(57)【要約】  本発明は制御装置に関する。この制御装置は、互いに逆向きの第１の方向および第２の方向に移動可能に配置された制御エレメントと、第１の圧電アクチュエータと、第２の圧電アクチュエータとを有しており、前記第１の圧電アクチュエータが前記制御エレメントを前記第１の方向に制御し、前記第２の圧電アクチュエータが前記制御エレメントを前記第２の方向に制御する。【選択図】図１
2013543562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置であって、
第１の方向（Ａ）および第２の方向（Ｂ）に移動可能に配置された制御エレメント（２）を有しており、前記第１の方向（Ａ）と前記第２の方向（Ｂ）とは互いに逆向きであって、
第１の圧電アクチュエータ（３）と、
第２の圧電アクチュエータ（４）とを有しており、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）を前記第１の方向（Ａ）に制御し、
前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメント（２）を前記第２の方向（Ｂ）に制御する、
制御装置。
【請求項２】
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）を初期位置から制御位置へ前記第１の方向（Ａ）に制御し、前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメントを前記制御位置から前記初期位置へ第２の方向（Ｂ）で戻させるようになっていることを特徴とする、請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
コントロールユニット（５）を有しており、該コントロールユニット（５）は、前記第１および第２の圧電アクチュエータ（３，４）に接続されていて、前記第１および第２の圧電アクチュエータ（３，４）を交互に作動させるように設計されており、さらに前記コントロールユニット（５）は、それぞれ作動停止されている圧電アクチュエータの信号を検出するように設計されている、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項４】
前記コントロールユニット（５）がコンピュータ装置（６）を有しており、該コンピュータ装置は、前記それぞれ作動停止されている圧電アクチュエータの検出された信号に基づいて前記制御エレメント（２）の正確な位置を算出するように設計されていることを特徴とする、請求項３記載の制御装置。
【請求項５】
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）に直接接触しており、および／または前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメント（２）に直接接触していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項６】
前記第２の圧電アクチュエータ（４）が、前記制御エレメント（２）を案内するための案内開口（１２）を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項７】
前記制御エレメント（２）がニードルであって、該ニードルが一端部に、平らな脚領域（７）を有していて、該脚領域（７）が前記第１の圧電アクチュエータ（３）と前記第２の圧電アクチュエータ（４）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項８】
前記制御装置がさらに、前記圧電アクチュエータ（３，４）のうちの少なくとも一方の戻し移動を補助するためのばねエレメント（８）を有している、請求項１から７のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項９】
制御エレメント（２）と第１の圧電アクチュエータ（３）と第２の圧電アクチュエータ（４）とを有する制御装置を調整するための方法において、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）を第１の方向（Ａ）に作動させて、前記制御エレメント（２）を初期位置から制御位置へ制御し、この際に前記第２の圧電アクチュエータ（４）を作動停止させかつセンサとして機能させて、前記第２の圧電アクチュエータ（４）に作用する前記制御エレメント（２）の力を検出してコントロールユニット（５）に伝達し、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）を作動停止させ、前記第２の圧電アクチュエータ（４）を第２の方向（Ｂ）で作動させ、それによって前記制御エレメント（２）を前記制御位置から前記初期位置へ戻し移動させ、この際に前記第１の圧電アクチュエータ（３）をセンサとして機能させ、前記第２の圧電アクチュエータ（４）に作用する力を検出して前記コントロールユニット（５）に伝達し、
前記コントロールユニット（５）が伝達された信号に基づいて前記制御エレメント（２）の正確な位置を算出する、
ステップを有している、制御装置を調整するための方法。
【請求項１０】
前記制御エレメント（２）の算出された位置に基づいて、流体噴射、特に燃料噴射または燃料送り込みのための開放時間を規定することを特徴とする、請求項９記載の制御装置を調整するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体噴射のための制御装置は、ニードル形の制御エレメントを備えた様々な実施態様が従来技術により公知である。このニードル形の制御エレメントは、迅速な流体噴射を実現するためのセラミック製の圧電アクチュエータによって操作される。この場合、圧電アクチュエータの特性劣化に基づいて、電気的なサイクル数に応じた、印加電圧と圧電アクチュエータの伸長との直接的な相関関係を定義できないということが特別な欠点である。したがって、噴射プロセスの各時点における制御エレメントの実際の位置を正確に規定することはできない。さらに、それぞれ個別の圧電アクチュエータは、製造時に時間および費用をかけて測定しなければならず、また流体調量のための個別のストローク能力を確認するためにコーディングされなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
これに対して、請求項１の特徴を有する本発明による制御装置は、直列に配置された２つの圧電アクチュエータが使用され、これらの圧電アクチュエータが、噴射プロセスの各時点における制御エレメントの正確な位置決め、およびひいては噴射された流体の精密な調量を可能にする、という利点を有している。これは本発明によれば、制御装置が制御エレメントを有しており、該制御エレメントが、互いに逆向きの第１の方向および第２の方向で移動可能に配置されていることによって、達成された。さらに、制御装置は、第１の圧電アクチュエータと第２の圧電アクチュエータとを有しており、この場合、第１の圧電アクチュエータは制御エレメントを第１の方向に制御し、第２の圧電アクチュエータは制御エレメントを第２の方向に制御する。これによって、圧電アクチュエータの測定およびコーディングのための製造ステップを省くことができるので、著しい費用削減および製造時間の明らかな短縮が得られる。
【０００４】
従属請求項には、本発明の好適な変化実施例が記載されている。
【０００５】
本発明の好適な実施態様によれば、第１の圧電アクチュエータが制御エレメントを初期位置から制御位置へ前記第１の方向で制御し、第２の圧電アクチュエータが制御エレメントを制御位置から初期位置へ第２の方向で戻し移動させるようになっている。これによって、制御エレメントの、高ダイナミックで確実に機能する開放若しくは閉鎖が得られる。
【０００６】
さらに、好適には、制御装置はコントロールユニットを有しており、該コントロールユニットは第１および第２の圧電アクチュエータに接続されている。このコントロールユニットは、第１および第２の圧電アクチュエータを交互に作動若しくは制御し、さらに、作動停止されているか若しくは制御されていない圧電アクチュエータの信号を検出するように設計されている。この場合、作動停止されている圧電アクチュエータはセンサとして使用され、作動されている圧電アクチュエータによって前記センサに加えられる力を、制御エレメントの位置を規定するために使用される信号として検出する。この情報から、第１の圧電アクチュエータの正確な伸長、およびひいては制御エレメントのストローク運動を規定することができる。したがって、製造時における、使用されるべき圧電アクチュエータを選択するための高価な測定は省くことができる。
【０００７】
本発明のさらに好適な実施態様によれば、コントロールユニットがコンピュータ装置を有しており、該コンピュータ装置は、それぞれ作動停止されている圧電アクチュエータの検出された信号に基づいて、制御エレメントの正確な位置を算出するように設計されている。噴射プロセスの各時点における圧電アクチュエータの算出された位置に基づいて、流体調量は、圧電アクチュエータの従来のコーディングを介して行われるよりも著しく正確に行うことができる。噴射された流体量を調整するために従来必要であった、コントロールユニット内における高価なフィードフォワード・修正機能（Feedforward-Korrekturfunktion）を省くことによって、コントロールユニットの構成及び設計は著しく簡略化される。さらに、実際に噴射されかつ検出された流体量と、コントロールユニットによって規定された目標量とを調整することによって、例えば目標量を変えるその他のコントロールユニットを介在させることによるチューニングを著しく困難にすることができる。
【０００８】
好適には、第１の圧電アクチュエータが制御エレメントに直接接触しているか、および／または第２の圧電アクチュエータが制御エレメントに直接接触している。制御エレメントを直接操作することによって、構成部品を省くことができる。これによって、構成部品の数は最少になり、明らかな費用削減が得られる。
【０００９】
本発明の別の好適な実施態様によれば、第２の圧電アクチュエータが、制御エレメントを案内するための案内開口を有している。これによって、摩耗が少なくかつ確実に作動する、制御エレメントのガイドが保証される。第２の圧電アクチュエータの内部電極の案内開口の設計を、制御エレメントに応じて、相応に適合させることによって、電気的なフラッシュオーバーは避けられる。
【００１０】
さらに好適には、制御エレメントがニードルであって、該ニードルが一端部に、平らな脚領域を有していて、該脚領域が前記第１の圧電アクチュエータと前記第２の圧電アクチュエータとの間に配置されている。これによって、例えば制御エレメントおよび／または隣接する構成部分にカーボンが付着することによる、例えば制御エレメントの固着または摩耗等の機械的な欠陥は、制御装置の簡単な構成に基づいて容易に診断することができる。
【００１１】
好適には、制御装置は、圧電アクチュエータのうちの少なくとも一方の戻し移動を補助するためのばねエレメントを有している。これによって、制御エレメントはより高い戻り速度およびより高い戻り力で弁座に押しつけられるので、制御エレメントの迅速な閉鎖が得られ、したがって、例えば車両に使用される場合に、著しく減少された流体量が燃焼室内に噴射されるだけでよい。これによって、エンジンの改善されたアイドリング特性および排ガス特性が得られる。
【００１２】
さらに本発明は、制御エレメントと第１の圧電アクチュエータと第２の圧電アクチュエータとを有する制御装置を制御するための方法に関する。この場合、第１の方法ステップで、第１の圧電アクチュエータを第１の方向で作動させて、制御エレメントを初期位置から制御位置へ調整する。この際に第２の作動停止された圧電アクチュエータはセンサとして機能し、このセンサがこのセンサに作用する制御エレメントの力を検出してコントロールユニットに伝達する。第２の方法ステップで、第１の圧電アクチュエータを作動停止させ、第２の圧電アクチュエータを第２の方向で作動させ、それによって制御エレメントを制御位置から初期位置へ戻し移動させる。この際に第１の圧電アクチュエータがセンサとして機能し、前記第２の圧電アクチュエータに作用する力を検出して前記コントロールユニットに伝達する。コントロールユニットは、伝達された信号に基づいて前記制御エレメントの正確な位置を算出する。簡単な制御プロセスに基づいて、制御エレメントが確実に作動する安価な制御を実現することができる。本発明の方法によって、流体量を、従来の圧電アクチュエータを選択して製造するよりもはるかに正確に規定することができる。これによって、この制御装置が使用された内燃機関の効果が明らかに高められる。さらに、制御装置を、少ない製造ステップ数および短縮されたサイクルタイムで安価に製造することができる。代替的に、本発明による制御エレメントは、間接的にサーボ弁を介して１回の動作逆転によって操作することもでき、これによって、内燃機関の広い領域に使用することができる。
【００１３】
この方法の好適な実施態様によれば、制御エレメントの算出された位置に基づいて、流体噴射、特に燃料噴射または燃料送り込みのための開放時間が規定される。これによって勿論、非常に高い周波数若しくは非常に短いサイクルタイムを有する噴射プロセスにおいても、内燃機関のすべての負荷範囲内で精密な流体調量を行うことができる。
【００１４】
本発明のその他の実施例を以下に添付の図面を参照して詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の好適な実施例による制御装置の部分断面図である。
【図２】図１に示した制御装置の別の部分断面図である。
【図３】第１実施例による第１の圧電アクチュエータの横断面図である。
【図４】第１実施例による第２の圧電アクチュエータの横断面図である。
【図５】本発明の第２の好適な実施例による制御装置の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に図１〜図４を参照しながら、本発明の第１の好適な実施例による制御装置の詳細を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１実施例による制御装置１の部分断面図を示す。制御装置１は、制御エレメント２と第１の圧電アクチュエータ３と第２の圧電アクチュエータ４とを有しており、これらの第１および第２の圧電アクチュエータ３，４は、好ましくはセラミック製の多層圧電アクチュエータとして構成されていて、ハウジング９内に配置されており、該ハウジング９に流体が燃料管路１０を介して供給される。さらに制御装置１は、ハウジング９の外側に配置されたコントロールユニット５を有しており、該コントロールユニット５内にコンピュータユニット６が設けられていて、該コンピュータユニット６は、第１の圧電アクチュエータ３および第２の圧電アクチュエータ４に電気的に接続されている。第１および第２の圧電アクチュエータ３，４は、図３および図４に示されているように、それぞれ正方形の横断面を有している。択一的に、圧電アクチュエータは円形横断面を有していてもよい。ニードルとして構成された制御エレメント２は、平らな脚領域７を有しており、該脚領域７は、第１の圧電アクチュエータ３と第２の圧電アクチュエータ４との間に配置されていて、第１および第２の圧電アクチュエータ３，４に直接当接しているか若しくは接触している。脚領域７に接続された、制御エレメント２のネック領域１２は、図４の横断面図にも示されているように、第２の圧電アクチュエータ４内に形成された案内開口１２を案内されている。脚領域７とは反対側に配置された、制御エレメント２の端部領域１３は円錐形に構成されていて、該端部領域１３に向き合ってハウジング９内に配置された弁座１１を閉鎖する。図１は、制御エレメント２の初期位置を示しており、この初期位置は閉鎖位置である。
【００１８】
本発明の方法によれば、制御装置１を開放させるために、コントロールユニット５によって第１の圧電アクチュエータ３が矢印で示された第１の方向Ａで作動若しくは制御される。給電若しくは電気的な負荷に基づいて第１の圧電アクチュエータ３は伸長し、脚領域７で以て第１の圧電アクチュエータ３に当接する制御エレメント２は、初期位置から制御位置へ移動せしめられる。このときに、脚領域７の反対側に当接しかつハウジング９に支えられた、作動停止されているか若しくは制御されていない第２の圧電アクチュエータ４は、第１の圧電アクチュエータ３によって生ぜしめられた力によって圧縮される。この場合、用語「作動停止」は、「非作業状態若しくは非作業位置にある」という意味で用いられており、この非作業状態若しくは非作業位置において、電気的に負荷されておらず制御エレメント２を移動させるために用いられていない第２の圧電アクチュエータ４は、圧縮されるだけであって、この第２の圧電アクチュエータ４に作用する制御エレメント２の力を検出するセンサとして接続されている。この時に検出された、第２の圧電アクチュエータ４のセンサ信号は、コントロールユニット５内のコンピュータユニット６に伝達され、それに基づいてコンピュータユニット６は、制御エレメント２の正確な位置を算出する。
【００１９】
図２に示されているように、制御エレメント２の端部領域１３は、第１の圧電アクチュエータ３の伸長に基づいて第１の方向Ａで弁座１１から制御位置に持ち上がるので、燃料管路１０を通って供給された流体がハウジング９の外側へ流出することができる。
【００２０】
制御エレメント２を再び弁座１１上に戻させるか若しくは制御装置１を閉鎖するために、第２の圧電アクチュエータ４がコントロールユニット５によって作動され、第１の圧電アクチュエータ３は作動停止される。この場合、第２の圧電アクチュエータ４は伸長し、制御エレメント２は、図２に示した制御位置から、矢印で示した第２の方向Ｂで再び初期位置へ戻り移動する。これによって、作動停止された第１の圧電アクチュエータ３は圧縮される。この場合、第１の圧電アクチュエータ３はセンサとして接続されており、このセンサは、第２の圧電アクチュエータ４によってこのセンサに作用する力を検出して、センサ信号としてコントロールユニット５内のコンピュータユニット６に伝達し、それに基づいてコンピュータユニット６は再び制御エレメント２の正確な位置を算出する。
【００２１】
制御エレメント２の、噴射プロセスの各時点における算出済みの既知の位置に基づいて、いわゆるニードル移動特性に、従来技術において一般的な形式で組立前に行われる圧電アクチュエータ・測定およびコーディングによるよりも著しく高い精度を有する、必要な流体量を規定することができる。それによって、高い燃料削減能力が得られる。
【００２２】
次に図５を参照しながら、本発明の第２の好適な実施例による制御装置の詳細について説明する。同一のまたは機能的に同じ構成部分には、第１実施例におけるのと同じ符号が付けられている。
【００２３】
前述の第１実施例とは異なり、第２実施例は、制御エレメント２の戻し移動を補助するためのばねエレメント８を有している。ばねエレメント８は、第２の圧電アクチュエータ４と制御エレメント２の脚領域７との間に配置されている。その代わりに、ばねエレメント８は、第２の圧電アクチュエータ４とハウジング９との間に配置されていてもよい。これによって、制御エレメント２の迅速な閉鎖が実現される。
【００２４】
図面には示されていないが、記載したすべての実施例において、熱に基づく長さ調整を得るために、追加的に液圧式のカプラが第１の圧電アクチュエータ３とハウジング９との間に配置されているか若しくは後置接続されていてもよい。
【００２５】
本発明による制御装置１は、直列に配置された２つの圧電アクチュエータ３，４を使用し、これら２つの圧電アクチュエータ３，４を別個に制御するようにしたことによって、２つの圧電アクチュエータのうちの一方は常にセンサとして作業することができ、制御エレメント２の正確な位置を規定することができる、という利点を有している。それによって、直接的に操作される圧電アクチュエータにおいても、また間接的に操作される圧電アクチュエータにおいても、流体量の精密な規定が得られる。またそれによって、燃料消費若しくは排気ガス特性はさらに減少され、将来的に規定される限定を維持若しくは下回ることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  制御装置
２  制御エレメント
３  第１の圧電アクチュエータ
４  第２の圧電アクチュエータ
５  コントロールユニット
６  コンピュータユニット
７  脚領域
８  ばねエレメント
９  ハウジング
１０  燃料管路
１２  ネック領域；案内開口
１３  端部領域
Ａ  第１の方向
Ｂ  第２の方向
【図１】
2013543562.tif 000003
【図２】
2013543562.tif 000004
【図３】
2013543562.tif 000005
【図４】
2013543562.tif 000006
【図５】
2013543562.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月5日(2013.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置であって、
第１の方向（Ａ）および第２の方向（Ｂ）に移動可能に配置された制御エレメント（２）を有しており、前記第１の方向（Ａ）と前記第２の方向（Ｂ）とは互いに逆向きであって、
第１の圧電アクチュエータ（３）と、
第２の圧電アクチュエータ（４）とを有しており、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）を前記第１の方向（Ａ）に制御し、
前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメント（２）を前記第２の方向（Ｂ）に制御する、
制御装置。
【請求項２】
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）を初期位置から制御位置へ前記第１の方向（Ａ）に制御し、前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメントを前記制御位置から前記初期位置へ第２の方向（Ｂ）で戻させるようになっていることを特徴とする、請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
コントロールユニット（５）を有しており、該コントロールユニット（５）は、前記第１および第２の圧電アクチュエータ（３，４）に接続されていて、前記第１および第２の圧電アクチュエータ（３，４）を交互に作動させるように設計されており、さらに前記コントロールユニット（５）は、それぞれ作動停止されている圧電アクチュエータの信号を検出するように設計されている、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項４】
前記コントロールユニット（５）がコンピュータ装置（６）を有しており、該コンピュータ装置は、前記それぞれ作動停止されている圧電アクチュエータの検出された信号に基づいて前記制御エレメント（２）の正確な位置を算出するように設計されていることを特徴とする、請求項３記載の制御装置。
【請求項５】
前記第１の圧電アクチュエータ（３）が前記制御エレメント（２）に直接接触しており、および／または前記第２の圧電アクチュエータ（４）が前記制御エレメント（２）に直接接触していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項６】
前記第２の圧電アクチュエータ（４）が、前記制御エレメント（２）を案内するための案内開口（１２）を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項７】
前記制御エレメント（２）がニードルであって、該ニードルが一端部に、平らな脚領域（７）を有していて、該脚領域（７）が前記第１の圧電アクチュエータ（３）と前記第２の圧電アクチュエータ（４）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項８】
前記制御装置がさらに、前記圧電アクチュエータ（３，４）のうちの少なくとも一方の戻し移動を補助するためのばねエレメント（８）を有している、請求項１から７のいずれか１項記載の制御装置。
【請求項９】
制御エレメント（２）と第１の圧電アクチュエータ（３）と第２の圧電アクチュエータ（４）とを有する制御装置を調整するための方法において、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）を第１の方向（Ａ）に作動させて、前記制御エレメント（２）を初期位置から制御位置へ制御し、この際に前記第２の圧電アクチュエータ（４）を作動停止させかつセンサとして機能させて、前記第２の圧電アクチュエータ（４）に作用する前記制御エレメント（２）の力を検出してコントロールユニット（５）に伝達し、
前記第１の圧電アクチュエータ（３）を作動停止させ、前記第２の圧電アクチュエータ（４）を第２の方向（Ｂ）で作動させ、それによって前記制御エレメント（２）を前記制御位置から前記初期位置へ戻し移動させ、この際に前記第１の圧電アクチュエータ（３）をセンサとして機能させ、前記第２の圧電アクチュエータ（４）に作用する力を検出して前記コントロールユニット（５）に伝達し、
前記コントロールユニット（５）が伝達された信号に基づいて前記制御エレメント（２）の正確な位置を算出する、
ステップを有している、制御装置を調整するための方法。
【請求項１０】
前記制御エレメント（２）の算出された位置に基づいて、流体噴射のための開放時間を規定することを特徴とする、請求項９記載の制御装置を調整するための方法。
【請求項１１】
前記流体噴射のための開放時間が、燃料噴射または燃料送り込みのためのものであることを特徴とする請求項１０に記載の制御装置を調整するための方法。
【国際調査報告】
2013543562.tif 000008
2013543562.tif 000009
2013543562.tif 000010
2013543562.tif 000011