DE4036618C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern eines
piezoelektrischen Vibrators, mit einer Wechselstromquelle zum
Versorgen des piezoelektrischen Vibrators mit elektrischer
Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators,
und einer zwischen die Wechselstromquelle und den
piezoelektrischen Vibrator angeordneten Treiberschaltung zur
Regelung des dem piezoelektrischen Vibrator zugeführten
Wechselstroms.
Aus der DE 31 38 068 A1 ist eine piezoelektrische Mehrfrequenz-
Schallerzeugungsvorrichtung bekannt, bei der der piezoelektrische
Schwinger mindestens zwei Resonanzfrequenzen aufweist. Zur
Erzeugung eines hörbaren Tons ist der piezoelektrische Schwinger
mit einem mit diesen Resonanzfrequenzen anregbaren Schwingkreis
zum Versorgen des piezoelektrischen Schwingers mit elektrischer
Energie verbunden. Mittels einer Modulatorschaltung zur
Amplitudenmodulation des Schwingkreises mit einer
Modulationsfrequenz im wesentlichen entsprechend einem
Frequenzabstand zwischen den Resonanzfrequenzen des Schwingkreises
wird der piezoelektrische Schwinger mit frequenzmodulierten
Schwingungen zur Erzeugung eines Mehrfrequenz-Tonsignals angeregt.
Hierbei werden die modulierten Ausgangssignale der
Modulatorschaltung mittels einer Treiberschaltung bzw. eines
Leistungsverstärkers aus Darlington-Transistoren verstärkt und der
Primärspule eines Transformators zugeführt. Der piezoelektrische
Schwinger wird infolge der magnetischen Kopplung zwischen der
Primär und der Sekundärspule des Transformators durch den in der
Sekundärspule induzierten modulierten Wechselstrom angeregt.
Bei dieser bekannten Mehrfrequenz-Schallerzeugungsvorrichtung mit
einem piezoelektrischen Schwinger besteht jedoch die Gefahr, daß
infolge einer zu starken Dehnung und Stauchung des
piezoelektrischen Schwingers an diesem Schäden durch Risse
entstehen können, da der vom piezoelektrischen Schwinger
aufgenommene Strom im Resonanzfall nicht überwacht und geregelt
wird. Wird beispielsweise der piezoelektrische Schwinger an einem
Spiegel befestigt, so wird eine sehr starke Belastung auf den
Spiegel ausgeübt, wodurch auch in diesem Risse hervorgerufen
werden. Bei der Verwendung des piezoelektrischen Schwingers bzw.
piezoelektrischen Vibrators zur Tonsignalerzeugung führen
derartige Risse zu einer Verschlechterung der elektrischen
Eigenschaften des piezoelektrischen Vibrators und damit zu einer
unerwünschten Verzerrung des abgestrahlten Tonsignals.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators derart
auszugestalten, daß der dem piezoelektrischen Vibrator zugeführte
Wechselstrom erfaßt und zur Vermeidung einer übermäßig starken
Vibration im Resonanzfall geregelt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Erfassungseinrichtung
vorgesehen ist zur Erfassung des dem piezoelektrischen Vibrator
zugeführten Wechselstroms, und die Treiberschaltung die Stärke des
dem piezoelektrischen Vibrator zugeführten Wechselstroms in
Abhängigkeit von dem mittels der Erfassungseinrichtung erfaßten
Stroms regelt.
Erfindungsgemäß wird somit, insbesondere im Resonanzfall, mittels
der Erfassungseinrichtung der zur Anregung des piezoelektrischen
Vibrators erforderliche Wechselstrom durch die Primärwicklung des
Transformators erfaßt, wobei der Wechselstrom der Primärwicklung
zum Wechselstrom der Sekundärwicklung des Transformators, die
direkt den piezoelektrischen Vibrator speist, in einem bestimmten,
durch die Dimensionierung der Bauteile festgelegten Verhältnis
steht. Die an der Erfassungseinrichtung abfallende Spannung
verringert eine Potentialdifferenz zwischen dem jeweiligen Source-
Anschluß und dem Gate-Anschluß jedes der Verstärkungstransistoren,
so daß ein unerwünschter starker Anstieg des Stroms durch die
Primärwicklung des Transformators vermindert und dadurch geregelt
werden kann. Abrupte Änderungen der jeweils durch die
Primärwicklung und Sekundärwicklung des Transformators fließenden
Ströme wird dadurch wirksam vermieden, wodurch die Erzeugung von
lästigen Geräuschen am piezoelektrischen Vibrator verhindert wird.
Auf diese Weise wird bei entsprechender Dimensionierung der
Erfassungseinrichtung und der Verstärkungstransistoren zur
Erzielung einer langen Lebensdauer der piezoelektrische Vibrator
mit optimaler elektrischer Leistung angesteuert.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators,
Fig. 2a eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von
Strömen, die durch erste und zweite Wicklungen eines
Transformators fließen, wobei die Stromregelung außer Betrieb
gesetzt ist,
Fig. 2b eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von
Strömen, die den in Fig. 2a gezeigten Strömen entsprechen, wobei
jedoch die Stromregelung wirksam ist,
Fig. 3a eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von
Spannungen an Gate-Anschlüssen von Transistoren, von denen Dioden
entfernt wurden,
Fig. 3b eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von
Spannungen an Gate-Anschlüssen der Transistoren, an die Dioden
angeschlossen sind, und
Fig. 4a, 4b und 4c Darstellungen des Schwingungsverhaltens eines
Spiegels, an dem der piezoelektrische Vibrator befestigt ist.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
einer Ansteuervorrichtung AC gezeigt: eine Stromquelle in
Form einer Batterie 11 ist über einen Schalter 12 mit einem
Spannungsregler 13 verbunden, der eine Oszillatorschaltung
14, eine Pufferschaltung 15 und eine invertierende
Pufferschaltung 16 mit elektrischem Strom versorgt.
Durch Schließen des Schalters 12 wird die als
Wechselstromquelle in Form eines Wobbelgenerators dienende
Oszillatorschaltung 14 derart in Betrieb gesetzt, daß der
Bereich der Oszillationsfrequenz die Resonanzfrequenz des
Vibrationssystems mit einem piezoelektrischen Vibrator 22
enthält. Da Wobbelgeneratoren bekannt sind, wird auf eine
Beschreibung verzichtet.
Die Pufferschaltung 15 ist mit der Oszillatorschaltung 14
verbunden, um das von dieser ausgegebene Signal zu
verstärken. Das resultierende Signal wird über einen
Widerstand 17 an den Gate-Anschluß eines Transistors 18 in
Form eines n-Kanal-Feldeffekttransistors angelegt.
Die invertierende Pufferschaltung 16 ist ebenfalls mit der
Oszillatorschaltung 14 verbunden, um ein von dieser
ausgegebenes Signal zu verstärken. Das resultierende Signal
wird über einen Widerstand 19 an den Gate-Anschluß eines
Transistors 20 angelegt, der vom Typ her ähnlich dem
Transistor 18 ist. Wenn die bezüglich der Polarität
entgegengesetzten Signale an die Transistoren 18 und 20
angelegt werden, wird der Transistor 20 im AUS-Zustand (EIN-
Zustand) gehalten, während sich der Transistor 18 im EIN-
Zustand (AUS-Zustand) befindet.
Zwischen dem Schalter 12, von dem eine Spannung VB erhalten
wird, und dem Drain-Anschluß des Transistors 18 (20) ist eine
Primärwicklung 21b (21a) eines Transformators 21 angeordnet.
Infolge der einander ausschließenden EIN-Zustände der
Transistoren 18 und 20 werden die Wicklungen 21a und 21b
alternierend erregt, wodurch eine elektrische Spannung von
ca. 600 V an einer Sekundärwicklung 21c des Transformators 21
erzeugt wird. Die Transistoren 18 und 20 bilden eine
Treiberschaltung.
Die in der Sekundärwicklung 21c des Transformators 21
generierte bzw. induzierte Spannung wird an den piezoelektrischen Vibrator 22
angelegt, wobei ein Wechselstrom bzw. ein Strom fließt, der in Beziehung zum
Ausmaß der Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen
Vibrators 22 steht. Ein Wechselstrom bzw. ein Strom i1 durch die Wicklungen 21a und
21b steht in Beziehung zum Strom i2. Somit erhöht sich sowohl
der Strom i1 als auch der Strom i2, wenn das Ausmaß der
Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators 22
infolge dessen Resonanz zunimmt.
Source-Anschlüsse der Transistoren 18 und 20 sind über einen
gemeinsamen Widerstand 23, der eine Erfassungsschaltung
darstellt, geerdet. Da der gesamte Strom i1 durch den
Widerstand 23 fließt, ergibt sich an diesem ein
Spannungsabfall, der in Beziehung zum Strom i1 steht.
Die am Widerstand 23 abfallende Spannung verringert eine
Potentialdifferenz zwischen dem Source-Anschluß und dem Gate-
Anschluß jedes der Transistoren 18 und 20. Somit wird durch
jeden der Transistoren 18 und 20 der Strom i1 nach und nach
in dem Maß verringert, in dem der Strom i2 ansteigt. Dadurch
werden abrupte Änderungen der Ströme i1 und i2 vermieden,
wodurch die Erzeugung von lästigen Geräuschen am
piezoelektrischen Vibrator 22 verhindert wird.
In Fig. 2a sind zeitliche Verläufe der Ströme i1 und i2 gezeigt,
wenn der Widerstand 23 kurzgeschlossen ist. In diesem Zustand
wird, da beide Transistoren 18 und 20 inaktiv sind, der
Spitzenwert des Stroms i1 zu ungefähr 8 Ampere, wodurch der
Spitzenwert des Stroms i2 durch die Sekundärwicklung 21c zu
ungefähr 4 Ampere wird.
Darüber hinaus wird infolge der Überlagerung des Stroms i1
durch hochfrequente harmonische Schwingungen ein weiterer
Spitzenwert von ungefähr minus 2 Ampere erzeugt, der dem
Spitzenwert von ungefähr 8 Ampere folgt. Infolgedessen wird
im Verlauf des Stroms i2 unmittelbar nach der Erzeugung des
Spitzenwerts von 4 Ampere ein weiterer Spitzenwert von minus
1 Ampere erzeugt.
Fig. 2b zeigt zeitliche Verläufe der Ströme i1 und i2 für einen
Zustand, bei dem der Kurzschluß des Widerstands 23 beseitigt
ist. Durch das Betreiben der Transistoren 18 und 20 zum
Regeln des Stroms i1 durch die Wicklungen 21a und 21b
wird der Spitzenwert des Stroms i1 auf ungefähr 4 Ampere
begrenzt. Somit wird der durch die Sekundärwicklung 21c
fließende Strom i2 auf ungefähr 2 Ampere eingestellt. Diese
Verringerung des Spitzenwerts des Stroms i2 bewirkt eine
Abnahme der auf den piezoelektrischen Vibrator 22 wirkenden
maximalen Belastung, wodurch dessen Haltbarkeit verbessert
wird.
Eine Begrenzung des Spitzenwerts des Stroms i1 führt auch zu
einer Abnahme der Überlagerung des Stroms i1 durch
hochfrequente harmonische Schwingungen. Somit wird ein
weiterer Spitzenwert, der nach der Erzeugung des 4-Ampere-
Spitzenwertes erzeugt wird, auf ungefähr 1 Ampere verringert.
Ähnlich wird beim Strom i2 ein weiterer Spitzenwert nach dem
2-Ampere-Spitzenwert auf ungefähr 1 Ampere abgesenkt. Somit
kann die Frequenz der Dehnung und Stauchung des
piezoelektrischen Vibrators 22 verringert werden, wodurch
dessen Haltbarkeit verbessert wird.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann in der Ansteuervorrichtung AC das
Auftreten einer sehr großen Belastung des piezoelektrischen
Vibrators 22 verhindert werden, indem der Spitzenwert des
durch diesen fließenden Stroms i2 begrenzt wird. Somit wird
das Auftreten von kleinen Rissen sehr selten, wodurch eine
Verschlechterung des piezoelektrischen Vibrators 22 weitgehend
verhindert wird.
In der Ansteuervorrichtung AC ist parallel zum Widerstand 17 (19)
eine Diode 26 (27) angeordnet. Die Diode 26 (27) soll schnell
die in der zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß
des Transistors 18 (20) vorhandenen Kapazität gespeicherten
Ladungen abführen und dadurch schnell das Differenzpotential
verringern.
Fig. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Gate-Anschluß des
Transistors 18 in einem Zustand, in dem die Dioden 26 und 27
entfernt sind. Wenn eine Ausgangsspannung Va der
Pufferschaltung 15 fällt, werden in der Kapazität zwischen
dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß gespeicherte
Ladungen allmählich abgeführt, indem sie über den Widerstand
17 abfließen, wodurch allmählich eine Spannung Vb des Gate-
Anschlusses abgesenkt wird. Während des Absinkens der
Spannung Vb erzeugt der Transistor 18 infolge des Umsatzes
von elektrischer Energie Wärme.
Fig. 3b zeigt in einer graphischen Darstellung den zeitlichen Verlauf der
Spannung am Gate-Anschluß des Transistors 18 in einem
Zustand, in dem die Diode 26 angeschlossen ist. Wenn die
Ausgangsspannung Va der Pufferschaltung 15 fällt, bringt die
Diode 26 den Widerstand 17 in einen kurzgeschlossenen
Zustand, wodurch die zwischen dem Gate-Anschluß und dem
Source-Anschluß des Transistors 18 gespeicherten Ladungen zur
Pufferschaltung 15 abgeführt werden. Daraus resultiert ein
schneller Abfall der Spannung Vb am Gate-Anschluß des
Transistors 18.
Beim Abfall der Ausgangsspannung der invertierenden
Pufferschaltung 16 verursacht der durch die Diode 27 erzeugte
Kurzschluß des Widerstands 19 ein schnelles Abführen der
zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß des
Transistors 20 vorhandenen Ladungen zur invertierten Pufferschaltung 16.
Somit ergibt sich ein schneller Abfall der Spannung am Gate-
Anschluß des Transistors 20.
Wie vorstehend erwähnt werden die Transistoren 18 und
20 infolge des Einsatzes der Dioden 26 und 27 schnell in AUS-
Zustände gebracht, wodurch die dort stattfindende
Wärmeerzeugung verringert wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4a, 4b und
4c eine Anwendung bzw. ein praktischer Einsatz der
Vorrichtung beschrieben. Der piezoelektrische Vibrator 22
kann auf die Rückseite eines plattenförmigen Teils 50 wie
beispielsweise eines an einen Fahrzeugkörper (nicht gezeigt)
zu montierenden Spiegels geklebt sein. Wenn der
piezoelektrische Vibrator 22 durch die Ansteuervorrichtung AC
angesteuert wird, wird, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt
ist, der Spiegel 50 infolge des alternierenden Angreifens von
Dehnungs- und Stauchungskräften wiederholt in
entgegengesetzte Richtungen gekrümmt. Als Ergebnis einer
Resonanz des Spiegels 50, die dann auftritt, wenn von der
Ansteuervorrichtung AC eine geeignete Frequenz auf den Spiegel 50
übertragen wird, wird gleichmäßig auf dem ganzen Spiegel 50
eine stehende Welle mit hoher Amplitude erzeugt (Fig. 4c).
Infolge der vorstehend erwähnten stehenden Welle wird eine
äußere Oberfläche 50a des Spiegels 50 in eine Bewegung mit
hoher Geschwindigkeit versetzt. Dadurch werden Wassertropfen
auf der Oberfläche 50a des Spiegels 50 entfernt, indem sie
abgeschüttelt oder versprüht werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Ansteuervorrichtung AC kann sich die
stehende Welle infolge der einen Frequenzbereich abdeckenden
Wobbel-Oszillation der Oszillatorschaltung 14 längs der
Oberfläche 50a des Spiegels 50 bewegen, wodurch eine gleichmäßige Entfernung
von Wassertropfen ermöglicht wird.
Bei der Ansteuervorrichtung AC kann durch die Transistoren 18 und 20
ein übermäßig hoher Stromfluß durch den piezoelektrischen
Vibrator 22 verhindert werden. Dies ermöglicht trotz Resonanz
des Spiegels 50 und des piezoelektrischen Vibrators 22 die
Verhinderung einer übermäßigen Durchbiegung des
piezoelektrischen Vibrators 22 in entgegengesetzte
Richtungen. Somit wirkt keine übermäßige Belastung auf den
Verbindungsabschnitt, an dem der Spiegel 50 und der
piezoelektrische Vibrator 22 aneinandergeklebt sind, wodurch
eine schwierige Trennbarkeit des Spiegels 50 und des
piezoelektrischen Vibrators 22 erreicht wird. Außerdem
bekommt der Spiegel 50 ohne Anwendung von übermäßiger Belastung
nur selten Sprünge.
Die Ansteuervorrichtung AC zum Ansteuern des piezoelektrischen
Vibrators 22 ist derart aufgebaut, daß die dem piezoelektrischen
Vibrator 22 zugeführte elektrische Energie verringert wird,
wenn sich der durch diesen fließende Strom i2 während der
Resonanz des piezoelektrischen Vibrators 22 erhöht. Durch
diesen Aufbau kann die Dehnung und Stauchung des
piezoelektrischen Vibrators 22 begrenzt werden, wobei dessen
Resonanz aufrechterhalten wird. Diese Begrenzung bewirkt eine
Verringerung der auf den Spiegel 50 durch den
piezoelektrischen Vibrator 22 ausgeübten Belastung.
Claims (6)
1. Vorrichtung zum Ansteuern eines
piezoelektrischen Vibrators, mit
einer Wechselstromquelle (14) zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators (22) mit elektrischer Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators (22), und
einer zwischen die Wechselstromquelle (14) und den piezoelektrischen Vibrator (22) angeordneten Treiberschaltung (15-20, 26, 27) zur Regelung des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2), dadurch gekennzeichnet, daß
eine Erfassungseinrichtung (23) vorgesehen ist zur Erfassung des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2), und
die Treiberschaltung (15-20, 26, 27) die Stärke des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2) in Abhängigkeit von dem mittels der Erfassungseinrichtung (23) erfaßten Strom regelt.
einer Wechselstromquelle (14) zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators (22) mit elektrischer Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators (22), und
einer zwischen die Wechselstromquelle (14) und den piezoelektrischen Vibrator (22) angeordneten Treiberschaltung (15-20, 26, 27) zur Regelung des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2), dadurch gekennzeichnet, daß
eine Erfassungseinrichtung (23) vorgesehen ist zur Erfassung des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2), und
die Treiberschaltung (15-20, 26, 27) die Stärke des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2) in Abhängigkeit von dem mittels der Erfassungseinrichtung (23) erfaßten Strom regelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (15-20,
26, 27) ein Paar von Transistoren (18, 20)
aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (15-20,
26, 27) desweiteren eine erste Schaltungsanordnung
(17, 26) und eine zweite Schaltungsanordnung (19,
27) zur Erleichterung des Entladens der in der
Treiberschaltung (15-20, 26, 27) angeordneten
Transistoren (18, 20) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Erfassungsvorrichtung (23) ein Widerstand ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
piezoelektrische Vibrator (22) auf ein
plattenförmiges Teil (50) geklebt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
plattenförmige Teil (50) ein Spiegel ist.
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