(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、
針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、
燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、
針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、
圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、
前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、
前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前記針弁に連結された押圧部材と、
前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備え、
前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向へ付勢することを特徴とするエンジンの燃料噴射弁。
【請求項２】
加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、
針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、
燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、
針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、
圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、
前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、
前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前記針弁の基端と接離可能な押圧部材と、前記針弁を開弁方向へ付勢する第２の弾性部材と、
前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備え、
前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向へ付勢することを特徴とするエンジンの燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ピストンの受圧面積Ａ３を押圧部材の受圧面積Ａ２より大きく設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項４】
前記連通手段は、
ピストン外周に配設された一対のシール部材とケーシング内周との間に画成された連通室と、
この連通室に対向するケーシング側に開口して前記燃圧室と連通する連通路とを備え、
前記第２燃圧室は連通室に面したピストン外周で開口したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項５】
前記第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項６】
前記押圧部材は、針弁の基端側に一体的に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項７】
前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項８】
前記第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく設定し、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に、その針弁が受ける圧力より大きく設定したことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子または磁歪素子等のアクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を駆動するエンジンの燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁に、印加電圧に応じて体積変化する圧電素子や磁界の変化に応じて体積変化する磁歪素子を備えたアクチュエータによって針弁（弁体）を開弁作動させるものが知られており、針弁をこれらアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の応答性を向上でき、噴射可能範囲が拡大してエンジンの高出力化に対応できるとともに、少量の燃料を安定して噴射することが可能となってエンジンの燃費低減を図ることができる。
【０００３】
このような燃料噴射弁としては、例えば特開平６−２８０７１１号公報に開示されるものが知られており、アクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータを用いるとともに、針弁の開閉をその前後差圧に基づいて行うようにしたものである。
【０００４】
これについて説明すると、針弁の前後には燃圧室と差圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧力で燃料が導入され、差圧室は燃圧室とオリフィスにより連通されている。針弁背後側の差圧室にはピエゾアクチュエータが設けられており、このピエゾアクチュエータの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。すなわち、ピエゾアクチュエータに電圧を印加して伸長させた状態で針弁前後の燃圧室と差圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。
【０００５】
このとき針弁はリターンスプリングの張力により閉弁保持している。この状態からピエゾアクチュエータの両極端子を短絡させてピエゾアクチュエータを瞬時に収縮させると、針弁背後の差圧室の容積が拡大する。
【０００６】
このとき、差圧室は針弁前方の燃圧室に対してオリフィスを介して連通しているので、一時的に差圧室の内圧が低下して針弁の前後に開弁方向の圧力差が発生する。これにより針弁はリターンスプリングに抗して開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の燃料噴射弁では、ピエゾアクチュエータに印加される電圧を遮断して針弁を開弁させる構造となっているため、ピエゾアクチュエータに電圧を供給する配線が断線するなどで供給電圧が低下した場合、ピエゾアクチュエータが収縮するのに伴って針弁が開弁し、所定の噴射時期以外で燃料が一時的に噴射されてしまう可能性があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、エンジンの燃料噴射弁において、断線時等の燃料噴射を防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を噴射する噴口と、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前記針弁に連結された押圧部材と、前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備え、前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向へ付勢する。
【００１０】
また、第２の発明は、加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前記針弁の基端と接離可能な押圧部材と、前記針弁を開弁方向へ付勢する第２の弾性部材と、前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備え、前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向へ付勢する。
【００１１】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明において、前記ピストンの受圧面積Ａ３を押圧部材の受圧面積Ａ２より大きく設定する。
【００１２】
また、第４の発明は、前記第１または第２の発明において、前記連通手段は、ピストン外周に配設された一対のシール部材とケーシング内周との間に画成された連通室と、この連通室に対向するケーシング側に開口して前記燃圧室と連通する連通路とを備え、前記第２燃圧室は連通室に面したピストン外周で開口する。
【００１３】
また、第５の発明は、前記第１の発明において、前記第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく設定する。
【００１４】
また、第６の発明は、前記第１の発明において、前記押圧部材は、針弁の基端側に一体的に形成される。
【００１５】
また、第７の発明は、前記第２の発明において、前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定する。
【００１６】
また、第８の発明は、前記第２の発明において、前記第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に、その針弁が受ける圧力より大きく設定する。
【００１７】
【発明の効果】
第１の発明は、噴口を開閉する針弁と、第１弾性部材に付勢されて差圧室と第２燃圧室の差圧に応動する押圧部材を直列的に配置するとともに、燃圧室と第２燃圧室とを連通することにより、圧電素子または磁歪素子で構成されたアクチュエータへの通電を行うと、アクチュエータは伸長してピストンは差圧室の容積を縮小させるため、差圧に応動する押圧部材は第１弾性部材に抗して第２燃圧室内へ変位して、押圧部材に連結された針弁が開弁方向へ駆動される。このとき、第２燃圧室の圧力は上昇しようとするが、連通手段を介して第２燃圧室内の圧力は燃圧室へ逃げてほぼ等しくなり、押圧部材に加わる差圧に基づいて駆動することができ、閉弁駆動するには、通電を遮断してアクチュエータを収縮させればよく、アクチュエータの収縮に伴ってピストンは差圧室の容積を拡大する方向へ変位して圧力が低下し、押圧部材は燃圧室を介して第２燃圧室へ加わる燃圧と第１弾性部材の付勢力によって、針弁を閉弁させることができ、この閉弁動作は通電の遮断によって行うことができるため、前記従来例のような所定の噴射時期以外での開弁を防止するとともに、断線時などの燃料噴射を防いでフェイルセーフを確保することができる。
【００１８】
また、第２の発明は、アクチュエータに駆動されるピストンの第２燃圧室に収装された押圧部材を、針弁の端部と接離可能に配設し、針弁には開弁方向へ付勢する第２弾性部材を設けたため、アクチュエータの伸長時には押圧部材の差圧が増大して第１弾性部材を圧縮しながら針弁から離れるため、針弁は第２弾性部材によって開弁駆動される一方、アクチュエータの収縮時には、押圧部材の差圧が減少するため、第１弾性部材に付勢された押圧部材が第２弾性部材に抗して、針弁を閉弁することができ、通電遮断時には、必ずアクチュエータは収縮するため、所定の噴射時期以外での開弁を防止するとともに、断線時などの燃料噴射を防いでフェイルセーフを確保することができ、さらに、針弁と押圧部材を別体とすることで、加工精度を容易に確保して、応答性の均一化を推進できる。
【００１９】
また、第３の発明は、ピストンの受圧面積Ａ３を押圧部材の受圧面積Ａ２より大きく設定することにより、圧電素子、磁歪素子からなるアクチュエータの微少な変位を拡大して針弁を開閉するストロークを確保することができる。
【００２０】
また、第４の発明は、ピストン外周に配設された一対のシール部材とケーシング内周との間に連通室を画成し、第２燃圧室は連通室に面したピストン外周で開口することで連通室に接続され、さらに、連通室に対向するケーシング側には燃圧室と連通する連通路を開口させることで、摺動するピストン内部の第２燃圧室と針弁側の燃圧室を連通させて、ピストン変位時の第２燃圧室の圧力変動を燃圧室側へ逃がして、押圧部材は差圧に応じて円滑に作動することができる。
【００２１】
また、第５の発明は、前記第１の発明において、第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく設定したため、差圧室の内圧が上昇したときに、押圧部材は第１弾性部材に抗して変位でき、針弁を確実に開弁することができる。
【００２２】
また、第６の発明は、押圧部材は針弁の基端側に一体的に形成されるため、押圧部材の変位が針弁の変位となり、燃料噴射弁の応答速度を向上させることができる。
【００２３】
また、第７の発明は、第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きいため、アクチュエータの非通電時には、第１弾性部材は押圧部材を介して第２弾性部材に抗して針弁を閉弁させることができる。
【００２４】
また、第８の発明は、第１弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に押圧部材が受ける圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する付勢力を、針弁の開弁時に、その針弁が受ける圧力より大きく設定することで、差圧室の圧力が増大した場合には、第１弾性部材に抗して押圧部材を変位させるとともに、第２弾性部材によって針弁の開弁を行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに配設される燃料噴射弁に適用した一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１において、燃料噴射弁はケーシング９の先端部には、図示しないエンジンの燃焼室に臨ませるノズルボディ１が設けられ、このノズルボディ１は先端に開口した噴口１ａから、燃料噴霧を燃焼室内へ向けて噴射するように構成される。
【００２７】
ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側に弁体２ａを形成する一方、他端にロッド部２ｃを形成した針弁２が摺動可能に収装され、ノズルボディ１の内部には針弁２のまわりに燃圧室３が画成され、噴口１ａは針弁２によって開閉される。
【００２８】
針弁２は基端側（図中右側）のロッド部２ｃをケーシング９のほぼ中程に、設けた隔壁９ａの貫通孔９ｂで摺動自由に支持されており、針弁２の途中にはフランジ状の大径部２ｂが設けられる。なお、ロッド部２ｃと貫通孔９ｂの間には間隙などで形成された絞り通路（オリフィス）２０が設けられ、燃圧室３に供給された燃料は、この絞り通路２０を介して後述する差圧室８へ供給される。
【００２９】
隔壁９ａに当接するノズルボディ１の基端側には、燃料入口６と連通する燃圧室３が針弁２を取り囲むように画成され、大径部２ｂはこの燃圧室３内周との間に所定の間隙を形成し、燃圧室３の底部と大径部２ｂの弁体２ａ側には、針弁２を開弁方向へ付勢する第２弾性部材としての予圧スプリング５が介装される。
【００３０】
さらに、ケーシング９の隔壁９ａよりも基端側（図中右側）は、筒状に形成されており、内周には圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸方向（図中左右方向）へ伸縮自在に配設され、ケーシング９の開口端（基端）には封止部材１６が配設される。
【００３１】
なお、ピエゾアクチュエータ１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミック、ＰＭＮ（ニオブ酸マグネシウム酸鉛）系セラミックなどからなる圧電素子を円盤状に形成した部材を多数積層し、これら、各圧電素子間及び両端には図示しない電極が介装されて、図示しないコントローラからの印加電圧に応じてピエゾアクチュエータ１０は、軸方向へ伸縮する。
【００３２】
隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端には、ピストン１１が固設され、このピストン１１と隔壁９ａの間には差圧室８が画成される。そして、ピストン１１と隔壁９ａとの間には、ピエゾアクチュエータ１０を収縮方向へ付勢する皿バネ状のリターンスプリング２２が介装される。
【００３３】
一方、封止部材１６と対向したピエゾアクチュエータ１０の基端には板状のスペーサ１４が固設され、このスペーサ１４と封止部材１６との間にはボール１５が介装される。このボール１５は、ピエゾアクチュエータ１０の軸線上に設けられて、封止部材１６に対するピエゾアクチュエータ１０の相対的な回動を許容し、ピエゾアクチュエータ１０に軸まわりのねじれが発生するのを防止する。
【００３４】
ここで、差圧室８と対向する側のピストン１１には第２燃圧室３０が内部に画成され、この第２燃圧室３０には針弁２の基端と接離可能なロッド部７ａを備えた押圧部材としての押圧ピストン７が摺動自由に収装される。
【００３５】
この押圧ピストン７には、隔壁９ａの貫通孔９ｂへ向けて針弁２の基端と接離するロッド部７ａが突設される一方、第２燃圧室３０と押圧ピストン７との間には、ロッド部７ａを介して針弁２を閉弁方向へ付勢する第１弾性部材としてのリターンスプリング４が介装される。また、押圧ピストン７の外周とピストン１１の内周の間には間隙などで構成された絞り通路（オリフィス）２１が設けられる。
【００３６】
リターンスプリング４は針弁２を開弁側へ付勢する予圧スプリング５に対向して閉弁させるもので、リターンスプリング４のバネ定数をＫ２、予圧スプリング５のバネ定数をＫ１とすると、これらバネ定数の関係は、
Ｋ１＜Ｋ２  ………（１）
として設定される。
【００３７】
ピエゾアクチュエータ１０の先端に設けられてケーシング９内を摺動するピストン１１の外周には、軸方向へ所定の間隔で一対のＯリング１２、１２が設けられ、ピストン１１外周とケーシング９内周との間には、これらＯリング１２、１２によって連通室１７が画成され、ピストン１１の内部の第２燃圧室３０は、この連通室１７と対向するピストン１１外周に開口して連通する。
【００３８】
一方、針弁２を取り囲む燃圧室３は、ケーシング９内に形成された連通路１９を介して連通室１７と連通する。この連通路１９は、ピエゾアクチュエータ１０の最収縮位置から最伸長位置の間で、常時ピストン１１の側面と対向可能なケーシング９内の所定の位置に開口しており、ピストン１１の肉厚及びＯリング１２、１２の配設間隔は、ピエゾアクチュエータ１０のストロークに応じて設定される。
【００３９】
次に、針弁２のロッド部２ｃの端面は、ピストン１１と隔壁９ａの間の差圧室８に面しており、このロッド部２ｃ端面の受圧面積をＡ１とし、差圧室８に面した押圧ピストン７の受圧面積をＡ２、同じく差圧室８に面したピストン１１の受圧面積をＡ３とすると、次のように設定される。
【００４０】
Ａ１＜Ａ２＜Ａ３  ………（２）
また、ピストン１１の外周に配設されてケーシング９内壁と摺接するＯリング１２、１２は差圧室８を連通室１７から画成するとともに、連通室１７内の燃料がピエゾアクチュエータ１０側及び連通室１７へ漏れるのを防止する。
【００４１】
次に、ケーシング９の所定の側面には、図示しない燃料供給手段と連通する燃料入口６が開口形成され、燃料入口６から圧送された加圧燃料は、針弁２を取り囲む燃圧室３へ流入してから、連通路１９及び連通室１７を介して、押圧ピストン７背面の第２燃圧室３０へ供給される。
【００４２】
また、差圧室８と燃圧室３及び第２燃圧室３０との間には、絞り通路２０、２１がそれぞれ形成されるため、加圧燃料が供給されると、これら絞り通路２０、２１を介して燃圧室３及び第２燃圧室３０から差圧室８へ徐々に燃料が供給される。
【００４３】
ここで、燃料入口６から供給される燃圧をＰ１とし、針弁２の前後差圧、すなわち、差圧室８と燃圧室３の差圧をΔＰ１とし、押圧ピストン７の前後差圧、すなわち、差圧室８と第２燃圧室３０の差圧をΔＰ２とし、また、針弁２を開弁方向へ付勢する予圧スプリング５が発生する付勢力（弾性復元力）をＦ１、対抗するリターンスプリング４が発生する付勢力をＦ２とすると、上記各ピストン７、１１及び針弁２の端面の各受圧面積Ａ１〜Ａ３と、これらスプリング４、５が発生する付勢力の関係は次のように設定される。
【００４４】
Ｆ１＞ΔＰ１×Ａ１  ………（３）
Ｆ２＜ΔＰ２×Ａ２  ………（４）
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００４５】
図１は、エンジン停止時における燃料噴射弁の状態を示しており、図示しないコントローラから電圧が印加されていないため、ピエゾアクチュエータ１０は収縮するとともに、リターンスプリング２２によって付勢されて最収縮位置となっており、このとき、第２燃圧室３０の容積は最大となって、これと連通する差圧室８の圧力は低下し、また、燃料入口６へ燃料が圧送されないため、燃圧室３及び第２燃圧室３０との圧力は共に低下し、これら各室の圧力は、絞り通路２０、２１を介して均一になり、針弁２は、上記（１）式より、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５のバネ定数Ｋ１より大きく設定されるため、閉弁方向へ付勢されて弁体２ａがノズルボディ１のシート部に押し付けられて閉弁状態を保持することができる。
【００４６】
すなわち、リターンスプリング４の付勢力が針弁２を開弁方向へ付勢する予圧スプリング５に抗して、押圧ピストン７のロッド７ａを介して針弁２を閉弁し、エンジン停止中に噴口１ａから燃料が洩れることが防止される。
【００４７】
エンジンを始動するため、図示しない燃料供給手段から燃料入口６へ所定の燃圧Ｐ１で燃料が圧送されると、燃圧室３及びその下流の第２燃圧室３０へ燃圧Ｐ１が導かれて圧力が上昇する。
【００４８】
このとき、加圧燃料が絞り通路２０、２１を通って差圧室８へ流入し終わるまでの間は、針弁２と押圧ピストン７に前後差圧がそれぞれ生じる。
【００４９】
しかし、燃圧室３と第２燃圧室３０には等しく燃圧Ｐ１が加わるとともに、針弁２がリターンスプリング４と予圧スプリング５の付勢力（バネ定数）の差によって、押圧ピストン７がロッド部７ａを介して針弁２をノズルボディ１のシート部へ押し付けることにより、所定の噴射時期以外での針弁２が開弁するのを確実に防止できる。
【００５０】
エンジン始動時および始動後における燃料噴射弁の開弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０がエンジン回転に同期して印加される電圧に応じて、また、リターンスプリング２２に抗して伸長駆動することで行われる。
【００５１】
ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１が差圧室８の容積を縮小する方向（隔壁９ａ側）へ移動し、差圧室８の圧力は急上昇し、同時に、針弁２を付勢している押圧ピストン７に対してピストン１１が隔壁９ａ側へ変位するため第２燃圧室３０の容積も縮小して、第２燃圧室３０の圧力も上昇しようとするが、第２燃圧室３０内の圧力は連通室１７、連通路１９を介して燃圧室３へ逃げることができるため、燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力はほぼ等しくなる。
【００５２】
このとき、差圧室８の圧力は燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力よりも増大するため、押圧ピストン７の前後差圧ΔＰ２はリターンスプリング４に抗して増大しするため、上記（４）式より押圧ピストン７は針弁２のロッド部２ｃから離れてリターンスプリング４の圧縮方向へ変位する。
【００５３】
一方、針弁２の前後差圧ΔＰ１も差圧室８の圧力増大に伴って大きくなり、この前後差圧は針弁２の閉弁側に作用するが、上記（３）より予圧スプリング５の付勢力Ｆ１が針弁２の端面に作用する油圧力ΔＰ１×Ａ１より大きく、また、押圧ピストン７のロッド部７ａが針弁２のロッド部２ｃの端面から離れて、針弁２の変位が許容されているため、針弁２は開弁して噴口１ａを介して燃圧室３内の燃料が噴射される。
【００５４】
次に、燃料噴射弁の閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０への電圧の印加を遮断して収縮駆動させることにより行われる。
【００５５】
ピエゾアクチュエータ１０は電圧の遮断によって収縮するとともに、リターンスプリング２２の付勢力によって最収縮位置まで変位する。
【００５６】
ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴って、ピストン１１が差圧室８の容積を増大する方向（封止部材１６側）へ移動し、差圧室８の内圧は容積の急増に伴って急減圧する。
【００５７】
この、差圧室８の急減圧によって、押圧ピストン７に加わる前後差圧ΔＰ２も減少するため、リターンスプリング４が発生する付勢力Ｆ２の方が大きくなると、第２燃圧室３０を圧縮していた押圧ピストン７は、リターンスプリング４の付勢力Ｆ２に応じて針弁２側へ変位し、第２燃圧室３０の容積を拡大させながら、ロッド部７ａが針弁２のロッド部２ｃの押圧を開始する。
【００５８】
このとき、押圧ピストン７の針弁２側への変位に伴って第２燃圧室３０の圧力も減少しようとするが、第２燃圧室３０は連通室１７、連通路１９を介して燃圧室３と連通しているため、所定の燃圧Ｐ１が加わるため、燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力はほぼ等しくなる。
【００５９】
ピエゾアクチュエータ１０が最収縮位置に達する頃には、差圧室８の圧力が最も減少して、リターンスプリング４に付勢される押圧ピストン７は、上記（１）式より、バネ定数の差と第２燃圧室３０に加わる燃圧Ｐ１によって予圧スプリング５に抗して針弁２を閉弁させることができ、弁体２ａがノズルボディ１のシート部に当接して噴口１ａを封止することで、燃圧室３から燃焼室への燃料噴射が停止する。
【００６０】
上記閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０への通電経路の断線等で、電圧の印加が遮断された場合にも同様に作動するため、電気系統の故障時のフェイルセーフを確保することができるのである。
【００６１】
こうして、ピエゾアクチュエータ１０に駆動されるピストン１１内に画成した第２燃圧室３０内に、針弁２と直列的に配置した押圧ピストン７を摺動自由に収装し、この第２燃圧室３０をピストン１１外周に画成した連通室１７から連通路１９を介して加圧燃料が供給される燃圧室３と連通させるとともに、針弁２を開弁方向に付勢する予圧スプリング５と、押圧ピストン７を介して針弁２を閉弁させるリターンスプリング４のバネ定数Ｋ１、Ｋ２を上記（１）式のように設定するとともに、各受圧面積Ａ１〜Ａ３及び油圧力と付勢力Ｆ１、Ｆ２の関係を上記（２）〜（４）式のように設定することで、ピエゾアクチュエータ１０の微少な変位によって差圧室８と押圧ピストン７及び針弁２の端面との間に差圧を発生させることで、針弁２を開閉駆動することが可能となり、ピエゾアクチュエータ１０の伸長時にのみ針弁２が開弁する一方、ピエゾアクチュエータ１０への通電が遮断された際には、ピエゾアクチュエータ１０が収縮することで確実に燃料の噴射を中止することができ、ピエゾアクチュエータ１０の駆動回路等が故障した際に所定の噴射時期以外での噴射を確実に防止してフェイルセーフを確保することができるのである。
【００６２】
また、針弁２と押圧ピストン７を別体とすることで、加工精度を容易に確保することが可能となって、安定した応答性の確保と製造コストの低減を両立させることができるのである。
【００６３】
また、変位するピストン１１内に画成した第２燃圧室３０の圧力変動は、ピストン１１の外周に設けた一対のＯリング１２、１２によって画成された連通室１７を介して、連通路１９から燃圧室３へ伝達することで、常時燃圧室第２燃圧室３０の圧力を等しく設定することが可能となって、針弁２の開閉駆動を確実に行うことができるのである。
【００６４】
図２は第２の実施形態を示し、前記第１実施形態の押圧ピストン７を針弁２と一体に構成したもので、その他の構成は前記第１実施形態と同様である。
【００６５】
図２において、針弁２のロッド部２ｃは差圧室８を挿通して第２燃圧室３０側まで延設され、このロッド部２ｃの端部に押圧ピストン７’が取り付けられる。
【００６６】
この場合も上記（１）式と同様に、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５のバネ定数Ｋ１よりも大きく設定され、また、押圧ピストン７’及びピストン１１の受圧面積の関係も上記（２）式と同様に、
Ａ２＜Ａ３  ………（２’）
として設定される。
【００６７】
そして、リターンスプリング４が発生する付勢力Ｆ２は上記（４）式と同様であり、押圧ピストン７’の前後差圧とバネ定数Ｋ１、Ｋ２の関係に応じて針弁２の開閉駆動が行われる。
【００６８】
エンジン停止時ではコントローラから電圧が印加されていないため、ピエゾアクチュエータ１０は収縮するとともに、リターンスプリング２２によって付勢されて最収縮位置となっており、燃圧室３、差圧室８及び第２燃圧室３０の圧力は、絞り通路２０、２１を介して均一になり、針弁２は、上記（１）式より、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５のバネ定数Ｋ１より大きく設定されるため、閉弁方向へ付勢されて弁体２ａがノズルボディ１のシート部に押し付けられて閉弁状態を保持することができ、エンジン停止中に噴口１ａから燃料が洩れることが防止される。
【００６９】
エンジンを始動するため、図示しない燃料供給手段から燃料入口６へ所定の燃圧Ｐ１で燃料が圧送されると、燃圧室３及びその下流の第２燃圧室３０へ燃圧Ｐ１が導かれて圧力が上昇する。
【００７０】
このとき、加圧燃料が絞り通路２０、２１を通って差圧室８へ流入し終わるまでの間は、針弁２と押圧ピストン７’に前後差圧がそれぞれ生じるが、燃圧室３と第２燃圧室３０には等しく燃圧Ｐ１が加わるとともに、リターンスプリング４が押圧ピストン７’を介して針弁２をノズルボディ１のシート部へ押し付けることにより、所定の噴射時期以外での針弁２が開弁するのを確実に防止できる。
【００７１】
エンジン始動時および始動後における燃料噴射弁の開弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０がエンジン回転に同期して印加される電圧に応じて行われ、ピエゾアクチュエータ１０がリターンスプリング２２に抗して伸長すると、ピストン１１が差圧室８の容積を縮小する方向へ移動して、差圧室８の圧力は急上昇し、同時に、針弁２を付勢している押圧ピストン７’に対してピストン１１が隔壁９ａ側へ変位するため第２燃圧室３０の容積も縮小して、第２燃圧室３０の圧力も上昇しようとするが、第２燃圧室３０内の圧力は連通室１７、連通路１９を介して燃圧室３へ逃げて、燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力はほぼ等しくなる。
【００７２】
したがって、差圧室８の圧力は燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力よりも増大するため、押圧ピストン７’の前後差圧ΔＰ２はリターンスプリング４に抗して増大し、上記（４）式より押圧ピストン７’はリターンスプリング４の圧縮方向へ変位するため針弁２は開弁して、噴口１ａを介して燃圧室３内の燃料が噴射される。
【００７３】
次に、燃料噴射弁の閉弁動作は、前記と同様に、ピエゾアクチュエータ１０への電圧の印加を遮断して収縮駆動させることにより行われる。ピエゾアクチュエータ１０は電圧の遮断によって収縮するとともに、リターンスプリング２２の付勢力によって最収縮位置まで変位する。
【００７４】
ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴って、ピストン１１が差圧室８の容積を増大する方向（封止部材１６側）へ移動し、差圧室８の内圧は容積の急増に伴って急減圧する。
【００７５】
この、差圧室８の急減圧によって、押圧ピストン７’に加わる前後差圧ΔＰ２も減少するため、リターンスプリング４が発生する付勢力Ｆ２の方が、押圧ピストン７’に加わる圧力よりも大きくなると、第２燃圧室３０を圧縮していた押圧ピストン７’は、リターンスプリング４の付勢力Ｆ２に応じて針弁２側へ変位し、第２燃圧室３０の容積を拡大させながら針弁２の閉弁を開始する。
【００７６】
ピエゾアクチュエータ１０が最収縮位置に達する頃には、差圧室８の圧力が最も減少して、リターンスプリング４に付勢される押圧ピストン７’は、上記（１）式より、バネ定数の差によって予圧スプリング５に抗して針弁２を閉弁させることができ、弁体２ａがノズルボディ１のシート部に当接して噴口１ａを封止することで、燃圧室３から燃焼室への燃料噴射が停止する。
【００７７】
こうして、針弁２と押圧ピストン７’を一体に構成した場合も、前記第１実施形態と同様に、ピエゾアクチュエータ１０の微少な変位を差圧室８の圧力変化に変換して、針弁２の開閉を確実に行うことができるとともに、針弁２は押圧ピストン７’に加わる差圧に応じて迅速に開閉することが可能となり、燃料噴射弁の応答速度をさらい向上させるとともに、上記閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０への通電経路の断線等で、電圧の印加が遮断された場合にも同様に作動するため、電気系統の故障時のフェイルセーフを確保することができるのである。
【００７８】
なお、上記実施形態において、ピストン１１を駆動するアクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０を採用した場合を示したが、図示はしないが、磁界の強さに応じて伸縮する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを採用しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【図２】第２の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【符号の説明】
１  ノズルボディ
１ａ  噴口
２  針弁
２ａ  弁体
２ｂ  大径部
２ｃ  ロッド部
３  燃圧室
４  リターンスプリング（第１弾性部材）
５  予圧スプリング（第２弾性部材）
６  燃料入口
７  押圧ピストン
７ａ  ロッド部
８  差圧室
９  ケーシング
９ａ  隔壁
１０  ピエゾアクチュエータ
１１  ピストン
１２  Ｏリング
１７  連通室
１９  連通路
２０、２１  絞り通路
２２  リターンスプリング
３０  第２燃圧室
【図１】
0003814935.tif 000002
【図２】
0003814935.tif 000003