JP4626112B2 - ピエゾ素子の放電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体をなすピエゾ素子の放電装置に関するものであり、例えば、アクチュエータとして用いられるピエゾ素子の放電装置に用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾ素子は、温度等によって容量負荷が変動する。このため、ピエゾ素子を一定電流で一定時間充電しても、ピエゾ素子に蓄えられる充電エネルギーが温度によって変動してしまい、ピエゾ素子の出力（伸び等）が一定にならない。
そこで、ピエゾ素子に一定のエネルギーを充電させるには、温度補償を行う必要がある。
【０００３】
温度特性を補償するマルチスイッチング方式と呼ばれる充電方法を、図７を参照して説明する。ピエゾ素子を充電する指示が与えられると（例えば充放電信号ＴＱのON）、先ず、充電スイッチをONしてピエゾ素子を通電する。ピエゾ素子の通電電流Ipztが所定電流（例えば２５Ａ）に達したら、充電スイッチをOFF する。この１回目の充電スイッチのON時間を記憶しておく。充電スイッチのOFF 後、エネルギー蓄積コイルに蓄えられたエネルギーがダイオードを介してピエゾ素子に与えられ、ピエゾ素子の充電が継続する。
１回目の充電スイッチのOFF 後に電流Ipztが０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONし、その後に電流Ipztが０Ａに低下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチをONすることを複数回繰り返す。
このように、１回目で記憶したON時間で充電スイッチを繰り返してONすることにより、時間当たりの充電エネルギーが一定となり、ピエゾ素子の温度補償充電が可能となる。
【０００４】
一方、放電も図７に示すようにマルチスイッチング方式によって実行される。この放電方法は、ピエゾ素子を放電する指示が与えられると（例えば充放電信号ＴＱのOFF ）、先ず、放電スイッチをONしてピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーをエネルギー蓄積コイルを介して放電させる。放電電流Ipztが所定の遮断電流（例えば２０Ａ）に達したら、放電スイッチをOFF する。すると、エネルギー蓄積コイルに蓄えられたエネルギーがダイオードを介して電源に回収される。
１回目の放電スイッチのOFF 後に放電電流Ipztが０Ａまで低下すると、放電スイッチをONし、上記の作動を複数回繰り返す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した放電方法では、ピエゾ素子の容量が温度によって変動するため、放電エネルギーが一定にならず、放電時間が変動してしまう不具合がある。
このため、例えば、ピエゾ素子を用いたインジェクタでは、放電開始から放電完了時の時間が変動することにより、インジェクタの噴射時間が変化し、噴射量が変化する不具合が発生してしまう。
【０００６】
一方、従来の技術では、放電の最後は、負荷電圧が下がり、放電電流Ipztが遮断電流まで達しなくなる。このため、時間ガードを設けて放電スイッチをOFF させていた。放電の最後に放電電流Ipztが遮断電流まで達しない場合、最適なタイミングで放電スイッチをOFF しないとピエゾ素子を完全に放電することができず、ピエゾ素子に電圧が残ってしまう不具合がある。
このように、ピエゾ素子に電圧が残ってしまうと、次回の充電時間に影響がでてしまい、例えばピエゾ素子を用いたインジェクタでは、次回の充電開始から充電完了時の時間が変動することになり、インジェクタの噴射時間が変化し、噴射量が変化する不具合が発生してしまう。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、ピエゾ素子の放電エネルギーを一定にして放電時間の変動を抑えることのできるピエゾ素子の放電装置の提供にある。
また、本発明の第２の目的は、ピエゾ素子の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチをOFF し、ピエゾ素子をほぼ完全に放電することができるピエゾ素子の放電装置の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
ピエゾ素子の放電時は、放電スイッチをOFF するための遮断電流を時間とともに上昇させるため、放電エネルギーを一定にすることができる。
つまり、ピエゾ素子の容量が放電とともに減少していくが、これに対して遮断電流が増加していくので、その積である放電エネルギーを一定にすることができる。
このため、ピエゾ素子の容量が温度によって変化しても、放電エネルギーが一定に保たれるため、放電時間の変動を抑えることができる。
【０００９】
〔請求項２の手段〕
ピエゾ素子の放電時は、電圧モニタで検出される負荷電圧が予め設定された零付近の設定電圧に低下した時に放電スイッチがオフされるため、ピエゾ素子の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチをOFF することができ、ピエゾ素子をほぼ完全に放電することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例および変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
図１〜図６を参照して実施例を説明する。なお、この実施例では、ピエゾ素子１を燃料噴射システムにおけるインジェクタ２のアクチュエータとして用いる場合を例に示す。
【００１２】
ピエゾ素子１は、図５、図６に示すように、各気筒に取り付けられるインジェクタ２に取り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮するものである。
【００１３】
ピエゾ素子１が搭載されるインジェクタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射システムに適用される。
この燃料噴射システムの一例を図５を参照して説明する。
インジェクタ２は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられている（図５ではインジェクタ２を１つのみ図示）。各インジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回路３は、エンジン制御装置（以下、ＥＣＵ）４から与えられる信号（充放電信号ＴＱ）によってピエゾ素子１の充放電を行うように設けられている。つまり、ＥＣＵ４から与えられる信号によって充放電回路３がインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を充電すると、ピエゾ素子１が伸長してインジェクタ２が開いてコモンレール５に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃焼室内に噴射する。噴射後、ＥＣＵ４から与えられる信号によって充放電回路３がインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を放電すると、ピエゾ素子１が収縮してインジェクタ２が閉じて燃料噴射が停止する。
【００１４】
コモンレール５には、燃料タンク６の燃料が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモンレール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモンレール５からインジェクタ２に供給される燃料は、燃焼室への噴射の他に、インジェクタ２の制御油圧としても用いられるものであり、インジェクタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６に還流するようになっている。
コモンレール５には、燃料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられている。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っている。
【００１５】
インジェクタ２の構造を図６を参照して説明する。
インジェクタ２は、棒状体を呈するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、先端部が燃焼室内に突出するものである。インジェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。
【００１６】
ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるものであり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座または離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９には、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）にリフトするように作用している。
【００１７】
大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給されており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作用している。
背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ駆動部１３によって駆動される。
【００１８】
背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。
この弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成されており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつながっている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上述したドレーンライン８に通じている。
【００１９】
また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通路２０と分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。
【００２０】
このように、ボール弁３０が下降して弁室２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してドレーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が下がり、ニードル１４が離座する。
逆に、ボール弁３０が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられると、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背圧が高まり、ニードル１４が着座する。
【００２１】
ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエゾ素子１が配置されている。
大径ピストン３２は、その下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する。
【００２２】
変位拡大室３１には、燃料が充填されており、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、その加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。
【００２３】
噴射時は、先ず、ピエゾ素子１が充電されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これにより、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴射が停止する。
【００２４】
図３に本発明を適用したピエゾ素子１の充放電回路３を示す。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電させるための充電スイッチ４１と、ピエゾ素子１を放電させるための放電スイッチ４２と、充放電されるピエゾ素子１を選択するための選択スイッチ４３と、エネルギー蓄積コイル４４と、複数のダイオード４５とから構成されている。
【００２５】
直流電源４０は、車載のバッテリ４６から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバータ４７、このＤＣ／ＤＣコンバータ４７に並列接続されたバッファコンデンサ４８を備える。このバッファコンデンサ４８は、比較的静電容量の大きなもので、ピエゾ素子１の充電作動時にも一定の電圧を保つようになっている。
【００２６】
充電スイッチ４１、放電スイッチ４２および選択スイッチ４３は、充放電コントローラ（図示しない）によってON-OFF制御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであっても良い。
エネルギー蓄積コイル４４は、直流電源４０と各ピエゾ素子１を電気的に接続するための通電経路に介在されて、通電経路を流れる電気エネルギーを蓄えるものである。
【００２７】
次に、充電スイッチ４１および放電スイッチ４１を制御してピエゾ素子１を充放電させる充放電コントローラについて説明する。
充放電コントローラは、ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると充電スイッチ４１をON-OFF制御してピエゾ素子１の充電を行い、充放電信号ＴＱがOFF すると放電スイッチ４２をON-OFF制御してピエゾ素子１の放電を行うように設けられている。
【００２８】
先ず、充放電コントローラによるピエゾ素子１の充電について説明する。
この実施例の充電方法は、従来技術で説明したものと同じマルチスイッチング方式であり、充放電コントローラは、充電スイッチ４１をONしてからピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に達するまでの時間を記憶する記憶手段（図示しない）を備える。
【００２９】
充放電コントローラは、ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると、充電スイッチ４１をONする。そして、ピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に達したら充電スイッチ４１をOFF し、この１回目の充電スイッチ４１のON時間を記憶する。１回目の充電スイッチ４１のOFF 後にピエゾ素子１の電流が０Ａまで低下すると、１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１をONし、その後電流が０Ａに低下すると再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１をONすることを複数回繰り返す。この充電方法によって、時間当たりの充電エネルギーが一定となり、温度が変動してピエゾ素子１の容量が変化しても、ピエゾ素子１に一定の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００３０】
この充電作動を図４を用いて説明する。
ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONすると、先ず、充電スイッチ４１をONする。すると、図４の実線Ａ1 に示すように、バッファコンデンサ４８に蓄えられた高電圧が充電スイッチ４１、エネルギー蓄積コイル４４を介してピエゾ素子１に与えられる。この時、ピエゾ素子１が充電されるとともに、エネルギー蓄積コイル４４にエネルギーが蓄積される。ピエゾ素子１の通電電流はモニタされており、ピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば２５Ａ）に上昇したら、充電スイッチ４１がOFF される。
【００３１】
充電スイッチ４１がOFF されると、図４中の実線Ａ2 に示す状態が生じる。即ち、エネルギー蓄積コイル４４に蓄えられたエネルギーがダイオード４５を介してピエゾ素子１に与えられる状態が続き、ピエゾ素子１の充電が継続される。モニタされるピエゾ素子１の通電電流が所定電流（例えば０Ａ）に低下したら、再び１回目で記憶されたON時間だけ充電スイッチ４１がONされ、図４中の実線Ａ1 の状態に戻される。以下、充電スイッチ４１のON-OFFを繰り返す。
【００３２】
次に、充放電コントローラによるピエゾ素子１の放電について、図１、図２を参照して説明する。
ピエゾ素子１を放電する放電スイッチ４２は、充放電コントローラに設けられた放電スイッチ制御手段５０によってON-OFF制御される。
【００３３】
放電スイッチ制御手段５０は、充放電信号ＴＱがONからOFF に反転すると、電流モニタ５１で検出される放電電流▲１▼が遮断電流▲２▼に達すると放電スイッチ４２をOFF させるものであり、遮断電流▲２▼は図２に示すように時間とともに上昇するように設けられている。
遮断電流▲２▼を上昇させる回路は、図１に示すようにリファレンスコンデンサ５２と第１コンパレータ５３を用いたものであり、充放電信号スイッチ５４がOFF （充放電信号ＴＱのOFF に相当する）すると、リファレンスコンデンサ５２の充電が開始されて第１コンパレータ５３の基準電圧が上昇し、結果的に遮断電流▲２▼が時間とともに上昇する。
なお、図２の実線▲３▼は第１コンパレータ５３の出力を示すものであり、実線▲４▼は放電スイッチ４２のON-OFFの切替状態を示すものである。
【００３４】
一方、放電スイッチ制御手段５０には、ピエゾ素子１の放電の最後に放電電流▲１▼が遮断電流▲２▼まで達しない場合でも、電圧モニタ５５で検出されるピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼が、予め設定された零付近の設定電圧に低下すると放電スイッチ４２をOFF し、放電スイッチ４２を最適なタイミングでOFF するように設けられている。
放電スイッチ４２を適切なタイミングでOFF させる回路は、第２コンパレータ５６と設定電圧５７を用いたものであり、ピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼と約０Ｖの設定電圧５７とを比較し、ピエゾ素子１の負荷電圧▲５▼が約０Ｖの設定電圧５７より下回ると、第２コンパレータ５６がLo信号を出力して、図２の実線▲４▼に示すように放電スイッチ４２を最適なタイミングでOFF する。
【００３５】
第１、第２コンパレータ５３、５６の出力は、アンド回路５８に入力されており、両方の出力がHi信号の場合だけ放電スイッチ４２をONするように設けられている。つまり、少なくとも第１、第２コンパレータ５３、５６の一方がLo信号を出力する時は、放電スイッチ４２をOFF するように設けられている。
【００３６】
次に、放電作動を図４を用いて説明する。
ＥＣＵ４から与えられる充放電信号ＴＱがONからOFF に反転すると、先ず、放電スイッチ４２がONする。すると、図４中の破線Ｂ1 に示すように、ピエゾ素子１に蓄えられていた電圧がエネルギー蓄積コイル４４、放電スイッチ４２を介して流れ、ピエゾ素子１に蓄積されていた電気エネルギーがエネルギー蓄積コイル４４に転送され、ピエゾ素子１の放電が進む。ピエゾ素子１の電流はモニタされており、ピエゾ素子１の電流が時間の経過とともに上昇する遮断電流に達したら、放電スイッチ４２をOFF する。
【００３７】
放電スイッチ４２がOFF すると、図４の破線Ｂ2 に示す状態が生じる。即ち、エネルギー蓄積コイル４４に蓄えられたエネルギーがダイオード４５を介してバッファコンデンサ４８に回生される。そして、ピエゾ素子１の電流が０Ａに低下したら、再び放電スイッチ４２をONし、図４中の破線Ｂ1 の状態に戻す。以下、放電スイッチ４２のON-OFFを繰り返す。
以上の作動によってピエゾ素子１に蓄積された電気エネルギーが放電される。
【００３８】
〔実施例の効果〕
上述したように、ピエゾ素子１の放電時は、放電スイッチ４２をOFF するための遮断電流を時間とともに上昇させている。これによって、ピエゾ素子１の容量が放電とともに減少していくが、これに対して遮断電流が増加していくので、その積である放電エネルギーが一定になる。つまり、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電エネルギーが一定に保たれる。
この結果、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電時間の変動を抑えることができる。このため、ピエゾ素子１の容量が温度によって変化しても、放電開始から放電完了までの時間が変動しなくなり、インジェクタ２の噴射時間が変化せず、噴射量が変化する不具合がない。
【００３９】
一方、ピエゾ素子１の放電時は、ピエゾ素子１の負荷電圧が予め設定された約０Ｖに低下した時に放電スイッチ４２をOFF しているため、ピエゾ素子１の放電の最後に放電電流が遮断電流まで達しない場合でも、最適なタイミングで放電スイッチ４２をOFF することができ、ピエゾ素子１をほぼ完全に放電することができる。
この結果、放電時にピエゾ素子１に電圧が残る不具合がなく、次回の充電時間等に影響を与えない。このように、次回の充電時間が変動しなくなるため、インジェクタ２の噴射時間が変化しなくなり、噴射量が変化する不具合がない。
【００４０】
〔変形例〕
上記の実施例では、ピエゾ素子１を用いたアクチュエータを、燃料噴射システムにおけるインジェクタ２に適用した例を示したが、ピエゾ素子１を他のアクチュエータ（例えば、光学系計測装置における光軸可変用のアクチュエータ）に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電スイッチ制御手段の電気回路図である。
【図２】放電時の作動を示すタイムチャートである。
【図３】充放電回路の電気回路図である。
【図４】充放電回路の作動説明図である。
【図５】燃料噴射システムの概略図である。
【図６】インジェクタの断面図である。
【図７】ピエゾ素子を流れる電流の説明図である。
【符号の説明】
１ ピエゾ素子（容量負荷変動体）
４０ 直流電源
４１ 充電スイッチ
４２ 放電スイッチ
４４ エネルギー蓄積コイル
５０ 放電スイッチ制御手段
５１ 電流モニタ
５２ リファレンスコンデンサ
５３ 第１コンパレータ
５４ 充放電信号スイッチ
５５ 電圧モニタ
５６ 第２コンパレータ
５７ 設定電圧
５８ アンド回路

Claims (2)

1. 温度によって容量負荷が変動する容量負荷変動体として印加電圧によって変位するピエゾ素子を用い、このピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを放電させるピエゾ素子の放電装置であって、
   前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを放電させるための放電スイッチと、
   前記ピエゾ素子から放電される放電電流をモニタする電流モニタと、
   前記ピエゾ素子の放電時に、前記電流モニタで検出される放電電流が遮断電流に達すると前記放電スイッチをオフさせる放電スイッチ制御手段とを具備し、
   前記放電スイッチ制御手段は、前記ピエゾ素子の放電時に、前記遮断電流を時間とともに上昇するように設けられていて、前記ピエゾ素子の放電時の放電エネルギーを一定に保つことを特徴とするピエゾ素子の放電装置。
2. 請求項１に記載のピエゾ素子の放電装置において、
   前記ピエゾ素子の負荷電圧をモニタする電圧モニタを備えるとともに、
   前記放電スイッチ制御手段として、前記ピエゾ素子の放電時に、前記電流モニタで検出される放電電流が遮断電流に達すると前記放電スイッチをオフさせるとともに、前記電圧モニタで検出される負荷電圧が予め設定された零付近の設定電圧に低下すると前記放電スイッチをオフさせる放電スイッチ制御手段を具備することを特徴とするピエゾ素子の放電装置。

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