(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、
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、
前記針弁は、棒状部材の一端に固設されて噴口側の座面と接離する第１球状体と、前記棒状部材の他端に固設された第２球状体を備え、前記第２球状体と針弁の閉弁方向で係合するとともに、針弁の開閉方向へ変位可能に構成されて前記燃圧室と差圧室とを画成する圧力応動部材を設け、前記第２球状体を針弁の閉弁方向へ向けて付勢する第１の弾性部材と、前記圧力応動部材を針弁の開弁方向へ向けて付勢する第２の弾性部材とを備えたことを特徴とするエンジンの燃料噴射弁。
【請求項２】
前記絞り通路は圧力応動部材の外周とケーシング側の内周の間に設け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３】
前記第１弾性部材のバネ定数は、前記第２弾性部材のバネ定数よりも大きい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４】
前記圧力応動部材は、前記棒状部材を挿通する貫通孔を備えて第１球状体と第２球状体との間に介装され、前記第２球状体の外径は貫通孔の内径よりも大きい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５】
前記第１球状体の外径は、貫通孔の内径よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項６】
前記第１球状体の外径は、貫通孔の内径よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項７】
前記圧力応動部材は、燃圧室側から第２球状体と係合する第１の圧力応動部材と、差圧室側から第２球状体と係合する第２の圧力応動部材とから構成され、前記第１弾性部材は第２圧力応動部材を閉弁方向へ付勢する一方、前記第２弾性部材は第１圧力応動部材を開弁方向へ付勢して、前記差圧室はアクチュエータの伸長に応じて減圧する一方、アクチュエータの収縮に応じて増圧する圧力室と連通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。
【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は、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で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１−１８７３６３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、針弁の先端には噴口を開閉する弁体が形成されるとともに、所定の圧力で燃料が導入される燃圧室に囲まれる。一方、針弁基端側には差圧室が画成され、針弁基端側の外周とボディ内周との間に設けた間隙等で構成されるオリフィスを介して燃圧室と差圧室は連通する。
【０００５】
針弁基端側の差圧室には、ピストンを備えた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。
【０００６】
つまり、ピエゾアクチュエータに予め設定した電圧を印加して、伸長させた状態では、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、このとき、針弁はリターンスプリングの付勢力により閉弁保持している。
【０００７】
この閉弁状態からピエゾアクチュエータへの印加電圧を所定の開弁電圧へ変更し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。
【０００８】
同時に、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ため、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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、針弁は外周にオリフィス等の絞りを形成する基端側と、噴口を開閉する弁体とを一体的に形成しているため、先端と基端側の同軸度等を高精度で管理しなければ円滑に開閉を行うことができないため、加工精度を確保するために製造コストが上昇するという問題があった。
【００１０】
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、製造コストを低減しながらも、針弁基端側の絞りを高精度で形成することを目的とする。
【００１１】
【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、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、前記針弁は、棒状部材の一端に固設されて噴口側の座面と接離する第１球状体と、前記棒状部材の他端に固設された第２球状体を備え、前記第２球状体と針弁の閉弁方向で係合するとともに、針弁の開閉方向へ変位可能に構成されて前記燃圧室と差圧室とを画成する圧力応動部材を設け、前記第２球状体を針弁の閉弁方向へ向けて付勢する第１の弾性部材と、前記圧力応動部材を針弁の開弁方向へ向けて付勢する第２の弾性部材とを備える。
【００１２】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記絞り通路は圧力応動部材の外周とケーシング側の内周の間に設ける。
【００１３】
また、第３の発明は、前記第１の発明において、前記第１弾性部材のバネ定数は、前記第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定される。
【００１４】
また、第４の発明は、前記第１の発明において、前記圧力応動部材は、前記棒状部材を挿通する貫通孔を備えて第１球状体と第２球状体との間に介装され、前記第２球状体の外径は貫通孔の内径よりも大きく設定される。
【００１５】
また、第５の発明は、前記第４の発明において、前記第１球状体の外径は、貫通孔の内径よりも小さく設定される。
【００１６】
また、第６の発明は、前記第４の発明において、前記第１球状体の外径は、貫通孔の内径よりも大きく設定される。
【００１７】
また、第７の発明は、前記第１の発明において、前記圧力応動部材は、燃圧室側から第２球状体と係合する第１の圧力応動部材と、差圧室側から第２球状体と係合する第２の圧力応動部材とから構成され、前記第１弾性部材は第２圧力応動部材を閉弁方向へ付勢する一方、前記第２弾性部材は第１圧力応動部材を開弁方向へ付勢して、前記差圧室はアクチュエータの伸長に応じて減圧する一方、アクチュエータの収縮に応じて増圧する圧力室と連通する。
【００１８】
【発明の効果】
第１の発明は、棒状部材の両端に第１及び第２球状体をそれぞれ固設して、第１球状体を噴口側の座面に接離させる弁体とし、第２球状体は針弁の開閉方向へ変位する圧力応動部材に案内され、アクチュエータの伸縮駆動に基づく燃圧室と差圧室の圧力差に応じて針弁の開閉駆動を行うことができ、針弁の製造時には、ケーシング側の内周を摺動する圧力応動部材と針弁を別体で加工することができ、棒状部材と第１及び第２球状体の同軸度が低くても円滑に作動することができ、さらに、針弁の弁体を球状部材としたため、針弁の組立精度にかかわらず噴口側の座面へ確実に密着することができるため、噴口の開閉を正確に行うことができ、圧力差による針弁の開閉を正確に行いながら、前記従来例のように針弁の基端側で直接ノズルボディ内周に摺接する場合に比して、針弁の加工の際に高精度の寸法管理が不要となって、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００１９】
また、第２の発明は、絞り通路を圧力応動部材の外周とケーシング側内周の間に形成するため、前記従来例のように針弁の基端側で直接ノズルボディ内周に摺接するとともに、間隙等により針弁基端側で絞り通路を形成する場合に比して、針弁の加工の際に高精度の寸法管理が不要となって、製造コストの低減を図りながらも、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路の精度を容易に確保することができる。
【００２０】
また、第３の発明は、第１弾性部材のバネ定数を第２弾性部材のバネ定数よりも大きく設定したため、アクチュエータの非駆動時には、確実に針弁を閉弁させて噴口からの燃料漏れを防止することができる。
【００２１】
また、第４の発明は、圧力応動部材は棒状部材を挿通する貫通孔を備えて第１球状体と第２球状体との間に介装されて、第２球状体は差圧室内に配置されるが、第２球状体の外径は貫通孔の内径よりも大きく設定されるため、例えば、第１弾性部材によって第２球状体を閉弁方向へ付勢する一方、第２弾性部材によって圧力応動部材を開弁方向へ付勢すれば、第２球状体は貫通孔を封止して燃圧室と差圧室を確実に画成することができる。
【００２２】
また、第５の発明は、第１球状体の外径は圧力応動部材に設けた貫通孔の内径よりも小さいため、針弁と圧力応動部材をぞれぞれ別の工程で製造した後、第１球状体側を貫通孔へ挿通させれば針弁と圧力応動部材の組付けを容易に行うことができ、生産性を向上させることができる。
【００２３】
また、第６の発明は、第１球状体の外径を、圧力応動部材に設けた貫通孔の内径よりも大きく設定したため、第２球状体は貫通孔を貫通できないが、まず、棒状部材に第２球状体を溶接などによって結合してから、棒状部材を圧力応動部材の貫通孔へ挿通させ、次に、棒状部材の先端を貫通孔から突出させた状態で、第１球状体を同じく溶接などによって結合することで、針弁は第１球状体の外径が貫通孔の内径より大きいため、圧力応動部材から抜けることがないため、針弁及び圧力応動部材をサブライン等で予め組み付けた後に、燃料噴射弁の組立ラインへ搬送する場合には、針弁または圧力応動部材の一方を把持して搬送するだけでよいため、針弁の取り扱いを容易に行うことが可能となって、製造コストの低減をさらに推進することができるのである。
【００２４】
また、第７の発明は、第２球状体は第１及び第２弾性部材によって燃圧室と差圧室の両側から第１及び第２圧力応動部材で狭持され、これら圧力応動部材と一体となって針弁を開閉駆動することができ、差圧室の圧力はアクチュエータの伸長に応じて減圧する一方、アクチュエータの収縮に応じて増圧する圧力室と連通したため、配線の断線等によってアクチュエータが収縮した場合、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ことを確実に防止することが可能となって、圧電素子または磁歪素子を用いた燃料噴射弁の信頼性を向上させることができる。
【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エンジンの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、燃料噴射弁のケーシング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は噴口１ａとは反対側の端部を開口しており、この開口端を筒状のケーシング９の途中に設けた隔壁９ａへ突き当てるようにして、ケーシング９内周に嵌合することで組み付けられている。
【００２８】
ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側の先端部に球状部材で形成された第１球状体としてのボール弁２ａを固設する一方、基端部には球状部材で形成された第２球状体としてのボール２ｃを固設して、このボール弁２ａとボール２ｃとの間を棒状部材のロッド２ｂを介して結合した針弁２が収装される。
【００２９】
基端側のボール２ｃは、ノズルボディ１内周で軸方向へ摺動自由に支持された第１圧力応動部材としてのスリーブ５と軸方向（図中軸線Ｃ方向）で係合し、針弁２はこのスリーブ５を介して摺動可能に収装され、ボール弁２ａを噴口１ａ側のシート面１ｂ（座面）に接離させることで、噴口１ａの開閉を行う。
【００３０】
スリーブ５は、ケーシング９の隔壁９ａに面した側にボール２ｃを内周に収装する円筒部５ａを形成し、この円筒部５ａの端面から噴口１ａへ向けた所定の内周には、ボール２ｃと密着可能なシート面５ｂが設けられる。
【００３１】
そして、このシート面５ｂの底部（図中右側）から噴口１ａへ向けてテーパー状の貫通孔５ｃが形成されており、貫通孔５ｃの内径はシート面５ｂから噴口１ａへ向けて漸次拡大する。
【００３２】
ここで、貫通孔５ｃのシート面５ｂ側における最小内径をｄ０、ボール弁２ａの外径をｄ１、ボール２ｃの外径をｄ２、ロッド２ｂの外径をｄ３とすると、これら内径及び外径の関係は次のように設定される。
【００３３】
ｄ２＞ｄ０≧ｄ１＞ｄ３    ………（１）
すなわち、ボール２ｃは貫通孔５ｂから噴口１ａ側へ抜けることがなく、スリーブ５が隔壁９ａ側へ変位すると、針弁２の先端に設けたボール弁２ａを開弁方向へ変位させることができる。
【００３４】
次に、ノズルボディ１の内部は、針弁２のボール２ｃ及びスリーブ５によって燃圧室３と差圧室８に画成される。スリーブ５のボール弁２ａ側には燃圧室３がロッド２ｂを取り囲むように画成される一方、針弁２の背面側、すなわちスリーブ５及びボール２ｃとケーシング９の隔壁９ａの間には差圧室８が画成される。
【００３５】
そして、この燃圧室３への加圧燃料の供給は、ケーシング９の側面に開口した燃料入口６から行われ、この燃料入口６は図示しない燃料供給手段と連通して所定の圧力の加圧燃料が供給される。
【００３６】
針弁２の背面側となる差圧室８には、ボール２ｃを噴口１ａ側、すなわち、針弁２の閉弁方向へ向けて付勢する第１弾性部材としてリターンスプリング４が介装される一方、燃圧室３にはスリーブ５を隔壁９側、すなわち、針弁２の開弁方向へ向けて付勢する第２弾性部材としての予圧スプリング７が配設される。これらリターンスプリング４と予圧スプリング７の関係は、リターンスプリング４のバネ定数をＫ１、予圧スプリング７のバネ定数をＫ２とすると、
Ｋ１＞Ｋ２    ………（２）
の関係に設定される。
【００３７】
そして、ボール２ｃを収装したスリーブ５の外周とノズルボディ１の内周との間には所定の間隙等からなる絞り通路２０が形成され、この絞り通路２０を介して燃圧室３と差圧室８の間で燃料の移動を徐々に行うことができる。
【００３８】
一方、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、内周の空間９３内には圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸線Ｃ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。
【００３９】
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。
【００４０】
ケーシング９の開口端側に設けた封止部材１６と隔壁９ａの間には、ピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９３が画成される。なお、この空間９３は、例えば円形断面を備えて、後述するピストン１１を内周９ｄで軸方向へ摺動自由に支持する。
【００４１】
そして、封止部材１６と対向するピエゾアクチュエータ１０の基端側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、ピエゾアクチュエータ１０はスペーサ１４を介して基端側を支持されるため、ピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動すると、先端側は隔壁９ａに向けた軸方向へ変位する。
【００４２】
また、スペーサ１４と封止部材１６との間に介装されたボール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。
【００４３】
一方、隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端には、ケーシング９の内周９ｄを軸線Ｃに沿って摺動するピストン１１が固設される。このピストン１１の端面１１ａは隔壁９ａの壁面９ｃと対向しており、これら端面１１ａと壁面９ｃの間には圧力室１３が画成される。
【００４４】
この圧力室１３は、隔壁９ａに貫通形成した連通路１７を介して差圧室８と連通しており、圧力室１３と差圧室８の圧力は等しく維持される。
【００４５】
なお、ピストン１１の端面１１ａと隔壁９ａの壁面９ｃ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２２が介装される。
【００４６】
ここで、ピストン１１の受圧面積をＡ１、差圧室８に面した針弁２の背面＝ボール２ｃ及びスリーブ５の受圧面積をＡ２とすると、
Ａ１＞Ａ２    ………（３）
の関係に設定されて、ピエゾアクチュエータ１０の変位が微少であっても差圧室８への流量を増幅して、針弁２の開閉に必要なストロークを確保することができる。
【００４７】
以上のように構成され、次に、燃料噴射弁の作用について説明する。
【００４８】
図１は、燃料噴射弁の閉弁状態を示しており、図示しないコントローラは所定の閉弁電圧を印加してピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動する一方、図示しない燃圧供給回路より所定の圧力Ｐｆ（以下、燃圧とする）の加圧燃料が燃料入口６を介して燃圧室３へ供給される。
【００４９】
ピエゾアクチュエータ１０は、印加された閉弁電圧に応じて隔壁９ａ側へ伸長し、皿バネ２２の弾性に抗して最伸長位置まで急激に駆動され、ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１は圧力室１３の容積を縮小する方向（隔壁９ａ側）へ変位するため、圧力室１３内の圧力は急激に上昇し、隔壁９ａの連通路１７を介して連通する差圧室８の圧力も急激に上昇する。差圧室８は、絞り通路２０を介して燃圧室３と連通するが、差圧室８内の内圧の方が燃圧室３よりも一時的に大きくなって、スリーブ５及び針弁２のボール２ｃには圧力差が発生する。
【００５０】
この差圧室８の圧力上昇に加えて、上記したようにリターンスプリング４の付勢力によって、ボール２ｃ及びスリーブ５は、燃圧室３の燃圧Ｐｆと予圧スプリング７の付勢力に抗して噴口１ａ側に押圧され、ロッド２ｂを介して結合したボール弁２ａが噴口１ａを閉鎖して閉弁状態を維持することができる。
【００５１】
この閉弁時では、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ１の方が予圧スプリング７のバネ定数Ｋ２よりも大で、さらに差圧室８の圧力が燃圧室３の燃圧Ｐｆよりも大となるため、ボール２ｃはスリーブ５内周のシート面５ｂに押圧された状態を維持して変位し、貫通孔５ｃを介して差圧室８から燃圧室３への燃料の流入を防ぐことができ、差圧室８の圧力の急上昇に応じて針弁２の閉弁を行うことができる。
【００５２】
そして、この閉弁状態を維持している期間が長期に渡る場合には、スリーブ５外周とノズルボディ１の内周の絞り通路２０を介して、燃圧室３と差圧室８及び圧力室１３の圧力は均一化され、この均一化された状態では、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ１の方が、予圧スプリング７のバネ定数Ｋ２よりも大きく設定されるため、針弁２はリターンスプリング４の付勢力によって閉弁状態を維持することができる。
【００５３】
一方、燃料噴射弁の開弁駆動は、図示しないコントローラがピエゾアクチュエータ１０への印加する駆動電圧を、上記閉弁電圧から開弁電圧（短絡等の電圧の低減）へ切り換えることにより行われ、ピエゾアクチュエータ１０は上記伸長状態から急激に収縮する。
【００５４】
ピエゾアクチュエータ１０は、コントローラから印加された開弁電圧に応じて急激に収縮するとともに、皿バネ２２の付勢力によって最収縮位置へ向けて付勢される。
【００５５】
そして、ピエゾアクチュエータ１０の収縮に応じて、ピストン１１は封止部材１６側へ変位して圧力室１３の容積は急増する。
【００５６】
圧力室１３の内圧は容積の急増に伴って急減圧し、この急減圧に伴って差圧室８の圧力も急減する。差圧室８は急減圧する一方、燃圧室３には常時所定の燃圧Ｐｆが加わっているため、スリーブ５及び針弁２のボール２ｃに加わる前後差圧は増大し、さらに予圧スプリング７の付勢力が作用するため、スリーブ５及びボール２ｃはリターンスプリング４の付勢力に抗して開弁方向（隔壁９ａ側）へ変位する。
【００５７】
針弁２の変位に伴ってボール弁２ａは開弁して噴口１ａが開き、燃料入口６から供給された燃圧室３内の加圧燃料は、図示しない燃焼室内に噴射される。
【００５８】
この開弁時では、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ１の方が予圧スプリング７のバネ定数Ｋ２よりも大であるため、ボール２ｃはスリーブ５内周のシート面５ｂに押圧された状態を維持して変位するため、貫通孔５ｃを介して燃圧室３から差圧室８への加圧燃料の流入を防ぐことができ、差圧室８の急減圧に応じて針弁２の開弁を行うことができる。
【００５９】
ここで、針弁２はロッド２ｂの両端にボール弁２ａとボール２ｃを結合する構成となっており、上記（１）式のように、針弁２のボール弁２ａの外径ｄ１は、スリーブ５の貫通孔５ｃの最小内径ｄ０以下に設定される一方、ボール２ｃの外径ｄ２は最小内径ｄ０よりも大きく設定されるため、針弁２の基端側のボール２ｃは、ノズルボディ１内を摺動するスリーブ５の内周のシート面５ｂと密着して、一体となって変位可能に構成され、針弁２の軸方向への案内はスリーブ５が行うものである。
【００６０】
そして、針弁２の製造時には、ロッド２ｂの両端にボール弁２ａとボール２ｃを溶接などによって結合した後、別途加工されたスリーブ５の円筒部５ａ側よりボール弁２ａを貫通孔５ｃに挿通させて、基端のボール２ｃをシート面５ｂに当接させれば針弁２をスリーブ５へ組み付けることができ、貫通孔５ｃは噴口１ａ側へ向けてテーパー状に形成したため、ロッド２ｂの傾斜を許容してボール弁２ａ、ロッド２ｂ及びボール２ｃの同軸度が低くても円滑に作動することができ、さらに、針弁２の弁体を球状のボール弁２ａとしたため、針弁２の組立精度にかかわらず噴口１ａ側のシート面１ｂへ確実に密着することができるため、噴口１ａの開閉を正確に行うことができ、また、同様に針弁２の基端を球状のボール２ｃとしたため、針弁２の組立精度にかかわらずスリーブ５ａのシート面５ｂへ確実に密着することができるため、貫通孔５ｃを介して燃圧室３と差圧室８が連通するのを確実に防止して、圧力差による針弁２の開閉を正確に行うことが可能となるのである。
【００６１】
したがって、絞り通路２０を形成するための加工精度はスリーブ５単体で確保すればよいので、前記従来例のように針弁の基端側で直接ノズルボディ内周に摺接するとともに、間隙等により針弁基端側で絞り通路を形成する場合に比して、針弁２の加工の際に高精度の寸法管理が不要となって、製造コストの低減を図りながらも、燃圧室３と差圧室８を連通する絞り通路２０の精度を容易に確保することができるのである。
【００６２】
図２は第２の実施形態を示し、前記第１実施形態のボール弁１ａの外径ｄ１を、スリーブ５の貫通孔５ｃの最小内径ｄ０よりも大きく設定したもので、その他の構成は前記第１実施形態と同様である。
【００６３】
ボール弁１ａの外径とスリーブ５の最小内径ｄ０及びボール２ｃ、ロッド２ｂの外径のとの関係は、
ｄ２＞ｄ１＞ｄ０＞ｄ３    ………（１’）
に設定される。
【００６４】
この場合、ボール弁２ａは貫通孔５ｃを貫通できないため、まず、ロッド２ｂにボール２ｃを上記と同様に溶接などによって結合してから、ロッド２ｂをスリーブ５の貫通孔５ｃへ挿通させる。
【００６５】
次に、ロッド２ｂの先端を貫通孔５ｃから突出させた状態で、ボール弁２ａを同じく溶接などによって結合する。
【００６６】
こうして、組み付けられた針弁２は、ボール２ａの外径ｄ１が貫通孔５ｃの最小内径ｄ０より大きいため、スリーブ５から抜けることがないため、針弁２及びスリーブ５をサブライン等で予め組み付けた後に、燃料噴射弁の組立ラインへ搬送する場合には、針弁２またはスリーブ５の一方を把持して搬送するだけでよいため、針弁２の取り扱いを容易に行うことが可能となって、製造コストの低減をさらに推進することができるのである。
【００６７】
図３は第３の実施形態を示し、前記第１実施形態の針弁２及びスリーブ５を用いて、上記実施形態とは逆に、ピエゾアクチュエータ１０の伸長時に針弁２を開弁駆動する一方、収縮時に閉弁するようにしたものである。
【００６８】
図３において、ケーシング９は隔壁９ａの先端側でノズルボディ１と結合するとともに、隔壁９ａの基端側でピエゾアクチュエータ１０を収装する筒部９０から構成され、この筒部９０はケーシング９と別体に形成される。
【００６９】
筒部９０は基端側（図中右側）を封止した円筒状部材で形成され、先端部には隔壁９ａに当接する開口端９１を形成してケーシング９に嵌合し、内周に画成した空間９３内にピエゾアクチュエータ１０を収装する。ピエゾアクチュエータ１０は筒部９０の基端に支持されて、軸方向へ伸縮自在となる。
【００７０】
ケーシング９内に収装されたピエゾアクチュエータ１０の先端部（図中左側）には開口端９１の内周で摺動するピストン１１’が取り付けられ、ピストン１１’と隔壁９ａとの間には空間１８が画成されるとともに、この空間１８には、ピストン１１’を介してピエゾアクチュエータ１０を収縮方向へ付勢する付勢手段として皿バネ２２が介装される。
【００７１】
ここで、ピストン１１’は一端を封止した円筒状部材で形成され、空間１８に面した側を端面１１ａで封止する一方、他端にはピエゾアクチュエータ１０の外周を囲むような円筒部１１ｂが形成される。
【００７２】
ピストン１１’の端面１１ａは、上記したように皿バネ２２と当接する一方、円筒部１１ｂは開口端９１の内側に形成された内周端面９４から所定の深さに形成された環状溝９２の内周に収装される。
【００７３】
内周端面９４は、開口端９１から基端へ向けて所定の深さに形成され、環状溝９２はこの内周端面９４よりも外周側で所定の深さの円環状溝部として形成される。
【００７４】
そして、内周端面９４は、軸方向へ摺動するピストン１１’の端面１１ａの内側と当接しないよう、開口端９１から所定の深さに配設される。
【００７５】
そして、環状溝９２に収装されたピストン１１’の円筒部１１ｂの端面は、環状溝９２の底部との間に圧力室１３’を画成し、円筒部１１ｂの内周及び外周と対向する環状溝９２の内周にはそれぞれＯリング１２、１２がシール部材として介装され、圧力室１３’と空間１８及びピエゾアクチュエータ１０を収装したケーシング９の内部空間９３とを画成する。なお、Ｏリング１２は、ピエゾアクチュエータ１０の最伸長時にも円筒部１１ｂの内周及び外周と摺接可能な位置に配置され、圧力室１３’から空間１８及びピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９３へ燃料が漏出するのを防いで、ピエゾアクチュエータ１０を密封する。
【００７６】
次に、ピストン１１’の円筒部１１ｂの端面と環状溝９２との間に画成された圧力室１３’は、ケーシング９内に形成された連通路１７’を介して針弁２のボール２ｃの背面に画成された差圧室８と連通する。
【００７７】
ここで、針弁２を軸方向へ案内するとともに、外周に絞り通路２０を形成したスリーブ５は前記第１実施形態と同様に構成されるが、ボール２ｃの隔壁９ａ側には、内周でボール２ｃと係合して隔壁９ａとの間に差圧室８を画成する第２圧力応動部材としてのスリーブ３０が配設される。
【００７８】
このスリーブ３０は、スリーブ５と同様にノズルボディ１内周を摺動するとともに、外周とノズルボディ１内周の間には間隙などで構成された絞り通路２１を形成する。そして、スリーブ５と対向するスリーブ３０の端面は、ボール２ｃと軸方向で係合するテーパ面３１が形成される一方、隔壁９ａと対向するスリーブ３０の他方の端面との間にはリターンスプリング４が介装される。なお、リターンスプリング４のバネ定数Ｋ１と、スリーブ５を針弁２の開弁方向へ付勢する予圧スプリング７のバネ定数Ｋ２の関係は、上記（２）式と同様に、Ｋ１＞Ｋ２に設定される。
【００７９】
したがって、針弁２の基端側のボール２ｃは、スリーブ３０を介してリターンスプリング４によって針弁２の閉弁方向へ付勢されるとともに、スリーブ５を介して予圧スプリング７によって針弁２の開弁方向へ付勢され、スリーブ５、３０で狭持されることになり、針弁２の基端はボール２ｃ及びスリーブ５、３０と一体となって燃圧室３と差圧室８の圧力差に応動するピストン部を構成する。そして、燃圧室３と差圧室８はスリーブ５、３０の外周とノズルボディ１内周の間に形成した絞り通路２０、２１を介して連通する。
【００８０】
ここで、圧力室１３’に面したピストン１１’の受圧面積をＡ１、ピエゾアクチュエータ１０のストローク（軸方向変位量）をＳ１とすると、圧力室１３’の容積Ｖ１は、
Ｖ１＝Ａ１×Ｓ１  ………（４）
で表される。
【００８１】
一方、差圧室８に面したスリーブ３０の受圧面積をＡ２とし、針弁２のストロークをＳ２とすると、差圧室８の容積Ｖ２は、
Ｖ２＝Ａ２×Ｓ２  ………（５）
で表され、Ｖ１＝Ｖ２と仮定した場合、上記（４）、（５）式より、
Ｓ２＝Ａ１／Ａ２×Ｓ１  ………（６）
となるから、ピストン１１’の受圧面積Ａ１とスリーブ３０の受圧面積Ａ２の関係を、
Ａ１＞Ａ２    ………（７）
と設定することにより、ピエゾアクチュエータ１０の微少なストロークＳ１に比して、針弁２のストロークＳ２を増大することができる。
【００８２】
次に、図３は、燃料噴射弁の閉弁状態を示しており、図示しないコントローラから電圧が印加されていない状態では、ピエゾアクチュエータ１０は収縮するとともに、皿バネ２２に付勢されて最収縮位置となるため、ストロークＳ１は最小値となり、上記（４）式より圧力室１３’の容積Ｖ１は最小となる。
【００８３】
このとき、燃圧室３と差圧室８及び圧力室１３’の圧力は、スリーブ５、３０とシリンダボディ１内周との間に設けた絞り通路２０、２１によって均一化されるため、針弁２の基端側には前後差圧が生じない。したがって、針弁２はリターンスプリング４の付勢力によって閉弁し、針弁２のストロークＳ２は最大値となって、上記（５）式より差圧室８の容積Ｖ２は最大となる。
【００８４】
すなわち、リターンスプリング４の付勢力が予圧スプリング７よりも大きいため、スリーブ３０はボール２ｃを介して針弁２のボール弁２ａをノズルボディ１のシート面１ｂに押圧して確実に閉弁し、噴口１ａから燃料が洩れることが防止される。
【００８５】
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Ｐｆで燃料が圧送されると、まず、燃圧室３へ燃圧Ｐｆが導かれて圧力が上昇する。加圧燃料がスリーブ５、３０の絞り通路２０、２１を通って差圧室８及び圧力室１３’へ流入し終わるまでの間は、針弁２の基端には前後差圧が生じるが、圧力室１３’はピエゾアクチュエータ１０が収縮するとともに、ピストン１１’が皿バネ２２で同じく収縮方向へ付勢されるため、容積Ｖ１は最小のままであり、さらに、針弁２はリターンスプリング４の付勢力によって、ボール弁２ａをノズルボディ１のシート面１ｂへ押し付けることにより、所定の噴射時期以外で針弁２が開弁するのを確実に防止できる。
【００８６】
エンジン始動時及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、皿バネ２２等に抗して伸長駆動することで行われる。
【００８７】
ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１’は隔壁９ａ側へ変位するためストロークＳ１は増大し、圧力室１３’の容積Ｖ１は急激に増大するため圧力が急減する。
【００８８】
したがって、連通路１７’を介して圧力室１３’と連通した差圧室８の圧力も急減し、針弁２の基端側のスリーブ５、３０には前後差圧が生じ、差圧室８の容積Ｖ２が減少する方向（隔壁９ａ側）へスリーブ３０はリターンスプリング４の付勢力に抗して変位し、同時に予圧スプリング７に付勢されたスリーブ５も隔壁９ａに変位するため、ボール２ｃを介して針弁２が開弁する。針弁２の開弁によって燃圧室３内の加圧燃料は、噴口１ａから図示しない燃焼室へ噴射される。
【００８９】
この針弁２の開弁時のストロークＳ２は、上記（７）式のように、ピストン１１’の受圧面積Ａ１をスリーブ３０の受圧面積Ａ２よりも大きく設定したため、上記（６）式より、ピエゾアクチュエータ１０のストロークＳ１が微少であっても上記受圧面積の比に応じて針弁２のストロークＳ２を増大させることができるため、針弁２の開弁に必要なストロークを容易に確保することができるのである。
【００９０】
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または短絡して収縮駆動させることにより行われる。
【００９１】
ピエゾアクチュエータ１０は電圧の遮断等によって急激に収縮するとともに、皿バネ２２の付勢力によって最収縮位置まで変位し、圧力室１３’の容積Ｖ１は再び最小値となる。
【００９２】
ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴って、ピストン１１’は基端側へ変位するためストロークＳ１は縮小し、圧力室１３’の容積Ｖ１は急激に減少して、圧力が急増する。
【００９３】
したがって、連通路１７’を介して圧力室１３’と連通した差圧室８の圧力も急増するため、針弁２の基端側には前後差圧が生じ、差圧室８の容積Ｖ２が増大する方向へスリーブ３０が変位するとともに、リターンスプリング４の付勢力が加わるため、スリーブ５は燃圧室３に加わる燃圧Ｐｆと予圧スプリング７の付勢力に抗して変位し、ボール２ｃを介して針弁２を閉弁することができ、ボール弁２ａがノズルボディ１のシート面１ｂに着座して噴口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。
【００９４】
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。
【００９５】
こうして、針弁２の基端側に形成したボール２ｃを軸方向の両側からスリーブ５、３０で狭持するとともに、これらスリーブ５、３０を予圧スプリング７及びリターンスプリング４で予め付勢することで、針弁２は基端側に発生する圧力差に応じて変位することが可能となる。
【００９６】
そして、隔壁９ａに向けて開口した筒部９０を結合したケーシング９には、筒部９０内周にピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９３を画成し、さらに、この空間９３の開口端９１の内周に環状溝９２を形成して、ピエゾアクチュエータ１０の先端部に取り付けたピストン１１’の円筒部１１ｂと環状溝９２の間に圧力室１３’を画成するとともに、連通路１７’を介して差圧室８と圧力室１３’を連通させたため、通電時にピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動させることで、針弁２の基端側に前後差圧を発生させて針弁２の開弁を行う一方、通電遮断時にはピエゾアクチュエータ１０が収縮して針弁２の基端側に加わる圧力が増大するとともにリターンスプリング４及び皿バネ２２によって確実に閉弁させることができ、配線の断線等によってピエゾアクチュエータ１０が収縮した場合、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ことを確実に防止することが可能となって、ピエゾアクチュエータ１０を用いた燃料噴射弁の信頼性を向上させることができるのである。
【００９７】
また、ピストン１１’の受圧面積Ａ１をスリーブ３０の受圧面積Ａ２よりも大きく設定したため、ピエゾアクチュエータ１０の変位量が微少であっても、燃料噴射に必要な針弁２の開弁量を確保することができ、燃料噴射弁の設計の自由度を向上させることができるのである。
【００９８】
さらに、環状溝９２内に設けたＯリング１２、１２によって、ピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９３を密封することができるため、ピエゾアクチュエータ１０が外気と接触するのを防いで、結露などによる短絡を確実に回避でき、ピエゾアクチュエータ１０を用いた燃料噴射弁の信頼性をさらに向上させることができるのである。
【００９９】
なお、上記実施形態において、ピストン１１または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である。
【図２】第２の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図である。
【図３】第３の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図である。
【符号の説明】
１  ノズルボディ
１ａ  噴口
１ｂ  シート面
２  針弁
２ａ  ボール弁（第１球状体）
２ｂ  ロッド
２ｃ  ボール（第２球状体）
３  燃圧室
４  リターンスプリング（第１弾性部材）
５  スリーブ（圧力応動部材）
５ａ  円筒部
５ｂ  シート面
５ｃ  貫通孔
６  燃料入口
７  予圧スプリング（第２弾性部材）
８  差圧室
９  ケーシング
９ａ  隔壁
９ｃ  壁面
９ｄ  内周
１０  ピエゾアクチュエータ
１１  ピストン
１１ａ  端面
１１ｂ  円筒部
１２  Ｏリング
１３  圧力室
１７  連通路
１８  空間
２０、２１  絞り通路
２２  皿バネ
３０  スリーブ
３１  テーパ面
９０  筒部
９１  開口端
９２  環状溝
９３  空間
９４  内周端面
【図１】
0003823435.tif 000002
【図２】
0003823435.tif 000003
【図３】
0003823435.tif 000004