專利名稱：用于使電容器充電和放電的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制通用的基于靈巧(smart)材料致動器的電子的方法和電路。
背景技術(shù)：
正在研發(fā)被廣泛應(yīng)用的致動器技術(shù)。一個例子包括響應(yīng)電激勵而改變形狀的具有機械杠桿的靈巧材料致動器。因為這種形狀的改變一般主要沿著一個軸線進行，這種致動器可用于在相關(guān)的包括和一些主支撐結(jié)構(gòu)組合的杠桿的機械系統(tǒng)上進行操作。軸向位移的改變被杠桿放大，從而形成具有有用的數(shù)量的位移和力的致動器。這種位移和力對于通用的工業(yè)閥門、飲料自動售貨機、壓縮機或泵、制動器、門鎖、繼電器、電路斷路器、以及使用電磁線圈類型的致動器的大部分應(yīng)用是有用的。不過，靈巧材料，具體地說壓電材料，需要數(shù)百伏電壓才能致動和產(chǎn)生位移。這種類型的電壓可能是不容易得到的，并且可能必須得自較低的電壓例如由電池得到的電壓。
壓電材料的另一個特征是，這些材料本質(zhì)上是容性的。此外，一個致動器通常使用兩個單獨的信號被控制一個主電源和一個地，在致動的時刻使用幾瓦的能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種簡單的低功率的以及節(jié)省成本的裝置，用于驅(qū)動具有機械杠桿的靈巧材料致動器，其包括在操作上和開關(guān)電路相連的專用電源。
本發(fā)明的專用電源包括可控的電源，被調(diào)節(jié)的直流對直流(DC-DC)變換器，用于在靈巧材料上施加一個已知的電壓，并借以把一個控制電壓轉(zhuǎn)換成適合于靈巧材料的值。因而，按照本發(fā)明，控制信號和主電源信號被組合在一個導(dǎo)體內(nèi)。這允許所提出的發(fā)明更新目前的控制系統(tǒng)，直接替代現(xiàn)有的致動器。
本發(fā)明還包括一種靈巧材料致動器，其和用于對其充電的可控電源以及用于對其放電的開關(guān)電路之一或二者相連。按照本發(fā)明的第一實施例，可控電源是包括具有一次繞組和二次繞組的變壓器的被調(diào)節(jié)的DC-DC變換器。變壓器的一次繞組又和可控的驅(qū)動電路相連，用于產(chǎn)生彼此相差180度的相位的驅(qū)動信號。為此，可控電源以二元方式操作或者把已知的激勵電壓施加到靈巧材料上，或者使靈巧材料短路。按照本發(fā)明的實施例，可控電源的驅(qū)動電路還可以包括反饋裝置使得電路是自振蕩的。反饋裝置還可以包括推挽電路以及和所述變壓器相連的輔助繞組。所述推挽電路還可以包括一對負正負(NPN)晶體管。
還可以和變壓器的二次繞組連接一個整流器，用于由和所述二次繞組相關(guān)的的交流(AC)電流信號產(chǎn)生一個DC電壓。還可以和變壓器的二次繞組連接一個噪聲減少電路，用于濾除可能由可控驅(qū)動電路產(chǎn)生的噪聲。
因而用于驅(qū)動按照本發(fā)明的靈巧材料致動器的一種設(shè)備包括可控電源，用于向靈巧材料致動器充電，以及被連接在可控電源和靈巧材料致動器之間的開關(guān)電路，使得當除去電源時所述開關(guān)電路使所述靈巧材料致動器放電。靈巧材料致動器放電的速率由所述開關(guān)電路的阻抗確定，而可控電源的充電速率由可控電源的阻抗確定。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，當結(jié)合附圖閱讀下面的用于實施本發(fā)明的最好方式的說明時，將會清楚地看出本發(fā)明的其它應(yīng)用。


本說明參照附圖進行，在所有附圖中，相同的標號表示相同的部件，其中圖1是按照本發(fā)明的可控電源的電子原理圖；圖2是按照本發(fā)明的開關(guān)電路的第一實施例的電子原理圖；圖3按照本發(fā)明的開關(guān)電路的第二實施例的電子原理圖；圖4是用于驅(qū)動實施圖1的可控電源和圖2的開關(guān)電路的靈巧材料致動器的設(shè)備的電子原理圖；以及圖5是用于驅(qū)動實施圖3的開關(guān)電路和圖1的DC-DC變換器的設(shè)備的電子原理圖。
具體實施例方式
圖1是表示可控電源10的電子原理圖，其中已知電位的已知電壓源12和饋給波紋電感器(bead inductor)16的反向保護二極管相連。波紋電感器16作為濾波器用于除去由NPN晶體管18的集電極在電壓源12中產(chǎn)生的噪聲。NPN晶體管18和NPN晶體管20形成用于變壓器22的推挽驅(qū)動器。電阻24，26，28，30形成電阻分壓器，用于設(shè)置NPN晶體管18和20的基本的偏置點。變壓器22不僅繞有一次和二次繞組22a，22b，而且繞有輔助繞組22c。在變壓器22上的輔助繞組22c、電阻32、34、28和電容器36，38形成反饋裝置用于在NPN晶體管18，20的基極上產(chǎn)生振蕩。所述振蕩在NPN晶體管18，20之間具有180度的相位差，從而形成自振蕩推挽變壓器驅(qū)動器。變壓器22的二次繞組22b和整流器40相連，所述整流器和波紋電感器42以及容性負載44相連，在這種情況下，所述負載是壓電靈巧材料致動器。波紋電感器42作為濾波器用于濾除由電路的振蕩產(chǎn)生的并饋入容性負載44內(nèi)的噪聲。齊納二極管46通過電流限制電阻48作為反饋裝置。當超過齊納電壓時，晶體管50導(dǎo)通，引起晶體管20的基極接地，因而使自振蕩機構(gòu)停止。
現(xiàn)在參見圖2，其中示出了用于向靈巧材料致動器容性負載58充電的開關(guān)電路11。當開關(guān)52閉合時，電流從電壓源54通過開關(guān)52并通過波紋電感器56對容性負載58充電，在這種情況下，容性負載是壓電靈巧材料致動器。此外，電流流入電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)60，驅(qū)動NPN晶體管62導(dǎo)通，這使得NPN達林晶體管對64截止。充電的速率由波紋電感器56、電阻66和容性負載58的阻抗確定。當開關(guān)52打開時，電流停止在容性負載58中流動，NPN晶體管62截止，NPN達林晶體管對64導(dǎo)通，使電流通過電阻66流動，以便使容性負載58放電。放電的速率由電阻66和容性負載58確定。電阻68和NPN晶體管62的基極作為在開關(guān)電壓源54和控制信號之間的電平變換器，因此電阻68和NPN晶體管62的基極不必具有相同的電壓值或電壓擺動。
現(xiàn)在參見圖3，其中示出了用于使靈巧材料致動器容性負載158放電的開關(guān)電路111的第二實施例。當開關(guān)152閉合時，電流流入分壓器網(wǎng)絡(luò)160，使NPN晶體管162導(dǎo)通，使電流通過電阻70流動，使NPN達林晶體管對164截止，并使正負正(PNP)晶體管72導(dǎo)通，使電流通過電阻166流動，使容性負載158放電。放電速率以電阻166和容性負載158確定。當開關(guān)152打開時，NPN晶體管162的基極使NPN晶體管162截止，允許電流通過電阻70到PNP晶體管72的基極，使PNP晶體管截止，因而NPN達林對164通過電阻74供給容性負載158電流。充電速率由電阻74和容性負載158確定。電阻70和NPN晶體管162例如作為在電壓源154和由開關(guān)154的閉合而產(chǎn)生的控制信號之間的電平變換器，因此，電阻70和NPN晶體管162的基極不必具有相同的電壓值或電壓擺動。
現(xiàn)在參看圖4，其中示出了按照本發(fā)明的用于靈巧材料致動器容性負載76的驅(qū)動器的優(yōu)選實施例，其包括可控電源10a和開關(guān)電路11a。輸入電壓源12a被提供給可控電源10a，并且與此同時，開關(guān)電路11a被禁止，因而容性負載76被充電。當輸入電壓源12a被除去時，可控電源10a被停止，開關(guān)電路11a被選通，容性負載76被放電?？煽仉娫?0a的實際阻抗控制容性負載76充電的速率，開關(guān)電路11a的阻抗控制容性負載76放電的速率。
參見圖5，按照本發(fā)明的用于靈巧材料致動器的驅(qū)動器的第二實施例包括可控電源10b和開關(guān)電路111a，111b，111c，111d，111e，111f。輸入電壓源12b被施加于可控電源10b。要被轉(zhuǎn)換的電壓被連續(xù)地產(chǎn)生。當對開關(guān)電路111a，111b，111c，111d，111e，111f的控制信號(未示出)為低時，每個電路111a，111b，111c，111d，111e，111f的NPN達林對164a，但圖中只示出了電路111a中的，被選通，因而每個容性負載被充電。當控制信號為高時，開關(guān)電路111a，111b，111c，111d，111e，111f和每個單元111a，111b，111c，111d，111e，111f的PNP晶體管72a被選通，容性負載被放電，但是只示出了每個電路111a，111b，111c，111d，111e，111f中的。
在圖1，2，3，4和5的實施例中，按照電流承載能力、電壓定額以及元件類型包含了不同的元件。其它合適的元件可以包括場效應(yīng)晶體管(FET)和雙極結(jié)晶體管(BJT)，小信號晶體管和功率晶體管，線繞電阻、薄膜電阻和碳合成電阻，陶瓷、鉭和薄膜電容器，線繞的以及低溫共燒(cofired)陶瓷變壓器，或者通常用于大量生產(chǎn)的合適元件的任何組合。雖然作為例子給出的這些材料提供優(yōu)異的性能，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以使用元件的其它的組合。同樣，給出的實施例說明在市場上可得到的元件。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前認為是最優(yōu)選的實施例進行了說明，應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于所披露的實施例，與此相反，應(yīng)當覆蓋被包括在所附權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍內(nèi)的各種改變和等效結(jié)構(gòu)，權(quán)利要求的范圍應(yīng)當給予最寬的解釋，使得包括法律允許的所有的改型和等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括靈巧材料致動器，以及用于對所述靈巧材料致動器充電的至少一個可控電源和用于使所述靈巧材料致動器放電的開關(guān)電路。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述可控電源包括具有包括一次繞組和二次繞組的變壓器的DC-DC變換器，和與所述變壓器的一次繞組相連的用于產(chǎn)生具有彼此相差180度的相位的驅(qū)動信號的可控驅(qū)動電路。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述可控驅(qū)動電路是自振蕩的。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述自振蕩的驅(qū)動電路還包括用于提供反饋信號的反饋裝置，所述反饋裝置包括推挽電路和與所述變壓器相連的輔助繞組。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述推挽電路包括一對NPN晶體管。
6.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括和變壓器的二次繞組相連的用于由和二次繞組相關(guān)的AC信號產(chǎn)生DC電壓的整流器。
7.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括和所述變壓器的二次繞組相連的用于濾除由可控驅(qū)動電路產(chǎn)生的噪聲的噪聲減少電路。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述噪聲減少電路包括波紋電感器和旁路電容器。
9.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括用于選通自振蕩的驅(qū)動器的裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述選通裝置包括用于反饋電壓的電壓反饋裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中電壓反饋裝置包括齊納二極管。
12.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，還包括用于偏置所述推挽電路的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中偏置裝置包括分壓器。
14.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述DC-DC變換器還包括和所述DC-DC變換器的輸入相連的用于反向極性保護的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中反向極性保護裝置是二極管。
16.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述開關(guān)電路響應(yīng)一個被控制的輸入信號。
17.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述開關(guān)電路響應(yīng)多個被控制的輸入信號之一。
18.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中放電的速率由所述開關(guān)電路的阻抗確定。
19.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中充電速率由所述可控電源的阻抗確定。
20.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述變壓器具有繞線鐵心結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述變壓器具有LTCC結(jié)構(gòu)。
22.一種用于驅(qū)動靈巧材料致動器的設(shè)備，包括可以和所述靈巧材料致動器連接的用于對所述靈巧材料致動器充電的可控電源；以及連接在所述可控電源和所述靈巧致動器之間的用于響應(yīng)一個電源的除去使所述靈巧材料致動器放電的開關(guān)電路。
23.一種用于驅(qū)動靈巧材料致動器的方法，包括下列步驟中的至少一個步驟利用和所述靈巧材料致動器相連的可控電源對所述靈巧材料致動器進行充電；以及利用連接在所述可控電源和所述靈巧致動器之間的開關(guān)電路，響應(yīng)一個電源的除去，使所述靈巧材料致動器放電。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括產(chǎn)生彼此相差180度相位的驅(qū)動信號的步驟，其中可控電源包括具有包括一次繞組和二次繞組的變壓器的DC-DC變換器，和與所述變壓器的一次繞組相連的可控驅(qū)動電路。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述可控驅(qū)動電路是自振蕩的。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括提供由推挽電路和與所述變壓器相連的輔助繞組得到的反饋信號的步驟。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括通過使用和所述輔助繞組相連的整流器，由和變壓器的二次繞組相連的AC信號產(chǎn)生DC電壓的步驟。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括通過連接噪聲減少電路到變壓器的二次繞組來減少由可控驅(qū)動電路產(chǎn)生的噪聲的步驟。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括由開關(guān)電路的阻抗確定放電速率的步驟。
30.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括由可控電源的阻抗確定充電速率的步驟。
全文摘要
一種用于電激勵靈巧材料的設(shè)備，包括用于對所述靈巧材料充電的可控電源與/或用于使所述靈巧材料放電的開關(guān)電路?？煽仉娫窗ū徽{(diào)節(jié)的DC－DC變換器，其具有和其相連的可控驅(qū)動電路。所述驅(qū)動電路可以通過相連的反饋裝置自振蕩。所述開關(guān)電路可以響應(yīng)一個或幾個控制信號。
文檔編號H02M3/338GK1679226SQ03820974
公開日2005年10月5日 申請日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月5日
發(fā)明者馬克·奧德舒恩, 唐納德·丸德思路易斯 申請人:瓦伊金技術(shù)有限公司