DE102006030789B4

DE102006030789B4 - Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung und Verfahren zum Betrieb einer solchen

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Publication number: DE102006030789B4
Application number: DE200610030789
Authority: DE
Inventors: Chang Woo Ha; Jung Chul Gong; Sang Cheol Shin; Byoung Own Min
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: KR20070017709A; KR100705003B1; JP2007049890A; US7471029B2; CN1913323A; DE102006030789A1; US20070029896A1

Abstract

Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung, umfassend: einen Piezo-Aktuator, der von einer konstanten Amplitude eines Treiberspannungstaktes betrieben wird; einen Piezo-Treiber, der zum Betrieb des Piezo-Aktuators mit diesem verbunden ist; eine Frequenzsteuerung, die mit dem Piezo-Treiber so verbunden ist, dass sie den vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Strom beim Betrieb des Piezo-Aktuators durch den Piezo-Treiber zur Erkennung einer der maximalen Stromkomponente zugeordneten Frequenz unter den gemessenen Strömen misst, und die ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der erkannten Frequenz erzeugt; und einen Frequenzsynthesizer, der entsprechend dem Frequenzsteuerungssignal der Frequenzsteuerung eine Frequenz des Piezo-Aktuators festlegt und dem Piezo-Treiber diese festgelegte Frequenz liefert, wobei der Piezo-Treiber weiterhin Folgendes umfasst: einen Taktgenerator zur Erzeugung eines Spannungstakts mit festgelegter Frequenz; eine erste Treiberstufe, die den Spannungstakt des Taktgenerators empfängt und den Spannungstakt zum Ausgang puffert; und eine zweite Treiberstufe, die den Spannungstakt, der von der ersten Treiberstufe gepuffert und ausgegeben wurde, in einen Stromtakt umwandelt und an den Piezo-Aktuator ausgibt; wobei die Frequenzsteuerung Folgendes umfasst: einen Stromdetektor, der mit dem Piezo-Treiber zur Erkennung und Messung des vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Stroms verbunden ist; einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Stromdetektor zur Umwandlung des gemessenen Stroms in Digitalwerte verbunden ist; ein erstes Register, das mit dem Analog-Digital-Wandler zur Speicherung der umgewandelten digitalen Daten verbunden ist; einen Mikrocontroller, der die in dem ersten Register gespeicherten digitalen Daten empfängt und Frequenzdaten, die den digitalen Daten der maximalen Stromkomponente unter den empfangenen digitalen Daten zugeordnet sind, erkennt; ...

Description

Stand der Technik
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltung, insbesondere auf eine frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung, die die von einem Piezo-Aktuator aufgenommenen Ströme zur automatischen Steuerung einer Resonanzfrequenz misst, so dass die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators verbessert wird, die eine Resonanzfrequenzänderung aufgrund einer Herstellungs- oder Temperaturveränderung steuern kann, und die vor Kurzschluss oder Leerlauf geschützt ist, und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Der gegenwärtige Mobilfunkmarkt wächst sehr schnell mit mehr als 20% Zuwachs jedes Jahr. Seit kurzem wird es notwendig, Mobiltelefone zu entwickeln, die neben der Funktion der Sprachübermittlung mit weiteren Funktionen ausgestattet sind.
Dementsprechend werden Funktionen wie Kamera, PDA, MP3-Player, Media-Player und Ähnliches hinzugefügt, und etwa 40% der gesamten Mobilfunktelefone sind mit einer Kamerafunktion ausgerüstet. Aktuelle Mobiltelefone weisen hauptsächlich eine 350.000 Pixelkamera auf, aber eine zunehmende Anzahl von Mobiltelefonen ist mit Megapixelkameras ausgerüstet. Kürzlich wurden nacheinander 5- und 7-Megapixelkameras auf den Markt gebracht, und die Funktionalität des Kameramoduls der Mobiltelefone wurde ausgebaut. Insbesondere, da ein direkter Wettbewerb mit den Digitalkameras erwartet wird, werden Funktionen wie automatischer Fokus und automatischer optischer Zoom erforderlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird der Einbau eines Linsenverstellaktuators und LSI-Treibers mit niedrigem Energieverbrauch und einer geringen Baugröße dringend notwendig. In jüngster Zeit wird dabei das Hauptaugenmerk auf Linsenverstellvorrichtungen, die ein Piezo-Element verwenden, gerichtet.
Piezo-Element-Verstelleinrichtungen entwickeln überhaupt keine Geräusche und Vibrationen, und ihr Energieverbrauch ist um ein Drittel deutlich geringer im Vergleich zu gewöhnlichen Verstellvorrichtungen, die einen Motor verwenden.
Jedoch werden Piezo-Elemente im Resonanzbetrieb bei einer Spannung größer oder gleich 10 Volt betrieben. Aus diesem Grund arbeitet ein Piezo-Element nicht normal, oder seine Betriebseffizienz wird signifikant eingeschränkt, falls das Betriebssignal nicht akkurat an die Resonanzfrequenz angepasst ist. Demzufolge ist es wichtig, die akkurate Resonanzfrequenz einzustellen.
Es ist jedoch schwer, die akkurate Resonanzfrequenz einzustellen, da das Resonanzfrequenzband eines Piezo-Elements sehr klein ist und die Streuung der Resonanzfrequenz zum Zeitpunkt der Herstellung stark schwankt.
1A zeigt in einem Blockdiagramm eine Piezo-Aktuator-Treiberschaltung 100 entsprechend dem Stand der Technik. 1B stellt in einem Schaltdiagramm einen Piezo-Treiber 120 und ein Piezo-Element 130a der Treiberschaltung 100 dar.
Wie in 1A dargestellt, umfasst die gewöhnliche Piezo-Aktuator-Treiberschaltung 100 einen Frequenzoszillator 110, der eine Resonanzfrequenz F_res des Piezo-Aktuators 130 erzeugt, den Piezo-Treiber 120, der den Piezo-Aktuator 130 treibt, und einen Piezo-Aktuator 130, der aus vier Piezo-Elementen 130a bis 130b besteht.
Die Resonanzfrequenz F_res kann durch einen Oszillator außerhalb der Treiberschaltung 100 erzeugt werden, und der Piezo-Treiber 120 gibt vier Phasensignale A1 bis A4 aus, die den Piezo-Aktuator 130 treiben.
Wie in 1B dargestellt, umfasst der Piezo-Treiber 120 einen Taktgenerator 121, der einen Spannungstakt V_PULSE einer konstanten Periode erzeugt, eine erste Treiberstufe 122, die den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 121 empfängt und den Spannungstakt V_PULSE zum Ausgang puffert, und eine zweite Treiberstufe 123, die den Spannungstakt V_PULSE, der von der ersten Treiberstufe 122 gepuffert und ausgegeben wurde, in einen Stromtakt zur Ausgabe umwandelt.
Die erste Treiberschaltung 122 umfasst einen puffernden Inverter, der den Spannungstakt V_PULSE, der von dem Taktgenerator 121 erzeugt wird, puffert.
Die zweite Treiberstufe 123 umfasst eine erste Stromquelle 123a, die einen Stromtakt zur Aufladung eines Piezo-Aktuators 130 übermittelt, ein erstes Schaltelement 123b, das den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 121 empfängt und das mit einer Spannungsversorgung VDD und der ersten Stromquelle 123a verbunden ist, eine zweite Stromquelle 123c, die den Stromtakt zur Entladung des Piezo-Aktuators 130 überträgt, und ein zweites Schaltelement 123d, das den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 121 empfängt und das mit einer Masse und der zweiten Stromquelle 123c verbunden ist.
Das erste Schaltelement 123b ist ein PMOS-Transistor, und das zweite Schaltelement 123d ist ein NMOS-Transistor. Die ersten und zweiten Schaltungselemente 123b und 123d werden in Abhängigkeit des Spannungstakts V_PULSE, der von dem Taktgenerator 121 erzeugt wird, an- und ausgeschaltet und erzeugen so einen Stromtakt zum Betrieb des Piezo-Aktuators 130.
Die den Piezo-Aktuator 130 umfassenden Piezo-Elemente können durch einen Widerstand, eine Induktivität und einer Kapazität als passive Elemente modelliert werden. Jedes der Piezo-Elemente umfasst eine Induktivitätsstufe, die aus einer Induktivität 131, einer ersten Kapazität 132 und einem Widerstand 133, die in Reihe geschaltet sind, besteht, und eine zweite Kapazität 134, die parallel zu der Induktivitätsstufe zur Resonanzbildung geschaltet ist und die durch den von der zweiten Treiberstufe 123 erzeugten Stromtakt aufge- und entladen wird, um eine konstante Amplitude der Betriebsspannung V_ACT aufrecht zu erhalten.
In der oben beschriebenen Piezo-Aktuator-Treiberschaltung des Stands der Technik ist die Resonanzfrequenz, die vom Resonanzoszillator ausgegeben wird, festgelegt, auch wenn sich der Resonanzpunkt aufgrund einer Temperaturänderung oder einer Änderung des Herstellungsverfahrens des Piezo-Elements ändert. Dadurch ist es unmöglich, eine akkurate Resonanzfrequenz zu steuern.
Da die akkurate Resonanzfrequenz nicht gesteuert werden kann, ist es wahrscheinlich, dass sich die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators verschlechtert oder der Piezo-Aktuator ausfällt.
Des Weiteren kann die Resonanzfrequenz, die von dem Frequenzoszillator ausgegeben wird, von Außen beeinflusst werden. In diesem Fall steigen die Produktionskosten signifikant, und die Produktivität wird verringert, da für jeden Piezo-Aktuator eine andere Resonanzfrequenz eingestellt werden muss.
Bei Verschiebung der Resonanzfrequenz kann es weiterhin dazu kommen, dass bei definierter Treiberspannung die resultierende Stromhöhe nicht mehr zum Betrieb des Piezo-Aktuators ausreicht, was in aller Regel bei einer fertig montierten Baueinheit einen Totalausfall bedeutet. Zur Verhinderung schlägt die Schrift DE 10 2006 030 818 A1 vor, eine zweistufige Treiberschaltung zu verwenden, bei der in einer ersten Stufe eine frequenzgesteuerte Treiberspannung erzeugt wird, welche in einer zweiten Stufe in einen frequenzgesteuerten Treiberstrom gewandelt wird. Wenngleich Abweichungen der erzeugten Frequenz von der tatsächlichen Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators auftreten können, so wird die Verwendbarkeit der Baueinheit nicht gefährdet.
Eine Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators und der vom Resonanzoszillator vorgegebenen Resonanzfrequenz wird durch eine Schaltung gemäß US 6,819,027 B2 angetrebt. Aus der Kenntnis über die Eigenschaften des Piezo-Aktuators – ohne genaue Kenntnis der exakten Resonanzfrequenz – läßt sich auf den zu erwartenden Strom bei der Resonanzfrequenz schließen. Im Umkehrschluss wird angenommen, dass wenn der Strom einen entsprechenden Wert erreicht, auch die Resonanzfrequenz eingestellt ist. Zu diesem Zweck weist die Treiberschaltung eine Strommesseinrichtung auf, deren Messwert zurück zum Resonanzoszillator geführt wird. Unter Berücksichtigung von Toleranzen wird ein Mindestwert für den Strom festgelegt. Nunmehr wird die vom Resonanzoszillator erzeugte Frequenz solange verändert, bis der von der Strommesseinrichtung ermittelte Strom den Mindestwert erreicht.
Zwar kann mit vorbeschriebener Lösung eine ungefähre Nachführung der Frequenz zur Resoanzfrequenz erfolgen. Jedoch ist dieses Verfahren von einigen Unsicherheiten, insbesondere der vorherigen genauen Bestimmung des zu erwartenden Stroms bei geringen Toleranzen, abhängig. Dass das Verfahren zur richtigen Resonazfrequenz führt, ist zumindest nicht hinreichend sichergestellt. Weiterhin ist in dieser Lösung aus dem Stand der Technik zur Realisierung eine aufwendige Schaltung, insbesondere mit einer induktiven Trennung zwischen der Treiberstufe und dem Piezo-Aktuator, erforderlich.
Einen anderen Weg zur Reduzierung des Stromverbrauchs bei der Ansteuerung von Piezo-Aktuatoren wird in der Druckschrift EP 1 079 447 A2 aufgezeigt. Im Betrieb von Piezo-Aktuatoren sind wiederkehrende Ladungswechsel erforderlich. Zwei Piezo-Aktuatoren können nunmehr derart über eine Schaltungsanordnung verbunden werden, dass ein Ladungsabbau bei einen Piezo-Aktuator genutzt wird zur Unterstützung des Ladungsaufbaus beim jeweils anderen Piezo-Aktuator.
Der Einsatz von Piezo-Aktuatoren zur Bewegung von Linsen bei Kameras wird in der US 6,249,093 B1 offenbart. Die hierbei eingesetzte mehrstufige verschachtelte Schaltungsanordnung ermöglicht eine Bewegungen der mittels Piezo-Aktuator zu verstellenden Linse bei verschiedenen Geschwindigkeiten.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie eine frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung vorschlägt, die die von einem Piezo-Aktuator aufgenommenen Ströme zur automatischen Steuerung der Resonanzfrequenz misst, so dass die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators erhöht werden kann, und die eine Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund einer Herstellungsverfahrensänderung oder einer Temperaturänderung vornehmen kann, und die vor Kurzschluss oder Leerlauf geschützt werden kann, und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltung.
Weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden allgemeinen erfinderischen Konzepts werden teilweise durch die folgende Beschreibung erläutert, und werden zum Teil durch die Beschreibung offensichtlich oder können durch Umsetzung des allgemeinen erfinderischen Konzepts erkannt werden.
In der vorliegenden Erfindung wird ein in 2A dargestelltes Strommessverfahren verwendet. 2A zeigt ein Verfahren zur Messung eines Stromes, der von einem Piezo-Aktuator aufgenommen wird, entsprechend dieser Erfindung. 2B zeigt in einem Diagramm die Admittanz Y in Abhängigkeit der Frequenz des Piezo-Aktuators entsprechend der Erfindung.
Um den von dem Piezo Aktuator 130 aufgenommenen Strom zu messen, wird, wie in den 2A und 2B dargestellt, ein Widerstand R zwischen der Spannungsversorgung VDD und dem Piezo-Aktuator zur Messung eines Stromes I, der durch den Widerstand R fließt, eingeschaltet. Nachdem die Ergebnisse, die durch das in 2A dargestellte Verfahren gemessen wurden, in Form der Admittanz Y in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt werden, wird die Resonanzfrequenz F_res an einem Punkt P, bei dem die an beiden Seiten des Widerstands anliegende Spannung am höchsten ist, eingestellt, wobei in diesem Fall der verbrauchte Strom I am höchsten ist, so dass die Admittanz am kleinsten ist.
Während die Resonanzfrequenz um ein vorbestimmtes Intervall verändert wird, kann durch Verwendung eines solchen Charakteristikums die aufgenommene Strommenge an jeden Resonanzfrequenzpunkt ermittelt werden, so dass die Resonanzfrequenz automatisch gesteuert wird. Somit ist es möglich, den Piezo-Aktuator effizienter zu betreiben, selbst wenn die Resonanzfrequenz aufgrund einer Veränderung des Herstellungsverfahrens oder der Temperatur sich ändert.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung umfasst die frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung einen Piezo-Aktuator, der von einer konstanten Amplitude eines Treiberspannungstakts betrieben wird; einen Piezo-Treiber, der zum Betrieb des Piezo-Aktuators mit diesem verbunden ist; eine Frequenzsteuerung, die mit dem Piezo-Treiber so verbunden ist, dass sie den vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Strom beim Betrieb des Piezo-Aktuators durch den Piezo-Treiber zur Erkennung einer der maximalen Stromkomponente zugeordneten Frequenz unter den gemessenen Strömen misst, und die ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der genannten Frequenz erzeugt; und einen Frequenzsynthesizer, der entsprechend dem Frequenzsteuerungssignal der Frequenzsteuerung eine Frequenz des Piezo-Aktuators festlegt und dem Piezo-Treiber diese festgelegte Frequenz liefert.
Der Piezo-Treiber umfasst einen Taktgenerator zur Erzeugung eines Spannungstakts mit festgelegter Frequenz; eine erste Treiberstufe, die den Spannungstakt des Taktgenerators empfängt und den Spannungstakt zum Ausgang puffert; und eine zweite Treiberstufe, die den Spannungstakt, der von der ersten Treiberstufe gepuffert und ausgegeben wurde, in einen Stromtakt umwandelt und an den Piezo-Aktuator ausgibt.
Die erste Treiberstufe ist ein puffernder Inverter.
Die zweite Treiberstufe umfasst eine erste Stromquelle zur Übertragung eines Stromtaktes zur Aufladung des Piezo-Aktuators; ein erstes Schaltelement zum Empfang des Spannungstakts des Taktgenerators, das mit einer Versorgungsspannung und mit der ersten Stromquelle verbunden ist; eine zweite Stromquelle zur Übertragung eines Stromtakts zur Entladung des Piezo-Aktuators; und ein zweites Schaltelement zum Empfang des Spannungstakts des Taktgenerators, das mit einer Masse und mit der zweiten Stromquelle verbunden ist.
Das erste Schaltelement ist ein PMOS-Transistor und das zweite Schaltelement ein NMOS-Transistor.
Der PMOS-Transistor schaltet zur Aufladung des Piezo-Aktuators durch, wenn der Spannungstakt des Taktgenerators einen niedrigen Wert annimmt.
Der NMOS-Transitor schaltet zur Entladung des Piezo-Aktuators durch, wenn der Spannungstakt des Taktgenerators einen hohen Wert annimmt.
Der Piezo-Aktuator umfasst eine Induktivitätsstufe, die aus einer Induktivität, einer ersten Kapazität und einem Widerstand, die in Reihe geschaltet sind, besteht; und eine zweite Kapazität, die parallel zu der Induktivitätsstufe zur Resonanzbildung geschaltet ist, und die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude des Treiberspannungstakts durch den von der zweiten Treiberstufe ausgegebenen Stromtakt ge- und entladen wird.
Die Frequenzsteuerung umfasst einen Stromdetektor, der mit dem Piezo-Treiber zur Erkennung und Messung des vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Stromes verbunden ist; einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Stromdetektor zu Umwandlung des gemessenen Stromes in Digitalwerte verbunden ist; ein erstes Register, das mit dem Analog-Digital-Wandler zur Speicherung der umgewandelten digitalen Daten verbunden ist; einen Mikrocontroller, der die in dem ersten Register gespeicherten digitalen Daten empfängt und Frequenzdaten, die den digitalen Daten der maximalen Stromkomponente unter den empfangenen digitalen Daten zugeordnet sind, erkennt; ein zweites Register, das die vom Mikrocontroller erkannten Frequenzdaten speichert; eine Steuerungs-Ein/Ausgabevorrichtung, die mit dem Mikrocontroller und mit dem ersten und zweiten Register verbunden ist, um die digitalen Daten des ersten Registers dem Mikrocontroller zuzuführen, und die Ausgabe der Frequenzdaten des Mikrocontrollers dem zweiten Register zuzuführen; und eine Frequenzsignalsteuerung, die mit dem zweiten Register und dem Frequenzsynthesizer zur Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals für den Frequenzsynthesizer in Abhängigkeit der Frequenzdaten des zweiten Registers verbunden ist.
Die frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung umfasst des Weiteren eine Schutzschaltung, die mit dem Piezo-Treiber und dem Stromdetektor zur Verhinderung eines Kurzschlusses oder Leerlaufs der Treiberschaltung verbunden ist.
Die Schutzschaltung umfasst eine Leerlaufschutzschaltung und eine Kurzschlussschutzschaltung.
Die Amplitude des Treiberspannungstakts ist größer oder gleich 10 Spitzenspannungen.
Die von dem Mikrocontroller erkannte Frequenz ist eine Resonanzfrequenz.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators folgende Schritte: Frequenzsteuerung durch Messung des vom Piezo-Treiber zum Betrieb des Piezo-Aktuators aufgenommenen Stroms; Erkennung einer der maximalen Stromkomponente unter den gemessenen Strömen zugeordneten Frequenz; und Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals entsprechend der erkannten Frequenz; Festlegung einer Frequenz in Abhängigkeit des erzeugten Frequenzsteuerungssignals und Erzeugung der festgelegten Frequenz; Erzeugung eines Spannungstakts mit der festgelegten Frequenz zum Treiben des Piezo-Aktuators.
Der Schritt der Frequenzsteuerung umfasst folgende Schritte: Starten eines Zeitgebers mit konstanter Zeitdauer; Setzen eines anfänglichen Frequenzwertes; Bestimmung und Messung eines Stromes entsprechend der gesetzten Frequenz; Speichern des gemessenen Stromes; Heraussuchen der maximalen Stromkomponente unter den gespeicherten Strömen; Bestimmung, ob die herausgesuchte Stromkomponente eine maximale Stromkomponente ist; Bestimmung einer der maximalen Stromkomponente zugeordneten Frequenz zur Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals entsprechend der erkannten Frequenz, falls die herausgesuchte Stromkomponente die maximale Stromkomponente ist; und Überprüfung des Zeitgebers zur Bestimmung, ob die Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht.
Die Frequenz wird um ein Intervall verschoben und es wird zum Schritt der Bestimmung und Messung eines Stroms zurückgekehrt, falls erkannt wird, dass die bestimmte Stromkomponente nicht die maximale Stromkomponente ist.
Es wird zum Schritt der Bestimmung einer Frequenz zurückgekehrt, falls festgestellt wird, dass die Zeitdauer des Zeitgebers noch nicht abgelaufen ist.
Es wird zum Starten des Zeitgebers zurückgekehrt, falls festgestellt wird, dass die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist.
Der Schritt zur Bestimmung und Messung eines Stroms umfasst des Weiteren einen Schutz einer Treiberschaltung vor Leerlauf und Kurzschluss.
Die Resonanzfrequenz wird im Rahmen der Bestimmung einer Frequenz erkannt.
Der Schritt der Erzeugung eines Spannungstakts zum Treiben des Piezo-Aktuators umfasst die folgenden Schritte: Erzeugung eines Spannungstakts mit der Frequenz, die im Schritt der Festlegung und Erzeugung einer Frequenz ermittelt wurde; Puffern des erzeugten Spannungstakts; Umwandeln des erzeugten Spannungstakts in einen Stromtakt; Aufladen des Piezo-Aktuators mit dem umgewandelten Stromtakt, falls der erzeugte Stromtakt einen niedrigen Wert annimmt, Entladen des Piezo-Aktuators mit dem umgewandelten Stromtakt, falls der erzeugte Spannungstakt einen hohen Wert annimmt; und Aufrechterhaltung eines konstanten Treiberspannungstakts während der Auf- und Entladeschritte des Piezo-Aktuators zum Treiben des Piezo-Aktuators.
Während des Schritts der Aufrechterhaltung eines konstanten Treiberspannungstakts wird der Treiberspannungstakt größer oder gleich 10 Spitzenspannungen aufrechterhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und/oder weitere Aspekte und Vorteile des vorliegenden, allgemeinen erfinderischen Konzepts werden offensichtlich und können anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser erkannt werden.
1A zeigt ein Blockdiagramm, das eine Piezo-Aktuator-Treiberschaltung des Stands der Technik darstellt;
1B zeigt einen Schaltplan eines Piezo-Treibers und eines Piezo-Elements des Piezo-Aktuators entsprechend dem Stand der Technik;
2A zeigt in einem Diagramm ein Verfahren zur Messung des von einem Piezo-Aktuator aufgenommenen Stroms entsprechend der vorliegenden Erfindung;
2B zeigt in einem Diagramm den Admittanzverlauf in Abhängigkeit der Frequenz des Piezo-Aktuators entsprechend der Erfindung;
3A ist ein Blockdiagramm, das eine Piezo-Aktuator-Treiberschaltung entsprechend einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
3B zeigt einen Schaltplan eines Piezo-Treibers und eines Piezo-Elements der Piezo-Aktuator-Treiberschaltung entsprechend dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3C stellt in einem Blockdiagramm eine Frequenzsteuerung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar;
3D ist ein Blockdiagramm, das eine Frequenzsteuerung der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4A zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betrieb der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung;
4B zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betrieb der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4C zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren, bei dem die Frequenzsteuerung der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Frequenz steuert;
4D zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren, bei dem die Frequenzsteuerung der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Frequenz steuert;
4E ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren, bei dem der Piezo-Treiber der ersten und zweiten Ausführungsform einen Piezo-Aktuator treibt, zeigt;
5 zeigt in einem Diagramm eine Änderung der Strommenge, die vom Piezo-Aktuator in Abhängigkeit eines Frequenzsweeps aufgenommen wird; und
6 zeigt in einem Diagramm ein Ausgangssignal eines Piezo-Aktuators entsprechend der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Detail wird nun auf die Ausführungsformen der vorliegenden allgemeinen erfinderischen Idee Bezug genommen, wobei Beispiele hiervon durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, und Bezugszeichen durchgängig auf jeweils identische Elemente verweisen. Die Ausführungsformen werden nachfolgend der Reihe nach erläutert, um das vorliegende allgemeine erfinderischen Konzept unter Bezugnahme auf die Figuren zu erklären.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführungsform
3A zeigt in einem Blockdiagramm eine Piezo-Aktuator-Treiberschaltung 300 entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 3B ist ein Schaltdiagramm, das einen Piezo-Treiber 320 und ein Piezo-Element 330a der Piezo-Aktuator-Treiberschaltung 300 darstellt.
Wie in 3A dargestellt, umfasst die Piezo-Aktuator-Treiberschaltung 300 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel einen Piezo-Aktuator 330, der von einer konstanten Amplitude eines Treiberspannungstakts betrieben wird, einen Piezo-Treiber 320, der mit dem Piezo-Aktuator 330 zum Betrieb des Piezo-Aktuators 330 verbunden ist, eine Frequenzsteuerung 340, die mit dem Piezo-Treiber 320 verbunden ist, um den von dem Piezo-Treiber 320 zum Betrieb des Piezo-Aktuators 330 aufgenommenen Strom zu messen und um eine Frequenz, die der maximalen Stromkomponente unter den gemessenen Strömen zugeordnet ist, zu erkennen und um ein Frequenzsteuerungssignal V_fcontrol entsprechend der erkannten Frequenz zu erzeugen, und einen Frequenzsynthesizer 310, der eine Frequenz F_res des Piezo-Aktuators 330 in Abhängigkeit von dem Frequenzsteuerungssignal V_fcontrol der Frequenzsteuerung 340 festlegt und die festgelegte Frequenz F_res des Piezo-Treibers 320 erzeugt.
Hierbei gibt der Piezo-Treiber 320 vier Phasensignale B1 bis B4 zum Betrieb des Piezo-Aktuators 330 aus.
Wie in 3B dargestellt, umfasst der Piezo-Treiber 320 einen Taktgenerator 321, der einen Spannungstakt V_PULSE mit einer festgelegten Frequenz erzeugt, eine erste Treiberstufe 322, die den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 321 empfängt und den Spannungstakt V_PULSE zum Ausgang puffert, und eine zweite Treiberstufe 323, die den Spannungstakt V_PULSE, der von der ersten Treiberstufe 322 gepuffert und ausgegeben wurde, in einen Stromtakt zur Ausgabe an den Piezo-Aktuator 330 wandelt.
Die erste Treiberstufe 322 umfasst einen puffernden Inverter, der den Spannungstakt V_PULSE, der von dem Taktgenerator 321 erzeugt wird, puffert.
Die zweite Treiberstufe 323 umfasst eine erste Stromquelle 323a, die den Stromtakt zur Aufladung des Piezo-Aktuators 330 überträgt, ein erstes Schaltelement 323b, das den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 312 empfängt und das mit einer Spannungsversorgung VDD und der ersten Stromquelle 323a verbunden ist, eine zweite Stromquelle 323c, die den Stromtakt zur Entladung des Piezo-Aktuators 330 überträgt, und ein zweites Schaltelement 323d, das den Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 321 empfängt und das mit einer Masse und der zweiten Stromquelle 323c verbunden ist.
Das erste Schaltelement 323b ist ein PMOS-Transistor und das zweite Schaltelement 323d ist ein NMOS-Transistor. Demzufolge werden das erste und zweite Schaltelement 323b und 323d in Abhängigkeit des Spannungstakts V_PULSE, der von dem Taktgenerator 321 erzeugt wird, an- und ausgeschaltet, um einen Stromtakt zum Betrieb des Piezo-Aktuators 330 zu erzeugen.
Wenn der Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 321 niedrig ist, wird der PMOS-Transistor 323b zur Aufladung des Piezo-Aktuators 330 durchgeschaltet. Wenn der Spannungstakt V_PULSE des Taktgenerators 321 hoch ist, wird der NMOS-Transistor 323d zur Entladung des Piezo-Aktuators 330 durchgeschaltet. Ein solches Aufladen und Entladen ermöglicht eine Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude des Treiberspannungstakts V_ACT, die den Piezo-Aktuator 330 treibt. Gleichzeitig sollte die Amplitude des Treiberspannungstakts V_ACT, die den Piezo-Aktuator 330 treibt, größer oder gleich 10 Spitzenspannungen sein.
Der Piezo-Aktuator 330 umfasst eine Vielzahl von Piezo-Elementen 330a bis 330d, von der jedes durch einen Widerstand, eine Induktivität und eine Kapazität als passive Elemente modelliert werden kann. Jedes dieser Piezo-Elemente 330a bis 330d umfasst eine Induktivitätsstufe, die aus einer Induktivität 331, einer ersten Kapazität 332 und einem Widerstand 333, die in Reihe geschaltet sind, besteht, und eine zweite Kapazität 334, die parallel zu der Induktivitätsstufe zur Resonanzbildung geschaltet ist, und die eine konstante Amplitude des Treiberspannungstakts V_ACT durch Aufladung und Entladung mittels des Stromtakts, der von der zweiten Treiberstufe 323 ausgegeben wird, aufrecht erhält.
3C stellt in einem Blockdiagramm die Frequenzsteuerung 340 der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 3 dargestellt, umfasst die Frequenzsteuerung 340 der ersten Ausführungsform einen Stromdetektor 341, der mit dem Piezo-Treiber zur Erkennung und Messung eines von dem Piezo-Aktuator aufgenommenen Stromes verbunden ist, einen Analog-Digital-Wandler 342, der mit dem Stromdetektor 341 zur Umwandlung der gemessenen Ströme in digitale Daten verbunden ist, ein erstes Register 343, das mit dem Analog-Digital-Wandler 342 zur Speicherung der umgewandelten digitalen Daten verbunden ist, einen Mikrocontroller 344, der die in dem ersten Register 343 gespeicherten digitalen Daten empfängt, um eine Frequenz entsprechend der digitalen Daten zu erkennen, die dem maximalen Strom der eingegebenen digitalen Daten zugeordnet ist, ein zweites Register 345, das die von dem Mikrocontroller 344 erkannte Frequenz speichert, eine Steuerungs-Ein-Ausgabevorrichtung 346, die mit dem ersten und zweiten Register 343 und 345 und dem Mikrocontroller 344 zur Eingabe der digitalen Daten des ersten Registers 343 zum Mikrocontroller 344 und zur Ausgabe der Frequenzdaten des Mikrocontrollers 344 zum zweiten Register 345 verbunden ist, und eine Frequenzsignalsteuerung 347, die mit dem zweiten Register 345 und dem Frequenzsynthesizer verbunden ist und die ein Frequenzsteuerungssignal an den Frequenzsynthesizer in Abhängigkeit der in dem zweiten Register 345 gespeicherten Frequenz ausgibt.
Die von dem Mikrocontroller 344 erkannten Frequenzdaten stellen die Resonanzfrequenzdaten des Piezo-Aktuators dar, so dass ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der Resonanzfrequenzdaten generiert wird. Demzufolge wird der Piezo-Aktuator mit der Resonanzfrequenz betrieben, um die Betriebseffizienz zu erhöhen.
4A zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zum Betrieb der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 4C ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren darstellt, bei dem die Frequenzsteuerung der ersten Ausführungsform der Erfindung eine Frequenz steuert. 4E ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, bei dem ein Piezo-Treiber der ersten Ausführungsform der Erfindung einen Piezo-Aktuator treibt.
Wie in 4A dargestellt, kann das Verfahren zum Betrieb der Treiberschaltung der ersten Ausführungsform grob in drei Schritte eingeteilt werden.
Als erstes werden die Ströme, die vom Piezo-Treiber, der den Piezo-Aktuator antreibt, aufgenommen werden, gemessen, und die der maximalen Stromkomponente zugeordnete Frequenz aus den gemessenen Strömen wird erkannt, und ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der erkannten Frequenz wird erzeugt (S401a).
In Übereinstimmung mit dem erzeugten Frequenzsteuersignal wird eine Frequenz festgelegt. Anschließend wird die festgelegte Frequenz erzeugt (S402a).
Ein Spannungstakt mit der festgelegten Frequenz wird zum Betrieb des Piezo-Aktuators erzeugt (S403a).
Innerhalb der in 4A dargestellten Schritte wird der Schritt S401a entsprechend dem in 4C dargestellten Flussdiagramm ausgeführt. Die Beschreibung dieser Ausführung ist im Folgenden erläutert.
Als erstes wird ein Zeitgeber mit einer konstanten Zeitdauer gestartet (S401c).
Anschließend wird ein anfänglicher Frequenzwert festgelegt (S402c).
Anschließend wird ein Strom entsprechend der festgelegten Frequenz erkannt, und der Wert des Stromes wird gemessen (S403c).
Anschließend wird der gemessene Strom gespeichert (S404c)
Nachfolgend wird die maximale Stromkomponente unter den gespeicherten Strömen herausgesucht (S405c)
Nachfolgend wird bestimmt, ob der erkannte Strom der maximale Strom ist oder nicht (S406c).
Hieran anschließend wird die Frequenz entsprechend dem maximalen erkannten Strom erkannt, falls der erkannte Strom der maximale Strom ist, und hieraus wird ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der erkannten Frequenz erzeugt (S407c).
Schließlich wird der Zeitgeber überprüft, um zu bestimmen, ob die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist oder nicht (S410c).
Falls der im Schritt S406c erkannte Strom nicht der maximale Strom ist, wird die Frequenz um ein Intervall verschoben (S408c). Der Ablauf wird beim Schritt S403c fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden abgearbeitet.
Falls im Schritt S410c erkannt wurde, dass die Zeitdauer des Zeitgebers noch nicht abgelaufen ist, wird der Ablauf beim Schritt S407c fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden ausgeführt. Falls erkannt wurde, dass die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist, wird der Ablauf beim Schritt S401c fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden abgearbeitet.
Im Schritt S407c wird die Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators erkannt, so dass ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der Resonanzfrequenz erzeugt werden kann. Somit wird der Piezo-Aktuator mit der Resonanzfrequenz betrieben, um seine Betriebseffizienz zu steigern.
Unter den in 4A dargestellten Schritten wird der Schritt S403a entsprechend dem in 4E dargestellten Flussdiagramm abgearbeitet, dessen Beschreibung nachfolgend wiedergegeben wird.
Als erstes wird ein Spannungstakt mit der in Schritt S402a erzeugten Frequenz erzeugt (S401e).
Nachfolgend wird der erzeugte Spannungstakt gepuffert (S402e).
Daran anschließend wird der gepufferte Spannungstakt in einen Stromtakt umgewandelt (S403e).
Anschließend, falls der erzeugte Spannungstakt einen niedrigen Wert aufweist, wird der Piezo-Aktuator durch den umgewandelten Stromtakt aufgeladen. Falls der erzeugte Spannungstakt einen hohen Wert aufweist, wird der Piezo-Aktuator durch den umgewandelten Stromtakt entladen (S404e).
Schließlich wird durch den Auf- und Entladeschritt des Piezo-Aktuators eine konstante Amplitude des Betriebsspannungstakts aufrechterhalten (S405e). Dabei wird der Betriebsspannungstakt mit einer Amplitude von mehr als 10 Spitzenspannungen aufrechterhalten.
Zweite Ausführungsform
Das Blockdiagramm der Piezo-Aktuator-Treiberschaltung entsprechend der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht dem Blockdiagramm des Piezo-Aktuators entsprechend der ersten Ausführungsform, die in 3A dargestellt ist. Der Schaltplan des Piezo-Aktuators und des Piezo-Elements der Treiberschaltung entsprechend der zweiten Ausführungsform entspricht dem Schaltplan des Piezo-Treibers und des Piezo-Elements der Treiberschaltung entsprechend der ersten Ausführungsform, die in 3B dargestellt ist.
Die Frequenzsteuerung der zweiten Ausführungsform ist so aufgebaut, dass eine Schutzschaltung in der Frequenzsteuerung 340 der ersten Ausführungsform, die in 3C dargestellt ist, enthalten ist. 3D zeigt den Aufbau.
3D ist ein Blockdiagramm, das die Frequenzsteuerung 340 der zweiten Ausführungsform entsprechend der Erfindung darstellt. Wie in 3D dargestellt, umfasst die Frequenzsteuerung 340 einen Stromdetektor 341, der mit dem Piezo-Treiber zur Erkennung und Messung von Strömen, die von dem Piezo-Treiber aufgenommen wurden, verbunden ist, eine Schutzschaltung 348, die mit dem Piezo-Treiber und dem Stromdetektor 341 zum Schutz der Treiberschaltung vor Kurzschluss oder Leerlauf verbunden ist, einen Analog-Digital-Wandler 342, der mit dem Stromdetektor 341 zur Umwandlung des gemessenen Stroms in digitale Daten verbunden ist, ein erstes Register 343, das mit dem Analog-Digital-Wandler 342 zur Speicherung der umgewandelten digitalen Daten verbunden ist, einen Mikrocontroller 344, der die digitalen Daten, die in dem ersten Register 343 gespeichert sind, zur Erkennung der Frequenzdaten entsprechend den digitalen Daten der maximalen Stromkomponente unter den eingegebenen digitalen Daten empfängt, ein zweites Register 345, das die Frequenzdaten, die von dem Mikrocontroller 344 erkannt wurden, speichert, eine Steuerungs-Ein-Ausgabevorrichtung 346, die mit dem ersten und zweiten Register 343 und 345 und dem Mikrocontroller 344 zur Eingabe der digitalen Daten des ersten Registers 343 in den Mikrocontroller 344 und zur Ausgabe der Frequenzdaten des Mikrocontrollers 344 in das zweite Register 345 verbunden ist, und die Frequenzsignalsteuerung 347, die mit dem zweiten Register 345 und dem Frequenzsynthesizer zur Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals für den Frequenzsynthesizer in Übereinstimmung mit den in dem zweiten Register 345 gespeicherten Frequenzdaten verbunden ist.
Die Schutzschaltung 348 umfasst eine Leerlaufschutzschaltung 348a und eine Kurzschlussschutzschaltung 348b, die die Treiberschaltung vor Leerlauf oder Kurzschluss schützt, um es zu ermöglichen, die Schaltung vor Schädigungen bei Defekten der Schaltung zu schützen.
Die von dem Mikrocontroller 344 erkannten Frequenzdaten werden zur Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators, so dass ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der Resonanzfrequenz erzeugt wird. Demzufolge wird der Piezo-Aktuator mit der Resonanzfrequenz betrieben, um seine Effizienz zu erhöhen.
Auf der anderen Seite ist das Verfahren, mit dem der Piezo-Treiber der zweiten Ausführungsform den Piezo-Aktuator antreibt, das Gleiche wie das Verfahren, mit dem der Piezo-Treiber der in 4E dargestellten ersten Ausführungsform den Piezo-Aktuator antreibt. Jedoch wird im Nachfolgenden ein Schritt S401e der zweiten Ausführungsform erläutert, in dem ein Spannungstakt mit einer festgelegten Frequenz, die im Schritt S402b festgelegt wurde, erzeugt wird.
Da die Schutzschaltung in der Frequenzsteuerung der zweiten Ausführungsform enthalten ist, unterscheiden sich das Verfahren zum Betrieb der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung und das Verfahren, bei dem die Frequenzsteuerung eine Frequenz steuert, geringfügig von den Verfahren, die in den 4A bis 4C dargestellt sind. Die 4B und 4D erläutern den Unterschied.
4B zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Betrieb der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung und 4D erläutert in einem Flussdiagramm ein Verfahren, bei dem die Frequenzsteuerung der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Frequenz steuert.
Wie in 4B dargestellt, ist das Verfahren zum Betrieb der Treiberschaltung der zweiten Ausführungsform grob in drei Schritte unterteilt.
Zuerst werden die vom Piezo-Treiber verbrauchten Ströme zum Betrieb des Piezo-Aktuators gemessen, und gleichzeitig wird erkannt, ob die Treiberschaltung leer läuft oder sich im Kurzschluss befindet, um die Treiberschaltung zu schützen. Die der maximalen Stromkomponente zugeordnete Frequenz unter den gemessenen Strömen wird erkannt, so dass ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der erkannten Frequenz erzeugt wird (S401b).
Eine Frequenz wird in Abhängigkeit des erzeugten Frequenzsteuerungssignals festgelegt, und die festgelegte Frequenz wird erzeugt (S402b).
Ein Spannungstakt mit der festgelegten Frequenz wird zum Betrieb des Piezo-Aktuators erzeugt (S403b).
Unter den in 4B dargestellten Schritten wird der Schritt S401b entsprechend dem in 4D dargestellten Flussdiagramm abgearbeitet, dessen Beschreibung im Nachfolgenden erläutert wird.
Als erstes wird ein Zeitgeber mit einer konstanten Zeitdauer betrieben (S401d).
Als Nächstes wird ein anfänglicher Wert einer Frequenz festgelegt (S402d).
Nachfolgend wird ein Strom entsprechend der festgelegten Frequenz erkannt und gemessen, und gleichzeitig wird erkannt, ob sich die Treiberschaltung im Leerlauf oder Kurzschluss befindet, um die Treiberschaltung zu schützen (S403d).
Nachfolgend wird der gemessene Strom gespeichert (S404d).
Daraufhin wird die maximale Stromkomponente unter den gemessenen Strömen herausgesucht (S405d).
Daran anschließend wird bestimmt, ob die gesuchte Stromkomponente der maximale Strom ist oder nicht (S406d).
Daran anschließend wird der erkannte Strom als maximaler Strom angenommen, eine Frequenz entsprechend der maximalen Stromkomponente wird erkannt, und ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend dieser erkannten Frequenz wird erzeugt (S407d).
Schließlich wird der Zeitgeber überprüft (S409d), und es wird bestimmt, ob die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist oder nicht (S410d).
Falls der im Schritt S406d erkannte Strom nicht der maximale Strom ist, wird die Frequenz um ein Intervall verschoben (S408d). Die Ausführung wird beim Schritt S403d fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden ausgeführt.
Falls im Schritt S410d erkannt wurde, dass die Zeitdauer des Zeitgebers noch nicht abgelaufen ist, wird die Ausführung bei Schritt S407d fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden ausgeführt. Falls erkannt wurde, dass die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist, wird der Ablauf beim Schritt S401d fortgesetzt, und die nachfolgenden Schritte werden durchgeführt.
Da die Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators im Schritt S407d erkannt wurde, wird das Frequenzsteuerungssignal entsprechend der Resonanzfrequenz erzeugt. Hieran anschließend wird der Piezo-Aktuator mit der Resonanzfrequenz betrieben, um die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators zu verbessern.
Entsprechend der frequenzgesteuerten Piezo-Aktuator-Treiberschaltung und dem Verfahren zum Betrieb dieser Treiberschaltung wird der vom Piezo-Aktuator aufgenommene Strom gemessen, um automatisch die Resonanzfrequenz zu steuern, dies ermöglicht eine Steuerung einer Veränderung der Resonanzfrequenz aufgrund von Herstellungsverfahrensveränderungen oder Temperaturänderungen.
5 zeigt in einem Diagramm eine Veränderung der vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Strommenge in Abhängigkeit eines Frequenzsweeps. Wenn eine Frequenz von 132 Kilohertz bis 148 Kilohertz durchgesweept wird, wird ein maximaler Strom an einem Punkt Q entsprechend einer Frequenz von ungefähr 138 Kilohertz aufgenommen, dies ist in 5 dargestellt. Somit kann die Resonanzfrequenz des Piezo-Aktuators auf 138 Kilohertz gesteuert werden. Dadurch kann, selbst wenn sich die Resonanzfrequenz aufgrund einer Herstellungsverfahrensänderung oder Temperaturänderung ändert, die Anwendung der Treiberschaltung und des Verfahrens zum Betrieb dieser Schaltung entsprechend der Erfindung die Resonanzfrequenz so steuern, dass der Piezo-Aktuator am effizientesten betrieben werden kann.
Da die Resonanzfrequenz automatisch gesteuert wird, wird die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators verbessert.
6 zeigt in einem Diagramm das Ausgangsignal des Piezo-Aktuators entsprechend der Erfindung. Vier Signalverläufe sind in 6 entsprechend den Signalverläufen von vier Piezo-Elementen, aus denen sich der Piezo-Aktuator zusammensetzt, dargestellt.
In der vorliegenden Erfindung wird die Resonanzfrequenz gesteuert und der Piezo-Aktuator mit der Resonanzfrequenz betrieben. Somit kann der Spannungstakt mit einer konstanten Amplitude (mehr als 10 Volt) sichergestellt werden, um die Betriebseffizienz des Piezo-Aktuators zu verbessern.
Des Weiteren wird die Menge des vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Stromes gemessen, um die Resonanzfrequenz zu erkennen. Aus diesem Grund kann leicht erkannt werden, ob die Treiberschaltung kurzgeschlossen ist oder sich im Leerlauf befindet, dies ermöglicht es, die Treiberschaltung vor Schaden zu bewahren.

Claims

Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung, umfassend: einen Piezo-Aktuator, der von einer konstanten Amplitude eines Treiberspannungstaktes betrieben wird; einen Piezo-Treiber, der zum Betrieb des Piezo-Aktuators mit diesem verbunden ist; eine Frequenzsteuerung, die mit dem Piezo-Treiber so verbunden ist, dass sie den vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Strom beim Betrieb des Piezo-Aktuators durch den Piezo-Treiber zur Erkennung einer der maximalen Stromkomponente zugeordneten Frequenz unter den gemessenen Strömen misst, und die ein Frequenzsteuerungssignal entsprechend der erkannten Frequenz erzeugt; und einen Frequenzsynthesizer, der entsprechend dem Frequenzsteuerungssignal der Frequenzsteuerung eine Frequenz des Piezo-Aktuators festlegt und dem Piezo-Treiber diese festgelegte Frequenz liefert, wobei der Piezo-Treiber weiterhin Folgendes umfasst: einen Taktgenerator zur Erzeugung eines Spannungstakts mit festgelegter Frequenz; eine erste Treiberstufe, die den Spannungstakt des Taktgenerators empfängt und den Spannungstakt zum Ausgang puffert; und eine zweite Treiberstufe, die den Spannungstakt, der von der ersten Treiberstufe gepuffert und ausgegeben wurde, in einen Stromtakt umwandelt und an den Piezo-Aktuator ausgibt; wobei die Frequenzsteuerung Folgendes umfasst: einen Stromdetektor, der mit dem Piezo-Treiber zur Erkennung und Messung des vom Piezo-Aktuator aufgenommenen Stroms verbunden ist; einen Analog-Digital-Wandler, der mit dem Stromdetektor zur Umwandlung des gemessenen Stroms in Digitalwerte verbunden ist; ein erstes Register, das mit dem Analog-Digital-Wandler zur Speicherung der umgewandelten digitalen Daten verbunden ist; einen Mikrocontroller, der die in dem ersten Register gespeicherten digitalen Daten empfängt und Frequenzdaten, die den digitalen Daten der maximalen Stromkomponente unter den empfangenen digitalen Daten zugeordnet sind, erkennt; ein zweites Register, das die vom Mikrocontroller erkannten Frequenzdaten speichert; eine Steuerungs-Ein-/Ausgabevorrichtung, die mit dem Mikrocontroller und dem ersten und zweiten Register verbunden ist, um die digitalen Daten des ersten Registers dem Mikrocontroller zuzuführen und die Ausgabe der Frequenzdaten des Mikrocontrollers dem zweiten Register zuzuführen; und eine Frequenzsignalsteuerung, die mit dem zweiten Register und dem Frequenzsynthesizer zur Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals für den Frequenzsynthesizer in Abhängigkeit der Frequenzdaten des zweiten Registers verbunden ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Treiberstufe ein puffernder Inverter ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Treiberstufe Folgendes umfasst: eine erste Stromquelle zur Übertragung eines Stromtaktes zur Aufladung des Piezo-Aktuators; ein erstes Schaltelement zum Empfang des Spannungstakts des Taktgenerators, das mit einer Versorgungsspannung und mit der ersten Stromquelle verbunden ist; eine zweite Stromquelle zur Übertragung eines Stromtaktes zur Entladung des Piezo-Aktuators; und ein zweites Schaltelement zum Empfang des Spannungstakts des Taktgenerators, das mit einer Masse und mit der zweiten Stromquelle verbunden ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement ein PMOS-Transistor und das zweite Schaltelement ein NMOS-Transistor ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der PMOS-Transistor zur Aufladung des Piezo-Aktuators durchschaltet, wenn der Spannungstakt des Taktgenerators einen niedrigen Wert annimmt.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der NMOS-Transistor zur Entladung des Piezo-Aktuators durchschaltet, wenn der Spannungstakt des Taktgenerators einen hohen Wert annimmt.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktuator Folgendes umfasst: eine Induktivitätsstufe, die aus einer Induktivität, einer ersten Kapazität und einem Widerstand, die in Reihe geschaltet sind, besteht; und eine zweite Kapazität, die parallel zu der Induktivitätsstufe zur Resonanzbildung geschaltet ist, und die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Amplitude des Treiberspannungstakts durch den von der zweiten Treiberstufe ausgegebenen Stromtakt ge- und entladen wird.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Schutzschaltung umfasst, die mit dem Piezo-Treiber und dem Stromdetektor zur Verhinderung eines Kurzschlusses oder Leerlaufs der Treiberschaltung verbunden ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung eine Leerlaufschutzschaltung und eine Kurzschlussschutzschaltung umfasst.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Treiberspannungstakts größer oder gleich 10 Spitzenspannungen ist.
Frequenzgesteuerte Piezo-Aktuator-Treiberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Mikrocontroller erkannte Frequenz eine Resonanzfrequenz ist.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators, das folgende Schritte umfasst: – Frequenzsteuerung durch Messung des vom Piezo-Treiber zum Betrieb des Piezo-Aktuators aufgenommenen Stroms, Erkennung einer der maximalen Stromkomponente unter den gemessenen Strömen zugeordneten Frequenz, und Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals entsprechend der erkannten Frequenz; – Festlegung einer Frequenz in Abhängigkeit des erzeugten Frequenzsteuerungssignals und Erzeugung der festgelegten Frequenz; und – Erzeugung eines Spannungstakts mit der festgelegten Frequenz zum Treiben des Piezo-Aktuator; wobei die Frequenzsteuerung die folgenden Schritte umfasst: – Starten eines Zeitgebers mit konstanter Zeitdauer; – Setzen eines anfänglichen Frequenzwertes; – Bestimmung und Messung eines Stromes entsprechend der gesetzten Frequenz; – Speichern des gemessenen Stroms; – Heraussuchen der maximalen Stromkomponente unter den gespeicherten Strömen; – Bestimmung, ob die herausgesuchte Stromkomponente eine maximale Stromkomponente ist; – Bestimmung einer der maximalen Stromkomponente zugeordneten Frequenz zur Erzeugung eines Frequenzsteuerungssignals entsprechend der erkannten Frequenz, falls die herausgesuchte Stromkomponente die maximale Stromkomponente ist; und – Überprüfung des Zeitgebers zur Bestimmung, ob die Zeitdauer abgelaufen ist oder nicht.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz um eine Stufe verschoben wird und zum Schritt der Bestimmung und Messung eines Stromes zurückgekehrt wird, falls erkannt wird, dass die bestimmte Stromkomponente nicht die maximale Stromkomponente ist.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schritt der Bestimmung einer Frequenz zurückgekehrt wird, falls festgestellt wird, dass die Zeitdauer des Zeitgebers noch nicht abgelaufen ist.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten des Zeitgebers zurückgekehrt wird, falls festgestellt wird, dass die Zeitdauer des Zeitgebers abgelaufen ist.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Bestimmung und Messung eines Stromes des Weiteren einen Schutz einer Treiberschaltung vor Leerlauf und Kurzschluss umfasst.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz im Rahmen der Bestimmung einer Frequenz erkannt wird.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Erzeugung eines Spannungstakts zum Treiben des Piezo-Aktuators die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugung eines Spannungstakts mit der Frequenz, die im Schritt der Festlegung und Erzeugung einer Frequenz ermittelt wurde; – Puffern des erzeugten Spannungstakts; – Umwandeln des erzeugten Spannungstakts in einen Stromtakt; – Aufladen des Piezo-Aktuators mit dem umgewandelten Stromtakt, falls der erzeugte Spannungstakt einen niedrigen Wert annimmt; – Entladen des Piezo-Aktuators mit dem umgewandelten Stromtakt, falls der erzeugte Spannungstakt einen hohen Wert annimmt; und – Aufrechterhaltung eines konstanten Treiberspannungstakts während der Auf- und Entladeschritte des Piezo-Aktuators zum Treiben des Piezo-Aktuators.
Verfahren zum Treiben eines frequenzgesteuerten Piezo-Aktuators gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts der Aufrechterhaltung eines konstanten Treiberspannungstakts der Treiberspannungstakt größer oder gleich zehn Spitzenspannungen aufrechterhalten wird.