JP2005016431A

JP2005016431A - ピエゾアクチュエータ駆動回路

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Publication number: JP2005016431A
Application number: JP2003182997A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fukagawa; 康弘深川; Yasuyuki Sakakibara; 康行榊原; Michiyasu Moritsugu; 通泰森次; Hidetsugu Takemoto; 英嗣竹本
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4104498B2; DE102004026250A1; DE102004026250B4

Abstract

【課題】ピエゾアクチュエータの容量が変動しても充電を適正に行う。
【解決手段】スイッチ４ａのオン期間にコンデンサ１２からスイッチ４ａ、インダクタ３０１を介してピエゾアクチュエータ２に充電する通電経路３１と、スイッチ４ａのオフ期間にコンデンサ１２、スイッチ４ａをバイパスしてインダクタ３０１からピエゾアクチュエータ２に充電する第２の通電経路３２と、第１の通電経路３１のうち、第２の通電経路３２との非共通部分を流れるコンデンサ１２からの電流を検出する電流検出手段５１と、所定の充電期間の間、電流の検出値が目標値となるようにスイッチ４ａを制御するスイッチ制御手段７とを具備せしめて、ピエゾアクチュエータ容量の低下で電流の上昇速度が下がっても前記オン期間に十分な電流が流れるようにする。また、電圧変動の小さいコンデンサ１２側で放電量を検出することで、エネルギーを容易かつ正確に調整する。
【選択図】図１

Description

【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、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、例えば、内燃機関の燃料噴射装置に適用され、燃料噴射用のインジェクタにおいて燃料の噴射とその停止とを切り換える手段として用いられたものが知られている。ピエゾアクチュエータは、圧電材料からなる圧電層と電極層とが交互に積層するコンデンサ構造を有し、充電により伸長し、縮小するときは放電する。ピエゾスタックが伸長時および縮小時のみ通電がなされる方式のアクチュエータである。
【０００３】
ピエゾアクチュエータ駆動回路は、充電または放電による駆動でピエゾアクチュエータの作動状態を伸長と縮小とに切り換えるもので、代表例として次の構成を有するものが知られている。電源とピエゾアクチュエータとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記コンデンサをバイパスし前記インダクタとピエゾアクチュエータとを結ぶ第２の通電経路とが設けられ、電流を調整する手段として、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記第２の通電経路を断接する放電スイッチが設けられる。そして、ピエゾアクチュエータの充電駆動時には、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を第１の通電経路に流し、充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を第２の通電経路に流す。充電がいわゆる降圧チョッパ方式で進行する。ピエゾアクチュエータの放電駆動時には、放電スイッチのオンオフの繰り返しにより、放電スイッチのオン期間に漸増する放電電流を第２の通電経路に流し、放電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する放電電流を第１の通電経路に流す。
【０００４】
下記特許文献１には、前記充電スイッチ等を制御するスイッチ制御手段を、充電スイッチのオン期間を一定にして、駆動開始からの経過時間が所定時間になると、充電を終了とするように設定したものがある。この技術は、ピエゾアクチュエータの静電容量が温度変動で変動し、充電によりピエゾアクチュエータに蓄積されるエネルギーが変動するのを防止するのを企図したものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３６１５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１の技術では、実車が過酷な温度環境下で使用されてピエゾアクチュエータの容量の変動が大き過ぎる場合には、必ずしも、十分ではない。すなわち、降圧チョッパ方式の回路構成では電源の出力電圧とピエゾアクチュエータの端子間電圧との差が充電速度を規定するから、例えば容量が小さくなり過ぎるとピエゾアクチュエータの端子間電圧が充電初期から相当程度上昇してしまい、十分な電流をピエゾアクチュエータに流すことができなくなる。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、充電エネルギーの制御性のよ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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、充電または放電による駆動で作動状態が切り換わるピエゾアクチュエータを駆動対象とする駆動回路であって、電源と前記ピエゾアクチュエータとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記電源をバイパスし前記インダクタとピエゾアクチュエータとを結ぶ第２の通電経路と、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記充電スイッチを制御し、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を前記第１の通電経路に流し、前記充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を前記第２の通電経路に流すスイッチ制御手段とを有するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記電源を供給元として前記第１の通電経路のうち前記第２の通電経路と非共通部分を流れる単位時間当たりの放電量を検出する放電量検出手段と、
前記放電量の目標値を設定する目標値出力手段と、
前記スイッチ制御手段は、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記単位時間当たりの放電量の検出値が目標値となるように前記充電スイッチを制御し、かつ、駆動開始からの経過時間が予め設定した所定時間になると前記充電スイッチをオフに固定するように設定する。
【０００９】
電源を供給元とする単位時間当たりの放電量が目標値となるように充電スイッチのオン期間が設定されることになるので、ピエゾアクチュエータの容量のばらつき等によらずピエゾアクチュエータへの電流が十分に流れ、適正に充電がなされる。
【００１０】
また、ピエゾアクチュエータに蓄積される充電エネルギーの変化を、ピエゾアクチュエータを通る、第１、第２の通電経路に共通の部分を流れるピエゾアクチュエータを供給先とする単位時間当たりの充電量に基づいて求めるとすると、ピエゾアクチュエータの端子間電圧が充電により変化することで高精度に求めるのが困難であるが、電源の出力電圧は略一定であるので、ピエゾアクチュエータへの充電エネルギーの変化を電源の単位時間当たりの放電量に基づいて求める本発明によれば、比較的容易に高精度に求めことができる。したがって、充電駆動を所定時間の経過時点で終了するだけで、ピエゾアクチュエータを高精度に目標エネルギーまで充電することができる。
【００１１】
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、前記放電量検出手段を、前記単位時間当たりの放電量として前記電源を流れる電流を検出する手段とし、
かつ、前記電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電源の出力電圧の検出値が高いほど前記目標値が低くなるように該目標値を補正する目標値補正手段とを具備せしめる。
【００１２】
電源から供給される電力は電源の出力電圧と電流との積である。電源の出力電圧の検出値が高いほど電流の目標値を下げることで、ピエゾアクチュエータの充電過程や到達エネルギーの変動を抑制することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記放電量検出手段を、前記単位時間当たりの放電量として前記電源を流れる電流を検出する手段とし、
前記電流の検出値を積分し、積分期間における電流検出値を平均化する平均化手段を具備せしめる。
【００１４】
充電スイッチの各オン期間における電流を平均化することで、充電スイッチのオン期間ごとに、電流の代表値を与えることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記目標値出力手段は、駆動期間中、一定の目標値を出力する手段とする。
【００１６】
放電量の積算値すなわちピエゾアクチュエータに充電される量が、前記目標値で規定される速度で直線的に変化していく。
【００１７】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記目標値出力手段は、駆動開始からの経過時間に応じて目標値を切り換える手段とする。
【００１８】
放電量の積算値すなわちピエゾアクチュエータに充電される量が、前記目標値の経時的なプロファイルで規定される速度で変化していく。これにより、前記目標値の経時的なプロファイルの設定により、ピエゾアクチュエータの挙動のパターンが自在である。
【００１９】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、前記スイッチ制御手段には、前記目標値を挟む二つの値をしきい値として前記検出値と前記しきい値とを比較してその大小を二値判定する比較手段であって、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときと、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときとに判定出力が切り換わるヒシテリシスを有する比較手段を具備せしめ、前記判定出力に基づき、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときに充電スイッチをオフし、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときに充電スイッチをオンするように設定する。
【００２０】
目標値を挟む２つのしきい地を所望する挟み込み幅に設定すれば、外乱ノイズなどを除外するフィルタ効果を発揮できて、狙いの充電量を高精度に制御できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路が駆動対象とするピエゾアクチュエータ２は例えば内燃機関において燃料を噴射するインジェクタに搭載されたものである。気筒ごとにインジェクタを有する構成の場合であれば、ピエゾアクチュエータ２は並列に気筒数分接続され、各ピエゾアクチュエータ２に１対１に対応して気筒選択用のスイッチが直列に設けられる。気筒選択用のスイッチは噴射すべき気筒に対応するピエゾアクチュエータ２のものがオンして、当該ピエゾアクチュエータ２のみが選択的に駆動されることになる。なお、ピエゾアクチュエータ駆動回路には、外部から、ピエゾアクチュエータ２の充電駆動の開始時期および放電駆動の開始時期を規定する駆動信号が入力している。駆動信号は前記内燃機関に則していえば、インジェクタの開弁時期および閉弁時期を規定し、その長さが略噴射時間を規定する。
【００２２】
電源１はＤＣ−ＤＣコンバータであり、車載のバッテリ１１の出力電圧（例えば１２Ｖ）を昇圧して、昇圧された電圧にてバッファコンデンサ１２に充電される。バッファコンデンサ１２はピエゾアクチュエータ２の充電用の電圧を出力する。バッファコンデンサ１２には十分静電容量の大きなものが用いられる。バッテリ１１とバッファコンデンサ１２とは昇圧用インダクタ１３およびダイオード１４を介して接続されている。また、バッファコンデンサ１２の充電は、バッファコンデンサ１２およびダイオード１４をバイパスするスイッチ１５をオンオフすることによりなされる。なお、ダイオード１４は、バッファコンデンサ１２の放電を防止するためのものである。
【００２３】
バッファコンデンサ１２とピエゾアクチュエータ２とをインダクタ３０１を介して結ぶ第１の通電経路３１が設けてあり、第１の通電経路３１には、さらに、バッファコンデンサ１とインダクタ３０１間にこれらと直列に第１のスイッチング素子４ａが介設されている。第１のスイッチング素子４ａはＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）４１ａはバッファコンデンサ１２の端子間電圧（以下、適宜、バッファコンデンサ電圧という）が逆バイアスとなるように接続される。
【００２４】
また、インダクタ３０１とピエゾアクチュエータ２とは第２の通電経路３２により結ばれている。この通電経路３２は、インダクタ３０１と第１のスイッチング素子４ａの接続中点に接続される第２のスイッチング素子４ｂを有している。第２の通電経路３２は電源１および第１のスイッチング素子４ａをバイパスして、インダクタ３０１、ピエゾアクチュエータ２および第２のスイッチング素子４ｂを通る閉回路を形成している。第２のスイッチング素子４ｂもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）４１ｂは、バッファコンデンサ電圧が逆バイアスとなるように接続される。
【００２５】
スイッチング素子４ａ，４ｂの各ゲートにはそれぞれ制御信号が入力しており、スイッチング素子４ａ，４ｂがオンオフすることにより、ピエゾアクチュエータ２を供給先または供給元とする電流（以下、適宜、ピエゾアクチュエータ電流という）を調整するようになっている。スイッチング素子４ａはピエゾアクチュエータ２の充電駆動用のもので、以下、適宜、充電スイッチ４ａという。スイッチング素子４ｂはピエゾアクチュエータ２の放電駆動用のもので、以下、適宜、放電スイッチ４ｂという。
【００２６】
バッファコンデンサ１２と接地間には、放電量検出手段である低抵抗値（例えば０．０１Ω）の抵抗器５１が設けてある。その端子間電圧によりバッファコンデンサ１２を供給元として第１の通電経路３１を流れる単位時間当たりの放電量である電流（以下、適宜、バッファコンデンサ電流という）が検出されるようになっている。
【００２７】
バッファコンデンサ電流の検出信号としての前記抵抗器５１の端子間電圧（以下、適宜、電流検出信号という）はオペアンプ５２１に入力する。オペアンプ５２１は抵抗器５２２およびコンデンサ５２３とともに平均化手段である平均化回路５２を構成している。抵抗器５２２およびコンデンサ５２３は積分回路であり、バッファコンデンサ電流に比例したオペアンプ５２１の出力信号が積分される。以下、コンデンサ５２３の端子間電圧すなわち積分回路の出力を、平均化信号という。
【００２８】
平均化回路５２からの平均化信号はスイッチ制御手段であるスイッチ制御回路７において、充電スイッチ４ａの制御に供される。スイッチ制御回路７は充電スイッチ４ａおよび放電スイッチ４ｂを制御するものであるが、説明の便宜のため、放電スイッチ４ｂの制御用の回路部分は図示を省略している。
【００２９】
スイッチ制御回路７の充電スイッチ４ａの制御用の回路部分は、コンパレータ７１、抵抗器７２，７３、アンドゲート７４、ワンショット回路７５が充電スイッチ４ａの制御用の回路部分を構成する。前記平均化信号はコンパレータ７１の（−）入力端子に入力している。コンパレータ７１の（＋）入力端子には、目標値出力手段である基準電圧発生回路６１の出力信号が抵抗器７２を介して入力している。基準電圧発生回路６１は一定の基準電圧を発生する。コンパレータ７１の（＋）入力端子の入力電圧は、前記抵抗器７２と、コンパレータ７１の（＋）入力端子と出力端子との間に接続された抵抗器７３とによりヒシテリシスがかけられている。平均化信号が十分に低ければ、コンパレータ７１の論理出力は「１」レベルであり、前記平均化信号の大きさが大側のしきい値である基準電圧＋ヒステリシス分を越えると、コンパレータ７１の論理出力が「０」レベルとなるとともに、（＋）入力端子の入力電圧が小側のしきい値である基準電圧−ヒステリシス分に低下する。逆にこの状態から、前記平均化信号の大きさが基準電圧−ヒステリシス分よりも低下すると、コンパレータ７１の論理出力が「１」レベルとなるとともに、（＋）入力端子の入力電圧が基準電圧＋ヒステリシス分に上昇する。
【００３０】
コンパレータ７１の論理出力は、充電スイッチ４ａのドライバ回路８への入力信号を生成するアンドゲート７４に入力し、ドライバ回路８はアンドゲート７４の論理出力が「１」レベルのとき充電スイッチ４ａをオンする。アンドゲート７４には、前記コンパレータ７１の出力信号とは別にワンショット回路７５の出力信号が入力している。ワンショット回路７５は、外部からの駆動信号が立ち上がりエッジでトリガされて一定の長さ（１５０μｓｅｃ）のパルス信号を出力する。したがって、駆動信号が「１」レベルに立上がると、その直後の前記一定の長さの期間、充電スイッチ４ａは平均化信号の大きさに基づいてオンとオフとが切り換えられる。パルス信号が非出力状態では充電スイッチ４ａはオフに固定される。すなわち、前記パルス信号は、ピエゾアクチュエータ２の充電期間の長さを規定する。
【００３１】
図２はピエゾアクチエータ２の伸長時すなわち充電時における本ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。充電スイッチ４ａおよび放電スイッチ４ｂはオフである。ピエゾアクチュエータ電圧は０Ｖであり、エネルギーは未蓄積である。ここで、駆動信号が「１」レベルに立上がると、ワンショット回路７５をトリガし、充電期間を規定するパルス信号が出力される。平均化回路５２からの平均化信号は０Ｖであり、コンパレータ７１の論理出力は「１」レベルである。したがって、充電スイッチ４ａがオンし、第１の通電経路３１を使って、ピエゾアクチュエータ２の充電が開始される。バッファコンデンサ電流およびピエゾアクチエータ電流は上昇し、充電が進行するとともにピエゾアクチュエータ電圧が上昇する。これにより、駆動電力も上昇していく。
【００３２】
一方、バッファコンデンサ電流が流れることにより、平均化信号も上昇していく。そして、平均化信号が基準電圧＋ヒシテリシス分を越えるとコンパレータ７１の論理出力が「０」レベルに変わって、充電スイッチ４ａがオフするが、インダクタ３０１に蓄積されたエネルギーにより、第２の寄生ダイオード４１ｂを通る第２の通電経路３２を使って、漸減するフライホイール電流がピエゾアクチュエータ２に流れ続ける。このとき、駆動電力は漸減する。また、第１の通電経路３１のうち、第１の通電経路３２との非共通部分に設けられるバッファコンデンサ１２には電流は流れない。これにより、平均化回路５２のコンデンサ５２３が放電を開始して平均化信号が積分回路の時定数に応じた速度で漸減する。
【００３３】
そして、平均化信号の大きさが基準電圧−ヒシテリシス分を下回ると、コンパレータ７１ａの論理出力が再び「１」レベルとなって、充電スイッチ４ａがオンする。これが繰り返される。したがって、平均化信号が略一定に維持されることになる。このときのバッファコンデンサ電流の平均は、基準電圧発生回路６１が出力する基準電圧で規定されており、基準電圧発生回路６１は充電スイッチ４ａのオン期間におけるバッファコンデンサ電流の平均値の目標値を出力していることになる。
【００３４】
平均化信号は、充電スイッチ４ａのオン期間において変化するバッファコンデンサ電流を平均化したものであるから、これを基準電圧−ヒシテリシス分および基準電圧＋ヒシテリシス分の範囲内に入るようにすることで、バッファコンデンサ電流が、略一定値にて推移することになる。これにより、バッファコンデンサ１２から供給される電荷が充電開始からの経過時間に略正比例して上昇していくことになる。一方、バッファコンデンサ電圧は比較的一定している。したがって、バッファコンデンサ１２から供給される電力の積算値として与えられるピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーは、充電開始からの経過時間すなわち駆動信号が出力されてからの経過時間に略正比例して上昇する。
【００３５】
そして、ワンショット回路７５からのパルス信号が非出力状態となり、アンドゲート７４の入力信号が「０」レベルになると、充電スイッチ４ａがオフに固定され、ピエゾアクチュエータ２の充電が完了となる。
【００３６】
前記のごとく、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギー（以下，適宜、充電エネルギーという）が充電開始からの経過時間に正比例して上昇するので、ピエゾアクチュエータ２の容量の変動によらず、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーが辿る過程、すなわち充電過程が均一である。また、充電開始から所定時間の後、充電スイッチ４ａがオフに固定されたとき、すなわち充電が完了したときの蓄積エネルギーを一定とすることができる。
【００３７】
このように本ピエゾアクチュエータ駆動回路によれば、ピエゾアクチュエータ２の充電の過程が均一であり、最終的な到達エネルギーも一定である。ピエゾアクチュエータ２の挙動（伸長）のばらつきを低減することができる。これにより、例えば噴射時期や噴射量を一定にすることができる。
【００３８】
そして、バッファコンデンサ電流のオン期間における平均値が基準電圧で規定される目標値となるように充電スイッチ４ａのオン期間が設定されることになるので、ピエゾアクチュエータ２の容量のばらつき等によらずピエゾアクチュエータ２へ電流が十分に流れ、適正に充電がなされる。
【００３９】
また、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーの変化は、ピエゾアクチュエータ２を通る、第１、第２の通電経路３１，３２に共通の部分を流れるピエゾアクチュエータ電流とピエゾアクチュエータ電圧との積で表されるところ、これを求めるとすると、ピエゾアクチュエータ電圧が充電により変化するので高精度に求めるのが困難である。一方、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーの変化は、バッファコンデンサ電流とバッファコンデンサ電圧との積でも表され得る。ここでバッファコンデンサ電圧は略一定である。したがって、本ピエゾアクチュエータ駆動回路のようにピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーの変化をバッファコンデンサ１２からの単位時間当たりの放電量に基づいて判じると、比較的容易に高精度に求めことができる。また、本実施形態では駆動電力を規定するバッファコンデンサ電圧が略一定であることを利用して、前記単位時間当たりの放電量としてバッファコンデンサ電流に基づいて充電エネルギーの変化を判じているので、より簡易である。
【００４０】
なお、ピエゾアクチュエータ２に対する放電駆動は、放電スイッチ４ｂをオンオフすることによりなされる。すなわち、放電スイッチ４ｂのオン期間に漸増する放電電流を第２の通電経路３２に流し、放電スイッチ４ｂのオフ期間に、フライホイール作用により、ピーク電流で折り返して漸減する放電電流を第１の通電経路３１に流す。これを繰り返し、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーをバッファコンデンサ１２に回収する。ここで、放電スイッチ４ｂをオンからオフに切り換えるタイミングは、ピエゾアクチュエータ２を流れる電流が前記ピーク電流に対応する上側のしきい値に達した時点とし、オフからオンに切り換えるタイミングは、ピエゾアクチュエータ２を流れる電流が下側のしきい値に達した時点とする。したがって、放電スイッチ４ｂのオンとオフとの切り換えは、充電スイッチ４ａの制御のごとく、ヒシテリシスを有するコンパレータにて、放電電流の検出信号を基準電圧±ヒシテリシス分と比較することに行うのもよい。また、放電期間の完了は公知の種々の方法を用いることができ、例えば、ピエゾアクチュエータ電圧を検出して、これが実質的に０になったことで放電期間完了と判定する。
【００４１】
（第２実施形態）
図３に本発明の第２実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は基本的な構成は第１実施形態のものと同じで、図中、第１実施形態と同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４２】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、バッファコンデンサ１２の正側端子と接地間に、直列に接続された２つの抵抗器６２１，６２２が設けられており、バッファコンデンサ電圧を分圧する。抵抗器６２１，６２２は高抵抗のものが用いられ、例えば抵抗器６２１が９００ｋΩで抵抗器６２２が１００ｋΩである。抵抗器６２１，６２２はその分圧電圧を受けるバッファ６２３とともに、バッファコンデンサ電圧を検出する電圧検出手段である電圧検出回路６２を構成している。バッファ６２３の出力は、目標値補正手段である基準電圧補正回路６３で基準電圧を補正するのに用いられる（以下、適宜、バッファ６２３の出力信号を電圧検出信号という）。
【００４３】
基準電圧補正回路６３は、オペアンプ６３１および抵抗器６３２，６３３，６３４からなる。オペアンプ６３１の（＋）入力端子には基準電圧発生回路６１からの基準電圧が第１の抵抗器６３２を介して入力している。電圧検出回路６２からの電圧検出信号は、基準電圧補正回路６３のオペアンプ７１ａの（−）入力端子に第２の抵抗器６３３を介して入力される。第３の抵抗器６３４は（−）入力端子と出力端子間に接続され、負帰還がかけられている。したがって、抵抗器７２を介してコンパレータ７１の（＋）入力端子に入力する基準電圧としてのオペアンプ６３１の出力信号が、電圧検出信号に応じて、基準電圧発生回路６１からの基準電圧よりも低側に補正されることになる。負帰還の感度は抵抗器６３３，６３４の抵抗値の比率で規定される。以下、適宜、基準電圧補正回路６３のオペアンプ６３１の出力信号を電流指令信号という）。
【００４４】
これにより、バッファコンデンサ電圧が高くなると、基準電圧補正回路６３のオペアンプ６３１の負帰還量が増大して、コンパレータ７１で平均化信号と比較される電流指令信号が低くなり、バッファコンデンサ１２の平均電流も低く抑制される。一方、バッファコンデンサ電圧が低くなると、オペアンプ６３１の負帰還量が抑制されて、電流指令信号が基準電圧発生回路６１から出力される基準電圧に近くなり、バッファコンデンサ１２の平均電流も高めに設定される。
【００４５】
図４は第１実施形態のピエゾアクチュエータにおいて、バッファコンデンサ電圧を変えたときに、充電期間の完了時に到達する蓄積されるエネルギー（目標エネルギー値）がどのように変わるかを測定した一例を示すもので、バッファコンデンサ電圧が高いほど目標エネルギー値が高くなり、バッファコンデンサ電圧が低いほど目標エネルギー値が低くなる。バッファコンデンサ１２から出力される駆動電力がバッファコンデンサ電圧に比例するためである。また、図５は、基準電圧を変えたときに充電エネルギーがどのように変わるかを測定した結果を示すもので、基準電圧を小さくするほど充電エネルギーが減少する。これは基準電圧を小さくすると、充電スイッチ４ａがオフするタイミングが、平均化信号が低い側にシフトして、バッファコンデンサ電流の平均値が小さくなるためである。
【００４６】
本実施形態によれば、電圧検出回路６２および基準電圧補正回路６３により、図６に示すように、バッファコンデンサ電圧（電源電圧）の増大に対して電流指令信号の大きさで規定される電流指令値が低下する負帰還特性が与えられており、電流指令値をバッファコンデンサ電圧に応じて自動で調整する。これにより、充電過程がさらに均一化し、充電完了時のエネルギー誤差を低減することができる。
【００４７】
また、前記のごとく電流指令値を変えることでバッファコンデンサ電流の平均値を変えることができるので、基準電圧を可変として、充電エネルギーを調整するのもよい。例えばコモンレール式の燃料噴射装置で、インジェクタが、その開閉を切り換えるための弁部材等にコモンレールの燃料圧（コモンレール圧力）を一方向に作動させておく一方、ピエゾアクチュエータを充電駆動時に燃料圧とは判定方向に作用するように配置したものがある。弁部材等は、ピエゾアクチュエータの充電駆動と放電駆動とを切り換えることで前後動する。係る燃料噴射装置において運転状態に応じてコモンレール圧力を調整し、燃料の噴射圧力を調整することでなされるが、コモンレール圧力によりピエゾアクチュエータの作動特性が変化することになる。コモンレール圧力に応じて基準電圧を変えることで、コモンレール圧力の影響を相殺して弁部材の挙動を均一にすることができる。図７に、基準電圧と充電エネルギーとの対応関係の一例を示す。
【００４８】
また、基準電圧とともにワンショット回路７５から出力されるパルス信号の長さを可変とすることで、充電エネルギーを略一定としながら、充電過程を変えることができる。図８は、基準電圧とワンショット回路７５からのパルス信号の長さ（充電時間）を変えたときの充電過程の一例を示すものである。なお、図中、充電エネルギーについては、横軸の時間は充電開始からの経過時間であり、グラフ線は、充電時間内における充電エネルギーのプロファイルを示している。また、基準電圧については、横軸の時間は充電時間であり、グラフ線は、充電時間と基準電圧との関係を示している。基準電圧と充電時間とは両者の積が略同じになるように設定してある。これにより、充電期間に充電されるエネルギーが一定で、充電過程が異なるようにすることができる。この場合において、基準電圧を小さく充電時間を長くとれば、充電エネルギーの上昇速度が低いものとなる。すなわち、ピエゾアクチュエータの作動（伸長）の立上がりが緩やかになる。これにより、燃料噴射装置の例でいえば、噴射率の制御が可能となり、運転状態に応じた最適な燃料噴射を実現することができる。
【００４９】
なお、基準電圧およびパルス信号の長さが段階的に変わるようにしてもよいし、連続的に可変なものでもよい。基準電圧と充電時間とを両者の積が略同じになるように設定すれば、充電エネルギーを一定にしながらエネルギーの経時プロファイルを変えることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
図９に本発明の第３実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は基本的な構成は第１実施形態のものと同じで、図中、第１実施形態と同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、基準電圧発生回路６１Ａが、基準電圧を２段階に可変な構成で、第１、第２の基準電圧を出力可能である（第１の基準電圧が低く、第２の基準電圧が高いものとする）。基準電圧発生回路６１Ａは、駆動信号の「１」レベルへの立ち上がりをトリガし、トリガ時点から最初の一定の期間（充電初期）は第１の基準電圧を出力し、次の期間（充電中期）は第２の基準電圧を出力し、最後の期間（充電終期）は第１の基準電圧を出力するようになっている。
【００５２】
図１０はピエゾアクチエータ２の伸長時すなわち充電時における本ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。基本的な作動は第１実施形態と同様であるが、充電初期には第１の基準電圧にてバッファコンデンサ電流が制御されるので、ピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは緩やかに上昇し、充電中期に第２の基準電圧に切換わるとピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは上昇速度を速める。そして、充電終期には再び第１の基準電圧に戻り、ピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは上昇速度を緩めて、充電エネルギーの最終値（目標エネルギー）に向けて収束していく。
【００５３】
なお、本実施形態では基準電圧を２段階に出力するものとして説明したが、３段階以上でもよいのは勿論である。また、基準電圧が連続的に可変なものでもよい。また、基準電圧の出力パターンも、充電期間の中ほどで大きくなるだけではなく、要求される作動特性に応じて適宜、設定し得る。
【００５４】
なお、前記各実施形態では、平均化回路に入力するのがバッファコンデンサ電流の検出信号であるが、バッファコンデンサ電圧の電圧検出信号と、バッファコンデンサ電流の電流検出信号とを乗じて駆動電力を演算する乗算回路を設けて、その駆動電力の出力信号をバッファコンデンサの単位時間当たりの放電量として、これが平均化回路に入力するようにしてもよい。この場合は、第２実施形態のごとく、バッファコンデンサ電圧の変動の影響を回避して、さらに高精度にピエゾアクチュエータの充電エネルギーを一定にすることができる。
【００５５】
また、前記各実施形態は、バッテリ電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧した電圧にてバッファコンデンサを充電するものを示したが、バッテリ電圧に充電されるコンデンサ１２から直接ピエゾアクチュエータ２を駆動するものにも本発明は適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第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作動状態を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第１のグラフである。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第２のグラフである。
【図６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第３のグラフである。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の変形例の作動を説明するグラフである。
【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の別の変形例の作動を説明するグラフである。
【図９】本発明の第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作動状態を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１電源
１１バッテリ
１２コンデンサ
２ピエゾアクチュエータ
３１第１の通電経路
３２第２の通電経路
３０１インダクタ
４ａ充電スイッチ
４ｂ放電スイッチ
５１抵抗器（放電量検出手段）
５２平均化回路（平均化手段）
６１，６１Ａ基準電圧発生回路（目標値出力手段）
６２電圧検出回路（電圧検出手段）
６３基準電圧補正回路（目標値補正手段）
７スイッチ制御回路（スイッチ制御手段）
７１コンパレータ（比較手段）

Claims

充電または放電による駆動で作動状態が切り換わるピエゾアクチュエータを駆動対象とする駆動回路であって、電源と前記ピエゾアクチュエータとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記電源をバイパスし前記インダクタとピエゾアクチュエータとを結ぶ第２の通電経路と、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記充電スイッチを制御し、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を前記第１の通電経路に流し、前記充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を前記第２の通電経路に流すスイッチ制御手段とを有するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記電源を供給元として前記第１の通電経路のうち前記第２の通電経路との非共通部分を流れる単位時間当たりの放電量を検出する放電量検出手段と、
前記単位時間当たりの放電量の目標値を設定する目標値出力手段と、
前記スイッチ制御手段は、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記単位時間当たりの放電量の検出値が目標値となるように前記充電スイッチを制御し、かつ、駆動開始からの経過時間が予め設定した所定時間になると前記充電スイッチをオフに固定す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記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記放電量検出手段を、前記単位時間当たりの放電量として前記電源を流れる電流を検出する手段とし、
かつ、前記電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電源の出力電圧の検出値が高いほど前記目標値が低くなるように該目標値を補正する目標値補正手段とを具備せしめたピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１または２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、前記放電量検出手段を、前記単位時間当たりの放電量として前記電源を流れる電流を検出する手段とし、
前記電流の検出値を積分し、積分期間における電流検出値を平均化する平均化手段を具備せしめたピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１ないし３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、前記目標値出力手段は、駆動期間中、一定の目標値を出力するピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１ないし３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、前記目標値出力手段は、駆動開始からの経過時間に応じて目標値を切り換えるピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１ないし５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、前記スイッチ制御手段には、前記目標値を挟む二つの値をしきい値として前記検出値と前記しきい値とを比較してその大小を二値判定する比較手段であって、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときと、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときとに判定出力が切り換わるヒシテリシスを有する比較手段を具備せしめ、前記判定出力に基づき、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときに充電スイッチをオフし、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときに充電スイッチをオンするように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。