JP4626112B2

JP4626112B2 - Piezoelectric discharge device

Info

Publication number: JP4626112B2
Application number: JP2001284938A
Authority: JP
Inventors: 昇長瀬; 精二森野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP2003092438A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体をなすピエゾ素子の放電装置に関するものであり、例えば、アクチュエータとして用いられるピエゾ素子の放電装置に用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ素子は、温度等によって容量負荷が変動する。このため、ピエゾ素子を一定電流で一定時間充電しても、ピエゾ素子に蓄えられる充電エネルギーが温度によって変動してしまい、ピエゾ素子の出力（伸び等）が一定にならない。
そこで、ピエゾ素子に一定のエネルギーを充電させるには、温度補償を行う必要がある。
【０００３】
温度特性を補償するマルチスイッチング方式と呼ばれる充電方法を、図７を参照して説明する。ピエゾ素子を充電する指示が与えられると（例えば充放電信号ＴＱのON）、先ず、充電スイッチをONしてピエゾ素子を通電する。ピエゾ素子の通電電流Ipztが所定電流（例えば２５Ａ）に達したら、充電スイッチをOFF する。この１回目の充電スイッチのON時間を記憶しておく。充電スイッチのOFF 後、エネルギー蓄積コイルに蓄えられたエネルギーがダイオードを介してピエゾ素子に与えられ、ピエゾ素子の充電が継続する。
１回目の充電スイッチのOFF 後に電流Ipztが０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONし、その後に電流Ipztが０Ａに低下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONすることを複数回繰り返す。
このように、１回目で記憶したON時間で充電スイッチを繰り返してONすることにより、時間当たりの充電エネルギーが一定となり、ピエゾ素子の温度補償充電が可能となる。
【０００４】
一方、放電も図７に示すようにマルチスイッチング方式によって実行される。この放電方法は、ピエゾ素子を放電する指示が与えられると（例えば充放電信号ＴＱのOFF ）、先ず、放電スイッチをONしてピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーをエネルギー蓄積コイルを介して放電させる。放電電流Ipztが所定の遮断電流（例えば２０Ａ）に達したら、放電スイッチをOFF する。すると、エネルギー蓄積コイルに蓄えられたエネルギーがダイオードを介して電源に回収される。
１回目の放電スイッチのOFF 後に放電電流Ipztが０Ａまで低下すると、放電スイッチをONし、上記の作動を複数回繰り返す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した放電方法では、ピエゾ素子の容量が温度によって変動するため、放電エネルギーが一定にならず、放電時間が変動してしまう不具合がある。
このため、例えば、ピエゾ素子を用いたインジェクタでは、放電開始から放電完了時の時間が変動することにより、インジェクタの噴射時間が変化し、噴射量が変化する不具合が発生してしまう。
【０００６】
一方、従来の技術では、放電の最後は、負荷電圧が下がり、放電電流Ipztが遮断電流まで達しなくなる。このため、時間ガードを設けて放電スイッチをOFF させていた。放電の最後に放電電流Ipztが遮断電流まで達しない場合、最適なタイミングで放電スイッチをOFF しないとピエゾ素子を完全に放電することができず、ピエゾ素子に電圧が残ってしまう不具合がある。
このように、ピエゾ素子に電圧が残ってしまうと、次回の充電時間に影響がでてしまい、例えばピエゾ素子を用いたインジェクタでは、次回の充電開始から充電完了時の時間が変動することになり、インジェクタの噴射時間が変化し、噴射量が変化する不具合が発生してしまう。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、ピエゾ素子の放電エネルギーを一定にして放電時間の変動を抑えることのできるピエゾ素子の放電装置の提供にある。
また、本発明の第２の目的は、ピエゾ素子の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチをOFF し、ピエゾ素子をほぼ完全に放電することができるピエゾ素子の放電装置の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
ピエゾ素子の放電時は、放電スイッチをOFF するための遮断電流を時間とともに上昇させるため、放電エネルギーを一定にすることができる。
つまり、ピエゾ素子の容量が放電とともに減少していくが、これに対して遮断電流が増加していくので、その積である放電エネルギーを一定にすることができる。
このため、ピエゾ素子の容量が温度によって変化しても、放電エネルギーが一定に保たれるため、放電時間の変動を抑えることができる。
【０００９】
〔請求項２の手段〕
ピエゾ素子の放電時は、電圧モニタで検出される負荷電圧が予め設定された零付近の設定電圧に低下した時に放電スイッチがオフされるため、ピエゾ素子の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチをOFF することができ、ピエゾ素子をほぼ完全に放電することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例および変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
図１〜図６を参照して実施例を説明する。なお、この実施例では、ピエゾ素子１を燃料噴射システムにおけるインジェクタ２のアクチュエータとして用いる場合を例に示す。
【００１２】
ピエゾ素子１は、図５、図６に示すように、各気筒に取り付けられるインジェクタ２に取り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮するものである。
【００１３】
ピエゾ素子１が搭載されるインジェクタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射システムに適用される。
この燃料噴射システムの一例を図５を参照して説明する。
インジェクタ２は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられている（図５ではインジェクタ２を１つのみ図示）。各インジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回路３は、エンジン制御装置（以下、ＥＣＵ）４から与えられる信号（充放電信号ＴＱ）によってピエゾ素子１の充放電を行うように設けられている。つまり、ＥＣＵ４から与えられる信号によって充放電回路３がインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を充電すると、ピエゾ素子１が伸長してインジェクタ２が開いてコモンレール５に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃焼室内に噴射する。噴射後、ＥＣＵ４から与えられる信号によって充放電回路３がインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を放電すると、ピエゾ素子１が収縮してインジェクタ２が閉じて燃料噴射が停止する。
【００１４】
コモンレール５には、燃料タンク６の燃料が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモンレール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモンレール５からインジェクタ２に供給される燃料は、燃焼室への噴射の他に、インジェクタ２の制御油圧としても用いられるものであり、インジェクタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６に還流するようになっている。
コモンレール５には、燃料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられている。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っている。
【００１５】
インジェクタ２の構造を図６を参照して説明する。
インジェクタ２は、棒状体を呈するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、先端部が燃焼室内に突出するものである。インジェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。
【００１６】
ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるものであり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座または離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９には、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）にリフトするように作用している。
【００１７】
大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給されており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作用している。
背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ駆動部１３によって駆動される。
【００１８】
背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。
この弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成されており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつながっている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上述したドレーンライン８に通じている。
【００１９】
また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通路２０と分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。
【００２０】
このように、ボール弁３０が下降して弁室２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してドレーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が下がり、ニードル１４が離座する。
逆に、ボール弁３０が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられると、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背圧が高まり、ニードル１４が着座する。
【００２１】
ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエゾ素子１が配置されている。
大径ピストン３２は、その下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する。
【００２２】
変位拡大室３１には、燃料が充填されており、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、その加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。
【００２３】
噴射時は、先ず、ピエゾ素子１が充電されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これにより、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴射が停止する。
【００２４】
図３に本発明を適用したピエゾ素子１の充放電回路３を示す。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電させるための充電スイッチ４１と、ピエゾ素子１を放電させるための放電スイッチ４２と、充放電されるピエゾ素子１を選択するための選択スイッチ４３と、エネルギー蓄積コイル４４と、複数のダイオード４５とから構成されている。
【００２５】
直流電源４０は、車載のバッテリ４６から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバータ４７、このＤＣ／ＤＣコンバータ４７に並列接続されたバッファコンデンサ４８を備える。このバッファコンデンサ４８は、比較的静電容量の大きなもので、ピエゾ素子１の充電作動時にも一定の電圧を保つようになっている。
【００２６】
充電スイッチ４１、放電スイッチ４２および選択スイッチ４３は、充放電コントローラ（図示しない）によってON-OFF制御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであっても良い。
エネルギー蓄積コイル４４は、直流電源４０と各ピエゾ素子１を電気的に接続するための通電経路に介在されて、通電経路を流れる電気エネルギーを蓄えるものである。
【００２７】
次に、充電スイッチ４１および放電スイッチ４１を制御してピエゾ素子１を充放電させる充放電コントローラについて説明する。
充放電コントローラは、ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると充電スイッチ４１をON-OFF制御してピエゾ素子１の充電を行い、充放電信号ＴＱがOFF すると放電スイッチ４２をON-OFF制御してピエゾ素子１の放電を行うように設けられている。
【００２８】
先ず、充放電コントローラによるピエゾ素子１の充電について説明する。
この実施例の充電方法は、従来技術で説明したものと同じマルチスイッチング方式であり、充放電コントローラは、充電スイッチ４１をONしてからピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に達するまでの時間を記憶する記憶手段（図示しない）を備える。
【００２９】
充放電コントローラは、ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると、充電スイッチ４１をONする。そして、ピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に達したら充電スイッチ４１をOFF し、この１回目の充電スイッチ４１のON時間を記憶する。１回目の充電スイッチ４１のOFF 後にピエゾ素子１の電流が０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１をONし、その後電流が０Ａに低下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１をONすることを複数回繰り返す。この充電方法によって、時間当たりの充電エネルギーが一定となり、温度が変動してピエゾ素子１の容量が変化しても、ピエゾ素子１に一定の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００３０】
この充電作動を図４を用いて説明する。
ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると、先ず、充電スイッチ４１をONする。すると、図４の実線Ａ1 に示すように、バッファコンデンサ４８に蓄えられた高電圧が充電スイッチ４１、エネルギー蓄積コイル４４を介してピエゾ素子１に与えられる。この時、ピエゾ素子１が充電されるとともに、エネルギー蓄積コイル４４にエネルギーが蓄積される。ピエゾ素子１の通電電流はモニタされており、ピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に上昇したら、充電スイッチ４１がOFF される。
【００３１】
充電スイッチ４１がOFF されると、図４中の実線Ａ2 に示す状態が生じる。即ち、エネルギー蓄積コイル４４に蓄えられたエネルギーがダイオード４５を介してピエゾ素子１に与えられる状態が続き、ピエゾ素子１の充電が継続される。モニタされるピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば０Ａ）に低下したら、再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１がONされ、図４中の実線Ａ1 の状態に戻される。以下、充電スイッチ４１のON-OFFを繰り返す。
【００３２】
次に、充放電コントローラによるピエゾ素子１の放電について、図１、図２を参照して説明する。
ピエゾ素子１を放電する放電スイッチ４２は、充放電コントローラに設けられた放電スイッチ制御手段５０によってON-OFF制御される。
【００３３】
放電スイッチ制御手段５０は、充放電信号ＴＱがONからOFF に反転すると、電流モニタ５１で検出される放電電流▲１▼が遮断電流▲２▼に達すると放電スイッチ４２をOFF させるものであり、遮断電流▲２▼は図２に示すように時間とともに上昇するように設けられている。
遮断電流▲２▼を上昇させる回路は、図１に示すようにリファレンスコンデンサ５２と第１コンパレータ５３を用いたものであり、充放電信号スイッチ５４がOFF （充放電信号ＴＱのOFF に相当する）すると、リファレンスコンデンサ５２の充電が開始されて第１コンパレータ５３の基準電圧が上昇し、結果的に遮断電流▲２▼が時間とともに上昇する。
なお、図２の実線▲３▼は第１コンパレータ５３の出力を示すものであり、実線▲４▼は放電スイッチ４２のON-OFFの切替状態を示すものである。
【００３４】
一方、放電スイッチ制御手段５０には、ピエゾ素子１の放電の最後に放電電流▲１▼が遮断電流▲２▼まで達しない場合でも、電圧モニタ５５で検出されるピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼が、予め設定された零付近の設定電圧に低下すると放電スイッチ４２をOFF し、放電スイッチ４２を最適なタイミングでOFF するように設けられている。
放電スイッチ４２を適切なタイミングでOFF させる回路は、第２コンパレータ５６と設定電圧５７を用いたものであり、ピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼と約０Ｖの設定電圧５７とを比較し、ピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼が約０Ｖの設定電圧５７より下回ると、第２コンパレータ５６がLo信号を出力して、図２の実線▲４▼に示すように放電スイッチ４２を最適なタイミングでOFF する。
【００３５】
第１、第２コンパレータ５３、５６の出力は、アンド回路５８に入力されており、両方の出力がHi信号の場合だけ放電スイッチ４２をONするように設けられている。つまり、少なくとも第１、第２コンパレータ５３、５６の一方がLo信号を出力する時は、放電スイッチ４２をOFF するように設けられている。
【００３６】
次に、放電作動を図４を用いて説明する。
ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONからOFF に反転すると、先ず、放電スイッチ４２がONする。すると、図４中の破線Ｂ1 に示すように、ピエゾ素子１に蓄えられていた電圧がエネルギー蓄積コイル４４、放電スイッチ４２を介して流れ、ピエゾ素子１に蓄積されていた電気エネルギーがエネルギー蓄積コイル４４に転送され、ピエゾ素子１の放電が進む。ピエゾ素子１の電流はモニタされており、ピエゾ素子１の電流が時間の経過とともに上昇する遮断電流に達したら、放電スイッチ４２をOFF する。
【００３７】
放電スイッチ４２がOFF すると、図４の破線Ｂ2 に示す状態が生じる。即ち、エネルギー蓄積コイル４４に蓄えられたエネルギーがダイオード４５を介してバッファコンデンサ４８に回生される。そして、ピエゾ素子１の電流が０Ａに低下したら、再び放電スイッチ４２をONし、図４中の破線Ｂ1 の状態に戻す。以下、放電スイッチ４２のON-OFFを繰り返す。
以上の作動によってピエゾ素子１に蓄積された電気エネルギーが放電される。
【００３８】
〔実施例の効果〕
上述したように、ピエゾ素子１の放電時は、放電スイッチ４２をOFF するための遮断電流を時間とともに上昇させている。これによって、ピエゾ素子１の容量が放電とともに減少していくが、これに対して遮断電流が増加していくので、その積である放電エネルギーが一定になる。つまり、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電エネルギーが一定に保たれる。
この結果、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電時間の変動を抑えることができる。このため、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電開始から放電完了までの時間が変動しなくなり、インジェクタ２の噴射時間が変化せず、噴射量が変化する不具合がない。
【００３９】
一方、ピエゾ素子１の放電時は、ピエゾ素子１の負荷電圧が予め設定された約０Ｖに低下した時に放電スイッチ４２をOFF しているため、ピエゾ素子１の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチ４２をOFF することができ、ピエゾ素子１をほぼ完全に放電することができる。
この結果、放電時にピエゾ素子１に電圧が残る不具合がなく、次回の充電時間等に影響を与えない。このように、次回の充電時間が変動しなくなるため、インジェクタ２の噴射時間が変化しなくなり、噴射量が変化する不具合がない。
【００４０】
〔変形例〕
上記の実施例では、ピエゾ素子１を用いたアクチュエータを、燃料噴射システムにおけるインジェクタ２に適用した例を示したが、ピエゾ素子１を他のアクチュエータ（例えば、光学系計測装置における光軸可変用のアクチュエータ）に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電スイッチ制御手段の電気回路図である。
【図２】放電時の作動を示すタイムチャートである。
【図３】充放電回路の電気回路図である。
【図４】充放電回路の作動説明図である。
【図５】燃料噴射システムの概略図である。
【図６】インジェクタの断面図である。
【図７】ピエゾ素子を流れる電流の説明図である。
【符号の説明】
１ピエゾ素子（容量負荷変動体）
４０直流電源
４１充電スイッチ
４２放電スイッチ
４４エネルギー蓄積コイル
５０放電スイッチ制御手段
５１電流モニタ
５２リファレンスコンデンサ
５３第１コンパレータ
５４充放電信号スイッチ
５５電圧モニタ
５６第２コンパレータ
５７設定電圧
５８アンド回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezo element discharge device that forms a capacitive load variable body in which a capacitive load varies with temperature . For example, the present invention is a technique suitable for use in a piezo element discharge device used as an actuator.
[0002]
[Prior art]
The capacitive load of the piezo element varies depending on temperature and the like. For this reason, even if the piezo element is charged with a constant current for a certain period of time, the charging energy stored in the piezo element varies with temperature, and the output (elongation, etc.) of the piezo element does not become constant.
Therefore, it is necessary to perform temperature compensation in order to charge the piezo element with constant energy.
[0003]
A charging method called a multi-switching method for compensating temperature characteristics will be described with reference to FIG. When an instruction to charge the piezo element is given (for example, ON of the charge / discharge signal TQ), first, the charge switch is turned on to energize the piezo element. When the energization current Ipzt of the piezo element reaches a predetermined current (for example, 25 A), the charging switch is turned off. The ON time of the first charging switch is stored. After the charging switch is turned off, the energy stored in the energy storage coil is applied to the piezo element through the diode, and the piezo element continues to be charged.
When the current Ipzt drops to 0A after turning off the first charge switch, the charge switch is turned on only for the ON time stored in the first time, and when the current Ipzt drops to 0A after that, only the ON time stored in the first time Repeat turning on the charging switch several times.
In this way, by repeatedly turning on the charging switch with the ON time memorized at the first time, the charging energy per time becomes constant, and temperature compensated charging of the piezo element becomes possible.
[0004]
On the other hand, the discharge is also performed by a multi-switching method as shown in FIG. In this discharge method, when an instruction to discharge the piezo element is given (for example, turning off the charge / discharge signal TQ), first, the discharge switch is turned on to discharge the electric energy stored in the piezo element through the energy storage coil. . When the discharge current Ipzt reaches a predetermined cutoff current (for example, 20 A), the discharge switch is turned off. Then, the energy stored in the energy storage coil is recovered by the power supply via the diode.
When the discharge current Ipzt decreases to 0 A after the first discharge switch is turned off, the discharge switch is turned on and the above operation is repeated a plurality of times.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the discharge method shown above, since the capacity of the piezo element varies with temperature, there is a problem that the discharge energy is not constant and the discharge time varies.
For this reason, for example, in an injector using a piezo element, the time from the start of discharge to the completion of discharge fluctuates, thereby causing a problem that the injection time of the injector changes and the injection amount changes.
[0006]
On the other hand, in the conventional technique, at the end of the discharge, the load voltage decreases and the discharge current Ipzt does not reach the cutoff current. For this reason, a time guard was provided to turn off the discharge switch. If the discharge current Ipzt does not reach the cut-off current at the end of discharge, the piezoelectric element cannot be completely discharged unless the discharge switch is turned OFF at the optimum timing, and there is a problem that voltage remains in the piezoelectric element.
Thus, if voltage remains in the piezo element, the next charging time will be affected. For example, in an injector using a piezo element, the time from the start of the next charging to the completion of charging will vary. , The injection time of the injector changes, causing a problem that the injection amount changes.
[0007]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a first object thereof is to provide a discharge device for a piezo element that can suppress variation in discharge time by making the discharge energy of the piezo element constant.
A second object of the present invention, even if the last discharge current of the discharge of the piezoelectric element does not reach the cut-off current and OFF the discharge switch at the right time, it is possible to almost completely discharge piezoelectric element The present invention provides a discharge device for a piezo element .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
[Means of Claim 1]
When the piezo element is discharged, the cut-off current for turning off the discharge switch is increased with time, so that the discharge energy can be made constant.
In other words, the capacitance of the piezo element decreases with discharge, but the cutoff current increases in response to this, so that the discharge energy that is the product can be made constant.
For this reason, even if the capacitance of the piezo element changes with temperature, the discharge energy is kept constant, so that fluctuations in the discharge time can be suppressed.
[0009]
[Means of claim 2]
When discharging the piezo element , the discharge switch is turned off when the load voltage detected by the voltage monitor drops to a preset voltage near zero, so that the discharge current reaches the cutoff current at the end of the piezo element discharge. Even if not reached, the discharge switch can be turned OFF at the optimum timing, and the piezo element can be discharged almost completely.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described using examples and modifications.
〔Example〕
Embodiments will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a case where the piezo element 1 is used as an actuator of an injector 2 in a fuel injection system is shown as an example.
[0012]
As shown in FIGS. 5 and 6, the piezo element 1 is attached to an injector 2 attached to each cylinder and operates as an actuator for switching between fuel injection and stop. A plurality of plate-like piezos are connected via electrodes. Many structures are laminated. The piezo element 1 expands in response to charge and contracts in response to discharge.
[0013]
The injector 2 on which the piezo element 1 is mounted is applied to, for example, a common rail type engine fuel injection system.
An example of this fuel injection system will be described with reference to FIG.
The injector 2 is attached corresponding to each cylinder of the engine (only one injector 2 is shown in FIG. 5). A charging / discharging circuit 3 for controlling charging / discharging of the piezoelectric element 1 of each injector 2 is provided so as to charge / discharge the piezoelectric element 1 by a signal (charging / discharging signal TQ) given from an engine control unit (hereinafter, ECU) 4. It has been. That is, when the charging / discharging circuit 3 charges the piezo element 1 mounted in the injector 2 by a signal given from the ECU 4, the piezo element 1 expands and the injector 2 opens to store the high-pressure fuel stored in the common rail 5 in each cylinder. Is injected into the combustion chamber. After the injection, when the charge / discharge circuit 3 discharges the piezo element 1 mounted in the injector 2 by a signal given from the ECU 4, the piezo element 1 contracts, the injector 2 closes, and the fuel injection stops.
[0014]
The fuel in the fuel tank 6 is pumped to the common rail 5 by the high pressure supply pump 7, and the high pressure fuel is stored inside the common rail 5. The fuel supplied from the common rail 5 to the injector 2 is used not only for injection into the combustion chamber but also as a control hydraulic pressure for the injector 2. The fuel is supplied from the injector 2 to the fuel tank 6 via the low-pressure drain line 8. It is designed to reflux.
A pressure sensor 9 for detecting the fuel pressure is attached to the common rail 5. The ECU 4 controls the opening degree of the regulating valve 10 based on the output of the pressure sensor 9 to adjust the amount of fuel pumped to the common rail 5 to keep the internal pressure of the common rail 5 at an appropriate pressure.
[0015]
The structure of the injector 2 will be described with reference to FIG.
The injector 2 has a rod-like body, and the lower side in the drawing penetrates the combustion chamber wall of the engine and the tip portion projects into the combustion chamber. The injector 2 includes a nozzle unit 11, a back pressure control unit 12, and a piezo drive unit 13 in order from the bottom to the top.
[0016]
In the nozzle portion 11, the large-diameter portion 15 of the needle 14 is slidably supported in the nozzle holder 16, and an annular sheet 18 in which a tip conical portion 17 of the needle 14 is formed at the tip portion of the nozzle holder 16. Sit or leave. High pressure fuel is introduced into the outer peripheral space 19 on the distal end side of the needle 14 from the common rail 5 through the high pressure passage 20, and fuel is injected from the injection hole 21 when the needle 14 is seated. The high-pressure fuel supplied to the outer peripheral space 19 on the tip end side of the needle 14 acts on the step surface 15a of the large-diameter portion 15 so as to lift the needle 14 upward (separating direction).
[0017]
The back pressure chamber 22 on the upper side of the large diameter portion 15 is supplied with fuel from the high pressure passage 20 via the in-orifice 23, and the high pressure fuel supplied to the back pressure chamber 22 is supplied to the upper surface 15 b of the large diameter portion 15. It acts to press the needle 14 together with the spring 24 downward (sitting direction).
The back pressure in the back pressure chamber 22 is switched by the back pressure control unit 12, and the back pressure control unit 12 is driven by the piezo drive unit 13.
[0018]
The back pressure chamber 22 communicates with the valve chamber 26 of the back pressure control unit 12 through the out orifice 25.
The valve chamber 26 has a ceiling surface 26a formed in an upward conical shape, and is connected to the low pressure chamber 27 at the uppermost portion of the ceiling surface 26a. The low pressure chamber 27 communicates with the drain line 8 described above via the low pressure passage 28.
[0019]
In addition, a high pressure control passage 29 that branches off from the high pressure passage 20 is opened in the bottom surface 26 b of the valve chamber 26.
Further, a ball valve 30 whose lower surface is cut horizontally is disposed in the valve chamber 26. The ball valve 30 is a valve element that can move up and down. When the ball valve 30 is lowered, the cut surface is seated on the bottom surface 26b of the valve chamber 26 to close communication between the valve chamber 26 and the high-pressure control passage 29. Sitting on the ceiling surface 26 a of the chamber 26 closes the communication between the valve chamber 26 and the low pressure chamber 27.
[0020]
Thus, when the ball valve 30 is lowered and the communication between the valve chamber 26 and the high pressure control passage 29 is closed, the back pressure chamber 22 communicates with the drain line 8 via the valve chamber 26, the low pressure chamber 27, and the low pressure passage 28. As a result, the pressure in the back pressure chamber 22 decreases, and the needle 14 moves away.
On the contrary, when the ball valve 30 is raised and the communication between the valve chamber 26 and the low pressure chamber 27 is closed, the communication between the back pressure chamber 22 and the low pressure chamber 27 is cut off, and the back pressure chamber 22 communicates only with the high pressure passage 20. Then, the back pressure of the needle 14 increases and the needle 14 is seated.
[0021]
The piezo drive unit 13 pushes down the ball valve 30 by the extension of the piezo element 1, and has a large-diameter piston 32 above the displacement expansion chamber 31 formed above the low-pressure chamber 27, and below the displacement expansion chamber 31. A small-diameter piston 33 is provided, and a large number of piezoelectric elements 1 stacked on the large-diameter piston 32 are arranged.
The large-diameter piston 32 is pressed against the piezo element 1 by a spring 34 disposed below the large-diameter piston 32 and is displaced in the vertical direction by the same amount as the amount of expansion and contraction of the stacked piezo elements 1.
[0022]
The displacement expansion chamber 31 is filled with fuel, and when the piezoelectric piston 1 is extended, the upper large-diameter piston 32 is lowered, and when the fuel in the displacement expansion chamber 31 is pressurized, the pressure is applied to the lower expansion piston 31. The small diameter piston 33 is pushed downward. At this time, since the small diameter piston 33 has a smaller diameter than the large diameter piston 32, the extension amount of the piezo element 1 is expanded and transmitted to the small diameter piston 33.
[0023]
At the time of injection, first, the piezo element 1 is charged and the piezo element 1 expands. Then, the large diameter piston 32 and the small diameter piston 33 are lowered, the ball valve 30 is pushed down, and the back pressure in the back pressure chamber 22 is reduced. Thereby, the needle 14 is separated and fuel injection is started.
When the injection is stopped, first, the piezo element 1 is discharged and the piezo element 1 contracts. Then, the large-diameter piston 32 and the small-diameter piston 33 are lifted to release the ball valve 30 from being pushed down. Since high-pressure fuel is acting on the ball valve 30 from the high-pressure control passage 29, the ball valve 30 is lifted to block communication between the valve chamber 26 and the low-pressure chamber 27. Then, the back pressure in the back pressure chamber 22 rises, the needle 14 is seated, and fuel injection stops.
[0024]
FIG. 3 shows a charge / discharge circuit 3 of the piezo element 1 to which the present invention is applied.
The charge / discharge circuit 3 includes a DC power supply 40, a charge switch 41 for charging the piezo element 1, a discharge switch 42 for discharging the piezo element 1, and a selection for selecting the piezo element 1 to be charged / discharged. The switch 43, the energy storage coil 44, and a plurality of diodes 45 are included.
[0025]
The DC power supply 40 includes a DC / DC converter 47 that generates a DC voltage of several tens to several hundreds V from a vehicle-mounted battery 46, and a buffer capacitor 48 that is connected in parallel to the DC / DC converter 47. The buffer capacitor 48 has a relatively large capacitance, and maintains a constant voltage even when the piezo element 1 is charged.
[0026]
The charge switch 41, the discharge switch 42, and the selection switch 43 are ON / OFF controlled by a charge / discharge controller (not shown), and may be a semiconductor switching element such as a MOSFET or a mechanical relay switch. good.
The energy storage coil 44 is interposed in an energization path for electrically connecting the DC power supply 40 and each piezo element 1 and stores electric energy flowing through the energization path.
[0027]
Next, a charge / discharge controller that controls the charge switch 41 and the discharge switch 41 to charge / discharge the piezo element 1 will be described.
When the charge / discharge signal TQ supplied from the ECU 4 is turned on, the charge / discharge controller performs ON / OFF control of the charge switch 41 to charge the piezo element 1, and when the charge / discharge signal TQ is turned off, the charge / discharge controller controls ON / OFF of the discharge switch 42. The piezo element 1 is discharged.
[0028]
First, charging of the piezo element 1 by the charge / discharge controller will be described.
The charging method of this embodiment is the same multi-switching method as described in the prior art, and the charging / discharging controller turns on the charging switch 41 and the energization current of the piezo element 1 reaches a predetermined current (for example, 25 A). Storage means (not shown) for storing the time until.
[0029]
The charge / discharge controller turns on the charge switch 41 when the charge / discharge signal TQ supplied from the ECU 4 is turned on. Then, when the energization current of the piezo element 1 reaches a predetermined current (for example, 25 A), the charging switch 41 is turned OFF, and the ON time of the first charging switch 41 is stored. When the current of the piezo element 1 drops to 0 A after the first charging switch 41 is turned off, the charging switch 41 is turned on only for the ON time stored in the first time, and then the current is stored again in the first time when the current drops to 0 A. The charging switch 41 is turned ON a plurality of times for the ON time. According to this charging method, the charging energy per time becomes constant, and even if the temperature changes and the capacitance of the piezoelectric element 1 changes, it is possible to store constant electrical energy in the piezoelectric element 1.
[0030]
This charging operation will be described with reference to FIG.
When the charge / discharge signal TQ given from the ECU 4 is turned ON, first, the charge switch 41 is turned ON. Then, as shown by the solid line A1 in FIG. 4, the high voltage stored in the buffer capacitor 48 is applied to the piezo element 1 via the charge switch 41 and the energy storage coil 44. At this time, the piezo element 1 is charged and energy is stored in the energy storage coil 44. The energizing current of the piezo element 1 is monitored. When the energizing current of the piezo element 1 rises to a predetermined current (for example, 25 A), the charging switch 41 is turned off.
[0031]
When the charging switch 41 is turned off, a state indicated by a solid line A2 in FIG. 4 occurs. That is, the state in which the energy stored in the energy storage coil 44 is applied to the piezo element 1 via the diode 45 continues, and charging of the piezo element 1 is continued. When the energization current of the monitored piezo element 1 is reduced to a predetermined current (for example, 0 A), the charge switch 41 is turned on again for the ON time stored in the first time, and the state is returned to the state of the solid line A1 in FIG. Thereafter, ON / OFF of the charging switch 41 is repeated.
[0032]
Next, discharge of the piezo element 1 by the charge / discharge controller will be described with reference to FIGS.
The discharge switch 42 for discharging the piezo element 1 is ON / OFF controlled by a discharge switch control means 50 provided in the charge / discharge controller.
[0033]
When the charge / discharge signal TQ is inverted from ON to OFF, the discharge switch control means 50 turns OFF the discharge switch 42 when the discharge current (1) detected by the current monitor 51 reaches the cutoff current (2). The interruption current (2) is provided so as to increase with time as shown in FIG.
As shown in FIG. 1, the circuit for increasing the cutoff current (2) uses a reference capacitor 52 and a first comparator 53, and the charge / discharge signal switch 54 is OFF (corresponding to OFF of the charge / discharge signal TQ). Then, charging of the reference capacitor 52 is started, the reference voltage of the first comparator 53 is increased, and as a result, the cutoff current (2) is increased with time.
2 indicates the output of the first comparator 53, and the solid line (4) indicates the ON / OFF switching state of the discharge switch.
[0034]
On the other hand, in the discharge switch control means 50, even when the discharge current (1) does not reach the cutoff current (2) at the end of the discharge of the piezoelectric element 1, the load voltage (5) of the piezoelectric element 1 detected by the voltage monitor 55 is detected. When ▼ drops to a preset voltage near zero, the discharge switch 42 is turned off, and the discharge switch 42 is turned off at an optimal timing.
The circuit for turning off the discharge switch 42 at an appropriate timing uses the second comparator 56 and the set voltage 57, and compares the load voltage (5) of the piezo element 1 with the set voltage 57 of about 0V, When the load voltage (5) of the element 1 is lower than the set voltage 57 of about 0 V, the second comparator 56 outputs a Lo signal, and the discharge switch 42 is set at the optimum timing as shown by the solid line (4) in FIG. Turn off.
[0035]
The outputs of the first and second comparators 53 and 56 are input to an AND circuit 58, and are provided so that the discharge switch 42 is turned on only when both outputs are Hi signals. That is, at least one of the first and second comparators 53 and 56 is provided to turn off the discharge switch 42 when outputting a Lo signal.
[0036]
Next, the discharge operation will be described with reference to FIG.
When the charge / discharge signal TQ given from the ECU 4 is reversed from ON to OFF, first, the discharge switch 42 is turned ON. Then, as indicated by a broken line B1 in FIG. 4, the voltage stored in the piezo element 1 flows through the energy storage coil 44 and the discharge switch 42, and the electric energy stored in the piezo element 1 is transferred to the energy storage coil. 44, and the discharge of the piezo element 1 proceeds. The current of the piezo element 1 is monitored. When the current of the piezo element 1 reaches a cutoff current that increases with time, the discharge switch 42 is turned off.
[0037]
When the discharge switch 42 is turned OFF, a state shown by a broken line B2 in FIG. 4 occurs. That is, the energy stored in the energy storage coil 44 is regenerated to the buffer capacitor 48 via the diode 45. When the current of the piezo element 1 decreases to 0 A, the discharge switch 42 is turned on again to return to the state of the broken line B1 in FIG. Thereafter, ON / OFF of the discharge switch 42 is repeated.
The electric energy accumulated in the piezo element 1 is discharged by the above operation.
[0038]
[Effects of Examples]
As described above, when the piezoelectric element 1 is discharged, the cutoff current for turning off the discharge switch 42 is increased with time. As a result, the capacity of the piezo element 1 decreases with the discharge, but the cutoff current increases with this, so that the discharge energy that is the product becomes constant. That is, even if the capacity of the piezo element 1 changes with temperature, the discharge energy is kept constant.
As a result, even when the capacitance of the piezo element 1 changes with temperature, fluctuations in the discharge time can be suppressed. For this reason, even if the capacity of the piezo element 1 changes with temperature, the time from the start of discharge to the completion of discharge does not change, the injection time of the injector 2 does not change, and there is no problem that the injection amount changes.
[0039]
On the other hand, when the piezo element 1 is discharged, the discharge switch 42 is turned off when the load voltage of the piezo element 1 drops to about 0 V which is set in advance. Even if it does not reach the maximum, the discharge switch 42 can be turned off at the optimum timing, and the piezo element 1 can be discharged almost completely.
As a result, there is no problem that a voltage remains in the piezo element 1 at the time of discharging, and the next charging time or the like is not affected. Thus, since the next charging time does not fluctuate, the injection time of the injector 2 does not change, and there is no problem that the injection amount changes.
[0040]
[Modification]
In the above-described embodiment, an example in which the actuator using the piezo element 1 is applied to the injector 2 in the fuel injection system has been described. Actuator) may be applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram of a discharge switch control means.
FIG. 2 is a time chart showing an operation during discharge.
FIG. 3 is an electric circuit diagram of a charge / discharge circuit.
FIG. 4 is an operation explanatory diagram of a charge / discharge circuit.
FIG. 5 is a schematic view of a fuel injection system.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an injector.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a current flowing through a piezo element.
[Explanation of symbols]
1 Piezo element (capacitance load variable body)
40 DC power supply 41 charge switch 42 discharge switch 44 energy storage coil 50 discharge switch control means 51 current monitor 52 reference capacitor 53 first comparator 54 charge / discharge signal switch 55 voltage monitor 56 second comparator 57 set voltage 58 AND circuit

Claims

A piezo element discharge device that discharges electric energy stored in a piezo element using a piezo element that is displaced by an applied voltage as a capacitive load variable body in which a capacitive load varies with temperature,
A discharge switch for discharging the electrical energy stored in the piezo element ;
A current monitor for monitoring a discharge current discharged from the piezo element ;
A discharge switch control means for turning off the discharge switch when a discharge current detected by the current monitor reaches a cut-off current when discharging the piezoelectric element ;
The discharge switch control means, during discharge of the piezoelectric element, the breaking current provided so as to increase with time, the piezoelectric element characterized by keeping the discharge energy at the time of discharging of the piezoelectric element constant Discharge device.

The discharge device for a piezo element according to claim 1,
A voltage monitor for monitoring a load voltage of the piezo element ;
As the discharge switch control means, when discharging the piezoelectric element, the discharge switch is turned off when the discharge current detected by the current monitor reaches a cut-off current, and the load voltage detected by the voltage monitor is preset. A discharge device for a piezo element comprising discharge switch control means for turning off the discharge switch when the voltage drops to a set voltage near zero .