JP2002159190A - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents
ピエゾアクチュエータ駆動回路Info
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Abstract
で制御する事である。 【解決手段】 バッファコンデンサ113からピエゾス
タック2Aへの充電経路にオンオフを繰り返すスイッチ
ング素子14を設けた複数スイッチング方式の回路にお
いて、インダクタ13の出力端とバッファコンデンサ1
13の正極を接続するダイオード17をバッファコンデ
ンサ113の両端間電圧に対して逆バイアスとなるよう
に設け、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると、ス
イッチング素子14をオフに固定するととともにスイッ
チング素子16Aをオフしてインダクタ13に蓄積され
たエネルギーによるフライホイール電流をピエゾスタッ
ク2Aではなくダイオード17を介してバッファコンデ
ンサ113に回収し、スイッチング素子14のオフ固定
後にピエゾスタック電圧が上昇しないようにする。
Description
タ駆動回路に関する。
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。
クチュエータ駆動回路は、図4に示すように、ピエゾス
タックへの給電用のコンデンサ81を備え、コンデンサ
81からインダクタ83を介してピエゾスタック9に通
電する第1の通電経路82aと、前記インダクタ83と
ダイオード85とピエゾスタック9とで閉回路を形成す
る第2の通電経路82bとを有している。第1の通電経
路82a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84のオン期間に漸増する充電電流
が流れ、第2の通電経路82bには、前記スイッチング
素子84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84のオンか
らオフへの切り替えは、例えば、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。
と漸減とを繰り返してピエゾスタック9の充電量が増加
していき、ピエゾスタック9の両端間電圧(ピエゾスタ
ック電圧)が段階的に上昇していく(特開平10−30
8542号公報等)。これは複数スイッチング方式とし
て知られている。そして、ピエゾスタック電圧が所定の
目標値に達するとスイッチング素子84をオフに固定し
充電を終了する。
グ素子84をオフに固定した時にインダクタ83に電流
(充電電流)が流れていると、この電流に応じたエネル
ギーがインダクタ83には蓄積されているから、その
分、フライホイール作用で電流が流れて充電され、ピエ
ゾスタック電圧は上昇する。この、スイッチング素子8
4をオフに固定した後の充電量は、目標充電量に対する
誤差となる。
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
することでばらつく。例えば、ピエゾスタック9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9に蓄電された電荷量をQ、ピエゾ
スタック静電容量をC、ピエゾスタック電圧をVとして
V=Q/Cであるから、ピエゾスタック静電容量の増大
でピエゾスタック電圧の上昇は緩やかになる。この結
果、ピエゾスタック電圧が目標値に達した時、すなわち
スイッチング素子84をオフに固定した時の充電電流の
大きさが温度によって変動することになる。
側に現れるから、無駄なエネルギーが供給されることと
なり、実質的なエネルギー効率の低下となる。
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
抑制して、供給エネルギーに無駄のないピエゾアクチュ
エータ駆動回路を提供することを目的とする。
は、ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタック
に供給する電荷を蓄電するコンデンサを具備し、かつ、
該コンデンサからインダクタを介してピエゾスタックに
通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、前記
コンデンサと前記通電経路の間に介設される充電用のス
イッチング素子のオン期間に充電電流を流し、前記コン
デンサおよび前記スイッチング素子をバイパスしてイン
ダクタからピエゾスタックに通電する第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前記ピエゾスタックへの充電
可能な充電電流を流し、かつ、前記スイッチング素子を
制御しピエゾスタックが目標充電量に達するとスイッチ
ング素子をオフに固定する制御手段を具備するピエゾア
クチュエータ駆動回路において、前記ピエゾスタックと
前記第2の通電経路の間に介設されて、前記スイッチン
グ素子がオフに固定されるのと同じタイミングで前記制
御手段によりオフされてピエゾスタックを第2の通電経
路から切断する通電経路切断用のスイッチング素子と、
インダクタからピエゾスタックに到る途中で第2の通電
経路から分岐し、前記通電経路切断用のスイッチング素
子がオフすると実質的にインダクタと前記コンデンサと
を接続して前記フライホイール作用でインダクタから前
記コンデンサに還流電流を流す第3の通電経路とを具備
する構成とする。
ング素子がオフに固定されると、第2の通電経路が開
き、その時、インダクタに蓄積されているエネルギーに
よりピエゾスタックが充電されることが禁止される。そ
して、前記エネルギーは第3の通電経路によりコンデン
サに戻される。これにより、充電量を正確に目標値とす
ることができる。しかも、充電量が目標値に達した時点
でインダクタに流れている電流に応じたエネルギーはコ
ンデンサに戻されるのでエネルギー効率がよい。
の構成において、前記第3の通電経路は、前記インダク
タと前記コンデンサ間に、バッファコンデンサの両端間
電圧に対して逆バイアスとなるようにダイオードを設け
てなる構成とする。
されると、インダクタに蓄積されたエネルギーによりコ
ンデンサの両端間電圧に相当する逆起電力が生じて、ダ
イオードがこの逆起電力に対して順バイアスとなり、自
動的に第3の通電経路によりインダクタとコンデンサと
が接続する。インダクタに蓄積されたエネルギーで流れ
るフライホイール作用で流れる電流の経路がスムーズに
第2の通電経路から第3の通電経路へと切り換わるの
で、サージ電圧の発生等を回避することができる。ま
た、通電経路切断用のスイッチング素子のオンオフだけ
で制御し得るので構成が簡単である。
2の発明の構成において、前記インダクタの出力端に
は、前記ピエゾスタックと、ピエゾアクチュエータ選択
用のスイッチング素子とを直列に接続したものを複数組
並列に接続し、前記制御手段は、前記充電用のスイッチ
ング素子がオフに固定されるのと一緒に前記ピエゾアク
チュエータ選択用のスイッチング素子がオフするように
設定し、前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチン
グ素子を前記通電経路切断用のスイッチング素子と兼用
とする。
路等により駆動するものにおいて、充電すべきピエゾス
タックを選択するスイッチング素子を、通電経路切断用
とするので、新たにスイッチング素子を設ける必要がな
く、構成が簡単である。
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、ピエゾアクチュエータ駆動回路1は、車載バッ
テリ111、バッテリ電圧(+B)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1
13により直流電源11を構成し、ピエゾスタック2
A,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1
121に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子1
122のオフ時に、逆起電力を発生するインダクタ11
21からダイオード1123を介してバッファ用のコン
デンサ(以下、バッファコンデンサ)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。
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MOS
FET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。
ンサ113および第1のスイッチング素子14をバイパ
スしてピエゾスタック2A〜2Dに到る第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。
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
に充電用のスイッチング素子である第3のスイッチング
素子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2
A〜2Dに対応する16A〜16Dがオンされる。第3
のスイッチング素子16A〜16DはMOSFETが用
いられている。その寄生ダイオード161A,161
B,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。
1対1に対応しており、各気筒に設けられたインジェク
タの燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタの
それぞれに搭載される。
ッファコンデンサ113の正極113aとを接続する第
3の通電経路12cが設けてあり、その途中には、ダイ
オード17が、そのカソードがバッファコンデンサ正極
113aと導通するように設けられ、バッファコンデン
サ113の両端端電圧に対して逆バイアスとしてある。
6D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、前記のごとく第3のスイッチング素子
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、制御回路18に入力する図示しないピエゾスタック
電流およびピエゾスタック電圧の検出信号に基づいて行
われる。また、充電時期および放電時期は制御回路18
に入力する噴射信号に基づいて設定される。噴射信号は
「H」と「L」からなる二値信号で、その立ち上がりで
充電が行われて燃料が噴射され、立ち下がりで放電が行
われて噴射が停止する。噴射信号の出力時期および長さ
はクランク角度等の検出信号に基づいて設定される。
で、従来装置と同様に、充電しようとするピエゾアクチ
ュエータのピエゾスタック2A〜2Dに対応する第3の
スイッチング素子16A〜16Dをオンし(以下、ピエ
ゾスタック2Aに対応する第3のスイッチング素子16
Aとして説明する)、第1のスイッチング素子14のオ
ンオフ作動を開始する。これにより、インダクタ13に
は三角波状の電流が流れる。インダクタ13に流れる三
角波状の電流Iは、後述するようにピエゾスタック電圧
Vp が目標電圧に達するまでは従来装置と同様にピエゾ
スタック2Aの充電電流Ip と等しい。ここで、目標電
圧はバッファコンデンサ113の両端間電圧よりも低
く、また、第2の通電経路12bが閉じていればスイッ
チング素子14のオフ期間におけるインダクタ13の逆
起電力は略ピエゾスタック電圧Vpであるから、第3の
通電経路12cには電流は流れない(ダイオード還流電
流Id =0)。
し、ピエゾスタック電圧Vp が目標電圧に達すると、第
1のスイッチング素子14をオフに固定するとともに、
第3のスイッチング素子16Aをオフにする。
たエネルギーが蓄積されている。これはピエゾスタック
電圧Vp が目標電圧に達するまでの第1のスイッチング
素子14のオフ期間のごとくフライホイール電流を流そ
うとするが、第1のスイッチング素子14がオフに固定
されるのと一緒に第3のスイッチング素子16Aがオフ
するので、ピエゾスタック2Aは第2の通電経路12b
から切断されており、従来装置のようにピエゾスタック
2Aにはフライホイール電流は流れ込まない。したがっ
て、ピエゾスタック電圧Vp は目標電圧に達した後、目
標電圧のまま一定であり、ピエゾスタック2Aが過剰な
押圧力を出力することが防止できる。
ド17は、インダクタ13の出力端13aからバッファ
コンデンサ113の正極113aに向かう方向が順方向
となっているので、この最後のオフ期間におけるフライ
ホイール電流はダイオード還流電流Id として第3の通
電経路12cを通りバッファコンデンサ113に流れ込
む。すなわち、従来、充電量の誤差分となっていた電荷
がバッファコンデンサ113に回収されることになり、
これは次回以降のピエゾスタック2A〜2Dの充電に供
される。したがって、エネルギー効率が向上する。
もに、スイッチング素子14をオフに固定するのと一緒
に、ピエゾスタック2Aを第2の通電経路12bから切
断することで、ピエゾスタック2Aの充電精度が向上す
るとともにエネルギー効率をも向上する。他のピエゾス
タック2B〜2Dも同様である。
経路12bから切断するのは、選択スイッチング素子1
6A〜16Dをオフすることで行うようにしたから、新
たにスイッチング素子を設ける必要がなく、構成簡単で
ある。
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。
ン等、ピエゾスタックの数が複数で、充電すべきピエゾ
スタックを選択する構成のものであれば、選択スイッチ
ング素子を、第2の通電経路12bを開くために用いる
ことができるのは勿論である。
形態になる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実施形態において単一のピエゾアク
チュエータを駆動する構成のもので、ピエゾアクチュエ
ータのピエゾスタックが1つのみ接続されている。図
中、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には第
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。
動対象であるピエゾアクチュエータのピエゾスタック2
を第2の通電経路12bから切断する専用のスイッチン
グ素子19がピエゾスタック2と直列に接続されてお
り、その寄生ダイオード191はバッファコンデンサ1
13の両端間電圧に対して逆バイアスとなっており、ピ
エゾスタック2の放電時に放電電流が流れる。
施形態と同じで、制御信号に対してピエゾスタック2を
充電するとともに所定時間の後、放電する。そして、充
電制御時には、第1のスイッチング素子14のオンオフ
開始までに、スイッチング素子19をオンしておき、ピ
エゾスタック電圧Vp が目標電圧に達すると、第1のス
イッチング素子14をオフに固定するのと一緒に、スイ
ッチング素子19をオフする。これにより、第1実施形
態と同様に、ピエゾスタック電圧Vp が正確に目標電圧
に調整されるとともに、ピエゾスタック電圧Vp が目標
電圧に達した時点でインダクタ13に蓄積されていたエ
ネルギーはバッファコンデンサ113に回収される。
子14をオンオフ駆動させ、ピエゾスタック2A〜2D
のいずれかを充電制御する方式(複数スイッチング方
式)にて説明したが、インダクタ13とピエゾスタック
2A〜2DのどれかとのLC共振回路によって充電制御
を行ういわゆるLC共振方式を採用したピエゾアクチュ
エータ駆動回路に本発明を適用してもよい。
駆動回路の回路図である。
すタイミングチャートである。
駆動回路の回路図である。
の概略回路図である。
すタイミングチャートである。
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,19 第3のスイッ
チング素子(通電経路切断用のスイッチング素子) 161A,161B,161C,161D,191 寄
生ダイオード 17 ダイオード 18,18A 制御回路(制御手段) 2A,2B,2C,2D,2 ピエゾスタック
Claims (3)
- 【請求項1】 ピエゾアクチュエータに設けられたピエ
ゾスタックに供給する電荷を蓄電するコンデンサを具備
し、 かつ、該コンデンサからインダクタを介してピエゾスタ
ックに通電する第1の通電経路を有し、該通電経路に
は、前記コンデンサと前記通電経路の間に介設される充
電用のスイッチング素子のオン期間に充電電流を流し、 前記コンデンサおよび前記スイッチング素子をバイパス
してインダクタからピエゾスタックに通電する第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前記ピエゾスタック
への充電可能な充電電流を流し、 かつ、前記スイッチング素子を制御しピエゾスタックが
目標充電量に達するとスイッチング素子をオフに固定す
る制御手段を具備するピエゾアクチュエータ駆動回路に
おいて、 前記ピエゾスタックと前記第2の通電経路の間に介設さ
れて、前記スイッチング素子がオフに固定されるのと同
じタイミングで前記制御手段によりオフされてピエゾス
タックを第2の通電経路から切断する通電経路切断用の
スイッチング素子と、 インダクタからピエゾスタックに到る途中で第2の通電
経路から分岐し、前記通電経路切断用のスイッチング素
子がオフすると実質的にインダクタと前記コンデンサと
を接続して前記フライホイール作用でインダクタから前
記コンデンサに還流電流を流す第3の通電経路とを具備
することを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。 - 【請求項2】 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、前記第3の通電経路は、前記インダク
タと前記コンデンサ間に、バッファコンデンサの両端間
電圧に対して逆バイアスとなるようにダイオードを設け
てなるピエゾアクチュエータ駆動回路。 - 【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、前記インダクタの出
力端には、前記ピエゾスタックと、ピエゾアクチュエー
タ選択用のスイッチング素子とを直列に接続したものを
複数組並列に接続し、 前記制御手段は、前記充電用のスイッチング素子がオフ
に固定されるのと一緒に前記ピエゾアクチュエータ選択
用のスイッチング素子がオフするように設定し、 前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を
前記通電経路切断用のスイッチング素子と兼用としたピ
エゾアクチュエータ駆動回路。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000352183A JP4318849B2 (ja) | 2000-11-20 | 2000-11-20 | ピエゾアクチュエータ駆動回路 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2007037293A1 (ja) * | 2005-09-29 | 2007-04-05 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | 電気機械変換素子の駆動回路及びそれを備えた網膜走査表示装置 |
KR100705004B1 (ko) | 2005-07-11 | 2007-04-09 | 삼성전기주식회사 | 피에조 액추에이터 구동 회로 |
JP2010274175A (ja) * | 2009-05-27 | 2010-12-09 | Denso Corp | 電子制御装置 |
-
2000
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US7690788B2 (en) | 2005-09-29 | 2010-04-06 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Driving circuit of electromechanical transducer device and retina scanning display device having the same |
JP2010274175A (ja) * | 2009-05-27 | 2010-12-09 | Denso Corp | 電子制御装置 |
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