(57)【要約】【課題】ピエゾアクチュエータを構成するピエゾスタックの容量変動に基因したピエゾアクチュエータの作動ばらつきを低減することである。【解決手段】ピエゾスタック１２７１の充電は充電スイッチ３０をオンオフすることにより、放電は放電スイッチ４０をオンオフすることにより行う制御手段７０，７１を、充電時には、ピエゾスタック１２７１への投入エネルギーが一定となるように充電スイッチ３０を制御して伸長量を一定にする。放電では、放電電流がピーク電流目標値になるごとに放電スイッチ４０をオフし、前記ピーク電流目標値は、投入エネルギー一定の充電の元ではピエゾスタック１２７１の容量をよく反映する放電開始時のピエゾスタック１２７１の端子間電圧に基づいて設定し、放電開始時の電荷量によらず放電完了時間を一定にして、ピエゾスタック１２７１の縮小作動のばらつきを抑制する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記コンデンサをバイパスし前記インダクタとピエゾスタックとを結ぶ第２の通電経路と、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記第２の通電経路を断接する放電スイッチと、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチを制御する制御手段とを有し、前記ピエゾスタックの充電時には、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を前記第１の通電経路に流し、前記充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を前記第２の通電経路に流し、前記ピエゾスタックの放電時には、前記放電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記放電スイッチのオン期間に漸増する放電電流を前記第２の通電経路に流し、前記放電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する放電電流を前記第１の通電経路に流すピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記ピエゾスタックの容量に応じて変化する状態量を検出するピエゾスタック容量検出手段を具備せしめ、
かつ、前記制御手段は、充電時には、前記ピエゾスタックの充電エネルギーが所定の目標エネルギーに到達するまで前記充電スイッチのオンオフを繰り返すように設定し、かつ、前記状態量と放電時のピーク電流の目標値との関係を予め記憶して、放電時には、放電時のピーク電流が、放電に先立ち検出された状態量に対応するピーク電流目標値となるように設定したことを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項２】
請求項１記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記状態量はピエゾスタックの端子間電圧であるピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記状態量と前記放電時のピーク電流の目標値との関係は、放電開始から放電完了までの所要時間が一定となるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記制御手段は、前記放電スイッチを、放電電流が予め設定した０Ａ側しきい値になるとオンし、ピーク電流目標値になるとオフするように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記制御手段は、放電開始から放電完了までの所要時間を予め設定した基準時間と比較して、前記所要時間が前記基準時間となるように、放電時のピーク電流目標値を補正するように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】ピエゾアクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、例えば、内燃機関の燃料噴射装置に適用され、燃料噴射用のインジェクタにおいて燃料の噴射とその停止とを切り換える手段として用いられたものが知られている。ピエゾアクチュエータは、容量性素子であるピエゾスタックが充電により伸長し、縮小するときは放電する。ピエゾスタックが伸長時および縮小時のみ通電がなされる方式のアクチュエータである。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの駆動回路は、ピエゾスタックの充電用の電荷を蓄積しておくコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で、一方を供給元として、電流制限用のインダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有している。例えば、燃料噴射装置に適用したものでは、コンデンサからピエゾスタックに充電して燃料噴射を開始し、所定のタイミングでピエゾスタックからコンデンサに電荷を回収して燃料噴射を停止する。したがって、燃料噴射中はピエゾスタック−コンデンサ間は非導通状態となる。従来、インジェクタの開閉制御用に用いられているソレノイド方式のもののように、ソレノイドへの通電を持続することでソレノイドの励磁状態が維持され、その間、噴射が可能となる構成のものとは大きく異なる。また、近年のディーゼルエンジン用コモンレール式の燃料噴射装置では、益々厳しくなる排ガス規制に対応するため、１行程内に複数回に分けて噴射するマルチ噴射が必要になってきているが、ソレノイド方式に比して高応答なピエゾアクチュエータを搭載したインジェクタが、前記マルチ噴射を高精度に実現する手段として研究されている。
【０００４】
ピエゾアクチュエータ駆動回路の構成として、下記特許文献１には、コンデンサとピエゾスタックとが第１の通電経路によりインダクタを介して結ばれ、インダクタとピエゾスタックとが第２の通電経路によりコンデンサをバイパスして結ばれた構成のものがある。そして、第１の通電経路にはこれを断接する充電スイッチが設けられ、第２の通電経路にはこれを断接する放電スイッチが設けられる。ピエゾスタックの充電時には、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を第１の通電経路に流し、充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返す漸減する充電電流を第２の通電経路に流す。ピエゾスタックの放電時には、前記放電スイッチのオンオフの繰り返しにより、放電スイッチのオン期間に漸増する放電電流を第２の通電経路に流し、放電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返す漸減する放電電流を第１の通電経路に流す。
【０００５】
ところで、ピエゾスタックは前記のごとく容量性素子であるが、容量性素子は一般的にその容量が温度によって大きく変化する。例えば、エンジンが搭載される車両が予定する温度範囲内で数十パーセントから数倍の範囲で変化する。ピエゾスタックの充電量は、ピエゾアクチュエータのストロークや発生力を規定し、充電量を適正な値とすることはピエゾアクチュエータ駆動回路において重要な課題である。特許文献１では、伸縮量や端子間電圧が目標値に達しているか否かを監視しつつ、目標値との偏差が解消されるように、電流値や充電期間を制御し、ピエゾスタックの温度変動に基因した容量ばらつきの影響の回避を企図している。すなわち、伸縮量をΔｌとし、端子間電圧をｕとし、電流をｉｎ  とし、充電期間の長さをｔｎ  として、式（１）が成り立つことから、伸縮量Δｌや端子間電圧ｕが一定値をとるようにｉｎ  を補正する、というものである。なお、式中ｄ３３はピエゾスタックの圧電定数である。
Δｌ＝ｄ３３・ｕ＝ｄ３３・（１／Ｃｐ  ）・ｉｎ  ・ｔｎ  ・・・（１）
【０００６】
一方、下記特許文献２には、ピエゾスタックへの投入エネルギーを一定にすることで温度によらずピエゾスタックの伸縮量を一定にすることができる、という知見に基づいてピエゾスタックへの投入エネルギーが一定となるようにスイッチング素子の制御を行うものが提案されている。
【０００７】
【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
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の技術では、ピエゾスタックの伸縮量Δｌを直接測定するのは現実的ではなく、実施可能性があるとすれば端子間電圧ｕの測定であるが、圧電定数ｄ３３が温度に依存するため、必ずしも伸長量等を一定にすることはできない。これは、ピエゾスタックの放電期間の長さを一定にすることができても、ピエゾアクチュエータ自体の作動がばらつくということを意味する。
【０００９】
また、特許文献２の技術では、エネルギーを一定に制御しても、ピエゾスタックの縮小時、すなわち、ピエゾスタックの放電時に次の問題がある。図１１は放電電流（平均電流）を一定にしたときの、放電時の平均電流、残存する電荷量、端子間電圧、およびエネルギーの挙動を示すもので、ピエゾスタックの容量を変えたときのものを併せて示している。図１１より、放電開始から放電完了までの時間がピエゾスタックの容量によってばらつくことが知られる。すなわち、ピエゾアクチュエータがピエゾスタックの放電時に挙動がばらつく。
【００１０】
このように、特許文献１、２のいずれの技術も問題を含んでおり、前記燃料噴射装置に適用した例でいえば、噴射時間のばらつきで噴射量の調量精度が低下するおそれがある。特に、噴射量の指令値が小さい噴射を含むマルチ噴射の場合に問題となる。
【００１１】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、放電時のピエゾアクチュエータの挙動が均一なピエゾアクチュエータ駆動回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記コンデンサをバイパスし前記インダクタとピエゾスタックとを結ぶ第２の通電経路と、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記第２の通電経路を断接する放電スイッチと、前記充電スイッチおよび前記放電スイッチを制御する制御手段とを有し、前記ピエゾスタックの充電時には、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を前記第１の通電経路に流し、前記充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を前記第２の通電経路に流し、前記ピエゾスタックの放電時には、前記放電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記放電スイッチのオン期間に漸増する放電電流を前記第２の通電経路に流し、前記放電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する放電電流を前記第１の通電経路に流すピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記ピエゾスタックの容量に応じて変化する状態量を検出するピエゾスタック容量検出手段を具備せしめ、
かつ、前記制御手段は、充電時には、前記ピエゾスタックの充電エネルギーが所定の目標エネルギーに到達するまで前記充電スイッチのオンオフを繰り返すように設定し、かつ、前記状態量と放電時のピーク電流の目標値との関係を予め記憶して、放電時には、放電時のピーク電流が、放電に先立ち検出された状態量に対応するピーク電流目標値となるように設定する。
【００１３】
充電時にエネルギーが一定となるようにしているので、伸長量のばらつきを低減することができる。そして、エネルギー一定のため、ピエゾスタックの容量に対して、充電完了時の電荷量すなわち放電開始時の電荷量が一意的に決まる。したがって、ピエゾスタックの容量に応じて変化する状態量と放電時のピーク電流の目標値との関係にしたがってピーク電流目標値を設定することで、ピエゾスタックの容量の変化で電荷量が変化しても、放電時のピエゾアクチュエータの挙動のばらつきを低減することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記状態量はピエゾスタックの端子間電圧とする。
【００１５】
ピエゾスタックへの投入エネルギーが一定となるように充電するので、放電開始時のピエゾスタックの端子間電圧は、温度に基因したピエゾスタックの容量の変化をよく反映し、実質的にピエゾスタックの容量に反比例する。したがって、好適にピーク電流目標値を設定することができる。また、ピエゾスタックの端子間電圧は充電完了から放電開始までの間は一定であり、その間のいずれかで測定すればよいから、実施が容易である。
【００１６】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記状態量と前記放電時のピーク電流の目標値との関係は、放電開始から放電完了までの所要時間が一定となるように設定する。
【００１７】
放電が完了するタイミングのばらつきを低減することができる。なお、充電エネルギー一定の元では放電開始時の電荷量はピエゾスタックの端子間電圧に反比例するから、前記状態量としてピエゾスタックの端子間電圧を用いる場合には、記憶する関係は、前記電荷量をピーク電流より知られる平均電流で除した除数値が一定になるようにピーク電流目標値が与えられるようにすればよい。
【００１８】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記制御手段は、前記放電スイッチを、放電電流が予め設定した０Ａ側しきい値になるとオンし、ピーク電流目標値になるとオフするように設定する。
【００１９】
平均電流がピーク電流の略（１／２）となり、平均電流とピーク電流との対応関係が正確である。
【００２０】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記制御手段は、放電開始から放電完了までの所要時間を予め設定した基準時間と比較して、前記所要時間が前記基準時間となるように、放電時のピーク電流目標値を補正するように設定する。
【００２１】
ピエゾアクチュエータやピエゾアクチュエータ駆動回路の個体差を吸収することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本実施の形態は本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路をディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置に適用したもので、ピエゾアクチュエータ駆動回路の説明に先立ち、コモンレール式の燃料噴射装置について説明する。図２にコモンレール式の燃料噴射装置の全体構成を示す。ディーゼルエンジンの各気筒に対応してインジェクタ１が設けられて、コモンレール９６に蓄積された高圧燃料を高圧燃料供給パイプ９７を介してインジェクタ１に供給し、インジェクタ１から各気筒の燃焼室に噴射するようになっている。コモンレール９６は高圧燃料供給パイプ９５を介して高圧燃料供給ポンプ９４と接続され、高圧燃料供給ポンプ９４は、さらに低圧燃料供給パイプ９２を介して燃料タンク９１と接続されている。燃料タンク９１に貯留する燃料は、低圧燃料供給パイプ９２の途中の燃料フィルタ９３で異物を濾過されてから高圧燃料供給ポンプ９４に送出され、高圧燃料供給ポンプ９４によりコモンレール９６に圧送される。
【００２３】
高圧燃料供給ポンプ９４はＥＣＵ７１により制御される。制御は、コモンレール９６に取付けられたコモンレール圧力センサ７２から知られるコモンレール圧力に基づいてなされ、コモンレール圧力が所定の目標値に調整される。
【００２４】
また、コモンレール９６からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン９８を経て燃料タンク９１に還流するようになっている。
【００２５】
図３にインジェクタの構造を示す。インジェクタ１は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ１は下側から順にノズル部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。
【００２６】
ノズル部１ａのスリーブ状の本体１０４内にニードル１２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル１２１はノズル本体１０４の先端部に形成された環状シート１０４１に着座または離座する。ニードル１２１の先端部の外周空間１０５には、高圧燃料供給パイプ９７に通じる高圧通路１０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル１２１のリフト時に噴孔１０３から燃料が噴射される。ニードル１２１にはその環状段面１２１１に前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００２７】
ニードル１２１の後方には高圧通路１０１からインオリフィス１０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル１２１の背圧を発生する背圧室１０６が形成される。この背圧は、背圧室１０６に配設されたスプリング１２２とともにニードル１２１の後端面１２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００２８】
前記背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂは前記ピエゾスタック１２７を備えたピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される。
【００２９】
前記背圧室１０６はアウトオリフィス１０９を介して常時、背圧制御部１ｂの弁室１１０と連通している。弁室１１０は天井面１１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面１１０１の最上部に、低圧室１１１と連通する低圧ポート１１０ａが開口しており、低圧室１１１はドレーンライン９８に通じる低圧通路１０２と連通している。弁室１１０の底面には高圧制御通路１０８を介して高圧通路１０１と連通する高圧ポート１１０ｂが開口している。
【００３０】
弁室１１０内には、下側部分を水平にカットしたボール１２３が配設されている。ボール１２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）１１０２に着座して高圧ポート１１０ｂを閉鎖することにより弁室１１０を高圧制御通路１０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）１１０１に着座して低圧ポート１１０ａを閉鎖することにより弁室１１０を前記低圧室１１１から遮断する。これにより、ボール１２３下降時には背圧室１０６がアウトオリフィス１０９、弁室１１０を経て低圧室１１１と連通し、ニードル１２１の背圧が低下してニードル１２１が離座する。一方、ボール１２３の上昇時には背圧室１０６が低圧室１１１と遮断されて高圧通路１０１のみと連通し、ニードル１２１の背圧が上昇してニードル１２１が着座する。
【００３１】
ボール１２３はピエゾアクチュエータ１ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ１ｃは、低圧室１１１の上方に上下方向に形成された縦穴１１２に径の異なる２つのピストン１２４，１２５が摺動自在に保持され、上側の大径ピストン１２５上方にピエゾスタック１２７が上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００３２】
大径ピストン１２５はその下方に設けられたスプリング１２６によりピエゾスタック１２７と当接状態を維持しており、ピエゾスタック１２７の伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００３３】
ボール１２３と対向する下側の小径ピストン１２４と大径ピストン１２５と縦穴１１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室１１３が形成されており、ピエゾスタック１２７の伸長で大径ピストン１２５が下方変位して変位拡大室１１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室１１３の燃料を介して小径ピストン１２４に伝えられる。ここで、小径ピストン１２４は大径ピストン１２５よりも小径としているので、ピエゾスタック１２７の伸長量が拡大されて小径ピストン１２４の変位に変換される。
【００３４】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック１２７が充電されてピエゾスタック１２７が伸長することにより、小径ピストン１２４が下降してボール１２３を押し下げる。これによりボール１２３が低圧側シート１１０１からリフトするとともに高圧側シート１１０２に着座して背圧室１０６が低圧通路１０２と連通するので、背圧室１０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル１２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル１２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００３５】
噴射停止は反対にピエゾスタック１２７の放電によりピエゾスタック１２７を縮小してボール１２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室１１０内は低圧となっており、またボール１２３の底面には高圧制御通路１０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール１２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール１２３への押し下げ力の解除により、ボール１２３が高圧側シート１１０２から離間するとともに再び低圧側シート１１０１に着座して弁室１１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１２１が着座し噴射が停止する。
【００３６】
インジェクタ１はピエゾアクチュエータ１ｃがピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動され、インジェクタ１の噴射と停止とが切り換えられる。ピエゾアクチュエータ１ｃの駆動は、ピエゾアクチュエータ１ｃを構成するピエゾスタック１２７の充電と放電とにより行われる。外部から入力する運転者の操作量等に基づいて前記ＥＣＵ７１により燃料噴射量、噴射時期などが演算され、演算結果に基づいて、インジェクタ１の噴射と停止とを切り換える指令信号がＥＣＵ７１から、ピエゾスタック１２７の充電と放電とを実行するＥＤＵ８０に出力される。図１にピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック１２７を４つの気筒に対応してピエゾスタック１２７１、ピエゾスタック１２７２、ピエゾスタック１２７３、ピエゾスタック１２７４と表すものとする。
【００３７】
ＥＤＵ８０は、車載のバッテリ２０の給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生する電源部であるＤＣ−ＤＣコンバータ２１、およびその出力端に並列に接続されたコンデンサ２２を有し、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は例えば一般的な昇圧チョッパ型の回路を採用し得る。コンデンサ２２は十分静電容量の大きなもの（数百μＦ）で構成され、ピエゾスタック１２７１〜１２７１への充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【００３８】
コンデンサ２２とピエゾスタック１２７１〜１２７４とをインダクタ３２を介して結ぶ第１の通電経路３が設けてあり、第１の通電経路３には、さらに、コンデンサ２２とインダクタ３２間にこれらと直列に第１のスイッチング素子３０が介設されている。第１のスイッチング素子３０はＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）３１はコンデンサ２２の端子間電圧（以下、適宜、コンデンサ電圧という）が逆バイアスとなるように接続される。
【００３９】
また、インダクタ３２とピエゾスタック１２７１〜１２７４とは第２の通電経路４により結ばれている。この通電経路４は、インダクタ３２と第１のスイッチング素子３０の接続中点に接続される第２のスイッチング素子４０を有している。第２の通電経路４はコンデンサ２２をバイパスして、インダクタ３２、ピエゾスタック１２７１〜１２７１および第２のスイッチング素子４０を通る閉回路を形成している。第２のスイッチング素子４０もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）４１は、コンデンサ電圧が逆バイアスとなるように接続される。
【００４０】
通電経路３，４はピエゾスタック１２７１〜１２７４のそれぞれに共通であり、ピエゾスタック１２７１〜１２７４と直列に１対１に対応して選択スイッチ５１，５２，５３，５４が接続してある。噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタック１２７１〜１２７４に対応する選択スイッチ５１〜５４がオンされて、当該ピエゾスタック１２７１〜１２７４に通電経路３，４が選択的に形成されることになる。
【００４１】
各選択スイッチ５１〜５４はＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、選択寄生ダイオードという）５５，５６，５７，５８は、コンデンサ電圧が逆バイアスとなるように接続されている。
【００４２】
スイッチング素子３０，４０、選択スイッチ５１〜５４の各ゲートにはコントローラ７０からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチ５１〜５４のいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック１２７１〜１２７４を選択するとともに、スイッチング素子３０，４０をオンオフし、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の充電および放電を行うようになっている。
【００４３】
選択スイッチ５１〜５４と接地間には、選択スイッチ５１〜５４に共通に抵抗器３３が設けてある。その端子間電圧すなわち図中ｂ点の電圧はコントローラ７０に入力し、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の充電電流が検出されるようになっている。
【００４４】
第２のスイッチング素子４０には直列に抵抗器４２が設けてある。その端子間電圧すなわち図中ｃ点の電圧はコントローラ７０に入力し、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の放電電流が検出されるようになっている。また、コンデンサ２２にも直列に抵抗器２３が設けてあり、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の放電電流が検出されるようになっている。
【００４５】
また、インダクタ３２のピエゾスタック１２７１〜１２７４側の端子と接地間に、直列接続された抵抗値の高いピエゾスタック容量検出手段である抵抗器６０，６１が設けてある。その分割電圧すなわち図中ａ点の電圧は、コントローラ７０に入力し、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の端子間電圧（以下、適宜、ピエゾスタック電圧という）が検出されるようになっている。ピエゾスタック電圧信号としての前記図中ａ点の電圧はまた、ＥＣＵ７１のＡ／Ｄ変換器にも入力している。
【００４６】
また、コンデンサ２２の第１のスイッチング素子３０側の端子と接地間に、直列接続された抵抗値の高い抵抗器２４，２５が設けてある。その分割電圧すなわち図中ｅ点の電圧は、コントローラ７０に入力し、コンデンサ電圧が検出されるようになっている。
【００４７】
コントローラ７０は論理演算回路等により構成され、これとともに制御手段を構成するＥＣＵ７１からの指令信号や前記各種の電圧や電流の検出信号にしたがって、スイッチ類３０，４０，５１〜５４に制御信号を出力する。ＥＣＵ７１はマイクロコンピュータを中心に構成された一般的なハード構成である。
【００４８】
ＥＣＵ７１から入力する指令信号として、噴射信号Ｔ１  〜Ｔ４  、充電期間信号ＴＣが入力している。噴射信号Ｔ１  〜Ｔ４  は、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の充電時期と放電時期とを規定するもので、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号である。噴射信号Ｔ１  〜Ｔ４  の出力時期および長さにより噴射期間が略規定される。また、噴射信号Ｔ１  〜Ｔ４  は、気筒ごとに出力され、噴射気筒に対応した、充電すべきピエゾスタック１２７１〜１２７４のみが作動する。充電期間信号ＴＣはピエゾスタック１２７１〜１２７４の充電期間の長さすなわち充電量を規定するものである。充電期間信号ＴＣの長さは予め設定した長さに固定されている。
【００４９】
また、ＥＣＵ７１からピーク電流の目標値である放電電流ピークしきい値Ｉｐ  が入力している。放電電流ピークしきい値Ｉｐ  は、詳しくは後述するように、ＥＣＵ７１に入力するピエゾスタック電圧信号がＡ／Ｄ変換されて、これに基づいてＥＣＵ７１で決定されるもので、ＥＣＵ７１のＲＯＭには、ピエゾスタック電圧と放電電流ピークしきい値との関係を示すマップが記憶されている。
【００５０】
なお、各ピエゾスタック１２７１〜１２７４には、それぞれ並列に抵抗器８１，８２，８３，８４が設けてあり、充電完了後にもピエゾスタック１２７１〜１２７４から常時、少しずつ放電する。抵抗器８１〜８４はフェールセーフ用のものであり、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の配線ケーブルの断線等で通電不能となり、ピエゾスタックの１２７１〜１２７４からコンデンサ２２への通常の電荷回収ができなくなったときに、ニードル１２１をリフト状態とし得る程度の充電保持状態が所定時間以上、続かないようになっている。また、抵抗器８１〜８４は焦電効果による発生電荷を解消する。したがって、抵抗器８１〜８４の抵抗値は、最長噴射時間等を考慮して設定される。
【００５１】
また、コントローラ７０には、電圧信号や電流信号に基づいて回路故障の有無を判定するフェールセーフ回路が形成されており、故障の有無を回路故障信号ＩＪＦとしてＥＣＵ７１に出力する。
【００５２】
図４はピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示すものである。コントローラ７０は、噴射信号Ｔ１  〜Ｔ４  、充電期間信号ＴＣが「Ｈ」になると、所定の制御信号を出力する。なお、噴射信号は第１の気筒を選択する噴射信号Ｔ１  であるとする。先ず、第１の気筒に対応する第１の選択スイッチ５１がオンされる。選択スイッチ５１のオン期間は放電が完了するまでである。
【００５３】
噴射信号Ｔ１  および充電期間信号ＴＣが「Ｈ」になると（ｔ１  ）、コントローラ７０は、第１のスイッチング素子（以下、適宜、充電スイッチという）３０のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、充電スイッチ３０に制御信号を出力する。すなわち、充電スイッチ３０をオンして、コンデンサ２２を供給元とする第１の通電経路３に漸増する充電電流を流す（図５（Ａ））。オン期間は一定に設定される。充電スイッチ３０がオフすると、この時、インダクタ３２に発生する逆起電力は第２の寄生ダイオード４１に対して順バイアスであるから、インダクタ３２に蓄積されたエネルギーにより、第２の通電経路４に漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾスタック１２７１の充電が進行する（図５（Ｂ））。充電電流が予め略０に設定したしきい値（以下、適宜、０Ａしきい値という）になると、オフ期間を終了して再び充電スイッチ３０をオンしてオン期間に入り、これを繰り返す（多重スイッチング方式）。充電電流（ｂ点での信号）は略三角形状の波形で流れ、ピエゾスタック電圧（ａでの信号）は階段状に上昇する。
【００５４】
そして、充電期間信号ＴＣが「Ｌ」になると（ｔ２  ）、充電スイッチ３０への制御信号は強制的に立ち下がり、充電スイッチ３０をオフに固定する。これで充電は完了となる。ピエゾスタック１２７１が充電により伸長して変位拡大室１１３を介してボール１２３を押圧しリフトせしめる。
【００５５】
なお、充電スイッチ３０のオン期間の長さを一定とする本ピエゾアクチュエータ駆動回路の方式は、ピエゾスタック１２７１〜１２７４へのエネルギーの投入速度が一定で直線性がよく、しかも、充電期間の長さが同じであれば、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量が変化しても、ピエゾスタック１２７１〜１２７４への投入エネルギー量を一定にすることができるという特徴を有している。前記のごとく、充電期間信号ＴＣの長さを固定とすることで、ピエゾスタック１２７１〜１２７４への投入エネルギーを一定とすることができる。これにより、ボール１２３の作動が一定し、押圧力が不足したり過剰になったりするのを回避することができる。
【００５６】
また、噴射信号Ｔ１  が「Ｌ」になると（ｔ３  ）、ピエゾスタック１２７１を放電してコンデンサ２２に回収する。すなわち、第２のスイッチング素子（以下、適宜、放電スイッチという）４０のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、放電スイッチ４０に制御信号を出力する。すなわち、放電スイッチ４０をオンして、ピエゾスタック１２７１を供給元として第２の通電経路４に漸増する放電電流を流す（図６（Ａ））。放電電流が前記放電電流ピークしきい値Ｉｐ  になると、放電スイッチ４０をオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３２に大きな逆起電力が発生し、インダクタ３２に蓄積されたエネルギーにより、フライホイール電流を、ピエゾスタック１２７１を供給元とする第１の通電経路４に流し、コンデンサ２２にエネルギーを回収する（図６（Ｂ））。放電電流が０Ａしきい値になると再び放電スイッチ４０をオンして、これを繰り返す。前記放電電流ピークしきい値Ｉｐ  については後述する。
【００５７】
そして、ピエゾスタック電圧が略０に予め設定したしきい値（以下、適宜、０Ｖしきい値という）に達すると（ｔ４  ）放電スイッチ４０をオフに固定し、ピエゾスタック１２７１の放電は完了となる。ピエゾスタック１２７１の電荷はコンデンサ２２に回収されることになる。その後、選択スイッチ５１をオフするそして、このようにピエゾスタック１２７１を放電することで、ピエゾスタック１２７１が縮小して変位拡大室１１３の燃料圧力によるボール１２３への押圧力が解除されてボール１２３が着座する。
【００５８】
以下、所定のクランク角のときに次気筒に対応する噴射信号が「Ｈ」になり、、次気筒用のインジェクタ１のピエゾアクチュエータ１ｃについて同様にピエゾスタックの充電と放電とがなされる。
【００５９】
前記放電電流ピークしきい値Ｉｐ  について説明する。放電電流ピークしきい値Ｉｐ  は放電期間を通じて一定であり、放電電流の平均電流も一定であるが、固定ではなく、次のように設定される。放電開始に先立って、ピエゾスタック電圧が検出される。検出時期は、充電完了（ｔ２  ）から放電開始（ｔ３  ）までのいずれの時期でもよい。放電開始時のピエゾスタック電圧が得られればよい。検出されたピエゾスタック電圧からマップに基づいて放電電流ピークしきい値Ｉｐ  が設定される。
【００６０】
ここで、前記マップは次の関係を規定している。本ピエゾアクチュエータ駆動回路では放電時にピーク電流を一定にしており、かつ、放電電流が０Ａしきい値になると即、放電スイッチ４０をオンにしているので、放電時のピーク電流すなわち放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を用いると、放電電流は略三角形であるので、平均電流はＩｐ  ／２である。したがって、放電開始（ｔ３  ）放電完了（ｔ４  ）までの所要時間Ｔｄ  は、充電完了時のピエゾスタック１２７１〜１２７４の電荷量（以下、適宜、ピエゾスタック電荷量という）をＱｐ  として式（２）となる。
Ｔｄ  ＝２Ｑｐ  ／Ｉｐ  ・・・（２）
【００６１】
一方、ピエゾスタック１２７１〜１２７４に投入されたエネルギーＥは、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量をＣｐ  とし、ピエゾスタック電圧をＶｐ  として式（３）となる。
2004320869.tif 000003
【００６２】
したがって、式（２）、（３）より式（４）となる。
Ｉｐ  ＝４Ｅ／（Ｖｐ  Ｔｄ  ）・・・（４）
【００６３】
ここで、所要時間Ｔｄ  を一定にするとすれば、Ｉｐ  ＝４Ｅ／（Ｖｐ  Ｔｄ  ）の関係からピエゾスタック電圧Ｖｐ  に対して放電電流ピークしきい値Ｉｐ  が一意的に決まる。マップは基本的にＩｐ  ＝４Ｅ／（Ｖｐ  Ｔｄ  ）の関係を満たすように設定されている。マップの一例を図７に示す。
【００６４】
前記のごとく、投入エネルギーを一定に制御すると、温度によらず適正な伸長量、発生力が得られる一方で、式（３）より知られるように温度によって電荷量Ｑｐ  が変動する。この結果、放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を固定とすると、式（２）より知られるように、放電完了タイミングがばらつくことになる。すなわち、放電時のボール１２３の挙動すなわちピエゾアクチュエータ１の挙動が一定しない。
【００６５】
これに対して本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、マップに基づいて放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を設定し、放電が完了するまでの所要時間を一定にし、放電完了タイミングを揃えることができる。図８に放電電流（平均電流）を一定にしたときの、放電時の平均電流、残存する電荷量、端子間電圧、およびエネルギーの挙動を示す。ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量を変えたときのものを合わせて示している。図より知られるように、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量によらず放電が完了するタイミングは一定となる。
【００６６】
前記特許文献１のものは、充放電時間を所定の時間と比較しながら次の充放電期間における充放電電流を設定していく、というものであり、構成こそ異なれ、放電期間の長さを一定にする、という点で本ピエゾアクチュエータ駆動回路と共通している。しかしながら、ピエゾスタック電圧が所定電圧になるように充電を行うのでは、前記のごとく充電完了時すなわち放電開始時での伸長量や発生力が異なるため、放電期間中のピエゾスタックの挙動自体は必ずしも一定にはならない。例えば、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の下向きの発生力のばらつきによりボール１２３が高圧側シート１１０２から離座するタイミングがばらついてしまう。本ピエゾアクチュエータ駆動回路によれば、ピエゾスタック１２７１〜１２７４への投入エネルギーを一定とすることで放電開始時点でのピエゾスタック１２７１〜１２７４の伸長量や発生力をも一定にしているので、ピエゾアクチュエータ１の機械的な作動をも温度変動によらず一定にすることができる。
【００６７】
これにより、噴射量の指令値が小さい噴射を含むマルチ噴射の場合であっても、十分な噴射量の調量精度を得ることができる。
【００６８】
なお、前記実施形態では、放電開始時のピエゾスタック電圧と放電電流ピークしきい値とを対応付けるマップを記憶し、ピエゾスタック電圧に基づいて放電電流ピークしきい値を設定したが、必ずしもこれに限られるものではない。ピエゾスタックの容量に応じて変化する状態量であればよい。かかる他の状態量を用いた例について説明する。ピエゾスタック電圧を検出する抵抗器６０，６１が不要になる点を除き、実質的に図１のものと同じ構成をとるので、図１の番号を付して説明する。ＥＣＵ７１はコントローラ７０から出力される第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  を受けて放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を設定するようになっている。
【００６９】
第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  は、充電スイッチ３０の１回目のオンで充電電流が０Ａしきい値を越えてから、充電スイッチ３０の２回目のオンで充電電流が０Ａしきい値を越えるまでの間、「Ｈ」となる信号である。０Ａしきい値は前記のごとく略０であるから、その長さは、実質的に、最初の充電スイッチ３０のオン期間とそれに続くオフ期間の合計時間であり、これが、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量に応じて変化する状態量となる。そして、式（３）より知られるように、エネルギー一定の元では、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量を特定することで、電荷量が一意的に決まる。
【００７０】
第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  は次の性質を有している。図９に示すように、充電スイッチ３０のオン期間に到達する充電電流が大きければ、オフ期間の長さが長くなるから、ピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量が異なると、前記第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  が変化してくる。図１０はピエゾスタック１２７１〜１２７４の容量と第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  との関係の一例である。
【００７１】
ＥＣＵ７１においては、第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  の立ち上がりでカウントを開始するタイマを設けて、第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  の立ち下がりまでの時間を求め、これを第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  の長さとする。
【００７２】
ＥＣＵ７１は第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  の長さと、放電電流ピークしきい値Ｉｐ  との関係を示すマップをＲＯＭに書き込んでおき、該マップに基づいて放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を決定する。
【００７３】
なお、前記各実施形態では、放電電流ピークしきい値は放電期間を通じて一定値としているが、ピエゾスタック電圧が０Ｖ近くまで低下すると、放電電流が流れにくくなるため、ピエゾスタック電圧が十分に下がってからは放電電流ピークしきい値若しくは放電スイッチのオン期間の長さを小さくしてもよい。
【００７４】
また、放電が完了する所要時間（放電期間の長さ）を測定し、例えば測定所要時間の基準時間に対する比率に基づいて放電電流ピークしきい値Ｉｐ  を補正するようにしてもよい。すなわち、前記比率の逆数をマップから得られた放電電流ピークしきい値Ｉｐ  に乗ずれば、装置間の個体差を吸収することができる。
【００７５】
また、第１回通電時間計測信号Ｔｏｎｅ  は充電スイッチ３０のオン期間およびオフ期間に対応するが、例えば、オフ期間だけに対応した信号でもよい。
【００７６】
また、本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路は燃料噴射装置に限らず、種々の装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置に適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記コモンレール式燃料噴射装置の構成図である。
【図３】前記燃料噴射装置のインジェクタの断面図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、前記ピエゾアクチュエータを構成するピエゾスタックの充電時における、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、前記ピエゾアクチュエータを構成するピエゾスタックの放電時における、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す図である。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のＥＣＵのＲＯＭに格納されるマップを示す図である。
【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す別のタイミングチャートである。
【図９】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の変形例を説明するタイミングチャートである。
【図１０】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の変形例を説明するグラフである。
【図１１】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の課題を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  インジェクタ
１ａ  ノズル部
１ｂ  背圧制御部
１ｃ  ピエゾアクチュエータ
１０３  噴孔
１２１  ニードル
１２７，１２７１，１２７２，１２７３，１２７４  ピエゾスタック
２２  コンデンサ
３  第１の通電経路
４  第２の通電経路
３２  インダクタ
３０  充電スイッチ（スイッチング素子）
４０  放電スイッチ（スイッチング素子）
６０，６１  抵抗器（ピエゾスタック容量検出手段）
７０  コントローラ（制御手段）
７１  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2004320869.tif 000004
【図２】
2004320869.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004320869.tif 000007
【図５】
2004320869.tif 000008
【図６】
2004320869.tif 000009
【図７】
2004320869.tif 000010
【図８】
2004320869.tif 000011
【図９】
2004320869.tif 000012
【図１０】
2004320869.tif 000013
【図１１】
2004320869.tif 000014