(57)【要約】【課題】ボイスコイルモータを用いた燃料噴射弁において、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避する。【解決手段】ボイスコイルモータにて駆動される制御ピストン１９により油室２７の燃料圧を制御してニードル２５による噴孔２４０の開閉作動を制御する燃料噴射弁において、ニードルピストン部２５１の受圧面積を制御ピストン部１９２の受圧面積よりも大きくすることにより、ボイスコイルモータが発生する駆動力が小さくても、ニードル２５による噴孔２４０の開閉作動を制御することができる。したがって、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石（１７、１８、５０）の磁界中に置かれたボイスコイル（１３）に電流を流すことにより、前記ボイスコイル（１３）が移動するボイスコイルモータと、
燃料通路に接続された噴孔（２４０）および前記噴孔（２４０）よりも上流側に位置するボデーシート部（２４１）を有するボデー（２３、２４）と、
燃料が充填された油室（２７）を有し前記ボデー（２３、２４）に固定されたシリンダ（２６）と、
前記ボデーシート部（２４１）に接離して前記噴孔（２４０）を開閉するニードルシート部（２５０）を一端側に有するとともに、前記シリンダ（２６）に摺動自在に挿入されて前記油室（２７）の燃料圧を受けるニードルピストン部（２５１）を他端側に有するニードル（２５）と、
前記シリンダ（２６）に摺動自在に挿入される制御ピストン部（１９２）を有するとともに、前記ボイスコイルモータにて駆動されて前記油室（２７）の燃料圧を制御する制御ピストン（１９）とを備え、
前記制御ピストン（１９）の移動により前記油室（２７）の燃料圧を制御して前記ニードル（２５）による前記噴孔（２４０）の開閉作動を制御する燃料噴射弁であって、
前記ニードルピストン部（２５１）の受圧面積が前記制御ピストン部（１９２）の受圧面積よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記ボイスコイルモータは、前記ボイスコイル（１３）が筒状に形成され、前記磁石（１７、１８、５０）が前記ボイスコイル（１３）の内側および外側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】
前記ボイスコイル（１３）は前記ボイスコイル（１３）の移動方向に沿って複数個配置され、隣接する前記ボイスコイル（１３）は磁性体製の連結部材（６０）にて連結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】
前記ボイスコイル（１３）の巻き線（１３１）は、銅よりも比透磁率が高い材料よりなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ニードルピストン部（２５１）に作用する前記油室（２７）の燃料圧により前記ニードル（２５）は閉弁向きに付勢され、前記油室（２７）の燃料圧を低下させて前記ニードル（２５）を開弁作動させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記燃料通路を流通する燃料の圧力により前記ニードル（２５）が開弁向きに付勢される燃料噴射弁であって、
前記シリンダ（２６）と前記ニードルピストン部（２５１）との間に摺動自在に挿入された筒状の補助ニードルピストン（４０）を備え、
前記補助ニードルピストン（４０）は、前記燃料通路を流通する燃料の圧力により前記ニードル（２５）を開弁向きに付勢し、
前記ニードル（２５）のリフト量が所定リフト以下の領域では、前記補助ニードルピストン（４０）は前記ニードル（２５）を開弁向きに付勢しつつ前記ニードル（２５）とともに移動し、
前記ニードル（２５）のリフト量が所定リフトを超えた領域では、前記補助ニードルピストン（４０）は前記シリンダ（２６）に係合して移動しないように構成さ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】
前記ニードルピストン部（２５１）に作用する前記油室（２７）の燃料圧により前記ニードル（２５）は開弁向きに付勢され、前記油室（２７）の燃料圧を上昇させて前記ニードル（２５）を開弁作動させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記ニードルピストン部（２５１）における反油室側の面に前記燃料通路を流通する燃料の圧力が作用することにより、前記ニードル（２５）が閉弁向きに付勢さ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】
前記ボイスコイル（１３）に電流を流して前記ニードル（２５）を開弁作動させた後、前記ボイスコイル（１３）に流れる電流の向きを反転させて前記ニードル（２５）を閉弁作動させ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、燃料を内燃機関に噴射するための燃料噴射弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料噴射弁として、磁石の磁界中に置かれたボイスコイルに電流を流すことによりボイスコイルが移動するボイスコイルモータを用い、ボイスコイルモータによりピストンを駆動してニードルに作用する圧力を制御することにより、ニードルによる噴孔の開閉作動を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２６７５３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ボイスコイルモータは発生する駆動力が小さいため、所定の駆動力を得るためにボイスコイルへ通電する電流を大きくする、もしくは、磁石を大型にして磁極面積を大きくすることが必要となり、したがって、消費電力が大きい、あるいは燃料噴射弁が大型化してしまうという問題が発生する。
【０００５】
また、ニードルに常時作用する燃料圧力によりニードルが開弁向きに付勢されているため、燃料圧力が設定圧以上に高くなると自動的に開弁してしまうという問題もある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、ボイスコイルモータを用いた燃料噴射弁において、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、磁石（１７、１８、５０）の磁界中に置かれたボイスコイル（１３）に電流を流すことにより、ボイスコイル（１３）が移動するボイスコイルモータと、燃料通路に接続された噴孔（２４０）および噴孔（２４０）よりも上流側に位置するボデーシート部（２４１）を有するボデー（２３、２４）と、燃料が充填された油室（２７）を有しボデー（２３、２４）に固定されたシリンダ（２６）と、ボデーシート部（２４１）に接離して噴孔（２４０）を開閉するニードルシート部（２５０）を一端側に有するとともに、シリンダ（２６）に摺動自在に挿入されて油室（２７）の燃料圧を受けるニードルピストン部（２５１）を他端側に有するニードル（２５）と、シリンダ（２６）に摺動自在に挿入される制御ピストン部（１９２）を有するとともに、ボイスコイルモータにて駆動されて油室（２７）の燃料圧を制御する制御ピストン（１９）とを備え、制御ピストン（１９）の移動により油室（２７）の燃料圧を制御してニードル（２５）による噴孔（２４０）の開閉作動を制御する燃料噴射弁であって、ニードルピストン部（２５１）の受圧面積が制御ピストン部（１９２）の受圧面積よりも大きいことを特徴とする燃料噴射弁。
【０００８】
これによると、ニードルピストン部（２５１）の受圧面積を制御ピストン部（１９２）の受圧面積よりも大きくすることにより、ボイスコイルモータが発生する駆動力が小さくても、ニードル（２５）による噴孔（２４０）の開閉作動を制御することができる。したがって、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料噴射弁において、ボイスコイルモータは、ボイスコイル（１３）が筒状に形成され、磁石（１７、１８、５０）がボイスコイル（１３）の内側および外側に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、磁束の漏れを抑制できるとともに、ボイスコイル（１３）内をその径方向に通過する磁束を確実に確保できるため、駆動力を確実に得ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料噴射弁において、ボイスコイル（１３）はボイスコイル（１３）の移動方向に沿って複数個配置され、隣接するボイスコイル（１３）は磁性体製の連結部材（６０）にて連結されていることを特徴とする。
【００１２】
これによると、複数のボイスコイル（１３）を備えているため、複数のボイスコイル全体を鎖交する磁束量が増加して駆動力を増加させることができる。そして、１つのボイスコイルを用いるものと駆動力を同等にすると、ボイスコイル１個あたりのコイル巻数を少なくできるため、ボイスコイルモータの外径を小さくすることができ、ひいては燃料噴射弁の外径を小さくすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、ボイスコイル（１３）の巻き線（１３１）は、銅よりも比透磁率が高い材料よりなることを特徴とする。
【００１４】
これによると、銅製巻き線を用いる場合と比較して、ボイスコイル（１３）を鎖交する磁束量が多くなるためローレンツ力が大きくなり、より小さい電流で必要な駆動力を得ることができる。そして、銅製巻き線を用いるものと駆動力を同等にすると、ボイスコイル（１３）を小径にすることができ、ひいては燃料噴射弁の外径を小さくすることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、ニードルピストン部（２５１）に作用する油室（２７）の燃料圧によりニードル（２５）は閉弁向きに付勢され、油室（２７）の燃料圧を低下させてニードル（２５）を開弁作動させることを特徴とする。
【００１６】
ところで、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル（２５）が開弁向きに付勢されている場合は、燃料圧力が設定圧以上に高くなると自動的に開弁してしまうという問題が発生する。これに対し、請求項５に記載の燃料噴射弁の場合、閉弁時には、燃料通路の燃料が摺動部のクリアランスから油室（２７）に流入して、燃料通路の燃料圧力と油室（２７）の燃料圧力は略同圧になるため、燃料圧力が設定圧以上に高くなった場合でも閉弁状態が維持される。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の燃料噴射弁において、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル（２５）が開弁向きに付勢される燃料噴射弁であって、シリンダ（２６）とニードルピストン部（２５１）との間に摺動自在に挿入された筒状の補助ニードルピストン（４０）を備え、補助ニードルピストン（４０）は、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル（２５）を開弁向きに付勢し、ニードル（２５）のリフト量が所定リフト以下の領域では、補助ニードルピストン（４０）はニードル（２５）を開弁向きに付勢しつつニードル（２５）とともに移動し、ニードル（２５）のリフト量が所定リフトを超えた領域では、補助ニードルピストン（４０）はシリンダ（２６）に係合して移動しないように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
これによると、開弁開始にはニードル（２５）は補助ニードルピストン（４０）によっても付勢されるため、大きな開弁力で確実に開弁させることができる。また、開弁後は、補助ニードルピストン（４０）およびニードル（２５）のうちニードル（２５）のみが移動するため、ニードル（２５）のリフト速度を高くすることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、ニードルピストン部（２５１）に作用する油室（２７）の燃料圧によりニードル（２５）は開弁向きに付勢され、油室（２７）の燃料圧を上昇させてニードル（２５）を開弁作動させることを特徴とする。
【００２０】
これによると、ニードル（２５）を開弁作動させる際には油室（２７）の燃料を加圧するため、ニードル（２５）の開弁作動時に油室（２７）にエアが発生せず、ニードル（２５）を安定して作動させることができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の燃料噴射弁において、ニードルピストン部（２５１）における反油室側の面に燃料通路を流通する燃料の圧力が作用することにより、ニードル（２５）が閉弁向きに付勢されていることを特徴とする。
【００２２】
これによると、燃料圧力が設定圧以上に高くなった場合でも閉弁状態が維持される。
【００２３】
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、ボイスコイル（１３）に電流を流してニードル（２５）を開弁作動させた後、ボイスコイル（１３）に流れる電流の向きを反転させてニードル（２５）を閉弁作動させることを特徴とする。
【００２４】
これによると、閉弁時の応答性を向上させることができる。
【００２５】
なお、この欄および特許請求の範囲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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図４】図３の燃料噴射弁の要部を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２８】
（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は第１実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。
【００２９】
図１に示すように、円筒状のインジェクタボデー１０の一端側に、円板状の第１ステータ１１が配置され、インジェクタボデー１０の内部に、円板状の第２ステータ１２が配置されている。インジェクタボデー１０、第１ステータ１１、および第２ステータ１２は、何れも透滋率が高い磁性体材料で形成されている。また、第１ステータ１１および第２ステータ１２は、インジェクタボデー１０に接合されている。
【００３０】
第１ステータ１１には、燃料通路となる貫通孔１１０が形成されている。また、第２ステータ１２にも、燃料通路となる貫通孔１２０が形成されている。
【００３１】
インジェクタボデー１０と第１ステータ１１と第２ステータ１２とによって形成された空間には、ボビン１３０に銅製の巻き線１３１を巻いた円筒状のボイスコイル１３が配置されている。巻き線１３１はリード線１４を介してコネクタ部１５のコネクタ端子１５０に接続されており、コネクタ端子１５０およびリード線１４を介して巻き線１３１に電力が供給されるようになっている。
【００３２】
ボイスコイル１３の内周側空間内で、且つボイスコイル１３の軸方向（以下、コイル軸方向という）の中心部に、透磁率が高い磁性体材料で形成された円柱状のセンタースペーサ１６が配置されている。ボイスコイル１３の内側空間内で、且つセンタースペーサ１６と第１ステータ１１との間に、永久磁石である円柱状の第１磁石１７が配置され、ボイスコイル１３の内周側空間内で、且つセンタースペーサ１６と第２ステータ１２との間に、永久磁石である円柱状の第２磁石１８が配置されている。センタースペーサ１６、第１磁石１７、および第２磁石１８は、第１ステータ１１と第２ステータ１２に挟持されている。
【００３３】
インジェクタボデー１０とボイスコイル１３との間には、隙間が形成されている。また、センタースペーサ１６、第１磁石１７、および第２磁石１８と、ボイスコイル１３との間にも、隙間が形成されている。そして、それらの隙間は、燃料通路として機能するようになっている。
【００３４】
また、第１ステータ１１とボイスコイル１３との間、および第２ステータ１２とボイスコイル１３との間にも隙間が形成されており、ボイスコイル１３はコイル軸方向に移動可能になっている。
【００３５】
第１磁石１７および第２磁石１８は、センタースペーサ１６に接する側が同磁極になるように配置されており、本実施形態では、センタースペーサ１６に接する側が何れもＳ極であり、破線で示すような磁気回路が形成される。
【００３６】
インジェクタボデー１０、第１ステータ１１、第２ステータ１２、ボイスコイル１３、センタースペーサ１６、第１磁石１７、および第２磁石１８によって、ボイスコイルモータが構成されており、第１磁石１７および第２磁石１８の磁界中に置かれたボイスコイル１３に電流を流すことにより、ボイスコイル１３がコイル軸方向に移動するようになっている。
【００３７】
より詳細には、ボイスコイルモータは、ボイスコイル１３に電流を流すと、電磁誘導によりローレンツ力が発生し、ボイスコイル１３がコイル軸方向に駆動される。そして、ボイスコイル１３に流す電流の向きを反転させることにより、ボイスコイル１３の作動方向が反転する。
【００３８】
インジェクタボデー１０の内部には、ボイスコイル１３によって駆動される制御ピストン１９が配置されている。この制御ピストン１９は、円板状の板部１９０を備え、この板部１９０は、第２ステータ１２よりも反ボイスコイル側に位置している。
【００３９】
板部１９０の外周部近傍には、第２ステータ１２の貫通孔１２０を貫通してボイスコイル１３側に向かって延びるピン形状の複数個のピン部１９１が形成されている。このピン部１９１の先端がボイスコイル１３に接合されており、これにより制御ピストン１９がボイスコイル１３と一体的に動くようになっている。
【００４０】
板部１９０の径方向中心部には、反ボイスコイル側に向かって延びる円筒状の制御ピストン部１９２が形成されている。この制御ピストン部１９２は、後述するシリンダに摺動自在に挿入されて後述する油室の燃料圧を受けるようになっている。
【００４１】
制御ピストン１９と第２ステータ１２との間に、第１スプリング２０が配置されている。そして、この第１スプリング２０により、制御ピストン１９は反ボイスコイル側に向かって付勢されている。
【００４２】
第１ステータ１１には、金属製の入口部材２１が接合されている。入口部材２１には燃料通路となる貫通孔２１０が形成されており、この貫通孔２１０に図示しない加圧ポンプから燃料が供給される。また、貫通孔２１０には、異物を除去するフィルタ部材２２が挿入されており、貫通孔２１０に供給された燃料はフィルタ部材２２を通過して第１ステータ１１の貫通孔１１０に流入する。
【００４３】
インジェクタボデー１０の他端側には、金属製の段付き円筒状の主ノズルボデー２３が接合されている。主ノズルボデー２３における反インジェクタボデー側の端部には、すなわち小径円筒部の端部には、金属製の円筒状の副ノズルボデー２４が接合されている。副ノズルボデー２４には、燃料通路に接続された噴孔２４０、および噴孔２４０よりも燃料流れ上流側に位置する円錐台のボデーシート部２４１が形成されている。
【００４４】
主ノズルボデー２３および副ノズルボデー２４の内周側空間には、一端側が円柱状で他端側が円筒状になった金属製のニードル２５が、その軸方向に移動可能な状態で収容されている。主ノズルボデー２３および副ノズルボデー２４とニードル２５との間には、燃料通路として機能する隙間が形成されている。
【００４５】
ニードル２５の一端側、すなわちニードル２５における副ノズルボデー２４側の端部には、ボデーシート部２４１に接離して噴孔２４０を開閉するニードルシート部２５０が形成されている。また、ニードル２５の他端側には、後述するシリンダに摺動自在に挿入されて後述する油室の燃料圧を受ける円筒状のニードルピストン部２５１が形成されている。
【００４６】
主ノズルボデー２３におけるインジェクタボデー１０側には、すなわち大径円筒部内には、金属製の円筒状のシリンダ２６が接合されている。このシリンダ２６の外周部近傍には、燃料通路となる貫通孔２６０が形成されている。また、シリンダ２６の径方向中心部には、ニードルピストン部２５１が摺動自在に挿入される第１摺動孔２６１、および制御ピストン１９の制御ピストン部１９２が摺動自在に挿入される第２摺動孔２６２が形成されている。
【００４７】
第１摺動孔２６１および第２摺動孔２６２のうちニードルピストン部２５１と制御ピストン部１９２にて区画された空間である油室２７には、第２スプリング２８が配置されており、この第２スプリング２８により、ニードル２５はボデーシート部２４１に向かって（すなわち閉弁向きに）付勢されている。
【００４８】
油室２７には燃料が充填されており、ニードルピストン部２５１における反ニードルシート部側（すなわち反噴孔側）の面に油室２７の燃料圧が作用し、この燃料圧によりニードル２５は閉弁向きに付勢される。
【００４９】
また、閉弁状態では、ニードルピストン部２５１におけるニードルシート部２５０側（すなわち噴孔２４０側）の面に燃料通路を流通する燃料の圧力が作用し、ニードル２５はその圧力により開弁向きに付勢される。さらに、開弁状態では、ニードルピストン部２５１におけるニードルシート部２５０側の面およびニードルシート部２５０に、燃料通路を流通する燃料の圧力が作用し、ニードル２５はその圧力により開弁向きに付勢される。
【００５０】
ここで、ニードルピストン部２５１における油室２７の燃料圧が作用する部位の面積をニードルピストン受圧面積ＳNEEDLEとし、制御ピストン部１９２における油室２７の燃料圧が作用する部位の面積を制御ピストン受圧面積ＳPISTONとしたとき、ＳNEEDLE＞ＳPISTONになっている。
【００５１】
次に、上記構成になる燃料噴射弁の作動を説明する。図１は閉弁状態を示しており、ここでボイスコイル１３に対して所定の向きに電流を流すと、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が第１ステータ１１側に向かって移動する。換言すると、制御ピストン部１９２が第２摺動孔２６２から抜け出す向き、すなわち、油室２７の容積を増加させる向きに、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が移動する。これにより、油室２７の燃料圧力が低下し、ニードル２５を閉弁向きに付勢する力が減少する。
【００５２】
そして、油室２７の燃料圧力が所定圧力まで低下すると、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル２５を開弁向きに付勢する力の方が大きくなって、ニードル２５が開弁向きに移動し、ニードルシート部２５０がボデーシート部２４１から離れて噴孔２４０が開かれる。これにより、図示しない加圧ポンプから供給される燃料が燃料噴射弁内の燃料通路を介して噴孔２４０に至り、その燃料は噴孔２４０から図示しない内燃機関に噴射される。
【００５３】
次に、閉弁させる際には、ボイスコイル１３に対して開弁作動時とは逆向きに電流を流す。これにより、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が開弁作動時とは逆向きに移動し、制御ピストン部１９２により油室２７の燃料が圧縮されて圧力が高められ、ニードル２５を閉弁向きに付勢する力が増加する。
【００５４】
そして、油室２７の燃料圧力によりニードル２５を閉弁向きに付勢する力が、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル２５を開弁向きに付勢する力よりも大きくなると、ニードル２５が閉弁向きに移動し、ニードルシート部２５０がボデーシート部２４１に当接して噴孔２４０が閉じられ、燃料の噴射が停止される。
【００５５】
なお、閉弁作動に必要な時間が経過後、ボイスコイル１３への通電を停止する。因みに、通電停止後は、燃料通路の燃料が摺動部のクリアランスから油室２７に流入して、燃料通路の燃料圧力と油室２７の燃料圧力は略同圧になるため、閉弁状態が維持される。
【００５６】
次に、本実施形態の特徴点について詳述する。ボイスコイルモータは、ボイスコイル１３が通電により移動しても、ボイスコイル１３内をその径方向に通過する磁束がほぼ均一であれば発生する駆動力は変化しないことは自明である。従って、ボイスコイル１３と一体に動く制御ピストン１９の移動量は設計により自由に設定が可能である。
【００５７】
しかしながら、本発明者の試算によるとボイスコイルモータが発生する駆動力は小さく、ニードル２５を閉弁向きに付勢する第２スプリング２８のばね荷重よりも大きな駆動力を発生させるには、ボイスコイル１３へ通電する電流を大きくする、もしくは、第１磁石１７および第２磁石１８を大型にして磁極面積を大きくする等の対策が必要となることがわかった。
【００５８】
そこで、本実施形態では、制御ピストン１９の移動量は設計により自由に設定が可能であることに着目し、以下のような検討に基づいて、ニードルピストン受圧面積ＳNEEDLEを制御ピストン受圧面積ＳPISTONよりも大きくすることにより、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避する構成を実現した。
【００５９】
まず、制御ピストン１９が第１ステータ１１側に向かって移動することによる油室２７の減圧量ΔＰは式１で表される。
【００６０】
ΔＰ＝Ｅ・ΔＶ／Ｖ  …式１
（但し、Ｅ：燃料の体積弾性率、ΔＶ：油室２７の体積変化量、Ｖ：油室２７の容積）
ここで、ニードル２５の開弁作動に必要な油室２７の圧力をΔＰOPEN、制御ピストン１９に作用する図１の紙面において下向きの力をＦPISTONとすると、開弁時には、ＦPISTON＝ＳPISTON×ΔＰOPENの力が制御ピストン１９に作用することとなる。したがって、ボイスコイルモータが発生する駆動力が、制御ピストン１９に作用する下向きの力ＦPISTONよりも大きい場合は、開弁可能であるが、逆に小さいと開弁できない。
【００６１】
そして、ピストン受圧面積ＳPISTONが小さければ、制御ピストン１９に作用する下向きの力ＦPISTONも小さくなることは自明である。また、制御ピストン１９の移動量をΔＬとすると、式１から、ΔＰ∝ΔＶであり、ΔＶ＝ＳPISTON×ΔＬである。従って、制御ピストン１９に作用する下向きの力ＦPISTONを小さくしても、制御ピストン１９の移動量ΔＬを大きくすることで、所定の減圧量ΔＰを得ることは可能である。
【００６２】
上記の検討により、ニードルピストン受圧面積ＳNEEDLEを制御ピストン受圧面積ＳPISTONよりも大きくすることにより、ボイスコイルモータが発生する駆動力が小さくても、ニードルを開弁作動させて燃料を噴射させることが可能となる。
【００６３】
以上述べたように、本実施形態では、ニードルピストン部２５１の受圧面積を制御ピストン部１９２の受圧面積よりも大きくすることにより、ボイスコイルモータが発生する駆動力が小さくても、ニードル２５による噴孔２４０の開閉作動を制御することができる。したがって、消費電力の増加を抑制し且つ燃料噴射弁の大型化を回避することができる。
【００６４】
また、閉弁時には、燃料通路の燃料が摺動部のクリアランスから油室２７に流入して、燃料通路の燃料圧力と油室２７の燃料圧力は略同圧になるため、燃料通路の燃料圧力が設定圧以上に高くなった場合でも閉弁状態を維持することができる。
【００６５】
さらに、閉弁させる際には、ボイスコイル１３に対して開弁作動時とは逆向きに電流を流して制御ピストン部１９２により油室２７の燃料圧力を高めるため、閉弁時の応答性を向上させることができる。
【００６６】
（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２は第２実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６７】
図２に示すように、本実施形態では、ニードルピストン部２５１におけるニードルシート部２５０側（すなわち噴孔２４０側）の面に油室２７の燃料圧が作用し、この燃料圧によりニードル２５は開弁向きに付勢されるようになっている。
【００６８】
第１摺動孔２６１内の空間のうち、ニードルピストン部２５１における反油室側（すなわち、反ニードルシート部側）の面が望む空間であるスプリング室３０は、貫通孔２６０に連通して、常に燃料通路の燃料圧力と同圧になっている。そして、スプリング室３０の燃料圧力により、ニードル２５は閉弁向きに付勢されている。また、スプリング室３０に第２スプリング２８が配置されている。
【００６９】
上記構成において、閉弁状態のときにボイスコイル１３に対して所定の向きに電流を流すと、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が反第１ステータ側に向かって移動する。換言すると、制御ピストン部１９２が第２摺動孔２６２に侵入する向き、すなわち、油室２７の容積を減少させる向きに、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が移動する。これにより、油室２７の燃料が圧縮されて圧力が高められ、ニードル２５を開弁向きに付勢する力が増加する。
【００７０】
そして、油室２７の燃料圧力によりニードル２５を開弁向きに付勢する力が、スプリング室３０の燃料圧力によりニードル２５を閉弁向きに付勢する力よりも大きくなって、ニードル２５が開弁向きに移動し、ニードルシート部２５０がボデーシート部２４１から離れて噴孔２４０が開かれる。
【００７１】
次に、閉弁させる際には、ボイスコイル１３に対して開弁作動時とは逆向きに電流を流す。これにより、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が開弁作動時とは逆向きに移動し、油室２７の容積が増加して油室２７の燃料圧力が低下し、ニードル２５を開弁向きに付勢する力が減少する。
【００７２】
そして、スプリング室３０の燃料圧力によりニードル２５を閉弁向きに付勢する力が、油室２７の燃料圧力によりニードル２５を開弁向きに付勢する力よりも大きくなると、ニードル２５が閉弁向きに移動し、ニードルシート部２５０がボデーシート部２４１に当接して噴孔２４０が閉じられる。
【００７３】
本実施形態によると、ニードル２５を開弁作動させる際には油室２７の燃料を加圧するため、ニードル２５の開弁作動時に油室２７にエアが発生せず、ニードル２５を安定して作動させることができる。
【００７４】
また、ニードルピストン部２５１における反油室側の面に、燃料通路を流通する燃料の圧力が作用することにより、ニードルが閉弁向きに付勢されるため、燃料通路の燃料圧力が設定圧以上に高くなった場合でも閉弁状態が維持される。
【００７５】
（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３は第３実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図、図４は図３の燃料噴射弁の要部を拡大して示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７６】
図３、４に示すように、本実施形態では、シリンダ２６の第１摺動孔２６１とニードルピストン部２５１との間に、円筒状の補助ニードルピストン４０が摺動自在に挿入されている。この補助ニードルピストン４０における反ニードルシート部側（すなわち反噴孔側）の面に油室２７の燃料圧が作用し、補助ニードルピストン４０におけるニードルシート部２５０側（すなわち噴孔２４０側）の面に燃料通路を流通する燃料の圧力が作用する。
【００７７】
ニードルピストン部２５１における反ニードルシート部側の端部には、径方向外側に向かって突出するニードル鍔部２５２が形成されている。そして、このニードル鍔部２５２と補助ニードルピストン４０は係合可能になっている。
【００７８】
シリンダ２６には、第１摺動孔２６１から径方向内側に向かって突出するシリンダ段付き部２６３が形成されている。そして、このシリンダ段付き部２６３と補助ニードルピストン４０は係合可能になっている。
【００７９】
また、補助ニードルピストン４０は、第３スプリング４１によって、ニードル鍔部２５２およびシリンダ段付き部２６３側に向かって付勢されている。
【００８０】
上記構成において、閉弁状態のときには、補助ニードルピストン４０はニードル鍔部２５２と係合しており、補助ニードルピストン４０とシリンダ段付き部２６３との間には隙間が形成されている。
【００８１】
そして、閉弁状態のときにボイスコイル１３に対して所定の向きに電流を流すと、油室２７の容積を増加させる向きに、ボイスコイル１３および制御ピストン１９が移動する。これにより、油室２７の燃料圧力が低下し、ニードル２５を閉弁向きに付勢する力が減少する。
【００８２】
油室２７の燃料圧力が所定圧力まで低下すると、燃料通路を流通する燃料の圧力によりニードル２５を開弁向きに付勢する力の方が大きくなって、ニードル２５が開弁向きに移動し、ニードルシート部２５０がボデーシート部２４１から離れて噴孔２４０が開かれる。
【００８３】
このとき、補助ニードルピストン４０は、燃料通路を流通する燃料と油室２７の燃料との圧力差により反噴孔側に付勢される。そして、補助ニードルピストン４０はニードル鍔部２５２と係合しているため、補助ニードルピストン４０は上記の圧力差に基づく付勢力によりニードル２５を開弁向きに付勢する。したがって、大きな開弁力でニードル２５を確実に開弁させることができる。
【００８４】
開弁後、ニードル２５のリフト量が所定リフトに達するまでは、すなわち、補助ニードルピストン４０がシリンダ段付き部２６３に当接するまでは、補助ニードルピストン４０はニードル２５を開弁向きに付勢しつつニードル２５とともに移動する。
【００８５】
そして、ニードル２５のリフト量が所定リフトを超えた領域では、補助ニードルピストン４０はシリンダ段付き部２６３に係合して移動しない。すなわち、ニードル２５のリフト量が所定リフトを超えた領域では、補助ニードルピストン４０およびニードル２５のうちニードル２５のみが移動し、補助ニードルピストン４０は油室２７の容積変化に関与しなくなるため、ニードル２５のリフト速度が高くなる。
【００８６】
なお、ニードル２５のリフト量が所定リフトを超えた領域では、補助ニードルピストン４０によりニードル２５を開弁向きに付勢する力は消滅する。しかしながら、一旦開弁すると燃料通路を流通する燃料の圧力がニードルシート部２５０に作用し、ニードル２５はその圧力により開弁向きに付勢されるため、開弁後は小さな力でニードル２５を変位させることが可能である。
【００８７】
本実施形態によると、開弁開始時にはニードル２５は補助ニードルピストン４０によっても付勢されるため、大きな開弁力で確実に開弁させることができる。また、開弁後は、補助ニードルピストン４０およびニードル２５のうちニードル２５のみが移動するため、ニードル２５のリフト速度を高くすることができる。
【００８８】
（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５は第４実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００８９】
図５に示すように、本実施形態では、ボイスコイル１３の外周側に、永久磁石である円筒状の第３磁石５０が配置されている。換言すると、ボイスコイルモータは、ボイスコイル１３の内側に配置された磁石１７、１８と、ボイスコイル１３の外側に配置された磁石５０とを備えている。この第３磁石５０は、内周側と外周側に磁極が形成されており、本実施形態では、内周側がＮ極であり、外周側がＳ極である。
【００９０】
上記構成によると、破線で示すような磁気回路が形成され、第１磁石１７および第２磁石１８で発生した磁束は、ボイスコイル１３内をその径方向に通過した後、第３磁石５０を通過する。
【００９１】
このように、ボイスコイル１３の内側および外側に磁石１７、１８、５０を配置することにより、第１磁石１７および第２磁石１８で発生した磁束の漏れ（すなわち、ボイスコイル１３から第１ステータ１１または第２ステータ１２に直接向かう磁束）を抑制し、ボイスコイル１３内をその径方向に通過する磁束を確実に確保して、駆動力を確実に得ることができる。
【００９２】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。図６は第５実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００９３】
図６に示すように、本実施形態では、ボイスコイル１３はボイスコイル１３の移動方向（すなわちコイル軸方向）に沿って複数個（本実施形態では２個）配置されている。そして、２個のボイスコイル１３は、透磁率が高い磁性体材料にて円筒状に形成された連結部材６０にて連結されている。なお、２個のボイスコイル１３は、電気的に直列に接続してもよいし、或いは並列に接続してもよい。
【００９４】
一方のボイスコイル１３の内周側空間内に、センタースペーサ１６、第１磁石１７、および第２磁石１８が配置され、同様に、他方のボイスコイル１３の内周側空間内にも、センタースペーサ１６、第１磁石１７、および第２磁石１８が配置されている。
【００９５】
ボイスコイル１３の外周側に、永久磁石である円筒状の第３磁石５０が配置されている。より詳細には、１個の第３磁石５０内に２個のボイスコイル１３が収容されている。
【００９６】
連結部材６０の内周側空間内に、透磁率が高い磁性体材料にて円柱状に形成された第３ステータ６１が配置されている。第３ステータ６１は、図中下方のボイスコイル１３内に配置された第１磁石１７と、図中上方のボイスコイル１３内に配置された第２磁石１８に、挟持されている。また、連結部材６０は、第３ステータ６１に対して摺動自在になっている。
【００９７】
連結部材６０および第３ステータ６１は、磁気回路を構成する。より詳細には、ボイスコイル１３および連結部材６０が移動した際にも、連結部材６０と第３ステータ６１はそれらの径方向に重なっており、連結部材６０と第３ステータ６１を通る磁気回路が常時形成されるようになっている。
【００９８】
上記構成によると、破線で示すような磁気回路が形成される。そして、複数のボイスコイル１３を備えているため、複数のボイスコイル１３全体を鎖交する磁束量が増加して駆動力が増加する。したがって、１つのボイスコイルを用いるものと駆動力を同等にすると、ボイスコイル１個あたりのコイル巻数を少なくできるため、ボイスコイルモータの外径を小さくすることができ、ひいては燃料噴射弁の外径を小さくすることができる。
【００９９】
また、ボイスコイル１３の内側および外側に磁石１７、１８、５０を配置することにより、第１磁石１７および第２磁石１８で発生した磁束は、ボイスコイル１３内をその径方向に通過した後、第３磁石５０を通過する。したがって、第１磁石１７および第２磁石１８で発生した磁束の漏れ（すなわち、ボイスコイル１３から、第１ステータ１１、第２ステータ１２、或いは連結部材６０に直接向かう磁束）を抑制し、ボイスコイル１３内をその径方向に通過する磁束を確実に確保して、駆動力を確実に得ることができる。
【０１００】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、銅製の巻き線１３１を用いたが、銅よりも比透磁率が高い材料よりなる巻き線１３１を用いてもよい。これによると、銅製巻き線を用いる場合と比較して、ボイスコイル１３を鎖交する磁束量が多くなるためローレンツ力が大きくなり、より小さい電流で必要な駆動力を得ることができる。そして、銅製巻き線を用いるものと駆動力を同等にすると、ボイスコイル１３を小径にすることができ、ひいては燃料噴射弁の外径を小さくすることができる。
【０１０１】
因みに、本発明者らの計算によると、非磁性材の銅（比透磁率１）よりなる巻き線１３１を用いた場合のコイル推力と、磁性材の鉄（比透磁率２０００）よりなる巻き線１３１を用いた場合のコイル推力とを、同一体格で比較すると、後者（鉄性巻き線を用いたもの）のコイル推力は前者のコイル推力の１．７倍になることが明らかになった。
【０１０２】
なお、銅よりも比透磁率が高い材料として、ここでは鉄をあげたが、巻き線１３１の材料としては、比透磁率が高く且つ比抵抗が小さな材料（例えば、コバルト、ニッケルなど）を用いても良い。このような比抵抗が小さな材料を用いた場合、発熱を少なくすることができる。
【０１０３】
上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１３    ボイスコイル
１７    第１磁石
１８    第２磁石
１９    制御ピストン
２３    主ノズルボデー
２４    副ノズルボデー
２５    ニードル
２６    シリンダ
２７    油室
５０    第３磁石
１９２  制御ピストン部
２４０  噴孔
２４１  ボデーシート部
２５０  ニードルシート部
２５１  ニードルピストン部
【図１】
2013057262.tif 000003
【図２】
2013057262.tif 000004
【図３】
2013057262.tif 000005
【図４】
2013057262.tif 000006
【図５】
2013057262.tif 000007
【図６】
2013057262.tif 000008