JP4547796B2

JP4547796B2 - ピエゾアクチュエータの異常検出装置

Info

Publication number: JP4547796B2
Application number: JP2000383108A
Authority: JP
Inventors: 隆通神谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: JP2002185056A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のピエゾインジェクタ等に適用されるピエゾアクチュエータの異常を検出する異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電圧の印加により伸縮する圧電体を利用したピエゾアクチュエータは、高応答で制御性に優れることから、従来より、車両用駆動装置、例えば、ピエゾ駆動式のインジェクタ等への利用が検討されている。一方、近年、新たな車両規制に対応するために車両搭載機器の故障診断技術を確立する必要が生じており、高電圧が発生するピエゾアクチュエータにおいても、異常時には速やかに駆動を停止する等の対策が要求されている。
【０００３】
ピエゾアクチュエータの高電圧に対する安全対策に関して、例えば、特開平１−２０２１７７号公報には、ピエゾアクチュエータの駆動装置に異常検出回路を設けることが記載されている。この異常検出回路は、ピエゾアクチュエータの充放電時に駆動電流経路に流れる充電電流または放電電流を検出し、これら充電電流または放電電流が所定レベルに達していない時に、異常と判断するもので、異常検出時には、高電圧発生動作を禁止したり、異常表示を行うようにして、装置の信頼性を高めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、ピエゾアクチュエータは、複数の圧電体を電極を介して積層してなり、電気的には容量性素子が多数並列接続された構造となっているため、積層体内部で断線し総容量が変化する故障モード（一部断線）がある。従って、これをピエゾアクチュエータの全断線やワイヤ断線と区別して検出できれば、異常の特定に要する手間が大幅に削減することが可能になる。
【０００５】
例えば、上記従来の検出方法を応用した場合、一部断線状態を判定できる程度に小さい電流しきい値を設定し、この設定値と比較して、一部断線状態を判定することが考えられる。しかしながら、ピエゾアクチュエータは、断線していなくても、温度・圧力といった使用環境の変化により、その総容量が変化する特性を持っていることから、一部断線による容量変化と環境要因による容量変化との区別をつけることが難しく、誤判定の可能性があるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ピエゾアクチュエータ内部での一部断線、全断線といった異常の状態を精度よく検出可能なピエゾアクチュエータの異常検出装置を実現し、異常判定の信頼性および作業性を向上することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、圧電体を多数積層した構造を有し、駆動手段により充電または放電されることによって伸縮するピエゾアクチュエータの異常を検出する装置であって、電気的に並列接続され同一環境条件で使用される複数のピエゾアクチュエータを設けるとともに、上記駆動手段から上記複数のピエゾアクチュエータへの通電経路の途中に設けた検出点に接続し、該検出点を介して上記複数のピエゾアクチュエータの一方に検出用の定電圧を印加する検出電圧印加手段と、上記検出電圧印加手段から上記検出点を介して上記一方のピエゾアクチュエータへ上記検出用の定電圧を印加した後、上記一方のピエゾアクチュエータに蓄積された電荷を、上記一方のピエゾアクチュエータおよび他方のピエゾアクチュエータに再充電した時の上記検出点の電圧を検出する電圧モニタ手段とを設ける。そして、上記電圧モニタ手段の検出結果に基づいて、上記ピエゾアクチュエータの異常の状態を検出するものである。
【０００８】
上記検出電圧印加手段から上記一方のピエゾアクチュエータに充電された所定量の電荷を、並列接続されている上記複数のピエゾアクチュエータに再充電すると、それぞれの容量に応じて電荷が再分配される。再充電後の上記複数のピエゾアクチュエータの両端間電圧は、上記複数のピエゾアクチュエータの総容量に応じて決定され、上記ピエゾアクチュエータに一部断線または全断線があると総容量が変化するので、再充電後のピエゾアクチュエータ電圧を上記検出点の電圧として検出することによって、上記ピエゾアクチュエータの一部断線または全断線といった異常を区別して検出することができる。また、上記複数のピエゾアクチュエータは同一環境条件に設置されるので、温度や圧力といった環境条件の影響を受けずに、異常判定を作業性よくかつ高い精度で行うことができる。
【０００９】
請求項２のように、具体的には、上記複数のピエゾアクチュエータを同一構造とし、そのうちの上記一方のピエゾアクチュエータを参照用ピエゾアクチュエータとして、他方のピエゾアクチュエータの異常を検出することができる。そして、上記検出用の定電圧を＋Ｂとした時に、上記電圧モニタ手段で検出される電圧が、＋Ｂ／２であれば断線なしと判定し、＋Ｂ／２より大きく＋Ｂより小さければ上記他方のピエゾアクチュエータの一部断線と判定し、＋Ｂであれば上記他方のピエゾアクチュエータの全断線またはワイヤリング断線と判定する。
【００１０】
上記参照用ピエゾアクチュエータが上記他方のピエゾアクチュエータと同一の積層構造である時、上記他方のピエゾアクチュエータが正常であれば、上記電圧モニタ手段によって検出される電圧は、上記定電圧の１／２になる。上記他方のピエゾアクチュエータが一部断線していれば、実際の容量が減少するため、検出される電圧は上記定電圧の１／２より大きくなる。また、上記他方のピエゾアクチュエータが全断線していれば、検出される電圧は上記定電圧のまま変化しない。よって、これらの値と検出された電圧と比較することによって、異常の有無が精度よく判定できる。
【００１１】
あるいは、請求項３のように、上記複数のピエゾアクチュエータの両方に異常がある場合を考慮することもできる。上記複数のピエゾアクチュエータを同一構造とし、上記検出用の定電圧を＋Ｂとした時、上記電圧モニタ手段で検出される電圧が、＋Ｂであれば少なくとも他方のピエゾアクチュエータの全断線またはワイヤリング断線と判定し、＋Ｂ／２より大きく＋Ｂより小さければ少なくとも上記他方のピエゾアクチュエータが一部断線と判定し、＋Ｂ／２であれば断線なしまたは上記一方のピエゾアクチュエータおよび上記他方のピエゾアクチュエータが一部断線で断線量同じと判定し、０より大きく＋Ｂ／２より小さければ少なくとも上記一方のピエゾアクチュエータが一部断線と判定し、０であれば少なくとも上記一方のピエゾアクチュエータが全断線またはワイヤリング断線と判定する。
【００１２】
上記一方のピエゾアクチュエータに異常、例えば一部断線がある場合には、上記検出用の定電圧が充電されないために、上記電圧モニタ手段によって検出される電圧は、上記定電圧の１／２より小さくなる。全断線またはワイヤリング断線の場合には、検出される電圧は０となる。また、上記一方のピエゾアクチュエータと上記他方のピエゾアクチュエータの一部断線量が同じ場合には、上記定電圧の１／２の電圧値が検出される。検出される電圧が、上記定電圧の１／２より大きければ、少なくとも上記他方のピエゾアクチュエータに上述した異常があることになる。このようにすれば、同等の２つのピエゾアクチュエータの異常判定を同時に行うことができる。
【００１３】
好適には、請求項４のように、上記複数のピエゾアクチュエータが、内燃機関に設けた複数のピエゾインジェクタにそれぞれ内蔵されるものとする。内燃機関に設置されるピエゾインジェクタは等しい環境条件にあるので、上記異常判定が好適に利用できる。また、気筒数に相当する多数のピエゾアクチュエータを有するピエゾインジェクタに本発明を適用することで、内燃機関の不調調査等の作業性が大きく向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をエンジンのコモンレール噴射装置に設けられるピエゾインジェクタの異常検出に適用した第１の実施の形態について説明する。図１は、ピエゾインジェクタに内蔵されるピエゾアクチュエータの駆動制御系の全体構成図で、後述するようにピエゾアクチュエータの異常検出装置を備えている。図中、Ｐ１、Ｐ２は、ピエゾアクチュエータの主要部を構成するピエゾスタックを表し、各ピエゾインジェクタが共通のコモンレール（蓄圧配管）に接続されることから、ピエゾスタックＰ１とピエゾスタックＰ２は、温度・圧力等の条件が等しい同一環境条件にある。なお、ピエゾインジェクタはエンジンの気筒数と同じ数設けられるが、ここでは、簡便のため、そのうちの２つ（ピエゾスタックＰ１、Ｐ２）のみを示している。
【００１５】
図１において、駆動手段であるピエゾアクチュエータの駆動制御部（ＥＣＵ）１は、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２に印加する高電圧を発生する高電圧発生回路２と、高電圧発生回路２で発生する高電圧をピエゾスタックＰ１、Ｐ２に印加するための充電用スイッチング素子およびピエゾスタックＰ１、Ｐ２に蓄積された電荷を放電させるための放電用スイッチング素子を備えるスイッチング回路３と、このスイッチング回路３の充電用または放電用スイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦを制御する制御回路４を備えている。ピエゾスタックＰ１、Ｐ２には、それぞれ選択用スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２が直列接続されており、これら選択用スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２をＯＮ−ＯＦＦ制御することによって駆動対象となるピエゾスタックＰ１、Ｐ２が選択される。
【００１６】
ピエゾスタックＰ１、Ｐ２は、円形または矩形の板状に成形したＰＺＴ等の圧電体を多数積層して一体化したもので、圧電体間には交互に＋電極と−電極が形成される。図２は、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２の等価回路図で、容量性素子である多数の圧電体（Ｃ１〜Ｃｎ）が電気的に並列に接続された構成を有しており、電荷の注入（充電）により伸長し、電荷の除去（放電）により収縮して、ピエゾインジェクタを開閉駆動する。制御回路４から充電信号または放電信号が出力されると、スイッチング回路３の充電用または放電用スイッチング素子がＯＮし、選択用スイッチング素子Ｔ１、Ｔ２で選択されたピエゾスタックＰ１、Ｐ２に充電または放電がなされる。
【００１７】
スイッチングには、例えば、段階的にスイッチングして充放電を行う複数スイッチング方式が用いられる。この方式において、制御回路４は、噴射信号（例えば０−５Ｖ矩形波信号）の立ち上がりエッジを検出した時に充電を開始し、スイッチング回路３の充電用スイッチング素子をＯＮして、高電圧発生回路２で昇圧した高電圧を駆動対象のピエゾスタックＰ１、Ｐ２に充電する。その後、充電電流が所定値（例えば２０Ａ）に到達したら、充電用スイッチング素子をＯＦＦし、一定のＯＦＦ期間（例えば１０μｓ）後、再びＯＮにすることを繰り返す。そして、所定の充電電圧（例えば１００Ｖ）に到達したら、充電用スイッチング素子をＯＦＦ固定して充電完了とする。
【００１８】
次いで、制御信号の立ち下がりエッジが検出されると放電を開始する。まず、スイッチング回路３の放電用スイッチング素子をＯＮして、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２に充電されていた電荷を放出する。放電電流が所定値（例えば２０Ａ）に到達したら放電用スイッチング素子をＯＦＦし、一定のＯＦＦ期間（例えば１０μｓ）後に再び放電用スイッチング素子をＯＮにすることを繰り返す。充電電圧がゼロに達したら、放電用スイッチング素子をＯＦＦ固定し、放電完了とする。
【００１９】
本発明では、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２の異常検出を行うために、駆動制御部１内に、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２の一方に検出用の所定の定電圧（＋Ｂ）を印加する検出電圧印加手段５を設けている。検出電圧印加手段５は、スイッチング回路３からピエゾスタックＰ１、Ｐ２への通電経路１１の途中に設けた検出点６に、スイッチＳＷを介して接続するバッテリ５１を有し、該検出点６を介してピエゾスタックＰ１、Ｐ２の一方にバッテリ電圧（＋Ｂ）を印加する。また、このようにしてピエゾスタックＰ１、Ｐ２の一方に蓄積された電荷を、ピエゾスタックＰ１、Ｐ２の両方に再充電した時のピエゾスタックＰ１、Ｐ２の両端間電圧を知るために、検出点６の電圧を検出する電圧モニタ手段としての電圧モニタ回路７を設けている。
【００２０】
次に、検出電圧印加手段５と電圧モニタ回路７で構成される異常検出装置の作動について説明する。ここで、異常検出を実施するタイミングは、ピエゾインジェクタの噴射が実行されていない期間（スイッチング回路３の充電用および放電用スイッチング素子がＯＦＦ状態にある期間）とする。また、ここでは、仮の前提条件として、ピエゾスタックＰ１は正常であることが確認されているものとし、これを参照用ピエゾアクチュエータ（一方のピエゾアクチュエータ）として、検出用ピエゾアクチュエータ（他方のピエゾアクチュエータ）となるピエゾスタックＰ２の異常の有無を検出する場合を示す。
【００２１】
まず、選択用スイッチング素子Ｔ１をＯＮ、選択用スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦ、スイッチＳＷをＯＮとし、ピエゾスタックＰ１にバッテリ電圧（＋Ｂ）を充電する。次いで、スイッチＳＷをＯＦＦし、選択用スイッチング素子Ｔ２をＯＮして（選択用スイッチング素子Ｔ１はＯＮのままとする）、ピエゾスタックＰ１に蓄えられていた電荷をピエゾスタックＰ２に放出する。この時、ピエゾスタックＰ２が断線していなければ、上記作動により容量は２倍となるため、電圧モニタ回路７でモニタされる電圧は、＋Ｂ／２となる。また、図３のように、容量性素子を並列接続した構成のピエゾスタックＰ２内部で一部断線が生じ、例えば、容量が半分になったとすると、上記作動により容量は１．５倍となるため、モニタされる電圧は、＋Ｂ×２／３となる。また、ピエゾスタックＰ２が全断線またはワイヤリング断線となっていれば、電荷の放出がないため、モニタされる電圧は、＋Ｂのままで変化しない。
【００２２】
このモニタ電圧とピエゾスタックＰ２断線判定の対応を表１に示す。このように、複数のピエゾスタックの一方（ピエゾスタックＰ１）を参照用として用い、その電圧をモニタすることで、他方のピエゾスタックＰ２の異常判定を容易に行うことができ、ピエゾスタックＰ２の一部断線を全断線やワイヤリング断線と区別して検出できる。また、環境条件の等しいピエゾスタックＰ１を参照用とすることで、環境条件の影響を排除することができ、信頼性の高い異常判定装置が実現できる。
【００２３】
【表１】

【００２４】
なお、上記第１の実施の形態では、ピエゾスタックＰ１が正常であることを前提として異常検出を行う場合について説明したが、ピエゾスタックＰ１に異常がある可能性を考慮し、以下に第２の実施の形態として示すようにして異常判定を行うこともできる。
【００２５】
上記第１の実施の形態において、選択用スイッチング素子Ｔ１をＯＮ、選択用スイッチング素子Ｔ２をＯＦＦ、スイッチＳＷをＯＮとし、ピエゾスタックＰ１にバッテリ電圧（＋Ｂ）を充電した時に、ピエゾスタックＰ１に充電された電荷Ｑ１は、Ｑ１＝Ｃ１×＋Ｂで表される。この電荷Ｑ１が、次いで、スイッチＳＷをＯＦＦし、選択用スイッチング素子Ｔ２をＯＮすることにより、ピエゾスタックＰ１とピエゾスタックＰ２の合成容量に再充電されることから、Ｖ：モニタ電圧、Ｃ１：ピエゾスタックＰ１の容量、Ｃ２：ピエゾスタックＰ２容量とすると、
Ｑ１＝Ｃ１×＋Ｂ＝（Ｃ１＋Ｃ２）×Ｖ
となり、モニタ電圧Ｖの一般式は以下のようになる。
Ｖ＝＋Ｂ×（Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２））
【００２６】
上記一般式から、ピエゾスタックＰ１とピエゾスタックＰ２のいずれにも一部断線がないまたは一部断線量が同じ場合は、Ｃ１＝Ｃ２であり、Ｖ＝＋Ｂ／２である。また、Ｃ２＝０（少なくともピエゾスタックＰ２が全断線またはワイヤリング断線）の時はＶ＝＋Ｂ、Ｃ１＝０（少なくともピエゾスタックＰ１が全断線またはワイヤリング断線）の時はＶ＝０、Ｃ２＜Ｃ１（少なくともピエゾスタックＰ２が一部断線）の時は＋Ｂ／２＜Ｖ＜＋Ｂ、Ｃ１＜Ｃ２（少なくともピエゾスタックＰ１が一部断線）の時は０＜Ｖ＜＋Ｂとなることが分かる。このモニタ電圧とピエゾスタックＰ１、Ｐ２断線判定の対応を表２に示す。
【００２７】
【表２】

【００２８】
このようにして、ピエゾスタックＰ２のみならず、ピエゾスタックＰ１についても異常検出が可能で、電圧モニタ回路７で検出されるモニタ電圧から、少なくともピエゾスタックＰ１が一部断線、あるいは、全断線またはワイヤリング断線である場合を、精度よく検出できる。
【００２９】
以上のことから、本発明の異常検出装置を、市場のエンジン不調調査等に用いれば、全断線はもとより、少なくとも一部断線しているピエゾインジェクタの検出、交換が容易にできる。また、交換後の正常なピエゾインジェクタを参照用ピエゾアクチュエータとして用い、残るピエゾインジェクタの１つと組み合わせて再度異常検出を行うという作業手順により、全ピエゾインジェクタを正常化することができる。よって、ピエゾインジェクタの調査・交換作業を効率的に行うことができ、作業工数を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピエゾアクチュエータの異常検出装置を含むピエゾインジェクタ駆動制御系の全体構成を示す図である。
【図２】ピエゾスタックの等価回路図である。
【図３】ピエゾスタックの一部断線状態を示す図である。
【符号の説明】
Ｐ１、Ｐ２ピエゾスタック（ピエゾアクチュエータ）
ＳＷスイッチ
１駆動制御部（駆動手段）
１１通電経路
２高電圧発生回路
３スイッチング回路
４制御回路
５検出電圧印加回路（検出電圧印加手段）
５１バッテリ
６検出点
７電圧モニタ回路（電圧モニタ手段）

Claims

圧電体を多数積層した構造を有し、駆動手段により充電または放電されることによって伸縮するピエゾアクチュエータの異常を検出する装置であって、電気的に並列接続され同一環境条件で使用される複数のピエゾアクチュエータを設けるとともに、上記駆動手段から上記複数のピエゾアクチュエータへの通電経路の途中に設けた検出点に接続し、該検出点を介して上記複数のピエゾアクチュエータの一方に検出用の定電圧を印加する検出電圧印加手段と、上記検出電圧印加手段から上記検出点を介して上記一方のピエゾアクチュエータへ上記検出用の定電圧を印加した後、上記一方のピエゾアクチュエータに蓄積された電荷を、上記一方のピエゾアクチュエータおよび他方のピエゾアクチュエータに再充電した時の上記検出点の電圧を検出する電圧モニタ手段とを設け、上記電圧モニタ手段の検出結果に基づいて、上記ピエゾアクチュエータの異常の状態を検出することを特徴とするピエゾアクチュエータの異常検出装置。
同一構造とした上記複数のピエゾアクチュエータの上記一方のピエゾアクチュエータを参照用ピエゾアクチュエータとして、上記他方のピエゾアクチュエータの異常を検出するものであり、上記検出用の定電圧が＋Ｂである時に、上記電圧モニタ手段で検出される電圧が、＋Ｂ／２であれば断線なしと判定し、＋Ｂ／２より大きく＋Ｂより小さければ上記他方のピエゾアクチュエータの一部断線と判定し、＋Ｂであれば上記他方のピエゾアクチュエータの全断線またはワイヤリング断線と判定する請求項１記載のピエゾアクチュエータの異常検出装置。
同一構造とした上記複数のピエゾアクチュエータの異常を検出するものであり、上記検出用の定電圧が＋Ｂである時に、上記電圧モニタ手段で検出される電圧が、＋Ｂであれば少なくとも上記他方のピエゾアクチュエータ全断線またはワイヤリング断線と判定し、＋Ｂ／２より大きく＋Ｂより小さければ少なくとも上記他方のピエゾアクチュエータの一部断線と判定し、＋Ｂ／２であれば断線なしまたは上記一方のピエゾアクチュエータおよび上記他方のピエゾアクチュエータが一部断線で断線量同じと判定し、０より大きく＋Ｂ／２より小さければ少なくとも上記一方のピエゾアクチュエータの一部断線と判定し、０であれば少なくとも上記一方のピエゾアクチュエータの全断線またはワイヤリング断線と判定する請求項１記載上記ピエゾアクチュエータ請求項１記載のピエゾアクチュエータの異常検出装置。
上記複数のピエゾアクチュエータが、内燃機関に設けた複数のピエゾインジェクタにそれぞれ内蔵されるものである請求項１ないし３のいずれか記載のピエゾアクチュエータの異常検出装置。