(57)【要約】  高速で強力な磁歪アクチュエータは、ディーゼル燃料インジェクタの油圧機械式部分を連続制御する動作源として望ましい。アクチュエータは、連続的に変化する電圧と電流を、連続的に変化する力と変位へ変換する。磁歪アクチュエータは、各噴射イベントを通じて連続的に変化する制御を実施することにより、現行の燃料噴射よりも進歩している。これは、オーバーシュートやリンギングなしで高速遷移することを含む。休止状態において、磁歪燃料インジェクタをテストして、リンギングなしで数十マイクロメートル延伸させ、略ゼロ速度における休止位置へ戻す。休止状態から休止状態までの完全サイクルは、２００マイクロ秒よりもはるかに小さい時間で生じる。燃料圧力を検出する方法は、磁歪合金の特性における連続変化の利点を利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
電気機械アクチュエータを提供するステップ、
ステップ過渡応答におけるリンギングの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電気機械アクチュエータは、圧電セラミックである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、磁束帰還路を備える
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記希土類合金ロッド部品は、希土類／遷移金属磁歪合金を含む
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記希土類／遷移金属磁歪合金は、組成式ＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅ２−ｗ、０．２０＜＝ｘ＜＝１．００、０＜＝ｗ＜＝０．２０の粒子配向多結晶希土類／遷移金属材料である
ことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記希土類／遷移金属磁歪合金は、磁歪応答方向における長さを有し、前記磁歪応答方向における長さは前記電気機械アクチュエータの電気機械共鳴周波数の４分の１波長よりも大きくない
ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記磁歪アクチュエータはさらに、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置された第２コイルを備える
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記電気機械アクチュエータは、ゼロ電流においてゼロ磁界を有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
電気機械アクチュエータを提供するステップ、
ステップ過渡応答におけるアンダーシュートの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記電気機械アクチュエータは、圧電セラミックである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、磁束帰還路を備える
ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記磁歪アクチュエータはさらに、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置された第２コイルを備える
ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
電気機械アクチュエータを提供するステップ、
ステップ過渡応答におけるオーバーシュートの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有し、
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものであり、
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、第２コイル、磁束帰還路を備え、
前記第２コイルは、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置され、
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願に対する相互参照＞
本願は、Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の下で、米国仮出願６１／９１８，０９０号（２０１３年１２月１９日出願）の優先権を主張する。同出願は、参照によりその全体が本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般に、磁歪アクチュエータに関する。具体的には、粒子が軸方向に配向された希土類合金部品、ロッド部品と同心の通電螺旋巻またはソレノイドコイル、および磁束帰還路を採用した磁歪アクチュエータである。磁歪アクチュエータは、ゼロ電流においてゼロ磁界を有する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許７，２５５，２９０；８，１１３，１７９；８，４１８，６７６；８，６８３，９８２におけるプログラム可能ディーゼル燃料インジェクタのための磁歪アクチュエータの開発は、従来の磁歪アクチュエータを改善する機会を見出した。
【０００４】
＜電気機械アクチュエータ＞
多くの創造的で独創的な発明が、ディーゼル燃料噴射の制御を改善することに対して向けられている。これは、取引雑誌、業界ジャーナル、学会論文、特許、書籍、などにおいて明らかである。最終的には、これら努力は２つの主要な電気制御技術の物理特性によって制限されている：ソレノイドと圧電セラミック（以下ではピエゾ）である。ソレノイドインジェクタは少なくとも１９１３年のＧａｆｆまで遡り、圧電インジェクタは少なくとも１９７７年のＢａｒｔまで遡る。したがって、ソレノイドとピエゾはともに、その限界について注目を保ってきた。圧電インジェクタの時代において、Ｂｅｎｓｏｎ等は２００８年に、ピエゾは未だソレノイド技術を完全には置き換えていないことを示した。
【０００５】
ここで、Ａｌｅｘａｎｄｅｒ  Ｇｒａｈａｍ  Ｂｅｌｌの電話機の発明について特に言及すべきである。Ｂｅｌｌは、飛躍的な創造的試みにより、ソレノイド動作するテレグラフを用いて、認識可能スピーチを再生した。彼の電話機の鍵となる要素は、イヤホンダイヤフラムがその波状アナログ電気信号入力を高速かつ比例的に追従できることである。これは、燃料が流れる速度で連続制御するプログラム可能ディーゼル燃料インジェクタが必要とする機能と、全く同じである。
【０００６】
ソレノイドは耐久性があるが、連続制御には適していない。ソレノイドの主要な特性は、機械的動作が電気的入力に対して比例しないことである。耐久性と信頼性がある一方で、認識可能スピーチや理想的な燃料レート形状や高速ジェットは、ソレノイドによっては遅延を最小にしつつ再生することができない。その動作原理により、閾値以上の磁束が空隙を交差すると、２つの極が互いを加速し、互いに衝突するまで空隙を閉じ、設計に依拠して反動で戻る。２つの極を加速する力は、ギャップの２乗に反比例する。これにより、速度または位置制御を困難にしている。したがってソレノイドは、制御困難な速度で、開放、閉鎖、跳ね返り、またはこれら状態の間で遷移する。
【０００７】
ピエゾはその特性が“スイッチする”ものとして説明され、これはテレグラフのようにＯＮ−ＯＦＦ動作することを示しているかのようであるが、ピエゾはテレグラフとは異なり、ある範囲内の速度と無限御可能な変位を示す。これにより連続制御することができる。この技術の主要な特徴は、機械的膨張が印加電圧に比例し、制限範囲内であることである。ピエゾ力と変位は、電気的制御可能であり遥かに高速である点を除けば、熱膨張に類似している。ピエゾを用いて、認識可能スピーチを再生し、噴射燃料の速度を制御することができるが、一瞬の間のみである。ピエゾの内在的な欠陥は、性能劣化しやすいことである。このことは、米国特許５，８７５，７６４；７，１５９，７９９；７，２６２，５４３；ＭＩＬ−ＳＴＤ−１３７６；Ｃａｉｎ等の文献などに記載されている。この性能低下や経年劣化は、ピエゾ技術のアキレス腱であり、耐久性のある連続制御可能な高速ディーゼルインジェクタにおいて用いることができなくなっている。負荷が軽く寿命が許容可能である場合、ピエゾはソレノイドと比較して、テレグラフ状のＯＮ−ＯＦＦ速度改善をもたらすことができる。これにより、シリンダ内ディーゼル噴射を減少させる際に用いる、高速小型の複数パルス噴射を可能とする。速度と比例性を有する一方で、ピエゾをテレグラフ状動作させて許容可能な寿命を得ることは、このアプローチを燃料噴射の速度制御において用いるに際して理想的でないものにすることになる。
【０００８】
圧電セラミックは、動作するために“極化”する必要がある。ここで、膨張は１つの極のみの電気的入力を必要とする。同じ大きさの逆電圧が圧電セラミックに対して印加されると、逆極化によって動作しなくなる。順電圧は閾値を超えてはならない。
【０００９】
米国海軍は、ソナーのために鉄と希土類テルビウムとジスプロシウムの金属間合金を開発した。これは、圧電セラミックと磁歪的に等化である。同合金は、磁気入力を機械的出力に結び付ける。同合金は、速度、所定範囲内の無限調整可能変位、エンジンシリンダヘッドにおいても耐えることができる耐久性を提供する。この技術の主な特徴は、機械的膨張がその周りを回転する電流シートに対して比例し、回転方向によらないことである。磁歪変位と力は、磁気的制御可能でありはるかに高速であることを除いて、熱膨張に類似している。このことは、Ｄａｐｉｏ等の文献やＦａｉｄｌｅｙ等の文献に記載されている。この合金を採用した磁歪アクチュエータは、耐久性による制限なく、認識可能スピーチを再生し、適応可能かつ高速に噴射燃料の速度を調整することができる。
【００１０】
希土類／遷移金属合金における磁歪効果の量子力学的源泉により、その効果が継続することが保障される。同効果は疲労しない。合金組成比により、温度に対する同効果の大きさを制御できる。同効果は温度が上がると減少し、温度が下がると完全に元に戻る。高磁場は合金を劣化させない。
【００１１】
正確な燃料噴射のためには、正確な制御が必要であり、したがって燃料圧力などの動作条件を正確に知ることが必要である。磁歪アクチュエータがオーバーシュートとリンギングなしでステップ過渡変位応答を提供する場合、この要件に合致する正確な電気的入力を計算することができる。ただし、要求される電気的入力を計算するために用いた前負荷と実際の前負荷が異なる場合は、リンギング、オーバーシュート、またはアンダーシュートが生じる。
【００１２】
したがって、実際の前負荷を知ることが望まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、合金の内在的特性の利点を利用することである。特に速度と連続制御特性である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
磁歪合金は、エンジン動作中に前負荷を定量化できる、他の主要特性を有する。この特性は、透磁率と弾性係数がともに連続変化することである。燃料圧力（例えば共通レール燃料圧力）は、磁歪アクチュエータが必要とする前負荷を提供する。前負荷の値は、透磁率と弾性回数の値に影響する。アクチュエータは、機械的入力が電気的出力を生成しまたはその反対である点において、対称相互デバイスである。
【００１５】
電磁効果と機械効果のカップリングにより、制御演算において誤った前負荷が用いられると、リンギングやオーバーシュートやアンダーシュートが生じる。
【００１６】
したがって、リンギングが検出されなくなるまでアクチュエータ電気的入力の計算を調整することにより、動作中に燃料圧力を計測することができる。
【００１７】
本発明のこれらおよびその他目的、特性、利点は、以下の説明と特許請求範囲から明らかになるであろう。
【００１８】
様々な目的、特徴、利点は、添付する図面と併せて以下の詳細説明を読むことにより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】磁歪アクチュエータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の磁歪アクチュエータの望ましい実施形態について、図１を参照する。
【００２１】
磁歪アクチュエータ１は、粒子が軸方向に配向された希土類合金ロッド部品２、ロッド部品２と同心の通電螺旋巻またはソレノイドコイル３、磁束帰還路４を有する。アクチュエータは、ゼロ電流においてゼロ磁界を有する。
【００２２】
ロッド部品２は、希土類／遷移金属磁歪合金２１と強磁性端部キャップ２２によって形成することができる。希土類／遷移金属磁歪合金２１は、粒子配向多結晶希土類／遷移金属材料によって形成することができる。組成式は例えばＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅ２−ｗであり、０．２０＜＝ｘ＜＝１．００、０＜＝ｗ＜＝０．２０である。材料の粒子は、実質的に材料の成長軸に沿った共通主軸を有し、これはλ１１１軸から１０°以内である。
【００２３】
希土類／遷移金属磁歪合金２１は粒子が軸方向に配向されているので、希土類／遷移金属磁歪合金２１は、端部を有する形状に形成された磁歪応答の方向が望ましい固体磁歪材料として提供される。この端部は実質的に互いに平行であり、実質的に磁歪応答の方向に対して垂直である。
【００２４】
希土類／遷移金属磁歪合金２１の形状は、例えば円筒、楕円体、平行６面体、角柱、その他同様の適当な形状である。希土類／遷移金属磁歪合金２１は、磁歪応答の方向に対して垂直な左右面を有する。この左右面は、装置の電気機械共鳴周波数の４分の１波長よりも実質的に小さい。希土類／遷移金属磁歪合金２１は、磁歪応答の方向における長さが、装置の電気機械共鳴周波数の４分の１波長よりも大きくない。
【００２５】
磁力線は、開始部分と終端部分を有していない。ロッド部品２を励起するのに十分な磁界強度を生成するため必要なエネルギーを最小化するため、望ましくは強磁性材料の経路４が提供され、これによりコイル３の外側周辺で磁力線をロッド部品２の一端から他端へガイドする。
【００２６】
＜動作の説明＞
休止状態において、電流はゼロである。一方の極性の電圧波形が開始時刻ｔ０において印加され、合致する極性の電流波形が励起されてコイル３を流れる。コイル３内の電流は、コイル３の軸周りを回転する電子シートとみなすことができる。回転電子シートは、極性に合致する磁界を形成する。この磁界は、ロッド部品２と交差し合致する極性の磁束密度を有する磁力線を生成する。その大きさは、ロッド部品２を含む磁気回路全体の透磁率に依拠する。磁束線は、磁束帰還路４を介して自身に戻る。磁束帰還路４は、ロッド部品２とともに、磁気回路全体を形成する。ロッド部品２内の磁束波形は、極性によらず、対応する軸方向膨張波形を生じさせる。
【００２７】
コイル３への電流を連続制御することにより、ロッド部品２の軸方向膨張または収縮を連続制御できる。電流の増加速度または減少速度とその最大大きさはともに、ロッド部品２によって対応する機械的変位波形に変換される。
【００２８】
コイル３への電流の連続制御は、特定の前負荷値に基づき計算される。前負荷は、共通レール燃料圧力によって提供される。ステップ過渡応答機械的変位波形は、リンギングやオーバーシュートやアンダーシュートを生じさせないために必要である。リンギングまたはオーバーシュートまたはアンダーシュートが検出されると、次の噴射サイクルの計算はこれにしたがって電流の連続制御を調整する。
【００２９】
電気的リンギング、オーバーシュート、アンダーシュートを検出する方法は、複数存在する。本発明の１実施形態は、電子回路を用いて、コイル３を流れてほしい所望電流と実際にコイル３を流れる電流を比較する。インジェクタが噴射している間、インジェクタの実波形は所望波形と異なる。これは、インジェクタが噴射していない間に検査パルスを送出するアクティブ“ピンギング”よりも精度が高い。インジェクタが噴射している間にこの測定を実施することにより、精度が大幅に向上する。全ての力学特性が考慮されるからである。したがって、より感度の高い本発明の実施形態は、ロッド２とコイル３との間の別のコイル３３を用いる。この別コイル３３は、信頼性のため細いワイヤをより多くの回数巻いている。本実施形態は、変化する磁束によって誘起された電圧を検出する。磁束変化は、コイル３内の電流によるものである。検出された電圧はスケーリングされ、コイル３を流れてほしい所望電流と比較される。したがって本実施形態は、噴射していない間にアクチュエータをピンギングするのではなく、噴射中の電気的入力における意図しないリンギングを検出することができる。
【００３０】
本明細書が記載している特徴や利点は、全て包含的なものである。多くのその他特徴や利点は、図面、明細書、特許請求範囲から当業者にとって明らかである。さらに、本明細書が用いている用語は原則的に読み易さと説明目的のために選択されており、本発明を線引きや制限するために選択されたものではない。本発明を定義するために必要なのは特許請求範囲である。
【００３１】
当業者は、本発明の記載が説明目的のみのものであり限定するものではないことを理解するであろう。本発明の他実施形態は、当業者が容易に提案することができる。
【００３２】
本明細書の実施形態は、本発明の原理と実際のアプリケーションを最もよく説明するために選択されたものであり、これにより当業者は本発明を様々な実施形態と特定用途に適した様々な変形で利用することができる。本発明の範囲は、法的かつ公正に最も広範に解釈したときの特許請求範囲によって定義されることを意図している。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年10月13日(2015.10.13)
【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】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
インジェクタを有する電気機械アクチュエータを提供するステップ、
前記インジェクタが噴射している間のステップ過渡応答におけるリンギングの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記電気機械アクチュエータは、圧電セラミックである
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、磁束帰還路を備える
ことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記希土類合金ロッド部品は、希土類／遷移金属磁歪合金を含む
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記希土類／遷移金属磁歪合金は、組成式ＴｂｘＤｙ１−ｘＦｅ２−ｗ、０．２０＜＝ｘ＜＝１．００、０＜＝ｗ＜＝０．２０の粒子配向多結晶希土類／遷移金属材料である
ことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記希土類／遷移金属磁歪合金は、磁歪応答方向における長さを有し、前記磁歪応答方向における長さは前記電気機械アクチュエータの電気機械共鳴周波数の４分の１波長よりも大きくない
ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記磁歪アクチュエータはさらに、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置された第２コイルを備える
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記電気機械アクチュエータは、ゼロ電流においてゼロ磁界を有する
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
インジェクタを有する電気機械アクチュエータを提供するステップ、
前記インジェクタが噴射している間のステップ過渡応答におけるアンダーシュートの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記電気機械アクチュエータは、圧電セラミックである
ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、磁束帰還路を備える
ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記磁歪アクチュエータはさらに、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置された第２コイルを備える
ことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
電気機械アクチュエータを動作させて機械的負荷を測定する方法であって、
機械的負荷を提供するステップ、
インジェクタを有する電気機械アクチュエータを提供するステップ、
前記インジェクタが噴射している間のステップ過渡応答におけるオーバーシュートの不存在または存在を検出するステップ、
前記検出に基づき前記機械的負荷を計測するステップ、
前記計測に基づき次のステップ過渡応答を計算するステップ、
前記計算に基づき電流の連続制御を調整するステップ、
を有し、
前記機械的負荷は、燃料圧力に起因するものであり、
前記電気機械アクチュエータは、磁歪アクチュエータである
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記磁歪アクチュエータは、希土類合金ロッド部品、第１コイル、第２コイル、磁束帰還路を備え、
前記第２コイルは、前記希土類合金ロッド部品と前記第１コイルとの間に配置され、
前記第２コイルは、前記第１コイルよりも単位長さ当たりの巻き数が多い
ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【国際調査報告】
2017510790.tif 000004