CN111779659A - 微型压电泵模块 - Google Patents

Abstract

一种微型压电泵模块，包含：微处理器，输出调变信号及控制信号；驱动组件，电连接微处理器，以接收调变信号与控制信号，并输出驱动信号，驱动信号包含驱动电压及驱动频率；以及压电泵，电连接驱动组件，以接收驱动信号，并依驱动信号作动，压电泵设有作动频率及作动电压值；其中，微处理器驱使驱动组件输出具有起始电压值的驱动电压至压电泵，并于驱使驱动组件输出具有起始电压值的驱动电压时，输出驱动频率使其逐步趋近于压电泵的作动频率，驱动组件输出的驱动频率调整至作动频率后，驱使驱动组件的驱动电压的电压值提升至作动电压值。

Description

微型压电泵模块

技术领域

本案是关于一种微型压电泵模块，尤指一种可降低开关机时的噪音，且能持续保持较佳的传输效率的微型压电泵模块。

背景技术

当前各产业中的产品无一不朝向微小化的方向发展，而微型泵作为流体传输装置更是其中的关键，因此，如何将微型泵达到体积小、静音以及具有良好的流体输送效果为当前科技产业重要的命题；图1A及图1B为目前的微型压电泵结构，将驱动电压施加于微型压电泵200的压电件201上，使压电件201因压电效应而产生形变进而带动振动板202以及共振片203上下位移，而振动板202及共振片203上下位移时会压缩、扩张压电泵200内部腔室的体积，来改变压电泵200内部的压力来达到传输流体的功效。

目前的微型压电泵已经广泛在各领域上使用，像是医疗用的血压计、血糖机，或是检测空气品质的空气检测装置上都已经使用微型压电泵作为输送流体重要元件，且随着微型压电泵的微小化，使各产品能够缩减体积更加方便携带。

但是微型压电泵在前述的应用上都是以间歇性的使用为主，如血压计、血糖机在使用时才会开启，空气检测装置也是每隔一段时间做间歇性的采样动作，并非持续不断地运作，但目前的微型压电泵在启闭时会有短促的噪音产生，特别是应用于空气检测装置时，若空气检测装置设定为每10分钟进行一次气体采样的动作，就会使得每10分钟在开启与关闭时产生了两次噪音，随着采样时间的缩短，采样频率的增加，启闭微型压电泵的噪音将会干扰日常生活，特别是像夜晚入睡时，频繁的噪音严重影响了使用者睡眠品质。

发明内容

本案的主要目的在于提供一种微型压电泵模块，能够有效降低微型压电泵启闭的噪音。

为达上述目的，本案的较广义实施态样为提供一种微型压电泵模块，包含：一微处理器，输出一调变信号及一控制信号；一驱动组件，电连接该微处理器，以接收该调变信号与该控制信号，并输出一驱动信号，该驱动信号包含一驱动电压及一驱动频率；以及一压电泵，电连接该驱动组件，以接收该驱动信号，并依该驱动信号作动，该压电泵设有一作动频率及一作动电压值；其中，该微处理器收到一开启信号后驱使该驱动组件输出具有一起始电压值的该驱动电压至该压电泵，并于驱使该驱动组件输出具有该起始电压值的该驱动电压时，输出该驱动频率使其逐步趋近于该压电泵的该作动频率，该驱动组件输出的该驱动频率调整至该作动频率后，该微处理器驱使该驱动组件所输出的该驱动电压的电压值由该起始电压值逐步提升至该作动电压值。

附图说明

图1A以及图1B为目前微型压电泵的剖面示意图。

图2为本案微型压电泵模块的方块图。

图3为本案微型压电泵模块的电路示意图。

图4A为第一控制步骤下其回授电路的等效电路图。

图4B为第二控制步骤下其回授电路的等效电路图。

附图标记说明

100：微型压电泵模块

1：微处理器

11：控制单元

12：转换单元

13：通讯单元

2：驱动组件

21：变压件

211：电压输出端

212：变压回授端

213：变压回授电路

213a：第一端点

213b：第二端点

213c：第三端点

213d：第四端点

213e：通讯接口

22：逆变件

221：缓冲闸

221a：缓冲输入端

221b：缓冲输出端

222：反相器

222a：反相输入端

222b：反相输出端

223：第一P型金氧半场效晶体管

224：第二P型金氧半场效晶体管

225：第一N型金氧半场效晶体管

226：第二N型金氧半场效晶体管

3：压电泵

31：第一电极

32：第二电极

33：压电件

4：回授电路

41a：第一接点

41b：第二接点

42a：第三接点

42b：第四接点

43a：第五接点

43b：第六接点

44a：第七接点

44b：第八接点

5：开关单元

6：量测芯片

C：电容

D：漏极

G：栅极

S：源极

R1：第一电阻

R2：第二电阻

R3：第三电阻

R4：第四电阻

R5：第五电阻

200：压电泵

201：压电件

202：振动板

203：共振片

具体实施方式

体现本案特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

请参阅图2，图2为本案微型压电泵模块的方块图。微型压电泵模块100包含了：一微处理器1、一驱动组件2以及一压电泵3，微处理器1用以输出一调变信号及一控制信号，驱动组件2电连接微处理器1，接收调变信号及控制信号，并由调变信号及控制信号来输出一驱动信号，驱动信号包含有一驱动电压及一驱动频率，驱使驱动组件2将一定电压转为驱动信号，于本案中驱动信号为一方波交流电(故包含驱动电压及驱动频率)，但不以此为限，其亦可为弦波、三角波；驱动组件2根据微处理器1的调变信号调整驱动电压、控制信号调整驱动频率，来驱使压电泵3作动；压电泵3电连接驱动组件2，接收驱动组件2所传输的驱动信号，并依驱动信号来作动，此外，压电泵3具有一作动频率及一作动电压值，当压电泵3所接收的驱动频率到达作动频率时，压电泵3才会开始启动，而作动电压值则是压电泵3的理想工作电压，压电泵3接收到的驱动电压的电压值与作动电压值一致时，具有较佳的传输效率。

微处理器1供一开关单元5连接，来接收开关单元5所发出的一开启信号及一关闭信号；当微处理器1收到开关单元5的开启信号后，微处理器1输出调变信号至驱动组件2，以驱使驱动组件2将定电压调整至一起始电压值，来输出其电压值为起始电压值的驱动电压至压电泵3，并且输出驱动频率至压电泵3，微处理器1借由调整控制信号调控驱动组件2输出的驱动频率，使驱动组件2输出具有起始电压值的驱动电压至压电泵3的情况下，将驱动频率持续地趋近于压电泵3的作动频率，当驱动组件2输出的驱动频率与作动频率一致后，压电泵3立即开始作动，而微处理器1再次透过调变信号调控驱动组件2的驱动电压的电压值，用以驱使驱动组件2所输出的驱动电压的电压值由起始电压值逐步提升至作动电压值，即可完成压电泵3的开启动作。

承上所述，当微处理器1收到关闭信号后，微处理器1输出调变信号至驱动组件2，以驱使驱动组件2将输出给压电泵3的驱动电压的电压值由作动电压值逐步下降至一关闭电压值，驱动电压的电压值下降至关闭电压值时，微处理器1便停止输出调变信号及控制信号至驱动组件2，令驱动组件2停止运作，同时也停止压电泵3的作动；此外，上述的关闭电压值可与起始电压值相同，并不以此为限。

请参阅图3，图3为本案微型压电泵模块的电路结构图，微处理器1具有一控制单元11、一转换单元12以及一通讯单元13，驱动组件2具有一变压件21、一逆变件22，压电泵3具有一第一电极31、一第二电极32以及一压电件33，通讯单元13电连接至该变压件21，以输出调变信号给变压件21，变压件21依据调变信号将一定电压调变到所需的驱动电压，再将驱动电压传输给压电泵3，控制单元11电连接至逆变件22，透过逆变件22输出的驱动频率来控制压电泵3的第一电极31与第二电极32所接收到的是驱动电压或是接地的频率，以进一步控制压电件33收到驱动电压及驱动信号因压电效应所产生的形变的切换速度。

变压件21更包含一电压输出端211、一变压回授端212及一变压回授电路213，该电压输出端211电连接至逆变件22，变压回授电路213电连接微处理器1及该变压回授端212之间，其中，变压回授电路213包含有一第四电阻R4及一第五电阻R5，第四电阻R4具有一第一端点213a及一第二端点213b，第五电阻R5具有一第三端点213c及一第四端点213d，第四电阻R4的第一端点213a电连接电压输出端211，第五电阻R5的第三端点213c电连接第四电阻R4的第二端点213b及变压回授端212，而第五电阻R5的第四端点213d则接地。其中，第五电阻R5为一可变电阻，于本实施例中，第五电阻R5为一数字可变电阻；变压回授电路213具有一通讯接口213e，通讯接口213e电连接至微处理器1的通讯单元13，让通讯单元13得以传输调变信号至数字可变电阻(第五电阻R5)来调整其电阻值，此外，变压件21的电压输出端211所输出的驱动电压亦经由变压回授电路213的第四电阻R4及第五电阻R5分压，将分压后的驱动电压由变压回授端212回传至变压件21，供变压件21参考其输出的驱动电压是否符合微处理器1的调变信号所预期的驱动电压，若有差异，则再次调变输出的驱动电压使其不断地调整以趋近微处理器1的调变信号所预期的驱动电压，并与其一致。

逆变件22包含有：一缓冲闸221、一反相器222、一第一P型金氧半场效晶体管223、一第二P型金氧半场效晶体管224、一第一N型金氧半场效晶体管225及一第二N型金氧半场效晶体管226；缓冲闸221具有一缓冲输入端221a及一缓冲输出端221b，反相器222具有一反相输入端222a及一反相输出端222b，而第一P型金氧半场效晶体管223、第二P型金氧半场效晶体管224、第一N型金氧半场效晶体管225及第二N型金氧半场效晶体管226皆分别具有一栅极G、一漏极D及一源极S；其中，缓冲闸221的缓冲输入端221a及反相器222的反相输入端222a电连接微处理器1的控制单元11，用以接收控制信号，缓冲闸221的缓冲输出端221b电连接第一P型金氧半场效晶体管223的栅极G及第一N型金氧半场效晶体管225的栅极G，反相器222的反相输出端222b电连接第二P型金氧半场效晶体管224的栅极G及第二N型金氧半场效晶体管226的栅极G，第一P型金氧半场效晶体管223的源极S与第二P型金氧半场效晶体管224的源极S电连接变压件21的电压输出端211，来接收变压件21输出的驱动电压，第一P型金氧半场效晶体管223的漏极D电连接第一N型金氧半场效晶体管225的漏极D及压电泵3的第二电极32，第二P型金氧半场效晶体管224的漏极D电连接第二N型金氧半场效晶体管226的源极S及压电泵3的第一电极31，第一N型金氧半场效晶体管225的源极S电连接第二N型金氧半场效晶体管226的源极S并接地。

上述的第一P型金氧半场效晶体管223、第二P型金氧半场效晶体管224、第一N型金氧半场效晶体管225及第二N型金氧半场效晶体管226形成一H桥的架构，用以将变压件21输出的驱动电压(直流)转为交流，让驱动信号为具有驱动电压及驱动频率的交流电给压电泵3，故第一P型金氧半场效晶体管223与第二P型金氧半场效晶体管224需接受相反信号，第一N型金氧半场效晶体管225与第二N型金氧半场效晶体管226亦同，故将微处理器1所传输的控制信号传递至第二P型金氧半场效晶体管224前先通过反相器222，使第二P型金氧半场效晶体管224的控制信号与第一P型金氧半场效晶体管223为反相，但第一P型金氧半场效晶体管223必须要与第二P型金氧半场效晶体管224一起接到控制信号，所以于第一P型金氧半场效晶体管223前设缓冲闸221，让第一P型金氧半场效晶体管223与第二P型金氧半场效晶体管224能够同步接到相反的信号，第一N型金氧半场效晶体管225与第二N型金氧半场效晶体管226亦同；于第一控制步骤中，第一P型金氧半场效晶体管223、第二N型金氧半场效晶体管226为导通，第二P型金氧半场效晶体管224、第一N型金氧半场效晶体管225为关闭的状态下，驱动电压将通过第一P型金氧半场效晶体管223传递至压电泵3的第二电极32，压电泵3的第一电极31因第二N型金氧半场效晶体管226导通而接地；于第二控制步骤中，第一P型金氧半场效晶体管223、第二N型金氧半场效晶体管226为关闭，第二P型金氧半场效晶体管224、第一N型金氧半场效晶体管225为导通的情况下，驱动电压将通过第二P型金氧半场效晶体管224传递至压电泵3的第一电极31，压电泵3的第二电极32因第一N型金氧半场效晶体管225导通而接地；透过重复以上的第一步骤与第二步骤，让压电泵3的压电件33能够因第一电极31与第二电极32轮流接受的驱动电压与接地，透过压电效应使压电件33产生形变，并且因驱动频率来改变压电件33形变的方向，进而改变压电泵3内部的腔室(未图示)容积，使腔室压力产生变化，来持续的推动流体达到传输流体的功效。

请继续参阅图2所示，由以上叙述已明确说明了微处理器1如何控制驱动组件2来输出驱动电压及驱动频率至压电泵3，然而压电泵3上的驱动频率会随着而压电泵3于运作时，由于压电件33在高频下透过压电效应快速且频繁的改变形状，会产生热能，该多个热能会影响到压电件33于作动时的驱动频率，因而降低效率；故于微处理器1与压电泵3之间设有一回授电路4以及一量测芯片6，使微型压电泵模块100为了维持较佳的驱动频率，会开始进行追频动作，微处理器1一开始由压电泵3的作动频率作为一中心频率f_c，以中心频率f_c为基准前后各间隔一频率区段来获得一前段频率f_f及一后段频率f_b，并由量测芯片6回传一追频信号，追频信号包含有中心频率f_c、前段频率f_f及后段频率f_b的一测量值，由微处理器1根据追频信号内的测量值由中心频率f_c、前段频率f_f及后段频率f_b取出其中之一较佳作动频率f_g，并驱使驱动组件2输出的驱动频率逐渐趋近于较佳作动频率f_g，使得驱动组件2供给压电泵3的驱动频率与较佳作动频率f_g一致，避免传输效率降低；其中，前述的追频信号可为一阻抗值，但不以此为限，量测芯片6测量压电泵3上的电流以及电压，并依据测量结果得出压电泵3作动时的阻抗值，将中心频率f_c、前段频率f_f及后段频率f_b的阻抗值作为追频信号回传至微处理器1，微处理器1将中心频率f_c、前段频率f_f及后段频率f_b三者中其阻抗值最低的频率作为较佳作动频率f_g，在使驱动组件2将驱动频率与较佳作动频率f_g一致。

因压电泵3的驱动频率会随着持续作动所产生的热能影响，无法维持于上述取得的较佳最动频率f_g，故须持续作追频动作，新一轮的追频动作将上述的较佳作动频率f_g作为新的中心频率f_c2，同样于以新的中心频率f_c2为基准前后各间隔一频率区段来获得新的前段频率f_f2及新的后段频率f_b2，再根据追频信号选出新的中心频率f_c2、前段频率f_f2、后段频率f_c2三者中最低的阻抗值作为新的较佳作动频率f_g2，再由微处理器1驱使驱动组件2的驱动频率与新的较佳作动频率f_g2一致，并重复做上述的追频动作使压电泵3的驱动频率能够维持在较佳作动频率f_g2下，来维持传输效率。

而回授电路4则是不断地接收压电泵3的第一电极31与第二电极32的状态(如驱动电压或接地)，于上述第一控制步骤时，第二电极32为驱动电压，第一电极31为接地，此时回授电路4的等效电路如图4A所示，第一电阻R1将会与第三电阻R3并联，此时的回授电压为(R1//R3)÷[(R1//R3)+R2]×驱动电压；此外，于第二控制步骤时第一电极31为驱动电压，第二电极32为接地，此时回授电路4的等效电路如图4B所示，第二电阻R2将与第三电阻R3并联，此时的回授电压为(R2//R3)÷[(R2//R3)+R1]×驱动电压；回授电路4将回授电压传递至微处理器1，微处理器1接收回授电压来判断当下压电泵3的驱动电压，并与微处理器1的调变信号比对，若有不同时，透过转换单元12将回授电压转为数字信号，来将转为数字信号的调变信号由通讯单元13传递至通讯接口213e来调整第五电阻R5(数字可变电阻)，最后变压件21的电压输出端211输出的驱动电压经过变压回授电路213的第四电阻R4及第五电阻R5分压，将分压后的驱动电压由变压回授端212回传至变压件21，供变压件参考其输出的驱动电压是否符合调变信号所预期的电压，若有差异，则再次调变输出的驱动电压使其不断地调整以趋近于调变信号的所预期的电压，最后将驱动电压调整到调变信号预期的电压一致，透过以上步骤让压电泵3所接受的驱动电压能够符合微处理器1的调变信号所预期的电压，当驱动电压的电压值为压电泵3的作动电压值时，压电泵3具有较佳的传输效果，但于传输驱动电压会造成的损耗以及作动时驱动电压难以维持在作动电压值，也会造成传输效率的降低，故可经由回授电路4得知目前压电泵3上的驱动电压，再透过变压件21调控驱动电压让压电泵3于作动时能够一直维持在作动电压值下运作，来达到较佳的传输功效。

透过回授电路4以及变压件21得以精确控制压电泵3上的驱动电压，使得微处理器1能够精确地调整驱动电压的电压值，如将驱动电压的电压值控制在起始电压值、关闭电压值、作动电压值等；而本案的起始电压值、关闭电压值可为3至7V之间，作动电压值可为12至20V之间，并不以此为限。

综上所述，本案提供一种微型压电泵模块，于开启时，驱动组件输出至压电泵的驱动电压的电压值为起始电压值，于起始电压值下将驱动频率调控制与压电泵的作动频率一致，来使得压电泵于起始电压值开始作动，让压电泵在较低的起始电压值下启动，可以降低压电泵于开启时的噪音，以及避免由驱动频率调整至压电泵的作动频率时所产生的噪音，压电泵开启后，再将驱动电压由起始电压值提升至作动电压值，让压电泵开始高效作动，并且透过追频动作维持在较佳作动频率，以及透过回授电路及变压件将压电泵的驱动电压维持在作动电压值，让压电泵能够持续维持较佳的传输效率，于关机时，将驱动电压由作动电压值下降至关闭电压值(或起始电压值)，再停止压电泵，即可避免关闭时的短促噪音，上述的微型压电泵模块能够有效的减少压电泵于开机、关机时的噪音，并且能够持续高效的运作，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (12)

1.一种微型压电泵模块，其特征在于，包含：

一微处理器，输出一调变信号及一控制信号；

一驱动组件，电连接该微处理器，以接收该调变信号与该控制信号，并输出一驱动信号，该驱动信号包含一驱动电压及一驱动频率；以及

一压电泵，电连接该驱动组件，以接收该驱动信号，并依该驱动信号作动，该压电泵设有一作动频率及一作动电压值；

其中，该微处理器收到一开启信号后驱使该驱动组件输出具有一起始电压值的该驱动电压至该压电泵，并于驱使该驱动组件输出具有该起始电压值的该驱动电压时，输出该驱动频率使其逐步趋近于该压电泵的该作动频率，该驱动组件输出的该驱动频率调整至该作动频率后，该微处理器驱使该驱动组件所输出的该驱动电压的电压值由该起始电压值逐步提升至该作动电压值。

2.如权利要求1所述的微型压电泵模块，其特征在于，该微处理器收到一关闭信号后，该微处理器驱使该驱动组件将输出的该驱动电压由该作动电压值逐步下降至一关闭电压值，当该驱动组件的驱动电压下降至该关闭电压值，该微处理器停止该驱动组件运作。

3.如权利要求2所述的微型压电泵模块，其特征在于，该关闭电压值为该起始电压值。

4.如权利要求3所述的微型压电泵模块，其特征在于，该起始电压值为3至7V。

5.如权利要求2所述的微型压电泵模块，其特征在于，该微处理器依据该作动频率作为一中心频率，以该中心频率为基准前后各间隔一频率区段来获得一前段频率及一后段频率，该微处理器通过该压电泵回传至该驱动组件的该前段频率、该中心频率及该后段频率的一追频信号来计算出一较佳作动频率，并驱使该驱动组件输出的该驱动频率趋近该较佳作动频率。

6.如权利要求5所述的微型压电泵模块，其特征在于，该微处理器依据该较佳作动频率作为该中心频率，以该中心频率为基准前后各间隔该频率区段来获得该前段频率及该后段频率，该微处理器通过该压电泵回传至该驱动组件的该前段频率、该中心频率及该后段频率的该追频信号来计算出该较佳作动频率，并驱使该驱动组件输出的该驱动频率趋近该较佳作动频率。

7.如权利要求5或权利要求6所述的微型压电泵模块，其特征在于，该压电泵与该微处理器之间设有一量测芯片，该追频信号通过该量测芯片自该压电泵传输至该微处理器。

8.如权利要求7所述的微型压电泵模块，其特征在于，该追频信号为一阻抗值。

9.如权利要求2所述的微型压电泵模块，其特征在于，该驱动组件包含：

一变压件，接收该调变信号以输出该驱动电压至该压电泵；以及

一逆变件，接收该控制信号，借由该控制信号输出该驱动频率控制该压电泵。

10.如权利要求2所述的微型压电泵模块，其特征在于，更包含一回授电路，该回授电路电连接于该压电泵与该微处理器之间，该回授电路由该驱动组件输出至该压电泵的该驱动电压产生一回授电压回授至该微处理器，该微处理器依据该回授电压调整该驱动信号，使该驱动组件输出的该驱动电压的电压值逐步趋近于该作动电压值，直到该驱动组件输出给该压电泵的该驱动电压的电压值与该作动电压值相同。

11.如权利要求1所述的微型压电泵模块，其特征在于，该驱动组件包含一数字可变电阻，该驱动组件借由调整该数字可变电阻，调整该驱动电压的电压值。

12.如权利要求1所述的微型压电泵模块，其特征在于，该作动电压值为12至20V。

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