JPH10205406A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料噴射弁の駆動手段を小型化する。 【解決手段】 ニードルバルブ２２の駆動手段としてバ
イモルフ２６（又はユニモルフ）を用いる。ニードルバ
ルブ２２の両側にバイモルフ２６を複数個ずつ並べて配
置し、各バイモルフ２６をニードルバルブ２２に対して
直角方向（水平方向）に向けて、各バイモルフ２６の撓
み変位方向をニードルバルブ２２の開閉方向（上下方
向）に合わせている。各バイモルフ２６の弾性板３５の
基端は、バルブボディ１２の上部内周に圧入等により嵌
着されたリング状の支持ベース３７に固定され、各バイ
モルフ２６の弾性板３５の先端がニードルバルブ２２に
溶接等により連結されている。また、ニードルバルブ２
２の両側には、バイモルフ２６の温度特性による撓み変
位を抑えるために、温度特性による撓み変位の方向が反
対になる温度特性補正用のユニモルフ３８が並設されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を駆動手
段とする燃料噴射弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子は、電圧を印加すると一方向に
歪み変位を発生する強誘電体セラミックであり、応答性
が非常に優れているため、燃料噴射弁の駆動手段とし
て、従来より一般的に用いられているソレノイドコイル
に代えて、圧電素子を用いることが考えられている。一
般に、圧電素子自体のひずみ変位量は微小であるため、
弁体の駆動ストロークを確保するために、多数の圧電素
子を積層してひずみ変位量を拡大した積層型圧電アクチ
ュエータを用いるようにしたものがある。しかし、これ
でもなお、変位量が不足するため、特開昭６２−１５７
２７４号公報に示すように、積層型圧電アクチュエータ
のひずみ変位を拡大レバー機構で拡大して弁体を駆動す
るようにしたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、積層型
圧電アクチュエータと拡大レバー機構とを組み合わせた
構成では、構成が複雑化して、部品点数の増加や組立性
の低下を招き、製造コストが高くなる上に、駆動手段が
大型化して、燃料噴射弁が大型化してしまうという問題
がある。

【０００４】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、従ってその目的は、圧電素子による弁体
の駆動ストロークを確保しながら、構成を簡単化でき、
組立性向上、低コスト化、小型化を実現することができ
る燃料噴射弁を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の燃料噴射弁は、弁体を駆動する
駆動手段を、弾性板の片面又は両面に板状の圧電素子を
接合して成る撓み変位型の圧電駆動体（バイモルフ又は
ユニモルフ）により構成し、該圧電駆動体の撓み変位方
向を前記弁体の開閉方向に合わせて、該圧電駆動体の基
端を前記弁ハウジング側に支持させ、該圧電駆動体の先
端で前記弁体を駆動するようになっている。ここで、駆
動手段として用いる撓み変位型の圧電駆動体は、弾性板
の片面又は両面の板状の圧電素子に電圧を印加すると、
その圧電素子が板面方向に伸び変位／縮み変位し、それ
によって、該圧電駆動体が板面と直角方向に湾曲するよ
うに撓み変位し、この撓み変位量が弁体の駆動ストロー
クとなる。このように、撓み変位型の圧電駆動体は、圧
電素子の伸び変位／縮み変位をその直角方向への撓み変
位に変換することで、変位量を大幅に拡大でき、従来の
ような拡大レバー機構を用いなくても、弁体の駆動スト
ロークを十分に確保できる。従って、拡大レバー機構が
不要となり、その分、構成を簡単化・小型化できて、組
立性向上、低コスト化を実現することができる。

【０００６】本発明は、駆動力を高めるために、複数個
の圧電駆動体を設けても良く、この場合には、請求項２
のように、弁体の周囲の複数箇所に該弁体の周囲の駆動
力がバランスするように複数個の圧電駆動体を配置する
ことが好ましい。このようにすれば、弁体に偏荷重が働
かず、弁体やその摺動部の偏摩耗を防ぐことができ、耐
久性を向上することができる。

【０００７】ところで、圧電駆動体が片持ち状態で自由
に撓み変位すると、それに伴って、該圧電駆動体の両端
間の直線距離が僅かながら短くなるため、圧電駆動体の
両端を固定すると、その固定端から圧電駆動体の撓み変
位を妨げる方向に拘束力が働いて、撓み変位が少なくな
るおそれがある。

【０００８】この対策として、請求項３のように、圧電
駆動体の先端を自由端とし、該自由端を弁体の外周に形
成した段差部に掛合させることで、該圧電駆動体の駆動
力を該弁体に伝達するようにしても良い。このようにす
れば、圧電駆動体の撓み変位に伴う両端間の直線距離の
変化が自由に許容され、圧電駆動体の撓み変位を妨げる
方向に拘束力が働かず、圧電駆動体の撓み変位を効率良
く増大させることができる。

【０００９】また、請求項４のように、圧電駆動体を弁
体の軸方向に複数個並べて配列し、これら複数個の圧電
駆動体の先端に、これらを連結する連結部材を取り付
け、この連結部材の軸方向端面を弁体の外周に形成した
段差部に掛合させることで、該圧電駆動体の駆動力を該
弁体に伝達するようにしても良い。このように、弁体の
軸方向に配列した複数個の圧電駆動体は、片持ち状態で
同時に撓み変位させると、それらの先端の位置は一直線
上に並ぶため、それらの先端を連結部材で連結しても、
該連結部材が弁体に固定されていなければ、複数個の圧
電駆動体には、連結部材から拘束力が働かず、圧電駆動
体の撓み変位を効率良く増大させることができる。しか
も、製造組立時に複数個の圧電駆動体を連結部材で連結
することで、これらを１つのユニット部品として扱うこ
とができ、組立性を向上することができる。

【００１０】また、燃料噴射弁はエンジンの放熱を受け
てかなり温度上昇するため、圧電駆動体に電圧を印加し
なくても、圧電駆動体が温度特性により僅かながら撓み
変位するおそれがある。

【００１１】この対策として、請求項５のように、圧電
駆動体の温度特性による撓み変位を抑えるために、温度
特性による撓み変位の方向が反対になる温度特性補正用
の圧電駆動体を併設しても良い。このようにすれば、圧
電駆動体の温度特性による撓み変位を自動的に抑えるこ
とができ、燃料噴射弁の温度特性を向上できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

［実施形態（１）］以下、本発明の実施形態（１）を図
１乃至図３に基づいて説明する。まず、図３に基づいて
燃料噴射弁全体の構成を説明する。燃料噴射弁の弁ハウ
ジング１０は、燃料通路を構成する金属製の燃料パイプ
１１と金属製のバルブボディ１２とを溶接により一体化
して構成している。燃料パイプ１１の上端部には、燃料
配管（図示せず）に連結される燃料コネクタ部１３が形
成され、この燃料コネクタ部１３の外周部には、燃料配
管との連結部をシールする樹脂製のＯリング１４が嵌合
され、該燃料コネクタ部１３の内部には、燃料配管から
送られてくる燃料を濾過するフィルタ１５が装着されて
いる。このフィルタ１５を通過した燃料は、燃料パイプ
１１内を通過してバルブボディ１２内に流れ込む。

【００１３】燃料パイプ１１の外周部は、樹脂成形体３
１でモールドされ、この樹脂成形体３１には電気コネク
タ３２が一体成形され、この電気コネクタ３２には、後
述するバイモルフ２６に電圧を印加するためのコネクタ
ピン３３がインサート成形により埋設されている。

【００１４】一方、バルブボディ１２の下端部には、テ
ーパ穴状の弁座部１６が形成され、その外側には、金属
製の噴射プレート１７がレーザシーム溶接等により気密
に固着され、該噴射プレート１７に形成された燃料噴射
孔１８（図１参照）が弁座部１６の開口内に位置してい
る。バルブボディ１２の外周部には、吸気マニホールド
（図示せず）との連結部をシールする樹脂製のＯリング
１９が嵌合され、その下方には、Ｏリング１９を抜け止
めする樹脂製のキャップ２０が噴射プレート１７をカバ
ーするように圧入固定され、該キャップ２０には、燃料
噴射孔１８の周辺部分を露出させるテーパ穴２１が形成
されている。

【００１５】バルブボディ１２の内部には、弁体として
金属製のニードルバルブ２２が収納されている。このニ
ードルバルブ２２は、軽量化のために中空状に形成さ
れ、その下部に形成された大径部２３が、バルブボディ
１３内に形成された摺動穴部２４内に上下方向に摺動自
在に嵌合支持されている。ニードルバルブ２２の大径部
２３の外周部には、摺動穴部２４内に燃料通路用の隙間
を形成するためのカット面部２５が形成されている。

【００１６】ニードルバルブ２２の上部は、後述する撓
み変位型の圧電駆動体であるバイモルフ２６で支持され
ている。燃料パイプ１１の内部には、すり割り２７付の
アジャスタパイプ２８が圧入固定され、このアジャスタ
パイプ２８の下方にスプリング２９が装着され、このス
プリング２９の弾発力によってニードルバルブ２２が閉
弁方向（下方）に付勢されている。非駆動時（噴射停止
時）には、スプリング２９の弾発力によってニードルバ
ルブ２２の下端がバルブボディ１２の弁座部１６に圧接
して燃料噴射孔１８が閉鎖された状態に保持される。
尚、アジャスタパイプ２８の圧入位置を調整すること
で、スプリング２９によるニードルバルブ２２の閉弁方
向の付勢力を調整できるようになっている。燃料パイプ
１１内に送られてくる燃料は、アジャスタパイプ２８の
内径部とスプリング２９の内径部を通過してバルブボデ
ィ１２内に流れ込む。

【００１７】次に、ニードルバルブ２２の駆動手段とし
て用いるバイモルフ２６の構造と組付方法について図１
及び図２に基づいて説明する。バイモルフ２６は、薄い
板ばね等の弾性板３５の両面に板状の圧電素子３６を接
合して構成したものである。ニードルバルブ２２の両側
にバイモルフ２６を複数個（同じ個数）ずつ軸方向に並
べて配置し、各バイモルフ２６をニードルバルブ２２に
対して直角方向（水平方向）に向けて、各バイモルフ２
６の撓み変位方向をニードルバルブ２２の開閉方向（上
下方向）に合わせている。各バイモルフ２６の弾性板３
５の基端は、バルブボディ１２の上部内周に圧入等によ
り嵌着されたリング状の支持ベース３７に固定され、各
バイモルフ２６の弾性板３５の先端がニードルバルブ２
２に溶接等により連結されている。燃料パイプ１１から
バルブボディ１２内に送られてくる燃料は、バイモルフ
２６と支持ベース３７との間の隙間を通過して下方に流
れる。

【００１８】各バイモルフ２６の両面の圧電素子３６
は、それぞれ表面に電極面が形成され、各圧電素子３６
は、その表面の電極面と弾性板３５（共通電極）との間
に電圧を印加すると、上面側の圧電素子３６が板面方向
に縮み変位し、下面側の圧電素子３６が板面方向に延び
変位し、それによって、該バイモルフ２６の先端側が上
方（ニードルバルブ２２の開弁方向）に反り上がるよう
に撓み変位し、ニードルバルブ２２をスプリング２９に
抗して開弁方向に駆動する。

【００１９】また、ニードルバルブ２２の両側には、バ
イモルフ２６の温度特性による撓み変位を抑えるため
に、温度特性による撓み変位の方向が反対になる温度特
性補正用の圧電駆動体、例えばユニモルフ３８が並設さ
れている。ユニモルフ３８は、薄い板ばね等の弾性板３
９の片面に板状の圧電素子４０を接合して構成したもの
であり、このユニモルフ３８の組付方法は、バイモルフ
２６と同じである。ユニモルフ３８の温度特性による撓
み変位力は、これと反対方向に発生するバイモルフ２６
の温度特性による撓み変位力の合計値とほぼ同一になる
ように設定されている。これにより、バイモルフ２６の
温度特性による撓み変位を自動的に抑えることができ、
燃料噴射弁の温度特性を向上できる。

【００２０】尚、このユニモルフ３８は、バイモルフ２
６の温度特性を補正するために用いられるため、バイモ
ルフ２６の電圧印加時でも、ユニモルフ３８には電圧が
印加されない。但し、バイモルフ２６の電圧印加時に、
ユニモルフ３８にも電圧を印加して、該ユニモルフ３８
をバイモルフ２６と同方向に撓み変位させるようにして
も良く、この場合には、温度特性補正用のユニモルフ３
８をニードルバルブ２２の駆動手段としても利用でき
る。

【００２１】以上説明した実施形態（１）によれば、燃
料噴射停止中は、バイモルフ２６に電圧を印加せず、ス
プリング２９の弾発力によってニードルバルブ２２の下
端がバルブボディ１２の弁座部１６に圧接して燃料噴射
孔１８が閉鎖された状態に保持される。そして、燃料噴
射時には、各バイモルフ２６に電圧が印加され、上面側
の圧電素子３６が板面方向に縮み変位し、下面側の圧電
素子３６が板面方向に延び変位し、それによって、各バ
イモルフ２６の先端側が上方（ニードルバルブ２２の開
弁方向）に反り上がるように撓み変位し、その撓み変位
によってニードルバルブ２２がスプリング２９に抗して
引き上げられ、燃料噴射孔１８が開放される。

【００２２】このように、撓み変位型の圧電駆動体であ
るバイモルフ２６は、圧電素子３６の伸び変位／縮み変
位をその直角方向への撓み変位に変換することで、変位
量を大幅に拡大でき、従来のような拡大レバー機構を用
いなくても、ニードルバルブ２２の駆動ストロークを十
分に確保できる。従って、拡大レバー機構が不要とな
り、その分、構成を簡単化できると共に、駆動手段を小
型化できて、組立性向上、低コスト化を実現することが
できる。

【００２３】また、バイモルフ２６は、ニードルバルブ
２２の両側に同数個設けられているため、ニードルバル
ブ２２の両側の駆動力が同一になる。このため、ニード
ルバルブ２２に偏荷重が働かず、ニードルバルブ２２の
摺動部（大径部２３、摺動穴部２４、弁座部１６）の偏
摩耗を防ぐことができて、耐久性を向上することができ
る。

【００２４】尚、上記実施形態（１）では、ニードルバ
ルブ２２の両側のみにバイモルフ２６を配置したが、ニ
ードルバルブ２２の周囲の３箇所以上にバイモルフ２６
を配置しても良く、この場合でも、ニードルバルブ２２
の周囲の駆動力がバランスするようにバイモルフ２６を
配置すれば、ニードルバルブ２２に偏荷重が働かず、ニ
ードルバルブ２２の摺動部の偏摩耗を防ぐことができ
て、耐久性を向上することができる。

【００２５】［実施形態（２）］ところで、バイモルフ
２６が片持ち状態で自由に撓み変位すると、それに伴っ
て、該バイモルフ２６の両端間の直線距離が僅かながら
短くなるため、バイモルフ２６の両端を固定すると、そ
の固定端からバイモルフ２６の撓み変位を妨げる方向に
拘束力が働いて、撓み変位が少なくなるおそれがある。

【００２６】この対策として、図４に示す本発明の実施
形態（２）では、各バイモルフ２６の基端を支持ベース
３７に片持ち支持させ、各バイモルフ２６の弾性板３５
の先端を自由端とし、該弾性板３５の先端をニードルバ
ルブ２２の外周に形成した溝部４１（段差部）に緩く嵌
め込んでいる。従って、弾性板３５の先端の位置は、バ
イモルフ２６の撓み変位に伴って溝部４１内を自由にず
れ動くことが可能である。バイモルフ２６の撓み変位時
には、弾性板３５の先端が溝部４１の上面に掛合するこ
とで、バイモルフ２６の開弁方向（上方）への駆動力が
ニードルバルブ２２に伝達される。尚、温度特性補正用
のユニモルフ３８の組付方法も、バイモルフ２６と同じ
であり、ユニモルフ３８の基端が支持ベース３７に片持
ち支持され、ユニモルフ３８の弾性板３９の先端がニー
ドルバルブ２２の外周に形成した溝部４２に緩く嵌め込
まれている。

【００２７】この構成では、バイモルフ２６の撓み変位
に伴う両端間の直線距離の変化が自由に許容され、バイ
モルフ２６の撓み変位を妨げる方向に拘束力が働かず、
バイモルフ２６の撓み変位を効率良く増大させることが
でき、ニードルバルブ２２の駆動ストロークを増大させ
ることができる。しかも、バイモルフ２６の温度変化に
よる熱膨張／収縮も自由に許容され、温度特性補正用の
ユニモルフ３８の存在と相俟って、温度による影響を効
果的に低減することができる。

【００２８】尚、ニードルバルブ２２の外周に、バイモ
ルフ２６の弾性板３５の先端を掛合させる手段として、
溝部４１に代えて、凸リブを形成し、この凸リブの下面
に弾性板３５の先端を掛合させるようにしても良い。

【００２９】［実施形態（３）］図５及び図６に示す本
発明の実施形態（３）では、ニードルバルブ２２の両側
に、複数個のバイモルフ２６を軸方向（上下方向）に並
べて配列し、各バイモルフ２６の基端を支持ベース３７
に片持ち支持させると共に、軸方向に配列した複数個の
バイモルフ２６の弾性板３５の先端に、これらを連結す
る金属製の連結部材４３を溶接等により取り付け、この
連結部材４３の軸方向端面を、ニードルバルブ２２の上
端外周に形成したスプリング受け部４４（段差部）の下
面に掛合させることで、バイモルフ２６の開弁方向（上
方）への駆動力をニードルバルブ２２に伝達する。連結
部材４３とニードルバルブ２２との間に僅かな隙間があ
けられている。この実施形態（３）でも、温度特性補正
用のユニモルフ３８をバイモルフ２６と同様の組付方法
で併設している。

【００３０】この実施形態（３）のように、ニードルバ
ルブ２２の軸方向に配列した複数個のバイモルフ２６
は、片持ち状態で同時に撓み変位させると、それらの先
端の位置は一直線上に並ぶため、それらの先端を連結部
材４３で連結しても、該連結部材４３がニードルバルブ
２２に固定されていなければ、複数個のバイモルフ２６
には、連結部材４３から拘束力が働かず、バイモルフ２
６の撓み変位を効率良く増大させることができ、前記実
施形態（２）と同じく、ニードルバルブ２２の駆動スト
ロークを増大させることができる。しかも、連結部材４
３とニードルバルブ２２との間に僅かな隙間をあけるこ
とで、バイモルフ２６の温度変化による熱膨張／収縮も
自由に許容され、温度特性補正用のユニモルフ３８の存
在と相俟って、温度による影響を効果的に低減すること
ができる。また、製造組立時に複数個のバイモルフ２６
を連結部材４３で連結することで、これらを１つのユニ
ット部品として扱うことができ、組立性を向上すること
ができる。

【００３１】［その他の実施形態］上記各実施形態で
は、ニードルバルブ２２を駆動する撓み変位型の圧電駆
動体として、バイモルフ２６を用いたが、ユニモルフを
用いても良い。また、温度特性補正用のユニモルフ３８
として、バイモルフを用いても良い。尚、温度特性補正
用の圧電駆動体は、必ずしも設けなくても良く、この場
合でも、本発明の所期の目的は十分に達成できる。

【００３２】その他、本発明は、ニードルバルブ２２を
駆動する撓み変位型の圧電駆動体の個数を適宜変更して
も良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）を示す燃料噴射弁の主
要部の拡大縦断面図

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って示す横断面図

【図３】燃料噴射弁全体の縦断面図

【図４】本発明の実施形態（２）におけるニードルバル
ブ駆動用のバイモルフの組付構造を示す拡大縦断面図

【図５】本発明の実施形態（３）を示す燃料噴射弁の主
要部の拡大縦断面図

【図６】図５のＢ−Ｂ線に沿って示す横断面図

【符号の説明】

１０…弁ハウジング、１１…燃料パイプ、１２…バルブ
ボディ、１５…フィルタ、１６…弁座部、１７…噴射プ
レート、１８…燃料噴射孔、２２…ニードルバルブ（弁
体）、２３…大径部、２４…摺動穴部、２５…カット面
部、２６…バイモルフ（撓み変位型の圧電駆動体）、２
８…アジャスタパイプ、２９…スプリング、３２…電気
コネクタ、３５…弾性板、３６…圧電素子、３７…支持
ベース、３８…温度特性補正用のユニモルフ（温度特性
補正用の圧電駆動体）、３９…弾性板、４０…圧電素
子、４１，４２…溝部（段差部）、４３…連結部材、４
４…スプリング受け部（段差部）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料通路を構成する弁ハウジング内に、
   燃料噴射孔を開閉する弁体と、この弁体を駆動する駆動
   手段とを設けた燃料噴射弁において、 前記駆動手段は、弾性板の片面又は両面に板状の圧電素
   子を接合して成る撓み変位型の圧電駆動体により構成
   し、該圧電駆動体の撓み変位方向を前記弁体の開閉方向
   に合わせて、該圧電駆動体の基端を前記弁ハウジング側
   に支持させ、該圧電駆動体の先端で前記弁体を駆動する
   ことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 前記圧電駆動体は、前記弁体の周囲の複
   数箇所に該弁体の周囲の駆動力がバランスするように配
   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。
3. 【請求項３】 前記圧電駆動体の先端を自由端とし、該
   自由端を前記弁体の外周に形成した段差部に掛合させる
   ことで、該圧電駆動体の駆動力を該弁体に伝達すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 前記圧電駆動体を前記弁体の軸方向に複
   数個並べて配列し、これら複数個の圧電駆動体の先端
   に、これらを連結する連結部材を取り付け、この連結部
   材の軸方向端面を前記弁体の外周に形成した段差部に掛
   合させることで、該圧電駆動体の駆動力を該弁体に伝達
   することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射
   弁。
5. 【請求項５】 前記圧電駆動体の温度特性による撓み変
   位を抑えるために、温度特性による撓み変位の方向が反
   対になる温度特性補正用の圧電駆動体を併設したことを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料噴射
   弁。