JP2870324B2

JP2870324B2 - 圧電素子の駆動回路

Info

Publication number: JP2870324B2
Application number: JP4284727A
Authority: JP
Inventors: 宏直林; 基志近藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1992-10-22
Publication date: 1999-03-17
Anticipated expiration: 2014-03-17
Also published as: JPH06140682A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電素子の駆動回路に係
り、特に内燃機関の燃料噴射弁の開閉弁アクチュエータ
として使用される圧電素子の駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電素子は、キャパシタと同
様に蓄電性を有し、素子の両端に電圧が印加されると、
蓄えた電荷に応じた伸縮を示す素子であることが知られ
ている。そして、その優れた圧電効果のため、種々のア
クチュエータに利用され、例えば、車載用内燃機関の燃
料噴射弁の開閉を行うアクチュエータとして使用されて
いる。

【０００３】圧電素子を燃料噴射弁の開閉に用いた場
合、その伸縮長が変動すると、燃料噴射量にバラツキが
生じる。従って、圧電素子に常に一定の電荷が充電され
るように駆動することが要求される。しかし、圧電素子
の静電容量は温度依存性を有しており、圧電素子の温度
上昇に伴って増大する。

【０００４】このため、一定の電圧で圧電素子を充電し
た場合、素子温度が高いほど圧電素子には多量の電荷が
充電され、高温であるほど大きな伸縮長を示すことにな
る。すなわち、圧電素子に一定の電荷を充電するために
は、圧電素子の温度上昇に伴って充電電圧を下げる必要
があり、何らかの方法で、圧電素子温度を検出する必要
がある。

【０００５】特開昭６４−６９７５６号公報は、圧電素
子に温度センサを取付け、これにより圧電素子の温度を
測定する装置を開示している。この装置によれば、温度
センサにより測定された温度に基づいて、その温度にお
ける圧電素子の静電容量が求まり、その静電容量に対し
て適切な充電電圧を設定することができる。

【０００６】従って、上記公報記載の駆動回路によれ
ば、圧電素子の温度が変動しても、それにより圧電素子
に充電される電荷量に変動が生じず、その伸縮長が変動
することはない。このため、車載用内燃機関の燃料噴射
弁のように、環境温度が頻繁に変動する部位に圧電素子
を使用した場合でも、温度変化によらず安定した伸縮長
を確保することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の装
置は、圧電素子を駆動する回路と別個に、適当な部位に
圧電素子の温度を測定するための温度センサを設けるこ
とが必要になる。従って、圧電素子の駆動回路として上
記従来の装置を使用する場合、温度センサの取付けに伴
うコストアップが避けられないという問題を有してい
る。

【０００８】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、圧電素子の温度変化に伴って圧電素子に充電され
る電荷量が変化することに着目して、温度センサに因ら
ずに温度検出を行うことにより、温度に対して安定した
伸縮長を確保できると共に、低コストで実現できる圧電
素子の駆動回路を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する圧
電素子の駆動回路の原理図を図１に示す。

【００１０】図１中符号１は、圧電素子を示す。圧電素
子１の充電系１０は、圧電素子１と直列ＬＣ回路を構成
するインダクタ２と、この直列ＬＣ回路に流れる電流を
制御するスイッチ回路３と、直列ＬＣ回路と並列に接続
された電源側コンデンサ４及び電源５とで構成される。

【００１１】スイッチ回路３は、圧電素子１に断続的に
電流を流す。充電系１０は、直列ＬＣ回路の過渡特性を
利用して、圧電素子１を電源側コンデンサ４の充電電圧
より高い電圧で充電する。

【００１２】コンデンサ電圧検出手段６には、電源側コ
ンデンサ４の両端電圧が供給され、圧電素子１の充電開
始時における電源側コンデンサ４の両端電圧と、圧電素
子１の充電終了時における電源側コンデンサ４の両端電
圧とを検出する。

【００１３】電荷算出手段７は、コンデンサ電圧検出手
段６により検出された電源側コンデンサ４の両端電圧に
基づいて、圧電素子１に充電された電荷量を算出する。

【００１４】温度算出手段８は、コンデンサ電圧検出手
段６により検出された電源側コンデンサ４の両端電圧に
基づいて、圧電素子１の温度を算出する。

【００１５】電源電圧制御手段９は、電荷算出手段７に
より算出された充電電荷と、温度算出手段８により算出
された圧電素子１の温度とに基づいて、電源５の出力電
圧を制御する。

【００１６】

【作用】上記構成の圧電素子の駆動回路において、前記
スイッチ回路３をオフとして、前記圧電素子１に流れる
電流を遮断している場合、前記電源側コンデンサ４に
は、前記電源から電流が流れ込む。このため、定常状態
における前記電源側コンデンサ４の両端電圧は、前記電
源５の出力電圧と等圧となる。

【００１７】前記スイッチ回路３をオンとして、前記圧
電素子１の充電を開始すると、インダクタ２を介して電
源５から圧電素子１に対して電流が流れると共に、前記
電源側コンデンサ４に蓄えられていた電荷も、前記圧電
素子１方向に放電される。

【００１８】前記圧電素子１の充電が進行し、前記圧電
素子１の両端電圧が電源５の出力電圧に近づくと、前記
充電系１０を流れる電流は減少しようとする。すると、
前記インダクタ２に、この電流を流し続けようとする方
向の逆起電力が生じる。このため、圧電素子１の両端電
圧が電源５の出力電圧に達しても、充電系１０には電流
が流れ続け、圧電素子１が電源５の出力電圧より高い電
圧に充電されて、充電が終了する。

【００１９】前記電源側コンデンサ４は、前記圧電素子
１に充電される電荷のうち、前記電源５からの電流で賄
えない分を放電により補う。この際、前記電源５から流
れ込む電荷は、前記電源側コンデンサ４から流れ込む電
荷に比べて小さい量である。このため、前記圧電素子１
に充電された電荷は、前記電源側コンデンサ１から放電
された電荷と対応した量になる。

【００２０】また、前記圧電素子１の充電開始前におけ
る両端電圧は、前記電源５の出力電圧と等圧であり、充
電が進行するにつれて両端電圧が低下し、充電終了時に
おいてほぼ最低値となる。従って、前記圧電素子１の充
電開始時における前記電源側コンデンサ４の両端電圧
と、前記圧電素子１の充電終了時における前記電源側コ
ンデンサ４の両端電圧との差は、前記圧電素子１に充電
された電荷量に対応する値となる。

【００２１】また、前記圧電素子１に充電される電荷量
は、前記圧電素子１の充電開始時における前記電源側コ
ンデンサ４の両端電圧と、前記圧電素子１の静電容量と
により決まる値である。つまり、前記圧電素子１の静電
容量、すなわち前記圧電素子１の温度は、充電開始時に
おける前記電源側コンデンサ４の両端電圧と、前記圧電
素子１に充電された電荷量、すなわち、充電前後におけ
る前記電源側コンデンサ４の両端電圧の差により決まる
値である。

【００２２】ところで、前記コンデンサ電圧検出手段６
は、前記圧電素子１の充電前後における前記電源側コン
デンサ１の両端電圧と検出し、その検出値を前記電荷算
出手段７及び前記温度算出手段８に供給する。そして、
前記電荷算出手段７及び前記温度算出手段８は、前記圧
電素子１の充電前後における前記電源側コンデンサ４の
両端電圧と、前記圧電素子１に充電される電荷量及び前
記圧電素子１の温度との関係に基づいて、それぞれ電荷
量及び温度を算出する。

【００２３】前記電源電圧制御手段９は、前記電荷算出
手段７が算出した電荷量が、目標の電荷量に近づくよう
に、前記電源５の出力電圧を設定すると共に、前記温度
算出手段８で算出された前記圧電素子１の温度に基づい
て、前記圧電素子１の静電容量の変動分を相殺するよう
に、前記電源５の出力電圧を補正する。

【００２４】

【実施例】図２は、本発明に係る圧電素子の駆動回路の
一実施例の構成を表すブロック図を示す。

【００２５】同図中、符号１１は本実施例回路における
圧電素子であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を示
す。このＰＺＴ１１は、薄板状の圧電素子を多数枚積層
した構造をなし、両極端子に電圧を印加すると圧電効果
により長手方向に伸長する。また、電圧の印加を停止す
ると即座に元の長さまで収縮する。

【００２６】このように、ＰＺＴ１１は、圧電効果によ
り優れた応答性を有している。またＰＺＴ１１は、充電
された電荷量に応じた正確な変位を示すことが知られて
おり、従来より、図３に示すように、車載用内燃機関の
燃料噴射弁３０等に使用されている。

【００２７】以下、本実施例のＰＺＴ１１が適用される
燃料噴射弁３０の構成について説明する。

【００２８】図３中、符号３１は燃料噴射弁３０のハウ
ジングを示し、その一端には燃料噴射口３２が設けられ
ている。また、ハウジング３１内には、噴射口３２を開
閉することができるニードルバルブ３３が配置されてい
る。

【００２９】噴射口３２には燃料通路３４が連通可能に
設けられている。この燃料通路３４は外部の燃料供給源
（図示せず）に連結されており、燃料噴射弁３０には常
に一定の高圧で燃料が供給されている。従って、ニード
ルバルブ３３が噴射口３２を開放すると、燃料通路３４
に供給されていた燃料が一定の高圧で内燃機関の燃焼室
内に噴射されることになる。

【００３０】ハウジング３１の内部にはシリンダ３５が
形成されている。このシリンダ３５内には、ニードルバ
ルブ３３と一体に成形され、シリンダ３５内を摺動でき
るピストン３６，ＰＺＴ１１及びこれを上下から保持す
るキャップ３７，３８等が収納されている。ここで、上
方のキャップ３７はハウジング３１の上部壁に当接し、
下方のキャップ３８はシリンダ３５内を摺動することが
できる。

【００３１】従って、ＰＺＴ１１が電圧の供給を受けて
伸縮すると、下方のキャップ３８はＰＺＴ１１の伸縮と
共にシリンダ３５内を摺動することになる。尚、燃料噴
射弁３０には、ＰＺＴ１１を駆動する電圧を印加するた
めのリード線３９，４０が設けられている。

【００３２】ところで、シリンダ３５内の、ニードルバ
ルブ３３と一体に設けられたピストン３６と下方キャッ
プ３８との間には油圧室４１が形成されている。また、
ピストン３６の下側には復帰用の皿バネ４２が配置され
る。

【００３３】従って、ＰＺＴ１１が充電電圧を受けて伸
長すると、下方キャップ３８及び油圧室４１内の作動油
を介して、ピストン３６が押圧される。ピストン３６が
押圧されると、ニードルバルブ３３が噴射口３２を閉塞
し、燃料の供給が停止される。また、ＰＺＴ１１が、電
荷を放電して収縮すると、皿バネ４２がピストン３６を
押し返し、噴射口３２が燃料通路３６と連通するため再
び燃料の噴射が行われる。

【００３４】このように、本実施例のＰＺＴ１１は、燃
料噴射弁３０の開閉弁を行うアクチュエータに用いられ
ており、使用環境温度が頻繁に、かつ大幅に変動すると
共に、高い精度で伸縮することを要求される。

【００３５】以下、このような要求を満たす駆動回路の
一例として、図２に示す駆動回路の構成を詳細に説明す
る。

【００３６】図２中、符号１２は、ＰＺＴ１１と直列に
接続され、直列ＬＣ回路を構成するインダクタを示す。
ＰＺＴ１１とインダクタ１２との間には、スイッチ回路
に相当するサイリスタ１３が設けられている。このサイ
リスタ１３は、後述の充放電制御回路２１により駆動さ
れ、ＰＺＴ１１に流れ込む電流を制御すると共に、ＰＺ
Ｔ１１からインダクタ１２方向への電流の逆流を遮断す
る。

【００３７】符号１４は、電源側コンデンサに相当する
静電容量Ｃ₁の電解コンデンサで、上記のＰＺＴ１１，
インダクタ１２，サイリスタ１３からなる直列ＬＣ回路
と並列に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に接続されてい
る。このＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、本実施例回路に
おける電源に相当し、外部からの指令により出力電圧を
変更することができる。

【００３８】また、コンデンサ１４の両極端子には、増
幅器１６ａを介してコンデンサ電圧検出回路１６ｂが接
続されている。このコンデンサ電圧検出回路１６ｂは、
後述の制御回路２１からＰＺＴ１１の充電開始を表す充
電タイミング信号の供給を受ける。そして、その時点に
おけるコンデンサ１４の両端電圧を、ＰＺＴ１１の充電
開始時電圧Ｖ₁として取り込む。

【００３９】ＰＺＴ１１を充電するためにサイリスタ１
３がオンとなると、図４（Ａ）にＩ _PZTとして示すよう
に、ＰＺＴ１１にはインダクタ１２を介して電流が流れ
込む。このＩ_PZTは、主にコンデンサ１４に充電されて
いた電荷がインダクタ１２を経てＰＺＴ１１に流入した
ものである。

【００４０】ＰＺＴ１１にＩ_PZTが流れ込むと、ＰＺＴ
１１には、図４（Ｂ）に示すようにＩ_PZTの積分値に対
応する電荷Ｑ_PZTが充電される。このため、ＰＺＴ１１
の両端電圧Ｖ_PZTは、Ｑ_PZTに比例して大きくなり、や
がてＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧と等圧にな
る。

【００４１】このように、ＰＺＴ１１の両端電圧がＤＣ
−ＤＣコンバータ１５の出力電圧と等圧になれば、もは
や両者に電位差がないため、その時点でＰＺＴ１１への
電荷の流入は終了するはずである。しかし、上記したよ
うに、ＰＺＴ１１とＤＣ−ＤＣコンバータ１５との間に
は、電流変化を抑制する向きに逆起電力を生ずるインダ
クタ１２が配置されている。

【００４２】従って、インダクタ１２を流れる電流（Ｉ
_PZT）が減少しようとすると、インダクタ１２にその電
流を流し続けようとする向きの起電力が生じ、ＰＺＴ１
１にはさらに電荷が供給され続ける。このため、充電終
了時におけるＰＺＴ１１の両端電圧は、ＤＣ−ＤＣコン
バータ１５の出力電圧より高い電圧となる。そして、サ
イリスタ１３により電荷の逆流が遮られ、ＰＺＴ１１は
高圧に充電された状態で保持されることになる。

【００４３】ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５が流
し得る電流には限界がある。このため、ＰＺＴ１１の充
電時のように、瞬時に多量の電荷の移動が要求される場
合、図４（Ｃ）に示すように、充電開始（時刻ｔ₁）と
共に電流が飽和し、Ｉ_PZTの要求量に対する不足分は、
コンデンサ１４からの放電で補われる。

【００４４】従って、図４（Ｄ）に示すように、ＰＺＴ
１１の充電が開始されてから終了するまでの間（時刻ｔ
₁〜時刻ｔ₂）コンデンサ１４の両端電圧は減少を続
け、ＰＺＴ１１の充電終了時においてほぼ最小値とな
る。そして、その後再びＤＣ−ＤＣコンバータ１５から
電荷が供給されるに従って両端電圧が徐々に上昇する。

【００４５】コンデンサ電圧検出回路１６ｂは、コンデ
ンサ１４の両端電圧を監視し、両端電圧が最低になった
時点で（図４（Ｄ）中、時刻ｔ₂）、コンデンサ１４の
両端電圧を充電終了時電圧Ｖ₂として取り込む。そし
て、このようにして検出した充電開始時電圧Ｖ₁及び充
電終了時電圧Ｖ₂を、電荷算出回路１７及び温度算出回
路１８に供給する。

【００４６】上記したように、ＰＺＴ１１に蓄えられた
電荷Ｑ_PZTは、充電期間中にＤＣ−ＤＣコンバータ１５
から流出した電荷と、コンデンサ１４の放電により流出
した電荷との合計である。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ１５が流し得る電流は、コンデンサ１４が放電時に瞬
間的に流し得る電流に比べて小さい値である。また、Ｐ
ＺＴ１１の静電容量はコンデンサ１４の静電容量に比べ
て十分に小さく、ＰＺＴ１１の充電は実質的には瞬時に
終了する。

【００４７】このため、ＰＺＴ１１に蓄えられた電荷量
Ｑ_PZTは、ほぼコンデンサ１４から流出した電荷量に近
似することができ、Ｑ_PZT≒Ｃ₁＊（Ｖ₁−Ｖ₂）とし
て表すことができる。電荷量算出回路１７は、この特性
を利用してＱ_PZTの算出を行い、算出した値を電源電圧
制御回路１９ａに供給している。

【００４８】電源電圧制御回路１９ａは、電荷量算出回
路１８から供給された値と、ＰＺＴ１１に充電すべき目
標電荷量とを比較して、Ｑ_PZTが目標値に近づくような
値に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧値の基準値
を設定する。

【００４９】尚、従来の駆動回路では、Ｑ_PZTの検出は
一般にＩ_PZTを積分することにより行われていた。この
ため駆動回路内に、ピックアップコイル等の電流検出用
センサ及び積分回路を必要とした。これに対して本実施
例の駆動回路は、上記したようにコンデンサ１４の両端
電圧の変動に基づいてＱ_PZTを算出する。このため、電
流検出用センサや積分器等を設ける必要がなく、従来に
比べて駆動回路の構成の簡素化が可能となる。

【００５０】ところで、ＰＺＴ１１の静電容量Ｃ
_PZTは、図５（Ａ）に示すように温度依存性を有してお
り、ＰＺＴ１１の温度Ｔ_PZTが上昇すると、それに伴っ
て増加する傾向にある。従って、図２に示す駆動回路に
おいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧、すなわ
ち上記充電時電圧Ｖ₁が一定であるとすると、ＰＺＴ１
１の温度上昇に伴って、一回の充電でＰＺＴ１１に充電
される電荷Ｑ_PZTが増加することになる。

【００５１】つまり、充電開始時電圧Ｖ₁が一定であれ
ば、充電終了時電圧Ｖ₂は、ＰＺＴ１１の温度Ｔ_PZTの
関数で表されることになる。図５（Ｂ）は、これら
Ｖ₁，Ｖ ₂とＴ_PZTとの関係を表しており、Ｖ₁，Ｖ₂
の組み合わせに対してＴ_PZTが一義的に決まることを表
している。本実施例の駆動回路における温度算出回路１
８は、この関係を利用してＰＺＴ１１の温度Ｔ_PZTを算
出し、その値を電源電圧補正回路１９ｂに供給してい
る。

【００５２】電源電圧補正回路１９ｂは、温度検出回路
１８で検出されたＰＺＴ１１の温度Ｔ_PZTに基づいて、
上記の電源電圧制御回路１９ａで設定されたＤＣ−ＤＣ
コンバータ１５の出力電圧値の補正を行っている。

【００５３】上記したように、ＰＺＴ１１の温度Ｔ_PZT
が上昇すると、同一の電圧で充電を行った場合、ＰＺＴ
１１の充電電荷Ｑ_PZTが増加する。一方、ＰＺＴ１１は
充電電荷量に応じた正確な伸縮を示す素子である。従っ
て、ＰＺＴ１１を、温度に因らずに一定の伸縮で駆動す
るためには、ＰＺＴ１１の温度の変動に充電電圧を追従
させる必要がある。

【００５４】そこで、本実施例の駆動回路では、電源電
圧補正回路１９ｂにおいて、静電容量Ｃ_PZTの変化を相
殺するための補正電圧ΔＶ₁を、図５（Ｃ）に示すマッ
プに基づいて、温度算出回路１８で検出したＴ_PZTから
求め、上記の電源電圧制御回路で設定されたＶ₁に補正
として加えることとした。

【００５５】このように、本実施例の駆動回路によれ
ば、温度センサを使用することなくＰＺＴ１１の温度Ｔ
_PZTの検出を、また、電流センサや積分回路を用いるこ
となくＰＺＴ１１に充電された電荷Ｑ_PZTの検出をする
ことができる。そして、これらＴ_PZT及びＱ_PZTに基づ
いて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５の出力電圧をフィード
バック制御することにより、ＰＺＴ１１の充電電荷Ｑ
_PZTを精度良く目標値付近に保持することができる。

【００５６】図２中、符号２２及び２３は、ＰＺＴ１１
に充電された電荷Ｑ_PZTを放電するためのインダクタ及
びサイリスタを示す。インダクタ２２は、充電側のイン
ダクタ１２と同様に、ＰＺＴ１１と直列ＬＣ回路を構成
し、ＰＺＴ１１を過剰に放電させる作用を有している。

【００５７】また、サイリスタ２３は、放電側のスイッ
チ回路に相当し、充放電制御回路２１から放電信号の供
給を受けるとオンとなり、ＰＺＴ１１からインダクタ２
３方向に電流を通過させる。

【００５８】充放電制御回路２１は、充電側サイリスタ
１３と放電側サイリスタ２３とを所定の間隔で交互にオ
ンとして、ＰＺＴ１１に充放電を繰り返させる。すなわ
ちＰＺＴ１１は、充放電制御回路２１が充放電信号を発
する周期で伸縮する。従って、図３に示す燃料噴射弁３
０からは、充放電制御回路２１から放電信号が発せられ
てから、次に充電信号が発せられるまでの間燃料が噴射
されることになる。

【００５９】図６は、上記実施例の回路をマイクロコン
ピュータを用いて実現した例の構成を表す図を示す。本
実施例においては、図２に示すブロック図中、コンデン
サ電圧検出回路１６ｂ，電荷算出回路１７，温度算出回
路１８，電源電圧制御回路１９ａ，電源電圧補正回路１
９ｂ，充放電制御回路２１をマイクロコンピュータ５０
で実現している。尚、図２と同一の構成部分には、同一
の符号を付してその説明を省略する。

【００６０】図６中、マイクロコンピュータ５０は、Ａ
／Ｄコンバータを内蔵する入力ポート５１，出力ポート
５２，リードオンリメモリ（ＲＯＭ）５３，ランダムア
クセスメモリ（ＲＡＭ）５４，中央処理装置（ＣＰＵ）
５５，及びこれらを互いに接続する共通バス５６により
構成される。

【００６１】入力ポート５１には、内燃機関に流入する
空気量を検出するエアフロメータ６１，内燃機関の冷却
水温を検出する水温センサ６２，アクセル開度を検出す
るスロットルセンサ６３，及び機関回転数を検出する回
転数センサ６４等の出力端子が接続されると共に、コン
デンサ１４の両端電圧を増幅する増幅器１６ａの出力端
子が接続されている。

【００６２】また、出力ポート５２には、充電側及び放
電側のサイリスタ１３，２３及びＤＣ−ＤＣコンバータ
１５の入力端子が接続され、それぞれの端子に充電信
号，放電信号及び出力電圧指令信号を供給している。

【００６３】マイクロコンピュータ５０は、各種センサ
６１〜６４から供給されるデータをＲＯＭ５３内に格納
されているプログラムに従って処理することにより、内
燃機関に供給すべき燃料の量を演算する。そして、その
演算により求められた量を、図３に示す燃料噴射弁３０
から内燃機関内に噴射させるため、燃料噴射口３２を開
弁させておく時間、すなわちＰＺＴ１１を収縮させてお
く時間ＴＡＵを演算する。

【００６４】そして、そのＴＡＵに従って、サイリスタ
１３及び２３に対して交互に充放電信号を供給する。こ
のため、ＰＺＴ１１は、所定時間ＴＡＵだけ収縮（放
電）状態となる。

【００６５】一方、ＲＯＭ５３には、ＰＺＴ１１の伸縮
長を一定に保持し、燃料噴射弁３０が開弁している際に
噴射される燃料のバラツキを抑制するためのプログラム
も格納されている。以下、このプログラムを実行する際
の動作を、図７のフローチャートに沿って説明する。

【００６６】このルーチンが起動すると、先ずＰＺＴ１
１に電荷の充電が開始されたかを見る（ステップ１０
１）。ここで、まだ充電が開始されていない場合は、そ
のまま処理を終了し、充電が開始されるのを待つ。

【００６７】サイリスタ１３がオンとなり、ＰＺＴ１１
の充電が開始したら、ステップ１０２へ進み、その時点
におけるコンデンサ１４の両端電圧Ｖを、充電開始時電
圧Ｖ ₁として読み込む（図４（Ｄ）参照）。

【００６８】読み込んだＶ₁をＲＡＭ５４に一時保管し
た後ステップ１０３へ進み、コンデンサ１４の両端電圧
Ｖの変化を監視する。そして、前回のルーチン時と比べ
てＶが増加に転じるまで上記のステップ１０１〜１０３
を繰り返し実行する（図４（Ｄ）中、時刻ｔ₁〜
ｔ₂）。

【００６９】そして、コンデンサ１４の放電が終わり、
両端電圧Ｖが増加に転じたら、ＰＺＴ１１の充電が終了
したと判断して（図４（Ｄ）中時刻ｔ₂）、その時点に
おけるＶをＰＺＴ１１の充電終了時電圧Ｖ₂として読み
込む（ステップ１０４）。

【００７０】上記したように、ＰＺＴ１１に充電された
電荷Ｑ_PZTは、コンデンサ１４から流出した電荷にほぼ
等しい。そこで、現状の充電電圧でどの程度の電荷がＰ
ＺＴ１１に充電されているかを把握するため、Ｑ_PZT≒
Ｃ₁（Ｖ₁−Ｖ₂）を演算する（ステップ１０５）。

【００７１】そして、上記のステップ１０５で求めたＱ
_PZTと目標電荷量とを比較して、Ｑ _PZT＞目標電荷量、
であれば今回の充電開始時電圧が高すぎたと、また、Ｑ
_PZT＜目標電荷量、であれば今回の充電開始時電圧が低
すぎたと判断して、次回の充電開始電圧Ｖ₁の基準値を
算出する（ステップ１０６）。

【００７２】次に、ステップ１０７では、ＰＺＴ１１の
静電容量の変化を補正するため、ＰＺＴ１１の温度Ｔ
_PZTの検出を行う。上記したように、Ｔ_PZTは、Ｖ₁及
びＶ₂により一義的に決まる値である。また、本実施例
のＲＯＭ５３には、各種プログラムと共に、Ｖ₁，Ｖ₂
とＴ_PZTとの関係を表すマップ（図５（Ｂ）参照）を格
納している。そこで、ステップ１０７では、上記のステ
ップ１０２及び１０４で検出したＶ₁及びＶ₂を用い
て、図５（Ｂ）に示すマップからＴ_PZTを読みだしてい
る。

【００７３】ＲＯＭ５３はさらに、Ｔ_PZTの変化による
静電容量Ｃ_PZTの変化を相殺するための補正電圧ΔＶ₁
に関するマップ（図５（Ｃ）参照）をも格納している。
このため、本実施例においては、上記のステップ１０７
でＴ_PZTが求まったら、その値に基づいて、図５（Ｃ）
に示すマップより補正電圧ΔＶ₁を求めている（ステッ
プ１０８）。

【００７４】そして、上記ステップ１０６で求めた、充
電開始時電圧Ｖ₁の基準値に補正電圧ΔＶ₁を加えるこ
とにより、次回の充電開始時電圧Ｖ₁を設定し、出力ポ
ート５２からＤＣ−ＤＣコンバータ１５に供給して（ス
テップ１０９）、処理を終了する。

【００７５】このように、本実施例の駆動回路によれ
ば、温度センサや、電流センサ若しくは積分回路等を設
けることなく、ＰＺＴ１１の充電電荷量を一定とするた
めのフィードバック制御が実行できると共に、温度変化
に伴うＰＺＴ１１の挙動のバラツキをも補正することが
できる。

【００７６】従って、従来の圧電素子駆動回路に比べて
回路が簡素化でき、低コスト化が図れると共に、積分回
路等、検出誤差の大きな回路の廃止に伴って、制御の高
精度化及び高信頼性化を図ることができる。

【００７７】尚、上記の実施例においては、サイリスタ
１３をオンとするタイミングを検知して充電開始時電圧
Ｖ₁を、また、コンデンサ１４の放電が終わり両端電圧
Ｖが増加に転じた時点で充電終了時電圧Ｖ₂を検出した
が、コンデンサ１４の両端電圧を逐次監視して、最大値
及び最小値とをＶ₁，Ｖ₂として用いてもよい。

【００７８】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、圧電素子
の温度検出に温度センサを必要としないと共に、圧電素
子に充電された電荷の検出に、圧電素子に流れ込む電流
を検出するための電流センサとこの電流を積分する積分
回路とを必要としない。

【００７９】このため、従来の圧電素子駆動回路に比べ
て構成が簡素化され、低コスト化が図れると共に、回路
の信頼性向上及び制御の高精度化を図ることができる。
従って、本発明に係る圧電素子の駆動回路は、圧電素子
を、環境温度によらず安定した伸縮長で駆動でき、かつ
低コストで実現できることを要求される圧電素子の駆動
回路に適するという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電素子の駆動回路の原理図であ
る。

【図２】本発明に係る圧電素子の駆動回路の一実施例の
構成を表すブロック図である。

【図３】本実施例の駆動回路に使用するＰＺＴを動力源
とする燃料噴射弁の構成を表す正面断面図である。

【図４】本実施例の駆動回路によりＰＺＴを充電する際
の、要部における電流等の波形である。

【図５】本実施例に使用するＰＺＴの温度と静電容量と
の関係等を表す図である。

【図６】本発明に係る圧電素子の駆動回路をマイクロコ
ンピュータを用いて実現した例の構成を表す図である。

【図７】マイクロコンピュータを用いて実現した圧電素
子駆動回路が実行する処理の一例を表すフローチャート
である。

【符号の説明】

１圧電素子２，１２，２２インダクタ３，１３，２３サイリスタ４電源側コンデンサ５電源６コンデンサ電圧検出手段７電荷算出手段８温度算出手段９電源電圧制御手段１０充電系１１ＰＺＴ１４コンデンサ１５ＤＣ−ＤＣコンバータ１６ａ増幅器１６ｂコンデンサ電圧検出回路１７電荷算出回路１８温度検出回路１９ａ電源電圧制御回路１９ｂ電源電圧補正回路２１充放電制御回路５０マイクロコンピュータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子の充電系に、該圧電素子と直列
ＬＣ回路を構成するインダクタと、該直列ＬＣ回路に流
れる電流を制御するスイッチ回路とを有すると共に、前
記直列ＬＣ回路と並列に電源側コンデンサを有し、前記
直列ＬＣ回路の過渡特性を利用して、前記圧電素子を充
電する際に、前記電源側コンデンサの両端電圧より高い
充電電圧を前記圧電素子に印加する圧電素子の駆動回路
において、前記圧電素子の充電開始時における前記電源側コンデン
サの両端電圧と、前記圧電素子の充電終了時における前
記電源側コンデンサの両端電圧とを検出するコンデンサ
電圧検出手段と、該コンデンサ電圧検出手段により検出された前記電源側
コンデンサの両端電圧に基づいて前記圧電素子に充電さ
れた電荷を算出する電荷算出手段と、前記コンデンサ電圧検出手段により検出された前記電源
側コンデンサの両端電圧に基づいて前記圧電素子の温度
を算出する温度算出手段と、前記電荷算出手段により算出された電荷と、前記温度算
出手段により算出された温度とに基づいて、前記圧電素
子の充電系の電源電圧を制御する電源電圧制御手段とを
有することを特徴とする圧電素子の駆動回路。