專利名稱：用于壓電變換器的發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對壓電變換器供電的發(fā)生器，所述發(fā)生器特別地可用于牙科中 (在本申請中，表述“壓電變換器”是指將電信號轉(zhuǎn)換成另一種量的任何壓電器件。特別地， 根據(jù)該定義，壓電電動機是壓電變換器的一個例子)。
背景技術(shù)：
已知壓電變換器的阻抗往往會根據(jù)其受到的操作條件而顯著變化。一方面，對于 與串聯(lián)共振對應(yīng)的頻率，壓電器件的阻抗達到其最小值，而另一方面，機械負載的增加會引 起阻抗的增大。阻抗的這些變化涉及特定的問題。實際上，如果通過“電流源”型發(fā)生器為 變換器供電，則輸送到變換器的電力與阻抗成比例。由此電力可能以不可控方式增大。由 此，例如，如果使用設(shè)備進行刮牙，則在想要去除結(jié)石的同時很可能損傷牙齒。另一方面，如 果通過“電壓源”型發(fā)生器為變換器供電，則所提供的電力會根據(jù)雙曲線定律而隨著阻抗的 增加而減小。由此，當需要較大的機械功時，發(fā)生器將產(chǎn)生較小的電力；這不是真正理想的。 另外，當不存在機械負載時，施加到變換器的電力會以不可控方式增大，這可導(dǎo)致壓電工具 的斷裂。專利文件FR 2391001提出了對上述問題的解決方案。在該文件中描述的用于對 壓電變換器供電的發(fā)生器包括變壓器，該變壓器的初級繞組受到振蕩器激勵，并且該變壓 器的次級繞組被連接以對變換器供電。通過恒流發(fā)生器(電流源)和電壓發(fā)生器(電壓 源)并聯(lián)地對振蕩器本身供電。提供這樣的裝置，只要負載的阻抗保持為低于可調(diào)節(jié)閾值， 則該裝置阻斷電壓發(fā)生器，相反地，一旦負載的阻抗超過可調(diào)節(jié)閾值，就阻斷電流發(fā)生器。根據(jù)上述文件繪制的圖IA是示出分別在最小電力(曲線I)、中間電力(曲線II) 和最大電力(曲線III)的情況下根據(jù)變換器的阻抗Z而輸送的電力P的圖。如果考慮與 中間電力對應(yīng)的曲線II，可以看到，只要變換器的阻抗Z保持為低于參考閾值Zb，被輸送到 變換器的電力P就隨著阻抗成比例地增大。如果阻抗超過閾值，則恒流發(fā)生器被阻斷，電壓 發(fā)生器被釋放。從此時起，所輸送的電力根據(jù)雙曲線定律的隨著阻抗的增長而減小。剛才描述的用于對壓電變換器供電的發(fā)生器具有僅對十分精確的變換器阻抗值 才能提供最大電力的缺點(如圖IA的曲線I和II的通常為三角形的形式所揭示的)。本 發(fā)明的目標是提供一種在阻抗變化的時段輸送相當恒定的電力的發(fā)生器(如圖IB的第一 曲線的通常為梯形的形狀所示)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供根據(jù)所附權(quán)利要求1的用于向壓電變換器供電的發(fā)生器而實現(xiàn) 該目的。


通過閱讀僅作為非限制性實例而給出的且參考附圖進行的以下描述，本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點將得以顯現(xiàn)，在附圖中圖IA是由現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)生器輸送的電力隨著壓電變換器的阻抗而變化的曲線圖；圖IB是由根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器輸送的電力與由現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)生器輸送的電力之 間的比較的曲線圖；圖2是本發(fā)明的特定實施例的電學(xué)圖示；以及圖3A、3B和3C是分別與壓電變換器的阻抗的三種數(shù)值對應(yīng)的三種曲線圖，其示出 了在圖2的發(fā)生器的變壓器的繞組中的電流和電壓。
具體實施例方式圖2是根據(jù)本發(fā)明的特定實施例的發(fā)生器的電學(xué)圖示。用于向壓電變換器供電的 發(fā)生器包括兩個電壓器IlA和11B，每一個變壓器包括初級繞組Ll和次級繞組L2。這兩個 次級繞組L2通過其一個端子而被連接到壓電器件5的一個極，并且通過其另一個端子而被 連接到地；二極管(分別為13和15)進一步被插入在每一個次級繞組與壓電器件5之間。電壓器IlA和IlB的每一個初級繞組Ll與開關(guān)(分別為19A和19B)串聯(lián)地連接 在電源的端子之間。在本實例中，電源由被標號為17的電壓源形成，該電壓源的一個端子 被連接到兩個初級繞組Li，而另一個端子被連接到地。開關(guān)19A和19B以及本說明書中提 到的所有其他開關(guān)為電控開關(guān)，其可以以晶體管的形式得以實現(xiàn)。除了均被連接到兩個變 壓器之一的次級繞組L2之外，壓電變換器5的兩個極還分別通過二極管23和開關(guān)21B、二 極管25和開關(guān)21A而連接到地。這意味著，一方面，壓電變換器5與二極管13、二極管25 和開關(guān)2IA串聯(lián)地連接在變壓器1IA的次級繞組L2的端子之間，另一方面，壓電變換器5還 與二極管15、二極管23和開關(guān)21B串聯(lián)地連接在變壓器IlB的次級繞組L2的端子之間。將通過第一振蕩控制信號(這里表示為“直接”信號)驅(qū)動開關(guān)19A和21B，同時 將通過與第一振蕩控制信號反相的第二振蕩控制信號(此后表示為“反相”信號)驅(qū)動其他 開關(guān)19B和21A。在本實例中，這兩個控制信號都來自同一振蕩器27，該振蕩器提供由正和 負半周期的連續(xù)序列構(gòu)成的方波電壓。在負半周期期間，開關(guān)19A和21B打開，而開關(guān)19B 和21A閉合。在正半周期期間則相反。在負半周期期間，由變壓器IlA的次級繞組L2、壓 電變換器5、二極管13和25以及開關(guān)21A形成的電路閉合，并且存儲在變壓器IlA中的能 量被傳輸?shù)截撦d。同時，開關(guān)19B閉合，并且變壓器IlB的初級繞組Ll被直接連接到電壓 源17。流經(jīng)初級繞組的電流引起磁通量的增加。由此將能量存儲在磁路中。在正半周期期 間則相反。在包括壓電變換器5、二極管15和23以及開關(guān)21B的電路中放電時變壓器IlB 的次級繞組L2回給出其能量，而流經(jīng)變壓器IlA的初級繞組Ll的電流在其磁路中存儲感 應(yīng)能量。圖3A的曲線圖示出變壓器IlA或IlB之一的繞組L1、L2和L3中的電流和電壓特 性?？梢钥闯?，變壓器的初級繞組中的電流ILl在降低到零之前的半周期期間規(guī)則地增長， 并且在接下來的半周期期間保持為零。在兩個半周期之間的過渡處，次級繞組占優(yōu)勢?？?以看出，其強度正減小的電流IL2在次級繞組中流通。在所示例的實例中，電流IL2流通， 直到所存儲的能量被完全耗盡。次級繞組的端子之間的電壓UL2的變化與IL2的強度的變 化相似。應(yīng)理解，具有兩個變壓器IlA和IlB以及交替地將壓電變換器5連接到一個變壓器然后再連接到另一個變壓器的事實允許向壓電變換器5供給交流電壓。另外，本領(lǐng)域技 術(shù)人員將理解，簡言之，開關(guān)19A、19B、21A和21B的作用是驅(qū)動變壓器IlA和IlB以使它們 以常稱為“回掃”的模式起作用。
從圖2還可以看出，兩個電阻(標號分別為39A和39B)與初級繞組Ll以及開關(guān) 19A和19B串聯(lián)連接。分別提供電阻39A和39B以允許測量在變壓器IlA和IlB的初級繞 組Ll中流通的電流的強度。可以使用Ll中的電流的測量，以允許檢測該電流的強度的最 大值。該最大值表明壓電變換器5在其共振頻率下振動。實際上，如已經(jīng)說過的，壓電器 件的阻抗在共振頻率下達到其最小值。由此，在共振頻率下，連接在次級繞組L2的端子之 間的負載最小。在這種條件下，可發(fā)生負載不足以完全耗盡存儲在變壓器中的能量的情況。 圖3B的曲線圖示例出該情況。參考該曲線圖，可以看出，當負載特別低時，在半周期結(jié)束之 前，電流IL2和電壓UL2沒有時間去減低到零。此外，在接下來的半周期開始時在初級繞組 中發(fā)現(xiàn)在次級繞組中未耗盡的能量。該未耗盡的能量是造成在半周期開始時在初級繞組Ll 中出現(xiàn)電流ILl的原因(圖3B)。由此可以理解，當?shù)陀谔囟ǖ拈撝禃r，阻抗越低，初級繞組 中的電流ILl的強度越大。因此，最大強度的電流ILl表明變換器在共振下振動。流經(jīng)電 阻39A和39B的電流ILl的測量可以有利地用于反饋環(huán)路(未示出)中以驅(qū)動振蕩器27， 以使其在壓電變換器5的共振頻率下振蕩。從圖2可以看出，變壓器IlA和IlB中的每一個還包括三級繞組L3。變壓器IlA 的繞組L3與二極管31和一個電阻35串聯(lián)地連接在電壓源17與地之間。類似地，變壓器 IlB的繞組L3與二極管33和一個電阻37串聯(lián)地連接在電壓源17與地之間。在下文中可 以更詳細地看出，L3繞組的作用是限制從次級繞組L2提供的最大電力。L2中的電流強度的當存儲在其中一個變壓器中的能量被傳輸?shù)截撦d時而降低的 速度自然地取決于與負載相關(guān)的阻抗。阻抗越大，電流降低得越快，并且次級繞組的端子之 間的電壓越高。圖3B的曲線圖描述了在壓電變換器5上的機械負載特別高的情況下圖2 的發(fā)生器的特性。從圖3B可以看出，與圖3A中的情況相比，電流IL2的強度的降低速度顯 著更快。并且，與圖3A中的情況相比，在半周期開始時的電壓UL2也顯著更高。可以理解， 如果由于這種或那種的原因，壓電變換器上的機械負載以不可控方式增大，則UL2的輸出 電壓很可能增大到毀壞發(fā)生器的程度。這就是為什么在該實例中每一個變壓器IlA和IlB 都包括與初級和次級繞組Ll和L2感應(yīng)耦合的三級繞組L3的原因。再次參考圖2，可以看出，二極管31和33通過其陰極而連接到繞組L3，并且通過 其陽極而連接到地。由于每一個繞組L3的另一個端子連接到電壓源17的正端子，二極管通 常經(jīng)受負電壓UL3。在這種條件下，二極管31和33阻止電流通過。然而，如果在L3中感應(yīng) 的電壓超過連續(xù)的電源電壓，則在二極管上產(chǎn)生的電壓UL3瞬間變?yōu)檎缘?，并且電流IL3 開始在L3中流通。該瞬間電流IL3具有限制繞組L2的端子之間的電壓UL2的作用。繞組 L3的存在由此可以將電壓UL2限制在通過選擇在感應(yīng)L2與L3的值之間的關(guān)系而確定的 值。圖IB是包括第一曲線的曲線圖，該第一曲線示出由剛才描述過的發(fā)生器提供的 電力隨著壓電變換器的阻抗而變化的特性。該曲線圖還包括如在已經(jīng)提到的專利文件FR 2391001中所描述的現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)生器的特性。從圖IB可以看出，第一曲線包括第一增大 部分、第二恒定部分和最后的第三減小部分。第二部分占據(jù)了該曲線圖的所有中心部分，由此對應(yīng)于阻抗的中間值。在該間隔中，由根據(jù)本發(fā)明的發(fā)生器提供的電力相當恒定，并且該 發(fā)生器的特性對應(yīng)于由圖3A的曲線圖所描述的特性。曲線的第一部分對應(yīng)于在半周期的 結(jié)束之前不足以完全耗盡存儲在變壓器中的能量的阻抗值。曲線的該第一部分對應(yīng)于這樣 的間隔，其中發(fā)生器的特性類似于由圖3C的曲線圖所描述的特性。在該間隔中，被供給的 電力與阻抗成比例地減小。曲線的第三部分對應(yīng)于最高阻抗。在該區(qū)域中發(fā)生器的特性對 應(yīng)于由圖3B的曲線圖所描述的特性。在該區(qū)域中，次級繞組L2的端子間的電壓y受到繞 組L3的限制，由此電流隨著阻抗增加而減小。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，變壓器IlA和IlB在壓電變換器5與電源17之間產(chǎn)生 電絕緣。在圖2中，用虛線40中的矩形表示發(fā)生器被分成兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域通過電絕 緣而被分隔。從圖2還可以看出，開關(guān)21A和21B在虛線中的矩形內(nèi)。為了確保在開關(guān)的 驅(qū)動電平下電絕緣，在振蕩器27與一個放大器/反相器45之間插入被設(shè)計為驅(qū)動兩個開 關(guān)的光耦合器43。
權(quán)利要求
一種用于壓電變換器的發(fā)生器，其包括兩個變壓器(11A，11B)，每一個變壓器包括初級繞組(L1)和次級繞組(L2)；以及由超聲頻率振蕩器驅(qū)動的四個開關(guān)(19A，19B，21A，21B)，所述四個開關(guān)中的兩個(21A，21B)被設(shè)計為將每一個變壓器的次級繞組交替地連接到壓電負載(5)，并且另外兩個開關(guān)(19A，19B)被設(shè)計為將兩個初級繞組交替地連接到電源(17)，從而在被稱為“正半周期”的第一半周期期間，所述兩個變壓器之一的初級繞組被充電，而另一個變壓器的次級繞組向所述壓電負載放電，并且從而在被稱為“負半周期”的第二半周期期間，所述一個變壓器的次級繞組向所述壓電負載放電，而所述另一個變壓器的初級繞組被充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于壓電變換器的發(fā)生器，其中每一個變壓器包括維持在固定電 壓下的三級繞組(L3)以及二極管(31，33)，所述二極管與所述三級繞組串聯(lián)，以限制所述 三級繞組(L3)的端子之間的負電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于壓電變換器的發(fā)生器，其中所述兩個變壓器(11A，11B)中的 至少一個包括電路(39A，39B)，其用于測量所述初級繞組(Li)中的電流，以允許以這種方 式監(jiān)測所述電流的形狀，以便檢測由從前一半周期剩余的未耗盡的能量的存在而引起的電 流的可能的梯形形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的用于壓電變換器的發(fā)生器，其中所述兩個變壓器(11A，11B)中的 至少一個包括電路(39A，39B)，其用于測量所述初級繞組(Li)中的電流，以允許以這種方 式監(jiān)測所述電流的形狀，以便檢測由從前一半周期剩余的未耗盡的能量的存在而引起的電 流的可能的梯形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的用于壓電變換器的發(fā)生器，其中所述兩個變壓器(11A，11B)中的 至少一個包括附加電路(35，37)，其用于測量所述三級繞組(L3)中的電流，以允許檢測電 流是否流經(jīng)所述三級繞組，并由此檢測在所述三級繞組的端子之間的負電壓是否已受到限 制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的用于壓電變換器的發(fā)生器，其中所述兩個變壓器(11A，11B)中的 至少一個包括附加電路(35，37)，其用于測量所述三級繞組(L3)中的電流，以允許檢測電 流是否流經(jīng)所述三級繞組，并由此檢測在所述三級繞組的端子之間的負電壓是否已受到限 制。
全文摘要
一種用于壓電變換器的發(fā)生器，特別是用于醫(yī)學(xué)或牙科應(yīng)用的壓電電動機的發(fā)生器，其包括兩個變壓器(11A，11B)，每一個變壓器包括初級繞組(L1)和次級繞組(L2)；以及由超聲頻率振蕩器驅(qū)動的四個開關(guān)(19A，19B，21A，21B)，所述四個開關(guān)中的兩個(21A，21B)被設(shè)計為將每一個變壓器的次級繞組交替地連接到壓電負載(5)，并且另外兩個開關(guān)(19A，19B)被設(shè)計為將兩個初級繞組交替地連接到電源(17)，從而在被稱為“正半周期”的第一半周期期間，所述兩個變壓器之一的初級繞組被充電，而另一個變壓器的次級繞組向所述壓電負載放電，并且從而在被稱為“負半周期”的第二半周期期間，所述一個變壓器的次級繞組向所述壓電負載放電，而所述另一個變壓器的初級繞組被充電。
文檔編號H02M7/42GK101841251SQ201010134440
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者D·克洛普芬斯坦, D·鮑爾 申請人:蒂普拓普蒂普斯有限公司