JP4104498B2

JP4104498B2 - Piezo actuator drive circuit

Info

Publication number: JP4104498B2
Application number: JP2003182997A
Authority: JP
Inventors: 康弘深川; 康行榊原; 通泰森次; 英嗣竹本
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: DE102004026250A1; JP2005016431A; DE102004026250B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、例えば、内燃機関の燃料噴射装置に適用され、燃料噴射用のインジェクタにおいて燃料の噴射とその停止とを切り換える手段として用いられたものが知られている。ピエゾアクチュエータは、圧電材料からなる圧電層と電極層とが交互に積層するコンデンサ構造を有し、充電により伸長し、縮小するときは放電する。ピエゾスタックが伸長時および縮小時のみ通電がなされる方式のアクチュエータである。
【０００３】
ピエゾアクチュエータ駆動回路は、充電または放電による駆動でピエゾアクチュエータの作動状態を伸長と縮小とに切り換えるもので、代表例として次の構成を有するものが知られている。電源とピエゾアクチュエータとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記コンデンサをバイパスし前記インダクタとピエゾアクチュエータとを結ぶ第２の通電経路とが設けられ、電流を調整する手段として、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記第２の通電経路を断接する放電スイッチが設けられる。そして、ピエゾアクチュエータの充電駆動時には、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を第１の通電経路に流し、充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を第２の通電経路に流す。充電がいわゆる降圧チョッパ方式で進行する。ピエゾアクチュエータの放電駆動時には、放電スイッチのオンオフの繰り返しにより、放電スイッチのオン期間に漸増する放電電流を第２の通電経路に流し、放電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する放電電流を第１の通電経路に流す。
【０００４】
下記特許文献１には、前記充電スイッチ等を制御するスイッチ制御手段を、充電スイッチのオン期間を一定にして、駆動開始からの経過時間が所定時間になると、充電を終了とするように設定したものがある。この技術は、ピエゾアクチュエータの静電容量が温度変動で変動し、充電によりピエゾアクチュエータに蓄積されるエネルギーが変動するのを防止するのを企図したものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３６１５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１の技術では、実車が過酷な温度環境下で使用されてピエゾアクチュエータの容量の変動が大き過ぎる場合には、必ずしも、十分ではない。すなわち、降圧チョッパ方式の回路構成では電源の出力電圧とピエゾアクチュエータの端子間電圧との差が充電速度を規定するから、例えば容量が小さくなり過ぎるとピエゾアクチュエータの端子間電圧が充電初期から相当程度上昇してしまい、十分な電流をピエゾアクチュエータに流すことができなくなる。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、充電エネルギーの制御性のよいピエゾアクチュエータ駆動回路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】
請求項１記載の発明では、充電または放電による駆動で作動状態が切り換わるピエゾアクチュエータを駆動対象とする駆動回路であって、電源と前記ピエゾアクチュエータとをインダクタを介して結ぶ第１の通電経路と、前記電源をバイパスし前記インダクタとピエゾアクチュエータとを結ぶ第２の通電経路と、前記第１の通電経路を断接する充電スイッチと、前記充電スイッチを制御し、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記充電スイッチのオンオフの繰り返しにより、前記充電スイッチのオン期間に漸増する充電電流を前記第１の通電経路に流し、前記充電スイッチのオフ期間にピーク電流で折り返して漸減する充電電流を前記第２の通電経路に流すスイッチ制御手段とを有するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記電源から前記充電スイッチのオン期間中に前記第１の通電経路に流れる電源電流を検出し、この電源電流に基づいて、前記電源を供給元として前記第１の通電経路のうち前記第２の通電経路と非共通部分を流れる単位時間当たりの放電量を検出する放電量検出手段と、
前記電源を供給元として前記第１の通電経路のうち前記第２の通電経路との非共通部分を流れる単位時間当たりの放電量の目標値を設定する目標値出力手段と、
前記スイッチ制御手段は、前記ピエゾアクチュエータの充電駆動時に、前記電源を供給元として前記第１の通電経路のうち前記第２の通電経路との非共通部分を流れる単位時間当たりの放電量の検出値が目標値となるように前記充電スイッチを制御し、かつ、駆動開始からの経過時間が予め設定した所定時間になると前記充電スイッチをオフに固定するように設定する。
【０００９】
電源を供給元とする単位時間当たりの放電量が目標値となるように充電スイッチのオン期間が設定されることになるので、ピエゾアクチュエータの容量のばらつき等によらずピエゾアクチュエータへの電流が十分に流れ、適正に充電がなされる。
【００１０】
また、ピエゾアクチュエータに蓄積される充電エネルギーの変化を、ピエゾアクチュエータを通る、第１、第２の通電経路に共通の部分を流れるピエゾアクチュエータを供給先とする単位時間当たりの充電量に基づいて求めるとすると、ピエゾアクチュエータの端子間電圧が充電により変化することで高精度に求めるのが困難であるが、電源の出力電圧は略一定であるので、ピエゾアクチュエータへの充電エネルギーの変化を電源の単位時間当たりの放電量に基づいて求める本発明によれば、比較的容易に高精度に求めることができる。したがって、充電駆動を所定時間の経過時点で終了するだけで、ピエゾアクチュエータを高精度に目標エネルギーまで充電することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、
かつ、前記電源の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電源の出力電圧の検出値が高いほど前記目標値が低くなるように該目標値を補正する目標値補正手段とを具備せしめる。
【００１２】
電源から供給される電力は電源の出力電圧と電流との積である。電源の出力電圧の検出値が高いほど電流の目標値を下げることで、ピエゾアクチュエータの充電過程や到達エネルギーの変動を抑制することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、
前記電流の検出値を積分し、積分期間における電流検出値を平均化する平均化手段を具備せしめる。
【００１４】
充電スイッチの各オン期間における電流を平均化することで、充電スイッチのオン期間ごとに、電流の代表値を与えることができる。
【００１５】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記目標値出力手段は、駆動期間中、一定の目標値を出力する手段とする。
【００１６】
放電量の積算値すなわちピエゾアクチュエータに充電される量が、前記目標値で規定される速度で直線的に変化していく。
【００１７】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記目標値出力手段は、駆動開始からの経過時間に応じて目標値を切り換える手段とする。
【００１８】
放電量の積算値すなわちピエゾアクチュエータに充電される量が、前記目標値の経時的なプロファイルで規定される速度で変化していく。これにより、前記目標値の経時的なプロファイルの設定により、ピエゾアクチュエータの挙動のパターンが自在である。
【００１９】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし５の発明の構成において、前記スイッチ制御手段には、前記目標値を挟む二つの値をしきい値として前記検出値と前記しきい値とを比較してその大小を二値判定する比較手段であって、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときと、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときとに判定出力が切り換わるヒシテリシスを有する比較手段を具備せしめ、前記判定出力に基づき、前記検出値が大側のしきい値を上回ったときに充電スイッチをオフし、前記検出値が小側のしきい値を下回ったときに充電スイッチをオンするように設定する。
【００２０】
目標値を挟む２つのしきい値を所望する挟み込み幅に設定すれば、外乱ノイズなどを除外するフィルタ効果を発揮できて、狙いの充電量を高精度に制御できる。
請求項７記載の発明では、請求項１ないし６の発明の構成において、前記放電量検出手段を、前記第１の通電経路のうち第２の通電経路との非共通部分に設けられて前記電源電流を検出する抵抗器とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路が駆動対象とするピエゾアクチュエータ２は例えば内燃機関において燃料を噴射するインジェクタに搭載されたものである。気筒ごとにインジェクタを有する構成の場合であれば、ピエゾアクチュエータ２は並列に気筒数分接続され、各ピエゾアクチュエータ２に１対１に対応して気筒選択用のスイッチが直列に設けられる。気筒選択用のスイッチは噴射すべき気筒に対応するピエゾアクチュエータ２のものがオンして、当該ピエゾアクチュエータ２のみが選択的に駆動されることになる。なお、ピエゾアクチュエータ駆動回路には、外部から、ピエゾアクチュエータ２の充電駆動の開始時期および放電駆動の開始時期を規定する駆動信号が入力している。駆動信号は前記内燃機関に則していえば、インジェクタの開弁時期および閉弁時期を規定し、その長さが略噴射時間を規定する。
【００２２】
電源１はＤＣ−ＤＣコンバータであり、車載のバッテリ１１の出力電圧（例えば１２Ｖ）を昇圧して、昇圧された電圧にてバッファコンデンサ１２に充電される。バッファコンデンサ１２はピエゾアクチュエータ２の充電用の電圧を出力する。バッファコンデンサ１２には十分静電容量の大きなものが用いられる。バッテリ１１とバッファコンデンサ１２とは昇圧用インダクタ１３およびダイオード１４を介して接続されている。また、バッファコンデンサ１２の充電は、バッファコンデンサ１２およびダイオード１４をバイパスするスイッチ１５をオンオフすることによりなされる。なお、ダイオード１４は、バッファコンデンサ１２の放電を防止するためのものである。
【００２３】
バッファコンデンサ１２とピエゾアクチュエータ２とをインダクタ３０１を介して結ぶ第１の通電経路３１が設けてあり、第１の通電経路３１には、さらに、バッファコンデンサ１とインダクタ３０１間にこれらと直列に第１のスイッチング素子４ａが介設されている。第１のスイッチング素子４ａはＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）４１ａはバッファコンデンサ１２の端子間電圧（以下、適宜、バッファコンデンサ電圧という）が逆バイアスとなるように接続される。
【００２４】
また、インダクタ３０１とピエゾアクチュエータ２とは第２の通電経路３２により結ばれている。この通電経路３２は、インダクタ３０１と第１のスイッチング素子４ａの接続中点に接続される第２のスイッチング素子４ｂを有している。第２の通電経路３２は電源１および第１のスイッチング素子４ａをバイパスして、インダクタ３０１、ピエゾアクチュエータ２および第２のスイッチング素子４ｂを通る閉回路を形成している。第２のスイッチング素子４ｂもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）４１ｂは、バッファコンデンサ電圧が逆バイアスとなるように接続される。
【００２５】
スイッチング素子４ａ，４ｂの各ゲートにはそれぞれ制御信号が入力しており、スイッチング素子４ａ，４ｂがオンオフすることにより、ピエゾアクチュエータ２を供給先または供給元とする電流（以下、適宜、ピエゾアクチュエータ電流という）を調整するようになっている。スイッチング素子４ａはピエゾアクチュエータ２の充電駆動用のもので、以下、適宜、充電スイッチ４ａという。スイッチング素子４ｂはピエゾアクチュエータ２の放電駆動用のもので、以下、適宜、放電スイッチ４ｂという。
【００２６】
バッファコンデンサ１２と接地間には、放電量検出手段である低抵抗値（例えば０．０１Ω）の抵抗器５１が設けてある。その端子間電圧によりバッファコンデンサ１２を供給元として第１の通電経路３１を流れる単位時間当たりの放電量である電流（以下、適宜、バッファコンデンサ電流という）が検出されるようになっている。
【００２７】
バッファコンデンサ電流の検出信号としての前記抵抗器５１の端子間電圧（以下、適宜、電流検出信号という）はオペアンプ５２１に入力する。オペアンプ５２１は抵抗器５２２およびコンデンサ５２３とともに平均化手段である平均化回路５２を構成している。抵抗器５２２およびコンデンサ５２３は積分回路であり、バッファコンデンサ電流に比例したオペアンプ５２１の出力信号が積分される。以下、コンデンサ５２３の端子間電圧すなわち積分回路の出力を、平均化信号という。
【００２８】
平均化回路５２からの平均化信号はスイッチ制御手段であるスイッチ制御回路７において、充電スイッチ４ａの制御に供される。スイッチ制御回路７は充電スイッチ４ａおよび放電スイッチ４ｂを制御するものであるが、説明の便宜のため、放電スイッチ４ｂの制御用の回路部分は図示を省略している。
【００２９】
スイッチ制御回路７の充電スイッチ４ａの制御用の回路部分は、コンパレータ７１、抵抗器７２，７３、アンドゲート７４、ワンショット回路７５が充電スイッチ４ａの制御用の回路部分を構成する。前記平均化信号はコンパレータ７１の（−）入力端子に入力している。コンパレータ７１の（＋）入力端子には、目標値出力手段である基準電圧発生回路６１の出力信号が抵抗器７２を介して入力している。基準電圧発生回路６１は一定の基準電圧を発生する。コンパレータ７１の（＋）入力端子の入力電圧は、前記抵抗器７２と、コンパレータ７１の（＋）入力端子と出力端子との間に接続された抵抗器７３とによりヒシテリシスがかけられている。平均化信号が十分に低ければ、コンパレータ７１の論理出力は「１」レベルであり、前記平均化信号の大きさが大側のしきい値である基準電圧＋ヒステリシス分を越えると、コンパレータ７１の論理出力が「０」レベルとなるとともに、（＋）入力端子の入力電圧が小側のしきい値である基準電圧−ヒステリシス分に低下する。逆にこの状態から、前記平均化信号の大きさが基準電圧−ヒステリシス分よりも低下すると、コンパレータ７１の論理出力が「１」レベルとなるとともに、（＋）入力端子の入力電圧が基準電圧＋ヒステリシス分に上昇する。
【００３０】
コンパレータ７１の論理出力は、充電スイッチ４ａのドライバ回路８への入力信号を生成するアンドゲート７４に入力し、ドライバ回路８はアンドゲート７４の論理出力が「１」レベルのとき充電スイッチ４ａをオンする。アンドゲート７４には、前記コンパレータ７１の出力信号とは別にワンショット回路７５の出力信号が入力している。ワンショット回路７５は、外部からの駆動信号が立ち上がりエッジでトリガされて一定の長さ（１５０μｓｅｃ）のパルス信号を出力する。したがって、駆動信号が「１」レベルに立上がると、その直後の前記一定の長さの期間、充電スイッチ４ａは平均化信号の大きさに基づいてオンとオフとが切り換えられる。パルス信号が非出力状態では充電スイッチ４ａはオフに固定される。すなわち、前記パルス信号は、ピエゾアクチュエータ２の充電期間の長さを規定する。
【００３１】
図２はピエゾアクチエータ２の伸長時すなわち充電時における本ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。充電スイッチ４ａおよび放電スイッチ４ｂはオフである。ピエゾアクチュエータ電圧は０Ｖであり、エネルギーは未蓄積である。ここで、駆動信号が「１」レベルに立上がると、ワンショット回路７５をトリガし、充電期間を規定するパルス信号が出力される。平均化回路５２からの平均化信号は０Ｖであり、コンパレータ７１の論理出力は「１」レベルである。したがって、充電スイッチ４ａがオンし、第１の通電経路３１を使って、ピエゾアクチュエータ２の充電が開始される。バッファコンデンサ電流およびピエゾアクチエータ電流は上昇し、充電が進行するとともにピエゾアクチュエータ電圧が上昇する。これにより、駆動電力も上昇していく。
【００３２】
一方、バッファコンデンサ電流が流れることにより、平均化信号も上昇していく。そして、平均化信号が基準電圧＋ヒシテリシス分を越えるとコンパレータ７１の論理出力が「０」レベルに変わって、充電スイッチ４ａがオフするが、インダクタ３０１に蓄積されたエネルギーにより、第２の寄生ダイオード４１ｂを通る第２の通電経路３２を使って、漸減するフライホイール電流がピエゾアクチュエータ２に流れ続ける。このとき、駆動電力は漸減する。また、第１の通電経路３１のうち、第１の通電経路３２との非共通部分に設けられるバッファコンデンサ１２には電流は流れない。これにより、平均化回路５２のコンデンサ５２３が放電を開始して平均化信号が積分回路の時定数に応じた速度で漸減する。
【００３３】
そして、平均化信号の大きさが基準電圧−ヒシテリシス分を下回ると、コンパレータ７１ａの論理出力が再び「１」レベルとなって、充電スイッチ４ａがオンする。これが繰り返される。したがって、平均化信号が略一定に維持されることになる。このときのバッファコンデンサ電流の平均は、基準電圧発生回路６１が出力する基準電圧で規定されており、基準電圧発生回路６１は充電スイッチ４ａのオン期間におけるバッファコンデンサ電流の平均値の目標値を出力していることになる。
【００３４】
平均化信号は、充電スイッチ４ａのオン期間において変化するバッファコンデンサ電流を平均化したものであるから、これを基準電圧−ヒシテリシス分および基準電圧＋ヒシテリシス分の範囲内に入るようにすることで、バッファコンデンサ電流が、略一定値にて推移することになる。これにより、バッファコンデンサ１２から供給される電荷が充電開始からの経過時間に略正比例して上昇していくことになる。一方、バッファコンデンサ電圧は比較的一定している。したがって、バッファコンデンサ１２から供給される電力の積算値として与えられるピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーは、充電開始からの経過時間すなわち駆動信号が出力されてからの経過時間に略正比例して上昇する。
【００３５】
そして、ワンショット回路７５からのパルス信号が非出力状態となり、アンドゲート７４の入力信号が「０」レベルになると、充電スイッチ４ａがオフに固定され、ピエゾアクチュエータ２の充電が完了となる。
【００３６】
前記のごとく、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギー（以下，適宜、充電エネルギーという）が充電開始からの経過時間に正比例して上昇するので、ピエゾアクチュエータ２の容量の変動によらず、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーが辿る過程、すなわち充電過程が均一である。また、充電開始から所定時間の後、充電スイッチ４ａがオフに固定されたとき、すなわち充電が完了したときの蓄積エネルギーを一定とすることができる。
【００３７】
このように本ピエゾアクチュエータ駆動回路によれば、ピエゾアクチュエータ２の充電の過程が均一であり、最終的な到達エネルギーも一定である。ピエゾアクチュエータ２の挙動（伸長）のばらつきを低減することができる。これにより、例えば噴射時期や噴射量を一定にすることができる。
【００３８】
そして、バッファコンデンサ電流のオン期間における平均値が基準電圧で規定される目標値となるように充電スイッチ４ａのオン期間が設定されることになるので、ピエゾアクチュエータ２の容量のばらつき等によらずピエゾアクチュエータ２へ電流が十分に流れ、適正に充電がなされる。
【００３９】
また、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーの変化は、ピエゾアクチュエータ２を通る、第１、第２の通電経路３１，３２に共通の部分を流れるピエゾアクチュエータ電流とピエゾアクチュエータ電圧との積で表されるところ、これを求めるとすると、ピエゾアクチュエータ電圧が充電により変化するので高精度に求めるのが困難である。一方、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーの変化は、バッファコンデンサ電流とバッファコンデンサ電圧との積でも表され得る。ここでバッファコンデンサ電圧は略一定である。したがって、本ピエゾアクチュエータ駆動回路のようにピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーの変化をバッファコンデンサ１２からの単位時間当たりの放電量に基づいて判じると、比較的容易に高精度に求めことができる。また、本実施形態では駆動電力を規定するバッファコンデンサ電圧が略一定であることを利用して、前記単位時間当たりの放電量としてバッファコンデンサ電流に基づいて充電エネルギーの変化を判じているので、より簡易である。
【００４０】
なお、ピエゾアクチュエータ２に対する放電駆動は、放電スイッチ４ｂをオンオフすることによりなされる。すなわち、放電スイッチ４ｂのオン期間に漸増する放電電流を第２の通電経路３２に流し、放電スイッチ４ｂのオフ期間に、フライホイール作用により、ピーク電流で折り返して漸減する放電電流を第１の通電経路３１に流す。これを繰り返し、ピエゾアクチュエータ２の蓄積エネルギーをバッファコンデンサ１２に回収する。ここで、放電スイッチ４ｂをオンからオフに切り換えるタイミングは、ピエゾアクチュエータ２を流れる電流が前記ピーク電流に対応する上側のしきい値に達した時点とし、オフからオンに切り換えるタイミングは、ピエゾアクチュエータ２を流れる電流が下側のしきい値に達した時点とする。したがって、放電スイッチ４ｂのオンとオフとの切り換えは、充電スイッチ４ａの制御のごとく、ヒシテリシスを有するコンパレータにて、放電電流の検出信号を基準電圧±ヒシテリシス分と比較することに行うのもよい。また、放電期間の完了は公知の種々の方法を用いることができ、例えば、ピエゾアクチュエータ電圧を検出して、これが実質的に０になったことで放電期間完了と判定する。
【００４１】
（第２実施形態）
図３に本発明の第２実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は基本的な構成は第１実施形態のものと同じで、図中、第１実施形態と同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４２】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、バッファコンデンサ１２の正側端子と接地間に、直列に接続された２つの抵抗器６２１，６２２が設けられており、バッファコンデンサ電圧を分圧する。抵抗器６２１，６２２は高抵抗のものが用いられ、例えば抵抗器６２１が９００ｋΩで抵抗器６２２が１００ｋΩである。抵抗器６２１，６２２はその分圧電圧を受けるバッファ６２３とともに、バッファコンデンサ電圧を検出する電圧検出手段である電圧検出回路６２を構成している。バッファ６２３の出力は、目標値補正手段である基準電圧補正回路６３で基準電圧を補正するのに用いられる（以下、適宜、バッファ６２３の出力信号を電圧検出信号という）。
【００４３】
基準電圧補正回路６３は、オペアンプ６３１および抵抗器６３２，６３３，６３４からなる。オペアンプ６３１の（＋）入力端子には基準電圧発生回路６１からの基準電圧が第１の抵抗器６３２を介して入力している。電圧検出回路６２からの電圧検出信号は、基準電圧補正回路６３のオペアンプ７１ａの（−）入力端子に第２の抵抗器６３３を介して入力される。第３の抵抗器６３４は（−）入力端子と出力端子間に接続され、負帰還がかけられている。したがって、抵抗器７２を介してコンパレータ７１の（＋）入力端子に入力する基準電圧としてのオペアンプ６３１の出力信号が、電圧検出信号に応じて、基準電圧発生回路６１からの基準電圧よりも低側に補正されることになる。負帰還の感度は抵抗器６３３，６３４の抵抗値の比率で規定される。以下、適宜、基準電圧補正回路６３のオペアンプ６３１の出力信号を電流指令信号という）。
【００４４】
これにより、バッファコンデンサ電圧が高くなると、基準電圧補正回路６３のオペアンプ６３１の負帰還量が増大して、コンパレータ７１で平均化信号と比較される電流指令信号が低くなり、バッファコンデンサ１２の平均電流も低く抑制される。一方、バッファコンデンサ電圧が低くなると、オペアンプ６３１の負帰還量が抑制されて、電流指令信号が基準電圧発生回路６１から出力される基準電圧に近くなり、バッファコンデンサ１２の平均電流も高めに設定される。
【００４５】
図４は第１実施形態のピエゾアクチュエータにおいて、バッファコンデンサ電圧を変えたときに、充電期間の完了時に到達する蓄積されるエネルギー（目標エネルギー値）がどのように変わるかを測定した一例を示すもので、バッファコンデンサ電圧が高いほど目標エネルギー値が高くなり、バッファコンデンサ電圧が低いほど目標エネルギー値が低くなる。バッファコンデンサ１２から出力される駆動電力がバッファコンデンサ電圧に比例するためである。また、図５は、基準電圧を変えたときに充電エネルギーがどのように変わるかを測定した結果を示すもので、基準電圧を小さくするほど充電エネルギーが減少する。これは基準電圧を小さくすると、充電スイッチ４ａがオフするタイミングが、平均化信号が低い側にシフトして、バッファコンデンサ電流の平均値が小さくなるためである。
【００４６】
本実施形態によれば、電圧検出回路６２および基準電圧補正回路６３により、図６に示すように、バッファコンデンサ電圧（電源電圧）の増大に対して電流指令信号の大きさで規定される電流指令値が低下する負帰還特性が与えられており、電流指令値をバッファコンデンサ電圧に応じて自動で調整する。これにより、充電過程がさらに均一化し、充電完了時のエネルギー誤差を低減することができる。
【００４７】
また、前記のごとく電流指令値を変えることでバッファコンデンサ電流の平均値を変えることができるので、基準電圧を可変として、充電エネルギーを調整するのもよい。例えばコモンレール式の燃料噴射装置で、インジェクタが、その開閉を切り換えるための弁部材等にコモンレールの燃料圧（コモンレール圧力）を一方向に作動させておく一方、ピエゾアクチュエータを充電駆動時に燃料圧とは判定方向に作用するように配置したものがある。弁部材等は、ピエゾアクチュエータの充電駆動と放電駆動とを切り換えることで前後動する。係る燃料噴射装置において運転状態に応じてコモンレール圧力を調整し、燃料の噴射圧力を調整することでなされるが、コモンレール圧力によりピエゾアクチュエータの作動特性が変化することになる。コモンレール圧力に応じて基準電圧を変えることで、コモンレール圧力の影響を相殺して弁部材の挙動を均一にすることができる。図７に、基準電圧と充電エネルギーとの対応関係の一例を示す。
【００４８】
また、基準電圧とともにワンショット回路７５から出力されるパルス信号の長さを可変とすることで、充電エネルギーを略一定としながら、充電過程を変えることができる。図８は、基準電圧とワンショット回路７５からのパルス信号の長さ（充電時間）を変えたときの充電過程の一例を示すものである。なお、図中、充電エネルギーについては、横軸の時間は充電開始からの経過時間であり、グラフ線は、充電時間内における充電エネルギーのプロファイルを示している。また、基準電圧については、横軸の時間は充電時間であり、グラフ線は、充電時間と基準電圧との関係を示している。基準電圧と充電時間とは両者の積が略同じになるように設定してある。これにより、充電期間に充電されるエネルギーが一定で、充電過程が異なるようにすることができる。この場合において、基準電圧を小さく充電時間を長くとれば、充電エネルギーの上昇速度が低いものとなる。すなわち、ピエゾアクチュエータの作動（伸長）の立上がりが緩やかになる。これにより、燃料噴射装置の例でいえば、噴射率の制御が可能となり、運転状態に応じた最適な燃料噴射を実現することができる。
【００４９】
なお、基準電圧およびパルス信号の長さが段階的に変わるようにしてもよいし、連続的に可変なものでもよい。基準電圧と充電時間とを両者の積が略同じになるように設定すれば、充電エネルギーを一定にしながらエネルギーの経時プロファイルを変えることができる。
【００５０】
（第３実施形態）
図９に本発明の第３実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は基本的な構成は第１実施形態のものと同じで、図中、第１実施形態と同じ作動をする部分には同じ番号を付して第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、基準電圧発生回路６１Ａが、基準電圧を２段階に可変な構成で、第１、第２の基準電圧を出力可能である（第１の基準電圧が低く、第２の基準電圧が高いものとする）。基準電圧発生回路６１Ａは、駆動信号の「１」レベルへの立ち上がりをトリガし、トリガ時点から最初の一定の期間（充電初期）は第１の基準電圧を出力し、次の期間（充電中期）は第２の基準電圧を出力し、最後の期間（充電終期）は第１の基準電圧を出力するようになっている。
【００５２】
図１０はピエゾアクチエータ２の伸長時すなわち充電時における本ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。基本的な作動は第１実施形態と同様であるが、充電初期には第１の基準電圧にてバッファコンデンサ電流が制御されるので、ピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは緩やかに上昇し、充電中期に第２の基準電圧に切換わるとピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは上昇速度を速める。そして、充電終期には再び第１の基準電圧に戻り、ピエゾアクチュエータ２の充電エネルギーは上昇速度を緩めて、充電エネルギーの最終値（目標エネルギー）に向けて収束していく。
【００５３】
なお、本実施形態では基準電圧を２段階に出力するものとして説明したが、３段階以上でもよいのは勿論である。また、基準電圧が連続的に可変なものでもよい。また、基準電圧の出力パターンも、充電期間の中ほどで大きくなるだけではなく、要求される作動特性に応じて適宜、設定し得る。
【００５４】
なお、前記各実施形態では、平均化回路に入力するのがバッファコンデンサ電流の検出信号であるが、バッファコンデンサ電圧の電圧検出信号と、バッファコンデンサ電流の電流検出信号とを乗じて駆動電力を演算する乗算回路を設けて、その駆動電力の出力信号をバッファコンデンサの単位時間当たりの放電量として、これが平均化回路に入力するようにしてもよい。この場合は、第２実施形態のごとく、バッファコンデンサ電圧の変動の影響を回避して、さらに高精度にピエゾアクチュエータの充電エネルギーを一定にすることができる。
【００５５】
また、前記各実施形態は、バッテリ電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧した電圧にてバッファコンデンサを充電するものを示したが、バッテリ電圧に充電されるコンデンサ１２から直接ピエゾアクチュエータ２を駆動するものにも本発明は適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第１のグラフである。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第２のグラフである。
【図６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する第３のグラフである。
【図７】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の変形例の作動を説明するグラフである。
【図８】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の別の変形例の作動を説明するグラフである。
【図９】本発明の第３のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図１０】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動状態を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１電源
１１バッテリ
１２コンデンサ
２ピエゾアクチュエータ
３１第１の通電経路
３２第２の通電経路
３０１インダクタ
４ａ充電スイッチ
４ｂ放電スイッチ
５１抵抗器（放電量検出手段）
５２平均化回路（平均化手段）
６１，６１Ａ基準電圧発生回路（目標値出力手段）
６２電圧検出回路（電圧検出手段）
６３基準電圧補正回路（目標値補正手段）
７スイッチ制御回路（スイッチ制御手段）
７１コンパレータ（比較手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator drive circuit.
[0002]
[Prior art]
The piezo actuator uses a piezoelectric action of a piezoelectric material such as PZT, and is applied to, for example, a fuel injection device of an internal combustion engine and used as a means for switching between fuel injection and its stop in a fuel injection injector. Things are known. The piezo actuator has a capacitor structure in which piezoelectric layers and electrode layers made of a piezoelectric material are alternately stacked, and expands by charging and discharges when contracting. This is an actuator that is energized only when the piezo stack is extended and contracted.
[0003]
The piezo actuator drive circuit switches the operation state of the piezo actuator between expansion and contraction by driving by charging or discharging, and a typical one having the following configuration is known. A first energization path connecting the power source and the piezo actuator via an inductor and a second energization path linking the inductor and the piezo actuator bypassing the capacitor are provided as means for adjusting the current. A charge switch for connecting / disconnecting one energization path and a discharge switch for connecting / disconnecting the second energization path are provided. When the piezo actuator is driven to charge, by repeatedly turning on and off the charging switch, a charging current that gradually increases during the on period of the charging switch is caused to flow through the first energization path, and gradually decreases by turning back at the peak current during the off period of the charging switch. A charging current is passed through the second energization path. Charging proceeds in a so-called step-down chopper method. During discharge driving of the piezo actuator, a discharge current that gradually increases during the ON period of the discharge switch is caused to flow through the second energization path by repeating ON / OFF of the discharge switch, and a discharge current that gradually decreases by returning to the peak current during the OFF period of the discharge switch. It flows in the first energization path.
[0004]
In Patent Document 1 below, the switch control means for controlling the charging switch and the like is set so that charging is terminated when the on-period of the charging switch is constant and the elapsed time from the start of driving reaches a predetermined time. There is something. This technique is intended to prevent the capacitance of the piezo actuator from fluctuating due to temperature fluctuations and the energy stored in the piezo actuator from fluctuating due to charging.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-136156 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique of Patent Document 1 is not always sufficient when the actual vehicle is used in a severe temperature environment and the capacity variation of the piezoelectric actuator is too large. In other words, in the step-down chopper circuit configuration, the difference between the output voltage of the power supply and the voltage between the terminals of the piezo actuator defines the charging speed. For example, if the capacity becomes too small, the voltage between the terminals of the piezo actuator is considerably high from the beginning of charging. As a result, the current increases and a sufficient current cannot flow to the piezo actuator.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezo actuator drive circuit with good charge energy controllability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention, there is provided a drive circuit for driving a piezo actuator whose operation state is switched by driving by charging or discharging, and a first energization path that connects a power source and the piezo actuator via an inductor. A second energization path that bypasses the power supply and connects the inductor and the piezo actuator, a charge switch that connects and disconnects the first energization path, and controls the charge switch, and when the piezo actuator is driven to charge, By repeatedly turning on and off the charging switch, a charging current that gradually increases during the ON period of the charging switch is caused to flow through the first energization path, and a charging current that gradually decreases by turning back at a peak current during the OFF period of the charging switch In a piezo actuator drive circuit having switch control means for flowing in the energization path,
  A power source current flowing from the power source to the first energization path during the on period of the charging switch is detected, and based on the power source current,A discharge amount detecting means for detecting a discharge amount per unit time flowing through a non-common part of the first energization path with the power source as a supply source;
  SaidPer unit time flowing through a non-common part of the first energization path with the second energization path using the power source as the supply sourceTarget value output means for setting the target value of the discharge amount;
  The switch control means is configured to charge the piezo actuator during the charging drive.Flowing through a non-common part of the first energization path with the second energization path from the power sourceThe charging switch is controlled so that the detected value of the discharge amount per unit time becomes a target value, and the charging switch is fixed to be OFF when the elapsed time from the start of driving reaches a predetermined time. To do.
[0009]
Since the on-time of the charging switch is set so that the discharge amount per unit time from the power source becomes the target value, the current to the piezo actuator is sufficient regardless of variations in the piezo actuator capacity, etc. Will be charged properly.
[0010]
  In addition, a change in charging energy accumulated in the piezo actuator is obtained based on a charge amount per unit time using a piezo actuator that passes through the piezo actuator and flows through a portion common to the first and second energization paths as a supply destination. Then, it is difficult to obtain with high accuracy because the voltage between the terminals of the piezo actuator changes due to charging, but the output voltage of the power supply is almost constant, so the change in the charging energy to the piezo actuator is the unit of the power supply. According to the present invention obtained based on the amount of discharge per hour, it can be obtained relatively easily with high accuracy.Rube able to. Therefore, the piezo actuator can be charged to the target energy with high accuracy only by ending the charging drive at the elapse of a predetermined time.
[0011]
  In the second aspect of the invention, in the configuration of the first aspect of the invention,,
  And voltage detection means for detecting the output voltage of the power supply,
  Target value correcting means for correcting the target value so that the target value becomes lower as the detected value of the output voltage of the power source becomes higher is provided.
[0012]
The power supplied from the power source is the product of the output voltage and current of the power source. By lowering the target value of the current as the detected value of the output voltage of the power source is higher, the charging process of the piezo actuator and fluctuations in the reached energy can be suppressed.
[0013]
  In the invention according to claim 3, in the configuration of the invention according to claim 1 or 2,,
  An averaging means for integrating the detected current value and averaging the detected current value in the integration period is provided.
[0014]
By averaging the current in each ON period of the charge switch, a representative value of the current can be given for each ON period of the charge switch.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration of the first to third aspects of the invention, the target value output means is a means for outputting a constant target value during the driving period.
[0016]
The integrated value of the discharge amount, that is, the amount charged in the piezo actuator changes linearly at a speed defined by the target value.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of the first to third aspects of the invention, the target value output means is a means for switching the target value in accordance with an elapsed time from the start of driving.
[0018]
The integrated value of the discharge amount, that is, the amount charged to the piezo actuator changes at a speed defined by the profile of the target value over time. Accordingly, the behavior pattern of the piezo actuator can be freely set by setting the profile of the target value over time.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration of the first to fifth aspects of the invention, the switch control means compares the detected value with the threshold value using two values sandwiching the target value as threshold values. And a comparison means for binary determination of the magnitude, wherein a judgment output is generated when the detected value exceeds a large threshold value and when the detected value falls below a small threshold value. Comparing means having hysteresis for switching is provided, and based on the determination output, the charge switch is turned off when the detected value exceeds the large threshold value, and the detected value falls below the small threshold value. Set the charging switch to turn on.
[0020]
  Two thresholds across the target valuevalueIs set to a desired sandwiching width, a filter effect that excludes disturbance noise and the like can be exhibited, and a target charge amount can be controlled with high accuracy.
  In the invention of claim 7, in the structure of the invention of claims 1 to 6,The discharge amount detection means is a resistor that is provided in a non-common part of the first energization path with the second energization path and detects the power supply current.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 shows a piezo actuator drive circuit of the present invention. The piezo actuator 2 to be driven by the piezo actuator drive circuit is mounted on, for example, an injector that injects fuel in an internal combustion engine. In the case of a configuration having an injector for each cylinder, the piezo actuators 2 are connected in parallel by the number of cylinders, and a switch for selecting a cylinder is provided in series corresponding to each piezo actuator 2 on a one-to-one basis. The cylinder selection switch is turned on for the piezo actuator 2 corresponding to the cylinder to be injected, and only the piezo actuator 2 is selectively driven. The piezo actuator drive circuit is externally supplied with drive signals that define the charge drive start time and the discharge drive start time of the piezo actuator 2. If the drive signal conforms to the internal combustion engine, the valve opening timing and the valve closing timing of the injector are defined, and the length thereof defines the injection time.
[0022]
The power source 1 is a DC-DC converter, which boosts the output voltage (for example, 12V) of the on-vehicle battery 11 and charges the buffer capacitor 12 with the boosted voltage. The buffer capacitor 12 outputs a voltage for charging the piezoelectric actuator 2. A buffer capacitor having a sufficiently large capacitance is used. The battery 11 and the buffer capacitor 12 are connected via a boosting inductor 13 and a diode 14. The buffer capacitor 12 is charged by turning on and off a switch 15 that bypasses the buffer capacitor 12 and the diode 14. The diode 14 is for preventing the buffer capacitor 12 from discharging.
[0023]
A first energization path 31 connecting the buffer capacitor 12 and the piezo actuator 2 via the inductor 301 is provided. The first energization path 31 further includes a first energization path between the buffer capacitor 1 and the inductor 301 in series therewith. One switching element 4a is interposed. The first switching element 4a is composed of a MOSFET, and a parasitic diode (hereinafter referred to as a first parasitic diode) 41a has a voltage between terminals of the buffer capacitor 12 (hereinafter referred to as a buffer capacitor voltage as appropriate) to be reverse biased. Connected to.
[0024]
Further, the inductor 301 and the piezoelectric actuator 2 are connected by the second energization path 32. The energization path 32 has a second switching element 4b connected to the midpoint of connection between the inductor 301 and the first switching element 4a. The second energization path 32 bypasses the power source 1 and the first switching element 4a to form a closed circuit passing through the inductor 301, the piezo actuator 2 and the second switching element 4b. The second switching element 4b is also composed of a MOSFET, and its parasitic diode (hereinafter referred to as second parasitic diode) 41b is connected so that the buffer capacitor voltage is reverse-biased.
[0025]
Control signals are input to the respective gates of the switching elements 4a and 4b. When the switching elements 4a and 4b are turned on and off, a current (hereinafter referred to as a piezo actuator current as appropriate) is supplied to or supplied from the piezo actuator 2. To adjust). The switching element 4a is for driving the piezoelectric actuator 2 to be charged, and is hereinafter referred to as a charging switch 4a as appropriate. The switching element 4b is for discharge driving of the piezo actuator 2, and is hereinafter referred to as a discharge switch 4b as appropriate.
[0026]
Between the buffer capacitor 12 and the ground, a resistor 51 having a low resistance value (for example, 0.01Ω) as a discharge amount detecting means is provided. Based on the voltage between the terminals, a current that is a discharge amount per unit time flowing through the first energization path 31 using the buffer capacitor 12 as a supply source (hereinafter referred to as a buffer capacitor current as appropriate) is detected.
[0027]
A voltage between the terminals of the resistor 51 (hereinafter referred to as a current detection signal as appropriate) as a buffer capacitor current detection signal is input to the operational amplifier 521. The operational amplifier 521 constitutes an averaging circuit 52 that is an averaging means together with the resistor 522 and the capacitor 523. The resistor 522 and the capacitor 523 are an integration circuit, and an output signal of the operational amplifier 521 proportional to the buffer capacitor current is integrated. Hereinafter, the voltage between the terminals of the capacitor 523, that is, the output of the integrating circuit is referred to as an average signal.
[0028]
The average signal from the averaging circuit 52 is supplied to the control of the charging switch 4a in the switch control circuit 7 which is a switch control means. The switch control circuit 7 controls the charge switch 4a and the discharge switch 4b. However, for convenience of explanation, the circuit portion for controlling the discharge switch 4b is not shown.
[0029]
In the circuit portion for controlling the charge switch 4a of the switch control circuit 7, the comparator 71, resistors 72 and 73, the AND gate 74, and the one-shot circuit 75 constitute a circuit portion for controlling the charge switch 4a. The averaged signal is input to the (−) input terminal of the comparator 71. The output signal of the reference voltage generation circuit 61 serving as target value output means is input to the (+) input terminal of the comparator 71 via the resistor 72. The reference voltage generation circuit 61 generates a constant reference voltage. The input voltage at the (+) input terminal of the comparator 71 is subjected to hysteresis by the resistor 72 and the resistor 73 connected between the (+) input terminal and the output terminal of the comparator 71. If the average signal is sufficiently low, the logic output of the comparator 71 is “1” level. If the magnitude of the average signal exceeds the reference voltage + hysteresis, which is the threshold value on the large side, the comparator 71 As the logic output becomes “0” level, the input voltage at the (+) input terminal decreases to the reference voltage minus hysteresis which is the threshold value on the small side. On the other hand, when the magnitude of the average signal is lower than the reference voltage-hysteresis from this state, the logical output of the comparator 71 becomes “1” level and the input voltage at the (+) input terminal becomes the reference voltage + Increases to hysteresis.
[0030]
The logic output of the comparator 71 is input to an AND gate 74 that generates an input signal to the driver circuit 8 of the charge switch 4a. The driver circuit 8 turns on the charge switch 4a when the logic output of the AND gate 74 is at "1" level. To do. In addition to the output signal of the comparator 71, the output signal of the one-shot circuit 75 is input to the AND gate 74. The one-shot circuit 75 outputs a pulse signal having a fixed length (150 μsec) when an external drive signal is triggered at a rising edge. Therefore, when the drive signal rises to the “1” level, the charging switch 4a is switched on and off based on the magnitude of the averaged signal for the period of the certain length immediately after that. When the pulse signal is not output, the charging switch 4a is fixed off. That is, the pulse signal defines the length of the charging period of the piezo actuator 2.
[0031]
FIG. 2 is a timing chart showing the operation of each part of the piezo actuator drive circuit when the piezo actuator 2 is extended, that is, during charging. The charge switch 4a and the discharge switch 4b are off. The piezo actuator voltage is 0V and no energy is accumulated. Here, when the drive signal rises to the “1” level, the one-shot circuit 75 is triggered to output a pulse signal that defines the charging period. The average signal from the averaging circuit 52 is 0V, and the logical output of the comparator 71 is at “1” level. Accordingly, the charging switch 4 a is turned on, and charging of the piezo actuator 2 is started using the first energization path 31. The buffer capacitor current and the piezoactuator current rise, and as the charging proceeds, the piezo actuator voltage rises. As a result, the drive power also increases.
[0032]
On the other hand, as the buffer capacitor current flows, the averaged signal also increases. When the average signal exceeds the reference voltage + hysteresis, the logic output of the comparator 71 changes to “0” level and the charge switch 4a is turned off. However, the energy stored in the inductor 301 causes the second parasitic diode The gradually decreasing flywheel current continues to flow to the piezo actuator 2 using the second energization path 32 passing through 41b. At this time, the driving power gradually decreases. In addition, no current flows through the buffer capacitor 12 provided in a non-common part of the first energization path 31 with the first energization path 32. As a result, the capacitor 523 of the averaging circuit 52 starts discharging, and the averaged signal gradually decreases at a speed corresponding to the time constant of the integrating circuit.
[0033]
When the magnitude of the average signal falls below the reference voltage-hysteresis, the logic output of the comparator 71a becomes “1” level again, and the charge switch 4a is turned on. This is repeated. Therefore, the averaged signal is maintained substantially constant. The average of the buffer capacitor current at this time is defined by the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 61, and the reference voltage generation circuit 61 outputs the target value of the average value of the buffer capacitor current during the ON period of the charge switch 4a. Will be.
[0034]
Since the average signal is an average of the buffer capacitor current that changes during the ON period of the charge switch 4a, by making it within the range of reference voltage-hysteresis and reference voltage + hysteresis, The buffer capacitor current changes at a substantially constant value. As a result, the charge supplied from the buffer capacitor 12 rises substantially in proportion to the elapsed time from the start of charging. On the other hand, the buffer capacitor voltage is relatively constant. Therefore, the accumulated energy of the piezo actuator 2 given as an integrated value of the electric power supplied from the buffer capacitor 12 increases substantially in proportion to the elapsed time from the start of charging, that is, the elapsed time after the drive signal is output.
[0035]
When the pulse signal from the one-shot circuit 75 is in a non-output state and the input signal of the AND gate 74 becomes “0” level, the charging switch 4a is fixed to OFF and the charging of the piezo actuator 2 is completed.
[0036]
As described above, the accumulated energy of the piezo actuator 2 (hereinafter referred to as “charge energy” as appropriate) increases in direct proportion to the elapsed time from the start of charging. The process that energy follows, that is, the charging process is uniform. Further, after a predetermined time from the start of charging, the stored energy when the charging switch 4a is fixed to OFF, that is, when the charging is completed can be made constant.
[0037]
Thus, according to this piezo actuator drive circuit, the charging process of the piezo actuator 2 is uniform, and the final reached energy is also constant. Variations in the behavior (extension) of the piezoelectric actuator 2 can be reduced. Thereby, for example, the injection timing and the injection amount can be made constant.
[0038]
Since the on-period of the charging switch 4a is set so that the average value of the buffer capacitor current during the on-period is a target value defined by the reference voltage, the piezo actuator 2 is not affected by variations in capacity, etc. A sufficient current flows to the piezo actuator 2 and charging is performed properly.
[0039]
The change in the accumulated energy of the piezo actuator 2 is represented by the product of the piezo actuator current and the piezo actuator voltage that flow through the piezo actuator 2 and flows through the common part of the first and second energization paths 31 and 32. If this is obtained, it is difficult to obtain with high accuracy since the piezoelectric actuator voltage changes due to charging. On the other hand, the change in the stored energy of the piezo actuator 2 can also be expressed by the product of the buffer capacitor current and the buffer capacitor voltage. Here, the buffer capacitor voltage is substantially constant. Therefore, when the change in the charging energy of the piezo actuator 2 is determined based on the amount of discharge per unit time from the buffer capacitor 12 as in this piezo actuator drive circuit, it can be obtained relatively easily with high accuracy. Further, in the present embodiment, utilizing the fact that the buffer capacitor voltage that defines the drive power is substantially constant, the change in charging energy is determined based on the buffer capacitor current as the discharge amount per unit time. It is simpler.
[0040]
The discharge drive for the piezo actuator 2 is performed by turning on and off the discharge switch 4b. That is, a discharge current that gradually increases during the ON period of the discharge switch 4b is caused to flow through the second energization path 32, and during the OFF period of the discharge switch 4b, a discharge current that gradually decreases by turning back at the peak current due to the flywheel action. Flow in path 31. This is repeated, and the accumulated energy of the piezo actuator 2 is recovered in the buffer capacitor 12. Here, the timing for switching the discharge switch 4b from on to off is the time when the current flowing through the piezo actuator 2 reaches the upper threshold value corresponding to the peak current, and the timing for switching from the off to on is the piezo actuator 2 When the current flowing through reaches the lower threshold. Accordingly, the discharge switch 4b may be switched on and off by comparing the discharge current detection signal with the reference voltage ± hysteresis by a comparator having hysteresis as controlled by the charge switch 4a. Various known methods can be used to complete the discharge period. For example, a piezo actuator voltage is detected, and when it becomes substantially zero, it is determined that the discharge period is complete.
[0041]
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a piezoelectric actuator drive circuit according to a second embodiment of the present invention. The basic structure of this piezo actuator drive circuit is the same as that of the first embodiment. In the figure, the same reference numerals are given to the parts that operate in the same way as in the first embodiment, and the differences from the first embodiment. The explanation will be focused on.
[0042]
In this piezo actuator drive circuit, two resistors 621 and 622 connected in series are provided between the positive terminal of the buffer capacitor 12 and the ground, and the buffer capacitor voltage is divided. Resistors 621 and 622 are of high resistance. For example, the resistor 621 is 900 kΩ and the resistor 622 is 100 kΩ. Resistors 621 and 622 together with a buffer 623 that receives the divided voltage constitute a voltage detection circuit 62 that is a voltage detection means for detecting a buffer capacitor voltage. The output of the buffer 623 is used to correct the reference voltage by the reference voltage correction circuit 63 as target value correction means (hereinafter, the output signal of the buffer 623 will be referred to as a voltage detection signal as appropriate).
[0043]
The reference voltage correction circuit 63 includes an operational amplifier 631 and resistors 632, 633, and 634. The reference voltage from the reference voltage generation circuit 61 is input to the (+) input terminal of the operational amplifier 631 through the first resistor 632. The voltage detection signal from the voltage detection circuit 62 is input to the (−) input terminal of the operational amplifier 71 a of the reference voltage correction circuit 63 via the second resistor 633. The third resistor 634 is connected between the (−) input terminal and the output terminal, and negative feedback is applied. Therefore, the output signal of the operational amplifier 631 as the reference voltage input to the (+) input terminal of the comparator 71 via the resistor 72 is lower than the reference voltage from the reference voltage generation circuit 61 according to the voltage detection signal. Will be corrected. The sensitivity of negative feedback is defined by the ratio of the resistance values of the resistors 633 and 634. Hereinafter, the output signal of the operational amplifier 631 of the reference voltage correction circuit 63 will be referred to as a current command signal).
[0044]
As a result, when the buffer capacitor voltage increases, the negative feedback amount of the operational amplifier 631 of the reference voltage correction circuit 63 increases, and the current command signal compared with the average signal by the comparator 71 decreases, and the average current of the buffer capacitor 12 decreases. Is also suppressed to a low level. On the other hand, when the buffer capacitor voltage decreases, the negative feedback amount of the operational amplifier 631 is suppressed, the current command signal becomes close to the reference voltage output from the reference voltage generation circuit 61, and the average current of the buffer capacitor 12 is also set higher. The
[0045]
FIG. 4 shows an example of how the accumulated energy (target energy value) reached at the completion of the charging period changes when the buffer capacitor voltage is changed in the piezoelectric actuator of the first embodiment. Thus, the higher the buffer capacitor voltage, the higher the target energy value, and the lower the buffer capacitor voltage, the lower the target energy value. This is because the drive power output from the buffer capacitor 12 is proportional to the buffer capacitor voltage. FIG. 5 shows a result of measuring how the charging energy changes when the reference voltage is changed. The charging energy decreases as the reference voltage is reduced. This is because when the reference voltage is reduced, the timing at which the charging switch 4a is turned off shifts to the side where the average signal is low, and the average value of the buffer capacitor current becomes small.
[0046]
According to the present embodiment, as shown in FIG. 6, the voltage detection circuit 62 and the reference voltage correction circuit 63 provide a current command defined by the magnitude of the current command signal with respect to an increase in the buffer capacitor voltage (power supply voltage). A negative feedback characteristic is provided in which the value decreases, and the current command value is automatically adjusted according to the buffer capacitor voltage. As a result, the charging process is made more uniform, and the energy error at the completion of charging can be reduced.
[0047]
Further, since the average value of the buffer capacitor current can be changed by changing the current command value as described above, the charging energy may be adjusted by changing the reference voltage. For example, in a common rail type fuel injection device, the injector operates the common rail fuel pressure (common rail pressure) in one direction on the valve member for switching the opening and closing of the common actuator. Some are arranged so as to act in the determination direction. The valve member or the like moves back and forth by switching between the charge drive and the discharge drive of the piezoelectric actuator. In such a fuel injection device, the common rail pressure is adjusted in accordance with the operating state, and the fuel injection pressure is adjusted. However, the operation characteristics of the piezo actuator change depending on the common rail pressure. By changing the reference voltage according to the common rail pressure, the influence of the common rail pressure can be offset and the behavior of the valve member can be made uniform. FIG. 7 shows an example of the correspondence relationship between the reference voltage and the charging energy.
[0048]
Further, by making the length of the pulse signal output from the one-shot circuit 75 together with the reference voltage variable, the charging process can be changed while making the charging energy substantially constant. FIG. 8 shows an example of the charging process when the reference voltage and the length of the pulse signal from the one-shot circuit 75 (charging time) are changed. In the figure, for the charging energy, the time on the horizontal axis is the elapsed time from the start of charging, and the graph line shows the charging energy profile within the charging time. As for the reference voltage, the time on the horizontal axis is the charging time, and the graph line shows the relationship between the charging time and the reference voltage. The reference voltage and the charging time are set so that the product of both is substantially the same. As a result, the energy charged during the charging period is constant, and the charging process can be made different. In this case, if the reference voltage is reduced and the charging time is increased, the rate of increase in charging energy is reduced. That is, the rise of the operation (extension) of the piezo actuator becomes gradual. Thereby, in the example of the fuel injection device, the injection rate can be controlled, and the optimum fuel injection according to the operation state can be realized.
[0049]
Note that the lengths of the reference voltage and the pulse signal may be changed in stages, or may be continuously variable. By setting the reference voltage and the charging time so that the product of both is substantially the same, it is possible to change the energy aging profile while keeping the charging energy constant.
[0050]
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a piezo actuator drive circuit according to the third embodiment of the present invention. The basic structure of this piezo actuator drive circuit is the same as that of the first embodiment. In the figure, the same reference numerals are given to the parts that operate in the same way as in the first embodiment, and the differences from the first embodiment. The explanation will be focused on.
[0051]
In this piezo actuator drive circuit, the reference voltage generation circuit 61A can output the first and second reference voltages with a configuration in which the reference voltage is variable in two stages (the first reference voltage is low, the second reference voltage is The reference voltage is high). The reference voltage generation circuit 61A triggers the rising of the drive signal to the “1” level, outputs the first reference voltage for the first fixed period (initial charge) from the trigger point, and the next period (mid charge period) Outputs the second reference voltage, and outputs the first reference voltage during the last period (end of charge).
[0052]
FIG. 10 is a timing chart showing the operation of each part of the piezo actuator drive circuit when the piezo actuator 2 is extended, that is, during charging. The basic operation is the same as that of the first embodiment, but since the buffer capacitor current is controlled by the first reference voltage in the initial stage of charging, the charging energy of the piezo actuator 2 rises slowly and is in the middle of charging. When switched to the second reference voltage, the charging energy of the piezo actuator 2 increases at a rising speed. At the end of charging, the voltage returns to the first reference voltage again, and the charging energy of the piezo actuator 2 slows down and converges toward the final value (target energy) of the charging energy.
[0053]
In this embodiment, the reference voltage is described as being output in two stages, but it goes without saying that the reference voltage may be three or more. Further, the reference voltage may be continuously variable. Further, the output pattern of the reference voltage is not only increased in the middle of the charging period, but can also be appropriately set according to the required operating characteristics.
[0054]
In each of the embodiments described above, the buffer capacitor current detection signal is input to the averaging circuit. However, the drive power is calculated by multiplying the buffer capacitor voltage detection signal and the buffer capacitor current detection signal. The output circuit of the driving power may be provided as an amount of discharge per unit time of the buffer capacitor and input to the averaging circuit. In this case, as in the second embodiment, the influence of the fluctuation of the buffer capacitor voltage can be avoided and the charging energy of the piezo actuator can be made constant with higher accuracy.
[0055]
In the above embodiments, the buffer capacitor is charged with the voltage obtained by boosting the battery voltage with the DC-DC converter. However, the piezo actuator 2 is directly driven from the capacitor 12 charged with the battery voltage. The present invention can also be applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a first piezoelectric actuator drive circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a timing chart showing an operating state of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 3 is a circuit diagram of a second piezo actuator drive circuit according to the present invention.
FIG. 4 is a first graph illustrating the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 5 is a second graph illustrating the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 6 is a third graph for explaining the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 7 is a graph for explaining the operation of a modification of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 8 is a graph for explaining the operation of another modified example of the piezo actuator driving circuit.
FIG. 9 is a circuit diagram of a third piezo actuator drive circuit according to the present invention.
FIG. 10 is a timing chart showing an operating state of the piezo actuator drive circuit.
[Explanation of symbols]
1 Power supply
11 battery
12 capacitors
2 Piezo actuator
31 First energization path
32 Second energization path
301 inductor
4a Charge switch
4b Discharge switch
51 Resistor (Discharge detection means)
52 Averaging circuit (averaging means)
61, 61A Reference voltage generation circuit (target value output means)
62 Voltage detection circuit (voltage detection means)
63 Reference voltage correction circuit (target value correction means)
7 Switch control circuit (switch control means)
71 Comparator (comparison means)

Claims

A drive circuit for driving a piezo actuator whose operating state is switched by driving by charging or discharging, a first energization path connecting a power source and the piezo actuator via an inductor, and bypassing the power source and the inductor A second energization path connecting the first and second energization paths, a charge switch connecting and disconnecting the first energization path, and controlling the charge switch, and by repeatedly turning on and off the charge switch when charging the piezoelectric actuator, Switch control means for causing a charging current that gradually increases during an ON period of the charging switch to flow through the first energization path, and a charging current that is gradually reduced by turning back with a peak current during the OFF period of the charging switch; In a piezoelectric actuator drive circuit having
A power supply current flowing from the power supply to the first energization path during the ON period of the charging switch is detected, and based on the power supply current, the second of the first energization paths using the power supply as a supply source. A discharge amount detecting means for detecting a discharge amount per unit time flowing through a non-common part with the energization path;
Target value output means for setting a target value of a discharge amount per unit time flowing through a non-common part of the first energization path with the second energization path from the power source ;
The switch control means detects a discharge amount per unit time flowing through a non-common part of the first energization path with the second energization path when the piezoelectric actuator is charged. A piezo actuator drive circuit configured to control the charge switch so that becomes a target value and to fix the charge switch to OFF when an elapsed time from the start of driving reaches a predetermined time set in advance.

The piezoelectric actuator drive circuit according to claim 1 ,
And voltage detection means for detecting the output voltage of the power supply,
A piezo actuator driving circuit comprising target value correcting means for correcting the target value so that the target value becomes lower as the detected value of the output voltage of the power source becomes higher.

In the piezo actuator drive circuit according to claim 1 or 2 ,
A piezoelectric actuator drive circuit comprising an averaging means for integrating the detected current values and averaging the detected current values in the integration period.

4. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the target value output means outputs a constant target value during a drive period.

4. A piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the target value output means switches the target value in accordance with an elapsed time from the start of driving.

6. The piezo actuator driving circuit according to claim 1, wherein the switch control means compares the detected value with the threshold value using two values sandwiching the target value as a threshold value, and compares the detected value with the magnitude. Comparing means for binary determination, wherein a hysteresis output is switched between when the detected value exceeds a large threshold value and when the detected value falls below a small threshold value. Comparing means having a charging switch is turned off when the detected value exceeds a large threshold value and charged when the detected value falls below a small threshold value based on the determination output. Piezo actuator drive circuit set to switch on.

7. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the discharge amount detection means is provided in a non-common part of the first energization path with a second energization path to detect the power supply current. Piezo actuator drive circuit that is a resistor.