JP2002155789A - ピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾアクチエータ駆動回路において、ピエ
ゾスタックの静電容量を、ピエゾスタックへの通電用の
インダクタを用いずに、かつピエゾスタックの内部イン
ダクタンスの影響を受けずに高精度に求めることであ
る。 【解決手段】 交流電源１９からピエゾスタック３Ａに
数点の周波数にて交流電圧を印加し、ピエゾスタック３
Ａに流れるピエゾスタック電流の周波数特性に基づい
て、ＣＰＵ２２がピエゾスタック３Ａの静電容量を演算
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はピエゾアクチュエー
タ駆動回路および燃料噴射装置に関する。

【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押圧力
を発生しピストン等を作動せしめる。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
開弁と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】ピエゾスタックはセラミック層と電極層と
が交互に積層した構造を有し、電気的にはセラミックコ
ンデンサと等価である。一般的にピエゾスタックを含め
容量性素子は静電容量が温度の上昇で大きく増大する。
図８は前記インジェクタに搭載されるピエゾスタックの
温度特性を示すもので、静電容量が、２０°Ｃにおける
静電容量に対して１２０°Ｃ付近では２００％も増大す
る大きな温度依存性を示す。このため、充電速度がばら
つき、燃料の噴射指令に対してインジェクタの開弁タイ
ミングが変動して、噴射量の調量精度が必ずしも十分で
はない。また、供給エネルギーＥはＥ＝（１／２）ＣＶ
² （＝（１／２）Ｑ² ／Ｃ）で表され静電容量Ｃをパラ
メータとして含むから、ピエゾスタックの両端間電圧Ｖ
や電荷量Ｑを正確に制御しても供給エネルギーＥがばら
つき、インジェクタの開弁作動が不安定になったり、過
剰な充電量が弁部の損耗等を引き起こすおそれがある。

【０００４】特許第２７７３５８５号では、直流電源か
らピエゾスタックへの通電経路にインダクタを有するピ
エゾアクチュエータ駆動回路において、前記通電経路を
使ってピエゾスタック駆動用の電圧よりも低い直流電圧
をピエゾスタックに印加することにより通電経路に過渡
的に電流を流し、平衡状態に移行するまでの時間Ｔ0を
測定し、前記インダクタのインダクタンスをＬ0 として
Ｔ0 ＝（Ｌ0 ×Ｃp ) ^1/2 より静電容量Ｃp を求めてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
許第２７７３５８５号の技術では、通電経路の途中にあ
る電流制限用のインダクタを利用しており、そのインダ
クタンスＬ0 が常に一定値をとるという前提で静電容量
Ｃp が算出される。また、ピエゾスタックの内部インダ
クタンスについては考慮されていない。このため、燃料
噴射制御に対する高精度要求がさらに高いものになる
と、必ずしも十分とはいえない。

【０００６】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
正確にピエゾスタックの静電容量が求められてその結果
をピエゾスタックの制御に反映することのできるピエゾ
アクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、ピエゾスタックの充電と放電とを切り換え前記ピエ
ゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエータ駆動
回路において、ピエゾスタックに交流電圧を前記ピエゾ
スタックが伸縮しない一定の大きさでかつ周波数が掃引
するように印加し、前記ピエゾスタックに測定用の電流
を流す給電手段と、印加周波数が異なる複数の前記測定
用の電流に基づいてピエゾスタックの静電容量を演算す
る演算手段とを具備する構成とする。

【０００８】ピエゾスタックの等価回路は容量成分の
他、インダクタンス成分を含み、これらの成分の直列回
路となっている。これらの成分の値によりピエゾスタッ
クの周波数特性が規定される。したがって、インダクタ
ンス成分によらず印加周波数の異なる複数の電流値から
静電容量が演算できる。しかも、ピエゾスタックの外部
のインダクタを用いないので、それによる演算誤差も生
じない。これにより、ピエゾアクチュエータを適正に制
御することができる。

【０００９】請求項２記載の発明では、ピエゾスタック
の充電と放電とを切り換え前記ピエゾスタックの伸縮を
制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、ピエ
ゾスタックが伸縮しない予め設定した電流値にてピエゾ
スタックに定電流を流す給電手段と、予め設定した所定
時間の経過前後における前記ピエゾスタックの両端間電
圧に基づいて前記ピエゾスタックの静電容量を演算する
演算手段とを具備する構成とする。

【００１０】ピエゾスタックの等価回路は容量成分の
他、インダクタンス成分を含み、これらの成分の直列回
路となっている。ピエゾスタックに定電流を流せばイン
ダクタンス成分による誘導起電力が０となるので、ピエ
ゾスタックの両端間電圧は容量成分の大きさに反比例し
た速度で直線的に変化する。したがって、前記ピエゾス
タックのインダクタンス成分によらず静電容量が演算で
きる。しかも、ピエゾスタックの外部のインダクタを用
いないので、それによる演算誤差も生じない。これによ
り、ピエゾアクチュエータを適正に制御することができ
る。

【００１１】請求項３記載の発明では、請求項１または
２の発明の構成において、前記演算手段を、前記静電容
量とともにピエゾスタックの内部抵抗を演算するように
設定する。

【００１２】請求項１の発明の構成を有する場合におい
ては、ピエゾスタックの等価回路を構成する抵抗成分も
周波数特性を規定するから、ピエゾスタックの内部抵抗
も演算することができ、これにより、ピエゾアクチュエ
ータをさらに適正に制御することができる。

【００１３】また、請求項２の発明の構成を有する場合
においては、ピエゾスタック両端間電圧は抵抗成分によ
る電圧降下をオフセット量として有しているから、ピエ
ゾスタックの内部抵抗も演算することができ、これによ
り、ピエゾアクチュエータをさらに適正に制御すること
ができる。

【００１４】請求項４記載の発明では、燃料噴射装置
を、燃料の噴射用のノズル部を有し、燃料の噴射と停止
とを切り換える弁体を作動せしめる押圧力をピエゾアク
チュエータにより出力するインジェクタと、前記ピエゾ
アクチュエータを駆動する請求項１ないし３いずれか記
載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備する構成と
する。また、請求項５記載の発明では、機関の運転状態
に応じて算出される燃料噴射パラメータを補正する補正
手段を備える構成とする。

【００１５】ピエゾスタックの静電容量や内部抵抗が、
ばらつきや変動があっても正確に知ることができるか
ら、高精度な燃料噴射を行うことができる。また、イン
ジェクタの燃料噴射制御において機関の運転状態に応じ
て算出される燃料噴射パラメータに適正な補正を行える
ことにより、運転状態に応じた正確な燃料噴射を行うこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に本発明の
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装置の制御装置に適用されたも
ので、燃料噴射装置の全体構成については後述する。前
記制御装置としてのピエゾアクチュエータ駆動回路１
は、車載バッテリの給電（＋Ｂ）で数十〜数百Ｖの直流
電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１１、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１１２
により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック３Ａ，３
Ｂ，３Ｃ，３Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣ
コンバータ１１１は一般的な降圧チョッパ型の回路で、
スイッチング素子１１１２のオン時にインダクタ１１１
１にエネルギーを蓄積して、スイッチング素子１１１２
のオフ時に逆起電力を発生するインダクタ１１１１から
ダイオード１１１３を介してバッファコンデンサ１１２
に充電される。バッファコンデンサ１１２はある程度静
電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック３Ａ〜
３Ｄ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。

【００１７】直流電源１１のバッファコンデンサ１１２
からピエゾスタック３Ａ〜３Ｄ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１１２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１４ａ
が介設されている。第１のスイッチング素子１４ａはＭ
ＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第
１の寄生ダイオードという）１４１ａがバッファコンデ
ンサ１１２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。また、インダクタ１３とピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄは第２の通電経路１２ｂを形成している。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１４ａの接続中点に接続される第２のスイッチ
ング素子１４ｂを有し、インダクタ１３、ピエゾスタッ
ク３Ａ〜３Ｄおよび第２のスイッチング素子１４ｂを含
む閉回路を形成している。第２のスイッチング素子１４
ｂもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以
下、第２の寄生ダイオードという）１４１ｂがバッファ
コンデンサ１１２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。

【００１８】通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄのそれぞれに共通であり、また、次のように
駆動対象としてのピエゾスタック３Ａ〜３Ｄが選択でき
る。ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄ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）１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１５
Ｆが接続されており、このうち第１の種類の選択スイッ
チング素子１５Ａ〜１５Ｄはそれぞれピエゾスタック３
Ａ〜３Ｄと１対１に対応して接続されて、噴射気筒のイ
ンジェクタのピエスタック３Ａ〜３Ｄに対応する選択ス
イッチング素子１５Ａ〜１５Ｄがオンされる。

【００１９】また、第２の種類の選択スイッチング素子
１５Ｅ，１５Ｆは選択スイッチング素子１５Ｅがピエゾ
スタック３Ａとピエゾスタック３Ｂとに共通に、また、
選択スイッチング素子１５Ｆがピエゾスタック３Ｃとピ
エゾスタック３Ｄとに共通に接続される。第２の種類の
選択スイッチング素子１５Ｅ，１５Ｆは、ピエゾスタッ
ク３Ａ〜３Ｄのいずれかにおいて選択スイッチング素子
１５Ａ〜１５Ｄにより制御不能な状態が出来しても当該
ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄを含む２つのピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄをピエゾアクチュエータ駆動回路１から切り
離して残りの２つのピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの作動を
確保するためのものである（リンプフォーム）。

【００２０】各選択スイッチング素子１５Ａ〜１５Ｆは
ＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード
（以下、選択寄生ダイオードという）１５１Ａ，１５１
Ｂ，１５１Ｃ，１５１Ｄ，１５１Ｅ，１５１Ｆは、バッ
ファコンデンサ１１２に対して逆バイアスとなるように
接続されている。

【００２１】また、ピエゾスタック３Ａとピエゾスタッ
ク３Ｂとには、計測切り換え用のスイッチング素子１６
Ｅを介して、ピエゾスタック３Ｃとピエゾスタック３Ｄ
とには、計測切り換え用のスイッチング素子１６Ｆを介
して、給電手段である交流電源１９から電圧が印加され
るようになっている。交流電源１９は電圧制御発振器
（ＶＣＯ）等の印加周波数が可変に構成された電源であ
る。交流電源１９の出力の振幅はピエゾスタック３Ａ〜
３Ｄの伸縮駆動時の印加電圧である数十Ｖに比してごく
小さい電圧値、例えば１Ｖ程度に設定されている。これ
により、電圧印加によりピエゾスタック３Ａ〜３Ｄが伸
縮することがないし、伸縮駆動時とは逆相で電圧が印加
される場合がある交流であっても伸縮駆動時と同じ電気
特性で作動する。

【００２２】ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄは、後述するよ
うに、各気筒に設けられたインジェクタ４（図２、図
３）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】スイッチング素子１４ａ，１４ｂ，１５Ａ
〜１５Ｆ，１６Ｅ，１６Ｆの各ゲートにはコントローラ
２１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１５Ａ〜１５Ｄのいずれかをオ
ンして駆動対象のピエゾスタック３Ａ〜３Ｄが選択され
るとともに、スイッチング素子１４ａ，１４ｂ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１
４ａ，１４ｂをオンオフし、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄ
の充電制御および放電制御を行うようになっている。

【００２４】また、ピエゾクタック３Ａとピエゾクタッ
ク３Ｂとに共通に直列に比較的低抵抗の抵抗器１７Ｅ
が、ピエゾクタック３Ｃとピエゾクタック３Ｄとに共通
に直列に前記抵抗器１７Ｅと同じ抵抗器１７Ｆが設けて
ある。その両端間電圧はコントローラ２１に入力し、ピ
エゾスタック３Ａ〜３Ｄの充電電流が検出されるように
なっている。

【００２５】また、第２のスイッチング素子１４ｂには
直列に比較的低抵抗の抵抗器１８が設けてある。その両
端間電圧はコントローラ２１に入力し、ピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄの放電電流が検出されるようになっている。

【００２６】また、コントローラ２１には各ピエゾスタ
ック３Ａ〜３Ｄの両端端電圧（以下、ピエゾスタック電
圧という）が入力し、検出されるようになっている。

【００２７】コントローラ２１は、充電制御時には、第
１のスイッチング素子１４ａのオン期間とオフ期間とを
次のように設定し、第１のスイッチング素子１４ａの制
御信号を出力する。すなわち、第１のスイッチング素子
１４ａをオンして第１の通電経路１２ａに漸増する充電
電流を流す。充電電流が予め設定した電流値になるとス
イッチング素子１４ａをオフしてオフ期間に入る。この
時、インダクタ１３に発生する逆起電力は第２の寄生ダ
イオード１４１ｂに対して順バイアスであるから、イン
ダクタ１３に蓄積されたエネルギーにより第２の通電経
路１２ｂに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾ
スタック３Ａ〜３Ｄの充電が進行する。充電電流が０に
なると再び第１のスイッチング素子１４ａをオンしてオ
ン期間に入り、これを繰り返す（複数スイッチング方
式）。そして、ピエゾスタック電圧が予め設定した電圧
に達するとスイッチング素子１４ａをオフに固定し、充
電は完了となる。

【００２８】また、放電制御時には、第２のスイッチン
グ素子１４ｂのオン期間とオフ期間とを次のように設定
し、第２のスイッチング素子１４ｂの制御信号を出力す
る。すなわち、第２のスイッチング素子１４ｂをオンし
て第２の通電経路１２ｂに漸増する放電電流を流す。放
電電流が予め設定した電流値になるとスイッチング素子
１４ｂをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ
１３に大きな逆起電力が発生し、インダクタ１３に蓄積
されたエネルギーによりフライホイール電流を第１の通
電経路１２ａに流しバッファコンデンサ１１２にエネル
ギーを回収する。放電電流が０になると再び第２のスイ
ッチング素子１４ｂをオンして、これを繰り返す。そし
て、ピエゾスタック電圧が０に達するとスイッチング素
子１４ｂをオフに固定し、放電は完了となる。

【００２９】コントローラ２１には、後述する燃料噴射
制御全体を司るＣＰＵ２１からの噴射信号が入力してお
り、これにより充電制御および放電制御を行う。噴射信
号は噴射期間に対応する「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信
号であり、噴射信号の立ち上がりでピエゾスタック３Ａ
〜３Ｄの充電を開始し、噴射信号の立ち下がりでピエゾ
スタック３Ａ〜３Ｄを放電する。

【００３０】また、コントローラ２１はＣＰＵ２１から
の指令で交流電源１９を作動せしめ、ピエゾスタック３
Ａ〜３Ｄへの印加周波数を所定の周波数とするととも
に、その時の抵抗器１７Ｅ，１７Ｆで検出される電流
（以下、ピエゾスタック電流という）を取り込むように
なっている。印加周波数は、交流電源１９への制御信号
を変化させることで所定範囲内で設定可能である。

【００３１】図２にピエゾスタック３Ａ〜３Ｄ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装置の構成
を示し、図３にインジェクタ４の構造を示す。図例はピ
エゾスタック３Ａが搭載されたものであるが、ピエゾス
タック３Ｂ〜３Ｄが搭載されるインジェクタも同じ構造
である。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５
４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。

【００３２】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。

【００３３】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
いて前記ＣＰＵ２１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。

【００３４】図３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。

【００３５】ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４
２１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４２
１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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０
９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４
１１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。

【００３９】弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４
０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。

【００４０】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）４
１０２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４
１０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
背圧が上昇してニードル４２１が着座する。

【００４１】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３Ａが上下方向を伸縮方向として配設されて
いる。

【００４２】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３Ａと当接状
態を維持しており、ピエゾスタック３Ａ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。

【００４３】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３Ａの伸長で大径ピストン４
２５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４
２４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３Ａ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。

【００４４】燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック３
Ａが充電されてピエゾスタック３Ａ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４１０
１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４
２１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。

【００４５】噴射停止は反対にピエゾスタック３Ａの放
電によりピエゾスタック３Ａ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４
１０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。

【００４６】本燃料噴射装置では、ＣＰＵ２２における
燃料噴射制御において、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの静
電容量等の変動が反映されて高精度な燃料噴射が実現で
きるようになっており、以下、燃料噴射制御について説
明する。図４に燃料噴射制御の内容を示すフローチャー
トを示す。ステップＳ１０１ではピエゾスタック３Ａ〜
３Ｄの静電容量等を算出する必要があるか否かを判断す
る。静電容量の算出要求は例えば、一定の時間が経過す
るごとに発生するようにしてもよいし、イグニッション
スイッチがオンした時等のように車両の作動状態によっ
て発生するようにしてもよい。

【００４７】静電容量等を算出する必要があればステッ
プＳ１０２でコントローラ２１に指令信号を出力してコ
ントローラ２１を次のように作動せしめる。測定すべき
ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄに対応する方の計測スイッチ
ング素子１６Ｅ，１６Ｆおよび３Ａ〜３Ｄに対応する選
択スイッチング素子１５Ａ〜１５Ｄをオンする。そし
て、交流電源１９から所定範囲内の数点の周波数にて計
測用の電圧を順次、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄに印加す
る。コントローラ２１は周波数が異なる電圧が印加され
るごとに、抵抗器１７Ｅまたは１７Ｆにてピエゾスタッ
ク電流を取り込む。

【００４８】ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの等価回路は図
５のように表され、この時のピエゾスタック電流Ｉの挙
動は、ピエゾスタック電圧をＶ、インピーダンスＺとし
て次式（１）に従う。式中、Ｃは静電容量であり、Ｒs
は内部抵抗であり、Ｌs は内部インダクタンスである。
また、ｆを交流電源１９の出力周波数としてω＝２πｆ
である。

【００４９】 Ｖ＝｜Ｚ｜×Ｉ ＝｛（Ｒs ）² ＋（ωＬs −１／ωＣ）² ｝^1/2 ×Ｉ・・・（１）

【００５０】ピエゾスタック電流Ｉの大きさは図６のよ
うに共振周波数ｆ0 （＝（Ｌs ×Ｃ）^1/2 ／２π）でピ
ークをとるから、数点の周波数について取り込まれたピ
エゾスタック電流Ｉのうちの最大値およびその時の周波
数とを、共振時のピエゾスタック電流Ｉおよび共振周波
数ｆ0 として記憶する。この時、式（２）が成り立つ。 Ｖ＝Ｒs ×Ｉ・・・（２）

【００５１】次いで、共振周波数ｆ0 よりも十分に低周
波数側の周波数ｆL でピエゾスタック電流Ｉを検出し、
記憶する。この時、式（３）が成り立つ。 Ｖ≒｛（Ｒs ）² ＋（１／２πｆL Ｃ）² ｝^1/2 ×Ｉ・・・（３）

【００５２】なお、交流電源１９からピエゾスタック３
Ａ〜３Ｄに印加される前記数点の周波数は、ピエゾスタ
ック３Ａ〜３Ｄの内部抵抗Ｒs や内部インダクタンスＬ
s を考慮しつつ予め静電容量Ｃの温度変動の範囲を実験
的に見積もっておき、かかる温度変動のなかで共振周波
数ｆ0 をある程度の精度で特定可能なように、かつ共振
周波数ｆ0 から十分に低周波数側の周波数が与えられる
ように設定する。したがって、共振周波数ｆ0 の変動範
囲を含む数点と、共振周波数ｆ0 よりも低周波側の１点
が設定される。

【００５３】ステップＳ１０３では、取り込まれたピエ
ゾスタック電流値に基づいて、これら（２）、（３）の
関係から静電容量Ｃおよび内部抵抗Ｒs を得る。これは
次に計測要求があり（ステップＳ１０１）更新されるま
で記憶される。そしてステップＳ１０４に進む。なお、
ステップＳ１０１で静電容量Ｃ等を算出する必要がなけ
ればステップＳ１０２，Ｓ１０３をスキップする。

【００５４】ステップＳ１０４では、アクセル開度やエ
ンジン回転数等に基づいて基本噴射時期、基本噴射量等
の燃料噴射パラメータを演算する。

【００５５】ステップＳ１０５では、前記静電容量Ｃお
よび内部抵抗Ｒs に基づいて、ピエゾスタック３Ａ〜３
Ｄの静電容量Ｃおよび内部抵抗Ｒs の変動に基因する噴
射時期、噴射量等の燃料噴射パラメータの補正値を求め
る。

【００５６】燃料噴射パラメータの補正の一例について
説明する。ＣＰＵ２２からコントローラ２１に出力され
る噴射信号は、その始期が燃料噴射時におけるピエゾス
タック３Ａ〜３Ｄの充電時期を規定し、終期が放電時期
を規定するが、静電容量Ｃの変化で充電速度が変化して
ボール４２３のリフト作動の応答に影響し、背圧室４０
６の圧力が、ニードル４２１が開弁可能な圧力に達する
時期が前後することになる。一方、例えば、本実施形態
のように複数スイッチング方式で充電電流のピーク値を
一定に制御する場合には、静電容量Ｃが大きいほどピエ
ゾスタック３Ａ〜３Ｄへのエネルギー供給速度は低下す
る。単位電荷によってピエゾスタック３Ａ〜３Ｄに供給
されるエネルギーであるピエゾスタック電圧が低くなる
からである。したがって、静電容量Ｃが大きいほど噴射
信号の出力時期が進角するように補正する。

【００５７】また、内部抵抗Ｒs はその分損失となるの
で、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄへのエネルギー供給速度
は低下する。内部抵抗Ｒs が大きいほど噴射信号の出力
時期が進角するように補正する。

【００５８】ステップＳ１０６では、燃温等の他の条件
に基づいて燃料噴射パラメータの補正値を求める。

【００５９】そして、ステップＳ１０５，Ｓ１０６で得
られた補正値により最終の燃料噴射パラメータを演算し
（ステップＳ１０７）、該燃料噴射パラメータに基づい
て噴射信号がコントローラ２１に出力されて、燃料噴射
が実行される（ステップＳ１０８）。

【００６０】本ピエゾアクチュエータ駆動回路１によれ
ば、インダクタ１３を用いることなく、しかもインダク
タ１３のインダクタンスやピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの
内部インダクタンスＬs の影響を受けることなく、ピエ
ゾスタック３Ａ〜３Ｄの静電容量Ｃおよび内部抵抗Ｒs
が得られるので、これらによる補正が適正になされ、高
精度な燃料噴射が実現できる。

【００６１】なお、電流の検出は充電制御用の抵抗器１
７Ｅ，１７Ｆを用いることで構成を簡略にしているが、
交流電源１９側に静電容量等の測定専用の抵抗器を直列
に接続して、静電容量等の測定時にのみピエゾスタック
３Ａ〜３Ｄとともに測定回路を形成するのでもよい。

【００６２】また、共振周波数ｆ0 よりも高周波数側の
予め設定した所定の周波数ｆH でピエゾスタック電流Ｉ
を検出すると、式（４）となるから、内部インダクタン
スＬs が得られる。したがって、インダクタ１３とピエ
ゾスタック３Ａ〜３Ｄの共振作用でピエゾスタック３Ａ
〜３Ｄを充電する共振方式の充電回路の場合、内部イン
ダクタンスＬs についても補正することでさらに高精度
な噴射制御を実現することできる。 Ｖ≒｛（Ｒs ）² ＋（２πｆH Ｌs ）² ｝^1/2 ×Ｉ・・・（４）

【００６３】また、本実施形態では共振点および共振点
から離れた周波数域における電流値に基づいて演算し演
算負担を軽減しているが、複数の周波数のもとでピエゾ
スタック電流を検出し式（１）に基づいて静電容量Ｃ、
内部抵抗Ｒs 等を演算してもよいのは勿論である。

【００６４】（第２実施形態）図７に本発明の別の実施
形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。第１
実施形態の構成において、給電手段を別の構成に代えた
もので、図中、実質的に第１実施形態と同じ作動をする
部分については第１実施形態と同じ番号を付し、第１実
施形態との相違点を中心に説明する。

【００６５】本ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａは、
ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄに定電流を流す給電手段であ
る定電流電源１９Ａを備えている。また、コントローラ
２１Ａは基本的に第１実施形態と同じもので、噴射信号
に基づいて充電制御および放電制御を行う。また、ＣＰ
Ｕ２２Ａからの指令で定電流電源１９Ａを作動させてピ
エゾスタック３Ａ〜３Ｄに定電流を流し、通電開始時お
よび所定時間経過後におけるピエゾスタック電圧の検出
信号を保持する。前記所定時間を規定する信号は、例え
ばＣＰＵ２２Ａから長さが前記所定時間に設定された矩
形波として与えられる。

【００６６】ＣＰＵ２２Ａは前記２つのピエゾスタック
電圧の検出信号に基づいて静電容量Ｃおよび内部抵抗Ｒ
s を得る。すなわち、定電流電源１９Ａの作動で被測定
対象のピエゾスタック３Ａ〜３Ｄを前記所定時間、充電
し、ピエゾスタック電圧を０Ｖから上昇せしめる。一
方、所定時間の開始時のピエゾスタック電圧Ｖi 、終了
時のピエゾスタック電圧Ｖf を取り込む。この、ピエゾ
スタック電圧Ｖf に基づいて次のように算出する。式
中、ΔＴは所定時間である。

【００６７】前記所定時間内において、ピエゾスタック
電流をｉ、ピエゾスタック電圧をＶとすると、式（５）
が成り立つ。 Ｖ＝Ｌs ×ｄｉ／ｄｔ＋Ｒs ×ｉ＋（１／Ｃ）×∫ｉｄｔ・・・（５）

【００６８】ｉ＝一定であるから、ｄｉ／ｄｔ＝０、∫
ｉｄｔ＝ｉ×ｔであり、前記所定時間の始めと終わりに
注目すれば式（６−１）、（６−２）となる。

【００６９】 Ｖi ＝Ｒs ×ｉ・・・（６−１） Ｖf ＝Ｒs ×ｉ＋（１／Ｃ）×ｉ×ΔＴ・・・（６−２）

【００７０】この２式よりピエゾスタック３Ａ〜３Ｄの
静電容量Ｃおよび内部抵抗Ｒs を演算する。

【００７１】本実施形態でも、インダクタ１３やピエゾ
スタック３Ａ〜３Ｄの内部インダクタンスによらず静電
容量Ｃおよび内部抵抗Ｒs を正確に得ることができる。
しかも、ピエゾスタック３Ａ〜３Ｄに定電流を流して２
回ピエゾスタック電圧Ｖを取り込むだけでよいから、演
算負担が軽い。

【００７２】なお、前記各実施形態では内部抵抗Ｒs に
ついても求めてきわめて高精度な燃料噴射を実現してい
るが、内部抵抗Ｒs は温度変動が静電容量Ｃと比べて小
さいので、簡単には、内部抵抗Ｒs についての補正は省
略するのもよい。

【００７３】また、ピエゾスタックの充電量を本実施形
態のようにピエゾスタック電圧で規定するものや、ある
いは電荷量で規定するものでは、静電容量によって供給
エネルギーが大きく変わるので、供給エネルギーが一定
になるように、演算された静電容量に応じて充電で到達
する最終のピエゾスタック電圧や電荷量を補正するのも
よい。これにより、供給エネルギーが適正に調整され、
ボール４２３や高圧側シート４１０２の損耗を防止する
ことができる。

【００７４】なお、本発明は、ニードルの背圧の増減用
のボールの押圧力をピエゾスタックが出力する構成のも
のを示したが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、ピエゾスタックが直接にニードルを駆動する構成の
もの等にも適用することができる。また、内燃機関の燃
料噴射装置だけではなく、ピエゾアクチュエータを備え
た他の装置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３】前記インジェクタの断面図である。

【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路における燃
料噴射パラメータの設定手順を示すフローチャートであ
る。

【図５】前記インジェクタに搭載されるピエゾスタック
の等価回路図である。

【図６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の静電容量
等の測定時におけるピエゾスタック電流の周波数特性を
示す図である。

【図７】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８】ピエゾスタックの静電容量の温度依存性を示す
グラフである。

【符号の説明】

１，１Ａ ピエゾアクチュエータ駆動回路 １１ 直流電源 １１１ ＤＣ−ＤＣコンバータ １１２ バッファコンデンサ １２ａ，１２ｂ 通電経路 １３ インダクタ １４ａ 第１のスイッチング素子 １４１ａ 寄生ダイオード １４ｂ 第２のスイッチング素子 １４１ｂ 寄生ダイオード １５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ 選択スイッチング素
子 １５Ｅ，１５Ｆ 選択スイッチング素子 １６Ｅ，１６Ｆ 計測スイッチング素子 １７Ｅ，１７Ｆ 抵抗器 １８ 抵抗器 １９ 交流電源（給電手段） １９Ａ 定電流電源（給電手段） ２１，２１Ａ コントローラ ２２，２２Ａ ＣＰＵ（演算手段） ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ ピエゾスタック 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 ４２３ ボール（弁体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｐ // Ｆ０２Ｍ 51/06 Ｕ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピエゾスタックの充電と放電とを切り換
   えピエゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエー
   タ駆動回路において、 ピエゾスタックに交流電圧をピエゾスタックが伸縮しな
   い一定の大きさでかつ周波数が掃引するように印加し、
   ピエゾスタックに測定用の電流を流す給電手段と、 印加周波数が異なる複数の前記測定用の電流に基づいて
   ピエゾスタックの静電容量を演算する演算手段とを具備
   することを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
2. 【請求項２】 ピエゾスタックの充電と放電とを切り換
   えピエゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエー
   タ駆動回路において、 ピエゾスタックが伸縮しない予め設定した電流値にてピ
   エゾスタックに定電流を流す給電手段と、 予め設定した所定時間の経過前後におけるピエゾスタッ
   クの両端間電圧に基づいてピエゾスタックの静電容量を
   演算する演算手段とを具備することを特徴とするピエゾ
   アクチュエータ駆動回路。
3. 【請求項３】 請求項１または２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、前記演算手段を、前
   記静電容量とともにピエゾスタックの内部抵抗を演算す
   るように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
4. 【請求項４】 燃料の噴射用のノズル部を有し、燃料の
   噴射と停止とを切り換える弁体を作動せしめる押圧力を
   ピエゾアクチュエータにより出力するインジェクタと、 前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項１ないし３
   いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備
   することを特徴とする燃料噴射装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の燃料噴射装置において、
   機関の運転状態に応じて算出される燃料噴射パラメータ
   を補正する補正手段を備えることを特徴とする燃料噴射
   装置。