DE10122137A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer piezoelektrischen Vorrichtung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer piezoelektrischen VorrichtungInfo
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Abstract
Ein System zur Steuerung des Betriebes einer piezoelektrischen Vorrichtung, die ein Steuersystem aufweist, das betreibbar ist, um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, das eine erwünschte Veränderung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt und einer erwünschten Position einer piezoelektrischen Vorrichtung entspricht, wird offenbart. Das Steuersystem weist weiter eine Ladungssteuerschaltung auf, die auf das erste Steuersignal anspricht, um ein Ladungssteuersignal zu einer Vorrichtungssteuerschaltung zu liefern. Die Vorrichtungssteuerschaltung liefert ein Befehlssignal, das bewirkt, dass sich die piezoelektrische Vorrichtung zur erwünschten Position bewegt.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf pie
zoelektrische Vorrichtungen und insbesondere auf eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen Steuerung der
Bewegung einer piezoelektrischen Vorrichtung.
Piezoelektrische Vorrichtungen verändern ihre Form an
sprechend auf ein angelegtes elektrisches Feld. Ein elek
trisches Feld, das in Richtung der Polarisation angelegt
wird, bewirkt eine Ausdehnung des piezoelektrischen Mate
rials in der gleichen Richtung, während eine Spannung,
die in entgegengesetzter Richtung zur Polarisation ange
legt wird, eine Kontraktion des Materials in der gleichen
Richtung bewirken wird. Bei manchen Anwendungen verwenden
piezoelektrische Biegevorrichtungen, wie beispielsweise
thermisch vorgespannte Biegevorrichtungen, die "Biege
wirkung" der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer
Energie in mechanische Energie. Bei solchen Anwendungen
können die piezoelektrischen Biegevorrichtungen als eine
Betätigungsvorrichtung verwendet werden. Bei anderen An
wendungen kann eine äußere Kraft eine Biegewirkung auf
die Vorrichtung aufprägen; und die Vorrichtung wandelt
dann diese mechanische Energie, die von der äußeren Kraft
herrührt, in elektrische Energie um. Bei solchen Anwen
dungen können die piezoelektrischen Biegevorrichtungen
als Sensor verwendet werden.
Bei vielen Anwendungen wird ein Spannungsbefehlssignal
normalerweise an die piezoelektrische Vorrichtung ange
legt, um zu bewirken, daß sich die Vorrichtung in eine
erwünschte Position bewegt. Während ein solches Steuersy
stem gut funktioniert gibt es nicht lineares Verhalten
beim Betrieb der piezoelektrischen Vorrichtung, das zum
Steuersystem zurückreflektiert wird. Beispielsweise kön
nen nicht lineare Verhaltensweisen bewirken, daß sich die
Betätigungsvorrichtung nicht vollständig zu einer er
wünschten Position ansprechend auf das Spannungssteuersi
gnal bewegt. Weiterhin kann das Steuersignal bewirken,
daß die Betätigungsvorrichtung sich in langsamer bzw. un
vorhersagbarer Weise bewegt oder seine Position abrupt
verändert, was nicht zu dem erwünschten Betätigungsvor
richtungsbewegungsprofil für eine spezielle Anwendung
paßt.
Somit ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, ei
nes oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu über
winden.
Während die Erfindung in Verbindung mit gewissen Ausfüh
rungsbeispielen beschrieben wird, wird klar sein, daß die
Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt
ist. Im Gegensatz dazu weist die Erfindung alle Alterna
tiven, Modifikationen und äquivalente Ausführungen auf,
wie sie im Kern und Umfang der vorliegenden Erfindung
eingeschlossen sind.
Gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist ein
Steuersystem betriebsmäßig mit der piezoelektrischen Vor
richtung verbunden und spricht auf ein Steuersignal an,
das eine erwünschte Position der piezoelektrischen Vor
richtung darstellt. Das Steuersystem liefert ein Befehls
signal als eine Funktion der Ladung auf der piezoelektri
schen Vorrichtung, was bewirkt, daß die piezoelektrische
Vorrichtung sich in die erwünschte Position bewegt. Somit
treibt die vorliegende Erfindung die piezoelektrische
Vorrichtung als eine Funktion der Ladung der piezoelek
trischen Vorrichtung an. Durch Verwendung der Ladung als
den Steuerparameter ist das Steuersystem der vorliegenden
Erfindung frei von einigen der nicht linearen Verhaltens
weisen eines herkömmlichen Steuersystems, das die piezo
elektrische Vorrichtung mit einem Spannungsbefehlssignal
steuert.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist das
Steuersystem eine Ladungssteuerschaltung auf, die auf das
Steuersignal anspricht, um ein Ausgangssignal zu liefern,
das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelek
trischen Vorrichtung darstellt. Das Steuersystem weist
weiter eine Vorrichtungssteuerschaltung auf, die auf das
Ausgangssignal der Ladungssteuerschaltung anspricht, um
ein Befehlssignal entsprechend der erwünschten Verände
rung der Ladung der Vorrichtung zu liefern.
Gemäß eines weiteres Aspektes der vorliegenden Erfindung
weist die Ladungssteuerschaltung eine Integratorschaltung
bzw. integrierende Schaltung auf, die auf einen detek
tierten Strom in der piezoelektrischen Vorrichtung an
spricht und ein Ladungsrückkoppelungssignal als eine
Funktion der Integration des detektierten Stroms über die
Zeit liefert. Die Ladungssteuerschaltung weist weiter ei
nen Komparator auf, der auf das erste Befehlssignal und
das Ladungsrückkoppelungssignal anspricht, um ein La
dungssteuersignal zur Steuerschaltung der piezoelektri
schen Vorrichtung zu liefern.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sieht die vorlie
gende Erfindung ein Verfahren vor, um zu bewirken, daß
sich eine piezoelektrische Vorrichtung zu einer erwünsch
ten Position bewegt, und zwar zuerst durch Bestimmung ei
ner erwünschten Ladung bzw. Soll-Ladung der piezoelektri
schen Vorrichtung. Als nächstes wird eine Ladungsrückkop
pelung bestimmt; und ein Steuersignal wird an der piezo
elektrischen Vorrichtung als eine Funktion der erwünsch
ten Rückkoppelungsladungen angelegt. Das Steuersignal be
wirkt, daß sich die piezoelektrische Vorrichtung zur er
wünschten Position bewegt.
Gemäß eines Aspektes dieses Ausführungsbeispiels der Er
findung wird das Ladungsrückkoppelungssignal bestimmt
durch Integrieren eines detektierten Stromflusses durch
die piezoelektrische Vorrichtung.
Die obigen und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sollen aus den beigefügten Zeichnungen und ih
rer Beschreibung offensichtlich werden.
Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung
eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veran
schaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen
zusammen mit einer allgemeinen oben dargelegten Beschrei
bung der Erfindung und der unten dargelegten detaillier
ten Beschreibung der Ausführungsbeispiele dazu, die Prin
zipien der Erfindung zu erklären.
Die Figur ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems zur
Steuerung einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf die Figur ist ein Steuersystem 10 gemäß der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt, um eine
piezoelektrische Vorrichtung 12 zu steuern, wie bei
spielsweise eine thermisch vorgespannte Biegevorrichtung,
die mit dem Steuersystem 10 durch ein Paar von Leitungen
14a, 14b gekoppelt ist. Wie unten im Detail beschrieben
nimmt das Steuersystem 10 ein Steuersignal auf der Lei
tung 16 von einer (nicht gezeigten) Steuersignalquelle
auf, die einer erwünschten Position der Vorrichtung 12
entspricht. Ansprechend auf das Steuersignal auf der Lei
tung 16 verwendet das Steuersystem 10 eine Ladungssteuer
schaltung 13, die bewirkt, daß ein Antriebssignal auf der
Leitung 14a an der Vorrichtung 12 angelegt wird, und zwar
gemäß einer erwünschten und gemessenen Ladung der piezo
elektrischen Vorrichtung. Auf diese Weise steuert das
Steuersystem 10 genau die Verschiebung der Vorrichtung 12
ansprechend auf den Empfang des Steuersignals auf der
Leitung 16 von der (nicht gezeigten) Steuersignalquelle.
Während das obige die piezoelektrische Vorrichtung 12
derart beschreibt, daß sie als eine Betätigungsvorrich
tung verwendet wird, wird der Fachmann erkennen, daß das
Steuersystem 10 leicht zur Anwendung in einem großen Be
reich von Anwendungen von piezoelektrischen Vorrichtungen
anzupassen ist, ohne vom Kern und Umfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
Die Ladungssteuerschaltung 13 weist eine eindimensionale
empirische Karte oder Datenstruktur 18 auf, die das er
wünschte Vorrichtungspositionssteuersignal auf der Lei
tung 16 von der (nicht gezeigten) Steuersignalquelle als
eine Eingangsgröße in die Karte bzw. Datenstruktur 18
aufnimmt. Die Datenstruktur 18 erzeugt auf der Ausgangs
leitung 20 ein erwünschtes Ladungssignal mit einem Wert,
der eine erwünschte Veränderung bei der piezoelektrischen
Vorrichtung 12 darstellt, die elektrisch mit einer Vor
richtungssteuerschaltung 22 kompatibel ist. Die Daten
struktur 18 wandelt das erwünschte Vorrichtungspositions
steuersignal auf der Eingangsleitung 16 in den erwünsch
ten Ladungswert um. Die Datenstruktur 18 kann eine Nach
schautabelle sein, die im RAM bzw. Arbeitsspeicher oder
im ROM bzw. Lesespeicher gespeichert sein kann, weiter
einen Programmalgorhythmus oder eine verkabelte Schal
tung, wie dem Fachmann leicht offensichtlich sein wird.
Die Vorrichtungssteuerschaltung 22 ist anders als schon
bekannte Vorrichtungssteuerschaltungen, und zwar dahinge
hend, daß sie ein Befehlssignal liefert, das einen Strom
steuert oder verändert, der vom Ausgang 14a durch die
Vorrichtung 12 fließt. Weiterhin mißt die Vorrichtungs
steuerschaltung 22 dann eine Spannung, die von dem Strom
erzeugt wird, der durch die piezoelektrische Vorrichtung
12 fließt, und zwar ansprechend auf das Befehlssignal.
Die gemessene Spannung sieht eine Rückkoppelung vor, die
verwendet wird, um die Ladungstransferrate zu mäßigen,
d. h. die Stromtransferrate von der Vorrichtungssteuer
schaltung 22 zur piezoelektrischen Vorrichtung 12. Eine
herkömmlichere Vorrichtungssteuerschaltung liefert ein
Befehlssignal, das eine Spannung verändert, die an einer
piezoelektrischen Vorrichtung angelegt ist, und mißt ei
nen Stromfluß durch die Vorrichtung ansprechend auf die
angewiesene Spannung. Der gemessene Strom wird dann ver
wendet, um die angelegte Spannung zu mäßigen bzw. zu mo
derieren. Die Modifikation einer herkömmlichen Vorrich
tungssteuerschaltung, um ein Befehlssignal zu liefern,
was den Strom variiert und eine Spannung als eine Rück
koppelung mißt, ist leicht innerhalb der Fähigkeiten ei
nes Fachmanns.
Die Ladungssteuerschaltung 13 weist weiter eine Kompara
tor- oder Additionsverbindung 24 auf, die zusätzlich zu
einem ersten Eingang, der mit der Signalleitung 20 zusam
menfällt, einen zweiten Eingang 26, der mit einer Inte
gratorschaltung 28 verbunden ist. Die Integratorschaltung
28 hat einen Eingang 30, auf dem ein detektiertes oder
gemessenes Vorrichtungsstromsignal von der Vorrichtungs
steuerschaltung 22 aufgenommen wird. Das Vorrich
tungsstromsignal stellt eine Stromgröße dar, die zu der
Vorrichtung 12 über das Strombefehlssignal auf dem Aus
gang 14a geliefert wird. Die Integratorschaltung 28 inte
griert das Vorrichtungsstromsignal über die Zeit, um ein
Ladungsrückkoppelungssignal zu liefern, das eine Ladung
der Vorrichtung 12 darstellt.
Die Additionsverbindung 24 vergleicht die gewünschte La
dung der Vorrichtung 12, wie von dem Ladungssignal auf
der Leitung 20 dargestellt, mit der detektierten Ladung
der Vorrichtung 12, die von dem Ladungsrückkoppelungs
signal auf der Leitung 26 dargestellt wird. Die Summie
rungs- bzw. Additionsverbindung 24 liefert ein Ladungs
steuersignal zu einem Eingang 32 der Vorrichtungssteuer
schaltung. Das Ladungssteuersignal ist ein Fehlersignal,
das die Differenz zwischen den erwünschten und den gegen
wärtig bestimmten Ladungswerten darstellt. Somit stellt
das Ladungssteuersignal eine erwünschte Veränderung der
Ladung der Vorrichtung 12 dar, die nötig ist, um zu be
wirken, daß die gegenwärtig bestimmte Ladung auf der pie
zoelektrischen Vorrichtung der erwünschten Ladung ent
spricht oder gleich ist, die erforderlich ist, um die
Vorrichtung 12 zur erwünschten Position zu bewegen. Das
Ladungssteuersignal wird von der Vorrichtungssteuerschal
tung 22 verwendet, um das entsprechende Strombefehls
signal auf dem Ausgang 14a an die Vorrichtung 12 zu lie
fern, so daß die Vorrichtung sich zu der erwünschten Po
sition bewegt, wie von dem erwünschten Vorrichtungsposi
tionssignal auf der Leitung 16 dargestellt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte Steue
rung für eine piezoelektrische Vorrichtung vor, die weni
ger empfindlich auf nicht lineares Verhalten im Betrieb
der piezoelektrischen Vorrichtung ist. Im Gebrauch wird
klar sein, daß das Steuersystem 10 betreibbar ist, um ein
verbessertes Steuersystem für die piezoelektrische Vor
richtung 12 vorzusehen, um die Vorrichtung 12 zu einer
erwünschten Position oder Verschiebung zu treiben. Die
vorliegende Erfindung sieht ein Steuersystem für eine
piezoelektrische Vorrichtung vor, die die Ladung der pie
zoelektrischen Vorrichtung detektiert und überwacht.
Durch Verwendung der Ladung als den Steuerparameter eli
miniert das Steuersystem der vorliegenden Erfindung eini
ge der nicht linearen Verhaltensweisen eines herkömmli
chen Steuersystems, das die piezoelektrische Vorrichtung
mit einem Spannungsbefehlssignal steuert. Das Steuersy
stem 10 der vorliegenden Erfindung ist wirksam, um eine
genaue Bewegungsteuerung der Vorrichtung 12 vorzusehen.
Während die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung
von verschiedenen Ausführungsbeispielen veranschaulicht
worden ist, und während diese Ausführungsbeispiele sehr
genau beschrieben worden sind, besteht nicht die Absicht
der Anmelder, den Umfang der beigefügten Ansprüche auf
eine solche detaillierte Beschreibung in irgendeiner Wei
se einzuschränken. Zusätzliche Vorteile und Modifikatio
nen werden dem Fachmann leicht offensichtlich werden. Die
Erfindung in ihren breiteren Aspekten ist daher nicht auf
die spezifischen Details, die entsprechende Vorrichtung
und das Verfahren und das gezeigte und beschriebene ver
anschaulichende Beispiel eingeschränkt. Entsprechend kön
nen Abweichungen von solchen Details vorgenommen werden,
ohne vom Kern oder Umfang des allgemeinen erfindungsgemä
ßen Konzeptes der Anmelder abzuweichen.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes einer piezo
elektrischen Vorrichtung, die ein Steuersystem auf
weist, das betriebsmäßig mit der piezoelektrischen
Vorrichtung verbunden ist und auf ein Steuersignal
anspricht, das eine erwünschte Position der piezo
elektrischen Vorrichtung darstellt, wobei das Steu
ersystem ein Befehlssignal als eine Funktion der La
dung der piezoelektrischen Vorrichtung vorsieht, um
zu bewirken, daß sich die piezoelektrische Vorrich
tung zu der erwünschten Position bewegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem
weiter folgendes aufweist:
eine Ladungssteuerschaltung, die auf das Steuersi gnal anspricht, um ein Ausgangssignal vorzusehen, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der pie zoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
eine Vorrichtungssteuerschaltung, die auf das Aus gangssignal anspricht, um das Befehlssignal zu lie fern.
eine Ladungssteuerschaltung, die auf das Steuersi gnal anspricht, um ein Ausgangssignal vorzusehen, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der pie zoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
eine Vorrichtungssteuerschaltung, die auf das Aus gangssignal anspricht, um das Befehlssignal zu lie fern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ladungssteu
erschaltung eine Datenstruktur aufweist, die be
treibbar bzw. wirksam ist, um ein erwünschtes La
dungssignal ansprechend auf das Steuersignal zu er
zeugen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ladungssteu
erschaltung weiterhin eine Integratorschaltung auf
weist, die betreibbar ist, um ein detektiertes La
dungssignal als eine Funktion eines Integrals des
Stroms zu liefern, der in der piezoelektrischen Vor
richtung mit der Zeit fließt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Ladungssteu
erschaltung weiter einen Komparator bzw. eine Ver
gleichsvorrichtung aufweist, die auf das erwünschte
Ladungssignal und das detektierte Ladungssignal an
spricht, um ein Ladungssteuersignal an die Vorrich
tungssteuerschaltung zu liefern, das eine erwünschte
Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vor
richtung darstellt.
6. Verfahren um zu bewirken, daß eine piezoelektrische
Vorrichtung sich zu einer erwünschten Position be
wegt, das folgendes aufweist:
Bestimmung einer erwünschten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Bestimmung einer detektierten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Anlegen eines Steuersignals an der piezoelektrischen Vorrichtung als eine Funktion der erwünschten und der detektierten Ladung, wobei das Steuersignal be wirkt, daß sich die piezoelektrische Vorrichtung zu der erwünschten Position bewegt.
Bestimmung einer erwünschten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Bestimmung einer detektierten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Anlegen eines Steuersignals an der piezoelektrischen Vorrichtung als eine Funktion der erwünschten und der detektierten Ladung, wobei das Steuersignal be wirkt, daß sich die piezoelektrische Vorrichtung zu der erwünschten Position bewegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, das weiter die Bestimmung
einer erwünschten Ladung auf der piezoelektrischen
Vorrichtung aufweist, und zwar als eine Funktion der
erwünschten Position der piezoelektrischen Vorrich
tung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiter folgendes auf
weist:
detektieren eines Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung ansprechend auf das Anlegen des Steuer signals; und
Bestimmung der detektierten Ladung als eine Funktion des Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung.
detektieren eines Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung ansprechend auf das Anlegen des Steuer signals; und
Bestimmung der detektierten Ladung als eine Funktion des Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung.
9. Verfahren nach Anspruch 8, das weiter die Integrati
on des Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung
über die Zeit aufweist, um die detektierte Ladung zu
bestimmen.
10. Verfahren zum Betrieb einer piezoelektrischen Vor
richtung, das die Erzeugung eines Befehlssignals als
eine Funktion der Ladung der piezoelektrischen Vor
richtung aufweist, um zu bewirken, daß sich die pie
zoelektrische Vorrichtung zu einer erwünschten Posi
tion bewegt, die von einem Steuersignal dargestellt
wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter folgendes
aufweist:
Erzeugung eines Ladungssignals, das eine Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung dar stellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssignals.
Erzeugung eines Ladungssignals, das eine Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung dar stellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssignals.
12. Verfahren nach Anspruch 11, das weiter die Erzeugung
eines erwünschten Ladungssignals aufweist, das eine
erwünschte Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung
darstellt, die der erwünschten Position der piezo
elektrischen Vorrichtung entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiter die Erzeugung
eines Ladungsrückkoppelungssignals aufweist, das ei
ne Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung dar
stellt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiter folgendes
aufweist:
Erzeugung eines detektierten Stromsignals, das den Stromfluß durch die piezoelektrische Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung eines Ladungsrückkoppelungssignals anspre chend auf das detektierte Stromsignal.
Erzeugung eines detektierten Stromsignals, das den Stromfluß durch die piezoelektrische Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung eines Ladungsrückkoppelungssignals anspre chend auf das detektierte Stromsignal.
15. Verfahren nach Anspruch 14, das weiter folgendes
aufweist:
Vergleich des erwünschten Ladungssignals mit dem La dungsrückkoppelungssignal, um ein Ladungssteuersi gnal zu liefern, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssteuersignals.
Vergleich des erwünschten Ladungssignals mit dem La dungsrückkoppelungssignal, um ein Ladungssteuersi gnal zu liefern, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssteuersignals.
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