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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische/elektrostriktive
Elementansteuerschaltungsanordnung. Solche Elemente können als
Aktuatoren, Wandler, verschiedenste Schwinger, in einer Mikromaschine
und dergleichen verwendet werden.
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STAND DER
TECHNIK
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Bei
einem Aktuator, Wandler oder einer Mikromaschine, beispielsweise,
die ein solches piezoelektrisches oder elektrostriktives Ansteuerungselement
(piezoelektrisches/elektrostriktives Element) verwenden, wird das
piezoelektrische/elektrostriktive Element geladen und entladen,
um verformt zu werden, und eine Verschiebung und Bewegung werden erhalten,
indem diese Verformung genutzt wird. Bei einer Ansteuerschaltung,
durch die das piezoelektrische/elektrostriktive Element geladen
und entladen wird, werden der Leistungsverbrauch und der Heizwert
groß,
wenn die elektrischen Entladungsladungen durch einen Widerstand
oder dergleichen als Joulsche Wärme
abgegeben werden. Aus diesem Grund wird weitestgehend verhindert,
dass die elektrischen Entladungsladungen als Wärme abgegeben werden; sie werden
rückgewonnen,
um als nächste Ladungsleistung
verwendet zu werden, sodass der Leistungsverbrauch sinkt.
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Beispielsweise
werden in der japanischen Patentschrift Nr. 2909150 eine Vielzahl
an piezoelektrischen Elementen in unterschiedlichen Takten betätigt, sodass
die elektrischen Entladungsladungen direkt für die Ladung anderer piezoelektrischer
Elementen verwendet werden können.
Folglich sinkt die Energie, die durch die elektrischen Ladungen
zwischen den piezoelektrischen Elementen als Wärme verbraucht wird. Zudem
offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 10-107335
(1998) eine Schaltung, in der ein Kondensator, der ausschließlich der
Verwendung zur Rückgewinnung
der elektrischen Entladungsladungen dient, bereitgestellt, und einige
elektrischen Entladungsladungen der piezoelektrischen Elemente werden
einmal in diesem Kondensator gespeichert, um für die nächste Ladung verwendet zu werden.
Außerdem
ist diese Schaltung so konfiguriert, dass ein Spule in einer Lade- /Entladeschaltung
bereitgestellt ist, und eine rückgewonnene
elektrische Ladungsmenge und eine wiederverwendete elektrische Ladungsmenge
werden durch LC-Resonanz
vergrößert.
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Ist
jedoch eine Vielzahl an piezoelektrischen Elementen bereitgestellt
und werden die elektrischen Ladungen zwischen den piezoelektrischen
Elementen ausgetauscht, so beträgt
die Leistungsrückgewinnungseffizienz
höchsten
50%. Ist ein Kondensator, der ausschließlich der Verwendung zur Rückgewinnung
der elektrischen Entladungsladungen dient, bereitgestellt, so kann
die Leistungsrückgewinnungseffizienz
auf maximal 90% gesteigert werden, doch da diese Schaltung einen
externen Kondensator benötigt,
ist er für
Produktverkleinerungszwecke nicht geeignet. Es ist vorstellbar,
diese beiden Strukturen zu kombinieren, sodass eine Struktur erhalten
wird, in der eine Spule an der Schaltung bereitgestellt ist, wo
die elektrischen Ladungen zwischen den piezoelektrischen Elementen
ausgetauscht werden. Mit einfach nur dieser Struktur ist aber die
Lade-/Entlade-Taktgebung eingeschränkt, und es ist schwierig, die
Wellenform der Ladung/Entladung zu optimieren.
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Die
EP-A-54073 zeigt in 5 eine Lade-/Entlade-Schaltung
für zwei
piezoelektrische Elemente. Während
der Entladung des einen Elements wird, durch die Verbindung über eine
Induktivität, dessen
Ladung verwendet, um das andere Element zu laden.
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Die
DE-A-19714616 veranschaulicht in 9 eine
Schaltung, in der Transistorschalter zur Steuerung der Ladung und
Entladung eines piezoelektrischen Elements verwendet wird. Es wird
erwähnt,
dass die Transistoren als steuerbare Ohmsche Widerstände für den Lade-
und den Entladestrom wirken, um die exakte Steuerung des Lade- und
des Entladevorgangs zu ermöglichen.
Es wird ebenfalls angemerkt, dass der Lade- und der Entladestrom,
der durch diese Transistoren fließt, wesentliche Leistungsverluste
aufweist, was zu einer starken Erhitzung der Transistoren führt und
somit einen Nachteil darstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde vom obigen Standpunkt aus entwickelt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische/elektrostriktive
Elementansteuerschaltung bereitzustellen, deren Leistungsrückgewinnungseffizienz
hoch ist, deren Leistungsverbrauch gering ist, deren Grad der Freiheit
bei der Lade-/Entlade-Taktgebung
hoch ist und die keine externen Elemente, wie etwa einen Kondensator
zur Rückgewinnung
von Leistung benötigt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine piezoelektrische/elektrostriktive
Elementansteuerschaltung wie in Anspruch 1 dargelegt bereit.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltbild einer piezoelektrischen/elektrostriktiven Ansteuerschaltung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
die Betriebsmerkmale der Ansteuerschaltung aus 1,
wobei die 2(a) und 2(b) Diagramme
der Kennlinien der angelegten Spannung des piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements
sind und 2(c) einen Arbeitsplan der
jeweiligen Schalter ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert beschrieben. 1 zeigt
eine piezoelektrische/elektrostriktive Elementansteuerschaltung
der vorliegenden Erfindung. 1 ist ein piezoelektrisches/elektrostriktives
Element, 2 ist ein zweites piezoelektrisches/elektrostriktives
Element, M1 bis M6 sind Schalter, die aus FETs vom Typ MOS bestehen,
und Vp ist eine Versorgungsspannung.
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Der
Schalter M1 ist ein Steuerschalter einer ersten Ladeschaltung 3 zum
ersten Laden des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 1,
während
der Schalter M4 ein Steuerschalter einer zweiten Ladeschaltung 4 zum
Fertigladen des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 1 ist.
Der Schalter M2 ist ein Steuerschalter einer dritten Ladeschaltung 5 zum
ersten Laden des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 2,
während
der Schalter M5 ein Steuerschalter einer vierten Ladeschaltung 6 zum
Fertigladen des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 2 ist.
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Zudem
dient die erste Ladeschaltung 3 auch als Entladeschaltung
zum ersten Entladen des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 2, während
die dritte Ladeschaltung 5 auch als Entladeschaltung zum
ersten Entladen des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 1 dient.
Es ist nämlich
so, dass einige oder die meisten der elektrischen Ladungen, die
in das zweite piezoelektrische/elektrostriktive Element 2 geladen
werden, zu den Entladungsladungen des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 1 werden. Einige oder die meisten der elektrischen
Ladungen, die in das erste piezoelektrische/elektrostriktive Element 1 geladen
werden, werden zu den Ladungsladungen des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 2.
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Außerdem ist
Schalter M3 ein Steuerschalter einer ersten Entladeschaltung 8 zum
vollständigen Entladen
des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 1,
und der Schalter M6 ist ein Steuerschalter einer zweiten Entladeschaltung 9 zum
vollständigen
Entladen des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 2.
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Die
Widerstände
R1 bis R6 mit den Kapazitäten
C1 oder C2 des ersten oder des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 1 oder 2 bestimmen die Ladungs-/Entladungskurve
gegenüber der
Zeit. Die Ladungskurve des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 1 wird durch eine Charakteristik, die auf der
Kapazität
C1, dem Widerstand R1 und einer Spule L1 basiert, sowie durch eine
Charakteristik, die auf der Kapazität C1 und dem Widerstand R4
basiert, bestimmt, und die Entladungskurve wird durch eine Charakteristik,
die auf der Kapazität
C1, dem Widerstand R2 und einer Spule L2 basiert, sowie durch eine
Charakteristik, die auf der Kapazität C1 und dem Widerstand R3
basiert, bestimmt. Weiters wird die Ladungskurve des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 2 durch eine Charakteristik, die auf der Kapazität C2, dem Widerstand
R2 und der Spule L2 basiert, sowie durch eine Charakteristik, die
auf der Kapazität
C2 und dem Widerstand R5 basiert, bestimmt, und die Entladungskurve
wird durch eine Charakteristik, die auf der Kapazität C2, dem
Widerstand R1 und der Spule L1 basiert, sowie durch eine Charakteristik,
die auf der Kapazität
C2 und dem Widerstand R6 basiert, bestimmt. Die Ladezeit und Entladezeit
des jeweiligen piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements wird durch
diese Charakteristiken bestimmt.
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Die
Spule L1 ist für
die erste Ladeschaltung 3 mit dem Widerstand R1 in Serie
geschaltet bereitgestellt, und die Spule L2 für die dritte Ladeschaltung 5 mit
dem Wiederstand R2 in Serie geschaltet bereitgestellt. Die Spulen
und die Kapazitäten
C1 oder C2 der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente bilden
einen LC-Resonanzkreis.
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Die
Schalter M1, M4 und M5 sind durch PMOS gebildet, und die Schalter
M2, M3, und M6 sind durch NMOS gebildet. Sie werden durch einen Mikrocomputer
(nicht dargestellt) ein- und ausgeschaltet. Darüber hinaus sind Dioden D1 bis
D4 zur Verbindung eines Sperrstromes vorgesehen.
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2 zeigt
die Betriebsmerkmale der Ansteuerschaltung aus 1,
wobei die 2(a) und (b) Diagramme der
Wellenform der angelegten Spannung des ersten und des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 1 und 2 zeigen, während 2(c) den
Ein- und Ausschaltbetrieb der jeweiligen Schalter zeigt. Die Erklärung bezieht
sich auf einen Fall, bei dem Punkt A der Ausgangspunkt ist. t1 ist
die erste Ladezeit, während
der der Schalter M1 eingeschaltet wird, um die erste Ladeschaltung 3 in
Betrieb zu nehmen, und die geladenen elektrischen Ladungen des zweiten
piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 2 entladen
werden, um das erste piezoelektrische/elektrostriktive Element 1 zu laden.
Da die Schaltung über
die Spule L1 verfügt, kann
aufgrund des LC-Resonanzeffekts die zu dieser Zeit bewegte elektri sche
Ladungsmenge nicht weniger als 50% der schlussendlichen geladenen
elektrischen Ladungsmenge des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements 2 betragen.
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t2
ist die Ladezeit, während
der der Schalter M1 ausgeschaltet wird und die Schalter M4 und M6 eingeschaltet
werden, um das erste piezoelektrische/elektrostriktive Element 1 auf
eine Spannung fertig zu laden, die annähernd der Versorgungsspannung
Vp entspricht, und um das zweite piezoelektrische/elektrostriktive
Element 2 vollständig
zu entladen. Hier können
die Zeitkonstante C1 × R4
und die Zeitkonstante C2 × R6
zu unterschiedlichen Werten führen,
und t2 kann unabhängig
bestimmt werden und kann zwischen erstem und dem zweitem piezoelektrischen/elektrostriktiven
Element unterschiedlich sein. Da t2 unabhängig bestimmt werden kann,
können
die Ladungs-/Entladungskurven des ersten und des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements festgelegt werden, ohne sich gegenseitig einzuschränken.
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t3
ist eine Haltezeit für
das Halten eines Zustands, t4 ist die dritte Ladezeit, während der
der Schalter M2 eingeschaltet wird, um die dritte Ladeschaltung 5 in
Betrieb zu nehmen, und die geladenen elektrischen Ladungen des ersten
piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements 1 entladen
werden, um das zweite piezoelektrische/elektrostriktive Element 2 zu
laden. Da diese Schaltung über
die Spule L2 verfügt,
kann aufgrund des LC-Resonanzeffekts die bewegte elektrische Ladungsmenge
nicht weniger als 50% der schlussendlich geladenen elektrischen
Ladungsmenge des ersten piezoelektrischen/elektrostriktiven Elements
betragen.
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t5
ist die vierte Ladezeit, während
der der Schalter M5 eingeschaltet wird, um das zweite piezoelektrische/elektrostriktive
Element 2 fertig zu laden, und der Schalter M3 eingeschaltet
wird, um das erste piezoelektrische/elektrostriktive Element 1 vollständig zu
entladen. Hier können
die Zeitkonstante C2 × R5
und die Zeitkonstante C1 × R3
zu unterschiedlichen Werten führen,
und t5 kann unabhängig
bestimmt werden und kann zwischen dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Element unterschiedlich sein. Da die Ladezeit t5 unabhängig bestimmt
werden kann, können
die Ladungs-/Entladungskurven des ersten und des zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elements festgelegt werden, ohne sich gegenseitig einzuschränken.
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t6
ist eine Haltezeit für
das Halten eines Zustands, und nach der Haltezeit t6 hat die Zeit
einen Endpunkt B erreicht, sodass eine Periode abgeschlossen ist.
Danach werden die Schaltvorgänge wiederholt,
und eine Periode T wiederholt sich in der Wellenform der angelegten
Spannung.
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Auf
diese Weise sind piezoelektrische/elektrostriktive Elemente bereitgestellt,
die alternierend arbeiten, um in zwei Stufen eine Ladeschaltung
und eine Entladeschaltung der piezoelektrischen/elektrostriktiven
Elemente zu bilden. Aus diesem Grund liegt bei den Ansteuerwellenformen
der Anstiegszeit, der Abfallzeit und dergleichen der angelegten
Spannung der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente auch bei
gegenseitiger Bewegung der Ladungen und gesenktem Leistungsverbrauch
ein gewisser Grad an Freiheit vor. Folglich kann eine optimale Wellenform
der angelegten Spannung erreicht werden.
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Zudem
sind Spulen bereitgestellt, sodass die Leistungsrückgewinnungseffizienz
verbessert werden kann, und es wird kein externer Kondensator benötigt. Somit
kann die Schaltung klein ausgeführt werden,
um als Ansteuerschaltung einer Mikromaschine oder dergleichen verwendet
zu werden.
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Außerdem kann
die Zeitkonstante zur Zeit der Ladung und Entladung, bei der es
sich nicht um die Zeit handelt, bei der die erste und die dritte
Ladeschaltung arbeiten, unabhängig
unterschiedliche Werte beim ersten und beim zweiten piezoelektrischen/elektrostriktiven
Element ergeben. Aus diesem Grund kann der Freiraum für die Lade-/Entlade-Taktgebung
vergrößert werden
und die optimierten Wellenformen für das jeweilige Element einfach gebildet
werden. Wird diese Schaltung in einem Aktuator verwendet, so kann
der Aktuator ohne Überschwingen
mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden; bei Mikromaschinen, Wandlern
und verschiedenen Schwingern wird kein externer Kondensator benötigt, und
die Schaltung arbeitet unter Rückgewinnung
der elektrischen Leistung. Aus diesem Grund kann die Schaltung auf
einfache Weise klein ausgeführt
werden.
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In
dieser Ausführungsform
sind die Spulen für
die erste bzw. für
die dritte Ladeschaltung bereitgestellt, es kann aber einer Zielwellenform
der Spannung entsprechend auch zusätzlich eine Spule für eine anderen
Lade- oder Entladeschaltung bereitgestellt werden.
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Außerdem werden
die Lade- und Entladeschaltungen in zwei Stufen gebildet, jedoch
kann die Anzahl der Stufen erhöht
werden, und die Anzahl der Stufen kann zwischen Ladeschaltung und
Entladeschaltung unterschiedlich sein.
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Die
Schalter sind durch MOSFETs gebildet, sind aber nicht darauf eingeschränkt, sondern
können
auch durch Transistoren bereitgestellt sein. Es sind zwei piezoelektrische/elektrostriktive
Elemente bereitgestellt, doch kann auch eine Vielzahl an piezoelektrischen
Elementen und/oder eine Vielzahl an elektrostriktiven Elementen
alternierend betrieben werden.
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Wie
oben detailliert dargelegt wurde, sind gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
die Ladungs- und Entladungswellenformen Mehrstufen-Wellenformen,
und die Ladungs-/Entladungskurven, bei denen es sich nicht um die
Erststufen-Ladungswellenform und -Entladungswellenform handelt,
können
unabhängig
festgelegt werden. Aus diesem Grund ist der Grad des Freiraums bei
der Lade-/Entlade-Taktgebung hoch, und die optimalen Wellenformen
der piezoelektrischen/elektrostriktiven Elemente können einfach
gebildet werden. Außerdem
sind Spulen bereitgestellt, sodass die Leistungsrückgewinnungseffizienz
verbessert werden kann. Zudem kann die Schaltung klein ausgeführt werden,
da kein externer Kondensator benötigt
wird, und die Schaltung ist als Ansteuerschaltung für einen
Aktuator, Wandler, verschiedene Schwinger, Mikromaschinen und dergleichen
geeignet, die klein ausgeführt
werden sollen.