TW200903975A - Piezoelectric miniature pump and its driving circuit - Google Patents

Description

200903975 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種驅動電路，且特別係應用於壓電致動 元件的驅動電路，以及具有此驅動電路的壓電式(piez〇dectric) 微型幫浦。 L先前技術】 第- E圖係-傳統壓電致動元件的驅動電路，其係揭露 自日本專利删〇4282988A。第一 E圖所示的驅動電路僅能 夠對壓電致動元件(11)的單侧電極進行充放電，因此壓電致動 元件(11)的振動幅度將只達到一半的程度。第一 F圖係另一傳 統壓電致動it件的驅動電路，其係揭露自美國專利 腦〇〇聰6U3A1。在第—E圖及第—F圖中，驅動訊號來 源係由壓電致動元件⑴）、⑽的電極所產生，其目 得壓電材魏細本身的自料觸輪生軸，但此種驅 將使得由該電路所產生的壓電材料驅動頻率無法被隨 第一 ^_傳闕紐較件的鶴電路 序頻率產生晶片⑽。時序頻率產生晶片 == 期的產生單元，當嚇_赶 作林動週 此除了〜加$路配置空間外’ #電_電容因為外界條件如 200903975 溫度等因料產生電_或電容值之變化時，亦將嚴重影響 到輪出頻率之驅動訊號的準確性。再者，當電路配置完成後曰， 若需變化鶴訊號的輸㈣率時，則必須·邊的被動元件 一併調整或更換，如此將使得魏變動雜受到極大限制， 而且無法對>1電致動元件實施間歇的功能。 ▲弟- A圖至第-D _ f知技藝肋驅動壓電致動元件 的交替驅動電壓V2的各種波形圖，其依序為：正弦波波形、 二角波波形、方波絲以及齡波_。於第―A圖中 們先定義核前緣_龍電_元件進行充麵波形，而 核後_則為對壓電致動树進行放電的波形，而且半波 則緣(10)和半波後緣⑽二者形成一個『半波』。 弟-A _正弦波及第—β _三角波，兩者皆屬於 比驅動波形，與第—rpu^ ' — 回、方波及苐一 D圖的類方波驅動波 二父’弟-Α圖及第—Β圖的電路設計較為複 崎㈣繼，蝴路設計之 第一 C圖的方油万笛—ΤΛ m 妓圖的波制於數位驅動波

圖及第二D路具有配置簡易及快速放電等優點。觀察第一 C _镇前轉知，其電路騎壓電致動元件進 _w 速電可以使得壓電致動元件快速達到 振幅的頂端，作商口士 、，丄 —冋捋也增加電力的耗損。此外，由於對壓電 200903975 致動元件進行快速充電，所以t㈣致動元件在達到其振幅 頂端後’且在壓電致動元件朝反方向作動之前，壓電致動元 件將以自然共振鮮產生振動，直賴電致動元件被放電並 朝反方向作動為止，而此自然振動也會產生較大的π桑音問題。 再者’觀察第- D圖得知’其交替驅動電屢之波形具有 充電快及放電慢等特性，除了電力耗損較多外，第一 D圖之 半波後緣以-斜率補下降，代表壓電致動元件無法快速進 订放電’如此將輯進人下—個充放電行程所需之時間，進 而影響壓電致動元件的作動反應時間。 【發明内容】 、本么月之目的，係為改善習知技藝的缺失，而提供一種 可減少電力耗損且縮短壓電致動元件的作動反應時間以及降 低噪音的驅動電路。 本發明之另一目的在於，提供一種壓電式微型幫浦，其 具有能夠以控讎電致動H'之作動頻率來制控制流體流量 的驅動電路。 為達成本發明上述目的’本發明提供—種鶴電路，係 應用於-壓電致動it件，包括：—驅動週期產生單心包含： :驅動指引信號；-可程式化微控制器，係接收該驅動指引 信號’以及侧_應馳魅引_，而產生對應於該驅 制曰引的可程式化的驅動週期信號。—開關電路單 200903975 元，係連接該驅動週期產生單元與該壓電致動元件，以及係 接收該驅動週期信號，而產生對應於該驅動週期信號的一交 替驅動電壓’其巾該交替,i_的半波姆錢形係呈抛 物曲線波形，且該交替驅動電壓的半波後緣其波形係接近呈 垂直線波形，以及該交替驅動電壓係連接該壓電致動元件。 再者，本發明提供一種壓電式微型幫浦，係用以輸送一 流體’包括：一殼體，具有—内部容室，及一進口和一出口； 壓甩致動元件，係設置在該内部容室，用以壓縮該内部容 室的空間；以及-驅動電路’係用以驅動該壓電致動元件， 八匕s •—驅動週期產生單元，包含：一驅動指引信號；一 可程式化微控繼，係接收雜動指引信號，以及係用於回 應該驅動指引錢，喊生賴㈣鶴指引錄的一可程 式化的驅動週期彳5號。—開關電路單元，係連接該驅動週期 產生單元與5彡壓電致動元件，以及係接收該驅動週期信號， 而產生對應於該驅動週期信號的一交替驅動電壓，其中該交 替驅動電_半波前緣其波耗呈拋物曲線波形，且該交替 驅動包壓的半波後緣其波形係接近呈垂直線波形，以及該交 替驅動電壓係連接該壓電致動元件。 為使熟悉该項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功 文兹藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明 詳加說明如后。 200903975 【實施方式】 -第-A ®係具有本伽驅動電路的壓電式微型幫浦的刊 面示意圖。壓電式微型幫浦⑺可用以輸送—流體，該流體包 括所有驗體及氣體。_方面比如有：柴油、汽油、甲醇、 乙醇純水、曱醇水溶液、海水等液體。氣體方面比如有： 瓦斯、氫氣、純氧、空氣、二氧化碳等氣體。如第二A圖所 不’壓電式微型幫浦(2)包括，體(2〇)、歷電致動元件㈣及 驅動电路(3)。首先，殼體⑽具有内部容室()，及進口⑽） #出口(2〇4) ’且貫際情形中壓電式微型幫浦⑺通常會再設置 閥門7L件(圖中未見)於進口(2〇2)和出口㈣的地方。壓電致 、元件(22)U在内部容室(2⑻），以壓縮内部容室(細) 的i間。如第三A騎示’壓f致動元件(22)至少包括壓電片 ⑽）’壓電片(220)係由—健電材料所製成之薄#。另外， 壓電致動元件(22)可進-步包括金屬㈣(222)。金屬膜片㈣ 係緊密貼覆在屢電片⑽)的一表面，且其材質係可選自鎳、 鎳麵合金、不鎊鋼、鈦、銅以及黃銅的其中一種。再者，驅 動電路⑶係用以驅動壓電致動元件(22)，且圖中的驅動電路⑶ 可以-種電路板的態樣呈現，至於其驅動方式可參照第二B 圖與第二C圖。第二B圖顯示第二A圖的遂電式微型幫浦⑺ 於1形狀態下的剖面示意圖，而第二C圖顯示第二A圖的 壓電式微型幫浦(2)於另一變形狀態下的剖面示意圖。藉由外 加由驅動電路(3)所產生的交替驅動電塵V2於壓電致動元件 200903975 剛兩侧，使得壓電致動元件(22)沿著電場方向產生變形效 果，如此將電能轉換為機械能，而形成如第二B圖與第二匸 圖的動作’便能夠讓流體在壓電式微型幫浦⑺的内部容室 (200)-進-出’因而可達麵電式微鄕浦(2)輸送流體的目 的0 第三圖顯示本發明之驅動電路的電路方塊圖。本發明之 驅動包路(3)可朗在如第二a圖所示_電致動元件㈤。 參照第三圖，驅動電路⑶包括：鴨週期產生單元⑽及開關 電路單元(32)。其中驅動週期產生單元⑽包含：驅動指引信 號S3及可程式化微控制器⑽）。驅動指引信號幻係可透過 外界輸入-電源簡、或脈波、或方波料他信號來實現， 至於可程式化微控制H(3()_接收驅動指引信細，以及用 於回應驅動指引信號S3,而產生對應於驅動指引信號S3的一 可私式化的鶴週期信號S1、S2。圖巾可程式倾控制器(綱) 所產生的驅_期錢M、S2係可以被設計為鮮相同，但 互為反向的訊號，關於驅動週期信號S1、S2的各種波形範例， 將於第:A圖至第四D圖中詳細說明。在第三圖中，驅動週 期產生單綱進—步包含第—限流電阻Ri及第二限流電阻 中第限/现私阻R1的一端係連接可程式化微控制器 (300)之產生驅__號S1的輸出端m第—限流電阻 R1的另-端係連接第二雙極接面電晶體T2的基極與第六雙 200903975 極接面電晶體T6的絲；第二限流電阻R2的-端係連接可 程式化微控制器⑽)之產生另—驅動週期信號S2的輸出端 P2 ’且第二限流電阻犯的另―端係連接第三雙極接面電晶體 T3的基極與第七雙極接面電晶體T7的基極。另外，在具體 貫施情況中，第-限流電阻R1及第二限流電阻R2可採行的 電阻值範圍為10(仟歐姆)〜20(百萬歐姆）。 開關電路單元(32)係連接驅動週期產生單元(30)與壓電致 動元件(22) ’而且開關電路單元(32)接收驅動週期信號幻、 S2 ’而產生對應於驅_期信號S卜S2的㈣驅動電壓V2。 關於交替驅動轉V2的波形，聽於第五圖巾進—步說明。 於此’先就開關電路單元(32)的電路實施方式進行說明。靖夫 =第三圖’開關電路單元(32)包括：第二雙極接面電晶體 第一又極接面一體T3、第四雙極接面電晶體了4'第五雙極 ^ = 中第六雙極接面電晶體Τ6以及第七雙極接面 電曰曰體Τ7。其中，第四雙極接面電晶體心基極係連接第 ==晶體Τ2的集極，且第四雙極接面電晶體 射極係連接壓電致動元件⑼的一輸入端。再者，第五雙極接 =晶:Τ5的基極係連接第三雙極接面如 軸—電晶體 動元綱細T5_鱗接壓電致 200903975 體接面電晶體刊的射極係連接第二雙極接面電晶 篮U的射極，且第六雙極 雙極接面電晶體雜係連接第四 的射極係連接第三雔搞 雙極接面電晶體T7 面電晶體Ί7的隹H電晶體Π的射極，且第七雙極接 且第七雙極接面電a ρ Τ7 6^ a㈤Τ5的射極， Τ6的射極。、丨極係連接第六雙極接面電晶體 :限产帝阳μ 開闕电路早切2)更進-步包括第 -限机电阻R3及第四限流電阻則 係連接第四雔極故；士 第一限〜_R3的一端 四雙極=針4的集極，且其另-端係連接第 接第五錐“曰曰體^祕極；第四限流電阻R4的1係連 晶體T5 _，且料―端係連接第五雙 極接面電晶體Τ5的基極。 ！ 由於開關電路單元㈤所接收的驅動週期信號幻、％為 頻相同，但互為反向的訊號，故開關電路單元(32)的運作方 =二^一’第四雙極接面電晶體T4與第七雙極接面電晶 叫開啟，第五雙極接面電晶體Τ5與第六雙極接面電 晶體Τ6同時_ ;第二，第四雙極接面電晶㈣和第七: 極接面電晶體Τ7同時關閉，第五雙極接面電晶體乃和^ 雙極接面電晶體Τ6同_啟。上述兩種運作方式係交麵 行，使得施加於壓電致動元件(22)兩_電壓極性可輪流轉 換’故開關電路單元(32)可對壓t致動元件㈤兩側進行=電 12 200903975 或放電’進而充分運賴電漏_之振動幅度。 又如第二圖所不，驅動電路⑶進一步包括：升壓電路單 元(34)。升壓電路單元(34)係連接開關電路單元(32)，1包含： ，入電容器ci、二極體m、第—雙極接面電晶體τι、電感 :L1直•升壓轉換器(34〇)以及輸出電容器C2。其中，電感 山/勺端係連接輪入電容器C1的一端，且電感器U的另 隹^係連接二極體m的輸人端及第—雙極接面電晶體打的 、°—直升壓轉換器(34G)的輸出端係連接第-雙極接面電 晶體T1的基極’藉由直流升壓轉換器(34。)内部的切換訊號來 :-雙極接面電晶㈣的開關(。,，使輸入 此°提升至—預定的電壓值。輸出電容器C2的-端係壤1 極體m的輸出端及第四雙極接面電晶體以的集極 < 二益C2的另—端係、連接第六雙極接面電晶體π的Μ 弟，極接面電晶體们的射極及輸入電容器以的另、 第A圖至第四〇圖係呈現驅動週期信號^或 =信號S2的各種波形圖。驅動週期信號si或驅動％ 2可為常見的方波，且本發明中驅動週期信號…:¾ 工作頻率範圍為(觸。如—a圖所示，嗓奮 週期信號si或,_難減S2似―目定頻将續作= 而在第四B圖中，驅動週期信號S1或驅動週期信號。 不同頻率持續作動著。又如第四c圖所示，驅動週期^ ”思S] 13 200903975 或驅動週触號S2定辭以-固定日销而間歇作 動。再如第四D騎呈現，驅動週期錢&或驅動週期信號 S2係以不同鮮及;^時間關歇作動。由第四a圖至第四 D圖可知’本發_動電路的—項重要特點是，可程式化微 控制器(300)所產生的驅動週期信號si、s2係—種可程式化的 信號’也就是說’其所展現各種不_波賴式係可預先透 過私式5xat者藉蝴gf^(Finnwafe)的實施村，來對可程 式化微控制器(300)進行控制。 第五圖係本發明._電路產生之交_動· V2的波 形圖。如第五圖所示’交替驅動電壓V2的半波前緣(5〇)其波 形係呈拋物曲線波形，而交替驅動電壓V2的半波後緣(^)其 波形係接近呈垂直線波形。由於本發魅生的交替驅動電壓 V2的波形外麟m的背鰭，故可將其稱為鰭狀驅動波 形，此乃本發明驅動電路的另一項重要特點。若與前文提到 的各種習用之交替驅動電壓V2的波形相比，本發明的交替驅 動電壓V2具有幾點優勢：魏，交替驅動龍％的半波前 緣(50)係呈現一平滑的拋物曲線，該拋物曲線代表本發明之驅 動電路能夠以較為緩和的方式逐步對壓電致動元件(22)進行 充電，如此可大幅降低急速充電所造成的電力耗損。另外， 以較為緩和的方式逐步對壓電致動元件(22)進行充電，可使壓 電致動元件(22)在達到其振幅頂端後隨即快速放電，故本發明 14 200903975 之驗驅動波形將可避免壓電致動元件(22)在達到振幅頂端 時、會有多餘的日HUx其本身的自然趙辭魅不必要的 振動’如此將可大幅降低壓電致動器在作動時所產生的噪音 問題。其次’交替购_ V2料波魏⑼魏形係接近 呈垂直線波形，意謂著㈣致動元件(22則被快速放電，並 快速進入下-個充放電行程，如此可提高壓電致動元件(22) 的反應時間。 最後進纟闡述本發明驅動電路的其他特點及功效如 后： '、本發明驅動電路是以數位訊號進行㈣，故可提供較高的 訊號穩定性，並降輯路設計的複雜程度。 二、 本發明‘_f路以可程式化(Programmable)微㈣哭取代 習知技細挤辭紅1C作綠歧度简Mse_width

Mod—PWM)控制器’不但可減少週邊使用元件以簡化電 路，而且節省不少配置的空間。 三、 由於本發明驅動電路使用可程式化微控制器，所以假若欲 欠更驅動週期域的輪出動作及頻率，只需將内部程式重新寫 入即可達成，料需更改原本之硬體電路，此舉枝節省成本 及蚪間，而且大幅提升設計變更之彈性。 ^雖,棘㈣已以具體實施例揭露如上，然其所揭露的具體 只施例並_以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本 15 200903975 :護範圍當視後附之 =之精神和範_，當可作各種之更動與_，其所作之更 動與潤倚皆胁本發日狀辦，本發明之保： 申睛專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 "圖至第D圖係習知技藝用以驅動壓電致動元件的 交替驅動電壓V2的各種波形圖。 “致動-件的 f — E圖係—傳統壓電致動树的驅動電路。 第-F圖係另—傳統㈣致動元件的驅動電路。 頻:產-生：傳統壓電致動元件的驅動電路中所使崎 ^二A _具有本發_動電路的壓電式微型幫浦的剖面 不思圖。 第二B圖顯示第二八圖的壓電式微型幫浦於-變形狀能下 的剖面示意圖。 文/狀心卜 第二C圖顯示第二a圖的壓 下的剖面示意圖。 P變形狀態 第三圖顯示本發明之驅動電路的電路方塊圖。 第四A圖至第四d圖传 H S2的各㈣’、見驅動週期信號S1或驅動週期 现的谷種波 形圖。 第五圖係本發明驅動電路產生之交替驅動電壓V2的波形 16 200903975

【主要元件符號說明】 半波前緣(10) 壓電致動元件(11) 半波後緣(12) 壓電致動元件(13) 時序頻率產生晶片（15) 壓電式微型幫浦(2) 殼體(20) 内部容室(200) 進口（202) 出口 (204) 壓電致動元件(22) 壓電片（220) 金屬膜片（222) 驅動電路(3) 驅動週期產生單元(30) 可程式化微控制器(300) 開關電路單元(32) 升壓電路單元(34) 直流升壓轉換器(340) 17 200903975 半波前緣(50) 半波後緣(52)

Claims (1)

1. 200903975 十、申請專利範圍： 1. -種驅動電路，係顧於-壓電致動元件，包括： 一驅動週期產生單元，包含： 一驅動指引信號； 一可程式化微控制器，係接收該驅動指引信號，以及係用 於回應該驅動指引信號，而產生對應於該驅動指引信婕的一可 程式化的驅動週期信號； 一開關電路單元，係連接該驅動週期產生單元與該壓電致動 元件’以及係接收該驅動週期信號，而產生對應於該驅動週期 信號的一交替驅動電壓’其中該交替驅動電壓的半波前緣其波 形係呈抛物曲線波形’且該交替驅動電壓的半波後緣其波形係 接近呈垂直線波形’以及該交替驅動電壓係連接該壓電致動元 件。 2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動電路’其中該開關電路單元， 包括： 一第二雙極接面電晶體； 一第三雙極接面電晶體； 一第四雙極接面電晶體，其中該第四雙極接面電晶體的基極係 連接該第二雙極接面電晶體的集極’且該第四雙極接面電晶體的 射極係連接該壓電致動元件的一輸入端； 一弟五雙極接面電晶體，其中δ亥弟五雙極接面電晶體的基極係 連接該第三雙極接面電晶體的集極’且該第五雙極接面電晶體的 19 200903975 的集極係連接該第四雙極接面電晶體的集極，且該第五雙極接面 電晶體的射極係連接該壓電致動元件的另一輸入端； 一第六雙極接面電晶體，其中該第六雙極接面電晶體的射極係 連接該第二雙極接面電晶體的射極，且該第六雙極接面電晶體的 集極係連接該第四雙極接面電晶體的射極；以及 一第七雙極接面電晶體，其中該第七雙極接面電晶體的射極係 連接该第二雙極接面電晶體的射極，且該第七雙極接面電晶體的 集極係連接該第五雙極接面電晶體的射極，且該第七雙極接面電 曰曰體的射極係連接該第六雙極接面電晶體的射極。 3. 如申明專利範圍第2項所述之驅動電路，其中該驅動週期產生單 元’進一步包含： 一第一限流電阻，其一端係連接該可程式化微控制器之產生一 驅動週期信號的輸^端，且其另-端係連接該第二雙極接面電 晶體的基極與該第六雙極接面電晶體的基極； 一第二限流電阻，其一端係連接該可程式化微控制器之產生另 -驅動職錄的輸出端，且其另—端係賴該第三雙極接面電 晶體的基極與該第七雙極接面電晶體的基極。 4. 如申凊專利範圍第2項所述之驅動電路，進一步包括：一升壓電 路單元’係連接該開關電路單元，其中該升壓電路單元包含： 一輸入電容器； 一二極體； 20 200903975 一第一雙極接面電晶體； -電感器’其-端係連接該輸 連接哕-描髀备态的一端，且其另一端係 逐接》亥-娜的輪人端及該第 - 乐&極接面電晶體的集極； 直々丨1升£軺換器，其輸出端係 基極； 接D亥弟—雙極接面電晶體的 一輸出電容ϋ，其-猶連接該 接面電晶體的集極，且1另—端係、：輪出咖弟四雙極 6丄 』㈣連接該第六雙極接面電曰_ 射極及該第一雙極拯面兩日駚,电日日體的 又枉接面迅日日體的射極及該輸入電容器的另 5.如申睛專利範圍第2項所述 進—步包括：、斤、之轉蜱，其中該開關電路單元， 第一限*電P且’其一端係連接該第四雙極接面電晶體的 極’《另-端係連接該第四雙極接面電晶體的基極；、 第四限4阻H係連接_五雙極接面電晶體的隹 極’且其另-端係連接該第五雙極接面電晶體的基極。* f 1娜竭料，其働動指引信號係 電/原汛说或一脈波或一方波。 =利feu第丨顧述之驅動電路，其巾雜動週期信號係 8.如申請專利範圍第i項所述之驅動電路，其中該驅動 以一固定頻率持續作動。 °現係 9·如申請專纖_ i項所述之驅動麵，其中魏動週期信號係 21 200903975 以不同頻率持續作動。 1G·如申專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該驅動週期信號 係以-固_率且以―敗時間而間歇作動。 士申明專利範圍第1項所述之驅動電路，其中該驅動週期信號 係以不同頻率及不同時間而間歇作動。 12.如申明專利範圍第i項所述之驅動電路，其中該驅動週期信號 的工作頻率範圍為1(赫茲)〜500(赫茲）。 13·如申明專利範圍第3項所述之驅動電路，其中該第一限流電阻 及該第二限流電阻的電阻值範圍為1 〇(什歐姆）〜20(百萬歐姆）。 14.一種壓電式微型幫浦，係用以輸送—流體，包括： 一殼體，具有一内部容室，及一進口和一出口； 一壓電致動元件，係設置在該内部容室，用以壓縮該内部容室 的空間；以及 一驅動電路，係用以驅動該壓電致動元件，其包含： 一驅動週期產生單元，包含·· 一驅動指引信號； 一可程式化微控制器，係接收該驅動指引信號，以及 係用於回應該驅動指引信號，而產生對應於該驅動指引信 號的一可程式化的驅動週期信號； -開關電路單元，係連接該驅動週期產生單元與該壓 電致動元件，以及係接收該驅動週期信號，而產生對應於 22 200903975 該驅動週期信號的一交替驅動電壓，其中該交替驅動電壓 的半波前緣其波形係呈拋物曲線波形，且該交替驅動電壓 的半波後緣其波形係接近呈垂直線波形，以及該交替驅動 電壓係連接該壓電致動元件。 15. 如申請專利範圍第14項所述之壓電式微型幫浦，其中該壓電致 動元件，至少包括：一壓電片，係由一種壓電材料所製成之薄 片。 16. 如申請專利範圍第15項所述之壓電式微型幫浦，其中該壓電致 動元件，進一步包括：一金屬膜片，係緊密貼覆在該壓電片的一 表面。 23