(57)【要約】【課題】ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁に関し、噴射切替タイミングのばらつき幅を小さくすることと、電力損失及び騒音発生の抑制との両立を図った燃料噴射弁制御装置を提供する。【解決手段】ピエゾ素子への充電に伴い上昇するピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えると、ピエゾ素子の伸長により背圧制御バルブが開弁作動を開始するよう構成されたピエゾインジェクタに適用され、ピエゾ素子に充電するにあたり、ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせることで、ピエゾ電圧を段階的に上昇させる充電回路を備え、駆動電流の複数回の電流上昇のうち２回目以降の特定回数目の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度（電圧傾斜ａ３）を、特定回数目より１回前の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度（電圧傾斜ａ２）よりも速くするよう充電回路の作動を制御する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の噴射口を開閉する開閉機構、及び前記開閉機構を作動させるピエゾ素子を備え、前記ピエゾ素子への充電に伴い上昇する前記ピエゾ素子の電圧値が閾値を超えると、前記ピエゾ素子の伸長により前記開閉機構が作動を開始するよう構成された燃料噴射弁に適用され、
前記ピエゾ素子に充電するにあたり、前記ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせることで、前記電圧値を段階的に上昇させる充電回路を備え、
前記駆動電流の複数回の電流上昇のうち２回目以降の特定回数目の電流上昇に伴う前記電圧値の上昇速度を、該特定回数目の１回前の電流上昇に伴う前記電圧値の上昇速度よりも速くするよう前記充電回路の作動を制御することを特徴とする燃料噴射弁制御装置。
【請求項２】
前記特定回数目の電流上昇時において前記ピエゾ素子に投入される単位時間当りの充電エネルギが、前記特定回数目の１回前の電流上昇時よりも多くなるよう前記充電回路を制御することで、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項３】
前記特定回数目の電流上昇時において前記ピエゾ素子に充電される電荷の上昇速度が、前記特定回数目の１回前の電流上昇時よりも速くなるよう前記充電回路を制御することで、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項４】
前記特定回数目における電流上昇の開始時期が予め設定した時期となるよう、前記充電回路の作動を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項５】
前記噴射口に供給される高圧燃料の圧力、前記高圧燃料から前記ピエゾ素子が受ける荷重、前記ピエゾ素子の温度、及び前記燃料噴射弁の個体情報のうち少なくとも１つをパラメータとして、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項６】
前記個体情報には、予め行われた試験により取得された実測値であって、噴射開始時期が目標とする噴射時期となった時の前記電圧値の上昇速度又は当該上昇速度に相関のある物理量が情報として含まれていることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項７】
前記個体情報には、前記ピエゾ素子の静電容量、又は当該静電容量と前記ピエゾ素子の温度との関係を示す特性が情報として含まれていることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項８】
前記開閉機構は、前記噴射口を開閉する弁体、及び前記ピエゾ素子の駆動力により作動して前記弁体の背圧を制御する背圧制御バルブを有して構成され、
前記背圧制御バルブは、前記ピエゾ素子の電圧値が閾値を超えると、前記弁体を開作動させるべく前記背圧を低下させる作動を開始することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
【請求項９】
燃料噴射弁と、請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置と、を備えることを特徴とする燃料噴射弁制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁に適用された、燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料噴射弁は、燃料の噴射口を開閉する弁体、弁体の背圧を制御する背圧制御バルブ、及び背圧制御バルブを作動させるピエゾ素子を備えている。そして、ピエゾ素子を充電により伸長させると、ピエゾ素子により背圧制御バルブが開弁作動を開始して弁体の背圧が低下し、弁体が開作動して燃料が噴射口から噴射されることとなる。
【０００３】
このようなピエゾ素子に充電するにあたり、ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせることで、ピエゾ素子の電圧値（以下、ピエゾ電圧と呼ぶ）を段階的に上昇させる制御が特許文献１等にて開示されている。この制御によれば、ピエゾ素子への充電を開始した後、ピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えた時点で背圧制御バルブは開弁作動を開始することとなる。
【特許文献１】特開２００３−３１９６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、背圧制御バルブが開弁作動を開始するのに要するピエゾ電圧の値、つまり前述の閾値Ｖthは、その時のピエゾ素子温度によって異なる。また、弁体及び背圧制御バルブの弁座部が摩耗する等の経年変化や、供給される燃料の圧力によっても異なる。そして、このように閾値Ｖthがばらつくことに起因して、背圧制御バルブが開弁作動を開始するタイミングにはばらつきが生じ得る。すると、弁体の開弁作動タイミング（噴射開始タイミング）にばらつきが生じることとなる。
【０００５】
この問題に対し上記特許文献１に記載の制御では、複数回の駆動電流上昇のうち１回目の上昇に係る充電量を、２回目以降の充電量よりも大きくさせている。換言すれば、１回目の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度（電圧傾斜）を、２回目以降の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度よりも速くする（急峻にする）よう制御している。これによれば、閾値Ｖthのばらつき量Ｖσ（図８参照）に対する開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσ１，Ｔσ２を、符合Ｔσ１に示すように小さくできる。
【０００６】
しかしながら、複数回の電流上昇のうち早い回数目において充電量を大きくすると、ピエゾ素子へ流れる駆動電流が高くなる。特に１回目の充電において充電量を大きくすると、ピエゾ素子へ流れる駆動電流が極端に高くなる。これは、ピエゾ素子への供給エネルギＥ、駆動電流Ｉ及びピエゾ電圧Ｖは次の式１の関係にあるため、ピエゾ電圧が低い早い回数目（特に１回目）の充電においては駆動電流Ｉが高くなるからである。
Ｅ＝∫（Ｉ×Ｖ）ｄｔ…（式１）。
【０００７】
そして、このように駆動電流Ｉが高くなると、回路内の抵抗Ｒ１部分等における電力損失（損失Ｗ＝Ｉ2Ｒ）の著しい増大を招くとともに、背圧制御バルブ等の駆動部品が急激に作動して弁座部等に衝突することによる騒音発生を招く。
【０００８】
なお、このような電力損失及び騒音発生の問題や噴射開始タイミングのばらつきは、背圧制御バルブを有する燃料噴射弁に限らず、ピエゾ素子により弁体を直接作動させて噴射口を開閉させる直動式の燃料噴射弁についても同様にして生じる。また、ピエゾ素子の伸長により噴射を停止させる構造の燃料噴射弁においては、噴射停止タイミングがばらつくこととなる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁に関し、噴射切替タイミングのばらつき幅を小さくすることと、電力損失及び騒音発生の抑制との両立を図った燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。先述の如く、１回目の充電においてピエゾ電圧の上昇速度を速くすると、ピエゾ電圧が低い状態であるためピエゾ素子へ流す駆動電流が極端に高くなる。これに対し、２回目以降の充電においてはピエゾ電圧がある程度上昇した状態であるため、前記駆動電流が極端に高くなることはない。以下に説明する本発明はこの点に着目してなされたものである。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明では、
燃料の噴射口を開閉する開閉機構、及び前記開閉機構を作動させるピエゾ素子を備え、前記ピエゾ素子への充電に伴い上昇する前記ピエゾ素子の電圧値（ピエゾ電圧）が閾値を超えると、前記ピエゾ素子の伸長により前記開閉機構が作動を開始するよう構成された燃料噴射弁に適用され、
前記ピエゾ素子に充電するにあたり、前記ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせることで、前記電圧値を段階的に上昇させる充電回路を備え、
前記駆動電流の複数回の電流上昇のうち２回目以降の特定回数目の電流上昇に伴う前記電圧値の上昇速度を、該特定回数目の１回前の電流上昇に伴う前記電圧値の上昇速度よりも速くするよう前記充電回路の作動を制御することを特徴とする。
【００１２】
これによれば、特定回数目の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度を、特定回数目の１回前の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度よりも速くさせているので、特定回数目にてピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えるよう設定した場合において、閾値Ｖthのばらつき量Ｖσ（図８参照）に対する開閉機構の作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσ１，Ｔσ２を、符合Ｔσ１に示すように小さくできる。したがって、例えばピエゾ素子の伸長に伴い開閉機構が噴射作動する場合においては噴射開始タイミングのばらつきを小さくできる。また、例えばピエゾ素子の伸長に伴い開閉機構が噴射停止する場合においては噴射停止タイミングのばらつきを小さくできる。
【００１３】
さらに本発明によれば、前記特定回数目を２回目以降としているので、１回目の電流上昇時にピエゾ電圧の上昇速度を速くした場合に比べて駆動電流のピーク値を低く抑えることができる。よって、駆動電流のピーク値が高くなることに起因して生じる電力損失及び騒音発生の問題を解消できる。
【００１４】
請求項２記載の発明では、前記特定回数目の電流上昇時において前記ピエゾ素子に投入される単位時間当りの充電エネルギが、前記特定回数目の１回前の電流上昇時よりも多くなるよう前記充電回路を制御することで、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする。また、請求項３記載の発明では、前記特定回数目の電流上昇時において前記ピエゾ素子に充電される電荷の上昇速度が、前記特定回数目の１回前の電流上昇時よりも速くなるよう前記充電回路を制御することで、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする。これら請求項２，３の制御によれば、請求項１記載の如く電圧値の上昇速度を制御することを、容易に実現できる。
【００１５】
より具体的には、例えば図５（ｂ）に示すように、ピエゾ素子への駆動電流上昇に伴いピエゾ素子に充電される電荷Ｑが閾値Ｑthを超えたことを条件として、駆動電流を下降させるよう切替制御する場合において、特定回数目における前記閾値Ｑthを大きく設定することで電荷の上昇速度を速くでき、ひいては特定回数目における電圧値上昇速度を速くするように制御できる。
【００１６】
ところで、ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせるにあたり、各種制御手法が挙げられる。例えば、上昇する駆動電流の値が上限値を超えたことを条件として下降に切り替える制御、下降する駆動電流の値が下限値を超えたことを条件として上昇に切り替える制御、下降する駆動電流の値がゼロになったことを条件として上昇に切り替える制御、等が挙げられる。しかしながらこれらの制御では、特定回数目における電流上昇の開始時期が成り行きとなってしまうため、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値を超えることの確実性が低い。そして、特定回数目にて閾値を超えなければ、特定回数目の電圧値の上昇速度を速くしたことによる作動開始タイミングのばらつき幅縮小といった上記効果が発揮されなくなってしまう。
【００１７】
この点を鑑み請求項４記載の発明では、前記特定回数目における電流上昇の開始時期が予め設定した時期となるよう、前記充電回路の作動を制御することを特徴とする。そのため、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値を超えることの確実性を高めることができ、ひいては、特定回数目に開閉機構を作動開始させることの確実性を高めることができる。
【００１８】
請求項５記載の発明では、前記噴射口に供給される高圧燃料の圧力、前記高圧燃料から前記ピエゾ素子が受ける荷重、前記ピエゾ素子の温度、及び前記燃料噴射弁の個体情報のうち少なくとも１つをパラメータとして、前記電圧値の上昇速度を制御することを特徴とする。開閉機構が燃料噴射作動又は停止作動を開始するのに必要とするピエゾ電圧（つまり閾値）は、上記パラメータ（圧力、荷重及び温度や燃料噴射弁の個体差）に応じて異なる値となる。例えば、請求項８記載の如く開閉機構を弁体及び背圧制御バルブにより構成した場合において、閾値がどのように異なる値となるかを以下に例示する。
・高圧燃料圧力が高いほど高圧燃料からピエゾ素子が受ける荷重が大きくなり、背圧制御バルブの作動に要する力が大きくなるので閾値は高くなる。
・ピエゾ素子の温度によってピエゾ素子の静電容量が変化するので、ピエゾ素子に投入する充電エネルギが同じであっても温度によって閾値は変化する。
・例えば、背圧制御バルブのうち高圧燃料圧力を受ける部分の受圧面積は燃料噴射弁の個体間で異なる。また、弁体等の各種摺動抵抗は燃料噴射弁の個体間で異なる。このような燃料噴射弁の個体差に起因して閾値に個体差が生じる。
【００１９】
以上により、これらのパラメータに応じて電圧値の上昇速度を制御する上記請求項５記載の発明によれば、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値を超えるよう充電回路を制御することを容易に実現できる。例えば、先述の図５（ｂ）に示す具体例においては、上記パラメータに応じて閾値Ｑthを変更させればよい。
【００２０】
請求項６記載の発明では、前記個体情報には、予め行われた試験により取得された実測値であって、噴射開始時期が目標とする噴射時期となった時の前記電圧値の上昇速度又は当該上昇速度に相関のある物理量が情報として含まれていることを特徴とする。これによれば、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値を超えるように充電回路を制御するにあたり、前記試験による実測値に基づき制御できるので、特定回数目に開閉機構を作動開始させることの確実性を高めることができ、ひいては、特定回数目に開閉機構を作動開始させることの確実性を高めることができる。
【００２１】
請求項７記載の発明では、前記個体情報には、前記ピエゾ素子の静電容量、又は当該静電容量と前記ピエゾ素子の温度との関係を示す特性が情報として含まれていることを特徴とする。これによれば、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値を超えるように充電回路を制御するにあたり、ピエゾ素子の温度特性に基づき制御できるので、特定回数目に開閉機構を作動開始させることの確実性を高めることができ、ひいては、特定回数目に開閉機構を作動開始させることの確実性を高めることができる。
【００２２】
なお、上述した各種個体情報をＱＲコード（登録商標）、ＩＣメモリ、補正抵抗等の記憶手段に記憶させておき、その記憶手段を燃料噴射弁に備えさせることが望ましい。
【００２３】
請求項８記載の発明では、前記開閉機構は、前記噴射口を開閉する弁体、及び前記ピエゾ素子の駆動力により作動して前記弁体の背圧を制御する背圧制御バルブを有して構成され、前記背圧制御バルブは、前記ピエゾ素子の電圧値が閾値を超えると、前記弁体を開作動させるべく前記背圧を低下させる作動を開始することを特徴とする。なお、当該請求項８記載の発明の他には、ピエゾ素子により弁体を直接作動させて噴射口を開閉させる直動式の燃料噴射弁に適用させることが挙げられる。また、ピエゾ素子への充電による伸長に伴い弁体を開作動させる燃料噴射弁の他に、ピエゾ素子からの放電による縮小に伴い弁体を閉作動させる燃料噴射弁への適用も具体例として挙げられる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁制御装置と、を備えることを特徴とする燃料噴射弁制御システムである。この燃料噴射弁制御システムによれば、上述の各種効果を同様に発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２６】
（第１実施形態）
以下、本発明にかかる燃料噴射制御装置を、車両に搭載されたコモンレール式のディーゼル機関の燃料噴射制御装置に適用した第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
図１に、本実施形態におけるエンジンシステムの全体構成を示す。
【００２８】
図示されるように、燃料タンク１内の燃料は、燃料フィルタ２を介して燃料ポンプ３によって汲み上げられる。この燃料ポンプ３は、燃料調量弁４を備えており、この燃料調量弁４が操作されることで、外部に吐出される燃料量が決定される。燃料ポンプ３からの燃料は、コモンレール５に加圧供給される。コモンレール５は燃料ポンプ３から加圧供給された燃料を高圧状態で蓄え、蓄圧された高圧燃料は、高圧燃料通路６を介して各気筒（ここでは、４気筒を例示）のピエゾインジェクタＰＩ（燃料噴射弁）に供給される。ピエゾインジェクタＰＩは、低圧燃料通路７と接続されており、低圧燃料通路７を介して燃料を燃料タンク１に戻すことが可能となっている。
【００２９】
次に、図２に基づきピエゾインジェクタＰＩの構造について説明する。
【００３０】
ピエゾインジェクタＰＩのボディ１０の先端には、円柱状のニードル収納部１０ａが設けられている。そして、ニードル収納部１０ａには、その軸方向に変位可能なノズルニードル１１（弁体）が収納されている。また、ニードル収納部１０ａには、上記高圧燃料通路６を介して高圧燃料が供給される。ノズルニードル１１は、ボディ１０の先端部に形成されている環状のニードルシート部１０ｂに着座することで、ニードル収納部１０ａを高圧燃料通路６から遮断する一方、ニードルシート部１０ｂから離座することで、ニードル収納部１０ａを高圧燃料通路６と連通させる。
【００３１】
ノズルニードル１１の背面側（ニードルシート部１０ｂと対向する側の反対側）は、背圧室１０ｃに対向している。背圧室１０ｃには、高圧燃料通路６からの燃料がオリフィス１０ｄを介して供給される。また、背圧室１０ｃには、ノズルニードル１１をニードルシート部１０ｂ側へ押すニードルスプリング１２が備えられている。
【００３２】
背圧室１０ｃは、背圧制御バルブ１３を介して上記低圧燃料通路７に連通可能とされている。背圧制御バルブ１３は、その背面側が環状の上側バルブシート部１０ｅに着座することで低圧燃料通路７と背圧室１０ｃとを遮断し、ボディ１０の先端側へ変位することで低圧燃料通路７と背圧室１０ｃとを連通させる。さらにボディ先端側へ変位して背圧制御バルブ１３のボディ１０先端側が環状の下側バルブシート部１０ｇに着座すると、背圧制御バルブ１３が収容されている弁室と高圧燃料通路６とは背圧制御バルブ１３により遮断される。但し、弁室と背圧室１０ｃとはオリフィス１０ｈを介して常時連通している。
【００３３】
背圧制御バルブ１３のうち上側バルブシート部１０ｅ側は、プレッシャピン１４を介して小径ピストン１５と連結されている。小径ピストン１５の後部側は、小径ピストン１５よりも径の大きな大径ピストン１６の先端と対向している。そして、小径ピストン１５、大径ピストン１６、及びボディ１０の内周面によって変位伝達室１０ｆが区画形成されている。変位伝達室１０ｆには、例えば燃料等の適宜の流体が充填されている。一方、大径ピストン１６は、そのボディ１０の後方側がピエゾ素子ＰＥと連結されている。ちなみに、ピエゾ素子ＰＥは、大径ピストン１６と対向する側の裏面側がボディ１０に固定されている。なお、特許請求の範囲に記載の「開閉機構」は、ノズルニードル１１、ニードルスプリング１２、背圧制御バルブ１３、プレッシャピン１４、小径ピストン１５、大径ピストン１６等に相当する。
【００３４】
ピエゾ素子ＰＥは、複数の圧電素子が積層されてなる積層体（ピエゾスタック）を備え、これが逆圧電効果により伸縮することによりアクチュエータとして機能する。具体的には、ピエゾ素子ＰＥは、容量性の負荷であり、充電されることで伸長し、放電されることで縮小する。ちなみに、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥは、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。
【００３５】
ピエゾ素子ＰＥへ電流が供給されずピエゾ素子ＰＥが収縮状態にあるときには、高圧燃料通路６の高圧燃料により力が及ぼされることから、背圧制御バルブ１３や小径ピストン１５はボディ１０の後方に位置することとなる。このとき、背圧制御バルブ１３により背圧室１０ｃと低圧燃料通路７とは遮断されている。このため、背圧室１０ｃ内の燃料の圧力（コモンレール５内の燃料の圧力）及びニードルスプリング１２の弾性力によって、ノズルニードル１１は、ボディ１０先端側へと押されてニードルシート部１０ｂに着座した状態(閉弁状態)となる。
【００３６】
一方、ピエゾ素子ＰＥに電流が供給されることでピエゾ素子ＰＥが伸長状態となると、背圧制御バルブ１３はボディ１０の先端側へ移動する。これにより、背圧室１０ｃが低圧燃料通路７と連通される。その結果、背圧室１０ｃ内の燃料の圧力が低下し、ニードル収納部１０ａ内の高圧燃料がノズルニードル１１をボディ１０の後方へ押す力Ｆ１が大きくなる。そして、背圧室１０ｃ内の燃料及びニードルスプリング１２がノズルニードル１１をボディ１０の前方へ押す力Ｆ２よりも、前記後方へ押す力Ｆ１が所定以上大きくなると、ノズルニードル１１はニードルシート部１０ｂから離座した状態（開弁状態）となり、開状態となった噴射口１０ｉから高圧燃料通路６の燃料が噴射されることとなる。
【００３７】
先の図１に示したエンジンシステムは、コモンレール５内の燃圧（レール圧ＰＣ）を検出する燃圧センサ５ａや、ディーゼル機関の出力軸の回転角度を検出するクランク角センサ２０ａ等、ディーゼル機関の運転状態を検出する各種センサや、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ２０ｂを備えている。
【００３８】
これら各種センサの検出結果は制御ユニット２０に取り込まれる。制御ユニット２０では、こうした検出値に基づき、ピエゾインジェクタＰＩや燃料調量弁４等、ディーゼル機関の各種アクチュエータを操作する。特に制御ユニット２０では、上記各種センサの検出値に基づきピエゾインジェクタＰＩを操作することで、燃料噴射制御を行う。
【００３９】
次に、図３に基づき制御ユニット２０の構成と作動概略について説明する。
【００４０】
制御ユニット２０が有するマイクロコンピュータ２１は、アクセルセンサ２０ｂによって検出されるアクセルペダルの操作量とクランク角センサ２０ａの検出値から定まる出力軸の回転速度とに基づき、ディーゼル機関の出力トルクの要求を満たす要求噴射量を算出する。そして、算出した要求噴射量と燃圧センサ５ａの検出値とに基づき、ピエゾインジェクタＰＩに対する噴射指令値（指令噴射期間）をマップ演算し、その指令値に応じた駆動信号IJTを制御ＩＣ２２に出力する。
【００４１】
制御ＩＣ２２は、入力された駆動信号IJTに基づき駆動回路２３を制御することで、ピエゾインジェクタＰＩへの電力供給状態（つまり、ピエゾインジェクタＰＩへの充放電）を制御する。これにより、要求噴射量の燃料を所望のタイミングで噴射するようピエゾインジェクタＰＩが伸縮し、ピエゾインジェクタＰＩから噴射される燃料の噴射量、噴射時期及び噴射段等の噴射形態が制御される。なお、これらの制御ＩＣ２２及び駆動回路２３は、特許請求の範囲に記載の充電回路に相当する。
【００４２】
駆動回路２３からＡＤコンバータ及びＤＳＰ２４には各種検出信号が入力され、当該検出信号は、ＡＤコンバータ及びＤＳＰ２４にて入力処理等がなされた後、マイクロコンピュータ２１及び制御ＩＣ２２に送信される。
【００４３】
ピエゾインジェクタＰＩには、噴射特性や静電容量その他の各種個体差があり、このような固有の特性は、車両を市場に出荷する前の製造工程時にて予め計測されている。そして、夫々のピエゾインジェクタＰＩが同じように作動するよう調整された調整データを含む個体情報が、ＱＲコード１０ｊ（記憶手段）に記憶され、当該ＱＲコード１０ｊはピエゾインジェクタＰＩに印字されている。なお、ＱＲコード１０ｊ以外の記憶手段としてはＩＣメモリ及び補正抵抗器等が挙げられる。
【００４４】
ＱＲコード１０ｊに記憶された個体情報は、エンジンの製造工程やサービス店においてＱＲコードリーダ３０によって読み取られ、外部ツール３１によって制御ユニット２０内のＥＥＰＲＯＭ２５に書き込まれる。マイクロコンピュータ２１では、上述の如く噴射指令値を算出するにあたり、ＥＥＰＲＯＭ２５に書き込まれた個体情報等を用いて、マップ演算により得られた噴射指令値を補正する。
【００４５】
次に、図４に基づき駆動回路２３の構成とその回路動作について説明する。
【００４６】
多気筒エンジンに適用された本実施形態では、ピエゾインジェクタＰＩが複数個並列に接続され、噴射する気筒のピエゾインジェクタＰＩが選択スイッチで選択されるように構成される。図４ではこの選択スイッチの図示を省略している。
【００４７】
駆動回路２３は、バッテリＢａの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子ＰＥを充電するための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）を備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧コイルＬ１、昇圧スイッチＳＷ３、整流ダイオードＤ３及びバッファコンデンサＣ１から構成されている。制御ＩＣ２２により昇圧スイッチＳＷ３をＯＮ−ＯＦＦさせることで、昇圧コイルＬ１により昇圧された高電圧で、ピエゾ素子ＰＥに供給するための電荷をバッファコンデンサＣ１に蓄えさせる。ちなみに、バッファコンデンサＣ１は、ピエゾ素子ＰＥへの１回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しない容量（例えば「３０μＦ〜数１００μＦ」程度）を有するものであることが望ましい。
【００４８】
なお、バッファコンデンサＣ１の接地側にはシャント抵抗Ｒ１が設けられており、シャント抵抗Ｒ１での電圧を制御ＩＣ２２が取り込む。これにより、制御ＩＣ２２は、バッファコンデンサＣ１の充電・放電に伴い流れた電流を検出している。
【００４９】
ピエゾ素子ＰＥは電気的には容量性負荷であるため、バッファコンデンサＣ１の電荷をピエゾ素子ＰＥに供給して充電させると、ピエゾ素子ＰＥは伸長駆動して燃料を噴射させることとなる。また、ピエゾ素子ＰＥに蓄えられた電荷を放電させると、ピエゾ素子ＰＥは縮小駆動して燃料噴射を停止させることとなる。以下、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥの変位量制御、つまり充電処理及び放電処理を行った時の回路動作について詳述する。
【００５０】
（充電処理時の回路動作）
マイクロコンピュータ２１から上記駆動信号IJTが制御ＩＣ２２に入力されることで、制御ＩＣ２２は、充電スイッチＳＷ１のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、後述するトリガ信号TRGGの立ち上がりエッジをトリガとして充電スイッチＳＷ１がオン操作されると、バッファコンデンサＣ１、充電スイッチＳＷ１、充放電コイルＬ２、ピエゾ素子ＰＥからなる閉ループ回路が形成される。これにより、バッファコンデンサＣ１の電荷がピエゾ素子ＰＥに充電される。このとき、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流（以下、「ピエゾ電流」と呼ぶ）の量が漸増する（電流量の漸増操作）。
【００５１】
そして、シャント抵抗Ｒ１を流れた電流の積分値、つまりバッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥへ放出された電荷量Ｑactが、予め設定された閾値Ｑth（図５（ｂ）参照）を超えると、充電スイッチＳＷ１をオフ操作する。したがって、実際の電荷量Ｑactの挙動は、図５（ｂ）中の点線とはならず、閾値Ｑth以下に制限された実線に示す挙動となる。なお、本実施形態では、シャント抵抗Ｒ１により検出されたバッファコンデンサＣ１からの電流値をピエゾ電流の代わりに用いているが、ピエゾ素子ＰＥにもシャント抵抗を設けて実際のピエゾ電流を検出するようにしてもよい。
【００５２】
一方、充電スイッチＳＷ１のオン操作の後、先述の閾値Ｑthに基づき充電スイッチＳＷ１がオフ操作されることで、充放電コイルＬ２、ピエゾ素子ＰＥ、還流ダイオードＤ２からなる閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイルＬ２のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子ＰＥに充電される。このとき、ピエゾ電流量が漸減する（電流量の漸減操作）。そして、次のトリガ信号TRGGの立ち上がりエッジをトリガとして、充電スイッチＳＷ１を再度オン操作する。
【００５３】
以上により、上記態様にて充電スイッチＳＷ１が操作されると、ピエゾ素子ＰＥが充電され、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側の電位（以下、「ピエゾ電圧」と呼ぶ）が上昇する。具体的には、図５（ｃ）の如く充電スイッチＳＷ１をオン・オフ操作すると、図５（ｅ）の如くピエゾ電流の上昇と下降が複数回繰り返し行われ、図５（ｆ）の如くピエゾ電圧が段階的に上昇する。
【００５４】
（放電処理時の回路動作）
マイクロコンピュータ２１からの駆動信号IJTが反転すると、制御ＩＣ２２は、放電スイッチＳＷ２のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、駆動信号IJTの立ち下がりエッジをトリガとして放電スイッチＳＷ２がオン操作されることで、ピエゾ素子ＰＥ、充放電コイルＬ２、放電スイッチＳＷ２によって閉ループ回路が形成される。これにより、ピエゾ素子ＰＥが放電される。このとき、ピエゾ電流量が漸減する（電流量の漸減操作）。そして、ピエゾ電流が閾値Ｉth1より下がると、放電スイッチＳＷ２をオフ操作する。
【００５５】
一方、放電スイッチＳＷ２のオン操作の後、先述の閾値Ｉth1に基づき放電スイッチＳＷ２がオフ操作されることで、ピエゾ素子ＰＥ、充放電コイルＬ２、回収ダイオードＤ１、バッファコンデンサＣ１によって閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイルＬ２のフライホイールエネルギがバッファコンデンサＣ１に回収される。このとき、ピエゾ電流の放電量が漸増する（電流量の漸増操作）。そして、ピエゾ電流が閾値Ｉth2より上がると、放電スイッチＳＷ２を再度オン操作する。
【００５６】
以上により、上記態様にて放電スイッチＳＷ２が操作されると、ピエゾ素子ＰＥが放電されてピエゾ電圧が下降する。具体的には、図５（ｄ）の如く充電スイッチＳＷ２をオン・オフ操作すると、図５（ｅ）の如くピエゾ電流（駆動電流）の上昇と下降が複数回繰り返し行われ、図５（ｆ）の如くピエゾ電圧が段階的に下降する。そして、充放電コイルＬ２の両端電圧がゼロとなると電流の流れが終了する。なお、クランプダイオードＤ４は、ピエゾ電圧が負電圧になるのを防止するものである。
【００５７】
次に、図５、図６及び図７を用いて、制御ＩＣ２２による充電処理及び放電処理の手順を説明する。図５に示すタイミングチャートのうち、（ａ）は駆動信号IJTのオン・オフ変化、（ｂ）はシャント抵抗Ｒ１を流れた電荷量Ｑactの変化、（ｃ）は充電スイッチＳＷ１のオン・オフ変化、（ｄ）は放電スイッチのオン・オフ変化、（ｅ）はピエゾ電流の変化、（ｆ）はピエゾ電圧の変化を示す。図６は、制御ＩＣ２２が上述の充電処理を行う時の処理手順を示すフローチャートである。図７は、充電処理に用いる閾値Ｑth及びトリガ信号TRGGを算出するよう機能する時の、制御ＩＣ２２のブロック図である。
【００５８】
（充電処理の制御手順）
先ず、図６のステップＳ１において、マイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ入力されている駆動信号IJTがオン状態であるか否かを判定する。駆動信号IJTがオン状態になり駆動信号IJTの立ち上がりエッジ（図５（ａ）中の符号ｔ１参照）を検出すると（Ｓ１：ＹＥＳ）、続くステップＳ２において放電スイッチＳＷ２をオフにする（この処置の理由については後述する）と同時に、ステップＳ３において、図７に示すブロックＢ９のデータに基づきトリガ信号TRGGを生成する。
【００５９】
このトリガ信号TRGGは、充電スイッチＳＷ１のオンタイミングを決定するための信号であり、トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジで充電スイッチＳＷ１がオンする。つまり、ブロックＢ９に記憶されているデータは、１回の充電期間（図５に示すｔ１〜ｔ５の期間）における充電スイッチＳＷ１のオンタイミングをスケジューリングしているデータと言える。本実施形態のブロックＢ９のデータは、等間隔の周期で充電スイッチＳＷ１をオンさせるようにスケジューリングしているが、不等間隔の周期であっても構わない。１回の充電では少なくとも３回以上充電スイッチＳＷ１をオンさせている。なお、ブロックＢ９のデータは、イニシャライズ時にマイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ転送されたデータであり、マイクロコンピュータ２１からのクロック信号timeに基づいてトリガ信号TRGGは生成される。
【００６０】
続くステップＳ４では、ステップＳ３にて生成したトリガ信号TRGGがオン状態であるか否かを判定する。トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジ（図５（ｃ）参照）が検出されてトリガ信号TRGGがオン状態になると（Ｓ４：ＹＥＳ）、続くステップＳ５において充電スイッチＳＷ１をオンにする。
【００６１】
続くステップＳ６では、後に詳述するブロックＢ１〜Ｂ８により、先述の閾値Ｑth（図５（ｂ）参照）を算出する。続くステップＳ７では、シャント抵抗Ｒ１を流れる電流を積分して得られた電荷量Ｑactが、ステップＳ６にて算出した電荷の閾値Ｑthを超えたか否かを判定する。電荷量Ｑactが閾値Ｑthを超えたと判定された場合（Ｓ７：ＹＥＳ）には、続くステップＳ８にて充電スイッチＳＷ１をオフさせる。
【００６２】
続くステップＳ９では、駆動信号IJTのオン立ち上がり時点ｔ１（図５（ａ）参照）から所定時間が経過してｔ５時点に達したか否かが判定される。ステップＳ３〜Ｓ８による充電スイッチＳＷ１のオン・オフが繰り返された後、ｔ５に達した時点（Ｓ９：ＹＥＳ）で、図６に示す一連の充電処理を終了する。但し、ｔ５に達していなかったとしても、ブロックＢ９のトリガ信号TRGGのオン生成が終了していれば、ｔ５よりも前の時点ｔ４で充電処理は終了していることになる。なお、シャント抵抗Ｒ１を流れた電流を積分器で積分演算して得られた電荷量Ｑactの値は、トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジ時点ｔ１又は所定時間経過時点ｔ５に積分器がリセットされることによりゼロとなる。
【００６３】
（放電処理の制御手順）
マイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ入力されている駆動信号IJTがオフになると、その時点ｔ６から放電処理を開始し、放電処理開始から所定時間が経過してｔ７時点に達すると放電処理を終了する。より詳細に説明すると、先ずｔ６時点にて駆動信号IJTの立ち下がりエッジを検出すると、放電スイッチＳＷ２をオンさせる（図５（ｄ）参照）。放電スイッチＳＷ２のオンに伴いピエゾ電流（シャント抵抗は図示せず）が下降して電流閾値Ｉth1よりも低くなると（図５（ｅ）参照）、放電スイッチＳＷ２をオフさせる。
【００６４】
その後、放電スイッチＳＷ２のオフに伴いピエゾ電流が上昇して電流閾値Ｉth2よりも高くなると、放電スイッチＳＷ２を再びオンさせる。このように放電スイッチＳＷ２のオン・オフを繰り返してピエゾ素子ＰＥの電荷を放電することで、ピエゾ電圧が徐々に降下していく（図５（ｆ）参照）。ある程度までピエゾ電圧が降下すると、充放電コイルＬ１の両端電位差が少なくなるため、ピエゾ電流が閾値Ｉth1を越えるほどには低下しなくなる。そこで、放電スイッチＳＷ２のオン時間が所定時間を経過した場合には、放電スイッチＳＷ２を強制的にオフさせることで、スイッチングを可能にしている。
【００６５】
放電処理の終了時点ｔ７でピエゾ素子ＰＥに残ってしまう残電荷は、その終了時点ｔ７で放電スイッチＳＷ２をオンしたままにすることで、完全に電荷を放電させる。したがって、次回に駆動信号IJTの入力があったときには、図６のステップＳ２で説明したように、まず放電スイッチＳＷ２をオフさせる。
【００６６】
（閾値Ｑthの算出手順）
ところで、バッファコンデンサＣ１から放出されるエネルギは、エネルギ保存則にしたがってピエゾ素子ＰＥに充電される。したがって、充電エネルギＥは、バッファコンデンサＣ１の放出エネルギと同じであると言えるため、次の式２で算出することができる。なお、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥに流れるバッファコンデンサ電流をＩC1、バッファコンデンサ電圧をＶC1とする。
Ｅ＝∫（ＶC1×ＩC1）ｄｔ…（式２）。
【００６７】
そして、先述の如く、バッファコンデンサＣ１の容量は、ピエゾ素子ＰＥへの１回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しない容量に設定されているため、バッファコンデンサ電圧ＶC1は略一定であると言える。よって、上記式２は次の式３に変形できる。
Ｅ＝ＶC1×∫ＩC1ｄｔ…（式３）。
【００６８】
式３中のｄｔは充電スイッチＳＷ１のオン時間であるため、式３中の∫ＩC1ｄｔの項は、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥに流れる電荷量Ｑactであると言える。つまり、上記式３は次の式４に変形できる。
Ｅ＝ＶC1×Ｑact…（式４）。
【００６９】
式４中のバッファコンデンサ電圧ＶC1は略一定であるため、充電エネルギＥは電荷量Ｑactにより一義的に決定される値であると言える。したがって、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥへ放出される電荷量Ｑactを閾値Ｑthにより制御するということは、ピエゾ素子ＰＥへの充電エネルギを制御していると言える。そのため、シャント抵抗Ｒ１にてバッファコンデンサ電流ＩC1を検出すれば、エネルギは実際に計測しなくとも充電エネルギＥを容易に把握することができる。
【００７０】
以上の点を鑑み、本実施形態では充電処理で用いる閾値Ｑthを次の如く算出している。つまり、図６の充電処理では、ｔ１〜ｔ５による１回の充電によりピエゾ素子ＰＥに投入される充電エネルギＥが目標エネルギＥtrgとなるよう、充電スイッチＳＷ１のオン・オフ作動をオープン制御している。目標エネルギEtrgは、主にレール圧ＰＣに基づき算出されるとともに、さらにはピエゾインジェクタＰＩの個体情報及び温度特性等に基づき補正される。そして、１回の充電量が目標エネルギＥtrgとなるよう閾値Ｑthを算出している。
【００７１】
閾値Ｑthの算出手法を、図７のブロックＢ１〜Ｂ８を用いてより具体的に説明すると、先ずブロックＢ１において、レール圧ＰＣ及びピエゾインジェクタＰＩの個体情報に基づき、マップを用いて目標エネルギＥtrgに対するベース値Ｅbasを算出する。ピエゾ素子ＰＥの伸長力が高圧燃料から背圧制御バルブ１３が受ける力を上回った時点で開弁作動を開始することは前述した通りである。そのため、図９に示すように、レール圧ＰＣが高いほど開弁作動開始に必要な伸長力は大きくなる。したがって、レール圧ＰＣの所定領域においては、レール圧ＰＣが高いほどベース値Ｅbasを高く設定している。また、ピエゾインジェクタＰＩの個体差に応じてレール圧ＰＣに対するベース値Ｅbasの値を変更させている。
【００７２】
なお、ブロックＢ１，Ｂ５等で用いる個体差情報は、車両を市場に出荷する前の製造工程時にて予め計測しておき、先述したＱＲコード１０ｊに記憶させておくことが望ましいが、車両運転中に各種検出値に基づき推定するようにしてもよい。
【００７３】
ピエゾインジェクタＰＩの伸長量は、充電エネルギＥが同じであってもその時のピエゾ素子温度ＴＰ’によって異なる。そこで、ブロックＢ６ではピエゾ素子温度ＴＰ’に基づきマップを用いて補正量ΔＥを算出し、ブロックＢ２では、補正量ΔＥをベース値Ｅbasに加算することで最終的な目標エネルギＥtrgを算出する。
【００７４】
ブロックＢ６で用いるピエゾ素子温度ＴＰ’は、ブロックＢ４，Ｂ５において、別途算出されたピエゾ素子ＰＥの容量Ｃｐ及びピエゾインジェクタＰＩの固体情報に基づき、マップを用いて推定される。具体的には、ピエゾ容量Ｃｐは温度に依存して変化する特性があるため、ピエゾ容量Ｃｐに基づきピエゾ素子温度ＴＰをブロックＢ４にて推定することができる。ブロックＢ４にて推定されたピエゾ素子温度ＴＰは、ピエゾインジェクタＰＩの個体情報による値がブロックＢ５にて乗算されることで補正される。
【００７５】
閾値Ｑthを制御することで充電エネルギＥを制御することは上述した通りである。そこでブロックＢ３，Ｂ７，Ｂ８では、ブロックＢ２で算出した目標エネルギＥtrgを、図６のステップＳ７の処理で用いる閾値Ｑthに変換する。具体的には、閾値Ｑthに対するベース値ＱbasをブロックＢ７で決定し、目標エネルギＥtrgに基づきマップを用いてゲインＫgainをブロックＢ３で算出する。そして、ブロックＢ８においてベース値ＱbasにゲインＫgainを乗算することで、閾値Ｑthを算出する。
【００７６】
ここで、ノズルニードル１１をニードルシート部１０ｂから離座させて噴射口１０ｉを開弁させるべく、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅから離座するタイミング（開弁作動を開始するタイミング）は、ピエゾ素子ＰＥへの充電を開始したタイミングとは一致しない。つまり、充電を開始してピエゾ素子ＰＥの伸長力が徐々に上昇していき、その伸長力が、高圧燃料通路６の高圧燃料から背圧制御バルブ１３が受ける力を上回った時点で上側バルブシート部１０ｅから離座し、開弁作動を開始することとなる。
【００７７】
したがって、ピエゾ素子ＰＥへの充電開始に伴い段階的に上昇するピエゾ電圧が、閾値Ｖth（図５（ｆ）中の一点鎖線参照）を超えた時点で、背圧制御バルブ１３は開弁作動を開始することとなる。この閾値Ｖthは、背圧制御バルブ１３に開弁作動を開始させるのに必要な電圧であると言える。
【００７８】
ところが、閾値Ｖthは、以下に例示される各種要因によって異なる値となる。
・高圧燃料圧力が高いほど高圧燃料から背圧制御バルブ１３等を介してピエゾ素子ＰＥが受ける荷重が大きくなる。すると、背圧制御バルブ１３の開弁作動開始に要する力が大きくなるので、閾値Ｖthは高くなる。
・ピエゾ素子ＰＥの温度によってピエゾ素子ＰＥの静電容量が変化するので、ピエゾ素子ＰＥに投入する充電エネルギが同じであってもその温度によって閾値Ｖthは変化する。
・背圧制御バルブ１３のうち高圧燃料圧力を受ける部分の受圧面積はピエゾインジェクタＰＩの個体間で異なる。また、ノズルニードル１１及び大径ピストン１６等の各種摺動抵抗はピエゾインジェクタＰＩの個体間で異なる。そして、このようなピエゾインジェクタＰＩの個体差に起因して、閾値Ｖthに個体差が生じる。
【００７９】
そして、このように閾値Ｖthがばらつくことに起因して、背圧制御バルブ１３が開弁作動を開始するタイミングにはばらつきが生じ得る。すると、ノズルニードル１１の開弁作動タイミング（噴射開始タイミング）にばらつきが生じることとなり、ひいては噴射口１０ｉからの燃料噴射タイミングがばらつくこととなる。
【００８０】
この問題に対し本発明者らは、複数回のピエゾ電流上昇のうち２回目以降の特定回数目（図５の例では３回目）の上昇に係る充電量を、特定回数目の１回前（図５の例では２回目）の充電量よりも大きくさせることを想起した。換言すれば、３回目の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度（電圧傾斜ａ３）を、２回目の電流上昇に伴うピエゾ電圧の上昇速度（電圧傾斜ａ２）よりも速くすれば（急峻にすれば）、閾値Ｖthのばらつき量Ｖσ（図８参照）に対する開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσ１，Ｔσ２を、符合Ｔσ１に示すように小さくできる。
【００８１】
この点に着目して本実施形態では、電荷閾値ＱthをブロックＢ７にて可変設定しており、特定回数目のピエゾ電流上昇時の電荷閾値Ｑthの値を、特定回数目より前（図５の例では１回目及び２回目）の電流上昇時の値よりも大きくしている。これによれば、図１０に示すように特定回数目（３回目）の通電によりピエゾ素子ＰＥへ単位時間当りに流れた電荷量Ｑact（つまり平均電荷速度）は、１回目及び２回目より多い（図１０参照）。以上により、特定回数目の電圧傾斜ａ３（図５（ｆ）参照）を、それより前（１回目及び２回目）の電圧傾斜ａ１，ａ２よりも急峻にさせることを実現させている。そのため、背圧制御バルブ１３の開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσを小さくでき、ひいては噴射口１０ｉからの燃料噴射タイミングのばらつきを小さくできる。
【００８２】
ここで、閾値Ｖthのばらつき量Ｖσが、特定回数目の電圧傾斜ａ３の範囲内に存在するよう設定できれば、次の効果が奏される。すなわち、仮に、隣り合う複数の電圧傾斜ａ３，ａ４に跨ってばらつき幅Ｔσが存在する場合には、ピエゾ電流が下降する期間を含むこととなる。すると、この期間はピエゾ電圧が殆ど上昇しないため、開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσが前記期間の分だけ大きくなるので、噴射口１０ｉからの燃料噴射タイミングが大きくばらつくこととなる。
【００８３】
これに対し、本実施形態では、特定回数目の平均電荷速度を、２回目以降の通電の中で最も大きくしているので（図１０参照）、特定回数目でピエゾ電圧が閾値Ｖthを越えるようにする確実性を向上できる。よって、開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσが前記期間分だけ大きくなることを回避できるので、燃料噴射タイミングのばらつき増大を回避できる。
【００８４】
ちなみに、３回目以降の電荷閾値Ｑthを一定の大きさにしており、充電スイッチＳＷ１のスイッチング１回当りの充電エネルギを３回目以降で同一にしているにも拘わらず、図１０に示すように平均電荷速度は徐々に低下する。これは、回を追う毎にピエゾ電圧が徐々に上昇し、この電圧上昇にしたがってピエゾ電流が徐々に減少するからである。
【００８５】
また、本実施形態に反し、１回目のスイッチングによる充電でピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えるように設定すると、１回目充電時におけるピエゾ電流が極端に高くなることは、式１を用いて先に説明した通りである。これに対し本実施形態によれば、ピエゾ電圧が閾値Ｖthを超える時期が２回目充電時以降（３回目充電時）となるよう、電荷閾値ＱthをブロックＢ７にて可変設定するので、ピエゾ電流のピーク値を低減できる。これにより、駆動回路２３内の各種抵抗部分における電力損失（損失Ｗ＝Ｉ2Ｒ）の著しい増大を回避できるとともに、背圧制御バルブ１３が急激に開弁作動して下側バルブシート部１０ｇに衝突することによる騒音発生を抑制できる。
【００８６】
さらに本実施形態によれば、ブロックＢ９に記憶されているデータにより、充電スイッチＳＷ１のオンタイミングをスケジュール管理しており、特定回数目における電流上昇の開始時期が予め設定した時期となるよう充電スイッチＳＷ１のオンタイミングを制御する。そのため、開弁作動開始タイミングのばらつき幅Ｔσ１が特定回数目の電圧傾斜ａ３の範囲内に存在することの確実性を向上でき、ひいては、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えることの確実性を向上できる。
【００８７】
（第２の実施形態）
ところで、上記ブロックＢ９のデータは、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅから離座する開弁作動開始タイミング（以下、「開弁時刻」と呼ぶ）のばらつき幅Ｔσ１が特定回数目の電圧傾斜ａ３の範囲内に存在するよう製造工程時の試験に基づき設定されているが、ピエゾインジェクタＰＩの経年劣化によりばらつき幅Ｔσ１の存在位置がずれてくると、隣り合う複数の電圧傾斜ａ３，ａ４に跨ってばらつき幅Ｔσが存在するおそれが生じる。上記経年劣化の具体例としては、背圧制御バルブ１３、ボディ１０の上側バルブシート部１０ｅ、下側バルブシート部１０ｇや、ノズルニードル１１等の磨耗が挙げられる。
【００８８】
この問題に対し本実施形態では、実際の開弁時刻を検出する手段（図示せず）を備えている。そして、検出した開弁時刻とその目標時刻との偏差に応じて、目標エネルギＥtrgに対するベース値Ｅbasを補正することで、ばらつき幅Ｔσ１の存在位置が特定回数目の電圧傾斜ａ３の範囲内に存在するようにフィードバック制御する。
【００８９】
開弁時刻を検出する手段として、本実施形態では、開弁時刻と相関のある物理量としてピエゾ素子ＰＥにかかる荷重（以下「ピエゾ荷重」と呼ぶ）を検出している。図１１は、上記相関を示すタイミングチャートであり、（ａ）は駆動信号IJTのオン・オフ変化、（ｂ）はピエゾ電流の変化、（ｃ）はピエゾ電圧の変化、（ｄ）はピエゾ素子ＰＥの変位（伸長）量の変化、（ｅ）はピエゾ荷重の変化、（ｆ）は背圧制御バルブ１３のリフト量変化をそれぞれ示す。
【００９０】
図１１に示すように、充電開始ｔ１時点からピエゾ電圧が段階的に上昇することに伴い、ピエゾ荷重が上昇する。すると、ある時点でピエゾ素子ＰＥが伸長を開始する。この伸長開始の後、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅから離座した時点（開弁時刻ｔopen）で、ピエゾ荷重の値はピークとなる。その後、背圧制御バルブ１３が下側バルブシート部１０ｇから着座するまでの間（ｔopen〜ｔ３の間）、ピエゾ荷重の値は下降し、下側バルブシート部１０ｇに着座すると再びピエゾ荷重は上昇する。
【００９１】
このように、開弁時刻が予想される範囲（ｔ１〜ｔ３）内において、ピエゾ荷重のピーク値が出現する時刻と開弁時刻ｔopenとは相関があり、ほぼ一致する。よって、開弁時刻予想範囲ｔ１〜ｔ３の期間にピエゾ荷重を検出することで、実際の開弁時刻ｔopenを検出する。具体的には、ＡＤコンバータ及びＤＳＰ２４（図３参照）を用いて、ピエゾ荷重の検出値を開弁時刻ｔopenに変換する処理を行う。図１１（ｅ）中の黒丸はピエゾ荷重の検出値を示しており、開弁判定領域ｔ１〜ｔ３において所定周期でピエゾ荷重を検出している。
【００９２】
ピエゾ荷重検出手段の一例として、多数のピエゾ素子ＰＥを積層してピエゾスタック（積層体）が構成されている場合において、そのピエゾスタックを構成する１つのピエゾ素子を荷重検出手段として利用することが挙げられる。
【００９３】
図１２は、本実施形態に係る制御ＩＣ２２のブロック図であり、第１実施形態に係る図７のブロック図に対して、上記フィードバック制御を実行するためのブロックＢ１０，Ｂ１１，Ｂ１２を追加している。先ずブロックＢ１０では、検出した開弁時刻ｔopenとその目標時刻Ｔtrgとの偏差を算出する。ブロックＢ１１では、ブロックＢ１０にて算出した偏差に基づきマップを用いて補正量ΔＥ２を算出する。ブロックＢ１１のマップでは、検出した実際の開弁時刻ｔopenが目標時刻Ｔtrgに対して遅いほど、目標エネルギＥtrgを増大させるように補正量ΔＥ２を設定している。なお、偏差の値がゼロ近傍であれば補正量ΔＥ２をゼロとするとともに、補正量ΔＥ２に上限及び下限を設けている。
【００９４】
ブロック２では、ブロックＢ１１にて算出した補正量ΔＥ２をブロックＢ１２にて積分演算した値と、ブロックＢ６で算出された補正量ΔＥとを、ブロックＢ１にて算出したベース値Ｅbasに加算することで、最終的な目標エネルギＥtrgを算出する。
【００９５】
以上により、本実施形態によれば、実際の開弁時刻ｔopenと目標時刻Ｔtrgとの偏差がゼロに近づくようフィードバック制御するので、ピエゾインジェクタＰＩが経年劣化しても、開弁時刻ｔopenのばらつき幅Ｔσ１を特定回数目の電圧傾斜ａ３の範囲内に存在させることを容易に実現でき、ひいては、特定回数目の電流上昇時にピエゾ電圧が閾値Ｖthを超えることの確実性を向上できる。
【００９６】
（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００９７】
・上記各実施形態では、複数回のピエゾ電流上昇のうち充電量（平均電荷速度）を最大にする特定回数目を３回目に設定しているが、２回目以降であれば何回目に設定してもよい。但し、あまり遅い回数目に設定すると、駆動信号IJTのオン立ち上がり時点ｔ１に対する開弁時刻ｔopenが遅くなり過ぎてしまい、噴射指令に対する噴射時期の応答性を十分に確保できなくなるため、特定回数目を２〜４回目に設定することが望ましい。
【００９８】
・特定回数目における電圧傾斜ａ３を全ての電圧傾斜の中で最大にすることに限らず、特定回数目までの各電圧傾斜ａ１，ａ２，ａ３の中で特定回数目の電圧傾斜ａ３を最大に設定し、特定回数目より後の電圧傾斜ａ４を特定回数目の電圧傾斜ａ３より大きく設定してもよい。
【００９９】
・上記各実施形態では、特定回数目の電圧傾斜ａ３をそれより前の全て（１回目及び２回目）の電圧傾斜ａ１，ａ２よりも急峻にさせているが、本発明は、特定回数目の電圧傾斜ａ３をその１回前の電圧傾斜ａ２よりも急峻にさせていればよく、２回前以前（１回目）の電圧傾斜ａ１よりも急峻にさせることに限定されるものではない。
【０１００】
・充電スイッチＳＷ１のオントリガに関し、上記各実施形態ではブロックＢ９でスケジューリングされた充電スイッチＳＷ１のオンタイミングを等間隔に設定しているが、不等間隔に設定してもよい。また、上記各実施形態では複数回の全てのオントリガをブロックＢ９でスケジューリングしているが、本発明の実施にあたり、特定回数目のオントリガのみをスケジューリングし、他の回数目の充電スイッチＳＷ１オンについては、下降するピエゾ電流の値がゼロになったことをオントリガとする等、成り行きでオンさせるようにしてもいい。
【０１０１】
・上記第２実施形態では、開弁時刻ｔopenと相関のある物理量としてピエゾ荷重を検出しているが、ピエゾ荷重を検出する他に、ピエゾ素子ＰＥの変位量や、背圧制御バルブ１３のリフト量を検出することが挙げられる。すなわち、充電に伴い伸長するピエゾ素子ＰＥの変位量が所定の閾値αth（図１１（ｄ）参照）に達した時点は、開弁時刻ｔopenとほぼ一致する。また、充電に伴い下側バルブシート部１０ｇに向けてリフトする背圧制御バルブ１３のリフト量が所定の閾値βth（図１１（ｆ）参照）に達した時点は、開弁時刻ｔopenとほぼ一致する。
【０１０２】
・上記各実施形態では、駆動回路２３をバッファコンデンサＣ１及び充電スイッチＳＷ１等から構成し、バッファコンデンサＣ１からの電荷放出（ピエゾ素子ＰＥへの充電エネルギ）を１回の充電期間（図５に示すｔ１〜ｔ５の期間）に充電スイッチＳＷ１を複数回オン・オフさせることで制御している。本発明はこのようなマルチスイッチ方式の駆動回路２３に限られるものではなく、例えば、トランスへの一次電流をスイッチング制御することで、トランスの二次電流によりピエゾ素子ＰＥへ充電されるエネルギを制御する方式の駆動回路であってもよい。また、ＬＣ共振回路による複数回のＬＣ共振でピエゾ素子ＰＥへ充電する方式の駆動回路であってもよい。
【０１０３】
・上記第２実施形態では、ピエゾインジェクタＰＩの経年劣化に対応すべくフィードバック制御を行っているが、このフィードバック制御に替えて、例えば、充電スイッチＳＷ１等の作動回数に基づき補正量ΔＥ２を設定してもよい。これによれば開弁時刻ｔopenの検出を不要にしつつ上記経年劣化に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるエンジンシステムの全体構成を示す図。
【図２】同実施形態にかかるピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。
【図３】同実施形態にかかる制御ユニット２０の構成を示す図。
【図４】同実施形態にかかる駆動回路の構成を示す図。
【図５】同実施形態にかかる充電処理及び放電処理を実行した時のタイミングチャート。
【図６】同実施形態にかかる充電処理の手順を示すフローチャート。
【図７】同実施形態にかかる制御ＩＣのブロック図。
【図８】充電処理時の電圧傾斜を急峻にすることの効果を説明する図。
【図９】開弁作動開始に必要な伸長力とレール圧ＰＣとの関係を説明する図。
【図１０】同実施形態の充電処理にかかる平均電荷速度の推移を示す図。
【図１１】本発明の第２実施形態にかかる充電処理及び放電処理を実行した時のタイミングチャート。
【図１２】第２実施形態にかかる制御ＩＣのブロック図。
【符号の説明】
【０１０５】
１０ｉ…噴射口、１１…ノズルニードル（弁体）、１３…背圧制御バルブ（開閉機構）、２２…制御ＩＣ（充電回路）、２３…駆動回路（充電回路）、ＰＩ…ピエゾインジェクタ（燃料噴射弁）、ＰＥ…ピエゾ素子。
【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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