JP3092411B2 - 圧電素子駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子駆動装置、特
にアクチュエータとして用いられる圧電素子の駆動装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、内燃機関の燃料噴射弁のアクチュ
エータとして、その良好な高速制御性から圧電素子が注
目されてきている。図４は、そのような圧電素子を用い
た内燃機関用燃料噴射弁装置の一例の構成を示す概念構
成図であり、そこには燃料噴射弁１００内に駆動用アク
チュエータとして圧電素子１０１が利用されている。す
なわち、圧電素子１０１の収縮に応じて、皿バネ１０３
により押圧されているピストン１０２が上昇して作動油
１０４の圧力が燃料溜め１０７内の受圧面１０８の受圧
以下となると、プッシュロッド１０５が上昇して圧力室
１０６内の燃料が燃料溜め１０７を経て噴射孔１０９か
ら加圧噴射される。また、圧電素子１０１の伸張時に
は、作動油１０４の圧力が増して圧縮時と逆の作用によ
り噴射孔１０９が閉じて噴射が停止する。なお、圧電素
子アクチュエータによる燃料噴射弁としては、図示のも
のとは逆に、圧電素子の伸張時に燃料を噴射し、収縮時
に吸入するタイプのものもあり、これらは燃料噴射状態
である圧電素子の収縮あるいは伸張状態の継続時間によ
り燃料噴射量が決定されることとなる。

【０００３】図５は、圧電アクチュエータの一例の構造
を概念的に示す一部断面で示された正面図である。圧電
アクチュエータ１１０は、ケーシング１１１内に、交互
に配設された一組の電極１１３、１１３間に複数の圧電
素子ペレット１１２、１１２、・・・が介挿された積層
構造を有しており、上端は絶縁プレート１１４を介して
ケーシング１１１に固定され、下端には同じく絶縁プレ
ート１１４を介して、図４におけると同様に、ピストン
１０２が皿バネ１０３により押圧されている。

【０００４】上述したような圧電素子を利用した燃料噴
射弁においては、圧電素子の温度依存性のため圧電容量
が温度に応じて変化したり、圧電素子を含む回路要素の
経年変化等により、圧電素子の伸縮量が変化する。この
ような圧電素子の特性変化により必要な変位を得ること
ができず、燃料噴射弁の噴射特性の低下を招くという問
題がある。そこで、圧電素子を二分して、その一方によ
り必要な伸縮量を得るようにし、他方によりその伸縮量
を圧電変換により検出して基準値と比較し、その比較結
果に基づいて圧電素子の駆動電圧をフィードバック制御
する技術が提案されている（特開昭６３─４３３８３号
公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この技
術においては、検出された伸縮量に応じて圧電素子の駆
動電圧を制御しており、圧電素子の電荷量すなわち圧電
素子の両端電圧を制御すものではないことから、あくま
でも予想値による制御であり、制御精度を向上すること
ができないという問題がある。また、圧電素子を二つの
グループに分割して、一方を検出用に用いており、駆動
源としての圧電素子の利用効率が悪く、しかも、駆動部
分に負荷が集中するという問題点を有している。

【０００６】そこで、本発明は、圧電素子の電荷量を制
御することにより圧電素子の両端電圧を直接的に制御す
ることのできる圧電素子駆動装置を提供することを目的
とする。加えて、本発明は、圧電素子の経年変化、温度
変化等による伸縮量の変化を圧電素子の電荷量を直接的
に制御することにより精確に補償することのできる圧電
素子駆動装置を提供することを目的とする。

【０００７】また、本発明は、圧電素子の伸縮量を検出
するための簡便な構造を提供することを目的とする。更
に、本発明は、圧電素子の両端電圧を精確にモニタし、
圧電素子の異常を正しく検出して装置のフェールセーフ
を高めることのできる圧電素子駆動装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電素子駆
動装置は、充電用インダクタと圧電素子の静電容量とに
より構成される共振回路を用いて、直流電源を有するス
イッチング電源回路の出力電圧を昇圧して圧電素子に印
加して充電を行う圧電素子駆動装置であって、充電用イ
ンダクタに電磁結合された二次インダクタと、それに直
列接続されたダイオードおよびスイッチ手段とを直流電
源に直列接続した直列接続回路を設け、圧電素子の一部
から伸縮量を検出し、その伸縮量と所定の基準値とを比
較して、その伸縮量が基準値に達した時点においてその
スイッチ手段をオン制御するように構成する。

【０００９】また、本発明による圧電素子駆動装置は、
直列接続回路のオン制御時に、圧電素子の両端電圧をサ
ンプル・ホールド回路により保持し、その出力をモニタ
出力として装置のフェールセーフを実現するように構成
される。

【００１０】

【作用】上記の構成によれば、圧電素子の一部を伸縮量
のセンサとして活用し、伸縮量が基準値に達すると、即
座に直列接続回路中の二次インダクタに電流を流して共
振回路を磁気飽和させ、共振途中においても共振を停止
させて圧電素子への印加電圧の昇圧を抑えて圧電素子の
伸縮量を効果的に制御し、制御精度および制御速度を向
上させることができる。また、圧電素子の異常を実際の
伸縮量により検出し、装置のフェールセーフを実現する
ことができる。

【００１１】

【実施例】図６は、内燃機関用燃料噴射弁の圧電アクチ
ュエータを駆動する圧電素子駆動装置の一例を示す回路
図であり、１０１は上述した内燃機関燃料噴射弁駆動用
の圧電素子、１１は直流電源を有するスイッチング電源
回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータ、１２はＤＣ−ＤＣ
コンバータ１１の出力を安定化し、かつ、圧電素子１０
１に充電電流を供給するための電解コンデンサ、１３は
充電用インダクタとしての充電コイル、１４は充電スイ
ッチング用サイリスタ、１５は放電スイッチング用サイ
リスタ、１６は放電用インダクタとしての放電コイルで
ある。

【００１２】充電用サイリスタ１４のオン時、電解コン
デンサ１２から電源電流が供給され、充電コイル１３お
よび圧電素子１０１の静電容量すなわち圧電容量からな
る共振回路に共振電流を流し，圧電素子１０１を充電す
る。この時、圧電素子１０１は充電電荷量に応じて伸張
し、上記図４に示した燃料噴射弁の場合は燃料の供給を
停止する。所定の時点において放電用サイリスタ１５が
オンになると、圧電素子１０１の充電電荷は放電コイル
１６を経て流れる共振電流により放電される。この時点
において、圧電素子１０１は圧縮され、燃料噴射弁が開
かれて燃料が噴射されるが、その後再び充電が行われる
時点まで燃料が噴射されることにより燃料噴射量が制御
される。図７は、図６の回路における各部を流れる電流
を示す波形図であり、（Ａ）は圧電素子１０１の両端電
圧、（Ｂ）は圧電素子１０１の充電電流、（Ｄ）は圧電
素子の放電電流である。

【００１３】更に、本駆動装置には、圧電素子１０１の
電荷量、したがって、その両端電圧を所定の値に制限す
るためのエネルギー回生用回路を設けることが提案され
ている（例えば、特願平４─３０１３２８号参照）。す
なわち、図示されているように、充電用インダクタすな
わち充電コイル１３に対して、二次インダクタすなわち
二次コイル１７およびダイオード１８からなる直列回路
が電磁結合されており、その直列回路はスイッチング電
源回路の直流電源に直列接続され充電エネルギーの回生
用回路が形成されている。

【００１４】本駆動装置によれば、圧電素子１０１の充
電時に二次コイル１７の誘起電圧がコイル間巻線比、Ｄ
Ｃ電源電圧およびダイオード１８の順方向電圧降下によ
り決定される所定値を超えると、回生用回路に電流が流
れてエネルギーが電源に回生されることとなり、それに
よって、圧電素子１０１の充電電荷を一定量に制御、す
なわち、充電後の圧電素子１０１の両端電圧（図７
（Ａ）の正電圧）を所定値に制御することができる。図
７（Ｃ）は、この回生用回路を流れる電流を示してい
る。

【００１５】また、特に図示してはいないが、放電コイ
ル１６にも同様に二次コイルを設けてエネルギー回生用
回路を構成し、放電後の圧電素子の両端電圧をも所定値
に制御して、安定性を高めることができ、図７（Ｅ）は
その場合の回生用回路を流れる電流を示しており、これ
により、図７（Ａ）の負電圧が所定値に制御されること
となる。

【００１６】図１は、本発明による圧電素子駆動装置の
実施例の構成を示す概略回路図である。本実施例におけ
る圧電素子駆動装置の構成は、図６に示されているもの
と基本的には同等であり、同等の構成要素には同一の符
号１１乃至１８が付されている。本発明はその駆動装置
を更に改良するものであり、そのために、充電エネルギ
ー回生用回路中に、二次電流調整用抵抗１９および充電
動作停止用のスイッチ２０が設けられている。なお、二
次コイル１７は、誘起される二次電流が充電用インダク
タすなわち充電コイル１３に磁気飽和を起こさせる方向
となるように巻回されている。

【００１７】図２は、図１の実施例中に用いられている
圧電アクチュエータ２１の一例の構造を示す一部断面で
示された正面図であり、圧電アクチュエータ２１は、図
７に示されている圧電アクチュエータ１１０と同様の積
層型の構造を有しているが、複数の圧電素子ペレット２
２、・・・（図５の１１２、・・・）のうちの、例え
ば、最上部の一個の圧電素子ペレット２４が圧電センサ
１０として用いられ、残部が圧電素子１０１として用い
られている。そのため、圧電アクチュエータ用圧電素子
ペレット２２、・・・を挟む電極２３、２３の他に、セ
ンサ用圧電素子ペレット２４を挟むように配置された電
極２５、２５が設けられている。

【００１８】更に、本発明によれば、圧電センサ１０の
検出出力を処理するための増幅器２６、比較器２７およ
び制御出力２８によりスイッチ２０を作動させる制御系
（点線図示）、また、圧電素子１０１の両端電圧Ｖ₁ を
処理するための増幅器２９およびサンプル・ホールド回
路３０が設けられている。本発明による圧電素子駆動装
置は上記のように構成されているので、充電用サイリス
タ１４がオンになり、圧電素子１０１が充電されると、
圧電素子１０１は伸張する。この時、圧電センサ１０は
圧電素子１０１の伸張により圧力を受け、圧電素子１０
１の伸張量に応じた電圧を発生し、結局、圧電素子１０
１の伸張量を検出する。この検出出力は、増幅器２６を
経て、比較器２７に伝送され、そこで基準値と比較され
る。

【００１９】圧電センサ１０の検出出力が基準値を超え
ると、制御出力２８が得られ、適当な制御系を経て、図
１に点線図示したように、充電エネルギーの回生用回路
中のスイッチ２０をオンに制御する。スイッチ２０がオ
ンになると、充電エネルギーの回生用回路中に充電エネ
ルギー回生用の二次電流が流れ、二次コイル１７を通じ
て充電用インダクタすなわち充電コイル１３に磁気飽和
を起こさせる。充電コイル１３が磁気飽和すると、圧電
素子１０１を充電する共振作用が停止されて、圧電素子
１０１の充電電荷量は停止時の値に保持される。その
後、放電用サイリスタ１５が導通して圧電素子１０１の
充電電荷は放電されると、圧電センサ１０の検出出力が
低下してスイッチ２０はオフとなり、エネルギー回生動
作は停止し、かつ、充電コイル１３の磁気飽和は解消さ
れる。

【００２０】上述したように、放電コイル１６に対して
も放電エネルギー回生用回路が設けられている場合は、
その放電エネルギー回生用回路中にスイッチ２０と同様
の放電動作停止用スイッチを設け、更に、圧電センサ１
０の検出出力を第２の基準値と比較する処理回路を設け
ることにより、充電電荷の放電による圧電素子１０１の
収縮を圧電センサ１０が検出し、それが第２の基準値以
下になると回生用回路をオンにして、放電コイル１６に
磁気飽和を起こさせ、圧電素子１０１の放電を停止させ
残留電荷量を所定の値とすることができることはいうま
でもない。

【００２１】こうして、本発明による圧電素子駆動装置
によれば、充電時および放電時の圧電素子の電荷量を所
定の値に保持することができ、したがって、図７（Ａ）
に示されている圧電素子の充電時および放電時の両端電
圧を所定の値に精度良く設定制御することができる。し
かも、一個のペレットからなる圧電センサにより圧電ア
クチュエータの伸縮量を検出して、それにより圧電素子
の電荷量を直接的にフィードバック制御していることか
ら、圧電アクチュエータの伸縮量を効率良く、かつ、精
度良く制御することができ、制御精度を向上することが
できる。

【００２２】更に、本発明による圧電素子駆動装置によ
れば、圧電素子１０１の両端電圧Ｖ ₁ を増幅器２９を経
て、サンプル・ホールド回路３０に供給し、上記した制
御出力２８によりそのサンプル・ホールド動作を制御す
ることにより、圧電素子１０１の充電停止時の両端電圧
に相当する電圧を保持し、それを出力端子３１から得て
モニタ出力Ｖ₃₁として利用する。このモニタ出力が異常
値を示せば、圧電素子１０１の異常を検知することがで
きる。これにより、センサ回路を含む圧電素子駆動装置
の異常検出が可能となり、システムとしてのフェールセ
ーフを高めることができる。

【００２３】図３は、圧電素子の経年変化を示す特性図
であり、動作時間対モニタ出力Ｖ₃₁の関係を示してい
る。このモニタ出力Ｖ₃₁は、或る変位を得るために必要
な圧電素子の印加電圧を表しており、同図（Ａ）に示さ
れているように、一定の動作時間後に、同じ電圧を印加
しても必要な変位を得ることができなくなり、やがて耐
久限界に達する。圧電素子の温度依存性のため、この耐
久限界は温度毎に異なることとなる。したがって、同図
（Ｂ）に示されているように、この耐久限界に対応する
電圧を温度に応じて可変設定することにより、モニタ出
力Ｖ₃₁によるフェールセーフ検出を有効なものとするこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電素子駆動装
置によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータに定電圧性が不要と
なり、フィードバックの無いコンバータを利用すること
が可能となる。そのため、電源をシンプル、かつ、低コ
ストとすることができ、また、コンバータのデューティ
比を固定することもできるので高周波化が可能であり、
高効率、小型にできる。

【００２５】また、制御のためにエネルギーや電荷を必
要とせず、電流検出が不要であるために、装置がシンプ
ルかつ高信頼性とすることができる。更に、直接的に圧
電アクチュエータの伸び量を検知しているため、誤差が
発生せず、余分なエネルギーを必要とせず、全体効率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電素子駆動装置の実施例の構成
を示す概略回路図である。

【図２】圧電アクチュエータの一例の構造を示す一部断
面で示された正面図である。

【図３】圧電素子の経年変化を示す特性図である。

【図４】圧電素子を用いた内燃機関用燃料噴射弁装置の
一例の構成を示す概念構成図である。

【図５】圧電アクチュエータの一例の構造を概念的に示
す一部断面で示された正面図である。

【図６】内燃機関用燃料噴射弁の圧電アクチュエータを
駆動する圧電素子駆動装置の一例を示す回路図である。

【図７】図６の回路における各部を流れる電流を示す波
形図である。

【符号の説明】

１０…圧電センサ １１…ＤＣ−ＤＣコンバータ １２…電解コンデンサ １３…充電コイル １４…充電用サイリスタ １５…放電用サイリスタ １６…放電コイル １７…二次コイル １８…ダイオード １９…電流制限抵抗 ２０…充電動作停止用スイッチ ２１、１１０…圧電アクチュエータ ２２、１１２…圧電素子ペレット ２３、２５、１１３…電極 ２４…センサ用圧電素子ペレット ２６、２９…増幅器 ２７…比較器 ３０…サンプル・ホールド回路 １００…燃料噴射弁 １０１…圧電素子 １０２…ピストン １０３…皿バネ １０４…作動油 １０５…プッシュロッド １０６…圧力室 １０７…燃料溜め １０８…受圧面 １０９…噴射孔 １１１…ケーシング １１４…絶縁プレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−41681（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−119276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−97854（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−255480（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−246780（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−152635（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−264575（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−184164（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電用インダクタと圧電素子の静電容量
   とにより構成される共振回路を用いて、直流電源を有す
   るスイッチング電源回路の出力電圧を昇圧して圧電素子
   に印加して充電を行う圧電素子駆動装置であって、 上記充電用インダクタに電磁結合された二次インダクタ
   と、該二次インダクタに直列接続されたダイオードおよ
   びスイッチ手段とを有し、上記直流電源に接続された直
   列接続回路と、 上記圧電素子の一部を形成し、上記圧電素子の伸縮量を
   検出する伸縮量検出手段と、 上記伸縮量検出手段からの伸縮量と所定の基準値とを比
   較し、該伸縮量が該基準値に達した時点において上記ス
   イッチ手段にオン制御信号を出力する制御手段とを更に
   備えた圧電素子駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧電素子駆動装置であ
   って、 圧電素子の両端電圧を供給されており、かつ、制御手段
   のオン制御信号により動作制御されるサンプル・ホール
   ド回路を更に備えており、 上記サンプル・ホールド回路の出力をモニタ出力として
   装置のフェールセーフを実現するようにした圧電素子駆
   動装置。