JP4741098B2

JP4741098B2 - 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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Publication number: JP4741098B2
Application number: JP2001103950A
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Inventors: リューガーヨハネス−イェルク
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2021-04-02
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Description

【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０３７９１８２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２０１５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２０３５が第１の閉位置２０４０から離れる。複動制御弁２０２５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２０４０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２０６０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、２０、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、２０、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１０、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１０、２０、３０のグループＧ１または圧電素子４０、５０、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ＩＧＢＴ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、３２５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、３０のグループＧ１または４０、５０、６０のグループＧ２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、６０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（１２、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、４０、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１３、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ＭＯＳＦＥＴ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、４１、５１、６１は圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、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、５０、６０は全てその分岐選択スイッチ１１、２１、３１、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、４１、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、４０、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６２０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６２２、６２３から供給される。
【００４０】
各圧電素子１０、２０、３０、４０、５０、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２０１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６５４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３３１（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１０、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２３１、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、３０、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、６１；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、６０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、５１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、４０、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２２０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１０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１０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、５０、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１０、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_ＥＥ（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_ＥＡ（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１０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４１０、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、６２０、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、７２０、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、３０、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、４０、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Ｕ_ｏｐｔ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８００へ伝送される。さらにストローブ信号が論理回路８００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６００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３１０、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８００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８００はエラー信号を形成し、圧電素子１０、２０、３０、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 and Apparatus 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

圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）を駆動する際の前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）のバッテリへの回路短絡を検出する装置において、
前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）と、
前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）に直列接続されるシャント抵抗（３００）と、
前記シャント抵抗（３００）に接続され、動作させる前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）を選択するための素子選択スイッチ（１１、２１、３１、４１、５１、６１）と、
一方では前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）に接続され、他方ではバッテリに接続され、充電または放電回路を選択する動作選択スイッチ（２２０、２３０）と、
前記動作選択スイッチ（２２０、２３０）が動作する前に、前記素子選択スイッチ（１１、２１、３１、４１、５１、６１）を、所定の時間間隔にわたって動作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、前記シャント抵抗（３００）を通って流れる電流から導出される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の回路短絡を検出する装置。
前記動作選択スイッチは、容量性素子（２１０）と直流電圧変換器（２０１）とを介して前記バッテリに接続されている、請求項１記載の装置。
前記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、電流センサを備える、請求項１記載の装置。
前記エラー信号は、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。
前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、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。
請求項１から５までのいずれか１項記載の圧電素子の回路短絡を検出する装置に対して、前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）を駆動する際の前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）のバッテリへの回路短絡を検出する方法において、
動作させる前記圧電素子（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、前記圧電素子（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スイッチを閉成するまで監視し、
前記シャント抵抗（３００）を通って流れる電流から導出される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の回路短絡を検出する方法。
前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、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。
短絡電流に起因するエラーが検出された場合、前記圧電素子（１０、２０、３０、４０、５０、６０）を放電する、請求項６または７記載の方法。