JPH05344755A - 圧電素子駆動回路 - Google Patents

圧電素子駆動回路

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JPH05344755A
JPH05344755A JP4144107A JP14410792A JPH05344755A JP H05344755 A JPH05344755 A JP H05344755A JP 4144107 A JP4144107 A JP 4144107A JP 14410792 A JP14410792 A JP 14410792A JP H05344755 A JPH05344755 A JP H05344755A
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JP
Japan
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piezoelectric element
amount
pzt
voltage
charge
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JP4144107A
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Masaki Mitsuyasu
正記 光安
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、内燃機関燃料噴射装置の噴射弁駆
動機構等に使用される圧電素子駆動回路に関し、圧電素
子の温度変化によりその静電容量が変化しても、所望の
伸縮量を得ることを目的とする。 【構成】 圧電素子に充電される電荷量を検出し、この
電荷量が目標値に一致するように充電時の正電圧を制御
する第1制御手段10,11と、圧電素子の静電容量を
検出し、この静電容量が大きい程放電時の負電圧を高め
るように制御する第2制御手段12,13とを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関燃料噴射装置
の噴射弁駆動機構等に使用される圧電素子の駆動回路に
関する。
【0002】
【従来の技術】PZT等の圧電素子は、二種類の電圧を
交互に印加することで瞬間的に充電及び放電を行い、そ
れと同時に伸縮するものであり、この特性を利用して応
答性の優れたアクチュエータとして一般的に使用されて
いる。
【0003】内燃機関の燃料噴射装置は、刻々変化する
機関運転状態に対して最適な量の燃料を噴射することが
要求されるために、特開昭60−43146号公報に
は、燃料噴射弁の駆動機構に高い応答性を有するPZT
アクチュエータを使用する場合が開示されている。
【0004】このPZTアクチュエータは、所望の伸縮
量を得るために、二種類の電圧の差を1000V程度に
する必要があり、駆動回路にかかる電圧を比較的低く抑
えるために、一方の電圧は負電圧とされている。
【0005】この従来技術において、PZTの伸縮量
は、充放電される電荷量だけに依存するものであると考
えられており、常に一定の伸縮量を得るために、PZT
アクチュエータの駆動回路は、充電時における電流の積
分値が一定となるように充電時にPZTアクチュエータ
に印加される電圧を制御している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、駆動回路にお
けるこのような制御では、PZTアクチュエータの温度
上昇により所望の伸縮量が得られなくなる。これは、P
ZTの伸縮量がそれに蓄えられたエネルギに依存するも
のであり、すなわち電荷量の二乗に比例し、その静電容
量に反比例するものであり、電荷量を一定としてもPZ
Tアクチュエータの温度上昇により静電容量が変化する
ためである。
【0007】従って、本発明の目的は、圧電素子の温度
変化等によりその静電容量が変化しても、所望の伸縮量
を得ることができる圧電素子駆動回路を提供することで
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による圧電素子駆
動回路は、圧電素子に第1の所定電圧を印加して充電せ
しめ前記第1の所定電圧よりも低い第2の所定電圧を印
加して放電せしめる圧電素子駆動回路において、圧電素
子に充電される電荷量を検出し、この電荷量が目標値に
一致するように前記第1の所定電圧を制御する第1制御
手段と、圧電素子の静電容量を検出し、この静電容量が
大きい程前記第2の所定電圧を高めるように制御する第
2制御手段、とを具備することを特徴とする。
【0009】
【作用】前述の圧電素子駆動回路は、圧電素子に蓄えら
れるエネルギを一定にするために、第1制御手段が圧電
素子に充電される電荷量を検出し、この電荷量が目標値
に一致するように第1の所定電圧を制御し、第2制御手
段が圧電素子の静電容量を検出し、この静電容量が大き
い程第2の所定電圧を高めるように制御して、静電容量
を一定に維持する。
【0010】
【実施例】図1は、PZTアクチュエータを使用する内
燃機関の燃料噴射装置の概略図である。同図において、
1はPZTアクチュエータであり、その上端部はハウジ
ング2の内部空間2aの上部に固定されており、その下
端部には弁3が固定されている。ハウジング2の底面に
は燃料噴射口2bが、また側面には燃料供給口2cが設
けられ、内部空間2aには燃料供給口2cから高圧の燃
料が供給される。
【0011】このように構成された燃料噴射装置は、P
ZTアクチュエータ1に正電圧である第1の所定電圧を
印加することにより充電されて伸長し、弁3が燃料噴射
口2cを閉鎖して燃料噴射が停止される。またPZTア
クチュエータ1に負電圧である第2の所定電圧を印加す
ることにより充電された電荷が放電されて収縮し、弁3
が燃料噴射口2cを開放して燃料噴射が開始される。
【0012】このPZTアクチュエータ1は、所望の伸
縮量を得るために800V程度の電圧差を必要とするも
のであり、当初正電圧として600V、負電圧として−
200Vを使用する。PZTアクチュエータ1の放電の
際に負電圧を印加することは、制御回路にかかる電圧を
低く抑えるために有効であるが、一方でPZTアクチュ
エータ1に分極劣化を生じさせるために、負電圧の絶対
値をなるべく小さくすることが好ましい。
【0013】燃料噴射開始及び停止を確実なものとする
ためには、PZTアクチュエータ1の伸縮量を所定値に
維持することが必要である。PZTの伸縮量は、それに
蓄えられまた放出されるエネルギに依存するものであ
り、すなわち充放電される電荷量QC の二乗に比例し、
PZTの静電容量CPZT に反比例するものである。
【0014】PZTは、電気エネルギの大部分を機械エ
ネルギに変換できるものであるが、その一部は熱エネル
ギに変換され、またアクチュエータとして内燃機関の燃
料噴射装置に使用する場合、機関温度上昇に伴い燃料温
度も上昇し、その熱がPTZに伝導される。それにより
PZTの温度は上昇し、それに伴い静電容量CPZT は大
きくなる。
【0015】従って、充放電される電荷量QC を一定に
維持するだけでは、PZTアクチュエータ1の伸縮量は
所定値に維持することができず、温度上昇に伴い減少し
てしまう。
【0016】図2に示す実験データから、放電時の電圧
を高めることでPZTの静電容量を小さくできることが
わかっており、本実施例は、PZTのこの特性を利用し
てPZTアクチュエータ1の伸縮量を所定値に維持する
ように充電電源及び放電電源の電圧を制御するものであ
る。
【0017】図3にPZTアクチュエータ1の制御回路
を示す。同図において、PZTアクチュエータ1には、
充電時の電圧を提供する第1可変電源Aと放電時の電圧
を提供する第2可変電源Bが、それぞれ第1及び第2サ
イリスタスイッチS1,S2及び第1及び第2インダク
タL1、L2を介して接続されている。第1インダクタ
L1とPZTアクチュエータ1の間には、充電時の電流
Iを積分することにより電荷量Qを計算する第1計算器
10が接続され、この現在の電荷量Qが目標電荷量Q′
と一致するように第1可変電源Aの電圧VA を制御する
第1制御回路11が設けられている。
【0018】また、現在の電荷量Qを第1可変電源Aと
第2可変電源Bの電圧差VA −VBで割ることにより、
現在のPZTアクチュエータ1の静電容量Cを計算する
第2計算器12が設置され、この現在の静電容量Cが目
標静電容量C′と一致するように第2可変電源Bの電圧
B を制御する第2制御回路13が設けられている。
【0019】このように構成された制御回路は、従来同
様、第2サイリスタスイッチS2 をONとすれば、PZ
Tアクチュエータ1から電荷が放電されて収縮し、燃料
噴射が開始され、第1サイリスタスイッチS1 をONと
すれば、PZTアクチュエータ1に電荷が充電されて伸
長し、燃料噴射が停止される。
【0020】図4に、一定間隔で燃料の噴射が行われて
いる途中でPZTアクチュエータ1の温度Tが30℃か
ら80℃に上昇した時のタイムチャートを示す。
【0021】同図において、TINJ が燃料噴射のタイミ
ングであり、燃料噴射を停止する際に第1インダクタL
1とPZTアクチュエータ1の間の電流Iが検出されて
いる。PZTアクチュエータ1の温度Tが30℃の時
は、第1及び第2可変電源A,Bの電圧VA , B は、
それぞれ所定値に維持され、現在の電荷量Q及び静電容
量Cはそれぞれ目標値Q′及びC′に一致している。
【0022】PZTアクチュエータ1の温度Tが80℃
に上昇すると、この時両電源A,Bの電圧VA ,VB
所定値に維持されているために、電荷量Qと静電容量C
が同時に大きくなるが、第1制御回路11が第1可変電
源Aの電圧VA を下げるように機能して、電荷量Qを徐
々に小さくし、また第2制御回路13が第2可変電源B
の電圧VB を上げるように機能し、それにより静電容量
CはPZTの前述の特性により徐々に小さくなり、電荷
量Q及び静電容量Cはそれぞれの目標値Q′及びC′に
一致する。
【0023】例として、PZTアクチュエータの温度T
が急上昇する場合を示したが、温度Tが下降する場合に
おいて第1及び第2制御回路はそれぞれ逆に機能し、電
荷量Q及び静電容量Cをそれぞれの目標値Q′及びC′
に一致させることは明らかであり、また実際上、この温
度変化はもっと滑らかなものであり、それにより本制御
回路は電荷量Q及び静電容量Cをそれぞれの目標値Q′
及びC′に維持することができる。
【0024】
【発明の効果】このように、本発明によれば、充電時の
電圧を制御することでその時の電荷量を所定値に維持す
ると共に、圧電素子の静電容量が変化する時、さらに放
電時の電圧を制御することにより、圧電素子の特性を利
用してそれを所定値に維持することができ、圧電素子に
蓄えられるエネルギを一定とすることが可能となるため
に、圧電素子の所望量の伸縮が常に実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】PZTアクチュエータを使用する内燃機関の燃
料噴射装置の概略図である。
【図2】PZTの放電時の電圧に対する静電容量の変化
を示すグラフである。
【図3】本発明によるPZTアクチュエータの制御回路
図である。
【図4】PZTアクチュエータが温度変化した時のタイ
ムチャートである。
【符号の説明】
1…PZTアクチュエータ 2b…燃料噴射口 2c…燃料供給口 3…弁 10…第1計算器 11…第1制御回路 12…第2計算器 13…第2制御回路 A…第1可変電源 B…第2可変電源

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電素子に第1の所定電圧を印加して充
    電せしめ前記第1の所定電圧よりも低い第2の所定電圧
    を印加して放電せしめる圧電素子駆動回路において、圧
    電素子に充電される電荷量を検出し、この電荷量が目標
    値に一致するように前記第1の所定電圧を制御する第1
    制御手段と、圧電素子の静電容量を検出し、この静電容
    量が大きい程前記第2の所定電圧を高めるように制御す
    る第2制御手段、とを具備することを特徴とする圧電素
    子駆動回路。
JP4144107A 1992-06-04 1992-06-04 圧電素子駆動回路 Pending JPH05344755A (ja)

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