JP2002004924A - 圧電素子を充電または放電するための装置、システムの圧電素子を充電するための方法および燃料噴射システムに使用されるのに特別適している用途 - Google Patents

圧電素子を充電または放電するための装置、システムの圧電素子を充電するための方法および燃料噴射システムに使用されるのに特別適している用途

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JP2002004924A JP2001103983A JP2001103983A JP2002004924A JP 2002004924 A JP2002004924 A JP 2002004924A JP 2001103983 A JP2001103983 A JP 2001103983A JP 2001103983 A JP2001103983 A JP 2001103983A JP 2002004924 A JP2002004924 A JP 2002004924A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 燃料噴射システムに用いる圧電素子の充電期
間および放電期間の平均電流を低くすること。 【解決手段】 圧電素子を充電または放電するため装置
において、システムの電流を時間特性およびイベント特
性の関数として制御する。圧電素子１の端子の１つは恒
常的にアースに接続されており、すなわち電圧源の第１
の極に接続されている。圧電素子の別の端子は、コイル
２と、充電スイッチ３およびダイオード５から成る並列
回路を介して電圧源の第２の極に接続されており、かつ
コイル２と、放電スイッチ５およびダイオード６から成
る並列回路を介して電圧源の第１の極に接続されてい
る。電圧源は、バッテリー７（例えば、車両搭載バッテ
リー）、その下流のＤＣ円圧変換器８およびバッファキ
ャパシタとして役立つキャパシタ９を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、請求項１の上位概念に記載され
ているようなまたは請求項２の上位概念に記載されてい
るような装置および請求項１２，１３，１７の上位概念
に記載されているような方法および請求項１８の上位概
念に記載されているように使用される用途、すなわち圧
電素子を充電および放電するための、少なくとも部分的
に、充電および放電電流に対する実質的にインダクタン
スとして動作する素子を介して実施される充電および放
電両方のために使用される装置および方法および用途に
関する。
【０００２】一層詳細に考えられる本発明の圧電素子は
独占的にではないが、殊に、アクチュエータとして使用
される圧電素子である。圧電素子はこのような目的のた
めに使用することができる。というのは、周知のよう
に、圧電素子は、それに供給される電圧の関数として収
縮するまたは伸張する特性を有しているからである。
【０００３】問題のアクチュエータが急速および／また
は頻繁な動きを実施しなければならないとき殊に、圧電
素子を使用するアクチュエータを具体化実現すると有利
である。
【０００４】圧電素子をアクチュエータとして使用する
ことはなかんずく、内燃機関に対する燃料噴射ポンプに
おいて有利であることが実証されている。圧電素子を噴
射バルブアクチュエータとして使用することに関して
は、ＥＰ０３７１４６９Ｂ１号およびＥＰ０３７９１９
２Ｂ１号の両刊行物が参考になる。この種の圧電素子
は、所定の、一般に動作点に依存している電圧に充電さ
れる。圧電素子は縦方向に伸張し、それが噴射バルブの
開閉を制御するために使用される。圧電素子を近似的に
充電および放電することによって、所望の噴射操作また
は噴射プロフィールを実現することができる。
【０００５】図１５はアクチュエータとして圧電素子２
０１０を利用する燃料噴射システムの概略図である。図
７を参照すると、この圧電素子２０１０は電気的にエネ
ルギを与えられ、所与の活性化電圧に応答して伸長およ
び収縮する。この圧電素子２０１０はピストン２０１５
に結合されている。伸長した状態では、この圧電素子２
０１０によって、このピストン２０１５は、液体、例え
ば燃料を含む液圧アダプタ２０２０へと突き出される。
この圧電素子の伸長の結果、複動式制御バルブ２０２５
は液圧的にこの液圧アダプタ２０２０から押し出され、
バルブプラグ２０３５が第１の閉位置２０４０から押し
出される。複動式制御バルブ２０２５と中空ボア２０５
０との組み合わせはしばしば複動式複座バルブと呼ばれ
る。その理由は、圧電素子２０１０が励起されていない
場合には、この複動式制御バルブ２０２５はその第１の
閉位置２０４０に停止しているからである。他方で、圧
電素子２０１０が完全に伸長すると、このバルブ２０２
５はその第２の閉位置２０３０に停止する。バルブプラ
グ２０３５の後者の位置が概略的に図１５においてはゴ
ーストラインで表されている。
【０００６】燃料噴射システムは加圧燃料供給ライン２
０６０からシリンダ（図示せず）への燃料の噴射用の噴
射ニードル２０７０を有する。圧電素子２０１０が励起
されていない場合または圧電素子が完全に伸長している
場合、複動式制御バルブ２０２５はそれぞれ第１の閉位
置２０４０または第２の閉位置２０３０に停止してい
る。いずれの場合にも、液圧レール圧力は閉位置に噴射
ニードル２０７０を維持する。よって、燃料混合気はシ
リンダ（図示せず）には入らない。逆に、圧電素子２０
１０が励起され、これにより複動式制御バルブ２０２５
が中空ボア２０５０においていわゆる中間位置にある場
合には、加圧燃料供給ライン２０６０において圧力降下
がある。圧力降下の結果、噴射ニードル２０７０のトッ
プとボトムとの間において加圧燃料供給ライン２０６０
における圧力差が生じ、このため、この噴射ニードル２
０７０は持ち上げられ、シリンダ（図示せず）への燃料
噴射が行われる。
【０００７】相応のシステムの一層詳細な説明は、ドイ
ツ連邦共和国特許出願ＤＥ１９７４２０７３Ａ１および
ＤＥ１９７６２９８４４Ａ１にて読むことができ、これ
をもってこれらは全部がここに組み込まれたものにな
る。これらの特許出願は、燃料噴射システムにおける噴
射ニードルを制御するための複動式制御バルブを持つ圧
電素子を開示している。
【０００８】圧電素子は、既に部分的に上述したよう
に、特定の充電状態またはそこに生じている電圧または
そこに供給される電圧に依存して収縮および伸張する容
量負荷である。
【０００９】圧電素子を充電および放電するための基本
的な原理は周知である。すなわち、オーミック抵抗を介
する充電および放電並びにコイルを介する充電および放
電。これらの場合において、オーミック抵抗もコイルも
とりわけ、充電期間中に生じる充電電流および放電期間
中に生じる放電電流を制限するために用いられる。
【００１０】第１の形態、すなわちオーミック抵抗を介
する充電および放電が図９に示されている。
【００１１】充電または放電されるべき圧電素子には図
９では参照番号１０１が示されておりかつ充電トランジ
スタ１０２および放電トランジスタ１０３に接続されて
いる。
【００１２】充電トランジスタ１０２は充電増幅器１０
４によって制御されかつ導通状態において圧電素子１０
１を正の給電電圧に接続する。一方、放電トランジスタ
１０３は充電増幅器１０５によって制御されかつ導通状
態において圧電素子１０１をアースに接続する。
【００１３】充電トランジスタ１０２が導通状態にある
とき、充電電流はこれを通って流れかつ圧電素子１０１
を充電する。圧電素子１０１の充電が増大すると、圧電
素子に生じる電圧が上昇し、かつその外法寸法もこれに
応じて変化する。充電トランジスタ１０２の抑止、すな
わち充電動作の停止または終了により、圧電素子１０１
に蓄積された電荷、従ってこれにより素子中に形成され
た電圧、従ってまた圧電素子１０１の存在している外法
寸法が実質的に変化しない手法で保持されることにな
る。
【００１４】放電トランジスタ１０３が導通状態にある
とき、これを介して放電電流が流れかつ圧電素子１０１
を放電する。圧電素子１０１は段々強く放電されるの
で、そこに生じる電圧は低下し、かつその外法寸法も相
応に変化する。放電トランジスタ１０３の抑止、すなわ
ち放電動作の停止または終了により、圧電素子１０１に
まだ蓄積されている電荷、従ってこれにより素子中に形
成された電圧、従ってまた圧電素子１０１の存在してい
る外法寸法が実質的に保持されることになる。
【００１５】充電トランジスタ１０２および放電トラン
ジスタ１０３は、充電電流および放電電流の点で制御可
能なオーミック抵抗のように動作する。充電電流および
放電電流の制御の結果として、充電動作および放電動作
が所望通りに正確に行われるようにすることができる。
しかし、充電トランジスタ１０２を流れる充電電流およ
び放電トランジスタ１０３を流れる放電電流はそこに無
視できない電力損失を発生する。それぞれの充電／放電
サイクルに対するトランジスタにおけるエネルギー損
は、圧電素子１０１に蓄積されたエネルギーの少なくと
も２倍の大きさである。この高いエネルギー損の結果と
して、充電トランジスタ１０２および放電トランジスタ
１０３の著しい加熱が生じる。
【００１６】基本的にこの理由のために、とりわけ、既
に上に述べた、圧電素子を充電しかつ放電するための、
すなわちコイルを介して充電および放電するための第２
の例がしばしば使用される。この第２の形態の具体例
（オンプリメンテーション）が図１０に示されている。
【００１７】図１０には参照番号２０１で示されてい
る、充電および放電されるべき圧電素子は、充電スイッ
チ２０２によって閉成することができる充電電流回路お
よび放電スイッチ２０６によって閉成することができる
放電電流回路の構成要素である。すなわち、充電電流回
路は充電スイッチ２０２、ダイオード２０３，充電コイ
ル２０４、圧電素子２０１および電圧源２０５から成る
直列回路を有している。放電電流回路は放電スイッチ２
０６、ダイオード２０７，放電コイル２０８および圧電
素子２０１から成る直列回路を有している。
【００１８】充電電流回路のダイオード２０３は、圧電
素子を放電する可能性のある電流が充電電流回路に流れ
ることがないようにする。
【００１９】放電電流回路のダイオード２０７は、圧電
素子を充電する可能性のある電流が放電電流回路に流れ
ることがないようにする。
【００２０】充電スイッチ２０２（ノーマリー・オープ
ン）が閉成されているとき、充電電流が充電電流回路を
流れかつ圧電素子２０１が充電されるようにする。圧電
素子２０１に蓄積された電荷、従ってこれにより素子中
に生じる電圧、従ってまた圧電素子２０１の存在してい
る外法寸法は、充電スイッチが再び開放されても実質的
に変化されないように保持される。
【００２１】放電スイッチ２０６（ノーマリー・オープ
ン）が閉成されているとき、放電電流が放電電流回路を
流れかつ圧電素子２０１が放電されるようにする。圧電
素子２０１の充電状態、これにより圧電素子２０１中に
生じる電圧、および圧電素子２０１の存在している外法
寸法は、放電スイッチが再び開放されても実質的に変化
されないように保持される。
【００２２】充電コイル２０４および放電コイル２０６
は実質的に、充電電流および放電電流に対するインダク
タンスとして動作するエレメントである。充電コイル２
０４および圧電素子２０１、および放電コイル２０６お
よび圧電素子２０１は、圧電素子２０１のそれぞれの充
電および放電期間の間、ＬＣ直列発振器回路を形成す
る。
【００２３】ＥＰ０３７１４６９Ｂ１およびＥＰ０３７
１８−２Ｂ１が参考になる。ここには、圧電素子を充電
および放電するために使用される所定の回路が記載され
ている。
【００２４】基本原理に則って記載されている上掲の刊
行物から公知の装置および方法は、請求項１または請求
項２の上位概念に記載された装置、および請求項９また
は請求項１０または請求項１４の上位概念に記載された
方法である。
【００２５】図１０に記載されている回路は充電電流回
路にも放電電流回路にも実質的にオーミック抵抗を含ん
でいないので、圧電素子の充電および放電によって、す
なわちオーミック抵抗を流れる充電電流および放電電流
の流れによって生成される加熱エネルギーは極めて小さ
い。
【００２６】このような回路の実際のインプリメンテー
ションのためには比較的大きなスペースが必要である。
殊に、充電コイル２０４および放電コイル２０６の無視
できないサイズのためである。
【００２７】圧電素子または圧電式アクチュエータをア
クティベーションするときの基本となる仕事は、所定の
時間内にアクチュエータを充電および放電することであ
る。
【００２８】例えば、説明したアクティベーションシス
テムの場合、このことは電流バンド内で電流を調整する
ことによって実現することができる。電流バンドは２つ
のセットポイントによって定義されている。電流バンド
は、平均電流の流れが次式を充足するように選択されな
ければならない： Ｉａｖｅｒａｇｅ＝（Ｃｐ×Ｕｐ）／ＴＡ ここでＣｐはピエゾ・キャパシタンス、Ｕｐは充電およ
び放電期間のピエゾまたは圧電素子における初期電圧と
所望の電圧との間の差であり、かつＴＡはピエゾまたは
圧電素子または圧電素子が充電または放電されなければ
ならない時間間隔である。
【００２９】今日ではますます小さなアクチュエータ
が、それ故に容量がますます小さなピエゾまたは圧電素
子が使用されるようになってきた。しかし、充電または
放電に対する同じ時間間隔が要求されている。この要求
の結果、平均電流は著しく低くなる、例えば近似的に３
Ａまたはそれ以下。
【００３０】しかし存在するアクティベーションシステ
ムによって、平均電流の低減は制限されている。例え
ば、実際に使用されているコイルおよびピエゾまたは圧
電素子のキャパシタンスに対する電流勾配は非常に高
い。これは、インダクタンスおよびピエゾまたは圧電素
子のキャパシタンスに依存しているが、１０Ａ／μｓま
でである。
【００３１】電流制御のために使用されるアクティベー
ションロジックおよびスイッチは近似的に１μｓのスイ
ッチング時間を有しているので、このことは、参照電流
が１０Ａを上回ることを意味している。その場合平均電
流は、約５Ａにしか制限することができない。電流を制
限するためにインダクタンスが大きければいいが、サイ
ズが大きくなる傾向があるので非現実的である。
【００３２】本発明の目的は、請求項１または請求項２
の上位概念に記載の装置および請求項１２または請求項
１３または請求項１７の上位概念に記載の方法および請
求項１８の上位概念に記載の使用法を、圧電素子または
圧電式アクチュエータの充電および放電期間の低い平均
電流が任意に実現されるように発展させることである。
【００３３】本発明の別の目的は、請求項１２または請
求項１３または請求項１７の上位概念に記載の方法およ
び請求項１または請求項２の上位概念に記載の装置およ
び請求項１８の上位概念に記載の使用法を、これにより
圧電素子の効果的な充電および放電が可能であるが、一
方圧電素子の充電および放電期間の低い平均電流が任意
に実現されるように発展させることである。
【００３４】本発明は、圧電素子または圧電素子または
圧電式アクチュエータの充電および放電期間に低い平均
電流が任意に実現されるようにするものである。本発明
において、アクティベーションシステムは次のように変
形することができる：電流はある電流バンド内で調整さ
れないが、必要なときにはギャップを形成してもよく、
圧電素子の充電および放電期間の平均電流を低くするこ
とができる。
【００３５】その際充電電流および放電電流が少なくと
も部分的に、インダクタンスとして動作する同じ素子を
通って流れるようにされ、かつインダクタンスとして動
作する少なくとも１つの素子が、充電電流および放電電
流の両方がこの素子を通ることができるように配置され
る。
【００３６】実質的に充電または放電電流に対するイン
ダクタンスとして動作する素子を介する、例えば、コイ
ルまたはコイルとして動作するエレメントを介する圧電
素子の少なくとも部分的な充電および放電により、充電
電流路および放電電流路を実質的に電気負荷がないよう
にすることができる。結果として、一方において、非常
に僅かなエネルギーしか消費されず（というのは電力損
が低くかつ放電期間に圧電素子から回収されるエネルギ
ーは電圧源に戻されるかまたは一時的にキャパシタに蓄
積されるようにすることができるからである）、かつ他
方において充電および放電期間に生じる回路の熱は非常
に低く抑えられる。結果として、個々の構成要素（電源
も含めて）を比較的低い電力レベル用に設計することが
でき、かつ冷却のために予め必要とされる手段を完全に
あるいはいずれにせよ非常に狭められた範囲のものにす
ることができる。
【００３７】充電電流および放電電流はインダクタンス
として動作する同じ素子を通って流れるので、すなわち
充電電流および放電電流は、例えば同じコイルまたはコ
イルとして動作する素子を通って流れるので、更に素子
の数を、一層正確にはインダクタンスとして動作する素
子の数を低減することができる。要するに、これらの素
子の無視できないサイズのために、使用の装置のサイズ
に非常に肯定的な効果をもたらすことは明らかである。
【００３８】これにより、まさに制限された空間でかつ
所定の時間内に圧電素子の効果的な充電および放電を実
施することができる。
【００３９】本発明の装置は、従来技術の装置の場合よ
りも一層簡単かつ安価に製造することができる。
【００４０】本発明の有利な発展形態は従属請求項の対
象である。
【００４１】次に本発明を添付図面を用いて実施例を参
照して詳細に説明する。
【００４２】以下に、充電および放電操作が一層詳細に
説明される圧電素子は、例えば内燃機関の燃料噴射ノズ
ル（殊にいわゆるコモンレールインジェクションにおい
て）におけるアクチュエータとして使用可能である。し
かし、圧電素子のこのような使用には絶対に制限されて
いない。圧電素子は基本的にいずれの目的のいずれの装
置においても使用することができる。
【００４３】圧電素子は充電に応答して伸張しかつ放電
に応答して収縮するものと仮定する。しかし本発明は、
勿論、正確に反対の場合にも適用可能である。
【００４４】図１には、圧電素子を充電および放電する
ための回路の実施例が示されている。圧電素子は説明す
る例では充電されるべきものとする。圧電素子１の端子
の１つは恒常的にアースに接続されており、すなわち電
圧源の第１の極に接続されている。圧電素子の別の端子
は、コイル２と、充電スイッチ３およびダイオード５か
ら成る並列回路を介して電圧源の第２の極に接続されて
おり、かつコイル２と、放電スイッチ５およびダイオー
ド６から成る並列回路を介して電圧源の第１の極に接続
されている。
【００４５】電圧源は、バッテリー７（例えば、車両搭
載バッテリー）、その下流のＤＣ円圧変換器８およびバ
ッファキャパシタとして役立つキャパシタ９を有してい
る。この装置によって、バッテリー電圧（例えば１２
Ｖ）は実質的にどんな別のＤＣ電圧にも変換されかつ供
給電圧として使用できるようにされる。
【００４６】考察の例において、圧電素子１の充電およ
び放電は循環的な方法で行われる。換言すれば、充電ス
イッチ３および放電スイッチ５は、充電および放電操作
の期間に繰り返し閉成されかつ開放される。
【００４７】次に結果として生じる状態を図２ないし図
５を参照して説明する。そのうち図２および図３は圧電
素子１の充電を示しておりかつ図４および図５は圧電素
子１の放電を示している。
【００４８】圧電素子１の充電または放電が生じていな
いおよび生じていない限り、充電スイッチ３および放電
スイッチ５は開放されている。図１に示されている回路
は定常状態にあり、すなわち圧電素子１は実質的に変化
されない方法でその充電状態を保持し、かつ電流は流れ
ない。
【００４９】圧電素子１の充電のオンセットによって、
充電スイッチ３は繰り返し閉成されかつ開放される。放
電スイッチ５は開放された状態のままである。
【００５０】充電スイッチ３が閉成している場合、図２
に示された状態が発生する。すなわち圧電素子１、キャ
パシタ９およびコイル２から成る直列回路を有する閉回
路が形成され、この閉回路において電流ｉＬＥ（ｔ）が
図２に矢印で示されているように流れる。この電流フロ
ーの結果、エネルギーがコイル２に蓄積される。コイル
２への電流フローは、キャパシタ９と圧電素子１との間
の正の電位差によって影響を受ける。
【００５１】充電スイッチ３が閉成した後で短時間（例
えば、数μｓ）この充電スイッチ３が開かれる場合、図
３に示された状態が発生する：圧電素子１、ダイオード
６およびコイル２から成る直列回路を有する閉回路が形
成され、この閉回路において電流ｉＬＡ（ｔ）が図３に
矢印で示されているように流れる。この電流フローの結
果、コイル２に蓄積されたエネルギーが圧電素子１に流
れる。この圧電素子１へのエネルギ供給に相応して、圧
電素子１で発生する電圧およびこの圧電素子１の外法寸
法が増大する。一度エネルギー輸送がコイル２から圧電
素子１へ行われると、図１に示された既述の回路の定常
状態が再び得られる。
【００５２】その時またはそれ以前または以後に（充電
動作の所望のタイムプロフィールに依存して）充電スイ
ッチ３が再び閉成され再び開かれる。この結果、上記の
プロセスが繰り返される。充電スイッチ３のこの再開閉
の結果、圧電素子１に蓄積されるエネルギが増大し（既
にこの圧電素子１に蓄積されていたエネルギと新たに供
給されたエネルギーとが加算される）、かつ圧電素子で
生じる電圧およびこの圧電素子の外法寸法がこれに応じ
て増大する。
【００５３】充電スイッチ３の上述の開閉が多数回繰り
返されるならば、圧電素子で生じる電圧およびこの圧電
素子の伸長は段階的に増大する（後で説明する図６の説
明参照）。
【００５４】充電スイッチ３が所定の回数だけ開閉する
とおよび／または圧電素子１が所望の充電状態に達する
と、この圧電素子の充電が充電スイッチ３を開いたまま
にすることによって終了される。
【００５５】圧電素子１が再び放電されるべきとき、こ
のことは放電スイッチ５を繰り返し閉成および開放する
ことによって行われ、その間充電スイッチ３は開放され
たままである。
【００５６】放電スイッチ５が閉成されると、図４に示
された状態が発生する：圧電素子１０およびコイル２か
ら成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路
において電流ｉＥＥ（ｔ）が図４に矢印で示されている
ように流れる。この電流フローの結果、圧電素子に蓄積
されていたエネルギー（の一部）がコイル２に輸送され
る。圧電素子１からコイル２へのエネルギー供給に相応
して、圧電素子１０において発生する電圧およびこの圧
電素子の外法寸法が減少する。
【００５７】放電スイッチが閉成した後で短時間（例え
ば、数μｓ）この放電スイッチ５が開かれる場合、図５
に示された状態が発生する：圧電素子１、キャパシタ
９、ダイオード４およびコイル２から成る直列回路を有
する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉＥＡ
（ｔ）が図５に矢印で示されているように流れる。この
電流フローの結果、コイル２に蓄積されていたエネルギ
がキャパシタ９にフィードバックされる。一度エネルギ
ー輸送がコイル２からキャパシタ９へ行われると、図１
に示された既述の回路の定常状態が再び得られる。
【００５８】その時またはそれ以前または以後に（放電
動作の所望のタイムプロフィールに依存して）放電スイ
ッチ５が再び閉成され再び開かれる。この結果、上記の
プロセスが繰り返される。放電スイッチ５のこの再開閉
の結果、圧電素子１に蓄積されるエネルギーが更に減少
し、この圧電素子で生じる電圧およびこの圧電素子の外
法寸法もこれに応じて減少する。
【００５９】放電スイッチ５の上述の開閉が多数回繰り
返されるならば、圧電素子で生じる電圧およびこの圧電
素子の伸長は段階的に減少する（図６の説明参照）。
【００６０】放電スイッチ５が所定の回数だけ開閉する
とおよび／または圧電素子が所望の放電状態に達する
と、この圧電素子の放電は放電スイッチ５を開いたまま
にすることによって終了される。
【００６１】図１に示された回路の操作、またはもっと
正確には、上述したような圧電素子１の充電および放電
の結果として、図６に示されている電流および放電プロ
フィールが生じる。
【００６２】図６に示されている曲線に測定された変数
を表しているシンボルが付けられている。使用されてい
るシンボルは次のような意味を持っている：
【００６３】
【外１】
【００６４】図６に示されている電流および電圧曲線
は、充電プロセス（タイムスケール上近似的に１００μ
ｓないし３００μｓの範囲において）および放電プロセ
ス（タイムスケール上近似的に４００μｓないし６００
μｓの範囲において）表している。図６から、圧電素子
１に生じる電圧が均一でかつ十分制御されているプロフ
ィールを有していることがわかる。
【００６５】同時に、圧電素子の充電電流および放電に
影響を及ぼす回路、もっと正確には図１に示されている
回路は、極めてシンプルなコンフィギュレーションをし
かつ効率が最適によい。これには次の３つのファクター
が関与している、すなわち １） 充電および放電は唯一の同じコイル（すなわちコ
イル２）を通って実現される； ２） オーミック抵抗における熱発生が原因のエネルギ
ー損は無視できる程度に小さい；および ３） 圧電素子に蓄積されるエネルギーはキャパシタ９
に実質的に完全に戻され、従って続く再使用のために利
用できる。
【００６６】第１のファクターにより、構成要素の数、
殊にコイルの数（そもそも比較的大きい）を最小化する
ことができる。第２および第３のファクターにより、バ
ッテリー７およびＤＣ変換器８を比較的低い電力レベル
用に設計することが可能になる。
【００６７】上述したファクターのすべては、単独であ
ろうと組み合わされていようと、圧電素子を充電および
放電するために設けられている回路を可能な最小の空間
で実現されるようにし、かつその製造および動作コスト
が最小化されるようにする物であるか、または少なくと
もその可能性に貢献するものである。
【００６８】これまで本質において説明してきた圧電素
子を充電および放電するための方法およびこの方法を実
施するために適している回路を使用して、１つだけの圧
電素子というよりもむしろ複数の圧電素子を連続的に充
電および放電することができる。
【００６９】このことを可能にする回路が図７に示され
ている。
【００７０】図７に図示された回路は図１に図示されて
いる回路に基づいている。対応しているエレメントには
同じ参照番号が付されている。図１の「唯一の」圧電素
子１は、ダイオード１０と複数のピエゾまたは圧電素子
ブランチ１１，１２，…，ｌｎから成る並列回路によっ
て置換されている。各ピエゾまたは圧電素子ブランチ
は、圧電素子１１１，１２１，…１ｎ１と、セレクタス
イッチ１１２，１２２，…１ｎ２およびダイオード１１
３，１２３，…１ｎ３から成る並列回路との直列回路を
有している。
【００７１】ダイオード１０は、負の電圧が圧電素子に
生じるのを妨げる。負の電圧は状況によっては圧電素子
にダメージを与えるおそれがある。
【００７２】個々のピエゾまたは圧電素子ブランチに並
列に配置されているセレクタスイッチ／ダイオード対、
すなわちピエゾまたは圧電素子ブランチ１１におけるセ
レクタスイッチ１１２およびダイオード１１３および圧
電素子ブランチ１２におけるセレクタスイッチ１２２お
よびダイオード１２３および圧電素子ブランチ１３にお
けるセレクタスイッチ１ｎ２およびダイオード１ｎ
３は、寄生ダイオードを有する電子スイッチ、例えばＭ
ＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを使用してインプリメントす
ることができる。
【００７３】圧電素子１１１，１２１，…１ｎ１の充電
および放電は実質的に、図１に示されている圧電素子１
の充電および放電と同じ手法で実施される；すなわち、
充電のために、充電スイッチ３が繰り返して閉成されか
つ開放され、かつ放電のために、放電スイッチ５が繰り
返して閉成されかつ開放される。
【００７４】充電スイッチ３の繰り返される閉成および
開放に基づいて充電される単数または複数の圧電素子１
１１，１２１，…１ｎ１は、セレクタスイッチ１１２，
１２ ２，…１ｎ２によって決定される。それぞれの場合
において、充電される圧電素子１１１，１２１，…１ｎ
１は、充電スイッチ３の繰り返される閉成および開放期
間に所属のセレクタスイッチ１１２，１２２，…１ｎ２
が閉成されているすべての圧電素子である。
【００７５】充電されるべき圧電素子１１１，１２１，
…１ｎ１の選択（関連のセレクタスイッチ１１２，１２
２，…１ｎ２を閉成することによって）、この選択の解
消（関連スイッチを開放することによって）は一般に、
充電操作の外部で実施される。特別な場合において、複
数個の圧電素子１１１，１２１，…１ｎ１が同時に種々
のレベルに充電されるべきであれば、セレクタスイッチ
１１２，１２２，…１ｎ２の開放および閉成を充電操作
の期間に行うこともできる。
【００７６】選択された圧電素子１１１，１２１，…１
ｎ１の充電期間に行われる操作は、図１に示されている
回路の場合に生じる操作と実質的に同一である。図２お
よび図３および関連の説明も有効である。異なっている
のは、圧電素子１ではなくて、１つまたは複数の圧電素
子１１１，１２１，…１ｎ１が充電されるということだ
けである。
【００７７】圧電素子の放電作用をする放電電流はそれ
ぞれの圧電素子に関連付けられているダイオード１
１３，１２３，…１ｎ３を介して流れることができるの
で、圧電素子１１１，１２１，…１ｎ１の放電は関連付
けられているセレクタスイッチ１１２，１２２，…１ｎ
２の位置に関係なく行われる。それ故に、この放電操作
により完全にまたは部分的に充電された圧電素子１
１１，１２１，…１ｎ１がすべて放電されることにな
る。
【００７８】圧電素子１１１，１２１，…１ｎ１の放電
期間に生じる操作は、図１に示されている回路の場合に
生じる操作と実質的に同一である。図４および図５およ
び関連の説明も有効である。異なっているのは、圧電素
子１ではなくて、１つまたは複数の圧電素子１１１，１
２１，…１ｎ１が放電されるということだけである。
【００７９】図７に図示の回路が、圧電素子１１１，１
２１，…１ｎ１が上述したように個々にかつ連続的に放
電されるように操作されるのであれば、結果的に生じる
電流および放電プロフィールは図８に示されているプロ
フィールである。
【００８０】図８に示されている曲線には、測定された
変数を表しているシンボルが付けられている。使用され
ているシンボルは次のような意味を持っている：
【００８１】
【外２】
【００８２】図８に示されている電流および電圧プロフ
ィールは、圧電素子１１１に対する充電および放電操作
を（タイムスケール上近似的に０．１ｍｓないし０．７
ｍｓの範囲において）示し、圧電素子１２１に対する充
電および放電操作を（タイムスケール上近似的に０．８
ｍｓないし１．４ｍｓの範囲において）示し、かつ圧電
素子１２ｎ１に対する充電および放電操作を（タイムス
ケール上近似的に１．５ｍｓないし２．１ｍｓの範囲に
おいて）示している。個々に示されている様子を見れ
ば、図７に示されている回路の機能、および操作の手法
がわかる。
【００８３】図８から分かるように、圧電素子に生じる
電圧は殆ど線形でかつ十分制御されているプロフィール
を有している。
【００８４】同時に、圧電素子の充電電流および放電に
影響を及ぼす回路、もっと正確には図７に示されている
回路は、極めてシンプルなコンフィギュレーションをし
かつ効率が最適によい。もう一度、図１の回路を用いて
既に説明したように、このことに貢献するファクター
は、基本的に、充電および放電が同じコイル（すなわち
コイル２）を通って実現されること；オーミック抵抗に
おける熱発生が原因のエネルギー損が無視できる程度に
小さいこと；および圧電素子に蓄積されるエネルギーが
キャパシタ９に実質的に完全に戻され、従って続く再使
用のために利用できるということである。
【００８５】第１のファクターにより、構成要素の数、
殊にコイルの数（そもそも比較的大きい）を最小化する
ことができる。第２のファクターにより、ＤＣ変換器８
を比較的低い電力レベル用に設計することが可能にな
る。
【００８６】上述したファクターのすべては、単独であ
ろうと組み合わされていようと、圧電素子を充電および
放電するための上に説明した回路（図７に示されている
回路）を可能な最小の空間で実現されるようにし、かつ
その製造および動作コストが最小化されるようにするも
のである。
【００８７】上述の実施例のそれぞれにおいて、インダ
クタンスとして動作するエレメントとしてコイルが使用
された。しかしこのことは何ら制限をするものではな
い。送信機、トランスなどのようなインダクタンスとし
て動作する別のエレメントを、コイルの代わりに使用す
ることもできる（回路のコンフィギュレーションおよび
操作に対して適当に変形されて）。
【００８８】上述してきた、循環的な手法で充電および
放電操作を実施するという表現もこれに制限されるもの
ではない。充電および／または放電を、交番的にまたは
付加的に、別の方法で実施することもできる。
【００８９】とりわけ、充電および／または放電操作
を、発振回路として動作する１つまたは複数の充電およ
び／または放電電流回路を用いて全体的にまたは部分的
に実施することも可能である。
【００９０】図１１には、例を用いて、本発明によって
提供されるよりも高い平均電流を有している、圧電素子
または圧電素子または圧電式アクチュエータの充電期間
中のプロフィール例が示されている。
【００９１】本発明において、電流がこの低い限界値以
下に降下した後で再び充電スイッチ３を閉成する代わり
に、すなわち電流が再び上昇できるようにすることで、
本発明のアクティベーションシステムは、必要であれ
ば、ギャップを示し、従って結果的に平均電流が比較的
低くなるようにする電流を発生することができる。
【００９２】本発明の実施例のいずれに対しても、本発
明は、確定された時間遅延または所定の時間が次のよう
に定義されるようにしている：所定の低い電流値を下回
る値を有しているまたは所定の高い値を有している電流
値が測定される（例えば、測定ユニットまたは類似のも
のによって）とき、充電または放電スイッチがその都
度、確定された時間遅延または所定の時間が生じるまた
は経過するまで連続してオフ状態またはオン状態が維持
されるようにしかつそれから充電または放電スイッチ
（３，５）のスイッチオンまたはスイッチオフが許容さ
れる。更に特定すれば、測定された電流値が所定の低い
電流値に等しいかまたはそれより低いとき、所定の時間
が始まりかつ経過する。この所定の時間が終了するまた
は所定の時間に達するとき、充電スイッチ３はオフ状態
からオン状態に切り換えられる。本発明の１つの実施例
であるこの手法によって、この時間間隔を変化すること
によって所望の平均電流を実現することができることに
なる。
【００９３】これに対して３つの択一例が提案されてい
る。すなわち、これらに共通している特徴は、純然たる
イベント制御型の制御システムというよりは（「イベン
ト」は電流しきい値より上方および下方の動作範囲（ex
cursion）である）、イベントおよび時間制御型の制御
システムである。
【００９４】本発明の第１の実施例によれば、付加的な
パラメータとして、低い電流しきい値より下方の動作範
囲に基づいて充電スイッチを元の状態に切り換えるため
の時間遅延。特別な場合、この低い電流しきい値は図１
２に示されているように零となる場合もある。この時間
間隔が零にセットされているならば、その前の状態と比
べて変化はない。図１２には、約５μｓの時間および０
Ａにおける低い電流しきい値を有している本発明の第１
の実施例が示されている。この時間間隔を変化すること
によって所望の平均電流を実現することができる。
【００９５】図１３に示されている本発明の第２の実施
例では、低い電流しきい値は省略されている。その代わ
りに、充電スイッチを切り換えるために一定の周波数を
有する方形波信号が使用される。上側の電流しきい値が
越えられるとき、その前のように、スイッチはオフされ
る。これにより、生じる最大の電流が構成要素に対して
損傷を及ぼすことはないことが保証される。
【００９６】図１４に示されている、本発明の第３の実
施例では、充電スイッチはいずれの場合にも、上側の電
流しきい値より上方の動作範囲に続く前以て決めること
ができる時間後に元の状態に切り換えられるようになっ
ている。
【００９７】アクティベーション時間およびアクティベ
ーション電流が所望通り変化されるようにアクティベー
ションを種々の変化することができる。電流中のギャッ
プが生じるようにアクティベーションを変化することが
でき、この場合には低い平均電流を得るようにすること
ができる。
【００９８】本発明が基づいている、圧電素子または圧
電式アクチュエータに対する時間およびイベント制御さ
れるアクティベーションシステムは、従来インプリメン
トされていた純イベント制御型のアクティベーションシ
ステムと比べて少なくともアプリケーション・ニュート
ラルであることがわかっている。実施例および定義され
た時間およびイベント特性に依存して、実際に、アクテ
ィベーションＩＣにおけるアクティベーションシステム
のインプリメンテーションが余り複雑でないためにコス
トの面で有利である。
【００９９】しかし基本的に、本発明は、自由に選択可
能なアクティベーション信号のインプリメンテーション
を可能にすることができ、アクティベーションＩＣのフ
レキシビリティは大幅に高められる。
【０１００】本発明は、所望の機能が保証されているの
で、製品に関してそれがはっきりと現れる。
【０１０１】本発明、請求項１または請求項２に記載の
装置および請求項１１または１２または請求項１６また
は請求項１７に記載の方法は、種々様々なアプリケーシ
ョンにおいて使用することができ、必ずしも燃料噴射シ
ステムに制限されていない。事実、本発明のアクティベ
ーションＩＣにおけるアクティベーションシステムのイ
ンプリメンテーションが比較的複雑でないために、本発
明は一層比較的安価な上、効率もよくしかも信頼でき
る、従来の方法に対する択一例を提供するものである。
【０１０２】従って、要約するに、本発明の装置および
方法は、特に圧電素子の充電および放電の期間の任意の
低い平均電流を実現することによって、圧電素子の充電
および放電を簡単でかつ巧妙な方法でしかも限られたス
ペースにおいてさえ効率よく実施することを可能にする
ものであると言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を使用して圧電素子を充電および
放電するのに適している、本発明による回路の略図であ
る。
【図２】図１の回路における第１の充電フェーズの期間
に生じる状態（充電スイッチ３は閉成されている）を説
明する略図である。
【図３】図１の回路における第２の充電フェーズの期間
に生じる状態（充電スイッチ３は再び開放されている）
を説明する略図である。
【図４】図１の回路における第１の放電フェーズの期間
に生じる状態（放電スイッチ５は閉成されている）を説
明する略図である。
【図５】図１の回路における第２の放電フェーズの期間
に生じる状態（放電スイッチ５は再び開放されている）
を説明する略図である。
【図６】図１の回路の操作期間に生じる電圧および電流
値の充電状態を時間について示す線図である。
【図７】本発明による方法を使用して多重の圧電素子を
順次充電および放電するための本発明による回路の略図
である。
【図８】図７の回路の操作期間に生じる電圧および電流
値の充電状態を時間について示す線図である。
【図９】充電および放電電流に対してオーミック抵抗と
して動作する要素を介して圧電素子を充電および放電す
るための従来の回路の略図である。
【図１０】充電および放電電流に対してコイルとして動
作する要素を介して圧電素子を充電および放電するため
の従来の回路の略図である。
【図１１】回路に配置されている圧電式アクチュエータ
の充電期間のプロフィールを示す線図である。
【図１２】０Ａのところにある低い電流しきい値および
この低いしきい値に達した後、図１の充電スイッチ３が
再びターンオンされるまで確定された時間ｔを有してい
る、本発明の択一的な実施例を説明する線図である。
【図１３】高い電流しきい値を有しかつ充電スイッチ３
が確定されしかも一定の周波数を用いてターンオンされ
る、本発明の択一的な実施例を説明する線図である。
【図１４】電流しきい値の読み出しと充電スイッチのタ
ーンオンとの間に所定の時間遅延を有している、本発明
の別の択一的な実施例を説明する線図である。
【図１５】アクチュエータとして圧電素子を使用する燃
料噴射システムの概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 41/083 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｂ Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｐ (72)発明者 アレクサンダー ホック ドイツ連邦共和国 シユツツトガルト ク ニットリンガー シュトラーセ １ Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 BA17 CC06 CC14 CE27 CE29 3G301 HA02 JA02 LB11 LC05 LC10

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電素子（１および／または１１１，１
    ２１，…１ｎ１）を充電または放電するための装置にお
    いて、効果的な低い平均電流を実現するために電流が時
    間特性およびイベント特性の関数として調整されること
    を特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 燃料噴射システムの圧電素子（１および
    ／または１１１，１２１，…１ｎ１）を充電または放電
    するための装置において、効果的な低い平均電流を実現
    するために燃料噴射システムの電流が時間特性およびイ
    ベント特性の関数として調整されることを特徴とする装
    置。
  3. 【請求項３】 効果的な低い平均電流を実現するために
    電流は、時間特性およびイベント特性の関数として充電
    または放電スイッチ（３，５）を切り換えることによっ
    て調整される請求項１または２記載の装置。
  4. 【請求項４】 電流が所定の低いしきい値より下方のレ
    ベルにあるとき、充電スイッチは所定の時間間隔の間開
    放されたままにされて、電流にギャップが生じるように
    される請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
  5. 【請求項５】 電流の絶対値が、所定の限界しきい値で
    あるイベント特性に等しいまたは該しきい値より大きい
    または該しきい値より小さいときその都度、装置の充電
    スイッチ（３）または放電スイッチ（５）はオフ位置か
    らオン位置にまたはオン位置からオフ位置へ切り換えら
    れて、その都度充電または放電がなされるかまたは充電
    または放電が停止されるようにされる請求項１から４ま
    でのいずれか１項記載の装置。
  6. 【請求項６】 電流の絶対値が、所定の低い限界しきい
    値電流であるイベント特性に等しいまたは該しきい値よ
    り小さくなってから、装置の充電または放電スイッチ
    （３，５）はオフ位置からオン位置へ切り換えられて、
    時間特性の所定の時点で充電または放電がなされるよう
    にされる請求項１から５までのいずれか１項記載の装
    置。
  7. 【請求項７】 確定された周波数の方形波信号を使用し
    て充電または放電スイッチ（３，５）をオフ位置からオ
    ン位置へ切り換えて、充電または放電がなされるように
    される請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
  8. 【請求項８】 電流の絶対値が、所定の限界しきい値電
    流であるイベント特性に等しいまたは該しきい値より大
    きいとき、充電または放電スイッチ（３，５）はオン位
    置からオフ位置へ切り換えられる請求項１から７までの
    いずれか１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 時間特性およびイベント特性を変化する
    ことによって所望の平均電流が実現されるようにした請
    求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
  10. 【請求項１０】 時間遅延が前以て決められ、充電また
    は放電スイッチが該前以て決められてた時間遅延に従っ
    てオン位置に切り換えられ、該前以て決められてた時間
    遅延は、電流の絶対値が所定の電流しきい値に等しいか
    または該電流しきい値より大きいときトリガされるよう
    に設定されている請求項１から９までのいずれか１項記
    載の装置。
  11. 【請求項１１】 電流は電流バンド内では調整されずか
    つ電流中にギャップが現れる請求項１から１０までのい
    ずれか１項記載の装置。
  12. 【請求項１２】 システムにおける圧電素子を充電する
    ための方法において、システムの電流を時間特性および
    イベント特性の関数として調整して、効果的な低い平均
    電流が実現されるようにすることを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】 燃料噴射システムの圧電素子（１およ
    び／または１１１，１２１，…１ｎ１）を充電または放
    電するための方法において、燃料噴射システムの電流を
    時間特性およびイベント特性の関数として調整して、効
    果的な低い絶対平均電流が実現されるようにすることを
    特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 電流の絶対値が、所定の限界しきい値
    電流であるイベント特性に等しいまたは該しきい値より
    大きいまたは該しきい値より小さいときその都度、シス
    テムの充電または放電スイッチ（３，５）はオフ位置か
    らオン位置にまたはオン位置からオフ位置へ切り換え
    て、その都度充電または放電がなされるようにするかま
    たは充電または放電が停止されるようにする請求項１１
    または１２記載の方法。
  15. 【請求項１５】 電流の絶対値が、所定の低い限界しき
    い値電流であるイベント特性に等しいまたは該しきい値
    より小さくなってから、システムの充電または放電スイ
    ッチ（３，５）をオフ位置からオン位置へ切り換えて、
    時間特性の所定の時点で充電または放電がなされるよう
    にする請求項１１または１２記載の方法。
  16. 【請求項１６】 確定された周波数の方形波信号を使用
    して充電または放電スイッチ（３，５）をオフ位置から
    オン位置へ切り換えて、充電または放電がなされるよう
    にしかつ電流の絶対値が、所定の上側の限界しきい値電
    流であるイベント特性に等しいまたは該しきい値より大
    きいとき、充電または放電スイッチ（３，５）をオン位
    置からオフ位置へ切り換える請求項１１または１２記載
    の方法。
  17. 【請求項１７】 燃料噴射システムの圧電素子（１およ
    び／または１１１，１２１，…１ｎ１）を充電または放
    電するための方法において、充電または放電に先立っ
    て、燃焼噴射システムの時間特性の関数として圧電素子
    （１および／または１１１，１２１，…１ｎ１）を充電
    または放電するための電流の絶対値に対して定義を行う
    ことを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】 燃料噴射システム、請求項１から１７
    までのいずれか１項記載の燃料噴射システム、有利には
    複動式制御バルブを使用している燃料噴射システムに使
    用されるのに適している用途。
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