(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）直流電源の電流をフライバックトランスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備し、
温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体に電気エネルギーを蓄えるための充電開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけオンさせ、
前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトランスの２次コイルから前記容量負荷変動体に与えられて、この容量負荷変動体の充電が１回の１次コイル通電作動で完了する充電動作を行うとともに、
（ｂ）前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放電スイッチを具備し、
前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを放電させるための放電開始信号が与えられてから前記放電スイッチを所定の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて前記容量負荷変動体の放電を１回の２次コイル通電作動で完了し、
前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの１次コイルから前記直流電源に回生する容量負荷変動体の充放電装置であって、
（ｃ）前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチがオンしてから、前記容量負荷変動体の負荷電圧が、所定の放電停止電圧に低下するまでの時間であり、
前記容量負荷変動体の充放電装置は、前記放電スイッチのオン後において前記容量負荷変動体の負荷電圧が前記放電停止電圧に低下したことを検出するための検出手段を備えることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項２】
（ｄ）直流電源の電流をフライバックトランスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備し、
温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体に電気エネルギーを蓄えるための充電開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけオンさせ、
前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトランスの２次コイルから前記容量負荷変動体に与えられて、この容量負荷変動体の充電が１回の１次コイル通電作動で完了する充電動作を行うとともに、
（ｅ）前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放電スイッチを具備し、
前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを放電させるための放電開始信号が与えられてから前記放電スイッチを所定の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて前記容量負荷変動体の放電を１回の２次コイル通電作動で完了し、
前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの１次コイルから前記直流電源に回生する容量負荷変動体の充放電装置であって、
（ｆ）前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチがオンしてから、前記２次コイルを流れる放電電流が、所定の放電停止電流に達するまでの時間であり、
前記容量負荷変動体は、前記放電スイッチのオン後において前記２次コイルを流れる放電電流が前記放電停止電流に達したことを検出するための検出手段を備えることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の容量負荷変動体の充放電装置において、
前記所定の１次コイル通電時間は、前記充電スイッチをオンしてから、前記１次コイルの通電電流が所定の充電開始電流に達するまでの時間であり、
前記充電スイッチのオン後において前記１次コイルの通電電流が前記充電開始電流に達したことを検出するための検出手段を備えることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかの容量負荷変動体の充放電装置において、
前記フライバックトランスは、珪素鋼板を多数積層したコアを用いたことを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項５】
請求項４の容量負荷変動体の充放電装置において、
前記珪素鋼板の板厚は、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項６】
請求項１の容量負荷変動体の充放電装置において、
前記所定の放電停止電圧とは、前記容量負荷変動体の満充電時の電圧の５％以下であることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項７】
請求項２の容量負荷変動体の充放電装置において、
前記所定の放電停止電流とは、前記２次コイルを流れる最大電流値の９５％以上であることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかの容量負荷変動体の充放電装置において、
前記直流電源は、主電源と、
この主電源から与えられる電圧を昇圧する昇圧回路と、
この昇圧回路で昇圧された直流電圧を蓄えるとともに、前記放電スイッチのオフ後に前記フライバックトランスの１次コイルから回生される電気エネルギーを蓄えるバッファコンデンサと、
を備えることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかの容量負荷変動体の充放電装置において、
前記容量負荷変動体は、エンジン燃料噴射システムのインジェクタにおいて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして用いられることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量負荷変動体の充放電装置に関するものであり、例えば、アクチュエータとして用いられるピエゾ素子（容量負荷変動体の一例）の充放電装置に用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ素子は、温度等によって容量負荷が変動する。このため、ピエゾ素子を一定電流で一定時間充電しても、ピエゾ素子に蓄えられる電気エネルギーが温度によって変動してしまい、ピエゾ素子の出力（伸び等）が一定にならない。
そこで、ピエゾ素子に一定の電気エネルギーを充電させるには、温度補償を行う必要がある。
【０００３】
温度特性を補償するピエゾ素子の充電方法としてマルチスイッチング方式が知られている。この充電方法は、図１０に示すように、ピエゾ素子を充電する指示が与えられると（充電開始信号に相当するものであり、例えば噴射信号ＩＪＴのON）、先ず、充電スイッチをONしてピエゾ素子を通電する。ピエゾ素子の通電電流Ipztが所定電流（例えば２５Ａ）に達したら、充電スイッチをOFF する。この１回目の充電スイッチのON時間を記憶しておく。充電スイッチのOFF 後、エネルギー蓄積コイル（あるいは、フライバックトランス）に蓄えられた電気エネルギーがダイオードを介してピエゾ素子に与えられ、ピエゾ素子の充電が継続する。
１回目の充電スイッチのOFF 後に電流Ipztが０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONし、その後に電流Ipztが０Ａに低下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONすることを複数回繰り返す。
このように、１回目で記憶したON時間で充電スイッチを繰り返してONすることにより、時間当たりの電気エネルギーが一定となり、ピエゾ素子の温度補償充電が可能となる。
【０００４】
一方、放電も従来では図１０に示すようにマルチスイッチング方式によって実行されている。この放電方法は、ピエゾ素子を放電する指示が与えられると（放電開始信号に相当するものであり、例えば噴射信号ＩＪＴのOFF ）、先ず、放電スイッチをONしてピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーをエネルギー蓄積コイル（あるいは、フライバックトランス）を介して放電させる。放電電流Ipztが所定の遮断電流（例えば２０Ａ）に達したら、放電スイッチをOFF する。すると、エネルギー蓄積コイルに蓄えられた電気エネルギーがダイオードを介して電源に回収される。
１回目の放電スイッチのOFF 後に放電電流Ipztが０Ａまで低下すると、放電スイッチをONし、上記の作動を複数回繰り返す（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３０８５４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した充電方法は、充電スイッチの多数のON-OFFによって充電を行うため、１回のON-OFFに要する時間のズレがマルチスイッチングによって大きくなり、ピエゾ素子のエネルギー充電の精度が悪くなってしまう。
同様に、従来の放電方法も、放電スイッチの多数のON-OFFによって放電を行うため、１回のON-OFFに要する時間のズレがマルチスイッチングによって大きくなり、ピエゾ素子からエネルギーを放出させる精度が悪くなってしまう。
また、マルチスイッチング方式では、高電流をON-OFFする多数のスイッチングによってノイズの発生量も多くなってしまう。
【０００７】
一方、従来の放電方法では、放電の最後は、負荷電圧が下がり、放電電流Ipztが遮断電流まで達しなくなる。このため、時間ガードを設けて放電スイッチをOFF させていた。このため、ピエゾ素子に残る電圧が変動してしまう不具合がある。
このように、ピエゾ素子に残る電圧が変動すると、次回の充電時間に影響がでてしまう。具体的に例えば、ピエゾ素子を用いたインジェクタでは、次回の充電開始から充電完了時の時間が変動することになり、インジェクタの噴射時間が変化し、噴射量が変化する不具合が発生してしまう。
【０００８】
また、従来の放電方法では、ピエゾ素子に電圧が残ることにより、ピエゾ素子に蓄えられていた電気エネルギーの電源への回収効率が劣化してしまう。
さらに、従来の放電方法では、マルチスイッチング方式によって短時間で放電スイッチのON-OFFが繰り返されるため、ピエゾ素子のキャパシタＣとエネルギー蓄積コイルのインダクタンスＬで発振が発生し、その発振によってピエゾ素子が破損する可能性がある。
【０００９】
【発明の目的】
本発明の容量負荷変動体の充放電装置は、上記に示したマルチスイッチング方式の充電方法や放電方法によって生じる不具合を解決することを目的とする。
具体的には、容量負荷変動体（例えば、ピエゾ素子）のエネルギーの充電精度およびエネルギーの放出精度を高めるとともに、充放電時のノイズを減らし、放電時における電源への電気エネルギーの回収効率を高め、さらには発振を防止して容量負荷変動体が破損する不具合を無くすことを本発明の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
容量負荷変動体を充電する際は、充電開始信号が与えられると充電スイッチが所定の１次コイル通電時間に亘ってONし、直流電源からフライバックトランスに電気エネルギーが与えられ、フライバックトランスが電気エネルギーを蓄える。充電スイッチがOFF すると、フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが２次コイルに与えられ、２次コイルに接続された容量負荷変動体が充電される。
【００１１】
容量負荷変動体を放電する際は、放電開始信号が与えられると放電スイッチが所定の２次コイル通電時間に亘ってONし、容量負荷変動体に蓄えられていた電気エネルギーがフライバックトランスに蓄積する。放電スイッチがOFF すると、フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが１次コイルに与えられ、１次コイルに接続された直流電源に電気エネルギーが回生される。
【００１２】
上記に示したように、充電時は１回の充電スイッチのON-OFFによって充電が行われるとともに、放電時も１回の放電スイッチのON-OFFによって放電が行われる。このため、マルチスイッチングによる時間のズレを無くすことができ、容量負荷変動体の充電精度、充電効率、放電精度および放電効率を高めることが可能になる。
具体的には、充放電時間Ｔは、次の数式（数１）で表され、
【数１】
0004186573.tif 000002
充電エネルギーＥは、次の数式（数２）で表される。
【数２】
0004186573.tif 000003
なお、上記の式中におけるＬ1 は１次コイルのインダクタンス、Ｌ2 は２次コイルのインダクタンス、Ｉ1 は１次コイルの電流値、Ｃpzt は容量負荷変動体の容量を示す。
上記の式で表されるように充放電時間Ｔは、容量負荷変動体の容量Ｃpzt の変動により変化するが、回路要因のばらつきが少なく、時間モニター等により安定した制御が可能となる。また、充電エネルギーＥも変動要因が１次コイルのインダクタンスＬ1 のみであり、高精度となる。
【００１３】
一方、従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが多数回ON-OFFして数多くのノイズが発生するのに対し、請求項１を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが１回づつしかON-OFFしない。
このため、請求項１を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、ノイズの発生回数を従来に比較して大幅に減らすことができる。
【００１４】
そして、請求項１を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、放電スイッチをOFF するタイミングは、容量負荷変動体の負荷電圧が所定の放電停止電圧に低下したタイミングであるため、容量負荷変動体の放電精度を高めることができる。この結果、次回の充電時間が変動する不具合が発生しない。
つまり、容量負荷変動体の放電終了時の電圧を高い精度で一定にすることができるため、次の容量負荷変動体の充電開始電圧も一定にできる。これにより、容量負荷変動体に充電される充電エネルギーが一定となり、容量負荷変動体の伸縮変化を一定にすることが可能になる。
具体的な例では、ピエゾインジェクタのピエゾ素子の充放電装置に適用した場合、常に高い精度で安定してピエゾ素子を放電できるため、次回の充電電圧が変動する不具合がなく、インジェクタの噴射量が変化する不具合を抑えることができる。
【００１５】
また、放電時は、一度の放電スイッチのON-OFFで容量負荷変動体を放電できるとともに、容量負荷変動体の電圧が所定の放電停止電圧に低下した時に放電スイッチをOFF するため、容量負荷変動体を高い精度で且つ高効率で放電できる。このため、容量負荷変動体の電気エネルギーを高効率で直流電源に回収することができる。
【００１６】
さらに、従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが多数回ON-OFFして、容量負荷変動体のキャパシタＣとコイルのインダクタンスＬで発振する可能性があった。これに対し、請求項１を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが１回づつしかON-OFFしない。
このため、請求項１を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、容量負荷変動体のキャパシタＣとフライバックトランスの２次コイルのインダクタンスＬで発振する可能性を無くすことができ、発振の発生によって容量負荷変動体が破損する不具合がない。
【００１７】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段を採用する容量負荷変動体の充放電装置は、放電スイッチをOFF するタイミングを、２次コイルを流れる放電電流が、所定の放電停止電流（例えば、容量負荷変動体の放電がほぼ終了する電流値）に達したタイミングにしたものであり、上記請求項１の手段と同様な作用効果を得ることができる。
【００１８】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用する容量負荷変動体の充放電装置は、所定の１次コイル通電時間を、充電スイッチをONしてから１次コイルを流れる電流が充電開始電流（容量負荷変動体の充電に適した電流値）に達するまでの時間とするものである。
つまり、充電スイッチをOFF するタイミングは、安定した所定のタイミングであるため、容量負荷変動体を常に安定した高い精度で充電できる。この結果、容量負荷変動体の放電精度とともに、容量負荷変動体の充電精度を高めることができる。
具体的な例では、ピエゾインジェクタのピエゾ素子の充放電装置に適用した場合、常に高い精度で安定してピエゾ素子を充電できるため、充電電圧が変動する不具合がなく、インジェクタの噴射量が変化する不具合がない。
【００１９】
〔請求項４の手段〕
従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが多数回ON-OFFするものであった。このため、フライバックトランスには高磁束密度で且つ高い周波数特性が要求され、アモルファス等の高価なコアが必要になり、フライバックトランスのコストが高くなってしまう。
これに対し、請求項４を採用する容量負荷変動体の充放電装置では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが１回づつしかON-OFFしないため、フライバックトランスには、マルチスイッチング方式のような高磁束密度で且つ高い周波数特性は要求されない。
そこで、請求項４の手段を採用し、珪素鋼板を多数積層したコアを用いたトランスをフライバックトランスとして用いてコストを抑えても良い。
【００２０】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用し、珪素鋼板の板厚を０．１ｍｍ以下に設けて渦流によって生じる鉄損を抑え、珪素鋼板のコアを用いたフライバックトランスの周波数特性を高めても良い。
【００２１】
〔請求項６の手段〕
請求項６の手段を採用し、所定の放電停止電圧を容量負荷変動体の満充電時の電圧の５％以下に設定することにより、容量負荷変動体に充電された殆どの電気エネルギーを放電させることができる。
【００２２】
〔請求項７の手段〕
請求項７の手段を採用し、所定の放電停止電流を２次コイルを流れる最大電流値の９５％以上に設定することにより、容量負荷変動体に充電された殆どの電気エネルギーを放電させることができる。
【００２３】
〔請求項８の手段〕
請求項８の手段を採用する容量負荷変動体の直流電源は、主電源と、この主電源から与えられる電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路で昇圧された直流電圧を蓄えるとともに、放電スイッチのオフ後にフライバックトランスの１次コイルから回生される電気エネルギーを蓄えるバッファコンデンサとを備えるものである。
容量負荷変動体に充電した電気エネルギーを効率良くバッファコンデンサに回生できるため、昇圧回路がバッファコンデンサに補充する電気エネルギーを少なくすることができ、昇圧回路の負担を減らすことができる。この結果、昇圧回路を小型化することが可能になる。
【００２４】
また、容量負荷変動体の充電精度が高まるため、昇圧回路の昇圧無駄が抑えられ、この結果からも昇圧回路を小型化できる。あるいは、昇圧回路による昇圧無駄が抑えられるため、１次コイルの通電電圧を高めて１次コイル通電時間を短縮することが可能になる。
さらに、容量負荷変動体の放電精度および放電効率が高まるため、バッファコンデンサの蓄える電気エネルギーの変動が抑えられ、バッファコンデンサを小型化することができる。
【００２５】
〔請求項９の手段〕
請求項９の手段を採用し、容量負荷変動体を、エンジン燃料噴射システムのインジェクタにおいて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして用いても良い。
容量負荷変動体の放電精度および放電効率が高まり、容量負荷変動体の伸縮変化を一定にできるため、インジェクタの噴射開始と噴射停止の精度を高めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例と変形例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１〜図７を参照して第１実施例（ピエゾインジェクタに搭載されたピエゾ素子の充放電装置）を説明する。なお、下記実施例では、容量負荷変動体の一例としてピエゾ素子１を用いる例を示す。また、下記実施例では、ピエゾ素子１をエンジン燃料噴射システムにおけるピエゾインジェクタ２のアクチュエータとして用いる場合を例に示す。
【００２７】
ピエゾ素子１は、図６、図７に示すように、各気筒に取り付けられるピエゾインジェクタ２に取り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮するものである。
【００２８】
ピエゾ素子１が搭載されるピエゾインジェクタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射システムに適用される。
この燃料噴射システムの一例を図６を参照して説明する。
ピエゾインジェクタ２は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられている（図６ではピエゾインジェクタ２を１つのみ図示）。各ピエゾインジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回路３は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニットの略）４から与えられる噴射信号ＩＪＴによってピエゾ素子１の充放電を行うように設けられている。
【００２９】
つまり、ＥＣＵ４から与えられる噴射開始信号（充電開始信号に相当するものであり、噴射信号ＩＪＴのON）によって充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を充電すると、ピエゾ素子１が伸長してピエゾインジェクタ２が開いてコモンレール５に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃焼室内に噴射する。噴射後、ＥＣＵ４から与えられる噴射停止信号（放電開始信号に相当するものであり、噴射信号ＩＪＴのOFF ）によって充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を放電すると、ピエゾ素子１が収縮してピエゾインジェクタ２が閉じて燃料噴射が停止する。
【００３０】
コモンレール５には、燃料タンク６の燃料が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモンレール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモンレール５からピエゾインジェクタ２に供給される燃料は、燃焼室への噴射の他に、ピエゾインジェクタ２の制御油圧としても用いられるものであり、ピエゾインジェクタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６に還流するようになっている。
コモンレール５には、燃料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられている。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っている。
【００３１】
ピエゾインジェクタ２の構造を図７を参照して説明する。
ピエゾインジェクタ２は、棒状体を呈するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、先端部が燃焼室内に突出するものである。ピエゾインジェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。
【００３２】
ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるものであり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座または離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９には、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）にリフトするように作用している。
【００３３】
大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給されており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作用している。
背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ駆動部１３によって駆動される。
【００３４】
背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。
この弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成されており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつながっている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上述したドレーンライン８に通じている。
【００３５】
また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通路２０から分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。
【００３６】
このように、ボール弁３０が下降して弁室２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してドレーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が下がり、ニードル１４が離座する。
逆に、ボール弁３０が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられると、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背圧が高まり、ニードル１４が着座する。
【００３７】
ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエゾ素子１が配置されている。
大径ピストン３２は、その下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する。
【００３８】
変位拡大室３１には、燃料が充填されており、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、その加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。
【００３９】
噴射開始時は、先ず、ピエゾ素子１が充電されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これにより、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴射が停止する。
【００４０】
各気筒毎のピエゾ素子１を充電および放電させるための充放電回路３を図５を参照して説明する。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電させるための充電スイッチ４１と、ピエゾ素子１を放電させるための放電スイッチ４２と、充放電されるピエゾ素子１を選択するための選択スイッチ４３と、フライバックトランス４４と、複数のダイオード４５とから構成されている。
【００４１】
直流電源４０は、車載のバッテリ４６（主電源に相当する）から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバータ４７（昇圧回路に相当する）、このＤＣ／ＤＣコンバータ４７に並列接続されたバッファコンデンサ４８を備える。
このバッファコンデンサ４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７で昇圧された直流電圧を蓄えるとともに、放電スイッチ４２のオフ後にフライバックトランス４４の１次コイル４４ａから回生される電気エネルギーを蓄える。そして、このバッファコンデンサ４８は、比較的静電容量が大きく、ピエゾ素子１の充電作動時にも一定の電圧を保つようになっている。
【００４２】
充電スイッチ４１、放電スイッチ４２および選択スイッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであっても良い。
フライバックトランス４４は、１次コイル４４ａおよび２次コイル４４ｂを備えるものであり、１次コイル４４ａは充電スイッチ４１のONによって直流電源４０と電気的に接続され、２次コイル４４ｂは放電スイッチ４２のONによってピエゾ素子１と電気的に接続されるものである。
【００４３】
先ず、ピエゾ素子１の充電について、図１、図２を参照して説明する。
ＥＣＵ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号ＩＪＴがONすると、充放電コントローラ５０は、充電スイッチ４１をONする。すると、図１、図２▲１▼に示すように、１次コイル４４ａに電流が流れる。充放電コントローラ５０は、信号線５１によって１次コイル４４ａの電流▲１▼をモニタしており、１次コイル４４ａの電流▲１▼が所定の充電開始電流Ｉ1 に達したら充電スイッチ４１をOFF する。
【００４４】
充電スイッチ４１がOFF すると、フライバックトランス４４に蓄えられた電気エネルギーによって、図１、図２▲２▼に示すように、２次コイル４４ｂに充電電流が流れる。この充電電流▲２▼がピエゾインジェクタ２のピエゾ素子１に与えられて、ピエゾ素子１の充電が完了する。
このように、１回の１次コイル通電作動（一回の充電スイッチ４１のON-OFF作動）でピエゾ素子１の充電が完了する。
【００４５】
次に、ピエゾ素子１の放電について説明する。
ＥＣＵ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号ＩＪＴがONからOFF へ反転すると、充放電コントローラ５０は、放電スイッチ４２をONする。すると、図１、図２▲３▼に示すように、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エネルギーが２次コイル４４ｂへ流れる。充放電コントローラ５０は、信号線５２によってピエゾ素子１の負荷電圧▲４▼をモニタしており、ピエゾ素子１の負荷電圧▲４▼が所定の放電停止電圧ＶＣ（≒０Ｖ）に低下したら放電スイッチ４２をOFF する。
なお、放電停止電圧ＶＣは、ピエゾ素子１の満充電電圧の５％以下に設定されるものであり、放電停止電圧ＶＣを満充電電圧の５％以下に設定することによって、ピエゾ素子１に充電された殆どの電気エネルギーを放電させることができる。
【００４６】
放電スイッチ４２がOFF すると、フライバックトランス４４に蓄えられた電気エネルギーによって、図１、図２▲５▼に示すように、１次コイル４４ａに放電電流が流れる。この放電電流▲５▼が直流電源４０のバッファコンデンサ４８に回生される。
このように、１回の２次コイル通電作動（一回の放電スイッチ４２のON-OFF作動）でピエゾ素子１の放電が完了する。
【００４７】
次に、充電スイッチ４１をON-OFFさせる充放電コントローラ５０の回路を図３を参照して説明する。
充放電コントローラ５０は、噴射信号ＩＪＴの信号を反転させるノット回路５３と、噴射信号ＩＪＴがLo信号に反転した時にノット回路５３によってセットされてHi信号を発生するフィリップフロップ５４と、噴射信号ＩＪＴのHi信号によって所定の時間に亘ってHi信号を発生する時間リミット５５と、フィリップフロップ５４と時間リミット５５が共にHiの時のみ充電スイッチ４１をONさせるアンド回路５６とを備える。
【００４８】
また、この充放電コントローラ５０は、信号線５１によって検出される１次コイル４４ａの電流値が、基準電圧５７によって設定されている所定の充電開始電流Ｉ1 （開弁しきい値）に達したらHi信号を発生するコンパレータ５８を備えており、このコンパレータ５８の出力によって上記フィリップフロップ５４がリセットされ、充電スイッチ４１をOFF させるように設けられている。
【００４９】
上記回路による充電スイッチ４１のON-OFF作動を、図４上側のタイムチャートを参照して説明する。
この作動はピエゾ素子１の放電開始時から始まる。実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴが時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実線Ｂに示すようにノット回路５３で反転される。このノット回路５３で反転されたHi信号によって実線Ｃに示すようにフィリップフロップ５４がHi信号を出力する。
【００５０】
燃料噴射のために、ＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴが実線Ａに示すように時間ｔ2 においてLoからHiに反転すると、フィリップフロップ５４とともに時間リミット５５もHi信号を出力するため、アンド回路５６が実線Ｄに示すようにHiの信号を出力し、充電スイッチ４１をONさせる。
信号線５１によって検出される１次コイル４４ａの電流値が、実線Ｅに示すように、時間ｔ3 において充電開始電流Ｉ1 に達すると、コンパレータ５８が実線Ｆに示すようにHi信号を出力し、実線Ｃに示すようにフィリップフロップ５４をリセットする。この結果、実線Ｄに示すようにアンド回路５６がLoに反転し、充電スイッチ４１をOFF させる。
【００５１】
次に、放電スイッチ４２をON-OFFさせる充放電コントローラ５０の回路を図３を参照して説明する。
充放電コントローラ５０は、信号線５２によって検出されるピエゾ素子１の負荷電圧が、基準電圧６０によって設定されている所定の放電停止電圧ＶＣより高い場合にHi信号を発生するコンパレータ６１と、このコンパレータ６１と上述したノット回路５３が共にHiの時のみに放電スイッチ４２をONさせるアンド回路６２とを備える。
このように設けられることにより、ＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴがLoに反転し、且つピエゾ素子１の負荷電圧が所定の放電停止電圧ＶＣ（閉弁しきい値）よりも高い場合にのみ、放電スイッチ４２をONする。
【００５２】
上記回路による放電スイッチ４２のON-OFF作動を、図４のタイムチャートを参照して説明する。
実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴが時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実線Ｂに示すようにノット回路５３で反転されてHiの信号を出力する。
この時、ピエゾ素子１は充電された状態にあるため、実線Ｇに示すようにピエゾ素子１の負荷電圧は放電停止電圧ＶＣより高い状態にあり、実線Ｈに示すようにコンパレータ６１がHiの信号を出力する。
このように、ノット回路５３およびコンパレータ６１が共にHiの信号を出力すると、実線Ｉに示すようにアンド回路６２がHiの信号を出力し、放電スイッチ４２をONさせる。
信号線５２によって検出されるピエゾ素子１の負荷電圧が、実線Ｇに示すように時間ｔ4 において放電停止電圧ＶＣ（≒０Ｖ）に低下すると、実線Ｈに示すようにコンパレータ６１がLoに反転する。この結果、実線Ｉに示すようにアンド回路６２がLoに反転し、放電スイッチ４２をOFF させる。
【００５３】
〔実施例の効果〕
上述したように、充電時は１回の充電スイッチ４１のON-OFFによって充電が行われるとともに、放電時も１回の放電スイッチ４２のON-OFFによって放電が行われる。このため、従来のマルチスイッチング方式による時間のズレを無くすことができるとともに、ピエゾ素子１の充電効率、充電精度、放電効率、放電精度を高めることができる。
また、ピエゾ素子１に充電を行う電流値を一定にすることができるとともに、ピエゾ素子１の放電終了時の電圧も一定にすることができる。この結果、ピエゾ素子１に充電される充電エネルギーを一定にすることが可能になり、ピエゾ素子１の伸縮変化を一定にできる。
これによって、ピエゾ素子１を用いたピエゾインジェクタ２の噴射開始時期および噴射停止時期の精度を高めることができ、エンジン内に噴射される燃料噴射量の精度を高めることができる。即ち、ピエゾ素子１を用いた燃料噴射システムの噴射精度を高めることができる。
【００５４】
一方、従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が多数回ON-OFFして数多くのノイズが発生するのに対し、本発明を採用する充放電装置では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が１回づつしかON-OFFしない。
このため、ノイズの発生回数を従来に比較して大幅に減らすことができる。
【００５５】
また、従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２を多数回ON-OFFして、ピエゾ素子１の充電および放電を行うものであったため、多数のスイッチングの際に電気エネルギーの伝送効率の悪い不感帯が多数回発生し、充電時間および放電時間が長くなってしまう。
これに対し、本実施例では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が１回づつしかON-OFFしないため、不感帯域の使用回数が少なく、充電時間および放電時間の短縮を図ることが可能になる。
ここで、従来のマルチスイッチング方式で充電時間および放電時間の短縮を図ろうとすると、１次コイル４４ａおよび２次コイル４４ｂの通電電流値を高める必要がある。すると、充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が高電流を多数回断続するため、発生ノイズが大きくなる不具合を招くが、本発明ではこのような不具合も解消できる。
【００５６】
さらに、放電スイッチ４２をOFF するタイミングは、ピエゾ素子１の負荷電圧が零に近い放電停止電圧ＶＣに低下したタイミングであるため、放電終了時においてピエゾ素子１を高い精度で放電できる。このため、次回の充電時間が変動する不具合が発生せず、ピエゾインジェクタ２の噴射時間が変化して噴射量が変化する不具合がない。つまり、ピエゾインジェクタ２の噴射精度を高めることができる。
【００５７】
ピエゾ素子１を高効率で且つ高精度に放電できるため、ピエゾ素子１に蓄えられていた電気エネルギーを高効率で且つ高精度に直流電源４０に回収できる。つまり、ピエゾ素子１に充電した電気エネルギーを効率良くバッファコンデンサ４８に回生できる。
このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７が次回の充電作動のためにバッファコンデンサ４８に補充する電気エネルギーを少なくすることができる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７の負担を減らすことができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７を小型化することが可能になる。
【００５８】
また、ピエゾ素子１の充電精度が高まるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７の昇圧無駄が抑えられ、この結果からもＤＣ／ＤＣコンバータ４７を小型化できる。あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７による昇圧無駄が抑えられるため、１次コイル４４ａの通電電圧を高めて１次コイル４４ａの通電時間を短縮することが可能になる。
さらに、ピエゾ素子１の放電精度および放電効率が高まるため、バッファコンデンサ４８の蓄える電気エネルギーの変動が抑えられ、バッファコンデンサ４８の無駄な容量アップが不要となり、結果的にバッファコンデンサ４８を小型化することができる。
【００５９】
従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が多数回ON-OFFするために、ピエゾ素子１のキャパシタＣとコイルのインダクタンスＬで発振する可能性があった。しかし、この発明では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が１回づつしかON-OFFしないため、ピエゾ素子１のキャパシタＣとフライバックトランス４４の２次コイル４４ｂのインダクタンスＬで発振しない。このため、発振によってピエゾ素子１が破損し、ピエゾインジェクタ２が噴射不良を起こす不具合を回避できる。
【００６０】
〔第２実施例〕
上記の第１実施例では、ピエゾ素子１の負荷電圧が放電停止電圧ＶＣに低下した時に、放電スイッチ４２をOFF する例を示した。
しかるに、この第２実施例では、ピエゾ素子１の放電時、２次コイル４４ｂに発生する２次電流が、放電停止電流ＩＣ（図２参照）に達した時に、放電スイッチ４２をOFF するものである。
【００６１】
放電停止電流ＩＣによって放電スイッチ４２をOFF させる回路を図８を参照して説明する。
充放電コントローラ５０は、噴射信号ＩＪＴを反転させるノット回路７１と、噴射信号ＩＪＴのHi信号によってセットされてHi信号を発生するフィリップフロップ７２と、ノット回路７１とフィリップフロップ７２が共にHiの時のみ放電スイッチ４２をONさせるアンド回路７３とを備える。
つまり、噴射信号ＩＪＴがHi信号を出力した後、噴射信号ＩＪＴがLo信号を出力すると、放電スイッチ４２がONされる。
【００６２】
また、この充放電コントローラ５０は、信号線７４によって検出される２次コイル４４ｂの電流値を、噴射信号ＩＪＴが与えられる毎に保持するとともに、保持する電流値をマイナスオフセット電源７５によって設定される所定値だけマイナス側にオフセットして出力するピークホールド回路７６と、信号線７４によって検出される２次コイル４４ｂの電流値が、ピークホールド回路７６でオフセットされた値よりもマイナス側に大きくなった場合にHi信号を発生するコンパレータ７７とを備えており、このコンパレータ７７の出力によって上記フィリップフロップ７２がリセットされ、放電スイッチ４２をOFF させるように設けられている。
【００６３】
放電スイッチ４２をOFF する放電停止電流ＩＣは、２次コイル４４ｂを流れる最大電流値の９５％以上に設定されており、ここではマイナスオフセット電源７５によって設定された電流値（２次コイルを流れる最大電流値の９５％以上）だけ放電すると、放電スイッチ４２がOFF するように設けられている。
なお、２次コイルを流れる最大電流値の９５％以上に放電停止電流ＩＣを設定したことによって、ピエゾ素子１に充電された殆どの電気エネルギーを放電させることができる。
【００６４】
上記回路による放電スイッチ４２のON-OFF作動を、図９のタイムチャートを参照して説明する。
この作動はピエゾ素子１の充電開始時から始まる。ＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴが時間ｔ2 においてLoからHiに反転すると、その出力によって実線Ｊに示すようにフィリップフロップ７２がHi信号を出力する。ＥＣＵ４から与えられる噴射信号ＩＪＴが実線Ｋに示すように時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実線Ｌに示すようにノット回路７１で反転されてHiの信号を出力する。この結果、アンド回路７３がHiの信号を出力し、実線Ｍに示すように放電スイッチ４２をONさせる。
【００６５】
実線Ｎに示す２次コイル４４ｂの電流値が、実線Ｏ1 と破線Ｏ2 の間のオフセット値だけ低下すると、実線Ｐに示すようにコンパレータ７７が時間ｔ4 においてHiの出力を発生してフィリップフロップ７２をリセットする。これにより、アンド回路７３がLoに反転し、実線Ｍに示すように放電スイッチ４２がOFF される。
この第２実施例のように設けても、第１実施例と同じ効果を得ることができる。
【００６６】
〔第３実施例〕
従来のマルチスイッチング方式の充放電装置を燃料噴射システムに適用し、充電時間および放電時間をそれぞれ５００μｓ以下で行う場合、１次コイル４４ａおよび２次コイル４４ｂを通電する時間は、同等以下が要求される。従来のマルチスイッチング方式では、１回の充放電時に充電スイッチおよび放電スイッチが多数回ON-OFFするものであったため、電気エネルギーが５０ｍＪを越える場合、フライバックトランス４４に高磁束密度と、高い周波数特性が要求される。
このため、マルチスイッチング方式に対応したフライバックトランス４４では、アモルファス等の高価な大型のコアを使用する必要があり、フライバックトランス４４のコストが高くなってしまう。
【００６７】
これに対し、本発明が適用されたピエゾ素子１の充放電装置では、１回の充放電時に充電スイッチ４１および放電スイッチ４２が１回づつしかON-OFFしないため、フライバックトランス４４には、マルチスイッチング方式のような高い周波数特性が要求されず、低い周波数特性のトランスを使用できる。
【００６８】
そこで、この第３実施例では、珪素鋼板を多数積層したコアを用いたトランスをフライバックトランス４４として用い、フライバックトランス４４のコストを抑えた。
特に、第１、第２実施例のように、本発明を燃料噴射システムに適用し、充放電時間がそれぞれ５００μｓ以下で、電気エネルギーが５０ｍＪを越える場合は、珪素鋼板の板厚を０．１ｍｍ以下に設ける。このように設けることにより、渦流によって生じる鉄損を低く抑えることができ、珪素鋼板のコアを用いたフライバックトランス４４を燃料噴射システムに用いることができる。
【００６９】
〔変形例〕
上記の実施例では、容量負荷変動体の一例としてピエゾ素子１を例に示したが、温度によって容量負荷が変動する他の容量負荷変動体の充放電装置に本発明を適用しても良い。
上記の実施例では、ピエゾ素子１を用いたアクチュエータを、燃料噴射システムにおけるピエゾインジェクタ２に適用した例を示したが、ピエゾ素子１を他のアクチュエータ（例えば、光学系計測装置における光軸可変用のアクチュエータ等）に適用しても良い。
【００７０】
上記の実施例では、主電源として直流電源であるバッテリ４６を用い、昇圧回路としてバッテリ４６の電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４７を用いる例を示したが、主電源に交流電源（例えば交流１００Ｖの商用電源）を用い、昇圧回路として交流の電圧を昇圧するとともに直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピエゾ素子の充放電装置の概略回路図である（第１実施例）。
【図２】充放電の基本作動を示すタイムチャートである（第１実施例）。
【図３】充電スイッチおよび放電スイッチの制御回路図である（第１実施例）。
【図４】充電時および放電時の作動説明のためのタイムチャートである（第１実施例）。
【図５】充放電回路の電気回路図である（第１実施例）。
【図６】燃料噴射システムの概略図である（第１実施例）。
【図７】ピエゾインジェクタの断面図である（第１実施例）。
【図８】放電スイッチの制御回路図である（第２実施例）。
【図９】放電時の作動説明のためのタイムチャートである（第２実施例）。
【図１０】ピエゾ素子を流れる電流の説明図である（従来例）。
【符号の説明】
１    ピエゾ素子（容量負荷変動体）
２    ピエゾインジェクタ
４０    直流電源
４１    充電スイッチ
４２    放電スイッチ
４４    フライバックトランス
４４ａ  １次コイル
４４ｂ  ２次コイル
４６    バッテリ（主電源）
４７    ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）
４８    バッファコンデンサ
ＶＣ    放電停止電圧
ＩＣ    放電停止電流
Ｉ1   充電開始電流
【図１】
0004186573.tif 000004
【図２】
0004186573.tif 000005
【図３】
0004186573.tif 000006
【図４】
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【図５】
0004186573.tif 000008
【図６】
0004186573.tif 000009
【図７】
0004186573.tif 000010
【図８】
0004186573.tif 000011
【図９】
0004186573.tif 000012
【図１０】
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