TWM524014U - 驅動電路及其所適用之壓電致動泵浦 - Google Patents

Description

驅動電路及其所適用之壓電致動泵浦

本案關於一種驅動電路，尤指一種適用於不同壓電致動泵浦之驅動電路及其所適用之壓電致動泵浦。

一般壓電致動泵浦在運作時，通常需要驅動電路來驅動壓電致動泵浦之壓電致動器，使壓電致動器週期性的運作，進而驅動壓電致動泵浦對應運作。其中，驅動電路可使用定頻驅動電路或大電壓驅動電路來驅動壓電致動器。定頻驅動電路可固定頻率地輸出電壓來驅動壓電致動器，而大電壓驅動電路則可提高輸出的電壓，用以增加壓電致動器的變形量。

不同的壓電致動泵浦會對應使用不同的壓電致動器，且不同形態的壓電致動器其工作頻率都有所不同。為了使不同的壓電致動泵浦運作，通常會因應壓電致動泵浦之壓電致動器而對應設計所需之驅動電路，如此一來，不同的壓電致動泵浦便可具有與其對應之驅動電路，使不同的壓電致動泵浦之壓電致動器可被其對應的驅動電路驅動而運作。

然而，由於壓電致動泵浦之壓電致動器需對應設計所需之驅動電路，換言之，若更換不同的壓電致動泵浦則需另行設計新的驅動電路，因此，為了因應不同壓電致動泵浦往往需要設計出多個驅動電路，進而導致驅動電路的成本提高。此外，若是使用定頻驅動電路來驅動壓電致動器運作，其缺點為僅能固定頻率地輸出電壓，定頻驅動電路並無法自主地調整至壓電致動器所需的工作頻率，即其無法使壓電致動器可工作在最佳工作點上。另外，若是使用大電壓驅動電路來驅動壓電致動器運作，其缺點為當增加壓電致動器的變形量時，容易造成壓電致動器的毀損或使用壽命降低。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之驅動電路及其所適用之壓電致動泵浦，實惟目前迫切需要解決之問題。

本案之目的在於提供一種驅動電路，可適用於不同頻率的壓電致動器，亦即可適用於不同之壓電致動泵浦，俾使驅動電路的成本大幅降低。

本案之另一目的在於提供一種驅動電路，其可自主地調整至壓電致動器所需的工作頻率，而使不同之壓電致動泵浦的壓電致動器皆可工作在最佳工作點上。

為達上述目的，本案之一較佳實施態樣為提供一種驅動電路，適用於壓電致動泵浦，壓電致動泵浦具有壓電致動器負載，驅動電路包含：升壓電路單元，接收輸入電壓並轉換輸出穩定之定電壓；控制電路，接收升壓電路單元所輸出之定電壓，包含有分壓電路、比較器及頻率調整電路，分壓電路係將定電壓予以分壓產生第一電壓及第二電壓，而比較器係將分壓所產生之第一電壓及第二電壓輸入做比較而輸出正電壓或負電壓；以及電壓切換電路，連接並接收控制電路之比較器所輸出正電壓或負電壓，包含半橋電路第一開關及半橋電路第二開關，用以接收比較器所輸出之正電壓或負電壓回授至壓電致動器負載而形成所需求正電壓或負電壓；藉以，壓電致動器負載所輸出之微電壓的變化，以利用控制電路及電壓切換電路來控制壓電致動器負載所需求之工作振盪電路，並同時以控制電路之頻率調整電路自動偵測調整壓電致動器負載所輸出之微電壓的變化而調整所需適當的工作頻率。

10‧‧‧驅動電路
11‧‧‧升壓電路單元
12‧‧‧控制電路
12a‧‧‧比較器
13‧‧‧電壓切換電路
20‧‧‧壓電致動泵浦
21‧‧‧壓電致動器負載
21a‧‧‧輸出端
21b‧‧‧輸入端
Vin‧‧‧輸入電壓
Vcc‧‧‧定電壓
Vc‧‧‧微電壓
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
R6‧‧‧第六電阻
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
C3‧‧‧第三電容
V¬1‧‧‧第一電壓
V¬2‧‧‧第二電壓
V+‧‧‧正電壓
V-‧‧‧負電壓
Q1‧‧‧半橋電路第一開關
Q2‧‧‧半橋電路第二開關

第1圖為本案較佳實施例之驅動電路驅動壓電致動泵浦的示意圖。

第2圖為第1圖所示之驅動電路包含壓電致動器負載的細部電路示意圖。

第3A圖及第3B圖為本案驅動電路之運作原理的示意圖。

體現本案特徵與優點的一個典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1圖，其為本案較佳實施例之驅動電路驅動壓電致動泵浦的示意圖。如圖所示，本案之驅動電路10與壓電致動泵浦20連接，且驅動電路1接收輸入電壓Vin並將其轉換成為輸出交流電壓，以驅動壓電致動泵浦20運作。壓電致動泵浦20可適用於醫藥生技、電腦科技、列印或是能源等工業，可輸送氣體或是液體，主要是藉由其中之壓電致動器負載21將電能轉換成機械能，而對應驅動壓電致動泵浦20運作。

請參閱第2圖，其為第1圖所示之驅動電路包含壓電致動器的細部電路示意圖。如第2圖所示，驅動電路10用來提供交流電壓驅動壓電致動器負載21運作。驅動電路10包含升壓電路單元11、控制電路12及電壓切換電路13。

升壓電路單元11用以接收輸入電壓Vin並轉換輸出穩定之定電壓Vcc。其中，升壓電路單元11之輸入端可接收一定範圍內的電壓輸入，且在輸出端能夠穩定提供定電壓Vcc供控制電路12所使用。亦即控制電路12與升壓電路單元11連接，並接收定電壓Vcc而運作。

而控制電路12具有一輸入端，供以接收升壓電路單元11之定電壓Vcc並分壓產生一第一電壓V¬1及一第二電壓V2由一輸出端輸出，供與電壓切換電路13連接，且控制電路12另具有一接收端，供與壓電致動器負載21之輸出端21a連接，用以接收壓電致動器負載21所輸出之微電壓Vc；而電壓切換電路13具有一輸入端，供與控制電路12之輸出端連接，用以對控制電路12所產生第一電壓V¬1及第二電壓V2比較結果而選擇輸出一正電壓V+或一負電壓V-予以接收，又電壓切換電路13具有一輸出端，供與壓電致動器負載21之輸入端21b連接，將接收之正電壓V+或負電壓V-予以回授(Feedback)至壓電致動器負載21，促使壓電致動器負載21之輸入端21b為一正電壓V+，而壓電致動器負載21之輸出端21a則輸出之微電壓Vc為對應一正電壓V+而形成為一負電壓V-，或促使壓電致動器負載21之輸入端21b為一負電壓V-，而壓電致動器負載21之輸出端21a則輸出之微電壓Vc為對應一負電壓V-而形成為一正電壓V+。藉以，壓電致動器負載21所輸出之微電壓Vc的變化，以利用控制電路12及電壓切換電路13來控制壓電致動器負載21所需求之工作振盪電路。

於本實施例中，控制電路12包含有第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R 5及第一電容C1、第二電容C2、第三電容C 3以及一比較器12a所配置構成之電路。其中，控制電路12具有一輸入端，供以接收升壓電路單元11之定電壓Vcc，且輸入端線路上設有由第一電阻R1及第一電容C1相互並聯配置構成一頻率調整電路，第一電阻R1及第一電容C1並聯電路之一端連接接收升壓電路單元11之定電壓Vcc，而控制電路12之輸入端線路上也設有由第二電阻R2及第二電容C2相互並聯所配置構成一輸入端穩壓電路，第二電阻R2及第二電容C2並聯電路之一端與第一電阻R1及第一電容C1並聯電路另一端連接，而另一端予以接地。又在控制電路12之輸入端線路上設置由第三電阻R3及第四電阻R4所配置構成一分壓電路，該分壓電路之輸入端連接至控制電路12之輸入端線路上，並以第三電阻R3及第四電阻R4分別配置成第一電壓V¬1之線路及第二電壓V2之線路而將第一電壓V¬1及第二電壓V2輸入至比較器12a中，再由比較器12a比較結果而選擇一正電壓V+或一負電壓V-輸出，其中第一電壓V¬1之線路上也連接至壓電致動器負載21之輸出端21a，而接收微電壓Vc，第二電壓V2之線路上則設置由第五電阻R5與第三電容C3並聯電路所配置構成一輸出端穩壓電路，第五電阻R5與第三電容C3並聯電路一端連接至第二電壓V2線路上，而另一端則連接至壓電致動器負載21之輸入端21b也穩定壓電致動器負載21之輸入端21b之電壓。

另外，控制電路12之比較器12a用以對所輸入之第一電壓V¬1及第二電壓V2做出比較，並根據比較結果選擇輸出一正電壓V+或一負電壓V-。亦即，當第一電壓V1大於第二電壓V2時，比較器12a輸出正電壓V+；當第一電壓V1小於第二電壓V2時，輸出負電壓V-。

而電壓切換電路13包含有一第六電阻R6、半橋電路第一開關Q1及半橋電路第二開關Q2所配置構成之電路。其中第六電阻R6用於電壓切換電路13之穩壓限流作用，其一端連接於比較器12a之輸出端電路上，另一端分別連接於壓電致動器負載21之輸入端21b上，而半橋電路第一開關Q1及半橋電路第二開關Q2之一輸入端相互連接，並與比較器12a之輸出端電路連接，半橋電路第一開關Q1及半橋電路第二開關Q2之一輸出端則相互連接於壓電致動器負載21之輸入端21b上，又半橋電路第一開關Q1之控制端連接於控制電路12之輸入端線路上，供接收升壓電路單元11所輸出定電壓Vcc，而半橋電路第二開關Q2之一控制端則予以接地連接。

因此，同時參閱第1圖、第2圖、第3A及3B圖，其中第3A及3B圖為本案驅動電路之運作原理的示意圖。如第1圖及第3A圖所示，當壓電致動泵浦20欲開始運作時，控制電路12會接收定電壓Vcc，控制電路12會根據所接收之定電壓Vcc而分壓產生第一電壓V1及第二電壓V2，此時比較器12a便會比較第一電壓V1及第二電壓V2而輸出一正電壓V+或一負電壓V-。

當第一電壓V1大於第二電壓V2時，比較器12a便會輸出正電壓V+(如第3A圖之箭頭所指輸出正電壓V+)，如此半橋電路第一開關Q1被導通運作，半橋電路第二開關Q2則不導通，而電壓切換電路13輸出一正電壓V+至壓電致動器負載21之輸入端21b上，此時壓電致動器負載21之輸出端21a則會形成略有壓降之負電壓V-(亦即壓電致動器20之導通電壓為負電壓V-，對於壓電致動器20而言視為負電壓輸出)，如此負電壓V-傳導至比較器12a之第一電壓V1線路上，而轉變成比較器12a之第一電壓V1的輸入，即可再與升壓電路單元11所輸出定電壓Vcc所分壓第二電壓V2做比較，同時這壓電致動器20之導通負電壓V-，因在壓電致動器負載21會有壓差之現象，得以利用頻率調整電路以第一電阻R1及第一電容C1並聯電路來自動偵測調整壓電致動器負載21之輸出端21a所輸出之微電壓Vc的共振點工作頻率，以調整適合壓電致動器負載21之工作頻率。

如此，略為壓降之負電壓V-作為比較器12a之第一電壓V1的輸入，當第一電壓V1小於第二電壓V2時，比較器12a之輸出端便會輸出負電壓V- (如第3B圖之箭頭所指輸出負電壓V-)，如此半橋電路第二開關Q2被導通運作，半橋電路第一開關Q1則不導通，而電壓切換電路回授輸出一負電壓V-至壓電致動器負載21之輸入端21b上，此時壓電致動器負載21之輸出端21a則會形成略有壓降之正電壓V+ (亦即壓電致動器20之導通電壓為正電壓V+，對於壓電致動器20而言視為正電壓輸出)，如此正電壓V+傳導至比較器12a之第一電壓V1端，而變成比較器12a之第一電壓V1的輸入，再與升壓電路單元11所輸出定電壓Vcc所分壓第二電壓V2做比較，如此循環下，控制電路12及電壓切換電路13所形成可因應壓電致動器負載21所輸出之微電壓Vc的正負電壓變化之工作振盪電路，讓壓電致動器負載21將電能轉換成機械能，而對應驅動壓電致動泵浦20運作。當然壓電致動器負載21之工作頻率也因控制電路12中頻率調整電路以第一電阻R1及第一電容C1並聯電路設計來自動偵測調整，將頻率調整至壓電致動器負載21所需之工作頻率，藉此便可使壓電致動器負載21工作在最佳工作點上。

相較於傳統之驅動電路，本案之驅動電路10可利用控制電路12之頻率調整電路中以第一電阻R1及第一電容C1並聯電路設計來自動偵測調整壓電致動器負載21所輸出之微電壓Vc的變化而調整頻率，例如當有兩種壓電致動器負載21之頻率分別為18kHz、23kHz時，皆可利用控制電路12之頻率調整電路中第一電阻R1及第二電容C1並聯電路找到其最佳共振點，即兩種壓電致動器負載21皆可僅使用本發明之驅動電路10，驅動壓電致動器負載21將電能轉換成機械能，進而對應使壓電致動泵浦20運作，而不需如傳統之複數個壓電致動器驅動電路之設計。

綜上所述，本案提供一種驅動電路，可適用於不同頻率的壓電致動器負載，亦即可適用於不同之壓電致動泵浦，俾使驅動電路的成本大幅降低。此外，本案之驅動電路可自動偵測調整至壓電致動器負載所需的工作頻率，而使不同之壓電致動泵浦的壓電致動器負載皆可工作在最佳工作點上。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

11‧‧‧升壓電路單元

12‧‧‧控制電路

12a‧‧‧比較器

13‧‧‧電壓切換電路

21‧‧‧壓電致動器負載

21a‧‧‧輸出端

21b‧‧‧輸入端

Vin‧‧‧輸入電壓

Vcc‧‧‧定電壓

Vc‧‧‧微電壓

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V+‧‧‧正電壓

V-‧‧‧負電壓

Q1‧‧‧半橋電路第一開關

Q2‧‧‧半橋電路第二開關

Claims (11)

1. 一種驅動電路，適用於一壓電致動泵浦，該壓電致動泵浦具有一壓電致動器負載，該驅動電路包含：
   　 一升壓電路單元，接收一輸入電壓並轉換輸出穩定之一定電壓；
   　 一控制電路，接收該升壓電路單元所輸出之該定電壓，且包含有一分壓電路、一比較器及一頻率調整電路，該分壓電路係將該定電壓予以分壓產生一第一電壓及一第二電壓，而該比較器係將分壓所產生之該第一電壓及該第二電壓做比較而輸出一正電壓或一負電壓；以及
   一電壓切換電路，連接並接收該控制電路之該比較器所輸出之該正電壓或該負電壓，且包含一半橋電路第一開關及一半橋電路第二開關，用以接收該比較器所輸出之該正電壓或該負電壓回授至該壓電致動器負載而形成所需求之該正電壓或該負電壓；
   　　 藉以，該壓電致動器負載所輸出之微電壓的變化，以利用該控制電路及該電壓切換電路來控制該壓電致動器負載所需求之工作振盪電路，並同時以該控制電路之該頻率調整電路自動偵測調整該壓電致動器負載所輸出之微電壓的變化而調整所需適當的工作頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該控制電路具有一輸入端線路，接收該升壓電路單元之該定電壓，且該輸入端線路上也設有由第二電阻及第二電容相互並聯所配置構成一輸入端穩壓電路，供以穩定控制該升壓電路單元所輸入之該定電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之驅動電路，其中該控制電路之該輸入端線路上設置由第三電阻及第四電阻所配置構成該分壓電路，該分壓電路以第三電阻及第四電阻分別配置成該第一電壓之線路及該第二電壓之線路而將該第一電壓及該第二電壓輸入至該比較器中。
4. 如申請專利範圍第3項所述之驅動電路，其中該控制電路之該頻率調整電路配置連接於該輸入端線路上，由第一電阻及第一電容相互並聯配置所構成，且該頻率調整電路一端連接並接收該升壓電路單元之該定電壓，另一端則連接至該分壓電路上，而該分壓電路之該第一電壓之線路上也連接至該壓電致動器負載之輸出端，促使該頻率調整電路自動偵測調整該壓電致動器負載所輸出之該微電壓的變化而調整所需適當的工作頻率。
5. 如申請專利範圍第3項所述之驅動電路，其中該控制電路之該分壓電路之該第二電壓之線路上也設置由第五電阻與第三電容並聯電路所配置構成一輸出端穩壓電路，該輸出端穩壓電路另一端則連接至該壓電致動器負載之輸入端，供以穩定該壓電致動器負載之輸入端之電壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該控制電路之該比較器所接收之該第一電壓大於該第二電壓時，該比較器係輸出該正電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該控制電路之該比較器所接收之該第一電壓小於該第二電壓時，該比較器係輸出該負電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該電壓切換電路之第六電阻用於穩壓限流作用，其一端連接於該比較器之輸出端電路上，另一端連接於該壓電致動器負載上。
9. 如申請專利範圍第2項所述之驅動電路，其中該電壓切換電路之該半橋電路第一開關及該半橋電路第二開關之一輸入端相互連接，並與該比較器之輸出端電路連接，該半橋電路第一開關及該半橋電路第二開關之一輸出端則相互連接於該壓電致動器負載上，又該半橋電路第一開關之控制端連接於該控制電路之輸入端線路上，供接收該升壓電路單元所輸出之該定電壓，而該半橋電路第二開關之一控制端則予以接地連接。
10. 如申請專利範圍第9項所述之驅動電路，其中當該控制電路之該比較器輸出該正電壓時，該半橋電路第一開關被導通輸出該正電壓，而該半橋電路第二開關不導通。
11. 如申請專利範圍第9項所述之驅動電路，其中當該控制電路之該比較器輸出該負電壓時，該半橋電路第二開關被導通輸出該負電壓，而該半橋電路第一開關不導通。