CN101345493B - 压电式微型帮浦及其驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种驱动电路，是应用于一压电致动组件，包括：驱动周期产生单元及开关电路单元。驱动周期产生单元又包含：驱动指引信号及可程序化微控制器。其中可程序化微控制器，是接收驱动指引信号，以及是用于响应驱动指引信号，而产生对应于驱动指引信号的一可程序化的驱动周期信号。开关电路单元是连接驱动周期产生单元与压电致动组件，以及是接收驱动周期信号，而产生对应于驱动周期信号的一交替驱动电压。其中交替驱动电压的半波前缘其波形是呈抛物曲线波形，且交替驱动电压的半波后缘其波形是接近呈垂直线波形，以及交替驱动电压是连接压电致动组件。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，且特别是应用于压电致动组件的驱动电路，以及具有此驱动电路的压电式(Piezoelectric)微型帮浦。
背景技术
图1E是一传统压电致动组件的驱动电路，其是揭露自日本专利JP2004282988A。图1E所示的驱动电路仅能够对压电致动组件(11)的单侧电极进行充放电，因此压电致动组件(11)的振动幅度将只达到一半的程度。图1F是另一传统压电致动组件的驱动电路，其是揭露自美国专利US20070046143A1。在图1E及图1F中，驱动信号来源是由压电致动组件(11)、(13)的电极所产生，其目的在于使得压电材料能够以本身的自然共振频率产生振动，但此种驱动方式将使得由该电路所产生的压电材料驱动频率无法被随意改变。
图1G是传统压电致动组件的驱动电路中所使用的时序频率产生芯片(15)。时序频率产生芯片(15)用以作为驱动周期的产生单元，当时序频率产生芯片(15)输出某一频率的驱动信号时，必须外接其它的被动组件，例如电阻、电容等，如此除了增加电路配置空间外，当电阻或电容因为外界条件如温度等因素而产生电阻值或电容值的变化时，亦将严重影响到输出频率的驱动信号的准确性。再者，当电路配置完成后，若需变化驱动信号的输出频率时，则必须将周边的被动组件一并调整或更换，如此将使得电路变动弹性受到极大限制，而且无法对压电致动组件实施间歇驱动的功能。
图1A至图1D是公知技术用以驱动压电致动组件的交替驱动电压V2的各种波形图，其依序为：正弦波波形、三角波波形、方波波形以及类方波波形。于图1A中，我们先定义半波前缘(10)为对压电致动组件进行充电的波形，而半波后缘(12)则为对压电致动组件进行放电的波形，而且半波前缘(10)和半 波后缘(12)二者形成一个『半波』。
图1A的正弦波及图1B的三角波，两者皆属于模拟驱动波形，与图1C的方波及图1D的类方波驱动波形相较，图1A及图1B的电路设计较为复杂且需要较多的配置组件，故所需的配置空间亦较大，是此电路设计的缺点所在。
图1C的方波及图1D的类方波是属于数字驱动波形，其设计电路具有配置简易及快速放电等优点。观察图1C及图1D的半波前缘得知，其电路将对压电致动组件进行快速充电，虽然快速充电可以使得压电致动组件快速达到振幅的顶端，但同时也增加电力的耗损。此外，由于对压电致动组件进行快速充电，所以当压电致动组件在达到其振幅顶端后，且在压电致动组件朝反方向作动之前，压电致动组件将以自然共振频率产生振动，直到压电致动组件被放电并朝反方向作动为止，而此自然振动也会产生较大的噪音问题。
再者，观察图1D得知，其交替驱动电压的波形具有充电快及放电慢等特性，除了电力耗损较多外，图1D的半波后缘以一斜率逐渐下降，代表压电致动组件无法快速进行放电，如此将延迟进入下一个充放电行程所需的时间，进而影响压电致动组件的作动反应时间。
发明内容
本发明的目的，是为改善公知技术的缺点，而提供一种可减少电力耗损且缩短压电致动组件的作动反应时间以及降低噪音的驱动电路。
本发明的另一目的在于，提供一种压电式微型帮浦，其具有能够以控制压电致动器的作动频率来达到控制流体流量的驱动电路。
为达成本发明上述目的，本发明提供一种驱动电路，应用于一压电致动组件，包括：一驱动周期产生单元以及一开关电路单元和一升压电路单元，其中该驱动周期产生单元，包含：一驱动指引信号以及一可程序化微控制器，其中该可程序化微控制器，接收该驱动指引信号，以及用于响应该驱动指引信号，而产生对应于该驱动指引信号的一可程序化的驱动周期信号。该开关电路单元，连接该驱动周期产生单元、该压电致动组件与该升压电路单元， 以及接收该驱动周期信号，而产生对应于该驱动周期信号的一交替驱动电压，其中该交替驱动电压的半波前缘其波形呈抛物曲线波形，且该交替驱动电压的半波后缘其波形接近呈垂直线波形，以及该交替驱动电压连接该压电致动组件；该升压电路单元，连接该开关电路单元，以及用于提升输入于该升压电路单元的一输入电压的电压。
再者，本发明提供一种压电式微型帮浦，是用以输送一流体，包括：一壳体、一电压致动组件以及一驱动电路，其中，该壳体，具有一内部容室，及一进口和一出口；该压电致动组件，设置在该内部容室，用以压缩该内部容室的空间；以及驱动电路，用以驱动该压电致动组件，其包含一驱动周期产生单元、一开关电路单元、以及一升压电路单元，其中，该驱动周期产生单元，包含：一驱动指引信号以及一可程序化微控制器，其中，该可程序化微控制器，接收该驱动指引信号，以及用于响应该驱动指引信号，而产生对应于该驱动指引信号的一可程序化的驱动周期信号。该开关电路单元，连接该驱动周期产生单元、该压电致动组件与该升压电路单元，以及接收该驱动周期信号，而产生对应于该驱动周期信号的一交替驱动电压，其中该交替驱动电压的半波前缘其波形呈抛物曲线波形，且该交替驱动电压的半波后缘其波形接近呈垂直线波形，以及该交替驱动电压连接该压电致动组件。
为使熟悉该项技术人士了解本发明的目的、特征及功效，兹通过下述具体实施例，并配合所附的附图，对本发明详加说明如后。
附图说明
图1A至图1D是公知技术用以驱动压电致动组件的交替驱动电压V2的各种波形图。
图1E是一传统压电致动组件的驱动电路。
图1F是另一传统压电致动组件的驱动电路。
图1G是传统压电致动组件的驱动电路中所使用的时序频率产生芯片。
图2A是具有本发明驱动电路的压电式微型帮浦的剖面示意图。
图2B显示图2A的压电式微型帮浦于一变形状态下的剖面示意图。
图2C显示图2A的压电式微型帮浦于另一变形状态下的剖面示意图。
图3显示本发明的驱动电路的电路方块图。
图4A至图4D是呈现驱动周期信号S1或驱动周期信号S2的各种波形图。
图5是本发明驱动电路产生的交替驱动电压V2的波形图。
符号说明
半波前缘(10) 压电致动组件(11)
半波后缘(12) 压电致动组件(13)
时序频率产生芯片(15) 压电式微型帮浦(2)
壳体(20) 内部容室(200)
进口(202) 出口(204)
压电致动组件(22) 压电片(220)
金属膜片(222) 驱动电路(3)
驱动周期产生单元(30) 可程序化微控制器(300)
开关电路单元(32) 升压电路单元(34)
直流升压转换器(340) 半波前缘(50)
半波后缘(52)
具体实施方式
图2A是具有本发明驱动电路的压电式微型帮浦的剖面示意图。压电式微型帮浦(2)可用以输送一流体，该流体包括所有的液体及气体。液体方面比如有：柴油、汽油、甲醇、乙醇、纯水、甲醇水溶液、海水等液体。气体方面比如有：瓦斯、氢气、纯氧、空气、二氧化碳等气体。如图2A所示，压电式微型帮浦(2)包括：壳体(20)、压电致动组件(22)及驱动电路(3)。首先，壳体(20)具有内部容室(200)，及进口(202)和出口(204)，且实际情形中压电式微型帮浦(2)通常会再设置阀门组件(图中未见)于进口(202)和出口(204)的地方。压电致动组件(22)是设置在内部容室(200)，且用以压缩内部容室(200)的空间。如图2A所示，压电致动组件(22)至少包括压电片(220)，压电片(220)是由一种压电材料所制成的薄片。另外，压电致动组件(22)可进一步包括金属膜片(222)。金属膜片(222)是紧密贴覆在压电片(220)的一表面，且其材质是可选自镍、镍钴合金、不锈钢、钛、铜以及黄铜的其中一种。再者，驱动电路(3)是用以驱动 压电致动组件(22)，且图中的驱动电路(3)可以一种电路板的态样呈现，至于其驱动方式可参照图2B与图2C。图2B显示图2A的压电式微型帮浦(2)于一变形状态下的剖面示意图，而图2C显示图2A的压电式微型帮浦(2)于另一变形状态下的剖面示意图。通过外加由驱动电路(3)所产生的交替驱动电压V2于压电致动组件(22)的两侧，使得压电致动组件(22)沿着电场方向产生变形效果，如此将电能转换为机械能，而形成如图2B与图2C的动作，便能够让流体在压电式微型帮浦(2)的内部容室(200)一进一出，因而可达到压电式微型帮浦(2)输送流体的目的。
图3显示本发明的驱动电路的电路方块图。本发明的驱动电路(3)可应用在如图2A所示的压电致动组件(22)。参照图3，驱动电路(3)包括：驱动周期产生单元(30)及开关电路单元(32)。其中驱动周期产生单元(30)包含：驱动指引信号S3及可程序化微控制器(300)。驱动指引信号S3是可透过外界输入一电源信号、或脉波、或方波等其它信号来实现，至于可程序化微控制器(300)则接收驱动指引信号S3，以及用于响应驱动指引信号S3，而产生对应于驱动指引信号S3的一可程序化的驱动周期信号S1、S2。图中可程序化微控制器(300)所产生的驱动周期信号S1、S2是可以被设计为频率相同，但互为反向的信号，关于驱动周期信号S1、S2的各种波形范例，将于图4A至图4D中详细说明。在图3中，驱动周期产生单元(30)进一步包含第一限流电阻R1及第二限流电阻R2。其中第一限流电阻R1的一端是连接可程序化微控制器(300)的产生驱动周期信号S1的输出端P1，且第一限流电阻R1的另一端是连接第二双极接面晶体管T2的基极与第六双极接面晶体管T6的基极；第二限流电阻R2的一端是连接可程序化微控制器(300)的产生另一驱动周期信号S2的输出端P2，且第二限流电阻R2的另一端是连接第三双极接面晶体管T3的基极与第七双极接面晶体管T7的基极。另外，在具体实施情况中，第一限流电阻R1及第二限流电阻R2可实行的电阻值范围为10(仟奥姆)～20(百万奥姆)。
开关电路单元(32)是连接驱动周期产生单元(30)与压电致动组件(22)，而且开关电路单元(32)接收驱动周期信号S1、S2，而产生对应于驱动周期信号 S1、S2的交替驱动电压V2。关于交替驱动电压V2的波形，则将于图5中进一步说明。于此，先就开关电路单元(32)的电路实施方式进行说明。请参考图3，开关电路单元(32)包括：第二双极接面晶体管T2、第三双极接面晶体管T3、第四双极接面晶体管T4、第五双极接面晶体管T5、第六双极接面晶体管T6以及第七双极接面晶体管T7。其中，第四双极接面晶体管T4的基极是连接第二双极接面晶体管T2的集极，且第四双极接面晶体管T4的射极是连接压电致动组件(22)的一输入端。再者，第五双极接面晶体管T5的基极是连接第三双极接面晶体管T3的集极，且第五双极接面晶体管T5的集极是连接第四双极接面晶体管T4的集极，且第五双极接面晶体管T5的射极是连接压电致动组件(22)的另一输入端。
第六双极接面晶体管T6的射极是连接第二双极接面晶体管T2的射极，且第六双极接面晶体管T6的集极是连接第四双极接面晶体管T4的射极。以及，第七双极接面晶体管T7的射极是连接第三双极接面晶体管T3的射极，且第七双极接面晶体管T7的集极是连接第五双极接面晶体管T5的射极，且第七双极接面晶体管T7的射极是连接第六双极接面晶体管T6的射极。在图3中，开关电路单元(32)还进一步包括第三限流电阻R3及第四限流电阻R4，第三限流电阻R3的一端是连接第四双极接面晶体管T4的集极，且其另一端是连接第四双极接面晶体管T4的基极；第四限流电阻R4的一端是连接第五双极接面晶体管T5的集极，且其另一端是连接第五双极接面晶体管T5的基极。
由于开关电路单元(32)所接收的驱动周期信号S1、S2为频率相同，但互为反向的信号，故开关电路单元(32)的运作方式有二：第一，第四双极接面晶体管T4与第七双极接面晶体管T7同时开启，第五双极接面晶体管T5与第六双极接面晶体管T6同时关闭；第二，第四双极接面晶体管T4和第七双极接面晶体管T7同时关闭，第五双极接面晶体管T5和第六双极接面晶体管T6同时开启。上述两种运作方式是交替进行，使得施加于压电致动组件(22)两侧的电压极性可轮流转换，故开关电路单元(32)可对压电致动组件(22)两侧进行 充电或放电，进而充分运用压电材料两侧的振动幅度。
又如图3所示，驱动电路(3)进一步包括：升压电路单元(34)。升压电路单元(34)是连接开关电路单元(32)，其包含：输入电容器C1、二极管D1、第一双极接面晶体管T1、电感器L1、直流升压转换器(340)以及输出电容器C2。其中，电感器L1的一端是连接输入电容器C1的一端，且电感器L1的另一端是连接二极管D1的输入端及第一双极接面晶体管T1的集极。直流升压转换器(340)的输出端是连接第一双极接面晶体管T1的基极，通过直流升压转换器(340)内部的切换信号来控制第一双极接面晶体管T1的开关(on/off)，使输入电压V1能够提升至一预定的电压值。输出电容器C2的一端是连接二极管D1的输出端及第四双极接面晶体管T4的集极，且输出电容器C2的另一端是连接第六双极接面晶体管T6的射极及第一双极接面晶体管T1的射极及输入电容器C1的另一端。
图4A至图4D是呈现驱动周期信号S1或驱动周期信号S2的各种波形图。驱动周期信号S1或驱动周期信号S2可为常见的方波，且本发明中驱动周期信号S1、S2的适当工作频率范围为1(赫兹)～500(赫兹)。如图4A所示，驱动周期信号S1或驱动周期信号S2是以一固定频率持续作动。而在图4B中，驱动周期信号S1或驱动周期信号S2则以不同频率持续作动着。又如图4C所示，驱动周期信号S1或驱动周期信号S2是以一固定频率且以一固定时间而间歇作动。再如图4D所呈现，驱动周期信号S1或驱动周期信号S2是以不同频率及不同时间而间歇作动。由图4A至图4D可知，本发明驱动电路的一项重要特点是，可程序化微控制器(300)所产生的驱动周期信号S1、S2是一种可程序化的信号，也就是说，其所展现各种不同的波形模式是可预先透过程序设计者通过撰写韧体(Firmware)的实施方式，来对可程序化微控制器(300)进行控制。
图5是本发明驱动电路产生的交替驱动电压V2的波形图。如图5所示，交替驱动电压V2的半波前缘(50)其波形是呈抛物曲线波形，而交替驱动电压V2的半波后缘(52)其波形是接近呈垂直线波形。由于本发明产生的交替驱动 电压V2的波形外观类似鲨鱼的背鳍，故可将其称为鳍状驱动波形，此乃本发明驱动电路的另一项重要特点。若与前文提到的各种常用的交替驱动电压V2的波形相比，本发明的交替驱动电压V2具有几点优势：首先，交替驱动电压V2的半波前缘(50)是呈现一平滑的抛物曲线，该抛物曲线代表本发明的驱动电路能够以较为缓和的方式逐步对压电致动组件(22)进行充电，如此可大幅降低急速充电所造成的电力耗损。另外，以较为缓和的方式逐步对压电致动组件(22)进行充电，可使压电致动组件(22)在达到其振幅顶端后随即快速放电，故本发明的鳍状驱动波形将可避免压电致动组件(22)在达到振幅顶端时、会有多余的时间以其本身的自然共振频率产生不必要的振动，如此将可大幅降低压电致动器在作动时所产生的噪音问题。其次，交替驱动电压V2的半波后缘(52)其波形是接近呈垂直线波形，意谓着压电致动组件(22)能够被快速放电，并快速进入下一个充放电行程，如此可提高压电致动组件(22)的反应时间。
最后，进一步阐述本发明驱动电路的其它特点及功效如后：
一、本发明驱动电路是以数字信号进行控制，故可提供较高的信号稳定性，
并降低电路设计的复杂程度。
二、本发明驱动电路以可程序化(Programmable)微控制器取代公知技术以时序频率产生IC作为脉波宽度调变(Pulse-width Modulation，PWM)控制器，不但可减少外围使用组件以简化电路，而且节省不少配置的空间。
三、由于本发明驱动电路使用可程序化微控制器，所以假若欲变更驱动周期信号的输出动作及频率，只需将内部程序重新写入即可达成，并不需更改原本的硬件电路，此举不但节省成本及时间，而且大幅提升设计变更的弹性。
虽然本发明已以具体实施例揭露如上，然其所揭露的具体实施例并非用以限定本发明，任何熟悉此技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，其所作的更动与润饰皆属于本发明的范畴，本发明的保护范围当根据权利要求所界定的为准。
Claims (16)
1.一种驱动电路，应用于一压电致动组件，其特征在于，包括：
一驱动周期产生单元、一开关电路单元，以及一升压电路单元，其中该驱动周期产生单元，包含：一驱动指引信号以及一可程序化微控制器，其中该可程序化微控制器，接收该驱动指引信号，以及用于响应该驱动指引信号，而产生对应于该驱动指引信号的一可程序化的驱动周期信号；
该开关电路单元，连接该驱动周期产生单元、该压电致动组件与该升压电路单元，以及接收该驱动周期信号，而产生对应于该驱动周期信号的一交替驱动电压，其中该交替驱动电压的半波前缘其波形呈抛物曲线波形，且该交替驱动电压的半波后缘其波形接近呈垂直线波形，以及该交替驱动电压连接该压电致动组件；
该升压电路单元，连接该开关电路单元，以及用于提升输入于该升压电路单元的一输入电压的电压。
2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该开关电路单元，包括：
一第二双极接面晶体管；
一第三双极接面晶体管；
一第四双极接面晶体管，其中该第四双极接面晶体管的基极连接该第二双极接面晶体管的集极，且该第四双极接面晶体管的射极连接该压电致动组件的一输入端；
一第五双极接面晶体管，其中该第五双极接面晶体管的基极连接该第三双极接面晶体管的集极，且该第五双极接面晶体管的集极连接该第四双极接面晶体管的集极，且该第五双极接面晶体管的射极连接该压电致动组件的另一输入端；
一第六双极接面晶体管，其中该第六双极接面晶体管的射极连接该第二双极接面晶体管的射极，且该第六双极接面晶体管的集极连接该第四双极接面晶体管的射极；以及
一第七双极接面晶体管，其中该第七双极接面晶体管的射极连接该第三双极接面晶体管的射极，且该第七双极接面晶体管的集极连接该第五双极接 面晶体管的射极，且该第七双极接面晶体管的射极连接该第六双极接面晶体管的射极。
3.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期产生单元，进一步包含：
一第一限流电阻，其一端连接该可程序化微控制器的产生一驱动周期信号的输出端，且其另一端连接该第二双极接面晶体管的基极与该第六双极接面晶体管的基极；
一第二限流电阻，其一端连接该可程序化微控制器的产生另一驱动周期信号的输出端，且其另一端连接该第三双极接面晶体管的基极与该第七双极接面晶体管的基极。
4.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，该升压电路单元包含：
一输入电容器；
一二极管；
一第一双极接面晶体管；
一电感器，其一端连接该输入电容器的一端，且其另一端连接该二极管的输入端及该第一双极接面晶体管的集极；
一直流升压转换器，其输出端连接该第一双极接面晶体管的基极；
一输出电容器，其一端连接该二极管的输出端及该第四双极接面晶体管的集极，且其另一端连接该第六双极接面晶体管的射极及该第一双极接面晶体管的射极及该输入电容器的另一端。
5.如权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，该开关电路单元，进一步包括：
一第三限流电阻，其一端连接该第四双极接面晶体管的集极，且其另一端连接该第四双极接面晶体管的基极；
一第四限流电阻，其一端连接该第五双极接面晶体管的集极，且其另一端连接该第五双极接面晶体管的基极。
6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动指引信号是一电源 信号或一脉波或一方波。
7.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号是一方波。
8.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号是以一固定频率持续动作。
9.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号是以不同频率持续动作。
10.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号是以一固定频率且以一固定时间而间歇动作。
11.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号是以不同频率及不同时间而间歇动作。
12.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该驱动周期信号的工作频率范围为1赫兹～500赫兹。
13.如权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，该第一限流电阻及该第二限流电阻的电阻值范围为10仟欧姆～20百万欧姆。
14.一种压电式微型帮浦，用以输送一流体，其特征在于，包括：一壳体、一电压致动组件以及一驱动电路，其中
该壳体，具有一内部容室，及一进口和一出口；
该压电致动组件，设置在该内部容室，用以压缩该内部容室的空间；以及
驱动电路，用以驱动该压电致动组件，其包含：一驱动周期产生单元、一开关电路单元、以及一升压电路单元，其中
该驱动周期产生单元，包含：一驱动指引信号以及一可程序化微控制器，其中
该可程序化微控制器，接收该驱动指引信号，以及用于响应该驱动指引信号，而产生对应于该驱动指引信号的一可程序化的驱动周期信号；
该开关电路单元，连接该驱动周期产生单元、该压电致动组件与该升压电路单元，以及接收该驱动周期信号，而产生对应于该驱动周期信号的一交 替驱动电压，其中该交替驱动电压的半波前缘其波形是呈抛物曲线波形，且该交替驱动电压的半波后缘其波形是接近呈垂直线波形，以及该交替驱动电压连接该压电致动组件；
该升压电路单元，连接该开关电路单元，以及用于提升输入于该升压电路单元的一输入电压的电压。
15.如权利要求14所述的压电式微型帮浦，其特征在于，该压电致动组件，至少包括：一压电片，是由一种压电材料所制成的薄片。
16.如权利要求15所述的压电式微型帮浦，其特征在于，该压电致动组件，进一步包括：一金属膜片，是紧密贴覆在该压电片的一表面。
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