JP2002159190A - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピエゾスタックへの供給エネルギーを高精度
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

【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。

【０００３】ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾア
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。

【０００４】図５に示すように、充電電流はかかる漸増
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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スイッチン
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。

【０００６】その上、この誤差は、環境の変化等でピエ
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。

【０００７】また、かかる誤差は目標充電量に対して＋
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。

【０００８】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
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。

【０００９】

【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。

【００１０】充電量が目標値に達して充電用のスイッチ
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。

【００１１】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
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。

【００１２】ピエゾスタックが第２の通電経路から切断
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。

【００１３】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。

【００１４】複数のピエゾアクチェータを共通の通電経
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。

【００１５】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に本発明を
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。

【００１６】直流電源１１のバッファコンデンサ１１３
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。

【００１７】また、インダクタ１３は、バッファコンデ
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。

【００１８】通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック
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。

【００１９】ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは４つの気筒と
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。

【００２０】また、インダクタ１３の出力端１３ａとバ
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。

【００２１】スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１
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。

【００２２】図２は充電制御時の各部の作動を示すもの
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）。

【００２３】そして、ピエゾスタック２Ａの充電が進行
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。

【００２４】この時、インダクタ１３には電流Ｉに応じ
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。

【００２５】そして、第３の通電経路１２ｃのダイオー
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。

【００２６】このように、ダイオード１７を設けるとと
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。

【００２７】しかも、ピエゾスタック２Ａを第２の通電
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。

【００２８】放電制御は従来装置と同様に、第２のスイ
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。

【００２９】なお、本実施形態の特徴は、６気筒エンジ
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。

【００３０】（第２実施形態）図３に本発明の第２実施
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。

【００３１】ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａは、駆
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。

【００３２】制御回路１８Ａは、基本的な構成が第１実
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。

【００３３】なお、上記実施形態では、スイッチング素
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。

【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の作動を示
すタイミングチャートである。

【図３】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４】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例
の概略回路図である。

【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示
すタイミングチャートである。

【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 バッテリ １１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ １１３ バッファコンデンサ（コンデンサ） １２ａ，１２ｂ，１２ｃ 通電経路 １３ インダクタ １４ 第１のスイッチング素子（充電用のスイッチング
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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森次 通泰 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 榊原 康行 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 成瀬 英生 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
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。