(57)【要約】【課題】ピエゾアクチュエータの作動状態の個体間等によるばらつき抑制と、前記アクチュエータの操作力向上との両立が可能な燃料噴射装置を提供。【解決手段】操作要素と、操作要素１８、３４を駆動するアクチュエータ２２と、アクチュエータへ充電電流を供給すると共に、アクチュエータを供給先とする充電電流を、アクチュエータを供給元として流れる電流に切換える駆動回路３ａを有する制御装置３００とを備え、アクチュエータは、駆動回路に充放電制御される駆動部７０と、駆動部に発生する荷重を検出する荷重検出部６０とを有し、駆動部及び荷重検出部は、圧電体層Ｐと内部電極層Ｅとが積層される圧電体ユニット２３で構成され、制御装置は、荷重検出部からの検出出力を入力する入力回路３ｂを有し、前記作動状態が特定状態であることを切換え条件とし、荷重検出部に接続する回路を、入力回路３ｂから駆動回路３ａに切換える切換え手段３ｃ、３ｄを備える。【選択図】図１
2010101247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射を操作する操作要素と、
前記操作要素を駆動するピエゾアクチュエータと、
前記ピエゾアクチュエータを駆動制御し、前記ピエゾアクチェエータへの充電及び放電により前記ピエゾアクチュエータの作動状態を切換える制御装置であって、前記ピエゾアクチュエータへ充電電流を供給すると共に、前記ピエゾアクチュエータを供給先とする前記充電電流を、前記ピエゾアクチュエータを供給元として流れる電流に切換える駆動回路を有する制御装置と、
を備え、充放電制御される前記ピエゾアクチュエータの作動状態に応じて前記操作要素が操作されて燃料の噴射及び噴射停止をする燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、
前記駆動回路に充放電制御される駆動部と、
前記駆動部により操作される前記操作要素に負荷され前記駆動部に発生する荷重を検出する荷重検出部と、を有し、
前記駆動部及び前記荷重検出部は、圧電体層と内部電極層とが積層される圧電体ユニットで構成され、
前記制御装置は、
前記荷重検出部からの検出出力を入力する入力回路を有し、
前記ピエゾアクチュエータの前記作動状態が特定状態にあることを切換え条件とし、
前記荷重検出部に接続する回路を、前記入力回路から前記駆動回路に切換える切換え手段を備えていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記特定状態とは、前記ピエゾアクチュエータにおいて前記駆動部への充電及び放電により切換えられる作動状態が、前記駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記ピエゾアクチュエータは複数の前記圧電体ユニットで構成されるものであって、
前記荷重検出部は、前記圧電体ユニットにおいて前記荷重検出部が少なくとも一つ以上に区分される荷重検出部区分で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記圧電体ユニットは、前記荷重検出部を構成する前記圧電体層及び前記内部電極層と、前記駆動部を構成する前記圧電体層及び前記内部電極層と、を積層させた後、当該積層された前記圧電体層及び前記内部電極層を焼成させることにより、一体化された焼成体と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装置。
【請求項５】
前記ピエゾアクチュエータは、前記圧電体ユニットのうちの、隣り合う前記荷重検出部側の圧電体ユニットの部分と前記駆動部側の圧電体ユニットの部分において、双方の前記圧電体ユニットの部分における前記圧電体層及び前記内部電極層のうちの、前記駆動部に最も近い荷重検出部側終端内部電極層と、前記荷重検出部に最も近い駆動部側終端内部電極層は、負極側同士に設定され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装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかの一項に記載の燃料噴射装置は、噴孔及び弁座を有するハウジングと、前記ハウジング内に収容され、前記弁座に着座及び離座する弁部材とを有し、高圧燃料供給源から供給される燃料を、前記弁部材が前記弁座から離座及び着座することにより前記噴孔から噴射及び噴射停止する燃料噴射弁を備え、
前記操作要素は、少なくとも前記弁座及び前記弁部材を有し、
前記ピエゾアクチュエータは、前記弁部材を直接または間接的に駆動することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
前記ピエゾアクチュエータと、前記弁部材との間には、油密室を備え、
前記油密室は、前記ピエゾアクチュエータと前記弁部材とを連結する油圧連結要素を構成していることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記ピエゾアクチュエータと前記弁部材との間には、前記弁部材を前記弁座へ着座及び離座させる液圧調整機構であって、前記高圧燃料供給源から燃料が供給され、当該供給される燃料の圧力を減圧制御または増圧制御する液圧調整機構を備え、
前記液圧調機構は、前記ピエゾアクチュエータに直接的に操作される前記操作要素として構成され、
当該ピエゾアクチュエータの直接操作により前記液圧調機構の燃料の圧力が減圧または増圧されることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記ピエゾアクチュエータの作動状態が前記駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にあるか否かを判定する限界領域判定手段を有し、
限界領域判定手段は、前記高圧燃料供給源から供給される燃料の圧力を検出し、当該検出した燃料の圧力が特定圧力以上にあることに基づいて限界領域側にあると判定することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかの一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記荷重検出部による検出結果に基づいて前記駆動回路による充放電制御を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかの一項に記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置に関し、例えば内燃機関に燃料を噴射供給する燃料噴射装置に適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関に燃料を噴射供給する燃料噴射装置において、燃料噴射を操作する「操作要素」としての弁部材が、駆動体の駆動により操作されることにより、内燃機関に燃料を噴射供給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、圧電素子のように駆動力の大きな素子が伸縮するピエゾアクチュエータを利用する技術が提案されている。ピエゾアクチュエータは、伸縮の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきを抑制する必要がある。
【０００３】
このような燃料噴射装置の一種として特許文献１に開示の装置では、圧電体層と内部電極層とが交互に積層され、内部電極層間の圧電体層、言い換えると静電容量体に電圧を印加し充電することにより伸長する圧電体ユニットを備え、この圧電ユニットの出力側の端部に非導電性部材からなるスペーサを介して圧電体からなる荷重センサを設けるようにしている。この技術では、ピエゾアクチュエータにより操作される「操作要素」に負荷されピエゾアクチュエータに発生する荷重を検出し、その検出結果に基づいて伸縮の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制が可能とするのである。
【特許文献１】特開平１０−２８８１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１による従来技術では、例えば燃料噴射弁のハウジング内に荷重センサを圧電ユニットに一体的に組み込むことになるが、荷重センサが圧電ユニットの長手方向、つまりピエゾアクチュエータの長手方向のスペースを占有し、ピエゾアクチュエータの有効駆動長を確保することが難しくなる懸念がある。場合によってはピエゾアクチュエータへの充電エネルギの供給による操作力が不足する可能性がある。
【０００５】
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、燃料噴射を操作する操作要素を駆動するピエゾアクチュエータを備えたものにおいて、ピエゾアクチュエータの伸縮といった作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制と、操作要素を操作するピエゾアクチュエータの操作力の向上との両立が可能な燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
即ち、請求項１乃至１０に記載の発明では、燃料噴射を操作する操作要素と、操作要素を駆動するピエゾアクチュエータと、ピエゾアクチュエータを駆動制御し、ピエゾアクチェエータへの充電及び放電によりピエゾアクチュエータの作動状態を切換える制御装置であって、ピエゾアクチュエータへ充電電流を供給すると共に、ピエゾアクチュエータを供給先とする充電電流を、ピエゾアクチュエータを供給元として流れる電流に切換える駆動回路を有する制御装置と、を備え、充放電制御されるピエゾアクチュエータの作動状態に応じて操作要素が操作されて燃料の噴射及び噴射停止をする燃料噴射装置において、
ピエゾアクチュエータは、駆動回路に充放電制御される駆動部と、駆動部により操作される操作要素に負荷され駆動部に発生する荷重を検出する荷重検出部と、を有し、駆動部及び荷重検出部は、圧電体層と内部電極層とが積層される圧電体ユニットで構成され、
制御装置は、荷重検出部からの検出出力を入力する入力回路を有し、ピエゾアクチュエータの前記作動状態が特定状態にあることを切換え条件とし、荷重検出部に接続する回路を、入力回路から駆動回路に切換える切換え手段を備えていることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、ピエゾアクチュエータは、駆動回路に充放電制御される駆動部と、駆動部により操作される操作要素に負荷され駆動部に発生する荷重を検出する荷重検出部とを有すると共に、制御装置は、荷重検出部に接続する回路を、荷重検出部からの検出出力を入力する入力回路から、荷重検出部に充放電制御する駆動回路に切換える切換え手段を備えるという構成としている。これにより、従来技術のように、ピエゾアクチュエータにおいて荷重検出部を除く部分、言い換えると駆動部のみで、操作要素を操作する操作力を発生させるのではなく、所定の条件において荷重検出部を、上記操作力が発生する駆動部として機能させることが可能となる。そのため、操作要素を操作する上記操作力の向上が図れる。
【０００９】
さらに、上記構成に加えて、荷重検出部は、駆動部と概ね同様の、圧電体層と内部電極層とが積層される圧電体ユニットで構成されているので、上記荷重検出部に充放電制御する駆動回路として、駆動部を充放電制御する駆動回路を用いることができる。言い換えると、圧電効果で検出出力が得られる荷重検出部に、駆動回路の充電制御による逆圧電効果を作用させ、上記操作力が発生する駆動部として機能させることができるのである。したがって、ピエゾアクチュエータにおいて操作要素を操作する上記操作力が確実に向上する。
【００１０】
さらに、荷重検出部を駆動部として機能させる上記所定の条件として、ピエゾアクチュエータの作動状態が特定状態にあることを切換え条件とするので、荷重検出部は、例えば操作力が不足するといった特定状態以外の、通常状態において、常に、ピエゾアクチュエータにおいて駆動部で発生する荷重を検出する荷重検出機能が維持される。これにより、特定状態以外の通常状態においては、荷重検出部の荷重検出機能による検出出力結果に基づいてピエゾアクチュエータの作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきを抑制することが可能である。
【００１１】
以上の請求項１に記載の発明によれば、ピエゾアクチュエータの個体間の作動状態のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制と、操作要素を操作するピエゾアクチュエータの操作力の向上との両立が可能な燃料噴射装置を得ることができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、特定状態とは、ピエゾアクチュエータにおいて駆動部への充電及び放電により切換えられる作動状態が、駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にあることを特徴とする。
【００１３】
これによると、荷重検出部を駆動部として機能させる切換え条件とする特定状態は、駆動部への充電及び放電により切換えられる作動状態が、駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にある場合に限られる。上記範囲の限界領域側以外の範囲部分では、ピエゾアクチュエータにおいて駆動部の操作力が十分にあるので、例えば個体間の作動状態のばらつきや経時変化によるばらつきによる操作力を補正し、目標操作力を得ることが可能となる。一方、上記範囲の限界領域側の範囲部分では、目標操作力に対し操作力を補正するための操作力の余力が少ないという懸念がある。
【００１４】
それ故に、請求項２に記載の発明の如く切換え条件とする特定状態が、駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にある場合に限られる設定とすることで、ピエゾアクチュエータの個体間の作動状態のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制と、操作要素を操作するピエゾアクチュエータの操作力の向上との両立が、実質的に確保できるのである。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明では、ピエゾアクチュエータは複数の圧電体ユニットで構成されるものであって、荷重検出部は、圧電体ユニットにおいて荷重検出部が少なくとも一つ以上に区分される荷重検出部区分で構成されていることを特徴とする。
【００１６】
かかる発明では、荷重検出部の検出出力の出力範囲は、圧電効果を発生する内部電極間の圧電体層の積層数に比例することになるが、上記荷重検出部を、圧電体ユニットにおいて荷重検出部が少なくとも一つ以上に区分される荷重検出部区分で構成される構成とするので、荷重検出部を、複数の圧電体ユニットで構成したり、一つの圧電体ユニットにおいて圧電体ユニットの部分に限定するという構成とすることができる。
【００１７】
これにより、作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制するために必要な荷重検出部の出力範囲の確保と、操作力の向上との両立ができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明では、圧電体ユニットは、荷重検出部を構成する圧電体層及び内部電極層と、駆動部を構成する圧電体層及び内部電極層と、を積層させた後、当該積層された圧電体層及び内部電極層を焼成させることにより、一体化された焼成体としていることを特徴とする。
【００１９】
ここで、圧電体ユニットにおいて静電容量体である内部電極層間の圧電体層は、その静電容量が、温度変化に対し影響を比較的受け易いという物性特性を有している。荷重検出部を駆動部として機能させる場合において、荷重検出部の操作力を、少なくとも温特補正する必要があるが、例えば荷重検出部に対する温特補正が不十分な場合には、駆動部及び荷重検出部の全体の操作力の温特によるばらつきが増加する可能性があるので、結果としてそのような操作力により操作される操作要素によって実現される燃料噴射の制御性が低下するという懸念がある。
【００２０】
これに対し請求項４に記載の発明によると、上記駆動部と荷重検出部とを備えるピエゾアクチュエータは、駆動部及び荷重検出部を一体的な組付構造とするのではなく、駆動部及び荷重検出部を一つの焼成体として得ることができる。言い換えると、駆動部及び荷重検出部が同時焼成されて一つの焼成体に形成されるのである。それ故に、例えば駆動部と荷重検出部とを別々に焼結等により形成し、これらを一体的に組付ける上記組付構造に比べて、上記焼成体内において駆動部と荷重検出部との物性特性を、実質的に概ね同じに形成することが容易となる。
【００２１】
これにより、荷重検出部を駆動部として機能させる場合に、駆動部に対する温特補正を活用することにより、荷重検出部に対して温特補正が容易に実施可能となる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明では、ピエゾアクチュエータは、圧電体ユニットのうちの、隣り合う荷重検出部側の圧電体ユニットの部分と駆動部側の圧電体ユニットの部分において、双方の圧電体ユニットの部分における圧電体層及び内部電極層のうちの、駆動部に最も近い荷重検出部側終端内部電極層と、荷重検出部に最も近い駆動部側終端内部電極層は、負極側同士に設定されていることを特徴とする。
【００２３】
ここで、上記駆動部及び荷重検出部との間に、非導電性部材からなるスペーサを介在させ、駆動部、スペーサ、及び荷重検出部を、一体的に組付する組付構造、あるいは一体化された焼成体にする場合が考えらえる。駆動部の占有スペースの拡大を図るには、上記スペーサをなくすか薄肉化するという方法を採用することが考えられる。しかしながら、駆動部及び荷重検出部間の電気的な遮蔽が不十分となり、例えば電界リークにより荷重検出部の検出出力の検出信号に、駆動部側の充放電制御による信号が重畳する可能性があるので、荷重検出部の検出精度が低下するという懸念がある。
【００２４】
これに対し請求項５に記載の発明によると、荷重検出部における荷重検出部側終端内部電極層と駆動部における駆動部側終端内部電極層とは、負極側同士であるので、両終端内部電極層間に発生する電位差を一貫して小さく抑制する電極の組合せとすることができる。この負極側同士の組合せによる上記両終端内部電極層間において、駆動部の圧電体層の作動状態を例えば伸長すべく、駆動部における駆動部側終端内部電極層を含む内部電極層に高電圧を印加し充電電流を流す場合であったとしても、荷重検出部への電界リークを抑制することができ、荷重検出部の検出精度が向上する。
【００２５】
また、請求項６に記載の発明では、請求項１から請求項５のいずれかの一項に記載の燃料噴射装置は、噴孔及び弁座を有するハウジングと、ハウジング内に収容され、弁座に着座及び離座する弁部材とを有し、高圧燃料供給源から供給される燃料を、弁部材が弁座から離座及び着座することにより噴孔から噴射及び噴射停止する燃料噴射弁を備え、操作要素は、少なくとも弁座及び弁部材を有し、ピエゾアクチュエータは、弁部材を直接または間接的に駆動することを特徴とする。
【００２６】
かかる発明では、操作要素は、少なくとも弁座及び弁部材を備え、ピエゾアクチュエータは、弁部材を直接または間接的に駆動する。これによると、弁部材の弁座からの離座及び着座、言い換えると燃料の噴射及び噴射停止を操作する操作要素を直接または間接的に駆動するピエゾアクチュエータは、駆動部により操作される操作要素に負荷され駆動部に発生する荷重を、荷重検出部で確実に検出することができる。
【００２７】
これにより、その荷重検出部の検出結果に基づいてピエゾアクチュエータの伸縮といった作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの程度を見極めることができるので、例えば燃料の噴射及び噴射停止のうちの燃料噴射時期などといった特定燃料状態に対応する特定荷重状態を、荷重検出部で検出し、その検出結果に基づいて上記ばらつきを抑制することが可能である。
【００２８】
また、請求項７に記載の発明では、ピエゾアクチュエータと、弁部材との間には、油密室を備え、油密室は、ピエゾアクチュエータと弁部材とを連結する油圧連結要素を構成していることを特徴とする。
【００２９】
これによると、ピエゾアクチュエータは、油圧連結機能を有する油密室を介して、弁部材を直接駆動することになる。言い換えると、ピエゾアクチュエータにおいて駆動部が弁部材を直接操作すると共に、駆動部により操作される弁部材に負荷され駆動部に発生する荷重を荷重検出部で検出することができる。
【００３０】
また、請求項８に記載の発明では、ピエゾアクチュエータと弁部材との間には、弁部材を弁座へ着座及び離座させる液圧調整機構であって、高圧燃料供給源から燃料が供給され、当該供給される燃料の圧力を減圧制御または増圧制御する液圧調整機構を備え、
液圧調機構は、ピエゾアクチュエータに直接的に操作される操作要素として構成され、当該ピエゾアクチュエータの直接操作により液圧調機構の燃料の圧力が減圧または増圧されることを特徴とする。
【００３１】
これによると、操作要素は、弁座、弁部材、及びピエゾアクチュエータ及び弁部材の間に設けられた液圧調機構を備え、ピエゾアクチュエータは、液圧調機構への直接操作により液圧調機構の燃料の圧力を減圧制御または増圧制御することで、弁部材を弁座へ着座及び離座させることになる。言い換えると、ピエゾアクチュエータにおいて駆動部が液圧調機構を直接操作することにより間接的に弁部材を操作すると共に、駆動部により操作される液圧調機構に負荷され駆動部に発生する荷重を荷重検出部で検出することができる。
【００３２】
また、請求項９に記載の発明では、制御装置は、ピエゾアクチュエータの作動状態が駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にあるか否かを判定する限界領域判定手段を有し、限界領域判定手段は、高圧燃料供給源から供給される燃料の圧力を検出し、当該検出した燃料の圧力が特定圧力以上にあることに基づいて限界領域側にあると判定することを特徴とする。
【００３３】
ここで、ピエゾアクチュエータは、充放電により伸縮という変位が発生する一方、燃料噴射を操作、いわゆる燃料の噴射及び噴射停止を制御する操作要素を駆動するので操作要素からの負荷によって上記変位の発生力が影響を受けることになる。言い換えると、ピエゾアクチュエータが操作要素を操作するために必要な変位及び操作力は、燃料圧力に応じて変化するため、燃料の圧力が特定圧力以上である場合には、駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にある可能性がある。
【００３４】
これに対し請求項９に記載の発明によれば、制御装置は、高圧燃料供給源から供給される燃料の圧力を検出し、当該検出した燃料の圧力が特定圧力以上にあることに基づいてピエゾアクチュエータの作動状態が駆動部の作動可能な範囲のうちの限界領域側にあると判定する限界領域判定手段を有している。これによれば、荷重検出部を駆動部として機能させる切換え条件とする特定状態を、高圧燃料供給源から供給される燃料の圧力が特定圧力以上にあるか否かを判定するという簡素な方法で特定することができる。
【００３５】
また、請求項１０に記載の発明では、制御装置は、荷重検出部による検出結果に基づいて駆動回路による充放電制御を補正する補正手段を有することを特徴とする。
【００３６】
これによると、荷重検出部の検出結果に基づいてピエゾアクチュエータの伸縮といった作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの程度を見極めると共に、上記ばらつきの程度に応じて駆動回路による充放電制御を補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
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。
【００３８】
（第１実施形態）
図１〜４は、本実施形態による燃料噴射装置を示している。図２〜４は燃料噴射装置に適用する燃料噴射弁の特徴的構成を示している。本発明の燃料噴射装置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供給する。燃料供給装置１が取り扱う燃料は、ディーゼル燃料に限らずガソリン燃料、あるいはジメチルエーテルといったＤＭＥや液化天然ガス（ＬＰＧ）などの液化燃料のいずれであってもよい。
【００３９】
燃料供給装置１は、図示しない高圧燃料供給源、燃料噴射弁２、及び制御装置３００などを備えている。燃料噴射弁２は、多気筒内燃機関の気筒に装着されている。高圧燃料供給源は、燃料タンク１０から燃料を汲み上げ、圧送する圧送ポンプと、圧送ポンプから圧送される燃料を高圧状態で蓄えると共に、当該燃料を各気筒の燃料噴射弁２に分配するコモンレールといった蓄圧器と備える周知の構成である。
【００４０】
燃料噴射弁２は、上記高圧燃料源から燃料が供給される一方、燃料噴射弁２に供給された燃料のうち、燃料噴射に利用されなかった燃料がリターン経路８より燃料タンク１０に戻される。
【００４１】
燃料噴射弁２は、「弁閉鎖体」としてのノズル１１、制御弁１８、およびアクチュエータ部２１とを含んで構成され、これらの構成要素は、棒状を呈するハウジング４０に収容されている。
【００４２】
ハウジング４０は、上記蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部４１、およびリターン経路８に接続する燃料出口部４２を有している。ハウジング４０の軸方向一端側には、収容部４３が形成されており、その収容部４３には、燃料の噴射及び噴射停止を制御する、弁部材を含むノズル１１が収容されている。
【００４３】
ノズル１１は、「弁部材としての」ニードル１２、ノズルスプリング１６、およびノズルシリンダ１７を有している。ニードル１２は、収容部４３内に摺動自在に保持されている。収容部４３の軸方向一端側には、噴孔４４が形成されおり、噴孔４１は、高圧燃料通路４６を介して燃料入口部４１と連通する。この噴孔４４の燃料入口部４１側、即ち上流側には、ニードル１２に形成されているシート部１３が着座する弁座４５が形成されている。
【００４４】
弁座４５にシート部１３が着座することにより、噴孔４４の入口への燃料の流れが閉塞され、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。弁座４５からシート部１３が離座することにより、噴孔４４の入口への燃料の流れが開放され、噴孔４４から燃料が噴射する。
【００４５】
ノズルシリンダ１７は、筒状に形成されており、ニードル１２においてシート部１３とは反対側の端部に形成されているピストン部１４を、内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入している。ノズルシリンダ１７は、ピストン部１４および収容部４３の内壁とともに内部の燃料圧力が高圧と低圧とに切り替えられる制御室５２を形成する。
【００４６】
ニードル１２においてシート部１３とピストン部１４との間には、フランジ部１５が形成され、このフランジ部１５とノズルシリンダ１７との間には、ノズルスプリング１６が設けられている。このノズルスプリング１６は、ニードル１２を、シート部１３が弁座４５に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
【００４７】
ニードル１２は、制御室５２内の燃料圧力により閉弁方向に付勢される。また、ニードル１２は、燃料入口部４１から高圧燃料通路４６を介して収容部４３に導かれる高圧燃料によりシート部１３が弁座４５から離座する方向、つまり開弁方向に付勢される。ニードル１２は、制御室５２内の燃料圧力、収容部４３に導かれる高圧燃料の燃料圧力、およびノズルスプリング１６の付勢力のバランスにより、閉弁方向または開弁方向への移動が決定される。
【００４８】
制御弁１８は、ハウジング４０の軸方向中間部に形成されているバルブ室５３内に収容され、制御室５２内の燃料圧力の高圧、低圧を切り替え制御する。バルブ室５３は、制御室５２と常時連通する連絡通路５０、収容部４３から分岐した高圧連絡通路４７、低圧燃料通路４８と接続している。連絡通路５０には、コモンオリフィス５１が設けられている。
【００４９】
制御弁１８は、弁体１９、およびバルブスプリング２０を有している。弁体１９は、制御室５２の内壁における低圧燃料通路４８の開口部の周囲に形成されている低圧側シート面５４に離着座することにより、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通、遮断を制御する。また、弁体１９は、制御室５２の内壁における高圧連絡通路４７の開口部の周囲に形成されている高圧側シート面５５に離着座することにより、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通、遮断を制御する。弁体１９は、低圧側シート面５４に着座しているときは、高圧側シート面５５から離座しており、反対に低圧側シート面５４に離座しているときは、高圧側シート面５５に着座する。バルブスプリング２０は、低圧側シート面５４に着座させる向きに弁体１９を付勢する。
【００５０】
アクチュエータ部２１は、ハウジング４０の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室５６に収容されている。アクチュエータ室５６は、低圧連絡通路４９を介して低圧燃料通路４８に接続している。
【００５１】
燃料タンク１０と燃料出口部４２とを接続するリターン経路８には、低圧燃料通路４８側の圧力を制御する背圧弁９が配置されている。蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が１００ＭＰａ以上であるのに対し、背圧弁９は低圧燃料通路４８側の燃料圧力を１ＭＰａ程度に制御する。ここで、蓄圧器を含む高圧燃料源から供給される燃料の圧力は、燃料噴射圧力相当の圧力であり、コモンレール圧という。また、リターン経路８に連通するアクチュエータ室５６内の燃料の圧力は、リーク燃料圧という。
【００５２】
アクチュエータ部２１は、ピエゾアクチュエータ２２、および変位伝達部３０を有している。ピエゾアクチュエータ２２は、主に圧電体層を複数積層させることにより構成されており、電荷Ｑの充放電により伸縮する。
【００５３】
ピエゾアクチュエータ２２は、圧電体ユニット２３および金属製のケーシング２４を有している。ケーシング２４は圧電体ユニット２３の軸方向一端部側と軸方向他端部側とを伸縮可能に架橋して圧電体ユニット２３の周囲を気密に覆っている。このケーシング２４は圧電体ユニット２３を燃料侵入から保護するものである。
【００５４】
圧電体ユニット２３は、「圧電体層」としてのピエゾ素子層Ｐと内部電極層Ｅとを積層させたものであって、内部電極層Ｅよりピエゾ素子層Ｐに電圧を印加することにより伸長する駆動部７０と、伸長する際に駆動部７０が発生する荷重を検出する荷重検出部６０を有する。荷重検出部６０は、ピエゾ素子層Ｐの圧電効果を利用したものである。荷重検出部６０を構成する内部電極層Ｅから、荷重に応じた電圧が取り出される。
【００５５】
即ち、駆動部７０は、電荷Ｑの充放電により伸縮するという変位の出力が発生すると共に、後述の操作要素を構成する液圧調整機構１８、３０を直接的に操作することで操作される液圧調整機構１８、３４に負荷され荷重が発生するのである。荷重検出部６０は、駆動部７０を充放電制御するときの、駆動部７０が発生する荷重を検出するのである。
【００５６】
ここで、上記駆動部７０の出力は上記操作要素を操作するものであるから、変位、並びに上記操作要素を操作する駆動力が発生する。充放電制御により駆動部７０に発生する上記変位の出力、並びに上記操作要素を操作する駆動力を、以下単に「操作力」と呼ぶ。
【００５７】
変位伝達部３０は、ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０の伸縮変位を制御弁１８の弁体１９に伝達する。変位伝達部３０は、アクチュエータシリンダ３１、第１ピストン３２、および第２ピストン３３を有する。第１ピストン３２および第２ピストン３３は、アクチュエータシリンダ３１の内周側に摺動自在に、かつ液密的に挿入されている。第１ピストン３２と第２ピストン３３との間には、燃料が充填された液室３４が形成されている。
【００５８】
第１ピストン３２は、第１スプリング３５によりピエゾアクチュエータ２２側に向かって付勢されている。第１ピストン３２は、ピエゾアクチュエータ２２により実質的に一体に駆動される。ピエゾアクチュエータ２２の伸長時、第１ピストン３２が液室３４に向かって移動するため、液室３４内の燃料圧力が一時的に上昇する。
【００５９】
第２ピストン３３は、第２スプリング３６により制御弁１８の弁体１９側に向かって付勢されており、第２ピストン３３は、弁体１９と実質的に一体的に接続されている。第２ピストン３３は、第２ピストン３３が液室３４内の燃料圧力を受けて、弁体１９に向かって移動することにより弁体１９をバルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通する方向に移動させる。
【００６０】
ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０の伸長時、第１ピストン３２は液室３４の方向に移動する。第２ピストン３３は、液室３４内の高圧化された燃料圧力を受けて作動し、弁体１９を以下の位置（以下、第１操作位置）へ駆動する。即ち、第２ピストン３３は、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通すると共に、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断する位置へ弁体１９を駆動する。
【００６１】
ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０の収縮時、液室３４内の燃料圧力は一時的に低下する。第２ピストン３３は、制御弁１８のバルブスプリング２０の付勢力により、第２スプリング３６に抗して第１ピストン３２側に押し戻される。バルブスプリング２０の付勢力は、第２スプリング３６の付勢力よりも大きく設定されている。これにより、第２ピストン３３は、弁体１９を、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断すると共に、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する第２操作位置（図１中の位置）へ駆動する。
【００６２】
ピエゾアクチュエータ２２には、駆動回路３を介して充電電流が供給されるようになっており、この駆動回路３は制御回路４により制御される。なお、本実施形態では、ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０を充放電させる方法として、マルチスイッチング方式（以下、ＭＳ方式という）を採用している。
【００６３】
制御装置３００は、駆動回路３と、制御回路４とを備えている。駆動回路３は、ピエゾアクチュエータ２２に接続しており、ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０に充電電流を供給すべく比較的高い電圧を印加するものである。また、駆動回路３には、制御回路４が接続されている。制御回路４は、各種情報に基づき、駆動回路３に与える充電制御信号及び放電制御信号を生成し、駆動部７０を充放電制御する駆動回路３を制御することにより、ピエゾアクチュエータ２２の伸縮を制御するものである。
【００６４】
駆動回路３は、充放電駆動部３ａを備えている。充放電駆動部３ａは、直流電源（図示せず）からインダクタ（図示せず）を介してピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０に通電する経路中に、直流電源を直接切り離すことができるスイッチング素子（図示せず）を有している。上記ＭＳ方式では、制御回路４からの充電制御信号に基づいて、当該スイッチング素子を複数回オン／オフすることにより、ピエゾアクチュエータ２２において圧駆動部７０を数回に分けて充電する。
【００６５】
上記スイッチング素子がオンしている間は、駆動部７０へ漸増する充電電流が流れる。スイッチング素子がオフされると、フライホイール作用で駆動部７０へ漸減する充電電流が流れる。このように駆動部７０に充電電流が流れる間、駆動部７０のピエゾ素子層Ｐにおけるピエゾ電圧は増加し続ける（図９参照）。なお、ＭＳ方式の詳細な駆動方法や回路構成などは、例えば特開２００１−５３３４８号公報にて周知である。
【００６６】
また、ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０及び荷重検出部６０のうち、荷重検出部６０は、駆動回路３を介して制御回路４に接続されるようにしている。駆動部７０及び荷重検出部６０の通信伝達手段としては、駆動部７０へ充電電流、並びに放電電流を流す伝送線、及び荷重検出部６０で出力する荷重Ｑと電圧信号Ｖを伝送する伝送線の双方が共通の駆動回路３を経由する上記構成に限らず、荷重検出部６０側の伝送線を直接的に制御回路４に接続する構成（図１参照）でもよい。
【００６７】
なお、上記伝送線は、後述の駆動部７０側の外部電極７５ａ、７５ｂに電気的に接続するリード線等で構成される第１伝送線７９と、荷重検出部６０側の外部電極６５ａ、６５ｂに電気的に接続するリード線等で構成される第２伝送線６９とを有している。両伝送線６９、７９は、荷重検出部６０側及び駆動部７０側の上記外部電極に接続すると共に、ハウジング４０の固定側５７の部分から気密に外部に取り出されている。
【００６８】
制御回路４は、マイクロプロセッサ（以下、ＭＰＵ）５、ＡＤ変換部６、信号処理用マイクロプロセッサ（以下、ＤＳＰ）７などを有している。また、制御回路４は、図示しないＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびＲＡＭといった記憶並びに読み出しを行なう記憶手段を有している。ＭＰＵ５は、上記記憶手段に記憶したプログラムに従って演算処理を実行する。ＡＤ変換部６及び信号処理用マイクロプロセッサ（以下、ＤＳＰ）７は、荷重検出部６０より入力される電荷Ｑと電圧信号Ｖとを高速Ａ／Ｄ処理する。
【００６９】
また、制御回路４には、吸入空気量、アクセルペダル踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧力などを検出する各種センサ（図示せず）とも接続され、これらの各種センサからの信号が入力されるようになっている。
【００７０】
このような制御回路４は、荷重検出部６０からの荷重Ｑと電圧信号Ｖを高速Ａ／Ｄ処理することにより駆動部７０が発生している荷重を算出する一方、当該算出した荷重や、各種センサから入力される信号に基づき、駆動部７０へ与える充電制御信号などを生成する。
【００７１】
ここで、ニードル１２は弁座４５から離座及び着座することにより、燃料の噴射及び噴射停止を制御しており、弁座４５、弁部材１２、及び液圧調整機構１８、３４は請求範囲に記載の操作要素に相当する。本実施形態では、ピエゾアクチュエータ２２は直接的に液圧調整機構１８、３４を駆動し、その結果ニードル１２を間接的に駆動する。
【００７２】
以上、燃料噴射装置１の基本構成について説明した。以下、燃料噴射装置１の特徴的構成について説明する。図１は、燃料噴射装置１において主に制御装置３００の特徴的構成を示しており、図２〜４は燃料噴射装置１のうちの燃料噴射弁２の特徴的構成を示している。
【００７３】
（特徴的構成）
ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０及び荷重検出部６０は、伝送線６９、７９を介して、図１に示すように、それぞれ、駆動回路３の充放電駆動部３ａ、荷重検出信号入力部３ｂを介して制御回路４に電気的に接続している。なお、ここで、駆動回路３の充放電駆動部３ａは請求範囲に記載の駆動回路に相当し、荷重検出信号入力部３ｂは請求範囲に記載の入力回路に相当する。
【００７４】
即ち、図１に示す通常状態のように、制御装置３００は、駆動部７０のみが駆動回路３の充放電駆動部３ａに第１伝送線７９で接続され、充放電駆動部３ａを介して駆動部７０を充放電制御すると共に、第２伝送線６９で荷重検出部６０からの荷重Ｑ及び電圧信号Ｖが、荷重検出信号入力部３ｂを介して制御回路４のＡＤ変換部６に入力される。
【００７５】
さらに、制御装置３００は、荷重検出部６０を、圧電効果を利用した荷重Ｑ及び電圧信号Ｖを出力する上記検出機能と、逆圧電効果を利用し駆動部７０と同様な操作力を発生する駆動機能とに、切換える切換え部３ｃ、３ｄを備えている。切換え部３ｃ、３ｄは、スイッチ（以下、ＳＷ）３ｃとＳＷ３ｄとを有しており、両ＳＷ３ｃ、３ｄは制御回路４による制御によって切換え位置が、以下の第１切換え位置と第２切換え位置とに電気的に切換えられる。
【００７６】
即ち、両ＳＷ３ｃ、３ｄの双方において第１切換え位置は、図１のＳＷ中の実線で示されるように、ピエゾアクチュエータ２２の荷重検出部６０と荷重検出信号入力部３ｂとの間を第２伝送線６９で電気的に接続するようにする。言い換えると、第１切換え位置では、第２伝送線６９において荷重検出部６０側の伝送線部６９ａと荷重検出信号入力部３ｂ側の伝送線部６９ａとが、両ＳＷ３ｃ、３ｄで接続される。
【００７７】
一方、第２切換え位置では、図１のＳＷ中の破線で示される特定状態のように、第２伝送線６９において荷重検出部６０側の伝送線部６９ａと荷重検出信号入力部３ｂ側の伝送線部６９ａとの電気的接続を遮断すると共に、荷重検出部６０側の伝送線部６９ａを第１伝送線７９に接続するようにする。言い換えると、第２切換え位置では、駆動部７０及び荷重検出部６０が駆動回路３の充放電駆動部３ａに接続される。それ故に、制御装置３００は、充放電駆動部３ａを介して駆動部７０及び荷重検出部６０の双方を充放電制御することが可能となるのである。
【００７８】
これにより、従来技術のように、ピエゾアクチュエータ２２において荷重検出部６０を除く部分、言い換えると駆動部７０のみで、操作要素を構成する液圧調整機構１８、３４を操作する操作力を発生させるのではなく、所定の条件、即ち上記特定状態において荷重検出部６０を、上記操作力が発生する駆動部７０と同様に駆動機能を発揮させることが可能となる。そのため、操作要素を操作する上記操作力の向上が図れる。
【００７９】
ここで、「切換え部」としての両ＳＷ３ｃ、３ｄ、及び制御回路４は請求範囲に記載の切換え手段に相当する。なお、切換え手段に相当する制御回路４は、制御回路４に限らず、駆動回路３といった他の回路であってもよく、制御装置３００を構成する回路であって、両ＳＷ３ｃ、３ｄにおいて第１切換え位置と第２切換え位置に切換える制御が行なえる回路であればいずれの回路でもよい。
【００８０】
さらに、本実施形態では、図２に示すように、荷重検出部６０は、駆動部７０と概ね同様の、ピエゾ素子層Ｐと内部電極層Ｅとが積層される圧電体ユニット２３で構成されている。言い換えると、荷重検出部６０は、圧電体ユニット２３において内部電極層Ｅ間に挟まれたピエゾ素子層Ｐが複数組積層されたユニット区分に形成されている。
【００８１】
即ち、図２に示すように、圧電体ユニット２３は、ピエゾ素子層６１、７１、８１と内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂとを積層させたものである。ピエゾアクチュエータ２２の外観は、四角柱の角部を軸方向に切り欠いて八角柱としたものである。
【００８２】
なお、ピエゾ素子層８１は、分極処理が実施されていない非活性ピエゾ素子層である。ピエゾ素子層８１は荷重検出部６０及び駆動部７０のいずれも構成しないからである。
【００８３】
圧電体ユニット２３の上端部には、複数のピエゾ素子層６１と、それらのピエゾ素子層６１を挟む複数の内部電極層６２ａ、６２ｂからと構成される荷重検出部６０が形成されている。荷重検出部６０よりも下方には、複数のピエゾ素子層７１と、それらのピエゾ素子層７１を挟む複数の内部電極層７２ａ、７２ｂとから構成される駆動部７０が、同じくピエゾ素子層８１からなる接続層８０を介して形成されている。
【００８４】
これにより、荷重検出部６０は、駆動部７０と概ね同様の、ピエゾ素子層Ｐと内部電極層Ｅとが積層される圧電体ユニット２３で構成されるので、上記荷重検出部７０に充放電制御する駆動方法として、駆動部７０を充放電制御する充放電駆動部３ａを用いることができる。言い換えると、圧電効果で検出出力が得られる荷重検出部６０に、充放電駆動部３ａの充電制御による逆圧電効果を作用させ、上記操作力が発生する駆動機能を発揮させることが確実にできる。したがって、ピエゾアクチュエータ２２において上記操作力が確実に向上する。
【００８５】
さらに、荷重検出部に駆動機能を発揮させる上記所定の条件として、ピエゾアクチュエータの作動状態が特定状態にあることを切換え条件としている。例えば操作力が不足するといった特定状態以外の、通常状態において、荷重検出部７０は、常に、ピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０で発生する荷重を検出する荷重検出機能が維持される。
【００８６】
また、本実施形態では、図１に示すように、燃料噴射弁２に内蔵する構成要素を収容するハウジング４０は、軸方向一端部に弁座４５が形成され、「操作要素」としての弁座４５、弁部材１２、及び液圧調整機構１８、３４が軸方向他端部側に順に配置されると共に、軸方向他端部にピエゾアクチュエータ２２が収容されている。
【００８７】
このような燃料噴射弁２において荷重検出部６０の配置位置としては、以下の配置が好ましい。即ち、図１に示すように、圧電体ユニット２３は、荷重検出部６０が、ハウジング４０の軸方向他端側に形成されているアクチュエータ室５６の軸方向他端側の固定端５７に直接的に当接するように収容されるようにする。
【００８８】
これにより、上記特定状態において荷重検出部６０に駆動機能を発揮させる際に、荷重検出部７０と固定端５７側との間に操作要素への操作力の発生によって変位する中間部材が介在していないので、荷重検出部７０の駆動機能を効果的に発揮させることが可能となる。また、上記荷重検出部６０の配置位置により、荷重検出部６０は特定状態以外の通常状態において、駆動部７０が発生する荷重をロスなく検出することができる。
【００８９】
なお、上記荷重検出部６０を固定端５７側に直接的に当接する構成とすることに限定するものではなく、荷重検出部６０を固定端５７側に直接または間接的に当接するといういずれの構成としてもよい。例えば固定端５７側に直接当接することによる衝撃により、荷重検出部６０が破損等の懸念がある場合には、上記荷重検出部６０と固定端５７側の間に中間部材を介在させた構成としてもよい。
【００９０】
また、上述の伝送線６９、７９と駆動部７０及び荷重検出部６０とを電気的に接続する構成として、圧電体ユニット２３は以下のように構成されている。
【００９１】
即ち、図３に示すように、圧電体ユニット２３の一方の側面には、荷重検出部６０の正極側外部電極６５ａおよび駆動部７０の正極側外部電極７５ａが設けられている。これら正極側外部電極６５ａ、７５ａが設けられている上記一方の側面の反対側の側面である他方の側面には、荷重検出部６０の負極側外部電極６５ｂおよび駆動部７０の負極側外部電極７５ｂが設けられている。そのような上記圧電体ユニット２３においては、図３及び図４に示すように、荷重検出部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂは、それぞれ圧電体ユニット２３の上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部６４ａ、６４ｂを有している。内部電極層６２ａ、６２ｂは、電極露出部６４ａ、６４ｂを介して上記一対の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂのいずれか一方に接続する。内部電極層６２ａ、６２ｂは、一層おきに交互にその接続先の外部電極６５ａ、６５ｂを変更する。
【００９２】
一方の駆動部７０における内部電極層７２ａ、７２ｂも、上記荷重検出部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂと同様に、上記一方の側面と上記他方の側面に露出する電極露出部７４ａ、７４ｂを有している。内部電極層７２ａ、７２ｂは、電極露出部７４ａ、７４ｂを介して上記一対の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂのいずれか一方に接続する。内部電極層７２ａ、７２ｂは、一層おきに交互にその接続先の外部電極７５ａ、７５ｂを変更する。
【００９３】
なお、荷重検出部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂと駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂは、図３においてそれぞれ同一側面上に設ける配置構成としているが、この配置構成に限定するものではない。即ち、同一側面上に設ける必要はない。
【００９４】
また、本実施形態では、圧電体ユニット２３は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック原料からなるピエゾ素子層６１、７１、８１と、Ａｇ／Ｐｄ合金からなる内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂを上述した配置となるように積層させた後、焼成させることにより一体化した「焼成体」としての、いわゆる一体積層型の焼成物としている。
【００９５】
ここで、圧電体ユニット２３において静電容量体である内部電極層６２ａ、６２ｂ間のピエゾ素子層６１は、その静電容量が、温度変化に対し影響を比較的受け易いという物性特性を有している。荷重検出部６０に駆動機能を発揮させる場合において、荷重検出部６０の操作力を、少なくとも温特補正する必要がある。例えば荷重検出部６０に対する温特補正が不十分なまま充放電制御がなされる場合には、駆動部７０及び荷重検出部６０の全体の操作力の温特によるばらつきが増加する可能性がある。その結果、そのような操作力により操作される操作要素によって実現される燃料噴射の制御性が低下するという懸念がある。
【００９６】
これに対し本実施形態によれば、ピエゾアクチュエータ２２は、駆動部７０及び荷重検出部６０を一体的な組付構造とするのではなく、駆動部７０及び荷重検出部６０を一つの焼成体として得ることができる。言い換えると、駆動部７０及び荷重検出部６０が同時焼成されて一つの焼成体に形成されるのである。それ故に、例えば上記組付構造を、駆動部７０と荷重検出部６０とを別々に焼結等により形成し、これらを一体的に組付けするものに比べて、本実施形態による焼成体内において駆動部７０と荷重検出部６０との物性特性を、実質的に概ね同じに形成することが容易となる。
【００９７】
これにより、荷重検出部６０に駆動機能を発揮させる場合に、駆動部７０に対する温特補正を活用することにより、荷重検出部６０に対して温特補正を実施することが容易となるので、荷重検出部６０に対し温特補正を十分に行い、駆動部７０と同様な温特補正性能を確保しつつ、充放電制御することが可能となる。
【００９８】
また、本実施形態では、荷重検出部６０における内部電極層６２ａ、６２ｂのうち、駆動部７０に最も近い荷重検出部側終端内部電極層６３は、負極側外部電極６５ｂに接続させている。一方、駆動部７０における内部電極層７２ａ、７２ｂのうち、荷重検出部６０に最も近い駆動部側終端内部電極層７３は、負極側外部電極７５ｂに接続させている。即ち、両終端内部電極層６３、７３がいずれも負極側外部電極層６５ｂ、７５ｂに接続される負極側の電極層となるようにしている。
【００９９】
ここで、本実施形態による駆動部７０及び荷重検出部６０との間に、従来技術のような非導電性部材からなるスペーサを介在させ、駆動部、スペーサ、及び荷重検出部を、一体的に組付する組付構造、あるいは一体化された焼成体にする場合が考えられる。駆動部７０の占有スペースの拡大を図るには、上記スペーサをなくすか薄肉化するという方法を採用することが考えられる。しかしながら、駆動部７０及び荷重検出部６０間の電気的な遮蔽が不十分となり、例えば電界リークにより荷重検出部６０の検出機能を発揮時において、その検出出力の検出信号に、駆動部７０側の充放電制御による信号が重畳する可能性がある。そのような場合、荷重検出部６０の検出精度が低下するという懸念がある。
【０１００】
これに対し本実施形態によれば、荷重検出部６０における荷重検出部側終端内部電極層６３と駆動部７０における駆動部側終端内部電極層７３とは、負極側同士であるので、両終端内部電極層６３、７３間に発生する電位差を一貫して小さく抑制する電極の組合せとすることができる。即ち、本実施形態によるピエゾアクチュエータ２２においては、駆動部７０に充電電流を供給し、荷重検出部６０に電荷Ｑと電圧信号Ｖが発生した状態であっても、両終端内部電極層６３、７３間の電位差を非常に小さくなるのである。
【０１０１】
このような負極側同士の組合せによる上記両終端内部電極層間６３、７３において、駆動部７０のピエゾ素子層７１の作動状態を例えば伸長すべく、駆動部７０において駆動部側終端内部電極層７３を含む内部電極層７２ａ、７２ｂに高電圧を印加し充電電流を流す場合であったとしても、荷重検出部７０への電界リークを抑制することができ、荷重検出部６０の検出精度が向上する。
【０１０２】
なお、上記荷重検出部側終端内部電極層６３および駆動部側終端内部電極層７３は、いずれも負極側の電極層となっており、かつ両終端内部電極層６３、７３の間には、上記ピエゾ素子８１からなる接続層８０を介在している。両終端内部電極層６３、７３同士が直接的に触れ合うこともないので、電界リークを確実に抑制することができる。
【０１０３】
また、本実施形態による荷重検出部６０の電圧信号Ｖの出力範囲の一例では、以下の範囲に設定されており、圧電効果による電圧信号Ｖを、荷重検出信号入力部３ｂもしくは制御回路４で増幅する必要がない。言い換えると、荷重検出部６０の圧電効果による検出出力が比較的大きいため、荷重検出部６０に逆圧電効果を利用して駆動機能を発揮させる際、荷重検出部６０から比較的大きな操作力を発生させることが可能なのである。
【０１０４】
即ち、荷重検出部６０は、その出力範囲が、図５に示すように、駆動部７０が発生する荷重に応じて、０Ｖから５０Ｖ程度の電圧信号Ｖを発生する検出出力能力を有している。駆動部７０に充電電流を供給するべく、駆動部７０のピエゾ素子層７１に約１５０Ｖ程度の高電圧を印加すると、ピエゾ素子層７１が積層方向に伸長する。このとき、荷重検出部６０において複数のピエゾ素子６１が積層方向に圧縮されることにより、電気的なノイズが抑制された数１０Ｖ程度の比較的大きな検出出力が得られるのである。なお、図５において、各特性線はそれぞれｔ１＝−３０℃、ｔ２＝２５℃、ｔ３＝１２０℃の一例を示すものである。
【０１０５】
また、荷重検出部６０の検出機能において、上述の如く駆動部７０のピエゾ荷重に対し検出精度が向上するので、以下の図６に示すように、駆動部７０により直接的に駆動されることで駆動部７０に特徴的な負荷（ピエゾ荷重）を与える液圧調整機構１８、３０における第１操作位置及び第２操作位置を、検出する精度が格段に向上する。
【０１０６】
即ち、図６は、図９の燃料噴射装置１の作動を示すタイムチャートにおいて、荷重検出部６０の検出により検出するピエゾ荷重の変化特性のみを示している。図６中の実線は本実施形態を示しており、破線は比較例を示している。比較例は、本実施形態の一態様による荷重検出部６０がピエゾアクチュエータ２２の軸方向他端部側に固定端５７に直接的に固定される構成に対し、荷重検出部６０がピエゾアクチュエータ２２の軸方向一端部側に配置される構成であり、この比較例では駆動部７０と変位伝達部３０との間に荷重検出部６０が挟み込まれることになる。
【０１０７】
第１操作位置は、液圧調整機構１８、３０において駆動部７０により直接的に駆動される制御弁１８の弁体１９が、高圧側シート面５５に当接する位置であり、また、第２操作位置は、弁体１９が、低圧側シート面５５に当接する位置であるので、第１時刻Ｔａが、第２操作位置から弁体１９が離座した時刻に相当し、第３時刻Ｔｃが、第１操作位置に弁体１９が着座した時刻に相当する。一方、第２時刻Ｔｂは、第１操作位置に弁体１９が着座する直前の時刻に相当する。
【０１０８】
本実施形態では、比較例に比べて駆動部７０に発生する荷重の損失が抑制されるため、
第２操作位置からの離座時及び第１操作位置への着座時のピエゾ荷重Ｆａ、Ｆｃがいずれも比較例より大きい値を得られると共に、第１操作位置への着座直前のピエゾ荷重Ｆｂが比較例より低い値を得ることができる。これらの本実施形態による荷重検出部６０によるピエゾ荷重Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃから、第２操作位置からの離座時、第１操作位置への着座直前時、及び第１操作位置への着座時に対応する上記液圧調整機構の各状態を、精度よく検出することができる。
【０１０９】
以上、燃料噴射装置１の特徴的構成について説明した。以下、燃料噴射装置１の作動について説明する。
【０１１０】
ピエゾアクチュエータ２２が伸長していないとき、第２ピストン３３は、制御弁１８のバルブスプリング２０の付勢力により第１ピストン３２側に戻っている。これにより、制御弁１８の弁体１９は、第２操作位置に規制され、バルブ室５３内の燃料圧力を受けて低圧燃料通路４８の方向に移動して低圧側シート面５４に着座する。この弁この第２操作位置に弁体１９があるときには、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する。これにより、バルブ室５３内の燃料圧力は、高圧燃料通路４６の燃料圧力と等しくなり、バルブ室５３と連通している制御室５２内の燃料圧力は、高圧燃料通路４６の燃料圧力、即ちコモンレール圧に等しくなる。
【０１１１】
このとき、高圧燃料通路４６の燃料圧力がニードル１２の周囲に作用することによるニードル１２に発生する開弁方向の力は、制御室５２の燃料圧力がニードル１２のピストン部１４に作用することによるニードル１２に発生する閉弁方向の力、およびノズルスプリング１６の付勢力によるニードル１２に発生する閉弁方向の力の合計よりも小さい。そのため、ニードル１２のシート部１３が弁座４５に着座し、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。
【０１１２】
制御回路４からの指令によりピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０が伸長すると、駆動部７０に伸長にともなって第１ピストン３２は液室３４に向かって移動する。第２ピストン３３は、液室３４内の燃料圧力を受けて弁体１９側に向かって移動する。弁体１９は、伸長した駆動部７０の操作力を受けて、第２操作位置から第１操作位置へ移動する。そして、弁体１９が第１操作位置に規制されると、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間を連通するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するようにする。すると、制御室５２内の燃料は、コモンオリフィス５１、連絡通路５０、バルブ室５３、および低圧燃料通路４８を介して燃料タンク１０へ戻されることになり、制御室５２内の燃料圧力が低下する。
【０１１３】
このとき、高圧燃料通路４６の燃料圧力がニードル１２の周囲に作用することによるニードル１２に発生する開弁方向の力は、制御室５２の燃料圧力がニードル１２のピストン部１４に作用することによる閉弁方向の力、およびノズルスプリング１６の付勢力による閉弁方向の力の合計よりも大きい。そのため、ニードル１２のシート部１３が弁座４５から離座し、噴孔４４からの燃料の噴射が行われる。
【０１１４】
その後、制御回路４からの指令によりピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０が収縮すると、第２ピストン３３は、バルブスプリング２０の付勢力により第１ピストン３２側に押し戻され、弁体１９は、第１操作位置から第２操作位置へ移動する。そして、弁体１９が第２操作位置に規制されると、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通を遮断するとともに、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間を連通する。これにより、蓄圧器からの高圧燃料が高圧燃料通路４６、高圧連絡通路４７、バルブ室５３、連絡通路５０、およびコモンオリフィス５１を介して制御室５２に導入されるので、制御室５２内の燃料圧力は再び上昇する。このとき、ニードル１２に発生する開弁方向の力は、ニードル１２に発生する閉弁方向の力よりも小さくなる。そのため、ニードル１２のシート部１３が弁座４５に着座し、噴孔４４からの燃料の噴射が停止する。ピエゾアクチュエータ２２の伸縮を繰り返すことにより、噴孔４４からの燃料の噴射が断続される。
【０１１５】
以上、燃料噴射装置１の基本作動について説明した。以下、燃料噴射装置１の特徴的作動について説明する。
【０１１６】
（特徴的作動）
通常状態においては、ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０及び荷重検出部６０のうち、上述の如く駆動部７０のみが制御回路４からの指令により充放電制御される。また、特定状態においては、駆動部７０及び荷重検出部６０の双方が制御回路４からの指令により充放電制御される。言い換えると、特定状態においては、駆動部７０及び荷重検出部６０の双方が充電制御されると、その双方が伸長し、駆動部７０及び荷重検出部６０の操作力の双方を合計した力が形成される。駆動部７０及び荷重検出部６０双方による当該操作力によって、操作要素を構成する液圧調整機構１８、３０が直接的に駆動され、ニードル１２が間接的に駆動される。
【０１１７】
一方、特定状態以外の上記通常状態においては、駆動部７０のみが充電制御され、伸長すると、駆動部のみによる操作力が形成され、この操作力によって、操作要素を構成する液圧調整機構１８、３０が直接的に駆動され、ニードル１２が間接的に駆動されるのである。
【０１１８】
次に、上記燃料噴射装置１が上記通常状態、及び特定状態に対応して、荷重検出部６０を、検出機能としての作動と、駆動機能としての作動に切換えるピエゾアクチュエータ２２の制御について、図７及び図８に基づいて説明する。図７は、制御装置３００に記憶のプログラムによって実行される、駆動部７０のみの充放電制御と、駆動部７０、及び駆動機能を発揮すべく荷重検出部６０の双方の充放電制御とを切換える制御処理を示している。図８は、図７中の駆動部のみを充放電制御する制御処理の一部であって、荷重検出部６０にて検出した駆動部７０のピエゾ荷重に基づいて上記充電制御を補正する制御処理を示すものである。
【０１１９】
ピエゾアクチュエータ２２は、「操作要素」のうちの液圧調整機構１８、３０において制御弁１８の弁体１９を駆動し、弁体１９の操作位置を、第１操作位置及び第２操作位置に切換える。そのため、弁体１９を駆動する駆動部７０には、弁体１９からの負荷に抗して弁体１９を操作する操作力を発生させる必要がある。弁体１９には、上記負荷となる、燃料の圧力（コモンレール圧）、及びバルブスプリング２０の付勢力が作用するが、燃料の圧力（コモンレール圧）が大きくなるほど、ピエゾアクチュエータ２２への圧縮荷重、即ち駆動部７０への圧縮荷重が大きくなるので、駆動部７０から取る出せる変位が低下する。そして、当該燃料の圧力（コモンレール圧）に応じて駆動部７０の実効操作力が低下するのである（例えば図１０（ｄ）参照）。
【０１２０】
なお、ここで、図１０（ｄ）は、燃料圧力（コモンレール圧）下において液圧調整機構１８、３０を操作するための各変位・操作力特性線（図中の太い実線）の一例を示すものである。各変位・操作力特性線は、燃料圧力（コモンレール圧）に応じて変化し、燃料圧力（コモンレール圧）が大きくなる程、必要な変位及び操作力が大きくなる。図中の変位・操作力特性線以下の範囲内であるならば、当該燃料圧力（コモンレール圧）下において操作力不足になることなく、正常に動作することを示している。ただし、変位・操作力特性線が、図中の限界領域を超える場合には、操作力が不足する可能性となることを示している。
【０１２１】
即ち、そのようなピエゾアクチュエータ２２において駆動部７０は、その作動可能な範囲が、燃料の圧力（コモンレール圧）で規定される変位出力及び実効操作力で制約される。言い換えると、燃料の圧力（コモンレール圧）が所定圧力値を超えるような、比較的大きなコモンレール圧Ｐｃが、蓄圧器から燃料噴射弁２へ供給される場合において、駆動部７０で必要とする操作力に余裕がなくなる（余力が少ない）という特定状態に陥る懸念がある。
【０１２２】
ここで、特定状態とは、充放電制御により得られる駆動部７０の作動状態が、上記作動可能な範囲の限界領域側にあることをいう。
【０１２３】
図７に示すように、Ｓ（Ｓはステップ）１００では、ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０の作動状態またはその指標値を検出する。なお、以下の説明では、作動状態のうちの特定状態を特定する指標値として、上記燃料の圧力（コモンレール圧）Ｐｃを、蓄圧器または燃料噴射装置１において蓄圧器以外の高圧燃料径路部に設けた燃料圧力センサ（図示せず）などの圧力検出手段により、検出するものとする。これにより、燃料の圧力（コモンレール圧）Ｐｃを検出するという簡易な方法で、作動状態のうちの特定状態を特定することができる。
【０１２４】
Ｓ２００では、Ｓ１００で検出した「指標値」としての燃料の圧力（コモンレール圧）Ｐｃが所定の特定圧力値Ｐｓ（以下、単に、特定値という）以上か否かを判定する。燃料の圧力（コモンレール圧）Ｐｃが特定値Ｐｓ未満である場合には、駆動部７０の作動状態が特定状態にないと判断し、Ｓ３００へ移行する。一方、燃料の圧力（コモンレール圧）Ｐｃが特定値Ｐｓ以上である場合には、駆動部７０の作動状態が特定状態にあると判断し、Ｓ４００へ移行する。
【０１２５】
Ｓ３００では、制御装置３００は、装置３００内のＳＷ３ｃ、３ｄの切換え位置を、第１切換え位置に設定し、Ｓ５００へ移行する。即ち、ピエゾアクチュエータ２２の荷重検出部６０と、制御回路４側の荷重検出信号入力部３ｂとが接続される。これにより、荷重検出部６０は、荷重検出機能を発揮する状態に設定される。
【０１２６】
Ｓ４００では、制御装置３００は、装置３００内のＳＷ３ｃ、３ｄの切換え位置を、第２切換え位置に設定し、Ｓ６００へ移行する。即ち、ピエゾアクチュエータ２２の荷重検出部６０と、駆動回路３側の充放電駆動部３ａとが接続される。これにより、荷重検出部６０は、駆動機能を発揮する状態に設定される。
【０１２７】
次に、Ｓ５００では、Ｓ３００の制御処理で荷重検出部６０が、駆動部７０のピエゾ荷重を検出する機能状態に設定されているので、荷重検出部６０の検出結果に基づいて駆動部７０への充放電制御を補正する。
【０１２８】
具体的には、Ｓ５００の制御処理は、以下の図８に示す制御処理を行なうことにより実行される。図８に示す処理は、燃料噴射弁２から燃料を噴射させることを許可する噴射許可信号がオンになると開始されるものを示している。なお、噴射許可信号は制御回路４にて各種センサからの信号に基づいて生成される。また、図９はその制御処理を実行したときの作動例を示すタイムチャートである。
【０１２９】
図８に示すように、噴射許可信号がオンすると、Ｓ５０１では、駆動回路３側の充放電駆動部３ａの作動を制御するための充電制御信号を駆動回路３に出力する。充電制御信号がオンしている間は、充放電駆動部３ａのスイッチング素子がオンされて駆動部７０へ漸増する充電電流が流れ、また充電制御信号がオフになるとスイッチング素子がオフされてフライホイール作用で駆動部７０へ漸減する充電電流が流れる。これにより、ピエゾ電圧は増加し続ける。
【０１３０】
Ｓ５０２では、第１時刻Ｔａと第２時刻Ｔｂにおいて、駆動部７０が発生しているピエゾ荷重を荷重検出部６０から取得した電荷Ｑと電圧信号Ｖにより検出する。
【０１３１】
ここで、図９中の時刻Ｔ０は、駆動回路３から駆動部７０へ充電電流の供給が開始された時刻である。以下、時刻Ｔ０を充電開始時刻という。第１時刻Ｔａは、充電開始時刻Ｔ０から所定時間が経過したときであり、弁体１９が低圧側シート面５４から離座するタイミング近傍に予め設定されている。この第１時刻Ｔａは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。本実施形態では、この第１時刻Ｔａで検出したピエゾ荷重Ｆａを第１時刻荷重Ｆａという。
【０１３２】
また、第２時刻Ｔｂは、第１時刻Ｔａからさらに所定時間が経過したときであり、弁体１９が高圧側シート面５５に着座する直前のタイミングに予め設定されている。この第２時刻Ｔｂは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。本実施形態では、この第２時刻Ｔｂで検出したピエゾ荷重Ｆｂを第２時刻荷重Ｆｂという。
【０１３３】
Ｓ５０３では、第１時刻荷重Ｆａと第２時刻荷重Ｆｂとを比較して、弁体１９が低圧側シート面５４から離座しているか否か、言い換えると弁体１９が第２操作位置から離座しているか否かを判定する。このＳ５０３の判定では、以下の弁体１９の作動が正常作動しているか否かを判定する。
【０１３４】
即ち、弁体１９が低圧側シート面５４に着座している状態では、バルブ室５３と低圧燃料通路４８との圧力差により弁体１９が低圧側シート面５４側に付勢されるのに対し、弁体１９が低圧側シート面５４および高圧側シート面５５のいずれにも着座していない状態では、圧力差により弁体１９が低圧側シート面５４側に付勢される力は発生しない。それ故に、Ｆａ＞Ｆｂの場合、弁体１９が正常に作動していると判断し、Ｓ５０４へ移行する。
【０１３５】
Ｓ５０４では、弁体１９が高圧側シート面５５に着座してバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断したタイミングＴｃ（以下、高圧側閉時刻という）を検出する。具体的には、弁体１９が、高圧側シート面５５に着座する、即ち第１操作位置に到達するとピエゾ荷重が大きくなるので、第２時刻Ｔｂ以後においてピエゾ荷重が閾値Ｆｃに達したときに、弁体１９が高圧側シート面５５に着座し、バルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断したと推定する。
【０１３６】
弁体１９が高圧側シート面５５に着座した状態では、弁体１９は高圧連絡通路４７からの燃料圧力によって高圧側シート面５５から離座する方向に付勢されるため、バルブ室５３と高圧燃料通路４６との間の連通を確実に遮断するには、燃料圧力が高くなるほど弁体１９を高圧側シート面５５に大きな力で押し付ける必要がある。
【０１３７】
そこで、本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、閾値Ｆｃは、蓄圧器内の燃料圧力（コモンレール圧）が高くなるほど大きくするようにする。これにより、弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を実質的に遮断したタイミングを正確に検出することができる。この閾値Ｆｃと、蓄圧器といった高圧燃料供給源からの供給される燃料の圧力（コモンレール圧）との関係を定義したマップは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。
【０１３８】
Ｓ５０５では、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの時間ΔＴ（以下、制御弁応答時間という）を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔＴは、充電開始時刻Ｔ０から高圧側閉時刻Ｔｃまでの時間（ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔ０）である。
【０１３９】
Ｓ５０６では、制御弁応答時間ΔＴが、予め定めた許容範囲内（ΔＴｍｉｎ≦ΔＴ≦ΔＴｍａｘ）にあるか否かを判定する。このＳ５０３の判定では、以下のピエゾ電圧の上昇速度Ｖｃ（以下、充電速度Ｖｃという）が正常か否かを判定する。
【０１４０】
即ち、本実施形態では、ピエゾ電圧の充電速度Ｖｃを適宜補正することにより制御弁応答時間ΔＴを目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致させるようにしており、制御弁応答時間ΔＴがそもそも補正可能な範囲にあるか否かを判定する。なお、図１０（ｂ）のように、ピエゾ電圧の充電速度Ｖｃに対し、ΔＴｍｉｎ及びΔＴｍａｘが設定されており、ΔＴｍｉｎは補正可能な制御弁応答時間ΔＴの許容最小値であり、ΔＴｍａｘは補正可能な制御応答時間ΔＴの許容最大値である。
【０１４１】
上記Ｓ５０６の判定にて制御弁応答時間ΔＴが許容範囲内にある場合、ピエゾ電圧の充電速度Ｖｃを補正できると判断し、Ｓ５０７に移行する。
【０１４２】
Ｓ５０７では、次回噴射時の充電速度Ｖｃおよび次回噴射時の充電制御信号を算出する。具体的には、制御弁応答時間ΔＴが目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致するように、次回噴射時の充電速度Ｖｃを次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐに基づいて算出する。また、次回噴射時の充電速度Ｖｃを実現するための補正後の充電制御信号を算出する。
【０１４３】
上記Ｓ５０７の算出処理過程において、次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐが今回噴射時の制御弁応答時間ΔＴよりも短い場合には、次回噴射時の充電速度Ｖｃを高くする。具体的には、一点鎖線で示すように、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を長くして、駆動部７０へ漸増する充電電流が流れる期間を長くする。この際、次回噴射時の合計の充電エネルギ量が今回噴射時の合計の充電エネルギ量と等しくなるように、次回噴射時における２回目以降の充電制御信号のオン時間を短くする。
【０１４４】
一方、次回噴射時の目標制御弁応答時間ΔＴｐが今回噴射時の制御弁応答時間ΔＴよりも長い場合には、次回噴射時における最初の充電制御信号のオン時間を短くして次回噴射時の充電速度Ｖｃを低くする。充電速度Ｖｃは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶された演算式にて算出される。充電速度Ｖｃと充電制御信号との関係を定義したマップは、制御回路４のＲＯＭに記憶されている。制御回路４は、そのマップを用いて、次回噴射時の充電速度Ｖｃに対応する充電制御信号を算出する。
【０１４５】
Ｓ５０８では、駆動部７０の充電完了後、ピエゾ荷重が安定したときの第３時刻Ｔｄにおけるピエゾ荷重Ｆ１（以下、充電後荷重Ｆ１という）を計測する。なお、第３時刻Ｔｄは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。
【０１４６】
Ｓ５０９では、充電後荷重Ｆ１と目標充電後荷重Ｆ０との荷重誤差ΔＦ（ΔＦ＝Ｆ１−Ｆ０）を算出する。なお、目標充電後荷重Ｆ０は、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。
【０１４７】
Ｓ５１０では、荷重誤差ΔＦが所定範囲内（ΔＦｍｉｎ≦ΔＦ≦ΔＦｍａｘ）にあるか否かを判定する。ΔＦｍｉｎは荷重誤差ΔＦの許容最小値であり、ΔＦｍａｘは荷重誤差ΔＦの許容最大値である。これより、本実施形態では、Ｓ５０７で求めた充電制御信号をさらに補正して充電エネルギ量を適宜補正することにより、充電後荷重Ｆ１を適切な大きさにする。
【０１４８】
上記Ｓ５１０の判定にて荷重誤差ΔＦが所定範囲内にある場合、つまり、充電後荷重Ｆ１が許容荷重範囲内にある場合は、駆動部７０への充電エネルギ量を適宜補正し、補正後の充電後荷重Ｆ１が適切な大きさにあると判断し、Ｓ５１１に移行する。Ｓ５１１では、今回の充電エネルギ量Ｅ０の値を保持し、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１をＥ０とする。したがって、Ｓ５０７にて算出した充電制御信号は補正されず、次回噴射時の充電後荷重Ｆ１は変化しない。
【０１４９】
一方、Ｓ５１０にて荷重誤差ΔＦが所定範囲内に入っていない場合、駆動部７０への充電エネルギ量を適宜補正し、補正後の充電後荷重Ｆ１が適切な大きさになっていないと判断し、Ｓ５１２に移行する。Ｓ５１２では、荷重誤差ΔＦに基づいて、荷重誤差ΔＦの関数である充電エネルギ補正値ΔＥを算出する。図１０（ｃ）に示すような荷重誤差ΔＦと充電エネルギ補正値ΔＥとの関係を定義したマップが、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。制御回路４は、この定義されたマップを用いて充電エネルギ補正値ΔＥを算出する。
【０１５０】
Ｓ５１３では、充電エネルギ補正値ΔＥが、予め規定された範囲内（ΔＥｍｉｎ≦ΔＥ≦ΔＥｍａｘ）にあるか否かを判定する。ΔＥｍｉｎは充電エネルギ補正値ΔＥの許容最小値であり、ΔＥｍａｘは充電エネルギ補正値ΔＥの許容最大値である。このΔＥｍｉｎおよびΔＥｍａｘは、制御回路４のＲＯＭなどの記憶手段に記憶されている。
【０１５１】
上記Ｓ５１３の判定にて充電エネルギ補正値ΔＥが上記範囲内にある場合、Ｓ５１４に移行し、Ｓ５１４では、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１および次回噴射時の充電制御信号（補正後の充電制御信号）を算出する。具体的には、今回噴射時の充電エネルギ量Ｅ０に充電エネルギ補正値ΔＥを加算した値を、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１とする。また、次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１を実現するために、Ｓ５０７にて算出した充電制御信号をさらに補正する。
【０１５２】
上記Ｓ５１４の制御処理において、充電エネルギ補正値ΔＥが正の場合は、Ｓ５０７にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を長くする。充電エネルギ補正値ΔＥが負の場合は、Ｓ５０７にて算出した充電制御信号における最後の充電制御信号のオン時間を短くする。
【０１５３】
次回噴射時の充電エネルギ量Ｅ１と充電制御信号の補正量との関係を定義したマップは制御回路４のＲＯＭに記憶されている。制御回路４は、この定義されたマップを用いて充電制御信号の補正量を算出する。次回のＳ５０１では、Ｓ５０７にて算出した充電制御信号、あるいはＳ１４０にてさらに補正した充電制御信号を、駆動回路３に出力する。
【０１５４】
Ｓ５１４にて補正した充電制御信号に基づいて駆動部７０への充電を制御することにより、充電後荷重Ｆ１が許容荷重範囲内に調整されるため、高圧側シート面５５への弁体１９の押し付け荷重が不足することによるシール不良を防止できるとともに、過大な押し付け荷重による弁体１９や高圧側シート面５５の摩耗を防止ないしは抑制することができる。
【０１５５】
Ｓ５１１またはＳ５１４に続いて実行されるＳ５１５では、噴射許可信号がオフとなったか否かが判定される。Ｓ５１５にて噴射許可信号がオフしていないと判定されると、引き続き噴射許可信号がオフされたか否かの判定が繰り返される。Ｓ５１５にて噴射許可信号がオフされたと判定されるとＳ５１６に移行する。
【０１５６】
Ｓ５１６では、放電制御信号を駆動回路３に出力して、駆動部７０に充電された電荷Ｑを周知の方法で放電させる。これにより、弁体１９が高圧側シート面５５から離座してバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間が連通するとともに、弁体１９が低圧側シート面５４に着座してバルブ室５３と低圧燃料通路４８との間の連通が遮断され、燃料の噴射が停止する。本フローは、Ｓ５１６の処理を実行後、終了する。
【０１５７】
なお、ここで、上記Ｓ５０３の判定処理の結果がＮＯの場合、すなわちＦａ≦Ｆｂの場合、Ｓ５０６の判定処理の結果がＮＯの場合、すなわちΔＴｍｉｎ＞ΔＴ＞ΔＴｍａｘの場合、Ｓ５１３の判定処理の結果がＮＯの場合、すなわちΔＥｍｉｎ＞ΔＥ＞ΔＥｍａｘの場合は、駆動部７０や変位伝達部３０の異常などによる制御弁１８の作動不良と判定し、Ｓ５１７に移行する。
【０１５８】
Ｓ５１７では、Ｓ５０３、Ｓ５０６、Ｓ５１３で異常と判定した燃料噴射弁２がどの気筒の燃料噴射弁２であるかの情報を、制御回路４のＥＥＰＲＯＭのなどの記憶手段に記憶するとともに、その気筒の燃料噴射を停止する制御処置などの異常処理を実施する。
【０１５９】
このように、Ｓ５０２、Ｓ５０４、Ｓ５０８でのピエゾ荷重の検出精度が格段に向上する。このため、ピエゾアクチュエータ２２の作動状態を確実に把握することが可能となる。その結果、制御弁応答時間ΔＴの検出精度が向上するため、噴射開始時期や噴射量をより精度良く制御することができる。
【０１６０】
ここで、駆動部７０への充電を開始してから噴射が開始されるまでの時間のうち、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの時間は駆動部７０の特性の影響を受けるが、弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断してから噴射が開始されるまでの時間は駆動部７０の特性の影響を受けない。
【０１６１】
そこで、本実施形態によるＳ５０７にて算出した充電制御信号に基づいて駆動部７０への充電を制御することにより、駆動部７０の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、駆動部７０への充電を開始してから弁体１９がバルブ室５３と高圧連絡通路４７との間の連通を遮断するまでの制御弁応答時間ΔＴを目標制御弁応答時間ΔＴｐに一致させることができる。これによれば、駆動部７０の特性の個体間ばらつきや経時劣化にかかわらず、噴射開始時期や噴射量を精度良く制御することができる。
【０１６２】
次に、Ｓ６００では、Ｓ３００の制御処理で荷重検出部６０が、駆動部７０と同様の駆動機能を発揮する状態に設定されているので、駆動部７０及び荷重検出部７０へ、ピエゾ荷重の検出結果に基づく補正を行なわない、通常の充放電制御を実行する。この場合、ピエゾアクチュエータ２２の圧電ユニット２３の全ピエゾ素子６１、７１を充電及び放電することになるので、従来の荷重検出部を有しない圧電ユニットを充電及び放電する周知の充放電制御で行なうことができる。
【０１６３】
以上、燃料噴射装置１の特徴的作動について説明した。以下、燃料噴射装置１においてピエゾアクチュエータ２２の圧電ユニットの製造方法を、図１１〜図１７に基づいて説明する。
【０１６４】
（圧電ユニットの製造方法）
本実施形態における圧電体ユニット２３は、グリーンシート作製工程、電極印刷工程、焼失スリット印刷工程、圧着工程、積層体切断工程、焼成工程、絶縁樹脂配設工程、および分極工程を経て製造される。以下、製造工程ごとに説明する。
【０１６５】
（グリーンシート作製工程）
まず、ピエゾ素子材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック原料粉末を準備した。具体的には、出発原料としてＰｂ３Ｏ４、ＳｒＣＯ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３およびＮｂ２Ｏ５を準備し、これらの出発原料を目的組成ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３−Ｐｂ（Ｙ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３となるような化学量論比で秤量し、湿式混合し、温度８５０℃で５時間仮焼した。
【０１６６】
次に仮焼粉をパールミルにより湿式粉砕した。この仮焼粉粉砕物（粒径（Ｄ５０値）：０．７±０．０５μｍ）を乾燥した後、溶剤、バインダ、可塑剤、分散剤などを加えてボールミルにより混合し、得られたスラリーを真空装置内で攪拌機により攪拌しながら真空脱泡、粘度調整をした。
【０１６７】
そして、ドクターブレード法により、上記スラリーをキャリアフィルム上に塗布し、厚さ８０μｍの長尺のグリーンシートを成形した。このグリーンシートを所定の大きさに切断して、幅広のグリーンシート１００を作製した。
【０１６８】
なお、グリーンシートの成形方法としては、本実施形態で用いたドクターブレード法のほか、押し出し成形法やその他種々の方法を採用することができる。
【０１６９】
（電極印刷工程）
次に、図１１及び図１２の如く、グリーンシート１００上に内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂとなる電極材料１０１ａ、１０１ｂを印刷し、第１電極印刷シート１１０ａおよび第２電極印刷シート１１０ｂの二種類のシートを形成した。
【０１７０】
第１電極印刷シート１１０ａの形成に当たっては、図１１に示す如く、グリーンシート１００上の印刷領域１０２において、最終的に内部電極層６２ａ、７２ａとなる部分に電極材料１０１ａを印刷して、第１電極印刷シート１１０ａを形成した。
【０１７１】
第２電極印刷シート１１０ｂの形成に当たっては、第１電極印刷シート１１０ａと同様に、図１２に示す如く、グリーンシート１００上の印刷領域１０２において、内部電極層６２ｂ、７２ｂとなる部分に電極材料１０１ｂを印刷して、第２電極印刷シート１１０ｂを形成した。
【０１７２】
第１電極印刷シート１１０ａおよび第２電極印刷シート１１０ｂにおいては、グリーンシート１００上に形成された電極材料１０１ａ、１０１ｂがそれぞれ異なる前述の一方の側面および他方の側面に露出している。
【０１７３】
本実施形態では、電極材料１０１ａ、１０１ｂとして、ペースト状のＡｇ／Ｐｄ合金を用いた。電極材料１０１ａ、１０１ｂとしては、上記以外にも、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉなどの単体金属、Ｃｕ／Ｎｉなどの合金を用いても良い。
【０１７４】
（焼失スリット印刷工程）
本実施形態では、図１４に示すように、製造しようとする圧電体ユニット２３のピエゾ素子層７１の側面にスリット溝部１２０を設けている。なお、図２〜図４に示す圧電体ユニット２３では、説明上、スリット溝部１２０の記載を省略している。このスリット溝部１２０は、ピエゾアクチュエータ２２において、駆動部７０及び駆動機能を発揮させる場合の荷重検出部６０を作動させるときに発生する内部応力を緩和する機能を有している。スリット溝部１２０は、上述の第１電極印刷シート１１０ａと第２電極印刷シート１１０ｂとの間にこの工程で形成する焼失スリット印刷シート１１１を挟み込むことにより形成する。
【０１７５】
図１３に示す如く、上記のグリーンシート１００上の印刷領域１０２において、最終的にスリット溝部１２０となる部分に焼成によって焼失する焼失材料よりなる焼失スリット層１１２を印刷し、焼失スリット印刷シート１１１を形成した。
【０１７６】
電極印刷工程および焼失スリット印刷工程では、図１１〜図１３に示す如く、後工程の積層体切断工程において切断される部分を避けるように間隙１０３を設けて、電極材料１０１ａ、１０１ｂ、および焼失スリット層１１２の印刷を行う。
【０１７７】
（圧着工程）
次に、図１５に示す如く、形成した第１電極印刷シート１１０ａ、第２電極印刷シート１１０ｂおよび焼失スリット印刷シート１１１を所定の順序で各印刷領域１０２を積層方向に揃えて積層した。本実施形態では、駆動部７０の荷重検出部６０側の端部に位置する電極印刷シートと、荷重検出部６０の駆動部７０側の端部に位置する電極印刷シートとをいずれも第２電極印刷シート１１０ｂとし、さらに、それらの第２電極印刷シート１１０ｂの間には、電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２の印刷が施されていないグリーンシート１００を積層させた。このグリーンシート１００が焼成後、接続層８０となる。そして、圧電体ユニット２３の両端部に電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２の印刷が施されていないグリーンシート１００を積層させた。
【０１７８】
このようにして積層した積層体を温度１００℃で加熱するとともに、積層方向に５０ＭＰａで加圧し、予備積層体１３０を作製した。
【０１７９】
（積層体切断工程）
次に、図１６及び図１７に示す如く、形成した予備積層体１３０を切断位置に沿って積層方向に切断し、中間積層体１４０を形成した。なお、予備積層体１３０の切断は、中間積層体１４０ごとに切断しても良いし、複数の中間積層体１４０を含んで切断しても良い。本実施形態では、中間積層体１４０ごとに切断し、各電極材料１０１ａ、１０１ｂおよび焼失スリット層１１２が中間積層体１４０の側面に露出するように切断した。
【０１８０】
（焼成工程）
次に、中間積層体１４０のグリーンシート１００に含有されているバインダ樹脂を９０％以上加熱除去（脱脂）した。加熱は、８０時間かけて徐々に５００℃まで昇温し、５時間保持することにより行った。
【０１８１】
次に、脱脂した中間積層体１４０を焼成した。焼成は、温度１０５０℃まで１２時間かけて徐々に昇温させ、２時間保持後、徐々に冷却することにより行った。
以上、上述のグリーンシート作製工程〜焼成工程を実施することにより、図２〜図４に示す如く、完全に一体化した焼成物からなる一体積層型の圧電体ユニット２３が形成された。このようにして、焼成工程を経ると、図２〜図４には図示していないが、焼失スリット層１１２が焼失してスリット状のスリット溝部１２０が圧電体ユニット２３の側面に形成される（図１４参照）。
【０１８２】
次いで、焼成後、圧電体ユニット２３の四つ角を積層方向に沿って切り欠いた。これにより、圧電体ユニット２３は、径方向断面が八角柱状となる。その後、全面に研磨処理を施し、内部電極層６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂのそれぞれの電極露出部６４ａ、６４ｂ、７４ａ、７４ｂを側面に露出させるとともに、所定の大きさの圧電体ユニット２３を形成した。さらにその後、荷重検出部６０用の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂ、および駆動部７０用の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂをスクリーン印刷によって形成した。
【０１８３】
このとき、内部電極層６２ａ、６２ｂの電極露出部６４ａ、６４ｂは、それぞれ荷重検出部６０の正極側外部電極層６５ａ、負極側外部電極層６５ｂに電気的に接続される。また、内部電極層７２ａ、７２ｂの電極露出部６４ａ、６４ｂは、それぞれ駆動部７０の正極側外部電極層７５ａ、負極側外部電極層７５ｂに電気的に接続される。
【０１８４】
荷重検出部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂと駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂは、一定の電気絶縁距離を保つように形成した。好ましくは、電界強度が１ｋＶ／ｍｍ以下となるように形成した。
【０１８５】
そして、荷重検出部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂおよび駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂのそれぞれにリード線、もしくはメッシュ状の電極板を導電性樹脂または半田などで接続した。当該接続後、上記伝送線６９、７９に相当するリード線を接続した。
【０１８６】
（絶縁樹脂配設工程）
次いで、本実施形態では、図１４に示すように、絶縁樹脂１２１をスリット溝部１２０に配設した。具体的には、加熱硬化型のシリコーン樹脂からなる絶縁樹脂１２１をスリット溝部１２０に塗布し、加熱させて硬化させることにより配設した。絶縁樹脂１２１としては、耐熱性の高いウレタン樹脂やフロロシリコーン樹脂などを用いても良い。
【０１８７】
（分極工程）
次いで、上記工程を経た圧電体ユニット２３に対して分極処理を実行する。本実施形態では、１６０Ｖの直流電圧を荷重検出部６０と駆動部７０に２分間通電した。その際、荷重検出部６０における荷重検出部側終端内部電極層６３（図３、図４参照）と、駆動部７０における駆動部側終端内部電極層７３（図３、図４参照）の極性が何れも負極側となるように、分極処理を実行する。
【０１８８】
荷重検出部６０と駆動部７０の分極処理は、同時に行っても良いし、別々に行っても良い。また、荷重検出部６０および駆動部７０の積層数に応じて、所定の予荷重を付与する治具に取付けた状態で分極処理を実行しても良い。また、分極処理を実行する際の雰囲気温度を変更しても良い。例えば、１４０℃下で分極処理を実行しても良い。また、分極処理は、直流電圧を印加することによって行うだけでなく、正弦波や台形波などの交流電圧を印加して行っても良い。
【０１８９】
上述した分極工程を経て、荷重検出部側終端内部電極層６３および駆動部側終端内部電極層７３がともに負極側同士となっている圧電体ユニット２３を得た。
なお、本実施形態では、駆動部７０を構成する第１電極印刷シート１１０ａと第２電極印刷シート１１０ｂとの間に焼失スリット印刷シート１１１を挿入して、駆動部７０の側面にスリット溝部１２０を形成しているが、この焼失スリット印刷シート１１１は、必ずしも必要無い。
【０１９０】
（第２実施形態）
第２実施形態を図１８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、ピエゾアクチュエータ２２において圧電ユニット２３が、それぞれ一つの焼成体として形成された複数のユニット２３ａ、２３ｂから構成されている一例を示すものである。図１８は圧電ユニット２３の全体構成を示しており、図１９は荷重検出部６０及び駆動部７０の一部を拡大して示している。
【０１９１】
図１８及び図１９に示すように、圧電体ユニット２３は、荷重検出部６０と駆動部７０の一部を有する一つのセンサ部付圧電体ユニット２３ａ、および駆動部７０の他の部分のみを有する５個の駆動部圧電体ユニット２３ｂが積み重なって構成されている。
【０１９２】
なお、本実施形態による圧電体ユニット２３の外観は、第１実施形態とほぼ同じであり、八角柱状となっている。センサ部付圧電体ユニット２３ａの側面には、荷重検出部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂおよび駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂが設けられている。また、駆動部圧電体ユニット２３ｂにも、駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂが設けられている。
【０１９３】
図１９に示すように、センサ部付圧電体ユニット２３ａと駆動部圧電体ユニット２３ｂ、および駆動部圧電体ユニット２３ｂ同士の接合は、例えばシリコーン系の接着剤９０などで接合されている。
【０１９４】
本実施形態においても、センサ部付圧電体ユニット２３ａおよび駆動部圧電体ユニット２３ｂは、第１実施形態の圧電体ユニット２３と同じく、一体積層型の圧電体ユニットである。製造方法は、各ユニット２３ａ、２３ｂにおいて第１実施形態にて説明した方法と実質的に同じ方法を用いることができる。
【０１９５】
このように、複数の圧電体ユニットを集合させて一つの圧電体ユニットとすることにより、以下に示すような効果がある。
【０１９６】
ここで、第１実施形態のように所定の長さの圧電体ユニット２３を一体焼成物として形成する場合には、駆動部７０、及び駆動機能を発揮させる場合の荷重検出部６０を伸長させるとき、駆動部７０の側面近傍に応力が集中する場合がある。側面近傍に応力が過度に集中する場合には、応力が集中した箇所が破損するおそれがある。この現象は、荷重検出部６０を含む駆動部７０のピエゾ素子層６１、７１の積層数が多いほど顕著となる傾向がある。
【０１９７】
これに対し、第２実施形態では、所定の長さの圧電体ユニット２３を、複数の圧電体ユニット２３区分、即ち一つの焼成体からなるセンサ部付圧電体ユニット２３ａ、および複数の焼成体からなる駆動部圧電体ユニット２３ｂとで構成し、これら複数のユニット２３ａ、２３ｂを積み重ねて形成する組付構造としている。
【０１９８】
これによれば、個々のユニット２３ａ、２３ｂの側面近傍に集中する応力の程度を小さくすることができる。さらに、複数のユニット２３ａ、２３ｂ間にシリコーン系の接着剤９０を介在させ、一体的な組付構造にしているので、シリコーン系の接着剤９０により操作力ロスが生じるものの、これによって応力が過度に集中するのを緩和することができる。
【０１９９】
したがって、圧電体ユニット２３の損傷を極力抑制できるので、駆動部７０及び駆動機能を発揮させる場合の荷重検出部６０の操作力の信頼性向上と共に、荷重検出部６０を荷重検出機能を発揮させる場合の高精度検出品質の向上が図れる。
【０２００】
（第３実施形態）
第３実施形態を図２０に示す。第３実施形態は第２実施形態の変形例である。第３実施形態では、複数のユニット２３において一つのユニット内で荷重検出部６０及び駆動部７０が存在するのではなく、荷重検出部６０のみからなユニット２５ａと、駆動部７０のみからなるユニット２５ｂとを備えている一例を示すものである。
【０２０１】
図２０に示すように、圧電体ユニット２３は、荷重検出部６０のみからなる荷重検出部圧電体ユニット２５ａ、および駆動部７０のみからなる駆動部圧電体ユニット２５ｂが複数個積み重ねられる組付構造で構成されている。
【０２０２】
図２０に示すように、荷重検出部圧電体ユニット２５ａの荷重検出部側終端内部電極層６３、および駆動部圧電体ユニット２５ｂの駆動部側終端内部電極層７３は、共に負極側の電極層である。
【０２０３】
この実施形態によれば、第２実施形態に示すような一つのユニットに荷重検出部６０と駆動部７０とを備えるユニットを用意する場合に比べ、荷重検出部圧電体ユニット２５ａの荷重検出機能と、駆動部圧電体ユニット２５ｂの仕様を分ける必要が無くなる。
【０２０４】
また、本実施形態のような荷重検出部圧電体ユニット２５ａに駆動機能を発揮させる場合、荷重検出部圧電体ユニット２５ａの操作力に対し、荷重検出部圧電体ユニット２５ａの操作力が実質的に同じ程度に高めることが可能となる。したがって、特定状態において駆動部７０の操作力の余力不足を効果的に補償可能な荷重検出部６０を有するピエゾアクチュエータ２２を安価に製造できる。
【０２０５】
なお、駆動部圧電体ユニット２５ｂは、少なくとも１つあればく、必ずしも複数個積み重ねる必要はない。言い換えると、荷重検出部圧電体ユニット２５ａと、駆動部圧電体ユニット２５ｂの長さが異なるようにし、複数の駆動部圧電体ユニット２５ｂを、駆動部７０が必要とする操作力を確保する一つの焼成物からなるユニットで形成してもよい。
【０２０６】
また、図２０に示すように、荷重検出部圧電体ユニット２５ａと駆動部圧電体ユニット２５ｂとの間には、シリコーン系の接着剤９０に替えて、例えば、アルミナや窒化珪素などからなる絶縁性のセラミック板９１が設けられている。これにより、駆動部圧電体ユニット２５ｂからセンサ部圧電体ユニット２５ａへの駆動部圧電体ユニット２５ｂからセンサ部圧電体ユニット２５ａへの電界リークを確実に防止することができる。
【０２０７】
（第４実施形態）
第４実施形態を図２１に示す。第４実施形態は第１実施形態の変形例である。第４実施形態では、ピエゾアクチュエータ２２が、弁座４５に着座及び離座するニードル１２を直接的に駆動する一例を示すものである。
【０２０８】
図２１に示すように、本実施形態による燃料噴射弁２は、ピエゾアクチュエータ２２で駆動される操作要素として、油密室２２０を有する油圧連結部２１７、２２０、２４６と、ニードル２１２とを備えている。
【０２０９】
油密室２２０を有する油圧連結部２１７、２２０、２４６は、ピエゾアクチュエータ２２とニードル１２との間に設けられており、シリンダ２１７と、固定ピストン２２０と、シリンダ２１７及び固定ピストン２２０間に形成される「油密室」としての制御室２４６とから構成されている。
【０２１０】
シリンダ２１７及び固定ピストン２２０内に形成される制御室２４６は、ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０が伸長すると、制御室２４６の容積が拡大し、当該制御室２４６の燃料圧力を受けてニードル２１２を駆動部７０側に移動ようにすると共に、駆動部７０が収縮すると、制御室２４６の容積が収縮し、当該制御室２４６の燃料圧力を受けてニードル２１２を弁座２４４側に移動ようにする、いわゆる油圧継手を構成している。
【０２１１】
これにより、ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０は、ニードル１２が弁座２４４から離座したときのリフト量、即ちシート部２１３及び弁座２４４間の距離を、駆動部７０の変位により制御することができる。
【０２１２】
具体的には、燃料噴射弁２００は、ノズル２１１、シリンダ２１７、固定ピストン２２０、アクチュエータ部２３０などから構成され、これらの部品は、棒状を呈するハウジング２４０に収容されている。
【０２１３】
ハウジング２４０は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部２４１を備えている。ハウジング２４０の軸方向一端側には、収容部２４２が形成されており、その収容部２４２には、燃料の噴射及び噴射停止を制御するノズル２１１が収容されている。
【０２１４】
ノズル２１１は、ニードル２１２、ノズルスプリング２１６を有している。ニードル２１２は、収容部２４２内に摺動自在に保持されている。収容部２４２の軸方向一端側には、高圧燃料通路２４５を介して燃料入口部２４１と連通する噴孔２４３が形成されている。
【０２１５】
この噴孔２４３の燃料入口部２４１側には、ニードル２１２に形成されているシート部２１３が着座する弁座２４４が形成されている。弁座２４４にシート部２１３が着座することにより、噴孔２４３への燃料の流れが閉塞され、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する。弁座２４４からシート部２１３が離座することにより、噴孔２４３への燃料の流れが開放され、噴孔２４３から燃料が噴射する。ニードル２１２のシート部２１３とは反対側の端部にはピストン部２１４が形成されている。
【０２１６】
このピストン部２１４は、シリンダ２１７に摺動自在に挿入されている。ニードル２１２のシート部２１３とピストン部２１４との間にはフランジ部２１５が形成され、このフランジ部２１５とシリンダ２１７との間には、ノズルスプリング２１６が設けられている。このノズルスプリング２１６は、ニードル２１２を、シート部２１３が弁座２４４に着座する方向、つまり閉弁方向に付勢する。
【０２１７】
収容部２４２の軸方向他端側には、アクチュエータ部２３０が収容されている。アクチュエータ部２３０は、第１実施形態から第５実施形態にて説明したピエゾアクチュエータ２２と、ピエゾアクチュエータ２２からの変位をシリンダ２１７に伝達するプッシュプレート２３１とを有する。ピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０が伸縮すると、プッシュプレート２３１を介してシリンダ２１７が駆動される。
【０２１８】
シリンダ２１７は、内周面に段付き部を備える段付き円筒状の部材であって、段付き部の一方側に第１シリンダ孔２１８が形成され、段付き部の他方側に、第１シリンダ孔２１８よりも大径の第２シリンダ孔２１９が形成されている。シリンダ２１７は、第１、第２シリンダ孔２１８、２１９がハウジング２４０の軸方向に沿って並んで配置されるように収容部２４２に収容されている。第１シリンダ孔２１８は、第２シリンダ孔２１９よりも噴孔２４３側に配置されている。
【０２１９】
第２シリンダ孔２１９には、固定ピストン２２０が摺動自在に挿入されている。固定ピストン２２０は、固定ピストン部２２１と、固定ピストン部２２１よりも径方向外側に突出するフランジ部２２２を有する。第２シリンダ孔２１９には、固定ピストン部２２１のみが挿入されている。
【０２２０】
固定ピストン部２２１とニードル２１２のピストン部２１４との間には、シリンダ２１７、固定ピストン部２２１、ピストン部２１４にて、制御室２４６が形成される。この制御室２４６には、第１シリンダ孔２１８とピストン部２１４、および第２シリンダ孔２１９と固定ピストン部２２１とのクリアランスを介して一端収容部２４２に連通している。
【０２２１】
図２２は、固定ピストン２２０を噴孔２４３側からXXII方向にみた斜視図である。この図に示すように、固定ピストン２２０のフランジ部２２２は、周方向に沿って三個に分割されており、隣接するフランジ部２２２間に切欠き部２２３が形成されている。図２３に示すように、フランジ部２２２が、収容部２４２の内壁に支持されているスペーサ２３４と、収容部２４２の内壁に支持されている固定スプリング２３５とに挟まれることにより、固定ピストン２２０がハウジング２４０に対して固定される。
【０２２２】
図２３（ａ）はプッシュプレート２３１の正面図であり、図２３（ｂ）はプッシュプレート２３１を下方からみた平面図である。図２３に示すように、プッシュプレート２３１は、円柱状の円板部２３２と、円板部２３２の一端面から軸方向に突出する三個の円柱状の脚部２３３とを備えている。
【０２２３】
これら脚部２３３は、プッシュプレート２３１と固定ピストン２２０とを組み合わせたときに、脚部２３３が切欠き部２２３に挿入される位置に周方向に沿って設けられている（図２３を参照）。図２１に示すように、プッシュプレート２３１は、円板部２３２がピエゾアクチュエータ２２の駆動部７０に当接し、脚部２３３がシリンダ２１７に当接するように収容部２４２に収容される。
【０２２４】
次に、上記燃料噴射弁２００の作動を説明する。ピエゾアクチュエータ２２の駆動部６０が伸長していないとき、シリンダ２１７はノズルスプリング２１６の付勢力によりピエゾアクチュエータ２２側に移動している。このとき、制御室２４６には、第１シリンダ孔２１８とピストン部２１４とのクリアランス、および第２シリンダ孔２１９と固定ピストン部２２１とのクリアランスを介して、収容部２４２内の高圧燃料が流入し、制御室２４６と収容部２４２との燃料圧力が等しくなっている。
【０２２５】
この状態のとき、ノズルニードル２１２は、制御室２４６内の燃料圧力がピストン部２１４に作用することによるニードル２１２に発生する閉弁方向の力と、ノズルスプリング２１６の付勢力によるニードル２１２に発生する閉弁方向の力の合計が、収容部２４２内の高圧燃料がニードル２１２に作用することによるニードル２１２に発生する開弁方向の力よりも大きい。このため、ニードル２１２のシート部２１３が弁座２４４に着座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する（図２１の状態）。
【０２２６】
ピエゾアクチュエータ２２が伸長すると、ピエゾアクチュエータ２２の伸長にともなってシリンダ２１７が噴孔２４３側に移動する。第１シリンダ孔２１８は、第２シリンダ孔２１９よりも径が小さいため、シリンダ２１７が噴孔２４３側に移動すると制御室２４６内の容積が大きくなる。これにより、制御室２４６内の燃料圧力がシリンダ２１７の移動量にともなって低くなる。これにより、上記ニードル２１２に発生する閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも小さくなり、ニードル２１２が開弁方向に移動し、シート部２１３が弁座２４４から離座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が行われる。
【０２２７】
その後、再びピエゾアクチュエータ２２が収縮すると、シリンダ２１７はノズルスプリング２１６の付勢力により、ピエゾアクチュエータ２２側に移動し、制御室２４６の容積が小さくなる。これにより、制御室２４６内の燃料圧力が上昇し、上記閉弁方向の力の合計が、開弁方向の力よりも大きくなる。これにより、シート部２１３が弁座２４４に着座し、噴孔２４３からの燃料の噴射が停止する。
【０２２８】
（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。
【０２２９】
（１）以上説明した本実施形態では、圧電ユニット２３において荷重検出部６０の正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂと駆動部７０の正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂは、それぞれ同一側面上に設ける構成とした。これに限らず、図２４に示すように、正極側、負極側外部電極６５ａ、６５ｂの配置と、正極側、負極側外部電極７５ａ、７５ｂの配置とが９０度ずれて設けられる構成としてもよい。
【０２３０】
（２）以上説明した本実施形態では、圧電ユニット２３において荷重検出部６０及び駆動部７０間に介在する接続層８０を構成するピエゾ素子層８１を、非活性ピエゾ素子層とした。これに限らず、ピエゾ素子層８１を、分極処理したものであってもよい。この場合、圧電ユニット２３を製造段階において、荷重検出部６０及び駆動部７０を分極処理する際に、荷重検出部６０、駆動部７０、及びピエゾ素子層８１を共通に分極処理できるため、生産性の向上が可能となる。
【０２３１】
（３）以上説明した本実施形態では、圧電体ユニット２３を複数のユニット２３ａ、２３ｂに構成し、特定のユニット２３ａ内において荷重検出部６０に相当するピエゾ素子６１と駆動部７０の一部に相当するピエゾ素子７１を存在する構成とした。これに限らず、荷重検出部６０が、第３実施形態のように一つのユニット２５ａで構成されるものであってもよく、荷重検出部６０が複数に区分され、複数のユニットで構成されるものであってもよい。これによれば、荷重検出部７０においてピエゾ素子層７１の積層数を増やすことが容易となるので、当該積層数に比例して荷重検出部６０の検出出力の範囲拡大が図れる。
【０２３２】
これにより、作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制するために必要な荷重検出部の出力範囲の確保と、操作力の向上との両立が可能となる。
【０２３３】
（４）また、荷重検出部６０を、一つの以上ユニットと、上記駆動部７０の一部と共有するユニット２５ａとで構成してもよい。上記（３）及び（４）に記載の荷重検出部６０では、荷重検出部の出力範囲の拡大が可能であると共に、荷重検出部のスペース占有により駆動部７０の操作力の余力が少なくなる場合があっても、そのような操作力の余力が少ない特定状態に限って、荷重検出部６０に駆動機能を発揮させることができる。したがって、作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの抑制するために必要な荷重検出部の出力範囲の確保と、操作力の向上との両立が、実質的に確保できる。
【０２３４】
（５）また、以上説明した本実施形態において、上記接続層８０のピエゾ素子層の厚みを、図２５に示すように、比較的厚くしたピエゾ素子層８１ａに形成してもよい。荷重検出部６０と駆動部７０との間の絶縁性をより確かなものとすることができ、荷重検出部６０の検出精度を向上させることができる。
【０２３５】
（６）また、以上説明した本実施形態では、上記接続層を、ピエゾ素子層のみで構成した。これに限らず、ピエゾ素子層８１と内部電極層８２とが交互に積層されて形成される接続層８０ｂとしてもよい。この場合、ピエゾ素子層８１と内部電極層８２とが交互に積層されているため、ピエゾ素子層８１を複数層重ねることができる。接続層８０を厚く形成することが容易にできるため、荷重検出部６０と駆動部７０との絶縁性を確保することができる。
【０２３６】
また、内部電極層を含むピエゾ素子層と、内部電極層を含まないピエゾ素子層とでは焼成時の収縮率が異なる。これによれば、接続層８０ｂと、荷重検出部６０並びに駆動部７０との焼成収縮を整合することができるので、焼成収縮が未整合による圧電体ユニット２３の焼成後の剥離、クラックなどを回避できる。
【０２３７】
（７）また、図２７の他の実施形態に示すように、駆動部側終端内部電極層７３とその隣の駆動部７０における内部電極層７２ａとの間に配設されるピエゾ素子層７１ａの構造を、以上説明した実施形態と異なるものとしてもよい。具体的には、このピエゾ素子層７１ａの厚さを、駆動部７０における中央部のピエゾ素子層７１よりも厚くしている。この構成によれば、駆動部７０を伸縮させたときの、駆動部７０の端部に発生するせん断応力を緩和することができる。
【０２３８】
（８）また、以上説明した本実施形態では、制御装置３００において荷重検出信号入力部３ｂを、制御回路４側に配置し、駆動回路３側の充放電駆動部３ａから離した配置とした。これに限らず、図２８に示すように、荷重検出信号入力部３ｂを、駆動回路３内に配置する構成としてもよい。これによれば、荷重検出信号入力部３ｂ、及び各ＳＷ３ｃ、３ｄを、充放電駆動部３ａと共に駆動回路３内に簡素に配置することができる。
【０２３９】
（９）また、以上説明した本実施形態において、ピエゾアクチュエータ２２で駆動される操作要素としては、液圧調整機構１８、３０の弁体１９がピエゾアクチュエータ２２により直接的に駆動され、第１操作位置及び第２操作位置に操作される構成や、油圧連結部２１７、２２０、２４６を介してニードル２１２が、直接的に駆動される構成で説明した。
【０２４０】
いずれも上記操作要素においても、ニードル１２、２１２がピエゾアクチュエータ２２で直接または間接的に駆動される。これによれば、荷重検出部６０の検出結果に基づいてピエゾアクチュエータ２２の伸縮といった作動状態の個体間のばらつきや経時変化によるばらつきの程度を見極めることができるので、燃料の噴射及び噴射停止のうちの燃料噴射時期などといった特定燃料状態に対応する特定荷重状態を、荷重検出部６０で検出し、その検出結果に基づいて上記ばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２４１】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射装置の構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１中のピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットを示す斜視図である。
【図３】図２に示す圧電ユニットの構成を示す図であって、図２中のIII−III線断面図である。
【図４】図２に示す圧電ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図５】図２に示す圧電ユニットにおいて駆動部から発生する荷重と荷重検出部からの出力との関係を示す特性図である。
【図６】図２に示す圧電ユニットにおいて荷重検出部をピエゾアクチュエータの固定端側の軸方向一端に配置する構成とする実施形態の一態様の効果を説明するタイムチャートであって、荷重検出部において操作要素に負荷され駆動部に発生する荷重を検出した荷重検出特性を示すタイムチャートである。
【図７】図１に示す制御装置にて実行される、ピエゾアクチュエータの駆動部の充放電制御と、駆動部、及び駆動部として機能させる荷重検出部の双方の充放電制御とを切換える切換え制御に関する制御処理を示すフローチャートである。
【図８】図７中のピエゾアクチュエータの駆動部の充放電制御の一部を示すフローチャートであって、荷重検出部にて検出した駆動部に発生する荷重に基づいて上記充電制御を補正する補正制御に関する制御処理を示すフローチャートである。
【図９】図８中の制御処理を実行したときの燃料噴射装置の作動を示すタイムチャートである。
【図１０】図７中の制御処理を実行したときの燃料噴射装置の各状態に対する閾値の一例を示す特性図であって、図１０（ａ）は荷重検出部の荷重検出機能を実行時において燃料の圧力Ｐｃと閾値Ｆｃとの関係、図１０（ｂ）は荷重検出部の荷重検出機能を実行時において制御弁応答時間ΔＴと充電速度Ｖｃとの関係、図１０（ｃ）は荷重検出部の荷重検出機能を実行時において荷重誤差ΔＦと充電エネルギ補正値との関係、及び図１０（ｄ）は荷重検出部が駆動部としての機能を実行時において駆動部の実効操作力と変位出力との関係を示す模式的特性図である。
【図１１】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、電極印刷工程において第１印刷シートの形成過程を示す工程図である。
【図１２】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、電極印刷工程において第２印刷シートの形成過程を示す工程図である。
【図１３】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、消失スリット印刷工程において消失スリット印刷シートの形成過程を示す工程図である。
【図１４】図２に示す圧電ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図１５】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、圧着工程において予備積層体の形成過程を示す工程図である。
【図１６】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、積層体切断工程において予備積層体の分割区分を示す工程図である。
【図１７】図２に示す圧電ユニットの製造工程の一過程を示す図であって、積層体切断工程において予備積層体の分割区分で切断された中間積層体の形成過程を示す工程図である。
【図１８】第２実施形態に係わるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットを示す斜視図である。
【図１９】図１８に示す圧電ユニットの一部を示す図であって、図２中のXIX−XIX線断面図である。
【図２０】第３実施形態に係わるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットの一部を拡大した断面図である。
【図２１】第４実施形態による燃料噴射装置に適用する燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
【図２２】図２１中の固定ピストンをXXII方向からみた斜視図である。
【図２３】図２１中のプッシュプレートを示す図であって、図２３（ａ）は正面図、図２３（ｂ）は図２３（ａ）のプッシュプレートを下方からみた平面図である。
【図２４】他の実施形態の一例によるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットを示す斜視図である。
【図２５】他の実施形態の別の一例によるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットの一部を示す断面図である。
【図２６】他の実施形態の別の一例によるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットの一部を示す断面図である。
【図２７】他の実施形態の別の一例によるピエゾアクチュエータにおける圧電ユニットの一部を示す断面図である。
【図２８】他の実施形態の別の一例による燃料噴射装置を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【０２４２】
１        燃料噴射装置
２        燃料噴射弁
３００    制御装置
３        駆動回路
３ａ      充放電駆動部（駆動回路）
３ｂ      荷重検出信号入力部（入力回路）
３ｃ、３ｄ  ＳＷ（切換え部、切換え手段）
４        制御回路
５        ＭＰＵ（マイクロプロセッサ）
６        ＡＤ変換部
７        ＤＳＰ（信号処理用マイクロプロセッサ）
８        リターン経路
９        背圧弁
１０      燃料タンク
１１      ノズル（弁閉鎖体）
１２      ニードル（弁部材）
１６      ノズルスプリング
１７      ノズルシリンダ
１８      制御弁
１９      弁体
２０      バルブスプリング
２１      アクチュエータ部
２２      ピエゾアクチュエータ
２３      圧電体ユニット
３０      変位伝達部
３４      液室
４０      ハウジング
４１      燃料入口部
４３      収容部
４４      噴孔
４５      弁座
４６      高圧燃料通路
４７      高圧連絡通路
４８      低圧燃料通路
４９      低圧連絡通路
５０      連絡通路
５２      制御室
５３      バルブ室
５４      低圧側シート面
５５      高圧側シート面
５６      アクチュエータ室
５７      固定側
６０      荷重検出部
６１      ピエゾ素子層（圧電体層）
６２ａ、６２ｂ  内部電極層
６３      荷重検出部側終端内部電極層
６４ａ、６４ｂ  電極露出層
６５ａ    正極側外部電極
６５ｂ    負極側外部電極
６９      第２伝送線
７０      駆動部
７１      ピエゾ素子層（圧電体層）
７２ａ、７２ｂ  内部電極層
７３      駆動部側終端内部電極層
７４ａ、７４ｂ  電極露出層
７５ａ    正極側外部電極
７５ｂ    負極側外部電極
７９      第１伝送線
８０      接続層
８１      ピエゾ素子層（非活性ピエゾ素子層）
８２      内部電極層
【図１】
2010101247.tif 000003
【図２】
2010101247.tif 000004
【図３】
2010101247.tif 000005
【図４】
2010101247.tif 000006
【図５】
2010101247.tif 000007
【図６】
2010101247.tif 000008
【図７】
2010101247.tif 000009
【図８】
2010101247.tif 000010
【図９】
2010101247.tif 000011
【図１０】
2010101247.tif 000012
【図１１】
2010101247.tif 000013
【図１２】
2010101247.tif 000014
【図１３】
2010101247.tif 000015
【図１４】
2010101247.tif 000016
【図１５】
2010101247.tif 000017
【図１６】
2010101247.tif 000018
【図１７】
2010101247.tif 000019
【図１８】
2010101247.tif 000020
【図１９】
2010101247.tif 000021
【図２０】
2010101247.tif 000022
【図２１】
2010101247.tif 000023
【図２２】
2010101247.tif 000024
【図２３】
2010101247.tif 000025
【図２４】
2010101247.tif 000026
【図２５】
2010101247.tif 000027
【図２６】
2010101247.tif 000028
【図２７】
2010101247.tif 000029
【図２８】
2010101247.tif 000030