JPH06105567A - 圧電アクチュエータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電アクチュエータの起動時の特性を改良す
ることを目的とする。 【構成】 圧電アクチュエータの駆動装置を、直流電源
１に接続して正の高電圧を発生する正電圧発生手段101
及び負の高電圧を発生する負電圧発生手段102 と、正電
圧発生器101 からの正の電圧を蓄積するコンデンサ103
と、負電圧発生器102 からの負の電圧を蓄積するコンデ
ンサ104 と、圧電アクチュエータ７の電圧印加側に接続
されて共振回路を形成するインダクタ107 と、コンデン
サ103 または104 をインダクタ107 に選択的に接続する
サイリスタ105, 106と、圧電アクチュエータ７に電圧を
印加する場合にその第１回めの電圧印加が負電圧発生器
102の発生電圧の印加から開始されるように、サイリス
タ105, 106を制御する制御回路10とから構成する。この
結果、圧電アクチュエータの第１回目の駆動から必要な
変位が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電アクチュエータの駆
動装置に関し、例えば、内燃機関の燃料噴射弁等に用い
られ、印加電圧により収縮する圧電アクチュエータの駆
動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子はその厚み方向に電圧を印加す
ると厚みが変化する物であり、その伸縮作用は俊敏であ
る。従って、従来から、この圧電素子を用いた圧電アク
チュエータにより車両用部品を駆動することが行われて
いる。例えば、車両用のショックアブソーバの減衰力を
車両の走行状態に応じて速やかに変更する部分にこの圧
電アクチュエータが使用されたり、内燃機関の燃料噴射
弁の燃料加圧機構にこの圧電アクチュエータが使用され
たりして、応答性の高い優れた制御を可能にしている。

【０００３】図４はこのような圧電アクチュエータの駆
動装置の従来の構成の一例を示すものであり、特開昭５
９−２２１４３７号公報に開示のあるものである。図に
おいて、４１はバッテリ、４２は正電圧発生器、４３は
コンデンサ、４４，４５はサイリスタ、４６はインダク
タ、４７は圧電アクチュエータである。この装置の動作
を簡単に説明すると、この装置では、バッテリ４１に接
続された正電圧発生器４２により正の高電圧を発生し、
これをコンデンサ４３に蓄えておき、圧電アクチュエー
タ４７に電圧を印加する時はサイリスタ４４をオンさ
せ、圧電アクチュエータ４７の印加電圧を除去する時は
サイリスタ４５をオンさせている。

【０００４】この装置によれば、インダクタ４６のイン
ダクタンスと、圧電アクチュエータ４７キャパシタンス
による共振回路により生じるＬＣ共振を利用しているた
めに、正電圧発生器４２の発生電圧よりも大きな正負電
圧を圧電アクチュエータ４７に印加することができる。
例えば、発生電圧（コンデンサ４３に蓄えられた電圧）
が＋３００Ｖでも圧電アクチュエータ電圧は＋５００〜
−２００Ｖの振幅が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、以上のよう
に構成された従来の圧電アクチュエータ駆動装置には起
動特性が悪いという問題がある。これを図５を用いて説
明する。図５(a), (b)は図４の圧電アクチュエータ駆動
装置における起動時の作動を示した図である。従来の圧
電アクチュエータの駆動装置では、作動前の圧電アクチ
ュエータ４７の電圧が０Ｖであるために、起動後に共振
が進むにつれて圧電アクチュエータ４７の電圧振幅が大
きくなる。すなわち、圧電アクチュエータ４７の変位が
一定値になるまでに約５サイクル必要であった。この事
は、例えば、従来の圧電アクチュエータの駆動装置を燃
料噴射弁に用いた場合は、初期の噴射が正常に行われ
ず、機関の始動に時間がかかって始動性が悪いという問
題があった。

【０００６】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであり、圧電アクチュエータの第１回目の駆動
から必要な変位が得られ、圧電アクチュエータの起動時
の特性を改良することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の圧電アクチュエータの駆動装置は、厚み方向に電圧
を印加すると厚みが変化する圧電素子を用いて構成され
た圧電アクチュエータに、印加する電圧を制御してその
伸縮量を制御する圧電アクチュエータの駆動装置であっ
て、所定の直流電圧を発生する直流電源と、この直流電
源に接続し、正の高電圧を発生する正電圧発生手段と、
前記直流電源に接続し、負の高電圧を発生する負電圧発
生手段と、前記正電圧発生器で発生した正の電圧を蓄積
する第１のコンデンサと、前記負電圧発生器で発生した
負の電圧を蓄積する第２のコンデンサと、前記圧電アク
チュエータの電圧印加側に接続されて共振回路を形成す
るインダクタと、前記第１のコンデンサまたは第２のコ
ンデンサを前記インダクタに選択的に接続するスイッチ
ング手段と、前記圧電アクチュエータに電圧を印加する
場合に、その第１回めの電圧印加が前記負電圧発生器の
発生電圧の印加から開始されるように、前記スイッチン
グ手段を制御する制御回路とを備えることを特徴として
いる。

【０００８】

【作用】本発明の圧電アクチュエータの駆動方法によれ
ば、正電圧発生器からの正電圧と負電圧発生器からの負
電圧とを交互に圧電アクチュエータに印加し、更に、圧
電アクチュエータへの第１回めの電圧印加が負電圧の印
加より開始されるようにしたことにより、圧電アクチュ
エータの電圧は第１回めの駆動から十分な共振を得るこ
とができ、圧電アクチュエータの変位として第１回めの
駆動から必要量が得られて起動特性を改良することがで
きる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明を実現するための圧電アクチ
ュエータの駆動装置１００の原理構成を示す図である。
図において、１はバッテリ、７は圧電アクチュエータ、
１０は制御装置、１０１は正電圧発生器、１０２は負電
圧発生器、１０３，１０４はコンデンサ、１０５，１０
６はサイリスタ、１０７はインダクタを示している。こ
の装置の動作原理を簡単に説明すると、この装置では、
バッテリ１に接続された正電圧発生器１０１により正の
高電圧、負電圧発生器１０２により負の高電圧が発生さ
れ、これがコンデンサ１０３，１０４にそれぞれ蓄えら
れ、圧電アクチュエータ７への電圧の印加を開始する時
に、制御装置１０によりまずサイリスタ１０６がオンさ
れ、次いで、サイリスタ１０７とサイリスタ１０６が交
互にオンされる。この結果、圧電アクチュエータの第１
回目の駆動から必要な変位が得られる。

【００１０】図２は図１の圧電アクチュエータの駆動装
置１００を実現する具体的な回路の一実施例を示すもの
であり、図１と同じ構成部材については同じ符号が付し
てある。本図に示す圧電アクチュエータの駆動装置１０
０の制御装置１０は、＋１２Ｖのバッテリ１からイグニ
ッションスイッチ２を介して電力を供給され、イグニッ
ションスイッチ信号、エンジン回転数及びアクセル開度
信号が入力される制御回路１１によって、負端子が接地
されている圧電アクチュエータ７の駆動を制御する。こ
こで、圧電アクチュエータ７本体は、例えば、チタン酸
ジルコン酸鉛を主成分として焼成された強誘電体セラミ
ックであり、厚み方向に電圧を印加すると厚みが増し、
印加電圧を取り除くと厚みが減るというものであり、キ
ャパシタンスも有している。

【００１１】圧電アクチュエータの駆動装置１００に
は、例えば、＋１２Ｖの車載バッテリ１に接続されてこ
れを＋３００Ｖの正電圧に昇圧するために公知の直流・
直流コンバータで構成される正電圧発生器１０１と、同
様に＋１２Ｖの車載バッテリ１に接続されてこれを−２
００Ｖの負電圧に昇圧するために公知の直流・直流コン
バータで構成される負電圧発生器１０２と、正電圧発生
器１０１の出力電圧を蓄積するコンデンサ１０３と、同
様に負電圧発生器１０２の出力電圧−２００Ｖを蓄積す
るコンデンサ１０４と、アノードが正電圧発生器１０１
に接続されるサイリスタ１０５と、一端がサイリスタ１
０５のカソードに接続され、他端が圧電アクチュエータ
７の正端子に接続されるインダクタ１０６と、そのカソ
ードが負電圧発生器１０２に接続されるサイリスタ１０
７と、一端がサイリスタ１０７のアノードに接続され、
他端が圧電アクチュエータ７に正端子に接続されるイン
ダクタ１０８とが備えられている。そして、サイリスタ
１０５，１０６は、制御装置１０によってその動作が制
御される。

【００１２】制御装置１０には、イグニッションスイッ
チ信号とエンジン回転数信号、及びアクセル開度信号が
入力される制御回路１１があり、この制御回路１１には
第１ワンショット回路１０９と、第２ワンショット回路
１１９とが接続されている。第１ワンショット回路１０
９は、制御回路１１によって始動時制御及びエンジン回
転数、アクセル開度に適するように出力される圧電アク
チュエータ制御信号Ｓ１の立ち上がりに同期してトリガ
され、２０μｓの信号を発生する。

【００１３】この第１ワンショット回路１０９には、そ
の出力側に抵抗１１０と抵抗１１１とからなる分圧回路
がアースとの間に直列接続されており、抵抗１１０と抵
抗１１１の結合点にはＮＰＮ型のトランジスタ１１２の
ベースが接続されている。このトランジスタ１１２のエ
ミッタはアースされ、コレクタにはパルストランス１１
３が接続されている。このパルストランス１１３の一次
コイルの一方はトランジスタ１１２のコレクタに接続さ
れ、他方が電源電圧Ｖに接続される。また、このパルス
トランス１１３の一次コイルには、アノードがトランジ
スタ１１２のコレクタに接続され、カソードが電源電圧
Ｖに接続されるダイオード１１４が並列接続されてい
る。更に、このパルストランス１１３の二次コイルの両
端には、ダイオード１１５のアノードと抵抗１１６がそ
れぞれ接続されており、ダイオード１１５のカソードと
抵抗１１６の他端が出力端子１０５ｇと１０５ｃとなっ
ている。更にまた、これらの出力端子１０５ｇと１０５
ｃの間には、抵抗１１７とコンデンサ１１８が並列に接
続されている。そして、出力端子１０５ｇ及び１０５ｃ
はサイリスタ１０５のゲートに接続されている。ここで
ダイオード１１５、抵抗１１６及び１１７、並びにコン
デンサ１１８はノイズ防止回路を構成する。

【００１４】一方、第２ワンショット回路１１９には、
その出力側に抵抗１２０と抵抗１２１とからなる分圧回
路がアースとの間に直列接続されており、抵抗１２０と
抵抗１２１の結合点にはＮＰＮ型のトランジスタ１２２
のベースが接続されている。このトランジスタ１２２の
エミッタはアースされ、コレクタにはパルストランス１
２３が接続されている。このパルストランス１２３の一
次コイルの一方はトランジスタ１２２のコレクタに接続
され、他方が電源電圧Ｖに接続される。また、このパル
ストランス１２３の一次コイルには、アノードがトラン
ジスタ１２２のコレクタに接続され、カソードが電源電
圧Ｖに接続されるダイオード１２４が並列接続されてい
る。更に、このパルストランス１２３の二次コイルの両
端には、ダイオード１２５のアノードと抵抗１２６がそ
れぞれ接続されており、ダイオード１２５のカソードと
抵抗１２６の他端が出力端子１０７ｇと１０７ｃとなっ
ている。更にまた、これらの出力端子１０７ｇと１０７
ｃの間には、抵抗１２７とコンデンサ１２８が並列に接
続されている。そして、出力端子１０７ｇ及び１０７ｃ
はサイリスタ１０７のゲートに接続されており、ダイオ
ード１２５、抵抗１２６及び１２７、並びにコンデンサ
１２８はノイズ防止回路を構成する。

【００１５】図３(a) 〜(h) は図２の圧電アクチュエー
タの駆動装置１００の起動時における作動を示す図であ
る。まず、時刻ｔ₁ においてイグニッションスイッチが
オンになり、図３(a) のようにイグニッションスイッチ
信号がオンになると、図３(b), (c)に示すように同時に
正電圧発生器１０１及び負電圧発生器１０２は出力を開
始し、約０．１秒後に規定の電圧に達する。すなわち、
正電圧発生器１０１は＋３００Ｖを出力し、この電圧は
コンデンサ１０３に蓄えられる。また、負電圧発生器１
０２は−２００Ｖを出力し、この電圧はコンデンサ１０
４に蓄えられる。更にこの時、図３(d) に示すように制
御回路１１はイグニッションスイッチ信号のオンと同時
に圧電アクチュエータ制御信号Ｓ１を出力し、この制御
信号Ｓ１は、時刻ｔ₁ から約０．２秒後の時刻ｔ₂ にオ
フとなる。この０．２秒は、負電圧発生器１０２の出力
電圧が規定の電圧に達する時間を考慮した時間であり、
かつ、起動特性には影響を与えない時間である。その
後、この制御信号Ｓ１は、例えば燃料噴射弁を作動させ
るためにエンジン回転数とアクセル開度に応じて出力さ
れる。

【００１６】一方、図３(e), (f)に示すように、この制
御信号Ｓ１の立ち上がりに対応して第１ワンショット回
路１０９の出力信号Ｓ２が作られ、立ち下がりに対応し
て第２ワンショット回路１１９の出力信号Ｓ３が作られ
る。信号Ｓ２がオンするとトランジスタ１１２がオンに
なり、パルストランス１１３を含む回路により、トリガ
信号が出力端子１０５ｇ，１０５ｃが作られ、サイリス
タ１０５がトリガされる。同様に、信号Ｓ３がオンする
とトランジスタ１２２がオンになり、パルストランス１
２３を含む回路により、トリガ信号が出力端子１０７
ｇ，１０７ｃが作られ、サイリスタ１０７がトリガされ
る。

【００１７】すなわち、イグニッションスイッチ信号の
オンと同時に第１ワンショット回路１０９から信号Ｓ２
が出力されてサイリスタ１０５が導通するが、この時は
図３(b) に示すように、まだ正電圧発生器１０１の出力
電圧は０Ｖであるために、圧電アクチュエータ７に印加
される電圧は初期の０Ｖのままである。そして、イグニ
ッションスイッチ信号のオンから０．２秒後に制御信号
Ｓ１はオフとなり、この立ち下がりに同期して第２ワン
ショット回路１１９からＳ３が出力されてサイリスタ１
０７が導通する。この時は図３(c) に示すように、負電
圧発生器１０２の出力電圧は−２００Ｖになっているの
で、この電圧がインダクタ１０８のインダクタンスと圧
電アクチュエータ７のキャパシタンスによるＬＣ共振に
より拡大され、図３(g) に示すように、−２３０Ｖが圧
電アクチュエータ７に加わる。

【００１８】この後、時刻ｔ₃ において燃料噴射弁を作
動させるための圧電アクチュエータ制御信号Ｓ１の立ち
上がりに同期して信号Ｓ２が発生されてサイリスタ１０
５が導通し、正電圧発生器１０１の出力電圧＋３００Ｖ
はインダクタ１０６のインダクタンスと圧電アクチュエ
ータ７のキャパシタンスによるＬＣ共振により−２３０
Ｖから＋５００Ｖへと拡大され、図３(g) に示すように
圧電アクチュエータ７に加わる。この印加電圧によって
図３(h) に示すように圧電アクチュエータ７が変位す
る。続いて時刻ｔ₄ において圧電アクチュエータ制御信
号Ｓ１が立ち下がると、これに同期して信号Ｓ３が発生
されてサイリスタ１０７が導通し、負電圧発生器１０２
の出力電圧−２００Ｖがインダクタ１０６のインダクタ
ンスと圧電アクチュエータ７のキャパシタンスによるＬ
Ｃ共振により＋５００Ｖから−２５０Ｖへと拡大されて
圧電アクチュエータ７に加わる。その後は圧電アクチュ
エータ７の印加電圧は＋５００Ｖ〜−２５０Ｖの定常で
駆動される。

【００１９】このように、イグニッションスイッチ２を
オンした直後に圧電アクチュエータ７に負電圧を印加し
ておくと、例えば、燃料噴射弁を作動させるための圧電
アクチュエータ７の制御信号の第１回めの立ち上がりか
ら十分な共振が得られる。この結果、前述の実施例の装
置では、起動時に−２３０Ｖ〜＋５００Ｖ（電圧振幅７
３０Ｖ）と、定常使用時の−２５０〜＋５００Ｖ（電圧
振幅７５０Ｖ）にほぼ等しい電圧振幅が得られ、圧電ア
クチュエータ７の変位は第１回めの駆動から必要量を得
ることができる。したがって、この実施例の装置を、例
えば、燃料噴射弁に適用した場合、第１回め駆動から噴
射が可能となり、起動性を大幅に改善することができ
る。

【００２０】さらに、前述の実施例の圧電アクチュエー
タの駆動装置１００は、インダクタ１０６及び１０８の
インダクタンスと圧電アクチュエータ７のキャパシタン
スによるＬＣ共振を利用しているため、正電圧発生器１
０１及び負電圧発生器１０２の電圧がそれぞれ＋３００
Ｖ，−２００Ｖでも圧電アクチュエータ７に印加される
電圧幅が＋５００Ｖ〜−２５０Ｖに拡大され、大きな電
圧振幅が得られるという効率性も兼ね備えている。

【００２１】なお、前述の実施例では正電圧発生器１０
１及び負電圧発生器１０２には直流・直流コンバータ
（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を使用したが、正電圧及び負
電圧を発生する装置ならば何でもよく、ＤＣ／ＤＣコン
バータに限定されるものではない。また、スイッチ素子
としてサイリスタ１０５，１０６を使用したが、このス
イッチ素子もサイリスタに限定されるものでなく、例え
ば、トランジスタやＦＥＴ等でも良い。

【００２２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の圧
電アクチュエータの駆動装置によれば、インダクタと圧
電アクチュエータによるＬＣ共振を利用した効率よい駆
動と、第１回目の駆動から必要な変位が得られるので、
圧電アクチュエータの起動時の特性を改良することがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの駆動装置の概略
構成図である。

【図２】図１の圧電アクチュエータの駆動装置の一実施
例の具体的な構成を示す回路図である。

【図３】図２の圧電アクチュエータの駆動装置の各部の
動作波形を示す図であり、(a)はイグニッションスイッ
チ信号の波形図、(b) は正電圧発生器の出力電圧の波形
図、(c) は負電圧発生器の出力電圧の波形図、(d) は圧
電アクチュエータの制御信号の波形図、(e) は信号Ｓ２
の波形図、(f) は信号Ｓ３の波形図、(g) は圧電アクチ
ュエータの電圧の波形図、(h) は圧電アクチュエータの
変位の波形図である。

【図４】従来の圧電アクチュエータの駆動装置の概略構
成図である。

【図５】(a) は図４の回路における圧電アクチュエータ
の電圧の波形図、(b) は圧電アクチュエータの変位の波
形図である。

【符号の説明】

１…バッテリ ２…イグニッションスイッチ ７…圧電アクチュエータ １０…制御装置 １１…制御回路 １００…本発明の圧電アクチュエータの駆動装置 １０１…正電圧発生器 １０２…負電圧発生器 １０３，１０４…コンデンサ １０５，１０６…サイリスタ １０５ｃ，１０５ｇ，１０７ｃ，１０７ｇ…出力端子 １０７…インダクタ １０９…第１ワンショット回路 １１３，１２３…パルストランス １１９…第２ワンショット回路 Ｓ１…圧電アクチュエータ制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 岳志 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向に電圧を印加すると厚みが変化
   する圧電素子を用いて構成された圧電アクチュエータ
   に、印加する電圧を制御してその伸縮量を制御する圧電
   アクチュエータの駆動装置であって、 所定の直流電圧を発生する直流電源と、 この直流電源に接続し、正の高電圧を発生する正電圧発
   生手段と、 前記直流電源に接続し、負の高電圧を発生する負電圧発
   生手段と、 前記正電圧発生器で発生した正の電圧を蓄積する第１の
   コンデンサと、 前記負電圧発生器で発生した負の電圧を蓄積する第２の
   コンデンサと、 前記圧電アクチュエータの電圧印加側に接続されて共振
   回路を形成するインダクタと、 前記第１のコンデンサまたは第２のコンデンサを前記イ
   ンダクタに選択的に接続するスイッチング手段と、 前記圧電アクチュエータに電圧を印加する場合に、その
   第１回めの電圧印加が前記負電圧発生器の発生電圧の印
   加から開始されるように、前記スイッチング手段を制御
   する制御回路と、 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。