JP2000236121A - 圧電素子の充電及び放電のための方法及び装置 - Google Patents

圧電素子の充電及び放電のための方法及び装置

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JP2000236121A
JP2000236121A JP2000034051A JP2000034051A JP2000236121A JP 2000236121 A JP2000236121 A JP 2000236121A JP 2000034051 A JP2000034051 A JP 2000034051A JP 2000034051 A JP2000034051 A JP 2000034051A JP 2000236121 A JP2000236121 A JP 2000236121A
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capacitor
piezoelectric element
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piezoelectric
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Joerg Rueger Johannes
イェルク リューガー ヨハネス
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Robert Bosch GmbH
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • 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
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    • 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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 容量特性を有する素子は圧電素子の充電の前
に所定の電圧にまで充電される、容量特性を有する素子
から圧電素子へと又はその逆方向に電荷輸送を実施する
ことによって圧電素子を充電及び放電するための方法及
び装置を改良し、圧電素子の充電及び放電のためにかか
るコストが最小限にまで低減されるようにすることであ
る。 【解決手段】 上記課題は、容量特性を有する素子の所
定の電圧への充電は誘導特性を有する素子を介して行わ
れることによって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、容量特性を有する
素子は圧電素子の充電の前に所定の電圧にまで充電され
る、容量特性を有する素子から圧電素子へと又はその逆
方向に電荷輸送を実施することによって圧電素子を充電
及び放電するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ここで詳しく考察される圧電素子は、専
らこの用途に限られるというわけではないが、とりわけ
アクチュエータ乃至は調整素子として使用される圧電素
子である。圧電素子はこのような目的のために使用され
る。というのも、これら圧電素子は周知のようにこれら
圧電素子に印加される電圧又はこれら圧電素子において
生じる電圧に依存して収縮又は伸長する特性を有するか
らである。
【０００３】調整素子を圧電素子により実際に実現する
ことは、とりわけ当該調整素子が迅速な及び/又は頻繁
な運動を実施する必要がある場合に有利である。
【０００４】圧電素子を調整素子として使用すること
は、とりわけ内燃機関の燃料噴射ノズルにおいて有利で
ある。燃料噴射ノズルにおける圧電素子の使用可能性に
ついては例えばＥＰ０３７１４６９Ｂ１及びＥＰ０３７
９１８２Ｂ１を参照のこと。
【０００５】圧電素子は容量性素子であり、この容量性
素子は先に述べたようにその時々の充電状態乃至はこの
容量性素子で生じる又はこの容量性素子に印加される電
圧に相応して収縮及び伸長する。
【０００６】圧電素子の充電及び放電は、例えば図５に
図示された装置によって行われる。図５の装置は請求項
５の上位概念記載の装置であり、以下に記述される圧電
素子の充電及び放電は請求項１の上位概念記載の方法で
ある。
【０００７】この考察される例では、充電すべき圧電素
子は図５において参照符号１によって示されている。
【０００８】図５から読み取れるように、圧電素子１の
一方の端子は永続的にアース（このアースは電圧源の第
１の極に接続されている）に接続されており、これに対
して、この圧電素子１の他方の端子はコイル２及び充電
スイッチ３及びダイオード４の並列回路を介して電圧源
の第２の極に接続されており、さらにコイル２及び放電
スイッチ５及びダイオード６を介してこの電圧源の第１
の極に接続されている。
【０００９】この電圧源は、この例では（バッファ）コ
ンデンサ９である容量特性を有する素子によって形成さ
れている。このコンデンサ９はバッテリ７（例えば自動
車バッテリ）及びこのバッテリ７に後置接続されている
直流電圧変換器８によって充電される。この直流電圧変
換器８はバッテリ電圧（例えば１２Ｖ）を基本的に任意
の他の直流電圧に変換し、コンデンサ９をこの電圧に充
電する。
【００１０】圧電素子１の充電及び放電は容量特性を有
する素子（コンデンサ９）からこの例ではコイル２であ
る誘導特性を有する素子を介して圧電素子へと、又は、
逆方向に、電荷輸送を実施することによって行われる。
【００１１】圧電素子１の充電及び放電はこの例ではタ
イミング制御されて行われる。すなわち、充電スイッチ
３と放電スイッチ５とが充電過程中に乃至は放電過程中
に繰り返しオンオフされる。
【００１２】この場合に生じる状況は、以下において図
６〜９を参照しながら説明する。これら図６〜９のうち
図６及び７が圧電素子１の充電を示し、図８及び９が圧
電素子１の放電を示す。
【００１３】圧電素子１の充電又は放電が行われない場
合には充電スイッチ３及び放電スイッチ５はオフされて
いる。この状態においては図５に示された回路が定常状
態にある。すなわち、圧電素子１はその電荷状態を基本
的に不変のままに保っており、電流は流れない。
【００１４】圧電素子１の充電の開始によって充電スイ
ッチ３は繰り返しオンオフされ、この場合放電スイッチ
５はオフのままである。
【００１５】充電スイッチ３がオンされている場合、図
６に示された状況が生じる。すなわち、圧電素子１、コ
ンデンサ９及びコイル２の直列回路から成る閉じた電流
回路が形成され、この閉じた電流回路において図６にお
いて矢印で示されているような電流ｉLE（ｔ）が流れ
る。この電流フローは、コイル２にエネルギが蓄積され
ることを惹起する。コイル２へのエネルギフローはこの
場合コンデンサ９と圧電素子１との間の正の電位差によ
って惹起される。
【００１６】充電スイッチ３のオンの直後（例えば数μ
ｓ後）に行われるこの充電スイッチ３のオフにおいて、
図７に示された状況が生じる。すなわち、圧電素子１、
ダイオード６及びコイル２の直列回路から成る閉じた電
流回路が形成され、この閉じた電流回路において図７で
矢印によって示されているような電流ｉLA（ｔ）が流れ
る。この電流フローは、コイル２に蓄積されたエネルギ
が完全に圧電素子１に流れることを惹起する。圧電素子
へのエネルギ供給に相応して、この圧電素子１において
生じる電圧は上昇し、この圧電素子の外部寸法を大きく
する。コイル２から圧電素子１へと行われたエネルギ輸
送の後で、再び図５の回路の前述の定常状態に達する。
【００１７】（充電過程の所望の時間経過に応じて）こ
の時に又はその前に又はその後でようやく、充電スイッ
チ３が改めてオンされ、そして再びオフされ、前述の過
程が繰り返される。改めて充電スイッチ３をオンオフす
ることによって圧電素子１に蓄積されるエネルギは増大
し（圧電素子にすでに蓄積されているエネルギと新たに
供給されるエネルギとが累積する）、これに相応して圧
電素子において生じる電圧が増大し、この圧電素子の外
部寸法が大きくなる。
【００１８】上述の充電スイッチ３のオンオフを複数回
繰り返すと、圧電素子において生じる電圧は上昇し、こ
の圧電素子は段階的に伸長してゆく。
【００１９】充電スイッチ３が所定の回数オンオフする
及び/又は圧電素子１が所望の充電状態に到達すると、
圧電素子の充電は充電スイッチ３をオフのままにしてお
くことによって終了される。
【００２０】圧電素子１が放電される場合、これは放電
スイッチ５のオンオフの繰り返しによって実施され、充
電スイッチ３はこの場合オフされたままである。
【００２１】放電スイッチ５がオンの場合に、図８に示
された状況が生じる。すなわち、圧電素子１及びコイル
２の直列回路から成る閉じた電流回路が形成され、この
閉じた電流回路において図８で矢印で示されたような電
流ｉEE（ｔ）が流れる。この電流フローは、圧電素子に
蓄積されているエネルギ（このエネルギの一部分）がコ
イル２に輸送されることを惹起する。圧電素子１からコ
イル２へのエネルギ輸送に相応して、圧電素子において
生じる電圧は減少し、この圧電素子の外部寸法も縮小す
る。
【００２２】放電スイッチ５のオンの直後（例えば数μ
ｓ後）に行われるこの放電スイッチ５のオフにおいて、
図９に示された状況が生じる。すなわち、圧電素子１、
コンデンサ９、ダイオード４及びコイル２の直列回路か
ら成る閉じた電流回路が形成され、この閉じた電流回路
において図９で矢印によって示されているような電流ｉ
EA（ｔ）が流れる。この電流フローは、コイル２に蓄積
されたエネルギが完全にコンデンサ９へと逆流すること
を惹起する。コイル２からコンデンサ９へと行われるエ
ネルギ輸送の後で、再び図５の回路の前述の定常状態に
達する。
【００２３】（放電過程の所望の時間経過に応じて）こ
の時に又はその前に又はその後でようやく、放電スイッ
チ５が改めてオンされ、そして再びオフされ、前述の過
程が繰り返される。改めて放電スイッチ５をオン及びオ
フすることによって圧電素子１に蓄積されるエネルギは
減少し、これに相応して圧電素子において生じる電圧が
減少し、この圧電素子も縮小する。
【００２４】上述の放電スイッチ５のオンオフを複数回
繰り返すと、圧電素子において生じる電圧は減少し、こ
の圧電素子は段階的に縮小してゆく。
【００２５】放電スイッチ５が所定の回数オンオフする
及び/又は圧電素子が所望の放電状態に到達すると、圧
電素子の放電は放電スイッチ５をオフのままにしておく
ことによって終了される。
【００２６】上述のやり方で唯一の圧電素子だけではな
く多数の圧電素子を充電及び放電できる。
【００２７】これを可能にする回路は図１０に図示され
ている。
【００２８】図１０に示された回路は図５に示された回
路に基づいており、互いに相応する素子は同一の参照符
号によって示されている。図５の「唯一の」圧電素子１
はさらに別のダイオード１０及び多数（ｎ個）の圧電分
岐路１１,１２,...１ｎの直列回路によって置換されて
いる。各圧電分岐路は選択スイッチ１１2,１２2,...１
ｎ2及びダイオード１１3,１２3,...１ｎ3の並列回路と
圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1とから成る直列回路から
構成される。
【００２９】ダイオード１０は圧電素子において負の電
圧が発生することを阻止する。というのも、圧電素子は
場合によってはこれによって破壊されるかもしれないか
らである。
【００３０】個々の圧電分岐路において並列に配置され
た選択スイッチ・ダイオードペア、すなわち圧電分岐路
１１における選択スイッチ１１2及びダイオード１１3、
圧電分岐路１２における選択スイッチ１１2及びダイオ
ード１１3及び分岐路１ｎにおける選択スイッチ１ｎ2及
びダイオード１ｎ3は、例えばＭＯＳ-ＦＥＴのような寄
生ダイオードを有する電子スイッチによって実現され
る。
【００３１】圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1の充電及び
放電は基本的に図５の圧電素子１の充電及び放電のよう
に行われる。すなわち、充電のためには充電スイッチ３
が繰り返しオンオフされ、放電のためには放電スイッチ
５が繰り返しオンオフされる。
【００３２】圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1のうちのど
の圧電素子が乃至は複数のどのくらいの数の圧電素子が
充電スイッチ３の繰り返しオンオフによって充電される
かは、選択スイッチ１１2,１２2,...１ｎ2によって決定
される。その都度充電スイッチ３の繰り返しオンオフの
間にオンされている選択スイッチ１１2,１２2,...１ｎ2
の圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1全てが充電される。
【００３３】割り当てられた選択スイッチ１１2,１
２2,...１ｎ2のオンによって充電すべき圧電素子１１1,
１２1,...１ｎ1を選択すること及び当該スイッチのオフ
によってこの選択を破棄することは、通常は充電過程中
には行われない。しかし、所定の場合、すなわち圧電素
子１１1,１２1,...１ｎ1のうちの複数の圧電素子を同時
に異なる大きさで充電する場合、選択スイッチ１１2,１
２2,...１ｎ2のオンオフは充電過程中にも行われる。
【００３４】選択された圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1
の充電の際に生じる過程は基本的に図５の回路において
生じる過程と同一である。図６及び７及びこの図６及び
７に関する説明が当てはまる。唯一の相違点は、この圧
電素子１ではなく１つ又は複数の圧電素子１１1,１
２1,...１ｎ1が充電されることである。
【００３５】圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1の放電は、
割り当てられた選択スイッチ１１2,１２2,...１ｎ2の状
態には依存せずに行われる。というのも、これらの圧電
素子の放電を惹起する放電電流はそれぞれの圧電素子に
割り当てられたダイオード１１3,１２3,...１ｎ3を介し
て流れるからである。従って、この放電過程によって完
全に又は部分的に充電された全ての圧電素子１１1,１２
1,...１ｎ1が放電される。
【００３６】圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1の放電の際
に生じる過程は基本的に図５の回路において生じる過程
と同一である。図８及び９及びこの図８及び９に関する
説明が当てはまる。唯一の相違点は、この圧電素子１で
はなく１つ又は複数の圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1が
放電されることである。
【００３７】圧電素子が所望の通りの大きさで充電され
るためには、コンデンサ９が充電過程の開始前に所定の
電圧に充電されていなければならない。このためにコン
デンサ９はこの装置の始動の後に決して充電されてはな
らないだけではなく、この圧電素子の各々の充電の前に
（再）充電されなければならない。この再充電は必要で
ある。というのも、この圧電素子は非常に悪い効率を有
する（充電の際に供給されるエネルギのほぼ４０％が熱
に変換されてしまう）からであり、これによって圧電素
子１の放電後にコンデンサ９に充電されている電圧はこ
の圧電素子を充電する前よりも大幅に低い。
【００３８】前述のようにコンデンサ９の（再）充電は
バッテリ７及びこのバッテリ７に後置接続されている直
流電圧変換器８を介して行われる。
【００３９】直流電圧変換器８を設けることは比較的高
いコストを必要とする。とりわけコンデンサに充電すべ
き電圧は比較的高くなりうる（数百ボルト）。
【００４０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、容量特性を有する素子は圧電素子の充電の前に所定
の電圧にまで充電される、容量特性を有する素子から圧
電素子へと又はその逆方向に電荷輸送を実施することに
よって圧電素子を充電及び放電するための方法及び装置
を改良し、圧電素子の充電及び放電のためにかかるコス
トが最小限にまで低減されるようにすることである。
【００４１】
【課題を解決するための手段】上記課題は、容量特性を
有する素子の所定の電圧への充電は誘導特性を有する素
子を介して行われることによって解決される。
【００４２】
【発明の実施の形態】容量特性を有する素子は例えばタ
イミング制御された充電又は放電によって所望の電圧に
充電及び/又は放電される。容量特性を有する素子のタ
イミング制御された充電はこの場合本質的に圧電素子の
上述のタイミング制御された放電のように行われる。
【００４３】容量特性を有する素子のこのような充電に
よって、この容量特性を有する素子は直流電圧変換器な
しでも所定の電圧に充電される。容量特性を有する素子
を充電するために直流電圧変換器を設けることは必要な
い。
【００４４】直流電圧変換器の省略は、いずれにせよ他
の方法の格別に高いコストによって相殺されてはならな
い。
【００４５】とりわけ、誘導特性を有する素子、すなわ
ちこの誘導特性を有する素子を介して容量特性を有する
素子が充電されるような誘導特性を有する素子は、こと
さらにこの目的のために設けられる誘導特性を有する素
子であってはならない。ここにおいては圧電素子もこの
誘導特性を有する素子を介して充電及び/又は放電され
るような誘導特性を有する素子でよい。
【００４６】圧電素子の充電及び放電のためにかかるコ
ストは従って最小限にまで低減される。
【００４７】有利な本発明の実施形態は従属請求項、以
下の記述及び図面から得られる。
【００４８】
【実施例】本発明を以下において図面を参照しつつ実施
例に基づいて詳しく説明する。
【００４９】以下において詳しくその充電及び放電につ
いて記述する圧電素子は、例えば内燃機関の（とりわけ
いわゆるコモンレールインジェクタの）燃料噴射ノズル
の調整素子として使用される。しかし、このような圧電
素子の使用にはなんら制限はなく、圧電素子は原理的に
は任意の装置において任意の目的のために使用できる。
【００５０】以下に記述する圧電素子の充電のための方
法及び装置においては、図５〜図１０までの装置の場合
のように、すなわち容量特性を有する素子から圧電素子
へと又はその逆方向に電荷輸送を実施することによって
充電及び放電が行われ、この容量特性を有する素子は圧
電素子の充電の前に所定の電圧に充電される。図５及び
図１０に示された装置とは対照的に、容量特性を有する
素子の所定の電圧への充電は誘電特性を有する素子を介
して行われる。
【００５１】以下において詳しく記述される装置は図１
０に示された装置のように複数の圧電素子を同時に又は
互いに順番に充電するための装置である。しかし、ここ
でこの装置にはなんら制限がないことを指摘しておく。
以下において詳しく記述される方法及び装置は図５の装
置のように唯一の圧電素子を充電するために構成するこ
ともできる。
【００５２】以下において詳しく記述される（図１及び
図３に示された）装置の構造は図１０の装置の構造に大
部分一致する。図１及び図１０乃至は図３及び図１０を
比べて見れば分かるように、圧電素子の充電及び放電の
ために設けられた各装置の構成部材には差異はない。同
一の参照符号が付けられている素子は互いに相応してお
り、繰り返しを避けるためにここで再び記述したりはし
ない。図５〜図１０に関連する説明を参照のこと。
【００５３】これらの装置の構造の共通性から推察され
るように、以下において記述される（図１及び図３に示
された）装置においては、図１０の装置の場合のように
圧電素子の充電及び放電が行われる。異なるのは、容量
特性を有する素子、すなわちコンデンサ９がどのように
（再）充電されるかという点「だけ」である。この容量
特性を有する素子を使用することによって圧電素子が充
電及び放電される。コンデンサ９を（再）充電するため
の図１０の装置に設けられている素子、すなわちバッテ
リ７及び直流電圧変換器は図１及び図３の装置にはもは
や存在しない。
【００５４】このことに関連するここで詳しく考察され
る装置と図１０の装置との間の変化を、以下において図
１〜４を参照しながら詳細に記述する。
【００５５】図１の装置ではバッテリ７及び直流電圧変
換器８は一方の極によってアースに接続されたバッテリ
２１、このバッテリ２１（の他方の極）に後置接続され
たダイオード２２、このダイオード２２に後置接続され
かつコイル２に接続された第１の選択スイッチ２３及び
第２の選択スイッチ２４によって置換されている。
【００５６】バッテリ２１、ダイオード２２及び第１の
選択スイッチ２３を含む直列回路は以下においてはわか
りやすさのためにコンデンサ充電分岐路２５と呼ぶこと
にする。このコンデンサ充電分岐路２５はコイル２と圧
電分岐路１１,１２,...１ｎとの間に配置されており、
さらにこれら圧電分岐路１１,１２,...１ｎに対して並
列に接続されている。第２の選択スイッチ２４はこのコ
ンデンサ充電分岐路２５と圧電分岐路１１,１２,...１
ｎとの間に配置されている。
【００５７】選択スイッチ２３及び２４を介して、コン
デンサ充電分岐路２５がコイル２を介してこのコイル２
に前置接続された素子（コンデンサ９、充電スイッチ
３、放電スイッチ５及びダイオード４及び６）に接続さ
れるか又は圧電分岐路１１,１２,...１ｎがコイル２を
介してこのコイル２に前置接続された素子（コンデンサ
９、充電スイッチ３、放電スイッチ５及びダイオード４
及び６）に接続されるかが調整可能である。
【００５８】第１の選択スイッチ２３のオフかつ第２の
選択スイッチ２４のオンの場合には、圧電分岐路１１,
１２,...１ｎがコイル２を介してこのコイル２に前置接
続された素子に接続され、コンデンサ充電分岐路２５が
この回路の他の部分から分離される。
【００５９】第１の選択スイッチ２３のオンかつ第２の
選択スイッチ２４のオフの場合には、コンデンサ充電分
岐路２５がコイル２を介してこのコイル２に前置接続さ
れた素子に接続され、圧電分岐路１１,１２,...１ｎが
この回路の他の部分から分離される。
【００６０】前者の場合（第１の選択スイッチ２３のオ
フかつ第２の選択スイッチ２４のオンの場合）には、圧
電素子１１1,１２1,...１ｎ1が冒頭で図５〜１０を参照
しつつ記述したように充電及び放電される。
【００６１】後者の場合（第１の選択スイッチ２３のオ
ンかつ第２の選択スイッチ２４のオフの場合）には、コ
ンデンサ９が所定の電圧に（再）充電される。
【００６２】コンデンサ９の（再）充電はコイル２を介
して行われるバッテリ２１からコンデンサ９への電荷輸
送を実施することによって行われる。
【００６３】このコンデンサ９の充電はここで考察され
る例ではタイミング制御されて、より正確に言えば、放
電スイッチ５を繰り返しオンオフすることによって行わ
れ、この場合充電スイッチ３はオフされたままである。
【００６４】放電スイッチ５がオンされる場合、バッテ
リ２１、ダイオード２２及びコイル２の直列回路から成
る閉じた電流回路が形成される。この閉じた電流回路に
おいて電流が流れ、この電流によってバッテリ２１に蓄
積されたエネルギ（このエネルギの一部分）がコイル２
に移される。
【００６５】放電スイッチ５のオンの直後（例えば数μ
ｓ後）に行われるこの放電スイッチ５のオフにおいて、
バッテリ２１、ダイオード２２、コイル２、ダイオード
４及びコンデンサ９の直列回路から成る閉じた電流回路
が形成される。この閉じた電流回路において電流が流
れ、この電流によってコイル２に蓄積されているエネル
ギがコンデンサ９に移される。ダイオード２２は、コイ
ル２に蓄積されているエネルギがバッテリ２１に逆に給
電されてしまうことを阻止する。コイル２からコンデン
サ９へのエネルギ輸送によってこのコンデンサ９は充電
され、このコンデンサ９において生じる電圧はかなり大
きく増大する。
【００６６】（コンデンサ充電過程の所望の時間経過に
応じて）この時に又はその前に又はその後でようやく、
放電スイッチ５が改めてオンされ、そして再びオフさ
れ、前述の過程が繰り返される。改めて放電スイッチ５
をオン及びオフすることによってコンデンサに蓄積され
るエネルギは増大し、これによってコンデンサ９におい
て生じる電圧がさらに増大する。
【００６７】上述の放電スイッチ５のオンオフを複数回
繰り返すと、コンデンサ９において生じる電圧は段階的
に増大する。
【００６８】これは図２に明示的に示されている。図２
に示されている曲線の中で、記号□によって記されてい
る曲線はコイル２において生じる電流フローの経過を示
し、記号◇によって記されている曲線はコンデンサ９に
おいて生じる電圧の経過を示す。放電スイッチ５の繰り
返しオンオフのタイミングで変化する電流によって結果
的にコンデンサ９において生じる電圧の段階的な上昇が
発生する。
【００６９】放電スイッチ５が所定の回数オンオフした
場合及び/又はコンデンサ９が所望の充電状態に到達し
た場合、コンデンサ９の充電はこの放電スイッチ５をオ
フしたままにすることによって終了する。
【００７０】コンデンサ９はこのやり方で直流電圧変換
器なしで、すなわち従来よりもはるかに僅少なコストで
所望の通りに大きく（再）充電される。
【００７１】相応することが図３に示された装置に対し
ても当てはまる。図３に示された装置では、バッテリ７
及び直流電圧変換器８は、一方の極によってアースに接
続されたバッテリ３１、このバッテリ（の他方の極）に
後置接続されたコイル３２、このコイル３２に後置接続
されかつアースに接続されたコンデンサ充電スイッチ３
３及びコイル２と圧電分岐路１１,１２,...１ｎとの間
に設けられた選択スイッチ３４によって置換されてい
る。コイル３２はコイル２を２次巻線として有するトラ
ンスの１次巻線である。
【００７２】バッテリ３１、コイル３２及びコンデンサ
充電スイッチ３３を含む直列回路は以下においてはわか
りやすくするためにコンデンサ充電回路３５と呼ぶ。こ
のコンデンサ充電回路３５はトランス（変圧器形）を介
して「のみ」この装置の他の構成部材に結合されてい
る。コンデンサ充電回路３５とこの装置の他の構成部材
との間の他のやり方による接続は存在しない。
【００７３】コンデンサ充電スイッチ３３及び選択スイ
ッチ３４の操作及び調整を介して、このコンデンサ充電
回路３５がコイル２を介してこのコイル２に前置接続さ
れた素子（コンデンサ９、充電スイッチ３、放電スイッ
チ５及びダイオード４及び６）に接続されるのか、又
は、圧電分岐路１１,１２,...１ｎがコイル２を介して
このコイル２に前置接続された素子（コンデンサ９、充
電スイッチ３、放電スイッチ５及びダイオード４及び
６）に接続されるのかが調整可能である。
【００７４】選択スイッチ３４がオンの場合、圧電分岐
路１１,１２,...１ｎがコイル２を介してこのコイル２
に前置接続された素子に接続され、これによってこれら
の圧電分岐路に含まれる圧電素子１１1,１２1,...１ｎ1
が冒頭において図５〜１０を参照しつつ記述したように
充電及び放電される。
【００７５】第２の選択スイッチ３４がオフの場合、圧
電分岐路１１,１２,...１ｎがこの回路の他の部分から
分離される。この状態では、コンデンサ９はコンデンサ
充電回路３５を介して所定の電圧に（再）充電される。
コンデンサ９のこの（再）充電は、コイル２及びコイル
３２から成るトランスを介してバッテリ３１からコンデ
ンサ９へと行われる電荷輸送を実施することによって行
われる。
【００７６】コンデンサ９のこの充電はここで考察され
る例ではタイミング制御されて、より正確に言えば、コ
ンデンサ充電スイッチ３３の繰り返しのオンオフによっ
て行われる。この場合、充電スイッチ３及び放電スイッ
チ５はオフされたままである。
【００７７】コンデンサ充電スイッチ３３のオンによっ
てコンデンサ充電回路３５は閉じた電流回路になる。こ
の電流回路には電流が流れ、この電流によってバッテリ
３１に蓄積されているエネルギ（このエネルギの一部
分）がコイル３２に移される。
【００７８】コンデンサ充電スイッチ３３のオンの直後
（例えば数μｓ後）に行われるこのコンデンサ充電スイ
ッチ３３のオフにおいて、このトランスに蓄積されてい
るエネルギがこのトランスの２次巻線（コイル２）及び
ダイオード４及び/又は６を介してコンデンサ９に移さ
れる。これによってコンデンサ９において生じる電圧は
かなり大きく増大する。
【００７９】（コンデンサ充電過程の所望の時間経過に
応じて）この時に又はその前に又はその後でようやく、
コンデンサ充電スイッチ３３が改めてオンされ、そして
再びオフされ、前述の過程が繰り返される。改めてコン
デンサ充電スイッチをオン及びオフすることによってコ
ンデンサ９に蓄積されるエネルギは増大し、これによっ
てコンデンサ９において生じる電圧がさらに増大する。
【００８０】上記のコンデンサ充電スイッチ３３のオン
オフを複数回繰り返すと、コンデンサ９において生じる
電圧はますます増大する。
【００８１】これは図４に明示的に示されている。図４
に示されている曲線の中で、記号□によって記されてい
る曲線はトランスの１次側（コンデンサ充電回路３５）
において生じる電流フローの経過を示し、記号◇によっ
て記されている曲線はこのトランスの２次側において生
じる電圧の経過を示し、そして記号によって記されてい
ない曲線はコンデンサ９において生じる電圧を示す。コ
ンデンサ充電スイッチ３３の繰り返しオンオフのタイミ
ングで変化する電流によって結果的にコンデンサ９にお
いて生じる電圧の段階的な上昇が発生する。
【００８２】コンデンサ充電スイッチ３３が所定の回数
オンオフした場合及び/又はコンデンサ９が所望の充電
状態に到達した場合、コンデンサ９の充電はこのコンデ
ンサ充電スイッチ３３をオフしたままにすることによっ
て終了する。
【００８３】コンデンサ９はこのやり方で直流電圧変換
器なしで、すなわち従来よりもはるかに僅少なコストで
所望の通りに大きく（再）充電される。
【００８４】上述のように圧電素子の充電及び放電のた
めのそれぞれの装置によって圧電素子のタイミング制御
された充電及び放電が行われる場合、上記の直流電圧変
換器の代替部分はとりわけ僅少なコストによって実現さ
れる。この場合、コンデンサ９の（再）充電は、部分的
には圧電素子の充電及び放電のためにいずれにせよ設け
られなければならない回路部分を使用することによって
行われる。
【００８５】それにもかかわらず、これにはどんな制限
も存在しない。ここに記述されたように行われるコンデ
ンサ９の（再）充電は、圧電素子が任意の他の方法に従
って充電及び/又は放電される場合にも使用できる。
【００８６】圧電素子の充電及び放電のために必要とさ
れる回路部分がコンデンサ９の（再）充電のためにも利
用されることは、これら圧電素子の充電及び放電に対し
て不利な作用を及ぼさない。ただ次のことにだけは注意
すべきである。すなわち、圧電素子の充電又は放電及び
コンデンサ９の（再）充電は同時に行うことはできな
い、ということだけは注意すべきである。しかし、充電
及び放電時間は極端に短いため、この制限は些細なもの
である。
【００８７】ここで記述されたように行われる圧電素子
の充電及び放電によってこの充電及び放電にかかるコス
トが最小限にまで低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電素子を充電及び放電するための装置の第１
の実施例の回路図である。
【図２】図１の装置においてコンデンサ９の充電時に生
じる電圧と電流トランジスタの関係を示す線図である。
【図３】圧電素子を充電及び放電するための装置の第２
の実施例の回路図である。
【図４】図３の装置においてコンデンサ９の充電時に生
じる電圧と電流トランジスタの関係を示す線図である。
【図５】圧電素子を充電及び放電するための従来の装置
の回路図である。
【図６】図５の回路において第１の充電フェーズ（充電
スイッチ３オン）に生じる状況を説明するための概略図
である。
【図７】図５の回路において第２の充電フェーズ（充電
スイッチ３再びオフ）に生じる状況を説明するための概
略図である。
【図８】図５の回路において第１の放電フェーズ（放電
スイッチ５オン）に生じる状況を説明するための概略図
である。
【図９】図５の回路において第２の放電フェーズ（放電
スイッチ５再びオフ）に生じる状況を説明するための概
略図である。
【図１０】複数の圧電素子を同時に又は互いに順番に充
電及び放電するための従来の装置の回路図である。
【符号の説明】
１ 圧電素子 ２ コイル ３ 充電スイッチ ４ ダイオード ５ 放電スイッチ ６ ダイオード ７ バッテリ ８ 直流電圧変換器 ９ （バッファ）コンデンサ １０ ダイオード １１ 圧電分岐路 １２ 圧電分岐路 ２１ バッテリ ２２ ダイオード ２３ 第１の選択スイッチ ２４ 第２の選択スイッチ ２５ コンデンサ充電分岐路 ３１ バッテリ ３２ コイル ３３ コンデンサ充電スイッチ ３４ 選択スイッチ ３５ コンデンサ充電回路

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 容量特性を有する素子（９）から圧電素
    子（１１1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆方向に電荷
    輸送を実施することによって前記圧電素子（１１1,１２
    1,...１ｎ1）を充電及び放電するための方法であって、 前記容量特性を有する素子（９）は前記圧電素子（１１
    1,１２1,...１ｎ1）の充電の前に所定の電圧にまで充電
    される、容量特性を有する素子（９）から圧電素子（１
    １1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆方向に電荷輸送を
    実施することによって前記圧電素子（１１1,１２1,...
    １ｎ1）を充電及び放電するための方法において、 前記容量特性を有する素子（９）の所定の電圧への充電
    は、誘導特性を有する素子（２；２,３２）を介して行
    われることを特徴とする、容量特性を有する素子（９）
    から圧電素子（１１1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆
    方向に電荷輸送を実施することによって前記圧電素子
    （１１1,１２1,...１ｎ1）を充電及び放電するための方
    法。
  2. 【請求項２】 容量特性を有する素子（９）の充電はタ
    イミング制御されて行われることを特徴とする請求項１
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 装置は繰り返し交互に第１の状態と第２
    の状態とに移行され、 前記装置の第１の状態において、エネルギは誘導特性を
    有する素子（２；２,３２）に移され、 前記装置の第２の状態において、前記誘導特性を有する
    素子（２；２,３２）蓄積されたエネルギは容量特性を
    有する素子（９）に移されることを特徴とする請求項１
    又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 容量特性を有する素子（９）の充電は、
    専ら圧電素子（１１ 1,１２1,...１ｎ1）が充電されない
    又は放電される時間において行われることを特徴とする
    請求項１〜３までのうちの１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 容量特性を有する素子（９）から圧電素
    子（１１1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆方向に電荷
    輸送を実施することによって前記圧電素子（１１1,１２
    1,...１ｎ1）を充電及び放電するための装置であって、 前記容量特性を有する素子（９）は前記圧電素子（１１
    1,１２1,...１ｎ1）の充電の前に所定の電圧にまで充電
    される、容量特性を有する素子（９）から圧電素子（１
    １1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆方向に電荷輸送を
    実施することによって前記圧電素子（１１1,１２1,...
    １ｎ1）を充電及び放電するための装置において、 前記容量特性を有する素子（９）の所定の電圧への充電
    は、誘導特性を有する素子（２；２,３２）を介して行
    われることを特徴とする、容量特性を有する素子（９）
    から圧電素子（１１1,１２1,...１ｎ1）へと又はその逆
    方向に電荷輸送を実施することによって前記圧電素子
    （１１1,１２1,...１ｎ1）を充電及び放電するための装
    置。
  6. 【請求項６】 容量特性を有する素子（９）はバッファ
    コンデンサであることを特徴とする請求項５記載の装
    置。
  7. 【請求項７】 誘導特性を有する素子（２；３２）は回
    路部分であり、該回路部分を介して圧電素子（１１1,１
    ２1,...１ｎ1）も充電及び放電されることを特徴とする
    請求項５又は６記載の装置。
  8. 【請求項８】 誘導特性を有する素子（２；２,３２）
    は、コイル、トランス又はトランスの巻線であることを
    特徴とする請求項５〜７までのうちの１項記載の装置。
  9. 【請求項９】 １つ又は複数の選択スイッチ（２３、２
    ４；３４）が設けられており、該１つ又は複数の選択ス
    イッチ（２３、２４；３４）を介して装置は選択的に圧
    電素子（１１1,１２1,...１ｎ1）の充電又は放電のため
    に、又は、容量特性を有する素子（９）の充電のために
    コンフィギュレート可能であることを特徴とする請求項
    ５〜８までのうちの１項記載の装置。
JP2000034051A 1999-02-10 2000-02-10 圧電素子の充電及び放電のための方法及び装置 Withdrawn JP2000236121A (ja)

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