JP4414081B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents
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Description
【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の駆動用のピエゾアクチュエータ駆動回路は、例えば、ピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電するピエゾスタックへの第1の通電経路と、前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第2の通電経路とを有しており、第1の通電経路には、その途中に設けられたオンオフを繰り返すスッチング素子のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第2の通電経路には、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漸減する充電電流が流れる。また、スイッチング素子のオンからオフへの切り替えは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。図12に示すように、かかる充電電流が漸増と漸減とを繰り返してピエゾスタックの充電量が増加していき、ピエゾスタックの両端間電圧が段階的に上昇していく。これは複数スイッチング方式として知られており、充電量が所定の目標値に達するとスイッチング素子をオフに固定し充電を終了する(特許第2684650号等)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、充電の終了は、例えば、ピエゾスタックの両端間電圧を検出してこれが目標電圧に達したか否かで判断し、スイッチング素子をオフに固定する。
【0005】
しかしながら、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し、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達したタイミングと、最後のオフ期間が終了したタイミングとが一致しない場合が生じる。
【0006】
例えば、ピエゾスタック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。ピエゾスタック静電容量の増大でピエゾスタック両端間電圧の上昇は緩やかになる。充電電流の平均電流値は一定であるから、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達するのが遅くなる。このため、ピエゾスタック両端間電圧が目標電圧に達してスイッチング素子をオフに固定しても、オフ後にフライホイール電流による充電が行われて、その分が誤差となる。この誤差の最大値は、図13に示すように、充電電流が電流制限値に達した時と、ピエゾスタック両端間電圧が目標値に達した時とが一致する場合である。
【0007】
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することのできる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。
【0008】
【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直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、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のオン期間に0から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第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0まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて、前記スイッチング素子をオフ固定した後に流れる充電電流が所定値以下となるように、前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめる。
【0009】
ピエゾスタックの充電が進行するにしたがい充電電流が減じられる。したがって、ピエゾスタックの充電量が目標充電量に達しスイッチング素子がオフした時にインダクタに保持されているエネルギーは僅かであり、充電量の誤差を抑制することができる。
【0010】
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、前記減流手段を、前記充電進行度が予め設定したしきい値になるまでは前記充電電流のピーク値が一定値となるように設定する。
【0011】
充電電流が減少する前に一定電流値の期間を設けることで、充電電流を減じることによる充電の遅れを最小限に止めることができ、ピエゾアクチュエータの作動において、充電期間を通じて充電電流が一定の装置と遜色のない応答性を得ることができる。
【0012】
請求項3記載の発明では、請求項1と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記充電電流が所定の電流制限値になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限値が小さくなるように設定する。
【0013】
充電電流を直接制御するので、充電電流の挙動が一定している。
【0014】
請求項4記載の発明では、請求項1と同様の構成を有する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記スイッチング素子のオン時間の長さが所定の電流制限時間になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限時間が短くなるように設定する。
【0015】
時間でスイッチング素子のオンオフを切り換えるので簡単であり、耐ノイズ性にすぐれる。
【0016】
請求項5記載の発明では、請求項1ないし4の発明の構成において、前記充電進行度検出手段を、前記ピエゾスタックの両端間電圧とその目標電圧の差に基づいて検出する構成とする。
【0017】
充電量に応じてピエゾスタックの両端間電圧が上昇するから、充電量を容易に把握することができる。
【0018】
【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、燃料噴射システムの全体構成については後述する。ピエゾアクチュエータ駆動回路1は、車載のバッテリ111、バッテリ111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113により直流電源11を構成し、ピエゾスタック2A,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1121に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子1122のオフ時に、逆起電力を発生するインダクタ1121からダイオード1123を介してコンデンサ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。
【0019】
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MOSFET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。
【0020】
また、インダクタ13とピエゾスタック2A〜2Dは第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。
【0021】
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)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2A〜2Dに対応する16A〜16Dがオンされる。選択スイッチング素子16A〜16DはMOSFETが用いられている。その寄生ダイオード161A,161B,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。
【0022】
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4(図3、図4)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】
また、第1の通電経路12aと第2の通電経路12bに共通に、ピエゾスタック2A〜2Dに直列に抵抗値の小さな抵抗器17が設けてあり、その両端間電圧からピエゾスタック2A〜2Dに流出入する電流、すなわち充電電流および放電電流が制御回路18において知られるようになっている。また、制御回路18にはピエゾスタック2A〜2Dの両端間電圧(以下、ピエゾスタック電圧という)が入力しており、ピエゾスタック電圧が知られるようになっている。
【0024】
スイッチング素子14,15,16A〜16D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、前記のごとく選択スイッチング素子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、抵抗器17により検出された充電電流および放電電流、ピエゾスタック電圧に基づいて行われ、また、後述するECUからの噴射信号を指令として行われる。
【0025】
図2に制御回路18の充電制御を司る回路構成を示す。ピエゾスタック電圧の検出信号と目標電圧信号とを入力とする、充電進行度検出手段である差動アンプ181が設けられ、減算結果である両信号差が出力する。ピエゾスタック電圧検出信号はピエゾスタック電圧を抵抗で分割した信号であり、目標電圧信号は目標充電量である目標電圧に比例した電圧信号である。しかして、前記差動アンプ181の出力から目標充電量に対する未充電量、すなわち充電の進行度が知られることになる。
【0026】
差動アンプ181の出力を入力として電流制限値設定部1821が設けてあり、第1のスイッチング素子14のオフタイミングを規定する電流制限値を演算し出力する。この電流制限値と、充電電流の検出信号とを入力としてスイッチング制御部1822が設けてあり、第1のスイッチング素子14のゲートに制御信号を出力する。電流制限値設定部1821とスイッチング制御部1822とで減流手段182を構成する。これらは論理演算回路等で構成し得る。
【0027】
図3にピエゾスタック2A〜2D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システムの構成を示し、図4に前記インジェクタ4の構造を示す。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54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。
【0028】
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。
【0029】
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ECU3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。また、ECU3はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、これに応じた噴射信号をピエゾクチュエータ駆動回路1に出力する。噴射信号は、「H」と「L」からなる二値信号で、立ち上がりで前記のごとく充電制御を行い、立ち下がりで放電制御を行い、インジェクタ4から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【0030】
図4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。
【0031】
ノズル部4aの本体404内にニードル421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421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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
前記背圧室406はアウトオリフィス409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411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。
【0035】
弁室410の底面4102には高圧通路401から分岐する高圧制御通路408が開口している。
【0036】
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)4102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410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の背圧が上昇してノズルニードル421が着座する。
【0037】
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2Aが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【0038】
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2Aと当接状態を維持しており、ピエゾスタック2A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。
【0039】
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2Aの伸長で大径ピストン425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424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2A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。
【0040】
変位拡大室413は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路402と通じている。チェック弁は低圧通路402から変位拡大室413に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック2Aの伸長により大径ピストン425が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室413に閉じ込めるようになっている。
【0041】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック2Aが充電されてピエゾスタック2A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4101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421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。
【0042】
噴射停止は反対にピエゾスタック2Aの放電によりピエゾスタック2A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410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。
【0043】
図5はピエゾスタック2A〜2Dの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電制御における電流制限値設定部1821、スイッチング制御部1822の設定内容とともに本ピエゾアクチュエータ駆動回路1の作動について説明する。スイッチング制御部1822はピエゾスタック2A〜2Dの充電電流に基づいて第1のスイッチング素子14のオンとオフとを次のように切り換える。すなわち、第1のスイッチング素子14をオンすると第1の通電経路12aに充電電流が流れ、ピエゾスタック2A〜2Dが充電される。この充電電流はインダクタ13の誘導作用で0から漸増する電流である。スイッチング制御部1822は、検出された充電電流が前記電流制限値に達すると、第1のスイッチング素子14をオフする。
【0044】
このオフ時において、インダクタ13には充電電流(=電流制限値)に応じたエネルギーが蓄積されているから、これによりインダクタ13に誘導起電力が発生する。この誘導起電力に対して第2の寄生ダイオード151は順バイアスであるから、スイッチング素子14のオン期間に続いて、前記エネルギーを消費しながら、第2の通電経路12bに漸減する充電電流が流れる。スイッチング制御部1822は、検出された電流が0になると、再び、スイッチング素子14をオンする。第1のスイッチング素子14の1回のオンオフで三角状の充電電流が流れる。
【0045】
これを繰り返してピエゾスタック2A〜2Dの充電が進行し、ピエゾスタック電圧が上昇していく。その間、差動アンプ181から出力される目標電圧とピエゾスタック電圧の差分出力は低下していく。
【0046】
一方、充電期間中の前記電流制限値は次のように設定されている。電流制限値設定部1821は、入力する前記差分出力が小さいほど前記電流制限値を小さく設定する。詳しくは、電流制限値は、ピエゾスタック電圧が目標電圧の略70%に達するまで、すなわち、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である、目標電圧の略30%に達するまでは、一定値をとるようにし、それから以後に漸減するように設定されている。電流制限値の設定は、前記差動アンプ181の差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに1対1に電流制限値が対応するようにしてもよい。この場合、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が目標電圧の略30%に達すると、相対的に大きな第1の電流から相対的に小さな第2の電流に二値切り替えするようにして制御負担を減じるのもよい。
【0047】
これにより、ピエゾスタック2A〜2Dの充電が進み、ピエゾスタック電圧が目標電圧近くになるまでは、充電電流のピーク値(ピーク電流)は一定で推移する。そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧まであと少しになると、電流制限値が漸減することで、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧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。
【0048】
この、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した時点で充電電流が0でなければ、その時点で充電電流に応じたエネルギーがインダクタ13に保持されているので、第1のスイッチング素子14のオフ後に第2の通電経路12bにフライホイール電流が流れる。このオフ後の充電電流で、ピエゾスタック電圧が目標電圧を越え電圧誤差を生ずる。ここで、前記オフ後の充電電流は、第1のスイッチング素子14のオフのタイミングにもよるが、最大で前記電流制限値である。この電流制限値は、本発明の減流制御により、ピエゾスタック2A〜2Dの大半の充電を終えるまでの電流制限値に比して小さな値しかもっていない。したがって、ピエゾスタック電圧の誤差を小さくすることができる。
【0049】
しかも、ピエゾスタック2A〜2Dの大半の充電を終えるまでの電流制限値を、従来の装置と同様にピエゾアクチュエータ駆動回路1を構成する部品の電流容量が許容するできるだけ大きな値に設定しておけば、ピエゾスタック2A〜2Dの充電が従来と同程度の速度で進行するから、インジェクタ4のボール423は、前記噴射信号に対して大きく遅延することなくリフトする。したがって、ピエゾスタック電圧を高精度に目標電圧とし得るとともに、インジェクタ4が燃料噴射時に高い応答性を発揮することができる。
【0050】
なお、電流制限値が一定値で推移するピエゾスタック電圧の範囲は、必ずしも目標電圧に対して略70%である必要はなく、それ以下でもよいし、それ以上でもよい。また、電流制限値は必ずしも最初一定値である必要はなく、最初から漸減するように設定してもよい。
【0051】
次に放電制御について説明する。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。
【0052】
なお、制御回路18は、マイクロコンピュータにより構成してもよい。
【0053】
また、電流制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差に応じて常時、更新している必要はなく、充電電流がピーク値をとったときの目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよいし、また、第1のスイッチング素子14がオフからオンに切り換わった時点の目標電圧とピエゾスタック電圧の差に基づいて次のオンオフ期間のピーク値を規定する電流制限値を設定してもよい。
【0054】
(第2実施形態)
図6、図7に本発明の第2実施形態になる燃料噴射装置の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実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第1実施形態と同じ番号を付した部分は第1実施形態と同じ作動をするので第1実施形態との相違点を中心に説明する。
【0055】
ピエゾアクチュエータ駆動回路1Aの制御回路18Aは、基本的な構成が第1実施形態と同じで、差動アンプ181の差分出力を入力とする通電制限設定部1821Aと、その出力を入力とするスイッチング制御部1822Aとが減流手段182Aを構成している。
【0056】
図8はピエゾスタック2A〜2Dの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部1821A、スイッチング制御部1822Aの設定内容について説明する。通電制限設定部1821Aは、目標電圧とピエゾスタック電圧の差がしきい値である所定値(例えば目標電圧の30%)に達するまでは第1実施形態と同様に電流制限値を固定しておき、スイッチング制御部1822Aは充電電流が前記電流制限値になると第1のスイッチング素子14をオフし、ピーク電流が一定でピエゾスタック2A〜2Dの充電が推移するようになっている。
【0057】
そして、前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が前記所定値を越えると、ピーク電流の減流制御を行う。通電制限設定部1821Aは以後、電流制限値に代えて時間制限値を出力し、スイッチング制御部1822Aは、以後の第1のスイッチング素子14のオンとオフの切り替えを次のように行う。第1のスイッチング素子14のオン期間は、その長さで設定され、オン時間が前記時間制限値になると第1のスイッチング素子14をオフする。そして、オフ期間において、検出された充電電流が0になると再び第1のスイッチング素子14をオンして再びオン期間に入る。
【0058】
通電制限設定部1821Aは、前記時間制限値を前記目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定する。時間制限値の設定も、前記差分出力を入力とする連続関数に従うように設定してもよいし、目標電圧とピエゾスタック電圧の差を複数のレンジに分け、各レンジに1対1に時間制限値を対応することもできる。
【0059】
この、前記時間制限値による充電電流制御に入ると、スイッチング素子14のオン期間が短くなるとともに、オン期間においてインダクタ13に印加される電圧がピエゾスタック電圧の上昇により低下して充電電流の勾配が低下するので、ピエゾスタック電圧が目標電圧に近づくほど充電電流のピーク値が低下していく。そして、ピエゾスタック電圧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。
【0060】
このように、ピエゾスタック2A〜2Dの充電の大半を終えると、ピーク電流が漸減し、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達した後でフライホイール電流が流れても、それに基因して生じるピエゾスタック電圧の誤差を抑制するとともに、ピエゾアクチュエータ4cの応答性が十分である。
【0061】
(第3実施形態)
図9、図10に本発明の第3実施形態になる燃料噴射装置の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2実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第2実施形態と同じ番号を付した部分は第2実施形態と同じ作動をするので第2実施形態との相違点を中心に説明する。
【0062】
ピエゾアクチュエータ駆動回路1Bの制御回路18Bは、差動アンプ181の差分出力を入力とする通電制限設定部1821Bと、その出力を入力とするスイッチング制御部1822Bとが減流手段182Bを構成している。
【0063】
図11はピエゾスタック2A〜2Dの充電電流およびピエゾスタック電圧の様子を示すもので、これにより、充電電流制御における通電制限設定部1821B、スイッチング制御部1822Bの設定内容について説明する。通電制限設定部1821Bは差動アンプ181の差分出力を入力として時間制限値のみを演算し出力する。時間制限値は、目標電圧とピエゾスタック電圧の差が小さいほど短く設定され、スイッチング制御部1822Bはスイッチング素子14のオン期間が時間制限値となるようにスイッチング素子14をオフし、充電電流が0になるとオンする。かかる構成でも、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達する時の充電電流値の最大値を規定するピーク電流の大きさが小さくなり、ピエゾスタック電圧の電圧誤差を抑制することができる。
【0064】
なお、前記各実施形態において充電の進行度はピエゾスタック電圧と目標電圧の差で表しているが、ピエゾスタックに投入された電力量とその目標電力量の差により表してもよい。
【0065】
なお、本発明は、インジェクタの燃料噴射制御用のピエゾアクチュエータだけではなく、他の用途に用いられるピエゾアクチュエータの駆動用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の要部回路図である。
【図3】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4】前記インジェクタの断面図である。
【図5】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図6】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7】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図8】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図9】本発明を適用した第3のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図10】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図11】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のピエゾスタック電圧および充電電流の経時変化を示す図である。
【図12】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第1の図である。
【図13】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の作動を示す第2の図である。
【符号の説明】
1A,1B 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 コンデンサ
12a,12b 通電経路
13 インダクタ
14 第1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 選択スイッチング素子
161A,161B,161C,161D 寄生ダイオード
17 抵抗器
2A,2B,2C,2D ピエゾスタック
3 ECU
18,18A,18B 制御回路(制御手段)
181 差動アンプ(充電進行度検出手段)
182,182A,182B 減流手段
1821,1821A,1821B 通電制限設定部
1822,1822A,1822B スイッチング制御部
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
54 コモンレール
Claims (5)
- ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、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のオン期間に0から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第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0まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて、前記スイッチング素子をオフ固定した後に流れる充電電流が所定値以下となるように、前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめた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1記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記減流手段を、前記充電進行度が予め設定したしきい値になるまでは前記充電電流のピーク値が一定値となるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
- ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、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のオン期間に0から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第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0まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記充電電流が所定の電流制限値になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限値が小さくなるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。 - ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、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のオン期間に0から漸増する充電電流を流し、
前記インダクタと前記ピエゾスタックとダイオードとが直列に接続された第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0まで漸減する充電電流を流し、
前記スイッチング素子のオンオフを制御し前記ピエゾスタックが目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段には、
前記ピエゾスタックが目標充電量に達するまでの間において、前記ピエゾスタックの目標充電量に対する実際の充電量の割合を示す充電進行度を検出する充電進行度検出手段と、
検出された充電進行度の上昇に応じて前記スイッチング素子の1回のオンオフ期間における充電電流のピーク値を減じる減流手段とを具備せしめ、
前記減流手段を、前記スイッチング素子のオン時間の長さが所定の電流制限時間になると前記スイッチング素子をオフし、少なくとも前記充電進行度が予め設定したしきい値となった時点以降は、前記充電進行度が上がるほど前記電流制限時間が短くなるように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。 - 請求項1ないし4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、前記充電進行度検出手段を、前記ピエゾスタックの両端間電圧とその目標電圧の差に基づいて検出する構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
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