(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電電圧（ＵL）と、第１のコンデンサ（Ｃ１）および第２のコンデンサ（Ｃ２）を有する回路とによって少なくとも１つの圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）を制御する方法であって、
前記第１のコンデンサ（Ｃ１）は前記回路において電圧源（ＳＮＴ）に並列に接続され、なおかつ、前記第２のコンデンサ（Ｃ２）と前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）とが直列に接続されたものに対して並列に接続されており、
前記第１のコンデンサ（Ｃ１）に前記電圧源（ＳＮＴ）の制御可能な電圧が印加される形式の、少なくとも１つの圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）を制御する方法において、
前記第１のコンデンサ（Ｃ１）を前記電圧源（ＳＮＴ）によって該電圧源（ＳＮＴ）の出力電圧（＋ＵSNT）に充電し、
スイッチ手段（Ｔｃ、Ｔｂ）を用いて前記第１のコンデンサ（Ｃ１）を放電しながら前記第２のコンデンサ（Ｃ２）を充電して、２つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）において充電電圧ＵL＝ＵC1＋ＵC2が発生し、ただしＵC1は前記第１のコンデンサ（Ｃ１）のコンデンサ電圧であり、ＵC2は前記第２のコンデンサ（Ｃ２）のコンデンサ電圧であり、
前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）には前記充電電圧（ＵL）下に電荷量（ΔＱ）を充電し、
前記電荷量（ΔＱ）を、前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）への充電過程の前に前記第２のコンデンサ（Ｃ２）に印加される電圧（Ｕvor）と前記充電過程の後に前記第２のコンデンサ（Ｃ２）に印加される電圧（Ｕnach）との差ΔＵ＝Ｕvor−Ｕnachと、前記第２のコンデンサ（Ｃ２）の容量とを介して式：
ΔＱ＝Ｃ２*ΔＵ＝Ｃ２*（Ｕvor−Ｕnach）
に従って検出し、
前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）に供給される前記電荷量（ΔＱ）と、前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）の充電過程の終了後に該圧電操作素子に印加される操作素子電圧（ＵP）とから、操作素子容量を式：
Ｃp＝ΔＱ／Ｕp
に従って計算し、
前記操作素子容量（Ｃp）と前記操作素子電圧（Ｕp）の値から、前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）に充電過程中に供給されるエネルギーＥistを式：
Ｅist＝0.5*Ｃp*Ｕp2＝0.5*ΔＱ*Ｕp
に従って計算し、
前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）の放電後に前記第２のコンデンサ（Ｃ２）に印加される電圧（ＵC2）を前記電圧源（ＳＮＴ）の制御回路（ＳＴ）に供給し、
供給されたエネルギー量（Ｅist）を所定の目標値（Ｅsoll）と比較し、
該供給されたエネルギー量（Ｅist）が該目標値（Ｅsoll）よりも小さい場合には、次の制御過程に対して充電電圧ＵL＝ＵC1＋ＵC2を所定の値だけ増大し、または、
該供給されたエネルギー量（Ｅist）が該目標値（Ｅsoll）よりも大きい場合には、次の制御過程に対して充電電圧ＵL＝ＵC1＋ＵC2を所定の値だけ低減することを特徴とする、少なくとも１つの圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）を制御する方法。
【請求項２】
前記圧電操作素子（Ｐ１〜Ｐｎ）に供給される前記電荷量（ΔＱ）を、前記充電過程中に前記圧電操作素子に流れる電流（Ｉp）を積分することにより式：
ΔQ＝∫Ipdt
に従って検出する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
算出された前記操作素子容量（Ｃp）を操作素子温度（Ｔp）の検出に利用する、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、少なくとも１つの圧電性操作素子の制御方法に関する。
ＤＥ３６２１５４１Ａ１から、容量性操作素子、とりわけ内燃機関の圧電駆動される燃料噴射弁の制御方法が公知である。この方法では、操作素子に一定電圧が印加される。
圧電操作素子は多数の圧電層から成り、いわゆる“スタック”を形成する。このスタックは、電圧が印加されるとその寸法、とりわけその長さを変化させるか、または機械的圧力または張力が及ぼされると電圧を形成する。
この種の圧電スタックの電気特性は、これが曝される温度によって変化する。温度が上昇すると、その容量は拡大し、ストロークも増大する。自動車適用に対して考慮すべき−４０℃から＋１５０℃の温度では、係数２までの容量変化が観察される。
圧電操作素子にすべての動作点で例えば一定の電圧が印加される場合、温度が低いときに所要のストロークが得られるようにすれば、温度が高いときには必要であるよりも格段に大きなストロークが生じてしまう。このことは燃料圧が一定である燃料噴射弁では過度に多くの燃料量が噴射されることを意味する。温度が高いときには圧電スタックの容量も大きいから、過度に大きな電荷およびエネルギーが必要になる。
従ってＤＥ３６２１５４１Ａ１から公知の方法は、縁部条件が完全に不変であるとき（使用される構成部材に公差がなく、電気特性が変化せず、温度が一定である）しか十分に正確に動作しない。
ＵＳ５３８７８３４から、容量性操作素子に対する制御回路が公知である。この制御回路では、容量性操作素子が一定の充電電圧と、センサにより測定された操作素子温度に依存して定められる充電持続時間とによって制御される。
本発明の課題は、少なくとも１つの圧電性操作素子の制御方法において、この圧電性操作素子が縁部条件が変化しても温度センサを使用しないで十分に正確に動作するように構成することである。
この課題は請求項１に記載された構成によって解決される。本発明の有利な改善形態は従属請求項に記載されている。
研究によって、容量性操作素子に供給されるエネルギーは、印加される電圧よりもストロークｄｓに対する非常に正確な尺度であることが示された。さらに一定のエネルギーによって所要の温度領域にわたって充電することにより非常に一定のストロークが得られる。ストロークは、温度が一定であるとき印加される電圧によりほぼ線形に変化する。温度が変化すれば、ストロークも電圧が一定であっても変化する。これに対してストロークはもたらされるエネルギーの２乗に比例して変化し、温度には依存しない。
このために操作素子に供給される電荷ΔＱと、操作素子（例えばＰ１）の充電過程終了後に測定される電圧Ｕｐとから、操作素子の容量Ｃｐ＝ΔＱ／Ｕｐが求められ、次ΔＱとＣｐとから、操作素子に供給されるエネルギーＥist＝0.5*Cp*Up2=0.5*ΔQ*Upが検出される。この値Ｅistが所定の値Ｅsollと比較され、比較結果に相応して次の制御過程に対する充電電圧ＵLが後制御される（Ｅist＜ＥsollであればＵLを大きくし、Ｅist＞ＥsollであればＵLを小さくする）。
任意の制御回路に対して使用可能な方法では、もたらされる電荷量ΔＱは、充電過程中に操作素子を流れる電流Ｉpの積分によって検出される。従って
◎
【数１】
ΔQ=∫Ipdt→Cp=∫Ipdt/Up→Eist=0,5★∫Ipdt★Up.
第１のコンデンサおよび第２のコンデンサが直列に接続された回路に対しては、図示のように本発明では、操作素子に供給される電荷量ΔＱの検出に対して、積分の必要ない簡単な方法が適用される。この方法では、第２のコンデンサＣ２に印加される電圧が充電過程の前に１回、充電過程の後に１回測定され、差ΔＵ＝Ｕvor−Ｕnachが形成され、これから電荷量ΔＱ＝Ｃ２*ΔＵ＝Ｃ２＊（Ｕvor−Ｕnach）が計算される。操作素子に充電過程の終了後に印加される電圧Ｕpにより、上記の方法と同じように操作素子容量Ｃpおよび操作素子に供給されるエネルギーＥistが求められる：
◎
【数２】
ΔQ=C2★(Uvor−Unach)→Cp=C2★(Uvor−Unach)/Up→
Eist=0,5★C2(Uvor−Unach)★Up.
この値はすでに上に述べたように、所定の目標値Ｅsollと比較され、結果に相応して次の制御過程に対する充電電圧ＵLが後制御される。
操作素子容量Ｃpは操作素子温度Ｔpにほぼ比例するから、算出された操作素子容量Ｃpを、式Ｃp＝ΔＱ/Ｕp≒Ｔpに従って操作素子温度Ｔpの検出に使用することができ、場合によっては温度センサを省略することができる。
本発明の方法を図面に示された回路に基づいて説明する。この回路は、図示しない少なくとも１つの燃料噴射弁を操作するための少なくとも１つの圧電性操作素子Ｐ１〜Ｐｎを、制御回路ＳＴによって制御する。この制御回路ＳＴは図示しない別の機関制御装置の一部である。
被制御電圧源ＳＮＴ、有利には回路電源網部分のプラス極＋ＵSNTとマイナス極ＧＮＤとの間にはダイオードＤ１を介して第１のコンデンサＣ１が接続されている。第１のコンデンサＣ１に並列に、充電スイッチＴａ、２つの別のダイオードＤ２とＤ３，およびマイナス極ＧＮＤと接続された放電スイッチＴｂからなる直列回路が配置されている。
２つのダイオードＤ２、Ｄ３の接続点とアース端子ＧＮＤとの間には、励振コンデンサＣ２、励振コイルＬ、第１の操作素子Ｐ１、および第１の被制御選択スイッチＴ１からなる直列回路が配置されている。
各別の操作素子Ｐ２〜Ｐｎに対して、この操作素子および別の選択スイッチＴ２〜Ｔｎからなる直列回路が、第１の操作素子Ｐ１および第１の選択スイッチＴ１からなる直列回路に並列に接続されている。選択スイッチ、放電スイッチＴｂ、および後で説明するバイパススイッチＴｃはこの実施例では電力ＮＭＯＳＦＥＴスイッチである。このスイッチは通常、反転ダイオードを含む。充電スイッチＴａはこの実施例では電力ＰＭＯＳＦＥＴスイッチとして構成されている。
さらにすでに述べたバイパススイッチＴｃが設けられており、そのドレイン端子は、励振コイルＬと操作素子Ｐ１〜Ｐｎとの接続点に接続されている。またソース端子は少なくとも１つの選択スイッチＴ１のソース端子と接続されている。スイッチ全部はそのゲート端子を介して制御回路ＳＴの出力信号により制御される。
操作素子Ｐ１〜Ｐｎに対して並列に配置されたバイパススイッチＴｃは、操作素子電圧が所定の限界値を上回るとき、または内燃機関で噴射弁の電力出力段までに発生するエラーが識別されるときに制御され、圧電性操作素子Ｐ１〜Ｐｎを、選択スイッチＴ１〜Ｔｎの反転ダイオードを介して短絡させて放電させる。バイパススイッチＴｃはまた、第１の操作素子の操作の前に第２のコンデンサＣ２を充電するために、または時間的に順次連続する操作素子操作の間でこれを後充電するために必要である。バイパススイッチＴｃの代わりに、ダイオードまたはツェナーダイオードを、バイパススイッチの反転ダイオードと同じ極性で設けることもできる。しかしこの場合、第２のコンデンサＣ２の充電は操作素子操作を介して、燃料噴射弁に有利には燃料圧がないときに行わなければならない。
スイッチＴａ，Ｔｂ，ＴｃおよびＴ１〜Ｔｎは制御回路ＳＴにより、図示しない機関制御装置の制御信号ｓｔに依存して制御される。第１のコンデンサＣ１はスイッチング電源部ＳＮＴの出力コンデンサと見なすことができる。
次のこの回路に対する制御方法を説明する。回路の動作中、第１のコンデンサＣ１は制御回路ＳＴにより定められるスイッチング電源部ＳＮＴの出力電圧＋ＵSNTに充電される。この電圧＋ＵSNTの検出については後で説明する。
動作開始時に第１のコンデンサは＋ＵSNTに充電され、このとき第２のコンデンサＣ２は放電しており、励振コイルＬは無電流状態である。コンデンサＣ２も第１の操作素子操作の前に充電するために、まずバイパススイッチＴｃが導通制御される。このことによりＣ１はＣ２，ＬおよびＴｃを介して放電する。次にＴｃは再び非導通状態へ制御され、次に放電スイッチＴｂが導通制御される。このことにより電流は反対方向にＬ，Ｃ２，ＴｂおよびバイパススイッチＴｃの反転ダイオードを介して流れ、これによりＣ２は充電され、１回または複数回の充放電サイクルの後に、Ｃ１とＣ２の直列回路には充電電圧ＵL＝ＵC1＋ＵC2が印加されるように極性付けられる。
コンデンサＣ２の電圧ＵC2は、この実施例ではサンプル＆ホールド回路Ｓ＆Ｈとして構成された、制御回路ＳＴの測定回路に通知される。この回路は、スイッチング電源部ＳＮＴの出力電圧＋ＵSNT≒ＵC1をＣ１とＣ２の直列回路に所定の開始電圧が印加されるように調整する。
コンデンサＣ２の電圧ＵC2は操作されないとき緩慢に降下するから、動作中、例えば回転数が低いときの充電過程中、または滑走走行時にも、第２のコンデンサＣ２のこのような後充電が行われる。
操作素子操作が行われるべき場合、第１の方法によれば充電回路を流れる電流Ｉpが測定回路Ｍ（最も簡単な場合にはシャント抵抗からなる）により測定され、制御回路に存在する積分器で積分される。測定回路Ｍはこの方法に対してだけ必要であるから、図中には破線で囲って示してある。この方法のさらなる実施は次に説明する第２の方法で行われる。
この第２の簡単な方法では、操作素子充電の前に第２のコンデンサＣ２の電圧ＵC2＝Ｕvorが測定され、制御回路ＳＴに通知される。続いて充電スイッチＴａと、相応の操作素子、例えばＰ１に配属された選択スイッチＴ１が導通制御される。電流は操作素子が充電されるまで、ＳＮＴおよびＣ１からＴａ，Ｃ２，Ｌ，Ｐ１およびＴ１を介してＧＮＤへ流れる。続いて、ＴａとＴ１が非導通制御され、操作素子はさらに充電される。次に第２のコンデンサＣ２の電圧ＵC2＝Ｕnachと、操作素子Ｐ１に印加される電圧Ｕpが測定され、制御回路ＳＴに通知される。この制御回路は上に説明した式に従って、操作素子に供給されるエネルギーＥistを計算し、この値を所定の目標値Ｅsollと比較する。同じようにして次の制御過程に対して所要の充電電圧ＵLが求められる。Ｅist＜Ｅsollであれば、充電電圧ＵLは前に有効であった値に対して例えばステップ毎に１ステップだけ高められ、Ｅist＞Ｅsollであれば、充電電圧は１ステップだけ低減される。充電電圧ＵLはＥist＝Ｅsollになるよう制御される。
操作素子Ｐ１の充電状態は、制御信号ｓｔの消滅後、放電スイッチＴｂが導通制御されるまで維持される。放電スイッチＴｂが導通している場合には、すべての操作素子Ｐ１〜ＰｎがコイルＬを介して第２のコンデンサＣ２へ放電される。
第２のコンデンサＣ２に、操作素子の放電後に印加される電圧ＣU2は、制御回路ＳＴのサンプル＆ホールド回路Ｓ＆Ｈに通知される。この回路はスイッチング電源部ＳＮＴの出力電圧＋ＵSNTを、前に求められた充電電圧ＵL＝ＵC1＋ＵC2に次の制御過程で到達するよう後制御する。この充電電圧によって、操作素子Ｐ１の次の充電過程、ないしは次の操作素子Ｐ２の充電過程を行うことができる。
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