專利名稱：靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置，這些變換器包括壓電振蕩器或帶間隙相向扁平電極結(jié)構(gòu)的靜電變換器等，它們用于壓電變壓器、壓電馬達(dá)以及振蕩型陀螺儀。更具體而言，本發(fā)明所涉及的是壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置，用該驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)該壓電振蕩器可利用減少或抵消驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，該壓電振蕩器阻尼電容中以及靜電變換器電容分量中的電能消耗。


圖17A給出了壓電振蕩器1，它作為靜電變換器的一個(gè)例子。圖17B給出了該振蕩器1在諧振點(diǎn)附近進(jìn)行振蕩操作時(shí)的等效電路。壓電振蕩器1可以用如圖17B所示的等效電路來(lái)描述在如下情況下成立，即該振蕩器在諧振點(diǎn)附近窄頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行振蕩操作。
由元件Rm、Cm和Lm組成的串聯(lián)諧振臂3等效地描述了壓電振蕩器1的諧振狀態(tài)。參考符號(hào)Cd表示壓電振蕩器1的阻尼電容分量，該電容連接于含有串聯(lián)諧振臂3的并聯(lián)諧振臂4之中。圖18給出了壓電振蕩器1的導(dǎo)納特性。參考圖18，其中參考符號(hào)fa表示串聯(lián)諧振臂3的諧振頻率(簡(jiǎn)稱為諧振頻率)，而參考符號(hào)fb則表示并聯(lián)諧振臂4的諧振頻率(簡(jiǎn)稱為諧振頻率)。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器1時(shí)，流過(guò)阻尼電容Cd的電流對(duì)壓電振蕩器1的振蕩提供某種貢獻(xiàn)。由于該電流流過(guò)阻尼電容Cd，則除了使壓電振蕩器1起振的驅(qū)動(dòng)源所需電能消耗之外，還必須向該壓電振蕩器1輸送由阻尼電容Cd所消耗的電能，從而使得驅(qū)動(dòng)源容量變大。
圖19給出了在諧振頻率fa處驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器1時(shí)用于等效地抵消流過(guò)阻尼電容Cd的電流的常規(guī)電路。
在圖19所示的常規(guī)電路中，具有電感Ld的線圈被串接于壓電振蕩器1之上。串聯(lián)諧振壁3的阻抗由式(1)表示如下。Zm=Rm+jωLm+1jωCm----(1)]]>流過(guò)壓電振蕩器1和電感Ld的電流I由式(2)表示，其中假定交流驅(qū)動(dòng)電源5為恒定電壓源，且施加于壓電振蕩器1上的電壓為V。I=(1Zm+jωCd+1jωLd)V]]>={1Zm+j(ωCd-1ωLd)}V----(2)]]>為使壓電振蕩器1在諧振頻率點(diǎn)fa進(jìn)行振蕩操作，必須在該壓電振蕩器1上并聯(lián)具有滿足式(3)電感Ld的線圈。只有在這種條件下，電流I才滿足式(4)。ωCd=1ωLd]]>Ld=1ω2Cd=1(2πf)2Cd----(3)]]>I=1Zm·V----(4)]]>當(dāng)將具有如式(3)所示電感Ld的線圈并聯(lián)于壓電振蕩器1之上時(shí)，該振蕩器1的阻尼電容Cd被等效地抵消。消除了經(jīng)過(guò)阻尼電容Cd的電流就使得有可能減少驅(qū)動(dòng)源的電功率容量。
然而，在圖19所示的電路中，為了抵消壓電振蕩器1的阻尼電容，必須使得電感Ld滿足前述式(3)所要求的條件。滿足式(3)條件的電感Ld與f2×Cd成反比，其中f為驅(qū)動(dòng)頻率，而Cd為阻尼電容。具體地說(shuō)，電感Ld與驅(qū)動(dòng)頻率的平方成反比。因此，當(dāng)以偏離諧振頻率fa的頻率驅(qū)動(dòng)壓電振蕩器1時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)頻率f與諧振頻率fa之間的差別較大，則可用電感Ld抵消阻尼電容Cd情況下的比率就象所描述過(guò)的那樣以二次曲線的方式減小。
另外，一般來(lái)說(shuō)，與其它如電阻R和靜電容(電容器)C的電氣元件相比，實(shí)現(xiàn)給定電感Ld數(shù)值的線圈尺寸較大。因此，當(dāng)電路中含有該線圈時(shí)，就難于使該裝置實(shí)現(xiàn)小型化。再有，為設(shè)定電感Ld的數(shù)值以便滿足式(3)或近似滿足它，必須根據(jù)所使用的壓電振蕩器1而調(diào)整電感Ld的不同數(shù)值。然而，相對(duì)于電阻R和靜電容C而言，電感不適合于進(jìn)行可變調(diào)節(jié)。
另外，與壓電振蕩器屬于同種類靜電變換裝置的靜電變換器具有以容間隙相向的扁平電極。在電極兩端施加電壓，則靜電變換器進(jìn)行工作以改變間隙，反之，施加外力改變?cè)撻g隙，則該電極兩端的電壓發(fā)生變化。這種靜電變換器的等效電路與上述壓電振蕩器的相同。因此，在這種靜電變換器中，其電容分量同樣也消耗驅(qū)動(dòng)電能。該靜電變換器所具有的缺陷與該壓電振蕩器的相同，即其電能消耗增大。
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電路，其中可不用電感而抵消或減小壓電振蕩器阻尼電容或靜電交換器電容分量的電能消耗，其電能節(jié)省效果的實(shí)現(xiàn)可不依賴于驅(qū)動(dòng)頻率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于利用驅(qū)動(dòng)源電能節(jié)省和不采取通常為具有大尺寸電氣元件的電感而實(shí)現(xiàn)電路的小型化。
在用以借助在靜電變換器上施加交變電源而產(chǎn)生振蕩的本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中，用來(lái)抵消或減小靜電變換裝置電容分量的靜電容以并聯(lián)或串聯(lián)方式連接于該靜電變換裝置之上。
例如，上述靜電變換裝置可以是作為電失真變換器的壓電振蕩器，或者是具有以小間隙相向扁平電極結(jié)構(gòu)的靜電變換器。上述電容分量在壓電振蕩器的場(chǎng)合為阻尼電容，而在靜電變換器的場(chǎng)合為相向電極之間的電容分量。
另外，在用以借助在靜電變換器上施加交變電源而產(chǎn)生振蕩的本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中，配有接于靜電變換器的靜電容和用以將流過(guò)該靜電容的電流移相180°的相位變換裝置，其中，在靜電容和相位變換裝置的作用下，流經(jīng)靜電變換裝置電容分量的電流或施加于該裝置電容分量上的電壓被抵消，或者，在靜電容和相位變換裝置的作用下，流經(jīng)靜電變換裝置電容分量的電流或施加于該裝置電容分量上的電壓被減小。
例如，當(dāng)以恒定電壓驅(qū)動(dòng)作為靜電變換裝置實(shí)例之一的壓電振蕩器時(shí)，靜電容和相位變換裝置并聯(lián)接于該壓電振蕩器之上。另外，當(dāng)以恒定電流驅(qū)動(dòng)該壓電振蕩器時(shí)，靜電容和相位變換裝置串聯(lián)接于該壓電振蕩器上之上。
另外，在用以借助在靜電變換器上施加電壓而產(chǎn)生振蕩的本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中，該裝置包含對(duì)加于靜電變換器一端的電壓進(jìn)行放大的放大器以及接于該放大器輸出端和該靜電變換器另一端之間的靜電容。
在上述驅(qū)動(dòng)電路中，當(dāng)靜電容為該靜電變換裝置電容分量的1/N倍時(shí)，放大器的放大因數(shù)應(yīng)約等于(N＋1)。
另外，借助在靜電變換器上施加電壓以產(chǎn)生振蕩的本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置包括含有靜電變換裝置電容分量和電阻分量的頻率選擇電路以及用該頻率選擇電路構(gòu)成其正反饋環(huán)的放大器，其中該驅(qū)動(dòng)裝置在由上述頻率選擇電路所確定的頻率上產(chǎn)生自激振蕩。
在上述頻率選擇電路中，電阻和靜電容在放大器中相互連接在一起，而靜電變換裝置的一端接于該放大器的非倒相輸入端。
在本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中，靜電容連接于諸如壓電振蕩器的靜電變換裝置上，而例如該壓電振蕩器阻尼電容Cd的電容分量被施加于該靜電容之上的電壓或流經(jīng)該靜電容的電流所抵消或減小。由于在靜電變換裝置振蕩時(shí)可以抵消或減小阻尼電容Cd等電容分量的電能消耗，所以就實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)時(shí)的電能節(jié)省。
另外，由于該裝置中不使用線圈，從而盡管在驅(qū)動(dòng)頻率與靜電變換裝置的諧振頻率之間可能會(huì)產(chǎn)生差別，關(guān)于電容分量的減弱效果卻不會(huì)象圖19所示的常規(guī)裝置那樣大幅度地下降。因此，在任何驅(qū)動(dòng)頻率上均可以產(chǎn)生抵消或減小電容分量的效果。
另外，由于未采用線圈，該電路可以實(shí)現(xiàn)小型化。再有，借助使靜電容的電容值成為可變，就可以根據(jù)所采用的壓電振蕩器而適當(dāng)?shù)卣{(diào)整對(duì)電容分量的抵消或減小，從而使該電容分量的調(diào)整變得更加方便。
在上述裝置中，取靜電容近似等于所用靜電變換裝置的電容分量，且最好使流過(guò)該靜電容的電流為相位變換裝置所移相180°。這樣，就有可能抵消或減小施加于該電容分量(例如阻尼電容)上的電能。
另外，在本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置中(其中電壓施加于靜電型變換裝置上)，配備有用于放大靜電變換裝置電壓的放大器和與該放大器串聯(lián)后又與該靜電變換裝置相連的靜電容。在該驅(qū)動(dòng)裝置中，流經(jīng)靜電容且基于放大器放大電壓的電流的作用是減小流過(guò)壓電振蕩器阻尼電容的電流。
具體地說(shuō)，利用令靜電容的數(shù)值約等于壓電振蕩器阻尼電容等電容分量的1/N倍，且令上述放大器的電壓放大因數(shù)等于阻尼電容之電容分量的(N＋1)倍，就有可能抵消施加于阻尼電容等上的電能。
本發(fā)明靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置備有由運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大器，以及位于正反饋環(huán)(即該放大器的正反饋路徑)上的頻率選擇電路。該頻率選擇電路含有該靜電變換裝置的電容分量和電阻分量，更詳細(xì)地說(shuō)，該靜電變換裝置的電容分量和電阻分量被設(shè)置在諧振狀態(tài)(即串聯(lián)諧振狀態(tài))，從而該驅(qū)動(dòng)裝置可以構(gòu)造得使之在該靜電變換裝置的諧振點(diǎn)附近產(chǎn)生自激振蕩。
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置利用了維恩電橋振蕩電路原理。舉例來(lái)說(shuō)，該振蕩電路中的頻率選擇電路可以包括第一電容和第一電阻，它們相互串聯(lián)并包含在放大器的正反饋環(huán)中；以及第二電容和第二電阻，它們相互并聯(lián)并與該放大器的非倒相輸入端相連。人們注意到，用在諧振點(diǎn)附近驅(qū)動(dòng)的靜電變換裝置替換第二電容與第二電阻，可以構(gòu)成自激振蕩電路，該電路在由下列因素確定的頻率上產(chǎn)生振蕩，這些因素即為靜電變換裝置的電容分量和電阻分量。
在上述頻率選擇電路中，第一和第二電容分別作為低通和高通濾波器，而在放大器輸入與輸出端之間構(gòu)成帶通濾波器以便確定自激振蕩頻率。人們注意到，在兩個(gè)頻率的諧振頻率之間有時(shí)會(huì)產(chǎn)生差別，其中之一為諸如壓電振蕩器的靜電變換裝置的諧振頻率，而另一個(gè)是由上述頻率選擇電路所確定的自激振蕩頻率。因而，如圖14所示，當(dāng)附加電容C’和附加電阻R’以并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接于靜電變換裝置之上，并利用該附加電容和附加電阻調(diào)整上述低通和高通濾波器的截止頻率時(shí)，就可以在該靜電變換裝置的諧振頻率處產(chǎn)生自激振蕩。
此外，利用將設(shè)定放大因數(shù)的電阻配置在放大器的負(fù)反饋環(huán)中，就可以使該自激振蕩的幅度變得穩(wěn)定。
以下結(jié)合附圖對(duì)所給出的本發(fā)明的優(yōu)選方案進(jìn)行說(shuō)明，將會(huì)使本發(fā)明的其它目的和特點(diǎn)變得更加清晰。這些附圖的說(shuō)明如下圖1為說(shuō)明本發(fā)明第一種情形的等效電路，該等效電路是在壓電振蕩器由恒定電壓源驅(qū)動(dòng)時(shí)作出的；圖2給出了圖1所示本發(fā)明第一種情形的方案的電路圖；圖3給出了本發(fā)明第一種情形的改進(jìn)實(shí)例的電路圖；圖4描述了本發(fā)明第一種情形的另一種方案的電路圖；圖5為本發(fā)明第一種情形又一種方案的電路圖6為說(shuō)明本發(fā)明第二種情形的等效電路，該等效電路是在壓電振蕩器由恒定電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)作出的；圖7給出了如圖6所示本發(fā)明第二種情形的改進(jìn)實(shí)例的電路圖；圖8為描述本發(fā)明第二種情形的方案的電路圖；圖9為更詳細(xì)地描述圖8所示電路的電路圖；圖10為描述本發(fā)明第三種情形的實(shí)例的電路圖；圖11A為描述圖10所示方案電流頻率特性的曲線；圖11B為描述圖10所示方案相位頻率特性的曲線；圖12為描述本發(fā)明第三種情形的方案的示意圖；圖13為描述本發(fā)明第三種情形的另一構(gòu)成實(shí)例的等效電路；圖14為描述本發(fā)明第四種情形的方案的示意圖；圖15A為壓電振蕩器在諧振頻率處被驅(qū)動(dòng)時(shí)的等效電路；圖15B為壓電振蕩器變?yōu)榇?lián)諧振狀態(tài)時(shí)的等效電路；圖16A為描述靜電變換器驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的示意圖；圖16B為圖16A的等效電路；圖17A為壓電振蕩器的電路圖；圖17B為壓電振蕩器在諧振頻率處被驅(qū)動(dòng)時(shí)的等效電路；圖18為描述壓電振蕩器振蕩時(shí)的導(dǎo)納頻率特性的曲線；圖19為常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置用以抵消阻尼電容的電路圖。
對(duì)于本發(fā)明的靜電變換裝置，有壓電振蕩器和包含相向扁平電極的靜電變換器。下面將以壓電振蕩器為例進(jìn)行方案說(shuō)明。
圖1為描述本發(fā)明第一種情形的電路圖。該電路圖被描繪成包含等效電路的電路，在該等效電路中，壓電振蕩器1在諧振點(diǎn)附近進(jìn)行諧振。
參考圖1，作為壓電振蕩器1附加電容的靜電容Cs和相位變換裝置6串聯(lián)相接。該串聯(lián)電路與壓電振蕩器1并聯(lián)相接。相位變換裝置6的作用是將流過(guò)靜電容Cs的電流移相180°。
當(dāng)流過(guò)靜電容Cs的電流被相位變換裝置6移相180°時(shí)，包含靜電容Cs和相位變換裝置6的串聯(lián)電路的導(dǎo)納可表示為(-jωCs)。因此，假設(shè)由交變驅(qū)動(dòng)源5施加于壓電振蕩器1的電壓為V，則流過(guò)壓電振蕩器1和靜電容Cs的電流I可用式(5)表示。I=(1Zm+jωCd-jωCs)V]]> 如式(5)所示，假如靜電容Cs近似等于阻尼電容Cd，則I＝V/Zm就成立。以交變驅(qū)動(dòng)源5作為參考能源，則關(guān)于阻尼電容Cd的電流可以被等效地抵消。此時(shí)，抵消關(guān)于阻尼電容Cd上電流的條件為Cs＝Cd，這個(gè)條件不象式(3)所給出的抵消條件那樣是驅(qū)動(dòng)頻率f的函數(shù)，其中f＝ω/2π，而式(3)是由圖19所示利用電感Ld的電路所滿足的。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)滿足Cs＝Cd時(shí)，抵消流過(guò)阻尼電容Cd電流的條件不依賴于頻率，則該阻尼電容Cd可以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)等效地抵消。調(diào)整靜電容Cs數(shù)值相對(duì)于采用電感的情形而言容易得多。由于所采用的元件尺寸小，從而可實(shí)現(xiàn)電路的小型化。理所當(dāng)然，當(dāng)附加于壓電振蕩器1的靜電容Cs不完全等于阻尼電容Cd時(shí)，將預(yù)期產(chǎn)生減小阻尼電容影響的優(yōu)越性。
以圖1框圖所示的本發(fā)明的第一種情形將由圖2所示的電路實(shí)現(xiàn)。
在圖2所示的方案中，靜電容Cs和相位變換裝置(即移相器6)與壓電振蕩器1并聯(lián)相接。在該電路中，借助在電路中接入近似等于壓電振蕩器1阻尼電容Cd的靜電容Cs，由交變驅(qū)動(dòng)源(5)施加于阻尼電容Cd的電功率可以如式(5)所描述的那樣被減小。
另外，上述本發(fā)明的第一種情形還可以如圖3所示那樣，在圖1電路的且和b點(diǎn)之間接入多個(gè)靜電容Cs1、Cs2和Cs3等等而構(gòu)成。在這種情況下，一組相位變換裝置6a、6b、…、6n分別與相應(yīng)靜電容Cs1、Cs2、…、Csn串聯(lián)相接，且備有加法器7用以對(duì)所有流過(guò)各相位變換裝置和電容的電流進(jìn)行迭加。此時(shí)，如式(6)所示，靜電容Cs1、Cs2、…、Csn的總和等效于圖1所示的一個(gè)電容Cs。Cs=Σi=1nCsi----(6)]]>再有，圖4和圖5給出了本發(fā)明第一種情形的驅(qū)動(dòng)裝置采用運(yùn)算放大器作為相位變換裝置6的實(shí)例。這兩個(gè)實(shí)例中均采用運(yùn)算放大器作為倒相放大器。在圖4和圖5的驅(qū)動(dòng)裝置中，流過(guò)靜電容Cs的電流被移相180°。同樣，在圖4和圖5的驅(qū)動(dòng)裝置中，流過(guò)阻尼電容Cd的電流可以用圖1電路的相同方式而被抵消或減小。
圖6為本發(fā)明第二種情形的驅(qū)動(dòng)裝置的電路圖。
在圖6所示的等效電路中，交變驅(qū)動(dòng)源5為恒定電流源，而壓電振蕩器1被驅(qū)動(dòng)在電流諧振頻率fb附近進(jìn)行振蕩操作(參見(jiàn)圖18)。
靜電容Cs和相位變換裝置8串聯(lián)于壓電振蕩器1上。該相位變換裝置8的作用是將流過(guò)靜電容Cs的電流移相180°。
流過(guò)靜電容Cs的電流被相位變換裝置8移相180°的結(jié)果是，c點(diǎn)與d點(diǎn)之間阻抗變?yōu)?(1/jωCs)，其中靜電容Cs和相位變換裝置8位于c點(diǎn)與d點(diǎn)之間。從而，假設(shè)c點(diǎn)的電位為V，則由作為恒定電流源的交變驅(qū)動(dòng)源5所給定的電流I與電壓之間的關(guān)系由下面的公式(7)表示。v=(1Y′m+1jωCo-1jωCn)I]]> 如式(7)所示，假設(shè)靜電容Cs等于阻尼電容Co，則V＝(I/Y’m)得以滿足，電路中施加于阻尼電容Co的電壓被等效地抵消，從而使得該阻尼電容Co中消耗的電能為零。從式(7)可以注意到，盡管靜電容Cs可能不完全等于阻尼電容Co，由阻尼電容Co所消耗的電壓仍可根據(jù)該靜電容Cs的值減小某個(gè)數(shù)量。
此外，如式(7)所示，抵消或減小施加于阻尼電容Co的電壓所需的條件是靜電容Cs和阻尼電容Co兩者的數(shù)值相等，而該條件與頻率無(wú)關(guān)。因此，壓力振蕩器1不一定要在電流諧振頻率fb上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，正象本發(fā)明第一種情形一樣，甚至在驅(qū)動(dòng)頻率不同于電流諧振頻率時(shí)，施加于阻尼電容Co上的電壓也可以通過(guò)靜電容Cs而有效地減小。
再有，如圖7所示，一系列靜電容Cs1、Cs2、…、Csn串接于c點(diǎn)與d點(diǎn)之間，而用以對(duì)流過(guò)各個(gè)電容的電流移相180°的一組相位變換裝置8a、8b、…、8n分別與相應(yīng)的靜電容相串聯(lián)。用以迭加流過(guò)各個(gè)靜電容Cs1、Cs2、…、Csn電流的加法器9被設(shè)置在相位變換裝置8a、8b、…、8n與d點(diǎn)之間。如圖7所示的電路可以接在圖6中c點(diǎn)與d點(diǎn)之間。
圖7中各個(gè)靜電容Cs1、Cs2、…Csn與圖6中靜電容Cs之間的關(guān)系與式(6)所描述的相同。
如圖6框圖所示的本發(fā)明第二種情形的驅(qū)動(dòng)裝置可利用圖8和圖9的電路而實(shí)現(xiàn)。圖9所示電路為進(jìn)一步具體地實(shí)現(xiàn)圖8電路方案的電路。
如圖8所示的電路中，交變驅(qū)動(dòng)源5為恒定電流源。在圖9中，對(duì)于作為恒定電流源的交變驅(qū)動(dòng)源，只有選擇地給出了恒定電流電路。來(lái)自恒定電流源的電流被電流-電壓變換電路8 a轉(zhuǎn)換成電壓，具體地說(shuō)，電路8a作為相位變換裝置，其作用是將電流移相180°。由電流經(jīng)電流-電壓變換電路8a轉(zhuǎn)換而來(lái)的電壓經(jīng)過(guò)恒定電流電路8b而變成恒定電流并加在壓電振蕩器1之上。
圖8和圖9所示電路的互作方式與對(duì)圖6所作的說(shuō)明一樣。如式(7)所表達(dá)的那樣，施加于電路中阻尼電容Co的電壓可利用靜電容Cs而抵消或減小。由于不使用線圈，該驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)小型化。在利用靜電容Cs抵消或減小施加于阻尼電容Co上電壓的過(guò)程中，由于抵消或減小可不依賴于頻率而進(jìn)行，從而甚至在來(lái)自交變驅(qū)動(dòng)源5的驅(qū)動(dòng)頻率偏離電流諧振頻率fb時(shí)，仍然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施加于阻尼電容Co上電壓的抵消或減小。
圖10為描述本發(fā)明第三種情形的驅(qū)動(dòng)裝置的電路圖。在圖10中，所給出的等效電路是當(dāng)壓電振蕩器1在諧振頻率fa附近進(jìn)行諧振操作時(shí)得到的。
在圖10的電路中，壓電振蕩器1的一個(gè)電極接地，或該電極也可以設(shè)置為預(yù)定的電位。交變驅(qū)動(dòng)源5的一端接地，其另一端與壓電振蕩器1的另外一個(gè)電極相接。
另外，壓電振蕩器1的該另一電極(即加有來(lái)自交變電源5的電壓V的c點(diǎn))接于環(huán)電路(反饋電路)之上，其中環(huán)電路由靜電容Cs和放大器11串聯(lián)構(gòu)成。該放大器的作用是對(duì)加在靜電容Cs上的電壓進(jìn)行放大。靜電容Cs的一個(gè)電極接于放大器11的輸出端，其另一個(gè)電極接于壓電振蕩器1的另外一個(gè)電極(即作為該壓電振蕩器1電源供應(yīng)端的c點(diǎn))。
當(dāng)靜電容Cs為壓電振蕩器1阻尼電容Cd的1/N倍時(shí)，上述放大器11的電壓放大因數(shù)應(yīng)近似等于(N＋1)。此時(shí)，如圖10所示，施加于靜電容Cs的電壓(即c點(diǎn)與d點(diǎn)之間的電壓)變?yōu)镹·V。
如圖10所示，在壓電振蕩器1的一個(gè)電極被接地的電路中，假設(shè)從交變驅(qū)動(dòng)源5流入c點(diǎn)的電流為i，而從靜電容Cs流入c點(diǎn)的電流為i1。另外，還假定壓電振蕩器1的串聯(lián)諧振臂3的阻抗為Zm，而流過(guò)阻尼電容Cd的電流為i3。應(yīng)當(dāng)注意，由于從c點(diǎn)流入放大器11的電流i4很小，該電流可以忽略。電流i1、i2、i3和i分別由式(8)、式(9)、式(10)和式(11)所表示。
i1＝j(luò)ωCs·N·V(8)i2=VZm----(9)]]>i3＝j(luò)ωCd·V (10)i ＝i2＋i3-il (11)由公式(8)、(9)、(10)和(11)導(dǎo)出i，則可得到式(12)。i=VZm+jω(Cd-N·Cs)·V---(12)]]>Cs=CdN----(13)]]>當(dāng)滿足式(13)所描述的條件時(shí)，i由下面公式(14)表示，且此時(shí)它變得與i2相等。i=VZm=VRm+j(ωLm-1ωCm)]]>=V·e-jθRm2+(ωLm-1ωCm)2----(14)]]>具體地說(shuō)，由交變驅(qū)動(dòng)源5輸出的電流i只流入壓電振蕩器1串聯(lián)諧振臂3的輸入阻抗Zm，而該電流卻不流入阻尼電容Cd，從而該電容與振蕩器的振蕩操作無(wú)關(guān)。換句話說(shuō)，來(lái)自交變驅(qū)動(dòng)源5的驅(qū)動(dòng)電流不會(huì)被阻尼電容所消耗。
求解流過(guò)壓電振蕩器1的電流i的相位θ，該相位θ由下面公式(15)所表示。θ=tan-1(ωLm-1ωm)Rm----(15)]]>當(dāng)滿足式(14)和(15)時(shí)，振蕩頻率與電流i之間的關(guān)系以及振蕩頻率與相位θ之間的關(guān)系分別由圖11A和11B所給出。
在本發(fā)明的第三種情形中，與本發(fā)明的第一種情形類似，抵消或減小流過(guò)阻尼電容Cd的驅(qū)動(dòng)電流的條件為公式(13)，而這就意味著該條件的給定是作為靜電容Cs和放大器11放大因數(shù)N的函數(shù)，且它不是驅(qū)動(dòng)頻率f的函數(shù)。具體地說(shuō)，抵消流過(guò)阻尼電容Cd上電流的條件不依賴于振蕩頻率。
用于抵消阻尼電容Cd的靜電容Cs的調(diào)整可利用可變電容或微調(diào)型可變靜電容進(jìn)行，且這種調(diào)整比用常規(guī)方法調(diào)整電感Ld要容易得多。另外，可以實(shí)現(xiàn)該電路的小型化。再有，當(dāng)靜電容Cs被作成恒定，而放大器11的放大因數(shù)N或(N＋1)利用可變電阻作成可變的時(shí)，也可以獲得同樣的效果，還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電路的小型化。當(dāng)靜電容Cs等于壓電振蕩器1阻尼電容Cd的1/N倍時(shí)，放大器11的放大因數(shù)應(yīng)優(yōu)選為(N＋1)。然而，這個(gè)條件不需要精確地滿足。如果該條件未精確地滿足，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)壓電振蕩器1阻尼電容Cd的電流的減小，從而可實(shí)現(xiàn)節(jié)能驅(qū)動(dòng)的效果。
此外，圖10電路的目的是為了利用流過(guò)靜電容Cs的電流i1抵消或減小流過(guò)阻尼電容Cd的電流i3。因此，舉例來(lái)說(shuō)，在不使用放大器11的情況下，利用在c點(diǎn)施加等于或接近于(N＋1)V的電壓，可達(dá)到同樣的效果。具體來(lái)說(shuō)，利用提供具有靜電容Cs的環(huán)電路以及向該靜電容Cs供應(yīng)環(huán)電流的電壓源裝置，可以預(yù)期取得圖10中同樣的效果。
如圖10所示本發(fā)明的第三種情形將利用圖12所示的電路而實(shí)現(xiàn)。在圖12中，壓電振蕩器1的一個(gè)電極接地，而其另一個(gè)電極接于交變驅(qū)動(dòng)源5。c點(diǎn)接于含有相互連接的靜電容Cs和放大器(運(yùn)算放大器)11的環(huán)電路，但是該放大器(運(yùn)算放大器)11的電壓放大因數(shù)由電阻Ri和Rf確定。
當(dāng)靜電容Cs為阻尼電容Cd的1/N倍時(shí)，流過(guò)該阻尼電容C d的電流可如上述被抵消，這需要設(shè)置電壓放大因數(shù)(Gain)如公式(16)所示。Gain=(N+1)=1+(RfRi)----(16)]]>在上式(16)中，如果電阻Rf為可變電阻，利用改變電阻Rf的阻值而固定靜電容Cs的數(shù)值，可容易地取得同樣的效果。
另外，本發(fā)明的第三種方案并不局限于圖10的結(jié)構(gòu)，它也可利用圖13的結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。
在圖13中，給出了與原有路徑不同的分支路徑，其中原有路徑是從交變驅(qū)動(dòng)源5向壓電振蕩器1的電極(c’點(diǎn))供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電能的通道，而該電極是該振蕩器的非接地電極。在該分支路徑中，配置了相互串聯(lián)的靜電容Cs和放大器11，且該靜電容Cs又與c’點(diǎn)相接。同樣，在這種方案中，施加于壓電振蕩器1電極上的驅(qū)動(dòng)電壓V經(jīng)放大器11放大(N＋1)倍，且放大器11的放大輸出端經(jīng)過(guò)靜電容Cs接于上述c’點(diǎn)上。
圖13的電路是與圖10中壓電振蕩器1驅(qū)動(dòng)裝置同種類型的電路。在圖13的電路中，假設(shè)由交變驅(qū)動(dòng)源5向c’點(diǎn)提供的電流為i，流過(guò)串聯(lián)諧振臂的電流為i2，流過(guò)阻尼電容Cd的電流為i3，而流過(guò)靜電容Cs的電流為i1’，則各個(gè)電流i、i2、i3和i1’之間的關(guān)系與式(11)相同，只需在該式中將i1換成i1’。
因此，同樣的理由，在圖13的驅(qū)動(dòng)裝置中，當(dāng)滿足式(13)所給出的條件時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)滿足靜電容Cs等于阻尼電容Cd的1/N倍的條件時(shí)，來(lái)自驅(qū)動(dòng)源5的電流不會(huì)被阻尼電容Cd所消耗，從而可有效地驅(qū)動(dòng)該壓電振蕩器。
圖14給出了本發(fā)明第四種情形的驅(qū)動(dòng)裝置的電路圖。
負(fù)反饋電路單元和正反饋電路單元連接在用于驅(qū)壓電振蕩器1的驅(qū)動(dòng)電路25的放大器(運(yùn)算放大器)20上。負(fù)反饋電路單元21由電阻R3和R4組成，這兩個(gè)電阻決定了放大器20的增益。正反饋電路單元22包括電阻R1、靜電容Cs以及壓電振蕩器1。
負(fù)反饋電路單元21用于設(shè)定放大器20的電壓放大增益使之足夠高以穩(wěn)定自激振蕩的振幅。在該負(fù)反饋電路單元21中，構(gòu)成了負(fù)反饋路徑，該路徑經(jīng)由電阻R3從放大器20的輸出端延伸至該放大器的倒相輸入端。電阻R4接于放大器20的倒相輸入端。
正反饋電路單元22作為頻率選擇電路，其中壓電振蕩器1的一端接地，而其另一端與放大器20的非倒相輸入端相接，且正反饋路徑(正反饋環(huán))的構(gòu)成是經(jīng)由靜電容Cs和電阻R1從放大器20的輸出端延伸至該放大器的非倒相輸入端。
圖15A是當(dāng)壓電振蕩器1在諧振頻率fa被驅(qū)動(dòng)時(shí)的等效電路。在諧振頻率fa，由電感Lm和電容Cm構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，且圖15A中所示的電路與圖15B中的電路等效。圖15B中等效電路的諧振頻率fa可由式(17)求得。fa=12πLm·Cm----(17)]]>在圖14所給出的電路中，假設(shè)未接入附加電容c’和附加電阻R’，用圖15B所示串聯(lián)諧振時(shí)的等效電路代替壓電振蕩器1，從而給出關(guān)于該電路的分析如下。
在圖14中，由參考電壓eo求得電壓ei和ei’，其足式(18)的關(guān)系。ei=eo(1+R1Rm+CdCs)+j(ωCdR1-1ωCsRm)]]>ei′=R4R3+R4·eo----(18)]]>
在假定放大器20的放大因數(shù)足夠大的情況下，電壓ei等于電壓ei’，則式(19)成立。R4R3+R4=1(1+R1Rm+CdCs)+j(ωCdR1-1ωCsRm)---(19)]]>關(guān)于振幅的條件由式(20)表示，而關(guān)于頻率的條件由式(21)表示。R3+R4R4=1+R1Rm+CdCs----(20)]]>ωCdR1=1ωCsRm----(21)]]>選擇R1、R3、R4和Cs等參數(shù)滿足該振幅條件和頻率條件，則圖14所示的電路便成為自激振蕩電路。
另一方面，式(21)所示的頻率條件意味著，在壓電振蕩器1諧振頻率fa處，其阻尼電容Cd被靜電容Cs和電阻R1所抵消。因此，在圖14中，利用設(shè)置上述參數(shù)R1、R3、R4和Cd滿足振幅條件和頻率條件，可構(gòu)成使用壓電振蕩器1的振蕩電路，其作為壓電振蕩器1阻尼電容Cd等效抵消電路的一種應(yīng)用，該等效抵消電路由靜電容Cs和電阻R1組成。
具體地說(shuō)，該自激振蕩電路利用了維恩電橋電路的原理。該維恩電橋電路的作用是利用對(duì)放大器(運(yùn)算放大器)20施加正反饋而產(chǎn)生振蕩。該自激振蕩頻率由作為頻率選擇電路的正反饋電路單元22而決定。在該正反饋電路單元(頻率選擇電路)22中，第一電容Cs和第一電阻R1相互串聯(lián)地接在正反饋環(huán)中。壓電振蕩器1的阻尼電容Cd為圖15B中等效電路的第二電容，而電阻Rm則是該等效電路中的第二電阻。它們相互并聯(lián)且接于放大器20的非倒相終端。在頻率選擇電路22中，第一電容(靜電容)Cs作為高通濾波器，而第二電容(阻尼電容)Cd則作為低通濾波器。處于放大器20的正反饋通道上由該低通和高通濾波器組成的帶通濾波器決定了自激振蕩頻率。
負(fù)反饋電路單元21使得放大器20的電壓放大增益足夠高并作為自激振蕩的幅度穩(wěn)定電路。
壓電振蕩器1的諧振頻率由式(17)所確定，且它在該壓電振蕩器1的工作期間由電感分量Lm和電容分量Cm所確定。在有些情況下，該諧振頻率不必與由上述頻率選擇電路決定的自激振蕩頻率相一致。
在這種情況下，最好如圖14所示在構(gòu)成壓電振蕩器1的電路中接入附加電容C’和附加電阻R’并調(diào)整或選定該電容和電阻各自的數(shù)值。此時(shí)，附加電容C’用于調(diào)整上述低通濾波器的截止頻率，而附加電阻R’則用于調(diào)整上述高通濾波器的截止頻率。因此，有可能校正低通和高通濾波器的截止頻率，以便使自激振蕩電路25的自激振蕩頻率與壓電振蕩器1的諧振頻率相一致或使它們大致相等。
接下來(lái)，在上述各個(gè)方案中，壓電振蕩器將改用靜電變換裝置進(jìn)行描述。如圖16A所示，壓電振蕩器可以用作驅(qū)動(dòng)裝置的靜電變換器30。圖16A和16B所給出的情形表明，靜電變換器30的驅(qū)動(dòng)是由與圖10方案相類似的電路而進(jìn)行的。
該靜電變換器30的結(jié)構(gòu)是，相固定扁平電極31與可移動(dòng)電極32以小間隙d而面對(duì)面相置。假定，該相面對(duì)電極的面積為A，加在該電極之間的偏置電壓為E，加在該電極之間的輸入電壓(驅(qū)動(dòng)電壓)為V，該電極之間空氣層的介電常數(shù)為ε，則由于輸入電壓V而作用于電極31與32之間的靜電驅(qū)動(dòng)力f由公式(22)表示。f=ϵ·A·Ed2·V----(22)]]>在靜電變換器30被驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下，其等效電路用參考數(shù)字30a表示。該電路與圖10所示在諧振點(diǎn)進(jìn)行振蕩的壓電振蕩器的電路相等效。在圖16B中，參考符號(hào)Ca表示電極31和32之間的電容分量。另外，參考符號(hào)R表示可移動(dòng)電極32的機(jī)械驅(qū)動(dòng)電阻，符號(hào)L表示機(jī)械支撐下可移動(dòng)電極32的彈簧常數(shù)，而符號(hào)C表示機(jī)械和彈性支撐下的粘滯阻力。同樣，在驅(qū)動(dòng)靜電變換器30時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流被電容分量Ca所消耗，且這種電流消耗量對(duì)可移動(dòng)電極32的驅(qū)動(dòng)毫無(wú)貢獻(xiàn)。
因此，在圖16A和16B所示的方案中，象圖10中那樣加入了同樣的環(huán)電路，使得靜電容Cs為電容分量Ca的1/N倍，且使得放大器11的放大因數(shù)為(N＋1)，從而可以象在壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)裝置中那樣減小或抵消電容分量Ca所消耗的電流。
注意，圖1至圖9中接有相位變換裝置的驅(qū)動(dòng)電路和圖14中利用自激振蕩的驅(qū)動(dòng)電路也可以用作靜電變換器30的驅(qū)動(dòng)裝置本發(fā)明靜電變換裝置的驅(qū)動(dòng)裝置可用作接于壓電變壓器初級(jí)端的電路，或可作為壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)裝置。再有，它也可用作振蕩型陀螺儀和加速傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置。例如，在振蕩型陀螺儀的場(chǎng)合，恒定彈性材料(例如恒彈性鎳鉻彈性鋼)在壓電振蕩器作用下而振動(dòng)，或該壓電振蕩器本身產(chǎn)生振蕩。該恒定彈性材料或壓電振蕩器被裝置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中以便在與Coriolis力的驅(qū)動(dòng)方向不同的方向上使其產(chǎn)生振蕩。由該Coriolis力所產(chǎn)生的振蕩利用壓電檢測(cè)元件進(jìn)行檢測(cè)以獲得該轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的角速度?？梢詫⒈景l(fā)明應(yīng)用于上述振蕩型陀螺儀壓電振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)諸如壓電振蕩器的靜電變換裝置時(shí)，可以抵消施加于該靜電變換裝置電容分量上的電能消耗，從而也可實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)裝置的小型化。另外，由于不象常規(guī)驅(qū)動(dòng)裝置那樣采用電感，從而不僅可實(shí)現(xiàn)電路的小型化，還可使在該驅(qū)動(dòng)裝置工作過(guò)程中不依賴工作頻率并使調(diào)整工作變得簡(jiǎn)便。另一方面，即便在完全抵消的條件不精確滿足的情況下，也可以預(yù)期由于電容分量的等效減小作用而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的電能節(jié)省。
另外，利用放大器和頻率選擇電路構(gòu)成自激振蕩電路，并且在該頻率選擇電路中加入在諧振點(diǎn)附近振蕩時(shí)靜電變換裝置的電容分量和電阻分量，就有可能在該諧振點(diǎn)附近驅(qū)動(dòng)該靜電變換裝置以實(shí)現(xiàn)高效率的驅(qū)動(dòng)。利用加入附加電容和附加電阻，將有可能在等于該靜電變換裝置諧振頻率或近似等于該諧振頻率的頻率上進(jìn)行自激振蕩。
再有，利用引入電阻以使得負(fù)反饋環(huán)中放大器的放大因數(shù)足夠高，則有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅的自激振蕩。
盡對(duì)本發(fā)明優(yōu)選方案所作的介紹是詳細(xì)的，但應(yīng)當(dāng)了解，其中可進(jìn)行各種改變、替換和選擇而不會(huì)超出所附關(guān)于本發(fā)明權(quán)利要求聲明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置包括振蕩裝置，它由向靜電變換裝置提供交變電能而產(chǎn)生；靜電容，它用于抵消或減小該靜電變換裝置的電容分量，且它與該靜電變換裝置相并聯(lián)或串聯(lián)。
2.靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置包括振蕩裝置，它由向靜電變換裝置提供交變電能而產(chǎn)生；靜電容，它與該靜電變換裝置相接；相位變換裝置，它用于將流過(guò)該靜電容的電流移相180°，使得流過(guò)該靜電變換裝置電容分量的電流被抵消或減小，或加于該電容分量上的電壓被抵消或減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的驅(qū)動(dòng)裝置，其中該靜電容和該相位變換裝置與該靜電變換裝置相并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的驅(qū)動(dòng)裝置，其中該靜電容和該相位變換裝置與該靜電變換裝置相串聯(lián)。
5.靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置包括振蕩裝置，它由向靜電變換裝置提供電壓而產(chǎn)生；放大器，它用于對(duì)施加在該靜電變換裝置一端的電壓進(jìn)行放大；靜電容，它連接在該放大器放大輸出端與該靜電變換裝置上述那一端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的驅(qū)動(dòng)裝置，其中該靜電容約為該靜電變換裝置電容分量的1/N倍，而該放大器的放大因數(shù)約為(N＋1)。
7.靜電變換器的驅(qū)動(dòng)裝置包括頻率選擇電路，它由靜電變換裝置的電容分量和電阻分量構(gòu)成；放大器，它具有包含該頻率選擇電路的正反饋環(huán)；自激振蕩操作裝置，它工作在由該頻率選擇電路所決定的頻率上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的驅(qū)動(dòng)裝置，其中，在該頻率選擇電路中，電阻和靜電容接于該放大器的正反饋環(huán)中，而該靜電變換裝置的一端連接在該放大器的非倒相輸入端。
全文摘要
壓電振蕩器1的振蕩由交變驅(qū)動(dòng)源5提供恒定電壓而實(shí)現(xiàn)。在壓電振蕩器上接有等于阻尼電容Cd的靜電容Cs和將流過(guò)靜電容Cs的電流移相180°的相位變換裝置。在此結(jié)構(gòu)下，流過(guò)阻尼電容Cd的電流可被等效地抵消或減小，從而實(shí)現(xiàn)電流消耗的減小。另外，因不使用線圈，故由靜電容Cs對(duì)該電流的抵消作用不受頻率的影響。因此，即使在來(lái)自交變驅(qū)動(dòng)源5驅(qū)動(dòng)電能的頻率偏離該壓電振蕩器1的諧振頻率時(shí)，也可象以前那樣實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能的目的。
文檔編號(hào)H04R9/00GK1132852SQ9512044
公開日1996年10月9日 申請(qǐng)日期1995年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月28日
發(fā)明者富川義朗 申請(qǐng)人:富川義朗