JP3571058B2 - 少なくとも１つの圧電アクチュエータの駆動制御のための装置及び方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、請求項１又は２の上位概念による、制御回路を用いて少なくとも１つの圧電アクチュエータを駆動制御するための装置に関する。さらに本発明はこの装置を作動させるための方法にも関する。
欧州特許出願0 464 443 A1明細書からは圧電アクチュエータが公知である。このアクチュエータは充電コイルを介してコンデンサから充電される。ここに印加されたエネルギの一部は、圧電アクチュエータの放電の際に放電コイルを介してコンデンサにフィードバックされる。それに対して最後の部分も放電コイルを介して短絡によって消失される。放電の際には圧電アクチュエータには負の電圧が印加される。
ドイツ連邦共和国特許DE 36 21 541 A1明細書からは燃料噴射バルブの圧電アクチュエータのためのドライバ回路が公知である。このアクチュエータは、電圧源に接続された２つのコンデンサからなる直列回路と充電コイルを介して充電され、放電コイルを介して２つのコンデンサの１つへ放電される。選択的な実施例において、このアクチュエータは電圧源に接続されたコンデンサと充電コイルを介して充電され、放電の際には圧電アクチュエータ内に蓄えられたエネルギーが放電コイルを介して消失される。
本発明の課題は、可及的に少ない損失で動作し、簡単な構成で負の電圧が生じない、少なくとも１つの圧電アクチュエータの駆動制御のための装置を提供することである。
前記課題は請求項１又は２の特徴部分に記載された本発明によって解決される。本発明の別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
本発明によって特に得られる利点は、電圧源が次のような出力電圧のために設計仕様可能なこと、すなわちアクチュエータのための充電電圧よりも少ない出力電圧のために設計仕様可能なことと、各圧電アクチュエータの充放電が完全な正弦波電流の半波によって行われることである。その結果、アクチュエータはその作動電圧に達し、それと共に“スロー”スピードでその最終レンジに到達する（余弦振動の最大値において）。それにより、周波数スペクトルにおいて）圧電動作する燃料噴射バルブの場合）300Hzの基準周波数以下の周波数のみが生じる。これにより電磁干渉の問題はほとんど生じない。電圧源の電圧制御（例えば電圧源のスイッチングモードの制御）によってアクチュエータの容易な充電が行われる。再充電素子は必要ない。なぜなら電圧源は常時充電コンデンサに接続されているからである。その他にも回路に対して設けられたケーシングからなるリングアラウンドコイルをアクチュエータ近傍に移動させてもよい。なぜならこのコイルとアクチュエータとの間にはスイッチが何も設けられていないからである。
図面
図１は、本発明の第１実施例のブロック回路図である。
図２は、それに対するフローチャートである。
図３は、本発明の第２実施例のブロック回路図である。
実施例の説明
次に本発明の実施例を以下の明細書で図面に基づき詳細に説明する。
図１には、ここでは図示されていないマイクロプロセッサ制御されたエンジン制御装置の一部である制御回路STを用いて圧電アクチュエータP1〜Pnを介した（ここには図示されていない）内燃機関のｎ個の燃料噴射バルブの駆動制御のための本発明による第１実施例が示されている。
アース電位開放形の制御された電圧源SNT、有利にはモード切換形電源の、正極＋SNTと負極−SNTの間には充電コンデンサC1が接続されている。この充電コンデンサC1と並列に、充電スイッチX1と放電スイッチX2からなる直列回路が配設されている。充電スイッチX1は、正極＋SNTに接続されそこから電流が流れるように設けられており、放電スイッチX2は、負極−SNTに接続されその方向に電流が流れるように設けられている。
これらのスイッチX1とX2は、一方向にのみ通流可能な少なくとも１つの半導体素子からなる電子スイッチ、例えば制御回路から導通制御されるサイリスタスイッチである。
アース電位開放形の回路電源の負極−SNTと、回路のアース端子GNDの間には再充電コンデンサC2が設けられている。
充電スイッチX1と放電スイッチX2の間の接続点と、アース端子GNDとの間には、充電スイッチX1に接続されたリングアラウンドコイルＬと、第１のアクチュエータP1と、第１の制御されたパワーMOSFETスイッチT1とからなる直接回路が設けられている。
このアクチュエータP1とパワーMOSFETスイッチT1からなる直列回路の並列に、ダイオードＤが設けられており、このダイオードＤはアース端子GNDからリングアラウンドコイルＬの方向に通流可能に配置されている。
さらなるアクチュエータP2〜Pn毎に、これらのアクチュエータとさらなるパワーMOSFETスイッチT2〜Tnからなる直列回路が設けられており、これらの直列回路は第１のアクチュエータP1と第１のパワーMOSFETスイッチT1からなる直列回路に対して並列に接続されている。
パワーMOSFETスイッチは通常は反転ダイオードを含んでおり、その機能は以下でも説明するように本発明による装置の作動の際に用いられる。
前記スイッチX1,X2及びT1〜Tnは、制御回路STによって、エンジン制御装置の制御信号stと、アクチュエータp1〜Pnを充電する電圧の目標値U_S（これは当該実施例では制御回路ST中に記憶されているかエンジン制御装置から供給される）と、再充電コンデンサC2の電圧実際値U_C2に依存して制御される。前記負極−SNTの端子は同時に再充電コンデンサC2の印加される電圧U_C2の電圧測定点としても用いられる。充電コンデンサC1はモード切換形電源SNTの出力コンデンサとして見なされてもよい。
次に前記装置の作動のための方法を、以下の明細書で図２に基づいて詳細に説明する。この図２中の符号Ｉ〜Ｘは各ステップを指すものである。
この方法はステップＩで開始される。ここでは例えば充電コンデンサC1がU_{C1 ＝ +60V}に充電され、再充電コンデンサ_C2は_UC2＝＋100Vに充電され、これによって直列回路全体では目標電圧であるU_S＝＋160Vに充電され、リングアラウンドコイルＬは電流なしで、全てのスイッチX1,X2,T1〜Tnは非導通状態であり（＝ハイインピーダンス）全てのアクチュエータP1〜Pnは放電されている。アクチュエータP1は対応する燃料噴射バルブを介してシリンダ内に燃料を噴射するために操作される。目標電圧U_S値は、制御回路ST内に記憶されているかここでは図示されていないエンジン制御装置から供給される。
次にステップIIにおいて制御回路により相応するアクチュエータが選択される。その際制御回路はそのアクチュエータに所属するパワーMOSFETスイッチT1を導通状態に制御する。パワーMOSFETスイッチT1は、720゜KW/Z（KWはクランク軸角度、Ｚはシリンダのナンバ）のクラウン角度KWに亘って」導通され続ける（＝ローインピーダンス）。これは例えば４気筒エンジンの場合には180゜KWであり、６気筒エンジンの場合には120゜KWである。
燃料噴射の開始時点（これは制御信号stの開始によって指示される、ステップIII）では、制御回路STによって充電スイッチX1がトリガされる（ステップIV）。それにより、C1とC2からなる直列回路に印加された電圧Us＝＋160V（前記説明参照）が完全な正弦半波の間リングアラウンドコイルＬを介してアクチュエータP1へ放電され、このアクチュエータによってここでは図示されていない燃料噴射バルブが開放される。電圧源（モード切換形電源SNT）は、充電コンデンサC1に接続され続ける。それにより電圧源はエネルギーをリングアラウンド回路に供給する。
転極の後では充電スイッチX1（ステップＶ）が消勢され、アクチュエータP1が充電され続ける。再充電コンデンサC2にはキャパシタンスに依存する負の残留電圧（例えば−10V）が残る。これはアクチュエータP1における放電の際の完全な排除に必要とされる。
制御信号stの終了時（ステップVI）にアクチュエータを放電させるために、放電スイッチX2がトリガされる（ステップVII）。この放電回路は、パワーMOSFETスイッチT1の反転ダイオードを介して閉成される。アクチュエータに蓄えられたエネルギーは、リングアラウンドコイルＬを介してコンデンサC2に戻される。このコンデンサC2は例えばU_C2＝＋100Vまで再充電され後続するサイクルで使用される。アクチュエータがダイオードＤ（これは“アクティブ”なチャネルに並列している）の閾値電圧まで放電されると同時に、まだ流れている電流がこのダイオードを介して継続され、これによってアクチュエータの負の電圧への充電が避けられる。引き続き放電スイッチX2は消勢される（ステップVIII）。
次のアクチュエータの充電サイクルに対してはまず生じている損失を補償しなければならない。それに対しては電源SNTの負極−SNTからタップ可能な再充電コンデンサC2の電圧U_C2が測定され、引き続き電源SNTが出力電圧値に設定（制御）される。これは、目標値U_S＝＋160Vと測定電圧U_C2＝100Vの間の差分に相応する。この電圧U_C1まで電源に接続されている充電コンデンサC1が相応の再充電される（ステップＸ）。このようにして次の充電過程に対してコンデンサC1及びC2からなる直列回路に再び完全な電圧U_S＝＋160Vが得られる（ステップＩ）。
当該装置が長い休止期間の後で稼働される場合には、まず再充電コンデンサC2が放電され、そして充電コンデンサC1がモード切換形電源SNTの最大出力電圧（例えば＋75V）まで充電される。いくつかの充電サイクルに亘って続く立ち上がり過程は、アクチュエータの放電の際に再充電コンデンサC2にフィードバックされる電圧が各リングアラウンド過程の後で所定の“定常”値U_C2＝＋100Vに達するまで行われる。
図２による装置実施例（これの作動形式は図１による装置に完全に相応している）はいくつかの点でのみ図１による装置と異なっている。すなわち、ここではモード切換形電源SNTの負極が回路のアース端子GNDに接続され、それに応じて再充電コンデンサC2の配置が、充電スイッチX1と放電スイッチX2の間の接続点と、リングアラウンドコイルＬとの間の個所に移されている。
アースにおける基準電位によってモード切換形電源の展開が簡単化されている。この回路構成によれば、放電スイッチX2もアース端子を有し、これによってその駆動制御が付加的な変圧器なしでも実施可能となる。

Claims (7)

1. 制御回路（ST）を用いて少なくとも１つの圧電アクチュエータ（P1〜Pn）を駆動制御するための装置において、
   制御回路（ST）により制御可能なアース電位開放形電圧源（SNT）の正極（＋SNT）と負極（−SNT）の間に、該電圧源（SNT）から充電可能な充電コンデンサ（C1）が配設され、
   前記正極（＋SNT）に接続されそこから電流が流れるように設けられた充電スイッチ（X1）と、前記負極（−SNT）に接続されそこに電流が流れるように設けられた放電スイッチ（X2）とからなる直列回路が、前記充電コンデンサ（C1）に対して並列に配設されており、
   前記負極（−SNT）とアース端子（GND）の間に再充電コンデンサ（C2）が配設されており、
   前記充電スイッチ（X1）と放電スイッチ（X2）の接続点と、前記アース端子（GND）との間に、前記充電スイッチ（X1）に接続されたリングアラウンドコイル（Ｌ）と第１のアクチュエータ（P1）と第１の制御されたパワーMOSFETスイッチ（T1）からなる直列回路が設けられており、
   さらなる各アクチュエータ（P2〜Pn）がそれぞれ１つの パワーMOSFETスイッチ（T2〜Tn）と直列に接続されてか ら成る複数個の直列回路が、前記第１のアクチュエータ （P1）とそれに所属する第１のパワーMOSFETスイッチ （T1）からなる直列回路に並列に配設されており、
   アース端子（GND）からリングアラウンドコイル（Ｌ）方向に通流可能なように、ダイオード（Ｄ）が、アクチュエータとパワーMOSFETスイッチからなる前記全ての直列回路に対して並列に設けられていることを特徴とする、少なくとも１つの圧電アクチュエータの駆動制御のための装置。
2. 制御回路（ST）を用いて少なくとも１つの圧電アクチュエータ（P1〜Pn）を駆動制御するための装置において、
   制御回路（ST）により制御可能な電圧源（SNT）の正極（＋SNT）と負極（GND）の間に、該電圧源（SNT）から充電可能な充電コンデンサ（C1）が配設され、
   前記正極（＋SNT）に接続されそこから電流が流れるように設けられた充電スイッチ（X1）と、前記負極（GND）に接続されそこに電流が流れるように設けられた放電スイッチ（X2）とからなる直列回路が、前記充電コンデンサ（C1）に対して並列に配設されており、
   前記充電スイッチ（X1）と放電スイッチ（X2）の接続点と、前記アース端子（GND）との間に、前記充電スイッチ（X1）に接続された充電コンデンサ（C2）とリングアラウンドコイル（Ｌ）と第１のアクチュエータ（P1）と第１の制御されたパワーMOSFETスイッチ（T1）からなる直列回路が設けられており、
   さらなる各アクチュエータ（P2〜Pn）がそれぞれ１つの パワーMOSFETスイッチ（T2〜Tn）と直列に接続されてか ら成る複数個の直列回路が、前記第１のアクチュエータ （P1）とそれに所属する第１のパワーMOSFETスイッチ （T1）からなる直列回路に並列に配設されており、
   アース端子（GND）からリングアラウンドコイル（Ｌ）方向に通流可能なように、ダイオード（Ｄ）が、アクチュエータとパワーMOSFETスイッチからなる前記全ての直列回路に対して並列に設けられていることを特徴とする、少なくとも１つの圧電アクチュエータの駆動制御のための装置。
3. 前記アース開放形の負極（−SNT）の端子は、再充電コンデンサ（C2）に印加される電圧（U_C2）に対する電圧測定点として用いられる、請求項１記載の装置。
4. 前記制御回路（ST）によって制御可能な電圧源（SNT）は、モード切換形電源である、請求項１又は２記載の装置。
5. 前記制御回路（ST）は、マイクロプロセッサ制御式のエンジン制御装置の一部である、請求項１又は２記載の装置。
6. 前記充電スイッチ（X1）と放電スイッチ（X2）は、少なくとも１つの半導体素子を備え一方向にのみ通流可能な制御式の電子スイッチである、請求項１又は２記載の装置。
7. それぞれ作動させるべきアクチュエータ（P1〜Pn）を、リングアラウンドコイル（Ｌ）を介して所定の目標電圧（U_S）で、充電コンデンサ（C1）と放電コンデンサ（C2）からなる直列回路から充電させ、
   再充電コンデンサ（C2）において再度放電させ、
   次の充電サイクルの前に、充電コンデンサ（C1）を、前記目標電圧（U_S）と再充電コンデンサ（C2）の電圧（U_C2）の差分に相応する電圧（U_C1＝U_S−U_C2）まで充電させることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置を作動させるための方法。

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