KR20070115833A - 압전 소자의 충전 및 방전을 위한 시간 및 순간 제어식작동 장치 - Google Patents

압전 소자의 충전 및 방전을 위한 시간 및 순간 제어식작동 장치 Download PDF

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KR20070115833A
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요하네스-외르크 뤼거
알렉산더 호크
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 연료 분사 시스템 등의 장치 중 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 장치 및 방법을 기재한 것이다. 상기 장치 및 방법은 장치의 전류가 낮은 유효 절대 평균 전류를 달성하도록 시간 특성 및 순간 특성의 함수로서 조절되는 것을 특징으로 한다.
압전 소자, 코일, 발진기, 충전 스위치, 방전 스위치

Description

압전 소자의 충전 및 방전을 위한 시간 및 순간 제어식 작동 장치{Time- and Event-controlled Activation System for Charging and Discharging Piezoelectric Elements}
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부 또는 청구범위 제2항의 전제부에서 한정된 장치와, 청구범위 제12항, 제13항 및 제17항의 전제부에서 한정된 방법과, 청구범위 제18항의 전제부에서 한정된 용도를 위한 구성에 관한 것으로서, 예를 들면, 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 장치와 방법과 용도에 관한 것으로서, 충전 및 방전은 둘 다 충전 및 방전 전류를 위한 인덕턴스로서 사실상 작용하는 요소를 통해 적어도 부분적으로 달성된다.
보다 상세하게 고려되는 본 압전 소자들은 특히 그러나 유일하게 한정되지는 않게 엑츄에이터로서 사용되는 압전 소자이다. 압전 소자는 공지된 바와 같이 압전 소자에 인가되는 전압의 함수로서 수축 또는 팽창하는 성질을 갖기 때문에 그러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
압전 소자를 사용하는 엑츄에이터의 실제적인 실행은 본 엑츄에이터가 신속 및/또는 빈번한 운동을 하여야할 경우 이점이 있다.
엑츄에이터로서의 압전 소자의 사용은 특히 내연 기관용 연료 분사 노즐에서 유리할 수 있는 것으로 입증된다. 연료 분사 노즐에서의 압전 소자의 유용성과 관련하여서는 본 명세서에서 참고로 인용되는 문헌 EP 0 371 469 B1호와 EP 0 379 182 B1호를 참조한다.
도15는 엑츄에이터로서 압전 소자(2010)를 사용하는 연료 분사 시스템의 개략적인 대표도이다. 도15를 참조하면, 압전 소자(2010)는 주어진 작동 전압에 응답하여 팽창 및 수축하기 위해 전기 에너지가 공급된다. 압전 소자(2010)는 피스톤(2015)과 연결된다. 팽창 상태에서, 압전 소자(2010)는 피스톤(2015)이 예를 들어 연료와 같은 유압 유체를 포함하는 유압 어댑터(2020) 내로 돌출하도록 한다. 압전 소자의 팽창의 결과, 2중 작용 제어 밸브(2025)는 유압 어댑터(2020)로부터 유압적으로 밀려나게 되고, 밸브 플러그(2035)는 제1 폐쇄 위치(2040)로부터 이격 연장된다. 2중 작용 제어 밸브(2025)와 중공 보어(2050)의 결합은 압전 소자(2010)에 전류가 통하지 않을 때, 2중 작용 제어 밸브(2025)가 제1 폐쇄 위치(2040)에서 정지한다는 이유로 2중 작용, 2중 시트 밸브로서 종종 불리워진다. 한편, 압전 소자(2010)가 완전히 연장될 때에는 제2 폐쇄 위치(2030)에서 정지한다. 밸브 플러그(2035)의 나중의 위치는 도15에서 가상선으로 개략적으로 표시되어 있다.
연료 분사 시스템은 가압 연료 공급 라인(2060)으로부터 실린더(도시안됨) 내로 연료가 분사될 수 있게 하는 분사 니들(2070)을 포함한다. 압전 소자(2010)에 전류가 통하지 않을 때 또는 압전 소자가 완전히 연장될 때, 2중 작용 제어 밸 브(2025)는 제1 폐쇄 위치(2040) 또는 제2 폐쇄 위치(2030)에서 각각 배치된다. 각각의 경우에, 유압 레일 압력은 폐쇄 위치에서 분사 니들(2070)을 유지시킨다. 따라서, 연료 혼합물은 실린더(도시되지 않음) 내로 들어가지 않는다. 역으로, 압전 소자(2010)는 2중 작용 제어 밸브(2025)가 중공형 보어(2050)에 대해 소위 중간 위치에 있도록 전류가 통하게 되고, 이 때 가압 연료 공급 라인(2060)에서 압력 강하가 발생된다. 이러한 압력 강하는 분사 니들(2070)이 실린더(도시안됨) 내로 연료 분사를 허용하기 위해 들려져 있도록 분사 니들(2070)의 상부와 하부 사이에서 가압 연료 공급 라인(2060)의 압력차를 유발한다.
독일 특허 출원 DE 197 42 073 A1호 및 DE 197 29 844 A1호는 이하에 설명되고 본 명세서에서 전반적으로 참조 인용되며 연료 분사 시스템에서 분사 니들을 제어하기 위한 2중 작용, 2중 시트 밸브를 구비한 압전 소자를 개시한다.
압전 소자는 상기에서 부분적으로 설명된 바와 같이 특정 충전 상태에 따라 또는 여기에서 발생하거나 인가된 전압에 따라 수축 및 팽창되는 정전 용량성 부하이다.
압전 소자를 충전 및 방전시키는 2가지 기본 원리가 알려져 있으며, 즉 오옴 저항을 통해 충전 및 방전시키는 것과 코일을 통해 충전 및 방전시키는 것이 알려져 있다. 그러한 경우에, 오옴 저항 및 코일은 여러가지 목적들 중에서 충전 중에 발생하는 충전 전류와, 방전 중에 발생하는 방전 전류를 제한하는 기능을 한다.
제1 변수, 즉 오옴 저항을 통한 충전 및 방전은 도9에 도시되어 있다.
충전 및 방전되는, 도9에 도면 부호 101로 표시된 압전 소자는 충전 트랜지 스터(102) 및 방전 트랜지스터(103)에 접속된다.
충전 트랜지스터(102)는 충전 증폭기(104)에 의해 작동되며, 전도성 상태에서 압전 소자(101)를 포지티브 공급 전압에 접속시키고, 방전 트랜지스터(103)는 방전 증폭기(105)에 의해 작동되며 전도성 상태에서 압전 소자(101)를 접지부에 접속시킨다.
충전 트랜지스터(102)가 전도성 상태에 놓여져 있을 때, 충전 전류는 이를 통해 흐르며 압전 소자(101)을 충전시킨다. 압전 소자(101)의 충전이 증가됨에 따라, 내부에서 발생되는 전압이 상승하여, 압전 소자의 외부 용적도 변경된다. 충전 트랜지스터(102)의 억제 즉, 충전 작동의 중단 및 종결은 압전 소자(101) 내에 충전이 저장되어 내부에 전압이 발생하도록 하여, 압전 소자(101)의 기존 외부 용적이 실질적으로 변경되지 않는 방식으로 유지된다.
방전 트랜지스터(103)가 전도성 상태에 놓여져 있을 때, 방전 전류가 흐르며 압전 소자(101)을 방전시킨다. 압전 소자(101)가 점차적으로 방전됨에 따라, 내부에서 발생되는 전압이 감소되어, 압전 소자의 외부 용적도 변경된다. 방전 트랜지스터(103)의 억제 즉, 방전 작동의 중단 및 종결은 압전 소자(101) 내에 충전이 저장되어 내부에 전압이 발생하도록 하여, 압전 소자(101)의 기존 외부 용적이 유지된다.
충전 트랜지스터(102) 및 방전 트랜지스터(103)는 제어 가능한 오옴 저항에서와 같이, 충전 전류 및 방전 전류의 관점에서 작동된다. 충전 전류 및 방전 전류의 최종적인 제어가능성은 필요에 따라 정확하게 발생되는 충전 작동 및 방전 작 동이 가능하게 한다. 그러나, 충전 트랜지스터(102)를 통해 흐르는 충전 전류 및 방전 트랜지스터(103)를 통해 흐르는 방전 전류는 내부에 전력 손실을 발생시킨다. 각각의 충전/방전 사이클에 대해 트랜지스터 내의 에너지 손실은 압전 소자(101) 내에 저장된 에너지의 적어도 2배이다. 높은 에너지 손실은 충전 트랜지스터(102) 및 방전 트랜지스터(103)의 매우 현저한 가열을 초래한다.
다수의 다른 이유들 중에 주로 상기 이유로 인해, 압전 소자를 충전하거나 방전시키기 위한 즉, 코일을 통한 충전 및 방전을 위해, 전술한 제2 변형예가 이용된다. 이러한 제2 실시예의 시행은 도10에 도시되어 있다.
도10에 참조 부호 201로 표시된 충전 또는 방전될 압전 소자는 충전 스위치(202)에 의해 폐쇄될 수 있는 충전 전류 회로의 구성 요소이며, 방전 스위치(206)에 의해 폐쇄될 수 있는 방전 전류 회로의 구성 요소이며, 충전 전류 회로는 충전 스위치(202), 다이오드(203), 충전 코일(204), 압전 소자(201), 및 전압 공급원(205)으로 이루어진 직렬 회로를 포함한다. 방전 전류 회로는 방전 스위치(206), 다이오드(207), 방전 코일(208), 및 압전 소자(201)로 이루어진 직렬 회로를 포함한다.
충전 전류 회로의 다이오드(203)는 압전 소자를 방전시킬 수 있는 임의의 전류가 충전 전류 회로 내에서 흐르는 것을 방지한다.
방전 전류 회로의 다이오드(207)는 압전 소자를 충전시킬 수 있는 임의의 전류가 방전 전류 회로 내에서 흐르는 것을 방지한다.
(통상 개방된) 충전 스위치(202)가 폐쇄될 때, 충전 전류 회로 내에 충전 전 류가 흐르고, 압전 소자(201)가 충전되도록 하고, 압전 소자(201) 내에 저장된 충전 상태와, 이로써 발생하는 전압과, 또한 압전 소자(201)의 기존의 외부 용적들은 충전 스위치가 다시 개방될 때 사실상 충전되지 않는 방식으로 유지된다.
(통상 개방된) 방전 스위치(206)가 폐쇄될 때, 방전 전류 회로 내에 방전 전류가 흐르고, 압전 소자(201)가 방전되도록 하고, 압전 소자(201)의 충전 상태와, 이로써 압전 소자(201) 내에서 발생하는 전압과, 압전 소자(201)의 기존의 외부 용적들은 방전 스위치가 다시 개방될 때 사실상 충전되지 않는 방식으로 유지된다.
충전 코일(204)과 방전 코일(206)은 대체로 충전 전류와 방전 전류를 위한 인덕턴스로써 작용하는 소자를 나타내고, 충전 코일(204)과 압전 소자(201), 및 방전 코일(206)과 압전 소자(201)는 충전 및 방전 중 각각의 압전 소자(201)의 LC 계열 발진기 회로를 구성한다.
압전 소자들의 충전 및 방전을 위해 사용되는 특정 회로에 대한 논의에 대해서는 EP 0 371 469 B1호 및 EP 0 379 18-2 B1호를 참조한다.
상기 문서에서 공지되었고 근본 원리와 관련하여 상술된 장치 및 방법은 청구범위 제1항 또는 제2항의 전제부에서 정의된 장치, 및 제9항 또는 제10항 또는 14항의 전제부에서 정의된 방법이다.
도10에 도시된 바와 같이, 이러한 충전 전류 회로 또는 방전 전류 회로에서 오옴 저항을 포함하지 않고, 압전 소자의 충전 및 방전에 의해, 즉 오옴 저항을 통과하는 충전 전류 및 방전 전류의 흐름에 의해 발생되는 열 에너지는 대단히 작다.
특히 충전 코일(204) 및 방전 코일(208)의 작지 않은 크기 때문에 상기 회로 의 실제적인 실행을 위해 비교적 큰 공간이 요구된다.
압전 소자 또는 압전 엑츄에이터가 작동할 때의 기본적인 임무는 미리 정한 시간 내에 엑츄에이터를 충전 및 방전시키는 것이다.
상기 작동 시스템의 경우, 예컨대 두 개의 결정점에 의해 한정된 전류 대역 내에서 전류를 조절함으로써 수행될 수 있다. 전류 대역은 평균 전류 흐름이 다음 방정식을 만족시키도록 선택되어야 한다.
Iaverage = (Cp × Up) / TA
Cp는 피에조 정전 용량이고, Up는 피에조에서 또는 압전 소자가 충전 및 방전 중에 초기 전압과 목적 전압 사이의 차이이고, TA는 피에조 또는 압전 소자가 충전되거나 방전되어야 하는 시간이다.
최근의 적용예에 따르면, 엑츄에이터가 점점 작아지기 때문에 피에조 또는 압전 소자 용량이 작아진다. 그러나 충전 또는 방전을 위한 시간은 동일해야 한다. 이러한 요구 조건은, 예를 들어 대략 3A 이하의 훨씬 낮은 평균 전류를 유발하는 경향이 있다.
그러나, 기존의 작동 시스템으로는 평균 전류의 감소에 대한 제한이 있다. 실제 코일 적용예 및 피에조 또는 압전 소자 정전 용량에 대한 전류 증감은 인덕턴스 및 피에조 또는 압전 소자의 정전 용량에 따라 10A/㎲까지 매우 높다.
작동 논리, 및 전류 제어를 위해 사용되는 스위치는 전환 시간이 대략 1㎲이기 때문에, 이는 기준 전류가 10A까지 초과되는 것을 의미한다. 따라서, 평균 전 류는 약 5A로만 제한될 수 있다. 전류를 제한하기 위해서는 더욱 큰 인덕턴스가 유용할 수 있지만, 이는 크기를 증가시키므로 실용적이지 않다.
본 발명의 목적은 압전 소자 또는 피에조 엑츄에이터의 충전 및 방전 중에 낮은 평균 전류를 임의로 달성하는 방식으로, 청구범위의 제1항 또는 제2항의 전제부에 정의된 장치, 청구범위 제12항 또는 제13항 또는 제17항의 전제부에 정의된 방법, 및 제18항의 전제부에 정의된 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충전 및 방전이 압전 소자의 충전 및 방전 중에 임의로 낮은 평균 전류를 달성하면서 압전 소자의 충전 및 방전이 효율적으로 이루어질 수 있는 방식으로 청구범위 제12항 또는 제13항 또는 제17항의 전제부에 정의된 방법, 제1항 또는 제2항의 전제부에 정의된 장치 및 제18항의 전제부에 정의된 용도를 제공하는 것이다.
본 발명은 피에조 소자 또는 압전 소자 또는 피에조 엑츄에이터의 충전 및 방전 중에 낮은 평균 전류를 임의로 달성하기 위한 것이다. 본 발명에 있어서, 작동 시스템은 전류가 임의의 전류 대역 내에 조절되지 않지만, 필요시에 압전 소자의 충전 및 방전 중에 낮은 평균 전류를 허용하는 갭을 나타낼 수 있도록 변경될 수 있다.
인덕턴스로서 작용하는 동일한 요소를 적어도 부분적으로 통과하는 충전 전류 및 방전 전류와, 충전 전류 및 방전 전류 모두가 통과할 수 있는 방식으로 배열되는 인덕턴스로서 작용하는 적어도 하나의 소자가 제공된다.
충전 또는 방전 전류를 위한 실질적인 인덕턴스로서 작용하는 소자, 예컨대 코일 또는 코일로서 작용하는 소자를 통한 압전 소자의 적어도 부분적인 충전 및 방전은 충전 전류 경로와 방전 전류 경로를 실질적으로 전기 부하 없이 유지시키고, 그 결과, 한편으로는 (전력 손실이 낮기 때문에 그리고 방전 중에 압전 소자로부터 배출되는 에너지가 전압 공급원으로 복귀되거나 캐퍼시터에 임시로 저장될 수 있기 때문에) 매우 작은 에너지가 소비되고, 다른 한편으로는 충전 및 방전 중에 발생되는 회로의 가열이 매우 낮게 유지될 수 있다. 결과적으로, (전력 공급원을 포함하는) 개개의 구성 요소는 비교적 낮은 전력 수준으로 설계될 수 있고, 냉각을 위해 필요한 본래의 측정이 전체적으로 생략되거나 어떠한 경우에도 매우 제한된 범위일 수 있다.
충전 전류와 방전 전류가 인덕턴스로서 작용하는 동일한 소자를 통과하기 때문에, 즉 충전 전류와 방전 전류가, 예컨대 동일한 코일 또는 코일로서 작용하는 소자를 통과하기 때문에, 구성 요소의 개수를 더욱 최소화하고 인덕턴스로서 작용하는 소자의 개수를 더욱 정확해질 수 있으며, 이러한 소자의 크기가 작지 않기 때문에 배열체의 크기 문제에 대해 매우 효과적인 영향을 미친다.
따라서, 제한된 공간과 미리 정한 시간 내에서도 압전 소자의 충전 및 방전을 효과적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 종래의 장치의 경우에서보다 제조가 더욱 용이하며 저렴하다.
본 발명의 유리한 개선점은 종속항의 요지이다.
본 발명은 도면을 참조하는 예시적인 실시예와 관련하여 이하에 상세히 설명될 것이다.
본 발명에 따른 장치 및 방법은, 특히 압전 소자의 충전 및 방전 중에 임의의 낮은 평균 전류를 달성함으로써 작은 공간임에서 불구하고, 간단하고 정확한 방식으로 압전 소자의 효과적인 충전 및 방전을 가능케 한다.
이하에 상세히 기술되는 압전 소자의 충전 및 방전 작동은 예를 들면, 내연기관의 연료 분사 노즐(특히, 소위 통상의 레일 인젝터에서)에서의 엑츄에이터로서 사용 가능하다. 그러나, 압전 소자가 이러한 용도로 절대적으로 제한되는 것은 아니다. 압전 소자는 근본적으로 어떠한 목적의 어떠한 장치에서도 사용 가능하다.
압전 소자는 충전에 반응하여 팽창하고 방전에 반응하여 수축된다고 생각된다. 그러나, 물론 본 발명은 정확하게는 반대의 경우에도 적용 가능하다.
도1은 압전 소자를 충전 및 방전시키기 위한 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 회로의 실시예를 도시한다. 압전 소자는 본 실시예에서 충전될 수 있다. 압전 소자(1)의 단자들 중 하나는 영구 접지에 연결, 즉 전압 공급원의 제1극에 연결된다. 압전 소자의 다른 단자는, 충전 스위치(3)와 다이오드(4)로 구성되는 병렬 회로 및 코일(2)을 통해 전압 공급원의 제2극에 연결되고, 충전 스위치(5)와 다이오드(6)로 구성되는 병렬 회로 및 코일(2)을 통해 전압 공급원의 제1극에 연결된다.
전압 공급원은 배터리(7; 예컨대, 자동차 배터리)와, 이로부터 하류에 DC 전압 변환기(8)와, 버퍼 캐퍼시터로 기능하는 하류의 캐퍼시터(9)를 포함한다. 이러한 배치에 의해, 배터리 전압(예컨대, 12V)은 본질적으로 임의의 다른 DC 전압으로 전환되고, 공급 전압으로서 이용될 수 있게 된다.
고려되는 예에서, 압전 소자(1)의 충전 및 방전은 싸이클 방식으로 일어난다. 다시 말해, 충전 스위치(3) 및 방전 스위치(5)는 충전 및 방전 작동 중에 반복적으로 개폐된다.
결과적으로 발생하는 조건은 이하 도2 내지 도5를 참조하여 설명되는데, 도2 및 도3은 압전 소자(1)의 충전을 도시하고, 도4 및 도5는 압전 소자의 방전을 도시한다.
압전 소자(1)의 충전 또는 방전이 일어나지 않으면 그리고 일어나지 않는 한, 충전 스위치(3) 및 방전 스위치(5)는 개방된다. 이러한 상태에서는, 도1에서 나타난 회로는 예를 들어, 압전 소자(1)가 실질적으로 변화되지 않는 방식으로 그 충전 상태가 유지되어 전류가 흐르지 않는 정상 상태(steady-state)인 조건에 있다.
압전 소자(1)의 충전이 개시되면서, 충전 스위치(3)는 반복적으로 개폐되고, 방전 스위치(5)는 개방 유지된다.
충전 스위치(3)가 폐쇄될 때, 도2에 나타난 상태가 일어난다. 즉, 압전 소자(1), 캐퍼시터(9) 및 코일(2)로 이루어진 직렬 회로를 포함하는 폐쇄 회로가 형 성되는데, 여기서 전류 iLE (t)가 도2에서 화살표로 표시된 방향으로 흐른다. 이러한 전류 흐름의 결과는 에너지가 코일(2)에 저장된다는 것이다. 코일(2) 내로의 에너지 흐름은 캐퍼시터(9)와 압전 소자(1) 사이의 양 전위차(positive potential difference)에 영향을 받는다.
충전 스위치(3)가 폐쇄된 후 짧게(예를 들어, 수 ㎲) 개방될 때, 도3에 도시된 상태가 발생한다. 압전 소자(1), 다이오드(6) 및 코일(2)로 이루어진 직렬 회로를 포함하는 폐쇄된 회로가 형성되는데, 여기서 전류 iLA(t)가 도3에서 화살표로 표시된 방향으로 흐른다. 이러한 전류 흐름의 결과는 코일(2)에 저장된 에너지가 압전 소자(1)로 흐른다는 것이다. 압전 소자로의 에너지 전달에 대응하여, 압전 소자에서 발생하는 전압, 및 압전 소자의 외부 용적이 증가한다. 일단 에너지가 코일(2)로부터 압전 소자(1)로 전달되면, 도1에 도시되고 이미 설명한 바 있는 정상 상태 조건이 다시 한번 이루어 진다.
(충전 작동의 목적하는 시간 프로파일에 따라) 그 때, 또는 그 전에, 또는 그 후에, 충전 스위치(3)는 전술된 과정이 반복되도록 다시 한번 폐쇄되고 개방된다. 충전 스위치(3)의 재폐쇄 및 재개방 결과, (압전 소자에 이미 저장된 에너지와 새로 전달된 에너지가 함께 합쳐져서) 압전 소자(1) 내에 저장된 에너지가 증가하고, 압전 소자에서 발생하는 전압 및 압전 소자의 외부 용적이 상응하게 증가한다.
상술된 충전 스위치(3)의 개폐가 수 차례 반복되면, 압전 소자에서 발생하는 전압 및 압전 소자의 팽창이 단계적으로 상승한다(이후 설명하는 도6 참조).
일단 충전 스위치(3)가 소정의 수 차례 개폐되고 그리고/또는 압전 소자(1)가 목적하는 충전 단계에 도달되었을 때, 압전 소자의 충전은 충전 스위치(3)를 개방 상태로 남겨둠으로써 종결된다.
압전 소자(1)가 다시 방전될 때, 상기 과정은 충전 스위치(3)가 개방되게 남겨진 동안 방전 스위치(5)를 반복적으로 폐쇄 및 개방함으로서 이루어진다.
방전 스위치(5)가 폐쇄될 때, 도4에 도시된 상태 즉, 압전 소자(1) 및 코일(2)로 이루어진 직렬 회로를 포함하는 폐쇄 회로가 형성되며, 여기서 전류 iEE(t)는 도4에서 화살표로 표시된 방향으로 흐른다. 이러한 전류의 흐름으로 인해 압전 소자에 저장된 에너지(이의 일부)는 코일(2)로 전달된다. 압전 소자에서 발생하는 전압 및 압전 소자의 외부 용적은 압전 소자(1)로부터 코일(2)까지 전달된 에너지에 상응하게 감소한다.
방전 스위치(5)가 폐쇄된 후 짧게 (예를 들면, 몇 ㎲) 개방될 때, 도5에 도시된 상태가 발생한다. 즉, 압전 소자(1), 캐퍼시터(9), 다이오드(4) 및 코일(2)로 이루어진 직렬 회로를 포함하는 폐쇄 회로가 형성되고, 여기서 전류 iEA(t)는 도5에서 화살표로 표시된 방향으로 흐른다. 상기 전류 흐름의 결과는 코일(2) 내에 저장된 에너지가 캐퍼시터(9)로 피드백된다는 것이다. 일단 에너지가 코일(2)로부터 캐퍼시터(9)로 전달되면, 도1에 도시되고 이미 설명한 바 있는 정상 상태 조건이 다시 한번 이루어진다.
(방전 작동의 목적하는 시간 프로파일에 따라) 그 때, 또는 그 전에, 또는 그 후에, 방전 스위치(5)는 전술된 과정이 반복되도록 다시 한번 폐쇄되고 개방된다. 방전 스위치(5)의 재폐쇄 및 재개방 결과, 압전 소자(1) 내에 저장된 에너지가 감소되고, 압전 소자에서 발생하는 전압 및 압전 소자의 외부 용적 또한 감소된다.
상술된 방전 스위치(5)의 개폐가 수 차례 반복되면, 압전 소자에서 발생하는 전압 및 압전 소자의 팽창이 단계적으로 감소한다(도6 참조).
일단 방전 스위치(5)가 소정의 수 차례 개폐되고, 그리고/또는 압전 소자가 목적하는 방전 단계에 도달했을 때, 압전 소자의 방전은 방전 스위치(5)를 개방 상태로 남겨둠으로써 종결된다.
도1에 도시된 회로의 작동, 또는 더욱 정확하게는 위에서 설명된 압전 소자(1)의 충전 및 방전은 도6에 도시된 전류 및 전압 프로파일의 결과를 낳는다.
도6에 도시된 곡선은 측정된 변수를 나타내는 기호로 표시되어 있다. 사용된 기호들은 다음과 같다.
□ : 캐퍼시터(9)에서 발생하는 전압(UB)
◇ : 압전 소자(1)에서 발생하는 전압
∨ : 코일(2)을 통해 흐르는 전류
도6에 도시된 전류 및 전압 곡선은 (시간 규모 상으로 약 100 ㎲ 내지 300 ㎲ 범위 내의) 충전 과정과 (시간 규모 상으로 약 400 ㎲ 내지 600 ㎲ 범위 내의) 방전 과정을 도시한다. 도6으로부터 명확한 것처럼, 압전 소자(1)에서 발생하는 전압은 균일하며 잘 제어된 프로파일을 갖는다.
동시에, 압전 소자의 충전 및 방전이 수행되는 회로, 더욱 정확하게는 도1에 도시된 회로는 매우 간단한 구조이며 최적 효율을 갖는다. 세 개의 인자들이 이에 기여한다. 즉,
1) 충전 및 방전이 하나의 동일한 코일 (즉 코일(2))을 통해 수행된다.
2) 오옴 저항에서의 열 발생에 기인한 에너지 손실이 무시할 정도로 작다.
3) 압전 소자 내에 저장된 에너지가 캐퍼시터(9) 내로 본질적으로 완전하게 피드백되어 즉각적인 재사용에 이용될 수 있다.
제1 인자는 구성 요소들의 갯수, 특히 (통상적으로 비교적 많은) 코일의 갯수를 최소화시키는 것을 가능하게 한다. 제2 및 제3 인자들은 비교적 낮은 전력 수준을 위한 배터리(7)와 DC 변환기(8)를 설계하는 것을 가능하게 한다.
전술한 인자들 모두는 개별적으로 또는 조합되어 압전 소자들을 충전 및 방전시키도록 제공된 회로를 가능한 작은 공간 내에 수용할 수 있는 가능성과 회로의 제조 및 작동을 위한 비용을 최소화시킬 수 있는 가능성을 제공하거나 적어도 그에 기여한다.
압전 소자들을 충전 및 방전시키기 위해 상기에서 주로 설명된 방법과 이 방법을 수행하기에 적합한 회로를 사용함으로써, 단지 하나의 압전 소자가 아니라 다수의 압전 소자들을 연속하여 충전 및 방전시키는 것이 가능하다.
이를 가능하게 하는 회로가 도7에 도시되어 있다.
도7에 도시된 회로는 도1에 도시된 회로를 기초로 한다. 서로 상응하는 소자들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있다. "단지" 도1에 따른 압전 소자(1)만이 다이오드(10)와 다수(n개)의 압전 소자 분기부(11, 12, … 1n)로 구성된 병렬 회로에 의해 대체되고, 각각의 피에조 또는 압전 소자 분기부는 압전 소자(111, 121, … 1n1)로 구성된 직렬 회로 및, 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)와 다이오드(113, 123, … 1n3)로 구성된 병렬 회로를 포함한다.
다이오드(10)는 어떤 상황에서는 압전 소자가 손상될 수도 있는 압전 소자에서의 음 전압 발생을 방지한다.
개개의 피에조 또는 압전 소자 분기부와 평행하게, 즉, 피에조 또는 압전 소자 분기부(11)내의 선택기 스위치(112)와 다이오드(113), 피에조 또는 압전 소자 분기(12)내의 선택기 스위치(122)와 다이오드(123), 및 피에조 또는 압전 소자 분기부(1n)내의 선택기 스위치(1n2)와 다이오드(1n3)로 배치되는 선택기 스위치 다이오드 쌍은, 예를 들어 MOSFET 또는 IGBT 같은 기생 다이오드를 갖는 전자 스위치를 사용하여 실시될 수 있다.
압전 소자(111, 121, … 1n1)의 충전 및 방전은 도1에 따른 압전 소자(1)의 충전 및 방전과 사실상 동일한 방법으로 수행되는데, 즉, 충전을 위해 충전 스위치(3)가 반복적으로 개폐되고, 방전을 위해 방전 스위치(5)가 반복적으로 개폐된다.
충전 스위치(3)의 반복적인 개폐로 충전되는 압전 소자(111, 121, … 1n1)는 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)에 의해 정해지는데, 각 경우에, 충전된 압전 소자(111, 121, … 1n1)는 충전 스위치(3)의 반복 개폐시에 폐쇄된 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)이다.
(연관된 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)의 폐쇄에 의해) 충전되는 압전 소자(111, 121, … 1n1)의 선택, 및 (관련 스위치의 개방에 의해) 선택의 취소는 통상 충전 작동 외에 수행된다. 특별한 경우, 여러 압전 소자(111, 121, … 1n1)가 동시에 상이한 수준으로 충전될 경우, 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)의 개폐는 또한 충전 작동시에 발생할 수 있다.
선택된 압전 소자(111, 121, … 1n1)의 충전시 발생하는 작동들은 사실상 도1에 도시된 회로의 경우에 발생하는 작동과 일치한다. 도2 및 도3과 이에 대한 설명 또한 유효한데, 단지 차이점이라면 압전 소자(1)가 아닌, 하나 이상의 압전 소자(111, 121, … 1n1)가 충전된다는 것이다.
압전 소자의 방전에 영향을 미치는 방전 전류가 각각의 압전 소자와 연결된 다이오드(113, 123, … 1n3)을 통해 흐를 수 있으므로 압전 소자(111, 121, … 1n)의 방전은 연관된 선택기 스위치(112, 122, … 1n2)의 위치에 관계없이 발생한다. 따라 서 방전 작동은 전체적으로 또는 부분적으로 충전된 압전 소자(111, 121, … 1n1) 전부를 방전되도록 한다.
압전 소자(111, 121, … 1n1)의 방전시 발생하는 작동은 사실상 도1에 도시된 회로의 경우 발생하는 작동과 일치한다. 도4 및 도5와 이에 대한 설명 또한 유효한데, 단지 차이점이라면 압전 소자(1)가 아닌, 하나 이상의 압전 소자(111, 121, … 1n1)가 방전된다는 것이다.
압전 소자(111, 121, … 1n1)가 위에서 설명된 바와 같이 개별적으로 그리고 연속적으로 충전되고 방전되는 방식으로 도7에 도시된 회로가 작동하는 경우, 발생하는 전류 및 전압 프로파일이 도8에 도시되어 있다.
도8에 도시된 곡선은 측정된 변수를 나타내는 기호로 표시되어 있다. 사용된 기호들은 다음과 같다.
□ : 캐퍼시터(9)에 발생하는 전압(UB)
◇ : 압전 소자(111)에서 발생하는 전압
∨ : 압전 소자(121)에서 발생하는 전압
○ : 압전 소자(1n1)에서 발생하는 전압
도8에 도시된 전류 및 전압 프로파일은 (시간 규모 상으로 약 0.1ms 내지 0.7ms 범위 내에서) 압전 소자(111)를 위한 충전 및 방전 작동과, (시간 규모 상으 로 약 0.8ms 내지 1.4ms 범위 내에서) 압전 소자(121)를 위한 충전 및 방전 작동과, (시간 규모 상으로 약 1.5ms 내지 2.1ms 범위 내에서) 압전 소자(1n1)를 위한 충전 및 방전 작동을 도시한다. 도7에 도시된 회로의 구조, 기능 및 작동의 방식을 볼 때, 전류 및 전압 프로파일은 이해될 수 있을 것이다.
도8로부터 명백한 바와 같이, 압전 소자에서 발생하는 전압이 거의 선형이고 잘 제어된 프로파일을 갖는다.
동시에, 압전 소자의 충전 및 방전에 영향을 끼치는 회로, 더욱 정확하게 도7에 도시된 회로는 극히 간단한 구조이며 최적화된 효율을 갖는다. 다시 말해, 도1에 따른 회로의 경우에서 처럼 이에 분포된 인자들은 원칙상 충전 및 방전이 하나의 동일한 코일(즉, 코일(2))를 통해서 이뤄지고, 오옴 저항에서의 열 발생에 기인한 에너지 손실이 무시할 정도로 작고, 압전 소자 내에 저장된 에너지가 캐퍼시터(9) 내로 본질적으로 완벽하게 피드백되어 즉각적인 재사용에 이용될 수 있다.
제1 인자는 구성 요소들의 갯수, 특히 (통상적으로 비교적 많은) 코일의 갯수를 최소화시키는 것을 가능하게 한다. 제2 인자는 비교적 낮은 전력 수준을 위한 DC 변환기(8)를 설계하는 것을 가능하게 한다.
전술한 인자들 모두는 개별적으로 또는 조합되어 압전 소자들을 충전 및 방전시키도록 제공된 회로(도7에 따른 회로)를 가능한 작은 공간 내에 수용할 수 있는 가능성과 회로의 제조 및 작동을 위한 비용을 최소화시킬 수 있는 가능성을 제공하거나 적어도 그에 기여한다.
설명된 각각의 예시적인 실시예에서, 코일은 인덕턴스로서 작용하는 요소로서 사용된다. 그러나, 이것은 어떠한 제한도 구성하지 않는다. 인덕턴스로서 작용하는, 전송기 또는 변압기 등과 같은 다른 요소들은 (회로의 작동과 구조에 대한 대략적인 변형과 함께) 코일 대신에 사용될 수 있다.
주기적 방식으로 충전 또는 방전 작동을 수행하는 것에 대한 제한 역시 없다. 충전 및/또는 방전 또한 선택적으로 또는 부가적으로 다른 방식으로 수행될 수 있다.
특히, 발진기 회로로써 작용하는 하나 이상의 충전 및/또는 방전 전류 회로에 의해 충전 및/또는 방전 작동을 전체적으로 또는 부분적으로 수행할 수 있다.
도11은 예를 들면, 압전 소자의 충전 중, 또는 압전 소자 또는 피에조 엑츄에이터의 충전 중 본 발명에 의해 제공되는 것 보다 더 높은 평균 전류를 갖는 예시적인 프로파일을 도시한다.
본 발명에서, 전류가 하한치 미만으로 떨어진 후 충전 스위치(3)의 재폐쇄 대신에 그리고 전류의 재상승을 허용하는 대신에, 본 발명에 따른 작동 시스템은, 필요하다면, 갭을 나타낼 수 있는 전류를 제공하여 더욱 낮은 평균 전류를 발생한다.
본 발명에 따른 임의의 실시예에 대해 본 발명은, 미리 정한 더욱 낮은 전류 값 미만의 값을 갖거나 미리 정한 더욱 높은 전류 값을 초과하는 값을 갖는 것으로서 (예를 들면 측정 유닛 등에 의해) 전류 값이 측정되는 것과 같은 일정한 순간이 발생하는 경우, 일정한 시간 지연 또는 미리 정한 시간이 발생하거나 진행될 때까 지 충전 또는 방전 스위치가 오프 또는 온을 유지하기 위해 계속되도록 이루어지고, 이어서 충전 또는 방전 스위치(3, 5)가 각각 스위치 온 또는 오프될 수 있도록, 일정한 시간 지연 또는 미리 정한 시간이 정의될 수 있는 것을 제공한다. 더욱 특별하게는 측정되는 전류 값이 미리 정한 더욱 낮은 전류 값과 동일하거나 더욱 낮은 경우, 미리 정한 시간이 개시되고 진행된다. 미리 정한 시간이 완료되거나 충족되었을 때, 충전 스위치(3)는 오프로부터 온으로 바뀐다. 상기 본 발명의 실시예는 임의의 바람직한 평균 전류가 시간 간격의 변화에 의해 달성될 수 있음을 제공한다.
이를 위해 3개의 대안이 그들의 특성을 공유하면서 순수하게 순간 제어식 제어 시스템이라기보다는 순간 제어식 및 시간 제어식 시스템이 제안되었다("순간"은 전류 임계치의 이상 및 이하로 벗어남).
본 발명의 제1 실시예는 부가적인 파라미터로써, 하한 전류 임계치 미만에서 충전 스위치를 다시 켜도록 하는 시간 지연을 제공한다. 특별한 경우에, 이 하한 전류 임계치는 도12에 도시된 바와 같이 0이 될 수 있다. 만약 이 시간 지연이 0으로 맞춰진다면, 이전 상태와 비교되는 충전은 없다. 도12는 약 5㎲의 시간 및 0 A에서의 하한 전류 임계치를 갖는 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다. 임의의 바람직한 평균 전류는 시간 간격의 변화에 의해 달성될 수 있다.
도13에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서 하한 전류 임계치는 생략된다. 그 대신에, 일정한 주파수를 갖는 방형파 신호가 충전 스위치를 스위치 온하기 위해 사용된다. 상한 전류 임계치가 초과되기 전에 스위치는 오프된다. 이는 구성 요소의 손상을 유발시킬 수 없는 최대 전류를 보장한다.
도14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서 충전 스위치는 상한 전류 임계치를 벗어남에 이어 미리 정해질 수 있는 시간 이후 각각의 경우에 다시 스위치 온 된다.
모든 작동 변수들은 작동 시간 및 작동 전류에서의 임의의 목적하는 변수도 허용한다. 모든 작동 변수는 더욱 낮은 평균 전류에 기여할 수 있는 전류의 갭을 허용한다.
압전 소자 또는 피에조 엑츄에이터용 시간 제어식 및 순간 제어식 작동 시스템을 기초로 하는 본 발명은 종래에 제공된 순수 순간 제어식 작동 시스템과 비교하여 적어도 중립 적용됨을 알 수 있다. 본 실시예에 따라 그리고 미리 정한 시간 및 순간 특성에 따라, 실제로 작동 IC의 작동 시스템이 덜 복잡하게 제공됨으로서 비용에 있어서 장점이 될 수 있다.
그러나, 기본적으로 본 발명은 작동 IC의 가변성을 상당히 증가시키는 자유롭게 선택 가능한 작동 신호를 제공할 수 있다.
본 발명은 바람직한 기능성을 보장하기 때문에 제품에 관해 명확히 알 수 있게 된다.
청구범위 제1항 또는 제2항에 정의된 장치 및 제11항, 제12항, 제16항 또는 제17항에 정의된 방법에 따르는 본 발명은 다양한 적용 분야에서 사용될 수 있고, 연료 분사 시스템에서만 제한되지 않는다. 실제로, 본 발명의 작동 IC에서 덜 복잡한 작동 시스템을 제공하기 때문에, 본 발명은 종래 방법에 비해 더 효과적이고 더 신뢰성 있고 경제적일 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 방법을 사용하는 압전 소자의 충전 및 방전에 적합한, 본 발명에 따른 회로를 도시하는 도면.
도2는 도1에 따른 회로 내에서 [충전 스위치(3)가 폐쇄된] 제1 충전 단계 중에 발생하는 상태를 설명하는 도면.
도3은 도1에 따른 회로 내에서 [충전 스위치(3)가 다시 개방된] 제2 충전 단계 중에 발생하는 상태를 설명하는 도면.
도4는 도1에 따른 회로 내에서 [방전 스위치(5)가 폐쇄된] 제1 방전 단계 중에 발생하는 상태를 설명하는 도면.
도5는 도1에 따른 회로 내에서 [방전 스위치(5)가 다시 개방된] 제2 방전 단계 중에 발생하는 상태를 설명하는 도면.
도6은 도1에 따른 회로의 작동 중에 발생하는 전압 및 전류 값의 시간에 대한 변화를 도시하는 도면.
도7은 본 발명에 따른 방법을 사용하는 다중 압전 소자의 연속적인 충전 및 방전을 위한 본 발명에 따른 회로를 도시하는 도면.
도8은 도7에 따른 회로의 작동 중에 발생하는 전압 및 전류값의 시간에 대한 변화를 도시한 도면.
도9는 충전 전류 및 방전 전류를 위한 오옴 저항으로 작용하는 소자를 통해 압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 종래의 회로를 도시한 도면.
도10은 충전 전류 및 방전 전류를 위한 코일로 작용하는 소자를 통해 압전 소자를 충전 및 방전하기 위한 종래의 회로를 도시한 도면.
도11은 회로 내에 배치된 피에조 엑츄에이터의 충전 중의 프로파일을 도시한 도면.
도12는 도1에 따른 충전 스위치(3)가 다시 켜질 때 까지 낮은 임계치에 도달한 후, 0 A에서 하한 전류 임계치 및 일정 시간(t)을 갖는 본 발명의 대안 실시예를 도시한 도면.
도13은 충전 스위치가 임의의, 그렇지만 일정한 주파수로 켜지고, 높은 전류 임계치를 갖는 본 발명의 선택적인 실시예를 도시한 도면.
도14는 전류 임계치를 읽는 것과 충전 스위치를 다시 켜는 것 사이에 미리 정한 시간 지연을 갖는 본 발명의 대안 실시예를 도시한 도면.
도15는 엑츄에이터로서 압전 소자를 사용하는 연료 주입 시스템의 개략도. <도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 압전 소자
2 : 코일
3 : 충전 스위치
5 : 방전 스위치
6 : 다이오드
7 : 배터리
9 : 캐퍼시터
205 : 전압 공급원
2050 : 중공형 보어
2070 : 분사 니들

Claims (1)

  1. 압전 소자(1 또는 111, 121, … 1n1)를 충전 또는 방전시키기 위한 장치에 있어서,
    낮은 유효 평균 전류를 달성하도록 상기 압전 소자를 흐르는 전류는 시간 특성 및 순간 특성의 함수로 충전 스위치(3) 또는 방전 스위치(5)를 전환함으로써 조절되고,
    상기 시간 특성은 미리 정한 시간을 제공하여, 상기 순간 특성의 순간이 발생할 때 상기 미리 정한 시간이 지날 때까지 충전 스위치(3) 또는 방전 스위치(5)는 오프 또는 온을 계속해서 유지하도록 되는 것을 특징으로 하는 장치.
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