JP3744407B2 - 容量負荷変動体の充放電装置 - Google Patents

Description

【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OFF 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０Ａ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。
さらに、第１放電スイッチまたは第２放電スイッチの一方がオンの時に、第２充電スイッチまたは第１充電スイッチの一方がオン可能に設けられた。これにより、容量負荷変動体の放電中に、次の充電のための電気エネルギーが蓄えられる。
【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１１、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１５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１５ａ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１５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２６ａ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３２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４４ｂ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。
【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４５ａ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ＥＣＵ４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４４ａ、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４５ａ）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▲１▼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▲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▲３▼に示すように低下すると同時に、図２、図３▲４▼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▲５▼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４１ｂのON中に、図２、図３▲１▼’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▲２▼’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▲６▼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４４ａ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５１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４２ａ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５９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OFF 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。
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、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▲１▼、▲１▼’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▲２▼、▲２▼’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４２ａ、４２ｂをONする。
この第１、第２放電スイッチ４２ａ、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▲３▼に示すように低下すると同時に、図６、図７▲４▼、▲４▼’に示すように２次コイル４４ｂ、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▲５▼、▲５▼’に示すように１次コイル４４ａ、４５ａから直流電源４０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４４ａ、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、４２ｂ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、４１ｂ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４１ａ、４１ｂおよび第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂ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
４４ａ １次コイル
４４ｂ ２次コイル
４５ 第２フライバックトランス
４５ａ １次コイル
４５ｂ ２次コイル

Claims (4)

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、
   （ｅ）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がオンの時に、前記第２充電スイッチまたは前記第１充電スイッチの一方がオン可能に設けられたことを特徴とする容量負荷変動体の充放電装置。
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。
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。
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。

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