DE19827170A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße AusdehnungInfo
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Abstract
Es wird 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 als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von einzelnen oder gruppenweisen ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetztes piezoelektrisches Element verwendet wird. Dadurch läßt sich das piezoelektrische Element auf einfache Weise effizient 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 11, 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 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 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 Ladestomkreis
aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode
103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Elements 101,
und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der Entlade
stromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters
106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und des piezo
elektrischen 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 darüber hinaus 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 11
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 11 (Vorrichtung) bean
spruchten Merkmale gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
- - daß als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetztes piezoelektrisches Element verwendet wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
- - daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein piezoelektri sches Element zu laden, das aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetzt ist (kennzeichnender Teil des Patent anspruchs 11).
Die einzelne oder gruppenweise Ladbarkeit und Entladbarkeit
der Einzelelemente eröffnet die Möglichkeit, diese unabhängig
voneinander zu laden oder zu entladen. Dadurch können wahl
weise beliebig viele Einzelelemente einzeln oder gruppenweise
gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfol
gend geladen und entladen werden. Die Einzelelemente ändern
durch das Laden oder Entladen ihre Ausdehnung, wobei sich mit
der Änderung eines, mehrerer, oder aller Einzelelemente auch
die Ausdehnung des die Einzelelemente enthaltenden piezoelek
trischen Elements ändert; die Veränderung der Ausdehnung des
piezoelektrischen Elements entspricht dabei der Summe der an
den Einzelelementen auftretenden Ausdehnungs-Veränderungen.
Macht man nun die Auswahl der zu ladenden oder zu entladenden
Einzelelemente von der angestrebten Ausdehnung des piezoelek
trischen Elements oder der dazu erforderlichen Ausdehnungs-
Änderung desselben abhängig, so kann das piezoelektrische
Element ohne Variierung des Umfanges, in dem die Einzel
elemente geladen oder entladen werden, auf beliebige Aus
dehnungen gebracht werden.
Dies ermöglicht es, das Laden und das Entladen der Einzel
elemente auf beliebige Art und Weise vorzunehmen. Unter an
derem können die Einzelelemente dabei auch über einen als
Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Lade- bzw. Entlade
stromkreis ge- bzw. entladen werden, wodurch sich durch das
Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements hervorgeru
fene elektromagnetische Störungen auf ein Minimum reduzieren
lassen.
Piezoelektrische Elemente lassen sich so auf einfache Weise
und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten wunsch
gemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.
Weil sich die Einzelelemente
- 1. problemlos einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend laden und ent laden lassen, und
- 2. auch für unterschiedlich große Ausdehnungen ausgelegte (unterschiedlich große oder unterschiedliche Anzahlen von Layern aufweisende) Einzelelemente sein können,
läßt sich auch der zeitliche Verlauf des Ladens und Entladens
wunschgemäß festlegen. Insbesondere ist es selbst bei Verwen
dung eines als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Lade-
bzw. Entladestromkreises möglich, ein stufenweises Laden oder
Entladen (ein Weiterladen eines vorgeladenen piezoelektri
schen Elements) vorzunehmen.
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 so
genannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen
einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz des piezoelektri
schen Elements besteht jedoch keinerlei Einschränkung; das
piezoelektrische Element kann grundsätzlich in beliebigen
Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.
Das piezoelektrische Element besteht im betrachteten Beispiel
aus einer Vielzahl von Einzelelementen, welche
- - einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend ge- und entladen werden kön nen, und
- - derart übereinandergestapelt sind, daß die durch das Laden und Entladen hervorgerufenen Veränderungen der Ausdehnungen derselben im wesentlichen in dieselbe Richtung erfolgen.
Durch das Laden oder Entladen der Einzelelemente bewirkte
Veränderungen der Ausdehnungen derselben bringen eine Ver
änderung der Ausdehnung des die Einzelelemente enthaltenden
piezoelektrischen Elements mit sich, wobei die Veränderung
der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements der Summe der
Veränderungen der Ausdehnungen der Einzelelemente entspricht.
Es wird davon ausgegangen, daß sich die Einzelelemente (und
damit auch das diese enthaltende piezoelektrische Element) im
Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im Ansprechen auf das
Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich
jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.
Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Anordnung zum
Laden und Entladen eines derartigen piezoelektrischen Ele
ments beschrieben.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element
besteht aus n übereinandergestapelten Einzelelementen, welche
in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 11 1, 12 1 . . . 1n1 bezeich
net sind.
Die Einzelelemente 11 1, 12 1 . . . 1n1 sind Bestandteil von
parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n, wobei
jedes Einzelelement 11 1, 12 1 . . . 1n1 in einem eigenen Piezo
zweig vorgesehen ist. Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n
enthält neben dem jeweiligen Einzelelement 11 1, 12 1 . . . 1n1
einen in Reihe zu diesem geschalteten Auswahlschalter 11 2,
12 2, . . . 1n2 und parallel hierzu eine Diode 11 3, 12 3 . . . 1n3.
Über die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 ist bestimmbar, ob
das im jeweiligen Piezozweig 11, 12, . . . in enthaltene
Einzelelement 11 1, 12 1 . . . 1n1 ge- bzw. entladen werden soll
(zugeordneter Auswahlschalter geschlossen) oder nicht
(zugeordneter Auswahlschalter geöffnet).
Die Dioden 11 3, 12 3 . . . 1n3 sind Schutzdioden, durch welche
verhinderbar ist, daß die Einzelelemente beim Entladen der
selben zu weit entladen und dadurch negativ geladen werden;
dies könnte den Einzelelementen unter Umständen schaden.
Anstelle der Dioden 11 3, 12 3 . . . 1n3 kann auch nur eine
einzige Diode verwendet werden, die zu den Piezozweigen 11,
12, . . . in parallel geschaltet ist.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt das jeweils eine
Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n dauerhaft auf Masse (ist
mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohin
gegen das andere Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n über
eine (beim Laden als Ladespule und beim Entladen als Entlade
spule verwendbare bzw. wirkende) Spule 2 und eine Parallel
schaltung aus einem einen Ladeschalter 3a und eine Diode 3b
enthaltenden Ladeschalterzweig und einem einen Entladeschal
ter 4a und eine Diode 4b enthaltenden Entladeschalterzweig
mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.
Die genannte Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 6
(beispielsweise einer KFZ-Batterie), einem dieser nach
geschalteten Gleichspannungswandler 7, und einem diesem nach
geschalteten, als Pufferkondensator dienenden Kondensator 8.
Durch diese Anordnung wird die Batteriespannung (beispiels
weise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleich
spannung umgesetzt und als Versorgungsspannung bereit
gestellt.
Der Ladeschalter 3a und die Diode 3b können als ein Halb
leiterschalter realisiert sein; das selbe gilt für den Ent
ladeschalter 4a und die Diode 4b.
Einer oder mehrere der durch Schließen der Auswahlschalter
11 3, 12 3 . . . 1n3 auswählbaren Piezozweige 11, 12 . . . 1n, die
Spule 2, der Ladeschalter 3a, die Diode 3b und der Kondensa
tor 8 bilden einen (über den Ladeschalter 3a öffen- und
schließbaren) Ladestromkreis; die Reihenschaltung von kapa
zitiv (Einzelelemente 11 1, 12 1, . . . 1n1; Kondensator 8) und
induktiv (Spule 2) wirkenden Elementen ermöglichen die Ver
wendung des Ladestromkreises als LC-Serienschwingkreis.
Einer oder mehrere der durch Schließen der Auswahlschalter
11 3, 12 3 . . . 1n3 auswählbaren Piezozweige 11, 12 . . . 1n, . . .
1n, die Spule 2, der Entladeschalter 4a, die Diode 4b und der
Kondensator 8 bilden einen (über den Entladeschalter 4a
öffen- und schließbaren) Entladestromkreis; die Reihen
schaltung von kapazitiv (Einzelelemente 11 1, 12 1, . . . 1n1;
Kondensator 8) und induktiv (Spule 2) wirkenden Elementen
ermöglichen die Verwendung des Entladestromkreises als LC-
Serienschwingkreis.
Das Laden der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 er
folgt durch einen (Lade-)Stromfluß im Ladestromkreis, und das
Entladen durch einen (Entlade-)Stromfluß im Entladestrom
kreis. Der Ladestromkreis und der Entladestromkreis werden
dabei als Schwingkreis betrieben.
Wenn und solange weder ein Laden noch ein Entladen der
Einzelelemente erfolgen soll, sind der Ladeschalter 3a und
der Entladeschalter 4a geöffnet. In diesem Zustand befindet
sich die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung im stationären
Zustand. D. h., die Einzelelemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 behalten
ihre Ladungszustände im wesentlichen unverändert bei, und es
fließen keine Ströme.
Das Laden wird durch das Schließen des Ladeschalters 3a ein
geleitet.
Welches bzw. welche der Einzelelemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 bei
geschlossenem Ladeschalter 3a geladen werden, wird, wie vor
stehend bereits angedeutet wurde, durch die den jeweiligen
Einzelelementen zugeordneten Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2
bestimmt; es werden jeweils all diejenigen Einzelelemente
11 1, 12 1, . . . 1n1 geladen, deren Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . .
1n2 während des Ladevorganges geschlossen sind.
Die Auswahl der zu ladenden Einzelelemente 11 1, 12 1, . . . 1n1
durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . .
1n2 und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffen
den Auswahlschalter erfolgt vorzugsweise (aber nicht zwangs
läufig) außerhalb des Ladevorganges (vor dem Schließen bzw.
nach dem Öffnen des Ladeschalters 3a).
Beim vorliegend betrachteten Beispiel werden die Einzel
elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 in aufeinanderfolgenden Lade
vorgängen einzeln geladen. Wie vorstehend jedoch bereits er
wähnt wurde, können die Einzelelemente grundsätzlich einzeln
oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge
aufeinanderfolgend geladen werden.
Wird der Ladeschalter 3a geschlossen, so beginnt im Lade
stromkreis ein das zu ladende Einzelelement ladender Lade
strom zu fließen. Die Größe und der zeitliche Verlauf dieses
Ladestroms hängt dabei im wesentlichen von dem durch das zu
ladende Einzelelement 1x1, die Spule 2 und den Kondensator 8
gebildeten LC-Reihenschwingkreis ab. Er steigt nach dem
Schließen des Ladeschalters 3a mehr oder weniger schnell bis
zu einem Maximum an und nimmt dann wieder mehr oder weniger
schnell ab; eine richtungsmäßige Umkehr des Stromflusses,
durch welche das Einzelelement wieder entladen würde, ist
durch die Diode 3b ausgeschlossen.
Das Laden beginnt und endet also mit der ersten Strom-Halb
welle der ersten Schwingkreis-Schwingung. Der Ladeschalter 3a
wird nach der selbständigen Beendigung des Ladevorganges wie
der geöffnet.
Der durch den Ladestrom zum zu ladenden Einzelelement be
wirkte Ladungstransport hat eine Zunahme der im Einzelelement
gespeicherten Ladung und damit auch eine Zunahme der sich am
Einzelelement einstellenden Spannung und der Ausdehnung des
Einzelelements zur Folge. Die Zunahme der Ausdehnung des
Einzelelements bewirkt dabei auch eine Zunahme der Ausdehnung
des gesamten piezoelektrischen Elements.
Die im Einzelelement akkumulierten Ladungen, die sich am
Einzelelement einstellende Spannung und die Ausdehnung des
Einzelelements bleiben nach dem Abschluß des Ladevorganges im
wesentlichen unverändert erhalten.
Wie stark das Einzelelement durch ein wie beschrieben erfol
gendes Laden aufgeladen wird, hängt im betrachteten Ausfüh
rungsbeispiel im wesentlichen ausschließlich von den techni
schen Daten des zu ladenden Einzelelements 1x1, der Spule 2
und des Kondensators 8 ab.
Die Induktivität der Spule 2 bestimmt dabei die maximale
Ladestromstärke und die Ladezeit, und die Kapazitäten des
Einzelelements 1x1 und des Kondensators 8 bestimmen die sich
nach dem Laden des Einzelelements an diesem einstellende
Spannung.
Die sich infolge eines wie ein beschrieben erfolgenden Ladens
am Einzelelement einstellende Spannung Upx beträgt dabei
wobei
Upx die sich am Einzelelement 1x1 einstellende Spannung,
Cpx die Kapazität des Einzelelements 1x1,
UB die Spannung am Kondensator 8, und
CB die Kapazität des Kondensators 8
bezeichnen.
Upx die sich am Einzelelement 1x1 einstellende Spannung,
Cpx die Kapazität des Einzelelements 1x1,
UB die Spannung am Kondensator 8, und
CB die Kapazität des Kondensators 8
bezeichnen.
Obgleich bei einem wie beschrieben erfolgenden Laden der
Einzelelemente während des Ladens kein Einfluß auf den Umfang
des Ladens genommen werden kann, kann das aus den Einzel
elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 bestehende piezoelektrische Ele
ment dennoch wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen gebracht
werden. Hierzu muß "nur einfach" eine entsprechende Auswahl
der zu ladenden Einzelelemente vorgenommen werden, und zwar
derart, daß die Summe der sich an den zu ladenden Einzel
elementen infolge des Ladens ergebenden Ausdehnungs-Verände
rungen die gewünschte Ausdehnungs-Veränderung des piezoelek
trischen Elements ergibt.
Die Anzahl und die Größe der Schritte, mit welchen sich das
piezoelektrische Element durch das aufeinanderfolgende Laden
der ausgewählten Einzelelemente oder Einzelelement-Gruppen
der gewünschten Ausdehnung nähert, hängt unter anderem von
der Größe der Einzelelemente oder der Anzahl der darin ent
haltenen Layer ab.
Dabei ist gegebenenfalls auch zu berücksichtigen, das die
Spannung am Kondensator 8 (die zuvor mit UB bezeichnete Span
nung) bei kurz aufeinanderfolgenden Ladevorgängen mit jedem
Laden eines Einzelelements mehr oder weniger stark abnehmen
kann, wodurch die Spannung, auf die ein Einzelelement durch
das Laden desselben gebracht wird (und damit auch die dadurch
bewirkte Änderung der Ausdehnung desselben), mit zunehmender
Anzahl von aufeinanderfolgenden Ladevorgängen geringer wird.
Um das piezoelektrische Element dennoch in gleich großen
Schritten auf die gewünschte Ausdehnung bringen zu können,
kann vorgesehen werden, die Einzelelemente unterschiedlich
groß bzw. mit unterschiedlicher Layer-Anzahl auszubilden,
wobei später geladene oder zu ladende Einzelelemente größer
sind bzw. eine größere Anzahl von Layern aufweisen als früher
geladene oder zu ladende Einzelelemente. Wie sehr sich die
Größen bzw. die Anzahl der Layer der Einzelelemente hierzu
unterscheiden müssen, hängt davon ab, ob und in welchem Um
fang sich die am Kondensator 8 einstellende Spannung von
Ladevorgang zu Ladevorgang verändert; die durch das Laden
eines Einzelelements bewirkte Ausdehnungs-Änderung desselben
ist proportional zur Anzahl der Layer desselben und der Span
nung, auf die das Einzelelement durch das Laden desselben ge
bracht wird.
Das piezoelektrische Element muß allerdings nicht in gleich
großen Schritten geladen werden. Es kann sich auch als vor
teilhaft erweisen, das piezoelektrische Element in unter
schiedlich großen Schritten auf die gewünschte Ausdehnung zu
bringen. Dadurch kann erreicht werden, daß das piezoelektri
sche Element mit einer minimalen Anzahl von Schritten auf die
gewünschte Ausdehnung gebracht wird. Auch hierbei ist jedoch
zu berücksichtigen, daß die Ausdehnungs-Änderung, die ein
Einzelelement durch das Laden desselben erfährt, von der
momentanen Spannung UB des Kondensators 8 abhängt.
Die Unterteilung des piezoelektrischen Elements in Einzel
elemente ermöglicht es nicht nur, den Umfang und den zeit
lichen Verlauf der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements
genau festzulegen. Es wird dadurch auch möglich, das piezo
elektrische Element unabhängig vom verwendeten Lade-Verfahren
mehrstufig zu laden (ein auf ein erstes Ausmaß vorgeladenes
piezoelektrische Element auf einen zweites Ausmaß weiterzula
den), was bislang zumindest beim Laden eines nicht in Einzel
elemente unterteilten piezoelektrischen Elements über einen
als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Ladestromkreis
nicht möglich war (ein solches piezoelektrisches Element
weist nämlich bereits nach der ersten Ladestufe eine Spannung
auf, die fast doppelt so hoch ist wie die die Versorgungs
spannung repräsentierende Spannung am Kondensator 8 und kann
in sich gegebenenfalls anschließenden weiteren Ladestufen
folglich nicht 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.
Darüber hinaus können aus den besagten Einzelelementen zu
sammengesetzte piezoelektrische Elemente auch dann (weiter-)
verwendet werden, wenn einzelne oder mehrere Einzelelemente
defekt oder beschädigt sind. Das piezoelektrische Element muß
"nur" mehr Einzelelemente umfassen als für den normalen Be
trieb erforderlich sind. Dann kann anstelle eines defekten
Elements eines der überzähligen Elemente verwendet werden.
Das Entladen des piezoelektrischen Elements (der Einzel
elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 desselben) wird durch das Schließen
des Entladeschalters 4a eingeleitet.
Wird der Entladeschalter 4a geschlossen, so beginnt im Ent
ladestromkreis ein das zu entladende Einzelelement 1x1 ent
ladender Entladestrom zu fließen.
Dies ist im wesentlichen der einzige Unterschied zwischen dem
Laden und dem Entladen eines Einzelelements. Ansonsten er
folgt das Entladen analog zum Laden. Insbesondere wird auch
der Entladestromkreis ebenfalls als Schwingkreis betrieben,
wodurch sich das piezoelektrische Element auch beim Entladen
wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen läßt, 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 wunsch
gemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.
Claims (13)
1. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Elements
auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß
als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von
einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzel
elementen (11 1, 12 1, . . . 1n1) zusammengesetztes piezoelektri
sches Element verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein piezoelektrisches Element verwendet wird, dessen Einzel
elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) übereinandergestapelt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einzelelemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) derart übereinander
gestapelt sind, daß die durch das Laden oder Entladen der
selben hervorgerufenen Veränderungen der Ausdehnungen der
selben im wesentlichen in dieselbe Richtung erfolgen und in
der Summe die zu beobachtende Veränderung der Ausdehnung des
piezoelektrischen Elements ergeben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11 1, 12 1, . . .
1n1) einzeln oder gruppenweise aufeinanderfolgend geladen
oder entladen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Laden oder Entladen des
piezoelektrischen Elements nur ein Teil der Einzelelemente
(11 1, 12 1, . . . 1n1) desselben geladen oder entladen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswahl der zu ladenden oder zu entladenden Einzel
elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) in Abhängigkeit davon erfolgt,
auf welche Ausdehnung das piezoelektrische Element durch das
Laden oder Entladen gebracht werden soll oder welche Ausdeh
nungs-Änderung es dabei erfahren soll.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Laden eines jeweiligen
Einzelelements (11 1, 12 1, . . . 1n1) über einen eine Spule (2)
und das betreffende Einzelelement enthaltenden Ladestromkreis
erfolgt, und daß das Entladen eines jeweiligen Einzelelements
(11 1, 12 1, . . . 1n1) über einen die Spule (2) und das betref
fende Einzelelement enthaltenden Entladestromkreis erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ladestromkreis und der Entladestromkreis während des
Ladens bzw. Entladens als Schwingkreis betrieben werden, und
zwar derart, daß das Laden bzw. Entladen durch die erste
Strom-Halbwelle der ersten Schwingkreis-Schwingung bewirkt
wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) zum Laden bzw.
Entladen aller zu ladenden bzw. zu entladenden Einzelelemente
(11 1, 12 1, . . . 1n1) des piezoelektrischen Elements verwendet
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das oder die Einzelelemente (11 1, 12 1, . . . 1n1), die während
eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges geladen bzw.
entladen werden sollen, über zugeordnete Auswahlschalter
(11 2, 12 2, . . . 1n2) ausgewählt werden.
11. Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements
auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß
diese dazu ausgelegt ist, ein piezoelektrisches Element zu
laden, das aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise
ladbaren und entladbaren Einzelelementen (11 1, 12 1, . . . 1n1)
zusammengesetzt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß diese dazu ausgelegt ist, das Laden oder Entladen einer
frei festlegbaren Anzahl von Einzelelementen (11 1, 12 1, . . .
1n1) des piezoelektrischen Elements zu bewerkstelligen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß diese dazu ausgelegt ist, die zu ladenden oder
zu entladenden Einzelelemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) in einer
frei festlegbaren Reihenfolge zu laden oder zu entladen.
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JP11173151A JP2000029528A (ja) | 1998-06-18 | 1999-06-18 | 所望の通りに伸長するように圧電素子を制御するための方法及び装置 |
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1998
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1999
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