DE19714610A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo­ elektrischen Elements.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele­ menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek­ trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo­ elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor­ teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu­ fige Bewegungen auszuführen hat.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend teilweise bereits angedeutet wurde, ent­ sprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.

Zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements sind zwei grundlegende Prinzipien bekannt, nämlich das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand oder das Laden und Entladen über eine Spule, wobei sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Spule unter anderem dazu dienen, den beim Laden auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen.

Die erste Variante, d. h. das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand ist in Fig. 5 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet ist, ist mit einem Ladetransistor 102 und einem Entlade­ transistor 103 verbunden.

Der Ladetransistor 102 wird durch einen Ladeverstärker 104 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit einer positiven Versorgungs­ spannung; der Entladetransistor 103 wird durch einen Entlade­ verstärker 105 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit Masse.

Im durchgeschalteten Zustand des Ladetransistors 102 fließt über diesen ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird. Mit zunehmender Ladung des piezo­ elektrischen Elements 101 steigt die sich an diesem einstel­ lende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch des­ sen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ladetransistors 102, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und da­ mit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektri­ schen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten werden.

Im durchgeschalteten Zustand des Entladetransistors 103 fließt über diesen ein Entladestrom, durch welchen das piezo­ elektrische Element 101 entladen wird. Mit zunehmender Ent­ ladung des piezoelektrischen Elements 101 sinkt die sich an diesem einstellende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch dessen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ent­ ladetransistors 103, also ein Unterbrechen oder Beenden des Entladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Ele­ ment 101 noch gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 bei­ behalten werden.

Der Ladetransistor 102 und der Entladetransistor 103 wirken für den Ladestrom bzw. für den Entladestrom wie steuerbare ohmsche Widerstände. Die dadurch gegebene Steuerbarkeit des Ladestroms und des Entladestroms ermöglicht es, den Lade­ vorgang und den Entladevorgang genau wunschgemäß ablaufen zu lassen. Der durch den Ladetransistor 102 fließende Ladestrom und der durch den Entladetransistor 103 fließende Entlade­ strom erzeugen dort jedoch nicht unerhebliche Verlustleistun­ gen. Die in den Transistoren verbrauchte Verlustenergie ist pro Lade-Entladezyklus mindestens doppelt so hoch wie die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Energie. Diese hohe Verlustenergie bewirkt eine sehr starke Aufheizung des Ladetransistors 102 und des Entladetransistors 103, was er­ kennbar ein Nachteil ist.

Das betrachtete Lade- und Entladeverfahren ist daher insbe­ sondere dann, wenn häufige und/oder umfangreiche Lade- und Entladevorgänge durchzuführen sind, entweder gänzlich un­ brauchbar oder allenfalls eingeschränkt brauchbar.

Nicht zuletzt deshalb kommt häufig die vorstehend bereits er­ wähnte zweite Variante zum Laden und Entladen des piezoelek­ trischen Elements, d. h. das Laden und Entladen über eine Spule zum Einsatz; eine praktische Realisierung dieser zwei­ ten Variante ist in Fig. 6 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet ist, ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 202 schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entlade­ schalter 206 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 202, einer Diode 203, einer Ladespule 204, des piezoelektri­ schen Elements 201, und einer Spannungsquelle 205 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 206, einer Diode 207, einer Entladespule 208 und des piezoelektrischen Elements 201 besteht.

Die Diode 203 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade­ stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann. Die Diode 203 und der Ladeschalter 202 sind ge­ meinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.

Die Diode 207 des Entladestromkreises verhindert, daß im Ent­ ladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender Strom fließen kann. Die Diode 207 und der Entladeschalter 206 sind wie die Diode 203 und der Ladeschalter 202 gemeinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.

Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 202 geschlos­ sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 geladen wird; die im piezo­ elektrischen Element 201 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die ak­ tuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 201 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverän­ dert beibehalten.

Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 206 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade­ strom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 ent­ laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 201 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezo­ elektrischen Elements 201 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.

Da bei Schaltungen gemäß der Fig. 6 sowohl der Ladestrom­ kreis als auch der Entladestromkreis frei von nennenswerten ohmschen Widerständen sind, ist die durch das Laden und Ent­ laden des piezoelektrischen Elements (die durch das Fließen des Ladestroms und des Entladestroms durch ohmsche Wider­ stände) erzeugte Wärmeenergie äußerst gering.

Andererseits wird aber für die praktische Realisierung der­ artiger Schaltungen insbesondere wegen der nicht unerheb­ lichen Größe der Ladespule 204 und der Entladespule 208 rela­ tiv viel Platz benötigt, wodurch das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen über Spulen in bestimmten Fällen nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres möglich ist.

Schaltungen der in der Fig. 6 gezeigten Art und Verfahren zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente unter Ver­ wendung derartiger Schaltungen sind aus den eingangs bereits erwähnten Druckschriften EP 0 371 469 B1 und EP 0 379 182 B1 bekannt.

Die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 dem grundlegen­ den Prinzip nach beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente sind Ver­ fahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Vor­ richtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie vor allem dann, wenn die zu ladenden und entladenden piezoelektrischen Elemente schnell ladbar und entladbar sein sollen, für zumindest kurzzeitig sehr hohe Lade- und Entlade­ ströme ausgelegt sein müssen. Eine Folge hiervon ist, daß die Versorgungsspannungsquellen entsprechend groß dimensioniert sein müssen. Dies kann insbesondere dann, wenn eine Vielzahl der bekannten Vorrichtungen vorzusehen ist, um eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen laden oder entladen zu kön­ nen, eine nicht unerhebliche Größe der Anordnung zur Folge haben. Aufgrund dessen kann sich der Einsatz von piezo­ elektrischen Elementen als Aktoren bzw. Stellglieder unter beengten Verhältnissen als schwierig oder gänzlich unmöglich erweisen. Dies ist erkennbar ein Nachteil, den es zu beseiti­ gen gilt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 11 derart weiterzubilden, daß dadurch auch unter beengten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 11 (Vorrichtung) beanspruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen,

• - daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumin­ dest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek­ trischen Element(en) erfolgt (kennzeichnender Teil des Pa­ tentanspruchs 1) bzw.
• - daß Mittel vorgesehen sind, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek­ trischen Element(en) erfolgen kann (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 11).

Die piezoelektrischen Elemente werden demnach nicht nur als Aktoren oder Stellglieder, sondern auch als Ladungsspeicher verwendet.

Die Ausnutzung der Ladungsspeicher-Funktion der piezoelektri­ schen Elemente ermöglicht es, das Laden eines zu ladenden piezoelektrischen Elements nicht mehr oder jedenfalls nicht mehr vollständig unmittelbar über die Versorgungsspannungs­ quelle, sondern zumindest teilweise unter Heranholen von in nicht zu ladenden piezoelektrischen Elementen gespeicherten Ladungen durchzuführen, wobei die von den nicht zu ladenden piezoelektrischen Elementen herangeholten Ladungen beim Ent­ laden des zu ladenden piezoelektrischen Elements wieder dort­ hin zurückgespeichert werden können.

Die Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Ladungs­ speicher bewirkt keine Schwankungen in deren Abmessungen, wenn die piezoelektrischen Elemente mechanisch vorgespannt sind; auf eine mechanische Vorspannung kann ganz oder teil­ weise verzichtet werden, wenn die bei der Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Ladungsspeicher auftretenden Abmessungsveränderungen nicht ausreichen, um die piezoelek­ trischen Elemente als Aktoren bzw. Stellglieder wirken zu lassen.

Im Idealfall, also wenn bei den Umladevorgängen keine Energie verloren ginge und wenn die piezoelektrischen Elemente in einer Anzahl vorhanden wären, die ausreicht, um im "nur" vor­ geladenen Zustand so viele Ladungen zu speichern, daß diese, wenn sie in ein zu ladendes piezoelektrisches Element umgela­ den werden, ausreichen, um dieses vollständig oder jedenfalls wunschgemäß weit zu laden, würde die Versorgungsspannungs­ quelle nur benötigt, um die piezoelektrischen Elemente bei der Inbetriebnahme der Anordnung vorzuladen; das spätere (sequentielle oder gleichzeitige) Laden und Entladen beliebi­ ger einzelner oder mehrerer der vorhandenen piezoelektrischen Elemente könnte dann ausschließlich durch ein entsprechendes Umladen bzw. Verschieben der vorhandenen Ladungen erfolgen. Das anfängliche Vorladen der piezoelektrischen Elemente durch die Versorgungsspannungsquelle kann dabei, da die piezoelek­ trischen Elemente zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken müssen, relativ langsam vonstatten gehen, wodurch die Versorgungsspannungsquelle nicht einmal für kurzzeitig hohe Leistungen ausgelegt sein muß und dem­ entsprechend klein ausgebildet werden kann.

Dies gilt auch für den Fall, daß die vorstehend erwähnten idealen Verhältnisse nicht vorliegen, die Versorgungs­ spannungsquelle also während des Betriebs der Anordnung für ein mehr oder weniger umfangreiches Nachladen der piezoelek­ trischen Elemente sorgen muß; selbst dann muß die Versor­ gungsspannungsquelle bei weitem nicht für die Leistungen ausgelegt werden, die erbracht werden müßten, wenn das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente ohne Ladungsver­ schiebung zwischen den vorhandenen piezoelektrischen Elemen­ ten erfolgen würde.

Die Versorgungsspannungsquelle kann dadurch größenmäßig auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus kann auch ein der Versorgungsspannungsquelle nachgeschalteter Pufferkonden­ sator verkleinert oder weggelassen werden.

Es wurden also ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden, durch die es auf einfache Weise möglich ist, auch unter be­ engten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen durchzuführen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs­ gemäßen Schaltung,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs­ gemäßen Schaltung,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 3 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen,

Fig. 5 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als ohmsche Widerstände wirkende Elemente, und

Fig. 6 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als Spulen wirkende Elemente.

Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektri­ schen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.

Es wird davon ausgegangen, daß sich das jeweils zu ladende bzw. entladende piezoelektrische Element im Ansprechen auf das Laden ausdehnt und im Ansprechen auf das Entladen zu­ sammenzieht. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.

Wenn zuvor oder später von einem "zu ladenden" piezoelektri­ schen Element die Rede ist, so ist darunter in der Regel zu verstehen, daß das betreffende piezoelektrische Element so stark aufzuladen ist, daß es infolge der dadurch bewirkten Ausdehnung desselben als Aktor bzw. Stellglied wirken kann. Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben werden wird, auch in diesem Sinne nicht "zu ladende" piezo­ elektrische Elemente geladen werden, doch muß eine dadurch gegebenenfalls bewirkte Ausdehnung derselben so gering blei­ ben, daß die betreffenden piezoelektrischen Elemente noch nicht als Aktor oder Stellglied wirken können.

Umgekehrt ist unter einem Entladen von "zu entladenden" piezoelektrischen Elementen in der Regel zu verstehen, daß piezoelektrische Elemente, die so stark geladen sind, daß sie als Aktor oder Stellglied wirken können, aus ihrem aktiven Zustand in einen inaktiven Zustand versetzt werden, in wel­ chem sie nicht mehr als Aktor oder Stellglied wirken können. Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben werden wird, auch inaktive piezoelektrische Elemente entladen werden, doch bewirkt dies nicht den erwähnten Übergang vom aktiven in den inaktiven Zustand.

Die piezoelektrischen Elementen, die durch die nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren geladen und ent­ laden werden sollen, sind mehr oder weniger stark mechanisch vorgespannt. Dadurch dehnen sie sich nicht schon während eines noch genauer beschriebenen Vor- und/oder Nachladens aus; bevor sie sich ausdehnen und als Aktor bzw. Stellglied wirken können, müssen sie (naturgemäß ohne Änderung ihrer Abmessungen) die Vorspannkraft überwinden.

Zusätzlich oder alternativ hierzu können die piezoelektri­ schen Elemente so angeordnet sein, daß eine während des Vor- oder Nachladens auftretende Größenveränderung keine oder jedenfalls keine wesentlichen Auswirkungen auf das die piezoelektrischen Elemente enthaltende System hat, die piezoelektrischen Elemente also noch nicht als Aktor oder Stellglied wirken können.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein erstes Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden und Ent­ laden eines piezoelektrischen Elements beschrieben.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel jeweils zu laden bzw. zu entladen gilt, ist eines aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die nacheinander zu laden und zu entladen sind.

Die piezoelektrischen Elemente, aus denen das zu ladende und entladende piezoelektrische Element jeweils ausgewählt wird, sind in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ bezeich­ net.

Von den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ möge das piezoelektrische Element 11 ₁ zur Ansteuerung einer einem er­ sten Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordneten Ein­ spritzdüse, das piezoelektrische Element 12 ₁ zur Ansteuerung einer einem zweiten Zylinder einer Brennkraftmaschine zu­ geordneten Einspritzdüse, und das piezoelektrische Element 1n₁ zur Ansteuerung einer einem n-ten Zylinder einer Brenn­ kraftmaschine zugeordneten Einspritzdüse dienen. Die piezo­ elektrischen Elemente werden daher in einer vorbestimmten Reihenfolge aufeinanderfolgend geladen und entladen.

Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält in Reihe zu dem jeweiligen piezoelektrischen Element 11 ₁, 12 ₁. . . 1n₁ einen Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ mit parallel geschalteter Diode 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃. Über die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ ist bestimmbar, ob das im jeweiligen Piezozweig 11, 12, 1n enthaltene piezoelektrische Element 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ während eines Ladevorganges geladen werden soll (zugeordneter Auswahlschalter geschlossen) oder nicht (zugeordneter Aus­ wahlschalter geöffnet).

Die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und die parallel dazu angeordneten Dioden 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ können jeweils als elek­ tronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise MOS-FETs realisiert werden.

Neben den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthält die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung eine aus einer Batterie 2 und einem Gleichspannungswandler 3 bestehende Versorgungs­ spannungsquelle, einen Kondensator 4, ein als Induktanz wirkendes Element in Form einer Spule 5, einen Vorlade­ schalter 6a mit parallel geschalteter Diode 6b, einen ersten Hauptlade- und Entladeschalter 7, einen zweiten Hauptlade- und Entladeschalter 8 sowie Dioden 9 und 10.

Der Vorladeschalter 6a und die parallel dazu angeordnete Diode 6b können dabei durch einen elektronischen Schalter mit parasitärer Diode wie beispielsweise einen MOS-FET realisiert werden.

Durch die genannte Versorgungsspannungsquelle (Batterie 2 mit nachgeschaltetem Gleichspannungswandler 3) wird die Spannung der Batterie (beispielsweise die 12 V einer Kraftfahrzeug­ batterie) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleich­ spannung umgesetzt und als Versorgungsspannung bereitge­ stellt.

Der weitere Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 1 läßt sich am einfachsten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim Laden und Entladen eines der piezoelektrischen Elemente be­ schreiben und nachvollziehen.

Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo­ elektrischen Elements 11 ₁ beschrieben.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt­ liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.

Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 ₁ vollzieht sich in zwei Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und einer sich unmittelbar oder beliebig später daran an­ schließenden Hauptladestufe.

Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal­ ters 6a und der Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver­ bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ auf eine erste (niedrige) Spannung aufgeladen.

Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo­ elektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gespeicherte Energie ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente voll­ ständig (wunschgemäß weit) aufzuladen.

Nach diesem Vorladen des Kondensators 4 und der piezoelektri­ schen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ werden der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ wieder geöffnet. Da­ durch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Ele­ mente 11, 12 ₁, . . . 1n₁ voneinander und vom Gleichspannungs­ wandler 3 getrennt.

Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gespeicherten Ladungen bleiben dort im we­ sentlichen unverändert erhalten.

Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele­ ments 11 ₁ (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri­ schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.

Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge­ sagt der erste Teilschritt derselben wird durch ein Schließen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt die Ausbildung eines ersten und eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wobei der er­ ste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des Kondensa­ tors 4, der Diode 6b und der Spule 5 besteht, und wobei der zweite Umladestromkreis aus einer Parallelschaltung der pa­ rallelen Piezozweige 11, 12, . . . 1n und der Spule 5 besteht.

In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon­ densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) zur Spule 5 fließen und dort in Form von magneti­ scher Energie gespeichert werden. Die Spule 5 ist vorzugs­ weise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische Energie des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ in dieser speicherbar ist. Wenn die gesamte elek­ trische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem Konden­ sator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ in die Spule 5 transferiert ist, werden der erste Hauptlade- und Entladeschalter 7 und der zweite Hauptlade- und Entlade­ schalter 8 wieder geöffnet.

Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite Hauptladestufen-Teilschritt.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent­ ladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschal­ ters 8 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu ladenden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel also der dem piezoelektrischen Element 11 ₁ zugeordnete Aus­ wahlschalter 112 geschlossen; dadurch wird ein Schließen eines das piezoelektrische Element 11 ₁, die Diode 9, die Spule 5 und die Diode 10 enthaltenden Ladestromkreises be­ wirkt.

In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des er­ sten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Haupt­ lade- und Entladeschalters 8 ein (Lade-)Stromfluß ein, durch welchen die in der Spule 5 gespeicherte Energie in das zu la­ dende piezoelektrische Element 11 ₁ umgeladen wird.

Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu­ nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw. Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon­ stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann).

Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie vollständig oder wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Element umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 11 ₂ und damit auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der zweite Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte Lade­ vorgang beendet.

In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 ₁ (oder ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent­ lichen vollständig entladen sind.

Die im piezoelektrischen Element 11 ₁ gespeicherten Ladungen, die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen unverändert erhalten.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge­ sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen dieser Schalter bewirkt das erneute Schließen des ersten und des zweiten Umladestromkreises.

In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-) Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen Element 11 ₁ gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) über die Diode 11 ₃ zur Spule 5 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden. Die Spule 5 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektri­ sche Energie des geladenen piezoelektrischen Elements 11 ₁ in dieser speicherbar ist.

Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele­ ment 11 ₁ einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen ab.

Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen Elements 11 ₁ in die Spule 5 transferiert ist, werden der erste Hauptlade- und Entladeschalter 7 und der zweite Haupt­ lade- und Entladeschalter 8 wieder geöffnet.

Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweite Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite Entlade-Teilschritt.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent­ ladeschalters 7 und des zweite Hauptlade- und Entladeschal­ ters 8 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und alle Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ geschlossen; dadurch kann die in der Spule 5 gespeicherte Energie in den Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ umgeladen werden.

Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie umgeladen ist, ist der Entladevorgang beendet.

Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon­ densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er­ forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be­ werkstelligbar ist.

Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer­ den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine nächste Hauptladestufe zum Laden des selben oder eines ande­ ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet.

Betreibt man die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung, genauer gesagt das Laden und Entladen einer der vorhandenen piezo­ elektrischen Elemente wie vorstehend beschrieben, so stellen sich die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungs­ verläufe ein. Die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind das Ergebnis eines Simulation, in welcher die piezoelektri­ schen Elemente als reine Kapazitäten modelliert wurden.

Die in der Fig. 2 oben und in der Mitte dargestellten Kurven sind mit deren Meßgrößen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwendeten Symbolen repräsentieren

die sich am piezoelektrischen Element 11 ₁ einstellende Spannung U_p1,
◊die sich am piezoelektrischen Element 12 ₁ einstellende Spannung U_p2,
∇ die sich am piezoelektrischen Element 1n₁ einstellende Spannung U_pn,
○ den die Spule 5 durchfließenden (Umlade-)Strom.

Im in der Fig. 2 unten dargestellten Diagramm sind die je­ weiligen Schalterstellungen veranschaulicht.

Die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe veranschaulichen den Ladevorgang (genauer gesagt den ersten Hauptladestufen-Teilschritt im Bereich von etwa 75 µs bis 250 µs auf der Zeitskala, den zweiten Hauptladestufen-Teilschritt im Bereich von etwa 250 µs bis 350 µs auf der Zeitskala, und die Vor- bzw. Nachladestufe im Bereich von etwa 600 µs bis 775 µs auf der Zeitskala) und den Entladevorgang (genauer gesagt den ersten Entlade-Teilschritt im Bereich von etwa 500 µs bis 600 µs, und den (mit dem Vor- bzw. Nachladeschritt zusammenfallenden) zweiten Entlade-Teilschritt im Bereich von etwa 600 µs bis 775 µs) eines piezoelektrischen Elements; die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind bei der vorste­ hend vermittelten Kenntnis des Aufbaus, der Funktion und der Wirkungsweise der Schaltung gemäß der Fig. 1 ohne weiteres verständlich und bedürfen keiner näheren Erläuterung.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist die sich am zu la­ denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende Spannung einen äußerst homogenen Verlauf auf.

Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent­ laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig. 1 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad. Hierzu tragen insbesondere vier Faktoren bei, nämlich

• 1) daß das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente im wesentlichen durch ein Umladen erfolgt,
• 2) daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen über eine einzige Endstufe (Schaltung gemäß Fig. 1) geladen und entladen werden kann,
• 3) daß das Laden und das Entladen über ein und die selbe Spule (nämlich die Spule 5) erfolgt, und
• 4) die Wärmeerzeugung in ohmschen Widerständen vernachlässig­ bar gering ist.

Der erstgenannte Punkt ermöglicht es, die durch die Versor­ gungsspannungsquelle abzugebende Energie gering zu halten, wobei auch kurzzeitig hohe Belastungen vermeidbar sind. Da­ durch kann die Versorgungsspannungsquelle, genauer gesagt die Batterie 2 und der Gleichspannungswandler 3 für nur relativ kleine Leistungen ausgelegt und mithin relativ klein im Auf­ bau gemacht werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Umladen zumindest teilweise zwischen den vorhandenen piezoelektri­ schen Elementen erfolgt, kann auch der Kondensator 4 sehr klein gemacht werden oder sogar gänzlich entfallen. Dies ist insofern vorteilhaft, als Leistungskondensatoren im Auto­ motive-Bereich als kritische Bauteile gelten (geringe Schüt­ telbelastbarkeit, kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen).

Der zweite und der dritte der oben genannten Punkte ermögli­ chen es, die Anzahl der Bauelemente, insbesondere die Anzahl der von Haus aus relativ großen Spulen minimal zu halten, wo­ durch sich erkennbar eine weitere Minimierung der Schaltungs­ größe erzielen läßt.

Durch den vierten der oben genannten Punkte kann einerseits der Energieverbrauch gering gehalten und andererseits auf Kühlmaßnahmen verzichtet werden, was sich erkennbar ebenfalls vorteilhaft auf die Größe der betrachteten Anordnung aus­ wirkt.

Sämtliche der genannten Punkte - sei es allein oder in Kombi­ nation - ermöglichen es oder tragen zumindest dazu bei, die zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen vor­ zusehende Schaltung auf kleinstem Raum unterzubringen und die Kosten für deren Herstellung und Betrieb minimal zu halten.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist unter Beibehaltung deren we­ sentlicher Funktion und Wirkungsweise in verschiedenerlei Hinsicht abwandelbar. Eine der möglichen Abwandlungen ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Schaltung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung entspricht teilweise der in der Fig. 1 gezeigten und vorstehend bereits ausführ­ lich beschriebenen Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.

Der Unterschied zwischen den Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3 besteht im wesentlichen darin, daß das beim Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements erfolgende Ver­ schieben von Ladungsträgern zum zu ladenden bzw. vom zu ent­ ladenden piezoelektrischen Element bei der Schaltung gemäß der Fig. 1 über die Spule 5, und bei der Schaltung gemäß der Fig. 3 über einen Übertrager 15 erfolgt.

Das piezoelektrische Element, das es zu laden bzw. zu entla­ den gilt, ist wiederum ein aus eine Vielzahl piezoelektri­ schen Elementen auswählbares piezoelektrisches Element, wobei die vielen piezoelektrischen Elemente wie bei der Schaltung gemäß Fig. 1 in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ bezeichnet sind.

Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält auch wieder Aus­ wahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ mit parallel angeordneten Dioden 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃.

Die Versorgungsspannungsquelle wird wiederum durch eine Bat­ terie 2 (beispielsweise eine Kraftfahrzeug-Batterie) und einen nachgeschalteten Gleichspannungswandler 3 gebildet, wo­ bei der Gleichspannungswandler 3 die Batteriespannung (bei­ spielsweise 12V) in eine beliebige andere Gleichspannung umsetzt.

Die Schaltung gemäß der Fig. 3 weist in Übereinstimmung mit der Schaltung gemäß Fig. 1 auch den bekannten Kondensator 4, den Vorladeschalter 6a und die Diode 6b auf.

Bis hierher sind die Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3 identisch.

Anders als die Schaltung gemäß Fig. 1 weist die Schaltung gemäß Fig. 3 zusätzlich zu den genannten Elementen den vor­ stehend bereits erwähnten Übertrager 15, einen Hauptlade- und Entladeschalter 16 sowie Dioden 17 und 18 auf, die wie in der Fig. 3 gezeigt verschaltet sind.

Der Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 3 läßt sich am einfach­ sten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim Laden und Entladen eines der piezoelektrischen Elemente beschreiben und nachvollziehen.

Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo­ elektrischen Elements 11 ₁ beschrieben.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt­ liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.

Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 ₁ erfolgt in zwei Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und einer sich unmittelbar oder beliebig später daran anschließenden Haupt­ ladestufe.

Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal­ ters 6a und der Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver­ bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ auf eine erste (niedrige) Spannung aufgeladen.

Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo­ elektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gespeicherte Energie ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente vollstän­ dig (wunschgemäß weit) aufzuladen.

Nach dem Laden des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ auf die erste Spannung werden der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ wieder geöffnet. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11, 12 ₁, . . . 1n₁ voneinander und vom Gleichspannungswandler 3 getrennt.

Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12₁, . . . 1n₁ gespeicherten Ladungen bleiben dort im we­ sentlichen unverändert erhalten.

Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele­ ments 11 ₁ (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri­ schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.

Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge­ sagt der erste Teil schritt derselben wird durch ein Schließen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das Schließen dieses Schalters bewirkt die Ausbildung eines er­ sten und eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wo­ bei der erste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des Kondensators 4, der Diode 6b, der Diode 17 und einer ersten Wicklung des Übertragers 15 besteht, und wobei der zweite Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung der parallelen Piezozweige 11, 12, . . . 1n, der Diode 17 und der ersten Wicklung des Übertragers 15 besteht.

In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon­ densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12₁, . . . 1n₁ gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) zum Übertrager 15 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden. Der Übertrager ist vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische Energie des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12₁, . . . 1n₁ in diesem speicherbar ist. Wenn die gesamte elektrische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem Kondensator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12₁, . . . 1n₁ in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet.

Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet der erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite Hauptladestufen-Teilschritt.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal­ ters 16 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu la­ denden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel also der dem piezoelektrischen Element 11 ₁ zugeordnete Aus­ wahlschalter 11 ₂ geschlossen; dadurch wird ein Schließen eines das piezoelektrische Element 11 ₁, die Diode 18 und eine zweite Wicklung des Übertragers 15 enthaltenden Ladestrom­ kreises bewirkt.

In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 ein (Lade-)Stromfluß ein, durch welchen die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in das zu ladende piezoelektrische Element 11 ₁ umgeladen wird.

Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu­ nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw. Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon­ stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann).

Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie vollständig oder wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Ele­ ment umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 112 und da­ mit auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der zweite Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte Ladevorgang beendet.

In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 ₁ (oder ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent­ lichen vollständig entladen sind.

Die im piezoelektrischen Element 11 ₁ gespeicherten Ladungen, die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen unverändert erhalten.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge­ sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das Schließen dieses Schalters bewirkt das erneute Schließen des ersten und des zweiten Umladestromkreises.

In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-) Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen Element 11 ₁ gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) über die Diode 11 ₃ zum Übertrager 15 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden.

Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele­ ment 11 ₁ einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen ab.

Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen Elements 11 ₁ in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet.

Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet der erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite Entlade-Teilschritt.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal­ ters 16 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und alle Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ geschlossen; dadurch kann die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in den Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ umgeladen werden.

Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie umgeladen ist, ist der Entladevorgang beendet.

Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon­ densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er­ forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be­ werkstelligbar ist.

Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . .. 1n₁ auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer­ den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine nächste Hauptladestufe zum Laden desselben oder eines ande­ ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet.

Betreibt man die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung, um die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ aufeinanderfol­ gend zur Durchführung einer Voreinspritzung und einer sich daran anschließenden Haupteinspritzung zu laden und zu ent­ laden, so stellen sich die in der Fig. 4 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe ein. Die gezeigten Strom- und Span­ nungsverläufe sind das Ergebnis eines Simulation, in welcher die piezoelektrischen Elemente als reine Kapazitäten mo­ delliert wurden.

Die in der Fig. 4 dargestellten Kurven sind mit deren Meß­ größen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwende­ ten Symbolen repräsentieren

in dem gemäß der Fig. 4 oberen Diagramm
den die Diode 18 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
◊ den die Diode 17 durchfließenden (Umlade-)Strom, und

in dem gemäß der Fig. 4 unteren Diagramm

die sich am piezoelektrischen Element 11 ₁ einstellende Spannung U_p1,
◊ die sich am piezoelektrischen Element 12 ₁ einstellende Spannung U_p2, und
∇die sich am piezoelektrischen Element 1n₁ einstellende Spannung U_pn,

In der gemäß der Fig. 4 unteren Darstellung bezeichnen

Usoll die sich an den jeweiligen piezoelektrischen Ele­ menten einstellende Spannung, wenn sie vollständig (wunschgemäß) geladen sind,
U1 die vorstehend bereits erwähnte erste Spannung, auf die die piezoelektrischen Elemente und der Konden­ sator beim Vor- und Nachladen geladen werden, und
U2 eine zweite Spannung, auf die die nicht geladenen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator durch das Entladen (Umladen) eines geladenen piezo­ elektrischen Elements geladen werden.

Die in der Fig. 4 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe veranschaulichen den Ladevorgang und den Entladevorgang der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁, wobei zunächst das piezoelektrische Element 11 ₁, dann das piezoelektrische Element 12 ₁, und dann das piezoelektrische Element 1n₁ auf­ einanderfolgend je zwei mal geladen und entladen werden (um eine Voreinspritzung und eine sich daran anschließende Haupt­ einspritzung durchzuführen).

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, weist die sich am zu la­ denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende Spannung einen äußerst homogenen und gut steuerbaren Verlauf auf.

Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent­ laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig. 3 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad. Diesbezüglich herrscht Übereinstimmung mit den entsprechenden Ausführung zur Schaltung gemäß Fig. 1 (wenn das zur Spule 5 Gesagte auf den Übertrager 15 übertragen wird); zur Vermei­ dung von Wiederholungen wird daher auf die dortigen Aus­ führungen verwiesen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es beide Aus­ führungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache und elegante Art und Weise ermöglichen, auch unter beengten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente durchzuführen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁), dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teil­ weise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element(en) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschieben der Ladungen unter Zwischenspeicherung deren Energie in einem als Induktanz wirkenden Element (5; 15) er­ folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) eine Spule (5) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) ein Übertrager (15) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Laden und das Entladen des piezoelek­ trischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) über das selbe als Induktanz wirkende Element (5; 15) erfolgen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens oder nach dem Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) eine Vor- bzw. Nachladung ausgeführt wird, in wel­ cher zumindest die vorhandenen piezoelektrischen Elemente auf eine erste Spannung (U1) aufgeladen werden, welche kleiner ist als eine Schwellenspannung, von der an die piezoelektri­ schen Elemente als Aktoren oder Stellglieder wirken können.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) mechanisch derart vorgespannt werden, daß deren Abmessungen durch das Vorladen nicht verändert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die piezoelektrischen Elemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) derart eingesetzt werden, daß während des Vorladens auf­ tretende Abmessungs-Veränderungen nicht ausreichen, um ein im wunschgemäß geladenen Zustand des betreffenden piezoelektri­ schen Elements zu betätigendes oder verstellendes Element zu betätigen oder zu verstellen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Laden eines piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) in zwei Teilschritten erfolgt, wobei im ersten Teil schritt wenigstens die in den vorgeladenen piezo­ elektrischen Elementen gespeicherte Energie einem Energie­ speicherelement zugeführt und dort gespeichert wird, und wobei im zweiten Teil schritt die im Energiespeicherelement gespeicherte Energie dem zu ladenden piezoelektrischen Ele­ ment zugeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) in zwei Teilschritten er­ folgt, wobei im ersten Teilschritt wenigstens die im gelade­ nen piezoelektrischen Element gespeicherte Energie einem Energiespeicherelement zugeführt und dort gespeichert wird, und wobei im zweiten Teilschritt die im Energiespeicher­ element gespeicherte Energie zumindest auf die vorhandenen piezoelektrischen Elemente verteilt wird.

11. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁), gekennzeichnet durch Mittel, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezo­ elektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu laden­ den oder entladenden piezoelektrischen Element(en) erfolgen kann.