TWI625926B - 壓電致動器的驅動裝置及驅動方法 - Google Patents

Abstract

一種驅動裝置，用於驅動M個壓電致動器中的至少一者且包含：一處理器，根據一輸入信號產生一串列控制信號及M個控制信號；一壓電驅動電路，根據該串列控制信號產生一符合高壓規格的驅動信號；一電壓準位轉移電路，根據一升壓電壓及該M個控制信號產生M個切換信號；及一開關電路，接收來自該電壓準位轉移電路的該M個切換信號及來自該壓電驅動電路的該驅動信號，並根據該M個切換信號決定將該驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者，且該開關電路為一耐高壓規格的電路。

Description

壓電致動器的驅動裝置及驅動方法

本發明是有關於一種驅動裝置及方法，特別是指一種用來驅動壓電致動器的驅動裝置及驅動方法。

參閱圖1，在美國發明專利公開號US 20100201291 A1中揭露一種習知驅動裝置1，用來驅動多個壓電致動器11。習知驅動裝置1包含多個分別電連接多個壓電致動器11的驅動器12。每一驅動器12提供所對應的壓電致動器11所需的驅動電壓，以驅動所對應的壓電致動器11。

參閱圖2，在美國發明專利公開號US6608426 B2中揭露另一種習知驅動裝置2，用來驅動多個壓電致動器21。習知驅動裝置2包含多個分別電連接多個壓電致動器21的驅動器22。每一驅動器22包括一變壓器221。每一變壓器221電連接所對應的壓電致動器21，並提供其所對應的壓電致動器21所需的驅動電壓，以驅動 其所對應的壓電致動器21。

然而，由於習知驅動裝置1、2若要驅動各自所對應的一個壓電致動器11、21就必須使用一個相對應的驅動器12、22。因此，當習知驅動裝置1、2要驅動更多個各自所對應的壓電致動器11、21時，習知驅動裝置1就必須包括更多個驅動器12，且習知驅動裝置2也必須包括更多個驅動器22，導致習知驅動裝置1、2的電路面積較大且所需成本較高。

因此，本發明的第一目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的驅動裝置。

於是，本發明驅動裝置適用於驅動M個壓電致動器中的至少一者，M≧1，M為正整數，該驅動裝置包含一處理器、一壓電驅動電路、一電壓準位轉移電路及一開關電路。

該處理器用於接收一輸入信號，並根據該輸入信號產生一串列控制信號及M個控制信號。

該壓電驅動電路電連接該處理器以接收該串列控制信號，並根據該串列控制信號產生一符合高壓規格的驅動信號。

該電壓準位轉移電路接收一升壓電壓且電連接該處理器以接收該M個控制信號，並根據該升壓電壓及該M個控制信號產生 M個切換信號。

該開關電路電連接該電壓準位轉移電路、該壓電驅動電路及該M個壓電致動器，接收來自該電壓準位轉移電路的該M個切換信號及來自該壓電驅動電路的該驅動信號，並根據該M個切換信號決定將該驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者，且該開關電路為一耐高壓規格的電路。

本發明的第二目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的驅動方法。

於是，本發明驅動方法適用於驅動多個壓電致動器中的至少一者，且由一驅動裝置所執行，該驅動裝置包括多對電晶體，每一對電晶體電連接該等壓電致動器中其所對應的一者，該驅動方法包含以下步驟：(A)產生一控制信號；(B)產生一驅動信號；(C)根據該控制信號及一升壓電壓而導通該等對電晶體中該控制信號所對應的一對電晶體；及(D)將該驅動信號輸出至該等壓電致動器中與導通的該對電晶體相對應的一者，以驅動導通的該對電晶體所對應的該壓電致動器。

本發明的第三目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺 點的驅動方法。

於是，本發明驅動方法，適用於驅動多個壓電致動器中的至少一者，且由一驅動裝置所執行，該驅動裝置包括多對開關，每一對開關電連接該等壓電致動器中其所對應的一者，該驅動方法包含以下步驟：產生一控制信號；產生一驅動信號；將一輸入電壓進行升壓，以產生一升壓電壓；根據該控制信號及該升壓電壓而導通該等對開關中該控制信號所對應的一對開關；及將該驅動信號輸出至該等壓電致動器中與導通的該對開關相對應的一者，以驅動導通的該對開關所對應的該壓電致動器。

本發明的第四目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的驅動方法。

於是，本發明驅動方法，適用於驅動多個壓電致動器中的至少一者，且由一驅動裝置所執行，該驅動裝置包括多對電晶體，每一對電晶體電連接該等壓電致動器中其所對應的一者，該驅動方法包含以下步驟：產生一驅動信號；將一輸入電壓進行升壓，以產生一升壓電壓； 根據該升壓電壓來選擇性導通該等對電晶體中的一對電晶體；及將該驅動信號輸出至該等壓電致動器中與導通的該對電晶體相對應的一者，以驅動導通的該對電晶體所對應的該壓電致動器。

本發明之功效在於：藉由該電壓準位轉移電路產生該M個切換信號，以決定將該驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者，如此僅需使用單一個壓電驅動電路即可選擇性驅動該M個壓電致動器中的至少一者，達到節省成本的效果。

3‧‧‧升壓電路

30‧‧‧壓電致動器

301‧‧‧第一輸入端

302‧‧‧第二輸入端

4‧‧‧處理器

5‧‧‧壓電驅動電路

6‧‧‧電壓準位轉移電路

61‧‧‧限流電阻

62‧‧‧限流電阻

63‧‧‧限流電阻

64‧‧‧切換單元

601‧‧‧輸入端

602‧‧‧輸出端

641‧‧‧第一電阻

642‧‧‧第一電晶體

643‧‧‧第二電晶體

644‧‧‧第二電阻

645‧‧‧第三電阻

7‧‧‧開關電路

71‧‧‧第一開關單元

711‧‧‧第一電晶體

72‧‧‧第二開關單元

721‧‧‧第二電晶體

DS1‧‧‧正相驅動信號

DS2‧‧‧負相驅動信號

G1‧‧‧控制信號

G2‧‧‧控制信號

G3‧‧‧控制信號

S1‧‧‧切換信號

S2‧‧‧切換信號

S3‧‧‧切換信號

81~85‧‧‧步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明習知一驅動裝置；圖2是一電路方塊圖，說明習知另一驅動裝置；圖3是一電路方塊圖，說明本發明驅動裝置之一實施例；圖4是一電路圖，說明該實施例之一電壓準位轉移電路；及圖5是一流程圖，說明該實施例的該驅動裝置執行一種驅動方法以驅動多個壓電致動器中的一者。

參閱圖3及圖4，本發明驅動裝置的實施例，適用於驅動M個壓電致動器30中的至少一者，M≧1，M為正整數，且每一壓電致動器30具有一第一輸入端301及一第二輸入端302。在本實施例中，舉M=3為例，但不限於此。本發明驅動裝置包含一升壓電路3、一處理器4、一壓電驅動電路5、一電壓準位轉移電路6及一開關電路7。

升壓電路3用以接收一輸入電壓，且將輸入電壓進行升壓以產生一升壓電壓。

處理器4接收一輸入信號，並根據輸入信號產生一串列控制信號及三(即，M)個控制信號G1、G2、G3。在本實施例中，處理器4例如為一微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)，其可執行計算、發送與接收命令及控制功能。串列控制信號為一I²C串列控制信號。三個控制信號G1、G2、G3中的每一者為一通用型輸入輸出(General Purpose Input and Output，GPIO)控制信號。三個控制信號G1、G2、G3中的每一者為一通用型輸入輸出(General Purpose Input and Output，GPIO)控制信號。三個控制信號G1、G2、G3中的每一者在一高電壓準位(例如，數位邏輯值為1，電壓大小相同於處理器4之工作電壓)及一低電壓準位(例如，數位邏輯值為0，電壓大小相同於接地電壓)之間交替地切換。輸入信號具有一用於指示第j個壓電致動器30需致動的致動指令。 處理器4根據致動指令決定將第j個控制信號切換在低電壓準位，當第j個控制信號切換在低電壓準位時，第j個控制信號以外的每一控制信號切換在高電壓準位，1≦j≦3，j為正整數。

壓電驅動電路5電連接處理器4以接收串列控制信號，並根據串列控制信號產生一具高電壓的驅動信號。驅動信號包括一正相驅動信號DS1及一負相驅動信號DS2。在本實施例中，壓電驅動電路5與處理器4間例如是透過I2C通訊協定互相溝通，且驅動信號涵蓋一般常用的高電壓(例如50V~200V)方波波形。

電壓準位轉移電路6電連接升壓電路3及處理器4，接收來自升壓電路3之升壓電壓及來自處理器4之三個控制信號G1、G2、G3，並根據升壓電壓及三個控制信號G1、G2、G3產生三(即，M)個切換信號S1、S2、S3，三個切換信號S1、S2、S3中的每一者在一高電壓準位(例如，數位邏輯值為1，電壓大小相同於升壓電壓)及一低電壓準位(例如，數位邏輯值為0，電壓大小相同於接地電壓)之間交替地切換。需注意的是，當控制信號G1在高(低)電壓準位時，切換信號S1則在低(高)電壓準位，同理，控制信號G2與切換信號S2間，及控制信號G3與切換信號S3間的關係也是如此。在本實施例中，電壓準位轉移電路6包括三(即，M)個限流電阻61、62、63及三(即，M)個切換單元64。

三個限流電阻61、62、63中的每一者具有一電連接升壓電路3以接收升壓電壓的第一端，及一第二端。第i個限流電阻之第二端輸出第i個切換信號，1≦i≦3，i為正整數。舉例來說，第一個限流電阻61之第二端輸出第一個切換信號S1，第二個限流電阻62之第二端輸出第二個切換信號S2，第三個限流電阻63之第二端輸出第三個切換信號S3。在本實施例中，三個限流電阻61、62、63中的每一者為一限流電阻，藉由調整其電阻值即可決定其所輸出的切換信號中的電流大小。

每一切換單元64具有一輸入端601及一輸出端602，第i個切換單元64之輸入端601電連接處理器4以接收第i個控制信號，第i個切換單元64之輸出端602電連接第i個限流電阻之第二端。舉例來說，第一個切換單元64之輸入端601電連接處理器4以接收第一個控制信號G1，且第一個切換單元64之輸出端602電連接第一個限流電阻61之第二端。在本實施例中，每一切換單元64為習知達靈頓電路架構，且包括一第一電阻641、一第一電晶體642、一第二電晶體643、一第二電阻644及一第三電阻645。

於每個切換單元64中，第一電阻641具有一電連接對應切換單元64之輸入端601的第一端，及一第二端。第一電晶體642具有一電連接對應切換單元64之輸出端602的第一端、一第二端，及一電連接第一電阻641之第二端的控制端。第二電晶體643具有 一電連接對應切換單元64之輸出端602的第一端、一接地的第二端，及一電連接第一電晶體642之第二端的控制端。第二電阻644電連接在第一電阻641之第二端及第一電晶體642之第二端之間。第三電阻645電連接在第一電晶體642之第二端及第二電晶體643之第二端之間。

在本實施例中，每一第一及第二電晶體642、643為一NPN型雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，NPN型雙極性接面電晶體之集極、射極及基極分別為每一第一及第二電晶體642、643的第一端、第二端及控制端。

開關電路7電連接電壓準位轉移電路6之三個限流電阻61、62、63之第二端、壓電驅動電路5及三個壓電致動器30之第一及第二輸入端301、302，接收分別來自三個限流電阻61、62、63之第二端的三個切換信號S1、S2、S3，及接收來自壓電驅動電路5的正相驅動信號DS1及負相驅動信號DS2。開關電路7根據三個切換信號S1、S2、S3決定將正相驅動信號DS1及負相驅動信號DS2傳送到三個壓電致動器30中的至少一者，且開關電路7為一耐高壓規格的電路。在本實施例中，開關電路7包括一第一開關單元71及一第二開關單元72。

第一開關單元71電連接三個限流電阻61、62、63之第二端、壓電驅動電路5及每一壓電致動器30之第一輸入端301，接收 來自三個限流電阻61、62、63之第二端的三個切換信號S1、S2、S3及壓電驅動電路5的正相驅動信號DS1。第一開關單元71根據三個切換信號S1、S2、S3決定將正相驅動信號DS1傳送到三個壓電致動器30中的至少一者。在本實施例中，第一開關單元71包括三(即，M)個第一電晶體711。

每一第一電晶體711具有一電連接壓電驅動電路5以接收正相驅動信號DS1的第一端、一第二端及一控制端。第i個第一電晶體711的第二端電連接第i個壓電致動器30的第一輸入端301，第i個第一電晶體711的控制端電連接第i個限流電阻之第二端以接收第i個切換信號，以致第i個第一電晶體711根據第i個切換信號而導通或不導通。當第i個第一電晶體711根據第i個切換信號而導通時，第i個第一電晶體711在其第二端輸出正相驅動信號DS1，以驅動對應的壓電致動器30。在本實施例中，每一第一電晶體711為一N型金氧半場效電晶體，N型金氧半場效電晶體之汲極、源極及閘極為每一第一電晶體711的第一端、第二端及控制端。

第二開關單元72電連接三個限流電阻61、62、63之第二端、壓電驅動電路5及每一壓電致動器30之第二輸入端302，接收來自三個限流電阻61、62、63之第二端的三個切換信號S1、S2、S3及壓電驅動電路5的負相驅動信號DS2。第二開關單元72根據三個切換信號S1、S2、S3決定將負相驅動信號DS2傳送到三個壓電 致動器30中的至少一者。在本實施例中，第二開關單元72包括三(即，M)個第二電晶體721。

每一第二電晶體721具有一電連接壓電驅動電路5以接收負相驅動信號DS2的第一端、一第二端及一控制端，第i個第二電晶體721的第二端電連接第i個壓電致動器30的第二輸入端302，第i個第二電晶體721的控制端電連接第i個限流電阻之第二端以接收第i個切換信號，以致第i個第二電晶體721根據第i個切換信號而導通或不導通。當第i個第二電晶體721根據第i個切換信號而導通時，第i個第二電晶體721在其第二端輸出負相驅動信號DS2，以驅動對應的壓電致動器30。在本實施例中，每一第二電晶體721為一N型金氧半場效電晶體，N型金氧半場效電晶體之源極、汲極及閘極為每一第二電晶體721的第一端、第二端及控制端。

需說明的是，在本實施例中，為了讓每一壓電致動器30被來自所對應的第一及第二電晶體711、721之正相驅動信號DS1及負相驅動信號DS2驅動時所產生的振動力道與直接透過壓電驅動電路5驅動時所產生的振動力道相當，因此，每一第一及第二電晶體711、721的內阻損耗要降低。而為了降低每一第一及第二電晶體711、721的內阻損耗，每一第一及第二電晶體711、721的汲極和源極之間所存在的一內阻(即，導通電阻)要越小越好。此外，每一第一及第二電晶體711、721的閘極所接收到的切換信號的電 壓值越接近其閘極到源極的一最大偏壓電壓(Vgs)時，則其所能承受的一最大汲極電流(Id)越大，進而可降低每一第一及第二電晶體711、722的輸出損耗。在本實施例中，藉由電壓準位轉移電路6可使三個切換信號S1、S2、S3中每一者的最大電壓值接近該最大偏壓電壓(Vgs)。

以下舉例說明本發明之驅動裝置如何驅動三個壓電致動器30中的一者。為方便說明起見，定義三個壓電致動器30中鄰近處理器4之一者為第一個壓電致動器30，定義三個壓電致動器30中遠離處理器4之一者為第三個壓電致動器30，定義電連接第一個壓電致動器30之第一及第二電晶體711、721分別為第一個第一電晶體711及第一個第二電晶體721，定義電連接第三個壓電致動器30之第一及第二電晶體711、721分別為第三個第一電晶體711及第三個第二電晶體721。

在操作時，當輸入信號之致動指令指示第一個壓電致動器30須致動時，處理器4根據致動指令決定將第一個控制信號G1切換在低電壓準位(對應到第一個切換單元64之第一及第二電晶體642、643中的相對應者不導通)，且第一個控制信號G1以外的每一控制信號(即，第二及第三控制信號G2、G3)切換在高電壓準位(對應到第二及第三個切換單元64之第一及第二電晶體642、643中的相對應者導通)。此時，第一個切換信號S1的電壓相同於升壓 電壓，第二及第三個切換信號S2、S3的電壓為接地電壓，以致第一個第一電晶體711及第一個第二電晶體721根據第一個切換信號S1而導通，第二個第一電晶體711及第二個第二電晶體721根據第二個切換信號S2而不導通，且第三個第一電晶體711及第三個第二電晶體721根據第三個切換信號S3而不導通，使得第一個第一電晶體711在其第二端輸出正相驅動信號DS1，且第一個第二電晶體721在其第二端輸出負相驅動信號DS2，進而驅動第一個壓電致動器30。

參閱圖5，其說明本發明驅動裝置執行一種驅動方法以驅動三個壓電致動器30中的一者。在本實施例中，第一個第一電晶體711及第一個第二電晶體721構成第一對電晶體(即，一對開關)，第二個第一電晶體711及第二個第二電晶體721構成第二對電晶體(即，一對開關)，第三個第一電晶體711及第三個第二電晶體721構成第三對電晶體(即，一對開關)。驅動方法包含以下步驟：

步驟81：利用驅動裝置中的處理器4根據輸入信號產生串列控制信號及三個控制信號G1、G2、G3。

步驟82：利用驅動裝置中的壓電驅動電路5根據串列控制信號產生驅動信號。

步驟83：利用驅動裝置中的升壓電路3將輸入電壓進行升壓，以產生升壓電壓。

步驟84：利用驅動裝置中的電壓準位轉移電路6根據三個控制信號G1、G2、G3及升壓電壓而導通一對電晶體，且使剩餘對電晶體不導通(即，選擇性導通多對電晶體中的一對電晶體，但不限於此)。

舉例來說，在本實施例中，當輸入信號之致動指令指示第一個壓電致動器30須致動時，處理器4根據致動指令決定將控制信號G1切換在非有效狀態(對應到第一個切換單元64之第一及第二電晶體642、643中的相對應者不導通)，以致第一對電晶體根據第一個切換信號S1而導通，且將第二及第三控制信號G2、G3切換在有效狀態(對應到第二及第三個切換單元64之第一及第二電晶體642、643中的相對應者導通)，以致第二及第三對電晶體(即，剩餘對電晶體)分別根據第二及第三個切換信號S2、S3而不導通。

步驟85：利用導通的一對電晶體(即，第一對電晶體)將驅動信號輸出至三個壓電致動器30中其所對應一者(即，第一個壓電致動器30)，以驅動其所對應的壓電致動器30。

需說明的是，在其他實施例中，處理器4可僅產生一控制信號。此外，當要驅動三個壓電致動器30中的二者(或多者)時，處理器4可根據致動指令決定將控制信號G1、G2、G3中的任二者(或多者)切換在非有效狀態，而剩餘控制信號切換在有效狀態，使得多對電晶體中與切換在非有效狀態的二個(或多個)控制信號相對 應的二對(或多對)電晶體被導通。接著，再利用導通的二對(或多對)電晶體將該驅動信號輸出至其所對應的二個(或多個)壓電致動器，以達到驅動三個壓電致動器30中的二者(或多者)之目的。

綜上所述，因處理器4可根據致動指令決定將哪些控制信號G1、G2、G3切換在非有效狀態，並將剩餘控制信號切換在有效狀態，使得電壓準位轉移電路6可根據其所接收的三個控制信號G1、G2、G3產生三個切換信號S1、S2、S3來控制其各自所對應的第一電晶體711及第二電晶體721導通或不導通，以將壓電驅動電路5所產生的驅動信號輸出至對應的壓電致動器30。所以，本發明僅需使用單一壓電驅動電路5即能驅動多個壓電致動器30中的至少一者，而不需如圖1、2之習知驅動裝置1、2皆必須使用多個驅動器12、22。因此，本發明驅動裝置相較於習知驅動裝置1、2具有較小的電路面積及較低的成本。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (6)

1. 一種驅動裝置，適用於驅動M個壓電致動器中的至少一者，M≧1，M為正整數，該驅動裝置包含：一處理器，用於接收一輸入信號，並根據該輸入信號產生一串列控制信號及M個控制信號；一壓電驅動電路，電連接該處理器以接收該串列控制信號，並根據該串列控制信號產生一具高電壓的驅動信號；一電壓準位轉移電路，接收一升壓電壓且電連接該處理器以接收該M個控制信號，並根據該升壓電壓及該M個控制信號產生M個切換信號；及一開關電路，電連接該電壓準位轉移電路、該壓電驅動電路及該M個壓電致動器，接收來自該電壓準位轉移電路的該M個切換信號及來自該壓電驅動電路的該驅動信號，並根據該M個切換信號決定將該驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者，且該開關電路為一耐高壓規格的電路。
2. 如請求項1所述的驅動裝置，每一壓電致動器具有一第一輸入端及一第二輸入端，其中，該驅動信號包括一正相驅動信號及一負相驅動信號，該開關電路包括：一第一開關單元，電連接該電壓準位轉移電路、該壓電驅動電路及該每一壓電致動器之該第一輸入端，接收 來自該電壓準位轉移電路的該M個切換信號及該壓電驅動電路的該正相驅動信號，並根據該M個切換信號決定將該正相驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者；及一第二開關單元，電連接該電壓準位轉移電路、該壓電驅動電路及該每一壓電致動器之該第二輸入端，接收來自該電壓準位轉移電路的該M個切換信號及該壓電驅動電路的該負相驅動信號，並根據該M個切換信號決定將該負相驅動信號傳送到該M個壓電致動器中的至少一者。
3. 如請求項2所述的驅動裝置，其中，該第一開關單元包括：M個第一電晶體，每一第一電晶體具有一電連接該壓電驅動電路以接收該正相驅動信號的第一端、一第二端及一控制端，第i個第一電晶體的該第二端電連接第i個壓電致動器的該第一輸入端，該第i個第一電晶體的該控制端電連接該電壓準位轉移電路以接收第i個切換信號，以致該第i個第一電晶體根據該第i個切換信號而導通或不導通，1≦i≦M，i為正整數。
4. 如請求項1所述的驅動裝置，其中，該M個控制信號中的每一者在一高電壓準位及一低電壓準位之間切換，且該輸入信號具有一用於指示第j個壓電致動器需致動的致動指令，該處理器根據該致動指令決定將第j個控制信號切換在該低電壓準位，當該第j個控制信號切換在該低 電壓準位時，該第j個控制信號以外的每一控制信號切換在該高電壓準位，1≦j≦M，j為正整數。
5. 如請求項1所述的驅動裝置，其中，該電壓準位轉移電路包括：M個限流電阻，每一限流電阻具有一接收該升壓電壓的第一端，及一第二端，第i個限流電阻之該第二端輸出第i個切換信號，1≦i≦M，i為正整數；及M個切換單元，每一切換單元具有一輸入端及一輸出端，第i個切換單元之該輸入端電連接該處理器以接收第i個控制信號，該第i個切換單元之該輸出端電連接該第i個限流電阻之該第二端，且該第i個切換單元包括一第一電阻，具有一電連接該第i個切換單元之該輸入端的第一端，及一第二端，一第一電晶體，具有一電連接該第i個切換單元之該輸出端的第一端、一第二端，及一電連接該第一電阻之該第二端的控制端，一第二電晶體，具有一電連接該第i個切換單元之該輸出端的第一端、一接地的第二端，及一電連接該第一電晶體之該第二端的控制端，一第二電阻，電連接在該第一電阻之該第二端及該第一電晶體之該第二端之間，及一第三電阻，電連接在該第一電晶體之該第二 端及該第二電晶體之該第二端之間。
6. 如請求項1所述的驅動裝置，還包含：一升壓電路，電連接該電壓準位轉移電路，用以接收一輸入電壓，且將該輸入電壓進行升壓以產生該升壓電壓，並將該升壓電壓輸出至該電壓準位轉移電路。