JP2016513445A - 磁歪アクチュエータ - Google Patents

Abstract

アクチュエータのコールドスタート遅延と衝突疲労を最小化する方法は、前記アクチュエータロッドの誘導加熱を通じて所望の動作温度まで温度を上昇させることにより前記アクチュエータを較正するステップを有する。磁歪アクチュエータの制御システムは、磁歪材料のロッド、前記ロッドの周りに少なくとも１回巻き回されたソレノイドコイル、前記ソレノイドコイルに接続されたコントローラ、を備える。前記コントローラは、前記ロッドと他面の衝突を検出し、前記アクチュエータの動作を調整して以後の衝突可能性を最小化する。前記ロッドは分割され、端部キャップを備えることにより衝突疲労の可能性をさらに抑制する。【選択図】図１

Description

関連出願に対する相互参照
本願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ §１１９の下、２０１３年２月６日に出願された米国仮出願第６１／７６１，４４１号の優先権を主張する。同出願の全体は参照により本願に組み込まれる。

以下の説明は説明目的のみのものであり、法的な“先行技術文献”であることを認めたと解釈すべきではない。米国特許第７，２５５，２９０号、８，１１３，１７９号、および８，４１８，６７６号（これら全体は本願に組み込まれる）に準じたプログラマブルディーゼル燃料インジェクタにおいて用いる磁歪アクチュエータの開発において、アクチュエータを改良する可能性を見出した。

アクチュエータがディーゼル燃料インジェクタにおいて用いられる例において、公害物質の生成は燃焼の複雑性によって制御される。燃料が燃焼する前、物理プロセスおよび化学プロセスが必ず発生し、空気と燃料蒸気の混合物が生成される。多くの技術文献および特許文献は、標準数２の石油ディーゼル燃料の超高速ジェットまたはパルスを測定することにより、公害物質を抑制できることを開示している。メインチャージ噴射の前に１ｍ^３オーダの燃料体積を噴射することは、公害物質の形成を抑制するのに有用である。本明細書において、“メインチャージ噴射の前”とは、スモールチャージとメインチャージとの間の時間遅延をできる限り短くすべきであることを意味する。

燃料インジェクタにおける望ましいアクチュエータは、最高限度速度を有し、その速度を制御でき、必要に応じてパルス間の遅延が最小なものである。ある条件においては、２以上のスモールチャージがさらに有用である。これら性能の組み合わせは実際には実現困難であった。アクチュエータ技術が遅れていたからである。ディーゼル燃料噴射の制御を改良する多くの独創的な発明がなされてきた。最終的には、これら努力は現在用いられている２つの主要な電気制御技術の物理的特性によって制限されている：ソレノイドと圧電セラミック（以下ピエゾ）である。ソレノイドインジェクタは少なくとも１９１３年のＧａｆｆまで遡るのに対し、ピエゾインジェクタは少なくとも１９７７年のＢａｒｔから用いられている。したがってソレノイドとピエゾはともに、これらの制約について注目され続けることの利点を有し続けてきた。ピエゾインジェクタの時代において、Ｂｅｎｓｏｎ等は２００８年に、ピエゾはソレノイド技術を完全に置き換えていないことを示した。

ソレノイドは耐久性が高いが、継続的制御には向いていない。ソレノイドの主要特性は、機械的動作が電気的入力に対して比例しないことである。耐久性と信頼性が高い一方で、アクチュエータを正確に制御することは困難であり、したがって遅延を最小にしつつ、分かりやすいスピーチや理想的燃料レート調整や高速ジェットをソレノイドによって再現することはできない。その動作原理により、閾値超の磁束がエアギャップを交差すると、２つの極が互いに向かって加速し、互いに衝突するまでギャップを次第に狭め、設計にしたがって反発する。２つの極を加速する力は、極間ギャップの２乗に反比例し、これにより速度制御や位置制御を困難にしている。したがってソレノイドは、オープン状態、クローズ状態、反発状態、または移行状態の間である程度制御不能なレートで遷移する。

ピエゾは、速度性能と所定範囲内で大幅に調整可能な変位を有し、これにより継続的に制御することができる。この技術の主要特性は、機械的膨張が印加電圧に対して制限範囲内で比例することである。ピエゾ力と変位は、電気的に制御可能であることを除いて熱膨張に類似しており、格段に速い。ピエゾを用いて分かりやすいスピーチを再現することができ、または噴射燃料をレート調整できるが、その時間は短い。内在的な欠点は、性能劣化の影響を受けやすいことである。これは例えば、米国特許第５，８７５，７６４号、第７，１５９，７９９号、第７，２６２，５４３号、ＭＩＬ−ＳＴＤ−１３７６、Ｃａｉｎ等の文献に記載されている。この劣化または老朽化はピエゾ技術のアキレス腱であり、これによりピエゾを耐久性高く継続制御でき高速なディーゼルインジェクタにおいて用いることができなくなっている。妥当な製品寿命を得るため負荷を軽くすると、ピエゾはソレノイドと比較してテレグラフ状のＯＮ／ＯＦＦ速度の改善を提供することができ、これにより複数パルス噴射がより高速かつ小さくなり、ディーゼル廃棄物がシリンダ内で生成されることを抑制するために用いることができる。速度と比例性の一方で、妥当な製品寿命を得るためにピエゾをテレグラフ状のみで動作させると、レート調整燃料噴射の理想形からは遠ざかることになる。

圧電セラミックは、動作させるため“極”を有する必要がある。ここでは、膨張する際には１極側のみに対して電気入力が必要であるものとする。圧電セラミックに対して同じ大きさの逆電圧が印加されると、逆ポーリングによって動作しない状態になる可能性が高い。順電圧は、閾値を超えてはならない。したがって、耐久性高く継続制御することができるアクチュエータが求められている。

米国海軍は、音波探知機のため、鉄とレアアーステルビウムおよびジスプロシウムの金属間化合物合金を開発した。これは圧電セラミックスの磁歪等価物である。この合金は、磁気入力を機械的出力に結び付ける。この合金により、高速性、所定範囲内で大幅に調整可能な変位、およびエンジンシリンダヘッド上で破損しない耐久性を実現できる。この技術の主要特性は、機械的膨張がその周りを回転する電流シートに対して回転方向によらず比例することである。磁歪変位と力は、磁気的に制御可能であることおよび非常に高速であることを除いて、熱膨張に類似している（Ｄａｐｉｎｏ等の文献およびＦａｉｄｌｅｙ等の文献に記載されている）。この合金を採用した磁歪アクチュエータは、耐久性の制約なしで、分かりやすいスピーチや適応可能かつ高速なレート調整燃料噴射を再現することができる。

レアアース／遷移金属における磁歪効果の量子力学的性質により、同効果そのものが継続する。同効果は劣化しない。合金組成比率により、温度に対する効果の大きさを制御できる（温度が上がると効果は弱くなり、温度が下がると完全に元に戻る）。磁場を高くしても合金は劣化しない。したがって、低温において磁歪材料を用いることに対処するニーズがある。例えば米国を縦断するディーゼルトラックが直面する課題である。

磁歪合金のエネルギー密度は、その高速性と力性能の源になっている。これら主要特性は合金内にパッケージ化され、別の制約を有している。特にアクチュエータは、特定の状況下において磁歪ロッドを破損させ得る。例えばアクチュエータを高速かつ高い力の下で動作させると、機械的負荷が加速される。設計、製造、および動作状況により、最初の加速の後、ロッドは負荷よりも速く減速する可能性があり、これによりギャップが生じる。負荷は次第にそのギャップを小さくし、ロッドが再接触する。ただしこのとき衝突が生じ、結果として衝撃が発生してロッドに対し再び負荷をかける。

衝撃によりロッドが破損する可能性がある。破損可能性は、衝突強度、衝突面間の外来物質、衝突面間の位置ずれ、衝突面間のギャップに影響される。磁歪効果そのものは、量子力学的性質によるものであり、衝突や破損に影響されない。換言すると、ロッドはある程度動作し続ける。衝突衝撃を生じさせ得るその他の状況としては、アクチュエータ変位の範囲内における障害物の存在が挙げられる。接触が生じる速度に応じて、障害物との接触により衝突衝撃が発生する。したがって、衝突とこれによる破損の可能性を最小化し、アクチュエータの最大速度とパワーを得られるようにするニーズがある。

さらに、マルチパルス燃料噴射などの周期的励起がアクチュエータの固有振動数と一致した場合、磁歪ロッド内に定常波が発生する。定常波は２つの独立した弾性波を含み、これらは反対方向へ進み互いに重なり合う。弾性波が進む速度は、合金密度と弾性係数によって定まる。波はロッド末端の非連続部分で反射する。定常波により、ロッド内においてロッド全体のなかで最も大きい引張応力が発生する位置が生じる。これもロッドを破損させる原因となり得る。したがって、ロッド引張制約を超えることなくアクチュエータの動作範囲を広げるニーズがある。

また、正確な燃料噴射のためには正確な制御が必要であり、したがって較正が必要である。低燃料コストと低排出を継続するためには、継続可変アクチュエータおよびインジェクタは常に正確に動作しなければならない。ディーゼルインジェクタの全体的精度は、多くの要因に影響される。加工公差がある範囲内に収まりつつ、製造コストを抑える必要がある。継続可変アクチュエータは、既知の正確な位置から他の既知の正確な位置まで正確な時間量の間に移動しなければならない。固体部品が衝突すると、疲労亀裂、フレッティング摩耗、望ましくない動力学特性が生じる。特にロッドと他部品との間で頻繁かつ継続的に衝突が生じた場合、設計に応じて機械的摩耗が生じる。

したがって、いつ衝突が起こるのか知ることが重要である。すなわち、電気パルスが磁歪アクチュエータに対して印加され得る時間の長さを知っておくことが望ましい。この時間は、部品摩耗と外部影響の変化に起因して、個々のアクチュエータに応じてドリフトする。この時間はまた、製造公差に起因して個々のアクチュエータ毎に異なる。したがって、アクチュエータのライフサイクルの間に変位較正基準を取得して、ロッド破損可能性およびシステムの他部品に対して与える損傷または摩耗をさらに最小化することが望まれる。

したがって本発明の目的は、上記ニーズに対処し、合金の内在的特性の利点の完全活用を試みることである。特に高速性と継続制御特性である。

本発明の別目的は、高速性と高い力性能いずれも犠牲にすることなく、アクチュエータの機械的強度を高めることである。

本発明の別目的は、ソレノイドに対して印加する電流または電圧の量と態様を較正する制御システムおよび方法を提供することである。

本発明のこれらおよびその他目的、特性、または利点は、以下の説明および特許請求範囲から明らかになるであろう。

本発明の目的は、システムを較正することによって部分的に満たされる。ディーゼル燃料インジェクタの例において、アクチュエータはエンジン動作前またはエンジン動作中に較正される。システムを最小の動作準備時間遅延で使用できるようにすることが望ましい。合金の主要特性の１つは、磁場極性に依拠しない正変形であり、これを用いて時間遅延を最小化できる。したがって必要に応じ、逆電圧を磁歪アクチュエータの通電コイルに対して印加して電流を反転させ、合金を高速に再膨張させることができる。さらに、ロッド温度を最小閾値よりも高く較正または上昇させて、低温において確実に動作できるようにすることができる。合金の主要特性の１つは、電気導体であることである。よく知られているように、電気導体を交差する磁場の時間的変化レートにより電流が生じ（渦電流）、その変化する磁場周りで回転する。したがって合金を加熱する直接的な方法は、ソレノイドに対して交流を提供することにより、内部渦電流に対して抵抗成分を有するようにすることである。これにより、外部条件が望ましい動作範囲未満である場合であっても、望ましい温度においてロッドを使用するため、ロッド温度を較正することができる。

ロッドを較正して、上述のその他ニーズに対処することができる。例えば、電磁効果と機械効果との間のカップリングに起因して、電気入力信号の歪みを観察することにより、衝突を検出することができる。機械的入力が電気的出力を生成する点において、アクチュエータは対称かつ相互的なデバイスである。したがって、任意の電気信号レベルが生成される最大時間は、機械的衝突の電気的フィードバック効果を検出することにより、動作中に検出することができる。電流、電圧、またはこれら双方の勾配における急激な変化は、衝突時に生じる。これは、電流、電圧、またはこれら双方を用いて個々のアクチュエータシステムを較正できることを示している。例えば、衝突を検出したとき、電流または電圧または時間の変化レートを衝突が生じさせるレベル未満に調整して、以後の衝突のリスクを最小化することができる。較正サイクルは、間隔をあけて実施すれば足りる。例えば１０００〜１００００パルス毎または周期毎である。

上記ニーズに対処するとともにロッドその他部品に対する衝突時のダメージを最小化するその他方法は、磁歪ロッドの端部またはその部分を端部キャップにより保護することである。これにより、端面において発生する破損やチップを実質的に緩和することができる。これら端部キャップは、エポキシ樹脂でロッドに接着することができる。各端部キャップは、柔軟なエポキシを介してロッド面にまたがって負荷を分散させる。端部キャップは、強磁性材料で作成してロッド端部における磁束発散を最小化することが望ましい。この材料は、良好な摩耗特性を得るため、硬化性であることが望ましい。完全なものは存在しないので、面間で多少の位置ずれが常に生じる。したがって、さらに微調整する方法としては、端部キャップの一方または双方に曲面を設けることが挙げられる。例えば球面半径は端部キャップ＋磁歪ロッドの合計長に等しいことが望ましい。各球面端部により、その他製造公差を小さくすることができる。したがって、製造プロセス間のコスト比較をすることができる。

本発明の別実施形態は、ロッドを１以上の長さ、ピース、またはセクションに分割することにより、上記ニーズに対処することができる。これにより、ロッドが共鳴に関連して破損する可能性を最小化することができる。第２セクションに対する第１セクションの長さは、セクション間の相互作用点が定常弾性波の共鳴を抑制するように定めることが望ましい。

本発明のこれらおよびその他目的、特性、利点は、以下の説明および特許請求範囲から明らかになるであろう。

その他目的、特性、利点は、以下の詳細説明とともに図面を参照することにより明らかになるであろう。

燃料インジェクタにおいて用いられる磁歪アクチュエータの断面図である。 本発明のロッドの実施形態の断面図である。 本発明のロッドの実施形態の断面図である。 本発明のロッドの実施形態の断面図である。 本発明のロッドの実施形態の断面図である。 本発明のロッドの実施形態の断面図である。 本発明のアクチュエータの概略図である。 噴射間の時間遅延を最小化する際に磁歪アクチュエータが示す電圧、電流、リフトの同時トレースを示すグラフである。 衝突時に磁歪アクチュエータが示す電圧、電流、リフトの同時トレースを示すグラフである。

以下、図面に示す１以上の実施形態に基づき本発明の詳細を説明する。ただし本発明はこれら実施形態に限られるものではない。

図示する燃料噴射装置１０（燃料インジェクタと呼ぶ場合もある）は、ハウジング１２を備える。ハウジング１２は、ハウジング１２に支持されハウジング１２の一端から突出するノズル１４を備える。ハウジング１２は、アクチュエータ３０を備える。アクチュエータ３０は、螺旋巻ソレノイドコイル１６と磁気帰還回路２０を備える。ソレノイドコイル１６は、磁歪材料１８を囲んでいる。磁気帰還回路２０は、螺旋巻ソレノイドコイル１６と同心であり、固体磁歪材料１８と磁気的に接触している。

１実施形態において、磁歪材料１８は固体磁歪材料１８として提供され、望ましい実施形態においてはテルビウム合金を含む。磁歪材料１８は、第１端部２２と第２端部２４を有し、これらは実質的に互いに平行であり、実質的に磁歪応答の好適方向Ｌに対して垂直である。ソレノイドコイル１６は、磁歪材料１８と同心に配置され、磁気弾性応答の好適方向Ｌに対して同軸であり、磁歪材料１８を励起して機械動作させるように調整されている。

ピストン４４は、アクチュエータ３０によって駆動される。ピストン４４は、第１端部の横側に第１面を有する。第１端部は第２端部２４のすぐ隣に配置され、これによりピストン４４は動作位置に配置されるとともに磁歪材料またはロッド１８とかみ合う。ピストン４４は、第２端部上に第２面を有し、これは油圧室に隣接する。油圧室は、燃料を収容する。ピストン４４の第２端部上の第２面は、油圧室の壁を形成し、圧力源と流体連結して流量制限器５６を介し容積を閉じ込めて圧力を加える。これら部品は、燃料圧力機構６０を形成する。油圧室は、流量制限器５６と流体連結している。１実施形態において、流量制限器はチェックバルブ５８を有する。

上記に代えて流量制限器５６は、蛇行経路を備えることもできる。この蛇行経路は、流体抵抗が高い蛇行ラインを有し、ただし汚染物質によって詰まることはないように形成されている。燃料圧力機構６０は、磁歪材料またはロッド１８と対応付けられ、燃料圧力を用いて磁歪材料またはロッド１８が静的圧縮応力を受けるように調整される。この圧縮応力の大きさは１５メガパスカル以上であり、磁歪応答の好適方向Ｌに沿っている。有効剛性は、磁歪素子１８の剛性の４分の１以下である。磁歪材料１８は、機構６０によって磁場にさらされることはない。

ノズル１４は、ハウジングの端部からティップ６２まで延伸する。ティップ６２はノズルポートを有する。ノズル１４は、ニードル６６を有する。望ましい実施形態において、ニードル６６は中空である。ニードル６６は、ノズル１４内部で軸方向に動く。ノズル１４は、噴射バルブ圧力室を有する。噴射バルブ圧力室はニードル６６の外面に隣接し、燃料圧力ラインと流体連結している。ニードル６６の軸移動と開口により、圧力を受けた流体がポートを通じて燃焼室へ向かって流れる。ニードル６６は、ノズル１４内でノズルポートを開閉するティップ６２の位置から、燃料圧力機構６０と相互作用し流体連結するハウジング１２の位置へ向かって、軸方向に移動可能に配置されており、燃料制御バルブ素子を形成している。燃料制御バルブ素子は、磁歪材料またはロッド１８の磁気弾性応答の好適方向Ｌに対して同軸であり、内部に向かって開口している。トランスデューサがピストン４４を駆動すると、閉じ込められている燃料体積がニードル６６の位置を変更させる。別実施形態において、制御バルブステムはピストン４４に直接取り付けられている。この実施形態において、熱補償のための手段を提供することが望ましい。

コントローラ７４は、ソレノイドコイル１６および磁歪材料１８と電子的に通信する。コントローラ７４は、ソレノイドコイル１６と磁歪材料１８に対して回路７６を介して信号を送信する。この信号は電流信号を含むがこれに限られない。この信号により、本文書で説明するようにソレノイドコイル１６と磁歪材料１８を起動して電気波形を生成し、磁気領域を回転させて整列し、磁気領域回転の阻害要因を弱める。コントローラ７４は、本文書で説明するように信号を受信して処理する。

アクチュエータデバイス３０は、図１に示すようにハウジング１２を備える。ハウジング１２内には、電機トランスデューサが配置されている。電機トランスデューサは、螺旋巻ソレノイドコイル１４を備える。螺旋巻ソレノイドコイル１４は、少なくとも１回同心状に巻かれ、望ましくは磁歪材料１８と回路７６を囲んでいる。これは螺旋巻ソレノイドコイル１４と同心であり、磁歪材料またはロッド１８と磁気連結している。磁歪材料１８は、テルビウム合金で作成されていることが望ましい。ソレノイドコイル１６は、望ましくは磁歪材料またはロッド１８と同心に配置され、磁気弾性応答の好適方向Ｌと同軸であり、磁歪材料またはロッド１８を励起して機械動作させるように構成されている。

ソレノイド１４に対して交流信号が印加されると、ソレノイドコイル１６内に励起信号が提供される。励起信号は、主電流信号を有する。主電流信号には、概ね磁歪材料１８のヒステリシスループの幅にわたる交流信号が重畳されている。これにより磁気領域回転の阻害要因を弱める。

初期電流がソレノイド１６を介してある方向に回転し、ある極性の磁場を生じさせる。この磁場は対応する磁歪膨張を生じさせる。高速膨張も重要だが、高速収縮も重要である。磁場を高速に損壊させてアクチュエータをできる限り速く休止位置に戻すため、充分な大きさのクロージングパルスが印加される。膨張のための初期電流が印加されるとき、初期電流と反対の電圧も印加される。膨張電流がゼロに向かって減少すると、逆膨張電流は反対方向に回転し始め、これによりアクチュエータは休止位置に戻り、膨張と収縮との間の停止時間は最小になる。したがって、膨張／完全収縮／再膨張のサイクル時間は、一定の逆電圧を維持することにより最小化される。

アクチュエータ３０を低温（例えば０〜−４０℃）で動作させるため、ソレノイドコイル１６に対して交流電流を供給することにより、ロッドに渦電流が誘起される。渦電流は磁歪合金本体（電気導体）内で直接的に熱を放散させる。これにより、ソレノイドコイル１６を流れる直流電流を用いて抵抗加熱を通じてロッドを加熱する必要がなくなる。なおこの加熱時間は、許容できないほど長い。熱はコイルを介して拡散および伝搬し、磁歪合金に到達するからである。遅延を最小化し、エンジンが低温でコールドソークした後に起動できる程度にインジェクタが動作する温度まで高速に到達するため、ソレノイドに対して印加される充分な大きさと周波数が選択される。

アクチュエータ衝突を抑制するため、アクチュエータ３０を較正する。アクチュエータ３０を較正するため、アクチュエータの相互性によって生じるエネルギー出力をコントローラ２４に対してフィードバックする。コントローラは、電気入力信号の歪みを認識する。この歪みは、衝突時に発生する電流および／または電圧の勾配の急激な変化によって示される。電気エネルギーフィードバックの歪みを識別したことにより、コントローラは最大パルス幅およびその他制御パラメータをセットする。これにより、アクチュエータ３０の衝突を制限し減少させる。この衝突は、摩耗に起因して経時変化し、アクチュエータ毎に異なる。エネルギー出力フィードバックは、所定の時間間隔で間欠的に提供することが望ましい。

ロッド破損を防ぐ方法は少なくとも２つある。

１．ロッド固有周波数は、長さに比例する。単一ロッドを分割する。望ましくはそれぞれの長さが異なり、これにより定常波を抑制することができる。

２．合金引張強度は、増やすことができる。現行技術において、引張強度を増やすとその他の望ましい合金特性を減殺する可能性がある。

図２〜図６に示すように、アクチュエータ３０の摩耗と破損をさらに抑制するため、磁歪ロッド１８は第１セクション２６と第２セクション２８を備え、これらは端部で互いにフィットする。必要に応じてその他セクションを用いることもできる。第２セクション２８に対する第１セクション２６の長さは、アクチュエータ１０のある動作条件の下で自然発生する定常弾性波をセクション２６と２８との間の接続点４０が抑制するように定められる。したがって、ロッド１８を異なる長さのセクションに分割することにより、セクションは動作固有周波数の不均等乗算器となる。

ロッド１８を破損から保護するその他手段は、ロッド１６の各端部に端部キャップ３２を接着することである。端部キャップ３２は、硬化強磁性合金で作成してエポキシ樹脂で接着することが望ましい。エポキシ樹脂は、キャップ３２の外径端部を接着してチップを防ぐ。端部キャップ３２は、接着のための柔軟エポキシを通じて、ロッド１８の面にわたって負荷を分散させる。

ロッド１８の１端または両端は、ロッド１８の全長に等しい（またはこれと異なる）球面半径で硬化される。球面端部により製造公差が緩和され、コストを抑制することができる。各セクション２６と２８は、図５と図６に示すような端部キャップ３２を備えることもできる。図６に示すように、セクション２６と２８との間の端部キャップ３２は、構造部品３４と３６を備える。これら部品は、セクション２６と２８の端部キャップ３２間のギャップを許容しつつ、セクション２６と２８が互いに非軸移動する可能性を最小化するように設計されている。

ロッド１８の破損可能性をさらに減少させるため、付勢ばねを用いてロッド１８内の引張応力を減少させることができる。このばねは細い管状であり、コイル１６を囲む。ばねの剛性は、管内の空洞を切断することにより制御される。これにより同時に渦電流の流れが中断される。ばねは、強磁性材料で作成することが望ましい。ばねにより、圧縮前負荷が最小化され、動作によって引張破損が生じることを防ぐことができる。

図７は、本発明の磁歪アクチュエータの望ましい実施形態である。このアクチュエータ３０は、上記の通り燃料インジェクタ１０において用いることができるが、その他用途も可能である。

磁歪アクチュエータ３０は、レアアース合金ロッド部材１８を用いる。その粒子は軸方向に配向され、通電螺旋巻またはソレノイドコイル１６はロッド部材１８と同心であり、磁束帰還経路２０を備える。アクチュエータ３０は、電流がゼロであれば磁場もゼロであることが望ましい。

分割ロッド部材１８は、上記の通り２以上のセグメントまたはセクション２６と２８によって形成することができる。これらはともにレアアース／遷移金属磁歪合金で構成されており、セグメント間の界面４０と強磁性端部キャップ３２を有する。レアアース／遷移金属磁歪合金ロッド１８は、粒子配向多結晶レアアース／遷移金属材料で形成することができる。組成式はＴｂ_ｘＤｙ_１−ｘＦｅ_２−ｗであり、０．２０＜＝ｘ＜＝１．００、０＜＝ｗ＜＝０．２０である。材料の粒子は共通主軸を有し、これは実質的に材料の成長軸に沿っており、λ_１１１軸から１０°以内である。

各セグメント２６、２８は軸方向に沿って粒子配向されているので、各セグメント２６、２８は、磁歪応答の好適方向を有する固体磁歪材料として提供される。材料は、端部を有する形状に形成され、端部は実質的に互いに平行であり、実質的に磁歪応答の好適方向に対して垂直である。

各セグメント２６、２８の形状は、円筒、楕円体、平行６面体、角柱、その他類似形状、あるいはその他適当な形状である。各セグメント２６、２８は、磁歪応答方向に対して垂直な左右面を有し、装置の電気機械共鳴周波数の４分の１波長よりも実質的に小さい。分割ロッド部材１８内の各セグメント２６、２８は、磁歪応答方向における長さを有し、これは装置の電気機械共鳴周波数における４分の１波長以下である。

端部キャップ３２間に界面４０が存在する。端部キャップ３２は、実質的に磁歪合金よりも小さい剛性を有する材料（例えば柔軟接着剤）によって、ロッド１８またはセグメントに固定することができる。端部キャップは、衝突の際にロッド１８を保護し、インジェクタ摩耗とロッド１８上の摩耗を最小化する。他部品と衝突する可能性が緩和されるので、インジェクタ摩耗も最小化される。

磁力線は開始点も終点もない。分割ロッド部材１８を励起するのに十分な磁場強度を生成するのに必要なエネルギーを最小化するため、望ましくは強磁性材料の経路２０が提供され、コイル１６の外側周辺において磁力線を分割ロッド部材１８の一端から他端へ導く。

動作説明
コイル１６に対して各極性の電流±Ｉを印加すると、ある方向に回転する電子シートが形成される。回転電子シートは、磁場±Ｈを生じさせ、その極性は回転方向に依拠する。この磁場は、磁力線を生成する。磁力線は、分割ロッド部材１８を交差する。磁束密度±Ｂの大きさは、磁気回路全体（分割ロッド部材１８を含む）の透磁率に依拠する。磁力線は磁束帰還経路２０を介して自身に戻る。これにより分割ロッド部材１８とともに磁気回路を形成する。

コイル１６に対する電流を継続的に制御することにより、分割ロッド部材１８の軸膨張または収縮を継続的に制御できる。電流の増加率または減少率およびその最大値は、分割ロッド部材１８によって対応する機械膨張波形に変換される。

位置ｘ１において、膨張するロッド部材１８は障害物と衝突する。例えばロッド部材１８がディーゼル燃料インジェクタのニードルを直接駆動している場合、ロッド部材１８が自身の最大膨張に達する前に、ニードルは移動範囲の限界に到達する。第２例として、別の目的を持った障害物を較正メカニズムの一部としてアクチュエータ内に作成し、バルブ衝突を緩和できる。

よく知られているように、エネルギーは必ず保存される。衝突時、移動する部品の運動エネルギーは、衝突に関与する全部品において弾性波を励起する。ロッド部材１８内において、弾性波は最初に衝突時の動きとは反対方向に伝搬する。波の速度は、レアアース／遷移金属合金の密度と弾性係数によって制御される。

弾性波がロッド部材１８の長さ方向に伝搬するのにともない、合金内の応力とひずみの状態を局所的に変化させる。合金は磁気領域で構成され、ともに局所的透過性を有するので、弾性波が通過するとこれら領域をわずかに回転させ、局所的に透磁率を変化させる。透磁率が変化すると、磁歪アクチュエータのインダクタンスが変化する。

したがって図９に示すように、コントローラ７４は４つのパラメータの急激な変化に基づき弾性波の存在を検出することができる：Ａ）ソレノイドコイル１６に対して印加される電圧、Ｂ）ソレノイドコイル１６に対して印加される電圧の時間変化レート、Ｃ）ソレノイドコイル１６を流れる電流、および／またはＤ）ソレノイドコイル１６を流れる電流の時間変化レート。したがって、衝突が上記のように検出された場合、コントローラ７４は、電流、電圧、または電流もしくは電圧の時間変化レートを調整して、以後の衝突可能性を最小化することができる。

オプションとして、多数回巻いた別のサーチコイルにより弾性波を検出することができる。サーチコイルは、磁力線が交差すると電圧出力を生成する。サーチコイル電圧または電圧の時間変化レートは、衝突時に通電コイル１６と同様の急激な変化を示す。

磁歪アクチュエータ３０の膨張ストローク間の時間遅延を最小化することは、コイルに対して逆電圧を印加しこれを維持して、ある方向に回転する電流が停止して反対方向に回転するようにすることによって、可能となる。電圧とその変化レートの制約は、レアアース／遷移金属合金によっては生じない。

米国特許第６，７５８，４０８号の図４および図１３のグラフは、商用利用可能な磁歪合金について０℃以下で磁歪が高速に減少する様子を示す。エンジンにおいて、アクチュエータは−４０℃のコールドソーク後に動作しなければならない。グロープラグは、抵抗加熱を供給し、コールドエンジンを起動することを補助する。同様に磁歪アクチュエータは、ソレノイドコイルを流れる電流に対する抵抗によって加熱することができる。ただし熱はコイルからロッドへ拡散するので、合金ロッドを加熱するため必要な時間は長い。

合金の主要特性の１つは、電気導体であることである。よく知られているように、電気導体を交差する磁場の時間変化レートは渦電流を生じさせ、渦電流はその磁場の周りを回転する。ロッド部材１８を構成する合金は電気抵抗を有しているので、渦電流は電力を消費し、これはロッド自身内の熱として現れる。したがって、コイル１６に対して印加する交流の時間変化レートにより、合金がその動作温度範囲まで温まるレートを制御することができる。

したがって、ロッドを加熱する直接的な方法は、内部渦電流に対して抵抗させることである。磁場の時間変化レートは、ソレノイドコイル１６に対して所望の時間変化レートを有する電流を通電することによって与えられる。したがって、ロッドを加熱するのに必要なエネルギーは、拡散により生じる時間遅延に優先する。コイルに対して印加される電流の大きさと時間変化レートは、遅延を最小化するように選択される。

磁歪デバイスがアクチュエータではなくセンサとして動作する場合、渦電流を用いて最適動作温度まで加熱することも可能である。

図８を参照する。休止状態において、電流はゼロである。ある極性の電圧波形が初期時刻ｔ０において印加され、合致する極性の電流波形を生じさせ、これがコイル１６を流れる。コイル１６内の電流は、コイル１６の軸周りを回転する電子シートとみなすことができる。回転する電子シートは、対応する極性の磁場を生じさせる。この磁場は磁力線を発生させる。磁力線はロッド部材１８を交差し、対応する極性の磁束密度を有する。その大きさは磁気回路全体（ロッド部材１８を含む）の透磁率に依拠する。磁力線は磁束帰還経路２０を介して自身に戻り、ロッド部材１８とともに磁気回路全体を形成する。ロッド部材１８内の磁束波形は、極性によらず、対応する軸膨張波形を生じさせる。

時刻ｔ１において、電流により生じたものと反対極性の電圧が印加される。その後、電流はあるレートでゼロに向かって減少する。ゼロ電流においては磁場は存在せず、したがってロッド部材は膨張しない。ゼロ電流において、逆電圧が引き続き印加され、電流は反対方向に回転し始め、逆磁場を生じさせる。その後、ロッド部材１８は再膨張を始める。したがって、完全膨張と収縮のサイクル時間は、一定の逆電圧を維持することによって最小化される。電圧源と電流源は相応に単純化される。ゼロ電圧やゼロ電流を検出する必要はなく、上下限を観察する必要もないからである。

本文書に記載した特徴と利点は全てを記載したものではなく、その他多くの特徴や利点は、当業者にとって図面、明細書、特許請求範囲から明らかである。本文書における用語は読み易さと教示目的のために選択されたものであり、発明主題を画定または制限するためのものではない。発明主題を判断するためには、特許請求範囲を参照することが必要である。

当業者は、本発明の説明が説明目的のみのものであり、制限的なものではないことを理解するであろう。本発明のその他実施形態は、当業者にとって容易に理解されるものである。

本文書に記載下実施形態は、本発明の原理と実用的用途を最もよく説明するために選択され記載されたものであり、これにより当業者が本発明を様々な実施形態および特定用途に適した様々な変形例において最適利用できるようにするものである。本発明の範囲は、法的かつ公正に与えられる全容にしたがって解釈することにより、特許請求範囲によって規定される。

Claims (34)

1. 磁歪アクチュエータを制御する制御システムであって、
   磁歪材料のロッドを有する磁歪アクチュエータであって、前記ロッドは温度を有する、磁歪アクチュエータ、
   前記ロッド周りで少なくとも１回巻き回されたソレノイドコイル、
   前記ソレノイドコイルと接続されたコントローラ、
   前記コントローラによって誘起され前記ロッドの温度を上昇させる渦電流、
   を備えることを特徴とする制御システム。
2. 磁歪アクチュエータを制御する制御システムであって、
   磁歪材料のロッドを有する磁歪アクチュエータ、
   前記ロッド周りで少なくとも１回巻き回されたソレノイドコイル、
   前記ソレノイドコイルと接続され、前記ロッドと他面の衝突を検出するコントローラ、
   を備えることを特徴とする制御システム。
3. 前記コントローラは、前記ソレノイドコイルに対して印加される電圧のスパイクを検出することにより前記衝突を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
4. 前記コントローラは、前記ソレノイドコイルに対して印加される電圧の時間変化レートのスパイクを検出することにより前記衝突を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
5. 前記コントローラは、前記ソレノイドコイルを流れる電流のスパイクを検出することにより前記衝突を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
6. 前記コントローラは、前記ソレノイドコイルを流れる電流の時間変化レートのスパイクを検出することにより前記衝突を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
7. 前記コントローラは、前記ソレノイドコイルの動作を変更して以後のロッド衝突の可能性を最小化する
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
8. 前記ロッドは、少なくとも２つの個々の長さを有する磁歪材料によって構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
9. 前記磁歪材料の個々の長さは等しくない
   ことを特徴とする請求項８記載の制御システム。
10. 前記磁歪材料の個々の長さは等しい
    ことを特徴とする請求項８記載の制御システム。
11. 前記ロッドは、高引張強度を有する磁歪合金によって構成された部材である
    ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
12. 前記ロッドは部材であり、
    前記部材は、端部キャップを接着した磁歪材料によって構成され、
    前記端部キャップは硬化材料によって作成されている
    ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
13. 第１端部と第２端部を有する磁歪材料によって構成されたロッド部材、
    前記磁歪材料の前記第１端部に固定された少なくとも１つの端部キャップ、
    を備え、
    前記端部キャップは硬化材料である
    ことを特徴とする磁歪アクチュエータ。
14. 前記硬化材料は強磁性である
    ことを特徴とする請求項１３記載の磁歪アクチュエータ。
15. 前記端部キャップは、接着材料によって前記磁歪材料に固定されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の磁歪アクチュエータ。
16. 前記接着材料は、柔軟ポリマである
    ことを特徴とする請求項１５記載の磁歪アクチュエータ。
17. 前記柔軟ポリマは、エポキシ樹脂である
    ことを特徴とする請求項１６記載の磁歪アクチュエータ。
18. 前記端部キャップは外端を有し、
    前記外端の球面半径は、前記ロッド部材の長さに等しい
    ことを特徴とする請求項１３記載の磁歪アクチュエータ。
19. 前記アクチュエータの変位範囲内に障害物が存在する
    ことを特徴とする請求項１３記載の磁歪アクチュエータ。
20. 前記障害物は、バルブ素子である
    ことを特徴とする請求項１９記載の磁歪アクチュエータ。
21. 前記バルブ素子は、燃料インジェクタの一部である
    ことを特徴とする請求項２０記載の磁歪アクチュエータ。
22. センサロッド温度を最小の動作温度まで上昇させるのに必要な時間量を最短にするように磁歪センサを動作させる方法であって、
    ソレノイドコイルに対して直流電流を印加するステップを有する
    ことを特徴とする磁歪センサ動作方法。
23. 磁歪アクチュエータを動作させて衝突を検出する方法であって、
    変化が現れるまで電流を増加させるステップであって、前記変化は前記アクチュエータに対する電気的入力によって生じたものではない急峻変化である、ステップ、
    前記アクチュエータの動作を調整して別の衝突の可能性を最小化するステップ、
    を有することを特徴とする磁歪センサ動作方法。
24. 前記変化は、ソレノイドを流れる電流の急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２３記載の磁歪センサ動作方法。
25. 前記変化は、ソレノイドに対して印加される電圧の急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２３記載の磁歪センサ動作方法。
26. 前記変化は、ソレノイドを流れる電流の時間変化レートの急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２３記載の磁歪センサ動作方法。
27. 前記変化は、ソレノイドに対して印加される電圧の時間変化レートの急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２３記載の磁歪センサ動作方法。
28. 磁歪アクチュエータを動作させて衝突を検出する方法であって、
    変化が現れるまで電流を減少させるステップであって、前記変化は前記アクチュエータに対する電気的入力によって生じたものではない急峻変化である、ステップ、
    前記アクチュエータの動作を調整して別の衝突の可能性を最小化するステップ、
    を有することを特徴とする磁歪アクチュエータ動作方法。
29. 前記変化は、ソレノイドを流れる電流の急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２８記載の磁歪アクチュエータ動作方法。
30. 前記変化は、ソレノイドに対して印加される電圧の急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２８記載の磁歪アクチュエータ動作方法。
31. 前記変化は、ソレノイドを流れる電流の時間変化レートの急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２８記載の磁歪アクチュエータ動作方法。
32. 前記変化は、ソレノイドに対して印加される電圧の時間変化レートの急峻変化である
    ことを特徴とする請求項２８記載の磁歪アクチュエータ動作方法。
33. 磁歪アクチュエータを動作させる方法であって、
    磁歪アクチュエータ通電コイルを流れる電流の方向をある極性から他極性へ変化させることにより、機械的膨張ストローク間の遅延を最小化するように前記磁歪アクチュエータを動作させるステップを有する
    ことを特徴とする磁歪アクチュエータ動作方法。
34. 磁歪アクチュエータを動作させる方法であって、
    前記磁歪アクチュエータの通電コイルを流れる電流の方向をある極性から他極性へ変化させることにより、機械的膨張ストローク間の遅延を最小化するように前記磁歪アクチュエータを動作させるステップを有し、
    前記方法は、前記逆極性電圧を用いて、前記電流の大きさが変化するレートを変更する
    ことを特徴とする磁歪アクチュエータ動作方法。