JP2003134850A - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構成の簡素化並びにコスト削減を図ること。 【解決手段】ピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾ
アクチュエータ１１〜１４の充電と放電とを切り替えて
制御するものであり、電源回路２０と、ピエゾアクチュ
エータ駆動用の電気エネルギを蓄積するコンデンサ３４
と、電源回路２０とコンデンサ３４との間に設けられ、
ピエゾアクチュエータ１１〜１４の充電に先立ち一時的
に閉成される蓄電制御スイッチ３１と、蓄電制御スイッ
チ３１とコンデンサ３４との間に設けられたコイル３２
とを具備する。本駆動回路では、ピエゾアクチュエータ
１１〜１４の充電時には、コイル３２を介してコンデン
サ３４からピエゾアクチュエータ１１〜１４への電気的
エネルギの放出を行わせ、ピエゾアクチュエータ１１〜
１４の放電時には、コイル３２を介してピエゾアクチュ
エータ１１〜１４からコンデンサ３４への電気的エネル
ギの回収を行わせる。

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、多数の圧電素
子を積層した積層体（ピエゾスタック）が圧電効果によ
り伸縮するアクチュエータであり、例えば、ディーゼル
エンジンのコモンレール式燃料噴射装置において燃料噴
射用インジェクタ内に配設される。このインジェクタで
は、ピエゾアクチュエータの伸縮動作により開弁と閉弁
とが切り替えられる。また、ピエゾアクチュエータは容
量性の負荷であり、その充電と放電とで伸長状態と縮小
状態とが切り替えられる。

【０００３】ピエゾアクチュエータ駆動回路として特開
平１０−３０８５４２号公報の技術が知られており、同
公報には、ピエゾアクチュエータの電荷を回収して次回
の充電に供するようにした充放電方法が開示されてい
る。また、同公報の装置では、ピエゾアクチュエータの
充電電流及び放電電流を同じインダクタを介して案内す
ることを特徴的事項としており、それによりインダクタ
を最小個数とし、ひいてはピエゾアクチュエータを効率
良く充放電するものとしていた。その概要として、ピエ
ゾアクチュエータ充電時には充電スイッチを連続してオ
ン／オフし、その際、コイル（インダクタとして機能す
る素子）に蓄積した電磁エネルギによりピエゾアクチュ
エータを充電する。また、ピエゾアクチュエータ放電時
には放電スイッチを連続してオン／オフし、その際、ピ
エゾアクチュエータに保持されたエネルギをコイル（充
電時と同じ素子）の電磁エネルギに変換しバッファコン
デンサに回収するようにしている。

【０００４】しかしながら、上記公報の手法では、ピエ
ゾアクチュエータの充放電のために充電スイッチや放電
スイッチをスイッチング作動可能に構成する必要があ
り、スイッチ制御用の回路が複雑化する。また、スイッ
チングロスがあるため、エネルギの回収効率は必ずしも
良くないと考えられる。そこで本願出願人らは、上記公
報の問題を解消し、回収効率の良いピエゾアクチュエー
タ駆動回路を提供すべく特開２００１−１５７４７２号
公報の技術を提案した。

【０００５】図６は、特開２００１−１５７４７２号公
報に記載したピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。図
６において、直流電源１０１には蓄電制御スイッチ１０
２及びエネルギ供給用コイル１０３を介してコンデンサ
１０４が接続されており、このコンデンサ１０４にはピ
エゾアクチュエータ駆動用の電気エネルギが蓄積され
る。コンデンサ１０４には、充放電切替スイッチ１０５
が接続されている。また、コンデンサ１０４の正極側端
子には、充電スイッチ１０６及び充放電用コイル１０７
を介して複数のピエゾアクチュエータ１０８が接続され
ている（但し、図にはピエゾアクチュエータを１つだけ
示す）。ピエゾアクチュエータ１０８には選択用スイッ
チ１０９が接続されている。なお、符号１１０は、ピエ
ゾアクチュエータ１０８の残存電荷を放出するための残
存電荷放出用スイッチである。

【０００６】上記構成において、直流電源１０１からコ
ンデンサ１０４へのエネルギ供給時には、蓄電制御スイ
ッチ１０２及び充放電切替スイッチ１０５がオン（閉
成）され、直流電源１０１の電気エネルギがエネルギ供
給用コイル１０３を通じてコンデンサ１０４に蓄積され
る。コンデンサ１０４の充電完了後、スイッチ１０２，
１０５は何れもオフされる。

【０００７】その後、ピエゾアクチュエータ充電時に選
択用スイッチ１０９及び充電スイッチ１０６がオンされ
ると、コンデンサ１０４の蓄積エネルギによりピエゾア
クチュエータ１０８が充電され、そのピエゾアクチュエ
ータ１０８が伸長する。次に、選択用スイッチ１０９及
び充電スイッチ１０６がオフ、充放電切替スイッチ１０
５がオンされると、ピエゾアクチュエータ１０８の電荷
が放出され、そのピエゾアクチュエータ１０８が縮小す
る。ピエゾアクチュエータ充電時には、コンデンサ１０
４の電荷が充放電用コイル１０７を通じてピエゾアクチ
ュエータ１０８に取り込まれ、ピエゾアクチュエータ放
電時には、ピエゾアクチュエータ１０８から放出される
電荷が同一の充放電用コイル１０７を通じてコンデンサ
１０４に回収される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記図６のピエゾアク
チュエータ駆動回路では、ピエゾアクチュエータの充放
電時におけるスイッチのスイッチング動作が不要とな
り、しかもエネルギの回収効率が改善されるものの、か
かる構成に対して更なる改善が望まれる。すなわち、構
成の簡素化、並びにコスト削減が望まれる。

【０００９】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、構成の簡素化並
びにコスト削減を図ることができるピエゾアクチュエー
タ駆動回路を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のピエゾア
クチュエータ駆動回路では、コンデンサにはインダクタ
を介して電源回路が接続されており、ピエゾアクチュエ
ータ駆動用の電気エネルギがインダクタを通じて電源回
路からコンデンサに供給される。そして、コンデンサに
蓄積された電気エネルギによりピエゾアクチュエータが
充電され、それに伴いピエゾアクチュエータが伸長す
る。またその後、ピエゾアクチュエータの放電に伴い当
該ピエゾアクチュエータが縮小する。ピエゾアクチュエ
ータの充放電に際し、電源回路からコンデンサへのエネ
ルギ供給時と同一のインダクタを通じて充電電流又は放
電電流が流れる。この場合、コンデンサへのエネルギ供
給時とピエゾアクチュエータの充放電時とでインダクタ
の共用が可能となり、部品点数が削減できる。その結
果、構成の簡素化並びにコスト削減を図ることができ
る。

【００１１】また、請求項２記載のピエゾアクチュエー
タ駆動回路では、コンデンサには蓄電制御スイッチ及び
インダクタを介して電源回路が接続されており、ピエゾ
アクチュエータの充電に先立って蓄電制御スイッチが一
時的に閉成（オン）される時、ピエゾアクチュエータ駆
動用の電気エネルギがインダクタを通じて電源回路から
コンデンサに供給される。なおこのとき、電源回路から
コンデンサへの電流はインダクタにより制限され、蓄電
制御スイッチ等の劣化が防止される。また、ピエゾアク
チュエータの充電時及び放電時には、前記インダクタを
介してコンデンサとピエゾアクチュエータとの間で電気
的エネルギの放出及び回収が行われる。そして、それに
伴いピエゾアクチュエータが伸長又は縮小する。すなわ
ち、ピエゾアクチュエータの充電時には、インダクタを
介してコンデンサからピエゾアクチュエータへの電気的
エネルギの放出が行われ、ピエゾアクチュエータの放電
時には、同じくインダクタを介してピエゾアクチュエー
タからコンデンサへの電気的エネルギの回収が行われ
る。ピエゾアクチュエータの充放電に際し、電源回路か
らコンデンサへのエネルギ供給時と同一のインダクタを
通じて充電電流又は放電電流が流れる。従って、請求項
１と同様にインダクタの共用が可能となり、部品点数が
削減できる。その結果、構成の簡素化並びにコスト削減
を図ることができる。

【００１２】上記請求項２記載の発明では、請求項３に
記載したように、ピエゾアクチュエータのコンデンサ側
端子を、前記蓄電制御スイッチと前記インダクタとの間
に接続して構成すると良い。

【００１３】また、請求項４に記載の発明では、コンデ
ンサとピエゾアクチュエータとを結ぶ電気経路の途中に
スイッチ手段を設けると共に、ピエゾアクチュエータの
充電電流又は放電電流の流れ方向を規制するダイオード
を設けた。そして、前記コンデンサ、前記インダクタ及
びピエゾアクチュエータからなるＬＣ共振回路を、前記
スイッチ手段の切り替え状態に応じて充電回路又は放電
回路の何れかに切り替えるようにした。この場合、充電
回路及び放電回路をＬＣ共振回路にて構成することによ
り、ピエゾアクチュエータの充電、放電を効率良く行う
ことができる。

【００１４】請求項５に記載の発明では、ピエゾアクチ
ュエータと前記インダクタとを通り且つ前記コンデンサ
を迂回する放電経路に放電経路スイッチを設け、ピエゾ
アクチュエータの放電直後に前記放電経路スイッチを一
時的に閉成する。ピエゾアクチュエータ放電時に、ピエ
ゾアクチュエータの電荷がコンデンサに全て回収されず
ピエゾアクチュエータに残存しても、その直後に放電経
路スイッチを閉成することによりピエゾアクチュエータ
の残存電荷が前記インダクタに移動し、次いで放電経路
スイッチを開成することにより瞬時にコンデンサに回収
される。従って、エネルギの回収効率を更に高めること
ができる。

【００１５】また、請求項６に記載の発明では、ピエゾ
アクチュエータを通り且つ前記インダクタと前記コンデ
ンサとを迂回する放電経路に別のインダクタと放電経路
スイッチとを設け、ピエゾアクチュエータの放電直後に
前記放電経路スイッチを一時的に閉成する。ピエゾアク
チュエータ放電時に、ピエゾアクチュエータの電荷がコ
ンデンサに全て回収されずピエゾアクチュエータに残存
しても、その直後に放電経路スイッチを閉成することに
よりピエゾアクチュエータの残存電荷が前記別のインダ
クタに移動し、次いで放電経路スイッチを開成すること
により瞬時にコンデンサに回収される。従って、エネル
ギの回収効率を更に高めることができる。

【００１６】上記請求項６記載の発明では、請求項７に
記載したように、直流電源、昇圧コイル、スイッチング
素子、バッファコンデンサよりなる昇圧回路にて前記電
源回路が構成され、前記放電経路に設けた別のインダク
タとして前記昇圧回路の昇圧コイルを用い、前記放電経
路スイッチとして前記昇圧回路のスイッチング素子を用
いると良い。この場合、ピエゾアクチュエータの残存電
荷は昇圧コイルの磁気エネルギに変換され、その後、バ
ッファコンデンサに回収される。従って、電源回路の動
作効率を高めることができる。

【００１７】例えば、コンデンサの静電容量をピエゾア
クチュエータの静電容量よりも小さく設定した場合、ピ
エゾアクチュエータの放電後に電荷が残存するが、請求
項５〜７の発明によれば、残存電荷が効率良くコンデン
サに回収できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１に、第
１の実施の形態におけるピエゾアクチュエータ駆動回路
の構成を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は４つ
のピエゾアクチュエータ１１，１２，１３，１４を駆動
するものであり、例えば４気筒ディーゼルエンジンのコ
モンレール式燃料噴射装置に用いたものを示している。
ピエゾアクチュエータ１１〜１４は気筒毎のインジェク
タに設けられており、ピエゾアクチュエータ１１〜１４
の伸長動作に伴いインジェクタが開弁して燃料噴射が行
われ、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の縮小動作に伴
いインジェクタが閉弁して燃料噴射が停止されるように
なっている。

【００１９】本ピエゾアクチュエータ駆動回路におい
て、直流電源を構成する電源回路２０はバッテリやＤＣ
−ＤＣコンバータ等からなり、数十〜数百Ｖの大きさの
高電圧を生成し出力する。本実施の形態では、電源回路
２０を昇圧回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータにて具体
化しており、電源回路２０は、バッテリ（直流電源）２
１、昇圧コイル２２、スイッチ（スイッチング素子）２
３、還流ダイオード２４，２５及びバッファコンデンサ
２６を備える。

【００２０】電源回路２０には、蓄電制御スイッチ３１
を介してコンデンサ３４をはじめとする充放電回路部が
接続されており、蓄電制御スイッチ３１がオンの時、電
源回路２０の高電圧がコンデンサ３４に対して印加され
る。コンデンサ３４への印加電圧は正圧である。コンデ
ンサ３４は、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の駆動用
電気エネルギを蓄積するものであり、静電容量の温度依
存性の殆どないもの、例えばフィルムコンデンサを用い
るのが望ましい。ここで、使用温度域でのコンデンサ容
量をＣ１、容量性負荷であるピエゾアクチュエータ１１
〜１４の各静電容量をＣ２とした場合、Ｃ１≦Ｃ２とな
るように設定したコンデンサ３４を使用する。

【００２１】充放電回路部の構成について詳しくは、蓄
電制御スイッチ３１には、コイル３２、第１の充電スイ
ッチ３３、コンデンサ３４が直列に接続されている。コ
ンデンサ３４には負電圧防止用ダイオード３５が並列に
接続されている。また、コンデンサ３４には、充電経路
ダイオード３６及び充放電切替スイッチ３７からなる並
列回路が接続されている。なお、負電圧防止用ダイオー
ド３５はコンデンサ３４に対して逆バイアス方向に接続
され、充電経路ダイオード３６はコンデンサ３４に対し
て順バイアス方向に接続されている。第１の充電スイッ
チ３３には、放電経路ダイオード３８が並列に接続され
ている。

【００２２】蓄電制御スイッチ３１とコイル３２との間
の接続点Ａはダイオード３９を介して接地され、コイル
３２と第１の充電スイッチ３３との間の接続点Ｂは残存
電荷放出用スイッチ４０を介して接地されている。

【００２３】一方、各ピエゾアクチュエータ１１〜１４
の正極側端子には第２の充電スイッチ４１の一端が接続
され、第２の充電スイッチ４１の他端は前述の接続点Ａ
（蓄電制御スイッチ３１とコイル３２との間）に接続さ
れている。すなわち、ピエゾアクチュエータ１１〜１４
のコンデンサ側端子が蓄電制御スイッチ３１とコイル３
２との間に接続される構成となっている。第２の充電ス
イッチ４１には放電経路ダイオード４２が並列に接続さ
れている。また、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の負
極側端子には、各々に選択用スイッチ５１，５２，５
３，５４が接続されると共に、それら選択用スイッチ５
１〜５４に並列に放電経路ダイオード６１，６２，６
３，６４が接続されている。

【００２４】上述した各種スイッチは何れも、図示しな
いマクロコンピュータ等の制御部によりオン／オフ制御
される。因みに、これら各種スイッチをバイポーラトラ
ンジスタ或いはＦＥＴ等で構成し、ベース電流、ゲート
電圧を制御して電流制限をかける構成とすることも可能
である。また、同制御部によりコンデンサ３４の充電電
圧が逐次モニタされるようになっている。

【００２５】コイル３２はインダクタとして機能する素
子であり、電源回路２０からコンデンサ３４に対してエ
ネルギを供給するエネルギ供給用コイルであることに加
え、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の充放電用コイル
でもある。この場合、コイル３２は電流制限素子として
機能し、電源回路２０からコンデンサ３４への電流がコ
イル３２により制限され、蓄電制御スイッチ３１等の劣
化が防止される。ピエゾアクチュエータ充放電時にも同
様に、充電電流又は放電電流が制限される。

【００２６】なお本実施の形態では、第１及び第２の充
電スイッチ３３，４１が特許請求の範囲に記載した「ス
イッチ手段」に相当し、残存電荷放出用スイッチ４０が
同「放電経路スイッチ」に相当する。

【００２７】ここで、ピエゾアクチュエータ１１〜１４
の充電・放電動作、並びに残存電荷の放出動作を図２を
用いて説明する。なお図２（ａ）〜（ｃ）では、ピエゾ
アクチュエータ１１についての動作を示す。また便宜
上、図１で説明した充放電回路部について各々で必要部
分のみを抽出して示す。

【００２８】ピエゾアクチュエータ１１を充電する際、
図２（ａ）に示すように、選択用スイッチ５１、第１及
び第２の充電スイッチ３３，４１をオンする。すると、
充電経路ダイオード３６、コンデンサ３４、第１の充電
スイッチ３３、コイル３２、第２の充電スイッチ４１、
ピエゾアクチュエータ１１及び選択用スイッチ５１によ
り「充電回路」が形成される。これにより、コンデンサ
３４の蓄積エネルギによりピエゾアクチュエータ１１が
充電され、ピエゾアクチュエータ１１が伸長する。

【００２９】また、次にピエゾアクチュエータ１１を放
電させる際、図２（ｂ）に示すように、充放電切替スイ
ッチ３７をオンする。すると、放電経路ダイオード６
１、ピエゾアクチュエータ１１、放電経路ダイオード４
２、コイル３２、放電経路ダイオード３８、コンデンサ
３４及び充放電切替スイッチ３７により「放電回路」が
形成される。これにより、伸長状態のピエゾアクチュエ
ータ１１から電荷が放出され、ピエゾアクチュエータ１
１が縮小する。

【００３０】更に、図２（ｃ）に示すように、残存電荷
放出用スイッチ４０をオンすると、放電経路ダイオード
６１、ピエゾアクチュエータ１１、放電経路ダイオード
４２、コイル３２及び残存電荷放出用スイッチ４０によ
り「残存電荷放出回路（放電経路）」が形成される。こ
れにより、ピエゾアクチュエータ１１に残存する電荷が
放出される。

【００３１】次に、本ピエゾアクチュエータ駆動回路の
作動を図３のタイムチャートを用いて説明する。図３で
は、ピエゾアクチュエータ１１が伸長及び縮小する場合
を例にその動作を示している。

【００３２】ピエゾアクチュエータ１１を伸長させる
前、コンデンサ３４が予め蓄電される。すなわち、図の
タイミングｔ１〜ｔ２の期間では充放電切替スイッチ３
７がオンされ、そのオン期間内において蓄電制御スイッ
チ３１が繰り返しスイッチングされる。このとき、電源
回路２０、蓄電制御スイッチ３１、コイル３２、放電経
路ダイオード３８、コンデンサ３４及び充放電切替スイ
ッチ３７よりなる降圧チョッパ回路が閉成され、コンデ
ンサ３４の電圧が上昇していく。コンデンサ３４の電圧
が所定値Ｖ１に達すると蓄電制御スイッチ３１のスイッ
チング動作が停止される（スイッチオフの状態に復帰す
る）。これにより、ピエゾアクチュエータ駆動のための
所定量の電荷がコンデンサ３４に蓄電される。

【００３３】その後、タイミングｔ３では、インジェク
タの噴射開始要求に伴いピエゾアクチュエータ１１の伸
長が開始される。このとき、ピエゾアクチュエータ１１
に対応する選択用スイッチ５１がオンされ、それと同時
に或いはその直後に第１及び第２の充電スイッチ３３，
４１がオンされる。これにより、図２（ａ）で説明した
通り「充電回路」が閉成され、コンデンサ３４の蓄積エ
ネルギがピエゾアクチュエータ１１に放出される。この
充電回路はＬＣ共振回路であり、Ｃ１≦Ｃ２であるた
め、共振作用によりコンデンサ３４の全てのエネルギが
ピエゾアクチュエータ１１に移り始める。

【００３４】タイミングｔ４でコンデンサ３４の電荷量
が０になると、負電圧防止用ダイオード３５の負電圧防
止作用及び充電経路ダイオード３６の逆方向電流防止作
用によりコンデンサ３４からの電荷流出が停止する。し
かして、コンデンサ３４に蓄積されていた電気エネルギ
「Ｃ１・Ｖ１^2／２」の全てがピエゾアクチュエータ１
１に移動し、それに伴いピエゾアクチュエータ１１が伸
長する。そして、上記の如く電荷の移動が停止するた
め、ピエゾアクチュエータ１１は伸長状態を保持する。
タイミングｔ５では、第１及び第２の充電スイッチ３
３，４１、選択用スイッチ５１がオフされる。

【００３５】その後、タイミングｔ６では、インジェク
タの噴射終了要求に伴いピエゾアクチュエータ１１の縮
小が開始される。このとき、充放電切替スイッチ３７が
再びオンされる。これにより、図２（ｂ）で説明した通
り「放電回路」が閉成される。この放電回路もまたＬＣ
共振回路となるため、共振作用によりピエゾアクチュエ
ータ１１が放電され、ピエゾアクチュエータ１１の電荷
がコンデンサ３４に回収される。そして、一定時間の
後、電荷の移動が停止する（タイミングｔ７）。この場
合、放電回路の電流は放電経路ダイオード６１，４２，
３８により規定される電荷回収方向にのみ流れが許容さ
れる。これにより、ピエゾアクチュエータ１１が不意に
再充電されて伸長するといった不都合が回避される。

【００３６】タイミングｔ７後には、Ｃ１≦Ｃ２である
ためにピエゾアクチュエータ１１に電荷が残存する。そ
こで、タイミングｔ８で残存電荷放出用スイッチ４０を
オンする。これにより、図２（ｃ）で説明した通り「残
存電荷放出回路」が形成され、ピエゾアクチュエータ１
１における残存電荷の電気エネルギがコイル３２の電磁
エネルギに変換される。次いで、タイミングｔ９で残存
電荷放出用スイッチ４０をオフすると、コイル３２に蓄
積された電磁エネルギが瞬間的にコンデンサ３４に回収
される。従って、ごく僅かなコイル３２等における損失
分を除けば、ピエゾアクチュエータ１１に供給された電
気エネルギが効率良く全てコンデンサ３４に回収され
る。

【００３７】その後、タイミングｔ１０〜ｔ１１の期間
では、再び降圧チョッパ回路が閉成され、コンデンサ充
電量の不足分（所定値Ｖ１に達しない分）が充電され
る。すなわち、充放電切替スイッチ３７がオンされると
共に、そのオン期間内において蓄電制御スイッチ３１が
繰り返しスイッチングされる。これにより、コンデンサ
３４の充電量が所定値Ｖ１に戻る。このとき、蓄電制御
スイッチ３１のスイッチングは、コンデンサ３４の充電
量の不足分のみの充電で足り、コンデンサ３４の充電が
速やかに完了する。

【００３８】タイミングｔ１２では、次のピエゾアクチ
ュエータ１２の伸長に移行する。このとき、コンデンサ
３４の充電が完了しており、前述したタイミングｔ３以
降と同様に、ピエゾアクチュエータ１２の充電と放電
（伸長と縮小）が順次行われる。

【００３９】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。ピエゾアクチュエータ１１〜１
４の充放電に際し、電源回路２０からコンデンサ３４へ
のエネルギ供給時と同一のコイル３２（インダクタ）を
通じて電流が流れる。従って、電源回路２０からコンデ
ンサ３４へのエネルギ供給時とピエゾアクチュエータ１
１〜１４の充放電時とでコイル３２の共用が可能とな
り、部品点数が削減できる。その結果、構成の簡素化並
びにコスト削減を図ることができる。

【００４０】コイル３２、コンデンサ３４、及びピエゾ
アクチュエータ１１〜１４からなるＬＣ共振回路を、第
１及び第２の充電スイッチ３３，４１の切り替え状態に
応じて充電回路又は放電回路の何れかに切り替えるよう
にした。この場合、充電回路及び放電回路をＬＣ共振回
路により構成することからピエゾアクチュエータ１１〜
１４の充電、放電を効率良く行うことができる。また、
エネルギの再利用が可能となり、ひいては消費電力の節
約が実現できる。

【００４１】ピエゾアクチュエータ１１〜１４の放電直
後に残存電荷放出用スイッチ４０を一時的に閉成するよ
うにしたので、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の残存
電荷がコイル３２を介してコンデンサ３４に回収され
る。従って、エネルギの回収効率を更に高めることがで
きる。

【００４２】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形
態との相違点を中心に説明する。図４に、第２の実施の
形態におけるピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示
す。なお、図中、図１と同じ構成には同じ部材番号を付
し、その説明を省略する。

【００４３】図４のピエゾアクチュエータ駆動回路で
は、前記図１との相違点として、第１の充電スイッチ３
３及び放電経路ダイオード３８を無くしてコイル３２と
コンデンサ３４とを直接接続すると共に、残存電荷放出
用スイッチ４０を無くしている。また、放電経路ダイオ
ード４５を含む新たな放電経路を設け、放電経路ダイオ
ード４５のアノードをピエゾアクチュエータ１１〜１４
の正極側端子に接続し、同ダイオード４５のカソードを
電源回路２０の昇圧コイル２２に接続している。この場
合、電源回路２０（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の昇圧コイ
ル２２とスイッチ２３を利用して放電経路（残存電荷放
出回路）が構成される。

【００４４】図５は、本ピエゾアクチュエータ駆動回路
の作動を示すタイムチャートである。図５では、ピエゾ
アクチュエータ１１が伸長及び縮小する場合を例にその
動作を示している。

【００４５】図５において、タイミングｔ２１〜ｔ２２
の期間では、前記図３のタイムチャートと同様に、降圧
チョッパ回路が閉成されてコンデンサ３４に所定量の電
荷が蓄積される。

【００４６】その後、タイミングｔ２３では、ピエゾア
クチュエータ１１に対応する選択用スイッチ５１と第２
の充電スイッチ４１とがオンされる。これにより、充電
経路ダイオード３６、コンデンサ３４、コイル３２、充
電スイッチ４１、ピエゾアクチュエータ１１及び選択用
スイッチ５１からなる「充電回路」が閉成され、ピエゾ
アクチュエータ１１の充電が開始される。この充電回路
は、第１の実施の形態の充電回路（図２（ａ）に示す充
電回路）と実質的に同等のＬＣ共振回路となる。

【００４７】タイミングｔ２３〜ｔ２４の期間では、コ
ンデンサ３４に蓄積されていた電気エネルギ「Ｃ１・Ｖ
１^2／２」の全てがピエゾアクチュエータ１１に移動
し、それに伴いピエゾアクチュエータ１１が伸長する。
タイミングｔ２５では、第２の充電スイッチ４１、選択
用スイッチ５１がオフされる。

【００４８】その後、タイミングｔ２６では、充放電切
替スイッチ３７が再びオンされる。これにより、放電経
路ダイオード６１、ピエゾアクチュエータ１１、放電経
路ダイオード４２、コイル３２、コンデンサ３４、充放
電切替スイッチ３７からなる「放電回路」が閉成され
る。この放電回路は、第１の実施の形態の放電回路（図
２（ｂ）に示す放電回路）と実質的に同等のＬＣ共振回
路となり、ピエゾアクチュエータ１１の電荷がコンデン
サ３４に回収される。そして、一定時間の後、電荷の移
動が停止する（タイミングｔ２７）。

【００４９】本実施の形態において、ピエゾアクチュエ
ータ１１に残存する電荷は放電経路ダイオード４５を通
じて放出される。すなわち、タイミングｔ２８では、電
源回路２０（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のスイッチ２３を
オンする。すると、放電経路ダイオード６１、ピエゾア
クチュエータ１１、放電経路ダイオード４５、電源回路
２０の昇圧コイル２２及びスイッチ２３からなる「放電
経路（残存電荷放出回路）」が形成され、ピエゾアクチ
ュエータ１１における残存電荷の電気エネルギが電源回
路２０における昇圧コイル２２の電磁エネルギに変換さ
れる。次いで、タイミングｔ２９で電源回路２０のスイ
ッチ２３をオフすると、昇圧コイル２２に蓄積された電
磁エネルギが瞬間的にバッファコンデンサ２６に回収さ
れる。従って、ごく僅かな昇圧コイル２２等における損
失分を除けば、ピエゾアクチュエータ１１に供給された
電気エネルギが効率良く全てバッファコンデンサ２６に
回収される。

【００５０】なお、タイミングｔ２８直後には、再び降
圧チョッパ回路が閉成され、コンデンサ充電量の不足分
（所定値Ｖ１に達しない分）が充電される。すなわち、
充放電切替スイッチ３７のオン期間内において蓄電制御
スイッチ３１が繰り返しスイッチングされる。これによ
り、コンデンサ３４の充電量が所定値Ｖ１に戻る。この
場合、タイミングｔ２８〜ｔ２９の期間では、ピエゾア
クチュエータ１１の残存電荷回収と、コンデンサ３４の
蓄電（補充電）とが同時に行われる。

【００５１】タイミングｔ３０では、次のピエゾアクチ
ュエータ１２の伸長に移行する。このとき、コンデンサ
３４の充電が完了しており、前述したタイミングｔ２３
以降と同様に、ピエゾアクチュエータ１２の充電と放電
（伸長と縮小）が順次行われる。

【００５２】以上第２の実施の形態によれば、上述した
第１の実施の形態と同様に、 ・電源回路２０からコンデンサ３４へのエネルギ供給時
とピエゾアクチュエータ１１〜１４の充放電時とでコイ
ル３２の共用が可能となり、構成の簡素化並びにコスト
削減を図ることができる。 ・充電回路及び放電回路をＬＣ共振回路により構成する
ため、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の充電、放電を
効率良く行うことができる。といった優れた効果が得ら
れる。

【００５３】またその他に、ピエゾアクチュエータ１１
〜１４の残存電荷が電源回路２０（ＤＣ−ＤＣコンバー
タ）の昇圧コイル２２を介してバッファコンデンサ２６
に回収されるため、エネルギの回収効率を高めることが
できる。この場合、エネルギ回収は電源回路２０（ＤＣ
−ＤＣコンバータ）を用いて行われるため、電源回路２
０の動作効率を高めることができる。

【００５４】また、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の
残存電荷放出時には、コイル３２を迂回する放電経路を
通じて残存電荷の放出が行われるため、残存電荷放出と
同時にコンデンサ３４への蓄電（補充電）を行うことが
でき、ピエゾアクチュエータ１１〜１４の放電後の充電
完了までの時間を短縮することができる。

【００５５】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記各実施の形態では、充電回路及び放電
回路を構成する上で、コンデンサ３４とピエゾアクチュ
エータ１１〜１４とを結ぶ電気経路の途中に「スイッチ
手段」としての充電スイッチ４１（ピエゾアクチュエー
タの充電時にオンするスイッチ）を設けたが、この構成
を変更する。例えば、ピエゾアクチュエータ１１〜１４
の放電時にオンする放電スイッチを設ける構成であって
も良い。またこの場合、放電スイッチに並列に、前記放
電経路ダイオード４２とは逆向きの充電経路ダイオード
を設けると良い。但し、充電回路と放電回路との切り替
えは、既述の通り充放電切替スイッチ３７や選択用スイ
ッチ５１〜５４により行われる。

【００５６】上記第２の実施の形態（図４の構成）で
は、電源回路２０の昇圧コイル２２を利用して放電経路
を構成したが、これに代えて、コイル３２とは異なる別
のコイル（インダクタ）を用い、この別のコイルにより
放電経路を構成しても良い。また、電源回路２０はＤＣ
−ＤＣコンバータ以外の構成であっても良い。

【００５７】上記各実施の形態では、コモンレール式燃
料噴射装置に適用したものを開示したが、本発明は、ピ
エゾアクチュエータを用いる他の用途にも適用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるピエゾアクチュエー
タ駆動回路を示す回路図。

【図２】充電回路、放電回路、残存電荷放出回路を示す
回路図。

【図３】ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタ
イムチャート。

【図４】第２の実施の形態におけるピエゾアクチュエー
タ駆動回路を示す回路図。

【図５】ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタ
イムチャート。

【図６】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路を示す回
路図。

【符号の説明】

１１〜１４…ピエゾアクチュエータ、２０…電源回路、
２１…バッテリ、２２…昇圧コイル、２３…スイッチ、
２６…バッファコンデンサ、３１…蓄電制御スイッチ、
３２…コイル、３３…第１の充電スイッチ、３４…コン
デンサ、３８…ダイオード、４０…残存電荷放出用スイ
ッチ、４１…第２の充電スイッチ、４２…ダイオード。

───────────────────────────────────────────────────── 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 竹本 英嗣 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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切
   り替えて制御するピエゾアクチュエータ駆動回路におい
   て、 ピエゾアクチュエータ駆動用の電気エネルギを蓄積する
   コンデンサには、インダクタを介して電源回路を接続す
   ると共に同一のインダクタを介してピエゾアクチュエー
   タを接続した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】ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切
   り替えて制御するピエゾアクチュエータ駆動回路におい
   て、 電源回路と、ピエゾアクチュエータ駆動用の電気エネル
   ギを蓄積するコンデンサと、前記電源回路と前記コンデ
   ンサとの間に設けられ、ピエゾアクチュエータの充電に
   先立ち一時的に閉成される蓄電制御スイッチと、前記蓄
   電制御スイッチと前記コンデンサとの間に設けられたイ
   ンダクタとを具備し、ピエゾアクチュエータの充電時及
   び放電時には、前記インダクタを介して前記コンデンサ
   とピエゾアクチュエータとの間で電気的エネルギの放出
   及び回収を行わせるようにしたことを特徴とするピエゾ
   アクチュエータ駆動回路。
3. 【請求項３】ピエゾアクチュエータのコンデンサ側端子
   を、前記蓄電制御スイッチと前記インダクタとの間に接
   続した請求項２記載のピエゾアクチュエータ駆動回路。
4. 【請求項４】前記コンデンサとピエゾアクチュエータと
   を結ぶ電気経路の途中にスイッチ手段を設けると共に、
   ピエゾアクチュエータの充電電流又は放電電流の流れ方
   向を規制するダイオードを設け、前記コンデンサ、前記
   インダクタ及びピエゾアクチュエータからなるＬＣ共振
   回路を、前記スイッチ手段の切り替え状態に応じて充電
   回路又は放電回路の何れかに切り替える請求項１乃至３
   の何れかに記載のピエゾアクチュエータ駆動回路。
5. 【請求項５】ピエゾアクチュエータと前記インダクタと
   を通り且つ前記コンデンサを迂回する放電経路に放電経
   路スイッチを設け、ピエゾアクチュエータの放電直後に
   前記放電経路スイッチを一時的に閉成する請求項１乃至
   ４の何れかに記載のピエゾアクチュエータ駆動回路。
6. 【請求項６】ピエゾアクチュエータを通り且つ前記イン
   ダクタと前記コンデンサとを迂回する放電経路に別のイ
   ンダクタと放電経路スイッチとを設け、ピエゾアクチュ
   エータの放電直後に前記放電経路スイッチを一時的に閉
   成する請求項１乃至４の何れかに記載のピエゾアクチュ
   エータ駆動回路。
7. 【請求項７】請求項６記載のピエゾアクチュエータ駆動
   回路において、直流電源、昇圧コイル、スイッチング素
   子、バッファコンデンサよりなる昇圧回路にて前記電源
   回路が構成され、前記放電経路に設けた別のインダクタ
   として前記昇圧回路の昇圧コイルを用い、前記放電経路
   スイッチとして前記昇圧回路のスイッチング素子を用い
   るピエゾアクチュエータ駆動回路。