DE602004005550T2

DE602004005550T2 - Verfahren zur Ansteuerung einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung

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Publication number: DE602004005550T2
Application number: DE602004005550T
Authority: DE
Inventors: Noboru Kariya-city Aichi-pref. Nagase; Hideo Kariya-city Aichi-pref. Naruse; Akira Kariya-city Aichi-pref. Fujii
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: EP1526587B1; DE602004005550D1; JP4345434B2; JP2005130561A; EP1526587A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung, die eine piezoelektrische Schicht und eine innere Elektrodenschicht umfasst.
Eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung, die eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und inneren Elektrodenschichten aufweist, die abwechselnd geschichtet sind, ist allgemein bekannt. Durch Verwenden einer linearen Bewegung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung in einem Fall, bei dem sich die Vorrichtung entsprechend einem Anlegen einer Spannung ausdehnt, wird die Vorrichtung als eine Antriebsenergiequelle einer Betätigungseinrichtung zum Schalten eines Öffnungs-Schließ-Ventils einer Einspritzvorrichtung in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Verbrennunqskraftmaschine verwendet.
Hierbei ändert sich eine Kapazität der piezoelektrischen Schicht in großem Umfang entsprechend einer Temperaturänderung. Beispielsweise kann, wenn sich die Temperatur in einem Bereich zwischen –20°C und 160°C ändert, die Kapazität in etwa um ein Vielfaches vergrößern.
Folglich ändern sich eine Spannung zwischen beiden Seiten der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung in einer Schichtungsrichtung sowie eine elektrische Energie, die der Vorrichtung zugeführt wird, wenn die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung betrieben wird, entsprechend einer Kapazitätsänderung in großem Umfang.
Dementsprechend ist es erforderlich, dass die Temperaturabhängigkeit der Kapazität in der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung unter Verwendung einer bestimmten Steuerungseinrichtung kompensiert wird.
Eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-101673 offenbart. In dieser Vorrichtung wird unter Verwendung einer komplizierten Steuerungsschaltung, die aus einer Schaltvorrichtung, einer Diode, einer Spule und dergleichen aufgebaut ist, die Temperaturabhängigkeit der Kapazität kompensiert, so dass die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung sich gleichförmig ohne eine Temperaturabhängigkeit ausdehnt.
Ein die komplizierte Steuerungsschaltung, die in dem Stand der Technik offenbart ist, verwendendes Verfahren weist jedoch die nachstehend genannten Schwierigkeiten auf.

(1) Eine Berechnungsbelastung wird größer. Genauer gesagt ist das Verfahren nicht für ein in einem Fahrzeug verwendetes System geeignet. Der Grund hierfür ist, dass ein teurer Mikrocomputer, der eine hohe Verarbeitungskapazität aufweist, erforderlich ist. Ferner ist ein zusätzlicher Mikrocomputer zur Steuerung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung erforderlich. Folglich werden die Herstellungskosten höher.
(2) Im Falle des in dem Fahrzeug verwendeten Systems wird, wenn die Steuerungsschaltung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung in einer ECU (d.h. einer elektrischen Steuerungseinheit) integriert ist, ein elektrischer Energieverbrauch größer; folglich ist dies für die ECU nicht wünschenswert.
(3) Genauer gesagt kann, wenn ein Rauschen in der Steuerungsschaltung größer wird, eine Fehlfunktion auftreten, so dass es schwierig ist, die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung in geeigneter Weise zu steuern.
(4) Ferner wird, wenn die Steuerungsschaltung in die ECU integriert ist, die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung oftmals auf der Grundlage eines Betriebssignals, das ein großes Rauschen beinhaltet, gesteuert. Folglich ist es schwierig, eine Steuerungsgenauigkeit zu verbessern.

Somit ist ein neues Verfahren zur Ansteuerung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung sowie zum Kompensieren der Temperaturabhängigkeit einer Kapazität ohne Verwendung der komplizierten Steuerungsschaltung erforderlich. Ferner ist es erforderlich, dass das neue Verfahren ein Einsparmerkmal für eine elektrische Leistung und ein Energieeinsparmerkmal bereitstellt.
In der Druckschrift US 2002/0185935 A sind eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu Ansteuerung derselben offenbart. Es werden eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtung, die eine kleine Auslenkungsänderung an den Tag legt, auch wenn Bereiche von Verwendungsbedingungen, wie beispielsweise eine Temperatur, ein elektrisches Feld und eine Druckbelastung, breit sind, sowie ein Ansteuerungsverfahren der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung bereitgestellt. In der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung, die einen piezoelektrischen Körper verwendet, der sich einem Veratz bzw. einer Auslenkung bei einem Anlegen einer Spannung unterzieht, ist eine kristalline Struktur des piezoelektrischen Körpers im Wesentlichen bei einer tetragonalen Systemseite außerhalb einer morphotropen Phasengrenze (MPB) zwischen dem tetragonalen System und einem rhomboedrischen System unter Bedingungen der niedrigsten Temperatur, des niedrigsten elektrischen Felds und der maximalen Druckbelastung, die verwendet werden, vorhanden.
In der Druckschrift US 4,749,897 A ist eine Ansteuerungsvorrichtung für ein piezoelektrisches Element zum elektrischen Ansteuern eines piezoelektrischen Elements offenbart, um eine vorbestimmte mechanische Auslenkung zu erhalten, wobei die Ansteuerungsvorrichtung für das piezoelektrische Element mit einem Transformator, der eine primäre Wicklung und eine sekundäre Wicklung aufweist, wobei die sekundäre Wicklung mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, einem Schaltelement, das mit der primären Wicklung verbunden ist und die Energiemenge, die in einem Luftspalt des Kerns des Transformators gespeichert ist, steuert, und einer Energiesteuerungseinrichtung zur Ansteuerung des Schaltelements, so dass die Energiemenge, die in dem Luftspalt des Kerns des Transformators gespeichert ist, ein eingestellter Wert wird, versehen ist, wobei die Auslenkung des piezoelektrischen Elements durch die Energiemenge, die in dem Luftspalt des Kerns des Transformators gespeichert ist, gesteuert wird.
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Schwierigkeit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung und zum Kompensieren einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität bereitzustellen. Ferner stellt das Verfahren ein Einsparmerkmal für eine elektrische Leistung und ein Energieeinsparmerkmal bereit.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das in Patentanspruch 1 definiert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patenansprüchen angegeben.
Das Verfahren, wie es in den Patentansprüchen definiert ist, kann durch einen einfachen Aufbau erhalten werden und kann eine konstante Energiesteuerung ohne Verwendung eines Mikrocomputers ausführen. Folglich kann eine Kommunikation mit der ECU vereinfacht werden und es wird einfach, eine getrennte Steuerung von der ECU zu haben. Somit kann, wenn eine Ansteuerungsschaltung von der ECU getrennt ist, ein Verbrauch einer elektrischen Leistung bzw. Energie entsprechend der Leistungsfähigkeitsverbesserung kleiner werden. Somit besteht keine Möglichkeit für eine ECU, aufgrund eines Rauschens eine Fehlfunktion zu haben.
Dementsprechend kann das Ansteuerungsverfahren der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung die Temperaturabhängigkeit der Kapazität ohne Verwenden der komplizierten Steuerungsschaltung kompensieren, wobei das Verfahren ein Einsparmerkmal für eine elektrische Leistung und ein Energieeinsparmerkmal bereitstellt.
Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser ersichtlich. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung, die eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung zeigt,
2 ein Diagramm, das eine Ansteuerungsschaltung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung beschreibt,
3 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Rate einer Temperaturabhängigkeit eines piezoelektrischen Moduls D33 und der Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität und einer Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
5 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33, einer Quadratwurzel der Rate der Temperaturabhängigkeit der Kapazität sowie der Temperatur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
6 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Ausdehnung und der Temperatur im Falle einer Steuerung, bei der die Energie konstant ist, und im Falle einer Steuerung, bei der die Spannung konstant ist, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
7 eine schematische Darstellung, die eine Einspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung, die als eine Antriebsenergiequelle einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird und die einen piezoelektrischen Stapel sowie ein Paar von Seitenelektroden umfasst. Der piezoelektrische Stapel umfasst eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten und inneren Elektrodenschichten, die abwechselnd geschichtet sind, wobei eine jeweilige Seitenelektrode bei einer Seite des piezoelektrischen Stapels angeordnet ist, um jede zwei inneren Elektrodenschichten mit Energie zu versorgen. Jede piezoelektrische Schicht weist eine Rate einer Temperaturabhängigkeit eines piezoelektrischen Moduls D33, die als RA definiert ist, eine Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität, die als RC definiert ist, und einen konstanten Wert, der als K definiert ist, auf. Die piezoelektrische Schicht ist aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, das eine Beziehung aufweist, die als RA = K(RC)^1/2 ausgedrückt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die inneren elektrischen Schichten mit Energie versorgt werden, um eine Energie der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung konstant zu halten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, bei dem die Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 als K(RC)^1/2 beschrieben ist. In diesem Fall werden eine Kurve der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 (die in einer nachstehend beschriebenen 3 gezeigt ist) und eine Kurve eines Werts von (RATE DER TEMPERATURABHÄNGIGKEIT DER KAPAZITÄT)^1/2 beinahe parallel zueinander (siehe auch nachstehend beschriebene 5).
Eine der Kurven wird durch einen konstanten Wert K zu der anderen der Kurven nach oben und unten verschoben.
Wenn die piezoelektrischen Schichten, die aus dem vorstehend beschriebenen Material hergestellt sind, mit Energie versorgt werden, wird eine elektrische Energie je einer piezoelektrischen Schicht als (KAPAZITÄT) × (SPANNUNG, DIE AN BEIDE SEITEN DER PIEZOELEKTRISCHEN SCHICHTEN ANGELEGT IST)² ÷ 2 dargestellt.
Durch eine Steuerung des vorstehend genannten Werts, um konstant zu sein, wird eine Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht ohne eine Temperaturabhängigkeit beinahe konstant.
Hierbei ist die Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht proportional zu einem Wert, der durch Multiplizieren von D33 mit der angelegten Spannung, die an die piezoelektrische Schicht angelegt wird, erhalten wird. Wenn die Spannung, die an die piezoelektrischen Schichten anzulegen ist, als U definiert wird, wird die elektrische Energie als (ELEKTRISCHE ENERGIE) = (KAPAZITÄT) × U² ÷ 2 dargestellt. Dementsprechend wird die Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht als D33 × (2 × (ELEKTRISCHE ENERGIE) ÷ (KAPAZITÄT))^1/2 dargestellt.
Somit ist die Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht proportional zu D33 ÷ (KAPAZITÄT)^1/2, wenn die elektrische Energie konstant ist.
Dementsprechend wird die Ausdehnung der piezoelektrischen Schicht in einem Fall, bei dem die Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 als RA definiert ist, die Rate der Temperaturabhängigkeit der Kapazität als RC definiert ist und ein konstanter Wert als K definiert ist und ferner die piezoelektrische Schichten mit Energie versorgt werden, um eine Energie konstant zu halten, gleichförmig, wenn die piezoelektrische Schicht aus einem Material hergestellt ist, das eine Beziehung, die als RA = K(RC)^1/2 ausgedrückt wird, aufweist. Somit kann eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung erhalten werden, die eine niedrige Temperaturabhängigkeit einer Auslenkung aufweist.
Bei dem vorstehend genannten Betrieb mit konstanter Energie kann, da die Energie sowohl von der Kapazität als auch der angelegten Spannung abhängt, die Aufgabe der Erfindung durch eine Steuerung der Spannung schließlich erreicht werden.
Folglich kann die Spannungssteuerung im Vergleich mit der Steuerungsschaltung oder einer Ansteuerungsschaltung zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit einer Auslenkung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung, die in dem Stand der Technik offenbart sind, durch einen außerordentlich einfachen Schaltungsaufbau bereitgestellt werden. Ferner kann die Ansteuerungsschaltung zur Ausführung eines Ansteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ohne eine Verwendung eines teuren Mikrocomputers oder eines Mikrocomputers, der eine große elektrische Leistung verbraucht, bereitgestellt werden.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität bereit, ohne die komplizierte Steuerungsschaltung zu verwenden, wobei das Verfahren ein Einsparmerkmal für eine elektrische Leistung und ein Energieeinsparmerkmal bereitstellt.
Genauer gesagt kann die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung, die einen Gesamtoberflächenelektrodenaufbau aufweist, bei dem eine Seite der inneren Elektrodenschicht nach außen bei einem gesamten Umfang einer Seite des piezoelektrischen Stapels freigelegt ist, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ferner kann eine andere piezoelektrische Vorrichtung, die einen Teiloberflächenelektrodenaufbau aufweist, bei dem eine Seite der inneren Elektrodenschicht nach außen teilweise von einer Seite des piezoelektrischen Stapels freigelegt ist, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Durch eine Energieversorgung der inneren Elektrodenschichten werden unterschiedliche Potenziale an beide Seiten der piezoelektrischen Schichten in einer Schichtungsrichtung angelegt, so dass sich mehrere piezoelektrische Schichten ausdehnen. In der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung sind mehrere piezoelektrische Schichten geschichtet. Folglich wird eine Ausdehnung jeder piezoelektrischen Schicht aufsummiert, so dass eine Gesamtausdehnung der gesamten piezoelektrischen Schichten erhalten wird.
Das piezoelektrische Material, das die piezoelektrischen Schichten bildet, ist beispielsweise ein Oxid mit einer ABO₃-Perofskid-Typ-Struktur, wie beispielsweise PZT (d.h. Blei-Zirkonat-Titanat) oder BaTiO₃ (d.h. Barium-Titanat). Im Allgemeinen kann eine dritte Komponente zu diesen piezoelektrischen Materialien zum Zwecke einer Verbesserung eines d-Konstante-Werts, einer kritischen Temperatur Tc, einer Temperaturkennlinie und einer mechanischen Stärke hinzugefügt werden. Im Falle von PZT wird ein Zusatz, wie beispielsweise Ni, Nb, Zn, Fe und Cr, zu einer B-Stelle in der Struktur hinzugefügt. Im Falle von BaTiO₃ wird im Allgemeinen eine A-Stelle der Struktur durch einen anderen Zusatz, wie beispielsweise Ca, Sr und Pb, ersetzt.
Als nächstes sind nachstehend die Raten der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 und der Kapazität beschrieben.
Der piezoelektrische Modul D33 bei einer Temperatur T0 ist als D0 definiert und der piezoelektrische Modul D33 bei einer anderen Temperatur T1 (hierbei ist T1 höher als T0) ist als D1 definiert. Die Rate RA der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 bei der Temperatur T1 wird als RA = (D1 – D0)/D0 bestimmt.
Auf ähnliche Weise ist die Kapazität bei der Temperatur T0 als C0 definiert und die Kapazität bei der anderen Temperatur T1 (hierbei ist T1 höher T0) ist als C1 definiert. Die Rate RC der Temperaturabhängigkeit der Kapazität bei der Temperatur T1 ist als RC = (C1 – C0)/C0 bestimmt.
Hierbei ist K ein konstanter Wert, der nicht von der Temperatur abhängt.
Als nächstes liegt der konstante Wert von K in einem Bereich zwischen 0,7 und 1,3.
Wenn die piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material hergestellt sind, das einen kleinen konstanten Wert von K aufweist, wird die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten in einem hohen Temperaturbereich kleiner. Wenn die piezoelektrischen Schichten aus einem piezoelektrischen Material hergestellt sind, das einen großen konstanten Wert von K aufweist, neigt die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten dazu, in dem hohen Temperaturbereich größer zu werden.
Wenn der konstante Wert von K kleiner als 0,7 ist, wird die Auslenkung der piezoelektrischen Schichten in dem hohen Temperaturbereich kleiner. Folglich ist das piezoelektrische Material für die piezoelektrischen Schichten in dem hohen Temperaturbereich nicht verfügbar. Somit kann der verwendbare Temperaturbereich der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung begrenzt sein.
Wenn der konstante Wert von K größer als 1,3 ist, wird die Auslenkung der piezoelektrischen Schichten in dem hohen Temperaturbereich größer. Folglich kann eine Schwierigkeit dahingehend auftreten, dass die piezoelektrischen Schichten an andere Element, die um die piezoelektrischen Schichten herum angeordnet sind, stoßen.
Ferner wird, wie es nachstehend beschrieben ist, die piezoelektrische Vorrichtung für eine Antriebsenergiequelle einer Betätigungseinrichtung verwendet, wobei, wenn Öl (genauer gesagt Kraftstoff gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel) zwischen den piezoelektrischen Schichten und einem Gegenstück zur Übertragung der Auslenkung der piezoelektrischen Schichten eingebracht ist, die piezoelektrischen Schichten sich in einem Fall, bei dem die Viskosität des Öls in dem hohen Temperaturbereich verringert ist, viel größer ausdehnen müssen. Solange sich die piezoelektrischen Schichten nicht in großem Umfang ausdehnen, kann die Auslehkung der piezoelektrischen Schichten nicht zu dem Gegenstück übertragen werden. In diesem Fall kann, wenn die Ausdehnung der piezoelektrischen Schichten in dem hohen Temperaturbereich kleiner wird, ein Bewegungsfehler der Betätigungseinrichtung verursacht werden. Somit liegt der konstante Wert von K vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,7 und 1,3.
Ferner wird die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung in geeigneter Weise als eine Antriebsenergiequelle einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine verwendet.
Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung, die für die Antriebsenergiequelle der Einspritzvorrichtung verwendet wird, bildet eine hervorragende Einspritzvorrichtung, deren Kraftstoffeinspritzmenge ohne eine Temperaturabhängigkeit konstant wird.
Wie es in 1 gezeigt ist, umfasst die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 einen piezoelektrischen Stapel 10 und ein Paar von Seitenelektroden 151. Der piezoelektrische Stapel 10 umfasst mehrere piezoelektrische Schichten 11 und innere Elektrodenschichten 121, 122, die abwechselnd geschichtet sind. Jede Seitenelektrode 151 ist bei einer Seite 101, 102 des piezoelektrischen Stapels 10 angeordnet, um jede zwei inneren Elektrodenschichten 121, 122 mit Energie zu versorgen. Jede piezoelektrische Schicht 11 weist einen piezoelektrischen Modul, der als D33 definiert ist, mit einer Rate einer Temperaturabhängigkeit, die als RA definiert ist, einer Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität, die als RC definiert ist, und einem konstanten Wert, der als K definiert ist, auf. Die piezoelektrische Schicht ist aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, das eine Beziehung aufweist, die als RA = K(RC)^1/2 ausgedrückt wird. Wenn die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung betrieben wird, werden die inneren Elektrodenschichten 11 mit Energie versorgt, um eine Energie der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1 konstant zu halten.
Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1, die durch das Ansteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben wird, ist nachstehend beschrieben.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 einen Teilelektrodenaufbau auf. Somit ist jede Seitenelektrode 151 bei der Seite 101, 102 des piezoelektrischen Stapels 10, der aus dem piezoelektrischen Schichten 11 und den inneren Elektrodenschichten 121, 122 aufgebaut ist, die abwechselnd geschichtet sind, angeordnet (hierbei ist in 1 lediglich die Seitenelektrode 151 gezeigt, die bei der Seite 101 angeordnet ist. Die andere Seitenelektrode, die bei der anderen Seite 102 angeordnet ist, ist in 1 nicht gezeigt, da die andere Seitenelektrode in 1 nicht sichtbar ist.). Die Seitenelektrode 151, die bei der Seite 101 angeordnet ist, und ein Ende der inneren Elektrodenschichten 121 sind elektrisch verbunden und die andere Seitenelektrode, die bei der anderen Seite 102 angeordnet ist, und das andere Ende der inneren Elektrodenschichten 122 sind elektrisch verbunden.
Eine jeweilige Dummy-Schicht bzw. Blindschicht 108, 109 ist bei einem Ende des piezoelektrischen Stapels 10 in der Schichtungsrichtung angeordnet. Lediglich eine Seite jeder Dummy-Schicht 108, 109 ist in Kontakt mit der inneren Elektrodenschicht 121, 122. Die Dummy-Schicht 108, 109 dehnt sich nicht aus, wenn die Vorrichtung 1 betrieben wird.
In der vorstehend beschriebenen geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1 werden unterschiedliche elektrische Potenziale bei jeder Seitenelektrode 151 angelegt, so dass die piezoelektrischen Schichten 11 ausgelenkt bzw. versetzt werden. Somit wird die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung betrieben.
Die piezoelektrischen Schichten sind aus PZT (d.h. Blei-Zirkonat-Titanat) hergestellt. Die Grundzusammensetzung von PZT ist Pb[(Zr_xTi_1-x)_0,97(Zn_0,33Nb_0,67)_0,03]O₃ + 0,01Mn. Hierbei liegt X in einem Bereich zwischen X = 0,3 und X = 0,7. Eine Brenntemperatur liegt in einem Bereich zwischen 1170°C und 1320°C (genauer gesagt wird sie durch jeweilige 30°C-Schritte bestimmt). Somit wird das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten vorbereitet.
Das piezoelektrische Material weist eine Rate einer Temperaturabhängigkeit eines piezoelektrischen Moduls D33, die als RA definiert ist, eine Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität, die als RC definiert ist, und einen konstanten Wert, der als K definiert ist, auf. Das piezoelektrische Material weist eine Beziehung auf, die als RA = K(RC)^1/2 ausgedrückt wird. Hierbei liegt der konstante Wert von K in einem Bereich zwischen 0,7 und 1,3, wenn die Temperatur in einem Bereich zwischen –50°C und 300°C liegt (ein ausführliches Messverfahren ist nachstehend beschrieben).
Ferner ist jede innere Elektrodenschicht 121, 122 aus einem AgPd-Material hergestellt. Die Seitenelektroden 151 sind aus einem Ag-Material hergestellt.
Als nächstes ist eine Ansteuerungsschaltung 2 zur Ausführung des Ansteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung in 2 gezeigt.
Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 dehnt sich linear aus, wenn die Spannung an die Vorrichtung 1 angelegt wird. Durch eine Verwendung dieser linearen Bewegung der Vorrichtung 1 wird die Vorrichtung 1 als eine Antriebsenergiequelle einer Betätigungseinrichtung zum Schalten eines Öffnungs-Schließ-Ventils einer Einspritzvorrichtung in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Fahrzeugkraftmaschine verwendet. Der konkrete Aufbau der Einspritzvorrichtung und dergleichen ist nachstehend beschrieben.
Die Ansteuerungsschaltung 2, die in 2 beschrieben ist, weist einen Aufbau zur Ansteuerung von vier geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen zur gleichen Zeit auf. Das heißt, wenn die Kraftmaschine eine Vier-Zylinder-Kraftmaschine mit vier Einspritzvorrichtungen ist, ist eine jeweilige geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 2A-2D bei einer Einspritzvorrichtung 3 in einem jeweiligen Zylinder angebracht, so dass die Vorrichtung 2A-2D die Einspritzvorrichtung 3 zwischen einem Einspritzen und einem Stoppen einer Einspritzung von Kraftstoff schaltet. Die Ansteuerungsschaltung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung weist den vorstehend beschriebenen Aufbau auf, so dass die Ansteuerungsschaltung 2 vier geschichtete piezoelektrische Vorrichtungen zur gleichen Zeit betreiben kann.
Die vorstehend genannte Ansteuerungsschaltung 2 umfasst eine Gleichstromenergiequelle 21, die aus einer Batterie 211, einem Gleichstromwandler (d.h. einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler) 212 und einem Pufferkondensator 213 aufgebaut ist. Die Batterie 211 ist in dem Fahrzeug eingebaut. Der Gleichstromwandler 212 erzeugt eine Gleichspannung, die mehrere 10 bis mehrere 100 Volt aufweist, durch die Batterie 211. Der Pufferkondensator 213 ist parallel mit einem Ausgangsanschluss des Wandlers 212 verbunden. Somit gibt die Ansteuerungsschaltung 2 eine Spannung zum Aufladen der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D aus.
Der Gleichstromwandler 212 umfasst eine Spule 2121 und eine Schaltvorrichtung 2122, die mit der Batterie 211 in Reihe geschaltet verbunden sind. Wenn die Schaltvorrichtung 2122 einschaltet, wird eine elektrische Energie in der Spule 2121 aufgespeichert. Wenn die Schaltvorrichtung 2122 ausschaltet, wird die aufgespeicherte Energie von der Spule 2121 über eine Diode 2123 in einen Kondensator 213 geladen. Hierbei erzeugt die Spule 2121 eine umgekehrte elektromotorische Kraft entsprechend der aufgespeicherten Energie. Der Pufferkondensator 213 weist eine vergleichsweise große Kapazität auf; folglich hält der Kondensator 213 die Spannung beinahe konstant, auch wenn die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D aufgeladen werden.
Der erste Energieversorgungspfad 22a ist zwischen dem Pufferkondensator 213 der Gleichstromquelle 21 und den geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D für eine Energieversorgung der Vorrichtungen 2A-2D durch die Spule 23 angeordnet. Der Energieversorgungspfad 22a ist mit der ersten Schaltvorrichtung 24 verbunden, die in Reihe geschaltet zwischen dem Pufferkondensator 213 und der Spule 23 angeordnet ist. Die erste Schaltvorrichtung 24 wird aus einem MOSFET gebildet, der eine parasitäre Diode (d.h. eine erste parasitäre Diode) 241 aufweist. Die erste parasitäre Diode 241 ist mit dem Pufferkondensator 213 verbunden, um eine umgekehrte Vorspannung bzw. Sperrvorspannung zwischen beide Anschlüsse des Pufferkondensators 213 anzulegen.
Der zweite Energieversorgungspfad 22b wird durch die Spule 23 und die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D bereitgestellt. Der zweite Energieversorgungspfad 22b umfasst die zweite Schaltvorrichtung 25, die mit einem Mittelpunkt einer Verbindung zwischen der Spule 23 und der ersten Schaltvorrichtung 24 verbunden ist. Die Spule 23, die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D und die zweite Schaltvorrichtung 25 bilden einen geschlossenen Schaltkreis. Die zweite Schaltvorrichtung 25 wird ebenso aus einem MOSFET gebildet, der eine parasitäre Diode (d.h. die zweite parasitäre Diode) 251 aufweist. Die zweite parasitäre Diode 251 ist mit dem Pufferkondensator 213 verbunden, um eine umgekehrte Vorspannung bzw. Sperrvorspannung zwischen beide Anschlüsse des Pufferkondensators 213 anzulegen.
Die ersten und zweiten Energieversorgungspfade 22a, 22b sind den geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D gemein. Die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D können als ein Ansteuerungsobjekt wie nachstehend beschrieben ausgewählt werden. Jede geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 2A-2D ist jeweils in Reihe geschaltet mit einer Schaltvorrichtung (d.h. einer Auswahlschaltvorrichtung, wenn eine geeignete Bezeichnung erforderlich ist) 26A-26D verbunden. Somit schaltet die Auswahlschaltvorrichtung 26A-26D, die einem piezoelektrischen Stapel 2A-2D der Einspritzvorrichtung in dem Einspritzsystem entspricht, ein.
Die Auswahlschaltvorrichtung 26A-26D wird aus einem MOSFET mit einer parasitären Diode (d.h. einer auswählenden parasitären Diode) 261A-261D gebildet. Die auswählende parasitäre Diode 261A-261D ist mit dem Pufferkondensator 213 verbunden, um eine umgekehrte Vorspannung bzw. Sperrvorspannung zwischen beide Anschlüsse des Pufferkondensators 213 anzulegen.
Ein Steuerungssignal wird von der Steuerungsschaltung 28 jedem Gate-Anschluss der Schaltvorrichtungen 24, 25, 26A-26D zugeführt. Wie es vorstehend beschrieben ist, schaltet lediglich eine der Auswahlschaltvorrichtungen 26A-26D ein, so dass ein Ansteuerungsobjekt unter den geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D ausgewählt wird. Ein Impulssteuerungssignal wird jedem Gate-Anschluss der Schaltvorrichtungen 24, 25 zugeführt, so dass die Schaltvorrichtungen 24, 25 ein- bzw. ausschalten. Somit werden die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D gesteuert, um aufzuladen und zu entladen.
Ein Einspritzsignal von einer ECU wird der Steuerungsschaltung 28 zugeführt. Die ECU, die nachstehend beschrieben ist, steuert das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem. Das Einspritzsignal ist ein binäres Signal, das ein „L"-Signal und ein „H"-Signal entsprechend einer Einspritzzustandsperiode aufweist. Die Steuerungsschaltung 28 beginnt bei einer Anstiegsflanke des Einspritzsignals, die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 2A-2D aufzuladen, und beginnt bei einer abfallenden Flanke des Einspritzsignals, die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 2A-2D zu entladen.
Die Ladungssteuerung der Steuerungsschaltung 28 ist nachstehend beschrieben.
Die Steuerungsschaltung 28 stellt eine Ein-Zustand-Periode und einer Aus-Zustand-Periode der ersten Schaltvorrichtung 24 wie nachstehend beschrieben ein, so dass das Steuerungssignal der ersten Schaltvorrichtung 24 ausgegeben wird. Genauer gesagt bleibt die Ein-Zustand-Periode konstant. Wenn der Energieversorgungsstrom Null wird, wird die Aus-Zustand-Periode beendet, so dass die erste Schaltvorrichtung 24 einschaltet, wobei dann die nächste Ein-Zustand-Periode startet. Das Steuerungssignal wird während einer zeitgebergesteuerten vorbestimmten Zeit fortgesetzt ausgegeben. Somit schaltet sich die erste Schaltvorrichtung wiederholt mehrere Male entsprechend der zeitgebergesteuerten vorbestimmten Zeit ein und aus.
Die Änderung des Ladestroms Ip über der Zeit ist nachstehend beschrieben.
Wenn die Schaltvorrichtung 24 in der Ein-Zustand-Periode ist, fließt der Ladestrom Ip in den ersten Energieversorgungspfad 22a von dem Pufferkondensator 213 zu der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D über die Spule 23. Hierbei nimmt der Ladestrom Ip allmählich zu. Wenn die Schaltvorrichtung 24 in der Aus-Zustand-Periode ist, liegt eine induzierte elektromotorische Kraft, die in der Spule 23 erzeugt wird, mit einer Durchlassspannung bei der zweiten parasitären Diode 251 an. Somit fließt der Ladestrom Ip in den zweiten Energieversorgungspfad 22b. Hierbei nimmt der Ladestrom Ip durch einen Schwungradeffekt bzw. Flyweel-Effekt allmählich ab. Hierbei ist eine Resonanzfrequenz einer Schaltung, die die Spule 23 und die geschichteten piezoelektrischen Vorrichtungen 2A-2D umfasst, viel höher als eine Ein-Aus-Frequenz der ersten Schaltvorrichtung 24, wobei folglich der Signalverlauf des Ein-Aus-Signals an einen Dreieckssignalverlauf angenähert werden kann.
Hierbei weist in einem Zyklus des Ein-Aus-Signals der Ladestrom Ip einen maximalen Wert (d.h. einen Spitzenwertstrom) Ip_Peak auf, der den Strom bei dem Endpunkt der Ein-Zustand-Periode darstellt. Die Ausgangsspannung (d.h. die Gleichstromquellenausgangsspannung) der Gleichstromquelle 21 ist als V_DC-DC definiert, die die Spannung zwischen beiden Anschlüssen des Pufferkondensators 213 ist, die Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung ist als Vp definiert, das Zeitintervall der Ein-Zustand-Periode ist als Ton definiert und die Induktivität der Spule 23 ist als L definiert. Der Spitzenwertstrom Ip_Peak wird als Ip_Peak = (V_DC-DC – Vp) × Ton/L ausgedrückt. In dieser Gleichung kann die Gleichstromquellenausgangsspannung V_DC-DC als konstant angenähert werden, wie es vorstehend beschrieben ist.
Die Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp weist einen Anfangswert von Null zu Beginn des Ladens der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D auf, wobei dann die Spannung Vp allmählich zunimmt, wenn die Zeit voranschreitet. Da die Spannung Vp das vorstehend beschriebene Zeitprofil aufweist, nimmt die Spannung (d.h. V_DC-DC – Vp), die an die Spule 23 während der Ein-Zustand-Periode der Schaltvorrichtung 24 angelegt wird, allmählich ab, wenn das Laden der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D voranschreitet.
Somit wird, da die induzierte elektromotorische Kraft der Spule 23 allmählich abnimmt, der Gradient des Ladestroms Ip in der Ein-Zustand-Periode ebenso kleiner, wenn das Laden der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D voranschreitet.
Indem die Ein-Zustand-Periode auf einen konstanten Wert eingestellt wird, wird der Ladestrom zu dem dreieckigen Signalverlauf, wobei der Ladestrom vollständig das abnehmende Zeitprofil zeigt, das entgegengesetzt ist zu der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp.
Hierbei ist die Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp umgekehrt proportional zu der Kapazität C der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D. Folglich beeinflusst die Zunahme der Kapazität C eine Richtung zur Unterdrückung der zunehmenden Rate der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp.
Die Aktion, die auf eine Unterdrückung der zunehmenden Rate der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp gerichtet ist, beeinflusst eine Richtung, um das Abnehmen der angelegten Spannung, die an die Spule 23 in der Ein-Zustand-Periode der Schaltvorrichtung 24 angelegt wird, zu schwächen. Somit beeinflusst die Aktion als Ganzes eine Richtung, um die abnehmende Rate des Ladestroms Ip zu unterdrücken. Diese Aktion beeinflusst eine Richtung, um die Zufuhrrate von elektrischen Ladungen für eine Zufuhr zu der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D zu vergrößern, wobei folglich die Aktion eine Richtung beeinflusst, um die zunehmende Rate der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp zu vergrößern. Somit ändert sich, auch wenn die Kapazität der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D zunimmt, das Zeitprofil der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp nicht wesentlich.
Demgegenüber ändert sich, da die Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp sich nicht in großem Umfang ändert, auch wenn die Kapazität der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D zunimmt, das Zeitprofil des Ladestroms Ip ebenso nicht wesentlich.
Ferner beeinflusst die Zunahme der Kapazität der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D ein wenig die Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp sowie den Ladestrom Ip. Die schwache Beeinflussung der Spannung Vp und des Stroms Ip weist die nachstehend beschriebenen Eigenschaften auf.
Genauer gesagt ist die Energiezufuhr durch ein Aufladen zu der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D pro Einheitszeit als ein Produkt der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp und des Ladestroms Ip ausgedrückt. Hierbei ist die Richtung, um die zunehmende Rate der Spannung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung Vp zu unterdrücken, die Richtung, um die Energiezufuhr pro Einheitszeit zu verkleinern. Die Richtung, um die Abnahme des Ladestroms Ip zu schwächen, ist die Richtung, um die Energiezufuhr pro Einheitszeit zu vergrößern. Somit werden beide Richtungen gegenseitig aufgehoben. Dementsprechend kann die Energiezufuhr pro Zeiteinheit stark unterdrückt werden, um von der Variation der Kapazität der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D abzuhängen.
Dementsprechend kann lediglich durch eine Steuerung der Aufladezeit der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D auf einen konstanten Wert durch die Ansteuerungsschaltung 2 die Energiezufuhr zu der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D konstant gehalten werden, ohne ein Regelungsverfahren zu verwenden, auch wenn die Kapazität der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 2A-2D geändert wird.
Somit steuert die Ansteuerungsschaltung 2, die in 2 gezeigt ist, die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1, indem eine Spannung angelegt wird, um die Energie konstant zu halten.
Hierbei wird die Kapazität C der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung in einer derartigen Art und Weise gemessen, dass ein Probestück des Materials, das die piezoelektrische Schicht bildet, im Voraus erhalten wird und dann das Probestück an ein Messgerät, wie beispielsweise eine Impedanzanalysevorrichtung, angeschlossen wird und hierdurch gemessen wird. Das konkrete Messverfahren ist nachstehend beschrieben.
Die konstante Energiesteuerung, die vorstehend beschrieben ist, dient dazu, die Aufladezeit einzustellen, um die Variationsrate der Energie CV²/2 für eine Versorgung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung in einem Bereich zwischen –15% und +15% zu steuern, wenn die Temperatur in einem Bereich zwischen –50°C und 300°C liegt.
Bei dem Ansteuerungsverfahren mit der vorstehend genannten Bedingung liegt in einem Fall, bei dem eine Dicke der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1 vor einem Anlegen der Spannung an die Vorrichtung als ein Standard verwendet wird, die Auslenkung der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1 in einem Bereich zwischen –5% und +5%, wenn die Temperatur in einem Bereich zwischen –50°C und 300°C liegt.
Die Ansteuerungsschaltung 2 gemäß der vorliegenden Erfindung ist offensichtlich in 2 beschrieben. Die Schaltung 2 weist einen einfachen Aufbau auf und kann die konstante Energiesteuerung ohne Verwendung eines Mikrocomputers ausführen. Somit ist die Kommunikation zu der ECU ebenso vereinfacht, so dass die Schaltung 2 zur Steuerung von der ECU getrennt sein kann.
Wenn die Ansteuerungsschaltung 2 von der ECU getrennt ist, kann der elektrische Energieverbrauch entsprechend der Leistungsfähigkeitsverbesserung kleiner werden. Somit besteht für die ECU keine Möglichkeit, aufgrund von Rauschen eine Fehlfunktion zu haben.
Dementsprechend stellt das vorstehend beschriebene Verfahren ein Ansteuerungsverfahren der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Kapazität ohne eine Verwendung einer komplizierten Steuerungsschaltung bereit, wobei das Verfahren ein Einsparmerkmal für eine elektrische Leistung und ein Energieeinsparmerkmal bereitstellt.
Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung, die in 1 gezeigt ist, weist einen Teilelektrodenaufbau auf.
Ferner kann eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung, die einen Gesamtelektrodenaufbau aufweist, sowie eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung des Einheitstyps bei dem Ansteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung des Einheitstyps wird gebildet, indem mehrere piezoelektrische Einheiten mit einer vorbestimmten Höhe geschichtet werden, wobei eine Einheit eine piezoelektrische Schicht und eine innere Elektrodenschicht, die abwechselnd zueinander geschichtet sind und in der Lage sind, als eine geschichtete piezoelektrische Vorrichtung nur durch eine Einheit zu arbeiten, aufweist.
Ein Verfahren zum Messen eines piezoelektrischen Moduls D33 und einer elektrischen Kapazität eines vorbestimmten piezoelektrischen Materials ist nachstehend beschrieben.
Genauer gesagt wird ein piezoelektrisches Element (die Zusammensetzung hiervon ist vorstehend beschrieben) auf eine vorbestimmte Dicke geschliffen. Anschließend wird ein Paar von AgPd-Elektroden auf beide Seiten des Elements bei 850°C gedruckt. Dann wird das Element verarbeitet, um eine Plattenform zu haben, die einen Durchmesser von 16 mm aufweist. Das erhaltene Probestück wird in Silikonöl bei 130°C getaucht. In dem Öl werden an das Probestück 2000V für 30 Minuten angelegt, so dass ein Polarisationsvorgang ausgeführt wird. Der Grund hierfür ist, dass eine piezoelektrische Schicht der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung ebenso in das Silikonöl getaucht wird, so dass der Polarisationsvorgang ausgeführt, wenn die piezoelektrische Schicht gebildet wird.
Nachdem der Polarisationsvorgang ausgeführt ist, werden beide Seiten des Probestücks an eine Impedanzanalysevorrichtung (die eine Analysevorrichtung des Typs 4194A ist, die von Hewlett-Packard Co. hergestellt wird) angeschlossen. So wird ein piezoelektrischer Modul D33 des Probestücks unter Verwendung eines Resonaz-Antiresonanz-Verfahrens mit einer Frequenz von 100kHz bis 200kHz gemessen, die eine Frequenz zur Erzeugung einer Schwingung in einer radialen Richtung ist. Die Kapazität des Probestücks wird bei 1kHz gemessen.
Die Messergebnisse sind in 3 (die eine Rate einer Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 in einem Temperaturbereich zwischen –50°C und 300°C zeigt) und 4 (die eine Rate einer Temperaturabhängigkeit der Kapazität in dem Temperaturbereich zwischen –50°C und 300°C zeigt) gezeigt.
Hierbei wird, wenn der piezoelektrische Modul D33 bei der Temperatur von T0 als D0 definiert ist und der piezoelektrische Modul D33 bei der Temperatur von T1 (die höher als T0 ist) als D1 definiert ist, die Rate RA der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 bei der Temperatur von T1 als (RA1 – RA0)/RA0 bestimmt. Wenn die Kapazität des Probestücks bei der Temperatur von T0 als C0 definiert ist und die Kapazität bei der Temperatur von T1 (die höher als T0 ist) als C1 definiert ist, wird die Rate RC der Temperaturabhängigkeit der Kapazität bei der Temperatur von T1 als (C1 – C0)/C0 bestimmt.
In Anbetracht der 3 und 4 sind die Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 sowie der Wert von (RATE DER TEMPERATURABHÄNGIGKEIT DER KAPAZITÄT)^1/2 in dem Graphen gemäß 5 gezeigt.
Wie es in 5 gezeigt ist, stimmen beide Kurven beinahe miteinander überein.
Wenn die Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 als RA definiert ist und die Rate der Temperaturabhängigkeit der Kapazität als RC definiert ist, weisen beide Raten die nachstehende Beziehung auf, die als „RA = K(RC)^1/2, wobei K ≈ 1,0 ist", ausgedrückt. Hierbei liegt eine Variation von K beinahe in einem Bereich zwischen –1% und +1%.
Hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Probestücks, das aus dem piezoelektrischen Material hergestellt ist und die Plattenform aufweist, werden eine Ausdehnung des Probestücks im Falle einer Steuerung mit einer konstanten Energie sowie eine Ausdehnung des Probestücks im Falle einer Steuerung mit einer konstanten Spannung verglichen.
Hierbei ist die konstante Energiesteuerung derart, dass die Vorrichtung gesteuert wird, um den Wert von NM²/2 konstant zu halten, wenn die Spannung, die an beide Seiten des Probestücks angelegt wird, als M definiert ist und die Kapazität des Probestücks bei einer bestimmten Temperatur als N definiert ist. Die Variation des Werts von NM²/2 kann in einem Bereich zwischen –10% und +10% unter Bezugnahme auf einen vorbestimmten Referenzwert zulässig sein.
Die konstante Spannungssteuerung ist derart, dass eine vorbestimmte konstante Spannung an das Probestück unabhängig von der Temperatur angelegt wird. Die Variation der Spannung kann in einem Bereich zwischen –5% und +5% unter Bezugnahme auf eine vorbestimmte Referenzspannung zulässig sein.
Bei der vorstehend genannten Bedingung ist die Rate der Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung in jedem Fall der vorstehend genannten zwei Steuerungsverfahren in dem Graphen gemäß 6 gezeigt. In 6 stellt die vertikale Achse eine Rate der Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung unter Bezugnahme auf die Ausdehnung bei Zimmertemperatur von 20°C dar. Die horizontale Achse stellt die Temperatur dar.
Wie es in 6 gezeigt ist, hängt im Falle der konstanten Energiesteuerung die Rate der Ausdehnung des Probestücks nicht wesentlich von der Temperatur ab. Im Falle der konstanten Spannungssteuerung wird jedoch die Rate der Ausdehnung des Probestücks größer, wenn die Temperatur zunimmt.
Somit wird bestimmt, dass die Auslenkung des Probestücks nicht von der Temperatur abhängt, wenn das Probestück gesteuert wird, um die Energie konstant zu halten, wobei das Probestück aus dem piezoelektrischen Material hergestellt ist, das eine Beziehung von RA = K(RC)^1/2 in einem Fall aufweist, bei dem die Rate der Temperaturabhängigkeit des piezoelektrischen Moduls D33 als RA definiert ist, die Rate der Temperaturabhängigkeit der Kapazität als RC definiert ist und der konstante Wert als K definiert ist.
Dementsprechend hängt bei der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung, die die piezoelektrische Schicht umfasst, die aus dem vorstehend beschriebenen Material hergestellt ist, die Auslenkung der Vorrichtung nicht von der Temperatur ab.
Eine Einspritzvorrichtung, die die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 mit dem Ansteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, ist nachstehend beschrieben.
Ein Aufbau der Einspritzvorrichtung 3 ist nachstehend beschrieben.
In 7 ist eine Querschnittsdarstellung gezeigt, die die Einspritzvorrichtung 3 und Teile, die nahe der Einspritzvorrichtung 3 angeordnet sind, zeigt.
Ein Kraftstoff mit einem hohen Druck von beispielsweise 150MPa wird der Einspritzvorrichtung 3 von einer gemeinsamen Kraftstoffzufuhr bzw. einem Common-Rail 400 zugeführt. Die Einspritzvorrichtung 3 öffnet sich und schließt sich entsprechend einem Steuerungssignal von einer ECU 300 und einer Ansteuerungsschaltung 2. Wenn die Einspritzvorrichtung 3 eine Öffnungsoperation ausführt, führt die Einspritzvorrichtung 3 den Kraftstoff 401 einer Kraftmaschine zu und spritzt ihn ein, was in 7 nicht gezeigt ist.
Die ECU 300 umfasst einen herkömmlichen Mikrocomputer und dergleichen. Die ECU 300 lädt Kraftmaschinenantriebsinformationen, wie beispielsweise eine Kraftmaschinendrehzahl, einen Öffnungsgrad einer Beschleunigungseinrichtung und eine Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur, wobei die ECU 300 eine Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung sowie eine Menge einer Kraftstoffeinspritzung optimal steuert.
Die Einspritzvorrichtung 3 umfasst einen Einspritzvorrichtungskörper 31, der die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 sowie einen Kolben mit großem Durchmesser 33 beherbergt. Der Kolben mit großem Durchmesser 33 gleitet in dem Einspritzvorrichtungskörper 31. Beide werden mit einer Tellerfeder 34 aneinander gedrückt, so dass beide Oberflächen hiervon aneinander angebracht sind. Die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 dehnt sich aus und zieht sich zusammen entsprechend dem Steuerungssignal (d.h. einer Ansteuerungsspannung), die in die ECU 300 und die Ansteuerungsschaltung 2 eingegeben wird. Wenn die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 sich entsprechend dem Steuerungssignal ausdehnt, bewegt sich der Kolben mit großem Durchmesser 33 in 7 gegen die Federkraft der Tellerfeder 34 nach unten. Ein Bezugszeichen 321 stellt eine Halterungsplatte für den piezoelektrischen Stapel dar.
Ein Kolben mit kleinem Durchmesser 35 ist unter dem Kolben mit großem Durchmesser 33 angeordnet. Der Kolben mit kleinem Durchmesser 35 weist einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Kolben mit großem Durchmesser 33. Eine Auslenkungsverstärkungskammer 36 ist zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 33 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 35 ausgebildet. Die Auslenkungsverstärkungskammer 36 überträgt eine nach unten gerichtete Kraft des Kolbens mit großem Durchmesser 33 zu dem Kolben mit kleinem Durchmesser 35 mittels eines Kraftstoffdrucks in der Auslenkungsverstärkungskammer 36, wenn sich der Kolben mit großem Durchmesser 33 in 7 nach unten bewegt. In diesem Fall wird die Auslenkung des Kolbens mit kleinem Durchmesser 35 entsprechend einem Querschnittsverhältnis zwischen dem Kolben mit großem Durchmesser 33 und dem Kolben mit kleinem Durchmesser 35 verstärkt.
Somit verstärkt die Auslenkungsverstärkungskammer 36 eine kleine Auslenkung bzw. einen kleinen Versatz der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1, wobei dann die Kammer 36 die Auslenkung zu dem Kolben mit großem Durchmesser 35 überträgt.
Der Kolben mit kleinem Durchmesser 35 setzt ein Kugelventil 40 unter Druck, so dass der Hochdruckkraftstoff in einer Hochdruckkammer 41 zu einer Kraftstoffauslaufkammer 37 entweicht. Ein Abschnitt mit konischem Durchmesser 351, der eine zylindrische Form aufweist, ist bei der Spitze des Kolbens mit kleinem Durchmesser 35 ausgebildet. Der Abschnitt mit konischem Durchmesser 351 ist in Druckkontakt mit einer äußeren Oberfläche (die eine kugelförmige Oberfläche ist) des Kugelventils 40. Hierbei wird der Hochdruckkraftstoff 401, der nährungsweise einen Kraftstoffeinspritzdruck aufweist, in die Hochdruckkammer 41 von dem Common-Rail 400 über einen Hochdruckdurchgang 42 eingebracht. Somit drückt der Hochdruckkraftstoff 401 gegen das Kugelventil 40 und hebt es an. Durch dieses Hochpressen mittels des Hochdruckkraftstoffes 401 wird das Kugelventil 40 an eine Blechoberfläche 43 des Einspritzvorrichtungskörpers 31 gebracht, so dass ein Freiraum zwischen der Hochdruckkammer 41 und der Kraftstoffentweichungskammer 37 gesperrt ist (wie es in 7 gezeigt ist).
Ferner wird, wenn das Kugelventil 40 durch den Kolben mit kleinem Durchmesser 35 nach unten gedrückt und versetzt wird, das Kugelventil 40 nach unten gedrückt, so dass sich das Kugelventil 40 von der Blechoberfläche 43 trennt. Somit entwicht Hochdruckkraftstoff 401 in der Hochdruckkammer 41 zu der Kraftstoffentweichungskammer 37. Der Kraftstoff 402, der zu der Kraftstoffentweichungskammer 37 entweicht ist, wird über einen Ableitungsdurchgang 38 ausgestoßen. Hierbei bezeichnet Bezugszeichen 39 eine Feder für ein Druckkontaktieren des Kolbens mit kleinem Durchmesser 35 an die äußere Oberfläche des Kugelventils 40.
Eine Drucksteuerungskammer 45 ist mit der Hockdruckkammer 41 über einen Kraftstoffdurchgang 44 verbunden. Der Hochdruckkraftstoff wird in die Drucksteuerungskammer 45 von dem Common-Rail 400 über den Hochdruckdurchgang 42 eingebracht. Eine Düsennadel 47 wird durch den Hochdruckkraftstoff und durch eine Feder 46 in der Drucksteuerungskammer 45 in 7 nach unten gedrückt. Somit wird eine Einspritzöffnung 48, die bei der Spitze der Einspritzvorrichtung 3 angeordnet ist, geschlossen.
In der Einspritzvorrichtung 3, die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, wird, wenn die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 in einem zusammengezogenen Zustand ist, das Kugelventil 40 bei der Blechoberfläche 43 angebracht gehalten. In diesem zusammengezogenen Zustand wird die Düsennadel 47 bei einer Ventilschließposition durch den Hochdruckkraftstoff in der Drucksteuerungskammer 45 angebracht gehalten. Folglich wird der Kraftstoff aus der Einspritzöffnung 48 nicht eingespritzt.
Wenn sich die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung 1 ausdehnt, bewegt sich der Kolben mit kleinem Durchmesser 35 in 7 nach unten, so dass der Kolben mit kleinem Durchmesser 35 das Kugelventil 40 drückt. Somit trennt sicht das Kugelventil 40 von der Blechoberfläche 43, wobei dann der Hochdruckkraftstoff in der Hochdruckkammer 41 zu der Kraftstoffentweichungskammer 37 entweicht. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Druck der Drucksteuerungskammer 45 ab und die Düsennadel 47 bewegt sich in einer Ventilöffnungsrichtung (die in 7 eine nach oben gerichtete Richtung ist). Somit wird der Kraftstoff aus der Einspritzöffnung 48 eingespritzt.
Bei der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1 für eine Verwendung der Einspritzvorrichtung 3, die den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweist, ist es zu bevorzugen, dass die Konstante K des piezoelektrischen Materials in einem Bereich zwischen 1 und 1,3 liegt.
Da der volumenelastische Modul des Kraftstoffs größer wird, wenn die Temperatur zunimmt, ist es erforderlich, dass die Auslenkung des Kolbens mit großem Durchmesser 33 (d.h. der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung 1) zunimmt, so dass der innere Druck der Auslenkungsverstärkungskammer 36 vergrößert wird.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung einer geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung (1, 2A-2D), die einen piezoelektrischen Stapel (10) und ein Paar von Seitenelektroden (151) umfasst, wobei der piezoelektrische Stapel (10) eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (11) und eine Vielzahl von inneren Elektrodenschichten (121, 122) umfasst, die abwechselnd geschichtet sind, wobei jede Seitenelektrode (151) bei einer Seite (101, 102) des piezoelektrischen Stapels (10) angeordnet ist, um jede zwei inneren Elektroden (121, 122) mit Energie zu versorgen, wobei jede piezoelektrische Schicht (11) aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, das eine Rate einer Temperaturabhängigkeit eines piezoelektrischen Moduls, die als RA definiert ist, eine Rate einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität, die als RC definiert ist, und einen konstanten Wert, der als K definiert ist, aufweist, und wobei das piezoelektrische Material eine Beziehung aufweist, die als RA = K(RC)^1/2 ausgedrückt ist, wobei das Verfahren einen Schritt umfasst zum Versorgen mit Energie der inneren Elektrodenschichten (121, 122), um eine Energie der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung (1, 2A-2D) konstant zu halten, wobei der konstante Wert von K in einem Bereich zwischen 0,7 und 1,3 liegt und wobei die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung (1, 2A-2D) als eine Ansteuerungsenergiequelle für eine Einspritzvorrichtung (3) zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, wobei RA = {D33(T1) – D33(T0)}/D33(T0) gilt, wobei D33 der entsprechende piezoelektrische Modul ist und T1 > T0 ist, wobei RC = {C(T1) – C(T0)}/C(T0) gilt, wobei C die Kapazität einer piezoelektrischen Schicht ist, wobei ein Temperaturbereich der Beziehung gemäß RA = K(RC)^1/2 zwischen –50°C und 250°C liegt und die Energie pro einer piezoelektrischen Schicht als (KAPAZITÄT) × (SPANNUNG, DIE AN BEIDE SEITEN DER PIEZOELEKTRISCHEN SCHICHTEN ANGELEGT WIRD)² ÷ 2 definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Material aus einem Oxid hergestellt wird, das eine ABO₃-Perovskit-Typ-Struktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das piezoelektrische Material aus Blei-Zirkonat-Titanat oder Barium-Titanat hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt zum Versorgen mit Energie der inneren Elektrodenschichten (121, 122), um die Energie konstant zu halten, durch eine Steuerung einer Ladungszeit zum Laden der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung (1, 2A-2D), um konstant zu sein, ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ladungszeit auf eine derartige Art und Weise gesteuert wird, dass eine Variationsrate der Energie zum Versorgen der geschichteten piezoelektrischen Vorrichtung (1, 2A-2D) in einem Bereich zwischen –15% und +15% liegt, wenn die Temperatur der Vorrichtung (1, 2A-2D) in einem Bereich zwischen –50°C und 300°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung (1, 2A-2D) einen Gesamtoberflächenelektrodenaufbau aufweist, bei dem eine Seite der inneren Elektrodenschicht (121, 122) bei einem vollständigen Umfang der Seite (101, 102) des piezoelektrischen Stapels (10) nach außen freigelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die geschichtete piezoelektrische Vorrichtung (1, 2A-2D) einen Teiloberflächenelektrodenaufbau aufweist, bei dem eine Seite der inneren Elektrodenschicht (121, 122) teilweise von der Seite (101, 102) des piezoelektrischen Stapels (10) nach außen freigelegt ist.