JP3765286B2

JP3765286B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路

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Publication number: JP3765286B2
Application number: JP2002121694A
Authority: JP
Inventors: 英生成瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP2003319667A

Description

【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のオンオフのタイミングを制御することによって前記ピエゾスタックの充電時間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、前記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、前記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、ＥＣＵ２２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３０の給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣ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４Ａ〜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ＭＯＳＦＥＴ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４Ａ〜４Ｄと直列に１対１に対応して選択スイッチ３７Ａ，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３３ａ，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４Ａ〜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４Ａ〜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３５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２１２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３３ｂ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３３ａ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４Ａ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３３ａ，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３２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、ＴOFF 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）
２２ＥＣＵ
３０バッテリ
３１ＤＣ−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

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のオンオフのタイミングを制御することによって前記ピエゾスタックの充電時間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、前記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、前記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。
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。