JP2008522805A - 超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、監視コンピュータによって電気的に制御され、直流電圧源によって供給される、少なくとも、一の超音波型圧電アクチュエータ用の電気制御装置に関する。上記装置は、上記直流電圧を増幅し、充電電流を発生するためのステージに、超音波型圧電アクチュエータの高い励磁周波数で、高い交流電圧信号を配送するステージを含む。上記充電電流（ｉｒ）を発生させるステージは、逆並列配置でフライホイールダイオード（Ｄ）を持つ制御可能なチョッピングスイッチ（Ｐ）に、高い負電圧（Ｖｐ）で充電されたコンデンサ（Ｃｐ）を通して接続された誘導器（Ｌｒ）を有する。上記コンデンサ（Ｃｐ）は、上記アクチュエータ（Ａｉ）の上記充電電流（ｉｒ）と逆に配置されたダイオード（Ｄｐ）と直列に接続される。更に、上記コンデンサ（Ｃｐ）は、上記電極に印加される高い負電圧（Ｖｐ）を一定に保持するダイオード（Ｚｐ）と接続される。

Description

本発明は、いくつかの超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置に関する。本発明は更に詳細には、自動車または輸送機関内に搭載された内燃機関用の電気式噴射プロセッサによって制御された、超音波型圧電ステージを持つ燃料噴射器に用いる超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置に関する。

更に正確には、本発明が解決しようとする課題は、ある噴射器の構造を振動させるために、圧電素子を励磁する電気式駆動装置の制御方法である。当該電気式駆動装置は、出願人の名で出願番号０１ １４０２３において提出されたフランスの特許出願に記載されている。超音波型圧電ステージを持つ燃料噴射器は、その燃料の噴射において、とても良いスプレーを形成するため、正確な噴射量を確保するために換算された小滴量を含んで設計されている。また、超音波型圧電ステージを持つ燃料噴射器は、噴射された燃料の完全で均一な蒸発作用を確保するのに十分に小さい。

そのような噴射器は、特に、燃料を供給する円筒形のノズルと、噴射器の開口部がある先端と、当該ノズルに周期的な振動を加えるための手段とを必要とする。当該手段は、変換器として、超音波型圧電ステージを持つ燃料噴射器の開閉に一致する２つの極端なポジションの間、超音波型圧電セラミック層の厚さを変化するために、変えられた電圧が印加される端子間に接続される超音波型圧電セラミック層を含む。そして、超音波型圧電セラミック層を持つ燃料噴射器は、減速比によって制限しても良いし、制限しなくても良い。１００Ｖまたはそのような電圧値以上の高い充電電圧を持つコンデンサに、噴射器の超音波型圧電セラミック層が等しいことは重要である。この変換器（超音波型圧電セラミック層）は、電気式駆動装置によって継続時間および電圧値に関して制御される。電気式駆動装置自身、噴射器のノズルの先端の穴を超音波の周波数で振動させることを実現するために、内燃機関電気式制御システムによって制御される。

電気式駆動装置は、ＤＣ電圧源から供給される圧電素子を励磁するため、１００Ｖまたはそのような電圧値以上、１０ｋＨｚまたはそのような周波数値以上の高周波高電圧交流信号を発生させるために設計されている。自動車または輸送機関において、バッテリは１２、２４または４２Ｖの供給電圧を配送する。それは、上記バッテリの電圧を、例えば、当該バッテリの低電圧が供給されるＤＣ−ＤＣステップアップコンバータによって、昇圧することを意味する。

各種圧電セラミック技術が使用しても良い。特に、例えば、−２００から＋４００Ｖの間で変化する非対称な変化を持つ励磁電圧を使用しても良い。

超音波型圧電アクチュエータ用の電流駆動装置は、高い正電圧で超音波型圧電アクチュエータを制御する。しかしながら、高い負電圧による超音波型圧電アクチュエータの励磁の可能性を利用しない。
欧州特許公開第１ ４２２ ７６４号公報 ドイツ特許公開第３９ ３９ ５４７号公報 アメリカ特許公開第２００１／０２０８０４号公報

本発明の目的は、たとえ、変化範囲が非対称であったとしても、高い負電圧から高い正電圧へ遷移する励磁電圧を発生させ、当該励磁電圧の全変化範囲を用いて、超音波型圧電アクチュエータを適切に制御できる電気式駆動装置を提供することである。

上記の目的のために、本発明の最初の本質的部分は、制御プロセッサによって電気的に制御され、ＤＣ電圧源によって供給される、少なくとも、一の超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置である。そして、上記電気式駆動装置は、超音波型圧電アクチュエータ用の充電電流を発生させるための充電電流発生ステージに、超音波型圧電アクチュエータの高い励磁周波数で、高電圧交流信号を配送する、上記直流電圧用の増幅ステージを含んでいる。

また、上記電気式駆動装置は、上記充電電流発生ステージが、逆並列配置でフライホイールダイオードを持つチョッピングスイッチに接続された充電誘導器を有する点で特徴つけられる。上記チョッピングスイッチは、高い負電圧で充電されたコンデンサを使って、超音波型圧電アクチュエータを制御できる。上記コンデンサは、上記充電誘導器の充電電流に関して逆に配置されたダイオードと直列に配置される。更に、上記コンデンサは、上記コンデンサの電極に印加される上記高い負電圧を一定に保持するダイオードと接続させられる。

本発明の第２の本質的部分は、少なくとも、一の超音波型圧電アクチュエータ用の上記電気式駆動装置の実行方法である。上記電気式駆動装置は、超音波型圧電アクチュエータの電極に印加される、負の最小値と正の最大値の間で変化する交流電圧を発生させるため、上記制御プロセッサが下記ステップを実行する点で特徴つけられる。
Ａ）上記超音波型圧電アクチュエータと直列に接続された選択スイッチを閉鎖することによる超音波型圧電アクチュエータを選択するステップ
Ｂ）上記超音波型圧電アクチュエータの制御のための最初の段階の間、上記充電電流発生ステージの上記コンデンサを負電圧で充電するステップ
Ｃ）充電電流が負または零のときで、かつ、上記超音波型圧電アクチュエータの励磁電圧が負であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチを閉鎖するステップ
Ｄ）充電電流が最大のときで、かつ、上記超音波型圧電アクチュエータの励磁電圧が零であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチを開放するステップ

本発明の他の特徴および利点は、図１乃至５によって説明された記載の中で明白になるであろう。
−図１：本発明の超音波型圧電アクチュエータの電気式駆動装置の回路図である。
−図２：上記チョッピングスイッチ用の制御信号である。
−図３：上記チョッピング分岐回路を流れる上記電流の時間変化である。
−図４：本発明の超音波型圧電アクチュエータの上記充電電流の時間変化である。
−図５：本発明の超音波型圧電アクチュエータの電極に印加される上記励磁電圧の時間変化である。

図１の回路図に示されるように、いくつかの超音波型圧電アクチュエータＡｉ用の電気式駆動装置は、上記超音波型圧電アクチュエータＡｉの各々と直列に配置された選択スイッチＳｉに基づいて、互い違いに選択されうる。また、電気式駆動装置は、第１のステージＥＡを含む。また、第１のステージＥＡは、ＤＣ電圧源Ｂによって供給される。また、第１のステージＥＡは、一般に、上記輸送機関内の上記バッテリによって供給されるこのＤＣ電圧を増幅するため、設計されている。この第１のステージＥＡは、上記ＤＣ電圧から、数百Ｖの高電圧Ｖｂｏｏｓｔへの段階的に昇圧する。そして、第１のステージＥＡは、引き続き、上記超音波型圧電アクチュエータＡｉ用の励磁電流を発生させるために設計された第２のステージに、高電圧Ｖｂｏｏｓｔを供給する。

上記超音波型圧電アクチュエータＡｉ用の充電電流ｉｒ用のこの第２のステージは、充電誘導器Ｌｒと、上記電圧Ｖｂｏｏｓｔの増幅ステージに接続された一の電極と、上記超音波型圧電アクチュエータＡｉの各々および上記超音波型圧電アクチュエータＡｉの選択スイッチＳｉと並列に配置された分岐回路に接続された他の電極から成る。この分岐回路は、逆並列配置でフライホイールダイオードＤを持つ、電気制御可能な上記チョッピングスイッチＰから成る。上記チョッピングスイッチＰは、コンデンサＣｐを介して上記充電誘導器Ｌｒと接続される。

上記コンデンサＣｐは、高い負電圧Ｖｐで充電される。上記コンデンサＣｐは、上記充電誘導器Ｌｒの充電電流ｉｒに関して逆に配置されたダイオードＤｐと直列に配置される。超音波型圧電アクチュエータＡｉによる噴射器の最初の制御段階の間、上記噴射器のうちの一つの選択スイッチＳｉの閉鎖を制御することによって、コンデンサＣｐは、チョッピングスイッチＰが開放している間、フライホイールダイオードＤおよびダイオードＤｐに流れる電流のために、負電圧で充電される。ツエナーダイオードＺｐは、高い負電圧Ｖｐがツエナーダイオード電圧の閾値と等しくなったとたんに、コンデンサＣｐの電極に印加される高い負電圧Ｖｐを制限するために、ダイオードＤｐと直列に配置されるコンデンサＣｐと並列に接続させられる。

コンデンサＣｐのサイズは、例えば、一の超音波型圧電アクチュエータＡｉで駆動する噴射器を制御する信号５パルス以内に、コンデンサＣｐの電極に印加される負電圧Ｖｐが約−１５０Ｖに届くようなサイズである。そして、コンデンサＣｐの容量値は、１０ｎＦに等しくすることができる。

図２〜５に描かれた波形によって示されたように、電気式駆動装置の操作は下記のようになる。

時間ｔ０の時点で、コンデンサＣｐは、コンデンサＣｐの電極に印加された高い負電圧Ｖｐを持つ。そして、負電圧Ｖｐは、励磁電圧Ｖｐｉが負電圧Ｖｐに等しくなるような、例えば、約−３５０Ｖの電圧である。充電誘導器Ｌｒの充電電流ｉｒは負または零である。そして、上記分岐回路のチョッピングスイッチＰに流れる電流ｉｐはない。この時間ｔ０の時点で、チョッピングスイッチＰは、１に推移するチョッピングスイッチＰ用の制御信号Ｓｐによって閉鎖制御される。

時間ｔ１まで、超音波型圧電アクチュエータＡｉの残留電荷のために、超音波型圧電アクチュエータＡｉの内部静電容量を通して、充電電流ｉｒが流れるので、上記電流ｉｐは零のままである。この間、充電誘導器Ｌｒの充電電流ｉｒは増加していく。それに伴い、超音波型圧電アクチュエータＡｉの励磁電圧Ｖｐｉは、負のまま絶対値が減少していき、零に向かう。

時間ｔ１において、チョッピングスイッチＰに流れる電流ｉｐは、突然、上昇する。時間ｔ１において、充電電流ｉｒは増加し続ける。しかし、ツエナーダイオードＺｐおよびチョッピングスイッチＰを通して、充電電流ｉｒが電流ｉｐとして流れるので、超音波型圧電アクチュエータＡｉの電極に印加された励磁電圧Ｖｐｉは、零のままである。なお、時間ｔ１において、チョッピングスイッチＰは閉鎖している。このように、超音波型圧電アクチュエータＡｉの電極の向こう側で、短絡分岐回路を構成している。

時間ｔ２において、チョッピングスイッチＰは制御信号Ｓｐにより開放制御され、励磁電圧Ｖｐｉは零から上昇し始めることにより、充電電流ｉｒは最大値ｉｒｍａｘに到達し、電流ｉｐは０に下降する。更に、励磁電圧Ｖｐｉは、例えば、１０００Ｖに近い高い最大値Ｖｐｉｍａｘに向けて上昇する。時間ｔ３において、充電電流ｉｒは零に減少する。

時間ｔ３から時間ｔ４の間、充電電流ｉｒが負になり、最小値ｉｒｍｉｎに向けて下降すると同時に、励磁電圧Ｖｐｉは最大値Ｖｐｉｍａｘから零に向けて下降する。

時間ｔ４から時間ｔ５の間、充電電流ｉｒは常に負である。しかし、励磁電圧Ｖｐｉが、コンデンサＣｐの電極に印加される負電圧Ｖｐと等しい最小値Ｖｐｉｍｉｎに向かって零から減少すると同時に、充電電流ｉｒは最小値ｉｒｍｉｎから零に向けて上昇する。更に、時間ｔ０から時間ｔ５に対して同一の方法で、上記の過程を時間ｔ５から反復する。

上記目的のため、上記発明に従って、少なくとも一の超音波型圧電アクチュエータＡｉ用の電気式駆動装置の実行方法は、下記ステップを含む。そして、下記ステップは、超音波型圧電アクチュエータＡｉの電極に印加される、負の最小値Ｖｐｉｍｉｎと正の最大値Ｖｐｉｍａｘの間で変化する交流励磁電圧Ｖｐｉを発生させるため、上記制御プロセッサによって実行される。
Ａ）超音波型圧電アクチュエータＡｉと直列に接続された選択スイッチＳｉを閉鎖することによる超音波型圧電アクチュエータＡｉを選択するステップ
Ｂ）超音波型圧電アクチュエータＡｉの制御のための最初の段階の間、上記充電電流発生ステージの上記コンデンサＣｐを高い負電圧Ｖｐで充電するステップ
Ｃ）充電電流ｉｒが負または零のときで、かつ、超音波型圧電アクチュエータＡｉの励磁電圧Ｖｐｉが負であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチＰを閉鎖するステップ
Ｄ）充電電流ｉｒが最大値ｉｒｍａｘであるときで、かつ、超音波型圧電アクチュエータＡｉの励磁電圧Ｖｐｉが零であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチＰを開放するステップ
このように、超音波型圧電アクチュエータＡｉ用の上記充電電流発生ステージのコンデンサＣｐの電極に印加される高い負電圧Ｖｐが、超音波型圧電アクチュエータＡｉの励磁電圧Ｖｐｉを発生させるのを可能にすることに気づかれる。そして、励磁電圧Ｖｐｉは負の最小値Ｖｐｉｍｉｎから正の最大値Ｖｐｉｍａｘに向けて非対称な変化を持つ。

ツエナーダイオードＺｐは、コンデンサＣｐの電極に印加される高い負電圧Ｖｐを一定に保持するために設計される。一方、充電電流ｉｒがチョッピングスイッチＰを通過するために、ツエナーダイオードＺｐを通して、充電電流ｉｒが流れなければならないので、ツエナーダイオードＺｐは、チョッピングスイッチＰが閉鎖されたとき、充電誘導器Ｌｒを充電するために設計される。

本発明の超音波型圧電アクチュエータの電気式駆動装置の回路図である。 上記チョッピングスイッチ用の制御信号である。 上記チョッピング分岐回路を流れる上記電流の時間変化である。 本発明の超音波型圧電アクチュエータの上記充電電流の時間変化である。 本発明の超音波型圧電アクチュエータの電極に印加される上記励磁電圧の時間変化である。

Claims (2)

1. 充電電流を発生させるためのステージに、高いアクチュエータ励磁周波数で、高電圧交流信号を配送する、直流電圧用の増幅ステージを含み、
   制御プロセッサによって電気的に制御され、前記直流電圧源によって供給される、少なくとも、一の超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置であって、
   前記充電電流（ｉｒ）発生ステージは、逆並列配置でフライホイールダイオード（Ｄ）を持ち、
   上記アクチュエータ（Ａｉ）の上記充電電流（ｉｒ）に関して逆に配置されたダイオード（Ｄｐ）と直列に接続され、上記電極に印加される高い負電圧（Ｖｐ）を一定に保持するダイオード（Ｚｐ）と接続され、かつ、前記高い負電圧（Ｖｐ）で充電されるコンデンサ（Ｃｐ）を使って制御可能であるチョッピングスイッチ（Ｐ）
   に接続された誘導器（Ｌｒ）を有することを特徴とする超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置。
2. 請求項１に記載された、少なくとも、一の超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置の実行方法であって、
   圧電アクチュエータ（Ａｉ）の上記電極に印加される、負の最小値（Ｖｐｉｍｉｎ）と正の最大値（Ｖｐｉｍａｘ）の間で変化する交流電圧を発生させるために、上記制御プロセッサは、
   Ａ）前記アクチュエータと直列に接続されたスイッチ（Ｓｉ）を閉鎖することによる圧電アクチュエータ（Ａｉ）を選択するステップと、
   Ｂ）前記アクチュエータの制御のための最初の段階の間、上記充電電流発生ステージの上記コンデンサ（Ｃｐ）を負電圧（Ｖｐ）で充電するステップと、
   Ｃ）前記充電電流（ｉｒ）が負または零のときで、かつ、上記アクチュエータの上記励磁電圧（Ｖｐｉ）が負であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチ（Ｐ）を閉鎖するステップと、
   Ｄ）前記充電電流（ｉｒ）が最大値（ｉｍａｘ）であるときで、かつ、上記アクチュエータの上記励磁電圧（Ｖｐｉ）が零であるとき、上記充電電流発生ステージの上記チョッピングスイッチ（Ｐ）を開放するステップと、
   を実行することを特徴とする超音波型圧電アクチュエータ用の電気式駆動装置の実行方法。

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