JP3214961B2 - 圧電素子駆動装置 - Google Patents
圧電素子駆動装置Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
- F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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- H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料噴射弁等を駆動する
圧電アクチュエータ駆動装置に係わり、特にエネルギ蓄
積用のコンデンサが小容量でかつ回路構成の簡単な圧電
アクチュエータ駆動装置に関する。
圧電アクチュエータ駆動装置に係わり、特にエネルギ蓄
積用のコンデンサが小容量でかつ回路構成の簡単な圧電
アクチュエータ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料噴射弁の弁体を駆動するアクチュエ
ータに圧電素子を使用するものは公知である。アクチュ
エータとして圧電素子を使用した場合には圧電素子に高
電圧を印加することが必要となるが、高電圧を得るため
にスイッチング素子によりパルス化した直流をインダク
タンスを介してコンデンサに充電することが一般的であ
る。
ータに圧電素子を使用するものは公知である。アクチュ
エータとして圧電素子を使用した場合には圧電素子に高
電圧を印加することが必要となるが、高電圧を得るため
にスイッチング素子によりパルス化した直流をインダク
タンスを介してコンデンサに充電することが一般的であ
る。
【０００３】しかし圧電素子の電気的パラメータ、特に
静電容量には個々にバラツキがあるだけでなく周囲温度
によって変化するために、変動幅を見込んで回路定数を
決定する必要があり、余裕がある場合は圧電素子を破損
することもある。さらに各燃料噴射弁毎に圧電アクチュ
エータを設置した場合には各気筒に均一に燃料を噴射す
ることができない。
静電容量には個々にバラツキがあるだけでなく周囲温度
によって変化するために、変動幅を見込んで回路定数を
決定する必要があり、余裕がある場合は圧電素子を破損
することもある。さらに各燃料噴射弁毎に圧電アクチュ
エータを設置した場合には各気筒に均一に燃料を噴射す
ることができない。
【０００４】この課題を解決するために圧電アクチュエ
ータに駆動電力を供給する駆動装置をすべての燃料噴射
弁について共通とすることが提案されている（特開昭６
２−１７３３８公報参照）。即ちこの駆動装置は、バッ
テリから供給される直流をスイッチング素子で接断して
パルス状とし第１のインダクタンスを介して昇圧しコン
デンサに充電し、コンデンサの充電電圧を所定のタイミ
ングで第２のインダクタンスを介して燃料噴射弁に供給
するように構成されている。
ータに駆動電力を供給する駆動装置をすべての燃料噴射
弁について共通とすることが提案されている（特開昭６
２−１７３３８公報参照）。即ちこの駆動装置は、バッ
テリから供給される直流をスイッチング素子で接断して
パルス状とし第１のインダクタンスを介して昇圧しコン
デンサに充電し、コンデンサの充電電圧を所定のタイミ
ングで第２のインダクタンスを介して燃料噴射弁に供給
するように構成されている。
【０００５】即ちコンデンサは、内燃機関に装着される
全燃料噴射弁を駆動することのできるだけの電力を蓄積
できるものでなければならず、コンデンサの容量が大き
くなることは避けることはできない。充電用コンデンサ
の大容量化を避けるために電圧を高圧化することが考え
られるが、車載用バッテリは普通１２Ｖでありインダク
タンスによる昇圧にも限度がある。
全燃料噴射弁を駆動することのできるだけの電力を蓄積
できるものでなければならず、コンデンサの容量が大き
くなることは避けることはできない。充電用コンデンサ
の大容量化を避けるために電圧を高圧化することが考え
られるが、車載用バッテリは普通１２Ｖでありインダク
タンスによる昇圧にも限度がある。
【０００６】そこで高圧に加圧された燃料により歪みを
受けた圧電素子に発生する電圧をコンデンサの充電に利
用するものが提案されている（特開昭６２−７５０３５
公報参照）。
受けた圧電素子に発生する電圧をコンデンサの充電に利
用するものが提案されている（特開昭６２−７５０３５
公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記駆動
装置は構成が複雑化することは避けることができず、さ
らに圧電素子の静電容量が温度に依存して幅広い範囲で
変化することを補正することもできない。本発明は上記
問題点に鑑みなされたものであって、小容量のコンデン
サを使用した簡易な回路構成により圧電素子の特性変化
にかかわらず十分なエネルギを供給することの可能な圧
電素子駆動装置を提供することを目的とする。
装置は構成が複雑化することは避けることができず、さ
らに圧電素子の静電容量が温度に依存して幅広い範囲で
変化することを補正することもできない。本発明は上記
問題点に鑑みなされたものであって、小容量のコンデン
サを使用した簡易な回路構成により圧電素子の特性変化
にかかわらず十分なエネルギを供給することの可能な圧
電素子駆動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係る圧電素
子駆動装置は、直流電源と、直流電源に並列に接続され
るエネルギ蓄積用コンデンサと、結合トランスと、エネ
ルギ蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギを結合トラ
ンスの１次側巻線に移動する際にオンとなる移動用スイ
ッチング素子と、結合トランスの２次側巻線に並列に接
続される圧電素子と、結合トランスの２次側巻線の一方
の端子に一方の端子が接続される放電コイルと、放電コ
イルの他方の端子に一方の端子が接続され結合トランス
の２次側巻線の他方の端子に他方の端子が接続される放
電用スイッチング素子と、を具備する。
子駆動装置は、直流電源と、直流電源に並列に接続され
るエネルギ蓄積用コンデンサと、結合トランスと、エネ
ルギ蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギを結合トラ
ンスの１次側巻線に移動する際にオンとなる移動用スイ
ッチング素子と、結合トランスの２次側巻線に並列に接
続される圧電素子と、結合トランスの２次側巻線の一方
の端子に一方の端子が接続される放電コイルと、放電コ
イルの他方の端子に一方の端子が接続され結合トランス
の２次側巻線の他方の端子に他方の端子が接続される放
電用スイッチング素子と、を具備する。
【０００９】第２の発明にかかる圧電素子駆動装置は、
エネルギ蓄積用コンデンサと並列にエネルギ蓄積用コン
デンサの正極が負電圧となることを防止するクランプダ
イオードが設置される。第３の発明にかかる圧電素子駆
動装置は、第１の所定の関係を満たすように、 エネルギ蓄積用コンデンサの容量 Ｃｓ 圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最小値 Ｃｐmin 結合トランスの一次巻線と二次巻線との巻数比 １：ｎ を選定する。
エネルギ蓄積用コンデンサと並列にエネルギ蓄積用コン
デンサの正極が負電圧となることを防止するクランプダ
イオードが設置される。第３の発明にかかる圧電素子駆
動装置は、第１の所定の関係を満たすように、 エネルギ蓄積用コンデンサの容量 Ｃｓ 圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最小値 Ｃｐmin 結合トランスの一次巻線と二次巻線との巻数比 １：ｎ を選定する。
【００１０】第４の発明にかかる圧電素子駆動装置は、
放電コイルに代えて、１次巻線が前記圧電素子に並列に
接続されるエネルギ回収トランスと、エネルギ回収トラ
ンスの２次巻線に並列に接続されるエネルギ回収コンデ
ンサと、エネルギ回収コンデンサに回収されたエネルギ
をエネルギ蓄積コンデンサに移送する移送回路と、を設
置する。
放電コイルに代えて、１次巻線が前記圧電素子に並列に
接続されるエネルギ回収トランスと、エネルギ回収トラ
ンスの２次巻線に並列に接続されるエネルギ回収コンデ
ンサと、エネルギ回収コンデンサに回収されたエネルギ
をエネルギ蓄積コンデンサに移送する移送回路と、を設
置する。
【００１１】第５の発明にかかる圧電素子駆動装置は、
第１の所定の関係を満たすように、 エネルギ回収用コンデンサの容量 Ｃｒ 圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最大値 Ｃｐmax エネルギ回収トランス一次巻線と二次巻線との巻数比 ｍ：１ を選定する。
第１の所定の関係を満たすように、 エネルギ回収用コンデンサの容量 Ｃｒ 圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最大値 Ｃｐmax エネルギ回収トランス一次巻線と二次巻線との巻数比 ｍ：１ を選定する。
【００１２】
【作用】第１の発明にかかる圧電素子駆動装置にあって
は、直流電源から供給されるエネルギがエネルギ蓄積用
コンデンサに蓄積され、移送用スイッチング素子がオン
となった時に蓄積されたエネルギが圧電素子に移動され
圧電素子は伸長し燃料噴射弁を開あるいは閉とする。
は、直流電源から供給されるエネルギがエネルギ蓄積用
コンデンサに蓄積され、移送用スイッチング素子がオン
となった時に蓄積されたエネルギが圧電素子に移動され
圧電素子は伸長し燃料噴射弁を開あるいは閉とする。
【００１３】そして放電用スイッチング素子がオンとな
った時に放電コイルを介して圧電素子に蓄積されたエネ
ルギを放電し、圧電素子を収縮し燃料噴射弁を閉あるい
は開とする。第２の発明にかかる圧電素子駆動装置にあ
っては、エネルギ蓄積用コンデンサの正極端子に負電圧
が印加されることを防止する。
った時に放電コイルを介して圧電素子に蓄積されたエネ
ルギを放電し、圧電素子を収縮し燃料噴射弁を閉あるい
は開とする。第２の発明にかかる圧電素子駆動装置にあ
っては、エネルギ蓄積用コンデンサの正極端子に負電圧
が印加されることを防止する。
【００１４】第３の発明にかかる圧電素子駆動装置にあ
っては、第１の所定の関係を満たすことにより移送用ス
イッチング素子がオンとなった時圧電素子の静電容量が
周囲温度によって変化した場合にもエネルギ蓄積用コン
デンサの正極端子に正電圧が残存することを防止する。
第４の発明にかかる圧電素子駆動装置にあっては、圧電
素子に蓄積されたエネルギが回収トランスを介してエネ
ルギ回収コンデンサに回収され、さらにエネルギ蓄積用
コンデンサに移送される。
っては、第１の所定の関係を満たすことにより移送用ス
イッチング素子がオンとなった時圧電素子の静電容量が
周囲温度によって変化した場合にもエネルギ蓄積用コン
デンサの正極端子に正電圧が残存することを防止する。
第４の発明にかかる圧電素子駆動装置にあっては、圧電
素子に蓄積されたエネルギが回収トランスを介してエネ
ルギ回収コンデンサに回収され、さらにエネルギ蓄積用
コンデンサに移送される。
【００１５】第５の発明にかかる圧電素子駆動装置にあ
っては、第２の所定の関係を満たすことにより圧電素子
の静電容量が周囲温度によって変化した場合にも圧電素
子に蓄積された全エネルギが放電される。
っては、第２の所定の関係を満たすことにより圧電素子
の静電容量が周囲温度によって変化した場合にも圧電素
子に蓄積された全エネルギが放電される。
【００１６】
【実施例】図１は第１の発明にかかる圧電素子駆動装置
の第１の実施例の構成図である。即ち車載のバッテリ１
の電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ２の両極に接続されたエネルギ蓄積用コン
デンサ３に充電される。なおエネルギ蓄積用コンデンサ
３と並列にクランプダイオード４が接続されている。
の第１の実施例の構成図である。即ち車載のバッテリ１
の電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され、ＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ２の両極に接続されたエネルギ蓄積用コン
デンサ３に充電される。なおエネルギ蓄積用コンデンサ
３と並列にクランプダイオード４が接続されている。
【００１７】さらにエネルギ蓄積用コンデンサ３に並列
に結合トランス５と移送用トランジスタ６との直列接続
回路が接続される。即ちエネルギ蓄積用コンデンサ３の
正極端子に結合トランス５の１次巻線５１の一端が接続
され、１次巻線の他端は移送用トランジスタ６のコレク
タに接続される。
に結合トランス５と移送用トランジスタ６との直列接続
回路が接続される。即ちエネルギ蓄積用コンデンサ３の
正極端子に結合トランス５の１次巻線５１の一端が接続
され、１次巻線の他端は移送用トランジスタ６のコレク
タに接続される。
【００１８】移送用トランジスタ６のエミッタはエネル
ギ蓄積用コンデンサ３の負極端子は接地される。結合ト
ランス５の２次巻線には駆動回路７０が接続される。即
ち結合トランス５の２次巻線５２に並列に逆流防止用ダ
イオード７０１を介して圧電素子７０２および放電コイ
ル７０３と放電用トランジスタ７０４との直列回路が接
続される。
ギ蓄積用コンデンサ３の負極端子は接地される。結合ト
ランス５の２次巻線には駆動回路７０が接続される。即
ち結合トランス５の２次巻線５２に並列に逆流防止用ダ
イオード７０１を介して圧電素子７０２および放電コイ
ル７０３と放電用トランジスタ７０４との直列回路が接
続される。
【００１９】結合トランス５の２次巻線５２の正極端子
には圧電素子７０２および放電コイル７０３の一端が共
通に接続される。放電コイル７０３の他端は放電用トラ
ンジスタ７０４のコレクタに接続され、放電用トランジ
スタ７０４のエミッタは接地される。なお結合トランス
５の２次巻線５２の負極端子も接地される。
には圧電素子７０２および放電コイル７０３の一端が共
通に接続される。放電コイル７０３の他端は放電用トラ
ンジスタ７０４のコレクタに接続され、放電用トランジ
スタ７０４のエミッタは接地される。なお結合トランス
５の２次巻線５２の負極端子も接地される。
【００２０】放電用トランジスタ７０４のベースは制御
部８に接続され、移送用トランジスタ６のベースは単安
定回路９に接続される。なお単安定回路９は電子制御部
８からの信号によって起動される。図２は第１の実施例
の動作を説明するためのタイミング図示であって、横軸
に時間を、縦軸に制御部８から出力される燃料噴射信号
τ、圧電素子に対する移送信号Ｔ、圧電素子電圧Ｖｐ、
圧電素子電流Ｉｐおよびエネルギ蓄積用コンデンサ電圧
Ｖｓをとる。
部８に接続され、移送用トランジスタ６のベースは単安
定回路９に接続される。なお単安定回路９は電子制御部
８からの信号によって起動される。図２は第１の実施例
の動作を説明するためのタイミング図示であって、横軸
に時間を、縦軸に制御部８から出力される燃料噴射信号
τ、圧電素子に対する移送信号Ｔ、圧電素子電圧Ｖｐ、
圧電素子電流Ｉｐおよびエネルギ蓄積用コンデンサ電圧
Ｖｓをとる。
【００２１】また本実施例においては圧電素子７０２が
収縮した状態で燃料が噴射されるものとする。時刻ｔ1
で電子制御部８から出力される燃料噴射信号τは放電用
トランジスタ７０４のベースに印加され、“Ｈ”レベル
となると放電用トランジスタ７０４はオン状態となり圧
電素子７０２に蓄積されたエネルギは放電コイル７０３
を介して放出され圧電素子７０２は収縮状態となり燃料
噴射弁は開となる。従って圧電素子電圧Ｖｐは接地電位
に低下する。
収縮した状態で燃料が噴射されるものとする。時刻ｔ1
で電子制御部８から出力される燃料噴射信号τは放電用
トランジスタ７０４のベースに印加され、“Ｈ”レベル
となると放電用トランジスタ７０４はオン状態となり圧
電素子７０２に蓄積されたエネルギは放電コイル７０３
を介して放出され圧電素子７０２は収縮状態となり燃料
噴射弁は開となる。従って圧電素子電圧Ｖｐは接地電位
に低下する。
【００２２】時刻ｔ2 において燃料噴射信号τが“Ｌ”
レベルとなると、単安定回路９は予め定められた時間
“Ｈ”レベルとなる移送信号Ｔを出力する。移送信号Ｔ
は移送用トランジスタ６のベースに供給され、移送用ト
ランジスタ６をオンとする。するとエネルギ蓄積用コン
デンサ３に蓄積されていたエネルギが結合トランス５を
介して圧電素子７０２に移送され、圧電素子電圧Ｖｐは
高電圧に復帰し伸長して燃料噴射弁を閉とする。
レベルとなると、単安定回路９は予め定められた時間
“Ｈ”レベルとなる移送信号Ｔを出力する。移送信号Ｔ
は移送用トランジスタ６のベースに供給され、移送用ト
ランジスタ６をオンとする。するとエネルギ蓄積用コン
デンサ３に蓄積されていたエネルギが結合トランス５を
介して圧電素子７０２に移送され、圧電素子電圧Ｖｐは
高電圧に復帰し伸長して燃料噴射弁を閉とする。
【００２３】エネルギ蓄積用コンデンサ３の両端電圧Ｖ
ｓは圧電素子７０２にエネルギを移送した瞬時は接地電
位に低下するが、移送用トランジスタ６がオフとなると
エネルギの蓄積が再開される。図３は圧電素子７０２の
静電容量の周囲温度による影響を示すグラフの一例であ
って、横軸に周囲温度、縦軸に静電容量をとる。
ｓは圧電素子７０２にエネルギを移送した瞬時は接地電
位に低下するが、移送用トランジスタ６がオフとなると
エネルギの蓄積が再開される。図３は圧電素子７０２の
静電容量の周囲温度による影響を示すグラフの一例であ
って、横軸に周囲温度、縦軸に静電容量をとる。
【００２４】即ち静電容量は周囲温度にほぼ比例して増
加し、周囲温度が−３０℃の時は静電容量は約０．６μ
Ｆであり、周囲温度が１２０℃の時は静電容量は約１．
８μＦである。従って周囲温度の変化に係わらず確実に
燃料噴射弁を開閉するためには、周囲温度の変化に係わ
らず所定値以上の電荷を圧電素子７０２に移送する必要
があるが、以下この手段を説明する。
加し、周囲温度が−３０℃の時は静電容量は約０．６μ
Ｆであり、周囲温度が１２０℃の時は静電容量は約１．
８μＦである。従って周囲温度の変化に係わらず確実に
燃料噴射弁を開閉するためには、周囲温度の変化に係わ
らず所定値以上の電荷を圧電素子７０２に移送する必要
があるが、以下この手段を説明する。
【００２５】図４は圧電素子駆動装置の要部回路図、図
５は要部回路図を結合トランス５の２次巻線側へ変換し
た等価回路である。なお結合トランス５の漏れインダク
タンスは、次式により表される。
５は要部回路図を結合トランス５の２次巻線側へ変換し
た等価回路である。なお結合トランス５の漏れインダク
タンスは、次式により表される。
【００２６】
【数３】
【００２７】なお、次式が成立するため、結合トランス
５の励磁インダクタンスに流れる電流は無視する。
５の励磁インダクタンスに流れる電流は無視する。
【００２８】
【数４】
【００２９】図６はエネルギ蓄積用コンデンサ３の等価
容量（Ｃｓ／ｎ2 ）と圧電素子７０２の容量Ｃｐとの端
子電圧の時間的変化を示すグラフであって、横軸に時間
を、縦軸に電圧をとる。なお各パラメータは以下の値と
した。 Ｌ1 ＝ ２ｍＨ ｎ2 ＝ １０ Ｃｓ ＝ １０μＦ ｋ ＝ ０．９５ グラフ（イ）はＣｓ／ｎ2 ＞Ｃｐ （例えば周囲温度が−３０℃である時） グラフ（ロ）はＣｓ／ｎ2 ＝Ｃｐ （例えば周囲温度が２０℃である時） グラフ（ハ）はＣｓ／ｎ2 ＜Ｃｐ （例えば周囲温度が１２０℃である時） を示す。
容量（Ｃｓ／ｎ2 ）と圧電素子７０２の容量Ｃｐとの端
子電圧の時間的変化を示すグラフであって、横軸に時間
を、縦軸に電圧をとる。なお各パラメータは以下の値と
した。 Ｌ1 ＝ ２ｍＨ ｎ2 ＝ １０ Ｃｓ ＝ １０μＦ ｋ ＝ ０．９５ グラフ（イ）はＣｓ／ｎ2 ＞Ｃｐ （例えば周囲温度が−３０℃である時） グラフ（ロ）はＣｓ／ｎ2 ＝Ｃｐ （例えば周囲温度が２０℃である時） グラフ（ハ）はＣｓ／ｎ2 ＜Ｃｐ （例えば周囲温度が１２０℃である時） を示す。
【００３０】また各グラフの下段には時刻０、Ｔｃ／２
およびＴｃにおけるエネルギ蓄積用コンデンサ３の等価
容量（Ｃｓ／ｎ2 ）、圧電素子７０２の容量Ｃｐおよび
結合トランス５の漏れインダクタンスに蓄積されている
エネルギ（単位ｍＪ）を表す。即ち、周囲温度が２０℃
近傍の常温であれば、 Ｃｓ／ｎ2 ＝Ｃｐ＝１μＦ が成立し、時刻０においてエネルギ蓄積用コンデンサ３
に蓄積されたエネルギ１８０ｍＪを、時刻Ｔｃにおいて
全て圧電素子７０２に移送することが可能である。
およびＴｃにおけるエネルギ蓄積用コンデンサ３の等価
容量（Ｃｓ／ｎ2 ）、圧電素子７０２の容量Ｃｐおよび
結合トランス５の漏れインダクタンスに蓄積されている
エネルギ（単位ｍＪ）を表す。即ち、周囲温度が２０℃
近傍の常温であれば、 Ｃｓ／ｎ2 ＝Ｃｐ＝１μＦ が成立し、時刻０においてエネルギ蓄積用コンデンサ３
に蓄積されたエネルギ１８０ｍＪを、時刻Ｔｃにおいて
全て圧電素子７０２に移送することが可能である。
【００３１】しかし周囲温度が高温である時あるいは低
温である時は、エネルギ蓄積用コンデンサ３に蓄積され
たエネルギ全てを圧電素子７０２に移送することができ
ず、エネルギ蓄積用コンデンサ３にエネルギが残存す
る。特に周囲温度が高温である場合には、エネルギ移送
後のエネルギ蓄積用コンデンサ３の正極端子の電圧は負
電圧となるが、これを抑制するためにエネルギ蓄積用コ
ンデンサ３と並列にクランプダイオード４を接続する。
温である時は、エネルギ蓄積用コンデンサ３に蓄積され
たエネルギ全てを圧電素子７０２に移送することができ
ず、エネルギ蓄積用コンデンサ３にエネルギが残存す
る。特に周囲温度が高温である場合には、エネルギ移送
後のエネルギ蓄積用コンデンサ３の正極端子の電圧は負
電圧となるが、これを抑制するためにエネルギ蓄積用コ
ンデンサ３と並列にクランプダイオード４を接続する。
【００３２】従ってクランプダイオード４を設置した場
合には、結合トランス５の巻線比ｎを次式を満たすよう
に選定することにより周囲温度が上昇した時にもエネル
ギ蓄積用コンデンサ３に蓄積されたエネルギを全て圧電
素子７０２に移送することが可能となる。
合には、結合トランス５の巻線比ｎを次式を満たすよう
に選定することにより周囲温度が上昇した時にもエネル
ギ蓄積用コンデンサ３に蓄積されたエネルギを全て圧電
素子７０２に移送することが可能となる。
【００３３】
【数５】
【００３４】さらに結合トランス５の巻線比ｎを大きく
すると結合トランス５の１次巻線に流れる電流が増大す
るため、必要以上に大きくすることは不利となる。従っ
て結合トランス５の巻線比ｎの最適値ｎOPT は次式で表
される。
すると結合トランス５の１次巻線に流れる電流が増大す
るため、必要以上に大きくすることは不利となる。従っ
て結合トランス５の巻線比ｎの最適値ｎOPT は次式で表
される。
【００３５】
【数６】
【００３６】例えば使用温度範囲における圧電素子の静
電容量の最小値として、−３０℃における０．６μＦを
採用し、エネルギ蓄積用コンデンサ３の容量を１０μＦ
のとすると、 ｎOPT ≒ ４ となる。
電容量の最小値として、−３０℃における０．６μＦを
採用し、エネルギ蓄積用コンデンサ３の容量を１０μＦ
のとすると、 ｎOPT ≒ ４ となる。
【００３７】またこの場合に、エネルギ蓄積用コンデン
サ３への充電時間Ｔｃは次式で表すことができる。
サ３への充電時間Ｔｃは次式で表すことができる。
【００３８】
【数７】
【００３９】上記式において、充電時間Ｔｃを所定の設
計値とすることにより結合トランス５の１次側巻線のイ
ンダクタンスＬ1 を決定することができる。図７は第１
の発明にかかる圧電素子駆動装置の第２の実施例の構成
図であって、４気筒に対し一部回路を共通化した装置で
ある。即ちバッテリ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、エネ
ルギ蓄積用コンデンサ３、クランプダイオード４、結合
トランス５、移送用トランジスタ６、制御部８および単
安定回路９は共通に使用される。
計値とすることにより結合トランス５の１次側巻線のイ
ンダクタンスＬ1 を決定することができる。図７は第１
の発明にかかる圧電素子駆動装置の第２の実施例の構成
図であって、４気筒に対し一部回路を共通化した装置で
ある。即ちバッテリ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、エネ
ルギ蓄積用コンデンサ３、クランプダイオード４、結合
トランス５、移送用トランジスタ６、制御部８および単
安定回路９は共通に使用される。
【００４０】圧電素子駆動回路７１、７２、７３および
７４は各気筒に対し個別に設置される。各圧電素子駆動
回路７１、７２、７３および７４は、それぞれ第１の実
施例の圧電素子駆動回路７０と同一の構成を有する。な
お同一の要素に対しては、参照番号の末尾の数字は同一
としている。図８は第２の実施例の動作を説明するタイ
ミング線図であって、横軸に時間を、縦軸に♯１、３、
４、２気筒に対する燃料噴射信号τ1 、τ3 、τ4 、τ
2 および♯１、３、４、２気筒の圧電素子電圧Ｖｐ1 、
Ｖｐ3 、Ｖｐ4 、Ｖｐ2 、さらにエネルギ蓄積コンデン
サ電圧Ｖｃをとる。
７４は各気筒に対し個別に設置される。各圧電素子駆動
回路７１、７２、７３および７４は、それぞれ第１の実
施例の圧電素子駆動回路７０と同一の構成を有する。な
お同一の要素に対しては、参照番号の末尾の数字は同一
としている。図８は第２の実施例の動作を説明するタイ
ミング線図であって、横軸に時間を、縦軸に♯１、３、
４、２気筒に対する燃料噴射信号τ1 、τ3 、τ4 、τ
2 および♯１、３、４、２気筒の圧電素子電圧Ｖｐ1 、
Ｖｐ3 、Ｖｐ4 、Ｖｐ2 、さらにエネルギ蓄積コンデン
サ電圧Ｖｃをとる。
【００４１】即ち♯１燃料噴射弁に対し時刻ｔ1 で開弁
指令が出力され、時刻ｔ2 で閉弁指令が出力される。従
って♯１燃料噴射弁の圧電素子電圧Ｖｐ1 は、時刻ｔ1
で接地電圧に低下し、時刻ｔ2 で高電圧に復帰する。同
様の動作が、 ♯１→♯３→♯４→♯２→♯１ の順に繰り返される。
指令が出力され、時刻ｔ2 で閉弁指令が出力される。従
って♯１燃料噴射弁の圧電素子電圧Ｖｐ1 は、時刻ｔ1
で接地電圧に低下し、時刻ｔ2 で高電圧に復帰する。同
様の動作が、 ♯１→♯３→♯４→♯２→♯１ の順に繰り返される。
【００４２】なお第１および第２の実施例においてクラ
ンプダイオード４は、エネルギ蓄積用コンデンサ３に並
列に接続したが、図１に破線で示すように結合トランス
５の１次巻線５１に並列に接続することもできる。図９
は第４の発明にかかる第３の実施例の構成図であって、
第１の実施例の放電コイル７０３に代えて回収トランス
９１の１次巻線９１１が接続される。
ンプダイオード４は、エネルギ蓄積用コンデンサ３に並
列に接続したが、図１に破線で示すように結合トランス
５の１次巻線５１に並列に接続することもできる。図９
は第４の発明にかかる第３の実施例の構成図であって、
第１の実施例の放電コイル７０３に代えて回収トランス
９１の１次巻線９１１が接続される。
【００４３】エネルギ回収トランス９１の２次巻線９１
２の正極端子には、第２の逆流防止用ダイオード９２を
介してエネルギ回収用コンデンサ９３の正極端子に接続
される。エネルギ回収トランス９１の２次巻線９１２お
よびエネルギ回収用コンデンサ９３の負極端子は共に接
地される。
２の正極端子には、第２の逆流防止用ダイオード９２を
介してエネルギ回収用コンデンサ９３の正極端子に接続
される。エネルギ回収トランス９１の２次巻線９１２お
よびエネルギ回収用コンデンサ９３の負極端子は共に接
地される。
【００４４】さらにエネルギ回収用コンデンサ９３とエ
ネルギ蓄積用コンデンサ３の正極端子は第３の逆流防止
用ダイオード９４およびエネルギ回収コイル９５によっ
て接続されている。即ち第１あるいは第２の実施例にお
いて放電コイル７０３によって放出していたエネルギを
回収して、エネルギ蓄積用コンデンサ３へ蓄積する。
ネルギ蓄積用コンデンサ３の正極端子は第３の逆流防止
用ダイオード９４およびエネルギ回収コイル９５によっ
て接続されている。即ち第１あるいは第２の実施例にお
いて放電コイル７０３によって放出していたエネルギを
回収して、エネルギ蓄積用コンデンサ３へ蓄積する。
【００４５】図１０は第３の実施例の動作を説明するた
めのタイミング図であって、横軸に時間を、縦軸に噴射
信号τ、移送信号Ｔ、圧電素子電圧Ｖｐ、エネルギ回収
コンデンサ電圧Ｖｒおよびエネルギ蓄積用コンデンサ電
圧Ｖｓをとる。即ち時刻ｔ1 で燃料噴射信号τが“Ｈ”
レベルとなると放電用トランジスタ７０４がオンとな
り、圧電素子７０２に蓄積されたエネルギが放出され、
圧電素子７０２は収縮して燃料噴射弁を開弁する。同時
に圧電素子７０２から放出されたエネルギは回収トラン
ス９１を介してエネルギ回収用コンデンサ９３に回収さ
れ、エネルギ回収コンデンサ電圧Ｖｒは高となる。
めのタイミング図であって、横軸に時間を、縦軸に噴射
信号τ、移送信号Ｔ、圧電素子電圧Ｖｐ、エネルギ回収
コンデンサ電圧Ｖｒおよびエネルギ蓄積用コンデンサ電
圧Ｖｓをとる。即ち時刻ｔ1 で燃料噴射信号τが“Ｈ”
レベルとなると放電用トランジスタ７０４がオンとな
り、圧電素子７０２に蓄積されたエネルギが放出され、
圧電素子７０２は収縮して燃料噴射弁を開弁する。同時
に圧電素子７０２から放出されたエネルギは回収トラン
ス９１を介してエネルギ回収用コンデンサ９３に回収さ
れ、エネルギ回収コンデンサ電圧Ｖｒは高となる。
【００４６】時刻ｔ2 で燃料噴射信号τが“Ｌ”レベル
となると、単安定回路９から所定幅の移送信号Ｔが出力
され、移送用トランジスタ６をオンとする。するとエネ
ルギ蓄積用コンデンサ電圧Ｖｐは瞬時低下するが、エネ
ルギ回収用コンデンサ９３に回収されたエネルギが第２
の逆流防止ダイオード９４および回収コイル９５を介し
てエネルギ蓄積用コンデンサ３に移送される。
となると、単安定回路９から所定幅の移送信号Ｔが出力
され、移送用トランジスタ６をオンとする。するとエネ
ルギ蓄積用コンデンサ電圧Ｖｐは瞬時低下するが、エネ
ルギ回収用コンデンサ９３に回収されたエネルギが第２
の逆流防止ダイオード９４および回収コイル９５を介し
てエネルギ蓄積用コンデンサ３に移送される。
【００４７】時刻ｔ3 において、エネルギ蓄積用コンデ
ンサ電圧Ｖｐがエネルギ回収用コンデンサ電圧Ｖｒと等
しくなるとエネルギの回収は終了するが、その後はＤＣ
−ＤＣコンバータ２によって所定の電圧まで上昇し、時
刻ｔ4 でエネルギの蓄積を完了する。なおエネルギ回収
用コンデンサ９３に回収された全エネルギをエネルギ蓄
積用コンデンサ３に移送するためには、エネルギ蓄積用
コンデンサ３、結合トランス５および圧電素子７０２と
の間の関係と逆の関係となる次式が圧電素子７０２の静
電容量Ｃｐ、回収トランス９１の巻線比ｍおよびエネル
ギ回収用コンデンサ９３の容量Ｃｒの間に成立すること
が必要である。
ンサ電圧Ｖｐがエネルギ回収用コンデンサ電圧Ｖｒと等
しくなるとエネルギの回収は終了するが、その後はＤＣ
−ＤＣコンバータ２によって所定の電圧まで上昇し、時
刻ｔ4 でエネルギの蓄積を完了する。なおエネルギ回収
用コンデンサ９３に回収された全エネルギをエネルギ蓄
積用コンデンサ３に移送するためには、エネルギ蓄積用
コンデンサ３、結合トランス５および圧電素子７０２と
の間の関係と逆の関係となる次式が圧電素子７０２の静
電容量Ｃｐ、回収トランス９１の巻線比ｍおよびエネル
ギ回収用コンデンサ９３の容量Ｃｒの間に成立すること
が必要である。
【００４８】
【数８】
【００４９】なおこの場合、エネルギ回収用コンデンサ
９３に対する充電時間Ｔｒは次式で表される。
９３に対する充電時間Ｔｒは次式で表される。
【００５０】
【数９】
【００５１】
【発明の効果】第１の発明にかかる圧電素子駆動装置に
よれば、エネルギ蓄積用コンデンサの容量を小とした場
合にも圧電素子を伸長させるに十分なエネルギを供給す
ることが可能となる。第２および第３の発明にかかる圧
電素子駆動装置によれば、圧電素子の静電容量が周囲温
度により変化した場合もエネルギ蓄積用コンデンサに蓄
積されたエネルギを全て圧電素子に移送することが可能
となる。
よれば、エネルギ蓄積用コンデンサの容量を小とした場
合にも圧電素子を伸長させるに十分なエネルギを供給す
ることが可能となる。第２および第３の発明にかかる圧
電素子駆動装置によれば、圧電素子の静電容量が周囲温
度により変化した場合もエネルギ蓄積用コンデンサに蓄
積されたエネルギを全て圧電素子に移送することが可能
となる。
【００５２】第４の発明にかかる圧電素子駆動装置によ
れば、圧電素子が放出するエネルギを回収することによ
りエネルギ蓄積用コンデンサへの充電時間を短縮すると
ともにバッテリの消費量を抑制することが可能となる。
第５の発明にかかる圧電素子駆動装置によれば、圧電素
子の静電容量が周囲温度により変化した場合も圧電素子
に蓄積された全エネルギを放電させ、圧電素子を十分収
縮させることが可能となる。
れば、圧電素子が放出するエネルギを回収することによ
りエネルギ蓄積用コンデンサへの充電時間を短縮すると
ともにバッテリの消費量を抑制することが可能となる。
第５の発明にかかる圧電素子駆動装置によれば、圧電素
子の静電容量が周囲温度により変化した場合も圧電素子
に蓄積された全エネルギを放電させ、圧電素子を十分収
縮させることが可能となる。
【図１】図１は、第１の発明の第１の実施例の構成図で
ある。
ある。
【図２】図２は、第１の実施例の動作を説明するための
タイミング図である。
タイミング図である。
【図３】図３は、圧電素子の静電容量を示すグラフであ
る。
る。
【図４】図４は、要部回路図である。
【図５】図５は、等価回路図である。
【図６】図６は、端子電圧の時間的変化を示すグラフで
ある。
ある。
【図７】図７は、第１の発明の第２の実施例の構成図で
ある。
ある。
【図８】図８は、第２の実施例の動作を説明するための
タイミング図である。
タイミング図である。
【図９】図９は、第２の発明にかかる第３の実施例の構
成図である。
成図である。
【図１０】図１０は、第３の実施例の動作を説明するた
めのタイミング図である。
めのタイミング図である。
１…バッテリ ２…ＤＣ−ＤＣコンバータ ３…エネルギ蓄積用コンデンサ ４…クランプダイオード ５…結合トランス ６…移送用トランジスタ ７０１…逆流防止用ダイオード ７０２…圧電素子 ７０３…放電コイル ７０４…放電用トランジスタ ８…制御部 ９…単安定回路
フロントページの続き (72)発明者 友田 晃利 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/08 F02M 51/00 F02D 41/00
Claims (5)
- 【請求項１】 直流電源と、 前記直流電源に並列に接続されるエネルギ蓄積用コンデ
ンサと、 結合トランスと、 前記エネルギ蓄積用コンデンサに蓄積されたエネルギを
前記結合トランスの１次側巻線に移動する際にオンとな
る移動用スイッチング素子と、 前記結合トランスの２次側巻線に並列に接続される圧電
素子と、 前記結合トランスの２次側巻線の一方の端子に一方の端
子が接続される放電コイルと、 前記放電コイルの他方の端子に一方の端子が接続され、
前記結合トランスの２次側巻線の他方の端子に他方の端
子が接続される放電用スイッチング素子と、を具備する
圧電素子駆動装置。 - 【請求項２】 前記エネルギ蓄積用コンデンサと並列
に、前記エネルギ蓄積用コンデンサの正極が負電圧とな
ることを防止するクランプダイオードを設置することを
特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動装置。 - 【請求項３】 前記エネルギ蓄積用コンデンサの容量
Ｃｓ 前記圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最小値
Ｃｐmin 前記結合トランスの一次巻線と二次巻線との巻数比
１：ｎ が次式で表される第１の所定の関係を満たすことを特徴
とする請求項１に記載の圧電素子駆動装置。 【数１】 - 【請求項４】 前記放電コイルに代えて、 １次巻線が前記圧電素子に並列に接続されるエネルギ回
収トランスと、 前記エネルギ回収トランスの２次巻線に並列に接続され
るエネルギ回収コンデンサと、 前記エネルギ回収コンデンサに回収されたエネルギを前
記エネルギ蓄積コンデンサに移送する移送回路と、を設
置したことを設置したことを特徴とする請求項１に記載
の圧電素子駆動装置。 - 【請求項５】 前記エネルギ回収用コンデンサの容量
Ｃｒ 前記圧電素子の静電容量の使用温度範囲での最大値
Ｃｐmax 前記エネルギ回収トランスの一次巻線と二次巻線との巻
数比 ｍ：１ が次式で表される第２の所定の関係を満たすことを特徴
とする請求項４に記載の圧電素子駆動装置。 【数２】
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21614993A JP3214961B2 (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 圧電素子駆動装置 |
| US08/298,553 US5543679A (en) | 1993-08-31 | 1994-08-30 | Piezolectric-element drive apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21614993A JP3214961B2 (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 圧電素子駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0766465A JPH0766465A (ja) | 1995-03-10 |
| JP3214961B2 true JP3214961B2 (ja) | 2001-10-02 |
Family
ID=16684055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21614993A Expired - Fee Related JP3214961B2 (ja) | 1993-08-31 | 1993-08-31 | 圧電素子駆動装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5543679A (ja) |
| JP (1) | JP3214961B2 (ja) |
Families Citing this family (42)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE19652801C1 (de) * | 1996-12-18 | 1998-04-23 | Siemens Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19652807C2 (de) * | 1996-12-18 | 2002-08-29 | Siemens Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19723932C1 (de) * | 1997-06-06 | 1998-12-24 | Siemens Ag | Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19734895C2 (de) * | 1997-08-12 | 2002-11-28 | Siemens Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| US5895998A (en) * | 1997-09-18 | 1999-04-20 | Raytheon Company | Piezoelectric drive circuit |
| DE19744236A1 (de) * | 1997-10-07 | 1999-04-08 | Fev Motorentech Gmbh & Co Kg | Verfahren zur verlustarmen periodischen Ansteuerung einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators |
| DE19805184A1 (de) * | 1998-02-10 | 1999-08-12 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines piezoelektrischen Elements |
| DE19843621B4 (de) * | 1998-09-23 | 2006-03-30 | Siemens Ag | Entladeschaltung für ein kapazitives Stellglied |
| DE19845037C2 (de) * | 1998-09-30 | 2000-11-30 | Siemens Ag | Verfahren und Anordnung zum Ansteuern eines kapazitiven Aktors |
| DE19944733B4 (de) * | 1999-09-17 | 2007-01-04 | Siemens Ag | Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19952950A1 (de) * | 1999-11-03 | 2001-06-07 | Siemens Ag | Ansteuereinheit für ein kapazitives Stellglied |
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| DE10113801B4 (de) * | 2001-03-21 | 2007-04-05 | Siemens Ag | Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes und Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung |
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| JP2008019852A (ja) * | 2006-06-14 | 2008-01-31 | Denso Corp | インジェクタ駆動装置及びインジェクタ駆動システム |
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| US4732129A (en) * | 1985-04-15 | 1988-03-22 | Nippon Soken, Inc. | Control apparatus for electroexpansive actuator enabling variation of stroke |
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