CN102983772A - 驱动电路及其所适用的压电致动泵 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种驱动电路，适用于一压电致动泵，该压电致动泵具有一压电致动器，该驱动电路具有一升压电路单元，至少包括：数个电容器、数个电阻器以及一升压集成电路芯片，其与数个电容器及电阻器连接，且具有一升压推进集成电路，用以提升输入电压的电压值并将输入电压极性转换，藉此产生输出电压以驱动压电致动器，以将电能转换为机械能。

Description

驱动电路及其所适用的压电致动泵

技术领域

本发明关于一种驱动电路，尤指一种适用于压电致动泵，且能将电能转换为机械能的驱动电路及其所适用的压电致动泵。

背景技术

一般的喷墨打印机都会包含一个压电致动泵，以便经由其周期性高速运动来喷射墨水液滴。压电致动泵通常需要一个高压交流电压来对其作用而驱使其中的压电致动器进行周期性高速运动。利用高压交流电压来驱动压电致动器，压电致动器便能够输出周期性的控制信号给单孔喷墨或多孔喷墨振动片，以驱动单孔喷墨振动片或多孔喷墨振动片进行周期性运动，藉此经由喷墨打印机的单孔喷头或多孔喷头喷出墨水液滴。因此，压电致动器，可应用于单孔喷头或多孔喷头的喷墨打印机中，以便供给墨水。

为了使压电致动器输出较大的形变位移，已知用来驱动压电致动器的驱动电路必须输入较大的交流电压。图1显示已知用来驱动压电致动器的驱动电路的方块图。如图1所示，已知技术的驱动电路100为了产生100伏特以上的交流输出电压，需要包含三个离散的电路单元，亦即一直流升压集成电路芯片电路102、一电压倍增电路104及一极性切换电路106。如此一来，已知用来驱动压电致动器的驱动电路需要较多的电子组件，因而无法使电路板面积更为缩小，且造成较大的电能损耗。

图2A及图2B显示图1的已知用来驱动压电致动器的驱动电路100的极性切换电路106的电路图，其中图2A为极性切换电路106的数字控制讯号fsw为高准位(High)时的操作示意图，而图2B为极性切换电路106的数字控制讯号fsw为低准位(Low)时的操作示意图。已知的极性切换电路106主要用来将图1的电压倍增电路104所输出的升压高电压转换成一输出方形波。图2A、图2B所示的极性切换电路106包含晶体管开关Q91-Q97，以及电阻R91-R93。图2A及图2B所示的极性切换电路106的工作原理说明如下。当数字控制讯号fsw为高准位(High)时，如图2A所示，晶体管开关Q91、Q96导通，使限流电阻R91所在的支路接地，因而造成晶体管开关Q92、Q94开路，进而使限流电阻R92所在的支路处于高准位(High)。因此晶体管开关Q93导通。同时在另一方面，数字控制讯号fsw为高准位(High)时使晶体管开关Q97通路，而使限流电阻R93所在的支路接地。因此造成晶体管开关Q95开路，所以电流将沿箭头方向进行，如图2A所示。当数字讯号fsw为低准位(Low)时，如图2B所示，则所有晶体管开关动作与图2A相反，即晶体管开关Q91、Q96开路，使限流电阻器R91所在的支路处于高准位，因而造成晶体管开关Q92、Q94通路，再使限流电阻器R92所在的支路接地，因而使晶体管开关Q93开路；同时在另一方面，当数字讯号fsw为低准位时将使晶体管开关Q97开路，而使限流电阻器R93所在的支路处于高准位，因而造成晶体管开关Q95通路，使电流行进方向如图2B所示的箭头方向。藉此因而产生输出交流方波。需注意的是图2的晶体管开关Q91-Q97可为双极接面晶体管(BJT)或场效晶体管(FET)组成。

由前述说明可知，已知的驱动电路100经由直流升压集成电路芯片电路102、电压倍增电路104及极性切换电路106此三个离散的电路单元，藉以将输入电压依序提升至100伏特以上，并转换高电压的极性。虽然，已知的驱动电路100确实可达到将直流电压升压并转换成为一交流电压，然而，已知的驱动电路100因由三个离散的电路单元所组成，使得此种电路设计无法缩小体积，无法满足产品小型薄型化的目标，故仍具有无法有效缩小电路板体积及会造成较大的电能损耗等问题。

因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失的驱动电路及其所适用的压电致动泵，实惟目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驱动电路，适用于一压电致动泵，其将离散电路组件整合为单一集成电路芯片，使其具有较小的电路板体积与较低的电能损耗。

本发明的另一目的在于提供一种驱动电路，适用于一压电致动泵，其可由外加的电阻器或电容器所产生的震荡频率所决定，或是由外部控制单元所输出的数字或模拟讯号进行调控。

本发明的又一目的在于提供一种压电致动泵，其具有一压电致动器及一驱动电路，经由该驱动电路以将输入的直流电压提升，并输出交流电压以驱动该压电致动器，以有效将电能转换为机械能。为达上述目的，本发明的一较佳实施方面为提供一种驱动电路，适用于压电致动泵，该压电致动泵具有压电致动器，其包含：升压电路单元，至少包括：数个电容器；数个电阻器；以及升压集成电路芯片，与数个电容器及电阻器连接，且具有升压推进集成电路，用以提升输入电压的电压值并将输入电压极性转换，藉此产生输出电压以驱动压电致动器，以将电能转换为机械能。

为达上述目的，本发明的又一较佳实施方面为提供一种压电致动泵，其包含：压电致动器及驱动电路，该驱动电路包含：升压电路单元，至少包括：数个电容器；数个电阻器；以及升压集成电路芯片，与数个电容器及电阻器连接，且具有升压推进集成电路，用以提升输入电压的电压值并将输入电压的极性转换，藉此产生输出电压以驱动压电致动器，以将电能转换为机械能。

附图说明

图1：其为已知用来驱动压电致动器的驱动电路的方块图。

图2A：其为图1所示的极性切换电路106的数字控制讯号fsw为高准位(High)时的操作示意图。

图2B：其为图1所示的极性切换电路106的数字控制讯号fsw为低准位(Low)时的操作示意图。

图3A：其为本发明较佳实施例的压电致动泵的结构示意图。

图3B：其为图3A所示的机构本体的实施方面示意图。

图3C：其为本发明较佳实施例的压电致动器的结构示意图。

图4：其为本发明较佳实施例的驱动电路的电路图。

图5：其为已知技术的压电致动式泵与本发明的压电致动式泵的流率对应频率变化曲线。

【主要组件符号说明】

已知技术的驱动电路：100

直流升压集成电路芯片电路：102

电压倍增电路：104

极性切换电路：106

晶体管开关：Q91-Q97

电阻：R91-R93

压电致动泵：3

驱动电路：300

机构本体：301

流体输送装置：302

压电致动器：302a

致动片：302b

致动薄膜：302c

压力腔室：302d

金属导电层：302e

胶层：302f

升压电路单元：304

控制电路单元：306

升压集成电路芯片：U1

升压推进集成电路：B

极性切换集成电路：S

电感：L1

整流二极管：D1

电容：C11-C15

电阻：R11-R12

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一个典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方面上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

请参阅图3A，其为本发明较佳实施例的压电致动泵的结构示意图，如图所示，本发明的压电致动泵3主要由机构本体301以及驱动电路300所组成，驱动电路300与机构本体301连接，主要利用电驱动电路300接收一输入直流低电压并将其转换成为输出交流电压Vo1、Vo2，以驱动机构本体301运作。

请参阅图3B，其为图3A所示的机构本体的实施方面示意图，如图所示，本发明的机构本体301可为一流体输送装置302，但不以此为限，流体输送装置302可适用于医药生技、计算机科技、打印或是能源等工业，可输送气体或是液体，主要经由一压电致动器302a将电能转换成机械能，其中压电致动器302a包含有致动片302c及振动薄膜302b，且可分别接收输出交流电压Vo1及Vo2，用以根据输出交流电压Vo1及Vo2的驱动而使致动片302c及振动薄膜302b产生反复动作，以造成压力腔室302d的体积压缩或是膨胀，使流体输送装置302可藉以达到传送流体的功效。

在一些实施例中，可由一压电陶瓷片与金属片贴合而成，但不以此为限。举例来说，如图3C所示，压电致动器302a的致动片302c即可为但不限为一压电陶瓷片，而振动薄膜302b可为但不限为一金属片，其中，压电陶瓷片所形成的致动片302c的直径以32-35mm之间为较佳，厚度则以0.25-0.3mm之间为较佳。至于该由金属片所形成的振动薄膜302b的厚度则以0.1-0.2mm为较佳。且该致动器302a的电容介于70-120nF之间。

在另一些实施例中，在压电陶瓷片所形成的致动器302c的上、下表面还可分别贴附一金属导电层302e，以协助导电，且该金属导电层302e的直径以31-34mm之间为较佳，而其厚度则以0.01-0.05mm之间为较佳。

以及，在压电陶瓷片所形成的致动器302c与金属片所形成的致动薄膜302b之间还可设置一胶层302f，以使该致动器302c与致动薄膜302b彼此贴附设置。在一些实施例中，胶层302f可设置于金属导电层302e及金属片所形成的致动薄膜302b之间，但不以此为限。且该胶层的厚度以0.01-0.05mm之间为较佳。

请参阅图4，其显示本本发明较佳实施例的驱动电路的电路图。如图4所示，一驱动电路300用来提供输出交流电压Vo1与Vo2来驱动一压电致动器302a(如图3B所示)。驱动电路300可包含一升压电路单元304及一控制电路单元306，或是由升压电路单元304单独组成。在本较佳实施例中，驱动电路300由升压电路单元304及控制电路单元306组成，但不以此为限。控制电路单元306用于提供三个控制讯号(En，Cv，Cf)，此三个控制讯号(En，Cv，Cf)输入升压电路单元304，以控制其所输出的输出交流电压Vo1与Vo2。输出交流电压Vo1与Vo2则用以驱动压电致动式泵3的机构本体301，即为本实施例的流体输送装置302。其中，控制信号En为一数字讯号，用以控制输出交流电压Vo1与Vo2的输出与否。控制信号Cv为一模拟讯号，用以控制输出交流电压Vo1与Vo2的电压大小。控制信号Cf为一数字讯号，用以控制输升压电路单元304的输出交流电压的切换频率。

在本实施例中，控制电路单元306由一个集成电路微控制器及数个电容及电阻(未显示)组成，但不以此为限，用以输出可调变量位控制信号(如控制信号En与控制信号Cf)及模拟控制讯号(如控制信号Cv)，并将可调变量位控制信号及模拟信号传送至升压电路单元304。模拟控制信号Cv由脉宽调变(PWM)讯号经低通滤波而得的直流电压。压电致动式泵的机构本体301中的压电致动器302a即为通过此交流电压讯号Vo1与Vo2而使压电致动器302a产生反复动作，进而造成压电致动式泵3的机构本体301中的压力腔体302d的体积压缩或膨胀，进而将电能转换成机械能。

在另一些实施例中，若驱动电路系统300仅为升压电路单元304而组成，则升压电路单元304的输出交流电压Vo1与Vo2的振幅及频率将由外加的电阻及电容(未显示)所产生的振荡频率所决定，但不以此为限。

请续参阅图4，升压电路单元304接受一输入电压Vin，并将输入电压转换成交流输出电压Vo1与Vo2。升压电路单元304包含一升压集成电路芯片U1，其内部包括数个电容器、数个电阻器、一升压推进集成电路B以及一极性切换集成电路S，其中升压推进集成电路B用以提升输入电压Vin的电压值，极性切换集成电路S则用以将升压推进集成电路B输出的高电压的极性进行转换，以产生交流输出电压Vo1与Vo2。在该数个电容器中，电容C11用以决定升压电路单元304的输出交流电压Vo1与Vo2的切换频率，此切换频率亦可由控制电路单元306所输出的数字控制讯号Cf所控制，且数字控制讯号Cf的频率为输出交流电压Vo1与Vo2的切换频率的倍数，但不以此为限。然而，在另一些实施例中，若该输出交流电压Vo1与Vo2的切换频率由控制电路单元306的数字控制讯号Cf来控制，则电容C11可被省略。此外，在一些实施例中，升压电路单元304还包括电容C12、电容13、电容14及电容15，但不以此为限，其中电容12用以决定升压推进集成电路B的切换频率，电容C13用以稳定供给升压推进集成电路B所需的电压，电容C14及C15则用以暂存能量。

在本实施例中，该数个电阻还包括电阻R11及电阻R12，但不以此为限，其中电阻R11用以决定输出交流电压Vo1与Vo2的上升段斜率，及升压推进集成电路B的切换频率。电阻R12则用以决定输出交流电压Vo1与Vo2的振幅。在另一些实施例中，输出交流电压Vo1与Vo2的振幅亦可由控制电路单元306所输出的模拟控制讯号Cv所控制，若该输出交流电压Vo1与Vo2的振幅(亦即电压大小)由控制电路单元306的模拟控制讯号Cv来控制时，则该电阻R12可被省略。

而且，升压电路单元304还包括一电感L1，用以暂存与传递输入电压Vin的能量；一整流二极管D1，用以对电感L1的能量进行整流。

请参阅图5，其显示已知技术的压电致动式泵与本发明的压电致动式泵的流率对应频率变化曲线。其中，已知技术的压电致动式泵的流率对应频率变化曲线标示为曲线1，而本发明的压电致动式泵的流率对应频率变化曲线标示为曲线2。在曲线1中，已知技术的压电致动式泵的功率为1.3瓦特，且其压电致动式泵的最高流率为530ml/min，因此，该已知技术的压电致动式泵的每单位瓦特的电能消耗为每分钟约可传输0.4公升的流率。反观本发明的发明，在曲线2中，本发明的压电致动式泵3的功率为0.3瓦特，而本发明的压电致动式泵的最高流率为330ml/min，因此本发明的压电致动式泵3的每单位瓦特的电能消耗为每分钟约可传输1.1公升的流率。由此可见，本发明的压电致动式泵3的流率以比已知技术的压电致动式泵的流率高出0.71/min，明显可见本发明的压电致动式泵3相较于已知压电致动式泵在流率上实具有大幅提升的效能。

综合以上说明，可以明白本发明的压电致动泵将已知技术的压电致动器中的三个离散电路单元整合为单一集成电路芯片，藉此，，进而将直流电压提升并输出交流电压，以驱动压电致动泵中的压电致动器，经由将已知的离散电路组件整合为单一集成电路芯片，进而有效减少组件使用量、有效减小电路板的体积及离散电子组件的能量损耗。此外，经由本发明的驱动电路，可趋动压电致动器，进而有效将电能转换为机械能，并可进一步提升流率，达每分钟1.1公升之高。因此，本发明的驱动电路及其所适用的压电致动泵不仅可提高能量利用效率，还可以让产品更为轻薄短小。

本发明可以由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离如所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种驱动电路，适用于一压电致动泵，该压电致动泵具有一压电致动器，其包含：

一升压电路单元，至少包括：

数个电容器；

数个电阻器；以及

一升压集成电路芯片，与该数个电容器及该电阻器连接，且具有一升压推进集成电路，用以提升一输入电压的电压值并将该输入电压的极性转换，藉此产生一输出电压以驱动该压电致动器，其中该压电致动器的电容介于70-120nF之间，以将电能转换为机械能。

2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，还包括一控制电路单元，连接至该升压电路单元，用以发出数个可调变的数字控制信号及模拟控制讯号至该升压电路单元，以控制升压电路单元的输出电压大小及切换频率。

3.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该升压集成电路芯片还包括一极性切换集成电路，用以将该升压推进集成电路输出的一高电压的极性进行转换，以产生该输出电压。

4.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该数个电容用以决定该输出电压的切换频率、决定该升压推进集成电路的切换频率、稳定供给该升压推进集成电路所需的电压，以及暂存能量，以及该数个电阻用以决定该输出电压的上升段斜率、该升压推进集成电路的切换频率，以及决定该输出电压的振幅。

5.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该升压电路单元还包括：

一电感，用以暂存与传递该输入电压的能量；以及

一整流二极管，用以对该电感的能量进行整流。

6.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，该压电致动片由一压电陶瓷片与金属片贴合而成。

7.如权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，该压电陶瓷片的直径以32-35mm之间为较佳，厚度以0.25-0.3mm之间为较佳，该金属片的厚度以0.1-0.2mm之间为较佳。

8.如权利要求7所述的驱动电路，其特征在于，该压电致动片还具有至少两金属导电层，分别设置于该压电陶瓷片的一上表面及一下表面，且该金属导电层的直径以31-34mm之间为较佳，厚度以0.01-0.05之间为较佳。

9.如权利要求8所述的驱动电路，其特征在于，该压电致动片还具有一胶层，设置于该金属导电层与该金属片之间，且该胶层的厚度以0.01-0.05之间为较佳。

10.一种压电致动泵，其包含：

一压电致动器；以及

一驱动电路，其包含：

一升压电路单元，至少包括：

数个电容器；

数个电阻器；以及

一升压集成电路芯片，与该数个电容器及该电阻器连接，且具有一升压推进集成电路，用以提升一输入电压的电压值并将该输入电压的极性转换，藉此产生一输出电压以驱动该压电致动器，其中该压电致动器的电容介于70-120nF之间，以将电能转换为机械能。

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