JP2002010658A - 圧電素子からの回路短絡を検出する装置、および圧電素子からの回路短絡を検出する方法 - Google Patents

圧電素子からの回路短絡を検出する装置、および圧電素子からの回路短絡を検出する方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 圧電素子を駆動する際のバッテリ電圧への回
路短絡を検出できる装置及び方法に関する。 【解決手段】 装置および方法は、動作すべき圧電素子
を選択するスイッチと圧電素子によって実行すべき動作
を選択するスイッチとを分離することを特徴とする。バ
ッテリ電圧への回路短絡は圧電素子を選択するスイッチ
を作動する際に最初に検出される。所定の時間間隔にわ
たって、本発明では圧電素子の直列回路を流れる異常電
流を監視する。異常電流が検出されると、バッテリ電圧
への回路短絡を表すエラー信号が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、請求項１の上位概念に記載の装
置、および請求項６の上位概念に記載の方法に関する。
本発明は特に圧電素子を駆動する際のバッテリ電圧への
回路短絡を検出できる装置および方法に関する。
【０００２】圧電素子はアクチュエータとして利用する
ことができる。なぜなら周知のように、圧電素子は印加
される電圧または内部で発生する電圧の関数として収縮
または伸長する特性を有しているからである。
【０００３】圧電素子を用いたアクチュエータの実際の
実施形態は、特にここで扱われているアクチュエータが
迅速および／または頻繁に運動しなければならない場合
に有利であると判明している。
【０００４】圧電素子をアクチュエータとして使用する
と、内燃機関の燃料噴射ノズルに対してとりわけ有利で
あると判明している。これについては例えば欧州特許第
０３７１４６９号明細書および欧州特許第０３７９１８
２号明細書に記載された燃料噴射ノズルでの圧電素子の
使用法を参照されたい。
【０００５】圧電素子は容量性素子であり、既に一部上
述したように特定の充電状態に相応して、または内部で
発生する電圧またはそこへ印加される電圧に相応して、
収縮ないし伸長する。燃料噴射ノズルの例では、圧電素
子の収縮および伸長の作用は制御弁で使用され、この制
御弁が噴射ノズルのリニアストロークを操作する。圧電
素子を複動複座弁とともに使用して燃料噴射装置内の相
応の噴射ニードルを制御する手法は、ドイツ連邦共和国
特許出願公開第１９７４２０７３号明細書およびドイツ
連邦共和国特許出願公開第１９７２９８４４号明細書に
示されており、これらの明細書の内容は本発明に組み込
まれている。
【０００６】圧電素子を使用する燃料噴射装置は、まず
得られた近似の結果として、圧電素子が印加電圧に対す
る比例関係を示し、線形に伸長するという事実を特徴と
している。燃料噴射ノズルは例えば複動複座弁として構
成されており、ニードルのリニアストロークを制御して
内燃機関のシリンダ内へ燃料を噴射させる。相応のシリ
ンダ内へ噴射される燃料量は弁の開放時間の関数であ
り、圧電素子が使用される場合には当該の圧電素子に印
加される作動電圧の関数となる。
【０００７】図１には圧電素子２０１０をアクチュエー
タとして使用した燃料噴射装置の概略図が示されてい
る。図１によれば圧電素子２０１０は電気的にエネルギ
を供給され、供給された作動電圧に応じて伸長ないし収
縮する。圧電素子２０１０はピストン２０１５に結合さ
れている。伸長状態で圧電素子２０１０はピストン２０
１５を液圧アダプタ２０２０内へ突入させる。液圧アダ
プタは液圧流体、例えば燃料を有している。圧電素子が
伸長した結果、複動制御弁２０２５は液圧によって液圧
アダプタ２０２０から押し出され、バルブプラグ２０３
５が第１の閉位置２０４０から離れる。複動制御弁２０
２５と中空ボア２０５０との組み合わせはしばしば複動
複座弁と称されるが、これは圧電素子２０１０が励起さ
れない状態では複動制御弁２０２５が第１の閉位置２０
４０に留まり、これに対して圧電素子２０１０が完全に
伸長した状態では弁が第２の閉位置２０３０に留まるか
らである。バルブプラグ２０３５の後者の位置は図１で
は概略的にゴーストとして一点鎖線で示されている。
【０００８】燃料噴射装置は噴射ニードル２０７０を有
しており、これにより燃料が加圧された燃料供給管路２
０６０から（図示されていない）シリンダ内へ噴射され
る。圧電素子２０１０が励起されていないかまたは完全
に伸長した状態では、複動制御弁２０２５はそれぞれ第
１の閉位置２０４０または第２の閉位置２０３０に係止
されている。どちらの場合もレール液圧が噴射ニードル
２０７０を閉位置で維持する。したがって燃料混合気は
（図示していない）シリンダ内へは侵入しない。逆に圧
電素子２０１０が励起されて複動制御弁２０２５が中空
ボアに対していわゆる中間位置にある場合には、加圧さ
れた燃料供給管路２０６０で圧力が低下する。この圧力
低下により、加圧された燃料供給管路２０６０では噴射
ニードル２０７０の頂部と底部との間で圧力差が生じ
る。これにより噴射ニードル２０７０は上昇して（図示
されていない）シリンダ内へ燃料を噴射する。
【０００９】したがって本発明の課題は、請求項１の上
位概念に記載された装置および請求項６の上位概念に記
載された方法を提供し、１つまたは複数の圧電素子の内
部またはその端子にかかるバッテリ電圧への回路短絡を
確実に検出できるようにすることである。
【００１０】この課題は請求項１の特徴部分に記載の装
置の構成、および請求項６の特徴部分に記載の方法の構
成によって解決される。
【００１１】本発明によれば、 ａ）動作すべき圧電素子を選択するための素子選択スイ
ッチと、圧電素子に接続される充電または放電回路を選
択する動作選択スイッチと、素子選択スイッチを所定の
時間間隔にわたって動作選択スイッチの作動まで作動さ
せる制御ユニットとが設けられており、この制御ユニッ
トにより、電流測定値が所定の時間間隔中に所定の最大
値よりも大きくなった場合さらにエラー信号が形成さ
れ、 ｂ）動作すべき圧電素子を選択するためのスイッチを閉
成し、電流測定値を所定の時間間隔にわたって圧電素子
に接続される充電または放電回路を選択するスイッチを
閉成するまで監視し、電流測定値が所定の時間間隔中に
所定の最大値よりも大きくなった場合さらにエラー信号
を形成する。
【００１２】本発明の実施形態では、アクチュエータ駆
動回路が相互に並列接続された圧電素子のグループを駆
動する。スイッチを操作することにより、各圧電素子は
分離され、燃料噴射サイクルの期間中、他のエレメント
とは別個に操作される。
【００１３】バッテリ電圧への回路短絡は望ましくない
多くの効果を有しており、圧電素子の正常な駆動を妨害
する。例えば１つの圧電素子の正の端子でのショート
は、当該の圧電素子およびこれに並列接続された他のエ
レメントが放電サイクル中に完全に放電する作用を妨害
する。バッテリ電圧へのショートが選択されていない圧
電素子の負の端子で発生すると、当該の圧電素子は、閉
成回路が形成されることにより、並列接続された別の選
択アクチュエータの分岐を介して誤って充電されてしま
う。また圧電素子の負の端子でのバッテリ電圧へのショ
ートは、充電電圧の極性が短絡回路の電圧の極性と反対
になるために、圧電素子の意図的な充電サイクル中の適
切な充電をも妨害する。バッテリ電圧が直接に圧電素子
にかかると圧電素子駆動回路の能力が損なわれ、電圧を
一定の段階的な形式で制御することができなくなる。圧
電素子からバッテリ電圧への短絡の結果、意図しない燃
料の噴射が行われるおそれもある。この状況はきわめて
望ましくない。さらに負の端子でのバッテリ電圧への短
絡は、相応の選択スイッチが閉成された場合に不所望の
大電流を発生させる。これにより電流センサ（シャント
抵抗）が破壊されてしまうことがある。
【００１４】圧電素子駆動回路は、本発明によれば、燃
料噴射装置の圧電素子に対する充放電サイクルを行う複
数のスイッチを有している。これらスイッチには、どの
圧電素子を所定の時点で操作すべきか選択するために使
用されるものと、充電回路または放電回路のいずれを選
択された圧電素子に接続すべきかを制御するために使用
されるものとがある。これらのスイッチの操作は予めプ
ログラミングされたアクティベーションＩＣおよび制御
ユニットのマイクロプロセッサによって制御される。
【００１５】本発明によれば、バッテリ電圧への回路短
絡を検出するために、圧電素子の選択スイッチないし操
作スイッチが明確なシーケンスで圧電素子駆動回路の電
流のモニタリングの間作動される。
【００１６】第１にピエゾ素子選択スイッチが作動さ
れ、操作すべき特定の圧電素子が選択される。この時点
では動作選択スイッチは作動されておらず、充電回路ま
たは放電回路と圧電素子とは接続されていない。したが
って通常の状況では、電流は圧電素子を介して、または
圧電素子に直列接続された圧電シャント抵抗を介しては
流れない。バッテリ電圧への回路短絡が圧電素子で発生
すると、異常電流が短絡した回路から途中の圧電素子や
圧電性のシャント抵抗を介して最終的にグラウンドへ流
れる。このような異常電流を圧電素子の選択後所定の時
間間隔にわたってモニタリングすることにより、バッテ
リ電圧への回路短絡を本発明の装置および／または方法
を使用して検出することができる。所定の最大値よりも
大きい電流が検出されるとエラー信号が形成され、圧電
素子１０、２０、３０、４０、５０、６０のサイクルが
ホールドされる。所定の最大値を超える電流が検出され
なければ、駆動回路はノーマルに動作を進行させて適切
な充電回路または放電回路と選択された圧電素子とを接
続する。
【００１７】本発明の有利な実施形態は、従属請求項、
以下の説明、および図面などから得られる。
【００１８】本発明を以下詳細に実施例に則して図を参
照しながら説明する。
【００１９】図２には実施例の制御弁のストロークの概
略的なプロフィルを表す２つのグラフによって複動制御
弁の動作が示されている。図２の上方のグラフではｘ軸
が時間を表し、ｙ軸がバルブプラグのシフト（弁のリフ
ト運動）を表している。図２の下方のグラフではｘ軸が
時間を表し、ｙ軸が燃料流を形成するノズルニードルの
リフト運動を表している。この運動は上方のグラフの弁
のリフト運動から発生する。上方のグラフおよび下方の
グラフは相互に相応のｘ軸で表された時間の点でアライ
メントされている。
【００２０】１回の噴射サイクル中、圧電素子は充電さ
れ伸長することによって（このことについては後に詳述
する）、相応のバルブプラグを第１の閉位置からプレ噴
射ストロークに対する第２の閉位置へ運動させる。これ
は図２の上方のグラフに示されている。図２の下方のグ
ラフには燃料の少量噴射が示されており、これは複動制
御弁の２つの座（位置）の間でのバルブプラグの運動と
して発生し、プラグが２つの座の間を運動するにつれて
弁を開閉する。
【００２１】一般に圧電素子の充電は２段階で行われ
る。第１の段階では圧電素子が所定の電圧まで充電さ
れ、弁が開放される。第２の段階ではさらに圧電素子が
充電され、バルブプラグが第２の閉位置に接触すること
により弁が再び閉鎖される。この２つの段階の間には時
間遅延が存在する。
【００２２】予め選択された時間の後に放電動作が行わ
れ（このことについては後に詳述する）、圧電素子内の
電荷が低減されてエレメントが収縮し、バルブプラグは
第２の閉位置から動かされて２つの座の中間の位置でホ
ールドされる。圧電素子内の作動電圧は最大燃料流に相
応に所定の時間内にメイン噴射に対応する位置へ弁を到
達させる。図２の上方のグラフおよび下方のグラフは中
間位置での弁のリフト運動がホールドされ、メイン燃料
噴射が行われることを示している。
【００２３】メイン噴射の時間の終了時に圧電素子は作
動電圧ゼロの値まで放電され、圧電素子の更なる収縮が
起こり、バルブプラグが中間位置から第１の閉位置へ動
かされる。これにより弁は閉鎖されて燃料流は停止す
る。このことは図２の上方のグラフおよび下方のグラフ
に示されている。この時点でバルブプラグは再び所定の
位置を取り、更なるプレ噴射およびメイン噴射のサイク
ルを前述のように反復する。もちろん他の噴射サイクル
を実行することもできる。
【００２４】図３には本発明の適用される装置の実施例
のブロック図が示されている。
【００２５】図３には詳細に示されている領域Ａと大ま
かに示された領域Ｂとがダッシュ線Ｃで分離して示され
ている。詳細に示されている領域Ａは圧電素子１０、２
０、３０、４０、５０、６０の充放電用の回路を含む。
ここで考察している実施例ではこれらの圧電素子１０、
２０、３０、４０、５０、６０は内燃機関の燃料噴射ノ
ズル（特にいわゆるコモンレールインジェクタ）のアク
チュエータである。圧電素子は周知の通り前述したよう
にこの種の目的に使用され、そこに印加される電圧また
は内部で発生する電圧の関数として収縮または伸長する
特性を有する。この実施例で６個の圧電素子１０、２
０、３０、４０、５０、６０を使用する理由は、相互に
独立に内燃機関内の６個のシリンダを制御するためであ
る。したがって他の目的に適合させるためにこれとは異
なる数の圧電素子を使用することもできる。
【００２６】大まかに示された領域Ｂは制御ユニットＤ
とアクティベーションＩＣ（Ｅ）とを有しており、これ
らの２つとも詳細に示されている領域Ａの素子によって
制御される。さらにシステム特性を測定する測定装置Ｆ
が設けられている。アクティベーションＩＣ（Ｅ）はア
クチュエータ駆動回路の残りの部分を介した種々の電圧
および電流の測定値を受け取る。本発明によれば制御ユ
ニットＤおよびアクティベーションＩＣ（Ｅ）は作動電
圧と圧電素子に対する作動タイミングとを制御するよう
にプログラミングされている。また制御ユニットＤおよ
び／またはアクティベーションＩＣ（Ｅ）はアクチュエ
ータ駆動回路を経由した種々の電圧および電流を監視す
るようにプログラミングされている。
【００２７】以下ではまず詳細に示されている領域Ａ内
の個々の素子について説明する。その次に圧電素子１
０、２０、３０、４０、５０、６０の一般的な充放電の
プロシージャ説明する。さらに２つのプロシージャを制
御ユニットＤおよびアクティベーションＩＣ（Ｅ）を用
いて制御ないし監視する手法を詳細に説明する。
【００２８】詳細に示されている領域Ａの回路は６個の
圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０を有す
る。
【００２９】圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、
６０は第１のグループＧ１および第２のグループＧ２、
すなわちそれぞれ３個ずつの圧電素子を有するグループ
に分けられる（すなわち圧電素子１０、２０、３０が第
１のグループＧ１であり、圧電素子４０、５０、６０が
第２のグループＧ２である）。グループＧ１、Ｇ２は相
互に並列接続された回路部の構成要素である。グループ
選択スイッチ３１０、３２０が使用され、圧電素子１
０、２０、３０のグループＧ１または圧電素子４０、５
０、６０のグループＧ２のいずれが共通の充放電装置に
よって放電されるかが定められる。ただしグループ選択
スイッチ３１０、３２０は充電プロシージャに対する意
義は有さない。このことは後に詳述する。
【００３０】グループ選択スイッチ３１０、３２０はコ
イル２４０と相応のグループＧ１、Ｇ２（そのコイル側
の端子）との間に配置されており、トランジスタとして
構成されている。サイドドライバ３１１、３２１は、ア
クティベーションＩＣ（Ｅ）から受け取った制御信号を
電圧に変換するように構成されており、この電圧はスイ
ッチの開閉を要求に応じて行うのに適している。
【００３１】ダイオード３１５、３２５（グループ選択
ダイオードと称される）はそれぞれグループ選択スイッ
チ３１０、３２０に対して並列に設けられる。グループ
選択スイッチ３１０、３２０はＭＯＳＦＥＴまたはＩＧ
ＢＴとして構成されており、例えばこれらのグループ選
択ダイオード３１５、３２５は寄生ダイオードそのもの
によって構成することができる。ダイオード３１５、３
２５はグループ選択スイッチ３１０、３２０を充電プロ
シージャ中にバイパスする。したがってグループ選択ス
イッチ３１０、３２０の機能は圧電素子１０、２０、３
０のグループＧ１または４０、５０、６０のグループＧ
２を放電プロシージャの期間中に選択することだけに制
限されている。
【００３２】各グループＧ１、Ｇ２内で圧電素子１０、
２０、３０；４０、５０、６０は並列接続された圧電分
岐１１０、１２０、１３０（グループＧ１）および圧電
分岐１４０、１５０、１６０（グループＧ２）の構成要
素として配置されている。各圧電分岐は第１の並列回路
および第２の並列回路から成る直列回路であり、第１の
並列回路は圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６
０と相応の抵抗１３、２３、３３、４３、５３、６３
（分岐抵抗と称される）とを有しており、第２の並列回
路はトランジスタ１１、２１、３１、４１、５１、６１
（分岐選択スイッチと称される）およびダイオード（１
２、２２、３２、４２、５２、６２）として構成された
選択スイッチから成る。
【００３３】分岐抵抗１３、２３、３３、４３、５３、
６３はそれぞれ相応の圧電素子１０、２０、３０、４
０、５０、６０に対して充電プロシージャ中およびその
後ひき続き放電を行わせる。これは抵抗がそれぞれ容量
性の圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０の２
つの端子を相互接続することによって行われる。しかし
各分岐抵抗１３、２３、３３、４３、５３、６３は充分
に大きいので、このプロシージャは以下に説明する被制
御の充放電プロシージャに比べて緩慢に行われる。した
がって圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０の
電荷は充電プロシージャ後の相応の時間内では不変であ
るという仮定が充分通用する。それにもかかわらず分岐
抵抗１３、２３、３３、４３、５３、６３を構成するの
は圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０に残留
する電荷をシステムのブレークダウンまたは他の例外的
状況において回避するためである。すなわち分岐抵抗１
３、２３、３３、４３、５３、６３は以下の説明では無
視してもよい。
【００３４】個々の圧電分岐１１０、１２０、１３０、
１４０、１５０、１６０における分岐選択スイッチおよ
び分岐ダイオードのペア、すなわち圧電分岐１１０の選
択スイッチ１１およびダイオード１２、圧電分岐１２０
の選択スイッチ２１およびダイオード２２などを寄生ダ
イオードを備えた電子スイッチ（すなわちトランジス
タ）を用いて構成することができる。これは例えばＭＯ
ＳＦＥＴまたはＩＧＢＴであり、前述の例ではグループ
選択スイッチおよびダイオードのペア３１０、３１５ま
たは３２０、３２５である。
【００３５】分岐選択スイッチ１１、２１、３１、４
１、５１、６１は圧電素子１０、２０、３０、４０、５
０、６０のうちいずれが共通の充放電装置によって充電
されるかを設定するために使用される。いずれの場合に
も、充電される圧電素子１０、２０、３０、４０、５
０、６０は全てその分岐選択スイッチ１１、２１、３
１、４１、５１、６１が充電プロシージャ中に閉成され
るスイッチであり、これについては以下で説明する。通
常はいずれの場合にも唯一の分岐選択スイッチのみが閉
成される。
【００３６】分岐ダイオード１２、２２、３２、４２、
５２、６２は分岐選択スイッチ１１、２１、３１、４
１、５１、６１を放電プロシージャ中にバイパスするた
めに用いられる。したがって充電プロシージャに対する
この実施例では個々の圧電素子が選択され、放電プロシ
ージャでは圧電素子１０、２０、３０の第１のグループ
Ｇ１または圧電素子４０、５０、６０の第２のグループ
Ｇ２のいずれか、ないしその両方が選択される。
【００３７】圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、
６０自体に立ち返って考えると、分岐選択用の圧電端子
１５、２５、３５、４５、５５、６５は分岐選択スイッ
チ１１、２１、３１、４１、５１、６１または相応のダ
イオード１２、２２、３２、４２、５２、６２と付加的
な抵抗３００とを介してグラウンドに接続される。
【００３８】抵抗３００の目的は圧電素子１０、２０、
３０、４０、５０、６０の充放電中に分岐選択用の圧電
端子１５、２５、３５、４５、５５、６５とグラウンド
との間を流れる電流を測定することである。この電流が
既知となることにより、圧電素子１０、２０、３０、４
０、５０、６０の被制御の充放電が可能となる。特に充
電スイッチ２２０および放電スイッチ２３０を開閉する
際に電流量に依存して充電電流および放電電流を所定の
平均値に設定したり、および／または所定の最大値およ
び／または最小値が上方超過ないし下方超過されないよ
うにこれらの電流を維持することができる。このことは
後に詳述する。抵抗３００は回路の異常状況において流
れる電流の検出にも利用される。すなわち本発明によれ
ば、圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０のバ
ッテリ電圧への回路短絡を検出することができる。
【００３９】ここで考察している実施例では、測定自体
にさらに５Ｖの直流電流を給電する電圧源６２１と２つ
の抵抗６２２、６２３として構成された分圧器とが必要
となる。これは測定の行われるアクティベーションＩＣ
（Ｅ）に負の電圧が生じるのを阻止するために設けられ
ている。負の電圧は阻止手段が講じられないと測定点６
２０に発生することがあり、アクティベーションＩＣ
（Ｅ）によっては処置できない。このような負の電圧は
正の電圧設定値との加算により正の電圧へ変換される。
この電圧設定値は電圧源６２１および分圧器の抵抗６２
２、６２３から供給される。
【００４０】各圧電素子１０、２０、３０、４０、５
０、６０の他方の端子、すなわちグループ選択用の圧電
端子１４、２４、３４、４４、５４、６４はグループ選
択スイッチ３１０、３２０またはグループ選択ダイオー
ド３１５、３２５とコイル２４０とを介して、また充電
スイッチ２２０および充電ダイオード２２１から成る並
列回路を介して電圧源の正極へ接続されており、これに
代えてまたはこれに加えてグループ選択スイッチ３１
０、３２０またはグループ選択ダイオード３１５、３２
５とコイル２４０とを介して、また放電スイッチ２３０
または放電ダイオード２３１から成る並列回路を介して
グラウンドへ接続されている。充電スイッチ２２０およ
び放電スイッチ２３０はトランジスタとして構成されて
おり、例えばサイドドライバ２２２、２３２によって制
御される。
【００４１】電圧源は容量特性を有する素子を含んでお
り、ここで考察している実施例では、この素子はバッフ
ァキャパシタ２１０である。キャパシタ２１０はバッテ
リ２００（例えば車両バッテリ）とその下流の直流電圧
変換器２０１とによって充電される。直流電圧変換器２
０１は例えば１２Ｖのバッテリ電圧を実質的に他の例え
ば２５０Ｖの電圧に変換し、キャパシタ２１０をその電
圧まで充電する。直流電圧変換器２０１はトランジスタ
スイッチ２０２および抵抗２０３によって制御され、測
定点６３０から取り出された電流の測定に使用される。
【００４２】相互チェックの目的で、測定点６５０での
別の電流測定が例えばアクティベーションＩＣ（Ｅ）と
抵抗６５１、６５２、６５３および５Ｖの直流電圧源６
５４とによって行うことができる。測定点６４０での電
圧測定はアクティベーションＩＣ（Ｅ）および分圧器の
抵抗６４１、６４２によって行われる。
【００４３】さらに抵抗３３０（全放電抵抗と称され
る）、トランジスタとして構成された停止スイッチ３３
１（ストップスイッチと称される）、およびダイオード
３３２（全放電ダイオードと称される）は圧電素子１
０、２０、３０、４０、５０、６０の放電に利用され
る。これらの素子が“通常の”放電動作で放電されない
場合については後に説明する。ストップスイッチ３３１
は有利には“通常の”放電プロシージャ後に閉成される
（放電スイッチ２３０によるサイクル放電）。スイッチ
はこれにより圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、
６０とグラウンドとを抵抗３３０、３００を介して接続
し、圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０に残
っている可能性のある残留電荷を除去する。全放電ダイ
オード３３２は負の電圧が圧電素子１０、２０、３０、
４０、５０、６０に生じてこれにダメージを与えるよう
な状況の発生を回避する。
【００４４】全ての圧電素子１０、２０、３０、４０、
５０、６０または個々の各圧電素子の充放電は１つの充
放電装置によって全てのグループの圧電素子に対して共
通に行われる。ここで考察している実施例では、共通の
充放電装置はバッテリ２００、直流電圧変換器２０１、
キャパシタ２１０、充電スイッチ２２０、放電スイッチ
２３０、充電ダイオード２２１、放電ダイオード２３
１、およびコイル２４０を有している。
【００４５】各圧電素子の充放電は全て同様に作用する
ので、以下では第１の圧電素子１０のみについて説明す
る。
【００４６】充放電プロシージャ中に発生する状況を図
４Ａ〜図４Ｄを参照しながら説明する。図４Ａ、図４Ｂ
には圧電素子１０の充電作用が示されており、図４Ｃ、
図４Ｄには圧電素子１０の放電作用が示されている。
【００４７】１つまたは複数の圧電素子１０、２０、３
０、４０、５０、６０から充電または放電すべき圧電素
子を選択することと、以下に説明する充電プロシージャ
および放電プロシージャとは、アクティベーションＩＣ
（Ｅ）および制御ユニットＤによって駆動される。これ
は上述のスイッチ１１、２１、３１、４１、５１、６
１；３１０、３２０；２２０、２３０、３３１のうち１
つまたは複数のスイッチを開閉することにより行われ
る。アクティベーションＩＣ（Ｅ）と詳細に示された領
域Ａの素子との間の相互作用、またはアクティベーショ
ンＩＣ（Ｅ）と制御ユニットＤとの間の相互作用につい
ては後に詳述する。
【００４８】充電プロシージャについては、まず充電す
べき個々の圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６
０が選択される。充電すべき第１の圧電素子１０を排他
的に選択するためには、第１の分岐１１０の分岐選択ス
イッチ１１が閉成され、これに対して他の分岐選択スイ
ッチ２１、３１、４１、５１、６１は開放されたままで
ある。他の圧電素子２０、３０、４０、５０、６０を排
他的に充電するか、または同時に複数個の素子を充電す
るには、相応の分岐選択スイッチ２１、３１、４１、５
１および／または６１を閉成することによって素子を選
択する。
【００４９】一般に、ここで考察している実施例では、
充電プロシージャはキャパシタ２１０と第１の圧電素子
１０のグループ選択圧電端子１４との間に正の電位差を
要求する。しかし充電スイッチ２２０および放電スイッ
チ２３０が開放されている間は圧電素子１０の充放電は
発生しない。この状態では図３の回路は定常状態、すな
わち圧電素子１０の充電状態が実質的に変化しないまま
維持され、電流が流れない状態となっている。
【００５０】本発明によれば、圧電素子１０の充電が充
電スイッチ２３０の閉成により開始されるまでに所定の
時間間隔が経過する。この時間間隔中、圧電素子１０、
２０、３０、４０、５０、６０からバッテリ電圧への回
路短絡が検出される。これは圧電シャント抵抗３００を
通って流れる電流を監視し、測定点６２０で検出するこ
とにより行われる。所定の時間間隔中に測定点６２０で
検出された電流が所定の最大値より大きかった場合には
エラー信号が形成され、圧電素子１０、２０、３０、４
０、５０、６０のサイクルが中断される。
【００５１】そうでない場合には充電プロシージャその
ものが行われる。すなわち、第１の圧電素子１０を充電
するために、充電スイッチ２２０が閉成される。理論的
には第１の圧電素子１０はこのことのみによって充電す
ることができる。しかしこの措置は大電流を形成し、関
連する素子にダメージを与えてしまうことがある。その
ために発生する電流を測定点６２０で測定し、検出電流
が所定の限界値を超過した場合には直ちにスイッチ２２
０を再び開放する。第１の圧電素子１０への所望の充電
を達成するには、充電スイッチ２２０の開閉を反復し、
放電スイッチ２３０を開放したままにする。
【００５２】より詳細に言えば、充電スイッチ２２０が
閉成されると図４Ａに示された状態が発生し、圧電素子
１０、キャパシタ２１０、およびコイル２４０から成る
直列回路を含む閉成回路が形成され、この回路を電流ｉ
ＬＥ（ｔ）が図４Ａの矢印で示されているように流れ
る。この電流の結果として２つの正の電荷が第１の圧電
素子１０のグループ選択圧電端子１４にもたらされ、エ
ネルギがコイル２４０に蓄積される。
【００５３】充電スイッチ２２０が閉成された後短時間
だけ（例えば数μｓだけ）開放されると、図４Ｂに示さ
れている状態が発生する。すなわち圧電素子１０、充電
ダイオード２２１、およびコイル２４０から成る直列回
路を含む閉成回路が形成され、この回路を電流ｉ
ＬＡ（ｔ）が図４Ｂに矢印で示されているように流れ
る。この電流の結果、コイル２４０に蓄積されたエネル
ギが圧電素子１０に流れ込む。この圧電素子１０へのエ
ネルギ輸送に相応して、圧電素子に電圧が発生し、その
外部寸法が増大する。エネルギ輸送がコイル２４０から
圧電素子１０へ向かって発生すると、回路の定常状態が
図３について上述したように再び発生する。
【００５４】その時点、またはその時点より幾分早いか
幾分遅い時点で（これは充電動作の所望の時間プロフィ
ルに依存する）、充電スイッチ２２０は再び開閉され、
これにより上述のプロセスが反復される。充電スイッチ
２２０の再閉成および再開放の結果として、圧電素子１
０に蓄積されたエネルギは増大し（既に圧電素子１０に
蓄積されているエネルギと新たに送出されたエネルギと
が加算される）、電圧が圧電素子１０に発生してその外
部寸法が相応に増大する。
【００５５】前述の充電スイッチ２２０の開閉が数回反
復されると、圧電素子１０で電圧が発生し、圧電素子１
０の伸長が段階的に発生する。
【００５６】充電スイッチ２２０が所定の回数だけ開閉
され、および／または圧電素子１０が所望の充電状態を
達成すると、圧電素子の充電は充電スイッチ２２０を開
放したままにすることにより終了される。
【００５７】放電プロシージャについてここで考察して
いる実施例では、圧電素子１０、２０、３０、４０、５
０、６０はグループごとに（Ｇ１および／またはＧ２）
次のように放電される。
【００５８】第１に、グループのグループ選択スイッチ
３１０および／または３２０、またはグループＧ１およ
び／またはグループＧ２の放電すべき圧電素子のスイッ
チが閉成される。分岐選択スイッチ１１、２１、３１、
４１、５１、６１は放電プロシージャ中は圧電素子１
０、２０、３０、４０、５０、６０の選択には作用しな
い。なぜならこの場合これらのスイッチは分岐ダイオー
ド１２、２２、３２、４２、５２、６２によってバイパ
スされているからである。したがって圧電素子１０を第
１のグループＧ１の一部として放電させるために、第１
のグループ選択スイッチ３１０が閉成される。
【００５９】放電サイクル中、本発明によれば、圧電素
子１０が放電スイッチ２３０を閉成することによって放
電されるまでに、所定の時間間隔が経過する。この時間
間隔中、圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０
からバッテリ電圧への回路短絡が検出される。これは圧
電シャント抵抗３００を通って流れる電流を監視し、測
定点６２０で検出することにより行われる。所定の時間
間隔中に測定点６２０で検出された電流が所定の最大値
より大きかった場合にはエラー信号が形成され、圧電素
子１０、２０、３０、４０、５０、６０のサイクルが中
断される。
【００６０】放電スイッチ２３０が閉成されると図４Ｃ
に示された状態が発生し、圧電素子１０およびコイル２
４０から成る直列回路を含む閉成回路が形成され、この
回路を電流ｉＥＥ（ｔ）が図４Ｃの矢印で示されている
ように流れる。この電流の結果として、圧電素子に蓄積
されていたエネルギ（またはその一部）がコイル２４０
へ輸送される。圧電素子１０からコイル２４０へ輸送さ
れたエネルギに相応して、圧電素子１０に電圧が発生
し、その外部寸法が収縮する。
【００６１】放電スイッチ２３０が閉成された後短時間
だけ（例えば数μｓだけ）開放されると、図４Ｄに示さ
れている状態が発生する。すなわち圧電素子１０、キャ
パシタ２１０、放電ダイオード２３１、およびコイル２
４０から成る直列回路を含む閉成回路が形成され、この
回路を電流ｉＥＡ（ｔ）が図４Ｄに矢印で示されている
ように流れる。この電流の結果、コイル２４０に蓄積さ
れたエネルギがキャパシタ２１０へフィードバックされ
る。この圧電素子１０へのエネルギ輸送に相応して、圧
電素子に電圧が発生し、その外部寸法が増大する。エネ
ルギ輸送がコイル２４０からキャパシタ２１０へ向かっ
て発生すると、回路の定常状態が図３について上述した
ように再び発生する。
【００６２】その時点またはその時点より幾分早いか幾
分遅い時点で（これは放電動作の所望の時間プロフィル
に依存する）、放電スイッチ２３０は再閉成および再開
放され、これにより上述のプロセスが反復される。放電
スイッチ２３０の再閉成および再開放の結果として、圧
電素子１０に蓄積されたエネルギはさらに低下し、電圧
が圧電素子１０に発生してその外部寸法が相応に収縮す
る。
【００６３】前述の放電スイッチ２３０の開閉が数回反
復されると、圧電素子１０で電圧が発生し、圧電素子１
０が段階的に収縮する。
【００６４】放電スイッチ２３０が所定の回数だけ開閉
され、および／または圧電素子１０が所望の放電状態を
達成すると、圧電素子１０の放電は放電スイッチ２３０
を開放したままにすることにより終了される。
【００６５】アクティベーションＩＣ（Ｅ）と一方の制
御ユニットＤとの相互作用または他方の詳細に示された
領域Ａ内の素子との相互作用はアクティベーションＩＣ
（Ｅ）から詳細に示された領域Ａ内の素子への制御信号
によって行われる。この制御信号は分岐選択制御線路４
１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、グル
ープ選択制御線路５１０、５２０、ストップスイッチ制
御線路５３０、充電スイッチ制御線路５４０、放電スイ
ッチ制御線路５５０、および制御線路５６０を介して送
出される。これに対して測定点６００、６１０、６２
０、６３０、６４０、６５０で得られたセンサ信号が詳
細に示された領域Ａ内に存在し、この信号はアクティベ
ーションＩＣ（Ｅ）へセンサ線路７００、７１０、７２
０、７３０、７４０、７５０を介して伝送される。
【００６６】制御線路は電圧をトランジスタのベースへ
印加する場合にも印加しない場合にも使用される。これ
により圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０が
選択され、１つまたは複数の圧電素子１０、２０、３
０、４０、５０、６０の充放電プロシージャが上述の相
応のスイッチの開閉によって行われる。センサ信号は特
に圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０で発生
した電圧を測定点６００、６１０から求めるため、およ
び充放電電流を測定点６２０から求めるために用いられ
る。
【００６７】図３に示されているように、制御ユニット
ＤおよびアクティベーションＩＣ（Ｅ）はパラレルバス
８４０および付加的にシリアルバス８５０を介して相互
に接続されている。パラレルバス８４０は特に制御信号
を制御ユニットＤからアクティベーションＩＣ（Ｅ）へ
高速伝送するために使用され、これに対してシリアルバ
ス８５０は低速のデータ伝送に使用される。
【００６８】図５にはアクティベーションＩＣ（Ｅ）の
有する幾つかのコンポーネントが示されている。すなわ
ち、論理回路８００、ＲＡＭメモリ８１０、ディジタル
アナログ変換器８２０、および比較器装置８３０であ
る。さらにここには（制御信号用の）高速パラレルバス
８４０がアクティベーションＩＣ（Ｅ）の論理ユニット
８００に接続され、低速シリアルバス８５０はＲＡＭメ
モリ８１０に接続されることが示されている。論理回路
８００はＲＡＭメモリ８１０、比較器装置８３０、およ
び信号線路４１０〜４６０；５１０、５２０；５４０〜
５６０に接続されている。ＲＡＭメモリ８１０は論理回
路８００とディジタルアナログ変換器８２０とに接続さ
れている。ディジタルアナログ変換器８２０はさらに比
較器８３０に接続されている。比較器８３０はさらにセ
ンサ線路７００、７１０；７２０；７３０〜７５０と上
述のように論理回路８００とに接続されている。
【００６９】上で列挙したコンポーネントは充電プロシ
ージャでは次のように用いられる。すなわち、制御ユニ
ットＤにより、特定の圧電素子１０、２０、３０、４
０、５０、６０が定められ、所定の目標電圧まで充電さ
れる。その後まずディジタル数で表された目標電圧値が
ＲＡＭメモリ８１０へ低速シリアルバス８５０を介して
伝送される。目標電圧は例えばメイン噴射で使用される
Ｕｏｐｔの値である。その後かまたは同時に、選択され
る特定の圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０
に相応するコードとＲＡＭメモリ８１０内の所望の電圧
のアドレスとがパラレルバス８４０を介して論理回路８
００へ伝送される。さらにストローブ信号が論理回路８
００へパラレルバス８４０を介して送信され、これによ
り充電プロシージャの開始信号が供給される。
【００７０】開始信号により、まず論理回路８００が目
標電圧のディジタル値をＲＡＭメモリ８１０からピック
アップし、この値をディジタルアナログ変換器８２０へ
送出する。これにより変換器８２０のアナログ出力側で
所望の電圧が発生する。なお前述の（図示されていな
い）アナログ出力側は比較器装置８３０へ接続されてい
る。これに加えて論理回路８００は第１のグループＧ１
の圧電素子１０、２０、３０を測定する測定点６００ま
たは第２のグループＧ２の圧電素子４０、５０、６０を
測定する測定点６１０を比較器装置８３０に対して選択
する。その結果、目標電圧と選択された圧電素子１０、
２０、３０、４０、５０、６０での実際電圧とが比較器
装置８３０で比較される。比較の結果すなわち目標電圧
と実際電圧との差は論理回路８００へ伝送される。ここ
で論理回路８００は目標電圧と実際電圧とが相互に等し
くなると直ちにこのプロシージャを停止する。
【００７１】次に論理回路８００は制御信号を選択され
た圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０に相応
する分岐選択スイッチ１１、２１、３１、４１、５１、
６１へ印加し、スイッチを閉成する。これにより全ての
分岐選択スイッチ１１、２１、３１、４１、５１、６１
は充電プロシージャのオンまで、すなわち前述の実施例
中開放状態にあると見なされる。
【００７２】本発明によれば、論理回路８００は所定の
時間間隔にわたって、圧電シャント抵抗３００を通る回
路短絡電流を測定点６２０でモニタリングするために待
機する。論理回路８００によってシャント抵抗３００を
通る電流が所定の最大値よりも大きいことが検出される
と、この論理回路８００はエラー信号を発生し、圧電素
子１０、２０、３０、４０、５０、６０でのサイクルを
一時中断する。エラー信号はアクティベーションＩＣ
（Ｅ）または制御ユニットＤのエラーメモリへのエント
リとして記録される。
【００７３】回路短絡のエラーが検出されなければ、論
理回路８００は制御信号を充電スイッチ２２０へ印加し
てスイッチを閉成させる。さらに論理回路８００は測定
点６２０に発生する電流の測定を開始または持続する。
ここで測定電流は比較器装置８３０によって所定の最大
値と比較される。所定の最大値に検出電流が到達すると
直ちに論理回路８００は充電スイッチ２２０を再び開放
する。
【００７４】なお測定点６２０に残っている電流も検出
され、所定の最小値と比較される。前述の最小値が達成
されると直ちに、論理回路８００は充電スイッチ２２０
を再び閉成し、プロシージャがもう一度開始される。
【００７５】充電スイッチ２２０の開閉は、測定点６０
０または６１０で検出された電圧が目標電圧を下回って
いる限り反復される。目標電圧が達成されると直ちに論
理回路はプロシージャの反復を停止させる。
【００７６】放電プロシージャは前述の場合に相応する
ように行われる。すなわち圧電素子１０、２０、３０、
４０、５０、６０の選択がグループ選択スイッチ３１
０、３２０により行われる。さらに本発明によれば、論
理回路８００は所定の時間間隔にわたって待機し、充電
フェーズで圧電シャント抵抗３００を通る回路短絡電流
を測定点６２０を介してモニタリングする。論理回路８
００により圧電シャント抵抗３００を通る電流が所定の
最大値よりも大きいことが検出された場合、論理回路８
００はエラー信号を形成し、圧電素子１０、２０、３
０、４０、５０、６０のサイクルを一時中断する。エラ
ー信号はアクティベーションＩＣ（Ｅ）または制御ユニ
ットＤのエラーメモリへのエントリとして記録される。
【００７７】回路短絡エラーが検出されない場合には、
充電スイッチ２２０に代えて放電スイッチ２３０が開閉
され、所定の最小目標電圧が達成される。
【００７８】充放電動作のタイミング、圧電素子１０、
２０、３０、４０、５０、６０での電圧レベルの維持、
および例えばメイン噴射の時間は、弁のストロークに相
応に例えば図２に示されているように定められる。
【００７９】上述したような充放電プロシージャは実施
例として示したに過ぎないことを理解されたい。したが
って上述の回路または他の回路を使用する他のプロシー
ジャも所望の目的に適するようにして可能であり、相応
のプロシージャを上述の実施例に代えて使用することが
できる。
【００８０】圧電性のアクチュエータを作動するための
目標電圧はＲＡＭメモリ８１０に記憶されている。
【００８１】これらの値は燃料噴射装置の動作特性、例
えば燃料圧の関数として変化する。これについては並行
同日出願の事務所書類番号１０７４４／１１の"Method
andApparatus for Charging a Piezoelectric Element"
に記載されている。したがってＲＡＭメモリ８１０に記
憶された値は設定された初期電圧に対して加算または減
算されるΔ値を測定された燃料圧の関数として含む。こ
のことは前掲の明細書に説明されている。記憶されてい
る目標電圧は修正することもできるし、連続的に最適化
することもできる。後者の手法は並行同日出願の事務所
書類番号１０７４４／１３の"Online Optimization of
Injection Systems Having Piezoelectric Elements"に
説明されている。
【００８２】このように本発明のバッテリ電圧への回路
短絡を圧電素子の駆動中に検出する手法は前述の実施例
を用いて直ちに実施することができる。上で論じたよう
に、本発明では、バッテリグラウンドへの回路短絡は圧
電シャント抵抗３００を通る電流を所定の時間間隔にわ
たってモニタリングすることにより検出される。この時
間間隔は圧電素子を選択するスイッチ、すなわち分岐選
択スイッチ１１、２１、３１、４１、５１、６１および
グループ選択スイッチ３１０、３２０が閉成される時点
から、充放電動作を選択するスイッチ、すなわち充放電
スイッチ２２０、２３０が閉成される時点までの間であ
る。測定点６２０で検出された抵抗３００を通る電流が
所定の最小値よりも大きい場合にエラー信号が形成され
る。エラー信号はアクティベーションＩＣ（Ｅ）または
制御ユニットＤのエラーメモリを形成するために使用す
ることができる。
【００８３】回路短絡を表すエラー信号が充放電サイク
ルを停止させた場合には、意図しないのに充電された圧
電素子１０、２０、３０、４０、５０、６０の完全な放
電が保証されることが重要である。したがって回路短絡
が検出されて駆動サイクルが停止された後、アクティベ
ーションＩＣ（Ｅ）はストップスイッチ３３１およびグ
ループ選択スイッチ３１０、３２０を所定の時間にわた
って閉成させる。これにより充電された圧電素子が完全
に放電されることが保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電素子をアクチュエータとして使用する燃料
噴射装置の概略図である。
【図２】実施例の制御弁ストロークの概略的なプロフィ
ルである。
【図３】本発明を実施する装置の実施例のブロック図で
ある。
【図４Ａ】図３の回路の第１の充電フェーズ中（充電ス
イッチ２２０が閉成されている期間中）に発生する状況
を説明する図である。
【図４Ｂ】図３の回路の第２の充電フェーズ中（充電ス
イッチ２２０が再び開放される期間中）に発生する状況
を説明する図である。
【図４Ｃ】図３の回路の第１の放電フェーズ中（放電ス
イッチ２３０が閉成されている期間中）に発生する状況
を説明する図である。
【図４Ｄ】図３の回路の第２の放電フェーズ中（放電ス
イッチ２３０が再び開放される期間中）に発生する状況
を説明する図である。
【図５】図３のアクティベーションＩＣ（Ｅ）のコンポ
ーネントのブロック図である。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電素子（１０、２０、３０、４０、５
    ０、６０）を駆動する際のバッテリ電圧への圧電素子
    （１０、２０、３０、４０、５０、６０）からの回路短
    絡を検出する装置において、 動作させる圧電素子を選択するための素子選択スイッチ
    と、 圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）に接
    続される充電または放電回路を選択する動作選択スイッ
    チと、 素子選択スイッチを所定の時間間隔にわたって動作選択
    スイッチの作動まで作動させる制御ユニット（Ｄ）とが
    設けられており、 前記制御ユニット（Ｄ）により、電流測定値が所定の時
    間間隔中に所定の最大値よりも大きくなった場合にエラ
    ー信号が形成される、ことを特徴とする圧電素子からの
    回路短絡を検出する装置。
  2. 【請求項２】 シャント抵抗（３００）が圧電素子（１
    ０、２０、３０、４０、５０、６０）に直列接続されて
    おり、電流測定値は該シャント抵抗（３００）を通って
    流れる電流から導出される、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 電流センサは電流測定値を分圧器回路内
    の測定ポイントから導出する、請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 エラー信号はエラーメモリへのエントリ
    として記録される、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】 圧電素子（１０、２０、３０、４０、５
    ０、６０）は燃料噴射装置内のアクチュエータである、
    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】 例えば請求項１から５までのいずれか１
    項記載の圧電素子からの回路短絡を検出する装置に対し
    て、圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）
    を駆動する際のバッテリ電圧への圧電素子（１０、２
    ０、３０、４０、５０、６０）からの回路短絡を検出す
    る方法において、 動作させる圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、
    ６０）を選択するためのスイッチを閉成し、 電流測定を所定の時間間隔にわたって、圧電素子（１
    ０、２０、３０、４０、５０、６０）に接続される充電
    または放電回路を選択するスイッチを閉成するまで監視
    し、 電流測定値が所定の時間間隔中に所定の最大値よりも大
    きくなった場合にエラー信号を形成する、ことを特徴と
    する圧電素子からの回路短絡を検出する方法。
  7. 【請求項７】 圧電素子（１０、２０、３０、４０、５
    ０、６０）は燃料噴射装置内のアクチュエータである、
    請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 短絡電流に起因するエラーが検出された
    場合、圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６
    ０）を放電する、請求項６または７記載の方法。
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