專利名稱：驅動電路及其所適用的壓電致動泵的制作方法
技術領域：
本發明關于一種驅動電路，尤指一種適用于壓電致動泵，且能將電能轉換為機械能的驅動電路及其所適用的壓電致動泵。
背景技術：
一般的噴墨打印機都會包含一個壓電致動泵，以便經由其周期性高速運動來噴射墨水液滴。壓電致動泵通常需要一個高壓交流電壓來對其作用而驅使其中的壓電致動器進行周期性高速運動。利用高壓交流電壓來驅動壓電致動器，壓電致動器便能夠輸出周期性的控制信號給單孔噴墨或多孔噴墨振動片，以驅動單孔噴墨振動片或多孔噴墨振動片進行周期性運動，藉此經由噴墨打印機的單孔噴頭或多孔噴頭噴出墨水液滴。因此，壓電致動器，可應用于單孔噴頭或多孔噴頭的噴墨打印機中，以便供給墨水。為了使壓電致動器輸出較大的形變位移，已知用來驅動壓電致動器的驅動電路必須輸入較大的交流電壓。圖I顯示已知用來驅動壓電致動器的驅動電路的方塊圖。如圖I所示，已知技術的驅動電路100為了產生100伏特以上的交流輸出電壓，需要包含三個離散的電路單元，亦即一直流升壓集成電路芯片電路102、一電壓倍增電路104及一極性切換電路106。如此一來，已知用來驅動壓電致動器的驅動電路需要較多的電子組件，因而無法使電路板面積更為縮小，且造成較大的電能損耗。圖2A及圖2B顯示圖I的已知用來驅動壓電致動器的驅動電路100的極性切換電路106的電路圖，其中圖2A為極性切換電路106的數字控制訊號fsw為高準位(High)時的操作示意圖，而圖2B為極性切換電路106的數字控制訊號fsw為低準位(Low)時的操作示意圖。已知的極性切換電路106主要用來將圖I的電壓倍增電路104所輸出的升壓高電壓轉換成一輸出方形波。圖2A、圖2B所示的極性切換電路106包含晶體管開關Q91-Q97，以及電阻R91-R93。圖2A及圖2B所示的極性切換電路106的工作原理說明如下。當數字控制訊號fsw為高準位(High)時，如圖2A所示，晶體管開關Q91、Q96導通，使限流電阻R91所在的支路接地，因而造成晶體管開關Q92、Q94開路，進而使限流電阻R92所在的支路處于高準位(High)。因此晶體管開關Q93導通。同時在另一方面，數字控制訊號fsw為高準位(High)時使晶體管開關Q97通路，而使限流電阻R93所在的支路接地。因此造成晶體管開關Q95開路，所以電流將沿箭頭方向進行，如圖2A所示。當數字訊號fsw為低準位(Low)時，如圖2B所示，則所有晶體管開關動作與圖2A相反，即晶體管開關Q91、Q96開路，使限流電阻器R91所在的支路處于高準位，因而造成晶體管開關Q92、Q94通路，再使限流電阻器R92所在的支路接地，因而使晶體管開關Q93開路；同時在另一方面，當數字訊號fsw為低準位時將使晶體管開關Q97開路，而使限流電阻器R93所在的支路處于高準位，因而造成晶體管開關Q95通路，使電流行進方向如圖2B所示的箭頭方向。藉此因而產生輸出交流方波。需注意的是圖2的晶體管開關Q91-Q97可為雙極接面晶體管(BJT)或場效晶體管(FET)組成。由前述說明可知，已知的驅動電路100經由直流升壓集成電路芯片電路102、電壓倍增電路104及極性切換電路106此三個離散的電路單元，藉以將輸入電壓依序提升至100伏特以上，并轉換高電壓的極性。雖然，已知的驅動電路100確實可達到將直流電壓升壓并轉換成為一交流電壓，然而，已知的驅動電路100因由三個離散的電路單元所組成，使得此種電路設計無法縮小體積，無法滿足產品小型薄型化的目標，故仍具有無法有效縮小電路板體積及會造成較大的電能損耗等問題。因此，如何發展一種可改善上述已知技術缺失的驅動電路及其所適用的壓電致動泵，實惟目前迫切需要解決的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種驅動電路，適用于一壓電致動泵，其將離散電路組件整合為單一集成電路芯片，使其具有較小的電路板體積與較低的電能損耗。本發明的另一目的在于提供一種驅動電路，適用于一壓電致動泵，其可由外加的電阻器或電容器所產生的震蕩頻率所決定，或是由外部控制單元所輸出的數字或模擬訊號 進行調控。本發明的又一目的在于提供一種壓電致動泵，其具有一壓電致動器及一驅動電路，經由該驅動電路以將輸入的直流電壓提升，并輸出交流電壓以驅動該壓電致動器，以有效將電能轉換為機械能。為達上述目的，本發明的一較佳實施方面為提供一種驅動電路，適用于壓電致動泵，該壓電致動泵具有壓電致動器，其包含升壓電路單元，至少包括數個電容器；數個電阻器；以及升壓集成電路芯片，與數個電容器及電阻器連接，且具有升壓推進集成電路，用以提升輸入電壓的電壓值并將輸入電壓極性轉換，藉此產生輸出電壓以驅動壓電致動器，以將電能轉換為機械能。為達上述目的，本發明的又一較佳實施方面為提供一種壓電致動泵，其包含壓電致動器及驅動電路，該驅動電路包含升壓電路單元，至少包括數個電容器；數個電阻器；以及升壓集成電路芯片，與數個電容器及電阻器連接，且具有升壓推進集成電路，用以提升輸入電壓的電壓值并將輸入電壓的極性轉換，藉此產生輸出電壓以驅動壓電致動器，以將電能轉換為機械能。
圖I :其為已知用來驅動壓電致動器的驅動電路的方塊圖。圖2A :其為圖I所示的極性切換電路106的數字控制訊號fsw為高準位(High)時的操作示意圖。圖2B :其為圖I所示的極性切換電路106的數字控制訊號fsw為低準位(Low)時的操作示意圖。圖3A :其為本發明較佳實施例的壓電致動泵的結構示意圖。圖3B :其為圖3A所示的機構本體的實施方面示意圖。圖3C :其為本發明較佳實施例的壓電致動器的結構示意圖。圖4 :其為本發明較佳實施例的驅動電路的電路圖。圖5 :其為已知技術的壓電致動式泵與本發明的壓電致動式泵的流率對應頻率變化曲線。主要組件符號說明
已知技術的驅動電路100直流升壓集成電路芯片電路102電壓倍增電路104極性切換電路106晶體管開關Q91_Q97電阻R91_R93壓電致動泵3驅動電路300機構本體301流體輸送裝置302壓電致動器302a致動片302b致動薄膜302c壓力腔室302d金屬導電層302e膠層302f升壓電路單元304控制電路單元306升壓集成電路芯片U1升壓推進集成電路B極性切換集成電路S電感LI整流二極管D1電容C11-C15電阻R11-R1具體實施例方式體現本發明特征與優點的一個典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的方面上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及附圖在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。請參閱圖3A，其為本發明較佳實施例的壓電致動泵的結構示意圖，如圖所示，本發明的壓電致動泵3主要由機構本體301以及驅動電路300所組成，驅動電路300與機構本體301連接，主要利用電驅動電路300接收一輸入直流低電壓并將其轉換成為輸出交流電壓Vol、Vo2，以驅動機構本體301運作。請參閱圖3B,其為圖3A所示的機構本體的實施方面示意圖，如圖所示,本發明的機構本體301可為一流體輸送裝置302，但不以此為限，流體輸送裝置302可適用于醫藥生技、計算機科技、打印或是能源等工業，可輸送氣體或是液體，主要經由一壓電致動器302a將電能轉換成機械能，其中壓電致動器302a包含有致動片302c及振動薄膜302b，且可分別接收輸出交流電壓Vol及Vo2，用以根據輸出交流電壓Vol及No2的驅動而使致動片302c及振動薄膜302b產生反復動作，以造成壓力腔室302d的體積壓縮或是膨脹，使流體輸送裝置302可藉以達到傳送流體的功效。在一些實施例中，可由一壓電陶瓷片與金屬片貼合而成，但不以此為限。舉例來說，如圖3C所示，壓電致動器302a的致動片302c即可為但不限為一壓電陶瓷片，而振動薄膜302b可為但不限為一金屬片，其中，壓電陶瓷片所形成的致動片302c的直徑以32-35mm之間為較佳，厚度則以O. 25-0. 3mm之間為較佳。至于該由金屬片所形成的振動薄膜302b的厚度則以O. 1-0. 2mm為較佳。且該致動器302a的電容介于70_120nF之間。在另一些實施例中，在壓電陶瓷片所形成的致動器302c的上、下表面還可分別貼附一金屬導電層302e,以協助導電,且該金屬導電層302e的直徑以31_34mm之間為較佳,而其厚度則以O. 01-0. 05mm之間為較佳。以及，在壓電陶瓷片所形成的致動器302c與金屬片所形成的致動薄膜302b之間還可設置一膠層302f，以使該致動器302c與致動薄膜302b彼此貼附設置。在一些實施例中，膠層302f可設置于金屬導電層302e及金屬片所形成的致動薄膜302b之間，但不以此為限。且該膠層的厚度以O. 01-0. 05mm之間為較佳。請參閱圖4，其顯示本本發明較佳實施例的驅動電路的電路圖。如圖4所示，一驅動電路300用來提供輸出交流電壓Vol與Vo2來驅動一壓電致動器302a(如圖3B所示)。驅動電路300可包含一升壓電路單元304及一控制電路單元306，或是由升壓電路單元304單獨組成。在本較佳實施例中，驅動電路300由升壓電路單元304及控制電路單元306組成，但不以此為限。控制電路單元306用于提供三個控制訊號(En，Cv, Cf)，此三個控制訊號(En，Cv，Cf)輸入升壓電路單元304，以控制其所輸出的輸出交流電壓Vol與Vo2。輸出交流電壓Vol與Vo2則用以驅動壓電致動式泵3的機構本體301，即為本實施例的流體輸送裝置302。其中，控制信號En為一數字訊號，用以控制輸出交流電壓Vol與Vo2的輸出與否。控制信號Cv為一模擬訊號,用以控制輸出交流電壓Vol與Vo2的電壓大小。控制信號Cf為一數字訊號，用以控制輸升壓電路單元304的輸出交流電壓的切換頻率。在本實施例中，控制電路單元306由一個集成電路微控制器及數個電容及電阻(未顯示)組成，但不以此為限，用以輸出可調變量位控制信號(如控制信號En與控制信號Cf)及模擬控制訊號(如控制信號Cv)，并將可調變量位控制信號及模擬信號傳送至升壓電路單元304。模擬控制信號Cv由脈寬調變(PWM)訊號經低通濾波而得的直流電壓。壓電致動式泵的機構本體301中的壓電致動器302a即為通過此交流電壓訊號Vol與Vo2而使壓電致動器302a產生反復動作，進而造成壓電致動式泵3的機構本體301中的壓力腔體302d的體積壓縮或膨脹，進而將電能轉換成機械能。在另一些實施例中，若驅動電路系統300僅為升壓電路單元304而組成，則升壓電路單元304的輸出交流電壓Vol與Vo2的振幅及頻率將由外加的電阻及電容(未顯示)所產生的振蕩頻率所決定,但不以此為限。請續參閱圖4，升壓電路單元304接受一輸入電壓Vin，并將輸入電壓轉換成交流輸出電壓Vol與Vo2。升壓電路單元304包含一升壓集成電路芯片U1，其內部包括數個電容器、數個電阻器、一升壓推進集成電路B以及一極性切換集成電路S，其中升壓推進集成電路B用以提升輸入電壓Vin的電壓值，極性切換集成電路S則用以將升壓推進集成電路B輸出的高電壓的極性進行轉換，以產生交流輸出電壓Vol與Vo2。在該數個電容器中，電容Cll用以決定升壓電路單元304的輸出交流電壓Vol與Vo2的切換頻率，此切換頻率亦可由控制電路單元306所輸出的數字控制訊號Cf所控制，且數字控制訊號Cf的頻率為輸出交流電壓Vol與Vo2的切換頻率的倍數，但不以此為限。然而，在另一些實施例中，若該輸出交流電壓Vol與Vo2的切換頻率由控制電路單元306的數字控制訊號Cf來控制，則電容Cll可被省略。此外，在一些實施例中，升壓電路單元304還包括電容C12、電容13、電容14及電容15，但不以此為限，其中電容12用以決定升壓推進集成電路B的切換頻率，電容C13用以穩定供給升壓推進集成電路B所需的電壓，電容C14及C15則用以暫存能量。在本實施例中，該數個電阻還包括電阻Rl I及電阻Rl2，但不以此為限，其中電阻Rll用以決定輸出交流電壓Vol與Vo2的上升段斜率，及升壓推進集成電路B的切換頻率。電阻R12則用以決定輸出交流電壓Vol與Vo2的振幅。在另一些實施例中，輸出交流電壓Vol與Vo2的振幅亦可由控制電路單元306所輸出的模擬控制訊號Cv所控制，若該輸出交流電壓Vol與No2的振幅(亦即電壓大小)由控制電路單元306的模擬控制訊號Cv來控制時，則該電阻R12可被省略。而且，升壓電路單元304還包括一電感LI，用以暫存與傳遞輸入電壓Vin的能量；一整流二極管D1，用以對電感LI的能量進行整流。請參閱圖5，其顯示已知技術的壓電致動式泵與本發明的壓電致動式泵的流率對應頻率變化曲線。其中，已知技術的壓電致動式泵的流率對應頻率變化曲線標示為曲線1，而本發明的壓電致動式泵的流率對應頻率變化曲線標示為曲線2。在曲線I中，已知技術的壓電致動式泵的功率為I. 3瓦特，且其壓電致動式泵的最高流率為530ml/min，因此，該已知技術的壓電致動式泵的每單位瓦特的電能消耗為每分鐘約可傳輸O. 4公升的流率。反觀本發明的發明，在曲線2中，本發明的壓電致動式泵3的功率為O. 3瓦特，而本發明的壓電致動式泵的最高流率為330ml/min，因此本發明的壓電致動式泵3的每單位瓦特的電能消耗為每分鐘約可傳輸I. I公升的流率。由此可見，本發明的壓電致動式泵3的流率以比已知技術的壓電致動式泵的流率高出O. 71/min,明顯可見本發明的壓電致動式泵3相較于已知壓電致動式泵在流率上實具有大幅提升的效能。綜合以上說明，可以明白本發明的壓電致動泵將已知技術的壓電致動器中的三個離散電路單元整合為單一集成電路芯片，藉此，，進而將直流電壓提升并輸出交流電壓，以驅動壓電致動泵中的壓電致動器，經由將已知的離散電路組件整合為單一集成電路芯片，進而有效減少組件使用量、有效減小電路板的體積及離散電子組件的能量損耗。此外，經由本發明的驅動電路，可趨動壓電致動器，進而有效將電能轉換為機械能，并可進一步提升流率，達每分鐘1.1公升之高。因此，本發明的驅動電路及其所適用的壓電致動泵不僅可提高能量利用效率，還可以讓產品更為輕薄短小。本發明可以由熟習此技術的人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫離如所附權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.一種驅動電路，適用于一壓電致動泵，該壓電致動泵具有一壓電致動器，其包含 一升壓電路單元，至少包括 數個電容器； 數個電阻器；以及 一升壓集成電路芯片，與該數個電容器及該電阻器連接，且具有一升壓推進集成電路，用以提升一輸入電壓的電壓值并將該輸入電壓的極性轉換，藉此產生一輸出電壓以驅動該壓電致動器，其中該壓電致動器的電容介于70-120nF之間，以將電能轉換為機械能。
2.如權利要求I所述的驅動電路，其特征在于，還包括一控制電路單元，連接至該升壓電路單元，用以發出數個可調變的數字控制信號及模擬控制訊號至該升壓電路單元，以控制升壓電路單元的輸出電壓大小及切換頻率。
3.如權利要求I所述的驅動電路，其特征在于，該升壓集成電路芯片還包括一極性切換集成電路，用以將該升壓推進集成電路輸出的一高電壓的極性進行轉換，以產生該輸出電壓。
4.如權利要求I所述的驅動電路，其特征在于，該數個電容用以決定該輸出電壓的切換頻率、決定該升壓推進集成電路的切換頻率、穩定供給該升壓推進集成電路所需的電壓，以及暫存能量，以及該數個電阻用以決定該輸出電壓的上升段斜率、該升壓推進集成電路的切換頻率，以及決定該輸出電壓的振幅。
5.如權利要求I所述的驅動電路，其特征在于，該升壓電路單元還包括 一電感，用以暫存與傳遞該輸入電壓的能量；以及 一整流二極管，用以對該電感的能量進行整流。
6.如權利要求I所述的驅動電路，其特征在于，該壓電致動片由一壓電陶瓷片與金屬片貼合而成。
7.如權利要求6所述的驅動電路，其特征在于，該壓電陶瓷片的直徑以32-35_之間為較佳，厚度以O. 25-0. 3_之間為較佳，該金屬片的厚度以O. 1-0. 2_之間為較佳。
8.如權利要求7所述的驅動電路，其特征在于，該壓電致動片還具有至少兩金屬導電層，分別設置于該壓電陶瓷片的一上表面及一下表面，且該金屬導電層的直徑以31-34mm之間為較佳，厚度以0.01-0. 05之間為較佳。
9.如權利要求8所述的驅動電路，其特征在于，該壓電致動片還具有一膠層，設置于該金屬導電層與該金屬片之間，且該膠層的厚度以O. 01-0. 05之間為較佳。
10.一種壓電致動泵，其包含 一壓電致動器；以及 一驅動電路，其包含 一升壓電路單元，至少包括 數個電容器； 數個電阻器；以及 一升壓集成電路芯片，與該數個電容器及該電阻器連接，且具有一升壓推進集成電路，用以提升一輸入電壓的電壓值并將該輸入電壓的極性轉換，藉此產生一輸出電壓以驅動該壓電致動器，其中該壓電致動器的電容介于70-120nF之間，以將電能轉換為機械能。
全文摘要
本發明提出一種驅動電路，適用于一壓電致動泵，該壓電致動泵具有一壓電致動器，該驅動電路具有一升壓電路單元，至少包括數個電容器、數個電阻器以及一升壓集成電路芯片，其與數個電容器及電阻器連接，且具有一升壓推進集成電路，用以提升輸入電壓的電壓值并將輸入電壓極性轉換，藉此產生輸出電壓以驅動壓電致動器，以將電能轉換為機械能。
文檔編號H02M9/04GK102983772SQ20111028270
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者陳世昌, 張英倫 申請人:研能科技股份有限公司