【発明の詳細な説明】
容量性アクチュエータの制御装置及び方法
本発明は請求の範囲１又は２の上位概念の構成養鶏位にて特定したような、少
なくとも１つの容量性アクチュエータを制御する装置、例えば、ピエゾ圧電的に
作動される、内燃機関の燃料噴射弁の当該の制御装置に関する。本発明は、又、
当該装置の作動方法にも関する。
ＥＰ０４６４４４３Ａ１からは、ピエゾ−アクチュエータ操作素子が公知であ
り、ピエゾアクチュエータ操作素子は、コンデンサから充電コイルを介して充電
される。加えられたエネルギの一部が、ピエゾ圧電性素子の放電の際、放電コイ
ルを介してコンデンサ内に戻り供給され、他方の部分は、同様に放電コイルを介
して熱に変換される。放電の際ピエゾ圧電性アクチュエータにて負の電圧が現れ
る。
ＤＥ３６２１５４１Ｃ２からは燃料噴射弁のピエゾ圧電性アクチュエータに対
するドライバ回路が公知であり、前記ピエゾ圧電性アクチュエータは、電圧源に
接続された２つのコンデンサの直列接続体及び充電コイルを介して充電され、そ
して、放電コイルを介して、２つのコンデンサのうちの１つの中に放電される。
代替選択的実施形態では、アクチュエータは、電圧源
に接続されているコンデンサと充電コイルとを介して充電される；放電の場合は
、ピエゾ圧電性アクチュエータ内に蓄積されたエネルギが放電コイルを介して放
電される。
本発明の基礎を成す課題とするところは、アクチュエータにて生じる電圧に対
して種々の設定値も設定可能であり、アクチュエータにおける負の電圧が回避さ
れるようにした可及的に損失なしで、かつ簡単に構成された少なくとも１つの容
量性アクチュエータを制御するための装置を提供することにある。
前記課題は、請求の範囲１又は２の構成要件により解決される。本発明の有利
なさらなる発展形態がサブクレームに特定されている。
本発明の実施形態を以下略示図を参照して詳述する。
図１は第１実施形態の回路略図である。
図２は、図１の実施形態の動作に係わるフローチャートである。
図３は、第２実施形態の回路略図である。
図４は、第３実施形態の回路略図である。
図１は、通常のマイクロプロセッサにより制御される制御回路ＳＴを用いて、
ピエゾ圧電性アクチュエータＰを介して内燃機関の余り詳細には示してない個々
の燃料噴射弁の制御のための基本回路を示す。
エネルギ源Ｖの正極＋Ｖと、負極ＧＮＤとの間に、
唯一の方向でのみ電流順方向道通性の被制御エネルギスイッチＸ１とコンデンサ
Ｃの直列接続体が設けられている。
以降の説明中スイッチＸ１〜Ｘ４に言及する場合、該スイッチＸ１〜Ｘ４は、
少なくとも１つの半導体素子から成る唯一の方向でのみ電流順方向道通性のスイ
ッチ、例えば、制御回路ＳＴにより制御されるサイリスタスイッチである。
エネルギスイッチＸ１の電流道通状態では、充電コンデンサＣは、エネルギ源
Ｖにより充電される。このことは基本的に、充電コンデンサにおける電圧Ｕｃが
エネルギ源Ｖの電圧より小である限り可能である。
充電コンデンサＣに並列に、エネルギスイツチＸ１に接続された転流コイル（
Umschwingspule）Ｌと、充電ストップスイッチＸ３−それの機能については後述
する−との直列接続体が設けられている。
充電ストップスイッチＸ３に並列に、アクチュエータ回路Ｓが設けられており
、該アクチュエータ回路Ｓは一方及び他方の２つの並列接続体の直列接続体から
成り、そのうちの一方の並列接続体は限流、転流リアクトルないし転流コイルＬ
から電流を流れ出させる方向で電流順方向道通性の充電スイッチＸ２と、転流コ
イルに向かう方向で電流順方向道通性の放電スイッチＸ４との並列接続体であり
、もう１つの並列接続体は、アクチュエータＰとダイオードＤとの並列接続体で
あり、このダイオードＤは、充電スイッチＸ２の方向に電流を流すものである。
スイッチＸ１〜Ｘ４は、マイクロプロセッサにより制御される制御回路ＳＴを
用いて、外部制御信号ｓｔに依存して、本実施形態では、アクチュエータＰに加
わる電圧に対する１つの設定値Ｕｓ（ここで例えば燃料の前及び主噴射のため相
次いで作用する複数個であってもより）及び該電圧の実際値Ｕｐに依存して制御
される。アクチュエータ電圧の代わりに、アクチュエータの位置を使用してもよ
い。
図２のフローチャートを用いて図１の回路の例に即して装置の作動方法を説明
し、ここで、充電コンデンサが完全に充電されている初期状態（状態Ｉ）を出発
点とし、このときすべてのスイッチＸ１〜Ｘ４は、非道通であり、転流コイルＬ
は無電流状態である。
外部制御信号ｓｔ＝１（状態 ）の開始と共に充電スイッチＸ２が点弧される
（電流道通制御される）。それにより、充電コンデンサＣは、転流コイルＬを介
して、（コンデンサのように作用する）アクチュエータ内に放電し始め、該アク
チュエータを充電し始め、（状態 ）、このことによりピエゾ圧電性アクチュエ
ータの長さ変化が生じる。アクチュエータに現れる電圧Ｕｐ−これは図１中矢印
で示され制御回路ＳＴに報知される−は上昇する。
電圧Ｕｐが設定値Ｕｓに達すると直ちに（状態ＩＶ
）充電過程が終了され、充電スイッチＸ２は、非道通になり、換言すればＸ２＝
０，そして、充電ストップスイッチＸ３は道通状態になる（Ｘ３＝１，状態 ）
。振動回路ＬＣは、更に、転流コイルＬが無電流状態になるまで振動する。
アクチュエータの充電状態は、制御信号ｓｔが加わっている間維持される。制
御信号ｓｔが消失すると、（ｓｔ＝０，状態 ）；アクチュエータは、放電され
ねばならない。このために、充電ストップスイッチが非道通に制御され、Ｘ３＝
０，そして、放電スイッチは道通状態になる、Ｘ４＝１（状態 ）。そこで、ア
クチュエータＰは転流コイルＬを介して充電コンデンサＣ内に放電する。アクチ
ュエータがダイオードＤの限界値電圧まで放電されると、前記ダイオードＤは、
電流を引き受ける；振動回路ＬＣは、次の状態生起まで更に振動し続ける、即ち
転流コイルが無電流状態になるまで更に振動し続ける。スイッチＸ４は、非道通
状態に制御される。
損失がなければ充電コンデンサＣにて、初期状態におけると同じ電圧Ｕｃが加
わることとなる、実際には当該の電圧は、損失に基づき、幾らか、より小さくな
っており、その結果、本実施形態では、放電過程の終了後スイッチＸ２〜Ｘ４が
再び非道通状態になると、エネルギスイッチＸ１は、新たな充電サイクルの開始
される前に、充電コンデンサＣの再充電のため道通
制御される（状態 ）。
図３には、基本的に図１の回路に相応する回路、但し、複数のアクチュエータ
Ｐ１〜Ｐｎの制御のための回路が示してある。この回路では、エネルギ源Ｖ，エ
ネルギスイッチＸ１，充電コンデンサＣ，転流コイル及び充電ストップスイッチ
Ｘ３が図１の回路におけるように接続されており、同様に、そこに記載されてい
るような作用をする。但し、制御回路ＳＴは、同じく示されていない。
第１のアクチュエータＰ１に対しては、アクチュエータ回路Ｓ１は、Ｘ２の代
わりに充電スイッチＸ２．１を有し，ダイオードＤ１及び放電スイッチＸ４を有
していて、図１におけると同じ回路を有しているが、相違点とするところは、ア
クチュエータＰ１と放電スイッチＸ４との間に、放電スイッチのほうに向かって
電流道通順方向性のダイオードＸ２．１が設けられていることであり、該ダイオ
ードＸ２．１は、図１の唯一のアクチュエータの制御には不要のものであり、そ
して、さらなる各アクチュエータＰ２〜Ｐ２．ｎに対して、１つのさらなる充電
スイッチＸ２．２〜２．１〜Ｘ２．ｎ及びさらなる１つのダイオードＤ２．２〜
Ｄ２．ｎが相応の回路に設けられていることである。
制御回路により制御される充電スイッチＸ２．１〜Ｘ２．ｎは、充電すべきア
クチュエータを選択するが、ダイオードＤ２．１〜Ｄ２．ｎは、選択されたアク
チュエータ以外の他のアクチュエータが充電されるのを阻止する。共通の放電ス
イッチＸ４が道通制御されると、各アクチュエータの放電が、これに所属のダイ
オードＤ２．１〜２．ｎを介して行われる。各アクチュエータがダイオードの限
界値電圧にまで放電されると、前記ダイオードは、電流を引き受ける；振動回路
Ｌ−Ｃは、転流コイルＬが無電流状態になるまで更に振動し続ける。
図４は、図３の回路に比して所要の構成素子−コストを低減した複数のアクチ
ュエータの制御のためのさらなる回路を示し、同じく制御回路ＳＴは、示されて
いない。
図３の回路では、サイリスタスイッチＸ２．１〜Ｘ２．ｎの夫夫の、点弧のた
め、高価な変成器が必要である。上記変成器は、次のようにすれば省き得る、即
ち、それの代わりに簡単な選択スイッチＴ１〜Ｔｎ、例えば、Ｐｏｗｅｒ−ＭＯ
ＳＦＥＴスイッチを使用するのである。その際図１の回路に相応する回路に厳粛
、縮約され、この回路では、アクチュエータＰは、アクチュエータＰ１と所属の
選択スイッチＴ１との直接接続体により置換されるのである。その際、選択スイ
ッチＴ１のスイッチング区間には放電方向で電流順方向道通性のダイオードＤ１
が並列接続され、該ダイオードＤ１は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ使用の場合この中
に集積化、統合化されるのである。
各々のさらなるアクチュエータＰ２〜Ｐｎに対しては、１つのアクチュエータ
Ｐ２〜Ｐｎ，選択スイッチＴ２〜Ｔｎ及びダイオードＤ２〜Ｄｎから成るその種
直列接続体には第１のアクチュエータＰ１に対する直列接続体Ｐ１−Ｔ１−Ｄ１
が並列接続されている。
前記回路の動作は、図１及び図３の回路動作に相応し、ここで、アクチュエー
タ例えばＰ１の充電の際、所属の選択スイッチＴ１は、少なくとも次のような期
間中道通制御されねばならない。充電スイッチＸ２が道通制御されている期間中
道通制御されねばならない。
アクチュエータＰ１の放電の際、電流は、アクチュエータから放電スイッチＸ
４、転流コイルＬ、充電コンデンサＣ及びダイオードＤ１を介して流れる。アク
チュエータがダイオードＤの限界値電圧まで放電されると、前記ダイオードＤは
、電流を引き受け、振動回路Ｌ−Ｃは、転送コイルが無電流状態になるまで更に
振動し続ける。
図１，３，４ に示す回路を放電スイッチ及び選択スイッチ双方の簡単な変更
により、次のように構成設計できる、即ち、アクチュエータが与えられた条件に
応じて負極ＧＮＤ（ローサイドＬｏｗｓｉｄｅ，図１及び図３参照）に接続され
たり、又は正極＋Ｖに一層近い電位のところ（ハイサイドＨｉｇｈｓｉｄｅ，図
４参照）おかれるように構成設計できるのである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Control device and method for capacitive actuator
The present invention relates to a small amount of chicken,
A device for controlling at least one capacitive actuator, for example, piezoelectrically
It relates to a corresponding control device for a fuel injection valve of an internal combustion engine to be activated. The present invention also provides
It also relates to the method of operation of the device.
EP 0 644 443 A1 discloses a piezo-actuator operating element.
The piezo actuator operating element is charged from the capacitor via the charging coil.
Is done. Part of the applied energy is used to discharge the piezo piezoelectric element.
The power supply is fed back into the capacitor via the
Is converted to heat. Negative voltage appears on piezoelectric actuator during discharge
You.
From DE 362 1541 C2, the piezo actuators for fuel injection valves are
The driver circuit is known to be used, and the piezoelectric actuator is provided with a voltage source.
It is charged through a series connection of two connected capacitors and a charging coil, and
Then, it is discharged into one of the two capacitors via the discharge coil.
In an alternative alternative embodiment, the actuator is a voltage source
Is charged through a capacitor and a charging coil connected to the power supply;
, The energy stored in the piezoelectric actuator is released through the discharge coil.
Is charged.
The object underlying the present invention is to control the voltage generated at the actuator.
Various setting values can be set to avoid negative voltage on the actuator.
At least one container which is configured as easily as possible with as little loss as possible
It is to provide a device for controlling a quantitative actuator.
The above object is achieved by the features of claims 1 and 2. Advantages of the present invention
Further developments are specified in the subclaims.
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic circuit diagram of the first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart relating to the operation of the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a schematic circuit diagram of the second embodiment.
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of the third embodiment.
FIG. 1 shows a control circuit ST controlled by an ordinary microprocessor.
Individual components of the internal combustion engine, not shown in greater detail, via a piezoelectric actuator P
1 shows a basic circuit for controlling a fuel injection valve.
Between the positive electrode + V of the energy source V and the negative electrode GND,
Controlled energy switch X1 and capacitor with current forward path only in one direction
A series connection of C is provided.
When referring to the switches X1 to X4 in the following description, the switches X1 to X4
A switch with current forward conduction in only one direction consisting of at least one semiconductor element
Switch, for example, a thyristor switch controlled by the control circuit ST.
When the energy switch X1 passes through the current path, the charging capacitor C is connected to the energy source
It is charged by V. This basically means that the voltage Uc at the charging capacitor
This is possible as long as it is smaller than the voltage of the energy source V.
A commutation coil connected to the energy switch X1 in parallel with the charging capacitor C (
Umschwingspule) L and charge stop switch X3-the function of it will be described later.
And a series-connected body.
An actuator circuit S is provided in parallel with the charge stop switch X3.
, The actuator circuit S is composed of a series connection of two parallel connections, one and the other.
And one of the parallel connection bodies is a current limiting, commutation reactor or commutation coil L
A charge switch X2 having a forward current path in a direction in which a current flows from the
In parallel with the discharge switch X4, which has a current forward path in the direction toward the il.
Another parallel connection is a parallel connection of an actuator P and a diode D.
In addition, the diode D allows a current to flow in the direction of the charging switch X2.
The switches X1 to X4 control the control circuit ST controlled by the microprocessor.
In addition, depending on the external control signal st, in this embodiment,
One set value Us for the different voltage (here, for example, the phase before fuel and for main injection).
Control depending on the actual value Up of the voltage.
Is done. The position of the actuator may be used instead of the actuator voltage.
No.
The operation method of the device will be described with reference to the example of the circuit of FIG. 1 using the flowchart of FIG.
Then, starting from the initial state (state I) where the charging capacitor is fully charged.
At this time, all the switches X1 to X4 are non-conductive and the commutation coils L
Is a no-current state.
At the start of the external control signal st = 1 (state), the charge switch X2 is fired.
(Current path is controlled). Thereby, the charging capacitor C is connected via the commutation coil L.
And begins to discharge into the actuator (acting like a capacitor),
The tuator begins to charge (state), which causes the piezo piezoelectric actuator to
Data length changes. The voltage Up appearing on the actuator—this is the arrow in FIG.
And is notified to the control circuit ST,-rises.
As soon as the voltage Up reaches the set value Us (state IV
) The charging process is terminated and the charging switch X2 is turned off, in other words, X2 =
0, and the charge stop switch X3 is set in the road state (X3 = 1, state)
. The oscillation circuit LC further oscillates until the commutation coil L enters a no-current state.
The charged state of the actuator is maintained while the control signal st is applied. System
When the control signal st disappears, (st = 0, state); the actuator is discharged.
I have to. To this end, the charge stop switch is controlled out of the way and X3 =
0, and the discharge switch is in the on state, X4 = 1 (state). So,
The actuator P discharges through the commutation coil L into the charging capacitor C. Acti
When the heater is discharged to the threshold voltage of the diode D, the diode D
Assuming current; the oscillating circuit LC continues to oscillate further until the next state occurrence, ie
It continues to vibrate until the commutation coil is in a no-current state. Switch X4 is off road
State controlled.
If there is no loss, the same voltage Uc as in the initial state is applied to the charging capacitor C.
In practice, the voltage in question will be somewhat smaller based on the losses.
As a result, in this embodiment, the switches X2 to X4 are turned off after the end of the discharging process.
When the power supply is turned off again, the energy switch X1 starts a new charging cycle.
Before being charged, the charging capacitor C must be recharged.
Controlled (state).
FIG. 3 shows a circuit basically corresponding to the circuit of FIG.
A circuit for controlling P1 to Pn is shown. In this circuit, energy source V, energy
Energy switch X1, charging capacitor C, commutation coil and charge stop switch
X3 is connected as in the circuit of FIG. 1 and likewise described there.
Acts like However, the control circuit ST is also not shown.
For the first actuator P1, the actuator circuit S1 replaces X2.
Instead, a charge switch X2.1 is provided, and a diode D1 and a discharge switch X4 are provided.
And has the same circuit as in FIG. 1, but the difference is that
Between the actuator P1 and the discharge switch X4, toward the discharge switch
A diode X2.1 having a forward direction of the current path is provided.
Mode X2.1 is unnecessary for controlling the only actuator in FIG.
Then, each of the actuators P2 to P2. one additional charge for n
Switches X2.2 to 2.1 to X2. n and one further diode D2.2-
D2. n is provided in the corresponding circuit.
Charge switches X2.1 to X2. Controlled by the control circuit. n is the charge
The actuator is selected, but the diodes D2.1 to D2. n is the selected action
Prevents other actuators besides the tutor from being charged. Common discharge switch
When the switch X4 is controlled, the discharge of each actuator causes the die belonging to the switch to operate.
Aether D2.1-2. n. Each actuator is a diode
When discharged to a threshold voltage, the diode takes on current;
LC continues to oscillate further until the commutation coil L enters the no-current state.
FIG. 4 shows a plurality of activators with reduced required components—cost compared to the circuit of FIG.
FIG. 4 shows a further circuit for the control of the heater, and also a control circuit ST
Not in.
In the circuit of FIG. 3, the thyristor switches X2.1 to X2. n husband and wife
Therefore, an expensive transformer is required. The above transformer can be omitted as follows.
Instead, a simple selection switch T1-Tn, for example, Power-MO
An SFET switch is used. At that time, the circuit corresponding to the circuit in FIG.
In this circuit, the actuator P is associated with the actuator P1 and its associated
It is replaced by a direct connection with the selection switch T1. At that time, select
In the switching section of the switch T1, a diode D1 having a forward current conduction in the discharge direction is provided.
Are connected in parallel, and the diode D1 is connected in the case of using a MOSFET switch.
It is integrated and integrated.
One actuator for each additional actuator P2 to Pn
P2 to Pn, selection switches T2 to Tn and diodes D2 to Dn.
The series connection body includes a series connection body P1-T1-D1 for the first actuator P1.
Are connected in parallel.
The operation of the circuit corresponds to the operation of the circuit of FIGS.
For example, when charging P1, for example, the associated selection switch T1 is turned on at least for the following periods.
It must be controlled throughout the road. While the charge switch X2 is under road control
The road must be controlled.
When the actuator P1 discharges, the current flows from the actuator to the discharge switch X.
4. Flow through commutation coil L, charging capacitor C and diode D1. Aku
When the tuator is discharged to the threshold voltage of diode D, said diode D
, The current is received, and the oscillation circuit LC further operates until the transfer coil is in the no-current state.
Continue to vibrate.
Simple change of the circuit shown in Fig.1,3,4 for both discharge switch and selection switch
Can be designed as follows:
Accordingly, it is connected to the negative electrode GND (low side Lowside, see FIGS. 1 and 3).
Or at a potential closer to the positive electrode + V (high side Highside, FIG.
4) The structure can be designed so as to be placed.
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(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ
(72)発明者 ハルトムート ゲルケン
ドイツ連邦共和国 Ｄ―93152 ニッテン
ドルフ ヨーゼフ―ゲラー―シュトラーセ
１
(72)発明者 ゲオルク ブラッソイア
オーストリア国 ＡＴ―1130 ウィーン
エルスラーガッセ 20
(72)発明者 リヒャルト ピルクル
ドイツ連邦共和国 Ｄ―93053 レーゲン
スブルク ブルンフーバーシュトラーセ
27──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 41/08 U (72) Inventor Hartmut Gerken Germany D-93152 Nitten Dorf Josef-Geller-Strasse 1 ( 72) Inventor Georg Brassoier, Austria AT-1130 Vienna, Elsragasse 20 (72) Inventor Richard Pilkul, Germany D-93053 Regensburg Burghuberstrasse 27