JPH0614563A

JPH0614563A - 圧電アクチュエータの駆動装置

Info

Publication number: JPH0614563A
Application number: JP4171049A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Izawa; 明宏井沢; Sachihiro Tsuzuki; 祥博都筑
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1992-06-29
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、例えば燃料噴射弁等に用いられ、
印加電圧により伸縮する圧電アクチュエータの駆動装置
に関するものであって、圧電アクチュエータの応答を犠
牲にすることなく、高周波振動及び高周波騒音を低減さ
せることを目的とする。【構成】圧電アクチュエータ（２）に電圧を印加して
その伸縮を制御する圧電アクチュエータ駆動装置（１
０）に、圧電アクチュエータ（２）の正負端子と並列に
接続されかつ直列接続されたコイル素子（１０７）及び
コンデンサ素子（１０８）を設け、圧電アクチュエータ
（２）と、前記コイル素子（１０７）と、前記コンデン
サ素子（１０８）からなる閉ループ回路の電気的共振周
波数が、前記圧電アクチュエータ駆動時の機械的振動数
と等しくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば燃料噴射弁等に
用いられ、印加電圧により伸縮する圧電アクチュエータ
の駆動装置に関する。特に、本発明では圧電アクチュエ
ータの応答を犠牲にすることなく、高周波振動及び高周
波騒音を低減させることを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】このような分野の技術として、例えば、
特開昭５９−２０６６６８号公報には燃料噴射弁等に使
用されるものが記載されている。この公報に開示される
燃料噴射弁は、圧電アクチュエータにより作動室圧力を
変化させノズルを開閉するもので、圧電アクチュエータ
の高速応答性により高精度の調量を可能にする。

【０００３】一方、その圧電アクチュエータを駆動する
駆動回路として、特開昭５９−２２１４３７号公報には
ＬＣ共振を利用した回路等が記載されている。このよう
なＬＣ共振を利用した回路では、圧電アクチュエータは
コイル素子のインダクタンスと、圧電アクチュエータの
キャパシタンスによる共振を利用して電源電圧よりも大
きな正負電圧を印加される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
に、ノズルの高精度な調量を実現するためには、圧電ア
クチュエータへの電圧印加を高速に行う必要があり、多
くの場合、電圧印加時間１００μｓ以下が要求される。
図５は圧電アクチュエータへの電圧印加及び電圧解除の
時間を１００μｓとした場合に、圧電アクチュエータを
組み込んだ燃料噴射弁内の作動室の圧力及び圧電アクチ
ュエータの電圧を示す図である。本図に示すように、圧
電アクチュエータへの電圧印加もしくは電圧解除の直後
に作動室圧力に高周波（５〜６ＫＨｚ）の圧力脈動を生
じている。これは、圧電アクチュエータが高速で変位し
たために生じる振動によって引き起こされたものであ
り、この高周波圧力脈動が燃料噴射弁の部材を加振し、
高周波騒音となって非常に耳障りな騒音を発生するとい
う問題がある。

【０００５】ここで、図５における圧電アクチュエータ
電圧には、圧電アクチュエータ自身の圧電性により圧電
アクチュエータが圧力脈動に応じた力を受け、電圧を発
生することから、作動室の圧力脈動が電圧振動として現
れている。本発明は上記問題点に鑑み、圧電アクチュエ
ータの応答速度を犠牲にすることなく、高周波数の振動
及び騒音を低減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する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題点を解
決するために、圧電アクチュエータに電圧を印加してそ
の伸縮を制御する圧電アクチュエータの駆動装置に、前
記圧電アクチュエータの正負端子と並列に接続されかつ
直列接続されたコイル素子及びコンデンサ素子を設け
る。

【０００７】さらに、前記圧電アクチュエータと、前記
コイル素子と、前記コンデンサ素子からなる閉ループ回
路の電気的共振周波数が、前記圧電アクチュエータ駆動
時の機械的振動数と等しくなるようにするとよい。

【０００８】

【作用】本発明の圧電アクチュエータの駆動装置によれ
ば、前記圧電アクチュエータの正負端子と並列に接続さ
れかつ直列接続されたコイル素子及びコンデンサ素子を
設けることにより、圧電アクチュエータへの電圧印加を
高速に行った場合に生じる機械的高周波振動を、圧電ア
クチュエータ、コイル素子及びコンデンサ素子からなる
回路の電気的共振でもって打ち消し、圧電アクチュエー
タの応答速度を犠牲にすることなく機械的高周波振動に
起因する高周波騒音を低減することができる。さらに、
前記圧電アクチュエータと、前記コイル素子と、前記コ
ンデンサ素子からなる閉ループ回路の電気的共振周波数
が、前記圧電アクチュエータ駆動時の機械的振動数と等
しくすることにより、最大の効果を生じることになる。

【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。なお、燃料噴射弁への使用としては、一例と
して特開昭５９−２０６６６８号公報に詳細に記述して
あるのでここでは説明を省略する。図１は本発明の実施
例に係る圧電アクチュエータの駆動装置を示す図であ
る。本図に示す圧電アクチュエータ２の圧電アクチュエ
ータ駆動装置１０は、＋１２Ｖの車載バッテリ１から電
力を供給されて、負端子が接地されている圧電アクチュ
エータ２を駆動すると共に、エンジン回転数信号及びア
クセル開度信号を入力する制御回路１１によって外部制
御されている。ここで圧電アクチュエータ２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、厚み方向電圧を印加する
と、厚みが増し、ショートさせると厚みが減るというも
のである。そして圧電アクチュエータ駆動装置１０は、
例えば、＋１２Ｖの車載バッテリ１に接続されてこれを
＋３００Ｖに昇圧するための公知の直流・直流コンバー
タ１０１と、直流・直流コンバータ１０１の出力電圧を
蓄積するコンデンサ１０２と、そのアノードが直流・直
流コンバータ１０１に接続されるサイリスタ１０３と、
一方がサイリスタ１０３のカソードにかつ他方が圧電ア
クチュエータ２の正端子に接続されるコイル１０４と、
そのカソードが接地されるサイリスタ１０５と、一方が
該サイリスタ１０５のアノードに接続されかつ他方が圧
電アクチュエータ２の正端子に接続されるコイル１０６
と、一方が圧電アクチュエータ２の正端子に接続される
コイル１０７と、一方が該コイル１０７に接続されかつ
他方が接地されるコンデンサ１０８とを含む。ここで、
コンデンサ１０２のキャパシタンスは圧電アクチュエー
タ２並びにコンデンサ１０８のキャパシタンスよりもは
るかに大きくしてある。

【００１０】また、圧電アクチュエータ駆動装置１０は
制御回路１１によってエンジン回転数、アクセル開度に
適するように出力する圧電アクチュエータ制御信号Ｓ
（１）の立ち上がりに同期してトリガされ、２０μｓの
信号を発生する第１のワンショット回路１０９と、該第
１のワンショット回路１０９に直列接続し他方が接地さ
れる抵抗１１０及び１１１と、そのベースが導通用の抵
抗１１０及び１１１の中間に接続され、そのエミッタが
接地されるｎｐｎ型のトランジスタ１１２と、一次コイ
ルの一方がトランジスタ１１２のコレクタに接続されそ
の他方が電源電圧Ｖに接続されるパルストランス１１３
と、該パルストランス１１３に並列接続されるそのアノ
ードがトランジスタ１１２のコレクタに接続されそのカ
ソードが電源電圧Ｖに接続されるダイオート１１４と、
そのアノードがパルストランス１１３の二次コイルの一
方に接続されるダイオード１１５と、その一方がパルス
トランス１１３の二次コイルの他方に接続されその他方
がダイオード１１５のカソードに接続されて相互に直列
接続される抵抗１１６及び１１７と該抵抗１１７に並列
接続されるコンデンサ１１８とを含み、該コンデンサ１
１８の端子１０３ｇ及び１０３ｃはサイリスタ１０３の
ゲート及びカソードに接続されている。ここで、ダイオ
ード１１５、抵抗１１６及び１１７並びにコンデンサ１
１８はノイズ防止回路を構成する。

【００１１】圧電アクチュエータ駆動装置１０は、制御
回路１１からの信号Ｓ（１）の立ち下がりに同期してト
リガされ、２０μｓの信号を発生する第２のワンショッ
ト回路１１９の他に前記構成要素１１０〜１１８と同様
な回路を含み、その出力はサイリスタ１０５のゲート及
びカソードに接続される。図２は本発明の実施例に係る
圧電アクチュエータの駆動装置の動作を説明するフロー
チャートを示す図であり、図３は、図２における囲みＡ
部を拡大して示したものである。以下、図２及び図３に
従い動作を説明する。直流・直流コンバータ１０１によ
り車載バッテリ１の＋１２Ｖの電圧が＋３００Ｖに昇圧
され、コンデンサ１０２に蓄える。また、制御回路１１
により圧電アクチュエータ制御信号Ｓ（１）が出力され
る（図２（１））。この信号の立ち上がり、立ち下がり
に対応して第１及び第２のワンショット回路１０９及び
１１９の出力信号Ｓ（１０９），Ｓ（１１９）作られ、
さらにトリガ信号Ｓ（１０３ｇ）、Ｓ（１０３ｃ）、Ｓ
（１０５ｇ）、Ｓ（１０５ｃ）が作られサイリスタ１０
３、１０５をトリガする（図２（２）、（３））。圧電
アクチュエータ制御信号Ｓ（１）の立ち上がりに同期し
てサイリスタ１０３が導通し、コンデンサ１０２、コイ
ル１０４、圧電アクチュエータ２からなる第１の閉ルー
プと、コンデンサ１０２、コイル１０４、コイル１０
７、コンデンサ１０８からなる第２の閉ループが形成さ
れる。ここで、コンデンサ１０２のキャパシタンスは圧
電アクチュエータ２及びコンデンサ１０８のキャパシタ
ンスに比べてはるかにに大きいため、コンデンサ１０２
は＋３００Ｖの電源とみなすことができる。サイリスタ
１０３がオフした後は、コンデンサ１０８、コイル１０
７、圧電アクチュエータ２からなる第３のループが形成
される。この第１、第２及び第３の閉ループの作用によ
り、圧電アクチュエータ２には、二段階で電圧が立ち上
がるのであるが（図２（４））、詳細については後述す
る。

【００１２】一方、圧電アクチュエータ制御信号Ｓ
（１）が立ち下がるとこれに同期してサイリスタ１０５
が導通し、圧電アクチュエータ２、コイル１０６からな
る第４の閉ループと、コンデンサ１０８、コイル１０
７、コイル１０６からなる第５の閉ループが形成され
る。サイリスタ１０５がオフした後は、コンデンサ１０
８、コイル１０７、圧電アクチュエータ２からなる前述
した第３の閉ループが形成される。この第４、第５及び
第３の閉ループの作用により圧電アクチュエータ２は、
二段階で電圧が立ち下がるのであるが（図２（４））こ
の圧電アクチュエータ２電圧立ち下がり時の作動は、圧
電アクチュエータ２電圧立ち上がり時作動と電圧の正負
が反対であるだけで、他は全く同じ作動であることか
ら、本発明の詳細な作動説明は圧電アクチュエータ２電
圧立ち上がり時のみで行い、これを図３により説明す
る。

【００１３】先ず、サイリスタ１０３が導通した時、第
１の閉ループにおいて、コンデンサ１０２に蓄えられた
電圧＋３００Ｖは、コイル１０４のインダクタンスと圧
電アクチュエータ２のキャパシタンスによ電気的共振を
起こし、初め−２００Ｖであった圧電アクチュエータ２
には４００Ｖが印加される（図３（１））。これが圧電
アクチュエータ２への第１段階の電圧立ち上がりであ
る。この第１段階の電圧印加時間ｔ１は、コイル１０４
のインダクタンスＬ１と圧電アクチュエータ２のキャパ
シタンスＣ１とで決まり、Ｌ１＝１ｍＨ、Ｃ１＝０．５
μＦのとき、ｔ１＝７０μｓとなる。

【００１４】今、述べた第１の閉ループによる圧電アク
チュエータ２への第１段階の電圧立ち上がりと同時に、
サイリスタ１０３が導通した時、第２の閉ループにおい
て、コンデンサ１０２に蓄えられた電圧＋３００Ｖはコ
イル１０４とコイル１０７からなる直列コイルのインダ
クタンスとコンデンサ１０８のキャパシタンスにより電
気的に共振を起こし、初め−２００Ｖであったコンデン
サ１０８には＋６００Ｖが印加される（図３（２））。
このコンデンサ１０８への電圧印加時間ｔｃはコイル１
０４のインダクダンスＬ１とコイル１０７のインダクダ
ンスＬ２とコンデンサ１０８のキャパシタンスＣ２とで
決まり、Ｌ１＝１ｍＨ、Ｌ２＝３ｍＨのとき合成インダ
クダンスＬT ＝４ｍＨ及びＣ２＝０．５μＦのとき、ｔ
ｃ＝１４０μｓとなる。第２の閉ループによるコンデン
サ１０８への電圧印加の方が第１の閉ループによる圧電
アクチュエータ２への第１段階の電圧立ち上がりより、
電圧が高くかつ電圧印加電圧が長いのは、閉ループ内の
インダクダンスが第１の閉ループのＬ１＝１ｍｓより、
第２の閉ループのＬT ＝４ｍＨの方が大きいために第２
の閉ループによる電気的共振の方が大きくかつゆっくり
と進行するためである。以上の第２の閉ループによるコ
ンデンサ１０８への電圧印加が終了した時点でサイリス
タ１０３に流れる電流が０となるためにサイリスタ１０
３は自動的にオフとなり、以後第３の閉ループが形成さ
れる。

【００１５】サイリスタ１０３がオフとなった時点で圧
電アクチュエータ２の電圧は＋４００Ｖがほぼ保たれて
おり、またコンデンサ１０８の電圧は＋６００Ｖと、コ
ンデンサ１０８の電圧の方が高いため、電流がコイル１
０７を介して圧電アクチュエータ２に流れ、圧電アクチ
ュエータ２の第２段階の電圧立ち上がりが生じる（図３
（１））。同時にコンデンサ１０８の電圧は低下する
（図３（２））。この圧電アクチュエータ２への第２段
階の電圧立ち上がりは、本来なら第３の閉ループがコイ
ル１０７とコンデンサ１０８、圧電アクチュエータ２か
らなっていることから電気的共振を伴うべきものであ
り、その共振周波数はコイル１０７のインダクダンスＬ
２＝３ｍＨ、そしてコンデンサ１０８のキャパシタンス
Ｃ２＝０．５μＦ、圧電アクチュエータ２のキャパシタ
ンスＣ１＝０．５μＦによる合成キャパシタンスＣΤ＝
０．２５μＦのとき，ｆｃ＝１／２π（Ｌ２・ＣΤ）１
／２として求められ、ｆｃ＝５．８ＫＨｚとなるはずで
ある。

【００１６】ところが、圧電アクチュエータ２への５．
８ＫＨｚの電気的振動を伴った第２段階の電圧立ち上が
りによって、圧電アクチュエータ２への第１段階の電圧
立ち上がりが引き起こす圧電アクチュエータの機械的振
動（この振動数は本実施例では５．８ＫＨｚである）を
丁度逆位相で打ち消すことができる。すなわち圧電アク
チュエータ２への電圧印加時間７０μｓで行われる第１
段階の４００Ｖ電圧印加により圧電アクチュエータ２は
高速に伸長し、その反動で５．８ＫＨｚで機械的振動を
起こそうとするもであるが、高速に伸長した直後に収縮
しようとする時と同時に圧電アクチュエータ２への第２
段階の電圧立ち上がりが５．８ＫＨｚの周波数で行われ
圧電アクチュエータ２はそれに応じて伸長しようとする
ため、圧電アクチュエータ２の機械的振動を打ち消すこ
とができる。その後、圧電アクチュエータ２並びにコン
デンサ１０８には−５００Ｖの電圧が印加された状態で
保持される。

【００１７】図３に従来の圧電アクチュエータの駆動装
置による作用を点線で、本発明による作用を実線で示
す。ここで従来の圧電アクチュエータ２駆動装置とは図
１におけるコイル１０７及びコンデンサ１０８がないも
ので、すなわち圧電アクチュエータ２への圧電印加は第
１の閉ループによってのみ行われるというものである。
従来の駆動装置では、圧電アクチュエータの動きが直接
作用する作動室の圧力が、圧電アクチュエータの５．８
ＫＨｚの機械的振動により大きく振動しており（図３
（３））、これが周辺部材を加振し、高周波騒音となっ
て非常に耳障りな騒音を発生していた。本発明の駆動装
置によれば、第１段階の圧電アクチュエータ２への電圧
立ち上がりによって生じる機械的振動を第２段階の圧電
アクチュエータ２への電圧立ち上がりに伴う電気的振動
で打ち消し合うため、作動室の圧力振動をなくすること
ができ（図３（３））、かつ従来と比べて応答性を犠牲
にすることなく高周波騒音の大幅低減を従来の駆動装置
にコイル１個とコンデンサ１個を付加するだけという簡
単な構成で実現することができる。

【００１８】圧電アクチュエータ電圧立ち下がり時の作
動は、前述のように、立ち上がり時の作動と電圧の正負
が反対であるだけで、他は全く同じ作動である。すなわ
ち、初め圧電アクチュエータ２に＋５００Ｖが蓄えられ
ており、コイル１０６のインダクダンスＬ３＝１ｍＨで
あるとすると、前述の第４の閉ループにより圧電アクチ
ュエータ２の電圧は第１段階の電圧立ち下がりにより−
１００Ｖとなり（図２（４））、同時に初め＋５００Ｖ
であったコンデンサ１０８の電圧は−３００Ｖとなる
（図２（５））。その後サイリスタ１０５がオフすると
前述の第３の閉ループによる電気的共振を伴う圧電アク
チュエータ２の第２段階の電圧立ち下がりにより、電圧
立ち上がり時と同様に圧電アクチュエータ２への第１段
階の電圧立ち下がりで生ずる機械的振動を打ち消すこと
ができる（図２（６））。その後、圧電アクチュエータ
２並びにコンデンサ１０８には−２００Ｖの電圧が印加
された状態で保持される。すなわち、サイリスタ１０５
がオフした後、コイル１０７、コンデンサ１０８、圧電
アクチュエータ２からなる系で充放電を繰り返し圧電ア
クチュエータ２の電圧の振幅を抑え、図２のように、圧
力脈動を吸収し、騒音を低減することができる。

【００１９】以上、詳細に圧電アクチュエータの正負端
子と並列にコイル素子とコンデンサ素子を直列接続した
ものを接続することによって、圧電アクチュエータ駆動
時の機械的振動を解消できることを説明してきたが、さ
てここで、該コイル素子のインダクダンス値及び該コン
デンサ素子のキャパシタンス値には最適値が存在する。
すなわち圧電アクチュエータ、コイル素子、コンデンサ
素子からなる閉ループ回路の電気的共振周波数が、該圧
電アクチュエータ駆動時の機械的振動数と等しいとき
に、最大の効果が生ずる。例えば、本実施例で示したよ
うに、圧電アクチュエータの駆動時の機械的振動数が
５．８ＫＨｚであるとき、そして圧電アクチュエータ２
のキャパシタンスＣ１＝０．５μＦであるときには、コ
イル１０７のインダクダンスＬ２＝３ｍＨ、コンデンサ
１０８のキャパシタンスＣ２＝０．５μＦを選ぶことで
電気的共振周波数が５．８ＫＨｚとなり、最大の効果を
得ることができる。

【００２０】図４は本実施例に示す駆動装置による圧電
アクチュエータの駆動騒音を従来の駆動装置によるもの
と比較した図である。本図に示すように、本発明によれ
ば、焼く１０ｄＢという大幅な騒音低減が可能になっ
た。なお、前述の実施例では高電圧を発生するのに直流
・直流コンバータを用いたが、高電圧を発生させる装置
ならば、何でもよく、例えば、トランスを用いトランス
の一次コイルをオン・オフすることで二次コイルに高電
圧を発生させるフライバック方式を用いてもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、前
記圧電アクチュエータの正負端子と並列に接続されかつ
直列接続されたコイル素子及びコンデンサ素子を設けた
ことにより、圧電アクチュエータを高速駆動した場合に
生じる高周波騒音を比較的に簡単な構成でかつ圧電アク
チュエータの応答速度を犠牲にすることなく大幅に低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る圧電アクチュエータの駆
動装置を示す図である。

【図２】本発明の実施例に係る圧電アクチュエータの駆
動装置の動作を説明するフローチャートを示す図であ
る。

【図３】図２における囲みＡ部を拡大した特性を示す図
である。

【図４】本実施例に示す駆動装置による圧電アクチュエ
ータの駆動騒音を従来の駆動装置によるものと比較した
図である。

【図５】燃料噴射弁の作動室の圧力及び圧電アクチュエ
ータの電圧を示す図である。

【符号の説明】

１…バッテリ２…圧電アクチュエータ１０…圧電アクチュエータ駆動装置１１…制御回路１０１…直流・直流コンバータ１０２…コンデンサ１０３、１０５…サイリスタ１０４、１０６…コイル１０７…コイル１０８…コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電アクチュエータに電圧を印加してそ
の伸縮を制御する圧電アクチュエータの駆動装置におい
て、前記圧電アクチュエータの正負端子と並列に接続されか
つ直列接続されたコイル素子及びコンデンサ素子を備え
ることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】前記圧電アクチュエータ、前記コイル素
子及び前記コンデンサ素子からなる閉ループ回路の電気
的共振周波数が、前記圧電アクチュエータ駆動時の機械
的振動数と等しい請求項１記載の圧電アクチュエータの
駆動装置。