JP2017522850A

JP2017522850A - 圧電アクチュエータの位相角制御

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Publication number: JP2017522850A
Application number: JP2017502597A
Authority: JP
Inventors: ステッドラー、ユルゲン; フリース、マリオ; カルガー、イーリ
Original assignee: フェルメスマイクロディスペンシングゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツンク
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2035-06-01
Also published as: DE102014110003A1; WO2016008633A1; EP3170253A1; TW201605164A; JP6517317B2; TWI703807B; KR20170031106A; CN106464164A; US20180219495A1; US10491141B2; CN106464164B; KR102407688B1; EP3170253B1

Abstract

本発明は、時間的に可変の電圧信号ＵEが印加される入力１２と、圧電アクチュエータ配列１４、５４、８４の端子を少なくとも１つの電圧制御式圧電アクチュエータＰｚと接続するための圧電インターフェース１３、５３、８３と、電圧信号ＵEの位相位置を検出するように実現される同期制御回路ＳＫと、入力１２と圧電インターフェース１３、５３、８３との間のインバータ回路１６、５６、８６と、を備え、所定の電圧曲線を有する制御電圧ＵSが圧電インターフェースに印加されるように、同期制御回路ＳＫが、電圧信号ＵEの位相位置に基づいてインバータ回路１６、５６、８６を制御するように実現される、圧電駆動回路１１、５１、８１を説明する。本発明は、圧電アクチュエータ配列１４、５４、８４を制御する方法をさらに説明する。本発明は、また、圧電アクチュエータ装置１４、５４、８４および独創的な圧電駆動回路１１、５１、８１を備える、圧電アクチュエータ装置１０、５０、８０を説明する。本発明は、また、独創的な圧電アクチュエータ装置１０、５０、８０を備える測定バルブを説明する。

Description

本発明は、圧電駆動回路、および圧電アクチュエータ配列を駆動する方法を説明する。

圧電アクチュエータは、多くの技術分野において、特に製造技術の分野において機械的運動を制御するために使用される。機械的運動を制御するために、圧電アクチュエータに一定の電圧が印加され、逆圧電効果が、機械的運動、すなわちより正確には、圧電アクチュエータの収縮または伸長をもたらす。機械的運動により、圧電アクチュエータは次に、プランジャまたはレバーなどの作動要素を動かす。圧電アクチュエータは、少なくともピエゾ素子、または直列に、もしくは並列に接続されるピエゾ素子の群を備える。直列接続されたピエゾ素子は、ピエゾスタックとして実践されてもよく、ピエゾスタックの運動距離は、相応して単一のピエゾ素子よりも長くなる。

例として、圧電アクチュエータなどのアクチュエータによって駆動されるプランジャを使用する測定バルブは、薄い、またはペースト状の材料の塗布または測定に、特に接着剤の塗布に使用される。圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータに印加される制御信号の電圧によって駆動され、バルブプランジャを作動させる機械的運動を行う。測定バルブの開度は、圧電アクチュエータの制御電圧のレベルによって制御され得る。分注される材料の量は、バルブが開放される期間に依存する。バルブが開放される期間は、制御電圧の周波数に依存する。

通常、圧電アクチュエータ制御信号がそこから得られる信号は、専用の波形発生器の発振器を使用して生成される。アナログ式スイッチング回路を有する単純な波形発生器が、設定可能な、のこぎり波発振器の条件を満たし、そのために、非線形回路を使用して、三角波がおおよそ正弦波状にされる。これらの装置の正弦波状の出力は、概して、比較的大きな歪み率を示す。方形波は、比較器によって三角波から生成され、参照電圧を調節することにより方形波のパルス幅を設定することが可能である。しかし、この種類の波形発生器の精密さは非常に限られている。デジタル波形発生器は、ダイレクトデジタル合成（ＤＤＳ）を使用し、様々な周期的な波形を生成することが可能である。その正確さは、アナログ式スイッチング技術を使用する装置と比較して著しく高く、ＤＤＳにおける内部分解能に主に依存する。クオーツ式発振器は、一般的に、ＤＤＳクロック用のクロック源として機能する。これらの種類の電圧源は、高い正確性を提供するが、これらは広い範囲における適用のために設計されているため、概して構造上複雑であり、非常に高価である。

したがって、経済的で、充分に正確な圧電アクチュエータ用の駆動回路を提供すること、および、対応の、圧電アクチュエータを駆動する方法を提供することが本発明の目的である。

目的は、請求項１記載の圧電駆動回路によって、請求項１１記載の方法によって、請求項１４記載の圧電アクチュエータ装置によって、および請求項１５記載の測定バルブによって達成される。

本発明による圧電駆動回路は、時間的に可変の電圧信号が提供される入力を備える。その入力における電圧信号は、標準的な電源、たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源から発生してもよい。圧電駆動回路は、少なくとも１つの電圧制御式圧電アクチュエータの圧電アクチュエータ配列への接続のための圧電インターフェースをさらに備える。圧電アクチュエータ配列は、少なくとも１つの圧電アクチュエータを備えるが、同時に、複数の圧電アクチュエータが圧電アクチュエータ配列内で並列接続されてもよく、または圧電アクチュエータ配列は、並列に接続される圧電アクチュエータの個々の群に分けられてもよい。インターフェースは、たとえば端子を備えてもよく、それを用いて圧電アクチュエータ、複数の圧電アクチュエータ、または圧電アクチュエータ配列が圧電駆動回路に電気的に接続されることが可能である。さらに、圧電駆動回路は、電圧信号の位相位置を検出するように実現される同期制御回路、および入力と圧電インターフェースとの間のインバータ回路を備える。インバータ回路は、整流回路であってもよく、たとえば、直流電圧を提供するために、それを用いて交流電圧が分解および再構成される。同期制御回路は、一種のシーケンス制御とみなされ得る。同期制御回路は、電圧信号の位相位置に応じて、所定の電圧波形を有する制御電圧が圧電インターフェースに印加されるようにインバータ回路を制御するように実現される。換言すると、同期制御回路は、電圧信号の時間的な動きを判定し、この情報を基に、所定の形状および周波数を有する電圧波形を有する信号を生成するために、電圧信号を分解および再構成する。この信号を用いて、たとえば、圧電アクチュエータによって制御される測定バルブを使用して、薄いまたはペースト状の物質の精密な測定が可能となる。制御の充分な正確さが、有利にも、波形発生器などの、より高価な交流電圧源の必要性を排除する。本発明によって達成され得る特定の利点は、標準的な電源などの交流電源から得られる標準的な電圧信号が入力信号として使用されることが可能であり、標準的な電圧波形の部分が、標準的な電圧信号から切り取られ、望ましい形状および周波数を有する波形に達するように再構成される点にある。

圧電アクチュエータ配列を制御する本発明の方法では、電圧信号が受信され、電圧信号の波形部分が、所定のスイッチング方式に従って電圧信号の極性を反転させることにより分解および再構成される。圧電アクチュエータ配列の端子を少なくとも１つの電圧制御式圧電アクチュエータと接続させるために、極性が反転された電圧信号は、圧電インターフェースに制御信号として印加される。

本発明の圧電アクチュエータ装置は、本発明による特徴を有する圧電駆動回路、および圧電アクチュエータ配列を備える。

本発明による測定バルブは、本発明による特徴を有する圧電アクチュエータ装置を備える。

本発明の、特に有利となるさらなる実施形態および具現化は、従属請求項および以下の説明より得られる。

本発明の圧電駆動回路の有利な実施形態では、インバータ回路は、複数行に配置される複数の電線、複数列に配置される複数の電線、およびスイッチ行列の電線の交点に配置され、それぞれが行の電線と列の電線とを接続する複数のスイッチを有するスイッチング行列を備える。スイッチを制御するために、スイッチは制御信号によって同期制御回路に接続される。たとえば、スイッチは、個々のスイッチに割り当てられた別々の並列の電線によって、同期制御回路に接続され得る。代替的に、スイッチは、スイッチ行列によって制御されてもよい。

本発明の特に好ましい実施形態では、圧電駆動回路は、圧電インターフェースに並列に接続される放電スイッチを備える。放電スイッチは、非同期的に、すなわち、入力電圧により決定される信号周波数から独立して、圧電端子間の電圧をグランドに引き込むように、または少なくとも、圧電端子における電圧の低減を達成するように機能する。放電スイッチを使用して、特に柔軟な方法で、および入力電圧から大いに独立して、制御信号の周波数および形状が形成され得る。

本発明の圧電駆動回路の代替の実施形態によると、放電スイッチは、スルー接続されると抵抗を有する。スイッチング動作、または電荷が放電スイッチによって圧電アクチュエータから移送される放電時間は、放電スイッチの電気抵抗および圧電アクチュエータの静電容量によって決定される。代替的に、圧電アクチュエータの抵抗および静電容量と共に、スイッチング動作または圧電アクチュエータの電荷移送時間を決定するために、追加の抵抗器が放電スイッチに直列接続されてもよい。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、圧電駆動回路は、放電スイッチと圧電インターフェースとの間に直列接続され、ブリッジ抵抗器と並列に接続される、さらなるスイッチを備える。電圧波形の不連続性は、追加のスイッチによって改善され得る。換言すると、ブリッジ抵抗器は、制御信号の電圧波形の生成に影響を与え得る、追加の時定数を導入する。追加のスイッチは、開放状態では無限大の抵抗を提供し、電流は並列接続された抵抗器を通って流れる。スイッチは、閉鎖される、すなわちスルー接続されるとき、実質的にゼロの抵抗を提供し、電流は基本的にはスイッチを通って流れる。

本発明の圧電駆動回路によって使用される電圧信号は、交流信号または三相電力信号であってもよい。三相信号を用いると、要するに、多相信号の各相の間を行き来することが可能であるため、基準周波数が同じであっても、交流信号と比較して、制御信号のより高い信号周波数が達成され得る。

圧電駆動回路の特に有利な実施形態では、複数の圧電アクチュエータは、並列に接続される。この回路構成を用いて、たとえば、並列の組み立てラインが、単一の駆動回路で実現可能である。追加の駆動スイッチで分配可能であることが、コストの低減だけでなく、並行制御ユニットの正確に同期した動作をももたらす。

さらに、圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータの複数の群に配置されてもよく、各グループにはスイッチング行列の列方向の２つの電線が割り当てられる。同期制御回路は、圧電アクチュエータの個々のグループが互いから独立して制御され得るように、圧電アクチュエータの群のそれぞれのための、別個の制御信号を生成するように実現されてもよい。このようにして、単一の駆動回路を用いて、様々な駆動パターンが同時に実現可能である。たとえば、いくつかの異なる製造工程が、単一の駆動回路を用いて制御され得る。

圧電駆動回路は、入力に接続される電圧源をさらに備えてもよい。ここでは、絶縁変圧器が電圧源とインバータ回路との間に接続されてもよい。絶縁変圧器は、たとえばユーザにより意図せずに引き起こされ得る、電源の接地短絡を確実に防止する。このようにして、装置の動作およびメンテナンスにおける安全性が向上する。

本発明の方法の特に有利な実施形態では、圧電アクチュエータを制御するための電圧信号は、圧電インターフェースに並列接続される追加の放電スイッチを通して電圧制御式圧電アクチュエータを放電することによって変更され得る。

圧電アクチュエータを制御するための電圧信号は、また、直列抵抗を接続することによって変更されてもよい。

本発明の方法の特に有利な実施形態では、スイッチの無電流での切換えを達成するために、スイッチは、電圧信号のゼロクロスに同期して経時的に駆動される。この駆動方法により、結果として、駆動回路のエネルギー消費が特に低くなる。

代替的に、スイッチの制御は、圧電インターフェースに印加される電圧の極性が変化し得るように、電圧信号のゼロクロスから時間的にずらされてもよい。圧電アクチュエータに印加される電圧の極性を変化させることによって、圧電アクチュエータのより大きな変位または作動距離を達成することが効果的に可能となる。この場合、好ましくは、圧電アクチュエータに印加される負の、または「バイポーラ」電圧が、動作電圧の特定の値を超えないことを、および、バイポーラ電圧を圧電アクチュエータに印加する時間が最大値を超えないことを確実にするように配慮される。

以下において、添付の図面に関して、および例示的な実施形態を用いて本発明をより詳細に説明する。図面では、同一または類似の物は、同じ参照番号が与えられる。

本発明の第１の実施形態による圧電駆動回路を示す。圧電アクチュエータ配列に印加される制御電圧について経時的に電圧のプロットを示す。圧電アクチュエータ配列に印加される制御電圧について経時的に電圧のプロットを示す。圧電アクチュエータ配列に印加される制御電圧について経時的に電圧の両極性のプロットを示す。本発明の第２の実施形態による圧電駆動回路を示す。圧電アクチュエータ配列に印加され、本発明の第２の実施形態による圧電駆動回路によって生成される制御電圧について経時的に電圧のプロットを示す。圧電アクチュエータ配列に印加され、本発明の第２の実施形態による圧電駆動回路によって生成される制御電圧について経時的に電圧のプロットを示す。本発明の第３の実施形態による圧電駆動回路を示す。

図１は、本発明の第１の実施形態による、圧電駆動回路１１を有する圧電アクチュエータ装置１０を示す。この例示的な実施形態では、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの圧電アクチュエータ配列ＰＺＡが駆動される。圧電駆動回路１１は、入力１２を備え、入力１２に亘って、時間的に可変の電圧Ｕ_Eが印加される。時間的に可変の電圧Ｕ_Eは、たとえば、交流電圧源（図示せず）によって生成され得る。最も単純な場合では、この交流電圧源は、標準的な交流電源であってもよい。入力は、相入力Ｐ１および中性線Ｎのための入力を備える。この場合の相入力における相Ｐ１は、たとえば電源の相導体である。圧電駆動回路１１は、入力１２および圧電インターフェース１３を有するマトリクスとして接続される、４つの電子スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ００、Ｓ０１の２×２のスイッチング行列を有するインバータ回路１６をさらに備える。そして圧電インターフェース１３は、複数の並列接続された圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎを有する圧電アクチュエータ配列１４に接続される。多数の圧電アクチュエータに対して単一の制御ユニットまたは圧電駆動回路１１が必要とされるだけなので、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの並列配置は、圧電アクチュエータの制御、および圧電駆動回路１１の構築の特に単純で経済的な方法を可能にする。入力１２に印加される電圧Ｕ_Eの位相は、同期制御装置ＳＫによって決定され、電子スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ００、Ｓ０１に対する適切な制御信号は、圧電アクチュエータまたは圧電アクチュエータ配列１４において特定の電圧形状を生起するために、スイッチング方式に従って同期制御装置ＳＫに印加されるトリガ信号Ｔｒで生成される。

制御信号をスイッチＳに転送するために、同期制御回路ＳＫは、個々のスイッチＳに割り当てられる個々のコネクタによってスイッチＳに接続され得る。代替的に、スイッチＳがそれにより同期制御回路ＳＫによって制御されるスイッチング行列も可能である。明確さのために、図１にそのようなコネクタは示されていない。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの極性の正しい制御、およびエネルギー回収は、入力電圧Ｕ_Eの位相位置に従って電子スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ００、Ｓ０１に制御される周期的な変化によって達成される。この例示的な実施形態では、電子スイッチの切換えは、無電流の切換えが可能となるように、電圧曲線に関して連続的に起こる。無電流の切換えは、圧電アクチュエータがリアクタンスとして動作し、したがって実質的に電気エネルギーを消費しないという追加の効果を有する。圧電アクチュエータを電源から充電するために必要なエネルギーは、放電中に電源に戻される。さらに、スイッチＳｃが、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎまたは圧電アクチュエータ配列１４に並列接続される。スイッチＳｃは、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの非同期式放電のために使用され得る。非同期式放電とは、入力電圧Ｕ_Eに同期しない放電を意味すると理解される。スイッチＳｃは、スイッチＳｃに直列接続される抵抗器として示される抵抗器Ｒｃを備える。スイッチＳｃが開放している場合、すなわちスルー接続されていない場合、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される電圧は、入力電圧Ｕ_Eに従って制御される。スイッチＳｃが閉鎖している場合、すなわちスルー接続されている場合、均等化電流が、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの端子を流れ、圧電アクチュエータの端子間の電圧をゼロに戻す。したがってスイッチＳｃは、圧電アクチュエータの活性化のための任意の期間を決定するために使用されてもよい。さらに、並列ブリッジ抵抗器Ｒｕを有するスイッチＳｕが、スイッチＳｃまたは抵抗器Ｒｃと、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎとの間に配置される。スイッチＳｕは、電圧形状の発生において起こり得る不連続性を克服するのに役立ち、スイッチＳｃと共に、さらなる時定数に貢献する。

図２は、第１の実施形態による、圧電アクチュエータ配列１４、または圧電アクチュエータ配列１４の圧電アクチュエータに印加される制御電圧Ｕ_Sの電圧波形を示す。経時的な制御電圧Ｕ_Sの挙動は、単にスイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０、Ｓ１１のオンおよびオフのスイッチングによって達成される。対応のスイッチング方式が表１に示される。スイッチの「開放」状態は、「０」によって表され、スイッチの「閉鎖」状態は、「１」によって表される。期間またはセクションＡ０１では、スイッチＳ００、Ｓ１１の両方が開放され、スイッチＳ０１、Ｓ１０は閉鎖される。換言すると、正の電位が、スイッチＳ１０を介して圧電アクチュエータの左手側の端子に、すなわちスイッチＳ００、Ｓ１０に接続される端子に印加されるが、理想的にはゼロ電位である中性線の電位は、スイッチＳ０１を介して圧電アクチュエータの右手側の端子に、すなわちスイッチＳ０１、Ｓ１１に接続される端子に印加されるように、Ｐ１における正の半波の電圧は、圧電アクチュエータ配列１４の圧電アクチュエータによって見られる。全体では、正の電圧が、期間Ａ０１の間に圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される。圧電アクチュエータが作動される時間の長さは、この場合、入力１２（図１参照）に印加される電圧Ｕ_Eの周波数によって決定される。

周波数５０Ｈｚの標準的な電源の場合、たとえば、期間Ａ０１の長さは１０ｍｓとなる。期間Ａ０１の間に印加される信号Ｕ_Eは、１００Ｈｚの一連の半波の、１つのパルスと見なされてもよい。期間Ａ０２の間、入力電圧Ｕ_Eは極性を反転され、負の電圧がＰ１に存在する。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎが正しい極性で駆動され続けることを確実にするために、入力電圧Ｕ_Eは、スイッチＳ００、Ｓ１１を閉鎖し、スイッチＳ０１、Ｓ１０を開放することによって、反転される。これによって、期間Ａ０２の間に、期間Ａ０１の間に見られたものと同じ電圧波形が、圧電アクチュエータによって見られることが確実となる。換言すると、期間Ａ０２の間、理想的にはゼロ電位である、中性線の電位は、スイッチＳ０１を介して圧電アクチュエータの左手側の端子に、すなわちスイッチＳ００、Ｓ１０に接続される端子に印加されるが、相Ｐ１の電圧、すなわち負の電位は、圧電アクチュエータの右手側の端子に、すなわちスイッチＳ０１、Ｓ１１に接続される端子に印加される。全体では、正の電圧はまた、期間Ａ０２の間に、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される。スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１の切り換えは、前述の同期制御装置ＳＫによって入力電圧Ｕ_Eの相の挙動に同期される。これは、たとえば、入力において同期制御装置によって相Ｐ１が検出され、同期制御装置ＳＫによるスイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１の切換え信号の生成が、この相信号によってトリガされる、ということで実現され得る。同期制御装置ＳＫの方向の矢印は、相Ｐ１および同期制御装置ＳＫとの間に示される。この矢印は、相Ｐ１の電圧が同期制御装置ＳＫによって検出されるということを表している。たとえば、相Ｐ１における電圧信号の検出を可能にするために、相Ｐ１と同期制御装置ＳＫとの間に導線が配置されてもよい。期間Ａ０３は、期間Ａ０１の半分に相当する。期間Ａ０４では、圧電アクチュエータに印加される電圧Ｕ_Sが期間Ａ０４の間維持されるように、すべてのスイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１は開放される。スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１の開放は、たとえば、制御装置（図示せず）から同期制御装置によって受信されるトリガ信号Ｔｒによってトリガされてもよい。そして同期制御装置ＳＫは、切換え動作を入力電圧Ｕ_Eの位相と再度同期させ、入力信号が最大に達したとき、スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１を一致して、すなわち、正確にその時に解放する。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎは、期間Ａ０４の間、作動させられたままである。すなわち、電圧Ｕ_Sが、圧電アクチュエータの端子間に印加される。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sが、期間の残りの間に、反転された入力電圧Ｕ_Eに従って、０に戻るように、期間Ａ０１の開始時点において、スイッチＳ０１およびＳ１１は閉鎖される。期間Ａ０３〜Ａ０５では、間隔Ａ０１およびＡ０２における信号の半分の周波数または２倍の周期を有する信号パルスを生成するために、２つの半波が効果的に結合される。間隔Ａ０３〜Ａ０５の処理が、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎのより長い作動間隔が維持されるという違いと共に、期間Ａ０１およびＡ０２の３倍の長さのパルス幅または周期で間隔Ａ０６〜Ａ０８の間で繰り返される。期間Ａ０１では、スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１は開放され、一方で、圧電アクチュエータに印加される電圧Ｕ_Sは０Ｖである。この時間の間、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎは不活性化される。間隔Ａ１０の間、間隔Ａ１１における間隔Ａ０９のものと同じ方法でのさらなる中断と共に、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの活性化が続く。

図３は、第１の実施形態による圧電アクチュエータ配列１４または圧電アクチュエータ配列１４の圧電アクチュエータに印加される制御電圧Ｕ_Sの電圧波形を示し、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sは、チョッパスイッチＳｃによって変更される。この追加のスイッチＳｃを使用することによって、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎがいつ放電されるかの自由な選択が可能になる。このようにして、充電後に送電網の周波数から独立した時点において測定パルスが生成され得る。たとえば、およそ第４の半波が始まる時に、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sがゼロに戻るように、入力電圧Ｕ_Eの第３の半波の間、チョッパスイッチが活性化される。図３で説明されたように、スイッチＳｃを他のスイッチＳ００〜Ｓ１１と併せて使用することで、信号電圧または制御電圧Ｕ_Sの周期を短くまたは長くすることができる。

図４は、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの特に長いストロークまたは作動距離を達成するために印加され得る電圧波形の進行を示す。圧電アクチュエータの作動距離は、制御信号Ｕ_Sの両極値間の電圧差に依存する。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの作動距離は、圧電アクチュエータの極性を反転させることによって増加する。圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに一時的に印加される負の電圧Ｕ_Sは、バイポーラ電圧Ｕ_bipとも呼称される。バイポーラ電圧Ｕ_bipは、スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０およびＳ１１の活性化時間をずらすことによって生じる。図４に示される例では、図２および図３に示される例とは対照的に、最初に、整流がなく、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの極性の反転が達成されるように、スイッチＳ０１およびＳ１０は、第２の半波の間、すなわち、負の入力電圧Ｕ_Eまたは負の相Ｐ１の間、閉鎖されるか、または閉鎖されたままであり、すなわち入力における負の電圧Ｕ_Eが、圧電駆動回路１１と、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎを有する圧電アクチュエータ配列１４との間のインターフェース１３に伝えられる。違ったように表現すると、相Ｐ１の負の半波の負の電位が、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの左手側の端子に印加される。したがって負の電圧が圧電アクチュエータに印加され、それは圧電アクチュエータへの損傷を避けるためにごく短く印加されるべきであり、かつ、動作電圧の約４分の１に制限されるべきである。図４における第２の半波の間、入力電圧Ｕ_Eの値が所定の閾値に達した時点後に、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎにおける電圧は、スイッチＳ０１およびＳ１０を開放することによって一定に保たれる。入力電圧Ｕ_Eの値、またはその絶対値が再度閾値を下回るまで、この状態が持続する。その後、入力電圧Ｕ_Eが再度圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎに印加されるように、スイッチＳ０１およびＳ１０が閉鎖される。

図５は、本発明の第２の実施形態による、圧電駆動回路５１を有する圧電アクチュエータ装置５０を示す。圧電アクチュエータ装置５０は、圧電アクチュエータ装置１０に類似して、入力５２を備える。この場合、圧電アクチュエータＰｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎの制御は、三相に拡張されている。入力電圧Ｕ_Eは、三相電圧として印加される。圧電アクチュエータの切換え状態を変化し得る周波数と同様に、生成され得る波形の種類は、第１の実施形態と比較して増加する。他方では、第１の実施形態のものと同じ周波数を有する制御信号は、３分の２低い周波数から生成され得る。信号のジッタノイズは基準周波数に比例するため、第２の実施形態において、ノイズはそれに従って３分の２減少され得る。圧電アクチュエータ装置５０は、図１の圧電アクチュエータ装置１０に類似して構築される。図１と対照的に、圧電アクチュエータ装置５０の入力は、スイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３０、Ｓ３１を備える４×２のスイッチング行列を有するインバータ回路５６を通して、かつ、圧電インターフェース５３によって、並列接続された複数の圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎを備える圧電アクチュエータ配列５４に連結される、３つの相Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３を備える。同期制御装置ＳＫは、入力電圧Ｕ_Eの３つのすべての相を検出するために、相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に連結される。そして、所望の形状および時間的変化を有する正の電圧Ｕ_Sが圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎのそれぞれに印加されるように、同期制御装置ＳＫは、三相の入力電圧Ｕ_Eに同期して、４×２のスイッチング行列のスイッチＳ００、Ｓ０１、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ３０、Ｓ３１を制御する。第１の実施形態と同じ方法で、圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sは、チョッパスイッチＳｃによって調節されてもよい。この追加のスイッチＳｃを使用することで、いつ圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎが放電されるかの自由な選択が可能になる。既に述べたように、これによって、充電後に送電網の周波数から独立した時点において測定パルスを生成することが可能になる。

図６は、第２の実施形態による圧電駆動回路５１によって生成される、制御電圧Ｕ_Sの電圧波形を示す。この例では、波形は、他の全てのスイッチが開放される中での、スイッチＳ１０およびＳ０１の閉鎖と共に開始される。Ｐ１の位相が３０°であるとき、相Ｐ１およびＰ３の電圧の絶対値は等しく、その結果、スイッチＳ１０を開放し、スイッチＳ３０を閉鎖することによって、相Ｐ３へ移行する。相Ｐ３の電圧は正であり、そのため、正の電圧が圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加され続ける。正の電圧が圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加され続けるように、入力における相Ｐ３の正の半波から負の半波への移行において、スイッチＳ３１およびＳ００が閉鎖され、スイッチＳ０１およびＳ３０が開放される。Ｐ１の位相が１２０°であるとき、相Ｐ１およびＰ３の電圧の絶対値は等しく、その結果、スイッチＳ３１およびＳ００を開放し、スイッチＳ１０およびＳ０１を閉鎖することによって、相Ｐ１へ戻るように移行する。正の電圧が圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加され続けるように、相Ｐ１の負の半波の間、スイッチＳ１０およびＳ０１が開放され、スイッチＳ１１およびＳ００が閉鎖される。圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sがゼロに留まるように、相Ｐ１の負の半波から正の半波への移行において、Ｓ３１およびＳ００のすべてのスイッチが開放される。２つのスイッチＳ２０およびＳ０１を閉鎖し、残りのスイッチを開放したままにすることによって、相Ｐ２において電圧波形が続行される。相の様々な交点で、個々の相の間を移行することによって、様々なパルス長および振幅を有する様々な信号波形を達成することが可能になる。

図７は、第２の実施形態による圧電駆動回路５１によって生成され得る制御電圧Ｕ_Sの、時間に対する電圧波形を示す。圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sの振幅は、特定の電圧値に合わせて調整される。調整は、特定のレベルで圧電アクチュエータＰｚ１〜Ｐｚｎに印加される電圧Ｕ_Sをクランプすることによって行われる。これは、電圧の振幅の閾値で、または対応する入力の電圧相の特定の値で、閉鎖された、すなわち、スルー接続されたスイッチＳを開放することにより達成される。制御電圧Ｕ_Sは、最初に、他の全てのスイッチが開放される中で、スルー接続するスイッチＳ１０およびＳ０１によって生成される。Ｐ１の位相がほぼ１５°であるとき、達したばかりの電圧レベルがその後一定のままであるように、スイッチＳ１０およびＳ０１が開放される。Ｐ１の位相がほぼ４５°のとき、Ｐ３の正の半波への転換が達成され、スイッチＳ３０およびスイッチＳ０１はスルー接続される。相Ｐ３のゼロクロスにおいて、圧電アクチュエータが次に不活性のままであるように、スイッチＳ３０およびスイッチＳ０１が開放される。その後、スイッチＳ２０およびＳ０１をスルー接続することによって、Ｐ２の正の半波への転換が達成される。相Ｐ３の電圧の絶対値が制御電圧Ｕ_Sの閾値に等しくなるまで、制御電圧の閾値がクランプされるように、制御電圧Ｕ_Sの所定の閾値で、スイッチＳ２０およびＳ０１が再度開放される。この時点において、相Ｐ３の負の半波への転換は、スイッチＳ３１およびＳ００をスルー接続することによって達成される。相Ｐ３のゼロクロスまたは正の半波への転換において、スイッチＳ３１およびＳ００を開放し、代わりにスイッチＳ３０およびＳ０１を閉鎖することによって制御電圧Ｕ_Sは正に保たれる。制御電圧Ｕ_Sの所定の閾値において、閾値が制御電圧として保たれるように、入力電圧Ｕ_Eが所定の閾値レベルに再度達するまでスイッチＳ３０およびＳ０１は開放される。この時点において、相Ｐ３の正の半波へと戻る転換は、スイッチＳ３０およびＳ０１を再度スルー接続することによって達成される。電圧Ｕ_Sのゼロクロスにおいて、すなわち、相Ｐ３の負の半波への移行において、スイッチＳ３０およびＳ０１は開放され、スイッチＳ３１およびＳ００はスルー接続され、その結果、入力における負の電圧Ｕ_Eが、圧電アクチュエータにおける正の制御電圧Ｕ_Sへと反転される。

図８は、本発明の第３の実施形態による圧電アクチュエータ装置８０を示す。圧電アクチュエータ装置８０は、また、圧電インターフェース８３によって互いに連結される圧電駆動回路８１および圧電アクチュエータ配列８４をさらに備える。さらに、圧電駆動回路８１は、入力電圧Ｕ_Eが印加される入力８２を備える。第３の実施形態による装置８０のインバータ回路８６は、ｍ個のバルブ群ＧＲ１〜ＧＲｍを互いに独立して制御することができるように、さらに（２ｍ−２）列が第２の実施形態のスイッチング行列に追加されたという点で、第２の実施形態による装置５０のさらなる発展形である。スイッチ群ｉが、ｉ＝１〜ｍである、スイッチＳ００,ｉ、Ｓ０１,ｉ、Ｓ１０,ｉ、Ｓ１１,ｉ、Ｓ２０,ｉ、Ｓ２１,ｉ、Ｓ３０,ｉ、Ｓ３１,ｉを備える、個別の群ＧＲ１〜ＧＲｍのスイッチ群ｉを独立して制御するために、独立したトリガ信号Ｔｒ１〜ｍが、同期制御装置ＳＫへ発せられる。トリガ信号の時刻に依存して、ｉ＝１〜ｍである圧電アクチュエータＰｚ１,ｉ〜Ｐｚｎ,ｉの個々の群が、別々の時間に駆動される。たとえば、単一の圧電駆動回路８１だけを要する、異なる測定装置での異なった、かつ、時間的にずれたジョブステップの実行、または異なる測定バルブの群の異なるジョブステップの同期的実行が考えられる。図１および図５における装置に類似して、図８の圧電アクチュエータ装置８０は、バルブ群のそれぞれのための、ｉ＝１〜ｍである、並列スイッチＳｃ,ｉおよび直列スイッチＳｕ,ｉを備える。

破損または事故を避けるために、上記の駆動回路１１、５１、８１の入力と電圧源との間に、絶縁変圧器を接続することが有利となり得る。圧電アクチュエータが電圧源または電源に接続されている間にユーザが圧電アクチュエータに接触するおそれがあるため、圧電アクチュエータと電源との間のガルバニック絶縁は、大電流の流れを防止する。電源が多相または三相電圧である場合、一次巻線についてデルタ結線および二次巻線についてスター結線で構築される変圧器を選択することが有利である。この種類の接続は、二次側に中性線を生成する、すなわち、中性線上の電圧は、その全負荷容量が確保されるように常に合計して０となる。

可変の制御電圧を得るために、追加の調節変圧器が絶縁変圧器に伴っていてもよく、１つの中心線上に連結される３つの調整変圧器が、三相入力を使用する実施形態に組み込まれてもよい。

たとえば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの使用可能な周波数よりも高い入力電圧周波数が必要である場合、追加のインバータが、上記の駆動回路に前にあってもよく、追加のインバータを用いて、送電網の周波数から独立して所望の電圧周波数が生成される。

最後に、上に詳細に説明された圧電アクチュエータ装置および圧電アクチュエータ配列は、単に例示的な実施形態であり、当業者によって、本発明の範囲を離れることなく様々な方法で変更され得ることが指摘される。不定冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は、関連の特徴が複数である事例の可能性を除外しない。

１０、５０、８０圧電アクチュエータ装置
１１、５１、８１圧電駆動回路
１２、５２、８２入力
１３、５３、８３圧電インターフェース
１４、５４、８４圧電アクチュエータ配列
１６、５６、８６インバータ回路
Ａ０１〜Ａ１１期間
ＧＲ１〜ＧＲｍ圧電素子の群
Ｎ中性線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３相
Ｐｚ１、Ｐｚ２〜Ｐｚｎ圧電素子
Ｐｚ１〜Ｐｚｎ,ｉｉ番目のバルブ群の圧電素子
Ｒｃ抵抗器
Ｒｕブリッジ抵抗器
Ｓ、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ００、Ｓ０１、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ３０、Ｓ３１電子スイッチ
Ｓ００,ｉ、Ｓ０１,ｉ、Ｓ１０,ｉ、Ｓ１１,ｉ、Ｓ２０,ｉ、Ｓ２１,ｉ、Ｓ３０,ｉ、Ｓ３１,ｉｉ番目のスイッチ群の電子スイッチ
Ｓｃスイッチ／チョッパスイッチ
ＳＫ同期制御装置
Ｓｕ直列スイッチ
Ｔｒ、Ｔｒ１〜Ｔｒｍトリガ信号
Ｕ_bip バイポーラ電圧
Ｕ_E 入力電圧
Ｕ_S 制御電圧／圧電素子に印加される電圧

Claims

圧電駆動回路（１１、５１、８１）であって、
時間的に可変の電圧信号（Ｕ_E）が印加される入力（１２）と、
圧電アクチュエータ配列（１４、５４、８４）の端子を少なくとも１つの電圧制御式圧電アクチュエータ（Ｐｚ）に接続するための圧電インターフェース（１３、５３、８３）と、
前記電圧信号（Ｕ_E）の位相位置を検出するように実現される同期制御回路（ＳＫ）と、
前記入力（１２）と前記圧電インターフェース（１３、５３、８３）との間のインバータ回路（１６、５６、８６）と、
を備え、
所定の電圧曲線を有する制御電圧（Ｕ_S）が前記圧電インターフェースに印加されるように、前記同期制御回路（ＳＫ）が、前記電圧信号（Ｕ_E）の前記位相位置に基づいて前記インバータ回路（１６、５６、８６）を制御するように実現される、
圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記インバータ回路（１６、５６、８６）が、複数行に配置される複数の電線、複数列に配置される複数の電線、およびスイッチ行列の電線の交点に配置され、それぞれが行の電線と列の電線とを接続する複数のスイッチ（Ｓ）を有する前記スイッチ行列を備え、前記スイッチ（Ｓ）を制御するために、前記複数のスイッチ（Ｓ）が制御信号によって前記同期制御回路（ＳＫ）に接続される、請求項１記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記圧電インターフェースに並列接続される放電スイッチ（Ｓｃ）をさらに備える、請求項１または２記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記放電スイッチ（Ｓｃ）が抵抗器（Ｒｃ）と直列接続される、請求項３記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記放電スイッチ（Ｓｃ）と前記圧電インターフェース（１３、５３、８３）との間に直列接続され、ブリッジ抵抗器（Ｒｕ）に並列接続される追加のスイッチ（Ｓｕ）をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記電圧信号（Ｕ_E）が交流電圧信号または多相交流電圧信号を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記圧電インターフェース（１３、５３、８３）が、複数の圧電アクチュエータ（Ｐｚ）が並行して切り替えられ得るように実現される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記圧電インターフェースが圧電アクチュエータ（Ｐｚ）の複数の群（ＧＲ１〜ＧＲｍ）のための複数のコネクタを備え、２つの列の電線が圧電アクチュエータの前記群（ＧＲ１〜ＧＲｍ）のそれぞれに割り当てられる、請求項２〜７のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
圧電アクチュエータの個々の前記群（ＧＲ１〜ＧＲｍ）が独立的に制御可能であるように、前記同期制御回路（ＳＫ）が、圧電アクチュエータ（Ｐｚ）の前記群（ＧＲ１〜ＧＲｍ）のそれぞれに対する別個の制御信号を生成するように実現される、請求項８記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
前記入力（１２、５２、８２）に接続される電圧源をさらに備える、および／または、絶縁変圧器が電圧源と前記インバータ回路（１６、５６、８６）との間に接続される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）。
圧電アクチュエータ配列（１４、５４、８４）を制御する方法であって、少なくとも、
電圧信号（Ｕ_E）を受信することと、
所定のスイッチング方式に従って前記電圧信号（Ｕ_E）の極性を反転させることによって前記電圧信号（Ｕ_E）の曲線部分を分解および結合することと、
少なくとも１つの電圧制御式圧電アクチュエータ（Ｐｚ）を有する圧電アクチュエータ配列（１４、５４、８４）の端子への接続のために、極性が反転された前記電圧信号を制御電圧（Ｕ_S）として圧電インターフェース（１３、５３、８３）に印加することと、
を含む方法。
前記制御電圧（Ｕ_S）が、前記圧電インターフェース（１３、５３、８３）に並列接続される追加的な放電スイッチ（Ｓｃ）を通して前記圧電アクチュエータ（Ｐｚ）を放電することによって変更される、および／または、制御電圧（Ｕ_S）が、直列抵抗器（Ｒｕ）を接続することによってさらに変更される、請求項１１記載の方法。
前記圧電インターフェース（１３、５３、８３）に印加される前記制御電圧（Ｕ_S）の前記極性が変化するように、スイッチ（Ｓ）の駆動が前記電圧信号（Ｕ_E）のゼロクロスから時間的にずらされる、請求項１１または１２記載の方法。
圧電アクチュエータ配列（１４、５４、８４）および請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧電駆動回路（１１、５１、８１）を備える圧電アクチュエータ装置（１０、５０、８０）。
請求項１４記載の圧電アクチュエータ装置（１０、５０、８０）を備える測定バルブ。