(57)【要約】【課題】ピエゾアクチュエータが駆動する機械要素の作動を安定する。【解決手段】スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオンオフを繰り返すことで電流が０とピーク電流との間を上下する三角波状の波形で、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタック４とコンデンサ６３との間で充電および放電を行うチョッパ方式の回路において、充電開始から充電終了までの期間および放電開始から放電終了までの期間はピーク電流が単調減少するように、かつ、少なくとも充電および放電の途中からはピーク電流が漸減するようにスイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間を設定して、途中まで一気に充電量を増大し、その後は緩やかに充電量を目標値に近づける。電流が常に減少方向にのみ変化することで、前記機械要素の作動を安定化する。また、到達可能最大電流が充電や放電の進行に応じて低下することに基因して共振振動電流が流れるのを防止する。【選択図】        図２
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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が備えるピエゾスタックと直流電源とでインダクタを介して通電可能な第１の通電経路と、前記直流電源をバイパスし前記ピエゾスタックとインダクタとで通電可能な第２の通電経路と、第１の通電経路を開閉する第１のスイッチ素子と、第２の通電経路を開閉する第２のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を制御するスイッチ素子制御手段とを有し、
前記ピエゾスタックの充電時には前記第１のスイッチ素子のオンオフを繰り返して、そのオン期間に第１の通電経路に、漸増する充電電流を流すとともに、オフ期間に第２の通電経路に、オン期間の最後に到達するピーク電流からフライホイール作用で漸減する充電電流を流し、前記ピエゾスタックの放電時には前記第２のスイッチ素子のオンオフを繰り返して、そのオン期間に第２の通電経路に、漸増する放電電流を流すとともに、オフ期間に第１の通電経路に、オン期間の最後に到達するピーク電流からフライホイール作用で漸減する放電電流を流すピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記スイッチ素子制御手段を、前記ピエゾスタックの充電期間中を通してピーク電流が一定または減少し、かつ、少なくとも前記充電期間の途中からは減少するように前記第１のスイッチ素子のオン期間を設定し、前記ピエゾスタックの放電期間中を通してピーク電流が一定または減少し、かつ、少なくとも前記放電期間の途中からは減少するように前記第２のスイッチ素子のオン期間を設定する制御手段と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、前記スイッチ素子制御手段を、前記オン期間の長さを一定と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３】
請求項２記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記スイッチ素子制御手段を、オフ期間の長さを一定と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４】
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、前記充電電流および前記放電電流を検出する電流検出手段を設け、
前記スイッチ素子制御手段を、電流の検出値が所定の電流制限値に達すると前記オン期間から前記オフ期間に切り換わり、かつ、前記ピエゾスタックの充電および放電が進行するにしたがい前記電流制限値が減少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４記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記電流制限値が、前記ピエゾスタックの充電開始後の経過時間および放電開始後の経過時間に対して単調減少する関数にしたがうピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項６】
請求項４記載の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充電開始後の経過時間および放電開始後の経過時間に対して、前記電流制限値が段階的に減少するピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項７】
請求項１ないし６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、前記充電電流および前記放電電流を検出する電流検出手段を設け、
前記スイッチ素子制御手段を、前記ピエゾスタックの充電開始後の一定期間および放電開始後の一定期間には前記ピーク電流が一定となるように、その後は前記ピーク電流が減少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８】
燃料の噴射と停止との切り換え用のニードルの作動をピエゾアクチュエータにより制御するインジェクタと、前記ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路とを有し、該ピエゾアクチュエータ駆動回路として前記請求項１ないし７いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路を具備することを特徴とする燃料噴射装置。
【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および燃料噴射装置に関する。
【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、燃料の噴射と停止との切り換え用のニードルの作動をピエゾアクチュエータを使って制御する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、放電すると伸長状態から縮小する。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により構成された直流電源と、該直流電源とピエゾスタックとの間で、一方を供給元として、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。燃料噴射装置に適用したものでは、例えば、直流電源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直流電源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−直流電源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、噴射が可能となるものとは大きく異なる。
【０００４】
ピエゾアクチュエータの駆動回路として、電荷を小出しにするチョッパ方式がある。これは、ピエゾスタックと直流電源とでインダクタを介して通電可能な第１の通電経路と、前記直流電源をバイパスし前記ピエゾスタックとインダクタとで通電可能な第２の通電経路とを有しており、各通電経路の途中に設けられたスイッチ素子のオンオフを小刻みに繰り返すことで、充電および放電を制御するものである。
【０００５】
この方式では、充電時には、第１の通電経路の第１のスイッチ素子のオン期間に第１の通電経路に漸増する充電電流が流れ、オフ期間にはフライホイール作用でインダクタからピエゾスタックに漸減する充電電流が流れる。電流は０と、前記オン期間の最後に到達するピーク電流との間で略直線的な変化を繰り返す三角波状の波形となる。一方、放電時には、第２の通電経路の第２のスイッチ素子のオン期間に第２の通電経路に漸増する放電電流が流れ、オフ期間にはフライホイール作用で直流電源に漸減する放電電流が流れる。電流は０と、前記オン期間の最後に到達するピーク電流との間で略直線的な変化を繰り返す三角波状の波形となる。三角波状の波形ではあるが、スイッチ素子のオンから次のオンまでの時間がごく短いため、その微小時間における平均電流にて連続的に電流が流れているものとみなせる。
【０００６】
スイッチ素子の制御は、例えば充電電流、放電電流を検出して行われ、電流がスイッチ素子のオン期間に所定の電流制限値まで達すると、オフ期間に切り換え、電流が略０になるとオン期間に切り換える。また、充電の停止は、ピエゾスタックの端子間電圧を検出して検出値が所定の充電終了電圧値になるとスイッチ素子のオンオフを停止することで充電終了となる。一方、放電の停止は、ピエゾスタックの端子間電圧の検出値が略０に設定された所定値になると放電終了となる。
【０００７】
ところで、ピエゾスタックは充電や放電により高応答で伸長または縮小するため、ピエゾアクチュエータにより駆動される機械要素の動作が不安定になるおそれがある。例えば、機械要素がオーバーシュートして振動したり、機械要素であるバルブが弁座で跳ね返り磨耗する等の不具合が生じるおそれがある。このため、充電時に、充電がある程度進行して目標充電量に近ずいてくると、一旦、充電を停止し、すなわち充電の電流値が０の期間を設け、かかる期間の後、充電の電流値を充電開始時よりも小さく抑えて目標充電量まで充電するものがある（特許文献１参照）。このものでは、振動等のおそれが高くなるほどに充電が進行する前に一旦、充電の電流値が０の期間を設けるとともに、その後の電流値を抑制することで、前記振動や磨耗を防止する。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５４４４２４号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の技術では一旦、ピエゾスタックの充電や放電が停止した後、再開されることで、ピエゾスタックの温度状態等によっては充電停止中や放電停止中にも振動が残り、再開のタイミングによっては、ピエゾスタックの充放電により伸縮する駆動周波数と前記した振動との位相位置（ピエゾスタックの温度によりにより位相位置が変化）により、過大伸縮あるいは過小伸縮となって不安定駆動する。燃料噴射装置のように膨大な回数の燃料噴射を繰り返すようなものにとって、信頼性の点で必ずしも実用的な技術とはいえない。また、充電や放電が停止することでムダ時間をつくることになって、応答性を削ぐことになり、高応答というピエゾスタックを搭載したアクチュエータ本来の特徴を活かし得ない。
【００１０】
また、ピエゾスタックやインダクタはＬＣ共振回路を形成しており、充電電流が到達可能な最大電流は、直流電源の端子間電圧とピエゾスタックの端子間電圧との差で規定され、放電電流が到達可能な最大電流は、ピエゾスタックの端子間電圧で規定される。充電や放電の進行とともに到達可能最大電流は減少する。このため、充電や放電の最後の方で充電電流や放電電流が規定の電流値に達せず振動波形となり、ピエゾスタックの伸長や縮小が不安定になるおそれがある。この結果、ピエゾスタックによって駆動される機械要素の作動が不安定になる。
【００１１】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、応答性を損ねずにしかも信頼性のあるピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置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が備えるピエゾスタックと直流電源とでインダクタを介して通電可能な第１の通電経路と、前記直流電源をバイパスし前記ピエゾスタックとインダクタとで通電可能な第２の通電経路と、第１の通電経路を開閉する第１のスイッチ素子と、第２の通電経路を開閉する第２のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子および前記第２のスイッチ素子を制御するスイッチ素子制御手段とを有し、
前記ピエゾスタックの充電時には前記第１のスイッチ素子のオンオフを繰り返して、そのオン期間に第１の通電経路に、漸増する充電電流を流すとともに、オフ期間に第２の通電経路に、オン期間の最後に到達するピーク電流からフライホイール作用で漸減する充電電流を流し、前記ピエゾスタックの放電時には前記第２のスイッチ素子のオンオフを繰り返して、そのオン期間に第２の通電経路に、漸増する放電電流を流すとともに、オフ期間に第１の通電経路に、オン期間の最後に到達するピーク電流からフライホイール作用で漸減する放電電流を流すピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記スイッチ素子制御手段を、前記ピエゾスタックの充電期間中を通してピーク電流が一定または減少し、かつ、少なくとも前記充電期間の途中からは減少するように前記第１のスイッチ素子のオン期間を設定し、前記ピエゾスタックの放電期間中を通してピーク電流が一定または減少し、かつ、少なくとも前記放電期間の途中からは減少するように前記第２のスイッチ素子のオン期間を設定する制御手段とする。
【００１３】
ピエゾスタックの充電が進行するに応じ、また、放電が進行するに応じてピーク電流が漸減するので、ピエゾアクチュエータにより駆動される機械要素が振動する等の不具合を回避することができる。ここで、一旦充電や放電を停止してしまうのではなく、常にピエゾスタックの充電や放電が連続的に進行している状態にあるから、前記機械要素に対する駆動力が安定し、前記機械要素の作動が不安定になるのを防止することができる。
【００１４】
また、充電の進行で、直流電源の出力電圧とピエゾスタックの端子間電圧との差が小さくなって、オン期間に充電電流が到達可能な最大電流値が低下しても、充電期間の途中からピーク電流が減少するように第１のスイッチ素子のオン期間が設定されるので、到達可能最大電流値に対する余裕度が向上する。これにより、充電電流の振動が防止され、充電が完了するまで三角波状の電流波形で充電が推移する。一方、放電の進行で、ピエゾスタックの端子間電圧が小さくなって、オン期間に放電電流が到達可能な最大電流値が低下しても、放電期間の途中からピーク電流が減少するように第１のスイッチ素子のオン期間が設定されるので、到達可能最大電流値に対する余裕度が向上する。これにより、放電電流の振動が防止され、放電が完了するまで三角波状の電流波形で放電が推移する。したがって、インダクタ、ピエゾスタックを含みＬＣ共振回路が形成されることに基因した電気振動によるピエゾアクチュエータの動作不安定が回避される。
【００１５】
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、設定する。
【００１６】
ピエゾスタックの充電が進行するに応じて、オン期間の充電電流上昇速度を規定する直流電源の電圧とピエゾスタックの端子間電圧との差は減少する。また、放電が進行するに応じて、オン期間の放電電流上昇速度を規定するピエゾスタックの端子間電圧は減少する。したがって、オン期間の長さを一定にしておくことにより、オン期間の最後に到達する電流すなわちピーク電流は、ピエゾスタックの充電が進行するに応じ、また、放電が進行するに応じて漸減することになる。
【００１７】
オフ期間への切り換えタイミングをタイマで設定できるので、オン期間の最後に到達する電流を監視している必要がなく構成が簡単である。
【００１８】
請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、設定する。
設定する。
【００１９】
オン期間への切り換えタイミングをタイマで設定できるので、オン期間に到達する電流を監視している必要がなく構成が簡単である。
【００２０】
請求項４記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記充電電流および前記放電電流を検出する電流検出手段を設け、
前記スイッチ素子制御手段を、電流の検出値が所定の電流制限値に達すると前記オン期間から前記オフ期間に切り換わり、かつ、前記ピエゾスタックの充電および放電が進行するにしたがい前記電流制限値が減少するように設定する。
【００２１】
電流制限値の設定次第でピーク電流の変化パターンを任意に設定することができる。ピエゾアクチュエータにより駆動される機械要素の仕様等に応じて充電および放電を容易に最適化することができる。
【００２２】
この場合、請求項５記載の発明のように、前記電流制限値が、前記ピエゾスタックの充電開始後の経過時間および放電開始後の経過時間に対して単調減少する関数にしたがうようにすることができる。また、請求項６記載の発明のように、前記ピエゾスタックの充電開始後の経過時間および放電開始後の経過時間に対して、前記電流制限値が段階的に減少するようにすることができる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、請求項１ないし６の発明の構成において、前記充電電流および前記放電電流を検出する電流検出手段を設け、
前記スイッチ素子制御手段を、前記ピエゾスタックの充電開始後の一定期間および放電開始後の一定期間には前記ピーク電流が一定となるように、その後は前記ピーク電流が減少するように設定する。
【００２４】
充電開始直後の期間および放電開始直後の期間に前記ピーク電流が一定となる期間を設けることで、充電および放電を効率よく行うことができ、ピエゾアクチュエータの応答性を向上することができる。
【００２５】
請求項８記載の発明では、燃料噴射装置を、燃料の噴射と停止との切り換え用のニードルの作動をピエゾアクチュエータにより制御するインジェクタと、前記ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路とを有し、該ピエゾアクチュエータ駆動回路として前記請求項１ないし７いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路を具備する構成とする。
【００２６】
ピエゾアクチュエータにより駆動されるニードル等の機械要素の作動が安定するので、燃料噴射における噴射率の制御性や調量精度が向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。図１にインジェクタの断面を中心とする燃料噴射装置の要部の構成を示し、インジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。
【００２８】
インジェクタ１は複数の部材が結合した棒状のボディ１０を有し、エンジンに適用される場合には、例えば図略の燃焼室壁を貫通し図１中下端部が燃焼室内に突出するように取り付けられる。インジェクタ１は、下端部から順に噴射部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。
【００２９】
噴射部１ａは、先端に噴孔１０３が形成されたノズル１０４内にノズルニードル２１が配設されている。ノズルニードル２１の基端部２１１は、ノズル１０４壁に形成されたガイド孔１２１に摺動自在に保持され、ノズルニードル２１がガイド孔１２１の孔方向に軸動して、ノズルニードル２１の先端部２１２が環状シート１０４１に着座または離座するようになっている。ノズルニードル先端部２１２の外周空間１０５には高圧通路１０１を介して高圧燃料が供給され、ノズルニードル２１のリフト時に噴孔１０３から燃料が噴射される。ノズルニードル２１にはその環状段面２１ａに前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（図中、上向き）に作用している。高圧通路１０１は例えばコモンレールと接続され、高圧燃料が常時、供給される。
【００３０】
ノズルニードル２１の後方には高圧通路１０１から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、ノズルニードル２１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３１とともに、ノズルニードル２１の後端面２１ｂに着座方向（図中、下向き）に作用する。ノズルニードル後端面２１ｂにはまた、背圧室１０６内のスプリング３１と弾接し、ノズルニードル２１の着座方向のばね力が作用している。
【００３１】
ノズルニードル２１の背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂはピエゾアクチュエータ１ｃにより制御される。
【００３２】
背圧制御部１ｂは以下の構成となっている。前記背圧室１０６がアウトオリフィス１０８を介して常時弁室１１０と連通している。弁室１１０はインジェクタ１内部にその長さ方向に形成された複数の段付きの縦孔の一部により構成されたもので、該縦孔は、弁室１１０の他、弁室１１０の下方には高圧ポート１１０１、ガイド孔１２２およびスプリング室１０９がこの順に設けられ、弁室１１０の上方には低圧ポート１１０２、ガイド孔１２３およびピエゾスタック室１１２がこの順に設けられる。
【００３３】
高圧ポート１１０１は、弁室１１０の底面に開口し、高圧通路１０１と連通している。高圧ポート１１０１は後述するガイド孔１２２の上端部である。低圧ポート１１０２は弁室１１０の天井面に開口し、低圧通路１０２と連通している。また、スプリング室１０９は低圧通路１０２と連通している。
【００３４】
弁室１１０内には、バルブ２３の略円形の本体部２３１が配設されている。バルブ本体部２３１はその下方のピストン部２３２がガイド孔１２２に摺動自在に保持されて、弁室１１０内で上下動可能である。バルブ２３はまた、高圧ポート１１０１に位置する、本体部２３１とピストン部２３２との間が括れ部２３３となっており、高圧ポート１１０１に高圧通路１０１からの燃料が導入されるようになっている。バルブ２３が下降すると、本体部２３１の下端部が高圧側シート１１０ａに着座して高圧ポート１１０１を閉鎖することにより、弁室１１０を高圧通路１０１から遮断する。そして、背圧室１０６がアウトオリフィス１０８、弁室１１０を経て低圧通路１０２と連通する。これにより、ノズルニードル２１の背圧が低下してノズルニードル２１が離座する。一方、バルブ２３が上昇すると、本体部２３１の上端部が低圧側シート１１０ｂに着座して低圧ポート１１０２を閉鎖することにより、弁室１１０を前記低圧通路１０２から遮断する。背圧室１０６が高圧通路１０１のみと連通する。これにより、ノズルニードル２１の背圧が上昇してノズルニードル２１が着座する。
【００３５】
バルブ２３は下端面２３ａで、スプリング室１０９に配設されたスプリング３２と弾接しており、バルブ２３を上方に付勢している。スプリング３２のばね力は、コモンレール圧が十分に上昇していないときにも、バルブ２３が低圧ポート１１０２を閉鎖状態とし得るように設定される、高圧通路１０１に未だ十分に高圧の燃料が供給されていない状態において燃料が誤って噴射されないようにするためである。
【００３６】
バルブ２３の変位は、後述する小径ピストン２４、変位拡大室１１１、大径ピストン２５を介してピエゾアクチュエータ１ｃによりなされる。
【００３７】
ピエゾアクチュエータ１ｃは、ピエゾスタック室１１２に格納され、ピエゾスタック４を積層方向の両側より押さえ材により把持させた構造体である。
【００３８】
ピエゾスタック４はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち伸縮方向が上下方向となるようにピエゾスタック室１２２に格納される。
【００３９】
ガイド孔１２３は、下側部分１２３１が小径で、上側部分１２３２が大径となっており、径の異なる２つのピストン２４，２５が摺動自在に保持されている。ガイド孔小径部分１２３１に保持されたピストン（以下、適宜、小径ピストンという）２４は、本体部２４１から下向きピン部２４２が突出して、低圧ポート１１０２から弁室１１０内に進入し、バルブ２３を下方に押し下げ可能である。小径ピストン２４の側面には鍔状のスプリング座２４３が設けてあり、スプリング座２４３の上方で小径ピストン２４の外周に設けられたスプリング３３により下方に付勢されている。これにより、バルブ２３との当接性を高めている。
【００４０】
ガイド孔１２３の大径部分１２３２に保持されたピストン（以下、適宜、大径ピストンという）２５は、その下端面と弾接するばね３４のばね力によりピエゾスタック４との当接性を高めるとともに、ピエゾスタック４に一定の初期荷重が印加されるようになっている。
【００４１】
ピエゾスタック４の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する大径ピストン２５と小径ピストン２４と、ガイド孔１２３とで画された空間には燃料が充填されて油圧室１１１となっており、ピエゾスタック４が伸長して大径ピストン２５を押圧すると、その押圧力が油圧室１１１の燃料を介して小径ピストン２４に伝えられる。ここで、バルブ２３と当接する小径ピストン２４は大径ピストン２５よりも小径としているので、ピエゾスタック４の伸長量が拡大されて小径ピストン２４の変位に変換される（以下、適宜、油圧室を変位拡大室という）。変位拡大室１１１は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路１０２と接続されている。チェック弁は低圧通路１０２から変位拡大室１１１に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック４の伸長により大径ピストン２５が押圧された時には閉じて燃料を変位拡大室１１１に閉じ込めるようになっている。
【００４２】
インジェクタ１はこのような構成となっており、燃料噴射開始時には、先ず、ピエゾスタック４が所定の電荷量まで充電されてピエゾスタック４が伸長することにより、小径ピストン２４のプレッシャピン２４２が下降してバルブ２３を押し下げる。これによりバルブ２３は低圧側シート１１０ｂから離座するとともに高圧側シート１１０ａに着座する。その結果、弁室１１０の燃料圧が低下し、背圧室１０６も圧力低下してノズルニードル２１が離座し、燃料噴射が開始される。
【００４３】
噴射停止は反対にピエゾスタック５の放電によりピエゾスタック５を縮小してバルブ２３への押し下げ力を解除する。これにより、バルブ２３に上向きに作用する高圧ポート１１０１の高圧の燃料圧力や、スプリング３２のばね力の作用が優勢となり、バルブ２３が高圧側シート１１０ａから離座するとともに再び低圧側シート１１０ｂに着座する。その結果、弁室１１０の燃料圧力が上昇し、背圧室１０６も圧力上昇して、ノズルニードル２１が着座し噴射が停止する。したがって、ピエゾスタック４の充電保持期間を設定することで、充電保持期間に対応した一定の期間、インジェクタ１から燃料が噴射される。
【００４４】
次に図２によりピエゾスタック４の充放電を行うピエゾアクチュエータ駆動回路５について説明する。ピエゾアクチュエータ駆動回路５は、車載のバッテリ６１からの給電で数十〜数百Ｖの直流圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ６２、およびその出力端に並列に接続されたコンデンサ６３を有し、ピエゾスタック４の充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６２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６３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４の充電中および放電中に略一定の電圧値を保つようになっている。
【００４５】
コンデンサ６３とピエゾスタック４とをインダクタ６５を介して接続する第１の通電経路５ａが設けてある。通電経路５ａの途中には、コンデンサ６３とインダクタ６５との間にこれらと直列に第１のスイッチ素子６４ａが設けてある。スイッチ素子６４ａは例えばＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、適宜、第１の寄生ダイオードという）６４１ａに対しコンデンサ６３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向きに接続される。
【００４６】
また、インダクタ６５とピエゾスタック４とをコンデンサ６３をバイパスして接続する第２の通電経路５ｂが設けてある。その途中には第２のスイッチ素子６４ｂが設けてある。スイッチ素子６４ｂは例えばＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、適宜、第２の寄生ダイオードという）６４１ｂに対しコンデンサ電圧が逆バイアスとなる向きに接続される。
【００４７】
スイッチ素子６４ａ，６４ｂは、スイッチ素子制御手段である制御回路７１から出力される制御信号でオンとオフとが切り換えられるようになっており、ピエゾスタック４の充電および放電を行う。
【００４８】
前記通電経路５ａ，５ｂの途中にはピエゾスタック４に直列に抵抗器６６が設けてあり、ピエゾスタック４に流出入する電流に応じた電圧降下が生じ、これが電流検出信号として制御回路７１に入力せしめてある。
【００４９】
また、ピエゾスタック４の端子間電圧（以下、適宜、ピエゾスタック電圧という）が電圧モニタ回路７２で分圧された後、波形処理回路７３を介して制御回路７１に入力する。制御回路７１でピエゾスタック電圧が知られる。
【００５０】
制御回路７１は論理演算回路等からなり、図示しないＥＣＵからの駆動信号や、通電経路５ａ，５ｂを流れる電流の検出値やピエゾスタック電圧の検出値に基づいてスイッチ素子６４ａ，６４ｂに制御信号を出力する。前記駆動信号はピエゾスタック４の充電開始時期と放電開始時期とを規定するもので、Ｌレベルの「０」およびＨレベルの「１」からなる二値信号である。駆動信号の出力時期および出力期間の長さにより噴射時期および噴射量が実質的に規定される。
【００５１】
図３はピエゾアクチュエータ駆動回路５の作動状態を示すもので、これにより、制御回路７１の設定および本ピエゾアクチュエータ駆動回路５を含む燃料噴射装置の作動を説明する。
【００５２】
駆動信号が「１」になると、制御回路７１は第１のスイッチ素子６４ａのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、制御信号を第１のスイッチ素子６４ａに出力する。すなわち、第１のスイッチ素子６４ａをオンして、第１の通電経路５ａに、コンデンサ６３を供給元として漸増する充電電流を流す。その検出値が予め設定した電流制限値に達すると、第１のスイッチ素子６４ａをオフし、オフ期間に切り換える。このときインダクタ６５に蓄積された電磁エネルギーにより、第２の寄生ダイオード６４１ｂを通る第２の通電経路５ｂに、フライホイール作用で、オン期間の最後に到達したピーク電流から漸減する充電電流が流れる。その検出値が予め略０に設定したしきい値に達すると、第１のスイッチ素子６４ａをオンし、オン期間に切り換える。これを繰り返す。この充電電流はインダクタ６５、ピエゾスタック４を含み形成されるＬＣ共振回路を流れる電流であるが、オン期間の長さが前記ＬＣ共振回路の時定数に比して短く、図例のように充電電流は略直線的に変化し、図例のごとく三角波とみなせる波形となる。したがって、平均電流は電流制限値で規定されるピーク電流の１／２となる。
【００５３】
第１のスイッチ素子６４ａのオンオフを繰り返すことで、ピエゾスタック４の充電が進行し、ピエゾスタック電圧が上昇する。ピエゾスタック電圧の上昇に伴いピエゾスタック４が伸長する。制御回路７１ではピエゾスタック電圧を予め設定した充電終了電圧値と比較して充電を終了する時期になったか否かを判定する。
【００５４】
ピエゾスタック４の充電開始から一定の期間が経過し、充電がある程度まで進行すると、それまでの第１のスイッチ素子６４ａのオン期間の設定に代えて次のようにオン期間を設定する。なお、オン期間の設定方法の切り換え時期は、充電の開始から予め設定した所定時間が経過したことをタイマでモニタすることで判断してもよいし、ピエゾスタック電圧が予め設定した充電終了電圧値よりも低めに設定した所定値に達したことで判断してもよい。
【００５５】
さて、オン期間の設定方法の切り換え後の第１のスイッチ素子６４ａのオン期間は、第１のスイッチ素子６４ａのオンからの経過時間をタイマでモニタして、予め設定した所定の時間が経過すると第１のスイッチ素子６４ａをオフして終了し、オフ期間に切り換える。なお、オフ期間の設定は、オン期間の設定方法の切り換え前後で同じである。
【００５６】
そして、ピエゾスタック電圧の検出値が前記充電終了電圧値に達すると、第１のスイッチ素子６４ａをオフに固定して、ピエゾスタック４の充電は終了となる。なお、第１のスイッチ素子６４ａをオフに固定した時点で充電電流が流れていればインダクタ６５に蓄積エネルギーが存在する。その蓄積エネルギーの分、充電誤差となるから、この分を予め考慮して、充電終了電圧値を目標充電電圧よりもやや小さめに設定するのがよい。
【００５７】
前記のごとく、ピエゾスタック４が伸長してバルブ２３を押し下げ、ノズルノードル２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００５８】
次に、駆動信号が「０」になると、ピエゾスタック４を放電せしめるべく、第２のスイッチ素子６４ｂのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、制御信号を第２のスイッチ素子６４ｂに出力する。すなわち、第２のスイッチ素子６４ｂをオンして、第２の通電経路６４ｂに、漸増する放電電流を流す。その検出値が予め設定した電流制限値に達すると、第２のスイッチ素子６４ｂをオフし、オフ期間に切り換える。インダクタ６５には逆起電力が発生し、第１の通電経路５ａにフライホイール作用で、オン期間の最後に到達したピーク電流から漸減する放電電流が流れる。その検出値が予め略０に設定したしきい値に達すると、第２のスイッチ素子６４ｂをオンし、オン期間に切り換える。これを繰り返す。この放電電流は、充電の場合と同様に三角波とみなせる波形となる。
【００５９】
第２のスイッチ素子６４ｂのオンオフを繰り返すことで、ピエゾスタック４の放電が進行し、ピエゾスタック電圧が低下して、ピエゾスタック４に蓄積されていたエネルギーがコンデンサ６３に回収される。
【００６０】
ピエゾスタック４の放電開始から一定の期間が経過し、放電がある程度まで進行すると、それまでの第２のスイッチ素子６４ｂのオン期間の設定に代えて次のようにオン期間を設定する。なお、オン期間の設定方法の切り換え時期は、充電時のごとく、放電の開始から所定時間が経過したことをタイマで確認することで判断してもよいし、ピエゾスタック電圧が予め０よりも高めに設定した所定値まで低下したことで判断してもよい。
【００６１】
さて、オン期間の切り換え後の第２のスイッチ素子６４ｂのオン期間は、第２のスイッチ素子６４ｂのオンからの経過時間をタイマでカウントして、予め設定した所定の時間が経過すると第２のスイッチ素子６４ｂをオフして終了し、オフ期間に切り換える。なお、オフ期間の設定は、オン期間の設定方法の切り換え前後で同じである。
【００６２】
そして、ピエゾスタック電圧の検出値が予め略０に設定した放電終了電圧値に達すると、第２のスイッチ素子６４ｂをオフに固定して、ピエゾスタック４の放電は終了となる。
【００６３】
前記のごとく、ピエゾスタック４が縮小してバルブ２３が上昇し、ノズルニードル２１が再び着座して燃料噴射が開始される。
【００６４】
さて、本実施形態によれば、充電の開始後の一定期間や放電の開始後の一定期間はピーク電流が一定で、途中から漸減する。したがって、途中までは効率よく充電や放電がなされ、充電時にはピエゾスタック４が高応答で伸長し、また、放電時には高応答で縮小する。そして、オン期間の設定方法が切り換わる途中からは緩やかに充電や放電がなされる。これにより、応答性を確保しつつ、急な充電や放電の進行による、ピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される機械要素であるバルブ２３が振動する等の不具合を回避することができる。ここで、一旦充電や放電を停止してしまうのではなく、常にピエゾスタック４の充電や放電が進行している状態にあるから、より応答性が高い。また、常にピエゾスタック４の充電や放電が進行することで、ピエゾスタック４の伸長時に伸長を妨げる方向の力が作用しにくく、また、ピエゾスタック４の縮小時に縮小を妨げる方向の力が作用しにくくなる、すなわち、ピエゾアクチュエータ１ｃが発生する駆動力が安定化する。これにより、バルブ２３の作動が不安定になるのをより防止することができる。
【００６５】
また、前記のごとく、インダクタ６５、ピエゾスタック４を含みＬＣ共振回路が形成されており、充電電流が到達可能な最大電流はコンデンサ電圧とピエゾスタック電圧との差で規定されるから、ピエゾスタック４の充電が進行するに応じて到達可能最大電流は小さくなる。また、放電電流が到達可能な最大電流はピエゾスタック電圧で規定されるから、ピエゾスタック４の放電が進行するに応じて到達可能最大電流は小さくなる。このため、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間が長すぎると、図９に示すように、充電や放電がある程度進行すると、電流波形が三角波から振動波形に変わる。本実施形態のように、ピエゾスタック４の充電や放電が進行するに応じてピーク電流が減少するようにすることで、応答性を確保するためにピーク電流を十分にとることと、前記到達可能最大電流に対する余裕度を確保するという両方の要請に応えることができる。これにより、応答性を確保しつつ、バルブ２３の動作不安定が回避される。なお、適切な電流制限値やオン期間の長さの所定時間は、予め実験等により最適化するのがよい。
【００６６】
なお、本発明が各気筒に１対１に対応してインジェクタ１が設けられるディーゼルエンジン等に適用される場合で、ピエゾアクチュエータ駆動回路５を各インジェクタ１のピエゾアクチュエータ１ｃに共通の構成とする場合には、すべてのピエゾアクチュエータ１ｃのピエゾスタック４を並列に接続するとともに、各ピエゾスタック４に直列に気筒切り換え用の選択スイッチを設けて、噴射気筒に対応するピエゾスタック４のみが充放電可能とする。
【００６７】
（第２実施形態）
本実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同じで、相違点は、制御回路７１における、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間の設定方法を別の設定方法としたことである。第１実施形態との相違点を中心に説明する。第１実施形態はピエゾスタック電圧が充電が終了する前の段階で、オン期間の設定を、オン期間の長さを一定とする別の設定方法に切り換えるものであったが、本実施形態は充電および放電の開始時から、オン期間の長さを一定としている。図４に本ピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾスタック４の充電時および放電時の各部の作動状態を示す。オン期間の長さを一定とすることで、充電開始からピーク電流が漸減する。
【００６８】
本実施形態でも、充電電流および放電電流のピーク電流の漸減による作用で、バルブ２３の作動を安定化することができる。
【００６９】
（第３実施形態）
本実施形態は、基本的な構成は前記各実施形態と同じで、相違点は、制御回路７１における、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間の設定方法を別の設定方法としたことである。第２実施形態との相違点を中心に説明する。図５に本ピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾスタック４の充電時および放電時の各部の作動状態を示す。第２実施形態はオン期間の長さを一定とし、オフ期間は充電電流、放電電流の検出値が略０になると終了するものであったが、本実施形態は、制御回路７１が、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオフ後の経過時間をタイマでモニタし、オフ期間の長さをも一定としている。オン期間に加えてオフ期間の長さを一定とすることで、タイマだけでオン期間およびオフ期間を設定することができるので、電流を検出する必要がなく、スイッチ素子６４ａ，６４ｂの制御を簡略化することができる。
【００７０】
本実施形態によれば、充電電流や放電電流の異常の検出の要請がなければ、抵抗器６６などの電流を検出するための構成は省略することも可能である。
【００７１】
（第４実施形態）
本実施形態は、基本的な構成は前記各実施形態と同じで、相違点は、制御回路７１における、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間の設定方法を別の設定方法としたことである。第２実施形態との相違点を中心に説明する。図６に本ピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾスタック４の充電時および放電時の各部の作動状態を示す。第２実施形態はオン期間の長さを一定とし、オフ期間は充電電流、放電電流の検出値が略０になると終了するものであったが、本実施形態は、制御回路７１が、充電電流、放電電流の検出値が電流制限値に達したらオン期間からオフ期間に切り換えるものである。そして、制御回路７１は、充電開始からの経過時間の一次関数にしたがって電流制限値を与えるようになっており、充電時には、ピエゾスタック電圧の検出値が充電終了電圧値に到達するまでの間、放電時には、ピエゾスタック電圧の検出値が略０になるまでの間、経過時間に応じて電流制限値を設定するようになっている。
【００７２】
電流制限値を与える関数は、経過時間値が大きいほど電流制限値に小さな値が与えられるようになっており、図のように、ピーク電流が漸減する。電流制限値を与える関数はまた、充電の進行によるコンデンサ電圧とピエゾスタック電圧との差の変化にも留意し、予め、経過時間とともに変化する、コンデンサ電圧とピエゾスタック電圧との差の推移を実験的に確認しておき、充電電流の振動を回避すべく、電流制限値がコンデンサ電圧とピエゾスタック電圧との差で規定される最大到達可能電流よりも小さな値となるようにする。なお、放電時の電流制限値を与える関数も同様に、経過時間値が大きいほど電流制限値に小さな値が与えられる関数形とする。放電時にも、ピエスタック電圧で規定される、放電電流の最大到達電流値を考慮して設定する。
【００７３】
本実施形態でも、ピーク電流の漸減による作用で、バルブ２３の作動を安定化することができる。電流制限値を与える関数の具体例として一次関数を挙げたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、経過時間に対して減少するものであればよい。
【００７４】
また、電流制限値を与える関数を前記ＥＣＵのメモリに記憶しておき、電流制限値は、前記ＥＣＵから、充電の開始および放電の開始の経過時間に応じてＤ／Ａコンバータを介して出力するようにしてもよい。
【００７５】
（第５実施形態）
本実施形態は、基本的な構成は前記各実施形態と同じで、相違点は、制御回路７１における、スイッチ素子６４ａ，６４ｂのオン期間の設定方法を別の設定方法としたことである。第４実施形態との相違点を中心に説明する。図７に本ピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾスタック４の充電時および放電時の各部の作動状態を示す。第４実施形態は電流制限値を与える関数を記憶するとでピーク電流を漸減するようにしたものであるが、本実施形態は、制御回路７１が、充電開始からの経過時間に対して複数段階に電流制限値に対応する電圧出力を生成するようになっており、充電開始からの経過時間が長いほど、また、放電開始からの経過時間が長いほど、電流制限値が小さくなるようになっている。あるいは、前記ＥＣＵを構成するマイクロコンピュータのメモリにマップとして充電開始からの経過時間や放電開始からの経過時間に対応付けて電流制限値を記憶するようにしてもよい。本実施形態では、充電時には、ピエゾスタック電圧の検出値が充電終了電圧に到達するまでの間、放電時には、ピエゾスタック電圧の検出値が略０になるまでの間、経過時間に応じて電流制限値を与えるようになっている。
【００７６】
また、前記各実施形態は図８に示すインジェクタ１ａを備えた燃料噴射装置にも適用することができる。基本的な構成は図１のものと同じで、バルブ２３が、高圧シート１１０ａに着座する下部が水平にカットされたボール状である。弁室１１０の天井面は円錐状で、低圧シート１１０ｂとなっており、低圧シート１１０ｂの最上部に低圧ポート１１０２が開口している。ピーク電流を漸減することでバルブ２３の作動を安定化することができる。
【００７７】
また、図１や図８のように、ピエゾアクチュエータ１ｃがノズルニードル２１の背圧の高低を切り換える背圧制御部１ｂの制御用に用いられるものだけではなく、ピエゾアクチュエータがノズルニードルを直接駆動するものにも適用するとができる。また、燃料噴射装置に限らず適用できるのも勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態になる燃料噴射装置の、主にインジェクタの断面を示す図である。
【図２】前記燃料噴射装置を構成するとともに、インジェクタのピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路の構成図である。
【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタックの充電時および放電時の各部の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明を適用した第２実施形態になる燃料噴射装置を構成するとともに、インジェクタのピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタックの充電時および放電時の各部の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明を適用した第３実施形態になる燃料噴射装置を構成するとともに、インジェクタのピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタックの充電時および放電時の各部の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図６】本発明を適用した第４実施形態になる燃料噴射装置を構成するとともに、インジェクタのピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタックの充電時および放電時の各部の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明を適用した第５実施形態になる燃料噴射装置を構成するとともに、インジェクタのピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路における、ピエゾアクチュエータに搭載されるピエゾスタックの充電時および放電時の各部の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図８】本発明を適用した燃料噴射装置の変形例の、主にインジェクタの断面を示す図である。
【図９】従来の技術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  噴射部
１ｂ  背圧制御部
１ｃ  ピエゾアクチュエータ
２１  ノズルニードル
２３  バルブ（機械要素）
４  ピエゾスタック
５  ピエゾアクチュエータ駆動回路
５ａ  第１の通電経路
５ｂ  第２の通電経路
６３  コンデンサ（直流電源）
６４ａ  第１のスイッチ素子
６４ｂ  第２のスイッチ素子
６５  インダクタ
６６  抵抗器（電流検出手段）
７１  制御回路（スイッチ素子制御手段）
【図１】
2004248457.tif 000003
【図２】
2004248457.tif 000004
【図３】
2004248457.tif 000005
【図４】
2004248457.tif 000006
【図５】
2004248457.tif 000007
【図６】
2004248457.tif 000008
【図７】
2004248457.tif 000009
【図８】
2004248457.tif 000010
【図９】
2004248457.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月30日(2003.6.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
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、前記スイッチ素子制御手段を、前記オン期間の長さを一定とするように設定する。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記スイッチ素子制御手段を、オフ期間の長さを一定とするように設定する。