JP2853119B2 - Piezo actuator drive circuit - Google Patents

Piezo actuator drive circuit

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JP2853119B2
JP2853119B2 JP62012013A JP1201387A JP2853119B2 JP 2853119 B2 JP2853119 B2 JP 2853119B2 JP 62012013 A JP62012013 A JP 62012013A JP 1201387 A JP1201387 A JP 1201387A JP 2853119 B2 JP2853119 B2 JP 2853119B2
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inductor
piezo actuator
piezo
charging
voltage
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成年 亀岡
信史 保浦
豊 鈴木
重勝 内多
文明 小林
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【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、詳し
くは、車載用等に適した小型化・低コスト化が可能なピ
エゾアクチュエータ駆動回路に関する。 〔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例えばディーゼル
エンジンの噴射率制御を行う特開昭59-18249号公報に示
されるような装置も提案されている。 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考えられる。 しかしながら、このような方式では、大型かつ高価な
高耐圧・大容量キャパシタや、多数の高価な高耐圧スイ
ッチング素子や、大型のインダクタまたは大型のトラン
スが必要であるという問題がある。この問題を解決する
構成として、特開昭50-36833号公報に示されるようなピ
エゾアクチュエータ駆動回路がある。このピエゾアクチ
ュエータ駆動回路は、2つのインダクタ及び充放電用ス
イッチング手段を具備した構成となっている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記特開昭50-36833号公報に示される
ピエゾアクチュエータ駆動回路では、放電時の負荷がイ
ンダクタだけであるために、放電用スイッチング手段の
ピーク電流を制限するためにはインダクタのインダクタ
ンスを大きくする必要が生じ、また、インダクタのエネ
ルギー容量も大きくしなければならず、このピエゾアク
チュエータ駆動回路によってもインダクタを大型化する
必要が生じてしまう。更に、インダクタンスが大きくな
ることにより、放電用スイッチング手段をONした直後に
は微小な電流しか流れず、ピエゾアクチュエータの両端
電圧が下降するのに時間がかかり(放電するのに時間が
かかり)、ピエゾアクチュエータの制御応答性が悪化し
てしまう。また、ピエゾアクチュエータの両端電圧が急
激に変化しながら下降する部分が存在するためピエゾア
クチュエータの動作音を低く抑えることができない。 〔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、電源からのエ
ネルギーを磁気エネルギーに変換する第1のインダクタ
と、この第1のインダクタと磁気的に結合され第1のイ
ンダクタによる磁気エネルギーを電気エネルギーに変換
し前記ピエゾアクチュエータを充電する第2のインダク
タと、前記第1のインダクタと直列に取り付けられた充
電用スイッチング手段とを備え、前記ピエゾ放電手段
は、前記第2のインダクタと抵抗との直列接続を前記ピ
エゾアクチュエータの放電回路に含み、前記ピエゾアク
チュエータ及び前記第2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を備えたことを要旨とす
る。 〔作用〕 本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路では、第1の
インダクタにより電源からのエネルギーを磁気エネルギ
ーに変換し、第1のインダクタと磁気的に結合された第
2のインダクタにより磁気エネルギーを再び電気エネル
ギーに変換しピエゾアクチュエータを高圧に充電する。
このエネルギーの変換は充電用スイッチング手段により
行われる。その後、所定のタイミングで放電用スイッチ
ング手段が作動されると、前記の第2のインダクタを介
してピエゾアクチュエータが放電される。 このような原理でピエゾアクチュエータを駆動するこ
とにより、高耐圧・大容量キャパシタ等が不要となり、
回路の小型化、低コスト化が実現できる。 また、放電回路に第2のインダクタと直列に抵抗を設
けたことにより、放電用スイッチング手段のピーク電流
を第2のインダクタのインダクタンスを大きくすること
なしに、及び、第2のインダクタのエネルギー容量を大
きくすることなしに制限できる。 〔実施例〕 以下、本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路を図面
に示す実施例により詳細に説明する。 第1図は本発明の一実施例として燃料噴射率制御装置
に適用した全体構成図である。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
ゼル機関の燃焼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、たとえば特開昭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
マイクロコンピュータ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5
2、タイマ53、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、充電電圧の演算や放電時期の演
算の機能を有しており、また後述するが、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はピエゾ駆動回路であり、ピエゾ充電手段及びピエ
ゾ放電手段の機能を有し、図示せぬバッテリの電気エネ
ルギーを磁気エネルギーに変換するインダクタ61A、イ
ンダクタ61Aの電流をスイッチングするためのFET62、FE
T62のドレインに過電圧が加わるのを防止するバリスタ6
3、FET62のドレイン電圧が負電圧となったときにFET62
をバイパスさせるダイオード64を有し、また、インダク
タ61Aと磁気的に結合されておりインダクタ61Aにより得
られた磁気エネルギーを電気エネルギーとして放出しピ
エゾアクチュエータを高電圧にチャージするインダクタ
61B、ピエゾアクチュエータに発生した高電圧を放電す
るためのトランジスタ65、トランジスタ65のコレクタに
異常な高電圧がかかるのを防止するバリスタ66、トラン
ジスタ65に流れる電流を制限しトランジスタ65を保護す
る抵抗67、ピエゾアクチュエータに充電する際に抵抗67
とトランジスタ65をそれぞれバイパスさせるためのダイ
オード68,69を有する。 第2図に充電電圧を演算する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
マップ補間演算により、回転数検出器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次元マップのデータは、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、パイロット噴射後の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
力が重視される様になるので充電電圧を小さくするよう
なマップデータにするのが望ましい。 第3図(a),(b),(c),(d)はピエゾアク
チュエータ充電時のピエゾ駆動回路6の動作を示すタイ
ミングチャートである。まずFET62が“ON"状態になると
インダクタ61Aに電流が流れ始め、時間TON後には、 IM=VB×TON/LA ……(1) なる電流IMが流れる(ここで、VB:バッテリ電圧、LA
インダクタ61Aのインダクタンス)。そして、FET62が
“OFF"状態となり、インダクタ61Aによる磁気エネルギ
ーはインダクタ61Aに磁気的に密結合されたインダクタ6
1Bから放出され、ダイオード69→インダクタ61B→ダイ
オード68→ピエゾアクチュエータ3の経路で電流IBが流
れ(同図(c))、ピエゾアクチュエータ3は充電され
る。ここで、時間TONは(1)式において電流IMがFET62
の定格電流を越さない様な一定値に任意に調整する。 その後時間TOFFだけ経過した後再びFET62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回くり
かえす。ここで、時間TOFFはインダクタ61Aによる磁気
エネルギーがインダクタ61Bを介してすべてピエゾアク
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の両端電圧VPは、 CP:ピエゾアクチュエータの等価容量 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図に示す様に目標充電電圧10
0による1次元マップ補間を行な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
元マップのデータは実験的に求めるか、又は(2)式を
マップ化すればよい。尚、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。 なお、磁気的に結合されたインダクタ61Aと61Bの巻数
比NB/NAをNB/NA>>1とすることにより、FET62を低
耐圧の素子とすることが可能である。 第5図は放電時期を演算する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次元マップ補
間演算を行なうことにより放電時期を得ている。後述す
る様に放電時期を進角側にもっていく程パイロット噴射
量が減少する。マップ補間に用いるマップデータは、デ
ィーゼル機関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る様になる
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。尚、いうまでもないが
エンジン負荷検出器42、冷却水温検出器43等からの信号
に応じて放電時期に補正を加えてもよい。 第6図にピエゾ放電時のピエゾ駆動回路6の動作を示
す。前記のごとく決定された放電時期となったとき第6
図(a)のようにトランジスタ65を“ON"とする。する
とピエゾアクチュエータ3→抵抗67→インダクタ61B→
トランジスタ65の経路で電流IBが流れ(同図(c))、
同図(b)にある様にピエゾアクチュエータ3の両端電
圧は急激に下降する。そしてピエゾアクチュエータ3の
両端電圧がOVとするころを見計らってトランジスタ65を
“OFF"とするとインダクタ61Bの電流は一瞬にして0と
なるため、インダクタ61Bと磁気的に結合されているイ
ンダクタ61Aに電流が流れバッテリにエネルギーが回生
される。 なお、本実施例では放電の負荷として直列接続された
抵抗67とインダクタ61Bを用いているが、これは以下の
理由による。 (1)抵抗67を無くし(OΩとし)、負荷をインダクタ
61Bだけとすると、トランジスタ65のピーク電流を制限
するためにインダクタ61BのインダクタンスLBを大きく
する必要が生じ、またインダクタ61Bのエネルギー容量
も大きくなければならず、インダクタ61Bが大型化す
る。さらに、インダクタLBが大きくなるので、トランジ
スタ65を“ON"とした直後には微小な電流しか流れず、
ピエゾアクチュエータ3の両端電圧が下降するのに時間
がかかり、高速回転時にパイロット噴射の特性が悪化す
る。 (2)放電の負荷を抵抗67のみとすると、トランジスタ
65のピーク電流を制限するために抵抗67の抵抗値を大き
くする必要が生じ、ピエゾアクチュエータ3の両端電圧
が低下するのに比例して放電電圧が減少し、放電に時間
がかかり、高速回転時にパイロット噴射の特性が悪化す
る。 これに対して、放電経路に抵抗67とインダクタ61Bが
直列にある第1図のような構成とすると、インダクタ61
Bを小型化でき、またトランジスタ65に流れるピーク電
流を抑えつつ平均電流を大きくしピエゾアクチュエータ
3の両端電圧をすばやく下降させることができる。 この様子を第7図に示す。第7図は放電の負荷を変え
た場合の放電電流IBとピエゾアクチュエータの電圧VP
波形を示しており、同図(a),(b)は放電の負荷を
抵抗67のみとした場合を、同図(c),(d)は放電の
負荷をインダクタ61Bのみとした場合を、同図(e),
(f)は放電の負荷を抵抗67とインダクタ61Bの直列接
続とした場合をそれぞれ示している。本例では抵抗67の
抵抗値及びインダクタ61Bのインダクタンスは電流IB
大きさが4アンペアを越えない様にマッチングしてあ
る。同図から、放電の負荷を抵抗67とインダクタ61Bの
直列接続とすると放電時の電流IBのピーク値を大きくす
ることなく高速な放電ができることがわかる。この結
果、ピエゾアクチュエータの高速動作ができ、高速回転
時のパイロット特性を向上させることができる。 (3)また同図から、放電の負荷を抵抗67とインダクタ
61Bの直列接続した場合(同図(e),(f))のピエ
ゾアクチュエータ電圧VPが最もなめらかに変化してお
り、この結果ピエゾアクチュエータ放電時の作動音が小
さく抑えられる。 次に、本実施例の燃料噴射率制御装置の全体の動作を
第8図に示すタイミングチャートにより説明する。第8
図(a)はプランジャ11のリフト状態を示している。ま
ずプランジャが下降し点に達し燃料噴射とは無関係な
領域になったときFET62が“ON"状態、“OFF"状態を繰り
返し(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、この回数は充電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
プランジャが再びリフトし始めると、同図(e)にある
様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)にある様にピエゾアクチュ
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(f)にある様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(点)、同図(c)のようにトラ
ンジスタ65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いったん停止し同図(f)に
ある様にパイロット噴射が形成される。ここで、この原
理から放電時期を早めるとパイロット噴射量が減少す
ることがわかる。その後さらにプランジャ11がリフトと
していくと再び高圧室1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
放電時の電圧変化量(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の圧力の下降幅が
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かる。その後図示しないガバナ
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。 以上詳述した如く、本実施例によればパイロット噴射
の噴射量と、噴射停止期間の両方を最適な値に調整する
ことができる。また、本実施例で注目すべき点はピエゾ
アクチュエータ3の充電を複数回に分けて行っているこ
とである。このことの効果を以下に説明する。1回の充
電でピエゾアクチュエータ3に蓄えることのできる電圧
VP1は次式にようになる。 CP:ピエゾアクチュエータの等価容量、IM:あらかじ
めインダクタに流しておく電流、LA:インダクタ61Aの
インダクタンス。 (3)式において、VP1を高電圧にするためには電流I
Mを大きくするかまたはインダクタンスLAを大きくする
必要がある。電流IMを大きくするためにはFET62を大電
流型にしなければならず、高価かつ大型となってしま
う。また、電流IMを流すことができることを前提として
インダクタンスLAを大きくすると、インダクタ61Aが大
型となる。 そこで本実施例では、ピエゾアクチュエータ3の充電
を複数回に分けることにより、比較的小型のインダクタ
61Aと比較的小型小電流容量のFET62でピエゾアクチュエ
ータの高電圧充電を実現しているのである。 尚、本実施例でいう充電回数が複数回とは、噴射停止
期間を比較的長くしたい時、すなわち、電圧VPの値を比
較的大きくしたい時について複数回に分けて充電を行な
うもので、電圧VPの値が小さい時については充電回数が
1回であっても上記の小型なインダクタ61A及びFET62に
おいても十分に充電を行なえるので、この場合には充電
回数を1回としてもよく、また、あらかじめ充電してお
く必要がない時には、充電回数は0回としてもよい。 その他の実施例として、ピエゾ駆動回路6′において
放電時の負荷を第2のインダクタ61Bと抵抗67の並列接
続とした場合を第9図に示す。ピエゾアクチュエータ充
電時にはトランジスタ65は“OFF"となっており、ダイオ
ード70,71,抵抗67には電流は流れず、第1図と同じ動作
となる。そしてピエゾアクチュエータ放電時にトランジ
スタ65“ON"となると、ピエゾアクチュエータ→インダ
クタ61B→ダイオード70→トランジスタ65の経路と、ピ
エゾアクチュエータ→抵抗67→ダイオード71→トランジ
スタ65の経路が同時に導通となり放電される。このとき
のピエゾアクチュエータの電流IPと電圧VPの波形を第10
図に示す。第10図も第7図の場合と同様にトランジスタ
65等を保護するために電流のピーク値が例えば4アンペ
アを越えない様に抵抗67の値とインダクタ61Bのインダ
クタンスをマッチングしてある。図から放電の負荷を抵
抗とインダクタの並列接続とすると、抵抗とインダクタ
の直列接続とする場合よりさらに放電に必要な時間を短
縮できる。しかし、トランジスタ65を“ON"とした時、
及びピエゾアクチュエータの電圧がOVとなりトランジス
タ65を“OFF"とした時の2ヶ所でピエゾアクチュエータ
に流れる電流IPが急変するため、放電の負荷を抵抗とイ
ンダクタの直列接続として場合よりアクチュエータの動
きになめらかさが無くなり、若干アクチュエータの作動
音が大となる。 そこで、ピエゾアクチュエータの高速動作が要求され
る場合には放電の負荷を抵抗とインダクタの並列接続と
し、ピエゾアクチュエータの静寂動作が要求される場合
には放電の負荷を抵抗とインダクタの直列接続とするの
が望ましい。 〔発明の効果〕 以上詳述した如く、本発明のピエゾアクチュエータ駆
動回路によると、以下の効果が得られる。 (1)第1のインダクタに充電用スイッチング素子で電
流をスイッチングすることにより、高価かつ大型なDC-D
Cコンバータ等を用いることなく、第1のインダクタと
磁気的に結合された第2のインダクタでピエゾアクチュ
エータを高電圧に充電できると共に、ピエゾアクチュエ
ータの放電経路に第2のインダクタおよび直列接続の放
電用スイッチング素子を含めることにより、放電用スイ
ッチング素子に流れる電流を制限できると同時に、第2
のインダクタと磁気的に結合された第1のインダクタか
らバッテリへエネルギーを回生できる。 また、放電回路に第2のインダクタと直列に抵抗を設
けたことにより、放電用スイッチング手段のピーク電流
を第2のインダクタのインダクタンスを大きくすること
なしに、及び、第2のインダクタのエネルギー容量を大
きくすることなしに抑えることができるため、第2のイ
ンダクタを小型化できると同時に放電を高速化でき、か
つ、ピエゾアクチュエータの動作音を低減できる。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezo actuator drive circuit, and more particularly, to a piezo actuator drive circuit suitable for in-vehicle use and which can be reduced in size and cost. [Prior art] Recent advances in ceramic technology are remarkable. Piezo actuators that use the piezoelectric electrostrictive effect of ceramic ferroelectrics are also entering the field of actuators that move objects, making use of their agile response. For example, an apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-18249 for controlling the injection rate of a diesel engine has been proposed. As a driving circuit for driving such a piezo actuator, a DC that generates the high voltage necessary for driving from a battery
-A combination of a DC converter and a switching element such as a transistor can be considered from the conventional circuit technology. However, in such a method, there is a problem that a large and expensive high withstand voltage / large capacity capacitor, a large number of expensive high withstand voltage switching elements, a large inductor or a large transformer are required. As a configuration for solving this problem, there is a piezo actuator driving circuit as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-36833. The piezo actuator drive circuit has a configuration including two inductors and switching means for charging and discharging. [Problems to be Solved by the Invention] However, in the piezo actuator driving circuit disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 50-36833, since the load at the time of discharging is only the inductor, the peak current of the switching means for discharging is reduced. In order to limit, the inductance of the inductor needs to be increased, and the energy capacity of the inductor also needs to be increased. Therefore, the piezoelectric actuator drive circuit also needs to increase the size of the inductor. Furthermore, due to the large inductance, only a small current flows immediately after the discharge switching means is turned on, and it takes time for the voltage across the piezo actuator to fall (it takes time to discharge), and the piezo The control response of the actuator is deteriorated. Further, since there is a portion where the voltage across the piezoelectric actuator suddenly changes and falls, the operating sound of the piezoelectric actuator cannot be suppressed low. [Means for Solving the Problems] A piezo actuator driving circuit according to the present invention is a piezo actuator driving circuit to which a piezo electrostriction effect is applied, wherein a piezo charging means for charging the piezo actuator at a predetermined charging timing, Piezo discharging means for discharging the piezo actuator at a predetermined timing, the piezo charging means includes a first inductor for converting energy from a power supply into magnetic energy, and a magnetic field which is magnetically coupled to the first inductor. A second inductor coupled to convert the magnetic energy of the first inductor into electric energy to charge the piezo actuator, and charging switching means mounted in series with the first inductor, wherein the piezo discharging means Is a series connection of the second inductor and a resistor. The gist of the invention is that a continuation is included in a discharge circuit of the piezo actuator, and a discharge switching means is provided in series with the piezo actuator and the second inductor. [Operation] In the piezo actuator drive circuit of the present invention, the energy from the power supply is converted into magnetic energy by the first inductor, and the magnetic energy is again converted into electric energy by the second inductor magnetically coupled to the first inductor. And charges the piezo actuator to high pressure.
This energy conversion is performed by the charging switching means. Thereafter, when the discharge switching means is activated at a predetermined timing, the piezo actuator is discharged via the second inductor. Driving a piezo actuator based on such a principle eliminates the need for a high withstand voltage, large capacity capacitor, etc.
Circuit size and cost can be reduced. Also, by providing a resistor in series with the second inductor in the discharge circuit, the peak current of the discharge switching means can be reduced without increasing the inductance of the second inductor, and the energy capacity of the second inductor can be reduced. Can be limited without making it bigger. Embodiment Hereinafter, a piezo actuator driving circuit according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram applied to a fuel injection rate control device as one embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a Bosch type distribution type fuel injection pump, 11 is a plunger,
The fuel is pushed to the left in the figure by a face cam (not shown) to make the fuel in the high-pressure chamber 12 high pressure, and the fuel is injected from the nozzle 2 into the combustion chamber of a diesel engine (not shown). Reference numeral 3 denotes a piezo actuator applied to the high pressure chamber 12 and utilizing the piezo electrostriction effect. The piezo actuator 3 has a configuration as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-18249. Reference numeral 4 denotes an operating state detecting means, which is a rotational speed detector 41 for detecting the rotational speed of the diesel engine, an engine load detector 42 for detecting the load on the diesel engine, such as an accelerator sensor, and detecting the temperature of the cooling water of the diesel engine. And outputs a signal from the cooling water temperature detector 43 to the microcomputer 5. Reference numeral 5 denotes a microcomputer, a CPU 51 and a memory 5
2. Built-in timer 53, A / D converter 54, etc. The microcomputer 5 has a function of calculating a charge voltage and a calculation of a discharge timing. In the present embodiment, the amount of charge to be charged in advance to the piezo actuator 3 is divided into a plurality of times. Also, it has a function of calculating the number of times of charging. Reference numeral 6 denotes a piezo driving circuit, which has a function of piezo charging means and piezo discharging means, an inductor 61A for converting electric energy of a battery (not shown) into magnetic energy, an FET 62 for switching a current of the inductor 61A,
Varistor 6 prevents overvoltage from being applied to the drain of T62
3.When the drain voltage of FET62 becomes negative voltage,
An inductor that magnetically couples with the inductor 61A, discharges magnetic energy obtained by the inductor 61A as electric energy, and charges the piezo actuator to a high voltage.
61B, a transistor 65 for discharging the high voltage generated in the piezo actuator, a varistor 66 for preventing an abnormally high voltage from being applied to the collector of the transistor 65, and a resistor 67 for limiting the current flowing through the transistor 65 and protecting the transistor 65 When charging the piezo actuator, the resistance 67
And diodes 68 and 69 for bypassing the transistor 65 respectively. FIG. 2 is a schematic diagram showing a means for calculating the charging voltage. The target charging voltage 100 is calculated according to a signal from the rotation speed detector 43 or the like by a three-dimensional map interpolation calculation programmed in the microcomputer 5. Since the data of the three-dimensional map to be subjected to the interpolation calculation is based on the standard for the diesel engine, it cannot be said unconditionally. However, as will be described later, the voltage for pre-charging the piezo actuator 3 and the injection stop period after the pilot injection are as follows. Due to the proportional relationship, when the cooling water temperature is low, the ignition delay of the pilot injection is large, so the charging voltage is increased, and the horsepower is more important than the noise of the diesel engine as the rotation speed and load become higher. Therefore, it is desirable to use map data that reduces the charging voltage. FIGS. 3A, 3B, 3C, and 3D are timing charts showing the operation of the piezo drive circuit 6 when the piezo actuator is charged. First FET62 begins to flow current in the inductor 61A becomes the "ON" state, after time T ON, I M = V B × T ON / L A ...... (1) comprising a current I M flows (here, V B : Battery voltage, L A :
Inductor 61A inductance). Then, the FET 62 is turned “OFF”, and the magnetic energy of the inductor 61A is transferred to the inductor 6A magnetically tightly coupled to the inductor 61A.
Released from 1B, current I B flows through a path of the diode 69 → inductor 61B → diode 68 → the piezoelectric actuator 3 (FIG. (C)), the piezoelectric actuator 3 is charged. Here, the time T ON is determined by the equation (1) in which the current I M
Arbitrarily adjusted to a constant value that does not exceed the rated current of. After a lapse of the time T OFF, the FET 62 is turned on again, and the charging of the piezo actuator 3 is repeated N times. Here, the time T OFF may be equal to or longer than the time required for all the magnetic energy by the inductor 61A to be transferred to the piezo actuator 3 via the inductor 61B. At this time, the voltage V P across the piezo actuator 3 is C P : Equivalent capacitance of the piezo actuator. The number N of times of charging should be determined so that the voltage VP between both ends and the target charging voltage 100 described with reference to FIG. 2 are equal to or close to each other. For example, as shown in FIG.
The microcomputer 5 may be programmed to perform one-dimensional map interpolation by 0. Here, the data of the one-dimensional map may be obtained experimentally or may be obtained by mapping equation (2). In FIG. 4, the interpolation result is rounded up and the number of times of charging is set to an integer value. By setting the turns ratio N B / N A of the magnetically coupled inductors 61 A and 61 B to N B / N A >> 1, the FET 62 can be a low breakdown voltage element. FIG. 5 is a schematic diagram showing a means for calculating the discharge timing. The discharge timing is obtained by performing a one-dimensional map interpolation calculation according to a signal from the rotation speed detector 41. As will be described later, the pilot injection amount decreases as the discharge timing is advanced to the advanced side. The map data used for map interpolation cannot be said unconditionally because it is based on diesel engine conformity standards,
As the engine speed increases, the horsepower is more important than the noise, so that it is desirable to shift the discharge timing to the advanced side in order to reduce the pilot injection amount. Needless to say, the discharge timing may be corrected according to signals from the engine load detector 42, the coolant temperature detector 43, and the like. FIG. 6 shows the operation of the piezo drive circuit 6 during piezo discharge. When the discharge time determined as described above is reached, the sixth
The transistor 65 is turned “ON” as shown in FIG. Then piezo actuator 3 → resistor 67 → inductor 61B →
Current I B flows through a path of the transistor 65 (FIG. (C)),
As shown in FIG. 3B, the voltage across the piezo actuator 3 drops sharply. When the transistor 65 is turned OFF when the voltage between both ends of the piezo actuator 3 becomes OV, the current of the inductor 61B instantaneously becomes 0, so that the current flows through the inductor 61A magnetically coupled to the inductor 61B. Flows and energy is regenerated in the battery. In the present embodiment, the resistor 67 and the inductor 61B connected in series are used as a discharge load for the following reason. (1) Eliminate the resistor 67 (OΩ) and load the inductor
If only to 61B, necessary to increase the inductance L B of the inductor 61B to limit the peak current of the transistor 65 occurs, also the energy capacity of the inductor 61B also must be greater, the inductor 61B becomes large. Furthermore, since the inductor L B becomes large, only a small current flows immediately after the transistor 65 is turned “ON”.
It takes time for the voltage between both ends of the piezo actuator 3 to decrease, and the characteristics of the pilot injection deteriorate during high-speed rotation. (2) If the discharge load is only the resistance 67, the transistor
In order to limit the peak current of 65, it is necessary to increase the resistance value of the resistor 67, and the discharge voltage decreases in proportion to the decrease in the voltage across the piezo actuator 3, so that the discharge takes time, and The characteristics of the pilot injection deteriorate. On the other hand, if the resistor 67 and the inductor 61B are arranged in series in the discharge path as shown in FIG.
B can be reduced in size, and the average current can be increased while the peak current flowing through the transistor 65 is suppressed, so that the voltage across the piezo actuator 3 can be quickly reduced. This is shown in FIG. Figure 7 shows the waveform of the voltage V P of the discharge current I B and the piezoelectric actuator when changing the load of the discharge, FIG. (A), (b) If the load of the discharge resistor 67 only (C) and (d) show the case where the discharge load is only the inductor 61B.
(F) shows the case where the discharge load is a series connection of the resistor 67 and the inductor 61B. Inductance of the resistance value and an inductor 61B of the resistor 67 is in this example are matched as the magnitude of the current I B does not exceed 4 amps. From the figure, it can be seen that high-speed discharge without increasing to a load of the discharge and the series connection of resistor 67 and an inductor 61B peak value of the discharge current during I B. As a result, the piezo actuator can operate at high speed, and the pilot characteristics at high speed rotation can be improved. (3) From the same figure, the discharge load is changed by the resistor 67 and the inductor.
When connected in series of 61B (FIG (e), (f)) piezoactuator voltage V P of the has changed most smoothly, operating noise during this result piezo actuator discharge is suppressed. Next, the overall operation of the fuel injection rate control device of this embodiment will be described with reference to the timing chart shown in FIG. 8th
FIG. 7A shows the lift state of the plunger 11. First, when the plunger descends and reaches a point irrelevant to the fuel injection, the FET 62 repeats the "ON" state and the "OFF" state (FIG. 3 (b)) to gradually charge the piezo actuator 3 (charging). Voltage: VP ). In this figure, the number of times of charging is four, but this number is predetermined by the means described with reference to FIG. 4 from the target charging voltage 100 obtained by the charging voltage calculating means. Thereafter, when the plunger starts to lift again, the pressure in the high-pressure chamber 12 also increases according to the plunger lift amount as shown in FIG. At the same time, the voltage across the piezo actuator 3 further rises due to the charge generated by itself as shown in FIG. Then, when the pressure in the high-pressure chamber 12 becomes equal to or higher than the nozzle opening pressure, the injection is started as shown in FIG. Thereafter, when the discharge timing previously obtained by the discharge timing calculation means has been reached (point), the transistor 65 is turned "ON" as shown in FIG. 3C, and the electric charge generated in the piezo actuator 3 is discharged. . At this time, the piezo actuator 3 contracts by an amount corresponding to the falling voltage V P ′, the pressure in the high-pressure chamber 12 drops, and the injection stops once, and pilot injection is formed as shown in FIG. Here, it is understood from this principle that the pilot injection amount decreases when the discharge timing is advanced. Thereafter, when the plunger 11 further lifts, the pressure in the high-pressure chamber 1 increases again, and injection (main injection) is started. Here, the larger the voltage change amount (V P ′) at the time of discharge of the piezo actuator 3, the larger the piezo actuator 3 shrinks, the larger the decrease width of the pressure in the high-pressure chamber 12, and the second injection is delayed, It can be seen that the injection stop period becomes longer. Thereafter, the injection of the fuel is stopped by governor means (not shown), the main injection is formed, and one cycle of the fuel injection is completed. As described in detail above, according to the present embodiment, both the injection amount of the pilot injection and the injection stop period can be adjusted to optimal values. A point to be noted in this embodiment is that the charging of the piezo actuator 3 is performed a plurality of times. The effect of this will be described below. The voltage that can be stored in the piezo actuator 3 in one charge
V P1 is expressed by the following equation. C P : equivalent capacity of the piezo actuator, I M : current flowing through the inductor in advance, L A : inductance of the inductor 61A. In the equation (3), in order to make VP1 a high voltage, the current I
It is necessary to increase the or inductance L A to increase the M. In order to increase the current I M , the FET 62 must be of a large current type, which is expensive and large. Further, when the inductance L A is increased assuming that current can flow I M, inductor 61A is large. Therefore, in this embodiment, the charging of the piezo actuator 3 is divided into a plurality of times, so that a relatively small
High voltage charging of the piezo actuator is realized by the FET 62 with a relatively small current capacity of 61A. Note that the number of charging times is multiple times in the present embodiment, when it is desired to the injection stop period relatively long, i.e., performs a charge a plurality of times for when you want to relatively increase the value of the voltage V P, since the time the value of the voltage V P smaller performed even fully charged in the above-described miniature inductors 61A and FET62 even once the charging times may be one time charge number in this case, When it is not necessary to charge the battery in advance, the number of times of charging may be zero. As another embodiment, FIG. 9 shows a case where a load at the time of discharging is a parallel connection of the second inductor 61B and the resistor 67 in the piezo drive circuit 6 '. When the piezo actuator is charged, the transistor 65 is "OFF", and no current flows through the diodes 70, 71 and the resistor 67, and the operation is the same as in FIG. When the transistor 65 is turned “ON” at the time of discharging the piezoelectric actuator, the path of the piezoelectric actuator → the inductor 61B → the diode 70 → the transistor 65 and the path of the piezoelectric actuator → the resistor 67 → the diode 71 → the transistor 65 are simultaneously conducted and discharged. The waveform of the current I P and the voltage V P of the piezoelectric actuator in this case 10
Shown in the figure. FIG. 10 shows a transistor as in FIG.
In order to protect 65 and the like, the value of the resistor 67 and the inductance of the inductor 61B are matched so that the peak value of the current does not exceed 4 amps, for example. As shown in the figure, when the discharge load is a parallel connection of the resistor and the inductor, the time required for the discharge can be further reduced as compared with the case where the resistor and the inductor are connected in series. However, when transistor 65 is turned “ON”,
Also, when the voltage of the piezo actuator becomes OV and the transistor 65 is turned “OFF”, the current I P flowing through the piezo actuator changes suddenly at two places, so that the discharge load is more intense than in the case where the resistor and inductor are connected in series. The smoothness is lost, and the operation sound of the actuator is slightly increased. Therefore, when high-speed operation of the piezo actuator is required, the discharge load is connected in parallel with the resistor and the inductor. When quiet operation of the piezo actuator is required, the discharge load is connected in series with the resistor and the inductor. It is desirable. [Effects of the Invention] As described in detail above, according to the piezo actuator drive circuit of the present invention, the following effects can be obtained. (1) An expensive and large DC-D by switching the current to the first inductor using a charging switching element
The piezo actuator can be charged to a high voltage by the second inductor magnetically coupled to the first inductor without using a C converter or the like. By including the switching element, the current flowing through the discharge switching element can be limited, and at the same time, the second
Energy can be regenerated from the first inductor magnetically coupled to the first inductor to the battery. Also, by providing a resistor in series with the second inductor in the discharge circuit, the peak current of the switching means for discharging can be reduced without increasing the inductance of the second inductor, and the energy capacity of the second inductor can be reduced. Since the second inductor can be suppressed without increasing the size, the second inductor can be miniaturized, and at the same time, the discharge can be speeded up and the operation noise of the piezo actuator can be reduced.

【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
装置に適用した実施例の全体構成図、第2図は第1図の
実施例の充電電圧を演算する手段を表す模式図、第3図
(a),(b),(c),(d)はピエゾ駆動回路の充
電動作を示すタイミングチャート、第4図は充電回路と
目標充電電圧との関係を表す模式図、第5図は放電時期
を演算する手段を表す模式図、第6図はピエゾ駆動回路
の放電動作を示すタイミングチャート、第7図は放電の
負荷と放電電流、ピエゾアクチュエータの電圧との関係
を示すタイミングチャート、第8図はパイロット噴射装
置全体の動作を示すタイミングチャート、第9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
た他の実施例の全体構成図、第10図は第9図の実施例の
ピエゾ駆動回路の放電動作を示すタイミングチャートで
ある。 1……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,6,6′……
ピエゾ駆動回路,61A……第1のインダクタ,61B……第2
のインダクタ,62……FET,65……トランジスタ,67……抵
抗,68,70,71……ダイオード。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall configuration diagram of an embodiment in which the present invention is applied to a pilot injection device for a diesel engine, and FIG. 2 is a schematic diagram showing means for calculating a charging voltage in the embodiment of FIG. FIG. 3, (a), (b), (c), (d) are timing charts showing the charging operation of the piezo drive circuit, FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the charging circuit and the target charging voltage, FIG. 5 is a schematic diagram showing a means for calculating a discharge timing, FIG. 6 is a timing chart showing a discharge operation of a piezo drive circuit, and FIG. 7 shows a relationship between a discharge load, a discharge current, and a voltage of a piezo actuator. FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the entire pilot injection device, FIG. 9 is an overall configuration diagram of another embodiment in which the present invention is applied to a pilot injection device for a diesel engine, and FIG. 10 is FIG. Implementation of Of a timing chart showing the discharge operation of the piezoelectric driving circuit. 1 ... injection pump, 3 ... piezo actuator, 4 ... operating state detecting means, 5 ... microcomputer, 6, 6 '...
Piezo drive circuit, 61A ... first inductor, 61B ... second
Inductor, 62… FET, 65… Transistor, 67… Resistance, 68,70,71 …… Diode.

フロントページの続き (72)発明者 内多 重勝 豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動車株 式会社内 (72)発明者 小林 文明 豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動車株 式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−36833(JP,A) 特開 昭61−46441(JP,A) 特開 昭61−268871(JP,A) 実開 昭48−33925(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02D 41/00 - 41/40Continued on the front page (72) Inventor Shigekatsu Uchida 1 Toyota Town, Toyota City Toyota Motor Corporation (72) Inventor Fumiaki Kobayashi 1 Toyota Town Toyota City Toyota Motor Corporation (56) References JP JP-A-50-36833 (JP, A) JP-A-61-46441 (JP, A) JP-A-61-268871 (JP, A) Fully open JP-A-48-33925 (JP, U) (58) Fields investigated (Int .Cl. 6 , DB name) F02D 41/00-41/40

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.ピエゾ電歪効果を応用した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、
電源からのエネルギーを磁気エネルギーに変換する第1
のインダクタと、この第1のインダクタと磁気的に結合
され第1のインダクタによる磁気エネルギーを電気エネ
ルギーに変換し前記ピエゾアクチュエータを充電する第
2のインダクタと、前記第1のインダクタと直列に取り
付けられた充電用スイッチング手段とを備え、前記ピエ
ゾ放電手段は、前記第2のインダクタと抵抗との直列接
続を前記ピエゾアクチュエータの放電回路に含み、前記
ピエゾアクチュエータ及び前記第2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。
(57) [Claims] In a piezo actuator driving circuit applying a piezo electrostriction effect, the piezo actuator driving circuit includes a piezo charging unit that charges the piezo actuator at a predetermined charging timing, and a piezo discharging unit that discharges the charged piezo actuator at a predetermined timing. The piezo charging means,
The first to convert energy from the power supply to magnetic energy
And a second inductor that is magnetically coupled to the first inductor, converts magnetic energy by the first inductor into electric energy, and charges the piezo actuator, and is mounted in series with the first inductor. Switching means for charging, wherein the piezo discharging means includes a series connection of the second inductor and a resistor in a discharging circuit of the piezo actuator, and is mounted in series with the piezo actuator and the second inductor. Piezo actuator drive circuit, characterized in that it comprises discharge switching means.
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