DE2313107A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum steuern der auslenkung eines piezoelektrischen elementes - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum steuern der auslenkung eines piezoelektrischen elementes

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Description

PATENTANWALT D-703 Böblingen
DIPL-ING. KNUD SCHULTE . cerokwege
"Telefon (0703)} 28373
-Θ87432
14. März 1973
Patentanwalt K. Schulte, D-703 BObflngen. Gerokweg 6 O Q 1 Q 1 fl *7
Hewlett-Packard GmbH
703 Böblingen, Herrenberger Str. 110
DT 24
VERFAHREN UND SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM STEUERN DER
AUSLENKUNG EINES PIEZOELEKTRISCHEN ELEMENTES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine für dieses geeignete Schaltungsanordnung zum Steuern der Auslenkung eines piezo-elektrischen Elementes mittels eines über
Elektroden zugeführten elektrischen Signales.
Piezo-elektrische Elemente, welche meistens aus Keramikmaterial bestehen, werden häufig als Stellglieder in Steuer- und Regelkreisen benutzt. Bei optischen Anwendungen dienen sie insbesondere dazu, den Abstand der optischen Elemente, beispielsweise den Spiegel eines Interferometers zu steuern. Dabei wird eine Spannung an das piezo-elektrische Element angelegt, um dieses möglichst linear und um einen vorbestimmten Betrag auszulenken. Dann wird die Spannung verringert, um das piezo-elektrische Element wieder auf den Wert der Auslenkung bei Beginn des Zyklus zurückzustellen und für einen neuen Zyklus vorzubereiten.
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Volkebank BöbHngen AG. Kto. β 458 (BLZ 60 390 220) - Postscheck: Stuttgart 996 55
Die Auslenkung eines piezo-elektrischen Elementes hängt jedoch weder linear noch nach einer anderen Funktion eindeutig von der angelegten Spannung ab. Vielmehr handelt es sich um eine hysteresebehaftete Funktion, so daß einer bestimmten Spannung nicht eine eindeutig bestimmte Auslenkung des Piezoelementes entspricht, sondern diese von der elektrischen Vorgeschichte, der Temperatur und Alterung des Piezoelementes mitbestimmt wird. Aus diesem Grunde konnte mit der bekannten Spannungsaussteuerung auch keine streng reproduzierbare, zyklische Auslenkung von Piezoelementen erreicht werden. Dabei muß man sich vor Augen halten, daß speziell bei optischen Anwendungen das Piezoelement mit einer Genauigkeit in der
- - —8 ■
Größenordnung von AL/L gleich 10 ausgelenkt werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auslenkung eines Piezoelementes mit hoher Genauigkeit, eindeutig und in technisch einfacher Weise durch ein elektrisches Signal zu steuern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Geschwindigkeit der Auslenkungszunähme oder -abnähme innerhalb des Hysteresebereichs der Ausdehnungsspannungsfunktion als direkt proportionale, hysteresefreie Funktion der durch den angelegten Strom bestimmten Ladungszunähme oder -abnähme des Piezoelementes gesteuert wird. Während die Auslenkung von Piezoelementen eine hysteresebehaftete Funktion der angelegten Spannung ist, wurde nämlich über-
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raschenderweise herausgefunden, daß zwischen der Auslenkungsgeschwindigkeit und dem eingeprägten Strom ein eindeutiger und noch dazu linearer Zusammenhang besteht.
Vorzugsweise erfolgt die Auslenkung eines piezo-elektrischen Elementes zeitlich linear durch Einprägen eines konstanten Stromes, was schaltungstechnisch bekanntlich relativ einfach ist. Eine zeitlich lineare Auslenkung eines Piezoelementes kann zumindest näherungsweise auch erreicht werden, wenn man der linear ansteigenden Rampenspannung eine solche Spannungsfunktion, beispielsweise eine exponentielle Sättigungsfunktion, überlagert, daß die Hysteresecharakteristik kompensiert wird. Da auch hierbei dem Piezoelement ein konstanter Strom zugeführt oder entzogen wird, handelt es sich also um eine gleichwirkende Maßnahme. Allerdings ist das Einprägen eines konstanten Stromes wesentlich einfacher und genauer als das Erzeugen einer nichtlinearen Spannungsfunktion zur Kompensation der Hysteresecharakteristik.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß dem Piezoelement zur Auslenkungszunähme oder -abnähme um einen eindeutig vorbestimmten Betrag eine vorbestimmte Ladungsmenge zugeführt oder entzogen wird.
Bei der zyklischen Auslenkung eines piezoelektrischen Elementes kommt es vor allem darauf an, daß das Element nach jedem - vorzugsweise linearen - Rampenabschnitt wieder in
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die gleiche Ausgangslage zurückgeführt wird. Hierzu kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen werden, daß zur periodischen Auslenkung eines Piezoelementes mit Rampenabschnitten und zwischen diesen liegenden Rückführabschnitten dem Piezoelement während des Rückführabschnittes zur exakten Rückführung auf die Ausgangsausdehnung bei Beginn des Rampenabschnittes die gleiche Ladungsmenge entzogen wird, welche ihm vorher während des vorhergehenden Rampenabschnittes zugeführt wurde. Hierbei wird also wieder von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß zwischen der Auslenkung des piezoelektrischen Elementes und der Ladungsmenge eine eindeutige Zuordnung besteht.'
Zur Vermeidung stoßartiger Belastungen des piezoelektrischen Elementes bzw. von mechanischen Störspannungen hoher Frequenz, welche zu unerwünschten Resonanzschwingungen führen können, kann zweckmäßigerweise vorgesehen werden, daß zur Rückführung der Auslenkung des Piezoelementes am Ende des Rampenabschnittes ohne plötzliche Ausdehnungsänderung der Strom stetig von dem Wert am Ende des Rampenabschnitts aus im Sinne einer Entladung des Piezoelementes geändert wird und dann auch stetig an den Wert zu Beginn des nächsten Rampenabschnittes anschließt. Da die Auslenkung des piezoelektrischen Elementes proportional dem Integral des Stromes ist, bewirkt der stetige Verlauf des Stromes, daß die Auslenkung sich über der Zeit nach einer "glatten", d.h. differenzierbaren Funktion ändert.
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Bei der Rückführung der Auslenkung des Piezoelementes werden gegenüber einer ruckartigen Rückführung nur eine kleine Anzahl störender Oberwellen erzeugt, wenn das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem dreieckförmig verlaufenden Strom ausgesteuert wird. Wegen der integrierenden Wirkung des piezo-elektrischen Elementes ergibt ein derartiger Strom nämlich zwei differenzierbare und sowie miteinander als auch mit den angrenzenden Rampenabschnitten verbundene Parabelbögen .
Mit etwas erhöhtem Schaltungsaufwand kann erreicht werden, daß das piezoelektrische Element bei der Rückführung nur eine einzige mechanische Frequenz erzeugt, indem gemäß einer weiteren Ausführungsförm der Erfindung das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem kosinusförmig verlaufenden Strom ausgesteuert wird.
Die vorbeschriebenen Maßnahmen zur Rückführung eines piezoelektrischen Elementes in die Ruhestellung stellen einzeln oder in ihrer Gesamtheit eine zweckmäßige Ergänzung derjenigen Verfahrensschritte dar, welche der präzisen Auslenkung eines piezo-elektrischen Elementes dienen und beruhen auf der gleichen Erkenntnis, daß zwischen dem Strom (und nicht der Spannung) und der Auslenkungsgeschwindigkeit eines piezoelektrischen Elementesein linearer Zusammenhang besteht. Indessen versteht es sich, daß die beschriebenen Maßnahmen zur
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Rückführung eines piezo-elektrischen Elementes auch vorteilhaft ohne diejenigen Maßnahmen nur Aussteuerung eines piezoelektrischen Elementes ergriffen werden können.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar: Fig. 1.eine teilweise schematisierte Schaltungsanordnung zur periodischen, zeitlich linearen Aussteuerung eines
Piezoelementes,
Fig. 2a-c den zeitlichen Verlauf der Auslenkung, der Spannung und des Stromes des Piezoelementes, das mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ausgesteuert wird.
Es wird davon ausgegangen, daß das Piezoelement eine elektrische Ladung enthält und in dieser Ruhelage die Ausdehnung LO hat. Das Piezoelement soll innerhalb eines bestimmten Bereichs zeitlich linear, mit konstanter Steigung, stetig und periodisch gemäß Fig. la ausgelenkt werden. Bei der nachfolgend beschriebenen Schaltungsanordnung kommt es jedoch nicht darauf an, daß das Piezoelement stets exakt auf den gleichen Wert zurückgestellt wird.
Eine während des gesamten Betriebes eingeschaltete Stromquelle Ql führt dem Piezoelement E einen kostanten Strom zu. Dadurch ändert sich die Ausdehnung des Piezoelementes zeitlich linear vom Wert LO im Zeitpunkt, to bis zum Wert Ll im Zeitpunkt ti. Die Spannung am Piezoelement steigt dabei nicht-
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linear bis zu einem Potential Ul im Zeitpunkt ti. In diesem Augenblick gibt ein Komparator Kl Setzsignale an zwei Flip-Flops FFl und FF2 ab, so daß deren Ausgänge Q einen positiven Logikpegel aufweisen. Der Ausgang Q des Flip-Flops FFl öffnet einen elektronischen, zur Vereinfachung schematisiert dargestellten Schalter S3, so daß an Stelle eines Widerstandes Rl in der Rückführung eines Verstärkers nunmehr ein Kondensator C wirksam wird. Der Verstärker wird dadurch als Integrierverstärker I beschaltet.
Die beiden Ausgänge Q der Flip-Flops FFl und FF2 sind mit einem UND-Gatter Gl "verbunden und schalten dieses durch. Dadurch wird ein zur Vereinfachung wiederum schematisiert dargestellter elektronischer Schalter Sl geschlossen, der eine Quelle für -15 V mit dem Eingang des Integrierverstärkers I verbindet. Der Integrierverstärker I gibt dann eine positive, linear ansteigende Spannung an die Basiselektrode eines Transistors ab, der als steuerbare Stromquelle Q2 geschaltet ist.
Die Stromquelle Q2 treibt einen dem Strom der Stromquelle Ql entgegengesetzten linear ansteigenden Strom durch das Piezoelement, bis dessen Ladung im Zeitpunkt t2 etwa auf die Hälfte herabgesetzt ist. In diesem Zeitpunkt ist die Spannung des Piezoelementes auf den Wert U2 abgefallen und ein Komparator K2 spricht an und gibt ein Löschsignal an den Flip-Flop FF2, so daß auf dessen Ausgang Q ein negativer
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Logikpegel erscheint. Das UND-Gatter Gl wird daher gesperrt, der Schalter Sl geöffnet und das Eingangspotential von -15 V vom Eingang des Integrierverstärkers I abgeschaltet. Andererseits .schließt ein mit dem Ausgang Q des Flip-Flops FF2 und dem Ausgang Q des Flip-Flops FFl verbundenes UND-Gatter G2 einen elektronischen, wiederum schematisch dargestellten Schalter S2 und verbindet den Eingang des Integrierverstärkers I nunmehr mit einer Quelle für +15 V. Der Integrierverstärker I gibt nunmehr eine linear abnehmende Spannung an die Basis der steuerbaren Stromquelle Q2 ab, wodurch zunächst der Strom durch das Piezoelement linear bis auf O abnimmt und dann weiter bis zu positiven Werten im Zeitpunkt t3 zunimmt. Zu diesem Zeitpunkt hat die Spannung am Ausgang des Integrierverstärkers I wieder den -Ausgangswert U3 erreicht, den sie zu Beginn des Zyklus hatte. Auf diesen Spannungswert spricht ein Komparator K3 an und gibt an einen Löscheingang des Flip-Flops FFl ein Signal ab, durch welches dieses Flip-Flop zurückgestellt wird, so daß der Schalter S3 wieder geschlossen wird und der Widerstand Rl des Verstärkers wieder den Kondensator C überbrückt. Der Verstärker hält daher die steuerbare Stromquelle Q2 gesperrt und die Konstantstromquelle Ql bewirkt wieder eine lineare Auslenkung des Piezoelementes, so daß ein neuer Zyklus beginnt.
Durch die vorbeschriebene Schaltung werden vor allem zwei wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen erreicht:
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Das Piezoelement wird in dem interessierenden Bereich
streng linear ausgelenkt. Dieses hängt damit
zusammen/ daß das Piezoelement wie ein Kondensator betrachtet werden kann, und dessen Ausdehnung direkt proportional dem Zeitwert des Integrals des eingeprägten, konstanten
Stromes ist. Demgegenüber wurde bisher die Auslenkung des
Piezoelementes nach dem Stande der Technik mittels einer
Sägezahnspannung versucht. Da aber die Auslenkungs-Spannungsfunktion eines Piezoelementes hysteresebehaftet ist, ergibt sich zwischen der Spannung und der Auslenkung kein linearer Zusammenhang. Es ist nun möglich,, der Sägezahnspannung eine derartige Spannung zu überlagern, daß sich im Zusammenwirken mit der Hysteresecharakteristik der AusdehnungsSpannungskurve eine zeitlich lineare Auslenkung des Piezoelementes ergibt. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß ein derartiger
Spannungsverlauf zu einem konstanten Strom führt. In beiden Fällen ergibt sich eine lineare Auslenkung des Piezoelementes, jedoch ist eine Konstantstromquelle wesentlich leichter zu
realisieren als eine Spannung derart zusammengesetzt werden kann, als der Hystereseeinfluß vermieden wird. Um die Hysterese näherungsweise auszugleichen, wäre es nämlich erforderlich, der zeitlich linear ansteigenden Spannungsrampe eine Hilfsspannung zu überlagern, die einer exponentiellen Sättigungsfunktion entspricht.
Schließlich werden Unstetigkeiten beim Ende eines Rampenabschnittes und bei Beginn des nächsten Rampenabschnittes
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vermieden, welche eine ruckartige mechanische Beanspruchung des Piezoelementes darstellen und Störschwingungen hoher Frequenz hervorrufen würden. Wie überraschend herausgefunden wurde, ergibt sich die Auslenkung des Piezoelementes jeweils aus dem zeitlichen Integral des Stromes, so daß bei einem stetigen Verlauf des eingeprägten Auslenkungs- und Rückführungsstromes sich ein differenzierbarer Verlauf der Ausdehnungs-Zeitfunktion ergibt. Im Ausführungsbeispiel verläuft der Rückführstrom dreieckförmig und wegen der integrierenden Wirkung des Piezoelementes verläuft daher - abgesehen von der Nichtlinearität - die Spannung am Piezoelement während des Rück- *führzeitintervalles in Form zweier sich differenzierbar anschließender Parabelbögen. Diese Parabelbögen stellen eine gute Näherung an den Idealfall dar, daß der Rückführstrom kosinusförmig und die Rückführspannung entsprechend sinusförmig verläuft, d.h. bei der Rückführung der Auslenkung des Piezoelementes jeweils nur eine einzige Frequenz erzeugt wird. Gewünschtenfalls kann also mit etwas höherem Schaltungsaufwand auch ein sinusförmiger Verlauf der Auslenkung des Piezoelementes während der Rückführung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten erreicht werden. .
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Claims (11)

14. März 1973 Hewlett-Packard GmbH DT 24 Patentansprüche
1. Verfahren zum Steuern der Auslenkung eines Piezoelementes, welche eine hysteresebehaftete Funktion der angelegten Spannung ist, mittels eines über Elektroden zugeführten elektrischen Signales, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Auslenkungszunähme oder -abnähme innerhalb des Hysteresebereichs der Ausdehnungsspannungsfunktion als direkt proportionale, hysteresefreie Funktion der durch den angelegten Strom bestimmten Ladungszunahme oder -abnähme des Piezoelementes gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement zeitlich linear durch einen konstanten Strom ausgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ze ichnet , daß dem Piezoelement zur Auslenkungszunahme oder -abnähme um einen eindeutig vorbestimmten Betrag eine vorbestimmte Ladungsmenge zugeführt oder entzogen wird.
4. Verfahren, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur periodischen
JL *.
Auslenkung eines Piezoelementes mit Rampenabschnitten und zwischen diesen liegenden Rückführabschnitten dem Piezoelement während des Rückführabschnittes zur exakten Rückführung auf die Ausgangsausdehnung bei Beginn des Rampenabschnittes die gleiche Ladungsmenge entzogen wird, welche ihm vorher während des vorhergehenden Rampenabschnittes zugeführt wurde.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung der Auslenkung des Piezoelementes am Ende des Rampenabschnittes auf die Auslenkung zu Beginn des Rampenabschnittes ohne plötzliche Ausdehnungsänderung der Strom stetig von dem Wert am Ende des Rampenabschnitts im Sinne einer Entladung des Piezoelementes geändert wird und dann auch stetig an den Wert zu Beginn des nächsten Rampenabschnittes anschließt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten ein Strom zugeführt wird, der seinen Maximalwert in der Mitte des Zeitintervalles zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten erreicht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem dreieckförmig verlaufenden Strom ausgesteuert wird.
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8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennz eichn e t , daß das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem kosinusformig verlaufenden Strom ausgesteuert wird.
9. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit den Elektroden des Piezoelementes eine Stromquelle (Ql) verbunden ist, welche die Geschwindigkeit der Auslenkungszunähme oder -abnähme des Piezoelementes innerhalb des Hysteresebereichs der Ausdehnungs-Spstrmungsfunktion als direkt pro-
. portionale, hysteresefreie Funktion des Stromes steuert.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromquelle zur zeitlich linearen Auslenkung des Piezoelementes als Konstantstromquelle (Ql) ausgebildet ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (Ql) einen Strom zur Auslenkung des Piezoelementes abgibt, eine Steuereinrichtung auf das Erreichen eines vorbestimmten Wertes (Ul) der Spannung am Piezoelement (E) anspricht, der einem Auslenkungswert (Ll) am Ende des eigentlichen Auslenkungsvorganges entspricht, und die Stromquelle derart steuert, daß diese
. einen Strom abgibt, der sich stetig an den vorherigen Strom anschließt, eine Entladung des Piezoelementes bewirkt und
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dann wieder die Aufladung des Piezoelementes bis zu dem Ausgangswert (LO) der Auslenkung bewirkt und die Steuerschaltung auf das Erreichen des Ausgangswertes anspricht und die Stromquelle (Ql) wieder derart steuert, daß sie einen Strom zur Auslenkung des Piezoelementes nach einer Rampenfunktion abgibt.
12* Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle derart gesteuert ist, daß sie beim Erreichen des Spannungswertes des Piezoelementes, welcher dem Ende des linearen Rampenabschnittes entspricht, einen sich stetig anschließenden Strom abgibt, der dem vorher fließenden Aussteuerstrom entgegengesetzt ist und über diesen hinaus zeitlich linear zunimmt und die Steuereinrichtung in der Mitte des Ruckführintervalles die Stromquelle derart steuert, daß diese den Strom wieder linear und stetig bis auf den Wert des konstanten Stromes zur Auslenkung des Piezoelementes im nächsten Zyklus zurückführt.
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DE2313107B2 (de) 1975-02-27

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