DE19905380A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo-elektrischen Elements - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt beschrieben, wobei das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element vor dem Laden des piezoelektrischen Elements auf eine vorbestimmte Spannung geladen wird. Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, daß das Laden des kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elements auf eine vorbestimmte Spannung über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element erfolgt. Dadurch läßt sich der zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen zu treibende Aufwand auf ein Minimum reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum piezoelektrischen Element oder umgekehrt, wobei das kapazi­ tive Eigenschaften aufweisende Element vor dem Laden des piezoelektrischen Elements auf eine vorbestimmte Spannung geladen wird.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele­ menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ­ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek­ trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer an sie angelegten oder einer sich an ihnen einstellenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo­ elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor­ teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu­ fige Bewegungen auszuführen hat.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, welche sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen­ den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.

Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann beispielsweise durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung erfol­ gen. Die Anordnung gemäß Fig. 5 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5; das nachfolgend be­ schriebene Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden gilt, ist in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 1 be­ zeichnet.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, liegt der eine der An­ schlüsse des piezoelektrischen Elements 1 dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohingegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Elements über eine Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem Ladeschalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallel­ schaltung aus einem Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Die Spannungsquelle wird durch ein kapazitive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel ein (Puffer-)Kondensator 9 ist, gebildet. Der Kondensator 9 wird durch eine Batterie 7 (beispielsweise eine KFZ-Batterie) und einen dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 8 gela­ den. Der Gleichspannungswandler 8 setzt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige an­ dere Gleichspannung um und lädt den Kondensator 9 auf diese Spannung auf.

Das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 er­ folgt unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element (dem Kondensa­ tor 9) über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element, welches im betrachteten Beispiel die Spule 2 ist, zum piezo­ elektrischen Element oder umgekehrt.

Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D. h., der Lade­ schalter 3 und der Entladeschalter 5 werden während des Lade- bzw. Entladevorganges wiederholt geschlossen und geöffnet.

Die sich dabei einstellenden Verhältnisse werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 erläutert, von denen die Fig. 6 und 7 das Laden des piezoelektrischen Elements 1, und die Fig. 8 und 9 das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 veranschaulichen.

Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments 1 erfolgt, geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die in der Fig. 5 gezeigte Schaltung im stationären Zustand. D. h., das piezoelektrische Element 1 behält seinen Ladungs­ zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.

Mit dem Beginn des Ladens des piezoelektrischen Elements 1 wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet; der Entladeschalter 5 bleibt hierbei geöffnet.

Beim Schließen des Ladeschalters 3 stellen sich die in der Fig. 6 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, dem Kondensator 9 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 6 durch Pfeile angedeuteter Strom i_LE(t) fließt. Dieser Stromfluß be­ wirkt, daß in der Spule 2 Energie gespeichert wird. Der Ener­ giefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Poten­ tialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelek­ trischen Element 1 bewirkt.

Beim kurz (beispielsweise einige eis) nach dem Schließen des Ladeschalters 3 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 7 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, der Diode 6 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 7 durch Pfeile angedeuteter Strom i_LA(t) fließt. Dieser Stromfluß be­ wirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in das piezoelektrische Element 1 fließt. Entsprechend der Ener­ giezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezo­ elektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 er­ reicht.

Dann oder auch schon vorher oder auch erst später (je nach dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Ladevorgangs) wird der Ladeschalter 3 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie zu (die im piezoelektrischen Element bereits gespeicherte Ener­ gie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dem­ entsprechend nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zu.

Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 eine Vielzahl von Malen, so steigen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an.

Wurde der Ladeschalter 3 eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element 1 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 3 beendet.

Soll das piezoelektrische Element 1 wieder entladen werden, so wird dies durch ein wiederholtes Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 bewerkstelligt; der Ladeschalter 3 bleibt hierbei geöffnet.

Beim Schließen des Entladeschalters 5 stellen sich die in der Fig. 8 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 8 durch Pfeile angedeuteter Strom i_EE(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil der­ selben) in die Spule 2 transportiert wird. Entsprechend dem Energietransfer vom piezoelektrischen Element 1 zur Spule 2 nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen ab.

Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 9 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Ele­ ment 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 beste­ hender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 9 durch Pfeile angedeuteter Strom i_EA(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in den Kondensator 9 zurückgespeist wird. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum Kondensa­ tor 9 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.

Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge­ wünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs) wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wo­ bei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie weiter ab, und dementsprechend nehmen die sich am piezoelek­ trischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Ab­ messungen ebenfalls ab.

Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent­ ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab.

Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma­ len geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektri­ sche Element den gewünschten Entladezustand erreicht, so wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters 5 beendet.

Auf die beschriebene Art und Weise können anstelle von nur einem piezoelektrischen Element auch eine Vielzahl von piezo­ elektrischen Elementen geladen und entladen werden.

Eine Schaltung, welche dies ermöglicht, ist in Fig. 10 dar­ gestellt.

Die in der Fig. 10 gezeigte Schaltung basiert auf der in der Fig. 5 gezeigten Schaltung; einander entsprechende Elemente sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Es ist "nur" das piezoelektrische Element 1 gemäß Fig. 5 durch eine Parallelschaltung aus einer weiteren Diode 10 und einer Viel­ zahl (n) von Piezozweigen 11, 12, . . ., 1n ersetzt, wobei je­ der Piezozweig aus einer Reihenschaltung aus einem piezoelek­ trischen Element 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ und einer Parallelschaltung aus einem Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und einer Diode 11 ₃, 12 ₃, . . ., 1n₃ besteht.

Die Diode 10 verhindert das Auftreten negativer Spannungen an den piezoelektrischen Elementen, da diese hierdurch unter Um­ ständen zerstört werden können.

Die parallel angeordneten Auswahlschalter-Dioden-Paare in den einzelnen Piezozweigen, d. h. der Auswahlschalter 11 ₂ und die Diode 11 ₃ im Piezozweig 11, der Auswahlschalter 12 ₂ und die Diode 12 ₃ im Piezozweig 12, und der Auswahlschalter 1n₂ und die Diode 1n₃ im Piezozweig 1n können durch elektronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise MOS-FETs realisiert werden.

Das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ erfolgt dem Wesen nach wie das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements 1 gemäß Fig. 5. D. h., zum Laden wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet, und zum Entladen wird der Entladeschalter 5 wiederholt ge­ schlossen und geöffnet.

Welches bzw. welche der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ beim wiederholten Schließen und Öffnen des Ladeschal­ ters 3 geladen werden, wird durch die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂ . . . 1n₂ bestimmt; es werden jeweils all diejenigen piezo­ elektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ geladen, deren Auswahl­ schalter 11 ₂, 12 ₂ . . . 1n₂ während des wiederholten Schließens und Öffnens des Ladeschalters 3 geschlossen sind.

Die Auswahl der zu ladenden piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂ . . . 1n₂ und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffenden Schalter wird in der Regel außerhalb des Lade­ vorganges erfolgen; in bestimmten Fällen, z. B. wenn mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ gleichzeitig unterschiedlich stark aufgeladen werden sollen, kann das Öff­ nen und Schließen der Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂. . . 1n₂ jedoch auch während des Ladevorganges erfolgen.

Die sich beim Laden der ausgewählten piezoelektrischen Ele­ mente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ einstellenden Vorgänge sind im wesent­ lichen identisch mit den sich bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 6 und 7 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; ein­ ziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern eines oder mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ geladen werden.

Das Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ erfolgt unabhängig von der Stellung der zugeordneten Auswahl­ schalter 11 ₂, 12 ₂ . . . 1n₂, denn der die Entladung der piezo­ elektrischen Elemente bewirkende Entladestrom kann über die den jeweiligen piezoelektrischen Elementen zugeordneten Dioden 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ fließen. Durch den Entladevorgang werden daher sämtliche vollständig oder teilweise geladenen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ entladen.

Die sich beim Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 _{1 .} . . 1n₁ einstellenden Vorgänge sind im wesentlichen identisch mit den sich bei der Schaltung gemäß Fig. 5 einstellenden Vorgängen. Es haben auch die Fig. 8 und 9 und die darauf bezugnehmenden Erläuterungen Gültigkeit; einziger Unterschied ist, daß nicht das piezoelektrische Element 1, sondern die piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ entladen werden.

Damit das piezoelektrische Element wunschgemäß stark geladen werden kann, muß der Kondensator 9 vor dem Beginn des Lade­ vorganges auf eine vorbestimmte Spannung geladen sein. Der Kondensator 9 muß hierzu nicht etwa nur nach der Inbetrieb­ nahme der Anordnung, sondern vor jedem Laden des piezoelek­ trischen Elements (nach-)geladen werden. Das Nachladen ist erforderlich, weil das piezoelektrische Element einen sehr schlechten Wirkungsgrad besitzt (ca. 40% der beim Laden zu­ geführten Energie werden in Wärme umgesetzt), wodurch die Spannung, auf die der Kondensator 9 nach dem Entladen des piezoelektrischen Elements 1 geladen ist, erheblich niedriger ist als vor dem Laden des piezoelektrischen Elements.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, erfolgt das (Nach- )Laden des Kondensators 9 über die Batterie 7 und den dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 8.

Das Vorsehen des Gleichspannungswandler 8 erfordert einen relativ hohen Aufwand, zumal die Spannung, auf die der Kon­ densator aufzuladen ist, relativ hoch (mehrere hundert Volt) sein kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 derart weiterzubilden, daß der zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements zu treibende Aufwand auf ein Mini­ mum reduzierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 5 (Vorrichtung) bean­ spruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen, daß das Laden des kapazitive Eigen­ schaften aufweisenden Elements auf eine vorbestimmte Spannung über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Element er­ folgt.

Dann kann das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element beispielsweise durch ein getaktetes Laden oder Entladen auf die gewünschte Spannung geladen und/oder entladen werden. Das getaktete Laden des kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elements kann dabei analog zum vorstehend dem Wesen nach beschriebenen getakteten Entladen des piezoelektrischen Ele­ ments erfolgen.

Durch ein derartiges Laden des kapazitive Eigenschaften auf­ weisenden Elements kann dieses auch ohne einen Gleichspan­ nungswandler auf eine vorbestimmte Spannung gebracht werden; das Vorsehen eines Gleichspannungswandlers zum Laden des ka­ pazitive Eigenschaften aufweisenden Elements ist nicht erfor­ derlich.

Der Wegfall des Gleichspannungswandlers muß nicht oder jeden­ falls nicht durch einen nennenswerten anderweitigen Mehrauf­ wand kompensiert werden.

Insbesondere muß das induktive Eigenschaften aufweisende Ele­ ment, über welches das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element geladen wird, kein eigens für diesen Zweck vorgesehe­ nes induktive Eigenschaften aufweisendes Element sein; hier­ für kann dasjenige induktive Eigenschaften aufweisende Ele­ ment verwendet werden, über das auch das piezoelektrische Element geladen und/oder entladen wird.

Der zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements zu treibende Aufwand läßt sich so auf ein Minimum reduzieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent­ nehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements,

Fig. 2 die sich beim Laden des Kondensators 9 in der Anord­ nung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverhältnisse,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der nachfolgend näher beschriebenen Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements,

Fig. 4 die sich beim Laden des Kondensators 9 in der Anord­ nung gemäß Fig. 3 einstellenden Spannungs- und Stromverhältnisse,

Fig. 5 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements,

Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhält­ nisse,

Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder ge­ öffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse,

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 ge­ schlossen) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellen­ den Verhältnisse,

Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 5 wieder geöffnet) in der Schaltung nach Fig. 5 einstellenden Verhältnisse,

Fig. 10 eine herkömmliche Anordnung zum gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Laden und Entladen mehrerer piezoelektrischer Elemente.

Das piezoelektrische Element, dessen Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, ist beispielsweise als Stellglied in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz des piezoelektri­ schen Elements besteht jedoch keinerlei Einschränkung; das piezoelektrische Element kann grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.

Bei den nachfolgend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Laden eines piezoelektrischen Elements erfolgt das Laden und Entladen wie bei den Anordnungen gemäß den Fig. 5 und 10, also unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufweisenden Element zum piezoelek­ trischen Element oder umgekehrt, wobei das kapazitive Eigen­ schaften aufweisende Element vor dem Laden des piezoelektri­ schen Elements auf eine vorbestimmte Spannung geladen wird. Im Gegensatz zu den in den Fig. 5 und 10 gezeigten Anord­ nungen erfolgt das Laden des kapazitive Eigenschaften aufwei­ senden Elements auf eine vorbestimmte Spannung über ein in­ duktive Eigenschaften aufweisendes Element.

Die nachfolgend näher beschriebenen Anordnungen sind wie bei­ spielsweise die in Fig. 10 gezeigte Anordnung Anordnungen zum gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Laden mehrerer piezoelektrischer Elemente. Es sei jedoch bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß hierauf keine Einschränkung besteht. Das nachfolgend näher beschriebene Verfahren und die nachfolgend beschriebene Vorrichtung können wie die Anordnung gemäß Fig. 5 auch zum Laden von nur einem piezoelektrischen Element ausgelegt sein.

Der Aufbau der nachfolgend näher beschriebenen (in den Fig. 1 und 3 gezeigten) Anordnungen stimmt größtenteils mit dem Aufbau der Anordnung gemäß Fig. 10 überein. Wie aus einer Gegenüberstellung der Fig. 1 und 10 bzw. 3 und 10 ersichtlich ist, bestehen bei den zum Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente vorgesehenen Bestandteilen der jeweiligen Anordnungen kein Unterschiede. Mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnete Elemente entsprechen einander und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals beschrieben; es wird auf die sich auf die Fig. 5 bis 10 beziehenden Ausführungen verwiesen.

Wie die Gemeinsamkeiten im Aufbau der Anordnungen schon ver­ muten lassen, erfolgt bei den nachfolgend beschriebenen (bei den in den Fig. 1 und 3 gezeigten) Anordnungen das Laden und das Entladen der piezoelektrischen Elemente wie bei der Anordnung gemäß Fig. 10. Unterschiedlich ist "nur", wie das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element, unter Verwen­ dung dessen die piezoelektrischen Elemente geladen und ent­ laden werden, also der Kondensator 9 (nach-)geladen wird. Die Elemente, die bei der Anordnung gemäß der Fig. 10 vorgesehen waren, um den Kondensator 9 (nach-)zuladen, also die Batterie 7 und der Gleichspannungswandler 8, sind bei den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 3 nicht mehr vorhanden.

Die damit in Zusammenhang stehenden Veränderungen der vor­ liegend näher betrachteten Anordnungen gegenüber der Anord­ nung gemäß Fig. 10 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 näher beschrieben.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 sind die Batterie 7 und der Gleichspannungswandler 8 durch eine mit einem Pol auf Massen liegenden Batterie 21, eine der Batterie 21 (deren anderen Pol) nachgeschaltete Diode 22, einen der Diode 22 nach­ geschalteten und mit der Spule 2 verbundenen ersten Auswahl­ schalter 23, und einen zweiten Auswahlschalter 24 ersetzt.

Die die Batterie 21, die Diode 22 und den ersten Auswahl­ schalter 23 umfassende Reihenschaltung, welche nachfolgend der Einfachheit halber als Kondensatorladezweig 25 bezeichnet wird, ist zwischen der Spule 2 und den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n angeordnet und parallel zu den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n geschaltet; der zweite Auswahlschalter 24 ist zwischen dem Kondensatorladezweig 25 und den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n angeordnet.

Über die Auswahlschalter 23 und 24 ist einstellbar, ob der Kondensatorladezweig 25 oder die Piezozweige 11, 12, . . . 1n über die Spule 2 mit den dieser vorgeschalteten Elementen (dem Kondensator 9, dem Ladeschalter 3, dem Entladeschalter 5 und den Dioden 4 und 6) verbunden sind.

Bei geöffnetem ersten Auswahlschalter 23 und geschlossenem zweiten Auswahlschalter 24 sind

• - die Piezozweige 11, 12, . . . 1n über die Spule 2 mit den dieser vorgeschalteten Elementen verbunden, und
• - der Kondensatorladezweig 25 vom Rest der Schaltung ge­ trennt.

Bei geschlossenem ersten Auswahlschalter 23 und geöffnetem zweiten Auswahlschalter 24 sind

• - der Kondensatorladezweig 25 über die Spule 2 mit den dieser vorgeschalteten Elementen verbunden, und
• - die Piezozweige 11, 12, . . . 1n vom Rest der Schaltung ge­ trennt.

Im erstgenannten Fall (erster Auswahlschalter 23 geöffnet, zweiter Auswahlschalter 24 geschlossen) können die piezoelek­ trischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ wie eingangs unter Bezug­ nahme auf die Fig. 5 bis 10 beschrieben geladen und ent­ laden werden.

Im letztgenannten Fall (erster Auswahlschalter 23 geschlos­ sen, zweiter Auswahlschalter 24 geöffnet) kann der Kondensa­ tor 9 auf eine vorbestimmte Spannung (nach-)geladen werden.

Das (Nach-)Laden des Kondensators 9 erfolgt unter Durchfüh­ rung eines über die Spüle 2 erfolgenden Ladungstransportes von der Batterie 21 zum Kondensator 9.

Das Laden des Kondensators 9 erfolgt im betrachteten Beispiel getaktet, genauer gesagt unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Entladeschalters 5; der Ladeschalter 3 bleibt hierbei geöffnet.

Beim Schließen des Entladeschalters 5 wird ein aus einer Reihenschaltung aus der Batterie 21, der Diode 22, und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet. In diesem Stromkreis fließt ein Strom, durch den in der Batterie 21 gespeicherte Energie (ein Teil derselben) in die Spule 2 transferiert wird.

Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben wird ein aus einer Reihenschaltung aus der Batterie 21, der Diode 22, der Spule 2, der Diode 4, und dem Kondensator 9 bestehender ge­ schlossener Stromkreis gebildet. In diesem Stromkreis fließt ein Strom, durch den die in der Spule 2 gespeicherte Energie in den Kondensator 9 transferiert wird; die Diode 22 verhin­ dert, daß in der Spule 22 gespeicherte Energie in die Batte­ rie 21 zurückgespeist wird. Durch den Energietransfer von der Spule 2 zum Kondensator 9 wird dieser geladen; die sich am Kondensator 9 einstellende Spannung nimmt mehr oder weniger stark zu.

Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge­ wünschten zeitlichen Verlauf des Kondensator-Ladevorgangs) wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Ent­ ladeschalters 5 nimmt die im Kondensator gespeicherte Energie und damit auch die sich am Kondensator 9 einstellende Span­ nung weiter zu.

Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent­ ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nimmt die sich am Kondensator 9 einstellende Spannung stufenweise zu.

Dies ist in Fig. 2 veranschaulicht. Von den in der Fig. 2 gezeigten Kurven zeigt die mit dem Symbol gekennzeichnete Kurve den Verlauf des sich an der Spule 2 einstellenden Stromflusses, und die mit dem Symbol ◊ bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am Kondensator 9 einstellenden Spannung. Der im Takt des wiederholten Schließens und Öffnens des Entlade­ schalters 5 variierende Strom hat eine stufenweise Erhöhung der sich am Kondensator 9 einstellenden Spannung zur Folge.

Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma­ len geschlossen und geöffnet und/oder hat der Kondensator 9 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des Kondensators 9 durch Offenlassen des Entladeschalters 5 been­ det.

Der Kondensator 9 kann auf diese Weise ohne einen Gleich­ spannungswandler, also mit einem erheblich geringeren Aufwand als bisher wunschgemäß weit (nach-)geladen werden.

Entsprechendes gilt für die in Fig. 3 gezeigte Anordnung. Bei der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung sind die Batterie 7 und der Gleichspannungswandler 8 durch eine mit einem Pol auf Masse liegende Batterie 31, einen der Batterie (deren anderen Pol) nachgeschalteten Spule 32, einen der Spule 32 nachgeschalteten und mit Masse verbundenen Kondensator-Lade­ schalter 33, und einen zwischen der Spule 2 und den Piezo­ zweigen 11, 12, . . . 1n vorgesehenen Auswahlschalter 34 er­ setzt, wobei die Spule 32 die Primärwicklung eines die Spule 2 als Sekundärwicklung aufweisenden Übertragers ist.

Die die Batterie 31, die Spule 32 und der Kondensator-Lade­ schalter 33 umfassende Reihenschaltung, welche nachfolgend der Einfachheit halber als Kondensatorladekreis 35 bezeichnet wird, ist "nur" über den Übertrager (transformatorisch) mit den restlichen Bestandteilen der Anordnung gekoppelt; eine anderweitige Verbindung zwischen dem Kondensatorladekreis 35 und den restlichen Bestandteilen der Anordnung besteht nicht.

Über die Betätigung und die Stellung des Kondensator-Lade­ schalters 33 und des Auswahlschalters 34 ist einstellbar, ob der Kondensatorladekreis 35 oder die Piezozweige 11, 12, . . . 1n über die Spule 2 mit den dieser vorgeschalteten Elementen (dem Kondensator 9, dem Ladeschalter 3, dem Entladeschalter 5 und den Dioden 4 und 6) verbunden sind.

Bei geschlossenem Auswahlschalter 34 sind die Piezozweige 11, 12, . . . 1n über die Spule 2 mit den dieser vorgeschalteten Elementen verbunden, wodurch die in den Piezozweigen enthal­ tenen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ wie ein­ gangs unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 10 beschrieben geladen und entladen werden können.

Bei geöffnetem zweiten Auswahlschalter 34 sind die Piezo­ zweige 11, 12, . . . 1n vom Rest der Schaltung getrennt. In diesem Zustand kann der Kondensator 9 über den Kondensator­ ladekreis 35 auf eine vorbestimmte Spannung (nach-)geladen werden. Das (Nach-)Laden des Kondensators 9 erfolgt unter Durchführung eines über den aus der Spule 2 und der Spule 32 bestehenden Übertrager erfolgenden Ladungstransportes von der Batterie 31 zum Kondensator 9.

Das Laden des Kondensators 9 erfolgt im betrachteten Beispiel getaktet, genauer gesagt unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Kondensator-Ladeschalters 33; der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 bleiben hierbei geöffnet.

Durch das Schließen des Kondensator-Ladeschalters 33 wird der Kondensatorladekreis 35 zu einem geschlossenen Stromkreis. In diesem Stromkreis fließt ein Strom, durch den in der Batterie 31 gespeicherte Energie (ein Teil derselben) in die Spule 32 transferiert wird.

Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Kondensator-Ladeschalters 33 erfolgenden Öffnen desselben wird die im Übertrager gespeicherte Energie über dessen Sekundärwicklung (die Spule 2) und die Dioden 4 und/oder 6 in den Kondensator 9 transferiert. Dadurch nimmt die sich am Kondensator 9 einstellende Spannung mehr oder weniger stark zu.

Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge­ wünschten zeitlichen Verlauf des Kondensator-Ladevorgangs) wird der Kondensator-Ladeschalter 33 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vor­ gänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Kondensator-Ladeschalters nimmt die im Kondensator 9 gespei­ cherte Energie und damit auch die sich am Kondensator 9 ein­ stellende Spannung weiter zu.

Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Kondensator-Ladeschalters 33 eine Vielzahl von Malen, so nimmt die sich am Kondensator 9 einstellende Spannung immer mehr zu.

Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht. Von den in der Fig. 4 gezeigten Kurven zeigt die mit dem Symbol gekennzeichnete Kurve den Verlauf des sich primärseitig am Übertrager (im Kondensatorladekreis 35) einstellenden Stromflusses, die mit dem Symbol ◊ bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am sekun­ därseitig am Übertrager einstellenden Stromflusses, und die nicht mit Symbolen gekennzeichnete Kurve die sich Kondensa­ tor 9 einstellenden Spannung. Der im Takt des wiederholten Schließens und Öffnens des Kondensator-Ladeschalters 33 variierende Strom hat eine stufenweise Erhöhung der sich am Kondensator 9 einstellenden Spannung zur Folge.

Wurde der Kondensator-Ladeschalter 33 eine vorbestimmte An­ zahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat der Kondensator 9 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des Kondensators 9 durch Offenlassen des Kondensa­ tor-Ladeschalters 33 beendet.

Der Kondensator 9 kann auf diese Weise ohne einen Gleich­ spannungswandler, also mit einem erheblich geringeren Aufwand als bisher wunschgemäß weit (nach-)geladen werden.

Wenn durch die jeweiligen Anordnungen zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen wie vorliegend ein getaktetes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente erfolgt, läßt sich das beschriebene Ersetzen des Gleichspannungs­ wandlers mit einem besonders geringen Aufwand realisieren. Dann kann das (Nach-)Laden des Kondensators 9 teilweise unter Verwendung von Schaltungsteilen erfolgen, die für das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente ohnehin vorgese­ hen werden müssen.

Nichtsdestotrotz besteht hierauf keine Einschränkung. Ein wie beschrieben erfolgendes (Nach-)Laden des Kondensators 9 kann auch zum Einsatz kommen, wenn die piezoelektrischen Elemente nach beliebigen anderen Verfahren geladen und/oder entladen werden.

Daß zum (Nach-)Laden des Kondensators 9 Schaltungsteile mit­ benutzt werden, die auch zum Laden und Entladen der piezo­ elektrischen Elemente benötigt werden, hat keine nachteiligen Auswirkungen auf das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente. Es ist lediglich darauf zu achten, daß das Laden oder das Entladen der piezoelektrischen Elemente und das (Nach-)Laden des Kondensators 9 nicht zeitgleich erfolgen können. Wegen der extrem kurzen Lade- und Entladezeiten ist diese Einschränkung jedoch unerheblich.

Durch ein wie beschrieben erfolgendes Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen läßt sich der hierfür zu trei­ bende Aufwand auf ein Minimum reduzieren.

Claims (9)

1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften auf­ weisenden Element (9) zum piezoelektrischen Element (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) oder umgekehrt, wobei das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element (9) vor dem Laden des piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) auf eine vorbestimmte Spannung geladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden des kapa­ zitive Eigenschaften aufweisenden Elements (9) auf eine vor­ bestimmte Spannung über ein induktive Eigenschaften aufwei­ sendes Element (2; 2, 32) erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden des kapazitive Eigenschaften aufweisenden Elements (9) getaktet erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung wiederholt abwechselnd in einen ersten Zustand und in einen zweiten Zustand versetzt wird, wobei im ersten Zustand der Vorrichtung Energie in das induk­ tive Eigenschaften aufweisende Element (2; 2, 32) trans­ feriert wird, und wobei im zweiten Zustand der Vorrichtung im induktive Eigenschaften aufweisenden Element (2; 2, 32) ge­ speicherte Energie in das kapazitive Eigenschaften aufwei­ sende Element (9) transferiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Laden des kapazitive Eigen­ schaften aufweisenden Elements (9) ausschließlich zu Zeiten erfolgt, zu denen das piezoelektrische Element (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) nicht geladen oder entladen wird.

5. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri­ schen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) unter Durchführung eines Ladungstransports von einem kapazitive Eigenschaften aufwei­ senden Element (9) zum piezoelektrischen Element (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) oder umgekehrt, wobei das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element (9) vor dem Laden des piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) auf eine vorbestimmte Spannung geladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden des kapa­ zitive Eigenschaften aufweisenden Elements (9) auf eine vor­ bestimmte Spannung über ein induktive Eigenschaften aufwei­ sendes Element (2; 2, 32) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Eigenschaften aufweisende Element (9) ein Pufferkondensator ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das induktive Eigenschaften aufweisende Element (2; 32) ein Schaltungsteil ist, über den auch das piezoelektri­ sche Element (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) geladen und entladen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Eigenschaften auf­ weisende Element (2; 2, 32) eine Spule, ein Übertrager, oder eine Wicklung eines Übertragers ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Auswahlschalter (23, 24; 34) vorgesehen sind, über welche die Vorrichtung wahlweise zum Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements (11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁) oder zum Laden des kapazitive Eigenschaften auf­ weisenden Elements (9) konfigurierbar ist.