JP2002155789A - Piezo actuator drive circuit and fuel injection device - Google Patents

Piezo actuator drive circuit and fuel injection device

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JP2002155789A
JP2002155789A JP2000352174A JP2000352174A JP2002155789A JP 2002155789 A JP2002155789 A JP 2002155789A JP 2000352174 A JP2000352174 A JP 2000352174A JP 2000352174 A JP2000352174 A JP 2000352174A JP 2002155789 A JP2002155789 A JP 2002155789A
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piezo
piezo stack
stack
fuel injection
capacitance
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Akira Kawabata
彰 河端
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Denso Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To determine an electrostatic capacity of a piezo-stack at a high accuracy without using an energization inductor to the piezo-stack and receiving an influence of an internal inductance of the piezo-stack in a piezo-actuator driving circuit. SOLUTION: An A. C. Voltage is applied to a piezo-stack 3A from an A.C. power source 19 at a frequency of several points and a CPU 22 operates an electrostatic capacity of the piezo-stack 3A based on a frequency characteristic of a piezo-stack current flowing in the piezo-stack 3A.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はピエゾアクチュエー
タ駆動回路および燃料噴射装置に関する。
The present invention relates to a piezo actuator drive circuit and a fuel injection device.

【0002】[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押圧力
を発生しピストン等を作動せしめる。例えば、内燃機関
の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの
開弁と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。
2. Description of the Related Art A piezo actuator utilizes the piezoelectric action of a piezoelectric material such as PZT. A piezo stack, which is a capacitive element, expands or contracts by charging and discharging to generate a pressing force to operate a piston or the like. For example, a fuel injection device for an internal combustion engine is known in which a piezo actuator is used to switch between opening and closing a fuel injector.

【0003】ピエゾスタックはセラミック層と電極層と
が交互に積層した構造を有し、電気的にはセラミックコ
ンデンサと等価である。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。
図8は前記インジェクタに搭載されるピエゾスタックの
温度特性を示すもので、静電容量が、20°Cにおける
静電容量に対して120°C付近では200%も増大す
る大きな温度依存性を示す。このため、充電速度がばら
つき、燃料の噴射指令に対してインジェクタの開弁タイ
ミングが変動して、噴射量の調量精度が必ずしも十分で
はない。また、供給エネルギーEはE=(1/2)CV
2 (=(1/2)Q2 /C)で表され静電容量Cをパラ
メータとして含むから、ピエゾスタックの両端間電圧V
や電荷量Qを正確に制御しても供給エネルギーEがばら
つき、インジェクタの開弁作動が不安定になったり、過
剰な充電量が弁部の損耗等を引き起こすおそれがある。
A piezo stack has a structure in which ceramic layers and electrode layers are alternately stacked, and is electrically equivalent to a ceramic capacitor. Generally, the capacitance of a capacitive element including a piezo stack greatly increases as the temperature rises.
FIG. 8 shows a temperature characteristic of a piezo stack mounted on the injector, and shows a large temperature dependence in which the capacitance increases by 200% at around 120 ° C. with respect to the capacitance at 20 ° C. . For this reason, the charging speed fluctuates, the valve opening timing of the injector fluctuates in response to the fuel injection command, and the adjustment accuracy of the injection amount is not always sufficient. The supply energy E is E = (1/2) CV
2 (= (1 /) Q 2 / C) and includes the capacitance C as a parameter, the voltage V across the piezo stack
Even if the charge amount Q is accurately controlled, the supply energy E may fluctuate, and the valve opening operation of the injector may become unstable, or the excessive charge amount may cause the valve portion to be worn.

【0004】特許第2773585号では、直流電源か
らピエゾスタックへの通電経路にインダクタを有するピ
エゾアクチュエータ駆動回路において、前記通電経路を
使ってピエゾスタック駆動用の電圧よりも低い直流電圧
をピエゾスタックに印加することにより通電経路に過渡
的に電流を流し、平衡状態に移行するまでの時間T0を
測定し、前記インダクタのインダクタンスをL0 として
T0 =(L0 ×Cp ) 1/2 より静電容量Cp を求めてい
る。
[0004] In Japanese Patent No. 2773585, a DC power supply is used.
That have an inductor in the current path to the piezo stack.
In the piezoelectric actuator drive circuit, the energization path is
DC voltage lower than the voltage for driving the piezo stack using
Transient to the current path by applying
Time T0 until the current flows and shifts to the equilibrium state
Measure the inductance of the inductor as L0
T0 = (L0 * Cp) 1/2To find the capacitance Cp
You.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
許第2773585号の技術では、通電経路の途中にあ
る電流制限用のインダクタを利用しており、そのインダ
クタンスL0 が常に一定値をとるという前提で静電容量
Cp が算出される。また、ピエゾスタックの内部インダ
クタンスについては考慮されていない。このため、燃料
噴射制御に対する高精度要求がさらに高いものになる
と、必ずしも十分とはいえない。
However, the technique disclosed in Japanese Patent No. 2773585 uses a current limiting inductor in the middle of an energizing path, and it is assumed that the inductance L0 always takes a constant value. The capacitance Cp is calculated. Further, the internal inductance of the piezo stack is not considered. For this reason, if the demand for high precision for the fuel injection control is further increased, it cannot always be said that it is sufficient.

【0006】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
正確にピエゾスタックの静電容量が求められてその結果
をピエゾスタックの制御に反映することのできるピエゾ
アクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置を提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances,
An object of the present invention is to provide a piezo actuator drive circuit and a fuel injection device that can accurately determine the capacitance of a piezo stack and reflect the result to control the piezo stack.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、ピエゾスタックの充電と放電とを切り換え前記ピエ
ゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエータ駆動
回路において、ピエゾスタックに交流電圧を前記ピエゾ
スタックが伸縮しない一定の大きさでかつ周波数が掃引
するように印加し、前記ピエゾスタックに測定用の電流
を流す給電手段と、印加周波数が異なる複数の前記測定
用の電流に基づいてピエゾスタックの静電容量を演算す
る演算手段とを具備する構成とする。
According to the first aspect of the present invention, in a piezo actuator drive circuit that switches between charging and discharging of a piezo stack and controls expansion and contraction of the piezo stack, an AC voltage is applied to the piezo stack. A power supply means for applying a current having a predetermined size that does not expand and contract so as to sweep the frequency, and flowing a current for measurement to the piezo stack, and a static electricity of the piezo stack based on a plurality of the currents for measurement having different applied frequencies. And a calculating means for calculating the capacity.

【0008】ピエゾスタックの等価回路は容量成分の
他、インダクタンス成分を含み、これらの成分の直列回
路となっている。これらの成分の値によりピエゾスタッ
クの周波数特性が規定される。したがって、インダクタ
ンス成分によらず印加周波数の異なる複数の電流値から
静電容量が演算できる。しかも、ピエゾスタックの外部
のインダクタを用いないので、それによる演算誤差も生
じない。これにより、ピエゾアクチュエータを適正に制
御することができる。
The equivalent circuit of the piezo stack includes an inductance component in addition to a capacitance component, and is a series circuit of these components. The frequency characteristics of the piezo stack are defined by the values of these components. Therefore, the capacitance can be calculated from a plurality of current values having different applied frequencies irrespective of the inductance component. In addition, since no inductor outside the piezo stack is used, there is no calculation error. Thereby, the piezo actuator can be appropriately controlled.

【0009】請求項2記載の発明では、ピエゾスタック
の充電と放電とを切り換え前記ピエゾスタックの伸縮を
制御するピエゾアクチュエータ駆動回路において、ピエ
ゾスタックが伸縮しない予め設定した電流値にてピエゾ
スタックに定電流を流す給電手段と、予め設定した所定
時間の経過前後における前記ピエゾスタックの両端間電
圧に基づいて前記ピエゾスタックの静電容量を演算する
演算手段とを具備する構成とする。
According to a second aspect of the present invention, in the piezo actuator driving circuit for controlling the expansion and contraction of the piezo stack by switching between charging and discharging of the piezo stack, the piezo stack is set to a predetermined current value at which the piezo stack does not expand and contract. A power supply unit for flowing a current and a calculation unit for calculating a capacitance of the piezo stack based on a voltage between both ends of the piezo stack before and after a predetermined time elapses are provided.

【0010】ピエゾスタックの等価回路は容量成分の
他、インダクタンス成分を含み、これらの成分の直列回
路となっている。ピエゾスタックに定電流を流せばイン
ダクタンス成分による誘導起電力が0となるので、ピエ
ゾスタックの両端間電圧は容量成分の大きさに反比例し
た速度で直線的に変化する。したがって、前記ピエゾス
タックのインダクタンス成分によらず静電容量が演算で
きる。しかも、ピエゾスタックの外部のインダクタを用
いないので、それによる演算誤差も生じない。これによ
り、ピエゾアクチュエータを適正に制御することができ
る。
The equivalent circuit of the piezo stack includes an inductance component in addition to a capacitance component, and is a series circuit of these components. When a constant current is passed through the piezo stack, the induced electromotive force due to the inductance component becomes zero, and the voltage between both ends of the piezo stack changes linearly at a speed inversely proportional to the magnitude of the capacitance component. Therefore, the capacitance can be calculated regardless of the inductance component of the piezo stack. In addition, since no inductor outside the piezo stack is used, there is no calculation error. Thereby, the piezo actuator can be appropriately controlled.

【0011】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、前記演算手段を、前記静電容
量とともにピエゾスタックの内部抵抗を演算するように
設定する。
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect of the invention, the calculating means is set so as to calculate the internal resistance of the piezo stack together with the capacitance.

【0012】請求項1の発明の構成を有する場合におい
ては、ピエゾスタックの等価回路を構成する抵抗成分も
周波数特性を規定するから、ピエゾスタックの内部抵抗
も演算することができ、これにより、ピエゾアクチュエ
ータをさらに適正に制御することができる。
In the case of the configuration of the first aspect of the present invention, since the resistance component constituting the equivalent circuit of the piezo stack also defines the frequency characteristic, the internal resistance of the piezo stack can also be calculated. The actuator can be more appropriately controlled.

【0013】また、請求項2の発明の構成を有する場合
においては、ピエゾスタック両端間電圧は抵抗成分によ
る電圧降下をオフセット量として有しているから、ピエ
ゾスタックの内部抵抗も演算することができ、これによ
り、ピエゾアクチュエータをさらに適正に制御すること
ができる。
Further, in the case of the configuration according to the second aspect of the present invention, since the voltage between both ends of the piezo stack has a voltage drop due to a resistance component as an offset amount, the internal resistance of the piezo stack can also be calculated. Thus, the piezo actuator can be more appropriately controlled.

【0014】請求項4記載の発明では、燃料噴射装置
を、燃料の噴射用のノズル部を有し、燃料の噴射と停止
とを切り換える弁体を作動せしめる押圧力をピエゾアク
チュエータにより出力するインジェクタと、前記ピエゾ
アクチュエータを駆動する請求項1ないし3いずれか記
載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備する構成と
する。また、請求項5記載の発明では、機関の運転状態
に応じて算出される燃料噴射パラメータを補正する補正
手段を備える構成とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an injector having a fuel injection nozzle having a nozzle portion for fuel injection and outputting, by a piezo actuator, a pressing force for operating a valve element for switching between fuel injection and stop. And a driving circuit for driving the piezo actuator according to any one of claims 1 to 3. Further, according to the fifth aspect of the present invention, a configuration is provided in which a correction means is provided for correcting a fuel injection parameter calculated according to an operating state of the engine.

【0015】ピエゾスタックの静電容量や内部抵抗が、
ばらつきや変動があっても正確に知ることができるか
ら、高精度な燃料噴射を行うことができる。また、イン
ジェクタの燃料噴射制御において機関の運転状態に応じ
て算出される燃料噴射パラメータに適正な補正を行える
ことにより、運転状態に応じた正確な燃料噴射を行うこ
とができる。
The capacitance and internal resistance of the piezo stack are
Even if there is variation or fluctuation, it is possible to know accurately, so that highly accurate fuel injection can be performed. In addition, since the fuel injection parameter calculated according to the operating state of the engine can be properly corrected in the fuel injection control of the injector, accurate fuel injection according to the operating state can be performed.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】(第1実施形態)図1に本発明の
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装置の制御装置に適用されたも
ので、燃料噴射装置の全体構成については後述する。前
記制御装置としてのピエゾアクチュエータ駆動回路1
は、車載バッテリの給電(+B)で数十〜数百Vの直流
電圧を発生するDC−DCコンバータ111、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112
により直流電源11を構成し、ピエゾスタック3A,3
B,3C,3Dの充電用の電圧を出力する。DC−DC
コンバータ111は一般的な降圧チョッパ型の回路で、
スイッチング素子1112のオン時にインダクタ111
1にエネルギーを蓄積して、スイッチング素子1112
のオフ時に逆起電力を発生するインダクタ1111から
ダイオード1113を介してバッファコンデンサ112
に充電される。バッファコンデンサ112はある程度静
電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック3A〜
3D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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) FIG. 1 shows the configuration of a piezo actuator drive circuit according to the present invention. The piezo actuator drive circuit is applied to a control device of a fuel injection device of a common rail type four-cylinder diesel engine, and the overall configuration of the fuel injection device will be described later. Piezo actuator drive circuit 1 as the control device
Is a DC-DC converter 111 that generates a DC voltage of several tens to several hundreds of volts by power supply (+ B) from a vehicle-mounted battery, and a buffer capacitor 112 connected in parallel to its output terminal.
Constitutes a DC power supply 11 and the piezo stacks 3A, 3A.
Outputs charging voltages for B, 3C, and 3D. DC-DC
The converter 111 is a general step-down chopper type circuit.
When the switching element 1112 is turned on, the inductor 111
1 to store the energy in the switching element 1112
From the inductor 1111 that generates a back electromotive force when the buffer capacitor 112 is turned off via the diode 1113
Is charged. The buffer capacitor 112 is formed of a capacitor having a relatively large capacitance to some extent.
A substantially constant voltage value is maintained even when the 3D charging operation is performed.

【0017】直流電源11のバッファコンデンサ112
からピエゾスタック3A〜3Dにインダクタ13を介し
て通電する第1の通電経路12aが設けてあり、通電経
路12aには、バッファコンデンサ112とインダクタ
13間にこれらと直列に第1のスイッチング素子14a
が介設されている。第1のスイッチング素子14aはM
OSFETで構成され、その寄生ダイオード(以下、第
1の寄生ダイオードという)141aがバッファコンデ
ンサ112の両端間電圧に対して逆バイアスとなるよう
に接続される。また、インダクタ13とピエゾスタック
3A〜3Dは第2の通電経路12bを形成している。こ
の通電経路12bは、インダクタ13と第1のスイッチ
ング素子14aの接続中点に接続される第2のスイッチ
ング素子14bを有し、インダクタ13、ピエゾスタッ
ク3A〜3Dおよび第2のスイッチング素子14bを含
む閉回路を形成している。第2のスイッチング素子14
bもMOSFETで構成され、その寄生ダイオード(以
下、第2の寄生ダイオードという)141bがバッファ
コンデンサ112の両端間電圧に対して逆バイアスとな
るように接続される。
The buffer capacitor 112 of the DC power supply 11
A first power supply path 12a for supplying power to the piezo stacks 3A to 3D via the inductor 13 is provided in the power supply path 12a between the buffer capacitor 112 and the inductor 13 in series with the first switching element 14a.
Is interposed. The first switching element 14a has M
The parasitic diode (hereinafter, referred to as a first parasitic diode) 141 a is constituted by an OSFET and is connected so as to be reversely biased with respect to a voltage between both ends of the buffer capacitor 112. Further, the inductor 13 and the piezo stacks 3A to 3D form a second energization path 12b. This energization path 12b has a second switching element 14b connected to a connection midpoint between inductor 13 and first switching element 14a, and includes inductor 13, piezo stacks 3A to 3D, and second switching element 14b. A closed circuit is formed. Second switching element 14
b is also formed of a MOSFET, and its parasitic diode (hereinafter, referred to as a second parasitic diode) 141b is connected so as to be reverse-biased with respect to the voltage between both ends of the buffer capacitor 112.

【0018】通電経路12a,12bはピエゾスタック
3A〜3D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3A〜3Dが選択でき
る。ピエゾスタック3A〜3D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)15A,15B,15C,15D,15E,15
Fが接続されており、このうち第1の種類の選択スイッ
チング素子15A〜15Dはそれぞれピエゾスタック3
A〜3Dと1対1に対応して接続されて、噴射気筒のイ
ンジェクタのピエスタック3A〜3Dに対応する選択ス
イッチング素子15A〜15Dがオンされる。
The energization paths 12a and 12b are common to the piezo stacks 3A to 3D, and the piezo stacks 3A to 3D to be driven can be selected as follows. Each of the piezo stacks 3A to 3D is connected in series with a switching element (hereinafter, appropriately referred to as a selective switching element) 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15
F, and the first type of selection switching elements 15A to 15D are connected to the piezo stack 3 respectively.
A to 3D are connected in one-to-one correspondence, and the selection switching elements 15A to 15D corresponding to the pie stacks 3A to 3D of the injectors of the injection cylinders are turned on.

【0019】また、第2の種類の選択スイッチング素子
15E,15Fは選択スイッチング素子15Eがピエゾ
スタック3Aとピエゾスタック3Bとに共通に、また、
選択スイッチング素子15Fがピエゾスタック3Cとピ
エゾスタック3Dとに共通に接続される。第2の種類の
選択スイッチング素子15E,15Fは、ピエゾスタッ
ク3A〜3Dのいずれかにおいて選択スイッチング素子
15A〜15Dにより制御不能な状態が出来しても当該
ピエゾスタック3A〜3Dを含む2つのピエゾスタック
3A〜3Dをピエゾアクチュエータ駆動回路1から切り
離して残りの2つのピエゾスタック3A〜3Dの作動を
確保するためのものである(リンプフォーム)。
In the second type of selective switching elements 15E and 15F, the selective switching element 15E is common to the piezo stack 3A and the piezo stack 3B.
The selection switching element 15F is commonly connected to the piezo stack 3C and the piezo stack 3D. The second type of selection switching elements 15E and 15F are two piezo stacks including the piezo stacks 3A to 3D even if the selection switching elements 15A to 15D cause an uncontrollable state in any of the piezo stacks 3A to 3D. 3A to 3D are separated from the piezo actuator drive circuit 1 to ensure the operation of the remaining two piezo stacks 3A to 3D (limp form).

【0020】各選択スイッチング素子15A〜15Fは
MOSFETが用いられており、その寄生ダイオード
(以下、選択寄生ダイオードという)151A,151
B,151C,151D,151E,151Fは、バッ
ファコンデンサ112に対して逆バイアスとなるように
接続されている。
Each of the selective switching elements 15A to 15F uses a MOSFET, and its parasitic diode (hereinafter, referred to as a selective parasitic diode) 151A, 151
B, 151C, 151D, 151E, and 151F are connected to the buffer capacitor 112 so as to be reverse biased.

【0021】また、ピエゾスタック3Aとピエゾスタッ
ク3Bとには、計測切り換え用のスイッチング素子16
Eを介して、ピエゾスタック3Cとピエゾスタック3D
とには、計測切り換え用のスイッチング素子16Fを介
して、給電手段である交流電源19から電圧が印加され
るようになっている。交流電源19は電圧制御発振器
(VCO)等の印加周波数が可変に構成された電源であ
る。交流電源19の出力の振幅はピエゾスタック3A〜
3Dの伸縮駆動時の印加電圧である数十Vに比してごく
小さい電圧値、例えば1V程度に設定されている。これ
により、電圧印加によりピエゾスタック3A〜3Dが伸
縮することがないし、伸縮駆動時とは逆相で電圧が印加
される場合がある交流であっても伸縮駆動時と同じ電気
特性で作動する。
The piezo stack 3A and the piezo stack 3B have a switching element 16 for switching measurement.
Via E, piezo stack 3C and piezo stack 3D
In this configuration, a voltage is applied from an AC power supply 19 serving as a power supply unit via a switching element 16F for measurement switching. The AC power supply 19 is a power supply such as a voltage controlled oscillator (VCO) having a variable application frequency. The amplitude of the output of the AC power supply 19 is
The voltage value is set to an extremely small voltage value, for example, about 1 V as compared with several tens of volts which is an applied voltage at the time of 3D expansion / contraction driving. Accordingly, the piezo stacks 3A to 3D do not expand and contract due to voltage application, and operate with the same electrical characteristics as during expansion and contraction even with an alternating current in which a voltage is applied in a phase opposite to that during expansion and contraction.

【0022】ピエゾスタック3A〜3Dは、後述するよ
うに、各気筒に設けられたインジェクタ4(図2、図
3)の燃料噴射と停止の切り替え用としてインジェクタ
4のそれぞれに搭載される。
The piezo stacks 3A to 3D are mounted on each of the injectors 4 for switching between fuel injection and stop of the injectors 4 (FIGS. 2 and 3) provided in each cylinder, as described later.

【0023】スイッチング素子14a,14b,15A
〜15F,16E,16Fの各ゲートにはコントローラ
21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15A〜15Dのいずれかをオ
ンして駆動対象のピエゾスタック3A〜3Dが選択され
るとともに、スイッチング素子14a,14b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1
4a,14bをオンオフし、ピエゾスタック3A〜3D
の充電制御および放電制御を行うようになっている。
Switching elements 14a, 14b, 15A
A control signal is input from the controller 21 to each of the gates to 15F, 16E, and 16F, and as described above, one of the selection switching elements 15A to 15D is turned on to select the piezo stack 3A to 3D to be driven. At the same time, a pulse-like control signal is input to the gates of the switching elements 14a and 14b and the switching element 1
4a and 14b are turned on and off, and the piezo stacks 3A to 3D
, And charge control and discharge control.

【0024】また、ピエゾクタック3Aとピエゾクタッ
ク3Bとに共通に直列に比較的低抵抗の抵抗器17E
が、ピエゾクタック3Cとピエゾクタック3Dとに共通
に直列に前記抵抗器17Eと同じ抵抗器17Fが設けて
ある。その両端間電圧はコントローラ21に入力し、ピ
エゾスタック3A〜3Dの充電電流が検出されるように
なっている。
A relatively low-resistance resistor 17E is commonly connected in series to the piezo tact 3A and the piezo tact 3B.
However, the same resistor 17F as the resistor 17E is provided in series for the piezo tact 3C and the piezo tact 3D. The voltage between both ends is inputted to the controller 21, and the charging current of the piezo stacks 3A to 3D is detected.

【0025】また、第2のスイッチング素子14bには
直列に比較的低抵抗の抵抗器18が設けてある。その両
端間電圧はコントローラ21に入力し、ピエゾスタック
3A〜3Dの放電電流が検出されるようになっている。
A resistor 18 having a relatively low resistance is provided in series with the second switching element 14b. The voltage between both ends is inputted to the controller 21, and the discharge current of the piezo stacks 3A to 3D is detected.

【0026】また、コントローラ21には各ピエゾスタ
ック3A〜3Dの両端端電圧(以下、ピエゾスタック電
圧という)が入力し、検出されるようになっている。
Further, both ends of the piezo stacks 3A to 3D (hereinafter referred to as piezo stack voltages) are inputted to the controller 21 and detected.

【0027】コントローラ21は、充電制御時には、第
1のスイッチング素子14aのオン期間とオフ期間とを
次のように設定し、第1のスイッチング素子14aの制
御信号を出力する。すなわち、第1のスイッチング素子
14aをオンして第1の通電経路12aに漸増する充電
電流を流す。充電電流が予め設定した電流値になるとス
イッチング素子14aをオフしてオフ期間に入る。この
時、インダクタ13に発生する逆起電力は第2の寄生ダ
イオード141bに対して順バイアスであるから、イン
ダクタ13に蓄積されたエネルギーにより第2の通電経
路12bに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾ
スタック3A〜3Dの充電が進行する。充電電流が0に
なると再び第1のスイッチング素子14aをオンしてオ
ン期間に入り、これを繰り返す(複数スイッチング方
式)。そして、ピエゾスタック電圧が予め設定した電圧
に達するとスイッチング素子14aをオフに固定し、充
電は完了となる。
At the time of charge control, the controller 21 sets the ON period and the OFF period of the first switching element 14a as follows, and outputs a control signal for the first switching element 14a. That is, the first switching element 14a is turned on, and a gradually increasing charging current flows through the first current path 12a. When the charging current reaches a preset current value, the switching element 14a is turned off and an off period starts. At this time, since the back electromotive force generated in the inductor 13 is forward-biased with respect to the second parasitic diode 141b, a flywheel current that gradually decreases in the second conduction path 12b flows due to the energy accumulated in the inductor 13, The charging of the piezo stacks 3A to 3D proceeds. When the charging current becomes 0, the first switching element 14a is turned on again to enter an ON period, and this is repeated (multiple switching method). When the piezo stack voltage reaches a preset voltage, the switching element 14a is fixed to OFF, and the charging is completed.

【0028】また、放電制御時には、第2のスイッチン
グ素子14bのオン期間とオフ期間とを次のように設定
し、第2のスイッチング素子14bの制御信号を出力す
る。すなわち、第2のスイッチング素子14bをオンし
て第2の通電経路12bに漸増する放電電流を流す。放
電電流が予め設定した電流値になるとスイッチング素子
14bをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ
13に大きな逆起電力が発生し、インダクタ13に蓄積
されたエネルギーによりフライホイール電流を第1の通
電経路12aに流しバッファコンデンサ112にエネル
ギーを回収する。放電電流が0になると再び第2のスイ
ッチング素子14bをオンして、これを繰り返す。そし
て、ピエゾスタック電圧が0に達するとスイッチング素
子14bをオフに固定し、放電は完了となる。
During the discharge control, the ON period and the OFF period of the second switching element 14b are set as follows, and a control signal for the second switching element 14b is output. That is, the second switching element 14b is turned on, and a gradually increasing discharge current flows through the second conduction path 12b. When the discharge current reaches a preset current value, the switching element 14b is turned off and an off period starts. At this time, a large back electromotive force is generated in the inductor 13, and the flywheel current is caused to flow through the first current path 12 a by the energy stored in the inductor 13, and the energy is recovered by the buffer capacitor 112. When the discharge current becomes 0, the second switching element 14b is turned on again, and this is repeated. When the piezo stack voltage reaches 0, the switching element 14b is fixed to off, and the discharge is completed.

【0029】コントローラ21には、後述する燃料噴射
制御全体を司るCPU21からの噴射信号が入力してお
り、これにより充電制御および放電制御を行う。噴射信
号は噴射期間に対応する「L」と「H」よりなる二値信
号であり、噴射信号の立ち上がりでピエゾスタック3A
〜3Dの充電を開始し、噴射信号の立ち下がりでピエゾ
スタック3A〜3Dを放電する。
The controller 21 receives an injection signal from a CPU 21 which controls the entire fuel injection control, which will be described later, and thereby performs charge control and discharge control. The injection signal is a binary signal consisting of “L” and “H” corresponding to the injection period, and the piezo stack 3A
3D is started, and the piezo stacks 3A to 3D are discharged at the fall of the injection signal.

【0030】また、コントローラ21はCPU21から
の指令で交流電源19を作動せしめ、ピエゾスタック3
A〜3Dへの印加周波数を所定の周波数とするととも
に、その時の抵抗器17E,17Fで検出される電流
(以下、ピエゾスタック電流という)を取り込むように
なっている。印加周波数は、交流電源19への制御信号
を変化させることで所定範囲内で設定可能である。
Further, the controller 21 activates the AC power supply 19 in response to a command from the CPU 21, and the piezo stack 3
The application frequency to A to 3D is set to a predetermined frequency, and the current detected by the resistors 17E and 17F at that time (hereinafter, referred to as a piezo stack current) is taken in. The applied frequency can be set within a predetermined range by changing a control signal to the AC power supply 19.

【0031】図2にピエゾスタック3A〜3Dが搭載さ
れる燃料噴射用のインジェクタ4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装置の構成
を示し、図3にインジェクタ4の構造を示す。図例はピ
エゾスタック3Aが搭載されたものであるが、ピエゾス
タック3B〜3Dが搭載されるインジェクタも同じ構造
である。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5
4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。
FIG. 2 shows the configuration of a common rail type fuel injection device for a diesel engine having a fuel injector 4 on which the piezo stacks 3A to 3D are mounted, and FIG. 3 shows the structure of the injector 4. . In the example shown, the piezo stack 3A is mounted, but the injectors on which the piezo stacks 3B to 3D are mounted have the same structure. The number of injectors 4 corresponding to the number of cylinders of the diesel engine is provided for each cylinder (only one injector 4 is shown in the figure), and fuel is supplied from a common common rail 54 that communicates 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). Common rail 5
4 is a high-pressure supply pump 53
And stored at high pressure.

【0032】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。
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 a control oil pressure for the injector 4 and the like, and is supplied from the injector 4 through a low-pressure drain line 56 to a fuel tank. Reflux to 51.

【0033】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
いて前記CPU21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。
The pressure sensor 57 is provided on the common rail 54 and detects the common rail pressure. Based on the detection result, the CPU 21 controls the metering valve 52 to adjust the amount of fuel pressure fed to the common rail 54, and Is controlled so as to have an appropriate injection pressure according to operating conditions known from other sensor inputs or the like.

【0034】図3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。
As shown in FIG. 3, the injector 4 is a rod-shaped body, and is attached so that the lower part in the figure penetrates a combustion chamber wall (not shown) of the engine and projects into the combustion chamber. The injector 4 includes a nozzle unit 4a, a back pressure control unit 4b, and a piezo actuator 4c in this order from the bottom.

【0035】ノズル部4aの本体404内にニードル4
21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42
1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。
The needle 4 is provided in the main body 404 of the nozzle portion 4a.
21 is slidably held at its rear end, and the needle 421 sits on or separates from an annular seat 4041 formed at the tip of the nozzle body 404. Needle 42
High-pressure fuel is introduced from the common rail 54 into the outer peripheral space 405 at the distal end of the first through the high-pressure passage 401, and fuel is injected from the injection hole 403 when the needle 421 is unseated. 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).

【0036】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。
The high pressure passage 401 is located behind the needle 421.
A fuel as a control oil is introduced from the through an in-orifice 407 to form a back pressure chamber 406 for generating a back pressure of the needle 421. This back pressure acts on the rear end surface 4212 of the needle 421 in the seating direction (downward) together with the spring 422 provided in the back pressure chamber 406.

【0037】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。
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 having the piezo stack 2A. The injector having the piezo stacks 2B to 2D has the same structure.

【0038】前記背圧室406はアウトオリフィス40
9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4
11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。
The back pressure chamber 406 has an out orifice 40
9 and is always in communication with the valve chamber 410 of the back pressure control unit 4b. The valve chamber 410 has a ceiling surface 4101 formed in an upwardly conical shape, and the top of the ceiling surface 4101 has a low-pressure chamber 4101.
Connected to 11. The low pressure chamber 411 communicates with a low pressure passage 402 communicating with the drain line 56.

【0039】弁室410の底面4102には高圧通路4
01から分岐する高圧制御通路408が開口している。
The bottom surface 4102 of the valve chamber 410 has a high pressure passage 4
A high pressure control passage 408 branching from 01 is open.

【0040】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)4
102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4
10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
背圧が上昇してニードル421が着座する。
A ball 423 having a lower portion cut horizontally is disposed in the valve chamber 410. The ball 423 is a valve body that can move up and down. When the ball 423 descends, the cut surface serves as a valve seat bottom (hereinafter, referred to as a high pressure side seat) 4 as a valve seat.
102, the valve chamber 410 is cut off from the high-pressure control passage 408, and when ascending, the valve chamber 410 is seated on the above-mentioned ceiling surface (hereinafter, referred to as a low-pressure side seat) 4101 to shut off the valve chamber 410 from the low-pressure chamber 411. As a result, when the ball 423 descends, the back pressure chamber 410 moves out of the orifice 409 and the valve chamber 4
The pressure is communicated with the low-pressure chamber 411 via 10, the back pressure of the needle 421 is reduced, and the needle 421 is separated. On the other hand, when the ball 423 rises, the back pressure chamber 406 is cut off from the low pressure chamber 411 and communicates only with the high pressure passage 401, so that the back pressure of the needle 421 rises and the needle 421 is seated.

【0041】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3Aが上下方向を伸縮方向として配設されて
いる。
The ball 423 is a piezo actuator 4c.
Is pressed and driven. The piezo actuator 4c is
A vertical hole 412 formed vertically above the low-pressure chamber 411.
Two pistons 424 and 425 having different diameters are slidably held, and a piezo stack 3A is disposed above the large-diameter piston 425 on the upper side with the vertical direction extending and contracting.

【0042】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3Aと当接状
態を維持しており、ピエゾスタック3A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。
The large-diameter piston 425 is kept in contact with the piezo stack 3A by a spring 426 provided below the large-diameter piston 425, so that the large-diameter piston 425 is vertically displaced by the same amount as the amount of expansion and contraction of the piezo stack 3A.

【0043】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3Aの伸長で大径ピストン4
25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4
24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3A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。
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, which extends the piezo stack 3A. Large piston 4
When the fuel is moved downward and presses the fuel in the displacement expansion chamber 413, the pressing force is transmitted to the small-diameter piston 424 via the fuel in the displacement expansion chamber 413. Here, small diameter piston 4
24 has a smaller diameter than the large-diameter piston 425,
The amount of extension of the piezo stack 3A is expanded and converted into displacement of the small-diameter piston 424.

【0044】燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック3
Aが充電されてピエゾスタック3A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410
1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4
21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。
At the time of fuel injection, first, the piezo stack 3
When A is charged and the piezo stack 3A expands, the small-diameter piston 424 descends and pushes down the ball 423. As a result, the ball 423 moves to the low pressure side
1 and seats on the high-pressure side seat 4102 and the back pressure chamber 406 communicates with the low pressure passage 402, so that the fuel pressure in the back pressure chamber 406 decreases. Thereby, the needle 4
The force acting on the seat 21 in the unseating direction is more dominant than the force acting in the seating direction, the needle 421 is unseated, and fuel injection is started.

【0045】噴射停止は反対にピエゾスタック3Aの放
電によりピエゾスタック3A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4
10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。
On the other hand, when the injection is stopped, the piezo stack 3A is contracted by the discharge of the piezo stack 3A to release the pushing force to the ball 423. At this time, the inside of the valve chamber 410 is at a low pressure, and the high pressure fuel pressure acts on the bottom surface of the ball 423 from the high pressure control passage 408, so that the upward fuel pressure acts on the ball 423 as a whole. are doing. The release of the pressing force on the ball 423 releases the ball 423 from the high-pressure side seat 4102 and again seats on the low-pressure side seat 4101 to cause the valve chamber 4
Since the fuel pressure at 10 rises, the needle 421 is seated and injection stops.

【0046】本燃料噴射装置では、CPU22における
燃料噴射制御において、ピエゾスタック3A〜3Dの静
電容量等の変動が反映されて高精度な燃料噴射が実現で
きるようになっており、以下、燃料噴射制御について説
明する。図4に燃料噴射制御の内容を示すフローチャー
トを示す。ステップS101ではピエゾスタック3A〜
3Dの静電容量等を算出する必要があるか否かを判断す
る。静電容量の算出要求は例えば、一定の時間が経過す
るごとに発生するようにしてもよいし、イグニッション
スイッチがオンした時等のように車両の作動状態によっ
て発生するようにしてもよい。
In the fuel injection device of the present invention, in the fuel injection control by the CPU 22, high-precision fuel injection can be realized by reflecting the fluctuation of the capacitance of the piezo stacks 3A to 3D. The control will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the details of the fuel injection control. In step S101, the piezo stacks 3A to
It is determined whether it is necessary to calculate a 3D capacitance or the like. The capacitance calculation request may be generated, for example, every time a predetermined time elapses, or may be generated depending on the operating state of the vehicle, such as when an ignition switch is turned on.

【0047】静電容量等を算出する必要があればステッ
プS102でコントローラ21に指令信号を出力してコ
ントローラ21を次のように作動せしめる。測定すべき
ピエゾスタック3A〜3Dに対応する方の計測スイッチ
ング素子16E,16Fおよび3A〜3Dに対応する選
択スイッチング素子15A〜15Dをオンする。そし
て、交流電源19から所定範囲内の数点の周波数にて計
測用の電圧を順次、ピエゾスタック3A〜3Dに印加す
る。コントローラ21は周波数が異なる電圧が印加され
るごとに、抵抗器17Eまたは17Fにてピエゾスタッ
ク電流を取り込む。
If it is necessary to calculate the capacitance or the like, a command signal is output to the controller 21 in step S102, and the controller 21 is operated as follows. The measurement switching elements 16E and 16F corresponding to the piezo stacks 3A to 3D to be measured and the selection switching elements 15A to 15D corresponding to 3A to 3D are turned on. Then, measurement voltages are sequentially applied to the piezo stacks 3A to 3D from the AC power supply 19 at several frequencies within a predetermined range. Each time a voltage having a different frequency is applied, the controller 21 takes in the piezo stack current with the resistor 17E or 17F.

【0048】ピエゾスタック3A〜3Dの等価回路は図
5のように表され、この時のピエゾスタック電流Iの挙
動は、ピエゾスタック電圧をV、インピーダンスZとし
て次式(1)に従う。式中、Cは静電容量であり、Rs
は内部抵抗であり、Ls は内部インダクタンスである。
また、fを交流電源19の出力周波数としてω=2πf
である。
FIG. 5 shows an equivalent circuit of the piezo stacks 3A to 3D. At this time, the behavior of the piezo stack current I follows the following equation (1), where V is the piezo stack voltage and Z is the impedance. Where C is the capacitance and Rs
Is an internal resistance, and Ls is an internal inductance.
Ω = 2πf where f is the output frequency of the AC power supply 19
It is.

【0049】 V=|Z|×I ={(Rs )2 +(ωLs −1/ωC)2 1/2 ×I・・・(1)V = | Z | × I = {(Rs) 2 + (ωLs−1 / ωC) 21/2 × I (1)

【0050】ピエゾスタック電流Iの大きさは図6のよ
うに共振周波数f0 (=(Ls ×C)1/2 /2π)でピ
ークをとるから、数点の周波数について取り込まれたピ
エゾスタック電流Iのうちの最大値およびその時の周波
数とを、共振時のピエゾスタック電流Iおよび共振周波
数f0 として記憶する。この時、式(2)が成り立つ。 V=Rs ×I・・・(2)
Since the magnitude of the piezo stack current I peaks at the resonance frequency f0 (= (Ls × C) 1/2 / 2π) as shown in FIG. 6, the piezo stack current I taken in at several frequencies is obtained. Is stored as the piezo stack current I at resonance and the resonance frequency f0. At this time, equation (2) holds. V = Rs × I (2)

【0051】次いで、共振周波数f0 よりも十分に低周
波数側の周波数fL でピエゾスタック電流Iを検出し、
記憶する。この時、式(3)が成り立つ。 V≒{(Rs )2 +(1/2πfL C)2 1/2 ×I・・・(3)
Next, the piezo stack current I is detected at a frequency fL sufficiently lower than the resonance frequency f0,
Remember. At this time, equation (3) holds. V ≒ {(Rs) 2 + (1 / 2πfLC) 21/2 × I (3)

【0052】なお、交流電源19からピエゾスタック3
A〜3Dに印加される前記数点の周波数は、ピエゾスタ
ック3A〜3Dの内部抵抗Rs や内部インダクタンスL
s を考慮しつつ予め静電容量Cの温度変動の範囲を実験
的に見積もっておき、かかる温度変動のなかで共振周波
数f0 をある程度の精度で特定可能なように、かつ共振
周波数f0 から十分に低周波数側の周波数が与えられる
ように設定する。したがって、共振周波数f0 の変動範
囲を含む数点と、共振周波数f0 よりも低周波側の1点
が設定される。
The piezo stack 3 is supplied from the AC power supply 19.
A to 3D applied to the piezo stacks 3A to 3D have an internal resistance Rs and an internal inductance L.
The range of the temperature fluctuation of the capacitance C is experimentally estimated in advance in consideration of s, and the resonance frequency f0 can be specified with a certain degree of accuracy in such temperature fluctuation, and the resonance frequency f0 is sufficiently determined from the resonance frequency f0. Set so that the lower frequency is given. Therefore, several points including the fluctuation range of the resonance frequency f0 and one point lower than the resonance frequency f0 are set.

【0053】ステップS103では、取り込まれたピエ
ゾスタック電流値に基づいて、これら(2)、(3)の
関係から静電容量Cおよび内部抵抗Rs を得る。これは
次に計測要求があり(ステップS101)更新されるま
で記憶される。そしてステップS104に進む。なお、
ステップS101で静電容量C等を算出する必要がなけ
ればステップS102,S103をスキップする。
In step S103, the capacitance C and the internal resistance Rs are obtained from the relationship between (2) and (3) based on the piezo stack current value taken in. This is stored until there is a next measurement request (step S101) and the data is updated. Then, the process proceeds to step S104. In addition,
If it is not necessary to calculate the capacitance C or the like in step S101, steps S102 and S103 are skipped.

【0054】ステップS104では、アクセル開度やエ
ンジン回転数等に基づいて基本噴射時期、基本噴射量等
の燃料噴射パラメータを演算する。
In step S104, fuel injection parameters such as a basic injection timing and a basic injection amount are calculated based on the accelerator opening, the engine speed, and the like.

【0055】ステップS105では、前記静電容量Cお
よび内部抵抗Rs に基づいて、ピエゾスタック3A〜3
Dの静電容量Cおよび内部抵抗Rs の変動に基因する噴
射時期、噴射量等の燃料噴射パラメータの補正値を求め
る。
In step S105, the piezo stacks 3A to 3A are determined based on the capacitance C and the internal resistance Rs.
A correction value of a fuel injection parameter such as an injection timing and an injection amount due to the variation of the capacitance C and the internal resistance Rs of D is obtained.

【0056】燃料噴射パラメータの補正の一例について
説明する。CPU22からコントローラ21に出力され
る噴射信号は、その始期が燃料噴射時におけるピエゾス
タック3A〜3Dの充電時期を規定し、終期が放電時期
を規定するが、静電容量Cの変化で充電速度が変化して
ボール423のリフト作動の応答に影響し、背圧室40
6の圧力が、ニードル421が開弁可能な圧力に達する
時期が前後することになる。一方、例えば、本実施形態
のように複数スイッチング方式で充電電流のピーク値を
一定に制御する場合には、静電容量Cが大きいほどピエ
ゾスタック3A〜3Dへのエネルギー供給速度は低下す
る。単位電荷によってピエゾスタック3A〜3Dに供給
されるエネルギーであるピエゾスタック電圧が低くなる
からである。したがって、静電容量Cが大きいほど噴射
信号の出力時期が進角するように補正する。
An example of the correction of the fuel injection parameter will be described. The injection signal output from the CPU 22 to the controller 21 defines the charging timing of the piezo stacks 3A to 3D at the time of fuel injection at the beginning and the discharging timing at the end. Changes to affect the response of the lift operation of the ball 423 to the back pressure chamber 40.
The timing at which the pressure of No. 6 reaches the pressure at which the needle 421 can open the valve comes before or after. On the other hand, for example, when the peak value of the charging current is controlled to be constant by the multiple switching method as in the present embodiment, the energy supply speed to the piezo stacks 3A to 3D decreases as the capacitance C increases. This is because the piezo stack voltage, which is the energy supplied to the piezo stacks 3A to 3D by the unit charge, decreases. Therefore, the correction is made so that the output timing of the injection signal is advanced as the capacitance C is larger.

【0057】また、内部抵抗Rs はその分損失となるの
で、ピエゾスタック3A〜3Dへのエネルギー供給速度
は低下する。内部抵抗Rs が大きいほど噴射信号の出力
時期が進角するように補正する。
Further, since the internal resistance Rs is correspondingly lost, the speed of supplying energy to the piezo stacks 3A to 3D is reduced. The correction is made so that the output timing of the injection signal is advanced as the internal resistance Rs is larger.

【0058】ステップS106では、燃温等の他の条件
に基づいて燃料噴射パラメータの補正値を求める。
In step S106, a correction value of the fuel injection parameter is obtained based on other conditions such as the fuel temperature.

【0059】そして、ステップS105,S106で得
られた補正値により最終の燃料噴射パラメータを演算し
(ステップS107)、該燃料噴射パラメータに基づい
て噴射信号がコントローラ21に出力されて、燃料噴射
が実行される(ステップS108)。
Then, a final fuel injection parameter is calculated based on the correction values obtained in steps S105 and S106 (step S107), an injection signal is output to the controller 21 based on the fuel injection parameter, and fuel injection is executed. Is performed (step S108).

【0060】本ピエゾアクチュエータ駆動回路1によれ
ば、インダクタ13を用いることなく、しかもインダク
タ13のインダクタンスやピエゾスタック3A〜3Dの
内部インダクタンスLs の影響を受けることなく、ピエ
ゾスタック3A〜3Dの静電容量Cおよび内部抵抗Rs
が得られるので、これらによる補正が適正になされ、高
精度な燃料噴射が実現できる。
According to the piezo actuator drive circuit 1, the electrostatic capacity of the piezo stacks 3A to 3D is reduced without using the inductor 13 and without being affected by the inductance of the inductor 13 or the internal inductance Ls of the piezo stacks 3A to 3D. Capacitance C and internal resistance Rs
Is obtained, the correction by these is properly performed, and highly accurate fuel injection can be realized.

【0061】なお、電流の検出は充電制御用の抵抗器1
7E,17Fを用いることで構成を簡略にしているが、
交流電源19側に静電容量等の測定専用の抵抗器を直列
に接続して、静電容量等の測定時にのみピエゾスタック
3A〜3Dとともに測定回路を形成するのでもよい。
The current is detected by the resistor 1 for charge control.
Although the configuration is simplified by using 7E and 17F,
A resistor dedicated for measuring capacitance or the like may be connected in series to the AC power supply 19 to form a measurement circuit together with the piezo stacks 3A to 3D only when measuring capacitance or the like.

【0062】また、共振周波数f0 よりも高周波数側の
予め設定した所定の周波数fH でピエゾスタック電流I
を検出すると、式(4)となるから、内部インダクタン
スLs が得られる。したがって、インダクタ13とピエ
ゾスタック3A〜3Dの共振作用でピエゾスタック3A
〜3Dを充電する共振方式の充電回路の場合、内部イン
ダクタンスLs についても補正することでさらに高精度
な噴射制御を実現することできる。 V≒{(Rs )2 +(2πfH Ls )2 1/2 ×I・・・(4)
At a predetermined frequency fH which is higher than the resonance frequency f0, the piezo stack current I
Is detected, the equation (4) is obtained, so that the internal inductance Ls is obtained. Therefore, the piezo stack 3A is formed by the resonance action of the inductor 13 and the piezo stacks 3A to 3D.
In the case of a resonance type charging circuit that charges .about.3D, more accurate injection control can be realized by correcting the internal inductance Ls as well. V ≒ {(Rs) 2 + (2πfH Ls) 21/2 × I (4)

【0063】また、本実施形態では共振点および共振点
から離れた周波数域における電流値に基づいて演算し演
算負担を軽減しているが、複数の周波数のもとでピエゾ
スタック電流を検出し式(1)に基づいて静電容量C、
内部抵抗Rs 等を演算してもよいのは勿論である。
Further, in the present embodiment, the calculation load is reduced by calculating based on the current value at the resonance point and the frequency range distant from the resonance point. However, the piezo stack current is detected under a plurality of frequencies to obtain the equation. The capacitance C based on (1),
Of course, the internal resistance Rs and the like may be calculated.

【0064】(第2実施形態)図7に本発明の別の実施
形態になるピエゾアクチュエータ駆動回路を示す。第1
実施形態の構成において、給電手段を別の構成に代えた
もので、図中、実質的に第1実施形態と同じ作動をする
部分については第1実施形態と同じ番号を付し、第1実
施形態との相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment) FIG. 7 shows a piezo actuator driving circuit according to another embodiment of the present invention. First
In the configuration of the embodiment, the power supply means is replaced with another configuration. In the figure, portions that operate substantially the same as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment. The following description focuses on the differences from the embodiment.

【0065】本ピエゾアクチュエータ駆動回路1Aは、
ピエゾスタック3A〜3Dに定電流を流す給電手段であ
る定電流電源19Aを備えている。また、コントローラ
21Aは基本的に第1実施形態と同じもので、噴射信号
に基づいて充電制御および放電制御を行う。また、CP
U22Aからの指令で定電流電源19Aを作動させてピ
エゾスタック3A〜3Dに定電流を流し、通電開始時お
よび所定時間経過後におけるピエゾスタック電圧の検出
信号を保持する。前記所定時間を規定する信号は、例え
ばCPU22Aから長さが前記所定時間に設定された矩
形波として与えられる。
The piezo actuator drive circuit 1A
The piezo stacks 3A to 3D are provided with a constant current power supply 19A which is a power supply unit for supplying a constant current to the piezo stacks 3A to 3D. The controller 21A is basically the same as that of the first embodiment, and performs charge control and discharge control based on the injection signal. Also, CP
The constant current power supply 19A is operated by a command from the U22A to supply a constant current to the piezo stacks 3A to 3D, and the detection signal of the piezo stack voltage at the start of energization and after a lapse of a predetermined time is held. The signal that defines the predetermined time is given as, for example, a rectangular wave whose length is set to the predetermined time from the CPU 22A.

【0066】CPU22Aは前記2つのピエゾスタック
電圧の検出信号に基づいて静電容量Cおよび内部抵抗R
s を得る。すなわち、定電流電源19Aの作動で被測定
対象のピエゾスタック3A〜3Dを前記所定時間、充電
し、ピエゾスタック電圧を0Vから上昇せしめる。一
方、所定時間の開始時のピエゾスタック電圧Vi 、終了
時のピエゾスタック電圧Vf を取り込む。この、ピエゾ
スタック電圧Vf に基づいて次のように算出する。式
中、ΔTは所定時間である。
The CPU 22A determines the capacitance C and the internal resistance R based on the two piezo stack voltage detection signals.
get s. That is, the piezo stacks 3A to 3D to be measured are charged by the operation of the constant current power supply 19A for the predetermined time, and the piezo stack voltage is increased from 0V. On the other hand, the piezo stack voltage Vi at the start of the predetermined time and the piezo stack voltage Vf at the end of the predetermined time are fetched. The calculation is performed as follows based on the piezo stack voltage Vf. In the equation, ΔT is a predetermined time.

【0067】前記所定時間内において、ピエゾスタック
電流をi、ピエゾスタック電圧をVとすると、式(5)
が成り立つ。 V=Ls ×di/dt+Rs ×i+(1/C)×∫idt・・・(5)
Assuming that the piezo stack current is i and the piezo stack voltage is V within the predetermined time, the following equation (5) is obtained.
Holds. V = Ls × di / dt + Rs × i + (1 / C) × ∫idt (5)

【0068】i=一定であるから、di/dt=0、∫
idt=i×tであり、前記所定時間の始めと終わりに
注目すれば式(6−1)、(6−2)となる。
Since i = constant, di / dt = 0, ∫
Since idt = i × t, and focusing on the beginning and end of the predetermined time, the equations (6-1) and (6-2) are obtained.

【0069】 Vi =Rs ×i・・・(6−1) Vf =Rs ×i+(1/C)×i×ΔT・・・(6−2)Vi = Rs × i (6-1) Vf = Rs × i + (1 / C) × i × ΔT (6-2)

【0070】この2式よりピエゾスタック3A〜3Dの
静電容量Cおよび内部抵抗Rs を演算する。
From these two equations, the capacitance C and the internal resistance Rs of the piezo stacks 3A to 3D are calculated.

【0071】本実施形態でも、インダクタ13やピエゾ
スタック3A〜3Dの内部インダクタンスによらず静電
容量Cおよび内部抵抗Rs を正確に得ることができる。
しかも、ピエゾスタック3A〜3Dに定電流を流して2
回ピエゾスタック電圧Vを取り込むだけでよいから、演
算負担が軽い。
Also in this embodiment, the capacitance C and the internal resistance Rs can be accurately obtained regardless of the internal inductance of the inductor 13 and the piezo stacks 3A to 3D.
In addition, a constant current is applied to the piezo stacks 3A to 3D for 2
Since it is only necessary to take in the piezo stack voltage V twice, the calculation load is light.

【0072】なお、前記各実施形態では内部抵抗Rs に
ついても求めてきわめて高精度な燃料噴射を実現してい
るが、内部抵抗Rs は温度変動が静電容量Cと比べて小
さいので、簡単には、内部抵抗Rs についての補正は省
略するのもよい。
In each of the above embodiments, the internal resistance Rs is also determined to realize extremely high-precision fuel injection. However, since the internal resistance Rs has a small temperature variation compared to the capacitance C, it can be easily obtained. The correction for the internal resistance Rs may be omitted.

【0073】また、ピエゾスタックの充電量を本実施形
態のようにピエゾスタック電圧で規定するものや、ある
いは電荷量で規定するものでは、静電容量によって供給
エネルギーが大きく変わるので、供給エネルギーが一定
になるように、演算された静電容量に応じて充電で到達
する最終のピエゾスタック電圧や電荷量を補正するのも
よい。これにより、供給エネルギーが適正に調整され、
ボール423や高圧側シート4102の損耗を防止する
ことができる。
In the case where the amount of charge of the piezo stack is specified by the piezo stack voltage as in the present embodiment or the amount of charge is specified, the supplied energy varies greatly depending on the capacitance. It is also possible to correct the final piezo stack voltage and the charge amount reached by charging according to the calculated capacitance so that As a result, the supplied energy is properly adjusted,
Wear of the ball 423 and the high-pressure side seat 4102 can be prevented.

【0074】なお、本発明は、ニードルの背圧の増減用
のボールの押圧力をピエゾスタックが出力する構成のも
のを示したが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、ピエゾスタックが直接にニードルを駆動する構成の
もの等にも適用することができる。また、内燃機関の燃
料噴射装置だけではなく、ピエゾアクチュエータを備え
た他の装置にも適用することができる。
Although the present invention has been described with reference to a configuration in which the piezo stack outputs the pressing force of the ball for increasing or decreasing the back pressure of the needle, the present invention is not necessarily limited to this configuration. The present invention can also be applied to a configuration that drives a needle. Further, the present invention can be applied not only to a fuel injection device of an internal combustion engine but also to another device having a piezo actuator.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を適用した第1のピエゾアクチュエータ
駆動回路の回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram of a first piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied.

【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
インジェクタを有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図
である。
FIG. 2 is a configuration diagram of a fuel injection device for an internal combustion engine having a fuel injector equipped with a piezo actuator driven by the piezo actuator drive circuit.

【図3】前記インジェクタの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of the injector.

【図4】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路における燃
料噴射パラメータの設定手順を示すフローチャートであ
る。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for setting a fuel injection parameter in the piezo actuator drive circuit.

【図5】前記インジェクタに搭載されるピエゾスタック
の等価回路図である。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a piezo stack mounted on the injector.

【図6】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の静電容量
等の測定時におけるピエゾスタック電流の周波数特性を
示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a frequency characteristic of a piezo stack current at the time of measuring a capacitance or the like of the piezo actuator drive circuit.

【図7】本発明を適用した第2のピエゾアクチュエータ
駆動回路の回路図である。
FIG. 7 is a circuit diagram of a second piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied.

【図8】ピエゾスタックの静電容量の温度依存性を示す
グラフである。
FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the capacitance of the piezo stack.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1A ピエゾアクチュエータ駆動回路 11 直流電源 111 DC−DCコンバータ 112 バッファコンデンサ 12a,12b 通電経路 13 インダクタ 14a 第1のスイッチング素子 141a 寄生ダイオード 14b 第2のスイッチング素子 141b 寄生ダイオード 15A,15B,15C,15D 選択スイッチング素
子 15E,15F 選択スイッチング素子 16E,16F 計測スイッチング素子 17E,17F 抵抗器 18 抵抗器 19 交流電源(給電手段) 19A 定電流電源(給電手段) 21,21A コントローラ 22,22A CPU(演算手段) 3A,3B,3C,3D ピエゾスタック 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 423 ボール(弁体)
1, 1A Piezo actuator drive circuit 11 DC power supply 111 DC-DC converter 112 Buffer capacitor 12a, 12b Current supply path 13 Inductor 14a First switching element 141a Parasitic diode 14b Second switching element 141b Parasitic diode 15A, 15B, 15C, 15D Selection switching element 15E, 15F Selection switching element 16E, 16F Measurement switching element 17E, 17F Resistor 18 Resistor 19 AC power supply (power supply means) 19A Constant current power supply (power supply means) 21, 21A Controller 22, 22A CPU (calculation means) 3A, 3B, 3C, 3D Piezo stack 4 Injector 4a Nozzle unit 4b Back pressure control unit 4c Piezo actuator 423 Ball (valve element)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 41/09 H01L 41/08 P // F02M 51/06 U ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 41/09 H01L 41/08 P // F02M 51/06 U

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ピエゾスタックの充電と放電とを切り換
えピエゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエー
タ駆動回路において、 ピエゾスタックに交流電圧をピエゾスタックが伸縮しな
い一定の大きさでかつ周波数が掃引するように印加し、
ピエゾスタックに測定用の電流を流す給電手段と、 印加周波数が異なる複数の前記測定用の電流に基づいて
ピエゾスタックの静電容量を演算する演算手段とを具備
することを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
In a piezo actuator drive circuit for controlling the expansion and contraction of a piezo stack by switching between charging and discharging of the piezo stack, an AC voltage is applied to the piezo stack so that the piezo stack is swept at a certain size and the frequency is not expanded or contracted. Apply
Piezo actuator drive, comprising: a power supply means for flowing a current for measurement through a piezo stack; and a calculation means for calculating a capacitance of the piezo stack based on a plurality of currents for measurement having different applied frequencies. circuit.
【請求項2】 ピエゾスタックの充電と放電とを切り換
えピエゾスタックの伸縮を制御するピエゾアクチュエー
タ駆動回路において、 ピエゾスタックが伸縮しない予め設定した電流値にてピ
エゾスタックに定電流を流す給電手段と、 予め設定した所定時間の経過前後におけるピエゾスタッ
クの両端間電圧に基づいてピエゾスタックの静電容量を
演算する演算手段とを具備することを特徴とするピエゾ
アクチュエータ駆動回路。
2. A piezo actuator drive circuit for controlling the expansion and contraction of the piezo stack by switching between charging and discharging of the piezo stack, a power supply means for supplying a constant current to the piezo stack at a preset current value at which the piezo stack does not expand and contract; A piezo actuator drive circuit, comprising: calculation means for calculating a capacitance of the piezo stack based on a voltage between both ends of the piezo stack before and after a predetermined time elapses.
【請求項3】 請求項1または2いずれか記載のピエゾ
アクチュエータ駆動回路において、前記演算手段を、前
記静電容量とともにピエゾスタックの内部抵抗を演算す
るように設定したピエゾアクチュエータ駆動回路。
3. The piezo actuator drive circuit according to claim 1, wherein the calculation means is configured to calculate the internal resistance of the piezo stack together with the capacitance.
【請求項4】 燃料の噴射用のノズル部を有し、燃料の
噴射と停止とを切り換える弁体を作動せしめる押圧力を
ピエゾアクチュエータにより出力するインジェクタと、 前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項1ないし3
いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備
することを特徴とする燃料噴射装置。
4. An injector having a nozzle portion for fuel injection, an injector for outputting a pressing force for operating a valve body for switching between fuel injection and stop by a piezo actuator, and driving the piezo actuator. 3
A fuel injection device, comprising: the piezo actuator drive circuit according to any one of the preceding claims.
【請求項5】 請求項4記載の燃料噴射装置において、
機関の運転状態に応じて算出される燃料噴射パラメータ
を補正する補正手段を備えることを特徴とする燃料噴射
装置。
5. The fuel injection device according to claim 4, wherein
A fuel injection device comprising a correction unit that corrects a fuel injection parameter calculated according to an operating state of an engine.
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