DE102012005994B4

DE102012005994B4 - Piezoelectric drive for a valve, piezo valve with such a drive and method for operating and producing a piezo valve

Info

Publication number: DE102012005994B4
Application number: DE102012005994.9A
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: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: DE102012005994A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Antriebs (2) für ein Piezoventil (6), wobei der piezoelektrische Antrieb ein Piezoelement (PA) und eine Steuerstufe (4) zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Betreiben des Piezoelements (PA) umfasst, wobei eine Referenzkapazität (REF) mit dem Piezoelement (PA) in Reihe geschaltet ist, und wobei ein erster Knoten (P1) mit einer ersten Seite des Piezoelements (PA) gekoppelt ist, ein zweiter Knoten (P2) mit einer zweiten Seite der Referenzkapazität (REF) gekoppelt ist und eine zweite Seite des Piezoelements (PA) und eine erste Seite der Referenzkapazität (REF) an einen dritten Knoten (P3) gekoppelt sind, bei dem das Piezoelement (PA) in einem aperiodischen Betriebsmodus angesteuert wird und während einer Anzugphase des Piezoventils (6) die Steuerstufe (4) einen konstanten ersten und zweiten Versorgungsspannungspegel (U1, U2) als Steuersignal an den ersten und zweiten Knoten (P1, P2) koppelt, wobei während der Anzugphase des piezoelektrischen Antriebs (2) ein Kompensationsstrom (IQ) über einen Kompensationswiderstand (RQ) dem dritten Knoten (P3) zugeführt oder von diesem abgeführt wird, wobei der Kompensationswiderstand (RQ) zwischen den dritten Knoten (P3) und den ersten oder zweiten Versorgungsspannungspegel (U1, U2) der Steuerstufe (4) gekoppelt ist, wobei eine Größe des Kompensationswiderstands (RQ) so gewählt ist, dass sich bei zeitlich konstanter Größe des ersten und zweiten Versorgungsspannungspegels (U1, U2) ein statischer mechanischer Zustand des Piezoelements (PA) einstellt, in welchem eine Längenänderung des Piezoelements (PA) unterhalb eines Grenzwertes liegt, wobei die Größe des Kompensationswiderstandes (RQ) so gewählt ist, dass eine Summe der an dem dritten Knoten (P3) fließenden Ströme, welche eine elektrische Drift des dritten Knotens (P3) gegenüber dem ersten Knoten (P1) verursachen, durch einen durch den Kompensationswiderstand (RQ) fließenden Kompensationsstrom (IQ) unter einen vorgegebenen Grenzwert verringert wird.Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6), the piezoelectric drive comprising a piezo element (PA) and a control stage (4) for providing a control signal for operating the piezo element (PA), a reference capacitance (REF) is connected in series with the piezo element (PA), and wherein a first node (P1) is coupled to a first side of the piezo element (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), in which the piezo element (PA) is activated in an aperiodic operating mode and the control stage during a pull-in phase of the piezo valve (6) (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-up phase of the piezoelectric trical drive (2) a compensation current (IQ) via a compensation resistor (RQ) is fed to or removed from the third node (P3), the compensation resistor (RQ) between the third node (P3) and the first or second supply voltage level (U1 , U2) of the control stage (4) is coupled, a size of the compensation resistor (RQ) being selected such that a static mechanical state of the piezo element (PA) is established if the size of the first and second supply voltage levels (U1, U2) is constant over time, in which a change in length of the piezo element (PA) lies below a limit value, the size of the compensation resistor (RQ) being selected such that a sum of the currents flowing at the third node (P3), which causes an electrical drift of the third node (P3) against the first node (P1), caused by a compensation current (IQ) flowing through the compensation resistor (RQ) below one predetermined limit is reduced.

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 piezo element and a control stage for providing a control signal for operating the piezo element. In addition, the invention relates to a piezo valve with such a drive. The invention further relates to a method for operating and producing a piezo 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 generally also referred to as piezo elements or piezo actuators, are found as actuators or actuators in a large number of different piezoelectrically driven valves. A piezo element converts electrical field energy, which is generated by an electrical voltage applied to the piezo element, directly into mechanical movement. A change in length or shear typically occurs which is based on crystalline solid-state effects and is therefore almost wear-free. Piezoelectric actuators have a high resolution, which is basically not limited by rubbing mechanical parts. The very fast response times of just a few microseconds enable high accelerations and fast adjustment processes. In addition, piezo elements are independent of the influence of external magnetic fields and only require very little energy in static operation. In addition, piezo elements and the corresponding piezoelectrically driven valves can be operated under vacuum and clean room conditions and, if appropriate, 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 piezo element can be regarded in a first approximation as being proportional to the applied voltage. Due to crystalline polarization effects and molecular friction, there is a hysteresis of the deflection in voltage-controlled operation. The same material properties of the piezo ceramic produce a creep behavior of the piezo element. In this context, creep describes the change in the deflection of the piezo element over time with the control voltage unchanged.

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.So-called charge control can be used to reduce the hysteresis of a piezo element. Various options for controlling the charge present on a piezo element are known. An example is the integration of the current supplied to the piezo element. However, by integrating the measurement variables, the measurement errors are added up.

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 piezo element. The charge control of a piezo element works correctly as long as there are no leakage currents at a node between the reference capacitance and the piezo 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 that addresses this technical problem in dynamic, periodic operation of a piezo element, e.g. B. in an injection nozzle, goes from the DE 10 2005 042 107 A1 forth. In the circuit shown, a connection node between the piezo element and the reference capacitor is pulled to ground potential at regular intervals. In this way, a drift occurring at the node can be compensated for by measurement. This measure resets the proportionality factor for calculating the charge present on the piezo element and the control of the piezo element is reinitialized. However, such an approach is obviously only suitable for periodic operation of the piezo element, in which initialization can be carried out at regular intervals. The circuit shown is not suitable for aperiodic operation with longer tightening times. In addition, large and possibly negative electrical voltages can occur on the piezo element and / or the reference capacitance in the circuit shown, 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.In order 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 piezo element.

US 2003 / 0 094 882 A1 offenbart eine piezoelektrische Aktorvorrichtung, die es ermöglicht, die Hysterese des Verschiebungswegs zu verringern. Eine Schaltung umfasst ein piezoelektrisches Aktorelement und einen dazu parallel geschalteten ersten Widerstand, und zudem einen Kondensator und einen dazu parallel geschalteten zweiten Widerstand. US 2003/094 882 A1 discloses a piezoelectric actuator device which makes it possible to reduce the hysteresis of the displacement path. A circuit comprises a piezoelectric actuator element and a first resistor connected in parallel, and also a capacitor and a second resistor connected in parallel.

DE 10 2011 051 570 A1 offenbart eine Piezoaktoransteuervorrichtung, die ein Steuerteil und einen Störsignalübertragungsschutzschalter mit einer Diode aufweist. DE 10 2011 051 570 A1 discloses a piezo actuator drive device having a control part and a noise signal protection switch with a diode.

DE 10 2008 043 161 A1 offenbart eine Schaltanordnung, die zwei unterschiedliche Betriebsspannungen aufweist, wobei zwei Kondensatoren zur Bereitstellung von Betriebsspannungen gemeinsam in Reihe geschaltet sind. DE 10 2008 043 161 A1 discloses a switching arrangement which has two different operating voltages, two capacitors for providing operating voltages being connected together in series.

JP H09-182 466 A offenbart einen mit einem Differenzverstärker versehenen Verstärker, der die Differenzspannung zwischen einem Steuereingangssignal und einem Rückkopplungssignal verstärkt, und mit einem Leistungsverstärker, der das Ausgangssignal des Differenzverstärkers so verstärkt, dass es über beide Enden einer Reihenschaltung durch ein piezoelektrisches Element und durch einen Ladeerfassungskondensator ausgegeben wird. JP H09-182 466 A discloses an amplifier provided with a differential amplifier which Differential voltage between a control input signal and a feedback signal amplified, and with a power amplifier, which amplifies the output signal of the differential amplifier so that it is output over both ends of a series connection by a piezoelectric element and by a charge detection capacitor.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile von bekannten piezoelektrischen Antrieben für ein Ventil, Piezoventilen mit einem solchen Antrieb sowie der Verfahren zur Herstellung derartiger Piezoventile auszuräumen oder zumindest zu verringern. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.It is an object of the present invention to eliminate or at least reduce the disadvantages of known piezoelectric drives for a valve, piezo valves with such a drive and the method for producing such piezo valves. The problem underlying the present invention is solved by the subject matter of the independent claims.

Gemäß Elementen der Erfindung 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 elements of the invention, a piezoelectric drive for a valve is specified, which comprises a piezo element and a control stage for providing a control signal for operating the piezo element. The piezoelectric drive is preferably designed to switch the piezo element at a frequency which is below the natural frequency of the piezo element. In addition, the piezoelectric drive is preferably designed for aperiodic operation of the piezo element. An aperiodic operation is to be understood, for example, as an operating mode as occurs in demand-controlled valves. The switching processes and starting times of an aperiodically operating valve are not cyclical in quick succession, as is the case, for example, with piezo-controlled injection valves. According to the embodiment, a reference capacitance is connected in series with the piezo element. In the piezoelectric drive according to the embodiment, tapping the voltage drop across this reference capacitance allows the otherwise generally known charge control of the piezo element. 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 piezo element and a first side of the reference capacitance are coupled to a third node, which lies between the piezo element connected in series and the reference capacitance. If the piezo element is charged, the voltage drop across 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 set up to couple a corresponding first and a second supply voltage level as a control signal for operating the piezo element to the first and second nodes. The piezoelectric drive according to the embodiment comprises a compensation resistor which is coupled between the third node and the first or second supply voltage level of the control stage.

Mit anderen Worten ist, gemäß Elementen der Erfindung, der Kompensationswiderstand parallel zu dem Piezoelement zwischen den ersten Versorgungsspannungspegel und dem dritten Knoten gekoppelt. Gemäß anderen Elementen der Erfindung ist der Kompensationswiderstand parallel zu der Referenzkapazität zwischen den zweiten Versorgungsspannungspegel und dem dritten Knoten gekoppelt.In other words, according to elements of the invention, the compensation resistor is coupled in parallel to the piezo element between the first supply voltage level and the third node. According to other elements of the invention, the compensation resistor is coupled in parallel to the reference capacitance between the second supply voltage level and the third node.

Für alle bisher genannten Elemente der Erfindung 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 the elements of the invention mentioned so far, a size of the compensation resistor is selected such that a static mechanical state of the piezo element occurs when the size of the first and second supply voltage levels is constant over time, in other words during a static operating state. In the context of this description, a static mechanical state is understood to mean a state of the piezo element in which a change in the deflection of the piezo element is almost or identically zero. If the piezo element is, for example, a stacking element which acts as a translator and shows a change in length ΔL when the working voltage changes, then a static mechanical state is reached when the change in length ΔL = 0 or is below a limit value, so that with a static mechanical state can be spoken of in practice with sufficient accuracy.

Gemäß weiteren Elementen der Erfindung 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 further elements of the invention, the size of the compensation resistor is selected such that a sum of the currents flowing at the third node, which cause an electrical drift between the first and third nodes, is reduced below a predetermined limit value by a compensation current flowing through the compensation resistor. This limit value can be selected on the basis of 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 piezo element and / or the reference capacitance. On the basis of these values, the size of the compensation resistance can be calculated, taking into account the desired accuracy of the drive, or it can also be determined on the basis of measurements. The embodiment mentioned is particularly advantageous with regard to charge control of the piezo element. In charge control, a voltage drop across the reference capacitor is measured and the measured value typically processed by a microcontroller. This controls the control stage, which in turn sends a corresponding first and second voltage level to the creates the first and second nodes. However, voltage control only works with sufficient accuracy if there is no or only a negligible drift between the first and third nodes. According to the embodiment, it is precisely this electrical drift that is significantly reduced or even eliminated, so that the accuracy of the charge control that is preferably used can be significantly improved.

Gemäß weiteren Elementen der Erfindung 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 einem mechanischen Kriechen des Piezoelements entgegenwirkt und dieses weitgehend kompensiert.According to further elements of the invention, the size of the compensation resistor is selected such that a compensation current flows in or out from or to the third node via the compensation resistor, so that a specifically selected electrical drift between the first node and the third node is established. This electrical drift is now chosen to be so large that it counteracts mechanical creeping of the piezo element and largely compensates for it.

Vorteilhaft kann mit Hilfe des piezoelektrischen Antriebs gemäß der vorstehenden Elemente 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.With the aid of the piezoelectric drive according to the above elements, a deflection behavior of the piezo element proportional to the applied voltage can advantageously be achieved. By using the compensation resistor, both the electrical drift and the mechanical creep of the piezo element can be minimized. Based on practical test setups, it was found that the electrical drift and the mechanical creep of the piezo element compensate at least partially. The appropriate size of the compensation resistor can be found by means of a function-oriented optimization with the aim of achieving the smallest possible deflection (e.g. length change ΔL) over time with constant voltage on the piezo element. In order to counteract a mechanical creep or a mechanical drift of the piezo element, a targeted electrical drift between the first and third nodes can be accepted or consciously set in this context.

Der piezoelektrische Antrieb gemäß einer oder mehrerer der vorstehend genannten Elemente 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 above-mentioned elements is able to provide a linear actuator behavior even with aperiodic control of the piezo element, it being advantageously possible to dispense with a technically complex, actively fed-back control. In contrast to these solutions, which are complex in terms of circuitry and control technology, passive compensation of the electrical drift and mechanical creep is realized in the piezoelectric drive according to the above embodiments. This technical solution is thus able to reduce or even eliminate two disruptive effects which, in particular, can undesirably influence the position of a piezo valve, while at the same time considerably simplifying the control electronics of the piezoelectric drive. This offers a significant cost advantage over known solutions with similar performance.

Gemäß einem weiteren Element der Erfindung 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 element of the invention, the compensation resistor is an adjustable electrical resistor. The compensation resistor can be constructed from a series connection of a constant and an adjustable resistor. An adjustable electrical compensation resistor allows simple adjustment of the size of this compensation resistor, for example during a method for producing a piezo valve with a piezo element as the drive element and a piezoelectric drive according to one of the above embodiments.

Ein piezoelektrischer Antrieb gemäß einem weiteren Element der Erfindung 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 element of the invention comprises a measuring circuit for detecting a voltage drop across the piezo element between the first and third nodes. In addition, an evaluation unit can be coupled to the measuring circuit, which is designed to determine at least one operating parameter of the piezoelectric drive on the basis of the measured values detected by the measuring circuit for the voltage drop between the first node and the third node. With such a piezoelectric drive, other operating parameters such as e.g. B. the force acting on the piezo element or the temperature of the piezo element can be detected. Such operating parameters can be determined since, in the piezoelectric drive according to one or more of the embodiments mentioned, the electrical drift between the first and third nodes is greatly reduced or eliminated by the compensation resistor.

Gemäß einem weiteren Element der Erfindung wird ein Piezoventil mit einem piezoelektrischen Antrieb nach einer oder mehrerer der genannten Elemente 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 element of the invention, a piezo valve with a piezoelectric drive according to one or more of the elements mentioned and a method for operating a piezoelectric drive or such a piezo valve are specified. The piezo element is activated in an aperiodic operating mode. The piezo element is preferably also switched at 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 pull-up 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 selected so that a static mechanical state of the piezo element is established.

Gemäß einem weiteren Element der Erfindung 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 element of the invention, a voltage drop across the piezo element between the first node and the third node is detected during operation of the piezoelectric drive with the aid of a measuring circuit. At least one operating parameter of the piezoelectric drive can be determined on the basis of the measured values measured for the voltage drop between the first and third nodes.

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.The same or similar advantages that 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 Element 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 element of the invention, after the constant control voltage is applied to the piezo element, a size of the compensation resistance is adjusted so that a targeted electrical drift occurs between the first node and the third node. This targeted electrical drift is just set so that it counteracts mechanical creeping of the piezo element. The size of the compensation resistance determined in this way is determined as a constant operating parameter for the subsequent operation of the piezoelectric drive or the piezo valve.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Antriebs bzw. eines Piezoventils wird gemäß einem Element der Erfindung 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 an element of the invention. The size of the compensation resistor is set such that the deflection of the piezo element is as small as possible at a supply voltage level of constant size. This adjustment of the compensation resistance can be carried out, for example, as part of the final inspection during manufacture.

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.Based on practical investigations, it was found that a simultaneous compensation of the electrical drift and the mechanical creep can be realized with the help of a constant compensation resistance. Mechanical creep is an intrinsic property of piezoceramic. The electrical drift overlaps the effect of mechanical creep. The voltage on the piezo element that changes due to drift leads to an additional change in the deflection. Both the electrical drift and the mechanical creep theoretically follow a logarithmic course over time. The logarithmic course of the electrical drift likewise overlaps the logarithmic course of the mechanical creep, the two effects partially compensating for one another. Practical tests have shown that after a short initial drift, an equilibrium state is established in which the drift occurring in the deflection of the piezo element can be effectively compensated for by the compensation resistor inserted.

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Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigt/zeigen:

1 eine Reihenschaltung aus einem Piezoelement und einem Referenzkondensator zur Erläuterung einer ladungsabhängigen Steuerung eines Piezoelements,
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,
3 a) bis c) an der Beschaltung aufgenommene beispielhafte Messkurven für einen Sollwert (3a), eine Aktorspannung (3b) und eine Auslenkung des Piezoaktors (3c),
4 und 5 eine Detailansicht eines vereinfachten Schaltbildes eines piezoelektrischen Antriebes gemäß zweier Ausführungsbeispiele,
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,
8 ein weiteres vereinfachtes Schaltbild eines piezoelektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei eine Dimensionierung des Kompensationswiderstandes erläutert wird, und
9 eine vereinfachte Schnittansicht eines Piezoventils gemäß einem Ausfü hru ngsbeispiel.

Further advantageous aspects of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the drawings. In the drawings:

1 a series connection of a piezo element and a reference capacitor for explaining a charge-dependent control of a piezo element,
2nd 1 shows a simplified circuit diagram of the wiring of a piezo element and a reference capacitance for detecting the parameters necessary for the operation of a piezo element in accordance with the prior art,
3 a) to c ) Sample measurement curves for a setpoint recorded on the circuit ( 3a) , an actuator voltage ( 3b) and a deflection of the piezo actuator ( 3c ),
4th and 5 2 shows a detailed view of a simplified circuit diagram of a piezoelectric drive according to two exemplary embodiments,
6 and 7 Measurement results for the time-dependent actuator voltage and the time-dependent deflection of a piezo element in a piezoelectric drive according to one of the exemplary embodiments in 4th or 5 ,
8th another simplified circuit diagram of a piezoelectric drive according to an embodiment, wherein a dimensioning of the compensation resistor is explained, and
9 a simplified sectional view of a piezo valve according to an exemplary 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 piezo element PA and a reference capacity REF are connected in series. Will be between a first node P1 which on the first side of the piezo element PA is coupled, and an opposite second node P2 which is connected to a second side of the reference capacity REF is coupled, for example using a control stage, not shown, a clamping voltage UGES applied, the charge is distributed evenly between the piezo element PA and the reference capacity REF . In other words, QPA = QREF. According to the known QREF = CREF * UREF and QPA = CPA * UPA, where CREF and CPA the capacitances of the piezo element PA or the capacitance of the reference capacitance REF are. UREF or UPA is the one above the reference capacitance REF or the piezo element PA falling voltage. From this context, CPA = CREF * UREF / UPA and also QPA = CREF * UREF. Consequently, by measuring UREF, the charge can QPA on the piezo element PA about the proportionality factor CREF be measured. This enables charge control of the piezo 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. 2nd shows a simplified circuit diagram of the wiring of a piezo element PA and a reference capacitance connected in series with it REF in a known piezoelectric drive 2nd . Because both the piezo element PA as well as the reference capacity REF not only have a capacitive but also a resistive component, these two elements have a corresponding capacitance CPA , CREF and a resistor connected in parallel RPA and RREF shown in the equivalent circuit diagram. The piezo element PA and the reference capacitance REF are above the first node P1 or the second node P2 to a first and second supply voltage level U1 , U2 a control stage, not shown, coupled. The one above the piezo element PA falling voltage UPA with the help of an essentially currentless measuring circuit with high input resistances RM + , RMM and RM- tapped. The one above the piezo element PA falling voltage UPA can with the help of high impedance resistors RM + and RMM can be tapped. The above the reference capacity REF falling voltage UREF is using the high impedance resistors RMM and RMM- tapped. Because both the piezo element PA as well as the reference capacity REF , albeit high-impedance, resistive components RPA , RREF have occurs at a third node P3 a leakage current IL on which is the measurement result for the on the piezo element PA charge pending over time due to one at the third node P3 occurring electrical drift falsified. Another source of leakage current IL is the measurement 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 curves 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 is the ratio between the current setpoint voltage USOLL and a maximum setpoint voltage UMAX shown. At the setpoint voltage USOLL it can be an analog control voltage or a digital signal. Typically, such a setpoint is fed to a microcontroller, which in turn has a 2nd Control stage, not shown controls. Based on the setpoint voltage USOLL the control stage controls the size of the first and second supply voltage levels U1 , U2 , which ensures the deflection of the piezo element 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 one over the piezo element PA falling actuator voltage UPA on the same time scale. The actuator voltage UPA in a first case increases from a value identical to zero to a value close to 40 V. Because of the between the first knot P1 and the third knot P3 occurring leakage current IL drifts the voltage drop across the piezo element PA UPA over time t by a value ΔUPA1 . In a second case, a lower voltage is applied to the piezo element PA applied, this increases from a value identical to zero to a value close to 20 V at time t = 0. In this second case, a lower leakage current also occurs due to the lower voltage IL so that the one above the piezo element PA falling voltage UPA over time a little less, namely ΔUPA2 drifts. The one between the first and third knot P1 , P3 occurring electrical drift causes a change in the deflection of the piezo element PA. The total deflection of the piezo element PA is also overlaid by 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 2µm. Aufgrund der höheren Drift ΔUPA1 der Aktorspannung UPA tritt im ersten Fall auch eine höhere relative Längenänderung ΔLPA1 des Piezoelements PA auf.In 3c is a relative change in length for the first and second cases already mentioned ΔLPA as deflection of the piezo element PA plotted over the same time scale. The change in length shown ΔLPA of the piezo element PA is the sum of mechanical creep and a change in length of the piezo element PA, which is caused by the between the first and third nodes P1 , P3 occurring electrical drift is caused. In the first case (in which an actuator voltage close to 40 V is applied to the piezo element PA), a relative change in length occurs first ΔLPA of about 4 µm. The deflection drifts over time ΔLPA the piezo element PA by a value ΔLPA1 . As in the second case, becomes a lower actuator voltage UPA2 close to 20 V to the piezo element PA applied, there is less relative displacement ΔLPA of the piezo element PA on. In this second case lies ΔLPA close to 2µm. Because of the higher drift ΔUPA1 the actuator voltage UPA in the first case there is also a higher relative change in length ΔLPA1 of the piezo element PA on.

Den 3 a) 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 3 a) to c ) it can be seen that between the first and third nodes P1 , P3 an electrical drift occurs which causes mechanical creep of the piezo element PA is superimposed. Both effects lead to the in 3c shown drift of length change ΔLPA . About both the electrical drift and the mechanical creep of the piezo element PA to compensate, has a piezoelectric drive 2nd like him 4th and 5 according to two embodiments in each simplified circuit diagram show a compensation resistor RQ on which is optionally parallel to the piezo element PA or the reference capacitor REF is switched.

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 4th and 5 is the piezo element PA and the reference capacitance REF each as a capacitance CPA or CREF and as a parallel resistor RPA respectively. RREF shown. The piezo element PA and the reference capacity REF are connected in series, with a first side of the piezo element PA to a first node P1 and a second side of the reference capacitance REF to a second node P2 is coupled. A second side of the piezo element PA and a first side of the reference capacitance REF are at a third node P3 coupled. The series connection made of piezo element PA and reference capacity REF is at a first and a second supply voltage level U1 , U2 a tax stage 4th coupled. The one above the piezo element PA falling voltage UPA is about the high impedance resistors RM + and RMM tapped a measurement circuit. The above the reference capacity REF falling voltage UREF is about the high impedance resistors RMM and RM- tapped. The compensation resistance RQ is between the first supply level U1 the tax stage 4th and the third knot P3 coupled ( 4th ).

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 Piezoelectric drive shown in a simplified circuit diagram 2nd is identical to that in 4th shown piezoelectric drive 2nd constructed, the same components being provided with the same reference numerals. The only difference is that the compensation resistance RQ in the 5 shown circuit diagram between the third nodes P3 and the second supply voltage level U2 the tax stage 4th 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.About the compensation resistor RQ becomes the third knot P3 a compensation current IQ supplied, which the leakage current occurring at the third node IL (see. 2nd ) compensated. A drift of the change in length is preferred ΔLPA (see. 3c ) by deliberately adjusting one of the third nodes P3 compensation current flowing in or out IQ reduced and ideally eliminated. The size of the compensation current IQ is determined by the size of the compensation resistance RQ certainly. In the following, one possibility will be explained by way of example, such as the appropriate size of the compensation resistor during the production process of a piezoelectric drive and also during the production of a piezo valve RQ can be found so that for the subsequent operation the duration of the compensation resistance is in principle unlimited RQ is established as a fixed operating parameter.

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 4th regulates that a constant first and second supply voltage level U1 , U2 on the piezo element PA issue. The size of the compensation resistor RQ , which is preferably an adjustable resistor, is then subsequently set such that a drift in the deflection of the piezo element PA caused by the leakage current IL and the mechanical creep is caused, minimized or largely eliminated. For example, the change in length during the final inspection during the manufacture of a piezo valve 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 can RQ will be calculated on what later, in connection with 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.Is the size of the compensation resistor RQ The size is determined with sufficient accuracy as a constant operating parameter of the piezoelectric drive 2nd or a piezo valve with such a piezoelectric drive 2nd fixed. This can be achieved, for example, by using a compensation resistor RQ appropriate size in the piezoelectric drive 2nd firmly soldered or a variable resistor remains at its fixed value. The latter variant is 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 on the piezo element PA is applied, the mechanical creep of the piezo element follows PA and the electrical drift between the first and third nodes P1 , P3 a logarithmic course over time. Mechanical creep and electrical drift are partially compensated for. The resulting deflection (cf. 3c ) is in a time interval shortly after the change on the piezo element PA applied voltage initially relatively quickly, but then enters an equilibrium state. The change in length ΔLPA over time (which theoretically also follows a logarithmic law) can in practice and in good approximation with the help of the constant compensation resistance RQ be largely eliminated.

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 an example of three measurement curves for different ones on the piezo element PA applied actuator voltages UPA . The drift of length change ΔLPA was in these cases by an appropriate compensation resistor RQ compensated. The electrical drift is like the values for ΔUPA1 .. ΔUPA3 show, even with actuator voltages close to 80 V, only 2.7 V over a pull-in time of the corresponding piezo valve of almost three minutes. The electrical drift is specifically adjusted to mechanically creep the piezo element PA to compensate. 7 shows the corresponding measurement curves for the deflection LPA of the piezo element over the same time scale. Obviously, the drift could be the deflection LPA largely eliminated, so that the corresponding piezoelectric drive 2nd in addition to a very good proportional operation also shows very good properties 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 a further simplified circuit diagram of a piezoelectric drive 2nd , according to which already out 4th and 5 known embodiments. In a known manner is a piezo element PA and a reference capacity REF between a first knot P1 and a second knot P connected in series. At the first knot P1 is the first supply voltage level U1 ; at the second node P2 is the second supply voltage level U2 a control level, not shown 4th on. In the circuit diagram shown is a compensation resistor RQ both between the first and third nodes P1 , P3 as well as between the second and third nodes P2 , P3 shown. The location of the compensation resistor RQ becomes dependent on the necessary sign of the compensation current IQ chosen so that in practice the compensation resistance RQ is only in one position or the other.

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: $IQ = \frac{UREF}{RREF} + \frac{UREF}{RMM} - \frac{UPA}{RPA}$

Below are those on the third node P3 occurring currents considered. The sum of the third knot P3 currents flowing in or out of this node should be identical to zero. In other words, these currents should be selected so that the leakage current IL is identical to zero. Hence: IQ = IREF + IMM-IPA, where IQ by the compensation resistance RQ flowing current, IREF by the resistance part of the reference capacitance REF flowing current, IMM through the high resistance RMM flowing electricity and IPA through the ohmic part of the piezo element PA flowing current is. The relationship results from reshaping:

IQ = \frac{UREF}{RREF} + \frac{UREF}{RMM} - \frac{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.The size for the through the reference resistance results from this connection RQ flowing current IQ because the sizes for RREF , RMM and RPA are known and the sizes UREF and UPA can be measured using 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 size of the compensation resistor results RQ as RQ = UPA / IQ. In addition, as in 8th shown between the first and third nodes P1 , P3 switched. For a negative current IQ <0 through the compensation resistance RQ the size of the compensation resistance results RQ as RQ = UREF / IQ. As well 7 can be seen, the compensation resistance RQ between the second and third nodes P2 , P3 switched. By measuring UREF and UPA , ie the one above the. Reference capacity REF or the piezo element PA falling voltage with knowledge of the corresponding resistances RREF , RMM and RPA can be the size of the compensation resistor RQ 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 2nd . A tax level 4th is about leads 8th with a piezo element PA connected. The control stages are preferred by a microcontroller, not shown, which is in the piezoelectric drive 2nd can be integrated, controlled. The piezo element is an example PA around a slat, the first end of which 10th in the housing 12th of the piezo valve 6 is clamped. An opposing free end 14 is movable, so that a sealing body attached to the lamella 16 , as indicated by the dashed line, can be moved between a first and a second position. Depending on the position of the piezo element PA becomes a fluidic connection between the channels K1 and K2 (as in 8th shown) or between the channels K1 and K3 Approved. It can also be a stack element as a piezo element PA are used, in which case a different construction of the piezo valve 6 would be used.

Claims

Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6), the piezoelectric drive comprising a piezo element (PA) and a control stage (4) for providing a control signal for operating the piezo element (PA), a reference capacitance (REF) is connected in series with the piezo element (PA), and wherein a first node (P1) is coupled to a first side of the piezo element (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), in which the piezo element (PA) is activated in an aperiodic operating mode and the control stage during a pull-in phase of the piezo valve (6) (4) couples a constant first and second supply voltage level (U1, U2) as a control signal to the first and second nodes (P1, P2), during which the piezoelectric drive (2) a compensation current (IQ) via a compensation resistor (RQ) is supplied to or discharged from the third node (P3), the compensation resistor (RQ) between the third node (P3) and the first or second supply voltage level (U1 , U2) of the control stage (4) is coupled, a size of the compensation resistor (RQ) being selected such that a static mechanical state of the piezo element (PA) is established if the size of the first and second supply voltage level (U1, U2) is constant over time, in which a change in length of the piezo element (PA) lies below a limit value, the size of the compensation resistor (RQ) being selected such that a sum of the currents flowing at the third node (P3), which causes an electrical drift of the third node (P3) against the first node (P1), caused by a compensation current (IQ) flowing through the compensation resistor (RQ) below he is reduced a predetermined limit.

Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6) according to Claim 1 , in which a voltage drop across the piezo element (PA) between the first node (P1) and the third node (P3) is detected with the aid of a measuring circuit.

Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6) according to Claim 2 , in which at least one operating parameter of the piezoelectric drive (2) is determined on the basis of the measured values for the voltage drop between the first node (P1) and the third node (P3).

Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6) according to Claim 1 , in which the size of the compensation resistor (RQ) is selected so that a compensation current (IQ) flows through the compensation resistor (RQ) from the third node (P3) or flows to it, so that a mechanical drift of the piezo element (PA) is reduced .

Method for operating a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6) according to Claim 1 , where the compensation resistance (RQ) is an adjustable resistance.

Method for producing a piezoelectric drive (2) for a piezo valve (6) with a piezo element (PA) as the drive element and with a control stage (4) for providing a control signal for operating the piezo element (PA), a reference capacitance (REF) with the Piezo element (PA) is connected in series, and wherein a first node (P1) is coupled to a first side of the piezo element (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 set up to have a first and a second supply voltage level (U1, U2) as a control signal for operating the To couple piezo elements (PA) to the first and second nodes (P1, P2), and wherein a compensation resistor (RQ) between the third node (P3) and the first or second supply voltage level (U1, U2) of the control stage (4), the method comprising the following steps: a) Control of the control stage (4) so that a constant first and second supply voltage level (U1, U2) is present at the first and second nodes (P1, P2) and a static mechanical state of the piezo element (PA) is set, in which a Change in length of the piezo element (PA) is below a limit value, b) Adjusting a size of the compensation resistor (RQ) so that an electrical drift occurring at the third node (P3) with respect to the first node (P1) is reduced below a predetermined limit value by a compensation current (IQ) flowing through the compensation resistor (RQ) , c) Determining the determined size of the compensation resistor (RQ) as a constant operating parameter of the piezoelectric drive (2) for its subsequent operation.