JPH03120768A - 圧電アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

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、圧電素子からなる圧電アクチュエータに印加
する電圧を調整する圧電アクチュエータの駆動装置に関
する。

［従来の技術］ 従来より、ＰＺＴなどの圧電素子を利用して所定変位を
得る圧電アクチュエータは、高精度制御が可能で、かつ
、高速応答性を実現できるために広い部門で採用されて
いる。

上記圧電アクチュエータを駆動するには、目標としてい
る変位に応じた電圧を圧電アクチュエータに印加する必
要があり、このための駆動装置として第７図に示す駆動
装置が用いられている。

これは、圧電素子への印加電圧を±５００Ｖ程度、駆動
周波数をＤＣ〜数百Ｈｚで使用するものであって、以下
に示す装置構成を有する。

定電圧を出力する定電圧電源回路Ｃｖは、パワーアンプ
部ＡＭＰを介して圧電アクチュエータＡＣＴに接続され
ている。この圧電アクチュエータＡＣＴの変位値を検出
する変位センサＨＣの出力と目標変位値とは制御回路Ｃ
ＯＮに入力さね　この２種の情報に基づき制御回路ＣＯ
Ｎはパワーアンプ部ＡＭＰの作動を制御する。

この様な圧電アクチュエータの駆動装置を用いることに
より、圧電アクチュエータの印加電圧値は目標変位値を
得る最適値にフィードバック制御されることとなる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の圧電アクチュエータの駆動装置も未だに
十分なものではなく、次のような課題が残されている。

まず、駆動装置の構成五　定電圧電源回路Ｃｖは、圧電
アクチュエータＡＣＨに印加する最大電圧値を上回る高
電圧を発生する能力が要求される。

このため、定電圧電源回路ＣＶとして高電圧源が採用さ
札　装置が大型化し、電力損失および発熱量が増大して
いる。更に、圧電アクチュエータＡＣＴに正・負（±）
の電圧を印加しなければならないシステムの場合には、
定電圧電源回路ＣＶにてこれに対処するため正・負の電
圧を発生する必要があり、−層の装置の大型化を招いて
いる。

また、圧電アクチュエータＡＣＴに加える目標電圧値を
パワーアンプ部ＡＭＰで制御しているが、このパワーア
ンプ部ＡＭＰでの電力損失が圧電アクチュエータの消費
電力に比較して大きいために電力効率が低くなり、かつ
、放熱容量が増大している。

本発明は上記課題を解決するためになさ１れたもので、
圧電アクチュエータに所望の変位を発生させる高電圧の
発生部を小型かつ軽量として汎用性を向上させると共に
、その効率を向上させ、　しかも圧電アクチュエータを
高速　高精度に駆動することのできる圧電アクチュエー
タの駆動装置を提供することを目的としている。

なお、本願出願人は、特願昭６３−１９８４３６号にお
いて上記目的を達成する圧電アクチュエータの駆動装置
を既に提案している。前回の提案にかかる圧電アクチュ
エータの駆動装置（よ　構成がきわめて簡略的であり、
経済性に優れたものである。しかし反面、圧電アクチュ
エータを充放電する際の動作がこれを実行するスイッチ
ング素子のスイッチング特性に大きく依存することから
、更に汎用性に優ね　如何なる特性のスイッチング素子
を使用しても安定した動作が確保される新たな圧電アク
チュエータの駆動装置を今回提案するものである。

発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために本発明の構成した手段は、 圧電素子からなる圧電アクチュエータに印加する電圧値
を調整し、該圧電アクチュエータの変位値を目標変位値
に制御する圧電アクチュエータの駆動装置において、 前記目標変位値に基づき、前記圧電アクチュエータに印
加する印加電圧値を決定する電圧決定手段と、 前記圧電アクチュエータの充電電圧値を検出する充電電
圧検出手段と、 該充電電圧検出手段の検出した充電電圧値が前記電圧決
定手段の決定した印加電圧値より低いとき、電源電圧を
印加電圧値にまで変圧して圧電アクチュエータに印加す
る電圧印加手段と、前記充電電圧値が前記印加電圧値よ
り高いとき、少なくとも当該充電電圧値及び印加電圧値
に基づき決定した放電期間に限り前記圧電アクチュエー
タを放電回路に接続して前記圧電アクチュエータに充電
された充電電荷を放電する放電手段と、を備えることを
特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置をその要旨と
している。

［作用］ 本発明の圧電アクチュエータの駆動装置により駆動され
る圧電アクチュエータは、−船釣な圧電アクチュエータ
であり、電気的には容量と等価である。従って、圧電ア
クチュエータ（友　供給された電荷を蓄える特性がある
。そこで、本発明の駆動装置における充電電圧検出手段
（友　圧電アクチュエータの充電電圧値を検出する作用
を有し、制御に際して圧電アクチュエータの電気的初期
値を検出する。

また、本発明の駆動装置の電圧決定手段は、圧電アクチ
ュエータに発生させる目標変位値から、圧電アクチュエ
ータに印加する印加電圧値を決定する。

上記充電電圧検出手段及び電圧決定手段により、圧電ア
クチュエータの制御に必要な情報が得られると、以下の
作用を奏する電圧印加手段または放電手段が択一的に作
動する。

電圧印加手段は、充電電圧検出手段の検出した充電電圧
値が電圧決定手段の決定した印加電圧値より低いとき、
すなわち圧電アクチュエータに印加する電圧を現在の充
電電圧値よりも高く制御する必要があるとき作動する。

そして、電源電圧を印加電圧値にまで変圧した電圧を圧
電アクチュエータに印加する。

放電手段（よ　充電電圧値が前記印加電圧値より高いと
き、すなわち圧電アクチュエータに印加すべき電圧が充
電電圧値より低く制御する必要があるとき作動し、少な
くとも充電電圧値及び印加電圧値に基づき決定した放電
期間に限り圧電アクチュエータを放電回路に接続する。

圧電アクチュエータに蓄積された充電電荷１ｉ　　放電
回路の時定数Ｔにしたがった放電特性で放電し、その関
係式は次式となる。

ＶＡ＝ＶＯ（１−ｅ−”ノｖａｔ）　　　　　　　　　
　　　−（１）ここで、ＶＡは充電電圧値であり、この
値を印加電圧値と等しくすることが制御の目的である。

また、ＶＯは圧電アクチュエータの現在の電圧（ｉすな
わち初期電圧値である。

（１）式より明らかなように放電時間ｔは、目標とする
印加電圧イ直　充電電圧値及び時定数丁の３つに大きく
左右される。しかし、時定数Ｔは、放電回路の電気抵抗
及び圧電アクチュエータの等価容量より決定されるもの
で、略一定値である。

そこで、印加電圧値及び充電電圧値の２つより、放電時
間ｔの理想的な値を予め決定することができる。そして
、こうして決定された放電時間ｔだけ圧電アクチュエー
タの充電電荷を放電させるように装置を構成すれば、装
置を構成する各電気素子の特性に左右されることなく、
目的としている圧電アクチュエータの充電電圧の制御が
達成される。

以下、本発明の圧電アクチュエータの駆動装置をより具
体的に説明するために、実施例を挙げて詳述する。

［実施例］ 第１図は、加圧された燃料を指令された期間（燃料噴射
時間）にわたってディーゼルエンジンに噴射供給する燃
料噴射弁の駆動部に、圧電アクチュエータを利用したシ
ステムの概略図である。

図示するように、ディーゼルエンジン１の各気筒に［＆
　　その燃焼室へ燃料噴射を実行する燃料噴射弁３　（
３ａ、　　３ｂ、　　３ｃ、　　３ｄ）が設けられてい
る。このディーゼルエンジン］への吸気は、過給機５よ
り吸気マニホールド７を介して行われる。

燃料噴射弁３は圧電アクチュエータを利用した公知の構
成であり、燃料が噴射される噴射孔を開閉するニードル
弁と内蔵する圧電アクチュエータ９　（９ａ、９ｂ、９
ｃ、９ｄ）とをリンクし、その圧電アクチュエータ９の
伸縮によりニードル弁を駆動する。この様な燃料噴射弁
３は、燃料供給管１１を介して各気筒に共通の燃料蓄圧
管１３に連結される。燃料蓄圧管１３はその内部に容積
−定の蓄圧室１５を有し、この蓄圧室１５内の燃料が燃
料供給管１］を介して燃料噴射弁３に供給される。

一方、蓄圧室１５（上　燃料供給管１７を介して吐出圧
制御可能な燃料供給ポンプ１９の吐出口に連結さ札　燃
料供給ポンプ１９から所定圧力にまで加圧された燃料の
供給を受けている。この燃料供給ポンプ１９へは、燃料
ポンプ２１より燃料リザーバタンク２３内の燃料が圧送
されている。

また燃料噴射弁３は、それぞれ燃料返戻導管２５を介し
て燃料リザーバタンク２３に連結される燃料の循環経路
を形成しており、ディーゼルエンジン１に対して噴射供
給されなかった燃料をリザーバタンク２３へ返送する。

なお、燃料ポンプ２１は燃料リザーバタンク２３内の燃
料を燃料供給ポンプ１９内に送り込むために設けられて
おり、燃料ポンプ２１がなくても燃料供給ポンプ１９内
に燃料を吸込むことが可能な場合には燃料ポンプ２１を
特に設ける必要はない。

ディーゼルエンジン１には運転状態を検出するために、
クランク軸の回転数を検出する回転数センサ２７、所定
クランク角度において信号を出力する気筒判別センサ２
９、エンジンの冷却水温を検出する冷却水温センサ３１
、過給圧を検出する過給圧センサ３３及び蓄圧室］５内
の燃圧乞検出する燃料圧センサ３５等が設けられている
。更に、ディーゼルエンジン１への要求負荷を検出する
ために、アクセルペダル３７の踏込量を検出するアクセ
ルセンサ３９が備えられている。

バッテリ４１は、通常の車載用の＋１２Ｖ電圧源であり
、図示するようにエンジンコントローラ４３及び各燃料
噴射弁３に内臓の圧電アクチュエータを駆動する圧電ア
クチュエータ駆動装置４５に電力を供給している。ここ
で、エンジンコントローラ４３と１よ　上述した各セン
サの出力に基づいてディーゼルエンジン１の燃料噴射量
及び燃料噴射時期を算出し、圧電アクチュエータ駆動装
置４５に目標変位値Ｖｘを示す信号ＳＶｘを出力すると
共に燃料供給ポンプ１９を駆動するポンプ駆動装置４７
に制御信号を出力するものである。

従って、エンジンコントローラ４３には高速　高精度の
情報処理能力が要求さ札　これを満足するためにＣＰＵ
、ＲＯＭ、ＲＡＭを中心とした論理回路により構成され
ている。

次に、圧電アクチュエータ駆動装置４５の構成を第２図
に基づいて説明する。圧電アクチュエータの駆動装置４
５は、燃料噴射弁３の内蔵する各圧電アクチュエータ９
ａないし９ｄをそれぞれ独立に駆動するために、４系統
の駆動ブロック４５１ ａないし４５ｄを有している。これら４系統の駆動ブロ
ック４５ａないし４５ｄは相互に同一の構成であり、エ
ンジンコントローラ４３から入力される目標変位値信号
５ＶｘＯ値及びその入力タイミングが異なるにすぎない
。従って、第２図には圧電アクチュエータ９ａを駆動す
る駆動ブロック４５ａのブロック図のみを示し、他の駆
動ブロックの説明は重複を避けるために省略する。

第２図に示す駆動ブロック４５．ａは、大別するならば
、圧電アクチュエータ９ａの変位を検出する変位センサ
５０、該変位センサ５０の検出信号である変位フィード
バック信号Ｖｆとエンジンコントローラ４３からの目標
変位値信号５Ｖｘａとに基づき指令値１Ｖｉｌ及び駆動
信号Ｖｄを出力する制御回路６０、その指令値　Ｖｌ　
及び駆動信号ｖｄを受けて圧電アクチュエータ９ａに駆
動電圧Ｖｐを出力するパワー回路７０の３つの部位によ
り構成される。なお、本実施例では、圧電アクチュエー
タ９ａに現れる変位Ｘと印加される駆動電圧Ｖｐとは、
比例関係にあるものとして説明２− する。

まず、制御回路６０について説明する。

変位センサ５０からの変位フィードバック信号Ｖｆとエ
ンジンコントローラ４３からの目標変位値信号Ｓ　Ｖ　
ｘ　ａ　ｉｔ、　　演算制御回路６２に入力さねここで
圧電アクチュエータ９ａに印加する駆動電圧Ｖｐの指令
値ｖ１が算出される。すなわち、現在の圧電アクチュエ
ータ９ａの変位値と目標変位値とを比較し、現実の圧電
アクチュエータ９ａの変位値を目標変位値に追値制御す
るために必要な信号を指令値Ｖ１として算出するのであ
る。従って、演算制御回路６２は、制御対象である圧電
アクチュエータ９ａの駆動特性に基づいた演算が実行さ
れるよう構成される。

演算制御回路６２より出力される指令値Ｖｉは絶対値回
路６４に入力さね　ここで絶対値に変換されて実際にパ
ワー回路７０に与える指令値　Ｖｉ　が作成される。こ
れは、目標変位値５Ｖｘａと変位フィードバック信号Ｖ
ｆとの演算結果である指令値Ｖｉは「正」　・　「負」
に渡って変化するが、本実施例のパワー回路７０では常
に「正」の電圧を発生し、その極性を適宜反転して圧電
アクチュエータ９ａに印加する構成を採用するためであ
る。

演算制御回路６２の指令値Ｖ　ｉ　Ｉｉ　　極性切替・
充放電コントローラ６６にも入力される。そして、この
極性切替・充放電コントローラ６６にて、圧電アクチュ
エータ９ａに印加する電圧の極性及び充電または放電の
別を決定し、その決定に従った駆動信号Ｖｄを出力する
。この様な決定の条件判断のため、極性切替・充放電回
路６６には指令値ｖ１の他に圧電アクチュエータ９ａに
印加されている駆動電圧Ｖｐを検出するモニタ回路６８
の検出結果（モニタ値Ｖｍ）が入力される。以下に、こ
の極性切替・充放電コントローラ６６の詳細な構成及び
機能について説明する。

極性切替・充放電コントローラ６６は、極性及び充放電
の切替を所定の基本クロックＴｂに同期して制御するた
め、正確に基本クロックＴｂを発信する基本クロック発
信回路６６ａを内蔵している。なお、この基本クロック
発信回路６６ａの発信周波数は、制御の応答性の面から
圧電アクチュエータ９ａの駆動周波数に比較して１桁程
高い値が望ましい。

基本デユーティ算出回路６６ｂは、圧電アクチュエータ
９ａの充電電荷を放電する場合の放電期間を決定する回
路であり、指令値ｖ１とモニタ値Ｖｍとから放電期間を
決定する。指令値ｖ１とモニタ値Ｖｍとの差△Ｖ（＝Ｖ
ｍ−Ｖｉ）が大きいほど圧電アクチュエータ９ａに不用
な充電電荷が残存していることを意味しており、この不
用な充電電荷を放電する期間として長い期間が必要とな
る。そこで、基本デユーティ算出回路６６ｂでは、指令
値Ｖｉとモニタ値Ｖｍとの差△Ｖから以下のようにして
放電期間を決定する。

前述のごとく極性切替・充放電回路６６は、基本クロッ
クＴｂに同期して圧電アクチュエータ９ａの充放電を実
行する基本構成を採る。このため基本デユーティ算出回
路６６ｂは、基本クロックＴｂに対するデユーティ比の
形式で放電期間を算５− 出する。第３図は、基本デユーティ算出回路６６ｂに内
蔵された基本デユーティ算出テーブルの説明図である。

図示するごとく基本デユーティ算出テーブル（よ　縦軸
に基本デユーティＤｂ、　　横軸に△■をとる右上がり
特性であり、定性的にも明らかなように差△Ｖが大きく
なるほど大きなデユーティＤｂが算出される。

更に、極性切替・充放電回路６６で（よ　基本デユーテ
ィ算出回路６６ｂにより算出された基本デユーティｏｂ
を補正して、放電期間の適正化を図っている。すなわち
、現在の圧電アクチュエータ９ａの充電電圧値であるモ
ニタ値Ｖｍが大きいほど、同一放電期間に放電される電
荷量は大きくなる。このため、基本デユーティ算出回路
６６ｂにて算出した基本デユーティＤｂを、モニタ値Ｖ
ｍの大きさに基づいて補正するデユーティ補正回路６６
ｃを内蔵している。このデユーティ補正回路６６ｃの補
正特性は第４図に示すごときものであり、モニタ値Ｖｍ
が大きいほど小さなデユーティ補正係数ｋ（１≦ｋ〈０
）が選択さね　そのデュ６一 ティ補正係数ｋを用いて次式により最終的な放電デユー
ティＤｋを決定する。

Ｄｋ＝ＤｂＸｋ この様にして最終的な放電デユーティＤｋが決定するた
め、基本クロックＴｂとの関係から放電期間Ｔｈ　（＝
ＴｂＸＤｋ）が定まる。

以上のごとくして算出される放電期間Ｔｈ、指令値Ｖｉ
及びモニタ値Ｖｍの３つの情報に基づいて駆動パターン
算出回路６６ｄが作動し、下記する表１のような６系統
の駆動信号Ｖｄを出力する。

なお、表１において記号「Ｈ」とは駆動信号Ｖｄを受は
取るｎｐｎタイプのトランジスタＴｒを導通状態とする
に充分なＨｉｇｈ信号を、記号「Ｌ」とはトランジスタ
Ｔｒを遮断状態とするに充分なＬｏｗ信号を表している
。

また、表中のＬ　（Ｔｈ）、　　Ｈ（Ｔｈ）とは、　ｒ
ＬＪ、　　ｒＨ」信号を前述した放電期間Ｔｈに限定し
て出力する場合表示しており、表１に示す指令値ｖ１と
モニタ値Ｖｍとの関係が成立した時点を始期として期間
Ｔｈにわたる信号「Ｌ」または１）ＩＪを出力すること
を意味している。

表１ 次に、上述のごとくして制御回路６０から出力される指
令値ｌＶｉ　ｌ及びＡ−Ｆの６系統の駆動信号Ｖｄを入
力し、バッテリ４１の電圧を適宜変圧して圧電アクチュ
エータ９ａに駆動電圧Ｖｐとして印加するパワー回路７
０について説明する。

パワー回路７０は、バッテリ４］の電源電圧を制御回路
６０から入力される指令値１ｖ１１に応じて変圧する可
変電圧昇圧部８０と、該可変電圧昇圧部８０から出力さ
れる出力電圧Ｖｏを正・逆の極性に切り替えて圧電アク
チュエータ９ａに印加しまたは圧電アクチュエータ９ａ
の充電電荷を放電させる極性切替・充放電部９０との２
つの部分から成る。

初めに、可変電圧昇圧部８０につき説明する。

バッテリ４１の電源ラインは、可変電圧昇圧部８０の一
部であるチョッパ回路８１を介して昇圧トランス８２０
１次側に接続されている。従って、昇圧トランス８２の
１次側はチョッパ回路８］のスイッチング動作により断
続的に励磁さ札　昇圧トランス８２の２次側にはチョッ
パ回路８］のスイッチング周波数及び昇圧トランス８２
の巻線比に基づいた電圧が誘起される。こうして昇圧ト
ランス８２の２次側に誘起された交流の電圧は、整流・
平滑回路を経て安定した直流電圧（出力電圧Ｖｏ）に変
換されて出力される。

上記チョッパ回路８１のスイッチング・タイミングを制
御し、出力電圧ＶｏＯ値を指令値１ｖ１９− に応じて変更する作用を奏するものがＰＷＭコントロー
ラ８４である。すなわち、ＰＷＭコントローラ８４は、
可変電圧昇圧部８０の出力電圧ＶＯを検出する電圧検出
回路８５と指令値１ｖｉ　ｌとの差を増幅する誤差増幅
器８６及び可変電圧昇圧部８０の出力電流を検出する電
流検出回路８７の出力を入力し、出力電圧Ｖｏをフィー
ドバックして指令値１ｖｉ　ｌとの対応を確保している
。

更に、可変電圧昇圧部８０の出力は、前記極性切替・充
放電コントローラ６６の出力する６系統の駆動信号Ｖｄ
に基づき作動する極性切替・充放電部９０に入力される
。

この極性切替・充放電部９０の詳細な構成を第５図に表
している。図示するように極性切替・充放電部９０は、
スイッチング素子として使用するトランジスタＴｒａ、
Ｔｒｂ、Ｔｒｃ、Ｔｒｄをブリッジ接続し、更にトラン
ジスタＴｒｂと並列に抵抗器Ｒ及びトランジスタＴｒｅ
を、　トランジスタＴｒｃと並列に抵抗器Ｒ及びトラン
ジスタＴｒｆを接続している。そして、その出力端子が
制＝２０− 御対象である圧電アクチュエータ９ａの両端に接続され
る。なお、抵抗器Ｒの抵抗値ｒは、圧電アクチュエータ
９ａの有する電気的容量Ｃ１各トランジスタＴｒのスイ
ッチング性能及び圧電アクチュエータ９ａの駆動周波数
などを総合的に判断し、適宜決定される値である。

これら６個のトランジスタＴｒのベース信号、すなわち
ＯＮ１０　Ｆ　Ｆ信号として極性切替・充放電コントロ
ーラ６６から出力される６系統の駆動信号Ｖｄが用いら
札　駆動信号Ｖｄの出力がｒｌ−ＩＪのトランジスタＴ
ｒはＯＮ状態となり、　ｒｌ」のトランジスタＴｒはＯ
ＦＦ状態となる。また、その接続方式１よ　図示するよ
うに各トランジスタＴｒの添え字ｒａＪないし「ｆ」と
駆動信号Ｖｄの出力系統「Ａ」ないし「Ｆ」との対応を
取って行われている。

６系統の駆動信号Ｖｄが前記表１に示した仕様で出力さ
れるため、これを受けて作動する極性切替・充放電部９
０は次のようにして圧電アクチュエータ９ａの駆動電圧
Ｖｐを制御する。

まず、指令値Ｖｉ≧Ｏであり、圧電アクチュエータ９ａ
に「正」方向の電圧を印加すべき場合につき説明する。

このとき、更に指令値Ｖ１≧モニタ値Ｖｍであれば、圧
電アクチュエータ９ａに現在印加されている電圧を更に
上昇させる必要がある。従って、トランジスタＴｒａ、
Ｔｒｃに対してのみ「Ｈ」信号が出力さね　圧電アクチ
ュエータ９ａに可変電圧昇圧部８０にて出力されている
出力電圧Ｖ。

がそのままの極性で印加される。こうして圧電アクチュ
エータ９ａの印加電圧を上昇させて発生変位を目標変位
に近づけるが、この発生変位は変位センサ５０によって
検出さね　制御回路６０にフィードバックされるために
、圧電アクチュエータ９ａの発生変位が正確に目標変位
となるように印加される駆動電圧Ｖｐは更に微調整され
る。

逆慝　指令値Ｖｉ＜モニタ値Ｖｍであるときには、圧電
アクチュエータ９ａの端子電圧を降下させる必要がある
。この場合には、それまで「Ｈ」信号が出力されていた
トランジスタＴｒａに［Ｌ（Ｔｈ）Ｊ信号を出力し、　
トランジスタＴｒｃｌ：継続して「Ｈ」信号を出力する
と共に、新たにトランジスタＴｒｅにｒ　ｌ−１（Ｔｈ
）Ｊ信号を出力する。これにより、圧電アクチュエータ
９ａにはトランジスタＴｒｃ、抵抗器Ｒ及びトランジス
タＴｒｅを経路とする放電回路が期間Ｔｈにわたって形
成さ札圧電アクチュエータ９ａの有する電気的容量Ｃと
放電回路内の抵抗器Ｒの抵抗値ｒで決定される時定数に
従った充電電荷の放電が開始される。

すなわち、指令値Ｖ１≧０の場合には、トランジスタＴ
ｒｃｌ二対して常時ｒｌ−ＩＪ信号が出力さ札圧電アク
チュエータ９ａの充電状態から放電状態への切り替えは
トランジスタＴｒａへの出力を「Ｈ」信号からｒ　Ｌ　
（Ｔｈ）Ｊ信号へ、　トランジスタＴｒｅへの出力をｒ
ＬＪ信号からｒ　Ｈ（Ｔｈ）Ｊ信号へ切り替えることで
達成される。しかも、その放電期間はトランジスタＴｒ
ａ、Ｔｒｅへ出力する［しくＴｈ）ｊ信号あるいはｒ　
ｌ−１（Ｔｈ）Ｊ信号の出力される期間Ｔｈによって一
義的に決定される。

こうした極性切替・充放電部９０の作動による３− 圧電アクチュエータ９ａの端子電圧の変化を、第６図に
図示している。図に示すように極性切替・充放電部９０
の各トランジスタＴｒは、駆動信号Ｖｄに基づいてＯＮ
状態あるいはＯＦＦ状態に制御される。

図において区間Ａは、指令値ｖ１≧０．指令値ｖ１≧モ
ニタ値Ｖｍの場合であり、このときトランジスタＴｒａ
、Ｔｒｃｈ＜ＯＮ状態に制御さね指令値ｖ１と圧電アク
チュエータ９ａに印加される駆動電圧Ｖｐとは完全に一
致しつつ推移する。

なお、圧電アクチュエータ９ａの入力インピーダンスは
大きく駆動電圧Ｖｐとモニタ値Ｖｍはほぼ同一電位と考
えてよい。従って、現実の圧電アクチュエータ９ａの電
位であるモニタ値Ｖｍは、指令値Ｖｉに正確に追随制御
されることになる。

また、指令値ｖ１≧０．指令値Ｖｉ＜モニタ値Ｖｍとな
る区間Ｂにおいては、圧電アクチュエータ９ａの充電電
荷を放電させて端子電圧を降下させる必要がある。そこ
で、その時点でのモニタ値Ｖｍ及び指令値Ｖｉに基づい
て前述のごとく算出２４ された期間ＴｈにわたりトランジスタＴｒａをＯＦＦ状
態とする信号ｒ　Ｌ　（Ｔｈ）Ｊ、　トランジスタＴ「
ｅをＯＮ状態とする信号ｒ　）−１（Ｔｈ）Ｊが出力さ
ね放電回路の時定数に応じた特性でモニタ値ｖｍが降下
する。そして、その期間Ｔｈを経過し、かつ、次の放電
期間に至るまでの期間（Ｔｂ−Ｔｈ）には、　トランジ
スタＴｒｅに替わってトランジスタＴｒａが再びＯＮ状
態に制御されるため、指令値Ｖｉに一致した駆動電圧Ｖ
ｐが再度圧電アクチュエータ９ａに印加される。この充
電−放電制御を繰り返すことで、圧電アクチュエータ９
ａのモニタ値Ｖｍｌｔ、　　第６図に示すように指令値
ｖ１に追随して変化する。

以上のような極性切替・充放電部９０の回路動作は、指
令値Ｖｉ＜０の期間には、ブリッジ回路の対称位置にあ
るトランジスタＴｔｌ：同様の駆動信号Ｖｄが与えられ
るため（表１参照）、上記と逆極性の電圧が印加さ札　
または逆方向への放電回路が形成される。従って、上記
同様に常に圧電アクチュエータ９ａの発生変位は、目標
変位に追値フィードバック制御されることになる。

このように構成さね　作動する本実施例の圧電アクチュ
エータの駆動装置によれば、次のような効果が明らかで
ある。

実施例の圧電アクチュエータの駆動装置（よ　指令値Ｖ
ｉの絶対値に基づいたチョッパ制御によりバッテリ４１
の電源電圧を最適値に昇圧し、圧電アクチュエータ９ａ
の駆動に要する高電圧を得る構成である。従って、重量
のある大型の高電圧電源を何隻必要とせず、装置を軽量
かつ小型に構成することができる。

また、極性切替・充放電部９０を備えるため、電圧源と
して「正」電圧を発生する簡易的構成のもので十分圧電
アクチュエータ９ａの制御が可能となる。これにより、
電源部の一層の小型イし　軽量化が達成される。

更に、実施例の圧電アクチュエータの駆動装置は、上記
のごとくディジタル技術を巧みに応用して高電圧を得る
が、一方、その電源部位に圧電アクチュエータ９ａの充
電電荷を引き込むことができない。しかし、実施例の極
性切替−充放電部９０は、圧電アクチュエータ９ａの充
電電荷を引き込む放電回路を駆動信号Ｖｄの指令により
簡単に形成することができ、充電電荷の放電に何隻支障
はない。しかも、その放電回路には、圧電アクチュエー
タ９ａの有する電気的容量Ｃ等に応じて適宜選択された
抵抗値ｒの抵抗器Ｒが挿入されている。このため、圧電
アクチュエータ９ａの駆動電圧Ｖｐが過放電により指令
値Ｖ１に比較して低下し過ぎることが回避され（第６図
参照）、圧電アクチュエータ９ａの制御能力がより向上
し、また電力源の有効利用が図られる。

しかも、圧電アクチュエータ９ａの充電電荷を放電させ
る放電期間Ｔｈ（友　極性切替・充放電回路６６によっ
て現在のモニタ値Ｖｍ及び指令値Ｖに基づき最適に制御
されている。このため、極性切替・充放電部９０を構成
するトランジスタＴｒのスイッチング特性等にばらつき
や不揃いがあっても、駆動装置は安定した充放電を実行
することが可能となり、安定性及び信頼性に優私　大量
７ 生産に適した汎用性を備える。

なお、上記実施例は、圧電アクチュエータ９ａの発生変
位は駆動電圧Ｖｐに比例するとして説明したが、これら
の関係がヒステリシス特性等を示すものであっても、制
御回路６０のロジックを変えることにより容易に対応で
き、上記実施例の制御精度、応答性を有する汎用性に富
むシステムが同様に、簡単に構成できる。

また、上記実施例では、極性切替・充放電部９０の構成
する放電回路を抵抗器Ｒ及びトランジスタＴｒｅまたは
Ｔｒｆを用いて構成し、圧電アクチュエータ９ａの放電
時には常に抵抗器Ｒを介してのみ充電電荷の放電が実行
されている。しかし、前述したごとく抵抗器Ｒは、圧電
アクチュエータ９ａの駆動周波数及び電気的容量Ｃ１ト
ランジスタＴｒのスイッチング性能等に応じて適宜決定
されるものである。従って、圧電アクチュエータ９ａの
駆動周波数を変更するシステムを構築する際には、各種
の抵抗値ｒｌ、　　ｒ２．　　ｒ３・・・の抵抗器を用
いて複数の放電回路を選択可能とするなど、−２８＝ 本発明の要旨を逸脱しない各種態様により具現化すれば
よい。

［発明の効果］ 以上　実施例を挙げて詳述したごとく本発明の圧電アク
チュエータの駆動装置は、圧電アクチュエータに加える
駆動電圧を必要な場合のみ発生して圧電アクチュエータ
に印加すると共に、圧電アクチュエータ充電電荷の放電
が必要な場合には充電電圧値及び印加電圧値に基づき決
定した放電期間に限り放電を実行し、その発生変位を目
標変位に追値フィードバック制御するものである。

従って、徒な電力消費および発熱が防止さねシステムの
省電力性および小型化性がそろって向上するほか、駆動
装置を構成する電気素子等のばらつきにも左右されず安
定した動作が確保さね汎用性に優れた効果を奏する。

また、圧電アクチュエータの放電を実行する放電手段に
は、圧電素子の有する容量に応じた時定数の放電回路を
備えている。このため、圧電アクチュエータの端子電圧
を低下させるときにも必要以上に充電電荷を放電するこ
とが回避さね　電源の有効利用が図られるほか、制御↑
生　応答性にも優ね　圧電アクチュエータへの印加電圧
及び圧電アクチュエータの変位のアナログ的な？１１御
が容易な圧電アクチュエータの駆動装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である圧電アクチュエータの駆
動装置を利用した燃料噴射システムの構成説明図、第２
図は同実施例の圧電アクチュエータ駆動装置のブロック
医　第３図は同実施例にて使用される基本デユーティ算
出用のテーブル説明医　第４図は同実施例にて使用され
るデユーティ補正係数算出用のテーブル説明医　第５図
は同実施例の極性切替・充放電部の電気回路は　第６図
は同実施例による圧電アクチュエータの電圧制御状態を
説明する説明は　第７図は従来の圧電アクチュエータ駆
動装置の構成説明図、を示している。 ９ａ・・・圧電アクチュエータ　４１・・バッテリ４５
ａ・・駆動ブロック図　　５３・・・変位センサ６０・
・・制御回路　　６６・・極性切替・充放電回路３ｌ− ６ａ・・・基本クロック発信回路 ６ｂ・・・基本デユーティ算出回路 ６ｃ・・・デユーティ補正回路 ６ｄ・・・駆動パターン算出回路 Ｏ・・・可変電圧昇圧部 ０・・・極性切替・充放電部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　圧電素子からなる圧電アクチュエータに印加する電
   圧値を調整し、該圧電アクチュエータの変位値を目標変
   位値に制御する圧電アクチュエータの駆動装置において
   、 前記目標変位値に基づき、前記圧電アクチュエータに印
   加する印加電圧値を決定する電圧決定手段と、 前記圧電アクチュエータの充電電圧値を検出する充電電
   圧検出手段と、 該充電電圧検出手段の検出した充電電圧値が前記電圧決
   定手段の決定した印加電圧値より低いとき、電源電圧を
   印加電圧値にまで変圧して圧電アクチュエータに印加す
   る電圧印加手段と、 前記充電電圧値が前記印加電圧値より高いとき、少なく
   とも当該充電電圧値及び印加電圧値に基づき決定した放
   電期間に限り前記圧電アクチュエータを放電回路に接続
   し、前記圧電アクチュエータに充電された充電電荷を放
   電する放電手段と、を備えることを特徴とする圧電アク
   チュエータの駆動装置。