(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に直流電源からインダクタを介して通電する第１の通電経路を有し、該通電経路には、その途中に設けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増する第１の充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間にフライホイール作用で漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子をオンオフ制御してオンオフ回数に応じて前記ピエゾスタックの充電量を増加させる制御手段を有する複数スイッチング方式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、充電時における前記スイッチング素子のオン期間の長さを、所定のオン期間長さに設定するとともに、オフ期間は充電電流がゼロになったら終了として次のオン期間に入る設定とし、オンオフ１周期における充電電流のピーク値が時間経過に伴い漸次減少するように制御する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のオン期間からオフ期間に切り換わる時の充電電流を検出する電流検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、予め設定した所定の時期に行う前記ピエゾスタックの充電制御において、少なくとも１回目のオン期間は、検出された充電電流が予め設定した電流値になるまでとし、その時の前記スイッチング素子のオン期間の長さにより前記オン期間長さが再設定され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】
コモンレールから供給される高圧の燃料の噴射用のノズル部と、
燃料の噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開閉作動用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、
前記高圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧力を出力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する請求項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とを具備することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項３記載の燃料噴射装置において、前記コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段を具備せしめ、
かつ、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路を、前記ピエゾスタックの充電量を可変に構成し、
前記制御手段は、検出された前記コモンレール内の燃料圧力が高いほど前記ピエゾスタックの充電量が多くなるように設定した燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項４記載の燃料噴射装置において、前記直流電源を、出力電圧を可変に構成し、
前記制御手段は、前記直流電源を制御するとともに、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記直流電源の出力電圧が高くなるように設定した燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項４記載の燃料噴射装置において、前記制御手段は、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記スイッチング素子のオフ期間が短くなるように設定した燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項４記載の燃料噴射装置において、前記スイッチング素子のオン期間からオフ期間に切り換わる時の充電電流を検出する電流検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電制御において、１回目のオン期間は、検出された充電電流が指令電流値になるまでとし、その時の前記スイッチング素子のオン期間の長さにより前記オン期間長さが再設定されるように、
かつ、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記指令電流値が大きくなるように設定した燃料噴射装置。
【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、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装置において、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】
ピエゾアクチュエータの駆動用の、ピエゾアクチュエータ駆動回路は、例えば、ピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電するピエゾスタックへの第１の通電経路と、前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路とを有しており、第１の通電経路には、その途中に設けられたオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増する第１の充電電流が流れ、第２の通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間にフライホイール電流としての漸減する第２の充電電流が流れる。そしてオンオフ回数に応じてピエゾスタックの充電量が増加していき、ピエゾスタックの両端間電圧が上昇していく。これは複数スイッチング方式として知られている。
【０００４】
図１５は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の充電制御の代表例を示すもので、スイッチング素子の制御回路はピエゾスタック電流が予め設定した電流値ＩpPEAK に達するとスイッチング素子をオフし、ピエゾスタック電流が０になるとスイッチング素子をオンする。しかして、充電期間の平均電流をＩ、充電期間の長さをｔとして、充電電荷量Ｑ＝Ｉ×ｔとなる。ここで、平均電流Ｉは、充電電流の波形が略三角波となるので、前記電流値（以下、ピーク電流値という）ＩpPEAK を用いてＩpPEAK ／２と表せ、全体的に定電流で充電がなされる。また、ピエゾスタックの静電容量をＣとして、ピエゾスタック両端間電圧Ｖ＝Ｑ／Ｃ、ピエゾスタックに供給されるエネルギーＥ＝（１／２）ＣＶ2 （＝（１／２）Ｑ2 ／Ｃ）であるから、ピエゾスタック両端間電圧Ｖは充電期間の長さｔに比例して上昇し、ピエゾスタックに供給されるエネルギーＥは二次曲線を描いて上昇する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インジェクタの構成を、ノズル内のニードルにコモンレールから供給された燃料の圧力が閉弁方向に付勢し、ピエゾスタックがニードルを加圧室内の燃料圧を介して間接的に押圧駆動して開弁するようになっている燃料噴射装置においては、コモンレール内の燃料圧力が高いほどこれと対抗するピエゾスタックは大きな押圧力を出力する必要があるが、特公平６−１２１０１号公報には、検出したコモンレール内燃料圧力に応じてピエゾスタックへの供給電荷量を制御し、ニードルへの押圧力の適正化を図ったものが提案されている。かかるコモンレール内燃料圧力を入力とするピエゾスタックへの供給電荷量の制御に用いられるピエゾアクチュエータ駆動回路には、より精密に充電を制御し得るものが必要となる。
【０００６】
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、電荷量Ｑを正確に制御しても、前記のごとく、ピエゾスタックの両端間電圧Ｖや供給エネルギーＥは静電容量Ｃをパラメータとして含むから、前記図１３に示すように、ピエゾスタック両端間電圧Ｖ、供給エネルギーＥが静電容量Ｃに反比例して大きく変化する。
【０００７】
特開平１１−３１７５５号公報には、ピエゾスタックの両端間電圧や充電中のピエゾスタックの伸長量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記載されている。例えば、ピエゾスタック両端間電圧Ｖが所定値Ｖthに達するまでの時間ｔc1，ｔc2は、前記電荷Ｑ、ピエゾスタック両端間電圧Ｖの各式から前記時間ｔc1の場合はＶ＝Ｉ×ｔc1／Ｃ、前記時間ｔc2の場合はＶ＝Ｉ×ｔc2／Ｃとなるから、これより、温度変動等に基因してピエゾスタックの静電容量Ｃが変動してもピーク電流値ＩpPEAK の設定値等にフィードバックして対応することができる。
【０００８】
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。
【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および燃料噴射装置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に直流電源からインダクタを介して通電する第１の通電経路を有し、該通電経路には、その途中に設けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増する第１の充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間にフライホイール作用で漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子をオンオフ制御してオンオフ回数に応じて前記ピエゾスタックの充電量を増加させる制御手段を有する複数スイッチング方式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、充電時における前記スイッチング素子のオン期間の長さを、所定のオン期間長さに設定するとともに、オフ期間は充電電流がゼロになったら終了として次のオン期間に入る設定とし、オンオフ１周期における充電電流のピーク値が時間経過に伴い漸次減少するように制御する。
【００１１】
ピエゾスタックの充電が進むにつれてピエゾスタックの両端間電圧が上昇するので、スイッチング素子のオン期間にインダクタに印加される電圧は漸次低くなる。これにより、誘導起電力も漸次小さくなるから、オン期間におけるインダクタに流れる電流の勾配すなわちピエゾスタックへの充電電流の勾配もピエゾスタックの充電が進むにつれて小さくなる。本発明ではオン期間を一定とすることで、オンオフ１周期における充電電流のピーク値が充電が進むにつれて低下する。すなわち、ピエゾスタックの充電が進むにつれて、前記ピエゾスタック両端間電圧とは逆に充電電流が三角波形をとりながら全体的にみて減少する。
【００１２】
ここで、ピエゾスタックの静電容量が増大したとすると、これはピエゾスタック両端間電圧の上昇速度を抑制する方向に作用する。このピエゾスタック両端間電圧の上昇速度に対する抑制方向の作用は、インダクタへの印加電圧の低下速度を抑制する方向に作用し、したがって、全体的にみた充電電流の減少速度を抑制する方向に作用する。これはピエゾスタックへの充電速度を増大する方向に作用するから、ピエゾスタックの静電容量が増大しても、ピエゾスタック両端間電圧の上昇速度はあまり抑制されない。
【００１３】
これにより、全体的にみた充電電流についても、ピエゾスタックの静電容量が増大しても、減少速度はあまり抑制されない。
【００１４】
しかも、ピエゾスタック両端間電圧の上昇速度の抑制作用は、ピエゾスタックへのエネルギー供給速度を減少する方向に作用し、充電電流の減少抑制作用は、ピエゾスタックへのエネルギー供給速度を増大する方向に作用するから、これらが相殺して、供給エネルギーの経時プロファイルはピエゾスタックの静電容量の変動によらず略一定となる。
【００１５】
したがって、ピエゾスタックの静電容量の変化を検出して充電制御にフィードバックすることなく、ピエゾスタックへの供給エネルギーをオープンループにて好適に制御することができる。
【００１６】
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のオン期間からオフ期間に切り換わる時の充電電流を検出する電流検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、予め設定した所定の時期に行う前記ピエゾスタックの充電制御において、少なくとも１回目のオン期間は、検出された充電電流が予め設定した電流値になるまでとし、その時の前記スイッチング素子のオン期間の長さにより前記オン期間長さが再設定されるように設定する。
【００１７】
インダクタのインダクタンスの大きさによってオン期間における充電電流の勾配が異なるが、１回目のオン期間の終期における充電電流すなわち前記充電電流のピーク値が前記予め設定した電流値となるようにオン期間の長さが設定されるので、全体的にみた充電電流の経時プロファイルがインダクタのインダクタンスによらず略一定となる。したがって、ピエゾスタックの両端間電圧やピエゾスタックへの供給エネルギーの経時プロファイルも略一定となる。これにより、インダクタの個体差に基因する充電特性を軽減することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明では、コモンレールから供給される高圧の燃料の噴射用のノズル部と、
燃料の噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開閉作動用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、
前記高圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧力を出力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する請求項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とを具備する構成とする。
【００１９】
コモンレール式の燃料噴射装置を、ピエゾスタックに、燃料噴射／停止切り替え制御用のエネルギーを環境温度等の変化によらず高精度でかつ簡単なオープンループ制御で供給するように構築することができる。
【００２０】
請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段を具備せしめ、
かつ、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路を、前記ピエゾスタックの充電量を可変に構成し、
前記制御手段は、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記ピエゾスタックの充電量が多くなるように設定する。
【００２１】
コモンレール内燃料圧力に抗して弁体を作動し得る押圧力を過不足のない適正な大きさに制御することができる。
【００２２】
請求項５記載の発明では、請求項４の発明の構成において、前記直流電源を、出力電圧を可変に構成し、
前記制御手段は、前記直流電源を制御するとともに、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記直流電源の出力電圧が高くなるように設定する。
【００２３】
直流電源の出力電圧が高いほど充電電流が大きく、ピエゾスタックの充電量が増大する。
【００２４】
請求項６記載の発明では、請求項４の発明の構成において、前記制御手段は、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記スイッチング素子のオフ期間が短くなるように設定する。
【００２５】
オフ期間において、その長さに応じて、充電電流が０まで減少した後に充電休止期間が設けられるので、オフ期間を短くしたときには平均の充電電流が多くなり、ピエゾスタックの充電量が増大する。
【００２６】
請求項７記載の発明では、請求項４の発明の構成において、前記スイッチング素子のオン期間からオフ期間に切り換わる時の充電電流を検出する電流検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電制御において、１回目のオン期間は、検出された充電電流が指令電流値になるまでとし、その時の前記スイッチング素子のオン期間の長さにより前記オン期間長さが再設定されるように、
かつ、検出された前記コモンレール内燃料圧力が高いほど前記指令電流値が大きくなるように設定する。
【００２７】
平均の充電電流はオン期間長さが長いほど増大するから、ピエゾスタックの充電量が増大する。
【００２８】
【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装置に適用されたもので、燃料噴射装置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。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２はバッテリ１１１と直列にインダクタ１１２１とスイッチング素子１１２２が接続され、スイッチング素子１１２２のオン時にインダクタ１１２１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子１１２２のオフ時に、前記エネルギーにより逆起電力を発生するインダクタ１１２１からダイオード１１２３を介してコンデンサ１１３に充電される。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。
【００２９】
直流電源１１のバッファコンデンサからピエゾスタック２Ａ〜２Ｄにインダクタ１３を介して通電する第１の通電経路１２ａが設けてあり、通電経路１２ａには、バッファコンデンサ１１３とインダクタ１３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子１４が介設されている。第１のスイッチング素子１４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）１４１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。また、インダクタ１３とピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは第２の通電経路１２ｂを形成しており、この通電経路１２ｂは、インダクタ１３と第１のスイッチング素子１４の接続中点に接続される第２のスイッチング素子１５を有し、インダクタ１３、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ、第２のスイッチング素子１５により閉回路を形成している。第２のスイッチング素子１５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）１５１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００３０】
通電経路１２ａ，１２ｂ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に対応する選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄ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）１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、バッファコンデンサ１１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００３１】
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４（図２、図３）の燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタ４のそれぞれに搭載される。
【００３２】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートには制御回路１８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、スイッチング素子１４，１５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、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。
【００３３】
また、制御回路１８には、後述する燃料噴射制御全体を司る後述するＥＣＵからの噴射信号が入力している。噴射信号は噴射期間に対応する「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号であり、制御回路１８は噴射信号の立ち上がりでピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電を開始し、噴射信号の立ち下がりでピエゾスタック２Ａ〜２Ｄを放電する。
【００３４】
また、制御回路１８にはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに共通にこれらのそれぞれと直列に接された抵抗器１７の両端間電圧が入力しており、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流、放電電流を検出するようになっている。
【００３５】
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４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装置の構成を示し、図３にインジェクタ４の構造を示す。図例はピエゾスタック２Ａが搭載されたものであるが、どのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが搭載されるものも同じ構造である。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
図３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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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の背圧が上昇してニードル４２１が着座する。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
制御回路１８の充電制御について説明する。制御回路１８は第１のスイッチング素子１４のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第１のスイッチング素子１４の制御信号を出力する。すなわち、オン期間は一定とするとともに、オフ期間は充電電流が０になると第１のスイッチング素子１４をオンして終了し次のオン期間に入るように設定してある。前記制御信号はタイマ制御にて予め設定された時間の間、出力され、該時間に応じた回数で第１のスイッチング素子１４のオンオフが繰り返される。
【００５２】
図４は、充電電流Ｉp の経時変化を示すもので、スイッチング素子１４のオン期間には、第１の通電経路１２ａに、バッファコンデンサ１１３からインダクタ１３を介してピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに漸増する充電電流が流れ、スイッチング素子１４のオフ期間には、インダクタ１３に発生する誘導起電力が第２の寄生ダイオード１５１に対し順バイアスとなり、第２の通電経路１２ｂに、フライホイール作用により漸減する充電電流が流れる。ここで、第１のスイッチング素子１４のオンオフ周波数に比してインダクタ１３およびピエゾスタック２Ａ〜２Ｄを含む回路の共振周波数は十分に高く、波形は三角形とみなせる。
【００５３】
ここで、オンオフ１周期における充電電流のピーク値（ピーク電流）ＩpPEAK は、オン期間の終期における電流であり、直流電源１１の出力電圧（以下、直流電源出力電圧という）すなわちバッファコンデンサ１１３の両端間電圧をＶDC-DC 、ピエゾスタック電圧をＶp 、オン期間の長さをＴON、インダクタ１３のインダクタンスをＬとして、ＩpPEAK ＝（ＶDC-DC −Ｖp ）×ＴON／Ｌとなる。式中、直流電源出力電圧ＶDC-DC は前記のごとく一定とみなせる。
【００５４】
図５に示すように、ピエゾスタック電圧Ｖp は、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電を開始する時の初期値が０で、時間をおって漸増する経時プロファイルを示すから、スイッチング素子１４のオン期間にインダクタ１３に印加される電圧（ＶDC-DC −Ｖp ）は、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進むにつれて漸次低くなる。これにより、インダクタ１３の誘導起電力も漸次小さくなるから、オン期間における充電電流Ｉp の勾配もピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進むにつれて小さくなる。本発明ではオン期間を一定とすることで、充電電流は、三角波形をとりながら全体的にみてピエゾスタック電圧Ｖp とは逆に減少する経時プロファイルを示す。
【００５５】
ここで、ピエゾスタック電圧Ｖp はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃに反比例するから、静電容量Ｃが増大したとすると、これはピエゾスタック電圧Ｖp の上昇速度を抑制する方向に作用する。
【００５６】
この、ピエゾスタック電圧Ｖp の上昇速度を抑制する方向の作用は、スイッチング素子１４のオン期間におけるインダクタ１３への印加電圧の低下が緩和する方向に作用し、全体的にみた充電電流Ｉp の減少速度を抑制する方向に作用する。これはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの電荷供給速度を上昇する方向、したがってピエゾスタック電圧Ｖp の上昇速度を増加する方向に作用するから、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大によってはピエゾスタック電圧Ｖp の経時プロファイルはあまり変化しない。
【００５７】
一方、ピエゾスタック電圧Ｖp がピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大によって大きく変化しないことから、充電電流Ｉp の経時プロファイルも余り変化しないことになる。
【００５８】
しかも、この、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量の増大によるピエゾスタック電圧Ｖp 、充電電流Ｉp への小さな影響は次の性質を有している。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの、充電による単位時間当たりのエネルギー供給量はピエゾスタック電圧Ｖp と充電電流Ｉp の積で表されるところ、ピエゾスタック電圧Ｖp の上昇速度を抑制する方向は、単位時間当たりのエネルギー供給量を減少する方向であり、充電電流Ｉp の減少を緩和する方向は、単位時間当たりのエネルギー供給量を増加する方向であるから、両者は互いに相殺する方向に作用している。したがって、単位時間当たりのエネルギー供給量が、環境温度の変動等に基因したピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量の変動に依存するのをさらに抑制することができる。
【００５９】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）はそれぞれ、本燃料噴射装置において、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃを変えて、ピエゾスタック電流Ｉp 、ピエゾスタック電圧Ｖp 、蓄積エネルギーＥの経時変化をみたものであり、前記のごとく、ピエゾスタック電圧Ｖp は漸増する経時プロファイルとなり、ピエゾスタック電流Ｉp は漸減する経時プロファイルとなる。そして、供給エネルギーＥは略直線的に増大する経時プロファイルとなる。
【００６０】
そして、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）を比較して知られるように、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃが増大してもピエゾスタック電圧Ｖp は僅かに上昇速度が減じられ、充電電流Ｉp は僅かに減少速度が減じられ、そして、供給エネルギーＥは殆ど変化がない。
【００６１】
したがって、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電時間を一定に制御するだけで、フォードバック制御を伴わずにピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃが変化してもピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギーを一定値にすることができる。
【００６２】
また、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの放電は、スイッチング素子１５をオンオフすることで、オン期間にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ〜インダクタ１３〜第２のスイッチング素子１５〜選択寄生ダイオード１６１という経路で放電電流が流れ、オフ期間に、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ〜インダクタ１３〜第１の寄生ダイオード１４１〜バッファコンデンサ１１３という経路で放電電流が流れ、バッファコンデンサ１１３に電荷、したがってピエゾスタック２Ａが保持していたエネルギーが回収される。
【００６３】
（第２実施形態）
インダクタ１３は前記のごとく温度の影響がピエゾスタック２Ａ〜２Ｄよりも相対的に小さいが、個体差によって実際のインダクタンスがばらつくおそれがある。本実施形態はかかる点に鑑み、さらにピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギー制御の高精度化を図ったもので、図７に本発明の第２実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。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。
【００６４】
本実施形態は、ピエゾアクチュエータ駆動回路以外は第１実施形態の構成と同じであり、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
ピエゾアクチエータ駆動回路１Ａの制御回路１８Ａは、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電を開始する最初のオン期間については予め設定された長さで行うのではなく、抵抗器１７により検出された充電電流Ｉp が予め設定された電流値になるとオフ期間に入るように設定されている。そして、スイッチング素子１４をオンしてから前記予め設定された電流値に達するまでの時間を演算し、その時間を以降のオン期間の長さＴONとする。
【００６６】
これにより、インダクタ１３のインダクタンスがばらついても、第１のスイッチング素子１４のオン期間の長さに吸収されて、ピーク電流ＩpPEAK の初期値が前記予め設定された電流値に統一される。これにより、充電特性を実質的に揃えることができる。
【００６７】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）にインダクタ１３のインダクタンスＬを振り、ピエゾスタック電流Ｉp 、ピエゾスタック電圧Ｖp 、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの供給エネルギーＥの挙動を示すもので、インダクタンスＬが大きいと、オン期間が長くなるが、ピエゾスタック電圧Ｖp 、充電電流Ｉp 、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギーＥとも、経時プロファイルは一定している。
【００６８】
しかして、インダクタ１３にインダクタンスＬのばらつきがあっても、これを吸収することができ、高精度なピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電制御を行い得る。
【００６９】
なお、本実施形態ではオン期間の長さＴONをピエゾスタックの伸長時ごとに行うように設定したが、イグニッションスイッチのオン時のみ、バッテリ交換時のみ等、その時期は適宜設定し得る。
【００７０】
（第３実施形態）
図９に本発明の第３実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。第１実施形態の構成において、制御回路を別の構成に代えたものである。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。ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ｂの制御回路１８Ｂの基本的な設定は第１実施形態と同じで、スイッチング素子１４のオン期間の長さを一定にすることで、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量が変化しても供給エネルギーの変動を抑えるようになっている。そして、制御回路１８Ｂは、圧力検出手段である圧力センサ５７（図２）により検出されたコモンレール圧力を入力として直流電源１１の出力電圧を制御するようにしたもので、バッファコンデンサ１１３の充電においてスイッチング素子１１２２のオンオフ周波数に基づいて直流電源１１の出力電圧を設定する。ここで、コモンレール圧力が高いほどスイッチング素子１１２２のオンオフ周波数を増やして直流電源１１の出力電圧が高くなるようにする。
【００７１】
前記のごとくＩpPEAK ＝（ＶDC-DC −Ｖp ）×ＴON／Ｌであるから、直流電源１１の出力電圧ＶDC-DC を上げることで、ピーク電流ＩpPEAK が増大し、図１０に示すように、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのエネルギーの上昇速度を上げることができる。これにより、コモンレール圧力に応じたエネルギーをピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに供給することができる。
【００７２】
前記インジェクタ４において、ボール４２３をリフトする時、高圧制御通路４０８の燃料圧力がボール４２３を上方に押し上げる力に打ち勝つ押圧力が必要となる。したがって、コモンレール圧力が高ければピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは大きな押圧力を発生しなければならず、一方、コモンレール圧力が低ければ充電量によっては押圧力が過剰となる。また、コモンレール圧力によってボール４２３がリフトするのに必要な押圧力が変化するから、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの押圧力が必要な押圧力に達する時間がばらつき、ボール４２３がリフトを開始するタイミングが影響を受けて燃料の噴射時期や噴射量がばらつく原因となる。
【００７３】
本燃料噴射装置によれば、コモンレール圧力が高いほどエネルギーが多く供給されるので、コモンレール圧力が高ければ十分なエネルギー供給によりボール４２３を安定してリフト状態とし得、異常噴射等を回避することができる。一方、コモンレール圧力が低ければそれに見合った適正なエネルギーを供給することができる。また、コモンレール圧力が高くボール４２３をリフトせしめるのに必要なピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの押圧力が大きくなれば供給エネルギーの上昇速度が上がり、コモンレール圧力によらず所定の時期にボール４２３のリフトが開始される。これにより、ボール４２３がリフトを開始するタイミングを揃えることができる。
【００７４】
（第４実施形態）
図１１に本発明の第４実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。第３実施形態の構成において、制御回路を別の構成に代えたものである。図中、第３実施形態と同じ番号を付した部分は第３実施形態と同じ作動をするので第３実施形態との相違点を中心に説明する。前記第３実施形態では、コモンレール圧力に応じた適正エネルギー量制御を直流電源１１の出力電圧を変更することで行うが、本実施形態は適正エネルギー供給制御を別の方法で行う。制御回路１８Ｃの基本的な設定は第１〜第３実施形態と同じで、スイッチング素子１４のオン期間の長さを一定にすることで、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの静電容量Ｃが変化しても供給エネルギーの変動を抑えるようになっている。そして、制御回路１８Ｃは、充電電流が０になった後のスイッチング素子１４のオン作動にタイムディレイを設けて、フライホイール電流による充電終了からスイッチング素子１４のオンまでの期間を、充電電流が流れない充電休止期間としている。ここで、コモンレール圧力が高いほどオフ期間の長さを短くして充電休止期間の長さを短くする。
【００７５】
図１２に示すように、充電休止期間の長さが長いほど全体的にみた充電電流が減じられることになって供給エネルギーの上昇速度が低くなる。これにより、第３実施形態と実質的に同等の効果を得ることができる。
【００７６】
（第５実施形態）
図１３に本発明の第５実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。第３実施形態の構成において、制御回路を別の構成に代えたものである。図中、第３実施形態と同じ番号を付した部分は第３実施形態と同じ作動をするので第３実施形態との相違点を中心に説明する。ピエゾアクチエータ駆動回路１Ｄの制御回路１８Ｄは、第２実施形態の制御回路１８Ａと基本的に同じ構成を有し、スイッチ素子１４の通電電流のピーク電流ＩpPEAK の初期値に達するまでの時間ＴONを以降も繰り返すように設定されており、さらに、ピーク電流ＩpPEAK の初期値が、検出されたコモンレール圧力に応じてセットされる。すなわち、ピーク電流ＩpPEAK の初期値をコモンレール圧力が高ければ大きく、コモンレール圧力が低ければ小さくというように、コモンレール圧力に応じて変化させるように設定され、これによっても、第３、第４実施形態の構成による適正エネルギー供給制御の効果と同じ効果を得ることができる
【００７７】
図１４にピーク電流ＩpPEAK の初期値に対するピエゾアクチュエータ２Ａ〜２Ｄへの投入エネルギーの実験結果を示す。ピーク電流ＩpPEAK を増大させることで１５０μｓ後のピエゾアクチュエータ２Ａ〜２Ｄのエネルギーが略直線的に増大している。これにより、コモンレール圧力に応じてＩpPEAK の初期値をセットすればコモンレール圧力に見合った充電エネルギーを得ることができる。
【００７８】
なお、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの供給エネルギーはコモンレール圧力に対して実質的に連続的に漸増せしめてもよいし、コモンレール圧力と充電時間を複数段階に分けて１対１に対応せしめてもよい。
【００７９】
また、ピエゾスタックへの供給エネルギーをコモンレール圧力に応じて設定するには、ピエゾアクチュエータ駆動回路は、第３、第４実施形態の他、ピエゾスタックへの供給エネルギーを可変に構成されているのであれば用いられ得る。
【００８０】
なお、前記各実施形態は、インジェクタは、背圧室の圧力を増減する背圧制御部を備え、そのボールを変位拡大室の油圧を介して押圧駆動する構成のものを示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、本発明は、前記特公平６−１２１０１号公報記載の、ピエゾスタックが油圧を介してニードルを駆動する構成のもの等にも適用することができる。
【００８１】
また、本発明は、インジェクタの燃料噴射制御用のピエゾアクチュエータだけではなく、他の用途に用いられるピエゾアクチュエータの駆動用にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の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を有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図である。
【図３】前記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充電電流の経時変化を示す図である。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の経時変化を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ前記ピエゾアクチュエータのピエゾスタックの静電容量が異なる前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すグラフである。
【図７】本発明を適用した第２のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ前記ピエゾアクチュエータ駆動回路を構成するインダクタのインダクタンスが異なる前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すグラフである。
【図９】本発明を適用した第３のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１０】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の経時変化を示す図である。
【図１１】本発明を適用した第４のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の経時変化を示す図である。
【図１３】本発明を適用した第５のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１４】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１５】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  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
１２ａ，１２ｂ  通電経路
１３  インダクタ
１４  第１のスイッチング素子
１４１  寄生ダイオード
１５  第２のスイッチング素子
１５１  寄生ダイオード
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ  選択スイッチング素子
１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄ  寄生ダイオード
１７  抵抗器
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ  ピエゾスタック
３  ＥＣＵ
１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ  制御回路（制御手段）
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
４２３  ボール（弁体）
５４  コモンレール
５７  圧力センサ（圧力検出手段）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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