DE10008937A1

DE10008937A1 - Elektrischer Schaltkreis zur Ansteuerung von piezoelektrischen Antrieben

Info

Publication number: DE10008937A1
Application number: DE10008937A
Authority: DE
Inventors: Serrano Francisco J Morales; Christian Reichinger
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-30
Also published as: US6396192B2; DE50111514D1; KR20010085594A; EP1128448A2; CN1218464C; IL141584A; IL141584A0; EP1128448B1; JP2001251873A; US20010043025A1; EP1128448A3; CN1310513A; ATE347177T1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für die Ansteuerung von einem piezoelektrischen Antrieb (1). Es ist vorgesehen, dass ein Ausgangssignal einer ersten Messschaltung (4) an einem ersten Eingang eines Phasendetektors (5) anliegt, dass ein Ausgangssignal einer Logikschaltung (10) oder ein Ausgangssignal einer zweiten Messschaltung (13) an einem zweiten Eingang des Phasendetektors (5) anliegt, dass ein zweites Ausgangssignal der Logikschaltung (10) als Eingangssignal an einer Endstufe (2) anliegt, welche dazu vorgesehen ist, den piezoelektrischen Antrieb (1) mit einer Wechselspannung zu versorgen, dass ein Loop Filter (7) das Ausgangssignal des Phasendetektors (5) verarbeitet und ein Stellsignal an einen spannungsgesteuerten Oszillator (6) abgibt, welcher sein Ausgangssignal am Eingang der Logikschaltung (10) bereitstellt und dass ein Verzögerungsglied (8) dazu vorgesehen ist, die Frequenz des optimalen Arbeitspunkts und Wirkungsgrads des angesteuerten piezoelektrischen Antriebs (1) einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis für die Ansteuerung von einem piezoelektrischen Antrieb.

Der Einsatz von piezoelektrischen Antrieben erfordert zum Betrieb eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz. Diese Frequenz muss die gewünschte Resonanz des piezoelektrischen Antriebs anregen. Dabei liegt die optimale Ansteuerfrequenz in der Nähe der mechanischen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Antriebs. Ein solcher elektri scher Schaltkreis zur Ansteuerung piezoelektrischer Antriebe ist in der Patentschrift US-A 5013982 beschrieben. Dabei geht es um das Betreiben eines piezoelektrischen An triebs, insbesondere eines Wanderwellenmotors, mit zwei angelegten Wechselspannungen. Der eingesetzte elektrische Schaltkreis dient dabei der Steuerung der Frequenz und des Phasenwinkels der Antriebsspannung des piezoelektrischen Antriebs. Damit wird die Geschwindigkeit des Antriebs geregelt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Antrieb mit einem elektrischen Schaltkreis der Art anzusteuern, dass der optimale Arbeitspunkt und damit der höchstmögliche Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs unabhängig von sich ver ändernden Parametern wie Temperatur und Belastung des piezoelektrischen Antriebs eingehalten wird, um so den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs zu erhöhen. Gleichzeitig soll ein einfach und kostengünstig zu realisierender elektrischer Schaltkreis zur Ansteuerung des piezoelektrischen Antriebs geschaffen werden, der unkompliziert an unterschiedliche piezoelektrische Antriebe anzupassen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Ausgangssignal einer ersten Messschaltung an einem ersten Eingang eines Phasendetektors anliegt, dass ein Ausgangs signal einer Logikschaltung oder ein Ausgangssignal einer zweiten Messschaltung an einem zweiten Eingang des Phasendetektors anliegt, dass ein zweites Ausgangssignal der Logik schaltung als Eingangssignal an einer Endstufe anliegt, welche dazu vorgesehen ist, den piezoelektrischen Antrieb mit einer Wechselspannung zu versorgen, dass ein Loop Filter das Ausgangssignal des Phasendetektors verarbeitet und ein Stellsignal an einen spannungs gesteuerten Oszillator abgibt, welcher sein Ausgangssignal am Eingang der Logikschaltung bereitstellt und dass ein Verzögerungsglied dazu vorgesehen ist, die Frequenz des optimalen Arbeitspunkts und Wirkungsgrads des angesteuerten piezoelektrischen Antriebs einzu stellen.

Hierdurch wird erreicht, dass der piezoelektrische Antrieb ständig und während seiner ge samten Lebensdauer mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad arbeitet. Dies spart bei glei cher abgegebener Leistung elektrische Energie und verkleinert das Bauvolumen. Außerdem senkt ein erhöhter Wirkungsgrad die Verlustleistung, was wiederum die Lebensdauer des piezoelektrischen Antriebs erhöht.

Des weiteren ist eine Messschaltung nach Anspruch 2 vorgesehen. Diese Messschaltung ermöglicht es, die Phasennulldurchgänge und damit die Phasenlage der Spannung an einer Sensorelektrode auf dem piezoelektrischen Resonator zu detektieren.

Alternativ ist eine Messschaltung nach Anspruch 3 vorgesehen. Diese Messschaltung ermöglicht es, die Phasennulldurchgänge und damit die Phasenlage des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb auf eine andere Art zu detektieren.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 hat eine kostengünstigere aber dennoch zuverlässige Erfassung der Phasenlage des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb zum Vorteil. Hier kann auf den bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 notwendigen Operationsver stärker verzichtet werden.

Alternativ ermöglicht die Ausgestaltung nach Anspruch 5 ebenfalls eine Erfassung der Phasenlage des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb durch zwei antiparallele Dioden.

In Anspruch 6 ist eine Ausgestaltung der zweiten Messschaltung vorgesehen. Diese Messschaltung ermöglicht es, die Phasennulldurchgänge und damit die Phasenlage der angelegten Spannung an den piezoelektrischen Antrieb zu detektieren.

Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 7 und 8 erlauben es, dem Regelkreis einen bestimmten Betriebspunkt (Frequenz-Offset) bezüglich der Resonanzfrequenz des piezo elektrischen Antriebes vorzugeben. Beide Realisierungen einer eingebauten Verzögerung sind technisch gleichwertig. Das Verzögerungsglied sorgt für die Einstellung des optimalen Arbeitspunkts, welcher bei einer Frequenz etwas neben der Resonanzfrequenz des piezo elektrischen Antriebes liegt. Die Lage der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen An triebes kann durch die Lage des Phasennulldurchgangs der Spannung der ersten Messschal tung bezüglich der Lage des Phasennulldurchgangs der Ausgangsspannung der Logikschal tung oder der Lage des Phasennulldurchgangs der an den piezoelektrischen Antrieb ange legten Spannung gefunden werden. Je nach Totzeit des Verzögerungsglieds lässt sich die Phasendifferenz der beiden zur Detektierung der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Antriebes verwendeten Signale verschieben.

In einer weiteren Ausgestaltung nach den Ansprüchen 9 und 10 befindet sich ein Fre quenzteiler im Zweig zwischen Logikschaltung und Phasendetektor. Dieser Frequenzteiler dividiert das eine Ausgangssignal der Logikschaltung durch eine natürliche Zahl. Dies bietet den Vorteil, dass die Anregungsfrequenz der Endstufe ein mehrfaches über der Arbeitsfrequenz des Regelkreises liegen kann, wodurch Verluste durch Verzerrungen von Oberwellenschwingungen in der Endstufe verringert werden.

Insbesondere ist vorgesehen, den elektrischen Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einen elektrischen Rasierapparat einzubauen, um den piezoelektrischen Antrieb der Schneidwerkzeuge zu regeln.

Bei diesem kompakten Elektrogerät kommen die positiven Auswirkungen eines hohen Wirkungsgrads besonders zum Tragen, da ein effizienter Antrieb ein geringes Bauvolumen ermöglicht. Mit der reduzierten elektrischen Leistungsaufnahme wird außerdem der Stromverbrauch gesenkt, was insbesondere bei mit Akkus betriebenen Rasierapparaten von Bedeutung ist, da so ein längeres netzunabhängiges Rasieren möglich ist oder die Kapazität des Akkus kleiner und dieser damit ein geringeres Gewicht aufweisen kann.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand von sechs Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Schaltkreises zur Ansteuerung eines piezo elektrischen Antriebs,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Schaltkreises zur Ansteuerung eines piezo elektrischen Antriebs,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines dritten Schaltkreises zur Ansteuerung eines piezo elektrischen Antriebs,

Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Messschaltung zur Erfassung der Phase des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb,

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Messschaltung zur Erfassung der Phase des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb,

Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Messschaltung zur Erfassung der Phase des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb,

Fig. 7 ein Schaltbild einer vierten Messschaltung mit Sensoren auf dem piezoelektrischen Antrieb und

Fig. 8 ein schematisches Schaubild eines elektrischen Rasierapparates mit einem erfindungsgemäßen Schaltkreis.

Der Schaltkreis in Fig. 1 und der Schaltkreis in Fig. 2 weisen beide dieselben Bauele mente auf und unterscheiden sich nur in ihrer Anordnung. Auch mit dem Schaltkreis nach Fig. 3 wird der Betrieb eines piezoelektrischen Antriebs 1 gesteuert.

Grundsätzlich wird der piezoelektrische Antrieb 1 von einer Endstufe 2 mit der nötigen Spannung und elektrischen Leistung versorgt, wobei die Endstufe 2 von einer Gleichspan nungsquelle 3 wie z. B. einer Batterie oder einem Akku gespeist wird. Weiterhin enthalten die Schaltkreise eine Messschaltung 4 zur Erfassung der Phase des Stroms durch den piezoelektrische Antrieb 1 oder zur Erfassung der Phase einer Messspannung an einer speziellen Sensorelektrode 14 auf dem piezoelektrischen Antrieb 1 wie in Fig. 7 darge stellt. Auf der Oberfläche des piezoelektrischen Antriebs 1 sind Elektroden 14 angebracht, welche eine Spannung abgeben. Diese Spannung wird mit einem hier nicht gezeigten Operationsverstärker für den Regelkreis aufbereitet.

Für den Fall der Erfassung der Stromphase ist die Messschaltung 4 in den Fig. 4 bis 6 näher dargestellt. Es ist der Einsatz einer Messimpedanz 12 wie in Fig. 4 möglich. Die Messimpedanz 12 ist in Reihe mit dem piezoelektrischen Antrieb 1 geschaltet. Da die Messimpedanz 12, um elektrische Verluste zu vermeiden, sehr niederohmig sein muss, wird die über der Messimpedanz 12 anliegende Spannung in einem hier ebenfalls nicht gezeigten Operationsverstärker verstärkt und an den einen Eingang des Phasendetektors 5 ausgegeben. Die zweite Messschaltung nach Fig. 5 beinhaltet eine Zener-Diode 11, welche mit dem piezoelektrischen Antrieb 1 in Reihe liegt. Da die Diode 11 erst ab einer bestimmten anliegenden Spannung durchlässig ist, lassen sich auch hiermit die Phasennull durchgänge ermitteln. Die Spannung über der Zener-Diode 11 wird ebenfalls dem einen Eingang des Phasendetektors 5 zugeführt. Da hier kein Operationsverstärker nötig ist, ist diese Lösung besonders preisgünstig. Eine weitere Möglichkeit die Phase des Stroms durch den piezoelektrischen Antrieb 1 zu ermitteln, ist die Messschaltung nach Fig. 6. Sie beinhaltet eine Antiparallelschaltung von Dioden 15. Der Strom fließt durch diese Anti parallelschaltung und erzeugt einen Spannungsabfall. Dieser geringe Spannungsabfall wird über einen Differenzverstärker, im einfachen Fall wieder ein Operationsverstärker, dem ersten Eingang des Phasendetektors 5 zugeführt.

Die so gemessene Phase des Stroms durch den piezoelektrische Antrieb 1 kann zusammen mit der Phase der über eine Messschaltung (13) erfassten angelegten Spannung des piezo elektrische Antriebs 1 einem Phasendetektor 5 direkt zugeführt werden. Dies ist im Schalt kreis nach Fig. 3 der Fall. In den Schaltkreisen nach Fig. 1 und 2 wird die Spannung des piezoelektrischen Antriebs 1 nicht direkt dem Phasendetektor 5 zugeführt, sondern die an einem Ausgang einer Logikschaltung 10 anliegende Ausgangsspannung abgegriffen. In diesem Fall muss die Phasendifferenz zur tatsächlichen Phase der angelegten Spannung am piezoelektrischen Antrieb 1 in Abhängigkeit der Frequenz, der Antriebsbelastung und des konkreten Designs des Schaltkreises berücksichtigt und korrigiert werden. Aufgabe der Logikschaltung 10 ist es, eine hier nicht gezeigte Brückenschaltung in der Endstufe 2 zu steuern, mit der die angelegte Spannung des piezoelektrischen Antriebs 1 hinsichtlich Amplitude und Frequenz verändert werden kann.

Der Ausgang des Phasendetektors 5 wird in einer Regelschleife eines Loop Filters 7 verarbeitet. Das Loop Filter 7 besteht aus passiven Bauelementen wie Widerständen und Kapazitäten, wobei die Polstellen und Nullstellen der Übertragungsfunktion des Loop Filters 7 an den jeweiligen Schaltkreis angepasst werden müssen. Der Ausgang des Loop Filters 7 steuert wiederum den spannungsgesteuerten Oszillator 6 und die sich daran anschließende Logikschaltung 10.

Um den optimalen Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs 1 einzustellen, welcher als Arbeitspunkt unterhalb oder oberhalb einer Phasendifferenz von 0 Grad zwischen den beiden Eingangssignalen des Phasendetektors 5 liegt, besitzen die Schaltkreise nach den Fig. 1 bis 3 ein Verzögerungsglied 8. Dieses kann wie in Fig. I zwischen der Mess schaltung 4 und dem ersten Eingang des Phasendetektors 5 oder wie in Fig. 2 im Zweig zwischen dem einen Ausgang der Logikschaltung 10, einem eventuell vorhandenen Fre quenzteiler 9 und dem zweiten Eingang des Phasendetektors 5 eingefügt sein. Bei dem Schaltkreis nach Fig. 3 befindet sich das Verzögerungsglied 8 zwischen der zweiten Messschaltung 13 und dem zweiten Eingang des Phasendetektors 5. Das Verzögerungsglied 8 sorgt für die gewünschte, eingestellte Abweichung vom Phasennull-durchgang. Diese Abweichung hat sich als der Arbeitspunkt für einen optimalen Wirkungsgrad des piezo elektrischen Antriebs 1 erwiesen.

Um harmonische Verzerrungen von Oberwellen zu vermeiden, ist es sinnvoll, die Endstufe 2 mit einer im Verhältnis zur Frequenz des Antriebs 1 mehrfach, insbesondere 6-fach, höheren Frequenz zu betreiben. In diesem Fall ist im Kopplungszweig zwischen dem einen Ausgang der Logikschaltung 10 und dem zweiten Eingang des Phasendetektors 5 ein Frequenzteiler 9 vorzusehen. Wird die Endstufe 2 mit der normalen Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen Antriebes 1 betrieben, ist der Frequenzteiler 9 nicht erforderlich.

Da der erfindungsgemäße Schaltkreis den Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs 1 erhöht, kann die an den piezoelektrischen Antrieb 1 angelegte Betriebsspannung gesenkt werden. Gleichzeitig verbraucht der piezoelektrische Antrieb 1 weniger Strom. Diese beiden Eigenschaften bedeuten einen günstigeren Energieverbrauch bei der gleichen mechanischen Last, wodurch der erfindungsgemäße Schaltkreis besonders für netzunab hängige Elektrogeräte wie z. B. elektrische Rasierapparate geeignet ist, da sich bei gerin gerem Energieverbrauch kleinere und leichtere Akkus verwenden lassen, wodurch die Handhabung des Rasierapparates erleichtert wird. Bei gleicher Akkukapazität lässt sich alternativ die mögliche Rasierdauer steigern, wenn dies gewünscht ist. So zeigt Fig. 8 schematisch einen in einen Rasierapparat integrierten erfindungsgemäßen Schaltkreis.

Claims

1. Schaltkreis für die Ansteuerung von einem piezoelektrischen Antrieb (1), dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ausgangssignal einer ersten Messschaltung (4) an einem ersten Eingang eines Phasendetektors (5) anliegt,
dass ein Ausgangssignal einer Logikschaltung (10) oder ein Ausgangssignal einer zweiten Messschaltung (13) an einem zweiten Eingang des Phasendetektors (5) anliegt,
dass ein zweites Ausgangssignal der Logikschaltung (10) als Eingangssignal an einer Endstufe (2) anliegt, welche dazu vorgesehen ist, den piezoelektrischen Antrieb (1) mit einer Wechselspannung zu versorgen,
dass ein Loop Filter (7) das Ausgangssignal des Phasendetektors (5) verarbeitet und ein Stellsignal an einen spannungsgesteuerten Oszillator (6) abgibt, welcher sein Ausgangssignal am Eingang der Logikschaltung (10) bereitstellt und
dass ein Verzögerungsglied (8) dazu vorgesehen ist, die Frequenz des optimalen Arbeitspunkts und Wirkungsgrads des angesteuerten piezoelektrischen Antriebs (1) einzustellen.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messschaltung (4) die Spannung mittels einer Sensorelektrode (14) auf dem piezoelektrischen Antrieb (1) erfasst wird und das erste Eingangssignal des Phasendetektors (5) ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messschaltung (4) der Strom des piezoelektrischen Antriebs (1) eine Messimpedanz (12) durchfließt und die an der Messimpedanz anliegende verstärkte Spannung das erste Eingangssignal des Phasendetektors (5) ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messschaltung (4) der Strom des piezoelektrischen Antriebs (1) eine Zener- Diode (11) durchfließt und die an der Zener-Diode (11) anliegende Spannung das erste Eingangssignal des Phasendetektors (5) ist.

5. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messschaltung (4) der Strom des piezoelektrischen Antriebs (1) zwei antiparallelgeschaltete Dioden (15) durchfließt und die an den Dioden (15) anliegende verstärkte Spannung das erste Eingangssignal des Phasendetektors (5) ist.

6. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messschaltung (13) die am piezoelektrischen Antrieb (1) anliegende Spannung gemessen wird.

7. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (8) das Ausgangssignal der Messschaltung (4) verzögert.

8. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (8) das Ausgangssignal der Logikschaltung (10) im Zweig zwischen Logikschaltung (10) und dem zweiten Eingang des Phasendetektors (5) oder das Ausgangssignal der Messschaltung (13) verzögert.

9. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzteiler (9) im Zweig zwischen dem einen Ausgang der Logikschaltung (10) und dem zweiten Eingang des Phasendetektors (5) vorgesehen ist.

10. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzteiler (9) mit nachgeschaltetem Verzögerungsglied (8) im Zweig zwischen dem einem Ausgang der Logikschaltung (10) und dem zweiten Eingang des Phasendetektors (5) vorgesehen ist.

11. Elektrisch betriebener Rasierapparat mit einem Elektromotor und Mitteln für die Ansteuerung des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein piezoelektrischer Antrieb (1) und die Mittel zur Ansteuerung des Motors ein Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.