再极化驱动装置及其驱动方法与流程

1.本发明涉及一种驱动技术，且特别涉及一种再极化驱动装置及其驱动方法。


背景技术：

2.随着人性的需求及科技的进步，手机的功能亦随之一日千里，而其不变的是强调科技与人性的互动，针对此项，最直接的就是当使用屏幕上的某些功能，或玩游戏时亦希望手机也能适时地予以回应，好让人与手机能有更进一步的互动。最直接的响应之一就是手机允予适当的振动。目前使手机振动的方式不外乎就是利用偏轴转动惯量(eccentric rotating mass，erm)或压电(piezo)元件来达到振动的效果。如果为达到较快速的反应，压电元件为其较佳的选择。
3.晶格内原子间特殊排列方式使得压电材料有应力场与电场耦合的效应，称之为压电效应。目前压电材料依照产品应用方式，其驱动主要分成直流与交流信号驱动两种，直流驱动多数运用于高精度产品装置，交流驱动常见于常时间运作的产品应用上。压电材料必须经过极化之后才具有压电性能。所谓极化(poling)，就是在压电材料上加一强直流电场，使压电材料中的电畴沿电场方向排列，又称人工极化处理，或单畴化处理。压电元件的驱动方式为利用跨加电压于压电材料两端形成电场，使压电元件振动，而随着跨加电压愈大其振动强度(vibration strength)亦愈大，但随着长时间受到电场、热与机械影响下，使得压电材料会有退极化(depolarization)的问题产生。因此，压电元件的振动强度变小，压电效应衰退，压电材料的电容值变低，压电元件的性能低落。
4.因此，本发明在针对上述的困扰，提出一种再极化驱动装置及其驱动方法，以解决习知所产生的问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种再极化驱动装置及其驱动方法，其在压电元件出现退极化的问题时，维持压电元件的压电效应。
6.在本发明的一实施例中，一种再极化驱动装置耦接一压电元件。再极化驱动装置包括一压电驱动器、一处理器与一电流侦测器。压电驱动器耦接压电元件，处理器耦接压电驱动器。处理器控制压电驱动器产生一驱动电压，压电元件接收驱动电压以产生一输出电流。电流侦测器耦接压电元件与处理器。电流侦测器接收输出电流。在输出电流小于一预设电流时，电流侦测器产生一再极化信号，并传输再极化信号给处理器。处理器利用再极化信号控制压电驱动器再极化压电元件。
7.在本发明的一实施例中，压电驱动器产生驱动电压前，处理器控制压电驱动器再极化压电元件。
8.在本发明的一实施例中，压电驱动器包括一驱动电路、一再极化电路与一选择器。驱动电路耦接处理器，其中处理器用以控制驱动电路产生驱动电压。再极化电路耦接处理器，其中处理器用以利用再极化信号控制再极化电路产生一再极化电压。选择器耦接压电
元件、处理器、驱动电路与再极化电路。处理器用以控制选择器选择驱动电压或再极化电压，选择器用以施加驱动电压于压电元件上以产生输出电流，或施加再极化电压于压电元件上以再极化压电元件。
9.在本发明的一实施例中，驱动电路为正弦式脉波宽度调变信号产生器(sinusoidal pulse width modulation，spwm)。
10.在本发明的一实施例中，驱动电路包括一555脉冲宽度调变器与放大器。555脉冲宽度调变器耦接处理器，其中处理器用以控制555脉冲宽度调变器产生一脉冲宽度调变信号。放大器耦接555脉冲宽度调变器与选择器，其中放大器用以接收并放大脉冲宽度调变信号，以产生驱动电压。
11.在本发明的一实施例中，驱动电路包括一伟恩电桥振荡器(wien-bridge oscillator)与一放大器。伟恩电桥振荡器耦接处理器，其中处理器用以控制伟恩电桥振荡器产生一振荡信号。放大器耦接伟恩电桥振荡器与选择器，其中放大器用以接收并放大振荡信号，以产生驱动电压。
12.在本发明的一实施例中，再极化电路为电荷帮浦。
13.在本发明的一实施例中，选择器为多工器。
14.在本发明的一实施例中，电流侦测器包括一电流至电压转换器与一电压比较器。电流至电压转换器耦接压电元件，其中电流至电压转换器用以接收输出电流，并将此转换为一输出电压。电压比较器耦接电流至电压转换器与处理器。电压比较器用以接收输出电压与对应默认电流的默认电压，在输出电压小于默认电压时，电压比较器产生再极化信号。
15.在本发明的一实施例中，处理器用以利用再极化信号控制压电驱动器再极化压电元件至少两次。
16.在本发明的一实施例中，驱动电压为方波电压或正弦波电压。
17.在本发明的一实施例中，压电元件的材质包括石英、电气石、氧化锌、聚合物、陶瓷材料或复合材料。
18.在本发明的一实施例中，一种再极化驱动方法包括下列步骤：施加一驱动电压于压电元件上，以产生一输出电流；判断该输出电流是否小于一预设电流：若是，产生一再极化信号；以及若否，回至施加驱动电压于压电元件上，以产生输出电流的步骤；以及接收再极化信号以再极化压电元件。
19.在本发明的一实施例中，在施加驱动电压于压电元件上的步骤前，再极化压电元件。
20.在本发明的一实施例中，施加驱动电压于压电元件上的步骤包括下列步骤：产生一脉冲宽度调变信号；以及放大脉冲宽度调变信号，以产生驱动电压，并施加驱动电压于压电元件上。
21.在本发明的一实施例中，施加驱动电压于压电元件上的步骤包括下列步骤：产生一振荡信号；以及放大振荡信号，以产生驱动电压，并施加驱动电压于压电元件上。
22.在本发明的一实施例中，判断输出电流是否小于预设电流的步骤包括下列步骤：转换输出电流为一输出电压；以及判断输出电压是否小于对应默认电流的默认电压，以判断输出电流是否小于预设电流。
23.在本发明的一实施例中，再极化压电元件的步骤进行至少两次。
24.基于上述，再极化驱动装置及其驱动方法在压电元件出现退极化的问题时，再极化压电元件，以维持压电元件的压电效应。
附图说明
25.图1为本发明的第一实施例的再极化驱动装置的电路示意图。
26.图2为本发明的一实施例的驱动电路的示意图。
27.图3为本发明的另一实施例的驱动电路的示意图。
28.图4为本发明的一实施例的再极化电路的示意图。
29.图5为图4的各信号的波形图。
30.图6为本发明的一实施例的多个压电产品经10次再极化处理的电容变化曲线图。
31.图7为本发明的一实施例的多个压电产品经10次再极化处理的功耗变化曲线图。
32.图8为本发明的一实施例的多个压电产品经6次再极化处理的电容变化曲线图。
33.图9为本发明的一实施例的多个压电产品经6次再极化处理的功耗变化曲线图。
34.附图标记为：
[0035]1…
再极化驱动装置
[0036]
10
…
压电驱动器
[0037]
101
…
驱动电路
[0038]
1010
…
555脉冲宽度调变器
[0039]
1011
…
放大器
[0040]
1012
…
伟恩电桥振荡器
[0041]
1013
…
放大器
[0042]
102
…
再极化电路
[0043]
103
…
选择器
[0044]
11
…
处理器
[0045]
12
…
电流侦测器
[0046]
120
…
电流至电压转换器
[0047]
121
…
电压比较器
[0048]2…
压电元件
[0049]
vd
…
驱动电压
[0050]
io
…
输出电流
[0051]
sp
…
再极化信号
[0052]
vo
…
输出电压
[0053]
vt
…
默认电压
[0054]
vp
…
再极化电压
[0055]
pwm
…
脉冲宽度调变信号
[0056]o…
振荡信号
[0057]
c1、c2、c3、c4、c5
…
电容器
[0058]
d1、d2、d3、d4、d5
…
二极管
[0059]
v1、v2
…
电压信号
[0060]
vin
…
直流电压
具体实施方式
[0061]
本发明的实施例将藉由下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，于附图与说明书中，相同标号代表相同或相似构件。于附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于附图中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知的形态。本领域的通常技术者可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。
[0062]
当一个元件被称为『在
…
上』时，它可泛指该元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在于两者之中。相反地，当一个元件被称为『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在于两者之中间。如本文所用，词汇『及/或』包括了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。
[0063]
于下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述指关于至少一实施例内所相关连的一特定元件、结构或特征。因此，于下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，于一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照一适当方式而结合。
[0064]
揭露特别以下述例子加以描述，这些例子仅用以举例说明而已，因为对于熟习此技艺者而言，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。在通篇说明书与权利要求范围中，除非内容清楚指定，否则「一」以及「该」的意义包括这一类叙述包括「一或至少一」该元件或成分。此外，如本揭露所用，除非从特定上下文明显可见将复数个排除在外，否则单数冠词亦包括复数个元件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部权利要求范围中时，除非内容清楚指定，否则「在其中」的意思可包括「在其中」与「在其上」。在通篇说明书与权利要求范围所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露的描述上额外的引导。在通篇说明书的任何地方的例子，包括在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅用以举例说明，当然不限制本揭露或任何例示用词的范围与意义。同样地，本揭露并不限于此说明书中所提出的各种实施例。
[0065]
此外，若使用「电(性)耦接」或「电(性)连接」一词在此包括任何直接及间接的电气连接手段。举例而言，若文中描述一第一装置电性耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。另外，若描述关于电信号的传输、提供，熟习此技艺者应该可了解电信号的传递过程中可能伴随衰减或其他非理想性的变化，但电信号传输或提供的来源与接收端若无特别叙明，实质上应视为同一信号。举例而言，若由电子电路的端点a传输(或提供)电信号s给电子电路的端点b，其中可能经过一晶体管开关的源汲极两端及/或可能的杂散电容而产生电压降，但此设计的目的若非刻意使用传输(或提供)时产生的衰减或其他非理想性的变化而达到某些特定的技术效果，电信号s在电子电路的端点a与端点b应可视为实质上为同一信号。
[0066]
可了解如在此所使用的用词「包括(comprising)」、「包括(including)」、「具有
(having)」、「含有(containing)」、「包括(involving)」等等，为开放性的(open-ended)，即意指包括但不限于。另外，本发明的任一实施例或权利要求范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制发明作的权利要求范围。
[0067]
当压电元件处于谐振频率时，压电元件的输出电流为最大值。当压电元件出现退极化时，其输出电流就会降低。以下介绍一种再极化驱动装置及其驱动方法，其在压电元件出现退极化的问题时，再极化压电元件，以维持压电元件的压电效应。
[0068]
图1为本发明的第一实施例的再极化驱动装置的电路示意图。请参阅图1，以下介绍本发明的第一实施例的再极化驱动装置1，其耦接压电元件2。压电元件2的材质包括石英、电气石、氧化锌、聚合物、陶瓷材料或复合材料，但本发明不限于此。再极化驱动装置1包括一压电驱动器10、一处理器11与一电流侦测器12。压电驱动器10耦接压电元件2，处理器11耦接压电驱动器10。电流侦测器12耦接压电元件2与处理器11。处理器11控制压电驱动器10产生一驱动电压vd，压电元件2接收驱动电压vd以产生一输出电流io。驱动电压vd可为方波电压或正弦波电压。电流侦测器12接收输出电流io。在输出电流io小于一预设电流时，电流侦测器12产生一再极化信号sp，并传输再极化信号sp给处理器11。处理器11利用再极化信号sp控制压电驱动器10再极化压电元件2，以恢复压电元件2的压电性能。举例来说，处理器11可利用再极化信号sp控制压电驱动器10再极化压电元件2至少两次。
[0069]
在压电驱动器10产生驱动电压vd前，处理器11可控制压电驱动器10再极化压电元件2，以确保压电元件2具有最佳压电性能。
[0070]
在本发明的某些实施例中，电流侦测器12可包括一电流至电压转换器120与一电压比较器121。电流至电压转换器120耦接压电元件2，电压比较器121耦接电流至电压转换器120与处理器11。电流至电压转换器120接收输出电流io，并将此转换为一输出电压vo。电压比较器121接收输出电压vo与对应默认电流的默认电压vt，在输出电压vo小于默认电压vt时，电压比较器121产生再极化信号sp。
[0071]
在本发明的某些实施例中，压电驱动器10可包括一驱动电路101、一再极化电路102与一选择器103。选择器103可为，但不限于多工器。驱动电路101耦接处理器11，再极化电路102耦接处理器11，选择器103耦接压电元件2、处理器11、驱动电路101与再极化电路102。处理器11控制驱动电路101产生驱动电压vd，处理器11利用再极化信号sp控制再极化电路102产生一再极化电压vp。处理器11控制选择器103选择驱动电压vd或再极化电压vp，选择器103施加驱动电压vd于压电元件2上以产生输出电流io，或施加再极化电压vp于压电元件2上以再极化压电元件2。
[0072]
驱动电路101可为正弦式脉波宽度调变信号产生器(sinusoidal pulse width modulation，spwm)，但本发明不限于此。
[0073]
图2为本发明的一实施例的驱动电路的示意图，图3为本发明的另一实施例的驱动电路的示意图。如图1与图2所示，驱动电路101可包括一555脉冲宽度调变器1010与一放大器1011。555脉冲宽度调变器1010耦接处理器11，放大器1011耦接555脉冲宽度调变器1010与选择器103。处理器11控制555脉冲宽度调变器1010产生一脉冲宽度调变信号pwm，放大器1011接收并放大脉冲宽度调变信号pwm，以产生驱动电压vd。如图1与图3所示，驱动电路101可包括一伟恩电桥振荡器(wien-bridge oscillator)1012与一放大器1013。伟恩电桥振荡
器1012耦接处理器11，放大器1013耦接伟恩电桥振荡器1012与选择器103。处理器11控制伟恩电桥振荡器1012产生一振荡信号o，放大器1013用以接收并放大振荡信号o，以产生驱动电压vd。
[0074]
再极化电路102可为电荷帮浦，但本发明不限于此。图4为本发明的一实施例的再极化电路的示意图，图5为图4的各信号的波形图。如图4与图5所示，电荷帮浦包括多个电容器c1、c2、c3、c4与c5与多个二极管d1、d2、d3、d4与d5。处理器11提供电压信号v1给电容器c1与c3，并提供电压信号v2给电容器c2与c4。电容器c5接地，二极管d1接收直流电压vin。再极化电路102接收电压信号v1、v2与直流电压vin，并据此产生再极化电压vp，且提供再极化电压vp给选择器103。图5显示电压信号v1、v2与电容器c1、c2、c3、c4与c5的跨压的波形，电压信号v1、v2的最大值与最小值的差异为直流电压vin，电容器c1的最大跨压为2vin，电容器c2的最大跨压为3vin，电容器c3的最大跨压为4vin，电容器c4的最大跨压为5vin，电容器c5的最大跨压为6vin，再极化电压vp为6vin。
[0075]
图6为本发明的一实施例的多个压电产品经10次再极化处理的电容变化曲线图，图7为本发明的一实施例的多个压电产品经10次再极化处理的功耗变化曲线图。如图6与图7所示，在每次再极化处理中，以200伏特与-200伏特对压电产品进行再极化10秒，压电产品需经20秒来恢复原来的压电性能。
[0076]
图8为本发明的一实施例的多个压电产品经6次再极化处理的电容变化曲线图，图9为本发明的一实施例的多个压电产品经6次再极化处理的功耗变化曲线图。如图8与图9所示，在每次再极化处理中，以200伏特与-200伏特对压电产品进行再极化30秒，压电产品需经30秒来恢复原来的压电性能。
[0077]
根据上述实施例，再极化驱动装置及其驱动方法在压电元件出现退极化的问题时，再极化压电元件，以维持压电元件的压电效应。
[0078]
以上所述，仅为本发明一优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为之均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。