DE19600689A1

DE19600689A1 - Schaltung zum Verringern einer kapazitiven Komponente in einer elektrostatischen Wandlereinrichtung

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Publication number: DE19600689A1
Application number: DE19600689A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Tomikawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1996-01-10
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2016-01-11
Also published as: KR960029673A; KR100223687B1; US5675296A; DE19600689C2; JPH08307199A

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_*ε^j ^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_*ε^j ^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

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:

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.