(57)【要約】  噴射弁の圧電式操作部材が、制御特性曲線（ｋ）をまえもって設定することにより駆動制御される。この場合、制御特性曲線（ｋ）には、操作部材を駆動制御する電流（Ｉ）の最大振幅2007526732.tif 000036が存在する。この場合、充電フェーズと放電フェーズの開始時または終了時に緩慢に上昇する充電経過特性が達成され、つまりは時間に関して線形に制御可能な操作部材における電荷量が達成される。さらにこのようにして、操作部材のオーバシュートが回避される。
2007526732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作部材たとえば圧電式操作部材の駆動制御方法において、
前記操作部材は、それぞれまえもって設定された期間（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）をもつ少なくとも３つのステップで充電または放電され、
第１の期間（Ｔ１）中、電流（Ｉ）の最大振幅
2007526732.tif 000021
がまえもって設定された最小値
2007526732.tif 000022
からまえもって設定された第１の最大値
2007526732.tif 000023
まで高められ、
第２の期間（Ｔ２）中、前記電流（Ｉ）の最大振幅
2007526732.tif 000024
がほぼ一定に保持され、
第３の期間（Ｔ３）中、前記電流（Ｉ）の最大振幅
2007526732.tif 000025
がまえもって設定された別の最小値
2007526732.tif 000026
まで低減されることを特徴とする、
操作部材の駆動制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記第１の最大値
2007526732.tif 000027
は、操作部材（Ｐ）へ供給される電荷量（Ｑ）に応じて選定されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記第２の期間（Ｔ２）は、操作部材（Ｐ）へ供給される電荷量（Ｑ）に応じて選定されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の方法において、
前記第１の最大値
2007526732.tif 000028
および／または前記第２の期間（Ｔ２）は、まえもって設定されている長さの変化（Δｄ）に依存して特性マップから読み出されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
前記最大振幅
2007526732.tif 000029
は、まえもって設定された前記３つの期間（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）にわたり、ほぼ台形状の包絡線（ｋ）上に位置することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、
前記電流（Ｉ）は断続的であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、
前記電流（Ｉ）は複数のパルス（ＰＵ）の列から成り、前記最大振幅
2007526732.tif 000030
はそれぞれ個々のパルス（ＰＵ）の最大電流に対応することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
前記パルス（ＰＵ）は三角波形状であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項３または４記載の方法において、
前記電流（Ｉ）の振幅
2007526732.tif 000031
は、まえもって設定された最小値に達した後、休止なく情報することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載の方法において、
前記電流（Ｉ）は制御電圧（ＵＳＴ）に依存して終段（Ｅ）から供給され、該制御電圧（ＵＳＴ）はディジタル／アナログコンバータ（ＤＡ１）から供給されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
操作部材たとえば圧電式操作部材の駆動制御装置において、
制御入力側を備えた終段（Ｅ）と、
該終段（Ｅ）を作動させる制御電圧（ＵＳＴ）を供給する制御装置（ＳＴ）が設けられており、
前記制御電圧（ＵＳＴ）はまえもって設定された第１の期間（Ｔ１）中、まえもって設定された最小値
2007526732.tif 000032
からまえもって設定された最大値
2007526732.tif 000033
まで高められ、
前記制御電圧（ＵＳＴ）はまえもって設定された第２の期間（Ｔ２）中、一定に保持され、
前記制御電圧（ＵＳＴ）はまえもって設定された第３の期間（Ｔ３）中、まえもって設定された最大値
2007526732.tif 000034
からまえもって設定された最終値
2007526732.tif 000035
まで低減されることを特徴とする、
操作部材の駆動制御装置。
【請求項１２】
請求項１記載の装置において、
ディジタル／アナログコンバータ（ＤＡ１）が設けられており、該ディジタル／アナログコンバータ（ＤＡ１）により前記制御電圧（ＵＳＴ）が供給されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電式操作部材たとえば内燃機関の噴射弁のための圧電アクチュエータを駆動制御する方法および装置に関する。
【０００２】
容量式操作部材を駆動制御する場合、すなわち容量式操作部材を充電および／または放電する場合、操作部材の駆動制御電子装置に対し高い要求が課される。つまりこの場合、数１００Ｖのレンジの電圧と短期間の電流を１０Ａよりも大きい充電および放電のために供給しなければならない。駆動制御はたいてい、数ｍｓ以下で行われる。同時にこの駆動制御フェーズ中、電流と電圧をコントロールして操作部材に供給しなければならない。
【０００３】
容量式操作部材の１つの実施形態として挙げられるのは、噴射弁の操作に利用するようにした圧電式アクチュエータである。この種の噴射弁は内燃機関において、燃料を燃焼室へ噴射するために用いられる。この場合、精確かつ再現可能な弁の開放および閉鎖に対し、つまりはアクチュエータの駆動制御に対しても、相当に高度な要求が課される。また、今後の排気ガス放出限界値を遵守できるようにするために、燃焼サイクルごとの燃料噴射回数が高められる。これにより噴射時間つまりは圧電アクチュエータに対する駆動制御時間もいっそう短くなっていき、これによってアクチュエータの駆動制御電子装置に対しさらに付加的な要求が課される。
【０００４】
公知の回路装置（DE 199 44 733 A1）の場合、圧電アクチュエータは充電コンデンサからトランスを介して充電される。この目的で、トランスの１次側に配置された充電スイッチがパルス幅変調された制御信号によって駆動制御される。充電スイッチも放電スイッチも、そこにおいて可制御の半導体スイッチとして構成されている。圧電アクチュエータに対し充電または放電のため、まえもって定められたエネルギーパケットの供給もしくは取り出しが行われる。
【０００５】
所定のエネルギーパケットよりも小さいエネルギーパケットを必要とするとき、公知の回路装置は圧電アクチュエータへ供給されそこから再び取り出されるエネルギーを時間的に平均化するために、著しく効率的な出力フィルターを必要とする。さらにこの場合、アクチュエータの制御特性曲線が不規則な個所ないしは不連続個所をもたないようにすべきであるならば、同一の充電電流と放電電流が前提条件とされる。
【０００６】
本発明の課題は、容量式操作部材を駆動制御する方法および装置において、高い分解能と再現性を達成できるようにすることである。
【０００７】
本発明によればこの課題は、請求項１記載の特徴を備えた方法および請求項１１記載の特徴を備えた装置によって解決される。
【０００８】
本発明による方法によれば、それぞれ所定の期間を有する少なくとも３つの段階で操作部材が充電される。これらの少なくとも３つの期間の各々において、操作部材充電時に電流が操作部材へ流れる。
【０００９】
第１の期間中、電流の振幅が所定の最小値から所定の最大値へ高められる。第２の期間中、電流の振幅がほぼ一定に保持される。さらに第３の期間中、電流の振幅が所定の最大値からやはり所定の最終値まで低減される。
【００１０】
本発明による装置には制御装置と終段が設けられており、この場合、終段は制御装置の制御信号によって制御される。制御装置はまえもって設定された第１の期間にわたり制御信号を供給し、この信号は第１の期間中、まえもって設定された最小値からまえもって設定された最大値まで上昇する。第１の期間に続きまえもって設定された第２の期間にわたり、制御装置は十分に一定の制御信号を供給する。さらに制御装置はまえもって設定された第３の期間中、この期間にわたりまもって設定された最大値からまえもって設定された最終値まで低下する制御信号を供給する。
【００１１】
同様のことは操作部材の放電についてもあてはまる。この場合も第１の期間中、電流の最大振幅が最小値から所定の最大値へ高められる。第２の期間中は振幅が一定に保持され、さらに第３の期間中、電流の振幅は最大値からやはり所定の最終値まで低減される。この場合、放電電流は、アクチュエータすなわち操作部材に蓄えられるエネルギーが低減するよう設定される。
【００１２】
本発明による操作部材の駆動制御によれば、操作部材へ供給される電荷のソフトな開始特性曲線および終了特性曲線が達成される。たとえば圧電式操作部材の場合、そこへ供給される電荷は操作部材の変位量および力の変化に比例するので、時間の経過につれた電荷の緩慢な変化を通して、充電または放電の開始経過および終了経過において操作部材のオーバーシュートが回避される。これにより、妨害を及ぼす機械的または音響的な作用が低減される。
【００１３】
充電電流または放電電流の制御は、もっぱら充電期間または放電期間のために必要とされる。
【００１４】
従属請求項には本発明の有利な実施形態が記載されている。
【００１５】
第１の有利な実施形態によれば、操作部材へ供給される電荷の調整を、充電時間全体を変更することなく行うことができる。この場合、第１および第３の充電期間もしくは放電期間における上昇のみが変更される。上昇を整合させることによって、駆動制御の線形性に作用を及ぼすことができる。
【００１６】
別の有利な実施形態によれば、操作部材へ供給される電荷量ないしは充電量が第２の期間の変更によって変えられる。このようにして、たとえばクロック制御される終段によって行われる量子化にもかかわらず、操作部材を線形に制御することができる。この場合、第１および／または第３の期間は変えられずに維持され、これによれば遮断ランプ特性が時間的にシフトされるだけであり、遮断特性はおなじまま維持される。
【００１７】
したがって、広い線形の制御範囲を実現することができる。この場合、エネルギーに関して１０〜１００％の変更が可能であり、あるいは時間に関して２０〜１００％の変更が可能である。この場合、０．５％よりも小さい線形誤差を実現することができる。種々の充電電流または放電電流は、制御特性の線形性に影響を及ぼさない。
【００１８】
１つの有利な実施形態によれば、終段へ供給される制御信号によって、まえもって決められた出力電流が生じる。制御信号をアナログ回路またはディジタル回路によって生成することができる。したがって終段自体の駆動制御とは無関係に、操作部材へ供給される電流の形状を調節することができる。
【００１９】
有利には、第２の期間中の電流最大振幅と第３の期間の最大値は、第１の期間におけるまえもって設定された最大値にほぼ対応する。
【００２０】
さらに別の有利な実施例によれば、最大振幅の包絡線はまえもって定められた３つの期間にわたってほぼ台形の形状に相応する。
【００２１】
別の有利な実施形態によれば、充電電流および／または放電電流は断続する電流であって、これはたとえばクロック制御される電流源または電圧源によって供給される。
【００２２】
さらにこの電流を複数のパルス列から合成することができ、それらのパルスの最大振幅はそれぞれその期間についてまえもって設定された包絡線のポイント上に存在する。
【００２３】
有利な実施形態によれば、それらのパルスに関して三角波パルスが適している。
【００２４】
本発明による方法のさらに別の有利な実施形態によれば、操作部材はギャップなく駆動制御され、つまり電流の振幅はまえもって定められた最小値に到達した後、休止なく再び上昇する。
【００２５】
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。
【００２６】
図１には、操作部材へ供給される電流およびその結果として生じる操作部材充電状態の経過特性に関する１つの実施例が時間軸上で描かれている。
【００２７】
図２には、操作部材へ供給される電流経過特性の別の実施例が描かれている。
【００２８】
図３には、容量式操作部材を駆動制御する装置のブロック回路図が示されている。
【００２９】
図４Ａには、制御ユニットの第１の実施例が示されている。
【００３０】
図４Ｂには制御ユニットの第２の実施例が示されている。
【００３１】
図１および図２には、操作部材へ供給される電流Ｉの経過特性が示されている。これに加えて図１には、電流Ｉにより操作部材に蓄えられる電荷量Ｑないしは充電量が時間ｔに依存して書き込まれている。
【００３２】
この場合、操作部材は容量式操作部材であって、たとえば噴射弁操作に使用される圧電アクチュエータＰである。この種の噴射弁はたとえば内燃機関において用いられる。
【００３３】
図１の上部には、操作部材へ供給される電流Ｉの経過特性が示されている。この場合、パルス期間Ｔｐをもつ三角波形の電流パルスＰＵが相前後して続いている。ここでは１つの制御特性曲線ｋに沿って最大振幅
2007526732.tif 000003
が続いている。
【００３４】
制御特性曲線ｋの経過特性はここでは台形に相応している。第１の期間Ｔ１中、電流Ｉの最大振幅
2007526732.tif 000004
は所定の最小値
2007526732.tif 000005
ここでは０から所定の最大値
2007526732.tif 000006
まで上昇する。この最大値
2007526732.tif 000007
は、充電フェーズ（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）終了時における操作部材Ｐの所望の電荷量Ｑに基づき、まえもって定められた特性曲線マップから選択される。特性曲線マップにはたとえば、内燃機関における種々のパラメータの対応づけを含ませることができ、たとえば必要とされる燃料量つまりは望ましい電荷量Ｑに対する回転数および／または負荷などの対応づけをもたせることができる。この特性曲線マップを実験によって求めることもできるし、計算によって求めることもできる。ここで操作部材Ｐの変位量Δｄは、操作部材Ｐへ供給される電荷量Ｑに対応する。電荷量Ｑについて、
【数１】
2007526732.tif 000008
が成り立つ。
【００３５】
図１の下部には、操作部材Ｐに蓄えられる電荷Ｑの時間経過特性が時間軸ｔ上に描かれている。第１の期間Ｔ１中、操作部材Ｐに蓄えられる電荷量Ｑがｔ2に比例して上昇する。
【００３６】
第２の期間Ｔ２中、電流ＰＵの最大振幅は一定に保持される。ここではその後、最大振幅
2007526732.tif 000009
とパルス幅Ｔｐをもつ電流パルスＰＵがじかに相前後して続いていく。この場合、
2007526732.tif 000010
は期間Ｔ１の最大電流
2007526732.tif 000011
にほぼ相応する。この期間Ｔ２中、操作部材Ｐへ供給される電荷量Ｑは時間ｔに比例して上昇する。
【００３７】
最後の期間Ｔ３において、電流パルスＰＵの振幅
2007526732.tif 000012
がまえもって定められている最大値
2007526732.tif 000013
からやはりまえもって定められている最終値
2007526732.tif 000014
ここでは値０まで低減される。操作部材Ｐへ供給される電荷量Ｑはこの期間Ｔ３中、（ｔ3−ｔ）2に比例する。
【００３８】
期間Ｔ１〜Ｔ３はここでは、十分に多くのパルスＰＵがＴ１またはＴ３内に存在するよう選定される。同様に、切替周波数
【数２】
2007526732.tif 000015
が選択される。
【００３９】
有利には、特性曲線の立ち上がり縁もしくは立ち下がり縁内にほぼ５〜１０個のパルスが経過するようにすべきである。これに応じて、操作部材を駆動制御する終段Ｅの切替周波数ｆｔを選択する必要がある。パルス幅Ｔｐを適切に選択することにより、パルス幅ＴＰにより行われた量子化の十分な平均を形成することができ、電荷量が全充電時間Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３にわたり線形に制御される。
【００４０】
パルス幅Ｔｐを駆動制御の期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３中、一定に保持することができる。
【００４１】
操作部材Ｐにおける変位量Δｄの線形の制御を実現する目的で、操作部材へ供給される電荷量は主として第２の期間Ｔ２の変化によって達成される。これによれば、第３の期間Ｔ３における振幅
2007526732.tif 000016
の包絡線を成す降下ランプ特性が時間的にずらされ、第３の期間Ｔ３はそのまま維持される。
【００４２】
図２には、操作部材Ｐを駆動制御する電流Ｉの択一的な実施形態が描かれている。ここでは期間Ｔ３中、パルス幅Ｔｐが低減され、したがって切替周波数ｆｔが高められる。
【００４３】
図３には、操作部材を駆動制御する装置の１つに実施例に関するブロック回路図が示されている。操作部材ここでは圧電式操作部材Ｐは、インダクタンスＬを介して終段Ｅと接続されている。終段Ｅは、インダクタンスＬを介して圧電式操作部材を充電する電流を供給する。終段Ｅを慣用のスイッチングコンバータとして実装することができ、たとえばバック・ブーストコンバータ、フライバックコンバータあるいはＳＥＰＩＣコンバータとして実装することができる。終段Ｅは制御ユニットＳＴから供給される制御電圧ＵＳＴに依存して、圧電式操作部材Ｐを充電または放電する電流Ｉを送出する。図３に書き込まれている電流Ｉの方向は、充電過程における電流方向を表している。
【００４４】
図４Ａには、制御ユニットＳＴの第１の実施例が示されている。このユニットはディジタル／アナログコンバータを有しており、有利には高速に乗算を行うディジタル／アナログコンバータＤ／Ａ１を有しており、その後段にはローパスフィルタＲ１′，Ｃ１′が接続されている。ディジタル／アナログコンバータＤ／Ａ１へはディジタル入力側Ｄｉｎを介してプリセット値Ｘが供給され、別の入力側Ｒｅｆを介して電流Ｉの最大振幅
2007526732.tif 000017
を設定する制御電圧
2007526732.tif 000018
が供給される。次に、供給された制御電圧
2007526732.tif 000019
は調整されたディジタル値Ｘと乗算され、制御電圧ＵＳＴとして出力側から送出される。したがってディジタル／アナログコンバータコンバータは精密なディジタルポテンショメータとして動作する。プリセット値Ｘも最大振幅もマイクロコントローラμＣから供給される。この場合、制御電圧
2007526732.tif 000020
は、マイクロコントローラμＣのディジタル情報から第２のディジタル／アナログコンバータＤ／Ａ２により生成される。抵抗Ｒ１′とコンデンサＣ１′から成るローパスフィルタを介して、このようにして形成された制御信号ＵＳＴが終段Ｅへ供給される。したがって、アクチュエータすなわち操作部材Ｐを終段により時間制御することなく、包絡線ｋをまえもって与えることができる。
【００４５】
図４Ｂには、アナログ素子により構成された制御信号ＵＳＴ生成用回路装置に関する１つの実施例が示されている。図４Ｂに示されている回路装置は、一方の側でアースＧＮＤと接続された充電コンデンサＣ１を有しており、充電コンデンサＣ１の他方の側は電圧制限器Ｂを介して回路装置の出力側ＵＳＴと接続されている。
【００４６】
電圧制限器Ｂの非反転入力側＋には、制限すべき電圧に対応する電圧Ｕ／２が加えられる。非反転入力側−は、充電コンデンサＣ１におけるアースとは反対側の端子と接続されている。電圧制限器Ｂの出力側ＵＳＴも、充電コンデンサＣ１のこの端子と導電接続されている。充電コンデンサＣ１はさらに、抵抗Ｒ５および選択スイッチＳ１（スイッチ位置Ｅで放電）を介して給電電圧源Ｕと導電接続されている。スイッチＳ１の第２のスイッチ位置である充電Ｌにおいて充電コンデンサＣ１は抵抗Ｒ５を介して、反転電圧増幅器として結線されたオペアンプＯＰの出力側と接続される。オペアンプＯＰの非反転入力側＋はアースＧＮＤと接続されており、その反転入力側−には、ここで分圧器Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２）により半分にされた供給電圧Ｕが抵抗Ｒ３を介して加えられる。オペアンプＯＰの出力側は、さらに別の抵抗Ｒ４を介して自身の反転入力側にフィードバック接続されている。
【００４７】
ここでは制御信号ＵＳＴのランプ特性は、コンデンサＣ１がスイッチ位置Ｌのときに充電され、ついでスイッチ位置Ｅのときに放電されることによって形成される。電流制限器Ｂにより、制御信号ＵＳＴが充電コンデンサＣ１の線形放電電圧領域にあるよう、このコンデンサＣ１の放電電圧が制御されるようになる。ただしＲＣ素子Ｒ５，Ｃ１の代わりに、理想的な積分器を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】操作部材へ供給される電流およびその結果として生じる操作部材充電状態の経過特性に関する１つの実施例を時間軸上で示す図
【図２】操作部材へ供給される電流経過特性の別の実施例を示す図
【図３】容量式操作部材を駆動制御する装置のブロック回路図
【図４Ａ】制御ユニットの第１の実施例を示す図
【図４Ｂ】制御ユニットの第２の実施例を示す図
【図１】
2007526732.tif 000037
【図２】
2007526732.tif 000038
【図３】
2007526732.tif 000039
【図４Ａ】
2007526732.tif 000040
【図４Ｂ】
2007526732.tif 000041
【国際調査報告】
2007526732.tif 000042
2007526732.tif 000043
2007526732.tif 000044
2007526732.tif 000045
2007526732.tif 000046
2007526732.tif 000047