JP2006217693A - Adjustment method for control mode of piezo actuator, and drive device of piezo actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の電気的な状態量を制御するものについて、該制御の態様を調整するピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法に関する。また、本発明は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の電気的な状態量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置に関する。 The present invention controls the electrical state quantity of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element functioning as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element for chopper control. The present invention relates to a method for adjusting the control mode of a piezo actuator that adjusts the control mode. In addition, the present invention controls the electrical state quantity of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element for chopper control. The present invention relates to a driving device for a piezoelectric actuator.
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)等のピエゾ素子が逆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弁内に設けられる。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。 The piezoelectric actuator is an actuator in which a piezoelectric element such as a laminated body (piezo stack) in which a large number of piezoelectric elements are stacked is expanded and contracted by a reverse piezoelectric effect. For example, the piezoelectric actuator is provided in a fuel injection valve in a common rail fuel injection device of a diesel engine. . The piezo actuator is a capacitive load, and can be switched between an expanded state and a contracted state by charging and discharging.
ピエゾアクチュエータの駆動装置は、ピエゾ素子を充電、及び放電することでピエゾアクチュエータを伸長、及び縮小させるものである。この駆動装置としては、チョッパ制御により、ピエゾ素子の充電及び放電を行うことでピエゾ素子の変位量を制御するものが知られている(特許文献1〜4)。この駆動装置は、変位量の増加制御時には、チョッパ制御にかかる充電用のスイッチング素子のオン・オフ操作の繰り返しにより、ピエゾ素子及びコイルの直列回路に流れる電流量の増加、減少を繰り返すことで、ピエゾ素子への充電を行う。また、変位量の減少制御時には、チョッパ制御にかかる放電用のスイッチング素子のオン・オフ操作の繰り返しにより、ピエゾ素子及びコイルの直列回路に流れる電流量の増加、減少を繰り返すことで、ピエゾ素子の放電を行う。
The drive device for a piezo actuator extends and contracts the piezo actuator by charging and discharging a piezo element. As this drive device, one that controls the amount of displacement of the piezo element by charging and discharging the piezo element by chopper control is known (
また、上記駆動装置では、電圧等、ピエゾ素子の変位量と相関を有する電気的な状態量を所望に制御することで、ピエゾ素子を所望とする変位量に制御する。 Further, in the above-described drive device, the piezoelectric element is controlled to a desired displacement amount by controlling the electrical state amount having a correlation with the displacement amount of the piezoelectric element such as a voltage as desired.
ただし、上記チョッパ制御にて電気的な状態量を制御する場合、上記スイッチング素子のオフ操作を行った後にも上記直列回路に電流が流れることに起因して、電気的な状態量が変動する。このため、チョッパ制御により電気的な状態量を制御すると、これを正確に制御することができないおそれがある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するに際し、その制御性能を向上させることのできるピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法及びピエゾアクチュエータの駆動装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to increase the amount of current flowing through a piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off a switching element for chopper control. Another object of the present invention is to provide a method for adjusting a control mode of a piezo actuator and a drive device for the piezo actuator, which can improve the control performance when controlling the displacement amount of the piezo element while reducing the piezo element.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。 Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
手段1では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するものについて、該制御の態様を調整する調整方法であって、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整する。
ピエゾ素子の特性には個体差があるため、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記オン・オフ操作により一義的に定まらない。更に、ピエゾ素子の特性が温度によって変化すること等のために、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記操作により一義的に定まらない。 Since there are individual differences in the characteristics of the piezo element, the electrical state quantity of the piezo element is not uniquely determined by the on / off operation. Furthermore, because the characteristics of the piezo element change with temperature, the electrical state quantity of the piezo element is not uniquely determined by the above operation.
一方、計測される前記ピエゾ素子の電気的な状態量が定常となるのは、オン操作からオフ操作へ最後に切り替えられた後、ピエゾ素子を介して流れる電流量がゼロとなった以降である。ここで、定常となった後に計測される電気的な状態量に基づき、変位量の制御の態様を調整すると、上述したピエゾ素子の特性の変動等に起因して以下のような不都合が生じる。 On the other hand, the measured electrical state quantity of the piezo element becomes steady after the amount of current flowing through the piezo element becomes zero after the last switching from the on operation to the off operation. . Here, if the mode of controlling the amount of displacement is adjusted based on the electrical state quantity measured after becoming steady, the following inconvenience occurs due to the above-described variation in the characteristics of the piezoelectric element.
すなわち、この場合、上記操作の終了後に上記オフ操作に起因してピエゾ素子を電流が流れる個体Aと、上記操作の終了時に上記オフ操作による電流量がゼロとなる個体Bとの双方について、充電量を近似させるような調整が行われることとなる。しかし、この場合、温度による特性変化等により、制御の終了時に個体Aの電流量がゼロとなるとともに、制御の終了時に個体Bがオフ操作に切り替えがなされる場合には、これら個体Aの充電量と個体Bの充電量とに大きな差が生じる。 That is, in this case, both the individual A that flows current through the piezo element due to the off operation after the end of the operation and the individual B for which the amount of current due to the off operation becomes zero at the end of the operation are charged. Adjustments are made to approximate the quantities. However, in this case, when the current amount of the individual A becomes zero at the end of the control due to a change in characteristics due to temperature or the like, and the individual B is switched to the off operation at the end of the control, the charging of the individual A is performed. There is a large difference between the amount and the charge amount of the individual B.
この点、上記方法では、上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動を抑制することができ、ひいては変位量の制御性能を向上させることができる。 In this regard, in the above method, by adjusting the control mode based on the state quantity measured before the end of the repetition of the above operation, it is possible to suppress the fluctuation of the state quantity, thereby improving the displacement amount control performance. Can be made.
なお、上記「オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前」には、同繰り返しの終了時が含まれることとする。更に、上記「制御の態様の調整」には、オン操作、オフ操作の態様のみならず、変位量の制御を行うピエゾ素子の駆動回路の回路特性の調整も含まれるものとする。 It should be noted that “before the end of repetition of the ON operation and OFF operation” includes the end of the repetition. Furthermore, the “adjustment of the control mode” includes not only the on / off operation mode but also the adjustment of the circuit characteristics of the drive circuit of the piezo element that controls the displacement amount.
なお手段1は、手段2によるように、前記制御の態様の調整は、前記計測結果を基準値に一致させるために行うようにしてもよい。
Note that, as with the
手段3では、手段1又は2において、前記制御が、前記ピエゾ素子の充電処理によって行われる。
In the
上記方法では、ピエゾ素子の充電処理にかかる制御の調整を手段1や手段2の態様にて行うために、ピエゾ素子の充電量の制御等、ピエゾ素子の伸長制御の態様を適切なものとすることができる。
In the above method, in order to perform the control adjustment related to the charging process of the piezo element in the aspect of the
手段4では、手段1〜3のいずれかにおいて、前記計測を、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了時に同期して行う。
In the means 4, in any one of the
上記方法では、上記操作の繰り返しの終了時に同期して上記計測を行うことで、計測に基づき調整が行われた後の状態量の変動を、オン操作からオフ操作への切り替え時から電流量がゼロとなるときまでの電流量程度に低減することができる。 In the above method, by performing the above measurement in synchronization with the end of the repetition of the above operation, the amount of current after the switching from the on operation to the off operation can be reduced by changing the state quantity after adjustment based on the measurement. It can be reduced to about the amount of current up to zero.
手段5では、手段4において、前記状態量の制御は、予め設定された所定期間の前記オン操作及びオフ操作の繰り返しによって行われるものであり、前記計測を、前記所定期間の経過時に同期して行う。 In the means 5, in the means 4, the state quantity is controlled by repeating the ON operation and the OFF operation for a predetermined period set in advance, and the measurement is synchronized with the elapse of the predetermined period. Do.
上記方法では、上記操作の繰り返しを所定期間行うようにすることで、状態量の制御を簡易な処理にて行うことができる。しかも、所定期間の経過時に同期して行われる計測に基づき、制御の態様が調整されるために、制御性能を向上させることもできる。 In the above method, the state quantity can be controlled by a simple process by repeating the above operation for a predetermined period. In addition, since the control mode is adjusted based on the measurement performed in synchronization with the elapse of the predetermined period, the control performance can be improved.
なお、手段5は、手段6によるように、前記制御の態様の調整には、前記所定期間の調整が含まれるようにしてもよい。
Note that, as in the
これにより、状態量の制御の態様を好適に調整することができる。 Thereby, the mode of controlling the state quantity can be suitably adjusted.
手段7では、手段1〜6のいずれかにおいて、前記制御態様の調整には、前記オン操作及びオフ操作の少なくとも一方の態様の調整が含まれる。
In the means 7, in any one of the
上記方法では、オン・オフ操作の態様を調整することで、状態量の制御の態様を好適に調整することができる。 In the above method, the mode of controlling the state quantity can be suitably adjusted by adjusting the mode of the on / off operation.
手段8では、手段1〜7のいずれかにおいて、前記計測を、前記制御に際しての前記ピエゾ素子の電圧の振動に起因した前記状態量の計測値の変動を除去する処理を施した後に行う。
In the means 8, in any one of the
上記方法では、変動を除去する処理が施された後に状態量が計測されるために、同一の計測値を異なるタイミングでとり得る事態の発生を回避又は抑制することができる。このため、上記方法によれば、状態量を適切に計測することができる。 In the above method, since the state quantity is measured after the process for removing the fluctuation is performed, it is possible to avoid or suppress the occurrence of a situation where the same measurement value can be taken at different timings. For this reason, according to the said method, a state quantity can be measured appropriately.
手段9では、手段1〜7のいずれかにおいて、前記計測を、前記ピエゾ素子を介して流れる電流及び前記ピエゾ素子の電圧の少なくとも一方を独立変数として含む関数の時間による積分値の計測として行う。
In the means 9, in any one of the
上記関数の独立変数がピエゾ素子の電圧を含む場合には、電圧が変位量と相関を有するために、関数も変位量と相関を有する。また、独立変数がピエゾ素子を介して流れる電流を含む場合には、電流の積分値が変位量と相関を有するため、関数の積分値も変位量と相関を有する。そして、関数の時間による積分値は、電圧の振動等に起因した関数の値の変動影響が好適に抑制されたものとなる。このため、この関数の積分値を用いて、ピエゾ素子の変位量を適切に計測することができる。 When the independent variable of the function includes the voltage of the piezo element, since the voltage has a correlation with the displacement amount, the function also has a correlation with the displacement amount. In addition, when the independent variable includes a current flowing through the piezo element, the integral value of the current has a correlation with the displacement amount, and thus the integral value of the function also has a correlation with the displacement amount. The integral value according to the time of the function is one in which the influence of the fluctuation of the function value due to voltage oscillation or the like is suitably suppressed. For this reason, the displacement amount of the piezo element can be appropriately measured using the integral value of this function.
なお、上記積分値を、前記電圧、前記電流、及び前記電圧と前記電流との積のいずれかの積分値とすることが望ましい。 The integrated value is preferably an integrated value of any one of the voltage, the current, and the product of the voltage and the current.
ここで、電圧は、ピエゾ素子の変位量と相関を有する量である。また、電流の時間による積分値も、ピエゾ素子の変位量と相関を有する量である。更に、電流と電圧の積は、ピエゾ素子のエネルギの変化量と相関を有するため、電流と電圧の積の積分値は、ピエゾ素子の変位量と相関を有する。 Here, the voltage is an amount having a correlation with the displacement amount of the piezoelectric element. Further, the integrated value of the current over time is also an amount having a correlation with the displacement amount of the piezoelectric element. Further, since the product of current and voltage has a correlation with the amount of change in energy of the piezo element, the integrated value of the product of current and voltage has a correlation with the amount of displacement of the piezo element.
手段10では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とする。
The
手段11では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子のオン操作及びオフ操作の繰り返しによりアクチュエータとして機能するピエゾ素子を介して流れる電流量を増加及び減少させつつ前記ピエゾ素子の変位量を制御するピエゾアクチュエータの駆動装置において、前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に計測された前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量に基づき、前記制御の態様が調整されてなることを特徴とする。 The means 11 drives a piezo actuator that controls the amount of displacement of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element for chopper control. In the apparatus, the control mode is adjusted based on an electrical state quantity of the piezo element having a correlation with the displacement amount measured before the end of the repetition of the on operation and the off operation. To do.
ピエゾ素子の特性には個体差があるため、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記オン・オフ操作により一義的に定まらない。更に、ピエゾ素子の特性が温度によって変化すること等のために、ピエゾ素子の電気的な状態量は、上記操作により一義的に定まらない。 Since there are individual differences in the characteristics of the piezo element, the electrical state quantity of the piezo element is not uniquely determined by the on / off operation. Furthermore, because the characteristics of the piezo element change with temperature, the electrical state quantity of the piezo element is not uniquely determined by the above operation.
一方、計測される前記ピエゾ素子の電気的な状態量が定常となるのは、オン操作からオフ操作へ最後に切り替えられた後、ピエゾ素子を介して流れる電流量がゼロとなった以降である。ここで、定常となった後に計測される電気的な状態量に基づき変位量の制御の態様を調整すると、上述したピエゾ素子の特性の変動等に起因して以下のような不都合が生じる。 On the other hand, the measured electrical state quantity of the piezo element becomes steady after the amount of current flowing through the piezo element becomes zero after the last switching from the on operation to the off operation. . Here, when the displacement amount control mode is adjusted based on the electrical state quantity measured after becoming steady, the following inconvenience occurs due to the above-described variation in the characteristics of the piezoelectric element.
すなわち、この場合、上記操作の終了後に上記オフ操作に起因してピエゾ素子を電流が流れる個体Aと、上記操作の終了時に上記オフ操作による電流量がゼロとなる個体Bとの双方について、充電量を近似させるような調整が行われることとなる。しかし、この場合、温度による特性変化等により、制御の終了時に個体Aの電流量がゼロとなるとともに、制御の終了時に個体Bがオフ操作に切り替えがなされる場合には、これら個体Aの充電量と個体Bの充電量とに大きな差が生じる。 That is, in this case, both the individual A that flows current through the piezo element due to the off operation after the end of the operation and the individual B for which the amount of current due to the off operation becomes zero at the end of the operation are charged. Adjustments are made to approximate the quantities. However, in this case, when the current amount of the individual A becomes zero at the end of the control due to a change in characteristics due to temperature or the like, and the individual B is switched to the off operation at the end of the control, the charging of the individual A is performed. There is a large difference between the amount and the charge amount of the individual B.
この点、上記手段10によれば、上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動を抑制することができ、ひいては変位量の制御性能を向上させることができる。
In this regard, according to the
また、上記手段11では、当該駆動装置の製造時に上記操作の繰り返しの終了以前に計測される状態量に基づき制御の態様を調整することで、状態量の変動が抑制された駆動装置を実現することができる。 Further, the means 11 realizes a driving device in which fluctuations in the state quantity are suppressed by adjusting the control mode based on the state quantity measured before the end of the repetition of the operation when the driving apparatus is manufactured. be able to.
なお、上記「オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前」には、操作の終了時が含まれることとする。更に、上記「制御の態様の調整」には、オン操作、オフ操作の態様のみならず、変位量の制御を行うピエゾ素子の駆動回路の回路特性の調整も含まれるものとする。 Note that “before the end of the repetition of the on operation and the off operation” includes the time when the operation ends. Furthermore, the “adjustment of the control mode” includes not only the on / off operation mode but also the adjustment of the circuit characteristics of the drive circuit of the piezo element that controls the displacement amount.
なお、手段10、手段11における上記計測や制御、制御の態様の調整の具体的な構成としては、上記手段2〜9のいずれかに記載の方法を実施する手段としてもよい。
In addition, as a specific configuration of the measurement, control, and adjustment of the control mode in the
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかるピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法及びピエゾアクチュエータの駆動装置を、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁の備えるピエゾアクチュエータに適用した第1の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a method for adjusting a control mode of a piezoelectric actuator and a driving device for a piezoelectric actuator according to the present invention are applied to a piezoelectric actuator provided in a fuel injection valve of a diesel engine will be described with reference to the drawings.
図1に、上記ディーゼルエンジン用燃料噴射システムの全体構成を示す。図示されるように、燃料タンク2の燃料は、燃料フィルタ4を介して高圧燃料供給ポンプ6に内蔵されるフィードポンプによって汲み上げられ、コモンレール8に加圧供給される。コモンレール8にて高圧状態で蓄えられた燃料は、高圧燃料供給パイプ10を介して、4気筒のディーゼルエンジンの各々の気筒に設けられる燃料噴射弁12に供給される。また、燃料噴射弁12の各々は、その内部から出てきたリーク燃料を燃料タンク2に戻すための低圧燃料供給パイプ14に接続されている。
FIG. 1 shows the overall configuration of the diesel engine fuel injection system. As shown in the figure, the fuel in the
コモンレール8内の燃圧を検出する燃料圧力センサ16等の各種センサの検出値は、制御装置20に取り込まれる。そして、制御装置20では、こうした検出値に基づき、燃料噴射弁12等のディーゼルエンジンの各種アクチュエータを操作する。次に、燃料噴射弁12に設けられるピエゾ素子と、その充電及び放電を行う制御装置20について詳述する。
Detection values of various sensors such as the
図2に、燃料噴射弁12の備えるピエゾ素子、及び制御装置20の構成を示す。
FIG. 2 shows the configuration of the piezo element included in the
図示されるように、ピエゾ素子PE(各気筒に対応してピエゾ素子pa〜pdと表記)は、複数の圧電素子が積層されてなる積層体(ピエゾスタック)を備え、これが逆圧電効果により伸縮することによりアクチュエータとして機能する。具体的には、ピエゾ素子PEは、容量性の負荷であり、充電されることで伸長し、放電されることで縮小する。ちなみに、本実施形態にかかるピエゾ素子PEは、PZT等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。 As shown in the figure, the piezo element PE (piezo elements pa to pd corresponding to each cylinder) includes a laminated body (piezo stack) in which a plurality of piezoelectric elements are laminated, and this is expanded and contracted by a reverse piezoelectric effect. This functions as an actuator. Specifically, the piezo element PE is a capacitive load, and expands when charged and shrinks when discharged. Incidentally, the piezoelectric element PE according to the present embodiment uses a piezoelectric element of a piezoelectric material such as PZT.
ここで、ピエゾ素子PEを駆動する駆動回路について説明する。 Here, a drive circuit for driving the piezo element PE will be described.
バッテリBaから供給される電力は、まず昇圧回路であるDC/DCコンバータ30に供給される。DC/DCコンバータ30は、バッテリBaの電圧(例えば「12V」)を、ピエゾ素子PEを充電するための高電圧(例えば「200〜300V」)に昇圧する。
The power supplied from the battery Ba is first supplied to the DC /
DC/DCコンバータ30の昇圧電圧は、コンデンサ32に印加される。コンデンサ32は、その一方の端子がDC/DCコンバータ30側に接続され、また他方の端子が接地されている。そして、DC/DCコンバータ30の昇圧電圧がコンデンサ32に印加されると、コンデンサ32はピエゾ素子PEに供給するための電荷を蓄える。ちなみに、コンデンサ32は、ピエゾ素子PEへの一回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しないような容量(例えば「数100μF」程度)を有するものであることが望ましい。
The boosted voltage of the DC /
コンデンサ32のうちの高電位となる端子側、すなわち、DC/DCコンバータ30側は、充電スイッチ34と充放電コイル36との直列接続体を介して、ピエゾ素子PEの高電位となる端子側に接続されている。そして、ピエゾ素子PEの低電位となる端子側は、接地されている。
The high potential terminal side of the
詳しくは、各ピエゾ素子pa〜pdと接地との間には、気筒選択スイッチ38が接続されており、これにより、ピエゾ素子pa〜pdのいずれに対して充電処理又は放電処理を行うかを選択するようになっている。また、ピエゾ素子paとピエゾ素子pdとの並列回路と、ピエゾ素子pbとピエゾ素子pcとの並列回路とには、それぞれこれらと充放電コイル36とを接続するバンク選択スイッチ40が接続されている。このバンク選択スイッチ40は、複数気筒の同時噴射や、退避走行時に2気筒のみを用いることを可能とするスイッチである。ちなみに、ピエゾ素子pa〜pdは、ピエゾ素子paが1番気筒、ピエゾ素子pbが2番気筒、ピエゾ素子pcが3番気筒、ピエゾ素子pdが4番気筒に対応している。
Specifically, a
充電スイッチ34と充放電コイル36との間には、放電スイッチ42の一方の端子が接続されており、放電スイッチ42の他方の端子は、接地されている。
One terminal of a
放電スイッチ42には、ダイオード44が並列接続されている。このダイオード44は、そのカソード側がコンデンサ32及び充放電コイル36との間に、またそのアノード側が接地側にそれぞれ接続されている。このダイオード44は、コンデンサ32、充電スイッチ34、充放電コイル36と共に、ピエゾ素子PEを充電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。
A
一方、充電スイッチ34には、ダイオード46が並列接続されている。このダイオード46は、そのカソード側がコンデンサ32側と、またそのアノード側が放電スイッチ42側と接続されている。このダイオード46は、コンデンサ32、充放電コイル36、放電スイッチ42と共に、ピエゾ素子PEの電荷を放電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。
On the other hand, a
なお、充放電コイル36とバンク選択スイッチ40との間には、ショートスイッチ48とダイオード50とが、ピエゾ素子PEに並列に接続されている。このショートスイッチ48は、上記チョッパ制御によっては放電しきれなかったピエゾ素子PEの電荷を完全に放電するためのものである。また、ダイオード50は、ピエゾ素子PEの電圧がマイナスとなることを防止している。
A short switch 48 and a diode 50 are connected in parallel with the piezo element PE between the charge /
先の図1に示した制御装置20は、上記駆動回路に加えて、マイクロコンピュータ22と制御IC24とを備えている。ここで、マイクロコンピュータ22は、ディーゼルエンジンの運転状態等を検出する各種センサの検出値に基づき、ピエゾ素子PEの変位量の制御条件を算出し、制御IC24に出力する。制御IC24は、マイクロコンピュータ22から出力された制御条件に基づき、駆動回路を駆動する。なお、制御IC24やマイクロコンピュータ22は、駆動回路の各ノードN1〜N7の電位に基づき、駆動回路やピエゾ素子PEの電流や電圧等の情報を取り込んでいる。
The
ここで、本実施形態にかかるピエゾ素子PEの変位量の制御(充電処理及び放電処理)について詳述する。 Here, the control (charging process and discharging process) of the displacement amount of the piezo element PE according to the present embodiment will be described in detail.
図3に、充電処理及び放電処理の態様を示す。ここで、図3(a)は、マイクロコンピュータ22から制御IC24に出力され、噴射期間を指示する噴射信号の推移を示す。図3(b)は、マイクロコンピュータ22から制御IC24に出力され、充電期間を指示する充電期間信号の推移を示す。図3(c)は、充電スイッチ34の操作信号の推移を示す。図3(d)は、気筒選択スイッチ38の操作信号の推移を示す(ここではそのうちのピエゾ素子paに対応したものを例示)。図3(e)は、放電スイッチ42の操作信号の推移を示す。図3(f)は、バンク選択スイッチ40の操作信号を推移を示す(ここでは、図3(d)に対応するスイッチの操作信号を例示)。図3(g)は、ショートスイッチ48の操作態様の推移を示す。図3(h)は、ピエゾ素子PEの高電位となる側の電圧の推移を示す。図3(i)は、ピエゾ素子PEを介して流れる電流(ピエゾ素子PEに流入する電荷、ピエゾ素子PEから流出する電荷)の推移を示す。
FIG. 3 shows aspects of the charging process and the discharging process. Here, FIG. 3A shows the transition of the injection signal output from the microcomputer 22 to the control IC 24 and instructing the injection period. FIG. 3B shows the transition of the charging period signal output from the microcomputer 22 to the control IC 24 and instructing the charging period. FIG. 3C shows the transition of the operation signal of the charging
図示されるように、時刻t1に、マイクロコンピュータ22から制御IC24に、噴射信号と充電期間信号が出力されることで、制御IC24は、充電スイッチ34のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、充電スイッチ34がオン操作されることによって、図4(a)に示すように、コンデンサ32、充電スイッチ34、充放電コイル36、ピエゾ素子paからなる閉ループ回路が形成される。これにより、コンデンサ32の電荷がピエゾ素子paに充電される。このとき、先の図3に示すように、ピエゾ素子paを介して流れる電流量が増加する。一方、充電スイッチ34のオン操作の後、充電スイッチ34がオフ操作されることで、図4(b)に示すように、充放電コイル36、ピエゾ素子pa、ダイオード44からなる閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル36のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子paに充電される。このとき、先の図3に示すように、ピエゾ素子paを介して流れる電流量が減少する。そして、本実施形態では、図3に示すように、電流量がゼロとなることで、充電スイッチ34を再度オン操作する。
As shown in the figure, the injection signal and the charging period signal are output from the microcomputer 22 to the control IC 24 at time t1, so that the control IC 24 starts chopper control by turning on / off the charging
上記態様にて充電スイッチ34が操作される降圧チョッパ制御が時刻t1〜時刻t2にわたって行われることで、ピエゾ素子paが充電され、ピエゾ素子paの高電位となる端子側の電位が上昇する。
The step-down chopper control in which the
一方、図3に示す時刻t3において、噴射信号が反転すると、制御IC24では、放電スイッチ42のオン・オフ操作を開始する。具体的には、放電スイッチ42がオン操作されることで、図5(a)に示すように、放電スイッチ42、充放電コイル36、ピエゾ素子paによって閉ループ回路が形成される。これにより、ピエゾ素子paが放電される。このとき、先の図3に示すように、ピエゾ素子paを介して流れる電流量が増加する。更に、放電スイッチ42のオン操作の後、放電スイッチ42がオフ操作されることで、図5(b)に示すように、コンデンサ32、ダイオード46、充放電コイル36、ピエゾ素子paによって閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル36のフライホイールエネルギがコンデンサ32に回収される。このとき、先の図3に示すように、ピエゾ素子paを介して流れる電流量が減少する。そして、本実施形態では、図3に示すように、電流量がゼロとなることで、放電スイッチ42を再度オン操作する。
On the other hand, when the injection signal is inverted at time t3 shown in FIG. 3, the control IC 24 starts the on / off operation of the
上記態様にて放電スイッチ42が操作される昇圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子paが放電され、ピエゾ素子paの高電位となる端子側の電位が低下する。ちなみに、図4、図5に示す式は、ピエゾ素子paを介して流れる電流量Ipと、充放電コイル36のインダクタンスL、ピエゾ素子paの電圧Vp、コンデンサ32の電圧Vcとの関係を表すものである。
By performing the step-up chopper control in which the
なお、図3に示すように、昇圧チョッパ制御によるピエゾ素子paの放電が完了した後の時刻t4〜時刻t5までの間、ショートスイッチ48がオン操作されることで、ピエゾ素子paの電荷を完全に放電させるようにする。 As shown in FIG. 3, the short switch 48 is turned on from time t4 to time t5 after the discharge of the piezo element pa by the boost chopper control is completed, so that the charge of the piezo element pa is completely discharged. To discharge.
本実施形態では、図3に示したように、ピエゾ素子paの充電処理を、充電期間信号によって定まる所定期間、充電スイッチ34のオン・オフ操作をすることによって行っている。すなわち、ピエゾ素子PEを伸長させる制御を、開ループ制御によって行なっている。そして、ピエゾ素子PEの変位量を所望に制御するに際し、本実施形態では、ピエゾ素子PEの変位量と相関を有するピエゾ素子PEの電気的な状態量を制御量とする。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the charging process of the piezo element pa is performed by turning on / off the charging
ところで、ピエゾ素子PEの特性には、個体差によるばらつきがある。また、ピエゾ素子PEの特性は、温度によっても変動し得る。このため、上記態様にて開ループ制御を行うと、ピエゾ素子PEを必ずしも所望とする変位量(電気的な状態量)に制御することができないおそれがある。すなわち、例えば図6に例示するように充電スイッチ34のオン・オフ操作の行われる期間が時刻t1〜t2までであると、オフ操作によって電流量がゼロとなった時点が時刻t2となるケース1の場合と、オン操作からオフ操作への最後の切り替え時が時刻t2となるケース2の場合とで充電量にばらつきが生じる。
Incidentally, the characteristics of the piezo element PE have variations due to individual differences. In addition, the characteristics of the piezo element PE may vary depending on the temperature. For this reason, when the open loop control is performed in the above-described manner, the piezo element PE may not necessarily be controlled to a desired displacement amount (electrical state amount). That is, for example, as illustrated in FIG. 6, when the period during which the on / off operation of the charging
こうしたピエゾ素子PEの特性のばらつき等に起因した充電量のばらつきの最大値は、充電スイッチ34のオン操作からオフ操作への切り替え時からピエゾ素子PEを介して流れる電流量がゼロとなるまでの間に、ピエゾ素子PEに流入する総電流量よりも大きくなり得る。ここで、図7に基づき、これについて説明する。
The maximum value of the variation in the amount of charge caused by the variation in the characteristics of the piezoelectric element PE is from the time when the charging
図7(a)に上記充電期間信号の推移を、図7(b)にピエゾ素子の個体Aを介して流れる電流の推移を、図7(c)に個体Aと異なる個体Bを介して流れる電流の推移を、図7(d)に個体Aと個体Bの電圧の推移をそれぞれ示す。ちなみに、図7においても、充電スイッチ34のオン操作は予め定められた所定時間行われ、オフ操作は電流量がゼロとなるまで行われている。こうした場合、一般に、電流量の最大値は時間が経過するにつれて小さくなり得るが図7では便宜上電流量の最大値を同一に記載している。
FIG. 7A shows the transition of the charging period signal, FIG. 7B shows the transition of the current flowing through the piezo element individual A, and FIG. 7C shows the transition through the individual B different from the individual A. FIG. 7 (d) shows the transition of the current, and the transition of the voltage of the individual A and the individual B is shown in FIG. Incidentally, also in FIG. 7, the on operation of the charging
図7では、充電期間が終了する時刻t2よりも後、ピエゾ素子PEを介して流れる電流量がゼロとなりピエゾ素子PEの電圧が定常状態となったときにピエゾ素子PEの電圧を計測し、この計測値が所望とする値(基準値)となるように開ループ制御の態様を調整した場合を示している。ここでは、調整時(計測値を基準値とするような調整が行われた直後)のピエゾ素子PEを介して流れる電流、及びピエゾ素子PEの電圧を実線で示している。このように、計測時の電圧値が一致しているとはいえ、電圧の変化量(電気的な状態量の変化量)には、ばらつきが生じている。 In FIG. 7, after the time t2 when the charging period ends, the voltage of the piezo element PE is measured when the amount of current flowing through the piezo element PE becomes zero and the voltage of the piezo element PE reaches a steady state. The case where the mode of the open loop control is adjusted so that the measured value becomes a desired value (reference value) is shown. Here, the current flowing through the piezo element PE and the voltage of the piezo element PE at the time of adjustment (immediately after adjustment is performed using the measurement value as a reference value) are indicated by solid lines. Thus, although the voltage values at the time of measurement match, there is a variation in the amount of change in voltage (the amount of change in the electrical state amount).
また、上記態様にて制御の態様を調整した後、個体A及び個体Bの特性が温度変化等により変化した場合のピエゾ素子PEを介して流れる電流量と、ピエゾ素子PEの電圧とを2点鎖線で示す。ここでは、個体Aについては、調整時には、充電スイッチ34のオン操作からオフ操作への切り替え時が時刻t2であったのが、調整後、充電スイッチ34のオフ操作によって電流量が減少しゼロとなった時点が時刻t2となるものに変化した場合を示している。一方、個体Bについては、調整時には、充電スイッチ34のオフ操作によって電流量がゼロとなった時点が時刻t2であったのが、調整後、充電スイッチ34のオン操作からオフ操作への切り替え時が時刻t2となるものに変化した場合を示している。こうした状況下、上記開ループ制御の完了後の個体Aと個体Bとの電圧には大きな誤差Δ(オフ操作へ切り替えられてから電流量がゼロとなるまでの総電流量の略2倍に対応する電圧誤差)が生じることとなる。
Further, after adjusting the control mode in the above mode, two points are obtained: the amount of current flowing through the piezo element PE and the voltage of the piezo element PE when the characteristics of the individual A and the individual B change due to a temperature change or the like. Shown with a chain line. Here, for the individual A, at the time of adjustment, the time when the
このように、上記オン・オフ操作の終了後、ピエゾ素子PEの充電量が定常となったときに計測される電気的な状態量(電圧等)に基づき、制御の態様を調整すると、制御される電気的な状態量や同状態量の変化量に大きなばらつきが生じる。 As described above, after the on / off operation is completed, the control state is controlled by adjusting the control mode based on the electrical state quantity (voltage, etc.) measured when the charge amount of the piezo element PE becomes steady. There is a large variation in the electrical state quantity and the amount of change in the state quantity.
そこで、本実施形態では、開ループ制御の態様を、図8に示すように、オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了時(オン・オフ操作の終了時)である時刻t2に同期して計測される電気的な状態量に基づき行うようにする。ちなみに、図8(a)に上記充電期間信号の推移を、図8(b)にピエゾ素子の個体Aを介して流れる電流の推移を、図8(c)に個体Bを介して流れる電流の推移を、図8(d)に個体Aと個体Bの電圧の推移をそれぞれ示す。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the mode of the open loop control is measured in synchronization with time t <b> 2 that is the end of the repetition of the ON operation and the OFF operation (at the end of the ON / OFF operation). This is done based on the electrical state quantity. Incidentally, FIG. 8A shows the transition of the charging period signal, FIG. 8B shows the transition of the current flowing through the individual A of the piezo element, and FIG. 8C shows the current flowing through the individual B. FIG. 8D shows the transition of the voltage of the individual A and the individual B, respectively.
図8でも、ピエゾ素子PEを介して流れる電流と、ピエゾ素子PEの電圧とを、調整時のものを実線で、また調整後のものを2点鎖線で示している。 In FIG. 8 as well, the current flowing through the piezo element PE and the voltage of the piezo element PE are indicated by a solid line when adjusted and by a two-dot chain line after adjustment.
図8においては、ピエゾ素子PEの電圧について2点鎖線にて示したものが記載されていないが、これは実線と重なっているからである。すなわち、個体Aについての調整後の(2点鎖線で示すべき)電圧の推移は個体Bの実線で示す電圧の推移と一致し、個体Bについての調整後の(2点鎖線で示すべき)電圧の推移は個体Aの実線で示す電圧の推移と一致している。このため、開ループ制御による電圧の誤差は、オフ操作への最後の切り替えから電流がゼロとなるまでの総電流量程度に抑制される。また、電圧の変化量(電気的な状態量の変化量)のばらつきも抑制される。 In FIG. 8, the voltage of the piezo element PE indicated by a two-dot chain line is not described, but this is because it overlaps the solid line. That is, the adjusted voltage transition (to be indicated by a two-dot chain line) for the individual A coincides with the voltage transition indicated by the solid line of the individual B, and the adjusted voltage (to be indicated by the two-dot chain line) for the individual B Is consistent with the voltage transition indicated by the solid line of the individual A. For this reason, the voltage error due to the open loop control is suppressed to about the total amount of current from the last switching to the off operation until the current becomes zero. In addition, variations in voltage variation (electrical state variation) are also suppressed.
このように、オン・オフ操作の終了時に同期して電圧等のピエゾ素子PEの電気的な状態量を計測し、これに基づき制御の態様を調整することで、制御性能を向上させることが可能となる。 In this way, it is possible to improve the control performance by measuring the electrical state quantity of the piezoelectric element PE such as voltage in synchronization with the end of the on / off operation and adjusting the control mode based on this measurement. It becomes.
ちなみに、こうした制御の態様の調整には、充電期間やオン操作時間の変更のみならず、先の図2に示した駆動回路の回路特性の変更も含まれる。 Incidentally, such adjustment of the control mode includes not only the change of the charging period and the ON operation time, but also the change of the circuit characteristics of the drive circuit shown in FIG.
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。 According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1)充電スイッチ34のオン・オフ操作の終了に同期してピエゾ素子PEの電気的な状態量を計測し、該計測された状態量に基づき変位量の制御の態様を調整した。これにより、オン・オフ操作の終了後のピエゾ素子PEの充電量(電気的な状態量)のばらつきを好適に抑制することができ、ひいては、ピエゾ素子PEの変位量のばらつきを好適に抑制することができる。
(1) The electrical state quantity of the piezo element PE was measured in synchronization with the end of the on / off operation of the
(2)チョッパ制御によって、ピエゾ素子PEの電流量を増加操作及び減少操作しつつ、ピエゾ素子PEの充電及び放電を行うことでピエゾ素子PEの変位量を制御した。これにより、ピエゾ素子PEの変位量の制御を簡易に行うことができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(2) The displacement amount of the piezo element PE is controlled by charging and discharging the piezo element PE while increasing and decreasing the current amount of the piezo element PE by chopper control. Thereby, the displacement amount of the piezo element PE can be easily controlled.
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment.
先の第1の実施形態のようにオン・オフ操作の終了時に電圧を計測する場合、計測される電圧が変動しているためにこれを正確に把握することができないおそれがある。特に、ピエゾ素子PEの電圧は、ピエゾ素子PEの抵抗成分や圧電現象等によって電圧振動を伴う。これは、ピエゾ素子PEの等価回路が、図9に示すように、LCRの直列回路として表現される機械成分と、LCRの直列回路に並列に接続されたコンデンサ及び同並列回路に直列に接続されている直列等価抵抗とによって表現される電気成分とによって構成されることによる。このため、電流が流れるたびに、直列等価抵抗で発生する電圧によってピエゾ素子PEの両端の電圧が変動する。そして、これにより、ピエゾ素子PEの電圧の計測に基づきピエゾ素子PEの変位量を一義的に定めることは困難なものとなっている。 When the voltage is measured at the end of the on / off operation as in the first embodiment, since the measured voltage fluctuates, this may not be accurately grasped. In particular, the voltage of the piezo element PE is accompanied by voltage oscillation due to the resistance component of the piezo element PE, the piezoelectric phenomenon, and the like. As shown in FIG. 9, the equivalent circuit of the piezo element PE is connected in series to a mechanical component expressed as an LCR series circuit, a capacitor connected in parallel to the LCR series circuit, and the parallel circuit. And the electrical component expressed by the series equivalent resistance. For this reason, each time a current flows, the voltage across the piezo element PE varies depending on the voltage generated by the series equivalent resistance. Thus, it is difficult to uniquely determine the amount of displacement of the piezo element PE based on the measurement of the voltage of the piezo element PE.
そこで、本実施形態では、ピエゾ素子PEを介して流れる電流、ピエゾ素子PEの電圧、上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値に基づき、オン・オフ操作の終了時のピエゾ素子PEの変位量(電気的な状態量)を計測する。 Therefore, in the present embodiment, the piezo element at the end of the on / off operation is based on the integrated value of the current flowing through the piezo element PE, the voltage of the piezo element PE, or the product of the voltage and the current. The displacement amount (electrical state amount) of PE is measured.
図10に、ピエゾ素子PEの電圧の推移と、同電圧の積分値の推移とを示す。また、図11に、ピエゾ素子PEの電流の推移と、同電流の積分値の推移とを示す。更に、図12に、ピエゾ素子PEの電流の推移と、電圧の推移と、エネルギ総量(電圧と電流との積の積分値)の推移とを示す。これら図10〜図12に示されるように、電流、電圧、及び上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値は、振動成分による影響が抑制されたものとなっている。このため、ピエゾ素子PEの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができ、ひいては、ピエゾ素子PEの変位量を一義的に定めることが可能となる。 FIG. 10 shows the transition of the voltage of the piezo element PE and the transition of the integrated value of the voltage. FIG. 11 shows the transition of the current of the piezo element PE and the transition of the integrated value of the current. Further, FIG. 12 shows the transition of the current of the piezo element PE, the transition of the voltage, and the transition of the total energy (the integrated value of the product of the voltage and the current). As shown in FIGS. 10 to 12, the integrated value of the current, the voltage, and the product of the voltage and the current with respect to the time is one in which the influence of the vibration component is suppressed. For this reason, the electrical state quantity of the piezo element PE can be appropriately measured as a unique value, and as a result, the displacement amount of the piezo element PE can be uniquely determined.
特に、図10〜図12に示す例において、電圧の積分値は、電圧の振動成分が除去され、ピエゾ素子PEの電気的な状態量の計測値として扱いやすいものとなっている。 In particular, in the examples shown in FIGS. 10 to 12, the integrated value of the voltage is easy to handle as a measured value of the electrical state quantity of the piezo element PE since the vibration component of the voltage is removed.
以上詳述した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(1)及び(2)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。 According to the embodiment described above in detail, the following effects can be obtained in addition to the effects (1) and (2) of the first embodiment.
(3)ピエゾ素子PEを介して流れる電流、ピエゾ素子PEの電圧、及び電流と電圧との積のいずれかの積分値を計測した。これは、電圧振動等が好適に抑制された電気的な状態量となっているため、ピエゾ素子PEの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができる。 (3) The integral value of any of the current flowing through the piezoelectric element PE, the voltage of the piezoelectric element PE, and the product of the current and voltage was measured. Since this is an electrical state quantity in which voltage oscillation or the like is suitably suppressed, the electrical state quantity of the piezo element PE can be appropriately measured as a unique value.
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第1及び第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the first and second embodiments.
本実施形態では、ピエゾ素子PEの縮小制御の態様を調整する。換言すれば、ピエゾ素子PEの充電量をゼロとする制御(放電処理)の態様を調整する。詳しくは、縮小速度(放電速度)を調整する。ただし、例えばピエゾ素子PEの電圧が「0V」となるのに要する時間を計測することで放電速度を計測するようにすると、計測誤差が大きくなる。これは、ピエゾ素子PEの電圧の「0V」近傍では電流が流れにくくなり、完全な「0V」とすることが困難なためである。なお、ピエゾ素子PEの電圧を完全に「0V」とするために、ショートスイッチ48をオンとする。 In this embodiment, the mode of reduction control of the piezo element PE is adjusted. In other words, the mode of control (discharge process) for adjusting the charge amount of the piezo element PE to zero is adjusted. Specifically, the reduction speed (discharge speed) is adjusted. However, for example, if the discharge speed is measured by measuring the time required for the voltage of the piezo element PE to be “0 V”, the measurement error increases. This is because the current hardly flows near “0V” of the voltage of the piezo element PE, and it is difficult to obtain a complete “0V”. The short switch 48 is turned on in order to completely set the voltage of the piezo element PE to “0V”.
これに対し、ピエゾ素子PEの縮小制御中にピエゾ素子PEの電気的な状態量を計測し、同状態量が所定値となるまでに要する時間によって放電速度を計測しようとすると、ピエゾ素子PEの電圧の振動によって、放電速度が一義的に定まらないおそれがある。図13に、ピエゾ素子PEの電圧の推移と、ピエゾ素子PEを介して流れる電流の推移とを示す。図13に示すように、ピエゾ素子PEの電圧がゼロよりも大きな所定電圧Vtまで低下するのに要する時間により放電速度(放電時間)を計測する場合、計測される放電速度が一義的に定まらない(図中、矢印で示す3つの値をとり得る)。 On the other hand, if the electrical state quantity of the piezo element PE is measured during the reduction control of the piezo element PE and the discharge speed is measured by the time required until the state quantity reaches a predetermined value, There is a possibility that the discharge rate may not be uniquely determined due to the vibration of the voltage. FIG. 13 shows the transition of the voltage of the piezo element PE and the transition of the current flowing through the piezo element PE. As shown in FIG. 13, when the discharge rate (discharge time) is measured by the time required for the voltage of the piezo element PE to drop to a predetermined voltage Vt greater than zero, the measured discharge rate is not uniquely determined. (In the figure, it can take three values indicated by arrows).
そこで、本実施形態では、ピエゾ素子PEを介して流れる電流、ピエゾ素子PEの電圧、上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値に基づき、放電速度を計測する。 Therefore, in the present embodiment, the discharge rate is measured based on the integration value of the current flowing through the piezoelectric element PE, the voltage of the piezoelectric element PE, and the product of the voltage and current.
図14に、ピエゾ素子PEの電圧の推移と、同電圧の積分値の推移とを示す。また、図15に、ピエゾ素子PEの電流の推移と、同電流の積分値の推移とを示す。更に、図16に、ピエゾ素子PEの電流の推移と、電圧の推移と、エネルギ総量(電圧と電流との積の積分値)の推移とを示す。これら図14〜図16に示されるように、電流、電圧、及び上記電圧と電流との積のいずれかの時間による積分値は、振動成分による影響が抑制されたものとなっている。このため、ピエゾ素子PEの電気的な状態量を一義的な値として適切に計測することができ、ひいては、これに基づき放電速度を適切に計測することができる。 FIG. 14 shows the transition of the voltage of the piezo element PE and the transition of the integrated value of the voltage. FIG. 15 shows the transition of the current of the piezo element PE and the transition of the integrated value of the current. Further, FIG. 16 shows the transition of the current of the piezo element PE, the transition of the voltage, and the transition of the total energy (integral value of the product of the voltage and the current). As shown in FIG. 14 to FIG. 16, the influence of the vibration component is suppressed in the integral value of the current, the voltage, and the product of the voltage and the current over time. For this reason, the electrical state quantity of the piezo element PE can be appropriately measured as a unique value, and the discharge rate can be appropriately measured based on this.
ちなみに、本実施形態では、ピエゾ素子PEの電圧の「10〜60V」内の任意の値に対応した所定値に上記積分値が達するのに要する時間として、放電速度を計測する。これは、ピエゾ素子PEの電圧が過度に高いところを利用しても、放電速度の計測誤差が大きくなるためである。 Incidentally, in the present embodiment, the discharge rate is measured as the time required for the integrated value to reach a predetermined value corresponding to an arbitrary value within the range of “10 to 60 V” of the voltage of the piezo element PE. This is because the measurement error of the discharge rate becomes large even when a place where the voltage of the piezo element PE is excessively high is used.
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態の上記(3)や先の第2の実施形態の上記(3)の効果に準じた効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。 According to the present embodiment described above, in addition to the effect according to the effect (3) of the previous first embodiment and the effect (3) of the previous second embodiment, the following effect is further obtained. It will be obtained.
(4)「10〜60V」内の任意の値に対応した所定値に上記積分値が達するのに要する時間として放電速度を計測することで、放電速度を精度良く計測することができる。 (4) By measuring the discharge speed as the time required for the integrated value to reach a predetermined value corresponding to an arbitrary value within “10 to 60 V”, the discharge speed can be accurately measured.
(第4の実施形態)
以下、第4の実施形態について、先の第3の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the third embodiment.
本実施形態では、放電速度を計測するに際し、ピエゾ素子PEの電圧を用いる。そして、制御に際しての電圧の信号に起因したピエゾ素子PEの変位量(電気的な状態量)の計測値の変動を除去する処理として、平滑化処理を適用する。図17に、ピエゾ素子PEの電圧と、同電圧に平滑化処理を施したものとの推移を示す。同図17に示されるように、平滑化処理を施すことで、電圧の振動が除去され、放電速度を一義的に定義することができるようになる。 In the present embodiment, the voltage of the piezo element PE is used when measuring the discharge rate. Then, a smoothing process is applied as a process for removing the variation in the measured value of the displacement amount (electrical state quantity) of the piezo element PE caused by the voltage signal at the time of control. FIG. 17 shows the transition between the voltage of the piezo element PE and the same voltage subjected to smoothing processing. As shown in FIG. 17, by performing the smoothing process, the voltage oscillation is removed, and the discharge rate can be uniquely defined.
ちなみに、この平滑化処理は、例えばCR回路等のアナログ回路による処理と、マイクロコンピュータ等を用いたデジタル回路による処理とのいずれでもよい。ただし、デジタル回路による処理の場合、マイクロコンピュータの動作速度や、アナログ・デジタルコンバータ、デジタル信号処理回路等の動作速度がある程度高速なものでないと、電圧の変化を適切に計測することができない。これに対し、アナログ回路による処理を採用すれば、簡易な構成にて適切な処理を行なうことができる。 Incidentally, this smoothing process may be either a process using an analog circuit such as a CR circuit or a process using a digital circuit using a microcomputer or the like. However, in the case of processing by a digital circuit, the change in voltage cannot be measured properly unless the operating speed of the microcomputer, the analog / digital converter, the digital signal processing circuit, or the like is high to some extent. On the other hand, if processing by an analog circuit is employed, appropriate processing can be performed with a simple configuration.
以上説明した本実施形態によっても、先の第3の実施形態に準じた効果を得ることができる。 Also according to the present embodiment described above, it is possible to obtain an effect according to the third embodiment.
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
(Other embodiments)
Each of the above embodiments may be modified as follows.
・上記各実施形態では、チョッパ制御にかかるスイッチング素子(充電スイッチ34、42)のオン操作時間一定且つオフ操作からオン操作への切り替えをピエゾ素子PEを介して流れる電流量がゼロとなるタイミングで行ったが、これに限らない。例えば図17、図18に例示する態様でオン・オフ操作を行ってもよい。図18に、オン操作からオフ操作への切り替えを電流量が所定の上限値となるタイミングで行うとともに、オフ操作からオン操作への切り替えを電流量がゼロとなるタイミングで行う例を示す。また、図19に、オン操作からオフ操作への切り替えを電流量が所定の上限値となるタイミングで行うとともに、オフ操作からオン操作への切り替えを電流量がゼロよりも大きな所定の下限値となるタイミングで行う例を示す。これらいずれにおいても、オン・オフ操作を終了するタイミングである時刻t2以降に流れる電流量が変動することがわかる。このため、こうした場合であっても、先の図7にて説明した問題を有している。このため、オン・オフ操作を終了するタイミングに同期してピエゾ素子PEの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測し、こうして計測された状態量に基づき変位量の制御の態様を調整することは有効である。 In each of the above embodiments, the on-operation time of the switching elements (charge switches 34 and 42) for chopper control is constant, and the switching from the off operation to the on operation is performed at the timing when the amount of current flowing through the piezo element PE becomes zero. I went there, but it is not limited to this. For example, the on / off operation may be performed in the manner illustrated in FIGS. 17 and 18. FIG. 18 shows an example in which switching from the on operation to the off operation is performed at a timing when the amount of current reaches a predetermined upper limit, and switching from the off operation to the on operation is performed at a timing when the amount of current becomes zero. Further, in FIG. 19, the switching from the on operation to the off operation is performed at a timing when the current amount becomes a predetermined upper limit value, and the switching from the off operation to the on operation is performed with a predetermined lower limit value where the current amount is larger than zero. An example performed at the following timing is shown. In any of these cases, it can be seen that the amount of current flowing after time t2, which is the timing for ending the on / off operation, varies. For this reason, even in such a case, the problem described with reference to FIG. Therefore, the electrical state quantity correlated with the displacement amount of the piezo element PE is measured in synchronization with the timing of ending the on / off operation, and the control method of the displacement amount is adjusted based on the state quantity thus measured. It is effective to do.
・上記各実施形態では、オン・オフ操作の終了時に同期してピエゾ素子PEの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測するようにしたが、これに限らない。要は、オン・オフ操作の終了時以前にピエゾ素子PEの電気的な状態量を計測し、これに基づき変位量の制御の態様を調整することで、制御性能の向上を図ればよい。なお、この際、計測点は一つに限らない。例えば、複数箇所で電気的な状態量を計測し、これらの計測結果がそれぞれ所望とする値(各基準値)に一致するように調整することで、電気的な状態量の変化量のばらつきを低減する等してもよい。 In each of the above embodiments, the electrical state quantity correlated with the displacement amount of the piezo element PE is measured in synchronization with the end of the on / off operation, but this is not restrictive. In short, it is only necessary to improve the control performance by measuring the electrical state quantity of the piezo element PE before the end of the on / off operation and adjusting the mode of controlling the displacement based on this. At this time, the number of measurement points is not limited to one. For example, by measuring electrical state quantities at multiple locations and adjusting these measurement results to match the desired values (respective reference values), variations in the amount of change in electrical state quantities can be achieved. It may be reduced.
・上記各実施形態では、開ループ制御によりピエゾアクチュエータの変位量を制御する駆動装置を例示したがこれに限らない。例えば、オン時間の設定等、制御の態様が当該駆動装置の製造時に上記実施形態に例示した態様にて調整された後、駆動装置によるフィードバック制御にて制御態様が微調整されるようにしてもよい。 In each of the above embodiments, the drive device that controls the displacement amount of the piezo actuator by open loop control is exemplified, but the present invention is not limited thereto. For example, after the control mode such as setting of the on-time is adjusted in the mode illustrated in the above embodiment at the time of manufacturing the drive device, the control mode may be finely adjusted by feedback control by the drive device. Good.
・上記実施形態では、当該駆動装置の製造時に、ピエゾ素子PEの変位量と相関を有する電気的な状態量を計測し、これに基づき変位量の制御の調整を行ったが、こうした調整は、当該駆動装置の製造時に限らない。すなわち、ピエゾ素子PEの電気的な状態量が制御装置20により計測され、ピエゾ素子PEの変位量の制御の態様が制御装置20によって調整される場合であっても、オン・オフ操作の終了時以前にピエゾ素子PEの電気的な状態量を計測する本発明の適用は有効である。
In the above embodiment, the electrical state quantity correlated with the displacement amount of the piezo element PE is measured at the time of manufacturing the drive device, and the displacement amount control is adjusted based on the measured electrical state quantity. It is not restricted at the time of manufacture of the said drive device. That is, even when the electrical state quantity of the piezo element PE is measured by the
・上記第2〜4の実施形態では、ピエゾ素子PEの変位量の相当値として計測されるピエゾ素子PEの電気的な状態量を、ピエゾ素子PEの電圧、ピエゾ素子PEを介して流れる電流、電圧及び電流の積のいずれかの積分値、又は電圧を平滑化処理したものとしたが、これに限らない。例えば上記電流と上記電圧との少なくとも一方を独立変数として含む関数の積分値であってもよい。また、上記電圧を独立変数として含む関数に平滑化処理を施したもの等、ピエゾ素子PEの電圧の振動に起因した電気的な状態量の計測値の変動を除去する処理の施されたものであってもよい。 In the second to fourth embodiments, the electrical state quantity of the piezo element PE measured as an equivalent value of the displacement amount of the piezo element PE is expressed by the voltage of the piezo element PE, the current flowing through the piezo element PE, Although the integration value of either the product of the voltage and the current or the voltage is smoothed, the present invention is not limited to this. For example, it may be an integral value of a function including at least one of the current and the voltage as an independent variable. In addition, the function including the above voltage as an independent variable is subjected to a process for removing fluctuations in the measured value of the electrical state quantity caused by the vibration of the voltage of the piezo element PE, such as a function subjected to a smoothing process. There may be.
・その他、ピエゾアクチュエータの駆動回路の構成等、ピエゾアクチュエータの駆動装置の構成については、適宜変更してよい。また、ピエゾアクチュエータとしては、ディーゼルエンジンの燃料噴射弁に設けられるものに限らない。 In addition, the configuration of the drive device for the piezoelectric actuator, such as the configuration of the drive circuit for the piezoelectric actuator, may be changed as appropriate. Further, the piezo actuator is not limited to that provided in the fuel injection valve of the diesel engine.
PE…ピエゾ素子、32…コンデンサ、34…充電スイッチ、36…充放電コイル、42…放電スイッチ、24…制御IC、22…マイクロコンピュータ。
PE ...
Claims (11)
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とするピエゾアクチュエータの制御態様の調整方法。 Controlling the amount of displacement of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element according to chopper control. An adjustment method for adjusting,
The electrical state quantity of the piezoelectric element having a correlation with the displacement amount is measured before the end of the repetition of the on operation and the off operation, and the control mode is adjusted based on the measurement result. Adjustment method of actuator control mode.
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量を計測し、該計測結果に基づき前記制御の態様を調整することを特徴とするピエゾアクチュエータの駆動装置。 In a drive device for a piezo actuator that controls the amount of displacement of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element according to chopper control,
The electrical state quantity of the piezoelectric element having a correlation with the displacement amount is measured before the end of the repetition of the on operation and the off operation, and the control mode is adjusted based on the measurement result. Actuator drive.
前記オン操作及びオフ操作の繰り返しの終了以前に計測された前記変位量と相関を有する前記ピエゾ素子の電気的な状態量に基づき、前記制御の態様が調整されてなることを特徴とするピエゾアクチュエータの駆動装置。 In a drive device for a piezo actuator that controls the amount of displacement of the piezo element while increasing and decreasing the amount of current flowing through the piezo element that functions as an actuator by repeatedly turning on and off the switching element according to chopper control,
A piezoelectric actuator characterized in that the control mode is adjusted based on an electrical state quantity of the piezoelectric element having a correlation with the displacement amount measured before the end of repetition of the ON operation and the OFF operation. Drive device.
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