JP4526580B2 - ピエゾアクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピエゾアクチュエータを駆動する装置に関する。

従来より、充電により伸長し放電により縮小してピストン等を直線動するピエゾアクチュエータが知られており、例えば内燃機関の燃料噴射装置として、燃料噴射用インジェクタの開閉弁の切り替えを、そのようなピエゾアクチュエータにより行うものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

また、ピエゾアクチュエータを充放電させて伸縮させる駆動装置としては、インダクタとピエゾアクチュエータとの直列回路に対して、ＭＯＳＦＥＴからなる充電スイッチを介して直流電源から電源供給を行うための充電経路と、上記直列回路に並列に接続され、ＭＯＳＦＥＴからなる放電スイッチを介してピエゾアクチュエータの充電電荷を放電させるための放電経路と、充電スイッチに対してカソードが直流電源の正極側となるよう並列に接続された第１ダイオードと、放電スイッチに対してアノードが直流電源の負極側となるよう並列に接続された第２ダイオードとを備えたものが知られている。

そして、この種の駆動装置では、外部から駆動信号が入力されると、放電スイッチをオフした状態で充電スイッチのオン／オフを繰り返すことにより、ピエゾアクチュエータを充電させて伸長させ、その後、駆動信号が入力されなくなると、充電スイッチをオフした状態で放電スイッチのオン／オフを繰り返すことにより、ピエゾアクチュエータを放電させて収縮させる。

つまり、充電期間においては、充電スイッチをオンすることで直流電源から充電経路を介してピエゾアクチュエータに充電電流を流し、その後、充電スイッチをオフすることで、インダクタに蓄積されたエネルギーによって流れる充電電流（即ち、フライホイール電流）を、放電スイッチと並列な第２ダイオードを介してピエゾアクチュエータに流す、といった手順を繰り返すことにより、段階的にピエゾアクチュエータを充電させる。

また、放電期間においては、放電スイッチをオンすることで、ピエゾアクチュエータの正極側からインダクタを介して放電経路に放電電流を流し、その後、放電スイッチをオフすることで、ピエゾアクチュエータの正極側からインダクタ及び充電スイッチと並列な第１ダイオードを介して直流電源へと放電電流を流し、その放電電流によりピエゾアクチュエータの電荷を直流電源に回収する、といった手順を繰り返すことにより、段階的にピエゾアクチュエータを放電させる。

そして、ピエゾアクチュエータを放電させる放電制御としては、まず放電スイッチをオンし、その後、ピエゾアクチュエータの放電電流の検出値がピーク側閾値まで増加したと判定すると放電スイッチをオンからオフに切り替え、放電電流の検出値がボトム側閾値まで減少したと判定すると放電スイッチをオフからオンに切り替える、という動作を繰り返す制御が知られている。

更に、特許文献１には、上記ピーク側閾値（遮断電流）を時間とともに上昇させることで、放電エネルギを一定に保つことが記載されている。ピエゾアクチュエータの電圧は放電が進むにつれて下降するため、電流を上昇させることで、その時間積であるエネルギが一定に保たれるようにし、それにより放電時間（放電に要する時間）が変動しないようにしている。

尚、特許文献２には、ピエゾ素子の充電電荷量に応じて放電制御のピーク側閾値を変えることにより、充電電荷量を所望の放電時間で放電させることができるようにすることが記載されている。一方、特許文献３には、ピエゾアクチュエータに目標のエネルギを充電する技術が記載されている。
特開２００３−９２４３８号公報 特開２００７−２０５１７３号公報 特開２００８−５６４９号公報

特許文献１に開示の技術は、放電制御のピーク側閾値を常に一定の傾きで上昇させるだけであり、ピエゾアクチュエータの放電エネルギ変化率（放電の際のエネルギ変化率）を任意の一定値に制御したくても、それができない。また、ピエゾアクチュエータの静電容量が温度により変化するなどして、ピエゾアクチュエータを充電した際の充電電荷量が変わると、放電エネルギ変化率が変わって、放電に要する時間が変化してしまう。

一方、特許文献２に開示の技術は、時間に対して一定のピーク側閾値をピエゾ素子の充電電荷量に応じて変えるものであり、放電時のエネルギは二次関数的に減少するため、放電エネルギ変化率を一定にすることはできない。

こうした背景から、本発明は、ピエゾアクチュエータの放電エネルギ変化率を任意の一定値に制御できるようにすることを目的としている。

請求項１のピエゾアクチュエータ駆動装置は、ピエゾアクチュエータに直列に接続されるインダクタと、そのインダクタとピエゾアクチュエータとの直列回路に対して、直流電源から充電スイッチを介して電源供給を行うための充電経路と、前記直列回路に並列に接続され、放電スイッチを介してピエゾアクチュエータの充電電荷を放電させるための放電経路と、充電スイッチに対して、カソードが直流電源の正極側となるよう並列に接続された第１ダイオードと、放電スイッチに対して、アノードが直流電源の負極側となるよう並列に接続された第２ダイオードと、充電制御手段及び放電制御手段と、閾値設定手段とを備える。

そして、充電制御手段は、外部から駆動指令が入力されると、充電スイッチのオン／オフを繰り返すことにより、ピエゾアクチュエータを充電させて伸長させる。
また、放電制御手段は、ピエゾアクチュエータの放電電流を検出する放電電流検出手段を有しており、外部から駆動停止指令が入力されると、放電スイッチをオンし、その後、放電電流検出手段で検出される放電電流がピーク側閾値まで増加したと判定すると放電スイッチをオンからオフに切り替え、前記放電電流がボトム側閾値まで減少したと判定すると放電スイッチをオフからオンに切り替える、という動作を繰り返すことにより、ピエゾアクチュエータを放電させて収縮させる。更に、閾値設定手段は、前記ピーク側閾値を時間に比例して上昇するように設定する。

ここで特に、請求項１のピエゾアクチュエータ駆動装置において、閾値設定手段は、充電制御手段によりピエゾアクチュエータに充電された充電電荷量を検出する充電電荷検出手段を有している。そして更に、閾値設定手段は、充電制御手段によりピエゾアクチュエータに充電された充電エネルギＥ０と、放電制御手段がピエゾアクチュエータから放電させるべき放電エネルギΔＥ及び放電時間Ｔと、前記ボトム側閾値との各値が与えられ、その各値と充電電荷検出手段で検出した充電電荷量Ｑ０とから、ピエゾアクチュエータの放電エネルギ変化率を「ΔＥ／Ｔ」にするためのピーク側閾値の時間に対する傾きと切片を決定すると共に、その傾き及び切片とピエゾアクチュエータの放電開始時からの経過時間ｔとから、ピーク側閾値を設定する。

このような請求項１のピエゾアクチュエータ駆動装置によれば、下記の効果が得られる。
（１）閾値設定手段に与える放電エネルギΔＥと放電時間Ｔの値を変えれば、ピーク側閾値の時間に対する傾きと切片が変わり、その与えたΔＥとＴの比である放電エネルギ変化率（＝ΔＥ／Ｔ）を実現することができる。よって、放電エネルギ変化率を任意の一定値に制御できる。

（２）充電電荷量Ｑ０の検出値に応じてピーク側閾値の傾きと切片が設定されるため、ピエゾアクチュエータの容量が温度によって変動しても、放電エネルギ変化率を一定値（＝ΔＥ／Ｔ）に制御することができる。

つまり、充電エネルギＥ０が同じでも、温度によって容量が変動すると、充電電荷量Ｑ０が変わるが、実際の充電電荷量Ｑ０を検出し、その検出値を用いてピーク側閾値の傾きと切片を設定するため、温度ばらつきによる影響を抑えることができる。

（３）放電エネルギ変化率を一定値に制御でき、その値（＝ΔＥ／Ｔ）が分かっているため、放電の経過時間ｔから、放電したエネルギ量（＝ｔ×ΔＥ／Ｔ）を把握することができる。そして、放電したエネルギ量が分かれば、充電エネルギＥ０は既知であるため、ピエゾアクチュエータに残っているエネルギ量が分かり、その残存エネルギ量の値をピエゾアクチュエータの制御に利用することができるようになる。

ところで、閾値設定手段は、請求項２に記載のように、充電電荷検出手段で検出した充電電荷量Ｑ０が大きいほど、ピーク側閾値の傾きと切片を大きい値に決定するように構成することができる。つまり、ピーク側閾値の傾きと切片を大きい値にするほど、単位時間当たりの放電電荷量が大きくなるためである。

更に具体的には、閾値設定手段は、請求項３に記載の式１によりピーク側閾値を設定するように構成することができる。また、閾値設定手段は、請求項４に記載の式２によりピーク側閾値を設定するように構成することもできる。

尚、式１と式２の各右辺においては、「ｔ」が乗ぜられる部分が、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の傾きに該当し、「ｔ」が乗ぜられない部分が、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の切片に該当している。また、式１、式２がどのように導出されたかについては、「発明を実施するための最良の形態」の欄で詳細に説明する。

一方、充電電荷検出手段は、請求項５に記載のように、充電制御手段がピエゾアクチュエータを充電する際に、ピエゾアクチュエータに供給される充電電流を検出すると共に、その充電電流を積分することにより、充電電荷量Ｑ０を検出するように構成することができる。そして、この構成によれば、充電電荷量Ｑ０を簡単に検出できる。

以下に、本発明が適用された実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置について説明する。
図１は、実施形態の駆動装置３０の構成を表す構成図である。尚、本実施形態の駆動装置３０は、車両に搭載されたディーゼルエンジンの燃料噴射装置を構成するものであり、ディーゼルエンジンの各気筒へコモンレールからの高圧燃料を噴射する各インジェクタに設けられたピエゾアクチュエータ１を充放電させて伸縮させることにより、その各気筒毎のインジェクタに燃料噴射の開始／停止をさせるものである。但し、図１では、複数のピエゾアクチュエータ１のうちの１つのみを示しており、以下では、その１つのピエゾアクチュエータ１の駆動を例に挙げて説明する。

図１に示すように、本実施形態の駆動装置３０は、ピエゾアクチュエータ１を充電するための電気エネルギが蓄えられる直流電源としてのコンデンサ２と、車載バッテリ３の電圧（バッテリ電圧）を昇圧して、コンデンサ２を、それの充電電圧がバッテリ電圧よりも高い所定の電圧となるように充電する昇圧回路４とを備えている。

更に、駆動装置３０は、ピエゾアクチュエータ１に対して直列に接続されるインダクタ５と、そのインダクタ５とピエゾアクチュエータ１との直列回路６に対して、コンデンサ２の正極側端子から充電スイッチ７を介して電源供給を行うための充電経路９と、直列回路６に対して並列に接続され、放電スイッチ１０を介してピエゾアクチュエータ１の充電電荷を放電させるための放電経路１２とを備えている。

そして、直列回路６のピエゾアクチュエータ１側の端部（換言すれば、ピエゾアクチュエータ１のインダクタ５側とは反対側の端部）は、抵抗１３を介して、コンデンサ２の負極側であるグランドラインに接続されている。尚、抵抗１３は、ピエゾアクチュエータ１に流れる電流（充電電流及び放電電流）を検出するための電流検出用抵抗である。

直列回路６のインダクタ５側の端部（換言すれば、インダクタ５のピエゾアクチュエータ１側とは反対側の端部）は、充電スイッチ７を介して、コンデンサ２の正極側端子に接続されるようになっている。また、充電スイッチ７には、ダイオード（還流回路）８が、カソードをコンデンサ２の正極側端子の方にして並列に接続されている。そのダイオード８は、ピエゾアクチュエータ１を放電させる際において、放電スイッチ１０がオンからオフされた時にコンデンサ２へ回生電流を流し込む役割を果たす。

尚、充電スイッチ７は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなり、ドレインがコンデンサ２の正極側端子に接続され、ソースがインダクタ５の一端に接続されている。そして、そのＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを、ダイオード８として利用している。

また、放電スイッチ１０は、オンすることで放電経路１２を形成するが、この放電スイッチ１０もｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる。そして、それのソースがグランドラインに接続され、ドレインが充電スイッチ７とインダクタ５との接続点に接続されている。

また、放電スイッチ１０には、ダイオード（還流回路）１１が、アノードをグランドラインの方にして並列に接続されている。そして、そのダイオード１１は、ピエゾアクチュエータ１を充電する際において、充電スイッチ７がオンからオフされた時にインダクタ５によるフライホイール電流を流す役割を果たす。尚、このダイオード１１も、放電スイッチ１０を成すＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。

更に、駆動装置３０は、上記抵抗１３の両端に生じる電圧を増幅して出力する電流検出回路としての増幅回路１４と、その増幅回路１４の出力電圧Ｖ０を積分する電荷検出回路としての積分回路１５と、２つの比較器１６，１７と、ピエゾアクチュエータ１の充電制御を行う充電制御回路１８と、ピエゾアクチュエータ１の放電制御を行う放電制御回路１９と、放電制御用の閾値を設定する閾値設定回路２０とを備えている。

比較器１６は、放電制御回路１９が放電制御を行う際に、ピエゾアクチュエータ１の放電電流のピーク側閾値Ｉｐに相当する閾値電圧（ピーク側閾値電圧）Ｖｐと、増幅回路１４の出力電圧Ｖ０とを比較する。

また、比較器１７は、放電制御回路１９が放電制御を行う際に、ピエゾアクチュエータ１の放電電流のボトム側閾値Ｉｂに相当する閾値電圧（ボトム側閾値電圧）Ｖｂと、増幅回路１４の出力電圧Ｖ０とを比較する。

ここで、本実施形態では、ピエゾアクチュエータ１及び抵抗１３に流れる電流の正負極性として、ピエゾアクチュエータ１の充電方向を正（放電方向を負）としている。このため、ピエゾアクチュエータ１の放電電流は負であり、ピエゾアクチュエータ１の放電時における増幅回路１４の出力電圧Ｖ０も負である。そして、放電電流のピーク側閾値Ｉｐとボトム側閾値Ｉｂも負であり、それらに対応するピーク側閾値電圧Ｖｐとボトム側閾値電圧Ｖｂも負である。更に、ピーク側閾値Ｉｐとボトム側閾値Ｉｂは、「Ｉｐ＜Ｉｂ，｜Ｉｐ｜＞｜Ｉｂ｜」の大小関係にあるため（図４参照）、ピーク側閾値電圧Ｖｐとボトム側閾値電圧Ｖｂも、「Ｖｐ＜Ｖｂ，｜Ｖｐ｜＞｜Ｖｂ｜」の大小関係にある。

そして、比較器１６は、「Ｖ０≦Ｖｐ」になると、放電制御回路１９への出力信号を例えばハイに変化させる。このため、ピエゾアクチュエータ１の放電電流の絶対値が増加してピーク側閾値Ｉｐの絶対値に達すると、比較器１６の出力信号がローからハイになる。

また、比較器１７は、「Ｖ０≧Ｖｂ」になると、放電制御回路１９への出力信号を例えばハイに変化させる。このため、ピエゾアクチュエータ１の放電電流の絶対値が減少してボトム側閾値Ｉｂの絶対値に達すると、比較器１７の出力信号がローからハイになる。

尚、以下の説明において、ピエゾアクチュエータ１の放電電流の増加、減少とは、放電電流の絶対値が増加、減少することを意味している。そして、放電電流がピーク側閾値Ｉｐまで増加するとは、放電電流の絶対値がピーク側閾値Ｉｐの絶対値にまで増加したということであり、放電電流がボトム側閾値Ｉｂまで減少するとは、放電電流の絶対値がボトム側閾値Ｉｂの絶対値にまで減少したということである。また、比較器１６への閾値電圧Ｖｐと、比較器１７への閾値電圧Ｖｂは、閾値設定回路２０から出力されるが、その閾値設定回路２０については後で説明する。

一方、充電制御回路１８は、増幅回路１４の出力電圧Ｖ０をモニタすることにより、ピエゾアクチュエータ１に流れる充電電流を検出するようになっている。更に、充電制御回路１８には、車両のエンジン制御を行う電子制御ユニットのマイコン（図示省略）から、インジェクタを開弁させるための駆動信号（いわゆる噴射指令信号）が入力される。尚、その駆動信号は、ハイになっている間インジェクタを開弁させる、という意味を持っている。また、本実施形態の駆動装置３０は、上記電子制御ユニットの内部と外部のどちらに設けられても良い。

そして、充電制御回路１８は、上記駆動信号がハイになると、充電スイッチ７をオン／オフさせてピエゾアクチュエータ１を充電する充電制御を行う。尚、この充電制御が行われる場合、放電スイッチ１０はオフのままである。

つまり、この駆動装置３０において、充電スイッチ７がオンされると、コンデンサ２から充電経路９及びインダクタ５を介してピエゾアクチュエータ１に充電電流が流れ、充電スイッチ７がオンからオフされると、インダクタ５に蓄積されたエネルギによって流れる充電電流が、グランドライン側から放電スイッチ１０に並列なダイオード１１を介してピエゾアクチュエータ１に流れることとなる。このため、充電制御により充電スイッチ７のオン／オフが繰り返されることで、ピエゾアクチュエータ１が段階的に充電されて伸長し、インジェクタが開弁する。

この充電制御について更に具体的に説明する。
充電制御回路１８は、駆動信号がハイになると、充電スイッチ７をオンし、増幅回路１４の出力電圧Ｖ０に基づいて、ピエゾアクチュエータ１に流れる電流（この場合は充電電流）が所定値（例えば２５Ａ）に達したと判定したら、充電スイッチ７をオフすると共に、この１回目の充電スイッチ７のオン時間を記憶する。そして、１回目の充電スイッチ７のオフ後にピエゾアクチュエータ１の充電電流が０Ａまで低下したことを検知すると、１回目で記憶したオン時間だけ充電スイッチ７をオンし、その後、充電電流が０Ａに低下すると再び１回目で記憶したオン時間だけ充電スイッチ７をオンすることを所定回数繰り返す。

このような充電制御により、時間当たりの充電エネルギが一定となり、温度が変動してピエゾアクチュエータ１の容量が変化しても、そのピエゾアクチュエータ１に目標の電気エネルギ（充電エネルギ）が蓄えられる（充電される）こととなる。尚、こうした充電制御については例えば特許文献１に記載されている。

尚、充電制御回路１８が行う充電制御としては、例えば特許文献３に記載されているものでも良い。つまり、この場合、充電制御回路１８は、１回の充電期間においてピエゾアクチュエータ１に充電すべき充電エネルギ（即ち、目標の充電エネルギ）及びコンデンサ２の電圧に基づいて、充電スイッチ７のオン期間におけるピエゾアクチュエータ１の充電エネルギの目標値を設定する目標値設定手段と、充電スイッチ７のオン時にコンデンサ２から直列回路６に供給される充電電流を検出する電流検出手段と、その電流検出手段により検出される充電電流を積分することにより、充電スイッチ７のオン期間におけるピエゾアクチュエータ１の充電エネルギーを推定する推定手段と、上記駆動信号がハイになると、予め設定された所定の周期で充電スイッチ７をオンすると共に、前記推定手段により推定される推定値が、前記目標値設定手段により設定された目標値に到達する度に充電スイッチ７をオフする充電スイッチ駆動手段と、を備えるように構成すれば良い。

次に、放電制御回路１９にも、上記駆動信号が入力される。
そして、放電制御回路１９は、上記駆動信号がハイからローになると、放電スイッチ１０をオン／オフさせてピエゾアクチュエータ１を放電させる放電制御を、予め設定された放電実施時間だけ行う。尚、この放電制御が行われる場合、充電スイッチ７はオフのままである。

つまり、この駆動装置３０において、放電スイッチ１０がオンされると、ピエゾアクチュエータ１の正極側からインダクタ５及び放電経路１２を介してグランドライン側へ放電電流が流れ、放電スイッチ１０がオンからオフされると、ピエゾアクチュエータ１の正極側からインダクタ５及び充電スイッチ７に並列なダイオード８を介してコンデンサ２へと放電電流が流れ、その放電電流によりピエゾアクチュエータ１の電荷がコンデンサ２に回収される。このため、放電制御により放電スイッチ１０のオン／オフが繰り返されることで、ピエゾアクチュエータ１が段階的に放電されて収縮し、インジェクタが閉弁する。

この放電制御について更に具体的に説明する。
図２に示すように、放電制御回路１９は、駆動信号がハイからローになって放電制御を開始すると、まず、放電スイッチ１０をオンする（Ｓ１１０）。

そして、放電スイッチ１０をオンしているときには（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、ピエゾアクチュエータ１の放電電流が閾値設定回路２０で設定されるピーク側閾値Ｉｐにまで増加するまで待つ（Ｓ１３０：ＮＯ）。具体的には、比較器１６の出力信号がローからハイになるまで待つ。そして、比較器１６の出力信号がハイになって放電電流がピーク側閾値Ｉｐまで増加したと判定すると（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、放電スイッチ１０をオフする（Ｓ１４０）。

また、放電スイッチ１０をオフしているときには（Ｓ１２０：ＮＯ）、ピエゾアクチュエータ１の放電電流がボトム側閾値Ｉｂにまで減少するまで待つ（Ｓ１５０：ＮＯ）。具体的には、比較器１７の出力信号がローからハイになるまで待つ。そして、比較器１７の出力信号がハイになって放電電流がボトム側閾値Ｉｂまで減少したと判定すると（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、放電スイッチ１０をオンする（Ｓ１６０）。

そして、放電制御回路１９は、このような放電制御を、駆動信号がローになった時点から前述の放電実施時間が経過するまで行う。尚、放電実施時間（放電制御を行う時間）は、固定値でも良いが、例えば上記電子制御ユニット内のマイコンによって指令される可変値になっていても良い。

次に、本実施形態において最も特徴的な部分である閾値設定回路２０について説明する。
閾値設定回路２０には、充電制御回路１８の充電制御によりピエゾアクチュエータ１に充電される充電エネルギ（前述した目標の充電エネルギ）Ｅ０の値と、放電制御回路１９が放電制御によってピエゾアクチュエータ１から放電させるべき放電エネルギΔＥの値と、ピエゾアクチュエータ１の放電時間（前述した放電実施時間）Ｔの値と、ボトム側閾値Ｉｂの値とが与えられ、それら各値（Ｅ０，ΔＥ，Ｔ，Ｉｂ）は、閾値設定回路２０内にあるＲＡＭ又はＲＯＭ等のメモリ２１に記憶されている。

尚、上記各値（Ｅ０，ΔＥ，Ｔ，Ｉｂ）は、メモリ２１に固定値として記憶されるようになっていても良いが、例えば上記電子制御ユニット内のマイコンによってメモリ２１に任意の値が書き込まれる構成でも良い。特に、放電実施時間を可変にする場合、メモリ２１には、放電時間Ｔとして、その放電実施時間と同じ値を書き込めば良く、同様に、充電制御でピエゾアクチュエータ１に充電する目標の充電エネルギを可変にする場合、メモリ２１には、充電エネルギＥ０として、その目標の充電エネルギと同じ値を書き込めば良い。

また、閾値設定回路２０は、駆動信号がハイになった時に積分回路１５をリセットし、駆動信号がローになった時に積分回路１５の出力値を読み取って、その出力値から、充電制御回路１８の充電制御でピエゾアクチュエータ１に充電された充電電荷量Ｑ０を検出する。つまり、積分回路１５は、充電制御によってピエゾアクチュエータ１に充電された充電電流を積分することとなり、閾値設定回路２０は、その積分値から充電電荷量Ｑ０を算出する。

そして、閾値設定回路２０は、メモリ２１内の上記各値（Ｅ０，ΔＥ，Ｔ，Ｉｂ）と、上記の手順で検出した充電電荷量Ｑ０とから、ピエゾアクチュエータ１の放電エネルギ変化率を「ΔＥ／Ｔ」にするためのピーク側閾値Ｉｐの時間に対する傾きａと切片ｂを決定すると共に、その傾きａ及び切片ｂと、ピエゾアクチュエータ１の放電開始時（即ち、駆動信号がローになった時点）からの経過時間ｔとから、下記の式３により、ピーク側閾値Ｉｐを設定する。

尚、式３の右辺においては、「ｔ」が乗ぜられる｛｝の部分が、ピーク側閾値Ｉｐの傾きａであり、「ｔ」が乗ぜられない｛｝の部分が、ピーク側閾値Ｉｐの切片ｂである。また、ピーク側閾値Ｉｐは時間ｔに比例した値に設定されるため、式３及び前述の図１，図２では、ピーク側閾値Ｉｐを、時間ｔの関数であることを示すＩｐ（ｔ）と記載している。そして、以下では、Ｉｐなど、時間とともに変化する物理値については、（ｔ）を付すことにする。また、式３において、Ｉｐ（ｔ）とＩｂは、充電方向を正としている。

そして更に、閾値設定回路２０は、上記式３により設定したピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）に、抵抗１３の抵抗値と増幅回路１４の増幅率とを乗じた値の電圧を、前述の閾値電圧Ｖｐとして比較器１６に出力し、また、上記メモリ２１に記憶されたボトム側閾値Ｉｂに、抵抗１３の抵抗値と増幅回路１４の増幅率とを乗じた値の電圧を、前述の閾値電圧Ｖｂとして比較器１７に出力する。尚、閾値電圧Ｖｐも時間に比例して変化することとなるため、前述の図１では、ＶｐをＶｐ（ｔ）と記している。

以下に、式３がどのように導出されているかについて説明する。尚、以下の各式では、式３と同様に、ピエゾアクチュエータ１の充電方向を正（放電方向を負）としている。
まず、図３（Ａ）に示すように、ピエゾアクチュエータ１の放電電流の積分値である放電電荷量をｆ（ｔ）とすると、放電制御が行われる際のピエゾアクチュエータ１の電荷量（以下、ピエゾ電荷という）ｑ（ｔ）は、「ｑ（ｔ）＝Ｑ０＋ｆ（ｔ）」という時間関数で表すことができる。ここでは、放電電流が負の値であり、ｆ（ｔ）は負方向に増加するため、ピエゾ電荷ｑ（ｔ）はＱ０から時間とともに減少することとなる。尚、図３（Ａ）において、Ｑ１は、放電時間Ｔが経過した時のピエゾ電荷ｑ（Ｔ）である。

また、図３（Ｂ）に示すように、ピエゾアクチュエータ１の放電エネルギ量をｇ（ｔ）とすると、ピエゾアクチュエータ１に蓄積されているエネルギ（以下、ピエゾエネルギという）ｅ（ｔ）も、「ｅ（ｔ）＝Ｅ０＋ｇ（ｔ）」という時間関数で表すことができる。放電が進むにつれて放電エネルギ量ｇ（ｔ）が負方向に増加し、ピエゾエネルギｅ（ｔ）はＥ０から時間とともに減少することとなる。尚、図３（Ｂ）において、Ｅ１は、放電時間Ｔが経過した時のピエゾエネルギｅ（Ｔ）である。また、放電時間Ｔ分の放電エネルギ量ｇ（Ｔ）の絶対値が、放電エネルギΔＥに該当する。

次に、ピエゾアクチュエータ１の静電容量をＣとすると、ピエゾエネルギｅ（ｔ）は下記の式４で表される。

そして、「Ｃ＝（Ｑ０の２乗）／（２×Ｅ０）」の関係から、式４は、下記の式５のように変形できる。

更に、式５を時間微分すると、下記の式６となる。

ピエゾアクチュエータ１の放電エネルギ変化率を一定に制御するためには、式６の値が一定となるように、ｑ（ｔ）を制御する必要がある。

ここで、図３（Ｂ）のようにピエゾエネルギｅ（ｔ）をリニアに減少させるためには、放電エネルギ量ｇ（ｔ）が時間にリニアである必要があり、即ち「ｇ（ｔ）＝α×ｔ＋β」とおくことができる。

更に、式６の左辺は、放電エネルギ変化率であり、放電させるべきエネルギΔＥを放電時間Ｔで割ったもの、即ち「ΔＥ／Ｔ」に等しい。
このため、下記の式７が成立する。

よって、式６と式７から、放電エネルギ変化率を「ΔＥ／Ｔ」に制御するためには、下記の式８を満たすように、ピエゾ電荷ｑ（ｔ）を制御すれば良い。

また、放電制御回路１９による放電制御において、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を時間に比例して上昇させた場合、放電電流の波形は、図４に示すように、ピーク値（負方向のピーク値）が徐々に大きくなる波形となり、その電流波形の積分値（面積）が放電電荷量ｆ（ｔ）に相当する。

そして、その放電電荷量ｆ（ｔ）は、図４において、放電電流のピークを結んだ直線の傾き（即ち、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の傾き）をａとし、放電電流の時間０との交点（即ち、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の切片）をｂとすると、「ｂ−Ｉｂ」と「ａ×ｔ＋ｂ−Ｉｂ」を上底及び下底とし高さをｔとする台形の面積の半分と、ボトム側閾値Ｉｂとｔからなる長方形の面積との和、として近似できる。このため、下記の式９が成立する。

従って、ピエゾ電荷ｑ（ｔ）は、「ｑ（ｔ）＝Ｑ０＋ｆ（ｔ）」の関係と式９とから、下記の式１０で表すことができる。

そして、この式１０が、式８を満たせば、放電エネルギ変化率を「ΔＥ／Ｔ」に制御することができる。

そこで、式１０を時間微分すると、下記の式１１となる。

そして、式１０と式１１を式８に代入すると、下記の式１２となり、その式１２を変形した式１３を更に変形して、下記の式１４が得られる。

一方、放電すべきエネルギΔＥは、式５を用いて下記の式１５で表される。

そして、式１５中のｆ（Ｔ）を式９で表すことにより、下記の式１６となり、その式１６を順次変形することで、下記の式１７〜１９が得られる。

また、式１４に式１８を代入すると、下記の式２０となり、その式２０を順次変形することで、下記の式２１，２２が得られる。

そして、式２２を式１９に代入することで、切片ｂが求められる。即ち、式２２を式１９に代入すると、下記の式２３となり、その式２３を下記の式２４のように変形し、更に、その式２４から、切片ｂは下記の式２５となる。

また、式２４を式２２に代入することで、傾きａが求められる。即ち、式２４を式２２に代入することで、下記の式２６が得られ、その式２６を下記の式２７のように変形し、更に、その式２７から、傾きａは下記の式２８となる。

よって、「Ｉｐ（ｔ）＝ａ×ｔ＋ｂ」の関係に、上記式２５と式２８を代入することで、式３が得られるのである。また、式３を変形すれば、下記の式２９となり、その式２９は、請求項３に記載の式１と同じである。

尚、本実施形態では、充電方向を正としているため、図４のように、放電電流のピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の傾きａと切片ｂは負の値となる。そして、式２８から分かるように、傾きａは、充電電荷量Ｑ０に比例するため、その充電電荷量Ｑ０が大きいほど、負方向であって、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を上昇させる方向に大きい値となる。また、式２５における「−Ｉｂ」は正であるため、その式２５で示される切片ｂにおける「−Ｉｂ」以外の部分は、負であり、また充電電荷量Ｑ０に比例する。このため、切片ｂも、充電電荷量Ｑ０が大きいほど、負方向であって、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を上昇させる方向に大きい値となる。つまり、傾きａと切片ｂは、Ｅ０，ΔＥ，Ｔ，Ｉｂが同じであれば、Ｑ０が大きいほど、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を上昇させる方向に大きい値となる。

以上のような本実施形態の駆動装置３０によれば、前述した（１）〜（３）の効果が得られる。
即ち、閾値設定回路２０に与えるΔＥとＴの各値の比である放電エネルギ変化率（ΔＥ／Ｔ）を実現することができるので、放電エネルギ変化率を任意の一定値に制御できる。

また、Ｑ０の検出値に応じてピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）の傾きａと切片ｂが設定されるため、温度が変化してピエゾアクチュエータ１の容量が変動しても、図５に示すように、放電エネルギ変化率を目標の一定値（この例では、ΔＥ／Ｔ＝４０ｍＪ／８０μｓ）に良好に制御することができる。尚、図５は、Ｅ０＝６０ｍＪ、ΔＥ＝４０ｍＪ、Ｔ＝８０μｓ、Ｉｂ＝０Ａと設定して、式３（式２９）によりピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を設定した場合の放電電流と放電エネルギをシミュレーションした結果を表すグラフである。このシミュレーションでは、ピエゾの静電容量を６μＦと仮定し、Ｅ０から充電電荷量Ｑ０を８４９μＣとおいて、Ｉｐ（ｔ）を設定した。また、図５及び後述する図６，図７において、一点鎖線で示しているエネルギ目標値とは、放電開始時の充電エネルギＥ０（＝６０ｍＪ）からΔＥ／Ｔ（＝０．５ｍＪ／μｓ）の比率で減少するエネルギを示している。

更に、制御している放電エネルギ変化率（＝ΔＥ／Ｔ）が分かっているため、放電の経過時間ｔから、放電したエネルギ量（＝ｔ×ΔＥ／Ｔ）を簡単に把握することができる。そして、放電したエネルギ量が分かれば、ピエゾアクチュエータ１に残っているエネルギ量が分かり、その残存エネルギ量の値をピエゾアクチュエータ１の制御に利用することができるようになる。

尚、本実施形態では、充電制御回路１８が充電制御手段に相当している。また、抵抗１３、増幅回路１４、比較器１６，１７及び放電制御回路１９が、放電制御手段に相当し、そのうち、抵抗１３及び増幅回路１４が、放電電流検出手段に相当している。また、抵抗１３、増幅回路１４、積分回路１５及び閾値設定回路２０が、閾値設定手段に相当し、そのうち、抵抗１３、増幅回路１４及び積分回路１５が、充電電荷量検出手段に相当している。

一方、充電制御回路１８と放電制御回路１９と閾値設定回路２０のそれぞれは、マイコンや専用ＩＣ等で構成することができる。また、それら回路１８〜２０のうちの２つ以上を１つのＩＣに統合して構成しても良い。

また、ボトム側閾値Ｉｂは、０でも良いが、例えば放電電流のピークとボトムとの差を小さくして振動を緩和するためにピーク側閾値Ｉｐに近い値としたりするなど、任意に決定することができる。

以上が第１実施形態である。
ところで、第１実施形態の式３（式２９）を用いた場合、図６における実線のグラフに示すように、放電エネルギΔＥが充電エネルギＥ０に近い値をとる場合には、電荷計算の近似誤差が大きくなり、所望のエネルギ変化率（エネルギ目標値）からの誤差が大きくなる傾向がある。また、「ΔＥ＝Ｅ０」では計算式が成り立たない。

更に、設定する放電エネルギΔＥと放電時間Ｔの比が同じでも、ΔＥが大きく且つＴが短い場合（図６における細かい点線のグラフ）と、ΔＥが大きく且つＴが長い場合（図６における粗い点線のグラフ）とでは、所望のエネルギ変化率（エネルギ目標値）との誤差が異なる傾向がある。つまり、エネルギ変化のプロファイルが異なる。

尚、図６は、Ｅ０＝６０ｍＪ、Ｉｂ＝０Ａとし、ΔＥ／Ｔ＝０．５ｍＪ／μｓの条件でΔＥとＴを３通りに変化させて、式３（式２９）によりピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を設定した場合の放電電流と放電エネルギをシミュレーションした結果を表すグラフである。このシミュレーションでは、ピエゾの静電容量を６μＦと仮定し、Ｅ０から充電電荷量Ｑ０を８４９μＣとおいて、Ｉｐ（ｔ）を設定した。

そこで、第２実施形態として、閾値設定回路２０が、下記の式３０により、ピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を設定するように構成すれば、ΔＥとＴの比が同じならば、Ｉｐ（ｔ）は同じ値になるので、ΔＥとＴの組み合わせによらず同じエネルギ変化率を実現でき、また精度の向上も見込まれる。

尚、式３０は、第１実施形態の式３（式２９）を元にして実験を繰り返すことで求めた実験式であり、請求項４に記載の式２と同じである。また、その式３０においても、Ｉｐ（ｔ）とＩｂは、充電方向を正としている。そして、式３０においては、「ｔ」が乗ぜられる部分が、Ｉｐ（ｔ）の傾きａに該当し、その傾きａは、Ｑ０が大きいほど、負方向であって、Ｉｐ（ｔ）を上昇させる方向に大きい値となる。また、式３０においては、「ｔ」が乗ぜられない部分が、Ｉｐ（ｔ）の切片ｂに該当し、その切片ｂも、Ｑ０が大きいほど、負方向であって、Ｉｐ（ｔ）を上昇させる方向に大きい値となる。

ここで、図７は、図５と同じ条件で、第１実施形態の式３（式２９）によりピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を設定した場合と、第２実施形態の式３０（実験式）によりピーク側閾値Ｉｐ（ｔ）を設定した場合との、それぞれについて、放電電流と放電エネルギをシミュレーションした結果を表すグラフである。

その図７のように、第２実施形態の式３０を用いれば、第１実施形態よりも、放電エネルギ変化率の誤差を小さくすることができる。
ところで、図１では図示を省略したが、上記各実施形態の駆動装置３０において、実際には、インダクタ５には各気筒毎の複数のピエゾアクチュエータ１が接続され、その各ピエゾアクチュエータ１のインダクタ５側とは反対側と抵抗１３との間に、ＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチ（いわゆる気筒選択スイッチ）がそれぞれ設けられる。そして、何れかのピエゾアクチュエータ１を駆動する場合には、そのピエゾアクチュエータ１に対応する気筒選択スイッチがオンされることで、その駆動対象のピエゾアクチュエータ１と抵抗１３とが接続されることとなる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

例えば、ピエゾアクチュエータは、インジェクタを開閉弁させるためのもの以外でも良い。

実施形態の駆動装置の構成を表す構成図である。 放電制御を表すフローチャートである。 放電制御が行われる際の、ピエゾアクチュエータの電荷ｑ（ｔ）とエネルギｅ（ｔ）を表すグラフである。 ピエゾアクチュエータの放電電流波形と放電電荷量の求め方とを説明する説明図である。 シミュレーション結果を表す第１のグラフである。 シミュレーション結果を表す第２のグラフである。 シミュレーション結果を表す第３のグラフである。

符号の説明

１…ピエゾアクチュエータ、２…コンデンサ、３…車載バッテリ、４…昇圧回路、５…インダクタ、６…直列回路、７…充電スイッチ、８…ダイオード、９…充電経路、１０…放電スイッチ、１１…ダイオード、１２…放電経路、１３…抵抗、１４…増幅回路、１５…積分回路、１６…比較器、１７…比較器、１８…充電制御回路、１９…放電制御回路、２０…閾値設定回路、２１…メモリ、３０…駆動装置

Claims (5)

1. ピエゾアクチュエータに直列に接続されるインダクタと、
   該インダクタと前記ピエゾアクチュエータとの直列回路に対して、直流電源から充電スイッチを介して電源供給を行うための充電経路と、
   前記直列回路に並列に接続され、放電スイッチを介して前記ピエゾアクチュエータの充電電荷を放電させるための放電経路と、
   前記充電スイッチに対して、カソードが前記直流電源の正極側となるよう並列に接続された第１ダイオードと、
   前記放電スイッチに対して、アノードが前記直流電源の負極側となるよう並列に接続された第２ダイオードと、
   外部から駆動指令が入力されると、前記充電スイッチのオン／オフを繰り返すことにより、前記ピエゾアクチュエータを充電させて伸長させる充電制御手段と、
   前記ピエゾアクチュエータの放電電流を検出する放電電流検出手段を有すると共に、外部から駆動停止指令が入力されると、前記放電スイッチをオンし、その後、前記放電電流がピーク側閾値まで増加したと判定すると前記放電スイッチをオンからオフに切り替え、前記放電電流がボトム側閾値まで減少したと判定すると前記放電スイッチをオフからオンに切り替える、という動作を繰り返すことにより、前記ピエゾアクチュエータを放電させて収縮させる放電制御手段と、
   前記ピーク側閾値を時間に比例して上昇するように設定する閾値設定手段とを備え、
   前記閾値設定手段は、前記充電制御手段により前記ピエゾアクチュエータに充電された充電電荷量を検出する充電電荷検出手段を有すると共に、前記充電制御手段により前記ピエゾアクチュエータに充電された充電エネルギＥ０と、前記放電制御手段が前記ピエゾアクチュエータから放電させるべき放電エネルギΔＥ及び放電時間Ｔと、前記ボトム側閾値との各値が与えられ、その各値と前記充電電荷検出手段で検出した充電電荷量Ｑ０とから、前記ピエゾアクチュエータの放電エネルギ変化率を「ΔＥ／Ｔ」にするための前記ピーク側閾値の時間に対する傾きと切片を決定すると共に、その傾き及び切片と前記ピエゾアクチュエータの放電開始時からの経過時間ｔとから前記ピーク側閾値を設定すること、
   を特徴とするピエゾアクチュエータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置において、
   前記閾値設定手段は、前記充電電荷量Ｑ０が大きいほど、前記傾きと切片を大きい値に決定するようになっていること、
   を特徴とするピエゾアクチュエータ駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置において、
   前記閾値設定手段は、下記の式１により前記ピーク側閾値を設定すること、
   を特徴とするピエゾアクチュエータ駆動装置。
   但し、式１において、Ｉｐ（ｔ）は、充電方向を正とした場合のピーク側閾値であり、Ｉｂは、充電方向を正とした場合のボトム側閾値である。
4. 請求項１又は請求項２に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置において、
   前記閾値設定手段は、下記の式２により前記ピーク側閾値を設定すること、
   を特徴とするピエゾアクチュエータ駆動装置。
   但し、式２において、Ｉｐ（ｔ）は、充電方向を正とした場合のピーク側閾値であり、Ｉｂは、充電方向を正とした場合のボトム側閾値である。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置において、
   前記充電電荷検出手段は、前記充電制御手段が前記ピエゾアクチュエータを充電する際に、前記ピエゾアクチュエータに供給される充電電流を検出すると共に、その充電電流を積分することにより、前記充電電荷量Ｑ０を検出すること、
   を特徴とするピエゾアクチュエータ駆動装置。