JP2002161824A

JP2002161824A - ピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2002161824A
Application number: JP2000364708A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kawamoto; 悟川本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-30
Also published as: JP4345226B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ピエゾスタックへの充電量を高精度で制御す
る事である。【解決手段】ピエゾスタック３Ａの充電を、オンオフ
を繰り返すスイッチング素子１４のオン期間に直流電源
１１からインダクタ１３を介して行い、オフ期間にイン
ダクタ１３にフライホイール電流を流して行う回路にお
いて、スイッチング素子１４を制御する制御回路１９
が、目標電圧が低いほど充電電流のピーク値が低くなる
ようにオン期間からオフ期間に切り換わるタイミングを
設定することで、低い目標電圧のときはスイッチング素
子１４のオフ固定時の制御不可能なフライホイール電流
による充電誤差を抑え、充電誤差の最終充電量に対する
割合の小さい高い目標電圧のときは平均充電電流を大き
くして速やかに充電せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はピエゾアクチュエー
タ駆動回路および燃料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ピエゾアクチュエータはＰＺＴ等の圧電
材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピ
エゾスタックが充放電により伸長または縮小してピスト
ン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置に
おいて、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り替え
をピエゾアクチュエータにより行うものが知られてい
る。

【０００３】ピエゾアクチュエータの駆動用のピエゾア
クチュエータ駆動回路は、例えば、ピエゾスタックに直
流電源からスイッチング素子およびインダクタを介して
通電するピエゾスタックへの第１の通電経路と、直流電
源およびスイッチング素子をバイパスしてインダクタか
らピエゾスタックに通電する第２の通電経路とを有して
おり、第１の通電経路には、前記スイッチング素子のオ
ン期間に漸増する充電電流が流れ、第２の通電経路に
は、前記スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電
流がフライホイール作用で流れる。スイッチング素子の
オンオフを繰り返すことで、充電電流が漸増と漸減とを
繰り返してピエゾスタックの充電量が増加していき、ピ
エゾスタックの両端間電圧が段階的に上昇していく。こ
れは複数スイッチング方式として知られており、充電量
が所定の目標充電量に達するとスイッチング素子をオフ
に固定し充電を終了する。

【０００４】充電量を可変として、ピエゾスタックの伸
長量や押圧力が必要に応じて得られるようにしたものが
ある。特公平６−１２１０１号公報には、コモンレール
式の内燃機関の燃料噴射装置に適用した例として、燃料
を噴射するインジェクタの構造を、ノズル内のニードル
にコモンレールから供給された燃料の圧力が開弁方向に
付勢し、ピエゾスタックがニードルを加圧室内の燃料圧
を介して間接的に押圧駆動して開弁する構成とした燃料
噴射装置において、検出したコモンレール内燃料圧力に
応じてピエソスタックの充電量を制御し、ニードルへの
押圧力の適正化を図ったものが開示されている。充電の
終了は、例えばピエゾスタックの両端間電圧を検出して
これが目標充電量としての目標電圧に達したか否かで判
断し、スイッチング素子をオフに固定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スイッチン
グ素子をオフに固定した時、インダクタには、その時点
の充電電流の大きさに応じたエネルギーが蓄積されてお
り、オフ後にフライホイール電流による充電が行われ
て、その分が目標充電量に対する誤差となる。この誤差
は、環境の変化等でピエゾアクチュエータ駆動回路を構
成する部品の定数が変化すると、ピエゾスタックの充電
量が目標充電量に達した時の充電電流の大きさが変化す
るので、変動する。

【０００６】充電量の誤差が最も大きくなるのは充電電
流がピーク値に達した時と、スイッチング素子をオフに
固定した時とが一致する場合である。したがって、充電
量の誤差の抑制策として、スイッチング素子のオン期間
からオフ期間に切り換えるタイミングを早めて充電電流
のピーク値を抑えることが考えられる。

【０００７】しかしながら、前記特公平６−１２１０１
号公報記載の技術のようにコモンレール内燃料圧力に応
じて目標充電量を制御する場合には、ピーク値を抑える
ことで平均充電電流が小さくなり、目標充電量が大きな
値をとったときに、充電時間が長くなるという問題があ
る。

【０００８】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
必要な充電精度を確保しつつ、適正な充電時間で、充電
制御を行うことのできる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設けられたピエゾスタック
に直流電源からインダクタを介して通電する第１の通電
経路を有し、該通電経路には、その途中に設けられてオ
ンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増す
る充電電流を流し、前記直流電源および前記スイッチン
グ素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに
通電する第２の通電経路を有し、該通電経路には、前記
スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電流をフラ
イホイール作用で流し、前記充電電流が繰り返しピーク
値をとるように前記スイッチング素子のオンオフを制御
するとともに、前記ピエゾスタックの充電量が、外部か
らの入力で設定された目標充電量に達すると前記スイッ
チング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数
スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路にお
いて、前記制御手段を、目標充電量が小さいほど、前記
オン期間から前記オフ期間に切り換えるタイミングが、
前記ピーク値が小さくなるタイミングとなるように設定
する。

【００１０】目標充電量が小さいほど充電電流が減じら
れ、スイッチング素子がオフに固定された時点でインダ
クタに保持されているエネルギーは小さくなり、充電量
の誤差は小さくなる。これにより、ピエゾスタックに最
終的に充電される充電量に対する誤差割合は小さく抑え
られる。

【００１１】一方、目標充電量が大きいほど充電電流が
増大し、速やかに目標充電量まで充電できる。なお、ス
イッチング素子をオフに固定した時の充電電流が相対的
に大きくなるが、目標充電量自体が大きいので、ピエゾ
スタックに最終的に充電される充電量に対する誤差割合
はさ程、大きくはなく、必要な充電精度は確保すること
ができる。

【００１２】前記制御手段は、請求項２記載の発明のよ
うに、充電電流に応じた第１の信号と前記目標充電量に
応じた第２の信号とを比較する比較手段と、第１の信号
が第２の信号に達すると、前記スイッチング素子をオン
する制御信号の出力を禁止して前記オフ期間に切り換え
る制御信号出力禁止手段とを具備する構成とすることが
できる。

【００１３】あるいは、前記制御手段は、請求項３記載
の発明のように、前記オン期間の経過時間に応じて上昇
する第１の信号を発生する信号発生手段と、第１の信号
と前記目標充電量に応じた第２の信号とを比較する比較
手段と、第１の信号が第２の信号を越えると、前記スイ
ッチング素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記
オフ期間に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備す
る構成とする。

【００１４】請求項４記載の発明では、コモンレールか
ら供給される高圧の燃料の噴射用のノズル部と、燃料の
噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開閉作動
用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、前記高
圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧力を出
力するピエゾアクチュエータと、コモンレール内の燃料
圧力を検出する圧力検出手段と、前記ピエゾアクチュエ
ータを駆動する請求項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とを具備する構成とする。前記
制御手段は、検出されたコモンレール内燃料圧力が高い
ほど目標充電量が大きくなるように設定する。

【００１５】コモンレール内燃料圧力に抗して弁体を作
動し得る押圧力を過不足のない適正な大きさに制御する
ことができる。また、ピエゾアクチュエータ駆動回路の
不要な発熱が回避される。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１、図２に本
発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を
示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路１は複数スイッ
チング方式の回路構成において、駆動制御回路１９を、
充電制御において目標充電量に応じて充電電流の大きさ
を制御する構成としたものであり、本ピエゾアクチュエ
ータ駆動回路１の説明に先立ち、ピエゾアクチュエータ
駆動回路１を有し構成されるコモンレール式の４気筒デ
ィーゼルエンジンの燃料噴射装置の全体構成について説
明する。

【００１７】図３に前記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４が各気筒
に対応して設けられ（図例ではインジェクタ４は１つの
み図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモ
ンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ４か
ら各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力
（以下、コモンレール圧力）に等しい噴射圧力で燃料を
噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料
タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送
されて高圧で蓄えられる。

【００１８】また、コモンレール５４からインジェクタ
４に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、イ
ンジェクタ４の制御油圧等としても用いられ、インジェ
クタ４から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク
５１に還流するようになっている。

【００１９】圧力検出手段である圧力センサ５７はコモ
ンレール５４に設けられてコモンレール圧力を検出し、
その検出結果に基づいてＥＣＵ５８が調量弁５２を制御
してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整し、コモ
ンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条
件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。また、
ＥＣＵ５８はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料
の噴射時期や噴射量を演算し、これに応じてインジェク
タ４の開弁と閉弁とを切り換え、インジェクタ４から所
定の期間、燃料を噴射せしめる。

【００２０】図４に前記インジェクタ４の構造を示す。
インジェクタ４は棒状体で、図中下側部分がエンジンの
図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取
り付けられている。インジェクタ４は下側から順にノズ
ル部４ａ、背圧制御部４ｂ、ピエゾアクチュエータ４ｃ
となっている。

【００２１】ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４
２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニー
ドル４２１はノズル本体４０４内の先端部に形成された
環状シート４０４１に着座または離座する。ニードル４
２１の先端部の外周空間４０５には高圧通路４０１を介
してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニード
ル４２１のリフト時に噴孔４０３から燃料が噴射され
る。ニードル４２１にはその環状段面４２１１に前記高
圧通路４０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作
用している。

【００２２】ニードル４２１の後方には高圧通路４０１
からインオリフィス４０７を介して制御油としての燃料
が導入されており、ニードル４２１の背圧を発生する背
圧室４０６が形成される。この背圧は、背圧室４０６に
配設されたスプリング４２２とともにニードル４２１の
後端面４２１２に着座方向（下向き）に作用する。

【００２３】前記背圧は背圧制御部４ｂで切り替えら
れ、背圧制御部４ｂは前記ピエゾスタック３Ａを備えた
ピエゾアクチュエータ４ｃにより駆動される。

【００２４】前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０
９を介して常時、背圧制御部４ｂの弁室４１０と連通し
ている。弁室４１０は天井面４１０１が上向きの円錐状
に形成されており、天井面４１０１の最上部で低圧室４
１１とつながっている。低圧室４１１はドレーンライン
５６に通じる低圧通路４０２と連通している。

【００２５】弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４
０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。

【００２６】弁室４１０内には、下側部分を水平にカッ
トしたボール４２３が配設されている。ボール４２３は
上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で
弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）４
１０２に着座し弁室４１０を高圧制御通路４０８と遮断
し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側
シートという）４１０１に着座し弁室４１０を前記低圧
室４１１から遮断する。これにより、ボール４２３下降
時には背圧室４１０がアウトオリフィス４０９、弁室４
１０を経て低圧室４１１と連通し、ニードル４２１の背
圧が低下してニードル４２１がリフトする。一方、ボー
ル４２３の上昇時には背圧室４０６が低圧室４１１と遮
断されて高圧通路４０１のみと連通し、ニードル４２１
の背圧が上昇してノズルニードル４２１が着座する。

【００２７】ボール４２３はピエゾアクチュエータ４ｃ
により押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ４ｃは、
低圧室４１１の上方に上下方向に形成された縦穴４１２
に径の異なる２つのピストン４２４，４２５が摺動自在
に保持され、上側の大径のピストン４２５の上方にピエ
ゾスタック３Ａが上下方向を伸縮方向として配設されて
いる。

【００２８】大径ピストン４２５はその下方に設けられ
たスプリング４２６によりピエゾスタック３Ａと当接状
態を維持しており、ピエゾスタック３Ａ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。

【００２９】ボール４２３と対向する下側の小径ピスト
ン４２４と大径ピストン４２５と縦穴４１２とで画され
た空間には燃料が充填されて変位拡大室４１３が形成さ
れており、ピエゾスタック３Ａの伸長で大径ピストン４
２５が下方変位して変位拡大室４１３の燃料を押圧する
と、その押圧力が変位拡大室４１３の燃料を介して小径
ピストン４２４に伝えられる。ここで、小径ピストン４
２４は大径ピストン４２５よりも小径としているので、
ピエゾスタック３Ａの伸長量が拡大されて小径ピストン
４２４の変位に変換される。

【００３０】変位拡大室４１３は常時十分な燃料が満た
されるように図示しないチェック弁を介して低圧通路４
０２と通じている。チェック弁は低圧通路４０２から変
位拡大室４１３に向かう方向を順方向として設けられて
おり、ピエゾスタック３Ａの伸長により大径ピストン４
２５が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室４１３に
閉じ込めるようになっている。

【００３１】燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック３
Ａが充電されてピエゾスタック３Ａが伸長することによ
り、小径ピストン４２４が下降してボール４２３を押し
下げる。これによりボール４２３が低圧側シート４１０
１からリフトするとともに高圧側シート４１０２に着座
して背圧室４０６が低圧通路４０２と連通するので、背
圧室４０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル
４２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用す
る力よりも優勢となって、ニードル４２１がロフトして
燃料噴射が開始される。

【００３２】噴射停止は反対にピエゾスタック３Ａの放
電によりピエゾスタック３Ａを縮小してボール４２３へ
の押し下げ力を解除する。この時、弁室４１０内は低圧
となっており、またボール４２３の底面には高圧制御通
路４０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボー
ル４２３には全体としては上向きの燃料圧が作用してい
る。そして、前記ボール４２３への押し下げ力の解除に
より、ボール４２３が高圧側シート４１０２からリフト
するとともに再び低圧側シート４１０１に着座して弁室
４１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル４２１が着
座し噴射が停止する。

【００３３】次に、ピエゾアクチュエータ駆動回路１に
ついて説明する。ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、
車載のバッテリ１１１、降圧型チョッパ回路を構成しバ
ッテリ１１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤ
Ｃ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に
接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１
１を構成し、ピエゾスタック３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの
充電用の電圧を出力する。バッファコンデンサ１１３は
比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタッ
ク３Ａ〜３Ｄ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。ピエゾスタック３Ｂ〜３Ｄは図４に
示したピエゾスタック３Ａと実質的に同じもので、残り
の３つのインジェクタ４に１対１に対応して搭載され
る。

【００３４】直流電源１１のバッファコンデンサ１１３
からピエゾスタック３Ａ〜３Ｄにインダクタ１３を介し
て通電する第１の通電経路１２ａが設けてあり、通電経
路１２ａには、バッファコンデンサ１１３とインダクタ
１３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子１４が
介設されている。第１のスイッチング素子１４はＭＯＳ
ＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１４１がバッフ
ァコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスと
なるように接続される。

【００３５】また、インダクタ１３とピエゾスタック３
Ａ〜３Ｄは直流電源１１および第１のスイッチング素子
１４をバイパスする第２の通電経路１２ｂを形成してお
り、この通電経路１２ｂは、インダクタ１３とスイッチ
ング素子１４の接続中点に接続される第２のスイッチン
グ素子１５を有している。第２のスイッチング素子１５
もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１５１
がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バ
イアスとなるように接続される。

【００３６】通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄのそれぞれに共通であり、次のように駆動対
象としてのピエゾスタック３Ａ〜３Ｄが選択できる。す
なわち、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄのそれぞれには直列
にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素
子という）１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に
接続されており、噴射気筒のインジェクタ４のピエゾス
タック３Ａ〜３Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされ
る。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはＭＯＳＦＥ
Ｔが用いられている。その寄生ダイオード１６１Ａ，１
６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、バッファコンデンサ１
１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。

【００３７】また、駆動制御回路１９には、ピエゾスタ
ック３Ａ〜３Ｄに直列に接続された抵抗値の小さな抵抗
器１７の両端間電圧、および第２のスイッチング素子１
５に直列に接続された抵抗値の小さな抵抗器１８の両端
間電圧が入力しており、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの充
電電流および放電電流が知られるようになっている。ま
た、駆動制御回路１９には、充電量としてのピエゾスタ
ック３Ａ〜３Ｄの両端間電圧（以下、ピエゾスタック電
圧という）が入力している。

【００３８】スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１
６Ｄの各ゲートには駆動制御回路１９からそれぞれ制御
信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素
子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエ
ゾスタック３Ａ〜３Ｄが選択されるとともに、スイッチ
ング素子１４，１５のゲートにはパルス状の制御信号で
ある駆動信号が入力してスイッチング素子１４，１５を
オンオフし、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの充電制御およ
び放電制御を行うようになっている。充電制御および放
電制御にあたっては、抵抗器１７，１８により検出され
た充電電流および放電電流、ピエゾスタック電圧に基づ
いて、さらに、ＣＰＵ５８ａからの噴射信号およびコモ
ンレール圧力の検出信号（以下、コモンレール圧力信号
という）に基づいて行われる。

【００３９】噴射信号は、「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値
信号で、燃料噴射をすべき期間に略対応して「Ｈ」とな
る。

【００４０】以下に、駆動制御回路１９について、ピエ
ゾスタック３Ａ〜３Ｄの充電を行う回路構成を中心に説
明する。

【００４１】駆動制御回路１９は、駆動信号発生回路２
１でスイッチング素子１４のゲートに入力する駆動信号
を発生する。駆動制御回路１９には、コモンレール圧力
信号と、ピエゾスタック電圧を抵抗器２５，２６により
分割した電圧信号（以下、ピエゾスタック電圧信号とい
う）とが入力する第１の比較器２２を備えており、ピエ
ゾスタック電圧が目標電圧よりも高いか低いかの二値信
号を出力する。この二値信号はピエゾスタック電圧が目
標電圧よりも低いときが「Ｈ」である。比較器２２の出
力信号は駆動信号発生回路２１のＡＮＤゲート回路２１
１に入力している。スイッチング素子１４の駆動信号は
このＡＮＤゲート回路２１１の出力信号であり、ピエゾ
スタック電圧が目標電圧よりも低い時のみスイッチング
素子１４のオンが許容されることになる。すなわち、ピ
エゾスタック３Ａ〜３Ｄの目標充電電圧はコモンレール
圧力信号に応じて与えられ、図５に示すように、後述す
るインジェクタ開弁電圧よりも高圧側でコモンレール圧
力が高いほど高い目標電圧となる。

【００４２】また、抵抗器１７の両端間電圧（以下、充
電電流検出信号という）と基準電圧発生器２７から出力
される基準電圧（以下、下限値信号という）とが入力す
る第２の比較器２３を備えており、充電電流検出信号が
下限値信号よりも高いか低いかの二値信号を出力する。
この二値信号は充電電流検出信号が下限値信号よりも低
いときが「Ｈ」である。比較器２３の出力信号は噴射信
号とともに駆動信号発生回路２１のＡＮＤゲート回路２
１３に入力しており、ＡＮＤゲート回路２１３の出力信
号はフリップフロップ回路２１２のセット端子に入力し
ている。しかして、フリップフロップ回路２１２のセッ
ト端子は、噴射信号が出力されている間のみ、充電電流
検出信号と下限値信号の比較信号が入力することにな
る。

【００４３】また、第１の信号である充電電流検出信号
と第２の信号である前記コモンレール圧力信号とが入力
する第３の比較器２４を備えており、充電電流検出信号
がコモンレール圧力信号よりも高いか低いかの二値信号
を出力する。この二値信号は充電電流検出信号がコモン
レール圧力信号よりも高いときが「Ｈ」である。比較器
２４からの出力信号は前記フリップフロップ回路２１２
のリセット端子に入力している。

【００４４】また、駆動信号発生回路２１は、前記フリ
ップフロップ回路２１２の出力（Ｑ）が前記比較器２２
の出力信号とともにＡＮＤゲート回路２１１に入力して
いる。

【００４５】したがって、噴射信号が出力されており、
かつピエゾスタック電圧が目標電圧に達するまで、すな
わち充電期間中は、このＡＮＤゲート回路２１１，２１
３の作動で、駆動信号発生回路２１からの駆動信号は、
充電電流検出信号と下限値信号との比較信号である比較
器２３の出力をセット信号とするとともに、充電電流検
出信号とコモンレール圧力信号との比較信号である比較
器２４の出力をリセット信号とするフリップフロップ回
路２１２の出力（Ｑ）と等価である。

【００４６】すなわち、スイッチング素子１４のオンに
より、通電経路１２ａに充電電流が流れる。このオン期
間における充電電流は、略バッファコンデンサ電圧とピ
エゾスタック電圧の差に比例した上昇速度で電流値が上
昇し、コモンレール圧力信号の大きさで規定される所定
値に達すると、比較器２４の出力が「Ｈ」となってフリ
ップフロップ回路２１２がリセットされ、前記所定値を
ピーク値としてスイッチング素子１４はオフしオフ期間
に入る。オフ期間には、第２のスイッチング１５の寄生
ダイオード１５１がインダクタ１３に発生する誘導起電
力に対し順バイアスとなり、第２の通電経路１２ｂに、
インダクタ１３に蓄積されたエネルギーにより漸減する
充電電流がフライホイール作用で流れて、これが下限値
に達すると、比較器２３の出力が「Ｈ」となってフリッ
プフロップ回路２１２がセットされて、再びスイッチン
グ素子１４がオンし、オン期間に入る。

【００４７】そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に
達すると比較器２２の出力が「Ｌ」になってスイッチン
グ素子１４はオフに固定される。

【００４８】図６はピエゾアクチュエータ駆動回路１の
各部の作動状態を示すタイミングチャートで、前半がコ
モンレール圧力が高い時のもので、後半がコモンレール
圧力が低い時のものである。充電電流信号と比較されて
充電電流のピーク値を規定する比較器２４の（−）入力
は、コモンレール圧力に比例した大きさの信号であり、
コモンレール圧力が高ければ、充電電流はピーク値が高
いものとなって平均充電電流が高くなり、ピエゾスタッ
ク電圧が速やかに目標電圧に達する。一方、コモンレー
ル圧力が低ければ、充電電流はピーク値が低いものとな
り、スイッチング素子１４の１回のオンオフでの充電量
が少量となる。したがって、スイッチング素子１４がオ
フに固定後に流れるフライホイール電流に基因する、最
終的なピエゾスタック電圧に対する誤差の割合を、コモ
ンレール圧力の低圧側でも小さく抑えることができる。
なお、コモンレール圧力の高圧側では前記誤差はピーク
電流が大きい分、相対的に大きくなるが、最終的なピエ
ゾスタック電圧に対する割合はさ程、大きくならず、実
質的には充電精度は確保される。

【００４９】また、目標電圧をコモンレール圧力に応じ
て設定することで次の効果を奏する。図５には、低圧側
シート４１０１に着座状態のボール４２３が弁室４１０
内の燃料圧力に抗して低圧側シート４１０１からリフト
可能な押圧力をピエゾアクチュエータ４ｃが発生する最
低のピエゾスタック電圧（インジェクタ開弁電圧）を併
せて示している。弁室４１０内の燃料圧力はコモンレー
ル圧力が高いほど高いから、ボール開弁電圧もコモンレ
ール圧力が高いほど高い。目標電圧はインジェクタ開弁
電圧よりも高いことが必要になるが、必要以上に高けれ
ばボール４２３が高圧側シート４１０２に着座する時の
衝撃が大きくなり、低ければボール４２３の低圧側シー
ト４１０１から離座が安定してなされないおそれがあ
る。目標電圧もボール開弁電圧よりも高圧側で、コモン
レール圧力に応じて設定することで、ボール４２３に適
正な押圧力を与えることができる。また、ピエゾアクチ
ュエータ駆動回路１の不要な発熱が回避される。

【００５０】なお、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの放電制
御は、従来装置と同様に、第２のスイッチング素子１５
をオンオフし、オン期間に第２の通電経路１２ｂに漸増
する放電電流を流し、オフ期間に第１の通電経路１２ａ
に漸減する放電電流を流す。オフ期間にはピエゾスタッ
ク３Ａ〜３Ｄからバッファコンデンサ１１３に電荷が回
収されることとなる。スイッチング素子１５のオンとオ
フの切り換えは抵抗器１８で検出される放電電流が所定
値に達するとオフし、放電電流が０に達するとオンす
る。

【００５１】（第２実施形態）図７に本発明の第２実施
形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路
の構成を示す。本実施形態は、第１実施形態においてピ
エゾアクチュエータ駆動回路の駆動制御回路を別の構成
に代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付し
た部分は第１実施形態と同じ作動をするので第１実施形
態との相違点を中心に説明する。

【００５２】ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａの駆動
制御回路１９Ａは、基本的な構成が第１実施形態と同じ
で、充電電流のピーク値の制御を別の構成で行うように
したものである。

【００５３】スイッチング素子１４のオン期間からオフ
期間への切り換え時期を規定するフリップフロップ回路
２１２のリセット端子には、比較器２４の出力信号が入
力している。比較器２４は第１実施形態と同様にコモン
レール圧力信号を（−）入力とするが、（＋）入力とし
て、ランプ波発生回路２８の出力信号が入力している。

【００５４】ランプ波発生回路２８は定電流電源２８１
が演算用コンデンサ２８２を充電するようになってお
り、ランプ波発生回路２８の出力信号としての演算用コ
ンデンサ２８２の両端間電圧を一定速度で上昇せしめ
る。

【００５５】演算用コンデンサ２８２には並列にトラン
ジスタ２８３が設けられ、そのオン時に演算用コンデン
サ２８２が急速放電するようになっている。トランジス
タ２８３はスイッチング素子１４の駆動信号を入力とす
るＮＯＴゲート回路２８４の出力信号によりオンオフす
る。すなわち、演算用コンデンサ両端間電圧は、スイッ
チング素子１４のオン期間においては時間に対して線形
に上昇し、スイッチング素子１４のオフ期間においては
０Ｖをとる。

【００５６】本実施形態では、充電制御期間中には、充
電電流が下限値まで低下し駆動信号発生回路２１の出力
信号が「Ｈ」になると充電電流の上昇が開始されるとと
もにトランジスタ２８３がオフして演算用コンデンサ両
端間電圧が０Ｖから上昇する。そして、演算用コンデン
サ両端間電圧がコモンレール圧力信号に達すると、比較
器２４の出力信号が「Ｈ」になってオン期間が終了す
る。演算用コンデンサ両端間電圧は前記のごとくオン期
間開始後の経過時間に比例して上昇するから、コモンレ
ール圧力信号が大きいほどオン期間の長さが長くなる。
すなわち、コモンレール圧力が高ければ図８の前半部の
ように充電電流のピーク値は高くなり、コモンレール圧
力が低ければ図８の後半部のように充電電流のピーク値
は低くなる。

【００５７】これにより、第１実施形態と同様に、必要
な充電精度を確保しつつ、適正な充電時間で、充電制御
を行うことができる。

【００５８】（第３実施形態）図９に本発明の第３実施
形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路
の構成を示す。本実施形態は、第１実施形態においてピ
エゾアクチュエータ駆動回路の駆動制御回路を別の構成
に代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付し
た部分は第１実施形態と同じ作動をするので第１実施形
態との相違点を中心に説明する。

【００５９】ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ｂの駆動
制御回路１９Ｂは、基本的な構成が第１実施形態と同じ
で、比較器２２，２４に入力するコモンレール圧力信号
を、ＣＰＵ５８ａからではなく、コモンレール圧力セン
サ５７の検出信号を入力とする増幅器２９が出力する構
成としたものである。

【００６０】本実施形態でも前記第１実施形態と同様に
コモンレール圧力が低くピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの目
標充電電圧が低い時に分解能を高めることで、高精度な
充電制御が実現できる。

【００６１】なお、前記各実施形態ではピエゾスタック
電圧を充電量の指標としているが、ピエゾスタックに供
給される電力量や電荷量を指標としてもよいのは勿論で
ある。

【００６２】また、コモンレール圧力信号はコモンレー
ル圧力に対して比例するように与えられるのではなく、
図のインジェクタ開弁電圧の特性に応じて曲線的に与え
られるのでもよい。

【００６３】また、本発明は、インジェクタの燃料噴射
制御用のピエゾアクチュエータだけではなく、目標充電
量が可変の構成であれば、他の用途に用いられるピエゾ
アクチュエータの駆動用にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した第１のピエゾアクチュエータ
駆動回路の回路図である。

【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路
図である。

【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動
されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用の
インジェクタを有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図
である。

【図４】前記インジェクタの断面図である。

【図５】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６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作
動を示すタイミングチャートである。

【図７】本発明を適用した第２のピエゾアクチュエータ
駆動回路の要部回路図である。

【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作
動を示すタイミングチャートである。

【図９】本発明を適用した第３のピエゾアクチュエータ
駆動回路の要部回路図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂピエゾアクチュエータ駆動回路１１直流電源１１１バッテリ１１２ＤＣ−ＤＣコンバータ１１３バッファコンデンサ１２ａ，１２ｂ通電経路１３インダクタ１４第１のスイッチング素子１４１寄生ダイオード１５第２のスイッチング素子１５１寄生ダイオード１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ選択スイッチング素
子１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄ寄生ダイオ
ード１７，１８抵抗器１９，１９Ａ，１９Ｂ駆動制御回路（制御手段）２１２フリップフロップ回路（制御信号出力禁止手
段）２４比較器（比較手段）２８ランプ波発生回路（信号発生手段）３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄピエゾスタック４インジェクタ４ａノズル部４ｂ背圧制御部４ｃピエゾアクチュエータ５４コモンレール５７コモンレール圧力センサ（圧力検出手段）５８ＥＣＵ５８ａＣＰＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 47/02 Ｆ０２Ｍ 47/02 Ｈ０１Ｌ 41/083 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｐ 41/09 Ｕ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピエゾアクチュエータに設けられたピエ
ゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する
第１の通電経路を有し、該通電経路には、その途中に設
けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期
間に漸増する充電電流を流し、前記直流電源および前記スイッチング素子をバイパスし
てインダクタからピエゾスタックに通電する第２の通電
経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子の
オフ期間に漸減する充電電流をフライホイール作用で流
し、前記充電電流が繰り返しピーク値をとるように前記スイ
ッチング素子のオンオフを制御するとともに、前記ピエ
ゾスタックの充電量が、外部からの入力で設定された目
標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定
する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエ
ゾアクチュエータ駆動回路において、前記制御手段を、目標充電量が小さいほど、前記オン期
間から前記オフ期間に切り換えるタイミングが、前記ピ
ーク値が小さくなるタイミングとな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、前記制御手段は、充電電流に応じた第
１の信号と前記目標充電量に応じた第２の信号とを比較
する比較手段と、第１の信号が第２の信号に達すると、前記スイッチング
素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間
に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成と
したピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項３】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、前記制御手段は、前記オン期間の経過
時間に応じて上昇する第１の信号を発生する信号発生手
段と、第１の信号と前記目標充電量に応じた第２の信号とを比
較する比較手段と、第１の信号が第２の信号を越えると、前記スイッチング
素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間
に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成と
したピエゾアクチュエータ駆動回路。
【請求項４】コモンレールから供給される高圧の燃料
の噴射用のノズル部と、燃料の噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開
閉作動用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、前記高圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧
力を出力するピエゾアクチュエータと、コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項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とを具備
し、前記制御手段は、検出されたコモンレール内燃料圧力が
高いほど目標充電量が大きくなるように設定したことを
特徴とする燃料噴射装置。