JP4318849B2

JP4318849B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路

Info

Publication number: JP4318849B2
Application number: JP2000352183A
Authority: JP
Inventors: 康弘深川; 通泰森次; 康行榊原; 英生成瀬
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: JP2002159190A

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、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り替えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。
【０００３】
ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路は、図４に示すように、ピエゾスタックへの給電用のコンデンサ８１を備え、コンデンサ８１からインダクタ８３を介してピエゾスタック９に通電する第１の通電経路８２ａと、前記インダクタ８３とダイオード８５とピエゾスタック９とで閉回路を形成する第２の通電経路８２ｂとを有している。第１の通電経路８２ａには、その途中に設けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子８４のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第２の通電経路８２ｂには、前記スイッチング素子８４のオフ期間にフライホイール作用で漸減する充電電流が流れる。また、スイッチング素子８４のオンからオフへの切り替えは、例えば、充電電流がそのピーク値を規定する所定の電流制限値になると行われる。
【０００４】
図５に示すように、充電電流はかかる漸増と漸減とを繰り返してピエゾスタック９の充電量が増加していき、ピエゾスタック９の両端間電圧（ピエゾスタック電圧）が段階的に上昇していく（特開平１０−３０８５４２号公報等）。これは複数スイッチング方式として知られている。そして、ピエゾスタック電圧が所定の目標値に達するとスイッチング素子８４をオフに固定し充電を終了する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スイッチング素子８４をオフに固定した時にインダクタ８３に電流（充電電流）が流れていると、この電流に応じたエネルギーがインダクタ８３には蓄積されているから、その分、フライホイール作用で電流が流れて充電され、ピエゾスタック電圧は上昇する。この、スイッチング素子８４をオフに固定した後の充電量は、目標充電量に対する誤差となる。
【０００６】
その上、この誤差は、環境の変化等でピエゾアクチュエータ駆動回路を構成する部品の定数が変化することでばらつく。例えば、ピエゾスタック９を含め容量性素子は一般的に静電容量が大きな温度依存性を示す。ピエゾスタック９に蓄電された電荷量をＱ、ピエゾスタック静電容量をＣ、ピエゾスタック電圧をＶとしてＶ＝Ｑ／Ｃであるから、ピエゾスタック静電容量の増大でピエゾスタック電圧の上昇は緩やかになる。この結果、ピエゾスタック電圧が目標値に達した時、すなわちスイッチング素子８４をオフに固定した時の充電電流の大きさが温度によって変動することになる。
【０００７】
また、かかる誤差は目標充電量に対して＋側に現れるから、無駄なエネルギーが供給されることとなり、実質的なエネルギー効率の低下となる。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な手段でピエゾスタックの充電量と目標値の誤差を抑制して、供給エネルギーに無駄のな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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに供給する電荷を蓄電するコンデンサを具備し、
かつ、該コンデンサからインダクタを介してピエゾスタックに通電する第１の通電経路を有し、該通電経路には、前記コンデンサと前記通電経路の間に介設される充電用のスイッチング素子のオン期間に充電電流を流し、
前記コンデンサおよび前記スイッチング素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに通電する第２の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間にフライホイール作用で前記ピエゾスタックへの充電可能な充電電流を流し、
かつ、前記スイッチング素子を制御しピエゾスタックが目標充電量に達するとスイッチング素子をオフに固定する制御手段を具備するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記ピエゾスタックと前記第２の通電経路の間に介設されて、前記スイッチング素子がオフに固定されるのと同じタイミングで前記制御手段によりオフされてピエゾスタックを第２の通電経路から切断する通電経路切断用のスイッチング素子と、
インダクタからピエゾスタックに到る途中で第２の通電経路から分岐し、前記通電経路切断用のスイッチング素子がオフすると実質的にインダクタと前記コンデンサとを接続して前記フライホイール作用でインダクタから前記コンデンサに還流電流を流す第３の通電経路とを具備する構成とする。
【００１０】
充電量が目標値に達して充電用のスイッチング素子がオフに固定されると、第２の通電経路が開き、その時、インダクタに蓄積されているエネルギーによりピエゾスタックが充電されることが禁止される。そして、前記エネルギーは第３の通電経路によりコンデンサに戻される。これにより、充電量を正確に目標値とすることができる。しかも、充電量が目標値に達した時点でインダクタに流れている電流に応じたエネルギーはコンデンサに戻されるのでエネルギー効率がよい。
【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、前記第３の通電経路は、前記インダクタと前記コンデンサ間に、バッファコンデンサの両端間電圧に対して逆バイアスとなるようにダイオードを設けてなる構成とする。
【００１２】
ピエゾスタックが第２の通電経路から切断されると、インダクタに蓄積されたエネルギーによりコンデンサの両端間電圧に相当する逆起電力が生じて、ダイオードがこの逆起電力に対して順バイアスとなり、自動的に第３の通電経路によりインダクタとコンデンサとが接続する。インダクタに蓄積されたエネルギーで流れるフライホイール作用で流れる電流の経路がスムーズに第２の通電経路から第３の通電経路へと切り換わるので、サージ電圧の発生等を回避することができる。また、通電経路切断用のスイッチング素子のオンオフだけで制御し得るので構成が簡単である。
【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、前記インダクタの出力端には、前記ピエゾスタックと、ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子とを直列に接続したものを複数組並列に接続し、
前記制御手段は、前記充電用のスイッチング素子がオフに固定されるのと一緒に前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子がオフするように設定し、
前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を前記通電経路切断用のスイッチング素子と兼用とする。
【００１４】
複数のピエゾアクチェータを共通の通電経路等により駆動するものにおいて、充電すべきピエゾスタックを選択するスイッチング素子を、通電経路切断用とするので、新たにスイッチング素子を設ける必要がなく、構成が簡単である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路はコモンレール式の４気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに適用されたもので、ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、車載バッテリ１１１、バッテリ電圧（＋Ｂ）から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２はバッテリ１１１と直列にインダクタ１１２１とスイッチング素子１１２２が接続され、スイッチング素子１１２２のオン時にインダクタ１１２１に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子１１２２のオフ時に、逆起電力を発生するインダクタ１１２１からダイオード１１２３を介してバッファ用のコンデンサ（以下、バッファコンデンサ）１１３に充電される。バッファコンデンサ１１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【００１６】
直流電源１１のバッファコンデンサ１１３からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄにインダクタ１３を介して通電する第１の通電経路１２ａが設けてあり、通電経路１２ａには、バッファコンデンサ１１３とインダクタ１３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子１４が介設されている。第１のスイッチング素子１４はＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１４１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００１７】
また、インダクタ１３は、バッファコンデンサ１１３および第１のスイッチング素子１４をバイパスしてピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに到る第２の通電経路１２ｂを形成しており、この通電経路１２ｂは、インダクタ１３と第１のスイッチング素子１４の接続中点に接続される第２のスイッチング素子１５を有し、インダクタ１３、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄ、第２のスイッチング素子１５により、閉回路を形成している。第２のスイッチング素子１５もＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード１５１がバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００１８】
通電経路１２ａ，１２ｂはピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、次のように駆動対象としてのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列に充電用のスイッチング素子である第３のスイッチング素子１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に接続されており、噴射気筒のインジェクタのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。第３のスイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられている。その寄生ダイオード１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、バッファコンデンサ１１３に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００１９】
ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは４つの気筒と１対１に対応しており、各気筒に設けられたインジェクタの燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタのそれぞれに搭載される。
【００２０】
また、インダクタ１３の出力端１３ａとバッファコンデンサ１１３の正極１１３ａとを接続する第３の通電経路１２ｃが設けてあり、その途中には、ダイオード１７が、そのカソードがバッファコンデンサ正極１１３ａと導通するように設けられ、バッファコンデンサ１１３の両端端電圧に対して逆バイアスとしてある。
【００２１】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートには制御回路１８からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく第３のスイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子１４，１５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子１４，１５をオンオフし、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。充電制御および放電制御にあたっては、制御回路１８に入力する図示しないピエゾスタック電流およびピエゾスタック電圧の検出信号に基づいて行われる。また、充電時期および放電時期は制御回路１８に入力する噴射信号に基づいて設定される。噴射信号は「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値信号で、その立ち上がりで充電が行われて燃料が噴射され、立ち下がりで放電が行われて噴射が停止する。噴射信号の出力時期および長さはクランク角度等の検出信号に基づいて設定される。
【００２２】
図２は充電制御時の各部の作動を示すもので、従来装置と同様に、充電しようとするピエゾアクチュエータのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに対応する第３のスイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄをオンし（以下、ピエゾスタック２Ａに対応する第３のスイッチング素子１６Ａとして説明する）、第１のスイッチング素子１４のオンオフ作動を開始する。これにより、インダクタ１３には三角波状の電流が流れる。インダクタ１３に流れる三角波状の電流Ｉは、後述するようにピエゾスタック電圧Ｖp が目標電圧に達するまでは従来装置と同様にピエゾスタック２Ａの充電電流Ｉp と等しい。ここで、目標電圧はバッファコンデンサ１１３の両端間電圧よりも低く、また、第２の通電経路１２ｂが閉じていればスイッチング素子１４のオフ期間におけるインダクタ１３の逆起電力は略ピエゾスタック電圧Ｖp であるから、第３の通電経路１２ｃには電流は流れない（ダイオード還流電流Ｉd ＝０）。
【００２３】
そして、ピエゾスタック２Ａの充電が進行し、ピエゾスタック電圧Ｖp が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定するとともに、第３のスイッチング素子１６Ａをオフにする。
【００２４】
この時、インダクタ１３には電流Ｉに応じたエネルギーが蓄積されている。これはピエゾスタック電圧Ｖp が目標電圧に達するまでの第１のスイッチング素子１４のオフ期間のごとくフライホイール電流を流そうとするが、第１のスイッチング素子１４がオフに固定されるのと一緒に第３のスイッチング素子１６Ａがオフするので、ピエゾスタック２Ａは第２の通電経路１２ｂから切断されており、従来装置のようにピエゾスタック２Ａにはフライホイール電流は流れ込まない。したがって、ピエゾスタック電圧Ｖp は目標電圧に達した後、目標電圧のまま一定であり、ピエゾスタック２Ａが過剰な押圧力を出力することが防止できる。
【００２５】
そして、第３の通電経路１２ｃのダイオード１７は、インダクタ１３の出力端１３ａからバッファコンデンサ１１３の正極１１３ａに向かう方向が順方向となっているので、この最後のオフ期間におけるフライホイール電流はダイオード還流電流Ｉd として第３の通電経路１２ｃを通りバッファコンデンサ１１３に流れ込む。すなわち、従来、充電量の誤差分となっていた電荷がバッファコンデンサ１１３に回収されることになり、これは次回以降のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄの充電に供される。したがって、エネルギー効率が向上する。
【００２６】
このように、ダイオード１７を設けるとともに、スイッチング素子１４をオフに固定するのと一緒に、ピエゾスタック２Ａを第２の通電経路１２ｂから切断することで、ピエゾスタック２Ａの充電精度が向上するとともにエネルギー効率をも向上する。他のピエゾスタック２Ｂ〜２Ｄも同様である。
【００２７】
しかも、ピエゾスタック２Ａを第２の通電経路１２ｂから切断するのは、選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄをオフすることで行うようにしたから、新たにスイッチング素子を設ける必要がなく、構成簡単である。
【００２８】
放電制御は従来装置と同様に、第２のスイッチング素子１５をオンオフし、オン期間に第２の通電経路１２ｂに漸増する放電電流を流し、オフ期間に第１の通電経路１２ａに漸減する放電電流を流す。この放電電流の波形も三角波とみなせ、放電電流が電流制限値および０に達する度に第２のスイッチング素子１５のオンとオフとを切り換える。この時の電流制限値は例えば、充電制御における電流制限値を用い得る。
【００２９】
なお、本実施形態の特徴は、６気筒エンジン等、ピエゾスタックの数が複数で、充電すべきピエゾスタックを選択する構成のものであれば、選択スイッチング素子を、第２の通電経路１２ｂを開くために用いることができるのは勿論である。
【００３０】
（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エータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第１実施形態において単一のピエゾアクチュエータを駆動する構成のもので、ピエゾアクチュエータのピエゾスタックが１つのみ接続されている。図中、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には第１実施形態と同じ番号を付し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３１】
ピエゾアクチュエータ駆動回路１Ａは、駆動対象であるピエゾアクチュエータのピエゾスタック２を第２の通電経路１２ｂから切断する専用のスイッチング素子１９がピエゾスタック２と直列に接続されており、その寄生ダイオード１９１はバッファコンデンサ１１３の両端間電圧に対して逆バイアスとなっており、ピエゾスタック２の放電時に放電電流が流れる。
【００３２】
制御回路１８Ａは、基本的な構成が第１実施形態と同じで、制御信号に対してピエゾスタック２を充電するとともに所定時間の後、放電する。そして、充電制御時には、第１のスイッチング素子１４のオンオフ開始までに、スイッチング素子１９をオンしておき、ピエゾスタック電圧Ｖp が目標電圧に達すると、第１のスイッチング素子１４をオフに固定するのと一緒に、スイッチング素子１９をオフする。これにより、第１実施形態と同様に、ピエゾスタック電圧Ｖp が正確に目標電圧に調整されるとともに、ピエゾスタック電圧Ｖp が目標電圧に達した時点でインダクタ１３に蓄積されていたエネルギーはバッファコンデンサ１１３に回収される。
【００３３】
なお、上記実施形態では、スイッチング素子１４をオンオフ駆動させ、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのいずれかを充電制御する方式（複数スイッチング方式）にて説明したが、インダクタ１３とピエゾスタック２Ａ〜２ＤのどれかとのＬＣ共振回路によって充電制御を行ういわゆるＬＣ共振方式を採用したピエゾアクチュエータ駆動回路に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第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を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明を適用した第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】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例の概略回路図である。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１，１Ａピエゾアクチュエータ駆動回路
１１直流電源
１１１バッテリ
１１２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３バッファコンデンサ（コンデンサ）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ通電経路
１３インダクタ
１４第１のスイッチング素子（充電用のスイッチング素子）
１４１寄生ダイオード
１５第２のスイッチング素子
１５１寄生ダイオード
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，１９第３のスイッチング素子（通電経路切断用のスイッチング素子）
１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄ，１９１寄生ダイオード
１７ダイオード
１８，１８Ａ制御回路（制御手段）
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２ピエゾスタック

Claims

ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに供給する電荷を蓄電するコンデンサを具備し、
かつ、該コンデンサからインダクタを介してピエゾスタックに通電する第１の通電経路を有し、該通電経路には、前記コンデンサと前記通電経路の間に介設される充電用のスイッチング素子のオン期間に充電電流を流し、
前記コンデンサおよび前記スイッチング素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに通電する第２の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間にフライホイール作用で前記ピエゾスタックへの充電可能な充電電流を流し、
かつ、前記スイッチング素子を制御しピエゾスタックが目標充電量に達するとスイッチング素子をオフに固定する制御手段を具備するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記ピエゾスタックと前記第２の通電経路の間に介設されて、前記スイッチング素子がオフに固定されるのと同じタイミングで前記制御手段によりオフされてピエゾスタックを第２の通電経路から切断する通電経路切断用のスイッチング素子と、
インダクタからピエゾスタックに到る途中で第２の通電経路から分岐し、前記通電経路切断用のスイッチング素子がオフすると実質的にインダクタと前記コンデンサとを接続して前記フライホイール作用でインダクタから前記コンデンサに還流電流を流す第３の通電経路とを具備することを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記第３の通電経路は、前記インダクタと前記コンデンサ間に、バッファコンデンサの両端間電圧に対して逆バイアスとなるようにダイオードを設けてなるピエゾアクチュエータ駆動回路。
請求項１または２いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記インダクタの出力端には、前記ピエゾスタックと、ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子とを直列に接続したものを複数組並列に接続し、
前記制御手段は、前記充電用のスイッチング素子がオフに固定されるのと一緒に前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子がオフするように設定し、
前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を前記通電経路切断用のスイッチング素子と兼用としたピエゾアクチュエータ駆動回路。