JP3842665B2 - 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
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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１１−３１７５５１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。ＥＣＵ７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４０を構成するピエゾアクチュエータ５０および制御弁４１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２２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２３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２２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２４ａ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３０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４１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１２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、ＤＣ／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６６、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６５、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７２、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７３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ＥＣＵ７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（Ｓ１０２）。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（Ｓ１１１）、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ＬＣ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（Ｓ１１３）。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（Ｓ１１４）、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６４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１２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６５１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（Ｓ２１３）、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、ＣＰＵ７１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５１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５１への充電量は増加する。例えば、デューティ値Ｄを１００％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７０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／ＤＣ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＝ＣＶ2／２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Ｖｐｚｔ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（Ｓ４１６）。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（Ｓ４１７）、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Ｄ2を用いて制御される（Ｓ４２０〜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（Ｓ４３１〜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７２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（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（Ｓ５１７、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ＤnをＤn＝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Ｄn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Ｄnを用いて制御される（Ｓ５３１〜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
【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１１−３１７５５１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。ＥＣＵ７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４０を構成するピエゾアクチュエータ５０および制御弁４１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２２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２３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２２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２４ａ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３０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４１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１２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、ＤＣ／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６６、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６５、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７２、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７３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ＥＣＵ７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（Ｓ１０２）。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（Ｓ１１１）、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ＬＣ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（Ｓ１１３）。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（Ｓ１１４）、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６４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１２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６５１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（Ｓ２１３）、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、ＣＰＵ７１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５１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５１への充電量は増加する。例えば、デューティ値Ｄを１００％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７０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／ＤＣ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＝ＣＶ2／２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Ｖｐｚｔ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（Ｓ４１６）。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（Ｓ４１７）、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Ｄ2を用いて制御される（Ｓ４２０〜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（Ｓ４３１〜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７２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（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（Ｓ５１７、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ＤnをＤn＝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Ｄn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Ｄnを用いて制御される（Ｓ５３１〜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
Claims (11)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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