JP4971494B2 - 圧電アクチュエータユニットにおける電位差検出方法およびこの方法を実施するための回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を駆動するための回路装置、とりわけ圧電素子を監視する回路装置および方法に関する。とりわけ本発明は、検出すべき少なくとも１つの電位差の時間的に変化する振幅を検出する回路装置に関するものであり、この回路装置は、少なくとも１つの電位差を検出し、第１の電位差信号を出力する第１の電位差検出装置と、少なくとも１つの電位差を検出し、第２の電位差信号を出力する第２の電位差検出装置とを有する。

圧電素子用の制御装置は、例えば自動車の燃料噴射装置に使用される。この種の圧電素子は、制御電流の印加される調整素子として用いられる。この種の調整素子を制御するためには、調整素子に印加される電圧を高精度で監視しなければならない。

内燃機関用の噴射システムの機能性は、圧電アクチュエータとして構成された調整素子を燃料噴射のために正確に制御することに基づく。

DE 10 2004 037 720 A1には、調整素子用の制御回路が記載されており、バルブニードルまたは噴射弁を駆動する圧電素子が制御され、燃料が内燃機関の燃焼室に噴射される。

DE 10 2004 037 720 A1に記載の制御回路は、例えば圧電素子の線路インダクタンスにより所定の電流経過の際に発生する障害電流が十分に回避されるように構成されている。

DE 10 2004 058 671 A1には、とりわけ自動車燃料噴射装置の圧電素子を制御する電気回路が開示されている。ここでは、クロックによって制御される直列接続された２つのトランジスタが設けられており、この２つのトランジスタの共通の接続点は圧電素子に結合されており、２つのトランジスタの一方は圧電素子の放電のために設けられている。確かにエラーの場合には、圧電素子の急速な放電を補償することができるが、電気構成の欠点として、圧電素子の電圧を確実に、アース電位なしで監視することはできない。

圧電素子により燃料を燃焼室に噴射するためには、圧電素子を２００Ｖまでの電圧に充電しなければならない。（アクチュエータユニット）の圧電素子の充電／放電はパルス電流によって行われる。通常のコモンレール圧電ディーゼルシステムは、アース電位と接続された圧電素子の極を有する。したがってアクチュエータ電圧を測定するために、圧電素子の他方の端部における電位をアースに対して検出する。

しかし圧電素子を高精度の燃料噴射のためにさらに開発するにつれ、アースと接続された圧電素子の端子がなくなった。さらに圧電素子は正の電圧だけでなく、わずかに負の電圧にも充電可能である。このために圧電素子の極（低電圧側）は、アースに対して約４５Ｖの電圧に接続される。ここで問題なのは、高電圧側の端子が同様にこのような４５Ｖより低い電位に接続される場合である。なぜならこの場合、アクチュエータでの電圧差が負になるからである。このような圧電素子を使用し、監視することができるようにするため、アース電位なしで差電圧を測定しなければならない。

DE 10 2004 037 720 A1 DE 10 2004 058 671 A1

本発明の基礎とする課題は、圧電素子において差電圧の振幅を高精度でリアルタイムに確実に測定できるようにすることである。

この課題を解決するために本発明では、請求項１の特徴的構成を備える、少なくとも１つの検出すべき電位差の時間的に変化する振幅を検出する回路装置が提案される。さらに少なくとも１つの検出すべき電位差の時間的に変化する振幅を検出する方法が提案され、この方法は請求項６に開示されたステップを有する。従属請求項には本発明に関する他の実施形態が示されている。

本発明の基本的技術思想は、少なくとも１つの電位差を検出し、電位差信号を出力するために２つの異なる電位差検出装置を設けることである。ここで第１の電位差検出装置は第２の電位差検出装置よりも高い時間分解能を有し、第２の電位差検出装置は第１の電位差検出装置よりも高い振幅分解能を有する。

この種の差電圧監視装置により、例えば圧電コモンレールディーゼルシステムに、ニードルを直接制御するインジェクタとともに使用される圧電素子を確実に監視することができる。有利には処理装置は、第１と第２の電位差信号を次のように処理する。すなわち高い振幅分解能および／または高い時間分解能を有する制御信号が得られるように処理する。

本発明の基本的技術思想は、第１の電位差検出装置が第１の電位差信号をアナログで検出し、少なくとも１つの第２の電位差検出装置が第２の電位差信号をデジタルで検出することである。

一般的側面によれば本発明の、少なくとも１つの検出すべき電位差の時間的に変化する振幅を検出する回路装置は次の特徴を有する。
ａ） 少なくとも１つの電位差を検出し、第１の電位差信号を出力する第１の電位差検出装置と、
ｂ） 少なくとも１つの電位差を検出し、第２の電位差信号を出力する第２の電位差検出装置とを有し、
ここで第１の電位差検出装置は第２の電位差検出装置よりも高い時間分解能を有し、
第２の電位差検出装置は第１の電位差検出装置よりも高い振幅分解能を有する。

さらに本発明の、少なくとも１つの検出すべき電位差の時間的に変化する振幅を検出する方法は実質的に次のステップを有する。
ａ） 少なくとも１つの電位差を第１の電位差検出装置によって検出し、
ｂ） 第１の電位差信号を第１の電位差検出装置から出力し、
ｃ） 少なくとも１つの電位差を第２の電位差検出装置によって検出し、
ｄ） 第２の電位差信号を第２の電位差検出装置から出力し、
ここで第１の電位差検出装置は第２の電位差検出装置よりも高い時間分解能を有し、
第２の電位差検出装置は第１の電位差検出装置よりも高い振幅分解能を有する。

従属請求項には、本発明のそれぞれの対象に関する有利な実施形態と改善が示されている。

本発明の有利な実施形態では、第１の電位差検出装置が第１の電位差信号をアナログで検出するように構成される。

本発明のさらに有利な実施形態では、第２の電位差検出装置が第２の電位差信号をデジタルで検出するように構成される。

有利には第１の電位差検出装置にはアナログ／デジタル変換器が後置接続される。

本発明のさらに有利な改善形態では、処理装置が第１の電位差信号と第２の電位差信号を処理するために設けられており、この処理装置は高い振幅分解能および／または高い時間分解能を有する制御信号を出力する。

次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。

少なくとも１つの検出すべき電位差の時間的に変化する振幅を検出する回路装置のブロック回路図であり、この回路装置は本発明の有利な実施例による第１と第２の電位差検出装置を有する。

図１は、少なくとも１つの検出すべき電位差２００の時間的に変化する振幅を検出する回路装置のブロック回路図である。図１に示した回路装置が提案１００は、切換制御信号４０９〜４１２を生成するための制御装置４００を有し、これらの切換制御信号は電位差信号に依存して形成される。

図１に示した本願発明の有利な実施例によれば、回路装置１００はアクチュエータユニット３０１で差電圧監視を行うために利用される。アクチュエータユニット３０１はアクチュエ―タ制御ユニット３０２を介して制御される。このアクチュエータ制御ユニット３０２は外部から所定のアクチュエータ制御信号２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃを受信する。アクチュエータユニット３０１を駆動するために、第１の供給電圧端子３０３にはアース電位２０４に対する第１のアクチュエータ供給電圧が、第２の供給電圧端子３０４にはアース電位２０４に対する第２のアクチュエータ供給電圧２０６が印加される。

アクチュエータユニット３０１は個別のアクチュエータユニット３０１ａ〜３０１ｎからなる（図１には３つの個別のアクチュエータユニットが図示されている）。これらは有利には圧電調整素子として構成されている。この種の圧電調整素子または圧電アクチュエータは薄いピエゾ結晶板から作製することができる。ピエゾ結晶板は電界内で伸長する。磁気的に駆動される弁との比較で、圧電調整素子は内燃機関の燃焼室に燃料噴射する際、５倍までの高速の切換速度を達成できる。ここで圧電調整素子は噴射弁のバルブニードルに作用し、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射させる。

図１を参照して、それぞれのアクチュエータユニット３０１ａ〜３０１ｎの端子ユニット（図示せず）間に印加される差電圧の検出について説明する。圧電アクチュエータ３０１ａ〜３０１ｎにより燃料を燃焼室に噴射するためには、圧電アクチュエータ３０１ａ〜３０１ｎをアースに対して２００Ｖまでの電圧に充電しなければならない。圧電アクチュエータユニット３０１ａ〜３０１ｎの充電／放電はパルス電流によって行われる。最近、圧電アクチュエータユニットのポール（端子ユニット）がアース電位２０４になり圧電アクチュエータ３０１ａ〜３０１ｎが開発された。したがって上に従来技術に基づき説明したように、圧電アクチュエータに印加される電圧の測定を、圧電アクチュエータ３０１ａ〜３０１ｎの電圧供給ポール（電圧供給端子ユニット）での測定によって行うことができない。

本発明では、圧電アクチュエータ３０１の２つのポール（端子ユニット）で測定が行われる。このために第１の分圧ユニット３０５が第１のアクチュエータ電圧２０５の測定のために、第２の分圧ユニット３０６が第２のアクチュエータ電圧２０６の測定のために設けられる。以下、第１のアクチュエータ供給電圧２０５をＨＳ電圧（ハイサイド電圧）とも称し、第２のアクチュエータ電圧２０６をＬＳ電圧（ローサイド電圧）とも称する。

例えば（アースに対して）正の電位に充電できるだけでなく、わずかな負の電位にも充電できるアクチュエータユニット３０１が存在する。このためにアクチュエータユニットの端子ユニットには、アース電位２０４に対して約４５ＶのＬＳ電圧が印加される。次にＨＳ電圧（第１のアクチュエータ供給電圧２０５）が４５Ｖ以下に低下すると、アクチュエータユニット３０１の端子ユニットにおける差電圧が負になる。

ＬＳ電圧（第２のアクチュエータ供給電圧）２０６はドライバユニットの駆動の際に振幅がわずかに変動するから、アクチュエータユニット３０１に印加される電圧を検出するためには、ＨＳ電圧、すなわち第１のアクチュエータ供給電圧２０５だけでなく、ＬＳ電圧、すなわち第２のアクチュエータ供給電圧２０６も測定しなければならない。測定された両方の電圧から、電位差２００が検出される。

この目的のために、部分的に電圧振幅の大きい第１と第２のアクチュエータ供給電圧２０５，２０６が、第１と第２の分圧ユニット３０５，３０６に供給される。第１と第２の分圧ユニット３０５，３０６は、分圧とフィルタリングの両方を行う。ここで分圧は２つのオーム性抵抗の直列回路により行われ、ローパスフィルタリングはオーム性抵抗とキャパシタンスの直列回路により行われる。

したがって図１に示した第１の分圧ユニット３０５は、オーム性抵抗Ｒ１とオーム性抵抗Ｒ２の直列回路を有し、この直列回路は第１の供給電圧端子３０３とアース２０４との間に接続されている。オーム性抵抗Ｒ２に平行にキャパシタンスＣ１が接続されている。分圧され、フィルタリングされた第１のアクチュエータ供給電圧２０５は、一方では制御ユニット４００の第１の入力端子Ａ１に、他方では第１の電位差検出装置の第１の入力端子Ｄ１に供給される。

第２の分圧ユニット３０６は３つの抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５の直列回路を有する。この直列回路は第１の供給電圧端子３０４とアース２０４との間に接続されている。抵抗Ｒ４とＲ５の直列回路に並列にコンデンサＣ２（平滑キャパシタンス）が接続されており、抵抗Ｒ３とキャパシタンスＣ２からなるフィルタユニットが形成される。第２の分圧ユニット３０６により分圧され、フィルタリングされた第２のアクチュエータ供給電圧２０６は、一方では制御ユニット４００の第２の入力端子Ａ２に供給される。この入力端子Ａ２は、抵抗Ｒ４とＲ５の接続点に接続されている。第２のアクチュエータ供給電圧２０６は、他方では第２の電位差検出装置１０２の第２の入力端子Ｄ２に供給される。第２の入力端子Ｄ２は、抵抗Ｒ３とＲ４の接続点と接続されている。

このようにして、入力端子Ａ１とＡ２の間の電位差２００が制御ユニット４００に印加され、これとは異なる、入力端子Ｄ１とＤ２の間の電位差２００’が第２の電位差検出装置１０２に印加される。両方の電位差は、アクチュエータユニット３０１ａ〜３０１ｎに印加される差電圧の検出に利用される。ここで、第２の電位差検出装置１０２は第２の電位差信号２０２をデジタルで検出するように構成されている。デジタルで検出された第２の電位差信号２０２は第２の電位差検出装置１０２からデジタルで出力される。したがってこの第２の電位差信号２０２は電位差２００’のデジタル値である。第２の電位差信号２０２は処理装置１０４に供給される。この処理装置は第２の電位差信号２０２を第１の電位差信号２０１により処理する。この第１の電位差信号の形成は後で詳細に説明する。

処理装置１０４は制御端子Ｓを有する。この制御端子からは制御信号２０３が、供給される第１と第２の電位差信号２０１，２０２の関数として出力される。これにより下で詳細に説明するように、処理装置１０４により、第１の電位差信号２０１と第２の電位差信号２０２を制御信号２０３の生成のために処理することができる。この制御信号は、専用に設定された振幅分解能および／または専用に設定された時間分解能を有する。

制御装置４００の入力端子Ａ１とＡ２に印加される電位差２００は、第１の電位差検出装置１０１でアナログで測定される。この目的のために、差動増幅器の入力端（＋、−）がそれぞれのカップリングユニット４１３を介して制御装置４００の入力端Ａ１とＡ２に接続されている。第１の電位差検出装置１０１から出力された出力信号はアナログの第１の電位差信号２０１である。この第１の電位差信号は第２のカップリングユニット４１３を介して制御装置４００の出力端子Ａ３から出力される。制御装置４００の出力端Ａ３は、抵抗Ｒ６を介してアナログ／デジタル変換器１０３と接続されている。

このアナログ／デジタル変換器１０３は第１の電位差検出装置１０１に後置接続されていて、第１の電位差検出装置１０１から出力された第１の電位差信号２０１を高速で第１のデジタル電位差信号２０１’に変換する。デジタル変換されたこの第１の電位差信号２０１’同様に処理装置１０４に供給される。アナログ／デジタル変換器１０３の入力端子とアース２０４との間にはコンデンサＣ５が配置されている。このコンデンサＣ５は抵抗Ｒ６とともにフィルタユニット３０７（ローパスフィルタ）を形成する。ここで処理装置１０４は、第１の電位差信号２０１’と第２の電位差信号２０２の処理を実行する。この処理は、制御信号２０３が処理装置１０４の出力端子Ｓに生成されるように行われる。制御信号２０３は、高い振幅分解能および／または高い時間分解能を有する。

以下に、遮断制御信号の形成に使用される制御装置４００のコンポーネントについて説明する。この種の遮断制御信号は、測定された電圧ないし差電圧が所定の領域外にあるときに回路装置全体をデアクティベートするために用いられる。

第１の電位差検出装置１０１から出力される第１の電位差信号２０１は同時に４つの比較ユニット、すなわち第１の比較ユニット４０５，第２の比較ユニット４０６，第３の比較ユニット４０７そして第４の比較ユニット４０８に供給される。さらに制御装置４００には４つの基準電圧調整ユニットがある。すなわち第１の基準電圧調整ユニット４０１，第２の基準電圧調整ユニット４０２，第３の基準電圧調整ユニット４０３そして第４の基準電圧調整ユニット４０４である。これらの基準電圧調整ユニットは所定の基準電圧を専用に調整するために用いられる。これにより、第１の電位差検出装置１０１から出力される第１の電位差信号２０１は、その電圧値について監視される。第１の基準電位調整ユニット４０１は閾値電圧信号を出力する。この閾値電圧信号は、正の入力端（ＨＳ電圧信号、上記参照）における最大電圧に相当する。第１の電位差信号２０１が、典型的には１５０から３００Ｖの領域にあるこの最大電圧を越えると、第１の遮断制御信号４０９が出力される。有利には第１の基準電圧調整ユニット４０１は、分解能が４ビットのデジタル／アナログ変換器として構成されており、１５０から３００Ｖの領域のアナログ電圧を１０Ｖの分解能で調整することができる。

第１の基準電圧調整ユニット４０１と同じように第２の基準電圧調整ユニット４０２も動作する。この第２の基準電圧調整ユニット４０２は下側閾値電圧を規定する。この下側閾値電圧をアクチュエータユニット３０１のＬＳ電圧信号端子が下回ってはならない。この種の閾値は、−１００から５０Ｖの領域で１０Ｖの分解能で調整される。この閾値信号は第２の比較ユニット４０６に供給される。この種の閾値を下回ると、第２の遮断制御信号４１０が出力される。

第３の基準電圧調整ユニット４０３は、クランプ電圧を設定するために用いられる。この目的のために第１の電位差信号２０１が、第３の基準電圧調整ユニット４０３から出力された基準クランプ電圧と比較される。この種の閾値を上回る場合、第３の遮断制御信号４１１が第３の比較ユニット４０７から出力される。

第４の基準電圧調整ユニット４０４も、前記の基準電圧調整ユニット４０１〜４０３と同じようにデジタル／アナログ変換器として構成されている。しかし前記のデジタル／アナログ変換器４０１〜４０３との相違点は８ビットの分解能を有することである。これにより閾値信号は、１Ｖの分解能で−４０から２１５Ｖの間となる。この信号は第４の比較ユニット４０８に供給される。第４の比較ユニット４０８ではこの信号が第１の電位差信号２０１と比較され、第１の電位差信号２０１が所定の領域外にある場合、第４の遮断制御信号４１２が第４の比較ユニット４０８から出力される。

第１と第２の電位差検出装置１０１ないし１０２によって測定された第１と第２の電位差信号２０１ないし２０２は、独立して差電圧を検出することのできない回路コンポーネントで使用される。

有利には差電圧の測定は２つの分圧ユニット３０５と３０６を介して行われる。これらの分圧ユニットは、本発明の有利な実施形態では同じ分圧比を有する。差電圧を第１の電位差検出装置１０１により検出すべき場合、有利には同じ分圧比が使用される。一方、第２の電位差検出装置１０２では、第１と第２の分圧ユニット３０５と３０６で異なる分圧比を使用することもできる。この実施形態の利点は、それぞれもっとも正確な測定につながるように差電圧を異なるやり方で検出できることである。とりわけ第１の電位差検出装置１０１により、第２の電位差検出装置１０２よりも高い時間分解能が達成される。したがって電位差の測定のために高い時間分解能が必要な場合、第１の電位差検出装置１０１を使用することができる。

一方、第２の電位差検出装置１０２は第１の電位差検出装置１０１よりも高い振幅分解能を有する。したがって差電圧の振幅をとくに正確に検出すべき場合には、第２の電位差検出装置１０２がアクチュエータユニット３０での差電圧検出に使用される。

したがって本発明の回路装置により、アクチュエータユニット３０１ａ〜３０１ｎに印加される、検出すべき電位差２００を、時間分解能に関しても振幅分解能に関しても高精度で検出することができる。この種の差電圧を異なる構成群により同時に検出することによって、それぞれ最高の精度を有する測定を利用することができる。他方の測定は、最高精度の測定にしたがい調整することができる。上に説明した差電圧測定は、直接ニードル制御を行うインジェクタを備えたピエゾコモンレールディーゼルシステム用の制御装置にとくに有利に使用することができる。

本発明を前記においては有利な実施例に基づき説明したが、本発明はそれらの実施例に制限されるものではなく、本発明を多様に変更することができる。

本発明は、上に説明した実施例に限定されるものではない。

Claims (9)

1. 検出すべき少なくとも１つの電位差（２００）の時間的に変化する振幅を検出する回路装置（１００）であって、
   ａ） 少なくとも１つの電位差（２００）を検出し、第１の電位差信号（２０１）を出力する第１の電位差検出装置（１０１）と、
   ｂ） 少なくとも１つの電位差（２００）を検出し、第２の電位差信号（２０２）を出力する第２の電位差検出装置（１０２）とを有する回路装置において、
   ｃ） 前記第１の電位差検出装置（１０１）は、前記第２の電位差検出装置（１０２）よりも高い時間分解能を有し、
   ｄ） 前記第２の電位差検出装置（１０２）は、前記第１の電位差検出装置（１０１）よりも高い振幅分解能を有する、ことを特徴とする回路装置。
2. 請求項１記載の回路装置において、
   第１の電位差検出装置（１０１）は、第１の電位差信号（２０１）をアナログで検出するように構成されている、ことを特徴とする回路装置。
3. 請求項１または２記載の回路装置において、
   第２の電位差検出装置（１０２）は、第２の電位差信号（２０２）をデジタルで検出するように構成されている、ことを特徴とする回路装置。
4. 請求項２記載の回路装置において、
   第１の電位差検出装置（１０１）にはアナログ／デジタル変換器（１０３）が後置接続されている、ことを特徴とする回路装置。
5. 請求項１記載の回路装置において、
   第１の電位差信号（２０１）と第２の電位差信号（２０２）を処理する処理装置（１０４）が設けられており、
   該処理装置は、高い振幅分解能および／または高い時間分解能を有する、ことを特徴とする回路装置。
6. 検出すべき少なくとも１つの電位差（２００）の時間的に変化する振幅を検出する方法であって、以下のステップを有する：
   ａ） 少なくとも１つの電位差（２００）を第１の電位差検出装置（１０１）によって検出し、
   ｂ） 第１の電位差信号（２０１）を第１の電位差検出装置（１０１）から出力し、
   ｃ） 少なくとも１つの電位差（２００）を第２の電位差検出装置（１０２）によって検出し、
   ｄ） 第２の電位差信号（２０２）を第２の電位差検出装置（１０２）から出力する形式の方法において、
   ｅ） 前記第１の電位差検出装置（１０１）は、第２の電位差検出装置（１０２）よりも高い時間分解能で電位差（２００）を検出し、
   ｆ） 前記第２の電位差検出装置（１０２）は、第１の電位差検出装置（１０１）よりも高い振幅分解能で電位差（２００）を検出する、ことを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   第１の電位差信号（２０１）は第１の電位差検出装置（１０１）によりアナログで検出される、ことを特徴とする方法。
8. 請求項６または７記載の方法において、
   第２の電位差信号（２０２）は第２の電位差検出装置（１０２）によりデジタルで検出される、ことを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、
   第１の電位差信号（２０１）と第２の電位差信号（２０２）は処理装置（１０４）によって制御信号（２０３）に処理され、
   該制御信号は、高い振幅分解能および／または高い時間分解能を有する、ことを特徴とする方法。

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