JPH02185649A

JPH02185649A - 圧電素子の駆動装置

Info

Publication number: JPH02185649A
Application number: JP1002876A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Tsuzuki; 尚幸都築; Masaki Mitsuyasu; 正記光安
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1990-07-20
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JP2513011B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、ガソリン機関、ディーゼル機・関の燃料噴射
弁等のアクチエエータとして用いられる圧電素子の駆動
装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕高い応
答性を有する圧電素子は、ガソリン機関、ディーゼル機
関の燃料噴射弁のアクチュエータとして適用可能である
（参照：特開昭６０−２４９８７７号公報、特開昭６２
−１７３３８号公報）。このような燃料噴射弁の構造と
して本願出願人は既に第９Ａ図に示すものを提案してい
る（参照：実願昭６３−９５８４号）。すなわち、第９
Ａ図においては、１０１は先端に噴孔１０２を有するノ
ズルボディを示しており、ノズルボディ１０１内には噴
孔１０２を開閉可能にニードル祷＃澗卓陳１０３が挿入
されている。ノズルボディ１０１はボディ１０４に嵌合
され、燃料は燃料導入口１０５、盲プラグ１０６の装着
された燃料通路１０７、燃料通路１０８、燃料溜り室１
０９、蓄圧室１１０を介して噴孔１０２から噴射される
。ニードル１０３には、テーパ状の受圧面１１１が形成
されてふり、受圧面１１１に燃料圧力を受けることによ
りニードル１０３は開弁方向に動く。この受圧面１１１
周りに燃料溜り室１０９が形成されている。ニードル１
０３の上部とノズルボデ４１０１の内周面との間には、
僅かなりリアランス１１２が形成されてふり、該クリア
ランス１１２を介して燃料溜り室１０９から燃料が上方
に形成される圧力室１１３に充満されるようになってい
る。圧力室１１３は、ピストン１１４下端とボディ１０
４上端との間に形成され、油密室１１３における燃料圧
力はニードル１０３の開閉方向の力として作用できるよ
うになっている。ピストン１１４は、ケース１１５内に
摺動可能に嵌挿され、皿バネ１１６により上方に付勢さ
れている。ケース１１５内に伸縮作動可能な積層された
圧電素子１１７よりなる電歪式アクチエエータ１１８が
設けられている。また、デイスタンドピース１１９は油
密室１１３の下端に設けられ、ニードル１０３の開弁状
態の位置を規定すると共に、該開弁状態の保持作用をす
る。このため、デイスタンドピース１１９には、受圧面
１１１の垂直方向の面積に比較して小さい開口が設けら
れている。また・、ニードル１０３の閉弁状態の位置は
ニードル３が噴孔１０２に接することによって規定され
る。１２０　ｔｊ−介奈Ｆ季才？−ＪＰ＞る。

また、第９Ｂ図にその概略を示すように、下端にピスト
ン１２　（１１４）が設けられた圧電素子１１（１１７
）が伸縮可能にケース１３　（１１５）に嵌挿され、こ
のケース１３と油密室１４　（１１３）とが連通してい
る。したがって、圧電素子１１の伸縮により油密室１４
の容積が変化すると、ロッド１５及びスピルバルブ１６
（１２σ）が移動し、燃料噴射弁が閉弁、開弁状態とな
る。

上述の燃料噴射弁の駆動装置としては第１０図に示すも
のが知られている。第１０図においては、圧電素子１１
が充電された際に伸張して閉弁動作が行われるものとす
る。第１０図においては、圧電素子１１はガソリン機関
の燃料噴射弁に適用されているものとする。ｌはたとえ
ば１２Ｖのバッテリであって、その電圧はイグニッショ
ンスイッチ２を高電圧発生回路３に印加されている。高
電圧発生回路３はバッテリ電圧１２Ｖをたとえば３００
Ｖに変換してコンデンサ４に印加する。

高電圧発生回路３は、高周波発振回路３１．昇圧回路と
しての昇圧トランス３２、昇圧トランス３２の１次側コ
イルをオン、オフするトランジスタ３３、及び昇圧トラ
ンス３３の２次側コイルの正の発生電圧をコンデンサ４
に供給するダイオード３４により構成されている。

また、充電スイッチング回路５として、サイリスタ５１
およびコイル５２が設けられ、放電スイッチング回路６
として、サイリスタ６１およびコイル６２が設けられて
いる。サイリスタ５１は閉弁点弧信号（パルス）Ｓｌに
よってオンとされ、サイリスタ６１は開弁点弧信号（パ
ルス）Ｓｓによってオンとされる。

コイル５２はＬＣ共振回路を構成するためであり、した
がって、サイリスタ５１がオンとなると、コンデンサ４
、コイル５２及び圧電素子１１がＬＣ共振回路を構成し
、これにより、コンデンサ４の電圧降圧を増大させ且つ
圧電素子１１の電圧昇圧を増大させ、サイリスタ５１を
その後の自然転流により確実にオフにする。この結果、
・圧電素子１１の充電電圧はコンデンサ４の電圧３００
ｖより高くたとえば６００　Ｖとされる。

コイル６２もＬＣ共振回路を構成するためであり、した
がって、サイリスタ６１がオンとなると、コイル６２及
び圧電素子５がＬＣ共振回路を構成し、これにより、圧
電素子１１の電圧降圧を増大させ、サイリスタ６１をそ
の後の自然転流により確実にオフにする。この結果、圧
電素子１１の放電電圧は接地電圧（ＯＶ）より低くたと
えば−２００Ｖとされる。

７はツェナーダイオードであり、電圧検出回路８はコン
デンサ４の充電電圧がツェナーダイオード７によって決
定される電圧以上になったことを検出して高周波発振回
路３１の駆動を抑制する。

すなわち、コンデンサ４の充電電圧を所定値に規制する
。

第１Ｏ図の駆動装置にふいて、第１１図に示す閉弁パル
スＳ、を与えると、圧電素子１１の充電電圧ｖｐｚｔは
急速に上昇し、したがって、圧電素子１１の変位速度も
急速に上昇する。この結果、油密室１４には変位増幅機
構として油圧が介在するので、油密室１４の圧力Ｐ（油
密室）はロッド１５及びスピルバルブ１６が動き出す以
前に急速に上昇し、その反力により圧電素子の充電電圧
ＶＰＺＴにピーク値（たとえば８００　Ｖ　）が発生し
、しかもロッド１５及びスピルバルブ１６は上述の圧力
Ｐ（油密室）の大きさに応じた打ち出し力を受けるため
その変位速度は非常に早くなる。この結果、スピルバル
ブ１６の着座時に着座面（図示せず）から大きな反発力
を受け、燃料噴射弁に矢印Ｘに示すごとくジャンピング
が発生する。ジャンピングが生ずると、２次噴射が起こ
り、時間対噴射量線形特性の劣化、噴射初期時の噴射率
の振動、噴射圧力の低下等を招くという課題がある。

なお、上述のジャンピング防止するために、圧電素子に
充電電圧を２段階で与える駆動装置が知られている（参
照：特開昭６２−１４２８４５号公報）。

すなわち、弁部材が全行程の７０％□程度移動した時に
圧電素子の印加電圧を一時的に０とし、その後再び印加
電圧を回復させている。しかしながら、この方法は、弁
部材に弾性体、スプリング等を介して圧電素子の変位が
伝達される場合には有効であるが、圧電素子の変位を液
体を介して弁部材に伝達する場合には、印加電圧の０へ
の反転は弁部材も逆方向に移動し、閉弁ができず、した
がって、ジャンピングの防止に役立たない。

したがって、本発明の目的は、閉弁時における弁部材の
ジャンピングを防止することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の課題を解決するための手段は第１図に示される。

すなわち、圧電素子１１の変位を液体を介して弁部材１
５．１６に伝達して弁部材１５．１６を閉弁、開弁する
駆動装置であって、圧電素子１１を充電した際に弁部材
１５．１６に閉弁力を発生するものとする。充電スイッ
チング手段５は高電圧発生手段３．４の高電圧により圧
電素子１１に弁部材１５．１６が着座位置に到達する程
度の圧電素子変位量を発生させる第１の所定電圧たとえ
ば３５０ｖを印加し、さらに、弁部材１５．１６が着座
位置に到達する程度の時間（すなわち、弁部材１５．１
６が着座位置あるいは着座位置の少し手前に到達するま
でに要する時間）に相当する所定時間後に、圧電素子１
１の印加電圧を第１の所定電圧３５０Ｖより高い第２の
所定電圧たとえば８００ｖにする。そして、放電スイッ
チング手段６は圧電素子１１の電荷を放電させるもので
ある。

〔作　用〕

上述の手段による作用は第２図に示される。すなわち、
充電スイッチング手段３．４は弁部材１５．１６が着座
位置に変位する程度の第１の所定電圧（３５０Ｖ）を圧
電素子１１に印加する。この結果、油密室の圧力Ｐ（油
密室）が前述のように急速に上昇、弁部材の変位に伴い
下降するが、第１の所定電圧は弁部材が着座位置に到達
する程度の低い電圧となっているために、Ｐ（油密室）
のピーク値は小さく、弁部材の打ち出し力（初期発生力
）も小さくなり、弁部材の移動速度は小さく抑えられる
。このとき、圧電素子１１の端子電圧、Ｖｐｚｔも油密
室の圧力Ｐ（油密室）の反力により上昇後下降するが同
様にピーク値は小さくなる。

充電スイッチング手段５による圧電素子１１への印加電
圧３５０ｖは弁部材１５．１６が着座位置近傍に到達す
るまでの間たとえば２００μｓ保持される。

次に、弁部材１５．１６が着座位置に到達する程度にな
ると、充電スイッチング手段５は圧電素子１１への印加
電圧を第１の所定電圧３５０　Ｖから第２の所定電圧８
００ｖにする。この結果、弁部材１５．１６は一段階で
８００ｖを印加する場合に比べて低速で着座し、しかも
着座時の圧電素子の発生力は従来と同じく最大となり、
弁部材１５．１６は第２の所定電圧８００ｖによる閉弁
力を得てほとんどジャンピングなしに着座することにな
る。つまり、−段階充電でも二段階充電でも最終印加電
圧が同一であれば閉弁力は同一である。

弁または弁部材１５．１６の変位遅れによるＰ（油密室
）の上昇は１段目の電圧印加中に弁部材１５゜１６が動
き出すことにより吸収され、２段目の電圧印加８００ｖ
時には弁部材１５＝１６の移動応答遅れに起因した油圧
反力による電圧振動がなく、圧電素子１１の端子電圧ｖ
ｐｚｔのピーク値とフラット値とがほぼ一致する。この
ため、圧電素子１１の端子電圧ＶＰＺＴのピーク値を一
定とした場合、すなわち同じ耐電圧の圧電素子で比較す
ると一段階で充電完了するものに比べて充電完了後の端
子電圧ｖｐｚ’ｒのフラット値（印加電圧に相当）を大
きくすることができる。従って、大きな閉弁力を発生さ
せて更にジャンピングを抑制することも可能となる。

〔実施例〕

第３図は本発明に係る圧電素子の駆動装置の第１の実施
例を示す回路図である。第３図においては、第１１図の
コンデンサ４０代りに、１段目充電用コンデンサ４ａ及
び２段目充電用トランジスタ４ｂを設け、また、これに
対応して充電スイッチング回路５にサイリスク５１８　
、５１　ｂを設ける。

な右、電圧検出回路８は２段目充電用コンデンサ４ｂの
電圧を監視して高周波発振回路３１の動作を規制するも
のである。

第３図においては、サイリスクは１段目閉弁用サイリス
タ５１ａ、２段目閉弁用サイリスク５１ｂ１及び開弁用
サイリスタ６１が存在するために、第４図に示すサイリ
スタ点弧回路が制御回路（マイクロコンビ二一夕、図示
せず）に設けられる。すなわち、サイリスク点弧回路は
、３つの単安定マルチバイブレーク４１〜４３、遅延回
路４４、及び３つのドライバ回路４５〜４７を備えてい
る。ここで、単安定マルチバイブレーク４１は制御回路
内で発生する圧電素子駆動信号Ｓｄの立ち上がり時に一
定時間幅のパルスを発生し、ドライバ回路４５をオンに
して１段目閉弁用点弧信号Ｓ、を発生する。

また、単安定マルチバイブレーク４２は圧電素子駆動信
号Ｓ−を遅延回路４４で所定時間遅延後の立ち上がり時
に一定時間幅のパルスを発生し、ドライバ回路４６をオ
ンにして２段目閉弁用点弧信号ＳＩ′を発生する。さら
に、単安定マルチバイブレーク４３は圧電素子駆動信号
Ｓ、の立ち下がり時に一定時間幅のパルスを発生し、ド
ライバ回路４７をオンにして開弁用点弧信号Ｓ、を発生
する。

第３図の回路動作を第５図を参照して説明する。

圧電素子１１の充電前に充電信号Ｓｏにより高電圧発生
回路３を動作させ、この高電圧を２つのコンデンサ４ａ
、４ｂにより容量分割して蓄積する。高電圧発生回路３
において、高周波発振回路３１のパルス信号によってト
ランジスタ３３がオン、オフすると、オン時に昇圧トラ
ンス３２０１次側コイルに１次電流が流れてコアに磁束
エネルギーが蓄積され、次いで、トランジスタ３３０オ
ンからオフの際に、この磁束エネルギーがファラディの
法則に従って昇圧トランス３２の２次コイルに発生電圧
たとえば３００ｖとして現われる。高周波発振回路３１
のパルス信号のパルス幅が一定であればこの発生電圧も
一定である。この発生電圧はダイオード３４を介してコ
ンデンサ４ａ。

４ｂに蓄積され、ある時間後に、コンデンサ４ａ。

４ｂの電圧は昇圧トランス３２０２次側コイルの発生電
圧３００ｖと等しくなる。このとき、・この発生電圧３
００　Ｖは各コンデンサ４ａ、４ｂによって容量分割さ
れ、各コンデンサ４ａ、４ｂの端子電圧ｖ、、ｖｂは、ただし、Ｃａ、Ｃｂ　は各コンデンサ４ａ、４ｂの容量となる。

次に、１段目閉弁点弧信号Ｓ１が発生すると、サイリス
ク５１ａがオンとなり、したがって、コンデンサ４ａｓ
コイル５２、圧電素子１１が１つのＬＣ共振回路を構成
し、コンデンサ４ａの電荷は圧電素子１１に移送され、
圧電素子１１は充電される。この場合、上述のＬＣ共振
回路の存在のために、圧電素子１１の端子電圧ｖｐｚｖ
は、コンデンサ４ａの最終電圧より高くになり、また、
その後の自然転流によりサイリスク５１ａは確実にター
ンオフする。この結果、第９図の弁部材１５．１６が着
座位置に変位する程度の第１の所定電圧（３５０Ｖ）が
圧電素子１１に印加され、したがって、油密室の圧力Ｐ
（油密室）が前述のように急速に上昇、弁部材の部位に
伴い下降するが、第１の所定電圧は弁部材が着座位置に
到達する程度の低い電圧となっているために、Ｐ（油密
室）のピーク値は小さく、弁部材の打ち出し力（初期発
生力）も小さくなり、弁部材の移動速度は小さく抑えら
れる。

このとき、圧電素子１１の端子電圧ＶＰ２ｔも油密室の
圧力Ｐ（油密室）の反力により上昇後下降するが同様に
ピーク値は小さくなる。

次に、弁部材１５．１６が着座位置近傍に到達する程度
の所定時間後に２段目閉弁点弧信号８１′が発生すると
、サイリスク５１ｂがオンとなり、したがって、コンデ
ンサ４ｂ、コイル５２、圧電素子１１が１つのＬＣ共振
回路を構成し、コンデンサ４ｂの電荷は圧電素子１１に
移送され、圧電素子１１はさらに充電されてたとえばそ
の印加電圧は８００ｖとなる。この場合、上述のＬＣ共
振回路の存在のために、圧電素子１１の端子電圧ｖｐｚ
ｔは、コンデンサ４ａ、４ｂの合計電圧より高くになり
、また、その後の自然転流によりサイリスク５１ｂは確
実にターンオフする。この結果、弁部材１５．１６は一
段階で８００ｖを印加する場合に比べて低速で着座し、
しかも着座時の圧電素子１１０発生力は従来と同じく最
大となり、弁部材１５．１６は電圧８００ｖによる閉弁
力を得てほとんどジャンピングなしに着座することにな
る。

上述状態で、所定期間後、開弁点弧信号Ｓ２を発生する
と、サイリスタ６１がオンとなり、したがって、圧電素
子１１およびコイル６２が１つのＬＣ共振回路を構成し
、圧電素子の電荷は放電される。この場合、上述のごと
く、ＬＣ共振回路の存在のために、圧電素子１１の端子
電圧ＶＰＺ↑は、Ｏｖより低く、たとえば−１５０ｖと
なり、また、その後の自然転流によりサイリスタ６１は
確実にターンオフする。

このように、第３図の回路により圧電素子１１の充電電
圧は２段階制御される。

第６図は本発明に係る圧電素子の駆動装置の第２の実施
例を示す回路図である。第６図においては、第３図と異
なり、１段目充電用コンデンサ４ａ及び２段目充電用コ
ンデンサ４ｂを並列接続してあり、したがって、充電信
号Ｓｏにより２つのコンデンサ４ａ、４ｂはほぼ同一の
電圧に充電される。なお、ダイオード４ｃは逆流防止用
である。すなわち、各コンデンサ４ａ、４ｂの端子電圧
Ｖ−＝　Ｖｂは、ｖ、　＝ｖｂ　＝　３００Ｖである。

第６図の回路動作を第７図を参照して説明する。

圧電素子１１の充電前に充電信号Ｓｏにより高電圧発生
回路３を動作させ、この高電圧を２つのコンデンサ４ａ
、４ｂにより同時に蓄積する。

次に、１段目閉弁点弧信号Ｓ、が発生すると、サイリス
ク５１ａがオンとなり、したがって、コンデンサ４ａｓ
コイル５２、圧電素子１１が１つのＬＣ共振回路を構成
し、コンデンサ４ａの電荷は圧電素子１１に移送され、
圧電素子１１は充電される。この場合、上述のＬＣ共振
回路の存在のために、圧電素子１１の端子電圧ｖｐｚｔ
は、コンデンサ４ａの最終電圧より高くになり、また、
その後の自然転流によりサイリスタ５１ａは確実にター
ンオフする。

次に、所定時間後に２段目閉弁点弧信号３　、　／が発
生すると、サイリスク５１ｂがオンとなり、したがって
、コンデンサ４ｂ、コイル５２、圧電素子１１が１つの
ＬＣ共振回路を構成し、コンデンサ４ｂの電荷は圧電素
子１１に移送され、圧電素子１１はさらに充電される。

この場合、上述のＬＣ共振回路の存在のために、圧電素
子１１の端子電圧ＶＰＺＴは、コンデンサ４ｂの最終電
圧より高くになり、また、その後の自然転流によりサイ
リスク５１ｂは確実にターンオフする。

上述状態で、所定期間後、開弁点弧信号Ｓ２を発生する
と、サイリスタ６１がオンとなり、したがって、圧電素
子１１およびコイル６２が１つのＬＣ共振回路を構成し
、圧電素子の電荷は放電される。この場合、上述のごと
（、ＬＣ共振回路の存在のために、圧電素子１１の端子
電圧ＶＰＺ？は、Ｏｖより低く、たとえば−１５０Ｖと
なり、また、その後の自然転流によりサイリスタ６１は
確実にターンオフする。

このようにして、第２の実施例においても、第１の実施
例と同様に、圧電素子１１の充電電圧は２段階制御され
る。

第８図は本発明に係る圧電素子の駆動装置の第３の実施
例を示す回路図である。第８図においては、第６図にお
ける１段階充電用コンデンサ４　ａ　ｓ及び２段階充電
用コンデンサ４ｂの別個の高電圧発生回路３．３′によ
って充電するようにしたものである。この場合には、第
１及び第２の実施例に比べて装置が大型化するが、充電
能力を大きくできるという利点がある。なお、第８図の
回路動作は第６図の回路動作とほぼ同一である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、圧電素子の印加電
圧を２段階的に上昇せしめているので、弁部材のジャン
ピングを防止でき、したがって、燃料噴射弁に適用した
場合には、時間対噴射量線形特性の劣化、噴射初期時の
噴射率の振動、噴射圧力の低下等を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成を示す図、第２図は本発明の作用を示すタイミング図、第３図は本
発明に係る圧電素子の駆動装置の第１の実施例を示す回
路図、第４図は第３図の点弧信号を生成する点弧回路の回路図
、第５図は第３図の回路動作を示すタイミング図、第６図
は本発明に係る圧電素子の駆動装置の第２の実施例を示
す回路図、第７図は第６図の回路動作を示すタイミング図第８図は
本発明に係る圧電素子の駆動装置の第３の実施例を示す
回路図、第９Ａ図は圧電素子をアクチ二エータとして用いた燃料
噴射弁の一例を示す縦断面図、第９Ｂ図は第９Ａ図を簡
略化した図、第１Ｏ図は従来の圧電素子の駆動装置の回路図、第１１
図は第１０図の動作を示すタイミング図である。ｌ・・・バッテリ、２・・・イグニッションスイッチ、３・・・高電圧発生回路、４．４ａ、４ｂ・・・コンデンサ、５・・・充電スイッチング回路、６・・・放電スイッチング回路、１１・・・圧電素子。Ｓ＋（閉弁）第図第９Ｂ図Ｓ＋（閉弁）第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

１．圧電素子（１１）の変位を液体を介して弁部材（１
５，１６）に伝達して該弁部材を閉弁、開弁する駆動装
置であって、高電圧発生手段（３）と、前記弁部材を閉弁させるために、前記高電圧発生手段の
高電圧により前記圧電素子に前記弁部材が着座位置に到
達する程度の第１の所定電圧を印加し、さらに、該弁部
材が前記着座位置に到達する程度の時間に相当する所定
時間後に、該圧電素子の印加電圧を前記第１の所定電圧
より高い第２の所定電圧にする充電スイッチング回路（
５）と、前記弁部材を開弁するために前記圧電素子の電
荷を放電させる放電スイッチング手段（６）とを具備す
る圧電素子の駆動装置。