JP2003319667A - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾスタックへの投入エネルギーを高精度
で制御する事である。 【解決手段】 ピエゾスタック４Ａの充電を、オンオフ
を繰り返すスイッチング素子３５のオン期間にはコンデ
ンサ３２からインダクタ３４を介して行い、オフ期間に
はダイオード３６１でコンデンサ３２をバイパスしてフ
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３５を制御するコントローラ２１２を、オン期
間の長さが一定値をとるように、かつ、２回目のオン期
間では、ピエゾスタックの充電開始から基準時間が経過
するまでスイッチング素子３５のオンを禁止するように
設定することで、ピエゾスタック４Ａの容量の変化で、
充電開始初期、特に１回目のオン期間およびオフ期間に
所定のエネルギーに到達する時間がばらついても、２回
目のオン期間以降のエネルギー投入特性が揃うようにす
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を駆動するピエゾア
クチュエータ駆動回路の代表的な構成として以下のもの
がある。すなわち、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の通電経路を有しており、
その途中には直流電源を切り離し可能なスイッチング素
子が設けられる。そして、直流電源をバイパスする第２
の通電経路が設けられる。バイパス路は例えば直流電源
が逆バイアスとなるダイオードにより構成される。ピエ
ゾスタックの充電時には、スイッチング素子はオンオフ
を繰り返し、スイッチング素子のオン期間に、第１の通
電経路に前記ピエゾスタックへの漸増する充電電流が流
れ、スイッチング素子のオフ期間に、第２の通電経路
に、フライホイール作用で前記ピエゾスタックへの漸減
する充電電流が流れる。そしてスイッチング素子のオン
オフが繰り返されるにともないピエゾスタックへの投入
エネルギーが上昇していく。これは複数スイッチング方
式として知られている。

【０００４】このものでは、スイッチング素子のオン期
間の長さにより、エネルギーの投入速度を規定する平均
的な充電電流の大きさが異なり、また、ピエゾスタック
に投入されるエネルギーが充電完了時期で異なるので、
スイッチング素子を制御する制御手段を備えている。ス
イッチング素子の制御は、簡易さという点からは、スイ
ッチング素子の各オン期間の長さを一定値にとるととも
に、予め設定した充電時間に達したら充電完了とする、
上昇する充電電流やピエゾスタックの両端子間電圧等の
フィードバックを伴わないオープンループとなってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関が
排出する排気ガスに対する排気ガス規制は近年益々厳し
くなる傾向にある。かかる排気ガス規制に対応すべく、
内燃機関の１サイクル中に燃料噴射を１回だけではなく
複数回噴射を行うマルチ噴射がある。マルチ噴射には、
噴射率を理想的な噴射率に近づけ、また、触媒装置の活
性化を図る効果がある。

【０００６】マルチ噴射を構成する噴射に比較的短時間
の噴射が含まれる。前記ピエゾアクチュエータをインジ
ェクタの開閉制御用に用いたものは、応答性がよいこと
からその点では適している。また、マルチ噴射では微小
噴射量での噴射を行うので、高精度が要求される。

【０００７】しかしながら、エネルギーの投入過程すな
わちエネルギーの投入特性が変動すると、噴射量が大き
く影響を受ける。特に、容量性素子であるピエゾスタッ
クが温度変動等で特性が変化すると、エネルギーの投入
特性が変動する。このため、マルチ噴射として所期の効
果を十分には発揮し得ないおそれがあった。

【０００８】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
ピエゾスタックへのエネルギーの投入特性がばらつか
ず、マルチ噴射を行う燃料噴射装置等にも好適に適用可
能な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】発明者らは、前記スイッ
チング素子のオンオフ制御において各オン期間の長さが
一定値をとり、充電電流が０になるとオン期間に入るよ
うにしたものにおいて、ピエゾアクチュエータのエネル
ギーの投入の過程について鋭意実験研究を重ねた結果、
次のことが分かった。エネルギーの投入特性はピエゾス
タックの容量によって異なるが、充電の開始初期では、
漸減する充電電流が０となるオフ期間の終期における投
入エネルギーがピエゾスタックのみかけの容量が違って
もあまり差がなかった。特に１回目のオフ期間の終期に
おける投入エネルギーがみかけの容量によらず略一定で
あった。また、充電開始から所定回数のオン期間および
オフ期間（以下、適宜、オンオフ期間という）が経過す
るまでの所要時間が、ピエゾスタック容量が大きいほど
長くなっていくが、この所要時間の差は、充電の開始初
期のオンオフ期間の長さのばらつきが支配的である。特
に、最初のオンオフ期間の長さに基因してばらついた。
一方で、エネルギーの投入速度が、充電の開始初期で小
さく、また、充電の開始初期を除けばあまり差がなくピ
エゾスタックの容量によりあまり変動しないことがわか
った。

【００１０】すなわち、充電時間に対する投入エネルギ
ーを示す特性線において、充電時間の方向に所定時間だ
けオフセットすると、充電の開始初期を除き、特性線が
略重なることになる。本発明はかかる知見に基づきなさ
れたものである。なお、前記みかけの容量とは、ピエゾ
スタックへの投入エネルギーをＥ、ピエゾスタックの両
端子間電圧をＶとしてＥ＝（１／２）ＣＶ² と表したと
きのＣである（以下の説明において単に容量という）。

【００１１】請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュ
エータを構成する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の通電経路に、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、前記ピエゾスタックへの漸増する充電電流が流
れ、前記直流電源をバイパスし前記インダクタを介して
前記ピエゾスタックに通電する第２の通電経路に、前記
スイッチング素子のオフ期間に、フライホイール作用で
前記ピエゾスタックへの漸減する充電電流が流れるピエ
ゾアクチュエータ駆動回路であって、前記スイッチング
素子を制御する制御手段を有する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、前記スイッチング
素子の各オン期間の長さが一定値をとるように、かつ、
ピエゾスタックの充電開始から予め設定した所定回目の
オン期間では、前記ピエゾスタックの充電の開始から予
め設定した所定の時間が経過するまで、スイッチング素
子のオンを禁止するように設定する。

【００１２】前記所定回目のオン期間の開始が、ピエゾ
スタックの容量によらず揃えられる。そして、前記所定
回目のオン期間以降においてはエネルギーの投入速度が
容量によらず一定しているから、充電時間に対するエネ
ルギーの投入特性を良好ならしめることができる。

【００１３】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、前記所定回目のオン期間を、ピエゾス
タックの充電開始から２回目のオン期間とする。

【００１４】これにより、投入エネルギーが小さい充電
時間の範囲でも、ピエゾスタックの容量によらず良好な
エネルギー投入特性を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１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）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。

【００１６】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。

【００１７】各インジェクタ１に搭載されたピエゾアク
チュエータ１１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、ＥＣ
Ｕ２２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。

【００１８】図２にピエゾアクチュエータ駆動回路２１
の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路２１は、
各インジェクタ１のそれぞれに１対１に対応して設けら
れたピエゾアクチュエータ１１の本体部分であるピエゾ
スタック４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ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４Ａ〜４Ｄと接続される。

【００１９】充放電回路部２１１は、車載のバッテリ３
０の給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−Ｄ
Ｃ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、両端子間からピエゾスタック
４Ａ〜４Ｄ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４Ａ〜４Ｄ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（以下、適宜、コンデンサ３２の両端子間電圧を電源
電圧という）。

【００２０】コンデンサ３２からピエゾスタック４Ａ〜
４Ｄにインダクタ３４を介して通電する第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に対し
電源電圧が逆バイアスとなるように接続される。

【００２１】また、インダクタ３４とピエゾスタック４
Ａ〜４Ｄは第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３５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４Ａ〜４Ｄ、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Ｍ
ＯＳＦＥＴ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に対し電源電圧が逆
バイアスとなるように接続される。

【００２２】通電経路３３ａ，３３ｂはピエゾスタック
４Ａ〜４Ｄのそれぞれに共通であり、ピエゾスタック４
Ａ〜４Ｄと直列に１対１に対応して選択スイッチ３７
Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄが接続してある。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に対し
コンデンサ電圧が逆バイアスとなるように接続されてい
る。

【００２３】噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタッ
ク４Ａ〜４Ｄに対応する選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄが
オンされて、当該ピエスタック４Ａ〜４Ｄに通電経路３
３ａ，３３ｂが選択的に形成されることになる。なお、
選択寄生ダイオード３７１Ａ〜３７１Ｄを順方向の電流
が流れるときには、選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄの状態
によらず通電経路３３ａ，３３ｂは形成される。

【００２４】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４Ａ〜４Ｄ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
４Ａ〜４Ｄの充電および放電を行うようになっている。

【００２５】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４Ａ
〜４Ｄの充電電流が検出されるようになっている。

【００２６】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４Ａ〜４Ｄの放電電流が検出されるようになって
いる。

【００２７】また、インダクタ３４のピエゾスタック４
Ａ〜４Ｄ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，３８２ａ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４Ａ〜４Ｄの両端子間電圧（以
下、適宜、ピエゾスタック電圧という）が検出されるよ
うになっている。

【００２８】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。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４Ａ〜４Ｄ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４Ａ〜４Ｄを選
択するもので、対応する選択スイッチ３７Ａ〜３７Ｄに
制御信号が出力される。充電期間信号は、ピエゾスタッ
ク４Ａ〜４Ｄの充電期間の長さすなわち充電量を規定す
るもので、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号である。立
ち上がりにおいて充電が開始され、立ち下がりで充電が
完了する。

【００２９】なお、各ピエゾスタック４Ａ〜４Ｄには、
それぞれ並列に抵抗器５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄが設けて
あり、充電完了後にもピエゾスタック４Ａ〜４Ｄから常
時、少しずつ放電する。抵抗器５Ａ〜５Ｄはフェールセ
ーフ用のものであり、ピエゾスタック４Ａ〜４Ｄの配線
ケーブルの断線等で通電不能になり、ピエゾスタック４
Ａ〜４Ｄからコンデンサ３２への通常の電荷回収ができ
なくなったときであってもインジェクタ１が噴射状態の
ままとなるのを防止するものである。抵抗器５Ａ〜５Ｄ
はまた、焦電効果による発生電荷を解消する。したがっ
て、抵抗器５Ａ〜５Ｄの抵抗値は最長噴射時間を考慮し
て設定される。

【００３０】図３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。

【００３１】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が、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３
５をオンして、第１の通電経路３３ａに漸増する充電電
流を流す（図４（Ａ））。オン期間の長さは一定に設定
される。充電スイッチ３５をオフすると、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、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る。これがピエ
ゾスタック４Ａへの充電電流となる（図４（Ｂ））。充
電電流が予め略０Ａ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
電圧（ａ点での信号）は階段状に上昇する。

【００３２】なお、充電スイッチ３５の２回目のオン期
間の開始時点（ｔ2 ）については、１回目のオフ期間に
おいて充電電流が０Ａしきい値になった後、２回目のオ
ン期間が開始するまでにタイムディレイが設けてある。
タイムディレイは、充電開始時点（噴射信号等が立ち上
がった時点）ｔ1 からの経過時間が予め設定した基準時
間となるように設定される。このため、コントローラ２
１２内部で、充電開始時点ｔ1 で「Ｌ」に立ち下がり、
前記基準時間が経過すると「Ｈ」に立ち上がる充電同期
信号を発生するようになっており、充電同期信号が
「Ｈ」に立ち上がった時点で充電スイッチ３５をオンす
る。充電同期信号は、充電開始時点ｔ1 にカウントをス
タートしカウント値に比例した電圧信号を出力するタイ
マと、基準時間に比例した電圧信号とを比較する比較器
等により生成することができる。

【００３３】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４Ａの伸長によりイ
ンジェクタ１のニードルを開弁駆動する。

【００３４】また、噴射信号が「Ｌ」になると（ｔ4
）、ピエゾスタック４Ａを放電してコンデンサ３２に
回収する。放電期間は放電期間信号により放電時期およ
び期間の長さが規定される。放電期間信号は「Ｌ」と
「Ｈ」とからなる二値信号である。噴射信号が「Ｌ」に
なると立ち上がり、ピエゾスタック電圧が、略０Ｖ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、立ち下がる。放電期間信号が立ち上が
ると、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、第２の通電経路３
３ｂに漸増する放電電流を流す（図５（Ａ））。放電電
流が予め設定したしきい値（以下、適宜、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、漸減するフライホイール電流が第１の通電経路３
３ａに流れる。これがピエゾスタック４Ａからコンデン
サ３２への放電電流となる（図５（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。

【００３５】そして、ピエゾスタック電圧が０Ｖしきい
値に達すると（ｔ5 ）放電期間信号が立ち下がって放電
スイッチ３６をオフに固定し、ピエゾスタック４Ａの放
電は完了となる。ピエゾスタック４Ａ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４Ａを放電することで、ピエゾスタック４
Ａが縮小してインジェクタ１のニードルが閉弁作動す
る。

【００３６】次いで、第２気筒の噴射となるが、これに
先立って気筒選択信号が「Ｌ」になって、選択スイッチ
３７Ａがオフする（ｔ6 ）。

【００３７】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、ピエ
ゾスタック４Ｂについて、第１、第２の通電経路３３
ａ，３３ｂが形成される。第３、第４の気筒についても
同様に順次、ピエゾスタック４Ｃ，４Ｄの充電と放電と
がなされる。

【００３８】発明者らは、スイッチング素子のオンオフ
制御においてオン期間の長さが一定値をとるピエゾアク
チュエータ駆動回路について、ピエゾアクチュエータの
エネルギーの投入の過程について鋭意実験研究を重ねた
結果、次のことが分かった。実験には、本実施例とコン
トローラにおける充電スイッチの制御を除き同じ構成の
ものを用いた。以下の説明において、本ピエゾアクチュ
エータ駆動回路と実質的に同じ作動をする部分について
は同じ番号を付して説明する。実験では、充電スイッチ
３５は図７に示すようにオフ期間の終期で（すなわち充
電電流が０Ａしきい値を横切ると）即、オン期間に入る
ようにしている。図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）
はその結果の一例で、充電電流Ｉp 、瞬時投入エネルギ
ー（＝充電電流Ｉp ×ピエゾスタック電圧Ｖp ）、投入
エネルギー（＝∫（Ｉp ×Ｖp ）dt）の経時変化を示し
ている。図中には容量の異なる３つの場合を併せて示し
ている。なお、測定は、ピエゾタスタック４Ａに変えて
予め容量が分かっているフィルムコンデンサをピエゾア
クチュエータ駆動回路に接続して行っている。

【００３９】充電時間（ｔ1 からの経過時間）に対する
投入エネルギーの経時変化であるエネルギー投入特性を
示す図８（Ｃ）において、特性線がピエゾスタックの容
量によって異なるが、充電の開始初期では、漸減する充
電電流が０となるオフ期間の終期における投入エネルギ
ーがピエゾスタック容量が違ってもあまり差がない。特
に１回目のオフ期間の終期における投入エネルギーがピ
エゾスタック容量によらず略一定である。また、充電開
始から所定回数のオンオフ期間が経過するまでの所要時
間が、ピエゾスタック容量が大きいほど長くなっていく
が、この所要時間の差は、充電の開始初期のオンオフ期
間の長さのばらつきが支配的である。特に、最初（１回
目）のオンオフ期間の長さに基因してばらつく。一方、
エネルギーの投入速度である瞬時投入エネルギーが、充
電の開始初期で小さく、また、充電の開始初期を除けば
あまり差がなくピエゾスタック容量によりあまり変動し
ないことがわかる。すなわち、特性線を充電時間の方向
に所定時間だけオフセットすると、ピエゾスタック容量
の異なる特性線が重なることになる。本発明はかかる知
見に基づきなされたものである。

【００４０】本発明では、１回目のオフ期間において充
電電流が０Ａしきい値に達しても、前記充電開始時点
（ｔ1 ）から基準時間が経過するまでは２回目のオン期
間が開始されない。すなわち充電スイッチ３５がオンし
ない。これにより、次の効果を奏する。図６（Ａ）、図
６（Ｂ）、図６（Ｃ）は本ピエゾアクチエータ駆動回路
の充電電流Ｉp 、瞬時投入エネルギー、投入エネルギー
の経時変化を示すもので、図８の場合と同様に、図中に
は容量の異なる３つの場合を併せて示している。以下、
図６のものを本発明と、図８のものを比較例という。

【００４１】本発明および比較例のいずれも、充電電流
が第１の通電経路３３ａを通るオン期間ではインダクタ
３４に発生する逆起電力が（ＶDC−Ｖp ）であるのに対
し、充電電流が第２の通電経路３３ｂを通るオフ期間で
はインダクタ３４に発生する逆起電力がＶp であり、ピ
エゾスタック４Ａへのエネルギーの投入速度が相対的に
遅い期間と速い期間とを交互に繰り返して、全体的には
略直線的に投入エネルギーが上昇していく。相違点とし
ては、各エネルギー値に到達する時間が、ピエゾスタッ
ク容量に応じて異なり、ピエゾスタック容量が大きいほ
ど所要時間は長くなる。すなわち、エネルギー投入特性
がピエゾスタック容量によって変動する。

【００４２】本発明では、第１回目のオフ期間で充電電
流が０Ａしきい値に達した後に、前記基準時間が経過す
るまで充電スイッチ３５のオンが禁止されるので、図６
（Ｃ）のごとく、ピエゾスタック容量が違っても２回目
のオン期間の開始タイミングが揃う。ここで、前記のご
とく、１回目のオンオフ期間で到達する投入エネルギー
がピエゾスタック容量によらず略一定であり、かつ、２
回目のオンオフ期間以降のエネルギーの投入速度がピエ
ゾスタック容量によらず略一定であるから、ピエゾスタ
ック容量によらずエネルギー投入特性が略同じになる。
これにより、充電期間信号が出力されている間の、エネ
ルギー投入特性が環境温度の影響でピエゾスタック容量
が変動しても変わらず、高精度な燃料噴射制御を行うこ
とができる。

【００４３】なお、前記基準時間が経過するまで、第１
回目のオフ期間で充電電流が０Ａしきい値に達した後
に、２回目のオン期間の充電スイッチ３５のオンを禁止
する期間を設けることによりエネルギー投入特性の容量
依存性を抑制することができるのは次のように考えられ
る。

【００４４】図８（Ｂ）に示すように瞬時投入エネルギ
ーすなわち充電能力は充電開始初期には小さく、エネル
ギーの投入が進行するほど大きくなる。これは、次のよ
うに理論的にも確かめられる。すなわち、前記のごとく
充電電流Ｉp は略三角形状であり、オン期間の終期に到
達する電流（充電ピーク電流）Ｉp PEAKは、電源として
のコンデンサ３２の両端子間電圧（電源電圧）をＶDC、
ピエゾスタック電圧をＶp 、オン期間の長さをＴON、イ
ンダクタ１３のインダクタンスをＬとして、式（１）と
表される。 Ｉp PEAK＝（ＶDC−Ｖp ）×ＴON／Ｌ・・・（１）

【００４５】また、オンオフ期間を通じて投入される投
入エネルギーＥは式（２）となる。 Ｅ＝∫（Ｉp ×Ｖp ）dt≒Ｋ∫（（ＶDC−Ｖp ）×Ｖp ）dt・・・（２）

【００４６】したがって、ピエゾスタック電圧Ｖp の低
い充電開始初期には充電能力が低いことが理論的にも知
られる。

【００４７】また、オンオフ期間においてコンデンサ３
２からエネルギーが流出するのは、オン期間のみであ
る。このオン期間にコンデンサ３２から流出するエネル
ギーは、コンデンサ３２からインダクタ３４とピエゾス
タック４Ａとに分散して蓄積される。このうちインダク
タ３４に蓄積されたエネルギーがオフ期間にピエゾスタ
ック４Ａに移動することになる。したがって、１回のオ
ンオフ期間においてピエゾスタック４Ａに投入されるエ
ネルギーは、オン期間にコンデンサ３２から流出するエ
ネルギーと等しい。ここで、電源電圧ＶDCがコンデンサ
３２の容量が大きいことで略一定であるから、充電開始
初期において１回のオンオフ期間にピエゾスタック４Ａ
に投入されるエネルギーＥon-offは式（３）となる。 Ｅon-off≒ＶDC×〔（Ｉp PEAK／２）×ＴON〕・・・（３）

【００４８】そして、充電ピーク電流Ｉp PEAKは前記式
（１）で表されるところ、ピエゾスタック電圧Ｖp が低
い充電開始初期には電源電圧ＶDCで略規定されることか
ら、充電ピーク電流Ｉp PEAKもピエゾスタック容量の違
いによってはあまり変わらない。したがって、充電開始
初期におけるオンオフ期間のピエゾスタック４Ａへの投
入エネルギーＥon-offはピエゾスタック容量の違いによ
ってはあまり変わらない。

【００４９】一方、オンオフ期間の長さは、オン期間が
一定であるからオフ期間の長さで規定される。ここで、
オフ期間では第２の通電経路３３ｂを流れるフライホイ
ール電流による充電であり、式（４）と表し得る。 Ｉp PEAK＝Ｖp ×ＴOFF ／Ｌ・・・（４）

【００５０】前記のごとく充電ピーク電流Ｉp PEAKはピ
エゾスタック電圧Ｖp が低い充電開始初期には電源電圧
ＶDCで略規定されるから、ピエゾスタック容量の違いに
よってはあまり変わらない。したがって、オフ期間の長
さＴOFF は式（４）より知られるようにピエゾスタック
電圧Ｖp に依存し、ピエゾスタック電圧Ｖp と反比例の
関係になる。ピエゾスタック容量が大きいほどピエゾス
タック電圧Ｖp は低いから、ＴOFF はピエゾスタック容
量が大きいほど長くなる。また、充電開始初期ほどピエ
ゾスタック電圧Ｖp は小さく、そのため式（１）より知
られるように充電ピーク電流Ｉp PEAKは大きいから、Ｔ
OFF は充電開始初期では長くなり、ピエゾスタック容量
によるばらつきも大きい。

【００５１】しかして、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）が示す
ごとく、充電開始初期において、特に１回目のオンオフ
期間において、オフ期間の終期に到達する投入エネルギ
ーがピエゾスタック容量の違いではあまり変わらず、そ
の一方で、ピエゾスタック容量の違いでオンオフ期間の
長さ（ＴON＋ＴOFF ）が変わることが説明できる。

【００５２】なお、前記のごとくオフ期間の長さはピエ
ゾスタック電圧Ｖp が低いほど長いから、２回目のオフ
期間の長さは１回目のオフ期間の長さに次いで長いこと
になる。したがって、３回目のオン期間の充電スイッチ
３５のオンを禁止する期間を設けるのもよい。また、３
回目のオン期間の充電スイッチ３５のオンのみを禁止す
る期間を設けるのもよい。要求される仕様に応じて適宜
設定し得る。勿論、望ましいのは、２回目のオン期間の
充電スイッチ３５のオンの禁止である。広範囲の投入エ
ネルギーに対して、ピエゾスタック容量の違いによる投
入エネルギーの誤差を抑制することができるからであ
る。

【００５３】さらに、充電スイッチ３５のオンの禁止を
する充電開始からｎ回目以降と、（ｎ−１）回目までと
でオン期間の長さが異なっていても同じ効果が得られ
る。また、オン期間１回目はピエゾスタック容量が違っ
ていても充電ピーク電流の値が一定であることが本考案
に至ったポイントの一つであるから、１回目の通電のみ
電流が一定になるように制御すると、さらに高精度の効
果が得られるが、回路ロジックが複雑になる割に効果が
小さい。このため、本実施形態では採用していない。前
記電流一定制御は充電スイッチ３５のオンの禁止をする
ｎ回目より前ならば適用可能であるが、１回目のみの適
用が一番精度がよく、それ以外の回数まで適用したとし
てもオン時間だけで制御したときよりも高精度にするこ
とは困難である。

【００５４】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、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】本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回
路を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置の構成図
である。

【図２】前記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前記ピエゾアクチュエ
ータ駆動回路の回路図である。

【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作
動状態を示すタイミングチャートである。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ前記ピエゾアクチュ
エータ駆動回路に形成される、ピエゾスタックの充電時
の通電経路を示す回路図である。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ前記ピエゾアクチュ
エータ駆動回路に形成される、ピエゾスタックの放電時
の通電経路を示す回路図である。

【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ前記ピエゾ
アクチュエータ駆動回路の作動を示すグラフである。

【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路と比較する
比較例の各部の作動状態を示すタイミングチャートであ
る。

【図８】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ前記ピエゾ
アクチュエータ駆動回路と比較する比較例の作動を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ インジェクタ １１ ピエゾアクチュエータ ２１ ピエゾアクチュエータ駆動回路 ２１１ 充放電回路部 ２１２ コントローラ（制御手段） ２２ ＥＣＵ ３０ バッテリ ３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ３２ コンデンサ（直流電源） ３３ａ，３３ｂ 通電経路 ３４ インダクタ ３５ 第１のスイッチング素子 ３５１ 寄生ダイオード ３６ 第２のスイッチング素子 ３６１ 寄生ダイオード ３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄ 選択スイッチング素
子 ３７１Ａ，３７１Ｂ，３７１Ｃ，３７１Ｄ 寄生ダイオ
ード ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ ピエゾスタック

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾアクチュエータを構成するピエゾ
   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の通電経路に、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、前記ピエゾスタッ
   クへの漸増する充電電流が流れ、 前記直流電源をバイパスし前記インダクタを介して前記
   ピエゾスタックに通電する第２の通電経路に、前記スイ
   ッチング素子のオフ期間に、フライホイール作用で前記
   ピエゾスタックへの漸減する充電電流が流れるピエゾア
   クチュエータ駆動回路であって、 前記スイッチング素子を制御する制御手段を有するピエ
   ゾアクチュエータ駆動回路において、 前記制御手段を、前記スイッチング素子の各オン期間の
   長さが一定値をとるように、かつ、ピエゾスタックの充
   電開始から予め設定した所定回目のオン期間では、前記
   ピエゾスタックの充電の開始から予め設定した所定の時
   間が経過するまで、スイッチング素子のオンを禁止する
   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。
2. 【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、前記所定回目のオン期間を、ピエゾス
   タックの充電開始から２回目のオン期間としたピエゾア
   クチュエータ駆動回路。