CN101622451B - 压电泵 - Google Patents

Abstract

在使用双压电晶片结构的压电元件的膜片式的压电泵中，去除阻碍压电元件的位移的主要原因，提供一种效率高的压电泵。压电泵包括：在与泵本体(10)之间形成泵室(12)的膜片(21)、以及面对面粘接在膜片的表面上的压电元件(22)，压电元件(22)是层叠多个压电体层的双压电晶片型压电元件，在压电元件的厚度方向中间部设置不自发地位移的中性层(22b)。由于包含压电元件的整个膜片的中性面(Fd)位于压电元件的中性层(22b)内，因此压电元件(22)可以高效地位移。

Description

压电泵

技术领域

本发明涉及通过对压电元件施加电压而使膜片弯曲位移、来输送流体的压电泵。

背景技术

对于笔记本电脑等小型电子设备的冷却水输送用泵或燃料电池的燃料输送用泵等，使用压电微型泵。压电微型泵是使用通过向压电元件施加电压而弯曲变形的膜片的泵，具有结构简单、可以形成得轻薄、且耗电量低这样的优点。

作为以往的压电微型泵的膜片单元(对膜片粘贴压电元件)，具有代表性的有：对膜片粘贴单层压电元件的单压电晶片结构；以及对膜片粘贴层叠型压电元件的双压电晶片结构。特别是，如液压泵那样的在以比较低的频率驱动膜片单元时，与单压电晶片结构相比，双压电晶片结构的效率更好，但如气压泵那样的在以高频驱动膜片单元时，单压电晶片结构更为有利。

在单压电晶片结构的情况下，将在平面方向伸缩的压电元件粘贴在不伸缩的膜片上，一般而言弯曲位移的中性面存在于压电元件中。此处所述的中性面，是指整个膜片单元弯曲变形时、在膜片单元内的压缩及拉伸的应力为0的面。若中性面存在于压电元件中，则由于压电元件的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作，因此会带来膜片单元的位移减小、或产生无用的发热这样的问题。

在专利文献1中，披露了一种使用单压电晶片结构的膜片单元的喷墨式记录头。此时，通过适当设定膜片及压电元件的厚度，使驱动的中性面位于膜片内，抑制压电元件的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作。

另一方面，在对双压电晶片结构的压电元件粘贴膜片的膜片单元的情况下，由于压电元件本身进行弯曲位移，因此无论如何设定膜片及压电元件的厚度，也不会使中性面位于膜片内。因此，压电元件的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作，位移减小，有损泵的效率，且无用的发热增大。

专利文献1：日本专利特开2001-260348号公报

发明内容

因此，本发明的理想的实施方式的目的在于，在使用双压电晶片结构的压电元件的膜片式的压电泵中，去除阻碍压电元件的位移的主要原因，提供一种效率高的压电泵。

为了达到上述目的，本发明提供的压电泵，包括：具有开口部的泵本体；为关闭上述开口部而固定在泵本体、在与泵本体之间形成泵室的膜片；以及面对面粘接在膜片的表面上的压电元件，通过对上述压电元件施加电压，使包含压电元件的膜片弯曲位移，其特征是，上述压电元件是层叠多个压电体层的双压电晶片型压电元件，上述多个压电体层中，位于上述压电元件的厚度方向中间的至少一层是不会由于上述施加电压而自发地位移的中性层，包含上述压电元件的整个膜片的中性面位于上述压电元件的中性层内。

双压电晶片型压电元件是将由于施加电压而伸长的层和收缩的层层叠而成，在对压电元件施加的驱动电压的强度和极化度相同时，厚度方向中央(伸长的层和收缩的层之间)成为伸缩反转面。但是，在将双压电晶片型压电元件粘贴在膜片上时，由于膜片单元(膜片+压电元件)的中性面从压电元件的厚度方向中央偏离，因此压电元件的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作。即，压缩应力作用在欲伸长的层的一部分，反之，拉伸应力作用在欲收缩的层的一部分。因此，在本发明中，通过在压电元件的厚度方向中间部设置不自发地位移的中性层，将压电元件与膜片粘接的状态下的中性面置于中性层内，可以消除压电元件的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作。特别是，即使因膜片或压电体层的厚度的偏差、膜片与压电体层的粘接状态的偏差，而使中性面从压电元件的厚度方向中央偏离的量有偏差，但由于具有中性层的厚度的量，因此可以稳定中性面，使其位于中性层厚度内。

用于本压电泵的压电元件是层叠多个压电体层而成的。即，压电元件是对生片(green sheet)状态的压电陶瓷层将电极置于其间进行层叠压接，进行烧成，之后进行极化而成的。因此，与以往的将已烧成的压电板利用粘接剂贴合的双压电晶片型压电元件相比，可以更轻薄，并且可以降低驱动电压，实现小型的低驱动电压的泵。构成压电元件的多个压电体层中，位于压电元件的厚度方向中间的至少一层是不会由于施加电压而自发地位移的中性层。此处，不会由于施加电压而自发地位移的中性层分为下面三种。第一种是在厚度方向被极化、但电场不作用的层；第二种是没有被极化、电场作用的层；第三种是没有被极化、电场也不作用的层。电场不作用是指中性层的两面的电极是同一电位(也包括接地)的情况。无论哪种情况下，在对压电元件施加电压时，中性层都不会自发地伸缩。

也可以设置树脂或金属等非压电体层来代替中性层，但在这种情况下，需要将非压电体层置于其间将两个压电体层贴合，难以制造，并且，由于中性面的偏差等也无法保证稳定的品质，且厚度也会变厚。与之相反，若将中性层由与其他层相同的压电体层形成，则可以一并层叠构成压电元件的所有压电体层，制造容易，品质稳定，且厚度也降低。

如上所述，中性层不一定必须要被极化，但较为理想的是包含中性层的所有压电体层在厚度方向被极化，将中性层作为不会通过施加电压而施加电场的层。例如只将中性层作为未极化层时，在极化时在极化层与未极化层(中性层)的边界会产生由于极化度之差而导致的形变或应力，有可能产生裂纹等。另外，在驱动时也由于极化时的残余应力，在极化层与未极化层的边界有可能易于产生裂纹等。与之相反，若中性层也与其他压电体层同样被极化，则可以抑制由于极化度之差而导致的形变或应力，可以防止产生裂纹等。

一般而言，膜片单元的中性面是相对于压电元件的厚度方向中央处于偏向膜片侧的位置。该偏离量因膜片的杨氏模量或厚度而不同。因此，也可以将中性层置于其间，使膜片侧的压电体层的层叠数比与膜片侧相反侧的压电体层的层叠数少。即，将中性层不是设置在压电元件的厚度方向中央，而是设置在靠近膜片侧的位置。据此，即使在中性层的厚度较薄时，也可以使中性面易于位于中性层之中。

如上所述，根据本发明，由于在利用双压电晶片结构的压电元件的压电泵中这样设定，使得在压电元件的厚度方向中间部设置不自发地位移的中性层，包含压电元件的整个膜片的中性面位于该中性层内，因此在整个膜片弯曲位移时，可以抑制在压电元件产生阻碍位移的部分，可以实现效率高的压电泵。

附图说明

图1是本发明所涉及的压电泵的第一实施例的剖视图。

图2是沿图1的II-II线的剖视图。

图3是沿图1的III-III线的剖视图。

图4是压电元件的一个例子的极化时的剖视图。

图5是压电元件的一个例子的驱动时的剖视图。

图6是表示以往的膜片单元和本发明的膜片单元的中性面的位置的图。

图7是本发明的第二实施例的压电元件的极化时的剖视图。

图8是使用图7所示的压电元件的膜片单元的驱动时的剖视图。

图9是用于本发明所涉及的压电泵的膜片单元的第三实施例的驱动时的剖视图。

标号说明

1压电泵

10泵本体

12泵室

20膜片单元

21膜片

22压电元件

22a、22c压电体层(驱动层)

22b  压电体层(中性层)

Fd中性面

具体实施方式

下面，基于实施例说明本发明的理想的实施方式。

实施例1

图1～图3表示本发明所涉及的压电泵的第一实施例。此处，图1是压电泵的整体俯视图，图2是沿图1的II-II线的剖视图；图3是沿图1的III-III线的剖视图。

该压电泵1包括：泵本体10；膜片单元20(在膜片21上粘贴压电元件22)；和按压板18。泵本体10由金属材料或者树脂材料这样的高刚性材料形成。在泵本体10与膜片单元20之间形成泵室12。在泵本体10与按压板18之间，形成通过连接流通路径14与泵室12连通的流入侧阀室11；和通过连接流通路径15与泵室12连通的排出侧阀室13。在流入侧阀室11配置流入侧单向阀16。流入侧单向阀16的功能是，容许流体从流入侧端口流向流入侧阀室11，但阻止其反向的流动。在排出侧阀室13配置排出侧单向阀17。排出侧单向阀17的功能是，容许流体从泵室12流向排出侧阀室13，但阻止其反向的流动。

泵室12是高度方向的尺寸与平面方向的尺寸相比较小的扁平空间，通过用膜片21关闭在泵本体10形成的凹型的开口部10a而形成。作为泵本体10，可以使用金属材料，也可以使用树脂材料。此处将泵室12形成为俯视圆形，但也可以是方形。

膜片21由具有弹性的薄板制成，配置在泵本体10的上表面的几乎整个表面，与按压板18之间粘接固定。膜片21的材质没有特别限定，玻璃环氧板、树脂片材、橡胶片材等这样的杨氏模量较低、厚度较薄的板材较为合适。使用这样的膜片时，由于不阻碍压电体的运动，因此位移量增大。反之，若使用金属薄板等杨氏模量较高的膜片，则虽然位移量会下降，但可以得到压力较高的泵。在膜片21的外表面(与泵室12相反侧的面)面对面粘接压电元件22。在本实施例中，使压电元件22的面积大于泵室12的面积，但压电元件22的面积也可以是泵室12的面积以下。由于本实施例的膜片21配置在泵本体10的几乎整个上表面，因此除了作为防止泵室12内的液体接触压电元件22的保护片材作用之外，还具有作为防止来自泵室12的液体泄漏的密封件的作用。对按压板18，在与压电元件22对应的部位形成窗孔19，压电元件22的背面侧向泵室12的外部开放。

图4、图5表示压电元件22的一个例子的结构，图4是极化时，图5是驱动时。该压电元件22是对由三层压电陶瓷制成的压电体层22a～22c将电极23、24置于其间进行层叠、烧成，在表面和背面形成电极25、26后极化而成的。压电元件22如图5所示，面对面粘接在膜片21的表面。

在极化时，如图4所示，将两个直流电源27、28串联连接，将直流电源27的正极与表面侧电极25连接，将直流电源28的负极与背面侧电极26连接，将层间电极23、24位于两个直流电源27、28之间且与接地连接。通过这样施加直流电场，除了中间的压电体层22b外，两侧的压电体层22a、22c在厚度方向沿相同方向被极化(如图4的箭头P所示)。在图4中，表示电极23～26在整个面是电极的例子，但例如也可以是只与泵室12对应的部分的部分电极。中间的压电体层22b是中性层，没有被极化。在该实施例中，表示了中性层22b位于压电元件22的厚度方向的中央、且其厚度与其他压电体层22a和22c大致相同的例子，但中性层22b的厚度及位置是这样设定，使得后述的中性面Fd位于中性层22b之中。

在驱动时，如图5所示，将交流电源29的一端与表面和背面的电极25、26连接，将交流电源29的另一端与层间电极23、24连接。据此，电场E如图5的虚线箭头所示那样作用，在上侧的压电体层22a伸长时，下侧的压电体层22c收缩，膜片单元20向上凸出弯曲。若电场方向反转，则由于上侧的压电体层22a收缩，下侧的压电体层22c伸长，因此膜片单元20向下凸出弯曲。通过这样，膜片单元20进行弯曲振动。由于中性层22b未被极化，因此不会自发地伸缩，但在如图5所示进行布线时，由于中性层22b的两侧的层间电极23、24是同一电位，因此即使中性层22b沿任一方向被极化，也不会伸缩。

在膜片单元20弯曲变形时，存在压缩及拉伸的应力为0的面、即中性面Fd。由于压电元件22粘贴在膜片21上，因此中性面Fd位于比压电元件22的厚度方向中央偏向膜片21一侧的位置。在本发明中，由于将中性面Fd置于压电元件22的中性层22b内，因此压电元件22之中对于弯曲位移产生阻碍的部分消失，可以使膜片单元20的位移量变得较大，提高泵的效率。中性面Fd的置入取决于中性层22b的材质及厚度、膜片21的材质(杨氏模量)及厚度等。

图6是将以往的膜片单元和本发明的膜片单元的中性面Fd进行比较的图示。以往的膜片单元(a)是将层叠两层的压电体层100a、100b的双压电晶片型压电元件100粘贴在膜片110上而成的，本发明的膜片单元(b)如图5所示，是将在中间具有中性层22b的三层结构的压电元件22粘贴在膜片21上而成的。

在以往的膜片单元(a)的情况下，弯曲位移的中性面Fd从压电元件的厚度方向中央Fp向膜片110一侧偏离，位于下侧的压电体层100b之中。例如在上侧的压电体层100a伸长、下侧的压电体层100b收缩时，膜片单元(a)向上凸出位移，尽管压电体层100b内的中性面Fd与中央Fp之间的区域欲伸缩，但有欲伸长的力(拉伸应力)作用。因此，压电元件100的一部分对于弯曲位移进行产生阻碍那样的动作。

另一方面，在本发明的膜片单元(b)的情况下，由于中性面Fd位于中性层22b之中，因此在上侧的压电体层22a伸长、下侧的压电体层22b收缩时(膜片单元(b)向上凸出位移时)，在压电体层22a～22c中不存在伸长方向和收缩方向的力相反的部分。因此，压电元件22可以自由弯曲位移，可以增大压电元件22乃至膜片单元的位移量。

实施例2

图7、图8表示本发明的第二实施例。图7表示压电元件30的极化时，图8表示膜片单元的驱动时。在该实施例中，压电元件30是8层压电体层31a～31h的层叠结构，厚度方向中央的两个压电体层31d、31e是中性层。在这个例子中，在中性层31d、31e之间没有设置电极，但也可以设置电极。压电元件30粘贴在膜片34上。

在极化时，如图7所示，将两个直流电源35、36串联连接，将直流电源35的正极与33b、33d连接，将直流电源36的负极与33e、33g连接，将其他电极33a、33c、33f、33h位于两个直流电源35、36之间且与接地连接。通过这样施加直流电场，在靠近厚度方向中央的上侧(膜片34的相反侧)的压电体层31a～31d的在厚度方向相邻的压电体层彼此之间在互相相反的方向被极化。同样，靠近厚度方向中央的下侧(膜片34侧)的压电体层31e～31h在厚度方向相邻的压电体层彼此之间也在互相相反的方向被极化。中央的中性层31d、31e在厚度方向沿相同的方向被极化。实线箭头P表示极化方向。若以如上所述的方法极化，则能以较少的布线数量对任一压电体层进行同样的极化，可以使每层的极化度相同。

在驱动时，如图8所示，将上数第一电极33a、第三电极33c、第六电极33f、第八电极33h与交流电源32的一端连接，将上数第二电极33b、第四电极33d、第五电极33e、第七电极33g与交流电源32的另一端连接。因此，如图8的虚线箭头E所示那样施加电场，在上侧的三层压电体层31a～31c伸长时，下侧的三层压电体层31f～31h会收缩，膜片单元向上凸出位移。若电场方向反转，则膜片单元向下凸出位移。中性层31d、31e虽然在厚度方向被极化，但由于两面的电极33d、33e是同一电位，因此不会施加驱动电场，不会自发地位移。

在该实施例的情况下，也由于中性面Fd位于中性层31d、31e之中，因此在压电元件30中不存在妨碍弯曲位移的部分，可以增大膜片单元的位移量。另外，中性层31d、31e与其他压电体层31a～31c和31f～31h同样在厚度方向被极化，每层的极化度相同。因此，整个压电元件为一样的极化状态，在中性层31d、31e与其他压电体层31c、31f的边界，由于极化度之差而导致的形变或残余应力较小。另外，具有可以缓和在弯曲时的伸缩区域与中性区域的界面的应力、可以防止产生裂纹等效果。

实施例3

图9表示本发明所涉及的膜片单元的第三实施例。该实施例是第二实施例的变形例。压电元件40是9层压电体层41a～41i的层叠结构，厚度方向中间的两个压电体层41e、41f是中性层。在这个例子中，在中性层41e、41f之间也没有设置电极，但也可以设置电极。在压电元件40的表面和背面及层间设置电极43a～43i。压电元件40粘贴在膜片44上。

上数第一电极43a、第三电极43c、第五电极43e、第六电极43f、第八电极43h与交流电源42的一端连接，上数第二电极43b、第四电极43d、第七电极43g与交流电源42的另一端连接。因此，如图9的虚线箭头E所示那样施加电场，在上侧的四层压电体层41a～41d伸长时，下侧的三层压电体层41g～41i会收缩，膜片单元向上凸出位移。若电场方向反转，则膜片单元向下凸出位移。中性层41e、41f虽然在厚度方向被极化，但由于两面的电极43e、43f是同一电位，因此不会施加驱动电场，不会自发地位移。

在该实施例中，使靠近中性层41e、41f上侧的压电体层的数量与下侧的压电体层的数量不同。具体而言，使上侧的压电体层为四层，下侧的压电体层为三层。如图8所示，在中性层31d、31e位于压电元件30的厚度方向中央时，由于中性面Fd比压电元件30的厚度方向中央偏向膜片34一侧，因此中性面Fd靠近驱动层即压电体层31f，有可能对压电体层31f的位移造成阻力。与之相反，如图9所示，使上侧的压电体层数和下侧的压电体层数不同，使位于与膜片相反侧的压电体层数增多，这时可以使中性面Fd位于中性层41e、41f的大致中央，可以减小对于位于中性层41e、41f的两侧的驱动层(压电体层)41d、41g的位移的阻力。

图9不过是表示改变中性层的两侧的压电体层数的一个例子，上侧的压电体层的数量及下侧的压电体层的数量可以根据中性面Fd的置入而任意设定。即，由于中性面Fd的位置会根据膜片44的厚度和材质(杨氏模量)而改变，因此根据其选择中性层的两侧的压电体层数即可。另外，也可以不改变中性层的两侧的压电体层数，而将施加在位于与膜片相反侧的压电体层的驱动电场的强度或者极化度、调整得比施加在位于膜片侧的压电体层的驱动电场的强度或者极化度要高，还可以将位于与膜片相反侧的压电体层的厚度调整得变厚，使驱动电场的强度或极化度照原样保持一定。

在图1～图3中所示的结构是，将泵本体10形成为平板状，将流入侧阀室11、泵室12及排出侧阀室13排列在同一平面上，但不限于此。在图1～图3所示的压电泵的情况下，由于可以形成得轻薄，所以适合于笔记本电脑或便携式设备这样的小型电子设备的冷却水输送用泵或燃料电池的燃料输送用泵等。

Claims (3)

1.一种压电泵，包括：具有开口部的泵本体；为关闭所述开口部而固定在泵本体、与泵本体之间形成泵室的膜片；以及面对面地粘接在膜片的表面上的压电元件，由所述膜片和所述压电元件构成膜片单元，通过对所述压电元件施加电压，使所述膜片单元弯曲位移，其特征在于，

所述压电元件是层叠多个压电体层的双压电晶片型压电元件，所述多个压电体层中，

位于所述压电元件的厚度方向中间部位的至少一层是不会由于所述施加电压而自发地位移的中性层，

所述膜片单元的中性面位于所述压电元件的中性层内。

2.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，

包含所述中性层的所有压电体层在厚度方向被极化，

所述中性层是不会由于施加电压而被施加电场的层。

3.如权利要求1或2所述的压电泵，其特征在于，

将所述中性层置于其间，所述膜片侧的压电体层的层叠数比与膜片侧相反侧的压电体层的层叠数少。

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