DE4036618A1 - Vorrichtung zum ansteuern eines piezoelektrischen vibrators - Google Patents

Vorrichtung zum ansteuern eines piezoelektrischen vibrators

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators.
Üblicherweise wird ein piezoelektrischer Vibrator durch eine Vorrichtung angesteuert, die eine Wechselstromquelle mit variabler Frequenz aufweist. Dieser Aufbau basiert auf der Tatsache, daß beim Anlegen eines Wechselstromsignals mit geeigneter Frequenz eine Resonanz des piezoelektrischen Vibrators eine effektive Vibration bewirkt. Ein solcher Aufbau ist z. B. in der JP-PS 50-26 391 gezeigt. Bei der in dieser Druckschrift gezeigten Vorrichtung wird die Ausgangsfrequenz einer Wechselstromquelle derart eingestellt, daß Strom und Spannung der einem piezoelektrischen Vibrator zugeführten elektrischen Leistung in Phase sind. Ein ähnlicher Aufbau ist in der JP-OS 59-87 078 gezeigt. Der piezoelektrische Vibrator gemäß der JP-OS 62-23 8 149 wird verwendet, um einen plattenförmigen Spiegel in Vibration zu versetzen und dabei auf dem Spiegel befindliche Wassertropfen zu entfernen.
Der vorstehend erwähnte piezoelektrische Vibrator wird jedoch wiederholt derart gedehnt und gestaucht, daß er sich mit beträchtlichem Radius in entgegengesetzten Richtungen krümmt, wobei in kurzer Zeit winzige Risse im Vibrator entstehen. Dies führt zur Verschlechterung des piezoelektrischen Vibrators. Wenn der piezoelektrische Vibrator an dem Spiegel befestigt ist, wird eine sehr starke Belastung auf den Spiegel ausgeübt, wodurch Risse hervorgerufen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators gelöst, die eine Wechselstromquelle zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators mit elektrischer Energie für die Vibration, eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines dem piezoelektrischen Vibrator zugeführten Stroms und eine Ansteuerschaltung aufweist, die zwischen der Wechselstromquelle und dem piezoelektrischen Vibrator angeordnet ist, um die dem piezoelektrischen Vibrator zugeführte elektrische Leistung zu verringern, wenn der durchfließende Strom ansteigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators,
Fig. 2a eine graphische Darstellung von Wellenformen von Strömen, die durch erste und zweite Wicklungen eines Transformators fließen, wobei die Stromregulierung außer Betrieb gesetzt ist,
Fig. 2b eine graphische Darstellung von Wellenformen von Strömen, die den in Fig. 2a gezeigten Strömen entsprechen, wobei jedoch die Stromregulierung wirksam ist,
Fig. 3a eine graphische Darstellung von Wellenformen von Spannungen an Gate-Anschlüssen von Transistoren, von denen Dioden entfernt wurden,
Fig. 3b eine graphische Darstellung von Wellenformen von Spannungen an Gate-Anschlüssen von Transistoren, an die Dioden angeschlossen sind, und
Fig. 4a, 4b und 4c Darstellungen von Zuständen eines Spiegels, an dem ein piezoelektrischer Vibrator befestigt ist.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Ansteuervorrichtung AC gezeigt: eine Stromquelle in Form einer Batterie 11 ist über einen Schalter 12 mit einem Spannungsregler 13 verbunden, der eine Oszillatorschaltung 14, eine Pufferschaltung 15 und eine invertierende Pufferschaltung 16 mit elektrischem Strom versorgt.
Durch Schließen des Schalters 12 wird die als Wechselstromquelle in Form eines Wobbelgenerators dienende Oszillatorschaltung 14 derart in Betrieb gesetzt, daß der Bereich der Oszillationsfrequenz die Resonanzfrequenz des Vibrationssystems mit einem piezoelektrischen Vibrator 22 enthält. Da Wobbelgeneratoren bekannt sind, wird auf eine Beschreibung verzichtet.
Die Pufferschaltung 15 ist mit der Oszillatorschaltung 14 verbunden, um das von dieser ausgegebene Signal zu verstärken. Das resultierende Signal wird über einen Widerstand 17 an den Gate-Anschluß eines Transistors 18 in Form eines n-Kanal-Feldeffekttransistors angelegt.
Die invertierende Pufferschaltung 16 ist ebenfalls mit der Oszillatorschaltung 14 verbunden, um ein von dieser ausgegebenes Signal zu verstärken. Das resultierende Signal wird über einen Widerstand 19 an den Gate-Anschluß eines Transistors 20 angelegt, der vom Typ her ähnlich dem Transistor 18 ist. Wenn die bezüglich der Polarität entgegengesetzten Signale an die Transistoren 18 und 20 angelegt werden, wird der Transistor 20 im AUS-Zustand (EIN- Zustand) gehalten, während sich der Transistor 18 im EIN- Zustand (AUS-Zustand) befindet.
Zwischen dem Schalter 12, von dem eine Spannung VB erhalten wird, und dem Drain-Anschluß des Transistors 18 (20) ist eine Primärwicklung 21b (21a) eines Transformators 21 angeordnet. Infolge der einander ausschließenden EIN-Zustände der Transistoren 18 und 20 werden die Wicklungen 21a und 21b alternierend erregt, wodurch eine elektrische Spannung von ca. 600 V an einer Sekundärwicklung 21c des Transformators 21 erzeugt wird. Die Transistoren 18 und 20 bilden eine Treiberschaltung.
Die an der Sekundärwicklung 21c des Transformators 21 generierte Spannung wird an den piezoelektrischen Vibrator 22 angelegt, wobei ein Strom i2 fließt, der in Beziehung zum Ausmaß der Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators 22 steht. Ein Strom i1 durch die Wicklungen 21a und 21b steht in Beziehung zum Strom i2. Somit erhöht sich sowohl der Strom i1 als auch der Strom i2, wenn das Ausmaß der Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators 22 infolge dessen Resonanz zunimmt.
Source-Anschlüsse der Transistoren 18 und 20 sind über einen gemeinsamen Widerstand 23, der eine Erfassungsschaltung darstellt, geerdet. Da der gesamte Strom i1 durch den Widerstand 23 fließt, ergibt sich an diesem ein Spannungsabfall, der in Beziehung zum Strom i1 steht.
Die am Widerstand 23 abfallende Spannung verringert eine Potentialdifferenz zwischen dem Source-Anschluß und dem Gate- Anschluß jedes der Transistoren 18 und 20. Somit wird durch jeden der Transistoren 18 und 20 der Strom i1 nach und nach in dem Maß verringert, in dem der Strom i1 ansteigt. Dadurch werden abrupte Anderungen der Ströme i1 und i2 vermieden, wodurch die Erzeugung von lästigen Geräuschen am piezoelektrischen Vibrator 22 verhindert wird.
In Fig. 2a sind Wellenformen der Ströme i1 und i2 gezeigt, wenn der Widerstand 23 kurzgeschlossen ist. In diesem Zustand wird, da beide Transistoren 18 und 20 inaktiv sind, der Spitzenwert des Stroms i1 zu ungefähr 8 Ampere, wodurch der Spitzenwert des Stroms i2 durch die Sekundärwicklung 21c zu ungefähr 4 Ampere wird.
Abgesehen davon wird infolge der Überlagerung des Stroms i1 durch hochfrequente harmonische Schwingungen ein weiterer Spitzenwert von ungefähr minus 2 Ampere erzeugt, der dem Spitzenwert von ungefähr 8 Ampere folgt. Infolgedessen wird im Verlauf des Stroms i2 unmittelbar nach der Erzeugung des Spitzenwerts von 4 Ampere ein weiterer Spitzenwert von minus 1 Ampere erzeugt.
Fig. 2b zeigt Wellenformen der Ströme i1 und i2 für einen Zustand, bei dem der Kurzschluß des Widerstands 23 beseitigt ist. Durch das Betreiben der Transistoren 18 und 20 zum Regulieren des Stroms i1 durch die Wicklungen 21a und 21b wird der Spitzenwert des Stroms i1 auf ungefähr 4 Ampere begrenzt. Somit wird der durch die Sekundärwicklung 21c fließende Strom i2 auf ungefähr 2 Ampere eingestellt. Diese Verringerung des Spitzenwerts des Stroms i2 bewirkt eine Abnahme der auf den piezoelektrischen Vibrator 22 wirkenden maximalen Belastung, wodurch dessen Haltbarkeit verbessert wird.
Eine Begrenzung des Spitzenwerts des Stroms i1 führt auch zu einer Abnahme der Überlagerung des Stroms i1 durch hochfrequente harmonische Schwingungen. Somit wird ein weiterer Spitzenwert, der nach der Erzeugung des 4-Ampere- Spitzenwertes erzeugt wird, auf ungefähr 1 Ampere verringert. Ähnlich wird beim Strom i2 ein weiterer Spitzenwert nach dem 2-Ampere-Spitzenwert auf ungefähr 1 Ampere abgesenkt. Somit kann die Frequenz der Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators 22 verringert werden, wodurch dessen Haltbarkeit verbessert wird.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann in der Vorrichtung AC das Auftreten einer sehr großen Belastung des piezoelektrischen Vibrators 22 verhindert werden, indem der Spitzenwert des durch diesen fließenden Stroms i2 begrenzt wird. Somit wird das Auftreten von kleinen Rissen sehr selten, wodurch eine Verschlechterung des piezoelektrischen Vibrators weitgehend verhindert wird.
In der Vorrichtung AC ist parallel zum Widerstand 17 (19) eine Diode 26 (27) angeordnet. Die Diode 26 (27) soll schnell die in der zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß des Transistors 18 (20) vorhandenen Kapazität gespeicherten Ladungen abführen und dadurch schnell das Differenzpotential verringern.
Fig. 3a zeigt Wellenformen der Spannung am Gate-Anschluß des Transistors 18 in einem Zustand, in dem die Dioden 26 und 27 entfernt sind. Wenn eine Ausgangsspannung Va der Pufferschaltung 15 fällt, werden in der Kapazität zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß gespeicherte Ladungen allmählich abgeführt, indem sie über den Widerstand 17 abfließen, wodurch allmählich eine Spannung Vb des Gate- Anschlusses abgesenkt wird. Während des Absinkens der Spannung Vb erzeugt der Transistor 18 infolge des Verbrauchs von elektrischer Energie Wärme.
Fig. 3b ist eine graphische Darstellung der Wellenform der Spannung am Gate-Anschluß des Transistors 18 in einem Zustand, in dem die Diode 26 angeschlossen ist. Wenn die Ausgangsspannung Va der Pufferschaltung 15 fällt, bringt die Diode 26 den Widerstand 17 in einen kurzgeschlossenen Zustand, wodurch die zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß des Transistors 18 gespeicherten Ladungen zur Pufferschaltung 15 abgeführt werden. Daraus resultiert ein schneller Abfall der Spannung Vb am Gate-Anschluß des Transistors 18.
Beim Abfall der Ausgangsspannung der invertierenden Pufferschaltung 16 verursacht der durch die Diode 27 erzeugte Kurzschluß des Widerstands 19 ein schnelles Abführen der zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß des Transistors 20 vorhandenen Ladungen zur Pufferschaltung 16. Somit ergibt sich ein schneller Abfall der Spannung am Gate- Anschluß des Transistors 20.
Wie vorstehend erwähnt wurde, werden die Transistoren 18 und 20 infolge des Einsatzes der Dioden 26 und 27 schnell in AUS- Zustände gebracht, wodurch die dort stattfindende Wärmeerzeugung verringert wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4a, 4b und 4c eine Anwendung bzw. ein praktischer Einsatz der Vorrichtung beschrieben. Der piezoelektrische Vibrator 22 kann auf die Rückseite eines plattenförmigen Teils 50 wie beispielsweise eines an einen Fahrzeugkörper (nicht gezeigt) zu montierenden Spiegels geklebt sein. Wenn der piezoelektrische Vibrator 22 durch die Vorrichtung AC angesteuert wird, wird, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt ist, der Spiegel 50 infolge des alternierenden Angreifens von Dehnungs- und Stauchungskräften wiederholt in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt. Als Ergebnis einer Resonanz des Spiegels 50, die dann auftritt, wenn von der Vorrichtung AC eine geeignete Frequenz auf den Spiegel übertragen wird, wird gleichmäßig auf dem ganzen Spiegel 50 eine stehende Welle mit hoher Amplitude erzeugt (Fig. 4c).
Infolge der vorstehend erwähnten stehenden Welle wird eine äußere Oberfläche 50a des Spiegels 50 in eine Bewegung mit hoher Geschwindigkeit versetzt. Dadurch werden Wassertropfen auf der Oberfläche 50a des Spiegels 50 entfernt, indem sie abgeschüttelt oder versprüht werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung AC kann sich die stehende Welle infolge der einen Frequenzbereich abdeckenden Wobbel-Oszillation der Oszillatorschaltung 14 längs der Oberfläche 50a bewegen, wodurch eine gleichmäßige Entfernung von Wassertropfen ermöglicht wird.
Bei der Vorrichtung AC kann durch die Transistoren 18 und 20 ein übermäßig hoher Stromfluß durch den piezoelektrischen Vibrator 22 verhindert werden. Dies ermöglicht trotz Resonanz des Spiegels 50 und des piezoelektrischen Vibrators 22 die Verhinderung einer übermäßigen Durchbiegung des piezoelektrischen Vibrators 22 in entgegengesetzte Richtungen. Somit wirkt keine übermäßige Belastung auf den Verbindungsabschnitt, an dem der Spiegel 50 und der piezoelektrische Vibrator 22 aneinandergeklebt sind, wodurch eine schwierige Trennbarkeit des Spiegels 50 und des piezoelektrischen Vibrators 22 erreicht wird. Außerdem bekommt der Spiegel ohne Anwendung von übermäßiger Belastung nur selten Sprünge.
Die Vorrichtung AC zum Ansteuern des piezoelektrischen Vibrators ist derart aufgebaut, daß die dem piezoelektrischen Vibrator 22 zugeführte elektrische Energie verringert wird, wenn sich der durch diesen fließende Strom während der Resonanz des piezoelektrischen Vibrators 22 erhöht. Durch diesen Aufbau kann die Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators 22 begrenzt werden, wobei dessen Resonanz aufrechterhalten wird. Diese Begrenzung bewirkt eine Verringerung der auf den Spiegels 50 durch den piezoelektrischen Vibrator 22 ausgeübten Belastung.
Es wurde also eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Vibrators geschaffen, die eine Wechselstromquelle zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators mit elektrischer Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators, eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines dem piezoelektrischen Vibrator zugeführten Stroms, und eine zwischen der Wechselstromquelle und dem piezoelektrischen Vibrator angeordneten Treiberschaltung zur Verringerung der dem piezoelektrischen Vibrator zugeführten elektrischen Energie bei Anstieg des durch den piezoelektrischen Vibrator fließenden Stroms aufweist. Dieser Aufbau bewirkt eine Verringerung der dem piezoelektrischen Vibrator zuzuführenden elektrischen Energie, wenn der durch den piezoelektrischen Vibrator fließende Strom während der Resonanz des piezoelektrischen Vibrators ansteigt, wodurch eine Begrenzung oder Regulierung der Dehnung und Stauchung des piezoelektrischen Vibrators bei Aufrechterhaltung der Resonanz desselben möglich ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Vibrators, gekennzeichnet durch
eine Wechselstromquelle (14) zum Versorgen des piezoelektrischen Vibrators (22) mit elektrischer Energie für eine Vibration des piezoelektrischen Vibrators (22),
eine Erfassungsvorrichtung (23) zum Erfassen eines dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten Stroms (i2), und
eine zwischen der Wechselstromquelle (14) und dem piezoelektrischen Vibrator (22) angeordneten Treiberschaltung (18, 20) zur Verringerung der dem piezoelektrischen Vibrator (22) zugeführten elektrischen Energie, wenn der durch den piezoelektrischen Vibrator (22) fließende Strom (i2) ansteigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (18, 20) ein Paar von Transistoren (18, 20) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (23) ein Widerstand ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Vibrator (22) auf ein plattenförmiges Teil (50) geklebt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Teil (50) ein Spiegel ist.
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