JP2016050561A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のピエゾ素子積層体を備えたインジェクタにおいては、アウトオリフィス流量を増加した場合、パイロット噴射等の微小噴射量制御性が低いという課題があった。
【解決手段】制御室圧を増減制御する制御弁は、アクチュエータの伸縮変位を受けて往復移動するバルブピストン１２と、バルブシート面６８に接離して弁孔４５を閉鎖、開放する第１バルブ１４を有する第１制御弁と、この第１制御弁の開弁時に、バルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量に応じて、第１、第２低圧室４１、４２内の低圧室内流路を、この低圧室内流路を流通する燃料の通過流量を絞る絞り有りの状態と、低圧室内流路を流通する燃料の通過流量を絞らない絞りなしの状態とに切り替える第２バルブ１６を有する第２制御弁とを備えている。これにより、微小噴射量制御時には、サブオリフィス４６で排出流量を制限し、大噴射量制御時には、排出流量を増加する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁に関するものである。

［従来の技術］
従来より、内燃機関（エンジン）の気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁の一例として、アクチュエータの変位を利用して制御弁を開閉駆動することで、圧力制御室内の燃料圧力（制御室圧）を調整し、ニードルの開閉動作を制御する燃料噴射弁（以下従来例１のインジェクタ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この従来例１のインジェクタは、エンジンの気筒内に燃料噴射を行う噴孔を開閉するニードルと、燃料系の高圧側から高圧力の燃料が供給される高圧燃料通路と、この高圧燃料通路とインオリフィスを介して連通する圧力制御室と、この圧力制御室とアウトオリフィスを介して連通する中間燃料通路と、この中間燃料通路の途中に設けられる弁孔を開閉する制御弁と、この制御弁が開弁した際に、圧力制御室内の燃料をアウトオリフィス、中間燃料通路およびオリフィス（弁孔）を介して燃料系の低圧側へ流出させる低圧燃料通路とを備えている。

ところで、高圧燃料通路からインオリフィスを介して圧力制御室内に導入される燃料圧力は、ニードルに対して、ニードルの閉弁方向に付勢する付勢力として作用する。
そして、従来例１のインジェクタでは、制御弁を開弁動作させることで、圧力制御室内の燃料を、アウトオリフィス、中間燃料通路、オリフィス（弁孔）、低圧燃料通路を介して燃料系の低圧側へ排出させている。
これによって、圧力制御室内の燃料圧力を素早く低下させることで、ニードルに作用する閉弁方向の付勢力が低下する。そして、圧力制御室内の燃料圧力がニードル開弁圧まで低下すると、ニードルが開弁動作するため、噴孔からエンジンの気筒内へ向かって燃料が噴射される。
ここで、上記のような燃料噴射弁では、圧力制御室からの燃料排出流量を規制するアウトオリフィス流量を増加させることで、ニードル開弁速度、つまり噴射率の矩形度が向上することが一般に知られている。

［従来の技術の不具合］
ところが、従来例１のインジェクタにおいては、ニードル開弁速度を向上するという目的で、アウトオリフィス流量を増加した場合、制御弁を開弁駆動するアクチュエータに対する指令値、特に微小噴射量時の指令値（通電時間）が極端に小さくなってしまい、アクチュエータの変位を利用して開弁動作を行う制御弁の開弁挙動が不安定となる。これにより、ニードルの開弁動作が不安定となり、エンジンの気筒内へ噴射される燃料の噴射量がばらつくという課題がある。

ここで、従来例１のようにアクチュエータとしてピエゾ素子積層体を主体とするピエゾアクチュエータを用いるインジェクタにおいては、例えばパイロット噴射等の微小噴射量時の指令値（通電時間）が極端に小さくなり、ピエゾの充電期間（通常１００μｓｅｃ程度）以下となってしまう。そして、ピエゾ充電期間以下の指令値は、制御弁の開弁挙動が不安定となる等の理由から使用が困難となる。この結果、制御可能な噴射量下限が増加することになるため、ピエゾアクチュエータの変位を利用して制御弁を開弁駆動する燃料噴射弁の場合、上記の課題がより顕著になる。

特開２０１０−２３６３７５号公報

本発明の目的は、制御弁の開弁時における中間室内の燃料圧力の降下（低下）速度を抑制して、微小噴射量時における制御弁の開弁挙動を安定化させることのできる燃料噴射弁を提供することにある。

請求項１に記載の発明（燃料噴射弁）によれば、制御弁が開弁すると、制御室から低圧室を介して燃料系の低圧側へ燃料が流出し、制御室内の燃料圧力が低下する。
このような制御弁の開弁時に、切替弁が、低圧室内の流路面積をオリフィス以下の流路面積に切り替えると、例えば低圧室内の流路を、この流路を流通する燃料の流量を絞る絞り有りの状態に切り替えると、制御室から弁孔を介して低圧室へ流出した燃料の流量がオリフィス流量以下に規制される。これにより、制御弁の開弁時における低圧室内の燃料圧力の降下（低下）速度を抑制できるので、制御室内の燃料圧力の降下（低下）速度が遅くなる。

そして、制御室内の燃料圧力、つまりニードルに対して閉弁方向に作用する燃料圧力がニードル開弁圧まで低下すると、ニードルが開弁（リフト）して内燃機関の気筒への燃料噴射が開始される。このように、ニードル開弁応答を遅延させることができるので、微小噴射量制御性を向上させることができる。また、仮にニードル開弁速度を向上するという目的で、制御弁の開弁時における燃料排出流量を増加した場合であっても、微小噴射量時の指令値の極端な減少を抑制できるので、微小噴射量時における制御弁の開弁挙動を安定化させることができ、最小噴射可能量を低減させることができる。
したがって、ニードルの開弁動作が安定し、内燃機関の気筒へ噴射される燃料の噴射量のばらつきを抑えることができる。

また、制御弁の開弁時に、切替弁が、低圧室内の流路面積をオリフィスよりも（極めて）大きい流路面積に切り替えると、例えば低圧室内の流路を、この流路を流通する燃料の流量を絞らない絞りなしの状態に切り替えると、制御室から弁孔を介して低圧室へ流出した燃料の流量がオリフィス流量よりも多くなる。これにより、低圧室内の燃料圧力が急速に低下し、これに伴って制御室内の燃料圧力も急速に低下する。
そして、制御室内の燃料圧力、つまりニードルに対して閉弁方向に作用する燃料圧力がニードル開弁圧まで低下すると、ニードルが開弁（リフト）して内燃機関の気筒への燃料噴射が開始される。このように、ニードル開弁応答を高応答化させることができる。

ピエゾインジェクタを示した断面図である（実施例１）。 ピエゾインジェクタの主要部を示した断面図である（実施例１）。 制御弁（第１、第２制御弁）の周辺構造を示した断面図である（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は微小噴射量制御時における制御弁（第１、第２制御弁）の動作を示した説明図および拡大図である（実施例１）。 微小噴射量制御時における噴射量指令値、ピエゾ充電エネルギー、制御弁のバルブリフト量、中間室圧、圧力制御室圧および噴射率の変化を示したタイミングチャートである（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は大噴射量制御時における制御弁（第１、第２制御弁）の動作を示した説明図および拡大図である（実施例１）。 大噴射量制御時における噴射量指令値、ピエゾ充電エネルギー、制御弁のバルブリフト量、中間室圧、圧力制御室圧および噴射率の変化を示したタイミングチャートである（実施例１）。 燃料噴射量と噴射量指令値（ピエゾ通電時間）との関係を示した特性図である（実施例１）。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１の構成］
図１ないし図８は、本発明の燃料噴射弁を適用したピエゾインジェクタ（実施例１）を示したものである。

本実施例の内燃機関の燃料噴射弁は、例えば自動車等の車両走行用のディーゼルエンジン等の内燃機関（以下エンジン）の気筒に形成された燃焼室内に霧状に燃料噴霧を噴射する直接噴射タイプのピエゾインジェクタ（以下インジェクタと略す）である。このインジェクタは、内燃機関（エンジン）用の燃料噴射システムとして知られるコモンレール式燃料噴射システム（蓄圧式燃料噴射装置）の燃料噴射弁として使用される。
インジェクタは、エンジンの気筒の燃焼室に連通する複数の噴孔（後述する）を有し、これらの噴孔を開閉するニードル１等を内蔵する有底筒状のノズルボディ２と、外部から導入された高圧力の燃料が流通する高圧燃料通路（後述する）を有し、ニードル１の背圧を制御する制御弁（２つの第１、第２制御弁）、およびこれらの第１、第２制御弁の各第１、第２弁体（後述する）を開閉駆動するアクチュエータ３等を内蔵する円筒状のインジェクタボディ４とを備えている。

インジェクタのノズルボディ２の中心軸線上には、ノズルボディ２の密着面で開口し、この開口側から奥側までノズル軸方向に真っ直ぐに延びる袋孔状のニードル収容孔５が形成されている。このニードル収容孔５の内部には、軸線方向に往復移動可能なニードル１と、このニードル１をその閉弁方向に付勢するニードルスプリング６と、フローティングバルブである制御プレート７と、この制御プレート７をその閉弁方向に付勢する制御プレートスプリング８と、ニードル１の摺動部および制御プレート７の摺動部を往復摺動可能に支持する筒状のノズルシリンダ９とが収容されている。

インジェクタのインジェクタボディ４の中心軸線から所定の径方向距離分だけ偏芯（オフセット）した位置には、軸線方向に真っ直ぐに延びるピエゾ収容孔１０が形成されている。このピエゾ収容孔１０の内部には、制御弁（２つの第１、第２制御弁）と、これらの第１、第２制御弁の第１、第２弁体を開閉駆動するアクチュエータ３と、このアクチュエータ３と一体移動可能なピエゾピストン１１の変位を拡大してバルブピストン１２に伝える変位拡大機構とが収容されている。

第１制御弁は、特許請求の範囲における「制御弁」に相当する。この第１制御弁は、ピエゾピストン１１の変位を受けて往復移動するバルブピストン１２、このバルブピストン１２に螺子締結されるバルブリフター１３、バルブピストン１２と一体移動可能な第１弁体（以下第１バルブ）１４、およびバルブピストン１２を介して第１バルブ１４をその閉弁方向に付勢する第１バルブスプリング１５等を備えている。
第２制御弁は、特許請求の範囲における「切替弁」に相当する。この第２制御弁は、バルブリフター１３と常時当接する第２弁体（以下第２バルブ）１６、およびこの第２バルブ１６をその閉弁方向に付勢する第２バルブスプリング１７等を備えている。
なお、アクチュエータ３および制御弁（第１、第２制御弁）の詳細は、後述する。

インジェクタのインジェクタボディ４の軸線方向の基端側端部（反噴孔側端部）には、燃料系の高圧側に設けられるサプライポンプまたはコモンレール等の高圧発生部と高圧配管を介して接続されるインレットポートと、燃料系の低圧側に設けられる燃料タンクまたは燃料供給経路の低圧部等と低圧配管を介して接続されるアウトレットポートとが設けられている。また、インジェクタボディ４の反噴孔側には、アクチュエータ３のピエゾリード端子と外部回路（外部電源や外部制御回路：ＥＣＵ）との接続を行うための外部接続用コネクタが設けられている。
そして、インジェクタは、アクチュエータ３の伸縮変位を利用して第１、第２バルブ１４、１６を開閉駆動することで、圧力制御室内の燃料圧力を調整（増減）し、ニードル１の開閉動作を制御する。これにより、エンジンの気筒の燃焼室内に噴射される燃料噴射量、噴射時期および噴射パターン（噴射率）が制御される。

ノズルボディ２の密着面とインジェクタボディ４の密着面との間には、オリフィスプレート１８が設置されている。そして、インジェクタは、ノズルボディ２の密着面とインジェクタボディ４の密着面との間にオリフィスプレート１８を挟み込んだ状態で、インジェクタボディ４の軸線方向の先端側にノズルボディ２を螺子締結により固定するリテーニングナット１９を備えている。
また、ノズルボディ２の内部には、外部から高圧力の燃料が導入されるニードル収容孔５が設けられている。このニードル収容孔５は、ニードルスプリング６を収容するスプリング収容室よりも燃料流の下流側に、ニードル１のガイド径よりも孔径が拡げられた燃料溜まり室２１を有している。また、ノズルボディ２の先端部には、燃料溜まり室２１よりも燃料流の下流側に設けられる凹状のサック室と連通する複数の噴孔２２が設けられている。

ここで、燃料溜まり室２１は、ニードル収容孔５の中間部に設けられている。この燃料溜まり室２１内に導入される燃料圧力は、ニードル１に対して、ニードル１の開弁方向に付勢する付勢力として作用する開弁方向油圧力（ＦＯ）である。
複数の噴孔２２は、ニードル１の弁部が着座可能なシート部（弁座）よりも燃料流方向の下流側に設けられて、ニードル収容孔５の内外を連通している。つまり、複数の噴孔２２は、エンジンの気筒の燃焼室内とノズルボディ２の内部とを連通している。

ニードル１は、燃料噴射弁の弁部材であって、ニードル収容孔５内に往復移動可能に収容されている。このニードル１の軸線方向の先端側には、ノズルボディ２のニードルシート面に接離して複数の噴孔２２を閉鎖、開放する弁部が設けられている。また、ニードル１の軸線方向の基端側には、ノズルシリンダ９のガイド孔（シリンダ孔）の孔壁面に対して往復摺動可能な摺動部（小径部：以下ピストン部）２３が設けられている。このピストン部２３の端面には、制御プレートスプリング８の一部を収容し、且つ圧力制御室２４の一部を形成する収容凹部が設けられている。

ニードル１のピストン部２３とニードル軸方向部（中径部）との間には、環状段差が設けられている。
ニードルスプリング６は、ニードル１に対して、ニードル１の閉弁方向に付勢する付勢力（弾性力、スプリングセット荷重：Ｆｓｐ）を発生するニードル付勢手段（弾性部材）である。このニードルスプリング６は、ニードル１の中径部外周に固定された環状のスプリングシート２５とノズルシリンダ９の環状端面（スプリング座部）との間でノズル軸方向に圧縮された状態で配置された圧縮コイルスプリングである。

次に、インジェクタの高圧燃料通路および燃料排出流路を図１および図２に基づいて簡単に説明する。
高圧燃料通路は、インジェクタボディ４のインレットポートから導入された高圧力の燃料を燃料溜まり室２１を介して複数の噴孔２２へ供給する第１高圧導入流路（高圧燃料流路）と、この第１高圧導入流路から分岐して弁室２６を介して圧力制御室２４内へ高圧力の燃料を導入する第２高圧導入流路とを備えている。

第１高圧導入流路は、インレットポートとニードル収容孔５とを連通する高圧流路孔３１、３２、ノズルシリンダ９の外周面とニードル収容孔５の孔壁面との間に形成される燃料流路３３、ニードル１の外周面とニードル収容孔５の孔壁面との間に形成される燃料流路（クリアランス）３４、および燃料溜まり室２１を介して燃料流路３４と複数の噴孔２２とを連通する燃料流路３５等を有している。この燃料流路３５は、ニードル収容孔５内に形成されて、インジェクタの開弁時にノズルボディ２のニードルシート面とニードル１の弁部との間に形成される環状の燃料流路、およびこの燃料流路と複数の噴孔２２とを連通するサック室を含んでいる。

第２高圧導入流路は、高圧流路孔３１、３２間の分岐部より分岐し、弁室２６へ高圧力の燃料を導入する高圧流路孔３６、およびこの高圧流路孔３６と弁室２６とを連通するインオリフィス孔３７を有している。
インオリフィス孔３７は、弁室２６を介して、圧力制御室２４へ導入される高圧力の燃料の流量を規制する第１入口側絞り孔である。

燃料排出流路は、圧力制御室２４内に導入された高圧力の燃料を中間室３９、低圧室（２つの第１、第２低圧室４１、４２）、低圧流路孔４８、低圧流路４９およびアウトレットポートを介して、燃料系の低圧側へ流出させる燃料戻し経路である。
この燃料排出流路は、圧力制御室２４と連通する流路孔４３、この流路孔４３と中間室３９とを連通するアウトオリフィス孔４４、および中間室３９と低圧室（特に第１低圧室４１）とを連通する弁孔４５を有している。

また、燃料排出流路は、第１制御弁が開弁し、第２制御弁が閉弁状態の時に低圧室内に形成される低圧室内絞り有り流路であり、第１低圧室４１と第２低圧室４２とを連通するサブアウトオリフィス４６、および第１、第２制御弁が開弁状態の時に低圧室内に形成される低圧室内絞り無し流路であり、第１低圧室４１と第２低圧室４２とを連通する環状の低圧室内流路（放射方向連通路４７）を有している。
中間室３９は、アウトオリフィス孔４４と弁孔４５とを連通する中間流路孔である。

流路孔４３は、制御プレート７の中心軸線上に形成されて、圧力制御室２４とアウトオリフィス孔４４とを連通する排出流路孔である。
アウトオリフィス孔４４は、圧力制御室２４から中間室３９へ流出する燃料の流量を規制する第１出口側絞り孔である。
弁孔４５は、中間室３９から第１低圧室４１へ流出する燃料の流量を規制する第２出口側絞り孔（第１制御弁の弁孔）である。

サブアウトオリフィス４６は、第２制御弁の第２バルブ１６の開口周縁に形成された凹溝（後述する）の底面とオリフィスプレート１８のバルブシート面（後述する）との間に形成されて、第１低圧室４１から第２低圧室４２へ流出する燃料の流量を規制する第３出口側絞り孔である。
なお、アウトオリフィス孔４４、弁孔４５およびサブアウトオリフィス４６は、第１制御弁が開弁しており、しかも第２制御弁が閉弁状態の時、燃料戻し経路中に３重絞り（または３段絞り）を形成する。また、放射方向連通路４７の詳細は、後述する。

制御プレート７の図示上端面には、弁室２６に臨み、弁室２６内の燃料圧力を受圧する開弁側受圧面が設けられている。この制御プレート７の図示下端面には、圧力制御室２４に臨み、圧力制御室２４内の燃料圧力を受圧する閉弁側受圧面が設けられている。また、制御プレート７の中心軸線上には、流路孔４３およびアウトオリフィス孔４４が貫通形成されている。
なお、流路孔４３の上流端は、制御プレート７の図示下端面で開口している。また、アウトオリフィス孔４４の下流端は、制御プレート７の図示上端面で開口している。

制御プレート７の開弁側受圧面で受圧する開弁方向油圧力（ＦＵ）が、制御プレート７の閉弁側受圧面で受圧する閉弁方向油圧力（ＦＬ）と制御プレートスプリング８の閉弁方向の付勢力（Ｆｓｐ）との合力よりも大きい場合には、オリフィスプレート１８のバルブシート面より制御プレート７が離脱してインオリフィス孔３７を開放する。
制御プレート７の開弁側受圧面で受圧する開弁方向油圧力（ＦＵ）が、制御プレート７の閉弁側受圧面で受圧する閉弁方向油圧力（ＦＬ）と制御プレートスプリング８の閉弁方向の付勢力（Ｆｓｐ）との合力よりも小さい場合、オリフィスプレート１８のバルブシート面に制御プレート７が着座（密着）してインオリフィス孔３７を閉鎖する。

制御プレートスプリング８は、制御プレート７に対して、制御プレート７の閉弁方向に付勢する付勢力（弾性力、スプリングセット荷重）を発生する弾性部材である。この制御プレートスプリング８は、制御プレート７の閉弁側受圧面（スプリング座部）とニードル１の収容凹部の奥側の底面（スプリング座部）との間で軸線方向に圧縮された状態で配置された圧縮コイルスプリングである。

ノズルシリンダ９は、制御プレート７の外周との間に、弁室２６と圧力制御室２４とを連通する連通路（ノズル軸方向に延びる連通溝等）を形成する内周壁面を有している。このノズルシリンダ９の内周壁面には、ニードル１のピストン部２３および制御プレート７の摺動部を往復移動可能に支持するガイド孔が設けられている。
ノズルシリンダ９は、オリフィスプレート１８の結合部に溶接固定により接続されている。このノズルシリンダ９は、オリフィスプレート１８の結合部からニードル収容孔５の内部へ突出するように配置されている。

ノズルシリンダ９には、ニードル１の外周の環状段差との間に所定の軸方向距離（ニードル最大リフト量）を隔てて対向する環状段差が一体的に設けられている。この環状段差は、ニードル１がフルリフトした際に、これ以上の移動を規制するためのニードルストッパを構成している。
また、ノズルシリンダ９には、オリフィスプレート１８のバルブシート面との間に所定の軸方向距離（プレート収容室）を隔てて対向する環状段差が一体的に設けられている。この環状段差は、制御プレート７がフルリフトした際に、これ以上の移動を規制するためのバルブストッパを構成している。

オリフィスプレート１８は、インジェクタボディ４とノズルボディ２との間に挟み込まれている。このオリフィスプレート１８には、弁室２６に臨み、且つ制御プレート７が着座可能なバルブシート面が形成されている。
また、オリフィスプレート１８には、インジェクタボディ４の高圧流路孔３１とノズルボディ２の燃料流路３３とを連通する高圧流路孔３２、高圧流路孔３１と弁室２６とを連通する高圧流路孔３６およびインオリフィス孔３７が形成されている。また、オリフィスプレート１８には、制御プレート７のアウトオリフィス孔４４とインジェクタボディ４の第１低圧室４１とを連通する中間室３９および弁孔４５が形成されている。
なお、インオリフィス孔３７の下流端および中間室３９の上流端は、オリフィスプレート１８のバルブシート面で開口している。また、弁孔４５の下流端は、オリフィスプレート１８のバルブシート面で開口している。

ここで、弁室２６は、制御プレート７の開弁側受圧面とオリフィスプレート１８のバルブシート面との間に形成される容積可変空間である。この弁室２６内に導入される燃料圧力は、制御プレート７に対して、制御プレート７の開弁方向に付勢する付勢力として作用する開弁方向油圧力（ＦＯ）である。
圧力制御室２４は、ニードル１の軸方向の上端面（基端側端面）およびニードル１の基端側凹部の底面とノズルシリンダ９の内周面と制御プレート７とで囲まれた空間である。この圧力制御室２４内に導入される燃料圧力は、ニードル１に対して、ニードル１の閉弁方向に付勢する付勢力として作用する閉弁方向油圧力（ＦＣ）である。
また、圧力制御室２４は、制御プレート７の閉弁側受圧面とニードル１のピストン部２３の受圧面との間に形成される容積可変空間である。この圧力制御室２４内に導入される燃料圧力は、制御プレート７に対して、制御プレート７の閉弁方向に付勢する付勢力として作用する閉弁方向油圧力（ＦＣ）である。

アクチュエータ３は、電荷の充放電により軸線方向に伸縮するピエゾ素子をその軸線方向に多数積層してなるピエゾ素子積層体と、このピエゾ素子積層体を保護する筒状の絶縁スリーブ（ケース）と、ピエゾ素子積層体の軸線方向の両端に設けられる絶縁基板とを備えている。このアクチュエータ３は、一対のピエゾリード端子間に、ピエゾ駆動回路（ＥＤＵ：図示せず）からピエゾ駆動信号（ピエゾ印加電圧またはピエゾ駆動電流）が印加されるように構成されている。
そして、アクチュエータ３は、ＥＣＵからＥＤＵに与えられるインジェクタ開弁駆動指令（噴射開始指令）に対応してＥＤＵからピエゾ素子積層体に電圧が印加（通電ＯＮ）されると、ピエゾ素子積層体に電荷が充電される。また、アクチュエータ３は、ＥＣＵからＥＤＵに与えられるインジェクタ閉弁駆動指令（噴射終了指令）に対応してＥＤＵからピエゾ素子積層体への電圧印加が停止（通電停止ＯＦＦ）されると、ピエゾ素子積層体から電荷が放電される。

ここで、ピエゾ素子積層体を備えたインジェクタでは、ピエゾ素子積層体の特徴である駆動力の大きさに対する変位量（伸張量）の不足分を補うという目的で、アクチュエータ３と第１バルブ１４との間に、ピエゾピストン１１とバルブピストン１２との受圧面積比に応じてアクチュエータ３の伸張変位を拡大してバルブピストン１２に伝える変位拡大機構を備えている。この変位拡大機構は、ピエゾピストン１１の変位方向に対してバルブピストン１２の変位方向を反転させる反転機構を備えている。

変位拡大機構は、アクチュエータ３の伸縮変位（伸張、収縮）によりアクチュエータ３と一体往復移動可能に連結したピエゾピストン（大径ピストン）１１と、第１バルブ１４と一体往復移動可能に連結したバルブピストン（小径ピストン）１２と、アクチュエータ３の変位をピエゾピストン１１に伝える駆動伝達部材５１、５２と、ピエゾピストン１１を往復摺動可能に支持するアッパーシリンダ５３と、バルブピストン１２を往復摺動可能に支持するロアシリンダ５４とを備えている。

変位拡大機構は、作動油（燃料）が充填された油密室５５を備え、アクチュエータ３の伸張変位により油密室５５内の燃料圧力（油圧力）が上昇することで、アクチュエータ３およびピエゾピストン１１の変位を拡大（駆動力を低減）してバルブピストン１２に伝え、このバルブピストン１２の変位により第１バルブ１４を開閉駆動するように構成されている。
油密室５５は、ピエゾピストン１１の先端側環状端面とバルブピストン１２の環状段差面とアッパーシリンダ５３の先端側周壁（開口端面）とロアシリンダ５４の基端面とによって囲まれた環状空間である。

ピエゾピストン１１は、多数のスリット孔を有する金属薄板を筒状に成形したピエゾスプリング５６を備えている。このピエゾスプリング５６は、ピエゾピストン１１の外周突出部５７とアッパーシリンダ５３に固定された環状のリング部材５８との間に設置されて、ピエゾ素子積層体にプリセット荷重を与えるスリットスプリングである。また、ピエゾスプリング５６は、インジェクタボディ４の低圧流路４９内に設置されている。
ピエゾピストン１１は、駆動伝達部材５１、５２と一緒に、アクチュエータ３への通電（ＯＮ）時に、ピエゾ収容孔１０の軸線方向の先端側（噴孔側）へ向けて駆動される。このピエゾピストン１１は、アッパーシリンダ５３のガイド孔（シリンダ孔）の孔壁面に対して往復摺動可能なピストン大径部が設けられている。

また、ピエゾピストン１１の内部には、ピエゾピストン１１の先端面で開口し、この開口側から奥側に延びる収容凹部（スプリング収容室）６１が形成されている。このピエゾピストン１１には、アクチュエータ３の伸縮変位時において、バルブピストン１２のピストン中径部を往復移動可能に収容する収容凹部６１の容積変化（呼吸作用）によるへばり付きを防止するために、ピエゾピストン１１の円筒周壁の外部から収容凹部６１内に作動油供給経路を確保するという目的で、円筒周壁の内外を連通する複数の径方向孔（連通孔）６２が形成されている。すなわち、複数の連通孔６２は、収容凹部６１の内部と低圧流路４９とを連通している。なお、低圧流路４９は、インジェクタボディ４のアウトレットポートと連通している。

次に、制御弁（第１、第２制御弁）の詳細を図１ないし図４に基づいて簡単に説明する。
第１制御弁は、バルブピストン１２、バルブリフター１３、第１バルブ１４および第１バルブスプリング１５等を備え、第１バルブ１４が開弁することで、圧力制御室２４から中間室３９、２つの第１、第２低圧室４１、４２を介して燃料系の低圧側（例えば燃料タンク等）へ燃料を流出させて圧力制御室内の燃料圧力を低下させる圧力制御弁である。

バルブピストン１２は、アクチュエータ３への通電（ＯＮ）時に、ピエゾ収容孔１０の軸線方向の先端側に対して反対側の基端側（反噴孔側）へ向けて駆動される。このバルブピストン１２は、ピエゾピストン１１との間に形成される収容凹部６１内に第１バルブスプリング１５と一緒に収容されるピストン中径部、このピストン中径部の先端面の中央から軸線方向の先端側に延長されたピストン小径部、ピストン中径部とピストン小径部との間に設けられる環状の段差面（後述する油密室内の油圧力を受ける環状の受圧面）、および第２制御弁（第２バルブ１６）を係脱自在に一体移動可能に連結する連結部（バルブリフター１３）を備えている。

ピストン小径部の外周には、ロアシリンダ５４のガイド孔（シリンダ孔）の孔壁面に対して往復摺動可能な摺動部６３が設けられている。このピストン小径部の軸線方向の先端部には、第１バルブ１４を移動可能に収容する収容凹部６４が形成されている。この収容凹部６４は、ピストン小径部の先端面で開口し、この開口側から奥側まで真っ直ぐに延びる袋孔状の弁体収容孔である。
また、ピストン小径部の軸線方向の先端外周には、第２バルブ１６が相対移動可能に嵌め合わされており、しかも先端外周面には、バルブリフター１３の雌螺子孔６５に螺合する雄螺子６６が形成されている。

バルブリフター１３は、バルブピストン１２のピストン小径部の外周に螺子締結により固定されている。このバルブリフター１３の雌螺子孔６５には、雄螺子６６と螺合する雌螺子が形成されている。また、バルブリフター１３の上端面には、バルブピストン１２および第１バルブ１４が、所定のリフト量（Ｌ１）以上開弁方向に移動した際に第２バルブ１６を係止する環状の係止部が設けられている。つまりバルブリフター１３は、第２バルブ１６と係脱自在に係合する係合部を有している。
バルブリフター１３は、第２バルブ１６の内面との間に往復摺動可能な摺動部（摺動クリアランス）６７が設けられている。

第１バルブ１４は、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８に着座可能なボールバルブ（制御弁の弁体）である。この第１バルブ１４は、着座時にバルブピストン１２の収容凹部６４の底面（円錐面）に当接する当接部、および着座時にオリフィスプレート１８のバルブシート面６８に液密的に当接（密着）するシール部等を備えている。
また、第１バルブ１４は、仮にバルブピストン１２が傾いても、バルブシート面６８に対して垂直な力（第１バルブスプリング１５の付勢力）で自身のシール部がオリフィスプレート１８のバルブシート面６８に押し付けられるように、つまりオリフィスプレート１８のバルブシート面６８で開口する弁孔４５を確実に密閉（閉鎖）できるように、第１バルブ１４の当接部側が球面形状となっており、シール部側が平面形状となっている。
なお、バルブシート面６８は、低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）に臨み、第１制御弁の第１バルブ１４および第２制御弁の第２バルブ１６が着座可能な第１、第２弁座である。

第１バルブスプリング１５は、第１バルブ１４およびバルブピストン１２に対して、第１バルブ１４の閉弁方向に付勢する付勢力（弾性力、第１スプリングセット荷重：Ｆｓｐ１）を発生するコイルスプリングである。この第１バルブスプリング１５は、収容凹部６１の奥側に固定された環状のスプリングシート６９とバルブピストン１２のピストン中径部の端面（スプリング座部）との間で軸線方向に圧縮された状態で配置された圧縮コイルスプリングである。
また、第１バルブスプリング１５は、第１バルブ１４をオリフィスプレート１８のバルブシート面６８に押し当てる方向（閉弁方向）に付勢する第１スプリングである。

ここで、制御弁は、自身が開弁する、つまりオリフィスプレート１８のバルブシート面６８より第１バルブ１４が離脱することで、圧力制御室２４内に導入される高圧力の燃料を中間室３９、第１、第２低圧室４１、４２等を介して燃料系の低圧側へ流出させて圧力制御室２４内の燃料圧力を低下させる。
また、制御弁は、自身が閉弁する、つまりオリフィスプレート１８のバルブシート面６８に第１バルブ１４が着座することで、圧力制御室２４内への高圧力の燃料の導入によって、圧力制御室２４内の燃料圧力を上昇させる。

ロアシリンダ５４は、２重筒状に形成されており、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８との間に低圧室を形成する筒状の外周壁７１、ピストン小径部の摺動部６３を往復摺動可能に支持するガイド孔が形成された内周壁７２、および外周壁７１と内周壁７２とを連結する環状の連結壁７３等を有している。
内周壁７２の先端面は、制御弁（第１、第２制御弁）がフルリフトした際に第２バルブ１６を係止するバルブストッパ７４を構成している。なお、低圧室（第２低圧室４２）は、外周壁７１に形成された径方向連通孔（横孔：図示せず）を介して、インジェクタボディ４の低圧流路孔４８に連通している。

第２制御弁は、第２バルブ１６および第２バルブスプリング１７等を備え、低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）内の流路面積を、サブアウトオリフィス４６以下の流路面積とサブアウトオリフィス４６よりも極めて大きい流路面積とに切り替えて、圧力制御室２４内の燃料圧力の低下速度を変更する圧力制御弁である。
第２バルブ１６は、所定のカップ形状（断面コの字状）に形成されており、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８とロアシリンダ５４とで囲まれた空間（低圧室）を、２つの第１、第２低圧室４１、４２に区画するように低圧室内に往復移動可能に収容されている。

第２バルブ１６は、バルブリフター１３の周囲を周方向に取り囲む筒状の外周壁８１、この外周壁８１の上端部を連結する環板状の連結部８２、およびこの連結部８２の中央部をその板厚方向に貫通する貫通孔８３等を有している。
外周壁８１のカップ開口周縁には、バルブシート面６８に接離して、低圧室内流路の流路面積を、サブアウトオリフィス４６以下の流路面積と放射方向連通路４７の流路面積とに切り替える第２弁部８４が設けられている。この第２弁部８４の一部は、切り欠かれており、この切欠き部は、第２バルブ１６の閉弁時に、バルブシート面６８との間にサブアウトオリフィス４６を形成する凹溝８５として使用される。

放射方向連通路４７は、第２バルブ１６の開弁時に、第２バルブ１６の外周壁８１のカップ開口周縁および凹溝８５の底面とバルブシート面６８との間に形成される流路である。この放射方向連通路４７は、サブアウトオリフィス４６の流路面積よりも極めて大きい流路面積を有し、第２バルブ１６の外周壁８１の全周において外周壁８１の半径方向（放射方向）に延びる、第１低圧室４１と第２低圧室４２とを連通する流路である。
貫通孔８３は、バルブピストン１２のピストン小径部の外径よりも僅かに大きい内径を有している。

連結部８２の上端面には、制御弁が最大リフト量（Ｌ１＋Ｌ２）以上開弁方向に移動した際に、ロアシリンダ５４のバルブストッパ７４に係止される。これにより、これ以上の移動が規制される。
また、連結部８２の下端面には、バルブピストン１２および第１バルブ１４が、所定のリフト量（Ｌ１）以上開弁方向に移動した際に、バルブリフター１３の係止部に係止される環状の被係止部が設けられている。これにより、第２バルブ１６は、バルブピストン１２および第１バルブ１４が、所定のリフト量（Ｌ１）以上開弁方向に移動した際に、最大リフトするまで、第１制御弁（バルブピストン１２、バルブリフター１３および第１バルブ１４）と一体移動可能に連結される。

第２バルブスプリング１７は、第２バルブ１６に対して、第２バルブ１６の閉弁方向に付勢する付勢力（弾性力、第２スプリングセット荷重：Ｆｓｐ２）を発生するコイルスプリングである。この第２バルブスプリング１７は、ロアシリンダ５４の連結壁７３の内面（底面：スプリング座部）と第２バルブ１６の連結部８２の上端面（スプリング座部）との間で軸線方向に圧縮された状態で配置された圧縮コイルスプリングである。
また、第２バルブスプリング１７は、第２バルブ１６をオリフィスプレート１８のバルブシート面６８に押し当てる方向（閉弁方向）に付勢する第２スプリングである。また、第２バルブスプリング１７は、第２バルブ１６をバルブリフター１３の係止部に押し当てる方向に付勢する第２スプリングである。

第２制御弁の第２バルブ１６は、図４および図６に示したように、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量（ストローク量）に応じて、第１、第２低圧室４１、４２内の流路（以下低圧室内流路）を流通する燃料の通過流量を絞る（制限する）絞り有りの状態と、低圧室内流路を流通する燃料の通過流量を絞らない（増加する）絞りなし状態とに切り替える。
また、第２バルブ１６がバルブシート面６８に着座している時（第２制御弁の閉弁時）には、低圧室内流路を、この低圧室内流路を流通する燃料の通過流量を絞る（制限する）絞り有りの状態に切り替える。また、第２バルブ１６がバルブシート面６８からリフトしている時（第２制御弁の開弁時）には、低圧室内流路を、この低圧室内流路を流通する燃料の通過流量を絞らない（増加する）絞りなし状態に切り替える。

［実施例１の作用］
次に、本実施例のインジェクタの作用を図１ないし図８に基づいて簡単に説明する。

ここで、本実施例のインジェクタでは、高圧燃料通路（高圧流路孔３１、３２）から高圧流路孔３６、インオリフィス孔３７および弁室２６を介して、圧力制御室２４内に導入される燃料圧力（制御室圧）が、ニードル１に対して閉弁方向油圧力（ＦＣ）として作用する。
また、圧力制御室２４から燃料系の低圧側へ燃料を流出させる燃料排出流路には、圧力制御室２４と流路孔４３を介して連通するアウトオリフィス孔４４、このアウトオリフィス孔４４と中間室３９を介して連通する弁孔４５、およびこの弁孔４５と第１低圧室４１を介して連通するサブアウトオリフィス４６または放射方向連通路４７が設けられている。これにより、アウトオリフィス孔４４と弁孔４５との間に形成される中間室３９内の燃料圧力（中間室圧）は、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）よりも低く、第１、第２低圧室４１、４２内の燃料圧力よりも高くなる。また、第１低圧室４１内の燃料圧力は、第２低圧室４２内の燃料圧力よりも高くなる。

エンジンの運転が開始されると、サプライポンプやコモンレール等の燃料系の高圧部から高圧配管（高圧燃料供給管）、インジェクタボディ４のインレットポートを介してインジェクタの内部（高圧燃料通路）に高圧力の燃料が導入される。
そして、インジェクタの内部に導入された高圧力の燃料の一部は、インジェクタボディ４のインレットポートから高圧流路孔３１、３２、燃料流路３３、ニードル収容孔５および燃料流路３４を通って燃料溜まり室２１および燃料流路３４に到達する。
一方、インジェクタの内部に導入される高圧力の燃料の残部は、高圧流路孔３１、３２間の分岐部より分岐して高圧流路孔３６、インオリフィス孔３７、弁室２６および連通路を通って圧力制御室２４に到達する。

次に、インジェクタの微小噴射量制御時（ピエゾ素子積層体への通電時間が比較的に短い時）における動作を図１ないし図５に基づいて説明する。
エンジンの当該気筒のインジェクタの噴射タイミング（図５の時刻ｔ１）になり、ＥＣＵからのインジェクタ開弁駆動指令によってアクチュエータ３のピエゾ素子積層体への電圧の印加が開始されると、ピエゾ素子積層体に電荷が充電される。
そして、ピエゾ素子積層体への充電開始と同時に、ピエゾ充電エネルギーの蓄積が開始され、且つピエゾ素子積層体がその軸線方向の一方側への伸張変位も開始される。これに伴って、ピエゾピストン１１がその軸線方向の一方側へ変位するため、ピエゾピストン１１の変位量に応じて。油密室５５の容積が縮小されて油密室５５内の燃料圧力（油圧力）が上昇していく。

そして、図５の時刻ｔ２になり、ピエゾ充電エネルギーが第１所定値（Ｅ１）に到達して、ピエゾ素子積層体の伸張変位が第１所定値に到達すると、油密室５５内の油圧力が第１所定値以上に上昇する。
そして、油密室５５内の油圧力が第１所定値以上に上昇した場合には、バルブピストン１２が、ピエゾピストン１１の変位方向とは反対側（アクチュエータ側）、つまり第１バルブ１４の開弁方向に駆動される。
そして、バルブピストン１２の移動に伴って、制御弁（第１制御弁）の第１バルブ１４が開弁駆動されるため、第１バルブ１４がオリフィスプレート１８のバルブシート面６８より離脱（リフト）する。すなわち、図５の時刻ｔ２になると、第１バルブ１４が開弁動作を開始する。

そして、図５の時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に、図４に示したように、バルブピストン１２と一体移動可能なバルブリフター１３の係止部が、第２バルブ１６の連結部８２の被係止部に当接するリフト量（Ｌ１）分だけバルブシート面６８からリフトする。これにより、弁孔４５が開放される。
このとき、第１バルブ１４の第１弁部とバルブシート面６８との間に形成されるクリアランス８６の流路面積が中間値となる。また、制御弁（第２制御弁）の第２バルブ１６は、未だ閉弁状態を維持しているので、第１、第２低圧室４１、４２内の流路（低圧室内流路）はサブアウトオリフィス４６のみとなっている。

一方、制御プレート７が閉弁状態を維持しているため、圧力制御室２４内に導入される高圧力の燃料は、制御プレート７の中心軸線上に設けられた流路孔４３、アウトオリフィス孔４４を通って、オリフィスプレート１８の中間室３９内に流入する。そして、中間室３９内に流入した燃料は、弁孔４５を通って第１低圧室４１内に流入する。そして、第１低圧室４１内に流入した燃料は、サブアウトオリフィス４６を通って第２低圧室４２内に流入する。
そして、第２低圧室４２内に流入した燃料は、ロアシリンダ５４の外周壁（第２バルブ１６の外周壁８１の周囲を周方向に取り囲む外周壁）７１に形成された径方向連通孔およびインジェクタボディ４の低圧流路孔４８を通ってアウトレットポートからインジェクタの外部へ流出し、燃料系の低圧側へ排出される。

ここで、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）は低下していくが、サブアウトオリフィス４６によって低圧室内流路の面積が絞られている。つまり、圧力制御室２４から弁孔４５を介して低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）へ流出した燃料の流量がサブアウトオリフィス流量以下に規制される。これにより、第１制御弁の開弁時における低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）内の燃料圧力の降下（低下）速度を抑制できるので、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）の降下（低下）速度が従来のインジェクタと比べて遅くなる。

その後、図５の時刻ｔ２から時刻ｔ３を経て時刻ｔ４までの間、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）が緩やかに低下し、ニードル１の上下圧力差が増加していく。
そして、図５の時刻ｔ５になり、ＦＯ＞ＦＣ＋Ｆｓｐが成立すると、燃料溜まり室２１内の燃料圧力（開弁方向油圧力：ＦＯ）が、圧力制御室２４内の燃料圧力（閉弁方向油圧力：ＦＣ）とニードルスプリング６のスプリングセット荷重（閉弁方向付勢力：Ｆｓｐ）との合力を上回る。すなわち、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）がニードル開弁圧（Ｐｏ）まで低下すると、燃料溜まり室２１内の燃料圧力によってニードル１が上昇（リフト）を開始する。

この結果、ニードル１がノズルボディ２のニードルシート面より離脱（リフト）するため、ニードル１が開弁状態となり、複数の噴孔２２からエンジンの気筒の燃焼室内への燃料噴射が開始される。したがって、燃料溜まり室２１からニードル１の外周とニードル収容孔５の孔壁面との間に形成される筒状の燃料流路３５を通ってサック室に導入された高圧力の燃料は、サック室からインジェクタの各噴孔２２を通ってエンジンの気筒の燃焼室内へ噴射される。
なお、インジェクタの微小噴射量制御時におけるニードル１の開弁時には、図５に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力の低下速度が遅いので、噴射率の上昇速度は遅くなる（噴射率波形の傾きが緩やかである）。

その後、噴射タイミングからインジェクタの開弁期間（ＥＣＵにおいて燃料噴射量と指令噴射圧力とから算出される指令噴射期間、アクチュエータ３への通電期間に相当する）が経過して図５の時刻ｔ６になると、ＥＣＵからインジェクタ閉弁駆動指令が出力される。
そして、このインジェクタ閉弁駆動指令に対応してＥＤＵからピエゾ素子積層体への電圧印加が停止（通電停止ＯＦＦ）されると、ピエゾ素子積層体から電荷が放電される。これに伴って、ピエゾ素子積層体が収縮変位し、ピエゾピストン１１および駆動伝達部材５１、５２がピエゾスプリング５６の付勢力により押し戻される。

また、インジェクタは、アクチュエータ３が収縮変位すると、ピエゾピストン１１が初期位置に戻されるため、油密室５５の容積が拡大されて油密室５５内の油圧力が低下（降下）する。そして、油密室５５内の油圧力が低下した場合には、バルブピストン１２が、ピエゾピストン１１の変位方向とは反対側（噴孔側）、つまり第１バルブ１４の閉弁方向に駆動される。つまり油密室５５の油圧力の低下に伴って、バルブピストン１２が第１バルブスプリング１５の付勢力によって押し下げられる。
したがって、バルブピストン１２の移動に伴って、第１バルブ１４が閉弁動作するため、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８に着座する。これにより、弁孔４５が閉鎖される。

以上のように、第１制御弁の第１バルブ１４が弁孔４５を閉鎖している場合には、圧力制御室２４から中間室３９、第１、第２低圧室４１、４２を介して、燃料系の低圧側への燃料の流出が停止する。これにより、弁室２６内の燃料圧力（開弁方向油圧力：ＦＯ）が、圧力制御室２４内の燃料圧力（閉弁方向油圧力：ＦＣ）と制御プレートスプリング８の付勢力（閉弁方向付勢力：Ｆｓｐ）との合力よりも大きくなる。
これによって、制御プレート７が、オリフィスプレート１８のバルブシート面よりリフト（離脱）して、インオリフィス孔３７を開放する。つまり制御プレート７が開弁する。 このとき、高圧流路孔３１、３２、３６を通ってインオリフィス孔３７に到達していた高圧力の燃料は、インオリフィス孔３７から弁室２６内に導入される。そして、弁室２６内に導入された高圧力の燃料は、連通路を通って圧力制御室２４内に導入されるため、圧力制御室２４内の燃料圧力（閉弁方向油圧力：ＦＣ）が急速に回復していく。

そして、図５の時刻ｔ６から時刻ｔ７までの間、ニードル１の上下圧力差が減少していき、ＦＯ＜ＦＣ＋Ｆｓｐが成立する。すなわち、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）がニードル閉弁圧（Ｐｃ）まで回復すると、ニードル１が閉弁方向に移動してニードル１の弁部がノズルボディ２のニードルシート面に着座（シート）する。これにより、燃料溜まり室２１と複数の噴孔２２とを連通する筒状の燃料流路３５が遮断されるため、インジェクタの各噴孔２２からエンジンの気筒の燃焼室内への燃料噴射が終了する。
なお、ニードル１が閉弁動作を開始した直後（閉弁初期）は、図５に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力の上昇速度が遅いので、噴射率の低下速度は遅い（噴射率波形の傾きが緩やかである）。その後、ニードル１の閉弁中期からは、図５に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力の上昇速度が速くなるので、噴射率矩形度が良く、噴射率の低下速度は速くなる（噴射率波形の傾きが急である）。

次に、インジェクタの大噴射量制御時（ピエゾ素子積層体への通電時間が比較的に長い時）における動作を図１ないし図７に基づいて説明する。
エンジンの当該気筒のインジェクタの噴射タイミング（図７の時刻ｔ１）になり、ＥＣＵからのインジェクタ開弁駆動指令によってアクチュエータ３のピエゾ素子積層体への電圧の印加が開始されると、ピエゾ素子積層体に電荷が充電される。
そして、ピエゾ素子積層体への充電開始と同時に、ピエゾ充電エネルギーの蓄積が開始され、且つピエゾ素子積層体がその軸線方向の一方側への伸張変位も開始される。これに伴って、ピエゾピストン１１がその軸線方向の一方側へ変位するため、ピエゾピストン１１の変位量に応じて。油密室５５の容積が縮小されて油密室５５内の燃料圧力（油圧力）が上昇していく。

そして、図７の時刻ｔ２になり、ピエゾ充電エネルギーが第１所定値（Ｅ１）に到達して、ピエゾ素子積層体の伸張変位が第１所定値に到達すると、油密室５５内の油圧力が第１所定値以上に上昇する。
そして、油密室５５内の油圧力が第１所定値以上に上昇した場合には、バルブピストン１２が、ピエゾピストン１１の変位方向とは反対側（アクチュエータ側）、つまり第１バルブ１４の開弁方向に駆動される。
そして、バルブピストン１２の移動に伴って、第１制御弁の第１バルブ１４が開弁駆動されるため、第１バルブ１４がバルブシート面６８より離脱（リフト）する。すなわち、図７の時刻ｔ２になると、第１バルブ１４が開弁動作を開始する。

そして、図７の時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に、図４に示したように、バルブピストン１２と一体移動可能なバルブリフター１３の係止部が、第２バルブ１６の連結部８２の被係止部に当接するリフト量（Ｌ１）分だけバルブシート面６８からリフトする。これにより、弁孔４５が開放される。
このとき、第１バルブ１４の第１弁部とバルブシート面６８との間に形成されるクリアランス８６の流路面積が中間値となる。また、第２制御弁の第２バルブ１６は、未だ閉弁状態を維持しているので、低圧室内流路はサブアウトオリフィス４６のみとなっている。

一方、制御プレート７が閉弁状態を維持しているため、圧力制御室２４内に導入される高圧力の燃料は、流路孔４３、アウトオリフィス孔４４、中間室３９および弁孔４５を通って第１低圧室４１内に流入する。そして、第１低圧室４１内に流入した燃料は、サブアウトオリフィス４６を通って第２低圧室４２内に流入した後、ロアシリンダ５４の径方向連通孔および低圧流路孔４８を通ってアウトレットポートからインジェクタの外部へ流出し、燃料系の低圧側へ排出される。
このとき、燃料排出流路は、少なくとも３つのアウトオリフィス孔４４、弁孔４５およびサブアウトオリフィス４６により流路面積が絞られている。つまり、圧力制御室２４から弁孔４５を介して低圧室へ流出し、低圧室内を流通する燃料の流量は、少なくともサブアウトオリフィス流量以下に規制される。これにより、第１制御弁の開弁時における低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）内の燃料圧力の降下（低下）速度を抑制できるので、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）の降下（低下）速度が従来のインジェクタと比べて遅くなる。

ここで、図７の時刻ｔ２を過ぎると、ピエゾ充電エネルギーが第１所定値（Ｅ１）を越えて、図７の時刻ｔ３になると、ピエゾ充電エネルギーが第２所定値（Ｅ２）に到達する。すると、ピエゾ素子積層体がその軸線方向の一方側への伸張変位が最大となるため、バルブピストン１２および第１バルブ１４がリフト量（Ｌ１）から最大リフト量（Ｌ１＋Ｌ２）への移動を開始する。
これに伴って、バルブピストン１２と一体移動可能なバルブリフター１３の係止部も最大リフト量（Ｌ１＋Ｌ２）への移動を開始するため、バルブリフター１３の係止部と当接している第２バルブ１６がその開弁方向に駆動される。

そして、第１制御弁（バルブピストン１２、バルブリフター１３、第１バルブ１４）の移動に伴って、第２制御弁の第２バルブ１６が開弁駆動されるため、第２バルブ１６の第２弁部８４がバルブシート面６８より離脱（リフト）する。
そして、図７の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に、図６に示したように、第１、第２制御弁の各第１、第２バルブ１４、１６が最大リフト量（Ｌ１＋Ｌ２）分だけバルブシート面６８からリフトすると、第１バルブ１４の第１弁部とバルブシート面６８との間に形成されるクリアランス８６の流路面積が最大値となると共に、低圧室内流路の流路面積がサブアウトオリフィス４６よりも極めて大きい放射方向連通路４７の流路面積となる。

その後、図７の時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）が素早く低下し、ニードル１の上下圧力差が増加していく。
そして、図７の時刻ｔ５になり、ＦＯ＞ＦＣ＋Ｆｓｐが成立すると、すなわち、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）がニードル開弁圧（Ｐｏ）まで低下すると、燃料溜まり室２１内の燃料圧力によってニードル１が上昇（リフト）を開始する。
この結果、ニードル１がニードルシート面より離脱（リフト）するため、ニードル１が開弁状態となり、複数の噴孔２２からエンジンの気筒の燃焼室内への燃料噴射が開始される。
したがって、燃料溜まり室２１から燃料流路３５を通ってサック室に導入された高圧力の燃料は、インジェクタの各噴孔２２を通ってエンジンの気筒の燃焼室内へ噴射される。 なお、インジェクタの大噴射量制御時におけるニードル１の開弁時には、図６に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力の低下速度が速いので、噴射率矩形度が良く、噴射率の上昇速度は速くなる（噴射率波形の傾きが急である）。

その後、噴射終了タイミングとなり、ＥＣＵからインジェクタ閉弁駆動指令が出力される。そして、このインジェクタ閉弁駆動指令に対応してＥＤＵからピエゾ素子積層体への電圧印加が停止（通電停止ＯＦＦ）されると、ピエゾ素子積層体から電荷が放電される。これに伴って、ピエゾ素子積層体が収縮し、上述したように、ピエゾピストン１１が中間位置まで戻されると、油密室５５の容積が拡大されて油密室５５内の油圧力が低下（降下）する。

そして、油密室５５内の油圧力の低下に伴って、バルブピストン１２およびバルブリフター１３が第１バルブスプリング１５の付勢力によって押し下げられる。これに伴って、第２バルブ１６が第２バルブスプリング１７の付勢力によってバルブリフター１３の係止部に押し当てられているので、第２バルブ１６もバルブリフター１３と一緒に押し下げられる。
したがって、バルブピストン１２およびバルブリフター１３の移動に伴って、第１、第２バルブ１４、１６が共に閉弁動作するが、第１バルブ１４がバルブシート面６８に着座する前に、第２バルブ１６の第２弁部８４がバルブシート面６８に着座する。これにより、第２バルブ１６のこれ以上の移動が規制されると共に、低圧室内流路の流路面積が、サブアウトオリフィス４６以下の流路面積に切り替えられる。

その後、ピエゾ素子積層体の電荷の放電が終了し、ピエゾ素子積層体の収縮が完了すると、ピエゾピストン１１が初期位置まで戻されると、油密室５５の容積が更に拡大されて油密室５５内の油圧力が低下（降下）する。
そして、油密室５５内の油圧力の低下に伴って、バルブピストン１２およびバルブリフター１３が第１バルブスプリング１５の付勢力によって押し下げられる。
したがって、バルブピストン１２の移動に伴って、第１バルブ１４が閉弁動作して第１バルブ１４がバルブシート面６８に着座する。これにより、弁孔４５が閉鎖される。

以上のように、第１制御弁の第１バルブ１４が弁孔４５を閉鎖すると、上述したように、制御プレート７が開弁する。このとき、インオリフィス孔３７から弁室２６内に導入された高圧力の燃料は、連通路を通って圧力制御室２４内に導入されるため、図７に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）が急速に回復し、ニードル１の上下圧力差が減少していく。
そして、図７の時刻ｔ８になると、ＦＯ＜ＦＣ＋Ｆｓｐが成立する。すなわち、圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）がニードル閉弁圧（Ｐｃ）まで回復すると、ニードル１が閉弁方向に移動してニードル１の弁部がノズルボディ２のニードルシート面に着座（シート）する。これにより、インジェクタの各噴孔２２からエンジンの気筒の燃焼室内への燃料噴射が終了する。

なお、ニードル１の閉弁動作は、図７に示したように、圧力制御室２４内の燃料圧力の上昇速度が速くなるので、噴射率矩形度が良く、噴射率の低下速度は速くなる（噴射率波形の傾きが急である）。
また、本実施例のインジェクタの場合、図８に示したように、アクチュエータ３へのピエゾ通電時間（噴射量指令値）に対する燃料噴射量が、従来例１のインジェクタよりも少なくなるが、同一のピエゾ通電時間に対する燃料噴射量の減量分は、ＥＣＵで算出された燃料噴射量となるように噴射量指令値（ピエゾ通電時間）を従来例１のインジェクタよりも長く設定することで補うことができる。

［実施例１の効果］
ところで、エンジンの気筒内に燃料を噴射するインジェクタは、圧力制御室からの燃料排出流量を規制する第１アウトオリフィス流量を増加させることで、ニードル開弁速度を向上する（＝噴射率矩形度が向上する）ことが一般に知られている。
ここで、噴射率矩形度向上のメリットとしては等容度の向上による燃焼効率の向上、Ｓｏｏｔ再燃焼時間の増加による排気エミッション低減等が挙げられる。

しかしながら、上述したように、第１アウトオリフィス流量を増加させた高応答（高矩形度）のインジェクタでは、第１アウトオリフィス流量の拡大に伴って、例えばパイロット噴射等の微小噴射量時の噴射量指令値（ピエゾ通電時間）が極端に短くなり、ピエゾ充電期間（通常１００μｓｅｃ程度）以下となる可能性がある（図８参照）。なお、ピエゾ充電期間とは、ピエゾ素子積層体への電圧印加を開始してからピエゾ素子積層体に電荷が充電される（充電が完了する）までの期間である。

ピエゾ充電期間以下の噴射量指令値は、自身が開弁することで、圧力制御室から低圧室を介して燃料系の低圧側へ燃料を流出させて圧力制御室内の燃料圧力（ニードルの閉弁方向油圧力）を低下させる制御バルブの開弁挙動が不安定となる等の理由から、インジェクタへの噴射量指令値としての使用が困難であった。このため、上記のピエゾ通電時間の極端な短縮は、制御可能な噴射量下限値（最小噴射量：従来）が増加することを意味する（図９参照）。

そこで、アクチュエータとしてピエゾ素子積層体を用いたインジェクタの高応答化（＝アウトオリフィス流量増加）時の微小噴射量制御性の向上を図るという目的で、エンジンの気筒の燃焼室内に噴射する燃料の噴射量（アクチュエータ４への通電時間の長さ）に応じて、第１制御弁の開弁時において圧力制御室２４から燃料系の低圧側へ排出される流量を２段階で制御し、例えばパイロット噴射等の微小噴射量制御時における排出燃料流量を抑制（低減）し、例えばメイン噴射等の大噴射量制御時における排出燃料流量を増加させることで、微小噴射量制御性と高応答化との両立を図るように、ニードル１の背圧を制御する制御弁を構成した。

本実施例のインジェクタの制御弁は、上述したように、アクチュエータ３の伸縮変位を受けて往復移動するバルブピストン１２と、オリフィスプレート１８のバルブシート面６８に接離して燃料排出流路の途中の弁孔４５を閉鎖、開放する第１バルブ１４を有する第１制御弁と、低圧室内流路の流路面積を、サブアウトオリフィス４６以下の流路面積とサブアウトオリフィス４６よりも極めて大きい放射方向連通路４７の流路面積とに切り替える第２バルブ１６を有する第２制御弁とを備えている。

第１バルブ１４の外周に、第２弁部８４にサブアウトオリフィス４６を有する第２バルブ１６を配置している。
第１バルブ１４のリフト量がＬ＜Ｌ１の領域においては、第２バルブスプリング１７の付勢力によって第２バルブ１６がその閉弁方向に付勢されている。つまり第２バルブ１６がバルブシート面６８に着座している。
また、バルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量が、Ｌ＝Ｌ１においては、バルブピストン１２および第１バルブ１４と一体移動可能なバルブリフター１３と当接する。

以上により、バルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量が、Ｌ≦Ｌ１の領域においては、第２制御弁が、低圧室内流路を、この流路を流通する燃料の通過流量を絞る絞り有りの状態に切り替える。これによって、圧力制御室２４から燃料系の低圧側へ排出される燃料の流量は、アウトオリフィス孔４４とサブアウトオリフィス４６の２重絞りとなる。また、弁孔４５も加えると、３重絞りとなるため、圧力制御室２４から排出される燃料の総流量が制限される。これにより、ニードル１の開弁応答が遅くなるので、ＥＣＵからインジェクタ開弁指令が出力されてから実際に燃料噴射が開始するまでの噴射開始遅れ（時間）が増加する。

一方、バルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量が、Ｌ＞Ｌ１の領域においては、バルブリフター１３の係合部に第２バルブ１６が一体移動可能に係合されるので、バルブピストン１２、バルブリフター１３および第１バルブ１４と一体で上昇（リフト）する。以上により、バルブシート面６８に対する第１バルブ１４のリフト量が、Ｌ＞Ｌ１の領域においては、第２制御弁が、低圧室内流路を、この流路を流通する燃料の通過流量を絞らない絞りなしの状態に切り替える。これによって、圧力制御室２４から燃料系の低圧側へ排出される燃料の流量が大幅に増加する。これにより、ニードル１の開弁応答が速くなるので、ＥＣＵからインジェクタ開弁指令が出力されてから実際に燃料噴射が開始するまでの噴射開始遅れ（時間）が減少する。

以上のように、本実施例のインジェクタにおいては、上記の異なる流量域を、例えばパイロット噴射等の微小噴射量制御時と、例えばメイン噴射の大噴射量制御時とで使い分けることで、パイロット噴射の制御性（微小噴射量制御性）とメイン噴射の高応答化とを両立させることができる。また、例えばパイロット噴射等の微小噴射量制御時は、大噴射量制御時よりもピエゾ充電エネルギーを低減することができるので、第１バルブ１４のみを開弁して圧力制御室２４から中間室３９、第１、第２低圧室４１、４２を介して燃料系の低圧側へ排出される燃料排出流量を抑制することができる。
これによって、第１制御弁の開弁時における圧力制御室２４内の燃料圧力（制御室圧）の降下速度を抑制することができる。これに伴って、圧力制御室２４内の燃料圧力の降下速度を抑制することで、例えばパイロット噴射等の微小噴射量時の噴射量指令値（ピエゾ通電時間）の極端な減少を抑制（＝最小噴射可能量の低減）することができる。

また、例えばメイン噴射の大噴射量制御時は、例えばパイロット噴射等の微小噴射量制御時よりもピエゾ充電エネルギーを増加させることができるので、第１、第２バルブ１４、１６のいずれも開弁させる。これにより、圧力制御室２４から燃料系の低圧側への燃料排出流量を増加させることができるので、例えばメイン噴射等の大噴射量制御時におけるニードル１の開弁応答の高応答化を図ることができる。
また、本実施例のインジェクタにおいては、制御弁を２重構造とし、下流側（燃料リーク側）の第２制御弁にサブアウトオリフィス４６を配置することで、微小噴射量制御時には、上流側（高圧側）の第１制御弁のみを開弁してサブアウトオリフィス４６で通過流量を制限し、大噴射量制御時には、両方の第１、第２制御弁を開弁して大流量を流す制御（流量可変制御）を実現することができる。

［変形例］
本実施例では、圧力制御室内の燃料圧力を増減制御する制御弁の弁体である第１バルブ１４を開弁駆動するアクチュエータ３として電荷の充放電により軸線方向に伸縮するピエゾ積層体を想定しているが、制御弁の弁体を開弁駆動または閉弁駆動するアクチュエータとして、ソレノイドアクチュエータ、電動アクチュエータ、磁歪素子等を駆動源とするアクチュエータを使用しても良い。
本実施例では、本発明の制御弁（第１制御弁）を、ボールバルブよりなる第１バルブ１４、この第１バルブ１４と一体移動可能なバルブピストン１２、および第１バルブ１４を閉弁方向に付勢する第１バルブスプリング１５等によって構成しているが、本発明の制御弁（第１制御弁）を、バルブピストン１２および第１バルブスプリング１５のみによって構成しても良い。

本実施例では、本発明の制御弁および切替弁を、アクチュエータ３の伸縮変位に応じて開閉駆動される第１制御弁の第１弁体（第１バルブ１４）、およびこの第１バルブ１４のリフト量がＬ１以上の時に第１バルブ１４と連動して開閉駆動される第２制御弁（切替弁）の第２弁体（第２バルブ１７）に適用しているが、本発明の制御弁および切替弁を、第１アクチュエータの変位に応じて開閉駆動される第１制御弁の第１弁体（第１バルブ１４）、第１アクチュエータとは別体の第２アクチュエータの変位に応じて開閉駆動される第２制御弁（切替弁）の第２弁体（第２バルブ１７）に適用しても良い。
この場合、制御弁および切替弁の開閉タイミングをＥＣＵによって制御しても良い。

本実施例では、本発明の燃料噴射弁として、ノズルボディ２に往復移動可能に収容されるニードル１によって複数の噴孔２２を開閉するタイプの燃料噴射弁（インジェクタ）を採用しているが、本発明の燃料噴射弁として、ノズルボディ２に往復移動可能に収容される２つの第１、第２ニードルによって複数の第１、第２噴孔を段階的に開閉する可変噴孔タイプの燃料噴射弁（インジェクタ）を採用しても良い。
また、フローティングバルブである制御プレート７を廃止して、オリフィスプレート１８にアウトオリフィス孔４４を形成しても良い。
また、圧力制御室２４と低圧室（第１、第２低圧室４１、４２）との間に中間室３９を設けず、アウトオリフィス孔４４の機能を弁孔４５に持たせても良い。

また、内燃機関（エンジン）として、ディーゼルエンジンの代わりに、ガソリンエンジンを用いても良い。
また、本発明の燃料噴射弁を、例えばガソリンエンジン等の内燃機関（エンジン）の気筒内または気筒に連通する吸気ポート内に燃料を噴射するフューエルインジェクタに適用しても良い。
また、燃料タンク内に貯留された燃料をサプライポンプを介して内燃機関の燃料噴射弁（インジェクタ）へ供給する燃料供給経路の低圧部とは、サプライポンプの加圧室よりも上流側の燃料供給経路のことを指す。
なお、弁孔４５が流路孔４３と略同一径か、あるいは弁孔４５および流路孔４３が設けられていないインジェクタの場合は、アウトオリフィス孔４４およびサブアウトオリフィス４６は、第１制御弁が開弁しており、しかも第２制御弁が閉弁状態の時、燃料戻し経路中に２重絞り（または２段絞り）を形成する。

本実施例では、バルブピストン１２とバルブリフター１３との結合方法として、バルブピストン１２の先端外周の雄螺子にバルブリフター１３を螺子締結により固定する方法を採用しているが、インジェクタボディ４のピエゾ収容孔１０へのロアシリンダ５４、第２制御弁（第２バルブ１６、第２バルブスプリング１７）の組み付け後に、バルブピストン１２の先端外周にバルブリフター１３を圧入嵌合により固定する方法を採用しても良い。 また、切替弁を複数設けても良い。この場合には、低圧室を３つ以上に区画することが望ましい。

本実施例では、第２制御弁の内部、つまり第２バルブ１６とオリフィスプレート１８のバルブシート面６８とで囲まれる第１低圧室４１と外部（第２低圧室４２や低圧流路孔４８等）との気密シールに関して、第２バルブ１６の内周面とバルブリフター１３の外周面との間に摺動部（摺動クリアランス）６７を設けることで、第２制御弁の内外の気密シールを行っているが、バルブピストン１２と第２バルブ１６との間に摺動部（摺動クリアランス）を設けることで、第２制御弁の内外の気密シールを行っても良い。但し、それに伴って、第２バルブスプリング１７の必要セット荷重を調整する必要がある。

１ ニードル
２ ノズルボディ
３ アクチュエータ
１１ ピエゾピストン
１２ バルブピストン
１３ バルブリフター
１４ 第１バルブ（制御弁の弁体）
１５ 第１バルブスプリング
１６ 第２バルブ（切替弁の弁体）
１７ 第２バルブスプリング

Claims (9)

1. （ａ）内燃機関の気筒に燃料噴射を行う噴孔（２２）を開閉するニードル（１）と、
   （ｂ）このニードル（１）に対して閉弁方向に作用する燃料圧力を蓄える制御室（２４）と、
   （ｃ）この制御室（２４）と弁孔（４５）を介して連通し、前記制御室（２４）から流出した燃料が流通する低圧室（４１、４２）と、
   （ｄ）自身が開弁することで、前記制御室（２４）から前記低圧室（４１、４２）を介して燃料系の低圧側へ燃料を流出させて前記制御室（２４）内の燃料圧力を低下させる制御弁（１２〜１５）と
   を備え、
   前記制御弁（１２〜１５）を開閉動作させることで、前記制御室（２４）内の燃料圧力を調整して、前記ニードル（１）の開閉動作を制御する燃料噴射弁において、
   前記低圧室（４１、４２）は、前記制御室（２４）から前記低圧室（４１、４２）へ流出した燃料の流量を規制するオリフィス（４６）を有し、
   前記燃料噴射弁は、前記低圧室（４１、４２）内の流路面積を、前記オリフィス（４６）以下の流路面積と前記オリフィス（４６）よりも大きい流路面積とに切り替える切替弁（１６、１７）を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記ニードル（１）の開弁時に前記噴孔（２２）から噴射される燃料の噴射量が微小噴射量時には、前記制御弁（１２〜１５）のみが開弁し、
   前記燃料の噴射量が前記微小噴射量よりも多い大噴射量時には、前記制御弁（１２〜１５）および前記切替弁（１６、１７）が共に開弁することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記制御弁は、前記低圧室（４１、４２）に臨む第１弁座（６８）に接離して前記弁孔（４５）を開閉する第１弁体（１４）、およびこの第１弁体（１４）を閉弁方向に付勢する第１スプリング（１５）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載の燃料噴射弁において、
   前記切替弁は、前記第１弁座（６８）に対する前記第１弁体（１４）のリフト量に応じて、前記低圧室（４１、４２）内の流路を流通する燃料の流量を絞る絞り有りの状態と、前記低圧室（４１、４２）内の流路を流通する燃料の流量を絞らない絞りなし状態とに切り替える第２弁体（１６）、およびこの第２弁体（１６）を閉弁方向に付勢する第２スプリング（１７）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、
   前記切替弁は、前記低圧室（４１、４２）に臨む第２弁座（６８）に着座している時に、前記低圧室（４１、４２）内の流路を、この流路を流通する燃料の流量を絞る絞り有りの状態に切り替え、前記第２弁座（６８）からリフトしている時に、前記低圧室（４１、４２）内の流路を、この流路を流通する燃料の流量を絞らない絞りなし状態に切り替える第２弁体（１６）、およびこの第２弁体（１６）を前記第２弁座（６８）に押し当てる方向に付勢する第２スプリング（１７）を有していることを特徴とする燃料噴射弁。
6. 請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、
   前記切替弁（１６、１７）の閉弁時における前記オリフィス（４６）の流路面積は、前記制御弁（１２〜１５）の開弁時における前記低圧室（４１、４２）内の流路（４７）の流路面積よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料噴射弁。
7. 請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射弁において、
   前記燃料噴射弁は、自身の変位を利用して前記制御弁（１２〜１５）および前記切替弁（１６、１７）を開閉駆動するアクチュエータ（３）を備えたことを特徴とする燃料噴射弁。
8. 請求項７に記載の燃料噴射弁において、
   前記アクチュエータ（３）は、前記制御弁（１２〜１５）のリフト量が第１所定値以下の場合、前記制御弁（１２〜１５）のみを単独で開弁駆動し、
   前記制御弁（１２〜１５）のリフト量が第２所定値以上の場合、前記制御弁（１２〜１５）と連動して前記切替弁（１６、１７）を開弁駆動することを特徴とする燃料噴射弁。
9. 請求項７または請求項８に記載の燃料噴射弁において、
   前記アクチュエータ（３）は、電荷の充放電により伸縮するピエゾ素子積層体を有していることを特徴とする燃料噴射弁。

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