JP4414081B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents
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Landscapes
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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の駆動用のピエゾアクチュエータ駆動回路は、例えば、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ピエゾスタックへの第１の通電経路と、前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路とを有しており、第１の通電経路には、その途中に設けられたオンオフを繰り返すスッチング素子のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第２の通電経路には、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漸減する充電電流が流れる。また、スイッチング素子のオンからオフへの切り替えは充電電流がそのピーク値を規定する所定の電流制限値になると行われる。図１２に示すように、かかる充電電流が漸増と漸減とを繰り返してピエゾスタックの充電量が増加していき、ピエゾスタックの両端間電圧が段階的に上昇していく。これは複数スイッチング方式として知られており、充電量が所定の目標値に達するとスイッチング素子をオフに固定し充電を終了する（特許第２６８４６５０号等）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、充電の終了は、例えば、ピエゾスタックの両端間電圧を検出してこれが目標電圧に達したか否かで判断し、スイッチング素子をオフに固定する。
【０００５】
しかしながら、環境の変化等でピエゾアクチュエータ駆動回路を構成する部品の定数が変化し、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達したタイミングと、最後のオフ期間が終了したタイミングとが一致しない場合が生じる。
【０００６】
例えば、ピエゾスタックを含め容量性素子は一般的に静電容量が大きな温度依存性を示す。ピエゾスタック静電容量の増大でピエゾスタック両端間電圧の上昇は緩やかになる。充電電流の平均電流値は一定であるから、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達するのが遅くなる。このため、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達してスイッチング素子をオフに固定しても、オフ後にフライホイール電流による充電が行われて、その分が誤差となる。この誤差の最大値は、図１３に示すように、充電電流が電流制限値に達した時と、ピエゾスタック両端間電圧が目標値に達した時とが一致する場合である。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な手段でピエゾスタックの充電量と目標値の誤差を抑制することのできる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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュエータに設けられた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、該通電経路には、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０から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、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０まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて、前記スイッチング素子をオフ固定した後に流れる充電電流が所定値以下となるように、前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめる。
【０００９】
ピエゾスタックの充電が進行するにしたがい充電電流が減じられる。したがって、ピエゾスタックの充電量が目標充電量に達しスイッチング素子がオフした時にインダクタに保持されているエネルギーは僅かであり、充電量の誤差を抑制することができる。
【００１０】
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、前記減流手段を、前記充電進行度が予め設定したしきい値になるまでは前記充電電流のピーク値が一定値となるように設定する。
【００１１】
充電電流が減少する前に一定電流値の期間を設けることで、充電電流を減じることによる充電の遅れを最小限に止めることができ、ピエゾアクチュエータの作動において、充電期間を通じて充電電流が一定の装置と遜色のない応答性を得ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記充電電流が所定の電流制限値になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限値が小さくなるように設定する。
【００１３】
充電電流を直接制御するので、充電電流の挙動が一定している。
【００１４】
請求項４記載の発明では、請求項１と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記スイッチング素子のオン時間の長さが所定の電流制限時間になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限時間が短くなるように設定する。
【００１５】
時間でスイッチング素子のオンオフを切り換えるので簡単であり、耐ノイズ性にすぐれる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記充電進行度検出手段を、前記ピエゾスタックの両端間電圧とその目標電圧の差に基づいて検出する構成とする。
【００１７】
充電量に応じてピエゾスタックの両端間電圧が上昇するから、充電量を容易に把握することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路はコモンレール式の４気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに適用されたもので、燃料噴射システムの全体構成については後述する。ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、車載のバッテリ１１１、バッテリ１１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２はバッテリ１１１と直列にインダクタ１１２１とスイッチング素子１１２２が接続され、スイッチング素子１１２２のオン時にインダクタ１１２１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子１１２２のオフ時に、逆起電力を発生するインダクタ１１２１からダイオード１１２３を介してコンデンサ１１３に充電される。バッファコンデンサ１１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ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。
【００１９】
直流電源１１のバッファコンデンサ１１３からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄにインダクタ１３を介して通電する第１の通電経路１２ａが設けてあり、通電経路１２ａには、バッファコンデンサ１１３とインダクタ１３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子１４が介設されている。第１のスイッチング素子１４はＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１４１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００２０】
また、インダクタ１３とピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは第２の通電経路１２ｂを形成しており、この通電経路１２ｂは、インダクタ１３と第１のスイッチング素子１４の接続中点に接続される第２のスイッチング素子１５を有し、インダクタ１３、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ、第２のスイッチング素子１５により閉回路を形成している。第２のスイッチング素子１５もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１５１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００２１】
通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、次のように駆動対象としてのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に接続されており、噴射気筒のインジェクタのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられている。その寄生ダイオード１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、バッファコンデンサ１１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００２２】
ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは４つの気筒と１対１に対応しており、各気筒に設けられたインジェクタ４（図３、図４）の燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタ４のそれぞれに搭載される。
【００２３】
また、第１の通電経路１２ａと第２の通電経路１２ｂに共通に、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに直列に抵抗値の小さな抵抗器１７が設けてあり、その両端間電圧からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに流出入する電流、すなわち充電電流および放電電流が制御回路１８において知られるようになっている。また、制御回路１８にはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの両端間電圧（以下、ピエゾスタック電圧という）が入力しており、ピエゾスタック電圧が知られるようになっている。
【００２４】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートには制御回路１８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ング素子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子１４，１５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子１４，１５をオンオフし、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。充電制御および放電制御にあたっては、抵抗器１７により検出された充電電流および放電電流、ピエゾスタック電圧に基づいて行われ、また、後述するＥＣＵからの噴射信号を指令として行われる。
【００２５】
図２に制御回路１８の充電制御を司る回路構成を示す。ピエゾスタック電圧の検出信号と目標電圧信号とを入力とする、充電進行度検出手段である差動アンプ１８１が設けられ、減算結果である両信号差が出力する。ピエゾスタック電圧検出信号はピエゾスタック電圧を抵抗で分割した信号であり、目標電圧信号は目標充電量である目標電圧に比例した電圧信号である。しかして、前記差動アンプ１８１の出力から目標充電量に対する未充電量、すなわち充電の進行度が知られることになる。
【００２６】
差動アンプ１８１の出力を入力として電流制限値設定部１８２１が設けてあり、第１のスイッチング素子１４のオフタイミングを規定する電流制限値を演算し出力する。この電流制限値と、充電電流の検出信号とを入力としてスイッチング制御部１８２２が設けてあり、第１のスイッチング素子１４のゲートに制御信号を出力する。電流制限値設定部１８２１とスイッチング制御部１８２２とで減流手段１８２を構成する。これらは論理演算回路等で構成し得る。
【００２７】
図３にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが搭載される燃料噴射用のインジェクタ４を有し構成される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の構成を示し、図４に前記インジェクタ４の構造を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ４が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ４は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ４から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４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５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００２８】
また、コモンレール５４からインジェクタ４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４の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ４から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００２９】
圧力センサ５７はコモンレール５４に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてＥＣＵ３が調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。また、ＥＣＵ３はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、これに応じた噴射信号をピエゾクチュエータ駆動回路１に出力する。噴射信号は、「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値信号で、立ち上がりで前記のごとく充電制御を行い、立ち下がりで放電制御を行い、インジェクタ４から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【００３０】
図４に示すごとく、インジェクタ４は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ４は下側から順にノズル部４ａ、背圧制御部４ｂ、ピエゾアクチュエータ４ｃとなっている。
【００３１】
ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル４２１はノズル本体４０４の先端部に形成された環状シート４０４１に着座または離座する。ニードル４２１の先端部の外周空間４０５には高圧通路４０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル４２１の離座時に噴孔４０３から燃料が噴射される。ニードル４２１にはその環状段面４２１１に前記高圧通路４０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００３２】
ニードル４２１の後方には高圧通路４０１からインオリフィス４０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル４２１の背圧を発生する背圧室４０６が形成される。この背圧は、背圧室４０６に配設されたスプリング４２２とともにニードル４２１の後端面４２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００３３】
前記背圧は背圧制御部４ｂで切り替えられ、背圧制御部４ｂは前記ピエゾスタック２Ａを備えたピエゾアクチュエータ４ｃにより駆動される。なお、ピエゾスタック２Ｂ〜２Ｄを備えたインジェクタも同じ構造である。
【００３４】
前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０９を介して常時、背圧制御部４ｂの弁室４１０と連通している。弁室４１０は天井面４１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面４１０１の最上部で低圧室４１１とつながっている。低圧室４１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路４０２と連通している。
【００３５】
弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。
【００３６】
弁室４１０内には、下側部分を水平にカットしたボール４２３が配設されている。ボール４２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）４１０２に着座し弁室４１０を高圧制御通路４０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）４１０１に着座し弁室４１０を前記低圧室４１１から遮断する。これにより、ボール４２３下降時には背圧室４１０がアウトオリフィス４０９、弁室４１０を経て低圧室４１１と連通し、ニードル４２１の背圧が低下してニードル４２１が離座する。一方、ボール４２３の上昇時には背圧室４０６が低圧室４１１と遮断されて高圧通路４０１のみと連通し、ニードル４２１の背圧が上昇してノズルニードル４２１が着座する。
【００３７】
ボール４２３はピエゾアクチュエータ４ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ４ｃは、低圧室４１１の上方に上下方向に形成された縦穴４１２に径の異なる２つのピストン４２４，４２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン４２５の上方にピエゾスタック２Ａが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００３８】
大径ピストン４２５はその下方に設けられたスプリング４２６によりピエゾスタック２Ａと当接状態を維持しており、ピエゾスタック２Ａの伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００３９】
ボール４２３と対向する下側の小径ピストン４２４と大径ピストン４２５と縦穴４１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室４１３が形成されており、ピエゾスタック２Ａの伸長で大径ピストン４２５が下方変位して変位拡大室４１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室４１３の燃料を介して小径ピストン４２４に伝えられる。ここで、小径ピストン４２４は大径ピストン４２５よりも小径としているので、ピエゾスタック２Ａの伸長量が拡大されて小径ピストン４２４の変位に変換される。
【００４０】
変位拡大室４１３は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路４０２と通じている。チェック弁は低圧通路４０２から変位拡大室４１３に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック２Ａの伸長により大径ピストン４２５が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室４１３に閉じ込めるようになっている。
【００４１】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック２Ａが充電されてピエゾスタック２Ａが伸長することにより、小径ピストン４２４が下降してボール４２３を押し下げる。これによりボール４２３が低圧側シート４１０１から離間するとともに高圧側シート４１０２に着座して背圧室４０６が低圧通路４０２と連通するので、背圧室４０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル４２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル４２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００４２】
噴射停止は反対にピエゾスタック２Ａの放電によりピエゾスタック２Ａを縮小してボール４２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室４１０内は低圧となっており、またボール４２３の底面には高圧制御通路４０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール４２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール４２３への押し下げ力の解除により、ボール４２３が高圧側シート４１０２から離間するとともに再び低圧側シート４１０１に着座して弁室４１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル４２１が着座し噴射が停止する。
【００４３】
図５はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電制御における電流制限値設定部１８２１、スイッチング制御部１８２２の設定内容とともに本ピエゾアクチュエータ駆動回路１の作動について説明する。スイッチング制御部１８２２はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流に基づいて第１のスイッチング素子１４のオンとオフとを次のように切り換える。すなわち、第１のスイッチング素子１４をオンすると第１の通電経路１２ａに充電電流が流れ、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電される。この充電電流はインダクタ１３の誘導作用で０から漸増する電流である。スイッチング制御部１８２２は、検出された充電電流が前記電流制限値に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフする。
【００４４】
このオフ時において、インダクタ１３には充電電流（＝電流制限値）に応じたエネルギーが蓄積されているから、これによりインダクタ１３に誘導起電力が発生する。この誘導起電力に対して第２の寄生ダイオード１５１は順バイアスであるから、スイッチング素子１４のオン期間に続いて、前記エネルギーを消費しながら、第２の通電経路１２ｂに漸減する充電電流が流れる。スイッチング制御部１８２２は、検出された電流が０になると、再び、スイッチング素子１４をオンする。第１のスイッチング素子１４の１回のオンオフで三角状の充電電流が流れる。
【００４５】
これを繰り返してピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進行し、ピエゾスタック電圧が上昇していく。その間、差動アンプ１８１から出力される目標電圧とピエゾスタック電圧の差分出力は低下していく。
【００４６】
一方、充電期間中の前記電流制限値は次のように設定されている。電流制限値設定部１８２１は、入力する前記差分出力が小さいほど前記電流制限値を小さく設定する。詳しくは、電流制限値は、ピエゾスタック電圧が目標電圧の略７０％に達するまで、すなわち、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である、目標電圧の略３０％に達するまでは、一定値をとるようにし、それから以後に漸減するように設定されている。電流制限値の設定は、前記差動アンプ１８１の差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに１対１に電流制限値が対応するようにしてもよい。この場合、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が目標電圧の略３０％に達すると、相対的に大きな第１の電流から相対的に小さな第２の電流に二値切り替えするようにして制御負担を減じるのもよい。
【００４７】
これにより、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進み、ピエゾスタック電圧が目標電圧近くになるまでは、充電電流のピーク値（ピーク電流）は一定で推移する。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧まであと少しになると、電流制限値が漸減することで、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定する。
【００４８】
この、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した時点で充電電流が０でなければ、その時点で充電電流に応じたエネルギーがインダクタ１３に保持されているので、第１のスイッチング素子１４のオフ後に第２の通電経路１２ｂにフライホイール電流が流れる。このオフ後の充電電流で、ピエゾスタック電圧が目標電圧を越え電圧誤差を生ずる。ここで、前記オフ後の充電電流は、第１のスイッチング素子１４のオフのタイミングにもよるが、最大で前記電流制限値である。この電流制限値は、本発明の減流制御により、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの大半の充電を終えるまでの電流制限値に比して小さな値しかもっていない。したがって、ピエゾスタック電圧の誤差を小さくすることができる。
【００４９】
しかも、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの大半の充電を終えるまでの電流制限値を、従来の装置と同様にピエゾアクチュエータ駆動回路１を構成する部品の電流容量が許容するできるだけ大きな値に設定しておけば、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が従来と同程度の速度で進行するから、インジェクタ４のボール４２３は、前記噴射信号に対して大きく遅延することなくリフトする。したがって、ピエゾスタック電圧を高精度に目標電圧とし得るとともに、インジェクタ４が燃料噴射時に高い応答性を発揮することができる。
【００５０】
なお、電流制限値が一定値で推移するピエゾスタック電圧の範囲は、必ずしも目標電圧に対して略７０％である必要はなく、それ以下でもよいし、それ以上でもよい。また、電流制限値は必ずしも最初一定値である必要はなく、最初から漸減するように設定してもよい。
【００５１】
次に放電制御について説明する。放電制御は従来装置と同様に、第２のスイッチング素子１５をオンオフし、オン期間に第２の通電経路１２ｂに漸増する放電電流を流し、オフ期間に第１の通電経路１２ａに漸減する放電電流を流す。この放電電流の波形も三角波とみなせ、放電電流が電流制限値および０に達する度に第２のスイッチング素子１５のオンとオフとを切り換える。この時の電流制限値は例えば、充電制御における電流制限値を用い得る。
【００５２】
なお、制御回路１８は、マイクロコンピュータにより構成してもよい。
【００５３】
また、電流制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差に応じて常時、更新している必要はなく、充電電流がピーク値をとったときの目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよいし、また、第１のスイッチング素子１４がオフからオンに切り換わった時点の目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよい。
【００５４】
（第２実施形態）
図６、図７に本発明の第２実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第１実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分は第１実施形態と同じ作動をするので第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５５】
ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａの制御回路１８Ａは、基本的な構成が第１実施形態と同じで、差動アンプ１８１の差分出力を入力とする通電制限設定部１８２１Ａと、その出力を入力とするスイッチング制御部１８２２Ａとが減流手段１８２Ａを構成している。
【００５６】
図８はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部１８２１Ａ、スイッチング制御部１８２２Ａの設定内容について説明する。通電制限設定部１８２１Ａは、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である所定値（例えば目標電圧の３０％）に達するまでは第１実施形態と同様に電流制限値を固定しておき、スイッチング制御部１８２２Ａは充電電流が前記電流制限値になると第１のスイッチング素子１４をオフし、ピーク電流が一定でピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が推移するようになっている。
【００５７】
そして、前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が前記所定値を越えると、ピーク電流の減流制御を行う。通電制限設定部１８２１Ａは以後、電流制限値に代えて時間制限値を出力し、スイッチング制御部１８２２Ａは、以後の第１のスイッチング素子１４のオンとオフの切り替えを次のように行う。第１のスイッチング素子１４のオン期間は、その長さで設定され、オン時間が前記時間制限値になると第１のスイッチング素子１４をオフする。そして、オフ期間において、検出された充電電流が０になると再び第１のスイッチング素子１４をオンして再びオン期間に入る。
【００５８】
通電制限設定部１８２１Ａは、前記時間制限値を前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定する。時間制限値の設定も、前記差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに１対１に時間制限値を対応することもできる。
【００５９】
この、前記時間制限値による充電電流制御に入ると、スイッチング素子１４のオン期間が短くなるとともに、オン期間においてインダクタ１３に印加される電圧がピエゾスタック電圧の上昇により低下して充電電流の勾配が低下するので、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定する。
【００６０】
このように、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電の大半を終えると、ピーク電流が漸減し、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した後でフライホイール電流が流れても、それに基因して生じるピエゾスタック電圧の誤差を抑制するとともに、ピエゾアクチュエータ４ｃの応答性が十分である。
【００６１】
（第３実施形態）
図９、図１０に本発明の第３実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第２実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第２実施形態と同じ番号を付した部分は第２実施形態と同じ作動をするので第２実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６２】
ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ｂの制御回路１８Ｂは、差動アンプ１８１の差分出力を入力とする通電制限設定部１８２１Ｂと、その出力を入力とするスイッチング制御部１８２２Ｂとが減流手段１８２Ｂを構成している。
【００６３】
図１１はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部１８２１Ｂ、スイッチング制御部１８２２Ｂの設定内容について説明する。通電制限設定部１８２１Ｂは差動アンプ１８１の差分出力を入力として時間制限値のみを演算し出力する。時間制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定され、スイッチング制御部１８２２Ｂはスイッチング素子１４のオン期間が時間制限値となるようにスイッチング素子１４をオフし、充電電流が０になるとオンする。かかる構成でも、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達する時の充電電流値の最大値を規定するピーク電流の大きさが小さくなり、ピエゾスタック電圧の電圧誤差を抑制することができる。
【００６４】
なお、前記各実施形態において充電の進行度はピエゾスタック電圧と目標電圧の差で表しているが、ピエゾスタックに投入された電力量とその目標電力量の差により表してもよい。
【００６５】
なお、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】本発明を適用した第１のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用のインジェクタを有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図である。
【図４】前記インジェクタの断面図である。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図６】本発明を適用した第２のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図９】本発明を適用した第３のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１０】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図１１】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図１２】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第１の図である。
【図１３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第２の図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ ピエゾアクチュエータ駆動回路
１１ 直流電源
１１１ バッテリ
１１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３ コンデンサ
１２ａ，１２ｂ 通電経路
１３ インダクタ
１４ 第１のスイッチング素子
１４１ 寄生ダイオード
１５ 第２のスイッチング素子
１５１ 寄生ダイオード
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ 選択スイッチング素子
１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄ 寄生ダイオード
１７ 抵抗器
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ ピエゾスタック
３ ＥＣＵ
１８，１８Ａ，１８Ｂ 制御回路（制御手段）
１８１ 差動アンプ（充電進行度検出手段）
１８２，１８２Ａ，１８２Ｂ 減流手段
１８２１，１８２１Ａ，１８２１Ｂ 通電制限設定部
１８２２，１８２２Ａ，１８２２Ｂ スイッチング制御部
４ インジェクタ
４ａ ノズル部
４ｂ 背圧制御部
４ｃ ピエゾアクチュエータ
５４ コモンレール
【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の駆動用のピエゾアクチュエータ駆動回路は、例えば、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ピエゾスタックへの第１の通電経路と、前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路とを有しており、第１の通電経路には、その途中に設けられたオンオフを繰り返すスッチング素子のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第２の通電経路には、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漸減する充電電流が流れる。また、スイッチング素子のオンからオフへの切り替えは充電電流がそのピーク値を規定する所定の電流制限値になると行われる。図１２に示すように、かかる充電電流が漸増と漸減とを繰り返してピエゾスタックの充電量が増加していき、ピエゾスタックの両端間電圧が段階的に上昇していく。これは複数スイッチング方式として知られており、充電量が所定の目標値に達するとスイッチング素子をオフに固定し充電を終了する（特許第２６８４６５０号等）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、充電の終了は、例えば、ピエゾスタックの両端間電圧を検出してこれが目標電圧に達したか否かで判断し、スイッチング素子をオフに固定する。
【０００５】
しかしながら、環境の変化等でピエゾアクチュエータ駆動回路を構成する部品の定数が変化し、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達したタイミングと、最後のオフ期間が終了したタイミングとが一致しない場合が生じる。
【０００６】
例えば、ピエゾスタックを含め容量性素子は一般的に静電容量が大きな温度依存性を示す。ピエゾスタック静電容量の増大でピエゾスタック両端間電圧の上昇は緩やかになる。充電電流の平均電流値は一定であるから、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達するのが遅くなる。このため、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達してスイッチング素子をオフに固定しても、オフ後にフライホイール電流による充電が行われて、その分が誤差となる。この誤差の最大値は、図１３に示すように、充電電流が電流制限値に達した時と、ピエゾスタック両端間電圧が目標値に達した時とが一致する場合である。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な手段でピエゾスタックの充電量と目標値の誤差を抑制することのできる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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュエータに設けられた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、該通電経路には、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０から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、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０まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて、前記スイッチング素子をオフ固定した後に流れる充電電流が所定値以下となるように、前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめる。
【０００９】
ピエゾスタックの充電が進行するにしたがい充電電流が減じられる。したがって、ピエゾスタックの充電量が目標充電量に達しスイッチング素子がオフした時にインダクタに保持されているエネルギーは僅かであり、充電量の誤差を抑制することができる。
【００１０】
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、前記減流手段を、前記充電進行度が予め設定したしきい値になるまでは前記充電電流のピーク値が一定値となるように設定する。
【００１１】
充電電流が減少する前に一定電流値の期間を設けることで、充電電流を減じることによる充電の遅れを最小限に止めることができ、ピエゾアクチュエータの作動において、充電期間を通じて充電電流が一定の装置と遜色のない応答性を得ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記充電電流が所定の電流制限値になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限値が小さくなるように設定する。
【００１３】
充電電流を直接制御するので、充電電流の挙動が一定している。
【００１４】
請求項４記載の発明では、請求項１と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記スイッチング素子のオン時間の長さが所定の電流制限時間になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限時間が短くなるように設定する。
【００１５】
時間でスイッチング素子のオンオフを切り換えるので簡単であり、耐ノイズ性にすぐれる。
【００１６】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、前記充電進行度検出手段を、前記ピエゾスタックの両端間電圧とその目標電圧の差に基づいて検出する構成とする。
【００１７】
充電量に応じてピエゾスタックの両端間電圧が上昇するから、充電量を容易に把握することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路はコモンレール式の４気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに適用されたもので、燃料噴射システムの全体構成については後述する。ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、車載のバッテリ１１１、バッテリ１１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２はバッテリ１１１と直列にインダクタ１１２１とスイッチング素子１１２２が接続され、スイッチング素子１１２２のオン時にインダクタ１１２１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子１１２２のオフ時に、逆起電力を発生するインダクタ１１２１からダイオード１１２３を介してコンデンサ１１３に充電される。バッファコンデンサ１１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ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。
【００１９】
直流電源１１のバッファコンデンサ１１３からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄにインダクタ１３を介して通電する第１の通電経路１２ａが設けてあり、通電経路１２ａには、バッファコンデンサ１１３とインダクタ１３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子１４が介設されている。第１のスイッチング素子１４はＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１４１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００２０】
また、インダクタ１３とピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは第２の通電経路１２ｂを形成しており、この通電経路１２ｂは、インダクタ１３と第１のスイッチング素子１４の接続中点に接続される第２のスイッチング素子１５を有し、インダクタ１３、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ、第２のスイッチング素子１５により閉回路を形成している。第２のスイッチング素子１５もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１５１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００２１】
通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、次のように駆動対象としてのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に接続されており、噴射気筒のインジェクタのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられている。その寄生ダイオード１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、バッファコンデンサ１１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００２２】
ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは４つの気筒と１対１に対応しており、各気筒に設けられたインジェクタ４（図３、図４）の燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタ４のそれぞれに搭載される。
【００２３】
また、第１の通電経路１２ａと第２の通電経路１２ｂに共通に、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに直列に抵抗値の小さな抵抗器１７が設けてあり、その両端間電圧からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに流出入する電流、すなわち充電電流および放電電流が制御回路１８において知られるようになっている。また、制御回路１８にはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの両端間電圧（以下、ピエゾスタック電圧という）が入力しており、ピエゾスタック電圧が知られるようになっている。
【００２４】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートには制御回路１８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ング素子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子１４，１５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子１４，１５をオンオフし、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。充電制御および放電制御にあたっては、抵抗器１７により検出された充電電流および放電電流、ピエゾスタック電圧に基づいて行われ、また、後述するＥＣＵからの噴射信号を指令として行われる。
【００２５】
図２に制御回路１８の充電制御を司る回路構成を示す。ピエゾスタック電圧の検出信号と目標電圧信号とを入力とする、充電進行度検出手段である差動アンプ１８１が設けられ、減算結果である両信号差が出力する。ピエゾスタック電圧検出信号はピエゾスタック電圧を抵抗で分割した信号であり、目標電圧信号は目標充電量である目標電圧に比例した電圧信号である。しかして、前記差動アンプ１８１の出力から目標充電量に対する未充電量、すなわち充電の進行度が知られることになる。
【００２６】
差動アンプ１８１の出力を入力として電流制限値設定部１８２１が設けてあり、第１のスイッチング素子１４のオフタイミングを規定する電流制限値を演算し出力する。この電流制限値と、充電電流の検出信号とを入力としてスイッチング制御部１８２２が設けてあり、第１のスイッチング素子１４のゲートに制御信号を出力する。電流制限値設定部１８２１とスイッチング制御部１８２２とで減流手段１８２を構成する。これらは論理演算回路等で構成し得る。
【００２７】
図３にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが搭載される燃料噴射用のインジェクタ４を有し構成される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の構成を示し、図４に前記インジェクタ４の構造を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ４が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ４は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ４から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４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５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００２８】
また、コモンレール５４からインジェクタ４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４の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ４から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００２９】
圧力センサ５７はコモンレール５４に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてＥＣＵ３が調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。また、ＥＣＵ３はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、これに応じた噴射信号をピエゾクチュエータ駆動回路１に出力する。噴射信号は、「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値信号で、立ち上がりで前記のごとく充電制御を行い、立ち下がりで放電制御を行い、インジェクタ４から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【００３０】
図４に示すごとく、インジェクタ４は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ４は下側から順にノズル部４ａ、背圧制御部４ｂ、ピエゾアクチュエータ４ｃとなっている。
【００３１】
ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル４２１はノズル本体４０４の先端部に形成された環状シート４０４１に着座または離座する。ニードル４２１の先端部の外周空間４０５には高圧通路４０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル４２１の離座時に噴孔４０３から燃料が噴射される。ニードル４２１にはその環状段面４２１１に前記高圧通路４０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００３２】
ニードル４２１の後方には高圧通路４０１からインオリフィス４０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル４２１の背圧を発生する背圧室４０６が形成される。この背圧は、背圧室４０６に配設されたスプリング４２２とともにニードル４２１の後端面４２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００３３】
前記背圧は背圧制御部４ｂで切り替えられ、背圧制御部４ｂは前記ピエゾスタック２Ａを備えたピエゾアクチュエータ４ｃにより駆動される。なお、ピエゾスタック２Ｂ〜２Ｄを備えたインジェクタも同じ構造である。
【００３４】
前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０９を介して常時、背圧制御部４ｂの弁室４１０と連通している。弁室４１０は天井面４１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面４１０１の最上部で低圧室４１１とつながっている。低圧室４１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路４０２と連通している。
【００３５】
弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。
【００３６】
弁室４１０内には、下側部分を水平にカットしたボール４２３が配設されている。ボール４２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）４１０２に着座し弁室４１０を高圧制御通路４０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）４１０１に着座し弁室４１０を前記低圧室４１１から遮断する。これにより、ボール４２３下降時には背圧室４１０がアウトオリフィス４０９、弁室４１０を経て低圧室４１１と連通し、ニードル４２１の背圧が低下してニードル４２１が離座する。一方、ボール４２３の上昇時には背圧室４０６が低圧室４１１と遮断されて高圧通路４０１のみと連通し、ニードル４２１の背圧が上昇してノズルニードル４２１が着座する。
【００３７】
ボール４２３はピエゾアクチュエータ４ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ４ｃは、低圧室４１１の上方に上下方向に形成された縦穴４１２に径の異なる２つのピストン４２４，４２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン４２５の上方にピエゾスタック２Ａが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００３８】
大径ピストン４２５はその下方に設けられたスプリング４２６によりピエゾスタック２Ａと当接状態を維持しており、ピエゾスタック２Ａの伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００３９】
ボール４２３と対向する下側の小径ピストン４２４と大径ピストン４２５と縦穴４１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室４１３が形成されており、ピエゾスタック２Ａの伸長で大径ピストン４２５が下方変位して変位拡大室４１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室４１３の燃料を介して小径ピストン４２４に伝えられる。ここで、小径ピストン４２４は大径ピストン４２５よりも小径としているので、ピエゾスタック２Ａの伸長量が拡大されて小径ピストン４２４の変位に変換される。
【００４０】
変位拡大室４１３は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路４０２と通じている。チェック弁は低圧通路４０２から変位拡大室４１３に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック２Ａの伸長により大径ピストン４２５が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室４１３に閉じ込めるようになっている。
【００４１】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック２Ａが充電されてピエゾスタック２Ａが伸長することにより、小径ピストン４２４が下降してボール４２３を押し下げる。これによりボール４２３が低圧側シート４１０１から離間するとともに高圧側シート４１０２に着座して背圧室４０６が低圧通路４０２と連通するので、背圧室４０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル４２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル４２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００４２】
噴射停止は反対にピエゾスタック２Ａの放電によりピエゾスタック２Ａを縮小してボール４２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室４１０内は低圧となっており、またボール４２３の底面には高圧制御通路４０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール４２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール４２３への押し下げ力の解除により、ボール４２３が高圧側シート４１０２から離間するとともに再び低圧側シート４１０１に着座して弁室４１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル４２１が着座し噴射が停止する。
【００４３】
図５はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電制御における電流制限値設定部１８２１、スイッチング制御部１８２２の設定内容とともに本ピエゾアクチュエータ駆動回路１の作動について説明する。スイッチング制御部１８２２はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流に基づいて第１のスイッチング素子１４のオンとオフとを次のように切り換える。すなわち、第１のスイッチング素子１４をオンすると第１の通電経路１２ａに充電電流が流れ、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電される。この充電電流はインダクタ１３の誘導作用で０から漸増する電流である。スイッチング制御部１８２２は、検出された充電電流が前記電流制限値に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフする。
【００４４】
このオフ時において、インダクタ１３には充電電流（＝電流制限値）に応じたエネルギーが蓄積されているから、これによりインダクタ１３に誘導起電力が発生する。この誘導起電力に対して第２の寄生ダイオード１５１は順バイアスであるから、スイッチング素子１４のオン期間に続いて、前記エネルギーを消費しながら、第２の通電経路１２ｂに漸減する充電電流が流れる。スイッチング制御部１８２２は、検出された電流が０になると、再び、スイッチング素子１４をオンする。第１のスイッチング素子１４の１回のオンオフで三角状の充電電流が流れる。
【００４５】
これを繰り返してピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進行し、ピエゾスタック電圧が上昇していく。その間、差動アンプ１８１から出力される目標電圧とピエゾスタック電圧の差分出力は低下していく。
【００４６】
一方、充電期間中の前記電流制限値は次のように設定されている。電流制限値設定部１８２１は、入力する前記差分出力が小さいほど前記電流制限値を小さく設定する。詳しくは、電流制限値は、ピエゾスタック電圧が目標電圧の略７０％に達するまで、すなわち、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である、目標電圧の略３０％に達するまでは、一定値をとるようにし、それから以後に漸減するように設定されている。電流制限値の設定は、前記差動アンプ１８１の差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに１対１に電流制限値が対応するようにしてもよい。この場合、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が目標電圧の略３０％に達すると、相対的に大きな第１の電流から相対的に小さな第２の電流に二値切り替えするようにして制御負担を減じるのもよい。
【００４７】
これにより、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が進み、ピエゾスタック電圧が目標電圧近くになるまでは、充電電流のピーク値（ピーク電流）は一定で推移する。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧まであと少しになると、電流制限値が漸減することで、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定する。
【００４８】
この、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した時点で充電電流が０でなければ、その時点で充電電流に応じたエネルギーがインダクタ１３に保持されているので、第１のスイッチング素子１４のオフ後に第２の通電経路１２ｂにフライホイール電流が流れる。このオフ後の充電電流で、ピエゾスタック電圧が目標電圧を越え電圧誤差を生ずる。ここで、前記オフ後の充電電流は、第１のスイッチング素子１４のオフのタイミングにもよるが、最大で前記電流制限値である。この電流制限値は、本発明の減流制御により、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの大半の充電を終えるまでの電流制限値に比して小さな値しかもっていない。したがって、ピエゾスタック電圧の誤差を小さくすることができる。
【００４９】
しかも、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの大半の充電を終えるまでの電流制限値を、従来の装置と同様にピエゾアクチュエータ駆動回路１を構成する部品の電流容量が許容するできるだけ大きな値に設定しておけば、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が従来と同程度の速度で進行するから、インジェクタ４のボール４２３は、前記噴射信号に対して大きく遅延することなくリフトする。したがって、ピエゾスタック電圧を高精度に目標電圧とし得るとともに、インジェクタ４が燃料噴射時に高い応答性を発揮することができる。
【００５０】
なお、電流制限値が一定値で推移するピエゾスタック電圧の範囲は、必ずしも目標電圧に対して略７０％である必要はなく、それ以下でもよいし、それ以上でもよい。また、電流制限値は必ずしも最初一定値である必要はなく、最初から漸減するように設定してもよい。
【００５１】
次に放電制御について説明する。放電制御は従来装置と同様に、第２のスイッチング素子１５をオンオフし、オン期間に第２の通電経路１２ｂに漸増する放電電流を流し、オフ期間に第１の通電経路１２ａに漸減する放電電流を流す。この放電電流の波形も三角波とみなせ、放電電流が電流制限値および０に達する度に第２のスイッチング素子１５のオンとオフとを切り換える。この時の電流制限値は例えば、充電制御における電流制限値を用い得る。
【００５２】
なお、制御回路１８は、マイクロコンピュータにより構成してもよい。
【００５３】
また、電流制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差に応じて常時、更新している必要はなく、充電電流がピーク値をとったときの目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよいし、また、第１のスイッチング素子１４がオフからオンに切り換わった時点の目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよい。
【００５４】
（第２実施形態）
図６、図７に本発明の第２実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第１実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分は第１実施形態と同じ作動をするので第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５５】
ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａの制御回路１８Ａは、基本的な構成が第１実施形態と同じで、差動アンプ１８１の差分出力を入力とする通電制限設定部１８２１Ａと、その出力を入力とするスイッチング制御部１８２２Ａとが減流手段１８２Ａを構成している。
【００５６】
図８はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部１８２１Ａ、スイッチング制御部１８２２Ａの設定内容について説明する。通電制限設定部１８２１Ａは、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である所定値（例えば目標電圧の３０％）に達するまでは第１実施形態と同様に電流制限値を固定しておき、スイッチング制御部１８２２Ａは充電電流が前記電流制限値になると第１のスイッチング素子１４をオフし、ピーク電流が一定でピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電が推移するようになっている。
【００５７】
そして、前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が前記所定値を越えると、ピーク電流の減流制御を行う。通電制限設定部１８２１Ａは以後、電流制限値に代えて時間制限値を出力し、スイッチング制御部１８２２Ａは、以後の第１のスイッチング素子１４のオンとオフの切り替えを次のように行う。第１のスイッチング素子１４のオン期間は、その長さで設定され、オン時間が前記時間制限値になると第１のスイッチング素子１４をオフする。そして、オフ期間において、検出された充電電流が０になると再び第１のスイッチング素子１４をオンして再びオン期間に入る。
【００５８】
通電制限設定部１８２１Ａは、前記時間制限値を前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定する。時間制限値の設定も、前記差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに１対１に時間制限値を対応することもできる。
【００５９】
この、前記時間制限値による充電電流制御に入ると、スイッチング素子１４のオン期間が短くなるとともに、オン期間においてインダクタ１３に印加される電圧がピエゾスタック電圧の上昇により低下して充電電流の勾配が低下するので、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定する。
【００６０】
このように、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電の大半を終えると、ピーク電流が漸減し、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した後でフライホイール電流が流れても、それに基因して生じるピエゾスタック電圧の誤差を抑制するとともに、ピエゾアクチュエータ４ｃの応答性が十分である。
【００６１】
（第３実施形態）
図９、図１０に本発明の第３実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第２実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第２実施形態と同じ番号を付した部分は第２実施形態と同じ作動をするので第２実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６２】
ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ｂの制御回路１８Ｂは、差動アンプ１８１の差分出力を入力とする通電制限設定部１８２１Ｂと、その出力を入力とするスイッチング制御部１８２２Ｂとが減流手段１８２Ｂを構成している。
【００６３】
図１１はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部１８２１Ｂ、スイッチング制御部１８２２Ｂの設定内容について説明する。通電制限設定部１８２１Ｂは差動アンプ１８１の差分出力を入力として時間制限値のみを演算し出力する。時間制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定され、スイッチング制御部１８２２Ｂはスイッチング素子１４のオン期間が時間制限値となるようにスイッチング素子１４をオフし、充電電流が０になるとオンする。かかる構成でも、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達する時の充電電流値の最大値を規定するピーク電流の大きさが小さくなり、ピエゾスタック電圧の電圧誤差を抑制することができる。
【００６４】
なお、前記各実施形態において充電の進行度はピエゾスタック電圧と目標電圧の差で表しているが、ピエゾスタックに投入された電力量とその目標電力量の差により表してもよい。
【００６５】
なお、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】本発明を適用した第１のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用のインジェクタを有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図である。
【図４】前記インジェクタの断面図である。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図６】本発明を適用した第２のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図９】本発明を適用した第３のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１０】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図１１】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図１２】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第１の図である。
【図１３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第２の図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ ピエゾアクチュエータ駆動回路
１１ 直流電源
１１１ バッテリ
１１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３ コンデンサ
１２ａ，１２ｂ 通電経路
１３ インダクタ
１４ 第１のスイッチング素子
１４１ 寄生ダイオード
１５ 第２のスイッチング素子
１５１ 寄生ダイオード
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ 選択スイッチング素子
１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄ 寄生ダイオード
１７ 抵抗器
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ ピエゾスタック
３ ＥＣＵ
１８，１８Ａ，１８Ｂ 制御回路（制御手段）
１８１ 差動アンプ（充電進行度検出手段）
１８２，１８２Ａ，１８２Ｂ 減流手段
１８２１，１８２１Ａ，１８２１Ｂ 通電制限設定部
１８２２，１８２２Ａ，１８２２Ｂ スイッチング制御部
４ インジェクタ
４ａ ノズル部
４ｂ 背圧制御部
４ｃ ピエゾアクチュエータ
５４ コモンレール
Claims (5)
- ピエゾアクチュエータに設けられた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、該通電経路には、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０から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、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０まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて、前記スイッチング素子をオフ固定した後に流れる充電電流が所定値以下となるように、前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ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、前記減流手段を、前記充電進行度が予め設定したしきい値になるまでは前記充電電流のピーク値が一定値となるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
- ピエゾアクチュエータに設けられた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、該通電経路には、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０から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、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０まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記充電電流が所定の電流制限値になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限値が小さくなるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。 - ピエゾアクチュエータに設けられた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、該通電経路には、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０から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第２の通電経路を有し、該通電経路には、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０まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の１回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記スイッチング素子のオン時間の長さが所定の電流制限時間になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限時間が短くなるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。 - 請求項１ないし４いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記充電進行度検出手段を、前記ピエゾスタックの両端間電圧とその目標電圧の差に基づいて検出する構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
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