JP2005171800A - 容量負荷素子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電特性を適正化することにより容量負荷素子を精度良く駆動させること。
【解決手段】ピエゾスタック５１の放電時において、放電スイッチ６６がオンされるとピエゾスタック５１とエネルギ蓄積コイル６９とが通電状態となり、ピエゾスタック５１に一旦蓄えられたエネルギがエネルギ蓄積コイル６９に回収される。その後、ピエゾスタック５１の放電電流が遮断しきい値に達すると放電スイッチ６９がオフされる。そして、放電電流の低下後に放電スイッチ６９が再びオンされ、この放電動作がピエゾスタック５１の放電完了まで繰り返し実施される。また、ピエゾスタック５１の電圧が検出され、該検出された電圧に応じて遮断しきい値が可変設定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピエゾ素子等よりなる容量負荷素子の駆動装置に関するものである。

例えば車両用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置として、ピエゾ駆動式のインジェクタを用いることが検討されている。このインジェクタを構成するピエゾスタックは、充電により伸長し放電により縮小する特性を有しており、ピエゾスタックの伸縮によりノズルニードルが開位置又は閉位置に移動しそれに伴いインジェクタの燃料噴射が行われる。ピエゾスタックへの充電及び放電は燃料噴射の開始指令と停止指令に応じて実施され、その際、いわゆるマルチスイッチング方式と称される充電及び放電方法により充電や放電が行われる。

マルチスイッチング方式の充電方法について簡単に説明する。充電時には、先ず電源部とピエゾスタックとの間に設けた充電スイッチをオンし、その後ピエゾスタックの充電電流が所定電流に達したら充電スイッチをオフする。このとき、１回目の充電スイッチのオン時間を記憶しておく。そして、ピエゾスタックの電流が０Ａまで低下すると、１回目の充電時に記憶されたオン時間だけ充電スイッチをオンする。その後、電流が０Ａに低下する度に前記１回目のオン時間に基づいて放電スイッチのオン／オフを繰り返し実行する。この充電方法によれば、時間当たりの充電エネルギが一定となり、ピエゾスタックの伸長量を適正に管理できるようになっていた。

一方、放電時には、放電開始に伴い放電スイッチをオンし、ピエゾスタックに蓄えられた電気エネルギを、当該ピエゾスタックに直列接続されたエネルギ蓄積コイルに放出する。その後、ピエゾスタックの放電電流が所定の遮断電流に達したら放電スイッチをオフし、前記エネルギ蓄積コイルのエネルギをダイオード等を介して電源部に回収させる。以降、その放電動作を繰り返し実行する。

また、特許文献１の容量負荷素子の放電装置では、容量負荷素子（ピエゾスタック）の放電エネルギを一定にして放電時間の変動を抑えるべく、放電時において放電スイッチをオフさせるための遮断電流を時間とともに上昇させるような構成を採用している。

しかしながら、既存の放電方法では次のような問題があった。すなわち、上記特許文献１のように放電開始後の時間とともに遮断電流を上昇させれば、概ねピエゾスタックの容量変化に追従する放電制御が可能となるが、現実には容量変化は予測できないことも多く、必ずしも所望の効果が得られない場合があると考えられる。よって、意に反して放電時間が変動してしまうおそれがあった。そのため、ピエゾスタックを高精度に駆動させるには更なる改良が望まれている。
特開２００３−９２４３８号公報

本発明は、放電特性を適正化することにより容量負荷素子を精度良く駆動させることができる容量負荷素子の駆動装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、容量負荷素子の放電時において、スイッチ手段がオンされると容量負荷素子とエネルギ回収素子とが通電状態となり、容量負荷素子に一旦蓄えられたエネルギがエネルギ回収素子に回収される。その後、容量負荷素子の放電電流が遮断しきい値に達するとスイッチ手段がオフされると共に放電電流の低下後にスイッチ手段が再びオンされ、この放電動作が容量負荷素子の放電完了まで繰り返し実施される。この繰り返しの放電動作により、容量負荷素子のエネルギが全て放出される。また、本発明では特に、容量負荷素子の負荷電圧が検出され、該検出された負荷電圧に応じて遮断しきい値が可変設定されるようになっている。つまり、温度変動等により又は放電の進行に伴い容量負荷素子の容量が変化するとそれに起因して容量負荷素子の負荷電圧が変化し、放電完了までの時間（放電時間）が変動するが、本発明によれば、負荷電圧に応じて遮断しきい値が可変設定されるために容量変化にかかわらず放電時間の一定化が可能となる。故に、放電特性が適正化でき、容量負荷素子を精度良く駆動させることができるようになる。

前記請求項１の発明では請求項２に記載したように、負荷電圧に応じて遮断しきい値が負帰還制御されると良い。すなわち、負荷電圧が高いと遮断しきい値を小さくし、負荷電圧が低いと遮断しきい値を大きくすると良い。こうした負帰還制御を実現することにより、遮断しきい値の最適化が可能となり、放電時間の変動を確実に抑えることができる。

請求項３に記載したように、容量負荷素子に蓄えられるエネルギ量一定となるようにして容量負荷素子の充電を実施する装置では、容量負荷素子の容量が小さいと負荷電圧が高くなり、容量負荷素子の容量が大きいと負荷電圧が低くなる。かかる場合には特に、上記の如く遮断しきい値を可変設定することにより、放電特性が良好に維持できるようになる。

請求項４に記載の発明では、容量負荷素子の放電期間内において一定周期で出力されるクロック信号に同期させてスイッチ手段がオン又はオフされる。つまり、スイッチ手段のオン又はオフの間隔がクロック信号により規定される。この場合、エネルギ回収素子のエネルギ回収能力（例えばエネルギ蓄積コイルのインダクタンス）を大きくしたり、遮断しきい値を下げたりすることを行わなくても、放電を意図的に遅らせること等が可能となる。

請求項５に記載の発明では、容量負荷素子の放電時において、スイッチ手段がオンされると容量負荷素子とエネルギ回収素子とが通電状態となり、容量負荷素子に一旦蓄えられたエネルギがエネルギ回収素子に回収される。スイッチ手段のオン後、容量負荷素子の放電電流が遮断しきい値に達するとスイッチ手段がオフされると共にその後クロック信号に同期させてスイッチ手段が再びオンされ、この放電動作が容量負荷素子の放電完了まで繰り返し実施される。この繰り返しの放電動作により、容量負荷素子のエネルギが全て放出される。この場合、スイッチ手段のオン又はオフの間隔がクロック信号により規定されるため、エネルギ回収素子のエネルギ回収能力（例えばエネルギ蓄積コイルのインダクタンス）を大きくしたり、遮断しきい値を下げたりすることを行わなくても、放電を意図的に遅らせること等が可能となる。故に、容量負荷素子を精度良く駆動させることができるようになる。

前記請求項４，５の発明では請求項６に記載したように、クロック信号がＨレベル又はＬレベルの何れかとなる時にのみスイッチ手段のオン動作が許容されると良い。これにより、例えば、スイッチ手段がオフされた後に放電電流が十分に低下していても、クロック信号がスイッチ手段の能動レベルでなければスイッチ手段がオンされない。この場合、単に放電電流レベルに応じてスイッチ手段をオン／オフさせる構成とは異なり、スイッチ手段の作動待ち時間を持たせることができる。従って、スイッチ手段のスイッチング回数を低減させることが可能となり、回路損失の低減を図ることができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、車両用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として本発明を具体化しており、特に当該燃料噴射システムの燃料噴射弁としてピエゾ駆動式インジェクタを用いている。先ずは燃料噴射システムの構成を図３に基づいて説明する。

図３において、コモンレール１０には高圧サプライポンプ１１が接続されており、高圧サプライポンプ１１の駆動に伴い燃料タンク１２から燃料がくみ上げられ、噴射圧相当の高圧燃料がコモンレール１０に連続的に蓄えられる。また、コモンレール１０には、エンジンの各気筒に対応して設けられたインジェクタ１３が接続されており、インジェクタ１３の駆動に伴いコモンレール１０内の高圧燃料が各気筒に噴射供給される（図３ではインジェクタ１３を１つのみ図示している）。

ＥＣＵ２０は、その都度のエンジン運転状態等に基づいて噴射信号ＴＱを生成し、該噴射信号ＴＱをインジェクタ駆動回路２１に出力する。インジェクタ駆動回路２１は、噴射信号ＴＱに基づいてインジェクタ１３による噴射開始及び噴射終了の時期を制御する。この場合、インジェクタ１３はピエゾスタックの伸縮により噴射動作を行う構成となっており、前記噴射信号ＴＱに基づきピエゾスタックが充電及び放電されることにより当該ピエゾスタックが伸縮し、燃料噴射が開始及び終了される。

コモンレール１０から各インジェクタ１３に供給される燃料は、各気筒への噴射燃料として用いられる他にインジェクタ１３の制御油圧としても用いられ、インジェクタ１３から低圧のドレインライン１４を経由して燃料タンク１２に還流されるようにもなっている。コモンレール１０には、燃料圧力を検出するための圧力センサ１５が取り付けられている。ＥＣＵ２０は、圧力センサ１５の出力に基づいて調整弁１６の開度を制御してコモンレール１０への燃料の圧送量を調整する。これにより、コモンレール１０内の燃料圧が適正な圧力に保持されるようになっている。

インジェクタ１３の構造を図４に基づいて説明する。インジェクタ１３は棒状体をなしており、図中下側がエンジン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る。インジェクタ１３は大別して、ノズル部３１、背圧制御部３２及びピエゾ駆動部３３を備えている。

ノズル部３１において、ニードル３４は、大径部３４ａがノズルホルダ３５内に摺動自在に支持されており、ノズルホルダ３５の先端部に形成された環状シート部３６にニードル３４の先端円錐部３４ｂが着座又は離座する構成となっている。ノズルホルダ３５の内壁とニードル３４との間に形成された燃料室３７には、上述したコモンレール１０から高圧通路３８を介して高圧燃料が導入され、この燃料室３７内に導入された燃料がニードル３４の離座に伴い噴孔３９から噴射される。ニードル３４の段差面３４ｃは燃料室３７内の燃料圧により押されるため、ニードル３４には常に上向き（離座方向）への力が作用している。

ニードル３４の上方には背圧室４１が形成されており、この背圧室４１には高圧通路３８からインオリフィス４２を介して燃料が高圧供給される。背圧室４１に供給される高圧燃料はニードル上面に作用し、スプリング４３と共にニードル３４を下向き（着座方向）に付勢している。背圧室４１内の圧力（背圧）は、後述するピエゾ駆動部３３によって制御されるようになっている。

背圧室４１は、アウトオリフィス４４を介して弁室４５に連通している。この弁室４５は、天井面４５ａが上向きの円錐形状に形成されており、天井面４５ａの最上部で低圧室４６と連通している。低圧室４６は、低圧通路４７を介して上述したドレインライン１４に通じている。また、弁室４５の底面４５ｂは平坦面となっており、この底面４５ｂには高圧通路３８より分岐した高圧制御通路４８が開口している。弁室４５内には下面が水平にカットされたボール弁５０が収容されている。このボール弁５０は上下動可能な弁体であり、上昇時には球面が弁室４５の天井面４５ａに着座することにより弁室４５と低圧室４６との連通が遮断され、下降時にはカット面が弁室４５の底面４５ｂに着座することにより弁室４５と高圧制御通路４８との連通が遮断される。

図示の如くボール弁５０が上昇して弁室４５と低圧室４６との連通が遮断されると、背圧室４１が高圧状態で維持されるため、ニードル３４の背圧が上昇してニードル３４が着座する。逆に、ボール弁５０が下降して弁室４５と高圧制御通路４８との連通が遮断されると、背圧室４１が弁室４５、低圧室４６、低圧通路４７を介してドレインライン１４に連通し、結果的に背圧室４１の圧力が低下するためにニードル３４が離座する。

ボール弁５０は、ピエゾ駆動部３３におけるピエゾスタック５１の伸縮により下降又は上昇する。すなわち、低圧室４６の上方には変位拡大室５２が形成されており、この変位拡大室５２内には大径ピストン５３と小径ピストン５４とが上下に分離して収容されている。大径ピストン５３の上側には、容量負荷素子としてのピエゾ素子を多数積層してなるピエゾスタック５１が配置されている。大径ピストン５３は、その下方に配置したスプリング５５によってピエゾスタック５１に押しつけられており、ピエゾスタック５１の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する。また、小径ピストン５４の下端部はボール弁５０に当接している。変位拡大室５２には燃料が充填されており、ピエゾスタック５１の伸長によって上側の大径ピストン５３が下降し、変位拡大室５２の燃料が加圧されると、その加圧力によって下側の小径ピストン５４が下方へ押し下げられる。この時、小径ピストン５４は大径ピストン５３よりも小径であるため、ピエゾスタック５１の伸長量が拡大されて小径ピストン５４に伝えられる。

噴射開始時には、先ずインジェクタ駆動回路２１による充電に伴いピエゾスタック５１が伸長する。すると、大径ピストン５３及び小径ピストン５４が下降してボール弁５０が押し下げられ、背圧室４１の背圧が低下する。これにより、ニードル３４が離座して燃料の噴射が開始される。また、噴射停止時には、インジェクタ駆動回路２１による放電に伴いピエゾスタック５１が収縮する。すると、大径ピストン５３及び小径ピストン５４が上昇してボール弁５０の押し下げが解除される。ボール弁５０には、高圧制御通路４８から高圧燃料が作用しているため、ボール弁５０が上昇して弁室４５と低圧室４６との連通が遮断される。すると、背圧室４１の背圧が上昇し、ニードル３４が着座して燃料の噴射が停止される。

次に、インジェクタ駆動回路２１の電気的構成を図５に基づいて説明する。インジェクタ駆動回路２１において、直流電源部６０は、車載バッテリ６１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバータ６２と、このＤＣ／ＤＣコンバータ６２に並列接続されたバッファコンデンサ６３とを備える。バッファコンデンサ６３は、比較的静電容量の大きなものであり、ピエゾスタック５１の充電作動時にも一定の電圧を保つ構成を有する。

バッファコンデンサ６３には、ピエゾスタック５１の充電時にオン／オフされる充電スイッチ６５と、同ピエゾスタック５１の放電時にオン／オフされる放電スイッチ６６とが並列接続されており、各スイッチ６５，６６に並列にダイオード６７，６８が接続されている。また、充電スイッチ６５と放電スイッチ６６との間の接続点にはエネルギ蓄積コイル６９の一端が接続され、同エネルギ蓄積コイル６９の他端は各ピエゾスタック５１に接続されている。各ピエゾスタック５１には、その都度駆動対象となるピエゾスタック５１を選択するための選択スイッチ７０とダイオード７１とよりなる並列回路が接続されている。

充電スイッチ６５、放電スイッチ６６及び選択スイッチ７０は、充放電制御部（図示しない）によってオン状態とオフ状態と切り替えられるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子、又は機械的なリレースイッチ等により構成されている。なお本実施の形態では、放電スイッチ６６が「スイッチ手段」に相当し、エネルギ蓄積コイル６９が「エネルギ回収素子」に相当する。

上記構成のインジェクタ駆動回路２１によるピエゾスタック５１の充放電動作について説明する。先ずＥＣＵ２０により噴射信号ＴＱがオンされると、充電スイッチ６５がオンされ、その際に選択スイッチ７０がオンされているピエゾスタック５１に対して充電が開始される。この充電に際しては、マルチスイッチング方式として知られている周知の充電方法が用いられる。具体的には、ピエゾスタック５１の充電電流が検出され、その充電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に達したら充電スイッチ６５がオフされる。このとき、１回目の充電スイッチ６５のオン時間が記憶される。そして、ピエゾスタック５１の電流が０Ａまで低下すると、１回目の充電時に記憶されたオン時間だけ充電スイッチ６５がオンされる。その後、電流が０Ａに低下する度に前記１回目のオン時間に基づいて放電スイッチ６５のオン／オフが繰り返される。この充電方法によれば、時間当たりの充電エネルギが一定となる。そのため、温度変動等によりピエゾスタック５１の容量が変化しても、当該ピエゾスタック５１に一定の電気エネルギを蓄えることができる。

また、ＥＣＵ２０により噴射信号ＴＱがオフされると、放電スイッチ６６のオン／オフ動作によりピエゾスタック５１が放電される。このピエゾスタック５１の放電に関しては本発明の特徴的な構成を含んでおり、以下に詳しく説明する。図１には、ピエゾスタック５１の放電に関する回路構成を示している。図１に示す放電スイッチ制御回路８０は充放電制御部の一部をなすものであり、この放電スイッチ制御回路８０から出力される放電制御信号Ｔｏｆｆにより放電スイッチ６６がオン又はオフされるようになっている。本実施の形態では放電スイッチ制御回路８０が「放電制御手段」及び「しきい値可変設定手段」に相当する。

図１において、ピエゾスタック５１には分圧抵抗７５，７６が並列に接続されており、この分圧抵抗７５，７６によりピエゾスタック５１の電圧（以下、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔという）が検出される。放電スイッチ制御回路８０では、オペアンプ８１の非反転入力端子にピエゾ電圧Ｖｐｚｔが入力される。オペアンプ８１の出力端子はトランジスタ８２のベースに接続され、同オペアンプ８１の反転入力端子はトランジスタ８２のエミッタに接続されている。また、定電圧源Ｖｃｃには分圧抵抗８３，８４，８５が直列接続されており、そのうち分圧抵抗８３，８４の接続点に前記トランジスタ８２のコレクタが接続され、分圧抵抗８４，８５の接続点にコンパレータ８７の非反転入力端子が接続されている。

トランジスタ８２のエミッタとグランド間には抵抗８６が接続されており、抵抗８６にはオペアンプ８１の反転入力端子も接続されることにより、抵抗８６の電圧はＶｐｚｔになるよう制御される。そのため、抵抗８６に流れる電流はＶｐｚｔと抵抗８６により規定され、定電圧源Ｖｃｃから抵抗８３とトランジスタ８２を経由して流れることになる。その結果、Ｖｐｚｔの増加により抵抗８３の電圧降下が大きくなり、分圧抵抗８４，８５の接続点の電圧が低下する。つまり、Ｖｐｚｔが増加すると同接続点の電圧（コンパレータ８７の基準電圧）が低下するようになっている。

インジェクタ駆動回路２１では、電流検出抵抗７７によりピエゾスタック５１の放電電流Ｉｄｉｓが検出される構成となっており、コンパレータ８７では、放電電流Ｉｄｉｓの検出値（電圧変換値）と遮断しきい値である基準電圧とが比較される。この場合、Ｉｄｉｓ検出値が基準電圧よりも小さければコンパレータ出力がＨレベルとなり、Ｉｄｉｓ検出値が基準電圧よりも大きければコンパレータ出力がＬレベルとなる。なお、コンパレータ８７はヒステリシスコンパレータであって、出力がＨレベルの時にはハイ側の基準電圧ＶＨ１として分圧抵抗８４，８５の接続点の電圧が設定され、出力がＬレベルの時にはロウ側の基準電圧ＶＬ１として０Ｖが設定されるようになっている。

ＡＮＤ回路８８には、コンパレータ８７の出力、放電期間信号出力回路９０の出力及びクロック生成回路９１の出力が入力され、ＡＮＤ回路８８は各入力の論理積を放電制御信号Ｔｏｆｆとして出力する。放電期間信号出力回路９０は、ＥＣＵ２０より出力される噴射信号ＴＱがＬレベルとなった後、一定時間だけＨレベルとなる放電期間信号を出力する。クロック生成回路９１は、放電期間内において一定周期のクロック信号を生成し出力する回路であり、その回路構成例を図２に示す。

図２に示すクロック生成回路９１の構成及び動作を図６のタイムチャートを参照しながら説明する。ここで、図６は、ピエゾスタック５１の放電動作を説明するためのタイムチャートであり、特に（ａ）〜（ｅ）にクロック生成手順を示す。

図６において、タイミングｔ１で噴射信号ＴＱがＬレベルになると、それに伴い放電期間信号出力回路９０が放電期間信号を一定時間だけＨレベルとする。ｔ１以降、放電期間信号の反転信号がＬレベルとなることから、図２の構成においてトランジスタ１０３がオフとなる。そのため、定電流源１０１からコンデンサ１０２に定電流が流れ、コンデンサ電圧が次第に上昇する。このとき、コンパレータ１０４の出力はＬレベルであり、トランジスタ１０５はオフしているためにクロック信号はＨレベルとなっている。

コンパレータ１０４の基準電圧は、コンパレータ出力がＬレベルであれば基準電圧がハイ側の基準電圧ＶＨ２とされ、コンパレータ出力がＨレベルであれば基準電圧がロウ側の基準電圧ＶＬ２とされる。タイミングｔ３でコンデンサ電圧が基準電圧ＶＨ２に達すると、コンパレータ１０４の出力がＨレベルになり、トランジスタ１０５，１０６が何れもオンとなる。よって、クロック信号がＬレベルに反転する。またこのとき、コンパレータ１０４の基準電圧がハイ側のＶＨ２からロウ側のＶＬ２に切り替えられる。コンパレータ１０４の出力がＨレベルになると、トランジスタ１０７がオンとなるために定電流が当該トランジスタ１０７を経由してグランドに流れ、コンデンサ電圧の上昇が停止される。また、カレントミラー回路部１０８を介してコンデンサ１０２が放電されるためにコンデンサ電圧が低下する。

その後、タイミングｔ５でコンデンサ電圧が基準電圧ＶＬ２に達するとコンパレータ１０４の出力が再びＬレベルとなり、各トランジスタ１０５〜１０７がオフとなる。そして、クロック信号がＨレベルに立ち上げられる。以降、放電期間信号がＬレベルとなるタイミングｔ６までの放電期間において、前述したようなコンデンサ電圧の上昇及び下降が繰り返され、それに伴い一定周期のクロック信号が出力される。

次に、図６のタイムチャートを用いてピエゾスタック５１の放電動作を説明する。ここでは、前述したクロック信号波形と共に図６の（ｆ）〜（ｉ）に基づいて説明を行う。

タイミングｔ１では、放電期間信号とクロック信号とが共にＨレベルであって、更にＩｄｉｓ検出値が基準電圧ＶＨ１以下であるためにコンパレータ８７の出力がＨレベルとなっている。故に、放電制御信号ＴｏｆｆがＨレベルとなり、放電スイッチ６６がオンされる。これにより、ピエゾスタック５１の放電が開始され、放電電流Ｉｄｉｓが上昇し始める。つまり、ピエゾスタック５１に蓄えられていた電気エネルギがエネルギ蓄積コイル６９に回収されることでピエゾスタック５１の放電が行われる。

その後、タイミングｔ２でＩｄｉｓ検出値が基準電圧ＶＨ１に達すると、コンパレータ８７の出力がＬレベルとなるために放電制御信号ＴｏｆｆがＬレベルとなり、放電スイッチ６６がオフされる。放電スイッチ６６がオフされると、それまでにピエゾスタック５１からエネルギ蓄積コイル６９に転送された電気エネルギがダイオード６７を介して流れ、バッファコンデンサ６３に転送される。故に、放電電流Ｉｄｉｓが低下する。なお、コンパレータ８７の出力がＬレベルとなった時点で基準電圧がＶＨ１からＶＬ１（０Ｖ）に切り替えられる。

放電電流Ｉｄｉｓの低下に伴いタイミングｔ４でＩｄｉｓ検出値が基準電圧ＶＬ１に達すると、コンパレータ８７の出力がＨレベルとなる。その後、クロック信号がＨレベルとなるタイミングｔ５を待って放電制御信号ＴｏｆｆがＨレベルとなり、放電スイッチ６６がオンされる。以後、前記同様に、Ｉｄｉｓ検出値の変化とクロック信号に応じて放電制御信号Ｔｏｆｆが生成され、放電スイッチ６６がオン／オフされる。以上のように、放電スイッチ６６はクロック信号の単位クロック当たり１回の割合でオン／オフされる。

そして、放電が繰り返された後、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔが０Ｖまで低下すると、ピエゾスタック５１の放電が完了する。

図６では、ピエゾスタック５１の放電が進むにつれて、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔが次第に低下し、そのＶｐｚｔ低下に伴いコンパレータ８７の基準電圧ＶＨ１が図示の如く可変設定されるようになっている。つまり、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔが高いとコンパレータ８７の基準電圧ＶＨ１を低くし、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔが低くなると同基準電圧ＶＨ１を高くするような負帰還制御が行われる。

本実施の形態では、充電エネルギ量を一定にするよう充電制御が行われるため、ピエゾ容量が小さいとピエゾ電圧Ｖｐｚｔが高くなり、逆にピエゾ容量が大きいとピエゾ電圧Ｖｐｚｔが低くなる。かかる場合であっても、上記のようにコンパレータ８７の基準電圧ＶＨ１が可変設定されることで、例えばピエゾ容量が小さくピエゾ電圧Ｖｐｚｔが高い時は、放電電流Ｉｄｉｓが低く抑えられ放電が遅延される。また、ピエゾ容量が大きくピエゾ電圧Ｖｐｚｔが低い時は、放電電流Ｉｄｉｓが高くなり放電が早められる。温度変化等によりピエゾ容量が変動する場合にも対処できる。これにより、ピエゾスタック５１の容量変動にかかわらず放電時間が一定となり、放電特性が適正化できる。また、放電エネルギの一定化が可能となり、ピエゾ容量の変動時にもピエゾ変位量が一定となる。なお、放電エネルギはその変化を２０％以内にすると良く、より望ましくは５％以内にすると良い。

図７は、本実施の形態における放電制御の効果を説明するための図面であり、（ａ）は基準電圧ＶＨ１を可変設定した本実施の形態のデータを、（ｂ）は基準電圧ＶＨ１を一定とした従来技術のデータを、それぞれ示している。なお、図７には、放電開始から５０μｓ間における放電エネルギ（５０μｓ放電エネルギ）と、ピエゾスタック５１に蓄積されたエネルギが９０％放出されるまでの所要時間（９０％放電時間）とをピエゾ容量に対応させて示している。

（ｂ）に示すデータでは、５０μｓ放電エネルギ、９０％放電時間が共にピエゾ容量に応じて大小変化しており、ピエゾ容量が大きいほど５０μｓ放電エネルギが大きくなり、９０％放電時間が短くなる傾向にあることが分かる。これは、例えば温度変動によりピエゾ容量が変化した場合に、ピエゾスタック５１の放電特性が一定しないことを意味する。これに対し（ａ）に示すデータでは、５０μｓ放電エネルギ、９０％放電時間が共にピエゾ容量に関係なくほぼ一定値となることが分かる。これは、例えば温度変動によりピエゾ容量が変化した場合にも、ピエゾスタック５１の放電特性が一定化できることを意味する。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ピエゾスタック５１の放電に際し、ピエゾ電圧Ｖｐｚｔに応じてコンパレータ８７の基準電圧ＶＨ１を可変設定し放電スイッチ６６をオン／オフする構成としたため、放電時間を一定化させることができる。従って、放電特性が適正化でき、ピエゾスタック５１を精度良く駆動させることができるようになる。ひいては燃料噴射量の制御精度が向上する。

放電スイッチ制御回路８０における負帰還制御部のみでピエゾ容量変動に対する補正が可能となるため、マイクロコンピュータ等による補正制御に比べ安価な構成が実現できる。

ピエゾスタック５１の放電期間内において一定周期で出力されるクロック信号に同期させて放電スイッチ６６をオン又はオフするため、単に放電電流Ｉｄｉｓに応じて放電スイッチ６６をオン／オフさせる構成（単純に電流を挟み込む構成）とは異なり、放電スイッチ６６の作動待ち時間（例えば図６のｔ４〜ｔ５）を持たせることができる。従って、放電スイッチ６６のスイッチング回数を低減させることが可能となり、回路損失の低減を図ることができる。また、エネルギ蓄積コイル６９のインダクタンスを大きくしたり、基準電圧ＶＨ１を下げたりすることを行わなくても、放電を意図的に遅らせること等が可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

放電スイッチ制御回路８０における負帰還量をピエゾ特性に合わせて変更し、適度な温度特性を持たせるようにしても良い。

上記実施の形態では、放電スイッチ制御回路８０において、噴射信号ＴＱのオフ後に一定時間Ｈレベルとなる放電期間信号をＡＮＤ回路８８に入力する構成としたが、この放電期間信号を用いない構成であって良い。つまり、ＡＮＤ回路８８は、コンパレータ８７の出力とクロック信号との論理積により放電制御信号Ｔｏｆｆを出力する。本構成であっても同様の作用効果が得られる。

クロック信号出力手段としては図２のクロック生成回路９１に限られず、他の構成であっても良い。要は、噴射信号ＴＱのオフ後における放電期間内で一定周期でクロック信号を出力するものであれば良い。

上記実施の形態では、ピエゾスタック５１の放電時においてピエゾ電圧Ｖｐｚｔに応じてコンパレータ８７の基準電圧ＶＨ１を可変設定すると共に、放電スイッチ６６のオン／オフをクロック信号に同期させる構成としたが、クロック信号の同期を要件とせずに実現することも可能である。かかる構成であってもやはり、放電特性の適正化が可能となる。

放電制御手段やしきい値可変設定手段は、コスト面からして上記の如くハード回路により実現するのが望ましいが、マイクロコンピュータにより実現する構成であっても良い。例えば負荷電圧（ピエゾ電圧Ｖｐｚｔ）をマイクロコンピュータで検知し、その負荷電圧に応じてマイクロコンピュータの指令により遮断しきい値（基準電圧ＶＨ１）を変更する構成としても良い。

容量負荷素子としてのピエゾ素子（ピエゾスタック）を燃料噴射用インジェクタ以外に適用し、その駆動装置において本発明を具体化することも可能である。

ピエゾスタックの放電に関する構成を示す回路図である。 クロック生成回路の構成を示す回路図である。 燃料噴射システムの構成を示す概略図である。 インジェクタの構造を示す断面図である。 インジェクタ駆動回路の電気的構成図である。 ピエゾスタックの放電動作を示すタイムチャートである。 実施の形態の効果を説明するための図である。

符号の説明

２０…ＥＣＵ、２１…インジェクタ駆動回路、５１…ピエゾスタック、６６…放電スイッチ、６９…エネルギ蓄積コイル、７５，７６…負荷電圧検出手段としての分圧抵抗、７７…放電電流検出手段としての電流検出抵抗、８０…放電スイッチ制御回路、９１…クロック生成回路。

Claims (6)

1. 温度容量特性を有する容量負荷素子を具備し、素子駆動に際して容量負荷素子の充電及び放電を制御する容量負荷素子の駆動装置において、
   前記容量負荷素子に直列に接続され、該容量負荷素子に一旦蓄えられたエネルギを回収するエネルギ回収素子と、
   前記容量負荷素子と前記エネルギ回収素子とを通電状態とする通電経路の途中に設けられ、当該通電経路を断続するスイッチ手段と、
   前記容量負荷素子からの放電電流を検出する放電電流検出手段と、
   前記容量負荷素子の放電に際し前記スイッチ手段のオン後に前記放電電流検出手段により検出した放電電流が遮断しきい値に達すると前記スイッチ手段をオフすると共に放電電流の低下後に前記スイッチ手段を再びオンし、この放電動作を前記容量負荷素子の放電完了まで繰り返し実施する放電制御手段と、
   前記容量負荷素子の負荷電圧を検出する負荷電圧検出手段と、
   前記検出した負荷電圧に応じて前記遮断しきい値を可変設定するしきい値可変設定手段と、
   を備えたことを特徴とする容量負荷素子の駆動装置。
2. 前記しきい値可変設定手段は、前記負荷電圧に応じて遮断しきい値を負帰還制御する請求項１記載の容量負荷素子の駆動装置。
3. 前記容量負荷素子に蓄えられるエネルギ量一定となるようにして前記容量負荷素子の充電を実施する充電制御手段を更に備えた請求項１又は２記載の容量負荷素子の駆動装置。
4. 前記放電制御手段は、前記容量負荷素子の放電期間内において一定周期で出力されるクロック信号に同期させて前記スイッチ手段をオン又はオフする請求項１乃至３の何れかに記載の容量負荷素子の駆動装置。
5. 温度容量特性を有する容量負荷素子を具備し、素子駆動に際して容量負荷素子の充電及び放電を制御する容量負荷素子の駆動装置において、
   前記容量負荷素子に直列に接続され、該容量負荷素子に一旦蓄えられたエネルギを回収するエネルギ回収素子と、
   前記容量負荷素子と前記エネルギ回収素子とを通電状態とする通電経路の途中に設けられ、当該通電経路を断続するスイッチ手段と、
   前記容量負荷素子からの放電電流を検出する放電電流検出手段と、
   一定周期で生成されるクロック信号を出力するクロック信号出力手段と、
   前記容量負荷素子の放電に際し前記スイッチ手段のオン後に前記放電電流検出手段により検出した放電電流が遮断しきい値に達すると前記スイッチ手段をオフすると共にその後前記クロック信号に同期させて前記スイッチ手段を再びオンし、この放電動作を前記容量負荷素子の放電完了まで繰り返し実施する放電制御手段と、
   を備えたことを特徴とする容量負荷素子の駆動装置。
6. 前記クロック信号は一定周期でＨレベル又はＬレベルとなる２値信号であり、前記放電制御手段は、クロック信号がＨレベル又はＬレベルの何れかとなる時にのみ前記スイッチ手段のオン動作を許容する請求項４又は５記載の容量負荷素子の駆動装置。

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