DE19858250A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entladen eines piezo-elektrischen Elements - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt beschrieben. Diese zeichnen sich dadurch aus, daß mehrere zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements verwendbare kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente vorgesehen sind, und daß das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element, unter Verwendung dessen das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden soll, selektiv auswählbar ist, wobei die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Laden des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, und die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Entladen des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, zumindest teilweise verschieden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum pie­ zoelektrischen Element oder umgekehrt.

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 an sie angelegten oder einer sich an ihnen einstellenden 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 BZ und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, 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 zeitlich und/oder größenmäßig zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 veranschaulicht.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element ist in der Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Es ist im betrachteten Beispiel Bestandteil eines über einen Ladeschalter 103a schließbaren Piezo-Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter 104a schließbaren Piezo- Entladestromkreises, wobei der Piezo-Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 103a, eines Kondensators 107, einer Parallelschaltung des piezoelektrischen Elements 101 mit einer Diode 110, einer Spule 102, und einer Diode 103b besteht, und wobei der Piezo-Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 104a, des Kondensators 107, der Parallelschaltung des piezoelektrischen Elements 101 mit der Diode 110, der Spule 102, und einer Diode 104b be­ steht.

Parallel zum Kondensator 107 sind eine Batterie 108 und ein dieser nachgeschalteter Gleichspannungswandler 109 vorgese­ hen. Über die Batterie 108 und den Gleichspannungswandler 109 kann der Kondensator 107 auf eine vorbestimmte Spannung auf­ geladen werden.

Die Diode 103b des Piezo-Ladestromkreises verhindert, daß im Piezo-Ladestromkreis ein das piezoelektrische Element 101 entladender Strom fließen kann; die Diode 104b des Piezo- Entladestromkreises verhindert, daß im Piezo-Entladestrom­ kreis ein das piezoelektrische Element 101 ladender Strom fließen kann.

Die parallel zum piezoelektrischen Element 101 vorgesehene Diode 110 verhindert, daß das piezoelektrische Element nega­ tiv aufgeladen wird.

Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 103a geschlos­ sen, so fließen im Kondensator 107 gespeicherte Ladungen über den dann geschlossenen Piezo-Ladestromkreis zum piezoelektri­ schen Element 101, wodurch der Kondensator 107 entladen und 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 ak­ tuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverän­ dert beibehalten.

Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 104a geschlossen, so fließen die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherten Ladungen über den dann geschlossenen Piezo- Entladestromkreis zum Kondensator 107, wodurch das piezoelek­ trische Element 101 entladen und der Kondensator 107 geladen wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 101 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben im wesent­ lichen unverändert beibehalten.

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

Andererseits kann aber beim Laden und Entladen kein Einfluß auf den Verlauf und den Umfang des Ladens bzw. Entladens ge­ nommen werden. Die Spule 102, das piezoelektrische Element 101 und der Kondensator 107 bilden beim Laden und beim Ent­ laden des piezoelektrischen Elements nämlich einen LC-Reihen­ schwingkreis, wobei das piezoelektrische Element nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung ge­ laden bzw. entladen wird (ein Weiterschwingen des Schwing­ kreises wird durch die im Piezo-Ladestromkreis und im Piezo- Entladestromkreis enthaltenen Dioden 103b bzw. 104b unterbun­ den), was seinerseits wiederum zur Folge hat, daß der Verlauf und der Umfang des Ladens und Entladens im wesentlichen aus­ schließlich durch die (während des Betriebes nicht veränder­ baren) technischen Daten der Schwingkreiselemente (genauer gesagt durch die Induktivität der Spule und die Kapazitäten des piezoelektrischen Elements und des Kondensators) bestimmt werden.

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

Dies ist bei Verwendung von Lade- und Entladeschaltungen nach Art der Fig. 4 allenfalls möglich, wenn das Laden und/oder das Entladen des piezoelektrischen Elements derart (getaktet) erfolgen, daß die Spule 102 nicht mehr oder jedenfalls nicht mehr primär als Schwingkreiselement, sondern als ein Energie- Zwischenspeicher wirkt, der wiederholt abwechselnd vom Kon­ densator 107 (beim Laden) bzw. vom piezoelektrischen Element 101 (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 101 (beim Laden) bzw. in den Kondensator 107 (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeitpunkte und die Dauer (und damit auch der Verlauf und der Umfang) der Energie­ speicherung und der Energieabgabe durch die Betätigung ent­ sprechender 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 Spule, des piezoelektrischen Elements und des Kondensators.

Das getaktete Laden und/oder Entladen erfordert jedoch einen relativ hohen Aufwand und kann möglicherweise 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 8 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 8 (Vorrichtung) bean­ spruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen,

• - daß das Laden des piezoelektrischen Elements unter Verwen­ dung eines oder mehrerer anderer kapazitive Eigenschaften aufweisender Elemente erfolgt als das Entladen (kennzeich­ nender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.
• - daß mehrere zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements verwendbare kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente vorgesehen sind, und daß das kapazitive Eigen­ schaften aufweisende Element, unter Verwendung dessen das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden soll, selektiv auswählbar ist, wobei die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Laden des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, und die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Entladen des piezoelektri­ schen Elements auswählbar sind, zumindest teilweise ver­ schieden sind (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 8).

Dadurch sind der Verlauf und/oder der Umfang des Ladens und der Verlauf und/oder der Umfang des Entladens unabhängig von­ einander festlegbar.

Dies läßt sich unter anderem dahingehend ausnutzen, daß der Verlauf und/oder der Umfang des Ladens und der Verlauf und/oder der Umfang des Entladens gleich gemacht werden (beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements unter Ver­ wendung des selben kapazitive Eigenschaften aufweisenden Ele­ ments erfolgen das Laden und das Entladen des piezoelektri­ schen Elements unterschiedlich schnell und/oder weit).

Identische Verläufe und/oder Umfänge beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements erweisen sich unter anderem als vorteilhaft, denn das piezoelektrische Element hat dann nach dem Entladen genau wieder den Zustand erreicht, den es vor dem Laden innehatte, wodurch das Laden des piezoelektri­ schen Elements automatisch immer unter identischen Anfangs­ bedingungen erfolgen kann.

Weitere Vorteile ergeben sich bei einem mehrstufigen Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements (beim stufenwei­ sen Laden und Entladen über mehrere kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente). Dann können auch die Größe und die An­ zahl der Stufen, in denen das piezoelektrische Element gela­ den und entladen wird, unabhängig voneinander festgelegt wer­ den.

Das piezoelektrische Element läßt sich damit sogar bei Lade- und Entladeverfahren, bei welchen wie beispielsweise beim Laden und Entladen über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Stromkreis bislang kein Einfluß auf den Lade- und Entladevorgang genommen werden konnte, wunschgemäß schnell und weit laden und entladen; das piezoelektrische Element läßt sich so auf einfache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten auf wunschgemäße Ausdehnun­ gen bringen.

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

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der nachfolgend näherer be­ schriebenen Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements,

Fig. 2 den sich beim Laden und Entladen des piezoelektri­ schen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1 am piezoelektrischen Element einstellenden Spannungs­ verlauf,

Fig. 3 den sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannungsverlauf, wenn das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements unter Verwendung der sel­ ben als kapazitive Eigenschaften aufweisenden Ele­ mente erfolgt, und

Fig. 4 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 sogenannten 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.

Es wird davon ausgegangen, daß sich das piezoelektrische Ele­ ment im Ansprechen auf das Laden ausdehnt und im Ansprechen auf das Entladen zusammenzieht. Die Erfindung ist selbst­ verständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade um­ gekehrt ist.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements erfolgt im betrachteten Beispiel durch die in Fig. 1 gezeigte Anord­ nung.

Die in der Fig. 1 gezeigte und nachfolgend näher beschrie­ bene Anordnung ist eine Anordnung zum Laden oder Entladen eines piezoelektrischen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufwei­ senden Element zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt; sie zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß mehrere zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements verwendbare kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente vorgesehen sind, und daß das kapazitive Eigenschaften aufweisende Ele­ ment, unter Verwendung dessen das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden soll, selektiv auswählbar ist, wobei die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Laden des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, und die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Entladen des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, zu­ mindest teilweise verschieden sind. Damit kann das Laden des piezoelektrischen Elements unter Verwendung eines oder mehre­ rer anderer kapazitive Eigenschaften aufweisender Elemente erfolgen als das Entladen.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden bzw. zu entladen gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 enthält daneben eine Spule 2, einen ersten Ladeschalter 3a, eine Diode 3b, einen ersten Entladeschalter 4a, eine Diode 4b, einen zweiten Ladeschalter 5a, eine Diode 5b, einen zweiten Entladeschalter 6a, eine Diode 6b, einen ersten Kondensator 7a, einen zweiten Konden­ sator 7b, einen dritten Kondensator 7c, einen vierten Konden­ sator 7d, eine erste Zenerdiode 8a, eine zweite Zenerdiode 8b, eine Diode 9, eine Batterie 10, und einen Gleichspan­ nungswandler 11, welche wie in der Fig. 1 gezeigt und später noch genauer beschrieben verschaltet sind.

Der erste Ladeschalter 3a und die Diode 3b, der erste Ent­ ladeschalter 4a und die Diode 4b, der zweite Ladeschalter 5a und die Diode 5b sowie der zweite Entladeschalter 6a und die Diode 6b können jeweils als ein Halbleiterschalter realisiert sein; die Dioden 3b, 4b, 5b und 6b verhindern jeweils, daß beim Laden des piezoelektrischen Elements ein dieses ent­ ladender Strom fließen kann, bzw. daß beim Entladen des piezoelektrischen Elements ein dieses ladender Strom fließen kann.

Über die (zum ersten Kondensator 7a parallel geschaltete) Zenerdiode 8a läßt sich einstellen, auf welche Spannung der Kondensator 7a maximal geladen wird; die maximale Spannung des Kondensators 7a ist gleich der Zenerspannung der Zener­ diode 8a. Über die (zum zweiten Kondensator 7b parallel ge­ schaltete) Zenerdiode 8b läßt sich einstellen, auf welche Spannung der Kondensator 7b maximal geladen wird; die maxi­ male Spannung des Kondensators 7b ist gleich der Zenerspan­ nung der Zenerdiode 8b. Über die Kapazitäten der Kondensato­ ren 7a, 7b, und 7c und über die Zenerspannungen der Zener­ dioden 8a und 8b läßt sich mithin wunschgemäß festlegen, wie weit und/oder in welchem Verhältnis die Kondensatoren 7a, 7b, und 7c beim Laden über die Batterie 10 und den Gleichspan­ nungswandler 11 bzw. über das piezoelektrische Element 1 (beim Entladen desselben) geladen werden.

Die (parallel zum piezoelektrischen Element 1 geschaltete) Diode 9 ist eine Schutzdiode, durch welche verhinderbar ist, daß das piezoelektrische Element 1 beim Entladen desselben zu weit entladen und dadurch negativ geladen wird; dies könnte dem piezoelektrischen Element unter Umständen schaden.

Die vorstehend erwähnten kapazitive Eigenschaften aufweisen­ den Elemente, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element 1 geladen und entladen wird, werden im betrachteten Beispiel durch die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und/oder 7d ge­ bildet.

Im betrachteten Beispiel

• - sind die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d in Reihe, also zu einem kapazitiven Spannungsteiler verschaltet, und
• - ist, wie nachfolgend noch näherer erläutert wird, das piezoelektrische Element 1 unter Verwendung der Konden­ satoren 7c und 7d (der Reihenschaltung derselben) oder unter Verwendung der Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (der Reihenschaltung derselben) ladbar, und unter Verwendung der Kondensatoren 7b, 7c und 7d (der Reihenschaltung derselben) oder unter Verwendung des Kondensators 7d entladbar.

Der Kondensator 7d bildet ein erstes kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, die Kondensatoren 7c und 7d (die Rei­ henschaltung derselben) ein zweites kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, die Kondensatoren 7b, 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) ein drittes kapazitive Eigenschaf­ ten aufweisendes Element, und die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) ein viertes kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, wobei das piezoelektri­ sche Element 1 über das zweite und/oder das vierte kapazitive Eigenschaften aufweisende Element ladbar, und über das erste und/oder das dritte kapazitive Eigenschaften aufweisende Ele­ ment entladbar ist.

Es dürfte einleuchten, daß auch mehr als je zwei kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements bereitgestellt und/oder verwendet werden können. Hierzu müßten im betrachteten Beispiel "nur" entsprechend mehr Kondensatoren in Reihe geschaltet, und - wie später noch besser verstanden werden wird - entsprechend mehr Lade- und Entladeschalter vorgesehen werden.

Wenngleich es derzeit am vorteilhaftesten erscheint, die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, unter Ver­ wendung welcher das piezoelektrische Element geladen oder entladen wird, durch einen oder mehrere Kondensatoren eines kapazitiven Spannungsteilers zu bilden, besteht hierauf keine Einschränkung. Die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Ele­ mente können auch durch beliebig anders angeordnete oder ver­ schaltete Kondensatoren oder durch sonstige kapazitive Eigen­ schaften aufweisenden Elemente wie beispielsweise Batterien gebildet werden.

Die Kondensatoren 7a, 7b und 7c, genauer gesagt die Reihen­ schaltung derselben, werden von der Batterie 10, welches beispielsweise eine Kfz-Batterie ist, und dem dieser nach­ geschalteten Gleichspannungswandler 11 geladen (die Konden­ satoren 7a, 7b und 7c, die Batterie 10 und der Gleichspan­ nungswandler 11 bilden einen die Kondensatoren 7a, 7b und 7c ladenden Kondensator-Ladestromkreis. Der Umfang und/oder das Verhältnis, in dem die Kondensatoren geladen werden, läßt sich, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, über die Kapazi­ täten derselben und die Zenerdioden 8a und 8b (deren Zener­ spannungen) einstellen.

Durch Öffnen und Schließen der Schalter 3a, 4a, 5a und 6a lassen sich ein erster Piezo-Ladestromkreis, ein zweiter Piezo-Ladestromkreis, ein erster Piezo-Entladestromkreis, und ein zweiter Piezo-Entladestromkreis öffnen und schließen, wo­ bei

• - der erste Piezo-Ladestromkreis das piezoelektrische Element 1, die Kondensatoren 7c und 7d (das zweite kapazitive Eigenschaften aufweisende Element), den zweiten Ladeschal­ ter 5a, die Diode 5b, und die Spule 2 umfaßt,
• - der zweite Piezo-Ladestromkreis das piezoelektrische Ele­ ment 1, die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (das vierte kapazitive Eigenschaften aufweisende Element), den ersten Ladeschalter 3a, die Diode 3b und die Spule 2 umfaßt,
• - der erste Piezo-Entladestromkreis das piezoelektrische Ele­ ment 1, die Kondensatoren 7b, 7c und 7d (das dritte kapazi­ tive Eigenschaften aufweisende Element), den ersten Ent­ ladeschalter 4a, die Diode 4b, und die Spule 2 umfaßt, und
• - der zweite Piezo-Entladestromkreis das piezoelektrische Element 1, den Kondensator 7d (das erste kapazitive Eigen­ schaften aufweisende Element), den zweiten Entladeschalter 6a, die Diode 6b, und die Spule 2 umfaßt.

Der erste und der zweite Piezo-Ladestromkreis und der erste und zweite Piezo-Entladestromkreis dienen, wie die jeweiligen Bezeichnungen schon andeuten, zum Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements 1.

Die mehreren Piezo-Ladestromkreise und die mehreren Piezo- Entladestromkreise ermöglichen es, das piezoelektrische Ele­ ment unterschiedlich weit zu laden und zu entladen; sie sind im betrachteten Beispiel so dimensioniert, daß ein stufenwei­ ses Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements erfol­ gen kann, und daß die Spannungen, die das piezoelektrische Element nach den einzelnen Ladestufen einnimmt, und die Span­ nungen, die das piezoelektrische Element nach den einzelnen Entladestufen einnimmt, im wesentlichen die selben sind.

Wenn und so lange kein Laden oder Entladen des piezoelektri­ schen Elements 1 erfolgen soll, sind die Schalter 3a, 4a, 5a, und 6a geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die Anord­ nung gemäß Fig. 1 im stationären Zustand. D. h., alle Ele­ mente behalten ihren Zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.

Das Laden des piezoelektrischen Elements erfolgt über den ersten Piezo-Ladestromkreis und/oder über den zweiten Piezo- Ladestromkreis (durch die in den jeweiligen Piezo-Lade­ stromkreisen fließenden Ladeströme). Im betrachteten Beispiel werden sowohl der erste Piezo-Ladestromkreis als auch der zweite Piezo-Ladestromkreis als Schwingkreis betrieben.

Das Laden des piezoelektrischen Elements über den ersten Piezo-Ladestromkreis wird durch ein Schließen desselben (Schalter 5a geschlossen und Schalter 3a, 4a und 6a geöffnet) eingeleitet.

Wird der erste Piezo-Ladestromkreis geschlossen, so beginnen in den darin enthaltenen Kondensatoren 7c und 7d gespeicherte Ladungen zum piezoelektrischen Element 1 zu fließen. Die Größe und der zeitliche Verlauf des daraus resultierenden (das piezoelektrische Element ladenden) Ladestroms hängt dabei im wesentlichen von dem durch das piezoelektrische Element 1, die Spule 2 und die Kondensatoren 7c und 7d gebil­ deten LC-Reihenschwingkreis ab. Er steigt nach dem Schließen des ersten Piezo-Ladestromkreises mehr oder weniger schnell bis zu einem Maximum an und nimmt dann wieder mehr oder weni­ ger schnell ab; eine richtungsmäßige Umkehr des Stromflusses, durch welche das piezoelektrische Element wieder entladen würde, ist durch die Diode 5b ausgeschlossen.

Das Laden beginnt und endet also mit der ersten Strom-Halb­ welle der ersten Schwingkreis-Schwingung. Der Ladeschalter 5a wird nach der selbständigen Beendigung des Ladevorganges wie­ der geöffnet.

Das Laden des piezoelektrischen Elements bewirkt eine Zunahme der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung und der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements.

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

Wie stark das piezoelektrischen Element durch ein wie be­ schrieben erfolgendes Laden aufgeladen wird, hängt im be­ trachteten Ausführungsbeispiel im wesentlichen ausschließlich von den technischen Daten des piezoelektrischen Elements 1 und der Kondensatoren 7c und 7d sowie von den Spannungen ab, auf welche diese zu Beginn des Ladevorganges aufgeladen sind.

Die Induktivität der Spule 2 bestimmt "nur" die maximale Ladestromstärke und die Ladezeit.

Die sich infolge eines wie beschrieben erfolgenden Ladens am piezoelektrischen Element 1 einstellende Spannung ist in der später noch genauer erläuterten Fig. 2 als Zwischenspannung U_z bezeichnet.

Das Laden des piezoelektrischen Elements durch den zweiten Piezo-Ladestromkreis wird durch Schließen dieses Stromkreises (Schalter 3a geschlossen, und Schalter 4a, 5a und 6a geöff­ net) eingeleitet.

Die danach ablaufenden Vorgänge entsprechen den beim Laden des piezoelektrischen Elements 1 über den ersten Piezo-Lade­ stromkreis auftretenden Vorgängen.

Es dürfte einleuchten und bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß das piezoelektrische Element durch ein über den zweiten Piezo-Ladestromkreis erfolgendes Laden weiter oder weniger weit geladen werden kann als es durch ein über den ersten Piezo-Ladestromkreis erfolgendes Laden der Fall ist.

Durch die mehreren Piezo-Ladestromkreise kann das piezoelek­ trische Element also selbst dann, wenn das Laden über einen als Schwingkreis wirkenden oder betriebenen Piezo-Ladestrom­ kreis erfolgt, wunschgemäß weit geladen (auf verschiedene Ladezustände bzw. Ausdehnungen gebracht) werden.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, kann das piezoelektri­ sche Element durch die mehreren Piezo-Ladestromkreise auch stufenweise geladen werden. Ein stufenweises Laden des piezo­ elektrischen Elements erweist sich als großer Vorteil, weil dieses dann beispielsweise als Aktor eines doppelt oder mehr­ fach schaltenden Einspritzventils verwendbar ist. Einspritz­ ventile dieser Art lassen sich beispielsweise dazu verwenden, um mit geringem Aufwand angelagerte Voreinspritzungen durch­ führen zu können.

Das stufenweise Laden des piezoelektrischen Elements wird im betrachteten Beispiel dadurch bewerkstelligt, daß dieses zu­ nächst über den ersten Piezo-Ladestromkreis, und im Anschluß daran (ohne zwischenzeitliches Entladen) über den zweiten Piezo-Ladestromkreis geladen wird.

Die das piezoelektrische Element ladende Vorrichtung (beispielsweise die Anordnung gemäß Fig. 1) ist zu diesem Zweck so zu dimensionieren, daß zu Beginn einer jeweiligen Ladestufe die Spannung des oder der Kondensatoren oder an­ derer kapazitive Eigenschaften aufweisender Elemente, unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element (weiter) ge­ laden werden soll, größer ist, als die Spannung, auf die das piezoelektrische Element zum betreffenden Zeitpunkt (durch die vorangegangene(n) Ladestufe(n)) geladen ist. Im betrach­ teten Beispiel bedeutet dies, daß die Spannung, die sich an den im Piezo-Ladestromkreis enthaltenen Kondensatoren ein­ stellt, zu Beginn einer jeweiligen Ladestufe größer sein muß als die Spannung, auf die das piezoelektrische Element zum betreffenden Zeitpunkt geladen ist.

D. h., zu Beginn der zweiten Ladestufe (des (Weiter-)Ladens des piezoelektrischen Elements über den zweiten Piezo-Lade­ stromkreis) muß gelten, daß die sich an den Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (der Reihenschaltung derselben) einstellende Spannung größer ist als die vorstehend erwähnte Zwischen­ spannung U_z, auf die das piezoelektrische Element nach der ersten Ladestufe aufgeladen ist.

Diese Bedingung läßt sich durch eine entsprechende Dimensio­ nierung der Kondensatoren 7a bis 7d problemlos erfüllen. Durch die zweite Ladestufe (durch das Weiterladen des piezo­ elektrischen Elements über den zweiten Piezo-Ladestromkreis) wird das piezoelektrische Element auf eine Spannung gebracht, die höher ist als die nach der ersten Ladestufe erreichte Zwischenspannung U_z.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements kann ebenfalls stufenweise erfolgen. Im betrachteten Beispiel wird es in einer ersten Entladestufe über den ersten Piezo-Entlade­ stromkreis, und in einer zweiten Entladestufe über den zwei­ ten Piezo-Entladestromkreis entladen. Beim Entladen fließen die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherten Ladungen in die Kondensatoren 7a, 7b und 7c (beim Entladen über den er­ sten Piezo-Entladestromkreis) bzw. in den Kondensator 7d (beim Entladen über den zweiten Piezo-Entladestromkreis) zu­ rück. Die Piezo-Entladestromkreise werden wie auch schon die Piezo-Ladestromkreise als Schwingkreise betrieben, so daß das Umladen nur während der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung erfolgt.

Zu Beginn einer jeweiligen Entladestufe muß die Spannung des kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elements, in das die Ladungen des piezoelektrischen Elements umgeladen werden sol­ len (die Spannung der im jeweiligen Piezo-Entladestromkreis enthaltenen Kondensatoren), niedriger sein als die Spannung, auf die das piezoelektrische Element zum betreffenden Zeit­ punkt aufgeladen ist. Dies läßt sich durch geeignete Wahl der Kondensatoren problemlos bewerkstelligen.

Daß das Entladen des piezoelektrischen Elements über andere kapazitive Eigenschaften aufweisende Elemente erfolgt als das Laden des piezoelektrischen Elements, erweist sich als vor­ teilhaft, weil dann die Spannungen, die das piezoelektrische Element nach den einzelnen Ladestufen einnimmt, und die Span­ nungen, die das piezoelektrische Element nach den einzelnen Entladestufen einnimmt, im wesentlichen gleich sein können.

Im betrachteten Beispiel bedeutet dies, daß die Spannung, die das piezoelektrische Element nach der ersten Ladestufe ein­ nimmt, und die Spannung, die das piezoelektrische Element nach der ersten Entladestufe einnimmt, gleich sind, nämlich jeweils die vorstehend bereits erwähnte Zwischenspannung U_z betragen.

Die sich beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments an diesem einstellenden Spannungsverläufe sind schema­ tisch in Fig. 2 dargestellt. Von den in Fig. 2 verwendeten Bezeichnungen bezeichnen
LS1 die erste Ladestufe (das über den ersten Ladestromkreis erfolgende Laden des piezoelektrischen Elements),
LS2 die zweite Ladestufe (das über den zweiten Ladestrom­ kreis erfolgende Laden des piezoelektrischen Elements),
ELS1 die erste Entladestufe (das über den ersten Ladestrom­ kreis erfolgende Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments),
ELS2 die zweite Entladestufe (das über den zweiten Ladestrom­ kreis erfolgende Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments),
U_z die sich am piezoelektrischen Element nach der ersten Ladestufe und nach der ersten Entladestufe einstellende (zwischen-)Spannung, und
U_e die sich am piezoelektrischen Element nach der zweiten Ladestufe einstellende (End-)Spannung.

Würde man das piezoelektrische Element unter Verwendung von die selben kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente laden und entladen, also beispielsweise

• - in einer ersten Ladestufe über die Kondensatoren 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) laden,
• - in einer zweiten Ladestufe über die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) weiterladen,
• - in einer ersten Entladestufe über die Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) entladen, und
• - in einer zweiten Entladestufe über die Kondensatoren 7c und 7d (die Reihenschaltung derselben) weiterentladen,

so stellte sich am piezoelektrischen Element der in

Fig.

3 veranschaulichte Spannungsverlauf ein. D. h., die Spannung des piezoelektrischen Elements nach der ersten Entladestufe wäre um ΔU größer als die Zwischenspannung U_z

, die sich nach der ersten Ladestufe am piezoelektrischen Element einstellt.

Der Grund dafür, daß die Schritte, in denen das piezoelektri­ sche Element bei Verwendung von die selben kapazitiven Eigen­ schaften aufweisenden Elementen geladen und entladen wird, unterschiedlich groß sind, liegt insbesondere daran, daß das piezoelektrische Element einen sehr schlechten Wirkungsgrad besitzt (ca. 40% der beim Laden zugeführten Energie werden in Wärme umgesetzt). Dieser schlechte Wirkungsgrad des piezo­ elektrischen Elements hat zur Folge, daß dieses beim Laden auf eine Spannung gebracht wird, die - verglichen mit idealen Verhältnissen - nur relativ niedrig ist. Infolge der niedri­ gen Spannung des piezoelektrischen Elements liegt beim Ent­ laden des piezoelektrischen Elements auch eine nur relativ geringe Differenz zwischen dieser Spannung und der Spannung des zum Entladen des piezoelektrischen Elements verwendeten kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elements vor. Aufgrund dieser niedrigen Spannungsdifferenz stellt sich beim Entladen des piezoelektrischen Elements ein nur relativ geringer Ent­ ladestrom ein, was seinerseits wiederum zur Folge hat, daß das piezoelektrische Element beim Entladen nur relativ wenig entladen wird.

Lädt und entlädt man das piezoelektrische Element unter Ver­ wendung von verschiedene kapazitive Eigenschaften aufweisen­ den Elementen, also beispielsweise unter Verwendung der An­ ordnung gemäß Fig. 1, so lassen sich die Umfänge, in denen das piezoelektrische Element in den jeweiligen Lade- und Entladestufen geladen wird, unabhängig voneinander wunsch­ gemäß festlegen.

Um zu verhindern, daß das piezoelektrische Element wie in der Fig. 3 gezeigt geladen und entladen wird, wird im betrachte­ ten Beispiel (beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements in n Stufen) in der x-ten Entladestufe ein kapazi­ tive Eigenschaften aufweisendes Element verwendet, das zu Beginn des Entladevorganges auf eine Spannung aufgeladen ist, die geringer ist als die Spannung, die sich nach der (n-x)- ten Ladestufe an dem in dieser verwendeten kapazitive Eigen­ schaften aufweisenden Element einstellt.

Es dürfte einleuchten und bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß die Spannung, die sich vor der ersten Entladestufe an dem in der ersten Entladestufe verwendeten kapazitive Eigenschaf­ ten aufweisenden Element (also an den in Reihe geschalteten Kondensatoren 7b, 7c und 7d) einstellt, zumindest dann, wenn wie im betrachteten Beispiel zwischen der zweiten Ladestufe und der ersten Entladestufe ein nur sehr geringer zeitlicher Abstand vorliegt, geringer ist als die Spannung, die sich nach der zweiten Ladestufe an dem in der zweiten Ladestufe verwendeten kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (also an den in Reihe geschalteten Kondensatoren 7a, 7b, 7c und 7d) einstellt.

Es dürfte ebenfalls einleuchten, daß die Spannung, die sich vor der zweiten Entladestufe an dem in der zweiten Entlade­ stufe verwendeten kapazitive Eigenschaften aufweisenden Ele­ ment (also am Kondensator 7d) einstellt, geringer ist als die Spannung, die sich nach der zweiten Ladestufe an dem in der ersten Ladestufe verwendeten kapazitive Eigenschaften aufwei­ senden Element (also an den in Reihe geschalteten Kondensato­ ren 7c und 7d) einstellt.

Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß das piezoelek­ trische Element anders als bei der Anordnung gemäß Fig. 4 nicht direkt, sondern nur mittelbar über ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element (im betrachteten Beispiel über den Kondensator 7d) mit Masse verbunden ist. Die dies­ seits des im betrachteten Beispiel zwischen den Kondensatoren 7c und 7d befindlichen Masseanschlusses angeordneten Konden­ satoren (im betrachteten Beispiel die Kondensatoren 7a, 7b und 7c) können dadurch auf eine andere Polarität gebracht werden als die jenseits des Masseanschlusses angeordneten Kondensatoren (im betrachteten Beispiel der Kondensator 7d). Dadurch können die zum Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments verwendeten kapazitive Eigenschaften aufweisenden Ele­ mente zumindest teilweise auf eine negative Spannung gebracht werden, womit das piezoelektrische Element unter allen er­ denklichen Umständen in beliebig vielen und beliebig großen Schritten vollständig entladen werden kann.

Durch ein wie beschrieben erfolgendes Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen lassen sich diese also auf ein­ fache Weise effizient und ohne Störungen anderer Vorgänge oder Komponenten in beliebig vielen und beliebig großen Schritten auf beliebige Ausdehnungen bringen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (1) unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (7a, 7b, 7c, 7d) zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden des piezoelektrischen Elements unter Verwendung eines oder mehrerer anderer kapazitive Eigenschaften aufweisender Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) erfolgt als das Entladen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements (1) über einen oder mehrere als Schwingkreis wirkende und jeweils eines der kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) enthaltende Piezo-Lade­ stromkreise oder Piezo-Entladestromkreise erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das piezoelektrische Element (1) in n Stufen geladen und entladen wird, wobei n eine beliebige natürliche Zahl größer 1 repräsentiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (1) in aufeinanderfolgenden Schritten über unterschiedlich zusammengesetzte Piezo-Lade­ stromkreise geladen und in aufeinanderfolgenden Schritten über unterschiedlich zusammengesetzte Piezo-Entladestrom­ kreise entladen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden des piezoelektrischen Elements (1) jeweils ein Piezo-Ladestromkreis ausgewählt wird, dessen die kapazitiven Eigenschaften aufweisendes Ele­ ment (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) auf eine Span­ nung geladen ist, die zu Beginn der betreffenden Ladestufe höher ist als die Spannung des zu ladenden piezoelektrischen Elements.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Entladen des piezoelektrischen Elements (1) jeweils ein Piezo-Entladestromkreis ausgewählt wird, dessen die kapazitiven Eigenschaften aufweisendes Ele­ ment (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) auf eine Span­ nung geladen ist, die zu Beginn der betreffenden Entladestufe niedriger ist als die Spannung des zu entladenden piezoelek­ trischen Elements.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entladen des piezoelektri­ schen Element (1) in der x-ten Entladestufe ein Piezo-Ent­ ladestromkreis ausgewählt wird, dessen die kapazitiven Eigen­ schaften aufweisendes Element zu Beginn der betreffenden Ent­ ladestufe auf eine Spannung geladen ist, die niedriger ist als die Spannung, auf die das die kapazitiven Eigenschaften aufweisende Element des in der (n-x)ten Ladestufe verwendeten Piezo-Ladestromkreises nach der (n-x)-ten Ladestufe geladen war.

8. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (1) unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (7a, 7b, 7c, 7d) zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zum Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements verwendbare kapazitive Eigen­ schaften aufweisende Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) vorgesehen sind, und daß das kapazitive Eigen­ schaften aufweisende Element, unter Verwendung dessen das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden soll, selektiv auswählbar ist, wobei die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Laden des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, und die kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elemente, die zum Entladen des piezoelektrischen Elements auswählbar sind, zumindest teilweise verschieden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die kapazitiven Eigenschaften aufweisenden Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) jeweils aus einem oder mehreren Kondensatoren (7a, 7b, 7c, 7d) bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die kapazitiven Eigenschaften aufweisenden Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) bildenden Kondensatoren (7a, 7b, 7c, 7d) in Reihe geschaltet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens einer von den die kapazitiven Eigen­ schaften aufweisenden Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) bildenden Kondensatoren (7a, 7b, 7c, 7d) auf eine andere Polarität aufladbar ist als die anderen Kondensatoren.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu den die kapazitiven Eigenschaften auf­ weisenden Elemente (7a, 7b, 7c, 7d; 7b, 7c, 7d; 7c, 7d; 7d) bildenden Kondensatoren (7a, 7b, 7c, 7d) zumindest teilweise Zenerdioden parallelgeschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kondensatoren (7a, 7b, 7c, 7d), unter Verwendung welcher das piezoelektrische Element (1) jeweils geladen oder entladen werden soll, durch Öffnen und Schließen von Ladeschaltern (3a, 5a) oder Entladeschal­ tern (4a, 6a) in einen das piezoelektrische Element ladenden Piezo-Ladestromkreis bzw. einen das piezoelektrische Element entladenden Piezo-Entladestromkreis integrierbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ladeschalter (3a, 5a) vorgesehen sind, durch wel­ che unterschiedliche Bestandteile aufweisende Piezo-Lade­ stromkreise bildbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Entladeschalter (4a, 6a) vorgesehen sind, durch welche unterschiedliche Bestandteile aufweisende Piezo-Entladestromkreise bildbar sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo-Ladestromkreise und Piezo-Ent­ ladestromkreise LC-Serienschwingkreise sind.