CN104500374B

CN104500374B - 流体控制装置

Info

Publication number: CN104500374B
Application number: CN201410571345.2A
Authority: CN
Inventors: 平田笃彦; 安藤祯宪; 前田刚伸; 儿玉幸治; 大森健太
Original assignee: 株式会社村田制作所
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2017-06-13
Also published as: US9482217B2; US9103337B2; JP2013053611A; EP2568174A1; US20130058818A1; CN102979703B; EP3290707B1; US20150056087A1; CN104500374A; EP2568174B1; CN102979703A; JP5682513B2; EP3290707A1

Abstract

一种流体控制装置，包括振动板单元、驱动体及可挠板。振动板单元具有振动板、框板及连接部，其中，所述振动板具有第一主面和第二主面，所述框板围住所述振动板的周围，所述连接部将所述振动板与所述框板连接，并将所述振动板弹性支承于所述框板。驱动体设于所述振动板的所述第一主面，并使所述振动板振动。可挠板设有孔，并与所述振动板的所述第二主面相对地固定于所述框板。至少所述振动板的一部分及所述连接部的厚度形成得比所述框板的厚度薄，以使所述振动板的一部分及所述连接部的靠所述可挠板一侧的表面远离所述可挠板。

Description

流体控制装置

[0001]本申请是申请人于2012年9月5日提交的、申请号为“201210326001.6”，名称为“流体控制装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及一种进行流体控制的流体控制装置。

背景技术

[0003]国际公开第2008/069264号册子公开了现有流体泵(参照图la〜图le)。

[0004]图la〜图le是表示上述现有流体栗在第三阶模态下的动作的图。如图ia所示，上述流体栗包括:泵主体10;振动板20，该振动板20的外周部固定于泵主体10;压电元件23，该压电元件23粘贴于上述振动板20的中央部;第一开口部11，该第一开口部11形成于泵主体 10的与振动板20的大致中央部相对的部位；以及第二开口部12,该第二开口部12形成于振动板20的中央部和外周部的中间区域或泵主体的与该中间区域相对的部位。

[0005] 振动板20是金属制的。压电元件23形成为覆盖第一开口部11且不到达第二开口部 12的大小。

[0006] 在上述流体栗中，通过对压电元件23施加规定频率的电压，如图la〜图1 e所示，振动板20的与第一开口部11相对的部分和振动板20的与第二开口部12相对的部分会朝相反方向弯曲变形。藉此，上述流体泵从第一开口部11及第二开口部12中的一个开口部吸入流体，并将该流体从另一个开口部排出。

[0007] 由于具有图la所示的现有结构的上述流体栗的结构简单，因此，能构成为薄型。上述流体泵可用作例如燃料电池系统的空气输送用泵。

[0008] 另一方面，作为组装上述流体泵的目的地的电子设备始终处于呈小型化的趋势。因此，要求在不使上述流体泵的泵能力（排出流量和排出压力）降低的前提下，使上述流体泵进一步小型化。

[0009] 然而，上述流体泵越是小型化，则上述流体栗的栗能力就越是降低。因此，若欲维持栗能力并将其小型化，则在现有结构的上述流体栗中存在界限。

[0010] 因此，本申请的发明人对以下所示的结构的流体栗进行了研宄。

[0011] 图2是表示上述流体栗的主要部分的结构的剖视图。流体栗901包括可挠板35、振动板单元38及压电元件32，并具有将上述构件依次层叠的结构。

[0012] 振动板单元38由振动板31、框板33及连接部34构成。振动板单元38是金属制的。另夕卜，压电元件32和与压电元件32接合的振动板31构成致动器30。在该振动板31的周围设有框板33。振动板31通过连接部33与框板34连接。在可挠板35的中心形成有通气孔35A。此外，框板33通过粘接剂层37而被固定在可烧板35的端部。因此，振动板31及连接部34以与可烧板35分开粘接剂层37的厚度而被支承于框板33。此外，连接部M是具有较小弹簧常数的弹性的弹性结构。

[0013] 因此，振动板31被两个连接部34在两点上柔软地弹性支承于框板33。因此，几乎不会妨碍因压电元件32伸缩而使振动板31产生弯曲振动。即，流体栗901为致动器30的周边部实质上没有被固定的结构。因此，可使伴随致动器30的弯曲振动而引起的损失变少。

[0014]另外，由于随着致动器30的驱动而使可挠板35振动，因此，流体泵9〇1实质上能增大振动振幅。藉此，流体泵901虽然小型、低背，但却具有较高的排出压力和较大的排出流量。

[0015] 然而，在流体泵901中，当框板33和可挠板35通过粘接剂固定时，剩余的粘接剂可能会从粘接剂层37流入连接部34与可挠板35之间的间隙。藉此，连接部34与可挠板35可能会粘接而阻碍致动器30的振动。

[0016]另外，振动板31和可挠板35之间的距离受到粘接剂层37厚度的限定，但由粘接剂的涂布量来唯一地限定该距离是非常困难的。因此，在流体泵901中，对流体泵901的压力一流量特性带来影响的振动板31与可挠板35之间的距离无法被唯一地限定。因而，在流体栗 901中，存在流体泵901的压力一流量特性在每个流体泵901的个体上出现偏差这样的问题。

发明内容

[0017] 因此，本发明的目的在于提供一种能抑制振动板的振动受到粘接剂阻碍、并能抑制压力一流量特性的偏差的流体控制装置。

[0018] 本发明的流体控制装置包括振动板单元、驱动体及可挠板。振动板单元具有振动板、框板及连接部，其中，上述振动板具有第一主面和第二主面，上述框板围住上述振动板的周围，上述连接部将上述振动板与上述框板连接，并将上述振动板弹性支承于上述框板。驱动体设于上述振动板的上述第一主面，并使上述振动板振动。可挠板设有孔，并与上述振动板的上述第二主面相对地固定于上述框板。

[0019] 至少上述振动板的一部分及上述连接部的厚度形成得比上述框板的厚度薄，以使上述振动板的一部分及上述连接部的靠上述可挠板一侧的表面远离上述可挠板。

[0020]在该结构中，连接部靠可挠板侧的表面被配置成远离可挠板。因此，即便粘接剂的剩余部分流入连接部与可挠板之间的间隙，上述流体控制装置也能抑制连接部与可挠板的粘接。

[0021]同样地，在该结构中，振动板的一部分靠可挠板侧的表面远离可挠板。因此，即便上述粘接剂的剩余部分流入振动板的一部分与可挠板之间的间隙，上述流体控制装置也能抑制可烧板的一部分与可晓板的粘接。

[0022]由此，上述流体控制装置能抑制振动板的一部分及连接部与可挠板粘接而阻碍振动板的振动。

[0023]另外，在该结构中，振动板的一部分的厚度与框板的厚度之差相当于振动板的一部分与可挠板之间的距离。即，在上述流体控制装置中，通过使振动板单元的靠可挠板一侧的厚度局部不同，从而可精密地限定对压力一流量特性带来影响的上述距离。由此，上述流体控制装置能抑制压力一流量特性在每个流体控制装置的个体上出现偏差的情况。

[0024]因此，上述流体控制装置能抑制因粘接剂的流入而阻碍振动板振动的情况，并能抑制压力一流量特性的偏差。

[0025]另外，较为理想的是，上述振动板单元是一体形成的。

[0026]在该结构中，通过使一体形成的振动板单元的靠可挠板一侧的厚度局部不同，从而可精密地限定对压力一流量特性带来影响的上述距离。由此，上述流体控制装置能进一步抑制压力一流量特性在每个流体控制装置的个体上出现偏差的情况。

[0027]另外，较为理想的是，至少上述振动板的一部分及上述连接部通过蚀刻而形成为厚度比上述框板的厚度薄。

[0028] 在该结构中，上述振动板的一部分及上述连接部的靠上述可挠板一侧的表面被蚀亥IJ。因此，在该结构中，振动板的一部分及连接部与可挠板之间的距离可根据蚀刻的深度而被精密地限定。

[0029]由此，上述流体控制装置能进一步抑制压力一流量特性在每个流体控制装置的个体上出现偏差的情况。

[0030] 另外，较为理想的是，上述振动板的一部分是上述振动板整体中的最靠近可挠板与框板的粘接部分的上述振动板的周缘部。

[0031] 在该结构中，振动板的周缘部的靠可挠板一侧的表面远离可挠板。因此，即便上述粘接剂的剩余部分流入振动板的周缘部与可挠板之间的间隙，上述流体控制装置也能抑制可挠板的周缘部与可挠板粘接的情况。因此，上述流体控制装置能抑制振动板的周缘部与可挠板粘接而阻碍振动板的振动。

[0032] 另外，较为理想的是，在上述可挠板的与上述连接部相对的区域内形成有孔部。

[0033] 在该结构中，当框板与可挠板通过粘接剂固定时，上述粘接剂的剩余部分会流入孔部。因此，上述流体控制装置能进一步抑制振动板及连接部与可挠板粘接的情况。即，上述流体控制装置能进一步抑制振动板的振动受到粘接剂阻碍的情况。

[0034] 另外，较为理想的是，上述振动板及上述驱动体构成致动器，上述致动器呈圆板状。

[0035] 在该结构中，致动器呈旋转对称形（同心圆状)振动。因此，在致动器与可挠板之间不会产生不需要的间隙。由此，在上述流体控制装置中，提高了作为泵的动作效率。

[0036] 另外，较为理想的是，上述可挠板具有：可动部，该可动部位于上述可挠板的与上述振动板相对的区域的中心或中心附近，并能进行弯曲振动；以及固定部，该固定部位于上述区域的比上述可动部更靠外侧的位置，且被实质固定。

[0037] 根据该结构，伴随着致动器的振动，而使可动部振动。因此，在上述流体控制装置中，实质上会使振动振幅增大。藉此，上述流体控制装置虽然小型、低背，但却具有较高的排出压力和较大的排出流量。

附图说明

[0038] 图la〜图le是现有流体杲的主要部分的剖视图。

[0039] 图2是本发明比较例的流体泵901的主要部分的剖视图。

[0040] 图3是本发明第一实施方式的压电泵101的外观立体图。

[0041] 图4是图3所示的压电泵101的分解立体图。

[0042] 图5是图3所示的压电泵101的T — T线的剖视图。

[0043] 图6是图4所示的振动板单元160的外观立体图。

[0044] 图7是图4所示的振动板单元160及可挠板151的接合体的俯视图。

具体实施方式

[0045] 以下，对本发明实施方式的压电泵101进行说明。

[0046] 图3是本发明实施方式的压电栗101的外观立体图。图4是图3所示的压电栗101的分解立体图。图5是图3所示的压电栗101的T一T线的剖视图。图6是从可挠板151—侧观察图 4所示的振动板单元160的该振动板单元160的外观立体图。

[0047] 如图3〜图5所示，压电泵101包括:盖板195、基板191、可挠板151、振动板单元160、压电元件142、隔板135、电极导通用板170、隔板130及盖部110。压电泵101具有将上述构件依次层叠的结构。

[0048] 振动板141具有与盖部110相对的上表面和与可挠板151相对的下表面。

[0049] 在振动板141的上表面通过粘接剂固定有压电元件142。该上表面相当于本发明的 “第一主面”。振动板141和压电元件142分别呈圆板状。此外，由振动板141和压电元件142构成圆板状的致动器140。此处，包括振动板141的振动板单元160由线膨胀系数比压电元件 142的线膨胀系数大的金属材料形成。通过在粘接时对振动板141及压电元件142进行加热并使它们固化，能使振动板141朝压电元件142侧呈凸状翘曲的适当的压缩应力残留在压电元件142中。该压缩应力能防止压缩元件142裂开。例如，振动板单元160最好由SUS430等形成。例如，压电元件142可以由钛酸锆酸铅类陶瓷等形成。压电元件142的线膨胀系数几乎为零，SUS430的线膨胀系数为10 • 4 X 10—6K_1左右。

[0050]另外，压电元件142相当于本发明的“驱动体”。

[0051]隔板135的厚度最好与压电元件142的厚度相同或比压电元件142的厚度稍大。

[0052] 如图4〜图6所示，振动板单元160由振动板141、框板161及连接部162构成。振动板单元160是通过金属板的蚀刻加工一体成型而形成的。在振动板141的周围设有框板161。振动板141用连接部162与框板161连接。此外，框板161通过粘接剂固定在可挠板151上。

[0053] 如图5、图6所示，振动板141及连接部162的厚度形成得比框板161的厚度薄，以使振动板141及连接部162靠可挠板151侧的表面远离可挠板151。振动板141及连接部162通过对振动板141及连接部162靠可挠板151侧的表面进行半蚀刻而使厚度形成得比框板161的厚度薄。因此，振动板141及连接部162与可挠板151之间的距离根据半蚀刻的深度而被精密地限定为规定尺寸(例如15mi)。此外，连接部162是具有较小弹簧常数的弹性的弹性结构。 [0054] 因此，振动板141通过三个连接部162在三点上柔软地弹性支承在框板161上。因此，几乎不会妨碍振动板141的弯曲振动。即，压电栗101为致动器140的周边部(当然中心部也)实质上没有被固定的结构。

[0055] 另外，可挠板151、粘接剂层120、框板161、隔板135、电极导通用板170、隔板130及盖部110构成栗筐体180。此外，泵筐体180内部的空间相当于泵室141。

[0056] 在框板161的上表面通过粘接剂固定有隔板135。隔板135是树脂制的。隔板135的厚度与压电元件142的厚度相同或比压电元件142的厚度稍大。另外，隔板135构成栗筐体 180的一部分。另外，隔板135使如下所述的电极导通用板170和振动板单元160电绝缘。

[0057] 在隔板135的上表面通过粘接剂固定有电极导通用板170。电极导通用板170是金属制的。电极导通用板170由大致圆形开口的框部位171、朝该开口内突出的内部端子173及朝外部突出的外部端子172构成。

[0058] 内部端子173的前端与压电元件142的表面锡焊连接。通过将锡焊连接位置设定为与致动器140的弯曲振动的节点相当的位置，从而能抑制内部端子173的振动。

[0059] 在电极导通用板170的上表面粘接固定有隔板130。隔板130是树脂制的。隔板130 是当致动器140振动时用于使内部端子173的锡焊部分不与盖部110接触的隔板。另外，也能防止压电元件142的表面与盖部110过分接近、因空气阻力而使振动振幅降低的情况。因此，隔板130的厚度只要是与压电元件142的厚度相同的程度即可。

[0060] 形成有排出孔111的盖部110与隔板130的上表面接合。盖部110覆盖致动器140的上部。因此，通过后述可挠板151的通气孔151而被吸引的空气就会从排出孔111排出。

[0061] 此处，排出孔111是将包括盖部110的栗筐体180内的正压释放的排出孔。因此，排出孔111也不一定需要设于盖部110的中心。

[0062] 在可挠板151上形成有用于电连接的外部端子153。另外，在可挠板151的中心形成有通气孔152。

[0063] 在可挠板151的下部用粘接剂粘贴有基板191。在基板191的中央形成有圆柱形的开口部192。可挠板151的一部分在基板191的开口部192处朝基板191侧露出。因随着致动器 140的振动而产生的空气的压力变动，上述呈圆形露出的可挠板151的一部分能以与致动器 140实质相同的频率振动。即，利用该可挠板151和基板191的结构，使可挠板151面向开口部 192的部位为能弯曲振动的圆形的可动部154。可动部154相当于可挠板151的与致动器140 相对的区域的中心或中心附近。此外，可挠板151中的位于比可动部154更靠外侧的部位为固定于基板191的固定部155。该可动部154的固有频率设计成与致动器140的驱动频率相同或比致动器40的驱动频率稍低的频率。

[0064]因此，响应致动器140的振动，可挠板151的可动部154也以通气孔152为中心以较大的振幅振动。只要是可挠板151的振动相位比致动器140的振动相位慢的（例如慢90°的）振动，就会使可挠板151与致动器140之间的间隙空间的厚度变动实质增加。藉此，压电栗 101能进一步提高泵能力(排出压力和排出流量)。

[0065] 盖板195与基板191的下部接合。在盖板195上设有三个吸引孔197。吸引孔197经由形成于基板191的流路193而与开口部192连通。

[0066]可挠板151、基板191及盖板195由线膨胀系数比振动板单元160的线膨胀系数大的材料形成。可挠板151、基板191及盖板195由具有大致相同的线膨胀系数的材料形成。例如，可挠板151最好由铍铜等形成。基板191最好由磷青铜等形成。盖板195最好由铜等形成。上述构件的线膨胀系数为大致17Xl(r6K_1左右。此外振动板单元160最好由SUS430等形成。 SUS43〇的线膨胀系数为1〇. 4 X lOl—1左右。

[G067] 在该情况下，由于可挠板151、基板191、盖板195的线膨胀系数与框板161的线膨胀系数不同，因此，通过在粘接时对上述构件进行加热以使它们固化，就可对可挠板151施加使可挠板151朝压电元件142侧呈凸状翘曲的张力。藉此，可调节能弯曲振动的可动部154 的张力。此外，可动部154松弛，不会妨碍可动部154的振动。由于构成可挠板151的铍铜是弹簧材料，因此，即便圆形的可动部154以较大的振幅振动，也不会产生永久变形（日文:〜亡 •9)等。即，铍铜具有优异的耐久性。

[0068] 在上述结构中，当对外部端子153、172施加驱动电压时，在压电泵101中，致动器 140呈同心圆状地弯曲振动。此外，在压电栗1〇1中，伴随着振动板141的振动，使可挠板151 的可动部154振动。藉此，压电泵101将空气从吸引孔197经由通气孔152朝泵室145吸引。此外，压电泵101将泵室145的空气从排出孔111排出。此时，在压电栗101中，振动板141的周边部实质上没有被固定。因此，根据压电泵101，可伴随着振动板141振动而引起的损失较少，虽然小型、低背，但却能获得较高的排出压力和较大排出流量。

[0069] 另外，在压电栗101中，连接部162靠可挠板151侧的表面远离可挠板151。因此，即便粘接剂的剩余部分流入连接部162与可挠板151之间的间隙，压电泵101也能抑制连接部 162与可挠板151粘接在一起。

[0070] 同样地，在压电泵101中，振动板141靠可挠板151侧的下表面远离可挠板151。因此，即便上述粘接剂的剩余部分流入振动板141与可挠板151之间的间隙，压电栗101也能抑制振动板141与可挠板151粘接在一起。此处，该下表面相当于本发明的“第二主面”。

[0071] 因此，压电栗101也能抑制振动板141及连接部162与可挠板151粘接而阻碍振动板 141振动。

[0072]另外，在压电泵101中，振动板141的厚度与框板161的厚度之差相当于振动板141 与可挠板151之间的距离。即，在压电泵101中，对压力一流量特性带来影响的该距离受到对振动板141进行半蚀刻的深度所限定。

[0073] 上述半蚀刻的深度能进行精密地设定。因此，压电泵101能抑制压力一流量特性在每个压电泵101的个体上出现偏差。

[0074] 以上，压电泵101能抑制因粘接剂而阻碍振动板141振动的情况，并能抑制压力一流量特性的偏差。

[0075] 另外，致动器140及可烧板151这两个构件在常温下使压电元件142侧呈凸状，并翘曲大致相等的量，此处，当因压电栗101驱动时的发热而使压电栗101的温度上升时或当环境温度上升时，致动器140及可挠板151的翘曲减少，致动器140及可挠板151彼此平行变形相等的量。即，振动板141与可挠板151之间的距离不会因温度而发生变化。此外，如上所述，该距离受到对振动板141进行半蚀刻的深度所限定。

[0076]因此，压电泵101能在很大温度范围内维持泵的适当的压力一流量特性。

[0077] 图7是图4所示的振动板单元160及可烧板151的接合体的俯视图。

[0078] 如图4〜图7所示，可以在可挠板151及基板191中的与连接部162相对的区域内设有孔部198。藉此，当框板161与可挠板151通过粘接剂固定时，粘接剂的剩余部分会流入孔部 198〇

[0079] 因此，压电泵101能进一步抑制振动板141及连接部162与可挠板151粘接在一起。即，压电栗101能进一步抑制阻碍振动板141振动。

[0080] (其它实施方式）

[0081] 在上述实施方式中，设有以单压电型进行弯曲振动的致动器140,但并不限定于此。例如，也可采用在振动板141的两个表面粘贴压电元件142并以双压电型进行弯曲振动的结构。

[0082] 另外，在上述实施方式中，设有通过压电元件142伸缩进行弯曲振动的致动器140，但并不限于此。例如，也可设置以电磁驱动来进行弯曲振动的致动器。

[0083]另外，在上述实施方式中，压电元件142由钛酸锆酸铅类陶瓷构成，但并不限于此。例如，也可以由铌酸钾钠及碱性铌酸类陶瓷等非铅类压电体陶瓷的压电材料等构成。

[0084] 另外，在上述实施方式中，示出了使压电元件142与振动板141的大小大致相等的例子，但并不限于此。例如，也可使振动板141比压电元件142大。

[0085] 另外，在上述实施方式中，使用了圆板状的压电元件142及圆板状的振动板141，但并不限于此。例如，也可使压电元件142及振动板141中的任一个呈矩形或多边形。

[0086]另外，在上述实施方式中，振动板141整体的厚度形成得比框板161的厚度薄，但并不限于此。例如，也可使至少振动板141的一部分的厚度形成得比框板161的厚度薄。然而，较为理想的是，振动板141的一部分为振动板141整体中的最靠近可挠板151和框板161的粘接部分的振动板141的周缘部。

[0087]另外，在上述实施方式中，将连接部162设于三处，但并不限于此。例如，也可将连接部162设于两处或将连接部1似设于四处以上。连接部162不妨碍致动器140的振动，但会对致动器140的振动施加稍许影响。因此，通过在三处进行连接(保持），能高精度地保持致动器140的位置，并能自然地保持致动器140。此外，也能防止压电元件142裂开。

[0088] 此外，在本发明产生可听声不会造成问题的用途上，也可以在可听声频带范围内对致动器140进行驱动。

[0089]另外，在上述实施方式中，示出了在可挠板151的与致动器140相对的区域的中心配置有一个通气孔152的例子，但并不限于此。例如，也可在与致动器140相对的区域的中心附近配置多个孔。

[0090]另外，在上述实施方式中，设定驱动电压的频率以使致动器140在第一阶模态下振动，但并不限于此。例如，也可设定驱动电压的频率以使致动器140在第三阶模态等其它模态下振动。

[0091]另外，在上述实施方式中，使用空气作为流体，但并不限于此。例如，即便该流体为液体、气液混合流、固液混合流、固气混合流等中的任一种，也能在上述实施方式中适用。 [0092]最后，应当理解，上述实施方式的说明在所有方面均为例示，不构成限制。本发明的范围是由权利要求书来表示的，而不是由上述实施方式来表示的。此外，本发明的范围包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。

Claims

1. 一种流体控制装置，其特征在于，包括：振动板单元，该振动板单元具有振动板、框板及连接部，其中，所述振动板具有第一主面和第二主面，所述框板以在除了所述连接部之外的部位隔着间隙的方式围住所述振动板的周围，所述连接部将所述振动板与所述框板连接，并将所述振动板弹性支承于所述框板；驱动体，该驱动体设于所述振动板的所述第一主面，并使所述振动板振动；以及可挠板，该可挠板与所述振动板相对地设有第一孔，并与所述振动板的所述第二主面及所述连接部相对地固定于所述框板，在所述可挠板的与所述连接部相对的区域内形成有第二孔。

2. 如权利要求1所述的流体控制装置，其特征在于，至少所述振动板的一部分及所述连接部的厚度形成得比所述框板的厚度薄，以使所述振动板的一部分及所述连接部的靠所述可挠板一侧的表面远离所述可挠板。

3. 如权利要求1或2所述的流体控制装置，其特征在于，所述振动板单元是一体形成的。

4. 如权利要求1或2所述的流体控制装置，其特征在于，至少所述振动板的一部分及所述连接部通过蚀刻而形成为厚度比所述框板的厚度薄。

5. 如权利要求1或2所述的流体控制装置，其特征在于，所述振动板的一部分是所述振动板的周缘部。

6. 如权利要求1或2所述的流体控制装置，其特征在于，所述振动板及所述驱动体构成致动器，所述致动器呈圆板状。

7. 如权利要求1或2所述的流体控制装置，其特征在于，所述可挠板具有：可动部，该可动部位于所述可挠板的与所述振动板相对的区域的中心或中心附近，并能进行弯曲振动；以及固定部，该固定部位于所述可挠板中的比所述可动部更靠外侧的位置，且被实质固定。