(57)【要約】【課題】チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するに際し、その制御性能を向上させる。【解決手段】充電スイッチのオン・オフ操作の終了時に同期してピエゾ素子の電圧を計測する。そしてこれに基づき、ピエゾ素子の電圧が目標とする電圧となるように、ピエゾ素子の変位量の制御の態様を調整する。【選択図】      図８
2006217693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するものについて、該制御の態様を調整する調整方法であって、
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とするピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項２】
前記制御の態様の調整は、前記計測結果を基準値に一致させるために行うものである請求項１記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項３】
前記制御が、前記ピエゾ素子の充電処理によって行われる請求項１又は２記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項４】
前記計測を、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了時に同期して行う請求項１〜３のいずれかに記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項５】
前記状態量の制御は、予め設定された所定期間の前記オン操作及びオフ操作の繰り返しによって行われるものであり、前記計測を、前記所定期間の経過時に同期して行う請求項４記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項６】
前記制御の態様の調整には、前記所定期間の調整が含まれる請求項５記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項７】
前記制御態様の調整には、前記オン操作及びオフ操作の少なくとも一方の態様の調整が含まれる請求項１〜６のいずれかに記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項８】
前記計測を、前記制御に際しての前記ピエゾ素子の電圧の振動に起因した前記状態量の計測値の変動を除去する処理を施した後に行う請求項１〜７のいずれかに記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項９】
前記計測を、前記ピエゾ素子を介して流れる電流及び前記ピエゾ素子の電圧の少なくとも一方を独立変数として含む関数の時間による積分値の計測として行う請求項１〜７のいずれかに記載のピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。
【請求項１０】
チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とするピエゾアクチュエータの駆動装置。
【請求項１１】
チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に計測された前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量に基づき、前記制御の態様が調整されてなることを特徴とするピエゾアクチュエータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の電気的な状態量を制御するものについて、該制御の態様を調整するピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法に関する。また、本発明は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の電気的な状態量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾアクチュエータは、多数の圧電素子を積層した積層体（ピエゾスタック）等のピエゾ素子が逆圧電効果により伸縮するアクチュエータであり、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置において燃料噴射弁内に設けられる。ピエゾアクチュエータは容量性の負荷であり、その充電と放電とで伸長状態と縮小状態とが切り替えられる。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの駆動装置は、ピエゾ素子を充電、及び放電することでピエゾアクチュエータを伸長、及び縮小させるものである。この駆動装置としては、チョッパ制御により、ピエゾ素子の充電及び放電を行うことでピエゾ素子の変位量を制御するものが知られている（特許文献１〜４）。この駆動装置は、変位量の増加制御時には、チョッパ制御にかかる充電用のスイッチング素子のオン・オフ操作の繰り返しにより、ピエゾ素子及びコイルの直列回路に流れる電流量の増加、減少を繰り返すことで、ピエゾ素子への充電を行う。また、変位量の減少制御時には、チョッパ制御にかかる放電用のスイッチング素子のオン・オフ操作の繰り返しにより、ピエゾ素子及びコイルの直列回路に流れる電流量の増加、減少を繰り返すことで、ピエゾ素子の放電を行う。
【０００４】
また、上記駆動装置では、電圧等、ピエゾ素子の変位量と相関を有する電気的な状態量を所望に制御することで、ピエゾ素子を所望とする変位量に制御する。
【０００５】
ただし、上記チョッパ制御にて電気的な状態量を制御する場合、上記スイッチング素子のオフ操作を行った後にも上記直列回路に電流が流れることに起因して、電気的な状態量が変動する。このため、チョッパ制御により電気的な状態量を制御すると、これを正確に制御することができないおそれがある。
【特許文献１】特開平１１−３１７５５１号公報
【特許文献２】特開２００２−１３６１５６号公報
【特許文献３】特開２００２−１５９１９０号公報
【特許文献４】特開２００１−５３３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するに際し、その制御性能を向上させることのできるピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法及びピエゾアクチュエータの駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
【０００８】
手段１では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するものについて、該制御の態様を調整する調整方法であって、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整する。
【０００９】
ピエゾ素子の特性には個体差があるため、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記オン・オフ操作により一義的に定まらない。更に、ピエゾ素子の特性が温度によって変化すること等のために、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記操作により一義的に定まらない。
【００１０】
一方、計測される前記ピエゾ素子の電気的な状態量が定常となるのは、オン操作からオフ操作へ最後に切り替えられた後、ピエゾ素子を介して流れる電流量がゼロとなった以降である。ここで、定常となった後に計測される電気的な状態量に基づき、変位量の制御の態様を調整すると、上述したピエゾ素子の特性の変動等に起因して以下のような不都合が生じる。
【００１１】
すなわち、この場合、上記操作の終了後に上記オフ操作に起因してピエゾ素子を電流が流れる個体Ａと、上記操作の終了時に上記オフ操作による電流量がゼロとなる個体Ｂとの双方について、充電量を近似させるような調整が行われることとなる。しかし、この場合、温度による特性変化等により、制御の終了時に個体Ａの電流量がゼロとなるとともに、制御の終了時に個体Ｂがオフ操作に切り替えがなされる場合には、これら個体Ａの充電量と個体Ｂの充電量とに大きな差が生じる。
【００１２】
この点、上記方法では、上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動を抑制することができ、ひいては変位量の制御性能を向上させることができる。
【００１３】
なお、上記「オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前」には、同繰り返しの終了時が含まれることとする。更に、上記「制御の態様の調整」には、オン操作、オフ操作の態様のみならず、変位量の制御を行うピエゾ素子の駆動回路の回路特性の調整も含まれるものとする。
【００１４】
なお手段１は、手段２によるように、前記制御の態様の調整は、前記計測結果を基準値に一致させるために行うようにしてもよい。
【００１５】
手段３では、手段１又は２において、前記制御が、前記ピエゾ素子の充電処理によって行われる。
【００１６】
上記方法では、ピエゾ素子の充電処理にかかる制御の調整を手段１や手段２の態様にて行うために、ピエゾ素子の充電量の制御等、ピエゾ素子の伸長制御の態様を適切なものとすることができる。
【００１７】
手段４では、手段１〜３のいずれかにおいて、前記計測を、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了時に同期して行う。
【００１８】
上記方法では、上記操作の繰り返しの終了時に同期して上記計測を行うことで、計測に基づき調整が行われた後の状態量の変動を、オン操作からオフ操作への切り替え時から電流量がゼロとなるときまでの電流量程度に低減することができる。
【００１９】
手段５では、手段４において、前記状態量の制御は、予め設定された所定期間の前記オン操作及びオフ操作の繰り返しによって行われるものであり、前記計測を、前記所定期間の経過時に同期して行う。
【００２０】
上記方法では、上記操作の繰り返しを所定期間行うようにすることで、状態量の制御を簡易な処理にて行うことができる。しかも、所定期間の経過時に同期して行われる計測に基づき、制御の態様が調整されるために、制御性能を向上させることもできる。
【００２１】
なお、手段５は、手段６によるように、前記制御の態様の調整には、前記所定期間の調整が含まれるようにしてもよい。
【００２２】
これにより、状態量の制御の態様を好適に調整することができる。
【００２３】
手段７では、手段１〜６のいずれかにおいて、前記制御態様の調整には、前記オン操作及びオフ操作の少なくとも一方の態様の調整が含まれる。
【００２４】
上記方法では、オン・オフ操作の態様を調整することで、状態量の制御の態様を好適に調整することができる。
【００２５】
手段８では、手段１〜７のいずれかにおいて、前記計測を、前記制御に際しての前記ピエゾ素子の電圧の振動に起因した前記状態量の計測値の変動を除去する処理を施した後に行う。
【００２６】
上記方法では、変動を除去する処理が施された後に状態量が計測されるために、同一の計測値を異なるタイミングでとり得る事態の発生を回避又は抑制することができる。このため、上記方法によれば、状態量を適切に計測することができる。
【００２７】
手段９では、手段１〜７のいずれかにおいて、前記計測を、前記ピエゾ素子を介して流れる電流及び前記ピエゾ素子の電圧の少なくとも一方を独立変数として含む関数の時間による積分値の計測として行う。
【００２８】
上記関数の独立変数がピエゾ素子の電圧を含む場合には、電圧が変位量と相関を有するために、関数も変位量と相関を有する。また、独立変数がピエゾ素子を介して流れる電流を含む場合には、電流の積分値が変位量と相関を有するため、関数の積分値も変位量と相関を有する。そして、関数の時間による積分値は、電圧の振動等に起因した関数の値の変動影響が好適に抑制されたものとなる。このため、この関数の積分値を用いて、ピエゾ素子の変位量を適切に計測することができる。
【００２９】
なお、上記積分値を、前記電圧、前記電流、及び前記電圧と前記電流との積のいずれかの積分値とすることが望ましい。
【００３０】
ここで、電圧は、ピエゾ素子の変位量と相関を有する量である。また、電流の時間による積分値も、ピエゾ素子の変位量と相関を有する量である。更に、電流と電圧の積は、ピエゾ素子のエネルギの変化量と相関を有するため、電流と電圧の積の積分値は、ピエゾ素子の変位量と相関を有する。
【００３１】
手段１０では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とする。
【００３２】
手段１１では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に計測された前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量に基づき、前記制御の態様が調整されてなることを特徴とする。
【００３３】
ピエゾ素子の特性には個体差があるため、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記オン・オフ操作により一義的に定まらない。更に、ピエゾ素子の特性が温度によって変化すること等のために、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記操作により一義的に定まらない。
【００３４】
一方、計測される前記ピエゾ素子の電気的な状態量が定常となるのは、オン操作からオフ操作へ最後に切り替えられた後、ピエゾ素子を介して流れる電流量がゼロとなった以降である。ここで、定常となった後に計測される電気的な状態量に基づき変位量の制御の態様を調整すると、上述したピエゾ素子の特性の変動等に起因して以下のような不都合が生じる。
【００３５】
すなわち、この場合、上記操作の終了後に上記オフ操作に起因してピエゾ素子を電流が流れる個体Ａと、上記操作の終了時に上記オフ操作による電流量がゼロとなる個体Ｂとの双方について、充電量を近似させるような調整が行われることとなる。しかし、この場合、温度による特性変化等により、制御の終了時に個体Ａの電流量がゼロとなるとともに、制御の終了時に個体Ｂがオフ操作に切り替えがなされる場合には、これら個体Ａの充電量と個体Ｂの充電量とに大きな差が生じる。
【００３６】
この点、上記手段１０によれば、上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動を抑制することができ、ひいては変位量の制御性能を向上させることができる。
【００３７】
また、上記手段１１では、当該駆動装置の製造時に上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動が抑制された駆動装置を実現することができる。
【００３８】
なお、上記「オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前」には、操作の終了時が含まれることとする。更に、上記「制御の態様の調整」には、オン操作、オフ操作の態様のみならず、変位量の制御を行うピエゾ素子の駆動回路の回路特性の調整も含まれるものとする。
【００３９】
なお、手段１０、手段１１における上記計測や制御、制御の態様の調整の具体的な構成としては、上記手段２〜９のいずれかに記載の方法を実施する手段としてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法及びピエゾアクチュエータの駆動装置を、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁の備えるピエゾアクチュエータに適用した第１の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００４１】
図１に、上記ディーゼルエンジン用燃料噴射システムの全体構成を示す。図示されるように、燃料タンク２の燃料は、燃料フィルタ４を介して高圧燃料供給ポンプ６に内蔵されるフィードポンプによって汲み上げられ、コモンレール８に加圧供給される。コモンレール８にて高圧状態で蓄えられた燃料は、高圧燃料供給パイプ１０を介して、４気筒のディーゼルエンジンの各々の気筒に設けられる燃料噴射弁１２に供給される。また、燃料噴射弁１２の各々は、その内部から出てきたリーク燃料を燃料タンク２に戻すための低圧燃料供給パイプ１４に接続されている。
【００４２】
コモンレール８内の燃圧を検出する燃料圧力センサ１６等の各種センサの検出値は、制御装置２０に取り込まれる。そして、制御装置２０では、こうした検出値に基づき、燃料噴射弁１２等のディーゼルエンジンの各種アクチュエータを操作する。次に、燃料噴射弁１２に設けられるピエゾ素子と、その充電及び放電を行う制御装置２０について詳述する。
【００４３】
図２に、燃料噴射弁１２の備えるピエゾ素子、及び制御装置２０の構成を示す。
【００４４】
図示されるように、ピエゾ素子ＰＥ（各気筒に対応してピエゾ素子ｐａ〜ｐｄと表記）は、複数の圧電素子が積層されてなる積層体（ピエゾスタック）を備え、これが逆圧電効果により伸縮することによりアクチュエータとして機能する。具体的には、ピエゾ素子ＰＥは、容量性の負荷であり、充電されることで伸長し、放電されることで縮小する。ちなみに、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。
【００４５】
ここで、ピエゾ素子ＰＥを駆動する駆動回路について説明する。
【００４６】
バッテリＢａから供給される電力は、まず昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ３０に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリＢａの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子ＰＥを充電するための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧する。
【００４７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の昇圧電圧は、コンデンサ３２に印加される。コンデンサ３２は、その一方の端子がＤＣ／ＤＣコンバータ３０側に接続され、また他方の端子が接地されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の昇圧電圧がコンデンサ３２に印加されると、コンデンサ３２はピエゾ素子ＰＥに供給するための電荷を蓄える。ちなみに、コンデンサ３２は、ピエゾ素子ＰＥへの一回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しないような容量（例えば「数１００μＦ」程度）を有するものであることが望ましい。
【００４８】
コンデンサ３２のうちの高電位となる端子側、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０側は、充電スイッチ３４と充放電コイル３６との直列接続体を介して、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側に接続されている。そして、ピエゾ素子ＰＥの低電位となる端子側は、接地されている。
【００４９】
詳しくは、各ピエゾ素子ｐａ〜ｐｄと接地との間には、気筒選択スイッチ３８が接続されており、これにより、ピエゾ素子ｐａ〜ｐｄのいずれに対して充電処理又は放電処理を行うかを選択するようになっている。また、ピエゾ素子ｐａとピエゾ素子ｐｄとの並列回路と、ピエゾ素子ｐｂとピエゾ素子ｐｃとの並列回路とには、それぞれこれらと充放電コイル３６とを接続するバンク選択スイッチ４０が接続されている。このバンク選択スイッチ４０は、複数気筒の同時噴射や、退避走行時に２気筒のみを用いることを可能とするスイッチである。ちなみに、ピエゾ素子ｐａ〜ｐｄは、ピエゾ素子ｐａが１番気筒、ピエゾ素子ｐｂが２番気筒、ピエゾ素子ｐｃが３番気筒、ピエゾ素子ｐｄが４番気筒に対応している。
【００５０】
充電スイッチ３４と充放電コイル３６との間には、放電スイッチ４２の一方の端子が接続されており、放電スイッチ４２の他方の端子は、接地されている。
【００５１】
放電スイッチ４２には、ダイオード４４が並列接続されている。このダイオード４４は、そのカソード側がコンデンサ３２及び充放電コイル３６との間に、またそのアノード側が接地側にそれぞれ接続されている。このダイオード４４は、コンデンサ３２、充電スイッチ３４、充放電コイル３６と共に、ピエゾ素子ＰＥを充電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。
【００５２】
一方、充電スイッチ３４には、ダイオード４６が並列接続されている。このダイオード４６は、そのカソード側がコンデンサ３２側と、またそのアノード側が放電スイッチ４２側と接続されている。このダイオード４６は、コンデンサ３２、充放電コイル３６、放電スイッチ４２と共に、ピエゾ素子ＰＥの電荷を放電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。
【００５３】
なお、充放電コイル３６とバンク選択スイッチ４０との間には、ショートスイッチ４８とダイオード５０とが、ピエゾ素子ＰＥに並列に接続されている。このショートスイッチ４８は、上記チョッパ制御によっては放電しきれなかったピエゾ素子ＰＥの電荷を完全に放電するためのものである。また、ダイオード５０は、ピエゾ素子ＰＥの電圧がマイナスとなることを防止している。
【００５４】
先の図１に示した制御装置２０は、上記駆動回路に加えて、マイクロコンピュータ２２と制御ＩＣ２４とを備えている。ここで、マイクロコンピュータ２２は、ディーゼルエンジンの運転状態等を検出する各種センサの検出値に基づき、ピエゾ素子ＰＥの変位量の制御条件を算出し、制御ＩＣ２４に出力する。制御ＩＣ２４は、マイクロコンピュータ２２から出力された制御条件に基づき、駆動回路を駆動する。なお、制御ＩＣ２４やマイクロコンピュータ２２は、駆動回路の各ノードＮ１〜Ｎ７の電位に基づき、駆動回路やピエゾ素子ＰＥの電流や電圧等の情報を取り込んでいる。
【００５５】
ここで、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥの変位量の制御（充電処理及び放電処理）について詳述する。
【００５６】
図３に、充電処理及び放電処理の態様を示す。ここで、図３（ａ）は、マイクロコンピュータ２２から制御ＩＣ２４に出力され、噴射期間を指示する噴射信号の推移を示す。図３（ｂ）は、マイクロコンピュータ２２から制御ＩＣ２４に出力され、充電期間を指示する充電期間信号の推移を示す。図３（ｃ）は、充電スイッチ３４の操作信号の推移を示す。図３（ｄ）は、気筒選択スイッチ３８の操作信号の推移を示す（ここではそのうちのピエゾ素子ｐａに対応したものを例示）。図３（ｅ）は、放電スイッチ４２の操作信号の推移を示す。図３（ｆ）は、バンク選択スイッチ４０の操作信号を推移を示す（ここでは、図３（ｄ）に対応するスイッチの操作信号を例示）。図３（ｇ）は、ショートスイッチ４８の操作態様の推移を示す。図３（ｈ）は、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる側の電圧の推移を示す。図３（ｉ）は、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流（ピエゾ素子ＰＥに流入する電荷、ピエゾ素子ＰＥから流出する電荷）の推移を示す。
【００５７】
図示されるように、時刻ｔ１に、マイクロコンピュータ２２から制御ＩＣ２４に、噴射信号と充電期間信号が出力されることで、制御ＩＣ２４は、充電スイッチ３４のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、充電スイッチ３４がオン操作されることによって、図４（ａ）に示すように、コンデンサ３２、充電スイッチ３４、充放電コイル３６、ピエゾ素子ｐａからなる閉ループ回路が形成される。これにより、コンデンサ３２の電荷がピエゾ素子ｐａに充電される。このとき、先の図３に示すように、ピエゾ素子ｐａを介して流れる電流量が増加する。一方、充電スイッチ３４のオン操作の後、充電スイッチ３４がオフ操作されることで、図４（ｂ）に示すように、充放電コイル３６、ピエゾ素子ｐａ、ダイオード４４からなる閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル３６のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子ｐａに充電される。このとき、先の図３に示すように、ピエゾ素子ｐａを介して流れる電流量が減少する。そして、本実施形態では、図３に示すように、電流量がゼロとなることで、充電スイッチ３４を再度オン操作する。
【００５８】
上記態様にて充電スイッチ３４が操作される降圧チョッパ制御が時刻ｔ１〜時刻ｔ２にわたって行われることで、ピエゾ素子ｐａが充電され、ピエゾ素子ｐａの高電位となる端子側の電位が上昇する。
【００５９】
一方、図３に示す時刻ｔ３において、噴射信号が反転すると、制御ＩＣ２４では、放電スイッチ４２のオン・オフ操作を開始する。具体的には、放電スイッチ４２がオン操作されることで、図５（ａ）に示すように、放電スイッチ４２、充放電コイル３６、ピエゾ素子ｐａによって閉ループ回路が形成される。これにより、ピエゾ素子ｐａが放電される。このとき、先の図３に示すように、ピエゾ素子ｐａを介して流れる電流量が増加する。更に、放電スイッチ４２のオン操作の後、放電スイッチ４２がオフ操作されることで、図５（ｂ）に示すように、コンデンサ３２、ダイオード４６、充放電コイル３６、ピエゾ素子ｐａによって閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル３６のフライホイールエネルギがコンデンサ３２に回収される。このとき、先の図３に示すように、ピエゾ素子ｐａを介して流れる電流量が減少する。そして、本実施形態では、図３に示すように、電流量がゼロとなることで、放電スイッチ４２を再度オン操作する。
【００６０】
上記態様にて放電スイッチ４２が操作される昇圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子ｐａが放電され、ピエゾ素子ｐａの高電位となる端子側の電位が低下する。ちなみに、図４、図５に示す式は、ピエゾ素子ｐａを介して流れる電流量Ｉｐと、充放電コイル３６のインダクタンスＬ、ピエゾ素子ｐａの電圧Ｖｐ、コンデンサ３２の電圧Ｖｃとの関係を表すものである。
【００６１】
なお、図３に示すように、昇圧チョッパ制御によるピエゾ素子ｐａの放電が完了した後の時刻ｔ４〜時刻ｔ５までの間、ショートスイッチ４８がオン操作されることで、ピエゾ素子ｐａの電荷を完全に放電させるようにする。
【００６２】
本実施形態では、図３に示したように、ピエゾ素子ｐａの充電処理を、充電期間信号によって定まる所定期間、充電スイッチ３４のオン・オフ操作をすることによって行っている。すなわち、ピエゾ素子ＰＥを伸長させる制御を、開ループ制御によって行なっている。そして、ピエゾ素子ＰＥの変位量を所望に制御するに際し、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥの変位量と相関を有するピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を制御量とする。
【００６３】
ところで、ピエゾ素子ＰＥの特性には、個体差によるばらつきがある。また、ピエゾ素子ＰＥの特性は、温度によっても変動し得る。このため、上記態様にて開ループ制御を行うと、ピエゾ素子ＰＥを必ずしも所望とする変位量（電気的な状態量）に制御することができないおそれがある。すなわち、例えば図６に例示するように充電スイッチ３４のオン・オフ操作の行われる期間が時刻ｔ１〜ｔ２までであると、オフ操作によって電流量がゼロとなった時点が時刻ｔ２となるケース１の場合と、オン操作からオフ操作への最後の切り替え時が時刻ｔ２となるケース２の場合とで充電量にばらつきが生じる。
【００６４】
こうしたピエゾ素子ＰＥの特性のばらつき等に起因した充電量のばらつきの最大値は、充電スイッチ３４のオン操作からオフ操作への切り替え時からピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量がゼロとなるまでの間に、ピエゾ素子ＰＥに流入する総電流量よりも大きくなり得る。ここで、図７に基づき、これについて説明する。
【００６５】
図７（ａ）に上記充電期間信号の推移を、図７（ｂ）にピエゾ素子の個体Ａを介して流れる電流の推移を、図７（ｃ）に個体Ａと異なる個体Ｂを介して流れる電流の推移を、図７（ｄ）に個体Ａと個体Ｂの電圧の推移をそれぞれ示す。ちなみに、図７においても、充電スイッチ３４のオン操作は予め定められた所定時間行われ、オフ操作は電流量がゼロとなるまで行われている。こうした場合、一般に、電流量の最大値は時間が経過するにつれて小さくなり得るが図７では便宜上電流量の最大値を同一に記載している。
【００６６】
図７では、充電期間が終了する時刻ｔ２よりも後、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量がゼロとなりピエゾ素子ＰＥの電圧が定常状態となったときにピエゾ素子ＰＥの電圧を計測し、この計測値が所望とする値（基準値）となるように開ループ制御の態様を調整した場合を示している。ここでは、調整時（計測値を基準値とするような調整が行われた直後）のピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流、及びピエゾ素子ＰＥの電圧を実線で示している。このように、計測時の電圧値が一致しているとはいえ、電圧の変化量（電気的な状態量の変化量）には、ばらつきが生じている。
【００６７】
また、上記態様にて制御の態様を調整した後、個体Ａ及び個体Ｂの特性が温度変化等により変化した場合のピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量と、ピエゾ素子ＰＥの電圧とを２点鎖線で示す。ここでは、個体Ａについては、調整時には、充電スイッチ３４のオン操作からオフ操作への切り替え時が時刻ｔ２であったのが、調整後、充電スイッチ３４のオフ操作によって電流量が減少しゼロとなった時点が時刻ｔ２となるものに変化した場合を示している。一方、個体Ｂについては、調整時には、充電スイッチ３４のオフ操作によって電流量がゼロとなった時点が時刻ｔ２であったのが、調整後、充電スイッチ３４のオン操作からオフ操作への切り替え時が時刻ｔ２となるものに変化した場合を示している。こうした状況下、上記開ループ制御の完了後の個体Ａと個体Ｂとの電圧には大きな誤差Δ（オフ操作へ切り替えられてから電流量がゼロとなるまでの総電流量の略２倍に対応する電圧誤差）が生じることとなる。
【００６８】
このように、上記オン・オフ操作の終了後、ピエゾ素子ＰＥの充電量が定常となったときに計測される電気的な状態量（電圧等）に基づき、制御の態様を調整すると、制御される電気的な状態量や同状態量の変化量に大きなばらつきが生じる。
【００６９】
そこで、本実施形態では、開ループ制御の態様を、図８に示すように、オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了時（オン・オフ操作の終了時）である時刻ｔ２に同期して計測される電気的な状態量に基づき行うようにする。ちなみに、図８（ａ）に上記充電期間信号の推移を、図８（ｂ）にピエゾ素子の個体Ａを介して流れる電流の推移を、図８（ｃ）に個体Ｂを介して流れる電流の推移を、図８（ｄ）に個体Ａと個体Ｂの電圧の推移をそれぞれ示す。
【００７０】
図８でも、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流と、ピエゾ素子ＰＥの電圧とを、調整時のものを実線で、また調整後のものを２点鎖線で示している。
【００７１】
図８においては、ピエゾ素子ＰＥの電圧について２点鎖線にて示したものが記載されていないが、これは実線と重なっているからである。すなわち、個体Ａについての調整後の（２点鎖線で示すべき）電圧の推移は個体Ｂの実線で示す電圧の推移と一致し、個体Ｂについての調整後の（２点鎖線で示すべき）電圧の推移は個体Ａの実線で示す電圧の推移と一致している。このため、開ループ制御による電圧の誤差は、オフ操作への最後の切り替えから電流がゼロとなるまでの総電流量程度に抑制される。また、電圧の変化量（電気的な状態量の変化量）のばらつきも抑制される。
【００７２】
このように、オン・オフ操作の終了時に同期して電圧等のピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を計測し、これに基づき制御の態様を調整することで、制御性能を向上させることが可能となる。
【００７３】
ちなみに、こうした制御の態様の調整には、充電期間やオン操作時間の変更のみならず、先の図２に示した駆動回路の回路特性の変更も含まれる。
【００７４】
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００７５】
（１）充電スイッチ３４のオン・オフ操作の終了に同期してピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を計測し、該計測された状態量に基づき変位量の制御の態様を調整した。これにより、オン・オフ操作の終了後のピエゾ素子ＰＥの充電量（電気的な状態量）のばらつきを好適に抑制することができ、ひいては、ピエゾ素子ＰＥの変位量のばらつきを好適に抑制することができる。
【００７６】
（２）チョッパ制御によって、ピエゾ素子ＰＥの電流量を増加操作及び減少操作しつつ、ピエゾ素子ＰＥの充電及び放電を行うことでピエゾ素子ＰＥの変位量を制御した。これにより、ピエゾ素子ＰＥの変位量の制御を簡易に行うことができる。
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７７】
先の第１の実施形態のようにオン・オフ操作の終了時に電圧を計測する場合、計測される電圧が変動しているためにこれを正確に把握することができないおそれがある。特に、ピエゾ素子ＰＥの電圧は、ピエゾ素子ＰＥの抵抗成分や圧電現象等によって電圧振動を伴う。これは、ピエゾ素子ＰＥの等価回路が、図９に示すように、ＬＣＲの直列回路として表現される機械成分と、ＬＣＲの直列回路に並列に接続されたコンデンサ及び同並列回路に直列に接続されている直列等価抵抗とによって表現される電気成分とによって構成されることによる。このため、電流が流れるたびに、直列等価抵抗で発生する電圧によってピエゾ素子ＰＥの両端の電圧が変動する。そして、これにより、ピエゾ素子ＰＥの電圧の計測に基づきピエゾ素子ＰＥの変位量を一義的に定めることは困難なものとなっている。
【００７８】
そこで、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流、ピエゾ素子ＰＥの電圧、上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値に基づき、オン・オフ操作の終了時のピエゾ素子ＰＥの変位量（電気的な状態量）を計測する。
【００７９】
図１０に、ピエゾ素子ＰＥの電圧の推移と、同電圧の積分値の推移とを示す。また、図１１に、ピエゾ素子ＰＥの電流の推移と、同電流の積分値の推移とを示す。更に、図１２に、ピエゾ素子ＰＥの電流の推移と、電圧の推移と、エネルギ総量（電圧と電流との積の積分値）の推移とを示す。これら図１０〜図１２に示されるように、電流、電圧、及び上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値は、振動成分による影響が抑制されたものとなっている。このため、ピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができ、ひいては、ピエゾ素子ＰＥの変位量を一義的に定めることが可能となる。
【００８０】
特に、図１０〜図１２に示す例において、電圧の積分値は、電圧の振動成分が除去され、ピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量の計測値として扱いやすいものとなっている。
【００８１】
以上詳述した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）及び（２）の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
【００８２】
（３）ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流、ピエゾ素子ＰＥの電圧、及び電流と電圧との積のいずれかの積分値を計測した。これは、電圧振動等が好適に抑制された電気的な状態量となっているため、ピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができる。
【００８３】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第１及び第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００８４】
本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥの縮小制御の態様を調整する。換言すれば、ピエゾ素子ＰＥの充電量をゼロとする制御（放電処理）の態様を調整する。詳しくは、縮小速度（放電速度）を調整する。ただし、例えばピエゾ素子ＰＥの電圧が「０Ｖ」となるのに要する時間を計測することで放電速度を計測するようにすると、計測誤差が大きくなる。これは、ピエゾ素子ＰＥの電圧の「０Ｖ」近傍では電流が流れにくくなり、完全な「０Ｖ」とすることが困難なためである。なお、ピエゾ素子ＰＥの電圧を完全に「０Ｖ」とするために、ショートスイッチ４８をオンとする。
【００８５】
これに対し、ピエゾ素子ＰＥの縮小制御中にピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を計測し、同状態量が所定値となるまでに要する時間によって放電速度を計測しようとすると、ピエゾ素子ＰＥの電圧の振動によって、放電速度が一義的に定まらないおそれがある。図１３に、ピエゾ素子ＰＥの電圧の推移と、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流の推移とを示す。図１３に示すように、ピエゾ素子ＰＥの電圧がゼロよりも大きな所定電圧Ｖｔまで低下するのに要する時間により放電速度（放電時間）を計測する場合、計測される放電速度が一義的に定まらない（図中、矢印で示す３つの値をとり得る）。
【００８６】
そこで、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流、ピエゾ素子ＰＥの電圧、上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値に基づき、放電速度を計測する。
【００８７】
図１４に、ピエゾ素子ＰＥの電圧の推移と、同電圧の積分値の推移とを示す。また、図１５に、ピエゾ素子ＰＥの電流の推移と、同電流の積分値の推移とを示す。更に、図１６に、ピエゾ素子ＰＥの電流の推移と、電圧の推移と、エネルギ総量（電圧と電流との積の積分値）の推移とを示す。これら図１４〜図１６に示されるように、電流、電圧、及び上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値は、振動成分による影響が抑制されたものとなっている。このため、ピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができ、ひいては、これに基づき放電速度を適切に計測することができる。
【００８８】
ちなみに、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥの電圧の「１０〜６０Ｖ」内の任意の値に対応した所定値に上記積分値が達するのに要する時間として、放電速度を計測する。これは、ピエゾ素子ＰＥの電圧が過度に高いところを利用しても、放電速度の計測誤差が大きくなるためである。
【００８９】
以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（３）や先の第２の実施形態の上記（３）の効果に準じた効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。
【００９０】
（４）「１０〜６０Ｖ」内の任意の値に対応した所定値に上記積分値が達するのに要する時間として放電速度を計測することで、放電速度を精度良く計測することができる。
【００９１】
（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について、先の第３の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００９２】
本実施形態では、放電速度を計測するに際し、ピエゾ素子ＰＥの電圧を用いる。そして、制御に際しての電圧の信号に起因したピエゾ素子ＰＥの変位量（電気的な状態量）の計測値の変動を除去する処理として、平滑化処理を適用する。図１７に、ピエゾ素子ＰＥの電圧と、同電圧に平滑化処理を施したものとの推移を示す。同図１７に示されるように、平滑化処理を施すことで、電圧の振動が除去され、放電速度を一義的に定義することができるようになる。
【００９３】
ちなみに、この平滑化処理は、例えばＣＲ回路等のアナログ回路による処理と、マイクロコンピュータ等を用いたデジタル回路による処理とのいずれでもよい。ただし、デジタル回路による処理の場合、マイクロコンピュータの動作速度や、アナログ・デジタルコンバータ、デジタル信号処理回路等の動作速度がある程度高速なものでないと、電圧の変化を適切に計測することができない。これに対し、アナログ回路による処理を採用すれば、簡易な構成にて適切な処理を行なうことができる。
【００９４】
以上説明した本実施形態によっても、先の第３の実施形態に準じた効果を得ることができる。
【００９５】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００９６】
・上記各実施形態では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子（充電スイッチ３４、４２）のオン操作時間一定且つオフ操作からオン操作への切り替えをピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量がゼロとなるタイミングで行ったが、これに限らない。例えば図１７、図１８に例示する態様でオン・オフ操作を行ってもよい。図１８に、オン操作からオフ操作への切り替えを電流量が所定の上限値となるタイミングで行うとともに、オフ操作からオン操作への切り替えを電流量がゼロとなるタイミングで行う例を示す。また、図１９に、オン操作からオフ操作への切り替えを電流量が所定の上限値となるタイミングで行うとともに、オフ操作からオン操作への切り替えを電流量がゼロよりも大きな所定の下限値となるタイミングで行う例を示す。これらいずれにおいても、オン・オフ操作を終了するタイミングである時刻ｔ２以降に流れる電流量が変動することがわかる。このため、こうした場合であっても、先の図７にて説明した問題を有している。このため、オン・オフ操作を終了するタイミングに同期してピエゾ素子ＰＥの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測し、こうして計測された状態量に基づき変位量の制御の態様を調整することは有効である。
【００９７】
・上記各実施形態では、オン・オフ操作の終了時に同期してピエゾ素子ＰＥの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測するようにしたが、これに限らない。要は、オン・オフ操作の終了時以前にピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を計測し、これに基づき変位量の制御の態様を調整することで、制御性能の向上を図ればよい。なお、この際、計測点は一つに限らない。例えば、複数箇所で電気的な状態量を計測し、これらの計測結果がそれぞれ所望とする値（各基準値）に一致するように調整することで、電気的な状態量の変化量のばらつきを低減する等してもよい。
【００９８】
・上記各実施形態では、開ループ制御によりピエゾアクチュエータの変位量を制御する駆動装置を例示したがこれに限らない。例えば、オン時間の設定等、制御の態様が当該駆動装置の製造時に上記実施形態に例示した態様にて調整された後、駆動装置によるフィードバック制御にて制御態様が微調整されるようにしてもよい。
【００９９】
・上記実施形態では、当該駆動装置の製造時に、ピエゾ素子ＰＥの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測し、これに基づき変位量の制御の調整を行ったが、こうした調整は、当該駆動装置の製造時に限らない。すなわち、ピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量が制御装置２０により計測され、ピエゾ素子ＰＥの変位量の制御の態様が制御装置２０によって調整される場合であっても、オン・オフ操作の終了時以前にピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を計測する本発明の適用は有効である。
【０１００】
・上記第２〜４の実施形態では、ピエゾ素子ＰＥの変位量の相当値として計測されるピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を、ピエゾ素子ＰＥの電圧、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流、電圧及び電流の積のいずれかの積分値、又は電圧を平滑化処理したものとしたが、これに限らない。例えば上記電流と上記電圧との少なくとも一方を独立変数として含む関数の積分値であってもよい。また、上記電圧を独立変数として含む関数に平滑化処理を施したもの等、ピエゾ素子ＰＥの電圧の振動に起因した電気的な状態量の計測値の変動を除去する処理の施されたものであってもよい。
【０１０１】
・その他、ピエゾアクチュエータの駆動回路の構成等、ピエゾアクチュエータの駆動装置の構成については、適宜変更してよい。また、ピエゾアクチュエータとしては、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁に設けられるものに限らない。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明にかかるピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法及び同アクチュエータの駆動装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態の駆動装置の構成を示す回路図。
【図３】同実施形態におけるピエゾ素子の変位量の制御態様を示すタイムチャート。
【図４】同実施形態におけるピエゾ素子の伸長制御の態様を示すタイムチャート。
【図５】同実施形態におけるピエゾ素子の縮小制御の態様を示すタイムチャート。
【図６】伸長制御時の問題点を説明するためのタイムチャート。
【図７】伸長制御の調整における問題点を説明するタイムチャート。
【図８】上記実施形態にかかる伸長制御の態様の調整手法を説明するタイムチャート。
【図９】ピエゾ素子の等価回路図。
【図１０】第２の実施形態にかかるピエゾ素子の変位量の制御時における電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１１】同実施形態にかかるピエゾ素子の変位量の制御時における電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１２】同実施形態にかかるピエゾ素子の変位量の制御時における電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１３】第３の実施形態が解決しようとする課題を説明するタイムチャート。
【図１４】同実施形態にかかる電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１５】同実施形態にかかる電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１６】同実施形態にかかる電気的な状態量の計測手法を説明するタイムチャート。
【図１７】上記各実施形態の変形例において解決しようとする問題点を説明するためのタイムチャート。
【図１８】上記各実施形態の変形例において解決しようとする問題点を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
【０１０３】
ＰＥ…ピエゾ素子、３２…コンデンサ、３４…充電スイッチ、３６…充放電コイル、４２…放電スイッチ、２４…制御ＩＣ、２２…マイクロコンピュータ。
【図１】
2006217693.tif 000003
【図２】
2006217693.tif 000004
【図３】
2006217693.tif 000005
【図４】
2006217693.tif 000006
【図５】
2006217693.tif 000007
【図６】
2006217693.tif 000008
【図７】
2006217693.tif 000009
【図８】
2006217693.tif 000010
【図９】
2006217693.tif 000011
【図１０】
2006217693.tif 000012
【図１１】
2006217693.tif 000013
【図１２】
2006217693.tif 000014
【図１３】
2006217693.tif 000015
【図１４】
2006217693.tif 000016
【図１５】
2006217693.tif 000017
【図１６】
2006217693.tif 000018
【図１７】
2006217693.tif 000019
【図１８】
2006217693.tif 000020