DE19600689A1 - Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente in einer elektrostatischen Wandlereinrichtung - Google Patents
Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente in einer elektrostatischen WandlereinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verringern einer kapazitiven
Komponente in einer elektrostatischen Wandlereinrichtung, in welcher
die Dämpfungskapazität eines piezoelektrischen Schwingers und die
kapazitive Komponente eines elektrostatischen Wandlers verringert oder
beseitigt werden, damit ein effizienter Betrieb und ein hochempfindlicher
Schwingungsnachweis in der elektrostatischen Wandlereinrichtung reali
siert werden können, beispielsweise in einem elektrostatischen Wandler
mit dem oben erwähnten piezoelektrischen Schwinger, bei dem die
piezoelektrische Verzerrung ausgenutzt wird, und bei dem Elektroden
mit Abstand einander gegenüberliegen. Die Erfindung betrifft außerdem
eine Treibervorrichtung für eine elektrostatische Wandlervorrichtung und
eine dafür vorgesehene Detektoreinrichtung.
Elektrostatische Wandlereinrichtungen werden auf verschiedenen techni
schen Gebieten eingesetzt. Beispielsweise wird ein elektrostatischer
Oszillator oder Schwinger als ein Typ einer elektrostatischen Wandler
einrichtung in einer Vorrichtung eingesetzt, die elektrische Leistung
zieht, wie es zum Beispiel in einem piezoelektischen Transformator der
Fall ist. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz in einer Vorrichtung, die
dynamisch Leistung abzieht, wie dies zum Beispiel in einem piezoelek
trischen Motor oder einem piezoelektrischen Aktuator der Fall ist. Ein
weiteres Beispiel ist eine Vorrichtung, die allgemein ein Signal abnimmt,
zum Beispiel ein piezoelektrischer Kreisel, ein Beschleunigungsfühler,
ein Ultraschallfühler, ein Infrarotfühler und dergleichen. Ein zusätzliches
Beispiel ist eine Vorrichtung, die ein Signal beispielsweise in einem
Schwinger abnimmt, der als Frequenzquelle dient, ferner eine Vorrich
tung, die ein Signal beispielsweise in einem Filter oder dergleichen
abnimmt. Außerdem läßt sich ein elektrostatischer Wandler für einen
Schwingungskreisel, einen Beschleunigungssensor, einen Ultraschall
sensor, einen Infrarotsensor oder dergleichen verwenden.
Fig. 26A bis 28 zeigen ein konventionelles Beispiel in Form eines
piezoelektrischen Schwingers als elektrostatische Wandlereinrichtung.
Fig. 26A zeigt einen piezoelektrischen Schwinger oder Oszillator 1,
während Fig. 26B das Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Schwin
gers 2 darstellt, wenn dieser im Bereich der Resonanzstelle schwingt.
In den Figuren bezeichnet eine Serienschaltung 3 aus Rm, Cm und Lm
die Resonanz-Ersatzschaltung für den piezoelektrischen Schwinger 2.
Parallel zu dem Serienschwingkreis liegt eine Kapazität Cd, die eine
Dämpfungs-Kapazitätskomponente des piezoelektrischen Schwingers
innerhalb der Parallelschaltung 4 darstellt. Fig. 27 zeigt den Frequenz
gang der Admittanz oder des Scheinleitwerts des piezoelektrischen Oszil
lators 2. In Fig. 27 bedeutet fa den Resonanzpunkt (Resonanzfrequenz,
Serienresonanzpunkt), während fb einen Antiresonanzpunkt (Antireso
nanfrequenz, Parallelresonanzpunkt) bezeichnet.
Wenn der piezoelektrische Schwinger in Betrieb gesetzt wird, stellt der
durch die Dämpfungskapazität Cd fließende Strom einen Blindstrom dar,
der zu der Schwingung des piezoelektrischen Schwingers keine Leistung
beiträgt und somit die Leistungsverluste der Vorrichtung heraufsetzt. Da
der Dämpfungskapazität Cd der Strom zugeführt wird, muß die Ver
sorgungsenergiequelle die Leistung für den Dämpfungskondensator Cd
zusätzlich zu der Leistung bereitstellen, die tatsächlich benötigt wird, um
den piezoelektrischen Schwinger zum Schwingen zu bringen.
Fig. 28 ist ein Beispiel für herkömmliche Schaltungen, mit deren Hilfe
in äquivalenter Weise der durch den Dämpfungskondensator Cd fließen
de Strom gelöscht wird, falls der piezoelektrische Schwinger bei der
Resonanzfrequenz fa schwingt.
Dieses in Fig. 28 dargestellte herkömmliche Beispiel enthält eine Spule
6 mit einer Induktivität Ld in Parallelschaltung zu dem piezoelektrischen
Schwinger 2. Eine Impedanz Zm der Serienresonanzseite 3 wird durch
folgende Gleichung 1 ausgedrückt:
Zm = Rm + jωLm + 1/jωm (1).
Eine Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 in Fig. 28 ist eine Span
nungsquelle, die eine Konstantspannung liefert. Ein Strom I, der zu dem
piezoelektrischen Schwinger 2 und der Spule 6 fließt, wird durch die
Gleichung 2 angegeben, wenn die an den piezoelektrischen Schwinger 2
und die Spule 6 angelegte Spannung mit V bezeichnet wird.
I = 1/Zm + jωd + 1/jωLd * V
= {1/Zm + j(ωCd - 1/ωLd}*V (2)
Aus der Gleichung 2 ergibt sich die Bedingung, für die der Strom I
minimal wird, nämlich die Bedingung gemäß Gleichung 3, wobei der
Strom I dann durch die Gleichung 4 angegeben wird.
ωCd = 1/ωLd (3)
I = (1/Zm)*V (4).
Wenn die Gleichung 3 nach der Induktivität Ld aufgelöst wird, die
parallel zu dem piezoelektrischen Schwinger liegt, so daß sich die Däm
pfungskapazität Cd des piezoelektrischen Schwingers in äquivalenter
Weise aufhebt, führt dies zu folgender Gleichung 5:
Ld = 1/ω²Cd = 1/2πf)²Cd (5).
Das äquivalende Löschen des durch die Dämpfungskapazität Cd fließen
den Stroms macht es möglich, die Leistung der Wechselstrom-
Versorgungsspannungsquelle um den gelöschten Anteil zu verringern.
Damit der piezoelektrische Schwinger im Resonanzzustand arbeitet, muß
die Treiberfrequenz der Wechselstrom-Versorgungsspannungsquelle in
der Nähe des Resonanzpunkts fa oder des Antiresonanzpunkts fb liegen.
Allerdings ändert sich in einem Keramikschwinger oder dergleichen
eines PZT-Systems ein Elastizitätsfaktor und dergleichen des piezoelek
trischen Schwingers, so daß die Resonanzfrequenz des Schwingers bei
Temperaturänderungen in der Umgebung und auch durch den Oszillator
selbst erzeugter Wärmebildung schwankt. Außerdem wurde festgestellt,
daß die Treiberspannung zu einem Schwanken der Resonanzfrequenz
führt. Um also den piezoelektrischen Schwinger konstant in der Nähe
des Resonanzpunkts fa zu betreiben, muß die Resonanzfrequenz des
piezoelektrischen Schwingers erfaßt werden, so daß der Schwinger im
gewünschten Frequenzbereich betrieben wird. Man kann daher daran
denken, eine Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung einzurich
ten, die in der Lage ist, stets in der Nähe der Resonanzfrequenz zu
arbeiten. In einer solchen Vorrichtung ist ein Sensor oder Fühler vor
handen, der den Schwingungszustand des piezoelektrischen Oszillators
erfaßt, beispielsweise den Schwingungszustand eines in jüngerer Zeit
entwickelten piezoelektrischen Motors, so daß die Schwankungen des
Resonanzpunkts des Schwingers verfolgt werden können anhand der
Phasendifferenz zwischen dem Treiberstrom oder der Treiberspannung
einerseits und einer von dem Sensor nachgewiesenen Spannung anderer
seits.
Wenn andererseits der piezoelektrische Schwinger als Sensor in bei
spielsweise einem Oszillatortyp-Gyroskop eingesetzt wird, ergibt sich
möglicherweise folgendes Problem: Die Schwingung des piezoelektri
schen Schwingers läßt sich möglicherweise nicht empfindlich genug
nachweisen, weil sich der von dem Schwinger abgeleitete Strom oder die
davon abgeleitete Spannung durch die Wirkung der Dämpfungskapazität
Cd verringert. Um diesem Problem zu begegnen, ist es übliche Praxis,
zu dem piezoelektrischen Schwinger parallel eine Induktivität Ld zu
schalten, um die Dämpfungskapazität Cd in äquivalenter Weise zu
löschen oder zu verringern und so die Empfindlichkeit der Detektier
einrichtung zu verbessern. Diese Maßnahme ist also ähnlich wie im Fall
des Betreibens eines piezoelektrischen Schwingers.
Außerdem wird eine Induktivität Ld einem Eingangsanschluß einer
Filteranordnung parallel geschaltet, um eine Vergleichsbandbreite des
Filters zu vergrößern; denn die Bandbreite des Filters wird aufgrund des
dem piezoelektrischen Schwinger eigenen elektromechanischen Kopp
lungsfaktors beschränkt.
Die zum äquivalenten Beseitigen der Dämpfungskapazität Cd eingesetzte
Induktivität Ld ist proportional zu (Treiberfrequenz f)H*(Dämpfungs
kapazität Cd), wie die Gleichung 5 zeigt. Besonders deshalb, weil Ld
umgekehrt proportional zum Quadrat der Treiberfrequenz f ist, nimmt
bei einer Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund beispielsweise einer
Temperaturschwankung das Ausmaß der Auslöschung oder Verringerung
der Dämpfungskapazität Cd in beschleunigtem Maß ab, wenn die Diffe
renz zwischen der Treiberfrequenz und der Resonanzfrequenz größer
wird. Ferner hat die Induktivität Ld grundsätzlich eine beträchtlich
höhere Baugröße als andere übliche Schaltungselemente, beispielsweise
ein Widerstand R oder ein Kondensator C. Damit ist es schwierig, die
Schaltung insgesamt kompakt auszubilden. Um das äquivalente Löschen
der Dämpfungskapazität noch zu verbessern, müßte die Induktivität
außerdem veränderlich sein, um sie nach Maßgabe des jeweiligen piezo
elektrischen Schwingers einstellen zu können. Allerdings eignet sich die
Spule nicht für einen einstellbaren oder veränderlichen Betrieb, im Ge
gensatz zu einem Widerstand R oder einer elektrostatischen Kapazität C.
Die Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung wird teilweise
dadurch ausgebildet, daß man einen Sensor oder Fühler verwendet, der
den Schwingungszustand des piezoelektrischen Schwingers in ähnlicher
Weise detektiert oder nachweist wie bei einem konventionellen piezo
elektrischen Motor. Allerdings gibt es im Gegensatz zu anderen Motoren
hier keinen Sensor, der zum optimalen Erfassen des Schwingungszu
stands verfügbar wäre. Wenn also die Treiberfrequenz durch Erfassen
der Treiberspannung, der Motortemperatur und dergleichen geändert
wird, ist es schwierig, den Resonanzpunkt genau zu verfolgen.
Wenn der piezoelektrische Schwinger als Sensor in einem Oszillator-
Gyroskop eingesetzt wird, läßt sich die Dämpfungskapazität Cd des
piezoelektrischen Schwingers, der als Detektiereinrichtung eingesetzt
wird, in äquivalenter Weise verringern oder eliminieren, indem man die
Induktivität Ld verwendet. Da allerdings dieser äquivalente Verringe
rungseffekt eine Funktion der Frequenz ist, wird der Effekt sehr stark
durch die Treiberfrequenz beeinflußt. Wie bereits erwähnt, ist es grund
sätzlich schwierig, eine Induktivität einzustellen, wobei die Induktivität
außerdem ein Bauelement beträchtlicher Größe darstellt, verglichen mit
den übrigen üblichen Bauelementen.
Wird der piezoelektrische Schwinger als Filter eingesetzt, so wird die
Induktivität Ld an den Eingangs-Ausgangs-Anschluß gelegt, um eine
größere Bandbreite zu erzielen. Allerdings gibt es hier Beschränkungen
dadurch, daß die Induktivität in nur sehr begrenztem Maß als kompaktes
Bauteil ausgebildet werden kann und die Induktivität nur für eine spe
zielle Frequenz ausgelegt werden kann.
Der elektrostatische Wandler stellt als Wandlereinrichtung vom elektro
statischen Typ das gleiche dar wie ein piezoelektrischer Schwinger; denn
er enthält flache, ebene Elektroden, die einander gegenüberliegend an
geordnet sind, wobei sich zwischen innen eine schmale Lücke befindet.
Wenn an den Raum zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt
wird, findet ein Betrieb in der Weise statt, daß sich der Abstand zwi
schen den Elektroden ändert. Wenn umgekehrt eine äußere Kraft in
einer Weise angelegt wird, daß sich der Abstand zwischen den Elek
troden ändert, ändert sich die Spannung zwischen den Elektroden eben
falls. Eine Ersatzschaltung für den Betrieb und den Betriebsnachweis des
elektrostatischen Wandler ist die gleiche wie die für einen piezoelek
trischen Schwinger. Deshalb existieren auch bei einem elektrostatischen
Wandler die gleichen Probleme wie bei einem piezoelektrischen Schwin
ger insofern, als die kapazitive Komponente Treiberleistung verbraucht
und diese kapazitätive Komponente die Nachweisempfindlichkeit bei
Verwendung als Detektiereinrichtung verringert.
Im Hinblick auf die oben aufgezeigten Nachteile des Standes der Tech
nik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zum Ver
ringern einer kapazitiven Komponente in einer elektrostatischen Wand
lereinrichtung anzugeben, die in der Lage ist, Leistung zu verringern
oder vollständig einzusparen, die von einer kapazitiven Komponente der
Wandlereinrichtung aufgenommen wird, ohne daß hierzu eine Indukti
vität benötigt würde. Es soll eine Treibereinrichtung angegeben werden,
die eine elektrostatische Wandlereinrichtung energiesparend betreiben
kann. Ferner soll eine Detektiervorrichtung geschaffen werden, die in
der Lage ist, den Schwingungszustand der elektrostatischen Wandler
einrichtung mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaftung einer Treibervorrich
tung, die in der Lage ist, eine Resonanzfrequenz dauernd zu verfolgen
und die Wandlereinrichtung zu betreiben, wenn die Resonanzfrequenz
der elektrostatischen Wandlereinrichtung aufgrund beispielsweise von
Temperaturänderungen, Änderungen der Treiberspannung und
dergleichen schwankt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Eigenschwing
schaltung, welche die elektrostatische Wandlerschaltung enthält, so daß
diese bei einer Resonanzfrequenz oder einer Antiresonanzfrequenz arbei
ten kann.
Eine Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente gemäß
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker die Span
nung an einer Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung verstärkt
und ein Pfad von einem Verstärkerausgang zu der einen Seite der elek
trostatischen Wandlereinrichtung über eine elektrostatische Kapazität
führt, derart, daß die kapazitive Komponente der elektrostatischen
Wandlereinrichtung minimiert wird.
Die elektrostatische Wandlereinrichtung wird repräsentiert durch bei
spielsweise einen piezoelektrischen Schwinger oder Oszillator, bei dem
es sich um einen Elektrostriktionswandler handelt, oder wird repräsen
tiert durch einen elektrostatischen Wandler des Typs mit planaren Elek
troden, die einander über einen schmalen Spalt oder Raum gegenüberlie
gen. Die kapazitive Komponente ist eine Dämpfungskapazität im Fall
des piezoelektrischen Oszillators, sie ist eine kapazitive Komponente
zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden im Fall des elek
trostatischen Wandlers.
Im obigen Fall ist es bevorzugt, wenn der Verstärkungsgrad des Ver
stärkers annähernd (N + 1) mal so groß ist wie die kapazitive Komponen
te der elektrostatischen Wandlereinrichtung, wenn die elektrostatische
Kapazität annähernd 1/N der kapazitiven Komponente der Wandlerein
richtung beträgt.
Wenn in diesem Fall eine Spannung an der einen Seite der elektrostati
schen Wandlereinrichtung mit V bezeichnet wird, so beträgt eine Span
nung am Ausgangsanschluß des Verstärkers, d.i. die an die dazu in
Serie liegende elektrostatische Kapazität angelegte Spannung, V(N + 1).
Wenn die elektrostatische Wandlereinrichtung ein piezoelektrischer
Schwinger ist, kann die elektrostatische Kapazität durch das gleiche
Material gebildet werden, aus dem der piezoelektrische Schwinger gebil
det ist.
Erfindungsgemäß wird eine Treibervorrichtung gescharfen, welcher
aufweist: einen Pfad, über den eine Treiberleistung der elektrostatischen
Wandlereinrichtung zugeführt wird; und eine Schaltung zum Verringern
der kapazitiven Komponente, wobei der Verstärker in der Schaltung zum
Verringern der kapazitiven Komponente an einer Stelle vorgesehen ist,
wo die über den Pfad an die elektrostatische Wandlereinrichtung gelegte
Treiberleistung verstärkt wird.
Bei einer Schaltungstopologie wie in diesem Beispiel, das in Fig. 1
dargestellt ist, gibt es eine Schleife, in der die Antriebsleistung zuerst an
einen Anschluß C der elektrostatischen Wandlereinrichtung gelegt wird,
und dann kehrt von dem Punkt C ein Pfad über einen Verstärker 7 und
eine Kapazität Cs zu dem Punkt C zurück. Oder es wird gemäß Fig. 21
ein Pfad gebildet, über den die Treiberleistung einem Punkt C′ der
elektrostatischen Wandlereinrichtung zugeführt wird, wobei der Pfad
parallel zu einem Pfad liegt, auf dem die Treiberleistung über den Ver
stärker 7 und die elektrostatische Kapazität Cs dem Punkt C′ zugeleitet
wird. Die Schaltung nach Fig. 1 ist im wesentlichen die gleiche wie die
Schaltung nach Fig. 21. Wenn allerdings die Schleifenschaltung gemäß
Fig. 1 aufgebaut ist, erscheint möglicherweise eine Schwingung dann,
wenn die Betriebsfrequenz hoch wird und der Verstärkungsfaktor des
Verstärkers 7 ebenfalls hoch wird. Gemäß Fig. 22 ist es deshalb bevor
zugt, den Schaltungskreis, über den die Treiberleistung der elektrostati
schen Wandlereinrichtung zugeführt wird, parallel zu einem Weg an
zuordnen, der den Verstärker und die elektrostatische Kapazität aufweist
und zwischen der Versorgungsspannungsseite für die Treiberleistung und
der elektrostatischen Wandlereinrichtung liegt, wobei eine Spannungs-
Halteeinrichtung in dem Weg vorgesehen ist, über den die Treiberlei
stung der elektrostatischen Wandlereinrichtung zugeführt wird.
Außerdem sind vorgesehen: eine Stromphasendetektoreinrichtung zum
Erfassen der Phase eines Stroms, der durch die elektrische Wandler
einrichtung fließt, ein Phasenvergleicher zum Vergleichen der von der
Stromphasendetektoreinrichtung erfaßten Stromphase mit einer Span
nungsphase der Treiberleistung, die der Wandlereinrichtung zugeleitet
wird; ein Filter, welches eine Hochfrequenzkomponente des Phasenver
gleichers ausfiltert; und ein spannungsgesteuerter Oszillator, der die
Schwingungsfrequenz variabel auf der Grundlage der Ausgangsspannung
des Filters variiert, so daß die Treiberleistung basierend auf der Schwin
gungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt und die
elektrostatische Wandlereinrichtung bei der Resonanzfrequenz betrieben
wird.
Wenn in dem obigen Fall die elektrostatische Wandlereinrichtung ein
piezoelektrischer Schwinger ist, wird die Schwingungsfrequenz des
spannungsgesteuerten Oszillators in der Weise veränderlich gesteuert,
daß die Phasendifferenz, die von dem Phasenvergleicher zwischen der
Stromphase und der Spannungsphase ermittelt wird, Null beträgt.
Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Detektiervorrichtung dadurch ge
kennzeichnet, daß ein elektrisches Ausgangssignal von der elektrostati
schen Wandlereinrichtung erhalten wird, die durch eine externe Kraft
zum Schwingen gebracht wird, wobei in der Wandlereinrichtung eine
Schaltung zum Verringern der kapazitiven Komponente vorhanden ist.
Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Treibervorrichtung eine Fre
quenzauswahlschaltung mit einer Kapazitätskomponente und einer
Widerstandskomponente in der elektrostatischen Wandlereinrichtung, und
einen Verstärker, wobei diese Frequenzauswahlschaltung in einer Mit
kopplungsschaltung vorgesehen ist; die Treibervorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Eigenschwingung bei einer Frequenz erfolgt,
die sich durch die Frequenzauswahlschaltung bestimmt.
Im obigen Fall besteht die Frequenzauswahlschaltung aus einem ersten
Widerstand und einem ersten Kondensator, die in der Mitkopplungs
schaltung des Verstärkers in Reihe liegen, und einem zweiten Wider
stand sowie einem zweiten Kondensator, die parallel geschaltet sind und
an einen nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers angeschlossen
sind; die Schaltung kann so beschaffen sein, daß entweder der erste
Widerstand und der erste Kondensator oder der zweite Widerstand und
der zweite Kondensator einer kapazitiven Komponente und einer Wider
standskomponente der elektrostatischen Wandlereinrichtung entsprechen.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist der Aufbau so beschaffen, daß die erste
Kapazität und der erste Widerstand in Serie im Mitkopplungskreis des
Verstärkers liegen und entweder der piezoelektrische Schwinger oder die
elektrostatische Wandlereinrichtung in Form eines elektrostatischen
Wandlers an dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers liegen,
und die Selbsterregung bei einer Frequenz erfolgt, die sich bestimmt
durch den ersten Kondensator und den ersten Widerstand sowie die
kapazitive und die Widerstands-Komponente der Wandlereinrichtung, die
einen Betriebszustand in der Nähe eines Resonanzpunkts einnimmt. Wie
in Fig. 11 gezeigt ist, kann der Aufbau auch so beschaffen sein, daß die
elektrostatische Wandlereinrichtung in die Mitkopplungsschleife des
Verstärkers eingefügt ist, daß der zweite Kondensator und der zweite
Widerstand parallel zueinander liegen und an den nicht-invertierenden
Eingang des Verstärkers angeschlossen sind, und daß die Selbsterregung
bei einer Frequenz erfolgt, die sich durch die kapazitive Komponente
und die Widerstandskomponente der elektrostatischen Wandlereinrich
tung bestimmt, die einen Betriebszustand in der Nähe des Antiresonanz
punktes einnimmt, außerdem durch den zweiten Kondensator und den
zweiten Widerstand.
Außerdem ist es bevorzugt, wenn der Aufbau so beschaffen ist, daß die
kapazitive Komponente und die Widerstandkomponente an die elektro
statische Wandlereinrichtung so angeschlossen sind, wie dies in Fig. 9
und 11 bei C′ und R′ dargestellt ist.
In dem oben erläuterten Fall ist es bevorzugt, wenn in der Rückkopp
lungsschleife des Verstärkers eine Amplitudenstabilisierschaltung mit
einem Widerstand vorgesehen ist, welche den Verstärkungsfaktor des
Verstärkers bestimmt.
In der erfindungsgemäßen Schaltung zum Verringern einer kapazitiven
Komponente wird die einer Seite der elektrostatischen Wandlerseite, zum
Beispiel einem piezoelektrischen Schwinger, zugeführte Spannung oder
die auf dieser Seite erzeugte Spannung durch den Verstärker derart
verstärkt, daß die verstärkte Spannung an die elektrostatische Kapazität
gelegt wird, die in Reihe zu der elektrostatischen Wandlereinrichtung
liegt. Das Vorhandensein des durch die elektrostatische Kapazität
fließenden Stroms löscht also eine kapazitive Komponente der elektro
statischen Wandlereinrichtung, zum Beispiel eine Dämpfungskapazität
des piezoelektrischen Schwingers, aus, so daß die Wirkung der kapaziti
ven Komponente der Wandlereinrichtung minimiert werden kann.
Wenn im oben erläuterten Fall der Verstärkungsgrad des Verstärkers auf
einen Faktor von annähernd (N + 1) eingestellt wird, während die elek
trostatische Kapazität etwa 1/N der kapazitiven Komponente der Wand
lereinrichtung beträgt, das heißt, wenn die an die elektrostatische Wand
lereinrichtung und die elektrostatische Kapazität angelegte Spannung auf
V(N + 1) eingestellt wird, während die der einen Seite der Wandlerein
richtung zugeführte oder die auf dieser Seite erzeugte Spannung V be
trägt, so läßt sich die kapazitive Komponente der Wandlereinrichtung
praktisch vollständig auslöschen. Selbst wenn die elektrostatische Kapa
zität nicht exakt mit dem Wert abgeglichen ist, kann man sich eines
beträchtlichen Reduzierungseffekts der kapazitiven Komponente erfreuen.
Wenn die elektrostatische Wandlereinrichtung ein piezoelektrischer
Schwinger ist, kann die elektrostatische Kapazität aus dem gleichen
Material hergestellt sein wie der Schwinger selbst. In diesem Fall
befinden sich der Schwinger und die elektrostatische Kapazität in der
gleichen Umgebung, zum Beispiel haben sie gleiche Temperatur, so daß
sich die kapazitive Komponente noch wirksamer verringern läßt.
In der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung wird einer Seite (einer der
Elektroden) der elektrostatischen Wandlereinrichtung, zum Beispiel eines
piezoelektrischen Schwingers, eine Wechsel-Treiberleistung zugeführt.
Die Treiberleistung wird von dem Verstärker in einem Pfad verstärkt,
der sich von dem Pfad, über den die Treiberleistung zugeführt wird,
unterscheidet, und diese verstärkte Spannung wird an die an die eine
Seite angeschlossene elektrostatische Kapazität gelegt. Mit Hilfe dieser
Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente wird die kapa
zitive Komponente der elektrostatischen Wandlereinrichtung minimiert
oder ganz gelöscht, so daß diese kapazitive Komponente keine Leistung
aufnimmt. Dadurch wird ein Energiespareffekt beim Betrieb erreicht.
Wenn der Weg, über den die Treiberleistung für die elektrostatische
Wandlereinrichtung zugeführt wird, und der Weg, der den Verstärker
und die elektrostatische Kapazität enthält, parallel zueinander liegen und
sich zwischen der Versorgungsseite für die Treiberleistung und der
elektrostatischen Wandlereinrichtung befinden, ermöglicht das Vorhan
densein der Spannungs-Halteeinrichtung, zum Beispiel eines Spannungs
folgers, in dem Weg für die Zufuhr der Treiberleistung zu der Wandler
einrichtung, die Realisierung eines stabilisierten Betriebs ohne Veranlas
sung der Schwingung.
Die elektrostatische Wandlereinrichtung läßt sich konstant bei einer
Resonanzfrequenz oder Antiresonanzfrequenz dann betreiben, wenn die
Frequenz der Treiberleistung veränderlich in der Weise besteuert wird,
daß die Phase der der Wandlereinrichtung zugeführten Treiberspannung
einerseits und die Phase des in die elektrostatische Wandlereinrichtung
fließenden Stroms andererseits verglichen werden und dafür gesorgt
wird, daß die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom den Wert
Null annimmt, wenn es sich zum Beispiel um einen piezoelektrischen
Schwinger handelt. Wenn also die Resonanzfrequenz oder die Antireso
nanzfrequenz der elektrostatischen Wandlereinrichtung Schwankungen
unterliegt, verfolgt die Treiberleistung diese Frequenzschwankung an
haltend.
Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung für die elek
trostatische Wandlereinrichtung ein Verstärker (ein Operationsverstärker)
vorgesehen, und des gibt eine Frequenzauswahlschaltung in einer Mit
kopplungsschleife (Mitkopplungsweg) des Verstärkers, wobei die
Frequenzauswahlschaltung eine kapazitive Komponente und eine Wider
standskomponente der elektrostatischen Wandlereinrichtung enthält,
genauer gesagt, die kapazitive und die Widerstands-Komponente der
Wandlereinrichtung, die sich im Resonanz- (Serienresonanz-) oder Anti
resonanz- (Parallelresonanz-)Zustand befindet, so daß der selbsterregte
Betrieb in der Nähe des Resonanzpunkts oder des Antiresonanzpunkts
der elektrostatischen Wandlereinrichtung erfolgt.
Diese Treibervorrichtung verwendet das Prinzip der Wien′schen
Brücken-Oszillatorschaltung. Die Frequenzauswahlschaltung dieses Oszil
latorschaltkreises kann beispielsweise gebildet werden durch einen ersten
Kondensator und einen ersten Widerstand, die in Reihe geschaltet sind
und in einer Mitkopplungsschleife des Verstärkers liegen; und einen
zweiten Kondensator sowie einen zweiten Widerstand, die zueinander
parallel geschaltet sind und an dem nicht-invertierenden Eingang des
Verstärkers liegen. Man kann so eine Eigenschwingungsschaltung auf
bauen, deren Betriebsfrequenz sich bestimmt durch die kapazitive und
die Widerstandskomponente einer elektrostatischen Wandlereinrichtung
in der Weise, daß entweder der erste Kondensator und der erste Wider
stand oder der zweite Kondensator und der zweite Widerstand ersetzt
werden durch die elektrostatische Wandlereinrichtung, die in der Nähe
des Resonanzpunkts oder des Antiresonanzpunkts betrieben wird.
Ferner fungieren in der obigen Frequenzauswahlschaltung der erste und
der zweite Kondensator als Hochpaßfilter bzw. als Tiefpaßfilter, so daß
ein Bandpaßfilter zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Ver
stärkers gebildet wird, wodurch die Frequenz für die Eigenschwingung
bestimmt wird. Es kann dazu kommen, daß es zu einer Differenz zwi
schen der Resonanzfrequenz oder der Antiresonanzfrequenz der elektro
statischen Wandlereinrichtung, zum Beispiel eines piezoelektrischen
Schwingers, und der Eigenschwingungsfrequenz kommt, welche sich
durch die Frequenzauswahlschaltung bestimmt. Damit sind gemäß Fig. 9
oder Fig. 11 eine zusätzliche Kapazität C′ und ein zusätzlicher Wider
stand R′ parallel oder in Reihe zu der elektrostatischen Wandlereinrich
tung geschaltet, wobei dann diese zusätzliche Kapazität und dieser zu
sätzliche Widerstand eine Rolle bei der Einstellung einer Eckfrequenz
des Tiefpaßfilters und des Hochpaßfilters spielen, mit dem Ergebnis, daß
der Eigenschwingungsbetrieb bei entweder der Resonanzfrequenz oder
der Antiresonanzfrequenz der Wandlereinrichtung erfolgen kann.
Außerdem kann das Vorhandensein eines den Verstärkungsfaktor festle
genden Widerstands in der Gegenkopplungsschleife des Verstärkers die
Amplitude für die Eigenschwingung stabilisieren.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Treibervorrichtung für einen
piezoelektrischen Schwinger gemäß einer Ausführungsform der Erfin
dung;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für einen Zustand, in welchem eine
Dämpfungskapazitätskomponente des in Fig. 1 gezeigten Schwingers in
äquivalenter Weise gelöscht wird;
Fig. 3A und 3B graphische Darstellungen des Frequenzgangs für eine
Stromverstärkung und eine Phase des piezoelektrischen Schwingers nach
Fig. 1;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild einer herkömmlichen Treibervorrich
tung für einen piezoelektrischen Schwinger, die hier zu Versuchs
zwecken dient;
Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Versuchsergebnisses mit
der konventionellen Treibervorrichtung für einen piezoelektrischen
Schwinger;
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild einer Treibervorrichtung für einen
Schwinger gemäß der Erfindung, die für Versuchszwecke aufgebaut
wurde;
Fig. 7 eine graphische Darstellung eines Versuchsergebnisses mit
der erfindungsgemäßen Treibervorrichtung für einen Quarzschwinger;
Fig. 8 eine Seitenansicht des Aufbaus des Quarzschwingers, wie
er für ein Experiment gemäß der Erfindung eingesetzt wurde;
Fig. 9 ein Ersatzschaltbild für eine Treibervorrichtung eines pie
zoelektrischen Schwingers vom Eigenschwingungstyp gemäß einer Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 10A und 10B Ersatzschaltbilder für den in Fig. 9 dargestellten
piezoelektrischen Schwinger in der Nähe eines Resonanzpunkts;
Fig. 11 ein Ersatzschaltbild für eine Treibervorrichtung eines pie
zoelektrischen Schwingers vom Selbsterregungstyp gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12A und 12B Ersatzschaltbilder für den in Fig. 11 dargestellten
Quarzschwinger beim Betrieb in der Nähe eines Antiresonanzpunkts;
Fig. 13 ein Ersatzschaltbild für eine Treibervorrichtung eines pie
zoelektrischen Schwingers mit Resonanzpunktverfolgung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 14A und 14B graphische Darstellungen eines Verstärkungsgrads
eines Versorgungsstroms für den piezoelektrischen Schwinger gemäß
Fig. 13 und dessen Phasengang;
Fig. 15 ein Ersatzschaltbild einer Detektiervorrichtung des piezo
elektrischen Schwingers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16 ein Ersatzschaltbild eines Zustands, in welchem eine Däm
pfungskapazitätskomponente des in Fig. 15 dargestellten Quarzschwin
gers in äquivalenter Weise gelöscht wird;
Fig. 17 ein Ersatzschaltbild der konventionellen Detektiervorrich
tung für die piezoelektrischen Schwinger, eingesetzt für experimentelle
Zwecke;
Fig. 18 ist eine graphische Darstellung der Versuchsergebnisse, die
mit der konventionellen Detektiervorrichtung für den piezoelektrischen
Schwinger ermittelt wurden;
Fig. 19 ein Ersatzschaltbild einer Detektiervorrichtung für einen
piezoelektrischen Schwinger gemäß der Erfindung, eingesetzt für Ver
suchszwecke;
Fig. 20 eine graphische Darstellung des Versuchsergebnisses mit
der erfindungsgemäßen Detektiervorrichtung für einen piezoelektrischen
Schwinger;
Fig. 21 ein Ersatzschaltbild einer Treibervorrichtung für den piezo
elektrischen Schwinger gemäß einem anderen Aufbau gemäß der Erfin
dung;
Fig. 22 ein Ersatzschaltbild eines weiteren bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels, welches gegenüber der Treibervorrichtung für den Quarz
schwinger nach Fig. 21 verbessert ist;
Fig. 23 ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels, bei dem
der Aufbau gemäß Fig. 22 Anwendung findet bei der in Fig. 13 darge
stellten Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung;
Fig. 24A und 24B Skizzen der Treibervorrichtung für einen elektro
statischen Wandler bzw. das Ersatzschaltbild dieser Anordnung;
Fig. 25A und 25B Skizzen für die Detektiervorrichtung mit Hilfe
eines elektrostatischen Wandlers, bzw. das dazugehörige Ersatzschalt
bild;
Fig. 26A und 26B Schaltungsskizzen für den piezoelektrischen
Schwinger bzw. dessen Ersatzschaltbild für den Resonanzfall;
Fig. 27 eine graphische Darstellung des Frequenzgangs der Admit
tanz des piezoelektrischen Schwingers; und
Fig. 28 ein Ersatzschaltbild der herkömmlichen Treiberschaltung
für einen piezoelektrischen Schwinger, bei der die Dämpfungskapazi
tätskomponente des Schwingers in äquivalenter Weise gelöscht wird.
Ein piezoelektrischer Schwinger oder ein elektrostatischer Wandler, bei
dem flache, ebene Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet
sind, stellen Beispiele für eine elektrostatische Wandlereinrichtung dar.
Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird die elektrostatische Wan
dlereinrichtung zunächst beispielhaft anhand des piezoelektrischen
Schwingers beschrieben.
Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild einer Treibervorrichtung für den piezo
elektrischen Schwinger gem. einer Ausführungsform der Erfindung.
Nach Fig. 1 ist eine Elektrode eines piezoelektrischen Schwingers 2
(dieser ist in der Ersatzschaltung dargestellt, welche sich im Zustand des
Schwingens in der Nähe des Resonanzpunkts befindet) auf Masse gelegt,
während die andere Elektrode (die erfindungsgemäße "eine Seite") an
eine Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 angeschlossen ist. An die
andere Elektrode ist ein Verstärker 7 angeschlossen, durch den eine an
diese Elektrode angelegte Spannung, das heißt die von der Wechsel
strom-Treiberleistungsquelle 5 gelieferte Treiberspannung, um das
(N + 1)-fache verstärkt wird. Am Ausgang des Verstärkers 7 liegt ein
Kondensator mit einer elektrostatischen Kapazität Cs in Reihe. Diese
elektrostatische Kapazität Cs ist über die andere Elektrode mit dem
piezoelektrischen Schwinger 2 verbunden. Eine Schleifenschaltung 8
(eine Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente) mit
diesem Verstärker und der Kapazität Cs ist an einem Punkt C ange
schlossen. Der Kapazitätswert der elektrostatischen Kapazität Cs beträgt
etwa das 1/N-fache der Dämpfungskapazität Cd des piezoelektrischen
Oszillators 2. Die Schleifenschaltung 8 ist eine Schaltung zum Reduzie
ren einer kapazitiven Komponente (hier: eine Dämpfungskapazität) gem.
der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein von der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 geliefer
ter Strom mit i bezeichnet, ein durch die elektrostatische Kapazität Cs
fließender Strom ist mit i1 bezeichnet, eine Impedanz für einen Serienre
sonanzkreis 3 des piezoelektrischen Schwingers 2 ist mit Zm bezeichnet,
und der hier durchfließende Strom ist mit i2 bezeichnet, während ein
durch die Dämpfungskapazität Cd fließender Strom mit i3 und ein durch
den Verstärker 7 fließender Strom mit i4 bezeichnet ist.
Da die Treiberspannung V von der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle
5 an den Punkt C angelegt wird, beträgt das Potential an einem Punkt D
aufgrund des Verstärkers 7 (N + 1)V. Damit liegt zwischen den Punkten
D und C (D-C) das Potential N*V. Weil die Impedanz bei D-C den
Wert 1/(jωCs) hat, läßt sich i1 durch die folgende Gleichung 6 aus
drücken, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit ist.
i1 = jωCs*N*V (6).
In ähnlicher Weise lassen sich i2 und i3 durch folgende Gleichungen 7
und 8 ausdrücken:
i2 = V/Zm (7)
i3 = jωCd*V (8).
Wenn man i4 außer Acht läßt, weil i4 ein sehr geringer Strom ist, so
kann man i durch folgende Gleichung 9 ausdrücken:
i = i2 + i3 - i1 (9).
Setzt man die Gleichungen 6, 7 und 8 in die Gleichung 9 ein, so ergibt
sich folgende Gleichung 10:
i = V/Zm + jω(Cd - N*Cs)*V (10).
Wenn die Gleichung 11 gilt:
Cs = Cd/N (11)
so ist i so groß wie der rechte Term der Gleichung 7, und damit ist i
gleich i2. Der von der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 gelieferte
Speisestrom ist alleine maßgeblich für eine Strommenge, die in die
Impedanz Zm des Serienschwingkreises 3 fließt, während in die Däm
pfungskapazität Cd, die keinen Beitrag für den Schwingungsvorgang
liefert, kein Strom fließt.
Da die Komponente der Dämpfungskapazität Cd des piezoelektrischen
Schwingers in äquivalenter Weise gelöscht wird, handelt es sich bei der
diesem Zustand des piezoelektrischen Schwingers entsprechenden Ersatz
schaltung um eine Schaltung, die lediglich aus dem Serienschwingkreis 3
besteht, die in Fig. 2 gezeigt ist. Eine Verstärkungskennlinie für den
dann von der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 gelieferten Speise
strom i wird durch die Gleichung 12 ausgedrückt, ein Resonanzpunkt fa
entspricht der Gleichung 13, und ein Phasengang wird durch die Glei
chung 14 angegeben. Fig. 3A zeigt den Frequenzgang für die Ver
stärkung des dann gegebenen Speisestroms i, während Fig. 3B den
Phasengang für den Speisestrom i zeigt.
i = V/Zm = V/{Rm + j (ωLm - 1/ωCm)}
= V*εj Θ[√{Rm² + (ωLm - 1/ωCm)²}] (12)
= V*εj Θ[√{Rm² + (ωLm - 1/ωCm)²}] (12)
fa = 1/{2π√(Lm*Cm)} (13)
Θ = -tan-1{(ωLm - 1/ωCm)/Rm} (14).
Eine Bedingung dafür, daß der durch die Dämpfungskapazität Cd
fließende Strom ausgelöscht wird, besteht in der Erfüllung der Bedin
gung gemäß Gleichung 11, das heißt, die elektrostatische Kapazität Cs
entspricht dem 1/N-fachen der Dämpfungskapazität Cd. Diese Bedingung
ist durch die Funktion der elektrostatischen Kapazität Cs und eines
Verstärkungsgrads N des Verstärkers 7 gegeben und ist nicht eine Funk
tion, die abhängt von der Treiberfrequenz der Wechselstrom-Treiberlei
stungsquelle 5. Deshalb ist die Frequenzabhängigkeit nicht in der Bedin
gung für die Löschung der Dämpfungskapazität Cd enthalten. Was die
Einstellung der elektrostatischen Kapazität Cs im Zuge der Löschung der
Dämpfungskapazität Cd angeht, so ist dies viel einfacher als die Ein
stellung einer Induktivität L, wobei außerdem auch dann eine kompakte
Bauweise erreicht wird, wenn man als elektrostatische Kapazität eine
variable Kapazität vom Varicap- oder Trimmer-Typ verwendet. Darüber
hinaus läßt sich ein ähnlicher vorteilhafter Effekt dann erreichen, wenn
der Verstärkungsgrad N durch einen veränderlichen Widerstand einge
stellt wird, während die elektrostatische Kapazität Cs festgelegt ist,
wodurch eine noch weiter gesteigerte kompakte Bauweise möglich ist.
Natürlich läßt sich eine vorteilhafte Wirkung dadurch erreichen, daß
man den Einfluß der Dämpfungskapazität Cd reduziert, selbst wenn die
zu realisierende elektrostatische Kapazität Cs und der Verstärkungsgrad
des Verstärkers 7 nicht perfekt angepaßt sind an die Bedingung, die
durch die Gleichung (11) vorgegeben wird.
Ein bauliches elektrisches oder elektronisches Teil zur Bildung der elek
trostatischen Kapazität Cs kann aus dem gleichen Material gebildet
werden, aus dem auch der piezoelektrische Schwinger 2 gefertigt ist.
Teil des Materials des piezoelektrischen Schwingers kann ohne Polarisa
tion ausgebildet werden, und dieser Teil kann dann als die elektrostati
sche Kapazität Cs eingesetzt werden. Ein Teil des Materials wird also
mit Polarisation ausgestattet, um als Quarzschwinger zu fungieren,
während ein anderer Teil ohne Polarisation die Funktion der elektro
statischen Kapazität Cs übernimmt. Damit entfällt die Notwendigkeit, ein
separates Bauelement für die Kapazität Cs vorzusehen. Hierdurch wird
nicht nur ein Kostenvorteil erzielt, sondern man kann auch die Anzahl
der benötigten Bauteile reduzieren, was eine weitere Miniaturisierung
der Schaltung darstellt. Es reicht, wenn der Verstärker 7 eine Einrich
tung zur Spannungsverstärkung ist. Der Verstärker 7 kann durch einen
Transistor, einen Operationsverstärker, einen Transformator und der
gleichen gebildet werden.
Fig. 5 und 7 zeigen die Versuchsergebnisse mit einer herkömmlichen
Schaltung bzw. mit einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt die übereinanderliegenden Lagen eines zu Versuchszwecken
verwendeten piezoelektrischen Schwingers in Form einer Schichtanord
nung 10. Die Anordnung gemäß Fig. 8 enthält eine Elektrode 13, piezo
elektrisches Material 12 und eine Treiberelektrode 11 auf der einen Seite
eines aus Glas gebildeten Substrats 14, während auf dessen anderer Seite
sich eine Elektrode 15, piezoelektrisches Material 16 und eine Detektier
elektrode 17 in ähnlicher Anordnung befinden. Die dielektrische Polari
sationsrichtung des piezoelektrischen Materials 12 und 16 sind in Fig. 8
durch Pfeile angedeutet.
Fig. 5 zeigt das Ergebnis des Versuchs mit einer herkömmlichen Schal
tung, in der die Schleife 8 (Schaltung zum Reduzieren der kapazitiven
Komponente) gem. der Erfindung nicht realisiert ist. Fig. 4 ist eine
Versuchsschaltung unter Verwendung der herkömmlichen Schaltung, und
Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal eines Amperemeters 9 gem. Fig. 4.
Nach Fig. 4 ist eine Elektrode des piezoelektrischen Schwingers 2 auf
Masse gelegt, während die andere Elektrode an die Wechselstrom-
Treiberleistungsquelle angeschlossen ist. Ein Amperemeter 9 liegt zwi
schen dem Schwinger 2 und der Treiberleitungsquelle 5. Der Schwinger
2 nach diesem Versuch bestand aus der Anordnung 10 nach Fig. 8,
während die Treiberelektrode 4 der Anordnung 10 mit dem Anschluß A
der in Fig. 4 gezeigten Versuchsschaltung verbunden und die Elektrode
13 der Anordnung 10 mit dem Anschluß B der Schaltung aus Fig. 4
verbunden war.
Fig. 5 zeigt einen Graphen, wobei die Abszisse die Frequenz der Wech
selstrom-Treiberleistungsquelle 5 und die Ordinate den Verstärkungsgrad
(dB) eines Speisestroms i von der Treiberleistungsquelle darstellt, wäh
rend außerdem eine Phase e (Grad) des Speisestroms i angegeben ist.
Ein Ausgangssignal X entspricht einer Verstärkungskennlinie, und deren
Maximum tritt bei dem Resonanzpunkt fa auf, während das Minimum
bei dem Antiresonanzpunkt fb liegt. Ein Ausgangssignal Y bedeutet den
Phasengang, wobei der Speisestrom i der Phase der Treiberspannung bei
solchen Frequenzen um 90° voreilt, die sich nicht in der Nähe des
Resonanzpunkts fa und des Antiresonanzpunkts fb befinden und der
Einfluß der Dämpfungskapazität Cd vorhanden ist.
Fig. 7 zeigt das Ergebnis des Experiments unter Verwendung einer
Schaltung, in der die Schleife 8 (die Schaltung zum Reduzieren der
kapazitiven Komponente) gem. der Erfindung realisiert ist. Fig. 6 zeigt
die Versuchsschaltung, während Fig. 7 das Ausgangssignal zeigt, wel
ches von dem in Fig. 6 gezeigten Amperemeter geliefert wird. Gemäß
Fig. 6 ist eine Elektrode des piezoelektrischen Schwingers 2 auf Masse
gelegt, während die andere Elektrode des Schwingers 2 an die Wechsel
strom-Treiberleistungsquelle 5 angeschlossen ist, so daß die Treiber
leistung von dem Anschluß A in den Schwinger 2 eingespeist wird. In
der Schleifenschaltung 8, die als Schaltung zum Verringern der kapaziti
ven Komponente dient, wird eine Spannung am Anschluß A von dem
Verstärker 7 in einem Pfad zum Zuführen der Treiberleistung um einen
Faktor N+1 verstärkt. Die elektrostatische Kapazität Cs liegt in Reihe
zwischen dem Ausgang des Verstärkers 7 und dem Anschluß A. Die
Kapazität Cs ist auf etwa das 1/N-fache der Dämpfungskapazität Cd
eingestellt.
Das Amperemeter 9 liegt zwischen dem piezoelektrischen Schwinger 2
und der Treiberleistungsquelle 5. Die Schichtanordnung 10 dient mit
ihren einzelnen niedergeschlagenen Elementen als piezoelektrischer
Schwinger in dem Versuch, wobei die Treiberelektrode 11 der Anord
nung 10 an den Anschluß A der Versuchsschaltung angeschlossen ist,
während die Elektrode 13 der Anordnung 10 mit dem Anschluß B der
Versuchsschaltung verbunden ist. In einer Vorrichtung gemäß der in
Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist der Verstärker 7 ein Operations
verstärker, wobei ein Gegenkopplungsblock 19 vorgesehen ist, der einen
Widerstand R3 und einen Widerstand R4 aufweist, durch die eine Span
nungsverstärkung eingestellt wird, während ein Mitkopplungsblock 18
die elektrostatische Kapazität Cs enthält. Jeder Parameter ist gemäß
folgenden Gleichungen 15 und 16 eingestellt:
N + 1 = 1 + (R3/R4) (15)
Cs = Cd/N (16).
Fig. 7 zeigt einen Graphen, wobei auf der Abszisse die Frequenz und
auf der Ordinate die Verstärkung (dB) eines Speisestroms i von der
Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 aufgetragen und außerdem eine
Phase e (Grad) des Speisestroms i angegeben ist. Eine Ausgangskurve
X bedeutet die Verstärkungskenninie. Die Dämpfungskapazität Cd wird
in äquivalenter Weise gelöscht, und die Verstärkung nimmt bei der
Resonanzfrequenz fa einen Maximalwert an. Ein Signal Y bedeutet den
Phasengang. Gemäß Fig. 7 ist deutlich erkennbar, daß die Phase beim
Resonanzpunkt fa praktisch Null wird und jenseits dieses Grenzpunkts
die Stromphase um etwa 90 Grad voreilt bzw. der Spannungsphase um
etwa 90 Grad nacheilt.
Ein Vergleich der Ausgangskennlinien der Fig. 5 und 10 bestätigt, daß
eine Komponente der Dämpfungskapazität Cd in äquivalenter Weise
gelöscht werden kann durch Hinzufügen der Schleifenschaltung 8 (der
Schaltung zum Reduzieren der kapazitiven Komponente) gemäß Fig. 6,
und daß die Treiberleistung so weit reduziert werden kann, wie sie an
sich von der Dämpfungskapazität Cd seitens der Wechselstrom-Treiber
quelle 5 aufgenommen würde.
Fig. 9 und 11 zeigen die Treibervorrichtung für den piezoelektrischen
Schwinger als Eigenschwingungsschaltung 20 gem. erfindungsgemäßen
Ausführungsformen.
Die Vorrichtung nach der Ausführungsform gern. Fig. 9 besteht aus
einem Verstärker 29 in Form eines Operationsverstärkers, einem daran
angeschlossenen Gegenkopplungsblock 23 mit einem Widerstand R3 und
R4, die die Spannungsverstärkung einstellen, und einem Mitkopplungs
block 22, der an den Block 23 über den Verstärker 27 angeschlossen ist
und eine elektrostatische Kapazität Cs, einem Widerstand R1 und den
piezoelektrischen Schwinger 1 enthält.
Der in Fig. 9 dargestellte Mitkopplungsblock 22 ist eine Frequenzaus
wahlschaltung, in der die elektrostatische Kapazität Cs in Reihe zu dem
Widerstand R1 geschaltet ist, und diese Reihenschaltung ist in einem
Mitkopplungsweg (einer Mitkopplungsschleife) 22a des Verstärkers 27
angeordnet, d. h. in einem Weg, der den Ausgang des Verstärkers mit
dessen nicht-invertierendem Eingang verbindet. Eine Elektrode des
piezoelektrischen Schwingers 1 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang
des Verstärkers 27 verbunden, während die andere Elektrode des Schwin
gers 1 auf Masse gelegt ist. Der Gegenkopplungsblock 23 ist eine Am
plitudenstabilisierschaltung, welche die Spannungsverstärkung einstellt,
wobei ein negativer Rückkopplungsweg 23a (eine Gegenkopplungsschlei
fe) an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 27 über den
Widerstand R3 angeschlossen ist, während der Widerstand R4 sich
zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers 27 und Masse
befindet.
Fig. 10 ist ein Ersatzschaltbild für den Fall, daß der piezoelektrische
Schwinger in der Nähe der Resonanzfrequenz fa betrieben wird. Bei
dem Resonanzpunkt fa sind Lm und Cm als Serienschwingkreis geschal
tet und sind äquivalent zu dem in Fig. 10B gezeigten Zustand. Die
Resonanzfrequenz fa für die in Fig. 10B dargestellte Ersatzschaltung läßt
sich durch die Gleichung 17 erhalten:
fa = 1/2π√(Lm*Cm) (17).
In der in Fig. 9 gezeigten Schaltung (in dieser Schaltung wird kein
zusätzlicher Widerstand R′ und keine zusätzliche Kapazität C′ unter
stellt) ist der piezoelektrische Schwinger 1 ersetzt durch die Serien
schwingkreis-Ersatzschaltung, wodurch sich die Schaltung analysieren
läßt. Das Ergebnis dieser Analyse wird im folgenden beschrieben.
Wenn eine Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des
Verstärkers 27 mit ei bezeichnet wird, eine Spannung am invertierenden
Eingangsanschluß mit ei′ bezeichnet wird, während die Ausgangsspan
nung eo beträgt, gelten nachfolgende Beziehungen gemäß den
Gleichungen 18 und 19:
ei = eo/{(1 + R1/Rm + Cd/Cs) + j(ωCdR1 - 1/ωCsRm)} (18)
ei′ = {R4/(R3+R4)}*eo (19).
Wenn der Verstärkungsgrad des Verstärkers 27 (des Operationsver
stärkers) hinreichend groß ist, gilt die Beziehung gemäß Gleichung 20.
Durch Einsetzen von Gleichung 18 und Gleichung 19 in die Gleichung
20 ergibt sich dann die Gleichung 21:
ei = ei′ (20)
R4/(R3+R4) = 1/{(1 + R1/Rm + Cd/Cs) + j(ωCdR1 - 1/ωCsRm)} (21).
Aus der Gleichung 21 ergibt sich die Schwingungsbedingung für die
Treiberschaltung 20 des piezoelektrischen Schwingers 1 in der Weise,
daß die Amplitudenbedingung dargestellt wird durch die Gleichung 22,
während die Frequenzbedingung durch die Gleichung 23 festgelegt wird:
(R3+R4)/R4 = 1 + R1/Rm + Cd/Cs (22)
ωCdR1 = 1/ωCsRm (23).
Hier wird jeder Parameter wie R1, R3, R4 und Cs zum Erfüllen der
obigen Amplituden- und Phasenbedingung so ausgewählt, daß die Schal
tung 20 eine selbsterregte Schaltung wird, die im Resonanzpunkt fa des
piezoelektrischen Schwingers schwingt.
Diese selbst- oder eigenerregte Schaltung ist eine Schaltung, die im
Prinzip wie eine Wienbrücken-Oszillatorschaltung arbeitet. In der Wien
brücken-Oszillatorschaltung wird die Mitkopplung derart an den (als
Operationsverstärker ausgebildeten) Verstärker 27 gelegt, daß eine
Schwingung erzeugt wird, und diese Eigenschwingungsfrequenz be
stimmt sich durch den Mitkopplungsblock 22, welcher als Frequenz
auswahlschaltung dient. In dem Mitkopplungsblock 22 (der Frequenz
auswahlschaltung) sind die erste Kapazität Cs und der erste Widerstand
R1 in Serie innerhalb der Mitkopplungsschleife geschaltet, und Cd so
wie Rm des piezoelektrischen Schwingers 1, dessen Ersatzschaltbild in
Fig. 10B gezeigt ist, dienen als die zweite Kapazität bzw. der zweite
Widerstand. Diese sind parallel miteinander verschaltet und liegen an
dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 27. In der Frequenz
auswahlschaltung fungiert die erste Kapazität (die elektrostatische Kapa
zität) Cs als Hochpaßfilter, während die zweite Kapazität (die Däm
pfungskapazität) Cd als Tiefpaßfilter fungiert. Die Eigenschwingungs
frequenz bestimmt sich gemäß einem Bandpaßfilter, bestehend aus dem
Hochpaßfilter und dem Tiefpaßfilter in dem Mitkopplungsweg des Ver
stärkers 27.
Der Gegenkopplungsblock 23 fungiert als Amplitudenstabilisierschaltung
für die Eigenschwingung in der Weise, daß die Spannungsverstärkung
des Verstärkers 27 auf einen ausreichend hohen Pegel eingestellt wird.
Die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingers 1 bestimmt sich
hier durch die Gleichung 17, das heißt durch die Induktivitätskompo
nente Lm und die kapazitive Komponente Cm des Schwingers 1 wäh
rend einer Bewegungs-Zeitspanne. Es kann der Fall eintreten, daß diese
Resonanzfrequenz nicht immer übereinstimmt mit der Eigenschwin
gungsfrequenz, die durch die Frequenzauswahlschaltung bestimmt wird.
In diesem Fall wird bevorzugt, daß jeder Kapazitäts- und jeder Wider
standswert so ausgewählt oder eingestellt wird, daß es eine zusätzliche
Kapazität C′ und einen zusätzlichen Widerstand R′ gibt, die parallel an
den piezoelektrischen Schwinger 1 angeschlossen sind, wie dies in Fig.
9 gezeigt ist. In diesem Fall arbeitet die zusätzliche Kapazität C′ in der
Weise, daß sie die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters einstellt, während der
zusätzliche Widerstand R′ so arbeitet, daß er die Eckfrequenz des Hoch
paßfilters einstellt. Folglich wird eine Korrektur in der Weise durch
geführt, daß die Eigenschwingungsfrequenz der Eigenschwingungsschal
tung 20 ′mit der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingers 10
abgeglichen oder an diese angenähert werden kann. Es wird also bevor
zugt, die zusätzliche Kapazität C′ und den zusätzlichen Widerstand R′
als frei veränderliches Element auszubilden und/oder die elektrostatische
Kapazität Cs und den Widerstand R1 als frei veränderliches Element zu
wählen.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform ist der Verstärker 27
ein Operationsverstärker, und angeschlossen an den Verstärker ist ein
Gegenkopplungsblock 33 mit Widerständen R3 und R4, die die Span
nungsverstärkung einstellen. Außerdem ist an den Verstärker ein Mit
kopplungsblock 32 angeschlossen, der aus einer Kapazität Cs und dem
Widerstand R2 sowie dem piezoelektrischen Schwinger R1 besteht. Der
Mitkopplungsblock 32 ist eine Frequenzauswahlschaltung, in der ein
Mitkopplungsweg (eine Mitkopplungsschleife) 32a mit dem piezoelek
trischen Schwinger ausgebildet ist. Der Weg verbindet einen Ausgang
des Verstärkers 37 mit dessen nicht-invertierendem Eingang. In diesem
Weg liegt der Schwinger 1. Die elektrostatische Kapazität Cs und der
Widerstand R2 sind zueinander parallel geschaltet und sind gemeinsam
an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 32 und an Masse
angeschlossen. Der Gegenkopplungsblock 33 ist vorgesehen, um die
Amplitude zu stabilisieren, indem die Spannungsverstärkung auf einen
hinreichend hohen Wert eingestellt wird. Der Gegenkopplungszweig 33a,
der an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 37 ange
schlossen ist, enthält den Widerstand R3. Der Widerstand R4 liegt
zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers 37 und Masse.
Fig. 12A ist ein Ersatzschaltbild für den Fall, daß der piezoelektrische
Schwinger 1 in der Nähe des Antiresonanzpunkts fb betrieben wird. Im
Antiresonanzpunkt fb bilden Lm′ und Cm′ einen Parallelschwingkreis;
das Ersatzschaltbild ist in Fig. 12B gezeigt. Der Antiresonanzpunkt fb
für die in Fig. 12B gezeigte Ersatzschaltung entspricht der Gleichung
24.
fb = 1/2π√(Lm′*Cm′) (24).
In der in Fig. 11 gezeigten Schaltung (unter der Annahme, daß diese
Schaltung keine zusätzliche Kapazität C′ und keinen zusätzlichen Wider
stand R′ enthält) ist der piezoelektrische Schwinger 1 ersetzt durch die
Parallelschwingkreis-Ersatzschaltung, wobei sich diese Schaltung analy
sieren läßt. Das Ergebnis dieser Analyse wird im folgenden diskutiert.
Wenn eine Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers
37 mit ei, eine Spannung am invertierenden Eingang mit ei′ und die
Ausgangsspannung des Verstärkers mit eo bezeichnet wird, ergeben sich
folgende Gleichungen 25 und 26:
ei = eo/{(1 + Rm′/R2 + Cs/Cd′) + j(ωCsRm′ - 1/ωCd′R2)} (25)
ei′ = {R4/(R3+R4)}*eo (26).
Wenn der Verstärkungsgrad des Verstärkers 37 (des Operationsver
stärkers) ausreichend groß ist, gilt die Beziehung gemäß Gleichung 27.
Durch Einsetzen der Gleichungen 25 und 26 in die Gleichung 27 ergibt
sich die Gleichung 28:
ei = ei′ (27)
R4/(R3+R4) = 1/{(1+Rm′/R2 + Cs/Cd′) + j(ωCsRm′ - 1/ωCd′R2)} (28).
Aus der Gleichung 28 ist ersichtlich, daß die Schwingungsbedingung für
die selbsterregte Schaltung 30 mit dem piezoelektrischen Schwinger 1
gegeben ist durch die Amplitudenbedingung gemäß der Gleichung 29
und die Frequenzbedingung gemäß Gleichung 30:
(R3+R4)/R4 = 1 + Rm′/R2 + Cs/Cd′ (29)
ωCsRm′ = 1/ωCd′R2 (30).
Jeder Parameter R2, R3, R4 und Cs, der die Amplitudenbedingung und
die Frequenzbedingung erfüllt, wird so ausgewählt, daß diese Schaltung
eine selbsterregte Schaltung wird, die im Antiresonanzpunkt fb des
piezoelektrischen Schwingers schwingt.
Das Prinzip der selbsterregten Schaltung gemäß Fig. 11 läßt sich reprä
sentieren in Form einer Wienbrücken-Oszillatorschaltung, welche die
gleiche ist, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. Wenn gemäß Fig. 11 der
piezoelektrische Schwinger 1 ersetzt wird durch die in Fig. 12B gezeigte
Ersatzschaltung, werden die erste Kapazität und der erste Widerstand zu
Cd′ bzw. Rm′, während die zweite Kapazität und der zweite Widerstand
Cs bzw. R2 sind. In dieser Schaltung fungiert die Dämpfungskapazität
Cd′ des piezoelektrischen Schwingers 1, welche in der Nähe des Antire
sonanzpunkts arbeitet, als Hochpaßfilter, während die elektrostatische
Kapazität Cs als Tiefpaßfilter arbeitet.
Die Antiresonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingers bestimmt
sich durch die Gleichung 24. Allerdings kann der Fall auftreten, daß bei
dieser Antiresonanzfrequenz keine Übereinstimmung mit der Eigen
schwingungsfrequenz der selbsterregten Schaltung 30 stattfindet. In
diesem Fall wird bevorzugt, wenn die zusätzliche Kapazität C′ und der
zusätzliche Widerstand R′ gemäß Fig. 11 an den piezoelektrischen
Schwinger 1 angeschlossen sind. In diesem Fall fungiert die zusätzliche
Kapazität C′ in der Weise, daß sie eine Durchlaßfrequenz des Hoch
paßfilters korrigiert, während der zusätzliche Widerstand R′ so wirkt,
daß er die Durchlaßfrequenz des Tiefpaßfilters korrigiert. Dadurch läßt
sich die Eigenschwingungsfrequenz der selbsterregten Schaltung 30 mit
der Antiresonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingers 1 abgleichen
oder dieser annähern. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird bevor
zugt, daß die zusätzliche Kapazität C′ und der zusätzliche Widerstand R′
und/oder die elektrostatische Kapazität Cs und der Widerstand R2 als
frei veränderliches Element verfügbar sind.
Man erkennt, daß die zusätzliche Kapazität C′ und der zusätzliche Wi
derstand R′ an den piezoelektrischen Schwinger 1 gemäß Fig. 11 pa
rallel angeschlossen werden können, und daß die zusätzliche Kapazität
C′ und der zusätzliche Widerstand R′ in Serie zu dem piezoelektrischen
Schwinger 1 gemäß Fig. 9 gekoppelt werden können. Außerdem kann
der Schaltungsaufbau so sein, daß entweder die zusätzliche Kapazität C′
oder der zusätzliche Widerstand R′ gemäß Fig. 9 und Fig. 11 vorge
sehen ist. Dadurch nämlich, daß entweder nur das Hochpaßfilter oder
das Tiefpaßfilter eingestellt wird, wird erreicht, daß die Resonanzfre
quenz oder die Antiresonanzfrequenz des Quarzschwingers an die Eigen
schwingungsfrequenz angenähert werden kann.
Bei den in Fig. 9 und 11 dargestellten Ausführungsformen gibt es je
weils eine Eigenschwingungsschaltung unter Verwendung des piezoelek
trischen Schwingers als Anwendungsfall einer Schaltung zum Verringern
einer kapazitiven Komponente mit der Dämpfungskapazität Cd (oder
Cd′) und der elektrostatischen Kapazität Cs.
Baulich kann ein Teil zum Bilden der elektrostatischen Kapazität Cs aus
demselben Material hergestellt werden, aus dem auch der piezoelektri
sche Schwinger 1 gebildet wird. Ein Teil des Materials des piezoelek
trischen Schwingers wird dann ohne Polarisation belassen, und dieser
Teil wird dann als elektrostatische Kapazität Cs verwendet. Es reicht
hier aus, daß die Verstärker 27 und 37 eine Einrichtung zum Verstärken
der Spannung darstellen, wobei die Verstärkungseinrichtung durch einen
Transistor, einen Operationsverstärker, einen Transformator und der
gleichen gebildet sein kann.
Fig. 13 zeigt eine Treibervorrichtung, in der der Resonanzpunkt des
piezoelektrischen Schwingers verfolgt wird; dies stellte eine weitere
Ausführungsform der Erfindung dar.
Nach Fig. 13 ist eine Elektrode des piezoelektrischen Schwingers 2 auf
Masse gelegt, während eine Treiberspannung V an die andere Elektrode
(die andere Seite) gelegt wird. An einem Schaltungspunkt C, an wel
chem die Treiberspannung an die andere Elektrode gelegt wird, ist der
Verstärker 7 angeschlossen, der einen Verstärkungsfaktor N + 1 besitzt.
Der in Serie an den Ausgang dieses Verstärkers 7 angeschlossene Kon
densator Cs ist an den Punkt C angeschlossen, wodurch eine Schleifen
schaltung 8 gebildet wird (eine Schaltung zum Verringern der kapaziti
ven Komponente). Dieser bauliche Aspekt ist der gleiche wie in der
Schaltung nach Fig. 1.
Immer noch auf Fig. 13 Bezug nehmend, wird ein in den piezoelek
trischen Schwinger 2 eingespeister Strom mit i bezeichnet, der durch die
elektrostatische Kapazität Cs fließende Strom wird mit i1 bezeichnet, die
Impedanz eines Serienschwingkreises 3 des piezoelektrischen Schwingers
2 wird mit Zm bezeichnet, der Stromfluß dadurch wird mit i2 bezeich
net, der Stromfluß durch die Dämpfungskapazität Cd wird mit i3 be
zeichnet, und der Stromfluß durch den Verstärker 7 wird mit i4 bezeich
net.
Wenn die Spannung V an den Punkt C angelegt wird, beträgt die
Spannung am Punkt D aufgrund des Verstärkers 7 dann (N + 1)V. Damit
liegt zwischen den Punkten D und C (D-C) eine Spannung N*V. Weil
die Impedanz bei D-C den Wert 1/(jωCs) hat, läßt sich i1 durch folgen
de Gleichung 31 ausdrücken:
i1 = jωCs*N*V (31).
In ähnlicher Weise lassen sich i2 und i3 durch die Gleichungen 32 bzw.
33 ausdrücken:
i2=V/Zm (32)
i3 = jωCd*V (33).
Wenn i4 als sehr kleiner Strom vernachlässigt wird, läßt sich i4 durch
folgende Gleichung 34 ausdrücken:
i = i2 + i3 - i1 (34).
Einsetzen der Gleichungen 31, 32 und 33 in die Gleichung 34 fährt zu
der Gleichung 35:
i = V/Zm + jω (Cd - N*Cs)*V (35).
Wenn die folgende Gleichung 36 gilt:
Cs = Cd/N (36)
so ist i gleich dem rechten Term der Gleichung 32, i ist also gleich i2.
Der dem piezoelektrischen Schwinger 2 zugeführte Strom trägt nämlich
allein bei zu der Strommenge, die in die Impedanz Zm des Serien
schwingkreises 3 fließt, während in die Dämpfungskapazität Cd, die zu
der Schwingung nichts beiträgt, kein Strom gelangt.
Die Verstärkungskennlinie für den Speisestrom i drückt sich durch die
Gleichung 37 aus, der Resonanzpunkt durch die Gleichung 38, und der
Phasengang durch die Gleichung 39. Fig. 14A zeigt den Frequenzgang
für die Verstärkung des Speisestroms i, während Fig. 14 den Frequenz
gang für die Phase des Versorgungsstroms i darstellt.
i = V/Zm = V/{Rm + j(ωLm - 1/ωCm)}
= V*εj Θ/[√{Rm² + (ωLm - 1/ωCm)²}] (37)
= V*εj Θ/[√{Rm² + (ωLm - 1/ωCm)²}] (37)
fa = 1/{2W(Lm*Cm)} (38)
Θ = -tan-1{(ωLm - 1/ωCm)/Rm} (39).
Gemäß Fig. 14 beträgt die Phasendifferenz zwischen der Phase des
Speisestroms für den piezoelektrischen Schwinger 2 und der Phase der
an die andere Elektrode des piezoelektrischen Schwingers 2 angelegten
Treiberspannung im Resonanzfrequenzpunkt fa 0 Grad. Die in Fig. 13
gezeigte Ausführungsform wurde dadurch erfunden, daß diesem Um
stand besondere Berücksichtigung geschenkt wurde. Die Treibervorrich
tung für den piezoelektrischen Schwinger, die den Resonanzpunkt ver
folgt, läßt sich also durch Detektieren dieser Phasendifferenz erreichen.
Immer noch auf Fig. 13 Bezug nehmend, enthält eine Wechselleistungs
quelle zum Treiben des piezoelektrischen Schwingers 2: eine Strom
phasendetektiereinrichtung, eine Wellenformereinrichtung A, eine Wel
lenformereinrichtung B, einen Phasenvergleicher, ein Schleifenfilter,
einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einen Leistungsver
stärker.
Die von der Wechselspannungsquelle an die andere Elektrode des piezo
elektrischen Schwingers 2 gelieferte Stromphase wird von der Strom
detektoreinrichtung detektiert. Ein Ausgangssignal, welches von der
Wellenformereinrichtung A in seiner Form festgelegt wird, wird mit Φ1
bezeichnet, während ein Ausgangssignal, dessen Phase an den piezoelek
trischen Schwinger 2 gelegt wird und von der Wellenformereinrichtung
B geformt wird, mit Φ2 bezeichnet wird. Die beiden geformten Aus
gangssignale werden in den Phasenvergleicher eingegeben, welcher den
Phasenfehler oder die Phasenabweichung zwischen Φ1 und Φ2 detektiert.
Ein Phasenfehlerausgangssignal vom Phasenvergleicher wird dem Schlei
fenfilter (Tiefpaßfilter) zugeführt, so daß eine Hochfrequenzkomponente
des Signals entfernt wird, und das verbleibende Signal wird dann als
Phasenfehlerspannung Vp an den VCO gelegt, wodurch der VCO eine
Frequenz als Ausgangssignal liefert, die der Spannung Vp entspricht.
Danach wird das Ausgangssignal des VCO von dem Leistungsverstärker
verstärkt und dann über die Stromphasen-Detektiereinrichtung auf den
piezoelektrischen Schwinger 2 gegeben.
Der Phasenvergleicher, das Schleifenfilter und der VCO arbeiten hier in
der Weise, daß die Schwingungsfrequenz des VCO dann höher wird,
wenn die Phase des Ausgangssignals (die Stromphase) Φ1 weiter voreilt
als die Ausgangsphase (Spannungsphase) Φ2. Umgekehrt arbeiten der
Phasenvergleicher, das Schleifenfilter und der VCO in der Weise, daß
die Schwingungsfrequenz des VCO niedriger wird, wenn die Phase des
Ausgangssignals (die Spannungsphase) Φ2 weiter voreilt als diejenige
des Ausgangs (der Stromphase) Φ1. Die Schwingungsfrequenz wird dann
fixiert oder verrastet, wenn die Phase des Ausgangssignals Φ1 die glei
che wie die des Ausgangssignals Φ2 ist, das heißt, wenn die Phasendif
ferenz zwischen Stromphase und Spannungsphase 0 Grad beträgt. Wie in
Fig. 14B gezeigt ist, wird der piezoelektrische Schwinger 2 am Reso
nanzpunkt betrieben, wenn die Phase des Stromausgangs Φ1 die gleiche
wie die Phase der Spannung Φ2 ist. Wenn der Resonanzfrequenzpunkt
des piezoelektrischen Schwingers 2 aufgrund des Einflusses der Umge
bung und dergleichen abnimmt, gelangt Φ2 in Phasenvoreilung bezüglich
Φ1, und die Frequenz des VCO wird veränderlich auf einen niedrigen
Pegel gesteuert, so daß die Resonanz verfolgt werden kann. Wenn
umgekehrt die Resonanzfrequenz hoch wird, gelangt Φ1 in Voreilung
bezüglich Φ2, und die Frequenz des VCO erhöht sich, so daß die Reso
nanz verfolgt wird.
In der in Fig. 13 gezeigten Treibervorrichtung gibt es keine Notwendig
keit für einen Sensor, der die Resonanzfrequenz wie bei dem konventio
nellen Schaltungsbeispiel detektiert, und die Treiberfrequenz des piezo
elektrischen Oszillators läßt sich bei der Resonanzfrequenz des piezo
elektrischen Oszillators fixieren. Das Schaltungsschema gemäß der Er
findung, wie es in Fig. 13 gezeigt ist, ist besonders effektiv, wenn der
oben erläuterte Sensor nicht hinzugefügt werden könnte, weil kein genü
gender Raum vorhanden wäre oder die Kosten zu hoch wären. Die
Resonanzfrequenz läßt sich automatisch auch dann verfolgen, wenn der
Resonanzpunkt sich aufgrund der erzeugten Wärme übermäßig ändert.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Schaltung bei sämtlichen
Typen piezoelektrischer Schwinger angewendet werden. Sie kann ange
paßt werden an die Treibervorrichtung für einen piezoelektrischen Mo
tor, einen piezoelektrischen Transformator und einen piezoelektrischen
Kreisel, so daß die Resonanzfrequenz auch dann konstant verfolgt wer
den kann, wenn die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Schwingers
sich durch Temperaturänderungen oder dergleichen ändert.
In der Treibervorrichtung gemäß Fig. 13 vermeidet die Schleifenschal
tung 8 (die Schaltung zum Verringern der kapazitiven Komponente) die
durch die Dämpfungskapazität Cd des piezoelektrischen Schwingers 2
verursachte Leistungsaufnahme praktisch vollständig und realisiert den
Betrieb beim Verfolgen der Resonanz des piezoelektrischen Oszillators
2.
Ein Bauelement zum Realisieren der elektrostatischen Kapazität Cs kann
aus demselben Material bestehen, aus dem der piezoelektrische
Oszillator 2 hergestellt wird. Ein Teil des Materials des piezoelektri
schen Schwingers 2 wird als Abschnitt ohne Polarisation gefertigt, und
deshalb läßt sich dieser Teil für die elektrostatische Kapazität Cs ver
wenden. Es reicht aus, wenn der Verstärker eine Einrichtung zum Ver
stärken der Spannung ist, wobei der Verstärker 7 durch einen Tran
sistor, einen Operationsverstärker, einen Transformator und dergleichen
gebildet wird.
Fig. 15 zeigt eine Detektiervorrichtung gemäß einer weiteren Ausfüh
rungsform der Erfindung.
Bezugnehmend auf das in Fig. 15 gezeigte Ersatzschaltbild, ist ein
piezoelektrischer Schwinger 50 mit Hilfe elektrischer Schaltungsmittel in
der Weise dargestellt, daß eine Spannung erzeugt wird, wenn der piezo
elektrische Schwinger einer äußeren Spannung ausgesetzt wird. Fig. 15
ist die Ersatzschaltung für eine Detektiervorrichtung, in der beispiels
weise eine dem piezoelektrischen Schwinger durch Coriolis-Krart ver
mittelte Schwingung von einem Oszillator-Gyroskop detektiert wird. Ein
in der Ersatzschaltung nach Fig. 15 mit F bezeichneter Schaltungsteil ist
der Abschnitt, in dem mechanische Spannung erzeugt wird, und diese
mechanische Spannung wird von einem Ersatz-Transformator in ein
elektrisches Signal umgesetzt. Cd2 ist ein in derselben Ersatzschaltung
mit E bezeichneter Schaltungsteil einer Dämpfungskapazität, bei der es
sich um eine kapazitive Komponente handelt, hier speziell um ein Di
elektrikum des piezoelektrischen Materials.
Eine Elektrode des piezoelektrischen Schwingers 50 ist auf Masse ge
legt, während an der anderen Elektrode (der anderen Seite) ein Ver
stärker 57 mit einem Verstärkungsgrad von (N + 1) und die elektrostati
sche Kapazität Cs2 in Reihe angeschlossen sind. Es ergibt sich also mit
der Schleifenschaltung 58 ein ähnlicher Aufbau wie in Fig. 1 (Schaltung
um Verringern der kapazitiven Komponente). In dieser Detektiervor
richtung verstärkt der Verstärker 57, der die Schaltung zum Verringern
der kapazitiven Komponente bildet, die an einem Punkt G erzeugte
Spannung.
Immer noch auf Fig. 15 Bezug nehmend, wird der von der äußeren
mechanischen Spannung erzeugte Strom mit i10 bezeichnet, der durch
die elektrostatische Kapazität Cs2 fließende Strom wird mit i11 bezeich
net, der durch den Dämpfungskondensator Cd2 fließende Strom wird mit
i13 bezeichnet, und der als Ausgangssignal abgenommene Strom wird
mit i12 bezeichnet. Weil der Eingangsstrom des Verstärkers 57 extrem
schwach ist, wird er vernachlässigt.
Wenn die an einer Seite der Elektrode des Schwingers 50 erzeugte Span
nung mit V bezeichnet wird, beträgt die Spannung an einem Punkt H
dann (N+1)*V, und die Spannung N*V liegt zwischen den Punkten H
und G (H-G). Die Impedanz zwischen den Punkten H und G beträgt
1/(ωCs2), so daß sich für i11 der Wert gemäß folgender Gleichung 40
ergibt:
i11 = jωCs2*N*V (40).
Die Spannung V wird an die Dämpfungskapazität Cd2 gelegt, und daher
drückt sich i13 durch folgende Gleichung 41 aus:
i13 = jωCd2*V (41).
Wenn die Relation gemäß Gleichung 42 gegeben ist, gilt die Gleichung
43:
Cs2 = Cd2/N (42)
i13 = i11 (43).
Die Gleichung 44 gilt am Punkt G, und wenn man die Gleichung 43 in
die Gleichung 44 einsetzt, ergibt sich die Gleichung 45:
i11 + i10 = i13 + i12 (44)
i12 = i10 (45).
Wenn also die elektrostatische Kapazität Cs2 1/N der Dämpfungskapa
zität Cd2 beträgt, wird der Strom von der Schleifenschaltung 58 in die
Dämpfungskapazität Cd2 geleitet. Als Ergebnis davon wird der erzeugte
Strom i10, der durch die durch die mechanische externe Spannung er
zeugte Ladung bedingt ist, nicht an die Dämpfungskapazität Cd2 gelie
fert, so daß sämtlicher Strom extern abgezogen werden kann. Dieser
Zustand drückt sich durch die in Fig. 16 dargestellte Ersatzschaltung 51
aus. Verglichen mit dem Fall, daß die Dämpfungskapazität Cd2 exi
stiert, ist ersichtlich, daß die Ausgangsimpedanz Z zunimmt und die
Ausgangsempfindlichkeit als Sensor verbessert ist.
Bei dieser Detektiervorrichtung wird die Bedingung, unter der der durch
die Dämpfungskapazität Cd2 fließende Strom i13 gelöscht wird, durch
die Erfüllung der Gleichung 42 dargestellt, und diese Bedingung ist
gegeben als eine Funktion der elektrostatischen Kapazität Cs2 und einer
Verstärkung N des Verstärkers 57, während es sich nicht um eine
Funktion der Frequenz der detektierten Spannung handelt. Deshalb ist
keine Frequenzabhängigkeit in der Bedingung für das Löschen der
Dämpfungskapazität Cd2 gegeben. Was die Einstellung der elektrostati
schen Kapazität Cs2 im Zuge des Löschens der Dämpfungskapazität Cd2
angeht, so ist es wesentlich einfacher, diese einzustellen, als eine Ein
stellung einer Induktivität L vorzunehmen, wobei zusätzlich unter Ver
wendung einer Varicap- oder Trimmer-Kapazität eine zusätzliche kom
pakte Bauweise erzielt werden kann. Ein ähnlicher vorteilhafter Effekt
läßt sich dann erreichen, wenn die Verstärkung N des Verstärkers 57
durch einen veränderlichen Widerstand eingestellt wird, während die
elektrostatische Kapazität Cs2 fest ist. Hierdurch läßt sich eine noch
kompaktere Bauweise erreichen.
Natürlich läßt sich auch ein vorteilhafter Effekt erzielen, indem der
Einfluß der Dämpfungskapazität Cd2 verringert werden kann, auch wenn
die anzuschließende elektrostatische Kapazität Cs2 nicht perfekt der
Bedingung gemäß der Gleichung 42 genügt. Ein Bauteil zum Realisieren
der Kapazität Cs2 kann aus demselben Material gefertigt werden wie der
piezoelektrische Schwinger. Bei einem Oszillatortyp-Gyroskop oder
dergleichen besteht die Möglichkeit, nur einen Teil des piezoelektrischen
Materials des piezoelektrischen Schwingers ohne Polarisation vorzusehen
und diesen Teil oder Abschnitt dann für die elektrostatische Kapazität
Cs2 herzunehmen. Wenn das gesamte piezoelektrische Material des
Schwingers mit Polarisation vorgesehen wird, kann ein Abschnitt, dem
keine Schwingung in diesem piezoelektrischen Material vermittelt wird,
als elektrostatische Kapazität Cs2 dienen. Außerdem reicht es aus, wenn
der Verstärker 57 als Einrichtung zum Verstärken der Spannung dient,
wobei eine solche Einrichtung durch einen Transistor, einen Operations
verstärker, einen Transformator oder dergleichen gebildet wird.
Fig. 18 und 20 zeigen Versuchsergebnisse, die mit der erfindungsge
mäßen Detektiervorrichtung nach Fig. 15 erzielt wurden.
Die bei dem Versuch verwendeten Elemente einer Schichtanordnung 10
sind in Fig. 8 dargestellt.
Fig. 18 zeigt das Versuchsergebnis für eine konventionelle Detektiervor
richtung, die nicht die erfindungsgemaße Schleifenschaltung 58 (eine
Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente) verwendet. In
der Versuchsapparatur sind die Treiberelektrode 11, die Elektrode 13,
die Detektierelektrode 17 und die Elektrode 15 der Schichtanordnung 10
gem. Fig. 8 an den Anschluß A, den Anschluß B, den Anschluß C und
den Anschluß D der Versuchsschaltung nach Fig. 17 angeschlossen. Der
Anschluß B und der Anschluß D nach Fig. 17 sind auf Masse gelegt.
Die Treiberspannung wird dem piezoelektrischen Material 12 von einer
Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 über die Treiberelektrode 11 und
die Elektrode 13 gem. Fig. 8 zugeführt, so daß das piezoelektrische
Material eine Krümmungs-Schwingung ausführt. Die über das Glassub
strat 14 auf das piezoelektrische Material 16 übertragene Schwingung
wird detektiert. Der in der Ersatzschaltung nach Fig. 15 dargestellte
piezoelektrische Schwinger 50 entspricht diesem piezoelektrischen Mate
rial 16 nach Fig. 8.
Fig. 18 zeigt die Ausgangsspannung Vout zwischen dem Anschluß C
und dem Anschluß D (C-D) gemäß Fig. 17. Fig. 18 ist eine graphische
Darstellung, in der auf der Abszisse die Frequenz und auf der Ordinate
die Ausgangsspannung Vout (dB) dargestellt sind, wobei fc die maxima
le Empfindlichkeitsfrequenz im Detektierbereich angibt.
Fig. 20 zeigt das Versuchsergebnis, dem die Schleifenschaltung 58 (die
Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente) gemäß der
Erfindung zugrunde liegt. In dieser Versuchsapparatur sind die
Anschlüsse B und D auf Masse gelegt, während der Anschluß A an die
Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 gemäß Fig. 19 angeschlossen ist.
Die Schleifenschaltung 58 (die Schaltung zum Verringern einer kapaziti
ven Komponente), in der der Verstärker 57 mit einem Verstärkungs
faktor (N + 1) in Serie an die elektrostatische Kapazität Cs2 angelegt ist,
liegt am Anschluß C. Der Gegenkopplungsweg 56 mit den Widerständen
R3 und R4 stellt einen Verstärkungsfaktor für den Verstärker 57 ein.
Die Elektroden 11, 13, 17 und 15 der Schichtanordnung nach Fig. 8
sind an die Anschlüsse A, B, C und D angeschlossen. Auch in Fig. 19
entspricht das piezoelektrische Material 16 dem piezoelektrischen
Schwinger 50.
Die Treiberspannung wird dem piezoelektrischen Material 12 von der
Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 über die Treiberelektrode 11 und
die Elektrode 13 gemäß Fig. 8 zugeführt, so daß das piezoelektrische
Material eine Krümmungs-Schwingung ausführt. Die dem piezoelek
trischen Material 16 über das Glassubstrat 14 vermittelte Schwingung
wird dann nachgewiesen. Fig. 20 zeigt die Ausgangsspannung Vout
zwischen dem Anschluß C und dem Anschluß D (C-D) der Versuchs
apparatur nach Fig. 19. In Fig. 20 ist auf der Abszisse die Frequenz und
auf der Ordinate die Ausgangsspannung von Vout (dB) aufgetragen. In
Fig. 19 ist der Verstärker 57 ein Operationsverstärker, wobei die Para
meter (R3, R4, Cs2) gemäß folgenden Gleichungen 46 und 47 eingestellt
werden:
N + 1 = 1 + R3/R4 (46)
Cs2 = Cd2/N (47).
Vergleicht man die Ausgangsspannungen Vout am Punkt fc in Fig. 18
und 20, so erkennt man, daß die Schleifenschaltung 58 (die Schaltung
zum Verringern einer kapazitiven Komponente), welche die Bedingung
gemäß obiger Gleichung 47 erfüllt, eine um etwa 5 dB höhere Aus
gangsspannung liefert als die konventionelle Vorrichtung gemäß Fig. 18,
so daß ein hochempfindliches Detektieren dadurch erreicht wird, daß der
Einschluß der Dämpfungskapazität Cd2 minimiert wird.
Als nächstes werden gegenüber den obigen Ausführungsnormen modifi
zierte Beispiele beschrieben.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform enthält die Schleifenschal
tung 8, in der der Verstärker 7 mit einem Verstärkungsfaktor von
(N + 1) in Reihe zu der elektrostatischen Kapazität Cs geschaltet ist und
eine Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente bildet.
Allerdings läßt sich diese Schaltung zum Verringern einer kapazitiven
Komponente auch in der in Fig. 21 gezeigten Weise ausbilden.
Gemäß Fig. 21 ist ein Pfad vorhanden, über den die Treiberleistung von
der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5 an eine Elektrode (den Punkt
C′) an einer Seite des piezoelektrischen Schwingers 2 gelegt wird, und
es gibt einen weiteren, davon abzweigenden Pfad, in welchem der Ver
stärker 7 und die elektrostatische Kapazität Cs zueinander in Reihe
geschaltet sind, wobei die Kapazität Cs an den Punkt C′ angeschlossen
ist. Ein die Treiberleistung liefernder Pfad (a) zwischen der Ausgangs
seite der Treiberleistung (der Wechselstrom-Treiberleistungsquelle 5)
und dem piezoelektrischen Schwinger 2 liegt parallel zu dem weiteren
Zweig (b) mit dem Verstärker 7 und der elektrostatischen Kapazität Cs.
Auch bei dieser Ausführungsform wird die der Seite des piezoelektri
schen Schwingers 2 zugeführte Treiberspannung V von dem Verstärker
um einen Faktor (N + 1) verstärkt, und das verstärkte Ausgangssignal
vom Verstärker 7 gelangt über die elektrostatische Kapazität Cs an den
Punkt C′.
Fig. 21 zeigt den gleichen Typ vom piezoelektrischen Oszillator, wie er
in Fig. 1 gezeigt ist. Wenn der von der Wechselstrom-Treiberleistungs
quelle 5 an den Punkt C′ gelieferte Strom mit i bezeichnet wird, die
durch den Serienschwingkreis und die Dämpfungskapazität Cd fließenden
Ströme mit i2 bzw. i3 bezeichnet werden, und der durch die elektro
statische Kapazität Cs fließende Strom mit i1′ bezeichnet wird, ist die
Relation zwischen den Strömen derart, daß i1 in der Gleichung 9 ersetzt
wird durch i1′.
Wenn daher in der mit der Schaltung 8 zum Verringern einer kapaziti
ven Komponente ausgestattete Treibervorrichtung gemäß Fig. 21 die
durch die Gleichung 11 ausgedrückte Bedingung, das heißt die Be
dingung, gemäß der die Kapazität Cs dem 1/N-fachen der Dämpfungs
kapazität Cd entspricht, erfüllt ist, wird der von der Treiberleistungs
quelle kommende Speisestrom i nicht von der Dämpfungskapazität Cd
aufgenommen, so daß der piezoelektrische Schwinger effizient betrieben
werden kann.
Auch wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 13 die Schleifenschal
tung 8 ersetzt wird durch die Schaltung 8′ gemäß Fig. 21, läßt sich der
gleiche vorteilhafte Effekt erzielen.
Fig. 22 zeigt ein weiteres bevorzugtes Beispiel, was gegenüber der
Treibervorrichtung für den piezoelektrischen Schwinger gemäß Fig. 21
noch weiter verbessert ist. Gemäß Fig. 22 gibt es einen Pfad (a), über
den die Treiberleistung der Elektrode (dem Punkt C′) an einer Seite des
piezoelektrischen Schwingers 2 zugeführt wird, und diesem Pfad ist ein
Pfad (b) parallel geschaltet, in dem sich der Verstärker 7 und die dazu
in Serie geschaltete elektrostatische Kapazität Cs zwischen der Wechsel
strom-Treiberleistungsquelle 5 und den Elektroden (Punkt C′) der einen
Seite befinden. Durch das Abzweigen werden der Pfad (a), der Leistung
von der Treiberleistungsquelle an den piezoelektrischen Schwinger 2
liefert, und der Pfad (b) gebildet, der Treiberleistung über den Ver
stärker 7 und die elektrostatische Kapazität Cs dem Schwinger 2 zuführt,
wodurch eine Schaltung 8′′ zum Verringern einer kapazitiven Kompo
nente gebildet wird. Es gibt einen Spannungsfolger (Pufferverstärker)
41, welcher als Spannungshalteeinrichtung in dem Pfad (a) dient, über
den Leistung an den piezoelektrischen Schwinger 2 gegeben wird.
Der Spannungsfolger 41 ist ein elektrisches Bauteil, wie es dem Fach
mann bekannt ist, und bei dem ein Ausgang mit dem invertierten Ein
gang eines Operationsverstärkers kurzgeschlossen ist, so daß es eine
einhundertprozentige Kopplung gibt, gemäß der eine Spannungsver
stärkung auf 1 eingestellt wird. Der Spannungsfolger 41 spielt eine Rolle
beim Halten der Spannung für die Antriebsleistung, und er verhindert
das Entstehen von Schwingungen. In der in Fig. 1 dargestellten Schal
tung kann das Einstel 13168 00070 552 001000280000000200012000285911305700040 0002019600689 00004 13049len des Verstärkungsgrads auf einen zu hohen
Pegel möglicherweise die Spannung am Punkt C verstärken, so daß es
möglicherweise zu einer Schwingung in der Schleifenschaltung 8 deshalb
kommt, weil die Schleifenschaltung 8 eine Rückkopplung bildet, in der
die Elektrizität über die elektrostatische Kapazität Cs zum Punkt C
zurückgeleitet wird, so daß ein instabiler Zustand geschaffen wird. Der
Spannungsfolger 41 gemäß Fig. 22 kann aber die Bildung einer Schwin
gungsschleife in dem Pfad (a) und dem Pfad (b) verhindern, so daß man
eine sehr stabile Treibervorrichtung für den piezoelektrischen Schwinger
erhält.
Fig. 23 zeigt ein Beispiel für einen Schaltungsaufbau, der die in Fig. 22
dargestellte Schaltung 8′′ zum Verringern einer kapazitiven Komponente
enthält, wobei diese Schaltung Anwendung findet bei der in Fig. 13
gezeigten Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung. Ähnlich,
wie es für die Fig. 13 und 14 erläutert wurde, wird die Phase des
Stroms, der von dem als Versorgungsteil dienenden Leistungsverstärker
geliefert wird, von der Stromphasen-Detektiereinrichtung erfaßt, und
deren Ausgangssignal (die Stromphase) Φ1 wird an einen Phasenver
gleicher gegeben. Die Spannung am Punkt C′, das heißt die Spannungs
phase Φ2, die an den piezoelektrischen Schwinger 2 geliefert wird, wird
ebenfalls an den Phasenvergleicher gelegt. Wenn der spannungsgesteuer
te Oszillator (VCO) in der Weise gesteuert wird, daß seine Schwin
gungsfrequenz fixiert ist, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden
genannten Ausgangssignalen Φ1 und Φ2 den Wert 0 hat, erfolgt der
Treiberbetrieb in der Weise, daß der Resonanzpunkt des piezoelektri
schen Schwingers 2 verfolgt werden kann.
In Fig. 1 ist der piezoelektrische Schwinger als ein Typ einer elektro
statischen Wandlereinrichtung dargestellt. Die gleichen vorteilhaften
Effekte lassen sich mit einer Treibervorrichtung für einen in Fig. 24A
dargestellten elektrostatischen Wandler 60 erreichen.
Bezugnehmend auf Fig. 24A, befindet sich in dem elektrostatischen
Wandler 60 eine Flachelektrode 61 auf einer feststehenden Seite gegen
über einer Flachelektrode 62 auf einer beweglichen Seite, wobei zwi
schen den Elektroden ein schmaler Lückenabstand d vorhanden ist.
Wenn eine deckungsgleiche Fläche zwischen den Elektroden 61 und 62
mit A bezeichnet wird, eine zwischen die Elektroden gelegte Vorspan
nung mit E bezeichnet wird, eine Eingangsspannung (Treiberspannung)
zwischen den Elektroden mit V bezeichnet wird, und eine Dielektrizi
tätskonstante der Luftschicht zwischen den Elektroden mit E bezeichnet
wird, ergibt sich eine elektrostatische Treiberkraft f zwischen den Elek
troden 61 und 62 aufgrund der Eingangsspannung V, welche durch
folgende Gleichung 48 ausgedrückt wird:
f = {(ε*A*E)/d²}*V (48).
Eine Ersatzschaltung für den elektrostatischen Wandler 60, wenn dieser
in der Nähe des Resonanzpunkts betrieben wird, ist in Fig. 24B bei 60a
dargestellt (man beachte den mit dem Bezugszeichen 60a versehenen
Abschnitt). Dies ist äquivalent dem Zustand, in welchem der piezoelek
trische Schwinger in der Nähe des Resonanzpunkts schwingt, wie dies in
Fig. 1 gezeigt ist. Bezugnehmend auf Fig. 24B bezeichnet Ca die kapa
zitive Komponente zwischen den Elektroden 61 und 62. R bedeutet
einen mechanischen Treiberwiderstand der beweglichen Elektrode 62, L
eine Federkonstante der beweglichen Elektrode 62, verursacht durch die
mechanische Lagerung, und C einen Viskosewiderstand aufgrund der
mechanischen elastischen Lagerung. Im Betriebsverlauf des elektrostati
schen Wandlers 60 wird der Treiberstrom auch von der kapazitiven
Komponente Ca verbraucht. Dieser Stromverbrauch trägt nichts zum
Betrieb der beweglichen Elektrode 62 bei.
Deshalb wird gemäß Fig. 24A und 24B dieselbe Schleifenschaltung 8,
wie sie in Fig. 1 gezeigt ist (oder die in Fig. 21 gezeigte Schaltung 8′
zum Verringern der kapazitiven Komponente, bevorzugter noch die in
Fig. 22 gezeigte Schaltung 8′′) hinzugefügt, so daß die elektrostatische
Kapazität von Cs dem 1/N-fachen der kapazitiven Komponente Ca ent
spricht und das Verstärkungsmaß des Verstärkers 3 auf den Faktor
(N + 1) eingestellt wird. Damit wird ähnlich wie in der Treibervorrich
tung für den piezoelektrischen Schwinger der in der kapazitiven Kom
ponente Ca verbrauchte Strom minimiert oder gar vollständig gelöscht,
so daß ein effizienter Betrieb erreicht werden kann. Auch in diesem Fall
läßt sich ein stabiler Betrieb ohne Schwingungsbildung erreichen, indem
man die Schaltung 8′′ zum Verringern einer kapazitiven Komponente
verwendet, welche den in Fig. 22 gezeigten Spannungsfolger 41 enthält.
Dieses Schaltungsschema sowie vorteilhafte, dadurch zu erreichende
Aspekte sind die gleichen wie in der Treibervorrichtung gemäß Fig. 13,
und die Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung gemäß Fig. 13
sowie die Treibervorrichtung mit Resonanzpunktverfolgung gemäß Fig.
23 läßt sich bei dem elektrostatischen Wandler 60 einsetzen. Als nächs
tes zeigt Fig. 25A eine Detektiervorrichtung zum Detektieren der
Schwingung unter Verwendung des elektrostatischen Wandlers 60. Diese
Detektiervorrichtung arbeitet beispielsweise in einem Oszillatortyp-Gy
roskop in der Weise, daß die bewegliche Elektrode 62 von dem piezo
elektrischen Schwinger in Schwingung gebracht wird und die durch die
Coriolis-Kraft bedingte Kraft auf diese bewegliche Elektrode 62 gegeben
wird. Wenn die durch die Coriolis-Kraft bedingte Bewegungsgeschwin
digkeit der beweglichen Elektrode 62 mit v bezeichnet wird, so läßt sich
der Detektierstrom i durch folgende Gleichung 49 ausdrücken:
i = {(ε*A*E)/d²}3fV (49).
Durch Abnehmen dieses Stroms i läßt sich die Ausgangsspannung Vout
erhalten. Auch in dieser Detektiervorrichtung verringert sich das Detek
tier-Ausgangssignal wie der Strom, der durch die kapazitive Komponente
Ca des elektrischen Wandlers 60 fließt, wie dies in der Ersatzschaltung
nach Fig. 25B dargestellt ist. Ähnlich wie in der Detektiervorrichtung
nach Fig. 15 wird allerdings die Schleifenschaltung 58 (die Schaltung
zum Verringern einer kapazitiven Komponente) hinzugefügt, in der der
Verstärker 57 einen Verstärkungsfaktor (N + 1) aufweist, während ein
Kapazitätswert der elektrostatischen Kapazität Cs2 auf das 1/N-fache der
kapazitiven Komponente Ca eingestellt ist. Ähnlich wie bei der in Fig.
15 dargestellten Ausführungsform wird der durch die kapazitive Kom
ponente Ca fließende Strom belastet durch den aus der Schleifenschal
tung 58 fließenden Strom, so daß der durch die mechanisch-elektrische
Umwandlung erhaltene Strom mit höherer Empfindlichkeit nachgewiesen
werden kann.
Außerdem kann in der selbsterregten Schaltung gemäß Fig. 9 und Fig.
11 die Schaltung mit Hilfe des elektrostatischen Wandlers 60 anstelle des
piezoelektrischen Schwingers aufgebaut werden. Wenn der elektrostati
sche Wandler 60 im Eigenschwingungsbetrieb in der Nähe des Reso
nanzpunkts arbeitet, kann die gleiche Selbsterregungsschaltung 20 ver
wendet werden, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist. Weil der elektrostati
sche Wandler 60 die kapazitive Komponente Ca verwendet, gibt es einen
Antiresonanzpunkt. Die Ersatzschaltung für den Fall, daß der elektro
statische Wandler 60 in der Nähe des Antiresonanzpunkts schwingt, ist
die gleiche, wie sie in Fig. 12A dargestellt ist. Indem man die in Fig.
11 gezeigte Eigenschwingungsschaltung 30 verwendet, kann der elektro
statische Wandler 60 in der Nähe des Antiresonanzpunkts mit Selbst
anregung schwingen.
Wie oben beschrieben, ist erfindungsgemäß die Schaltung zum Verrin
gern einer kapazitiven Komponenten gebildet durch die elektrostatische
Kapazität und den Verstärker, an eine Seite (Elektrode) der elektrostati
schen Wandlereinrichtung, zum Beispiel eines piezoelektrischen
Schwingers oder eines elektrostatischen Wandlers, angeschlossen. Damit
läßt sich dem piezoelektrischen Schwinger der Strom zuführen, der
äquivalent ist zu dem Strom, der in die Dämpfungskapazitätskomponente
oder dergleichen des piezoelektrischen Schwingers fließt, und die Däm
pfungskapazität für den Eingang oder den Ausgang des Schwingers oder
die Kapazitätskomponente des elektrostatischen Wandlers läßt sich in
äquivalenter Weise löschen oder zumindest minimieren.
Bei Anwendung auf die Treiberschaltung einer elektrostatischen Wand
lereinrichtung kann also die Dämpfungskapazität oder die Kapazitäts
komponente ohne Zuhilfenahme einer Induktivität (Spule) gelöscht
werden. Es gibt keine Abhängigkeit von der Frequenz, so daß sich die
Schaltung sehr leicht einstellen läßt und eine kompakte Bauweise ermög
licht. Selbst dann, wenn die Bedingung für das äquivalente Löschen
nicht genau erfüllt ist, läßt sich die Kapazitätskomponente wirksam in
äquivalenter Weise reduzieren. Die Schaffung einer Spannungshalteein
richtung, beispielsweise eines Spannungsfolgers, in der Schaltung zum
Verringern der kapazitiven Komponente, ermöglicht die Ausbildung
eines noch weiter stabilisierten Betriebs.
Bei Anwendung auf die Detektiervorrichtung, beispielsweise einen piezo
elektrischen Kreisel, erhöht sich die Ausgangsimpedanz. Damit erhöht
sich die Ausgangsspannung, wodurch die Nachweisempfindlichkeit ver
bessert wird. Ähnliche vorteilhafte Effekte lassen sich in Verbindung mit
einem piezoelektrischen Transformator erzielen. Damit tragen Er
höhungen der Ausgangsspannung zu einer Verbesserung der Leistungs
fähigkeit des Transformators bei.
Bei Filteranwendungen erhöht das Löschen oder Verringern der Däm
pfungskapazität des piezoelektrischen Schwingers die Vergleichs-Band
breite.
Erfindungsgemäß ist die Schaltung zum Verringern einer kapazitiven
Komponente an die elektrostatische Wandlereinrichtung angeschlossen,
und der Resonanzpunkt wird in der Weise erhalten, daß die Phase des in
den piezoelektrischen Schwinger und dergleichen fließenden Stroms
verglichen wird mit der Phase der den piezoelektrischen Schwinger oder
dergleichen treibenden Spannung. Wenn die Vorrichtung in dem so
erhaltenen Resonanzpunkt betrieben wird, läßt sich der Resonanzpunkt
permanent verfolgen, auch wenn er zum Beispiel in einer elektrostati
schen Wandlereinrichtung aufgrund von Temperatureinflüssen und der
gleichen Schwankungen unterliegt. Das Verfolgen des Resonanzpunkts
erfolgt in herkömmlicher Weise mit Hilfe eines Sensors oder Fühlers,
der an einem kleinen Abschnitt des piezoelektrischen Motors vorgesehen
ist. Im Gegensatz dazu läßt sich erfindungsgemäß dieses Resonanzpunkt
verfolgen ohne die Verwendung irgendeines Sensors erreichen. Das
erfindungsgemäße Grundschema eignet sich also nicht nur für sämtliche
Typen piezoelektrischer Motoren, sondern kann auch angewendet
werden bei einer Treiberschaltung mit Frequenzverfolgung, beispiels
weise einem piezoelektrischen Schwinger oder einem piezoelektrischen
Transformator unter Verwendung anderer piezoelektrischer Effekte.
Außerdem ist die Selbsterregungsschaltung mit Hilfe des Verstärkers und
der Frequenzauswahlschaltung aufgebaut, und die kapazitive Komponen
te und die Widerstandskomponente der elektrostatischen Wandlereinrich
tung, die in der Nähe des Resonanzpunkts oder des Antiresonanzpunkts
arbeitet, ist in dieser Frequenzauswahlschaltung enthalten. Damit kann
die elektrostatische Wandlereinrichtung in der Nähe des Resonanzpunkts
oder des Antiresonanzpunkts derart betrieben werden, daß ein effizienter
Betrieb stattfindet. Die Schaffung der zusätzlichen Kapazität und des
zusätzlichen Widerstands ermöglicht die Selbsterregung bei einer
Frequenz, die mit dem Resonanzpunkt oder Antiresonanzpunkt der
elektrostatischen Wandlereinrichtung übereinstimmt oder doch zumindest
nahezu übereinstimmt.
Ein Widerstand, mit dessen Hilfe der Verstärkungsfaktor auf einen
hohen Pegel eingestellt wird, ist in der Gegenkopplungsschleife des
Verstärkers enthalten, so daß die Eigenschwingung mit stabiler Amplitu
de möglich ist.
Claims (23)
1. Schaltung (8, 8′, 8′′) zum Verringern einer kapazitiven Komponen
te (Cd) in einer elektrostatischen Wandlereinrichtung (1, 2, 60),
dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (7, 27, 37, 57) die
Spannung an einer Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung
(1, 2, 60) verstärkt, und daß ein Pfad von einem Verstärkerausgang
zu der einen Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung über
eine elektrostatische Kapazität (Cs) führt, so daß die kapazitive
Komponente der elektrostatischen Wandlereinrichtung minimiert
wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die elektrostatische Wandler
einrichtung einen piezoelektrischen Schwinger (1, 2) enthält, wobei
die elektrostatische Kapazität unter Verwendung des gleichen Mate
rials realisiert wird, aus dem der piezoelektrische Schwinger gebil
det wird.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Verstärkungsgrad
des Verstärkers (7, 27, 37, 57) annähernd dem (N + 1)-fachen der
kapazitiven Komponente (Cd) der elektrostatischen Wandlereinrich
tung für den Fall entspricht, daß die elektrostatische Kapazität etwa
dem 1/N-fachen der kapazitiven Komponente der Wandlereinrich
tung entspricht.
4. Schaltung nach Anspruch 3, bei dem die elektrostatische Wandler
einrichtung einen piezoelektrischen Schwinger (2) enthält und die
elektrostatische Kapazität (Cs) unter Verwendung des gleichen
Materials gebildet wird, aus dem der piezoelektrische Schwinger
gefertigt ist.
5. Treiberschaltung (5, 8) für eine elektrostatische Wandlereinrichtung
(1, 2, 60), umfassend:
- - einen Pfad, über den der elektrostatischen Wandlereinrichtung eine Treiberleistung zugeführt wird; und
- - eine Schaltung (8) zum Verringern einer kapazitiven Kompo nente, wozu die Schaltung (8) einen Verstärker aufweist, der die Spannung auf einer Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung verstärkt, und ein Pfad (b) vorgesehen ist, der von einem Ausgang des Verstärkers (7, 27, 37, 57) über eine elektrostatische Kapazität (Cs) auf die Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung führt, so daß die kapazitive Komponente (Cd) der Wandlereinrichtung mini miert wird,
- - wobei der Verstärker in der Schaltung zum Verringern der kapazitiven Komponente an einer Stelle liegt, an der die der elektro statischen Wandlereinrichtung über den Pfad zugeführte Treiber leistung verstärkt wird.
6. Treibervorrichtung nach Anspruch 5, in der die elektrostatische
Wandlereinrichtung einen piezoelektrischen Schwinger (2) enthält
und die elektrostatische Kapazität (Cs) aus dem gleichen Material
gefertigt ist, aus dem der piezoelektrische Schwinger gebildet ist.
7. Treibervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Ver
stärkungsmaß des Verstärkers etwa dem (N + 1)-fachen der kapaziti
ven Komponente (Cd) der Wandlereinrichtung für den Fall ent
spricht, daß die elektrostatische Kapazität (Cs) etwa dem 1/N-fachen
der kapazitiven Komponente (Cd) der Wandlereinrichtung (2) ent
spricht.
8. Treibervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die elektrostatische
Wandlereinrichtung einen piezoelektrischen Schwinger (2) enthält
und die elektrostatische Kapazität aus dem gleichen Material gefer
tigt ist, aus dem auch der piezoelektrische Schwinger (2) besteht.
9. Treibervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiterhin
umfassend:
- - eine Stromphasen-Detektiereinrichtung zum Erfassen der Phase des durch die elektrostatische Wandlereinrichtung (2) fließenden Stroms;
- - einen Phasenvergleicher, der die von der Stromphasen-Detek tiereinrichtung erfaßte Stromphase (Φ1) mit einer Spannungsphase (Φ2) der der Wandlereinrichtung (2) zugeführten Treiberleistung vergleicht;
- - ein Filter, welches eine Hochfrequenzkomponente des Aus gangssignals des Phasenvergleichers beseitigt; und
- - einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der die Schwin gungsfrequenz anhand der Ausgangsspannung des Filters variabel einstellt, so daß die Treiberleistung auf der Grundlage der Schwin gungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bereitgestellt und die elektrostatische Wandlereinrichtung (2) bei einer Resonanz frequenz betrieben wird.
10. Treibervorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wandlereinrich
tung einen piezoelektrischen Schwinger (2) enthält und die Schwin
gungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators in der Weise
variabel gesteuert wird, daß die von dem Phasenvergleicher ermit
telte Phasendifferenz zwischen Stromphase und Spannungsphase
Null ist.
11. Treibervorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Pfad (a), über den
die Treiberleistung der elektrostatischen Wandlereinrichtung (2)
zugeführt wird, und ein Pfad (b), der einen Verstärker (7) und eine
elektrostatische Kapazität (Cs) enthält, parallel zueinander zwischen
einer Speiseseite für die Treiberleistung und die elektrostatische
Wandlereinrichtung (2) geschaltet sind, wobei eine Spannungshalte
einrichtung (41) in dem Pfad (a) vorgesehen ist, über den die Trei
berleistung der Wandlereinrichtung (2) zugeführt wird.
12. Treibervorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend:
- - eine Stromphasen-Detektiereinrichtung zum Erfassen der Phase des durch die elektrostatische Wandlereinrichtung (2) fließenden Stroms;
- - einen Phasenvergleicher, der die von der Stromphasen-Detek tiereinrichtung erfaßte Stromphase (Φ1) mit einer Spannungsphase (Φ2) der der Wandlereinrichtung (2) zugeführten Treiberleistung vergleicht;
- - ein Filter, welches eine Hochfrequenzkomponente des Aus gangssignals des Phasenvergleichers beseitigt; und
- - einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), der die Schwin gungsfrequenz anhand der Ausgangsspannung des Filters variabel einstellt, so daß die Treiberleistung auf der Grundlage der Schwin gungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bereitgestellt und die elektrostatische Wandlereinrichtung (2) bei einer Resonanz frequenz betrieben wird.
13. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, bei der die elektrostatische
Wandlereinrichtung einen piezoelektrischen Schwinger (2) enthält
und die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators
variabel in der Weise gesteuert wird, daß die von dem Phasenver
gleicher ermittelte Phasendifferenz zwischen Stromphase (Φ1) und
Spannungsphase (Φ2) 0 beträgt.
14. Detektiervorrichtung für eine elektrostatische Wandlereinrichtung,
umfassend:
- - einen Verstärker (57), der die Spannung an einer Seite der elektrostatischen Wandlereinrichtung (60, 50) verstärkt;
- - einen Pfad, der vom Ausgang des Verstärkers (57) über eine elektrostatische Kapazität (Cs2) zu der einen Seite der elektrostati schen Wandlereinrichtung (60, 50) führt; und
- - eine Schaltung (58) zum Verringern einer kapazitiven Kom ponente, welche eine kapazitive Komponente der Wandlereinrich tung (60, 50) minimiert.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die elektrostatische Wand
lereinrichtung einen piezoelektrischen Schwinger enthält und die
elektrostatische Kapazität unter Verwendung des gleichen Materials
realisiert wird, aus dem auch der piezoelektrische Schwinger gebil
det ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Verstärkungsgrad des
Verstärkers etwa dem (N + 1)-fachen der kapazitiven Komponente
der elektrostatischen Wandlereinrichtung für den Fall entspricht, daß
die elektrostatische Kapazität etwa dem 1/N-fachen der kapazitiven
Komponente der Wandlereinrichtung entspricht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die elektrostatische Wand
lereinrichtung einen piezoelektrischen Schwinger enthält und die
elektrostatische Kapazität realisiert wird durch das gleiche Material,
aus dem auch der piezoelektrische Schwinger gebildet ist.
18. Treibervorrichtung für eine elektrostatische Wandlereinrichtung (1,
2, 50, 60), umfassend:
- - eine Frequenzauswahlschaltung (32) mit einer kapazitiven Kom ponente und einer Widerstandskomponente (C′, R′) der elektro statischen Wandlereinrichtung; und
- - einen Verstärker (37), der die Frequenzauswahlschaltung (32) in einer Mitkopplungsschleife enthält,
- - wobei eine Selbsterregung bei einer Frequenz erfolgt, die sich durch die Frequenzauswahlschaltung (32) bestimmt.
19. Treibervorrichtung nach Anspruch 18, bei der eine Gegenkopp
lungsschleife (33) des Verstärkers mit einer Amplitudenstabilisier
schaltung vorgesehen ist, wobei die Amplitudenstabilisierschaltung
einen Widerstand enthält, der den Verstärkungsfaktor des Ver
stärkers festlegt.
20. Treiberschaltung nach Anspruch 18 oder 19, bei der die Frequenz
auswahlschaltung aus einem ersten Widerstand (R′)und einer ersten
Kapazität (C′) in Reihe innerhalb der Mitkopplungsschleife des
Verstärkers (23), und einem zweiten Widerstand (R2) und einem
zweiten Kondensator (Cs) in Parallelschaltung zueinander und ange
schlossen an einen nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers
(37) besteht, wobei entweder der erste Widerstand und der erste
Kondensator oder der zweite Widerstand und der zweite Kondensa
tor einer kapazitiven Komponente und einer Widerstandskomponente
der elektrostatischen Wandlereinrichtung entsprechen.
21. Treiberschaltung nach Anspruch 20, bei der in einer Gegenkopp
lungsschleife (33) des Verstärkers (37) eine Spannungsstabilisier
schaltung mit einem Widerstand vorgesehen ist, wobei der Wider
stand (R3) den Verstärkungsfaktor des Verstärkers (37) festlegt.
22. Treibervorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, bei der ein zusätz
licher Kondensator und ein zusätzlicher Widerstand an die elektro
statische Wandlereinrichtung angeschlossen sind.
23. Treibervorrichtung nach Anspruch 22, bei der in einer Gegenkopp
lungsschleife (33) des Verstärkers eine Amplitudenstabilisierschal
tung mit einem den Verstärkungsfaktor des Verstärkers festlegenden
Widerstand vorgesehen ist.
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