DE102012005994A1

DE102012005994A1 - Piezoelectric drive for piezo valve, has compensation resistor whose size is chosen such that static mechanical state of piezo element is adjusted with time constant size of power supply voltage levels of control stage

Info

Publication number: DE102012005994A1
Application number: DE201210005994
Authority: DE
Inventors: Tobias Dreher; Ralf Tautenhahn; Maik Fuchs
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: DE102012005994B4

Abstract

The drive has a control stage coupling first- and second power supply voltage levels as a control signal for operating a piezo element (PA) at first- and second nodes (P1, P2). A compensation resistor is coupled between a third node and the first or second power supply voltage level of the control stage. A size of the compensation resistor i.e. adjustable resistor, is chosen such that a static mechanical state of the piezo element is adjusted with a time constant size of the power supply voltage levels. An independent claim is also included for a method for operating a piezoelectric drive.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Antrieb für ein Ventil, welcher ein Piezoelement und eine Steuerstufe zur Bereitstellung eines Steuersignals zum Betrieb des Piezoelements umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Piezoventil mit einem solchen Antrieb. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb und zur Herstellung eines Piezoventils.The invention relates to a piezoelectric drive for a valve, which comprises a piezoelectric element and a control stage for providing a control signal for operating the piezoelectric element. Moreover, the invention relates to a piezoelectric valve with such a drive. The invention further relates to a method for operating and for producing a piezoelectric valve.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Piezoelektrische Elemente, welche allgemein auch als Piezoelemente oder Piezoaktoren bezeichnet werden, finden sich als Stellglieder oder Steller in einer Vielzahl von verschiedenen piezoelektrisch angetriebenen Ventilen. Ein Piezoelement wandelt elektrische Feldenergie, welche durch eine an das Piezoelement angelegte elektrische Spannung erzeugt wird, direkt in mechanische Bewegung um. Typischerweise tritt eine Längenänderung oder Scherung auf, die auf kristallinen Festkörpereffekten beruht und daher nahezu verschleißfrei ist. Piezoelektrische Stellglieder weisen eine hohe Auflösung auf, welche grundsätzlich nicht durch reibende mechanische Teile begrenzt ist. Die sehr schnellen Ansprechzeiten von lediglich wenigen Mikrosekunden ermöglichen hohe Beschleunigungen und schnelle Stellvorgänge. Außerdem sind Piezoelemente unabhängig vom Einfluss äußerer Magnetfelder und benötigen im statischen Betrieb lediglich eine sehr geringe Energie. Außerdem können Piezoelemente und die entsprechenden piezoelektrisch angetriebenen Ventile unter Vakuum- und Reinraumbedingungen sowie gegebenenfalls auch bei kryogenen Temperaturen betrieben werden.Piezoelectric elements, which are also commonly referred to as piezo elements or piezo actuators, are found as actuators or actuators in a variety of different piezoelectrically driven valves. A piezoelectric element converts electric field energy, which is generated by an electrical voltage applied to the piezoelectric element, directly into mechanical movement. Typically, a change in length or shear occurs that is due to crystalline solid state effects and therefore is almost free of wear. Piezoelectric actuators have a high resolution, which is not limited in principle by rubbing mechanical parts. The very fast response times of just a few microseconds enable high accelerations and fast positioning. In addition, piezo elements are independent of the influence of external magnetic fields and require only a very low energy in static operation. In addition, piezoelectric elements and the corresponding piezoelectrically driven valves can be operated under vacuum and clean room conditions and optionally also at cryogenic temperatures.

Die Auslenkung eines Piezoelements kann in erster Näherung als proportional zur angelegten Spannung betrachtet werden. Aufgrund kristalliner Polarisationseffekte und molekularer Reibung kommt es jedoch zu einer Hysterese der Auslenkung im spannungsgesteuerten Betrieb. Die gleichen Materialeigenschaften der Piezokeramik erzeugen ein Kriechverhalten des Piezoelements. Kriechen beschreibt in diesem Zusammenhang die Änderung der Auslenkung des Piezoelements über der Zeit bei unveränderter Steuerspannung.The deflection of a piezoelectric element can be considered as a first approximation proportional to the applied voltage. Due to crystalline polarization effects and molecular friction, however, there is a hysteresis of the deflection in the voltage-controlled operation. The same material properties of the piezoceramic produce a creep behavior of the piezoelectric element. Creep describes in this context, the change in the deflection of the piezoelectric element over time with unchanged control voltage.

Um die Hysterese eines Piezoelements zu reduzieren, kann eine sog. Ladungssteuerung erfolgen. Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung der an einem Piezoelement vorhandenen Ladung bekannt. Ein Beispiel ist die Integration des dem Piezoelements zugeführten Stroms. Durch die Integration der Messgrößen kommt es jedoch auch zu einem Aufsummieren der Messfehler.In order to reduce the hysteresis of a piezoelectric element, a so-called charge control can take place. There are various possibilities for controlling the charge present on a piezoelectric element known. An example is the integration of the current supplied to the piezoelectric element. By integrating the measured variables, however, there is also a summation of the measurement errors.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Referenzkapazität in Reihe mit dem Piezoelement zu schalten. Die Ladungssteuerung eines Piezoelements arbeitet fehlerfrei, solange keine Leckströme an einem Knoten zwischen der Referenzkapazität und dem Piezoelement vorhanden sind. In der Praxis sind solche Effekte jedoch praktisch nicht zu vermeiden.Another possibility is to connect a reference capacitance in series with the piezoelectric element. The charge control of a piezoelectric element operates error-free, as long as no leakage currents are present at a node between the reference capacitance and the piezoelectric element. In practice, however, such effects are practically unavoidable.

Eine Schaltung, welche sich diesem technischen Problem bei einem dynamischen, periodischen Betrieb eines Piezoelements, z. B. in einer Einspritzdüse, zuwendet, geht aus der DE 10 2005 042 107 A1 hervor. In der gezeigten Schaltung wird ein Verbindungsknoten zwischen dem Piezoelement und dem Referenzkondensator in regelmäßigen Abständen auf Massepotential gezogen. So kann eine an dem Knoten auftretende Drift messtechnisch kompensiert werden. Der Proportionalitätsfaktor zur Berechnung der an dem Piezoelement vorhandenen Ladung wird durch diese Maßnahme zurückgesetzt und die Regelung des Piezoelements wird neu initialisiert. Ein solcher Ansatz ist jedoch offensichtlich nur für einen periodischen Betrieb des Piezoelements geeignet, bei dem in regelmäßigen Abständen eine Initialisierung durchgeführt werden kann. Für einen aperiodischen Betrieb mit längeren Anzugzeiten ist die gezeigte Schaltung nicht geeignet. Außerdem können bei der gezeigten Schaltung große und gegebenenfalls negative elektrische Spannungen an dem Piezoelement und/oder der Referenzkapazität auftreten, die nicht immer zulässig sind.A circuit which addresses this technical problem in a dynamic, periodic operation of a piezoelectric element, for. B. in an injection nozzle, turns, goes out of the DE 10 2005 042 107 A1 out. In the circuit shown, a connection node between the piezoelectric element and the reference capacitor is pulled to ground potential at regular intervals. Thus, a drift occurring at the node can be compensated metrologically. The proportionality factor for calculating the charge present on the piezoelectric element is reset by this measure, and the regulation of the piezoelectric element is reinitialized. However, such an approach is obviously only suitable for a periodic operation of the piezoelectric element, in which an initialization can be carried out at regular intervals. For aperiodic operation with longer tightening times, the circuit shown is not suitable. In addition, in the circuit shown, large and possibly negative electrical voltages to the piezoelectric element and / or the reference capacitance may occur, which are not always permissible.

Um ein Piezoelement vor negativen elektrischen Spannungen zu schützen, schlägt die US 7,015,621 B2 eine Schaltung vor, bei der eine Diode parallel zu dem Piezoelement geschaltet ist.To protect a piezo element from negative electrical voltages, the US 7,015,621 B2 a circuit in which a diode is connected in parallel to the piezoelectric element.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen piezoelektrischen Antrieb für ein Ventil, ein Piezoventil mit einem solchen Antrieb sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoventils anzugeben, wobei ein von dem piezoelektrischen Antrieb bzw. dem Piezoventil umfasstes Piezoelement ein verbessertes proportionales Auslenkverhalten bei aperiodischer Ansteuerung, aufweist.It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator for a valve, a piezoelectric valve with such a drive and a method for producing a piezoelectric valve, wherein a piezoelectric element encompassed by the piezoelectric actuator or the piezoelectric valve has an improved proportional deflection behavior during aperiodic control ,

Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein piezoelektrischer Antrieb für ein Ventil angegeben, welches ein Piezoelement und eine Steuerstufe zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Betreiben des Piezoelements umfasst. Bevorzugt ist der piezoelektrische Antrieb dazu ausgelegt, das Piezoelement mit einer Frequenz zu schalten, welche unterhalb der Eigenfrequenz des Piezoelements liegt. Außerdem ist der piezoelektrische Antrieb bevorzugt für einen aperiodischen Betrieb des Piezoelementes ausgelegt. Unter einem aperiodischen Betrieb ist beispielsweise ein Betriebsmodus zu verstehen, wie er bei bedarfsgesteuerten Ventilen auftritt. Die Schaltvorgänge und Anzugzeiten eines aperiodisch arbeitenden Ventils sind gerade nicht in schneller zeitlicher Folge zyklisch, so wie beispielsweise bei piezogesteuerten Einspritzventilen. Gemäß der Ausführungsform ist eine Referenzkapazität mit dem Piezoelement in Reihe geschaltet. Ein Abgriff der über dieser Referenzkapazität abfallenden Spannung erlaubt bei dem piezoelektrischen Antrieb gemäß der Ausführungsform die ansonsten allgemein bekannte Ladungssteuerung des Piezoelements. Ein erster Knoten ist mit einer ersten Seite des Piezoelements gekoppelt, ein zweiter Knoten ist mit einer zweiten Seite der Referenzkapazität gekoppelt. Eine zweite Seite des Piezoelements und eine erste Seite der Referenzkapazität sind an einem dritten Knoten gekoppelt, welcher zwischen dem in Reihe geschalteten Piezoelement und der Referenzkapazität liegt. Erfolgt eine Ladungssteuerung des Piezoelements, so wird die über der Referenzkapazität abfallende Spannung mit einer geeigneten Messbeschaltung erfasst und der Messwert beispielweise mit Hilfe eines Mikrokontrollers ausgewertet. Der Mikrokontroller steuert die Steuerstufe, welche dazu eingerichtet ist, einen entsprechenden ersten und einen zweiten Versorgungsspannungspegel als Steuersignal zum Betreiben des Piezoelements an den ersten und zweiten Knoten zu koppeln. Der piezoelektrische Antrieb gemäß der Ausführungsform umfasst einen Kompensationswiderstand, der zwischen den dritten Knoten und den ersten oder zweiten Versorgungsspannungspegel der Steuerstufe gekoppelt ist.According to a first embodiment, a piezoelectric drive for a valve is specified, which comprises a piezoelectric element and a control stage for providing a control signal for operating the piezoelectric element. Preferably, the piezoelectric drive is designed to switch the piezoelectric element with a frequency which is below the natural frequency of the piezoelectric element. In addition, the piezoelectric drive is preferred for aperiodic operation of the piezoelectric element designed. An aperiodic operation means, for example, an operating mode as it occurs in demand-controlled valves. The switching operations and tightening times of an aperiodically operating valve are currently not cyclical in quick time sequence, as for example in piezo-controlled injection valves. According to the embodiment, a reference capacitance is connected in series with the piezoelectric element. A tap of the voltage dropping above this reference capacitance permits the otherwise generally known charge control of the piezoelectric element in the case of the piezoelectric drive according to the embodiment. A first node is coupled to a first side of the piezo element, a second node is coupled to a second side of the reference capacitance. A second side of the piezoelectric element and a first side of the reference capacitance are coupled to a third node which lies between the series-connected piezoelectric element and the reference capacitance. If a charge control of the piezoelectric element takes place, then the voltage dropping above the reference capacitance is detected with a suitable measuring circuit and the measured value is evaluated, for example, with the aid of a microcontroller. The microcontroller controls the control stage, which is configured to couple a respective first and second supply voltage level as a control signal for operating the piezoelectric element to the first and second nodes. The piezoelectric actuator according to the embodiment includes a compensation resistor coupled between the third node and the first or second supply voltage level of the control stage.

Mit anderen Worten ist, gemäß einer Ausführungsform, der Kompensationswiderstand parallel zu dem Piezoelement zwischen den ersten Versorgungsspannungspegel und dem dritten Knoten gekoppelt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Kompensationswiderstand parallel zu der Referenzkapazität zwischen den zweiten Versorgungsspannungspegel und dem dritten Knoten gekoppelt.In other words, in one embodiment, the compensation resistor is coupled in parallel with the piezoelectric element between the first supply voltage level and the third node. According to an alternative embodiment, the compensation resistor is coupled in parallel with the reference capacitance between the second supply voltage level and the third node.

Für alle bisher genannten Ausführungsformen gilt, dass eine Größe des Kompensationswiderstands so gewählt ist, dass bei zeitlich konstanter Größe des ersten und zweiten Versorgungsspannungspegels, mit anderen Worten also während eines statischen Betriebszustands, sich ein statischer mechanischer Zustand des Piezoelements einstellt. Unter einem statischen mechanischen Zustand ist im Kontext dieser Beschreibung ein Zustand des Piezoelements zu verstehen, in dem eine Änderung der Auslenkung des Piezoelements nahezu oder identisch Null ist. Handelt es sich bei dem Piezoelement beispielsweise um ein Stapelelement, welches als Translator wirkt, und bei sich ändernder Arbeitsspannung eine Längenänderung ΔL zeigt, so ist ein statischer mechanischer Zustand erreicht, wenn die Längenänderung ΔL = 0 ist oder unterhalb eines Grenzwertes liegt, so dass mit für die Praxis ausreichender Genauigkeit von einem statischen mechanischen Zustand gesprochen werden kann.For all embodiments mentioned so far, a size of the compensation resistor is chosen such that, given a constant magnitude of the first and second supply voltage levels, in other words during a static operating state, a static mechanical state of the piezoelement is established. In the context of this description, a static mechanical state is to be understood as meaning a state of the piezoelectric element in which a change in the deflection of the piezoelectric element is virtually or identical to zero. If the piezoelectric element is, for example, a stacking element which acts as a translator and a change in length ΔL occurs with changing operating voltage, a static mechanical state is achieved if the change in length ΔL = 0 or is below a limit value, so that for the practice of sufficient accuracy of a static mechanical state can be spoken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Größe des Kompensationswiderstands so gewählt, dass eine Summe der an dem dritten Knoten fließenden Ströme, welche eine elektrische Drift zwischen dem ersten und dritten Knoten verursachen, durch einen durch den Kompensationswiderstand fließenden Kompensationsstrom unter einen vorgegebenen Grenzwert verringert wird. Dieser Grenzwert kann anhand der angestrebten charakteristischen Parameter des piezoelektrischen Antriebs gewählt werden. Die an dem dritten Knoten auftretende elektrische Drift ist unter anderem durch die an dem Piezoelement und/oder der Referenzkapazität auftretenden Leckströme verursacht. Ausgehend von diesen Größen kann beispielsweise die Größe des Kompensationswiderstandes unter Berücksichtigung der angestrebten Genauigkeit des Antriebs berechnet oder auch anhand von Messungen bestimmt werden. Die genannte Ausführungsform ist insbesondere im Hinblick auf eine Ladungssteuerung des Piezoelementes vorteilhaft. Bei der Ladungssteuerung wird ein Spannungsabfall über dem Referenzkondensator gemessen und der erfasste Messwert typischerweise von einem Mikrokontroller verarbeitet. Dieser steuert die Steuerstufe, welche wiederum einen entsprechenden ersten und zweiten Spannungspegel an den ersten und zweiten Knoten anlegt. Eine Spannungssteuerung arbeitet jedoch nur dann hinreichend genau, wenn keine oder nur eine zu vernachlässigende Drift zwischen dem ersten und dritten Knoten auftritt. Gemäß der Ausführungsform wird genau diese elektrische Drift deutlich verringert oder gar beseitigt, so dass die Genauigkeit der bevorzugt eingesetzten Ladungssteuerung deutlich verbessert werden kann.According to a further embodiment, the magnitude of the compensation resistor is selected such that a sum of the currents flowing at the third node causing an electrical drift between the first and third nodes is reduced below a predetermined limit by a compensation current flowing through the compensation resistor. This limit value can be selected based on the desired characteristic parameters of the piezoelectric drive. The electrical drift occurring at the third node is caused inter alia by the leakage currents occurring at the piezoelement and / or the reference capacitance. Based on these variables, for example, the size of the compensation resistor can be calculated taking into account the desired accuracy of the drive or can be determined based on measurements. The named embodiment is particularly advantageous with regard to a charge control of the piezoelectric element. During charge control, a voltage drop across the reference capacitor is measured and the detected measured value is typically processed by a microcontroller. This controls the control stage, which in turn applies a respective first and second voltage level to the first and second nodes. However, a voltage control operates only with sufficient accuracy if no or only negligible drift occurs between the first and third nodes. According to the embodiment, precisely this electrical drift is significantly reduced or even eliminated, so that the accuracy of the preferred charge control can be significantly improved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Größe des Kompensationswiderstands so gewählt, dass über dem Kompensationswiderstand ein Kompensationsstrom von oder zu dem dritten Knoten zu- bzw. abfließt, so dass sich eine gezielt gewählte elektrische Drift zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten einstellt. Diese elektrische Drift wird nun gerade so groß gewählt, dass sie einer mechanischen Kriechen des Piezoelements entgegenwirkt und dieses weitgehend kompensiert.According to a further embodiment, the size of the compensation resistor is chosen so that above the compensation resistor, a compensation current flows to or from the third node, so that a specifically selected electrical drift is established between the first node and the third node. This electrical drift is now chosen to be just so large that it counteracts a mechanical creep of the piezoelectric element and this largely compensated.

Vorteilhaft kann mit Hilfe des piezoelektrischen Antriebs gemäß der vorstehenden Ausführungsformen ein zur angelegten Spannung proportionales Auslenkverhalten des Piezoelements erreicht werden. Durch Einsatz des Kompensationswiderstandes kann sowohl die elektrische Drift als auch das mechanische Kriechen des Piezoelements minimiert werden. Anhand praxisnaher Versuchsaufbauten wurde herausgefunden, dass sich die elektrische Drift und das mechanische Kriechen des Piezoelements zumindest teilweise kompensieren. Durch eine funktionsorientierte Optimierung mit dem Ziel, eine möglichst geringe Auslenkung (z. B. Längenänderung ΔL) über der Zeit bei konstanter Spannung an dem Piezoelement zu erreichen, kann die passende Größe des Kompensationswiderstandes gefunden werden. Um einem mechanischen Kriechen bzw. einer mechanischen Drift des Piezoelements entgegenzuwirken, kann in diesem Zusammenhang eine gezielte elektrische Drift zwischen dem ersten und dritten Knoten akzeptiert bzw. bewusst eingestellt werden.Advantageously, with the aid of the piezoelectric drive according to the above embodiments, a deflection behavior of the piezoelectric element that is proportional to the applied voltage can be achieved. By using the compensation resistor, both the electrical drift and the mechanical creep of the piezoelectric element can be minimized. On the basis of practical experimental setups it was found out that the electric Drift and the mechanical creep of the piezoelectric element at least partially compensate. By means of a function-oriented optimization with the aim of achieving as small a deflection as possible (eg length change ΔL) over time at a constant voltage at the piezo element, the suitable size of the compensation resistor can be found. In order to counteract a mechanical creep or a mechanical drift of the piezoelectric element, a targeted electrical drift between the first and third nodes can be accepted or deliberately set in this context.

Der piezoelektrische Antrieb gemäß einer oder mehrerer der vorstehend genannten Ausführungsformen vermag ein lineares Aktorverhalten auch bei aperiodischer Ansteuerung des Piezoelementes zur Verfügung zu stellen, wobei auf eine technisch aufwendige, aktiv rückgekoppelte Regelung vorteilhaft verzichtet werden kann. Im Gegensatz zu diesen schaltungs- und regelungstechnisch aufwendigen Lösungen wird bei dem piezoelektrischen Antrieb gemäß den vorstehenden Ausführungsformen eine passive Kompensation der elektrischen Drift und des mechanischen Kriechens realisiert. Diese technische Lösung vermag somit gleich zwei störende Effekte, welche insbesondere die Stellung eines Piezoventil unerwünscht beeinflussen können, zu verringern oder gar zu beseitigen, wobei gleichzeitig eine erhebliche Vereinfachung der Steuerelektronik des piezoelektrischen Antriebs erreicht wird. Somit bietet dieser gegenüber bekannten Lösungen mit ähnlicher Leistung einen deutlichen Kostenvorteil.The piezoelectric drive according to one or more of the abovementioned embodiments is able to provide a linear actuator behavior even in the case of aperiodic control of the piezoelectric element, it being possible to advantageously dispense with a technically complex, actively fed-back control. In contrast to these switching and control technically complex solutions, a passive compensation of the electrical drift and the mechanical creep is realized in the piezoelectric drive according to the above embodiments. This technical solution is thus able to reduce or eliminate even two disturbing effects, which in particular can undesirably influence the position of a piezoelectric valve, at the same time achieving a considerable simplification of the control electronics of the piezoelectric drive. Thus, this offers a significant cost advantage over known solutions with similar performance.

Gemäß einer weiteren und bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kompensationswiderstand um einen einstellbaren elektrischen Widerstand. Der Kompensationswiderstand kann aus einer Reihenschaltung eines konstanten und eines einstellbaren Widerstands aufgebaut sein. Ein einstellbarer elektrischer Kompensationswiderstand erlaubt eine einfache Justierung der Größe dieses Kompensationswiderstands beispielsweise während eines Verfahrens zur Herstellung eines Piezoventils mit einem Piezoelement als Antriebselement und einem piezoelektrischen Antrieb gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen.According to a further and preferred embodiment, the compensation resistor is an adjustable electrical resistance. The compensation resistor can be constructed from a series connection of a constant and an adjustable resistor. An adjustable electrical compensation resistor allows a simple adjustment of the size of this compensation resistor, for example during a process for producing a piezoelectric valve with a piezoelectric element as a drive element and a piezoelectric drive according to one of the preceding embodiments.

Ein piezoelektrischer Antrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Messbeschaltung zur Erfassung einer über dem Piezoelement zwischen dem ersten und dritten Knoten abfallenden Spannung. Außerdem kann mit der Messbeschaltung eine Auswerteeinheit gekoppelt sein, welche zur Ermittlung zumindest eines Betriebsparameters des piezoelektrischen Antriebs auf der Basis der von der Messbeschaltung erfassten Messwerte für den Spannungsabfall zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten ausgelegt ist. Vorteilhaft können bei einem solchen piezoelektrischen Antrieb weitere Betriebsparameter wie z. B. die auf das Piezoelement wirkende Kraft oder die Temperatur des Piezoelements erfasst werden. Die Bestimmung solcher Betriebsparameter wird möglich, da in dem piezoelektrischen Antrieb gemäß einer oder mehrerer der genannten Ausführungsformen die elektrische Drift zwischen dem ersten und dritten Knoten durch den Kompensationswiderstand stark verringert oder beseitigt ist.A piezoelectric drive according to a further embodiment comprises a measuring circuit for detecting a voltage drop across the piezoelectric element between the first and third nodes. In addition, an evaluation unit can be coupled to the measurement circuit, which is designed to determine at least one operating parameter of the piezoelectric drive on the basis of the measurement values for the voltage drop between the first node and the third node detected by the measurement circuit. Advantageously, in such a piezoelectric drive further operating parameters such. B. the force acting on the piezoelectric element or the temperature of the piezoelectric element are detected. The determination of such operating parameters becomes possible because in the piezoelectric drive according to one or more of the mentioned embodiments, the electrical drift between the first and third nodes is greatly reduced or eliminated by the compensation resistor.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Piezoventil mit einem piezoelektrischen Antrieb nach einer oder mehrerer der genannten Ausführungsformen sowie ein Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Antriebs bzw. eines solchen Piezoventils angegeben. Das Piezoelement wird in einem aperiodischen Betriebsmodus angesteuert. Bevorzugt wird das Piezoelement außerdem mit einer Frequenz geschaltet, welche unterhalb seiner Eigenfrequenz liegt. Während einer Anzugphase koppelt die Steuerstufe einen konstanten ersten und zweiten Versorgungsspannungspegel als Steuersignal an den ersten und zweiten Knoten. Während der Anzugphase des Piezoventils wird dem dritten Knoten über den Kompensationswiderstand ein Kompensationsstrom zugeführt oder von diesem abgeführt. Die Größe des Kompensationsstroms Ist so gewählt, dass sich ein statischer mechanischer Zustand des Piezoelements einstellt.According to a further aspect of the invention, a piezoelectric valve with a piezoelectric drive according to one or more of the mentioned embodiments and a method for operating a piezoelectric drive or such a piezoelectric valve are specified. The piezo element is driven in an aperiodic operating mode. Preferably, the piezoelectric element is also connected with a frequency which is below its natural frequency. During a pull-in phase, the control stage couples a constant first and second supply voltage level as a control signal to the first and second nodes. During the tightening phase of the piezo valve, a compensation current is supplied to or removed from the third node via the compensation resistor. The size of the compensation current is chosen so that sets a static mechanical state of the piezoelectric element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Betrieb des piezoelektrischen Antriebs eine über dem Piezoelement zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten abfallenden Spannung mit Hilfe einer Messbeschaltung erfasst. Auf der Basis der erfassten Messwerte für den Spannungsabfall zwischen dem ersten und dritten Knoten kann zumindest ein Betriebsparameter des piezoelektrischen Antriebs ermittelt werden.According to a further embodiment, during operation of the piezoelectric drive, a voltage drop across the piezoelectric element between the first node and the third node is detected with the aid of a measuring circuit. On the basis of the detected measured values for the voltage drop between the first and third nodes, at least one operating parameter of the piezoelectric drive can be determined.

Gleiche oder ähnliche Vorteile, welche bereits im Hinblick auf den piezoelektrischen Antrieb erwähnt wurden, treffen ebenso für das Piezoventil und das Verfahren zum Betrieb dieses Piezoventils bzw. des piezoelektrischen Antriebs zu.Same or similar advantages, which have already been mentioned with regard to the piezoelectric drive, also apply to the piezo valve and the method for operating this piezo valve or the piezoelectric drive.

Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eine piezoelektrischen Antriebs, welches in gleicher Weise auf die Herstellung eines Piezoventils anwendbar ist, angegeben. Bei diesem Verfahren wird zunächst die Steuerstufe, welche beispielsweise mit einem Mikrokontroller angesteuert oder durch diesen geregelt sein kann, so angesteuert, dass ein konstanter erster und zweiter Versorgungsspannungspegel an dem ersten und zweiten Knoten anliegt. Mit anderen Worten wird eine konstante Steuerspannung an das Piezoelement angelegt, um einen statischen Zustand des Piezoventils zu erreichen. Aufgrund der elektrischen Drift und des mechanischen Kriechens handelt es sich bei diesem „statischen” Zustand, was die Auslenkung des Piezoelements angeht, jedoch nicht wirklich um einen statischen Zustand. Aus diesem Grund wird anschließend eine Größe des Kompensationswiderstands so einjustiert, dass eine zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten auftretende elektrische Drift, welche unter anderem durch die an dem Piezoelement, der Referenzkapazität und einer angeschlossenen Messbeschaltung auftretenden Leckströme bedingt ist, unter einen vorgegebenen Grenzwert verringert wird. Die auf diese Weise ermittelte Größe des Kompensationswiderstands wird als konstanter Betriebsparameter des piezoelektrischen Antriebs bzw. des Piezoventils festgelegt. Eine solche Festlegung kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein Kompensationswiderstand passender Größe in den piezoelektrischen Antrieb fest eingelötet wird. Bevorzugt wird jedoch eine Kombination aus einem festen Widerstand und einem seiner Größe nach einstellbaren Widerstand verwendet. Für den Betrieb des Piezoventils wird der einstellbare Widerstand auf den ermittelten Wert fest eingestellt.According to a further aspect of the invention, a method of manufacturing a piezoelectric actuator which is equally applicable to the manufacture of a piezoelectric valve is given. In this method, first of all the control stage, which may be controlled by a microcontroller or controlled by it, for example, is driven so that a constant first and second supply voltage level is applied to the first and second nodes. In other words, a constant control voltage is applied to the piezoelectric element in order to achieve a static state of the piezoelectric valve. Due to the electrical drift and mechanical creep are in this "static" state as far as the deflection of the piezoelectric element is concerned, but not really a static state. For this reason, a size of the compensation resistor is then adjusted so that an electrical drift occurring between the first node and the third node, which is caused inter alia by the leakage currents occurring at the piezoelement, the reference capacitance and a connected measurement circuit, falls below a predetermined limit value is reduced. The size of the compensation resistor determined in this way is defined as a constant operating parameter of the piezoelectric drive or the piezoelectric valve. Such a determination can be done, for example, by soldering a compensation resistor of suitable size into the piezoelectric drive. Preferably, however, a combination of a fixed resistor and a variable resistor is used. For operation of the piezo valve, the adjustable resistance is set to the determined value.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird nach Anlegen der konstanten Steuerspannung an das Piezoelement eine Größe des Kompensationswiderstands so einjustiert, dass zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten eine gezielte elektrische Drift auftritt. Diese gezielte elektrische Drift wird gerade so eingestellt, dass sie einem mechanischen Kriechen des Piezoelements entgegenwirkt. Die auf diese Weise ermittelte Größe des Kompensationswiderstands wird für den anschließenden Betrieb des piezoelektrischen Antriebs bzw. des Piezoventils als ein konstanter Betriebsparameter festgelegt.According to a further aspect of the invention, after applying the constant control voltage to the piezoelectric element, a size of the compensation resistor is adjusted so that a targeted electrical drift occurs between the first node and the third node. This targeted electrical drift is being adjusted to counteract mechanical creep of the piezo element. The size of the compensation resistor determined in this way is defined as a constant operating parameter for the subsequent operation of the piezoelectric drive or of the piezoelectric valve.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Antriebs bzw. eines Piezoventils wird gemäß einer Ausführungsform eine funktionsorientierte Optimierung durchgeführt. Die Größe des Kompensationswiderstandes wird so eingestellt, dass bei einem Versorgungsspannungspegel konstanter Größe die Auslenkung des Piezoelementes möglichst gering ist. Diese Einstellung des Kompensationswiderstandes kann beispielsweise im Rahmen der Endkontrolle bei der Herstellung durchgeführt werden.In the method for producing a piezoelectric drive or a piezo valve, a function-oriented optimization is carried out according to one embodiment. The size of the compensation resistor is adjusted so that at a supply voltage level of constant size, the deflection of the piezoelectric element is minimized. This adjustment of the compensation resistor can be carried out, for example, during the final inspection during production.

Es konnte anhand praxisnaher Untersuchungen herausgefunden werden, dass eine gleichzeitige Kompensation der elektrischen Drift und des mechanischen Kriechens mit Hilfe eines konstant eingestellten Kompensationswiderstandes realisierbar ist. Bei dem mechanischen Kriechen handelt es sich um eine intrinsische Eigenschaft der Piezokeramik. Die elektrische Drift überlagert den Effekt des mechanischen Kriechens. Die sich driftbedingt ändernde Spannung an dem Piezoelement führt zu einer zusätzlichen Änderung der Auslenkung. Sowohl die elektrische Drift als auch das mechanische Kriechen folgen theoretisch einem logarithmischen Verlauf über der Zeit. Ebenfalls rein theoretisch überlagert der logarithmische Verlauf der elektrischen Drift den logarithmischen Verlauf des mechanischen Kriechens, wobei sich beide Effekte teilweise kompensieren. Praktische Versuche haben gezeigt, dass sich nach kurzer anfänglicher Drift ein Gleichgewichtszustand einstellt, in dem die auftretende Drift der Auslenkung des Piezoelements effektiv durch den eingefügten Kompensationswiderstand kompensiert werden kann.On the basis of practical investigations, it was found that a simultaneous compensation of the electrical drift and the mechanical creep can be realized with the aid of a constantly set compensation resistance. The mechanical creep is an intrinsic property of the piezoceramic. The electric drift superimposes the effect of mechanical creep. The drift conditionally changing voltage at the piezoelectric element leads to an additional change in the deflection. Both the electrical drift and the mechanical creep theoretically follow a logarithmic course over time. Also purely theoretically, the logarithmic course of the electrical drift overlays the logarithmic course of the mechanical creep, with both effects partially compensating each other. Practical tests have shown that, after a short initial drift, a state of equilibrium is established in which the occurring drift of the deflection of the piezoelectric element can be effectively compensated by the inserted compensation resistor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt/zeigen:Further advantageous aspects of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings. In the drawings:

1 eine Reihenschaltung aus einem Piezoelement und einem Referenzkondensator zur Erläuterung einer ladungsabhängigen Steuerung eines Piezoelements, 1 a series connection of a piezoelectric element and a reference capacitor for explaining a charge-dependent control of a piezoelectric element,

2 ein vereinfachtes Schaltbild der Beschaltung eines Piezoelementes und einer Referenzkapazität zur Erfassung der zum Betrieb eines Piezoelements notwendigen Parameter gemäß dem Stand der Technik, 2 a simplified circuit diagram of the wiring of a piezoelectric element and a reference capacitance for detecting the necessary parameters for operating a piezoelectric element according to the prior art,

3a) bis c) an der Beschaltung aufgenommene beispielhafte Messkurven für einen Sollwert (3a), eine Aktorspannung (3b) und eine Auslenkung des Piezoaktors (3c), 3a) to c) exemplary measurement curves recorded on the wiring for a desired value ( 3a ), an actuator voltage ( 3b ) and a deflection of the piezoelectric actuator ( 3c )

4 und 5 eine Detailansicht eines vereinfachten Schaltbildes eines piezoelektrischen Antriebes gemäß zweier Ausführungsbeispiele, 4 and 5 a detailed view of a simplified circuit diagram of a piezoelectric actuator according to two embodiments,

6 und 7 Messergebnisse für die zeitabhängige Aktorspannung und die zeitabhängige Auslenkung eines Piezoelementes in einem piezoelektrischen Antrieb gemäß einem der Ausführungsbeispiele in 4 oder 5, 6 and 7 Measurement results for the time-dependent actuator voltage and the time-dependent deflection of a piezoelectric element in a piezoelectric drive according to one of the embodiments in 4 or 5 .

8 ein weiteres vereinfachtes Schaltbild eines piezoelektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei eine Dimensionierung des Kompensationswiderstandes erläutert wird, und 8th a further simplified circuit diagram of a piezoelectric actuator according to an embodiment, wherein a dimensioning of the compensation resistor is explained, and

9 eine vereinfachte Schnittansicht eines Piezoventils gemäß einem Ausführungsbeispiel. 9 a simplified sectional view of a piezoelectric valve according to an embodiment.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild, in dem ein Piezoelement PA und eine Referenzkapazität REF in Reihe geschaltet sind. Wird zwischen einem ersten Knoten P1, welcher an die eine erste Seite des Piezoelements PA gekoppelt ist, und einem gegenüberliegenden zweiten Knoten P2, welcher an eine zweite Seite der Referenzkapazität REF gekoppelt ist, beispielsweise mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuerstufe eine Klemmspannung UGES angelegt, so verteilt sich die Ladung gleichmäßig zwischen dem Piezoelement PA und der Referenzkapazität REF. Mit anderen Worten gilt also QPA = QREF. Entsprechend des bekannten Zusammenhanges gilt QREF = CREF·UREF und QPA = CPA·UPA, wobei CREF und CPA die Kapazitäten des Piezoelements PA bzw. die Kapazität der Referenzkapazität REF sind. UREF bzw. UPA ist die über der Referenzkapazität REF bzw. dem Piezoelement PA abfallende Spannung. Aus diesem Zusammenhang ergibt CPA = CREF·UREF/UPA und weiterhin QPA = CREF·UREF. Folglich kann durch Messung von UREF die Ladung QPA an dem Piezoelement PA über den Proportionalitätsfaktor CREF gemessen werden. Dies ermöglicht eine Ladungssteuerung des Piezoelements PA. 1 shows a simplified circuit diagram in which a piezoelectric element PA and a reference capacitance REF are connected in series. Is between a first node P1, which to the a first Side of the piezoelectric element PA is coupled, and an opposite second node P2, which is coupled to a second side of the reference capacitance REF, for example, by means of a control stage, not shown, a clamping voltage applied UGES, the charge is distributed evenly between the piezoelectric element PA and the reference capacitance REF. In other words, QPA = QREF. According to the known relationship, QREF = CREF * UREF and QPA = CPA * UPA, where CREF and CPA are the capacitances of the piezo element PA and the capacitance of the reference capacitance REF, respectively. UREF or UPA is the voltage dropping above the reference capacitance REF or the piezoelement PA. From this context, CPA = CREF * UREF / UPA and also QPA = CREF * UREF. Consequently, by measuring UREF, the charge QPA at the piezo element PA can be measured via the proportionality factor CREF. This allows a charge control of the piezoelectric element PA.

2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der Beschaltung eines Piezoelements PA und einer mit diesem in Reihe geschalteten Referenzkapazität REF in einem bekannten piezoelektrischen Antriebs 2. Da sowohl das Piezoelement PA als auch die Referenzkapazität REF nicht nur einen kapazitiven sondern auch einen resistiven Anteil aufweisen, sind diese beiden Elemente durch eine entsprechende Kapazität CPA, CREF und einen parallel dazu geschalteten Widerstand RPA und RREF im Ersatzschaltbild dargestellt. Das Piezoelement PA und die Referenzkapazität REF sind über den ersten Knoten P1 bzw. den zweiten Knoten P2 an einen ersten und zweiten Versorgungsspannungspegel U1, U2 einer nicht dargestellten Steuerstufe gekoppelt. Die über dem Piezoelement PA abfallende Spannung UPA wird mit Hilfe einer im Wesentlichen stromlos arbeitenden Messbeschaltung mit hohen Eingangswiderständen RM+, RMM und RM– abgegriffen. Die über dem Piezoelement PA abfallende Spannung UPA kann mit Hilfe der hochohmigen Widerstände RM+ und RMM abgegriffen werden. Die über der Referenzkapazität REF abfallende Spannung UREF wird mit Hilfe der hochohmigen Widerstände RMM und RMM– abgegriffen. Da sowohl das Piezoelement PA als auch die Referenzkapazität REF, wenn auch hochohmige, resistive Anteile RPA, RREF aufweisen, tritt an einem dritten Knoten P3 ein Leckstrom IL auf, welcher das Messergebnis für die an dem Piezoelement PA anliegende Ladung im Laufe der Zeit aufgrund einer an dem dritten Knoten P3 auftretenden elektrischen Drift verfälscht. Eine weitere Quelle für den Leckstrom IL ist die Messbeschaltung selbst. 2 shows a simplified circuit diagram of the wiring of a piezoelectric element PA and a series-connected reference capacitance REF in a known piezoelectric actuator 2 , Since both the piezoelectric element PA and the reference capacitance REF have not only a capacitive but also a resistive component, these two elements are represented by a corresponding capacitance CPA, CREF and a resistor RPA and RREF connected in parallel in the equivalent circuit diagram. The piezoelectric element PA and the reference capacitance REF are coupled via the first node P1 and the second node P2 to a first and second supply voltage level U1, U2 of a control stage, not shown. The voltage UPA dropping across the piezoelectric element PA is tapped off with the aid of an essentially currentless measuring circuit with high input resistances RM +, RMM and RM-. The voltage UPA dropping across the piezo element PA can be tapped with the aid of the high-resistance resistors RM + and RMM. The voltage UREF dropping above the reference capacitance REF is tapped using the high-resistance resistors RMM and RMM-. Since both the piezoelectric element PA and the reference capacitance REF, although high-impedance, resistive components RPA, RREF, occurs at a third node P3, a leakage current IL on which the measurement result for the charge applied to the piezoelectric element PA over time due to a falsified at the third node P3 occurring electrical drift. Another source for the leakage current IL is the measuring circuit itself.

3a zeigt zwei beispielhafte Verläufe einer Sollwertspannung USOLL, welche ihren Wert zum Zeitpunkt t = 0 von identisch Null auf einen Wert nahe 1 im ersten Fall und auf einen Wert nahe 0,5 im zweiten Fall ändert. In der 3a is das Verhältnis zwischen der aktuellen Sollwertspannung USOLL und einer maximalen Sollwertspannung UMAX dargestellt. Bei der Sollwertspannung USOLL kann es sich um eine analoge Steuerspannung oder um ein digitales Signal handeln. Typischerweise wird ein solcher Sollwert einem Mikrocontroller zugeführt, welcher wiederum eine in 2 nicht dargestellte Steuerstufe steuert. Ausgehend von der Sollwertspannung USOLL steuert bzw. regelt die Steuerstufe die Größe des ersten und zweiten Versorgungsspannungspegels U1, U2, welcher für die Auslenkung des Piezoelements PA sorgt. 3a shows two exemplary waveforms of a setpoint voltage USOLL, which changes its value at time t = 0 from identical zero to a value close to 1 in the first case and to a value close to 0.5 in the second case. In the 3a the relationship between the current setpoint voltage USOLL and a maximum setpoint voltage UMAX is shown. The setpoint voltage USOLL can be an analog control voltage or a digital signal. Typically, such a setpoint is fed to a microcontroller, which in turn has an in 2 not shown control stage controls. Starting from the setpoint voltage USOLL, the control stage controls or regulates the magnitude of the first and second supply voltage levels U1, U2, which ensures the deflection of the piezoelement PA.

3b zeigt eine über dem Piezoelement PA abfallende Aktorspannung UPA auf gleicher Zeitskala. Die Aktorspannung UPA steigt in einem ersten Fall von einem Wert identisch Null auf einen Wert nahe 40 V an. Aufgrund des zwischen dem ersten Knoten P1 und dem dritten Knoten P3 auftretenden Leckstroms IL driftet die über dem Piezoelement PA abfallende Spannung UPA im Laufe der Zeit t um einen Wert ΔUPA1. In einem zweiten Fall wird eine geringere Spannung an das Piezoelement PA angelegt, diese steigt zum Zeitpunkt t = 0 von einem Wert identisch Null auf einen Wert nahe 20 V. In diesem zweiten Fall tritt aufgrund der geringeren Spannung auch ein geringerer Leckstrom IL auf, sodass die über dem Piezoelement PA abfallende Spannung UPA im Laufe der Zeit um einen etwas geringeren Betrag, nämlich ΔUPA2 driftet. Die zwischen dem ersten und dritten Knoten P1, P3 auftretende elektrische Drift zieht eine Änderung der Auslenkung des Piezoelements PA nach sich. Die Gesamtauslenkung des Piezoelements PA ist außerdem von einem mechanischen Kriechen überlagert. 3b shows an over the piezoelectric element PA falling actuator voltage UPA on the same time scale. In a first case, the actuator voltage UPA rises from an identical-zero value to a value near 40V. Due to the leakage current IL occurring between the first node P1 and the third node P3, the voltage UPA dropping across the piezoelement PA drifts over the time t by a value ΔUPA1. In a second case, a lower voltage is applied to the piezoelectric element PA, this increases at the time t = 0 from a value identical zero to a value close to 20 V. In this second case occurs due to the lower voltage and a lower leakage current IL, so the voltage UPA dropping across the piezo element PA drifts over time by a slightly smaller amount, namely ΔUPA2. The electrical drift occurring between the first and third nodes P1, P3 entails a change in the deflection of the piezoelement PA. The total deflection of the piezoelectric element PA is also superimposed by a mechanical creep.

In 3c ist für den bereits genannten ersten und einen zweiten Fall eine relative Längenänderung ΔLPA als Auslenkung des Piezoelements PA über der gleichen Zeitskala aufgetragen. Die dargestellte Längenänderung ΔLPA des Piezoelements PA ist die Summe aus mechanischem Kriechen und einer Längenänderung des Piezoelements PA, welche durch die zwischen dem ersten und dritten Knoten P1, P3 auftretenden elektrischen Drift bedingt ist. Im ersten Fall (in welchem eine Aktorspannung nahe 40 V an das Piezoelement PA angelegt wird) tritt zunächst eine relative Längenänderung ΔLPA von in etwa 4 μm auf. Im Laufe der Zeit driftet die Auslenkung ΔLPA der Piezoelements PA um einen Wert ΔLPA1. Wird, wie im zweiten Fall, eine geringere Aktorspannung UPA2 nahe 20 V an das Piezoelement PA angelegt, so tritt eine geringere relative Auslenkung ΔLPA des Piezoelements PA auf. In diesem zweiten Fall liegt ΔLPA nahe 2 μm. Aufgrund der höheren Drift ΔUPA1 der Aktorspannung UPA tritt im ersten Fall auch eine höhere relative Längenänderung ΔLPA1 des Piezoelements PA auf.In 3c For the already mentioned first and a second case, a relative change in length .DELTA.LPA is plotted as the deflection of the piezoelement PA over the same time scale. The illustrated change in length .DELTA.LPA of the piezoelectric element PA is the sum of mechanical creep and a change in length of the piezoelectric element PA, which is caused by the occurring between the first and third node P1, P3 electrical drift. In the first case (in which an actuator voltage near 40 V is applied to the piezoelement PA), first of all a relative change in length ΔLPA of approximately 4 μm occurs. Over time, the deflection ΔLPA of the piezo element PA drifts by a value ΔLPA1. If, as in the second case, a lower actuator voltage UPA2 near 20 V applied to the piezoelectric element PA, so occurs a lower relative deflection .DELTA.LPA of the piezoelectric element PA. In this second case ΔLPA is close to 2 μm. Due to the higher drift ΔUPA1 of the actuator voltage UPA occurs in the first case, a higher relative change in length ΔLPA1 of the piezoelectric element PA.

Den 3a) bis c) ist zu entnehmen, dass zwischen dem ersten und dritten Knoten P1, P3 eine elektrische Drift auftritt, welcher ein mechanisches Kriechen des Piezoelements PA überlagert ist. Beide Effekte führen zu der in 3c gezeigten Drift der Längenänderung ΔLPA. Um sowohl die elektrische Drift als auch das mechanische Kriechen des Piezoelements PA zu kompensieren, weist ein piezoelektrischer Antrieb 2, wie ihn die 4 und 5 gemäß zweier Ausführungsbeispiele jeweils in vereinfachtem Schaltbild zeigen, einen Kompensationswiderstand RQ auf, welcher wahlweise parallel zu dem Piezoelement PA bzw. dem Referenzkondensator REF geschaltet ist. The 3a) to c) it can be seen that between the first and third node P1, P3, an electrical drift occurs, which is superimposed on a mechanical creep of the piezoelectric element PA. Both effects lead to the in 3c shown drift of the change in length ΔLPA. In order to compensate for both the electrical drift and the mechanical creep of the piezoelectric element PA, has a piezoelectric drive 2 like him 4 and 5 show in accordance with two embodiments, each in a simplified circuit diagram, a compensation resistor RQ, which is optionally connected in parallel to the piezoelectric element PA and the reference capacitor REF.

In den vereinfachten Ersatzschaltbildern der 4 und 5 ist das Piezoelement PA und die Referenzkapazität REF jeweils als Kapazität CPA bzw. CREF und als parallel dazu geschalteter Widerstand RPA bzw. RREF dargestellt. Das Piezoelement PA und die Referenzkapazität REF sind in Reihe geschaltet, wobei eine erste Seite des Piezoelements PA an einen ersten Knoten P1 und eine zweite Seite der Referenzkapazität REF an einen zweiten Knoten P2 gekoppelt ist. Eine zweite Seite des Piezoelements PA und eine erste Seite der Referenzkapazität REF sind an einen dritten Knoten P3 gekoppelt. Die Reihenschaltung aus Piezoelement PA und Referenzkapazität REF ist an einen ersten und einen zweiten Versorgungsspannungspegel U1, U2 einer Steuerstufe 4 gekoppelt. Die über dem Piezoelement PA abfallende Spannung UPA wird über die hochohmigen Widerstände RM+ und RMM einer Messbeschaltung abgegriffen. Die über der Referenzkapazität REF abfallende Spannung UREF wird über die hochohmigen Widerstände RMM und RM– abgegriffen. Der Kompensationswiderstand RQ ist zwischen den ersten Versorgungspegel U1 der Steuerstufe 4 und den dritten Knoten P3 gekoppelt (4).In the simplified equivalent circuit diagrams of 4 and 5 the piezo element PA and the reference capacitance REF are shown as capacitance CPA and CREF, respectively, and as a resistor RPA or RREF connected in parallel therewith. The piezoelement PA and the reference capacitance REF are connected in series, wherein a first side of the piezoelement PA is coupled to a first node P1 and a second side of the reference capacitance REF to a second node P2. A second side of the piezo element PA and a first side of the reference capacitance REF are coupled to a third node P3. The series circuit of piezoelectric element PA and reference capacitance REF is connected to a first and a second supply voltage level U1, U2 of a control stage 4 coupled. The falling above the piezo element PA voltage UPA is tapped via the high-resistance resistors RM + and RMM a Meßbeschaltung. The voltage UREF dropping above the reference capacitance REF is tapped off via the high-resistance resistors RMM and RM-. The compensation resistor RQ is between the first supply level U1 of the control stage 4 and the third node P3 ( 4 ).

Der in 5 in vereinfachtem Schaltbild dargestellte piezoelektrische Antrieb 2 ist identisch zu dem in 4 gezeigten piezoelektrischen Antrieb 2 aufgebaut, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Kompensationswiderstand RQ bei dem in 5 gezeigten Schaltbild zwischen den dritten Knoten P3 und den zweiten Versorgungsspannungspegel U2 der Steuerstufe 4 gekoppelt ist.The in 5 in a simplified circuit diagram shown piezoelectric drive 2 is identical to the one in 4 shown piezoelectric drive 2 constructed, wherein the same components are provided with the same reference numerals. The only difference is that the compensation resistance RQ at the in 5 shown circuit diagram between the third node P3 and the second supply voltage level U2 of the control stage 4 is coupled.

Über den Kompensationswiderstand RQ wird dem dritten Knoten P3 ein Kompensationsstrom IQ zugeführt, welcher den an dem dritten Knoten auftretenden Leckstrom IL (vgl. 2) kompensiert. Bevorzugt wird eine Drift der Längenänderung ΔLPA (vgl. 3c) durch gezielte Einstellung eines dem dritten Knoten P3 zufließenden oder von diesem abfließenden Kompensationsstroms IQ verringert und im Idealfall beseitigt. Die Größe des Kompensationsstroms IQ wird durch die Größe des Kompensationswiderstands RQ bestimmt. Im Folgenden soll beispielhaft eine Möglichkeit erläutert werden, wie bereits während des Herstellungsverfahrens eines piezoelektrischen Antriebs und ebenso während der Herstellung eines Piezoventils die passende Größe des Kompensationswiderstands RQ gefunden werden kann, so dass für den sich anschließenden Betrieb prinzipiell unbegrenzter Dauer die Größe des Kompensationswiderstands RQ als fester Betriebsparameter feststeht.Via the compensation resistor RQ, a compensation current IQ is supplied to the third node P3, which compensates the leakage current IL occurring at the third node (cf. 2 ) compensated. A drift of the change in length ΔLPA (cf. 3c ) reduced by targeted adjustment of the third node P3 inflowing or flowing away from this compensation current IQ and ideally eliminated. The magnitude of the compensation current IQ is determined by the size of the compensation resistor RQ. The following is an example of a way to be explained, as already during the manufacturing process of a piezoelectric actuator and during the production of a piezoelectric valve, the appropriate size of the compensation resistor RQ can be found, so that the size of the compensation resistor RQ as for the subsequent operation is basically unlimited duration fixed operating parameters.

Zunächst wird ein konstantes Steuersignal, beispielsweise eine konstante analoge Steuerspannung bzw. ein konstantes digitales Signal an eine Steuereinheit, bevorzugt einen Mikrokontroller angelegt, welche(r) wiederum die Steuerstufe 4 so regelt, dass ein konstanter erster und zweiter Versorgungsspannungspegel U1, U2 an dem Piezoelement PA anliegen. Die Größe des Kompensationswiderstandes RQ, bei welchem es sich bevorzugt um einen einstellbaren Widerstand handelt, wird nun anschließend so eingestellt, dass eine Drift der Auslenkung des Piezoelements PA, welche durch den Leckstrom IL und das mechanische Kriechen bedingt ist, minimiert bzw. weitgehend beseitigt wird. Beispielsweise kann im Rahmen der Endkontrolle bei der Herstellung eines Piezoventils die Längenänderung ΔLPA bei konstanter Steuerspannung gemessen und die Größe des Kompensationswiderstandes RQ so eingeregelt werden, dass die Drift der Längenänderung ΔLPA unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt. Alternativ zu einer solchen funktionsorientierten Kompensation kann die Größe des Kompensationswiderstands RQ berechnet werden, worauf später, im Zusammenhang mit 8 eingegangen werden soll.First, a constant control signal, for example a constant analog control voltage or a constant digital signal, is applied to a control unit, preferably a microcontroller, which in turn controls the control stage 4 so controls that a constant first and second supply voltage level U1, U2 applied to the piezoelectric element PA. The size of the compensation resistor RQ, which is preferably an adjustable resistor, is then subsequently adjusted so that a drift in the deflection of the piezoelement PA, which is caused by the leakage current IL and the mechanical creep, is minimized or largely eliminated , For example, as part of the final inspection in the production of a piezoelectric valve, the change in length ΔLPA measured at constant control voltage and the size of the compensation resistor RQ be adjusted so that the drift of the change in length ΔLPA is below a predetermined limit. As an alternative to such a function-oriented compensation, the size of the compensation resistor RQ can be calculated, which will be explained later, in connection with FIG 8th to be received.

Ist die Größe des Kompensationswiderstands RQ hinreichend genau bestimmt, wird dessen Größe als konstanter Betriebsparameter des piezoelektrischen Antriebs 2 bzw. eines Piezoventils mit einem solchen piezoelektrischen Antrieb 2 festgelegt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein Kompensationswiderstand RQ entsprechender Größe in den piezoelektrischen Antrieb 2 fest eingelötet wird oder ein variabler Widerstand auf seinem fest eingestellten Wert verbleibt. Letztere Variante ist in der Praxis zu bevorzugen.If the magnitude of the compensation resistor RQ is determined with sufficient accuracy, its size becomes a constant operating parameter of the piezoelectric drive 2 or a piezo valve with such a piezoelectric drive 2 established. This can be realized, for example, by providing a compensation resistor RQ of appropriate size in the piezoelectric drive 2 is firmly soldered or a variable resistor remains at its set value. The latter variant is to be preferred in practice.

Unter idealen Bedingungen, unter denen eine konstante Spannung an dem Piezoelement PA anliegt, folgt das mechanische Kriechen des Piezoelement PA und die elektrische Drift zwischen dem ersten und dritten Knoten P1, P3 einem logarithmischen Verlauf mit der Zeit. Mechanisches Kriechen und elektrische Drift kompensieren sich teilweise. Die resultierende Auslenkung (vgl. 3c) ist in einem Zeitintervall kurz nach Änderung der an dem Piezoelement PA angelegten Spannung zunächst relativ rasch, tritt dann jedoch in einen Gleichgewichtszustand ein. Die Längenänderung ΔLPA über der Zeit (welche theoretisch ebenfalls einem logarithmischen Gesetz folgt) kann in der Praxis und in guter Näherung mit Hilfe des konstant eingestellten Kompensationswiderstands RQ weitgehend beseitigt werden.Under ideal conditions, under which a constant voltage is applied to the piezo element PA, the mechanical creep of the piezo element PA and the electrical drift between the first and third nodes P1, P3 follows a logarithmic course with time. Mechanical creep and electrical drift partially compensate each other. The resulting deflection (cf. 3c ) is in a time interval shortly after changing the voltage applied to the piezoelectric element PA initially relatively fast, but then enters an equilibrium state. The change in length ΔLPA over time (which theoretically also follows a logarithmic law) can be largely eliminated in practice and to a good approximation with the help of the constant set compensation resistor RQ.

6 zeigt beispielhaft drei Messkurven für unterschiedliche an das Piezoelement PA angelegt Aktorspannungen UPA. Die Drift der Längenänderung ΔLPA wurde in diesen Fällen durch einen entsprechenden Kompensationswiderstand RQ kompensiert. Die elektrische Drift beträgt, wie die Werte für ΔUPA1...ΔUPA3 zeigen, auch bei Aktorspannungen nahe 80 V lediglich 2,7 V über eine Anzugzeit des entsprechenden Piezoventils von nahezu drei Minuten. Die elektrische Drift wird gezielt eingestellt, um ein mechanisches Kriechen des Piezoelements PA zu kompensieren. 7 zeigt die entsprechenden Messkurven für die Auslenkung LPA des Piezoelementes über der gleichen Zeitskala. Offensichtlich konnte die Drift der Auslenkung LPA weitgehend beseitigt werden, so dass der entsprechende piezoelektrische Antrieb 2 neben einem sehr guten Proportionalbetrieb auch bei statischen Betriebszuständen sehr gute Eigenschaften zeigt. 6 shows, by way of example, three measuring curves for different actuator voltages UPA applied to the piezoelement PA. The drift of the change in length ΔLPA was compensated in these cases by a corresponding compensation resistor RQ. The electrical drift is, as the values for ΔUPA1 ... ΔUPA3 show, even at actuator voltages near 80 V, only 2.7 V over a tightening time of the corresponding piezo valve of almost three minutes. The electrical drift is adjusted specifically to compensate for a mechanical creep of the piezoelectric element PA. 7 shows the corresponding measuring curves for the deflection LPA of the piezo element over the same time scale. Obviously, the drift of the deflection LPA could be largely eliminated, leaving the corresponding piezoelectric drive 2 In addition to a very good proportional operation shows very good properties even in static operating conditions.

8 zeigt ein weiteres vereinfachtes Schaltbild eines piezoelektrischen Antriebs 2, gemäß der bereits aus 4 und 5 bekannten Ausführungsbeispiele. In bekannter Art und Weise ist ein Piezoelement PA und eine Referenzkapazität REF zwischen einen ersten Knoten P1 und einem zweiten Knoten P in Reihe geschaltet. An dem ersten Knoten P1 liegt der erste Versorgungsspannungspegel U1; an dem zweiten Knoten P2 liegt der zweite Versorgungsspannungspegel U2 einer nicht dargestellten Steuerstufe 4 an. In dem gezeigten Schaltbild ist ein Kompensationswiderstand RQ sowohl zwischen dem ersten und dritten Knoten P1, P3 als auch zwischen dem zweiten und dritten Knoten P2, P3 dargestellt. Die Lage des Kompensationswiderstands RQ wird in Abhängigkeit von dem notwendigen Vorzeichen des Kompensationsstroms IQ gewählt, so dass sich in der Praxis der Kompensationswiderstand RQ lediglich in der einen oder der anderen Position befindet. 8th shows another simplified circuit diagram of a piezoelectric actuator 2 , according to the already out 4 and 5 known embodiments. In a known manner, a piezoelectric element PA and a reference capacitance REF are connected in series between a first node P1 and a second node P. At the first node P1 is the first supply voltage level U1; at the second node P2 is the second supply voltage level U2 a control stage, not shown 4 at. In the circuit diagram shown, a compensation resistor RQ is shown both between the first and third nodes P1, P3 and between the second and third nodes P2, P3. The position of the compensation resistor RQ is chosen as a function of the necessary sign of the compensation current IQ, so that in practice the compensation resistor RQ is located only in one or the other position.

Im Folgenden werden die am dritten Knoten P3 auftretenden Ströme betrachtet. Die Summe der dem dritten Knoten P3 zufließenden bzw. von diesem Knoten abfließenden Ströme soll identisch Null sein. Mit anderen Worten sollen also diese Ströme so gewählt sein, dass der Leckstrom IL identisch Null ist. Somit gilt: IQ = IREF + IMM – IPA, wobei IQ der durch den Kompensationswiderstand RQ fließende Strom, IREF der durch den Widerstandsteil der Referenzkapazität REF fließende Strom, IMM der durch den hochohmigen Widerstand RMM fließende Strom und IPA der durch den ohmschen Teil des Piezoelements PA fließende Strom ist. Durch Umformung ergibt hieraus der Zusammenhang: Q = UREF / RREF + UREF / RMM + UPA / RPA In the following, the currents occurring at the third node P3 are considered. The sum of the currents flowing to the third node P3 or flowing away from this node should be identical to zero. In other words, therefore, these currents should be selected so that the leakage current IL is identical to zero. Thus, IQ = IREF + IMM-IPA, where IQ is the current flowing through the compensation resistor RQ, IREF is the current flowing through the resistive part of the reference capacitance REF, IMM is the current flowing through the high-resistance resistor RMM, and IPA is the resistive part of the piezoelectric element PA is flowing electricity. By deformation results from the context: Q = UREF / RREF + UREF / RMM + UPA / RPA

Aus diesem Zusammenhang ergibt sich die Größe für den durch den Referenzwiderstand RQ fließenden Strom IQ, da die Größen für RREF, RMM und RPA bekannt sind und die Größen UREF und UPA mit Hilfe der Messschaltung gemessen werden können.From this connection, the size of the current flowing through the reference resistor RQ current IQ, since the sizes for RREF, RMM and RPA are known and the sizes UREF and UPA can be measured with the aid of the measuring circuit.

Für einen Strom IQ > 0 ergibt sich die Größe des Kompensationswiderstands RQ als RQ = UPA/IQ. Außerdem wird dieser, wie in 8 gezeigt, zwischen den ersten und dritten Knoten P1, P3 geschaltet. Für einen negativen Strom IQ < 0 durch den Kompensationswidertand RQ ergibt sich die Größe des Kompensationswiderstand RQ als RQ = UREF/IQ. Wie ebenfalls 7 zu entnehmen ist, wird der Kompensationswiderstand RQ zwischen den zweiten und dritten Knoten P2, P3 geschaltet. Durch eine Messung von UREF und UPA, d. h. der über der. Referenzkapazität REF bzw. dem Piezoelement PA abfallenden Spannung unter Kenntnis der entsprechenden Widerstände RREF, RMM und RPA kann die Größe des Kompensationswiderstands RQ bestimmt werden.For a current IQ> 0, the magnitude of the compensation resistance RQ is given as RQ = UPA / IQ. Besides this, as in 8th shown connected between the first and third nodes P1, P3. For a negative current IQ <0 by the compensating resistor RQ, the magnitude of the compensation resistor RQ is RQ = UREF / IQ. Like also 7 can be seen, the compensation resistor RQ is connected between the second and third nodes P2, P3. By measuring UREF and UPA, ie the above. Reference capacitance REF or the piezoelectric element PA falling voltage with knowledge of the corresponding resistors RREF, RMM and RPA, the size of the compensation resistor RQ can be determined.

9 zeigt ein Piezoventil 6 mit einem piezoelektrischen Antrieb 2. Eine Steuerstufe 4 ist über Zuleitungen 8 mit einem Piezoelement PA verbunden. Bevorzugt wird die Steuerstufen von einem nicht dargestellten Mikrokontroller, welcher in den piezoelektrischen Antrieb 2 integriert sein kann, angesteuert. Beispielhaft handelt es sich bei dem Piezoelement PA um eine Lamelle, deren erstes Ende 10 im Gehäuse 12 des Piezoventils 6 eingespannt ist. Ein gegenüberliegendes Freiende 14 ist beweglich, so dass ein auf der Lamelle angebrachter Dichtkörper 16, wie mit gestrichelter Linie angedeutet, zwischen einer ersten und zweiten Position bewegt werden kann. Je nach Stellung des Piezoelements PA wird eine fluidische Verbindung zwischen den Kanälen K1 und K2 (wie in 8 dargestellt) bzw. zwischen den Kanälen K1 und K3 freigegeben. Es kann ebenso ein Stapelelement als Piezoelement PA verwendet werden, wobei in diesem Fall eine andere Konstruktion des Piezoventils 6 zum Einsatz käme. 9 shows a piezo valve 6 with a piezoelectric drive 2 , A tax step 4 is via supply lines 8th connected to a piezo element PA. Preferably, the control stages of a microcontroller, not shown, which in the piezoelectric drive 2 can be integrated, driven. By way of example, the piezoelement PA is a lamella whose first end 10 in the case 12 of the piezo valve 6 is clamped. An opposite free-end 14 is movable, so that a mounted on the lamella sealing body 16 as indicated by a dashed line, between a first and second position can be moved. Depending on the position of the piezoelement PA, a fluidic connection between the channels K1 and K2 (as in FIG 8th shown) or released between the channels K1 and K3. It can also be used as a piezoelectric element PA a stack element, in which case another construction of the piezoelectric valve 6 would be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005042107 A1 [0006]
US 7015621 B2 [0007]

Claims

Piezoelectric drive ( 2 ) for a valve, comprising a piezo element (PA) and a control stage ( 4 ) for providing a control signal for operating the piezoelement (PA), wherein a reference capacitance (REF) is connected in series with the piezoelement (PA), and wherein a first node (P1) is coupled to a first side of the piezoelement (PA), a second node (P2) is coupled to a second side of the reference capacitance (REF) and a second side of the piezo element (PA) and a first side of the reference capacitance (REF) are coupled to a third node (P3), and wherein the control stage ( 4 ) is adapted to couple a first and a second supply voltage level (U1, U2) as a control signal for operating the piezo element (PA) to the first and second nodes (P1, P2), characterized in that a compensation resistor (RQ) between the third node (P3) and the first or second supply voltage level (U1, U2) of the control stage ( 4 ), wherein a size of the compensation resistor (RQ) is selected so that adjusts a static mechanical state of the piezoelectric element (PA) with temporally constant size of the first and second supply voltage level (U1, U2).

Piezoelectric drive ( 2 ) according to claim 1, wherein the magnitude of the compensation resistor (RQ) is selected such that a sum of the currents flowing at the third node (P3) causing an electrical drift of the third node (P3) with respect to the first node (P1) is reduced below a predetermined limit by a compensation current (IQ) flowing through the compensation resistor (RQ).

Piezoelectric drive ( 2 ) according to claim 1 or 2, wherein the size of the compensation resistor (RQ) is selected such that a compensation current (IQ) flows out of or flows to the third node (P3) via the compensation resistor (RQ), so that a mechanical drift of the Piezo element (PA) is reduced.

Piezoelectric drive ( 2 ) according to one of the preceding claims, in which the compensation resistor (RQ) is an adjustable resistor.

Piezoelectric drive ( 2 ) according to any one of the preceding claims, further comprising a measuring circuit for detecting a voltage across the piezo element (PA) between the first node (P1) and the third node (P3).

Piezoelectric drive ( 2 ) according to claim 5, further comprising an evaluation unit coupled to the measurement circuit for determining at least one operating parameter of the piezoelectric drive ( 2 ) based on the measurement values for the voltage drop between the first node (P1) and the third node (P3) detected by the measurement circuit.

Piezo valve ( 6 ) with a piezoelectric drive ( 2 ) according to any one of the preceding claims.

Method for operating a piezoelectric drive ( 2 ) according to any one of claims 1 to 6, wherein the piezoelectric element (PA) is driven in an aperiodic operating mode and during a tightening phase of the piezo valve ( 6 ) the tax level ( 4 ) couples a constant first and second supply voltage level (U1, U2) as a control signal to the first and second nodes (P1, P2), wherein during the pull-in phase of the piezoelectric drive ( 2 ) A compensation current (IQ) via the compensation resistor (RQ) to the third node (P3) supplied to or removed from the latter, whose size is chosen so that adjusts a static mechanical state of the piezoelectric element (PA).

Method for operating a piezoelectric drive ( 2 ) according to claim 8, wherein a voltage drop across the piezoelectric element (PA) between the first node (P1) and the third node (P3) is detected by means of a measuring circuit.

Method for operating a piezoelectric drive ( 2 ) according to claim 9, wherein on the basis of the detected measured values for the voltage drop between the first node (P1) and the third node (P3) at least one operating parameter of the piezoelectric drive ( 2 ) is determined.

Method for producing a piezoelectric drive ( 2 ) with a piezo element (PA) as drive element and with a control stage ( 4 ) for providing a control signal for operating the piezoelement (PA), wherein a reference capacitance (REF) is connected in series with the piezoelement (PA), and wherein a first node (P1) is coupled to a first side of the piezoelement (PA), a second node (P2) is coupled to a second side of the reference capacitance (REF) and a second side of the piezo element (PA) and a first side of the reference capacitance (REF) are coupled to a third node (P3), and wherein the control stage ( 4 ) is adapted to couple a first and a second supply voltage level (U1, U2) as a control signal for operating the piezoelement (PA) with the first and second nodes (P1, P2), and wherein a compensation resistor (RQ) between the third nodes ( P3) and the first or second supply voltage level (U1, U2), the method comprising the following steps: a) driving the control stage ( 4 ), so that a constant first and second Supply voltage level (U1, U2) is applied to the first and second nodes (P1, P2), b) adjusting a magnitude of the compensation resistance (RQ) such that an electrical drift occurring at the third node (P3) is reduced below a predetermined limit, c) Determining the Determined Size of the Compensation Resistor (RQ) as a Constant Operating Parameter of the Piezoelectric Drive ( 2 ) for its subsequent operation.

The method of claim 11, wherein the size of the compensation resistor (RQ) is adjusted so that sets a static mechanical state of the piezoelectric element (PA).