｋＨｚの高周波数で摺動する。
【００２３】
具体的には、上記第１のピストン部材、第２のピストン部材が５〜２５ｋＨｚという高周波数で小変位摺動する構成において、本発明を適用する効果が高く、摩擦係数を低減して良好な摺動性を維持することができる。
【００２４】
請求項９記載の燃料噴射弁は、上記変位伝達室が、大径とした上記第１のピストン部材と、小径とした上記第２のピストン部材の径差に応じて変位を拡大させる変位拡大室である。
【００２５】
好ましくは、大径ピストンと小径ピストンを組み合わせると、これらピストンの間に形成される上記変位拡大室において、大小ピストンの径差に応じて変位が拡大され、増幅して伝達することができる。
【００２６】
請求項１０記載の燃料噴射弁は、上記コーティング膜厚が５μｍ以下である請求項１ないし５のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。
【００２７】
上記コーティング膜の厚さは、材料コストや脆性の点から、低摩擦係数として摺動性を高めるのに必要な最小限の厚さがあればよく、具体的には、上記コーティング膜厚が５μｍ程度ないしそれ以下とすることで十分な効果が得られる。
【００２８】
請求項１１記載の発明では、上記アクチュエータをピエゾアクチュエータとする。応答性の良好なピエゾアクチュエータを用いることで、本発明の効果をより高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。図１は本発明の燃料噴射弁１の全体構成図で、ここでは、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置への適用例として説明する。燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジンの各気筒に対応して設けられ、外部の高圧リザーバ、ここでは共通のコモンレール (図略）から高圧（２０〜２００ＭＰａ）の燃料が供給されるようになっている。コモンレールには、燃料タンクの燃料が高圧サプライポンプにより圧送されて噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。
【００３０】
燃料噴射弁１は、ノズルニードル５を収容するノズルボディ５６の上方にディスタンスピース９とノズルホルダ１６を積層して図示しないリテーナナットで密着固定されており、ノズルホルダ１６下端部のノズル部１０１が、図略の燃焼室内に突出するように取り付けられる。燃料噴射弁１の中間部は制御弁としての弁体４を有する背圧制御部１０２、上端部はピエゾアクチュエータ２を有する駆動部１０３を構成している。燃料噴射弁１の上部側面には、コモンレールに接続する高圧ポート１２が開口し、燃料供給路としての高圧通路１２１に連通している。高圧ポート１２と反対側の上部側面には、低圧源である外部の低圧リザーバ、例えば燃料タンクに接続する低圧ポート１３が開口し、低圧ポート１３はドレーン通路１３１に連通している。
【００３１】
ノズル部１０１は、ノズルボディ５６の下端部内に形成した縦穴に、段付きのノズルニードル５を摺動自在に保持しており、ノズルニードル５のニードル弁部（下半小径部）５２の外周には環状の油溜まり５４が形成されている。油溜まり５４は常時高圧通路１２１と連通しコモンレールからの高圧燃料が供給されている。油溜まり５４の下方にはこれに連なってサック部５７が形成され、サック部５７形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔５１が形成される。
【００３２】
油溜まり５４とサック部５７の境界の段部はノズルシート５５としてある。ノズルニードル５が下端位置にある時、ニードル弁部５２の円錐形の先端部がこのノズルシート５５に着座し、油溜まり５４から噴孔５１への燃料供給を遮断する。ノズルニードル５が上昇してノズルシート５５から離座し、サック部５７を開くと燃料が噴射される。
【００３３】
ノズルニードル５の上端面を室壁として画成される空間は、制御油圧室６としてある。制御油圧室６は、メインオリフィス８１および弁室４２を介して高圧通路１２１から制御油としての燃料が導入されており、また、サブオリフィス８２を介して高圧通路１２１と常時連通して、ノズルニードル５の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル５に下向きに作用して、制御油圧室６内に収納されたスプリング６１とともにノズルニードル５を閉弁方向に付勢する。一方、油溜まり５４の高圧燃料がノズルニードル５のニードル段差部５３および円錐状の先端面に上向きに作用しノズルニードル５を離座方向に付勢している。
【００３４】
背圧制御部１０２は３方弁構造で、メインオリフィス８１を介して制御油圧室６と常時連通する弁室４２と、弁室４２内に配設される制御弁としての弁体４を有し、弁体４のシート位置を切り替えることで、ノズルニードル５の背圧を制御する。弁室４２の底面中央には、連通路８３を介して高圧通路１２１と連通する高圧室４３が開口し、天井面中央には、後述する小径ピストン３２が収容されるスピル室４４に連通するスピルポート９１が開口している。排出路７３はディスタンスピース９に、スピル室４４はディスタンスピース９とノズルホルダ１６の衝合部に形成される。
【００３５】
弁体４は上下動可能なピストン状で、弁室４２内に収容される大径の弁部４１と、高圧室４３に続く縦穴内を摺動する摺動部を有している。弁部４１と摺動部をつなぐ細径部は高圧室４３内に位置し、その周囲の空間から弁室４２へ高圧燃料が流入するようになっている。弁体４の上昇時には、弁部４１の上面が低圧シート４ａに着座し、弁室４２とスピル室４４との間を遮断する。これにより、制御油圧室６がメインオリフィス８１、弁室４２を介して高圧通路１２１と連通し、ノズルニードル５の背圧が上昇してノズルニードル５を下降、着座させる。
【００３６】
弁体４の下降時には、弁部４１の下部テーパ面が高圧シート４ｂに着座し、弁室４２と高圧室４３との間を遮断する。これにより、制御油圧室６がオリフィス８１、弁室４２、スピル室４４を介して低圧ポート１３と連通し、ノズルニードル５の背圧が低下してノズルニードル５が離座する。
【００３７】
また、弁体４の摺動部下方の空間には、弁体スプリング４１１が収容されて弁体４を上方に付勢している。ここで、低圧シート４ａのシート径と、高圧シート４ｂのシート径と、摺動部径を略同径とすれば、弁体４を上向きに付勢する力と下向きに付勢する力とがほぼ釣り合い、燃料噴射時に弁部４１を押し下げて低圧シート４ａから離座させるために必要な駆動力を小さくできる。好ましくは、低圧シート４ａ、高圧シート４ｂのシート径を、摺動部径よりも僅かに大きくするとよい。
【００３８】
背圧制御部１０２は、弁体４が駆動部１０３により押圧駆動されることで、作動状態が切り換わるようになっている。駆動部１０３は、ノズルホルダ１６内に同軸的に配設されるピエゾアクチュエータ２、ピエゾピストン２３、第１のピストン部材としての大径ピストン３１および第２のピストン部材としての小径ピストン３２を有している。ピエゾアクチュエータ２はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち上下方向を伸縮方向としている。ピエゾアクチュエータ２は、２個のリード端子２１、２２間に図示しない駆動回路から電圧を印加し、または放電することによって伸縮する。ピエゾピストン２３はピエゾアクチュエータ２の下面に密接し、ピエゾアクチュエータ２の伸縮に伴い一体に上下動する。大径ピストン３１および小径ピストン３２はシリンダボディ７に収容される。
【００３９】
本発明の特徴部分の詳細構成を図２を用いて説明する。図示するように、シリンダボディ７は略円柱状であって、ノズルホルダ１６の下半部内に収納され、大径ピストン３１の上半部周りに配設される大径ピストンスプリング３３によって下方に付勢されて、ディスタンスピース９の上端面に押圧保持されている。シリンダボディ７の下端面はスピル室４４の天井壁を、上端面は大径ピストンスプリング３３が収容されるスプリング室３４の底壁を形成している。シリンダボディ７には、第１のシリンダとしての大径ピストンシリンダ７１および第２のシリンダとしての小径ピストンシリンダ７２が挿入され、それぞれ大径ピストン３１の下半部および小径ピストン３２の上半部を摺動自在に収容している。大径ピストンスプリング３３は、大径ピストン３１の上端に設けたフランジを上方に付勢しており、ピエゾピストン２３を介してピエゾアクチュエータ２に縮小方向のプリセット力を与えている。
【００４０】
大径ピストン３１下端面と小径ピストン３２上端面とシリンダボディ７内周面とで囲まれる空間には、燃料が充填されて変位伝達室としての変位拡大室３を形成している。これら大径ピストン３１、小径ピストン３２、変位拡大室３にて、変位拡大機構が構成され、ピエゾアクチュエータ２の変位を大小ピストン３１、３２の径差に応じて拡大して伝達する。
【００４１】
小径ピストン３２下半部はスピル室４４内に位置し、外周に設けたフランジとスピル室４４天井壁との間に配設された小径ピストンスプリング３２２によって下方に付勢されている。小径ピストン３２先端のプッシュピン３２１は、スピルポート９１から延出して、弁体４の上端面に当接している（図１参照）。
【００４２】
スピル室４４とスプリング室３４は、シリンダボディ７の外周壁のフラットカットとノズルホルダー１６内周壁との間に形成される複数の連通路７４を介して連通している。フラットカットは、シリンダボディ７の外周縁部を縦方向にカットしたもので、例えば周方向の４箇所にシリンダボディ軸に対して軸対称に設けられる。各連通路７４の下端は、シリンダボディ７下端面の４箇所に形成される排出路７３によって、スピル室４４に連通し、これにより、スピルポート９１からスピル室４４に排出される燃料が、排出路７３、連通路７４を介してスプリング室３４に速やかに排出される。スプリング室３４はドレーン通路１３１の一部を構成しており、低圧ポート１３と連通している。
【００４３】
本実施の形態では、大径ピストンシリンダ７１内を摺動する大径ピストン３１の摺動面、および小径ピストンシリンダ７２内を摺動する小径ピストン３２の摺動面に、それぞれ低摩擦係数の材料からなるコーティング膜３１ａ、コーティング膜３２ａを形成する。これらコーティング膜３１ａ、３２ａには、具体的には、ＷＣ／Ｃ、ＣｒＣ／Ｃ、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、ＣｒＮ等の低摩擦係数の硬質材料が好適に用いられる。ＷＣ／Ｃ、ＣｒＣ／Ｃ、ＤＬＣの摩擦係数は、通常、０．１程度、ＣｒＮの摩擦係数は、通常、０．２程度であり、これらの材料からなる膜を複数積層してコーティング膜３１ａ、３２ａを構成することもできる。ＤＬＣ膜は、いわゆるアモルファス（非晶質）相からなる高硬度炭素膜で、通常、１５００〜４０００ＨＶ程度の硬度を有する。これをＷＣ／Ｃと組み合わせたＷＣ／Ｃ＋ＤＬＣの膜硬度は、例えば、１５００〜３０００ＨＶ程度となる。
【００４４】
コーティング膜３１ａ、コーティング膜３２ａの形成は、一般的には、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法（スパッタリング法、イオンプレーティング法）等の成膜方法で、上記各種材料を大径ピストン３１および小径ピストン３２の摺動部にコーティングすることによって行なう。大径ピストン３１および小径ピストン３２は、例えば、ＳＫＨ５１、ＳＵＪ、ＳＫＤ等の各種鋼材からなる。また、ＤＬＣは直接金属にコーティングすることが困難であるため、ＷＣ／Ｃ、ＣｒＣ／Ｃ等のコーティングを実施した後、その上にＤＬＣコーティングすることが望ましい。
【００４５】
コーティング膜３１ａ、コーティング膜３２ａの膜厚は、好ましくは、５μｍ以下とするのがよい。これは、コーティング膜３１ａ、コーティング膜３２ａの膜厚が５μｍ程度ないしそれ以下で、摩擦係数を低減してピストン摺動面の摩耗や固着等を防止する十分な効果が得られ、５μｍを超えると逆に脆性やコスト高の問題が生じやすいためである。この低摩擦係数で高高度なコーティング膜３１ａ、コーティング膜３２ａにより、大径ピストン３１および小径ピストン３２と、大径ピストンシリンダ７１および小径ピストンシリンダ７２の摺動部クリアランスを、例えば６μｍ以下とごく小さくすることが可能となり、油密性が大きく向上する。
【００４６】
次に、上記構成の燃料噴射弁１の基本作動を説明する。図１において、ピエゾアクチュエータ２が縮小している時、弁体４は、弁室４２内の燃料圧力や弁体スプリング４１１のばね力により上方に付勢されて低圧シート４ａに着座している。スピル室４４へ至るスピルポート９１が閉鎖されるために、制御油圧室６は高圧となっており、ノズルニードル５はノズルシート５５に着座しておいる。この状態から、ピエゾアクチュエータ２の２個のリード端子２１、２２間に正の高電圧（１００〜２２０Ｖ）を印加すると、ピエゾアクチュエータ２はその電圧に比例して軸方向に伸長（１０〜４０μｍ）し、ピエゾピストン２３を変位させる。
【００４７】
ピエゾピストン２３は、その変位に従って大径ピストン３１を駆動し、変位拡大室３の油圧を上昇させる。この油圧上昇により小径ピストン３２が下方に移動し（２０〜３０μｍ）、その下端のプッシュピン３２１が、弁体スプリング４１１と弁体４に作用する油圧力の和に抗して弁体４を押し下げ、低圧シート４ａから離座させる。これにより弁室４２がスピル室４４と連通し、次いで弁体４が高圧シート４ｂに着座するために、弁室４２と高圧室４３の間が遮断される。すると、弁室４２に常時連通する制御油圧室６から、弁室４２、スピル室４４、排出路７３、連通路７４を介してドレーン通路１３１へ燃料が流出する。制御油圧室６が低圧となり、ノズルニードル５の背圧が低下して、ノズルニードル段差部５３に上向きに作用する油溜まり５４の圧力を下回ると、ノズルシート５５からノズルニードル５がリフトする。これに伴い、噴孔５１と油溜まり５４とが連通し、燃料噴射を開始する。
【００４８】
次いで、ピエゾアクチュエータ２のリード端子２１、２２間の電圧をゼロまで下げると、ピエゾアクチュエータ２は元の長さまで縮小し、ピエゾピストン２３、大径ピストン３１、小径ピストン３２、弁体４も元の位置に復帰する。この結果、弁体４が高圧シート４ｂから離座して低圧シート４ａに着座するために、弁室４２とスピル室４４の間が遮断され、高圧室４３からメインオリフィス８１を経て流入する高圧燃料およびサブオリフィス８２から流入する高圧燃料によって、制御油圧室６が再び高圧となる。よって、ノズルニードル５がノズルシート５５に着座して噴孔５１と油溜まり５４の連通を遮断し、燃料噴射を停止させる。
【００４９】
ここで、変位拡大機構の油密性を高めるために、大径ピストン３１および小径ピストン３２外周のクリアランスは極力小さく設定するのがよいが（例えば６μｍ以下）、大径ピストン３１および小径ピストン３２は、通常、可動範囲が１ｍｍ以下と小さく、５〜２５ｋＨｚという高周波数で微摺動するために、非潤滑環境となりやすい。この場合、上記図４に示すような従来構成では、油膜が途切れて摩擦抵抗が増加し、大径ピストン３１および小径ピストン３２が摩耗しやすくなり、その対策としてクリアランスを広げると、油圧が逃げて変位伝達機構のロスが大きくなる問題があった。
【００５０】
これに対し、本実施の形態の構成によれば、大径ピストン３１および小径ピストン３２外周にコーティング膜３１ａおよびコーティング膜３２ａにより、貧潤滑環境下においても摩擦抵抗が増加しない構造とすることができる。従って、摺動部クリアランスを小さくして油密性を高め、エネルギーロスを抑制するとともに、ピストンの摺動性を改善して固着や摩耗等の不具合を防止することができる。また、ピエゾアクチュエータ２と大小ピストン３１、３２の材質の違いにより、使用環境下における熱変形量が異なっても、大小ピストン３１、３２外周の微小クリアランスからの燃料流入及びリークにより吸収することができる。このように油圧を介在させることにより、ピエゾアクチュエータ２の変位を確実に伝達することができる。
【００５１】
図３は、本発明の効果を示す図である。上記図１の燃料噴射弁構成において、小径ピストン３２摺動面に表面処理を施さない場合、ピストン摺動面に複合めっき膜（Ｎｉ−Ｐ＋ＰＴＦＥ）を形成した場合と、本発明のコーティング膜（ＷＣ／Ｃコーティング膜、ＣｒＮコーティング膜）を形成した場合の耐摩耗性をそれぞれ評価し、結果を比較して示した。また、評価条件は、次の通りとした。
評価条件：コモンレール圧Ｐｃ＝２０ＭＰａ
リーク背圧＝０．０５ＭＰａ
耐久時間＝２４時間
【００５２】
図に明らかなように、表面処理無しの場合では、小径ピストン３２の変位拡大室側３側の端部側面に摩耗が生じた。複合めっき膜（Ｎｉ−Ｐ＋ＰＴＦＥ）を形成した場合は凝着摩耗痕は見られないものの、全周に軽微な傷痕が見られた。これに対し、本発明のＷＣ／Ｃコーティング膜を形成した場合、ＣｒＮコーティング膜を形成した場合のいずれにも摩耗痕は見られなかった。また、本発明のコーティング膜を形成した場合には、表面処理無しの場合に比べて抜け荷重が大幅に低減しており、摩擦力が低下して摺動性が大きく改善している。さらに面状態は耐久前とほとんど変化していないことが確認され、摺動性・耐摩耗性の向上に大きな効果を有することがわかる。
【００５３】
以上のように、本発明によれば、変位拡大機構の摺動部を高クリアランスで低摩擦抵抗な構成とし、高効率で、安定した制御弁の作動が可能であり、耐久性に優れる燃料噴射弁を実現することができる
【００５４】
上記実施形態では、異径の大小ピストン３１、３２を組み合わせることにより、熱変形量の異なる部材間の変位伝達機能と、変位拡大機能の２つの機能を備えた燃料噴射弁としたが、熱変形量の異なる部材間の変位伝達機能を達成するためには、必ずしも異径である必要はなく、アクチュエータの変位を油圧に変換してピストン部材を駆動させる構成であればよい。例えば、同径の第１のピストン部材と第２のピストン部材の間に燃料を充填した変位伝達室を設けた変位伝達機構を備える燃料噴射弁に、本発明を適用することももちろんでき、第１、第２のピストン部材の外周にコーティング膜を形成することで、同様の効果が実現できる。
【００５５】
なお、上記実施形態では、背圧制御部１０２を３方弁構造としたが、３方弁構造でなく、制御油圧室６とスピル室４４との間を連通状態と遮断状態とに切り替える２方弁構造とした燃料噴射弁にも適用することももちろんできる。また、弁体４形状や、その他の構成を変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した第１の実施形態の燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】第１の実施形態の燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の効果を示す図である。
【図４】従来の燃料噴射弁の全体断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料噴射弁
１０１  ノズル部
１０２  背圧制御部
１０３  駆動部
１２１  高圧通路（燃料供給路）
１３１  ドレーン通路
１６  ノズルホルダ
２  ピエゾアクチュエータ（アクチュエータ）
３  変位拡大室（変位伝達室）
３１  大径ピストン（第１のピストン部材）
３１ａ  コーティング膜
３２  小径ピストン（第２のピストン部材）
３２ａ  コーティング膜
３４  スプリング室
３５  逆止弁
４  弁体（制御弁）
４ａ  高圧シート
４ｂ  低圧シート
４２  弁室
４３  高圧室
４４  スピル室
５  ノズルニードル
５１  噴孔
５４  燃料溜まり
５６  ノズルボディ
６  制御油圧室
７  シリンダボディ
７１  大径ピストンシリンダ
７２  小径ピストンシリンダ
７３  排出路
７４  連通路
８１  メインオリフィス
８２  サブオリフィス
９  ディスタンスピース
９１  スピルポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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