DE19827170A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung beschrieben. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von einzelnen oder gruppenweisen ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetztes piezoelektrisches Element verwendet wird. Dadurch läßt sich das piezoelektrische Element auf einfache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten in beliebig vielen und beliebig großen Schritten wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele­ menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek­ trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo­ elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor­ teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu­ fige Bewegungen auszuführen hat.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen­ den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen. Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann unter anderem über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Bauelement wie beispielsweise eine Spule erfolgen, wobei diese Spule in erster Linie dazu dient, den beim Laden auf­ tretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Ent­ ladestrom zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 veranschaulicht.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 derart weiterzubilden, daß sich das piezoelektrische Element auf einfache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vor­ gänge oder Komponenten auf wunschgemäße Ausdehnungen bringen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 11 (Vorrichtung) bean­ spruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen,

• - daß als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetztes piezoelektrisches Element verwendet wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
• - daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein piezoelektri­ sches Element zu laden, das aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzelelementen zusammengesetzt ist (kennzeichnender Teil des Patent­ anspruchs 11).

Die einzelne oder gruppenweise Ladbarkeit und Entladbarkeit der Einzelelemente eröffnet die Möglichkeit, diese unabhängig voneinander zu laden oder zu entladen. Dadurch können wahl­ weise beliebig viele Einzelelemente einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfol­ gend geladen und entladen werden. Die Einzelelemente ändern durch das Laden oder Entladen ihre Ausdehnung, wobei sich mit der Änderung eines, mehrerer, oder aller Einzelelemente auch die Ausdehnung des die Einzelelemente enthaltenden piezoelek­ trischen Elements ändert; die Veränderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements entspricht dabei der Summe der an den Einzelelementen auftretenden Ausdehnungs-Veränderungen.

Macht man nun die Auswahl der zu ladenden oder zu entladenden Einzelelemente von der angestrebten Ausdehnung des piezoelek­ trischen Elements oder der dazu erforderlichen Ausdehnungs- Änderung desselben abhängig, so kann das piezoelektrische Element ohne Variierung des Umfanges, in dem die Einzel­ elemente geladen oder entladen werden, auf beliebige Aus­ dehnungen gebracht werden.

Dies ermöglicht es, das Laden und das Entladen der Einzel­ elemente auf beliebige Art und Weise vorzunehmen. Unter an­ derem können die Einzelelemente dabei auch über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Lade- bzw. Entlade­ stromkreis ge- bzw. entladen werden, wodurch sich durch das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements hervorgeru­ fene elektromagnetische Störungen auf ein Minimum reduzieren lassen.

Piezoelektrische Elemente lassen sich so auf einfache Weise und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten wunsch­ gemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen.

Weil sich die Einzelelemente

• 1. problemlos einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend laden und ent­ laden lassen, und
• 2. auch für unterschiedlich große Ausdehnungen ausgelegte (unterschiedlich große oder unterschiedliche Anzahlen von Layern aufweisende) Einzelelemente sein können,

läßt sich auch der zeitliche Verlauf des Ladens und Entladens wunschgemäß festlegen. Insbesondere ist es selbst bei Verwen­ dung eines als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Lade- bzw. Entladestromkreises möglich, ein stufenweises Laden oder Entladen (ein Weiterladen eines vorgeladenen piezoelektri­ schen Elements) vorzunehmen.

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

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

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

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

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

Das piezoelektrische Element besteht im betrachteten Beispiel aus einer Vielzahl von Einzelelementen, welche

• - einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend ge- und entladen werden kön­ nen, und
• - derart übereinandergestapelt sind, daß die durch das Laden und Entladen hervorgerufenen Veränderungen der Ausdehnungen derselben im wesentlichen in dieselbe Richtung erfolgen.

Durch das Laden oder Entladen der Einzelelemente bewirkte Veränderungen der Ausdehnungen derselben bringen eine Ver­ änderung der Ausdehnung des die Einzelelemente enthaltenden piezoelektrischen Elements mit sich, wobei die Veränderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements der Summe der Veränderungen der Ausdehnungen der Einzelelemente entspricht. Es wird davon ausgegangen, daß sich die Einzelelemente (und damit auch das diese enthaltende piezoelektrische Element) im Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im Ansprechen auf das Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine Anordnung zum Laden und Entladen eines derartigen piezoelektrischen Ele­ ments beschrieben.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element besteht aus n übereinandergestapelten Einzelelementen, welche in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ bezeich­ net sind.

Die Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ sind Bestandteil von parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n, wobei jedes Einzelelement 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ in einem eigenen Piezo­ zweig vorgesehen ist. Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält neben dem jeweiligen Einzelelement 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ einen in Reihe zu diesem geschalteten Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und parallel hierzu eine Diode 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃.

Über die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ ist bestimmbar, ob das im jeweiligen Piezozweig 11, 12, . . . in enthaltene Einzelelement 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ ge- bzw. entladen werden soll (zugeordneter Auswahlschalter geschlossen) oder nicht (zugeordneter Auswahlschalter geöffnet).

Die Dioden 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃ sind Schutzdioden, durch welche verhinderbar ist, daß die Einzelelemente beim Entladen der­ selben zu weit entladen und dadurch negativ geladen werden; dies könnte den Einzelelementen unter Umständen schaden. Anstelle der Dioden 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃ kann auch nur eine einzige Diode verwendet werden, die zu den Piezozweigen 11, 12, . . . in parallel geschaltet ist.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt das jeweils eine Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohin­ gegen das andere Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n über eine (beim Laden als Ladespule und beim Entladen als Entlade­ spule verwendbare bzw. wirkende) Spule 2 und eine Parallel­ schaltung aus einem einen Ladeschalter 3a und eine Diode 3b enthaltenden Ladeschalterzweig und einem einen Entladeschal­ ter 4a und eine Diode 4b enthaltenden Entladeschalterzweig mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Die genannte Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 6 (beispielsweise einer KFZ-Batterie), einem dieser nach­ geschalteten Gleichspannungswandler 7, und einem diesem nach­ geschalteten, als Pufferkondensator dienenden Kondensator 8. Durch diese Anordnung wird die Batteriespannung (beispiels­ weise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleich­ spannung umgesetzt und als Versorgungsspannung bereit­ gestellt.

Der Ladeschalter 3a und die Diode 3b können als ein Halb­ leiterschalter realisiert sein; das selbe gilt für den Ent­ ladeschalter 4a und die Diode 4b.

Einer oder mehrere der durch Schließen der Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃ auswählbaren Piezozweige 11, 12 . . . 1n, die Spule 2, der Ladeschalter 3a, die Diode 3b und der Kondensa­ tor 8 bilden einen (über den Ladeschalter 3a öffen- und schließbaren) Ladestromkreis; die Reihenschaltung von kapa­ zitiv (Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁; Kondensator 8) und induktiv (Spule 2) wirkenden Elementen ermöglichen die Ver­ wendung des Ladestromkreises als LC-Serienschwingkreis.

Einer oder mehrere der durch Schließen der Auswahlschalter 11 ₃, 12 ₃ . . . 1n₃ auswählbaren Piezozweige 11, 12 . . . 1n, . . . 1n, die Spule 2, der Entladeschalter 4a, die Diode 4b und der Kondensator 8 bilden einen (über den Entladeschalter 4a öffen- und schließbaren) Entladestromkreis; die Reihen­ schaltung von kapazitiv (Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁; Kondensator 8) und induktiv (Spule 2) wirkenden Elementen ermöglichen die Verwendung des Entladestromkreises als LC- Serienschwingkreis.

Das Laden der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ er­ folgt durch einen (Lade-)Stromfluß im Ladestromkreis, und das Entladen durch einen (Entlade-)Stromfluß im Entladestrom­ kreis. Der Ladestromkreis und der Entladestromkreis werden dabei als Schwingkreis betrieben.

Wenn und solange weder ein Laden noch ein Entladen der Einzelelemente erfolgen soll, sind der Ladeschalter 3a und der Entladeschalter 4a geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung im stationären Zustand. D. h., die Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ behalten ihre Ladungszustände im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.

Das Laden wird durch das Schließen des Ladeschalters 3a ein­ geleitet.

Welches bzw. welche der Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ bei geschlossenem Ladeschalter 3a geladen werden, wird, wie vor­ stehend bereits angedeutet wurde, durch die den jeweiligen Einzelelementen zugeordneten Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ bestimmt; es werden jeweils all diejenigen Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ geladen, deren Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ während des Ladevorganges geschlossen sind.

Die Auswahl der zu ladenden Einzelelemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffen­ den Auswahlschalter erfolgt vorzugsweise (aber nicht zwangs­ läufig) außerhalb des Ladevorganges (vor dem Schließen bzw. nach dem Öffnen des Ladeschalters 3a).

Beim vorliegend betrachteten Beispiel werden die Einzel­ elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ in aufeinanderfolgenden Lade­ vorgängen einzeln geladen. Wie vorstehend jedoch bereits er­ wähnt wurde, können die Einzelelemente grundsätzlich einzeln oder gruppenweise gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge aufeinanderfolgend geladen werden.

Wird der Ladeschalter 3a geschlossen, so beginnt im Lade­ stromkreis ein das zu ladende Einzelelement ladender Lade­ strom zu fließen. Die Größe und der zeitliche Verlauf dieses Ladestroms hängt dabei im wesentlichen von dem durch das zu ladende Einzelelement 1x₁, die Spule 2 und den Kondensator 8 gebildeten LC-Reihenschwingkreis ab. Er steigt nach dem Schließen des Ladeschalters 3a mehr oder weniger schnell bis zu einem Maximum an und nimmt dann wieder mehr oder weniger schnell ab; eine richtungsmäßige Umkehr des Stromflusses, durch welche das Einzelelement wieder entladen würde, ist durch die Diode 3b ausgeschlossen.

Das Laden beginnt und endet also mit der ersten Strom-Halb­ welle der ersten Schwingkreis-Schwingung. Der Ladeschalter 3a wird nach der selbständigen Beendigung des Ladevorganges wie­ der geöffnet.

Der durch den Ladestrom zum zu ladenden Einzelelement be­ wirkte Ladungstransport hat eine Zunahme der im Einzelelement gespeicherten Ladung und damit auch eine Zunahme der sich am Einzelelement einstellenden Spannung und der Ausdehnung des Einzelelements zur Folge. Die Zunahme der Ausdehnung des Einzelelements bewirkt dabei auch eine Zunahme der Ausdehnung des gesamten piezoelektrischen Elements.

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

Wie stark das Einzelelement durch ein wie beschrieben erfol­ gendes Laden aufgeladen wird, hängt im betrachteten Ausfüh­ rungsbeispiel im wesentlichen ausschließlich von den techni­ schen Daten des zu ladenden Einzelelements 1x₁, der Spule 2 und des Kondensators 8 ab.

Die Induktivität der Spule 2 bestimmt dabei die maximale Ladestromstärke und die Ladezeit, und die Kapazitäten des Einzelelements 1x₁ und des Kondensators 8 bestimmen die sich nach dem Laden des Einzelelements an diesem einstellende Spannung.

Die sich infolge eines wie ein beschrieben erfolgenden Ladens am Einzelelement einstellende Spannung U_px beträgt dabei

wobei
U_px die sich am Einzelelement 1x₁ einstellende Spannung,
C_px die Kapazität des Einzelelements 1x₁,
U_B die Spannung am Kondensator 8, und
C_B die Kapazität des Kondensators 8
bezeichnen.

Obgleich bei einem wie beschrieben erfolgenden Laden der Einzelelemente während des Ladens kein Einfluß auf den Umfang des Ladens genommen werden kann, kann das aus den Einzel­ elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ bestehende piezoelektrische Ele­ ment dennoch wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen gebracht werden. Hierzu muß "nur einfach" eine entsprechende Auswahl der zu ladenden Einzelelemente vorgenommen werden, und zwar derart, daß die Summe der sich an den zu ladenden Einzel­ elementen infolge des Ladens ergebenden Ausdehnungs-Verände­ rungen die gewünschte Ausdehnungs-Veränderung des piezoelek­ trischen Elements ergibt.

Die Anzahl und die Größe der Schritte, mit welchen sich das piezoelektrische Element durch das aufeinanderfolgende Laden der ausgewählten Einzelelemente oder Einzelelement-Gruppen der gewünschten Ausdehnung nähert, hängt unter anderem von der Größe der Einzelelemente oder der Anzahl der darin ent­ haltenen Layer ab.

Dabei ist gegebenenfalls auch zu berücksichtigen, das die Spannung am Kondensator 8 (die zuvor mit U_B bezeichnete Span­ nung) bei kurz aufeinanderfolgenden Ladevorgängen mit jedem Laden eines Einzelelements mehr oder weniger stark abnehmen kann, wodurch die Spannung, auf die ein Einzelelement durch das Laden desselben gebracht wird (und damit auch die dadurch bewirkte Änderung der Ausdehnung desselben), mit zunehmender Anzahl von aufeinanderfolgenden Ladevorgängen geringer wird.

Um das piezoelektrische Element dennoch in gleich großen Schritten auf die gewünschte Ausdehnung bringen zu können, kann vorgesehen werden, die Einzelelemente unterschiedlich groß bzw. mit unterschiedlicher Layer-Anzahl auszubilden, wobei später geladene oder zu ladende Einzelelemente größer sind bzw. eine größere Anzahl von Layern aufweisen als früher geladene oder zu ladende Einzelelemente. Wie sehr sich die Größen bzw. die Anzahl der Layer der Einzelelemente hierzu unterscheiden müssen, hängt davon ab, ob und in welchem Um­ fang sich die am Kondensator 8 einstellende Spannung von Ladevorgang zu Ladevorgang verändert; die durch das Laden eines Einzelelements bewirkte Ausdehnungs-Änderung desselben ist proportional zur Anzahl der Layer desselben und der Span­ nung, auf die das Einzelelement durch das Laden desselben ge­ bracht wird.

Das piezoelektrische Element muß allerdings nicht in gleich großen Schritten geladen werden. Es kann sich auch als vor­ teilhaft erweisen, das piezoelektrische Element in unter­ schiedlich großen Schritten auf die gewünschte Ausdehnung zu bringen. Dadurch kann erreicht werden, daß das piezoelektri­ sche Element mit einer minimalen Anzahl von Schritten auf die gewünschte Ausdehnung gebracht wird. Auch hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Ausdehnungs-Änderung, die ein Einzelelement durch das Laden desselben erfährt, von der momentanen Spannung U_B des Kondensators 8 abhängt.

Die Unterteilung des piezoelektrischen Elements in Einzel­ elemente ermöglicht es nicht nur, den Umfang und den zeit­ lichen Verlauf der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements genau festzulegen. Es wird dadurch auch möglich, das piezo­ elektrische Element unabhängig vom verwendeten Lade-Verfahren mehrstufig zu laden (ein auf ein erstes Ausmaß vorgeladenes piezoelektrische Element auf einen zweites Ausmaß weiterzula­ den), was bislang zumindest beim Laden eines nicht in Einzel­ elemente unterteilten piezoelektrischen Elements über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Ladestromkreis nicht möglich war (ein solches piezoelektrisches Element weist nämlich bereits nach der ersten Ladestufe eine Spannung auf, die fast doppelt so hoch ist wie die die Versorgungs­ spannung repräsentierende Spannung am Kondensator 8 und kann in sich gegebenenfalls anschließenden weiteren Ladestufen folglich nicht weiter geladen werden).

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

Darüber hinaus können aus den besagten Einzelelementen zu­ sammengesetzte piezoelektrische Elemente auch dann (weiter-)­ verwendet werden, wenn einzelne oder mehrere Einzelelemente defekt oder beschädigt sind. Das piezoelektrische Element muß "nur" mehr Einzelelemente umfassen als für den normalen Be­ trieb erforderlich sind. Dann kann anstelle eines defekten Elements eines der überzähligen Elemente verwendet werden. Das Entladen des piezoelektrischen Elements (der Einzel­ elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ desselben) wird durch das Schließen des Entladeschalters 4a eingeleitet.

Wird der Entladeschalter 4a geschlossen, so beginnt im Ent­ ladestromkreis ein das zu entladende Einzelelement 1x₁ ent­ ladender Entladestrom zu fließen.

Dies ist im wesentlichen der einzige Unterschied zwischen dem Laden und dem Entladen eines Einzelelements. Ansonsten er­ folgt das Entladen analog zum Laden. Insbesondere wird auch der Entladestromkreis ebenfalls als Schwingkreis betrieben, wodurch sich das piezoelektrische Element auch beim Entladen wunschgemäß auf beliebige Ausdehnungen bringen läßt, ohne elektromagnetische Störungen zu verursachen.

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

Claims (13)

1. Verfahren zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Element ein aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzel­ elementen (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) zusammengesetztes piezoelektri­ sches Element verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Element verwendet wird, dessen Einzel­ elemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) übereinandergestapelt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) derart übereinander­ gestapelt sind, daß die durch das Laden oder Entladen der­ selben hervorgerufenen Veränderungen der Ausdehnungen der­ selben im wesentlichen in dieselbe Richtung erfolgen und in der Summe die zu beobachtende Veränderung der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements ergeben.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) einzeln oder gruppenweise aufeinanderfolgend geladen oder entladen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements nur ein Teil der Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) desselben geladen oder entladen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der zu ladenden oder zu entladenden Einzel­ elemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) in Abhängigkeit davon erfolgt, auf welche Ausdehnung das piezoelektrische Element durch das Laden oder Entladen gebracht werden soll oder welche Ausdeh­ nungs-Änderung es dabei erfahren soll.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden eines jeweiligen Einzelelements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) über einen eine Spule (2) und das betreffende Einzelelement enthaltenden Ladestromkreis erfolgt, und daß das Entladen eines jeweiligen Einzelelements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) über einen die Spule (2) und das betref­ fende Einzelelement enthaltenden Entladestromkreis erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromkreis und der Entladestromkreis während des Ladens bzw. Entladens als Schwingkreis betrieben werden, und zwar derart, daß das Laden bzw. Entladen durch die erste Strom-Halbwelle der ersten Schwingkreis-Schwingung bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (2) zum Laden bzw. Entladen aller zu ladenden bzw. zu entladenden Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) des piezoelektrischen Elements verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁), die während eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges geladen bzw. entladen werden sollen, über zugeordnete Auswahlschalter (11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂) ausgewählt werden.

11. Vorrichtung zum Steuern eines piezoelektrischen Elements auf eine wunschgemäße Ausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß diese dazu ausgelegt ist, ein piezoelektrisches Element zu laden, das aus einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ladbaren und entladbaren Einzelelementen (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) zusammengesetzt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese dazu ausgelegt ist, das Laden oder Entladen einer frei festlegbaren Anzahl von Einzelelementen (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) des piezoelektrischen Elements zu bewerkstelligen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese dazu ausgelegt ist, die zu ladenden oder zu entladenden Einzelelemente (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) in einer frei festlegbaren Reihenfolge zu laden oder zu entladen.