JP5362105B2 - ピエゾバルブを操作するための回路装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電曲げ変換器により形成された少なくとも１つのアクチュエータを有するピエゾバルブを操作する回路装置および方法であって、圧電曲げ変換器が（少なくとも）２つのピエゾアクチュエータを有し、これら（少なくとも）２つのピエゾアクチュエータが圧電曲げ変換器の長手方向に沿って延在している、回路装置および方法に関している。さらに、本発明はこのような回路装置および／または操作方法の使用に関している。

この種の回路装置および方法は例えばDE 103 46 693 A1から公知である。この公知の回路装置は、密閉された空気ボリュームの制御に使用されるピエゾバルブを操作するために使用される。バルブは例えば「充填」、「圧力維持」および「排気」の３つの状態を備えている。

この公知の回路装置によって操作されるピエゾバルブでは、変位していない静止位置に対し２つの方向（長手方向を横切る）において変位が可能であるように、２つのピエゾアクチュエータが、互いに逆方向に作用する２つの能動的な圧電部材からなる１つのピエゾスタックを形成している。

もちろん一般的にこの種のピエゾバルブにはさまざまな利用分野がある。非常に有利なことに、この種のバルブは例えば自動車シートの輪郭を変化させるシステムにおいて可制御空気弁として使用することができる。ピエゾバルブにおいて圧電曲げ変換器（「ピエゾベンダ」）をアクチュエータとして使用する際の主な問題は、曲げ変換器が多少目立つ機械的共振を有するシステムであるため、不所望な振動をしかねないという点にある。

曲げ変換器のこのような振動は定量的な弁機能（精確な弁開度の調節）の妨害となりかねない。その他の不利な作用としては、例えば、多くの利用分野において不所望な雑音の発生、および／またはそれ自体は不必要な、曲げ変換器への付加的な機械的負荷が挙げられる。

曲げ変換器の不所望な振動は、例えば比較的急なバルブ操作プロセスのせいで生じることがある。また、このような振動は、弁開度が緩慢に変化する場合でも、または全く変化しない場合でも、バルブを流れる（乱流的な）質量流によっても生じることがある。問題の媒質（例えば空気、油圧油など）がバルブを貫流することにより、周波数的に広帯域にわたる励起が生じる。そのため、とりわけ曲げ変換器の機械的共振周波数が励起される可能性がある（ハーモニカ効果）。この効果は、その瞬間の動作条件（順圧、逆圧、有効バルブ断面積、媒質粘度、曲げ行程の機械的な制限など）に応じて、異なる強さで生じる。

本発明の課題は、ピエゾバルブ内でアクチュエータとして使用される曲げ変換器の不所望な振動の大きさを抑制または少なくとも有意に低減することである。

本発明の第１の態様によれば、上記課題は請求項１に係る回路装置により解決される。従属請求項は本発明の有利な実施形態に関係している。

本発明の回路装置は少なくとも１つのドライバを有しており、このドライバは操作制御信号を入力するための入力側と、操作制御信号に依存して選択的に２つのピエゾアクチュエータの一方に出力すべきアクチュエータ駆動制御信号を生成するための出力側とを有している。ピエゾバルブの「通常」動作（１つまたは複数の弁開度の調節）は１つまたは複数の上記ドライバによって行うことができる。

振動の減衰を実現するためには、回路装置がさらに検出装置と帰還装置（請求項１参照）を有し、ドライバ入力端において、２つのピエゾアクチュエータの一方を駆動制御する操作制御信号に、振動減衰に適するように生成された振動減衰信号を重ね合わせることができることが重要である。そのために、目下駆動制御されていない他方のピエゾアクチュエータを、生じている振動（振幅および位相位置）を測定するセンサとして利用してもよい。

それゆえ、有利なことに、本発明による「能動的振動減衰」のためには付加的なセンサ系がまったく不要である。

バルブ操作のために選択的に一方のピエゾアクチュエータに出力されるアクチュエータ駆動制御信号を生成することに関しては、それ自体公知のドライバのコンセプトを参考にしてもよい。

したがって、例えば、選択的に異なるピエゾアクチュエータに出力されるアクチュエータ駆動制御信号を生成するために、生成されたアクチュエータ駆動制御信号をいま駆動制御すべきピエゾアクチュエータに供給するのに適したスイッチを備えた１つのドライバを共通して使用することが考えられる。

他の１つの実施形態では、２つのピエゾアクチュエータの各々に独自のドライバが割り当てられる。

このドライバは出力側に、例えば実質的にドライバの供給電圧に一致する範囲内でアクチュエータ駆動制御電圧を生成または調節するプッシュプル出力段を有していてよい。

１つの実施形態では、ドライバは５０Ｖを超える、特に１００Ｖを超えるアクチュエータ駆動制御電圧（動作上達成可能な最大の電圧）を供給するように設計されている。

例えば、アクチュエータ駆動制御のために設定された目標値（操作制御信号）を平滑化、特にローパスフィルタリングおよび／または傾斜制限してドライバ入力端に供給してもよい。それにより、有利には、目標値が跳躍的に変化した場合に共振が励起されるという効果が防止される。

本発明の回路装置は有利には従来公知の回路装置をほんのわずか変更するだけで実現できる。

本発明が従う解決アプローチは、最も簡単なケースでは、１つまたは複数のアクチュエータ駆動制御信号を１つまたは複数の操作制御信号に依存して制御（場合によっては閉ループ制御）するために既存の回路構造を拡張するというものである。ここで、既存の回路構造の拡張は少なくとも、付加的に回路装置の入力側へ信号をフィードバックすることから成る。本発明において付加的に必要となる信号（「振動減衰信号」）は、所定の動作フェーズにおいてセンサとして使用されるピエゾアクチュエータによって生成される。

１つの実施形態では、動作上センサとして利用されるピエゾアクチュエータ（「目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータ」）はつねに、少なくとも２つのピエゾアクチュエータのうちの同じ１つのピエゾアクチュエータであり、そのため本発明による振動減衰はつねに他方のピエゾアクチュエータの活動中にしか行われない。しかし、動作の異なるピエゾアクチュエータを（そのときの具体的な動作状態に応じて）センサとして利用してもよい。

本発明の第２の態様によれば、上記課題は請求項１１に係る操作方法により解決される。

本発明によれば、ピエゾバルブのアクチュエータとして使用される曲げ変換器のためのロバストで低コストの振動減衰が実現される。

曲げ変換器自体は有利には公知の構造のものであってよい。例えば、２つの圧電素子から成るシステム（「バイモルフ」）として、または２つの圧電素子と１つの受動中間層から成るシステム（「トライモルフ」）として形成されていてもよい。しかし、圧電素子（ピエゾアクチュエータ）の個数は２つに限定されている。それどころか、多数の圧電素子から成るシステム（一般に「マルチモルフ」）であってもよい。使用される曲げ変換器の各圧電素子ないしは各ピエゾアクチュエータは、圧電セラミックスの唯１つの層から形成されていてもよいし（シングルレイヤー技術）、複数のそのような圧電層から形成されていてもよい（マルチレイヤー技術）。

本発明の１つの有利な実施形態では、圧電曲げ変換器は例えばシングルレイヤー技術で形成されたピエゾアクチュエータを備えたトライモルフ曲げ変換器である。この実施形態は本発明の範囲内であるが、１つの例として解すべきである。

１つの有利な実施形態では、曲げ変換器の少なくとも２つのピエゾアクチュエータを駆動制御する際、いわゆる横効果が利用される。その場合、回転ないし収縮の方向は駆動制御によって発生する電界の方向と交叉する（例えば垂直）。しかし、曲げ変換器の１つまたは複数のピエゾアクチュエータに対して、駆動制御の際にいわゆる縦効果を利用することが排除されているわけではない。

本発明の枠内では、個々のピエゾアクチュエータが単極駆動制御であるか、双極駆動制御であるかは、同様にむしろ副次的な重要性しか有していない。

以下で説明するさらなる実施例では、互いに逆方向に作用する少なくとも２つのピエゾセラミックス（シングルレイヤーまたはマルチレイヤー）を電気的な駆動制御によって少なくとも２つの方向に作用させることのできる、トライモルフまたはマルチモルフ曲げ変換器の単極駆動制御が前提とされる。本発明にとって重要なことは、前記複数のピエゾアクチュエータの少なくとも１つのピエゾアクチュエータは駆動制御され、同時に前記複数のピエゾアクチュエータの別の少なくとも１つのピエゾアクチュエータは駆動制御されないという操作状態が動作上少なくとも１つ存在することである。本発明によれば、不所望な振動を減衰するという趣旨で、目下実際に駆動制御されている少なくとも１つのピエゾアクチュエータの駆動制御に影響を与えるために（能動的振動減衰）、目下駆動制御されていない少なくとも１つのピエゾアクチュエータが「センサ」（振動測定のための）として利用される。本発明は双極駆動制御されるピエゾアクチュエータにも容易に適用できる。

本発明に従って操作されるピエゾバルブは、バルブ操作に使用される複数の曲げ変換器を有していてもよい。可制御流体ボリューム用のポート、充填ポートおよび排出ポートを備えた３／３方向バルブがその例である。この場合、可制御ボリュームと充填ポートとの間の通路を開閉するために第１の曲げ変換器が使用され、可制御ボリュームと排出ポートとの間の通路を開閉するために第２の曲げ変換器が使用される。その際に、両方の曲げ変換器は同一の操作制御信号によって互いに相補的に駆動制御されるようにしてもよい。

一般に、圧電曲げ変換器には複数の共振周波数が発生する。最も低い顕著な共振は以下では「主共振」と呼ばれ、例えば３００〜６００Ｈｚの範囲内にあるものとしてよい。他のはっきりした共振は、例えばおよそ１５００Ｈｚよりも上の領域において、部分的に密な周波数間隔で生じうる。このような周波数の高い共振は以下では「副共振」とも呼ばれる。副共振の特徴は、主共振が励起されている場合に見かけ上増幅されて現れる、または主共振によって励起されうることにある。

多くの場合、曲げ変換器の少なくとも主共振を減衰するだけで、つまり、振幅を低減するか、実質的に抑制するだけで、既に非常に大きな利点が得られる。これは何故かと言えば、前記副共振と同じほど高い周波数の共振は主共振が励起されなければ認めうるほどに励起されないからである。

本発明による付加的なフィードバックの「フィルタ特性」を設計する際に、上記のような事情を適切に考慮するようにしてもよい。これについては以下で詳細に説明する。

目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータにおいて能動的振動減衰に必要な測定量を捕捉するためには、様々な可能性が考慮される。

１つの有利な実施形態によれば、捕捉装置は、目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータに接続されている線路内に電流を発生させるための電流源と、この電流を測定するための電流測定装置とを有する。このケースでは、測定量として最終的にピエゾアクチュエータの振動により発生したピエゾ電流が捕捉される。

ピエゾアクチュエータのアクチュエータ動作とセンサ動作との識別は、異なる２つの電圧源ないし電流源からピエゾアクチュエータに電流ないし電圧を印加することにより簡単に行える。

例えば、アクチュエータ動作では、給電（駆動制御）は例えば使用するドライバの出力段から形成しうる電圧源から行うことができる。なお、この電圧源は以下では「高電圧源」とも呼ばれる。ここで、「高電圧源」という概念は、ピエゾアクチュエータの駆動制御に一般的に使用される電圧がこの同じピエゾアクチュエータをセンサとして使用したときの電圧ないし電圧変化よりも格段に高いということを指している。このようにして発生させられるセンサ電圧は一般に、この同じピエゾアクチュエータを駆動制御するのに必要な駆動制御電圧よりも数桁低い。このことを背景として、「高電圧」という概念は本発明の意味では既に例えば５０Ｖまたは１００Ｖの電圧を含んでいる。このような高電圧による単極アクチュエータ駆動制御では、センサ動作時のピエゾアクチュエータへの給電に使用される第２の電圧源（「低電圧源」）が、ピエゾアクチュエータに例えば同じ極性の比較的低い電圧を印加することができる。この「低電圧」は例えば、動作上達成可能な最大のアクチュエータ駆動制御電圧の高々１／１０、特に高々１／５０としてよい。

有利な実施形態では、上記線路は例えばダイオードのような電流の方向に依存する素子を介して関連するピエゾアクチュエータに接続されている。このようにして、有利なことに、低電圧源は電流の方向に依存する素子によって高電圧源から保護される。電気的測定量の捕捉の原理は、例えば、低電圧源がセンサとして動作しているピエゾアクチュエータの枝路ないし上記線路に、例えば同様にピエゾアクチュエータに接続されているドライバの内部抵抗を介して（例えばアースへと）流れ去る所定の電流を供給することに基づいている。さらに、圧電効果によるこの電流（以下では「捕捉電流」とも呼ばれる）の変化を、例えば必要に応じて設けられている電流の方向に依存する素子を介して伝達する、または必要な振動減衰信号を生成するために参照するようにしてもよい。

有利なことに、この原理に従えば、様々な動作フェーズにおいてセンサとして利用可能な複数のピエゾアクチュエータを、各ピエゾアクチュエータに割り当てられた相応する複数の、電流の方向に依存する素子を介して共通して使用される捕捉装置に接続することもできる。それゆえ、これらのピエゾアクチュエータは（各ピエゾアクチュエータがつねにセンサとして使用される限り、）能動的振動減衰のための各信号フィードバックごとにまとめることができる。

センサ信号、例えば上述した捕捉電流またはその変化は通常比較的小さいので、捕捉および／またはフィードバックの際にこの信号を増幅することが勧められる。

センサ信号の捕捉に関して有利な実施形態では、電流測定装置はトランスインピーダンスアンプによって形成されている。

例えば、圧電効果により生じた捕捉電流変化をこのようなトランスインピーダンスアンプにより測定し、増幅された電圧信号としてフィードバックに使用する、ないしは、そのために設けられているフィードバック装置に入力してもよい。

上記した電流の方向に依存する素子（例えばダイオード）を設けることにより、ピエゾアクチュエータの駆動制御中に、すなわち高電圧源からピエゾアクチュエータへの給電中に、電流の方向に依存する素子が捕捉電流を阻止し、ピエゾアクチュエータにおける測定ないし測定量捕捉をいわば自動的に停止させることが可能である。

動作上、電流の方向に依存する素子の前後に少なくとも近似的に一定の電圧が存在する場合には、電流の測定は前記素子により有利には関連するピエゾアクチュエータの容量（およびその変動）にほぼ依存しなくなる。

電流の方向に依存する素子を上記のように使用することにより、有利には、高電圧源と低電圧源とをガルバニック絶縁するためのコストのかかる措置（例えば高電圧可能なカップリングコンデンサ）が不要となる。また、（例えば分圧器による）信号減衰が不要なため、センサとして使用されるピエゾアクチュエータの電圧振幅ないし電流振幅を実際上完全に利用することができる。この場合、有利には、能動的振動減衰のためのフィードバック枝路ないし制御ループへの雑音の影響は低減されている。

同一のピエゾアクチュエータのアクチュエータとしての利用とセンサとしての利用は高電圧源の規定通りの動作だけで制御できる。この利用態の切り替えは、上述のように電流の方向に依存する素子を使用することにより、いわば自動的かつ本質安全に行うことができる。そのために、他の、とりわけ高価なスイッチは不要である。

上述のようにトランスインピーダンスアンプを使用した場合、トランスインピーダンスアンプは（曲げ変換器の曲げ位置に関して）減算器として動作する。有利には、この減算動作を振動減衰に必要な同相のフィードバックのために利用ないし考慮してもよい。

１つの実施形態では、電流測定装置による増幅、特に例えば電流測定装置に内蔵されているトランスインピーダンスアンプによる増幅は可変である。このような可変性は動作上、例えば不所望な作用を生じさせることなく、振動減衰の強さをできるだけ大きくするために有利に利用することができる。言い換えれば、減衰の最大化は、安定領域内ではあるが、可能な限り（制御技術上の）安定限界近くでの動作によって達成される。さらに、このような可変性は、動作上、減衰の強さを所定の動作パラメータないし動作状態に依存して調整する、ないしは適合させることができる。

捕捉装置および／またはフィードバック装置は、空気圧システムまたは油圧システムにおいて（１つまたは複数のピエゾバルブの）複数の異なる曲げ変換器の能動的振動減衰を行うために、複数設けてもよい。

しかし、それとは異なり、このような複数の異なる曲げ変換器のために捕捉装置および／またはフィードバック装置の多重利用してもよい。この場合、上述したように増幅を変化させることよって、例えば有利には個々の駆動制御チャネルの減衰の強さ、ないしはその時の条件（順圧、逆圧、流量、線路長、負荷ボリューム、駆動制御の持続時間など）を適合させることができる。さらに、増幅を動作点に依存して行ってもよいし、または適応的に行ってもよい。増幅の適応的な変更のために、例えばその時に生じている共振の強さをフィードバック信号の領域内での測定によって求め、評価してもよい。このような評価は例えばプログラム制御された電子制御装置（例えばマイクロコントローラ）によって行うことができる。その場合、この電子制御装置には（例えばアナログデジタル変換器を経由して）振動減衰信号を表す信号が供給される。それに続いて、この制御装置は、曲げ変換器の不所望な振動を最小化するために、例えばアルゴリズムに従って上記増幅を相応して調節することにより、減衰の大きさを変化させることができる。

増幅をゼロへと変化させることは、振動減衰の非活動化ないしは完全な停止に相当する。

１つの実施形態によれば、振動減衰は捕捉装置および／またはフィードバック装置の非活動化によって非活動化させることができる。このような非活動化は、例えば関係する空気圧システムまたは油圧システムにおいて捕捉された動作パラメータに依存して行うことができ、例えば捕捉増幅を上述のようにゼロへと変化させることによって実現できる。

振動減衰の最適な活動化および非活動化により、特に所定の動作状態においてバルブ操作の動特性を非活動化により改善することができ、および／または、能動的振動減衰の他の起こりうる不所望な効果を防止することができる。同様に、それにより減衰のテストが可能になる。このようなテストの可能性は、例えば、回路装置またはこの回路装置を備えたシステムの製造時であれ、このようなシステムの後の動作時（例えば工場内での診断）であれ、正常に動作しているかを診断するという観点から魅力的である。

目下使用されていないピエゾアクチュエータにおいて測定量を捕捉するために、上述したようにトランスインピーダンスアンプを使用する場合、減衰の停止はトランスインピーダンスアンプの基準電圧を帯域制限ないし傾斜制限して変化させることにより実行することができるので、トランスインピーダンスアンプまたは例えばその下流に接続されているフィルタ（例えばローパスフィルタ）は飽和状態にある。帯域制限により、（共振がさらに励起されることなく）減衰の穏やかなフェイドダウンまたは後調節が保証される。

本発明による能動的振動減衰のための付加的な信号フィードバックは、基本的に、バルブ駆動制御ないし「通常の」アクチュエータ駆動制御（アクチュエータ電圧調節）の有効周波数範囲外の周波数範囲においてのみ作用する。このような電圧調節が直流電圧動作と低周波数範囲のために設計されている場合、付加的なフィードバックは上記周波数範囲より上では帯域通過特性を有していなければならない。フィードバック装置を設計する際には、本来のアクチュエータ駆動制御に使用される残りの回路部分（例えば低域通過特性を有する）の特性を目的に合わせて考慮する、ないしは適切に設計／最適化しなければならない。

１つの実施形態では、フィードバック装置ないし振動減衰信号のフィードバックは「ハードウェア的に」実現されるのではなく、プログラム制御される電子デバイス（例えばマイクロコントローラ）によって実現される。フィードバックされる信号は、この場合、ソフトウェアに基づいたアルゴリズムによって決定される。目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータにおいて捕捉された測定信号は、この場合、アナログデジタル変換器を介して、プログラム制御される装置に読み込まれる。この装置はアルゴリズムに従って振動減衰信号を生成し、例えデジタルアナログ変換器を介してまたはＰＷＭ信号として出力する。その際、むだ時間による不利な効果を最小化するために、サンプリング周波数は十分に高いものとする。上記プログラム制御される装置は、例えば能動的振動減衰の異なる動作モードを提供するために、上で既に述べた振動減衰の大きさの変更を動作に応じて変化させてもよい。

有利な実施形態では、「圧電曲げ変換器」の振動可能システムの機械的な伝達挙動が少なくとも主共振周波数の範囲内で付加的な信号フィードバックにより減衰される。このために、捕捉された電気的測定量またはこれら測定量に基づいて生成された振動減衰信号は、制御技術上、負のフィードバックを目的として、できるだけ小さな位相シフト（開制御ループにおける位相差の絶対値は１８０°よりもはるかに小さい）でフィードバックされる。

付加的なフィードバックの周波数範囲は回路構成要素（例えばドライバ、捕捉装置、フィードバック装置）の最終的な帯域幅によって影響または制限される。したがって特に、周波数の高い副共振を減衰することができない。高周波数の場合、開制御ループの位相シフトないし位相遅延がある大きさを超えてしまう（例えば１８０°以上）。このような周波数範囲内では、制御技術的な意味で安定性と頑健性を保証するために、付加的なフィードバックの増幅はつねに１よりもはるかに小さくなければならない。

能動的振動減衰のこのような基準に関して、周波数選択性により、アクチュエータ電圧調節および振動減衰は並列構造においても直列構造においても実現できることに注意すべきである。

有利な実施形態では、フィードバック装置の信号フィードバックパス内に帯域通過特性または低域通過特性を有するフィルタが設けられる。そのため、有利には、上で説明した能動的振動減衰の要件ないし基準の間の境界を定めることができる。

有利な実施形態では、低域通過特性のカットオフ周波数（ないしは帯域通過特性の上限周波数）は曲げ変換器の主共振周波数よりも高い、および／または曲げ変換器の第１副共振周波数よりも低い。

現行のローパスフィルタ（例えばベッセル、バターワース、チェビシェフ、カウア）はたしかに高周波数ないし副共振の領域では小さな振幅増幅という要件を満たしているものの、主共振周の領域において既に目立った位相遅延をもたらす。このことが安定性余裕ないし達成可能な減衰を格段に小さくする、またはこれを実際上不可能にする。

したがって、１つの実施形態においては、フィルタは好ましくは主共振周波数と第１副共振周波数との間に（少なくとも）１つの共振周波数を有する振動可能なローパスフィルタである。これにより、有利なことに、上で説明した要件は、特に、Ｑ値の高い（例えば少なくとも２、特に少なくとも５）振動可能なローパスフィルタを使用した場合、比較的容易に満たされる。

ローパスフィルタの共振周波数が曲げ変換器の主共振（例えば最も低い主共振）と最も下の副共振との間にある場合には、主共振の領域に過度に大きな位相シフトを生じさせずに、副共振の領域での振幅増幅を明らかに低下させることができる。

有利には、実数の極を有さない、したがって早期に位相がカットオフ周波数よりも下に低下することのない偶数次ローパスフィルタを使用するとよい。

有利な実施形態では、ローパスの共振周波数は、曲げ変換器の減衰が比較的大きい（帯域阻止特性）周波数範囲内にある。それゆえ、ローパスフィルタの振幅増大は減衰または制御技術上の安定性にとって無害である。

有利には、ドライバまたは高電圧増幅器または付加的なフィードバックに参与する他の構成要素も、ローパスフィルタと類似の特性を有するように形成されていてよい、またはそのように設計／最適化されていてよい。これにより、上記ローパスフィルタの作用をさらに支援することができる。

１つの実施形態では、ドライバ入力端への振動減衰信号のフィードバックは、カップリングコンデンサを介してまたは直流信号成分の抑制（例えば帯域通過特性）とともに行われる。振動減衰信号のこのような入力カップリングは特に、減衰のためのフィードバックの開回路電圧レベルが適切に中立な電圧（例えば０Ｖ）にない場合に有利である。

減衰信号の入力カップリングの際、有利には、主共振の領域における位相差を最適化するために適切な位相補正（例えばいわゆるＰＤＴ１特性）を行ってもよい。

本発明の回路装置および／または本発明の操作方法の好ましい使い方は、自動車シートの輪郭の変更に使用される流体弁（例えば空気弁）の操作である。

この使用の有利な実施形態では、シートの輪郭を変化させるために、少なくとも２つの動作モード、すなわち、密閉された輪郭変更ボリュームの充填度合い（例えば液圧ないし空気圧）の調節を該当車両の走行状態に依存して自動的に行う第１モード（「走行動特性モード」）と、充填度合いの調節をユーザ入力（このために設けられた電気スイッチ等の操作エレメントによる、または車載コンピュータによる）に依存して行う第２モード（「ユーザ調節モード」）が設けられている。

また、例えば、長期にわたる充填度合いの再調節のための第３動作モードが設けられていてもよい。

有利には、能動的振動減衰の度合いは（例えば捕捉装置および／またはフィードバック装置によって）目下の動作モードに依存して変化させられる。

例えば、走行動特性モードでは、振動減衰の度合いがユーザ操作モードの場合よりも小さく設定されるようにすることができる。

ピエゾバルブを操作する回路装置の第１実施例の概略的なブロック回路図を示す。 ピエゾバルブを操作する回路装置の第２実施例の概略的なブロック回路図を示す。 図２の回路装置の特別な実施形態の概略的な機能ブロック回路図を示す。 図２および３の回路装置における多様な伝達関数（振幅Ａおよび位相Ｐに関する）のグラフを示す。 ３／３方向バルブとして形成されたピエゾバルブの適用例の説明する図を示す。

以下では、添付した図面を参照しつつ、実施例に基づいて本発明をさらに説明する。

図１には、ピエゾバルブを操作する回路装置１０が示されている。ピエゾバルブは、圧電曲げ変換器１２によって形成された少なくとも１つのアクチュエータを備えており、圧電曲げ変換器１２は、共に同曲げ変換器１２の長手方向に沿って延在する２つのピエゾアクチュエータ１４、１６を有している。

図示された実施例では、曲げ変換器１２は、選択的に２つのピエゾアクチュエータ１４、１６の一方に印加されるアクチュエータ駆動制御信号「ｏｕｔ」（アクチュエータ電圧）によって２つの作用方向（長手方向を横切る）に駆動制御されるバイモルフまたはトライモルフ曲げ変換器１２である。

それ自体公知のように、例えば、曲げ変換器１２の自由端はピエゾバルブを通る流量を制御する弁体として形成されていてもよいし、このような弁体を備えているものであってもよい。曲げ変換器１２が駆動制御されていない状態（両方のアクチュエータ電圧が０Ｖ）における弁体がバルブの流体通路の開口から近い距離にある場合、２つのピエゾアクチュエータ１４、１６の一方を選択的に駆動制御することにより、例えばバルブの（完全な）開弁または閉弁を生じさせることができる。しかし、曲げ変換器が駆動制御されていないときには弁体が既にこのような開口を閉じ、２つのピエゾアクチュエータ１４、１６の一方を選択的に駆動制御することにより、バルブを開くまたは（閉弁方向に）弁体を開口に押し当てる力が増強されるようにすることも、同様に考えられる。

重要なことは、ピエゾバルブを操作する回路装置１０の動作中に、２つのピエゾアクチュエータ１４、１６の一方だけが駆動制御され（アクチュエータ電圧が印加され）、他方のピエゾアクチュエータはこの瞬間には駆動制御されないままとなる状態が動作上設けられているということである。

駆動制御信号「ｏｕｔ」を生成するために、図示の実施例では、操作制御信号「ｉｎ」を入力するためのドライバ入力端２２とアクチュエータ駆動制御信号「ｏｕｔ」を生成ないし出力するためのドライバ出力端２４とを有するドライバ２０が設けられている。ドライバ２０には、図１においてＳ１で表されている切換装置が割り当てられている。駆動制御信号ｏｕｔはこの切換装置によって選択的にピエゾアクチュエータ１４またはピエゾアクチュエータ１６に供給される。この切換は切換信号「ｓｗ」によって行われる。なお、切換信号「ｓｗ」もドライバ２０において操作制御信号に基づいて生成され、出力される。

ドライバ２０は電位Ｖｓと電位ＧＮＤ（アース）の間の供給電圧によって給電され、これら供給電位ＧＮＤ、Ｖｓの間に設定されたアクチュエータ駆動制御電位をアクチュエータ駆動制御信号ｏｕｔとして該当するピエゾアクチュエータ１４または１６の駆動制御電極に供給する。ピエゾアクチュエータ１４、１６の第２の駆動制御電極は両方のピエゾアクチュエータが共有するものとして設けられており、アースＧＮＤに接続されている。

回路装置１０の独自性は、さらに捕捉装置３０とフィードバック装置３２とを含んでいる点にある。

ピエゾアクチュエータ１６が駆動制御されていない動作状態では、このピエゾアクチュエータ１６において、曲げ変換器１２の振動状態を何らかの形で表す電気的測定量が捕捉装置３０によって捕捉される。このために、捕捉装置は少なくとも１つの線路３４を介して振動状態の「センサ」として使用されるピエゾアクチュエータ１６と接続されている。

電気的測定量は、最も単純なケースでは、例えば曲げ変換器１２の曲げ状態に依存してピエゾアクチュエータ１６における圧電効果によって発生するピエゾ電圧としてよく、線路３４を介して捕捉装置３０へ伝送され、そこで例えば増幅される。

別の実施形態では、捕捉装置３０自体が電気的測定量（例えば、一定または可変の電圧または電流）を発生させ、それに反応してピエゾアクチュエータ１６において捕捉可能となる電気的測定量を測定し、さらに必要に応じて増幅する。

捕捉装置３０は少なくとも１つの線路３６（または線路装置）を介してフィードバック装置３２と接続されている。フィードバック装置３２は捕捉された測定量に基づいて振動減衰信号「ｆｂ」を生成し、この振動減衰信号ｆｂをドライバ２０のドライバ入力端２２へとフィードバックする。フィードバック装置３２の領域では、さらなる増幅および／または別の信号処理もしくは信号変換（例えばフィルタリング、特に位相シフト）を行ってよい。

フィードバックされた振動減衰信号ｆｂは、この瞬間にドライバ２０によって行われているアクティブなピエゾアクチュエータ１４への駆動制御信号ｏｕｔの生成を限縮するという意味で、それどころか、曲げ変換器１２の不所望な振動を実質的に完全に抑制さえするという意味で、駆動制御信号ｏｕｔの生成に影響を与える。

もちろん、構成要素３４、３０、３６および３２によって形成されるフィードバックパスにおいては、振動減衰に適した信号処理（例えば受動的および／または能動的なアナログおよび／またはデジタルフィルタ）が行われなければならないことは言うまでもない。

回路装置１０の動作中、ピエゾアクチュエータ１４、１６は交互に駆動制御される、すなわち、ピエゾアクチュエータ１６の駆動制御は、他方のピエゾアクチュエータ１４が再び非活動化（アクチュエータ駆動制御電圧を０Ｖに設定）されなければ行われず、逆も然りである。図示の実施例では、捕捉装置３０とフィードバック装置３２とによって実現される能動的振動減衰は、ピエゾアクチュエータ１４の駆動制御中にしか作用しない。ピエゾアクチュエータ１６が駆動制御されており、相応してピエゾアクチュエータ１４が駆動制御されていない場合には、振動減衰は行われない。これは特に、例えば、ピエゾアクチュエータ１６の駆動制御中には曲げ変換器１２に力が生じるだけで、歪みは生じず、逆にピエゾアクチュエータ１４の駆動制御中には歪みが生じる（その際、不所望な振動が生じる可能性がある）という場合に有利である。

もちろん、これを基点として、例えばさらに別の１つの捕捉装置と別の１つのフィードバック装置とによってピエゾアクチュエータ１４からドライバ入力端２２まで延びる第２のフィードバックパスを形成することにより、ピエゾアクチュエータ１６の駆動制御のための能動的振動減衰も行うようにしてよい。変形された実施形態では、このために、図示されている構成要素３０、３２も使用される。その際、電気的測定量の捕捉に関して、センサとして使用されるピエゾアクチュエータ１４、１６が動作状態に依存して切り換えられる。

図１には、別の１つの圧電曲げ変換器の駆動制御のための可能な拡張が破線で示されている。この別の圧電曲げ変換器もドライバ２０によって操作できるものとしてよく、駆動制御されていない状態のピエゾアクチュエータを振動センサとして使用するために、一方のピエゾアクチュエータがドライバ２０によって捕捉装置３０に接続されるようにしてよい。

以下で別の実施例を説明する際、同機能の構成要素には同じ参照符号が用いられる。なお、これら各参照符号には実施形態を区別するために小文字が添えられている。基本的に、既に説明した実施例との相違点だけを論じ、その他の点については明示的にこれまでの実施例の説明を参照する。

図２には、少なくとも１つの圧電曲げ変換器１２ａを有するピエゾバルブを操作する回路装置１０ａの別の実施例がいくらか詳細なブロック回路図で示されている。

回路装置１０ａは、曲げ変換器１２ａの２つのピエゾアクチュエータ１４、１６の１つにそれぞれ割り当てられた２つのドライバ２０ａ、２０ａ’を含んでいる。

ドライバ２０ａは、必要に応じてピエゾアクチュエータ１４ａに出力すべきアクチュエータ駆動制御信号ｏｕｔを、第１の操作制御信号ｉｎに依存して生成する。第１の操作制御信号ｉｎは、抵抗Ｒ１、Ｒ２とコンデンサＣ１とから成る平滑化フィルタを介してドライバ２０ａの入力側２２ａに入力される。ドライバ２０ａは、必要に応じてピエゾアクチュエータ１６ａに出力すべきアクチュエータ駆動制御信号ｏｕｔ’を、第２の操作制御信号ｉｎ’に依存して生成する。第２の操作制御信号ｉｎ’は、抵抗Ｒ１’、Ｒ２’とコンデンサＣ１’とから成る平滑化フィルタを介してドライバ２０ａ’の入力側２２ａ’に入力される。

図１の実施例の場合と同じく回路装置１０ａにおいても、能動的振動減衰はピエゾアクチュエータ１４ａの駆動制御の動作フェーズにおいてしか行われない。その瞬間に駆動制御されていない他方のピエゾアクチュエータ１６ａは、発生している振動を測定するセンサとして利用される。

ドライバ２０ａ’の出力側２４ａ’からピエゾアクチュエータ１６ａまで延びる駆動制御線路において、回路ノードＫ１に線路３４ａ’への分岐が設けられている。測定電流Ｉｄは線路３４ａ’を介して回路ノードＫ１へと導かれる。測定電流Ｉｄは図中の電流源４０ａによって生成され、ドライバ２０ａ’の内部抵抗を介してアースＧＮＤへと流れ去る（電流源４０ａは例えば安定化された電圧（低電圧）によって給電される抵抗として実現されていてよい）。

測定電流ＩｄはダイオードＤ１を介して回路ノードＫ１へと導かれ、曲げ変換器１２ａの振動に依存して変化する。線路３４ａ’とトランスインピーダンスアンプ４２ａとの接続を介して、測定電流Ｉｄまたはその変化が測定および増幅される。

捕捉された測定量に基づいてトランスインピーダンスアンプ４２ａの出力側に生成された電圧信号はローパスフィルタ４６ａに入力され、振動減衰信号ｆｂとして抵抗Ｒ３とカップリングコンデンサＣ２とを介してドライバ入力端２２ａ（回路ノードＫ２）に入力カップリングされる。

ダイオードＤ１を介して目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータ１６と接続されている電流源４０ａとトランスインピーダンスアンプ４２ａは共に、電気的測定量を捕捉および増幅する捕捉装置３０ａの構成要素３０ａ−１ないし３０ａ−２を形成している。

トランスインピーダンスアンプ４２ａとして、例えば、ダイオードＤ１における電圧を基準電圧へと調節し、そのために必要な電流を測定する、（図示されていない）外部に接続されている反転オペアンプが使用される。基準電圧は例えばマイクロコントローラのポートと下流に接続されたローパスフィルタとによって発生させることができる。

フィードバック装置３２ａはローパスフィルタ４６ａと構成要素Ｒ３、Ｃ２とによって形成される。ローパスフィルタ４６ａは有利には能動フィルタとして、さらに有利にはいわゆる「サレンキーフィルタ」として実現されている。

以上に説明した捕捉方法においては、ピエゾアクチュエータ１６ａの利用態（アクチュエータとセンサ）間の切換はいわば自動的に行われる。

ソフトウェアに基づいた解決手段とは対照的に、図２による「ハードウェア的」な解決手段は時間離散サンプリングを必要としない。その結果、サンプリング周波数が限られている場合にはつねに多少なりとも生じるフィードバック時の余計な位相遅延が回避される。

線路３４ａからピエゾ駆動制御線路内の回路ノード（Ｋ１）に通じるダイオードＤ１の代わりに、このような電流源４０ａから回路装置のさらに別の（図示されていない）駆動制御線路内に（別の曲げ変換器を駆動制御するために）設けられている様々な回路ノードまで通じる（並列に配置された）複数のこのようなダイオードを設けてもよい。これにより、（関係する曲げ変換器が同時に動作させられない限り、）フィードバックのための回路を振動減衰の目的で多重に使用することができる。出力側では、フィードバックは関係するすべての入力側（いつもそのうちの多くても１つしかアクティブでない）にフィードバックされる。図２の下部には、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を有する構成要素３０ａ−１の相応する変更例が破線で記入されている。

図２に示されている回路装置を少しだけ変更すれば、この回路装置は曲げ変換器の１つの対を相補的に駆動制御するためにも使用できる。例えば、かなり前に述べた、曲げ変換器にそれぞれ割り当てられた２つの弁通路を有する３／３方向バルブの操作にも使用できる。このために、図２に示されている第１の曲げ変換器に対して並列接続で第２の曲げ変換器を付加し、一方の駆動制御電圧「ｏｕｔ」が出力された場合には、両方の曲げ変換器のそれぞれ一方のピエゾアクチュエータを駆動制御し、他方の駆動制御信号「ｏｕｔ’」が出力された場合には、両方の曲げ変換器のそれぞれ他方のピエゾアクチュエータを駆動制御するようにしてよい。図２に示されている振動減衰を目的とするセンサ信号捕捉とフィードバックは、ほんのわずか変更するだけで、第２の曲げ変換器に対しても使用することができる。別のセンサ信号を捕捉するために、例えば、電流源４０を多重利用するための前記ダイオードの並列配置と、捕捉およびフィードバックのための残りの構成要素とに頼ってもよい。さらに、構成要素３２ａと第２のドライバ入力端２２ａ’との間には、例えば別の１つの入力カップリングコンデンサ（図示されたコンデンサＣ２に相当）によって、相応する別の入力カップリング接続を形成しなければならない。あるいは、回路の一部を、特に入力カップリング接続を、図１の拡張に応じて共通利用してもよい。

図３には、再度、回路装置１０ａの可能な実施形態が機能ブロック回路図で示されている。

この図にはまた、プログラム制御される電子制御装置がマイクロコントローラ５０ａとして記載されている。操作制御信号ｉｎはこのマイクロコントローラ５０ａによって（例えばＰＷＭ信号として）生成され、平滑化フィルタ５２ａ（図２の構成要素Ｒ１、Ｃ１、Ｒ２に相応する）に供給される。平滑化された入力信号は加算エレメント５４ａを介してＰＩ制御器５６ａに供給される。ＰＩ制御器５６ａの出力信号は出力段５８ａに供給され、出力段５８ａはこの駆動制御に依存してアクチュエータ駆動制御信号ｏｕｔまたはｏｕｔ’を生成し、曲げ変換器１２ａに出力する。

同様にマイクロコントローラ５０ａによって生成された切換信号ｓｗによって、ピエゾアクチュエータ１４ａまたは１６ａへの信号ｏｕｔまたはｏｕｔ’の必要に応じた出力が制御される。

図示の実施例では、電圧信号として出力されるアクチュエータ駆動制御信号ｏｕｔ、ｏｕｔ’の制御は、実際アクチュエータ電圧（「実際信号」）を測定し、操作制御信号（「目標値」）と比較する目的で加算エレメント５４ａへフィードバックする測定エレメント６０ａによって行われる。

ピエゾアクチュエータ１４ａの駆動制御中の不所望な振動を減衰する能動的フィードバックは、図では構成要素３０ａおよび３２ａ（捕捉装置およびフィードバック装置）によって表されている。

能動的振動減衰の度合いを制御可能に変化させることができるように、マイクロコントローラ５０ａはさらに相応する活動化／非活動化信号ctrlを生成する。フィードバック装置３２ａ（トランスインピーダンスアンプ）で行われる増幅はこの活動化／非活動化信号ctrlによって（能動的振動減衰が完全に無効になるまで）変化させることができる。増幅を適応的に変化させるために、例えば信号「ｆｂ」の入力をマイクロコントローラ５０ａ内のアナログデジタル変換器を介して行うようにしてもよい（図３には図示されていない）。

ピエゾバルブを流体ボリューム中の流体圧力の調節に使用することに関連して、図３には、実際の流体圧力を表す測定信号をマイクロコントローラ５０ａに出力する圧力測定装置６２ａが記載されている。

図４には、回路装置１０ａの様々な信号パスの（シミュレートされた）周波数と位相応答のグラフが単に１つの例として示されている。このグラフにおいて、曲線「ａ」はドライバの出力側からトランスインピーダンスアンプの出力側への伝達関数を表している。副共振の振幅は主共振とほぼ同じレベルまたはそれを超えるレベルである。

能動的振動減衰のためのフィードバックは増幅器（曲線「ｂ」）はそれぞれＱ値の高い低域通過特性を有している。それにより、主共振の領域における位相は広い範囲で一定にとどまる。

ローパスフィルタの振幅増大（曲線「ｃ」）はピエゾアクチュエータの減衰が強い領域に当たるため、開制御ループの伝達関数（曲線「ｄ」）において、その領域では０ｄＢ以上の範囲での振幅増大にはつながらない。

開制御ループの伝達関数（曲線「ｄ」）は、周波数範囲全体において振幅Ａが０ｄＢよりも小さいか、位相Ｐの大きさが１８０°よりもはるかに小さいかのいずれかであるから、制御技術的な意味において減衰が安定していることを示している。十分な位相余裕ないし振幅余裕が存在し、パラメータ変動の場合でも減衰を十分にロバストにしている。

図５には、上述のように曲げ変換器１２ｂ（または複数のこのような曲げ変換器の配列）を、流体ボリューム７２ｂを充填および排出する（例えば比例）切換弁の、ここでは比例３／３方向バルブ７０ｂのアクチュエータとして使用することが示されている。流体ボリューム７２ｂは例えば車両シート内の密閉された空気ボリュームである。

充填と排出は例えば上記のような回路装置および／または操作方法によって制御することができる。その際、車両に装備されている制御装置（マイクロコントローラ）が適切なアルゴリズムに従って能動的振動減衰の種々の動作モードの切換も行うようにしてよい。

１０ 回路装置
１２ 曲げ変換器
１４ ピエゾアクチュエータ
１６ ピエゾアクチュエータ
ｉｎ 操作制御信号
ｏｕｔ アクチュエータ駆動制御信号
２０ ドライバ
２２ ドライバ入力端
２４ ドライバ出力端
３０ 捕捉装置
３２ フィードバック装置
３４ 線路装置
３６ 線路装置
４０ 電流源
４２ トランスインピーダンスアンプ
４４ 基準電圧源
４６ ローパスフィルタ
５０ マイクロコントローラ
５２ 平滑化フィルタ
５４ 加算エレメント
５６ ＰＩ制御器
５８ 出力段
６０ 測定エレメント
６２ 圧力測定装置
７０ 切換弁
７２ 流体ボリューム

Claims (11)

1. 少なくとも１つのアクチュエータを有するピエゾバルブを操作する回路装置であって、前記アクチュエータは圧電曲げ変換器（１２）により形成されており、前記圧電曲げ変換器は前記圧電曲げ変換器の長手方向に沿ってそれぞれ延在する２つのピエゾアクチュエータ（１４、１６）を有する、回路装置において
   該回路装置は、
   操作制御信号（ｉｎ）を入力するためのドライバ入力端（２２）と前記２つのピエゾアクチュエータ（１４、１６）の一方に選択的に出力すべきアクチュエータ駆動制御信号（ｏｕｔ）を生成するためのドライバ出力端（２４）とを有する少なくとも１つのドライバ（２０）と、
   目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータにおける電気的測定量（Ｉｄ）を捕捉するための捕捉装置（３０）と、
   捕捉された測定量（Ｉｄ）に基づいて振動減衰信号（ｆｂ）を生成し、該振動減衰信号（ｆｂ）を目下アクチュエータ駆動制御信号（ｏｕｔ）を供給するために使用されている前記ドライバ（２０）のドライバ入力端（２２）にフィードバックするためのフィードバック装置（３２）とを含むことを特徴とする
   ピエゾバルブを操作する回路装置。
2. 前記捕捉装置（３０）は、目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータ（１６）に接続されている線路（３４）内に電流（Ｉｄ）を発生させるための電流源（４０）と、前記電流（Ｉｄ）を測定するための電流測定装置（４２）とを有している、請求項１記載の回路装置。
3. 前記線路（３４）は電流の方向に依存する素子（Ｄ１）を介して前記ピエゾアクチュエータ（１６）に接続されている、請求項２記載の回路装置。
4. 前記電流測定装置はトランスインピーダンスアンプ（４２）を含んでいる、請求項２または３記載の回路装置。
5. 前記電流測定装置（４２）の増幅は可変である、請求項２から４のいずれか１項記載の回路装置。
6. 前記フィードバック装置（３２）の信号フィードバックパス内に低域通過特性を有するフィルタ（４６）が設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載の回路装置。
7. 前記低域通過特性のカットオフ周波数は前記曲げ変換器（１２）の主共振周波数よりも高い、請求項６記載の回路装置。
8. 前記低域通過特性のカットオフ周波数は前記曲げ変換器（１２）の第１副共振周波数よりも低い、請求項６または７記載の回路装置。
9. 前記フィルタ（４６）は主共振周波数と第１副共振周波数との間の共振周波数を有する振動可能なローパスフィルタである、請求項６から８のいずれか１項記載の回路装置。
10. 前記振動減衰は前記捕捉装置（３０）および／または前記フィードバック装置（３２）の非活動化により無効化することができる、請求項１から９のいずれか１項記載の回路装置。
11. 少なくとも１つのアクチュエータを有するピエゾバルブを操作する方法であって、前記アクチュエータは圧電曲げ変換器（１２）により形成されており、前記圧電曲げ変換器は前記圧電曲げ変換器の長手方向に沿ってそれぞれ延在する２つのピエゾアクチュエータ（１４、１６）を有している、ピエゾバルブを操作する方法において、
    前記２つのピエゾアクチュエータ（１４、１６）の一方に選択的に出力すべきアクチュエータ駆動制御信号（ｏｕｔ）を少なくとも１つの操作制御信号（ｉｎ）に依存して生成するステップと、
    前記ピエゾアクチュエータ（１４、１６）のうち目下駆動制御されていないピエゾアクチュエータ（１６）における電気的測定量（Ｉｄ）を捕捉するステップと、
    捕捉した測定量（Ｉｄ）に基づいて振動減衰信号（ｆｂ）を生成し、該振動減衰信号（ｆｂ）を考慮して、目下駆動制御されているピエゾアクチュエータ（１４）に対するアクチュエータ駆動制御信号（ｏｕｔ）を生成するステップとを有することを特徴とする
    ピエゾアクチュエータを操作する方法。

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