JP2003153531A

JP2003153531A - 容量負荷変動体の充放電装置

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Publication number: JP2003153531A
Application number: JP2001342295A
Authority: JP
Inventors: Noboru Nagase; 昇長瀬; Yoshiyuki Miyase; 善行宮瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-23
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: JP3744407B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ピエゾ素子の充放電装置に搭載されるフライ
バックトランスを小型化して車両搭載性を向上させる。【解決手段】充電時は、第１、第２フライバックトラ
ンス４４、４５の１次コイル４４ａ、４５ａを同時に通
電して充電作動を行う。逆に、放電時は、第１、第２フ
ライバックトランス４４、４５の２次コイル４４ｂ、４
５ｂを同時に通電して放電作動を行う。このように設け
ることにより、それぞれのトランスは１／２の電気エネ
ルギーを一時的に蓄積するのみで済む。このため、第
１、第２フライバックトランス４４、４５は、半分の容
量で充放電に必要な電気エネルギーの蓄積を賄うことが
でき、第１、第２フライバックトランス４４、４５を小
型化できる。この結果、狭い搭載スペース内であって
も、小型化された第１、第２フライバックトランス４
４、４５を搭載できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容量負荷変動体の
充放電装置に関するものであり、例えば、アクチュエー
タとして用いられるピエゾ素子（容量負荷変動体の一
例）の充放電装置に用いて好適な技術である。

【０００２】

【従来の技術】ピエゾ素子は、温度等によって容量負荷
が変動する。このため、ピエゾ素子を一定電流で一定時
間充電しても、ピエゾ素子に蓄えられる電気エネルギー
が温度によって変動してしまい、ピエゾ素子の出力（伸
び等）が一定にならない。そこで、ピエゾ素子に一定の
電気エネルギーを充電させるには、温度補償を行う必要
がある。

【０００３】温度特性を補償するピエゾ素子の充電方法
としてマルチスイッチング方式が知られている。この充
電方法は、図１１に示すように、ピエゾ素子を充電する
信号（ＩＪＴのON）が与えられると、先ず、充電スイッ
チをONしてピエゾ素子を通電する。ピエゾ素子の通電電
流Ipztが所定電流（例えば２５Ａ）に達したら、充電ス
イッチをOFF する。この１回目の充電スイッチのON時間
を記憶しておく。充電スイッチのOFF 後、電気エネルギ
ー蓄積コイルに蓄えられた電気エネルギーがダイオード
を介してピエゾ素子に与えられ、ピエゾ素子の充電が継
続する。１回目の充電スイッチのOFF 後に通電電流Ipzt
が０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ
充電スイッチをONし、その後に通電電流Ipztが０Ａに低
下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッ
チをONすることを複数回繰り返す。このように、１回目
で記憶したON時間で充電スイッチを繰り返してONするこ
とにより、時間当たりの電気エネルギーが一定となり、
ピエゾ素子の温度補償充電が可能となる。

【０００４】一方、放電も従来では図１１に示すように
マルチスイッチング方式によって実行されている。この
放電方法は、ピエゾ素子を放電する信号（ＩＪＴのOFF
）が与えられると、先ず、放電スイッチをONしてピエ
ゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを電気エネルギー蓄
積コイルを介して放電させる。放電電流Ipztが所定の遮
断電流（例えば２０Ａ）に達したら、放電スイッチをOF
F する。すると、電気エネルギー蓄積コイルに蓄えられ
た電気エネルギーがダイオードを介して電源に回収され
る。１回目の放電スイッチのOFF 後に放電電流Ipztが０
Ａまで低下すると、放電スイッチをONし、上記の作動を
複数回繰り返す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記に示した充電方法
は、充電スイッチの多数のON-OFFによって充電を行うた
め、１回のON-OFFに要する時間のズレがマルチスイッチ
ングによって大きくなり、ピエゾ素子のエネルギー充電
の精度が悪くなってしまう。同様に、従来の放電方法
も、放電スイッチの多数のON-OFFによって放電を行うた
め、１回のON-OFFに要する時間のズレがマルチスイッチ
ングによって大きくなり、ピエゾ素子からエネルギーを
放出させる精度が悪くなってしまう。さらに、マルチス
イッチング方式では、多数のスイッチングによってノイ
ズの発生量も多くなってしまう。

【０００６】上記の不具合を解決する手段として、充電
スイッチを１回ON-OFFさせるのみでピエゾ素子の充電を
完了させる充電方法と、放電スイッチを１回ON-OFFさせ
るのみでピエゾ素子の放電を完了させる放電方法とを開
発した（この方法は周知な技術ではない）。

【０００７】この周知ではない充電方法は、フライバッ
クトランスを用いたもので、充電開始信号が与えられる
と、充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけONさ
せ、フライバックトランスに電気エネルギーを蓄えさせ
る。充電スイッチがOFF すると、フライバックトランス
に蓄えられた電気エネルギーが、２次コイルに与えられ
てピエゾ素子が充電される。このように、１次コイル通
電時間（充電スイッチのON時間）を管理することで、ピ
エゾ素子を高い精度でエネルギー充電できる。

【０００８】周知でない放電方法は、放電開始信号が与
えられると、放電スイッチが所定の２次コイル通電時間
だけONし、容量負荷変動体に蓄えられていた電気エネル
ギーをフライバックトランスに蓄積させ、この時にピエ
ゾ素子が放電される。放電スイッチがOFF すると、フラ
イバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが１次コ
イルに与えられて、１次コイルに接続された直流電源に
電気エネルギーが回生される。このように、２次コイル
通電時間（放電スイッチのON時間）を管理することで、
ピエゾ素子を高い精度でエネルギー放電できる。

【０００９】このように、１回の充電スイッチのON-OFF
動作、および１回の放電スイッチのON-OFF動作によっ
て、充電と放電を行うフライバックトランスには、大き
な蓄電気エネルギー能力が要求されるため、フライバッ
クトランスが大型になる不具合がある。例えば、ピエゾ
素子を車両用噴射装置のピエゾインジェクタの開閉駆動
用のアクチュエータに適用した場合、ピエゾ素子の充放
電装置としてフライバックトランスを車両に搭載する必
要が生じるが、フライバックトランスが大きいと、スペ
ース上の規制の大きい車両搭載性が劣化してしまう。

【００１０】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、容量負荷変動体の充放電装置
に搭載されるフライバックトランスを小型化することに
あり、例えば車両に搭載するような場合でも、車両搭載
性に優れた容量負荷変動体の充放電装置の提供にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕請求
項１の手段を採用することにより、第１、第２フライバ
ックトランスの１次コイルを同時に通電して充電作動を
行うとともに、第１、第２フライバックトランスの２次
コイルを同時に通電して放電作動を行うことにより、そ
れぞれのトランスは１／２の電気エネルギーを一時的に
蓄積するのみとなる。このため、第１、第２フライバッ
クトランスは、半分の容量で充放電に必要な電気エネル
ギーの蓄積を賄うことができ、第１、第２フライバック
トランスを小型化できる。これによって、例えば容量負
荷変動体の充放電装置を車両に搭載する場合、狭い搭載
スペース内に小型化された第１、第２フライバックトラ
ンスを搭載することが容易になり、車両搭載性が向上す
る。

【００１２】また、容量負荷変動体に高い電気エネルギ
ーを蓄える時は、第１充電スイッチと第２充電スイッチ
を同時にオンさせるとともに、容量負荷変動体に高い電
気エネルギーが蓄えられた時は、第１放電スイッチと第
２放電スイッチを同時にオンさせる。一方、容量負荷変
動体に低い電気エネルギーを蓄える時は、第１充電スイ
ッチまたは第２充電スイッチの一方をオンさせるととも
に、容量負荷変動体に低い電気エネルギーが蓄えられた
時は、第１放電スイッチまたは第２放電スイッチの一方
をオンさせる。このように設けることにより、第１フラ
イバックトランスで容量負荷変動体の充放電を行った
り、第２フライバックトランスで容量負荷変動体の充放
電を行ったり、２つの第１、第２フライバックトランス
で容量負荷変動体の充放電を行うことができる。このた
め、第１、第２充電スイッチおよび第１、第２放電スイ
ッチのON-OFF状態を切り替えることで、容量負荷変動体
の充電量を切り替えることができる。

【００１３】〔請求項２の手段〕請求項２の手段を採用
し、所定の１次コイル通電時間を、充電スイッチ（例え
ば、第１、第２充電スイッチ）がONしてから１次コイル
（例えば、第１、第２フライバックトランスの１次コイ
ル）を流れる電流が、開弁電流（容量負荷変動体の充電
に適した電流値）に達するまでの時間としても良い。

【００１４】〔請求項３の手段〕請求項３の手段を採用
し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチ（例え
ば、第１、第２放電スイッチ）がONしてから容量負荷変
動体の負荷電圧が、零に近い所定の閉弁電圧に低下する
までの時間としても良い。

【００１５】〔請求項４の手段〕請求項４の手段を採用
し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチ（例え
ば、第１、第２放電スイッチ）がONしてから２次コイル
（例えば、第１、第２フライバックトランスの２次コイ
ル）を流れる放電電流が所定の閉弁電流に達するまでの
時間としても良い。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、実施例と
変形例を用いて説明する。〔実施例〕図１〜図１０を参照して実施例（ピエゾイン
ジェクタに搭載されたピエゾ素子の充放電装置）を説明
する。なお、下記実施例では、容量負荷変動体の一例と
してピエゾ素子１を用いる例を示す。また、下記実施例
では、ピエゾ素子１を燃料噴射システムにおけるピエゾ
インジェクタ２のアクチュエータとして用いる場合を例
に示す。

【００１７】ピエゾ素子１は、図９、図１０に示すよう
に、各気筒に取り付けられるピエゾインジェクタ２に取
り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエ
ータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電
極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素
子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮す
るものである。

【００１８】ピエゾ素子１が搭載されるピエゾインジェ
クタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射シ
ステムに適用される。この燃料噴射システムの一例を図
９を参照して説明する。ピエゾインジェクタ２は、エン
ジンの各気筒に対応して取り付けられている（図９では
ピエゾインジェクタ２を１つのみ図示）。各ピエゾイン
ジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回
路３は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニットの略）
４から与えられる噴射信号によってピエゾ素子１の充放
電を行うように設けられている。

【００１９】つまり、ＥＣＵ４から与えられる噴射開始
信号（充電開始信号に相当するものであり、噴射信号の
ON）によって充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に
搭載されたピエゾ素子１を充電すると、ピエゾ素子１が
伸長してピエゾインジェクタ２が開いてコモンレール５
に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃焼室内に噴射する。
噴射後、ＥＣＵ４から与えられる噴射停止信号（放電開
始信号に相当するものであり、噴射信号のOFF ）によっ
て充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に搭載された
ピエゾ素子１を放電すると、ピエゾ素子１が収縮してピ
エゾインジェクタ２が閉じて燃料噴射が停止する。

【００２０】コモンレール５には、燃料タンク６の燃料
が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモン
レール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモン
レール５からピエゾインジェクタ２に供給される燃料
は、燃焼室への噴射の他に、ピエゾインジェクタ２の制
御油圧としても用いられるものであり、ピエゾインジェ
クタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６
に還流するようになっている。コモンレール５には、燃
料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられて
いる。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整
弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送
量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っ
ている。

【００２１】ピエゾインジェクタ２の構造を図１０を参
照して説明する。ピエゾインジェクタ２は、棒状体を呈
するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、
先端部が燃焼室内に突出するものである。ピエゾインジ
ェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１
１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。

【００２２】ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１
５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるもの
であり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダ
ー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座また
は離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９に
は、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して
高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１
から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空
間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１
５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）に
リフトするように作用している。

【００２３】大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧
通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給さ
れており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１
５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニ
ードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作
用している。背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切
り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ
駆動部１３によって駆動される。

【００２４】背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介
して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。この
弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成さ
れており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつなが
っている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上
述したドレーンライン８に通じている。

【００２５】また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通
路２０より分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボ
ール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上
下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６
の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の
連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２
６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。

【００２６】このように、ボール弁３０が下降して弁室
２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室
２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してド
レーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が
下がり、ニードル１４が離座する。逆に、ボール弁３０
が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられる
と、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧
室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背
圧が高まり、ニードル１４が着座する。

【００２７】ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長
によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室
２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピ
ストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３
を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエ
ゾ素子１が配置されている。大径ピストン３２は、その
下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に
押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量
と同じだけ上下方向に変位する。

【００２８】変位拡大室３１には、燃料が充填されてお
り、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３
２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、そ
の加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し
下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン
３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長
量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。

【００２９】噴射開始時は、先ず、ピエゾ素子１が充電
されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン
３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が
押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これによ
り、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ
素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小
径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解
除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧
燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁
室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室
２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴
射が停止する。

【００３０】各気筒毎のピエゾ素子１を充電および放電
させるための充放電回路３を図１を参照して説明する。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電
させるための第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ
と、ピエゾ素子１を放電させるための第１、第２放電ス
イッチ４２ａ、４２ｂと、充放電されるピエゾ素子１を
選択するための選択スイッチ４３と、第１、第２フライ
バックトランス４４、４５と、複数のダイオード４６と
から構成されている。なお、この実施例の第１、第２フ
ライバックトランス４４、４５は、同一のものが用いら
れている。

【００３１】直流電源４０は、車載のバッテリ４７から
数十〜数百Ｖの直流電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバ
ータ４８、このＤＣ／ＤＣコンバータ４８に並列接続さ
れたバッファコンデンサ４９を備える。このバッファコ
ンデンサ４９は、比較的静電容量の大きなもので、ピエ
ゾ素子１の充電作動時にも一定の電圧を保つようになっ
ている。

【００３２】第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、
第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイ
ッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制
御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ
ング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであって
も良い。

【００３３】第１フライバックトランス４４は、１次コ
イル４４ａおよび２次コイル４４ｂを備えるものであ
り、１次コイル４４ａは第１、第２充電スイッチ４１
ａ、４１ｂのONによって直流電源４０と電気的に接続さ
れ、２次コイル４４ｂは第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂのONによってピエゾ素子１と電気的に接続さ
れる。

【００３４】第２フライバックトランス４５は、上述し
た第１フライバックトランス４４と同様、１次コイル４
５ａおよび２次コイル４５ｂを備えるものであり、１次
コイル４５ａは第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ
のONによって直流電源４０と電気的に接続され、２次コ
イル４５ｂは第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂの
ONによってピエゾ素子１と電気的に接続される。

【００３５】第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、
第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイ
ッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制
御されるものであり、充放電コントローラ５０にはＥＣ
Ｕ４から「噴射信号」、「切替信号」、「気筒信号」が
入力される。噴射信号は、ピエゾインジェクタ２の噴射
開始と噴射終了とを切り替える信号（充電開始信号およ
び充電終了信号に相当する）であり、噴射開始のHi信号
が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コン
トローラ５０によってピエゾ素子１の充電が開始される
とともに、噴射信号のLo信号が充放電コントローラ５０
に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエ
ゾ素子１の放電が開始される。

【００３６】切替信号は、低エネルギー充放電時（以
下、短インターバル充放電時）と、高エネルギー充放電
時とを切り替える信号であり、切替信号のLo信号が充放
電コントローラ５０に与えられると、充放電コントロー
ラ５０によってピエゾ素子１の短インターバル充放電が
行われ、切替信号のHi信号が充放電コントローラ５０に
与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ
素子１の高エネルギー充放電が行われる。

【００３７】（短インターバル充放電の説明）短インタ
ーバル充放電とは、エンジンの中低負荷時に実行される
ものであり、コモンレール５の燃料圧力を下げて１行程
中の噴射回数を複数回（例えば４、５回）にし、複数の
噴射で運転状態に適した所定量の燃料をピエゾインジェ
クタ２から噴射させるものである。

【００３８】この短インターバル充放電は、一方の２次
コイル（２次コイル４４ｂ、４５ｂの一方）で放電動作
を行っている間に、他方の１次コイル（１次コイル４４
ａ、４５ａの他方）で充電動作を行う技術であり、放電
中に充電を開始することで放電開始から充電完了までの
噴射インターバルを短くするものである。

【００３９】次に、短インターバル充放電における第１
噴射から第２噴射に至る具体的な噴射作動を、図２、図
３を参照して説明する。ＥＣＵ４から充放電コントロー
ラ５０へ与えられる噴射信号がHiに反転すると、充放電
コントローラ５０は、第１充電スイッチ４１ａを「所定
の１次コイル通電時間」だけONする。なお、この実施例
の「所定の１次コイル通電時間」は、噴射信号がHiに反
転してから、１次コイル４４ａ（あるいは１次コイル４
５ａ）の電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達するまでの時
間である。この第１充電スイッチ４１ａのON中に、図２
に示すように１次コイル４４ａに電流が流れて第１フ
ライバックトランス４４に電気エネルギーが蓄えられ、
第１充電スイッチ４１ａがOFF した際に、蓄えられた電
気エネルギーは図２に示すように２次コイル４４ｂか
らピエゾ素子１に与えられる。この作動によってピエゾ
素子１の充電が完了し、ピエゾインジェクタ２から噴射
が開始される。

【００４０】続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反
転すると、充放電コントローラ５０は、第１放電スイッ
チ４２ａを「所定の２次コイル通電時間」だけONする。
なお、この実施例の「所定の２次コイル通電時間」は、
噴射信号がLoに反転してから、ピエゾ素子１の充電電圧
が閉弁電圧ＶＣに達するまでの時間である。この第１放
電スイッチ４２ａのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられて
いた電気エネルギーが、図３に示すように低下すると
同時に、図２、図３に示すように２次コイル４４ｂに
電流が流れ、第１フライバックトランス４４に電気エネ
ルギーが蓄えられる。そして、第１放電スイッチ４２ａ
がOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図
３に示すように１次コイル４４ａから直流電源４０の
バッファコンデンサ４９に回生される。

【００４１】上記の第１放電スイッチ４２ａのON中、連
続噴射のため噴射信号がHiに反転すると、充放電コント
ローラ５０は、第２充電スイッチ４１ｂを「所定の１次
コイル通電時間」だけONする。この第２充電スイッチ４
１ｂのON中に、図２、図３’に示すように１次コイル
４５ａに電流が流れて第２フライバックトランス４５に
電気エネルギーが蓄えられ、第２充電スイッチ４１ｂが
OFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図３
’に示すように２次コイル４５ｂからピエゾ素子１に
与えられる。この作動によってピエゾ素子１が充電さ
れ、ピエゾインジェクタ２から噴射が開始される。

【００４２】このような動作によって、噴射終了から噴
射開始までの噴射インターバルを短縮できる。その
後、第２放電スイッチ４２ｂのON中に、第１充電スイッ
チ４１ａのONが行われ、上記を繰り返すことによって、
短いインターバルで燃料の噴射が繰り返される。

【００４３】次に、短インターバル充放電を実行するロ
ジック回路を、図４、図５を参照して説明する。なお、
以下では、第１充電スイッチ４１ａと第１放電スイッチ
４２ａのON-OFFを行うロジック回路を説明するが、第２
充電スイッチ４１ｂと第２放電スイッチ４２ｂのロジッ
ク回路も同様のものである。

【００４４】まず、第１充電スイッチ４１ａをON-OFFさ
せるロジック回路を図４を参照して説明する。充放電コ
ントローラ５０は、噴射信号の信号を反転させるノット
回路５１と、噴射信号がLo信号に反転した時にノット回
路５１によってセットされてHi信号を発生する第１フィ
リップフロップ５２と、噴射信号のHi信号によって所定
の時間に亘ってHi信号を発生する時間リミット５３と、
第１フィリップフロップ５２と時間リミット５３が共に
Hiの時のみ第１充電スイッチ４１ａをONさせるアンド回
路５４とを備える。また、充放電コントローラ５０は、
１次コイル４４ａの電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達し
たらHi信号を発生する充電電流検出手段（図示しない）
の出力によって第１フィリップフロップ５２をリセット
するように設けられ、１次コイル４４ａの電流値が開弁
電流Ｉ1 に達したら第１充電スイッチ４１ａがOFF する
ように設けられている。

【００４５】上記回路による第１充電スイッチ４１ａの
ON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明す
る。この作動はピエゾ素子１の放電開始時から始まる。
実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号が
時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実
線Ｂに示すようにノット回路５１で反転される。このノ
ット回路５１で反転されたHi信号によって実線Ｃに示す
ように第１フィリップフロップ５２がHi信号を出力す
る。燃料噴射のために、ＥＣＵ４から与えられる噴射信
号が実線Ａに示すように時間ｔ2 においてLoからHiに反
転すると、第１フィリップフロップ５２とともに時間リ
ミット５３もHi信号を出力するため、アンド回路５４が
Hi信号を出力し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ
４１ａをONさせる。実線Ｅに示すように１次コイル４４
ａの電流値が時間ｔ3 において開弁電流Ｉ1 に達する
と、実線Ｃに示すように第１フィリップフロップ５２が
リセットする。この結果、アンド回路５４がLoに反転
し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ４１ａがOFF
する。

【００４６】続いて、第１放電スイッチ４２ａをON-OFF
させるロジック回路を図４を参照して説明する。充放電
コントローラ５０は、上述したノット回路５１によって
セットされる第２フィリップフロップ５５と、この第２
フィリップフロップ５５あるいは上述したノット回路５
１の少なくとも一方がHiの時のみにHi信号を出力するオ
ア回路５６とを備えるとともに、ピエゾ素子１の負荷電
圧が所定の閉弁電圧ＶＣより高い場合にのみHi信号を発
生する放電電圧ＶＣの検出回路（図示しない）の出力と
上記オア回路５６が共にHiの時のみ第１放電スイッチ４
２ａをONさせるアンド回路５７を備える。

【００４７】また、充放電コントローラ５０は、ピエゾ
素子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣより低下した時に、上
述した検出回路（図示しない）の出力を反転させるノッ
ト回路５８と、このノット回路５８がHi信号を発生した
時、あるいは上述した充電電流検出手段（図示しない）
がHi信号を発生した時に、Hi信号を発生するオア回路５
９とを備える。このように設けることにより、ピエゾ素
子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣに低下した時に、オア回
路５９がHi信号を発生して第２フィリップフロップ５５
をリセットするとともに、上述したアンド回路５７がOF
F して第１放電スイッチ４２ａをOFF するように設けら
れている。

【００４８】上記回路による第１放電スイッチ４２ａの
ON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明す
る。実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信
号が時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力
が実線Ｂに示すようにノット回路５１で反転されてHiの
信号を出力する。これによって、実線Ｆに示すように第
２フィリップフロップ５５がHi信号を出力してオア回路
５６がHi信号を出力する。この時、実線Ｇに示すように
ピエゾ素子１の負荷電圧は閉弁電圧ＶＣより高い状態で
あるため、アンド回路５７がHiの信号を出力して実線Ｈ
に示すように第１放電スイッチ４２ａをONさせる。する
と、実線Ｉに示すように２次コイル４４ｂに放電電流が
流れて、ピエゾ素子１の負荷電圧が実線Ｇに示すように
低下する。ピエゾ素子１の負荷電圧が時間ｔ4 において
閉弁電圧ＶＣ（≒０Ｖ）に低下すると、実線Ｆに示すよ
うに第２フィリップフロップ５５がリセットされるとと
もに、アンド回路５７がLoに反転し、実線Ｈに示すよう
に第１放電スイッチ４２ａがOFF する。

【００４９】（高エネルギー充放電の説明）高エネルギ
ー充放電とは、エンジンの高負荷時に実行されるもので
あり、コモンレール５の燃料圧力を高めて１行程中の噴
射回数を１回にし、１度の噴射で運転状態に適した所定
量の燃料をピエゾインジェクタ２から噴射させるもので
ある。

【００５０】次に、高インターバル充放電における具体
的な噴射作動を、図６、図７を参照して説明する。ＥＣ
Ｕ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号
がHiに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１、
第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂを上述した「所定の１
次コイル通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号が
Hiに反転してから、１次コイル４４ａ、４５ａの電流値
が開弁電流Ｉ1 に達するまでの時間に亘って、第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂをONする。この第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂのON中に、図６、図７
、’に示すように１次コイル４４ａ、４５ａに電流
が流れて第１、第２フライバックトランス４４、４５の
両方に電気エネルギーが蓄えられる。そして、第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂがOFF した際に、蓄えら
れた電気エネルギーは図６、図７、’に示すように
２次コイル４４ｂ、４５ｂの両方からピエゾ素子１に与
えられる。この作動によって実線Ａに示すようにピエゾ
素子１を高電圧充電（短インターバル充放電の破線Ｂよ
り高電圧充電）でき、ピエゾインジェクタ２から噴射が
開始される。

【００５１】続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反
転すると、充放電コントローラ５０は、第１、第２放電
スイッチ４２ａ、４２ｂを上述した「所定の２次コイル
通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号がLoに反転
してから、ピエゾ素子１の充電電圧が閉弁電圧ＶＣに達
するまでの時間に亘って第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂをONする。この第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられていた電
気エネルギーが、図７に示すように低下すると同時
に、図６、図７、’に示すように２次コイル４４
ｂ、４５ｂに電流が流れ、第１、第２フライバックトラ
ンス４４、４５に電気エネルギーが蓄えられる。そし
て、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂがOFF した
際に、蓄えられた電気エネルギーは図６、図７、’
に示すように１次コイル４４ａ、４５ａから直流電源４
０のバッファコンデンサ４９に回生される。

【００５２】高エネルギー充放電を実行するロジック回
路を図８に示す。図８の基本演算回路６０は、図４で示
した短インターバル充放電のロジック回路であり、基本
演算回路６０から出力される「充電ＳＷ１」の出力は図
４のアンド回路５４の出力であり、「放電ＳＷ１」の出
力は図４のアンド回路５７の出力である。また、基本演
算回路６０から出力される「充電ＳＷ２」および「放電
ＳＷ２」の出力は、第２充電スイッチ４１ｂおよび第２
放電スイッチ４２ｂのロジック回路（図示しない）から
の出力信号である。

【００５３】この図８のロジック回路は、「短インター
バル充放電」と「高エネルギー充放電」のモードの切替
手段に相当するものであり、複数のオア回路６１とアン
ド回路６２によって、ＥＣＵ４から与えられる「切替信
号」がHiの時に高エネルギー充放電を行い、「切替信
号」がLoの時に短インターバル充放電が行われるように
設けられている。

【００５４】〔実施例の効果〕上述したように、第１、
第２フライバックトランス４４、４５の１次コイル４４
ａ、４５ａを同時に通電して充電作動を行うとともに、
第１、第２フライバックトランス４４、４５の２次コイ
ル４４ｂ、４５ｂを同時に通電して放電作動を行うこと
により、それぞれのトランスは１／２の電気エネルギー
を一時的に蓄積するのみで済む。このため、第１、第２
フライバックトランス４４、４５は、半分の容量で充放
電に必要な電気エネルギーの蓄積を賄うことができ、第
１、第２フライバックトランス４４、４５を小型化でき
る。これによって、ピエゾ素子１の充放電装置を車両に
搭載する場合、狭い搭載スペース内に小型化された第
１、第２フライバックトランス４４、４５を搭載するこ
とが容易になり、車両搭載性が向上する。

【００５５】また、高エネルギー充放電時は、充電開始
時に第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂを同時にON
させ、放電開始時に第１、２放電スイッチ４２ａ、４２
ｂを同時にONさせる。一方、短インターバル充放電時
は、充電開始時に第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１
ｂのいずれか一方をONさせ、放電開始時に第１、２放電
スイッチ４２ａ、４２ｂのいずれか一方をONさせる。こ
のように設けたことにより、第１フライバックトランス
４４でピエゾ素子１の充放電を行ったり、第２フライバ
ックトランス４５でピエゾ素子１の充放電を行ったり、
２つの第１、第２フライバックトランス４４、４５でピ
エゾ素子１の充放電を行うことができる。このため、第
１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂおよび第１、第２
放電スイッチ４２ａ、４２ｂのON-OFF状態を切り替える
ことで、ピエゾ素子１の充電量を切り替えることができ
る。

【００５６】〔変形例〕上記の実施例では、短インター
バル充放電の時、第１フライバックトランス４４による
充放電動作と、第２フライバックトランス４５による充
放電動作とを、オーバーラップ作動させる例を示した。
しかるに、第１フライバックトランス４４を充電専用に
するとともに、第２フライバックトランス４５を放電専
用にして短インターバル充放電を行っても良い。このよ
うに設けることにより、第１、第２充電スイッチ４１
ａ、４１ｂおよび第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２
ｂのON-OFF制御が容易になる。

【００５７】上記の実施例では、第１、第２フライバッ
クトランス４４、４５として同一のものを用いたが、第
１、第２フライバックトランス４４、４５の容量を異な
るように設けても良い。この技術によって、第１フライ
バックトランス４４によるピエゾ素子１の充電電圧と、
第２フライバックトランス４５によるピエゾ素子１の充
電電圧とを変えることが可能になる。

【００５８】上記の実施例では、容量負荷変動体の一例
としてピエゾ素子１を例に示したが、温度によって容量
負荷が変動する他の容量負荷変動体の充放電装置に本発
明を適用しても良い。上記の実施例では、ピエゾ素子１
を用いたアクチュエータを、燃料噴射システムにおける
ピエゾインジェクタ２に適用した例を示したが、ピエゾ
素子１を他のアクチュエータ（例えば、光学系計測装置
における光軸可変用のアクチュエータ等）に適用しても
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】充放電装置の電気回路図である（実施例）。

【図２】短インターバル充放電説明用の概略回路図であ
る（実施例）。

【図３】短インターバル充放電説明用のタイムチャート
である（実施例）。

【図４】短インターバル充放電のロジック回路図である
（実施例）。

【図５】短インターバル充放電のロジック回路の作動説
明のためのタイムチャートである（実施例）。

【図６】高エネルギ−充放電説明用の概略回路図である
（実施例）。

【図７】高エネルギ−充放電説明用のタイムチャートで
ある（実施例）。

【図８】モード切替用のロジック回路図である（実施
例）。

【図９】燃料噴射システムの概略図である（実施例）。

【図１０】ピエゾインジェクタの断面図である（実施
例）。

【図１１】ピエゾ素子を流れる電流の説明図である（従
来例）。

【符号の説明】

１ピエゾ素子（容量負荷変動体）２ピエゾインジェクタ４０直流電源４１ａ第１充電スイッチ４１ｂ第２充電スイッチ４２ａ第１放電スイッチ４２ｂ第２放電スイッチ４４第１フライバックトランス４４ａ１次コイル４４ｂ２次コイル４５第２フライバックトランス４５ａ１次コイル４５ｂ２次コイル

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 ＫＦターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA66 BA67 CC06U CC08U CE27 CE29 3G301 HA02 LB11 LC05 LC10 MA11 5H730 BB43 BB82 EE16 FG22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）直流電源の電流をフライバックトラ
ンスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備
し、温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体に電気
エネルギーを蓄えるための充電開始信号が与えられてか
ら前記充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけオ
ンさせ、前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
に蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトラ
ンスの２次コイルから前記容量負荷変動体に与えられ
て、この容量負荷変動体の充電が１回の１次コイル通電
作動で完了する充電動作を行うとともに、（ｂ）前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギー
を前記フライバックトランスの２次コイルに与えるため
の放電スイッチを具備し、前記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを放電
させるための放電開始信号が与えられてから前記放電ス
イッチを所定の２次コイル通電時間だけオンさせて、前
記容量負荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記２
次コイルに与えて前記容量負荷変動体の放電を１回の２
次コイル通電作動で完了し、前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトラン
スの１次コイルから直流電源に回生する容量負荷変動体
の充放電装置であって、（ｃ）前記フライバックトランスは、第１フライバック
トランスと、第２フライバックトランスとに、独立して
設けられ、前記充電スイッチは、前記第１フライバックトランスの
１次コイルに前記直流電源の電流を与える第１充電スイ
ッチと、前記第２フライバックトランスの１次コイルに
前記直流電源の電流を与える第２充電スイッチとに、独
立して設けられ、前記放電スイッチは、前記容量負荷変動体に蓄えられた
電気エネルギーを前記第１フライバックトランスの２次
コイルに与えるための第１放電スイッチと、前記容量負
荷変動体に蓄えられた電気エネルギーを前記第２フライ
バックトランスの２次コイルに与えるための第２放電ス
イッチとに、独立して設けられ、（ｄ）前記容量負荷変動体に高い電気エネルギーを蓄え
る時に、前記第１充電スイッチと前記第２充電スイッチ
を同時にオンさせるとともに、前記容量負荷変動体に高
い電気エネルギーが蓄えられた時に、前記第１放電スイ
ッチと前記第２放電スイッチを同時にオンさせ、前記容量負荷変動体に低い電気エネルギーを蓄える時
に、前記第１充電スイッチまたは前記第２充電スイッチ
の一方を同時にオンさせるとともに、前記容量負荷変動
体に低い電気エネルギーが蓄えられた時に、前記第１放
電スイッチまたは前記第２放電スイッチの一方をオンさ
せる切替手段を備えることを特徴とする容量負荷変動体
の充放電装置。
【請求項２】請求項１の容量負荷変動体の充放電装置に
おいて、前記所定の１次コイル通電時間は、前記充電スイッチを
オンしてから、前記１次コイルの通電電流が所定の開弁
電流に達するまでの時間であることを特徴とする容量負
荷変動体の充放電装置。
【請求項３】請求項１または請求項２の容量負荷変動体
の充放電装置において、前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチを
オンしてから、前記容量負荷変動体の負荷電圧が、零に
近い所定の閉弁電圧に低下するまでの時間であることを
特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
【請求項４】請求項１または請求項２の容量負荷変動体
の充放電装置において、前記所定の２次コイル通電時
間は、前記放電スイッチをオンしてから、前記２次コイ
ルを流れる放電電流が所定の閉弁電流に達するまでの時
間であることを特徴とする容量負荷変動体の充放電装
置。