JPS63183250A - ピエゾアクチユエ−タ駆動回路 - Google Patents

ピエゾアクチユエ−タ駆動回路

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JPS63183250A
JPS63183250A JP1201387A JP1201387A JPS63183250A JP S63183250 A JPS63183250 A JP S63183250A JP 1201387 A JP1201387 A JP 1201387A JP 1201387 A JP1201387 A JP 1201387A JP S63183250 A JPS63183250 A JP S63183250A
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piezo actuator
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Shigetoshi Kameoka
亀岡 成年
Nobushi Yasuura
保浦 信史
Yutaka Suzuki
豊 鈴木
Shigekatsu Uchida
内多 重勝
Fumiaki Kobayashi
文明 小林
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

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〕 本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路に関し、詳しく
は、車載用等に適した小型化・低コスト化が可能なピエ
ゾアクチュエータ駆動回路に関する。
〔従来の技術〕
最近のセラミックス技術の進歩は著しく、物を動かすア
クチュエータの分野にもセラミックス強誘電体のピエゾ
電歪効果を応用したピエゾアクチュエータが進出しつつ
あり、その俊敏な応答性を利用して例えばディーゼルエ
ンジンの噴射率制御を行う特開昭59−18249号公
報に示されるような装置も提案されている。
この様なピエゾアクチュエータを駆動するための駆動回
路として、バッテリから駆動に必要な高電圧を作るDC
−DCコンバークとトランジスタ等のスイッチ素子を組
み合わせたものが従来の回路技術から考えられる。
しかしながら、このような方式では、大型かつ高価な高
耐圧・大容量キャパシタや、多数の高価な高耐圧スイッ
チング素子や、大型のインダクタまたは大型のトランス
が必要であるという問題がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路における前記の
ごとき問題点を解決すべ〈発明されたものであって、車
載用等に通した構造が簡単で、小型化、低コスト化、軽
量化が可能なピエゾアクチュエータ駆動回路を提供する
ことを目的とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾ電歪
効果を応用したピエゾアクチュエータを駆動するピエゾ
アクチュエータ駆動回路において、前記ピエゾアクチュ
エータを所定の充電タイミングで充電するピエゾ充電手
段と、充電された前記ピエゾアクチュエータを所定のタ
イミングで放電するピエゾ放電手段とを具備し、 前記ピエゾ充電手段は、電源からのエネルギーを磁気エ
ネルギーに変換する第1のインダクタと、第1のインダ
クタと磁気的に結合され、第1のインダクタによる磁気
エネルギーを電気エネルギーに変換し前記ピエゾアクチ
ュエータを充電する第2のインダクタと、前記第1のイ
ンダクタと直列に取り付けられた充電用スイッチング手
段とを備え、 前記ピエゾ放電手段は、前記第2のイン2”フタをピエ
ゾアクチュエータの放電経路に含み、前記ピエゾアクチ
ュエータ及び前記第2のインダクタと直列に取り付けら
れた放電用スイッチング手段とを備えたことを要旨とす
る。
〔作用〕
本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路では、第1のイ
ンダクタにより電源からのエネルギーを磁気エネルギー
に変換し、第1のインダクタと磁気的に結合された第2
のインダクタにより磁気エネルギーを再び電気エネルギ
ーに変換しピエゾアクチュエータを高圧に充電する。こ
のエネルギーの変換は充電用スイッチング手段により行
われる。
その後、所定のタイミングで放電用スイッチング手段が
作動されると、前記の第2のインダクタを介してピエゾ
アクチュエータが放電される。
このような原理でピエゾアクチュエータを駆動すること
により、高耐圧・大容量キャパシタ等が不要となり、回
路の小型化、低コスト化が実現できる。
さらに、充電を複数回に分けて行うことにより第1のイ
ンダクタが小型化され、充電経路に抵抗ごi・0人する
ことにより第2のインダクタが小型化される。また放電
経路に抵抗を挿入することは、後述するごとく、放電用
スイッチング手段のピーク電流を抑えつつ高速な放電が
できると共に、高速な放電を実現しつつピエゾアクチュ
エータの動作音を下げることができる。
また第1のインダクタの巻数より、第1のインダクタと
磁気的に結合された第2のインダクタの巻数を多くする
とにより、放電用スイッチング手段を比較的低耐圧の素
子で実現できる。
〔実施例] 以下、本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路を図面に
示す実施例により詳細に説明する。
第1図は本発明の一実施例として燃料噴射率制御装置に
適用した全体構成図である。図において、■はボッシュ
式分配片燃料噴射ポンプであり、Ilはプランジャで、
図示せぬフェースカムにより図の左方向に押され、高圧
室12内の燃料を高圧とし、ノズル2より図示せぬディ
ーゼル機関の燃焼室に燃料を噴射するものである。3は
高圧室12に面して取付けられたピエゾ電歪効果を応用
したピエゾアクチュエータである。このビニシアクチユ
ニーク3は、たとえば特開昭59−18249号公報に
あるような構成のものである。4は運転状態検出手段で
あり、ディーゼル機関の回転数を検出する回転数検出器
41、ディーゼル機関の負荷を検出する例えばアクセル
センサ等のエンジン負荷検出器42、ディーゼル機関の
冷却水の温度を検出する冷却水温検出器42等から成り
、それからの信号をマイクロコンピュータ5に対して出
力している。
5はマイクロコンピュータであり、CPU51゜メモリ
52、タイマ53、A/D変換器54等を内蔵しでいる
。このマイクロコンピュータ5は、充電電圧の演算や放
電時期の演算の機能を有しており、また後述するが、本
実施例ではピエゾアクチュエータ3にあらかじめ充電す
る電荷量は複数回に分けて充電しており、その充電する
回数をも演算する機能を有している。
6はピエゾ駆動回路であり、ピエゾ充電手段及びピエゾ
放電手段の機能を有し、図示せぬバッテリの電気エネル
ギーを磁気エネルギーに変換するインダクタ61A、イ
ンダクタ61Aの電流をスイッチングするためのFET
62、FET62のドレインに過電圧が加わるのを防止
するバリスタ63、FET62のドレイン電圧が負電圧
となったときにFET62をバイパスさせるダイオード
64を有し、また、インダクタ61Aと磁気的に結合さ
れておりインダクタ51Aにより得られた磁気エネルギ
ーを電気エネルギーとして放出しピエゾアクチェエータ
を高電圧にチャージするインダクタ61B、ピエゾアク
チュエータに発生した高電圧を放電するためのトランジ
スタ65、トランジスタ65のコレクタに異常な高電圧
がかかるのを防止するバリスタ66、トランジスタ65
に流れる電流を制限しトランジスタ65を保護する抵抗
67、ピエゾアクチェエータに充電する際に抵抗67と
トランジスタ65をそれぞれバイパスさせるためのダイ
オード68.69を有する。
第2図に充電電圧を演算する手段を表す模式図を示す。
マイクロコンピュータ5にプログラムされた3次元マツ
プ補間演算により、回転数検出器43等からの信号に応
じて目標充電電圧100を演算するものである。この補
間演算の対象となる3次元マツプのデータは、ディーゼ
ル機関適合の基準によるので一概に言えないが、後述す
るようにビニシアクチユニーク3にあらかじめ充電する
電圧と、パイロット噴射後の噴射停止期間とは比例的な
関係にあることから、冷却水温が低いときにはパイロシ
ト噴射の着火遅れが大きいので充電電圧を大きくし、ま
た高回転・高負荷になる程ディーゼル機関の騒音より馬
力が重視される様になるので充電電圧を小さくするよう
なマツプデータにするのが望ましい。
第3図(a)、 (b)、 (C)、 (d)はピエゾ
アクチュエータ充電時のピエゾ駆動回路6の動作を示す
タイミングチャートである。まずFET62が°“ON
 ”状態になるとインダクタ61Aに電流が流れ始め、
時間T ON Jには、 l14=V8 XTOII/LA  ・・・・・・ (
1)なる電流1.が流れる(ここで、■l :バッテリ
電圧、LA :インダクタ61Aのインダクタンス)。
そして、FET62が“OF F ”状態となり、イン
ダクタ61Aによる磁気エネルギーはインダクタ61A
に磁気的に密結合されたインダクタ61Bから放出され
、ダイオード69→インダクタ61B→ダイオード68
→ピエゾアクチユエータ3の経路で電流IBが流れ(同
図(C))、ピエゾアクチュエータ3は充電される。こ
こで、時間T。Nは(1)式において電流■9がFET
62の定格電流を越さない様な一定値に任意に調整する
その後時間T。FFだけ経過した後再びFET62を“
ON゛状態とし、同様にピエゾアクチュエータ3の充電
をN回くりかえす。ここで、時間T。FFはインダクタ
61Aによる磁気エネルギーがインダクタ61Bを介し
てすべてピエゾアクチュエータ3に移されるに要する時
間以上であればよい。
このときピエゾアクチュエータ30両端電圧■。
は、 Vr=fK7TTフー= x r s−旧−(2)CP
 :ピエゾアクチュエータの等価容量となる。
充電回数Nは、両端電圧■Pと第2図を用いて説明した
目標充電電圧100とが一致または接近するように決め
るべきであり、例えば、第4図に示す様に目標充電電圧
100による1次元マツプ補間を行なうようにマイクロ
コンピュータ5をプログラムしておけばよい。ここで、
1次元マツプのデータは実験、的に求めるか、又は(2
)式をマツプ化すればよい。尚、第4図では補間結果を
切り上げて充電回数を整数値にしているが四捨五入等の
他の案も考えられる。
なお、磁気的に結合されたインダクタ61Aと61Bの
巻数比N B / N AをNa /NA >>1とす
ることにより、FET62を低耐圧の素子とすることが
可能である。
第5図は放電時期を演算する手段を表す模式図であり、
回転数検出器41からの信号に応じて1次元マツプ補間
演算を行なうことにより放電時期を得ている。後述する
様に放電時期を進角側にもっていく程パイロット噴射量
が減少する。マツプ補間に用いるマツプデータは、ディ
ーゼル機関適合基準によるので一概には言えないが、高
回転になる程騒音より馬力の方が重視される様になるた
めパイロット噴射量を減少させるべく放電時期を進角側
にもっていくことが望ましい。尚、いうまでもないがエ
ンジン負荷検出器42、冷却水温検出器43等からの信
号に応じて放電時期に補正を加えてもよい。
第6図にピエゾ放電時のピエゾ駆動回路6の動作を示す
。前記のごとく決定された放電時期となったとき第6図
(a)のようにトランジスタ65を” ON ’″とす
る。するとピエゾアクチュエータ3→抵抗67→インダ
クタ61B→トランジスタ65の経路で電流1.が流れ
(同図(C))、同図(b)にある様にピエゾアクチュ
エータ3の両端電圧は急激に下降する。そしてピエゾア
クチュエータ3の両端電圧が0■とするころを見計らっ
てトランジスタ65を“OF F ”とするとインダク
タ61Bの電流は一瞬にして0となるため、インダクタ
61Bと磁気的に結合されているインダクタ61Aに電
流が流れバッテリにエネルギーが回生される。
なお、本実施例では放電の負荷として直列接続された抵
抗67とインダクタ61Bを用いているが、これは以下
の理由による。
(1)抵抗67を無くしく0Ωとし)、負荷をインダク
タ61Bだけとすると、トランジスタ65のピーク電流
を制限するためにインダクタ61Bのインダクタし、を
大き(する必要が生じ、またインダクタ61Bのエネル
ギー容量も大きくなければならなず、インダクタ61B
が大型化する。さらに、インダクタし、が大きくなるの
で、トランジスタ65を“ON°゛とした直後には微小
な電流しか流れず、ピエゾアクチュエータ3の両端電圧
が下降するのに時間がかかり、高速回転時にパイロット
噴射の特性が悪化する。
(2)放電の負荷を抵抗67のみとすると、トランジス
タ65のピーク電流を制限するために抵抗67の抵抗値
を大きくする必要が生じ、ピエゾアクチュエータ3の両
端電圧が低下するのに比例して放電電圧が減少し、放電
に時間がかかり、高速回転時にパイロット噴射の特性が
悪化する。
これに対して、放電経路に抵抗67とインダクタ61B
が直列にある第1図のような構成とすると、インダクタ
61Bを小型化でき、またトランジスタ65に流れるピ
ーク電流を抑えつつ平均電流を大きくしピエゾアクチュ
エータ3の両端電圧をすばやく下降させることができる
この様子を第7図に示す。第7図は放電の負荷を変えた
場合の放電電流l、とピエゾアクチュエータの電圧■、
の波形を示しており、同図(a)、 (b)は放電の負
荷を抵抗67のみとした場合を、同図(C)、 (d)
は放電の負荷をインダクタ61Bのみとした場合を、同
図(e)、 (f)は放電の負荷を抵抗67とインダク
タ61Bの直列接続とした場合をそれぞれ示している。
本例では抵抗67の抵抗値及びインダクタ61Bのイン
ダクタンスは電流!、の大きさが4アンペアを越えない
様にマツチングしである。同図から、放電の負荷を抵抗
67とインダクタ61Bの直列接続とすると放電時の電
流!。
のピーク値を大きくすることなく高速な放電ができるこ
とがわかる。この結果、ピエゾアクチュエータの高速動
作ができ、高速回転時のパイロット特性を向上させるこ
とができる。
(3)また同図から、放電の負荷を抵抗67とインダク
タ61Bの直列接続した場合(同図(e)、 (f))
のピエゾアクチュエータ電圧vPが最もなめらかに変化
しており、この結果ピエゾアクチュエータ放電時の作動
音が小さく抑えられる。
次に、本実施例の燃料噴射率制御装置の全体の動作を第
8図に示すタイミングチャートにより説明する。第8図
(a)はプランジャ11のリフト状態を示している。ま
ずプランジャが下降し0点に達し燃料噴射とは無関係な
領域になったときFET62が“ON°゛状態、“OF
 F ”状態を繰り返しく同図(b))、ピエゾアクチ
ュエータ3を徐々に充電する(充電電圧:■、)。同図
では充電回数は4回となっているが、この回数は充電電
圧演算手段により求められた目標充電電圧100から第
4図を用いて説明した手段によりあらかじめ決められて
いるものである。その後プランジ中が再びリフトし始め
ると、同図(e)にある様にプランジャリフト量に応じ
て高圧室12の圧力も上昇していく。
同時に同図(d)にある様にピエゾアクチュエータ3の
両端電圧は自ら発生した電荷によりさらに上昇する。そ
して高圧室12の圧力がノズル開弁圧以上となったとき
同図げ)にある様に噴射が開始される。その後、あらか
じめ放電時期演算手段により求められている放電時期に
達した時(0点)、同図(C)のようにトランジスタ6
5が“ON”状態となり、ピエゾアクチュエータ3に発
生した電荷は放電される。このときピエゾアクチュエー
タ3は下降電圧vP′に相当する量だけ縮み、高圧室1
2の圧力が下降し噴射がいったん停止し同図(f)にあ
る様にパイロット噴射が形成される。ここで、この原理
から放電時期■を早めるとパイロット噴射量が減少する
ことがわかる。その後さらにプランジャ11がリフトし
ていくと再び高圧室1の圧力が上昇し、噴射(主噴射)
が開始される。ここで、ピエゾアクチュエータ3の放電
時の電圧変化量(VP″)が大きいほどピエゾアクチュ
エータ3が大きく縮むので高圧室12の圧力の下陣幅が
大きくなり、2度目の噴射が起こるのが遅れ、噴射停止
期間が長(なることがわかる。その後図示しないガバナ
手段により燃料の噴射が停止され主噴射が形成されて燃
料噴射の1サイクルを終える。
以上詳述した如く、本実施例によればパイロット噴射の
噴射量と、噴射停止期間の両方を最適な値に調整するこ
とができる。また、本実施例で注目すべき点はピエゾア
クチュエータ3の充電を複数回に分けて行っていること
である。このことの効果を以下に説明する。1回の充電
でピエゾアクチュエータ3に蓄えることのできる電圧■
、は次式にようになる。
V□=f広)−コXI、l  ・・・・・・ (3)C
P :ピエゾアクチュエータの等価容量、!。
:あらかじめインダクタに流してお(電流、L^:イン
ダクタ61Aのインダクタンス。
(3)式において、■□を高電圧にするためには電流■
9を大きくするかまたはインダクタンスしAを大きくす
る必要がある。電流■9を太き(するためにはFET6
2を大電流型にしなければならず、高価かつ大型となっ
てしまう。また、電frLI Mを流すことができるこ
とを前提としてインダクタンスLAを大きくすると、イ
ンダクタ61Aが大型となる。
そこで本実施例では、ピエゾアクチュエータ3の充電を
複数回に分けることにより、比較的小型のインダクタ6
1Aと比較的小型小電流容量のFET62でピエゾアク
チュエータの高電圧充電を実現しているのである。
尚、本実施例でいう充電回数が複数回とは、噴射停止期
間を比較的長くしたい時、すなわち、電圧V、の値を比
較的大きくしたい時について複数回に分けて充電を行な
うもので、電圧■、の値が小さい時については充電回数
が1回であっても上記の小型なインダクタ61A及びF
ET62においても十分に充電を行なえるので、この場
合には充電回数を1回としてもよく、また、あらかじめ
充電しておく必要がない時には、充電回数は0回としで
もよい。
その他の実施例として、ピエゾ駆動回路6′において放
電時の負荷を第2のインダクタ61Bと抵抗67の並列
接続とした場合を第9図に示す。
ピエゾアクチュエータ充電時にはトランジスタ65は“
OF F ”となっており、ダイオード70゜71、抵
抗67には電流は流れず、第1図と同じ動作となる。そ
してピエゾアクチュエータ放電時にトランジスタ65“
”ON“となると、ピエゾアクチニエータ→インダクタ
61B→ダイオード70→トランジスタ65の経路と、
ピエゾアクチュエータ→抵抗67→ダイオード71→ト
ランジスタ65の経路が同時に導通となり放電される。
このときのピエゾアクチュエータの電流■、と電圧■2
の波形を第10図に示す。第10図も第7図の場合と同
様にトランジスタ65等を保護するために電流のピーク
値が例えば4アンペアを越えない様に抵抗67の値とイ
ンダクタ61Bのインダクタンスをマツチングしである
。図から放電の負荷を抵抗とインダクタの並列接続とす
ると、抵抗とインダクタの直列接続とする場合よりさら
に放電に必要な時間を短縮できる。しかし、トランジス
タ65をON゛とした時、及びピエゾアクチュエータの
電圧が0■となりトランジスタ65を“’OFF”とし
た時の2ケ所でピエゾアクチュエータに流れる電流■、
が急変するため、放電の負荷を抵抗とインダクタの直列
接続とした場合よりアクチュエータの動きになめらかさ
が無くなり、若干アクチュエータの作動音が大となる。
そこで、ピエゾアクチュエータの高速動作が要求される
場合には放電の負荷を抵抗とインダクタの並列接続とし
、ピエゾアクチュエータの静寂動作が要求される場合に
は放電の負荷を抵抗とインダクタの直列接続とするのが
望ましい。
〔発明の効果〕
以上詳述した如(、本発明のビニシアクチユニーク駆動
回路によると、以下の効果が得られる。
(1)第1のインダクタに充電用スイッチング素子で電
流をスイッチングすることにより、高価かっ大型なりC
−DCコンバータ等を用いることなく、第1のインダク
タと磁気的に結合された第2のインダクタでピエゾアク
チュエータを高電圧に充電できると共に、ピエゾアクチ
ュエータの放電経路に第2のインダクタおよび直列接続
の放電用スイッチング素子を含めることにより、放電用
スイッチング素子に流れる電流を制限できると同時に、
第2のインダクタと磁気的に結合された第1のインダク
タからバッテリへエネルギーを回生できる。
(2)また、本発明の実施態様として、第1のインダク
タの電流のスイッチングを複数回とすることにより第1
のインダクタを小型化できる。
(3)さらに他の実施態様として、放電経路の中に第2
のインダクタと直列に接続された抵抗を入れることによ
り、第2のインダクタを小型化できると同時に放電を高
速化できると共に、ピエゾアクチュエータの作動音を低
減できる。また、放電経路の中に第2のインダクタと並
列に接続された抵抗を入れることにより、前記の直列接
続の場合以上に放電動作を高速化できる。
(4)また、他の実施態様として、第1のインダクタの
巻数より、第1のインダクタと磁気的に結合された第2
のインダクタの巻数を多くすることにより、充電用スイ
ッチング手段を比較的低耐圧の素子で実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明をディーゼルエンジンのパイロット噴射
装置に適用した実施例の全体構成図、第2図は第1図の
実施例の充電電圧を演算する手段を表す模式図、第3図
(a)、 (b)、 (c)、 (a)はピエゾ駆動回
路の充電動作を示すタイミングチャート、第4図は充電
回路と目標充電電圧との関係を表す模式図、第5図は放
電時期を演算する手段を表す模式図、第6図はピエゾ駆
動回路の放電動作を示すタイミングチャート、第7図は
放電の負荷と放電電流、ピエゾアクチュエータの電圧と
の関係を示すタイミングチャート、第8図はパイロット
噴射装置全体の動作を示すタイミングチャート、第9図
は本発明をディーゼルエンジンのパイロット噴射装置に
適用した他の実施例の全体構成図、第10図は第9図の
実施例のピエゾ駆動回路の放電動作を示すタイミングチ
ャートである。 1・・・噴射ポンプ、3・・・ピエゾアクチュエータ。 4・・・運転状態検出手段、5・・・マイクロコンピュ
ータ、6.6’・・・ピエゾ駆動回路、61A・・・第
1のインダクタ、61B・・・第2のインダクタ、62
・・・FET、65・・・トランジスタ、67・・・抵
抗、68゜70.71・・・ダイオード。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) ピエゾ電歪効果を応用したピエゾアクチュエー
    タを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路において、 前記ピエゾアクチュエータを所定の充電タイミングで充
    電するピエゾ充電手段と、充電された前記ピエゾアクチ
    ュエータを所定のタイミングで放電するピエゾ放電手段
    とを具備し、 前記ピエゾ充電手段は、電源からのエネルギーを磁気エ
    ネルギーに変換する第1のインダクタと、この第1のイ
    ンダクタと磁気的に結合され第1のインダクタによる磁
    気エネルギーを電気エネルギーに変換し前記ピエゾアク
    チュエータを充電する第2のインダクタと、前記第1の
    インダクタと直列に取り付けられた充電用スイッチング
    手段とを備え、 前記ピエゾ放電手段は、前記第2のインダクタを前記ピ
    エゾアクチュエータの放電経路に含み、前記ピエゾアク
    チュエータ及び前記第2のインダクタと直列に取り付け
    られた放電用スイッチング手段を備えた、 ことを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
  2. (2) 前記充電用スイッチング手段を複数回スイツチ
    ングさせて、所定の電圧となる様にしたことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項に記載のピエゾアクチュエータ
    駆動回路。
  3. (3) 前記第1のインダクタと前記第2のインダクタ
    を同一の磁性体に巻線を施すことにより構成し、第1の
    インダクタの巻数より第2のインダクタの巻数を大とし
    たことを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
    に記載のピエゾアクチュエータ駆動回路。
  4. (4) 前記ピエゾ放電手段の放電経路に抵抗を直列に
    挿入したことを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第
    3項のいずれかに記載のピエゾアクチュエータ駆動回路
  5. (5)前記ピエゾ放電手段の放電経路に抵抗を並列に挿
    入しことを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第3項
    のいずれかに記載のピエゾアクチュエータ駆動回路。
JP62012013A 1987-01-21 1987-01-21 ピエゾアクチユエータ駆動回路 Expired - Lifetime JP2853119B2 (ja)

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