(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電および放電がなされるピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記スイッチング素子よりも前記ピエゾスタック側で、前記通電経路の電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記制御手段を、前記電流検出手段により検出された電流が予め設定したしきい値を越えると、故障発生と判断するとともに、故障の態様を短絡故障と判定し、かつ前記短絡故障と判定されたときにおいて、前記電圧検出手段により検出された電圧が予め設定したしきい値以下の第１の判定条件のときには、前記通電経路により、前記供給元をピエゾスタックとして電荷を前記コンデンサに回収する電荷回収を許容し、検出された電圧が予め設定したしきい値以上の第２の判定条件のときには、前記電荷回収を禁止するように設定し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、前記ピエゾスタックとして、通電経路を共通として複数のピエゾスタックが接続可能で、かつ、前記制御手段により制御される選択スイッチにより、前記複数のピエゾスタックのうちから、前記通電経路と接続されるピエゾスタックを選択可能であり、
前記制御手段を、前記短絡故障と判定されると、前記選択スイッチをオフにして、前記通電経路を開成す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】
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、検出電圧の前記しきい値を、略コンデンサの両端子間電圧に設定し、
前記制御手段を、前記スイッチング素子がオフの時に前記第２の判定条件を満たすときは、故障の態様を、スイッチング素子のオン故障と判定す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、前記コンデンサの電荷を前記インダクタを通り前記ピエゾスタックをバイパスして接地側に放電する非常放電用の経路を形成するとともに、該非常放電用の経路には、該非常放電用経路を開閉する非常放電スイッチを設けたピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項５】
請求項１ないし４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、前記コンデンサが、前記制御手段により制御される電源部により充電されるようになっており、
前記制御手段を、前記短絡故障と判定されると、前記電源部の作動を停止す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６】
請求項１ないし５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、
前記電圧検出手段は前記ピエゾスタックの非接地側端子の電圧を検出するものであり、
前記制御手段を、前記ピエゾスタックの充電完了後の充電保持期間において検出された電圧が予め設定したしきい値よりも小さいときは、前記ピエゾスタックの故障と判断す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７】
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電と放電とがなされるピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電開始直後に、検出された電流が予め設定した所定の電流値をとるまでの時間を計測して、計測時間に基づいて前記ピエゾスタックの見かけの容量若しくはピエゾスタックの温度を検出する手段を有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８】
燃料を噴射する噴孔を開閉するニードルをピエゾアクチュエータにより作動せしめるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータを駆動する手段として、
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電および放電がなされるピエゾアクチュエータ駆動回路と、
前記制御手段に、燃料の噴射時期および噴射量に対応した前記ピエゾスタックの充電時期および充電保持期間の長さを指令する指令手段とを有する燃料噴射装置であって、
前記ピエゾアクチュエータ駆動回路には、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
前記指令手段を、前記ピエゾスタックの充電開始直後に、検出された電流が予め設定した所定の電流値をとるまでの時間を計測して、計測時間に基づいて、前記ピエゾスタックの充電時期および充電保持期間の長さを補正するように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項９】
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電および放電がなされる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よりも前記ピエゾスタック側で、前記通電経路の電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記制御手段を、前記電圧検出手段により検出された前記ピエゾスタックの充電電圧が予め設定したしきい値を越えると、前記ピエゾスタックの過電圧異常と判定するように設定したことを特徴と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、例えば、内燃機関の燃料噴射装置に適用され、燃料噴射用のインジェクタにおいて燃料の噴射とその停止とを切り換える手段として用いられたものが知られている。ピエゾアクチュエータは、容量性素子であるピエゾスタックが充電により伸長し、縮小するときは放電する。ピエゾスタックが伸長時および縮小時のみ通電がなされる方式のアクチュエータである。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの駆動回路は、ピエゾスタックの充電用の電荷を蓄積しておくコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で、一方を供給元として、電流制限用のインダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有している。燃料噴射装置に適用したものでは、例えば、コンデンサからピエゾスタックに充電して燃料噴射を開始し、所定のタイミングでピエゾスタックからコンデンサに電荷を回収して燃料噴射を停止する。したがって、燃料噴射中はピエゾスタック−コンデンサ間は非導通状態となる。従来、インジェクタの開閉制御用に用いられているソレノイド方式のもののように、ソレノイドへの通電を持続することでソレノイドの励磁状態が維持され、その間、噴射が可能となる構成のものとは大きく異なる。
【０００４】
ピエゾアクチュエータ駆動回路の構成として、特開２００１−１５７４７２号公報には、コンデンサとピエゾスタックとインダクタとでＬＣ共振回路を形成したものがある（ＬＣ共振方式）。
【０００５】
また、特開平１０−３０８５４２号公報には、通電経路として、スイッチング素子がオンオフを繰り返すと、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成されるようにした構成のものもある（多重スイッチング方式）。ＬＣ共振方式のものが、電流や電圧の挙動が回路定数により決まる単純な振動をしてエネルギー（電荷）をやりとりするだけであるのに対して、多重スイッチング方式のものでは、スイッチング素子の制御でピエゾスタックの充電量が自在であり、ピエゾアクチュエータを種々の用途に適用し得る可能性を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピエゾスタックとコンデンサとの間で全電荷の放出と受け取りを行うＬＣ共振方式に比して、多重スイッチング方式では、コンデンサに十分な電荷が蓄えられた状態で、その中から所定量の電荷のみをピエゾスタックに供給する必要があり、ピエゾアクチュエータ駆動回路の構成、制御内容とも複雑化する。
【０００７】
このため、ピエゾアクチュエータ駆動回路には、より実用的な価値の高いものが要請されている。例えば、ＬＣ共振方式のものが、充電若しくは放電の開始後に通電経路を開閉するスイッチがオン状態のまま制御不能となっても（オン故障）、ピエゾアクチュエータ駆動回路やピエゾスタックが特に重要な損傷を受けることは殆どないのに対し、スイッチング方式のものではスイッチング素子のオンオフの態様により電流や電圧の挙動が異なるから、スイッチング素子が指令通りに作動しないことがあると、ピエゾアクチュエータ駆動回路やピエゾスタックが特に重要な損傷を受けるおそれがあるが、簡単な構成で故障検出を行い得るものがない。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、実用価値の高い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。
【０００９】
【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搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電および放電がなされるピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
前記制御手段を、前記電流検出手段により検出された電流が予め設定したしきい値を越えると、短絡故障と判定するように設定する。
さらに、前記スイッチング素子よりも前記ピエゾスタック側で、前記通電経路の電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記制御手段を、前記短絡故障と判定されたときにおいて、前記スイッチング素子がオフの時に検出された電圧が予め設定したしきい値以下の第１の判定条件のときには、前記通電経路により、前記供給元をピエゾスタックとして電荷を前記コンデンサに回収する電荷回収を許容し、検出された電圧が予め設定したしきい値以上の第２の判定条件のときには、前記電荷回収を禁止するように設定する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ＬＣ共振方式のものと異なり、通電経路を開閉するスイッチング素子がオン状態のまま制御不能になるオン故障やインダクタの一部または全部の短絡により通電経路を流れる電流が過電流となる。これは、例えばピエゾスタックに過剰な充電がなされて、ピエゾスタックの両端子間電圧が過昇する原因となる。したがって、通電経路に流れる電流を監視することで、速やかに故障の発生を知ることができる。これにより実用性が向上する。
この短絡故障と判定された場合において、前記スイッチング素子よりも前記ピエゾスタック側で、前記通電経路の電圧が高いほど、短絡故障の態様としてスイッチング素子のオン故障やインダクタの短絡故障が発生している蓋然性が高い。この場合、通常の、ピエゾスタックからコンデンサへの電荷回収を行うとすれば、スイッチング素子のオン故障でコンデンサとインダクタとが導通していることにより、あるいは、インダクタが電流を制限する作用をしないことにより、ピエゾスタックを供給元として、ピエゾスタック〜インダクタ〜接地という通電経路で漸増する電流を流そうとすると、コンデンサの非接地側の端子が接地されることになって、コンデンサが両端子間で短絡するおそれがある。あるいは、インダクタの短絡故障であれば、ピエゾスタックが短絡する。本発明では検出電圧がしきい値以上であれば通常の電荷回収はなされないから、かかるコンデンサやピエゾスタックの短絡を未然に防止することができる。
【００１１】
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、前記ピエゾスタックとして、通電経路を共通として複数のピエゾスタックが接続可能で、かつ、前記制御手段により制御される選択スイッチにより、前記複数のピエゾスタックのうちから、前記通電経路と接続されるピエゾスタックを選択可能であり、
前記制御手段を、前記短絡故障と判定されると、前記選択スイッチをオフにして、前記通電経路を開成するように設定する。
【００１２】
簡単に、充電や放電を停止してピエゾアクチュエータ駆動回路やピエゾスタックの損傷を防止することができる。
【００１５】
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、検出電圧の前記しきい値を、略コンデンサの両端子間電圧に設定し、
前記制御手段を、前記スイッチング素子がオフの時に前記第２の判定条件を満たすときは、故障の態様を、スイッチング素子のオン故障と判定するように設定する。
【００１６】
短絡故障と判断されると、対応として、コンデンサを供給元とする通電経路のスイッチング素子をオフすることになるが、それでも検出電圧が略コンデンサの両端子間電圧に達するのはスイッチング素子のオン故障の場合である。したがって、検出電圧の前記しきい値を、略コンデンサの両端子間電圧に設定することで、故障の態様を、スイッチング素子のオン故障と特定することができる。
【００１７】
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、前記コンデンサの電荷を前記インダクタを通り前記ピエゾスタックをバイパスして接地側に放電する非常放電用の経路を形成するとともに、該非常放電用の経路には、該非常放電用経路を開閉する非常放電スイッチを設ける。
【００１８】
前記のごとく通常の電荷回収が不可となる短絡故障の場合でも、非常放電スイッチのオンで電荷を接地側に放出することができる。非常放電スイッチは前記制御手段による制御で作動するように構成して、短絡故障と判断なされた後、所定のタイミングで自動で電荷放出がなされるようにしてもよいし、修理工場などでの操作を前提として手動操作によるものでもよい。
【００１９】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記コンデンサが、前記制御手段により制御される電源部により充電されるようになっており、
前記制御手段を、前記短絡故障と判定されると、前記電源部の作動を停止するように設定する。
【００２０】
コンデンサに電気エネルギーが新たに投入されないようにすることで、ピエゾアクチュエータ駆動回路やピエゾスタックの損傷を最小限にくい止めることができる。
【００２１】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、
前記電圧検出手段は前記ピエゾスタックの非接地側端子の電圧を検出するものであり、
前記制御手段を、前記ピエゾスタックの充電完了後の充電保持期間において検出された電圧が予め設定したしきい値よりも小さいときは、前記ピエゾスタックの故障と判断するように設定する。
【００２２】
ピエゾスタックは正常であれば充電完了後の充電保持期間では電圧が実質的に一定であるのに対し、ピエゾスタックの圧電セラミック層の一部短絡等で電荷がリークすると、電圧は低下する。したがって、電圧の低下から、かかるピエゾスタックの故障が知られる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電と放電とがなされるピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電開始直後に、検出された電流が予め設定した所定の電流値をとるまでの時間を計測して、計測時間に基づいて前記ピエゾスタックの見かけの容量若しくはピエゾスタックの温度を検出する手段を有する。
【００２４】
電流の挙動はピエゾスタックやインダクタの回路定数に応じて異なるが、特にピエゾスタックの見かけの容量によって変わる。ここでいうピエゾスタックの見かけの容量とは、ピエゾスタックをコンデンサと等価としてＥ＝（１／２）ＣＶ2（Ｅ：ピエゾスタックへ投入されたエネルギー、Ｃ：ピエゾスタックの見かけの容量、Ｖ：ピエゾスタックの電圧）の関係から求めたＣのことである（以下、単に容量という）。そして、容量は温度の影響を受けやすい。したがって、電流の経時プロファイルからピエゾスタックの容量やピエゾスタックの温度が知られ、さらに、これら情報に基づいてピエゾスタックの容量異常やピエゾスタックの温度異常を知ることができる。
【００２５】
ここで、電流の経時プロファイルの指標として、ピエゾスタックの充電開始直後に所定の電流値をとるまでの時間を計測するようにしているので、実施が容易である。
【００２６】
請求項８記載の発明では、燃料を噴射する噴孔を開閉するニードルをピエゾアクチュエータにより作動せしめるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータを駆動する手段として、
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電および放電とがなされるピエゾアクチュエータ駆動回路と、
前記制御手段に、燃料の噴射時期および噴射量に対応した前記ピエゾスタックの充電時期および充電保持期間の長さを指令する指令手段とを有する燃料噴射装置であって、
前記ピエゾアクチュエータ駆動回路には、
前記通電経路に流れる電流を検出する電流検出手段を設け、
前記指令手段を、前記ピエゾスタックの充電開始直後に、検出された電流が予め設定した所定の電流値をとるまでの時間を計測して、計測時間に基づいて、前記ピエゾスタックの充電時期および充電保持期間の長さを補正するように設定する。
【００２７】
インジェクタを構成する可動部材の摺動抵抗等が温度変化の影響を受けて、インジェクタの作動特性が変化する。一方、前記のごとく、検出電流が予め設定した所定の電流値をとるまでの時間はインジェクタの温度とみなせるピエゾスタックの温度に応じて変化し、冷却水温度等に比してはるかにインジェクタ温度と対応した温度情報である。したがって、計測された前記時間に応じてピエゾスタックの充電時期および充電保持期間の長さを補正することで、燃料噴射を高精度に行い得る。
請求項１０記載の発明では、ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの駆動用のエネルギーを蓄積するコンデンサと、該コンデンサとピエゾスタックとの間で一方を供給元として、インダクタを介して電荷を移動する通電経路とを有し、該通電経路として、スイッチング素子のオンオフを繰り返すことにより、スイッチング素子のオン期間にインダクタに漸増する電流が流れる第１の種類の通電経路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記インダクタに漸減する電流が流れる第２の種類の通電経路とが形成され、かつ、前記スイッチング素子を制御する制御手段により、ピエゾスタックの充電と放電とがなされる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よりも前記ピエゾスタック側で、前記通電経路の電圧を検出する電圧検出手段を設け、
前記制御手段を、前記電圧検出手段により検出された前記ピエゾスタックの充電電圧が予め設定したしきい値を越えると、前記ピエゾスタックの過電圧異常と判定するように設定する。
これにより、充電電圧が過昇したことを判断できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図２に本発明を適用した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す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ１が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ１は１つのみ図示）、供給ライン２７を介して連通する共通のコモンレール２６から燃料の供給を受け、インジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール２６内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）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２６には燃料タンク２３の燃料が高圧サプライポンプ２５により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００２９】
また、コモンレール２６からインジェクタ１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１の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン２８を経て燃料タンク２３に還流するようになっている。
【００３０】
各インジェクタ１に搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するためのピエゾアクチュエータ駆動回路２１が設けられている。ピエゾアクチュエータ駆動回路２１は、ＥＣＵ２２により制御され、選択気筒のインジェクタ１が燃料を噴射する。ＥＣＵ２２は、マイクロコンピュータ等を中心に構成され、ピエゾアクチュエータ駆動回路２１の他、燃料噴射装置の各部を制御するようになっており、例えば、コモンレール２６に設けられた図示しない圧力センサ等の検出信号に基づいて調量弁２４を制御してコモンレール２６への燃料の圧送量を調整しコモンレール圧力を調整する。また、ＥＣＵ２２には、燃料温、エンジン油温等の検出信号やクランク角等の各種信号が入力している。
【００３１】
図３に前記インジェクタ１の構造を示す。インジェクタ１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１は下側から順にノズル部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。
【００３２】
ノズル部１ａのスリーブ状の本体１０４内にニードル１２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル１２１はノズル本体１０４の先端部に形成された環状シート１０４１に着座または離座する。ニードル１２１の先端部の外周空間１０５には高圧通路１０１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１２１のリフト時に噴孔１０３から燃料が噴射される。ニードル１２１にはその環状段面１２１１に前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００３３】
ニードル１２１の後方には高圧通路１０１からインオリフィス１０７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１２１の背圧を発生する背圧室１０６が形成される。この背圧は、背圧室１０６に配設されたスプリング１２２とともにニードル１２１の後端面１２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００３４】
前記背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂは前記ピエゾスタック１２７を備えたピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される。
【００３５】
前記背圧室１０６はアウトオリフィス１０９を介して常時、背圧制御部１ｂの弁室１１０と連通している。弁室１１０は天井面１１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面１１０１の最上部に、低圧室１１１と連通する低圧ポート１１０ａが開口しており、低圧室１１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路１０２と連通している。弁室１１０の底面には高圧制御通路１０８を介して高圧通路１０１と連通する高圧ポート１１０ｂが開口している。
【００３６】
弁室１１０内には、下側部分を水平にカットしたボール１２３が配設されている。ボール１２３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）１１０２に着座して高圧ポート１１０ｂを閉鎖することにより弁室１１０を高圧制御通路１０８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）１１０１に着座して低圧ポート１１０ａを閉鎖することにより弁室１１０を前記低圧室１１１から遮断する。これにより、ボール１２３下降時には背圧室１０６がアウトオリフィス１０９、弁室１１０を経て低圧室１１１と連通し、ニードル１２１の背圧が低下してニードル１２１が離座する。一方、ボール１２３の上昇時には背圧室１０６が低圧室１１１と遮断されて高圧通路１０１のみと連通し、ニードル１２１の背圧が上昇してニードル１２１が着座する。
【００３７】
ボール１２３はピエゾアクチュエータ１ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ１ｃは、低圧室１１１の上方に上下方向に形成された縦穴１１２に径の異なる２つのピストン１２４，１２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン１２５の上方にピエゾスタック１２７が上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００３８】
大径ピストン１２５はその下方に設けられたスプリング１２６によりピエゾスタック１２７と当接状態を維持しており、ピエゾスタック１２７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。
【００３９】
ボール１２３と対向する下側の小径ピストン１２４と大径ピストン１２５と縦穴１１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室１１３が形成されており、ピエゾスタック１２７の伸長で大径ピストン１２５が下方変位して変位拡大室１１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室１１３の燃料を介して小径ピストン１２４に伝えられる。ここで、小径ピストン１２４は大径ピストン１２５よりも小径としているので、ピエゾスタック１２７の伸長量が拡大されて小径ピストン１２４の変位に変換される。
【００４０】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック１２７が充電されてピエゾスタック１２７が伸長することにより、小径ピストン１２４が下降してボール１２３を押し下げる。これによりボール１２３が低圧側シート１１０１からリフトするとともに高圧側シート１１０２に着座して背圧室１０６が低圧通路１０２と連通するので、背圧室１０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル１２１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１２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００４１】
噴射停止は反対にピエゾスタック１２７の放電によりピエゾスタック１２７を縮小してボール１２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室１１０内は低圧となっており、またボール１２３の底面には高圧制御通路１０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール１２３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１２３への押し下げ力の解除により、ボール１２３が高圧側シート１１０２から離間するとともに再び低圧側シート１１０１に着座して弁室１１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１２１が着座し噴射が停止する。
【００４２】
図１に前記ピエゾアクチュエータ駆動回路２１の構成を示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック１２７を４つの気筒に対応してピエゾスタック１２７Ａ、ピエゾスタック１２７Ｂ、ピエゾスタック１２７Ｃ、ピエゾスタック１２７Ｄと表すものとする。ピエゾアクチュエータ駆動回路２１は、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電および放電を行う充放電回路部２１１、その制御を行う制御手段であるコントローラ２１２等からなり、図示しないワイヤハーネスによりピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと接続される。
【００４３】
充放電回路部２１１は、車載のバッテリ３０の給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生する電源部であるＤＣ−ＤＣコンバータ３１、およびその出力端に並列に接続されたコンデンサ３２を有し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は例えば一般的な昇圧チョッパ型の回路を採用し得る。コンデンサ３２は十分静電容量の大きなもの（数百μＦ）で構成され、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ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。
【００４４】
コンデンサ３２からピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄにインダクタ３４を介して通電する第１の種類の通電経路である第１の通電経路３３ａが設けてあり、通電経路３３ａには、コンデンサ３２とインダクタ３４間にこれらと直列に第１のスイッチング素子３５が介設されている。第１のスイッチング素子３５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）３５１は、コンデンサ３２の両端子間電圧が逆バイアスとなるように接続される。
【００４５】
また、インダクタ３４とピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄは第２の種類の通電経路である第２の通電経路３３ｂを形成している。この通電経路３３ｂは、インダクタ３４と第１のスイッチング素子３５の接続中点に接続される第２のスイッチング素子３６を有している。第２の通電経路３３ｂはコンデンサ３２をバイパスして、インダクタ３４、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄおよび第２のスイッチング素子３６を通る閉回路を形成している。第２のスイッチング素子３６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）３６１は、コンデンサ３２の両端子間電圧が逆バイアスとなるように接続される。
【００４６】
通電経路３３ａ，３３ｂはピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄのそれぞれに共通であり、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと直列に１対１に対応して選択スイッチ３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄが接続してある。噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに対応する選択スイッチング素子３７Ａ〜３７Ｄがオンされて、当該ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに通電経路３３ａ，３３ｂが選択的に形成されることになる。
【００４７】
各選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄ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）３７１Ａ，３７１Ｂ，３７１Ｃ，３７１Ｄは、コンデンサ３２の両端子間電圧が逆バイアスとなるように接続されている。
【００４８】
スイッチング素子３５，３６、選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄの各ゲートにはコントローラ２１２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３７Ａ〜３７Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを選択するとともに、スイッチング素子３５，３６をオンオフし、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電および放電を行うようになっている。
【００４９】
選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄと接地間には、選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄに共通に抵抗器３８ｂが設けてある。その両端子間電圧すなわち図中ｂ点の電圧はコントローラ２１２に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電電流が検出されるようになっている。
【００５０】
第２のスイッチング素子３６には直列に抵抗器３８ｃが設けてある。その両端子間電圧すなわち図中ｃ点の電圧はコントローラ２１２に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電電流が検出されるようになっている。
【００５１】
また、インダクタ３４のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側の端子と接地間に、直列接続された抵抗値の高い抵抗器３８１ａ，３８１ｂが設けてある。その分割電圧すなわち図中ａ点の電圧は、コントローラ２１２に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの両端子間電圧が検出されるようになっている。
【００５２】
また、抵抗器３８１ａ，３８１ｂと並列に、非常放電用経路４２が形成してあり、詳しくは後述するようにコンデンサ３２やピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの電荷を接地側に放出するようになっている。非常放電用経路４２には、これを開閉する非常放電用スイッチ４３の他、抵抗器４４、ダイオード４５が直列に接続されている。抵抗器４４は電荷放出時の時定数を調整するためのものである。ダイオード４５は逆流防止用のもので、インダクタ３４側をカソードとしてあり、電流がインダクタ３４側から接地側に流れる方向が順方向となる。
【００５３】
また、非常放電用スイッチ４３はＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、放電寄生ダイオードという）４３１は、コンデンサ３２の電圧が逆バイアスとなるように接続されている。
【００５４】
非常放電用スイッチ４３のゲートにはコントローラ２１２から制御信号が入力している。
【００５５】
制御手段であるコントローラ２１２は、ＥＣＵ２２からの指令信号や充放電回路部２１１の前記各種の検出信号にしたがって、充放電回路部２１１に制御信号を出力するとともに、充放電回路部２１１の異常を検出し、ＥＣＵ２２に異常判定信号ＩＪＦ１，ＩＪＦ２を出力するようになっている。また、後述する放電禁止信号を生成し、一定の条件のときにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄからコンデンサ３２への電荷回収の実行を禁止する。
【００５６】
ＥＣＵ２２から入力する指令信号として、噴射信号、気筒選択信号および充電期間信号が入力している。噴射信号は、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電時期と放電時期とを規定するもので、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号である。噴射信号の出力時期および長さにより噴射期間が略規定される。また、気筒選択信号は、噴射気筒に対応した、充電すべきピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを選択するものである。充電期間信号はピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電期間の長さすなわち充電量を規定するものである。
【００５７】
なお、各ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄには、それぞれ並列に抵抗器４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄが設けてあり、充電完了後にもピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄから常時、少しずつ放電する。抵抗器４１Ａ〜４１Ｄはフェールセーフ用のものであり、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの配線ケーブルの断線等で通電不能となり、ピエゾスタックの１２７Ａ〜１２７Ｄからコンデンサ３２への通常の電荷回収ができなくなったときに、ニードル１２１をリフト状態とし得る程度の充電保持状態が所定時間以上、続かないようになっている。また、抵抗器４１Ａ〜４１Ｄは焦電効果による発生電荷を解消する。したがって、抵抗器４１Ａ〜４１Ｄの抵抗値は、最長噴射時間等を考慮して設定される。
【００５８】
図４は、充放電回路部２１１の作動状態を示すものである。コントローラ２１２は、噴射信号，気筒選択信号、充電期間信号が「Ｈ」になると、所定の制御信号を出力する。なお、気筒選択信号は第１の気筒を選択するものであり、続いて第２の気筒を選択するものであるとする。先ず、第１の気筒に対応する第１の選択スイッチ３７Ａがオンされる。選択スイッチ３７Ａのオン期間は放電が完了するまでである。
【００５９】
噴射信号および充電期間信号が「Ｈ」になると（ｔ1 ）、コントローラ２１２は、第１のスイッチング素子（以下、適宜、充電スイッチという）３５のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、充電スイッチ３５に制御信号を出力する。すなわち、充電スイッチ３５をオンして、コンデンサ３２を供給元とする第１の種類の通電経路である第１の通電経路３３ａに漸増する充電電流を流す（図５（Ａ））。オン期間は一定に設定される。充電スイッチ３５がオフすると、この時、インダクタ３４に発生する逆起電力は第２の寄生ダイオード３６１に対して順バイアスであるから、インダクタ３４に蓄積されたエネルギーにより、コンデンサ３２を供給元とする第２の種類の通電経路である第２の通電経路３３ｂに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾスタック１２７Ａの充電が進行する（図５（Ｂ））。充電電流が予め略０に設定したしきい値（以下、適宜、０Ａしきい値という）になると、オフ期間を終了して再び充電スイッチ３５をオンしてオン期間に入り、これを繰り返す（多重スイッチング方式）。充電電流（ｂ点での信号）は略三角形状の波形で流れ、ピエゾスタック１２７Ａの両端子間電圧（ａでの信号）は階段状に上昇する。
【００６０】
そして、充電期間信号が「Ｌ」になると（ｔ3 ）、充電スイッチ３５への制御信号は強制的に立ち下がり、充電スイッチ３５をオフに固定する。これで充電は完了となる。ピエゾスタック１２７Ａが充電により伸長して変位拡大室１１３を介してボール１２３を押圧しリフトせしめる。
【００６１】
なお、オン期間の長さを一定とする本ピエゾアクチュエータ駆動回路２１１の方式は、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄへのエネルギーの投入速度が一定で直線性がよく、しかも、充電期間の長さが同じであれば、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの容量が変化しても、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄへの投入エネルギー量を略一定にすることができるという特徴を有している。
【００６２】
また、噴射信号が「Ｌ」になると（ｔ5 ）、ピエゾスタック１２７Ａを放電してコンデンサ３２に回収する。すなわち、第２のスイッチング素子（以下、適宜、放電スイッチという）３６のオン期間とオフ期間とを次のように設定し、放電スイッチ３６に制御信号を出力する。すなわち、放電スイッチ３６をオンして、ピエゾスタック１２７Ａを供給元とする第２の種類の通電経路である第２の通電経路３３ｂに漸増する放電電流を流す（図６（Ａ））。放電電流が予め設定したしきい値（以下、上限電流しきい値という）になると、放電スイッチ３６をオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３４に大きな逆起電力が発生し、インダクタ３４に蓄積されたエネルギーにより、フライホイール電流を、ピエゾスタック１２７Ａを供給元とする第１の種類の通電経路である第１の通電経路３３ａに流し、コンデンサ３２にエネルギーを回収する（図６（Ｂ））。放電電流が０Ａしきい値になると再び放電スイッチ３６をオンして、これを繰り返す。
【００６３】
そして、ピエゾスタック電圧が略０に予め設定したしきい値（以下、適宜、０Ｖしきい値という）に達すると（ｔ8 ）放電スイッチ３６をオフに固定し、ピエゾスタック１２７Ａの放電は完了となる。ピエゾスタック１２７Ａの電荷はコンデンサ３２に回収されることになる。そして、このようにピエゾスタック１２７Ａを放電することで、ピエゾスタック１２７Ａが縮小して変位拡大室１１３の燃料圧力によるボール１２３への押圧力が解除されてボール１２３が着座する。
【００６４】
続いて所定のクランク角のときに噴射信号および充電期間信号が再び「Ｈ」になるとともに、第２の気筒を指示する気筒選択信号が「Ｈ」になって（ｔ1'）、ピエゾスタック１２７Ｂについて、第１、第２の通電経路３３ａ，３３ｂが形成される。第３、第４気筒についても同様に順次、ピエゾスタック１２７Ｃ，１２７Ｄの充電と放電とがなされる。
【００６５】
次に、コントローラ２１２のうち、充放電回路部２１１の異常を検出し、ＥＣＵ２２に異常判定信号ＩＪＦ１，ＩＪＦ２を出力する回路部分について説明する。図７に異常判定信号ＩＪＦ１および放電禁止信号を生成する回路部分を示し、図８にその作動状態を示す。前記回路部分には、前記噴射信号の他、充電電圧、タイマしきい値、過電圧しきい値、容量大しきい値が入力している。なお、以下の説明において、選択気筒が第１気筒であるものとして説明する。すなわち、選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄのうち、選択スイッチ３７Ａがオンするものとして説明する。
【００６６】
充電電圧はａ点で検出される、インダクタ３４のピエゾスタック１２７Ａ側の端子の電圧である。
【００６７】
タイマしきい値は後述する時間ｔ4 の経過を判定するための電圧信号である。
【００６８】
過電圧しきい値、容量大しきい値はともに、充電電圧と比較されて充電電圧の大きさを判定する電圧異常判定しきい値である。過電圧判定しきい値は実質的にコンデンサ３２の電圧とみなせる電圧に相当する大きさの電圧信号である。容量大しきい値は、充放電回路部２１１側からみたピエゾスタック１２７Ａの容量に異常が生じて充電電圧が不足したときにこれを検出するためのしきい値である。本実施形態のように、ピエゾスタック電圧の大きさによらないで充電終了を判断するものでは、ピエゾスタック１２７Ａの容量の増大で充電電圧が低下するからである。
【００６９】
充電電圧は、スイッチ５２で選択された過電圧しきい値若しくは容量大しきい値と比較器５３で比較される。スイッチ５２は比較器５１の出力で切り換え制御されるようになっている。比較器５１には、噴射信号の立ち上がりからの経過時間をカウントするタイマー回路５０の出力信号とタイマしきい値とが入力し、前記経過時間がｔ4 を越えると比較器５１の出力が「Ｌ」となって、過電圧しきい値から容量大しきい値に切り換わる。
【００７０】
充電電圧が電圧異常判定しきい値よりも大きいか否かを判定する前記比較器５３の出力と、前記経過時間がｔ4 を越えると出力が「Ｌ」となる前記比較器５１の出力とはＡＮＤゲート５４を介してＳＲフリップフロップ５６に入力している。
【００７１】
このＳＲフリップフロップ５６は、Ｒ入力として前記比較器５３の出力がＮＯＴゲート５５で反転されて入力している。ＳＲフリップフロップ５６のＱ出力は放電禁止信号としてある。正常時には「Ｌ」をとるものであり、噴射信号の入力からｔ4 までの期間に充電電圧が過電圧しきい値を越えたときのみ「Ｈ」となって、充電電圧が過昇したことが知られる。充電電圧が低下して前記比較器５３の出力が「Ｌ」になれば放電禁止信号は「Ｌ」となる。放電禁止信号が「Ｈ」になると、ＥＣＵ２２は放電を禁止する。この理由については後述する。
【００７２】
一方、Ｄフリップフロップ７０は、ＣＫ入力として噴射信号がＮＯＴゲート５８で反転されて入力し、また、ＣＬ入力として噴射信号の立ち上がりエッジを検出する立ち上がりエッジ検出回路５９からの出力が入力している。前記ＳＲフリップフロップ５６の反転出力と前記比較器５３の出力とがＡＮＤゲート５７に入力し、ＡＮＤゲート５７の出力がＤフリップフロップ７０のＤ入力となっている。したがって、放電開始までの間、充電電圧が容量大のしきい値を上回っていれば、噴射信号の立ち下がりでＩＪＦ１信号は「Ｈ」となって、次に噴射信号が立ち上がりＤフリップフロップ７０がクリアされるまで保持される。一方、ピエゾスタック１２７Ａが充電時に電圧が上昇しなかった場合や、充電保持期間（充電期間信号が「Ｌ」になって（ｔ3 ）から噴射信号が「Ｌ」になる（ｔ5 ）までの間）に充電電圧が低下して、容量大しきい値を下回っていれば、ＩＪＦ１信号は「Ｌ」のままである。また、ピエゾスタック１２７Ａが充電時に電圧が過電圧となった場合にもＩＪＦ１信号は「Ｌ」のままである。
【００７３】
図９に、コントローラ２１２のうち、異常判定フラグＩＪＦ２を出力する回路部分を示し、図１０にその作動状態を示す。前記回路部分には、前記噴射信号、充電電圧およびマスク信号の他、充電電流、通電開始しきい値、過電流しきい値、０Ｖしきい値が入力している。
【００７４】
充電電流はｂ点の電圧として知られる信号である。
【００７５】
マスク信号は、噴射信号の立ち上がりすなわちピエゾスタック１２７Ａの充電開始から、実質的に最初の充電スイッチ３５のオン期間に続くオフ期間が終了するまで、「Ｈ」値をとるものであり、これを生成する回路については後述する。
【００７６】
通電開始しきい値は、充電電流と比較されて充電電流の大きさを判定するもので、０よりもやや高めに設定され、充電スイッチがオンし充電電流が漸増を開始したか否かを確認するための電圧信号である。
【００７７】
過電流しきい値は、通電経路３３ａ，３３ｂに過電流が流れたか否かを判定するためのもので、充電スイッチ３５の最初のオン期間において到達する電流値として過大な値を判定し得る値に設定される。
【００７８】
０Ｖしきい値は充電電圧と比較されて充電電圧の大きさを判定するもので、０Ｖよりもやや高めに設定され、放電が完了したか否かを確認するための電圧信号である。
【００７９】
通電開始しきい値と充電電流とは比較器６０で比較され、ＡＮＤゲート６７に入力する。比較器６０の出力は、充電電流が通電開始しきい値を越えると、「Ｈ」となる。
【００８０】
また、充電電流と過電流しきい値とが比較器６１で比較され、その出力はＯＲゲート６５に入力する。充電電流が過電流しきい値を越えない正常時には比較器６１の出力は「Ｌ」である。ＯＲゲート６５には比較器６１の出力とともに、前記噴射信号がＮＯＲゲート６４を介して入力しており、噴射信号が「Ｈ」の間は、充電電流が過電流しきい値を越えない限り、ＯＲゲート６５の出力は「Ｌ」である。ＯＲゲート６５の出力はＳＲフリップフロップ６８にＲ入力として入力している。
【００８１】
ＯＲゲート６５の出力はまた、ＮＯＴゲート６６で反転されて、通電開始しきい値が充電電流よりも小さいか否かを判定する比較器６０の出力とともに、前記ＡＮＤゲート６７に入力している。ＡＮＤゲート６７の出力は、噴射信号が「Ｈ」になった後、充電電流が通電開始しきい値を越えると、立ち上がり、ＳＲフリップフロップ６８の反転出力が「Ｌ」になる。反転出力の状態は少なくとも噴射信号が「Ｌ」になるまで保持される。なお、充電スイッチ３５のオフ期間の最後に充電電流が再び通電開始しきい値を下回ると、ＡＮＤゲート６７の出力は再び「Ｌ」になる。
【００８２】
また、噴射信号が「Ｌ」になった後は、ＮＯＲゲート６４のもう一つの入力により、ＳＲフリップフロップ６８のＲ入力およびＳ入力が決定されることになる。ＮＯＲゲート６４のもう一つの入力として、充電電圧と０Ｖしきい値とを比較する比較器６２の出力が、ＮＯＴゲート６３で反転されて入力しており、充電電圧が０Ｖしきい値を下回ると、ＮＯＲゲート６４のもう一つの入力は「Ｌ」となる。したがって、充電電圧が０Ｖしきい値を上回っている間は、ＮＯＲゲート６４の出力が「Ｌ」で、噴射信号が「Ｌ」になる前と同じ状態で推移し、充電電圧が０Ｖしきい値を下回ると、ＮＯＲゲート６４の出力が「Ｈ」となって、ＳＲフリップフロップ６８のＲ入力を「Ｈ」にする。これにより、ＳＲフリップフロップの反転出力が「Ｈ」となる。
【００８３】
そして、ＳＲフリップフロップ６８の反転出力と、前記マスク信号とがＯＲゲート６９に入力して、その出力が異常判定信号ＩＪＦ２となる。噴射信号が「Ｌ」になってから異常判定信号ＩＪＦ２が「Ｈ」に切り換わるのは、充電電圧が０Ｖしきい値を下回ってから、すなわち、実質的にピエゾスタック１２７Ａが放電仕切った時点であり、ピエゾスタック１２７Ａの放電完了時期により、遅くなったり早くなったりすることになる。
【００８４】
なお、充電電流が通電開始しきい値を越えてＳＲフリップフロップ６８の反転出力が「Ｌ」になった後、充電電流がさらに上昇し、充電電流が過電流しきい値を越えてしまうと、ＯＲゲート６５の出力が「Ｈ」になり、ＳＲフリップフロップ６８の反転出力は「Ｈ」に戻ってしまう。なお、以下の説明において、ＳＲフリップフロップ６８を、適宜、故障判定Ｆ／Ｆ６８という。
【００８５】
次に、図１１に、コントローラ２１２のうち、前記マスク信号を出力する回路部分を示し、図１２にその作動状態を示す。前記回路部分には、前記充電電流、通電開始しきい値および噴射信号が入力している。
【００８６】
充電電流と通電開始しきい値とが比較器７１で比較され、充電電流が通電開始しきい値を越えると、比較器７１の出力は「Ｈ」となる。比較器７１の出力はＡＮＤゲート７２に入力している。ＡＮＤゲート７２の出力は第１のＤフリップフロップ７３にＣＫ入力として入力している。第１のＤフリップフロップ７３は第２のＤフリップフロップ７４とともに２ビットのカウンタを構成している。上位ビットの第２のＤフリップフロップ７４の反転出力が前記ＡＮＤゲート７２のもう一つの入力となっている。したがってカウント値が「２」になるまでは、ＡＮＤゲート７２の出力は比較器７１の出力である。
【００８７】
第２のＤフリップフロップ７４の反転出力と噴射信号とを入力としてＡＮＤゲート７５が設けられ、その出力がマスク信号となっている。
【００８８】
また、噴射信号は、ＮＯＴゲート７６で反転されて、Ｄフリップフロップ７３，７５にＣＬ入力として入力しており、噴射信号が立ち下がると、Ｄフリップフロップ７３，７４がクリアされる。
【００８９】
しかして、噴射信号が「Ｈ」になって充電電流が漸増と漸減とを繰り返すと、充電電流が通電開始しきい値を越えるごとに、それが第１、第２のＤフリップフロップ７３，７４でカウントされる。最初は、第２のＤフリップフロップ７４の反転出力が「Ｈ」で、噴射信号も「Ｈ」であるから、マスク信号は「Ｈ」でスタートする。
【００９０】
充電電流が２回目に通電開始しきい値を越えた時点で、第２のＤフリップフロップ７４の反転出力が「Ｌ」になって、マスク信号も「Ｌ」になる。
【００９１】
そして、ＡＮＤゲート７２には第２のＤフリップフロップ７５の反転出力が入力しているので、以降、カウントはなされず、マスク信号は「Ｌ」に固定される。
【００９２】
したがって、マスク信号は、噴射信号の立ち上がりから充電スイッチ３５の２回目のオンにより充電電流が通電開始しきい値を越えるまでの期間、「Ｈ」値をとるものである。なお、充電スイッチ３５が２回目にオンされなければ、マスク信号は噴射信号が再び「Ｌ」になるまで「Ｈ」のまま推移する。
【００９３】
ＥＣＵ２２では、異常判定信号ＩＪＦ１，ＩＪＦ２に基づいて異常の有無を判定する。図１３に正常時の作動状態を示し、図１４、図１５、図１６、図１７に異常発生時の作動状態を示す。
【００９４】
正常時の作動状態を示す図１３において、ピエゾスタック１２７Ａの充電の進行とともに充電電圧が上昇するが、過電圧しきい値を越えることなく適正な電圧値に達し充電を完了する。したがって、電圧異常判定しきい値が容量大しきい値に切り換わるｔ4 になると、電圧レベル判定（Ｘ）は「Ｈ」に立ち上がる。これは噴射信号が「Ｌ」になるｔ5 を過ぎても維持されるので、異常判定信号ＩＪＦ１はｔ5 の時点で「Ｈ」になる。
【００９５】
一方、噴射信号が「Ｌ」になることにより、ピエゾスタック１２７Ａの放電が開始されて、ピエゾスタック１２７Ａの電荷がコンデンサ３２に回収されていき、充電電圧が低下する。しかして、充電電圧が０Ｖしきい値を下回るｔ8 になると、故障判定Ｆ／Ｆ６８が「Ｈ」になって、異常判定信号ＩＪＦ２が「Ｈ」になる。異常判定信号ＩＪＦ２が「Ｌ」から「Ｈ」に切り換わると放電が完了したことになる。
【００９６】
ここで、ピエゾスタック１２７Ａの充電と放電とが適正になされるときのｔ8 の範囲を予め求めておけば、この範囲を外れて放電完了が早すぎるとみなせるｔ7 と、範囲を外れて放電完了が遅すぎるとみなせるｔ9 とを設定し得る。なお、ピエゾスタック１２７Ａの放電は噴射信号が「Ｌ」になるとともに開始されるから、ｔ7 ，ｔ9 は噴射信号が「Ｌ」になるｔ5 を基準に設定する。ＥＣＵ２２にはエンジン油温等の温度情報が入力しているから、これに基づいてｔ7 ，ｔ9 が設定されるようにしてもよい。
【００９７】
ＥＣＵ２２では、異常判定信号ＩＪＦ２がｔ7 の時点で「Ｌ」でｔ9 の時点で「Ｈ」であれば正常と判断する。また、異常判定信号ＩＪＦ２がｔ7 の時点で「Ｈ」であるか、ｔ9 の時点で「Ｌ」であれば異常と判断する。正常時を示す図１３の場合、ｔ7 の時点で「Ｌ」でｔ9 の時点で「Ｈ」となっている。
【００９８】
異常発生の場合の具体例について説明する。図１４、図１５は充放電回路部２１１またはピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの短絡のうち、充電スイッチ３５のオン故障時のものである。なお、図１５は図１４を拡大したものである。噴射信号が「Ｈ」になり、充電スイッチ３５のオン期間となるが、オン期間が終了して充電スイッチ３５の制御信号は「Ｌ」になっても、充電スイッチ３５がオン故障していると、充電電流は流れ続け、さらに上昇していく。そして、これが過電流しきい値を越えると、第１気筒の選択スイッチ３７Ａをオフする。これにより、充電スイッチ３５がオン故障していても通電経路３３ａ，３３ｂがピエゾスタック１２７Ａと遮断されるので、充電が停止する。遮断されなければ図中、破線で示すように充電電流が上昇し続けることになり、かかる事態を、選択スイッチ３７Ａをオフすることで確実に防止することができる。なお、第１気筒の選択スイッチ３７Ａのオフとともに充電スイッチ３５の２回目以降の制御信号の出力を中止する。
【００９９】
充電電流が過電流しきい値を越えることで、故障判定Ｆ／Ｆ６８が「Ｈ」になる。これにより、ｔ7 の時点で、ＥＣＵ２２はピエゾスタック１２７Ａの充電時に過電流が流れる異常が発生したことを知ることができる。
【０１００】
過電流が流れる異常が発生する場合としては、この充電スイッチ３５のオン故障の他、インダクタ３４の一部若しくは全部の短絡故障、ピエゾスタック１２７Ａの両端子間での短絡等が考えられ、かかる場合にも検出可能である。
【０１０１】
また、インダクタ３４の一部短絡等の場合はその第１回目のオンだけでピエゾスタック１２７Ａの充電電圧が大きく上昇することはないから、放電スイッチ３６のオンオフによる通常の放電作動で、ピエゾスタック１２７Ａの残存電荷をコンデンサ３２に回収するのは問題がない。しかし、充電スイッチ３５がオン故障の場合には、放電スイッチ３６のオンによりコンデンサ３２〜充電スイッチ３５〜放電スイッチ３６〜抵抗器３８ｃ〜接地という閉回路が形成される。抵抗器３８ｃは放電電流検出用で抵抗値はごく小さいからコンデンサ３２が両端子間で短絡することになる。
【０１０２】
さて、充電スイッチ３５がオン故障の場合には、選択スイッチ３７Ａのオフにより、ａ点で検出されるインダクタ３４のピエゾスタック１２７Ａ側の端子の電圧は、略コンデンサ３２の電圧になり、ｔ4 までの電圧異常判定しきい値である過電圧しきい値を越える。これにより、前記放電禁止信号は「Ｈ」となり、ＩＪＦ１は「Ｌ」のまま保持される。
【０１０３】
コントローラ２１２は、短絡故障と判断されて充電を中止した場合において、放電禁止信号が「Ｌ」であれば、放電スイッチ３６をオンオフさせてピエゾスタック１２７Ａの残存電荷をコンデンサ３２に回収する。
【０１０４】
一方、放電禁止信号が「Ｈ」であれば、充電スイッチ３５がオン故障の蓋然性が高いから、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の作動を停止してバッテリ３０からコンデンサ３２への充電を禁止する。また、非常用放電スイッチ４３をオンする。これにより、抵抗器４４の適当な時定数のもとで電流が制限されて、ピエゾスタック１２７Ａおよびコンデンサ３２の接地側への放出を行うことができる。これにより、異常発生状態でピエゾスタック１２７Ａおよびコンデンサ３２に電荷が蓄えられたままになるのを回避することができる。また、選択スイッチ３７Ａをオフするまでの間にピエゾスタック１２７Ａに充電されているので、インジェクタ１は開弁状態すなわち噴射状態になっていることもあるが、この状態をも速やかに解消することができる。
【０１０５】
なお、通常、インジェクタ１には、変位拡大室１１３からの燃料の自然リークを利用した機械的なフェールセーフ機能を発揮するようになっており、長時間、開弁状態のままであることはないので、その間の燃料噴射を許容することができれば、非常用放電スイッチ４３は修理工場等で手動で行う構成としてもよいのは勿論である。
【０１０６】
なお、放電禁止信号はａ点で検出される充電電圧が電圧異常しきい値を越えると「Ｈ」となるものであるが、正常な状態では、マスク信号が充電スイッチ３５の２回目のオンにより「Ｌ」になる（図１３参照）ので、正常時にはｔ4 以降、充電電圧が電圧異常しきい値を越えていても放電禁止信号が「Ｈ」になることはない。
【０１０７】
図１６は充放電回路部２１１またはピエゾスタック１２７Ａの短絡のうち、ピエゾスタック１２７Ａの圧電セラミック層の一部短絡時のものである。ピエゾスタック１２７Ａの充電が正常になされても、かかる圧電セラミック層の一部短絡により、充電期間終了（ｔ3 ）後に、ピエゾスタック１２７Ａから電荷がリークし充電電圧が漸次、低下する。
【０１０８】
したがって、ピエゾスタック１２７Ａにおける放電開始時（ｔ5 ）の残存電荷は正常時よりも少なく、放電スイッチ３６がオンオフ作動する放電期間も短くなる。これにより、ｔ7 の時点で既に異常判定信号ＩＪＦ２は「Ｈ」となり、ＩＪＦ１は「Ｌ」のままである。これにより、ＥＣＵ２２はピエゾスタック１２７Ａの故障を知ることができる。
【０１０９】
図１７は充放電回路部２１１若しくはピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの短絡のうち、選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄのオン故障等で、複数のピエゾスタックが同時通電状態となる（以下、２気筒同時通電という）場合のものである。以下の説明において、第１の気筒に対応するピエゾスタック１２７Ａの充電時に、第２の気筒に対応する選択スイッチ３７Ｂがオン故障となっているとして説明するが、他の組み合わせでも実質的に同じである。２気筒同時通電の場合は、充放電回路部２１１側からみたピエゾスタック１２７Ａの容量が大きくなるので、充電速度が低下する。充電量を充電期間の長さで制御する本実施形態の場合は、ピエゾスタック１２７Ａの充電電圧が所定の電圧範囲に入らず、不足することになる。
【０１１０】
したがって、電圧異常しきい値が容量大しきい値に切り換わるｔ4 において、Ｄフリップフロップ５７のＤ入力が「Ｌ」になる。このため、噴射信号が「Ｌ」になるｔ5 を過ぎても、異常判定信号ＩＪＦ１は「Ｌ」のままである。これにより、ＥＣＵ２２は２気筒同時通電と判断することができる。但し、ＥＣＵ２２はエンジン油温等のエンジンを代表する温度が予め設定したしきい値等と比較して高ければ、２気筒同時通電か否かの判断はしない。
【０１１１】
この理由について説明する。ピエゾスタックを含む容量性素子は一般に温度に対して容量が大きく変動する。図１８はインジェクタに用いられるピエゾスタックについて容量の温度依存性を、ディーゼルエンジンを搭載した自動車が予定する温度範囲内で調査した一例を示すもので、低温のときと高温のときとで容量が２倍から３倍、異なる。
【０１１２】
このため、前記のごとく異常判定信号ＩＪＦ１が「Ｌ」でも、２気筒同時通電によるものか温度上昇による容量の増大かを区別することができない。そこで、温度が予め設定したしきい値等と比較して高温と判断されれば、２気筒同時通電か否かの判断はしないこととしている。
【０１１３】
勿論、ピエゾスタックの温度環境が一定の範囲内となるようにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄについて放熱等の手段が講じてあれば、異常判定信号ＩＪＦ１が「Ｌ」のときに、無条件に２気筒同時通電と判断するのもよい。
【０１１４】
なお、充電速度とともに放電速度も遅くなるので、充電電圧が低くとも放電完了時期はさほど速くはならず、図例のごとく、正常時と同等の時期に放電が完了する。このため、異常判定信号ＩＪＦ２は正常時と変わらない。
【０１１５】
なお、前記異常判定信号ＩＪＦ１による判定は、前記ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの圧電セラミック層の一部短絡にも応用することができる。すなわち、電圧異常しきい値が容量大しきい値に切り換わるｔ4 以後、噴射信号が「Ｌ」になる前に充電電圧が電圧異常しきい値を下回ると、この場合も、異常判定信号ＩＪＦ１は「Ｌ」のままであることから、ｔ4 以後の電圧異常しきい値のとり方によって、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの圧電セラミック層の一部短絡を検出することができる。この場合、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの圧電セラミック層の一部短絡と、２気筒同時通電との区別は、異常判定信号ＩＪＦ２が、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの圧電セラミック層の一部短絡時にはｔ7 において「Ｌ」であるのに対して、２気筒同時通電の場合にはｔ7 において「Ｈ」であることから行うのがよい。
【０１１６】
なお、本実施形態は、充電スイッチ３５のオン期間の長さを一定にして行うものについて説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、充電スイッチのオン期間において充電電流が所定の上限値に達したか否かを検出し、達したらオフ期間に入る方式の充電制御のものにも適用することができる。
【０１１７】
（第２実施形態）
図１９に本発明の第２実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。本実施形態は、第１実施形態の構成において、コントローラおよびＥＣＵを代えたもので、燃料噴射の高精度化を図っている。第１実施形態と実質的に同じ部分には同じ番号を付して説明する。コントローラ２１２Ａ、ＥＣＵ２２Ａは基本的な構成は第１実施形態と同じものである。コントローラ２１２Ａはマスク信号を発生する回路部分（図１１）の、第１のＤフリップフロップ７３の出力が第１回通電時間計測信号Ｔone として、ＥＣＵ２２Ａに入力するようになっている。
【０１１８】
第１回通電時間計測信号Ｔone となる前記第１のＤフリップフロップ７３の出力は、充電スイッチ３５の１回目のオンで充電電流が通電開始しきい値を越えてから、充電スイッチ３５の２回目のオンで充電電流が通電開始しきい値を越えるまでの間、「Ｈ」となる信号である。通電開始しきい値は前記のごとく略０であるから、その長さは、実質的に、最初の充電スイッチ３５のオン期間とそれに続くオフ期間の合計時間であり、充電スイッチ３５がオンしてから充電電流が予め設定した所定の電流値である通電開始しきい値になるまでの時間である。
【０１１９】
第１回通電時間計測信号Ｔone は次の性質を有している。前記のごとくピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電は充電スイッチ３５のオン期間の長さを一定にして行っているので、充電スイッチ３５のオン期間の間に到達する充電電流の大きさは充放電回路部２１１の定数で決定される。充放電回路部２１１を構成する部材のうち、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを構成部品とするインジェクタ１は、エンジンヘッドに取り付けられることから最も過酷な温度環境におかれる。このため、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの容量が温度の影響を受けて大きく変動する。
【０１２０】
図２０に示すように、充電スイッチ３５のオン期間に到達する充電電流が大きければ、オフ期間の長さが長くなるから、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの容量が異なると、前記第１回通電時間計測信号Ｔone が変化してくる。したがって、前記第１回通電時間計測信号Ｔone によってインジェクタ１の温度変動が知られる。図２１はピエゾスタック１２７と第１回通電時間計測信号Ｔone との関係の一例である。
【０１２１】
ＥＣＵ２２Ａにおいては、第１回通電時間計測信号Ｔone の立ち上がりでカウントを開始するタイマを設けて、第１回通電時間計測信号Ｔone の立ち下がりまでの時間を求め、これを第１回通電時間計測信号Ｔone の長さとする。
【０１２２】
ピエゾスタック１２７はインジェクタ１の構成部品であるから、その容量に基づいて得られる温度情報は、エンジン油温等によるよりも正確にインジェクタ１の温度が反映する。したがって、センサを別途設けることなく、質の高いインジェクタ１の温度情報を得ることができる。
【０１２３】
この温度情報としての第１回通電時間計測信号Ｔone の長さは、ＥＣＵ２２Ａにおいて、燃料の噴射時期および噴射量の補正に供される。具体的には、第１回通電時間計測信号Ｔone の長さに応じて、前記噴射信号の出力時期および長さを補正する。
【０１２４】
これにより、温度変化によって、インジェクタ１のニードル１２１やピストン１２４，１２５といった可動部材の摺動抵抗や、インジェクタ１内の燃料の粘性等が変化し、ボール１２３やニードル１２１の作動特性に影響を与えても、その影響が燃料の噴射時期や噴射量に及ばないようにすることができる。
【０１２５】
ここで、電流の経時プロファイルの指標として、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電開始直後に所定の電流値（実施形態では略０Ａ）をとるまでの時間を計測するようにしているので、実施が容易である。
【０１２６】
なお、補正量は、予め実験等に基づいて得たマップを作成し、これをＥＣＵ２２ＡのＲＯＭに記憶しておくのがよい。
【０１２７】
また、第１回通電時間計測信号Ｔone は充電スイッチ３５のオン期間およびオフ期間に対応するが、例えば、オフ期間だけに対応した信号でもよい。
【０１２８】
また、本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路は燃料噴射装置に限らず、種々の装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料噴射装置のインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータを駆動する本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記燃料噴射装置のインジェクタを中心とする構成図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す第１のタイミングチャートである。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、前記ピエゾアクチュエータを構成するピエゾスタックの充電時における、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、前記ピエゾアクチュエータを構成するピエゾスタックの放電時における、前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す図である。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の第１の回路部分の回路図である。
【図８】前記回路部分の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図９】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の第２の回路部分の回路図である。
【図１０】前記回路部分の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図１１】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の第３の回路部分の回路図である。
【図１２】前記回路部分の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図１３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す第２のタイミングチャートである。
【図１４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す第３のタイミングチャートである。
【図１５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す第４のタイミングチャートである。
【図１６】前記図１５の一部の拡大図である。
【図１７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示す第５のタイミングチャートである。
【図１８】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１９】本発明を適用した第２の燃料噴射装置の全体構成図である。
【図２０】前記燃料噴射装置を構成するピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する図である。
【図２１】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。
【符号の説明】
１  インジェクタ
１ａ  ノズル部
１ｂ  背圧制御部
１ｃ  ピエゾアクチュエータ
１０３  噴孔
１２１  ニードル
１２７，１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，１２７Ｄ  ピエゾスタック
２１，２１Ａ  ピエゾアクチュエータ駆動回路
２１１  充放電回路部
２１２，２１２Ａ  コントローラ（制御手段）
２２，２２Ａ  ＥＣＵ（指令手段）
３０  バッテリ
３１  ＤＣ−ＤＣコンバータ（電源部）
３２  コンデンサ
３３ａ  通電経路
３３ｂ  通電経路
３４  インダクタ
３５  充電スイッチ（スイッチング素子）
３６  放電スイッチ（スイッチング素子）
３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ  選択スイッチ
３８１ａ，３８２ａ  抵抗器（電圧検出手段）
３８ｂ，３８ｃ  抵抗器（電流検出手段）
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ  抵抗器
４２  非常放電用経路
４３  非常放電用スイッチ
４４  抵抗器
４５  ダイオード
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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