JP5199523B2 - 燃料噴射システムの圧電素子を充電または放電するための装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載されているようなまたは請求項３の上位概念に記載されているような装置および請求項６，８の上位概念に記載されているような方法、すなわち圧電素子を充電および放電するための、少なくとも部分的に、充電および放電電流に対する実質的にインダクタンスとして動作する素子を介して実施される充電および放電両方のために使用される装置および方法に関する。
【０００２】
一層詳細に考えられる本発明の圧電素子は独占的にではないが、殊に、アクチュエータとして使用される圧電素子である。圧電素子はこのような目的のために使用することができる。というのは、周知のように、圧電素子は、それに供給される電圧の関数として収縮するまたは伸張する特性を有しているからである。
【０００３】
問題のアクチュエータが急速および／または頻繁な動きを実施しなければならないとき殊に、圧電素子を使用するアクチュエータを具体化実現すると有利である。
【０００４】
圧電素子をアクチュエータとして使用することはなかんずく、内燃機関に対する燃料噴射ポンプにおいて有利であることが実証されている。圧電素子を噴射バルブアクチュエータとして使用することに関しては、ＥＰ０３７１４６９Ｂ１号およびＥＰ０３７９１８２Ｂ１号の両刊行物が参考になる。この種の圧電素子は、所定の、一般に動作点に依存している電圧に充電される。圧電素子は縦方向に伸張し、それが噴射バルブの開閉を制御するために使用される。圧電素子を近似的に充電および放電することによって、所望の噴射操作または噴射プロフィールを実現することができる。
【０００５】
図１５はアクチュエータとして圧電素子２０１０を利用する燃料噴射システムの概略図である。図７を参照すると、この圧電素子２０１０は電気的にエネルギを与えられ、所与の活性化電圧に応答して伸長および収縮する。この圧電素子２０１０はピストン２０１５に結合されている。伸長した状態では、この圧電素子２０１０によって、このピストン２０１５は、液体、例えば燃料を含む液圧アダプタ２０２０へと突き出される。この圧電素子の伸長の結果、複動式制御バルブ２０２５は液圧的にこの液圧アダプタ２０２０から押し出され、バルブプラグ２０３５が第１の閉位置２０４０から押し出される。複動式制御バルブ２０２５と中空ボア２０５０との組み合わせはしばしば複動式複座バルブと呼ばれる。その理由は、圧電素子２０１０が励起されていない場合には、この複動式制御バルブ２０２５はその第１の閉位置２０４０に停止しているからである。他方で、圧電素子２０１０が完全に伸長すると、このバルブ２０２５はその第２の閉位置２０３０に停止する。バルブプラグ２０３５の後者の位置が概略的に図１５においてはゴーストラインで表されている。
【０００６】
燃料噴射システムは加圧燃料供給ライン２０６０からシリンダ（図示せず）への燃料の噴射用の噴射ニードル２０７０を有する。圧電素子２０１０が励起されていない場合または圧電素子が完全に伸長している場合、複動式制御バルブ２０２５はそれぞれ第１の閉位置２０４０または第２の閉位置２０３０に停止している。いずれの場合にも、液圧レール圧力は閉位置に噴射ニードル２０７０を維持する。よって、燃料混合気はシリンダ（図示せず）には入らない。逆に、圧電素子２０１０が励起され、これにより複動式制御バルブ２０２５が中空ボア２０５０においていわゆる中間位置にある場合には、加圧燃料供給ライン２０６０において圧力降下がある。圧力降下の結果、噴射ニードル２０７０のトップとボトムとの間において加圧燃料供給ライン２０６０における圧力差が生じ、このため、この噴射ニードル２０７０は持ち上げられ、シリンダ（図示せず）への燃料噴射が行われる。
【０００７】
相応のシステムの一層詳細な説明は、ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１９７４２０７３Ａ１およびＤＥ１９７２２９８４４Ａ１にて読むことができ、これをもってこれらは全部がここに組み込まれたものになる。これらの特許出願は、燃料噴射システムにおける噴射ニードルを制御するための複動式制御バルブを持つ圧電素子を開示している。
【０００８】
圧電素子は、既に部分的に上述したように、特定の充電状態またはそこに生じている電圧またはそこに供給される電圧に依存して収縮および伸張する容量負荷である。
【０００９】
圧電素子を充電および放電するための基本的な原理は周知である。すなわち、オーミック抵抗を介する充電および放電並びにコイルを介する充電および放電。これらの場合において、オーミック抵抗もコイルもとりわけ、充電期間中に生じる充電電流および放電期間中に生じる放電電流を制限するために用いられる。
【００１０】
第１の形態、すなわちオーミック抵抗を介する充電および放電が図９に示されている。
【００１１】
充電または放電されるべき圧電素子には図９では参照番号１０１が示されておりかつ充電トランジスタ１０２および放電トランジスタ１０３に接続されている。
【００１２】
充電トランジスタ１０２は充電増幅器１０４によって制御されかつ導通状態において圧電素子１０１を正の給電電圧に接続する。一方、放電トランジスタ１０３は充電増幅器１０５によって制御されかつ導通状態において圧電素子１０１をアースに接続する。
【００１３】
充電トランジスタ１０２が導通状態にあるとき、充電電流はこれを通って流れかつ圧電素子１０１を充電する。圧電素子１０１の充電が増大すると、圧電素子に生じる電圧が上昇し、かつその外法寸法もこれに応じて変化する。充電トランジスタ１０２の抑止、すなわち充電動作の停止または終了により、圧電素子１０１に蓄積された電荷、従ってこれにより素子中に形成された電圧、従ってまた圧電素子１０１の存在している外法寸法が実質的に変化しない手法で保持されることになる。
【００１４】
放電トランジスタ１０３が導通状態にあるとき、これを介して放電電流が流れかつ圧電素子１０１を放電する。圧電素子１０１は段々強く放電されるので、そこに生じる電圧は低下し、かつその外法寸法も相応に変化する。放電トランジスタ１０３の抑止、すなわち放電動作の停止または終了により、圧電素子１０１にまだ蓄積されている電荷、従ってこれにより素子中に形成された電圧、従ってまた圧電素子１０１の存在している外法寸法が実質的に保持されることになる。
【００１５】
充電トランジスタ１０２および放電トランジスタ１０３は、充電電流および放電電流の点で制御可能なオーミック抵抗のように動作する。充電電流および放電電流の制御の結果として、充電動作および放電動作が所望通りに正確に行われるようにすることができる。しかし、充電トランジスタ１０２を流れる充電電流および放電トランジスタ１０３を流れる放電電流はそこに無視できない電力損失を発生する。それぞれの充電／放電サイクルに対するトランジスタにおけるエネルギー損は、圧電素子１０１に蓄積されたエネルギーの少なくとも２倍の大きさである。この高いエネルギー損の結果として、充電トランジスタ１０２および放電トランジスタ１０３の著しい加熱が生じる。
【００１６】
基本的にこの理由のために、とりわけ、既に上に述べた、圧電素子を充電しかつ放電するための、すなわちコイルを介して充電および放電するための第２の例がしばしば使用される。この第２の形態の実際的な実施が図１０に示されている。
【００１７】
図１０には参照番号２０１で示されている、充電および放電されるべき圧電素子は、充電スイッチ２０２によって閉成することができる充電電流回路および放電スイッチ２０６によって閉成することができる放電電流回路の構成要素である。すなわち、充電電流回路は充電スイッチ２０２、ダイオード２０３，充電コイル２０４、圧電素子２０１および電圧源２０５から成る直列回路を有している。放電電流回路は放電スイッチ２０６、ダイオード２０７，放電コイル２０８および圧電素子２０１から成る直列回路を有している。
【００１８】
充電電流回路のダイオード２０３は、圧電素子を放電する可能性のある電流が充電電流回路に流れることがないようにする。
【００１９】
放電電流回路のダイオード２０７は、圧電素子を充電する可能性のある電流が放電電流回路に流れることがないようにする。
【００２０】
充電スイッチ２０２（ノーマリー・オープン）が閉成されているとき、充電電流が充電電流回路を流れかつ圧電素子２０１が充電されるようにする。圧電素子２０１に蓄積された電荷、従ってこれにより素子中に生じる電圧、従ってまた圧電素子２０１の存在している外法寸法は、充電スイッチが再び開放されても実質的に変化されないように保持される。
【００２１】
放電スイッチ２０６（ノーマリー・オープン）が閉成されているとき、放電電流が放電電流回路を流れかつ圧電素子２０１が放電されるようにする。圧電素子２０１の充電状態、これにより圧電素子２０１中に生じる電圧、および圧電素子２０１の存在している外法寸法は、放電スイッチが再び開放されても実質的に変化されないように保持される。
【００２２】
充電コイル２０４および放電コイル２０６は実質的に、充電電流および放電電流に対するインダクタンスとして動作するエレメントである。充電コイル２０４および圧電素子２０１、および放電コイル２０６および圧電素子２０１は、圧電素子２０１のそれぞれの充電および放電期間の間、ＬＣ直列発振器回路を形成する。
【００２３】
ＥＰ０３７１４６９Ｂ１およびＥＰ０３７９１８−２Ｂ１が参考になる。ここには、圧電素子を充電および放電するために使用される所定の回路が記載されている。
【００２４】
基本原理に則って記載されている上掲の刊行物から公知の装置および方法は、請求項１または請求項３の上位概念に記載された装置、および請求項６または請求項８の上位概念に記載された方法である。
【００２５】
図１０に記載されている回路は充電電流回路にも放電電流回路にも実質的にオーミック抵抗を含んでいないので、圧電素子の充電および放電によって、すなわちオーミック抵抗を流れる充電電流および放電電流の流れによって生成される加熱エネルギーは極めて小さい。
【００２６】
このような回路の実際の実施のためには比較的大きなスペースが必要である。殊に、充電コイル２０４および放電コイル２０６の無視できないサイズのためである。
【００２７】
圧電素子または圧電式アクチュエータをアクティベーションするときの基本となる仕事は、所定の時間内にアクチュエータを充電および放電することである。
【００２８】
例えば、説明したアクティベーションシステムの場合、このことは電流バンド内で電流を調整することによって実現することができる。電流バンドは２つのセットポイントによって画定されている。電流バンドは、平均電流の流れが次式を充足するように選択されなければならない：
Ｉ_{ａｖｅｒａｇｅ}＝（Ｃ_ｐ×Ｕ_ｐ）／Ｔ_Ａ
ここでＣ_ｐはピエゾ・キャパシタンス、Ｕｐは充電および放電期間のピエゾまたは圧電素子における初期電圧と所望の電圧との間の差であり、かつＴ_Ａはピエゾまたは圧電素子または圧電素子が充電または放電されなければならない時間間隔である。
【００２９】
今日ではますます小さなアクチュエータが、それ故に容量がますます小さなピエゾまたは圧電素子が使用されるようになってきた。しかし、充電または放電に対する同じ時間間隔が要求されている。この要求の結果、平均電流は著しく低くなる、例えば近似的に３Ａまたはそれ以下。
【００３０】
しかし存在するアクティベーションシステムによって、平均電流の低減は制限されている。例えば、実際に使用されているコイルおよびピエゾまたは圧電素子のキャパシタンスに対する電流勾配は非常に高い。これは、インダクタンスおよびピエゾまたは圧電素子のキャパシタンスに依存しているが、１０Ａ／μｓまでである。
【００３１】
電流制御のために使用されるアクティベーションロジックおよびスイッチは近似的に１μｓのスイッチング時間を有しているので、このことは、参照電流が１０Ａを上回ることを意味している。その場合平均電流は、約５Ａにしか制限することができない。電流を制限するためにインダクタンスが大きければいいが、サイズが大きくなる傾向があるので非現実的である。
【００３２】
本発明の目的は、請求項１または請求項３の上位概念に記載の装置および請求項６または請求項８の上位概念に記載の方法を、圧電素子または圧電式アクチュエータの充電および放電期間の低い平均電流が任意に実現されるように発展させることである。
【００３３】
本発明の別の目的は、請求項６または請求項８の上位概念に記載の方法および請求項１または請求項３の上位概念に記載の装置を、これにより圧電素子の効果的な充電および放電が可能であるが、一方圧電素子の充電および放電期間の低い平均電流が任意に実現されるように発展させることである。
【００３４】
本発明は、圧電素子または圧電素子または圧電式アクチュエータの充電および放電期間に低い平均電流が任意に実現されるようにするものである。本発明において、アクティベーションシステムは次のように変形することができる：電流はある電流バンド内で調整されないが、必要なときにはギャップを形成してもよく、圧電素子の充電および放電期間の平均電流を低くすることができる。
【００３５】
その際充電電流および放電電流が少なくとも部分的に、インダクタンスとして動作する同じ素子を通って流れるようにされ、かつインダクタンスとして動作する少なくとも１つの素子が、充電電流および放電電流の両方がこの素子を通ることができるように配置される。
【００３６】
実質的に充電または放電電流に対するインダクタンスとして動作する素子を介する、例えば、コイルまたはコイルとして動作するエレメントを介する圧電素子の少なくとも部分的な充電および放電により、充電電流路および放電電流路を実質的に電気負荷がないようにすることができる。結果として、一方において、非常に僅かなエネルギーしか消費されず（というのは電力損が低くかつ放電期間に圧電素子から回収されるエネルギーは電圧源に戻されるかまたは一時的にキャパシタに蓄積されるようにすることができるからである）、かつ他方において充電および放電期間に生じる回路の熱は非常に低く抑えられる。結果として、個々の構成要素（電源も含めて）を比較的低い電力レベル用に設計することができ、かつ冷却のために予め必要とされる手段を完全にあるいはいずれにせよ非常に狭められた範囲のものにすることができる。
【００３７】
充電電流および放電電流はインダクタンスとして動作する同じ素子を通って流れるので、すなわち充電電流および放電電流は、例えば同じコイルまたはコイルとして動作する素子を通って流れるので、更に素子の数を、一層正確にはインダクタンスとして動作する素子の数を低減することができる。要するに、これらの素子の無視できないサイズのために、使用の装置のサイズに非常に肯定的な効果をもたらすことは明らかである。
【００３８】
これにより、まさに制限された空間でかつ所定の時間内に圧電素子の効果的な充電および放電を実施することができる。
【００３９】
本発明の装置は、従来技術の装置の場合よりも一層簡単かつ安価に製造することができる。
【００４０】
本発明の有利な発展形態は従属請求項の対象である。
【００４１】
次に本発明を添付図面を用いて実施例を参照して詳細に説明する。
【００４２】
以下に、充電および放電操作が一層詳細に説明される圧電素子は、例えば内燃機関の燃料噴射ノズル（殊にいわゆるコモンレールインジェクションにおいて）におけるアクチュエータとして使用可能である。しかし、圧電素子のこのような使用には絶対に制限されていない。圧電素子は基本的にいずれの目的のいずれの装置においても使用することができる。
【００４３】
圧電素子は充電に応答して伸張しかつ放電に応答して収縮するものと仮定する。しかし本発明は、勿論、正確に反対の場合にも適用可能である。
【００４４】
図１には、圧電素子を充電および放電するための回路の実施例が示されている。圧電素子は説明する例では充電されるべきものとする。圧電素子１の端子の１つは恒常的にアースに接続されており、すなわち電圧源の第１の極に接続されている。圧電素子の別の端子は、コイル２と、充電スイッチ３およびダイオード５から成る並列回路を介して電圧源の第２の極に接続されており、かつコイル２と、放電スイッチ５およびダイオード６から成る並列回路を介して電圧源の第１の極に接続されている。
【００４５】
電圧源は、バッテリー７（例えば、車両搭載バッテリー）、その下流のＤＣ円圧変換器８およびバッファキャパシタとして役立つキャパシタ９を有している。この装置によって、バッテリー電圧（例えば１２Ｖ）は実質的にどんな別のＤＣ電圧にも変換されかつ供給電圧として使用できるようにされる。
【００４６】
考察の例において、圧電素子１の充電および放電は循環的な方法で行われる。換言すれば、充電スイッチ３および放電スイッチ５は、充電および放電操作の期間に繰り返し閉成されかつ開放される。
【００４７】
次に結果として生じる状態を図２ないし図５を参照して説明する。そのうち図２および図３は圧電素子１の充電を示しておりかつ図４および図５は圧電素子１の放電を示している。
【００４８】
圧電素子１の充電または放電が生じていないおよび生じていない限り、充電スイッチ３および放電スイッチ５は開放されている。図１に示されている回路は定常状態にあり、すなわち圧電素子１は実質的に変化されない方法でその充電状態を保持し、かつ電流は流れない。
【００４９】
圧電素子１の充電のオンセットによって、充電スイッチ３は繰り返し閉成されかつ開放される。放電スイッチ５は開放された状態のままである。
【００５０】
充電スイッチ３が閉成している場合、図２に示された状態が発生する。すなわち圧電素子１、キャパシタ９およびコイル２から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＬＥ（ｔ）が図２に矢印で示されているように流れる。この電流フローの結果、エネルギーがコイル２に蓄積される。コイル２への電流フローは、キャパシタ９と圧電素子１との間の正の電位差によって影響を受ける。
【００５１】
充電スイッチ３が閉成した後で短時間（例えば、数μｓ）この充電スイッチ３が開かれる場合、図３に示された状態が発生する：圧電素子１、ダイオード６およびコイル２から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＬＡ（ｔ）が図３に矢印で示されているように流れる。この電流フローの結果、コイル２に蓄積されたエネルギーが圧電素子１に流れる。この圧電素子１へのエネルギ供給に相応して、圧電素子１で発生する電圧およびこの圧電素子１の外法寸法が増大する。一度エネルギー輸送がコイル２から圧電素子１へ行われると、図１に示された既述の回路の定常状態が再び得られる。
【００５２】
その時またはそれ以前または以後に（充電動作の所望のタイムプロフィールに依存して）充電スイッチ３が再び閉成され再び開かれる。この結果、上記のプロセスが繰り返される。充電スイッチ３のこの再開閉の結果、圧電素子１に蓄積されるエネルギが増大し（既にこの圧電素子１に蓄積されていたエネルギと新たに供給されたエネルギーとが加算される）、かつ圧電素子で生じる電圧およびこの圧電素子の外法寸法がこれに応じて増大する。
【００５３】
充電スイッチ３の上述の開閉が多数回繰り返されるならば、圧電素子で生じる電圧およびこの圧電素子の伸長は段階的に増大する（後で説明する図６の説明参照）。
【００５４】
充電スイッチ３が所定の回数だけ開閉するとおよび／または圧電素子１が所望の充電状態に達すると、この圧電素子の充電が充電スイッチ３を開いたままにすることによって終了される。
【００５５】
圧電素子１が再び放電されるべきとき、このことは放電スイッチ５を繰り返し閉成および開放することによって行われ、その間充電スイッチ３は開放されたままである。
【００５６】
放電スイッチ５が閉成されると、図４に示された状態が発生する：圧電素子１０およびコイル２から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＥＥ（ｔ）が図４に矢印で示されているように流れる。この電流フローの結果、圧電素子に蓄積されていたエネルギー（の一部）がコイル２に輸送される。圧電素子１からコイル２へのエネルギー供給に相応して、圧電素子１０において発生する電圧およびこの圧電素子の外法寸法が減少する。
【００５７】
放電スイッチが閉成した後で短時間（例えば、数μｓ）この放電スイッチ５が開かれる場合、図５に示された状態が発生する：圧電素子１、キャパシタ９、ダイオード４およびコイル２から成る直列回路を有する閉回路が形成され、この閉回路において電流ｉ_ＥＡ（ｔ）が図５に矢印で示されているように流れる。この電流フローの結果、コイル２に蓄積されていたエネルギがキャパシタ９にフィードバックされる。一度エネルギー輸送がコイル２からキャパシタ９へ行われると、図１に示された既述の回路の定常状態が再び得られる。
【００５８】
その時またはそれ以前または以後に（放電動作の所望のタイムプロフィールに依存して）放電スイッチ５が再び閉成され再び開かれる。この結果、上記のプロセスが繰り返される。放電スイッチ５のこの再開閉の結果、圧電素子１に蓄積されるエネルギーが更に減少し、この圧電素子で生じる電圧およびこの圧電素子の外法寸法もこれに応じて減少する。
【００５９】
放電スイッチ５の上述の開閉が多数回繰り返されるならば、圧電素子で生じる電圧およびこの圧電素子の伸長は段階的に減少する（図６の説明参照）。
【００６０】
放電スイッチ５が所定の回数だけ開閉するとおよび／または圧電素子が所望の放電状態に達すると、この圧電素子の放電は放電スイッチ５を開いたままにすることによって終了される。
【００６１】
図１に示された回路の操作、またはもっと正確には、上述したような圧電素子１の充電および放電の結果として、図６に示されている電流および放電プロフィールが生じる。
【００６２】
図６に示されている曲線に測定された変数を表しているシンボルが付けられている。使用されているシンボルは次のような意味を持っている：
【００６３】

【００６４】
図６に示されている電流および電圧曲線は、充電プロセス（タイムスケール上近似的に１００μｓないし３００μｓの範囲において）および放電プロセス（タイムスケール上近似的に４００μｓないし６００μｓの範囲において）表している。図６から、圧電素子１に生じる電圧が均一でかつ十分制御されているプロフィールを有していることがわかる。
【００６５】
同時に、圧電素子の充電電流および放電に影響を及ぼす回路、もっと正確には図１に示されている回路は、極めてシンプルなコンフィギュレーションをしかつ効率が最適によい。これには次の３つのファクターが関与している、すなわち
１） 充電および放電は唯一の同じコイル（すなわちコイル２）を通って実現される；
２） オーミック抵抗における熱発生が原因のエネルギー損は無視できる程度に小さい；および
３） 圧電素子に蓄積されるエネルギーはキャパシタ９に実質的に完全に戻され、従って続く再使用のために利用できる。
【００６６】
第１のファクターにより、構成要素の数、殊にコイルの数（そもそも比較的大きい）を最小化することができる。第２および第３のファクターにより、バッテリー７およびＤＣ変換器８を比較的低い電力レベル用に設計することが可能になる。
【００６７】
上述したファクターのすべては、単独であろうと組み合わされていようと、圧電素子を充電および放電するために設けられている回路を可能な最小の空間で実現されるようにし、かつその製造および動作コストが最小化されるようにする物であるか、または少なくともその可能性に貢献するものである。
【００６８】
これまで本質において説明してきた圧電素子を充電および放電するための方法およびこの方法を実施するために適している回路を使用して、１つだけの圧電素子というよりもむしろ複数の圧電素子を連続的に充電および放電することができる。
【００６９】
このことを可能にする回路が図７に示されている。
【００７０】
図７に図示された回路は図１に図示されている回路に基づいている。対応しているエレメントには同じ参照番号が付されている。図１の「唯一の」圧電素子１は、ダイオード１０と複数のピエゾまたは圧電素子ブランチ１１，１２，…，ｌｎから成る並列回路によって置換されている。各ピエゾまたは圧電素子ブランチは、圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１と、セレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２およびダイオード１１_３，１２_３，…１ｎ_３から成る並列回路との直列回路を有している。
【００７１】
ダイオード１０は、負の電圧が圧電素子に生じるのを妨げる。負の電圧は状況によっては圧電素子にダメージを与えるおそれがある。
【００７２】
個々のピエゾまたは圧電素子ブランチに並列に配置されているセレクタスイッチ／ダイオード対、すなわちピエゾまたは圧電素子ブランチ１１におけるセレクタスイッチ１１_２およびダイオード１１_３および圧電素子ブランチ１２におけるセレクタスイッチ１２_２およびダイオード１２_３および圧電素子ブランチ１３におけるセレクタスイッチ１ｎ_２およびダイオード１ｎ_３は、寄生ダイオードを有する電子スイッチ、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを使用して実施することができる。
【００７３】
圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１の充電および放電は実質的に、図１に示されている圧電素子１の充電および放電と同じ手法で実施される；すなわち、充電のために、充電スイッチ３が繰り返して閉成されかつ開放され、かつ放電のために、放電スイッチ５が繰り返して閉成されかつ開放される。
【００７４】
充電スイッチ３の繰り返される閉成および開放に基づいて充電される単数または複数の圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１は、セレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２によって決定される。それぞれの場合において、充電される圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１は、充電スイッチ３の繰り返される閉成および開放期間に所属のセレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２が閉成されているすべての圧電素子である。
【００７５】
充電されるべき圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１の選択（関連のセレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２を閉成することによって）、この選択の解消（関連スイッチを開放することによって）は一般に、充電操作の外部で実施される。特別な場合において、複数個の圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１が同時に種々のレベルに充電されるべきであれば、セレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２の開放および閉成を充電操作の期間に行うこともできる。
【００７６】
選択された圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１の充電期間に行われる操作は、図１に示されている回路の場合に生じる操作と実質的に同一である。図２および図３および関連の説明も有効である。異なっているのは、圧電素子１ではなくて、１つまたは複数の圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１が充電されるということだけである。
【００７７】
圧電素子の放電作用をする放電電流はそれぞれの圧電素子に関連付けられているダイオード１１_３，１２_３，…１ｎ_３を介して流れることができるので、圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１の放電は関連付けられているセレクタスイッチ１１_２，１２_２，…１ｎ_２の位置に関係なく行われる。それ故に、この放電操作により完全にまたは部分的に充電された圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１がすべて放電されることになる。
【００７８】
圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１の放電期間に生じる操作は、図１に示されている回路の場合に生じる操作と実質的に同一である。図４および図５および関連の説明も有効である。異なっているのは、圧電素子１ではなくて、１つまたは複数の圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１が放電されるということだけである。
【００７９】
図７に図示の回路が、圧電素子１１_１，１２_１，…１ｎ_１が上述したように個々にかつ連続的に放電されるように操作されるのであれば、結果的に生じる電流および放電プロフィールは図８に示されているプロフィールである。
【００８０】
図８に示されている曲線には、測定された変数を表しているシンボルが付けられている。使用されているシンボルは次のような意味を持っている：
【００８１】

【００８２】
図８に示されている電流および電圧プロフィールは、圧電素子１１_１に対する充電および放電操作を（タイムスケール上近似的に０．１ｍｓないし０．７ｍｓの範囲において）示し、圧電素子１２_１に対する充電および放電操作を（タイムスケール上近似的に０．８ｍｓないし１．４ｍｓの範囲において）示し、かつ圧電素子１２ｎ_１に対する充電および放電操作を（タイムスケール上近似的に１．５ｍｓないし２．１ｍｓの範囲において）示している。個々に示されている様子を見れば、図７に示されている回路の機能、および操作の手法がわかる。
【００８３】
図８から分かるように、圧電素子に生じる電圧は殆ど線形でかつ十分制御されているプロフィールを有している。
【００８４】
同時に、圧電素子の充電電流および放電に影響を及ぼす回路、もっと正確には図７に示されている回路は、極めてシンプルな構成を有しかつ最適に良好な効率を有する。もう一度、図１の回路を用いて既に説明したように、このことに貢献するファクターは、基本的に、充電および放電が同じコイル（すなわちコイル２）を通って実現されること；オーミック抵抗における熱発生が原因のエネルギー損が無視できる程度に小さいこと；および圧電素子に蓄積されるエネルギーがキャパシタ９に実質的に完全に戻され、従って続く再使用のために利用できるということである。
【００８５】
第１のファクターにより、構成要素の数、殊にコイルの数（そもそも比較的大きい）を最小化することができる。第２のファクターにより、ＤＣ変換器８を比較的低い電力レベル用に設計することが可能になる。
【００８６】
上述したファクターのすべては、単独であろうと組み合わされていようと、圧電素子を充電および放電するための上に説明した回路（図７に示されている回路）を可能な最小の空間で実現されるようにし、かつその製造および動作コストが最小化されるようにするものである。
【００８７】
上述の実施例のそれぞれにおいて、インダクタンスとして動作するエレメントとしてコイルが使用された。しかしこのことは何ら制限をするものではない。送信機、トランスなどのようなインダクタンスとして動作する別のエレメントが、コイルの代わりに使用され得る（回路の構成および操作に対して適当に変形されて）。
【００８８】
上述してきた、循環的な手法で充電および放電操作を実施するという表現もこれに制限されるものではない。充電および／または放電を、交番的にまたは付加的に、別の方法で実施することもできる。
【００８９】
とりわけ、充電および／または放電操作を、発振回路として動作する１つまたは複数の充電および／または放電電流回路を用いて全体的にまたは部分的に実施することも可能である。
【００９０】
図１１には、例を用いて、本発明によって提供されるよりも高い平均電流を有している、圧電素子または圧電素子または圧電式アクチュエータの充電期間中のプロフィール例が示されている。
【００９１】
本発明において、電流がこの低い限界値以下に降下した後で再び充電スイッチ３を閉成する代わりに、すなわち電流が再び上昇できるようにすることで、本発明のアクティベーションシステムは、必要であれば、ギャップを示し、従って結果的に平均電流が比較的低くなるようにする電流を発生することができる。
【００９２】
本発明の実施例のいずれに対しても、本発明は、所定の時間遅延または所定の時間が次のように画定されるようにしている：所定の低い電流値を下回る値を有しているまたは所定の高い値を有している電流値が測定される（例えば、測定ユニットまたは類似のものによって）とき、充電または放電スイッチがその都度、所定の時間遅延または所定の時間が生じるまたは経過するまで連続してオフ状態が維持されるようにしかつそれから充電または放電スイッチ（３，５）のスイッチオンが許容される。更に特定すれば、測定された電流値が所定の低い電流値に等しいかまたはそれより低いとき、所定の時間が始まりかつ経過する。この所定の時間が終了するまたは所定の時間に達するとき、充電スイッチ３はオフ状態からオン状態に切り換えられる。本発明の１つの実施例であるこの手法によって、この時間間隔を変化することによって所望の平均電流を実現することができることになる。
【００９３】
これに対して第１及び第３の実施例が提案されている。すなわち、これらに共通している特徴は、純然たるイベント制御型の制御システムというよりは（「イベント」は電流しきい値より上方および下方の変位（excursion）である）、イベント（変位）および時間制御型の制御システムである。
【００９４】
本発明の第１の実施例によれば、付加的なパラメータとして、低い電流しきい値より下方の変位に基づいて充電スイッチを元の状態に切り換えるための時間遅延が提供される。特別な場合、この低い電流しきい値は図１２に示されているように零となる場合もある。この時間間隔が零にセットされているならば、その前の状態と比べて変化はない。図１２には、約５μｓの時間および０Ａにおける低い電流しきい値を有している本発明の第１の実施例が示されている。この時間間隔を変化することによって所望の平均電流を実現することができる。
【００９５】
図１３に示されている第２の参考例では、低い電流しきい値は省略されている。その代わりに、充電スイッチを切り換えるために所定の周波数を有する方形波信号が使用される。上側の電流しきい値が越えられるとき、その前のように、スイッチはオフされる。これにより、生じる最大の電流が構成要素に対して損傷を及ぼすことはないことが保証される。
【００９６】
図１４に示されている、本発明の第３の実施例では、充電スイッチはいずれの場合にも、上側の電流しきい値より上方の変位に続く前以て決めることができる時間後に元の状態に切り換えられるようになっている。
【００９７】
アクティベーション時間およびアクティベーション電流が所望通り変化されるようにアクティベーションを種々の変化することができる。電流中のギャップが生じるようにアクティベーションを変化することができ、この場合には低い平均電流を得るようにすることができる。
【００９８】
本発明が基づいている、圧電素子または圧電式アクチュエータに対する時間およびイベント（変位）制御されるアクティベーションシステムは、従来実施されていた純イベント（変位）制御型のアクティベーションシステムと比べて少なくともアプリケーション・ニュートラルであることがわかっている。実施例ならびに画定された時間およびイベント（変位）指標に依存して、実際に、アクティベーションＩＣにおけるアクティベーションシステムの実施が余り複雑でないためにコストの面で有利である。
【００９９】
しかし基本的に、本発明は、自由に選択可能なアクティベーション信号の実施を可能にすることができ、アクティベーションＩＣのフレキシビリティは大幅に高められる。
【０１００】
本発明は、所望の機能が保証されているので、製品に関してそれがはっきりと現れる。
【０１０１】
本発明、請求項１または請求項３に記載の装置および請求項６または８に記載の方法は、種々様々なアプリケーションにおいて使用することができる。事実、本発明のアクティベーションＩＣにおけるアクティベーションシステムの実施が比較的複雑でないために、本発明は一層比較的安価な上、効率もよくしかも信頼できる、従来の方法に対する択一例を提供するものである。
【０１０２】
従って、要約するに、本発明の装置および方法は、特に圧電素子の充電および放電の期間の任意の低い平均電流を実現することによって、圧電素子の充電および放電を簡単でかつ巧妙な方法でしかも限られたスペースにおいてさえ効率よく実施することを可能にするものであると言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を使用して圧電素子を充電および放電するのに適している、本発明による回路の略図である。
【図２】 図１の回路における第１の充電フェーズの期間に生じる状態（充電スイッチ３は閉成されている）を説明する略図である。
【図３】 図１の回路における第２の充電フェーズの期間に生じる状態（充電スイッチ３は再び開放されている）を説明する略図である。
【図４】 図１の回路における第１の放電フェーズの期間に生じる状態（放電スイッチ５は閉成されている）を説明する略図である。
【図５】 図１の回路における第２の放電フェーズの期間に生じる状態（放電スイッチ５は再び開放されている）を説明する略図である。
【図６】 図１の回路の操作期間に生じる電圧および電流値の充電状態を時間について示す線図である。
【図７】 本発明による方法を使用して多重の圧電素子を順次充電および放電するための本発明による回路の略図である。
【図８】 図７の回路の操作期間に生じる電圧および電流値の充電状態を時間について示す線図である。
【図９】 充電および放電電流に対してオーミック抵抗として動作する要素を介して圧電素子を充電および放電するための従来の回路の略図である。
【図１０】 充電および放電電流に対してコイルとして動作する要素を介して圧電素子を充電および放電するための従来の回路の略図である。
【図１１】 回路に配置されている圧電式アクチュエータの充電期間のプロフィールを示す線図である。
【図１２】 ０Ａのところにある低い電流しきい値、および、この低いしきい値に達した後、図１の充電スイッチ３が再びターンオンされるまでの一定の時間ｔを有している、本発明の第１の実施例を説明する線図である。
【図１３】 高い電流しきい値を有しかつ充電スイッチ３が、ある所定の、しかし一定の周波数を用いてターンオンされる、第２の参考例を説明する線図である。
【図１４】 電流しきい値の読み出しと充電スイッチのターンオンとの間に所定の時間遅延を有している、本発明の第３の実施例を説明する線図である。
【図１５】 アクチュエータとして圧電素子を使用する燃料噴射システムの概略図である。

Claims (10)

1. 燃料噴射システムの圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための装置において、
   低い平均電流を実現するために燃料噴射システムの電流が、時間指標および変位指標の関数として、充電または放電スイッチ（３，５）を切り換えることによって調整され、
   変位指標の変位が発生したときに、充電または放電スイッチ（３，５）が、所定の時間が経過するまで連続してオフ位置に維持されるように、時間指標は、前記所定の時間を画定し、
   測定された電流値が、所定の限界しきい値である変位指標に等しいまたは該しきい値より小さいときその都度、装置の充電スイッチ（３）または放電スイッチ（５）は、前記所定の時間が経過した後、オフ位置からオン位置に切り換えられて、その都度充電または放電がなされるようにされる
   ことを特徴とする装置。
2. 測定された電流値が所定の限界しきい値である変位指標に等しいまたは該しきい値より小さいとき、充電スイッチは前記所定の時間の間オフ位置に維持されて、電流にギャップが生じるようにされる
   請求項１記載の装置。
3. 燃料噴射システムの圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための装置において、
   低い平均電流を実現するために燃料噴射システムの電流が、時間指標および変位指標の関数として、充電または放電スイッチ（３，５）を切り換えることによって調整され、
   変位指標の変位が発生したときに、充電または放電スイッチ（３，５）が、所定の時間が経過するまで連続してオフ位置に維持されるように、時間指標は、前記所定の時間を画定し、
   測定された電流値が、所定の限界しきい値である変位指標に等しいまたは該しきい値より大きいときその都度、装置の充電スイッチ（３）または放電スイッチ（５）はオン位置からオフ位置へ切り換えられて、その都度前記所定の時間が経過するまで充電または放電が停止されるようにされる
   ことを特徴とする装置。
4. 時間指標および変位指標を変化することによって所望の平均電流が実現されるようにした
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 充電または放電に先立って、燃焼噴射システムの時間指標の関数として圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための測定された電流値を画定する
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 燃料噴射システムの圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための方法において、
   燃料噴射システムの電流を、時間指標および変位指標の関数として、充電または放電スイッチ（３，５）を切り換えることによって調整して、低い平均電流が実現されるようにし、
   変位指標の変位が発生したときに、充電または放電スイッチ（３，５）が、所定の時間が経過するまで連続してオフ位置に維持されるように、時間指標は、前記所定の時間を画定し、
   測定された電流値が、所定の限界しきい値電流である変位指標に等しいまたは該しきい値より小さいときその都度、システムの充電または放電スイッチ（３，５）は、前記所定の時間が経過した後、オフ位置からオン位置に切り換えて、その都度充電または放電がなされるようにする
   ことを特徴とする方法。
7. 測定された電流値が所定の限界しきい値である変位指標に等しいまたは該しきい値より小さいとき、充電スイッチは前記所定の時間の間オフ位置に維持されて、電流にギャップが生じるようにされる
   請求項６記載の方法。
8. 燃料噴射システムの圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための方法において、
   燃料噴射システムの電流を、時間指標および変位指標の関数として、充電または放電スイッチ（３，５）を切り換えることによって調整して、低い平均電流が実現されるようにし、
   変位指標の変位が発生したときに、充電または放電スイッチ（３，５）が、所定の時間が経過するまで連続してオフ位置に維持されるように、時間指標は、前記所定の時間を画定し、
   測定された電流値が、所定の限界しきい値電流である変位指標に等しいまたは該しきい値より大きいときその都度、システムの充電または放電スイッチ（３，５）はオン位置からオフ位置へ切り換えて、その都度前記所定の時間が経過するまで充電または放電が停止されるようにする
   ことを特徴とする方法。
9. 時間指標および変位指標を変化することによって所望の平均電流が実現されるようにした
   請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 充電または放電に先立って、燃焼噴射システムの時間指標の関数として圧電素子（１および／または１１_１，１２_１，…１ｎ_１）を充電または放電するための測定された電流値を画定する
    請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。

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