JP4882729B2

JP4882729B2 - 圧電素子の駆動回路

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Publication number: JP4882729B2
Application number: JP2006344353A
Authority: JP
Inventors: 英生成瀬; 昇長瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: JP2008160928A

Description

本発明は、圧電素子を充放電する圧電素子の駆動回路に関する。

従来、複数の圧電素子およびＤＣ／ＤＣコンバータを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータから高圧電圧を各圧電素子に印加して充電して、これらの圧電素子をそれぞれ駆動する駆動回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−５３３４８号公報

本発明者は、上述の特許文献１に記載の駆動回路を基に、ＤＣ／ＤＣコンバータから圧電素子に充電させるとともに、圧電素子からの電荷（エネルギ）をＤＣ／ＤＣコンバータのコンデンサに回収したりする駆動回路について検討したところ、次の問題点が分かった。

まず、駆動回路について説明すると、駆動回路は、図２４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００、充放電回路３００、および選択回路４００から構成されている。

例えば、選択回路４００の圧電素子４０ａを充電する場合には、スイッチ素子３０のオン、オフを繰り返して圧電素子４０ａの充電量を増やす。

スイッチ素子３０のオン状態では、図２５に示すように、コンデンサ２２からの充電電流をスイッチ素子３０および電磁コイル３４を経由して圧電素子４０ａに流して圧電素子４０ａを充電させる。スイッチ素子３０のオフ状態では、図２６に示すように、電磁コイル３４に蓄えられた磁界エネルギに基づき、電磁コイル３４側からの充電電流を圧電素子４０ａに流して圧電素子４０ａを充電させる。

ここで、スイッチ素子３０のオン状態およびオフ状態では、抵抗素子３６を流れる電流が検出され、この検出電流値に基づいて、スイッチ素子３０のオン、オフが制御される。

また、圧電素子４０ａから放電してその電荷（エネルギ）をコンデンサ２２により回収する場合には、スイッチ素子３１のオン、オフを繰り返して圧電素子４０ａの充電量を減らす。

スイッチ素子３１のオン状態では、図２７に示すように、圧電素子４０ａからの放電電流が電磁コイル３４を経由してスイッチ素子３１および抵抗素子３７に流れる。スイッチ素子３１のオフ状態では、図２８に示すように、電磁コイル３４に蓄えられた磁界エネルギに基づき、電磁コイル３４側からの放電電流をダイオード３２を経由してコンデンサ２２に流してコンデンサ２２により電荷を回収させる。

また、圧電素子４０ａの両端子間を電磁コイル３４を迂回して、短絡する場合には、スイッチ素子３００をオンする。この場合、図２９に示すように、圧電素子４０ａからの放電電流がスイッチ素子３００を経由して抵抗素子３０１に流れる。

ここで、スイッチ素子３１のオン状態では、抵抗素子３７を流れる電流が検出され、スイッチ素子３００のオン状態では、抵抗素子３０１を流れる電流が検出され、スイッチ素子３１のオフ状態では、抵抗素子３６または抵抗素子２５を流れる電流が検出され、これら検出電流値に基づいて、スイッチ素子３０、３００のオン、オフが制御される。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００では、スイッチ素子２１のオン、オフを繰り返してバッテリＢａからコンデンサ２２に充電する。

スイッチ素子２１のオン状態では、図３０に示すように、バッテリＢａから電流が電磁コイル２０およびスイッチ素子２１を経由して抵抗素子２４に流れる。スイッチ素子２１のオフ状態では、図３１に示すように、電磁コイル２０に蓄えられた電磁エネルギに基づいて、バッテリＢａから電流が電磁コイル２０およびダイオード２３を経由してコンデンサ２２に流れてコンデンサ２２を充電する。

ここで、スイッチ素子２１のオン状態では、抵抗素子２４を流れる電流が検出され、スイッチ素子２１のオフ状態では、抵抗素子２５を流れる電流が検出され、抵抗素子２４、２５による検出電流値に基づいて、スイッチ素子２１のオン、オフが制御される。

以上説明したように、スイッチ素子２１、３０、３１、３００を制御するための電流検出手段として、抵抗素子２４、２５、３６、３７といった多数の抵抗素子が用いられている。したがって、駆動回路の構成の複雑化を招いている。

本発明は、上記点に鑑み、回路構成を簡素化するようにした圧電素子の駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、第１の放電スイッチの閉成により、圧電素子からの放電電流を第１の電磁コイルを経由して流して圧電素子を放電させる第１の放電経路を構成し、第１の放電スイッチの開成により、圧電素子からの放電電流を第１の電磁コイルおよびダイオードを経由して高圧電源回路に流して圧電素子から放電させる第２の放電経路を構成し、第１、第２の放電スイッチの閉成により、第１の電磁コイルの両側端子間で第１の電磁コイルを迂回して放電電流を流す第３の放電経路を構成し、第１〜第３の放電経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第１〜第３の電流検出手段（３７）と、第１〜第３の電流検出手段のそれぞれの検出電流に基づいて、第１、第２の放電スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、第１〜第３の電流検出手段は、第１〜第３の放電経路の共通経路に設けられた１つの抵抗素子であることを第１の特徴とする。

これにより、本発明では、第１〜第３の放電経路のそれぞれに電流検出用の抵抗素子を設けた場合に比べて、抵抗素子の個数を減らすことができるので、回路構成を簡素化することができる。

本発明では、高圧電源回路は、電源スイッチの閉成により、低電圧電源からの電源電流を第２の電磁コイルおよび前記電源スイッチを経由してグランド側に流す第１の電源電流経路を構成し、電源スイッチの開成により、前記低電圧電源からの電源電流を前記第２の電磁コイルを経由して前記コンデンサ側に流し前記コンデンサから高圧電圧を発生させる第２の電源電流経路を構成し、第１、第２の電源電流経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第１、第２の電源電流検出手段（３７）と、第１、第２の電源電流検出手段の検出電流に基づいて電源スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、１つの抵抗素子は、第１、第２の電源電流経路の共通経路に設けられ、第１、第２の電源電流検出手段を構成していることを第２の特徴とする。

これにより、１つの抵抗素子は、第１、第２の電源電流検出手段を構成していることになるので、さらに、回路構成を簡素化することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本第１実施形態は、本発明に係る駆動回路をディーゼルエンジン（内燃機関）のコモンレール式の燃料噴射装置に適用したもので、当該駆動回路の説明に先立ち、コモンレール式の燃料噴射装置について説明する。

図１にコモンレール式の燃料噴射装置の全体構成を示す。ディーゼルエンジンの各気筒に対応してインジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられて、コモンレール８に蓄積された高圧燃料を高圧燃料供給パイプ１２を介してインジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに供給し、インジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄから各気筒の燃焼室に噴射するようになっている。コモンレール８は高圧燃料供給パイプ１３を介して高圧燃料供給ポンプ７と接続され、高圧燃料供給ポンプ７は、さらに低圧燃料供給パイプ１４を介して燃料タンク１０と接続されている。燃料タンク１０に貯留する燃料は、低圧燃料供給パイプ１４の途中の燃料フィルタ１１で異物を濾過されてから高圧燃料供給ポンプ７に送出され、高圧燃料供給ポンプ７によりコモンレール８に圧送される。

高圧燃料供給ポンプ７はＥＣＵ２により制御される。制御は、コモンレール８に取付けられたコモンレール圧力センサ９から検出されるコモンレール圧力に基づいて行われ、コモンレール圧力が所定の目標値に調整される。

また、コモンレール８からインジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ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６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの制御油圧等としても用いられ、インジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄから低圧のドレーンライン１５を経て燃料タンク１０に還流するようになっている。

次に、インジェクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの構造について説明する。インジェクタ６ａ〜６ｄはそれぞれ同一構造であるため、代表例としてインジェクタ６ａの構造について図２を参照して説明する。インジェクタ６ａ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６ａは下側から順にノズル部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。

ノズル部１ａのスリーブ状の本体１０４内にニードル１２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル１２１はノズル本体１０４の先端部に形成された環状シート１０４１に着座または離座する。ニードル１２１の先端部の外周空間１０５には、高圧燃料供給パイプ１３に通じる高圧通路１０１を介してコモンレール８から高圧燃料が導入され、ニードル１２１のリフト時に噴射孔１０３から燃料が噴射される。ニードル１２１にはその環状段面１２１１に前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
ニードル１２１の後方には高圧通路１０１からインオリフィス１０７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１２１の背圧を発生する背圧室１０６が形成される。この背圧は、背圧室１０６に配設されたスプリング１２２とともにニードル１２１の後端面１２１２に着座方向（下向き）に作用する。

前記背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂは前記ピエゾスタック４０を備えたピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される。

前記背圧室１０６はアウトオリフィス１０９を介して常時、背圧制御部１ｂの弁室１１０と連通している。弁室１１０は天井面１１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面１１０１の最上部に、低圧室１１１と連通する低圧ポート１１０ａが開口しており、低圧室１１１はドレーンライン１５に通じる低圧通路１０２と連通している。弁室１１０の底面には高圧制御通路１０８を介して高圧通路１０１と連通する高圧ポート１１０ｂが開口している。弁室１１０内には、下側部分を水平にカットしたボール１２３が配設されている。ボール１２３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）１１０２に着座して高圧ポート１１０ｂを閉鎖することにより弁室１１０を高圧制御通路１０８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）１１０１に着座して低圧ポート１１０ａを閉鎖することにより弁室１１０を前記低圧室１１１から遮断する。これにより、ボール１２３下降時には背圧室１０６がアウトオリフィス１０９、弁室１１０を経て低圧室１１１と連通し、ニードル１２１の背圧が低下してニードル１２１が離座する。

一方、ボール１２３の上昇時には背圧室１０６が低圧室１１１と遮断されて高圧通路１０１のみと連通し、ニードル１２１の背圧が上昇してニードル１２１が着座する。

ボール１２３はピエゾアクチュエータ１ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ１ｃは、低圧室１１１の上方に上下方向に形成された縦穴１１２に径の異なる２つのピストン１２４、１２５が摺動自在に保持され、上側の大径ピストン１２５上方にピエゾスタック４０が上下方向を伸縮方向として配設されている。

大径ピストン１２５はその下方に設けられたスプリング１２６によりピエゾスタック４０と当接状態を維持しており、ピエゾスタック４０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。

ボール１２３と対向する下側の小径ピストン１２４と大径ピストン１２５と縦穴１１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室１１３が形成されており、ピエゾスタック４０の伸長で大径ピストン１２５が下方変位して変位拡大室１１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室１１３の燃料を介して小径ピストン１２４に伝えられる。ここで、小径ピストン１２４は大径ピストン１２５よりも小径としているので、ピエゾスタック４０の伸長量が拡大されて小径ピストン１２４の変位に変換される。

燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック４０が充電されてピエゾスタック４０が伸長することにより、小径ピストン１２４が下降してボール１２３を押し下げる。これによりボール１２３が低圧側シート１１０１からリフトするとともに高圧側シート１１０２に着座して背圧室１０６が低圧通路１０２と連通するので、背圧室１０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル１２１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１２１が離座して燃料噴射が開始される。

噴射停止は反対にピエゾスタック４０の放電によりピエゾスタック４０を縮小してボール１２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室１１０内は低圧となっており、またボール１２３の底面には高圧制御通路１０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール１２３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１２３への押し下げ力の解除により、ボール１２３が高圧側シート１１０２から離間するとともに再び低圧側シート１１０１に着座して弁室１１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１２１が着座し噴射が停止する。

インジェクタ６ａは、ピエゾアクチュエータ１ｃがピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動され、インジェクタ６ａの噴射と停止とが切り換えられる。ピエゾアクチュエータ１ｃの駆動は、ピエゾアクチュエータ１ｃを構成するピエゾスタック４０の充電と放電とにより行われる。外部から入力する運転者の操作量等に基づいて前記ＥＣＵ２により燃料噴射量、噴射時期などが演算され、演算結果に基づいて、インジェクタ６ａの噴射と停止とを切り換える指令信号がＥＣＵ２から、ピエゾスタック４０の充電と放電とを実行する駆動回路２ａに出力される。

図３に駆動回路２ａを示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック４０を４つの気筒に対応して、ピエゾスタック４０ａ、ピエゾスタック４０ｂ、ピエゾスタック４０ｃ、ピエゾスタック４０ｄと表すものとする。

駆動回路２ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００Ａ、充放電回路３００Ａ、および選択回路４００を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００Ａは、車載のバッテリＢａの給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生する電源部であって、その出力端に並列に接続されたコンデンサ２２を有し、ピエゾスタック４０ａ〜４０ｄの充電用の電圧を出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００Ａは、例えば一般的な昇圧チョッパ型の回路が採用される。コンデンサ２２は、１５０Ｖ〜３００Ｖ程度の耐電圧の性能を有し、電圧変動を抑制するために十分静電容量の大きなもの（１００μＦ〜５００μＦ）で構成され、ピエゾスタック４０ａ〜４０ｄ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。

コンデンサ２２とピエゾスタック４０ａ〜４０ｄとの間には、電磁コイル２０が設けられており、コンデンサ２２の正極端子と電磁コイル２０との間には、整流用のダイオード２３が配置されている。コンデンサ２２と電磁コイル２０との共通接続点と、グランドとの間にはスイッチ素子２１が介設されている。スイッチ素子２１は、ＭＯＳＦＥＴで構成されている。

充放電回路３００Ａは、スイッチング素子３０を備えており、スイッチング素子３０は、コンデンサ２２の正極端子とピエゾスタック４０ａ〜４０ｄとの間に配設されている。スイッチング素子３０は、ＭＯＳＦＥＴにより構成され、その寄生ダイオード３２はカソード端子がコンデンサ２２の正極端子側に接続されている。

スイッチング素子３０およびピエゾスタック４０ａ〜４０ｄの間には、電磁コイル３４およびスイッチ素子３００が設けられ、電磁コイル３４およびスイッチ素子３００は、並列に配置されている。スイッチング素子３０と電磁コイル３４との共通接続点とグランドとの間には、スイッチ素子３１が配置されている。スイッチ素子３１は、ＭＯＳＦＥＴにより構成され、その寄生ダイオード３３はカソード端子が、スイッチング素子３０と電磁コイル３４との共通接続点に接続されている。

スイッチ素子３１およびグランドの間には、抵抗素子３７が配置されており、抵抗素子３７とスイッチ素子３１との共通接続点（図３中符号ｂ）には、コンデンサ２２およびスイッチ素子２１が接続される。抵抗素子３７は、後述するように、電磁コイル２０、３４、およびコンデンサ２２を流れる電流を検出するのに用いられる。

ピエゾスタック４０ａ〜４０ｄおよびグランドの間には、抵抗素子３６が接続されており、ダイオード３５は、グランド側からピエゾスタック４０ａ〜４０ｄ（および電磁コイル３４）側に電流を流す。

選択回路４００は、選択スイッチ素子４１ａ〜４１ｄを備えており、選択スイッチ素子４１ａ〜４１ｄは、ピエゾスタック４０ａ〜４０ｄのいずれかを選択的にグランド側に接続する。

駆動回路２ａは、制御回路５００を備える。制御回路５００は、マイクロコンピュータ、制御ＩＣ、メモリ、および周辺回路等から構成され、ピエゾスタック４０ａ〜４０ｄを駆動するための制御処理を行う。

次に、本実施形態の作動について図４、図５を参照して説明する。

制御回路５００は、次の如く、スイッチ素子２１、３０、３１、３００、４１ａ〜４１ｄを制御する。

制御回路５００の噴射信号がハイレベル（図４（ａ）中ｔ１）になると、スイッチ素子４１ａをオンし（図４（ｃ）参照）、かつスイッチ素子３１、３００をオフし（図４（ｄ）、（ｅ）参照）、スイッチ素子３０をｔ１〜ｔ２の間にてスイッチングする（図４（ｂ）参照）。

ここで、スイッチ素子３０をオン（閉成）すると、図６に示すように、コンデンサ２２からの充電電流をピエゾスタック４０ａに流す第１の充電経路を構成することになる。

すなわち、コンデンサ２２からの充電電流がスイッチ素子３０、電磁コイル３４、ピエゾスタック４０ａ、スイッチ素子４１ａ、抵抗素子３６、抵抗素子３７の順に流れる。これにより、コンデンサ２２からの充電電流がピエゾスタック４０ａに流れ、ピエゾスタック４０ａが充電される。

その後、抵抗素子３６に流れる電流がしきい値Ａを超えたことを判定すると、スイッチ素子３０をオフ（開成）する。

これに伴い、電磁コイル３４に蓄えられた磁界エネルギに基づいて、電磁コイル３４からの充電電流をピエゾスタック４０ａに流す第２の充電経路を構成することになる。

すなわち、図７に示すように、電磁コイル３４からの充電電流がピエゾスタック４０ａ、スイッチ素子４１ａ、抵抗素子３６、抵抗素子３７、ダイオード３３の順に流れる。これにより、コンデンサ２２からの充電電流がピエゾスタック４０ａに流れ、ピエゾスタック４０ａが充電される。

その後、図８に示すように、抵抗素子３６に流れる電流がしきい値Ｂ（＝０Ａ）に到達したことを判定すると、スイッチ素子３０をオン（閉成）する。

このようにスイッチ素子３０のオン、オフを繰り返すことにより、ピエゾスタック４０ａの充電量（エネルギ）は上昇してピエゾスタック４０ａの発生電圧が図４（ｆ）に示すように上昇する。これに伴い、ピエゾスタック４０ａが充電により伸長して変位拡大室１１３を介してボール１２３を押圧しリフトせしめる。

ここで、抵抗素子３６で測定した電流波形（図８参照）と抵抗素子３７で測定した電流波形（図９参照）とを比較すると、双方の電流波形は対称的な形状になっているので、充電電流の検出に際して、抵抗素子３６、３７のいずれをも用いることができる。しかし、抵抗素子３７を用いて電流を検出すると、負電圧を取り扱う必要になり回路構成が複雑になる。このため、本実施形態では正電圧を発生する抵抗素子３６を用いて充電電流を検出している。

次に、制御回路５００の噴射信号がローレベル（図４（ａ）中ｔ４）になると、スイッチ素子３０をオフした状態で（図４（ｂ）参照）、スイッチ素子３１をｔ４〜ｔ５の間にてスイッチングする（図４（ｄ）参照）。

ここで、スイッチ素子３１をオン（閉成）すると、図１０に示すように、ピエゾスタック４０ａからの放電電流を電磁コイル３４に流す第１の放電経路を構成することになる。

すなわち、ピエゾスタック４０ａからの放電電流が、電磁コイル３４、スイッチ素子３１、抵抗素子３７、３６、およびスイッチ素子４１ａの順に流れる。これにより、ピエゾスタック４０ａから放電され、その放電エネルギが電磁コイル３４により蓄えられる。

その後、図１３に示すように、抵抗素子３７に流れる電流がしきい値Ａを超えたことを判定すると、スイッチ素子３１をオフ（開成）する。

これに伴い、電磁コイル３４に蓄えられた磁界エネルギに基づいて、図１１に示すように、電磁コイル３４からの放電電流をコンデンサ２２に流す第２の放電経路を構成することになる。

すなわち、ピエゾスタック４０ａからの放電電流が電磁コイル３４、ダイオード３２、コンデンサ２２、抵抗素子３７、３６、スイッチ素子４１ａの順に流れる。これにより、ピエゾスタック４０ａからの放電エネルギがコンデンサ２２により回収される。

その後、抵抗素子３７に流れる電流がしきい値Ｂ（＝０Ａ）に到達したことを判定すると、スイッチ素子３１をオン（閉成）する。

このようにスイッチ素子３１のオン、オフを繰り返すことにより、ピエゾスタック４０ａの充電量（エネルギ）は下降してピエゾスタック４０ａの発生電圧が図４（ｆ）に示すように下降する。

このようにピエゾスタック４０ａを放電することで、ピエゾスタック４０ａが縮小して変位拡大室１１３の燃料圧力によるボール１２３への押圧力が解除されてボール１２３が着座する。

ここで、放電スイッチ素子３１のオン、オフによりピエゾスタック４０ａを放電しても、ピエゾスタック４０ａには残電荷が残ってしまうため、放電完了後の所定時刻後（図４中ｔ６参照）に放電スイッチ素子３００を所定デューティでオン、オフする。この際、放電スイッチ素子３００に同期して放電スイッチ素子３１もオン、オフする（図４（ｅ）参照）。

ここで、放電スイッチ素子３１、３００をオンすると、図１２に示すように、ピエゾスタック４０ａからの放電電流を流す第３の放電経路を構成する。

すなわち、ピエゾスタック４０ａからの放電電流が、電磁コイル３４を迂回して、スイッチ素子３００、３１、抵抗素子３７、３６、スイッチ素子４１ａの順に流れる。

この場合、抵抗素子３７に流れる電流がしきい値Ｂ（＝０Ａ）に到達したことを判定すると、スイッチ素子３１、３００をオフ（閉成）する（図４（ｅ）中ｔ７参照）。

ここで、抵抗素子３７で測定した電流波形（図１３参照）と抵抗素子３６で測定した電流波形（図１４参照）とを比較すると、双方の電流波形は対称的な形状になっているので、放電電流の検出に際して、抵抗素子３６、３７のいずれをも用いることができる。

しかし、抵抗素子３６を用いて電流を検出すると、負電圧（図５（ａ）中ｔ４〜ｔ５期間）を取り扱うことが必要になり回路構成が複雑になる。このため、本実施形態では正電圧（図５（ｄ）中ｔ４〜ｔ５期間）を発生する抵抗素子３７を用いて放電電流を検出している。

次に、図４、図５中ｔ８になるとスイッチ素子４１ａをオフ（図４（ｃ）参照）し、図５中ｔ９になると、スイッチ素子２１をオン、オフしてコンデンサ２２を充電する（図５（ｃ）参照）。

まず、スイッチ素子２１をオンすると、図１５に示すように、バッテリＢａから充電電流が電磁コイル２０を通してスイッチ素子２１および抵抗素子３７に流れる第１の電源電流経路を構成する。これにより、電磁コイル２０には、バッテリＢａから充電電流に基づいて電磁エネルギが蓄えられる。

その後、図１７に示すように、抵抗素子３７に流れる電流がしきい値Ａを超えことを判定すると（図１７参照）、スイッチ素子２１をオフ（開成）する。

すると、図１６に示すように、電磁コイル２０の電磁エネルギに基づいて、バッテリＢａから放電電流が電磁コイル２０、ダイオード２３、コンデンサ２２、および抵抗素子３７の順に流れる第２の電源電流経路を構成する。これにより、電磁コイル２０に蓄えられた電磁エネルギに基づいて、コンデンサ２２が充電される。

その後、抵抗素子３７に流れる電流がしきい値Ｂに到達したことを判定すると、スイッチ素子２１をオン（閉成）する。

このようにスイッチ素子２１のオン、オフを繰り返すことにより、バッテリＢａから電磁コイル２０を介してコンデンサ２２に充電されコンデンサ２２の正極端子から高電圧を発生する。

以上説明した本実施形態によれば、ピエゾスタック４０ａから放電させる際に構成される第１、第２、第３の放電経路のそれぞれの電流を検出するのに、抵抗素子３７が用いられる。これに加えて、コンデンサ２２に充電するための第１、第２の電源電流経路のそれぞれの電流を検出するのに、抵抗素子３７が用いられる。

すなわち、抵抗素子３７が第１、第２、第３の放電経路および第１、第２の電源電流経路の共通経路に配置され、この１つの抵抗素子３７を用いて、各電流経路の電流を検出していることになる。

したがって、本実施形態では、第１、第２、第３の放電経路および第１、第２の電源電流経路のそれぞれに電流検出用の抵抗素子を配置する場合に比べて、抵抗素子の数を減らすことができるので、回路構成を簡素化できる。

上述の第１実施形態では、第１、第２の充電経路のそれぞれの電流を検出するのに、抵抗素子３６を用いる例について説明したが、これに代えて、第１、第２の充電経路のそれぞれの電流を検出するのに、抵抗素子３７を用いるようにしてもよい。

すなわち、第１、第２、第３の放電経路、第１、第２の電源電流経路、および第１、第２の充電経路のそれぞれの電流を、１つの抵抗素子３７を用いることになる。

この場合、第１、第２の充電経路の電流を検出する際には、抵抗素子３７で負電圧を検出することになるが、抵抗素子３６を省略することも可能である。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、スイッチ素子３００の一端部を電磁コイル３４とピエゾスタック４０ａ〜４０ｄとの共通接続端子に接続し、スイッチ素子３００の他端部を電磁コイル３４とスイッチ素子３１との共通接続端子に接続した例について説明したが、これに限らず、図１８に示すように、スイッチ素子３００の他端部をスイッチ素子３１と抵抗素子３７との共通接続端子に接続してもよい。

この場合、ピエゾスタック４０ａの両端子間を電磁コイル３４を介さずに短絡する際には、図１９に示すように、スイッチ素子３１をオンしておかなくてもスイッチ素子３００のみをオン、オフさせれば良い。

また、本実施形態において、エンジン停止や駆動回路２ａの異常時に、感電防止などの目的で、コンデンサ２２に蓄えられた電荷を放電する場合、抵抗素子３７では電流を検出できないことになるが、制御回路５００が、電源放電制御手段として、スイッチ素子３０、３００の一方をオン、他方を予め決められたデューティでオン、オフする。

これに伴い、コンデンサ２２→スイッチ素子３０→電磁コイル３４→スイッチ素子３００の経路でコンデンサ２２に蓄えられた電荷を放電することが可能となる。これによると、電磁コイル３４を介してコンデンサ２２に蓄えられた電荷を放電するため、放電電流の大電流化を抑えることができる。

（第３実施形態）
本第３実施形態では、上述の第１実施形態の回路構成においてスイッチ素子３００としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用した場合、図２０に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴの寄生ダイオード３０２により、逆方向には電流が流れることを遮断するために、放電スイッチ素子３００と直列にダイオード３０３を配置する。

（第４実施形態）
本第４実施形態では、上述の第２実施形態の回路構成においてスイッチ素子３００としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用した場合、図２１に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴの寄生ダイオード３０２により、逆方向には電流が流れることを遮断するために、放電スイッチ素子３００と直列にダイオード３０３を配置する。

（第５実施形態）
本第５実施形態では、図２２に示すように、図２０の回路構成において、
スイッチ素子２１およびグランドの間に抵抗素子２５を追加する。

このものにおいては、スイッチ素子２１がオンすると、バッテリＢａから充電電流が電磁コイル２０を通してスイッチ素子２１および抵抗素子２５に流れる第１の電源電流経路を構成する。

この場合、抵抗素子２５およびスイッチ素子２１の共通接続点（図２２中符号ｄ）とグランドとの間の電圧が制御回路５００に入力される。すなわち、抵抗素子２５により第１の電源電流経路の電流が検出されることになる。

一方、スイッチ素子２１がオフすると、バッテリＢａから放電電流が電磁コイル２０、ダイオード２３、コンデンサ２２、および抵抗素子３７の順に流れる第２の電源電流経路を構成する。

この場合、コンデンサ２２および抵抗素子３７の共通接続点（図２２中符号ｂ）とグランドとの間の電圧が制御回路５００に入力される。すなわち、抵抗素子３７により第２の電源電流経路の電流が検出されることになる。

本第５実施形態では、第１〜第３の放電経路の電流の検出の際に、抵抗素子３７を用いることになる。

（第６実施形態）
本第６実施形態では、図２３に示すように、図２１の回路構成において、スイッチ素子２１とグランドとの間に抵抗素子２５を追加する。

この場合、抵抗素子２５およびスイッチ素子２１の共通接続点（図２３中符号ｄ）とグランドとの間の電圧が制御回路５００に入力される。すなわち、抵抗素子２５により第１の電源電流経路の電流が検出されることになる。

本第６実施形態では、第１〜第３の放電経路の電流の検出の際に、抵抗素子３７を用いることになる。

（他の実施形態）
上述の各実施形態では、本発明に係る駆動回路をディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置に適用した例について説明したが、これに限らず、本発明は、ピエゾスタック（圧電素子）を用いるものならば、いずれの装置に適用されるものでもよい。

本発明に係る駆動回路を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概略構成を示す図である。図１のインジェクタの構成を示す断面図である。図１の駆動回路の電気回路構成を示す回路図である。図３の駆動回路の作動の一部を示すタイミングチャートである。図３の駆動回路の作動の残りを示すタイミングチャートである。図２のピエゾスタックの充電時の電流経路を示す図である。図２のピエゾスタックの充電時の電流経路を示す図である。図６、図７中の抵抗素子で検出した電流波形を示す図である。図６、図７中の抵抗素子で検出した電流波形を示す図である。図２のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図２のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図２のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図１１、図１２中の抵抗素子で検出した電流波形を示す図である。図１１、図１２中の抵抗素子で検出した電流波形を示す図である。図２のコンデンサの充電時の電流経路を示す図である。図２のコンデンサの充電時の電流経路を示す図である。図１５、図１６中の抵抗素子で検出した電流波形を示す図である。本発明に係る駆動回路の第２実施形態の概略構成を示す図である。図１８のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。本発明に係る駆動回路の第３実施形態の概略構成を示す図である。本発明に係る駆動回路の第４実施形態の概略構成を示す図である。本発明に係る駆動回路の第５実施形態の概略構成を示す図である。本発明に係る駆動回路の第６実施形態の概略構成を示す図である。比較例としての駆動回路の構成を示す図である。図２４のピエゾスタックの充電時の電流経路を示す図である。図２４のピエゾスタックの充電時の電流経路を示す図である。図２４のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図２４のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図２４のピエゾスタックの放電時の電流経路を示す図である。図２４のコンデンサの充電時の電流経路を示す図である。図２４のコンデンサの充電時の電流経路を示す図である。

符号の説明

２…ＥＣＵ、２ａ…駆動回路、２２…コンデンサ、
３１、４１ａ…スイッチ、３４…電磁コイル、３７、３６…抵抗素子、
４０ａ〜４０ｄ…ピエゾスタック。

Claims

高圧電源回路（２００Ａ）と、
前記高圧電源回路および圧電素子（４０ａ〜４０ｄ）の間に配設される第１の電磁コイル（３４）および充電スイッチ（３０）と、を備え、
前記充電スイッチの開成および閉成により、前記高圧電源回路からの充電電流を前記第１の電磁コイルを経由して前記圧電素子に流して前記圧電素子を充電し、
前記第１の電磁コイルおよびグランドの間に配設される第１の放電スイッチ（３１）と、
前記高圧電源回路および前記圧電素子の間に配設され、前記圧電素子側から前記充電スイッチを迂回して前記高圧電源回路側にだけ通電させるダイオード（３２）と、
前記第１の電磁コイルの両側端子の間に接続される第２の放電スイッチ（３００）と、を備え、
前記第１の放電スイッチの閉成により、前記圧電素子からの放電電流を前記第１の電磁コイルを経由して流して前記圧電素子を放電させる第１の放電経路を構成し、
前記第１の放電スイッチの開成により、前記圧電素子からの放電電流を前記第１の電磁コイルおよび前記ダイオードを経由して前記高圧電源回路に流して前記圧電素子から放電させる第２の放電経路を構成し、
前記第１、第２の放電スイッチの閉成により、前記第１の電磁コイルの両側端子間で前記第１の電磁コイルを迂回して放電電流を流す第３の放電経路を構成し、
前記第１〜第３の放電経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第１〜第３の電流検出手段（３７）と、
前記第１〜第３の電流検出手段のそれぞれの検出電流に基づいて、前記第１、第２の放電スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、
前記第１〜第３の電流検出手段は、前記第１〜第３の放電経路の共通経路に設けられた１つの抵抗素子であり、
前記充電スイッチは、前記高圧電源回路および前記第１の電磁コイルの間に配設され、
前記第１の放電スイッチおよび前記抵抗素子は、前記充電スイッチおよび前記第１の電磁コイルの共通接続点と、グランドとの間で直列に接続されており、
前記第２の放電スイッチの一端部は、前記第１の電磁コイルの圧電素子側端子に接続され、前記第２の放電スイッチの他端部は、前記第１の放電スイッチおよび前記抵抗素子の共通接続点に接続されており、
前記高圧電源回路は、電荷を蓄えるように回路構成されており、
前記充電スイッチおよび前記第２の放電スイッチをそれぞれ閉成させるように前記充電スイッチおよび前記第２の放電スイッチを制御する電源放電制御手段（５００）を備え、
前記電源放電制御手段により前記充電スイッチおよび前記第２の放電スイッチをそれぞれ閉成した状態では、前記高圧電源回路からの電荷が前記充電スイッチおよび前記第１の電磁コイルを介して放電されることを特徴とする圧電素子の駆動回路。
前記電源放電制御手段は、前記充電スイッチおよび前記第２の放電スイッチのうち一方を、予め決められたデューティで開成させることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の駆動回路。
前記高圧電源回路は、
前記圧電素子に充電電流を流すためのエネルギを蓄えるとともに、前記圧電素子から流れる放電電流に基づいて前記圧電素子からのエネルギを回収するコンデンサ（２２）と、
前記コンデンサおよび低電圧電源（Ｂａ）の間に配設される第２の電磁コイル（２０）と、
前記第２の電磁コイルのうちコンデンサ側端子とグランドとの間に接続される電源スイッチ（２１）と、を備え、
前記電源スイッチの閉成により、前記低電圧電源からの電源電流を前記第２の電磁コイルおよび前記電源スイッチを経由してグランド側に流す第１の電源電流経路を構成し、
前記電源スイッチの開成により、前記低電圧電源からの電源電流を前記第２の電磁コイルを経由して前記コンデンサ側に流し前記コンデンサから高圧電圧を発生させる第２の電源電流経路を構成し、
前記第１、第２の電源電流経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第１、第２の電源電流検出手段（３７）と、
前記第１、第２の電源電流検出手段の検出電流に基づいて前記電源スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、
前記１つの抵抗素子は、前記第１、第２の電源電流経路の共通経路に設けられ、前記第１、第２の電源電流検出手段を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子の駆動回路。
高圧電源回路（２００Ａ）と、
前記高圧電源回路および圧電素子（４０ａ〜４０ｄ）の間に配設される第１の電磁コイル（３４）と、
前記高圧電源回路および前記第１の電磁コイルの間に配設される充電スイッチ（３０）と、
前記第１の電磁コイルの前記高圧電源回路側端子とグランドとの間に配設され、アノード端子がグランド側に接続されている第１のダイオード（３３）と、を備え、
前記充電スイッチの閉成により、前記高圧電源回路からの充電電流を前記充電スイッチおよび前記第１の電磁コイルを経由して前記圧電素子に流して前記圧電素子を充電する第１の充電経路を構成し、
前記充電スイッチの開成により、前記第１のダイオード側から前記第１の電磁コイルを経由して充電電流を前記圧電素子に流して前記圧電素子を充電する第２の充電経路を構成し、
前記第１の電磁コイルおよびグランドの間に配設される第１の放電スイッチ（３１）と、
前記高圧電源回路および前記圧電素子の間に配設され、前記圧電素子側から前記充電スイッチを迂回して前記高圧電源回路側にだけ通電させる第２のダイオード（３２）と、を備え、
前記第１の放電スイッチの閉成により、前記圧電素子からの放電電流を前記第１の電磁コイルを経由して流して前記圧電素子を放電させる第１の放電経路を構成し、
前記第１の放電スイッチの開成により、前記圧電素子からの放電電流を前記第１の電磁コイルおよび前記第２のダイオードを経由して前記高圧電源回路に流して前記圧電素子を放電させる第２の放電経路を構成し、
前記第１、第２の充電経路に流れる充電電流をそれぞれ検出する第１、第２の電流検出手段と、
前記第１、第２の放電経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第３、第４の電流検出手段と、
前記第３、第４の電流検出手段の検出電流に基づいて、前記第１、第２の放電スイッチを制御するとともに、前記第１、第２の電流検出手段の検出電流に基づいて前記充電スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、
前記第１、第２の電流検出手段は、前記第１、第２の充電経路の共通経路に設けられた１つの抵抗素子（３６）であり、前記第３、第４の電流検出手段は、前記第１、第２の放電経路の共通経路に設けられた１つの抵抗素子（３７）であり、
前記高圧電源回路は、
前記圧電素子に充電電流を流すためのエネルギを蓄えるとともに、前記圧電素子から流れる放電電流に基づいて前記圧電素子からのエネルギを回収するコンデンサ（２２）と、
前記コンデンサおよび低電圧電源（Ｂａ）の間に配設される第２の電磁コイル（２０）と、
前記第２の電磁コイルのうちコンデンサ側端子とグランドとの間に接続される電源スイッチ（２１）と、を備え、
前記電源スイッチの閉成により、前記低電圧電源からの電源電流を前記第２の電磁コイルおよび前記電源スイッチを経由してグランド側に流す第１の電源電流経路を構成し、
前記電源スイッチの開成により、前記低電圧電源からの電源電流を前記第２の電磁コイルを経由して前記コンデンサ側に流し前記コンデンサから高圧電圧を発生させる第２の電源電流経路を構成し、
前記第１、第２の電源電流経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第１、第２の電源電流検出手段（３７）と、
前記第１、第２の電源電流検出手段の検出電流に基づいて前記電源スイッチを制御する制御手段（５００）と、を備え、
前記第３、第４の電流検出手段を構成する前記１つの抵抗素子（３７）は、前記第１、第２の電源電流経路の共通経路に設けられ、前記第１、第２の電源電流検出手段を構成していることを特徴とする圧電素子の駆動回路。
前記第１の電磁コイルの両側端子の間に接続される第２の放電スイッチ（３００）を備え、
前記第１、第２の放電スイッチの閉成により、前記第１の電磁コイルの両側端子間で前記第１の電磁コイルを迂回して放電電流を流す第３の放電経路を構成し、
前記第３の放電経路に流れる放電電流をそれぞれ検出する第５の電流検出手段（３７）を備え、
前記第３、第４の電流検出手段を構成する前記１つの抵抗素子（３７）は、前記第３の放電経路の経路内に配置され、前記第５の電流検出手段を構成していることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子の駆動回路。
前記低電圧電源は、バッテリであることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子の駆動回路。
前記１つの抵抗素子は、電流検出時に正電圧が検出されるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の圧電素子の駆動回路。