JP2707804B2 - 圧電素子の駆動装置 - Google Patents

圧電素子の駆動装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子の駆動装置に関する。
〔従来の技術〕
電源用コンデンサに充電された電荷を充電用コイルを
介して圧電素子に充電し、圧電素子に充電された電荷を
放電用コイルを介して放電するようにした圧電素子の充
放電装置が公知である。しかしながらこの場合には放電
電荷が無駄に消費されるという問題がある。
そこで放電電荷の一部を電源用コンデンサにより回収
して電力消費量を低減するようにした圧電素子の充放電
装置が公知である（実開昭62−117251号公報参照）。こ
の充放電装置では放電時に最初に圧電素子に充電された
電荷を放電用コイルおよびスイッチング素子を介して電
源用コンデンサの高電位側に放電することにより放電電
荷を電源用コンデンサにより回収し、次いで圧電素子の
端子電圧が予め定められた設定電圧以下になったときに
放電用コイルおよびスイッチング素子を介して接地側に
放電させるようにしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで圧電素子の伸縮量は充電時の圧電素子の端子
電圧（正電圧）と放電完了後の圧電素子の最小端子負厚
電との電圧差によって定まり、また充電時の圧電素子の
端子電圧は充電前の圧電素子の端子電圧、即ち放電完了
後の圧電素子の最小端子負電圧に左右されるので圧電素
子の伸縮量を予め定められた一定量に制御するには放電
完了後の圧電素子の最小端子負電圧を一定負電圧に制御
する必要がある。しかしながら上述の実開昭62−117251
号公報に記載されているように圧電素子の端子電圧が予
め定められた設定電圧以下になったときに接地側に放電
するようにした場合にはその後圧電素子の端子電圧が低
下して最小端子負電圧になったときに最小端子負電圧が
一定せず、斯くして圧電素子の伸長量を正確に一定量に
制御できないという問題がある。
〔課題を解決するための手段〕
上記問題点を解決するために本発明によれば圧電素子
に充電された電荷を放電用コイルおよびスイッチング素
子を介して電源用コンデンサの高電位側に放電させた後
に放電用コイルおよびスイッチング素子を介して接地側
に放電させるようにした圧電素子の駆動装置において、
接地側への放電完了後における圧電素子のほぼ最小端子
負電圧を検出する最小端子負電圧検出手段と、接地側へ
の放電を制御する上述のスイッチング素子のオフからオ
ンへ切換タイミングを最小端子負電圧検出手段の検出結
果に基いて最小端子負電圧が予め定められた設定負電圧
となるようにフィードバック制御する切換タイミング制
御手段とを具備している。
〔作 用〕
最小端子負電圧が設定負電圧にフィードバック制御さ
れる。
〔実施例〕
以下本発明を燃料噴射制御用ピエゾ圧電素子の駆動装
置を例にとって説明する。
まず初めに第３図を参照してピエゾ圧電素子を用いた
燃料噴射弁について説明する。
第３図を参照すると燃料噴射弁１はそのハウジング２
内に摺動可能に挿入されてノズル口３の開閉制御をする
ニードル４と、ニードル４の円錐状受圧面５周りに形成
されたニードル加圧室６と、ハウジング２内に摺動可能
に挿入されたピストン７と、ハウジング２とピストン７
間に挿入されたピエゾ圧電素子PZTと、ピストン７をピ
エゾ圧電素子PZTに向けて付勢する皿ばね８と、ニード
ル４とピストン７間に形成された圧力制御室９と、ニー
ドル４をノズル口３に向けて付勢する圧縮ばね10とを具
備する。圧力制御室９はニードル４周りに形成された絞
り通路11を介してニードル加圧室６に連結され、ニード
ル加圧室６は燃料通路12および燃料分配管13を介して高
圧の燃料で満たされている蓄圧室14内に連結される。従
ってニードル加圧室６内には蓄圧室14内の高圧の燃料が
導かれ、この高圧燃料の一部は絞り通路11を介して圧力
制御室９内に送り込まれる。斯くしてニードル加圧室６
内および圧力制御室９内の燃料圧は蓄圧室14内とほぼ同
じ高圧となっている。
ピエゾ圧電素子PZTに充電された電荷が放電されてピ
エゾ圧電素子PZTが収縮するとピストン７が上昇するた
めに圧力制御室９内の燃料圧が急激に低下する。その結
果、ニードル４が上昇し、ノズル口３からの燃料噴射が
開始される。燃料噴射が行われている間、ニードル加圧
室６内の燃料が絞り通路11を介して圧力制御室９に送り
込まれるために圧力制御室９内の燃料圧は次第に上昇す
る。次いでピエゾ圧電素子PZTに電荷が充電されてピエ
ゾ圧電素子PZTが伸長するとピストン７が下降するため
に圧力制御室９内の燃料圧が急激に上昇する。その結
果、ニードル４が下降してノズル口３を閉鎖し、斯くし
て燃料噴射が停止せしめられる。燃料噴射が停止されて
いる間、圧力制御室９内の燃料が絞り通路11を介してニ
ードル加圧室６内に流出するために圧力制御室９内の燃
料圧は徐々に低下し、元の高圧に戻る。
次に第１図を参照して第３図に示すピエゾ圧電素子PZ
Tの駆動装置について説明する。
第１図には制御装置20によって制御されるピエゾ圧電
素子PZTの駆動装置30が示されている。第１図を参照す
ると高電圧発生装置Ｅの高電位側がダイオードＤを介し
て電源用コンデンサＣの高電位側に接続されており、従
って電源用コンデンサＣはダイオードＤを介して高電圧
発生装置Ｅにより充電される。電源用コンデンサＣの高
電位側はスイッチング素子を構成する第１のサイリスタ
S1および充電用コイルL1を介してピエゾ圧電素子PZTの
端子に接続され、充電用コイルL1とピエゾ圧電素子PZT
の端子との接続点は放電用コイルL2およびスイッチング
素子を構成する第２のサイリスタS2を介して接地側に接
続される。また、放電用コイルL2と第２サイリスタS2の
接続点はスイッチング素子を構成する第３のサイリスタ
S3を介してダイオードＤと電源用コンデンサＣの接続点
に接続される。電源用コンデンサＣな静電容量はピエゾ
圧電素子PZTの静電容量に比べてかなり大きい。第１図
に示す実施例では高電圧発生装置Ｅが320（Ｖ）程度の
出力電圧を発生しており、従って電源用コンデンサＣの
高電位側の電圧も320（Ｖ）程度となっている。
また、第１図に示されるようにピエゾ圧電素子PZTに
は一対の直列抵抗R1,R2が並列接続されており、これら
抵抗R1,R2の接続点は第２サイリスタS2の制御回路40に
接続される。この制御回路40は最小ピークホールド回路
41と、単安定マルチバイブレータ42と、第１のコンパレ
ータ43と、積分器44と、第２のコンパレータ45と、単安
定マルチバイブレータ46とにより構成され、第２サイリ
スタS2は単安定マルチバイブレータ46の出力信号によっ
て制御される。抵抗R1,R2の接続点は最小ピークホール
ド回路41の入力端子に接続され、最小ピークホールド回
路41の出力端子は第１コンパレータ43の非反転入力端子
に接続される。第１コンパレータ43の反転入力端子は基
準電源47に接続される。第１コンパレータ43の出力端子
は積分器44を介して第２コンパレータ45の非反転入力端
子に接続され、第２コンパレータ45の反転入力端子は抵
抗R1,R2の接続点に接続される。第２コンパレータ45の
出力端子は単安定マルチバイブレータ46に接続され、一
方単安定マルチバイブレータ42の出力端子は最小ピーク
ホールド回路41に接続される。
一方、制御装置20は噴射開始パルスと噴射完了パルス
を出力する。第１サイリスタS1はこの噴射完了パルスに
よって作動せしめられ、第３サイリスタS3および、単安
定マルチバイブレータ42はこの噴射開始パルスによって
作動せしめられる。
次に第２図を参照しつつピエゾ圧電素子PZTが充電さ
れている状態からピエゾ圧電素子PZTの作動が開始され
た場合について説明する。
第２図に示されるように制御装置20が噴射開始パルス
を出力すると第３サイリスタS3がオンになると共に単安
定マルチバイブレータ42の出力電圧が高レベルとなる。
第３サイリスタS3がオンになるとピエゾ圧電素子PZTに
充電された電荷が放電用コイルL2および第３サイリスタ
S3を介して電源用コンデンサＣの高電位側に放電され、
斯くして放電電荷が電源用コンデンサＣによって回収さ
れる。第３サイリスタS3がオンになるとピエゾ圧電素子
PZTの端子電圧Ｖが低下し、同時に抵抗R1,R2の接続点の
電圧Vrも低下する。次いで抵抗R1,R2の接続点の電圧Vr
が積分器44の出力電圧V1よりも低くなると第２コンパレ
ータ45の出力電圧V2が高レベルＨとなる。第２コンパレ
ータ45の出力電圧V2が高レベルＨになると単安定マルチ
バイブレータ46の出力電圧は高レベルとなり、これがト
リガとなって第２サイリスタS2がオンにされる。第２サ
イリスタS2がオンになると第３サイリスタS3には逆方向
電圧が作用するために第３サイリスタS3はオフとなり、
このときピエゾ圧電素子PZTに充電された電荷は放電用
コイルL2および第２サイリスタS2を介して接地側に放電
される。その結果、ピエゾ圧電素子PZTの端子電圧Ｖは
更に低下する。このときピエゾ圧電素子PZTと放電用コ
イルL2は共振回路を構成するのでピエゾ圧電素子PZTの
端子電圧Ｖは負電圧まで低下する。なお、このときの負
電圧の大きさは接地側への放電開始時におけるピエゾ圧
電素子PZTの端子電圧Ｖのほぼ1/3程度となり、従ってこ
の負電圧は接地側への放電開始時におけるピエゾ圧電素
子PZTの端子電圧Ｖが高くなるほど大きくなる。従って
第２サイリスタS2のオフからオンへの切換タイミングを
早くするとこの負電圧が大きくなり、第２サイリスタS2
のオフからオンへの切換タイミングを遅くするとこの負
電圧が小さくなることがわかる。
次いでピエゾ圧電素子PZTの放電作用が完了して暫ら
くすると単安定マルチバイブレータ42の出力電圧が低レ
ベルＬとなる。言い換えると単安定マルチバイブレータ
42はピエゾ圧電素子PZTの放電完了後暫らくしてから出
力電圧が低レベルＬとなるように予め設定されている。
単安定マルチバイブレータ42の出力電圧が低レベルＬに
なるとこれがトリガとなって最小ピークホールド回路41
がリセットされ、その後のピエゾ圧電素子PZTのほぼ最
小端子負電圧、実際には抵抗R1,R2の接続点の電圧Vrの
ほぼ最小値が最小ピークホールド回路41によってホール
ドされる。その後、最小ピークホールド回路41はこのホ
ールドされたピエゾ圧電素子PZTの最小端子負電圧Vpを
出力する。最小ピークホールド回路41の出力電圧Vpが基
準電源47の基準電圧Voよりも高いときは第１コンパレー
タ43の出力電圧は高レベルとなり、最小ピークホールド
回路43の出力電圧Vpが基準電圧Voよりも低いときは第１
コンパレータ43の出力電圧は低レベルとなる。第１コン
パレータ43の出力電圧は積分器44により積分されて第２
コンパレータ45の非反転入力端子に印加される。ピエゾ
圧電素子PZTの最小端子電圧Ｖ、実際には抵抗R1,R2の接
続点の電圧Vrが基準電圧Voよりも低いときは第１コンパ
レート43の出力電圧が低レベルとなるために積分器44の
出力電圧が徐々に低下する。積分器44の出力電圧が低下
すると次の放電時に第２サイリスタS2がオフからオンへ
切換えられる切換えタイミングが遅くなるためにピエゾ
圧電素子PZTの最小端子電圧Ｖが上昇する。これに対し
てピエゾ圧電素子PZTの最小端子電圧Ｖ、実際には抵抗R
1,R2の接続点の電圧Vrが基準電圧Voよりも高いときは第
１コンパレータ43の出力電圧が高レベルとなるために積
分器44の出力電圧が徐々に上昇する。積分器44の出力電
圧が上昇すると次の放電時に第２サイリスタS2がオフか
らオンへ切換えられる切換タイミングが早くなるために
ピエゾ圧電素子PZTの最小端子電圧Ｖが低下する。この
ようにしてピエゾ圧電素子PZTの最小端子負電圧Ｖが基
準電圧Voにより定まる設定電圧に正確に一致せしめられ
る。
一方、噴射開始パルスが出されてから噴射時間Ｔを経
過すると噴射完了パルスが出される。噴射完了パルスが
出されると第１サイリスタS1がオンにされ、このとき電
源用コンデンサＣに充電された電荷が第１サイリスタS1
および充電用コイルL1を介してピエゾ圧電素子PZTに充
電される。
第４図は第１図に示す駆動装置を複数個の、例えば４
つのピエゾ圧電素子PZTa,PZTb,PZTc,PZTdを順次制御す
る駆動装置に適用した場合を示している。
第４図を参照すると各ピエゾ圧電素子PZTa,PZTb,PZT
c,PZTdに対して夫々第１図の第１サイリスタS1に対応す
る第１サイリスタS1a,S1b,S1c,S1d、第１図の第３サイ
リスタS3に対応する第３サイリスタS3a,S3b,S3c,S3d、
第１図の抵抗R1,R2に対応する抵抗R1,R2、および第１図
の第２サイリスタS2の駆動回路40に対応した駆動回路40
a,40b,40c,40dが設けられている。一方、高電圧発生装
置Ｅ、ダイオードＤ、電源用コンデンサＣ、充電用コイ
ルL1、放電用コイルL2、および第１図の第２サイリスタ
S2に対応する第２サイリスタS2については全ピエゾ圧電
素子PZTa,PZTb,PZTc,PZTdに対して共通であり、第２サ
イリスタS2はいづれの駆動回路40a,40b,40c,40dの出力
信号によっても制御される。また、第４図では第１図と
は異なって放電用コイルL2と第２サイリスタS2の接続点
と、充電用コイルL1と電源用コンデンサＣの接続点との
間にダイオードDaが挿入されている。
この実施例では制御装置20aから各ピエゾ圧電素子PZT
a,PZTb,PZTc,PZTdに対して夫々噴射開始パルスおよび噴
射完了パルスが発生せしめられる。各第１サイリスタS1
a,S1b,S1c,S1dは噴射完了パルスによってオンにされ、
各第３サイリスタS3a,S3b,S3c,S3dは噴射開始パルスに
よってオンにされる。また、各駆動回路40a,40b,40c,40
dの単安定マルチバイブレータ42（第１図）は対応する
噴射開始パルスによって作動せしめられ、第２サイリス
タS2は各ピエゾ圧電素子PZTa,PZTb,PZTc,PZTdの最小端
子負電圧が設定電圧となるように駆動回路40a,40b,40c,
40dの出力信号によってフィードバック制御される。
各ピエゾ圧電素子PZTa,PZTb,PZTc,PZTdへの充電作用
は対応する第１サイリスタS1a,S1b,S1c,S1dをオンにす
ることによって行われる。一方、各ピエゾ圧電素子PZT
a,PZTb,PZTc,PZTdからの放電時にはまず始めに対応する
第３サイリスタS3a,S3b,S3c,S3dがオンにされ、このと
き対応するピエゾ圧電素子に充電された電荷が対応する
第３サイリスタS3a,S3b,S3c,S3d、共通の放電用コイルL
2およびダイオードDeを介して電源用コンデンサＣの高
電位側に放電される。次いで第２サイリスタS2がオンに
なるとピエゾ圧電素子に充電された電荷は対応する第３
サイリスタS3a,S3b,S3c,S3d、共通の放電用コイルL2お
よび共通の第２サイリスタS2を介して接地側に放電され
る。このように充電用コンデンサＣ、充電用コイルL1お
よび放電用コイルL2等を共通にすることによって部品個
数を低減することができることはもとより、各ピエゾ圧
電素子間の充放電作用のばらつきをなくすことができ
る。
〔発明の効果〕
圧電素子の伸縮量を予め定められた設定量に正確に一
致せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は圧電素子駆動回路図、第２図はタイムチャー
ト、第３図は燃料噴射弁の側面断面図、第４図は別の実
施例を示す圧電素子駆動回路図である。 Ｅ……高電圧発生装置、Ｃ……電源用コンデンサ、 S1,S2,S3……サイリスタ、 L1……充電用コイル、L2……放電用コイル、 PZT……圧電素子、R1,R2……抵抗、 40……駆動回路。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】圧電素子に充電された電荷を放電用コイル
    およびスイッチング素子を介して電源用コンデンサの高
    電位側に放電させた後に放電用コイルおよびスイッチン
    グ素子を介して接地側に放電させるようにした圧電素子
    の駆動装置において、接地側への放電完了後における圧
    電素子のほぼ最小端子負電圧を検出する最小端子負電圧
    検出手段と、接地側への放電を制御する上記スイッチン
    グ素子のオフからオンへ切換タイミングを該最小端子負
    電圧検出手段の検出結果に基いて該最小端子負電圧が予
    め定められた設定負電圧となるようにフィードバック制
    御する切換タイミング制御手段とを具備した圧電素子の
    駆動装置。
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