DE19714610A1 - Charging and discharging piezoelectric element, e.g for fuel injector of IC engine - Google Patents

Charging and discharging piezoelectric element, e.g for fuel injector of IC engine

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DE19714610A1
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Abstract

The procedure for charging and discharging a piezoelectric element (11) has at least the charging or the discharging taking place at least partly by displacement of charges between the element to be charged or discharged and one or more elements not to be charged or discharged. The displacement of the charges takes place by intermediate storage of their energy in an element (5) working as an inductance. This element is a coil, actually a transformer. The charging and discharging of the piezoelectric element take place through the same element working as an inductance. During the running of the device for executing the procedure, or after the charging and discharging, a preliminary or subsequent charging is executed in which the existing piezoelectric energy is charged up to a voltage that is less than a threshold, from which thereafter the elements can work as actuators or control elements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo­ elektrischen Elements.The present invention relates to a method according to the Preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 11, d. H. a procedure and a device for loading and unloading a piezo electrical element.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele­ menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek­ trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.In the case of the piezoelectric elements considered in more detail here elements are particularly, but not exclusively Lich around piezoelek used as actuators or actuators trical elements. Piezoelectric elements can be used for use such purposes because they are known to Have property depending on one of them contracting or expanding applied voltage.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo­ elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor­ teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu­ fige Bewegungen auszuführen hat.The practical realization of actuators by piezo electrical elements prove particularly then from before part if the actuator in question quickly and / or frequently has to make cautious movements.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.The use of piezoelectric elements as an actuator proves itself among other things with fuel injectors for Internal combustion engines as advantageous. The applicability of  piezoelectric elements in fuel injectors for example EP 0 371 469 B1 and EP 0 379 182 B1 referred.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend teilweise bereits angedeutet wurde, ent­ sprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.Piezoelectric elements are capacitive consumers, which itself, as has already been partially indicated above speaking of the respective state of charge or of it contracting or applying voltage and expand.

Zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements sind zwei grundlegende Prinzipien bekannt, nämlich das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand oder das Laden und Entladen über eine Spule, wobei sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Spule unter anderem dazu dienen, den beim Laden auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen.For loading and unloading a piezoelectric element known two basic principles, namely charging and Discharging through an ohmic resistor or charging and Discharge via a coil, with both the ohmic resistance as well as serving the coil, among other things, when charging occurring charging current and that occurring during discharging Limit discharge current.

Die erste Variante, d. h. das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand ist in Fig. 5 veranschaulicht.The first variant, that is to say charging and discharging via an ohmic resistor, is illustrated in FIG. 5.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet ist, ist mit einem Ladetransistor 102 und einem Entlade­ transistor 103 verbunden.The piezoelectric element to be charged or discharged, which is designated in FIG. 5 with the reference number 101 , is connected to a charge transistor 102 and a discharge transistor 103 .

Der Ladetransistor 102 wird durch einen Ladeverstärker 104 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit einer positiven Versorgungs­ spannung; der Entladetransistor 103 wird durch einen Entlade­ verstärker 105 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit Masse.The charging transistor 102 is driven by a charging amplifier 104 and connects the piezoelectric element 101 with a positive supply voltage in the on state; The discharge transistor 103 is controlled by a discharge amplifier 105 and connects the piezoelectric element 101 to ground in the switched-on state.

Im durchgeschalteten Zustand des Ladetransistors 102 fließt über diesen ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird. Mit zunehmender Ladung des piezo­ elektrischen Elements 101 steigt die sich an diesem einstel­ lende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch des­ sen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ladetransistors 102, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und da­ mit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektri­ schen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten werden.In the switched-on state of the charging transistor 102 , a charging current flows through it, through which the piezoelectric element 101 is charged. With increasing charge of the piezoelectric element 101 , the voltage at this setting increases, and accordingly its outer dimensions also change. A blocking of the charging transistor 102 , that is, an interruption or termination of the charging process, causes the charge stored in the piezoelectric element 101 or the voltage resulting therefrom and therefore also the current external dimensions of the piezoelectric element 101 to be retained essentially unchanged .

Im durchgeschalteten Zustand des Entladetransistors 103 fließt über diesen ein Entladestrom, durch welchen das piezo­ elektrische Element 101 entladen wird. Mit zunehmender Ent­ ladung des piezoelektrischen Elements 101 sinkt die sich an diesem einstellende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch dessen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ent­ ladetransistors 103, also ein Unterbrechen oder Beenden des Entladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Ele­ ment 101 noch gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 bei­ behalten werden.In the switched-on state of the discharge transistor 103 , a discharge current flows through it, through which the piezoelectric element 101 is discharged. With increasing discharge of the piezoelectric element 101 , the voltage which is established thereon decreases, and accordingly its external dimensions also change. Disabling of the Ent charge transistor 103, causing thus interrupting or stopping of the discharge, that the 101 still stored charge element in the piezoelectric Ele and which thereby adjusting voltage and hence the current external dimensions of the piezoelectric element to be kept at 101 thereto.

Der Ladetransistor 102 und der Entladetransistor 103 wirken für den Ladestrom bzw. für den Entladestrom wie steuerbare ohmsche Widerstände. Die dadurch gegebene Steuerbarkeit des Ladestroms und des Entladestroms ermöglicht es, den Lade­ vorgang und den Entladevorgang genau wunschgemäß ablaufen zu lassen. Der durch den Ladetransistor 102 fließende Ladestrom und der durch den Entladetransistor 103 fließende Entlade­ strom erzeugen dort jedoch nicht unerhebliche Verlustleistun­ gen. Die in den Transistoren verbrauchte Verlustenergie ist pro Lade-Entladezyklus mindestens doppelt so hoch wie die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Energie. Diese hohe Verlustenergie bewirkt eine sehr starke Aufheizung des Ladetransistors 102 und des Entladetransistors 103, was er­ kennbar ein Nachteil ist.The charging transistor 102 and the discharging transistor 103 act like controllable ohmic resistors for the charging current and for the discharging current. The controllability of the charging current and the discharging current which this gives enables the charging process and the discharging process to be carried out exactly as desired. However, the charging current flowing through the charging transistor 102 and the discharging current flowing through the discharging transistor 103 generate not inconsiderable power losses there. The loss of energy consumed in the transistors per charging / discharging cycle is at least twice as high as the energy stored in the piezoelectric element 101 . This high loss energy causes the charging transistor 102 and the discharging transistor 103 to heat up very strongly, which is clearly a disadvantage.

Das betrachtete Lade- und Entladeverfahren ist daher insbe­ sondere dann, wenn häufige und/oder umfangreiche Lade- und Entladevorgänge durchzuführen sind, entweder gänzlich un­ brauchbar oder allenfalls eingeschränkt brauchbar.The loading and unloading procedure under consideration is therefore in particular especially when frequent and / or extensive loading and Unloading operations are to be carried out, either completely usable or only usable to a limited extent.

Nicht zuletzt deshalb kommt häufig die vorstehend bereits er­ wähnte zweite Variante zum Laden und Entladen des piezoelek­ trischen Elements, d. h. das Laden und Entladen über eine Spule zum Einsatz; eine praktische Realisierung dieser zwei­ ten Variante ist in Fig. 6 veranschaulicht.Not least because of this, the above-mentioned second variant for loading and unloading the piezoelectric element, ie loading and unloading via a coil, is often used; a practical implementation of this two-th variant is illustrated in Fig. 6.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet ist, ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 202 schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entlade­ schalter 206 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 202, einer Diode 203, einer Ladespule 204, des piezoelektri­ schen Elements 201, und einer Spannungsquelle 205 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 206, einer Diode 207, einer Entladespule 208 und des piezoelektrischen Elements 201 besteht.The piezoelectric element to be charged or discharged, which is designated in FIG. 6 with the reference number 201 , is part of a charging circuit which can be closed via a charging switch 202 and a discharging circuit which can be closed via a discharging switch 206 , the charging circuit comprising a series circuit of the charging switch 202 , a diode 203 , a charging coil 204 , the piezoelectric element's 201 , and a voltage source 205 , and wherein the discharge circuit consists of a series circuit of the discharge switch 206 , a diode 207 , a discharge coil 208 and the piezoelectric element 201 .

Die Diode 203 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade­ stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann. Die Diode 203 und der Ladeschalter 202 sind ge­ meinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.The diode 203 of the charging circuit prevents a current that discharges the piezoelectric element from flowing in the charging circuit. The diode 203 and the charge switch 202 can be realized together as a semiconductor switch.

Die Diode 207 des Entladestromkreises verhindert, daß im Ent­ ladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender Strom fließen kann. Die Diode 207 und der Entladeschalter 206 sind wie die Diode 203 und der Ladeschalter 202 gemeinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.The diode 207 of the discharge circuit prevents the piezoelectric element charging current from flowing in the discharge circuit. The diode 207 and the discharge switch 206 , like the diode 203 and the charge switch 202, can be implemented together as a semiconductor switch.

Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 202 geschlos­ sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 geladen wird; die im piezo­ elektrischen Element 201 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die ak­ tuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 201 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverän­ dert beibehalten.If the normally open charging switch 202 is closed, a charging current flows through the charging circuit, through which the piezoelectric element 201 is charged; the electrical charge stored in the piezoelectric element 201 or at this thereby adjusting voltage and thus also the ak tual external dimensions of piezoelectric element 201 are substantially changed unverän after loading thereof maintained.

Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 206 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade­ strom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 ent­ laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 201 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezo­ elektrischen Elements 201 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.If the normally open discharge switch 206 is closed, a discharge current flows through the discharge circuit through which the piezoelectric element 201 is charged; the state of charge of the piezoelectric element 201, which at this voltage by adjusting the current and thus also the external dimensions of the piezoelectric element 201 are after unloading thereof maintained substantially unchanged.

Da bei Schaltungen gemäß der Fig. 6 sowohl der Ladestrom­ kreis als auch der Entladestromkreis frei von nennenswerten ohmschen Widerständen sind, ist die durch das Laden und Ent­ laden des piezoelektrischen Elements (die durch das Fließen des Ladestroms und des Entladestroms durch ohmsche Wider­ stände) erzeugte Wärmeenergie äußerst gering.Since circuits according circle of FIG. 6, both the charging current and the discharging circuit are free from appreciable ohmic resistances is generated by loading and unloading load of the piezoelectric element (which stands by the flow of the charging current and the discharge current through ohmic Wider) Thermal energy extremely low.

Andererseits wird aber für die praktische Realisierung der­ artiger Schaltungen insbesondere wegen der nicht unerheb­ lichen Größe der Ladespule 204 und der Entladespule 208 rela­ tiv viel Platz benötigt, wodurch das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen über Spulen in bestimmten Fällen nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres möglich ist. On the other hand, rela tively a lot of space is required for the practical implementation of the like circuits, in particular because of the not inconsiderable size of the charging coil 204 and the discharge coil 208 , as a result of which the charging and discharging of piezoelectric elements via coils in certain cases is not, or at least not readily is possible.

Schaltungen der in der Fig. 6 gezeigten Art und Verfahren zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente unter Ver­ wendung derartiger Schaltungen sind aus den eingangs bereits erwähnten Druckschriften EP 0 371 469 B1 und EP 0 379 182 B1 bekannt.Circuits of the type shown in FIG. 6 and methods for charging and discharging piezoelectric elements using such circuits are known from the publications EP 0 371 469 B1 and EP 0 379 182 B1 already mentioned at the beginning.

Die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 dem grundlegen­ den Prinzip nach beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente sind Ver­ fahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Vor­ richtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The piezoelectric with reference to FIGS. 5 and 6, the more basic the principle according to described methods and apparatus for loading and unloading elements are Ver drive according to the preamble of claim 1 and Prior devices according to the preamble of patent claim 11.

Den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie vor allem dann, wenn die zu ladenden und entladenden piezoelektrischen Elemente schnell ladbar und entladbar sein sollen, für zumindest kurzzeitig sehr hohe Lade- und Entlade­ ströme ausgelegt sein müssen. Eine Folge hiervon ist, daß die Versorgungsspannungsquellen entsprechend groß dimensioniert sein müssen. Dies kann insbesondere dann, wenn eine Vielzahl der bekannten Vorrichtungen vorzusehen ist, um eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen laden oder entladen zu kön­ nen, eine nicht unerhebliche Größe der Anordnung zur Folge haben. Aufgrund dessen kann sich der Einsatz von piezo­ elektrischen Elementen als Aktoren bzw. Stellglieder unter beengten Verhältnissen als schwierig oder gänzlich unmöglich erweisen. Dies ist erkennbar ein Nachteil, den es zu beseiti­ gen gilt.The known methods and devices have in common that especially when the load and unload Piezoelectric elements can be quickly charged and discharged should, for at least briefly, very high loading and unloading currents must be designed. One consequence of this is that the Supply voltage sources are appropriately large have to be. This can be especially true if there are a variety of the known devices is to be provided to a variety of being able to charge or discharge piezoelectric elements NEN, a not inconsiderable size of the arrangement to have. Because of this, the use of piezo electrical elements as actuators or actuators under cramped conditions as difficult or completely impossible prove. This is clearly a disadvantage that it has to be eliminated applies.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 11 derart weiterzubilden, daß dadurch auch unter beengten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ermöglicht wird. The present invention is therefore based on the object the method according to the preamble of claim 1 or the device according to the preamble of the patent entit 11 to develop such that thereby also under cramped conditions for efficient loading and unloading piezoelectric elements is made possible.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 11 (Vorrichtung) beanspruchten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the the part of claim 1 (method) and by the in characterizing part of claim 11 (device) claimed features solved.

Demnach ist vorgesehen,
Accordingly, it is provided

  • - daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumin­ dest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek­ trischen Element(en) erfolgt (kennzeichnender Teil des Pa­ tentanspruchs 1) bzw.- That at least either loading or unloading at least partly by moving loads between them charging or discharging piezoelectric element and one or several piezoelek not to be loaded or unloaded trical element (s) (characteristic part of the Pa claim 1) or
  • - daß Mittel vorgesehen sind, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek­ trischen Element(en) erfolgen kann (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 11).- That means are provided which enable that at least either loading or unloading at least partially moving cargo between the charging or discharging piezoelectric element and one or several piezoelek not to be loaded or unloaded tric element (s) can take place (characteristic part of the Claim 11).

Die piezoelektrischen Elemente werden demnach nicht nur als Aktoren oder Stellglieder, sondern auch als Ladungsspeicher verwendet.The piezoelectric elements are therefore not only as Actuators or actuators, but also as charge stores used.

Die Ausnutzung der Ladungsspeicher-Funktion der piezoelektri­ schen Elemente ermöglicht es, das Laden eines zu ladenden piezoelektrischen Elements nicht mehr oder jedenfalls nicht mehr vollständig unmittelbar über die Versorgungsspannungs­ quelle, sondern zumindest teilweise unter Heranholen von in nicht zu ladenden piezoelektrischen Elementen gespeicherten Ladungen durchzuführen, wobei die von den nicht zu ladenden piezoelektrischen Elementen herangeholten Ladungen beim Ent­ laden des zu ladenden piezoelektrischen Elements wieder dort­ hin zurückgespeichert werden können.Exploiting the charge storage function of the piezoelectric elements makes it possible to load a load Piezoelectric element no longer or at least not more completely directly via the supply voltage source, but at least partially by fetching in Piezoelectric elements not to be loaded To carry out loads, of which not to be loaded Piezoelectric elements brought charges on Ent load the piezoelectric element to be charged back there  can be restored.

Die Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Ladungs­ speicher bewirkt keine Schwankungen in deren Abmessungen, wenn die piezoelektrischen Elemente mechanisch vorgespannt sind; auf eine mechanische Vorspannung kann ganz oder teil­ weise verzichtet werden, wenn die bei der Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Ladungsspeicher auftretenden Abmessungsveränderungen nicht ausreichen, um die piezoelek­ trischen Elemente als Aktoren bzw. Stellglieder wirken zu lassen.The use of the piezoelectric elements as a charge memory causes no fluctuations in their dimensions, when the piezoelectric elements are mechanically biased are; on a mechanical preload can be whole or in part be wisely waived if the use of the Piezoelectric elements occurring as charge storage Dimensional changes are not sufficient to the piezoelek trical elements act as actuators or actuators to let.

Im Idealfall, also wenn bei den Umladevorgängen keine Energie verloren ginge und wenn die piezoelektrischen Elemente in einer Anzahl vorhanden wären, die ausreicht, um im "nur" vor­ geladenen Zustand so viele Ladungen zu speichern, daß diese, wenn sie in ein zu ladendes piezoelektrisches Element umgela­ den werden, ausreichen, um dieses vollständig oder jedenfalls wunschgemäß weit zu laden, würde die Versorgungsspannungs­ quelle nur benötigt, um die piezoelektrischen Elemente bei der Inbetriebnahme der Anordnung vorzuladen; das spätere (sequentielle oder gleichzeitige) Laden und Entladen beliebi­ ger einzelner oder mehrerer der vorhandenen piezoelektrischen Elemente könnte dann ausschließlich durch ein entsprechendes Umladen bzw. Verschieben der vorhandenen Ladungen erfolgen. Das anfängliche Vorladen der piezoelektrischen Elemente durch die Versorgungsspannungsquelle kann dabei, da die piezoelek­ trischen Elemente zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken müssen, relativ langsam vonstatten gehen, wodurch die Versorgungsspannungsquelle nicht einmal für kurzzeitig hohe Leistungen ausgelegt sein muß und dem­ entsprechend klein ausgebildet werden kann.Ideally, that is when there is no energy in the reloading process would be lost and if the piezoelectric elements in there would be a number that is sufficient to "only" before charged state to store so many charges that these, when reloaded into a piezoelectric element to be charged will be sufficient to complete this or at least would load the supply voltage as desired source only needed to add the piezoelectric elements preload the commissioning of the arrangement; the later (sequential or simultaneous) loading and unloading any ger single or several of the existing piezoelectric Elements could then only be replaced by a corresponding one Reloading or moving the existing loads. Initial precharging of the piezoelectric elements the supply voltage source can, since the piezoelek trical elements at this point not yet as actuators or actuators must act relatively slowly go, causing the supply voltage source not even must be designed for short-term high performance and that can be made correspondingly small.

Dies gilt auch für den Fall, daß die vorstehend erwähnten idealen Verhältnisse nicht vorliegen, die Versorgungs­ spannungsquelle also während des Betriebs der Anordnung für ein mehr oder weniger umfangreiches Nachladen der piezoelek­ trischen Elemente sorgen muß; selbst dann muß die Versor­ gungsspannungsquelle bei weitem nicht für die Leistungen ausgelegt werden, die erbracht werden müßten, wenn das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente ohne Ladungsver­ schiebung zwischen den vorhandenen piezoelektrischen Elemen­ ten erfolgen würde.This also applies in the event that the aforementioned ideal conditions do not exist, the supply  voltage source during the operation of the arrangement for a more or less extensive reloading of the piezoelek trical elements must worry; even then the utility voltage source by far not for the performances be interpreted, which would have to be provided if the loading and discharging the piezoelectric elements without charge ver shift between the existing piezoelectric elements would take place.

Die Versorgungsspannungsquelle kann dadurch größenmäßig auf ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus kann auch ein der Versorgungsspannungsquelle nachgeschalteter Pufferkonden­ sator verkleinert oder weggelassen werden.The supply voltage source can therefore be of a size be reduced to a minimum. In addition, a buffer condensers connected to the supply voltage source sator can be reduced or omitted.

Es wurden also ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden, durch die es auf einfache Weise möglich ist, auch unter be­ engten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen durchzuführen.A method and a device have therefore been found through which it is easily possible, even under be efficient loading and unloading perform.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained with reference to the drawing. It demonstrate

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs­ gemäßen Schaltung, Fig. 1 shows a first embodiment of a loading and unloading of piezoelectric elements by the novel process according to Inventive suitable circuit,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen, Fig. 2 shows the time course of in operation of the circuit of FIG. 1-adjusting voltage and current profiles,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs­ gemäßen Schaltung, Fig. 3 shows a second embodiment of a loading and unloading of piezoelectric elements by the novel process according to Inventive suitable circuit,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 3 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen, Fig. 4 shows the time course of in operation of the circuit of FIG. 3-adjusting voltage and current profiles,

Fig. 5 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als ohmsche Widerstände wirkende Elemente, und Fig. 5 is a conventional circuit for charging and discharging a piezoelectric element via acting for the charging and discharging current as ohmic resistances elements, and

Fig. 6 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als Spulen wirkende Elemente. Fig. 6 shows a conventional circuit for charging and discharging a piezoelectric element via acting for the charging and discharging current as coil elements.

Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektri­ schen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.The piezoelectric elements, their loading and unloading in the the following is described in more detail, for example as Actuators in fuel injectors (especially in so-called common rail injectors) of internal combustion engines applicable. On such use of the piezoelectric However, there are no restrictions to elements; the piezoelectric elements can basically be used in any Devices can be used for any purpose.

Es wird davon ausgegangen, daß sich das jeweils zu ladende bzw. entladende piezoelektrische Element im Ansprechen auf das Laden ausdehnt und im Ansprechen auf das Entladen zu­ sammenzieht. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.It is assumed that what is to be loaded in each case resp. discharging piezoelectric element in response the loading expands and in response to the unloading pulls together. The invention is of course also applicable when this is the other way round.

Wenn zuvor oder später von einem "zu ladenden" piezoelektri­ schen Element die Rede ist, so ist darunter in der Regel zu verstehen, daß das betreffende piezoelektrische Element so stark aufzuladen ist, daß es infolge der dadurch bewirkten Ausdehnung desselben als Aktor bzw. Stellglied wirken kann. Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben werden wird, auch in diesem Sinne nicht "zu ladende" piezo­ elektrische Elemente geladen werden, doch muß eine dadurch gegebenenfalls bewirkte Ausdehnung derselben so gering blei­ ben, daß die betreffenden piezoelektrischen Elemente noch nicht als Aktor oder Stellglied wirken können.If before or later from a "to be charged" piezoelectric  element is usually mentioned understand that the piezoelectric element in question is to charge heavily that it as a result of the caused Expansion of the same can act as an actuator or actuator. Although, as described in detail below will be, also in this sense, not "to be loaded" piezo electrical elements are charged, but one must any expansion caused the same so lead ben that the relevant piezoelectric elements still cannot act as an actuator or actuator.

Umgekehrt ist unter einem Entladen von "zu entladenden" piezoelektrischen Elementen in der Regel zu verstehen, daß piezoelektrische Elemente, die so stark geladen sind, daß sie als Aktor oder Stellglied wirken können, aus ihrem aktiven Zustand in einen inaktiven Zustand versetzt werden, in wel­ chem sie nicht mehr als Aktor oder Stellglied wirken können. Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben werden wird, auch inaktive piezoelektrische Elemente entladen werden, doch bewirkt dies nicht den erwähnten Übergang vom aktiven in den inaktiven Zustand.Conversely, unloading "to be unloaded" piezoelectric elements usually understand that piezoelectric elements that are so strongly charged that they can act as an actuator or actuator, from their active State to be inactive, in which chem they can no longer act as an actuator or actuator. Although, as described in detail below will also discharge inactive piezoelectric elements , but this does not cause the transition from active in the inactive state.

Die piezoelektrischen Elementen, die durch die nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren geladen und ent­ laden werden sollen, sind mehr oder weniger stark mechanisch vorgespannt. Dadurch dehnen sie sich nicht schon während eines noch genauer beschriebenen Vor- und/oder Nachladens aus; bevor sie sich ausdehnen und als Aktor bzw. Stellglied wirken können, müssen sie (naturgemäß ohne Änderung ihrer Abmessungen) die Vorspannkraft überwinden.The piezoelectric elements by the following described devices and methods loaded and ent are more or less mechanical biased. As a result, they do not stretch during a pre-loading and / or reloading described in more detail out; before they expand and as an actuator or actuator they must be able to work (naturally without changing their Dimensions) overcome the preload.

Zusätzlich oder alternativ hierzu können die piezoelektri­ schen Elemente so angeordnet sein, daß eine während des Vor- oder Nachladens auftretende Größenveränderung keine oder jedenfalls keine wesentlichen Auswirkungen auf das die piezoelektrischen Elemente enthaltende System hat, die piezoelektrischen Elemente also noch nicht als Aktor oder Stellglied wirken können.Additionally or alternatively, the piezoelectric rule elements be arranged so that one during Size change occurring before or after loading no or in any case no significant impact on the  system containing piezoelectric elements that Piezoelectric elements not yet as an actuator or Actuator can act.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein erstes Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden und Ent­ laden eines piezoelektrischen Elements beschrieben.A first exemplary embodiment of the circuit according to the invention for carrying out the method according to the invention for charging and discharging a piezoelectric element will now be described with reference to FIG. 1.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel jeweils zu laden bzw. zu entladen gilt, ist eines aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die nacheinander zu laden und zu entladen sind.The piezoelectric element that it is in the example considered To be loaded or unloaded in each case is one from one Variety of piezoelectric elements that successively load and unload.

Die piezoelektrischen Elemente, aus denen das zu ladende und entladende piezoelektrische Element jeweils ausgewählt wird, sind in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 1, 12 1 . . . 1n1 bezeich­ net.The piezoelectric elements, from which the piezoelectric element to be charged and discharged is selected in each case, are arranged in parallel piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contain and with the reference numerals 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 denotes net.

Von den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1 . . . 1n1 möge das piezoelektrische Element 11 1 zur Ansteuerung einer einem er­ sten Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordneten Ein­ spritzdüse, das piezoelektrische Element 12 1 zur Ansteuerung einer einem zweiten Zylinder einer Brennkraftmaschine zu­ geordneten Einspritzdüse, und das piezoelektrische Element 1n1 zur Ansteuerung einer einem n-ten Zylinder einer Brenn­ kraftmaschine zugeordneten Einspritzdüse dienen. Die piezo­ elektrischen Elemente werden daher in einer vorbestimmten Reihenfolge aufeinanderfolgend geladen und entladen.Of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 may the piezoelectric element 11 1 for controlling an injection nozzle assigned to a first cylinder of an internal combustion engine, the piezoelectric element 12 1 for controlling an injection nozzle assigned to a second cylinder of an internal combustion engine, and the piezoelectric element 1 n 1 for controlling a one Serve n-th cylinder of an internal combustion engine-associated injection nozzle. The piezoelectric elements are therefore successively charged and discharged in a predetermined order.

Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält in Reihe zu dem jeweiligen piezoelektrischen Element 11 1, 12 1. . . 1n1 einen Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 mit parallel geschalteter Diode 11 3, 12 3, . . . 1n3. Über die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 ist bestimmbar, ob das im jeweiligen Piezozweig 11, 12, 1n enthaltene piezoelektrische Element 11 1, 12 1 . . . 1n1 während eines Ladevorganges geladen werden soll (zugeordneter Auswahlschalter geschlossen) oder nicht (zugeordneter Aus­ wahlschalter geöffnet).Each of the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contains in series with the respective piezoelectric element 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 a selection switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 with diode 11 3 , 12 3 , connected in parallel. . . 1 n 3 . Via the selector switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 it can be determined whether the piezoelectric element 11 1 , 12 1 contained in the respective piezo branch 11 , 12 , 1 n. . . 1 n 1 should be charged during a charging process (assigned selector switch closed) or not (assigned selector switch open).

Die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 und die parallel dazu angeordneten Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3 können jeweils als elek­ tronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise MOS-FETs realisiert werden.The selection switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 and the diodes 11 3 , 12 3 , arranged in parallel thereto. . . 1 n 3 can each be implemented as an electronic switch with parasitic diodes such as MOS-FETs.

Neben den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthält die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung eine aus einer Batterie 2 und einem Gleichspannungswandler 3 bestehende Versorgungs­ spannungsquelle, einen Kondensator 4, ein als Induktanz wirkendes Element in Form einer Spule 5, einen Vorlade­ schalter 6a mit parallel geschalteter Diode 6b, einen ersten Hauptlade- und Entladeschalter 7, einen zweiten Hauptlade- und Entladeschalter 8 sowie Dioden 9 und 10.In addition to the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contains the circuit shown in FIG. 1, a supply voltage source consisting of a battery 2 and a DC voltage converter 3 , a capacitor 4 , an element acting as an inductance in the form of a coil 5 , a precharge switch 6 a with a diode 6 b connected in parallel , a first main charge and discharge switch 7 , a second main charge and discharge switch 8 and diodes 9 and 10 .

Der Vorladeschalter 6a und die parallel dazu angeordnete Diode 6b können dabei durch einen elektronischen Schalter mit parasitärer Diode wie beispielsweise einen MOS-FET realisiert werden.The precharge switch 6 a and the diode 6 b arranged in parallel thereto can be implemented by an electronic switch with a parasitic diode, such as a MOS-FET.

Durch die genannte Versorgungsspannungsquelle (Batterie 2 mit nachgeschaltetem Gleichspannungswandler 3) wird die Spannung der Batterie (beispielsweise die 12 V einer Kraftfahrzeug­ batterie) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleich­ spannung umgesetzt und als Versorgungsspannung bereitge­ stellt.By said supply voltage source (battery 2 with a downstream DC converter 3 ), the voltage of the battery (for example the 12 V of a motor vehicle battery) is converted into an essentially any other DC voltage and is provided as a supply voltage.

Der weitere Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 1 läßt sich am einfachsten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim Laden und Entladen eines der piezoelektrischen Elemente be­ schreiben und nachvollziehen.The further structure of the circuit shown in FIG. 1 can be most easily written and understood based on its function and mode of operation during loading and unloading of one of the piezoelectric elements.

Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo­ elektrischen Elements 11 1 beschrieben.The function and operation of the circuit of FIG. 1 will now be described with reference to the charging and discharging of the piezoelectric element 11 1.

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt­ liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.The starting point of the considerations is a state in which all Liche switch opened and the piezoelectric elements and the capacitor are essentially discharged.

Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1 vollzieht sich in zwei Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und einer sich unmittelbar oder beliebig später daran an­ schließenden Hauptladestufe.The charging of the piezoelectric element 11 1 takes place in two stages, more precisely in a precharging stage and a main charging stage that follows immediately or at any time thereafter.

Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal­ ters 6a und der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver­ bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf eine erste (niedrige) Spannung aufgeladen.The precharge stage is by closing the precharge switch 6 a and the selector switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 initiated. Closing said switch causes the condenser 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 connected in parallel and connected to the DC-DC converter 3 . As a result, the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 charged to a first (low) voltage.

Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo­ elektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherte Energie ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente voll­ ständig (wunschgemäß weit) aufzuladen.Said first voltage is dimensioned such that on the one hand the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 do not yet act as actuators or actuators, and that on the other hand the thereby in the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 stored energy is sufficient to charge one of the piezoelectric elements completely (as desired).

Nach diesem Vorladen des Kondensators 4 und der piezoelektri­ schen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 werden der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 wieder geöffnet. Da­ durch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Ele­ mente 11, 12 1, . . . 1n1 voneinander und vom Gleichspannungs­ wandler 3 getrennt.After this precharging of the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 , the precharge switch 6 a and the selection switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 opened again. Since the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 , 12 1 ,. . . 1 n 1 separated from each other and from the DC converter 3 .

Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen bleiben dort im we­ sentlichen unverändert erhalten.The in the capacitor 4 and in the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 stored charges remain essentially unchanged there.

Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele­ ments 11 1 (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri­ schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.Starting from this state, the complete charging of the piezoelectric element 11 1 (or any other of the piezoelectric elements) can now be carried out at any time. This takes place in the main charging stage already mentioned above.

Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge­ sagt der erste Teilschritt derselben wird durch ein Schließen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt die Ausbildung eines ersten und eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wobei der er­ ste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des Kondensa­ tors 4, der Diode 6b und der Spule 5 besteht, und wobei der zweite Umladestromkreis aus einer Parallelschaltung der pa­ rallelen Piezozweige 11, 12, . . . 1n und der Spule 5 besteht.The main charging stage consists of two steps; it, more precisely ge says the first sub-step of the same is initiated by closing the first main charge and discharge switch 7 and the second main charge and discharge switch 8 . The closing of said switch causes the formation of a first and a second closed Umladestromkreises, wherein the he ste Umladestromkreis of a series circuit of Kondensa gate 4, the diode 6 is b and the coil 5, and wherein the second Umladestromkreis of a parallel circuit pa rallelen the Piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n and the coil 5 there .

In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon­ densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) zur Spule 5 fließen und dort in Form von magneti­ scher Energie gespeichert werden. Die Spule 5 ist vorzugs­ weise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische Energie des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 in dieser speicherbar ist. Wenn die gesamte elek­ trische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem Konden­ sator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 in die Spule 5 transferiert ist, werden der erste Hauptlade- und Entladeschalter 7 und der zweite Hauptlade- und Entlade­ schalter 8 wieder geöffnet.In the recharging circuits, a (reloading) current flow is established by closing the same, through which the capacitor 4 and in the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 stored charges (stored electrical energy) flow to the coil 5 and are stored there in the form of magnetic energy. The coil 5 is preferably dimensioned so that the total electrical energy of the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 . . . 1 n 1 can be stored in this. If the total elec trical energy or a lot of energy from the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 , as desired. . . 1 n 1 is transferred into the coil 5 , the first main charge and discharge switch 7 and the second main charge and discharge switch 8 are opened again.

Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite Hauptladestufen-Teilschritt.When the first main charging and discharging switch 7 and the second main charging and discharging switch 8 open, the first main charging stage sub-step ends and the second main charging stage sub-step begins.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent­ ladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschal­ ters 8 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu ladenden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel also der dem piezoelektrischen Element 11 1 zugeordnete Aus­ wahlschalter 112 geschlossen; dadurch wird ein Schließen eines das piezoelektrische Element 11 1, die Diode 9, die Spule 5 und die Diode 10 enthaltenden Ladestromkreises be­ wirkt.Simultaneously with the opening of the first main charging and discharging switch 7 and the second main charging and discharging switch 8 or before, the selection switch of the piezoelectric element to be charged, in the example considered the piezoelectric element 11 1 associated with selector switch 112 is closed; thereby a closing of the piezoelectric element 11 1 , the diode 9 , the coil 5 and the diode 10 containing charging circuit will be effective.

In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des er­ sten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Haupt­ lade- und Entladeschalters 8 ein (Lade-)Stromfluß ein, durch welchen die in der Spule 5 gespeicherte Energie in das zu la­ dende piezoelektrische Element 11 1 umgeladen wird.In this charging circuit, the opening of the main charging and discharging switch 7 and the second main charging and discharging switch 8 is a (charging) current flow through which the energy stored in the coil 5 into the piezoelectric element 11 to be loaded 1 is reloaded.

Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu­ nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw. Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon­ stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann).The piezoelectric element closes due to the charge current flow increasingly loaded, which means that the Tension and its external dimensions increase. As at the beginning has already been hinted at is the piezoelectric element mechanically biased or arranged so that it is only now (in the second main charging step) as an actuator or Actuator can act; in the initial precharge stage the dimensions of the piezoelectric element remained constant  constant (if it is mechanically preloaded) or changes the dimensions without affecting the to be operated or element to be adjusted (if the piezoelectric element is so it is ordered that a certain minimum extent of the same must be reached before actuating or adjusting the to be actuated or adjusting element).

Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie vollständig oder wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Element umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 11 2 und damit auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der zweite Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte Lade­ vorgang beendet.When the energy stored in the coil 5 has been completely or, as desired, largely stored in the piezoelectric element to be charged, the selection switch 11 2 and thus also the charging circuit are opened again. This completes the second main charging step and the entire charging process.

In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 1 (oder ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent­ lichen vollständig entladen sind.In this state, the piezoelectric element 11 1 (or another of the piezoelectric elements) is substantially fully charged (as desired, far), while the other piezoelectric elements and the capacitor 4 are essentially completely discharged.

Die im piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen, die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen unverändert erhalten.The charges stored in the piezoelectric element 11 1 , the voltage resulting from this at the piezoelectric element and the dimensions of the piezoelectric element remain essentially unchanged at this stage (until they are discharged).

Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge­ sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen dieser Schalter bewirkt das erneute Schließen des ersten und des zweiten Umladestromkreises. The discharge of the piezoelectric element takes place like the main charging stage in two steps; it, more precisely ge says the first partial discharge step is initiated by closing the first main charge and discharge switch 7 and the second main charge and discharge switch 8 . Closing these switches causes the first and second recharging circuits to be closed again.

In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-) Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) über die Diode 11 3 zur Spule 5 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden. Die Spule 5 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektri­ sche Energie des geladenen piezoelektrischen Elements 11 1 in dieser speicherbar ist.As a result, a (charge) current flow is established in the charge-reversal circuits, through which the charges (stored electrical energy) stored in the charged piezoelectric element 11 1 flow via the diode 11 3 to the coil 5 and are stored there in the form of magnetic energy. The coil 5 is preferably dimensioned so that the entire electrical cal energy of the charged piezoelectric element 11 1 can be stored in this.

Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele­ ment 11 1 einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen ab.By reloading, the voltage setting on the piezoelectric element 11 1 and the external dimensions decrease.

Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen Elements 11 1 in die Spule 5 transferiert ist, werden der erste Hauptlade- und Entladeschalter 7 und der zweite Haupt­ lade- und Entladeschalter 8 wieder geöffnet.When all of the electrical energy of the piezoelectric element 11 1 is transferred into the coil 5 , the first main charge and discharge switch 7 and the second main charge and discharge switch 8 are opened again.

Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweite Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite Entlade-Teilschritt.When the first main charge and discharge switch 7 and the second main charge and discharge switch 8 open, the first partial discharge step ends and the second partial discharge step begins.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent­ ladeschalters 7 und des zweite Hauptlade- und Entladeschal­ ters 8 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und alle Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 geschlossen; dadurch kann die in der Spule 5 gespeicherte Energie in den Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 umgeladen werden.Simultaneously with the opening of the first main charging and discharging switch 7 and the second main charging and discharging switch 8 or before, the precharging switch 6 a and all selection switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 closed; thereby the energy stored in the coil 5 in the condenser 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 can be reloaded.

Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie umgeladen ist, ist der Entladevorgang beendet. When the energy stored in the coil 5 is recharged, the discharge process is ended.

Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon­ densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er­ forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be­ werkstelligbar ist.The precharge switch 6 a and the selection switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 , however, remain open for a short time so that the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 can be charged to the first voltage as in the precharge stage. This reloading, which is similar to precharging, is necessary because loading and unloading the piezoelectric elements can be done with little loss, but not entirely without loss.

Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer­ den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine nächste Hauptladestufe zum Laden des selben oder eines ande­ ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet.If the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 are charged to the first voltage, who the precharge switch 6 a and the selector switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 opened again. The arrangement is thus prepared for a next main charging stage for charging the same or a different one of the piezoelectric elements.

Betreibt man die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung, genauer gesagt das Laden und Entladen einer der vorhandenen piezo­ elektrischen Elemente wie vorstehend beschrieben, so stellen sich die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungs­ verläufe ein. Die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind das Ergebnis eines Simulation, in welcher die piezoelektri­ schen Elemente als reine Kapazitäten modelliert wurden.If you operate the circuit shown in FIG. 1, more precisely the charging and discharging of one of the existing piezoelectric elements as described above, the current and voltage curves shown in FIG. 2 are established. The current and voltage curves shown are the result of a simulation in which the piezoelectric elements were modeled as pure capacities.

Die in der Fig. 2 oben und in der Mitte dargestellten Kurven sind mit deren Meßgrößen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwendeten Symbolen repräsentieren
The curves shown at the top and in the middle of FIG. 2 are provided with symbols representing their measured variables. Represent from the symbols used

die sich am piezoelektrischen Element 11 1 einstellende Spannung Up1,
◊die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2,
∇ die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
○ den die Spule 5 durchfließenden (Umlade-)Strom.
the voltage U p1 occurring at the piezoelectric element 11 1 ,
◊ the voltage U p2 established at the piezoelectric element 12 1 ,
∇ the voltage U pn occurring at the piezoelectric element 1 n 1 ,
○ the (recharging) current flowing through the coil 5 .

Im in der Fig. 2 unten dargestellten Diagramm sind die je­ weiligen Schalterstellungen veranschaulicht.The respective switch positions are illustrated in the diagram shown in FIG. 2 below.

Die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe veranschaulichen den Ladevorgang (genauer gesagt den ersten Hauptladestufen-Teilschritt im Bereich von etwa 75 µs bis 250 µs auf der Zeitskala, den zweiten Hauptladestufen-Teilschritt im Bereich von etwa 250 µs bis 350 µs auf der Zeitskala, und die Vor- bzw. Nachladestufe im Bereich von etwa 600 µs bis 775 µs auf der Zeitskala) und den Entladevorgang (genauer gesagt den ersten Entlade-Teilschritt im Bereich von etwa 500 µs bis 600 µs, und den (mit dem Vor- bzw. Nachladeschritt zusammenfallenden) zweiten Entlade-Teilschritt im Bereich von etwa 600 µs bis 775 µs) eines piezoelektrischen Elements; die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind bei der vorste­ hend vermittelten Kenntnis des Aufbaus, der Funktion und der Wirkungsweise der Schaltung gemäß der Fig. 1 ohne weiteres verständlich und bedürfen keiner näheren Erläuterung.The current and voltage profiles shown in FIG. 2 illustrate the charging process (more precisely, the first main charging stage sub-step in the range from approximately 75 μs to 250 μs on the time scale, the second main charging stage sub-step in the range from approximately 250 μs to 350 μs) the time scale, and the precharge or reload level in the range of approximately 600 µs to 775 µs on the time scale) and the discharge process (more precisely the first partial discharge step in the range of approximately 500 µs to 600 µs), and the (with the - or reloading step (coinciding) second partial discharge step in the range from about 600 µs to 775 µs) of a piezoelectric element; the current and voltage curves shown are readily understandable given the knowledge of the structure, function and mode of operation of the circuit shown in FIG. 1 and do not require any further explanation.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist die sich am zu la­ denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende Spannung einen äußerst homogenen Verlauf auf.As can be seen from FIG. 2, the voltage which arises at the piezoelectric element to be charged and discharged has an extremely homogeneous course.

Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent­ laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig. 1 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad. Hierzu tragen insbesondere vier Faktoren bei, nämlich
At the same time, the circuit by which the loading and unloading is effected, more precisely the circuit according to FIG. 1 is extremely simple and optimal in efficiency. Four factors in particular contribute to this, namely

  • 1) daß das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente im wesentlichen durch ein Umladen erfolgt,1) that the loading and unloading of the piezoelectric elements essentially done by reloading,
  • 2) daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen über eine einzige Endstufe (Schaltung gemäß Fig. 1) geladen und entladen werden kann, 2) that a large number of piezoelectric elements can be charged and discharged via a single output stage (circuit according to FIG. 1),
  • 3) daß das Laden und das Entladen über ein und die selbe Spule (nämlich die Spule 5) erfolgt, und3) that the loading and unloading takes place via one and the same coil (namely coil 5 ), and
  • 4) die Wärmeerzeugung in ohmschen Widerständen vernachlässig­ bar gering ist.4) negligible heat generation in ohmic resistors bar is low.

Der erstgenannte Punkt ermöglicht es, die durch die Versor­ gungsspannungsquelle abzugebende Energie gering zu halten, wobei auch kurzzeitig hohe Belastungen vermeidbar sind. Da­ durch kann die Versorgungsspannungsquelle, genauer gesagt die Batterie 2 und der Gleichspannungswandler 3 für nur relativ kleine Leistungen ausgelegt und mithin relativ klein im Auf­ bau gemacht werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Umladen zumindest teilweise zwischen den vorhandenen piezoelektri­ schen Elementen erfolgt, kann auch der Kondensator 4 sehr klein gemacht werden oder sogar gänzlich entfallen. Dies ist insofern vorteilhaft, als Leistungskondensatoren im Auto­ motive-Bereich als kritische Bauteile gelten (geringe Schüt­ telbelastbarkeit, kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen).The first point makes it possible to keep the energy to be given off by the supply voltage source low, and high loads can also be avoided for a short time. Since the supply voltage source, more precisely the battery 2 and the DC-DC converter 3 can be designed for only relatively small powers and can therefore be made relatively small in construction. Due to the fact that the reloading takes place at least partially between the existing piezoelectric elements, the capacitor 4 can also be made very small or even completely eliminated. This is advantageous insofar as power capacitors in the automotive sector are critical components (low shaking capacity, short service life at high temperatures).

Der zweite und der dritte der oben genannten Punkte ermögli­ chen es, die Anzahl der Bauelemente, insbesondere die Anzahl der von Haus aus relativ großen Spulen minimal zu halten, wo­ durch sich erkennbar eine weitere Minimierung der Schaltungs­ größe erzielen läßt.The second and third of the above points are possible Chen it, the number of components, especially the number to keep the inherently relatively large coils to a minimum where recognizable further minimization of the circuit can achieve size.

Durch den vierten der oben genannten Punkte kann einerseits der Energieverbrauch gering gehalten und andererseits auf Kühlmaßnahmen verzichtet werden, was sich erkennbar ebenfalls vorteilhaft auf die Größe der betrachteten Anordnung aus­ wirkt.The fourth of the above points can on the one hand energy consumption kept low and on the other hand on Cooling measures are dispensed with, which can also be seen advantageous to the size of the arrangement under consideration works.

Sämtliche der genannten Punkte - sei es allein oder in Kombi­ nation - ermöglichen es oder tragen zumindest dazu bei, die zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen vor­ zusehende Schaltung auf kleinstem Raum unterzubringen und die Kosten für deren Herstellung und Betrieb minimal zu halten.All of the points mentioned - be it alone or in a combination nation - enable or at least contribute to the  for charging and discharging piezoelectric elements to accommodate the circuit in the smallest space and the To keep costs for their production and operation to a minimum.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist unter Beibehaltung deren we­ sentlicher Funktion und Wirkungsweise in verschiedenerlei Hinsicht abwandelbar. Eine der möglichen Abwandlungen ist in Fig. 3 veranschaulicht.The circuit of FIG. 1 is modifiable while maintaining their we key functions, and mode of operation in several respects. One of the possible modifications is illustrated in FIG. 3.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Schaltung zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens. Fig. 3 shows a second embodiment of an inventive circuit for performing the inventive method.

Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung entspricht teilweise der in der Fig. 1 gezeigten und vorstehend bereits ausführ­ lich beschriebenen Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.The circuit shown in FIG. 3 corresponds in part to the circuit shown in FIG. 1 and already described in detail above; Corresponding elements are identified by the same reference symbols.

Der Unterschied zwischen den Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3 besteht im wesentlichen darin, daß das beim Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements erfolgende Ver­ schieben von Ladungsträgern zum zu ladenden bzw. vom zu ent­ ladenden piezoelektrischen Element bei der Schaltung gemäß der Fig. 1 über die Spule 5, und bei der Schaltung gemäß der Fig. 3 über einen Übertrager 15 erfolgt.The difference between the circuits according to FIGS. 1 and 3 consists essentially in that the loading and unloading of a piezoelectric element Ver shifting of charge carriers to be charged or to be loaded from the piezoelectric element ent in the circuit according to FIG. 1st via the coil 5 , and in the circuit according to FIG. 3 via a transformer 15 .

Das piezoelektrische Element, das es zu laden bzw. zu entla­ den gilt, ist wiederum ein aus eine Vielzahl piezoelektri­ schen Elementen auswählbares piezoelektrisches Element, wobei die vielen piezoelektrischen Elemente wie bei der Schaltung gemäß Fig. 1 in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 1, 12 1, . . . 1n1 bezeichnet sind. The piezoelectric element to be charged or discharged is in turn a piezoelectric element selectable from a plurality of piezoelectric elements, the many piezoelectric elements as in the circuit according to FIG. 1 in parallel piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contain and with the reference numerals 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 are designated.

Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält auch wieder Aus­ wahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 mit parallel angeordneten Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3.Each of the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n also contains off selector switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 with diodes 11 3 , 12 3 , arranged in parallel. . . 1 n 3 .

Die Versorgungsspannungsquelle wird wiederum durch eine Bat­ terie 2 (beispielsweise eine Kraftfahrzeug-Batterie) und einen nachgeschalteten Gleichspannungswandler 3 gebildet, wo­ bei der Gleichspannungswandler 3 die Batteriespannung (bei­ spielsweise 12V) in eine beliebige andere Gleichspannung umsetzt.The supply voltage source is in turn formed by a battery 2 (for example a motor vehicle battery) and a downstream DC / DC converter 3 , where the DC / DC converter 3 converts the battery voltage (for example 12V) into any other DC voltage.

Die Schaltung gemäß der Fig. 3 weist in Übereinstimmung mit der Schaltung gemäß Fig. 1 auch den bekannten Kondensator 4, den Vorladeschalter 6a und die Diode 6b auf.The circuit according to FIG. 3, in accordance with the circuit according to FIG. 1, also has the known capacitor 4 , the precharge switch 6 a and the diode 6 b.

Bis hierher sind die Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3 identisch.Up to this point, the circuits according to FIGS. 1 and 3 are identical.

Anders als die Schaltung gemäß Fig. 1 weist die Schaltung gemäß Fig. 3 zusätzlich zu den genannten Elementen den vor­ stehend bereits erwähnten Übertrager 15, einen Hauptlade- und Entladeschalter 16 sowie Dioden 17 und 18 auf, die wie in der Fig. 3 gezeigt verschaltet sind.In contrast to the circuit according to FIG. 1, the circuit according to FIG. 3 has, in addition to the elements mentioned, the transformer 15 already mentioned above, a main charge and discharge switch 16 and diodes 17 and 18 , which are connected as shown in FIG. 3 are.

Der Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 3 läßt sich am einfach­ sten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim Laden und Entladen eines der piezoelektrischen Elemente beschreiben und nachvollziehen.The structure of the circuit according to FIG. 3 can be described and understood most simply based on its function and mode of operation during charging and discharging of one of the piezoelectric elements.

Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 3 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo­ elektrischen Elements 11 1 beschrieben. The function and the mode of operation of the circuit according to FIG. 3 will now be described with reference to the charging and discharging of the piezoelectric element 11 1 .

Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt­ liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.The starting point of the considerations is a state in which all Liche switch opened and the piezoelectric elements and the capacitor are essentially discharged.

Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1 erfolgt in zwei Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und einer sich unmittelbar oder beliebig später daran anschließenden Haupt­ ladestufe.The loading of the piezoelectric element 11 1 takes place in two stages, more precisely in a precharging stage and a main charging stage which follows immediately or at any time thereafter.

Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal­ ters 6a und der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 eingeleitet. Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver­ bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf eine erste (niedrige) Spannung aufgeladen.The precharge stage is by closing the precharge switch 6 a and the selector switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 initiated. Closing said switch causes the condenser 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 connected in parallel and connected to the DC-DC converter 3 . As a result, the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 charged to a first (low) voltage.

Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo­ elektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherte Energie ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente vollstän­ dig (wunschgemäß weit) aufzuladen.Said first voltage is dimensioned such that on the one hand the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 do not yet act as actuators or actuators, and that on the other hand the thereby in the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 stored energy is sufficient to fully charge one of the piezoelectric elements (as desired).

Nach dem Laden des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf die erste Spannung werden der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 wieder geöffnet. Dadurch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11, 12 1, . . . 1n1 voneinander und vom Gleichspannungswandler 3 getrennt. After charging the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 to the first voltage, the precharge switch 6 a and the selection switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 opened again. As a result, the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 , 12 1 ,. . . 1 n 1 separated from each other and from the DC converter 3 .

Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 121, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen bleiben dort im we­ sentlichen unverändert erhalten.The in the capacitor 4 and in the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1n 1 stored charges remain essentially unchanged there.

Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele­ ments 11 1 (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri­ schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.Starting from this state, the complete charging of the piezoelectric element 11 1 (or any other of the piezoelectric elements) can now be carried out at any time. This takes place in the main charging stage already mentioned above.

Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge­ sagt der erste Teil schritt derselben wird durch ein Schließen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das Schließen dieses Schalters bewirkt die Ausbildung eines er­ sten und eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wo­ bei der erste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des Kondensators 4, der Diode 6b, der Diode 17 und einer ersten Wicklung des Übertragers 15 besteht, und wobei der zweite Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung der parallelen Piezozweige 11, 12, . . . 1n, der Diode 17 und der ersten Wicklung des Übertragers 15 besteht.The main charging stage consists of two steps; it, more precisely ge says the first part of the same step is initiated by closing the main charge and discharge switch 16 . The closing of this switch causes the formation of a he sten and a second closed Umladestromkreises, where in the first Umladestromkreis of a series circuit of the capacitor 4, the diode 6 b, the diode 17 and a first winding of the transformer 15, and wherein the second Umladestromkreis from a series connection of the parallel piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n, the diode 17 and the first winding of the transformer 15 .

In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon­ densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 121, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) zum Übertrager 15 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden. Der Übertrager ist vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische Energie des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 1, 121, . . . 1n1 in diesem speicherbar ist. Wenn die gesamte elektrische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem Kondensator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 1, 121, . . . 1n1 in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet. In the recharging circuits, a (reloading) current flow is established by closing the same, through which the capacitor 4 and in the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1n 1 stored charges (stored electrical energy) flow to the transmitter 15 and are stored there in the form of magnetic energy. The transformer is preferably dimensioned so that the total electrical energy of the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1n 1 can be stored in this. If all or a desired amount of electrical energy from the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1n 1 is transferred into the transformer 15 , the main charge and discharge switch 16 is opened again.

Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet der erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite Hauptladestufen-Teilschritt.When the main charging and discharging switch 16 opens, the first main charging stage sub-step ends and the second main charging stage sub-step begins.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal­ ters 16 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu la­ denden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel also der dem piezoelektrischen Element 11 1 zugeordnete Aus­ wahlschalter 11 2 geschlossen; dadurch wird ein Schließen eines das piezoelektrische Element 11 1, die Diode 18 und eine zweite Wicklung des Übertragers 15 enthaltenden Ladestrom­ kreises bewirkt.Simultaneously with the opening of the main charging and discharging switch 16 or previously, the selection switch of the piezoelectric element to be loaded, in the example considered the piezoelectric element 11 1 associated with the selection switch 11 2 is closed; thereby a closing of the piezoelectric element 11 1 , the diode 18 and a second winding of the transformer 15 containing charging circuit is effected.

In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 ein (Lade-)Stromfluß ein, durch welchen die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in das zu ladende piezoelektrische Element 11 1 umgeladen wird.In this charging circuit, when the main charging and discharging switch 16 opens, a (charging) current flows, through which the energy stored in the transformer 15 is transferred to the piezoelectric element 11 1 to be charged.

Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu­ nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw. Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon­ stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann). The piezoelectric element closes due to the charge current flow increasingly loaded, which means that the Tension and its external dimensions increase. As at the beginning has already been hinted at is the piezoelectric element mechanically biased or arranged so that it is only now (in the second main charging step) as an actuator or Actuator can act; in the initial precharge stage the dimensions of the piezoelectric element remained constant constant (if it is mechanically preloaded) or changes the dimensions without affecting the to be operated or element to be adjusted (if the piezoelectric element is so it is ordered that a certain minimum extent of the same must be reached before actuating or adjusting the to be actuated or adjusting element).  

Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie vollständig oder wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Ele­ ment umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 112 und da­ mit auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der zweite Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte Ladevorgang beendet.If the energy stored in the transformer 15 is completely or as desired largely stored in the piezoelectric element to be charged, the selection switch 112 and there with the charging circuit is opened again. This completes the second main charging step and therefore the entire charging process.

In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 1 (oder ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent­ lichen vollständig entladen sind.In this state, the piezoelectric element 11 1 (or another of the piezoelectric elements) is substantially fully charged (as desired, far), while the other piezoelectric elements and the capacitor 4 are essentially completely discharged.

Die im piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen, die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen unverändert erhalten.The charges stored in the piezoelectric element 11 1 , the voltage resulting from this at the piezoelectric element and the dimensions of the piezoelectric element remain essentially unchanged at this stage (until they are discharged).

Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge­ sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das Schließen dieses Schalters bewirkt das erneute Schließen des ersten und des zweiten Umladestromkreises.The discharge of the piezoelectric element takes place like the main charging stage in two steps; it, more precisely ge says the first discharge sub-step is initiated by closing the main charge and discharge switch 16 . Closing this switch causes the first and second recharging circuits to be closed again.

In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-) Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische Energie) über die Diode 11 3 zum Übertrager 15 fließen und dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden.As a result, a (charge) current flow is established in the charge-reversal circuits, through which the charges (stored electrical energy) stored in the charged piezoelectric element 11 1 flow via the diode 11 3 to the transformer 15 and are stored there in the form of magnetic energy.

Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele­ ment 11 1 einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen ab. By reloading, the voltage setting on the piezoelectric element 11 1 and the external dimensions decrease.

Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen Elements 11 1 in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet.When all the electrical energy of the piezoelectric element 11 1 has been transferred into the transformer 15 , the main charging and discharging switch 16 is opened again.

Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet der erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite Entlade-Teilschritt.When the main discharge and discharge switch 16 is opened , the first partial discharge step ends and the second partial discharge step begins.

Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal­ ters 16 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und alle Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 geschlossen; dadurch kann die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in den Konden­ sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 umgeladen werden.Simultaneously with the opening of the main charging and discharging switch 16 or before, the pre-charging switch 6 a and all selection switches 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 closed; thereby the stored energy in the transformer 15 in the condenser 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 can be reloaded.

Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie umgeladen ist, ist der Entladevorgang beendet.When the energy stored in the transformer 15 has been transferred, the discharge process is ended.

Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon­ densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er­ forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be­ werkstelligbar ist.The precharge switch 6 a and the selection switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 , however, remain open for a short time so that the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 can be charged to the first voltage as in the precharge stage. This reloading, which is similar to precharging, is necessary because loading and unloading the piezoelectric elements can be done with little loss, but not entirely without loss.

Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . .. 1n1 auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer­ den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine nächste Hauptladestufe zum Laden desselben oder eines ande­ ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet. If the capacitor 4 and the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. .. 1 n 1 are charged to the first voltage, who the precharge switch 6 a and the selector switch 11 2 , 12 2 ,. . . 1 n 2 opened again. The arrangement is thus prepared for a next main charging stage for charging the same or another of the piezoelectric elements.

Betreibt man die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung, um die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 aufeinanderfol­ gend zur Durchführung einer Voreinspritzung und einer sich daran anschließenden Haupteinspritzung zu laden und zu ent­ laden, so stellen sich die in der Fig. 4 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe ein. Die gezeigten Strom- und Span­ nungsverläufe sind das Ergebnis eines Simulation, in welcher die piezoelektrischen Elemente als reine Kapazitäten mo­ delliert wurden.If one operates the circuit shown in FIG. 3 to the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 consecutively to carry out a pre-injection and a subsequent main injection and to discharge, the current and voltage profiles shown in FIG. 4 are set. The current and voltage curves shown are the result of a simulation in which the piezoelectric elements were modeled as pure capacitances.

Die in der Fig. 4 dargestellten Kurven sind mit deren Meß­ größen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwende­ ten Symbolen repräsentieren
The curves shown in Fig. 4 are provided with their measurement variables representing symbols. Represent from the symbols used

in dem gemäß der Fig. 4 oberen Diagramm
den die Diode 18 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
◊ den die Diode 17 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
in the upper diagram according to FIG. 4
the (recharging) current flowing through the diode 18 , and
◊ the (recharging) current flowing through the diode 17 , and

in dem gemäß der Fig. 4 unteren Diagramm
in the lower diagram according to FIG. 4

die sich am piezoelektrischen Element 11 1 einstellende Spannung Up1,
◊ die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2, und
∇die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
the voltage U p1 occurring at the piezoelectric element 11 1 ,
◊ the voltage U p2 established at the piezoelectric element 12 1 , and
∇ the voltage U pn occurring at the piezoelectric element 1 n 1 ,

In der gemäß der Fig. 4 unteren Darstellung bezeichnen
Designate in the lower representation according to FIG. 4

Usoll die sich an den jeweiligen piezoelektrischen Ele­ menten einstellende Spannung, wenn sie vollständig (wunschgemäß) geladen sind,
U1 die vorstehend bereits erwähnte erste Spannung, auf die die piezoelektrischen Elemente und der Konden­ sator beim Vor- und Nachladen geladen werden, und
U2 eine zweite Spannung, auf die die nicht geladenen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator durch das Entladen (Umladen) eines geladenen piezo­ elektrischen Elements geladen werden.
If the voltage occurring at the respective piezoelectric elements if they are fully (as desired) charged,
U1 the above-mentioned first voltage to which the piezoelectric elements and the capacitor are charged during precharging and reloading, and
U2 a second voltage to which the uncharged piezoelectric elements and the capacitor are charged by discharging (recharging) a charged piezoelectric element.

Die in der Fig. 4 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe veranschaulichen den Ladevorgang und den Entladevorgang der piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1, wobei zunächst das piezoelektrische Element 11 1, dann das piezoelektrische Element 12 1, und dann das piezoelektrische Element 1n1 auf­ einanderfolgend je zwei mal geladen und entladen werden (um eine Voreinspritzung und eine sich daran anschließende Haupt­ einspritzung durchzuführen).The current and voltage profiles shown in FIG. 4 illustrate the charging process and the discharging process of the piezoelectric elements 11 1 , 12 1 ,. . . 1 n 1 , wherein first the piezoelectric element 11 1 , then the piezoelectric element 12 1 , and then the piezoelectric element 1 n 1 are successively charged and discharged two times in succession (in order to carry out a pre-injection and a subsequent main injection).

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, weist die sich am zu la­ denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende Spannung einen äußerst homogenen und gut steuerbaren Verlauf auf.As can be seen from FIG. 4, the voltage which arises at the piezoelectric element to be charged and discharged has an extremely homogeneous and easily controllable course.

Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent­ laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig. 3 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad. Diesbezüglich herrscht Übereinstimmung mit den entsprechenden Ausführung zur Schaltung gemäß Fig. 1 (wenn das zur Spule 5 Gesagte auf den Übertrager 15 übertragen wird); zur Vermei­ dung von Wiederholungen wird daher auf die dortigen Aus­ führungen verwiesen.At the same time, the circuit by which the charging and discharging is effected, more precisely the circuit according to FIG. 3 is extremely simple and optimal in efficiency. In this regard, there is agreement with the corresponding embodiment for the circuit according to FIG. 1 (if what has been said about the coil 5 is transferred to the transformer 15 ); To avoid repetition, reference is therefore made to the explanations given there.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es beide Aus­ führungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache und elegante Art und Weise ermöglichen, auch unter beengten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente durchzuführen.In summary, it can be said that it is both off leadership examples of the device according to the invention and the The inventive method in a simple and elegant way  and enable way, even under cramped conditions efficient charging and discharging of piezoelectric elements perform.

Claims (11)

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1), dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teil­ weise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element(en) erfolgt.1. A method for loading and unloading a piezoelectric element ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ), characterized in that we least at least either loading or unloading at least partially by shifting charges between those to be loaded or unloaded piezoelectric element and one or more non-charging or discharging piezoelectric element (s). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschieben der Ladungen unter Zwischenspeicherung deren Energie in einem als Induktanz wirkenden Element (5; 15) er­ folgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the shifting of the charges while temporarily storing their energy in an element acting as an inductance ( 5 ; 15 ) it follows. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) eine Spule (5) verwendet wird.3. The method according to claim 2, characterized in that a coil ( 5 ) is used as the element acting as inductance ( 5 ; 15 ). 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) ein Übertrager (15) verwendet wird. 4. The method according to claim 2, characterized in that a transformer ( 15 ) is used as the element acting as inductance ( 5 ; 15 ). 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Laden und das Entladen des piezoelek­ trischen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) über das selbe als Induktanz wirkende Element (5; 15) erfolgen.5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the loading and unloading of the piezoelectric element ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ) via the same element acting as inductance ( 5 ; 15th ) respectively. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens oder nach dem Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) eine Vor- bzw. Nachladung ausgeführt wird, in wel­ cher zumindest die vorhandenen piezoelektrischen Elemente auf eine erste Spannung (U1) aufgeladen werden, welche kleiner ist als eine Schwellenspannung, von der an die piezoelektri­ schen Elemente als Aktoren oder Stellglieder wirken können.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least when commissioning the device for performing the method or after loading and unloading a piezoelectric element ( 11 1 , 12 1 , ... 1 n 1 ) a pre or recharging is carried out, in which at least the existing piezoelectric elements are charged to a first voltage (U1) which is less than a threshold voltage, from which the piezoelectric elements can act as actuators or actuators. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) mechanisch derart vorgespannt werden, daß deren Abmessungen durch das Vorladen nicht verändert werden.7. The method according to claim 6, characterized in that the piezoelectric elements ( 11 1 , 12 1 , ... 1 n 1 ) are mechanically biased such that their dimensions are not changed by the precharging. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die piezoelektrischen Elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) derart eingesetzt werden, daß während des Vorladens auf­ tretende Abmessungs-Veränderungen nicht ausreichen, um ein im wunschgemäß geladenen Zustand des betreffenden piezoelektri­ schen Elements zu betätigendes oder verstellendes Element zu betätigen oder zu verstellen.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the piezoelectric elements ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ) are used in such a way that during the precharging on occurring dimensional changes are not sufficient to a in desired actuated state of the relevant piezoelectric element to be actuated or adjusted element to actuate or to adjust. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Laden eines piezoelektrischen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) in zwei Teilschritten erfolgt, wobei im ersten Teil schritt wenigstens die in den vorgeladenen piezo­ elektrischen Elementen gespeicherte Energie einem Energie­ speicherelement zugeführt und dort gespeichert wird, und wobei im zweiten Teil schritt die im Energiespeicherelement gespeicherte Energie dem zu ladenden piezoelektrischen Ele­ ment zugeführt wird.9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the loading of a piezoelectric element ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ) is carried out in two substeps, the first part being at least the precharged one Piezoelectric elements stored energy is supplied to an energy storage element and stored there, and in the second part step the energy stored in the energy storage element is supplied to the piezoelectric element to be charged. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) in zwei Teilschritten er­ folgt, wobei im ersten Teilschritt wenigstens die im gelade­ nen piezoelektrischen Element gespeicherte Energie einem Energiespeicherelement zugeführt und dort gespeichert wird, und wobei im zweiten Teilschritt die im Energiespeicher­ element gespeicherte Energie zumindest auf die vorhandenen piezoelektrischen Elemente verteilt wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the discharge of a piezoelectric's rule ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ) it follows in two substeps, in the first substep at least the loaded piezoelectric Element stored energy is supplied to an energy storage element and stored there, and in the second sub-step the energy stored in the energy storage element is distributed at least to the existing piezoelectric elements. 11. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1), gekennzeichnet durch Mittel, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezo­ elektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu laden­ den oder entladenden piezoelektrischen Element(en) erfolgen kann.11. Device for loading and unloading a piezoelectric element's ( 11 1 , 12 1 ,... 1 n 1 ), characterized by means which make it possible for at least either the loading or the unloading to be carried out at least partially by shifting charges between the piezoelectric element to be charged or discharged and one or more piezoelectric element (s) not to be charged or discharged.
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