KR20000068658A - 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

압전 소자를 충전시키는 충전 전류와 압전 소자를 방전시키는 방전 전류가 유도적 성질을 가진 구성소자(2)를 통해 흐르는 압전 소자(1)를 충전 및 방전시키기 위한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 기재된 방법과 장치는, 충전 회로에 있는 스위치(3)와 방전 회로에 있는 스위치(5)는 충전 및 방전중에 압전 소자가 소정의 평균적인 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록, 반복하여 작동되는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법 및 장치{Method and Device for Charging and Discharging a Piezoelectric Element}
현재 상세히 고려되는 압전 소자의 경우에는, 고려 대상이 전적으로 그런 것은 아니지만 특히 작동 부재 또는 조절 부재로 사용되는 압전 소자이다. 압전 소자는 거기에 가해지는 전압에 따라 수축하거나 또는 팽창하는 공지의 성질을 갖고 있기 때문에 상기한 목적에 사용될 수 있다.
실제로 압전 소자에 의해 조절 부재를 구성하면, 해당 조절 부재가 신속하게 또는 빈번하게 재동작해야 할 때 특히 유리한 것으로 입증되었다.
압전 소자를 조절 부재로 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 상기 공지된 바와 같이, 그때의 충전 상태 또는 거기서 발생하는 또는 가해진 전압에 따라 수축하고 팽창하는 용량성 소비부품이다.
압전 소자의 충전과 방전은 예를 들어, 코일과 같이 유도적 성질을 가진 소자를 통하여 수행될 수 있는 데, 그 코일은 특히 충전시 발생하는 충전 전류 및 방전시 발생하는 방전 전류를 제한하는 역할을 한다. 이러한 배치는 도 8에 도시되어 있다.
충전 또는 방전할 압전 소자는 도 8에서 참조번호(101)로 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 성분 부재인데, 충전 회로는 직렬로 연결된 충전 스위치(102), 다이오드(103), 충전 코일(104), 압전 소자(101) 및 전원(105)으로 구성되어 있고, 방전 회로는 직렬로 연결된 방전 스위치, 다이오드(107), 방전 코일(108) 및 압전 소자(101)로 구성되어 있다.
충전 소자의 다이오드(103)는, 압전 소자를 방전하는 전류가 충전 회로에서 흐르는 것을 방지한다. 다이오드(103)와 충전 스위치(102)는 공동으로 한 반도체 스위치에 의해 구성될 수 있다.
충전 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 한 반도체 스위치로 구성될 수 있다.
정상적으로는 개방되어 있는 충전 스위치(102)가 폐쇄되면, 충전 회로에는 충전 전류가 흐르고 그것에 의해 압전 소자는 충전되며; 압전 소자에 저장된 전하와 그것에 의해 여기에 발생하는 전압 그리고 그것에 따른 압전 소자(101)의 실제의 외부 치수도 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 상태와 그로 인해 여기에 발생하는 전압 그리고 그것에 따른 압전 소자(101)의 실제의 외부 치수도 소자가 방전된 후 실질적으로 변함이 없이 유지된다.
압전 소자의 상기 충전 및 방전은 확실히 유리한 데, 그 이유는 충전 회로 및 방전 회로에 있어서 큰 오옴 저항이 없기 때문에 이 충전 및 방전이 적은 전력 손실로 또한 단지 비교적 적은 발열하에 일어날 수 있기 때문이다.
그러나, 다른 한편 충전과 방전의 규모 및 시간적 경과는 흔히 이상적이지 못하다. 특히 시간적으로 변하는 충전- 및 방전 속도, 다소 심한 진동 과정 및 압전 소자의 단지 부분적인 또는 너무 심한 충전 및 방전은 방해적인 것으로, 이에 의해 방전시에 반대 극성으로 충전되는 일까지 일어날 수 있다.
이것은 충전 또는 방전시키려는 압전 소자에 대한 커다란 부담이 될 뿐 아니라 그 소자를 목적에 맞게 사용하는 데에도 악영향을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 청구항 1의 대개념에 의한 방법 및 청구항 10의 대개념에 의한 장치, 즉 압전 소자를 충전하는 충전 전류 및 압전 소자를 방전하는 방전 전류가 유도적 성질을 가진 구성소자를 통해 이동되는 압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 장치에 비해 구조가 간단한 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 장치를 도시한 도면.
도 2는 제 1 충전 기간(충전 스위치(3)가 폐쇄됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 관계의 설명도.
도 3은 제 2 충전 기간(충전 스위치(3)가 다시 개방됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 관계의 설명도.
도 4는 제 1 방전 기간(방전 스위치(5)가 폐쇄됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 관계의 설명도.
도 5는 제 2 방전 기간(방전 스위치(5)가 다시 개방됨)동안 도 1에 의한 장치에서 일어나는 관계의 설명도.
도 6은 도 1에 의한 장치를 본 발명에 따라 제어할 때, 전압- 및 전류 과정의 시간적 경과를 도시한 도면.
도 7은 충전중에 압전 소자에 나타나는 전압의 시간적 경과의 개략도.
도 8은 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 종래의 장치(배치)를 도시한 도면.
따라서, 본 발명은 청구항 1의 대개념에 의한 방법 및 청구항 10의 대개념에 의한 장치를, 압전 소자의 충전 및 방전이 이들 방법 및 장치를 위해 신중하게 수행될 수 있고 또한 간단히 개별적 또는 상호간의 관계에 적합하게 수행될 수 있도록, 개선하는 것을 목적으로 하고 있다.
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 스위치와 방전 회로에 있는 스위치는 충전과 방전 중, 압전 소자가 소정된 평균적인 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정된 전압에 도달되도록, 반복하여 작동되게 하며(청구항 1의 특징부), 충전 회로에 있는 스위치와 방전 회로에 있는 스위치는 충전과 방전 중, 압전 소자가 소정된 평균적인 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정된 전압에 도달되도록, 반복하여 작동되게 할 제어 장치 또는 조절 장치가 배치되어 있다(청구항 10의 특징부).
각 스위치를 반복하여 개방 및 폐쇄함에 의해 박자식으로 충전이나 방전이 수행된다. 그로 인해 유도적 성질을 가진 구성소자의 기능과 작용이 변한다.
현재까지 그 구성소자는, 압전 소자와 공동으로 형성된 LC 직렬 진동 회로의 유도 소자로 작용했는 데, 유도 소자의 인덕턴스와 압전 소자의 용량이 전적으로 충전과 방전의 경과와 범위를 결정했다(그때그때 제 1 진동 회로 진동의 제 1 전류 반파만으로 충전되고 방전될 수 있었는 데, 그 이유는 진동 회로의 그 이상의 진동은 충전 회로와 방전 회로에 포함된 다이오드에 의해 저지되기 때문이다).
이제(박자식 제어의 경우) 유도적 성질을 가진 소자는 에너지 중간 저장기로 사용되는 것으로, 이 저장기는 교대로 전류 공급원(충전시)으로부터 그리고 압전 소자(방전시)로부터 공급된 에너지(자기 에너지의 형태로)를 저장하고, 대응적 스위칭 작동 후에는 저장된 에너지를 전기 에너지 형태로 압전 소자(충전시)나 다른 에너지 저장기에 또는 전기 소모기(방전시)에 방출하며, 그 경우 그 에너지 저장 및 에너지 방출의 시점과 기간(및 그 범위)은 스위치 작동에 의해 결정된다.
그래서 압전 소자는 임의의 수, 임의의 크기 및 임의의 시간적 간격으로 연속적 단계로 소망하는 정도로 충전 및 방전될 수 있다.
그런 결과로 충전 및 방전의 범위와 시간적 경과도 소망대로 조절될 수 있는 것으로, 사실상 유도 성질을 가진 구성소자 및 압전 소자의 기술적 데이터와는 거의 무관하게 조절될 수 있다.
압전 소자가 소정의 평균적 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달될 수 있는 가능성을 충분히 활용하면, 압전 소자의 충전과 방전은 이 소자를 소중히 보호하는 방식으로 또한 개별적 및 상호간의 관계에 간단히 적용 가능하도록 수행될 수 있다.
또한, 충전 및 방전의 규모와 시간적 경과를, 유도 성질을 가진 소자와 압전 소자의 기술적 데이터로부터 적어도 부분적으로 분리시키면, 단일의 유도 성질을 가진 한 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 종합하는 것이 추가 조치 없이는 가능하지 않은 데 그 이유는 이들 코일이 그 목적을 위해 상이한 인덕턴스를 갖고있기 때문이다.
유도적 성질을 가진 소자는 필요한 경우에는 대단히 소형으로 구성될 수 있고, 이 경우 작은 에너지 저장 용량 및 신속한 포화 도달은 충전- 및 방전 박자의 수를 증가시킴에 의해 보상될 수 있다.
따라서, 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 장치는 그 기능이 개선되었음에도 불구하고 종래의 것 보다 훨씬 소형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 추가의 유리한 양태는 청구범위 종속항들의 대상이다.
본 발명은 이하 실시예에 따라 첨부도면을 참고로 하여 상세히 설명될 것이다.
압전 소자의 충전과 방전은 하기에 상세히 설명될 것인 데, 이 소자는 예를 들어, 내연기관의 연료 분사 노즐(특히, 소위 공동 레일 분사기)에서의 조절 부재로서 사용될 수 있다. 그러나 이 압전 소자가 그렇게 사용되는 데에 용도가 한정되는 것은 결코 아니며, 이 압전 소자는 원칙상 임의의 목적을 위해 임의의 장치에 사용될 수 있다.
먼저 압전 소자는 충전에 응하여 팽창되고 방전에 응하여 수축된다고 가정한다. 그러나 본 발명은 명백히 상기 가정이 역전될 때에도 이용 가능하다.
이제 도 1을 참고로 통상적 장치보다 간단한 압전 소자의 충전 및 방전 장치가 설명되는 데, 이러한 단순화는 무엇보다 본 발명에 의한 방법 및 본 발명에 의한 장치의 사용에 의해 가능해진다.
고려된 실시예에서는 충전하는 데 필요한 압전 소자가 도 1에서는 도면번호(1)로 표시되어 있다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 압전 소자(1)의 접속단자들 중 하나는 지속적으로 물체(이것은 전압원의 제 1 극과 연결되어 있음)에 배치되어 있고, 거기에 반해 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 정전압 변환기(8) 및 그 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 바뀌어 공급전압으로서 준비되어 있을 수 있다.
압전 소자(1)의 충전과 방전은 고려된 실시예에서는 박자식으로 행해진다. 즉, 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)는 충전 과정이나 방전 과정 중에 반복적으로 폐쇄 및 개방된다.
상기의 경우 일어나는 관계는 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 그렇지 않는 동안은, 개방된다. 이 상태에서는 도 1에 표시된 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 표시된 관계가 일어난다. 즉 압전 소자(1), 콘덴서(9) 및 코일(2)로 된 직렬부로 구성되는 폐쇄회로가 형성되어, 그 회로에는 도 2에 화살표로 표시된 전류 iLE(t) 가 흐른다. 이 전류는 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)적으로 일어나는 스위치 개방시에는 도 3에 표시된 관계가 일어난다. 즉 압전 소자(1), 다이오드(6) 및 코일(2)로 된 직렬부에 의해 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 대응하여 이 소자에 발생하는 전압 및 소자의 외부 치수가 증가된다. 코일(2)로부터 압전 소자(1)에 에너지 운반이 행해진 후에는 다시 앞에서 언급한 도 1에 의한 회로의 정지 상태가 달성된다.
그런 뒤 또는 이미 그 전에 또는 바로 후(소망하는 충전 과정의 시간적 진행에 따라) 충전 스위치(3)는 새로이 폐쇄되고 다시 개방되며, 그때에는 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 6을 참조).
충전 스위치(3)가 소정 회수로 폐쇄 및 개방되고 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 표시된 관계가 일어난다. 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 전류는 압전 소자(1)에 저장된 에너지(그것의 일부)가 코일(2)로 운반된다. 압전 소자(1)로부터 코일(2)로 전달된 에너지에 대응하여 압전 소자(1)에 발생하는 전압과 이 소자의 외부 치수는 감소한다.
방전 스위치(5)의 폐쇄 후 단시간(예를 들어, 수 마이크로초)동안 행해지는 스위치 개방시에는 도 5에 표시된 관계가 일어난다. 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) 내에 역 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(소망하는 방전 과정의 시간적 진행에 따라) 방전 스위치(5)는 새로이 폐쇄되고 다시 개방되며, 그때에는 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 A의 곡선 참조).
충전 스위치(5)가 소정된 회수 폐쇄 및 개방되고 또는 압전 소자(1)가 소망하는 방전 상태에 도달했으면, 압전 소자(1)의 방전은 방전 스위치(5)를 개방시킴에 의해 종료한다.
충전과 방전의 정도 및 경과는 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 개방과 폐쇄의 빈도와 기간에 의해 결정된다. 이것은 도 1에 표시된 배치에만 적용되는 것이 아니라 유사한 압전 소자의 충전 및 방전이 수행될 수 있는 모든 배치에 적용되는 것이지만, 상기한 배치는 실질적으로 "단지" 하나 또는 다수의 압전 소자의 박자식 충전 및 방전에만 적용되어야 한다.
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 그럼으로써 소정된 평균 (충전- 이나 방전-)전류를 유지하는 가운데 소정 전압에 놓여지도록, 그러한 충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 개폐를 수행한다.
이를 위해 충전 스위치(3)나 방전 스위치(5)는 일정 시점에 개방 및 폐쇄되는 것으로, 각 스위치가 폐쇄되는 시간 및 각 스위치가 개방되는 시간은 그 길이가 같거나 상이할 수 있고 그 자체 각각의 충전이나 방전 과정 내에서 임의로 변경될 수 있을 것이다.
충전 스위치(3)와 방전 스위치(5)의 개방과 폐쇄의 기간 및 빈도는 압전 소자를 충전하고 방전하는 장치의 구조와 기술 데이터 및 추구하는 규모 그리고 추구하는 충방전의 경과에 의존하며, 충전이나 방전의 최적한 규모 및 경과 자체 역시 압전 소자가 사용되어 있는 장치의 그 순간의 작동조건에 의존한다.
압전 소자가 현재에서와 같이 내연기관의 공동 레일 분사기의 자동차 분사 노즐에 작동 장치로 사용되었을 때에는, 충전 및 방전의 필요한 규모 및 필요한 경과는 다음 것: 즉,
1) 분사 과정 당 주입하려는 연료량,
2) 엔진 회전 속도,
3) 레일에서의 압력, 및
4) 엔진 온도에 따라 변하는 데, 늦어도 이용가능한 시간 후에는 압전 소자가 소망하는 정도로 충전 또는 방전되어 있도록 하기 위해서는, 임의의 시간 내에 충전이나 방전하려는 압전 소자가 어느 정도로 충전이나 방전될 필요가 있는가 또는 충방전되어야만 하는가 하는 것은 상기한 파라미터들에 의존한다.
상기와 같이 또는 달리 결정된 충전 및 방전 전류가 실제로도 흐르게 하는 것은 제어 장치 또는 조절 장치에 의해 달성될 수 있지만, 전류는 제어시에도 또한 조절시에도 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 상기 상태의 지속 시간의 결정이 수행되어야 하거나 또는 적어도 그것을 계산하기 위한 산출기준이 결정되어야 한다. 이를 위해서는, 압전 소자를 포함한, 압전 소자의 충전 및 방전 장치에 대한, 따라서 예를 들어, 도 1에 표시된 배치에 대한 모델(등가 회로도)이 형성 또는 생성될 수 있다. 이 모델에 포함된 관심 있는 양들(변수들)에 대해, 따라서 특히 압전 소자를 충전 및 방전하는 전류 및 그 결과로서 압전 소자 내에 발생하는 전압에 대해 방정식들(미분 방정식들)이 성립될 수 있고, 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 그때그때 개방되고 폐쇄 유지되어야만 하는가 하는 것이 종국적으로 계산될 수 있다.
충전 스위치와 방전 스위치에 대한 스위칭 시점은 미리 계산되어 제어장치의 메모리 내에 기억된다. 이렇게 기억된 데이터는 압전 소자의 작동시에 메모리로부터 판독되어 스위치작동에 이용될 수 있다.
그러나 충전 스위치와 방전 스위치에 대한 스위칭 시점은 각각의 분사 전에도 실제로 계산될 수 있다.
두 가지 경우에 있어서, 즉 스위칭 시점 전 및 스위칭 시점의 실제 계산시, 이들 시점은 여러 작동 상태에 계산될 수 있는 것으로, 거기에는 특히 추구하는 충전 및 방전의 범위와 경과에 영향을 주는 상기한 파라미터들이 참작된다.
결과적으로 스위칭 시점 전단계에도 또한 스위칭 시점의 실제 계산시에도 도 6에 도시되어 있는 것과 같은 압전 소자의 충전과 방전에 도달할 수 있다.
도 6에서,
- A로 표시된 곡선은 압전 소자에서 발생하는 전압의 경과를 나타내고,
- B로 표시된 곡선은 압전 소자가 충전되도록 또는 방전되도록 하는 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 진동하지만 평균적으로는 일정한 크기의 충전 전류(곡선 B)가 얻어지고, 그것에 의해 압전 소자에는 대체로 일정하게 소정 최종치까지 상승하는 전압(곡선 A)이 형성되며; 다른 한편으로는, 도시된 것과 같이 수행되는 방전 스위치의 반복된 폐쇄와 개방(곡선 D)으로부터는 실제로는 진동하지만 평균적으로는 일정한 크기의 방전 전류(곡선 B)가 얻어지고, 그것에 의해 압전 소자에는 대체로 일정하게 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 및 방전 전류와 압전 소자에 발생하는 전압을 검출하는 데 아무 센서도 필요하지 않다는 것과 교란 양들이 제어치에 영향을 미치지 않을 수 있다는 이점을 갖는다.
따라서, 스위치 작동 시점(또는 이 시점을 표시하는 양)이 메모리에 기억되는 "데이터 메모리 분해능"의 면에서 유리해지고, 제어 장치로서 과다한 계산비용이 발생하지 않으며, 계산 착오는 메모리에 기억시키기 전에 교정될 수 있다.
한편 스위치 작동 시점(또는 이 시점을 표시하는 양)이 그때그때 실제로 계산되는 "계산 분해능"은, 제어 장치 내에서 메모리의 소요부지가 작고, 계산된 결과는 비교적 작은 비용으로 아주 정확하게 각각의 관계(작동 상태)에 맞게 될 수 있다.
조절 장치에 의한 충전 스위치와 방전 스위치의 작동시에는, 먼저 압전 소자가 충전 및 방전되어야 하는 평균(설정) 전압 및 압전 소자가 도달되어야 할 (설정) 최종 전압이 결정된다. 이것을 결정할 때에는, 주어진 상황에, 압전 소자가 소정된 시간 내에 소망하는 전압까지 충전되게 할 것도 고려에 넣는다.
압전 소자가 현재에서와 같이 내연기관의 공동 레일 분사기의 연료 분사 노즐에 작동 장치로 사용되었을 때에는, 소정 시간과 소망하는 전압은 다음 것: 즉,
1) 분사 과정 당 주입하려는 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, 따라서 도 1에 의한 장치에 충전 전류 및 방전 전류 그리고 압전 소자에 발생하는 전압을 검출하기 위한 센서가 배치되어야만 한다.
그러면 충전 전류 및 방전 전류는 예를 들어, 2 점 조절기에 의해 설정 전류(Isoll) 주위의 대역 내에 유지되는 데, 그 대역은 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 변경 작동이 행해진다. 너무 높은 전류는 충전 스위치나 방전 스위치의 보다 단시간의 또는 보다 낮은 빈도의 폐쇄에 의해 감소되고, 너무 낮은 전류는 충전 스위치나 방전 스위치의 보다 장시간의 또는 보다 잦은 폐쇄에 의해 상승된다. 이 방법에 의해 압전 소자는 평균적으로 대략 일정한 크기의 전류로 충전 및 방전될 수 있다.
그와 동시에 압전 소자에서 측정된 전압(Uist)을 계속적으로 설정 전압(Usoll)과 비교한다. 설정 전압(Usoll)이측정 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 비교법으로 수행된다. 비교기의 기준치, 즉 최소 전류(Imin), 최대 전류(Imax)및 설정 전류(Isoll)는 가변적인 것으로, 바람직하게는 작동시점에 따라 조절될 수 있는 것이나, 고정 조절된(불변의) 값일 수도 있다.
조절 장치의 조절 하에 압전 소자의 충전 및 방전시에 나타나는 관계는 도 6에 도시된 또한 이 도면에 관해 설명된 관계에 상당한다.
비교기의 입구 신호 및 출구 신호의 시간적 경과를 검출하면, 그것으로부터 특히 간단한 방식 및 방법으로 충전 또는 방전의 시간적 경과 및 진전을 결정 내지 감시할 수 있다. 충전 및 방전의 그렇게 구해진 시간적 경과 및 진전이 소정의 경과 및 진전으로부터 벗어나 있으면, 그것으로부터 그때그때 충전 또는 방전시키려는 압전 소자 또는 그 공급 도선에 확실히 손상 및 변화가 있었다고 결론지을 수 있다. 그 실제적인 예는 이하 도 7과 관련하여 설명하겠다.
도 7은 압전 소자의 충전중 이 소자에 나타나는 전압의 적정 경과를 아주 간략히 나타내고 있다. 전압은 시점(t0)에서의 충전 개시로부터 실질적으로 선형적으로 그의 설정치(Usoll)까지 상승하고, 고려된 규칙적 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 입구 신호 및 출구 신호로부터 구해질 수 있다.
고려된 예에서는 우선 충전시키려는 압전 소자는 다수의 상호 중첩된 개별 소자들을 나타내는 것이라 가정한다.
설정 전압이 대략 시점(ts: ts- △t로부터 ts+ △t까지 뻗는 공차 범위(T) 이내의)에 도달하면 계와 그의 성분들은 정규적으로 작용한다.
설정 전압이 ts- △t 이전에 도달하면, 즉 정상적인 경우에 비해 짧은 충전 시간이 존재하면, 충전이 통상적인 조건하에서 특히 통상적인 충전 전류로 수행되고 있는 한, 충전하려는 압전 소자는 손상되었거나 또는 변질되었다고 결론 지을 수 있다. 즉 상기 짧은 충전 시간은, 충전되는 압전 소자가 교란되지 않은 정상적인 경우에 비해 작은 용량을 가졌다는 것을 의미하고 이것은 다시 상하로 적층되어 있는 단위 압전 소자들 중 한 개 또는 몇 개가 탈락되었다거나 또는 결코 더 이상 원래의 성질을 갖고있지 못하다는 것을 표시한다. 즉 압전 소자는 전체 용량이 단위 압전 소자의 용량들의 합으로 이루어지는 용량적 성질을 갖고 있다.
충전 시간의 단축이 긴급하게 진행하면, 이것은 몇 개 또는 다수개의 압전 소자가 손상되었음을 의미한다. 한편 충전 시간의 단축이 점차적으로 일어나면 손상이나 변질이 그 원인일 수 있다.
설정 전압이 ts+ △t 이후에 도달되면, 즉 정상적인 경우에 비해 긴 충전 시간이 존재하면, 충전이 통상적인 조건하에서 수행되고 있는 한, 압전 소자로의 공급 도선이 손상되었다고 결론 지을 수 있고, 이 경우에는 소망하는 전류가 전혀 또는 결코 압전 소자에 흐를 수 없게 된다.
추가적인 또는 선택적인 단축된 또는 연장된 충전 시간이 검출될 때에는, 자동 종결이 수행된다.
명백하게 단축된 또는 연장된 충전 시간 및 방전 시간이 야기될 때에는, 있을 수 있는 탈락이나 해당 압전 소자를 포함하는 계의 악화가 시작되기 전에 경보를 발하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
상기한 방식 및 방법으로, 압전 소자의 상태는 소자의 충전 및 방전 시간의 감시만으로 검사될 수 있다. 압전 소자에 나타나는 전압이 특정 경우 또는 시점 이후 소정 시간 전에 또는 그 이후에 비로소 설정 전압에 도달하면, 그 압전 소자 또는 그 인입 도선이 결함 또는 변성과정으로 인해 더 이상 정규적으로 작동하지 않는다고 확실하게 결론지을 수 있고 그렇게 된 원인은 한정적으로라도 발견될 수 있다.
상기한 감시는, 압전 소자의 검사가 오직 시험장치에서 소자의 측정에 의해서 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 또한 자체의 코일(도 1에 의한 배치에서는 코일(1))이 사용될 수 있기 때문이다. 그리하여 구성소자의 수, 특히 하우징 외부에 놓이는 비교적 대형의 코일의 수가 최소화 될 수 있다. 코일 대신에, 결선 구성은 적당히 변형되었으면서 나머지는 역시 다른 유도적 성질을 가진 구성 성분, 예를 들어, 중계 장치, 변압기 등이 사용될 수도 있다.
하나의 압전 소자(1) 대신에 상기한 방식과 방법으로, 몇개 또는 다수개의 압전 소자, 곧 병렬로 연결되고 선택 스위치를 통해 선택될 수 있는 다수의 압전 소자가 충전되거나 방전될 수도 있다.
요약하면, 충전 스위치와 방전 스위치를 상기와 같이 작동시킴에 의해, 정확히 표현하면 그렇게 함으로써 소정의 평균 충전 전류로 소정 전압에까지 압전 소자를 충전시키고 방전시킴에 의해, 압전 소자를 위한, 간단하면서도 세심하게 개별 또는 상호 관계에 적합 가능한 충전과 방전이 수행될 수 있다.

Claims (10)

  1. 압전 소자를 충전시키는 충전 전류와 압전 소자를 방전시키는 방전 전류가 유도적 성질을 가진 구성소자(2)를 통해 이동되는 압전 소자(1)를 충전 및 방전시키기 위한 방법에 있어서,
    충전 회로에 있는 스위치(3)와 방전 회로에 있는 스위치(5)는 충전과 방전 중 압전 소자가 소정의 평균적인 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정의 전압에 도달되도록 반복하여 작동되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 압전 소자(1)는 내연 기관의 연료 분사 노즐에서의 작동기로 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 평균적 충전 전류와 방전 전류 및 소정의 전압은 가변적이고 특히 분사 과정 당 분사하려는 연료량, 엔진 회전수, 레일에서의 압력 또는 엔진 온도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 작동시키려는 스위치(3, 5)가 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점은 기억 장치에 기억되고 압전 소자(1)의 동작중에 그 기억 장치로부터 판독되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 작동시키려는 스위치(3, 5)가 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점은 기억 장치에 기억되고 압전 소자(1)의 동작중에 실제로 계산되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 작동시키려는 스위치(3, 5)가 개방되고 폐쇄되어야 하는 시점의 판독 및 계산은, 충전 또는 방전하려는 압전 소자(1)를 포함하는 장치가 해당 시점에 존재하는 작동 상태를 고려한 가운데 수행되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 충전 전류와 방전 전류는 연속적으로 측정되고, 작동시키려는 스위치(3, 5)를 대응적으로 개방 및 폐쇄시킴으로써 그 전류가 설정 전류 주위의 일정한 범위 내에 유지되도록 재조절되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 충전 또는 방전은 압전 소자에 나타나는 전압이 소정 전압에 도달하게 되었을 때 종료하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 일정한 경우 또는 시점으로부터 충전 전류와 방전 전류가 설정치 주위의 상한과 하한을 한정하는 범위에 도달하기까지 또는 압전 소자에 나타나는 전압이 설정 전압에 도달하기까지 걸리는 시간이 측정되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 방법.
  10. 압전 소자를 충전시키는 충전 전류와 압전 소자를 방전시키는 방전 전류가 유도적 성질을 가진 구성소자(2)를 통해 이동되는 압전 소자(1)를 충전 및 방전시키기 위한 장치에 있어서,
    충전 회로에 있는 스위치(3)와 방전 회로에 있는 스위치(5)는 충전과 방전 중 압전 소자가 소정의 평균적인 충전 전류와 방전 전류에 의해 소정 전압에 도달되도록 제어 장치 또는 조절 장치가 반복하여 작동되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 장치.
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