JPH0350360A - 圧電素子駆動回路 - 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、機器のアクチュエータとして用いられる圧電
素子（ピエゾスタック）と、該圧電素子を電気的に駆動
し、所定の機械的変位を得る圧電素子駆動回路に係わり
、特に圧電素子の放電エネルギーを回生用トランスを通
じて電源に回生じ得る圧電素子駆動回路に関するもので
ある。

従来技術、および発明が解決しようとする課題高、低電
圧の印加により高い応答性をもって伸長または収縮する
圧電素子は、高速応答性が要求される各種機器のアクチ
ュエータとして利用されている。このアクチュエータの
一応用例としてディーゼルエンジンにおける燃料噴射装
置について説明する。

ディーゼルエンジンの燃料噴射装置としては、プランジ
ャで燃料を圧送するジャーク式噴射ポンプが多く採用さ
れている。ジャーク式噴射ポンプは、全プランジャを一
つのハウジングに納めた噴射ポンプ（集中型）と、各プ
ランジャを気筒毎に配置した噴射ポンプ（分離型）（ユ
ニツトインジエクタと称され、ポンプと噴射ノズル装置
とが一体になっている）とに分けられる。これらジャー
ク式ポンプにおいて、燃料噴射ポンプのプランジャ圧送
室、またはプランジャによって加圧された燃料を燃料噴
射ノズル装置へ送給する流路と燃料タンクとを連通し、
該連通路に圧電素子の伸縮作動によって開閉される制御
弁装置を介装し、もって燃料噴射ノズル装置に送られる
燃料の圧力を変化させ、運転条件に応じて燃料噴射率を
制御する装置が知られている（例えば、特開昭５９−１
８２４９号公報、特開昭６２−１７４５６１号公報参照
）。

この種の燃料噴射装置にあっては、圧電素子に単に高、
低電圧を切り替え印加するだけの制御が行われていた（
第８図参照）。すなわち、プランジャ圧送行程中に圧電
素子に高電圧が印加されると、圧電素子が伸長し制御弁
装置のスピル弁が全閉状態になって燃料噴射が開始され
、圧電素子に低電圧が印加されると、圧電素子が収縮し
スピル弁が全開状態になって噴射が終了する。

かかる燃料噴射装置（ユニットインジェクタ）にあって
は、スピル弁の開弁量がエンジン回転の高低にかかわら
ず一定であり、そのためエンジン高速回転時に該開弁量
が適正であっても、エンジン低速回転時にスピル弁が開
いて噴射が終了する際の噴射燃料切れが早過ぎ（すなわ
ち、プランジャ圧送室内の圧力降下が早過ぎ）、プラン
ジャ圧送室内の圧力が異常に低くなり、燃料噴射ノズル
を通じて燃料ガスが逆流し、あるいはパイロット噴射後
の主噴射が正常に行われないという欠点がある。本発明
者等はこの点について鋭意検討した結果、単に高→低電
圧を印加するのではなく、高電圧から低電圧への電圧降
下途中で中間レベルの駆動電圧（（Ｖ）：第９図参照）
を圧電素子に印加するのが、プランジャ圧送室内の残留
圧力を適正に制御して特にエンジン低速回転時における
燃料噴射ノズルからの燃料ガスの逆流を防ぐとともに、
パイロット噴射後の主噴射量の変動をなくすために有効
であることが判った。駆動電圧（■　）は、エンジン回
転数に応じてこれを変化させるのが望ましく、これを実
現する駆動回路は第１０図（図中、０１は圧電素子であ
る）に示されるように一組の直流電源を必要とし大型で
、しかもトランジスタを不飽和領域で使用するためエネ
ルギー効率が低いという欠点がある。特開昭６３−１３
４８３６号公報で提案された回路も同様な欠点がある。

すなわち、圧電素子充電回路および放電回路におけるス
イッチング・トランジスタを遮断状態にしたとき、二つ
の突入電流抑止用コイルの有するエネルギーが二つの抵
抗で消費され、しかもこれらの抵抗（放熱装置をも必要
とする）が装置を大型にするからである。

本発明は、かかる技術的背景の下に創案されたものであ
り、圧電素子を任意の電圧で駆動するための回路につき
、その高効率、小型化を図ることを目的とする。

課題を解決するための手段 この目的は、圧電素子を電気的に駆動し、所定の機械的
変位を得る圧電素子駆動回路であって、一次および二次
巻線を有し、その一次巻線に圧電素子が接続されるトラ
ンスと、該トランスの二次巻線に接続された電源と、上
述の圧電素子と前記トランスの一次巻線との接続回路に
介装され、その導通状態で圧電素子に蓄えられた電荷を
トランスを介して放電させるためのスイッチング素子と
、該スイッチング素子の駆動を制御することにより、圧
電素子の放電後の端子電圧を任意の値に制御する制御手
段とを備えた圧電素子駆動回路を提供することによって
達成される。・ 以下、図示の実施例について説明する。

実施例 第１図に圧電素子駆動用の回路１０が、第２図に各回路
構成単位の電圧、電流波形がそれぞれ示されている。回
路１０は、圧電素子２８の端子電圧（以下、ピエゾ電圧
と称する）を、段階的（高電圧→中間電圧（Ｖ　　）→
低電圧）に低下させるときの中間電圧（Ｖ　）、すなわ
ち圧電素子を放電させるときの中間電圧（Ｖ　　）を、
任意に制御するための回路であり、充電回路と放電回路
から成る。回路１０は、圧電素子２８に印加すべき電圧
に応じた出力電圧（例えば、５００Ｖ）を有する高圧電
源１２を包含する。この高圧電源１２は、通常の直流電
源（例えば、１２Ｖまたは２４Ｖのバッテリー）を用い
、公知のＤＣ−ＤＣコンバータ等で構成する。１４は高
圧電源１２の出力用コンデンサであり、該高圧電源１２
に対して並列に接続されている。リアクトル１６は、圧
電素子２８への充電電流を制限し、圧電素子２８の電圧
立ち上がり時間を決定する。

ピエゾ電圧を制御するための回路は、ピエゾ電圧を分圧
させるための抵抗３８．４０、コンパレータ３２、可変
抵抗３６、該可変抵抗３６の両端に定電圧を発生させる
ための定電圧電源３４、およびＡＮＤゲート４２を含ん
でおり、この制御回路による信号が１ＧＢＴ２０のゲー
ト（ベース）に入力されるようになっている。ＡＮＤゲ
ート４２からＧＢＴ２０への出力信号（“高”信号）は
、ＡＮＤゲート４２の二つの入力端子、すなわちコンパ
レータ３２からの信号を受ける端子と他の信号入力端子
４２ａとに対して同時に信号入力されるときに発せられ
る。

圧電素子２日、逆バイアス防１１−用ダイオード３０お
よび１ＧＢＴ２０を含む放電回路には、トランス２２の
一次巻線２２ａが介装されている。トランス２２の二次
巻線２２ｂは電源２６に接続され、該接続回路に二次巻
線２２ｂに対する電源２６の正電圧印加を防ぐためのダ
イオード２４が介装されている。

［回路１０の作動について］ サイリスタ１８および１ＧＢＴ２０（自己消弧型高速高
電圧耐圧スイッチング素子）に対し、第２図（ａ）、（
ｂ）に示されるような各ゲート信号が与えられる。ピエ
ゾ電圧が低電圧（■１）であるとき、サイリスタ１８を
ターンオンさせると、高圧電源１２、コンデンサ１４、
リアクトル１６および圧電素子２８（等価回路（第３図
）参照）にて構成される回路でＬＣＲ共振が発生し、第
２図（ｃｌ）に示されるような電流が圧電素子２８に流
れて、第２図（Ｃ）に示されるようにピエゾ電圧が上昇
する。ただし、圧電素子２８を流れる電流の向きが逆転
しようとすると（負電流のこと）、サイリスタ１８がタ
ーンオフし、共振は半周期で停止する。

次に、１ＧＢＴ２０をターンオンさせると、圧電素子２
８およびトランス２２の一次側インダクタンスでＬＣＲ
共振が発生し、ピエゾ電圧が低下し始める。この共振の
途中、第２図（Ｃ）に示されるようにピエゾ電圧が（Ｖ
　　）となったとき、１ＧＢＴ２０のゲート信号を低（
ｌａｗ）にして該１ＧＢＴ２０をターンオフさせると、
共振回路が遮断され、ピエゾ電流は零となり、ピエゾ電
圧が（Ｖ　　）に維持される。この瞬間、トランス２２
の二次側にフライバック電圧が発生し、同時にトランス
２２の持っていたエネルギーが電源２６に回生される（
第２図（ｅ）参照）。言い換えると、ピエゾ電圧が高電
圧（Ｖ）から中間電圧（Ｖ　　）に降下するとき、その
エネルギー差分が電源２６に回生されることによってピ
エゾ電圧が制御されるのである。

ピエゾ電圧の制御は、ピエゾ電圧を抵抗３８゜４０で分
圧してコンパレータ３２に入力し、可変抵抗３６により
設定された電圧と比較し、ピエゾ電圧が（Ｖ　　）にな
ったとき、１ＧＢＴ２０のゲート信号を低（ｌａｗ）と
することにより行われ得る。

また、１ＧＢＴ２０のターンオン時間で制御してもよい
。言い換えると、１ＧＢＴ２０のゲート信号を短いパル
スにすると（Ｖ　　）が高くなり、長いパルスにすると
（Ｖ　　）は低くなる。この場合、共振半周期よりも長
いパルスにしても共振は半周期で止まるため、ピエゾ電
圧はそれ以上下がらない。ただし、共振が半周期まで続
くのは、以下に述べる回生が行われないときのみである
。

１ＧＢＴ２０のゲート信号を十分長く与えると、上述の
ように共振が半周期まで続こうとするが、トランス２２
の巻数比を“ｎ：１″、電源２６の電圧をＥとしたとき
、ピエゾ電圧が“−ｎＥ［ｖ］まで下がるとトランス２
２の二次側に電圧（Ｅ［ｖ］）が発生し、電源２６に対
する回生が始０ まる。したがって、ピエゾ電圧は“−ｎＥ［ｖ＋以下に
はならず、余分のエネルギーは電源２６に回生される。

このことは、トランス２２の巻数比でピエゾ電圧の負側
に制限を与え得ることを意味している。この構成は、一
般に圧電素子を保護する上で重要である。すなわち、圧
電素子の電圧変位特性は第４図のようになり、電圧が成
る負電圧値（Ｖ　　）よりも小さくなると、圧電素子の
分極が反転し再び圧電素子が伸長し始める。この負電圧
範囲での使用は、圧電素子の耐久性を悪化させるだけで
なく、制御が複雑になる。また、分極反転しないまでも
反転電圧付近の電圧を印加すると分極劣化する事が知ら
れている。しかるに、第１図図示の回路によれば、何ら
かの原因で１ＧＢＴ２０のパルス幅が長くなっても、分
極反転あるいは分極劣化を避けることができる。

ピエゾ電圧が（Ｖ　　）になった後（第２図（Ｃ）参照
）、該ピエゾ電圧を下げるには、１ＧＢＴ２０にゲート
信号を、ピエゾ電圧を上げるには、サイリスタ１８にゲ
ート信号を与えればよい。

１ なお、１ＧＢＴ２０に代えて、ゲート（ベース）パルス
幅に応じてオン、オフできるその他のスイッチング素子
（例、トランジスタ、ＧＴＯｌＦＥＴ）を使用できる。

また、電源２６は、電源１２と同一電源でも別電源でも
よい。

［応用例］ この例は、ディーゼルエンジンのユニットインジェクタ
に本実施例による圧電素子駆動回路を適用した例である
。

第５図にユニットインジェクタの制御弁装置が示されて
いる。制御弁装置５０は、コイルばね５４によって開弁
方向へ付勢されたスピル弁５２と、該スピル弁５２を作
動させるための圧電アクチュエータ５６とを有している
。スピル弁５２が後退位置にあって、その截頭円錐形状
の先端周面が弁座から離れていると、図示されないプラ
ンジャ圧送室内で加圧された燃料が、流路７０→流路７
２なる経路で燃料タンク６６に戻される。そのため、噴
射ノズルからエンジン燃料室内への燃焼噴射は２ 行われない。スピル弁５２と共に制御弁装置５０を構成
する圧電アクチュエータ５６は、電圧印加により応答性
よく伸縮する圧電素子６０（多数枚の圧電素子を積層さ
せたもの）を有底筒状体の内部に収蔵して成るピストン
５８と、該ピストン５８を後退方向に不正する圧縮コイ
ルばね６２と、ピストン５８を進退可能に収納するシリ
ンダー室とを有している。圧電素子６０は、印加電圧を
上げると素早く伸長し、印加電圧を下げると素早く収縮
する。圧電素子６０のかかる伸長、伸縮現象によりピス
トン５８は応答性よく進退する。ピストン５８が前進す
ると、ピストン５８を収納するシリンダーの高圧室、流
路７４およびスピル弁５２を収納するシリンダー室内の
液圧（燃料油圧）が上昇し、圧縮コイルばね５４の付勢
力に抗してスピル弁５２が前進する。この前進によって
スピル弁５２の截頭円錐形状の先端周面が弁座に着座す
ると、噴射ノズル装置６４における噴射ノズル室内の液
圧が上昇し、噴射ノズルからエンジン燃焼室内への燃料
噴射が行われる。一方、ピストン３ ５８が後退すると、ピストン５８を収納するシリンダー
高圧室、流路７４およびスピル弁５２を収納するシリン
ダー室内の液圧が低下して、スピル弁５２が後退、開成
され、燃料供給ポンプ６８から吐出された燃料が流路７
０．７２を経て燃料タンク６６に戻される。

今、第１図図示例と同様な駆動回路７６により圧電素子
６０に電圧（Ｅ　　）を加えると、スピル弁５２はその
弁座に着座し、噴射ノズルからエンジン燃焼室内へのパ
イロット噴射が始まる。

（Ｔ　　）秒後に印加電圧を（Ｅ　　）まで下げると（
第６図（ａ）参照）、スピル弁５２が僅かに開き（第６
図（ｂ）参照）、噴射圧力が（Ｐ２）まで下がってパイ
ロット噴射が終了する。次の（Ｔ１）秒間はピエゾ電圧
を（Ｅｌ）に保って弁開度を小さく維持し、流路７０内
の圧力が必要以上に低下してキャ゛−・−ジョンが発生
するかごとき不都合な減少を防ぐことができる。（Ｔ１
）秒経過後、再び圧電素子６０に電圧（Ｅ　　）を加え
ると、主噴射が始まる。（ＴＭ）秒経過後、−旦４ ピエゾ電圧を（Ｅ　　）まで下げると、噴射が終了して
噴射圧力は（Ｐ２）まで下がる。このときエンジンの燃
焼室は高圧であるが、噴射残留圧力（Ｐ２）が確保され
ているため、燃焼ガスがノズル噴孔を経て噴射ノズル装
置６４側に逆流することはない。

なお、第６図の破線は、従来装置における各動作波形を
、本実施例における動作波形と対応させて示したもので
ある。この従来方式においては、パイロット噴射終了時
、ピエゾ電圧を一気に下げており、そのためスピル弁５
２が瞬時に大きく開成され、噴射圧力が急激に降下して
流路７０内にキャビテーションが発生する。そのため、
（Ｔ　　）秒後に電圧を（Ｅ　　）に上げてノズル噴孔
を開成させても、噴射圧力は正常に上昇せず、主噴射の
波形が乱れて燃焼に悪影響が及ぼされる。

第７図に、ディーゼルエンジンのユニットインジェクタ
以外への応用例である油圧（または他の流体圧）切替え
弁装置８０が概略図として示されている。

５ 装置８０において、油圧制御弁８４は圧電素子８２の変
位量に応じて油路を切替えるように構成されている。圧
電素子８２の変位量は上述のようにピエゾ電圧で制御さ
れるのであるから、油圧制御弁８４は二段階以上の複数
段階で動かされ得る。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、圧電素子を電気的に駆
動し、所定の機械的変位を得゛る圧電素子駆動回路であ
って、一次および二次巻線を有し、その一次巻線に圧電
素子が接続されるトランスと、該トランスの二次巻線に
接続された電源と、圧電素子とトランスの一次巻線との
接続回路に介装され、その導通状態で圧電素子に蓄えら
れた電荷をトランスを介して放電させるためのスイッチ
ング素子と、該スイッチング素子の駆動を制御すること
により、圧電素子の放電後の端子電圧を任意の値に制御
する制御手段とを備える圧電素子駆動回路が提案された
。

本駆動回路によれば、圧電素子に蓄えられた電６ 荷の放電時に圧電素子の端子電圧を任意の値に制御し、
もって圧電素子による二段階以上の機械的変位を得るこ
とができるため、制御対象である機器の機能向上を図る
ことができる。また、本回路では、圧電素子の放電電荷
をトランスによって電源に回生させるため、従来のよう
に該放電電荷を消費させるための抵抗が不要であり、該
放電電荷を電源バッテリーの充電に利用し得る等エネル
ギー利用効率が高く、また空間占有率の高い放電用抵抗
が存在しないが故に回路装置の小形化を図ることができ
る。

４、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる圧電素子駆動用回路
を示す図、第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）、（
ｅ）は該回路における各構成単位の電圧、電流波形を示
す図、第３図は圧電素子の等価回路を示す図、第４図は
圧電素子の一般的電圧一変位特性を示すグラフ、第５図
はディーゼルエンジンにおけるユニットインジェクタの
７ 制御弁装置を示す図、第６図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、
（ｄ）は該制御弁装置における圧電素子駆動回路構成単
位の電圧、電流波形を示す図、第７図は油圧切替え弁装
置に対する本発明の適用例を示す概念図、第８図はディ
ーゼルエンジンにおける燃料噴射装置の圧電素子に対す
る公知に係わる印加電圧波形を示す図、第９図は前記公
知に係わる印加電圧波形の変更例としての波形を示す図
、第１０図は第９図の印加電圧波形を得るための駆動回
路を示す図である。 １０・・・圧電素子駆動用主回路 １２・・・高圧電源 １４・・・コンデンサ １６・・・リアクトル １８・・・サイリスタ ２０・・・１ＧＢＴ ２２・・・トランス ２４・・・ダイオード ２６・・・電源 ２８・・・圧電素子 ８ ３０・・・逆バイアス防止用ダイオ− ３２・・・コンパレータ ３４・・・定電圧電源 ３６・・・可変抵抗 ３８・・・抵抗 ４０・・・抵抗 ４２・・・ＡＮＤゲート ５０・・・制御弁装置 ５２・・・スピル弁 ５４・・・コイルばね ５６・・・圧電アクチュエータ ５８・・・ピストン ６０・・・圧電素子 ６２・・・コイルばね ６４・・・噴射ノズル装置 ６６・・・燃料タンク ６８、・・・燃料供給ポンプ ７０・・・流路 ７２・・・流路 ７４・・・流路 ド ９ ６・・・駆動回路 ０・・・油圧切替え弁装置 ２・・・圧電素子 ４・・・油圧制御弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を電気的に駆動し、所定の機械的変位を
   得る圧電素子駆動回路において、一次および二次巻線を
   有し、その一次巻線に圧電素子が接続されるトランスと
   、 該トランスの二次巻線に接続された電源と、前記圧電素
   子と前記トランスの一次巻線との接続回路に介装され、
   その導通状態で圧電素子に蓄えられた電荷をトランスを
   介して放電させるためのスイッチング素子と、 該スイッチング素子の駆動を制御することにより、圧電
   素子の放電後の端子電圧を任意の値に制御する制御手段
   とを備えた圧電素子駆動回路。