(57)【要約】燃料噴射器（１０）は、縦方向軸を有する本体と、第１及び第２の端部を有する長さが変化するソリッドステートアクチュエーターと、ソリッドステートアクチュエーター（１００）の第１の端部に結合された閉鎖部材（４０）と、ソリッドステートアクチュエーターの第２の端部に結合された補償器組立体（２００）とを有する。ソリッドステートアクチュエーター（１００）は、第１と第２の端部の間で軸方向に沿う複数のソリッドステート素子を有する。閉鎖部材（４０）は、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第１の位置との間で可動である。補償器組立体（２００）は、温度を変化に応答してソリッドステートアクチュエーター（１００）を本体に関して軸方向に位置決めする。補償器組立体（２００）は、２つのピストン（２２０）、（２４０）の間の少なくとも１つのばね（２６０）を使用してエラストマーシールの使用を軽減し、それによるスリップスティック効果を減少させる。また燃料噴射器の熱的膨張または収縮を補償する方法は、燃料供給源から燃料噴射器は燃料を供給し、温度変化に応答してソリッドステートアクチュエーターを本体に関して調整するステップより成る。
2004511701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に設けた端部部材とを有するハウジングと、
縦方向軸に沿って設けられた長さが変化するアクチュエーターと、
長さが変化するアクチュエーターに結合され、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第２の位置との間で可動の閉鎖部材と、
長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成り、
補償器組立体は、
縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、
本体の第１及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられ、第１の外側表面と、その第１の外側表面から離れた第１の作動表面とを有し、第１の外側表面は本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定する第１のピストンと、
第１のピストンの近くの本体に設けられ、第２の外側表面と、第１の作動表面に対向する第２の作動表面とを有する第２のピストンと、
第２のピストンに結合され、本体の内側表面に接触する第１の密封部材と、
第１及び第２のピストンに結合され、第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する可撓性流体障壁とより成る燃料噴射器。
【請求項２】
第１及び第２の流体溜めのうちの一方に設けられ、第１の流体溜めの第１の流体圧力及び第２の流体溜めの第２の流体圧力のうちの一方に応答して第１及び第２の流体溜めのうちの一方から他方への流体の流れを許容する弁をさらに備えた請求項１の燃料噴射器。
【請求項３】
プレートはその上に形成された複数のオリフィスを有し、プレートは第１の流体溜めにさらされるため、第１及び第２の外側表面の一方にわたって突出し、その厚さはプレートの一方の側の表面積に平方根の１／９４である請求項２の燃料噴射器。
【請求項４】
第１のピストンは、第１と第２の流体溜めの間における液圧流体の漏洩を許容するように本体の内側表面に対向する外側表面を有する請求項１の燃料噴射器。
【請求項５】
第１の密封部材は、第２のピストンの周面に形成された溝に設けたＯリングであり、これによりＯリングが本体の内側表面と接触する請求項１の燃料噴射器。
【請求項６】
第２のピストンは、縦方向軸に近い第１の表面とそれから離れた第２の表面とを有し、縦方向軸の周りに設けられた環状体である請求項１の燃料噴射器。
【請求項７】
第１のピストンに結合された第１の端部と、長さが変化するアクチュエーターに結合されボス部分を備えた第２の端部を有し、環状体を貫通する延長部をさらに備えた請求項６の燃料噴射器。
【請求項８】
第２の密封部材は、第１の端部が環状体の第１の表面に密封結合され、第２の端部が延長部の第２の端部のボス部分に結合されたベローズより成る請求項７の燃料噴射器。
【請求項９】
第１と第２の流体溜めの間の流体の連通を許容する、第１及び第２のピストンのうちの一方に設けられた流体通路をさらに有する請求項８の燃料噴射器。
【請求項１０】
第１の端部が延長部の第２の端部のボス部分に結合され、第２の端部が第１及び第２のピストンのうちの一方と接触する弾性部材をさらに備え、これにより第１及び第２のピストンの一方にばね力が付与される請求項９の燃料噴射器。
【請求項１１】
第１のピストンは流体と接触する第１の表面積を有し、第２のピストンは流体と接触する第２の表面積を有し、このため、その結果生じる力はばね力と第２の表面積に対する第１の表面積の割合との関数である請求項１０の燃料噴射器。
【請求項１２】
第１及び第２の端部を有する長さが変化するアクチュエーターのための液圧補償器であって、
端部部材と、
縦方向軸に延び、第１の端部及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、
本体の第１の端部及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられ、第１の外側表面と、その第１の外側表面から離れた第１の作動表面とを有し、第１の外側表面が本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定する第１のピストンと、
本体の第１のピストン近くに設けられ、第１の作動表面に対向する第２の作動表面と、その第２の作動表面から離れた第２の外側表面とを有する第２のピストンと、
第２のピストンに結合され、本体の内側表面と接触する第１の密封部材と、
第１及び第２のピストンに結合された可撓性流体障壁とより成り、可撓性流体障壁は第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する液圧補償器。
【請求項１３】
第１及び第２の流体溜めのうちの一方に設けられ、第１の流体溜めの第１の流体圧力及び第２の流体溜めの第２の流体圧力のうちの一方に応答して第１及び第２の流体溜めのうちの一方から他方への流体の流れを許容する弁をさらに備えた請求項１２の補償器。
【請求項１４】
プレートはその上に形成された複数のオリフィスを有し、プレートは第１の流体溜めにさらされるため、第１及び第２の外側表面の一方にわたって突出し、その厚さはプレートの一方の側の表面積に平方根の１／９４である請求項１３の補償器。
【請求項１５】
第１のピストンは、第１と第２の流体溜めの間における液圧流体の漏洩を許容するように本体の内側表面に対向する外側表面を有する請求項１２の補償器。
【請求項１６】
第１の密封部材は、第２のピストンの周面に形成された溝に設けたＯリングであり、これによりＯリングが本体の内側表面と接触する請求項１２の補償器。
【請求項１７】
第２のピストンは、縦方向軸に近い第１の表面とそれから離れた第２の表面とを有し、縦方向軸の周りに設けられた環状体である請求項１２の補償器。
【請求項１８】
第１のピストンに結合された第１の端部と、長さが変化するアクチュエーターに結合されボス部分を備えた第２の端部を有し、環状体を貫通する延長部をさらに備えた請求項１７の補償器。
【請求項１９】
第２の密封部材は、第１の端部が環状体の第１の表面に密封結合され、第２の端部が延長部の第２の端部のボス部分に結合されたベローズより成る請求項１８の補償器。
【請求項２０】
第１及び第２のピストンのうちの一方に設けられ、弁に結合されて第１と第２の流体溜めの間の流体の連通を許容する流体通路をさらに備えた請求項１９の補償器。
【請求項２１】
第１の端部が延長部の第２の端部のボス部分に結合され、第２の端部が第１及び第２のピストンのうちの一方と接触する弾性部材をさらに備え、これにより第１及び第２のピストンの一方にばね力が付与される請求項２０の補償器。
【請求項２２】
第１のピストンは流体と接触する第１の表面積を有し、第２のピストンは流体と接触する第２の表面積を有し、このため、その結果生じる力はばね力と第２の表面積に対する第１の表面積の割合との関数である請求項２１の補償器。
【請求項２３】
縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１の端部と第２の端部との間に設けた端部部材とを有するハウジングと、縦方向軸に沿って設けられた長さが変化するアクチュエーターと、長さが変化するアクチュエーターに結合された閉鎖部材と、長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成り、補償器組立体は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、本体の第１及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられ、本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定する第１のピストンと、第１のピストンの近くの本体に設けられ、第１の作動表面に対向する第２の作動表面と、その第２の作動表面から離れた第２の外側表面とを有する第２のピストンと、
第２のピストンに結合され、第１の作動表面と接触するエラストマーと、第１及び第２のピストンに結合され、第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する可撓性流体障壁とを有する燃料噴射器の熱的歪を補償する方法であって、
第１のピストンの表面を本体の内側表面に対向させて第１のピストンと本体の内側表面との間に制御されたクリアランスを形成し、
第２のピストンの表面と本体の内側表面との間にエラストマーを係合させてそれらの間に密封部を形成し、
第１及び第２の流体溜めの液圧流体を加圧し、
長さが変化するアクチュエーターを、温度の関数としての第１の流体溜めの液圧流体の体積変化により生じる所定のベクトルで偏位させるステップより成る燃料噴射器の熱的歪の補償方法。
【請求項２４】
偏位ステップは、温度が所定の温度より高くなると長さが変化するアクチュエーターを縦方向軸に沿う第１の方向に移動させるステップを含む請求項２３の方法。
【請求項２５】
偏位ステップは、温度が所定の温度より低くなると長さが変化するアクチュエーターを第１の方向とは反対の第２の方向へ偏位するステップを含む請求項２３の方法。
【請求項２６】
偏位ステップはさらに、液圧流体が第１及び第２の流体溜めのうち一方に捕捉されるように長さが変化するアクチュエーターの作動時に第１の流体溜めと第２の流体溜めとの間の液圧流体の連通を阻止するステップより成る請求項２３の方法。
【請求項２７】
連通を阻止するステップは、長さが変化するアクチュエーターが非作動状態である時液圧流体の一部を一方の流体溜め内に解放することにより閉鎖部材及び長さが変化するアクチュエーターの一部の位置を互いに一定に維持するステップをさらに含む請求項２６の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【優先権】
本願は、２０００年１０月１１日付け米国仮出願第６０／２３９，２９０号の優先権を主張するものであり、その出願全体を本願の一部として引用する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、一般的に、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化する電気機械式ソリッドステートアクチュエーターに関し、詳細には、長さが変化するアクチュエーター用の補償器組立体、さらに詳細には、内燃機関の圧電作動式高圧燃料噴射器を液圧補償する装置及び方法に関する。
【０００３】
【発明の背景】
ソリッドステートアクチュエーターとして、軸方向長さが動作電圧または磁界の印加により変化するセラミック構造体が知られている。典型的な用途では、この軸方向長さを、例えば、約０．１２％変化することができると思われる。ソリッドステートアクチュエーターの圧電素子積層構造では、軸方向長さの変化はアクチュエーターの素子の数に応じて増大すると思われる。ソリッドステートアクチュエーターの性質により、電圧を印加すると、アクチュエーターが瞬時に伸張し、アクチュエーターに接続された任意の構造体を瞬時に移動させると思われる。自動車技術、特に、内燃機関の分野では、燃料の霧化及び燃焼を最適化するために噴射器の弁要素を精密に開閉しなければならないと思われる。従って、内燃機関では現在、ソリッドステートアクチュエーターが噴射器の弁要素を精密に開閉するために使用されると思われる。
【０００４】
動作時、内燃機関のコンポーネントは有意な熱的変動を経験するため、エンジンコンポーネントが熱膨張または熱収縮を起こすと思われる。例えば、燃料噴射器組立体の弁本体は、動作時にエンジンが発生する熱により膨張する。さらに、弁本体内で作動する弁要素は比較的低温の燃料と接触して収縮すると思われる。ソリッドステートアクチュエーター積層体を噴射器の弁要素の開閉に用いる場合、これらの熱的変動に起因して、不十分な開放ストロークまたは不十分な密封ストロークとして特徴付けられる弁要素の運動が発生することがあると思われる。これは、ソリッドステートアクチュエーターの熱膨張特性が他の燃料噴射器またはエンジンコンポーネントの熱膨張特性と比べて小さいからであると思われる。例えば、ハウジングとアクチュエーター積層体との熱膨張の差はアクチュエーター積層体のストロークよりも大きい場合があると思われる。従って、弁要素の収縮または膨張が燃料噴射器の動作に有意な影響を及ぼすことがあると思われる。
【０００５】
ソリッドステートアクチュエーターの動作に影響を与える熱的変化を補償する従来の方法及び装置には、それらが長さの変化を近似するに過ぎないか、ソリッドステートアクチュエーターの長さの変化の補償を１回だけ行うに過ぎないか、もしくはソリッドステートアクチュエーターの長さの変化を温度変化の狭い範囲だけで正確に近似するに過ぎないという点において問題がある。
【０００６】
従来の方法の問題点を解消する熱的補償法が求められていると思われる。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するソリッドステートアクチュエーターに熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する補償器組立体を備えた燃料噴射器を提供する。この補償器組立体は、エラストマーシールの数を最小限に抑えてエラストマーシールのスリップスティック効果を減少させると共にコンパクト化を図るものである。本発明の一実施例によると、燃料噴射器は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１及び第２の端部の間に設けた端部部材とを有するハウジングと、縦方向軸に沿って設けられた長さが変化するアクチュエーターと、長さが変化するアクチュエーターに結合され、燃料噴射を許容する第１の位置と、燃料噴射を阻止する第２の位置との間で可動の閉鎖部材と、ソリッドステートアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成る。補償器組立体は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、本体の第１及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられた第１のピストンと、本体の第１のピストンの近くに設けられた第２のピストンとを有する。第１のピストンは、第１の外側表面と、その第１の外側表面から離れた第１の作動表面とを有し、外側表面は本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定する。第２のピストンは、第２の外側表面と、第１のピストンの第１の作動表面に対向する第２の作動表面とを有する。第１の密封部材が第２のピストンに結合されて第１の作動表面と接触し、可撓性流体障壁が第１及び第２のピストンに結合され、第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する。
【０００８】
本発明は、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さが変化するアクチュエーターに使用してアクチュエーターの熱的歪み、摩耗及び取付け歪みを補償する補償器を提供する。好ましい実施例によると、自己伸張性アクチュエーターは第１及び第２の端部を有する。この補償器は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、本体の第１及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられた第１のピストンと、第１のピストンの近くの本体には第２のピストンとを有する。第１のピストンは、第１の外側表面と、その第１の外側表面から離れた第１の作動表面とを有し、第１の外側表面は本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定する。第２のピストンは、第２の外側表面と、第１の作動表面に対向する第２の作動表面とを有する。第１の密封部材が第２のピストンに結合されて第１の作動表面と接触し、可撓性流体障壁が第１及び第２のピストンに結合され、第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する。
【０００９】
本発明は、熱的歪み、摩耗及び取付け歪みによる燃料噴射器の歪みを補償する方法を提供する。燃料噴射器は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、第１及び第２の端部の間に設けた端部部材とを有するハウジングと、縦方向軸に沿って設けられた長さが変化するアクチュエーターと、長さが変化するアクチュエーターに結合された閉鎖部材と、長さが変化するアクチュエーターを温度変化に応答してハウジングに対して移動させる補償器組立体とより成る。補償器組立体は、縦方向軸に沿って延び、第１及び第２の端部と、縦方向軸に対向する内側表面とを有する本体と、本体の第１及び第２の端部のうちの一方の近くに設けられた第１のピストンと、本体の第１のピストンの近くに設けられた第２のピストンとを有する。第１のピストンは、本体の内側表面と協働して第１の流体溜めを画定し、第２のピストンは、第２の外側表面と、第１の作動表面に対向する第２の作動表面とを有する。エラストマーが第２のピストンに結合されて第１の作動表面と接触し、可撓性流体障壁が第１及び第２のピストンに結合され、第１及び第２の作動表面と協働して第２の流体溜めを画定する。好ましい実施例によると、この方法は、第１のピストンの表面を本体の内側表面に対向させて第１のピストンと本体の内側表面との間に制御されたクリアランスを形成し、第２のピストンの表面と本体の内側表面との間にエラストマーを係合させてそれらの間に密封部を形成し、第１と第２の流体溜めの液圧流体を加圧し、長さが変化するアクチュエーターを、温度の関数としての第１の流体溜めの液圧流体の体積変化により生じる所定のベクトルで偏位させるステップより成る。
【００１０】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図１乃至４を参照して、該図は、好ましい実施例を示す。図１は、ソリッドステートアクチュエーター１００及び補償器組立体２００を備えた燃料噴射器組立体１０の好ましい実施例を示す。燃料噴射器組立体１０は、入口取付け具１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７を有する。入口取付け具１２は、燃料フィルター１６、燃料流路１８、２０、２２及び燃料供給源（図示せず）に接続された燃料入口２４を有する。入口取付け具１２はＯリング２９を備えた入口端部部材２８（図２を参照）を有する。入口端部部材のポート３０は、充填プラグ３８を取外した後に流体溜め３２に流体３６を充填するために使用できる。充填プラグは、ハウジングへ螺着、密封または永続的結合のような適当な方法により噴射器ハウジングに結合可能である。流体３６は、温度変化に応答してその体積を変化させる実質的に非圧縮性の流体でよい。好ましくは、流体３６は、噴射器の噴射器入口１２、ハウジング１４または他のコンポーネントよりも大きい熱膨張率を有するシリコンまたは他の種類の液圧流体である。充填プラグ３８は、螺着によりハウジングに接続するのが好ましい。
【００１１】
好ましい実施例において、噴射器ハウジング１４は、ソリッドステートアクチュエーター積層体１００及び補償器組立体２００を取囲んでいる。弁本体１７は、噴射器ハウジング１４に固着され、弁閉鎖部材４０を取囲んでいる。ソリッドステートアクチュエーター積層体１００は複数のソリッドステートアクチュエーターより成り、これらは電圧源に電気的に接続された接点ピン（図示せず）を介して作動可能である。接点ピン（図示せず）間に電圧を印加すると、ソリッドステートアクチュエーター積層体１００は長さ方向に膨張する。ソリッドステートアクチュエーター積層体１００の膨張の典型的な大きさは、例えば、約３０−５０ミクロンのオーダーである。この長さ方向の膨張を利用すると、燃料噴射器組立体１０の弁閉鎖部材４０を作動させることができる。
【００１２】
ソリッドステートアクチュエーター積層体１００は、ハウジングに沿って案内部材１１０により案内される。ソリッドステートアクチュエーター積層体１００は、底部４４が弁閉鎖部材４０の閉鎖端部４２と作動的接触関係にある第１の端部と、頂部４６が補償器組立体２００に作動的に接続された第２の端部とを有する。
【００１３】
燃料噴射器組立体１０はさらに、ばね４８、ばね座金５０、キーパー５２、ブッシング５４、弁閉鎖部材の弁座５６、ベローズ５８及びＯリング６０を有する。Ｏリング６０は、周囲温度が低くても（−４０℃またはそれ以下）及び動作温度が高くても（１４０℃またはそれ以上）作動性を維持し燃料に適合するＯリングであるのが好ましい。
【００１４】
図２を参照して、補償器組立体２００の本体２１０は、第１のピストン２２０、ピストン棒または延長部の一部２３０、第２のピストン２４０、ベローズ２５０及び弾性部材またはばね２６０を取囲んでいる。本体２１０は、第１及び第２のピストンと嵌合する限り、例えば、卵形、正方形、矩形もしくは他の任意の多角形のような任意適当な断面形状でよい。本体の好ましい断面形状は円形であり、その場合、縦方向軸Ａ−Ａに沿って延びる円筒形となる。
【００１５】
延長部２３０は第１のピストン２２０から延びて、端部が圧電積層体１００の頂部４６にリンクされている。延長部は、第１のピストン２２０の一部として一体的に形成するのが好ましい。あるいは、延長部を第１のピストン２２０とは別個に形成し、例えば、スプライン結合、玉継手または他の適当な結合手段により第１のピストン２２０に結合することができる。
【００１６】
第１のピストン２２０は、入口端部部材２８と対向関係に配置されている。第１のピストン２２０の外周面２２８は、本体の内側表面２２０と精密公差で嵌合するように、即ち、クリアランスを介する流体の漏洩量を制御する液圧シールを形成すると共にピストンと本体との間の潤滑を可能にする制御されたクリアランスを形成する寸法を有する。第１のピストンと本体２１０との間の制御されたクリアランスは、第１の流体溜め３２から第２の流体溜め３３への制御された漏洩流路を提供し、第１のピストン２２０と本体２１０との間の摩擦を減少させることにより、第１のピストン２２０の運動のヒステリシスを最小限に抑える。積層体１００による生じる側方荷重は、摩擦及びヒステリシスを増加させると思われる。そのため、第１のピストン２２０を、好ましくは縦方向軸Ａ−Ａに沿う方向だけで積層体１１０と結合して、側方荷重が減らすかなくなるようにする。本体２１０は、噴射器ハウジングに関して自由浮動状態であるため、歪みが防止される。さらに、ピストン副組立体内にばねを格納することにより、補償器組立体２００により外からの側方力またはモーメントが噴射器ハウジングへほとんどまたは全く導入されないようにする。
【００１７】
流体３６が第１のピストン２２０の第１の面２２２と第２の面２２４との間を選択的に循環できるようにするため、通路２２６が第１と第２の面の間を延びる。第１の流体溜め３２には圧力感知弁を設けるが、この弁は圧力感知弁にかかる圧力降下に応じて１つの方向に流体が流れるようにする。圧力感知弁は、例えば、逆止弁または単方向弁でよい。圧力感知弁は、図４に示すように、第１の面２２２の上方に滑らかな面がある可撓性の薄いディスクプレート２７０であるのが好ましい。
【００１８】
詳述すると、第１のピストン２２０に接触する側の面を滑らかにして第１の面２２２に対する密封表面を形成することにより、プレート２７０は、第１の流体溜め３２の圧力が第２の流体溜め３３の圧力よりも低い時は必ず流体が第１の流体溜め３２と第２の流体溜め３３との間を流れるようにする圧力感知弁として働く。即ち、流体溜め間に圧力差がある時は必ず、プレート２７０の滑らかな表面が持ち上げられて流体がチャンネルまたはポケット２２８ａへ流入できるようにする。このプレートは、玉形逆止弁におけるように流体圧力とばね力の組合せではなくて、圧力差に応じて流れを阻止するシールを形成することに注意されたい。圧力感知弁またはプレート２７０には、表面を貫通するオリフィス２７２ａ，２７２ｂが形成されている。このオリフィスは、例えば、正方形、円形または任意適当な形状でよい。好ましくは、このプレートには、各々の直径が約１．０ミリメートルの１２個のオリフィスが形成されている。また、各チャンネルまたはポケット２２８ａ、２２８ｂには各オリフィス２７２ａ、２７２ｂとほぼ同じ形状及び断面積の開口を設けてもよい。プレート２７０は、プレートの周りの４箇所またはそれ以上の異なる箇所で第１の表面２７２に溶接するのが好ましい。
【００１９】
プレート２７０は非常に小さい質量と可撓性とを有するため、流体が流入すると非常に迅速に応答して端部部材２８の方へ持ち上げられ、プレートを通過していなかった流体が液圧シムの体積を増加させる。プレート２７０は、プレート２７０の下方及び通路２２６内にある流体を吸引すると、球形の一部に近いものとなる。この増加した体積がシムの体積に加算されるが、その体積増加分は依然として密封表面の第１の流体溜め側にある。プレート２７０の多数の利点のうちの１つは、圧力の脈動が第１の流体溜めの液圧シムに追加される流体の体積増加分により迅速に減衰されることである。これは、噴射器の作動が非常に動的な事象であり、非作動状態、作動状態及び非作動状態間の移行により液圧シムに圧力変動を発生させる慣性力が生じるからである。液圧シムは、第１の流体溜め３２へ流体が自由に流入するがこの流体溜めからは流出が制限されるため、振動を迅速に減衰させる。
【００２０】
貫通孔またはオリフィス２７２ａ，２７２ｂの直径は、プレート２７０が第１の面２２２から持ち上げられると球形の一部に似た形になるため、プレート２７０の上昇距離でなくてプレートのオリフィス実効直径として考えることができる。さらに、オリフィスの数及び各オリフィスの直径は、プレート２７０の圧力降下の決定にとって重要なプレート２７０の剛性を決定する。好ましくは、圧力降下は熱的補償器の第１の流体溜め３２における圧力脈動に比べて小さいものでなければならない。プレート２７０が約０．１ｍｍ持ち上げられると、プレート２７０は、大きく開放した状態で第１の流体溜め３２への流れを制限しないと考えることができる。液圧シム内への流れは制限されないため、流体の有意な圧力降下が防止される。これは、有意な圧力降下が存在すると流体に溶解されたガスが表に出て泡を形成するため重要であると思われる。これは、ガスの蒸気圧が減少した流体圧を超えることによる（即ち、ある特定の種類の流体は、スポンジが水を吸収するように空気を吸収するため、流体が圧縮可能な流体のように振舞う）。泡が形成されると、小さなばねのように作用して補償器を「ソフト」または「スポンジ」のようにする。一旦泡が形成されると、これらを流体内に再び溶解させるのは困難である。補償器は、好ましくは設計により、約２乃至７バールの圧力で作動するが、液圧シムの圧力は大気圧よりも有意に低下しないと思われる。従って、流体及び補償器通路からガス抜きを行うのは、プレート２７０がない場合ほど重要ではない。プレート２７０の厚さは約０．１ミリメートルであり、その表面積は約１１０平方ミリメートル（ｍｍ２）である。さらに、プレート２７０の可撓性を所望の値に維持するためには、各々が約０．８平方ミリメートル（ｍｍ２）の開口を有する約１２個のオリフィスより成るアレイを設けるのが好ましく、プレートの厚さは表面積の平方根を約９４で割算した値であるのが好ましい。
【００２１】
ポケットまたはチャンネル２２８ａ、２２８ｂを第１の表面２２２上に形成することができる。ポケット２２８ａ、２２８ｂにより、第１の表面２２２と端部部材２８との間に流体がほとんどまたは全く存在しない場合でも第１の表面２２２上に幾分かの流体３６が残存して、液圧「シム」として働くようにする。好ましい実施例において、第１の流体溜めには常に少なくとも幾分かの流体がある。第１の表面２２２及び第２の表面２２４は、例えば、回転円錐表面のような任意適当な形状でよい。第１の表面２２２及び第２の表面２２４は、縦方向軸Ａ−Ａに関して横方向の平坦な表面を含むのが好ましい。
【００２２】
第１のピストン２２０と積層体１００の頂部４６との間には、縦方向軸Ａ−Ａに沿って軸方向に摺動可能なように延長部２３０に取り付けられたリングのようなピストンまたは第２のピストン２４０が設けられている。第２のピストン２４０は、その外周部に形成された溝２４０内に、エラストマー２４２であるのが好ましい密封部材を備えており、それにより積層体１００の方への流体３６の漏洩が一般的に阻止される。エラストマー２４２はＯリングであるのが好ましい。あるいは、エラストマー２４２は非円形の断面を有する種類のＯリングでもよい。エラストマーの他の種類、例えばラビリンスシールのようなものを用いてもよい。
【００２３】
第２のピストンは、ベローズの第１のカラー部２５２の表面２５６と共に第２の作動表面２４８を形成する表面２４６を有する。ここでは、第２の作動表面２４８は、第１の作動表面に対向するように設けられている（即ち、第１の作動表面は第１のピストン２２０の第２の表面２２４である）。ピストンは円形であるのが好ましいが、ピストン２２０を矩形または卵形のような他の適当な形状にしてもよい。
【００２４】
第２のピストン２４０は、ベローズ２５０及び少なくとも１つの弾性部材またはばね２６０を介して延長部２３０に結合される。ばね２６０は、ボス部分２８０と第２のピストン２４０との間に設けられている。好ましくは、ボス部分２８０は、例えば螺着、溶接、結合、ろう付け、接着、好ましくはレーザー溶接のような適当な方法により延長部に固着されるばね座金でよい。ベローズ２５０は、第１のカラー部２５２と第２のカラー部２５４とを有する。ベローズの第１のカラー部２５２は、第２のピストン２４０の内側表面２４４に固着されている。ベローズの第２のカラー部２５４は、ボス部分２８０に固着されている。ベローズの両方のカラー部は、例えば、螺着、溶接、結合、接合、ろう付け、接着、好ましくはレーザー溶接のような適当な方法により固着することができる。ベローズの第１のカラー部２５２は延長部２３０上に滑り嵌め状態に設けられている。好ましくは、ベローズの第１のカラー部２５２は、室温（約２０℃）では、軸方向中立（非荷重）位置において、延長部２３０との間に±約３００マイクロメーターのクリアランスを有する。この位置から、ソリッドステートアクチュエーターに望まれる動作サイクル数に応じて±約１００ミクロン乃至±約３００ミクロン移動可能である。最高の作動温度（約１４０℃またはそれ以上）になると、このクリアランスは約４００ミクロンに増加する可能性がある。最低の動作温度（約−４０℃またはそれ以下）では、クリアランスは約２５０ミクロンに減少するであろう。
【００２５】
ばね２６０は、ボス部分２８０に対して反作用することにより、第２の作動表面２４８を入口１６の方へ押圧する。これにより、流体３６の圧力が上昇し、これが第１のピストン２２０の第１の表面２２２及び第２の表面２２４に作用する。最初の位置で、液圧流体３６は、ばね２６０のばね力及び第２の作動表面２８の関数として加圧される。加圧された流体は、第１の流体溜めの圧力が第２の流体溜めの圧力よりも低いと第１の流体溜め３２内へ流入し、第２の流体溜め３３から流出する傾向がある。第１の流体溜め３２の圧力が最初の位置の場合のように第２の流体溜めの圧力より低い場合、圧力応答弁２７０が流体３６を第１の流体溜め３２へ流入させるように動作する。第１の流体溜め３２の流体が膨張する前に、この第１の流体溜めは、液圧シムが形成するように第２の作動表面２４８及びばね２６０のばね力により予荷重を加えられる。好ましくは、ばね２６０のばね力は約３０ニュートン乃至７０ニュートンである。
【００２６】
液圧シムの容量を形成する流体３６は、補償器内またはその周りの温度が上昇すると膨張する傾向がある。第１の面２２２は第２の作動表面２４８より表面積が大きいため、第１のピストンは積層体または弁閉鎖部材４０の方へ移動する傾向がある。積層体１００の方へ移動する第１のピストン２２０の力ベクトル（即ち、方向及び大きさを有する）Ｆｏｕｔは下式で定義される。
【００２７】
Ｆｏｕｔ＝Ｆｓｐｒｉｎｇ＋（Ｆｓｐｒｉｎｇ±Ｆｓｅａｌ）＊（（Ａｓｈｉｍ／Ａ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ）−１）
上式において、
Ｆｏｕｔ＝圧電積層体に印加される力；
Ｆｓｐｒｉｎｇ＝ばね力（３０ないし７０ニュートン）；
Ａｓｈｉｍ＝ピストン上方の面積（液圧シム）；
Ａ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ＝第１のピストン下方の面積（第２の流体溜め）；
Ｆｓｅａｌ＝密封摩擦力（密封部材２４２）。
【００２８】
下記の数式が当て嵌まる摩擦のないシールと仮定すると、
Ｆｏｕｔ＝Ｆｓｐｒｉｎｇ＊Ａｓｈｉｍ＊Ｐｓｈｉｍ／（Ａ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ＊Ｐ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ）
上式において、
Ｆｏｕｔ＝圧電積層体に印加される力；
Ｆｓｐｒｉｎｇ＝ばね力；
Ａｓｈｉｍ＝（π／４）＊Ｐｄ２またはピストン上方の面積、Ｐｄは第１のピストンの直径；
Ｐｓｈｉｍ＝圧力（液圧シム）；
Ａ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ＝（π／４）＊（Ｐｄ２　−Ｂｈ２）または第１のピストン下方の面積、Ｂｈはベローズ２５０の液圧直径；
Ｐ２ｎｄＲｅｓｅｒｖｏｉｒ＝圧力（第２の流体溜め内）。
【００２９】
休止状態において、液圧シム及び第２の流体溜めのそれぞれの圧力はほぼ等しい傾向がある。密封部材２４２の摩擦力は液圧シム及び第２の流体溜めの圧力に等しく影響を及ぼすため、密封部材２４２はピストンの力Ｆｏｕｔには影響を及ぼさない。しかしながら、ソリッドステートアクチュエーターが作動されると、液圧シムの圧力は、（ａ）プレート２７０が表面２２２に対して緊密に密着し、（ｂ）流体３６が非圧縮性であるため、積層体が膨張するにつれて増加する。これにより、積層体１００は、燃料を燃料出口６２から噴射するように弁閉鎖部材４０を作動できる剛性の反作用ベースを有する。
【００３０】
ばね２６０はコイルばねであるのが好ましい。ここでは、流体溜めの圧力は各コイルばねの少なくとも１つのばね特性と関連がある。本明細書中において、少なくとも１つのばね特性は、例えば、ばね定数、ばね自由長、ばねの弾性率を含むことができる。各ばね特性は、上述の他のばね特性との種々の組合せで選択することにより、補償器組立体２００の所望の応答を得ることができる。
【００３１】
再び図１を参照して、燃料噴射器１０の動作時、燃料が燃料供給源（図示せず）から燃料入口２４へ供給される。燃料入口２４の所の燃料は、弁閉鎖部材４０が開位置に移動しておれば、燃料フィルター１１、通路１８、通路２０、燃料管２２を介して燃料出口６２から流出する。
【００３２】
燃料を燃料出口６２から流出させるために、ソリッドステートアクチュエーター積層体１００へ電圧を印加してその積層体を膨張させる。ソリッドステートアクチュエーター積層体１００が膨張すると、底部４４が弁閉鎖部材４０を押圧し、このため燃料が燃料出口６２から出る。燃料が燃料出口６２から噴射されると、ソリッドステートアクチュエーター積層体１００への給電が停止されるため、ばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を復帰させて、燃料出口６２を閉じる。詳述すると、ソリッドステートアクチュエーター積層体１００は、給電停止により収縮するため、弁閉鎖部材４０を底部４４に常に接触状態に保持するばね４８の偏倚力が弁閉鎖部材４０を閉位置に偏位する。
【００３３】
図１を参照して、ばね閉鎖部材４０が収縮すると底部４４は弁閉鎖端部４２との接触点から離れる傾向がある。第１のピストン２２０の底面に作動的に接続された長さが変化するアクチュエーター積層体１００は、力Ｆｏｕｔによる第２のピストンに作用するばね２６０による気体の加圧により最初は下方に押される。温度が増加すると、アクチュエーター積層体に比べて燃料噴射器コンポーネントの体積膨張率βが一般的に高いため、入口取り付け部１２、噴射器ハウジング１４及び弁本体１７がアクチュエーター積層体１００に対して相対的に膨張する。第１のピストンのこの移動は頂部４６によりアクチュエーター積層体１００に伝達され、この移動が積層体の底部４４の位置を閉鎖端部４２に関して一定に維持する。
【００３４】
好ましい実施例において、液圧流体３６の熱膨張率βは圧電積層体の熱膨張率βよりも大きいことに注意されたい。ここでは、熱的補償器組立体は、燃料噴射器のハウジングと圧電積層体１００の熱膨張率の差が第１の流体溜め内の液圧流体３６の膨張により補償されるように、少なくとも、所望の膨張率βを有する液圧流体を選択し、また第１の流体溜めの流体の所定の体積を選択することにより構成することができる。
【００３５】
アクチュエーター１００が作動されると、第１の流体溜め３２の圧力が急速に増加するため、プレート２７０が第１の面２２２に緊密に封止される。これにより、液圧流体３６の第１の液体溜めから通路２３６への流出が阻止される。積層体１００の作動時におけるシムの体積は、アクチュエーター１００が作動されたおおよその瞬間における第１の液体溜め内の液圧流体の体積と関連があることに注意されたい。液体は事実上非圧縮性であるため、第１の流体溜め３２の液体３６は剛性的な反作用ベース、即ち、アクチュエーター１００が反作用するシムに近似される。シムの剛性は、部分的に、流体の事実上の非圧縮性及び流体がプレート２７０より第１の流体溜め３２から流出できないことによると考えられる。アクチュエーター積層体１００が未荷重状態で作動されると、積層体は約６０ミクロン伸張する。好ましい実施例では、この伸張量の半分（約３０ミクロン）は燃料噴射器の種々のコンポーネントにより吸収される。積層体１００の全伸張量の残りの半分（約３０ミクロン）は、閉鎖部材４０を撓ませるために使用される。従って、アクチュエーター積層体１００の撓みは繰返し付勢される度に一定であると考えられ、それにより燃料噴射器の開度を一定に維持することが可能になる。
【００３６】
アクチュエーター１００が作動されない場合、流体３６は第１の流体溜めと第２の流体溜めの間を流れるが、同じ予荷重力Ｆｏｕｔが維持される。力Ｆｏｕｔは、ばね２６０と各ピストンの表面積の関数である。従って、アクチュエーター積層体１００の底部４４は、燃料噴射器コンポーネントが膨張するかまたは収縮するかに拘らず、弁閉鎖端部４２の接触表面と常に接触状態に維持されると思われる。
【００３７】
補償器組立体２００を燃料噴射器用ソリッドステートアクチュエーターと共に図示したが、例えば、電気歪み、磁気歪みまたはソリッドステートアクチュエーターのような長さの変化するアクチュエーターを補償器組立体２００と共用できることを理解されたい。ここでは、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが付勢されると長さが延びる、常態では作動されないアクチュエーターを包含することができる。逆に、長さが変化するアクチュエーターは、アクチュエーターが常態では作動されるが、非作動状態にすると長さが収縮（膨張でなく）する場合にも適用可能である。さらに、補償器組立体２００及び長さが変化するアクチュエーターは燃料噴射器に関連の用途に限定されず、例示すると、スイッチ、光学的読み取り／書き込みアクチュエーターまたは医学用流体給送装置のような適度に精密なアクチュエーターを必要とする他の用途にも利用できることを強調したい。
【００３８】
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変形例及び設計変更は、頭書の特許請求の範囲に規定される範囲から逸脱することなく可能である。従って、本発明は図示説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言及びその均等物により規定される全幅を享受するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、ソリッドステートアクチュエーター及び好ましい実施例による補償器ユニットを備えた燃料噴射器組立体の断面図である。
【図２】
図２は、図１の熱的補償器組立体の拡大図である。
【図３】
図３は、図２の補償器組立体を本体内へ組込む前の第１及び第２のピストンを示す図である。
【図４】
図４は、補償器組立体の圧力感知弁の動作を説明する図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004511701.tif 000029
2004511701.tif 000030