KR100601006B1 - 압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 소자를 충전시키는 충전 전류 또는 압전 소자를 방전시키는 방전 전류가 유도 특성을 가진 소자(2)를 통해 흐르는, 압전 소자(1)를 충전 및 방전시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법과 장치는, 충전 회로에 있는 스위치(3) 또는 방전 회로에 있는 스위치(5)가 충전 또는 방전중에 압전 소자가 소정의 평균 충전 전류 또는 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록, 반복하여 작동되는 것을 특징으로 하고 있다.
압전 소자, 충전 회로, 충전 전류, 방전 회로, 방전 전류, 스위치

Description

압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 방법 및 장치{Method and Device for Charging and Discharging a Piezoelectric Element}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 방법 및 청구항 10의 전제부에 따른 장치, 즉 압전 소자를 충전하는 충전 전류 또는 압전 소자를 방전하는 방전 전류가 유도 특성(inductive characteristics)을 가진 소자를 통해 지나가는, 압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
여기서 상세히 설명되는 압전 소자는 특히 액추에이터로서 사용되는 압전 소자이지만, 본 발명이 이것에 국한되지는 않는다. 압전 소자는 인가되는 전압에 따라 수축하거나 또는 팽창하는 공지의 성질을 갖고 있기 때문에 상기한 목적에 사용될 수 있다.
실제로 압전 소자로 액추에이터를 구성하면, 해당 액추에이터가 신속하고 및/또는 빈번하게 동작해야 할 때 특히 유리한 것으로 입증되었다.
압전 소자를 액추에이터로 사용하면, 내연기관용 연료 분사 노즐의 경우, 특히 유리한 것이 입증되었다. 압전 소자를 연료 분사 노즐에 이용할 수 있는 가능성에 관해서는 예를 들어, EP 0 371 469 B1 및 EP 0 379 182 B1를 참고할 수 있을 것이다.
압전 소자는 상기한 바와 같이, 예컨대 생성된 또는 인가된 전압에 종속하는, 각각의 경우의 충전 상태에 따라 수축하고 팽창하는 용량성 소비부품이다.
압전 소자의 충전과 방전은 예를 들어, 코일과 같은 유도 특성을 가진 소자를 통하여 수행될 수 있는 데, 그 코일은 특히 충전시 발생하는 충전 전류 및 방전시 발생하는 방전 전류를 제한하는 역할을 한다. 이러한 장치는 도 8에 도시되어 있다.
충전 또는 방전할 압전 소자는 도 8에서 도면번호 101로 표시되어 있다. 이 소자는 충전 스위치(102)를 통해 폐쇄될 수 있는 충전 회로 및 방전 스위치(106)를 통해 폐쇄될 수 있는 방전 회로의 구성 소자인데, 충전 회로는 직렬로 연결된 충전 스위치(102), 다이오드(103), 충전 코일(104), 압전 소자(101) 및 전압원(105)으로 구성되어 있고, 방전 회로는 직렬로 연결된 방전 스위치(106), 다이오드(107), 방전 코일(108) 및 압전 소자(101)로 구성되어 있다.
충전 회로의 다이오드(103)는, 압전 소자를 방전하는 전류가 충전 회로에서 흐르는 것을 방지한다. 다이오드(103)와 충전 스위치(102)는 함께 하나의 반도체 스위치로서 구성될 수 있다.
방전 회로의 다이오드(107)는, 압전 소자를 충전하는 전류가 방전 회로에 흐르는 것을 방지한다. 다이오드(107)와 방전 스위치(106)는 다이오드(103)와 충전 스위치(102)처럼 하나의 반도체 스위치로 구성될 수 있다.
정상적으로는 개방되어 있는 충전 스위치(102)가 폐쇄되면, 충전 회로에는 충전 전류가 흐르고 그것에 의해 압전 소자(101)는 충전되며; 압전 소자(101)에 저장된 전하 또는 그것에 의해 압전 소자에 발생하는 전압 그리고 그것에 따른 압전 소자(101)의 실제의 외부 치수는 소자가 충전된 후 실질적으로 변함이 없이 유지된다.
또한, 정상적으로는 개방되어 있는 방전 스위치(106)가 폐쇄되면, 방전 회로에는 방전 전류가 흐르고 그것에 의해 압전 소자(101)는 방전되며; 압전 소자(101)의 충전 상태 또는 그로 인해 압전 소자에 발생하는 전압 그리고 그것에 따른 압전 소자(101)의 실제의 외부 치수는 소자가 방전된 후 실질적으로 변함이 없이 유지된다.
압전 소자의 이러한 충전 및 방전은 바람직한데, 그 이유는 충전 회로 및 방전 회로에 있어서 큰 오옴 저항이 없기 때문에 이 충전 및 방전이 적은 전력 손실로 그리고 단지 비교적 적은 발열하에 일어날 수 있기 때문이다.
그러나, 상기 충전과 방전의 규모 및 시간적 특성은 항상 이상적이지는 않다. 방해가 되는 것으로는 특히 시간적으로 변하는 충전 및 방전 속도, 다소 심한 과도 반응 및 압전 소자의 단지 부분적인 또는 과도한 충전 및 방전이 있으며, 이에 의해 방전시에 반대 극성으로 충전되는 일까지 일어날 수 있다.
이것은 충전 또는 방전시키려는 압전 소자에 대한 커다란 부담이 될 뿐 아니라 그 소자를 의도한 바대로 사용하는 데에도 악영향을 줄 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 청구항 1의 전제부에 따른 방법 및 청구항 10의 전제부에 따른 장치가, 압전 소자의 충전 및 방전이 과도하지 않게 되도록 수행될 수 있고, 개별적인 또는 변하는 조건에 적합하게 수행될 수 있도록 개선하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 청구항 1(방법)의 특징부분 및 청구항 10(장치)의 특징부분에서 청구되고 있는 특징들에 의해 달성된다.
상기 목적을 달성하기 위해, 충전 회로에 있는 스위치 또는 방전 회로에 있는 스위치는 충전 또는 방전 동안, 압전 소자가 소정 평균 충전 전류 또는 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록, 반복하여 작동되며, 또는 충전 회로에 있는 스위치 또는 방전 회로에 있는 스위치를 충전과 방전 동안, 압전 소자가 소정 평균 충전 전류 또는 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록, 반복하여 작동시키는 제어 장치 또는 조절 장치가 제공된다.
각 스위치를 반복하여 개방 및 폐쇄함으로써 스위치 모드 충전 또는 방전이 수행된다. 그로 인해 유도 특성을 가진 소자의 기능과 작용이 변한다.
지금까지 LC 직렬 공진 회로의 유도 소자는 압전 소자와 상호 작용했는데, 유도 소자의 인덕턴스와 압전 소자의 용량만이 충전과 방전의 특성 곡선과 범위를 결정한다(충전 및 방전은 제 1 공진 회로 발진의 제 1 전류 반파만에 의해서만 이루어질 수 있었는 데, 그 이유는 공진 회로의 부가 발진이 충전 회로와 방전 회로에 포함된 다이오드에 의해 저지되기 때문이다).
이제(스위치 모드 제어의 경우) 유도 특성을 가진 소자는 에너지 중간 저장기로 사용되며, 이 저장기는 교대로 전류 공급원(충전시)으로부터 또는 압전 소자(방전시)로부터 공급된 전기 에너지(자기 에너지의 형태로)를 저장하고, 상응하는 스위치 작동 후에 저장된 에너지를 전기 에너지 형태로 압전 소자(충전시) 또는 다른 에너지 저장기 또는 전기 소비 부품(방전시)에 방출하며, 그 경우 그 에너지 저장 및 에너지 방출의 시점과 지속 시간(및 그 범위)은 스위치 작동에 의해 결정된다.
그로 인해, 압전 소자는 임의의 수, 임의의 크기 및 임의의 시간적 간격으로 연속적 단계로 소망하는 정도로 충전 및 방전될 수 있다.
그 결과, 충전 및/또는 방전의 범위와 시간적 특성이 소망대로 조절될 수 있고, 특히, 유도 특성을 가진 소자 및 압전 소자의 기술적 데이터와는 거의 무관하게 조절될 수 있다.
압전 소자가 소정의 평균 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록 스위치를 반복해서 개폐하기 위해, 상기한 본 발명의 특징적 구성이 사용되면, 압전 소자의 충전과 방전은 과도하지 않게 수행될 수 있고, 개별적인 및 변하는 조건에 적합하게 수행될 수 있다.
또한, 충전 및/또는 방전의 규모와 시간적 특성을, 유도 특성을 가진 소자와 압전 소자의 기술적 데이터로부터 적어도 부분적으로 분리시키면, 단일의 유도 특성을 가진 단일의 소자를 배치하고 이것을 압전 소자의 충전뿐 아니라 방전을 위해 사용할 수 있는데 반해, 압전 소자의 충전과 방전을 위한 서두에 기재한 통상적 방법에서는 충전 코일과 방전 코일을 통합하는 것이 가능하지 않은 데 그 이유는 이들 코일이 상이한 인덕턴스를 갖고있기 때문이다.
유도 특성을 가진 소자는 필요한 경우에는 대단히 소형으로 구성될 수 있고, 이 경우 작은 에너지 저장 용량 또는 신속한 포화 도달은 충전- 및/또는 방전 사이클 수를 증가시킴에 의해 보상될 수 있다.
따라서, 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 장치는 그 기능이 개선됨에도 불구하고 종래의 것 보다 훨씬 소형으로 구성될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 실시예는 청구범위 종속항들의 대상이다.
도 1은 종래의 장치에 비해 구성이 간단한 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 장치를 도시한 도면.
도 2는 제 1 충전 단계(충전 스위치(3)가 폐쇄됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 상태의 설명도.
도 3은 제 2 충전 단계(충전 스위치(3)가 다시 개방됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 상태의 설명도.
도 4는 제 1 방전 단계(방전 스위치(5)가 폐쇄됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 상태의 설명도.
도 5는 제 2 방전 단계(방전 스위치(5)가 다시 개방됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 상태의 설명도.
도 6은 도 1에 의한 장치를 본 발명에 따라 제어할 때, 전압- 및 전류 곡선의 시간적 특성을 도시한 도면.
도 7은 충전중에 압전 소자에 나타나는 전압의 시간적 특성의 개략도.
도 8은 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 종래의 장치를 도시한 도면.
본 발명은 이하 실시예에 따라 첨부도면을 참고로 하여 상세히 설명될 것이다.
압전 소자의 충전과 방전은 하기에 상세히 설명될 것이며, 이 소자는 예를 들어, 내연기관의 연료 분사 노즐(특히, 소위 커먼 레일 분사기(common rail injectors))에서의 액추에이터로서 사용될 수 있다. 그러나 이 압전 소자가 그러한 용도에 한정되는 것은 아니며, 이 압전 소자는 원칙상 임의의 목적을 위해 임의의 장치에 사용될 수 있다.
먼저 압전 소자는 충전에 반응하여 팽창되고 방전에 반응하여 수축된다고 가정한다. 물론, 본 발명은 상기 가정이 반대일 때에도 적용 가능하다.
이제 도 1을 참고로 통상의 장치보다 단순한 압전 소자의 충전 및 방전 장치가 설명되는 데, 이러한 단순화는 무엇보다 본 발명에 의한 방법 및 본 발명에 의한 장치의 사용에 의해 가능해진다.
설명되는 실시예에서 충전되어야 하는 압전 소자가 도 1에 도면번호(1)로 표시되어 있다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 압전 소자(1)의 접속단자들 중 하나는 접지(이것은 전압원의 제 1 극과 연결되어 있음)에 영구 접속되어 있는 한편, 압전 소자(1)의 접속단자들 중 다른 것은, 하나의(동시에 충전 코일로도 또한 방전 코일로도 작용함) 코일(2) 및 충전 스위치(3)와 다이오드(4)로 된 병렬 연결부를 지나 전압원의 제 2 극과, 또한 코일(2) 및 방전 스위치(5)와 다이오드(6)로 된 병렬 연결부를 지나 전압원의 제 1 극과 연결되어 있다.
전압원은 배터리(7)(예를 들어, 자동차 배터리), 배터리 후단에 연결된 직류전압 변환기(8) 및 변환기 후단에 연결된 완충 콘덴서 역할을 하는 콘덴서(9)로 구성되어 있다. 이 배치에 의해 배터리 전압(예를 들어, 12 볼트)은 실질적으로 임의의 다른 직류전압으로 변환되어 공급전압으로서 제공된다.
압전 소자(1)의 충전과 방전은 상기 실시예에서는 스위치 모드로 행해진다. 즉, 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)는 충전 과정이나 방전 과정 중에 반복적으로 폐쇄 및 개방된다.
상기의 경우 일어나는 상태는 하기에 도 2 내지 5를 참고로 설명되는 데, 그 중 도 2 및 도 3은 압전 소자(1)의 충전을 그리고 도 4 및 도 5는 압전 소자(1)의 방전을 나타낸다.
충전 스위치(3) 및 방전 스위치(5)는, 압전 소자(1)의 충전 또는 방전이 일어나지 않을 때 및 그 동안은, 개방된다. 이 상태에서는 도 1에 도시된 회로는 정지 상태에 있다. 즉, 압전 소자(1)는 그의 충전 상태를 사실상 불변적으로 유지하여 소자에는 전류가 흐르지 않는다.
압전 소자(1)의 충전의 개시와 더불어 충전 스위치(3)는 반복하여 폐쇄 및 개방되고 이때 방전 스위치(5)는 개방된 채로 있게 된다.
충전 스위치(3)가 폐쇄될 때에는 도 2에 도시된 상태가 나타난다. 즉, 직렬로 연결된 압전 소자(1), 콘덴서(9) 및 코일(2)로 구성되는 폐쇄회로가 형성되어, 그 회로에는 도 2에 화살표로 표시된 전류 iLE(t) 가 흐른다. 이 전류 흐름은 코일(2)에 에너지가 저장되도록 한다. 코일(2)에서의 에너지 흐름은 콘덴서(9)와 압전 소자(1) 사이의 전위차에 의해 야기된다.
충전 스위치(3)의 폐쇄 후 단시간(예를 들어, 수 마이크로초 동안)내에 일어나는 스위치 개방시에는 도 3에 도시된 상태가 나타난다. 즉, 직렬로 연결된 압전 소자(1), 다이오드(6) 및 코일(2)로 구성된 폐쇄 회로가 형성되어, 거기에는 도 3에 화살표로 표시된 것과 같은 전류 iLA(t) 가 흐르게 된다. 이 전류 흐름은 코일(2)에 저장된 에너지가 완전히 압전 소자(1) 내로 흘러가 버리게 한다. 압전 소자에 대한 에너지 공급에 상응하게, 이 소자에 발생하는 전압 및 소자의 외부 치수가 증가된다. 코일(2)로부터 압전 소자(1)로 에너지 운반이 행해진 후에는 다시 앞에서 언급한 도 1에 의한 회로의 정지 상태가 달성된다.
그런 뒤 또는 이미 그 전에 또는 바로 후(충전 과정의 소정 시간적 특성에 따라) 충전 스위치(3)는 다시 폐쇄되고 다시 개방되며, 앞에서 설명된 과정이 반복된다. 충전 스위치(3)의 새로운 폐쇄 및 개방에 의해 압전 소자(1)에 저장되는 에너지는 증가하며(압전 소자에 이미 저장되어 있는 에너지와 새로이 공급된 에너지가 더해진다), 그것에 따라 압전 소자에 생기는 전압과 그 소자의 외부 치수도 증가한다.
상기한 충전 스위치(3)의 폐쇄 및 개방을 여러 번 반복하면, 압전 소자에 발생하는 전압 및 압전 소자의 치수는 단계적으로 상승한다(이것에 대해서는, 하기에 더욱 상세히 설명할 도 6의 곡선 A 참조).
충전 스위치(3)가 소정 회수로 폐쇄 및 개방되고 및/또는 압전 소자(1)가 소망하는 충전 상태에 도달되었을 경우, 압전 소자(1)의 충전은 충전 스위치(3)의 개방에 의해 종료된다.
압전 소자(1)를 다시 방전시켜야 하는 경우에는, 이 방전은 방전 스위치(5)의 반복된 폐쇄와 개방에 의해 달성되며, 이때 충전 스위치(3)는 개방된 채로 있게 된다.
방전 스위치(5)의 폐쇄시에는 도 4에 도시된 상태가 나타난다. 즉 직렬로 연결된 압전 소자(1)와 코일(2)로 구성된 폐쇄회로가 형성되고 이 회로에는 도면에서 화살표로 표시된 것과 같은 전류 iEE(t) 가 흐른다. 이 전류 흐름은 압전 소자(1)에 저장된 에너지(그것의 일부)가 코일(2)로 운반되게 한다. 압전 소자(1)로부터 코일(2)로 전달된 에너지에 상응하게, 압전 소자(1)에 발생하는 전압과 이 소자의 외부 치수는 감소한다.
방전 스위치(5)의 폐쇄 후 단시간(예를 들어, 수 마이크로초)내에 행해지는 스위치 개방시에는 도 5에 도시된 상태가 나타난다. 즉 직렬로 연결된 압전 소자(1), 콘덴서(9), 다이오드(4) 및 코일(2)로 구성된 폐쇄 회로가 형성되어, 거기에는 도면에서 화살표로 표시된 것과 같은 전류 iEA(t) 가 흐른다. 이 전류 흐름은 코일(2)에 저장된 에너지가 완전히 콘덴서(9) 내로 재 공급되게 한다. 코일(2)로부터 콘덴서(9)로 에너지 운반이 행해진 후에는 다시 이미 상술한 도 1에 의한 회로의 정지 상태가 달성된다.
그런 뒤 또는 이미 그 전에 또는 바로 후(방전 과정의 소정 시간적 특성에 따라) 방전 스위치(5)는 새로이 폐쇄되고 다시 개방되며, 앞에서 설명된 과정이 반복된다. 방전 스위치(5)의 새로운 폐쇄 및 개방에 의해 압전 소자(1)에 저장되는 에너지는 감소하며, 그것에 따라 압전 소자에 생기는 전압과 그 소자의 외부 치수도 감소한다.
상기한 방전 스위치(5)의 폐쇄 및 개방을 여러 번 반복하면, 압전 소자에 발생하는 전압 및 압전 소자의 치수는 단계적으로 감소한다(이것에 관해서는 도 6의 곡선 A 참조).
충전 스위치(5)가 소정 회수 폐쇄 및 개방되고 및/또는 압전 소자(1)가 소망하는 방전 상태에 도달했으면, 압전 소자(1)의 방전은 방전 스위치(5)의 개방에 의해 종료된다.
충전과 방전의 정도 및 시간적 특성은 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 개방과 폐쇄의 빈도와 지속 시간에 의해 결정된다. 이것은 도 1에 도시된 장치에만 적용되는 것이 아니라 유사한 압전 소자의 충전 및 방전이 수행될 수 있는 모든 장치에 적용되지만, 상기한 장치는 실질적으로 "단지" 하나 또는 다수의 압전 소자의 스위치 모드 충전 및 방전에만 적합하다.
충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 작동은 도 1에는 도시되지 않은 제어장치 또는 조절장치에 의해 수행된다. 이 제어장치 또는 조절장치는, 충전이나 방전되는 압전 소자가 소정 평균 (충전- 이나 방전-)전류 흐름을 유지하는 가운데 소정 전압으로 되도록, 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 상기 방식의 개폐를 수행한다.
이를 위해 충전 스위치(3)나 방전 스위치(5)는 일정 시점에 개방 및 폐쇄되고, 각 스위치가 폐쇄되는 시간 및 각 스위치가 개방되는 시간은 그 길이가 같거나 상이할 수 있고 그 자체가 각각의 충전이나 방전 과정 내에서 임의로 변경될 수 있다.
충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 개방과 폐쇄의 지속 시간 및 빈도는 압전 소자를 충전하고 방전하는 장치의 구성과 기술 데이터 및 추구하는 규모 그리고 추구하는 충방전의 시간적 특성에 의존하며, 충전이나 방전의 최적한 규모 및 시간적 특성은 압전 소자가 사용되는 장치의 순시 작동조건에 의존한다.
압전 소자가 이 경우에서와 같이 내연기관의 커먼 레일 분사기의 연료 분사 노즐에 액추에이터로서 사용되면, 충전 및 방전의 필요한 규모 및 필요한 시간적 특성은 특히,
1) 분사 처리 당 분사되는 연료량,
2) 엔진 회전 속도,
3) 레일에서의 압력, 및
4) 엔진 온도에 따라 변하는 데, 늦어도 이용가능한 시간이 경과한 때 압전 소자가 소망하는 정도로 충전 또는 방전되어 있도록 하기 위해서, 압전 소자가 어느 정도 충전 또는 방전되어야 하는 시간, 즉 충전 전류 또는 방전 전류가 흘러야 하는 시간은 상기한 파라미터들에 의존한다.
상기와 같이 또는 달리 결정된 충전 및 방전 전류가 실제로 흐르게 하는 것은 제어 장치 또는 조절 장치에 의해 달성될 수 있지만, 전류 흐름은 제어시에 및 조절시에 적당한 빈도와 시간 길이로 충전 스위치나 방전 스위치를 개방 및 폐쇄함에 의해 조절될 수 있다.
제어시에는 먼저 충전 스위치 및 방전 스위치의 스위칭 온 및 스위칭 오프 시점 및/또는 각각의 스위칭 상태의 지속 시간의 결정이 수행되어야 하거나 또는 적어도 그것을 계산하기 위한 산출 규정이 결정되어야 한다. 이를 위해서는, 압전 소자를 포함한, 압전 소자의 충전 및 방전 장치에 대한, 예를 들어, 도 1에 도시된 장치에 대한 모델(등가 회로도)이 형성될 수 있다. 이 모델에 중요한 양들(변수들)에 대해, 특히 압전 소자를 충전 및 방전하는 전류 및 그 결과로서 압전 소자 내에 발생하는 전압에 대해 방정식들(미분 방정식들)이 만들어지고, 이들 방정식으로부터, 압전 소자를 소정 전류에 의해 소정 전압에 올려놓기 위해서는, 어느 시점에서 충전 스위치와 방전 스위치가 개방되고 폐쇄되어야 하는가 하는 것과 얼마만한 시간동안 충전 스위치와 방전 스위치가 개방되고 폐쇄 유지되어야만 하는가 하는 것이 최종적으로 계산될 수 있다.
충전 스위치와 방전 스위치에 대한 스위칭 시점은 미리 계산되어 제어장치의 메모리 내에 기억될 수 있다. 이렇게 기억된 데이터는 압전 소자의 작동시에 메모리로부터 판독되어 스위치작동에 사용될 수 있다.
그러나 충전 스위치와 방전 스위치에 대한 스위칭 시점의 각각의 분사 전에도 실제로 계산될 수 있다.
두 가지 경우에 있어서, 즉 스위칭 시점의 미리 계산시 및 스위칭 시점의 순시 계산시, 이들 시점은 여러 작동 상태에 대해 계산될 수 있으며, 이것에는 충전 및 방전의 추구하는 범위와 특성에 영향을 주는 상기한 파라미터들이 참작된다.
결과적으로 스위칭 시점의 미리 계산시 및 스위칭 시점의 순시 계산시에 도 6에 도시되어 있는 것과 같은 압전 소자의 충전과 방전에 도달할 수 있다.
도 6에서,
- A로 표시된 곡선은 압전 소자에서 발생하는 전압의 특성을 나타내고,
- B로 표시된 곡선은 압전 소자를 충전 또는 방전시키는 충전 전류나 방전 전류를 나타내고,
- C로 표시된 곡선은 충전 스위치의 스위칭 상태를 나타내고,
- D로 표시된 곡선은 방전 스위치의 스위칭 상태를 나타낸다.
도시된 것과 같이 수행되는 충전 스위치의 반복된 폐쇄와 개방(곡선 C)으로부터는 실제로는 변동하지만 평균적으로는 일정한 크기의 충전 전류(곡선 B)가 얻어지고, 그것에 의해 압전 소자에는 평균적으로 꾸준히 소정 최종치까지 상승하는 전압(곡선 A)이 형성되며; 다른 한편으로는, 도시된 것과 같이 수행되는 방전 스위치의 반복된 폐쇄와 개방(곡선 D)으로부터는 실제로는 변동하지만 평균적으로는 일정한 크기의 방전 전류(곡선 B)가 얻어지고, 그것에 의해 압전 소자에는 평균적으로 꾸준히 소정 최종치까지 하강하는 전압(곡선 A)이 발생된다.
제어 장치에 의한 제어하의 압전 소자의 충전 및 방전은 조절 장치에 의한 조절하의 압전 소자의 충전 및 방전에 비해, 충전 또는 방전 전류와 압전 소자에 발생하는 전압을 트래킹하기 위한 센서가 필요하지 않다는 것과 간섭이 제어에 영향을 미치지 않을 수 있다는 이점을 갖는다.
따라서, 스위치 작동 시점(또는 이 시점을 표시하는 양)이 메모리에 기억되는 "데이터 메모리 방법"은, 제어 장치가 계산에 의해 부하를 받지 않으며, 계산 착오는 메모리에 기억시키기 전에 보정될 수 있는 것이 바람직하다.
한편 스위치 작동 시점(또는 이 시점을 표시하는 양)이 그때그때 실제로 계산되는 "계산 방법"은, 제어 장치 내에 필요한 메모리 공간이 작고, 계산된 데이터는 비교적 작은 비용으로 아주 정확하게 각각의 상태(작동 상태)에 맞게 될 수 있다는 장점을 갖는다.
조절 장치에 의한 충전 스위치와 방전 스위치의 작동시에는, 먼저 압전 소자가 충전 및 방전되어야 하는 평균(설정) 전류 및 압전 소자가 도달되어야 할 (설정) 최종 전압이 결정된다. 이것을 결정할 때에는, 압전 소자가 소정 시간 내에 소망하는 전압까지 충전되어야 함을 고려에 넣는다.
압전 소자가 본 경우와 같이 내연기관의 커먼 레일 분사기의 연료 분사 노즐에 액추에이터로 사용되면, 소정 시간과 소망하는 전압은
1) 분사 처리 당 분사될 연료량,
2) 엔진 회전 속도,
3) 레일에서의 압력, 및
4) 엔진 온도에 따라 변한다.
조절 장치에 의해 압전 소자의 충전 및 방전이 조절되는 경우에는, 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 장치, 예컨대, 도 1에 의한 장치에 충전 전류 또는 방전 전류 그리고 압전 소자에 발생하는 전압을 검출하기 위한 센서가 배치되어야만 한다.
그 경우, 충전 전류 및 방전 전류는 예를 들어, 2 점 조절기에 의해 설정 전류(Isoll) 주위의 범위 내로 유지되는 데, 상기 범위는 설정 전류 상위의 최대 전류(Imax)와 설정 전류 하위의 최소 전류(Imin)에 의해 한정된다.
전류 센서에 의해 측정된 실제의 충전 전류 또는 방전 전류(Iist)는 계속적으로 최대 전류(Imax) 및 최소 전류(Imin)와 비교된다. 충전 전류 또는 방전 전류(Iist)가 최소 전류(Imin)보다 작거나 최대 전류(Imax)보다 크면, 즉 충전 전류 또는 방전 전류(Iist)가 설정 전류(Isoll)로부터 너무 크게 벗어나 있으면, 조절 장치에 의해 충전 스위치나 방전 스위치의 작동이 변경된다. 너무 높은 전류는 충전 스위치나 방전 스위치의 보다 단시간의 및/또는 보다 낮은 빈도의 폐쇄에 의해 감소되고, 너무 낮은 전류는 충전 스위치나 방전 스위치의 보다 장시간의 및/또는 보다 잦은 폐쇄에 의해 상승된다. 이로 인해, 압전 소자는 평균적으로 대략 일정한 크기의 전류로 충전 및 방전될 수 있다.
동시에 압전 소자에서 측정된 전압(Uist)을 계속적으로 설정 전압(Usoll)과 비교한다. 설정 전압(Usoll)이 측정 전압(Uist)에 도달하는 즉시 충전 또는 방전과정은 종료한다. 그래서 압전 소자는 평균적으로 대략 일정한 크기의 전류에 의해 소정 전압에 도달될 수 있다.
충전 전류 또는 방전 전류(Iist)를 최소 전류 및 최대 전류(Imin, Imax)와 비교하는 것과 충전 전류 또는 방전 전류(Iist)를 설정 전류(Isoll)와 비교하는 것은 아날로그 또는 디지털 비교기에서 수행된다. 비교기의 기준치, 즉 최소 전류(Imin), 최대 전류(Imax) 및 설정 전류(Isoll)는 가변적으로, 바람직하게는 작동시점에 따라 세팅될 수 있으나, 고정 조절된(불변의) 값일 수도 있다.
조절 장치의 조절 하에 압전 소자의 충전 및 방전시에 나타나는 상태는 도 6에 도시된 그리고 이 도면을 참고로 설명되는 상태에 상응한다.
비교기의 입력 신호 및/또는 출력 신호의 시간적 특성을 트래킹하면, 그것으로부터 특히 간단한 방식 및 방법으로 충전 또는 방전의 시간적 특성 및 진전을 결정 내지 감시할 수 있다. 충전 및/또는 방전의 그렇게 구해진 시간적 특성 및 진전이 공지된 정상의 특성 및 진전으로부터 벗어나 있으면, 그것으로부터 그때그때 충전 또는 방전시키려는 압전 소자 또는 그 공급 라인의 특정 손상 및 에이징 현상이 추론될 수 있다. 그 실제적인 예는 이하 도 7과 관련하여 설명하겠다.
도 7은 압전 소자의 충전중 이 소자에 나타나는 전압의 특성을 개략적으로 나타내고 있다. 전압은 시점(t0)에서의 충전 개시로부터 실질적으로 선형적으로 그의 설정치(Usoll)까지 상승하고, 설명되는 함수계에서는 시점(ts)에서 일어나는 설정치(Usoll)에 도달하면 충전 과정은 종료한다.
전압(Usoll)에 도달하기 위해서 압전 소자가 충전되는 또는 충전되어야 하는 시간은 상술한 비교기의 입력 신호 및/또는 출력 신호로부터 구해질 수 있다.
전술한 예에서는 우선 충전시키려는 압전 소자가 다수의 상호 중첩된 개별 소자들이라고 가정한다.
설정 전압이 대략 시점(ts: ts - △t로부터 ts + △t까지에 이르는 공차 범위(T) 이내의)에 도달하면 시스템과 그 구성 소자들은 정상적으로 작용한다.
설정 전압이 ts - △t 이전에 도달하면, 즉 정상적인 경우에 비해 짧은 충전 시간이 주어지면, 충전이 통상적인 조건하에서 특히 통상적인 충전 전류로 수행되는 경우, 충전하려는 압전 소자가 손상되었거나 또는 에이징되었다는 것이 추론될 수 있다. 즉 상기 짧은 충전 시간은, 충전되는 압전 소자가 장애없는 정상적인 경우에 비해 작은 용량을 가졌다는 것을 의미하고 이것은 다시 상하로 중첩되어 있는 개별 압전 소자들 중 하나 이상이 고장났거나 또는 더 이상 원래의 성질을 갖고있지 않는다는 것을 표시한다. 즉 압전 소자는 전체 용량이 개별 압전 소자의 용량들의 합으로 이루어지는 용량적 성질을 갖고 있다.
충전 시간의 단축이 갑작스럽게 일어나면, 이것은 몇 개 또는 다수개의 압전 소자가 손상되었음을 의미한다. 한편 충전 시간의 단축이 점차적으로 일어나면 손상이나 에이징이 그 원인일 수 있다.
설정 전압이 ts + △t 이후에 도달되면, 즉 정상적인 경우에 비해 긴 충전 시간이 주어지면, 충전이 통상적인 조건하에서 수행되는 경우, 압전 소자로의 공급 라인이 손상되었다는 것이 추론될 수 있고, 이 경우에는 소망하는 전류가 전혀 또는 결코 압전 소자에 흐를 수 없게 된다.
추가적으로 또는 선택적으로 단축된 또는 연장된 충전 시간이 검출될 때에는, 동일한 결론이 이끌어내질 수 있다.
명백하게 단축된 또는 연장된 충전 시간 및/또는 방전 시간이 야기될 때에는, 해당 압전 소자를 포함하는 시스템의 가능한 고장 또는 저하 전에 경보를 발하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
상기한 방식 및 방법으로, 압전 소자의 상태는 소자의 충전 및/또는 방전 시간의 감시만으로 검사될 수 있다. 압전 소자에 나타나는 전압이 특정 이벤트 또는 시점 이후 소정 시간 전에 또는 그 이후에야 비로소 설정 전압에 도달하면, 그 압전 소자 또는 그 공급 라인이 결함 또는 에이징 과정으로 인해 더 이상 정상적으로 작동하지 않는 것이 확실하게 추론될 수 있고 그렇게 된 원인의 위치가 검출될 수 있다.
상기한 감시는, 압전 소자의 검사가 테스트 장치에서 소자의 측정에 의해서만 수행될 수 있었던 종래 기술에 비해 훨씬 더 간단히 이루어 질 수 있으며, 압전 소자는 정상적인 동작 중에 설치된 상태에서 감시 또는 시험될 수 있고, 감시 또는 시험은 사실상 복잡한 추가 장치 없이, 특히 전류측정기 등도 없이 수행될 수 있다.
상기한 것과 같이 제어되는 장치는 특히 간단히 구성될 수 있는데, 그 이유는 압전 소자의 충전과 방전을 위해서는 기술 데이터에 대한 엄격한 요건이 없기 때문에 하나의 코일(도 1에 의한 장치에서는 코일(2))이 사용될 수 있기 때문이다. 그리하여 소자의 수, 특히 원래 비교적 많은 코일의 수가 최소화 될 수 있다. 적합하게 변형된 회로 구성에서는 코일 대신에, 다른 유도 특성을 가진 구성 소자, 예를 들어, 중계 코일, 변압기 등이 사용될 수도 있다.
하나의 압전 소자(1) 대신에 상기한 방식과 방법으로, 병렬로 연결되고 선택 스위치를 통해 선택될 수 있는 다수의 압전 소자중 개별 또는 다수개의 압전 소자가 충전되거나 방전될 수도 있다.
요약하면, 충전 스위치와 방전 스위치를 상기와 같이 작동시킴에 의해, 정확히 표현하면 그렇게 함으로써 소정의 평균 충전 또는 방전 전류로 소정 전압까지 압전 소자를 충전시키고 방전시킴에 의해, 압전 소자에 부하를 덜 주면서 개별 또는 변동 조건에 적합한 충전과 방전이 수행될 수 있다.

Claims (10)

  1. 압전 소자(1)를 충전 및 방전하는 방법에 있어서,
    상기 압전 소자를 충전하는 충전 전류 및 상기 압전 소자를 방전하는 방전 전류가 유도 특성(inductive charicteristics)을 가진 소자(2)를 통해 지나가고,
    상기 압전 소자가 미리 결정된 평균 충전 전류 또는 방전 전류에 의해 미리 결정된 전압으로 올라가게 되도록, 그리고 상기 압전 소자의 양단에 생성된 전압의 측정치가 상기 전압이 설정 전압에 도달했다는 것을 나타낼 때 상기 충전 또는 방전이 종료되도록, 충전 회로에 설치된 스위치(3) 또는 방전 회로에 설치된 스위치(5)가 각각 충전 또는 방전 동안 반복적으로 작동되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전 소자(1)는 내연 기관의 연료 분사 노즐에서 액추에이터로서 사용되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 평균 충전 전류 또는 방전 전류 및 상기 미리 결정된 전압은 가변적이고, 적어도 분사 처리 당 분사되는 연료량, 엔진 회전속도, 레일에서의 압력 또는 엔진 온도의 함수로서 규정되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작동될 상기 스위치들(3, 5)이 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점은 기억 장치에 기억되며, 상기 압전 소자(1)의 동작중에 상기 기억 장치로부터 판독되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 작동될 상기 스위치들(3, 5)이 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점은 상기 압전 소자(1)의 동작중에 계산되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  6. 제4항에 있어서, 작동될 상기 스위치들(3, 5)이 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점의 판독 또는 그 계산은, 충전 또는 방전될 상기 압전 소자(1)를 포함하는 장치가 해당 시점에서 놓여있는 작동 상태를 고려하여 수행되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 전류 또는 상기 방전 전류는 연속적으로 측정되고, 작동될 상기 스위치(3, 5)의 적절한 개방 및 폐쇄에 의해 그 전류가 설정 전류 주위의 규정된 범위 내에서 유지되도록 재조절되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 특정 이벤트 또는 시점으로부터 상기 충전 전류 또는 상기 방전 전류가 상기 설정 전류 주위의 규정된 범위의 상한과 하한에 도달하기까지 또는 상기 압전 소자의 양단에 생성된 전압이 상기 설정 전압에 도달하기까지 걸리는 시간이 측정되는, 압전 소자 충전 및 방전 방법.
  10. 압전 소자(1)를 충전 및 방전하는 장치에 있어서,
    상기 압전 소자를 충전하는 충전 전류 및 상기 압전 소자를 방전하는 방전 전류가 유도 특성을 가진 소자(2)를 통해 지나가고,
    상기 압전 소자가 미리 결정된 평균 충전 전류 또는 방전 전류에 의해 미리 결정된 전압으로 올라가게 되도록, 그리고 상기 압전 소자의 양단에 생성된 전압의 측정치가 상기 전압이 설정 전압에 도달했다는 것을 나타낼 때 상기 충전 또는 방전이 종료되도록, 충전 회로에 설치된 스위치(3) 또는 방전 회로에 설치된 스위치(5)를 각각 충전 또는 방전 동안 반복적으로 작동시키는 제어 장치를 갖는, 압전 소자 충전 및 방전 장치.
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