JP4414079B2

JP4414079B2 - Piezo actuator drive circuit

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Publication number: JP4414079B2
Application number: JP2000285566A
Authority: JP
Inventors: 康弘深川; 通泰森次; 康行榊原; 猪頭　　敏彦
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002101673A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータはＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り替えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。
【０００３】
ピエゾスタックを充放電するピエゾアクチュエータ駆動回路として複数スイッチング方式のものがある。図９はかかるピエゾアクチュエータ駆動回路の代表例を示すもので、直流電源９０２とピエゾスタック９０１とを結ぶ通電経路にスイッチング素子９０４とインダクタ９０９を直列に設けるとともに、直流電源９０２に対して逆バイアスとなるようにダイオード９０７を設けて該ダイオード９０７、インダクタ９０９およびピエゾスタック９０１とで閉回路を形成している。そして、スイッチング素子９０４をオンオフすることで、オン時には直流電源９０２〜インダクタ９０９〜ピエゾスタック９０１〜直流電源９０２という経路で電流が流れ、オフ時にはインダクタ９０９〜ピエゾスタック９０１〜ダイオード９０７〜インダクタ９０９という経路でフライホイール電流が流れる。これにより、ピエゾスタック９０１に充電がなされ、ピエゾスタック９０１が伸長したり押圧力を発生する。１回の充電量を小さくしてインダクタ９０９を小型化すべく、通常、スイッチング素子９０４のオンオフ作動を繰り返すことで充電作動を複数回に分けて行う（特開平１０−３０８５４２号公報等）。なお、図中、ダイオード９０８、スイッチング素子９０５はピエゾスタック９０１のエネルギーをバッファコンデンサ９０６に回収するためのものである。
【０００４】
ピエゾスタックに所定の伸長量や前記ピストン等への所定の押圧力を生じせしめるには、充電量を制御する必要があるが、ピエゾスタックへの供給エネルギーが（１／２）ＣＶ²（Ｃ：ピエゾスタックの静電容量、Ｖ：ピエゾスタック電圧）で表されることから、ピエゾスタック電圧が所定値となるように、スイッチング素子のオンオフ回数等を制御するものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的にピエゾスタックを含め容量性素子は静電容量が温度の上昇で大きく増大する。例えば、−２０〜１６０°Ｃの温度範囲で、インダクタ等ではインダクタンスが数％程度の変化に止まるのに対して、ピエゾスタックでは静電容量が前記温度範囲において数倍程度変化する大きな温度依存性を示す。このため、例えば、ピエゾスタック電圧が正確に前記設定値となっていても、ピエゾスタックに蓄積される静電エネルギー量が温度に依存することになって、前記伸長量が正確に与えられなかったり、押圧力に過不足を生じたりする。この結果、例えば、前記内燃機関において高精度な燃料噴射が実現できないという問題を生じる。
【０００６】
特開平１１−３１７５５号公報には、充電中のピエゾスタックの伸長量やピエゾスタック電圧の挙動を監視してその結果をスイッチング素子の作動に反映せしめることで、ピエゾスタックの静電容量の温度依存性を吸収するようにしたものが開示されている。
【０００７】
しかしながら、前記特開平１１−３１７５５号公報記載の技術では、演算負担が大きくコストアップする。
【０００８】
また、ピエゾスタック電圧とともにピエゾスタックへの充電電流を検出し、これを乗じたものを積算して供給エネルギー量を求めることも考えられるが、結局、演算負担が大きい上、電圧と電流の両方を検出することが必要になる。
【０００９】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、過重な演算負担を伴わずに高精度でピエゾスタックの伸長量等を制御することのできる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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックの充電をフライバック方式で行うピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記ピエゾスタックへの通電経路を、直流電源からトランスを介して前記ピエゾスタックに通電する構成とする。
前記直流電源と前記トランスの一次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の一次側回路には、該一次側回路を開閉するエネルギー供給用のスイッチング素子を設ける。
前記直流電源と前記トランスの二次側の巻線とが直列に接続される前記通電経路の二次側回路には、前記一次側回路閉成時に前記二次側巻線に発生する誘導起電力が順バイアスとなるようにエネルギー供給用のダイオードを設ける。
【００１１】
スイッチング素子がオンするとトランスの一次側巻線に漸増する電流が流れ、トランスに電流値に応じたエネルギーが蓄積される。この時のトランスの二次側巻線に発生する誘導起電力はダイオードの逆止作用でピエゾスタックの充電に寄与しない。次いでスイッチング素子がオフすると、この時のトランスの二次側巻線に発生する誘導起電力はダイオードに対して順バイアスであるから、二次側回路に電流が流れてピエゾスタックが充電される。
【００１２】
従来のもの（図９参照）ではスイッチング素子がオン状態の時には直流電源からのエネルギーがインダクタとピエゾスタックとに分配されて蓄積されるのに対し、本発明では、前記のごとくピエゾスタックへ供給されるエネルギーはスイッチング素子がオン状態の時にトランスに蓄積されたエネルギーだけである。このエネルギーは、インダクタと同様に、（１／２）ＬＩ²（Ｌ：トランス一次巻線のインダクタンス、Ｉ：スイッチング素子オフ直前のトランス一次巻線の電流）と表される。すなわち、容量素子に比して温度変化の小さいインダクタとしてのトランス一次巻線のインダクタンスＬと電流値Ｉで規定される。したがって、電流値Ｉが所定値に達したことを監視するだけで、エネルギー量等の演算を伴うことなくピエゾスタックへの供給エネルギーの制御を高精度に行うことができる。
【００１３】
請求項１記載の発明では、さらに、前記直流電源にはその出力端間にコンデンサを介設せしめる。
前記二次側回路には、前記ダイオードと並列にエネルギー回収用のスイッチング素子を設ける。
前記一次側回路には、前記充電制御用のスイッチング素子と並列に前記直流電源に対して逆バイアスとなるようにエネルギー回収用のダイオードを設ける。
【００１４】
エネルギー回収用のスイッチング素子がオンすると、ピエゾスタックの放電電流がトランスの二次側巻線に流れ、トランスにエネルギーが蓄積される。続いて前記エネルギー回収用のスイッチング素子がオフすると、一次側巻線に誘導電流が流れてコンデンサに電荷すなわちエネルギーが回収される。
【００１５】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記スイッチング素子を、その一端が前記通電経路の基準電位となるように結線する。
【００１６】
スイッチング素子をローサイドスイッチ化できるので、スイッチング素子の駆動回路を簡易な構成とすることができる。
【００１７】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記二次側回路には、前記ピエゾスタックと前記ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子を直列に接続したものを複数組並列に接続する。
【００１８】
ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子のうちオンしたものに対応するピエゾスタックのみが前記二次側回路を形成する。複数のピエゾアクチュエータに対してトランスやエネルギー供給用のスイッチング素子等を共通の構成とすることができるので、回路構成の簡単化、コスト低減を図ることができる。
【００１９】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記一次側回路を開閉するスイッチング素子を所定の回数だけオンオフすることによってピエゾアクチュエータに所望のエネルギを供給する構成とする。
【００２０】
前記スイッチング素子のオンオフ回数に応じて供給エネルギーを任意に制御することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路はコモンレール式の４気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射システムに適用されたもので、燃料噴射システムの全体構成については後述する。ピエゾアクチュエータ駆動回路１は、車載のバッテリ１１１、バッテリ１１１から数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ１１３により直流電源１１を構成し、ピエゾスタック２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの充電用の電圧を出力する。直流電源１１からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに通電する通電経路１２は通電をトランス１３を介して行うようになっている。バッファコンデンサ１１３は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【００２２】
ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは、後述するように、各気筒に設けられたインジェクタの燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタのそれぞれに搭載される。
【００２３】
通電経路１２の、直流電源１１とトランス１３の一次側巻線１３１とを接続する一次側回路１２１には、コンデンサ１１３およびトランス一次側巻線１３１に直列にスイッチング素子（以下、適宜、一次側スイッチング素子という）１４が設けてあり、一次側回路１２１を開閉するようになっている。スイッチング素子１４にはｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインはトランス一次側巻線１３１と導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。これにより、一次側スイッチング素子１４の寄生ダイオード（以下、適宜、一次側寄生ダイオードという）１４１は、直流電源１１に対して逆バイアスとなり、トランス一次側巻線１３１からコンデンサ１１３の正極に向かう方向の電流のみを許容する。
【００２４】
通電経路１２の、トランス１３の二次側巻線１３２とピエゾスタック２Ａ〜２Ｄとを接続する二次側回路１２２には、トランス二次側巻線１３２およびピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに直列にスイッチング素子（以下、適宜、二次側スイッチング素子という）１５が設けてあり、二次側回路１２２を開閉するようになっている。二次側スイッチング素子１５はｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインはトランス二次側巻線１３２と導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。二次側スイッチング素子１５の寄生ダイオード（以下、適宜、二次側寄生ダイオードという）１５１は、トランス二次側巻線１３２からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに向かう方向の電流のみを許容する。
【００２５】
二次側回路１２２はピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれに共通であり、また、次のように駆動対象としてのピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択できる。すなわち、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄが１対１に接続されて、噴射気筒のインジェクタのピエスタック２Ａ〜２Ｄに対応する１６Ａ〜１６Ｄがオンされる。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６ＤはｎＭＯＳＦＥＴが用いられており、そのドレインは対応するピエゾスタック２Ａ〜２Ｄと導通し、そのソースは接地されて基準電位となっている。選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄの寄生ダイオード（以下、適宜、二次側寄生ダイオードという）１６１Ａ，１６１Ｂ，１６１Ｃ，１６１Ｄは、二次側寄生ダイオード１５１と逆にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄからトランス二次側巻線１３２に向かう方向の電流のみを許容する。
【００２６】
スイッチング素子１４，１５，１６Ａ〜１６Ｄの各ゲートにはＥＣＵ３からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子１６Ａ〜１６Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが選択されるとともに、一次側スイッチング素子１４、二次側スイッチング素子１５のゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子１４，１５をオンオフし、一次側回路１２１および二次側回路１２２を開閉するようになっている。
【００２７】
また、トランス１３の巻線１３１，１３２の巻回方向は次のように設定してある。すなわち、一次側スイッチング素子１４がオンで一次側回路１２１が閉成されるとトランス一次側巻線１３１に漸増する電流が流れるが、この漸増する電流によりトランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力が二次側寄生ダイオード１５１に対し逆バイアスとなるように設定される。これは、一次側スイッチング素子１４がオンからオフに切り替わり一次側回路１２１が開成した時にトランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力が二次側寄生ダイオード１５１に対し順バイアスとなるように設定されるのと等価である。これにより、一次側スイッチング素子１４のオン時には二次側回路１２２に電流が流れず、一次側スイッチング素子１４のオフ時に二次側回路１２２にトランス二次側巻線１３２からピエゾスタック２Ａ〜２Ｄに向かう方向の電流が流れ、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電される。充電によりピエゾスタック２Ａ〜２Ｄは伸長する。
【００２８】
したがって、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが充電状態の時、二次側スイッチング素子１５をオンして二次側回路１２２が閉成し、二次側回路１２２にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄからの放電電流が流れてピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが縮小する。ここで、二次側回路１２２に前記放電電流が流れても、一次側回路１２１に電流が流れず、二次側スイッチング素子１５のオフ時に一次側回路１２１にトランス一次側巻線１３１からバッファコンデンサ１１３に向かう方向の電流が流れ、バッファコンデンサ１１３が充電される。
【００２９】
図２にピエゾスタック２Ａ〜２Ｄが搭載される燃料噴射用のインジェクタの構造を示し、図３に前記インジェクタを有し構成されるディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射システムの構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ４が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ４は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ４から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００３０】
また、コモンレール５４からインジェクタ４に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ４の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ４から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００３１】
圧力センサ５７はコモンレール５４に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてＥＣＵ３が調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。
【００３２】
図２に示すごとく、インジェクタ４は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ４は下側から順にノズル部４ａ、背圧制御部４ｂ、ピエゾアクチュエータ４ｃとなっている。
【００３３】
ノズル部４ａの本体４０４内にニードル４２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル４２１はノズル本体４０４の先端部に形成された環状シート４０４１に着座または離座する。ニードル４２１の先端部の外周空間４０５には高圧通路４０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル４２１の離座時に噴孔４０３から燃料が噴射される。ニードル４２１にはその環状段面４２１１に前記高圧通路４０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００３４】
ニードル４２１の後方には高圧通路４０１からインオリフィス４０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル４２１の背圧を発生する背圧室４０６が形成される。この背圧は、背圧室４０６に配設されたスプリング４２２とともにニードル４２１の後端面４２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００３５】
前記背圧は背圧制御部４ｂで切り替えられ、背圧制御部４ｂは前記ピエゾスタック２Ａを備えたピエゾアクチュエータ４ｃにより駆動される。なお、ピエゾスタック２Ｂ〜２Ｄを備えたインジェクタも同じ構造である。
【００３６】
前記背圧室４０６はアウトオリフィス４０９を介して常時、背圧制御部４ｂの弁室４１０と連通している。弁室４１０は天井面４１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面４１０１の最上部で低圧室４１１とつながっている。低圧室４１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路４０２と連通している。
【００３７】
弁室４１０の底面４１０２には高圧通路４０１から分岐する高圧制御通路４０８が開口している。
【００３８】
弁室４１０内には、下側部分を水平にカットしたボール４２３が配設されている。ボール４２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）４１０２に着座し弁室４１０を高圧制御通路４０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）４１０１に着座し弁室４１０を前記低圧室４１１から遮断する。これにより、ボール４２３下降時には背圧室４１０がアウトオリフィス４０９、弁室４１０を経て低圧室４１１と連通し、ニードル４２１の背圧が低下してニードル４２１が離座する。一方、ボール４２３の上昇時には背圧室４０６が低圧室４１１と遮断されて高圧通路４０１のみと連通し、ニードル４２１の背圧が上昇してノズルニードル４２１が着座する。
【００３９】
ボール４２３はピエゾアクチュエータ４ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ４ｃは、低圧室４１１の上方に上下方向に形成された縦穴４１２に径の異なる２つのピストン４２４，４２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン４２５の上方にピエゾスタック２Ａが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００４０】
大径ピストン４２５はその下方に設けられたスプリング４２６によりピエゾスタック２Ａと当接状態を維持しており、ピエゾスタック２Ａの伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００４１】
ボール４２３と対向する下側の小径ピストン４２４と大径ピストン４２５と縦穴４１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室４１３が形成されており、ピエゾスタック２Ａの伸長で大径ピストン４２５が下方変位して変位拡大室４１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室４１３の燃料を介して小径ピストン４２４に伝えられる。ここで、小径ピストン４２４は大径ピストン４２５よりも小径としているので、ピエゾスタック２Ａの伸長量が拡大されて小径ピストン４２４の変位に変換される。
【００４２】
変位拡大室４１３は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路４０２と通じている。チェック弁は低圧通路４０２から変位拡大室４１３に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック２Ａの伸長により大径ピストン４２５が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室４１３に閉じ込めるようになっている。
【００４３】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック２Ａが充電されてピエゾスタック２Ａが伸長することにより、小径ピストン４２４が下降してボール４２３を押し下げる。これによりボール４２３が低圧側シート４１０１から離間するとともに高圧側シート４１０２に着座して背圧室４０６が低圧通路４０２と連通するので、背圧室４０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル４２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル４２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００４４】
噴射停止は反対にピエゾスタック２Ａの放電によりピエゾスタック２Ａを縮小してボール４２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室４１０内は低圧となっており、またボール４２３の底面には高圧制御通路４０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール４２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール４２３への押し下げ力の解除により、ボール４２３が高圧側シート４１０２から離間するとともに再び低圧側シート４１０１に着座して弁室４１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル４２１が着座し噴射が停止する。そして、ピエゾスタック２Ａの充電保持期間を設定することで、充電保持期間に対応した一定の期間、噴孔４０１から燃料が噴射される。
【００４５】
図４に前記ピエゾアクチュエータ駆動回路１の各部の作動を示し、これにより、ＥＣＵ３の設定とともにピエゾアクチュエータ駆動回路１を含む燃料噴射システムの作動を説明する。なお、どのインジェクタについても作動は実質的に同じであり、代表してピエゾスタック２Ａを備えたインジェクタ４について説明する。図中、前半がピエゾスタック２Ａの充電時で、後半がピエゾスタック２Ａの放電時の作動を示している。予めピエゾスタック２Ａに対応する選択スイッチング素子１６Ａがオンに切り替えられる。
【００４６】
ピエゾスタック２Ａの充電時の作動について説明する。一次側スイッチング素子１４をパルス状にオンオフすると、先ず、一次側スイッチング素子１４のオン期間にコンデンサ１１３からトランス一次側巻線１３１に鋸波状の電流が流れ（Ｉ1 ）、トランス１３にエネルギーが蓄積される。この時、前記のごとく二次側回路１２２には電流は流れず（Ｉ2 ）、ピエゾスタック２Ａは充電されない。
【００４７】
そして、一次側スイッチング素子１４がオフすると、トランス二次側巻線１３２に発生する誘導起電力は二次側寄生ダイオード１５１に対して順バイアスとなって、トランス二次側巻線１３２〜ピエゾスタック２Ａ〜二次側寄生ダイオード１５１〜トランス二次側巻線１３２という経路で電流が流れ、ピエゾスタック２Ａは充電される。すなわち、トランス１３に蓄積されたエネルギーがピエゾスタック２Ａに移動する。
【００４８】
ここでトランス１３に蓄積されるエネルギーＷは、一次側巻線１３１のインダンクタンスをＬ、一次側巻線１３１の通電電流のピーク値をＩとすると、式（１）となる。
Ｗ＝（１／２）ＬＩ²・・・（１）
【００４９】
また、バッファコンデンサ１１３の電圧をＶ、一次側スイッチング素子１４のオン時間をＴとして、Ｉ＝ＶＴ／Ｌであるから、式（２）と表せる。
Ｗ＝（１／２）（ＶＴ）²／Ｌ・・・（２）
【００５０】
そして、このエネルギーは式（２）より知られるように、温度依存性の小さいトランス一次巻線１３１のインダクタンスに依存してピエゾスタック２Ａの静電容量には依存せず、また、バッファコンデンサ１１３の電圧Ｖは一定であるから、オン時間Ｔの設定や一次側スイッチング素子１４のオンオフ回数の設定に応じてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーを高精度に制御することができる。例えば図４の例のように、スイッチング素子１４を複数回オンオフするとともに、オン時間Ｔを一定にしてスイッチング素子１４の１回のオンオフにおけるエネルギーＷを一定にし、要求されるエネルギーに応じてスイッチング素子１４のオンオフ回数を設定して、オンオフ回数によりピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーをエネルギーＷを単位として任意に制御することができる。これにより、ニードル４２１を着座状態のままボール４２３をリフト状態とする、いわゆるハーフリフトとすることが容易に可能となり、コモンレール圧の制御を高精度に行うことができる。例えば、コモンレール圧に応じてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーを制御することで、コモンレール圧の影響を受けるボール４２３のリフト量を所期の値にすることができる。
【００５１】
しかも、ピエゾスタック２Ａの温度依存性に基因するピエゾスタック電圧等の変化を監視して充電制御にフィードバックしていく必要がないので、演算負担が軽い。
【００５２】
図５、図６はピエゾスタック２Ａの伸び量およびバルブ４２３の変位量の温度特性を示すもので、図５が本発明のもので、図６がピエゾスタック電圧が所定値に達したら充電完了とする従来装置（図９参照）のものである。なお、両図にはそれぞれ併せてピエゾスタック２Ａへの供給エネルギーの温度特性を示している。供給エネルギーはピエゾスタック電圧と充電電流を検出し、これを乗じたものを積算することで求めている。
【００５３】
従来装置では−２０〜１６０°Ｃの温度範囲で供給エネルギーが２倍以上変化し、ピエゾスタックの伸び量、ボールの変位量は２倍近く変化する。これに対して本発明では、前記温度範囲で供給エネルギーは殆ど変化せず、ピエゾスタックの伸び量、バルブ変位量とも一定している。なお、図中、ピエゾスタックの伸び量は、拡大率（ピストンの断面積比）により換算したものであるが、実際のボールの変位量の方が小さいのは、弁室４１０の高圧の燃料をボール４２３を介して小径ピストン４２４が受けることで変位拡大室４１３の燃料が圧縮され、この圧縮で拡大率が減じられるためである。
【００５４】
また、トランス１３の巻線比（一次側巻線：二次側巻線）を１：２や１：３のように、二次側巻線１３２の方を十分に大きくとって昇圧比を上げることで、一次側電圧すなわちＤＣ−ＤＣ回路１１２の出力電圧を低電圧化することができる。これにより、バッファコンデンサ１１３に低耐圧のものが使用可能となり、回路の小型化を図ることができる。
【００５５】
次にピエゾスタック２Ａの放電時の作動について説明する。二次側スイッチング素子１５をパルス状にオンオフすると、先ず、二次側スイッチング素子１５のオン期間にピエゾスタック２Ａからトランス二次側巻線１３２に鋸波状の電流が流れ、トランス１３にエネルギーが蓄積される。放電時の電流の向きは充電時と逆方向であるから、トランス一次側巻線１３１に発生する誘導起電力は一次側寄生ダイオード１４１に対して逆バイアスとなって一次側回路１２１には電流は流れない。
【００５６】
そして、二次側スイッチング素子１５がオフすると、トランス一次側巻線１３１に発生する誘導起電力は一次側寄生ダイオード１４１に対して順バイアスとなって、トランス一次側巻線１３１〜バッファコンデンサ１１３〜一次側寄生ダイオード１４１〜トランス一次側巻線１３１という経路で電流が流れ、バッファコンデンサ１１３が充電される。すなわち、ピエゾスタック２Ａの静電エネルギーがバッファコンデンサ１１３に回収されることになる。
【００５７】
このように、本発明によれば、ピエゾスタック２Ａ〜２Ｄへの供給エネルギーを高精度で制御することができるので、供給エネルギーに過不足を生じず、消費電力量に無駄が生じたり、作動不良を生じることが回避される。
【００５８】
なお、複数スイッチング方式ではダイオード、インダクタおよびピエゾスタックが閉回路を形成する必要があるから、従来装置（図９参照）ではスイッチング素子をコンデンサとインダクタとの間に介設してスイッチング素子のオフで前記閉回路が形成されるようにするが、本発明では、一次側スイッチング素子は一次側回路を開閉するだけでよいから挿入位置の自由度が広く、本実施形態のごとくスイッチング素子がローサイドスイッチとなる回路構成とすることができる。これにより、スイッチング素子の駆動回路の構成が簡易にできる。すなわち、従来装置では両スイッチング素子９０４，９０５の接続中点の電位が変動するのに対して本実施形態ではスイッチング素子のソース電位は常に接地電位であり安定しているからである。
【００５９】
（第２実施形態）
図７に本発明の第２の実施形態を示す。単一のピエゾアクチュエータを駆動する構成のもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分は第１実施形態と同じ作動をするので、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６０】
本実施形態ではＥＣＵ３Ａは一次側スイッチング素子１４および二次側スイッチング素子１５を第１実施形態と同様にオンオフ駆動することで、単一のピエゾスタック２の充電と放電を切り替える。
【００６１】
（第３実施形態）
図８に本発明の第３の実施形態を示す。一次側スイッチング素子のオンオフ駆動を別の構成にて行うようにしたもので、基本的な構成は第２実施形態のものである。図中、第１，第２実施形態と同じ番号を付した部分は第１，第２実施形態と同じ作動をするので、第１，第２実施形態との相違点を中心に説明する。
【００６２】
一次側回路１２１Ａ、二次側回路１２２Ａは基本的な構成が第１、第２実施形態と同じで、一次側回路１２１Ａおよび二次側回路１２２Ａの、一次側スイッチング素子１４および二次側スイッチング素子１５のソース側の共通の線路に、電流検出用として低抵抗の抵抗器１７が設けてあり、ＥＣＵ３Ｂは抵抗器１７により検出される電流に基づいて一次側スイッチング素子１４のオフタイミングを決定する。
【００６３】
ＥＣＵ３Ｂは一次側スイッチング素子１４がオン状態での電流Ｉ1 が予め設定した電流Ｉに達すると一次側スイッチング素子１４をオフせしめるように構成される。かかる構成でも、前記式（１）から明らかなように、ピエゾスタック２に高精度でエネルギー供給を行い得る。
【００６４】
なお、前記各実施形態において、充電時には二次側寄生ダイオードにより二次側回路をピエゾスタックの充電方向の電流のみを許容する構成となっているが、スイッチング素子とは別体のダイオードを設けてもよい。一次側寄生ダイオードについても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用のインジェクタの断面図である。
【図３】前記インジェクタを有する内燃機関の燃料噴射システムの構成図である。
【図４】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路のタイミングチャートである。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明するグラフである。
【図６】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路と比較する従来のピエゾアクチュエータ駆動回路のグラフである。
【図７】本発明を適用した別のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図８】本発明を適用したさらに別のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図９】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
１ピエゾアクチュエータ駆動回路
１１直流電源
１１１バッテリ
１１２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１３コンデンサ
１２通電経路
１２１一次側回路
１２２二次側回路
１３トランス
１３１一次側巻線
１３２二次側巻線
１４一次側スイッチング素子（エネルギー供給用のスイッチング素子）
１４１一次側寄生ダイオード（エネルギー回収用のスイッチング素子）
１５二次側スイッチング素子（エネルギー回収用のスイッチング素子）
１５１二次側寄生ダイオード（エネルギー供給用のスイッチング素子）
１６選択スイッチング素子（ピエゾアクチュエータ選択用のスイッチング素子）
１６１選択寄生ダイオード
１７抵抗器
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄピエゾスタック
３，３Ａ，３ＢＥＣＵ
４インジェクタ
４ａノズル部
４ｂ背圧制御部
４ｃピエゾアクチュエータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator drive circuit.
[0002]
[Prior art]
The piezo actuator uses a piezoelectric action of a piezoelectric material such as PZT, and a piezo stack, which is a capacitive element, expands or contracts due to charge / discharge, and linearly moves a piston or the like. For example, there is known an apparatus in which an on-off valve of an injector for fuel injection of an internal combustion engine is switched by a piezo actuator.
[0003]
A piezo actuator drive circuit that charges and discharges the piezo stack includes a multi-switching type. FIG. 9 shows a typical example of such a piezo actuator drive circuit. A switching element 904 and an inductor 909 are provided in series on a current path connecting the DC power supply 902 and the piezoelectric stack 901, and a reverse bias is applied to the DC power supply 902. Thus, a diode 907 is provided, and the diode 907, the inductor 909, and the piezo stack 901 form a closed circuit. When the switching element 904 is turned on and off, a current flows through a path from the DC power supply 902 to the inductor 909 to the piezo stack 901 to the DC power supply 902 when the switch is turned on, and a path from the inductor 909 to the piezo stack 901 to the diode 907 to the inductor 909 when turned off. The flywheel current flows. As a result, the piezo stack 901 is charged, and the piezo stack 901 extends or generates a pressing force. In order to reduce the amount of charge at one time and reduce the size of the inductor 909, the charging operation is usually performed in multiple times by repeating the on / off operation of the switching element 904 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-308542, etc.). In the figure, a diode 908 and a switching element 905 are for recovering energy of the piezo stack 901 to the buffer capacitor 906.
[0004]
In order to generate a predetermined extension amount and a predetermined pressing force to the piston or the like in the piezo stack, it is necessary to control the charge amount. However, the energy supplied to the piezo stack is (1/2) CV. ² Since there are expressed by (C: capacitance of piezo stack, V: piezo stack voltage), there are some which control the number of times the switching element is turned on and off so that the piezo stack voltage becomes a predetermined value.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in general, the capacitance of the capacitive element including the piezo stack greatly increases as the temperature rises. For example, in the temperature range of -20 to 160 ° C., the inductance only changes by a few percent in an inductor or the like, whereas in a piezo stack, the capacitance changes by several times in the temperature range. Indicates. For this reason, for example, even if the piezo stack voltage is exactly the set value, the amount of electrostatic energy accumulated in the piezo stack depends on temperature, and the extension amount is not accurately given. The pressure may be excessive or insufficient. As a result, for example, there is a problem that highly accurate fuel injection cannot be realized in the internal combustion engine.
[0006]
JP-A-11-31755 discloses the temperature dependence of the capacitance of the piezo stack by monitoring the extension amount of the piezo stack during charging and the behavior of the piezo stack voltage and reflecting the results on the operation of the switching element. The thing which absorbed the sex was disclosed.
[0007]
However, the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-31755 greatly increases the calculation burden and increases the cost.
[0008]
It is also possible to detect the charging current to the piezo stack together with the piezo stack voltage, and to calculate the supply energy amount by multiplying this, but in the end, the calculation burden is heavy and both voltage and current are calculated. It becomes necessary to detect.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezo actuator drive circuit capable of controlling the extension amount of the piezo stack with high accuracy without involving an excessive calculation burden.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the invention according to claim 1, in the piezo actuator drive circuit that performs charging of the piezo stack provided in the piezo actuator by a flyback method,
The energization path to the piezo stack is configured to energize the piezo stack from a direct current power source through a transformer.
The primary side circuit of the energization path in which the DC power source and the primary winding of the transformer are connected in series is provided with a switching element for supplying energy that opens and closes the primary side circuit.
In the secondary side circuit of the energization path in which the DC power source and the secondary side winding of the transformer are connected in series, an induced electromotive force generated in the secondary side winding when the primary side circuit is closed Is provided with a diode for supplying energy so as to be forward biased.
[0011]
When the switching element is turned on, a gradually increasing current flows through the primary winding of the transformer, and energy corresponding to the current value is accumulated in the transformer. The induced electromotive force generated in the secondary winding of the transformer at this time does not contribute to the charging of the piezo stack due to the check action of the diode. Next, when the switching element is turned off, the induced electromotive force generated in the secondary winding of the transformer at this time is forward biased with respect to the diode, so that a current flows through the secondary circuit and the piezo stack is charged.
[0012]
In the conventional device (see FIG. 9), when the switching element is in the ON state, the energy from the DC power source is distributed and stored in the inductor and the piezo stack, whereas in the present invention, the energy is supplied to the piezo stack as described above. The energy that is stored is only the energy stored in the transformer when the switching element is in the ON state. This energy, like the inductor, is (1/2) LI ² (L: inductance of transformer primary winding, I: current of transformer primary winding immediately before switching element off). That is, it is defined by the inductance L and the current value I of the transformer primary winding as an inductor whose temperature change is smaller than that of the capacitive element. Therefore, it is possible to control the energy supplied to the piezo stack with high accuracy without monitoring the amount of energy or the like only by monitoring that the current value I has reached a predetermined value.
[0013]
Claim 1 In the described invention, further The DC power supply is provided with a capacitor between its output terminals.
The secondary circuit is provided with a switching element for energy recovery in parallel with the diode.
In the primary circuit, an energy recovery diode is provided in parallel with the charging control switching element so as to be reverse-biased with respect to the DC power supply.
[0014]
When the energy recovery switching element is turned on, the discharge current of the piezo stack flows through the secondary winding of the transformer, and energy is stored in the transformer. Subsequently, when the energy recovery switching element is turned off, an induced current flows in the primary winding, and charge, that is, energy is recovered in the capacitor.
[0015]
Claim 2 In the described invention, the claims 1 In the configuration of the invention, the switching element is connected so that one end thereof becomes a reference potential of the energization path.
[0016]
Since the switching element can be a low-side switch, the drive circuit of the switching element can be simplified.
[0017]
Claim 3 In the described invention, claim 1 is provided. Or 2 In the configuration of the invention, a plurality of sets of the piezo stack and the piezo actuator selection switching element connected in series are connected in parallel to the secondary side circuit.
[0018]
Only the piezo stack corresponding to the turned-on switching element for piezo actuator selection forms the secondary circuit. Since a transformer, a switching element for supplying energy, and the like can be shared by a plurality of piezoelectric actuators, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0019]
Claim 4 In the described invention, claims 1 to 3 In the configuration of the invention, a desired energy is supplied to the piezo actuator by turning on and off the switching element that opens and closes the primary side circuit a predetermined number of times.
[0020]
The supplied energy can be arbitrarily controlled according to the number of on / off times of the switching element.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 shows a configuration of a piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied. The piezo actuator drive circuit is applied to a fuel injection system of a common rail type four-cylinder diesel engine, and the overall configuration of the fuel injection system will be described later. The piezo actuator driving circuit 1 includes a DC power supply 11 by an in-vehicle battery 111, a DC-DC converter 112 that generates a DC voltage of several tens to several hundreds V from the battery 111, and a buffer capacitor 113 connected in parallel to the output terminal thereof. And outputs voltages for charging the piezo stacks 2A, 2B, 2C, and 2D. The energization path 12 for energizing the piezo stacks 2 </ b> A to 2 </ b> D from the DC power supply 11 performs energization via the transformer 13. The buffer capacitor 113 has a relatively large capacitance, and maintains a substantially constant voltage value even when the piezo stacks 2A to 2D are charged.
[0022]
As will be described later, the piezo stacks 2A to 2D are mounted on each injector for switching between fuel injection and stop of the injector provided in each cylinder.
[0023]
The primary circuit 121 connecting the DC power source 11 and the primary winding 131 of the transformer 13 in the energization path 12 includes a switching element (hereinafter referred to as primary switching as appropriate) in series with the capacitor 113 and the transformer primary winding 131. 14), which opens and closes the primary circuit 121. An nMOSFET is used for the switching element 14, its drain is connected to the transformer primary winding 131, and its source is grounded to be a reference potential. Thereby, the parasitic diode 141 of the primary side switching element 14 (hereinafter, appropriately referred to as the primary side parasitic diode) 141 is reverse-biased with respect to the DC power supply 11, and in the direction from the transformer primary side winding 131 toward the positive electrode of the capacitor 113. Allow current only.
[0024]
The secondary circuit 122 that connects the secondary winding 132 of the transformer 13 and the piezo stacks 2A to 2D in the energization path 12 includes a switching element in series with the transformer secondary winding 132 and the piezo stacks 2A to 2D. (Hereinafter referred to as a secondary side switching element as appropriate) 15 is provided to open and close the secondary side circuit 122. The secondary side switching element 15 uses an nMOSFET, its drain is connected to the transformer secondary side winding 132, and its source is grounded to be a reference potential. A parasitic diode (hereinafter, appropriately referred to as a secondary side parasitic diode) 151 of the secondary side switching element 15 allows only a current in a direction from the transformer secondary side winding 132 to the piezo stacks 2A to 2D.
[0025]
The secondary side circuit 122 is common to each of the piezo stacks 2A to 2D, and the piezo stacks 2A to 2D as driving objects can be selected as follows. That is, switching elements (hereinafter, appropriately referred to as selective switching elements) 16A, 16B, 16C, and 16D are connected to each of the piezo stacks 2A to 2D in a one-to-one relationship, and the piezo stacks 2A to 2D of the injectors of the injection cylinders. 16A to 16D corresponding to are turned on. The selective switching elements 16A to 16D use nMOSFETs, their drains are electrically connected to the corresponding piezo stacks 2A to 2D, and their sources are grounded to have a reference potential. The parasitic diodes 161A, 161B, 161C, 161D of the selection switching elements 16A-16D (hereinafter referred to as secondary side parasitic diodes as appropriate) are reversed from the piezo stacks 2A-2D to the transformer secondary side windings, contrary to the secondary side parasitic diode 151. Only current in the direction toward line 132 is allowed.
[0026]
Control signals are respectively input from the ECU 3 to the gates of the switching elements 14, 15, 16A to 16D. As described above, any one of the selection switching elements 16A to 16D is turned on to drive the piezo stacks 2A to 2D to be driven. At the same time, a pulsed control signal is input to the gates of the primary side switching element 14 and the secondary side switching element 15 to turn on and off the switching elements 14 and 15, and the primary side circuit 121 and the secondary side circuit 122 are switched. It opens and closes.
[0027]
The winding direction of the windings 131 and 132 of the transformer 13 is set as follows. That is, when the primary side switching element 14 is turned on and the primary side circuit 121 is closed, a current that gradually increases flows through the transformer primary side winding 131, and induction that occurs in the transformer secondary side winding 132 due to this gradually increasing current. The electromotive force is set to be reverse-biased with respect to the secondary side parasitic diode 151. This is because the induced electromotive force generated in the transformer secondary winding 132 when the primary switching element 14 is switched from on to off and the primary circuit 121 is opened becomes forward biased with respect to the secondary parasitic diode 151. It is equivalent to being set. Thereby, when the primary side switching element 14 is turned on, no current flows through the secondary side circuit 122, and when the primary side switching element 14 is turned off, the transformer secondary side winding 132 is transferred from the transformer secondary side winding 132 to the piezo stacks 2A to 2D. A current in the direction of the flow flows, and the piezo stacks 2A to 2D are charged. Due to the charging, the piezo stacks 2A to 2D extend.
[0028]
Therefore, when the piezo stacks 2A to 2D are in the charged state, the secondary side switching element 15 is turned on, the secondary side circuit 122 is closed, and the discharge current from the piezo stacks 2A to 2D flows to the secondary side circuit 122. Thus, the piezo stacks 2A to 2D are reduced. Here, even if the discharge current flows through the secondary side circuit 122, no current flows through the primary side circuit 121. When the secondary side switching element 15 is off, the primary side circuit 121 is switched from the transformer primary side winding 131 to the buffer capacitor. A current in a direction toward 113 flows, and the buffer capacitor 113 is charged.
[0029]
FIG. 2 shows the structure of an injector for fuel injection in which the piezo stacks 2A to 2D are mounted, and FIG. 3 shows the structure of a common rail fuel injection system for a diesel engine having the injector. The number of injectors 4 corresponding to the number of cylinders of the diesel engine is provided corresponding to each cylinder (only one injector 4 is shown in the figure), and fuel is supplied from a common common rail 54 communicated via a supply line 55, Fuel is injected from the injector 4 into the combustion chamber of each cylinder at an injection pressure substantially equal to the fuel pressure in the common rail 54 (hereinafter, common rail pressure). The fuel in the fuel tank 51 is pumped to the common rail 54 by the high-pressure supply pump 53 and stored at a high pressure.
[0030]
The fuel supplied from the common rail 54 to the injector 4 is used not only for injection into the combustion chamber, but also as control hydraulic pressure of the injector 4 and returns to the fuel tank 51 from the injector 4 via a low-pressure drain line 56. It is supposed to be.
[0031]
The pressure sensor 57 is provided on the common rail 54 and detects the common rail pressure. Based on the detection result, the ECU 3 controls the metering valve 52 to adjust the amount of fuel pumped to the common rail 54, and the common rail pressure is detected by other sensors. Control is performed so as to obtain an appropriate injection pressure in accordance with the operating condition known by input or the like.
[0032]
As shown in FIG. 2, the injector 4 is a rod-like body, and is attached so that a lower portion in the drawing penetrates a combustion chamber wall (not shown) of the engine and protrudes into the combustion chamber. The injector 4 includes a nozzle portion 4a, a back pressure control portion 4b, and a piezo actuator 4c in order from the bottom.
[0033]
A needle 421 is slidably held at the rear end portion in the main body 404 of the nozzle portion 4 a, and the needle 421 is seated on or separated from an annular sheet 4041 formed at the distal end portion of the nozzle main body 404. High pressure fuel is introduced from the common rail 54 into the outer peripheral space 405 at the tip of the needle 421 through the high pressure passage 401, and fuel is injected from the injection hole 403 when the needle 421 is separated. The fuel pressure from the high-pressure passage 401 acts on the annular step surface 4211 of the needle 421 in the lift direction (upward).
[0034]
A fuel as control oil is introduced from the high-pressure passage 401 through the in-orifice 407 behind the needle 421, and a back pressure chamber 406 for generating a back pressure of the needle 421 is formed. This back pressure acts on the rear end surface 4212 of the needle 421 in the seating direction (downward) together with the spring 422 disposed in the back pressure chamber 406.
[0035]
The back pressure is switched by a back pressure control unit 4b, and the back pressure control unit 4b is driven by a piezo actuator 4c provided with the piezo stack 2A. The injector provided with the piezo stacks 2B to 2D has the same structure.
[0036]
The back pressure chamber 406 always communicates with the valve chamber 410 of the back pressure control unit 4b through the out orifice 409. The valve chamber 410 has a conical shape with a ceiling surface 4101 facing upward, and is connected to the low pressure chamber 411 at the top of the ceiling surface 4101. The low pressure chamber 411 communicates with the low pressure passage 402 that leads to the drain line 56.
[0037]
A high pressure control passage 408 branched from the high pressure passage 401 is opened on the bottom surface 4102 of the valve chamber 410.
[0038]
In the valve chamber 410, a ball 423 whose lower portion is cut horizontally is disposed. The ball 423 is a valve body that can move up and down. When lowered, the ball 423 sits on the valve chamber bottom surface (hereinafter referred to as a high-pressure side seat) 4102 as a valve seat with the cut surface, and shuts off the valve chamber 410 from the high-pressure control passage 408. When ascending, the valve chamber 410 is blocked from the low-pressure chamber 411 by sitting on the ceiling surface (hereinafter referred to as a low-pressure side seat) 4101 as a valve seat. As a result, when the ball 423 is lowered, the back pressure chamber 410 communicates with the low pressure chamber 411 via the out orifice 409 and the valve chamber 410, the back pressure of the needle 421 decreases, and the needle 421 is separated. On the other hand, when the ball 423 is raised, the back pressure chamber 406 is cut off from the low pressure chamber 411 and communicates only with the high pressure passage 401, the back pressure of the needle 421 rises, and the nozzle needle 421 is seated.
[0039]
The ball 423 is pressed and driven by the piezo actuator 4c. In the piezo actuator 4c, two pistons 424 and 425 having different diameters are slidably held in a vertical hole 412 formed in the vertical direction above the low pressure chamber 411, and the piezo stack 2A is disposed above the upper large-diameter piston 425. Are arranged with the up-down direction as the expansion / contraction direction.
[0040]
The large-diameter piston 425 is kept in contact with the piezo stack 2A by a spring 426 provided below the large-diameter piston 425, and is displaced up and down by the same amount as the expansion and contraction of the piezo stack 2A.
[0041]
The space defined by the lower small-diameter piston 424, the large-diameter piston 425, and the vertical hole 412 facing the ball 423 is filled with fuel to form a displacement expansion chamber 413. The expansion of the piezo stack 2A causes a large diameter. When the piston 425 is displaced downward and presses the fuel in the displacement expansion chamber 413, the pressing force is transmitted to the small diameter piston 424 through the fuel in the displacement expansion chamber 413. Here, since the small-diameter piston 424 has a smaller diameter than the large-diameter piston 425, the extension amount of the piezo stack 2A is expanded and converted into the displacement of the small-diameter piston 424.
[0042]
The displacement expansion chamber 413 communicates with the low pressure passage 402 through a check valve (not shown) so that sufficient fuel is always filled. The check valve is provided with the direction from the low pressure passage 402 toward the displacement expansion chamber 413 as a forward direction, and is closed when the large-diameter piston 425 is pressed by the extension of the piezo stack 2A so as to confine the fuel in the displacement expansion chamber 413. It has become.
[0043]
At the time of fuel injection, first, the piezo stack 2A is charged and the piezo stack 2A expands, whereby the small-diameter piston 424 descends and pushes down the ball 423. As a result, the ball 423 is separated from the low-pressure side seat 4101 and seated on the high-pressure side seat 4102 so that the back pressure chamber 406 communicates with the low pressure passage 402, so that the fuel pressure in the back pressure chamber 406 decreases. As a result, the force acting on the needle 421 in the seating direction becomes more dominant than the force acting on the seating direction, and the needle 421 is seated and fuel injection is started.
[0044]
On the contrary, when the injection is stopped, the piezo stack 2A is contracted by the discharge of the piezo stack 2A, and the pressing force to the ball 423 is released. At this time, the inside of the valve chamber 410 is at a low pressure, and high pressure fuel pressure is applied to the bottom surface of the ball 423 from the high pressure control passage 408, so that upward fuel pressure is applied to the ball 423 as a whole. is doing. The release of the pressing force on the ball 423 causes the ball 423 to be separated from the high-pressure side seat 4102 and seated on the low-pressure side seat 4101 again to increase the fuel pressure in the valve chamber 410, so that the needle 421 is seated and injected. Stops. Then, by setting the charge holding period of the piezo stack 2A, fuel is injected from the nozzle hole 401 for a certain period corresponding to the charge holding period.
[0045]
FIG. 4 shows the operation of each part of the piezo actuator drive circuit 1, and the operation of the fuel injection system including the piezo actuator drive circuit 1 together with the setting of the ECU 3 will be described. The operation is substantially the same for any injector, and the injector 4 having the piezo stack 2A will be described as a representative. In the figure, the first half shows the operation when the piezo stack 2A is charged, and the second half shows the operation when the piezo stack 2A is discharged. The selection switching element 16A corresponding to the piezo stack 2A is switched on in advance.
[0046]
The operation at the time of charging the piezo stack 2A will be described. When the primary side switching element 14 is turned on and off in pulses, first, a sawtooth current flows from the capacitor 113 to the transformer primary side winding 131 during the ON period of the primary side switching element 14 (I1), and energy is accumulated in the transformer 13. The At this time, as described above, no current flows through the secondary circuit 122 (I2), and the piezo stack 2A is not charged.
[0047]
When the primary side switching element 14 is turned off, the induced electromotive force generated in the transformer secondary side winding 132 becomes a forward bias with respect to the secondary side parasitic diode 151, and the transformer secondary side winding 132 to the piezo stack. Current flows through a path of 2A to secondary side parasitic diode 151 to transformer secondary side winding 132, and the piezo stack 2A is charged. That is, the energy accumulated in the transformer 13 moves to the piezo stack 2A.
[0048]
Here, the energy W stored in the transformer 13 is expressed by Equation (1), where L is the inductance of the primary side winding 131 and I is the peak value of the energization current of the primary side winding 131.
W = (1/2) LI ² ... (1)
[0049]
Further, assuming that the voltage of the buffer capacitor 113 is V and the on-time of the primary side switching element 14 is T, I = VT / L.
W = (1/2) (VT) ² / L (2)
[0050]
As is known from the equation (2), this energy does not depend on the capacitance of the piezo stack 2A depending on the inductance of the transformer primary winding 131 having a small temperature dependency, and the energy of the buffer capacitor 113. Since the voltage V is constant, the energy supplied to the piezo stack 2A can be controlled with high accuracy in accordance with the setting of the ON time T and the setting of the number of ON / OFF times of the primary side switching element 14. For example, as in the example of FIG. 4, the switching element 14 is turned on and off a plurality of times, the on-time T is made constant, and the energy W in one on / off of the switching element 14 is made constant. The number of on / off times of 14 can be set, and the energy supplied to the piezo stack 2A can be arbitrarily controlled in units of energy W by the number of on / off times. Thereby, it is possible to easily achieve a so-called half lift in which the ball 423 is lifted while the needle 421 is seated, and the common rail pressure can be controlled with high accuracy. For example, by controlling the energy supplied to the piezo stack 2A according to the common rail pressure, the lift amount of the ball 423 affected by the common rail pressure can be set to an intended value.
[0051]
In addition, it is not necessary to monitor changes in the piezo stack voltage or the like due to the temperature dependence of the piezo stack 2A and feed back to the charge control, so the calculation burden is light.
[0052]
5 and 6 show the temperature characteristics of the extension amount of the piezo stack 2A and the displacement amount of the valve 423. FIG. 5 shows the present invention. FIG. 6 shows that the charging is completed when the piezo stack voltage reaches a predetermined value. The conventional device (see FIG. 9). In both figures, the temperature characteristics of the energy supplied to the piezo stack 2A are shown together. The supply energy is obtained by detecting the piezo stack voltage and charging current and multiplying them by multiplying them.
[0053]
In the conventional apparatus, the supply energy changes more than twice in the temperature range of −20 to 160 ° C., and the elongation amount of the piezo stack and the displacement amount of the ball change almost twice. In contrast, in the present invention, the supply energy hardly changes in the temperature range, and the elongation amount of the piezo stack and the valve displacement amount are constant. In the figure, the amount of expansion of the piezo stack is converted by the enlargement ratio (piston cross-sectional area ratio), but the actual ball displacement is smaller because the high pressure fuel in the valve chamber 410 is used. This is because the fuel in the displacement expansion chamber 413 is compressed by receiving the small-diameter piston 424 through the ball 423, and the expansion rate is reduced by this compression.
[0054]
Further, the secondary winding 132 is sufficiently large such that the winding ratio of the transformer 13 (primary winding: secondary winding) is 1: 2 or 1: 3, and the boosting ratio is increased. Thus, the primary side voltage, that is, the output voltage of the DC-DC circuit 112 can be lowered. As a result, a low withstand voltage buffer buffer 113 can be used, and the circuit can be miniaturized.
[0055]
Next, the operation at the time of discharging the piezo stack 2A will be described. When the secondary side switching element 15 is turned on and off in a pulsed manner, first, a sawtooth current flows from the piezo stack 2A to the transformer secondary side winding 132 during the ON period of the secondary side switching element 15, and energy is stored in the transformer 13. Is done. Since the direction of the current at the time of discharging is opposite to that at the time of charging, the induced electromotive force generated in the transformer primary-side winding 131 is reverse-biased with respect to the primary-side parasitic diode 141, and the current in the primary-side circuit 121 is Not flowing.
[0056]
When the secondary side switching element 15 is turned off, the induced electromotive force generated in the transformer primary side winding 131 becomes a forward bias with respect to the primary side parasitic diode 141, and the transformer primary side winding 131 to the buffer capacitor 113 to A current flows through a path from the primary side parasitic diode 141 to the transformer primary side winding 131, and the buffer capacitor 113 is charged. That is, the electrostatic energy of the piezo stack 2A is recovered by the buffer capacitor 113.
[0057]
As described above, according to the present invention, the energy supplied to the piezo stacks 2A to 2D can be controlled with high accuracy, so the supply energy does not become excessive or insufficient, the power consumption is wasted, or the operation is defective. Is avoided.
[0058]
In the multiple switching system, the diode, inductor, and piezo stack need to form a closed circuit. In the conventional device (see FIG. 9), the switching element is interposed between the capacitor and the inductor so that the switching element is turned off. Although the closed circuit is formed, in the present invention, since the primary side switching element only needs to open and close the primary side circuit, the degree of freedom of insertion position is wide, and the switching element is a low side switch as in this embodiment. A circuit configuration can be obtained. Thereby, the structure of the drive circuit of a switching element can be simplified. That is, in the conventional device, the potential at the connection midpoint between the switching elements 904 and 905 varies, whereas in the present embodiment, the source potential of the switching element is always the ground potential and is stable.
[0059]
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. In the configuration that drives a single piezo actuator, the parts with the same numbers as in the first embodiment in the figure operate the same as in the first embodiment, so the differences from the first embodiment are the main focus. explain.
[0060]
In the present embodiment, the ECU 3A switches between charging and discharging of the single piezo stack 2 by driving the primary side switching element 14 and the secondary side switching element 15 on and off in the same manner as in the first embodiment.
[0061]
(Third embodiment)
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. The primary side switching element is turned on / off by another configuration, and the basic configuration is that of the second embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in the first and second embodiments operate in the same manner as in the first and second embodiments, and therefore, the differences from the first and second embodiments will be mainly described.
[0062]
The primary side circuit 121A and the secondary side circuit 122A have the same basic configuration as the first and second embodiments, and the primary side switching element 14 and the secondary side switching element of the primary side circuit 121A and the secondary side circuit 122A. A common resistor on the source side of 15 is provided with a low-resistance resistor 17 for current detection, and the ECU 3B determines the off timing of the primary side switching element 14 based on the current detected by the resistor 17.
[0063]
The ECU 3B is configured to turn off the primary side switching element 14 when the current I1 when the primary side switching element 14 is on reaches the preset current I. Even in such a configuration, as is apparent from the equation (1), energy can be supplied to the piezo stack 2 with high accuracy.
[0064]
In each of the above embodiments, the secondary side circuit is configured to permit only the current in the charging direction of the piezo stack by the secondary side parasitic diode during charging. However, a diode separate from the switching element is provided. Also good. The same applies to the primary side parasitic diode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a fuel injection injector equipped with a piezo actuator driven by the piezo actuator drive circuit.
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel injection system for an internal combustion engine having the injector.
FIG. 4 is a timing chart of the piezo actuator driving circuit.
FIG. 5 is a graph illustrating the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 6 is a graph of a conventional piezo actuator driving circuit to be compared with the piezo actuator driving circuit.
FIG. 7 is a circuit diagram of another piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a circuit diagram of still another piezoelectric actuator driving circuit to which the present invention is applied.
FIG. 9 is a circuit diagram of a conventional piezo actuator driving circuit.
[Explanation of symbols]
1 Piezo actuator drive circuit
11 DC power supply
111 battery
112 DC-DC converter
113 capacitor
12 Current path
121 Primary circuit
122 Secondary circuit
13 transformer
131 Primary winding
132 Secondary winding
14 Primary side switching element (switching element for energy supply)
141 Primary side parasitic diode (switching element for energy recovery)
15 Secondary side switching element (switching element for energy recovery)
151 Secondary side parasitic diode (switching element for energy supply)
16 Selective switching element (switching element for piezo actuator selection)
161 Selective parasitic diode
17 resistors
2,2A, 2B, 2C, 2D Piezo stack
3, 3A, 3B ECU
4 Injector
4a Nozzle part
4b Back pressure control unit
4c Piezo actuator

Claims

In the piezo actuator drive circuit that performs charging of the piezo stack provided in the piezo actuator by a flyback method,
The energization path to the piezo stack is configured to energize the piezo stack via a transformer from a DC power source,
The primary side circuit of the energization path in which the DC power source and the primary winding of the transformer are connected in series is provided with a switching element for supplying energy that opens and closes the primary side circuit,
In the secondary side circuit of the energization path in which the DC power source and the secondary side winding of the transformer are connected in series, an induced electromotive force generated in the secondary side winding when the primary side circuit is closed Is provided with a diode for energy supply so that becomes a forward bias ,
The DC power supply is provided with a capacitor between its output terminals,
The secondary circuit is provided with a switching element for energy recovery in parallel with the diode,
The piezoelectric actuator drive circuit according to claim 1, wherein an energy recovery diode is provided in the primary side circuit so as to be reverse-biased with respect to the DC power supply in parallel with the switching element for charge control .

2. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the switching element is connected so that one end thereof becomes a reference potential of the energization path .

3. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein a plurality of sets of piezo stacks and piezo actuator selection switching elements connected in series are connected in parallel to the secondary side circuit. Driving circuit.

4. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the piezo actuator drive circuit supplies desired energy to the piezo actuator by turning on and off a switching element that opens and closes the primary side circuit a predetermined number of times .