TWI810086B - 再極化驅動裝置及其驅動方法 - Google Patents

再極化驅動裝置及其驅動方法 Download PDF

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Abstract

本發明係揭露一種再極化驅動裝置及其驅動方法，再極化驅動裝置耦接一壓電元件，再極化驅動裝置包含一壓電驅動器、一處理器與一電流偵測器。壓電驅動器耦接壓電元件，處理器耦接壓電驅動器。處理器控制壓電驅動器產生一驅動電壓，壓電元件接收驅動電壓以產生一輸出電流。電流偵測器耦接壓電元件與處理器。電流偵測器接收輸出電流。在輸出電流小於一預設電流時，電流偵測器產生一再極化訊號，並傳輸再極化訊號給處理器。處理器利用再極化訊號控制壓電驅動器再極化壓電元件，使壓電元件保持良好的壓電特性。

Description

再極化驅動裝置及其驅動方法
本發明係關於一種驅動技術，且特別關於一種再極化驅動裝置及其驅動方法。
隨著人性的需求及科技的進步，手機的功能亦隨之一日千里，而其不變的是強調科技與人性的互動，針對此項，最直接的就是當使用螢幕上的某些功能，或玩遊戲時亦希望手機也能適時地予以回應，好讓人與手機能有更進一步的互動。最直接的回應之一就是手機允予適當的振動。目前使手機振動的方式不外乎就是利用偏軸轉動慣量(Eccentric Rotating Mass，ERM)或壓電(piezo)元件來達到振動的效果。如果為達到較快速的反應，壓電元件為其較佳的選擇。
晶格內原子間特殊排列方式使得壓電材料有應力場與電場耦合的效應，稱之為壓電效應。目前壓電材料依照產品應用方式，其驅動主要分成直流與交流訊號驅動兩種，直流驅動多數運用於高精度產品裝置，交流驅動常見於常時間運作之產品應用上。壓電材料必須經過極化之後才具有壓電性能。所謂極化（Poling），就是在壓電材料上加一強直流電場，使壓電材料中的電疇沿電場方向排列，又稱人工極化處理，或單疇化處理。壓電元件的驅動方式為利用跨加電壓於壓電材料兩端形成電場，使壓電元件振動，而隨著跨加電壓愈大其振動強度(vibration strength)亦愈大，但隨著長時間受到電場、熱與機械影響下，使得壓電材料會有退極化(Depolarization)的問題產生。因此，壓電元件的振動強度變小，壓電效應衰退，壓電材料之電容值變低，壓電元件之性能低落。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種再極化驅動裝置及其驅動方法，以解決習知所產生的問題。
本發明提供一種再極化驅動裝置及其驅動方法，其在壓電元件出現退即化的問題時，維持壓電元件之壓電效應。
在本發明之一實施例中，一種再極化驅動裝置耦接一壓電元件。再極化驅動裝置包含一壓電驅動器、一處理器與一電流偵測器。壓電驅動器耦接壓電元件，處理器耦接壓電驅動器。處理器控制壓電驅動器產生一驅動電壓，壓電元件接收驅動電壓以產生一輸出電流。電流偵測器耦接壓電元件與處理器。電流偵測器接收輸出電流。在輸出電流小於一預設電流時，電流偵測器產生一再極化訊號，並傳輸再極化訊號給處理器。處理器利用再極化訊號控制壓電驅動器再極化壓電元件。
在本發明之一實施例中，壓電驅動器產生驅動電壓前，處理器控制壓電驅動器再極化壓電元件。
在本發明之一實施例中， 壓電驅動器包含一驅動電路、一再極化電路與一選擇器。驅動電路耦接處理器，其中處理器用以控制驅動電路產生驅動電壓。再極化電路耦接處理器，其中處理器用以利用再極化訊號控制再極化電路產生一再極化電壓。選擇器耦接壓電元件、處理器、驅動電路與再極化電路。處理器用以控制選擇器選擇驅動電壓或再極化電壓，選擇器用以施加驅動電壓於壓電元件上以產生輸出電流，或施加再極化電壓於壓電元件上以再極化壓電元件。
在本發明之一實施例中，驅動電路為正弦式脈波寬度調變訊號產生器(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)。
在本發明之一實施例中， 驅動電路包含一555脈衝寬度調變器與放大器。555脈衝寬度調變器耦接處理器，其中處理器用以控制555脈衝寬度調變器產生一脈衝寬度調變訊號。放大器耦接555脈衝寬度調變器與選擇器，其中放大器用以接收並放大脈衝寬度調變訊號，以產生驅動電壓。
在本發明之一實施例中，驅動電路包含一偉恩電橋振盪器（Wien-bridge oscillator）與一放大器。偉恩電橋振盪器耦接處理器，其中處理器用以控制偉恩電橋振盪器產生一振盪訊號。放大器耦接偉恩電橋振盪器與選擇器，其中放大器用以接收並放大振盪訊號，以產生驅動電壓。
在本發明之一實施例中，再極化電路為電荷幫浦。
在本發明之一實施例中，選擇器為多工器。
在本發明之一實施例中， 電流偵測器包含一電流至電壓轉換器與一電壓比較器。電流至電壓轉換器耦接壓電元件，其中電流至電壓轉換器用以接收輸出電流，並將此轉換為一輸出電壓。電壓比較器耦接電流至電壓轉換器與處理器。電壓比較器用以接收輸出電壓與對應預設電流之預設電壓，在輸出電壓小於預設電壓時，電壓比較器產生再極化訊號。
在本發明之一實施例中，處理器用以利用再極化訊號控制壓電驅動器再極化壓電元件至少兩次。
在本發明之一實施例中，驅動電壓為方波電壓或正弦波電壓。
在本發明之一實施例中，壓電元件之材質包含石英、電氣石、氧化鋅、聚合物、陶瓷材料或複合材料。
在本發明之一實施例中，一種再極化驅動方法包含下列步驟：施加一驅動電壓於壓電元件上，以產生一輸出電流；判斷該輸出電流是否小於一預設電流：若是，產生一再極化訊號；以及若否，回至施加驅動電壓於壓電元件上，以產生輸出電流之步驟；以及接收再極化訊號以再極化壓電元件。
在本發明之一實施例中，在施加驅動電壓於壓電元件上之步驟前，再極化壓電元件。
在本發明之一實施例中，施加驅動電壓於壓電元件上之步驟包含下列步驟：產生一脈衝寬度調變訊號；以及放大脈衝寬度調變訊號，以產生驅動電壓，並施加驅動電壓於壓電元件上。
在本發明之一實施例中，施加驅動電壓於壓電元件上之步驟包含下列步驟：產生一振盪訊號；以及放大振盪訊號，以產生驅動電壓，並施加驅動電壓於壓電元件上。
在本發明之一實施例中，判斷輸出電流是否小於預設電流之步驟包含下列步驟：轉換輸出電流為一輸出電壓；以及判斷輸出電壓是否小於對應預設電流之預設電壓，以判斷輸出電流是否小於預設電流。
在本發明之一實施例中，再極化壓電元件之步驟進行至少兩次。
基於上述，再極化驅動裝置及其驅動方法在壓電元件出現退即化的問題時，再極化壓電元件，以維持壓電元件之壓電效應。
茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。
於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。
揭露特別以下述例子加以描述，這些例子僅係用以舉例說明而已，因為對於熟習此技藝者而言，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。在通篇說明書與申請專利範圍中，除非內容清楚指定，否則「一」以及「該」的意義包含這一類敘述包括「一或至少一」該元件或成分。此外，如本揭露所用，除非從特定上下文明顯可見將複數個排除在外，否則單數冠詞亦包括複數個元件或成分的敘述。而且，應用在此描述中與下述之全部申請專利範圍中時，除非內容清楚指定，否則「在其中」的意思可包含「在其中」與「在其上」。在通篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供從業人員(practitioner)在有關本揭露之描述上額外的引導。在通篇說明書之任何地方之例子，包含在此所討論之任何用詞之例子的使用，僅係用以舉例說明，當然不限制本揭露或任何例示用詞之範圍與意義。同樣地，本揭露並不限於此說明書中所提出之各種實施例。
此外，若使用「電(性)耦接」或「電(性)連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。舉例而言，若文中描述一第一裝置電性耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。另外，若描述關於電訊號之傳輸、提供，熟習此技藝者應該可了解電訊號之傳遞過程中可能伴隨衰減或其他非理想性之變化，但電訊號傳輸或提供之來源與接收端若無特別敘明，實質上應視為同一訊號。舉例而言，若由電子電路之端點A傳輸(或提供)電訊號S給電子電路之端點B，其中可能經過一電晶體開關之源汲極兩端及/或可能之雜散電容而產生電壓降，但此設計之目的若非刻意使用傳輸(或提供)時產生之衰減或其他非理想性之變化而達到某些特定的技術效果，電訊號S在電子電路之端點A與端點B應可視為實質上為同一訊號。
可了解如在此所使用的用詞「包含(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包含(involving)」等等，為開放性的(open-ended)，即意指包含但不限於。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制發明作之申請專利範圍。
當壓電元件處於諧振頻率時，壓電元件之輸出電流為最大值。當壓電元件出現退極化時，其輸出電流就會降低。以下介紹一種再極化驅動裝置及其驅動方法，其在壓電元件出現退即化的問題時，再極化壓電元件，以維持壓電元件之壓電效應。
第1圖為本發明之第一實施例之再極化驅動裝置之電路示意圖。請參閱第1圖，以下介紹本發明之第一實施例之再極化驅動裝置1，其耦接壓電元件2。壓電元件2之材質包含石英、電氣石、氧化鋅、聚合物、陶瓷材料或複合材料，但本發明不限於此。再極化驅動裝置1包含一壓電驅動器10、一處理器11與一電流偵測器12。壓電驅動器10耦接壓電元件2，處理器11耦接壓電驅動器10。電流偵測器12耦接壓電元件2與處理器11。處理器11控制壓電驅動器10產生一驅動電壓Vd，壓電元件2接收驅動電壓Vd以產生一輸出電流Io。驅動電壓Vd可為方波電壓或正弦波電壓。電流偵測器12接收輸出電流Io。在輸出電流Io小於一預設電流時，電流偵測器12產生一再極化訊號Sp，並傳輸再極化訊號Sp給處理器11。處理器11利用再極化訊號Sp控制壓電驅動器10再極化壓電元件2，以恢復壓電元件2之壓電性能。舉例來說，處理器11可利用再極化訊號Sp控制壓電驅動器10再極化壓電元件2至少兩次。
在壓電驅動器10產生驅動電壓Vd前，處理器11可控制壓電驅動器10再極化壓電元件2，以確保壓電元件2具有最佳壓電性能。
在本發明之某些實施例中，電流偵測器12可包含一電流至電壓轉換器120與一電壓比較器121。電流至電壓轉換器120耦接壓電元件2，電壓比較器121耦接電流至電壓轉換器120與處理器11。電流至電壓轉換器120接收輸出電流Io，並將此轉換為一輸出電壓Vo。電壓比較器121接收輸出電壓Vo與對應預設電流之預設電壓Vt，在輸出電壓Vo小於預設電壓Vt時，電壓比較器121產生再極化訊號Sp。
在本發明之某些實施例中，壓電驅動器10可包含一驅動電路101、一再極化電路102與一選擇器103。選擇器103可為，但不限於多工器。驅動電路101耦接處理器11，再極化電路102耦接處理器11，選擇器103耦接壓電元件2、處理器11、驅動電路101與再極化電路102。處理器11控制驅動電路101產生驅動電壓Vd，處理器11利用再極化訊號Sp控制再極化電路102產生一再極化電壓Vp。處理器11控制選擇器103選擇驅動電壓Vd或再極化電壓Vp，選擇器103施加驅動電壓Vd於壓電元件2上以產生輸出電流Io，或施加再極化電壓Vp於壓電元件2上以再極化壓電元件2。
驅動電路101可為正弦式脈波寬度調變訊號產生器(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM) ，但本發明不限於此。
第2圖為本發明之一實施例之驅動電路之示意圖，第3圖為本發明之另一實施例之驅動電路之示意圖。如第1圖與第2圖所示，驅動電路101可包含一555脈衝寬度調變器1010與一放大器1011。555脈衝寬度調變器1010耦接處理器11，放大器1011耦接555脈衝寬度調變器1010與選擇器103。處理器11控制555脈衝寬度調變器1010產生一脈衝寬度調變訊號PWM，放大器1011接收並放大脈衝寬度調變訊號PWM，以產生驅動電壓Vd。如第1圖與第3圖所示，驅動電路101可包含一偉恩電橋振盪器（Wien-bridge oscillator）1012與一放大器1013。偉恩電橋振盪器1012耦接處理器11，放大器1013耦接偉恩電橋振盪器1012與選擇器103。處理器11控制偉恩電橋振盪器1012產生一振盪訊號O，放大器1013用以接收並放大振盪訊號O，以產生驅動電壓Vd。
再極化電路102可為電荷幫浦，但本發明不限於此。第4圖為本發明之一實施例之再極化電路之示意圖，第5圖為第4圖之各訊號之波形圖。如第4圖與第5圖所示，電荷幫浦包含多個電容器C1、C2、C3、C4與C5與多個二極體D1、D2、D3、D4與D5。處理器11提供電壓訊號V1給電容器C1與C3，並提供電壓訊號V2給電容器C2與C4。電容器C5接地，二極體D1接收直流電壓Vin。再極化電路102接收電壓訊號V1、V2與直流電壓Vin，並據此產生再極化電壓Vp，且提供再極化電壓Vp給選擇器103。第5圖顯示電壓訊號V1、V2與電容器C1、C2、C3、C4與C5之跨壓的波形，電壓訊號V1、V2之最大值與最小值的差異為直流電壓Vin，電容器C1之最大跨壓為2Vin，電容器C2之最大跨壓為3Vin，電容器C3之最大跨壓為4Vin，電容器C4之最大跨壓為5Vin，電容器C5之最大跨壓為6Vin，再極化電壓Vp為6Vin。
第6圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經10次再極化處理之電容變化曲線圖，第7圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經10次再極化處理之功耗變化曲線圖。如第6圖與第7圖所示，在每次再極化處理中，以200伏特與-200伏特對壓電產品進行再極化10秒，壓電產品需經20秒來恢復原來的壓電性能。
第8圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經6次再極化處理之電容變化曲線圖，第9圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經6次再極化處理之功耗變化曲線圖。如第8圖與第9圖所示，在每次再極化處理中，以200伏特與-200伏特對壓電產品進行再極化30秒，壓電產品需經30秒來恢復原來的壓電性能。
根據上述實施例，再極化驅動裝置及其驅動方法在壓電元件出現退即化的問題時，再極化壓電元件，以維持壓電元件之壓電效應。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1:再極化驅動裝置 10:壓電驅動器 101:驅動電路 1010:555脈衝寬度調變器 1011:放大器 1012:偉恩電橋振盪器 1013:放大器 102:再極化電路 103:選擇器 11:處理器 12:電流偵測器 120:電流至電壓轉換器 121:電壓比較器 2:壓電元件 Vd:驅動電壓 Io:輸出電流 Sp:再極化訊號 Vo:輸出電壓 Vt:預設電壓 Vp:再極化電壓 PWM:脈衝寬度調變訊號 O:振盪訊號 C1、C2、C3、C4、C5:電容器 D1、D2、D3、D4、D5:二極體 V1、V2:電壓訊號 Vin:直流電壓
第1圖為本發明之第一實施例之再極化驅動裝置之電路示意圖。 第2圖為本發明之一實施例之驅動電路之示意圖。 第3圖為本發明之另一實施例之驅動電路之示意圖。 第4圖為本發明之一實施例之再極化電路之示意圖。 第5圖為第4圖之各訊號之波形圖。 第6圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經10次再極化處理之電容變化曲線圖。 第7圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經10次再極化處理之功耗變化曲線圖。 第8圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經6次再極化處理之電容變化曲線圖。 第9圖為本發明之一實施例之多個壓電產品經6次再極化處理之功耗變化曲線圖。
1:再極化驅動裝置
10:壓電驅動器
101:驅動電路
102:再極化電路
103:選擇器
11:處理器
12:電流偵測器
120:電流至電壓轉換器
121:電壓比較器
2:壓電元件
Vd:驅動電壓
Io:輸出電流
Sp:再極化訊號
Vo:輸出電壓
Vt:預設電壓
Vp:再極化電壓

Claims (20)

  1. 一種再極化驅動裝置，其耦接一壓電元件，該再極化驅動裝置包含： 一壓電驅動器，耦接該壓電元件； 一處理器，耦接該壓電驅動器，其中該處理器用以控制該壓電驅動器產生一驅動電壓，該壓電元件用以接收該驅動電壓以產生一輸出電流；以及 一電流偵測器，耦接該壓電元件與該處理器，其中該電流偵測器用以接收該輸出電流，在該輸出電流小於一預設電流時，該電流偵測器產生一再極化訊號，並傳輸該再極化訊號給該處理器，該處理器用以利用該再極化訊號控制該壓電驅動器再極化該壓電元件。
  2. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該壓電驅動器產生該驅動電壓前，該處理器控制該壓電驅動器再極化該壓電元件。
  3. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該壓電驅動器包含： 一驅動電路，耦接該處理器，其中該處理器用以控制該驅動電路產生該驅動電壓； 一再極化電路，耦接該處理器，其中該處理器用以利用該再極化訊號控制該再極化電路產生一再極化電壓；以及 一選擇器，耦接該壓電元件、該處理器、該驅動電路與該再極化電路，其中該處理器用以控制該選擇器選擇該驅動電壓或該再極化電壓，該選擇器用以施加該驅動電壓於該壓電元件上以產生該輸出電流，或施加該再極化電壓於該壓電元件上以再極化該壓電元件。
  4. 如請求項3所述之再極化驅動裝置，其中該驅動電路為正弦式脈波寬度調變訊號產生器(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)。
  5. 如請求項3所述之再極化驅動裝置，其中該驅動電路包含： 一555脈衝寬度調變器，耦接該處理器，其中該處理器用以控制該555脈衝寬度調變器產生一脈衝寬度調變訊號；以及 一放大器，耦接該555脈衝寬度調變器與該選擇器，其中該放大器用以接收並放大該脈衝寬度調變訊號，以產生該驅動電壓。
  6. 如請求項3所述之再極化驅動裝置，其中該驅動電路包含： 一偉恩電橋振盪器（Wien-bridge oscillator），耦接該處理器，其中該處理器用以控制該偉恩電橋振盪器產生一振盪訊號；以及 一放大器，耦接該偉恩電橋振盪器與該選擇器，其中該放大器用以接收並放大該振盪訊號，以產生該驅動電壓。
  7. 如請求項3所述之再極化驅動裝置，其中該再極化電路為電荷幫浦。
  8. 如請求項3所述之再極化驅動裝置，其中該選擇器為多工器。
  9. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該電流偵測器包含： 一電流至電壓轉換器，耦接該壓電元件，其中該電流至電壓轉換器用以接收該輸出電流，並將此轉換為一輸出電壓；以及 一電壓比較器，耦接該電流至電壓轉換器與該處理器，其中該電壓比較器用以接收該輸出電壓與對應該預設電流之預設電壓，在該輸出電壓小於該預設電壓時，該電壓比較器產生該再極化訊號。
  10. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該處理器用以利用該再極化訊號控制該壓電驅動器再極化該壓電元件至少兩次。
  11. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該驅動電壓為方波電壓或正弦波電壓。
  12. 如請求項1所述之再極化驅動裝置，其中該壓電元件之材質包含石英、電氣石、氧化鋅、聚合物、陶瓷材料或複合材料。
  13. 一種再極化驅動方法，包含下列步驟： 施加一驅動電壓於壓電元件上，以產生一輸出電流； 判斷該輸出電流是否小於一預設電流： 若是，產生一再極化訊號；以及 若否，回至施加該驅動電壓於該壓電元件上，以產生該輸出電流之步驟；以及 接收該再極化訊號以再極化該壓電元件。
  14. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中在施加該驅動電壓於該壓電元件上之步驟前，再極化該壓電元件。
  15. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中施加該驅動電壓於該壓電元件上之步驟包含下列步驟： 產生一脈衝寬度調變訊號；以及 放大該脈衝寬度調變訊號，以產生該驅動電壓，並施加該驅動電壓於該壓電元件上。
  16. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中施加該驅動電壓於該壓電元件上之步驟包含下列步驟： 產生一振盪訊號；以及 放大該振盪訊號，以產生該驅動電壓，並施加該驅動電壓於該壓電元件上。
  17. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中判斷該輸出電流是否小於該預設電流之步驟包含下列步驟： 轉換該輸出電流為一輸出電壓；以及 判斷該輸出電壓是否小於對應該預設電流之預設電壓，以判斷該輸出電流是否小於該預設電流。
  18. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中再極化該壓電元件之步驟進行至少兩次。
  19. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中該驅動電壓為方波電壓或正弦波電壓。
  20. 如請求項13所述之再極化驅動方法，其中該壓電元件之材質包含石英、電氣石、氧化鋅、聚合物、陶瓷材料或複合材料。
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