JPH04309273A - ピエゾアクチュエータの駆動回路 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内燃機関へ燃料
を噴射供給し燃料噴射ポンプの噴射率制御装置に用いる
圧電素子のための駆動装置、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　
（ＰＺＴ）の駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン等において、主噴射
に先駆けて少量の噴射を行うパイロット噴射が、急激な
燃料の燃焼を防止し、そのために排気ガス、特にＮＯＸ
　やスモーク等の低減に対して効果があることが知られ
ている。従来においてはピエゾアクチュエータを用いた
パイロット噴射装置が考案されている　（特開昭６３−
６８７４６号、特開昭６３−１８３２５０号公報参照）
　。

【０００３】図７　にそれらに用いられる従来のピエゾ
アクチュエータ駆動回路とその出力波形を示す。その動
作を説明すると、閉角度信号発生器からの閉角度信号が
高レベルでトランジスタ６２がオンしているときトラン
スにはバッテリＶ　Ｂ　から一次コイル６１Ａ　を通し
て電流Ｉ１が流れ、一次コイル６１Ａ　のインダクタン
スをＬ１とすると１／２Ｌ１Ｉ１２なるエネルギーがト
ランスに蓄えられる。次に、所定の時刻に閉角度信号が
低レベルになるとトランジスタ６２がオフし、一次コイ
ルの電流Ｉ１が遮断され二次コイル６１Ｂ　には高電圧
Ｖ　が誘起してピエゾアクチュエータ３　に印加される
。

【０００４】この電圧Ｖ　はピエゾアクチュエータ３　
の両端子間の静電容量をＣ　とすると１／２Ｌ１Ｉ１２
＝１／２ＣＶ２　の関係を用いて普通５００Ｖから８０
０Ｖの範囲の電圧が印加されるよう設定されている。こ
の印加電圧Ｖ　によってピエゾアクチュエータ３　は伸
長し、その押圧によりいわゆるパイロット噴射が開始さ
れ、所定の時間後、短絡信号発生回路からの短絡信号が
低レベルから高レベルへと変化するとトランジスタ６８
はオフからオンになりピエゾアクチュエータ３　を短絡
する。これによりピアゾアクチュエータは収縮し前記パ
イロット噴射は停止する　（図７　の出力波形）　。

【０００５】このように従来のピエゾアクチュエータ駆
動回路は充電手段（　閉角度信号発生器、トランジスタ
６２等）　と放電手段　（短絡信号発生器、トランジス
タ６８等）　が別々に存在し、又それら相互間のタイミ
ングを調整する必要もありその構成が複雑でともすれば
大型化そしてコスト高となる傾向があった。さらにこの
放電手段にはピエゾアクチュエータを駆動するための高
電圧が要求され、そのため高耐圧のスイッチング素子６
８が必要とされそれは高価なものであり、そしてそれを
制御するための短絡信号発生回路、及び充電手段と放電
手段相互間のタイミング調整手段等も必要であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、トラ
ンスのインダクタンスとピエゾアクチュエータの容量と
の共振回路を利用し、トランスはフライバック動作させ
ることにより、前記高耐圧トランジスタや短絡信号発生
回路及び相互タイミング手段等を含む放電回路を必要と
せず、ピエゾアクチュエータ駆動回路の簡素化、小型化
及び低コスト化が実現可能なピエゾアクチュエータ駆動
回路を提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、該ピエ
ゾアクチュエータ駆動回路は、直流電流を供給するため
のバッテリ、該バッテリから供給される電流を受けるイ
ンダクタ手段、該バッテリから該インダクタ手段へ供給
される電流をオン／　オフするためのスイッチング手段
、該スイッチング手段により該インダクタ手段に流れる
電流を遮断する際発生する高電圧を受けるピエゾアクチ
ュエータから構成され、該ピエゾアクチュエータに高電
圧を印加する時間は、該インダクタ手段のインダクタン
スと該ピエゾアクチュエータの等価容量との共振回路に
よる放電時間により決定される前述の短絡トランジスタ
及び短絡信号発生回路及び相互タイミング調整手段を必
要としない簡素化、小型そして低コスト化を実現したピ
エゾアクチュエータ駆動回路が提供される。

【０００８】

【作用】トランスの一次側に電流を流し所定値になって
から電流を遮断すると、この時に電流の急激な変化によ
りトランスに発生したフライバック電圧がピエゾアクチ
ュエータに印加される。この電圧波形は、トランスの二
次インダクタンスとピエゾアクチュエータの容量成分で
の共振により発生するもので、その半波を利用すれば、
適当なインダクタンスと容量の設定により従来のピエゾ
アクチュエータ駆動回路の波形を近似できる。従来にお
いては、閉角度信号の他に短絡信号が必要とされていた
が、その短絡するまでの時間は実験結果からほぼ一定で
よいことがわかった。従って、このように共振波形の半
波を利用すれば、従来の短絡信号発生回路と前記相互タ
イミング手段及び、高耐圧のスイッチング素子が省略で
き、駆動回路の簡素化、小型化そして低コスト化が可能
となる。

【０００９】

【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説明する。図１　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、１　はボッシュ式分配片
燃料噴射ポンプであり、１１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
機関の燃焼室に噴射するものである。３は高圧室１２に
関して取り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。このピエゾアクチュエータ３　
は、例えば特開昭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４３等から成り、それか
らの信号を電子制御ユニット（ＥＣＵ）５に対して出力
している。

【００１０】ＥＣＵ５は、図示しないＣＰＵ　、メモリ
、タイマ、Ａ／Ｄ　変換器等を内蔵している。このＥＣ
Ｕ５は、充電電圧の演算や放電時間の演算の機能を有し
ており、回転数検出器４１等からの信号による３　次元
マップ補間演算がマップ５１より得られ、それから得ら
れるＶ　ＴＨ信号出力とピエゾアクチュエータ３　の印
加電圧を抵抗５３、５４により分割した電圧とをコンパ
レータ５２で比較している。

【００１１】６　は本発明によるピエゾアクチュエータ
駆動回路の一実施例を示しており、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Ｖ　Ｂ
　からの電流の電気エネルギーを磁気エネルギーに変換
する一次コイル６１Ａ，一次コイル６１Ａの電流をスイ
ッチングするためのトランジスタ６２、トランジスタ６
２に流れる電流を制限する抵抗６３、又一次コイル６１
Ａ　と磁気的に結合されておりインダクタ６１Ａ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
ピエゾアクチュエータを高電圧にチャージする二次コイ
ル６１Ｂ　、ピエゾアクチュエータに異常な高電圧がか
かるのを防止するツェナーダイオード６６、ツェナーダ
イオード６６に流れる電流を制限する抵抗６５、二次コ
イル６１Ｂ　に流れる電流を制限し保護する抵抗６７、
ピエゾアクチュエータに充電する際に抵抗６７をバイパ
スさせるためのダイオード６４を有する。

【００１２】図２　は図１　の噴射システム１　の動作
説明図であり、図３　は本発明による駆動回路６　の一
実施例、図４　はピエゾアクチュエータ充放電時の駆動
回路６　の動作を示すタイミングチャートである。以上
の構成による動作について図２　と図４　を参照して説
明する。

【００１３】ポンプが圧送を開始すると高圧室１２の圧
力は上昇していき図２　の（Ａ）　の曲線となる。この
時、ピエゾアクチュエータ３に押圧に比例した押圧力が
加わるため、ピエゾアクチュエータ３　の端子電圧は図
４　のＶ　ｐ　のごとく上昇していく。この端子電圧が
所定の　（開弁圧前の所定の圧力に相当する）　電圧に
なった時に、ピエゾアクチュエータ３　に外部より高電
圧を印加してやると、ピエゾアクチュエータ３は伸長し
、高電圧室１２の圧力は図２　の（Ａ）　のように急に
高くなり開弁圧を越える。したがってノズル２　より燃
料を噴射するが、ピエゾアクチュエータ３　の伸長によ
る仕事の大半は油圧を開弁圧以上に加圧されるのに費や
され、噴出量としては１　〜２ｍｍ３にすぎない。ピエ
ゾアクチュエータ３　が伸長してパイロット噴射を行っ
た直後、ピエゾアクチュエータ３　の印加電圧を解除す
ると　（図２　の（Ａ））、ピエゾアクチュエータ３　
は収縮し、高圧室１２の圧力は低下するため、噴射が中
断する　（図２　の（Ｃ））。このようにしてパイロッ
ト噴射を実現している。その後は、プランジャ１１の左
側への移動により再び高圧室１２の圧力は高くなりメイ
ン部の噴射が行われる。

【００１４】次に駆動回路の動作について、図３　、図
４　を参照して説明する。所定の時期にトランジスタ６
２をオンすると、一次コイル６１Ａ　を流れる電流は時
間と共に増加していくが、この電流値をＩ１とすると、
一次コイルには１／２ＬＩ１２　なるエネルギーが蓄え
られていることになる。一方、ポンプの圧送行程が始ま
り高圧室内の圧力が上昇するとピエゾアクチュエータ３
　は押圧され電圧を発生する　（図４　のＶ　Ｐ　）　
。この発生電圧が所定の値　（ノズル開弁圧値前の所定
の圧力に相当する）　になったとき、コンパレータ５２
の出力は「１　」レベルとなる。これによりトランジス
タ６２はオフし一次コイル６１Ａ　に蓄えられていたエ
ネルギーが高電圧となりダイオード６４、二次コイル６
１Ｂ　を介してピエゾアクチュエータ３　に印加される
　（図４　のＶ　Ｐ　）　。この高電圧印加によってピ
エゾアクチュエータ３　は伸長し、高圧室１２の圧力は
上昇し、ノズル開弁圧を越えるため、ノズルより燃料の
パイロット噴射を行う。

【００１５】従来の方式、例えば特開昭６３−６８７４
６の第４　実施例では、ピエゾアクチュエータ３　に高
電圧を印加する時間は一定時間（５００ｕｓ）　であり
、この一定時間高電圧を印加後、別のトランジスタで電
荷を放電させている。 本方式はこの時間を二次コイル６１Ｂ　のインダクタン
スＬ２とピエゾアクチュエータの等価容量Ｃ　との共振
を利用して印加時間Ｔ２　（パイロット噴射期間）　を
決めている　（図４　のＶ　Ｐ　）　。

【００１６】すなわち、

【数２】 である。図４　のＶ　Ｐ　に本発明により実際にピエゾ
アクチュエータ３　に印加される電圧波形の例を示す。

【００１７】従って、二次コイル６１Ｂ　のインダクタ
ンスとピエゾアクチュエータの等価容量Ｃ　との共振を
利用することにより、印加電圧を放電するための高価な
高耐圧トランジスタが不要となり、さらにはその一定時
間を作るためのタイミング手段も不要となり駆動回路の
簡素化、小型化及び低コスト化が可能となる。なおツェ
ナーダイオード６６は、ピエゾアクチュエータ３　に過
大な電圧が印加されるのを防止し、抵抗６５はその電流
を制限する。又、トランジスタ６２の電流Ｉ１はＥＣＵ
５により所定電流で遮断されるため、ピエゾアクチュエ
ータ３　の容量値がばらついても、一定エネルギーが供
給されるため、噴射量のバラツキが保証される。

【００１８】ピエゾアクチュエータ３　に電圧を印加す
るタイミングすなわち、パイロット噴射のタイミングは
ピエゾアクチュエータ３　の電圧が所定レベルになった
時となっているが、回転数、負荷、水温等の情報を基に
三次元マップによりあらかじめ演算された値（ＶＴＨ）
　を用いて制御してもよい。又、一次電流Ｉ１は定電流
制御を行い常に一定電流で遮断する機構とすることがで
きる。

【００１９】図５　は本発明によるピエゾアクチュエー
タ駆動回路のタイミング回路を含めた回路構成例を示し
ており、図６　は図５　の動作タイムチャートを示して
いる。 図５　において、高圧室１２が加圧されると、ピアゾア
クチュエータ３　に印加される電圧が上昇する。この値
が所定値Ｖ　ＴＨに達すると、コンパレータ５２が作動
し、「１　」レベルになる。このタイミングに同期して
ワンショット回路５５よりコンデンサ５６と抵抗５７の
時定数で定まる期間だけパルスが出力され（（Ｃ））　
、この信号はインバータ５８により反転信号（（Ｄ））
　となってトランジスタ６２をオフにし、通電されてい
た一次コイル６１Ａ　は電流が遮断される。このためコ
イルのエネルギーが二次コイルを通してピエゾアクチュ
エータ３　に印加されパイロット噴射が行われる（（Ａ
））　。この時に印加される電圧は二次コイルのインダ
クタンスＬ２とピエゾアクチュエータ３　の容量Ｃ　と
の共振によるものであり、図６　の（Ａ）　に示す電圧
波形がその１／２　共振周期の間ピエゾアクチュエータ
３　に印加され、その期間後にパイロット噴射は停止す
る。よって本発明による駆動回路には従来回路の放電用
トランジスタ及び一定期間パイロット噴射を行わせるた
めのタイミング回路が不要である。

【００２０】その後、プランジャ１１のさらなる移動に
よりポンプ圧力は増加し続けそして開弁圧を再び越える
と主噴射が開始される（（Ａ））　。この場合、図１　
のＥＣＵ５は、コンパレータのＶ　ＴＨを使って回転数
、水温そしてスロットル等からなるマップ５１を使って
ディーゼルエンジン等の運転状態に応じた制御を行う。 又、トランジスタ６２の通電時間をコンパレータ５２の
出力に同期して決定を行う。なお図５　におけるトラン
ジスタ６８と抵抗６９，７０　はトランジスタ６２に流
れる電流を一定とするための定電流回路を構成する。こ
れにより常に一定のエネルギーをピエゾアクチュエータ
に供給することができ負荷に依存しない構成とすること
ができる。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればピエ
ゾアクチュエータの充放電をトランスのインダクタンス
とピエゾアクチュエータの容量との共振回路を利用する
ことによって、従来回路における高価な高耐圧放電用ト
ランジスタ及び複雑な構成を有する放電用タイミング回
路が不要となり、その結果、本発明の目的とするところ
のピエゾアクチュエータ駆動回路の簡素化、小型化そし
て低コスト化が達成される。さらにはその簡素化は高電
圧使用による故障の低減に効果があり又、スイッチング
トランジスタの電流を定電流化することで、ピエゾアク
チュエータの容量値のばらつきに対しても一定エネルギ
ーが供給され、噴射量のバラツキが保証される。

【図面の簡単な説明】

【図　１】本発明を燃料噴射率制御装置に適用したシス
テム構成例。

【図　２】図１　のシステムの動作説明図。

【図　３】本発明による駆動回路の回路図。

【図　４】図３　の駆動回路の充放電動作時のタイミン
グチャート。

【図　５】本発明による駆動回路にタイミング回路を含
めた回路構成例。

【図　６】図５　の動作タイムチャート。

【図　７】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路とその
出力波形。

【符号の説明】

１　…噴射ポンプ ２　…ノズル ３　…ピエゾアクチュエータ ４　…運転状態検出手段 ５　…ＥＣＵ ６　…ピエゾアクチュエータ駆動回路 １１…プランジャ １２…高圧室 ４１…回転数検出器 ４２…エンジン負荷検出器 ４３…冷却水温検出器 ５１…マップ ５２…コンパレータ ５３，５４，６３，６５，６７…抵抗 ６１Ａ　…一次コイル ６１Ｂ　…二次コイル ６２…トランジスタ ６４…ダイオード ６６…ツェナーダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、該ピエゾアクチュエータ駆動回路は、直流電流
   を供給するためのバッテリ、該バッテリから供給される
   電流を受けるインダクタ手段、該バッテリから該インダ
   クタ手段へ供給される電流をオン／　オフするためのス
   イッチング手段、該スイッチング手段により該インダク
   タ手段に流れる電流を遮断する際発生する高電圧を受け
   るピエゾアクチュエータから構成され、該ピエゾアクチ
   ュエータに高電圧を印加する時間Ｔ２は、該インダクタ
   手段のインダクタンスＬ２と該ピエゾアクチュエータの
   等価容量Ｃ　との共振回路による次式で定まる放電時間
   に設定され、 【数１】 で決定されることを特徴とするピエゾアクチュエータ駆
   動回路。
2. 【請求項２】　　該インダクタ手段から発生する該高電
   圧を半波整流する整流手段を含み、該整流手段からの半
   波電圧を該ピエゾアクチュエータに印加することを特徴
   とする請求項１　記載のピエゾアクチュエータ駆動回路
   。