DE4036618C3 - Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators - Google Patents

Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators

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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 einem in der DE-A-36 25 149 gezeigten Verfahren wird zunächst die Frequenz eines Oszillators zum Auffinden der Resonanz des dort verwendeten Ultraschallwandlers mittels eines Wobbelgenerators variiert und die Variation der Frequenz beendet, nachdem ein dort vorgesehener Phasenreglerkreis auf die Resonanzfrequenz des Wandlers eingestellt ist. Als Erfassungsvorrichtung zur Vermeidung der Überlastung der Treiberstufe ist ein Überlastschutz in Form eines Widerstandes vorgesehen.
Aus der JP-A-1 240 340 ist die Anbringung mehrerer piezoelektrischer Schwingungselemente an der Rückseite einer Spiegeloberfläche zum Zwecke des Entfernens von Wassertropfen von der Spiegeloberfläche bekannt. Die Möglichkeit der Variierung der Frequenz der an die piezoelektrischen Schwingungselemente angelegten Spannung wird in dieser Druckschrift aber nicht beschrieben.
Ein in der US 3 371 233 angegebenes Verfahren beruht im wesentlichen darin, daß ein Ansteuersignal an Schwingungselemente geführt wird, das gleichzeitig mehrere Komponenten enthält. Konkret wird dort beispielsweise mit einer Rechteckschwingung eine Sägezahnschwingung moduliert, um gleichzeitig mehrere Frequenzen anzuregen.
Aus der US 4 632 311 ist ein mit einem piozelektrischen Vibrator angetriebener Zerstäuber bekannt, bei dem zur Er­ zeugung einer Wechselspannung zur Ansteuerung des piezoelektrischen Vibrators ein Schwingkreis vorgesehen ist. Dabei bilden die Kapazität des piezoelektrischen Vibrators und eine in Serie mit dem piezoelektrischen Vibrator geschaltete Induktivität die frequenzbestimmenden Elemente des Schwingkreises. Zur Aufrechterhaltung einer Schwingung ist ein Verstärker vorgesehen, der in Abhängigkeit von einer erfaßten Spannung im Schwingkreis gesteuert wird. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ist hierbei entsprechend der temperaturabhängigen Eigenschaften der Bauelemente, insbesondere der Eigenschaften des piezoelektrischen Vibrators, innerhalb bestimmter Grenzen veränderbar.
Aus der US 4 318 062 ist eine Ansteuerschaltung für einen Ultraschallzerstäuber bekannt, bei dem die einem piezoelektrischen Vibrator zugeführte Leistung durch Erfassung des zugeführten Stroms und der anliegenden Spannung bestimmt und im Rahmen einer Gegenkopplungsregelung die Schwingung des Vibrators stabilisiert wird. Zu diesem Zweck ist eine Stabilisierungsschaltung vorgesehen, die in Abhängigkeit von einer mittels einer separaten Spule erfaßten hochfrequenten Wechselspannungshalbwelle über mehrere Transistoren eine entsprechende Steuergröße bildet. Mittels dieser Steuergröße wird ein mit einer Primärspule eines Überträgers in Serie geschalteter Transistor gesteuert, wobei dem Transistor eine aus der Gegenkopplungsregelung bestimmte Basis-Vorspannung zugeführt wird.
Ferner ist aus der US 4 879 528 ein Ultraschall- Schwingkreis zur Ansteuerung eines Ultraschallschwingers bekannt, bei dem eine Detektoreinrichtung einen Strom durch die Primärspule eines Transformators erfaßt und in einem Phasendifferenzdetektor der erfaßte Strom zur Bestimmung einer Phasendifferenz mit der an der Primärspule anliegenden Spannung verglichen wird. In Abhängigkeit von dem Ermittlungsergebnis und einem weiteren Vergleich mit einem vorgegebenen Referenzwert wird sodann eine Steuergröße gebildet, mittels der ein spannungsgesteuerter Oszillator angesteuert wird zur Erzielung einer optimalen Resonanzfrequenz, mit der der Ultraschallschwinger effizient betrieben werden kann.
Aus "Nührmann, Dieter: Stromversorgungsschaltungen, Triac- und Zündschaltungen, Franzis-Verlag GmbH, München 1984" ist ein Gleichspannungswandler bekannt, der zur Umwandlung einer Gleichspannung von 24 V in eine Gleichspannung von 5 V dient.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators derart auszugestalten, daß die mit dem Vibrator erzeugten Schwingungen an allen Punkten der Spiegelfläche wirksam werden können, ohne im Resonanzfall zu einer übermäßig starken Vibration zu führen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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-Abschlüssen von Transistoren, von denen Dioden entfernt wurden,
Fig. 3b eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Spannungen an Gate-Abschlüssen 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 (4)

1. Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators, mit
  • a) einer Wechselstromquelle (14) zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators (22) mit elektrischer Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators (22), und
  • b) 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),
  • c) wobei der piezoelektrische Vibrator (22) auf ein plattenförmiges Teil (50) geklebt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
  • d) daß eine Erfassungseinrichtung (23) vorgesehen ist zur Erfassung des dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Wechselstroms (i2),
  • e) daß 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.
  • f) daß das plattenförmige Teil (50) ein Spiegel ist und
  • g) daß als Wechselstromquelle (14) eine Oszillatorschaltung in Form eines Wobbelgenerators vorgesehen ist.
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) des weiteren 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.
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