JP4888453B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁に関する。

噴孔を開閉する弁要素の駆動を制御するアクチュエータとして、ピエゾ素子を利用した燃料噴射弁が知られている。アクチュエータは、板状のピエゾ素子を複数枚、板厚方向に積層させることにより形成されるスタック、およびそのスタックの一方の端部に電圧を印加することにより伸縮するピエゾ素子の変位をアクチュエータの外部に取り出し、その変位を弁要素に伝達する変位取出部を備えている。

しかしながら、ピエゾ素子の伸長時、慣性により必要以上に伸長することによりピエゾ素子が振動する。その振動は、変位取出部を介して弁要素にまで伝達される。弁要素にピエゾ素子にて発生した振動が伝達されると、弁要素の閉弁時の位置が安定せず、燃料噴射量が安定しないという問題が発生する。

例えば、特許文献１や特許文献２には、アクチュエータのケーシングの内部に設けられる積層されたピエゾ素子の一方の端部にショックを吸収するダンピングエレメントや、積層されるピエゾ素子間にピエゾ素子の機械振動を吸収する吸収層を設けることにより、振動を抑制する構造が開示されている。
欧州特許出願公開第１６４７７０３号明細書 国際公開第２００６／１３１１０６号パンフレット

しかしながら、上記各文献１、２に開示されているアクチュエータでは、振動を吸収する部材がアクチュエータ内部に収容される構造となっているため、アクチュエータの構造が複雑となり、アクチュエータのコストが上昇する。このため、このアクチュエータを使用した燃料噴射弁の製造コストが上昇してしまう。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストの上昇を抑制しつつ、燃料噴射量を安定させることができる燃料噴射弁を提供することである。

請求項１に記載の発明は、燃料を噴射する燃料噴射弁において、噴孔が形成されているハウジングと、ハウジングに収容され、噴孔を開閉する弁要素と、弁要素の開閉動作を制御するアクチュエータと、を備え、アクチュエータは、電圧を印加することにより伸縮するピエゾ素子、およびピエゾ素子の伸縮する際の変位をアクチュエータの外部に取り出し、弁要素に伝達する変位取出部を有し、弁要素は、変位取出部の変位を液圧に変換する液圧発生部、および液圧発生部にて発生した液圧を駆動源とし、噴孔を開閉する弁部材を備えており、液圧発生部は、ピストン、およびピストンを軸方向に摺動可能に支持し、ピストンとの間に液圧室を形成するシリンダを有し、アクチュエータの外部であり、かつピストンとシリンダとの間には、ピエゾ素子が所定の伸長量に達したときに、変位取出部の移動を規制する移動規制部が設けられており、ピストンには液圧室の外部に位置する外周面より突き出た２段の段差部が形成され、液圧室と反対側の段差部が液圧室側の段差部に対して大径になっており、大径側の段差部はシリンダとピストンとを常に引き離す方向に付勢するスリットスプリングの上端部を支持し、小径側の段差部はシリンダの上端部との間に設けられた移動規制部、またはシリンダの上端部の一部として形成された移動規制部に当接することにより、変位取出部およびピストンの移動を規制することを特徴としている。

この発明によれば、ピエゾ素子に所定の電圧を印加し、ピエゾ素子が所定の伸長量に達したときに、変位取出部の移動を規制する移動規制部がアクチュエータの外部に設けられているため、該素子が所定の伸長量以上に伸びてしまうこと抑制することができる。これにより、該素子の伸長時、慣性により所定の伸長量以上に伸びてしまうことにより発生する該素子の振動が抑えられ、変位取出部に伝達されるのを極力抑えることができる。

該素子の伸長時における変位取出部の振動が抑えられるので、弁要素の動作を安定させることができ、ひいては噴射量を安定させることができる。また、この移動規制部は、アクチュエータの外部に設けられているため、ピエゾ素子の伸長時の振動を吸収する部材をアクチュエータ内に設ける従来技術に比べ、アクチュエータの構造を簡単とすることができ、ひいては、燃料噴射弁の製造コストの上昇を抑制することができる。これにより、製造コストの上昇を抑制しつつ、燃料噴射量を安定させることができる燃料噴射弁を提供することができる。

変位取出部の変位を液圧発生部にて液圧に変換し、変換した液圧を駆動源として弁部材を駆動させる弁要素を備える燃料噴射弁においては、液圧発生部のピストンの振動により発生する液圧の脈動が弁部材の駆動の安定性を損ねる原因の一つとなる。

また、この発明によれば、液圧発生部のピストンとシリンダとの間に移動規制部を設けているため、アクチュエータの変位取出部の振動を抑制するとともに、直に液圧室内の液圧の脈動を抑制することができる。これにより、液圧で駆動する弁部材の動作を安定させることができ、燃料噴射量を安定させることができる。

請求項２に記載の発明は、移動規制部は、ピストン、またはシリンダのいずれか一方に固定されていることを特徴としている。

この発明によれば、移動規制部はピストンまたはシリンダのいずれか一方に固定されているので、移動規制部がピストンおよびシリンダの移動を規制していない状態のとき、移動規制部がピストンとシリンダとの間で浮遊して、ピストンまたはシリンダに衝突することによる騒音の発生を防ぐことができる。

請求項３に記載の発明は、移動規制部は、シリンダと一体に形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、移動規制部はシリンダと一体に形成されているので、移動規制部がピストンおよびシリンダの移動を規制していない状態のとき、移動規制部がピストンとシリンダとの間で浮遊して、ピストンまたはシリンダに衝突することによる騒音の発生を防ぐことができる。また、移動規制部を別部品として設ける必要がなくなるため、液圧発生部の構造を簡単にすることができる。

請求項４に記載の発明では、移動規制部の弾性係数は、ピストンまたはシリンダのうち、移動規制部が衝突するいずれか一方の弾性係数よりも低いことを特徴としている。

この発明によれば、移動規制部の弾性係数は、ピストンまたはシリンダのうち、移動規制部と衝突するいずれか一方の弾性係数よりも低いので、移動規制部とピストンまたはシリンダとが衝突する際に発生する騒音を極力抑えることができる。

ここでいう弾性係数とは、移動規制部の材料自体の弾性係数を意味していることはもちろん、ピストンまたはシリンダと衝突する際の移動規制部の捩れや撓みを伴う形状の変化による弾性係数も含んでいる。

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。

（第１実施形態）
図１および図２は、第１実施形態における燃料噴射弁１の断面図である。図１における燃料噴射弁１は、噴孔５７を閉弁した状態を示し、図２における燃料噴射弁１は、噴孔５７を開弁した状態を示している。燃料噴射弁１は、図示しない内燃機関の各気筒に直接燃料を供給可能に取付けられている。

燃料噴射弁１は、アクチュエータ２および弁要素３を備えている。アクチュエータ２および弁要素３は、棒状のハウジング５内に軸方向に並んで収容されている。

ハウジング５は、アクチュエータ２および弁要素３の一部を収容するホルダボデー５１、および弁要素３の一部を収容するノズルボデー５５から構成されている。

ホルダボデー５１は、内部に空洞を有する筒状に形成されており、上端部５２（ノズルボデー５５とは反対側の端部）は塞がっている。上端部５２にてアクチュエータ２の上端部を支持している。アクチュエータ２の下端部には、弁要素３が配置されている。下端部は開口しており、ノズルボデー５５が接続されている。ホルダボデー５１の側壁部５３には、ホルダボデー５１内部に燃料を供給する吸入口５４が形成されている。

ノズルボデー５５は、内部に空洞を有する筒状に形成されており、下端部５６（ホルダボデー５１とは反対側）は塞がっている。ノズルボデー５５の空洞は、ホルダボデー５１の空洞と繋がっている。下端部５６には、ノズルボデー５５の内部とノズルボデー５５の外部とを連通する噴孔５７が形成されている。ホルダボデー５１の内部に流入した燃料は、ノズルボデー５５の内部に流入し、噴孔５７を介して、噴射される。噴孔５７は、弁要素３にて開閉が制御される。

アクチュエータ２は、ピエゾスタック２１、固定部材２３、変位取出部２４、ダイヤフラム２５およびケーシング２６等から構成されている。ピエゾスタック２１は、複数の板状のピエゾ素子２２を板厚方向に積み重ねて形成されるものであり、筒状に形成されているケーシング２６内に収容される。ピエゾスタック２１は、図１に示すように燃料噴射弁１の外部より電圧が印加されると、印加された電圧の大きさに応じてピエゾ素子２２の板厚方向に伸長し、電圧の印加が解除されるとピエゾ素子２２は収縮し、ほぼ電圧が印加される前の状態にまで戻る。

固定部材２３は、ケーシング２６の一方の端部に固定されている。固定部材２３の内側は、ピエゾスタック２１の弁要素３とは反対側の一方の端部を支持する。固定部材２３の外側は、ホルダボデー５１の上端部５２に支持される。

変位取出部２４は、ケーシング２６の内周側に軸方向に摺動可能に支持されている。変位取出部２４は、ピエゾスタック２１の他方の端部に支持されている。変位取出部２４の弁要素３側の端部は、ケーシング２６の端部よりも下方に突き出ている。変位取出部２４の下端部は、弁要素３の一部である液圧発生部３６に常に当接している。

ダイヤフラム２５は、環状に形成され、ケーシング２６の変位取出部２４側の端部に固定されている。ダイヤフラム２５の外周側の端部は、ケーシング２６の端部に固定され、内周側の端部は、変位取出部２４の側壁に常に当接している。これにより、変位取出部２４が軸方向に往復移動しても、ケーシング２６の内部にケーシング２６の外部に満たされている燃料が侵入することを抑制することができる。

アクチュエータ２のピエゾスタック２１に所定の電圧が印加されると、印加された電圧の大きさに応じてピエゾスタック２１が所定の長さ伸長する。ピエゾスタック２１の上方は、固定部材２３にて移動が規制されているため、ピエゾスタック２１が伸長すると、ピエゾスタック２１の変位取出部２４が当接されている他方の端部が下方に伸長量に応じた分だけ移動する。それに伴い、ピエゾスタック２１の伸長量に応じた分だけ、変位取出部２４も下方に移動する。

その後、電圧の印加を解除するとピエゾスタック２１は収縮し、ほぼ電圧が印加される前の状態まで戻る。それに伴い、変位取出部２４ももとの位置に移動する。

アクチュエータ２の下方に配置されている弁要素３は、弁部材３１、および液圧発生部３６などから構成されている。

弁部材３１は、先端３２がノズルボデー５５の下端部の内壁に離着座することにより、噴孔５７からの燃料の噴射、非噴射を制御する。弁部材３１は、筒状に形成されている。弁部材３１は、先端３２に向かうほど外径が小さくなっており、途中、段差部３３、３４が二箇所形成されている。弁部材３１の段差部３３と、段差部３４との間の側壁がノズルボデー５５の内壁に軸方向に摺動可能に支持されている。弁部材３１の内部には、上端部から下側の段差部３４付近にかけて軸方向に延びる通路３５が形成されている。先端３２側の通路３５は、下側の段差部３４の側壁と連通している。

ノズルボデー５５は、弁部材３１の上端部との間に、上側の段差部３３を取り囲むような収容室５８を形成している。収容室５８には、内装シリンダ４７、スプリング４８が収容されている。内装シリンダ４７は、段差部３３よりも上側の弁部材３１の側壁を軸方向に摺動可能に支持する。内装シリンダ４７の上端部は、後述するシリンダ３９の下端部の外壁に当接する。スプリング４８は、収容室５８の底部と内装シリンダ４７の下端部との間に配置され、常に内装シリンダ４７を上方に付勢する。

内装シリンダ４７がシリンダ３９の下端部の外壁に当接すると、通路３５と収容室５８とが区画される。ノズルボデー５５は、下側の段差部３４よりも下側に燃料溜り室５９を形成する。

通路３５の上側から流入した燃料は、通路３５を通って、燃料溜り室５９に排出される。弁部材３１にて噴孔５７が閉弁されている状態では、燃料溜り室５９に流入した燃料は、そこに留まる。弁部材３１にて噴孔５７が開弁されると、燃料溜り室５９内の燃料が噴孔５７を介して外部に噴射される。通路３５の上側には、弁部材３１を閉弁方向に付勢するスプリング４９が収容されている。

通路３５には、ホルダボデー５１に流入した燃料が流入する。収容室５８には、後述する液圧発生部３６にて発生した液圧が流入する。上側の段差部３３には、液圧発生部３６にて発生した液圧が作用する。

液圧発生部３６は、弁部材３１とアクチュエータ２との間に配置され、アクチュエータ２の変位取出部２４の変位量を拡大する機構である。液圧発生部３６は、ピストン３７、シリンダ３９、スリットスプリング４４、および移動規制部４５などから構成されている。

ピストン３７は、柱状に形成され、上端部の外壁が変位取出部２４に当接して配置される。ピストン３７の下端部側は、底部４１を有する筒状に形成されているシリンダ３９に軸方向に摺動可能に収容されている。シリンダ３９は、ピストン３７の下端部、つまり頂部との間に液圧室４６を形成する。シリンダ３９は、ノズルボデー５５の上端部に支持され、ホルダボデー５１に収容されている。

液圧室４６には常に燃料が充填されており、ピストン３７が下方に移動することにより、液圧室４６の容積が小さくなり、液圧室４６の圧力が高まる。ピストン３７が上方に移動すると、液圧室４６内の圧力は低くなる。液圧室４６には、ピストン３７が上方に移動する際の液圧室４６と液圧発生部３６の周囲との間に発生する液圧差により、ピストン３７とシリンダ３９との摺動隙間などを介して燃料が充填される。

シリンダ３９の下端部には、液圧室４６と収容室５８とを連通する第一連通路４２と、弁部材３１の通路３５と外部とを連通する第二連通路４３とが形成されている。図１では、第一連通路４２と第二連通路４３とが接続されているように見えるが、第一連通路４２と第二連通路４３は接続されていない。

シリンダ３９の周囲には、スリットスプリング４４が配置されている。スリットスプリング４４は、公知の構成で、例えば筒状の部材に周方向に延びるスリットを複数形成することによりバネ特性を発揮する。スリットスプリング４４の上端部は、ピストン３７に支持され、下端部はシリンダ３９に支持される。スリットスプリング４４は、燃料噴射弁１に収容された状態で、シリンダ３９とピストン３７とを常に引き離す方向に付勢している。スリットスプリング４４は、ピストン３７および変位取出部２４を介してピエゾスタック２１に予備荷重を付与している。予備荷重は、ピエゾスタック２１が伸長する際の妨げとならない程度に設定されている。

ピストン３７が下方に移動すると、液圧室４６内の燃料の圧力が上昇する。その圧力は、第一連通を通って収容室５８に流入し、弁部材３１の上側の段差部３３に作用する。

次に、弁部材３１の開閉動作の仕組みについて説明する。

弁部材３１の開閉動作は、吸入口５４から燃料噴射弁１内に供給される燃料の圧力、液圧発生部３６にて発生した燃料の圧力を受けることにより発生する力や、スプリング４９の付勢力の釣り合いによって決定される。

弁部材３１には、段差部３３に燃料の圧力が作用することによって上方に向かう力（以下、「上方の力」という）が発生する。上方の力は、燃料の圧力が作用する段差部３３の受圧面積、および収容室５８内の燃料の圧力によって定まる。

そして、弁部材３１には、通路３５に燃料の圧力が作用すること、およびスプリング４９の付勢力によって下方に向かう力（以下、「下方の力」という）が発生する。下方の力は、燃料の圧力が作用する通路３５内の受圧面積、通路３５内の燃料の圧力、およびスプリング４９の付勢力によって定まる。

上方の力が下方の力よりも勝ったとき、弁部材３１は開弁方向に移動し、下方の力が上方の力よりも勝ったとき、弁部材３１は閉弁方向に移動する。

燃料溜り室５９および通路３５内の燃料の圧力は、吸入口５４から流入する燃料の圧力とほぼ同じであり、ほぼ一定の値を示している。収容室５８内の燃料の圧力は、アクチュエータ２を作動される液圧発生部３６により意図的に上昇、下降させられる。収容室５８内の燃料の圧力は、アクチュエータ２を作動させ、ピストン３７を下方に移動させることにより、燃料溜り室５９や通路３５内の燃料の圧力よりも高くすることができる。収容室５８内の燃料の圧力が高まり、上方の力が下方の力よりも勝ると、弁部材３１は開弁方向に移動する。

次に、燃料噴射弁１の動作について図１〜図３に基づき説明する。図３は、燃料噴射弁１の動作を説明するためのタイムチャートである。図３（ａ）は、図示しない制御装置からアクチュエータ２に送信される駆動パルスの状態を示している。図中、ＯＮの状態のときに、アクチュエータ２に所定の電圧が印加され、ＯＦＦの状態のときに、アクチュエータ２への所定の電圧の印加が終了する。図３（ｂ）は、ピストン３７の変位を示している。図中、ゼロの状態は、ピストン３７が上方に位置している状態を示している。図３（ｃ）は、液圧室４６内の燃料の圧力の状体を示している。図３（ｄ）は、弁部材３１のリフト量を示している。

時刻ｔ１、つまりパルスがＯＦＦからＯＮに切替わるまでは、ピストン３７の位置は、上方にある（図３（ｂ）参照）。このため、液圧室４６の燃料の圧力は、弁部材３１の通路３５の燃料の圧力とほぼ同じ圧力となっている（図３（ｃ）参照）。この状態では、弁部材３１に発生する上方の力は、下方の力よりも低いため、弁部材３１の先端３２は、ノズルボデー５５に着座した状態を維持し、噴孔５７から燃料は噴射されない。

時刻ｔ１となりパルスがＯＮとなると、ピストン３７は、変位取出部２４によって下方に移動させられる。そして、ピストン３７が下方に押されるとともに、液圧室４６の燃料の圧力が上昇し始める。

液圧室４６の燃料の圧力がある程度上昇し、時刻ｔ２となると、高まった圧力が上側の段差部３３に作用するため、弁部材３１に発生する上方の力が下方の力よりも勝る。これにより、弁部材３１が開弁方向にリフトし始める。弁部材３１が開弁方向にリフトすると、図２に示すように、燃料溜り室５９内の燃料が噴孔５７より噴射される（図２参照）。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、ピストン３７の位置が下方に向かうに従い、液圧室４６の圧力が若干低下する。これは、弁部材３１が上方にリフトし、収容室５８内の容積が広くなるためである。

時刻ｔ３となりパルスがＯＮからＯＦＦに切替わると、液圧室４６内の燃料の圧力およびスリットスプリング４４の付勢力により、ピストン３７は上方に移動し始める。この時点では、弁部材３１のリフトは開弁状態を維持したままとなっている。

時刻ｔ３から時刻ｔ４までは、ピストン３７の位置が上方に向かうに従い、液圧室４６の圧力が通路３５内の燃料の圧力よりも低くなる。

時刻ｔ４となり液圧室４６内の燃料の圧力が所定の値まで低くなると、弁部材３１に発生する下方の力が上方の力よりも勝る。これにより、弁部材３１が閉弁方向に移動し始める。その後、弁部材３１の先端３２がノズルボデー５５に着座し、噴孔５７からの燃料噴射が停止する（図１参照）。

次に、本実施形態の特徴部分について、図４および図５に基づいて詳細に説明する。

図４は、本実施形態の特徴構成を有する液圧発生部３６を拡大した図であり、アクチュエータ２が収縮している状態を示している。図５は、液圧発生部３６を拡大した図であり、アクチュエータ２を伸長している状態を示している。

本実施形態では、液圧発生部３６のシリンダ３９の上端部４０（ピストン３７の段差部３８と対向する部位）と、ピストン３７の段差部３８との間には、ピストン３７の下方への移動を規制する移動規制部４５が設けられている。

移動規制部４５は、ピストン３７よりも弾性係数の低い金属材料により、環状に形成されている。図４に示すように、移動規制部４５の一方の端部は、シリンダ３９の上端部４０に溶接などにより固定されている。

移動規制部４５の他方の端部と、この端部と対向するピストン３７の段差部３８との間には、図４に示す状態（アクチュエータ２が収縮している状態）で、所定間隔Ｌ分だけ隙間が形成されている。上記所定間隔Ｌは、図５に示すように、アクチュエータ２に所定の電圧を印加したときの変位取出部２４の移動量とほぼ同じ間隔となっている。

これによれば、アクチュエータ２に所定の電圧を印加し、ピエゾ素子２２が印加される電圧の大きさに応じた所定の伸長量に達したとき、つまりピストン３７および変位取出部２４が所定量移動したとき、移動規制部４５にてピストン３７および変位取出部２４のこれ以上の移動が規制される。アクチュエータ２に所定の電圧を印加したときのピエゾ素子２２の慣性による余分な伸長が制限される。このようにして、ピエゾスタック２１の振動が抑制される。

次に、上記特徴部分が奏する作用効果について、図６から図９に基づいて詳細に説明する。

図６は、移動規制部４５を有する本実施形態の燃料噴射弁１におけるタイムチャートである。タイムチャートの項目は、図３と同じであるため説明は省略する。図７は、移動規制部４５を有する本実施形態の燃料噴射弁１におけるｔ−ｑ特性図である。

図８は、移動規制部４５が無い比較例の燃料噴射弁１におけるタイムチャートである。タイムチャートの項目は、図３と同じであるため説明は省略する。図９は、移動規制部４５が無い比較例の燃料噴射弁１におけるｔ−ｑ特性図である。

まず、比較例の燃料噴射弁から説明する。比較例の燃料噴射弁について説明する際、本実施形態の燃料噴射弁と共通した部材については、本実施形態の燃料噴射弁と同じ部材名および番号を使用して説明する。

図８（ａ）に示すように、パルスのＯＮ時間を比較的短くした場合について説明する。図８（ｂ）に示すように、パルスが時刻ｔ１でＯＮに切替わると、ピストン３７は変位取出部２４に押されて下方に移動し始める。それに伴い、図８（ｃ）に示すように、液圧室４６の燃料の圧力がピストン３７の移動とともに上昇し始める。

液圧室４６の燃料の圧力がある程度上昇し、時刻ｔ２となると、高まった圧力が段差部３３に作用し、弁部材３１が開弁方向にリフトし始める（図８（ｄ）参照）。ところが、比較例における液圧発生部３６には、移動規制部４５が無いため、ピストン３７の移動は規制されずに振動する。これは、ピエゾ素子２２が慣性により余分に伸長することにより発生する振動が変位取出部２４を介してピストン３７に伝達されるためである。

このピストン３７の振動は、液圧発生部３６の液圧室４６の燃料の圧力にも伝達され、液圧室４６内の燃料の圧力が脈動する。この圧力の脈動は時間が経過すると治まるが、この比較例のように、パルスのＯＮ時間が比較的短い場合では、圧力の脈動が治まる前にＯＮからＯＦＦに切替えられる（図８（ａ）および（ｃ）参照）。

液圧室４６の圧力脈動が治まる前にパルスがＯＦＦ状態に切替わると、切替わるときの液圧室４６の圧力の状態によって、弁部材３１の閉弁応答性が変化する。図８（ｄ）に示すように弁部材３１の閉弁時期がパルスの切替わりタイミングに応じたタイミングとならなくなる。これにより、図９に示すように、パルスのＯＮ時間ｔと燃料噴射量ｑとの関係が比例の関係とならず、燃料噴射量が安定しなくなる。

図８（ａ）に示すように、パルスのＯＮからＯＦＦへの切替えタイミングを時刻ｔ３、ｔ４、ｔ５と徐々に遅くした場合、つまり、パルスのＯＮ時間を徐々に長くした場合、その時刻のピストン３７の動作によって弁部材３１の閉弁時期が変化してしまう。

例えば、切替えタイミングが時刻ｔ４よりも早い時刻ｔ３では、ピストン３７は、下方へ向かって移動中である。このため、このタイミングにてパルスがＯＦＦとなっても、ピストン３７は慣性により下降し続け、液圧室４６の圧力は直ぐには下降せずに、少し上昇した後、下降する。切り替えタイミングの次に遅い時刻ｔ４を基準にすると、一点鎖線で示す時刻ｔ３における液圧室４６の圧力曲線は、実線で示す時刻ｔ４における圧力曲線に近づく（図８（ｃ）中の一点鎖線参照）。

一方、切替えタイミングが時刻ｔ４よりも遅い時刻ｔ５では、ピストン３７は、時刻ｔ３の場合とは異なり上方へ向かって移動中である。このため、このタイミングにてパルスがＯＦＦとなると、ピストン３７は慣性により上昇し続け、液圧室４６の圧力は比較的早く下降する。二点鎖線で示す時刻ｔ５における液圧室４６の圧力曲線は、実線で示す時刻ｔ４における圧力曲線に近づく（図８（ｃ）中の二点鎖線参照。）
このため、図９に示すように、パルスのＯＮ時間が比較的短いときは、ＯＮ時間が長いときと比べると、ＯＮ時間ｔと燃料噴射量ｑとの関係が比例の関係とならず、アイドリング時などの微小燃料噴射量を必要とするときの燃料噴射量が安定しない。

一方、本実施形態では、ピストン３７とシリンダ３９との間に移動規制部４５を設けるよってピストン３７が所定量移動したときに、その移動を規制しているため、ピエゾ素子２２の慣性による余分な伸長を変位取出部２４を介して制限することができる。これによれば、変位取出部２４を介して伝達されるピストン３７への振動が抑制されるため（図６（ｂ）参照）、液圧室４６内の圧力の脈動が安定するまでの時間を短くすることができる（図６（ｃ）参照）。

これによれば、微小燃料を噴射する目的で、パルスをＯＦＦに切替える時期を早めても、切替える時期には既に液圧室４６内の圧力は既に安定している。このため、図６（ｄ）に示すように、弁部材３１の閉弁時期をパルスのＯＮ時間に応じた時期とすることができる。その結果、図７に示すように、ＯＮ時間が比較的短いときであっても、燃料噴射量ｑをＯＮ時間ｔに対応した量とすることができ、燃料噴射量が安定する。

ここで、ピエゾ素子２２が余分に伸長することによるピエゾスタック２１の振動を抑制するものとして、ピエゾスタック２１に付与する予備荷重を増大させておくことが考えられる。本実施形態では、予備荷重は、主に液圧発生部３６のスリットスプリング４４の付勢力を変更することにより達成できる。

しかしながら、ピエゾ素子２２の余分な伸長を抑制すべく、予備荷重を増大させておくと、前述したようにピエゾスタック２１の伸長量自体が極端に小さくなってしまい、変位取出部２４の変位量が小さくなる。これでは、液圧発生部３６のピストン３７を十分に移動させることができなくなり、液圧室４６内に弁部材３１を開弁方向に移動させるだけの燃料の圧力が発生させられない。

本実施形態では、ピエゾ素子２２が印加した電圧の大きさに応じた伸長量に達するまでは、移動規制部４５は、ピエゾ素子２２の伸長を妨げないようピストン３７の移動を規制しないようになっている。このことにより、ピエゾスタック２１の十分な伸長量を確保しつつ、伸長した後の振動を効果的に抑制することができるのである。

アクチュエータ２の変位取出部２４の変位を燃料の圧力に変化する液圧発生部３６と、液圧発生部３６にて発生した燃料の圧力を駆動源とする弁部材３１を備える本実施形態のような燃料噴射弁１においては、液圧発生部３６のピストン３７の慣性による振動にて液圧室４６内の燃料の圧力に脈動が発生する可能性がある。この脈動は、弁部材３１の駆動の安定性を損ねる可能性がある。

本実施形態では、この液圧発生部３６のピストン３７とシリンダ３９との間に移動規制部４５を設けているため、上述した液圧室４６内での燃料の圧力脈動を直に抑制することができる。これにより、変位取出部２４の振動を抑制するとともに、燃料の圧力の脈動を効果的に抑制することができる。

本実施形態では、移動規制部４５はピストン３７よりも弾性係数の低い金属材料により形成されている。これによれば、移動規制部４５がピストン３７に衝突する際の、衝撃音を極力抑えることができる。また、ピストン３７の摩耗も抑制することができる。

また、図１０に示すように、移動規制部４５は、シリンダ３９ではなく、ピストン３７に固定されていても良い。このことによる作用効果は上述のものと全く同じである。ピストン３７に固定される場合では、移動規制部４５は、シリンダ３９よりも弾性係数の低い金属材料により形成するのが好ましい。

また、移動規制部４５は、金属製に限らない。移動規制部４５は、ピストン３７の移動を規制する際に当接するピストン３７またはシリンダ３９の弾性係数よりも低いゴムなどの材料であっても良い。

（第１比較例）
次に、第１比較例について説明する。第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。ここでは、第１比較例の特徴的な部分についてのみ説明する。

第１比較例では、第１実施形態のように移動規制部４５をシリンダ３９の上端部４０とピストン３７の段差部３８との間に設けるのではなく、図１１および図１２に示すように、液圧室４６内に設けている。

図１１では、液圧室４６の中央部部分に板状の移動規制部４５ａを設けている。移動規制部４５ａとピストン３７との隙間は、第１実施形態の隙間Ｌと同じ大きさとしている。また、図１２に示すように、液圧室４６に設ける移動規制部４５ｂをリング状のものとしても良い。この場合、液圧室４６に接続される第一連通路４２の開口部を塞がない形状とする必要がある。この移動規制部４５ａとピストン３７との隙間も、第１実施形態の隙間Ｌと同じ大きさとしている。

これらの図１１、１２に示す第１比較例によれば、移動規制部４５ａ、４５ｂが液圧室４６内に設けられているため、移動規制部４５ａ、４５ｂとピストン３７またはシリンダ３９とが当接する際の衝撃音が外部に漏れにくくなる。移動規制部４５ａ、４５ｂの材質を、ピストン３７の移動を規制する際に当接するピストン３７またはシリンダ３９の弾性係数よりも低い材質とすることにより、さらに衝撃音を小さくすることができる。

また、移動規制部４５ａ、４５ｂは、第１実施形態でも述べたように、ピストン３７またはシリンダ３９のいずれか一方に固定されていれば良い。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。ここでは、第２実施形態の特徴的な部分についてのみ説明する。

第２実施形態では、第１実施形態、および第１比較例のように、移動規制部４５、４５ａ、４５ｂを環状または板状に形成するのではなく、図１３に示すように、移動規制部自体が、ピストン３７の移動を規制する際に変形する形状、例えば板ばねとして作用するように移動規制部４５ｃを形成している。

移動規制部４５ｃをこのように形成することにより、使用する材料の弾性係数を高めつつ、移動規制部４５ｃの弾性係数の低くすることができる。その結果、移動規制部４５ｃと、ピストン３７またはシリンダ３９とが当接する際の衝撃音を小さくするとともに、移動規制部４５ｃ自体の摩耗の進みを遅らせることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。ここでは、第３実施形態の特徴的な部分についてのみ説明する。

第１、第２実施形態、および第１比較例では、移動規制部４５、４５ａ〜ｃをピストン３７およびシリンダ３９と別体としているのに対し、第３実施形態では、図１４、図１５に示すように移動規制部４５ｄ、４５ｅをピストン３７またはシリンダ３９の一部として形成している。

図１４は、移動規制部４５ｄをシリンダ３９の上端部４０の一部として一体に形成している例を示している。シリンダ３９は、上端部４０と、対向するピストン３７の段差部３８との間の隙間がＬとなるようにその寸法が定められている。

図１５は、移動規制部４５ｅをピストン３７の段差部３８の一部として一体に形成している例を示している。ピストン３７は、段差部３８と、対向するシリンダ３９の上端部４０との間の隙間がＬとなるようにその寸法が定められている。

これによれば、移動規制部４５ｄ、４５ｅを別部品として用意する必要がなくなるため、燃料噴射弁１の部品点数が減り、製造コストの上昇を抑えることができる。

（第２比較例）
次に、第２比較例について説明する。第１実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付し、説明を省略する。ここでは、第２比較例の特徴的な部分についてのみ説明する。

第２比較例では、第１から第３実施形態、および第１比較例とは異なり、図１６に示すように、移動規制部４５ｆをホルダボデー５１の内壁から変位取出部２４に向かって突出するように形成している。この移動規制部４５ｆは、変位取出部２４の移動を直接規制する。移動規制部４５ｆは、変位取出部２４が下方にＬだけ移動したときに当接する位置に形成されている。

この構成によれば、液圧発生部３６よりも部品が大きいホルダボデー５１に移動規制部４５ｆを形成しているため、移動規制部を液圧発生部３６に組み付ける、または移動規制部を液圧発生部３６に形成する場合に比べ、製造コストの上昇を極力抑えることができ、ひいては燃料噴射弁１の製造コストの上昇を抑えることができる。また、この構成によれば、液圧発生部３６を持たない形式の燃料噴射弁にも適用することができる。

本発明の第１実施形態による燃料噴射弁の閉弁状態を示した断面図である。 図１に示す燃料噴射弁の開弁状態を示した断面図である。 図１に示す燃料噴射弁の動作原理を説明するためのタイムチャートである。 図１に示す燃料噴射弁が閉弁状態にあるときの要部を拡大した断面図である。 図１に示す燃料噴射弁が開弁状態にあるときの要部を拡大した断面図である。 図１に示す燃料噴射弁の実際の動作を示すタイムチャートである。 図１に示す燃料噴射弁のｔ−ｑ特性図である。 比較例における燃料噴射弁の動作を示すタイムチャートである。 比較例における燃料噴射弁のｔ−ｑ特性図である。 第１実施形態の変形例による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第１比較例による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第１比較例の変形例による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第２実施形態による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第３実施形態による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第３実施形態の変形例による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。 第２比較例による燃料噴射弁の要部を拡大した断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁、２ アクチュエータ、３ 弁要素、５ ハウジング、２１ ピエゾスタック、２２ ピエゾ素子、２３ 固定部材、２４ 変位取出部、２６ ケーシング、３１ 弁部材（弁要素）、３６ 液圧発生部（弁要素）、３７ ピストン、３９ シリンダ、４４ スリットスプリング、４５ 移動規制部、４６ 液圧室、４７ 内装シリンダ、４８ スプリング、４９ スプリング、５１ ホルダボデー（ハウジング）、５５ ノズルボデー（ハウジング）、５７ 噴孔、５８ 収容室、５９ 燃料溜り室

Claims (5)

1. 燃料を噴射する燃料噴射弁において、
   噴孔が形成されているハウジングと、
   前記ハウジングに収容され、前記噴孔を開閉する弁要素と、
   前記弁要素の開閉動作を制御するアクチュエータと、を備え、
   前記アクチュエータは、電圧を印加することにより伸縮するピエゾ素子、および前記ピエゾ素子の伸縮する際の変位を前記アクチュエータの外部に取り出し、前記弁要素に伝達する変位取出部を有し、
   前記弁要素は、前記変位取出部の変位を液圧に変換する液圧発生部、および前記液圧発生部にて発生した液圧を駆動源とし、前記噴孔を開閉する弁部材を備えており、
   前記液圧発生部は、ピストン、および前記ピストンを軸方向に摺動可能に支持し、前記ピストンとの間に液圧室を形成するシリンダを有し、
   前記アクチュエータの外部であり、かつ前記ピストンと前記シリンダとの間には、前記ピエゾ素子が所定の伸長量に達したときに、前記変位取出部の移動を規制する移動規制部が設けられており、
   前記ピストンには前記液圧室の外部に位置する外周面より突き出た２段の段差部が形成され、前記液圧室と反対側の段差部が前記液圧室側の段差部に対して大径になっており、大径側の段差部は前記シリンダと前記ピストンとを常に引き離す方向に付勢するスリットスプリングの上端部を支持し、小径側の段差部は前記シリンダの上端部との間に設けられた前記移動規制部、または前記シリンダの上端部の一部として形成された前記移動規制部に当接することにより、前記変位取出部および前記ピストンの移動を規制することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記移動規制部は、前記ピストン、または前記シリンダのいずれか一方に固定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。
3. 前記移動規制部は、前記シリンダと一体に形成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。
4. 前記移動規制部の弾性係数は、前記ピストンまたは前記シリンダのうち、前記移動規制部が衝突するいずれか一方の弾性係数よりも低いことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。
5. 前記移動規制部は、前記ピストンの外周面を覆うように環状に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料噴射弁。

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