燃料噴射弁
【課題】簡素な構成でアクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率切換えが可能、かつエネルギロス低減に優れる燃料噴射弁を提供。
【解決手段】通電により変位を発生するアクチュエータ３と、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈し、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が内部に弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材１０と、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制され、可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径Ｄ０より大きい大径部３１を有するストッパ部材３０と、上記大径部の弁部材側の端部と可動部材の内壁と弁部材とで形成される油密室７０と、大径部の端部側に設けられ、大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈し弁部材の外径よりも小さく形成され、かつ弁部材の所定のリフトＨ１時に、弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストン６０とを備える。
【解決手段】通電により変位を発生するアクチュエータ３と、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈し、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が内部に弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材１０と、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制され、可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径Ｄ０より大きい大径部３１を有するストッパ部材３０と、上記大径部の弁部材側の端部と可動部材の内壁と弁部材とで形成される油密室７０と、大径部の端部側に設けられ、大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈し弁部材の外径よりも小さく形成され、かつ弁部材の所定のリフトＨ１時に、弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストン６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関し、例えば内燃機関に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、駆動体の駆動により噴孔を開閉する弁部材を直接的に操作することにより、弁部材を離座させ、噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。駆動体としては、燃料噴射圧を高圧化するために、圧電素子や磁歪素子のように駆動力の大きな素子が伸縮するアクチュエータを利用する技術が提案されている。
【０００３】
この種の上記アクチュエータを備えた燃料噴射弁は、アクチュエータの変位を直接的に弁部材に伝達するための「油圧連結要素」が、アクチュエータと弁部材との間に介在して設けられている。この「油圧連結要素」は、二つの「可動部材」としてのピストン間に、両ピストンの互いに向かい合う端面とで形成される「油密室」を備えている。
【０００４】
このような燃料噴射弁の一種として特許文献１に開示の装置では、二組の「油圧連結要素」を備え、二つの「油密室」を、互いに異なる受圧面積の端面を有する「可動部材」で形成することにより、アクチュエータの変位に対して弁部材の変位の変換率を、予め設定されたプレストロークｈｖを境界に切換えるようにしている。
【０００５】
この技術では、一方の「油圧連結要素」は、その一方の「可動部材」として第１ピストンと第２ピストンとを有し、第１ピストンと第２ピストンとの各第１端面で形成される、一方の「油密室」としてのカップリング室を有している。また、他方の「油圧連結要素」は、その他方の「可動部材」として、内部に第１ピストン及び第２ピストンを摺動移動可能に支持するプリストロークスリーブを有している。このプリストロークスリーブは、第２ピストンの変位量がプレストロークｈｖに到達すると、第２ピストンと一体となるように構成されており、上記カップリング室と異なる他方の「油密室」が、第２ピストンが一体となったプリストロークスリーブの第２端面で形成されるようになっているのである。
【０００６】
他方の「油密室」は、第１端面より受圧面積が拡大された上記第２端面によって、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率が拡大される。
【０００７】
なお、アクチュエータは、燃料噴射弁の噴射停止時に、通電されて伸長し、噴射時には、通電停止されて収縮する。
【特許文献１】特表２００７−５０５２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１による従来技術では、上記二組の「油圧連結要素」を設けることにより、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率を２段階に切換えることが可能となる。しかしながら、「油密室」が二つあるので、「油密室」内の作動油（燃料）の圧縮性により、燃料噴射弁の噴射時において噴射開始遅れが大きくなるおそれがあり、弁部材を直接的に操作するために通電により伸長、収縮等変位するアクチュエータのエネルギロスに繋がるという懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、簡素な構成でアクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率切換えが可能であるとともに、アクチュエータのエネルギロス低減に優れる燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。
【００１１】
即ち、請求項１乃至１０に記載の発明では、弁座に着座および離座する弁部材を駆動することにより燃料を噴射する燃料噴射弁において、弁部材を直接的に操作するアクチュエータであって、通電により変位を発生するアクチュエータと、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈する可動部材であって、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が、内部に弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材と、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材であって、可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径より大きい大径部を有し、大径部が弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されているストッパ部材と、ストッパ部材において大径部の弁部材側の端部と、可動部材の前記内壁と、弁部材とで形成される油密室と、大径部の前記端部側に設けられ、大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈するステップピストンであって、弁部材の前記外径よりも小さく形成され、かつ弁部材が弁座より上昇した所定のリフト時において弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストンと、
を備えていることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によると、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられている筒状の可動部材はアクチュエータと協働することになるので、アクチュエータが伸縮すると、この伸縮に伴い、上記筒状の可動部材の軸方向他端部側が、変位するのである。そして、この軸方向他端部は、内部に弁部材を摺動移動可能に収容するというものである。
【００１３】
また、弁部材とアクチュエータとの間には、上記筒状の可動部材と、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材とが配置されている。このストッパ部材は、アクチュエータと協働する可動部材の内壁を、相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径より大きい大径部を有している。この大径部は弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されている。その結果、可動部材の内壁の内周形状が、軸方向他端部側の内壁面が弁部材に向かって先細り形状を呈するのである。
【００１４】
このような可動部材の内壁と、ストッパ部材の大径部における弁部材側の端部と、弁部材とで形成される油密室は、アクチュエータと協働する可動部材の変位によって、内部の容積が変化することになるのだが、「油圧連結要素」である油密室内に発生する油圧力は、弁部材に対して、油密室内の容積が変化しない方向に弁部材を変位させる駆動力として作用する。
【００１５】
上記油密室内において上記弁部材の受圧面積は、弁部材の弁座への着座時及び所定のリフトに達するまでは油密室に露出する弁部材の断面積で規定されるのに対し、弁部材のリフトが所定のリフト以上になると、ステップピストンにおいて弁部材に付き当てられる軸端部の断面積を減じられた断面積で規定される。ステップピストンは、大径部内を軸方向に摺動移動可能に設けられており、弁部材の外径よりも小さく形成される上記軸端部を有しているからである。
【００１６】
これによると、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変位変換率を、弁部材の所定のリフトを境界として２段階に切換えることができる。従って、上記変位変換率の切換えが、一つの「油圧連結要素」という簡素な構成で実現できる。しかも、「油圧連結要素」を構成する油密室は一つであるので、アクチュエータのエネルギロス低減が効果的に図れる。
【００１７】
以上の請求項１に記載の発明によれば、簡素な構成でアクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率切換えが可能であるとともに、アクチュエータのエネルギロス低減に優れる燃料噴射弁を得ることができるのである。
【００１８】
また、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、ストッパ部材において弁部材の外径Ｄ０より大きい大径部の第１外径をＤ１、ステップピストンにおいて弁部材の外径Ｄ０より小さい軸端部の第２外径をＤ２、弁部材のリフトＨにおいて所定のリフトをＨ１、で表し、アクチュエータの変位量Ｌｐに対する、弁部材において弁座より上昇する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）は、
【００１９】
（数３）Ｈ＜Ｈ１の範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
【００２０】
（数４）Ｈ１≦Ｈの範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）
に設定されていることを特徴とする
かかる発明では、弁座に着座及び離座する弁部材において着座から離座へ以降時（以下、「開弁開始時」という）において、上記変位変換率ＲＬを小さく設定することができるので、アクチュエータの駆動力のエネルギを低エネルギで開弁開始が実現できる。そして、開弁後は、弁部材のリフトＨのＨ１≦Ｈの範囲において、上記変位変換率ＲＬを拡大できるので、弁部材の十分なリフト量の確保ができる。したがって、アクチュエータの低エネルギで高燃料圧下の開弁開始と、十分な弁部材のリフト量確保とを両立させることができる。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明では、筒状の可動部材において断面形状は、弁部材側に向かって先細り形状としていることを特徴とする。
【００２２】
かかる発明では、アクチュエータに協働する可動部材は、筒状に形成されているので内側が中空であり、慣性力増加に繋がる可動部材の可動マスを低減できるので、可動部材の移動に生じる慣性力（慣性抵抗ともいう）の増加によるアクチュエータのエネルギロスを回避することができる。
【００２３】
しかも、請求項３に記載の発明によれば、筒状の可動部材において断面形状を、弁部材側に向かって先細り形状とする構成としているので、筒状の可動部材の体格を小型化でき、上記可動マスを効果的に低減することができるのである。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明では、ステップピストンにおいて軸端部とは反対側の他軸端部は、軸端部より大きい第３外径を有し、ステップピストンの他軸端部は、ストッパ部材の大径部においてステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を有していることを特徴とする。
【００２５】
かかる発明では、弁座に着座及び離座する弁部材は、弁座側の先端部が、燃料圧によって弁部材を離座方向に作用させる受圧部となるだが、弁部材において着座時（以下、「閉弁時」という）には、弁座に当接するシート部より内側の面積区分は燃料圧が作用しないのである。また、弁部材の油密室側の端部は、弁部材を離座方向に作用させる受圧部として機能し、これによって閉弁時において弁部材の弁座へ着座を維持されるのである。よって開弁開始時には、アクチュエータと協働する可動部材の変位により、油密室の作動油圧が一時的に減圧される必要があるのである。このような開弁開始時において、大径部内を軸方向に摺動移動可能に設けられているステップピストンが、油密室に脱落するという懸念がある。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば、大径部においてステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を、ステップピストンの他軸端に設けるという構成としているので、上記開弁開始時においてステップピストンが、油密室に脱落するのを防止することができる。
【００２７】
ここで、かかる発明では、弁部材、変位不能なスットパ部材の大径部、可動部材、及び油密室で「油圧連結要素」を構成しており、アクチュエータの変位に対して、弁部材及び可動部材の慣性マスと、油密室内の作動油（燃料）の体積弾性率と、アクチュエータ自身の弾性係数とにより、燃料噴射弁において少なくとも「油圧連結要素」が共振するという懸念がある。
【００２８】
これに対して、請求項５乃至７に記載の発明によれば、ストッパ部材の大径部の弁部材側の端部内に摺動移送可能に、かつ油密室内に挿通されているステップピストンは、ステップピストンの移動を抑止する構成要素を有するので、上記「油圧連結要素」の共振の抑制が図れる。
【００２９】
即ち、請求項５に記載の発明では、ステップピストンの他軸端部側には、ステップピストンを弁部材側に付勢する第１付勢部材を備えていることを特徴とする。
【００３０】
これによると、上記構成要素として、ステップピストンを弁部材側に付勢する第１付勢部材を設けているので、弁部材のリフトが所定のリフト以上の範囲にあるとき、弁部材に付き当てられるステップピストンは実質的に弁部材と連結でき、油密室内の作動油の圧縮性に繋がる容積変化を回避できる。
【００３１】
また、請求項６に記載の発明によれば、噴孔、弁座、および噴孔に連絡する燃料通路を有するハウジングを備え、ハウジングの燃料通路内に、少なくともストッパ部材、ステップピストン、および弁部材を収容するという構成としているので、ステップピストンの両軸端部が接する各燃料圧を、燃料通路内に供給されている燃料の系圧に設定することが可能となる。これにより、ステップピストンの両軸端部に作用する各燃料圧間の差圧量を抑制できるので、ステップピストンの移動抑止が図れる。
【００３２】
さらにまた、請求項７に記載の発明によれば、スットパ部材の大径部に対するステップピストンの相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を備え、抵抗力発生手段は、大径部の内周面と、ステップピストンの他軸端部の外周面との間に形成される隙間通路の一部を絞る絞り部という構成、および、ステップピストンの他軸端部に設けられ、大径部の内周面に係止する前記端面に対して軸方向に貫通する連通路という構成、のうちの少なくともいずれか一方の構成要素からなる。
【００３３】
これによると、弁部材のリフトが所定のリフト以上の範囲にあるとき、ステップピストンが付き当てらえている弁部材が一定のリフト状態を維持して制御される場合において、上記構成要素からなる抵抗力発生手段によって、「油圧連結要素」の共振の抑止が図れるのである。
【００３４】
また、請求項８に記載の発明では、可動部材の軸方向他端部側には、可動部材の軸方向一端部をアクチュエータに突き当てるように、可動部材を付勢する第２付勢部材を備えていることを特徴とする。
【００３５】
また、請求項９に記載の発明では、アクチュエータはピエゾアクチュエータであって、ピエゾアクチュエータに非通電、及び通電することにより、弁部材を弁座に着座および離座することを特徴とする。
【００３６】
これによれば、ピエゾアクチュエータへの非通電により弁部材を閉弁でき、また通電により弁部材を開弁できるので、燃料噴射弁を、非通電時に閉弁する常閉構造に設定することができる。
【００３７】
また、請求項１０に記載の発明では、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、弁部材は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル、および第２ニードルを有し、弁座は、第１ニードルおよび第２ニードルの各ニードルが独立的に着座および離座する第１シート部、および第２シート部を有し、噴孔は、第１シート部および第２シート部のうちの特定シート部を挟んで配置される第１噴孔、および第２噴孔を有し、かつ第１噴孔および第２噴孔の両者は第１シート部および第２シート部のいずれかの下流部に設けられていることを特徴とする。
【００３８】
これによれば、弁部材、弁座、及び噴孔の構成は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル及び第２ニードルと、各ニードルが着座及び離座する各シート部の下流部に第１噴孔及び第２噴孔とを備え、第１ニードル及び第２ニードルのうちの特定ニードルのリフト動作により、第１噴孔及び第２噴孔の特定噴孔を開閉するといういわゆる可変噴孔の燃料噴射弁が得られるのである。このような可変噴孔の燃料噴射弁に、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の特徴的構成を適用する場合であっても、アクチュエータの変位に対する、弁部材を構成する第１ニードル及び第２ニードルの変位の変位変換率を、切換えることが可能となるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符合を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による燃料噴射弁を示している。本発明の燃料噴射弁１は、例えばディーゼルエンジンまたは筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内へ直接的に燃料を噴射するものであり、図示しない各気筒共通の蓄圧容器としてのコモンレールから分配供給される高圧燃料を噴射する。なお、本実施形態による燃料噴射弁は、上記気筒内以外の例えば吸気ポートへ燃料を噴射するものにも使用可能である。
【００４１】
図１に示すように、燃料噴射弁１は、ハウジング２と、ハウジング２内に収容される燃料噴射弁の構成要素としてのアクチュエータ３、アクチュエータ３に協働する可動部材１０、ストッパ部材３０、噴孔２５を開閉する「弁部材」としてのニードル５０、「油密室」としての制御室７０、ステップピストン６０とを備えている。なお、ハウジング２は、有底筒状の第１ハウジング区分２ａ及び第２ハウジング区分２ｂと、締結部材としてのリテーニングナット２ｃとを有しており、内部に上記構成要素３、１０、３０、５０、６０、７０を収容する両ハウジング区分２ａ、２ｂがリテーニングナット２ｃによって気密にねじ締結される周知構造のものである。
【００４２】
ハウジング２は筒状を呈しており、軸方向一方端部の先端には略円筒状のサック部２４、噴孔２５、及び弁座２３が形成されている。噴孔２５はサック部２４を連通するように、ハウジング２の内壁と外壁とを貫通している。噴孔２５の入口側には燃料溜り室４１が形成されている。ハウジング２の内壁には、噴孔２５の入口と燃料溜り室４１との間に弁座２３が形成されており、弁座２３にニードル５０が着座及び離座する。
【００４３】
ハウジング２には、図示しないコモンレールに連通する流入口２１が形成され、内部には燃料通路４０が形成されている。燃料通路４０には、コモンレールの内部と概ね同じ圧力の燃料が供給される。上記燃料溜り室４１はこの燃料通路４０の一部を構成する。
ハウジング２の内部には、ニードル５０、可動部材１０、ストッパ部材３０、ステップピストン６０、及びアクチュエータ３などが設けられ、燃料溜り室４１、第１燃料室４２、第２燃料室４３、及び制御室７０などが形成されている。
【００４４】
ニードル５０は略棒状に形成され、ハウジング２の内部に往復移動可能に収容されている。ニードル５０は、軸部５３と、軸部５３の両軸端部において弁座２３側の軸端部５４と、反弁座２３側の軸端部、即ち制御室７０側の軸端部５５との間に形成され、径方向外側に延びるフランジ部５２を有している。
【００４５】
ニードル５０の軸端部５４は、弁座２３に着座及び離座するシート部５１を有している。シート部５１が弁座２３から離座すると、燃料溜り室４１と噴孔２５、つまり燃料通路４０と噴孔２５は連通し、噴孔２５からの燃料噴射が許容される。一方、シート部５１が弁座２３に着座すると、燃料通路４０と噴孔２５とは遮断され、噴孔２５からの燃料噴射が停止される。
【００４６】
可動部材１０は、概ね円筒状に形成され、アクチュエータ３とニードル５０の間に配設されている。この円筒状の可動部材１０は軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３側の支持台部３ａに接しており、軸方向他端部１０ｂがニードル５０を内部に収容すると共にニードル５０のフランジ部５２側に延びている。軸方向他端部１０ｂとニードル５０のフランジ部５２の間には、「第２付勢部材」としてのアクチュエータスプリング９１が挟み込まれており、アクチュエータスプリング９１の付勢力が可動部材１０をアクチュエータ３側に付勢されるので、可動部材１０の軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３側に付き当てられている。
【００４７】
また、軸方向他端部１０ｂは、内部に収容する上記ニードル５０の外壁に沿って摺動移動可能に形成されている。また、可動部材１０の軸方向一端部１０ａ側の内部には、ストッパ部材３０の大径部３１が収容され、大径部３１の外壁に沿って摺動移動可能に形成されている。これによって、可動部材１０の内壁と、大径部３１のニードル５０側の端部と、ニードル５０とで制御室７０が形成されている。
【００４８】
なお、可動部材１０及び制御室７０の詳細については後述する。
【００４９】
ストッパ部材３０は、概ね円柱状に形成され、アクチュエータ３とニードル５０の間に配設されている。ストッパ部材３０は、可動部材１０の内壁に対して相対的に摺動移動可能な大径部３１と、大径部３１において反ニードル５０側の端部に設けられ、径方向外側に延びるアーム部３２とを備えており、アーム部３２は、可動部材１０の開口窓１９を挿通し、ハウジング２の内壁に架橋されている。そして、アーム部３２には、付勢部材９３の付勢力によってハウジング２の内壁に係止されている。
【００５０】
これによって、ストッパ部材３０は、アクチュエータ３、アクチュエータ３に協働する可動部材１０、及びニードル５０の各変位に対して変位不能に規制されてハウジング２に固定されるのである。
【００５１】
ハウジング２において流入口２１と噴孔２５とを連通する燃料通路４０は、以下の燃料系統の通路要素から構成されている。即ち、第２ハウジング区分２ｂにおいてアクチュエータを内部に収容する内壁で囲まれた第２燃料室４３と、第１ハウジング区分２ａにおいてニードル５０及び可動部材１０を内部に収容する内壁で囲まれる第１燃料室４２及び燃料溜り室４１との各通路要素で構成されている。なお、第１燃料室４２と燃料溜り室４１はニードル５０のフランジ部５２で区分けされ、図示しないフランジ部５２の外壁に形成される平面部とハウジング２の内壁との隙間通路を通じて両室４１、４２が連通している。
【００５２】
アクチュエータ３は、略円柱状に形成され、一方の端部３ｂがハウジング２の反弁座２３側の端部、即ちハウジング２の軸方向他端部に収容されて配置されている。
【００５３】
アクチュエータ３は、ピエゾスタック３ｃと、ピエゾスタック３ｃの出力端部側に設けられた支持台部３ａとを有している。ピエゾスタック３ｃは、例えばＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したものであり、電気的なエネルギが充填されることにより積層方向、即ち軸方向に伸長する。一方、ピエゾスタック３ｃから電気的なエネルギが放電されることにより軸方向に収縮する。
【００５４】
また、収容部材３ｄは支持台部３ａとハウジング２の上記軸方向他端部とを伸縮可能に架橋してピエゾスタック３ｃの周囲を気密に覆っている。この収容部材３ｄはピエゾスタック３ｃを燃料侵入から保護するものである。アクチュエータ３は、図示しない駆動回路にて充放電されることにより軸方向一端部側に伸縮する。上記電極層にはリード線が接続され、上記駆動回路に電気的に接続されている。リード線はハウジング２の外部に気密に取り出されている。
【００５５】
以上、燃料噴射弁１の基本構成について説明した。以下、燃料噴射弁１の特徴的構成について説明する。
【００５６】
（特徴的構成）
図１に示すように、円筒状の可動部材１０は、軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３に突き当てられているのでアクチュエータ３と協働する。アクチュエータ３が伸縮すると、これに伴い、可動部材１０の軸方向他端部１０ｂ側がアクチュエータ３の変位量と同一の変位をする。
【００５７】
上記可動部材１０内の中空断面形状は、軸方向他端部１０ｂ側に先細り形状に形成されている。可動部材１０の内壁１１はその内周が段付き円状に形成され、軸方向他端部１０ｂ側の内壁１１ｂが、ニードル５０の軸端部５５の外径Ｄ０と相対的に摺動可能な内径に形成されている。一方、軸方向一端部１０ａ側の内壁１１ａが、ストッパ部材３０の大径部３１の外径Ｄ１に摺動可能な内径に形成されている。
【００５８】
また、その円筒状の可動部材１０の内壁１１及び外壁１２の断面形状は、軸方向他端部１０ｂ側に先細り形状に形成されている。これにより、可動部材１０の体格が小型化され、その慣性マスを低減するように軽量化されるのである。
【００５９】
ニードル５０とアクチュエータ３との間には、上記可動部材１０と、ニードル５０とアクチェエータ３及び可動部材１０との両者のいずれの変位に対しても変位不能に規制されているストッパ部材３０とが配置されている。
【００６０】
ストッパ部材３０において大径部３１は、リフトするニードル５０に対して軸方向に常に間隔を置いて配置されている。その大径部３１においてニードル５０側の端部には、概ね円柱状を呈するステップピストン６０が、ニードル５０の軸端部５５に対して所定の軸方向の間隔Ｈ１を置いて配置されている。
【００６１】
ステップピストン６０は段付き円柱状に形成され、外径Ｄ２を有するピストン本体６１と、外径Ｄ２より大きい係止ピストン部６２とを有している。ピストン本体６１は、大径部３１の内壁３３においてニードル５０側の内周３３ａに摺動自在な外径Ｄ２を有するものであり、また、係止ピストン部６２は、反ニードル５０側の内周３３ｂ内に移動可能であると共に、内壁３３に対して係止可能な端面（以下、係止端面）６３を有している。
【００６２】
係止ピストン部６２のアクチュエータ３側の端部には、「第１付勢部材」としてのスプリング９２が設けられており、スプリング９２は、係止ピストン部６２の端面６３を内壁３３に係止するように、係止ピストン部６２を付勢している。
【００６３】
制御室７０は、アクチュエータ３に協働する段付き筒状の可動部材１０、この可動部材１０内で相対的に摺動移動可能なストッパ部材３０の大径部３１、及びニードル５０とで形成される油密室を形成しており、これら制御室７０、可動部材１０、及びニードル５０は「油圧連結要素」を構成している。
【００６４】
上記制御室７０は、その内部の容積が、アクチュエータ３と協働する可動部材１０の変位によって、変化することになるのだが、「油圧連結要素」である故に、その変化に伴い制御室７０内に発生する油圧力は、ニードル５０に対して、制御室７０内の容積が変化しない方向にニードル５０を変位させる駆動力として作用するのである。
【００６５】
上記制御室７０内においてニードル５０の受圧面積は、ニードル５０の弁座２３からの上昇量（以下、リフト）ＨがＨ１に達するまでは、ニードル５０の軸端部５５の断面積で規定される。ニードル５０のリフトＨがＨ１以上になると、上記軸端部５５にステップピストン６０が付き当たるので、上記ニードル５０の受圧面積は、ニードル５０の軸端部５５の断面積から、ステップピストン６０の断面積を減じた断面積で規定される。
【００６６】
これにより、ニードル５０の閉弁時からリフトＨがＨ１に達するまでのリフト範囲においては、ニードル５０のリフトＨの変位量Ｌｂとアクチュエータ３の変位量Ｌｐは、
【００６７】
（数５）Ｌｂ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２×Ｌｐ
に設定され、
また、ニードル５０のリフトＨがＨ１以上のリフト範囲においては、
【００６８】
（数６）Ｌｂ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）×Ｌｐ
に設定されるのである。
【００６９】
言い換えると、変位量Ｌｐに対する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）が、
【００７０】
（数７）リフトＨがＨ＜Ｈ１の範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
【００７１】
（数８）リフトＨがＨ１≦Ｈの範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ
２２）
に設定されるのである。
【００７２】
次に、上述した燃料噴射弁１の作動を、図２に基づいて説明する。図２は、横軸に時間Ｔ、縦軸の図２中の上から順に、燃料噴射信号であるパルス特性、アクチュエータ３のピエゾスタック３ｃへの電圧特性、アクチュエータ３の変位特性、油密室である制御室７０内の圧力特性、ニードル５０のリフト特性、単位時間ΔＴ当たりの噴射量ΔＱを示す噴射率（ΔＱ／ΔＴ）特性を示している。図２（ｂ）は本実施形態を示し、図２（ａ）は比較例としてステップピストンを有しない場合を示している。また図２（ｂ）中のニードル５０のリフト特性においては、ステップピストン６０の挙動特性を破線で示している。パルス特性は制御回路から駆動回路へ出力する指令信号であり、制御回路にてエンジンの運転状態に応じて最適な噴射期間及び噴射開始時期に決定され、当該噴射期間及び噴射開始時期に対応した噴射開始指令信号及び噴射終了指令信号を表している。また、アクチュエータ３への電圧特性は、アクチュエータを駆動する駆動回路の駆動信号特性を示している。
【００７３】
図２（ｂ）に示すように、パルス特性がＯＮになると、アクチュエータ３に通電され、アクチュエータ３が伸長方向に変位する。アクチュエータ３へ通電制御される電圧特性は、所定の過渡特性速度で電圧が昇圧し、一定の電圧で制御される。
【００７４】
上記電圧特性における過渡特性によって、アクチュエータ３の伸長が変位量Ｌｐ１になると、制御室７０内の圧力Ｐが基準圧力Ｐ０に対して圧力差ΔＰ分減圧される圧力（以下開弁圧力）に達する。この油密室である制御室７０の開弁圧力は、ニードル５０が閉弁状態を維持したまま、上記変位量Ｌｐ１のアクチュエータの伸長による制御室７０の容積変化によって形成される。
【００７５】
弁座２３に着座及び離座するニードル５０は、弁座２３側の先端部（軸端部）５４が、燃料通路４０から供給される燃料の燃料圧によってニードル５０を離座方向に作用させる受圧部となるが、ニードル５０の閉弁時において、弁座２３に着座するニードル５０のシート部５１の内側の面積区分には燃料圧が作用しないのである。それ故に、開弁開始時には、アクチュエータ３と協働する可動部材１０の上記変位量Ｌｐ１によって、制御室７０内の圧力Ｐを一時的に減圧させる必要があるからである。
【００７６】
次に、アクチュエータ３の伸長が変位量Ｌｐ１を超え、制御室７０内の圧力Ｐが開弁圧力以下になると、ニードル５０が弁座２３より離座し、燃料が噴孔２５より噴射される。ニードル５０が開弁すると、ニードル５０の先端部５４の受圧面積が制御室７０側の軸端部５５の受圧面積と同一になるため、制御室７０の圧力は上昇し、燃料溜まり室４１内の燃料圧、即ち燃料通路４０のコモンレール圧である基準圧力Ｐ０へ復元されるようになる。
【００７７】
ニードル５０のリフトＨがＨ１に達するまでの範囲では、制御室７０の圧力の上記復元特性が、図２（ｂ）の本実施例と図２（ａ）の比較例とはほぼ同じとなる。ニードル５０のリフトＨがＨ１に達すると、ステップピストン６０がニードル５０の軸端部５５に付き当たり、ステップピストン６０がニードル５０と協働してリフトを開始する。言い換えると、リフトＨ＜Ｈ１の範囲におけるアクチュエータ３の変位に対するニードル５０のリフトＨの変位変換率ＲＬ１（（数７）中のＲＬ
に相当）より、リフトＨ≧Ｈ１の範囲における変位変換率ＲＬ２（（数８）中のＲＬに相
当）が大きくなり、同一設定のアクチュエータ３の変位量で比較したときの上記比較例に対する本実施形態でのニードル５０のリフトＨがアップでき、ひいては噴射率もアップが図れるのである。
【００７８】
一方、パルス特性がＯＦＦになると、アクチュエータ３への通電が停止され、アクチュエータ３が伸長方向に変位する。そして制御室７０の容積が縮小方向に変化するので、制御室７０の圧力Ｐが基準圧力Ｐ０より加圧されながら、その制御室７０の油圧力によりニードル５０を弁座２３方向に移動させる。ニードル５０が弁座２３に着座すると、噴孔２５からの燃料噴射が停止する。
【００７９】
以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３の変位に対するニードル５０の変位変換率を切換える構成を、制御室７０、可動部材１０、及びニードル５０とからなる一つの「油圧連結要素」という簡素な構成で実現できる。しかも、「油圧連結要素」を構成する油密室である制御室７０は一つであるので、アクチュエータ３のエネルギロスの低減が効果的に図れる。
【００８０】
また、以上説明した本実施形態では、開弁開始時において、上記変位変換率ＲＬをＲＬ１に小さく設定できるので、アクチュエータ３の駆動力エネルギを低エネルギで開弁開始できる。そして、開弁後は、リフトＨ≧Ｈ１の範囲において、上記変位変換率ＲＬをＲＬ２と拡大できるので、ニードル５０の十分なリフト量の確保ができる。したがって、アクチュエータ３の低エネルギで高燃料圧下の開弁開始と、ニードル５０の十分なリフト量の確保とが両立できる。
【００８１】
また、以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３に協働する可動部材１０は、筒状に形成されているので内側が中空であり、慣性力増加に繋がる可動部材１０の可動マスを低減できるので、可動部材１０の移動により生じ慣性力増加によるアクチュエータ３のエネルギロスを回避することができる。しかも、可動部材１０の断面形状をニードル側に向かって先細り形状としているので、上記筒状の可動部材１０の体格を小型化でき、上記可動マスが更に効果的に低減されるのである。
【００８２】
また、以上説明した本実施形態では、ストッパ部材３０において大径部３１の内壁３３に、摺動移動可能なステップピストン６０は、大径部３１の内壁３３の内周３３ａ、３３ｂに係止する端面６３を有しているので、開弁開始時においてステップピストン６０が、制御室７０の減圧により制御室７０に脱落するのを防止している。
【００８３】
また、以上説明した本実施形態では、上記ステップピストン６０をニードル５０側に付勢するスプリング９２を備えているので、ニードル５０のリフトＨがＨ１以上の範囲にあるとき、ニードル５０に突き当てられるステップピストン６０は実質的にニードル５０と連結でき、制御室７０内の作動油（燃料）の圧縮性に繋がる容積変化を回避することができる。
【００８４】
また、ハウジング２の燃料通路４０内に、少なくともストッパ部材３０、ステップピストン６０、及びニードル５０を収容するという構成としているので、ステップピストン６０の両軸端部が接する燃料圧を、燃料通路４０内に供給されている燃料の系圧に設定することが可能となる。これにより、ステップピストン６０の両軸端部に作用する各燃料圧間の差圧量を抑制できるので、ステップピストン６０の移動抑止が図れる。
【００８５】
また、以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３はピエゾスタック３３からなるピエゾアクチュエータであり、アクチュエータ３に非通電、及び通電することにより、ニードル５０を弁座２３に着座及び離座するという構成としている。これによれば、アクチュエータ３への非通電によりニードル５０の閉弁ができ、また通電によりニードル５０の開弁ができるので、燃料噴射弁１を、非通電時に常に閉弁する常閉構造に設定することができる。
【００８６】
（第２実施形態）
第２実施形態を図３に示す。第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態では、ストッパ部材３０の大径部３１の内壁３３内を相対摺動移動するステップピストン６０において、ステップピストン６０の相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を設けた一例を示すものである。図３（ａ）〜（ｃ）は各態様の一例を示している。
【００８７】
上記抵抗力発生手段の一例としては、図３（ａ）に示すように、ステップピストン６０の係止ピストン部６２の外周と、大径部３１の内壁３３の内周３３ｂとの間の隙間δに形成される隙間通路４４の一部を絞る絞り部４５を設ける構成としている。
【００８８】
また、上記抵抗力発生手段の他の一例としては、図３（ｂ）に示すように、ステップピストン６０において係止ピストン部６２に設けられ、大径部３１の内壁３３に係止する係止端面６３に対して軸方向に貫通する連通路６５を設ける構成としている。
【００８９】
また、上記抵抗力発生手段の他の一例としては、図３（ｃ）に示すように、上記隙間通路４４の隙間δを所定隙間に絞る構成としている。
【００９０】
これら構成のいずれかによれば、リフトＨ≧Ｈ１の範囲にあるとき、ステップピストン６０が突き当てられているニードル５０が一定のリフト状態を維持するように制御される場合において、上記構成からなる抵抗力発生手段によって上記「油圧連結要素」の共振の抑止が図れる。
【００９１】
（第３実施形態）
第３実施形態を図４に示す。第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態では、弁部材１５０、弁座２３、及び噴孔１２５の構成を、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル２５０及び第２ニードル３５０と、各ニードルが着座及び離座する各シート部２５１、３５１の下流部に第１噴孔２２５及び第２噴孔３３５とを備え、第１ニードル及び第２ニードルのうちの特定ニードルのリフト動作により、第１噴孔及び第２噴孔のうちの特定噴孔を開閉するといういわゆる可変噴孔の燃料噴射弁に適用した一例を示すものである。
【００９２】
図４に示すように、弁部材１５０は、中空円筒状を呈する第１ニードル２５０と、第１ニードル２５０の内側に同軸的に配置された第２ニードル３５０を有している。第１ニードル２５０は、弁座２３に着座及び離座する先端部２５４にシート部２５１と、制御室７０側の軸端部２５５と、先端部２５４及び軸端部２５５間を繋ぎ、フランジ部２５２を有する軸部２５３とを備えている。第２ニードル３５０は、弁座２３に着座及び離座する先端部３５４にシート部３５１と、制御室７０側の軸端部３５５と、先端部３５４及び軸端部３５５間を繋ぐ軸部２５３とを備えている。なお、第２ニードル３５０の軸部３５３の外径Ｄ３は、第１ニードル２５０の軸端部２５５及び軸部２５３の外径Ｄ０より小さい。
【００９３】
第１ニードル２５０は、外径Ｄ０を有する軸端部２５５内に、第２ニードル３５０の軸端部３５５を相対移動可能に収容するとともに、軸端部２５５及び軸端部３５５が軸方向間隔Ｈ２を置いて係止可能に配置されている。ここで、所定間隔Ｈ２は所定間隔Ｈ１より小さく形成されている（Ｈ２＜Ｈ１）。
【００９４】
第２ニードル３５０において軸端部３５５は、ステップピストン６０に対して軸方向間隔Ｈ１を置いて配置されている。また、上記軸端部３５５とステップピストン６０の間には、第２ニードル３５０を弁座２３側に付勢する付勢部材９４が挟み込まれている。
【００９５】
第１ニードル２５０の先端部２５４及び第２ニードル３５０の先端部３５４において、燃料通路４０の燃料は、ます、外側に配置されている第１ニードル２５０の先端部２５４側に導かれ、第２ニードル２５０が開弁すると、第２ニードル３５０の先端部２５４側にも導かれるようになっている。
【００９６】
また、第１ニードル２５０が開弁し、第１ニードル２５０のリフトＨがＨ２に達すると、第２ニードル３５０の軸端部３５５が第１ニードル２５０の軸端部２５５に係止するので、第１ニードル２５０と第２ニードル３５０が一体となる。
【００９７】
一体となった第１ニードル２５０及び第２ニードル３５０のリフトＨがＨ１に達すると、ステップピストン６０に付き当てられる。
【００９８】
このような構成においても、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００９９】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用可能である。
【０１００】
（１）以上説明した本実施形態では、可動部材１０を円筒状としたが、これに限らず、断面形状が円状、四角状、あるいは楕円状などいずれの筒状であってもよい。
【０１０１】
（２）以上説明した本実施形態では、可動部材１０を一つの筒状部材としたが、複数の筒状区分に分割される構成としてもよい。この場合、可動部材はアクチュエータ３とアクチュエータスプリング９１の間に挟み込まれているので、アクチュエータスプリング９１の付勢力によって複数の筒状区分間を気密にシールすることができ、ひいては制御室７０の油密を確保することができるからである。
【０１０２】
（３）以上説明した本実施形態では、ストッパ部材３０をアクチュエータ３及びニードル５０の変位に対して変位不能に規制する構成として、大径部３１に径方向外側に延びるアーム部３２を設け、アーム部３２を可動部材の開口窓１９に挿通するようにした。これに限らず、アクチュエータ３及びニードル５０の変位に対して変位不能に規制する構成であればいずれの構成であってもよい。
【０１０３】
（４）以上説明した本実施形態では、上記ストッパ部材３０においてアーム部３２をハウジング２の内壁に固定する方法として、アーム部３２を内壁に付勢する付勢部材９３を設けた。これに限らず、アーム部３２をハウジングの内壁に接合する方法、第１ハウジング区分２ａと第２ハウジング区分２ｂの両区分間に挟み込むなどの方法であってもよい。
【０１０４】
（５）以上説明した第２実施形態では、ステップピストン６０の相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段の一例として、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）の各態様を説明したが、各態様の特徴的構成のうち、特定の特徴的構成を有するものに限らず、これらの特徴的構成を組合せたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の作動を説明する模式図であって、図２（ａ）は比較例の作動を示すタイムチャート、図２（ｂ）は本実施形態による特徴的構成に係わる作動を示すタイムチャートである。
【図３】第２実施形態に係わる燃料噴射弁の特徴的部分を示す図であって、図３（ａ）〜（ｃ）は各態様の一例を示す部分断面図である。
【図４】第３実施形態に係わる燃料噴射弁を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 燃料噴射弁
２ ハウジング
２ａ 第１ハウジング区分
２ｂ 第２ハウジング区分
２ｃ リテーニングナット
３ アクチュエータ
３ａ 支持台部
３ｂ 一方の端部
３ｃ ピエゾスタック
３ｄ 収容部材
１０ 可動部材
１０ａ 軸方向一端部
１０ｂ 軸方向他端部
１１ 内壁
１２ 外壁
１９ 開口窓
２１ 流入口
２３ 弁座
２４ サック部
２５ 噴孔
３０ ストッパ部材
３１ 大径部
３２ アーム部
３３ 内壁
３３ａ、３３ｂ 内周
４０ 燃料通路
４１ 燃料溜まり室
４２ 第１燃料室
４３ 第２燃料室
５０ ニードル（弁部材）
５１ シート部
５２ フランジ部
５３ 軸部
５４ 先端部（軸端部）
５５ 軸端部
６０ ステップピストン
６１ ピストン本体
６２ 係止ピストン部
６３ 係止端面（端面）
７０ 制御室（油密室）
９１ アクチュエータスプリング（第２付勢部材）
９２ スプリング（第１付勢部材）
９３ 付勢部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関し、例えば内燃機関に燃料を噴射供給する燃料噴射弁に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、駆動体の駆動により噴孔を開閉する弁部材を直接的に操作することにより、弁部材を離座させ、噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。駆動体としては、燃料噴射圧を高圧化するために、圧電素子や磁歪素子のように駆動力の大きな素子が伸縮するアクチュエータを利用する技術が提案されている。
【０００３】
この種の上記アクチュエータを備えた燃料噴射弁は、アクチュエータの変位を直接的に弁部材に伝達するための「油圧連結要素」が、アクチュエータと弁部材との間に介在して設けられている。この「油圧連結要素」は、二つの「可動部材」としてのピストン間に、両ピストンの互いに向かい合う端面とで形成される「油密室」を備えている。
【０００４】
このような燃料噴射弁の一種として特許文献１に開示の装置では、二組の「油圧連結要素」を備え、二つの「油密室」を、互いに異なる受圧面積の端面を有する「可動部材」で形成することにより、アクチュエータの変位に対して弁部材の変位の変換率を、予め設定されたプレストロークｈｖを境界に切換えるようにしている。
【０００５】
この技術では、一方の「油圧連結要素」は、その一方の「可動部材」として第１ピストンと第２ピストンとを有し、第１ピストンと第２ピストンとの各第１端面で形成される、一方の「油密室」としてのカップリング室を有している。また、他方の「油圧連結要素」は、その他方の「可動部材」として、内部に第１ピストン及び第２ピストンを摺動移動可能に支持するプリストロークスリーブを有している。このプリストロークスリーブは、第２ピストンの変位量がプレストロークｈｖに到達すると、第２ピストンと一体となるように構成されており、上記カップリング室と異なる他方の「油密室」が、第２ピストンが一体となったプリストロークスリーブの第２端面で形成されるようになっているのである。
【０００６】
他方の「油密室」は、第１端面より受圧面積が拡大された上記第２端面によって、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率が拡大される。
【０００７】
なお、アクチュエータは、燃料噴射弁の噴射停止時に、通電されて伸長し、噴射時には、通電停止されて収縮する。
【特許文献１】特表２００７−５０５２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１による従来技術では、上記二組の「油圧連結要素」を設けることにより、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率を２段階に切換えることが可能となる。しかしながら、「油密室」が二つあるので、「油密室」内の作動油（燃料）の圧縮性により、燃料噴射弁の噴射時において噴射開始遅れが大きくなるおそれがあり、弁部材を直接的に操作するために通電により伸長、収縮等変位するアクチュエータのエネルギロスに繋がるという懸念がある。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、簡素な構成でアクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率切換えが可能であるとともに、アクチュエータのエネルギロス低減に優れる燃料噴射弁を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を備える。
【００１１】
即ち、請求項１乃至１０に記載の発明では、弁座に着座および離座する弁部材を駆動することにより燃料を噴射する燃料噴射弁において、弁部材を直接的に操作するアクチュエータであって、通電により変位を発生するアクチュエータと、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈する可動部材であって、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が、内部に弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材と、弁部材とアクチュエータとの間に設けられ、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材であって、可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径より大きい大径部を有し、大径部が弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されているストッパ部材と、ストッパ部材において大径部の弁部材側の端部と、可動部材の前記内壁と、弁部材とで形成される油密室と、大径部の前記端部側に設けられ、大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈するステップピストンであって、弁部材の前記外径よりも小さく形成され、かつ弁部材が弁座より上昇した所定のリフト時において弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストンと、
を備えていることを特徴とする。
【００１２】
このような構成によると、軸方向一端部がアクチュエータに付き当てられている筒状の可動部材はアクチュエータと協働することになるので、アクチュエータが伸縮すると、この伸縮に伴い、上記筒状の可動部材の軸方向他端部側が、変位するのである。そして、この軸方向他端部は、内部に弁部材を摺動移動可能に収容するというものである。
【００１３】
また、弁部材とアクチュエータとの間には、上記筒状の可動部材と、弁部材とアクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材とが配置されている。このストッパ部材は、アクチュエータと協働する可動部材の内壁を、相対的に摺動移動可能、かつ弁部材の外径より大きい大径部を有している。この大径部は弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されている。その結果、可動部材の内壁の内周形状が、軸方向他端部側の内壁面が弁部材に向かって先細り形状を呈するのである。
【００１４】
このような可動部材の内壁と、ストッパ部材の大径部における弁部材側の端部と、弁部材とで形成される油密室は、アクチュエータと協働する可動部材の変位によって、内部の容積が変化することになるのだが、「油圧連結要素」である油密室内に発生する油圧力は、弁部材に対して、油密室内の容積が変化しない方向に弁部材を変位させる駆動力として作用する。
【００１５】
上記油密室内において上記弁部材の受圧面積は、弁部材の弁座への着座時及び所定のリフトに達するまでは油密室に露出する弁部材の断面積で規定されるのに対し、弁部材のリフトが所定のリフト以上になると、ステップピストンにおいて弁部材に付き当てられる軸端部の断面積を減じられた断面積で規定される。ステップピストンは、大径部内を軸方向に摺動移動可能に設けられており、弁部材の外径よりも小さく形成される上記軸端部を有しているからである。
【００１６】
これによると、アクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変位変換率を、弁部材の所定のリフトを境界として２段階に切換えることができる。従って、上記変位変換率の切換えが、一つの「油圧連結要素」という簡素な構成で実現できる。しかも、「油圧連結要素」を構成する油密室は一つであるので、アクチュエータのエネルギロス低減が効果的に図れる。
【００１７】
以上の請求項１に記載の発明によれば、簡素な構成でアクチュエータの変位に対する弁部材の変位の変換率切換えが可能であるとともに、アクチュエータのエネルギロス低減に優れる燃料噴射弁を得ることができるのである。
【００１８】
また、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、ストッパ部材において弁部材の外径Ｄ０より大きい大径部の第１外径をＤ１、ステップピストンにおいて弁部材の外径Ｄ０より小さい軸端部の第２外径をＤ２、弁部材のリフトＨにおいて所定のリフトをＨ１、で表し、アクチュエータの変位量Ｌｐに対する、弁部材において弁座より上昇する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）は、
【００１９】
（数３）Ｈ＜Ｈ１の範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
【００２０】
（数４）Ｈ１≦Ｈの範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）
に設定されていることを特徴とする
かかる発明では、弁座に着座及び離座する弁部材において着座から離座へ以降時（以下、「開弁開始時」という）において、上記変位変換率ＲＬを小さく設定することができるので、アクチュエータの駆動力のエネルギを低エネルギで開弁開始が実現できる。そして、開弁後は、弁部材のリフトＨのＨ１≦Ｈの範囲において、上記変位変換率ＲＬを拡大できるので、弁部材の十分なリフト量の確保ができる。したがって、アクチュエータの低エネルギで高燃料圧下の開弁開始と、十分な弁部材のリフト量確保とを両立させることができる。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明では、筒状の可動部材において断面形状は、弁部材側に向かって先細り形状としていることを特徴とする。
【００２２】
かかる発明では、アクチュエータに協働する可動部材は、筒状に形成されているので内側が中空であり、慣性力増加に繋がる可動部材の可動マスを低減できるので、可動部材の移動に生じる慣性力（慣性抵抗ともいう）の増加によるアクチュエータのエネルギロスを回避することができる。
【００２３】
しかも、請求項３に記載の発明によれば、筒状の可動部材において断面形状を、弁部材側に向かって先細り形状とする構成としているので、筒状の可動部材の体格を小型化でき、上記可動マスを効果的に低減することができるのである。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明では、ステップピストンにおいて軸端部とは反対側の他軸端部は、軸端部より大きい第３外径を有し、ステップピストンの他軸端部は、ストッパ部材の大径部においてステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を有していることを特徴とする。
【００２５】
かかる発明では、弁座に着座及び離座する弁部材は、弁座側の先端部が、燃料圧によって弁部材を離座方向に作用させる受圧部となるだが、弁部材において着座時（以下、「閉弁時」という）には、弁座に当接するシート部より内側の面積区分は燃料圧が作用しないのである。また、弁部材の油密室側の端部は、弁部材を離座方向に作用させる受圧部として機能し、これによって閉弁時において弁部材の弁座へ着座を維持されるのである。よって開弁開始時には、アクチュエータと協働する可動部材の変位により、油密室の作動油圧が一時的に減圧される必要があるのである。このような開弁開始時において、大径部内を軸方向に摺動移動可能に設けられているステップピストンが、油密室に脱落するという懸念がある。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば、大径部においてステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を、ステップピストンの他軸端に設けるという構成としているので、上記開弁開始時においてステップピストンが、油密室に脱落するのを防止することができる。
【００２７】
ここで、かかる発明では、弁部材、変位不能なスットパ部材の大径部、可動部材、及び油密室で「油圧連結要素」を構成しており、アクチュエータの変位に対して、弁部材及び可動部材の慣性マスと、油密室内の作動油（燃料）の体積弾性率と、アクチュエータ自身の弾性係数とにより、燃料噴射弁において少なくとも「油圧連結要素」が共振するという懸念がある。
【００２８】
これに対して、請求項５乃至７に記載の発明によれば、ストッパ部材の大径部の弁部材側の端部内に摺動移送可能に、かつ油密室内に挿通されているステップピストンは、ステップピストンの移動を抑止する構成要素を有するので、上記「油圧連結要素」の共振の抑制が図れる。
【００２９】
即ち、請求項５に記載の発明では、ステップピストンの他軸端部側には、ステップピストンを弁部材側に付勢する第１付勢部材を備えていることを特徴とする。
【００３０】
これによると、上記構成要素として、ステップピストンを弁部材側に付勢する第１付勢部材を設けているので、弁部材のリフトが所定のリフト以上の範囲にあるとき、弁部材に付き当てられるステップピストンは実質的に弁部材と連結でき、油密室内の作動油の圧縮性に繋がる容積変化を回避できる。
【００３１】
また、請求項６に記載の発明によれば、噴孔、弁座、および噴孔に連絡する燃料通路を有するハウジングを備え、ハウジングの燃料通路内に、少なくともストッパ部材、ステップピストン、および弁部材を収容するという構成としているので、ステップピストンの両軸端部が接する各燃料圧を、燃料通路内に供給されている燃料の系圧に設定することが可能となる。これにより、ステップピストンの両軸端部に作用する各燃料圧間の差圧量を抑制できるので、ステップピストンの移動抑止が図れる。
【００３２】
さらにまた、請求項７に記載の発明によれば、スットパ部材の大径部に対するステップピストンの相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を備え、抵抗力発生手段は、大径部の内周面と、ステップピストンの他軸端部の外周面との間に形成される隙間通路の一部を絞る絞り部という構成、および、ステップピストンの他軸端部に設けられ、大径部の内周面に係止する前記端面に対して軸方向に貫通する連通路という構成、のうちの少なくともいずれか一方の構成要素からなる。
【００３３】
これによると、弁部材のリフトが所定のリフト以上の範囲にあるとき、ステップピストンが付き当てらえている弁部材が一定のリフト状態を維持して制御される場合において、上記構成要素からなる抵抗力発生手段によって、「油圧連結要素」の共振の抑止が図れるのである。
【００３４】
また、請求項８に記載の発明では、可動部材の軸方向他端部側には、可動部材の軸方向一端部をアクチュエータに突き当てるように、可動部材を付勢する第２付勢部材を備えていることを特徴とする。
【００３５】
また、請求項９に記載の発明では、アクチュエータはピエゾアクチュエータであって、ピエゾアクチュエータに非通電、及び通電することにより、弁部材を弁座に着座および離座することを特徴とする。
【００３６】
これによれば、ピエゾアクチュエータへの非通電により弁部材を閉弁でき、また通電により弁部材を開弁できるので、燃料噴射弁を、非通電時に閉弁する常閉構造に設定することができる。
【００３７】
また、請求項１０に記載の発明では、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、弁部材は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル、および第２ニードルを有し、弁座は、第１ニードルおよび第２ニードルの各ニードルが独立的に着座および離座する第１シート部、および第２シート部を有し、噴孔は、第１シート部および第２シート部のうちの特定シート部を挟んで配置される第１噴孔、および第２噴孔を有し、かつ第１噴孔および第２噴孔の両者は第１シート部および第２シート部のいずれかの下流部に設けられていることを特徴とする。
【００３８】
これによれば、弁部材、弁座、及び噴孔の構成は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル及び第２ニードルと、各ニードルが着座及び離座する各シート部の下流部に第１噴孔及び第２噴孔とを備え、第１ニードル及び第２ニードルのうちの特定ニードルのリフト動作により、第１噴孔及び第２噴孔の特定噴孔を開閉するといういわゆる可変噴孔の燃料噴射弁が得られるのである。このような可変噴孔の燃料噴射弁に、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の特徴的構成を適用する場合であっても、アクチュエータの変位に対する、弁部材を構成する第１ニードル及び第２ニードルの変位の変位変換率を、切換えることが可能となるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符合を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による燃料噴射弁を示している。本発明の燃料噴射弁１は、例えばディーゼルエンジンまたは筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内へ直接的に燃料を噴射するものであり、図示しない各気筒共通の蓄圧容器としてのコモンレールから分配供給される高圧燃料を噴射する。なお、本実施形態による燃料噴射弁は、上記気筒内以外の例えば吸気ポートへ燃料を噴射するものにも使用可能である。
【００４１】
図１に示すように、燃料噴射弁１は、ハウジング２と、ハウジング２内に収容される燃料噴射弁の構成要素としてのアクチュエータ３、アクチュエータ３に協働する可動部材１０、ストッパ部材３０、噴孔２５を開閉する「弁部材」としてのニードル５０、「油密室」としての制御室７０、ステップピストン６０とを備えている。なお、ハウジング２は、有底筒状の第１ハウジング区分２ａ及び第２ハウジング区分２ｂと、締結部材としてのリテーニングナット２ｃとを有しており、内部に上記構成要素３、１０、３０、５０、６０、７０を収容する両ハウジング区分２ａ、２ｂがリテーニングナット２ｃによって気密にねじ締結される周知構造のものである。
【００４２】
ハウジング２は筒状を呈しており、軸方向一方端部の先端には略円筒状のサック部２４、噴孔２５、及び弁座２３が形成されている。噴孔２５はサック部２４を連通するように、ハウジング２の内壁と外壁とを貫通している。噴孔２５の入口側には燃料溜り室４１が形成されている。ハウジング２の内壁には、噴孔２５の入口と燃料溜り室４１との間に弁座２３が形成されており、弁座２３にニードル５０が着座及び離座する。
【００４３】
ハウジング２には、図示しないコモンレールに連通する流入口２１が形成され、内部には燃料通路４０が形成されている。燃料通路４０には、コモンレールの内部と概ね同じ圧力の燃料が供給される。上記燃料溜り室４１はこの燃料通路４０の一部を構成する。
ハウジング２の内部には、ニードル５０、可動部材１０、ストッパ部材３０、ステップピストン６０、及びアクチュエータ３などが設けられ、燃料溜り室４１、第１燃料室４２、第２燃料室４３、及び制御室７０などが形成されている。
【００４４】
ニードル５０は略棒状に形成され、ハウジング２の内部に往復移動可能に収容されている。ニードル５０は、軸部５３と、軸部５３の両軸端部において弁座２３側の軸端部５４と、反弁座２３側の軸端部、即ち制御室７０側の軸端部５５との間に形成され、径方向外側に延びるフランジ部５２を有している。
【００４５】
ニードル５０の軸端部５４は、弁座２３に着座及び離座するシート部５１を有している。シート部５１が弁座２３から離座すると、燃料溜り室４１と噴孔２５、つまり燃料通路４０と噴孔２５は連通し、噴孔２５からの燃料噴射が許容される。一方、シート部５１が弁座２３に着座すると、燃料通路４０と噴孔２５とは遮断され、噴孔２５からの燃料噴射が停止される。
【００４６】
可動部材１０は、概ね円筒状に形成され、アクチュエータ３とニードル５０の間に配設されている。この円筒状の可動部材１０は軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３側の支持台部３ａに接しており、軸方向他端部１０ｂがニードル５０を内部に収容すると共にニードル５０のフランジ部５２側に延びている。軸方向他端部１０ｂとニードル５０のフランジ部５２の間には、「第２付勢部材」としてのアクチュエータスプリング９１が挟み込まれており、アクチュエータスプリング９１の付勢力が可動部材１０をアクチュエータ３側に付勢されるので、可動部材１０の軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３側に付き当てられている。
【００４７】
また、軸方向他端部１０ｂは、内部に収容する上記ニードル５０の外壁に沿って摺動移動可能に形成されている。また、可動部材１０の軸方向一端部１０ａ側の内部には、ストッパ部材３０の大径部３１が収容され、大径部３１の外壁に沿って摺動移動可能に形成されている。これによって、可動部材１０の内壁と、大径部３１のニードル５０側の端部と、ニードル５０とで制御室７０が形成されている。
【００４８】
なお、可動部材１０及び制御室７０の詳細については後述する。
【００４９】
ストッパ部材３０は、概ね円柱状に形成され、アクチュエータ３とニードル５０の間に配設されている。ストッパ部材３０は、可動部材１０の内壁に対して相対的に摺動移動可能な大径部３１と、大径部３１において反ニードル５０側の端部に設けられ、径方向外側に延びるアーム部３２とを備えており、アーム部３２は、可動部材１０の開口窓１９を挿通し、ハウジング２の内壁に架橋されている。そして、アーム部３２には、付勢部材９３の付勢力によってハウジング２の内壁に係止されている。
【００５０】
これによって、ストッパ部材３０は、アクチュエータ３、アクチュエータ３に協働する可動部材１０、及びニードル５０の各変位に対して変位不能に規制されてハウジング２に固定されるのである。
【００５１】
ハウジング２において流入口２１と噴孔２５とを連通する燃料通路４０は、以下の燃料系統の通路要素から構成されている。即ち、第２ハウジング区分２ｂにおいてアクチュエータを内部に収容する内壁で囲まれた第２燃料室４３と、第１ハウジング区分２ａにおいてニードル５０及び可動部材１０を内部に収容する内壁で囲まれる第１燃料室４２及び燃料溜り室４１との各通路要素で構成されている。なお、第１燃料室４２と燃料溜り室４１はニードル５０のフランジ部５２で区分けされ、図示しないフランジ部５２の外壁に形成される平面部とハウジング２の内壁との隙間通路を通じて両室４１、４２が連通している。
【００５２】
アクチュエータ３は、略円柱状に形成され、一方の端部３ｂがハウジング２の反弁座２３側の端部、即ちハウジング２の軸方向他端部に収容されて配置されている。
【００５３】
アクチュエータ３は、ピエゾスタック３ｃと、ピエゾスタック３ｃの出力端部側に設けられた支持台部３ａとを有している。ピエゾスタック３ｃは、例えばＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したものであり、電気的なエネルギが充填されることにより積層方向、即ち軸方向に伸長する。一方、ピエゾスタック３ｃから電気的なエネルギが放電されることにより軸方向に収縮する。
【００５４】
また、収容部材３ｄは支持台部３ａとハウジング２の上記軸方向他端部とを伸縮可能に架橋してピエゾスタック３ｃの周囲を気密に覆っている。この収容部材３ｄはピエゾスタック３ｃを燃料侵入から保護するものである。アクチュエータ３は、図示しない駆動回路にて充放電されることにより軸方向一端部側に伸縮する。上記電極層にはリード線が接続され、上記駆動回路に電気的に接続されている。リード線はハウジング２の外部に気密に取り出されている。
【００５５】
以上、燃料噴射弁１の基本構成について説明した。以下、燃料噴射弁１の特徴的構成について説明する。
【００５６】
（特徴的構成）
図１に示すように、円筒状の可動部材１０は、軸方向一端部１０ａがアクチュエータ３に突き当てられているのでアクチュエータ３と協働する。アクチュエータ３が伸縮すると、これに伴い、可動部材１０の軸方向他端部１０ｂ側がアクチュエータ３の変位量と同一の変位をする。
【００５７】
上記可動部材１０内の中空断面形状は、軸方向他端部１０ｂ側に先細り形状に形成されている。可動部材１０の内壁１１はその内周が段付き円状に形成され、軸方向他端部１０ｂ側の内壁１１ｂが、ニードル５０の軸端部５５の外径Ｄ０と相対的に摺動可能な内径に形成されている。一方、軸方向一端部１０ａ側の内壁１１ａが、ストッパ部材３０の大径部３１の外径Ｄ１に摺動可能な内径に形成されている。
【００５８】
また、その円筒状の可動部材１０の内壁１１及び外壁１２の断面形状は、軸方向他端部１０ｂ側に先細り形状に形成されている。これにより、可動部材１０の体格が小型化され、その慣性マスを低減するように軽量化されるのである。
【００５９】
ニードル５０とアクチュエータ３との間には、上記可動部材１０と、ニードル５０とアクチェエータ３及び可動部材１０との両者のいずれの変位に対しても変位不能に規制されているストッパ部材３０とが配置されている。
【００６０】
ストッパ部材３０において大径部３１は、リフトするニードル５０に対して軸方向に常に間隔を置いて配置されている。その大径部３１においてニードル５０側の端部には、概ね円柱状を呈するステップピストン６０が、ニードル５０の軸端部５５に対して所定の軸方向の間隔Ｈ１を置いて配置されている。
【００６１】
ステップピストン６０は段付き円柱状に形成され、外径Ｄ２を有するピストン本体６１と、外径Ｄ２より大きい係止ピストン部６２とを有している。ピストン本体６１は、大径部３１の内壁３３においてニードル５０側の内周３３ａに摺動自在な外径Ｄ２を有するものであり、また、係止ピストン部６２は、反ニードル５０側の内周３３ｂ内に移動可能であると共に、内壁３３に対して係止可能な端面（以下、係止端面）６３を有している。
【００６２】
係止ピストン部６２のアクチュエータ３側の端部には、「第１付勢部材」としてのスプリング９２が設けられており、スプリング９２は、係止ピストン部６２の端面６３を内壁３３に係止するように、係止ピストン部６２を付勢している。
【００６３】
制御室７０は、アクチュエータ３に協働する段付き筒状の可動部材１０、この可動部材１０内で相対的に摺動移動可能なストッパ部材３０の大径部３１、及びニードル５０とで形成される油密室を形成しており、これら制御室７０、可動部材１０、及びニードル５０は「油圧連結要素」を構成している。
【００６４】
上記制御室７０は、その内部の容積が、アクチュエータ３と協働する可動部材１０の変位によって、変化することになるのだが、「油圧連結要素」である故に、その変化に伴い制御室７０内に発生する油圧力は、ニードル５０に対して、制御室７０内の容積が変化しない方向にニードル５０を変位させる駆動力として作用するのである。
【００６５】
上記制御室７０内においてニードル５０の受圧面積は、ニードル５０の弁座２３からの上昇量（以下、リフト）ＨがＨ１に達するまでは、ニードル５０の軸端部５５の断面積で規定される。ニードル５０のリフトＨがＨ１以上になると、上記軸端部５５にステップピストン６０が付き当たるので、上記ニードル５０の受圧面積は、ニードル５０の軸端部５５の断面積から、ステップピストン６０の断面積を減じた断面積で規定される。
【００６６】
これにより、ニードル５０の閉弁時からリフトＨがＨ１に達するまでのリフト範囲においては、ニードル５０のリフトＨの変位量Ｌｂとアクチュエータ３の変位量Ｌｐは、
【００６７】
（数５）Ｌｂ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２×Ｌｐ
に設定され、
また、ニードル５０のリフトＨがＨ１以上のリフト範囲においては、
【００６８】
（数６）Ｌｂ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）×Ｌｐ
に設定されるのである。
【００６９】
言い換えると、変位量Ｌｐに対する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）が、
【００７０】
（数７）リフトＨがＨ＜Ｈ１の範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
【００７１】
（数８）リフトＨがＨ１≦Ｈの範囲において、ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ
２２）
に設定されるのである。
【００７２】
次に、上述した燃料噴射弁１の作動を、図２に基づいて説明する。図２は、横軸に時間Ｔ、縦軸の図２中の上から順に、燃料噴射信号であるパルス特性、アクチュエータ３のピエゾスタック３ｃへの電圧特性、アクチュエータ３の変位特性、油密室である制御室７０内の圧力特性、ニードル５０のリフト特性、単位時間ΔＴ当たりの噴射量ΔＱを示す噴射率（ΔＱ／ΔＴ）特性を示している。図２（ｂ）は本実施形態を示し、図２（ａ）は比較例としてステップピストンを有しない場合を示している。また図２（ｂ）中のニードル５０のリフト特性においては、ステップピストン６０の挙動特性を破線で示している。パルス特性は制御回路から駆動回路へ出力する指令信号であり、制御回路にてエンジンの運転状態に応じて最適な噴射期間及び噴射開始時期に決定され、当該噴射期間及び噴射開始時期に対応した噴射開始指令信号及び噴射終了指令信号を表している。また、アクチュエータ３への電圧特性は、アクチュエータを駆動する駆動回路の駆動信号特性を示している。
【００７３】
図２（ｂ）に示すように、パルス特性がＯＮになると、アクチュエータ３に通電され、アクチュエータ３が伸長方向に変位する。アクチュエータ３へ通電制御される電圧特性は、所定の過渡特性速度で電圧が昇圧し、一定の電圧で制御される。
【００７４】
上記電圧特性における過渡特性によって、アクチュエータ３の伸長が変位量Ｌｐ１になると、制御室７０内の圧力Ｐが基準圧力Ｐ０に対して圧力差ΔＰ分減圧される圧力（以下開弁圧力）に達する。この油密室である制御室７０の開弁圧力は、ニードル５０が閉弁状態を維持したまま、上記変位量Ｌｐ１のアクチュエータの伸長による制御室７０の容積変化によって形成される。
【００７５】
弁座２３に着座及び離座するニードル５０は、弁座２３側の先端部（軸端部）５４が、燃料通路４０から供給される燃料の燃料圧によってニードル５０を離座方向に作用させる受圧部となるが、ニードル５０の閉弁時において、弁座２３に着座するニードル５０のシート部５１の内側の面積区分には燃料圧が作用しないのである。それ故に、開弁開始時には、アクチュエータ３と協働する可動部材１０の上記変位量Ｌｐ１によって、制御室７０内の圧力Ｐを一時的に減圧させる必要があるからである。
【００７６】
次に、アクチュエータ３の伸長が変位量Ｌｐ１を超え、制御室７０内の圧力Ｐが開弁圧力以下になると、ニードル５０が弁座２３より離座し、燃料が噴孔２５より噴射される。ニードル５０が開弁すると、ニードル５０の先端部５４の受圧面積が制御室７０側の軸端部５５の受圧面積と同一になるため、制御室７０の圧力は上昇し、燃料溜まり室４１内の燃料圧、即ち燃料通路４０のコモンレール圧である基準圧力Ｐ０へ復元されるようになる。
【００７７】
ニードル５０のリフトＨがＨ１に達するまでの範囲では、制御室７０の圧力の上記復元特性が、図２（ｂ）の本実施例と図２（ａ）の比較例とはほぼ同じとなる。ニードル５０のリフトＨがＨ１に達すると、ステップピストン６０がニードル５０の軸端部５５に付き当たり、ステップピストン６０がニードル５０と協働してリフトを開始する。言い換えると、リフトＨ＜Ｈ１の範囲におけるアクチュエータ３の変位に対するニードル５０のリフトＨの変位変換率ＲＬ１（（数７）中のＲＬ
に相当）より、リフトＨ≧Ｈ１の範囲における変位変換率ＲＬ２（（数８）中のＲＬに相
当）が大きくなり、同一設定のアクチュエータ３の変位量で比較したときの上記比較例に対する本実施形態でのニードル５０のリフトＨがアップでき、ひいては噴射率もアップが図れるのである。
【００７８】
一方、パルス特性がＯＦＦになると、アクチュエータ３への通電が停止され、アクチュエータ３が伸長方向に変位する。そして制御室７０の容積が縮小方向に変化するので、制御室７０の圧力Ｐが基準圧力Ｐ０より加圧されながら、その制御室７０の油圧力によりニードル５０を弁座２３方向に移動させる。ニードル５０が弁座２３に着座すると、噴孔２５からの燃料噴射が停止する。
【００７９】
以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３の変位に対するニードル５０の変位変換率を切換える構成を、制御室７０、可動部材１０、及びニードル５０とからなる一つの「油圧連結要素」という簡素な構成で実現できる。しかも、「油圧連結要素」を構成する油密室である制御室７０は一つであるので、アクチュエータ３のエネルギロスの低減が効果的に図れる。
【００８０】
また、以上説明した本実施形態では、開弁開始時において、上記変位変換率ＲＬをＲＬ１に小さく設定できるので、アクチュエータ３の駆動力エネルギを低エネルギで開弁開始できる。そして、開弁後は、リフトＨ≧Ｈ１の範囲において、上記変位変換率ＲＬをＲＬ２と拡大できるので、ニードル５０の十分なリフト量の確保ができる。したがって、アクチュエータ３の低エネルギで高燃料圧下の開弁開始と、ニードル５０の十分なリフト量の確保とが両立できる。
【００８１】
また、以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３に協働する可動部材１０は、筒状に形成されているので内側が中空であり、慣性力増加に繋がる可動部材１０の可動マスを低減できるので、可動部材１０の移動により生じ慣性力増加によるアクチュエータ３のエネルギロスを回避することができる。しかも、可動部材１０の断面形状をニードル側に向かって先細り形状としているので、上記筒状の可動部材１０の体格を小型化でき、上記可動マスが更に効果的に低減されるのである。
【００８２】
また、以上説明した本実施形態では、ストッパ部材３０において大径部３１の内壁３３に、摺動移動可能なステップピストン６０は、大径部３１の内壁３３の内周３３ａ、３３ｂに係止する端面６３を有しているので、開弁開始時においてステップピストン６０が、制御室７０の減圧により制御室７０に脱落するのを防止している。
【００８３】
また、以上説明した本実施形態では、上記ステップピストン６０をニードル５０側に付勢するスプリング９２を備えているので、ニードル５０のリフトＨがＨ１以上の範囲にあるとき、ニードル５０に突き当てられるステップピストン６０は実質的にニードル５０と連結でき、制御室７０内の作動油（燃料）の圧縮性に繋がる容積変化を回避することができる。
【００８４】
また、ハウジング２の燃料通路４０内に、少なくともストッパ部材３０、ステップピストン６０、及びニードル５０を収容するという構成としているので、ステップピストン６０の両軸端部が接する燃料圧を、燃料通路４０内に供給されている燃料の系圧に設定することが可能となる。これにより、ステップピストン６０の両軸端部に作用する各燃料圧間の差圧量を抑制できるので、ステップピストン６０の移動抑止が図れる。
【００８５】
また、以上説明した本実施形態では、アクチュエータ３はピエゾスタック３３からなるピエゾアクチュエータであり、アクチュエータ３に非通電、及び通電することにより、ニードル５０を弁座２３に着座及び離座するという構成としている。これによれば、アクチュエータ３への非通電によりニードル５０の閉弁ができ、また通電によりニードル５０の開弁ができるので、燃料噴射弁１を、非通電時に常に閉弁する常閉構造に設定することができる。
【００８６】
（第２実施形態）
第２実施形態を図３に示す。第２実施形態は第１実施形態の変形例である。第２実施形態では、ストッパ部材３０の大径部３１の内壁３３内を相対摺動移動するステップピストン６０において、ステップピストン６０の相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を設けた一例を示すものである。図３（ａ）〜（ｃ）は各態様の一例を示している。
【００８７】
上記抵抗力発生手段の一例としては、図３（ａ）に示すように、ステップピストン６０の係止ピストン部６２の外周と、大径部３１の内壁３３の内周３３ｂとの間の隙間δに形成される隙間通路４４の一部を絞る絞り部４５を設ける構成としている。
【００８８】
また、上記抵抗力発生手段の他の一例としては、図３（ｂ）に示すように、ステップピストン６０において係止ピストン部６２に設けられ、大径部３１の内壁３３に係止する係止端面６３に対して軸方向に貫通する連通路６５を設ける構成としている。
【００８９】
また、上記抵抗力発生手段の他の一例としては、図３（ｃ）に示すように、上記隙間通路４４の隙間δを所定隙間に絞る構成としている。
【００９０】
これら構成のいずれかによれば、リフトＨ≧Ｈ１の範囲にあるとき、ステップピストン６０が突き当てられているニードル５０が一定のリフト状態を維持するように制御される場合において、上記構成からなる抵抗力発生手段によって上記「油圧連結要素」の共振の抑止が図れる。
【００９１】
（第３実施形態）
第３実施形態を図４に示す。第３実施形態は第１実施形態の変形例である。第３実施形態では、弁部材１５０、弁座２３、及び噴孔１２５の構成を、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル２５０及び第２ニードル３５０と、各ニードルが着座及び離座する各シート部２５１、３５１の下流部に第１噴孔２２５及び第２噴孔３３５とを備え、第１ニードル及び第２ニードルのうちの特定ニードルのリフト動作により、第１噴孔及び第２噴孔のうちの特定噴孔を開閉するといういわゆる可変噴孔の燃料噴射弁に適用した一例を示すものである。
【００９２】
図４に示すように、弁部材１５０は、中空円筒状を呈する第１ニードル２５０と、第１ニードル２５０の内側に同軸的に配置された第２ニードル３５０を有している。第１ニードル２５０は、弁座２３に着座及び離座する先端部２５４にシート部２５１と、制御室７０側の軸端部２５５と、先端部２５４及び軸端部２５５間を繋ぎ、フランジ部２５２を有する軸部２５３とを備えている。第２ニードル３５０は、弁座２３に着座及び離座する先端部３５４にシート部３５１と、制御室７０側の軸端部３５５と、先端部３５４及び軸端部３５５間を繋ぐ軸部２５３とを備えている。なお、第２ニードル３５０の軸部３５３の外径Ｄ３は、第１ニードル２５０の軸端部２５５及び軸部２５３の外径Ｄ０より小さい。
【００９３】
第１ニードル２５０は、外径Ｄ０を有する軸端部２５５内に、第２ニードル３５０の軸端部３５５を相対移動可能に収容するとともに、軸端部２５５及び軸端部３５５が軸方向間隔Ｈ２を置いて係止可能に配置されている。ここで、所定間隔Ｈ２は所定間隔Ｈ１より小さく形成されている（Ｈ２＜Ｈ１）。
【００９４】
第２ニードル３５０において軸端部３５５は、ステップピストン６０に対して軸方向間隔Ｈ１を置いて配置されている。また、上記軸端部３５５とステップピストン６０の間には、第２ニードル３５０を弁座２３側に付勢する付勢部材９４が挟み込まれている。
【００９５】
第１ニードル２５０の先端部２５４及び第２ニードル３５０の先端部３５４において、燃料通路４０の燃料は、ます、外側に配置されている第１ニードル２５０の先端部２５４側に導かれ、第２ニードル２５０が開弁すると、第２ニードル３５０の先端部２５４側にも導かれるようになっている。
【００９６】
また、第１ニードル２５０が開弁し、第１ニードル２５０のリフトＨがＨ２に達すると、第２ニードル３５０の軸端部３５５が第１ニードル２５０の軸端部２５５に係止するので、第１ニードル２５０と第２ニードル３５０が一体となる。
【００９７】
一体となった第１ニードル２５０及び第２ニードル３５０のリフトＨがＨ１に達すると、ステップピストン６０に付き当てられる。
【００９８】
このような構成においても、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００９９】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用可能である。
【０１００】
（１）以上説明した本実施形態では、可動部材１０を円筒状としたが、これに限らず、断面形状が円状、四角状、あるいは楕円状などいずれの筒状であってもよい。
【０１０１】
（２）以上説明した本実施形態では、可動部材１０を一つの筒状部材としたが、複数の筒状区分に分割される構成としてもよい。この場合、可動部材はアクチュエータ３とアクチュエータスプリング９１の間に挟み込まれているので、アクチュエータスプリング９１の付勢力によって複数の筒状区分間を気密にシールすることができ、ひいては制御室７０の油密を確保することができるからである。
【０１０２】
（３）以上説明した本実施形態では、ストッパ部材３０をアクチュエータ３及びニードル５０の変位に対して変位不能に規制する構成として、大径部３１に径方向外側に延びるアーム部３２を設け、アーム部３２を可動部材の開口窓１９に挿通するようにした。これに限らず、アクチュエータ３及びニードル５０の変位に対して変位不能に規制する構成であればいずれの構成であってもよい。
【０１０３】
（４）以上説明した本実施形態では、上記ストッパ部材３０においてアーム部３２をハウジング２の内壁に固定する方法として、アーム部３２を内壁に付勢する付勢部材９３を設けた。これに限らず、アーム部３２をハウジングの内壁に接合する方法、第１ハウジング区分２ａと第２ハウジング区分２ｂの両区分間に挟み込むなどの方法であってもよい。
【０１０４】
（５）以上説明した第２実施形態では、ステップピストン６０の相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段の一例として、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）の各態様を説明したが、各態様の特徴的構成のうち、特定の特徴的構成を有するものに限らず、これらの特徴的構成を組合せたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射弁を示す断面図である。
【図２】図１の燃料噴射弁の作動を説明する模式図であって、図２（ａ）は比較例の作動を示すタイムチャート、図２（ｂ）は本実施形態による特徴的構成に係わる作動を示すタイムチャートである。
【図３】第２実施形態に係わる燃料噴射弁の特徴的部分を示す図であって、図３（ａ）〜（ｃ）は各態様の一例を示す部分断面図である。
【図４】第３実施形態に係わる燃料噴射弁を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 燃料噴射弁
２ ハウジング
２ａ 第１ハウジング区分
２ｂ 第２ハウジング区分
２ｃ リテーニングナット
３ アクチュエータ
３ａ 支持台部
３ｂ 一方の端部
３ｃ ピエゾスタック
３ｄ 収容部材
１０ 可動部材
１０ａ 軸方向一端部
１０ｂ 軸方向他端部
１１ 内壁
１２ 外壁
１９ 開口窓
２１ 流入口
２３ 弁座
２４ サック部
２５ 噴孔
３０ ストッパ部材
３１ 大径部
３２ アーム部
３３ 内壁
３３ａ、３３ｂ 内周
４０ 燃料通路
４１ 燃料溜まり室
４２ 第１燃料室
４３ 第２燃料室
５０ ニードル（弁部材）
５１ シート部
５２ フランジ部
５３ 軸部
５４ 先端部（軸端部）
５５ 軸端部
６０ ステップピストン
６１ ピストン本体
６２ 係止ピストン部
６３ 係止端面（端面）
７０ 制御室（油密室）
９１ アクチュエータスプリング（第２付勢部材）
９２ スプリング（第１付勢部材）
９３ 付勢部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁座に着座および離座する弁部材を駆動することにより燃料を噴射する燃料噴射弁において、
前記弁部材を直接的に操作するアクチュエータであって、通電により変位を発生するアクチュエータと、
前記弁部材と前記アクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈する可動部材であって、軸方向一端部が前記アクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が、内部に前記弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材と、
前記弁部材と前記アクチュエータとの間に設けられ、前記弁部材と前記アクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材であって、前記可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ前記弁部材の外径より大きい大径部を有し、前記大径部が前記弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されているストッパ部材と、
前記ストッパ部材において前記大径部の前記弁部材側の端部と、前記可動部材の前記内壁と、前記弁部材とで形成される油密室と、
前記大径部の前記端部側に設けられ、前記大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈するステップピストンであって、前記弁部材の前記外径よりも小さく形成され、かつ前記弁部材が前記弁座より上昇した所定のリフト時において前記弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストンと、
を備えていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記ストッパ部材において前記弁部材の外径Ｄ０より大きい前記大径部の第１外径をＤ１、
前記ステップピストンにおいて前記弁部材の外径Ｄ０より小さい前記軸端部の第２外径をＤ２、
前記弁部材のリフトＨにおいて所定のリフトをＨ１、
で表し、
前記アクチュエータの変位量Ｌｐに対する、前記弁部材において前記弁座より上昇する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）は、
（数１）
Ｈ＜Ｈ１の範囲において、
ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
（数２）
Ｈ１≦Ｈの範囲において、
ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）
に設定されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
前記筒状の可動部材において断面形状は、前記弁部材側に向かって先細り形状としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記ステップピストンにおいて前記軸端部とは反対側の他軸端部は、前記軸端部より大きい第３外径を有し、
前記ステップピストンの前記他軸端部は、前記ストッパ部材の前記大径部において前記ステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ステップピストンの前記他軸端部側には、前記ステップピストンを前記弁部材側に付勢する第１付勢部材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記噴孔、前記弁座、および前記噴孔に連絡する燃料通路を有するハウジングを備え、
前記ハウジングの前記燃料通路内に、少なくとも前記ストッパ部材、前記ステップピストン、および前記弁部材が収容されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記ストッパ部材の前記大径部の前記内周面内を相対摺動移動する前記ステップピストンに対して、前記ステップピストンの相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を備え、
前記抵抗力発生手段は、
前記大径部の前記内周面と、前記他軸端部の外周面との間に形成される隙間通路の一部を絞る絞り部、
および、前記他軸端部に設けられ、前記大径部の前記内周面に係止する前記端面に対して軸方向に貫通する連通路、
のうちの、少なくともいずれか一方で構成されていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記可動部材の前記軸方向他端部側には、前記可動部材の前記軸方向一端部を前記アクチュエータに突き当てるように、前記可動部材を付勢する第２付勢部材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記アクチュエータはピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾアクチュエータに非通電、及び通電することにより、前記弁部材を前記弁座に着座および離座することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
前記弁部材は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル、および第２ニードルを有し、
前記弁座は、前記第１ニードルおよび前記第２ニードルの各ニードルが独立的に着座および離座する第１シート部、および第２シート部を有し、
前記噴孔は、前記第１シート部および前記第２シート部のうちの特定シート部を挟んで配置される第１噴孔、および第２噴孔を有し、かつ前記第１噴孔および前記第２噴孔の両者は前記第１シート部および前記第２シート部のいずれかの下流部に設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１】
弁座に着座および離座する弁部材を駆動することにより燃料を噴射する燃料噴射弁において、
前記弁部材を直接的に操作するアクチュエータであって、通電により変位を発生するアクチュエータと、
前記弁部材と前記アクチュエータとの間に設けられ、筒状を呈する可動部材であって、軸方向一端部が前記アクチュエータに付き当てられ、軸方向他端部が、内部に前記弁部材を摺動移動可能に収容する可動部材と、
前記弁部材と前記アクチュエータとの間に設けられ、前記弁部材と前記アクチュエータの両者の変位に対して変位不能に規制されているストッパ部材であって、前記可動部材の内壁を相対的に摺動移動可能、かつ前記弁部材の外径より大きい大径部を有し、前記大径部が前記弁部材に対して軸方向に間隔を置いて配置されているストッパ部材と、
前記ストッパ部材において前記大径部の前記弁部材側の端部と、前記可動部材の前記内壁と、前記弁部材とで形成される油密室と、
前記大径部の前記端部側に設けられ、前記大径部内を軸方向に摺動移動可能な円柱状を呈するステップピストンであって、前記弁部材の前記外径よりも小さく形成され、かつ前記弁部材が前記弁座より上昇した所定のリフト時において前記弁部材に付き当てられる軸端部を有するステップピストンと、
を備えていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記ストッパ部材において前記弁部材の外径Ｄ０より大きい前記大径部の第１外径をＤ１、
前記ステップピストンにおいて前記弁部材の外径Ｄ０より小さい前記軸端部の第２外径をＤ２、
前記弁部材のリフトＨにおいて所定のリフトをＨ１、
で表し、
前記アクチュエータの変位量Ｌｐに対する、前記弁部材において前記弁座より上昇する変位量Ｌｂの変位変換率ＲＬ（ＲＬ＝Ｌｂ／Ｌｐ）は、
（数１）
Ｈ＜Ｈ１の範囲において、
ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／Ｄ０２
（数２）
Ｈ１≦Ｈの範囲において、
ＲＬ＝（Ｄ１２−Ｄ０２）／（Ｄ０２−Ｄ２２）
に設定されていることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
前記筒状の可動部材において断面形状は、前記弁部材側に向かって先細り形状としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
前記ステップピストンにおいて前記軸端部とは反対側の他軸端部は、前記軸端部より大きい第３外径を有し、
前記ステップピストンの前記他軸端部は、前記ストッパ部材の前記大径部において前記ステップピストンを摺動移動可能に収容する内周面に対して係止する端面を有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項５】
前記ステップピストンの前記他軸端部側には、前記ステップピストンを前記弁部材側に付勢する第１付勢部材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項６】
前記噴孔、前記弁座、および前記噴孔に連絡する燃料通路を有するハウジングを備え、
前記ハウジングの前記燃料通路内に、少なくとも前記ストッパ部材、前記ステップピストン、および前記弁部材が収容されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項７】
前記ストッパ部材の前記大径部の前記内周面内を相対摺動移動する前記ステップピストンに対して、前記ステップピストンの相対移動速度を抑止する抵抗力発生手段を備え、
前記抵抗力発生手段は、
前記大径部の前記内周面と、前記他軸端部の外周面との間に形成される隙間通路の一部を絞る絞り部、
および、前記他軸端部に設けられ、前記大径部の前記内周面に係止する前記端面に対して軸方向に貫通する連通路、
のうちの、少なくともいずれか一方で構成されていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項８】
前記可動部材の前記軸方向他端部側には、前記可動部材の前記軸方向一端部を前記アクチュエータに突き当てるように、前記可動部材を付勢する第２付勢部材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項９】
前記アクチュエータはピエゾアクチュエータであって、前記ピエゾアクチュエータに非通電、及び通電することにより、前記弁部材を前記弁座に着座および離座することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料噴射弁において、
前記弁部材は、内外二重に同軸的に配置された第１ニードル、および第２ニードルを有し、
前記弁座は、前記第１ニードルおよび前記第２ニードルの各ニードルが独立的に着座および離座する第１シート部、および第２シート部を有し、
前記噴孔は、前記第１シート部および前記第２シート部のうちの特定シート部を挟んで配置される第１噴孔、および第２噴孔を有し、かつ前記第１噴孔および前記第２噴孔の両者は前記第１シート部および前記第２シート部のいずれかの下流部に設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１９１４７（Ｐ２０１０−１９１４７Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７９４０１（Ｐ２００８−１７９４０１）
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]