DE2313107C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Steuern der Ausdehnung eines piezoelektrischen Elementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine für dieses geeignete Schaltungsanordnung zum Steuern des Abstandes zwischen zueinander parallelen Endflächen eines piezoelektrischen Abstimmelementes mittels eines über dessen Elektroden zugeführten elektrischen Signals.

Piezoelektrische Elemente, welche meistens aus Keramikmaterial bestehen, werden häufig als Stellglieder in Steuer- und Regelkreisen benutzt (Spetra-Physics, Rochester, New York 14625, Datenblatt zu Model 470 »Optical Spectrum Analyser«). Bei optischen Anwendungen dienen sie insbesondere dazu, den gegenseitigen Abstand der Spiegel eines Interferometers m steuern. Dabei wird eine Spannung an das piezo-elektrische Element angelegt, um dessen Breite möglichst linear und um einen vorbestimmten Betrag zu steuern. 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.

Die Auslenkung eines piezoelektrischen 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 Ausdehnung des Piezoelements entspricht, sondern diese von der elektrischen Vorgeschichte, der Temperatur und Alterung des Piezoelementes mitbestimmt wird. Aus diesem Grunde konnte mit der bekannten Spannungsaussteuerumg auch keine streng reproduzierbare, zyklische Ausdehnung von Piezoelementen erreicht werden. Dabei muß man sich vor Augen halten, daß speziell bei optischen Anwendungen der Abstand der Endflächen eines Piezoelementes mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Λ L/L gleich 10 ⁸ ausgesteuert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aussteuerung eines Piezoelementes mit hoher Genauigkeit, eindeutig und in technisch einfacher Weise durch ein elektrisches Signal zu steuern.

Diese Aufgabe wird erfinduhgsgemäß dadurch gelöst, daß dem Abstimmelement zur zeitlich linearen Veränderung des Abstandes zwischen dessen parallelen Endflächen um einen bestimmten Betrag in der einen Richtung während eines ersten Rampen-Zeitintervalls ein konstanter Strom und damit eine vorgegebene Ladungsmenge eingeprägt wird und

dann während eines zweiten Rückführ-Zeitintervalls eine hysteresefreie Rückführung der Abstandsänderung zwischen den parallelen Endflächen auf den vorherigen Abstand durch Entzug der gleichen Ladungsmenge bewirkt wird.

Während die Auslenkung von Piozoelementen eine hysteresebehaftete Funktion der angelegten Spannung ist, wurde nämlich überraschenderweise herausgefunden, daß zwischen der AuslenkungsgescbEwmdigkeit und dem eingeprägten Strom ein eindeutiger und noch dazu linearer Zusammenhang besteht.

Vorzugsweise erfolgt die Auslenkung eines piezoelektrischen 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 Rampenspannurag 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 einfächer und genauer als das Erzeugen einer nichtlinearen Spannungsfunktion zur Kompensation der Hysteresecharakteristik.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß dem Piezoelement zur Auslenkungszunahme 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 die gleiche Ausgangstage zurückgeführt wird. Hierzu kann gemäß eir»er Ausführungsform vorgesehen werden, daß zur periodischen Auslenkung eines Piezoelementes mit Rampenabschnitten und zwischen diesen liegenden Riickführ-. ^schnitten dem Piezoelement während des. Rückfuhrabschnittes zur exakten Rückführung auf die Ausgangsausdehnung bei Beginn des Raimpenabschnittes 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 eint 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, dlaß zur Rückführung der Auslenkung des Piezoelenwntes am Ende des Rampenabschniltes 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.

Bei der Rückführung der Abstandsänderung des Piezoelementes werden gegenüber einer ruckartigen Rückführung nur eine kleine Anzahl störender Oberwellen erzeugt, wenn das Piezoelement zur Rückführung der Abstandsänderung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem dreieckförmig verlaufenden Strom ausgesteuert wird. Wegen der integrierenden Wirkung des piezoelektrischen Elementes ergibt ein derartiger Strom nämlich zwei differenzierbare und sowie miteinander als auch mit den angrenzenden Rampenabschnitten verbundene Parabelbogen.

Mit etwas erhöhtem Schaltungsaufwand kann erreicht werden, daß das piezoelektrische Element bei der Rückführung nur eine einzige mechanische Frequenz erzeugt, indem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Piezoelement zur Rückführung der Abstandsänderung 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 Aussteuerung eines piezoelektrischen Elementes dienen und beruhen auf der gleichen Erkenntnis, daß zwischen dem Strom (und nicht der Spannung) und der Aussteuerungsgeschwindigkeit eines piezoelektrischen Elementes ein linearer Zusammenhang besieht. Indessen versteht sich, daß die beschriebenen Maßnahmen zur periodischen, ruckfreien Rückführung eines piezoelektrischen Elementes in den Ausgangszustand auch vorteilhaft ohne diejenigen Maßnahmen zur hysteresefreien Aussteuerung eines piezoelektrischen Elementes ergriffen werden können.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar:

F i g. 1 eine teilweise schematisierte Schaltungsanordnung zur periodischen, zeitlich linearen Aussteuerung eines Piezoelementes,

F i g. 2 a bis 2 c den zeitlichen Verlauf der Auslenkung, der Spannung und des Stromes des Piezoelements, das mittels der Schaltungsanordnung nach Fig.] ausgesteuert wird.

Es wird davon ausgegangen, daß das Piezoelement eine elektrische Ladung enthält und in dieser Ruhelage die Ausdehnung L 0 hat. Das Piezoelement soll innerhalb eines bestimmten Bereichs zeitlich linear, mit konstanter Steigung, stetig und periodisch gemäß F i g. 2 a ausgesteuert 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 Q1 führt dem Piezoelement E einen konstanten Strom zu. Dadurch ändert sich die Ausdehnung des Piezoelementes zeitlich linear vom Wert /- 0 im Zeitpunkt / 0 bis zum Wert L1 im Zeitpunkt il. Die Spannung am Piezoelement steigt dabei nicht linear bis zu einem Potential V1 im Zeitpunkt il. In diesem Augenblick gibt ein Komparator K1 Setzsignale an zwei Flip-Flops FF1 und FF 2 ab, so daß deren Ausgänge Q einen positiven Logikpegel aufweisen. Der Ausgang Q des Flip-Flops FF1 öffnet einen elektronischen, zur Vereinfachung schematisiert dargestellten Schalter S 3, so daß an Stelle eines

Widerstandes R 1 und des Kondensators C in der zusammen, daß das Piezoelement wie ein Konden-Rückführung eines Verstärkers nunmehr der Kon- sator betrachtet Averden kann, und dessen Ausdehdensator C wirksam wird. Der Verstärker wird da- nung direkt proportional dem Zeitwert des Integrals durch als Integrierverstärker / beschaltet. des eingeprägten, konstanten Stromes ist. Demgegen-Dic beiden Ausgänge Q der Flip-Flops Ff1 und 5 über wurde bisher die Aussteuerung des Piezoelemcn- FF 2 sind mit einem UND-Gatter G1 verbunden und tes nach dem Stande der Technik mittels einer Sägeschalten dieses durch. Dadurch wird ein zur Verein- zahiispannung versucht. Da aber die Ausdchnungsfachung schematisiert dargestellter elektronischer Spannungsfunktion eines Piezoelementes hysterese-Schalter 51 geschlossen, der eine Quelle für - 15 V behaftet ist, ergibt sich zwischen der Spannung und mit dem Eingang des Integrierverstärkers / verbindet, »o der Ausdehnung bzw. Änderung des Abstandes zwi-Der Integrierverstärker / gibt dann eine positive, sehen den parallelen Endflächen kein linearer Zulinear ansteigende Spannung an die Basiselektrode sammenhang. Es ist nun möglich, der Sägezahnspaneines Transistors ab, der als steuerbare Stromquelle nung eine derartige Spannung zu überlagern, daß sich Q 2 geschaltet ist. '^m Zusammenwirken mit der Hysteresecharakteristik Die Stromquelle Q 2 treibt einen dem Strom der 15 der Ausdehnung*-Spannungskurve eine zeitlich line-Stromquelle Q 1 entgegengesetzten linear ansteigen- are Auslenkung des Piezoelementes ergibt. Überden Strom durch das Piezoelement, bis dessen La- raschendcrweise wurde festgestellt, daß ein derartiger dung im Zeitpunkt 12 etwa auf die Hälfte herabge- Spannungsverlaut" zu einem konstanten Strom führt, setzt ist. In diesem Zeitpunkt ist die Spannung des In beiden Fällen ergibt sich eine lineare Auslenkung Piezoelementes auf den Wert U 2 abgefallen und ein 20 des Piezoelementes, jedoch ist eine Konstantstrom-Komparator K 2 spricht an und gäbt ein Löschsignal quelle wesentlich leichter zu realisieren als eine Spanan den Flip-Flop FF 2, so daß auf dessen Ausgang Q nung derart zusammenzusetzen, daß der Hystereseein negativer Logikpegel erscheint. Das UND-Gatter einfluß vermieden wird. Um die Hysterese näherungs-Gl wird daher gesperrt, der Schalter 51 geöffnet und weise auszugleichen, wäre es nämlich erforderlich, das Eingangspotential von -15 V vom Eingang des 25 der zeitlich linear ansteigenden Spannungsrampe eine Integrierverstärkers / abgeschaltet. Andererseits Hilfsspannung zu überlagern, die einer exponentiellen schließt ein mit dem Ausgang Q des Flip-Flops FF 2 Sättigungsfunktion entspricht.

und dem Ausgang Q des Flip-Flops FF1 verbünde- Schließlich werden Unstetigkeiten beim Ende nes UND-Gatter G 2 einen schematisch dargestellten eines Rampenabschnittes und bei Beginn des nächelektronischen Schalter 52 und verbindet den Ein- 30 sten Rampenabschnittes vermieden, welche eine gang des Integrierverstärkers / nunmehr mit einer ruckartige mechanische Beanspruchung des Piezo-Quelle für - 15 V. Der Integrierverstärker / gibt nun- elementes darstellen und Störschwingungen hoher mehr eine linear abnehmende Spannung an die Basis Frequenz hervorrufen würden. Wie überraschend der steuerbaren Stromquelle Ql ab, wodurch zu- herausgefunden wurde, ergibt sich die Ausdehnung nächst der Strom durch das Piezoelement linear bis 35 des Piezoelementes jeweils aus dem zeitlichen Inteauf 0 abnimmt, negativ wird und dann weiter bis zu gral des Stromes, so daß bei einem stetigen Verlauf positiven Werten im Zeitpunkt 13 zunimmt. Zu die- des eingeprägten Auslenkungs- und Rückführungssem Zeitpunkt hat die Spannung am Ausgang des stromes sich ein differenzierbarer Verlauf der Aus-Integrierverstärkers / wieder den Ausgangswert 1/3 dchnungs-Zeitfunktion ergibt. Im Ausführungsbeierreicht, den sie zu Beginn des Zyklus hatte. Auf die- 40 spiel verläuft der Rückführstrom dreieckförmig, und sen Spannungswert spricht ein Komparator K3 an wegen der intefrierenden Wirkung des Piezoelemen- und gibt an einen Löscheingang des Flip-Flops FF1 tes verläuft daher die Spannung am Piezoelement ein Signal ab, durch welches dieses Flip-Flop zurück- während des Rückführzeitintervalls in Form zweier gestellt wird, so daß der Schalter 5 3 wieder geschlos- sich differenzierbar anschließender Parabelbögen, sen wird und der Widerstand R 1 des Verstärkers 45 Diese Parabelbögen stellen eine gute Näherung an wieder den Kondensator C überbrückt. Der Verstär- den Idealfall dar, daß der Rückführstrom kosinusker hält daher die steuerbare Stromquelle Ql ge- förmig und die Rückspannung entsprechend sinussperrt und die Konstantstromquelle Q 1 bewirkt wie- förmig verläuft, d. h. bei der Rückführung der Ausder eine lineare Auslenkung des Piezoelementes, so dehnung des Piezoelementes jeweils nur eine einzige daß Mn neuer Zyklus beginnt. 50 Frequenz erzeugt wird. Gewünschtenfalls kann alsc Durch die vorbeschriebene Schaltung werden vor mit etwas höherem Schaltungsaufwand auch ein siallem zwei wesentliche Vorteile gegenüber bekannten nusförmiger Verlauf der Ausdehnung des Piezo· Schaltungsanordnungen erreicht: elementes während der Rückführung zwischen auf-Das Piezoelemenl wird in dem interessierenden einanderfolgenden Rampenabschnitten «reicht wer Bereich streng linear ausgeleckt Dieses hängt damit 55 den.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern des Abstandes zwischen zueinander parallelen Endflächen eines piezoelektrischen Absthnmeiementes mittels eines über dessen Elektroden zugeführten elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abstimmelement zur zeitlich linearen Veränderung des Abstandes zwischen dessen parallelen Endflächen um einen bestimmten Betrag in der einen Richtung während eines ersten Rampen-Zeitintervalls ein konstanter Strom und damit eine vorgegebene Ladungsmenge eingeprägt wird und dann während eines zweiten Rückführ-Zeitintervalls eine hysteresefreie Rückführung der Abstandsänderung zwischen den parallelen Endflächen auf den vorherigen Abstand durch Emzug der gleichen Ladungsmenge bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten ein Strom zugeführt wird, der seinen Maximalwert in der Mitte des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitten mit einem dreieckförmig verlaufenden Strom ausgesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement zur Rückführung der Auslenkung zwischen aufeinanderfolgenden Rampenabschnitien mit einem kosinusförmig verlaufenden Sttom ausgesttaert wird.

5. Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Elektroden des Piezoelementes eine Stromquelle (01) verbunden ist, welche die Geschwindigkeit der Auslenkungszunahme oder -abnähme des Piezoelementes innerhalb des Hysteresebereichs der Ausdehnungs-Spannungsfunktion als direkt proportionale, hysteresefreie Funktion des Stromes steuert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle zur zeitlich linearen Auslenkung des Piezoelementes als Konstantstromquelle (Q I) ausgebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (Q 1) einen Strom zur Auslenkung des Piezoelementes abgibt, eine Steuereinrichtung auf das Erreichen eines vorbestimmten Wertes (L/1) der Spannung am Piezoelement (E) anspricht, der einem Auslenkungswert (L i) 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 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 (Q 1) wieder derart steuert, daß sie einen Strom zur Auslenkung des Piezoelementes nach einer Rampenfunktion abgibt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch getennzeichnet, daß die Stromquelle derart gesteuert jst, daß sie beim Erreichen des Spannunjjiswertes des Piezoelementes, welcher dem Ende des linearen Rampenabschnittes entspricht, fänen sich stetig anschließenden Strom abgibt, (lter dem vorher fließenden Aussteuerötrom entgegengesetzt ist und über diesen hinaus zeitlich linear zunimmt und die Steuereinrichtung m der Mitte des Rückführintervalls 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.