(57)【要約】【課題】電源の電気エネルギをインダクタを用いてピエゾ素子に投入するエネルギ投入制御の制御性を高く維持することが困難なこと。【解決手段】コンデンサ６２の高電位となる端子側は、充電スイッチ６４、充放電コイル６６、ダイオード７０ａを介してピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側と接続され、ピエゾ素子ＰＥの低電位となる端子側は接地されている。充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥの接続点は、短絡スイッチ７４、抵抗体７３を介して接地されており、充電スイッチ６４及び充放電コイル６６の接続点と抵抗体７３との間には、ダイオード７５が接続されている。充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４を同時にオン操作することで充放電コイル６６に蓄えられたエネルギを、これらのオフ操作によってピエゾ素子ＰＥに投入する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源の電気エネルギをインダクタを用いてピエゾ素子に投入するピエゾ素子のエネルギ投入装置において、
前記電源及び前記インダクタを含むループ回路について、該ループ回路を閉ループ化することで、前記電気エネルギの投入を制限しつつ前記電源から前記インダクタに電流を流し、前記ループ回路を開ループ化することで、前記閉ループ化によって前記インダクタに蓄えられた電気エネルギを前記ピエゾ素子に投入することを特徴とするピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項２】
前記ループ回路の閉ループ化によって前記インダクタに蓄えられた電気エネルギは、前記ループ回路の閉ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記ピエゾ素子の下流の端子側から前記インダクタの上流の端子側へと進む方向を順方向とする整流手段と、前記インダクタと、前記ピエゾ素子とを備えて構成される回路を用いて前記ピエゾ素子に投入されることを特徴とする請求項１記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項３】
前記ピエゾ素子への投入エネルギ量を、前記開ループ化直前に前記ループ回路を流れる電流に基づき制御することを特徴とする請求項１又は２記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項４】
前記電気エネルギの投入は、前記ループ回路の閉ループ化及び開ループ化を複数回繰り返すことで行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項５】
前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替える際に前記インダクタに蓄えられているエネルギ量を、前記閉ループ化及び前記開ループ化が繰り返される過程で変更することを特徴とする請求項４記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項６】
前記ループ回路を開ループ状態から閉ループ状態へと切り替えるタイミングが、予め規定されていることを特徴とする請求項４又は５記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項７】
前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替えるタイミングは、前記ループ回路を流れる電流に基づき決定されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項８】
前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替えるタイミングは、前記ループ回路の閉ループ時間に基づき決定されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項９】
前記電源、前記充電スイッチ、前記インダクタ、及び前記ループ回路の閉ループ状態時の電流の流動方向を基準として前記インダクタの下流側の端子と前記電源の下流側の端子とに接続される短絡スイッチを備える前記ループ回路と、
前記ループ回路の開ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記ピエゾ素子の下流の端子側から前記インダクタの上流の端子側へと進む方向を順方向とする整流手段と、
前記充電スイッチのオン操作に同期して前記短絡スイッチをオン操作する同期手段とを備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項１０】
前記ピエゾ素子の前記下流側の端子と前記インダクタの前記上流側の端子とに接続される放電スイッチと、前記充電スイッチに並列接続されて且つ前記ピエゾ素子側から前記電源側へと進む方向を順方向とする整流手段とを備える放電回路を備え、
前記短絡スイッチは、前記放電回路の放電処理後に前記ピエゾ素子の残存電荷を放電させる際に流用されることを特徴とする請求項９記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項１１】
前記ループ回路の開ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記インダクタの下流の端子及び前記電源の上流の端子間に接続されて且つ、前記インダクタ側から前記電源側へと進む方向を順方向とする整流手段を更に備えることを特徴とする請求項９又は１０記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項１２】
前記ピエゾ素子は、ピエゾインジェクタ内に搭載されるものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のピエゾ素子のエネルギ投入装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のエネルギ投入装置と、
前記ピエゾインジェクタとを備えることを特徴とするピエゾインジェクタの駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源の電気エネルギをインダクタを用いてピエゾ素子に投入するピエゾ素子のエネルギ投入装置及びこれを搭載するピエゾインジェクタの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関においては、排気特性の向上や騒音の抑制等を目的として、１燃焼サイクル内にて複数回の燃料噴射を行ういわゆる多段噴射制御を行うことが周知である。多段噴射制御においては、極微少量の燃料噴射が含まれることなどに起因して、燃料噴射弁に対して高速動作性能が要求される。こうした状況下、応答性に優れたピエゾインジェクタが注目されている。
【０００３】
ただし、ピエゾインジェクタに搭載されるピエゾ素子は、温度に応じて電気的な性質が大きく変化するため、同一の電気的な操作にかかわらず、ピエゾ素子の伸縮量が温度に依存して大きく変動するおそれがある。
【０００４】
そこで従来は、例えば下記特許文献１に見られるように、ピエゾ素子に対する充電処理において、投入されるエネルギ量を一定とすることも提案されている。これは、同一の投入エネルギ量に対しては、ピエゾ素子の温度によらずピエゾ素子の伸縮量が略一定となることに鑑みてなされるものである。また、下記特許文献２に見られるように、降圧チョッパ制御にてピエゾ素子に対する充電処理を行うに際して、スイッチング素子のオン操作時間を１回の充電処理期間に渡って同一として且つ、ピエゾ素子を流れる電流がゼロとなるまでの期間をスイッチング素子のオフ期間とすることも提案されている。これにより、充電処理期間においてピエゾ素子に投入されるエネルギを略一定とすることができ、ひいては投入エネルギ量を所望に制御することができる。
【特許文献１】特開２００５−１３０５６１号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
ところで、ピエゾ素子の伸長開始時には作動音が大きくなることなどから、燃料噴射時の騒音の低減の観点から、ピエゾ素子の伸長開始時のエネルギ投入量を低減するという要求がある。ここで、上記特許文献２の手法においてエネルギ投入速度を充電開始時に遅くすべく、上記オン操作時間を、充電初期に短くし、その後伸長させることが考えられる。ただし、上記充電処理にあっては、同一のエネルギを投入する場合であっても、ピエゾ素子の温度等に応じてオン操作回数が変化するために、エネルギ投入速度を変化させる際のエネルギ投入量を特定することは困難である。また、スイッチング素子のオン操作回数を予め固定することも考えられるが、この場合、ピエゾ素子に投入されるエネルギ量を適切に制御することが困難となる。
【０００６】
なお、上記エネルギ投入速度を変化させる要求としては、上述したものに限らない。また、エネルギ投入速度を変化させる制御に限らず、ピエゾ素子に投入するエネルギを制御するうえでは、上記従来の技術は未だ改良の余地を残すものとなっている。
【０００７】
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、電源の電気エネルギをインダクタを用いてピエゾ素子に投入する制御をより適切に行うことのできるピエゾ素子のエネルギ投入装置及びこれを搭載するピエゾインジェクタの駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
請求項１記載の発明は、電源の電気エネルギをインダクタを用いてピエゾ素子に投入するピエゾ素子のエネルギ投入装置において、前記電源及び前記インダクタを含むループ回路について、該ループ回路を閉ループ化することで、前記電気エネルギの投入を制限しつつ前記電源から前記インダクタに電流を流し、前記ループ回路を開ループ化することで、前記閉ループ化によって前記インダクタに蓄えられた電気エネルギを前記ピエゾ素子に投入することを特徴とする。
【００１０】
上記発明では、ループ回路の閉ループ化によりインダクタに蓄えれるエネルギを、ピエゾ素子に投入する。この際に投入されるエネルギ量、すなわち、開ループ化直前にインダクタに蓄えられているエネルギ量は、開ループ化直前のインダクタの電流量に応じて定まる。このため、開ループ化直前においてループ回路を流れる電流量によって、ピエゾ素子への投入エネルギ量を高精度に制御することができる。このため、ピエゾ素子へのエネルギ投入制御を適切に行うことができる。
【００１１】
しかも、インダクタに蓄えられるエネルギを直接ピエゾ素子に投入するため、トランス等を用いる必要もなく、ピエゾ素子にエネルギを投入するための回路の大型化を回避することもできる。なお、インダクタに蓄えられるエネルギを直接ピエゾ素子に投入するための構成は、「前記電気エネルギの投入時において前記インダクタが前記ピエゾ素子と電気的に接続されることを特徴とする」ものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ループ回路の閉ループ化によって前記インダクタに蓄えられた電気エネルギは、前記ループ回路の閉ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記ピエゾ素子の下流の端子側から前記インダクタの上流の端子側へと進む方向を順方向とする整流手段と、前記インダクタと、前記ピエゾ素子とを備えて構成される回路を用いて前記ピエゾ素子に投入されることを特徴とする。
【００１３】
ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと移行させる際には、インダクタを流れている電流が急激に減少するのを回避するような起電力がインダクタに生じる。このため、電源との電気的な接続が遮断されたとしても、インダクタを含む閉状態の回路があるなら、上記起電力によって電流が流れる。この点、上記発明では、整流手段を備えることで、上記ループ回路を開ループ化する際に電流を流すための回路を適切に構成することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記ピエゾ素子への投入エネルギ量を、前記開ループ化直前に前記ループ回路を流れる電流に基づき制御することを特徴とする。
【００１５】
開ループ化直後にインダクタに蓄えられている電気エネルギ量は、開ループ化直前にインダクタに流れている電流によって定まる。上記発明では、この点に着目し、投入エネルギ量を高精度に制御することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記電気エネルギの投入は、前記ループ回路の閉ループ化及び開ループ化を複数回繰り返すことで行われることを特徴とする。
【００１７】
上記発明では、ピエゾ素子の一回の充電処理（一回の伸長処理）において、上記ループ回路の開ループ化及び閉ループ化が複数回繰り返される。このため、充電処理期間におけるピエゾ素子への投入エネルギ速度を高精度に制御することが可能となる。また、ピエゾ素子へのエネルギ投入速度を充電処理（伸長処理）の過程で変更することも可能となる。特に、上記発明によれば、一回の開ループ化による投入エネルギ量を高精度に制御することができるため、ピエゾ素子にすでに投入されたエネルギ量についての都度の値に応じてエネルギ投入速度を自由に設定することができる。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替える際に前記インダクタに蓄えられているエネルギ量を、前記閉ループ化及び前記開ループ化が繰り返される過程で変更することを特徴とする。
【００１９】
上記発明では、ピエゾ素子への１回の充電処理（１回の伸長処理）において、エネルギ投入速度を途中で変更する。このため、ピエゾ素子の充電処理（伸長処理）に課せられる様々な要求に適切に応じることが可能となる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項４又は５記載の発明において、前記ループ回路を開ループ状態から閉ループ状態へと切り替えるタイミングが、予め規定されていることを特徴とする。
【００２１】
上記発明では、前記ループ回路を開ループ状態から閉ループ状態へと切り替えるタイミングが予め規定されているために、ピエゾ素子の充電処理期間の各時間領域での投入エネルギの各別の制御が容易となる。
【００２２】
請求項７記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替えるタイミングは、前記ループ回路を流れる電流に基づき決定されることを特徴とする。
【００２３】
開ループ化直後にインダクタに蓄えられている電気エネルギ量、すなわちピエゾ素子に投入されるエネルギ量は、開ループ化直前にインダクタに流れている電流によって定まる。上記発明では、この点に着目し、ループ回路に流れる電流に基づき切り替えタイミングを決定することで、投入エネルギ量を高精度に制御することができる。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載の発明において、前記ループ回路を閉ループ状態から開ループ状態へと切り替えるタイミングは、前記ループ回路の閉ループ時間に基づき決定されることを特徴とする。
【００２５】
ループ回路を閉ループ化することでインダクタに流れる電流は、インダクタのインダクタンス等に依存して時間発展する。このため、閉ループ時間に基づき、開ループ化直前にインダクタを流れる電流量を制御することができ、ひいては、ピエゾ素子に投入されるエネルギ量を制御することができる。
【００２６】
なお、閉ループ時間にて開ループ化直前にインダクタに蓄えられるエネルギ量を高精度に制御するうえでは、前記ループ回路を構成して且つ開ループ状態時に電圧を生じる部材の電圧が、充電処理期間の間略一定であることを特徴とすることが望ましい。これにより、閉ループ時間が同一ならインダクタに流れる電流量を高精度に同一とすることができる。
【００２７】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明において、前記電源、前記充電スイッチ、前記インダクタ、及び前記ループ回路の閉ループ状態時の電流の流動方向を基準として前記インダクタの下流側の端子と前記電源の下流側の端子とに接続される短絡スイッチを備える前記ループ回路と、前記ループ回路の開ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記ピエゾ素子の下流の端子側から前記インダクタの上流の端子側へと進む方向を順方向とする整流手段と、前記充電スイッチのオン操作に同期して前記短絡スイッチをオン操作する同期手段とを備えることを特徴とする。
【００２８】
上記発明では、比較的簡易な回路構成で上記充電処理を実現することができる。
【００２９】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の発明において、前記ピエゾ素子の前記下流側の端子と前記インダクタの前記上流側の端子とに接続される放電スイッチと、前記充電スイッチに並列接続されて且つ前記ピエゾ素子側から前記電源側へと進む方向を順方向とする整流手段とを備える放電回路を備え、前記短絡スイッチは、前記放電回路の放電処理後に前記ピエゾ素子の残存電荷を放電させる際に流用されることを特徴とする。
【００３０】
上記発明では、比較的簡易な回路構成でピエゾ素子の充放電処理を適切に行うことができる。ただし、上記放電回路による放電処理によってはピエゾ素子の電荷を完全に抜くことは困難である。これに対し、インダクタの下流の端子とピエゾ素子の上流の端子との間を、電荷を完全に抜くためのスイッチを介して接地することで、ピエゾ素子の電荷を完全に抜くことが容易となる。ここで、上記発明では、このスイッチとして短絡スイッチを用いることで、部品点数の増加を抑制することができる。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、請求項９又は１０記載の発明において、前記ループ回路の開ループ状態時の電流の流動方向を基準として、前記インダクタの下流の端子及び前記電源の上流の端子間に接続されて且つ、前記インダクタ側から前記電源側へと進む方向を順方向とする整流手段を更に備えることを特徴とする。
【００３２】
インダクタ及びピエゾ素子間が断線している場合等には、開ループ状態時において、閉ループ状態時にインダクタに蓄えられたエネルギの流動が妨げられる。この点、上記発明では、整流手段を備えることで、こうした問題に対処することができる。
【００３３】
請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発明において、前記ピエゾ素子は、ピエゾインジェクタ内に搭載されるものであることを特徴とする。
【００３４】
ピエゾインジェクタは、その温度が大きく変動しえるため、ピエゾ素子の伸長制御に際しては、温度による制御性の低下が特に懸念される。この点、上記発明では、ピエゾ素子への投入エネルギ量を高精度に制御することができるため、ピエゾ素子の温度の変動にかかわらず伸長制御の制御性を高く維持することができる。
【００３５】
また、ピエゾインジェクタにあっては、騒音の低減要求等、伸長制御に際して様々な要求が生じえる。このため、請求項４記載の発明特定事項を備えることで、こうした要求に好適に応じることが可能となるため、上記請求項１２記載の発明は、請求項４記載の発明特定事項を備えるものの利用価値が特に大きい。
【００３６】
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載のエネルギ投入装置と、前記ピエゾインジェクタとを備えることを特徴とするピエゾインジェクタの駆動システムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるピエゾインジェクタの駆動システムを、コモンレール式の車載ディーゼル機関の備えるピエゾインジェクタの駆動システムに適用した第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００３８】
図１に、本実施形態における燃料噴射制御システムの全体構成を示す。
【００３９】
図示されるように、燃料タンク１０内の燃料は、燃料フィルタ１２を介して燃料ポンプ１３によって汲み上げられる。この燃料ポンプ１３は、ＳＣＶ（燃料調量弁１４）を備えており、燃料調量弁１４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。
【００４０】
燃料ポンプ１３からの燃料は、コモンレール１５に加圧供給（圧送）される。コモンレール１５は、燃料ポンプ１３から圧送された燃料を高圧状態で蓄え、これを高圧燃料通路１６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に供給する。ピエゾインジェクタＰＩは、低圧燃料通路１７と接続されており、低圧燃料通路１７を介して燃料を燃料タンク１０に戻すことが可能となっている。
【００４１】
ここで、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。
【００４２】
ピエゾインジェクタＰＩのボディ２０の先端には、円柱状のニードル収納部２２が設けられている。そして、ニードル収納部２２には、その軸方向に変位可能なノズルニードル２４が収納されている。ノズルニードル２４は、ボディ２０の先端部に形成されている環状のニードルシート部２６に着座することで、ニードル収納部２２を外部（ディーゼル機関の燃焼室）から遮断する一方、ニードルシート部２６から離座することで、ニードル収納部２２を外部と連通させる。また、ニードル収納部２２には、上記高圧燃料通路１６を介して高圧燃料が供給される。
【００４３】
ノズルニードル２４の背面側（ニードルシート部２６と対向する側の反対側）は、背圧室３０に対向している。背圧室３０には、高圧燃料通路１６からの燃料がオリフィス３２を介して供給される。また、背圧室３０には、ノズルニードル２４をニードルシート部２６側へ押すニードルスプリング３４が備えられている。
【００４４】
背圧室３０は、バルブ３６を介して上記低圧燃料通路１７に連通可能とされている。バルブ３６は、その背面側が、環状のバルブシート部４０に着座することで、低圧燃料通路１７と背圧室３０とを遮断し、ボディ２０の先端側へ変位することで、低圧燃料通路１７と背圧室３０とを連通させる。
【００４５】
バルブ３６のうちバルブシート部４０側は、プレッシャピン４２を介して小径ピストン４４と連結されている。小径ピストン４４の後部側は、小径ピストン４４よりも径の大きな大径ピストン４６の先端と対向している。そして、小径ピストン４４、大径ピストン４６、及びボディ２０の内周面によって変位伝達室４８が区画形成されている。変位伝達室４８には、例えば燃料等の適宜の流体が充填されている。
【００４６】
一方、大径ピストン４６は、そのボディ２０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４６と対向する側の裏面側がボディ２０に固定されている。
【００４７】
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等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。
【００４８】
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１６の高圧燃料により力が及ぼされることから、バルブ３６や小径ピストン４４はボディ２０の後方に位置することとなる。このとき、バルブ３６により背圧室３０と低圧燃料通路１７とは遮断されている。このため、背圧室３０内の燃料の圧力（コモンレール１５内の燃料の圧力）及びニードルスプリング３４の弾性力によって、ノズルニードル２４は、ボディ２０先端側へと押され、ニードルシート部２６に着座した状態(閉弁状態)となる。
【００４９】
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、バルブ３６は、ボディ２０の先端側へ移動する。これにより、背圧室３０が低圧燃料通路１７と連通される。その結果、背圧室３０内の燃料の圧力が低下し、ニードル収納部２２内の高圧燃料がノズルニードル２４をボディ２０の後方へ押す力が、背圧室３０内の燃料及びニードルスプリング３４がノズルニードル２４をボディ２０の前方へ押す力よりも所定以上大きくなると、ノズルニードル２４は、ニードルシート部２６から離座した状態（開弁状態）となる。
【００５０】
先の図１に示した燃料噴射制御システムは、コモンレール１５内の燃圧を検出する燃圧センサ５１等、ディーゼル機関の運転状態を検出する各種センサを備えている。
【００５１】
これら各種センサの検出結果は、制御装置５０に取り込まれる。そして、制御装置５０では、こうした検出値に基づき、ピエゾインジェクタＰＩ等、ディーゼル機関の各種アクチュエータを操作する。次に、制御装置５０の行なう処理のうち、特にピエゾインジェクタＰＩに設けられるピエゾ素子ＰＥの充電及び放電を行う処理について詳述する。
【００５２】
図３に、ピエゾインジェクタＰＩの備えるピエゾ素子ＰＥ及び制御装置５０の構成を示す。
【００５３】
ここでは、まずピエゾ素子ＰＥを駆動する駆動回路について説明する。図示されるように、バッテリＢａから供給される電力は、まず昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ６０に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０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「１５０〜３００Ｖ」）に昇圧する。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の昇圧電圧は、コンデンサ６２に印加される。コンデンサ６２は、その一方の端子がＤＣ／ＤＣコンバータ６０側に接続され、また他方の端子が抵抗体６３を介して接地されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の昇圧電圧がコンデンサ６２に印加されると、コンデンサ６２はピエゾ素子ＰＥに供給するための電荷を蓄える。ちなみに、コンデンサ６２は、ピエゾ素子ＰＥへの一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「数十〜数百μＦ」程度）を有するものであることが望ましい。
【００５５】
コンデンサ６２のうちの高電位となる端子側、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０側は、充電スイッチ６４と充放電コイル６６との直列接続体を介して、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側に接続されている。そして、ピエゾ素子ＰＥの低電位となる端子側は、接地されている。
【００５６】
詳しくは、各ピエゾ素子ＰＥと接地との間には、気筒選択スイッチ６８が接続されており、これにより、いずれの気筒のピエゾ素子ＰＥに対して充電処理を行うかを選択するようになっている。また、気筒選択スイッチ６８には、これと並列に、ピエゾ素子ＰＥ側をアノードとするダイオード６８aが接続されている。更に、４つの気筒に対応する４つのピエゾ素子ＰＥの並列回路は、各２つのピエゾ素子ＰＥの並列回路に分割され、これら各並列回路には、それぞれこれらと充放電コイル６６とを接続するバンク選択スイッチ７０が接続されている。このバンク選択スイッチ７０は、上記２つの並列回路のうちのどちらのピエゾ素子ＰＥに対して放電処理を行うかを選択する。また、バンク選択スイッチ７０は、複数気筒の同時噴射や、退避走行時に２気筒のみを用いることを可能とするスイッチである。更に、バンク選択スイッチ７０には、これと並列に、ピエゾ素子ＰＥ側をカソード側とするダイオード７０ａが接続されている。
【００５７】
充電スイッチ６４と充放電コイル６６との間には、放電スイッチ７２の一方の端子が接続されており、放電スイッチ７２の他方の端子は、抵抗体７３を介して接地されている。
【００５８】
放電スイッチ７２には、ダイオード７５が並列接続されている。ダイオード７５は、そのカソード側がコンデンサ６２及び充放電コイル６６との間に、またそのアノード側が接地側にそれぞれ接続されている。また、充放電コイル６６とバンク選択スイッチ７０との間と、上記抵抗体７３との間には、短絡スイッチ７４が接続されている。この短絡スイッチ７４は、コンデンサ６２、充電スイッチ６４、充放電コイル６６、ダイオード７５と共に、ピエゾ素子ＰＥを充電する充電処理回路を構成するものであり、上記ダイオード７５は、充電処理に際してフリーホイーリングダイオードとして機能する。
【００５９】
一方、充電スイッチ６４には、ダイオード７６が並列接続されている。ダイオード７６は、そのカソード側がコンデンサ６２側と、またそのアノード側が放電スイッチ７２側と接続されている。ダイオード７６は、コンデンサ６２、充放電コイル６６、放電スイッチ７２と共に、ピエゾ素子ＰＥの電荷を放電する昇圧チョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。
【００６０】
なお、充放電コイル６６とバンク選択スイッチ７０との間には、ダイオード８０と、抵抗体８２及び抵抗体８４の直列接続体とが、ピエゾ素子ＰＥに並列に接続されている。ここで、ダイオード８０は、ピエゾ素子ＰＥの電圧がマイナスになることを防止している。また、上記コンデンサ６２には、これと並列に、抵抗体８５及び抵抗体８６の直列接続体が接続されている。更に、充放電コイル６６のうちのピエゾ素子ＰＥ側と、コンデンサ６２のうち高電位となる端子側との間には、ピエゾ素子ＰＥ側からコンデンサ６２側へと進む方向を順方向とするダイオード７８が設けられている。これは、例えば充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥ間が断線した場合等において、充放電コイル６６に充電された電荷をコンデンサ６２に回収するためのものである。
【００６１】
上記制御装置５０は、上記駆動回路に加えて、マイクロコンピュータ（マイコン９４）と制御ＩＣ９２とを備えている。ここで、マイコン９４は、ディーゼル機関の運転状態等を検出する各種センサの検出値に基づき、ピエゾ素子ＰＥの変位量の制御条件を算出し、制御ＩＣ９２に出力する。制御ＩＣ９２は、マイコン９４から出力された制御条件に基づき、駆動回路を駆動する。なお、制御ＩＣ９２やマイコン９４は、駆動回路の各ノードＮ１〜Ｎ６の電位に基づき、駆動回路やピエゾ素子ＰＥの電流や電圧等の情報を取り込んでいる。この際、制御ＩＣ９２は、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量を示すノードＮ５，Ｎ６の電圧については、これを直接取り込むのみならず、積分器９６による同電圧の積分値をも取り込む。
【００６２】
ここで、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥの変位量の制御（充電処理及び放電処理）について詳述する。
【００６３】
図４に、充電処理及び放電処理の態様を示す。ここで、図４（ａ）は、マイコン９４から制御ＩＣ９２に出力される信号であって且つ、ピエゾインジェクタＰＩに対する噴射期間の指令値（指令噴射期間）を示す噴射信号の推移を示す。図４（ｂ）は、充電スイッチ６４の操作信号の推移を示す。図４（ｃ）は、バンク選択スイッチ７０の操作信号の推移を示す。図４（ｄ）は、気筒選択スイッチ６８の操作信号の推移を示す。図４（ｅ）は、放電スイッチ７２の操作信号の推移を示す。図４（ｆ）は、短絡スイッチ７４の操作信号の推移を示す。図４（ｇ）は、コンデンサ６２及び抵抗体６３間のノードＮ３の電圧の推移を示す。図４（ｈ）は、抵抗体８５及び抵抗体８６間のノードＮ１の電圧の推移を示す。図４（ｉ）は、抵抗体８２及び抵抗体８４間のノードＮ４の電圧の推移を示す。図４（ｊ）は、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流（ピエゾ素子ＰＥに流入する電荷、ピエゾ素子ＰＥから流出する電荷）の推移としてのノードＮ５，Ｎ６の電圧の推移を示す。なお、図４（ｃ）、図４（ｄ）、図４（ｊ）は、ともに同一のピエゾ素子ＰＥに対応するものの推移を示すものとする。
【００６４】
図示されるように、時刻ｔ１に、マイコン９４から制御ＩＣ９２に噴射信号が出力されることで、制御ＩＣ９２は、該当する気筒の気筒選択スイッチ６８をオン状態とするとともに、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作による充電処理を開始する。これは、時刻ｔ２まで行われる。そして、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量がゼロとなる時刻ｔ３において、気筒選択スイッチ６８をオフ操作する。
【００６５】
一方、図４に示す時刻ｔ４において、噴射信号が反転すると、制御ＩＣ９２では、バンク選択スイッチ７０をオン操作するとともに、放電スイッチ７２のオン・オフ操作による放電処理を開始する。具体的には、放電スイッチ７２がオン操作されることで、図５（ａ）に示すように、ピエゾ素子ＰＥ、バンク選択スイッチ７０、充放電コイル６６、放電スイッチ７２、及びダイオード６８ａ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、先の図４に示すように、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量が漸増する（電流量の漸増操作）。更に、放電スイッチ７２のオン操作の後、放電スイッチ７２がオフ操作されることで、図５（ｂ）に示すように、ピエゾ素子ＰＥ、バンク選択スイッチ７０、充放電コイル６６、ダイオード７６、コンデンサ６２、及びダイオード６８ａ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６６のフライホイールエネルギがコンデンサ６２に回収される。このとき、先の図４に示すように、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量が漸減する（電流量の漸減操作）。そして、本実施形態では、先の図４に示すように、電流量がゼロとなることで、放電スイッチ７２を再度オン操作する。
【００６６】
上記放電スイッチ７２をオフ操作するタイミングは、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量が規定値となるタイミングとする。この規定値は、上記充電処理によってピエゾ素子ＰＥに充電される電荷の総量が多いほど大きく設定される。これは、充電処理に際して上記積分器９６にて算出される電荷総量に基づき行うことができる。規定値をこのように設定することで、ピエゾ素子ＰＥに充電された電荷量にかかわらず、放電処理時間を一定とすることができる。なお、図５（ｃ）に放電処理時のノードＮ３の電圧に基づき計測した同ノードＮ３を流れる電流量の推移を示し、図５（ｄ）に放電処理時のノードＮ５（又はノードＮ６）に流れる電流量の推移を示す。上記オン操作からオフ操作への切り替えのために参照するピエゾ素子ＰＥを流れる電流量は、ノードＮ５（Ｎ６）の電圧に基づき検出すればよい。
【００６７】
上記態様にて放電スイッチ７２が操作される昇圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子ＰＥが放電され、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側の電位が低下する。
【００６８】
なお、先の図４に示すように、昇圧チョッパ制御によるピエゾ素子ＰＥの放電が完了した時刻ｔ５の後の時刻ｔ６〜時刻ｔ７までの間、図６に示すように、短絡スイッチ７４がオン操作されることで、ピエゾ素子ＰＥの電荷を完全に放電させるようにする。そしてその後の時刻ｔ８において、バンク選択スイッチ７０をオフ操作する。
【００６９】
本実施形態では、図４に示したように、ピエゾ素子ＰＥの充電処理を、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作によって行っている。そして、ピエゾ素子ＰＥの変位量を所望に制御するに際し、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥの変位量と相関を有するピエゾ素子ＰＥの電気的な状態量を制御量とする。
【００７０】
ところで、ピエゾ素子ＰＥの容量（ピエゾ素子ＰＥに蓄えられる電荷とピエゾ素子ＰＥの電圧とを関係付ける見かけの容量）Ｃは、温度依存性を有する。詳しくは、図７に示すように、温度が高くなるほど容量Ｃが増加する。このように、ピエゾ素子ＰＥの電気的な特性が温度に応じて変化するため、電気的な状態量に基づきピエゾ素子ＰＥの変位量を制御することは困難である。実際、図８に示されるように、ピエゾ素子ＰＥの電圧に対する変位量の比によって定義される圧電率ｄは、温度が高いほど大きくなる。このため、ピエゾ素子ＰＥの電圧によってピエゾ素子ＰＥの変位量を制御する場合には、その制御精度を高く維持することができない。
【００７１】
そこで本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥを充電することでピエゾ素子ＰＥを伸長制御するに際し、ピエゾ素子ＰＥに投入するエネルギ量を定める。ピエゾ素子ＰＥのエネルギが同一であれば、ピエゾ素子ＰＥの温度の変動にかかわらず、ピエゾ素子ＰＥの変位量を略一定とすることができるからである。これは、簡易的には、以下のようにして説明される。すなわち、ピエゾ素子ＰＥのエネルギＥを一定とする場合、温度の上昇につれて先の図７に示す関係から容量が大きくなると、電圧Ｖは、「Ｅ＝１／２ＣＶ２」の関係から低下する。このため、先の図８に示したように温度が上昇するにつれて圧電率ｄが増加する効果は、温度の上昇に伴う電圧の低下の効果によって相殺される。
【００７２】
ここで、本実施形態にかかる充電処理について詳述する。
【００７３】
先の図４の時刻ｔ１において噴射信号が立ち上がると、図９（ａ）に示されるように、充電スイッチ６４と短絡スイッチ７４とが同時にオン操作される。これにより、コンデンサ６２、充電スイッチ６４、充放電コイル６６、短絡スイッチ７４を備える閉ループ回路が形成される。このとき、先の図４（ｇ）に示すように、閉ループ回路を介して流れる電流量が漸増する。なお、この際、ピエゾ素子ＰＥにはほとんど電流が流れない。これは、充放電コイル６６及び短絡スイッチ７４間の電圧がピエゾ素子ＰＥの充電処理時の電圧と比較して過度に低いためである。すなわち、充放電コイル６６及び短絡スイッチ７４間の電圧は、シャント抵抗として機能する抵抗体７３の電圧降下量程度までしか上昇しない。そして、この電圧降下量は、低圧駆動される制御ＩＣ９２に取りこまれるものであるために、低圧（例えば「５Ｖ」以下）に制限されている。したがって、この設定が、上記充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン状態時においてピエゾ素子ＰＥを流れる電流を制限する制限手段を構成している。
【００７４】
一方、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン操作の後、これら充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４が同時にオフ操作されることで、図９（ｂ）に示すように、充放電コイル６６、ダイオード７０ａ、ピエゾ素子ＰＥ、気筒選択スイッチ６８、及びダイオード７５を備える閉ループ回路が形成される。これにより、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン操作によって充放電コイル６６に蓄えられたエネルギが、ピエゾ素子ＰＥに充電される。このとき、先の図４（ｊ）に示すように、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量が漸減する。
【００７５】
上記態様にて充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４を同時にオン・オフ操作する充電処理が時刻ｔ１〜時刻ｔ２にわたって行われることで、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が上昇する。
【００７６】
なお、図９（ｃ）には、ノードＮ３の電圧によって計測されるノードＮ３を流れる電流量（コンデンサ６２を流れる電流）の推移を示し、図９（ｄ）には、ノードＮ５，Ｎ６の電圧によって計測されるノードＮ５，Ｎ６を流れる電流（ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流）の推移を示し、図９（ｅ）には、ノードＮ２の電圧によって計測されるノードＮ２を流れる電流の推移を示す。
【００７７】
本実施形態では、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン状態からオフ状態への切り替えを、充放電コイル６６を流れる電流量が規定値となるタイミングとする。これにより、各充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオフ期間においてピエゾ素子ＰＥに投入されるエネルギ量を高精度に制御することが可能となる。すなわち、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオフ操作する直前において充放電コイル６６に蓄えられるエネルギ量は、この時点において充放電コイル６６を流れる電流量Ｉと、充放電コイル６６のインダクタンスＬとによって、「Ｌ・Ｉ２／２」と表現される。このため、各充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオフ期間においてピエゾ素子ＰＥに投入されるエネルギ量も「Ｌ・Ｉ２／２」となる。このため、各充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオフ期間においてピエゾ素子ＰＥに投入されるエネルギ量は、オフ操作直前において充放電コイル６６を流れる電流量によって高精度に制御することができる。
【００７８】
特に、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作を複数回繰り返すことで、充電処理期間におけるエネルギ投入速度を高精度に制御することも可能となる。図１０に、上記処理によって、エネルギ投入速度及び最終的なエネルギ量を制御する例を示す。ここで、図１０（ａ１）及び図１０（ａ２）には、充電スイッチ６４の操作信号の推移を示し、図１０（ｂ１）及び図１０（ｂ２）には、短絡スイッチ７４に流れる電流の推移を示す。また、図１０（ｃ１）及び図１０（ｃ２）には、ピエゾ素子ＰＥに流れる電流の推移を示し、図１０（ｄ１）及び図１０（ｄ２）には、ピエゾ素子ＰＥの電圧の推移を示し、図１０（ｅ１）及び図１０（ｅ２）には、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン操作タイミングのスケジューリングを示す。
【００７９】
ここで、図１０（ａ１）〜図１０（ｄ１）に示す例は、図１０（ａ２）〜図１０（ｄ２）に示す例と比較して、ピエゾ素子ＰＥへのエネルギ投入速度や、エネルギ投入総量が大きい例を示している。図示されるように、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオフ操作へ切り替えるための電流値（規定値Ｉｔｈ）を大きくすることで、単位時間当たりのエネルギ投入量が増大する。そして、図１０に示す例では、エネルギ投入総量にかかわらず充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作回数を同一とすることで、エネルギ投入速度の調節によってエネルギ投入総量を調節することができる例を示している。ちなみに、図１０（ａ１）〜図１０（ｄ１）に示す例は、図１０（ａ２）〜図１０（ｄ２）に示す例と比較して、上記燃圧センサ５１にて検出されるコモンレール１５内の燃圧が高い場合の制御例である。すなわち、コモンレール１５内の燃圧が高い場合、ピエゾ素子ＰＥが伸長するに際してピエゾ素子ＰＥの伸長と反対方向に燃料が加える力が大きくなるため、ピエゾ素子ＰＥを同一量伸長させるために必要なエネルギ量が大きくなる。
【００８０】
更に本実施形態では、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオン状態に切り替えるタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５を予め設定しておく。これにより、１回の充電処理期間内にエネルギ投入速度を変化させる場合、変化させるタイミングの選択が容易となる。
【００８１】
図１１に、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作を繰り返す過程でエネルギ投入速度を変更する場合を例示する。なお、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、図１０（ａ１）〜図１０（ｄ１）や、図１０（ａ２）〜図１０（ｄ２）に対応している。
【００８２】
この例では、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４の初回のオン・オフ操作と最終のオン・オフ操作時にのみ、エネルギ投入速度を他と比較して低減している。この低減の手法として、この例では、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン操作時間を用いている。すなわち、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４の初回のオン・オフ操作時と最終のオン・オフ操作時とのオン操作時間Ｔ１を、他のオン操作時間Ｔ２と比較して短く設定している。これにより、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４の初回のオン・オフ操作時と最終のオン・オフ操作時とのエネルギ投入速度が小さく且つ、それ以外の操作時におけるエネルギ投入速度を一定とすることができる。すなわち、先の図９（ａ）に示すループ回路において、これが開状態である際にも電圧を生じるのはコンデンサ６２のみであり、コンデンサ６２の電圧は、充電処理期間においてほとんど変化しないように設定されている。このため、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン操作に伴ってこのループ回路を流れる電流の挙動は略同一である。したがって、オン操作時間によって、オフ操作直前の電流量を一義的に調節することができる。
【００８３】
図１１に示す制御は、ピエゾ素子ＰＥの充電処理に伴うピエゾインジェクタＰＩの騒音を低減するためのエネルギ投入制御例を示している。すなわち、ピエゾ素子ＰＥは、充電処理の開始に伴って、静止状態から動作状態へと移行する。そして、静止状態から変位を開始する際にはピエゾ素子ＰＥの変位加速度が充電期間中で最大となるため、この際にピエゾ素子ＰＥが、先の図２に示したピエゾインジェクタＰＩのボディ２０の内壁や、大径ピストン４６に加える力が最大となる。このため、この際には、ピエゾインジェクタＰＩに振動が生じるなどして騒音が生じやすい。更に、先の図２に示したバルブ３６が開弁方向で最大量変位し、ボディ２０の内壁とぶつかる際にも騒音が生じやすい。この点、図１１に示した例では、ピエゾ素子ＰＥの変位開始に際しての加速度を抑制したり、ピエゾ素子ＰＥの変位量が最大となる際の加速度を抑制したりすることが可能となる。
【００８４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００８５】
（１）コンデンサ６２及び充放電コイル６６を含むループ回路について、同ループ回路を閉ループ化することで、ピエゾ素子ＰＥへの電気エネルギの投入を制限しつつコンデンサ６２から充放電コイル６６に電流を流し、ループ回路を開ループ化することで、閉ループ化によって充放電コイル６６に蓄えられた電気エネルギをピエゾ素子ＰＥに投入した。これにより、ピエゾ素子ＰＥへのエネルギ投入制御を適切に行うことができる。
【００８６】
（２）ピエゾ素子ＰＥへの投入エネルギ量を、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオフ操作直前に、これらを流れる電流に基づき制御した。これにより、投入エネルギ量を高精度に制御することができる。
【００８７】
（３）ピエゾ素子ＰＥへのエネルギの投入（充電処理）を、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作を複数回繰り返すことで行った。これにより、１回のオン・オフ操作による投入エネルギ量を高精度に制御することができるため、ピエゾ素子ＰＥにすでに投入されたエネルギ量についての都度の値に応じてエネルギ投入速度を自由に設定することができる。
【００８８】
（４）充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオフ操作の切り替え直前において充放電コイル６６に蓄えられているエネルギ量を、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作が繰り返される過程で変更した。これにより、ピエゾ素子ＰＥの充電処理（伸長処理）に課せられる様々な要求に適切に応じることが可能となる。
【００８９】
（５）充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオン操作するタイミングを、エネルギ投入速度やエネルギ投入総量にかかわらず、固定値として予め規定した。これにより、ピエゾ素子ＰＥの充電処理期間において、各時間領域での投入エネルギの各別の制御が容易となる。
【００９０】
（６）充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオフ操作するタイミングを、充放電コイル６６を流れる電流量に基づき決定した。これにより、ピエゾ素子ＰＥへのエネルギ投入量を高精度に制御することができる。
【００９１】
（７）充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４をオフ操作するタイミングを、オン操作時間に基づき決定した。これにより、ピエゾ素子ＰＥへのエネルギ投入量を高精度に制御することができる。
【００９２】
（８）充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥ間と、抵抗体７３間との間に、短絡スイッチ７４を接続し、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４を同時にオン・オフ操作した。これにより、比較的簡易な回路構成で上記充電処理を実現することができる。
【００９３】
（９）短絡スイッチ７４を、昇圧チョッパ制御による放電処理後にピエゾ素子ＰＥの残存電荷を放電させる際に流用した。これにより、部品点数の増加を抑制しつつも、ピエゾ素子ＰＥの電荷を十分に抜くことができる。
【００９４】
(１０)充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥ間と、コンデンサ６２との間に、ダイオード７８を接続した。これにより、充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥ間が断線するなどした場合に、充放電コイル６６に蓄えられたエネルギをコンデンサ６２に回収することができる。
【００９５】
(１１)ピエゾインジェクタＰＩに、本発明のエネルギ投入装置を適用した。ピエゾインジェクタＰＩは、その温度が大きく変動しえるため、ピエゾ素子ＰＥの伸長制御に際しては、温度による制御性の低下が特に懸念される。この点、本実施形態では、ピエゾ素子ＰＥへの投入エネルギ量を高精度に制御することができるため、ピエゾ素子ＰＥの温度の変動にかかわらず伸長制御の制御性を高く維持することができる。また、ピエゾインジェクタＰＩにあっては、騒音の低減要求等、伸長制御に際して様々な要求が生じえる。このため、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４のオン・オフ操作を複数回繰り返す処理を行うことのメリットが特に大きい。
【００９６】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００９７】
上記実施形態では、充電処理に際して、充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４の双方をオン・オフ操作することが要求された。本実施形態では、単一のスイッチング素子のオン・オフ操作のみによって、上記実施形態と同様の充電処理を実現する。
【００９８】
図１２に、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥの駆動回路の構成を示す。なお、図１２において、先の図３に示した部材と対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
【００９９】
図示されるように、コンデンサ６２は、遮断スイッチ１００、充電用コイル６６ａ、気筒選択スイッチ６８を介してピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側と接続されている。そして、ピエゾ素子ＰＥのうちの低電位となる端子側は、ダイオード７５を介して充電用コイル６６ａ及びコンデンサ６２間に接続されている。また、充電スイッチ６４ａは、充電用コイル６６ａ及び気筒選択スイッチ６８間と、コンデンサ６２の低電位となる端子側とを接続する。そして、コンデンサ６２のうち低電位となる端子側は、接地されている。
【０１００】
一方、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側は、気筒選択スイッチ６８、放電用コイル６６ｂ及び第１放電スイッチ７２ａを介して接地されている。また、ピエゾ素子ＰＥの低電位となる端子側は、第２放電スイッチ７２ｂを介して接地されている。更に、放電用コイル６６ｂと第１放電スイッチ７２ａとの接続点と、コンデンサ６２の高電位となる端子側との間には、上記接続点側からコンデンサ６２側へと進む方向を順方向とするダイオード７６が接続されている。
【０１０１】
ここで、本実施形態では、充電スイッチ６４ａが、先の図３に示した充電スイッチ６４及び短絡スイッチ７４の機能の双方を備える。以下、充電スイッチ６４ａのオン・オフ操作による充電処理について説明する。図１３に、本実施形態にかかる充放電処理の態様を示す。詳しくは、図１３（ａ）に、噴射信号の推移を示し、図１３（ｂ）に、遮断スイッチ１００の推移を示し、図１３（ｃ）に、気筒選択スイッチ６８の推移を示し、図１３（ｄ）に、充電スイッチ６４ａの推移を示し、図１３（ｅ）に、第１放電スイッチ７２ａの推移を示し、図１３（ｆ）に、第２放電スイッチ７２ｂの推移を示す。
【０１０２】
図示されるように時刻ｔ１において噴射信号が立ち上がると、遮断スイッチ１００及び気筒選択スイッチ６８がオン操作される。そして、充電スイッチ６４ａがオン操作されると、図１４（ａ）に示すように、コンデンサ６２、遮断スイッチ１００、充電用コイル６６ａ及び充電スイッチ６４ａからなるループ回路が閉ループ化され、これに流れる電流が漸増する。これにより、充電用コイル６６ａにエネルギが蓄えられる。その後、充電スイッチ６４ａがオフ操作されると、図１４（ｂ）に示すように、充電用コイル６６ａ、気筒選択スイッチ６８、ピエゾ素子ＰＥ及びダイオード７５を備える閉ループ回路に電流が流れ、充電用コイル６６ａに蓄えられたエネルギがピエゾ素子ＰＥに投入される。
【０１０３】
これにより、充電スイッチ６４ａの操作のみによって、充電処理を行うことができる。このようにして、先の図１３に示されるように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、充電スイッチ６４ａのオン・オフ操作により充電処理が行われる。そして、充電スイッチ６４ａのオン・オフ操作の後の時刻ｔ３において、遮断スイッチ１００及び気筒選択スイッチ６８をオフ操作する。
【０１０４】
一方、図１３に示す時刻ｔ４に噴射信号が立ち下がると、図１５（ａ）に示すように、気筒選択スイッチ６８がオン操作されるとともに、第１放電スイッチ７２ａ及び第２放電スイッチ７２ｂがオン操作され、ピエゾ素子ＰＥから気筒選択スイッチ６８、放電用コイル６６ｂ、第１放電スイッチ７２ａ及び第２放電スイッチ７２ｂを備える閉ループ回路が形成され、ここに流れる電流が漸増する。その後、図１５（ｂ）に示されるように、第１放電スイッチ７２ａをオフ操作すると、ピエゾ素子ＰＥ、気筒選択スイッチ６８、放電用コイル６６ｂ、ダイオード７６、コンデンサ６２及び第２放電スイッチ７２ｂからなる閉ループ回路に電流が流れる。このように、放電処理については、先に第１の実施形態と同様の昇圧チョッパ回路が用いられる。
【０１０５】
（その他の実施形態）
なお、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。
【０１０６】
・上記第１の実施形態では、シャント抵抗としての抵抗体７３による電圧降下量がピエゾ素子ＰＥの充電後の電圧と比較して無視しえるほど低いことから充電スイッチ６４のオン操作期間においてピエゾ素子ＰＥに投入される微少なエネルギ量を無視した。しかし、充電スイッチ６４のオン操作期間においてピエゾ素子ＰＥに投入されるエネルギ量をより正確にゼロとするためには、充電スイッチ６４のオン操作期間に同期して気筒選択スイッチ６８をオフ操作することが望ましい。もっとも、ピエゾ素子ＰＥに対する充電処理の中期や後期には、ピエゾ素子ＰＥの電圧が抵抗体７３の電圧降下量よりもはるかに大きくなっていると想定されることに鑑みれば、充電処理の開始に伴う充電スイッチ６４の初回のオン操作からオフ操作への切り替えに同期して気筒選択スイッチ６８をオン操作するようにしてもよい。なお、こうした手法に代えて、先の図３に示した短絡スイッチ７４を極力抵抗値の低い配線にて接地する手法を採用することもできる。この場合、充電スイッチ６４のオン操作期間にピエゾ素子ＰＥに充電されるエネルギ量を、確実に略ゼロ（例えば目標エネルギ量の１パーセント未満又は０．１パーセント未満）とすることも可能である。
【０１０７】
・上記実施形態では、ピエゾ素子ＰＥへの充電に伴ってこれが伸長し始める際に生じるノイズ等を低減するために、ピエゾ素子ＰＥへのエネルギ投入速度を充電初期及び充電終了期に低減したが、エネルギ投入速度の変更手法としてはこれに限らない。ピエゾインジェクタＰＩやピエゾ素子ＰＥ等に課せられる様々な要求に対処するために、エネルギ投入速度を様々に変更してよい。
【０１０８】
・先の図３において、充電処理と放電処理との間の期間においてピエゾ素子ＰＥを介した電流の流動を規制する規制手段としては、ダイオード６８ａに限らない。例えば、充電処理期間及び放電処理期間のみ気筒選択スイッチ６８をオン操作する手段としもよい。すなわち、規制手段は、任意の気筒の噴射期間中であって且つ充電処理及び放電処理以外の期間に別の気筒の充電処理を開始する場合、気筒間で噴射期間がオーバーラップすることを想定して設けたものである。この場合、規制手段を設けることで、別の気筒の充電処理期間において、任意の気筒に対応するピエゾ素子ＰＥへの充電がなされることを回避することができる。
【０１０９】
更に、通常、充電処理期間においては、ピエゾ素子ＰＥのうちの電圧の低い方を介して電流が流れることに鑑みれば、ダイオード６８ａを設けない簡易な構成とすることもできる。
【０１１０】
・先の図３では、短絡スイッチ７４を接地するに際し、放電スイッチ７２を接地するための抵抗体７３を流用したがこれに限らず、例えば短絡スイッチ７４を別途独立の抵抗体を介して接地してもよく、抵抗体を介さず単なる配線を介して接地してもよい。ここで、抵抗体を介さず接地する場合であって、充放電コイル６６を流れる電流量を検出する場合には、コンデンサ６２の低電位側の端子と接続される抵抗体６３によって発生する電圧を用いればよい。
【０１１１】
・先の図３において、ダイオード７８を備えなくてもよい。逆に、図１２において、充放電コイル６６及びピエゾ素子ＰＥ間と、コンデンサ６２の高電位となる端子側との間に、断線時等に充放電コイル６６のエネルギを回収すべく、ダイオードを接続してもよい。
【０１１２】
・充電スイッチ６４（充電スイッチ６４ａ）のオフ操作時に充放電コイル６６（充電用コイル６６ａ）やピエゾ素子ＰＥらとともに閉ループ回路を構成する整流手段としては、ダイオード７５に限らず、例えば、充電スイッチ６４のオフ操作期間に同期してオン状態となるスイッチング素子や、サイリスタであってもよい。
【０１１３】
先の図１２において、遮断スイッチ１００の配置については、放電用コイル６６ｂよりも気筒選択スイッチ６８側とするとの条件の下、適宜変更してよい。
【０１１４】
・充電処理時において、充電スイッチ６４のオフ操作時に充放電コイル６６側からピエゾ素子ＰＥ側へと電流の流動を許容し、オン操作時にピエゾ素子ＰＥ側から充放電コイル６６側への電流の流動を禁止する整流手段としては、ダイオード７０ａに限らない。例えばバンク選択スイッチ７０を充電スイッチ６４のオフ操作に同期してオン操作するようにしてもよい。同様に、先の図１０におけるダイオード７０ａを備える代わりに、この機能を、気筒選択スイッチ６８の操作によって実現してもよい。
【０１１５】
・充電スイッチ６４のオン操作に同期して短絡スイッチ７４をオン操作する同期手段としては、これらを同時にオン・オフするものに限らない。例えば、短絡スイッチ７４のオン操作よりも充電スイッチ６４のオン操作を遅延させるものであってもよい。要は、短絡スイッチ７４がオン状態となるタイミング以降に充電スイッチ６４をオン状態とするものであればよい。ただし、短絡スイッチ７４のオフ操作については、充電スイッチ６４のオフ操作との同時性を保つことが望ましい。
【０１１６】
・上記各実施形態では、コンデンサ６２の電圧を、ピエゾ素子ＰＥの充電後の電圧よりも高く設定したがこれに限らない。例えば第１の実施形態において、充電スイッチ６４のオン操作時に充電スイッチ６４に迅速に所望のエネルギを蓄えることが可能であるなら、コンデンサ６２の電圧を、ピエゾ素子ＰＥの充電後の電圧よりも低く設定してもよい。こうした場合には、放電処理は、昇圧チョッパ制御によって行うものではなくなる。このため、放電用の回路構成についても適宜変更してよい。
【０１１７】
・電源としては、上記コンデンサ６２に限らない。例えばハイブリッド車において、車載電動機に対する給電手段としての高圧バッテリや、同高圧バッテリの電圧を所定の電圧に調節するレギュレータの出力端子であってもよい。
【０１１８】
・上記第１の実施形態において、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流量が規定値となることで放電スイッチ７２をオン状態からオフ状態へと切り替えるに際し、充電電荷量にかかわらず規定値を固定してもよい。
【０１１９】
・ピエゾインジェクタＰＩとしては、先の図２に例示したものに限らない。この際、ピエゾ素子の変位に応じて開弁及び閉弁の２値的な動作をするものに限らず、例えば米国特許第６５３０４２３号明細書に記載されているように、ピエゾ素子ＰＥの変位に応じてノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なインジェクタであってもよい。この場合であっても、ピエゾ素子ＰＥの動力を伝達させるピエゾインジェクタＰＩ内の動力伝達系において、ピエゾ素子ＰＥの変位開始に際してボディに振動を生じさせやすいため、ピエゾインジェクタＰＩの生じる騒音を低減する観点からは、充電処理の初期の投入エネルギ量を低減することは有効である。
【０１２０】
・その他、内燃機関としては、ディーゼル機関に限らず、例えば筒内噴射式ガソリン機関であってもよい。また、ピエゾ素子としては、ピエゾインジェクタに搭載されるものに限らない。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】第１の実施形態にかかる制御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ピエゾインジェクタの制御装置の構成を示す図。
【図４】同実施形態におけるピエゾ素子の伸縮制御の態様を示すタイムチャート。
【図５】同実施形態にかかるピエゾ素子の放電処理の態様を示す図。
【図６】同実施形態にかかるピエゾ素子の放電処理の態様を示す図。
【図７】ピエゾ素子の容量の温度依存性を示す図。
【図８】ピエゾ素子の圧電率の温度依存性を示す図。
【図９】同実施形態にかかるピエゾ素子の充電処理の態様を示す図。
【図１０】同実施形態にかかるピエゾ素子の充電処理の態様を示すタイムチャート。
【図１１】同実施形態にかかるピエゾ素子の充電処理の態様を示すタイムチャート。
【図１２】第２の実施形態にかかるピエゾインジェクタの駆動回路の構成を示す回路図。
【図１３】同実施形態におけるピエゾ素子の伸縮制御の態様を示すタイムチャート。
【図１４】同実施形態にかかるピエゾ素子の充電処理の態様を示す図。
【図１５】同実施形態にかかるピエゾ素子の放電処理の態様を示す図。
【符号の説明】
【０１２２】
６２…コンデンサ(電源の一実施形態)、６４…充電スイッチ、６６…充放電コイル（インダクタの一実施形態）、７４…短絡スイッチ、９２…制御ＩＣ（エネルギ投入装置の一実施形態）、ＰＥ…ピエゾ素子、ＰＩ…ピエゾインジェクタ。
【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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【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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