(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックの充電をフライバック方式で行う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への通電経路を、直流電源からトランスを介して前記ピエゾスタックに通電する構成とし、
前記直流電源と前記トランスの一次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の一次側回路には、該一次側回路を開閉するエネルギー供給用のスイッチング素子を設け、
前記直流電源と前記トランスの二次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の二次側回路には、前記一次側回路閉成時に前記二次側巻線に発生する誘導起電力が順バイアスとなるようにエネルギー供給用のダイオードを設け、
前記直流電源にはその出力端間にコンデンサを介設せしめ、
前記二次側回路には、前記ダイオードと並列にエネルギー回収用のスイッチング素子を設け、
前記一次側回路には、前記充電制御用のスイッチング素子と並列に前記直流電源に対して逆バイアスとなるようにエネルギー回収用のダイオードを設け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、前記スイッチング素子を、その一端が前記通電経路の基準電位となるように結線した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、前記二次側回路には、前記ピエゾスタックと前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を直列に接続したものを複数組並列に接続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、前記一次側回路を開閉するスイッチング素子を所定の回数だけオンオフすることによってピエゾアクチュエータに所望のエネルギを供給する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、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り替えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。
【０００３】
ピエゾスタックを充放電するピエゾアクチュエータ駆動回路として複数スイッチング方式のものがある。図９はかかるピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例を示すもので、直流電源９０２とピエゾスタック９０１とを結ぶ通電経路にスイッチング素子９０４とインダクタ９０９を直列に設けるとともに、直流電源９０２に対して逆バイアスとなるようにダイオード９０７を設けて該ダイオード９０７、インダクタ９０９およびピエゾスタック９０１とで閉回路を形成している。そして、スイッチング素子９０４をオンオフすることで、オン時には直流電源９０２〜インダクタ９０９〜ピエゾスタック９０１〜直流電源９０２という経路で電流が流れ、オフ時にはインダクタ９０９〜ピエゾスタック９０１〜ダイオード９０７〜インダクタ９０９という経路でフライホイール電流が流れる。これにより、ピエゾスタック９０１に充電がなされ、ピエゾスタック９０１が伸長したり押圧力を発生する。１回の充電量を小さくしてインダクタ９０９を小型化すべく、通常、スイッチング素子９０４のオンオフ作動を繰り返すことで充電作動を複数回に分けて行う（特開平１０−３０８５４２号公報等）。なお、図中、ダイオード９０８、スイッチング素子９０５はピエゾスタック９０１のエネルギーをバッファコンデンサ９０６に回収するためのものである。
【０００４】
ピエゾスタックに所定の伸長量や前記ピストン等への所定の押圧力を生じせしめるには、充電量を制御する必要があるが、ピエゾスタックへの供給エネルギーが（１／２）ＣＶ2 （Ｃ：ピエゾスタックの静電容量、Ｖ：ピエゾスタック電圧）で表されることから、ピエゾスタック電圧が所定値となるように、スイッチング素子のオンオフ回数等を制御するものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的にピエゾスタックを含め容量性素子は静電容量が温度の上昇で大きく増大する。例えば、−２０〜１６０°Ｃの温度範囲で、インダクタ等ではインダクタンスが数％程度の変化に止まるのに対して、ピエゾスタックでは静電容量が前記温度範囲において数倍程度変化する大きな温度依存性を示す。このため、例えば、ピエゾスタック電圧が正確に前記設定値となっていても、ピエゾスタックに蓄積される静電エネルギー量が温度に依存することになって、前記伸長量が正確に与えられなかったり、押圧力に過不足を生じたりする。この結果、例えば、前記内燃機関において高精度な燃料噴射が実現できないという問題を生じる。
【０００６】
特開平１１−３１７５５号公報には、充電中のピエゾスタックの伸長量やピエゾスタック電圧の挙動を監視してその結果をスイッチング素子の作動に反映せしめることで、ピエゾスタックの静電容量の温度依存性を吸収するようにしたものが開示されている。
【０００７】
しかしながら、前記特開平１１−３１７５５号公報記載の技術では、演算負担が大きくコストアップする。
【０００８】
また、ピエゾスタック電圧とともにピエゾスタックへの充電電流を検出し、これを乗じたものを積算して供給エネルギー量を求めることも考えられるが、結局、演算負担が大きい上、電圧と電流の両方を検出することが必要になる。
【０００９】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、過重な演算負担を伴わずに高精度でピエゾスタックの伸長量等を制御することのできる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。
【００１０】
【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設けられたピエゾスタックの充電をフライバック方式で行う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への通電経路を、直流電源からトランスを介して前記ピエゾスタックに通電する構成とする。
前記直流電源と前記トランスの一次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の一次側回路には、該一次側回路を開閉するエネルギー供給用のスイッチング素子を設ける。
前記直流電源と前記トランスの二次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の二次側回路には、前記一次側回路閉成時に前記二次側巻線に発生する誘導起電力が順バイアスとなるようにエネルギー供給用のダイオードを設ける。
【００１１】
スイッチング素子がオンするとトランスの一次側巻線に漸増する電流が流れ、トランスに電流値に応じたエネルギーが蓄積される。この時のトランスの二次側巻線に発生する誘導起電力はダイオードの逆止作用でピエゾスタックの充電に寄与しない。次いでスイッチング素子がオフすると、この時のトランスの二次側巻線に発生する誘導起電力はダイオードに対して順バイアスであるから、二次側回路に電流が流れてピエゾスタックが充電される。
【００１２】
従来のもの（図９参照）ではスイッチング素子がオン状態の時には直流電源からのエネルギーがインダクタとピエゾスタックとに分配されて蓄積されるのに対し、本発明では、前記のごとくピエゾスタックへ供給されるエネルギーはスイッチング素子がオン状態の時にトランスに蓄積されたエネルギーだけである。このエネルギーは、インダクタと同様に、（１／２）ＬＩ2 （Ｌ：トランス一次巻線のインダクタンス、Ｉ：スイッチング素子オフ直前のトランス一次巻線の電流）と表される。すなわち、容量素子に比して温度変化の小さいインダクタとしてのトランス一次巻線のインダクタンスＬと電流値Ｉで規定される。したがって、電流値Ｉが所定値に達したことを監視するだけで、エネルギー量等の演算を伴うことなくピエゾスタックへの供給エネルギーの制御を高精度に行うことができる。
【００１３】
請求項１記載の発明では、さらに、前記直流電源にはその出力端間にコンデンサを介設せしめる。
前記二次側回路には、前記ダイオードと並列にエネルギー回収用のスイッチング素子を設ける。
前記一次側回路には、前記充電制御用のスイッチング素子と並列に前記直流電源に対して逆バイアスとなるようにエネルギー回収用のダイオードを設ける。
【００１４】
エネルギー回収用のスイッチング素子がオンすると、ピエゾスタックの放電電流がトランスの二次側巻線に流れ、トランスにエネルギーが蓄積される。続いて前記エネルギー回収用のスイッチング素子がオフすると、一次側巻線に誘導電流が流れてコンデンサに電荷すなわちエネルギーが回収される。
【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、前記スイッチング素子を、その一端が前記通電経路の基準電位となるように結線する。
【００１６】
スイッチング素子をローサイドスイッチ化できるので、スイッチング素子の駆動回路を簡易な構成とすることができる。
【００１７】
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、前記二次側回路には、前記ピエゾスタックと前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を直列に接続したものを複数組並列に接続する。
【００１８】
ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子のうちオンしたものに対応するピエゾスタックのみが前記二次側回路を形成する。複数のピエゾアクチュエータに対してトランスやエネルギー供給用のスイッチング素子等を共通の構成とすることができるので、回路構成の簡単化、コスト低減を図ることができる。
【００１９】
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、前記一次側回路を開閉するスイッチング素子を所定の回数だけオンオフすることによってピエゾアクチュエータに所望のエネルギを供給する構成とする。
【００２０】
前記スイッチング素子のオンオフ回数に応じて供給エネルギーを任意に制御することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路はコモンレール式の４気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに適用されたもので、燃料噴射システムの全体構成については後述する。ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、車載のバッテリ１１１、バッテリ１１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの充電用の電圧を出力する。直流電源１１からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに通電する通電経路１２は通電をトランス１３を介して行うようになっている。バッファコンデンサ１１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ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。
【００２２】
ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは、後述するように、各気筒に設けられたインジェクタの燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタのそれぞれに搭載される。
【００２３】
通電経路１２の、直流電源１１とトランス１３の一次側巻線１３１とを接続する一次側回路１２１には、コンデンサ１１３およびトランス一次側巻線１３１に直列にスイッチング素子（以下、適宜、一次側スイッチング素子という）１４が設けてあり、一次側回路１２１を開閉するようになっている。スイッチング素子１４にはｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインはトランス一次側巻線１３１と導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。これにより、一次側スイッチング素子１４の寄生ダイオード（以下、適宜、一次側寄生ダイオードという）１４１は、直流電源１１に対して逆バイアスとなり、トランス一次側巻線１３１からコンデンサ１１３の正極に向かう方向の電流のみを許容する。
【００２４】
通電経路１２の、トランス１３の二次側巻線１３２とピエゾスタック２Ａ〜２Ｄとを接続する二次側回路１２２には、トランス二次側巻線１３２およびピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに直列にスイッチング素子（以下、適宜、二次側スイッチング素子という）１５が設けてあり、二次側回路１２２を開閉するようになっている。二次側スイッチング素子１５はｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインはトランス二次側巻線１３２と導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。二次側スイッチング素子１５の寄生ダイオード（以下、適宜、二次側寄生ダイオードという）１５１は、トランス二次側巻線１３２からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに向かう方向の電流のみを許容する。
【００２５】
二次側回路１２２はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、また、次のように駆動対象としてのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に接続されて、噴射気筒のインジェクタのピエスタック２Ａ〜２Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインは対応するピエゾスタック２Ａ〜２Ｄと導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄの寄生ダイオード（以下、適宜、二次側寄生ダイオードという）１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、二次側寄生ダイオード１５１と逆にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄからトランス二次側巻線１３２に向かう方向の電流のみを許容する。
【００２６】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートにはＥＣＵ３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ング素子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、一次側スイッチング素子１４、二次側スイッチング素子１５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子１４，１５をオンオフし、一次側回路１２１および二次側回路１２２を開閉するようになっている。
【００２７】
また、トランス１３の巻線１３１，１３２の巻回方向は次のように設定してある。すなわち、一次側スイッチング素子１４がオンで一次側回路１２１が閉成されるとトランス一次側巻線１３１に漸増する電流が流れるが、この漸増する電流によりトランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力が二次側寄生ダイオード１５１に対し逆バイアスとなるように設定される。これは、一次側スイッチング素子１４がオンからオフに切り替わり一次側回路１２１が開成した時にトランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力が二次側寄生ダイオード１５１に対し順バイアスとなるように設定されるのと等価である。これにより、一次側スイッチング素子１４のオン時には二次側回路１２２に電流が流れず、一次側スイッチング素子１４のオフ時に二次側回路１２２にトランス二次側巻線１３２からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに向かう方向の電流が流れ、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電される。充電によりピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは伸長する。
【００２８】
したがって、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電状態の時、二次側スイッチング素子１５をオンして二次側回路１２２が閉成し、二次側回路１２２にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄからの放電電流が流れてピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが縮小する。ここで、二次側回路１２２に前記放電電流が流れても、一次側回路１２１に電流が流れず、二次側スイッチング素子１５のオフ時に一次側回路１２１にトランス一次側巻線１３１からバッファコンデンサ１１３に向かう方向の電流が流れ、バッファコンデンサ１１３が充電される。
【００２９】
図２にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが搭載される燃料噴射用のインジェクタの構造を示し、図３に前記インジェクタを有し構成されるディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムの構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ４が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ４は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ４から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００３０】
また、コモンレール５４からインジェクタ４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４の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ４から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００３１】
圧力センサ５７はコモンレール５４に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてＥＣＵ３が調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。
【００３２】
図２に示すごとく、インジェクタ４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４は下側から順にノズル部４ａ、背圧制御部４ｂ、ピエゾアクチュエータ４ｃとなっている。
【００３３】
ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル４２１はノズル本体４０４の先端部に形成された環状シート４０４１に着座または離座する。ニードル４２１の先端部の外周空間４０５には高圧通路４０１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４２１の離座時に噴孔４０３から燃料が噴射される。ニードル４２１にはその環状段面４２１１に前記高圧通路４０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００３４】
ニードル４２１の後方には高圧通路４０１からインオリフィス４０７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４２１の背圧を発生する背圧室４０６が形成される。この背圧は、背圧室４０６に配設されたスプリング４２２とともにニードル４２１の後端面４２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００３５】
前記背圧は背圧制御部４ｂで切り替えられ、背圧制御部４ｂは前記ピエゾスタック２Ａを備えたピエゾアクチュエータ４ｃにより駆動される。なお、ピエゾスタック２Ｂ〜２Ｄを備えたインジェクタも同じ構造である。
【００３６】
前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０９を介して常時、背圧制御部４ｂの弁室４１０と連通している。弁室４１０は天井面４１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面４１０１の最上部で低圧室４１１とつながっている。低圧室４１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路４０２と連通している。
【００３７】
弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。
【００３８】
弁室４１０内には、下側部分を水平にカットしたボール４２３が配設されている。ボール４２３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）４１０２に着座し弁室４１０を高圧制御通路４０８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）４１０１に着座し弁室４１０を前記低圧室４１１から遮断する。これにより、ボール４２３下降時には背圧室４１０がアウトオリフィス４０９、弁室４１０を経て低圧室４１１と連通し、ニードル４２１の背圧が低下してニードル４２１が離座する。一方、ボール４２３の上昇時には背圧室４０６が低圧室４１１と遮断されて高圧通路４０１のみと連通し、ニードル４２１の背圧が上昇してノズルニードル４２１が着座する。
【００３９】
ボール４２３はピエゾアクチュエータ４ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ４ｃは、低圧室４１１の上方に上下方向に形成された縦穴４１２に径の異なる２つのピストン４２４，４２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン４２５の上方にピエゾスタック２Ａが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００４０】
大径ピストン４２５はその下方に設けられたスプリング４２６によりピエゾスタック２Ａと当接状態を維持しており、ピエゾスタック２Ａ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。
【００４１】
ボール４２３と対向する下側の小径ピストン４２４と大径ピストン４２５と縦穴４１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室４１３が形成されており、ピエゾスタック２Ａの伸長で大径ピストン４２５が下方変位して変位拡大室４１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室４１３の燃料を介して小径ピストン４２４に伝えられる。ここで、小径ピストン４２４は大径ピストン４２５よりも小径としているので、ピエゾスタック２Ａの伸長量が拡大されて小径ピストン４２４の変位に変換される。
【００４２】
変位拡大室４１３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４０２と通じている。チェック弁は低圧通路４０２から変位拡大室４１３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２Ａの伸長により大径ピストン４２５が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室４１３に閉じ込めるようになっている。
【００４３】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック２Ａが充電されてピエゾスタック２Ａが伸長することにより、小径ピストン４２４が下降してボール４２３を押し下げる。これによりボール４２３が低圧側シート４１０１から離間するとともに高圧側シート４１０２に着座して背圧室４０６が低圧通路４０２と連通するので、背圧室４０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル４２１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４２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００４４】
噴射停止は反対にピエゾスタック２Ａの放電によりピエゾスタック２Ａを縮小してボール４２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室４１０内は低圧となっており、またボール４２３の底面には高圧制御通路４０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール４２３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４２３への押し下げ力の解除により、ボール４２３が高圧側シート４１０２から離間するとともに再び低圧側シート４１０１に着座して弁室４１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル４２１が着座し噴射が停止する。そして、ピエゾスタック２Ａ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、噴孔４０１から燃料が噴射される。
【００４５】
図４に前記ピエゾアクチュエータ駆動回路１の各部の作動を示し、これにより、ＥＣＵ３の設定とともにピエゾアクチュエータ駆動回路１を含む燃料噴射システムの作動を説明する。なお、どのインジェクタについても作動は実質的に同じであり、代表してピエゾスタック２Ａを備えたインジェクタ４について説明する。図中、前半がピエゾスタック２Ａの充電時で、後半がピエゾスタック２Ａの放電時の作動を示している。予めピエゾスタック２Ａに対応する選択スイッチング素子１６Ａがオンに切り替えられる。
【００４６】
ピエゾスタック２Ａの充電時の作動について説明する。一次側スイッチング素子１４をパルス状にオンオフすると、先ず、一次側スイッチング素子１４のオン期間にコンデンサ１１３からトランス一次側巻線１３１に鋸波状の電流が流れ（Ｉ1 ）、トランス１３にエネルギーが蓄積される。この時、前記のごとく二次側回路１２２には電流は流れず（Ｉ2 ）、ピエゾスタック２Ａは充電されない。
【００４７】
そして、一次側スイッチング素子１４がオフすると、トランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力は二次側寄生ダイオード１５１に対して順バイアスとなって、トランス二次側巻線１３２〜ピエゾスタック２Ａ〜二次側寄生ダイオード１５１〜トランス二次側巻線１３２という経路で電流が流れ、ピエゾスタック２Ａは充電される。すなわち、トランス１３に蓄積されたエネルギーがピエゾスタック２Ａに移動する。
【００４８】
ここでトランス１３に蓄積されるエネルギーＷは、一次側巻線１３１のインダンクタンスをＬ、一次側巻線１３１の通電電流のピーク値をＩとすると、式（１）となる。
Ｗ＝（１／２）ＬＩ2 ・・・（１）
【００４９】
また、バッファコンデンサ１１３の電圧をＶ、一次側スイッチング素子１４のオン時間をＴとして、Ｉ＝ＶＴ／Ｌであるから、式（２）と表せる。
Ｗ＝（１／２）（ＶＴ）2 ／Ｌ・・・（２）
【００５０】
そして、このエネルギーは式（２）より知られるように、温度依存性の小さいトランス一次巻線１３１のインダクタンスに依存してピエゾスタック２Ａの静電容量には依存せず、また、バッファコンデンサ１１３の電圧Ｖは一定であるから、オン時間Ｔの設定や一次側スイッチング素子１４のオンオフ回数の設定に応じてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーを高精度に制御することができる。例えば図４の例のように、スイッチング素子１４を複数回オンオフするとともに、オン時間Ｔを一定にしてスイッチング素子１４の１回のオンオフにおけるエネルギーＷを一定にし、要求されるエネルギーに応じてスイッチング素子１４のオンオフ回数を設定して、オンオフ回数によりピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーをエネルギーＷを単位として任意に制御することができる。これにより、ニードル４２１を着座状態のままボール４２３をリフト状態とする、いわゆるハーフリフトとすることが容易に可能となり、コモンレール圧の制御を高精度に行うことができる。例えば、コモンレール圧に応じてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーを制御することで、コモンレール圧の影響を受けるボール４２３のリフト量を所期の値にすることができる。
【００５１】
しかも、ピエゾスタック２Ａの温度依存性に基因するピエゾスタック電圧等の変化を監視して充電制御にフィードバックしていく必要がないので、演算負担が軽い。
【００５２】
図５、図６はピエゾスタック２Ａの伸び量およびバルブ４２３の変位量の温度特性を示すもので、図５が本発明のもので、図６がピエゾスタック電圧が所定値に達したら充電完了とする従来装置（図９参照）のものである。なお、両図にはそれぞれ併せてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーの温度特性を示している。供給エネルギーはピエゾスタック電圧と充電電流を検出し、これを乗じたものを積算することで求めている。
【００５３】
従来装置では−２０〜１６０°Ｃの温度範囲で供給エネルギーが２倍以上変化し、ピエゾスタックの伸び量、ボールの変位量は２倍近く変化する。これに対して本発明では、前記温度範囲で供給エネルギーは殆ど変化せず、ピエゾスタックの伸び量、バルブ変位量とも一定している。なお、図中、ピエゾスタックの伸び量は、拡大率（ピストンの断面積比）により換算したものであるが、実際のボールの変位量の方が小さいのは、弁室４１０の高圧の燃料をボール４２３を介して小径ピストン４２４が受けることで変位拡大室４１３の燃料が圧縮され、この圧縮で拡大率が減じられるためである。
【００５４】
また、トランス１３の巻線比（一次側巻線：二次側巻線）を１：２や１：３のように、二次側巻線１３２の方を十分に大きくとって昇圧比を上げることで、一次側電圧すなわちＤＣ−ＤＣ回路１１２の出力電圧を低電圧化することができる。これにより、バッファコンデンサ１１３に低耐圧のものが使用可能となり、回路の小型化を図ることができる。
【００５５】
次にピエゾスタック２Ａの放電時の作動について説明する。二次側スイッチング素子１５をパルス状にオンオフすると、先ず、二次側スイッチング素子１５のオン期間にピエゾスタック２Ａからトランス二次側巻線１３２に鋸波状の電流が流れ、トランス１３にエネルギーが蓄積される。放電時の電流の向きは充電時と逆方向であるから、トランス一次側巻線１３１に発生する誘導起電力は一次側寄生ダイオード１４１に対して逆バイアスとなって一次側回路１２１には電流は流れない。
【００５６】
そして、二次側スイッチング素子１５がオフすると、トランス一次側巻線１３１に発生する誘導起電力は一次側寄生ダイオード１４１に対して順バイアスとなって、トランス一次側巻線１３１〜バッファコンデンサ１１３〜一次側寄生ダイオード１４１〜トランス一次側巻線１３１という経路で電流が流れ、バッファコンデンサ１１３が充電される。すなわち、ピエゾスタック２Ａの静電エネルギーがバッファコンデンサ１１３に回収されることになる。
【００５７】
このように、本発明によれば、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギーを高精度で制御することができるので、供給エネルギーに過不足を生じず、消費電力量に無駄が生じたり、作動不良を生じることが回避される。
【００５８】
なお、複数スイッチング方式ではダイオード、インダクタおよびピエゾスタックが閉回路を形成する必要があるから、従来装置（図９参照）ではスイッチング素子をコンデンサとインダクタとの間に介設してスイッチング素子のオフで前記閉回路が形成されるようにするが、本発明では、一次側スイッチング素子は一次側回路を開閉するだけでよいから挿入位置の自由度が広く、本実施形態のごとくスイッチング素子がローサイドスイッチとなる回路構成とすることができる。これにより、スイッチング素子の駆動回路の構成が簡易にできる。すなわち、従来装置では両スイッチング素子９０４，９０５の接続中点の電位が変動するのに対して本実施形態ではスイッチング素子のソース電位は常に接地電位であり安定しているからである。
【００５９】
（第２実施形態）
図７に本発明の第２の実施形態を示す。単一のピエゾアクチュエータを駆動する構成のもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分は第１実施形態と同じ作動をするので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６０】
本実施形態ではＥＣＵ３Ａは一次側スイッチング素子１４および二次側スイッチング素子１５を第１実施形態と同様にオンオフ駆動することで、単一のピエゾスタック２の充電と放電を切り替える。
【００６１】
（第３実施形態）
図８に本発明の第３の実施形態を示す。一次側スイッチング素子のオンオフ駆動を別の構成にて行うようにしたもので、基本的な構成は第２実施形態のものである。図中、第１，第２実施形態と同じ番号を付した部分は第１，第２実施形態と同じ作動をするので、第１，第２実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６２】
一次側回路１２１Ａ、二次側回路１２２Ａは基本的な構成が第１、第２実施形態と同じで、一次側回路１２１Ａおよび二次側回路１２２Ａの、一次側スイッチング素子１４および二次側スイッチング素子１５のソース側の共通の線路に、電流検出用として低抵抗の抵抗器１７が設けてあり、ＥＣＵ３Ｂは抵抗器１７により検出される電流に基づいて一次側スイッチング素子１４のオフタイミングを決定する。
【００６３】
ＥＣＵ３Ｂは一次側スイッチング素子１４がオン状態での電流Ｉ1 が予め設定した電流Ｉに達すると一次側スイッチング素子１４をオフせしめるように構成される。かかる構成でも、前記式（１）から明らかなように、ピエゾスタック２に高精度でエネルギー供給を行い得る。
【００６４】
なお、前記各実施形態において、充電時には二次側寄生ダイオードにより二次側回路をピエゾスタックの充電方向の電流のみを許容する構成となっているが、スイッチング素子とは別体のダイオードを設けてもよい。一次側寄生ダイオードについても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を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】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用のインジェクタの断面図である。
【図３】前記インジェクタを有する内燃機関の燃料噴射システムの構成図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のタイミングチャートである。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明するグラフである。
【図６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路と比較する従来のピエゾアクチュエータ駆動回路のグラフである。
【図７】本発明を適用した別のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図８】本発明を適用したさらに別のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図９】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
１  ピエゾアクチュエータ駆動回路
１１  直流電源
１１１  バッテリ
１１２  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３  コンデンサ
１２  通電経路
１２１  一次側回路
１２２  二次側回路
１３  トランス
１３１  一次側巻線
１３２  二次側巻線
１４  一次側スイッチング素子（エネルギー供給用のスイッチング素子）
１４１  一次側寄生ダイオード（エネルギー回収用のスイッチング素子）
１５  二次側スイッチング素子（エネルギー回収用のスイッチング素子）
１５１  二次側寄生ダイオード（エネルギー供給用のスイッチング素子）
１６  選択スイッチング素子（ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子）
１６１  選択寄生ダイオード
１７  抵抗器
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ  ピエゾスタック
３，３Ａ，３Ｂ  ＥＣＵ
４  インジェクタ
４ａ  ノズル部
４ｂ  背圧制御部
４ｃ  ピエゾアクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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