CN117813946A

CN117813946A - 用于操控压电驱动单元的方法

Info

Publication number: CN117813946A
Application number: CN202280052706.5A
Authority: CN
Inventors: H·施佩希特; F·沙茨
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2024-04-02
Also published as: WO2023006302A1; DE102021208125A1; US20240162840A1

Abstract

本发明涉及一种操控所述压电驱动单元(81)的方法。在此，第一操控信号被施加到所述压电驱动单元(81)的第一压电元件(95)的第一电极(90a)上。附加地，第二操控信号被施加到所述压电驱动单元(81)的第一压电元件(95)的第二电极(90b)上。第一操控信号构造为连续正的第一电压信号的形式。第二操控信号为恒定的第二电压信号。第一操控信号始终大于第二操控信号。

Description

用于操控压电驱动单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操控压电驱动单元的方法。附加地，本发明涉及一种用于操控压电驱动单元的电路装置和一种微机械振动系统。

背景技术

已知用于微镜的压电驱动器。通常，薄的PZT层在此被施加在硅元件上。通过向薄层施加电压，该层的厚度和其横向延伸尺度发生改变。与在温度影响下的双金属类似，由硅和PZT组成的总系统在电压下弯曲，这被用于驱动镜。在这样的压电驱动中，电压信号周期性交替地处于正的和负的电压范围中并且矫顽场相对较小的双极驱动是非期望的，因为这导致转换器的运动频率加倍。

为了产生单极驱动，在文献EP3220183Al中描述一种驱动器，在所述驱动器中借助周期性信号操控压电元件，并且控制回路注意该信号的最小值永不低于0伏。

发明内容

在此基础上，本发明所基于的任务是，开发一种简化的用于操控压电驱动单元的方法。

为了解决该任务，提出一种根据权利要求1的用于操控压电驱动单元的方法。此外，提出一种根据权利要求14的用于操控压电驱动单元的电路装置和一种根据权利要求18的微机械振动系统。

在用于驱动压电驱动单元的方法中，首先向压电驱动单元的第一压电元件的第一电极施加第一操控信号。第一电极尤其涉及第一压电元件的第一上电极。此外，向压电驱动单元第一压电元件的第二电极施加第二操控信号。第二电极尤其涉及压电元件的第二下电极。第一和第二电极彼此相对布置并且通过施加对应的电压在两个电极之间建立电场。第一操控信号构造为尤其连续的、正的第一电压信号。第二操控信号相反构造为恒定的第二电压信号。第一操控信号始终大于第二操控信号。这意味着，第一电压信号的值一直大于第二电压信号的值。在此，不是从各个电压信号的量值出发，而可以存在负的操控信号或电压信号。如此例如应将连续地在0.5伏特和1.5伏特之间延伸的周期性第一电压信号视为比恒定地在-3伏特延伸的恒定的第二电压信号更大的操控信号。操控信号也可以称为驱动信号。通过所描述的操控方法产生压电驱动单元的单极驱动。在此，优点是材料的极化不在每个周期反转。这种极性转换能够导致材料特性恶化和增加能耗。此外，可以通过所描述的对第一和第二电极的不同操控简单地调设压电元件的两个电极之间电场的大小，并且因此简单地调设所限定的工作点。为了避免在小电场和因此小电压的范围中的滞后行为的效应(滞后始终意味着行为与先前历史相关)，更愿意让压电材料在限定的工作点上运行，在所述工作点处，限定的电场在滞后上方并且驱动器以较小的振幅围绕电场运行。压电系数e31取决于工作点。对于合适的工作点，对于每个磁场获得更多的横向延伸尺度。

优选地，第一操控信号借助ASIC(Application specific integrated Circuit，专用集成电路)产生。ASIC在低的电压下运行。通过该操控方法能够实现，使用ASIC所能提供的电压，例如3.3V。在该电压范围内生成信号并且向压电元件的第一个电极施加该信号。在此不重要的是，为此使用1和2V之间、2和3V之间或者0和1V之间的范围还是整个范围。因此，不必维持控制所使用的范围的控制回路。对于大的件数而言，ASIC与分散建立的电路相比是更成本有利的。此外，ASIC的尺寸也明显小于分散建立的电路。

优选地，正的第一电压信号由恒定的、正的第三电压信号和周期性走向的正的第四电压信号组成。优选地，在这种背景下恒定的、正的第三电压信号施加于ASIC的电压基准点上。因此，ASIC的电压基准点相对于电路接地被提高。替代于此，恒定的、正的第三电压信号施加于ASIC的模拟前端。因此，ASIC的模拟前端的电压基准点相对于电路接地被提高。优选地，恒定的、正的第三电压信号借助第一恒定电压源产生。在此，第一恒定电压源优选集成在ASIC中。替代于此，第一恒定电压源优选布置在ASIC外。优选地，第二操控信号恒定为0V，即置于电路接地上。

优选地，第二操控信号借助尤其外部的第二恒定电压产生。恒定的第二电压信号在此具有恒定的负电压。第一压电元件的工作点的调设因此能够借助第二恒定电压源实现，所述第二恒定电压源的电位被施加到执行器的第二电极上。这个电位相对于第一操控信号的电位(尤其是ASIC的接地)是负的。电位的高低可以自由选择，并且按照所期望的工作点调设。因为使用独立于第一操控信号(尤其ASIC)的恒定电压源，所以该高低也可自由选择。

优选地，第一电压信号周期性地走向。优选地，第一电压信号在这种背景下正弦形地走向。替代地，第一电压信号作为被截断的正弦形信号抛物线形地延伸。另外替代地，第一电压信号矩形地延伸。

优选地，该方法用于操控微镜的压电驱动单元。在这种背景下，第一压电元件的优选如此操控，使得微镜围绕微镜的第一和/或第二旋转轴线尤其共振地运动。在这种背景下，该方法用于操控具有第一翼片对和第二翼片对的微镜的压电驱动单元。第一压电元件在此构造为具有第一电极和第二电极的第一PZT层。第一PZT层仅布置在第一翼片对上或者替代地布置在第二翼片对上。另外，微镜的压电驱动单元附加地具有第二PZT层作为具有第三电极、尤其是第三上电极和第四电极、尤其是第四下电极的第二压电元件。在此，第一PZT层布置在第一翼片对上，并且第二PZT层布置在第二翼片对上。除了施加于第一压电元件上的第一和第二操控信号之外，附加地向第二PZT层的第三电极施加第三操控信号。此外，向第二PZT层的第四电极施加第四操控信号。第三操控信号在此构造为尤其连续的、正的第五电压信号。第四操控信号相反构造为恒定的第六电压信号。第三操控信号始终大于第四操控信号。因为膨胀曲线PZT仅能够在一个方向上运动，所以翼片在无电压状态下不能够向下挤压。因此，两个翼片优选首选借助基本电压向上弯曲。随后，翼片可以通过减小电压，也从这个新的静止状态向下弯曲。为了使翼片彼此反向地振动，正的第一电压信号和正的第五电压信号在时间上彼此错开地、尤其错开180°地走向。优选地，第一和第五电压信号具有相同频率。

本申请的一个另外的主题是用于操控压电驱动单元的电路装置。该电路装置在此具有第一信号产生单元，其用于为压电驱动单元的第一压电元件的第一电极、尤其第一上电极产生第一操控信号。附加地，该电路装置具有第二信号产生单元，其用于为压电驱动单元的第一压电元件的第二电极、尤其第二下电极产生第二操控信号。第一信号产生单元构造为用于如此产生第一操控信号，使得第一操控信号构造为尤其连续的、正的第一电压信号。第二信号产生单元构造用于如此产生第二操控信号，使得第二操控信号构造为恒定的第二电压信号。第一操控信号始终大于第二操控信号。

优选地，第一信号产生单元构造为ASIC。优选地，电路装置在这种背景下附加地包括第三恒定电压源，第三恒定电压源附接到ASIC上，并且为ASIC提供恒定的第七电压信号。该恒定的第七个电压信号在此也称为ASIC的基本电压。ASIC在内部根据该恒定第七电压信号产生周期性走向的正的第四电压信号。此外，该电路装置附加地包括第一恒定电压源，第一恒定电压源附接到ASIC上并且产生恒定的、正的第三电压信号。正的第一电压信号在此由第三电压信号和第四电压信号组成。替代地，该电路装置包括用于产生第二操控信号的第二恒定电压源。恒定的第二电压信号在此具有恒定的负电压。

本发明的一个另外的主题的是一种具有微镜、压电驱动单元(尤其是微镜的压电驱动单元)以及先前所描述的用于操控压电驱动单元的电路装置的微机械振动系统。

附图说明

图1示出操控压电驱动单元方法的第一实施方式。

图2a示意性地示出用于操控压电驱动单元的电路装置的第一实施方式。

图2b示意性地示出用于操控压电驱动单元的电路装置的第二实施方式。

图2c示意性地示出用于操控压电驱动单元的电路装置的第三实施方式。

图3示意性地示出微机械振动系统。

图4a示出用于压电元件电极的第一操控信号、第二操控信号、第三操控信号和第四操控信号的第一正弦形走向。

图4b示出用于压电元件电极的第一操控信号、第二操控信号、第三操控信号和第四操控信号的第二正弦形走向。

具体实施方式

图1以流程图的形式示意性地示出用于操控压电驱动单元的方法的第一实施方式。在此，在方法步骤10中向压电驱动单元的第一压电元件的第一电极、尤其是第一上电极施加第一操控信号。第一操控信号在此构造为尤其连续的、正的第一电压信号。在跟着的方法步骤20中，向压电驱动单元的第一压电元件的第二电极、尤其是第二下电极施加第二操控信号。第二操控信号构造为恒定的第二电压信号。第一操控信号始终大于第二操控信号。

可选地，在方法步骤10中借助ASIC产生第一操控信号。

另外可选地，正的第一电压信号由恒定的正的第三电压信号和周期性走向的正的第四电压信号组成。

另外可选地，恒定的、正的第三电压信号施加于ASIC的电压基准点上。替代于此，恒定的正的第三电压信号施加于ASIC的模拟前端上。恒定的、正的第三电压信号此外可选地借助第一恒定电压源产生。第二操控信号可选地恒定为0V。

对此替代地，第二操控信号可选地借助第二、尤其外部的恒定电压源产生。恒定的第二电压信号在此具有恒定的负电压。

可选地，第一电压信号周期性地走向。

可选地，该方法用于操控微镜的压电驱动单元。在这种背景下，在跟随于方法步骤20之后的可选的方法步骤30中如此操控第一压电元件，使得微镜围绕该微镜的第一和/或第二旋转轴线尤其共振地运动。可选地，该方法用于操控具有第一翼片对和第二翼片对的微镜的压电驱动单元。第一压电元件在此构造为具有第一电极和第二电极的第一PZT层。该PZT层仅布置在第一翼片对上。

此外可选地，微镜的压电驱动单元附加地具有第二PZT层作为具有第三电极、尤其是第三上电极和第四电极、尤其是第四下电极的第二压电元件。第二PZT层布置在第二翼片对上。在这种背景下，在跟随于方法步骤20之后的可选的方法步骤23中，向第二PZT层的第三电极施加第三操控信号。第三操控信号构造为尤其连续的、正的第五电压信号。在跟随于方法步骤23之后的可选的方法步骤26中，向第二PZT层的第四电极施加第四操控信号。第四操控信号构造为恒定的第六电压信号。第三操控信号始终大于第四操控信号。可选地，第四操控信号相应于第二操控信号。可选地，正的第一电压信号和正的第五电压信号彼此在时间上错开地、尤其错开180°地走向。

图2a示意性地示出用于操控压电驱动单元81的电路装置73的第一实施方式。电路装置73在此具有用于为压电驱动单元81的第一压电元件95的第一上电极90a产生第一操控信号的第一信号产生单元70。借助第一线路80向第一电极90a传送第一操控信号。附加地，电路装置73具有用于为压电驱动单元81的第一压电元件95的第二下电极90b产生第二操控信号的第二信号产生单元50a。借助第二线路59向第二电极90b传送第二操控信号。在此构造为ASIC的第一信号产生单元70构造为用于如此产生第一操控信号，使得第一操控信号构造为尤其连续的、正的第一电压信号。第二信号产生单元50a构造为用于如此产生第二操控信号，使得第二操控信号构造为恒定的第二电压信号。第一操控信号始终大于第二操控信号。在这个第一实施方式中，第二信号产生单元50a构造为用于产生第二操控信号的第二恒定电压源60。恒定的第二电压信号在此具有恒定的负电压。在这个实施方式中，电路装置73构造为用于操控在这里未示出的具有第一翼片对和第二翼片对的微镜的压电驱动单元81。在四个翼片中的每一个上布置有具有各自的上电极90a、91a、92a和93a和下电极90b、91b、92b和93b的PZT层95、96、97和98中的一个。第一信号产生单元70借助第一操控信号操控PZT层95和96的上电极90a和91a。为了操控PZT层97和98的上电极92a和93a，第一信号产生单元70产生第三操控信号，第三操控信号构造为尤其连续的、正的第五电压信号并且借助线路85被传送给上电极92a和93a。借助第四操控信号操控下电极93b和92b，第四操控信号在这种情况下相应于第二操控信号。电路接地施加于电路装置73的点55处。该ASIC附接在第三恒定电压源65上并且具有模拟前端75。

图2b示意性地示出用于操控压电驱动单元81的电路装置74的第二实施方式。与第一实施方式不同，电路装置74在此具有第一恒定电压源61，第一恒定电压源附接在作为第一信号产生单元70的ASIC上并且产生恒定的、正的第三电压信号。ASIC此外附接在第三恒定电压源65上，第三恒定电压源产生恒定的第七电压信号作为所谓的基本电压，由此ASIC在内部产生周期性走向的正的第四电压信号。正的第一电压信号因此由第三电压信号和第四电压信号组成。因此，ASIC的电压基准点在总体上相对于电路接地端55被提高。另外的恒定电压源77用于对ASIC上的通过电压源61偏移的电位再调节，也为了ASIC的电压供给。因此，另外的恒定电压源77提供处于第三电压信号的高度的恒定的、正的电压信号，以便由此也相对于电路接地端55提高ASIC的电位。第二信号产生单元50b施加于电路接地端55上并且因此提供恒定的0V的第二电压信号。

图2c示意性地示出用于操控压电驱动单元81的电路装置76的第三实施方式。在此，与第二实施方式不同，第一恒定电压源61附接在ASIC的模拟前端75上。因此，ASIC的模拟前端75的电压基准点相对于电路接地端55被提高。第二信号产生单元50b在这里也施加于电路接地端55上，并且提供恒定的0V的第二电压信号。

图3在俯视图中示意性地示出具有微镜101和微镜101的压电驱动单元的微机械振动系统100。附加地，微机械振动系统100具有在这里未示出的用于操控压电驱动单元的电路装置。微镜101具有第一翼片对105和第二翼片对106。在第三翼片对105上分别施加第二PZT层作为第一压电元件103。在第二翼片对106上分别施加第二PZT层作为第二压电元件107。微镜101借助两个弹簧元件104与框架元件102连接。压电驱动单元如此由电路装置操控，使得微镜101围绕微镜101的第一旋转轴线108和/或第二旋转轴线109共振运动。

图4a示出用于具有第一翼片对和第二翼片对的微镜的压电驱动单元的对应的压电元件的电极的第一操控信号124a、第二操控信号130a、第三操控信号125a和第四操控信号的第一和第二正弦形走向。所示出的操控信号尤其描述用于来自图2a的PZT层95、96、97和98的电极的操控信号的可能的走向。在Y轴121上在此绘制以伏特为单位的电压，在X轴上绘制以秒为单位的时间。为了使翼片相反地振动，向第三翼片对的上电极施加第一正弦形操控信号124a，与第一正弦形操控信号错开180°地向第二翼片对的上电极施加具有相同频率的第三正弦形操控信号125a。第一操控信号124a在这个实施例中作为第一电压信号在Y轴截距126b和126a之间交替地走向，并且构造为连续的正的电压信号。例如Y轴截距126a可以为0.1V，Y轴截距126b可以为3V。第三操控信号125a在这个实施例中作为第五电压信号同样在Y轴截距126b和126a之间交替地走向，并且构造为连续的正的电压信号。在这个实施例中，借助ASIC产生第一和第三操控信号。为了能够实现压电驱动单元的单极驱动，向第一翼片对的下电极施加第二操控信号130a。第二操控信号130a构造为恒定的第二电压信号，其在这个实施例中具有恒定的负电压并且穿过Y轴截距123a延伸。第一操控信号124a因此始终大于第二操控信号130a。向第二翼片对的下电极施加第四操控信号，在此所述第四操控信号相应于第二操控信号130a。

相反，图4b示出用于来自图2b或2c的PZT层95、96、97和98的电极的第一操控信号124b、第二操控信号130b、第三操控信号125b和第四操控信号的可能的走向。在此，第一操控信号124b作为连续的正的第一电压信号在Y轴截距126c和126d之间交替地走向。为了能够实现单极驱动，在本实施例中正的第一电压信号由恒定的、正的第三电压信号131和正弦形走向的正的第四电压信号组成。恒定的正的第三电压信号在此穿过Y轴截距126d延伸。例如Y轴截距126d可以为5V，并且Y轴截距126c可以为8V。第三操控信号125b在这个实施例中作为第五电压信号同样在Y轴截距126c和126d之间交替地走向，并且又构造为连续的、正的第五电压信号。正的第五电压信号在此也由恒定的和正弦形的电压信号组成。Y轴截距128标记电路接地，并且在这种情况下标记第二操控信号130b以及第四操控信号。

Claims

1.一种用于操控压电驱动单元(81)的方法，其中，所述方法包括以下方法步骤：

向所述压电驱动单元(81)的第一压电元件(95、103)的第一电极(90a)、尤其是第一上电极施加(10)第一操控信号(124a、124b)，和

向所述压电驱动单元(81)的所述第一压电元件(95、103)的第二电极(90b)、尤其是第二下电极施加(20)第二操控信号(130a、130b)，

其中，所述第一操控信号(124a、124b)构造为尤其连续的、正的第一电压信号，并且所述第二操控信号(130a、130b)构造为恒定的第二电压信号，其中，所述第一操控信号(124a、124b)始终大于所述第二操控信号(130a、130b)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一操控信号(124a、124b)借助ASIC产生。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正的第一电压信号由恒定的正的第三电压信号(131)和周期性走向的正的第四电压信号组成。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述恒定的正的第三电压信号(131)施加于所述ASIC的电压基准点上。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述恒定的正的第三电压信号(131)施加于所述ASIC的模拟前端(75)上。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述恒定的正的第三电压信号(131)借助第一恒定电压源(61)产生。

7.根据权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，所述第二操控信号(130a、130b)恒定地为0V。

8.根据权利要求1或2中任一项的方法，其特征在于，所述第二操控信号(130a、130b)借助尤其外部的第二恒定电压源(60)产生，其中，所述恒定的第二电压信号具有恒定的负电压。

9.根据权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于，所述第一电压信号周期性地、尤其正弦形地或矩形地或抛物线形地走向。

10.根据权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于，所述方法用于操控微镜(101)的压电驱动单元(81)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法用于操控具有第一翼片对(105)和第二翼片对(106)的微镜(101)的压电驱动单元(81)，其中，第一压电元件(95、103)构造为具有第一电极(90a)和第二电极(90b)的第一PZT层，其中，所述第一PZT层仅布置在所述第一翼片对(105)或所述第二翼片对(106)上。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述微镜(101)的所述压电驱动单元(81)附加地具有第二PZT层作为第二压电元件(107)，所述第二压电元件具有第三电极、尤其是第三上电极和第四电极、尤其是第四下电极，其中，所述第一PZT层布置在所述第一翼片对(105)上，并且所述第二PZT层布置在所述第二翼片对(106)上，其中，所述方法具有如下附加方法步骤：

向所述第二PZT层的所述第三电极施加(23)第三操控信号(125a、125b)，

向所述第二PZT层的所述第四电极施加(26)第四操控信号，

其中，所述第三操控信号(125a、125b)构造为尤其连续的、正的第五电压信号，并且第四操控信号构造为恒定的第六电压信号，其中，所述第三操控信号始终大于第四操控信号。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述正的第一电压信号和所述正的第五电压信号在时间上彼此错开地、尤其错开180°地走向。

14.一种用于操控压电驱动单元(81)的电路装置(73、74、76)，所述电路装置具有：

第一信号产生单元(70)，构造为用于为所述压电驱动单元(81)的第一压电元件(95、103)的第一电极(90a)、尤其第一上电极产生第一操控信号(124a、124b)，

第二信号产生单元(50a、50b)，构造为用于为所述压电驱动单元(81)的所述第一压电元件(95、103)的第二电极(90b)、尤其第二下电极产生第二操控信号(130a、130b)，

其中，所述第一信号产生单元(70)构造为用于如此产生所述第一操控信号(124a、124b)，使得所述第一操控信号(124a、124b)构造为尤其连续的、正的第一电压信号，并且所述第二信号产生单元(50a、50b)构造为用于如此产生所述第二操控信号(130a、130b)，使得所述第二操控信号(130a、130b)构造为恒定的第二电压信号，其中，所述第一操控信号(124a、124b)始终大于所述第二操控信号(130a、130b)。

15.根据权利要求14所述的电路装置(73、74、76)，其特征在于，所述第一信号产生单元(70)构造为ASIC。

16.根据权利要求15所述的电路装置(73、74、76)，所述电路装置附加地包括：

尤其第三恒定电压源(65)，其附接到所述ASIC上并且产生恒定的第七电压信号，其中，所述ASIC根据所述恒定的第七电压信号产生周期性走向的正的第四电压信号，

第一恒定电压源(61)，其附接到所述ASIC上并且产生恒定的正的第三电压信号(131)，

其中，所述正的第一电压信号由所述第三电压信号(131)和所述第四电压信号组成。

17.根据权利要求14或15中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置(73、74、76)附加地包括用于产生所述第二操控信号(130a、130b)的第二恒定电压源(60)，其中，所述恒定的第二电压信号具有恒定的负电压。

18.一种微机械振动系统(100)，所述微机械振动系统至少具有：

微镜(101)，和

压电驱动单元(81)，尤其是所述微镜(101)的压电驱动单元，和

根据权利要求14至17中任一项所述的电路装置(73、74、76)，用于操控所述压电驱动单元(81)。