DE69838991T2

DE69838991T2 - Treiber für piezoelektrische motoren

Info

Publication number: DE69838991T2
Application number: DE69838991T
Authority: DE
Inventors: Shmuel Ben-Yaakov
Original assignee: Nanomotion Ltd
Current assignee: Nanomotion Ltd
Priority date: 1998-10-25
Filing date: 1998-10-25
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2018-10-26
Also published as: EP1131853B1; US6661153B1; DE69838991D1; EP1131853A1; AU9642498A; AU5996799A; WO2000025368A1; US6747391B1; JP2002529037A; WO2000025369A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zum Antrieb von piezoelektrischen Aktoren und piezoelektrischen Motoren, und insbesondere die elektronischen Schaltungen solcher Treiber.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Piezoelektrische Materialien sind dadurch gekennzeichnet, dass sie, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt werden, zum Verbiegen gebracht werden können, d. h. mechanische Bewegung erzeugen können. Ebenso erzeugen Piezoelektrische Elemente elektrische Signale, wenn mechanische Belastung auf sie ausgeübt wird, so dass sie einer Versetzung unterliegen. Diese Eigenschaften sind der Grund dafür, dass Piezoelektrische Materialien in Anwendungen von Sensoren bis hin zu mechanischen Motoren nutzbringend sind. Beispiele für Piezoelektrische Elemente, die als Motoren verwendet werden, sind beispielsweise in den US-Patenten 5,714,833 und 5,777,423 gezeigt, die dem Rechtsinhaber der Erfindung der vorliegenden Anmeldung übertragen sind. Piezoelektrische Motoren zeichnen sich durch ihre mechanische Einfachheit aus. Sie haben sehr wenige Teile, keine separaten beweglichen Teile, und es gibt keine kritischen mechanischen Bauteile wie z. B. Zahnräder, Wellen, Lager usw. Dementsprechend sind Piezoelektrische Motoren relativ preisgünstig und besonders zuverlässig.
Ein piezoelektrisches Element stellt eine elektrische reaktive Last dar (hauptsächlich kapazitiv), die zum Bewirken der mechanischen Versetzung ein Wechselstromsignal von beträchtlicher Spannungsamplitude benötigt. Die erforderliche Spannungsamplitude liegt generell im Bereich von einigen hundert Volt (RMS). Für einen wirksamen Betrieb des piezoelektrischen Elementes als Motor oder Aktor legt eine Antriebsschaltung eine Spannung einer spezifischen Frequenz mit niedriger harmonischer Verzerrung daran an. Für die besten Ergebnisse, d. h. maximale Versetzung, sollte die spezifische Frequenz gleich der mechanischen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes sein. Eine vereinfachte Schaltung, die zum Antrieb eines piezoelektrischen Motors verwendet werden könnte, ist in 1A gezeigt, während ein solcher Motor in 1B gezeigt ist. Dieses Verfahren erfordert zwei Sourcen und zwei passende Schwingkreise (hoher Güte) (nicht dargestellt).
Eine bevorzugte Art der Anregung des bidirektionalen Betriebs des piezoelektrischen Elementes versieht eine Seite des Elementes mit einem Paar Elektroden, die mit einer Spannungsquelle wie z. B. einem Schaltmodusinverter verbunden sind. Eine gegenüberliegende Seite des piezoelektrischen Elementes weist eine einzelne gemeinsame Elektrode auf. Die gemeinsame Elektrode ist durch passive oder aktive Elemente geerdet oder mit Masse verbunden, so dass Strom aus jeder Elektrode des Elektrodenpaares in entgegengesetzten Richtungen fließt, um eine bidirektionale Versetzung des piezoelektrischen Elementes zu bewirken.
Die Antriebsschaltungen für piezoelektrische Motoren führen den Elektroden im Wesentlichen Wechselspannungen entsprechend der erforderlichen bzw. gewünschten direktionalen Bewegung zu. Typische dem Stand der Technik entsprechende Antriebsschaltungen zum Anregen der piezoelektrischen Elemente, um Bewegung in einer gewählten Richtung oder gewählten Richtungen bereitzustellen, umfassen separate Inverterschaltungen, die durch Resonanzschaltungen, welche mit jeder der Hochspannungsseitenelektroden des Elementes verbunden sind, an das piezoelektrische Element gekoppelt sind. Im Stand der Technik werden solche mehrfachen Inverter genutzt, um direktionale Bewegung der piezoelektrischen Motoren ohne separate Schalteinheiten zu bewirken. Andere dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtungen nutzen eine einzelne Hochspannungsquelle und Schaltkreise, um die Source zwischen verschiedenen Elektroden umzuschalten. Diese Vorgehensweise erfordert Schaltkreise, die für hohe Spannung geeignet sind.
Ein großer Nachteil der Treiber des Standes der Technik ist die Komplexität der verwendeten Schaltkreise. Beispielsweise umfasst ein allgemein verwendeter Treiber eine Inverterschaltung vom Brückentyp (siehe 2), die sechs Stromschalter und zwei Schwingkreise hoher Güte erfordert. Andere Treiber des Standes der Technik erfordern nur einen Schwingkreis hoher Güte. Die Verringerung der Anzahl der Schwingkreise hoher Güte wird dadurch erreicht, dass der Schwingkreis hoher Güte mit der gemeinsamen Elektrode in Serie angeordnet ist. Jedoch werden in dieser Vorrichtung des Standes der Technik immer noch sechs Stromschalter verwendet (siehe EP 0712 170 A1 ), wobei die Anmeldung dem Rechtsinhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist. In 7 dieser Vorrichtung werden für die Versetzungs-Richtungssteuerung vier Schalter verwendet, davon zwei für jede der wählbaren Richtungen. Die Schwingkreise hoher Güte sind empfindlich für die Genauigkeit der Schaltungskomponente und für die Frequenz der angelegten Spannung. Als praktische Lösung zur Überwindung dieser Empfindlichkeit wurde im Stand der Technik häufig die Güte [Q] der Treiber gesenkt, und die Eingangsspannung aus den Treibern des Standes der Technik wurde erhöht. Es waren zusätzliche DC/DC-Wandler erforderlich, um einen Betrieb mit niedrigeren Eingangsspannungen zu ermöglichen. Dementsprechend sind gemäß dem Stand der Technik zwar die piezoelektrischen Motoren einfach, aber die Treiberschalttechnik war bisher komplex, insbesondere beim Antreiben von piezoelektrischen Motoren in zwei Richtungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Treiber für piezoelektrische Elemente bereitzustellen, die zuverlässig, einfach und kostengünstig sind.
Es ist eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Treiber für piezoelektrische Elemente bereitzustellen, welche die piezoelektrischen Elemente als Aktoren oder Motoren bidirektional mit einem Minimum an Bauteilen betreiben.
Es ist eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, bidirektionale Treiber für piezoelektrische Motoren oder Aktoren bereitzustellen, bei denen eine einzelne, ungeschaltete Hochspannungs-Antriebsschaltung für beide Bewegungsrichtungen verwendet wird.
Es ist eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bidirektionale Treiber für piezoelektrische Motoren oder Aktoren bereitzustellen, bei denen die Bewegungsrichtung durch Schaltkreise geändert wird, die an einer Niederspannungsverbindung der Steuerschaltungen angeordnet sind.
Es ist eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, Treiber für piezoelektrische Elemente bereitzustellen, die ein weiches Schalten verwenden, um Schaltverluste zu minimieren und den gesamten Wirkungsgrad der piezoelektrischen Treibereinheit zu erhöhen, und um die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen diskreten Bidirektional-Schaltkreis bereitzustellen, der in Verbindung mit einer Wechselspannung verwendet wird, welche zum Betreiben eines piezoelektrischen Motors oder einer anderen Wechselstromlast bereitgestellt wird.
Manche Treiberschaltungen des Standes der Technik zum Antreiben von piezoelektrischen Motoren aus einer Gleichspannungsquelle haben die Schalt- und die Inverterschaltungen integral kombiniert. Das heißt: Das Schalten der Inverterausgabe an die Elektroden des piezoelektrischen Elementes erfolgte durch die Inverter ohne diskrete Schaltkreise. Die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 trennt den Inverter- und den Schaltbereich der Treiberschaltkreise durch Bereitstellung diskreter Schaltkreise. Überraschenderweise ist das Ergebnis eine Schaltung zum bidirektionalen Antreiben des piezoelektrischen Elementes mit verringerter Komplexität unter Verwendung von weniger Bauteilen, die außerdem zuverlässiger funktioniert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Treiberschaltung zum Antreiben eines Motors vom piezoelektrischen Typ eine Inverterschaltung zum Bereitstellen einer oszillierenden Spannung, um eine mechanische Versetzung eines piezoelektrischen Elementes zu bewirken, und eine separate Schaltanordnung zum Wählen der Richtung dieser Versetzung. In der Erfindung der vorliegenden Anmeldung führt die Treiberschaltung dem piezoelektrischen Element die Antriebsspannungen mit der mechanischen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes zu.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine diskrete Schaltanordnung Hochfrequenzschaltungen zum selektiven Anlegen von Spannungen über das piezoelektrische Element auf, damit eine mechanische Versetzung des piezoelektrischen Elementes in einer gewählten Richtung oder gewählten Richtungen bewirkt wird. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung befinden sich die Schalter an einer Niederspannungsseite der Verbindung zu dem piezoelektrischen Element.
Somit wird gemäß der Erfindung ein Mikromotor bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
ein piezoelektrisches Element, das eine gemeinsame Elektrode und mehrere andere Elektroden umfasst, die darauf ausgebildet sind, und wenigstens eine erste und eine zweite Elektrodengruppe umfasst, wobei jede Gruppe wenigstens eine Elektrode aufweist, wobei das piezoelektrische Element Bewegung in einer ersten Richtung bewirkt, wenn zwischen der ersten Elektrodengruppe und der gemeinsamen Elektrode eine Spannung angelegt wird, und wobei das piezoelektrische Element Bewegung in einer zweiten Richtung bewirkt, wenn eine Spannung zwischen der zweiten Elektrodengruppe und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird;
eine Spannungsquelle, welche die gemeinsame Elektrode mit Strom versorgt, und
wenigstens zwei Schalter, die separat zwischen den ersten und zweiten Elektrodengruppen und einer niedrigen Spannung verbunden sind, wobei die Schalter betätigt werden können, um eine der ersten und zweiten Elektrodengruppen mit der niedrigen Spannung zu verbinden, so dass selektive Bewegung in der ersten oder der zweiten Richtung zu bewirkt wird.
Bevorzugt ist die niedrige Spannung im Wesentlichen Masse. Die angelegte Spannung ist eine Wechselspannung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der das piezoelektrische Element eine rechteckige piezoelektrische Platte umfasst, die erste und zweite Flächen aufweist, ist die gemeinsame Elektrode auf der ersten Fläche ausgebildet, und die ersten und zweiten Gruppen von Elektroden sind auf der zweiten Fläche ausgebildet. Bevorzugt umfassen die ersten und zweiten Gruppen von Elektroden jeweils zwei Elektroden, die in entgegengesetzten Quadranten der zweiten Fläche angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst der Mikromotor eine Antriebsoberfläche, und es wird Bewegung in einer Oberfläche eines Werkstücks induziert, das gegen die Antriebsoberfläche gedrückt wird, wenn das piezoelektrische Element wie oben mit Strom versorgt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Source einen Inverter, bevorzugt einen Forward-Flyback-Inverter.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden am besten aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich. Dabei gilt:
1A und 1B sind eine vereinfachte, schematische Darstellung eines bidirektionalen piezoelektrischen Motors und zugehöriger Treiberschaltkreise gemäß dem Stand der Technik;
2 ist eine dem Stand der Technik entsprechende Brückenschaltungs-Implementierung eines bidirektionalen piezoelektrischen Motortreibers;
3 ist eine grundlegende, schematische Darstellung elektrischer Komponenten einer Wechselstromschaltung, die einen piezoelektrischen Motor betreibt,
4 ist eine schematische Darstellung eines diskreten bidirektionalen Schalters, der mit einem piezoelektrischen Motor verwendet wird;
5 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Treiberschaltung, die einen Forward-Flyback-Inverter aufweist, der in Verbindung mit dem bidirektionalen Schalter zum Betreiben des piezoelektrischen Motors verwendet wird;
6 ist eine äquivalente Schaltung aus 5, die Elemente der Sekundärkreise zeigt, die auf den Primärkreis reflektiert sind;
7 ist die schematische Darstellung der Schaltung aus 6, wenn der Schalter Q_ff leitend ist;
8 ist eine schematische Darstellung der Schaltung aus 6, wenn der Schalter Q_ff nichtleitend ist;
9 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Treiberschaltung, die einen Gegentakt-Parallel-Resonanzinverter umfasst, der in Verbindung mit dem bidirektionalen Schalter zum Betreiben des piezoelektrischen Motors verwendet wird;
10 ist eine schematische Darstellung des Gegentaktinverters aus 9, der einen Buck Abschnitt aufweist, der Ausgangsspannungssteuerung bereitstellt; und
11 ist eine Darstellung der Spannungswellenform an Punkt A aus 10.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A und 1B sind eine vereinfachte, schematische Darstellung eines bidirektionalen piezoelektrischen Motors, wie er im Stand der Technik verwendet wird, zum besseren Verständnis der Erfindung. Der piezoelektrische Motor 11 umfasst ein piezoelektrisches Kristall- oder Keramikelement 12, das in Reaktion auf elektrische Spannung über dieselbe funktioniert, um mechanische Versetzung bereitzustellen.
Wie in 1A und 1B dargestellt, sind zum bidirektionalen Betrieb des Motors zwei Paare von Elektroden 13 und 14 an einer ersten Fläche 16 des Elementes 12 befestigt, und eine gemeinsame Elektrode 17 ist an einer gegenüberliegenden Fläche 18 des Elementes 12 befestigt und bedeckt sie im Wesentlichen vollständig. Die gemeinsame Elektrode 17 ist bei 19 geerdet. Durch die Betätigung des Schalters SW1 in Reaktion auf ein Steuersignal S1 wird eine erste Wechselspannung V1 zwischen den Elektroden 14 und 17 angelegt. Die Spannung V1 bewirkt eine mechanische Versetzung einer Oberfläche, die gegen einen Ansatz 9 des Elementes 12 in einer ersten Richtung gedrückt wird.
Eine Betätigung des Schalters SW2 in Reaktion auf ein Steuersignal S2 legt zwischen den Elektroden 13 und 17 eine zweite Wechselspannung V2 an. Die Spannung V2 bewirkt eine mechanische Versetzung einer Oberfläche, die in einer zweiten Richtung gegen den Ansatz 9 gedrückt wird. Das piezoelektrische Element 12 hat reaktive Eigenschaften und ist bei bestimmten Frequenzen in Transversalrichtungen mechanisch in Resonanz.
Es sei darauf hingewiesen, dass, sofern in den folgenden Zeichnungen Elektroden in der Art der Elektroden 13 und 14 dargestellt sind, eine Ausgestaltung wie die in 1B dargestellte gemeint ist.
2 zeigt eine typische, dem Stand der Technik entsprechende Implementierung eines bidirektionalen Treibers für einen piezoelektrischen Motor. Ein dem Stand der Technik entsprechender bidirektionaler Invertertreiber, wie in 2 dargestellt, hat eine positive Versorgungsspannung Vin, die an dem Leiter 21 anliegt. Ein als Q1 dargestellter Schalter ist mit dem Leiter 21 verbunden. Der Schalter ist als Transistor vom Mosfet-Typ dargestellt, wobei die Source 22 mit dem Leiter 21 verbunden ist. Der Schalter Q1 wird in der bevorzugten Ausführungsform durch ein an dem Gate DR1 anliegendes, gepulstes Gate-Steuersignal S1 in den leitenden Zustand versetzt. In Reaktion auf die Gate-Steuersignale legt der Schalter Q1 Gleichspannung Vin als Impulse an die Drain 23 des Schalters Q1 an. Die Drain 23 ist mit dem Leiter 24 verbunden, der mit der gemeinsamen Elektrode 17 des piezoelektrischen Motors 11 verbunden ist. Der Leiter 24 ist durch den Schalter Q2 mit Masse verbunden, der in Reaktion auf das gepulste Steuersignal S2, welches an dem Gate DR2 des Schalters Q2 anliegt, in den leitenden Zustand versetzt wird. Die Source 26 des Schalters Q2 ist mit dem Schalter 24 verbunden, und die Drain 27 des Schalters Q2 ist durch den Leiter 29 mit Masse 28 verbunden.
Elektroden 14 des piezoelektrischen Motors 11 ist mit dem Übergang eines Kondensators C1 und eines Induktors L1 verbunden. Der Kondensator C1 und der Induktor L1 bilden einen Schwingkreis, der auf die mechanische Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Motors abgestimmt ist. Die andere Seite des Kondensators C1 ist mit dem Leiter 24 verbunden. Die andere Seite des Induktors L1 ist durch den Leiter 30 mit dem Übergang eines anderen Schalterpaars, Q5 und Q6, verbunden. Die Transistorschalter Q5 und Q6 werden in Reaktion auf gepulste Signale S5 und S6 auf den Gate-Treibern, die als DR5 und DR6 dargestellt sind, in den leitenden Zustand versetzt. Die Source 31 des Schalters Q5 ist an die Gleichspannung Vin auf dem Leiter 21 gekoppelt. Die Drain 32 des Schalters Q5 ist an die Source 33 des Schalters Q6 gekoppelt. Die Drain 34 des Schalters Q6 ist an den Masseleiter 29 gekoppelt.
Eine weitere Halbbrückenschaltung verbindet die Elektroden 13 des Motors 11 mit der Source-Spannung Vin. Insbesondere ist die Elektrode 13 des Motors 11 mit dem Übergang des Induktors L2 und des Kondensators C2 verbunden, die einen zweiten Schwingkreis bilden. Die andere Seite des Kondensators C2 ist mit dem Leiter 24 verbunden. Die andere Seite des Induktors L2 ist mit dem Übergang der Drain 36 des Schalters Q3 und der Source 37 des Schalters Q4 verbunden. Die Source 38 des Schalters Q3 ist an die Gleichspannung Vin auf dem Leiter 21 gekoppelt. Die Drain 39 des Schalters Q4 ist an den geerdeten Leiter 29 gekoppelt. Die Schalter Q2, Q4 werden in Reaktion auf die Signale S3, S4 betätigt.
Im Betrieb wirken Q1 und Q2 mit entweder Q3 und Q4 oder Q5 und Q6 zusammen, um auf im Stand der Technik bekannte Art eine oszillierende Spannung an den Schwingkreis von L1/C1 bzw. L2/C2 anzulegen. Je nachdem, welche Halbbrücke zusammen mit Q1/Q2 betrieben wird, werden entweder die Elektroden 13 oder 14 mit Strom versorgt. Dies ermöglicht eine reversible Bewegung einer Oberfläche, die gegen den Ansatz 9 gedrückt wird.
Im Einzelnen wird, wenn die Schalter Q1, Q2 und Q5, Q6 betätigt werden, eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 14 und 17 des Motors 11 angelegt, und zwar mit der durch den Kondensator C1 und den Induktor L1 eingestellten Resonanzfrequenz. Alternativ wird durch die Betätigung der Schalter Q1, Q2 und Q3, Q4 eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 13 und 17 angelegt. Dies legt eine Spannung mit der durch den Induktor L2 und den Kondensator C2 eingestellten Resonanzfrequenz über die Elektroden 13 und 17 an. Somit bewirkt die Spannung über die Elektroden 13 und 17 in Reaktion auf die Betätigung der Schalter Q1–Q4 einen Betrieb des Motors in einer Richtung, und die Betätigung der Schalter Q1, Q2 und Q5, Q6 bewirkt einen Betrieb des Motors in der entgegengesetzten Richtung. Diese typischen Schaltungen gemäß dem Stand der Technik erfordern zwei Schwingkreise hoher Güte C1, L1 und C2, L2 sowie sechs Schaltkomponenten, die in Reaktion auf die an die Gates DR1–DR6 angelegten Signale funktionieren.
Sollen sinnvolle Gütefaktoren verwendet werden, so ist eine hohe Spannung Vin über den Motor erforderlich. Beispielsweise erfordert ein Gütefaktor von 5, dass die Eingangsspannung ca. 1/5 der erforderlichen Motorspannung beträgt. Eine Motorspannung von 400 Volt ist sinnvoll. Dies impliziert, dass die Eingangsspannung 80 Volt betragen muss. Sind niedrigere Spannungen erforderlich, so müssten weitere Schaltungen hinzugefügt werden.
3 zeigt einen Wechselstromschalter bzw. eine äquivalente Schaltung der piezoelektrischen Vorrichtung, die zum Verständnis bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung nützlich ist.
In 3 stehen L_S/C_S für die mechanische Resonanz der piezoelektrischen Vorrichtung, R_S steht für mechanische Arbeit und Verluste, und C_P, ist die Elektrodenkapazitanz. Da C_P sehr groß ist, wird in der Regel ein Induktor in Serie mit der piezoelektrischen Vorrichtung hinzugefügt.
Wenn der Schalter SWL geschlossen ist, wird V_S an die piezoelektrische Vorrichtung angelegt, und der Motor ist in Betrieb. Wenn SWL geöffnet ist, wird der Kondensator C_P über die Diode D_S auf den Spitzenwert von V_S festgelegt. Diese Gleichspannung wird so lange aufrechterhalten, wie SWL geöffnet ist. In dieser Situation (Gleichspannung über das piezoelektrische Element) ist der Motor nicht in Betrieb. Wechselspannung tritt über die Diode auf.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des diskreten bidirektionalen Wechselstromschalters zum Betrieb mit einer Wechselspannung V_S, um den piezoelektrischen Motor 11 anzutreiben. Wie in 1 umfasst der piezoelektrische Motor 11 die Elektroden 13, 14 auf einer Fläche und die Elektrode 17 auf der gegenüberliegenden Fläche des piezoelektrischen Elementes 12. Es können zwar alle Festkörperschalteinheiten verwendet werden, jedoch werden in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Mosfet-Schalter M_S1, und M_S2, die jeweils mit den Elektroden 13 und 14 verbunden sind, als die Schalter verwendet. Die Dioden D_S1 und D_S2, die über die Schalter M_S1 und M_S2 verbunden dargestellt sind, sind in Mosfet-Transistoren inhärent. Die Source 41 des Schalters M_S1 und die Diode D_S1 sind beide mit Elektroden 13 des Motors 11 verbunden. Die Drain 42 des Schalters M_S1 und die andere Seite der Diode D_S1 sind als bei 43 geerdet dargestellt. Die Source 44 des Schalters M_S2 ist mit der Anode der Diode D_S2 und mit den Elektroden 14 verbunden. Die Drain 46 des Schalters M_S2 ist durch den Leiter 47 mit Masse 43 verbunden. Eine Seite der Wechselspannungsquelle ist mit der gemeinsamen Elektrode 17 des piezoelektrischen Motors 11 verbunden, während die andere Seite der Spannungsquelle durch den Leiter 47 an Masse gekoppelt ist. Die Betriebsrichtung des piezoelektrischen Motors 11 wird durch die Gate-Spannungen V_gs1 und V_gs2 gesteuert, die an den Gates der Schalter M_S1 bzw. M_S2 anliegen. Wenn M_S1 geschlossen ist (und M_S2 geöffnet ist), liegt die Wechselspannung zwischen den Elektroden 17 und 13 an, und eine gegen den Ansatz 9 gedrückte Oberfläche bewegt sich in einer ersten Richtung. Wenn M_S2 geschlossen und M_S1 geöffnet ist, erfolgt die Bewegung in umgekehrter Richtung.
Ermöglicht wird dies dadurch, dass M_S2, wenn er geöffnet ist, den Wechselstromweg von der Elektrode 14 trennt (die Wechselspannung tritt über den Schalter auf). Die unter diesen Umständen zwischen den Elektroden 14 und 17 entstehende Gleichspannung hat keinen Einfluss auf den Betrieb des Motors, wie er durch die Wechselspannung zwischen den Elektroden 17 und 13 verursacht wird.
Wesentliche Vorteile dieser bidirektionalen Schaltanordnung sind folgende:

a) die Steuerspannungen werden alle auf Masse bezogen, und
b) es ist nur eine Wechselstromquelle erforderlich.

Ein Grund dafür, dass diese Vorteile zur Verfügung stehen, besteht darin, dass anders als bei den Treibern des Standes der Technik die gemeinsame Elektrode nicht auf Masse bezogen ist. Vielmehr ist eines der Elektrodenpaare 13 oder 14 geerdet. Hierdurch wird ermöglicht, dass eine einzelne Stromquelle die gemeinsame Elektrode versorgt und, da die einzelnen Elektroden nahe Masse sind, das Schalten mit niedrigen Spannungen gesteuert wird.
Dieses Schaltschema kann in Verbindung mit jedem Invertertreiber integriert werden, es hat jedoch besondere Vorteile, wenn zum Bereitstellen der Antriebsspannung Vs die Inverterausgestaltung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Wechselstromquelle ist ein Inverter vom Forward-Flyback-Typ, wie beispielsweise in 5 schematisch dargestellt. Dabei wird ein Hochfrequenzschalter wie z. B. der Mosfet-Transistor Q_ff 51 von einem Rechteckwellensignal V_sg betrieben, das an der Gate-Elektrode 52 anliegt. Die Source 54 des Schalters Q_ff ist mit einer Primärwicklung 58 eines Zweiwicklungs-Magnetelementes verbunden, das bei 53 dargestellt ist. Die Drain 56 des Schalters Q_ff ist an Masse 57 gekoppelt. Es können zwar viele Schaltertypen bei Q_ff verwendet werden, die bevorzugte Ausführungsform umfasst jedoch einen Transistor vom Mosfet-Typ. Die in dem Mosfet-Transistor inhärente Diode ist als D_ff, gekoppelt von der Drain 56 zu der Source 54 des Transistors Q_ff, dargestellt. Die andere Seite der Primärwicklung 58 des Magnetelementes 53 ist mit der positiven Gleichspannung Vin verbunden, wie bei 59 dargestellt. Der Schalter Q_ff ist durch eine Kapazitanz C_r überbrückt, die zwischen seiner Source 54 und seiner Drain 56 verbunden ist. Die Kapazitanz C_r bildet mit den anderen reaktiven Komponenten einen Schwingkreis.
Der Inverter ist bevorzugt durch die Sekundärwicklung 61 des Zweiwicklungs-Magnetelementes 53 mit dem piezoelektrischen Element 12 und dem Paar diskreter bidirektionaler Schalter verbunden. Das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 58 und der Sekundärwicklung 61 ist als 1:n dargestellt, wobei n in einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich zwischen 2 und 25 liegt.
Eine Seite der Wicklung 61 ist bevorzugt bei 62 mit Masse verbunden. Die andere Seite ist mit der gemeinsamen Elektrode 17 des Motors 11 verbunden. Die anderen Elektroden des Motors 11, d. h. die Elektrodenpaare 13 und 14, sind auf die bezüglich 4 beschriebene Weise mit Hochfrequenzschaltern wie z. B. den Schaltern M_S1 und M_S2 verbunden.
Der Betrieb der Kombination aus dem diskreten Inverter und dem diskreten bidirektionalen Schalter in Kombination wird unter Bezugnahme auf das Schema aus 6 klarer verständlich. Das Schema zeigt einen der beiden Schalter geöffnet und den anderen geschlossen, wobei alle sekundären Komponenten (einschließlich der geschlossenen Leitungen) zu dem Primärkreis reflektiert sind. Die Induktanz der Zweielement-Magneteinheit 53 ist als Llkg, d. h. die Streuinduktivität des Magnetelementes 53, dargestellt. Das piezoelektrische Element 12 des Motors 11 wird durch die Impedanz ZM repräsentiert, die bei der mechanischen Resonanzfrequenz hauptsächlich kapazitativer Art ist. Sie ist bei Reflexion in den Primärkreis der Magneteinheit 53 durch n2 dividiert dargestellt.
Es wird eine Rechteckwellenspannung V_sq gezeigt, die an dem Gate des Schalters Q_ff anliegt, dessen Drain mit Masse verbunden ist und dessen Source mit dem Induktor Lm und mit dem Motor-(Impedanz-)Element Z_M verbunden ist. Die Diode D_ff ist ebenso dargestellt wie die Resonanzkapazitanz C_r, wobei beide den Schalter Q_ff überbrücken. Die Kapazitanz C_r liegt in Serie mit und ist in Resonanz mit der Induktanz Lm, die durch die Streuinduktivität Llkg in Serie mit der Recktanz Z_M/n² überbrückt wird.
Es wird zwar eine Rechteckwellen-Betriebsspannung V_sg dargestellt; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Betriebsspannung innerhalb des Umfangs der Erfindung auch andere Formen annehmen kann, wie sie auf diesem technischen Gebiet bekannt sind.
Wenn der Schalter Q_ff leitend ist, wie in 7 dargestellt, wird dem Motor auf resonante Weise in den zwei Halbzyklen Energie zugeführt. Wenn der Hochfrequenzschalter Q_ff leitend ist, wird Energie von der Spannungsquelle zu dem Motor übertragen, und es wird auch Energie in der Induktanz L_m gespeichert. Ein Schwingkreis ist zwischen dem Streuinduktor L_kj und der Motorimpedanz Z_m ausgebildet. Daher ist die dem Motor zugeführte Spannungswellenform sinusförmig.
Während einer nichtleitenden Periode des Schalters Q_ff, wie in 8 dargestellt, wird die in der Induktanz L_m gespeicherte Energie auf den Motor übertragen. Es wird darauf hingewiesen, dass die dem Motor zugeführte Spannung nun von entgegengesetzter Polarität ist wie die Spannung, die während der leitenden Phase des Schalters Q_ff anlag. Das reaktive Element L_m, das durch die Serienverbindung von L_kj und Z_m/n² überbrückt ist, bildet einen Schwingkreis, der die Spannung über den Motor durch geeignete Auswahl der Schaltungsparameter sinusförmig formen kann. Bevorzugt ist diese Schaltung mit der mechanischen Resonanzfrequenz resonant.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Wellenform über den Schalter sinusförmig ist, der Schalter unter "weichen" Schaltbedingungen arbeitet. Anders ausgedrückt: Wenn der Schalter Q_ff abschaltet, nachdem die Spannung über ihn sich auf Null verringert, wird der Schalter unter Nullspannungsbedingungen eingeschaltet. Wenn der Schalter Q_ff dann abgeschaltet wird, steigt die Spannung über ihn aufgrund der Wirkung des Kondensators C_r relativ langsam. Daher wird Nullspannungsschalten bei Abschaltung erreicht.
Somit kann die Schaltung aus 5 gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen oder mehrere aus einer Anzahl von Vorteilen aufweisen, beispielsweise:

i) Es wird ein einzelner Schalter zur Implementierung des Inverterabschnittes verwendet,
ii) alle Signalantriebe sind auf eine Masse bezogen,
iii) durch Wahl des richtigen Windungsverhältnisses kann die Motorspannung auch dann hoch eingestellt werden, wenn Vin eine niedrige Gleichspannung ist,
iv) die Motorsignale weisen einen niedrigen Oberschwingungsgehalt auf, und außerdem
v) ist die Gesamtzahl der Bauteile sehr niedrig, d. h. der Inverterabschnitt basiert auf einem einzelnen Transistor, und der diskrete bidirektionale Schalter hat nur zwei Transistoren.

Ferner ist die Ausführungsform aus 5 für relativ niedrige Leistungsniveaus geeignet.
Wie leicht erkennbar ist, sind die genauen Einzelheiten der Gestaltung solcher Schaltungen eine Funktion der genauen physikalischen und elektrischen Parameter. Die Gestaltung kann jedoch unter Verwendung von Konstruktionsprogrammen wie z. B. SPICE oder dergleichen für die besonderen Eigenschaften piezoelektrischer Elemente optimiert werden. Wenn eine solche Gestaltung erreicht ist, können die Bauteile (einschließlich der in den Gestaltungen verwendeten nicht idealen Transformatoren) unter Verwendung von auf dem Gebiet der Magnetkomponentengestaltung bekannten Verfahren gestaltet und hergestellt werden.
In 9 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher der diskrete Inverter eine Gegentaktausgestaltung hat. Die Gegentaktausgestaltung ist für höhere Leistungsniveaus geeignet als der Forward-Flyback-Inverter. In der in 9 gezeigten Gegentaktanordnung des Inverters betreiben zwei Schalter Q_p1 und Q_p2 die Last auf Gegentaktweise durch ein Resonanznetzwerk. Das Resonanznetzwerk umfasst die Induktanz eines Transformators TR, dessen Sekundärkreis durch den Kondensator C_PP überbrückt wird. Strom von der Gleichspannung Vin wird durch den Reiheninduktor L_sp an den Primärkreis 66 des Transformators TR angelegt. Die Eingabe in den Transformator erfolgt in die Mitte der Primärwicklungen 66, wie in 9 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Schalter Q_p1 und Q_p2 Mosfet-Transistoren.
Eine Seite des Primärkreises 66 geht zu der Source 67 des Transistors Q_p1. Die Drain 68 des Transistors Q_p1 ist bei 69 an Masse gekoppelt. Die andere Seite der Primärwicklung 66 des Transformators TR ist an die Source 72 des Schalters Q gekoppelt. Die Drain 73 des Transistorschalters Q_p2 ist an Masse gekoppelt. Beide Transistoren Q_p1 und Q_p2 sind so dargestellt, dass an ihren Gates 74 bzw. 76 Rechteckwellen-Steuerspannungen anliegen, um die Gleichspannungseingabe in eine Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz umzuwandeln. Steuerspannungen mit anderen Wellenformen könnten innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden. An der Sekundärwicklung nl des Transformators TR ist eine Seite 77 mit Masse verbunden und die andere Seite 78 mit der gemeinsamen Elektrode 17 des Motors 11 verbunden. Wenn die Parameter der Schaltung richtig gewählt sind, hat das dem Motor 11 zugeführte Signal eine Sinusform mit geringer harmonischer Verzerrung.
Der große Vorteil der Gegentakt-Ausführungsform gegenüber der Forward-Flyback-Ausführungsform ist die Fähigkeit, höhere Leistungsniveaus zu verarbeiten. Außerdem kann durch leichte Abwandlung die Ausgabe von Spannung der Gegentaktausführungsform weiter gesteuert werden, wie in 10 dargestellt. Hier sind ein zusätzlicher Hochfrequenzschalter Qbuck und eine Diode Dbuck hinzugefügt worden. Diese Elemente bilden zusammen mit dem Induktor Lsp einen Abwärts- oder Buck-Inverter. Ein Inverter dieses Typs wird von dem Arbeitszyklus Don von Qbuck gesteuert. Bei einer Sinuswellenform ist die Spannung am Punkt "A" in 11 so, wie in 11 dargestellt.
Der Spitzenwert V_pk dieser Wellenform wird ist zu der Motorspannung entsprechend der Gleichung VPK = Vmotor/nin Bezug gesetzt.
Im eingeschwungenen Zustand beträgt die durchschnittliche Spannung über den Induktor Lsp Null, und daher muss der Durchschnitt von V_pk gleich der Spannung an Punkt "B" in 10 sein, die gleich V_in·D_on ist. Folglich gilt: VPK = nVin·Don
Aus diesen Gleichungen ergibt sich: Vmotor = nVin·Don
Die Motorspannung kann folglich durch Variieren von D_on von Q_buck gesteuert werden.
Dieses Merkmal ist besonders dann anwendbar, wenn variable Motorspannungen benötigt werden, etwa zum Variieren der Motorgeschwindigkeit.
Die bevorzugten Ausführungsformen sind in Bezug auf einen piezoelektrischen Motor beschrieben worden, der eine gemeinsame Elektrode auf einer Fläche aus einer piezoelektrischen Keramik und zwei Paare Elektroden auf der anderen Fläche aufweist. Ein Betrieb des Motors ist jedoch auch mit mehr oder weniger Elektroden und in anderer Ausgestaltung möglich. Ferner kann er an andere Ausgestaltungen piezoelektrischer Motoren angepasst sein.
Außerdem kann ein bipolarer Schalter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für verschiedene andere Anwendungen verwendet werden. Tatsächlich können viele Wechselstromlasten mit einem solchen bipolaren Schalter geschaltet werden. Eine Wechselstromlast mit einem einzelnen MOS-Transistor zu schalten ist im Allgemeinen schwierig. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Schalter wie z. B. eine Hälfte der in 4 dargestellten Schaltung zum Schalten einer kapazitiven Wechselstromlast unter Verwendung eines einzelnen Transistors verwendet werden.
Außerdem kann, wenn die Last nicht kapazitiv ist, ein (verglichen mit der Admittanz der Last) großer Kondensator in Serie mit der Last angeordnet werden. Für Wechselstromzwecke (d. h. wenn der Schalter geschlossen ist) hat der Kondensator zu vernachlässigende Wirkung. Ist der Schalter dagegen geöffnet, so steigt die Spannung über den Kondensator zu der Spitze der Wechselspannung, wobei die Last abgeschaltet wird, wie oben beschrieben.
Verschiedene Abwandlungen sind für den Fachmann ersichtlich und leicht verfügbar, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, dass der Umfang der beigefügten Ansprüche auf die Beschreibung, wie sie vorliegend ausgeführt ist, begrenzt ist, sondern vielmehr dass die Ansprüche breit ausgelegt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verben "umfassen" und "einschließen" sowie ihre konjugierten Formen, sofern sie in den Ansprüchen verwendet sind, "einschließlich, aber nicht unbedingt beschränkt auf" bedeuten.

Claims

Mikromotor (11) umfassend: ein piezoelektrisches Element (12) mit einer gemeinsamen Elektrode (17) und einer Vielzahl weiterer Elektroden (13, 14), mit zumindest einer ersten oder zweiten Elektrodengruppe, die darauf ausgebildet sind, wobei jede Gruppe mindestens eine Elektrode umfasst; eine Spannungsquelle (V_S), die eine oszillierende Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss der Spannungsquelle erzeugt, wobei der erste Anschluss mit der gemeinsamen Elektrode verbunden ist, und der zweite Anschluss mit einer niedrigen Spannung verbunden ist; eine Schaltungsanordnung mit zumindest einem ersten Schalter (MS1), der zwischen der ersten Gruppe von Elektroden und dem zweiten Anschluss der Spannungsquelle angeschlossen ist, und mit zumindest einem zweiten Schalter (MS2), der zwischen der zweiten Gruppe von Elektroden und dem zweiten Anschluss der Spannungsquelle angeschlossen ist; und eine Steuerung, die selektiv die Schalter mit Energie versieht, um entweder die erste oder die zweite Gruppe von Elektroden mit dem zweiten Anschluss zu verbinden, wobei die selektive Verbindung eine selektive Bewegung entweder in eine erste Richtung oder in eine entgegengesetzte zweite Richtung verursacht.
Mikromotor nach Anspruch 1, wobei die niedrige Spannung im Wesentlichen Masse ist.
Mikromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das piezoelektrische Element eine rechteckige piezoelektrische Platte mit ersten und zweiten Seiten umfasst, wobei die gemeinsame Elektrode auf der ersten Seite und die erste und zweite Gruppe der Elektroden auf der zweiten Seite ausgebildet sind.
Mikromotor nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Gruppe von Elektroden jeweils zwei Elektroden umfassen, die in entgegengesetzten Quadranten der zweiten Seite angeordnet sind.
Mikromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Mikromotor eine Antriebsoberfläche umfasst, wobei der Antrieb in einer Oberfläche eines Werkstücks erzeugt wird, welches gegen die Antriebsoberfläche gepresst wird, wenn das piezoelektrische Element wie oben beschrieben mit Energie versehen wird.
Mikromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quelle einen Inverter umfasst.