CN101841251B

CN101841251B - 用于压电变换器的发生器

Info

Publication number: CN101841251B
Application number: CN2010101344408A
Authority: CN
Inventors: D·克洛普芬斯坦; D·鲍尔
Original assignee: TIP TOP TIPS SARL
Current assignee: Ozontech Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: EP2230027B1; IL204501A0; JP2010220466A; RU2010109757A; IL204501A; US8217552B2; JP5346309B2; CN101841251A; RU2473154C2; US20100231090A1; EP2230027A1

Abstract

一种用于压电变换器的发生器，特别是用于医学或牙科应用的压电电动机的发生器，其包括：两个变压器(11A，11B)，每一个变压器包括初级绕组(L1)和次级绕组(L2)；以及由超声频率振荡器驱动的四个开关(19A，19B，21A，21B)，所述四个开关中的两个(21A，21B)被设计为将每一个变压器的次级绕组交替地连接到压电负载(5)，并且另外两个开关(19A，19B)被设计为将两个初级绕组交替地连接到电源(17)，从而在被称为“正半周期”的第一半周期期间，所述两个变压器之一的初级绕组被充电，而另一个变压器的次级绕组向所述压电负载放电，并且从而在被称为“负半周期”的第二半周期期间，所述一个变压器的次级绕组向所述压电负载放电，而所述另一个变压器的初级绕组被充电。

Description

用于压电变换器的发生器

技术领域

本发明涉及用于对压电变换器供电的发生器，所述发生器特别地可用于牙科中(在本申请中，表述“压电变换器”是指将电信号转换成另一种量的任何压电器件。特别地，根据该定义，压电电动机是压电变换器的一个例子)。

背景技术

已知压电变换器的阻抗往往会根据其受到的操作条件而显著变化。一方面，对于与串联共振对应的频率，压电器件的阻抗达到其最小值，而另一方面，机械负载的增加会引起阻抗的增大。阻抗的这些变化涉及特定的问题。实际上，如果通过“电流源”型发生器为变换器供电，则输送到变换器的电力与阻抗成比例。由此电力可能以不可控方式增大。由此，例如，如果使用设备进行刮牙，则在想要去除结石的同时很可能损伤牙齿。另一方面，如果通过“电压源”型发生器为变换器供电，则所提供的电力会根据双曲线定律而随着阻抗的增加而减小。由此，当需要较大的机械功时，发生器将产生较小的电力；这不是真正理想的。另外，当不存在机械负载时，施加到变换器的电力会以不可控方式增大，这可导致压电工具的断裂。

专利文件FR 2391001提出了对上述问题的解决方案。在该文件中描述的用于对压电变换器供电的发生器包括变压器，该变压器的初级绕组受到振荡器激励，并且该变压器的次级绕组被连接以对变换器供电。通过恒流发生器(电流源)和电压发生器(电压源)并联地对振荡器本身供电。提供这样的装置，只要负载的阻抗保持为低于可调节阈值，则该装置阻断电压发生器，相反地，一旦负载的阻抗超过可调节阈值，就阻断电流发生器。

根据上述文件绘制的图1A是示出分别在最小电力(曲线I)、中间电力(曲线II)和最大电力(曲线III)的情况下根据变换器的阻抗Z而输送的电力P的图。如果考虑与中间电力对应的曲线II，可以看到，只要变换器的阻抗Z保持为低于参考阈值Zb，被输送到变换器的电力P就随着阻抗成比例地增大。如果阻抗超过阈值，则恒流发生器被阻断，电压发生器被释放。从此时起，所输送的电力根据双曲线定律的随着阻抗的增长而减小。

刚才描述的用于对压电变换器供电的发生器具有仅对十分精确的变换器阻抗值才能提供最大电力的缺点(如图1A的曲线I和II的通常为三角形的形式所揭示的)。本发明的目标是提供一种在阻抗变化的时段输送相当恒定的电力的发生器(如图1B的第一曲线的通常为梯形的形状所示)。

发明内容

本发明通过提供根据所附权利要求1的用于向压电变换器供电的发生器而实现该目的。

附图说明

通过阅读仅作为非限制性实例而给出的且参考附图进行的以下描述，本发明的其他特性和优点将得以显现，在附图中：

图1A是由现有技术的发生器输送的电力随着压电变换器的阻抗而变化的曲线图；

图1B是由根据本发明的发生器输送的电力与由现有技术的发生器输送的电力之间的比较的曲线图；

图2是本发明的特定实施例的电学图示；以及

图3A、3B和3C是分别与压电变换器的阻抗的三种数值对应的三种曲线图，其示出了在图2的发生器的变压器的绕组中的电流和电压。

具体实施方式

图2是根据本发明的特定实施例的发生器的电学图示。用于向压电变换器供电的发生器包括两个电压器11A和11B，每一个变压器包括初级绕组L1和次级绕组L2。这两个次级绕组L2通过其一个端子而被连接到压电器件5的一个极，并且通过其另一个端子而被连接到地；二极管(分别为13和15)进一步被插入在每一个次级绕组与压电器件5之间。

电压器11A和11B的每一个初级绕组L1与开关(分别为19A和19B)串联地连接在电源的端子之间。在本实例中，电源由被标号为17的电压源形成，该电压源的一个端子被连接到两个初级绕组L1，而另一个端子被连接到地。开关19A和19B以及本说明书中提到的所有其他开关为电控开关，其可以以晶体管的形式得以实现。除了均被连接到两个变压器之一的次级绕组L2之外，压电变换器5的两个极还分别通过二极管23和开关21B、二极管25和开关21A而连接到地。这意味着，一方面，压电变换器5与二极管13、二极管25和开关21A串联地连接在变压器11A的次级绕组L2的端子之间，另一方面，压电变换器5还与二极管15、二极管23和开关21B串联地连接在变压器11B的次级绕组L2的端子之间。

将通过第一振荡控制信号(这里表示为“直接”信号)驱动开关19A和21B，同时将通过与第一振荡控制信号反相的第二振荡控制信号(此后表示为“反相”信号)驱动其他开关19B和21A。在本实例中，这两个控制信号都来自同一振荡器27，该振荡器提供由正和负半周期的连续序列构成的方波电压。在负半周期期间，开关19A和21B打开，而开关19B和21A闭合。在正半周期期间则相反。在负半周期期间，由变压器11A的次级绕组L2、压电变换器5、二极管13和25以及开关21A形成的电路闭合，并且存储在变压器11A中的能量被传输到负载。同时，开关19B闭合，并且变压器11B的初级绕组L1被直接连接到电压源17。流经初级绕组的电流引起磁通量的增加。由此将能量存储在磁路中。在正半周期期间则相反。在包括压电变换器5、二极管15和23以及开关21B的电路中放电时变压器11B的次级绕组L2回给出其能量，而流经变压器11A的初级绕组L1的电流在其磁路中存储感应能量。图3A的曲线图示出变压器11A或11B之一的绕组L1、L2和L3中的电流和电压特性。可以看出，变压器的初级绕组中的电流IL1在降低到零之前的半周期期间规则地增长，并且在接下来的半周期期间保持为零。在两个半周期之间的过渡处，次级绕组占优势。可以看出，其强度正减小的电流IL2在次级绕组中流通。在所示例的实例中，电流IL2流通，直到所存储的能量被完全耗尽。次级绕组的端子之间的电压UL2的变化与IL2的强度的变化相似。

应理解，具有两个变压器11A和11B以及交替地将压电变换器5连接到一个变压器然后再连接到另一个变压器的事实允许向压电变换器5供给交流电压。另外，本领域技术人员将理解，简言之，开关19A、19B、21A和21B的作用是驱动变压器11A和11B以使它们以常称为“回扫”的模式起作用。

从图2还可以看出，两个电阻(标号分别为39A和39B)与初级绕组L1以及开关19A和19B串联连接。分别提供电阻39A和39B以允许测量在变压器11A和11B的初级绕组L1中流通的电流的强度。可以使用L1中的电流的测量，以允许检测该电流的强度的最大值。该最大值表明压电变换器5在其共振频率下振动。实际上，如已经说过的，压电器件的阻抗在共振频率下达到其最小值。由此，在共振频率下，连接在次级绕组L2的端子之间的负载最小。在这种条件下，可发生负载不足以完全耗尽存储在变压器中的能量的情况。图3B的曲线图示例出该情况。参考该曲线图，可以看出，当负载特别低时，在半周期结束之前，电流IL2和电压UL2没有时间去减低到零。此外，在接下来的半周期开始时在初级绕组中发现在次级绕组中未耗尽的能量。该未耗尽的能量是造成在半周期开始时在初级绕组L1中出现电流IL1的原因(图3B)。由此可以理解，当低于特定的阈值时，阻抗越低，初级绕组中的电流IL1的强度越大。因此，最大强度的电流IL1表明变换器在共振下振动。流经电阻39A和39B的电流IL1的测量可以有利地用于反馈环路(未示出)中以驱动振荡器27，以使其在压电变换器5的共振频率下振荡。

从图2可以看出，变压器11A和11B中的每一个还包括三级绕组L3。变压器11A的绕组L3与二极管31和一个电阻35串联地连接在电压源17与地之间。类似地，变压器11B的绕组L3与二极管33和一个电阻37串联地连接在电压源17与地之间。在下文中可以更详细地看出，L3绕组的作用是限制从次级绕组L2提供的最大电力。

L2中的电流强度的当存储在其中一个变压器中的能量被传输到负载时而降低的速度自然地取决于与负载相关的阻抗。阻抗越大，电流降低得越快，并且次级绕组的端子之间的电压越高。图3B的曲线图描述了在压电变换器5上的机械负载特别高的情况下图2的发生器的特性。从图3B可以看出，与图3A中的情况相比，电流IL2的强度的降低速度显著更快。并且，与图3A中的情况相比，在半周期开始时的电压UL2也显著更高。可以理解，如果由于这种或那种的原因，压电变换器上的机械负载以不可控方式增大，则UL2的输出电压很可能增大到毁坏发生器的程度。这就是为什么在该实例中每一个变压器11A和11B都包括与初级和次级绕组L1和L2感应耦合的三级绕组L3的原因。

再次参考图2，可以看出，二极管31和33通过其阴极而连接到绕组L3，并且通过其阳极而连接到地。由于每一个绕组L3的另一个端子连接到电压源17的正端子，二极管通常经受负电压UL3。在这种条件下，二极管31和33阻止电流通过。然而，如果在L3中感应的电压超过连续的电源电压，则在二极管上产生的电压UL3瞬间变为正性的，并且电流IL3开始在L3中流通。该瞬间电流IL3具有限制绕组L2的端子之间的电压UL2的作用。绕组L3的存在由此可以将电压UL2限制在通过选择在感应L2与L3的值之间的关系而确定的值。

图1B是包括第一曲线的曲线图，该第一曲线示出由刚才描述过的发生器提供的电力随着压电变换器的阻抗而变化的特性。该曲线图还包括如在已经提到的专利文件FR 2391001中所描述的现有技术的发生器的特性。从图1B可以看出，第一曲线包括第一增大部分、第二恒定部分和最后的第三减小部分。第二部分占据了该曲线图的所有中心部分，由此对应于阻抗的中间值。在该间隔中，由根据本发明的发生器提供的电力相当恒定，并且该发生器的特性对应于由图3A的曲线图所描述的特性。曲线的第一部分对应于在半周期的结束之前不足以完全耗尽存储在变压器中的能量的阻抗值。曲线的该第一部分对应于这样的间隔，其中发生器的特性类似于由图3C的曲线图所描述的特性。在该间隔中，被供给的电力与阻抗成比例地减小。曲线的第三部分对应于最高阻抗。在该区域中发生器的特性对应于由图3B的曲线图所描述的特性。在该区域中，次级绕组L2的端子间的电压y受到绕组L3的限制，由此电流随着阻抗增加而减小。

本发明的另一个优点在于，变压器11A和11B在压电变换器5与电源17之间产生电绝缘。在图2中，用虚线40中的矩形表示发生器被分成两个区域，这两个区域通过电绝缘而被分隔。从图2还可以看出，开关21A和21B在虚线中的矩形内。为了确保在开关的驱动电平下电绝缘，在振荡器27与一个放大器/反相器45之间插入被设计为驱动两个开关的光耦合器43。

Claims

1.一种用于压电变换器的发生器，其包括：两个变压器(11A，11B)，每一个变压器包括初级绕组(L1)和次级绕组(L2)；以及由超声频率振荡器驱动的四个开关(19A，19B，21A，21B)，所述四个开关中的两个(21A，21B)被设计为将每一个变压器的次级绕组交替地连接到压电负载(5)，并且另外两个开关(19A，19B)被设计为将两个初级绕组交替地连接到电源(17)，从而在被称为“正半周期”的第一半周期期间，所述两个变压器之一的初级绕组被充电，而另一个变压器的次级绕组向所述压电负载放电，并且从而在被称为“负半周期”的第二半周期期间，所述一个变压器的次级绕组向所述压电负载放电，而所述另一个变压器的初级绕组被充电。

2.根据权利要求1的用于压电变换器的发生器，其中每一个变压器包括维持在固定电压下的三级绕组(L3)以及二极管(31，33)，所述二极管与所述三级绕组串联，以限制所述三级绕组(L3)的端子之间的负电压。

3.根据权利要求1的用于压电变换器的发生器，其中所述两个变压器(11A，11B)中的至少一个包括用于测量所述初级绕组(L1)中的电流的电路(39A，39B)，以允许以检测由从前一半周期剩余的未耗尽的能量的存在而引起的电流的可能的梯形形状的这种方式来监测所述电流的形状。

4.根据权利要求2的用于压电变换器的发生器，其中所述两个变压器(11A，11B)中的至少一个包括用于测量所述初级绕组(L1)中的电流的电路(39A，39B)，以允许以检测由从前一半周期剩余的未耗尽的能量的存在而引起的电流的可能的梯形形状的这种方式来监测所述电流的形状。

5.根据权利要求2的用于压电变换器的发生器，其中所述两个变压器(11A，11B)中的至少一个包括附加电路(35，37)，其用于测量所述三级绕组(L3)中的电流，以允许检测电流是否流经所述三级绕组，并由此检测在所述三级绕组的端子之间的负电压是否已受到限制。

6.根据权利要求4的用于压电变换器的发生器，其中所述两个变压器(11A，11B)中的至少一个包括附加电路(35，37)，其用于测量所述三级绕组(L3)中的电流，以允许检测电流是否流经所述三级绕组，并由此检测在所述三级绕组的端子之间的负电压是否已受到限制。