JPS6397854A - ピエゾアクチユエ−タ駆動回路 - 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］ 本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路に関し５詳しく
はピエゾアクチュエータの放電の際に放出される電気エ
ネルギを電源に返還することができるピエゾアクチュエ
ータ駆動回路に関する。

し従来の技術］ 最近のセラミックス技術の進歩は著しく、物を動かすア
クチュエータの分野にもセラミックス強誘電体のピエゾ
電歪効果を応用したピエゾアクチュエータが進出しつつ
あり、その俊敏な応答性を利用してディーゼルエンジン
の噴射率制御を行う特開昭５９−１８２４９号公報にあ
るような装置も発明されている。

この様なピエゾアクチュエータを駆動するための駆動回
路として、バッテリから駆動に必要な高電圧を作るＤＣ
−ＤＣコンバータとトランジスタ等のスイッチ素子を組
み合わせたものが従来の回路技術から容易に考えられる
。

しかし、このような方式では、ピエゾアクチュエータに
高電圧をかけたときに駆動回路からピエゾアクチュエー
タに移された電気エネルギを、ピエゾアクチュエータの
放電の際に、駆動回路内部の抵抗器等が消費してしまう
という問題がある。

この問題は特にピエゾアクチュエータの駆動周波数が大
きいときにＷ４著となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路における前記の
ごとき問題点を解決すべ〈発明されたものであって、ピ
エゾアクチュエータの放電の際の電気エネルギを回収し
電力消費の少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。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾ電歪
効果を応用した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において、 前記ピエゾアクチュエータを所定の充電タイミングで充
電するピエゾ充電手段と、充電された前記ピエゾアクチ
ュエータを所定のタイミングで放電するピエゾ放電手段
とを具備し、 前記ピエゾ充電手段は、充電インダクタおよびその充電
インダクタの充電経路に取り付けられた充電用スイッチ
ング手段を備え、 前記ピエゾ放電手段は、前記ピエゾアクチュエータの放
電経路に取り付けられた第１のインダクタと、該第１の
インダクタと直列に取り付けられた放電用スイッチング
手段と、前記第１のインダクタに対して相互インダクタ
ンスを持つように磁気的に結合され前記第１のインダク
タにより誘起されたエネルギを電源に回収する第２のイ
ンダクタとを備えた ことを要旨とする。

［作用コ 本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路では、充電イン
ダクタと充電用スイッチング手段によりピエゾアクチュ
エータが所望のタイミングで所望の電圧まで充電される
０次いで放電経路に取り付けられた放電用スイッチング
手段が所定のタイミングで作動されると、ピエゾ放電手
段の第１のインダクタに族７ｒＬ電流が流れる。然るに
、第２のインダクタは第１のインダクタと磁気的に結合
されており相互インダクタンスを持つので、第２インダ
クタに起電力が生じ、ピエゾアクチュエータの放電の際
の電気エネルギが電源に回収される。

エネルギの回収率はピエゾアクチュエータが外界に対し
てどの程度の機械的仕事をしているかによるので一概に
は言えないが、後述の実施例ではピエゾアクチュエータ
はむしろ外界から仕事をされているので、エネルギ回収
率を１００％以上とすることも可能である。

［実施例］ 以下、本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路を、ピエ
ゾアクチュエータによるディーゼルエンジンのパイロッ
ト噴射装置に適用した場合の実施例を図面と共に詳細に
説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す全体構成図である
０図において、１はボッシュ式分配型燃料噴射ポンプで
あり、１１はプランジャで、図示せぬフェースカムによ
り図の左方向に押され、高圧室１２内の燃料を高圧とし
、ノズル２より図示せぬディーゼル機関の燃料室に燃料
を噴射するものである。３は高圧室１２に面して取付け
られたピエゾ電歪効果を応用したピエゾアクチュエータ
である。このピエゾアクチュエータ３は、例えば特開昭
５９−１８２４９号公報にあるような構成のものである
。４は運転状態検出手段であり、ディーゼル機関の回転
数を検出する回転数検出器４１、ディーゼル機関の負荷
を検出する例えばアクセルセンサ等のエンジン負荷検出
器４２、ディーゼル機関の冷却水の温度を検出する冷却
水温検出器４３等から成り、それからの信号をマイクロ
コンビュ−タ５に対して出力している。５はマイクロコ
ンピュータであり、ＣＰＵ５１、メモリ５２、タイマ５
３、Ａ／Ｄ変換器５４等を内蔵している。このマイクロ
コンピュータ５は、後述する充ｆ［圧演算手段や放電時
期演算手段の機能を有しており、また、本実施例ではピ
エゾアクチュエータ３にあらかじめ充電する電荷量は複
数回に分けて充電しており、その充電する回数をも演算
する機能を有している。６はピエゾ充電手段であり、ピ
エゾアクチュエータ３に電荷を充電するための充電イン
ダクタ６１、図示せぬバッテリと充電インダクタ６１と
ピエゾアクチュエータ３のエネルギ授受を行わせるため
の充電用スイッチング手段であるトランジスタ６２と、
ピエゾアクチュエータ３に蓄えられたエネルギが充電イ
ンダクタ６１を介してバッテリに逆戻りしないようにす
るためのダイオード６３よりなる。７はピエゾ放電手段
であり、ピエゾアクチュエータ３に発生した電荷を放電
するための放電用スイッチング手段であるトランジスタ
７１と、電流を制限しトランジスタ７１を保護するため
の第１のインダクタ７２Ａと、第１のインダクタ７２Ａ
に対して相互インダクタンスを持ち、第１のインダクタ
７２Ａに電流が流れたときに、起電力を発生しバッテリ
の電流を流し込む働きを持つ第２のインダクタ７２Ｂと
、バッテリから第２のインダクタ７２Ｂに対して電流が
逆流するのを防止するダイオード７３より成る。

第２図に充電電圧演算手段を表す模式図を示す。

マイクロコンピュータ５にプログラムされた３次元マツ
プ補間演算により、回転数検出器４１、エンジン負荷検
出器４２、冷却水温検出器４３等からの信号に応じて目
標充電電圧１００を演算するものである。この補間演算
の対象となる３次元マツプのデータは、ディーゼル機関
適合の基準によるので一概には言えないが、後述するよ
うにピエゾアクチュエータ３にあらかじめ充電する電圧
と、噴射停止期間とは比例的な関係にあることから、冷
却水温が低いときにはパイロット噴射の着火遅れが大き
いので充電電圧を大きくし、また高回転・高負荷になる
程ディーゼル機関の騒音より馬力が重視されるようにな
るので充ｔｑ圧を小さくするようなマツプデータにする
のが望ましい。

第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はピエゾ充電手段６の動
作を示すタイミングチャートである。まずトランジスタ
６２が“ＯＮ”状態となると充電インダクタ６１に電流
が流れ始め、時間Ｔ　ＯＮ　ｆＩｉは、Ｉ　Ｎ　＝　Ｖ
Ｂ　Ｘ　Ｔｏｎ／　Ｌ　　　　””（１）なる電流ＩＮ
が流れろ、（ここで、ｖ８：バッテリ電圧、Ｌ：インダ
クタ６１のインダクタンス）そしてトランジスタ６２が
’ＯＦＦ”状態となり、充電インダクタ６１に蓄えられ
たエネルギは、ピエゾアクチュエータ３に総“ζ移され
、ピエゾアクチュエータ３は充電される。ここで時間Ｔ
ＯＮは（１）式において電流Ｉｍがトランジスタ６２の
定格電流を越えないような一定値に任意にＩｌｍする。

その後時間Ｔ　ＯＦ　Ｐだけ経過した後、再びトランジ
スタ６２を’ＯＮ”状態とし同様にピエゾアクチュエー
タ３の充電をＮ回繰り返す、ここで時間ＴＯＰＦはイン
ダクタ６１のエネルギがすべてピエゾアクチュエータ３
に移されるに要する時間以上であればよい、このときピ
エゾアクチュエータ３の両端１圧Ｖｐは、 ｖｐ＝Ｆ■マＴフ−］×Ｉｍ・・・・・・（２）ＣＰ：
ピエゾアクチュエータの等価容■となる。

充電回数Ｎは、両端電圧ＶＰと第２図を用いて説明した
目標充電電圧１００とが一致または接近するように決め
るべきであり、例えば、第４図に示すように目標充電電
圧１００による１次元マツプ補間を行うようにマイクロ
コンピュータ５をプログラムしておけばよい、ここで１
次元マツプのデータは実験的に求めるか、または（２）
式をマツプ化すればよい、なお、第４図では補間結果を
切り上げて充電回数を整数値にしているが四捨五入等の
他の案も考えられる。

第５図は放電時期演算手段を表す模式図であり、回転数
検出器４１からの信号に応じて１次元マツプ補間演算を
行うことにより放電時期を得ている。

後述するように放電時期を進角側に持っていく程パイロ
ット噴射量が減少する。マツプ補間に用いるマツプデー
タは、ディーゼル期間適合基準によるので一概には言え
ないが、高回転になる程騒音より馬力の方が重視されろ
ようになるためパイロット噴射量を減少させるべく放電
時期を進角側にもっていくことが望ましい、なお、言う
までもないがエンジン負荷検出器４３等からの信号に応
じて放電時期に補正を加えてもよい。

次ぎに、本実施例の燃料噴射率制御装置の全体の動作を
第６図に示すタイミングチャートにより説明する。第６
図（ａ）はプランジャ１１のリフト状態を示している。

まずプランジャ１１が下降しＡ点に達し燃料噴射とは無
関係な領域番ごなったとさピエゾ充電手段６のトランジ
スタ６２がＯＮ”状態、”ＯＦＦ”状態を繰り返しく同
図（ｂ））、ピエゾアクチュエータ３を徐々に充電する
（充電電圧：Ｖｐ）、同図では充電回数は４回となって
いるが、この回数は充ｍ電圧演算手段により求められた
目標充電電圧１００から第４図を用いて説明した手段に
よりあらかじめ決められているものである。

その後１ランジヤが再びリフトし始めると、同図（ｇ）
にあるようにプランジャリフト量に応じて高圧室１２の
圧力も上昇していく、同時に同図（ｄ）にあるようにピ
エゾアクチュエータ３の両端電圧は自ら発生した電荷に
よりさらに上昇する。そして高圧室１２の圧力がノズル
開弁圧以上となったとき同図（ｈ）にあるように噴射が
開始される。その後、あらかじめ放電時期演算手段によ
り求められている放電時期に達した時（Ｂ点）、同図（
ｃ）のようにピエゾ放電手段のトランジスタ７１がＯＮ
”状態となり、ピエゾアクチュエータ３に発生した電荷
は放電される。このときピエゾアクチュエータ３は下降
電圧ＶＰ′に相当する量だけ縮み。

高圧室１２の圧力が下降し噴射が一旦停止し同図（ｈ）
にあるようにパイロット噴射が形成される。

ここで、この原理から放電時期Ｂを早めるとパイロット
噴射量が減少することがわかる。

この放電は、第１図にあるように第１のインダクタ７２
Ａを介して行なわれるので、第１のインダクタ７２Ａに
は第６図（ｅ）にあるような？［７ｉｆＥが流れる。こ
こで、第１のインダクタ７２Ａと第２のインダクタ７２
Ｂとは相互インダクタンスを持つため、第２のインダク
タ７２Ｂに起電力を生じ、同図（ｆ）にあるように電流
Ｉ３が流れ、バッテリにエネルギが戻される。すなわち
、Ｂ点でトランジスタ７１が“ＯＮ”となると、ピエゾ
アクチュエータ３→第１のインダクタ７２Ａ→トランジ
スタ７１の経路で電流が流れ、ピエゾアクチュエータ３
は放電される。そしてピエゾアクチュエータ３の電圧が
０■となる頃を見計らってトランジスタ７１をＯＦＦ”
とすると、第１のインダクタ７２人を流れる電流が瞬時
にＯＡとなるため、だい１のインダクタ７２Ａと相互イ
ンダクタンスを持つように磁気的に結合された第２のイ
ンダクタ７２Ｂに電流が流れ、ダイオード７３を介して
バッテリにエネルギが返される。ここで第１のインダク
タ７２Ａのインダクタンスは、トランジスタ７１の最大
電流とピエゾアクチュエータ３の望ましい収縮速度から
決定され、また第２のインダクタ７２Ｂのインダクタン
スは、ダイオード７３の最大電流およびバッテリへのエ
ネルギ返還効率等がら決定される。さらに第１のインダ
クタ７２Ａと第２のインダクタ７２Ｂとの磁気的結合は
、その相互インダクタンスが最大となるような密結合が
望ましい。

その後さらにプランジャ１１がリフトしていくと再び高
圧室１２の圧力が上昇し、噴射（主噴射）が開始される
。ここで、ピエゾアクチュエータ３の放電時の電圧変化
ｊ１（Ｖｐ’）が大きいほどピエゾアクチュエータ３が
大きく縮むので高圧室１２の圧力下降幅が大きくなり、
２度目の噴射が起こるのが遅れ、噴射停止期間が長くな
ることがわがる。そのｆｅｌｌ示しないガバナ手段によ
り燃料の噴射が停止され主噴射が形成されて燃料噴射の
１サイクルを終える。

次ぎに第２の実施例として、第１図中の充電インダクタ
６１と第２のインダクタ７２Ｂを兼用するようにして、
回路のコンパクト化、ロウコスト化を図った場合の全体
構成図を第７図に示す、第７図は、ピエゾ充電手段６と
ピエゾ放電手段７を、回路８で置き換えた他は第１図に
示した第１の実施例と同じであるので、回路８以外の説
明は省略する。　回路８は、ピエゾアクチュエータ３に
発生した電荷を放電するためのトランジスタ８１と、電
流を制限しトランジスタ８１を保護するためのインダク
タ８２Ａと、インダクタ８２Ａに対して相互インダクタ
ンスを持ち、インダクタ８２Ａに電流が流れたときに起
電力を発生しバッテリに電流を流し込む働きとピエゾア
クチュエータ３に電荷を充電する働きを兼ね備えたイン
ダクタ８２Ｂと、バッテリからピエゾアクチュエータ３
ヘエネルギを送る働きを持つトランジスタ８３と、ピエ
ゾアクチュエータ３の持つエネルギをバッテリに返す際
にトランジスタ８３をバイパスさせて電流を流すダイオ
ード８４と、ピエゾアクチュエータ３からバッテリに電
流が逆流するのを防止するダイオード８５と、インダク
タ８２Ａに電流Ｉ＾と逆向きの電流が流れるのを防止す
るダイオード８６から成る。

本実施例の全体の動作を第８図のタイミングチャートに
より説明する。

まずプランジャが下降しＡ点に達し燃料噴射とは無関係
な領域になったときトランジスタ８３がＯＮ”状ｆｉ、
′ｏＦ　Ｆ”ｌｌを繰り返ｔ（同［ｇ（ｂ））。

このとき相互インダクタンスによりインダクタ８２Ａに
起電力が生じるが、ダイオード８６があるため電流は流
れず、インダクタ８２Ｂは自己インダクタンスのみによ
り動作し、第１の実施例における充電インダクタ６１と
同じ働きをする。このためピエゾアクチュエータ３は徐
々に充電される（充電電圧ｖｐ）、その後プランジャが
再びリフトし始めると５同図（ｇ）にあるようにプラン
ジャリフト量に応じて高圧室１２の圧力も上昇していく
。

同時に同図（ｄ）にあるようにピエゾアクチュエータ３
の両端電圧は自ら発生した電荷によりさらに上昇する。

そして高圧室１２の圧力がノズル開弁圧以上となったと
き同図（ｈ）にあるように噴射が開始される。その後、
あらかじめ放電時期演算手段により求められている放電
時期に達したとき（Ｂ点）、同図（ａ）のようにトラン
ジスタ８１がＯＮ”状態となり、電流ＩＡが流れ、ピエ
ゾアクチュエータ３に発生した電荷は放電される。この
とき相互インダクタンスによりインダクタ８２Ｂに起電
力が生じるため、バッテリ一端子→ダイオード８４→イ
ンダクタ８２Ｂ→バッテリ＋端子の経路で電流が流れ、
バッテリは充電される。なお、ピエゾアクチュエータ３
の放電によりパイロット噴射が形成される様子、ピエゾ
充電電圧と噴射停止期間との関係、ピエゾ放電時期とパ
イロット噴射皿の関係等は第１の実施例と同じである。

このように第２の実施例によれば、第１の実施例におけ
る充電インダクタ６１と第１および第２のインダクタ７
２Ａ、７２Ｂを一体化しインダクタ８２Ａ、８２Ｂとす
ることができるので、より一層の回路構成の簡素化が可
能である。

なお、ここで示した２つの実施例では、ピエゾアクチュ
エータ３は、むしろポンプの高圧室内の油圧によって仕
事を受けているといえるので、ピエゾ充電手段により充
電した電圧ＶＰより、ピエゾ放電時のピエゾ両端電圧Ｖ
ｐ’の方が大きくなっている。このためピエゾ充電手段
が消費するエネルギよりも、ピエゾ放電手段が回収する
エネルギの方を大きくすることも可能である。

［発明の効果］ 本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路は、所定のタイ
ミングでピエゾアクチュエータを充電するピエゾ充電手
段によりピエゾアクチュエータを充電すると共に、充電
されたピエゾアクチュエータを所定のタイミングで放電
するに際して、放電経路に取り付けられた第１のインダ
クタと相互インダクタンスを持つ第２のインダクタに起
電力を生じさせ、この第２のインダクタから電源に放電
の際の電気エネルギを回収するものであって、ピエゾア
クチュエータを伸張させるためにピエゾ充電手段が消費
したエネルギを２ピ工ゾ放電手段により回収することが
できるため、電力効率の良いピエゾアクチュエータの駆
動が可能であるという効果がある。また、ピエゾアクチ
ュエータに何等かの外力が加わる場合は、ピエゾ充電手
段によって消費されるエネルギよりもピエゾ放電手段に
よって回収されるエネルギの方が大きくなることも可能
であり、この場合には５本発明のピエゾ駆動回路は、小
規模なオルタネータとしての働きも兼ねることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をディーゼルエンジンのパイロット噴射
装置に適用した第１の実施例の全体構成図、第２図は第
１図の実施例のマイクロコンピュータの充電電圧演算手
段を表す模式図、第３［ｇ（ａ）、（ｂ）、（ｅ）はピ
エゾ充電手段の動作を示すタイミングチャート、第４０
はマイクロコンピュータにプログラムされる充電回数と
目標充電電圧との関係を表す模式図、第５図は放電時期
演算手段を表す模式図、第６図は第１実施例の燃料噴射
率制御装置の全体の動作を示すタイミングチャート、第
７図は本発明をディーゼルエンジンのパイロット噴射装
置に適用した第２の実施例の全体構成図、第８図は第２
実施例の燃料噴射率制御装置の全体の動作を示すタイミ
ングチャート ド・・噴射ポンプ、３・・・ピエゾアクチュエータ、４
・・・運転状態検出手段、５・・・マイクロコンピュー
タ、６・・・ピエゾ充電手段、６１・・・充電用インダ
クタ、６２・・・トランジスタ、７・・・ピエゾ放電手
段、７１・・・トランジスタ、７２Ａ・・・第１のイン
ダクタ、７２Ｂ・・・第２のインダクタ、８・・・ピエ
ゾ充電放電兼用回路、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピエゾ電歪効果を応用した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において、 前記ピエゾアクチュエータを所定の充電タイミングで充
   電するピエゾ充電手段と、充電された前記ピエゾアクチ
   ュエータを所定のタイミングで放電するピエゾ放電手段
   とを具備し、 前記ピエゾ充電手段は、充電インダクタおよびその充電
   インダクタの充電経路に取り付けられた充電用スイッチ
   ング手段を備え、 前記ピエゾ放電手段は、前記ピエゾアクチュエータの放
   電経路に取り付けられた第１のインダクタと、該第１の
   インダクタと直列に取り付けられた放電用スイッチング
   手段と、前記第１のインダクタに対して相互インダクタ
   ンスを持つように磁気的に結合され前記第１のインダク
   タにより誘起されたエネルギを電源に回収する第２のイ
   ンダクタとを備えた ことを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
2. （２）第２のインダクタを充電インダクタとして兼用す
   るようにした特許請求の範囲第１項に記載のピエゾアク
   チュエータ駆動回路。