JPH02103970A - 圧電素子の駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガソリン機関、ディーゼル機関の燃料噴射弁
等のアクチュエータとして用いられる圧電素子の駆動回
路に関する。

〔従来の技術〕

高い応答性を有する圧電素子はガソリン機関、ディーゼ
ル機関の燃料噴射弁のアクチュエータとして広く適用可
能である（参照二特開昭６０−２４９８７７号公報、時
間開６０−１７３３８号公報）。たとえば、バッテリの
直流電圧を昇圧トランスよりなる高電圧発生回路によっ
て高電圧を発生し、これを−旦コンデンサに蓄積し、こ
の状態で、充電スイッチング手段をオンにすることによ
りコンデンサに蓄積された電荷を圧電素子に充電し、こ
れにより、圧電素子を伸張させて燃料噴射弁を閉弁する
。しかる後に、圧電素子に充電された電荷を放電スイッ
チング手段をオンにすることにより放電し、これにより
、圧電素子を縮小させて燃料噴射弁を開弁する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、圧電素子の変位量は大きな温度係数を有
するために、圧電素子への供給エネルギーすなわち供給
電荷量を一定とすると、高温時には変位量が減少しくあ
るいは、その逆特性を有する場合には、低温時に変位量
が減少し）、必要な変位量が得られないという課題があ
る。

上記課題を解決するための手段として、高電圧発生回路
を構成する昇圧トランスの蓄積エネルギーを可変とし、
これにより、発生電圧を可変とすることが提案され（参
照：特開昭６２−２１０２４１号公報）、また、温度補
償を行う感温素子を組込んだ高電圧発生回路が提案され
ている（特開昭６３４３５７８号公報）が、この場合に
は、電圧が変化するために使用される素子（特に、高電
圧発生回路の素子）の耐圧を考慮しなければならないと
いう欠点がある。また、圧電素子自体を温度変化がなく
なるように正特性、負特性の圧電単体を積層したものも
提案されているが（参照：特開昭６０１８７７号）、こ
の場合には、製造コストが高くなるという欠点がある。

従って、本発明の目的は、各素子の耐圧を変化させるこ
となく、また、製造コストを上げることなく、低温時に
も高温時にも変位量が一定である圧電素子の駆動回路を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の課題を解決するための手段は第１図に示される。

すなわち、高電圧発生回路３の出力を用いて圧電素子５
を駆動するための駆動回路であって、可変容量コンデン
サ４１　、４２は高電圧発生回路の出力を蓄積し、可変
手段４３．Ｓｏは可変容量コンデンサの容量を圧電素子
の温度もしくは環境温度に応じて可変とする。そして、
充電スイッチング手段４４，４５．Ｓ、は可変容量コン
デンサの電荷を圧電素子に充電させ、放電スイッチング
手段４６゜４７、Ｓｓは圧電素子の電荷を放電させるも
のである。

〔作　用〕

上述の手段によれば、可変容量コンデンサに蓄積される
電荷量が可変となるが、高電圧発生回路の電圧は一定で
ある。

Ｃ実施例〕 第２図は本発明に係る圧電素子の駆動回路の一実施例を
示す回路図である。第２図においては、圧電素子５はガ
ソリン機関の燃料噴射弁に適用されているものとする。

１はたとえば１２Ｖのバッテリであって、その電圧はイ
グニッションスイッチ２を介して発振回路３１および昇
圧回路３２により構成される高電圧発生回路３に印加さ
れている。

高電圧発生回路３はバッテリ電圧１２Ｖをたとえば３０
０　Ｖに変換して駆動回路４に印加する。駆動回路４に
は、図示しないＣＰＵ　（あるいは出力インターフェイ
ス）から制御信号Ｓ０、閉弁信号Ｓ１、開弁信号Ｓ２が
供給されており、これにより圧電素子５が駆動される。

第３図は第２図の詳細な回路図である。すなわち、昇圧
回路３２は、昇圧トランス３２１、昇圧トランス３２１
の１次側コイルをオン、オフするトランジスタ３２２、
および昇圧トランス３２３の２次側コイルの正の発生電
圧をコンデンサ４１　（および４２）に供給するダイオ
ード３２３より構成されている。

コンデンサ４１　、４２は、ＣＰＵからの制御信号Ｓ０
により制御されるスイッチ４３　（たとえばリレー回路
もしくはトランジスタ）によって並列接続される。たと
えば、ＣＰＵは図示しない温度センサにより圧電素子５
の温度もしくは圧電素子温度を代表する冷却水温、燃料
温度、圧電素子を冷却する冷媒の温度等の環境温度を監
視しており、該温度が所定値より高い場合には、スイッ
チ４３をオンにしてコンデンサ４１にコンデンサ４２を
並列接続し、他方、該温度が所定値より低い場合には、
スイッチ４３をオフにしてコンデンサ４１を単独として
作用させる。つまり、圧電素子５もしくは環境温度に応
じてコンデンサ手段（４１、４２）の容量は、Ｃ５もし
くはＣＩ　＋−０２とされる。なお、圧電素子５の温度
特性が逆であれば、すなわち、低温時に変位量が小とな
る場合には、スイッチ４３のオン、オフは逆に動作する
。また、コンデンサ手段としては、コンデンサの数を３
以上にもなし得、また、連続的に容量を変化させること
ができるバリコンでもよい。

また、充電スイッチング手段として、サイリスタ４４お
よびコイル４５が設けられ、放電スイッチング手段とし
て、サイリスタ４６およびコイル４７が設けられている
。サイリスタ４４はＣＰＵからの閉弁信号（パルス）Ｓ
ｌによってオンとされ、サイリスタ４６はＣＰＵからの
開弁信号（パルス）Ｓｚによってオンとされる。なお、
コイル４５はＬＣ共振のために設けられており、したが
って、サイリスタ４４がオンとされたときにコンデンサ
４１　（および４２）の電圧降圧を増大させる作用、逆
に、圧電素子５の電圧昇圧を増大させる作用を有し、ま
た、コイル４７もＬＣ共振のために設けられており、し
たがって、サイリスク４６がオンとされたときに圧電素
子５の電圧降圧を増大させる作用を有する。

第３図の回路動作を第４図を参照して説明する。

始めに、低温時について説明する。低温時であればＣＰ
Ｕは、第４図（Ａ）に示すごとく、”０”レベルの制御
信号Ｓ０を発生する。この結果、スイッチ４３はオフ状
態となる。この状態で、発振回路３１のパルス信号によ
ってトランジスタ３２２がオン、オフすると、オン時に
昇圧トランジスタ３２１の１次側コイルに１次電流が流
れてコアに磁束エネルギーが蓄積され、次いで、トラン
ジスタ３２２のオンからオフの際に、この磁束エネルギ
ーがファラディの法則に従って昇圧トランス３２１の２
次コイルに発生電圧■。たとえば３００■として現われ
る。発振回路３１のパルス信号のパルス幅が一定であれ
ばこの発生電圧■。も一定である。

この発生電圧Ｖ０はダイオード３２３を介してコンデン
サ４１に蓄積され、第４図（Ｄ）に示すごとく、ある時
間後に、コンデンサ４１の電圧ＶＩは昇圧トランス３２
１の２次側コイルの発生電圧■。

と等しくなる。このとき、コンデンサ４１に蓄積された
電荷量Ｑは、 Ｑ＝Ｃ，Ｖ。　　　　　　　　（１） となる。この時点もしくはこの後の所定タイミングでＣ
ＰＵは閉弁信号Ｓ、（第４図（Ｂ））を発生する。この
結果、サイリスタ４４がオンとなり、従って、コンデン
サ４１、コイル４５、および圧電素子５が１つの回路を
構成し、コンデンサ４１の電荷は圧電素子５に移送され
、圧電素子５は充電される。この場合、コイル４５の存
在のために、第４図（Ｅ）に示すごとく圧電素子５の端
子電圧Ｖ２は、コンデンサ４１の最終電圧ｖ０より高く
、たとえば６００Ｖになり、サイリスタ４４は確実にタ
ーンオフする。

上述状態で、所定期間後、ｃｐｕが第４図（Ｃ）に示す
開弁信号Ｓ２を発生すると、サイリスク４６がオンとな
り、従って、圧電素子５およびコイル４７が１つの回路
を構成し、圧電素子の電荷は放電される。この場合、コ
イル４７の存在のために、第４図（Ｅ）に示すごとく、
圧電素子の端子電圧■２は、ＯＶより低く、たとえば−
２００Ｖとなり、サイリスク４６は確実にターンオフす
る。

第４図（Ｅ）に示すごとく、圧電素子５の端子電圧ｖ２
が変化すると、第４図（Ｆ）に示すごとく、圧電素子５
の流入電ｍＩは変化し、この結果、第４図（Ｇ）に示す
ごとく、圧電素子５の変位量が変化し、上述のパルス信
号Ｓ、、Ｓ、の間で燃料噴射が行われることになる。

次に、高温時について説明する。高温時であればｃｐｕ
は、第４図（Ａ）に示すごとく、”１”レベルの制御信
号Ｓ０を発生する。この結果、スイッチ４３はオス状態
となり、従って、コンデンサ４２がコンデンサ４１に並
列接続される。この状態で、発振回路３１のパルス信号
によってトランジスタ３２２がオン、オフすると、オン
時に昇圧トラン−Ｘ岬３２１の１次側コイルに１次電流
が流れてコアに磁束エネルギーが蓄積され、次いで、ト
ランジスタ３２２のオンからオフの際に、この磁束エネ
ルギーがファラディの法則に従って昇圧トランス３２１
の２次コイルに発生電圧■。たとえば３００■として現
われ、また、発振回路３１のパル大信号のパルス幅が一
定であればこの発生電圧ｖ０も一定である点は、低温時
の場合と同様である。

しかし、この発生電圧■。はダイオード３２３を介して
コンデンサ４１に蓄積され、第４図（Ｄ）に示すごとく
、ある時間後に、コンデンサ４１の電圧ＶＩは昇圧トラ
ンス３２１の２次側コイルの発生電圧■。と等しくなる
が、コンデンサ４１のみの場合に比較して時間がかかる
。このとき、コンデンサ４１　、４２の全体に蓄積され
た電荷量Ｑは、Ｑ＝　（ＣＩ　　＋Ｃ２）Ｖ。　　　　
（２）となる。この時点もしくはこの後の所定タイミン
グでＣＰＵは閉弁信号Ｓ、（第４図（Ｂ））を発生する
。この結果、サイリスタ４４がオンとなり、従って、コ
ンデンサ４１　、４２、コイル４５、および圧電素子５
が１゛つの回路を構成し、コンデンサ４１゜４２の電荷
は圧電素子５に移送され、圧電素子５は充電される。こ
の場合、コイル４５の存在のために、第４図（Ｅ）に示
すごとく圧電素子５の端子電圧■２は、コンデンサ４１
　、４２の最終電圧Ｖ０より高くなるが、この場合、コ
ンデンサ４１　、４２の全体の電荷量は、（２）弐に示
すごとく、大きいので、より高くたとえば７００■にな
り、サイリスタ４４は確実にターンオフする。　上述状
態で、所定期間後、ｃｐｕが第４図（Ｃ）に示す開弁信
号Ｓ２を発生すると、サイリスク４６がオンとなり、従
って、圧電素子５およびコイル４７が１つの回路を構成
し、圧電素子の電荷は放電される。この場合、コイル４
７の存在のために、第４図（Ｅ）に示すごとく、圧電素
子の端子電圧Ｖ２は、ＯＶより低く、たとえば−２００
■となり、サイリスタ４６は確実にターンオフする。

第４図（Ｅ）に示すごとく、圧電素子５の端子電圧■２
が低温時に比較して大きく変化すると、第４図（Ｆ）に
示すごとく、圧電素子５の流入電流■も大きく変化し、
この結果、第４図（Ｇ）に示すごとく、圧電素子５の変
位量は低温時と同程度に変化することになる。なお、第
４図の点線はコンデンサ４１のみの場合を示す。

また、上述の信号Ｓ、、Ｓ２の出力タンミングは適用す
る弁が常閉型か常開型かによって、あるいは圧電素子の
伸長時に閉弁するタイプか収縮時に開弁するタイプかに
よって、適宜変更すればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、低温時も高温時も
圧電素子の変位量が同程度であり、しかも、はとんどの
素子の耐圧を上げることもなく、また、製造コストの上
昇も少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示す図、 第２図は本発明に係る圧電素子の駆動回路の一実施例を
示す回路図、 第３図は第２図の詳細な回路図、 第４図は第３図の回路動作を示すタイミング図である。 ｌ・・・バッテリ、 ２・・・イグニソシッンスイッチ、 ３・・・高電圧発生回路、 ４・・・駆動回路、 ５・・・圧電素子、 ４１　、４２・・・コンデンサ、 ４３・・・スイッチ、 ４４　、４６・・・サイリスタ、 ４５　、４６・・・コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．高電圧発生回路（３）の出力を用いて圧電素子（５
   ）を駆動するための駆動回路であって、前記高電圧発生
   回路の出力を蓄積する可変容量コンデンサ（４１，４２
   ）と、 該可変容量コンデンサの容量を前記圧電素子の温度もし
   くは環境温度に応じて可変とする可変手段（４３，Ｓ＿
   ０）と、 前記可変容量コンデンサの電荷を前記圧電素子に充電さ
   せるための充電スイッチング手段（４４，４５，Ｓ＿１
   ）と、 前記圧電素子の電荷を放電させるめの放電スイッチング
   手段（４６，４７，Ｓ＿２）と を具備する圧電素子の駆動回路。