JP4337192B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路 - Google Patents
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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圧電体の積層体が圧電効果により伸縮するアクチュエータで、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置における燃料噴射用インジェクタの開弁と閉弁との切り替え用としてインジェクタ内に配設されている。ピエゾアクチュエータは容量性の負荷であり、その充電と放電とで伸長状態と縮小状態とが切り替えられる。
【０００３】
図７はピエゾアクチュエータの駆動回路の一例を示すもので、ピエゾアクチュエータ９０１は、充電スイッチ９０４をオンすると直流電源９０２から電流制限素子９０３を介してピエゾアクチュエータ９０１に充電されて伸長し、充電スイッチ９０４をオフすると伸長状態を保持する。一方、その状態から放電スイッチ９０５をオンするとピエゾアクチュエータ９０１は放電し縮小する。
【０００４】
特開平１０−３０８５４２号公報には、ピエゾアクチュエータ９０１の電荷を回収して次回の充電に供するようにしたものが記載されている。図８にこの回路の構成を示す。この回路では、直流電源９０２の後段にバッファコンデンサ９０６が設けられ、充電スイッチ９０４、放電スイッチ９０５にはそれぞれ並列にダイオード９０７，９０８が接続されている。ダイオード９０７，９０８はコンデンサ９０２電圧に対して逆バイアス方向に接続される。また、電流制限素子９０９はインダクタであるコイルで構成されている。
【０００５】
ピエゾアクチュエータ９０１の充電は充電スイッチ９０４をパルス状にオンオフを繰り返す。オン時にコイル９０９に蓄積した電磁エネルギーにより、オフ時にコイル９０９、ピエゾアクチュエータ９０１、ダイオード９０７により形成される回路によりピエゾアクチュエータ９０１が充電され、ピエゾアクチュエータ９０１電圧が上昇する。
【０００６】
一方、ピエゾアクチュエータ９０１の放電は充電時とは逆に放電スイッチ９０５をパルス状にオンオフを繰り返す。オン時にピエゾアクチュエータ９０１、コイル９０９および放電スイッチ９０５で閉成される回路により、ピエゾアクチュエータ９０１に保持されたエネルギーがコイル９０９の電磁エネルギーに変換され、オフ時に、ピエゾアクチュエータ９０１、コイル９０９およびダイオード９０８により形成される回路によりバッファコンデンサ９０６に回収される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０−３０８５４２号公報記載の回路では、ピエゾアクチュエータの充放電時に充電スイッチや放電スイッチをスイッチング作動可能に構成する必要があり、スイッチ制御用の回路が複雑化する。またスイッチングロスがあるので回収効率は必ずしもよくない。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、ピエゾアクチュエータの充放電時にスイッチのスイッチング作動が不要で、しかも回収効率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。
【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駆動回路に、直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを具備せしめる。
【００１０】
ピエゾアクチュエータの充電中および放電中は直流電源とコンデンサとの間が遮断され、充電時には充電回路が閉成され、放電時には放電回路が閉成される。ここで充電回路、放電回路はコンデンサとピエゾアクチュエータとを含んだＬＣ共振回路を形成するので、充電スイッチ、放電スイッチをスイッチングすることなく効率よく一気にピエゾアクチュエータの充電、放電を行うことができる。
【００１１】
そして請求項１記載の発明では、上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定する。
【００１２】
かかる設定とすることで、充電回路における共振振動が自由に行い得るものとすると、コンデンサは負電圧をとり得る。したがって、コンデンサの全蓄電量をピエゾアクチュエータに移動せしめることができる。
【００１３】
請求項１記載の発明では、さらに、上記コンデンサの電荷量が０になると上記ピエゾアクチュエータの充電を停止せしめる充電停止手段を具備せしめる。
【００１４】
コンデンサの電荷量が０になるとピエゾアクチュエータの充電が停止するので、ピエゾアクチュエータの充電量の制御を、上記直流電源によるコンデンサの蓄電量を設定することで容易に行い得る。例えばコンデンサ電圧により正確に制御することができる。
【００１５】
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、上記充電停止手段が、上記充電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの充電電流が順方向となるように設けられたダイオードを有する。請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、上記充電停止手段が、上記コンデンサに逆並列に接続され上記コンデンサの負電圧を禁止するダイオードを有する。
【００１６】
ピエゾアクチュエータの充電時において、第１のダイオードによりコンデンサ電圧の負圧が防止され、第２のダイオードによりピエゾアクチュエータからコンデンサへ逆流する電流が禁止されるから、コンデンサ電圧が０になった時点で、すなわちコンデンサが空になると自動的にピエゾアクチュエータの充電が停止しその状態が保持される。
【００１７】
請求項４記載の発明では、直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを有し、ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切り替え制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、上記放電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの放電電流が順方向となるようにダイオードを設ける。
【００１８】
ピエゾアクチュエータの放電時において、ダイオードによりコンデンサからピエゾアクチュエータへ逆流する電流が禁止されるから、ピエゾアクチュエータが再び充電し伸長することを、放電スイッチの開成作動によることなく回避することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが共通の構成とする。
【００２０】
インダクタを共通とすることで部品数を低減することができる。
【００２１】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが別体の構成とする。
【００２２】
インダクタのインダクタンスは充電回路、放電回路における充電電流、放電電流の大きさを規定するので、充電速度、放電速度を独立に設定することができる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、請求項５または６の発明の構成において、上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定する。かつ、上記ピエゾアクチュエータと上記インダクタとを通り上記コンデンサを迂回する回路の閉成と開成とを切り替える残存電荷放電スイッチを具備せしめる。
【００２４】
コンデンサおよびピエゾアクチュエータの静電容量を上記のごとく設定してコンデンサの全蓄電量をピエゾアクチュエータに移動可能となる。そして、ピエゾアクチュエータ放電時にピエゾアクチュエータに残存する電荷が、上記コンデンサを迂回する回路を閉成することで放電回路のインダクタに移動し、次いで開成すると瞬時にコンデンサに回収され、さらに回収効率を高めることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記放電回路を形成する上記インダクタは、上記充電回路を構成するインダクタを二次側コイルとするトランスで構成する。
【００２６】
放電時には、コンデンサとピエゾアクチュエータとがトランスを介して結合するので、ピエゾアクチュエータに残存電荷が生じることなくコンデンサへの回収を行い得る。
【００２７】
請求項９記載の発明では、請求項１ないし８の発明の構成において、上記直流電源と上記コンデンサとの間にコンデンサに直列に電流制限素子を設ける。
【００２８】
コンデンサにピエゾアクチュエータ駆動用の蓄電を行う際に直流電源からコンデンサへの電流が制限されるので、蓄電制御用スイッチ等の劣化を防止することができる。
【００２９】
【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の構成を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は４つのピエゾアクチュエータ１１，１２，１３，１４を駆動するもので、例えば４気筒ディーゼルエンジンの上記コモンレール式燃料噴射装置に用いたものを示している。
【００３０】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾアクチュエータ１１〜１４駆動用の電気エネルギーを保持するコンデンサ３、コンデンサ３に給電する直流電源２１等を備えている。直流電源２１はバッテリやＤＣ−ＤＣコンバータ等からなり、数十〜数百Ｖの大きさの電圧をコンデンサ３に印加する。コンデンサ３への印加電圧は正圧である。コンデンサ３は静電容量の温度依存性の殆どないもの、例えばフィルムコンデンサが望ましく、使用温度域においてコンデンサ容量をＣ1 、容量性負荷であるピエゾアクチュエータ１１〜１４の各静電容量をＣ2 としてＣ1 ≦Ｃ2 となるように設定したものを使用する。
【００３１】
コンデンサ３には並列に後述する負圧防止用ダイオード６が接続されるとともに、直列に、並列接続された充電経路ダイオード５４ｃと放電開始スイッチである通電経路切り替えスイッチ４とが接続してある。負圧防止用ダイオード６はコンデンサ３に対して逆バイアス方向に接続され、充電経路ダイオード５４ｃはコンデンサ３に対して順バイアス方向に接続される。
【００３２】
直流電源２１とコンデンサ３との間には蓄電制御スイッチ２２および電流制限素子である蓄電コイル２３が直列に設けてあり、直流電源２１に逆バイアス方向にダイオード２４が設けてある。蓄電制御スイッチ２２と通電経路切り替えスイッチ４とがオンのとき、その間、直流電源２１から蓄電コイル２３を介してコンデンサ３に給電される。蓄電コイル２３を設けることでコンデンサ３給電時の過電流を防止し蓄電制御スイッチ２２等の劣化を防止するようになっている。
【００３３】
コンデンサ３の正極側端子と各ピエゾアクチュエータ１１〜１４の正極側端子との間には、直列に、並列接続された充電スイッチ５２ｃ、放電経路ダイオード５４ｄと、電流制限素子であるコイル５１とが接続してある。ピエゾアクチュエータ１１〜１４の負極側端子は、それぞれ、並列接続された選択用スイッチ５３１ｃ，５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ、放電経路ダイオード５５１ｄ，５５２ｄ，５５３ｄ，５５４ｄが接続してある。選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃ、放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄは各ピエゾアクチュエータ１１〜１４ごとに設けられる。
【００３４】
充電時には伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４と接続された選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃをオンすると、充電経路ダイオード５４ｃ、コンデンサ３、充電スイッチ５２ｃ、コイル５１、選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４およびオンした選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより充電回路５ｃが形成され、コンデンサ３から選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４に充電されそのピエゾアクチュエータ１１〜１４が伸長する。
【００３５】
一方、通電経路切り替えスイッチ４をオンすると、伸長状態にあるピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、ピエゾアクチュエータ１１〜１４、コイル５１、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３および通電経路切り替え用スイッチ４により放電回路５ｄが形成され、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４から電荷を放電しピエゾアクチュエータ１１〜１４を縮小する。
【００３６】
また、コイル５１と放電経路ダイオード５４ｄとの接続点は残存電荷放電用スイッチ７を介して接地され、残存電荷放電用スイッチ７のオン時に、後述する電荷が残存しているピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する５５１ｄ〜５５４ｄ、ピエゾアクチュエータ１１〜１４、コイル５１および残存電荷放電用スイッチ７により閉回路が形成される。
【００３７】
上記各スイッチ２２〜７は、図示しないマイクロコンピュータ等の制御部によりオンオフ制御されるようになっている。
【００３８】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する。図２は駆動回路の各部等の作動状態を示すタイムチャートである。コンデンサ３はピエゾアクチュエータ１１〜１４を伸長させる前に予め蓄電される。先ず通電経路切り替えスイッチ４をオンする。これにより、直流電源２１、蓄電制御スイッチ２２、蓄電制御コイル２３、コンデンサ３および通電経路切り替えスイッチ４よりなる降圧チョッパ回路が閉成され、次いで、蓄電制御スイッチ２２を繰り返しスイッチングすることによりコンデンサ３の電圧が上昇していく。コンデンサ３の電圧が所定値Ｖ1 に達したらスイッチング動作を停止する（スイッチオフの状態に復する）。これによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄電される。
【００３９】
ピエゾアクチュエータ１１〜１４を伸長するタイミングになると、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、これをピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃをオンし、次いで充電スイッチ５２ｃをオンする。これにより、充電経路コンデンサ５４ｃ、コンデンサ３、コイル５１、ピエゾアクチュエータ１１および選択スイッチ５３１ｃよりなる充電回路５ｃが閉成される。充電回路５ｃはＬＣ共振回路であり、この時、Ｃ1 ≦Ｃ2 なので、共振作用によりピエゾアクチュエータ１１の電荷量の最大値はコンデンサの初期電荷量（上記蓄電量）に達することができる。そして、負圧防止ダイオード６の負圧防止作用および充電経路ダイオード５４ｃの逆方向電流防止作用により、コンデンサ３からの電荷流出が、コンデンサ３の電荷量が０の時停止する。しかして、コンデンサ３に蓄積されていた電気エネルギーＣ1 Ｖ1 2 ／２のすべてがピエゾアクチュエータ１１に移動しその状態で停止することになる。
【００４０】
ピエゾアクチュエータ１１への電荷の移動に伴いピエゾアクチュエータ１１は伸長し、上記のごとくコンデンサ３に蓄積されていた電気エネルギーＣ1 Ｖ1 2 ／２のすべてがピエゾアクチュエータ１１に移動すると、ピエゾアクチュエータ１１は上記のごとく電荷の移動が停止するので伸長状態を保持する。次いで、スイッチ５２ｃ，５３１ｃをオフする。
【００４１】
ピエゾアクチュエータ１１を縮小するタイミングになると、タイムチャート後半に示すように、通電経路切り替えスイッチ４を再びオンする。これにより、ダイオード５５１ｄ、ピエゾアクチュエータ１１、コイル５１、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３、通電経路切り替えスイッチ４からなる放電回路５ｄが閉成される。放電回路５ｄもまたＬＣ共振回路となるから、放電回路５ｄの共振作用によりピエゾアクチュエータ１１が放電し、ピエゾアクチュエータ１１の電荷がコンデンサ３に回収される。この場合も上記放電回路５ｄの電流は、放電経路ダイオード５５１ｄ，５４ｄにより規定される電荷回収方向の電流のみが許容され、一定時間の後、電荷の移動は停止する。これによりピエゾアクチュエータ１１が再び充電して伸長することが回避されるので、選択スイッチ５３１ｃの開成等により充電回路５ｄを開いてピエゾアクチュエータ１１の再充電を禁止する必要がなく、制御負担が少なくて済む。
【００４２】
なお、Ｃ1 ≦Ｃ2 なので、充電時と異なりピエゾアクチュエータ１１には電荷がＣ1 ，Ｃ2 に応じて残存するが、残存電荷放電スイッチ７をオンすると放電経路ダイオード５５１ｄ、ピエゾアクチュエータ１１、コイル５１および残存電荷放電用スイッチ７で構成される上記閉成回路が形成されて残存電荷の電気エネルギーがコイル５１の電磁エネルギーに変換される。次いで、残存電荷放電用スイッチ７をオフすると、コイル５１に蓄積された電磁エネルギーが瞬間的にコンデンサ３に回収され、ごく僅かなコイル５１等における損失分を除けばピエゾアクチュエータ１１に供給された電気エネルギーを効率よくすべてコンデンサ３に回収することができる。
【００４３】
このように、本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、コンデンサ３が蓄電完了後、直流電源２１と遮断され、コンデンサ３、コイル５１、ピエゾアクチュエータ１１を含むＬＣ共振回路である充電回路５ｃ、放電回路５ｄによりスイッチのスイッチング作動によることなく一気に充電、放電を行い得る。そして、コンデンサ３に回収した電荷を次回、ピエゾアクチュエータ１２，１３，１４を伸長させる時のエネルギーとして再利用することができ、消費電力を節約することができる。
【００４４】
しかして、続いて行われるピエゾアクチュエータ１２〜１４の伸長では、既にコンデンサ３に、回収された電気エネルギーが蓄積されているので、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングは、コンデンサ３の充電量の不足分（コンデンサ電圧所定値Ｖ1 に達しない分）のみの充電で足り、速やかにコンデンサ３の充電は完了する。完了後は、タイムチャート前半部と同様にピエゾアクチュエータ１２〜１４の伸長と縮小とが行われる。
【００４５】
（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の構成を示す。図１に示した第１実施形態の構成において充電回路と放電回路とでコイルを別々に設けたもので、図中、図１と同じ番号を付した部分は第１実施形態と実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００４６】
選択された伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃをオンすると、コンデンサ３、充電経路ダイオード５４ｃ、充電スイッチ５２ｃ、充電コイル５６ｃ、選択されたピエゾアクチュエータ１１および選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより充電回路５Ａｃが形成される。充電回路５Ａｃは第１実施形態の充電回路５ｃと実質的に同等のＬＣ共振回路となる。
【００４７】
一方、放電スイッチ５２ｄをオンすると、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、上記ピエゾアクチュエータ１１〜１４、放電コイル５６ｄ、放電スイッチ５２ｄ、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３により、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４の電荷を放電する放電回路５Ａｄが形成される。放電回路５Ａｄは第１実施形態の放電回路５ｄと実質的に同等のＬＣ共振回路となる。
【００４８】
図４は本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートで、タイムチャート前半に示すように、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄積され、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、ピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃおよび充電スイッチ５２ｃをオンすると、充電回路５Ａｃが閉成されて上記ピエゾアクチュエータ１１に充電される。
【００４９】
一方、タイムチャート後半に示すように、放電スイッチ５２ｄをオンすると放電回路５Ａｄが閉成されてピエゾアクチュエータ１１は放電しコンデンサ３に回収される。
【００５０】
ここで、充電コイル５６ｃ、放電コイル５６ｄは電流制限素子であるから、そのインダクタンスに応じてそれぞれ充電速度および放電速度を規定する。したがって、本実施形態では充電速度と放電速度とを独立に設定することができる。
【００５１】
なお、ピエゾアクチュエータ１１の残存電荷の回収は、第１実施形態と同様に、残存電荷放電スイッチ７をオンオフすることで行われる。
【００５２】
（第３実施形態）
図５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の構成を示す。図１に示した第１実施形態の構成において充電回路と放電回路とを別の構成としたもので、図中、図１と同じ番号を付した部分は第１実施形態と実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００５３】
ピエゾアクチュエータ１１〜１４を充電する充電回路５Ｂｃはコンデンサ３、後述するトランス５７の二次側コイル５７２、充電経路ダイオード５４ｃ、充電スイッチ５２ｃ、選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４および選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより、第１、第２実施形態の充電回路５ｃ，５Ａｃと実質的に同等のＬＣ共振回路を形成している。
【００５４】
放電回路５Ｂｄは伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、そのピエゾアクチュエータ１１〜１４、トランス５７の一次側コイル５７１および放電スイッチ５８ｄで閉成される一次側回路、ならびにピエゾアクチュエータ１１〜１４の放電時の電流方向を規定する放電経路ダイオード５９ｄ、上記トランス一次側コイル５７１と電磁的に結合する上記トランス二次側コイル５７２およびコンデンサ３で閉成される二次側回路により構成され、ＬＣ共振回路を形成している。
【００５５】
図６は本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートで、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄積され、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、ピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃおよび充電スイッチ５２ｃをオンすると、充電回路５Ｂｃが閉成されて上記ピエゾアクチュエータ１１に充電される。
【００５６】
一方、放電スイッチ５８ｄをオンすると放電回路５Ｂｄの上記一次側回路が閉成されてトランス一次側コイル５７１に電流が流れ、誘導作用によりトランス二次側コイル５７２に発生する誘導電圧により上記二次側回路に電流が流れる。しかしてピエゾアクチュエータ１１は放電しコンデンサ３に回収される。
【００５７】
なお、上記各実施形態は、コンデンサに並列に接続された負圧防止ダイオードと、充電回路において直列に接続された充電経路ダイオードとにより、コンデンサ電圧が０になった時点で充電回路が停止するようになっており、上記のごとくコンデンサに保持されたエネルギーがすべてピエゾアクチュエータに移動する、等エネルギー制御となっているが、コンデンサ電圧の検出系を利用し、コンデンサ電圧が０Ｖになったら充電スイッチをオフする構成としてもよく、この場合は等電荷量制御となる。
【００５８】
また、上記各スイッチはバイポーラトランジスタあるいはＦＥＴ等とし、ベース電流、ゲート電圧を制御して電流制限をかける構成とするのもよい。
【００５９】
なお、本実施形態はコモンレール式燃料噴射装置に適用したものを示したが、本発明はピエゾアクチュエータを用いる他の用途にも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実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図３】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の回路図である。
【図４】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図５】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の回路図である。
【図６】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図７】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表的なものの一例を示す回路図である。
【図８】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表的なものの別の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，１４ ピエゾアクチュエータ
２１ 直流電源
２２ 蓄電制御スイッチ
２３ 蓄電制御コイル
２４ ダイオード
３ コンデンサ
４ 通電経路切り替えスイッチ
５ｃ，５Ａｃ，５Ｂｃ 充電回路
５１ コイル
５２ｃ 充電スイッチ
５３１ｃ，５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ 選択スイッチ
５４ｃ 充電経路ダイオード
５６ｃ 充電用コイル
５７１ 一次側コイル
５ｄ，５Ａｄ，５Ｂｄ 放電回路
５２ｄ，５８ｄ 放電スイッチ
５４ｄ 放電経路ダイオード
５５１ｄ，５５２ｄ，５５３ｄ，５５４ｄ，５９ｄ 放電経路ダイオード
５６ｄ 放電用コイル
５７ トランス
６ 負電圧防止ダイオード
７ 残存電荷放電スイッチ
【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圧電体の積層体が圧電効果により伸縮するアクチュエータで、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置における燃料噴射用インジェクタの開弁と閉弁との切り替え用としてインジェクタ内に配設されている。ピエゾアクチュエータは容量性の負荷であり、その充電と放電とで伸長状態と縮小状態とが切り替えられる。
【０００３】
図７はピエゾアクチュエータの駆動回路の一例を示すもので、ピエゾアクチュエータ９０１は、充電スイッチ９０４をオンすると直流電源９０２から電流制限素子９０３を介してピエゾアクチュエータ９０１に充電されて伸長し、充電スイッチ９０４をオフすると伸長状態を保持する。一方、その状態から放電スイッチ９０５をオンするとピエゾアクチュエータ９０１は放電し縮小する。
【０００４】
特開平１０−３０８５４２号公報には、ピエゾアクチュエータ９０１の電荷を回収して次回の充電に供するようにしたものが記載されている。図８にこの回路の構成を示す。この回路では、直流電源９０２の後段にバッファコンデンサ９０６が設けられ、充電スイッチ９０４、放電スイッチ９０５にはそれぞれ並列にダイオード９０７，９０８が接続されている。ダイオード９０７，９０８はコンデンサ９０２電圧に対して逆バイアス方向に接続される。また、電流制限素子９０９はインダクタであるコイルで構成されている。
【０００５】
ピエゾアクチュエータ９０１の充電は充電スイッチ９０４をパルス状にオンオフを繰り返す。オン時にコイル９０９に蓄積した電磁エネルギーにより、オフ時にコイル９０９、ピエゾアクチュエータ９０１、ダイオード９０７により形成される回路によりピエゾアクチュエータ９０１が充電され、ピエゾアクチュエータ９０１電圧が上昇する。
【０００６】
一方、ピエゾアクチュエータ９０１の放電は充電時とは逆に放電スイッチ９０５をパルス状にオンオフを繰り返す。オン時にピエゾアクチュエータ９０１、コイル９０９および放電スイッチ９０５で閉成される回路により、ピエゾアクチュエータ９０１に保持されたエネルギーがコイル９０９の電磁エネルギーに変換され、オフ時に、ピエゾアクチュエータ９０１、コイル９０９およびダイオード９０８により形成される回路によりバッファコンデンサ９０６に回収される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０−３０８５４２号公報記載の回路では、ピエゾアクチュエータの充放電時に充電スイッチや放電スイッチをスイッチング作動可能に構成する必要があり、スイッチ制御用の回路が複雑化する。またスイッチングロスがあるので回収効率は必ずしもよくない。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、ピエゾアクチュエータの充放電時にスイッチのスイッチング作動が不要で、しかも回収効率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。
【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駆動回路に、直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを具備せしめる。
【００１０】
ピエゾアクチュエータの充電中および放電中は直流電源とコンデンサとの間が遮断され、充電時には充電回路が閉成され、放電時には放電回路が閉成される。ここで充電回路、放電回路はコンデンサとピエゾアクチュエータとを含んだＬＣ共振回路を形成するので、充電スイッチ、放電スイッチをスイッチングすることなく効率よく一気にピエゾアクチュエータの充電、放電を行うことができる。
【００１１】
そして請求項１記載の発明では、上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定する。
【００１２】
かかる設定とすることで、充電回路における共振振動が自由に行い得るものとすると、コンデンサは負電圧をとり得る。したがって、コンデンサの全蓄電量をピエゾアクチュエータに移動せしめることができる。
【００１３】
請求項１記載の発明では、さらに、上記コンデンサの電荷量が０になると上記ピエゾアクチュエータの充電を停止せしめる充電停止手段を具備せしめる。
【００１４】
コンデンサの電荷量が０になるとピエゾアクチュエータの充電が停止するので、ピエゾアクチュエータの充電量の制御を、上記直流電源によるコンデンサの蓄電量を設定することで容易に行い得る。例えばコンデンサ電圧により正確に制御することができる。
【００１５】
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、上記充電停止手段が、上記充電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの充電電流が順方向となるように設けられたダイオードを有する。請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、上記充電停止手段が、上記コンデンサに逆並列に接続され上記コンデンサの負電圧を禁止するダイオードを有する。
【００１６】
ピエゾアクチュエータの充電時において、第１のダイオードによりコンデンサ電圧の負圧が防止され、第２のダイオードによりピエゾアクチュエータからコンデンサへ逆流する電流が禁止されるから、コンデンサ電圧が０になった時点で、すなわちコンデンサが空になると自動的にピエゾアクチュエータの充電が停止しその状態が保持される。
【００１７】
請求項４記載の発明では、直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを有し、ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切り替え制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、上記放電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの放電電流が順方向となるようにダイオードを設ける。
【００１８】
ピエゾアクチュエータの放電時において、ダイオードによりコンデンサからピエゾアクチュエータへ逆流する電流が禁止されるから、ピエゾアクチュエータが再び充電し伸長することを、放電スイッチの開成作動によることなく回避することができる。
【００１９】
請求項５記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが共通の構成とする。
【００２０】
インダクタを共通とすることで部品数を低減することができる。
【００２１】
請求項６記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが別体の構成とする。
【００２２】
インダクタのインダクタンスは充電回路、放電回路における充電電流、放電電流の大きさを規定するので、充電速度、放電速度を独立に設定することができる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、請求項５または６の発明の構成において、上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定する。かつ、上記ピエゾアクチュエータと上記インダクタとを通り上記コンデンサを迂回する回路の閉成と開成とを切り替える残存電荷放電スイッチを具備せしめる。
【００２４】
コンデンサおよびピエゾアクチュエータの静電容量を上記のごとく設定してコンデンサの全蓄電量をピエゾアクチュエータに移動可能となる。そして、ピエゾアクチュエータ放電時にピエゾアクチュエータに残存する電荷が、上記コンデンサを迂回する回路を閉成することで放電回路のインダクタに移動し、次いで開成すると瞬時にコンデンサに回収され、さらに回収効率を高めることができる。
【００２５】
請求項８記載の発明では、請求項１ないし４の発明の構成において、上記放電回路を形成する上記インダクタは、上記充電回路を構成するインダクタを二次側コイルとするトランスで構成する。
【００２６】
放電時には、コンデンサとピエゾアクチュエータとがトランスを介して結合するので、ピエゾアクチュエータに残存電荷が生じることなくコンデンサへの回収を行い得る。
【００２７】
請求項９記載の発明では、請求項１ないし８の発明の構成において、上記直流電源と上記コンデンサとの間にコンデンサに直列に電流制限素子を設ける。
【００２８】
コンデンサにピエゾアクチュエータ駆動用の蓄電を行う際に直流電源からコンデンサへの電流が制限されるので、蓄電制御用スイッチ等の劣化を防止することができる。
【００２９】
【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の構成を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路は４つのピエゾアクチュエータ１１，１２，１３，１４を駆動するもので、例えば４気筒ディーゼルエンジンの上記コモンレール式燃料噴射装置に用いたものを示している。
【００３０】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾアクチュエータ１１〜１４駆動用の電気エネルギーを保持するコンデンサ３、コンデンサ３に給電する直流電源２１等を備えている。直流電源２１はバッテリやＤＣ−ＤＣコンバータ等からなり、数十〜数百Ｖの大きさの電圧をコンデンサ３に印加する。コンデンサ３への印加電圧は正圧である。コンデンサ３は静電容量の温度依存性の殆どないもの、例えばフィルムコンデンサが望ましく、使用温度域においてコンデンサ容量をＣ1 、容量性負荷であるピエゾアクチュエータ１１〜１４の各静電容量をＣ2 としてＣ1 ≦Ｃ2 となるように設定したものを使用する。
【００３１】
コンデンサ３には並列に後述する負圧防止用ダイオード６が接続されるとともに、直列に、並列接続された充電経路ダイオード５４ｃと放電開始スイッチである通電経路切り替えスイッチ４とが接続してある。負圧防止用ダイオード６はコンデンサ３に対して逆バイアス方向に接続され、充電経路ダイオード５４ｃはコンデンサ３に対して順バイアス方向に接続される。
【００３２】
直流電源２１とコンデンサ３との間には蓄電制御スイッチ２２および電流制限素子である蓄電コイル２３が直列に設けてあり、直流電源２１に逆バイアス方向にダイオード２４が設けてある。蓄電制御スイッチ２２と通電経路切り替えスイッチ４とがオンのとき、その間、直流電源２１から蓄電コイル２３を介してコンデンサ３に給電される。蓄電コイル２３を設けることでコンデンサ３給電時の過電流を防止し蓄電制御スイッチ２２等の劣化を防止するようになっている。
【００３３】
コンデンサ３の正極側端子と各ピエゾアクチュエータ１１〜１４の正極側端子との間には、直列に、並列接続された充電スイッチ５２ｃ、放電経路ダイオード５４ｄと、電流制限素子であるコイル５１とが接続してある。ピエゾアクチュエータ１１〜１４の負極側端子は、それぞれ、並列接続された選択用スイッチ５３１ｃ，５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ、放電経路ダイオード５５１ｄ，５５２ｄ，５５３ｄ，５５４ｄが接続してある。選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃ、放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄは各ピエゾアクチュエータ１１〜１４ごとに設けられる。
【００３４】
充電時には伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４と接続された選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃをオンすると、充電経路ダイオード５４ｃ、コンデンサ３、充電スイッチ５２ｃ、コイル５１、選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４およびオンした選択用スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより充電回路５ｃが形成され、コンデンサ３から選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４に充電されそのピエゾアクチュエータ１１〜１４が伸長する。
【００３５】
一方、通電経路切り替えスイッチ４をオンすると、伸長状態にあるピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、ピエゾアクチュエータ１１〜１４、コイル５１、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３および通電経路切り替え用スイッチ４により放電回路５ｄが形成され、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４から電荷を放電しピエゾアクチュエータ１１〜１４を縮小する。
【００３６】
また、コイル５１と放電経路ダイオード５４ｄとの接続点は残存電荷放電用スイッチ７を介して接地され、残存電荷放電用スイッチ７のオン時に、後述する電荷が残存しているピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する５５１ｄ〜５５４ｄ、ピエゾアクチュエータ１１〜１４、コイル５１および残存電荷放電用スイッチ７により閉回路が形成される。
【００３７】
上記各スイッチ２２〜７は、図示しないマイクロコンピュータ等の制御部によりオンオフ制御されるようになっている。
【００３８】
本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明する。図２は駆動回路の各部等の作動状態を示すタイムチャートである。コンデンサ３はピエゾアクチュエータ１１〜１４を伸長させる前に予め蓄電される。先ず通電経路切り替えスイッチ４をオンする。これにより、直流電源２１、蓄電制御スイッチ２２、蓄電制御コイル２３、コンデンサ３および通電経路切り替えスイッチ４よりなる降圧チョッパ回路が閉成され、次いで、蓄電制御スイッチ２２を繰り返しスイッチングすることによりコンデンサ３の電圧が上昇していく。コンデンサ３の電圧が所定値Ｖ1 に達したらスイッチング動作を停止する（スイッチオフの状態に復する）。これによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄電される。
【００３９】
ピエゾアクチュエータ１１〜１４を伸長するタイミングになると、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、これをピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃをオンし、次いで充電スイッチ５２ｃをオンする。これにより、充電経路コンデンサ５４ｃ、コンデンサ３、コイル５１、ピエゾアクチュエータ１１および選択スイッチ５３１ｃよりなる充電回路５ｃが閉成される。充電回路５ｃはＬＣ共振回路であり、この時、Ｃ1 ≦Ｃ2 なので、共振作用によりピエゾアクチュエータ１１の電荷量の最大値はコンデンサの初期電荷量（上記蓄電量）に達することができる。そして、負圧防止ダイオード６の負圧防止作用および充電経路ダイオード５４ｃの逆方向電流防止作用により、コンデンサ３からの電荷流出が、コンデンサ３の電荷量が０の時停止する。しかして、コンデンサ３に蓄積されていた電気エネルギーＣ1 Ｖ1 2 ／２のすべてがピエゾアクチュエータ１１に移動しその状態で停止することになる。
【００４０】
ピエゾアクチュエータ１１への電荷の移動に伴いピエゾアクチュエータ１１は伸長し、上記のごとくコンデンサ３に蓄積されていた電気エネルギーＣ1 Ｖ1 2 ／２のすべてがピエゾアクチュエータ１１に移動すると、ピエゾアクチュエータ１１は上記のごとく電荷の移動が停止するので伸長状態を保持する。次いで、スイッチ５２ｃ，５３１ｃをオフする。
【００４１】
ピエゾアクチュエータ１１を縮小するタイミングになると、タイムチャート後半に示すように、通電経路切り替えスイッチ４を再びオンする。これにより、ダイオード５５１ｄ、ピエゾアクチュエータ１１、コイル５１、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３、通電経路切り替えスイッチ４からなる放電回路５ｄが閉成される。放電回路５ｄもまたＬＣ共振回路となるから、放電回路５ｄの共振作用によりピエゾアクチュエータ１１が放電し、ピエゾアクチュエータ１１の電荷がコンデンサ３に回収される。この場合も上記放電回路５ｄの電流は、放電経路ダイオード５５１ｄ，５４ｄにより規定される電荷回収方向の電流のみが許容され、一定時間の後、電荷の移動は停止する。これによりピエゾアクチュエータ１１が再び充電して伸長することが回避されるので、選択スイッチ５３１ｃの開成等により充電回路５ｄを開いてピエゾアクチュエータ１１の再充電を禁止する必要がなく、制御負担が少なくて済む。
【００４２】
なお、Ｃ1 ≦Ｃ2 なので、充電時と異なりピエゾアクチュエータ１１には電荷がＣ1 ，Ｃ2 に応じて残存するが、残存電荷放電スイッチ７をオンすると放電経路ダイオード５５１ｄ、ピエゾアクチュエータ１１、コイル５１および残存電荷放電用スイッチ７で構成される上記閉成回路が形成されて残存電荷の電気エネルギーがコイル５１の電磁エネルギーに変換される。次いで、残存電荷放電用スイッチ７をオフすると、コイル５１に蓄積された電磁エネルギーが瞬間的にコンデンサ３に回収され、ごく僅かなコイル５１等における損失分を除けばピエゾアクチュエータ１１に供給された電気エネルギーを効率よくすべてコンデンサ３に回収することができる。
【００４３】
このように、本ピエゾアクチュエータ駆動回路では、コンデンサ３が蓄電完了後、直流電源２１と遮断され、コンデンサ３、コイル５１、ピエゾアクチュエータ１１を含むＬＣ共振回路である充電回路５ｃ、放電回路５ｄによりスイッチのスイッチング作動によることなく一気に充電、放電を行い得る。そして、コンデンサ３に回収した電荷を次回、ピエゾアクチュエータ１２，１３，１４を伸長させる時のエネルギーとして再利用することができ、消費電力を節約することができる。
【００４４】
しかして、続いて行われるピエゾアクチュエータ１２〜１４の伸長では、既にコンデンサ３に、回収された電気エネルギーが蓄積されているので、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングは、コンデンサ３の充電量の不足分（コンデンサ電圧所定値Ｖ1 に達しない分）のみの充電で足り、速やかにコンデンサ３の充電は完了する。完了後は、タイムチャート前半部と同様にピエゾアクチュエータ１２〜１４の伸長と縮小とが行われる。
【００４５】
（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の構成を示す。図１に示した第１実施形態の構成において充電回路と放電回路とでコイルを別々に設けたもので、図中、図１と同じ番号を付した部分は第１実施形態と実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００４６】
選択された伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃをオンすると、コンデンサ３、充電経路ダイオード５４ｃ、充電スイッチ５２ｃ、充電コイル５６ｃ、選択されたピエゾアクチュエータ１１および選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより充電回路５Ａｃが形成される。充電回路５Ａｃは第１実施形態の充電回路５ｃと実質的に同等のＬＣ共振回路となる。
【００４７】
一方、放電スイッチ５２ｄをオンすると、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、上記ピエゾアクチュエータ１１〜１４、放電コイル５６ｄ、放電スイッチ５２ｄ、放電経路ダイオード５４ｄ、コンデンサ３により、伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４の電荷を放電する放電回路５Ａｄが形成される。放電回路５Ａｄは第１実施形態の放電回路５ｄと実質的に同等のＬＣ共振回路となる。
【００４８】
図４は本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートで、タイムチャート前半に示すように、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄積され、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、ピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃおよび充電スイッチ５２ｃをオンすると、充電回路５Ａｃが閉成されて上記ピエゾアクチュエータ１１に充電される。
【００４９】
一方、タイムチャート後半に示すように、放電スイッチ５２ｄをオンすると放電回路５Ａｄが閉成されてピエゾアクチュエータ１１は放電しコンデンサ３に回収される。
【００５０】
ここで、充電コイル５６ｃ、放電コイル５６ｄは電流制限素子であるから、そのインダクタンスに応じてそれぞれ充電速度および放電速度を規定する。したがって、本実施形態では充電速度と放電速度とを独立に設定することができる。
【００５１】
なお、ピエゾアクチュエータ１１の残存電荷の回収は、第１実施形態と同様に、残存電荷放電スイッチ７をオンオフすることで行われる。
【００５２】
（第３実施形態）
図５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の構成を示す。図１に示した第１実施形態の構成において充電回路と放電回路とを別の構成としたもので、図中、図１と同じ番号を付した部分は第１実施形態と実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００５３】
ピエゾアクチュエータ１１〜１４を充電する充電回路５Ｂｃはコンデンサ３、後述するトランス５７の二次側コイル５７２、充電経路ダイオード５４ｃ、充電スイッチ５２ｃ、選択されたピエゾアクチュエータ１１〜１４および選択スイッチ５３１ｃ〜５３４ｃにより、第１、第２実施形態の充電回路５ｃ，５Ａｃと実質的に同等のＬＣ共振回路を形成している。
【００５４】
放電回路５Ｂｄは伸長状態のピエゾアクチュエータ１１〜１４に対応する放電経路ダイオード５５１ｄ〜５５４ｄ、そのピエゾアクチュエータ１１〜１４、トランス５７の一次側コイル５７１および放電スイッチ５８ｄで閉成される一次側回路、ならびにピエゾアクチュエータ１１〜１４の放電時の電流方向を規定する放電経路ダイオード５９ｄ、上記トランス一次側コイル５７１と電磁的に結合する上記トランス二次側コイル５７２およびコンデンサ３で閉成される二次側回路により構成され、ＬＣ共振回路を形成している。
【００５５】
図６は本ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートで、蓄電制御スイッチ２２のスイッチングによりコンデンサ３に所定量の電荷が蓄積され、伸長しようとするピエゾアクチュエータ１１〜１４（以下、ピエゾアクチュエータ１１として説明する）に対応する選択スイッチ５３１ｃおよび充電スイッチ５２ｃをオンすると、充電回路５Ｂｃが閉成されて上記ピエゾアクチュエータ１１に充電される。
【００５６】
一方、放電スイッチ５８ｄをオンすると放電回路５Ｂｄの上記一次側回路が閉成されてトランス一次側コイル５７１に電流が流れ、誘導作用によりトランス二次側コイル５７２に発生する誘導電圧により上記二次側回路に電流が流れる。しかしてピエゾアクチュエータ１１は放電しコンデンサ３に回収される。
【００５７】
なお、上記各実施形態は、コンデンサに並列に接続された負圧防止ダイオードと、充電回路において直列に接続された充電経路ダイオードとにより、コンデンサ電圧が０になった時点で充電回路が停止するようになっており、上記のごとくコンデンサに保持されたエネルギーがすべてピエゾアクチュエータに移動する、等エネルギー制御となっているが、コンデンサ電圧の検出系を利用し、コンデンサ電圧が０Ｖになったら充電スイッチをオフする構成としてもよく、この場合は等電荷量制御となる。
【００５８】
また、上記各スイッチはバイポーラトランジスタあるいはＦＥＴ等とし、ベース電流、ゲート電圧を制御して電流制限をかける構成とするのもよい。
【００５９】
なお、本実施形態はコモンレール式燃料噴射装置に適用したものを示したが、本発明はピエゾアクチュエータを用いる他の用途にも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実施形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図３】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の回路図である。
【図４】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図５】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の回路図である。
【図６】上記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すタイムチャートである。
【図７】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表的なものの一例を示す回路図である。
【図８】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の代表的なものの別の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１１，１２，１３，１４ ピエゾアクチュエータ
２１ 直流電源
２２ 蓄電制御スイッチ
２３ 蓄電制御コイル
２４ ダイオード
３ コンデンサ
４ 通電経路切り替えスイッチ
５ｃ，５Ａｃ，５Ｂｃ 充電回路
５１ コイル
５２ｃ 充電スイッチ
５３１ｃ，５３２ｃ，５３３ｃ，５３４ｃ 選択スイッチ
５４ｃ 充電経路ダイオード
５６ｃ 充電用コイル
５７１ 一次側コイル
５ｄ，５Ａｄ，５Ｂｄ 放電回路
５２ｄ，５８ｄ 放電スイッチ
５４ｄ 放電経路ダイオード
５５１ｄ，５５２ｄ，５５３ｄ，５５４ｄ，５９ｄ 放電経路ダイオード
５６ｄ 放電用コイル
５７ トランス
６ 負電圧防止ダイオード
７ 残存電荷放電スイッチ
Claims (9)
- 直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを有し、ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切り替え制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定し、
上記コンデンサの電荷量が０になると上記ピエゾアクチュエータの充電を停止せしめる充電停止手段を具備せしめた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、上記充電停止手段が、上記充電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの充電電流が順方向となるように設けられたダイオードを有するピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 請求項２記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、上記充電停止手段が、上記コンデンサに逆並列に接続され上記コンデンサの負電圧を禁止するダイオードを有するピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 直流電源により蓄電するコンデンサと、上記ピエゾアクチュエータの充電に先立ち直流電源とコンデンサとの間を接続してコンデンサをピエゾアクチュエータ充電用に蓄電せしめるとともに蓄電完了後に直流電源とコンデンサとの間を遮断する蓄電制御スイッチと、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する充電回路と、コンデンサとピエゾアクチュエータとの間に介設されたインダクタを有しコンデンサ、インダクタおよびピエゾアクチュエータが直列に接続されたＬＣ共振回路を形成する放電回路と、上記充電回路の線路に設けられ上記充電回路の閉成と開成とを切り替える充電スイッチと、上記放電回路の線路に設けられ上記放電回路の閉成と開成とを切り替える放電スイッチとを有し、ピエゾアクチュエータの充電と放電とを切り替え制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
上記放電回路の線路に上記ピエゾアクチュエータの放電電流が順方向となるようにダイオードを設けたピエゾアクチュエータ駆動回路。 - 請求項１ないし４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、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが共通の構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 請求項１ないし４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、上記充電回路を形成する上記インダクタと放電回路を形成する上記インダクタとが別体の構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 請求項５または６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、上記コンデンサの静電容量を上記ピエゾアクチュエータの静電容量よりも小さく設定し、かつ、上記ピエゾアクチュエータと上記インダクタとを通り上記コンデンサを迂回する回路の閉成と開成とを切り替える残存電荷放電スイッチを具備せしめたピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 請求項１ないし４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、上記放電回路を形成する上記インダクタは、上記充電回路を構成するインダクタを二次側コイルとするトランスで構成したピエゾアクチュエータ駆動回路。
- 請求項１ないし８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、上記直流電源と上記コンデンサとの間にコンデンサに直列に電流制限素子を設けたピエゾアクチュエータ駆動回路。
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