共振式压电气体泵的节能控制方法与流程

本案是关于一种共振式压电气体泵的节能控制方法，尤指一种以透过调整占空比以驱动共振式压电气体泵的节能控制方法。

背景技术：

随着科技的进步，气体传输已经被广泛的应用在各式电子装置或医疗器材之中，并透过气体传输可以达到各种不同的功效，此外，随着电子装置或医疗器材的微型化及薄型化，共振式压电气体泵或微型马达因其体积微小而更广泛应用此领域中。

已知的技术中，为了将单位时间内气体传输量最大化，往往将进行气体传输的共振式压电气体泵或微型马达以不间断的方式持续驱动运作，然而，持续运作的过程较为耗电，且持续使用情况下所消耗的电能亦无法使达到最有效率的气体传输，因此，如何将共振式压电气体泵或微型马达的气体传输效率提升且同时达到节能的效果实为当前极需解决的课题。

除此之外，共振式压电气体泵或微型马达不间断地持续驱动运作过程中，亦有可能导致元件温度过高，进而造成共振式压电气体泵或微型马达内部的元件因高温受损或气体传输的效率下降，亦有可能导致所输出的气体温度过高，因此，如何避免共振式压电气体泵或微型马达的气体传输过程中温度过高的问题亦为目前重要的课题之一。

有鉴于此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失，以解决已知的共振式压电气体泵或微型马达因持续运转导致气体传输效能下降、耗能以及高温等问题，实为目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本案的主要目的在于提供一种共振式压电气体泵的节能控制方法，借占空比驱动共振式压电气体泵的方式，以解决已知的共振式压电气体泵因持续运转导致气体传输效能下降、耗能以及高温等问题。

为达上述目的，本案的一较广义实施样态为提供一种共振式压电气体泵的节能控制方法，包含步骤：(a)提供共振式压电气体泵及控制模块，其中共振式压电气体泵与控制模块电性连接；(b)于单位时间起始时，控制模块发送致能信号至共振式压电气体泵，使共振式压电气体泵进行气体传输；(c)于单位时间内，控制模块调整致能信号的占空比，用以控制共振式压电气体泵作动或停止共振式压电气体泵；以及(d)于单位时间结束后，起始下一单位时间，并重复步骤(b)及步骤(c)直到气体传输完成。

【附图说明】

图1a为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵与控制模块的架构示意图。

图1b为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵的节能控制方法的流程示意图。

图2a为以100％占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。

图2b为以100％的占空比驱动共振式压电气体泵的输出气体压力与时间的关系示意图。

图2c为本案第一较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。

图2d为本案第一较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。

图2e为本案第二较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。

图3a为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵的正面分解结构示意图。

图3b为图3a所示的共振式压电气体泵的背面分解结构示意图。

图4a为图3a所示的共振式压电气体泵的压电致动器的正面组合结构示意图。

图4b为图3a所示的共振式压电气体泵的压电致动器的背面组合结构示意图。

图4c为图3a所示的共振式压电气体泵的压电致动器的剖面结构示意图。

图5a至图5e为图3a所示的共振式压电气体泵的作动示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。

本案的共振式压电气体泵12是为一共振式压电气体泵，其是供气体传输之用，其可应用于各种电子元件或各式医疗器材之中，例如：笔记型电脑、智慧型手机、智慧型手表或平板电脑等等，但不以此为限。首先，请参阅图1a，图1a为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵与控制模块的架构示意图。如图所示，本案的共振式压电气体泵12及控制模块11电性连接，控制模块11是用以控制共振式压电气体泵12的驱动及停止，但不以此为限。于本实施例中，控制模块11是与一电源(未图示)连接，用以提供驱动电源至控制模块11，并借由控制模块11控制驱动电源是否传递至共振式压电气体泵12，借此以控制共振式压电气体泵12的启闭。

请同时参阅图1a、1b，图1b为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵的节能控制方法的流程示意图。本实施例的共振式压电气体泵的节能控制方法是透过调整共振式压电气体泵12的致动信号于单位时间内的比例(即占空比)，借此可达到节能、高效的气体传输，如第1a、1b图所示，首先进行步骤s1，先提供一共振式压电气体泵12及控制模块11，且于本实施例中，共振式压电气体泵12是与控制模块11电性连接，且控制模块11是用以控制共振式压电气体泵12的驱动及停止，但不以此为限，共振式压电气体泵12的细部结构将于说明书后段进一步详述之。

接着进行步骤s2，于一单位时间起始时，控制模块11发送一致能信号至共振式压电气体泵12，使共振式压电气体泵12开始气体传输。于本实施例中，该单位时间是为每次共振式压电气体泵12致能的起始时间的间距，换句话说，自共振式压电气体泵12致能的时间点起算，直到下一次共振式压电气体泵12再次致能的时间点，此时间区间及为一个单位时间，且该单位时间为一特定数值，但不以此为限，可依据实际情形任施变化。

接着进行步骤s3，于单位时间内，控制模块11调整该致能信号的占空比，以控制共振式压电气体泵12作动与停止，直到该单位时间结束，即透过控制模块11调整该致能信号的占空比，控制共振式压电气体泵12于单位时间依据该致能信号驱动或停止。最后，进行步骤s4，于该单位时间结束后，起始下一单位时间，并于接下来的每一个单位时间中，均重复前述步骤s2及步骤s3，直到气体传输完成。

请参阅图2a、2b，图2a为以100％占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图，图2b为以100％的占空比驱动共振式压电气体泵的输出气体压力与时间的关系示意图。如图2a所示，单位时间a内共振式压电气体泵12是持续作动而未停止，即共振式压电气体泵12驱动的占空比为100％。再如图2b所示，以100％占空比驱动的共振式压电气体泵12于5个单位时间a时可以达到一特定输出气压x，其消耗功率算式为(即图2b的阴影区域面积)：p100％＝x*5a*100％；即消耗功率p100％＝5xa。

请参阅图2c、2d，图2c为本案第一较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图，图2d为本案第一较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。如图2c所示，本案第一实施例的共振式压电气体泵12于单位时间a内起始时开始作动，并于单位时间a内仅有10％的单位时间具有致能信号，换言之，驱动共振式压电气体泵12的致能信号其占空比为10％，但不以此为限，该占空比可依据实际情形任施变化。再如图2d所示，以10％占空比驱动的共振式压电气体泵12于7个单位时间a时可以达到特定输出气压x，其消耗功率算式为(即图2d的阴影区域面积)：p10％＝x*7a*10％；即消耗功率p10％＝0.7xa。

请同时参阅图2a至2d，由上述内容可知，以100％占空比驱动的共振式压电气体泵12虽然可以快速的累积气压达到特定输出气压x，然而共振式压电气体泵12却会消耗的大量的功率(p100％＝5xa)。若以10％占空比驱动的共振式压电气体泵12，虽于花的时间较长才能使气压累积达到x，然10％占空比驱动的共振式压电气体泵12所消耗的功率(p10％＝0.7xa)是远小于100％占空比驱动的共振式压电气体泵12所消耗的功率(p10％＝5xa)，且10％占空比驱动的共振式压电气体泵12间歇性的运作过程中，不但可减少多余的功耗，亦可避免共振式压电气体泵12持续运作导致温度过高、元件损坏或元件使用寿命减少，进而达到节能、高效率气体传输的功效。

请同时参阅图2e，图2e为本案第二较佳实施例的占空比驱动共振式压电气体泵的输出信号与时间的关系示意图。如图2e所示，本案第二实施例的共振式压电气体泵12于单位时间内a起始时开始作动，并于单位时间内a仅有50％的单位时间具有致能信号，换言之，共振式压电气体泵驱动共振式压电气体泵12的致能信号其占空比为50％，但不以此为限，该占空比可依据实际情形任施变化。于另一些实施例中，共振式压电气体泵12的占空比是为千分的一至百分的九十九其间任一数值，但不以此为限。

请同时参阅图3a及图3b，图3a为本案为较佳实施例的共振式压电气体泵的正面分解结构示意图。图3b为图3a所示的共振式压电气体泵的背面分解结构示意图。如图所示，本实施例的共振式压电气体泵12包含进气板121、共振片122、压电致动器123、绝缘片1241、1242、导电片125等元件，并使进气板121、共振片122、压电致动器123、绝缘片1241、导电片125及另一绝缘片1242等依序堆叠定位设置，以组装完成本实施例的共振式压电气体泵12。于本实施例中，压电致动器123是由悬浮板1230及压电陶瓷板1233组装而成，并对应于共振片122而设置，但均不以此为限。透过气体自共振式压电气体泵12的进气板121上的至少一进气孔1210进气，并透过压电致动器123的作动，而流经多个压力腔室(未图示)，并借此以传输气体。

请续参阅图3a及图3b，如图3a所示，本实施例的共振式压电气体泵12的进气板121是具有进气孔1210，本实施例的进气孔1210的数量是为4个，但不以此为限，其数量可依据实际需求任施变化，主要用以供气体自装置外顺应大气压力的作用而自进气孔1210流入共振式压电气体泵12内。又如图3b所示，由进气板121的相对于进气孔1210的下表面更包含中心凹部1211及汇流排孔1212，其中本实施例的汇流排孔1212的数量亦为4个，但不以此为限，该4个汇流排孔1212分别用以与进气板121上表面的4个进气孔1210对应设置，并可将自进气孔1210进入的气体引导并汇流集中至中心凹部1211，以向下传递。是以于本实施例中，进气板121具有一体成型的进气孔1210、汇流排孔1212及中心凹部1211，且于该中心凹部1211处即对应形成一汇流气体的汇流腔室，以供气体暂存。于一些实施例中，进气板121的材质是可为但不限为由一不锈钢材质所构成，但不以此为限。于另一些实施例中，由该中心凹部1211处所构成的汇流腔室的深度与这些汇流排孔1212的深度相同，但不以此为限。

于本实施例中，共振片122是为一可挠性材质所构成，但不以此为限，且于共振片122上具有一中空孔洞120，是对应于进气板121的下表面的中心凹部1211而设置，以使气体可向下流通。于另一些实施例中，共振片122是可由一铜材质所构成，但不以此为限。

请同时参阅图4a、图4b及图4c，其是分别为图3a所示的压电致动器的正面结构示意图、背面结构示意图以及剖面结构示意图，如图所示，本实施例的压电致动器123是由悬浮板1230、外框1231、多个支架1232以及压电陶瓷板1233所共同组装而成，其中压电陶瓷板1233贴附于悬浮板1230的下表面1230b，以及多个支架1232是连接于悬浮板1230以及外框1231之间，每一个支架1232的两端点是连接于外框1231，另一端点则连接于悬浮板1230，且每一支架1232、悬浮板1230及外框1231之间更定义出多个空隙1235，用以供气体流通，且悬浮板1230、外框1231及支架1232的设置方式、实施态样及数量均不以此为限，可依据实际情形变化。另外，外框1231更具有一向外凸设的导电接脚1234，用以供电连接之用，但不以此为限。

于本实施例中，悬浮板1230是为一阶梯面的结构，意即于悬浮板1230的上表面1230a更具有一凸部1230c，该凸部1230c可为但不限为一圆形凸起结构。请同时参阅图4a至图4c即可见，悬浮板1230的凸部1230c是与外框1231的上表面1231a共平面，且悬浮板1230的上表面1230a及支架1232的上表面1232a亦为共平面，且该悬浮板1230的凸部1230c及外框1231的上表面1231a与悬浮板1230的上表面1230a及支架1232的上表面1232a之间是具有一特定深度。至于悬浮板1230的下表面1230b，则如图4b及图4c所示，其与外框1231的下表面1231b及支架1232的下表面1232b为平整的共平面结构，而压电陶瓷板1233则贴附于此平整的悬浮板1230的下表面1230b处。于一些实施例中，悬浮板1230、支架1232以及外框1231是可为一体成型的结构，且可由一金属板所构成，例如可由不锈钢材质所构成，但不以此为限。

请继续参阅图3a及图3b，如图所示，本实施例的共振式压电气体泵12更具有绝缘片1241、导电片125及另一绝缘片1242是依序对应设置于压电致动器123之下，且其形态大致上对应于压电致动器123之外框1231的形态。本实施例的绝缘片1241、1242即由可绝缘的材质所构成，例如：塑胶，但不以此为限，以进行绝缘之用。本实施例的导电片125是由可导电的材质所构成，例如：金属，但不以此为限，以进行电导通之用，且本实施例的导电片125更包含导电接脚1251，以进行电导通之用，但不以此为限。

请同时参阅图3a、图3b及图5a至图5e，其中图5a至图5e为图3a所示的共振式压电气体泵的作动示意图。首先，如图5a所示，共振式压电气体泵12是依序由进气板121、共振片122、压电致动器123、绝缘片1241、导电片125及另一绝缘片1242等堆叠而成，其中共振片122与压电致动器123之间是具有间隙g0，本实施例的共振片122及压电致动器123之外框1231之间的间隙g0中填充导电胶，但不以此为限，以使共振片122与压电致动器123的悬浮板1230的凸部1230c之间可维持该间隙g0的深度，进而可导引气流更迅速地流动，且因悬浮板1230的凸部1230c与共振片122保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低；于另一些实施例中，亦可借由加高压电致动器123之外框1231的高度，以使其与共振片122组装时增加一间隙，但不以此为限。

请续参阅图5a至图5e，如图所示，当进气板121、共振片122与压电致动器123依序对应组装后，共振片122的中空孔洞120与进气板121的中心凹部1211间共同定义形成一汇流气体的腔室，且共振片122与压电致动器123之间共同定义形成第一腔室121，用以暂存气体，且第一腔室121是透过共振片122的中空孔洞120而与进气板121下表面的中心凹部1211处的腔室相连通，且气体可由第一腔室121的两侧则由压电致动器123的支架1232之间的空隙1235排出。

于本实施例中，当共振式压电气体泵12作动时，主要由压电致动器123受电压致动而以支架1232为支点，进行垂直方向的往复式振动。如图5b所示，当压电致动器123受电压致动而向下振动时，则气体经由进气板121上的至少一进气孔1210进入，并透过其下表面的至少一汇流排孔1212以汇集到中央的中心凹部1211处，再经由共振片122上与中心凹部1211对应设置的中空孔洞120向下流入至第一腔室121中，其后，由于受压电致动器123振动的带动，共振片122亦会随的共振而进行垂直的往复式振动，如图5c所示，则为共振片122亦随的向下振动，并贴附抵触于压电致动器123的悬浮板1230的凸部1230c上，借由此共振片122的形变，以压缩第一腔室121的体积，并关闭第一腔室121中间流通空间，促使其内的气体推挤向两侧流动，进而经过压电致动器123的支架1232之间的空隙1235而向下穿越流动。至于图5d则为其共振片122回复至初始位置，而压电致动器123受电压驱动以向上振动，如此同样挤压第一腔室121的体积，惟此时由于压电致动器123是向上抬升，该抬升的位移可为d，因而使得第一腔室121内的气体会朝两侧流动，进而带动气体持续地经由进气板121上的进气孔1210进入，再流入中心凹部1211所形成的腔室中，再如图5e所示，共振片122受压电致动器123向上抬升的振动而共振向上，进而使中心凹部1211内的气体再由共振片122的中空孔洞120而流入第一腔室121内，并经由压电致动器123的支架1232之间的空隙1235而向下穿越流出共振式压电气体泵12。如此一来，在经此共振式压电气体泵12的流道设计中产生压力梯度，使气体高速流动，并透过流道进出方向的阻抗差异，将气体由吸入端传输至排出端，且在排出端有气压的状态下，仍有能力持续推出气体，并可达到静音的效果。于一些实施例中，共振片122的垂直往复式振动频率是可与压电致动器123的振动频率相同，即两者可同时向上或同时向下，其是可依照实际施作情形而任施变化，并不以本实施例所示的作动方式为限。

其中，上述的该单位时间可为一秒，但不以此为限，于上述实施例中，该致能信号频率可为20k～28khz之间，以下将以28khz举例说明，亦即于占空比100％情况下，该致能信号驱动该压电致动器123于一秒内作动28000次，占空比10％情况下，该压电致动器123于一秒内作动2800次，占空比0.1％的情况下，该压电致动器于一秒内振动28次。此外，该单位时间亦可为0.5秒，但不以此为限。

综上所述，本案透过控制模块调整用来控制该共振式压电气体泵作动的致能信号的占空比，借此以达到降低功率损耗，且亦可避免共振式压电气体泵持续运作导致温度过高、元件损坏或元件使用寿命减少，进而达到节能、高效率气体传输的功效。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

【符号说明】

11：控制模块

12：共振式压电气体泵

121：进气板

1210：进气孔

1211：中心凹部

1212：汇流排孔

122：共振片

1220：中空孔洞

1221：第一腔室

123：压电致动器

1230：悬浮板

1230a：悬浮板的上表面

1230b：悬浮板的下表面

1230c：凸部

1231：外框

1231a：外框的上表面

1231b：外框的下表面

1232：支架

1232a：支架的上表面

1232b：支架的下表面

1233：压电陶瓷板

1234、1251：导电接脚

1235：空隙

1241、1242：绝缘片

125：导电片

g0：间隙

a：单位时间

x：特定输出气压

s1～s4：共振式压电气体泵的节能控制方法的流程步骤