DE19529662C2

DE19529662C2 - Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors

Info

Publication number: DE19529662C2
Application number: DE19529662A
Authority: DE
Inventors: Axel Both; Andreas Dipl Phys Kappel; Hans Prof Meixner; Randolf Dr Mock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2015-08-12
Also published as: DE19529662A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung eines oder mehrerer piezoelektrischer Aktoren.

Die US 5,130,619 beschreibt eine Ansteuerelektronik für ei nen Vibrations- oder Ultraschallmotor, dessen Vibrator ein ringförmiges Piezoelement enthält. Das Piezoelement ist in vier Segmente unterteilt, die jeweils paarweise über einen Transformator mit einem Signalgenerator verbunden sind. Ein Strom- und ein Spannungsmesser erzeugen die Eingangssignale für eine Auswerteelektronik, deren Ausgangssignal von der Differenz der Frequenz des dem Piezoelement zugeführten An steuersignals und der jeweiligen Resonanzfrequenz des Vibra tors abhängt. Eine dem Signalgenerator zugeordnete, mit dem Ausgangssignal der Auswerteelektronik beaufschlagte Kontroll einheit hat die Aufgabe, die Frequenz des Ansteuersignals der sich mit der Temperatur, der Motorlast usw. ändernden Reso nanzfrequenz des Vibrators anzupassen.

Die Ansteuerelektronik des aus der US 5,179,311 bekannten Vibrationsmotors besteht aus einem Signalgenerator, einem Phasenschieber und einer Treibereinheit, deren Induktivitäten mit den Kapazitäten der beiden Segmente eines Piezoelements jeweils einen Serienschwingkreis bilden. Der Phasenschieber erzeugt zwei um 90° phasenverschobene Ausgangssignale, die an den Steuereingängen der beiden den Serienschwingkreisen zuge ordneten Schaltelemente anliegen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur An steuerung eines oder mehrerer piezoelektrischer Aktoren mit Signalen, deren Frequenz sich in einfacher Weise einstellen und/oder ändern läßt. Diese Aufgabe wird durch Anordnungen mit den in den Patentansprüchen 1, 6 oder 7 angegebenen Merk malen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestal tungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung gemäß Patentanspruch 1.

Die Erfindung ermöglicht es, die beispielsweise in piezoelek trisch angesteuerten Einspritzventilen oder Zerstäubereinhei ten auftretenden Temperatur- und Alterungseffekte elektro nisch zu kompensieren. Dies verbessert die Dosiergenauigkeit bzw. die Zerstäubereigenschaften und verlängert die Verwend barkeit der jeweiligen Komponente.

Ein Weg zur Ausführung der Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors mit Pufferkondensator,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform von der Erfindung darge stellt als Blockschaltbild,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockschaltbild,

Fig. 4 ein Frequenz-Spannungsdiagramm,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockdiagramm,

Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockdiagramm,

Fig. 7 den Schaltplan der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform,

Fig. 8 den Schaltplan eines Minimum-Maximum-Detektors, wie er in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 verwendet wird und

Fig. 9 den Schaltplan eines Verzögerungsglieds, wie es in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 eingesetzt wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 zeigt den Aufbau des Verstärkers V und dessen Verbindung mit dem Pufferkondensator CE. Die Primärwicklung PW des Übertragers TO bildet zusammen mit dem piezoelektrischen Aktor P einen LC- Serienschwingkreis. Dabei stellt die Primärwicklung PW die Induktivität und der piezoelektrische Aktor P die Kapazität des LC-Serienschwingkreises dar. An diesen Serienschwingkreis liegt eine Hilfsspannung U_H an. Sofern der Verstärkungsfaktor k des Verstärkers V Null ist, fließt die Energie über die Primärwicklung PW in den Piezoaktor P. Der Verstärker V kann beispielsweise ein Transistor sein. Der Piezoaktor P ist mit einem Anschluß mit Masse verbunden. Die Sekundärwicklung SW des Übertragers TO ist mit dem Steuereingang des Verstärkers V verbunden. Da in Fig. 1 der Verstärker V Transistor ist, stellt der Basisanschluß des Transistors den Steuereingang des Verstärkers V dar. Liegt an der Basis des Transistors ei ne entsprechende Ansteuerspannung an, so öffnet der Transi stor und die im piezoelektrischen Aktor P gespeicherte Ener gie fließt über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors in einen Pufferkondensator CE. Die beiden Widerstände R1 und R2, welche einen Spannungsteiler bilden und der Kondensator CAP dienen zusammen zur Einstellung des Arbeitspunkts des Transistors.

Die Rückkopplung des Serienschwingkreises erfolgt durch den Übertrager TO.

Aufgrund der hohen Kapazität des piezoelektrischen Aktors P treten Ströme von einigen Ampere, je nach Güte des Real schwingkreises auf, so daß der im Verstärkerbetrieb arbei tende Transistor sowie der Übertrager entsprechend ausgelegt sein müssen.

Wegen der bis zu mehreren µF betragenden Kapazität des pie zoelektrischen Aktors P in Verbindung mit der Anregungsfre quenz von mehreren kHz betragen die Lade- und Entladeströme bis zu 20 A. Die Ansteuerspannung für den piezoelektrischen Aktor kann bis zu 1000 V betragen.

Erstes Ausführungsbeispiel

Zusätzlich zu der in Fig. 1 gezeigten Anordnung kann bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die Frequenz zur Ansteuerung des Piezoaktors P variiert werden. Mittels eines Schalters S kann der Piezoaktor P von der übrigen Anordnung getrennt werden, wenn die Spannung über dem Piezoaktor P ma ximal oder minimal ist. Zu diesen Zeitpunkten befindet sich die Energie des Schwingkreises vollständig im elektrischen Feld des Pufferkondensators der Hilfsspannungsquelle (Minimum) oder in dem Piezoaktor P (Maximum). Dadurch erfolgt das Schalten bei minimalem Energieverlust innerhalb des Schwingkreises und ist daher verlustarm.

Die kapazitiv gespeicherte Energie kann nahezu beliebig lang erhalten werden. So läßt sich die Periodendauer des Schwing kreises verlängern, ohne daß dabei zusätzliche Verluste ent stehen. Dazu ist ein Verzögerungsglied VZG vorgesehen. Diese Art der Frequenzänderung wird im weiteren Verlauf Minimum oder Maximum- Verlängerung genannt. Vergleiche hierzu Fig. 4.

Wird der Piezoaktor P zum Zeitpunkt des Spannungsminimums ab geschaltet, erfolgt über den Kondensator LR ein Wiederan schwingen der Schaltung.

Zur Detektion des Spannungsminimums und des Spannungsmaximums ist ein Minimum/Maximum- Detektor MMD vorgesehen. Mit VCC ist die Versorgungsspannung bezeichnet.

Zweites Ausführungsbeispiel

Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich in der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausfüh rungsform der Schalter S zwischen dem Piezoaktor P und dem Übertrager TO. Der Vorteil dieser Ausführungsform er gibt sich aus dem festen Bezugspotential für die Ansteuerung des Schalters S, was eine einfache Schaltung ermöglicht.

Ebenso wie in Fig. 2 dient der Kondensator LR zum Wiederan schwingen der Schaltung, wenn der Piezoaktor P im Spannungs minimum abgeschaltet wird.

In Fig. 4 ist der Spannungsverlauf der Piezoaktorspannung U_P gegenüber der Frequenz f aufgetragen. Das in den Ausführungs beispielen 2 und 3 vorhandene Verzögerungsglied VZG erzeugt eine Verzögerungsdauer T_V, um die die Spannungszuschaltung oder Spannungsabschaltung am Piezoaktor P verzögert werden kann.

Die Frequenz f ist in einem Bereich von etwa 2 ... 10 KHz einstellbar. Üblicherweise liegt sie bei 5 KHz.

Drittes Ausführungsbeispiel

Mit der in Fig. 5 gezeigten Anordnung können zwei Piezoakto ren P1 und P2 angesteuert werden. Grundlage hierzu ist das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel.

Im vierten Ausführungsbeispiel wird die Energie zwischen den einzelnen Piezoaktoren P1 und P2 hin- und hergeschoben. Da nur ein Übertrager verwendet wird, vermindern sich die ent stehenden magnetischen Verluste gegenüber einer Schaltung bei der zur Ansteuerung zweier Piezoaktoren jeweils eine eigen ständige Ansteuerelektronik vorgesehen ist.

Viertes Ausführungsbeispiel

Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Anordnung des Übertragers TO.

In Fig. 7 ist der Schaltplan zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt.

Bei der im Minimum zwischengespeicherten Energie wird der Stromfluß beim Öffnen des Schalters S auf den Pufferkondensa tor CE der Hilfsspannung umgeleitet. Zum Schutz der Hilfs spannungsquelle gegen eine externe Überspannung an ihrem Aus gang ist eine Diode in Sperrichtung nachgeschaltet. Beim Schließen des Schalters S wird der Pufferkondensator CE ent laden und stellt die zwischengespeicherte Energie wieder zur Verfügung.

Die Verlängerungszeiten T_V (Minimum- und/oder Maximumverlän gerung) durch die jeweiligen Schaltdauern sind unabhängig voneinander einstellbar.

Um eine Signalsymmetrie zu erhalten, werden die beiden Ver längerungszeiten gleich lang gewählt.

An den Schalter S werden folgende Anforderungen gestellt. Er soll verlustarm zum Zeitpunkt des Spannungsminimums oder Spannungsmaximums am Piezoaktor P schalten. Es ist zu berück sichtigen, daß die Stromrichtung wechselt. Außerdem muß der Schalter S schneller sperren als der Verstärker V öffnet, um eine Entladung des Piezoaktors P über den Verstärker V zu verhindern.

Der Schalters S weist eine Darlington-Stufe auf.

Die Verwendung eines derartigen Schalters S gewährleistet, daß dieser schneller als der Verstärkertransistor V sperrt und somit verhindert, daß eine Entladung des Piezoaktors P über den Verstärkertransistor erfolgen kann.

In Fig. 8 ist ein Minimum-Maximum-Detektor gezeigt, wie er in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 eingesetzt wird.

In Fig. 9 ist das Verzögerungsglied zur Erzeugung der Verzö gerungszeit T_V gezeigt, wie es in den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 verwendet wird.

Die Anschlüsse "Schalter" und "COAX X1" in Fig. 7 sind mit den in Fig. 9 gleichnamig bezeichneten Anschlüssen verbun den.

Claims

1. Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors, wobei die Anordnung folgende Merkmale aufweist:

1. - ein zwei Induktivitäten (PW, SW) aufweisender Übertrager (TO) bildet mit der Kapazität des piezoelektrischen Aktors (P) einen induktiv rückgekoppelten Serienschwingkreis, wo bei eine erste Induktivität (PW) des Übertragers (TO) aus gangsseitig mit dem piezoelektrischen Aktor (P) und eine zweite Induktivität (SW) mit dem Steuereingang eines Ver stärkers (V) verbunden ist;
2. - ein Pufferkondensator (C_E) ist derart mit dem Verstärker (V) und dem piezoelektrischen Aktor (P) verschaltet, daß eine im piezoelektrischen Aktor (P) gespeicherte Ladung über den Verstärker (V) in den Pufferkondensator (C_E) flie ßen kann;
3. - ein Extremwertdetektor (MMD) steuert ein Schaltelement (S) über ein Verzögerungsglied (VZG) derart an, daß der piezo elektrische Aktor (P) jeweils beim Erreichen des Maximums und Minimums der Aktorspannung für eine durch das Verzöge rungsglied (VZG) vorgegebene Zeitspanne (T_V) von den ande ren Komponenten des Serienschwingkreises getrennt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transistor als Verstärker (V).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen über die zweite Induktivität (SW) mit dem Verstärker (V) verbundenen, der Einstellung des Arbeitspunktes dienenden Spannungsteiler (R1, R2).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (S) zwischen dem Übertrager (TO) und dem piezoelektrischen Aktor (P) oder zwischen dem piezoelek trischen Aktor (P) und Masse angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (TO) eingangsseitig mit einem Kondensator (LR) verbunden ist.

6. Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors, wobei die Anordnung folgende Merk male aufweist:

1. - eine erste Induktivität eines Übertragers (TO) bildet mit der Kapazität des ersten piezoelektrischen Aktors (P1) ei nen ersten Serienschwingkreis und mit der Kapazität des zweiten piezoelektrischen Aktors (P2) einen zweiten Serien schwingkreis;
2. - eine zweite Induktivität des Übertragers (TO) koppelt die beiden Serienschwingkreise induktiv miteinander, wobei ein erster Verstärker (V) ausgangsseitig mit dem ersten Serien schwingkreis, ein zweiter Verstärker (V) ausgangsseitig mit dem zweiten Serienschwingkreis und beide Verstärker (V) je weils eingangsseitig mit der zweiten Induktivität verbunden sind;
3. - in den beiden Serienschwingkreisen ist jeweils ein Schalt element (S) zwischen dem Übertrager (TO) und dem piezoelek trischen Aktor (P1, P2) angeordnet;
4. - ein Extremwertdetektor (MMD) steuert die beiden Schaltel emente (S) über ein Verzögerungsglied (VZG) jeweils derart an, daß der dem Schaltelement (V) zugeordnete piezoelektri sche Aktor (P1, P2) beim Erreichen des Maximums und Mini mums der Aktorspannung für eine durch das Verzögerungsglied (VZG) vorgegebene Zeitspanne (T_V) von den anderen Komponen ten seines Serienschwingkreises getrennt wird.

7. Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors, wobei die Anordnung folgende Merk male aufweist:

1. - eine erste Induktivität eines Übertragers (TO) bildet mit der Kapazität des ersten piezoelektrischen Aktors (P1) ei nen ersten Serienschwingkreis;
2. - eine mit der ersten Induktivität magnetisch gekoppelte zweite Induktivität des Übertragers (TO) bildet mit der Ka pazität des zweiten piezoelektrischen Aktors (P2) einen zweiten Serienschwingkreis;
3. - ein erster Verstärker (V) ist eingangsseitig mit der ersten Induktivität und ausgangsseitig mit dem ersten Serien schwingkreis verbunden;
4. - ein zweiter Verstärker (V) ist eingangsseitig mit der zwei ten Induktivität und ausgangsseitig mit dem zweiten Serien schwingkreis verbunden;
5. - in den beiden Serienschwingkreisen ist jeweils ein Schalt element (S) zwischen dem Übertrager (TO) und dem piezoelek trischen Aktor (P1, P2) angeordnet;
6. - ein Extremwertdetektor (MMD) steuert die beiden Schaltel emente (S) über ein Verzögerungsglied (VZG) jeweils derart an, daß der dem Schaltelement (V) zugeordnete piezoelektri sche Aktor (P1, P2) beim Erreichen des Maximums und Mini mums der Aktorspannung für eine durch das Verzögerungsglied (VZG) vorgegebene Zeitspanne (T_V) von den anderen Komponen ten seines Serienschwingkreises getrennt wird.