專利名稱：壓電驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電驅(qū)動(dòng)電路，特別涉及一種具有低功耗和產(chǎn)生熱量較低的壓電驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生電路。
圖1中示出傳統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生電路的一個(gè)實(shí)例。如圖1所示，它是這樣構(gòu)成的使得在一參考波形發(fā)生電路中壓電驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生，一電流放大電路提供所需的電流量。
在這種情況下，假設(shè)壓電驅(qū)動(dòng)電壓(壓電驅(qū)動(dòng)波形輸出端電壓)為Vpzt(圖2(a))，晶體管Tr1的集電極電流為i1(圖2(b))，晶體管Tr2的集電極電流為i2(圖2(c))，并且高端電源(高電壓端電源)電壓為Vh，在晶體管Tr1、Tr2中分別產(chǎn)生的功率P1、P2由下式給出P1=(Vh-Vpzt)×i1P2=Vpzt×i2上式分別由圖2(d)、(e)表示。
由于這些所產(chǎn)生的功率都會(huì)使晶體管發(fā)熱，傳統(tǒng)的器件是通過使用高額定值的晶體管或散熱片來解決發(fā)熱的問題的。這使得器件不能小型化。
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是提供一種減小器件的尺寸并且能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗和低發(fā)熱的壓電驅(qū)動(dòng)電路。
根據(jù)本發(fā)明，一種壓電驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)第一開關(guān)元件和一個(gè)第一電阻器，它們相互串聯(lián)，并且置于高端電源與壓電元件之間；以及一個(gè)第二開關(guān)元件和一個(gè)第二電阻器，它們相互串聯(lián)，并且置于低端電源與該壓電元件之間；其中，通過使第一開關(guān)元件導(dǎo)通形成充電路徑，使第二開關(guān)元件導(dǎo)通形成放電路徑，這樣可以產(chǎn)生所需的壓電驅(qū)動(dòng)電壓波形。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種壓電驅(qū)動(dòng)電路包括
多個(gè)分別由相串聯(lián)的一開關(guān)元件和一電阻器構(gòu)成的電路，它們并聯(lián)地置于一高端電源與一壓電元件之間；以及多個(gè)分別由相串聯(lián)的一開關(guān)元件和一電阻器構(gòu)成的電路，它們并聯(lián)地置于一低端電源與該壓電元件之間。
在下文結(jié)合附圖的說明中本發(fā)明將變得更加清楚，其中


如下圖1示出傳統(tǒng)壓電驅(qū)動(dòng)電路的電路圖，圖2示出表示傳統(tǒng)壓電驅(qū)動(dòng)電路的操作時(shí)序的波形的解釋圖，圖3示出本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的壓電驅(qū)動(dòng)電路的電路圖，圖4示出第一實(shí)施例的具體壓電驅(qū)動(dòng)電路的電路圖，圖5示出第一實(shí)施例的操作時(shí)序波形的解釋圖，圖6示出施加到第一實(shí)施例的壓電元件的電壓增加的坐標(biāo)圖。
圖7示出在該第一實(shí)施例中的一個(gè)開關(guān)元件(N溝道MOSFET)的示意圖，圖8示出第一實(shí)施例中的N溝道MOSFET的電壓波形、電流波形、以及電壓-電流波形圖，圖9示出根據(jù)本發(fā)明第二最佳實(shí)施例的壓電驅(qū)動(dòng)電路的電路圖，圖10示出第一實(shí)施例的操作時(shí)序的解釋圖。
下面說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
在最佳實(shí)施例的壓電驅(qū)動(dòng)電路中，一個(gè)第一開關(guān)元件與一個(gè)第一電阻器相串聯(lián)，并置于一高端電源與一壓電元件之間，從而通過開-關(guān)控制形成充電路徑；并且一個(gè)第二開關(guān)元件與一個(gè)第二電阻器相串聯(lián)，并置于一低端電源與該壓電元件之間，從而通過開-關(guān)控制形成放電路徑，使得可以產(chǎn)生所要的壓電驅(qū)動(dòng)電壓波形。
圖3示出本發(fā)明第一最佳實(shí)施例的組成。如圖3所示，在本發(fā)明第一實(shí)施例的壓電驅(qū)動(dòng)電路中，通過接通一連接到一高端電源1的開關(guān)元件2，經(jīng)過一電阻4對(duì)壓電元件6進(jìn)行一段時(shí)間的充電，然后切斷開關(guān)元件2以通過電阻器5對(duì)該壓電元件6放電，從而產(chǎn)生該壓電元件6的驅(qū)動(dòng)波形。
連接于高端電源1與該電阻器4的一端之間的開關(guān)元件2對(duì)提供到該壓電元件6的電流進(jìn)行開/關(guān)控制。
電阻器4的另一端連接到該壓電元件6，它的阻值R1是這樣確定，使得施加到該壓電元件6的電壓波形的上升曲線(上升波形)的時(shí)間常數(shù)τ=R1×Cpzt適用于驅(qū)動(dòng)該壓電元件。其中，R1是電阻器4的阻值，而Cpzt是壓電元件6的靜態(tài)電容。
開關(guān)元件3連接于一低端電源7與電阻5的一端之間，并用于控制從壓電元件6的放電操作。電阻器5的另一端連接到壓電元件6上，并且它的阻值R2是這樣確定，使得施加到該壓電元件6的電壓波形的下降曲線(下降波形)的時(shí)間常數(shù)τ=R2×Cpzt適用于驅(qū)動(dòng)該壓電元件6。其中，R2是電阻器5的阻值。
下面參照該附圖具體描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖4中示出本發(fā)明第一實(shí)施例的具體構(gòu)成。
如圖4所示，在本發(fā)明中，用一N溝道MOSFET作為開關(guān)元件2和開關(guān)元件3。
開關(guān)元件2的漏極連接到高端電源1，其源極連接到電阻器4的一端。一個(gè)只在對(duì)該壓電元件6充電的時(shí)間周期中有效(高電平)的控制信號(hào)施加到開關(guān)元件2的柵極端。
該開關(guān)元件3的漏極連接到電阻器5的一端，并且其源極連接到低端電源7。一個(gè)只在對(duì)該壓電元件6放電的時(shí)間周期中有效(高電平)的控制信號(hào)施加到開關(guān)元件3的柵極端。
壓電元件6連接到電阻器4和電阻器5的另一端，使得該時(shí)間常數(shù)可以在充電和放電之間改變。充電是通過電阻器4進(jìn)行，而放電是通過電阻器5進(jìn)行的。
圖5示出用于解釋本實(shí)施例是操作過程的時(shí)序波形。圖5(b)是要輸入開關(guān)元件2的柵極端的控制信號(hào)的波形，而圖5(c)是要輸出到開關(guān)元件3的柵極端的控制信號(hào)的波形。
參見圖4和圖5，下面解釋本發(fā)明的第一實(shí)施例的操作過程。
一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)該壓電元件6的三角狀波形由下述方法產(chǎn)生的指數(shù)曲線(指數(shù)函數(shù))來近似。
一個(gè)高于壓電驅(qū)動(dòng)波形的最大電壓的電壓提供到連接開關(guān)元件2的高端電源1。
假設(shè)壓電驅(qū)動(dòng)波形的最大電壓(既，施加到壓電元件6的電壓)為Vpzt_pk，則高端電源的電壓被設(shè)為高于Vh=Vpzt_pk/0.63。
其中，常數(shù)0.63是在從高端電源1通過電阻4向壓電元件6的靜態(tài)電容Cpzt充電經(jīng)過了時(shí)間常數(shù)τ=R1×Cpzt的時(shí)間之后，壓電元件6的電壓與高端電源1的電壓之間的比值。
具體來說，這由表達(dá)式Vpzt=Vh×(1-exp(-t/(R1×Cpzt)))來表示。如果，t=τ=R1×Cpzt，則由上述表達(dá)式可得Vpzt=Vh×0.63。其中，Vh是高端電源的電壓，Vpzt是壓電元件6的電壓，R1是電阻4的阻值，Cpzt是壓電元件6的電容。
圖6中示出壓電元件6的充電特性，其中在表達(dá)式Vpzt=Vh×(1-exp(-t/(R1×Cpzt)))中，給定Vh=1和R1×Cpzt(=t)=1。在圖6中，縱坐標(biāo)軸y表示比率Vpzt/Vh，橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間，并且特性曲線y=1-exp(-t)對(duì)應(yīng)于Vpzt=Vh×(1-exp(-t/(R1×Cpzt)))。當(dāng)時(shí)間t等于時(shí)間常數(shù)τ時(shí)，即，得出y=1-exp(-1)=1-0.37=0.63。
從圖6可以看出，在小于時(shí)間常數(shù)τ的時(shí)間之內(nèi)，上述表達(dá)式可以近似為一條斜率為0.63的直線。
盡管當(dāng)圖5(b)中所示的輸入控制信號(hào)輸入到開關(guān)元件2的柵極端時(shí)，施加到壓電元件6的電壓按圖5所示增加，向壓電元件6的充電是在指數(shù)曲線的曲率(斜率)不太陡的部位進(jìn)行的。因此，可以得到類似于按恒定電流充電壓電元件6的充電波形。
下面說明低端電源7連接到GND(地)上的情況。
當(dāng)把圖5(c)中所示的控制信號(hào)輸入到開關(guān)元件3的柵極端時(shí)，存儲(chǔ)于壓電元件6中的電荷通過電阻5和開關(guān)元件3流向GND。
此時(shí)，壓電元件6的電壓Vpzt按圖5(a)所示降低。通過改變電阻5的阻值，可以控制在放電曲線中壓電元件6的電壓斜率。
如上文所述，壓電元件6的驅(qū)動(dòng)波形可以由兩個(gè)開關(guān)元件和兩個(gè)電阻器獲得。
另外，如果開關(guān)元件2和開關(guān)元件3是具有低導(dǎo)通電阻的MOSFET，則當(dāng)電流通過開關(guān)元件2、3時(shí)可以使MOSFET的能耗降低。
圖7中示出構(gòu)成圖4中的開關(guān)元件2的N溝道MOSFET。其中，iD是流過MOSFET2的電流，而Vds是要施加于其漏極和源極之間的電壓。
圖8中示出當(dāng)構(gòu)成開關(guān)元件2的N溝道MOSFET從截止變?yōu)閷?dǎo)通然后又變?yōu)榻刂箷r(shí)，漏極電流iD、漏-源極電壓Vds、以及它們之間的乘積P。如圖8所示，下面解釋開關(guān)元件2的Vds和P。
當(dāng)開關(guān)元件2斷開時(shí)，iD為0，而給定Vds=Vh。由于P由公式P=iD×Vds來表達(dá)，在此P為0。
在開關(guān)元件2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟能S變狀態(tài)中，漏極電流隨著漏-源電壓Vds的下降而增加，因此在此時(shí)出現(xiàn)P的峰值。
通過使用具有高的開關(guān)速度的FET，可以加速Vds和iD的上升和下降速度，因此可以減少開關(guān)過程中的能耗。
當(dāng)開關(guān)元件2導(dǎo)通時(shí)，Vds=iD×Ron由開關(guān)元件2的導(dǎo)通阻值Ron和電流iD產(chǎn)生。
雖然P是按P=iD×Vds給出，通過選擇具有足夠的導(dǎo)通電阻Ron的MOSFET可以保持P下降。
圖9中示出本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例的構(gòu)成。盡管在第一實(shí)施例中有兩個(gè)開關(guān)元件和電阻用于充電和放電，在第二實(shí)施例中，如圖9所示，一開關(guān)元件與一電阻相串聯(lián)的充電路徑和放電路徑相并聯(lián)。因此，可以產(chǎn)生如圖10(a)中所示的具有一斜率的近似于直線的驅(qū)動(dòng)波形作為壓電元件6的驅(qū)動(dòng)波形。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，電阻4的阻值設(shè)定為高于電阻9的阻值，而電阻11的阻值設(shè)定為高于電阻5的阻值。
如圖10(b)、(c)、(d)、和(e)所示控制開關(guān)元件2、8、3、和10的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，從而可以獲得圖10(a)中所示的波形。
盡管在圖9中提供了兩種電阻，但是當(dāng)然也可以有兩種以上的電阻。另外，通過提供一種電阻和多種高端電源和低端電源也可以獲得類似的結(jié)果。
盡管，在上述實(shí)施例中，用GND作為低端電源，但是也可以用負(fù)電源或比高端電源的電壓低的電源作為低端電源。
盡管，在上述實(shí)施例中，用MOSFET作為開關(guān)元件。但是也可以用特性滿足特定的需要的二極管作為該開關(guān)元件。
如上文所述，在本發(fā)明中，由于可以減少開關(guān)元件的電能消耗和開關(guān)元件產(chǎn)生的熱量，從而可以實(shí)現(xiàn)器件的小型化。
其原因是該開關(guān)元件在導(dǎo)通時(shí)處于飽和狀態(tài)，在截止時(shí)處于截止區(qū)內(nèi)。即，在飽和區(qū)中，在開關(guān)元件兩端的電壓Vds接近等于0，而在截止區(qū)，流過開關(guān)元件的電流iD為0。因此，只在如圖8所示的狀態(tài)切換時(shí)，開關(guān)元件才具有P=Vds×iD的能量消耗，從而可以減少所產(chǎn)生的熱量。
盡管，本發(fā)明是參照具體實(shí)施例進(jìn)行描述，以完整和清楚地公開，但是，所附權(quán)利要求不僅限于具體實(shí)施例，而是包括所有對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員來說顯而易見的變化和改變。
權(quán)利要求
1.一種壓電驅(qū)動(dòng)電路，其中包括一第一開關(guān)元件和一第一電阻，它們相互串聯(lián)，并且置于一高端電源和一壓電元件之間；以及一個(gè)第二開關(guān)元件和一個(gè)第二電阻器，它們相互串聯(lián)，并且置于低端電源與所述壓電元件之間；其中，通過使第一開關(guān)元件導(dǎo)通形成充電路徑，使第二開關(guān)元件導(dǎo)通形成放電路徑，這樣可以產(chǎn)生所需的壓電驅(qū)動(dòng)電壓波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一壓電驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述第一和第二開關(guān)元件是具有低的導(dǎo)通電阻的MOS晶體管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述第一和第二電阻分別具有阻值R1和R2，對(duì)該阻值這樣設(shè)定使得分別決定施加到所述壓電元件的電壓上升和下降的波形特性的時(shí)間常數(shù)τ1=R1×Cpzt和時(shí)間常數(shù)τ2=R2×Cpzt適用于驅(qū)動(dòng)所述壓電元件，其中Cpzt是所述壓電元件的靜態(tài)電容。
4.一種壓電驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，其中包括多個(gè)分別由相串聯(lián)的一開關(guān)元件和一電阻器構(gòu)成的電路，它們并聯(lián)地置于一高端電源與一壓電元件之間；以及多個(gè)分別由相串聯(lián)的一開關(guān)元件和一電阻器構(gòu)成的電路，它們并聯(lián)地置于一低端電源與所述壓電元件之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種壓電驅(qū)動(dòng)電路,其中包括一第一開關(guān)元件和一第一電阻,它們相互串聯(lián),并且置于一高端電源和一壓電元件之間;以及一個(gè)第二開關(guān)元件和一個(gè)第二電阻器,它們相互串聯(lián),并且置于低端電源與所述壓電元件之間;其中,通過使第一開關(guān)元件導(dǎo)通形成充電路徑,使第二開關(guān)元件導(dǎo)通形成放電路徑,這樣可以產(chǎn)生所需的壓電驅(qū)動(dòng)電壓波形。
文檔編號(hào)B41J2/045GK1235409SQ991001
公開日1999年11月17日 申請(qǐng)日期1999年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月16日
發(fā)明者成相恭一 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社