EP1440483A2 - Verfahren und vorrichtung zum laden und entladen eines piezoelektrischen elementes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum laden und entladen eines piezoelektrischen elementes

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Publication number
EP1440483A2
EP1440483A2 EP02774368A EP02774368A EP1440483A2 EP 1440483 A2 EP1440483 A2 EP 1440483A2 EP 02774368 A EP02774368 A EP 02774368A EP 02774368 A EP02774368 A EP 02774368A EP 1440483 A2 EP1440483 A2 EP 1440483A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezoelectric element
voltage
actuator
voltage source
charge carriers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02774368A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Schempp
Klaus Zimmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1440483A2 publication Critical patent/EP1440483A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors

Definitions

  • the invention relates to a method for charging and discharging a piezoelectric element with the features mentioned in the preamble of claim 1 and to a device for charging and discharging a piezoelectric element with the features mentioned in claim 11.
  • piezoelectric elements have the property of contracting or expanding as a function of a DC voltage which is applied to them or which is established on them.
  • the piezoelectric element is loaded from a DC voltage source, which is located in an output stage, to a preselected DC voltage.
  • switching elements within a DC voltage circuit are closed, as a result of which the predetermined piezoelectric element is driven via a constant charging current until a desired charge and a DC voltage and a resulting elongation result. Then the switching elements are opened from below. net and no further electrical charge carriers flow onto the piezoelectric element.
  • the current flow is interrupted and in the mechanically unloaded state, charge and voltage remain on the electrically insulated piezoelectric element, and the desired elongation remains dry.
  • the actuating element is completely closed when the maximum voltage of the piezoelectric element is applied.
  • a technologically desired system pressure builds up in front of the control element, for example a pump valve in a pump nozzle unit of a diesel engine, which system pressure causes a mechanical reaction on the hydraulic coupler via the control element. This changes its geometry and the electrical voltage of the piezoelectric element.
  • the direct voltage transmitted to the piezoelectric element thus drops after reaching a holding level and fluctuates in accordance with the transmitted system-related pressure fluctuations in the control element.
  • the method according to the invention with the features mentioned in claim 1 has the advantage over the previous method that the actuating movement of the actuator m is kept constant as a function of a height of a transferred DC voltage of the DC voltage source to the piezoelectric elements, in that the piezoelectric element has at least one additional capacitive element Element m depending on the state of charge of the piezoelectric element, electrical charge carriers are transmitted.
  • electrical charge carriers are continuously transferred from the capacitive element to the piezoelectric element during a charging process and a holding process within the control cycle by means of a recharging process depending on the state of charge of the piezoelectric element.
  • This procedure leads to the avoidance of excesses during the charging process of the piezoelectric element and to the maintenance of the height of a target direct voltage. value during the holding process.
  • the target DC voltage is reproducibly held on the piezoelectric element regardless of the pressure fluctuations of the connected system. Due to this accuracy of adjustment and due to the low voltage fluctuations, complex regulations are superfluous.
  • the maximum voltage of the DC supply voltage can be chosen to be lower than in previous methods, since the desired DC voltage value does not drop due to the supply of electrical charge carriers within the holding process by the continuous recharging process.
  • the device according to the invention with the features mentioned in claim 11 has the advantage that there is a capacitive element arranged within a circuit arrangement, by means of which an actuating movement of the actuator depends on a level of the transmitted DC voltage of the DC voltage source of the piezoelectric element is constant.
  • the capacitive element fulfills the function that would otherwise require complex controls and regulation of the target DC voltage value.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for charging and discharging a piezoelectric element with a buffer capacitor with a representation of the measuring points
  • FIG. 2 shows a diagram of a control cycle with voltage / current characteristics as a function of the time of a piezoelectric element without a buffer capacitor (measured at measuring point 40);
  • Figure 3 is a diagram of a control cycle
  • FIG. 4 shows a diagram of a two-stage control cycle with voltage / current characteristics as a function of the time of a piezoelectric element with a buffer capacitor (measured at measuring point 42).
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement of a DC voltage circuit 54.
  • a DC voltage source 12 is arranged in the DC voltage circuit 54.
  • switching elements 34 and 36 are arranged to open and close the DC voltage circuit 54.
  • the switching element 34 is located on the output side of the piezoelectric element and the switching element 36 is located on the output side of the piezoelectric element 10.
  • a capacitive element 18 is arranged in a circuit parallel to the piezoelectric element 10.
  • the capacitive element 18 has the same capacitance as the piezoelectric element 10.
  • the circuit arrangement shows the following function, which is described below: When DC voltage is present, the piezoelectric element 10 is mechanically deflected.
  • This mechanical deflection of the piezoelectric element 10 is open the elements shown in FIG. 1, a hydraulic coupler 28 and subsequently transferable to an actuator 32 and an actuator 14 Furthermore, a measuring point 40 and a measuring point 42 are arranged in FIG. 1, which, however, are only used for the following description of the current and voltage characteristics of the associated method.
  • the switching elements 34 and 36 mentioned above are, in particular, field-effect transistors and the capacitive element 18 can preferably be implemented as a buffer capacitor.
  • An actuating element 32 is preferably a pump valve, a nozzle needle being arranged as an actuating element 14.
  • FIG. 1 shows a diagram with voltage / current characteristic curve as a function of the time of a drive cycle 20 of the piezoelectric element.
  • the capacitive element 18 described in FIG. 1 is considered in the following description of FIG. 2 as not yet assigned to the DC circuit.
  • a current characteristic 46 and a voltage characteristic 48 were measured at the measuring point 40 of the direct voltage circuit 54.
  • the control cycle 20 begins with a charging process 22 to an intermediate voltage level 50, electrical charge carriers being transferred from the DC voltage source 12 to the piezoelectric element 10.
  • the switching elements 34 and 36 are closed and, after reaching the average voltage level 50, opened again at the end of the charging process 22.
  • the current flow 46 of the electrical charge carriers when the DC voltage circuit 54 is closed can be seen from the current characteristics 46.
  • the switching elements 34 and 36 By opening the switching elements 34 and 36, the current flow is interrupted and the oiezoelectric element 10 has a mechanical one deflected state reached and in the mechanically unloaded state, the charge and the mean voltage level 50 on the piez
  • FIG. 2 again shows the drop in the target DC voltage 44 using the voltage characteristic 48 until the start of a discharging process 26 which shows the drive cycle 20 with feedback of the electrical charge carriers from the piezoelectric element 10 to the DC voltage source 12.
  • the switching elements 34 and 36 of the DC voltage circuits 54 are closed again, so that the discharge of the piezoelectric element with an accompanying decrease in the activation can be recognized on the basis of the current characteristics 46.
  • FIG. 3 shows a diagram of the voltage and current curve as a function of the time of the actuation cycle 20 of the piezoelectric element 10 with a puffle capacitor as a capacitive element 18, measured at the measuring point 40 of the circuit arrangement according to FIG. 1.
  • the subsequent holding process 24 shown in FIG. 3 clearly shows that the previously reached mean voltage level 50 is retained from the connected system on the piezoelectric element 10, despite mechanical stress acting back.
  • the holding process 24 despite the electrical insulation of the piezoelectric element, by opening the switching elements 34, 36, electrical charge carriers are continuously transferred from the capacitive element 18 to the piezoelectric element 10 as a function of the voltage drop of the piezoelectric element 10 transfer.
  • the voltage drop during the holding process 24 described and shown in FIG. 2 does not take place here through the capacitive element 18 connected in parallel.
  • FIG. 3 The same mode of action can be seen in FIG. 3 for a second charging process 22, in which the piezoelectric element 10 is charged by the DC voltage source 12 from the mean voltage level 50 to the target DC voltage 44.
  • the target DC voltage is also kept constant due to the capacitive element connected in parallel by the recharging process 30 instead of induction.
  • the target DC voltage 44 is achieved without overflow of the DC voltage.
  • An undesired overflow behavior can be seen comparatively n FIG. 2 at the beginning of the second holding process 24 on the basis of the voltage characteristic curve 48.
  • the activation cycle 20 m in FIG. 3 is completed by the discharge process 26, it being apparent from the current characteristics 46 that the electrical charge carriers are transferred back to the DC voltage source 12 in a more uniform manner after the switching elements 34 and 36 have been closed.
  • the comparison takes place through the partial jerk transfer of electrical charge carriers to the capacitive element 18. This is shown in FIG. 3 on the basis of the voltage and
  • the method shown in the characteristic curve of the current leads, in the connected system, to a comparison of the actuating movement of the actuator 14 by means of smaller pressure-dependent fluctuations in the hydraulic coupler and the actuating element 32, which are compensated for by the capacitive element 18 of the piezoelectric element 10 connected in parallel.
  • FIG. 4 is a diagram showing with voltage and current characteristic curve in function of time a two-fold activation cycle of a piezoelectric El e mentes, being shown here in the measuring point 42 as shown m Figure 1, is measured.
  • FIG. 4 again shows the actuation cycle 20, consisting of the charging process 22 up to the average voltage level 50, the subsequent holding process 24 with an almost constant average voltage level 50, a further charging process 22 to the target DC voltage 44 and the almost constant holding process already described above 24 with, however, a discharging process 26 to a direct voltage 16.
  • the current characteristic 46 shows only a partial current flowing onto the piezoelectric element during the charging process 22 at the time when switching elements 34 and 36 are closed.
  • the total current is distributed between the capacitive element 18 and the piezoelectric element 10. As a result of the measurement at the measuring point 42, only this partial current is shown in each of the charging processes.
  • a recharging current 52 is generated on the basis of the current characteristics 46. 1 ?

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden oder Entladen eines piezoelektrischen Elementes (10), wobei elektrische Ladungsträger von einer Gleichspannungsquelle (12) zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt transportiert werden, um eine elastische Auslenkung des piezoelektrischen Elementes auf ein Stellglied zu übertragen, so dass eine Stellbewegung des Stellgliedes in Abhängigkeit von einer Höhe einer Übertragenen Gleichspannung der Gleich-spannungsquelle des piezoelektrischen Elementes konstant beibehalten wird, indem dem piezoelektrischen Element über mindestens ein zusätzliches kapazitives Element (18) in Abhängigkeit vom Ladezustand des piezoelektrischen Elementes elektrische Ladungsträger übertragen werden und übertragbar sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes m t den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes mit den im Anspruch 11 ge- nannten Merkmalen.
Stand der Technik
Bekanntermaßen haben piezoelektrische Elemente die Eigenschaft, sich m Abhängigkeit von einer an sie angelegten oder einer sich an ihnen einstellenden Gleichspannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. Dabei w rd das piezoelektrische Element von einer Gleichspannungsquelle, welche sich m einer Endstufe befindet, auf e ne vorgewählte Gleichspannung geladen. Dazu werden Schaltelemente innerhalb eines Gleichspannungsstro kreises geschlossen, wodurch das vorbestimmte piezoelektrische Element über einen konstanten Ladestrom so lange angesteuert wird, bis sich eine gewünschte Ladung und eine Gleichspannung und eine daraus resultierende Langendehnung ergeben. Anschließend werden die Schaltelemente v.ieder geoff- net und es fließen keine weiteren elektrischen Ladungsträger auf das piezoelektrische Element. Der Stromfluss ist unterbrochen und im mechanisch unbelasteten Zustand bleiben Ladung und Spannung auf dem elektrisch isolierten piezoelektrischen Element, und die gewünschte Langendehnung bleibt ernalten.
Durch eine direkte Übertragung der Langenanderung des piezoelektrischen Elementes auf ein Stellelement oder durch eine indirekte Übertragung mittels eines hydraulischen Kopplers vom piezoelektrischen Element auf das Stellelement wird das Stellelement bei einer angelegten Maximalspannung des piezoelektrischen Elementes vollständig geschlossen. Dadurch oaut sich vor dem Stellelement, beispielsweise ein Pumpenventil m einer Pumpe-Duse-Emheit eines Dieselmotors, ein technologisch erwünschter Systemdruck auf, der über das Stellelement eine mechanische Ruckwirkung auf den Hydraulischen Koppler bewirkt. Dadurch ändert sich dessen Geometrie und ruckwirkend die elektrische Spannung des piezoelektrischen Elementes. Die auf das piezoelektrische Element übertragene Gleichspannung sinkt somit nach Erreichen eines Halteniveaus ab und schwankt entsprechend den übertragenen systembedmg- ten Druckschwankungen im Stellelement. Die Absenkung der Gleichspannung und die Spannungsschwankungen vorhandene Überschwinger der Gleichspannung piezoelektrischen Elementes fuhren im mechanisch belasteten Zustand, das heißt druckbelastet, im Verlauf eines vollständigen Ansteuerungszyklus zu Instabilitäten des an den hydraulischen Koppler angeschlossenen Systems. Dies ist insbesondere bei durch das Schließen des Stellelementes zur Bewegung gebrachten Stellgliedern, wie zum 3eιspιel Dusennadeln m bekannten Einspritzsystemen, besonders nachteilig, da gewünschte Auslenkungen der Stellglieder, die vom piezoelektrischen Element über das Stellelement gesteuert werden, nahezu toleranzfrei übertragen werben sollen .
Vorteile der Erfindung
Das erfmdungsgemaße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet gegenüber dem bisherigen Verfahren den Vorteil, dass d e Stellbewegung des Stellgliedes m Abhängigkeit von einer Hohe einer übertragenen Gleichspannung der Gleichspannungsquelle auf das piezoelektrische Elemente konstant beibehalten wird, indem dem piezoelektrischen Element über mindestens ein zusätzliches kapazitives Element m Abhängigkeit vom Ladezustand des piezoelektrischen Elementes elektrische Ladungsträger übertragen werden .
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass dem piezoelektrischen Element wahrend eines Ladevorgangs und eines Haltevorgangs innerhalb des Ansteuerungszyklus durch einen Nachladeprozess m Abhängigkeit des Ladezustandes des piezoelektrischen Elementes kontinuierlich von dem kapazitiven Element elektrische Ladungsträger übertragen werden. Diese Verfahrensweise fuhrt zur Vermeidung von überschwängern beim Ladevorgang des piezoelektrischen Elementes und zur Beibehaltung der Hohe eines Soll-Gleichspan- nungswertes wahrend des haltevorgangs . Der Soll- Gleichspannungs'ert wird unabhängig von den Druckschwankungen αes angeschlossenen Systems reproduzierbar auf dem piezoelektrischen Element gehalten. Durch diese Emstellgenauigkeit sowie wegen der geringen Spannungsschwankungen sind aufwendige Regelun- gen überflüssig.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Maximalspannung der Versorgungsgleichspannung niedriger als bei bisherigen Verfahren gewählt werden, da kein Abfallen des gewünschten Soll-Gleichspannungs- wertes durch Zufuhrung elektrischer Ladungsträger innerhalb des Haltevorgangs durch den kontinuierlichen Nachladeprozess stattfindet.
Ferner wirkt sich vorteilhaft aus, wenn beispielsweise zunächst nur der halbe Wert des spater gewünschten Soll-Gleichspannungswertes durch elektn- sehe Ladungsträger auf das piezoelektrische Element übertragen wird, dass ein vergleichsmaßigter Spannungsverlauf und dadurch eine gleichmaßige, uber- schwmgungsfreie Stellbewegung des Stellgliedes auf den halben Soll-Gleichspannungswert erreicht wird.
Die erfmdungsgemaße Vorrichtung mit den im Anspruch 11 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass ein innerhalb einer Schaltungsanordnung angeordnetes kapazitives Element vorhanden ist, mittels dem eine Stellbewegung des Stellgliedes m Abhängigkeit von einer Hohe der übertragenen Gleichspannung der Gleichspannungsquelle des piezoelektrischen Elementes konstant oeibehaltbar ist. Das kapazitive Element erfüllt die Funktion, die ansonsten aufwendige Steuerungen und Regelungen des Soll-Gleichspannungswertes notwendig machen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, m den ünteranspruchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend m einem Ausfuhrungs- be spiel anhand der zugehörigen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes mit Pufferkondensator mit Darstellung der Messpunkte;
Figur 2 ein Diagramm eines Ansteuerungszyklus mit Spannungs-/Stromkennlιnιe m Abhängigkeit von der Zeit eines piezoelektrischen Elementes ohne Pufferkondensator (gemessen im Messpunkt 40) ;
Figur 3 ein Diagramm eines Ansteuerungszyklus mit
Sρannungs-/Stromkennlmιe m Abhängigkeit von der Zeit eines piezoelektrischen Ele- mentes mit Pufferkondensator (gemessen im
Messpunkt 40) und Figur 4 ein Diagramm eines zweifacnen Ansteuerungszyklus mit Spannungs-/Stromkennlιnιe m Abhängigkeit von der Ze t eines piezoelektrischen Elementes mit Pufferkondensator (ge- messen im Messpunkt 42) .
Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Gleich- spannungsstromkreises 54. Im Gleichspannungsstrom- kreis 54 ist eine Gleichspannungsquelle 12 angeordnet. Zur Übertragung von elektrischen Ladungsträgern von der Gleichspannungsquelle 12 zu einem piezoelektrischen Element 10 sind zum Offnen und Schließen des Gleichspannungsstromkreises 54 Schaltelemente 34 und 36 angeordnet. Das Schaltelement 34 befindet sich emgangsseitig des piezoelektriscnen Elementes und das Schaltelement 36 befindet sich ausgangsseitig des piezoelektrischen Elementes 10. In einer Parallelscnaltung zum piezoelektrischen Element 10 ist ein kapazitives Element 18 angeordnet. Das kapazitive Element 18 besitzt eine gleiche Kapazität wie das piezoelektrische Element 10. Die Schaltungs- anorαnung zeigt folgende Funktion, die nachfolgend beschrieben wird: Bei anliegender Gleichspannung kommt es zu einer mechanischen Auslenkung des piezoelektriscnen Elementes 10. Diese mechanische Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 10 ist auf die m Figur 1 dargestellten Elemente, einen hy- draulischen Koppler 28 und nachfolgend auf ein Stellelement 32 sowie ein Stellglied 14 übertragbar Ferner sind in Figur 1 ein Messpunkt 40 und ein Messpunkt 42 angeordnet, die jedoch lediglich der nachfolgenden Beschreibung der Strom- und Spannungskenn- linien des zugehörigen Verfahrens dienen. D__e oben genannten Schaltelemente 34 und 36 sind insbesondere Feldeffekt-Transistoren und das kapazitive Element 18 ist vorzugsweise als Pufferkondensator ausfuhrbar. Ein Stellelement 32 ist vorzugsweise ein Pumpen- ventil, wobei als Stellglied 14 eine Dusennadel an- ordoar ist.
Figur ? zeigt ein Diagramm mit Spannungs-/Stromkenn- linienverlauf in Abhängigkeit von der Zeit eines Ansteuerungszyklus 20 des piezoelektrischen Ele en- tes . Das m Figur 1 beschriebene kapazitive Element 18 wird in nachfolgender Beschreibung der Figur 2 als noch nicht dem Gleichstromkreis zugeordnet betrachtet. Eine Stromkennlime 46 und e ne Spannungskenn- linie 48 wurden im Messpunkt 40 des Gleichspannungs- Stromkreises 54 gemessen. Der Ansteuerungszyklus 20 beginnt mit einem Ladevorgang 22 auf ein mittleres Spannungsniveau 50, wobei elektrische Ladungsträger von der Gleichspannungsquelle 12 auf das piezoelektrische Element 10 übertragen werden. Dazu werαen die Schaltelemente 34 und 36 geschlossen und nach Erreichen des mittleren Spannungsniveaus 50 am Ende des Ladevorgangs 22 wieder geöffnet. Anhand der Stromkennlime 46 ist der Stromfluss der elektrischen Ladungsträger bei geschlossenem Gleichspannungsstrom- Kreis 54 ersichtlich. Durch Offnen der Schaltelemente 34 und 36 wird der Stromfluss unterbrochen und das oiezoelektrische Element 10 hat einen mechanisch ausgelenkten Zustand erreicht und im mechanisch unbelasteten Zustand bleiben Ladung und das mittlere Spannungsniveau 50 auf dem piezoelektrischen Element ernalten .
Aus dem an das piezoelektrische Element 10 angeschlossenen System, bestehend aus dem hydraulischen Koppler 28 und dem Stellelement 32 sowie dem Stellglied 14, wirkt ein technologisch bedingter System- druck aus dem Stellelement 32 über den hydraulischen Koppler 28 zurück auf das piezoelektrische Element 10. Dadurch ändert sich dessen ursprüngliche Auslenkung und r ckwirkend geht das erreichte mittlere Spannungsniveau 50 innerhalb eines Haltevorgangs 24 zurück. Dieser Spannungsabfall ist m dem m Figur 2 dargestellten Verfahrensablauf nicht kompensierbar, da m der zugehörigen Schaltungsanordnung noch kein kapazitives Element 18 integriert ist. Somit erfolgt ein zweiter Ladevorgang 22 von einem Gleichspannungs- niveau unterhalb des mittleren Spannungsniveaus 50 des piezoelektrischen Elementes 10 auf eine Soll- Gleichspannung 44. Figur 2 zeigt wiederum den Abfall der Soll-Gleichspannung 44 anhand der Spannungskenn- lmie 48 bis zum Beginn eines Entladevorgangs 26, der den Ansteuerungszyklus 20 unter Rückführung der elektrischen Ladungsträger vom piezoelektrischen Element 10 auf die Gleichspannungsquelle 12 zeigt. Bei diesem Entladevorgang werden die Schaltelemente 34 und 36 der Gleichspannungsstromkreise 54 wieder geschlossen, so dass anhand der Stromkennlιn_-.e 46 die Entladung des piezoelektrischen Elementes mit einhergehendem Ruckgang der Ansteuerung erkennbar wird. Figur 3 zeigt m einem Diagramm den Spannungs- und Stromkεnnlmienverlauf in Äohangigkeit von der Zeit des Ansteuerungszyklus 20 des piezoelektrischen Ele- mentes 10 mit einem Puffelkondensator als kapazitives Element 18, gemessen im Messpunkt 40 der Schaltungsanordnung gem ß Figur 1. Hierin wird klar ersichtlich, dass nach Schließen der Schaltelemente 34 und 36 elektrische Ladungsträger auf das piezoelektrische Element 10 und auf das kapazitive Element 18 innerhalb des Ladevorgangs 22 übertragen werden, bis das mittlere Spannungsniveau 50 erreicht wird. Die zugehörige Sti omkennlinie 46 zeigt einen gleichmaßigen Verlauf ohne Uberschwinger zu Beginn des Ladevorgangs 22. Diese Wirkung wird durch das parallel geschaltete kapazitive Element 18 erzielt. Das kapazitive Element 18 wird wahrend des Ladevorgangs 22 auf einen nahezu gleichen Ladungszustand wie das piezoelektrische Element 10 aufgeladen und anschließend werden die Schaltelemente 34 und 36 wieder geöffnet.
Der m Figur 3 dargestellte nachfolgende Haltevorgang 24 zeigt deutlich, dass das vorher erreichte mittlere Spannungsniveau 50 trotz ruckwirkender mechanischer Belastung aus dem angeschlossenen System auf das piezoelektrische Element 10 erhalten bleibt. Innerhalb des Haltevorgangs 24 werden trotz elektrischer Isolation des piezoelektrischen Elementes durch Offnen der Schaltelemente 34, 36 kontinuierlich in Ab- hangigkeit vom Spannungsabfall des piezoelektrischen Elementes 10 elektrische Ladungsträger vom kapazitiven Element 18 auf das piezoelektrische Element 10 übertragen. Dadurcn Kommt es zu einer Kompensation durch einen kontinuierlichen Nachladeprozess 30. Der m Figur 2 beschriebene und dargestellte Spannungsabfall wahrend des Haltevorgangs 24 findet hier durch das parallel geschaltete kapazitive Element 18 nicht statt .
Die gleiche Wirkungsweise ist in Figur 3 für einen zweiten Ladevorgang 22 erkennbar, bei dem das piezo- elektrische Element 10 von der Gleichspannungsquelle 12 von dem mittleren Spannungsniveau 50 auf die Soll- Gleichspannung 44 geladen wird. Im anschließenden zweiten Haltevorgang 24 wird die Soll- Gleichspannung aufgrund des parallel geschalteten kapazitiven Ele- mentes durch den statt indenden Nachladeprozess 30 ebenfalls konstant gehalten. Die Soll-Gleichspannung 44 wird ohne ein Uberschwmgen der Gleichspannung erreicht. Ein ungewunschtes Uberschwmgverhalten ist vergleichsweise n Figur 2 zu Beginn des zweiten Haltevorgangs 24 anhand der Spannungskennlinie 48 ersichtlich.
Der Ansteuerungszyklus 20 m Figur 3 wird durch den Entladevorgang 26 abgeschlossen, wobei anhand der Stromkennlinien 46 ersichtlich wird, dass die elektrischen Ladungsträger vergleichsmaßigt nach Schließen der Schaltelemente 34 und 36 vom piezoelektrischen Element auf die Gleichspannungsquelle 12 zuruckubertragen werden. Die Vergleichmaßigung er- folgt durch die teilweise Ruckubertragung von elektrischen Ladungsträgern auf das kapazitive Element 18. Das mittels Figur 3 anhand des Spannungs- und Stromkennlinienverlaurs dargestellte Verfahren fuhrt m dem angeschlossenen System zu einer Vergleich- maßigung der Stellbewegung des Stellgliedes 14 durch geringere druckabhangige Schwankungen des hydrauli- sehen Kopplers und des Stellelementes 32, die von dem parallel geschalteten kapazitiven Element 18 des piezoelektrischen Elementes 10 ausgeglichen werden.
Figur 4 zeigt anhand eines Diagramms mit Spannungs- und Stromkennlinienverlauf in Abhängigkeit von der Zeit einen zweifachen Ansteuerungszyklus eines piezoelektrischen Elementes, wobei hier im Messpunkt 42, wie m Figur 1 dargestellt, gemessen wird. Figur 4 zeigt wiederum den Ansteuerungszyklus 20, bestehend aus Ladevorgang 22 bis zum mittleren Spannungsniveau 50, dem nachfolgenden Haltevorgang 24 mit nahezu konstantem mittleren Spannungsniveau 50, einen weiteren Ladevorgang 22 auf die Soll-Gleichspannung 44 und den bereits wie vorher beschriebenen nahezu konstan- ten Haltevorgang 24 mit jedoch einem Entladevorgang 26 auf eine Gleichspannung 16. Im Unterschied zu den Figuren 2 und 3 zeigt die Stromkennlime 46 wahrend des Ladevorgangs 22 zum Zeitpunkt geschlossener Schaltelemente 34 und 36 nur einen auf das piezo- elektrische Element fließenden Teilstrom. Der Gesamtstrom verteilt sich auf das kapazitive Element 18 und auf das piezoelektrische Element 10. Durch die Messung im Messpunkt 42 wird jeweils in den Ladevorgangen nur dieser Teilstrom dargestellt. Wahrend der elektrischen Isolation des piezoelektrischen Elementes 10, wahrend der Haltevorgange 24, wird ein Umladestrom 52 anhand der Stromkennlime 46 er- 1 ?
sichtlich, der die Übertragung der elektrischen Ladungsträger vom kapazitiven Element 18 zum piezoelektrischen Element 10, den Nachladeprozess 30, verdeutlicht .
In Vervollständigung der Figur 4 schließt sich nach dem Haltevorgang 24 bei der Hohe der Gleichspannung 16 ein zweiter typischer Ansteuerungszyklus 20 mit parallel geschaltetem kapazitiven Element 18 an, der die gleichen beschriebenen Eigenschaften und Strorn- und Spannungskennlinienverlaufe wie der erste Ansteuerungszyklus 20 besitzt.

Claims

Patentanspr che
1. Verfahren zum Laden oder Entladen eines piezoelektrischen Elementes (10), wobei elektrische Ladungsträger von einer Gleichspannungsquelle (12) zum piezoelektrischen Element (10) oder umgekehrt transportiert werden, um eine elastische Auslenkung des piezoelektrischen El ementes (10) auf ein Stellglied (14) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellbewegung des Stellgliedes (14) m Abhängigkeit von einer Hohe einer übertragenen Gleichspannung (16) der Gleichspannungsquelle (12) des piezoelektrischen Elementes (10) konstant beibehalten wird, indem dem piezoelektrischen Element (10) über mindestens ein zusätzliches kapazitives Element (18) m Abhängigkeit vom Ladezustand des piezoelektrischen Elementes (10) elektrische Ladungsträger übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der elektrischen Ladungsträger von der Gleichspannungsquelle (12) zum piezoelektrischen Element (10) und umgekehrt innerhalb eines Ansteuerzyklus (20) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerzyklus (20) aus einem Ladevorgang (22), einem nachfolgenden Hai- tevorgang (24) und einem Entladevorgang (26) gemloet wird .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Ladungsträger innerhalb des Ladevorgangs (22) von der Gleichspannungsquelle (12 ) zum piezoelektrischen Element (10) und innerhalb des Entladevorgangs (26) zurück übertragen werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektrischen Element (10) wanrend des Haltevorgangs (24) durch einen kontinuierlichen Nachladeprozess (30) m Ab- hangigkeit des Ladezustandes des piezoelektrischen Elementes (10) von dem kapazitiven Element (18) elektrische Ladungsträger übertragen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element
(18) wahrend des Ladevorgangs (22) von der Gleichspannungsquelle (12) auf einen im Wesentlichen gleichen Ladungszustand geladen wird, der dem Ladungszustand des piezoelektrischen Elementes (10) ent- spricht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Ansteuerzyklus (20) folgende elastische Auslenkung des piezo- elektrischen Elementes (10) direkt über ein Stellelement (32) auf das Stellglied (14) übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Ansteuer- zyklus (20) folgende elastische Auslenkung des piezoelektrischen Elementes (10) über einen hydraulischen Koppler (28) indirekt auf das Stellelement (32) und auf das Stellglied (14) übertragen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerungszyklus (20) beliebig oft durchgeführt werden kann.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohe der Gleichspannung (16) durch stufenweise Übertragung von elektrischen Ladungsträgern von der Gleichspannungsquelle (12) zum piezoelektrischen Element (10) und umgekehrt innerhalb eines Ansteuerzyklus (20) erreicht wird.
11. Vorrichtung zum Laden oder Entladen eines piezoelektrischen Elementes (10) zum Transport elektrischer Ladungsträger von einer Gleichspannungsquelle (12) zum piezoelektrischen Element (10) oder umgekehrt, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung, mittels der eine Stelldewegung eines Stellgliedes (14) m Abhängigkeit von einer Hohe der übertragenen Gleichspannung (16) der Gleichspannungsquelle (12) auf das piezoelektrische Element (10) konstant beibe- haltbar ist, wobei zur Beibehaltung der Hohe der Gleichspannung (16) am piezoelektrischen Element (10) wenigstens ein kapazitives Element (18) angeordnet I b
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsversorgung des piezoelektrischen Elementes (10) und des wenigstens einen kapazitiven Elementes (18) eine Gleichspannungsquelle (12) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem piezoelektri- sehen Element (10) emgangsseitig ein Schaltelement (34) und ausgangsseitig ein Schaltelement (36) zum Schließen und Offnen eines Gleichspannungsstrom- kreLses (54) m Reihe geschaltet sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum piezoelektrischen Element (10) ein kapazitives Element (18) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (10) über einen hydraulischen Koppler (28) mit dem Stellelement (32) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (10) direkt mit einem Stellelement (32) verbunden ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stellelement (32) ein Stellglied (14) zugeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine kapazitive Element (18) die gleiche Kapazität wie das piezoelektrische Element (10) besitzt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltεlemente (34) und (36) Feldeffekt-Transistoren sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das kapazitive Element (18) ein Pufferkondensator ist .
21. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (32) ein Pumpenventil
22. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Stellglied (14) eine Dusennadel
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008023982A1 (de) * 2008-05-16 2009-12-03 Vemac Gmbh & Co. Kg Schaltung zur Steuerung kapazitiv beeinflussbarer Lasten

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL7805802A (nl) * 1978-05-29 1979-12-03 Philips Nv Inrichting voor het besturen van een pieezo-elektrisch positioneringselement.
JPH0642786B2 (ja) * 1985-06-18 1994-06-01 日本電装株式会社 圧電素子駆動装置
JPH05284600A (ja) * 1992-04-03 1993-10-29 Kunihiro Nagata 圧電セラミックス素子
DE4336535A1 (de) * 1993-10-26 1995-04-27 Karl Heinz Bayerle Ansteuerverfahren für Einstellung der Abmessungen eines Piezo
DE19854789A1 (de) * 1998-02-10 1999-08-12 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
DE19958704C2 (de) * 1999-12-06 2002-10-02 Siemens Ag Vorrichtung zum Übertragen einer Aktorbewegung und Fluiddosierer mit einer solchen Vorrichtung
DE10027013A1 (de) * 2000-02-21 2001-08-23 Ceramtec Ag Verfahren zur Ladung bzw. Entladung von piezoelektrischen Bauelementen
DE10113802B4 (de) * 2001-03-21 2007-10-18 Siemens Ag Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Stellgliedes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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