JP5197575B2 - 超音波圧電アクチュエータを駆動させる装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子的に駆動される超音波圧電アクチュエータを駆動するための装置であって、より詳細には、自動車における内燃エンジンの電子式噴射コンピュータによって駆動される圧電ステージを備えている燃料噴射装置に関する。さらに、前記装置によって制御されるそのようなアクチュエータを駆動する方法にも関する。

より具体的には、本発明が解決しようとする課題は、超音波噴射装置の構造を振動させることを意図した圧電セルの制御を最適化するためのインピーダンスマッチング（整合）であり、これは、本出願人による仏国特許出願第９９１４５４８号明細書に記載されている。

そのような超音波噴射装置は、特に、燃料が供給される、端部に噴射オリフィスが設けられている円筒形ノズル、並びにこのノズルを周期的に振動させる手段、例えばトランスデューサを備えており、この手段は、セラミックス製の圧電ステージを備えていて、その両端子間の電圧が変化して、低ギア比の許容範囲内で、噴射装置の開閉に対応する２つの極限位置の間で厚さが変化するものを備えている。噴射装置の圧電素子は、おおよそ１００ボルトを超える高い充電電圧を有するキャパシタと完全に同等である。

この種の噴射装置は、燃料を極めて微細に、正確な分配量を供給するように調整され、且つ噴射された燃料の完全で均一な気化を保証するのに十分に小さな滴状態で噴霧する。燃料をより微細に噴霧するために、超音波の周波数で振動する開口をノズルの先端に形成する。圧電セルを励起させるために、高周波数の交流信号を生成しなくてはならない。

噴射装置のための駆動電子回路は、圧電セルに、ＤＣ電圧源、ここでは車両のバッテリ又はパワーＤＣコンバータの出力から、おおよそ１０ｋＨｚを超える高い周波数Ｆ_ｐｉで、おおよそ１００ボルトを超える周期的な高電圧Ｖ_ｐｉを生成する。自動車では、供給電圧は、１２又は４２ボルトの値を有し、つまり、この電圧を増大させて、素子を充電及び放電するということである。

図１に示すような変流器を有していない駆動装置があり、この装置は、ＤＣ電圧源Ｅ、例えば車両のバッテリによって給電され、その端子Ｂ−は接地し、端子Ｂ＋は前記ＤＣ電圧の第１の増幅ステージＥ_１に接続している。

内燃エンジンのＮ個（Ｎは整数、一般に４、６又は１２である）の噴射装置Ｉ_ｉは並列に取り付けられ、この噴射装置Ｉ_ｉにそれぞれ直列に取り付けられている選択スイッチＳ_ｉによって順次制御される。電子式の噴射コンピュータは、論理制御信号を各選択スイッチに送信し、これにより、昇圧コンバータの高電圧出力が、選択された噴射装置の端子に正確に印加される。

駆動装置は、第１のインダクタＬ_１及びチョッピングスイッチＴ_１からなる第１のブランチＢ_１を備えており、その両端にわたり、還流ダイオードｄ_１が逆並列で取り付けられている。インダクタＬ_１の第１の端子は、ＤＣ電圧源Ｅに接続されており、もう一方の端子は、フィルタリングキャパシタＣに直列に接続されている整流ダイオードＤｒからなる第２のブランチＢ_２に接続されており、フィルタリングキャパシタの両端子間に、昇圧コンバータの第２のステージＥ_２に給電する高電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}が供給される。

第２のステージは、第２のチョッピングスイッチＴ_２及び逆並列に取り付けられている第２の還流ダイオードｄ_２に接続されている第２のインダクタＬｒを備えている。

昇圧コンバータは、超音波噴射装置Ｉ_ｉを励起することが意図された、おおよそ１０ｋＨｚを超える高い周波数_Ｆｐｉを有する、おおよそ１００ボルトを超える周期的な高電圧Ｖ_ｐｉを生成する。図２の対象は、噴射装置の励起電圧Ｖ_ｐｉの経時的な表示である。

インダクタＬｒの値は、圧電アクチュエータの音響的励起共振の関数であり、よって、インダクタが、１２００Ｖの規模の高励起電圧Ｖ_ｐｉを生じさせるのに十分なほど充電されるよう選択される。フィルタリングキャパシタＣについては、その寸法が、電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}の上昇に対して極めて大きく作用するようになっている。

図２は、理論的な場合の、インダクタＬｒと選択された噴射装置の入力キャパシタとの間の自由共振を表す。しかし、実際には、これは、圧電噴射装置の本来の性質によって減衰し、これにより、経時的に表された図３ｂに示すような電圧Ｖ_ｐｉの減衰が観察され得る。非ゼロ電圧レベルは、実際には、スイッチＴ_２を閉じた時に観察され、これは、その瞬間、その端子での電流の高振動に反映される。この非ゼロ電圧レベルは、充電とインダクタＬｒとの間の共振の減衰特性と関連している。図３ａに示すように、噴射装置で循環する電流Ｉｒが、減衰時に非常に乱れていることにも留意されたい。

スイッチＴ_２を切り換える時にゼロ電圧レベルを得るために（その場合、切換えを簡単にして、それによりトランジスタでの損失を低減することが好ましいが）、共振インダクタＬｒの値を例えば１ＭＨｚから２００μＨへ低減し、スイッチＴ_２の開放時間を短縮する。よって、図４ｂ及び４ａに経時的に示すように、この電圧減衰及びこの電流妨害を克服することができる。

しかし、インダクタ／噴射装置アセンブリの臨界的な減衰を考慮した、このインダクタＬｒの設計によって、開放時間と閉鎖時間との比、つまり１／２未満であるデューティサイクルＴ_ｏｎ／Ｔ_ｏｆｆを有する噴射装置の駆動波形が得られる。これは、注目すべき欠点であり、それは、デューティサイクルが１／２以上の場合、噴射装置のソノトロードの変位及びひいては噴射装置のスループット性能が全て大きくなるからである。

したがって、問題は、噴射装置の性能レベルを保証するデューティサイクルを保護しながら、第２のステージにおけるチョッピングトランジスタＴ_２での損失及び過振動を、その切換え時にいかに低減するかである。

現在のところ、圧電噴射装置は、共振原理に基づいて作動しないが、関数的でない容量性の素子、例えばスタック、又は誘導性の素子、例えば相互接続線（interlinking wires）に連動する共振現象を示す。さらに、この圧電噴射装置は、著しく低下せしめられた高固有周波数を示す。ＳＩＥＭＥＮＳの名前で出願されている独国特許出願第１９９３１２３５号明細書において、そこに記載の発明は、容量電荷を切り換えて、過渡電荷（transient charge）の動作を促進することを提案している。その目的は、特定の信号の立ち上がり又は立ち下がりエッジの状況を変化させることである。しかし、前記発明の課題は、アクチュエータをその共振周波数で制御するようにインピーダンスマッチングを行うことではない。

本発明の目標は、噴射装置を駆動させている間に容量電荷を各噴射装置の端子に加えることで、装置の第２のステージのチョッピングトランジスタに有利に共振信号の傾向を増大させることによって、また、装置の性能を増大させることで共振器に対して有利にその熱損失及びストレスを低減させることによって、この欠点を克服することである。さらに、臨界的な減衰なしで、１／２に等しい理想的なデューティサイクルに向かって収束させることも可能である。

このために、本発明の第１の対象は、制御コンピュータ及びＤＣ電圧源から電子的に駆動される少なくとも１つの超音波圧電アクチュエータを駆動する装置であって、前記電圧が高電圧を発生させる第１の増幅ステージ、及び前記高電圧によって給電され、且つ前記コンピュータによって制御することができる選択手段と連動する噴射装置に給電するための電流源を生成する第２のステージを備えているものであって、アクチュエータに並列に取り付けられている選択スイッチと直列に接続されている作用キャパシタ（reactive capacitance）からなるインピーダンスマッチングブランチ（impedance matching branch）をさらに備えており、前記作用キャパシタの選択スイッチが、励起されるアクチュエータの選択スイッチと同時に制御コンピュータによって開閉されることを特徴とする装置である。

駆動装置の他の特徴によれば、作用キャパシタは、増幅ステージのインダクタと共振させ且つ少なくとも１／２に等しいデューティサイクルを有するＡＣ励起電圧を供給する必要のある噴射装置／作用キャパシタアセンブリの容量を増大させるように設計されている。

本発明の第２の対象は、上述の特徴に基づく装置によって制御される複数の超音波圧電アクチュエータを駆動する方法であって、インピーダンスマッチングブランチのスイッチの開放が、噴射終了の制御の瞬間より後であり且つ新規噴射の制御の瞬間の前である瞬間に制御され、その一方、マッチングキャパシタの両端子間の電圧及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧がゼロか又はアクチュエータの励起電圧より極めて小さくなる瞬間から規定される時間間隔の後は、駆動装置の第２のステージのスイッチがもはや作動しておらず、作用キャパシタが、ある持続時間の２つの一連の噴射間でほぼゼロの電荷を保持する方法である。

前記駆動方法の別の特徴によれば、インピーダンスマッチングブランチのスイッチの閉鎖は、一方では、駆動装置の第２のステージのスイッチの閉鎖の瞬間後に、他方では、その開放の瞬間前に行われなくてはならず、これにより、両瞬間の時間間隔が、スイッチの技術に依存し且つマッチングキャパシタの両端子間の電圧及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧がゼロ又はアクチュエータの励起電圧より極めて小さくなるように決定され、作用キャパシタは、持続時間の２つの一連の噴射間でほぼゼロの電荷を保持する。

本発明の他の特徴及び利点は、既に説明した図１、２、３ａ及び３ｂ、４ａ及び４ｂを含む図面によって例示されている説明を読むことによって明らかとなるであろう。

図５は、図１の装置の構成を繰り返し示している、つまり電圧源Ｅがこの電圧の第１の増幅ステージＥ_１に給電し、これにより、圧電噴射装置Ｉ_ｉに給電することを意図した電流源ｉ_ｒの生成のために第２のステージＥ_２の両端子間の高電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}を発生させる。これらの並列に取り付けられた噴射装置は、車両の噴射コンピュータによって制御可能なスイッチＳ_ｉによって選択される。

高電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}の発生のための第１のステージは、２つのブランチを備えており、第１のブランチＢ_１は、インダクタＬ_１、及び逆並列に取り付けられたダイオードｄ_１に並列に接続されているチョッピングスイッチＴ_１からなる。

アースと、スイッチＴ_１とのインダクタＬ_１の接触点Ｊとの間には、フィルタリングキャパシタＣに直列に接続されている整流ダイオードＤからなる第２のブランチＢ_２が取り付けられており、このフィルタキャパシタＣの端子間には、第２のステージＥ_２に給電する高電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}が供給される。この第２のステージＥ_２は、第２のインダクタＬ_ｒ及び第２のチョッピングスイッチＴ_２からなる。第２の還流ダイオードｄ_２は、このスイッチＴ_２の端子に逆並列に取り付けられている。

本発明の本質的な特徴は、チョッピングスイッチＴ_２に平行に取り付けるようにして、インピーダンスマッチングブランチＢ_ＡＩを追加することであり、このインピーダンスマッチングブランチＢ_ＡＩは、噴射コンピュータによって選択される噴射装置の選択スイッチＳ_ｉと同時に開閉するように駆動される選択スイッチＴ_Ｒに連動する作用キャパシタＣ_Ｒからなる。キャパシタＣ_Ｒ及びスイッチＴ_Ｒからなるこの追加のブランチは、噴射装置の選択ブランチの端子に取り付けられ、ブランチの電圧式の駆動を助成する。制御装置の第１の２つのステージの他のトポロジー（接続形態）も、本発明に適用可能である。

作用キャパシタＣ_Ｒは、増幅ステージのインダクタｌ_Ｒと共振し、１／２の値に達し得るデューティサイクルを有するＡＣ励起電圧Ｖ_ｐｉを噴射装置に対し供給する必要のある噴射装置／作用キャパシタアセンブリの容量を増大させるように設計されている。

本発明は、この追加のブランチのスイッチＴ_Ｒを制御する方法であって、トレインの開始時の急な放電を回避することによって、噴射を起こさせるパルストレインの間に容量電荷から利益を得ることができるようにする方法を提案する。このために、噴射終了コマンド後にスイッチＴ_Ｒの開放が命令され、噴射装置駆動装置の第２のステージのチョッピングスイッチＴ_２は、マッチングキャパシタＣ_Ｒの両端子間の電圧Ｖ_Ｒ及び選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉの取り止めから決められる時間間隔ｄ_ｏ後は開いたままであり、それにより、後者は、著しく再度上昇するための時間は有しておらず、スイッチＴ_Ｒの閉鎖が、このスイッチＴ_Ｒの閉鎖に対して時間間隔ｄ_Ｆだけ遅延し、これにより、前記同じ電圧Ｖ_Ｒ及びＶ_ｐｉが噴射の開始時でほぼゼロとなる。よって、マッチング作用キャパシタＣ_Ｒは、持続時間Ｄ_ｔの２つの一連の噴射間でほぼゼロの電荷を保持し、その強力な放電の問題が回避される。

図６ａは、瞬間ｔ_０で始まり瞬間ｔ_３で終わる持続時間Ｄ_ｔの噴射を制御する信号Ｓ_ＣＩを示し、図６ｂは、瞬間ｔ_０で始まり、周期Ｔ_ｃｏｍ及び持続時間Ｄの複数のパルスを含む、駆動装置の第２のステージを制御する信号Ｓ_Ｔ２を示し、噴射の終了は、スイッチＴ_２の開放パルスの間に、つまり選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉが正の時に命令される必要がある。

図６ｃは、噴射装置の選択スイッチＳ_ｉ及びマッチングキャパシタＣ_Ｒと連動するスイッチＴ_Ｒを制御する信号Ｓ_ＴＲを示し、選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉ及びマッチングキャパシタの両端子間のＶ_Ｒは、図６ｄに示されている。選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉは、噴射終了コマンド後の瞬間ｔ_４から、ゼロ又は励起電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}より極めて小さく、励起電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}の１／１０の規模である。

噴射装置の選択スイッチＳ_ｉ及びマッチングブランチのスイッチＴ_Ｒを制御する信号Ｓ_ＴＲは、噴射の開始を制御する瞬間ｔ_０とは異なり、瞬間ｔ_０から時間間隔ｄ_Ｆだけ離れている瞬間ｔ_１で開始し、前記スイッチの開放は、新規の噴射コマンドを生じさせたであろう選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉの取り止めの瞬間ｔ_４よりも遅い瞬間ｔ_５で命令される。これらの２つの瞬間ｔ_４及びｔ_５は、時間間隔ｄ_Ｏだけ離れており、その間隔は、噴射装置駆動装置の第２のステージのチョッピングスイッチＴ_２に適用される制御周期Ｔ_ｃｏｍの１／１０より小さくなくてはならない。

噴射終了コマンドは、駆動装置の第２のステージのスイッチＴ_２の開放期の間だけ、瞬間ｔ_３で発生させることができ、よって、噴射装置の選択スイッチＳ_ｉ及びマッチングキャパシタＣ_Ｒと連動するスイッチＴ_Ｒは、開放に対して瞬間ｔ_３及びｔ_４の後の且つ新規の噴射コマンドより早い瞬間ｔ_５で作用し、一方、スイッチＴ_２はもはや作動しない。

マッチングスイッチＴ_Ｒの閉鎖の瞬間ｔ_１を考慮すると、技術的には、瞬間ｔ_０で実際に閉鎖されず噴射の開始がわずかに遅れるため、一方では、駆動装置の第２のステージのスイッチＴ_２の閉鎖の瞬間ｔ_０後に、他方では、その開放の瞬間ｔ_２前に行わなければならず、このため、瞬間ｔ_０と瞬間ｔ_１との時間間隔ｄ_ＦはスイッチＴ_２の技術に依存する。

本発明によれば、図６ｄに示す、選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖ_ｐｉ及びマッチングキャパシタの両端子間の電圧Ｖ_Ｒは、一方では、瞬間ｔ_４から噴射終了コマンド後、他方では、スイッチＴ_Ｒの閉鎖の瞬間ｔ_２前には、ゼロか又は励起電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}より極めて小さく、該励起電圧Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}の１／１０の規模となっている。選択された圧電噴射装置のキャパシタ及びマッチングキャパシタに保存されたエネルギーは、噴射の開始時に選択スイッチＳ_ｉ及びスイッチＴ_Ｒが閉鎖された時、及び噴射の終了時に瞬間ｔ_５で開放した時に放出する。

構成要素の寿命は保護され、スイッチの動作の切り換えに対応する熱散逸は最小化され、一方、制御デューティサイクルはできるだけ１／２近くに保持され、良好な噴射性能特性が保持される。

変流器を有していない駆動装置を示す図である。 噴射装置の励起電圧Ｖ_ｐｉを経時的に示す図である。 ３ａは噴射装置で循環する電流Ｉｒを経時的に示す図であり、３ｂは電圧Ｖ_ｐｉを経時的に示す図である。 ４ａ及び４ｂは、共振インダクタＬｒの値を低減し、スイッチＴ_２の開放時間を短縮することによって得られる電流Ｉｒ及び電圧Ｖ_ｐｉを経時的に示す図である。 本発明による超音波圧電アクチュエータを駆動する装置の例示的な態様の電子（回路）図である。 ６ａ〜６ｄは、噴射制御信号及びアクチュエータの励起電圧を経時的に示す図である。

Claims (7)

1. 制御コンピュータ及びＤＣ電圧源から電子的に駆動される複数の超音波圧電アクチュエータを駆動するための装置であって、前記電圧が高電圧を生成する第１の増幅ステージ、並びに前記高電圧によって給電され、前記コンピュータによって制御可能な選択手段と連動する噴射装置に給電するための電流源を発生させるための第２のステージとを備えており、
   前記装置は、前記アクチュエータに並列に取り付けられた選択スイッチ（Ｔ_Ｒ）に直列に接続された作用キャパシタ（Ｃ_Ｒ）からなるインピーダンスマッチングブランチをさらに備えており、
   前記制御コンピュータによって、前記作用キャパシタの前記選択スイッチ（Ｔ_Ｒ）が、励起すべきアクチュエータの選択スイッチ（Ｓ_ｉ）と同時に開閉し、
   前記インピーダンスマッチングブランチの前記スイッチ（Ｔ _Ｒ ）の開放を、前記アクチュエータの励起電圧（Ｖ _ｐｉ ）の取り止めの瞬間（ｔ _４ ）より後の瞬間（ｔ _５ ）に制御し、前記瞬間（ｔ _４ ）自体は、噴射終了制御の瞬間（ｔ _３ ）より後であり、その際、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ _２ ）がもはや作動せず、前記瞬間（ｔ _４ ）及び（ｔ _５ ）の間の時間間隔（ｄ _ｏ ）が、マッチングキャパシタ（Ｃ _Ｒ ）の両端子間の電圧（Ｖ _Ｒ ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖ _ｐｉ ）がゼロ又はアクチュエータの励起電圧（Ｖ _{ｂｏｏｓｔ} ）より極めて小さくなるように規定されており、前記作用キャパシタ（Ｃ _Ｒ ）が、持続時間（Ｄ _ｔ ）の２つの一連の噴射間でほぼゼロの電荷を保持している
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記作用キャパシタ（Ｃ_Ｒ）が、噴射装置／作用キャパシタアセンブリの容量を増大させるように設計されており、前記増幅ステージのインダクタ（Ｌ_ｒ）と共振し、少なくとも１／２に等しいデューティサイクルを有するＡＣ励起電圧（Ｖ_ｐｉ）を供給する必要があることを特徴とする、請求項１に記載の駆動装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置によって制御される複数の超音波圧電アクチュエータを駆動する方法であって、インピーダンスマッチングブランチのスイッチ（Ｔ_Ｒ）の開放を、前記アクチュエータの励起電圧（Ｖ_ｐｉ）の取り止めの瞬間（ｔ_４）より後の瞬間（ｔ_５）で制御し、瞬間（ｔ_４）自体は、噴射終了制御の瞬間（ｔ_３）より後であり、その際、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ_２）がもはや作動せず、前記瞬間（ｔ_４）及び（ｔ_５）の間の時間間隔（ｄ_ｏ）が、マッチングキャパシタ（Ｃ_Ｒ）の両端子間の電圧（Ｖ_Ｒ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖ_ｐｉ）がゼロ又はアクチュエータの励起電圧（Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}）より極めて小さくなるように規定されており、前記作用キャパシタ（Ｃ_Ｒ）が、持続時間（Ｄ_ｔ）の２つの一連の噴射間でほぼゼロの電荷を保持していることを特徴とする、方法。
4. 複数の超音波圧電アクチュエータを駆動するための方法であって、インピーダンスマッチングブランチのスイッチ（Ｔ_Ｒ）の閉鎖が、瞬間（ｔ_１）で、一方では、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ_２）の閉鎖の瞬間（ｔ_０）より後に、他方では、その開放の瞬間（ｔ_２）の前に行われなくてはならず、それにより、前記両瞬間（ｔ_０及びｔ_１）の時間間隔（ｄ_Ｆ）が、前記マッチングキャパシタ（Ｃ_Ｒ）の両端子間の電圧（Ｖ_Ｒ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖ_ｐｉ）がゼロか又はアクチュエータの励起電圧（Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}）より極めて小さくなるように決定され、前記作用キャパシタ（Ｃ_Ｒ）が、持続時間（Ｄ_ｔ）の２つの一連の噴射間でほぼゼロ電荷を保持することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 複数の超音波圧電アクチュエータを駆動する方法であって、前記時間間隔（ｄ_ｏ）が、励起電圧（Ｖ_ｐｉ）の取り止めの瞬間（ｔ_４）に基づいて規定され、時間間隔（ｄ_Ｆ）が、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ_２）の閉鎖の瞬間（ｔ_０）に基づいて規定され、それにより、マッチングキャパシタ（Ｃ_Ｒ）の両端子間の電圧（Ｖ_Ｒ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖ_ｐｉ）が、ゼロか又はアクチュエータの励起電圧（Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}）より極めて小さく、噴射の終了及び開始でそれぞれ、励起電圧（Ｖ_{ｂｏｏｓｔ}）の１／１０の規模であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の方法。
6. 複数の超音波圧電アクチュエータを駆動するための方法であって、前記アクチュエータの励起電圧（Ｖ_ｐｉ）の取り止めの前記瞬間（ｔ_４）とインピーダンスマッチングブランチのスイッチ（Ｔ_Ｒ）の開放の瞬間（ｔ_５）との間の時間間隔（ｄ_ｏ）が、前記噴射装置駆動装置の第２のステージのチョッピングスイッチ（Ｔ_２）に適用される制御周期（Ｔ_ｃｏｍ）の１／１０よりも短いことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 自動車における内燃エンジンの電子式噴射コンピュータによって駆動される圧電ステージを備えている燃料噴射装置の駆動に応用されることを特徴とする、請求項３ないし６のいずれか１項に記載の駆動方法。

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