CN101027833A - 用于压电马达的驱动电路 - Google Patents

Abstract

在根据本发明的方法和设备(100)中，利用具有相互相位差的两个电压来驱动压电致动器(50)的两个压电单元(10，20)。所述压电单元(10，20)之一由电容电压升压装置(61，62)充电到超过可用电源电压(VS)的电压。电容器耦合到该压电单元(10，20)，该电容器对该压电单元(10，20)的电压进行分压而且同时将存储于该压电单元(10，20)中的能量的一部分传送。传送到所述电容器的部分能量随后传送回到所述压电单元(10，20)，提供了节能特征。通过提供所需相位差以相似的方式驱动第二压电单元(10，20)。在又一实施例中使用均衡电容器来校正两个驱动信号的波形。

Description

用于压电马达的驱动电路

技术领域

本发明涉及一种节能压电单元驱动设备和一种用于驱动压电单元的方法。本发明还涉及一种包括压电单元驱动设备的设备。

背景技术

压电致动器(actuator)在成像系统中用来调节缩放的位置和聚焦透镜系统。压电致动器也在其它系统中用来移动小型物体。操作所述压电致动器需要提供适当驱动电压的驱动设备。通过使用在耦合到激活电压时会偏转、扩张或者收缩的一个或多个压电单元来实施压电致动器。

涉及移动设备的一个方面在于可用电源的电压通常低于压电单元的最优驱动电压。通常使用电压升压(step-up)装置生成高于电源电压的驱动电压，这些电压升压装置耦合到压电单元以便提供去往和来自所述电压升压装置的电荷传送。另外在移动系统中，可用电源通常是具有有限容量的电池。因此与压电单元的驱动有关的能量消耗在移动系统中尤其成问题。

压电单元包括基本意义上的内部电容，该电容在压电单元通过耦合到驱动电压进行充电时存储能量。美国专利第6,563,251号揭示了一种用于具有电容马达相位的致动器的驱动设备。所述专利指出：可以存储在放电操作期间从压电单元释放的能量以备用于后续的充电操作。所述专利揭示了以能量高效的方式将电压源组用于对压电单元进行充电/放电。可以对这些电压源中的至少一个电压源进行电容性的缓冲以便提供又一节能特征。电压升压器件被用来增加驱动电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于驱动压电单元的节能设备和方法以及一种包括节能压电单元驱动设备的设备。本发明的又一目的在于对实施压电单元驱动设备所需要的电压升压装置进行简化。

为达到这些目的，根据本发明的设备和方法的特征主要在于将在独立权利要求的特征部分中记载的内容。在从属权利要求中记载与本发明有关的更多细节。

根据本发明的设备和方法的特征主要在于在压电单元与至少一个电容器之间执行电荷传送，所述至少一个电容器在所述电荷传送期间从电压升压装置断开。因此，可以再利用在压电单元中存储的一部分电容能量，这提高了能量效率。另外，将所述至少一个电容器用作能量存储器就允许了对于仅包括少量组件的能量高效电压升压装置的运用。

通过下文给出的描述和例子以及通过附图，本发明的实施例及其益处对于本领域技术人员而言将变得更明显。

附图说明

在以下例子中将参照附图更为具体地描述本发明的实施例，在附图中：

图1a-1d示出了基于两个独立可偏转的压电单元的压电致动器的不同工作阶段，

图2示出了根据本发明的压电单元驱动设备的图，

图3通过例子示出了根据图2的压电单元驱动设备的时序图，

图4通过例子示出了在根据图2的压电单元驱动设备的输出处的所得电压波形，

图5示出了包括根据本发明的压电单元驱动设备的移动设备，

图6示出了具有平衡电容器的根据本发明的压电单元驱动设备的图，以及

图7通过例子示出了在压电单元驱动设备的输出处的所得电压波形，其中该压电单元驱动设备包括用于将压电单元驱动设备的输出连接到电源电压的附加开关。

具体实施方式

参照图1a，压电致动器50可以包括连接在一起的两个独立可偏转的压电单元10、20。在所述两个压电单元10、20的连接点附近附接了突出件30。通过允许所述压电单元10、20偏转的支撑件40来支持压电单元10、20。当在所述压电单元10、20的电压端子11、12、21、22之间施加电压时改变每个压电单元10、20的偏转程度。压电单元10、20可以设计和优化成使用单极电压进行操作，即利用范围从零电压到最大电压的电压进行操作。压电单元10、20的内部电容器优选为相同。优选地，使用由本领域技术人员称为双压电晶片的可偏转压电单元来实施压电致动器50。

当交变电压耦合到电压端子11、12、21和22时以循环的方式改变所述两个压电单元的偏转程度。当耦合到两个压电单元的交变电压之间有相位差时，突出件30的顶端沿着闭合路径CP移动。优选地，相位差应当是90度。图1a至1d图示了致动器50的四个不同工作阶段。在图1c中省略了闭合路径CP以免附图变得不清楚。当突出物30的顶端定位在一个物体(未示出)附近时，它至少在图1c中所示的阶段中可能接触所述物体，而且将所述物体移向方向h。可以通过反转相位差的符号，即从90度到负90度来改变运动方向。

在理想情况下驱动波形将是正弦波形。然而，通常利用相当大地偏离于正弦形式的电压波形来驱动压电单元10、20。相位差也可能相当大地偏离于90度。相位差在这里是指这样一种情形：两个电压在不同的时刻瞬间到达它们的最大值和最小值。强调一点，使用相位差这一表述在这里不要求所述两个电压的波形必须相同。

参照图2，压电单元驱动设备100包括两个压电单元驱动单元91、92。压电单元驱动单元91、92的每一个包括电容电压升压装置61、62、输出101、102、用以将所述电容电压升压装置61、62连接到所述输出101、102的开关S1、S2、电容器C3、C4、用以将所述电容器连接到所述输出101、102的开关S3、S4、以及用以将所述输出101、102连接到接地GND的开关S5、S6。压电单元驱动设备100还包括为两个压电单元驱动单元91、92所共有的控制逻辑80和电源输入104。电源输入104耦合到提供电压VS的电源(未示出)。

使用脉冲发生器PA、PB、提供电流放大的缓冲器BA、BB、电容器C1、C2、以及场效应晶体管MA、MB来实施每个电容电压升压装置61、62。

通过将晶体管MA的栅极耦合到压电驱动单元92的节点106来获得用于场效应晶体管MA的驱动信号。相应地，晶体管MB的栅极耦合到压电单元驱动单元91的节点105。

控制逻辑80控制压电单元驱动设备100的开关S1、S2、S3、S4、S5和S6。控制逻辑80也控制脉冲发生器PA、PB的同步和相互相位差。控制逻辑80从耦合到信号输入82的控制单元(在图6中示出)接收命令信号。

压电致动器50的第一压电单元10耦合到第一输出101，而压电致动器50的第二压电单元耦合到第二输出102。每个压电单元10、20构成基本意义上的电容负载。

图3是对开关S1、S2、S3、S4、S5、S6的控制电压以及脉冲发生器PA、PB的输出电压进行图示的时序图。图3的曲线表现了高值/高态和低值/低态。就开关S1、S2、S3、S4、S5、S6而言，高态与闭合的开关相关联而低态与断开的开关相关联。就脉冲发生器PA、PB而言，高值表示了基本上等于电源电压VS的值，低值表示了基本上等于零电压(即接地GND的电压)的值。标线t表示了时间，而标线V表示了电压。

脉冲发生器PA的输出信号由缓冲器BA缓冲。在工作期间，脉冲发生器A的输出电压基本上在接地电压与电源电压VS之间交变，因而缓冲器BA的输出电压也是如此。场效应晶体管MA在缓冲器BA的输出电压基本上为零时被设置到导通状态。因而，电容器C1被充电到基本上等于电源电压VS的电压。接着，晶体管MA被设置到非导通状态。当脉冲发生器PA的输出电压基本上等于电源电压VS时，由电容电压升压装置61生成的电压基本上等于电源电压VS的两倍。因此，在工作期间，电压升压装置61生成介于VS与VS的两倍之间的电压。相应地，另一电压升压装置62生成介于VS与VS的两倍之间的电压。

图4示出了在压电单元驱动设备100的输出101、102处的所得电压波形。VA表示了输出101的电压，而VB表示了输出102的电压。

现在参照以循环的方式重复的四个工作步骤来描述单个压电单元驱动单元91的操作。标线t1、t2、t3和t4是指第一压电单元驱动单元91的第一、第二、第三和第四工作步骤的开始。如未说明，开关S1、S3和S5处于断开(非导通)状态。

在第一步骤中，在电压升压装置61的节点105处的电压等于VS的两倍。控制逻辑80发送闭合开关S1的命令。输出101由此耦合到电压升压装置61的节点105，电荷被传送到第一压电单元10，而所述第一压电单元10的电压基本上增加到两倍于VS的值。在第一步骤的结束，开关S1被断开。

在第二步骤中，开关S3被闭合。输出101耦合到电容器C3。电荷从第一压电单元10传送到电容器C3。电容器C3的电容优选为近似地与第一压电单元10的内部电容相同。然而，存在有某些存储于电容器C3中的残留电荷，因而输出101的电压被电容性地分压到略高于VS的值。起初存储于第一压电单元10中的能量的一部分现在存储于电容器C3中。在第二步骤的结束，开关S3被断开。

在第三步骤中，开关S5被闭合，因而第一压电单元10耦合到接地GND。输出101的电压现在基本上为零。在第三步骤的结束，开关S5被断开。

在第四步骤中，开关S3被闭合。电容器C3的初始电压略高于VS。输出101耦合到电容器C3。电荷从电容器C3传送到第一压电单元10。输出101的电压被电容性地分压，而起初存储于电容器C3中的能量的一部分现在被传送到第一压电单元10。在第四步骤的结束，开关S3被断开。残留电荷保留在电容器C3中以备用于下一重复循环。

现在，上述循环再次从第一步骤开始地自身重复，其中第一输出101再次耦合到由电压升压装置61生成的电压，所述电压基本上等于电源电压VS的两倍。

通过控制开关S2、S4、S6以相似的方式对第二压电单元驱动单元92进行操作。相对于第一压电单元驱动单元91的开关控制信号的时序而言，通过延迟或者提前第二压电单元驱动单元92的开关控制信号的时序来提供所需要的输出101和102的电压相位差。

可以使用本领域技术人员已知的各种基于半导体的技术和器件来实施开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、脉冲发生器PA、PB和控制逻辑80。例如可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管或者双极结晶体管来实施开关。

可以使用多个电容器C3、C4和相应切换装置S3、S4来实施压电单元驱动设备100的又一实施例。本领域技术人员可以选择这些多个电容器C3、C4和这些相应切换装置S3、S4的时序，使得在输出101、102处生成的电压波形基本上类似于所需波形如三角波形。

可以通过对电压升压装置进行级联以便提供例如四倍、六倍、八倍于电压电压VS的工作电压，来实施压电单元驱动设备100的又一实施例。

在又一实施例中，可以实施更多步骤，在这些步骤期间电容器C3、C4耦合到电压升压装置(61，62)以便交换电荷。可以使用又一开关(未示出)用以将电容器C3、C4直接地耦合到电压升压装置61、62。

参照图5，压电单元驱动设备100可以使用于移动设备300中，在该移动设备中压电单元驱动设备100连接到压电致动器50。优选地通过在专利申请PCT/US03/17611中描述的方式使用双压电晶片来实施压电致动器。控制单元200耦合到控制逻辑输入82以便控制致动器50的方向和速度。移动设备300例如可以是便携光学成像系统。在那一情况下移动设备300可以包括数个压电单元驱动电路100和压电致动器50用以调节数个透镜系统和光学组件的位置，以便调节所述便携光学成像系统的图像放大(缩放)、聚焦距离和孔径。对根据本发明的压电单元驱动电路100的运用在移动设备300中尤为有利，因为压电单元10、20能够在超过可用电源电压的电压处进行驱动、节省能量、最小化所需电压升压装置的数目，并且最小化电压升压装置中的内部功率损耗。

图6示出了压电单元驱动设备的又一实施例，包括均衡电容器C5、C6和用以将所述电容器C5、C6耦合到相应输出101、102的切换装置。在第一压电单元10与第二压电单元20之间有小的内部电容，即在压电致动器50的端子12与22之间有内部电容。所述内部电容可能潜在地造成输出101和102的波形之间的差异。使用均衡电容器C5、C6来补偿所述差异。均衡电容器C5、C6之一并联地连接于处于超前相位的压电单元10、20，而另一均衡电容器C5、C6断开。相位超前的均衡电容器在通过压电致动器50来移动的物体的单向移动过程中一直保持连接。所述均衡电容器被断开而另一电容器仅在该移动的方向反向时才被连接。

输出101、102的实际电压波形显著地偏离于理想的正弦波形。图6还示出了可以用来略微校正波形的更多开关S9和S10。在第四步骤中，输出101的电压低于电源电压VS。可以通过在第四工作步骤之后插入第五工作步骤来略微地校正输出101的波形。在所述第五工作步骤中，先通过断开开关S3将电容器C3从输出101断开，随后通过开关S9将输出101连接到电源电压VS。换而言之，电容器C3的电压保持低于电源电压VS，而该输出被耦合到VS。通过分别地断开开关S4、随后闭合开关S10来校正输出102的波形。图7通过例子示出了校正的波形。在图5中，标线t5表示第五工作步骤的开始。

对根据本发明的压电单元驱动设备100和方法的使用不限于对可偏转压电单元的驱动，而且也可以应用于驱动如例如在美国专利第6,703,762号中揭示的扩张型和收缩型压电单元。

移动设备可以包括仅一个压电单元驱动单元91、92。然而，在那一情况下应当使用又一电压升压装置来为所述压电单元驱动单元91、92的晶体管MA、MB提供驱动电压。

对于本领域技术人员来说不言而喻，对根据本发明的设备和方法的修改和变化是可以理解到的。参照附图和表格在上文中描述的特定实施例仅仅是说明性的而并不意味着限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (18)

1.一种压电单元驱动单元(91，92)，至少包括：

-可连接到压电单元的输出(101，102)，

-电压升压装置(61，62)，以及

-第一切换装置(S1，S2)，用以将所述电压升压装置(61，62)连接到所述输出(101，102)，

其特征在于所述单元(91，92)还包括：

-至少一个电容器(C3，C4)，以及

-第二切换装置(S3，S4)，用以将所述至少一个电容器(C3，C4)连接到所述输出(101，102)，

所述第一切换装置(S1，S2)、所述第二切换装置(S3，S4)和/或另一切换装置还提供用以将所述至少一个电容器(C3，C4)从所述电压升压装置(61，62)断开的装置。

2.根据权利要求1所述的单元，其特征在于所述压电单元驱动单元被优化用以驱动具有预定标称内部电容的压电单元(10，20)，而所述至少一个电容器(C3，C4)中至少一个电容器的电容基本上等于所述压电单元(10，20)的所述预定标称内部电容。

3.根据权利要求1或2所述的单元，其特征在于所述单元(91，92)还包括用以接收方向命令信号的装置(82)，而所述单元(91，92)还包括均衡电容器(C5，C6)和用以根据所述方向命令信号将所述均衡电容器(C5，C6)连接到所述输出(101，102)/从所述输出(101，102)断开的切换装置(S7，S8)。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的单元，其特征在于所述电压升压装置(61，62)的电压被设置为基本上在VS到VS的两倍这一电压范围中交变，其中VS是主电源电压。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的单元，其特征在于所述电压升压装置(61，62)使用场效应晶体管(MA，MB)来实施。

6.根据权利要求5所述的单元，其特征在于又一电压升压装置(61，62)被设置用以提供用于所述场效应晶体管(MA，MB)的驱动信号。

7.一种压电单元驱动设备(100)，其特征在于包括至少两个根据权利要求1至6中任一权利要求所述的单元(91，92)，所述至少两个单元(91，92)由共同的控制单元(80)控制并且由共同的电源供电。

8.一种用以驱动压电单元(10，20)的方法，至少包括以下步骤：

-使用电压升压装置(61，62)增加电源的电压，

-将电荷从所述电压升压装置(61，62)传送到所述压电单元(10，20)，

其特征在于所述方法还包括至少以下步骤：

-在至少一个电容器(C3，C4)与所述压电单元(10，20)之间执行电荷传送，所述至少一个电容器(C3，C4)在所述电荷传送期间从所述电压升压装置(61，62)断开。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述至少一个电容器(C3，C4)中至少一个电容器的电容被选择为基本上等于所述压电单元(10，20)的标称内部电容。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于根据方向命令信号将均衡电容器(C5，C6)连接到所述输出(101，102)/从所述输出(101，102)断开。

11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述电压升压装置(61，62)的电压基本上在VS到VS的两倍这一电压范围中交变，其中VS是主电源电压。

12.根据权利要求8至11中任一权利要求所述的方法，其特征在于所述电压升压装置(61，62)使用场效应晶体管(MA，MB)来实施。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于用于所述场效应晶体管(MA，MB)的驱动信号由另一电压升压装置(61，62)提供。

14.根据权利要求8至13中任一权利要求所述的方法，其特征在于利用两个输出电压来驱动两个压电单元(10，20)使得在所述两个输出电压之间存在有相互的相位差。

15.一种包括至少一个压电单元驱动设备(100)和至少一个压电致动器(50)的设备(300)，所述压电单元驱动设备(100)包括一个或多个压电单元驱动单元(91，92)，所述单元(91，92)又包括至少以下各项：

-可连接到压电单元的输出(101，102)，

-电压升压装置(61，62)，以及

-第一切换装置(S1，S2)，用以将所述电压升压装置(61，62)连接到所述输出(101，102)，

其特征在于所述单元(91，92)还包括：

-至少一个电容器(C3，C4)，以及

-第二切换装置(S3，S4)，用以将所述至少一个电容器(C3，C4)连接到所述输出(101，102)，

所述第一切换装置(S1，S2)、所述第二切换装置(S3，S4)和/或另一切换装置还提供用以将所述至少一个电容器(C3，C4)从所述电压升压装置(61，62)断开的装置。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于所述至少一个压电致动器(50)包括至少两个双压电晶片(10，20)。

17.根据权利要求15或16所述的设备，其特征在于所述设备(300)是移动设备。

18.根据权利要求15至17中任一权利要求所述的设备，其特征在于所述至少一个压电致动器(50)被设置用以调节聚焦或者缩放透镜系统的位置。

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