容量性負荷を供給するための回路配列及び方法

专利摘要:
直流電圧源（Ｕ０）から負荷（Ｐ）（その主な電気特性はキャパシタンスである）を供給するための回路配列（Ｓ）であって、その動作状態が導電状態と非導電状態との間で切り替えられるスイッチ要素（Ｓ１）と、主な特性がインダクタンスである少なくとも１つの構成要素（Ｌ１、Ｌ２）とを含み、その負荷（Ｐ）は、その構成要素（Ｌ１、Ｌ２）に対して並列になるよう回路配列（Ｓ）に組み込まれ、これにより負荷（Ｐ）と構成要素（Ｌ１、Ｌ２）とが並列共振回路を形成し、スイッチ要素（Ｓ１）はこの並列共振回路とベース電圧（ＧＮＤ）との間を接続し、直流電圧源がこの負荷に対し並列に印加される（Ｕ０）。本発明による回路配列（Ｓ）は、容量性負荷（Ｐ）を二極性の様式で駆動するために使用することができ、スイッチ要素（Ｓ１）の非導電位相における負荷の供給は、構成要素（Ｌ１、Ｌ２）によって達成できる。
公开号:JP2011508959A
申请号:JP2010532451
申请日:2008-09-12
公开日:2011-03-17
发明作者:ウベ、ショーバー；フランク、クレスマン；ロベルト、シェーファー
申请人:ブラウン ゲーエムベーハー；
IPC主号:H01L41-09

专利说明:

[0001] 直流電源からの交流電圧を伴う、容量性負荷を供給するための回路配列、特にバイポーラ圧電アクチュエータは、既知である。]
[0002] 例えば、ＤＥ １０１ ２２ ０６５ Ａ１は圧電アクチュエータを提示しており、これは、Ｈブリッジ回路のブリッジ分岐部分においてアクチベートされ、発振圧電アクチュエータにおいて振動を起こすＨブリッジ回路から供給される交流電圧を受け取る。Ｈブリッジ回路は、この目的のために、電圧制御発振器によって駆動される４つのＦＥＴを有する。]
[0003] この回路配列で不都合なのは、この回路には４つの電源ＦＥＴが必要であり、高価な駆動電子部品がこのＦＥＴのために必要なことである。]
先行技術

[0004] ＤＥ １０１ ２２ ０６５ Ａ１]
発明が解決しようとする課題

[0005] よって、本発明の目的は、容量性負荷、特に圧電アクチュエータが、単純な回路配列によって二極性の様式で駆動できる方法を提供することである。]
課題を解決するための手段

[0006] この目的は、請求項１による回路配列及び請求項５による方法によって達成できる。]
[0007] 直流電圧源から負荷（その主な電気特性はキャパシタンスである）を供給するための提案の回路配列は、動作状態が導電状態と非導電状態との間で切り替えられるスイッチ要素と、主な特性がインダクタンスである少なくとも１つの構成要素とを含み、その負荷は、その構成要素に対して並列になるよう回路配列に組み込まれ、これにより負荷と構成要素とが並列共振回路を形成する。スイッチ要素はこの並列共振回路とベース電圧との間を接続し、直流電圧源がこの負荷に対し並列に印加される。この回路配列において、容量性負荷は並列共振回路においてキャパシタンスとして接続され、これによって、スイッチ要素がインダクタンス構成要素を介して非導電状態に切り替えられる位相において、直流電圧方向とは反対向きの電圧を供給することができる。全体として、このような回路は振動サイクルを生じ、少なくともほぼ正弦波形状の交流電圧を有する容量性負荷と、この負荷を通じて少なくともほぼ正弦波形状の電流とを供給することができる。この負荷が、例えば、振動するバイポーラ圧電アクチュエータである場合、結果として高効率で振動を生じる。]
[0008] この回路配列の１つの実施形態において、動作状態にあるスイッチ要素は、駆動（dive）エレクトロニクス装置に接続され、この装置がスイッチ要素の導電状態と非導電状態とを周期的に切り替える。その結果、自由に発振しないシステムであっても、外部駆動回路によって発振を起こさせることができる。]
[0009] 別の実施形態において、並列共振回路からのフィードバック電圧がスイッチ要素の端子にフィードバックされる。これは特にフィードバックコンデンサを介して行われ、このフィードバックコンデンサはインダクタンス構成要素のピックオフに接続されている。その結果、外部駆動回路を必要としない、自由に発振するシステムを作製することができる。]
[0010] 別の実施形態において、スイッチ要素の動作周波数が超音波範囲２０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ、特に３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲になるような方法で、回路配列が設計される。これにより特に、微細な液体ミストを生成するアトマイザーに使用される圧電アクチュエータの駆動が実現する。]
[0011] 直流電圧源から、負荷（本質的な電気特性がキャパシタンスである）を供給するための本提案方法において、次の段階が実施される：第一段階として、直流電圧源からの直流電圧が、容量性負荷とこれに並列に接続された少なくとも１つの構成要素（この本質的な電気特性がインダクタンスである）とを含む並列共振回路に印加される。次に、第二段階として、並列共振回路とベース電圧との間に接続されたスイッチ要素が、導電状態に切り替えられる。その次に第三段階として、スイッチ要素が非導電状態に切り替えられ、第五（fifth）段階として、このインダクタンス構成要素から負荷が供給される。第二〜第五（fifth）段階が周期的に繰り返される。記述されている方法において、容量性負荷は、並列共振回路のキャパシタンスとして使用される。スイッチ要素が非導電状態に切り替えられ、したがって直流電圧源から並列共振回路への電流がないときの位相において、容量性負荷はインダクタンス構成要素から供給される。]
[0012] この方法の１つの実施形態において、スイッチ要素を導電状態及び非導電状態にそれぞれ切り替える手順段階は、スイッチ要素の端子へのフィードバック電圧のフィードバックによって制御される。その結果、システムは自由に発振することができる。]
[0013] 別の実施形態において、スイッチ要素は、導電状態及び非導電状態にそれぞれ切り替える手順段階において、駆動エレクトロニクスによって駆動される。その結果、自由に発振しないシステムでも、発振を生成させることができる。]
[0014] 本発明はまた、記述されている回路配列及び結合する容量性負荷（特に圧電アクチュエータ）を保有する電気機器に関連する。]
[0015] １つの実施形態において、この電気機器は更に、回路配列に接続された直流電圧源を有するか、又は動作状態において直流電圧源に接続することができる。この直流電圧源は特に、容量性負荷のピーク間供給電圧の約半分の直流電圧をもたらす。]
[0016] この電気機器は特に、空気加湿のため、又は芳香性物質を伴って供給される液体を空気中に放散するためのアトマイザーであり得、又は例えば、液体医薬品の噴霧のための吸入器であり得る。]
図面の簡単な説明

[0017] 本発明は、図を参照し、代表的な実施形態を用いて下記で詳細に説明される。図中、
直流電圧源からの交流電圧を容量性負荷に供給するための、第一の代表的な回路配列。
直流電圧源からの交流電圧を容量性負荷に供給するための、第二の代表的な回路配列。
本発明による回路配列が使用された電気機器の概略図。]
実施例

[0018] 本発明による回路配列Ｓの第一の代表的な実施形態を、図１に示す。これは本質的にＬＣ並列共振回路であり、これにおいてキャパシタンスは接続可能な容量性負荷Ｐ（すなわち、本質的な電気特性がキャパシタンスである負荷）によって形成されており、ＬＣ並列共振回路を通る電流が、制御可能なスイッチ要素Ｓ１によって制御されている。図１の回路配列Ｓにおいて、コイルＬ１（ここでは内部抵抗ＲＬ１と表わされる）が第一端子によって直流電圧Ｕ０に接続され、この電圧は直流電圧源（図示されていない）によって発生され（図１の項目１）、第二端子によってスイッチ要素Ｓ１（ここではｎｐｎトランジスタのコレクタ）の第一端子に接続されている。別の方法として、ＭＯＳＦＥＴをスイッチ要素として使用することもできる。容量性負荷Ｐ（ここでは圧電アクチュエータ）は、コイルＬ１に並列に接続することができ、これにより容量性負荷Ｐの第一端子が、直流電圧Ｕ０に接触し（図１の項目１）、負荷Ｐの第二端子はコイルＬ１とスイッチ要素Ｓ１との間に接続される（図１の項目２）。容量性Ｐが間に組み込まれたコイルＬ１は合わせて並列共振回路を形成する。スイッチ要素Ｓ１の駆動端子（ここではｎｐｎトランジスタのベース）が、少なくとも動作状態において、駆動端子抵抗Ｒ４を介して駆動エレクトロニクスＡに接続されており、一方スイッチ要素Ｓ１の第二端子（ここではｎｐｎトランジスタのエミッタ）がエミッタ抵抗Ｒ６を介してベース電圧ＧＮＤに接続される（図１の項目４）。スイッチ要素Ｓ１の駆動端子は同様に、ベース抵抗を介してベース電圧ＧＮＤに接続される。図１の回路配列Ｓにおける本質は、この容量性負荷がＬＣ共振回路のキャパシタンスとして使用され、かつ、スイッチ要素Ｓ１がＬＣ共振回路内に電流を誘導することである。駆動端子抵抗Ｒ４、エミッタ抵抗Ｒ６及びベース抵抗Ｒ５は、例えば、電流を制限し標準的な保護効果を得るために使用される抵抗である。] 図１
[0019] 本発明により、並列共振回路（これ自体はすでに既知である）において、ＬＣ並列共振回路のキャパシタンスを提供するコンデンサが、容量性負荷Ｐに置き換えられ、これにより、回路配列の動作状態において（少なくともほぼ）正弦波形状の交流電圧が供給される。容量性負荷Ｐはここでは、スイッチ要素Ｓ１の導電状態において、第一電圧（少なくともほぼ正弦波形状）の半波と、この負荷を通じた電流（少なくともほぼ正弦波形状）とを伴う並列共振回路の動作を介して供給される。交流電圧の第二半波を備えた容量性負荷Ｐの供給は、スイッチ要素Ｓ１が外部駆動エレクトロニクスＡによって非導電状態に切り替えられている位相の間に、ＬＣ並列共振回路のコイルから提供される。ここにおいて容量性負荷Ｐにかかる電圧最大値は、印加した直流電圧よりも大きくなり得、これにより所定の直流電圧Ｕ０において、直流電圧源が提供できる直流電圧よりも大きいピーク間電圧（Ｕｐｅａｋ−ｐｅａｋ（ｌｏａｄ））を必要とする負荷Ｐも、供給される。代表的な実施形態において、Ｕ０≒１／２Ｕｐｅａｋ−ｐｅａｋ（ｌｏａｄ）である。]
[0020] 本発明による回路配列Ｓの第二の代表的な実施形態を、図２に示す。これは本質的に、共通ベース回路内のハートレー発振器である。この状況において、直流電圧源（図示なし）は直流電圧Ｕ０を供給する。スイッチ要素Ｓ１のベース側において、分圧器は、第一抵抗Ｒ１及び第二抵抗Ｒ２から構成され、第一抵抗Ｒ１は第一端子（図２の項目１）を介して直流電圧Ｕ０に接触しており、第二端子を介して、第二抵抗Ｒ２の第一端子に接続されている。第二抵抗Ｒ２の第二端子はベース電圧ＧＮＤ（アース）（図２の項目５）に接続されている。スイッチ要素Ｓ１（ここではバイポーラｎｐｎトランジスタ）は、第一抵抗Ｒ１と第二抵抗Ｒ２の間にある駆動端子（ここではｎｐｎトランジスタのベース）に接続されている（図２の項目４）。これは、容量性負荷がスイッチ要素Ｓ１のコレクタ側に接続できることを条件とする。図２では、容量性負荷Ｐとしての圧電アクチュエータが接続されている状態で描かれている。容量性負荷Ｐの第一端子は、直流電圧Ｕ０に接触し（図２の項目２）、負荷Ｐの第二端子はスイッチ要素Ｓ１の第一端子（ここではｎｐｎトランジスタのコレクタ）に接続されている。ピックオフを備えたコイルが、容量性負荷Ｐに対して並列に配置されている。別の方法としては、２本のコイルを直列につないだものを使用することもできる。単純化のために、これらは以下、第一コイル及び第二コイルと呼ぶ。第一コイルＬ１（ここでは内部抵抗ＲＬ１と共に図示されている）は、第一端子を介して直流電圧Ｕ０に接続され（図２の項目２）、第二端子を介して、第二コイルＬ２（ここでは内部抵抗ＲＬ２と共に図示されている）の第一端子に接続されている。第二コイルＬ２の第二端子は、スイッチ要素Ｓ１の第一端子（ここではｎｐｎトランジスタのコレクタ）に接続されている。フィードバックコンデンサＣ１が、第一端子を介して、第一コイルＬ１と第二コイルＬ２との間を結ぶピックオフに接続されている（図２の項目３）。フィードバックコンデンサＣ１は、第二端子を介して、スイッチ要素Ｓ１の第二端子に接続（ここでは、図２の項目７を介してｎｐｎトランジスタのエミッタに接続）されている。スイッチ要素Ｓ１の第二端子（ここではｎｐｎトランジスタのエミッタ）は、第三抵抗Ｒ３（スイッチ要素Ｓ１のエミッタ側に配置）を介してベース電圧ＧＮＤ（図２の項目５）に接触している。] 図２
[0021] 第一コイル及び第二コイルから形成される誘導分圧器の場合、第一コイル及び第二コイルが必ずしも同じインダクタンスを有する必要はないが、同じにすることが合理的な設計となる。]
[0022] 図２の回路配列において、分圧器は、第一抵抗Ｒ１及び第二抵抗Ｒ２から、スイッチ要素Ｓ１の動作点を判定する。フィードバックコンデンサＣ１は、フィードバック電圧のポジティブフィードバックをスイッチ要素Ｓ１の第二端子（ここではｎｐｎトランジスタのエミッタ）にもたらす。同様に第三抵抗Ｒ３は、フィードバックのためのエミッタ電圧を上げるため、既知の方法で使用され、わずかな減衰効果を得るためにコイルで置き換えることもできる。回路配列Ｓが、接続された負荷Ｐと共に動作状態にあるとき（例えば、直流電圧のスイッチをオンにするか、又は直流電圧がすでに存在する場合は、外部オン／オフ駆動エレクトロニクスを介して、スイッチ要素Ｓ１のスイッチをオンにする）、本質的な電気特性がキャパシタンスである負荷Ｐは、抵抗を有さず、スイッチ要素の第一端子に対して直流電圧を印加する。負荷Ｐのキャパシタンスが帯電されると、負荷Ｐでの電圧が降下し、これによってスイッチ要素Ｓ１の第一端子での電圧が低下する。スイッチ要素Ｓ１の第二端子（ここではｎｐｎトランジスタのエミッタ）に接続されているフィードバックコンデンサＣ１は、フィードバック電圧を戻し、これにより発振が開始され、更に持続される。スイッチ要素Ｓ１が導電状態にあるときの位相において、容量性負荷Ｐには、ほぼ正弦波形状の第一半波が供給され、ほぼ正弦波形状の電流が容量性負荷Ｐを通って流れる。並列共振回路における既知の複雑な電圧現象のため、負荷Ｐにかかる最大電圧は、直流電圧源の最大値よりも大きくなり得る。第一及び第二端子間の電圧を変えることによって、スイッチ要素Ｓ１が非導電状態に切り替えられるとすぐに、ＬＣ共振回路を通る直流電圧源からの電流が停止する。すると第一コイルＬ１及び第二コイルＬ２に蓄積されたエネルギーは、存在する直流電圧に対してコイルから放電され、これにより、スイッチ要素Ｓ１の導電位相の間、負荷Ｐに対し、正弦波半波に対して誘導される第二の電圧半波が確実に供給される。図２に示されている、容量性負荷Ｐを供給するハートレー回路は、自由に発振し、スイッチ要素Ｓ１のための外部駆動回路を必要としない。過渡的反応の後、負荷Ｐには正弦波形状交流電圧が供給され、ここにおいて、スイッチ要素Ｓ１の導電位相中に、負荷に対するある電圧半波がなくなり、構成要素Ｌによるスイッチ要素の非導電位相中に、第二の電圧半波が供給される。] 図２
[0023] ハートレー回路自体は既知であるが、これは交流電圧を外部負荷に供給するためのものである（例えば第一コイルＬ１及び第二コイルＬ２を変圧器の一次側コイルとして使用することにより、負荷が変圧器の二次側コイルに接続される）。しかしながら、本発明により、容量性負荷Ｐに正弦波形状の交流電圧が供給され、この容量性負荷Ｐ（ここでは圧電アクチュエータ）を、コイルインダクタンスに対して並列に接続したキャパシタンスとして使用し、すなわち、負荷を供給するのにコンデンサの追加が不要である。この状況において負荷Ｐにおいて存在する電圧最大値は、直流電圧源によって供給される直流電圧よりも大きい。]
[0024] この負荷が、ＣＰ＝約５ｎＦのキャパシタンスを有する圧電アクチュエータである場合、標的周波数において、動作周波数ｆ＝約９０ｋＨｚ、ＬＬのコイルインダクタンス＝１５０〜３３０μＨを選択することができ、より高い値又は低い値でも（ただし、互いに最適に一致した構成要素の場合と同じ品質レベルで）、回路配列Ｓは依然として機能する。ハートレー回路のフィードバックコンデンサＣ１のキャパシタンスは、ＣＣ１＝約２０〜１００ｎＦ、第三抵抗Ｒ３が約２０〜２００Ωで、スイッチ要素Ｓ１の関数として選択することができる。直流電圧源Ｕ０は、直流電圧Ｕ０が、負荷Ｐの必要なピーク間供給電圧Ｕｐｅａｋ−ｐｅａｋ（ｌｏａｄ）の約半分として供給されるように、特定の値で選択することができる（例えば、約６０ＶのＵｐｅａｋ−ｐｅａｋ（ｌｏａｄ）が生成される場合は、約３０Ｖ）一般に、動作周波数ｆは超音波範囲２０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚであり得、特に３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲であり得る。]
[0025] 図３に電気機器１００の代表的なモデルを示す。この図では、図１又は図２による回路配列Ｓが使用されている。回路配列Ｓは駆動エレクトロニクスＡに結合し、直流電圧源Ｕ０に接続されている。直流電圧源は例えば、電池又はアキュムレータであり得る。別の方法としては、電気機器には外部直流電圧源からの電力を供給することができる。回路配列Ｓにおいて、圧電アクチュエータＰは負荷に接続されている。回路配列Ｓは圧電アクチュエータＰにおいて振動を生成する。ここで圧電アクチュエータは、リザーバ１０２内にある液体上で機械的に動作し、既知の方法である機械的な振動励起によって膜１０３の穴からこの液体が押し出され、これにより液体の微細液滴であるミスト１１０が形成される。このミストは例えば、空気加湿に使用することができ、又は吸入ミストとして使用することができる。] 図１ 図２ 図３

权利要求:

請求項1
直流電圧源（Ｕ０）からの、本質的な電気特性がキャパシタンスである負荷（Ｐ）を供給するための回路配列（Ｓ）であって、○動作状態において導電状態と非導電状態とを交互に切り替えるスイッチ要素（Ｓ１）と、○本質的な特性がインダクタンスである少なくとも１つの構成要素（Ｌ１、Ｌ２）と、を備え、負荷（Ｐ）は前記構成要素（Ｌ１、Ｌ２）に対して並列に前記回路配列（Ｓ）に結合されており、これにより前記負荷（Ｐ）及び前記構成要素（Ｌ１、Ｌ２）が並列共振回路を形成し、前記スイッチ要素（Ｓ１）が前記並列共振回路とベース電圧（ＧＮＤ）とを切り替え、前記直流電源が前記負荷に対して並列（Ｕ０）に印加される、回路配列。
請求項2
前記回路要素（circuit element）（Ｓ１）の駆動端子が、駆動エレクトロニクス（Ａ）に接続されているか、又は接続可能であり、前記駆動エレクトロニクスが前記スイッチ要素（Ｓ１）の導電状態及び非導電状態に周期的に切り替える、請求項１に記載の回路配列（Ｓ）。
請求項3
動作状態にある前記スイッチ要素（Ｓ１）が、前記スイッチ要素（Ｓ１）の端子に接続された並列共振回路からのフィードバック電圧のフィードバックを介して、導電状態及び非導電状態に周期的に切り替える、請求項１に記載の回路配列（Ｓ）。
請求項4
前記回路配列（Ｓ）が、前記スイッチ要素（Ｓ１）の動作周波数が超音波範囲２０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ、特に３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲となるよう設計されている、請求項１〜３に記載の回路配列（Ｓ）。
請求項5
本質的な電気特性がキャパシタンスである負荷（Ｐ）を、直流電圧源（Ｕ０）から供給するための方法であって、前記方法が○直流電圧源（Ｕ０）からの直流電圧（Ｕ０）を、並列に接続された、前記負荷（Ｐ）と本質的な電気特性がインダクタンスである少なくとも１つの構成要素（Ｌ１、Ｌ２）とを含む、並列共振回路に対して、印加する工程と、○前記並列共振回路とベース電圧（ＧＮＤ）との間に接続されたスイッチ要素（Ｓ１）を、導電状態に切り替える工程と、○前記スイッチ要素（Ｓ１）を非導電状態に切り替える工程と、○前記構成要素（Ｌ１、Ｌ２）から前記負荷（Ｐ）を供給する工程と、○前記スイッチ要素のそれぞれの導電状態及び非導電状態、並びに前記負荷の供給を切り替えるための工程を周期的に繰り返す工程と、を含む、方法。
請求項6
前記スイッチ要素を導電状態及び非導電状態にそれぞれ切り替える工程が、前記スイッチ要素の端子へのフィードバック電圧のフィードバックによって制御される、請求項５に記載の方法。
請求項7
前記スイッチ要素を導電状態及び非導電状態にそれぞれ切り替える前記工程が、前記スイッチ要素（Ｓ１）の駆動端子に接続されている駆動エレクトロニクス（Ａ）によって制御される、請求項５に記載の方法。
請求項8
請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路配列（Ｓ）と、前記並列共振回路に接続された負荷（Ｐ）とを有する、特に加湿器又は吸入器などの、電気機器（１００）。
請求項9
前記電気機器（１００）が、動作状態において、前記回路配列（Ｓ）に接続されている、又は前記回路配列（Ｓ）に接続することができる、直流電圧源（Ｕ０）を有する、請求項８に記載の電気機器（１００）。
請求項10
前記直流電圧源（Ｕ０）が、負荷（Ｐ）の必要なピーク間供給電圧の約半分である直流電圧（Ｕ０）を供給する、請求項８又は９に記載の電気機器（１００）。