DE19827052A1

DE19827052A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung

Info

Publication number: DE19827052A1
Application number: DE19827052A
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Joerg Reineke; Alexander Hock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 1999-12-23
Also published as: JP2000029527A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung beschrieben. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß die elektrische Spannung, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element geladen wird, entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen eingestellt oder aus mehreren unterschiedlich hohen Spannungen ausgewählt wird. Dadurch lassen sich piezoelektrische Elemente auf einfache Weise und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten in beliebig vielen und beliebig großen Schritten wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung.

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 an gelegten 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 bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen den oder angelegten Spannung-zusammenziehen und ausdehnen.

Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann unter anderem über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Bauelement wie beispielsweise eine Spule erfolgen, wobei diese Spule in erster Linie dazu dient, den beim Laden auf tretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Ent ladestrom zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element ist in der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Es ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 102 schließ baren Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter 106 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestrom kreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode 103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Ele ments 101, und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entlade schalters 106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und des piezoelektrischen Elements 101 besteht.

Die Diode 103 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann; die Diode 107 des Entladestromkreises verhin dert, daß im Entladestromkreis ein das piezoelektrische Ele ment ladender Strom fließen kann.

Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 102 geschlos sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird; die im piezo elektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktu ellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.

Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 106 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade strom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 ent laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 101 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelek trischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.

Ein derartiges Laden und Entladen von piezoelektrischen Ele menten ist vorteilhaft, weil es mangels nennenswerter ohm scher Widerstände im Ladestromkreis und im Entladestromkreis verlustleistungsarm und unter nur relativ geringer Wärme entwicklung erfolgen kann.

Andererseits kann aber beim Laden und Entladen kein Einfluß auf den Umfang des Ladens bzw. Entladens genommen werden. Die Ladespule 104 und das piezoelektrische Element 101 bzw. die Entladespule 108 und das piezoelektrische Element 101 bilden beim Laden bzw. beim Entladen des piezoelektrischen Elements nämlich einen Lc-Reihenschwingkreis, wobei das piezoelektri sche Element nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung geladen bzw. entladen wird. (ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die im Lade stromkreis und im Entladestromkreis enthaltenen Dioden 103 bzw. 107 unterbunden), was seinerseits wiederum zur Folge hat, daß der Umfang des Ladens und Entladens im wesentlichen ausschließlich durch die (während des Betriebes nicht ver änderbaren) technischen Daten der Schwingkreiselemente (ge nauer gesagt durch die Induktivität der Lade- bzw. Entlade spule und die Kapazität des piezoelektrischen Elements) be stimmt werden.

Für bestimmte Anwendungsfälle (beispielsweise wenn das piezo elektrische Element als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritz düse einer Brennkraftmaschine verwendet wird) ist es jedoch erforderlich, daß das piezoelektrische Element möglichst genau auf verschiedene, gegebenenfalls auch variierende Aus dehnungen gebracht werden kann.

Dies ist bei Verwendung von Lade- und Entladeschaltungen etwa nach Art der Fig. 2 allenfalls möglich, wenn das Laden und/oder das Entladen des piezoelektrischen Elements derart (getaktet) erfolgen, daß die Ladespule 104 und die Entlade spule 108 nicht mehr oder jedenfalls nicht mehr primär als Schwingkreiselemente, sondern als ein Energie-Zwischen speicher wirken, der wiederholt abwechselnd von der Strom versorgungsquelle (beim Laden) bzw. vom piezoelektrischen Element (beim Entladen) zugeführte elektrische Energie (in Form von magnetischer Energie) speichert und die gespeicherte Energie in Form von elektrischer Energie an das piezoelektri sche Element (beim Laden) bzw. anderswohin (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeitpunkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der Energiespeicherung und der Energieabgabe durch die Betätigung entsprechender Schalter bestimmt werden.

Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig vielen, beliebig großen und in beliebigen zeitlichen Abständen auf einanderfolgenden Stufen wunschgemäß weit geladen und ent laden werden.

Als Folge dessen können sowohl das Ausmaß als auch der zeit liche Verlauf des Ladens und/oder des Entladens wunschgemäß beeinflußt werden, und zwar weitgehend unabhängig von den technischen Daten der Spulen und des piezoelektrischen Ele ments.

Das getaktete Laden und/oder Entladen erfordert jedoch einen relativ hohen Aufwand und kann möglicherweise elektromagneti sche Störungen verursachen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 derart weiterzubilden, daß sich das piezoelektrische Element auf einfache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vor gänge oder Komponenten auf wunschgemäße Ausdehnungen bringen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 8 (Vorrichtung) bean spruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen,

- daß die elektrische Spannung, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element geladen wird, entsprechend den je weiligen Bedürfnissen eingestellt oder aus mehreren unter schiedlich hohen Spannungen ausgewählt wird (kennzeichnen der Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
- daß die Vorrichtung die elektrische Spannung, unter Verwen dung welcher das piezoelektrische Element geladen wird, entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen einstellen oder aus mehreren unterschiedlich hohen Spannungen auswählen kann (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 8).

Durch die Verwendbarkeit unterschiedlich hoher Spannungen zum Laden des piezoelektrischen Elements kann Einfluß darauf ge nommen werden, auf welche Spannung das piezoelektrische Ele ment durch das Laden gebracht wird bzw. wie weit sich das piezoelektrische Element ausdehnt.

Dadurch kann erstmals auch bei Ladeverfahren, bei welchen wie beispielsweise beim Laden des piezoelektrischen Elements über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Ladestrom kreis bislang kein Einfluß auf den Ladevorgang genommen wer den kann, der zeitliche Verlauf und der Umfang des Ladens zielgerichtet beeinflußt werden. Dabei ist es selbst beim Laden des piezoelektrischen Elements über einen als Schwing kreis wirkenden oder betriebenen Ladestromkreis möglich, ein stufenweises Laden durchzuführen, was für bestimmte Anwendun gen von großem Vorteil ist.

Daß nun auch beim Laden des piezoelektrischen Elements über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Ladestrom kreis eine Einflußnahme auf den Ladevorgang und ein stufen weises Laden möglich ist, erweist sich als besonders vorteil haft, denn ein derartiges Laden des piezoelektrischen Ele ments läßt sich besonders verlustleistungsarm und störungs frei durchführen.

Piezoelektrische Elemente lassen sich so auf einfache Weise und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten in be liebig vielen und beliebig großen Schritten wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent nehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anord nung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, und

Fig. 2 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements.

Das piezoelektrische Element, dessen Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, ist beispielsweise als Stellglied in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz des piezoelek trischen Elements besteht jedoch keinerlei Einschränkung; das piezoelektrische Element kann grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.

Es wird davon ausgegangen, daß sich das piezoelektrische Element im Ansprechen auf das Laden ausdehnt und im An sprechen auf das Entladen zusammenzieht. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies ge rade umgekehrt ist.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Ausführungs beispiel einer Anordnung zum Laden und Entladen eines piezo elektrischen Elements beschrieben.

Die in der Fig. 1 gezeigte und nachfolgend näher beschrie bene Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie die elektrische Spannung, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element geladen wird, entsprechend den je weiligen Bedürfnissen einstellen oder aus mehreren unter schiedlich hohen Spannungen auswählen läßt.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden bzw. zu entladen gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 enthält daneben eine erste Spule 2a, eine zweite Spule 2b, einen ersten Ladeschalter 3a, eine Diode 3b, einen ersten Entladeschalter 4a, eine Diode 4b, einen zweiten Ladeschalter 5a, eine Diode 5b, einen zweiten Entladeschalter 6a, eine Diode 6b, einen ersten Kondensator 7a, einen zweiten Kondensator 7b, eine Batterie 8, einen Gleichspannungswandler 9, eine Diode 10, und einen Auswahl schalter 11, welche wie in der Fig. 1 verschaltet sind.

Der erste Ladeschalter 3a und die Diode 3b, der erste Ent ladeschalter 4a und die Diode 4b, der zweite Ladeschalter 5a und die Diode 5b sowie der zweite Entladeschalter 6a und die Diode 6b können jeweils als ein Halbleiterschalter realisiert sein; die Dioden 3b, 4b, 5b und 6b verhindern jeweils, daß beim Laden ein Strom fließen kann, der ein Entladen bewirkt, bzw. daß beim Entladen ein Strom fließen kann, der ein Laden bewirkt.

Die erste Spule 2a und die zweite Spule 2b sind vorzugsweise durch eine einzige Spule mit einem Mittelabgriff realisiert.

Die Diode 10 ist eine Schutzdiode, durch welche verhinderbar ist, daß das piezoelektrische Element 1 beim Entladen des selben zu weit entladen und dadurch negativ geladen wird; dies könnte dem piezoelektrischen Element unter Umständen schaden.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 enthält zwei Versorgungsspan nungsquellen, von welchen die erste aus der Batterie 8, dem Gleichspannungswandler 9 und dem (als Pufferkondensator die nenden) ersten Kondensator 7a, und die zweite aus dem (eben falls als Pufferkondensator dienenden) zweiten Kondensator 7b besteht.

Der erste Kondensator 7a wird von der Batterie 8, welches beispielsweise eine KFZ-Batterie ist, und dem dieser nach geschalteten Gleichspannungswandler 9 geladen; dadurch wird die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesent lichen beliebige andere Gleichspannung umgesetzt und über den ersten Kondensator 7a als eine erste Versorgungsspannung be reitgestellt.

Der zweite Kondensator 7b wird unter Verwendung der ersten Versorgungsspannung über einen später noch genauer beschrie benen Kondensator-Ladestromkreis auf eine vom zweiten Konden sator 7b als zweite Versorgungsspannung bereitgestellte Span nung geladen.

Die zweite Versorgungsspannung ist im betrachteten Beispiel deutlich größer als die erste Versorgungsspannung.

Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die im vorliegend betrachteten Ausführungsbeispiel praktizierte Erzeugung und Bereitstellung der zweiten Versorgungsspannung zwar gewisse Vorteile bietet, aber keineswegs zwingend so vorgesehen werden muß. Wichtig ist vor allem, daß das Laden des piezoelektrische Element unter Verwendung einstellbarer oder auswählbarer Spannungen geladen werden kann. Die Erzeu gung und Bereitstellung dieser Spannungen kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise erfolgen.

Durch Öffnen und Schließen der Schalter 3a, 4a, 5a, 6a und 11 lassen sich ein erster und ein zweiter Piezo-Ladestromkreis, ein erster und ein zweiter Piezo-Entladestromkreis, und der bereits erwähnte Kondensator-Ladestromkreis bilden, wobei

- der erste Piezo-Ladestromkreis das piezoelektrische Element 1, den ersten Kondensator 7a, den ersten Ladeschalter 3a, die Diode 3b, die erste Spule 2a und den Auswahlschalter 11 umfaßt,
- der erste Piezo-Entladestromkreis das piezoelektrische Ele ment 1, den ersten Kondensator 7a, den ersten Entladeschal ter 4a, die Diode 4b, die erste Spule 2a und den Auswahl schalter 11 umfaßt,
- der zweite Piezo-Ladestromkreis das piezoelektrische Ele ment 1, den zweiten Kondensator 7b, die Diode 5b, den zwei ten Ladeschalter 5a, die zweite Spule 2b, die erste Spule 2a und den Auswahlschalter 11 umfaßt,
- der zweite Piezo-Entladestromkreis das piezoelektrische Element 1, den zweiten Kondensator 7b, die Diode 6b, den zweiten Entladeschalter 6a, die zweite Spule 2b, die erste Spule 2a und den Auswahlschalter 11 umfaßt, und
- der Kondensator-Ladestromkreis den zweiten Kondensator 7b, den ersten Kondensator 7a, den ersten Ladeschalter 3a, die Diode 3b, die zweite Spule 2b, den zweiten Entladeschalter 6a und die Diode 6b umfaßt.

Der erste und der zweite Piezo-Ladestromkreis und der erste und zweite Piezo-Entladestromkreis dienen zum Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements 1, wohingegen der Kondensator-Ladestromkreis zum Aufladen des zweiten Kondensa tors 7b auf die zweite Versorgungsspannung dient.

Wenn und so lange weder ein Laden oder Entladen des piezo elektrischen Elements 1 noch ein Laden des zweiten Kondensa tors 7b erfolgen soll, sind die Schalter 3a, 4a, 5a, 6a und 11 geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die Anordnung gemäß Fig. 1 im stationären Zustand. D.h., alle Elemente be halten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.

Das Laden des piezoelektrischen Elements erfolgt wahlweise über den ersten Piezo-Ladestromkreis oder über den zweiten Piezo-Ladestromkreis (durch die in den jeweiligen Piezo-Lade stromkreisen fließenden Ladeströme). Im betrachteten Beispiel werden sowohl der erste Ladestromkreis als auch der zweite Ladestromkreis als Schwingkreis betrieben.

Das Laden des piezoelektrischen Elements über den ersten Piezo-Ladestromkreis wird durch ein Schließen desselben (Schalter 3a und 11 geschlossen und Schalter 4a, 5a und 6a geöffnet) eingeleitet.

Wird der erste Piezo-Ladestromkreis geschlossen, so beginnt in diesem ein das piezoelektrische Element ladender Ladestrom zu fließen. Die Größe und der zeitliche Verlauf dieses Lade stroms hängt dabei im wesentlichen von dem durch das piezo elektrische Element 1, der ersten Spule 2a und dem ersten Kondensator 7a gebildeten LC-Reihenschwingkreis ab. Er steigt nach dem Schließen des ersten Piezo-Ladestromkreises mehr oder weniger schnell bis zu einem Maximum an und nimmt dann wieder mehr oder weniger schnell ab; eine richtungsmäßige Um kehr des Stromflusses, durch welche das piezoelektrische Ele ment wieder entladen würde, ist durch die Diode 3b ausge schlossen.

Das Laden beginnt und endet also mit der ersten Strom-Halb welle der ersten Schwingkreis-Schwingung. Der erste Lade schalter 3a und der Auswahlschalter 11 werden nach der selb ständigen Beendigung des Ladevorganges wieder geöffnet.

Der durch den Ladestrom zum piezoelektrischen Element be wirkte Ladungstransport hat eine Zunahme der im piezoelektri schen Element gespeicherten Ladung und damit auch eine Zu nahme der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung und der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements zur Folge.

Die im piezoelektrischen Element akkumulierten Ladungen, die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements bleiben nach dem Abschluß des Ladevorganges im wesentlichen unverändert erhalten.

Wie stark das piezoelektrischen Element durch ein wie be schrieben erfolgendes Laden aufgeladen wird, hängt im be trachteten Ausführungsbeispiel im wesentlichen ausschließlich von den technischen Daten der Schwingkreis-Elemente, genauer gesagt des piezoelektrischen Elements 1, der ersten Spule 2a und des ersten Kondensators 7a sowie von der durch den ersten Kondensator 7a bereitgestellten ersten Versorgungsspannung ab.

Die Induktivität der ersten Spule 2a bestimmt dabei die maxi male Ladestromstärke und die Ladezeit, und die Kapazitäten des piezoelektrischen Elements 1 und des ersten Kondensators 7a und die erste Versorgungsspannung bestimmen die sich nach dem Laden des piezoelektrischen Elements an diesem einstel lende Spannung.

Die sich infolge eines wie beschrieben erfolgenden Ladens am piezoelektrischen Element einstellende Spannung U_PEnd1 beträgt dabei

wobei
U_PEnd1 die sich nach dem Laden des piezoelektrischen Elements an diesem einstellende Spannung,
C_P die Kapazität des piezoelektrischen Elements,
U_B10 die erste Versorgungsspannung (die Spannung, auf die der erste Kondensator 7a zu Beginn des Ladevorganges auf geladen ist), und
C_B1 die Kapazität des ersten Kondensators 7a
bezeichnen.

Obgleich bei einem wie beschrieben erfolgenden Laden des piezoelektrischen Elements während des Ladens kein Einfluß auf den Umfang des Ladens genommen werden kann, kann das piezoelektrische Element dennoch wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen gebracht werden.

Wenn die wunschgemäße Ausdehnung des piezoelektrischen Ele ments durch ein Laden desselben über den ersten Piezo-Lade stromkreis nicht erreichbar ist, muß es "nur" unter Verwen dung einer anderen Versorgungsspannung geladen werden, was im betrachteten Beispiel durch ein Laden über einen anderen Piezo-Ladestromkreis wie beispielsweise den zweiten Piezo- Ladestromkreis geschehen kann.

Das Laden des piezoelektrischen Elements durch den zweiten Piezo-Ladestromkreis wird durch Schließen dieses Stromkreises (Schalter 5a und 11 geschlossen und Schalter 3a, 4a und 6a geöffnet) eingeleitet.

Die danach ablaufenden Vorgänge entsprechen den beim Laden des piezoelektrischen Elements über den ersten Piezo-Lade stromkreis auftretenden Vorgängen. Unterschiedlich ist "nur", daß die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung beim Laden desselben über den zweiten Piezo-Ladestrom kreis höher ist als beim Laden desselben über den ersten Piezo-Ladestromkreis. Ursache hierfür ist, daß die Spannung, unter Verwendung welcher das Laden des piezoelektrischen Ele ments durchgeführt wird, d. h. die vom ersten Kondensator 7a bereitgestellte erste Versorgungsspannung (beim Laden des piezoelektrischen Elements über den ersten Piezo-Ladestrom kreis) und die vom zweiten Kondensator 7b bereitgestellte zweite Versorgungsspannung (beim Laden des piezoelektrischen Elements über den zweiten Piezo-Ladestromkreis) unterschied lich hoch sind; die zweite Versorgungsspannung ist, wie vor stehend bereits erwähnt wurde, größer als die erste Versor gungsspannung.

Je höher die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung ist, desto mehr dehnt es sich aus.

Über die Spannung, unter Verwendung welcher das piezoelektri sche Element geladen wird, kann mithin festgelegt werden, auf welche Ausdehnung das piezoelektrische Element durch das Laden gebracht wird.

Durch die Verwendung einer einstellbaren oder aus unter schiedlich hohen Spannungen auswählbaren Spannung zum Laden des piezoelektrischen Elements kann dieses folglich wunsch gemäß weit geladen werden, und zwar selbst dann, wenn das Laden über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Piezo-Ladestromkreis erfolgt.

Im betrachteten Beispiel kann das piezoelektrische Element "nur" über den ersten oder den zweiten Piezo-Ladestromkreis geladen werden. Selbstverständlich können beliebig viele wei tere Piezo-Ladestromkreise mit unterschiedlich hohen Versor gungsspannungen zur Auswahl bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen werden, die Versorgungsspan nung(en) (beispielsweise durch einen entsprechenden Eingriff in den Gleichspannungswandler 9) einstellbar zu machen; dann kann schon ein einziger Piezo-Ladestromkreis ausreichen, um das piezoelektrische Element durch ein Laden desselben wunschgemäß exakt auf beliebige Ausdehnungen bringen zu können.

Bei den vorstehenden Ausführungen wurde zunächst davon aus gegangen, daß das zu ladende piezoelektrische Element vor je dem Laden entladen ist. Die Möglichkeit, unterschiedlich hohe Spannungen zum Laden des piezoelektrischen Element zu verwen den, gestattet es nunmehr aber auch, ein stufenweises Laden durchzuführen, was zumindest beim Laden des piezoelektrischen Elements über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebe nen Piezo-Ladestromkreis bislang nicht möglich war, weil das piezoelektrische Element durch die erste Ladestufe schon auf eine Spannung gebracht wird, die höher ist als die bislang einzige Versorgungsspannung (nur wenn die zum Laden verwen dete Versorgungsspannung höher ist als die Spannung des zu ladenden piezoelektrischen Elements, kann dieses weiter geladen werden).

Ein mehrstufiges Laden des piezoelektrischen Elements erweist sich beispielsweise als vorteilhaft, wenn dieses als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine ver wendet wird und mit kleinem Aktorhub eine angelagerte Vor einspritzung bewirken soll.

Eine Möglichkeit, das piezoelektrische Element durch die Anordnung gemäß Fig. 1 mehrstufig zu laden, umfaßt im be trachteten Beispiel die Schritte

1) Laden des zweiten Kondensators 7b über den Kondensator- Ladestromkreis auf eine zum Weiterladen des piezoelek trischen Elements geeignete Spannung (gegebenenfalls nach vorheriger Entladung des zweiten Kondensators),
2) Laden des piezoelektrischen Elements über den ersten Piezo-Ladestromkreis, und
3) Weiterladen des piezoelektrischen Elements über den zweiten Piezo-Ladestromkreis.

Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß dies bei weitem nicht die einzige Möglichkeit zum mehrstufigen Laden eines piezoelektrischen Elements darstellt, und daß das piezoelektrische Element anschließend wie beschrieben oder anders in beliebig vielen weiteren Schritten weitergeladen werden kann.

Bei den folgenden Betrachtungen wird davon ausgegangen, daß der erste Kondensator 7a zunächst auf eine mit U_B10 bezeich nete Spannung aufgeladen ist, und daß die sich am zweiten Kondensator 7b einstellende Spannung 0 V beträgt.

Das Laden des zweiten Kondensators 7b (o.g. Schritt 1) auf die zweite Versorgungsspannung wird durch Schließen des Kondensator-Ladestromkreis (Schalter 3a und 6a geschlossen und Schalter 4a, 5a und 11 geöffnet) eingeleitet.

Durch das Schließen des Kondensator-Ladestromkreises beginnt in diesem ein den zweiten Kondensator 7b ladender Ladestrom zu fließen. Bezüglich weiterer Einzelheiten zum Laden des zweiten Kondensators 7b wird auf die Ausführungen zum Laden des piezoelektrischen Elements durch den ersten und zweiten Piezo-Ladestromkreis verwiesen. Der Kondensator-Ladestrom kreis entspricht im Aufbau, der Funktion und der Wirkungs weise nämlich nahezu vollständig den Piezo-Ladestromkreisen; einziger Unterschied ist, daß im einen Fall der zweite Kon densator 7b, und im anderen Fall das (ebenfalls kapazitive Eigenschaften aufweisende) piezoelektrische Element geladen wird.

Durch das Laden des zweiten Kondensators 7b wird dieser auf die Spannung

gebracht, wobei
U_B2End die Spannung, auf die der zweite Kondensator 7b nach dem Abschluß des Ladevorganges geladen ist,
U_B10 die Spannung, auf die der erste Kondensator 7a zu Beginn des Ladevorganges geladen ist,
C_B1 die Kapazität des ersten Kondensators 7a, und
C_B2 die Kapazität des zweiten Kondensators 7b
bezeichnen.

Durch das Laden des zweiten Kondensators 7b sinkt die sich am ersten Kondensator 7a einstellende Spannung auf

wobei
U_B1End die Spannung, auf die der erste Kondensator 7a nach dem Abschluß des Ladevorganges geladen ist,
bezeichnet.

Wird unmittelbar im Anschluß an das Laden des zweiten Konden sators 7b mit dem Laden des piezoelektrischen Elements begon nen, so stellt sich an diesem nach dem Laden desselben über den ersten Ladestromkreis (o.g. Schritt 2) die Spannung

ein, wobei
U_PEnd1 die Spannung, auf die das piezoelektrische Element 1 nach dem Abschluß des Ladens über den ersten Piezo-Lade stromkreis geladen ist, und
C_P die Kapazität des piezoelektrischen Elements
bezeichnen.

Die Spannung, auf die der zweiten Kondensator 7b aufgeladen ist, ist erkennbar größer als die Spannung, auf die das piezoelektrische Element über den ersten Piezo-Ladestromkreis aufgeladen wurde. Das piezoelektrische Element kann daher in einer zweiten Ladestufe über den zweiten Piezo-Ladestromkreis nach- bzw. weitergeladen werden.

Tut man dies (o.g. Schritt 3), dann stellt sich nach dem Weiterladen des piezoelektrischen Elements über den zweiten Piezo-Ladestromkreis an diesem eine Spannung

ein.

Dies ist die Spannung, auf die das piezoelektrische Element durch ein aufeinanderfolgendes Laden über den ersten und den zweiten Piezo-Ladestromkreis gebracht wird. Diese Spannung könnte durch Laden über weitere Piezo-Ladestromkreise mit entsprechend hohen Versorgungsspannungen weiter gesteigert werden.

Das stufenweise Laden des piezoelektrischen Elements könnte, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, auch auf verschiedener lei andere Art und Weise durchgeführt werden.

Das wie beschrieben erfolgende stufenweise Laden des piezo elektrischen Elements erweist sich als vorteilhaft, weil dadurch das Verhältnis der Spannungen, auf die das piezoelek trische Element nach dem Laden über den ersten Piezo-Lade stromkreis und dem Nachladen über den zweiten Piezo-Lade stromkreis gebracht wird, nämlich

unabhängig von der Kapazität des piezoelektrischen Elements wird. D.h., das Verhältnis bleibt bei Veränderungen der Kapa zität des piezoelektrischen Elements (aufgrund von Alterungs prozessen und/oder Temperaturschwankungen) unverändert. Dies und ferner die Tatsache, daß die Absolutwerte der sich nach den jeweiligen Ladevorgängen am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung über die Spannung, auf die der erste Kondensator aufgeladen wird (über die vom Gleichspannungs wandler 9 erzeugte Spannung) einstellbar sind, ermöglicht es, das piezoelektrische Element dauerhaft exakt wunschgemäß zu betreiben.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements erfolgt über den ersten und/oder zweiten Piezo-Entladestromkreis und verläuft analog zum Laden über die Piezo-Ladestromkreise. Insbesondere werden auch die Piezo-Entladestromkreise jeweils als Schwing kreis betrieben, und darüber hinaus läßt sich der Umfang, in welchem das piezoelektrische Element in den jeweiligen Ent ladestufen entladen wird, auch hier durch die Spannung be stimmen, auf welche die in den jeweiligen Entladestromkreisen enthaltenen Kondensatoren 7a bzw. 7b zu Beginn der jeweiligen Entladevorgänge aufgeladen sind; das piezoelektrische Element läßt sich mithin auch beim Entladen effizient wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen, ohne elektromagnetische Störungen zu verursachen.

Durch ein wie beschrieben erfolgendes Laden und Entladen las sen sich piezoelektrische Elemente also auf einfache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponen ten in beliebig vielen und beliebig großen Schritten auf be liebige Ausdehnungen bringen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung, unter Verwendung welcher das piezo elektrische Element (1) geladen wird, entsprechend den jewei ligen Bedürfnissen eingestellt oder aus mehreren unterschied lich hohen Spannungen ausgewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellen oder Auswählen der zum Laden des piezoelektri schen Elements (1) verwendeten Spannung unter Berücksichti gung der wunschgemäßen Ausdehnung, auf die das piezoelektri sche Element durch das Laden gebracht werden soll, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Einstellen oder Auswählen der zum Laden des piezoelektrischen Elements (1) verwendeten Spannung in Ab hängigkeit vom momentanen Ladungszustand des piezoelektri schen Elements erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die mehreren unterschiedlich hohen Spannungen durch entsprechend dimensionierte und aufgeladene Kondensatoren (7a, 7b) bereitgestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufladen der Kondensatoren (7a, 7b) zumindest teilweise unter Verwendung eines als elektrischer Schwingkreis wirken den oder betriebenen Kondensator-Ladestromkreises (2b, 3a, 3b, 6a, 6b, 7a, 7b) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß das Einstellen der zum Laden des piezoelektrischen Elements (1) verwendeten Spannung durch Verändern der Span nung, bewerkstelligt wird, unter Verwendung welcher die Kon densatoren (7a, 7b) aufgeladen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (1) unter Verwendung immer höher werdender Spannungen in mehreren Stufen geladen wird.

8. Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß diese die elektrische Spannung, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element (1) geladen wird, entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen einstellen oder aus mehreren unter schiedlich hohen Spannungen auswählen kann.