(57)【要約】  本発明は、ＤＣ電圧をベースとする超音波圧電アクチュエータのための駆動装置であって、アクチュエータに並列に取り付けられ、励起すべきアクチュエータの選択スイッチ（Ｓｉ）と同時に開閉する選択スイッチ（ＴＲ）と直列に接続されているキャパシタ（ＣＲ）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いて、それにより、マッチングキャパシタ（ＣＲ）の両端子間の電圧（ＶＲ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖｐｉ）が、噴射の開始前且つ終了後にはほとんどゼロであるものに関する。また、本発明は、トレインの開始時の急速な放電を回避すると共に、噴射を生じ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、マッチングスイッチ（ＴＲ）を制御する方法に関する。自動車のエンジンに応用される。
2009534009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、前記アクチュエータに並列に取り付けられた選択スイッチ（ＴＲ）に直列に接続された作用キャパシタ（ＣＲ）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（ＴＲ）が、励起すべきアクチュエータの選択スイッチ（Ｓｉ）と同時に開閉することを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記作用キャパシタ（ＣＲ）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（Ｌｒ）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（Ｖｐｉ）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。
【請求項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（ＴＲ）の開放を、前記アクチュエータの励起電圧（Ｖｐｉ）の取り止めの瞬間（ｔ４）より後の瞬間（ｔ５）で制御し、瞬間（ｔ４）自体は、噴射終了制御の瞬間（ｔ３）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（Ｔ２）がもはや作動せず、前記瞬間（ｔ４）及び（ｔ５）の間の時間間隔（ｄｏ）が、マッチングキャパシタ（ＣＲ）の両端子間の電圧（ＶＲ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖｐｉ）がゼロ又はアクチュエータの励起電圧（Ｖｂｏｏｓｔ）より極めて小さくとなるように規定されており、前記作用キャパシタ（ＣＲ）が、持続時間（Ｄｔ）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。
【請求項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（ＴＲ）の閉鎖が、瞬間（ｔ１）で、一方では、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ２）の閉鎖の瞬間（ｔ０）より後に、他方では、その開放の瞬間（ｔ２）の前に行われなくてはならず、それにより、前記両瞬間（ｔ０及びｔ１）の時間間隔（ｄＦ）がスイッチ（Ｔ２）の技術に依存し、前記マッチングキャパシタ（ＣＲ）の両端子間の電圧（ＶＲ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖｐｉ）がゼロか又はアクチュエータの励起電圧（Ｖｂｏｏｓｔ）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（ＣＲ）が、持続時間（Ｄｔ）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。
【請求項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（ｄｏ）が、励起電圧（Ｖｐｉ）の取り止めの瞬間（ｔ４）に基づいて規定され、時間間隔（ｄＦ）が、前記駆動装置の第２のステージのスイッチ（Ｔ２）の閉鎖の瞬間（ｔ０）に基づいて規定され、それにより、マッチングキャパシタ（ＣＲ）の両端子間の電圧（ＶＲ）及び選択されたアクチュエータの両端子間の電圧（Ｖｐｉ）が、ゼロか又はアクチュエータの励起電圧（Ｖｂｏｏｓｔ）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（Ｖｂｏｏｓｔ）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。
【請求項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（Ｖｐｉ）の取り止めの前記瞬間（ｔ４）とインピーダンスマッチングブランチのスイッチ（ＴＲ）の開放の瞬間（ｔ５）との間の時間間隔（ｄｏ）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（Ｔ２）に適用される制御周期（Ｔｃｏｍ）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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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Ｆｐｉで、おおよそ１００ボルトを超える周期的な高電圧Ｖｐｉ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。
【０００６】
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Ｅ１に接続している。
【０００７】
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Ｉｉは並列に取り付けられ、この噴射装置Ｉｉにそれぞれ直列に取り付けられている選択スイッチＳｉ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。
【０００８】
駆動装置は、第１のインダクタＬ１及びチョッピングスイッチＴ１からなる第１のブランチＢ１を備えており、その両端にわたり、還流ダイオードｄ１が逆並列で取り付けられている。インダクタＬ１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Ｂ２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Ｅ２に給電する高電圧Ｖｂｏｏｓｔが供給される。
【０００９】
第２のステージは、第２のチョッピングスイッチＴ２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ｄ２に接続されている第２のインダクタＬｒを備えている。
【００１０】
昇圧コンバータは、超音波噴射装置Ｉｉ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Ｖｐｉを生成する。図２の対象は、噴射装置の励起電圧Ｖｐｉの経時的な表示である。
【００１１】
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Ｖｐｉ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Ｖｂｏｏｓｔ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。
【００１２】
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Ｖｐｉ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Ｔ２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。
【００１３】
スイッチＴ２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Ｔ２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。
【００１４】
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Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆ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。
【００１５】
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Ｔ２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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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Ｅ１に給電し、これにより、圧電噴射装置Ｉｉに給電することを意図した電流源ｉｒの生成のために第２のステージＥ２の両端子間の高電圧Ｖｂｏｏｓｔ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Ｓｉによって選択される。
【００２４】
高電圧Ｖｂｏｏｓｔ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Ｂ１は、インダクタＬ１、及び逆並列に取り付けられたダイオードｄ１に並列に接続されているチョッピングスイッチＴ１からなる。
【００２５】
アースと、スイッチＴ１とのインダクタＬ１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Ｂ２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Ｅ２に給電する高電圧Ｖｂｏｏｓｔが供給される。この第２のステージＥ２は、第２のインダクタＬｒ及び第２のチョッピングスイッチＴ２からなる。第２の還流ダイオードｄ２は、このスイッチＴ２の端子に逆並列に取り付けられている。
【００２６】
本発明の本質的な特徴は、チョッピングスイッチＴ２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ＢＡＩ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ＢＡＩ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Ｓｉと同時に開閉するように駆動される選択スイッチＴＲに連動する作用キャパシタＣＲからなる。キャパシタＣＲ及びスイッチＴＲ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。
【００２７】
作用キャパシタＣＲは、増幅ステージのインダクタｌＲ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Ｖｐｉ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。
【００２８】
本発明は、この追加のブランチのスイッチＴＲ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ＴＲ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Ｔ２は、マッチングキャパシタＣＲの両端子間の電圧ＶＲ及び選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖｐｉの取り止めから決められる時間間隔ｄｏ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ＴＲの閉鎖が、このスイッチＴＲの閉鎖に対して時間間隔ｄＦだけ遅延し、これにより、前記同じ電圧ＶＲ及びＶｐｉ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ＣＲは、持続時間Ｄｔ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。
【００２９】
図６ａは、瞬間ｔ０で始まり瞬間ｔ３で終わる持続時間Ｄｔの噴射を制御する信号ＳＣＩを示し、図６ｂは、瞬間ｔ０で始まり、周期Ｔｃｏｍ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ＳＴ２を示し、噴射の終了は、スイッチＴ２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Ｖｐｉが正の時に命令される必要がある。
【００３０】
図６ｃは、噴射装置の選択スイッチＳｉ及びマッチングキャパシタＣＲと連動するスイッチＴＲを制御する信号ＳＴＲを示し、選択された噴射装置の両端子間の電圧Ｖｐｉ及びマッチングキャパシタの両端子間のＶＲ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Ｖｐｉは、噴射終了コマンド後の瞬間ｔ４から、ゼロ又は励起電圧Ｖｂｏｏｓｔより極めて小さく、励起電圧Ｖｂｏｏｓｔの１／１０の規模である。
【００３１】
噴射装置の選択スイッチＳｉ及びマッチングブランチのスイッチＴＲを制御する信号ＳＴＲは、噴射の開始を制御する瞬間ｔ０とは異なり、瞬間ｔ０から時間間隔ｄＦだけ離れている瞬間ｔ１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Ｖｐｉの取り止めの瞬間ｔ４よりも遅い瞬間ｔ５で命令される。これらの２つの瞬間ｔ４及びｔ５は、時間間隔ｄＯ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Ｔ２に適用される制御周期Ｔｃｏｍの１／１０より小さくなくてはならない。
【００３２】
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Ｔ２の開放期の間だけ、瞬間ｔ３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Ｓｉ及びマッチングキャパシタＣＲと連動するスイッチＴＲは、開放に対して瞬間ｔ３及びｔ４の後の且つ新規の噴射コマンドより早い瞬間ｔ５で作用し、一方、スイッチＴ２はもはや作動しない。
【００３３】
マッチングスイッチＴＲの閉鎖の瞬間ｔ１を考慮すると、技術的には、瞬間ｔ０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Ｔ２の閉鎖の瞬間ｔ０後に、他方では、その開放の瞬間ｔ２前に行わなければならず、このため、瞬間ｔ０と瞬間ｔ１との時間間隔ｄＦはスイッチＴ２の技術に依存する。
【００３４】
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Ｖｐｉ及びマッチングキャパシタの両端子間の電圧ＶＲは、一方では、瞬間ｔ４から噴射終了コマンド後、他方では、スイッチＴＲの閉鎖の瞬間ｔ２前には、ゼロか又は励起電圧Ｖｂｏｏｓｔより極めて小さく、該励起電圧Ｖｂｏｏｓｔ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Ｓｉ及びスイッチＴＲが閉鎖された時、及び噴射の終了時に瞬間ｔ５で開放した時に放出する。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】変流器を有していない駆動装置を示す図である。
【図２】噴射装置の励起電圧Ｖｐｉを経時的に示す図である。
【図３】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Ｖｐｉを経時的に示す図である。
【図４】４ａ及び４ｂは、共振インダクタＬｒの値を低減し、スイッチＴ２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Ｖｐｉを経時的に示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ−３ｂ】
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【図４ａ−４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ−６ｄ】
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【国際調査報告】
2009534009.tif 000009
2009534009.tif 000010
2009534009.tif 000011
2009534009.tif 000012
2009534009.tif 000013
2009534009.tif 000014