JP2003243739A - ピエゾアクチュエータ制御装置およびそれを用いた燃料噴射制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流波形が滑らかで電磁ノイズが低減され、
エネルギー効率が高く、精密で自由度の高いエネルギー
制御が可能なピエゾアクチュエータ制御装置を提供す
る。 【解決手段】 ＣＰＵ７１は充電スイッチング素子６４
および放電スイッチング素子６５のオンデューティをエ
ネルギ制御信号に応じた所定値に制御する。充電スイッ
チング素子６４または放電スイッチング素子６５のスイ
ッチング周期をインダクタ６６およびピエゾスタック５
１から形成されるＬＣ共振回路の共振時定数よりも短く
することにより、ピエゾスタック５１に充電される電流
の波形またはピエゾスタック５１から放電される電流の
波形を概ね正弦波状に制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピエゾアクチュエ
ータ制御装置およびこれを用いた燃料噴射制御システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ピエゾアクチュエータはＰＺＴ素子など
の圧電材料の圧電作用を利用したものである。ピエゾア
クチュエータには圧電材料からなる容量性の素子である
ピエゾスタックが設けられ、ピエゾスタックを充電また
は放電することにより伸縮させ、ピストンなどを駆動し
ている。例えば、内燃機関に用いられる燃料噴射装置の
場合、噴孔を開閉する弁部材をピエゾアクチュエータに
より駆動するものが公知である。

【０００３】ピエゾアクチュエータの駆動を制御する制
御装置は、一般に容量性の負荷であるピエゾスタックへ
充電される電流を制限することでピエゾアクチュエータ
の駆動を制御している。例えば、電源とピエゾスタック
との間に直列にスイッチング素子および誘導性のインダ
クタを接続している。そして、スイッチング素子をオン
およびオフに制御することにより、ピエゾアクチュエー
タを駆動している。

【０００４】従来のピエゾアクチュエータ制御装置で
は、スイッチング素子の制御について種々の工夫がされ
ている。例えば、特開昭５９−２２１４３７号公報に開
示されている駆動装置のように、ピエゾスタックに相当
する負荷素子の容量ＣとインダクタンスＬから共振回路
を構成し負荷素子を制御している。この技術を用いるこ
とにより、回路構成を簡略化することができるという利
点がある。また、電流波形が正弦波に近似されるため、
電磁ノイズを低減することができるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５９−２２１４３７号公報に開示されている駆動装置で
は、温度によって容量が変化する負荷素子の温度特性を
補償することができないという問題がある。負荷素子の
温度特性を補償する手法として、例えば特開平１１−３
１７５５１号公報に圧電素子の制御が開示されている。
この圧電素子の制御によると、圧電素子の充電電圧を所
定値とするため、スイッチング素子を高速で複数回オン
およびオフに制御している。しかし、圧電素子の変位量
の温度特性をより正確に補償するためには、圧電素子に
充電するエネルギーを所定の値に制御することが必要で
ある。

【０００６】ところで、近年、ピエゾアクチュエータの
適用が期待されているディーゼルエンジンのコモンレー
ル式燃料噴射システムでは、噴射特性を向上するために
コモンレールに蓄えられる燃料の圧力を高圧化する傾向
にある。ピエゾアクチュエータが適用される燃料噴射装
置の場合、燃料の高圧化にともなって弁部材に加わる力
も増大するため、ピエゾアクチュエータの発生力を増強
する必要がある。その結果、ピエゾアクチュエータに充
電されるエネルギーも増大する傾向にある。

【０００７】前述の特開平１１−３１７５５１号公報に
開示されている制御の場合、スイッチング素子がオフさ
れる毎に充電電流は「０」まで低下するため、図６に示
すようにピエゾスタックへ充電される電流波形が急峻な
パルス状となり、電磁ノイズが増大し、かつ損失が大き
くエネルギー効率が悪化するという問題がある。また、
回路を流れる電流のピーク値も大きくなるため、大電流
に耐えうる高価なスイッチング素子を必要とする。さら
に、降圧チョッパ方式による制御であるため、圧電素子
に印加する電圧よりも高電圧を発生するＤＣ／ＤＣコン
バータを必要とする。

【０００８】そこで、本発明は、電流波形が滑らかで電
磁ノイズが低減され、エネルギー効率が高く、精密で自
由度の高いエネルギー制御が可能なピエゾアクチュエー
タ制御装置を提供することにある。また、本発明の他の
目的は、所定期間で所定のエネルギーをピエゾスタック
に充電するピエゾアクチュエータ制御装置を提供するこ
とにある。さらに、本発明の他の目的は、噴射量および
噴射時期の安定化が図られる燃料噴射制御システムを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
ピエゾアクチュエータ制御装置によると、オンデューテ
ィを１００％とすると、第一スイッチング素子または第
二スイッチング素子のスイッチング動作は１回のスイッ
チング動作となる。本明細書中において「オンデューテ
ィ」とは、スイッチング素子のスイッチング周期すなわ
ちスイッチング素子がオンされた後オフされるまでの一
連の期間のうちオンされている期間の割合をいう。した
がって、オンデューティが１００％とは、スイッチング
周期のすべてにおいてスイッチング素子がオンされてい
ることを意味する。第一スイッチング素子または第二ス
イッチング素子のスイッチング動作が１回となる場合、
ピエゾスタックは通常のＬＣ共振回路を用いたときと同
様の充放電状態となり、電流波形は正弦波状となる。一
方、第一スイッチング素子のオンデューティを１００％
ではなく、スイッチング周期を所定の充電スイッチング
周期とすると、複数に分けられた正弦波状の電流波形に
よりピエゾスタックは充電される。

【００１０】ピエゾスタックの充電時、第一スイッチン
グ素子がオンとなる期間は、ピエゾスタックには通電経
路を流れる電流を制限するインダクタによって電流が制
限されつつ充電電流量が漸増する第一充電電流が流れ
る。第一スイッチング素子がオンされる期間はピエゾス
タックの静電容量とインダクタのインダクタンスとによ
り決定される共振時定数よりも短いため、ピエゾスタッ
クに流れる第一充電電流が正弦波状のピーク電流に到達
する前にピエゾスタックの充電は終了する。第一スイッ
チング素子がオンからオフに移行し、同時に第二スイッ
チング手段において例えば第二スイッチング素子がオン
されることにより第二スイッチング手段が導通される
と、インダクタに蓄えられた電気的なエネルギーはフラ
イホイール作用により充電電流量が漸減する第二充電電
流としてピエゾスタックに引き続き充電される。第一ス
イッチング素子がオフされている期間はオンされている
期間と同様に共振時定数よりも短いため、フライホイー
ル作用により充電電流量が漸減する電流は「０」まで低
下することがない。そして、再び第一スイッチング素子
がオンされることにより充電電流量が漸増する第一充電
電流はピエゾスタックへ充電される。そのため、ピエゾ
スタックへ充電される電流の波形を概ね正弦波状にする
ことができる。

【００１１】また、ピエゾスタックの放電時も充電時と
同様の作用となる。具体的には、第二スイッチング素子
がオンとなる期間は、ピエゾスタックにはインダクタに
よって電流が制限されつつ放電電流量が漸減する第一放
電電流が流れる。第二スイッチング素子がオンされる期
間はピエゾスタックの静電容量とインダクタのインダク
タンスとにより決定される共振時定数よりも短いため、
ピエゾスタックに流れる第一放電電流が「０」まで低下
する前にピエゾスタックの放電が終了する。第二スイッ
チング素子がオンからオフに移行し、同時に第一スイッ
チング手段において例えば第一スイッチング素子がオン
されることにより第一スイッチング手段が導通される
と、インダクタに蓄えられた電気的なエネルギーはフラ
イホイール作用により放電電流量が漸増する第二放電電
流としてピエゾスタックから引き続き放電される。第二
スイッチング素子がオフされている期間はオンされてい
る期間と同様に共振時定数よりも短いため、フライホイ
ール作用により放電電流量が漸増する電流は正弦波状の
ピーク電流に到達することがない。そして、再び第二ス
イッチング素子がオンされることにより放電電流量が漸
減する第一放電電流がピエゾスタックから放電される。
そのため、ピエゾスタックから放電される電流の波形を
概ね正弦波状にすることができる。したがって、電流波
形が滑らかになり電磁ノイズを低減することができ、エ
ネルギー効率が高められ、精密で自由度の高いエネルギ
ー制御を行うことができる。

【００１２】本発明の請求項２記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、ピエゾスタックの充電時、第一
スイッチング素子がオフされている期間に第二スイッチ
ング素子がオンされる代わりに第二ダイオードに第二充
電電流を流すことができる。同様に、ピエゾスタックの
放電時、第二スイッチング素子がオフされている期間に
第一スイッチング素子がオンされる代わりに第二ダイオ
ードに第二放電電流を流すことができる。そのため、ス
イッチング素子のオンおよびオフに制御をすることな
く、フライホイール作用による第二充電電流および第二
放電電流を流すことができる。したがって、回路の構成
ならびにスイッチング素子の制御を簡略化することがで
きる。

【００１３】本発明の請求項３記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、第一スイッチング素子と並列か
つ第一ダイオードと直列に第三スイッチング素子が接続
されている。ピエゾスタックの充電中、第三スイッチン
グ素子はオフにされる。第一スイッチング素子と並列に
第一ダイオードを接続すると、ＬＣ共振作用により電源
電圧の２倍程度までピエゾスタックの充電電圧は上昇す
る。そのため、ピエゾスタックの充電電圧が電源電圧を
超えると、第一ダイオードを経由してピエゾスタックか
ら電源へ電流が流れることがある。そこで、第一ダイオ
ードと直列に第三スイッチング素子を挿入し、ピエゾス
タックの充電時には第三スイッチング素子をオフとす
る。これにより、ピエゾスタックから電源への電流の流
れを防止し、ピエゾスタックの充電電圧を電源電圧以上
に充電することができる。したがって、電源電圧の低電
圧化を図ることができ、ピエゾアクチュエータ制御装置
の小型化を促進することができる。

【００１４】本発明の請求項４記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、第一スイッチング素子または第
二スイッチング素子のオンデューティはあらかじめ設定
されている所定の充電オンデューティまたは放電オンデ
ューティとされている。オンデューティはピエゾスタッ
クへの充電量を制御するものであり、例えば第一スイッ
チング素子の所定の充電オンデューティを１００％とす
ると、ＬＣ共振回路による１回の充電と同様の動作とな
る。この充電オンデューティを低下することにより、ピ
エゾスタックへ充電されるエネルギー量を制限すること
ができる。同様に、放電オンデューティを変更すること
によりピエゾスタックから放電されるエネルギー量を制
限することができる。したがって、充電オンデューティ
または放電オンデューティを変更することにより、所望
のエネルギーをピエゾスタックへ充電またはピエゾスタ
ックから放電することができる。

【００１５】本発明の請求項５記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、第一スイッチング素子または第
二スイッチング素子のオンデューティをスイッチング毎
にあらかじめ設定した充電オンデューティまたは放電オ
ンデューティとしている。第一スイッチング素子の充電
オンデューティをスイッチング毎に変化することによ
り、ピエゾスタックへ充電されるエネルギーをスイッチ
ング毎に変更することができる。例えば、ピエゾスタッ
クの静電容量が大きな場合、静電容量およびインダクタ
のインダクタンスから決定される共振時定数が大きくな
る。そのため、ピエゾスタックへの充電に長期間を必要
とし、かつ充電エネルギーも増大する。このような場
合、充電の後半で充電オンデューティを低下することに
より充電期間を短縮し、充電エネルギーを低減すること
ができる。したがって、ピエゾスタックの充電時、所望
の充電期間および充電エネルギーに制御することができ
る。同様に、ピエゾスタックの放電時、第二スイッチン
グ素子の放電オンデューティをスイッチング毎に変更す
ることにより、所望の放電期間および放電エネルギーに
制御することができる。

【００１６】本発明の請求項６記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、電圧検出手段により検出したピ
エゾスタックの静電容量に基づいて第一スイッチング素
子または第二スイッチング素子のオンデューティを補正
している。ピエゾスタックの充電電圧はピエゾスタック
の静電容量に応じて異なる。ピエゾスタックの電圧から
静電容量を検出することにより、ピエゾスタックの充電
状態が認識される。そのため、ピエゾスタックの充電
時、静電容量に応じて第一スイッチング素子の充電オン
デューティを補正することにより、ピエゾスタックの静
電容量にかかわらず所望のエネルギーを調整してピエゾ
スタックへ充電することができる。同様に、ピエゾスタ
ックの放電時、第二スイッチング素子の放電オンデュー
ティを補正することにより、ピエゾスタックの静電容量
にかかわらず所望のエネルギーを調整してピエゾスタッ
クから放電することができる。

【００１７】本発明の請求項７記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、電圧検出手段は第一スイッチン
グ素子の一回目のオン期間が終了したときの電圧を検出
し、二回目以降およびピエゾスタック放電時における第
一スイッチング素子および第二スイッチング素子のオン
デューティを補正している。ピエゾスタックの充電電圧
は、ピエゾスタックの静電容量によって異なる。特に第
一スイッチング素子による一回目のスイッチングが終了
したときの電圧は、オン期間が一定であれば概ね一定の
電流が流れ、ピエゾスタックには一定のエネルギーが充
電される。エネルギーが一定であれば、Ｅ＝ＣＶ²／２
の関係から静電容量に応じて電圧が異なる。この電圧に
よりピエゾスタックの静電容量を検出することができ
る。そして、検出した静電容量に応じて第一スイッチン
グ素子の二回目以降のオン期間における充電オンデュー
ティを変更している。したがって、ピエゾスタックの静
電容量に応じて所望のエネルギーを調整してピエゾスタ
ックへ充電することができる。同様に、ピエゾスタック
の放電時、第二スイッチング素子の放電オンデューティ
を変更することにより、ピエゾスタックの静電容量に応
じて所望のエネルギーを調整して放電することができ
る。

【００１８】本発明の請求項８記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、充電または放電されるエネルギ
ーを増大するとき、第一スイッチング素子または第二ス
イッチング素子のオンデューティは大きく設定され、充
電または放電されるエネルギーを減少するとき、第一ス
イッチング素子または第二スイッチング素子のオンデュ
ーティは小さく設定されている。そのため、ピエゾスタ
ックの充電時に第一スイッチング素子のオンデューティ
を大きくすると、ピエゾスタックへ充電されるエネルギ
ーを増大することができる。また、ピエゾスタックの放
電時に第二スイッチング素子のオンデューティを大きく
すると、ピエゾスタックから放電されるエネルギーを増
大することができる。一方、ピエゾスタックの充電時に
第一スイッチング素子のオンデューティを小さくする
と、ピエゾスタックへ充電されるエネルギーを減少する
ことができる。また、ピエゾスタックの放電時に第二ス
イッチング素子のオンデューティを小さくすると、ピエ
ゾスタックから放電されるエネルギーを減少することが
できる。

【００１９】本発明の請求項９記載のピエゾアクチュエ
ータ制御装置によると、ピエゾスタックの充電または放
電の期間に応じて第一スイッチング素子または第二スイ
ッチング素子のオンデューティを変更している。ピエゾ
スタックの充電時、第一スイッチング素子のオンデュー
ティをスイッチングが進むにつれて大きくなるように設
定することにより、ピエゾスタックの充電時間を延長す
ることができる。ピエゾスタックの放電時、第二スイッ
チング素子のオンデューティをスイッチングが進むにつ
れて大きくなるように設定することにより、ピエゾスタ
ックの放電時間を延長することができる。一方、ピエゾ
スタックの充電時、第一スイッチング素子のオンデュー
ティをスイッチングが進むにつれて小さくなるように設
定することにより、ピエゾスタックの充電時間を短縮す
ることができる。ピエゾスタックの放電時、第二スイッ
チング素子のオンデューティをスイッチングが進むにつ
れて小さくなるように設定することにより、ピエゾスタ
ックの放電時間を短縮することができる。

【００２０】本発明の請求項１０記載のピエゾアクチュ
エータ制御装置によると、ピエゾスタックの静電容量に
応じて第一スイッチング素子または第二スイッチング素
子のオンデューティを変更している。一定のエネルギー
が充電されると、ピエゾスタックの電圧は、静電容量が
大きな場合には低くなり、静電容量が小さな場合には高
くなる。そこで、ピエゾスタックの静電容量が大きな場
合、オンデューティを小さくして充電電圧を低下させて
いる。また、ピエゾスタックの静電容量が大きな場合、
充電に要する期間はピエゾスタックの静電容量とインダ
クタのインダクタンスとによって決定される共振時定数
が大きくなるため、充電期間も長くなる。そこで、第一
スイッチング素子または第二スイッチング素子のスイッ
チングが進むにつれてオンデューティが小さくなるよう
に設定している。これにより、ピエゾスタックの充電に
要する期間を短縮することができる。また、ピエゾスタ
ックの静電容量が小さな場合、オンデューティを大きく
して充電電圧を高めている。また、充電期間も同様に、
共振時定数が小さくなるため、充電期間も短縮される。
そこで、第一スイッチング素子または第二スイッチング
素子のスイッチングが進むにつれてオンデューティが大
きくなるように設定している。これにより、ピエゾスタ
ックの充電に要する期間を延長することができる。した
がって、ピエゾスタックの静電容量にかかわらず、充電
または放電されるエネルギーを一定にすることができ、
かつ充電または放電に要する期間を一定にすることがで
きる。また、同様に、ピエゾスタックの放電時もピエゾ
スタックから放電されるエネルギーおよび放電期間を一
定に制御することができる。

【００２１】本発明の請求項１１記載の燃料噴射制御シ
ステムによると、燃料噴射装置の駆動手段に設けられて
いるピエゾアクチュエータは請求項１から１０のいずれ
か一項記載のピエゾアクチュエータ制御装置により制御
される。そのため、電磁ノイズを低減することができ、
エネルギー効率を高めることができる。また、ピエゾア
クチュエータのピエゾスタックに充電または放電される
エネルギー、ならびにピエゾスタックの充電または放電
に要する期間を制御することができる。したがって、燃
料噴射装置から噴射される燃料の噴射量および噴射時期
を安定化することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
複数の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 （第１実施例）本発明の第１実施例による燃料噴射制御
システムを適用したディーゼルエンジンのコモンレール
式の燃料噴射システムを図２に示す。

【００２３】ディーゼルエンジンの各気筒にはそれぞれ
燃料噴射装置としてのインジェクタ１が設けられてお
り、インジェクタ１には供給ライン２を経由してコモン
レール３から高圧の燃料が供給される。そのため、イン
ジェクタ１から各気筒の燃焼室内へはコモンレール３の
内部の燃料の圧力に等しい圧力の燃料が噴射される。コ
モンレール３には燃料タンク４の燃料が高圧ポンプ５に
より加圧給送される。給送された燃料は、コモンレール
３の内部に蓄圧状態で蓄えられる。コモンレール３に蓄
えられている燃料の一部は、インジェクタ１の制御油圧
としても用いられる。コモンレール３からインジェクタ
１へ供給された制御油圧として用いられる燃料は、低圧
の還流路６を経由して燃料タンク４に還流される。

【００２４】コモンレール３には圧力センサ３ａが設け
られており、コモンレール３の内部の燃料圧力は圧力セ
ンサ３ａにより検出されＥＣＵ７に出力される。ＥＣＵ
７は圧力センサ３ａにより検出されたコモンレール３内
部の燃料の圧力に基づいて調量弁８を制御し、コモンレ
ール３へ給送される燃料の流量を調整する。これによ
り、ＥＣＵ７は他のセンサから入力される信号に基づい
て判断されるエンジンの運転状態に合わせて、コモンレ
ール３内の燃料の圧力が適正となるように制御する。

【００２５】図３に示すように、インジェクタ１はハウ
ジング、弁部材３０および駆動手段としてのバルブ駆動
部４０を備えている。ハウジングはハウジング本体１０
とノズルボディ１１とを有している。ノズルボディ１１
内には弁部材３０が摺動可能に保持されている。ノズル
ボディ１１には単数または複数の噴孔１２が形成されて
いる。弁部材３０はノズルボディ１１の噴孔１２入口側
に形成されている弁座部１３に着座可能な当接部３１を
有している。当接部３１が弁座部１３から離座すること
により噴孔１２への燃料の流れが開放され、噴孔１２か
ら燃料が噴射される。当接部３１が弁座部１３へ着座す
ることにより噴孔１２への燃料の流れが閉塞され、噴孔
１２からの燃料の噴射が停止される。

【００２６】ハウジング本体１０には、バルブ駆動部４
０を構成するピエゾアクチュエータ５０および制御弁４
１が収容されている。ハウジング本体１０には、ピエゾ
収容部２１、油圧室２２、低圧室２３、制御室２４およ
び背圧室２５が形成されている。ピエゾ収容部２１には
ピエゾアクチュエータ５０が収容されている。ピエゾア
クチュエータ５０の端部はピエゾピストン４２と当接し
ており、ピエゾピストン４２の反ピエゾアクチュエータ
側の端部は油圧室２２に面している。ピエゾアクチュエ
ータ５０はピエゾアクチュエータ制御装置９に接続され
ており、ピエゾアクチュエータ制御装置９はＥＣＵ７か
らの指令に基づいてピエゾアクチュエータ５０を駆動す
る駆動信号を出力する。ピエゾアクチュエータ５０が伸
長すると、ピエゾアクチュエータ５０に当接しているピ
エゾピストン４２は図３の下方へ移動し、油圧室２２の
燃料を加圧する。ピエゾピストン４２の移動は油圧室２
２の油圧により変位量が拡大されて制御ピストン４３へ
伝達される。制御ピストン４３の反油圧室側の端部は制
御弁４１と当接している。制御弁４１は半球形状に形成
され、球面状の部分が制御室２４の内壁に形成されてい
る弁座部２４ａに着座可能である。制御弁４１の平面状
の部分は、高圧通路１４から制御室２４へ連通する高圧
ポート１５を閉塞可能である。コモンレール３から高圧
通路１４へ供給された燃料は、高圧ポート１５を経由し
て制御室２４および背圧室２５へ導入される。低圧室２
３には低圧通路１６が連通しており、制御室２４から低
圧ポート１７を経由して排出された燃料は低圧通路１６
および還流路６を経由して燃料タンク４へ還流される。
制御弁４１が弁座部２４ａから離座または弁座部２４ａ
へ着座することにより、低圧ポート１７が開閉される。

【００２７】背圧室２５は、弁部材３０の反噴孔側の端
部に形成されている。背圧室２５には高圧通路１４から
コモンレール３内の圧力と同一の燃料が導入されてい
る。背圧室２５にはスプリング２６が配設されており、
背圧室２５に導入された高圧の燃料とスプリング２６の
付勢力とにより弁部材３０は当接部３１が弁座部１３へ
着座する方向すなわち噴孔１２を閉塞する方向へ付勢さ
れている。

【００２８】次に、上記の構成のインジェクタ１の作動
について説明する。ピエゾアクチュエータ５０が伸長し
ていないとき、ピエゾアクチュエータ５０に当接するピ
エゾピストン４２は、油圧室２２に配設されているスプ
リング２７の付勢力により図３の上方へ移動している。
そのため、制御ピストン４３を介して制御弁４１を図３
の下方へ付勢する力は小さくなり、制御室２４内の燃料
の圧力により制御弁４１に作用する油圧によって制御弁
４１は弁座部２４ａに着座している。これにより、制御
室２４の燃料の圧力はコモンレール３内の燃料の圧力と
等しくなり、制御室２４に連通している背圧室２５の燃
料の圧力もコモンレール３内の燃料の圧力と等しくな
る。

【００２９】このとき、弁部材３０の周囲の燃料により
当接部３１が弁座部１３から離座する方向すなわち噴孔
開放方向へ弁部材３０に作用する力は、背圧室２５の燃
料の圧力およびスプリング２６の付勢力により噴孔閉塞
方向へ弁部材３０に作用する力よりも小さい。そのた
め、当接部３１は弁座部１３に着座し、噴孔１２からの
燃料の噴射は停止されている。

【００３０】ＥＣＵ７からの指令によりピエゾアクチュ
エータ５０が伸長すると、ピエゾアクチュエータ５０の
伸長にともなってピエゾピストン４２は図３の下方へ移
動する。ピエゾピストン４２の移動により油圧室２２の
燃料は加圧され、油圧室２２の油圧を介してピエゾピス
トン４２の駆動力は制御ピストン４３へ伝達される。ピ
エゾピストン４２の移動量の増大にともなって油圧室２
２の油圧は増大し、制御ピストン４３を制御弁４１方向
へ付勢する力が制御室２４の油圧により制御弁４１に作
用する力よりも大きくなると、制御弁４１は弁座部２４
ａから離座する。制御弁４１が弁座部２４ａから離座す
ると、制御室２４の燃料は低圧ポート１７を経由して低
圧室２３へ流出する。そのため、制御室２４の油圧は低
下し、これにともない背圧室２５の油圧も低下する。そ
して、背圧室２５の燃料の圧力およびスプリング２６の
付勢力により噴孔閉塞方向へ弁部材３０に作用する力が
弁部材３０の周囲の燃料により噴孔開放方向へ弁部材３
０に作用する力がよりも小さくなると、弁部材３０は図
３の上方へリフトし、当接部３１は弁座部１３から離座
する。その結果、噴孔１２から燃料の噴射が開始され
る。

【００３１】ピエゾアクチュエータ５０が収縮すると、
油圧室２２の油圧が低下し制御ピストン４３を制御弁４
１方向へ付勢する力が低下する。そのため、制御室２４
の油圧により制御弁４１は弁座部２４ａに着座し、制御
室２４から低圧室２３への燃料の流出は停止される。こ
れにより、制御室２４の油圧は再び上昇し、これにとも
ない背圧室２５の油圧も上昇する。そして、背圧室２５
の燃料の圧力およびスプリング２６の付勢力により噴孔
閉塞方向へ弁部材３０に作用する力が弁部材３０の周囲
の燃料により噴孔開放方向へ弁部材３０に作用する力よ
りも大きくなると、弁部材３０は図３の下方へ移動し、
当接部３１は弁座部１３へ着座する。その結果、噴孔１
２から燃料の噴射が停止される。ピエゾアクチュエータ
５０の伸長または縮小を繰り返すことにより、噴孔１２
からの燃料の噴射が断続される。

【００３２】次に、ピエゾアクチュエータ制御装置９に
ついて詳細に説明する。図１に示すようにピエゾアクチ
ュエータ制御装置９は、駆動回路６０および制御手段と
しての制御回路７０から構成されている。駆動回路６０
は、電源であるバッテリ６１に接続されている。駆動回
路６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２、バッファコンデ
ンサ６３、第一スイッチング手段の第一スイッチング素
子としての充電スイッチング素子６４および第二スイッ
チング手段の第二スイッチング素子としての放電スイッ
チング素子６５、インダクタ６６ならびにピエゾアクチ
ュエータ５０のピエゾスタック５１などから構成されて
いる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、バッテリ電圧を所
定の高電圧に変換する。バッファコンデンサ６３は、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ６２の出力端に並列に接続されてい
る。充電スイッチング素子６４および放電スイッチング
素子６５は、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられ、回路の電
流を断続する。インダクタ６６は、回路を流れる電流を
制限する。充電スイッチング素子６４、インダクタ６
６、ピエゾスタック５１は直列に接続されており、充電
回路を形成している。同様に、放電スイッチング素子６
５、インダクタ６６、ピエゾスタック５１は直列に接続
されており、放電回路を形成している。

【００３３】制御回路７０は、ＣＰＵ７１、メモリ７
２、入出力回路７３およびＡ／Ｄ変換回路７４などから
構成されている。ＣＰＵ７１は、メモリ７２に格納され
ている所定のコンピュータプログラムにしたがって演算
および処理をする。メモリ７２は、ＣＰＵ７１で実行さ
れるコンピュータプログラム、ならびに演算に必要なデ
ータあるいは演算後のデータを格納する。入出力回路７
３では、ＥＣＵ７から出力された駆動信号の入力、なら
びに充電スイッチング素子６４および放電スイッチング
素子６５を駆動するための駆動信号の出力がされる。Ａ
／Ｄ変換回路７４は、ＥＣＵ７から入力されたエネルギ
ー制御信号の電圧をデジタルデータに変換する。

【００３４】次に、ピエゾアクチュエータ制御装置９の
作動について説明する。図４は、作動の説明をするため
の各部の波形を示す図である。図５は、制御プログラム
の処理の流れを示す図である。制御回路７０にはＥＣＵ
７から出力された駆動信号およびエネルギー制御信号が
入力される。図５（Ａ）に示すメインルーチンでは、ま
ず各部の初期化を実行した後（Ｓ１０１）、エネルギー
制御信号をＡ／Ｄ変換回路７４を経由して読み込む（Ｓ
１０２）。ＥＣＵ７から出力されたエネルギー制御信号
の値すなわちエネルギー制御値と、充電スイッチング素
子６４および放電スイッチング素子６５のオンおよびオ
フされる一連の期間におけるオン期間の値すなわちオン
デューティとの関係は、あらかじめ作成されメモリ７２
に格納されている。ＣＰＵ７１は、Ａ／Ｄ変換回路７４
から取得したエネルギー制御値に対応するオンデューテ
ィを例えば補間法などにより算出し（Ｓ１０３）、デュ
ーティ値Ｄとしてメモリ７２に保管する（Ｓ１０４）。

【００３５】ＥＣＵ７から出力される駆動信号が「１レ
ベル」になると、図５（Ｂ）に示すようにＣＰＵ７１は
メモリ７２に保管されたデューティ値Ｄを読み取り（Ｓ
１１１）、読み取られたデューティ値Ｄに対応する期
間、充電スイッチング素子６４をオンにする。充電スイ
ッチング素子６４がオンされると、バッファコンデンサ
６３から充電スイッチング素子６４、インダクタ６６お
よびピエゾスタック５１により形成される充電回路に充
電電流が流れる。充電回路を流れる充電電流は、インダ
クタ６６と容量性の素子であるピエゾスタック５１とか
ら形成される直列ＬＣ回路の共振により時間とともに漸
増していく。このとき、放電スイッチング素子６５はオ
フされている（Ｓ１１２）。通常のように、充電スイッ
チング素子６４のオンが継続されたままの場合、直列Ｌ
Ｃ回路による共振がなりゆきで実施される。これに対
し、本実施例では、充電スイッチング素子６４をデュー
ティ値Ｄに応じて所定の期間が経過するとオフにし、同
時に放電スイッチング素子６５がオンにされる（Ｓ１１
３）。これにより、インダクタ６６に蓄えられた電流
は、放電スイッチング素子６５、インダクタ６６および
ピエゾスタック５１により構成される回路に流れ続け時
間とともに漸減していく。充電スイッチング素子６４の
オンおよびオフを所定の回数繰り返すことにより（Ｓ１
１４）、図４に示すような概ね正弦波状の充電電流がピ
エゾスタック５１に流れ、ピエゾスタック５１は充電さ
れ電圧が上昇する。すなわち、図６に示すように従来の
ピエゾアクチュエータ制御装置の電流波形と比較して、
本実施例の場合ピエゾスタックへ充電される電流の波形
が滑らかである。このとき、放電スイッチング素子６５
のオンおよびオフの論理は充電スイッチング素子６４の
オンおよびオフの逆論理となる。ピエゾスタック５１は
充電されることにより伸長し、弁部材３０は図３の上方
へリフトする。これにより、噴孔１２からの燃料の噴射
が開始される。

【００３６】ＥＣＵ７から出力される駆動信号が「０レ
ベル」となると、図５（Ｃ）に示すように上記と同様に
ＣＰＵ７１はメモリ７２に格納されたデューティ値Ｄを
読み取り（Ｓ１２１）、読み取られたデューティ値Ｄに
基づいて放電スイッチング素子６５を所定の期間オンに
するとともに、充電スイッチング素子６４をオフにする
（Ｓ１２２）。放電スイッチング素子６５をオンにし充
電スイッチング素子６４をオフにすると、ピエゾスタッ
ク５１、インダクタ６６、放電スイッチング素子６５か
ら形成される回路に放電電流が流れる。放電スイッチン
グ素子６５をオフすると同時に充電スイッチング素子６
４をオンにすると（Ｓ１２３）、インダクタ６６に蓄え
られた電流は、ピエゾスタック５１、インダクタ６６お
よび充電スイッチング素子６４により構成される回路を
経由してバッファコンデンサ６３へと流れ、バッファコ
ンデンサ６３に電気的なエネルギーが回収される。

【００３７】放電スイッチング素子６５のオンおよびオ
フを所定のデューティ値Ｄで所定の回数繰り返すことに
より（Ｓ１２４）、図４に示すように概ね正弦波状の放
電電流がピエゾスタック５１から流れ、ピエゾスタック
５１が放電されるとともに、その放電エネルギーはバッ
ファコンデンサ６３へ回収される。なお、このとき充電
スイッチング素子６４のオンおよびオフの論理は放電ス
イッチング素子６５のオンおよびオフの逆論理となる。
ピエゾスタック５１は放電されることにより収縮し、弁
部材３０は図３の下方へ移動する。これにより、噴孔１
２からの燃料の噴射は停止される。

【００３８】以上、説明したように本発明の第１実施例
によると、充電時に充電スイッチング素子６４のオンデ
ューティを大きくすると、図４に示したように充電電流
が増大し、ピエゾアクチュエータ５０のピエゾスタック
５１へ充電されるエネルギーを増大させることができ
る。一方、放電時には、放電スイッチング素子６５のオ
ンデューティを大きくすると、図４に示したように放電
電流が増大するため、ピエゾスタック５１の充電エネル
ギーを速やかに放出することができる。ＥＣＵ７から出
力されるエネルギー制御信号の電圧の増加に対応してデ
ューティ値Ｄを大きく設定することにより、ピエゾスタ
ック５１に充電またはピエゾスタック５１から放電され
るエネルギーを自由に制御することができる。

【００３９】（第２実施例）本発明の第２実施例による
ピエゾアクチュエータ駆動装置を図７に示す。第１実施
例と実質的に同一の構成部位には、同一の符号を付し説
明を省略する。充電スイッチング素子６４には逆方向へ
の電流の流れを許容する第一ダイオード６４１が並列に
接続されている。同様に、放電スイッチング素子６５に
は逆方向への電流の流れを許容する第二ダイオード６５
１が並列に接続されている。第一ダイオード６４１は、
充電スイッチング素子６４の逆方向すなわち放電時の電
流の流れを許容する。同様に、第二ダイオード６５１
は、放電スイッチング素子６５の逆方向すなわち充電時
の電流の流れを許容する。

【００４０】第２実施例によるピエゾアクチュエータ駆
動装置の作動について説明する。図８は、作動の説明を
するための各部の波形を示す図である。図９は、制御プ
ログラムの処理の流れを示す図である。メインルーチン
の処理（Ｓ２０１〜Ｓ２０４）は第１実施例と同様であ
るので、説明を省略する。ＥＣＵ７から出力される駆動
信号が「１レベル」になると、図９（Ｂ）に示すように
ＣＰＵ７１はメモリ７２に保管されたデューティ値Ｄを
読み取り（Ｓ２１１）、読み取られたデューティ値Ｄに
対応する期間、充電スイッチング素子６４をオンにする
（Ｓ２１２）。ピエゾスタック５１への充電期間中に充
電スイッチング素子６４がオフされたとき（Ｓ２１
３）、インダクタ６６に蓄えられている電流は、第二ダ
イオード６５１を経由して、インダクタ６６、ピエゾス
タック５１から形成される直列回路に流れ続ける。

【００４１】第１実施例の場合、ピエゾスタック５１の
充電期間中に充電スイッチング素子６４をオフにした場
合、回路に継続して電流を流すために放電スイッチング
素子６５をオンする必要がある。すなわち、第１実施例
の場合、充電スイッチング素子６４のオンおよびオフの
論理を放電スイッチング素子６５のオンおよびオフの逆
論理とする必要がある。

【００４２】これに対し、第２実施例では、ピエゾスタ
ック５１への充電期間中に充電スイッチング素子６４が
オフにされたとき、電流は第二ダイオード６５１を経由
して回路内を流れ続ける。そのため、放電スイッチング
素子６５をオンおよびオフする制御が不要である。充電
スイッチング素子６４のオンおよびオフは所定の回数に
達するまで繰り返される（Ｓ２１４）。

【００４３】同様に、図９（Ｃ）に示すようにＥＣＵ７
から出力される駆動信号が「０レベル」になると、ＣＰ
Ｕ７１はデューティ値Ｄを読み取り（Ｓ２２１）、読み
取られたデューティ値Ｄに対応する期間、放電スイッチ
ング素子６５をオンにする（Ｓ２２２）。ピエゾスタッ
ク５１への放電期間中に放電スイッチング素子６５がオ
フされたとき（Ｓ２２３）、インダクタ６６に蓄えられ
ている電流は、第一ダイオード６４１を経由して、イン
ダクタ６６およびピエゾスタック５１から形成される直
列回路に流れ続ける。すなわち、ピエゾスタック５１の
放電期間中に放電スイッチング素子６５がオフにされた
とき、電流は第一ダイオード６４１を経由して回路内を
流れ続ける。そのため、充電スイッチング素子６４をオ
ンおよびオフする制御が不要である。放電スイッチング
素子６５のオンおよびオフは所定の回数に達するまで繰
り返される（Ｓ２２４）。

【００４４】以上説明したように、第２実施例では、ピ
エゾスタック５１の充電中に放電スイッチング素子６５
をオンおよびオフする制御、ならびにピエゾスタック５
１の放電中に充電スイッチング素子６４をオンおよびオ
フする制御が不要となり、制御を簡略化することができ
る。

【００４５】（第３実施例）本発明の第３実施例による
ピエゾアクチュエータ駆動装置を図１０に示す。第２実
施例と実質的に同一の構成部位には、同一の符号を付し
説明を省略する。第３実施例では、駆動回路６０におい
て第一ダイオード６４１と直列に第三スイッチング素子
６４２が接続されている。すなわち、第三スイッチング
素子６４２は、ピエゾスタック５１から第一ダイオード
６４１を経由してバッファコンデンサ６３へ形成される
放電回路の電流の流れをオンおよびオフする。

【００４６】第３実施例によるピエゾアクチュエータ駆
動装置の作動について説明する。図１１は、作動を説明
するための各部の波形を示す図である。図１２は、制御
プログラムの処理の流れを示す図である。図１２（Ａ）
に示すメインルーチン（Ｓ３０１〜Ｓ３０４）の処理の
流れは第２実施例と同一であるので説明を省略する。第
３実施例では、第一ダイオード６４１と直列に第三スイ
ッチング素子６４２を接続することにより、充電時にお
けるピエゾスタック５１からバッファコンデンサ６３へ
の電流の流れを遮断している。

【００４７】第１実施例または第２実施例において、ピ
エゾスタック５１の充電時におけるデューティ値Ｄを大
きくしていくと、充電電流も増大し、ピエゾスタック５
１への充電量は増加する。例えば、デューティ値Ｄを１
００％とすると、充電回路は単なるＬＣ共振回路とな
り、ピエゾスタック５１の充電電圧は理論上バッファコ
ンデンサ６３の電圧の２倍に達する。すなわち、第１実
施例または第２実施例による回路構成では、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ６２の出力電圧を低くしても、ピエゾスタッ
ク５１に印加する電圧を高めることができるという利点
がある。一方、第２実施例のように充電スイッチング素
子６４と並列に第一ダイオード６４１を接続した場合、
ピエゾスタック５１の電圧が上昇し、バッファコンデン
サ６３の電圧よりも高くなろうとすると、第一ダイオー
ド６４１を経由してピエゾスタック５１からバッファコ
ンデンサ６３へ電流が逆流する。その結果、ピエゾスタ
ック５１の充電電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力
電圧以上にすることができないという問題が生じる。

【００４８】そこで、第３実施例のように第一ダイオー
ド６４１と直列に第三スイッチング素子６４２を接続す
ることにより、ピエゾスタック５１の充電時におけるピ
エゾスタック５１から第一ダイオード６４１を経由して
バッファコンデンサ６３への電流の流れは遮断される。

【００４９】制御回路７０のＣＰＵ７１は、駆動信号が
「１レベル」の期間（Ｓ３１１〜Ｓ３１４）に第三スイ
ッチング素子６４２をオフにするとともに、充電スイッ
チング素子６４をオンおよびオフすることによりピエゾ
スタック５１の充電を実行する。また、駆動信号が「０
レベル」となると（Ｓ３２１〜Ｓ３２６）、制御回路７
０のＣＰＵ７１は、第三スイッチング素子６４２をオン
するとともに、放電スイッチング素子６５をオンおよび
オフすることによりピエゾスタック５１の放電を実行し
エネルギーを回収する。

【００５０】第３実施例では、ピエゾスタック５１の充
電電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力電圧よりも大
きくなる場合でもピエゾスタック５１からＤＣ／ＤＣコ
ンバータ６２方向への電流を遮断することができる。そ
のため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力電圧以上の高
電圧をピエゾスタック５１に印加することができる。し
たがって、ピエゾスタック５１へ充電または放電するこ
とができる電気的なエネルギーの制御範囲を拡大するこ
とができるとともに、所望の充電電圧に必要なＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ６２の出力電圧を低下させることができ
る。

【００５１】（第４実施例）本発明の第４実施例による
ピエゾアクチュエータ駆動装置を図１３に示す。第２実
施例と実質的に同一の構成部位には、同一の符号を付し
説明を省略する。第３実施例では、駆動回路６０に電圧
検出手段としてのバッファ回路６７およびサンプルホー
ルド回路６８が接続されている。バッファ回路６７はピ
エゾスタック５１の電圧を高インピーダンスで受ける。
サンプルホールド回路６８は、所定の時期にバッファ回
路６７を経由してピエゾスタック５１の電圧を検出し記
憶する。サンプルホールド回路６８は、制御回路７０か
ら所定のタイミングにサンプリングパルスが入力され
る。サンプルホールド回路６８の出力側は、Ａ／Ｄ変換
回路７４に接続されている。

【００５２】ピエゾスタック５１の各種物性値は、一般
に温度によって変化する温度特性を有している。この温
度特性の変化量は比較的大きなため、必要に応じてピエ
ゾスタック５１の温度特性を補償しなければならない。
特に、ピエゾスタック５１が設けられているピエゾアク
チュエータ５０の場合、ピエゾスタック５１の伸縮変位
量はピエゾアクチュエータ５０の重要な特性であり、高
精度に補正する必要がある。第４実施例の場合、ピエゾ
スタック５１の変位量の温度特性を補正するため、ピエ
ゾスタック５１を駆動するエネルギーを一定に制御して
いる。そして、ピエゾスタック５１を駆動するエネルギ
ーを一定に制御するためにピエゾスタック５１の静電容
量を推定している。したがって、本実施例では、ピエゾ
スタック５１に充電または放電されるエネルギーＥ＝Ｃ
Ｖ²／２が一定となるように充電スイッチング素子６４
または放電スイッチング素子６５のオンデューティを制
御している。

【００５３】第４実施例によるピエゾアクチュエータ駆
動装置の作動について説明する。図１４は、作動を説明
するための各部の波形を示す図である。図１５は、制御
プログラムの処理の流れを示す図である。メインルーチ
ンの処理（Ｓ４０１〜Ｓ４０４）は第１実施例と同様で
あるので、説明を省略する。ＥＣＵ７から出力される駆
動信号が「１レベル」となると、ＣＰＵ７１はエネルギ
ー制御信号に対応したデューティ値Ｄをメモリ７２から
読み取り（Ｓ４１１）、充電スイッチング素子６４の第
一回目のオン期間として所定のｔ秒間、充電スイッチン
グ素子６４をオンにする（Ｓ４１２）。これにより、ピ
エゾスタック５１は充電される。充電スイッチング素子
６４がオンされて所定のｔ秒間が経過するとＣＰＵ７１
はサンプルホールド回路６８へサンプリングパルスを出
力する（Ｓ４１３）。ＣＰＵ７１は、充電スイッチング
素子６４がオフされたときのピエゾスタック５１の電圧
をバッファ回路６７を介してサンプルホールド回路６８
から取り込みＡ／Ｄ変換回路７４を経由してデジタルデ
ータとして読み取る（Ｓ４１４）。充電スイッチング素
子６４をオフにした時点のピエゾスタック５１の充電電
圧Ｖｐｚｔは、理論上Ｖｐｚｔ＝Ｖｄｃ／２ＬＣ×ｔ²
となり、ピエゾスタック５１の静電容量Ｃに反比例す
る。なお、ＶｄｃはＤＣ／ＤＣコンバータ６２の出力電
圧であり、Ｌはインダクタ６６のインダクタンスであ
る。

【００５４】電圧が読み取られると、読み取られたＶｐ
ｚｔからピエゾスタック５１の静電容量Ｃが算出される
（Ｓ４１５）。静電容量Ｃの算出はＣＰＵ７１により実
行される。静電容量Ｃとデューティ補正係数Ｋとの関係
はあらかじめ実験的に求められ、メモリ７２に記録され
ている。ＣＰＵ７１は、算出された静電容量Ｃからメモ
リ７２に記録されているデータに基づいてデューティ補
正係数Ｋを例えば補間演算などにより算出する（Ｓ４１
６）。そして、ＣＰＵ７１は、算出されたデューティ補
正係数Ｋを用いて充電スイッチング素子６４の第二回目
以降のデューティ値Ｄ₂をＤ₂＝Ｄ×Ｋと補正し（Ｓ４１
７）、補正されたデューティ値Ｄ₂をメモリ７２に記録
する（Ｓ４１８）。そして、算出された所定のデューテ
ィ値Ｄに対応する期間が経過すると、第一回目の充電ス
イッチング素子６４のオン期間が終了し、充電スイッチ
ング素子６４はオフされる（Ｓ４１９）。充電スイッチ
ング素子６４の二回目以降のオンおよびオフの制御は、
補正されたデューティ値Ｄ ₂を用いて制御される（Ｓ４
２０〜Ｓ４２３）。駆動信号が「０レベル」となると、
ピエゾスタック５１は放電状態へと移行する。このと
き、放電スイッチング素子６５はＳ４１７で算出された
補正後のデューティ値Ｄ₂を用いて制御される（Ｓ４３
１〜Ｓ４３６）。

【００５５】第４実施例では、ピエゾスタック５１の温
度特性による静電容量Ｃの変化を検出することができ
る。したがって、ピエゾスタック５１の温度特性を適正
に補正することができ、ピエゾスタック５１の変位量の
安定化を図ることができる。

【００５６】（第５実施例）本発明の第５実施例による
ピエゾアクチュエータ駆動装置について説明する。第２
実施例と実質的に同一の構成部位には、同一の符号を付
し説明を省略する。第５実施例では、駆動回路６０の構
成は図１３に示す第４実施例と同一であるものの、デュ
ーティ値の補正の手順が異なる。

【００５７】第４実施例の場合、ピエゾスタック５１に
充電されるエネルギーを一定とするようにデューティ値
を補正している。しかし、ピエゾスタック５１の静電容
量Ｃが大きくなるにしたがってＬＣ共振時定数も大きく
なる。その結果、ピエゾスタック５１の充電に要する期
間が長くなる。

【００５８】そこで、第５実施例では、ピエゾスタック
５１の充電に要する期間が一定となるように充電スイッ
チング素子６４のスイッチング毎にデューティ値を変化
する補正をしている。これにより、ピエゾスタック５１
の温度特性による静電容量Ｃの変化の影響を受けること
なく、一定のエネルギーを一定の時間でピエゾスタック
５１へ充電することができる。

【００５９】第５実施例によるピエゾアクチュエータ駆
動装置の作動について説明する。図１６は、作動を説明
するための各部の波形を示す図である。図１７は、制御
プログラムの処理の流れを示す図である。メインルーチ
ンの処理（Ｓ５０１〜Ｓ５０４）は第１実施例と同様で
あるので、説明を省略する。ＥＣＵ７から出力される駆
動信号が「１レベル」になると、ＣＰＵ７１はメモリ７
２からデューティ値Ｄを読み取り（Ｓ５１１）、充電ス
イッチング素子６４のスイッチング回数ＮをＮ＝０に設
定する（Ｓ５１２）。そして、ＣＰＵ７１は、読み取ら
れたデューティ値Ｄに対応する期間、充電スイッチング
素子６４をオンにする（Ｓ５１３）。充電スイッチング
素子６４がオンされて所定のｔ秒間が経過するとＣＰＵ
７１はサンプルホールド回路６８へサンプリングパルス
を出力する（Ｓ５１４）。ＣＰＵ７１は、充電スイッチ
ング素子６４がオフされたときのピエゾスタック５１の
電圧をバッファ回路６７を介してサンプルホールド回路
６８から取り込みＡ／Ｄ変換回路７４を経由してデジタ
ルデータとして読み取る（Ｓ５１５）。その後、第４実
施例と同様にＣＰＵ７１は、ピエゾスタック５１の充電
電圧Ｖｐｚｔに基づいてピエゾスタック５１の静電容量
Ｃを算出し（Ｓ５１６）、デューティ補正係数Ｋを算出
する（Ｓ５１７）。

【００６０】ここで、充電スイッチング素子６４のスイ
ッチング毎にデューティ値を補正し変化させる。例えば
ピエゾスタック５１の静電容量Ｃが大きな場合、ＬＣ共
振時定数も大きくなるため、図１８に示すようにスイッ
チングが進むにつれてデューティ値を小さくしていく。
一方、ピエゾスタック５１の静電容量Ｃが小さな場合、
ＬＣ共振時定数も小さくなるため、スイッチング進むに
つれてデューティ値を大きくしていく。このスイッチン
グ毎に変化するデューティ勾配補正係数Ｇとピエゾスタ
ック５１の静電容量Ｃとの関係は、あらかじめ実験的に
求められ、メモリ７２に記録されている。したがって、
ＣＰＵ７１は、算出されたピエゾスタック５１の静電容
量Ｃに基づいてデューティ補正係数Ｋおよびデューティ
勾配補正係数Ｇを例えば補間法により算出する（Ｓ５１
７、Ｓ５１８）。

【００６１】そして、ＣＰＵ７１は、算出されたデュー
ティ補正係数Ｋから補正後のデューティ値Ｄ₂を算出し
（Ｓ５１９）、メモリ７２に記録する（Ｓ５２０）。そ
の後、ＣＰＵ７１は、Ｓ５１１で読み取られたデューテ
ィ値Ｄに対応するオン期間、充電スイッチング素子６４
をオフにする（Ｓ５２１）。

【００６２】充電スイッチング素子６４の二回目以降の
スイッチングでは、ＣＰＵ７１は、Ｓ５２０においてメ
モリ７２に記録された補正後のデューティ値Ｄ₂を読み
取り（Ｓ５２２）、デューティ補正係数Ｋ、デューティ
勾配補正係数Ｇおよびスイッチング回数Ｎを用いて二回
目以降のデューティ値Ｄ_nをＤ_n＝Ｄ₂＋Ｇ×Ｎと補正す
る（Ｓ５２３）。そして、ＣＰＵ７１は、スイッチング
回数Ｎをカウントした後（Ｓ５２４）、補正されたデュ
ーティ値Ｄ_nを用いて充電スイッチング素子６４を制御
する（Ｓ５２５〜Ｓ５２７）。駆動信号が「０レベル」
となると、ピエゾスタック５１は放電状態へと移行す
る。このとき、放電スイッチング素子６５は、充電状態
におけるデューティ値の補正と同様にスイッチング毎に
補正したデューティ値Ｄ_nを用いて制御される（Ｓ５３
１〜Ｓ５３８）。

【００６３】第５実施例では、ＬＣ共振時定数の影響を
考慮することにより、ピエゾスタック５１の温度特性に
よる静電容量の変化に基づいてデューティ値を補正する
ことができる。したがって、ピエゾスタック５１が設け
られたピエゾアクチュエータ５０の変位量の安定化なら
びに充電時間の均一化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置の回路構成を示す模式図である。

【図２】本発明の第１実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置を適用した燃料噴射制御システムを示す模式
図である。

【図３】本発明の第１実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置を適用したインジェクタを示す模式的な断面
図である。

【図４】本発明の第１実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置の作動にともなう各部の波形を示す模式図で
ある。

【図５】本発明の第１実施例によるピエゾアクチュエー
タ駆動方法の流れを示すフロー図である。

【図６】本発明の第一実施例によるピエゾアクチュエー
タ駆動装置の電流の波形と、比較のために従来のピエゾ
アクチュエータ駆動装置の電流の波形とを示す模式図で
ある。

【図７】本発明の第２実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置の回路構成を示す模式図である。

【図８】本発明の第２実施例によるピエゾアクチュエー
タ制御装置の作動にともなう各部の波形を示す模式図で
ある。

【図９】本発明の第２実施例によるピエゾアクチュエー
タ駆動方法の流れを示すフロー図である。

【図１０】本発明の第３実施例によるピエゾアクチュエ
ータ制御装置の回路構成を示す模式図である。

【図１１】本発明の第３実施例によるピエゾアクチュエ
ータ制御装置の作動にともなう各部の波形を示す模式図
である。

【図１２】本発明の第３実施例によるピエゾアクチュエ
ータ駆動方法の流れを示すフロー図である。

【図１３】本発明の第４実施例によるピエゾアクチュエ
ータ制御装置の回路構成を示す模式図である。

【図１４】本発明の第４実施例によるピエゾアクチュエ
ータ制御装置の作動にともなう各部の波形を示す模式図
である。

【図１５】本発明の第４実施例によるピエゾアクチュエ
ータ駆動方法の流れを示すフロー図である。

【図１６】本発明の第５実施例によるピエゾアクチュエ
ータ制御装置の作動にともなう各部の波形を示す模式図
である。

【図１７】本発明の第５実施例によるピエゾアクチュエ
ータ駆動方法の流れを示すフロー図である。

【図１８】本発明の第５実施例によるピエゾアクチュエ
ータ駆動装置のスイッチング回数とオンデューティとの
関係を示す模式図である。

【符号の説明】

１ インジェクタ（燃料噴射装置） ７ ＥＣＵ ９ ピエゾアクチュエータ制御装置 １０ ハウジング本体（ハウジング） １１ ノズルボディ（ハウジング） １２ 噴孔 ３０ 弁部材 ４０ バルブ駆動部（駆動手段） ５０ ピエゾアクチュエータ ５１ ピエゾスタック ６０ 駆動回路 ６１ バッテリ（電源） ６４ 充電スイッチング素子（第一スイッチング素
子） ６５ 放電スイッチング素子（第二スイッチング素
子） ６６ インダクタ ６７ バッファ回路（電圧検出手段） ６８ サンプルホールド回路（電圧検出手段） ７０ 制御回路（制御手段） ６４１ 第一ダイオード ６４２ 第三スイッチング素子 ６５１ 第二ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榊原 康行 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 成瀬 英生 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA33 CC05U CD26 CE27 CE29 3G301 HA02 JA02 JA09 LB11 PG02Z

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾアクチュエータに設けられている
   ピエゾスタックへ充電または放電することにより前記ピ
   エゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ制
   御装置であって、 電源からインダクタを経由して前記ピエゾスタックへ通
   電する第一通電経路に設けられ、前記第一通電経路の通
   電をオンオフする第一スイッチング素子を有する第一ス
   イッチング手段と、 前記インダクタと前記ピエゾスタックとが直列に接続さ
   れた第二通電経路に設けられ、前記第二通電経路の通電
   をオンオフする第二スイッチング素子を有する第二スイ
   ッチング手段と、 前記第一スイッチング素子および前記第二スイッチング
   素子のオンオフを切り替え、前記ピエゾスタックの充電
   時、前記第一スイッチング素子がオンされている期間に
   漸増する第一充電電流を流し、前記第一スイッチング素
   子がオフされている期間に漸減する第二充電電流を流
   し、前記ピエゾスタックの放電時、前記第二スイッチン
   グ素子がオンされている期間に漸増する第一放電電流を
   流し、前記第二スイッチング素子がオフされている期間
   に漸減する第二放電電流を流す制御手段とを備え、 前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電時、前記第
   一スイッチング素子のスイッチング周期を所定の充電ス
   イッチング周期に設定し、前記ピエゾスタックの放電
   時、前記第二スイッチング素子のスイッチング周期を所
   定の放電スイッチング周期に設定することを特徴とする
   ピエゾアクチュエータ制御装置。
2. 【請求項２】 前記第一スイッチング手段は、前記第一
   スイッチング素子と並列に接続され前記第二放電電流の
   方向へ電流の流れを許容する第一ダイオードを有し、 前記第二スイッチング手段は、前記第二スイッチング素
   子と並列に接続され前記第二充電電流の方向へ電流の流
   れを許容する第二ダイオードを有し、 前記ピエゾスタックの充電時、前記第二ダイオードは前
   記第一スイッチング素子がオフされている期間に前記第
   二充電電流の流れを許容し、 前記ピエゾスタックの放電時、前記第一ダイオードは前
   記第二スイッチング素子がオフされている期間に前記第
   二放電電流の流れを許容することを特徴とする請求項１
   記載のピエゾアクチュエータ制御装置。
3. 【請求項３】 前記第一スイッチング素子と並列かつ前
   記第一ダイオードと直列に接続されている第三スイッチ
   ング素子を備え、 前記制御手段は、前記ピエゾスタックの充電時、前記第
   三スイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求
   項２記載のピエゾアクチュエータ制御装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、前記ピエゾスタックの
   充電時、前記第一スイッチング素子のオンデューティを
   あらかじめ設定されている所定の充電オンデューティと
   し、前記ピエゾスタックの放電時、前記第二スイッチン
   グ素子のオンデューティをあらかじめ設定されている所
   定の放電オンデューティとすることを特徴とする請求項
   １、２または３記載のピエゾアクチュエータ制御装置。
5. 【請求項５】 前記制御手段は、前記ピエゾスタックの
   充電時、前記第一スイッチング素子のオンデューティを
   前記第一スイッチング素子のスイッチング毎に所定の充
   電オンデューティに設定し、前記ピエゾスタックの放電
   時、前記第二スイッチング素子のオンデューティを前記
   第二スイッチング素子のスイッチング毎に所定の放電オ
   ンデューティに設定するすることを特徴とする請求項１
   から４のいずれか一項記載のピエゾアクチュエータ制御
   装置。
6. 【請求項６】 前記ピエゾスタックの電圧を検出する電
   圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出された前記
   ピエゾスタックの電圧から前記ピエゾスタックの静電容
   量を検出する静電容量検出手段とをさらに備え、 前記制御手段は、前記静電容量検出手段により検出され
   た前記ピエゾスタックの静電容量に基づいて、前記ピエ
   ゾスタックの充電時、前記第一スイッチング素子のオン
   デューティをあらかじめ設定された充電補正値により補
   正し、前記ピエゾスタックの放電時、前記第二スイッチ
   ング素子のオンデューティをあらかじめ設定された放電
   補正値により補正することを特徴とする請求項１から５
   のいずれか一項記載のピエゾアクチュエータ制御装置。
7. 【請求項７】 前記電圧検出手段は、前記第一スイッチ
   ング素子の一回目のオン期間が終了したときの電圧を検
   出し、 前記制御手段は、前記静電容量検出手段で検出された静
   電容量に基づいて前記第一スイッチング素子が二回目以
   降にオンされる期間、ならびに前記ピエゾスタックの放
   電時における前記第一スイッチング素子および前記第二
   スイッチング素子のオンデューティをあらかじめ設定さ
   れている前記充電補正値または前記放電補正値に基づい
   て補正することを特徴とする請求項６記載のピエゾアク
   チュエータ制御装置。
8. 【請求項８】 前記制御手段は、前記ピエゾスタックへ
   充電または前記ピエゾスタックから放電されるエネルギ
   ーを増大するとき、前記第一スイッチング素子または前
   記第二スイッチング素子のオンデューティを大きく設定
   し、前記ピエゾスタックへ充電または前記ピエゾスタッ
   クから放電されるエネルギーを減少するとき、前記第一
   スイッチング素子または前記第二スイッチング素子のオ
   ンデューティを小さく設定することを特徴とする請求項
   ４から７のいずれか一項記載のピエゾアクチュエータ制
   御装置。
9. 【請求項９】 前記制御手段は、前記ピエゾスタックが
   充電または放電される期間を延長するとき、前記第一ス
   イッチング素子または前記第二スイッチング素子のオン
   デューティをスイッチングが進むにつれて大きくするよ
   うに設定し、前記ピエゾスタックが充電または放電され
   る期間を短縮するとき、前記第一スイッチング素子また
   は前記第二スイッチング素子のオンデューティをスイッ
   チングが進むにつれて小さくするように設定することを
   特徴とする請求項５から７のいずれか一項記載のピエゾ
   アクチュエータ制御装置。
10. 【請求項１０】 前記制御手段は、前記ピエゾスタック
    の静電容量が大きな場合、前記第一スイッチング素子ま
    たは前記第二スイッチング素子のオンデューティを小さ
    く、かつスイッチングが進むにつれて小さくするように
    設定し、 前記ピエゾスタックの静電容量が小さな場合、前記第一
    スイッチング素子または前記第二スイッチング素子のオ
    ンデューティを大きく、かつスイッチングが進むにつれ
    て大きくするように設定することを特徴とする請求項４
    から７のいずれか一項記載のピエゾアクチュエータ制御
    装置。
11. 【請求項１１】 噴孔が形成されているハウジング、前
    記ハウジングの内部に軸方向へ往復移動可能に収容され
    前記噴孔を開閉する弁部材、ならびにピエゾアクチュエ
    ータが設けられ前記弁部材を駆動する駆動手段を有する
    燃料噴射装置と、 前記駆動手段に設けられた前記ピエゾアクチュエータを
    制御する請求項１から１０のいずれか一項記載のピエゾ
    アクチュエータ制御装置と、 を備えることを特徴とする燃料噴射制御システム。