CN108880320B - 压电致动器和压电致动板 - Google Patents

Abstract

一种压电致动器和压电致动板，其中的压电致动器适用于一微型流体传输装置，包含：悬浮板、外框、至少一支架，悬浮板具有第一厚度，外框环绕于悬浮板周边且具有第三厚度，至少一支架连接于悬浮板与外框之间并具有第四厚度，其中，第三厚度大于第一厚度，第一厚度大于第四厚度，透过悬浮板、外框及支架蚀刻制成构成不同阶梯结构，以减少其支架的厚度，增加支架的弹性，使悬浮板垂直的位移量增加，进而提升微型流体传输装置的效率。

Description

压电致动器和压电致动板

【技术领域】

本案是关于一种压电致动器，尤指一种适用于微型流体传输装置的压电致动器。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

举例来说，于医药产业中，许多需要采用气压动力驱动的仪器或设备，通常采以传统马达及气压阀来达成其流体输送的目的。然而，受限于此等传统马达以及流体阀的体积限制，使得此类的仪器设备难以缩小其整体装置的体积，即难以实现薄型化的目标，更无法使的达成可携式的目的。此外，这些传统马达于作动时亦会产生噪音的问题，导致使用上的不便利及不舒适。

将流体传输装置微小、轻薄化以适用于上述领域后，随着体积的缩减，微型流体传输装置的于流体传输上的效率也会随的降低，因此，如何透过压电致动器的设计以提升微型流体传输装置的效率，以达到体积小、微型化且静音的微型流体传输装置，实为目前迫切需要解决的问题。

【发明内容】

本案的主要目的在于提供一种适用于微型流体传输装置的压电致动器，透过悬浮板、外框及支架蚀刻制成构成不同阶梯结构，以减少其支架的厚度，增加支架的弹性，使悬浮板垂直的位移量增加，进而提升微型流体传输装置的效率。

为达上述目的，本案的一较广义实施态样为提供了一种压电致动器，适用于一微型流体传输装置，包含：一压电致动板以及一压电元件，其中该压电致动板更包含有：一悬浮板，具有一悬浮板顶面及相对设置的一悬浮板底面，且该悬浮板顶面上具有一凸部，该凸部具有一凸部顶面，而该悬浮板顶面及该悬浮板底面之间定义一第一厚度，该凸部的该凸部顶面与该悬浮板底面之间定义一第二厚度；一外框，环绕设置于该悬浮板的周边，且具有一外框顶面及相对设置的一外框底面，该外框的该外框顶面与该外框底面之间定义一第三厚度；至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间，且具有一支架顶面及相对设置的一支架底面，该支架顶面与该支架底面之间定义一第四厚度；至少一凹槽，设置于该至少一支架的相邻位置，该至少一凹槽具有一槽底面；该压电元件，贴附于该悬浮板底面；其中，该第三厚度大于该第一厚度，该第一厚度大于该第四厚度。

本案的一较广义实施态样为提供了一种压电致动板，适用于一微型流体传输装置的压电致动器，包含：一悬浮板，具有一悬浮板顶面及相对设置的一悬浮板底面，且该悬浮板顶面上具有一凸部，该凸部具有一凸部顶面，而该悬浮板顶面及该悬浮板底面之间定义一第一厚度，该凸部的该凸部顶面与该悬浮板底面之间定义一第二厚度；一外框，环绕设置于该悬浮板的周边，且具有一外框顶面及相对设置的一外框底面，该外框的该外框顶面与该外框底面之间定义一第三厚度；至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间，且具有一支架顶面及相对设置的一支架底面，该支架顶面与该支架底面之间定义一第四厚度；以及至少一凹槽，设置于该至少一支架的相邻位置，该至少一凹槽具有一槽底面；其中，该第三厚度大于该第一厚度，该第一厚度大于该第四厚度。

【附图说明】

图1所示为微型流体传输装置的剖面结构示意图。

图2A所示为微型流体传输装置相关构件的正面分解示意图。

图2B所示为流体控制装置相关构件的背面分解示意图。

图3A所示为压电致动板的第一实施例剖面示意图。

图3B所示为压电致动板的第一实施例立体示意图。

图4A所示为压电致动板的第二实施例剖面示意图。

图4B所示为压电致动板的第二实施例立体示意图。

图4C所示为压电致动板的第二实施例另一角度立体示意图。

【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。

如图1、图2A及图2B所示，本案的微型流体传输装置1具有一壳体10、一压电致动器20。其中，壳体10包含出口板11及底座12，底座12则包含一入口板121及一共振片122，但不以此为限。压电致动器20是对应于共振片122而设置，并使出口板11、压电致动器20以及底座12的共振片122、入口板121等依序向上堆叠设置。

请参阅图2A，于本实施例中，壳体10的出口板11为一板件111其周缘垂直延伸一侧壁部112所形成，该板件111与该侧壁部112定义一容置空间113，供该压电致动器20设置其中，又板件111于一表面凹陷以形成一暂存腔室114，以及板件111上设有至少一排出孔115贯穿连通该暂存腔室114，且由该侧壁部112与板件111共同定义出一容置空间113，用以供压电致动器20设置于容置空间113中。而底座12包含一入口板121及一共振片122，其中，入口板121具有至少一进入孔1211，于本实施例中，进入孔1211的数量为4个，但不以此为限，其贯穿入口板121的上下表面，主要用以供流体自装置外顺应大气压力的作用而自该至少一进入孔1211流入流体控制装置内；又如图2B所示，入口板121上具有至少一汇流排槽1212，每一汇流排槽1212对应连通一进入孔1211而设置，于该汇流排槽1212的中心交流处具有一汇流腔室1213，且汇流腔室1213是与汇流排槽1212相连通，借此可将自该至少一进入孔1211进入汇流排槽1212的流体引导并汇流集中至汇流腔室1213。

于本实施例中，微型流体传输装置1更包含有两绝缘片31、32以及一导电片40，绝缘片31、导电片40以及另一绝缘片32依序堆叠后设置于容置空间113内，且位于压电致动器20及该出口板11的板件111之间。

如图1所示，于本实施例中，入口板121具有一体成型的进入孔1211、汇流排槽1212及汇流腔室1213，且当入口板121与共振片122对应组装后，于此汇流腔室1213处构成一汇流流体的腔室，以供流体暂存，此外，共振片122对应于汇流腔室1213为一可动部1221，而固定粘接于底座12部分为固定部1222，且于共振片122上具有一中空孔洞1223，对应于入口板121的汇流腔室1213而设置，供流体流通。于本实施例中，共振片122为一可挠性材质，但不以此为限。于另一些实施例中，共振片122可为一铜材质，但不以此为限。

于一些实施例中，入口板121的材质为一不锈钢材质，但不以此为限。于另一些实施例中，由该汇流腔室1213处所构成腔室的深度与这些汇流排槽1212的深度相同，但不以此为限。

请继续审阅图2A、图2B、图3A以及图3B所示，上述的压电致动器20对应于共振片122而设置，并包含有一压电致动板20a以及一压电元件20b，其中压电致动板20a更包含有悬浮板21、外框22以及至少一支架23；悬浮板21具有一悬浮板顶面211以及相对设置的一悬浮板底面212，且悬浮板顶面211上设有一凸部213，其中，悬浮板211的悬浮板顶面211与悬浮板底面212之间定义一第一厚度L1，悬浮板21的悬浮板底面212与凸部213的一凸部顶面2131之间定义一第二厚度L2；压电元件20b可为一陶瓷压电片，但不以此为限，压电元件20b贴附于悬浮板21的悬浮板底面212；外框22环绕设置于悬浮板21的周边，且具有一外框顶面221与相对设置的一外框底面222，外框22之外框顶面221与外框底面222之间定义一第三厚度L3；至少一支架23连接于悬浮板21与外框22之间，且具有一支架顶面231及相对设置的一支架底面232，至少一支架23的支架顶面231与支架底面232之间定义一第四厚度L4，其中，外框22的第三厚度L3大于悬浮板21的第一厚度L1，悬浮板21的第一厚度L1大于至少一支架23的第四厚度L4。此外，于一些实施例中，该外框22的第三厚度L3与凸部213的顶面2131与悬浮板21的悬浮板底面212定义的第二厚度L2相同，但不以此为限。

上述的压电致动器20透过缩减至少一支架23的第四厚度L4，以降低至少一支架23的刚性，进而可增加该至少一支架23的弹性，用以提升该悬浮板21的垂直振动的位移量，进而连带增加流体传输量，来提升流体传输装置的效率。

请参阅图3A以及图3B所示，图3A为压电致动板20a的第一实施例立体示意图，图3B为本案压电致动板20a的第一实施例剖面示意图；压电致动板20a更包含至少一凹槽24，至少一凹槽24设置于至少一支架23相邻位置，至少一凹槽24形成于外框22的外框顶面221且邻接至少一支架23的边缘区域，至少一凹槽24具有一槽底面241，于本实施例中，至少一支架23与至少一凹槽24其数量皆为4个，但不以此为限；于本实施例中，悬浮板21的悬浮板底面212、支架23的支架底面232及外框22之外框底面222三者共平面，悬浮板21的悬浮板顶面211上凸部213的顶面2131与外框22之外框顶面221共平面，凹槽24的槽底面241与支架23的支架顶面231共平面，使压电致动板20a为以悬浮板底面212、支架底面223及外框底面222为同一平面的基准，而凸部213、悬浮板21、支架23则可因其顶面高度不同而呈一同一平面的阶梯结构。

上述压电致动板20a的第一实施例中，压电致动板20a为一体成型的结构，悬浮板21的悬浮板顶面211、支架235的支架顶面231以及凹槽24的槽底面241皆由透过蚀刻制程而形成，且于蚀刻制程中，其蚀刻面皆于同一面。

请参阅图4A、图4B以及图4C所示，图4A为本案压电致动板20a的第二实施例立体示意图，图4B为本案压电致动板20a的第二实施例剖面示意图；于本实施例中，同样具有至少一凹槽24，至少一凹槽24具有一槽底面241，其中，悬浮板21的悬浮板底面212及外框22之外框底面222共平面，悬浮板21的凸部213的凸部顶面2131与外框22之外框顶面221共平面，悬浮板21的悬浮板顶面211、凹槽24的槽底面241与支架23的支架顶平面231共平面，使压电致动板20a在顶面及底面两不同平面分别呈现上、下阶梯结构。

上述压电致动板20a的第二实施例中，压电致动板20a亦为一体成型的结构，悬浮板21的悬浮板顶面211、支架23的支架顶面231及支架底面232以及凹槽24的槽底面241皆由蚀刻制程而形成，且于蚀刻制程中，悬浮板顶面211、支架顶面231、槽底面241的蚀刻面与支架底面232的蚀刻面为不同平面。

于此实施例中，其外框22的第三厚度L3介于295～305μm，悬浮板21的第一厚度L1介于265～275μm，支架23的第四厚度L4介于250～260μm，其中，悬浮板21上凸部213的凸部顶面2131与悬浮板21的悬浮板底面212之间的第二厚度L2与外框22的第三厚度L3相同，皆为介于295～305μm之间，但不以此为限。

本案的压电致动板20a的相关实施例，主要是透过悬浮板21、外框22及支架23蚀刻制成构成不同阶梯结构，以增加支架23的弹性，提升悬浮板21的位移量，进而提升微型流体传输装置1的效率，支架23的第四厚度L4与悬浮板21的位移量及对应的微型流体传输装置1的效率比较如下表一所示：

表一

是以，由上述的实验数据可以得知，支架23的第四厚度L4由265～275μm降低至250～260μm后，其提供一定刚性连接于悬浮板21与外框22之间外，不仅能够增加其弹性，使悬浮板21受压电元件20b驱动后，其垂直方向的振动位移量能够由6.5μm增加至10μm，促使微型流体传输装置1的最高气压值由259mmHg提升至451mmHg，故本案的支架22可有效提升微型流体传输装置1的效率，具有高效优势，特别是其传输效率为微型流体传输装置1最重要的研发重点。

请续参阅图2A，上述的压电元件20b为方形板状结构，且其边长不大于悬浮板21的边长，并可贴附于悬浮板21之上。于本实施例中，悬浮板21为可挠的正方形板状结构，悬浮板21之外侧环绕设置外框22，外框22的型态亦大致对应于悬浮板21的型态。于本实施例中，外框22亦为正方形的镂空框型结构；而悬浮板21与外框22之间以四支架23连接并提供弹性支撑。请同时参阅图3A、图3B、图4A、图4B，悬浮板21、外框22以及四支架23是为一体成型的结构，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，是以，本案的微型流体传输装置1的压电致动器20即为由压电元件20b与金属板粘合而成，但不以此为限。外框22是环绕设置于悬浮板21之外侧，且具有一向外凸设的导电接脚223，用以供电连接之用，但不以此为限；以及该四支架23连接于悬浮板21以及外框22之间，以提供弹性支撑。于本实施例中，每一该支架23的一端连接于悬浮板21的侧边，另一端则连接于外框22之内侧边，且于支架23、悬浮板21及外框22之间更具有至少一空隙25，用以供流体流通，且该悬浮板21、外框22以及支架23的型态及数量是具有多种变化。透过此跨设于悬浮板21与外框22之间的支架23，以减少悬浮板21于运作时不均一的偏移角度，有助于增加悬浮板21于Z轴上的振幅，使悬浮板21在上下振动时可有更好的位移状态，即该悬浮板21作动时更为稳定、一致，俾利于提升压电致动器20作动的稳定性及效能。又于本实施例中，悬浮板21的凸部213、悬浮板21、至少一支架23呈阶梯状，且其厚度是逐渐递减。

以及，上述的两绝缘片31、32为上下夹设导电片40而设置。此外，于一些实施例中，绝缘片31、32为一绝缘的材质，例如：塑胶，但不以此为限，以进行绝缘之用；于另一些实施例中，导电片40为一导电的材质，例如：金属，但不以此为限，以进行电导通之用。以及，于本实施例中，导电片40上亦可设置一导电接脚41以及一电极42，导电接脚41以向外电导通之用，电极42用来电连接压电元件20b，使外部电力通过导电接脚41、导电片40、电极42电连接至压电元件20b。

请一并参阅图1、图2A及图2B，当本案的微型流体传输装置1组装时，依序将一绝缘片31、一导电片40、另一绝缘片32、一压电致动器20以及一底座12等结构依序向上堆叠组装粘固，并容设于出口板11的容置空间113内，最后将该出口板11的侧壁部112两侧容置空间113予以涂布封胶6提供防漏密封而设置形成一种流体积小、及微型化外形的微型流体传输装置1。在上述结构中，一旦对压电元件20b施加驱动电压，则因压电元件20b的伸缩而使悬浮板21弯曲振动，伴随着悬浮板21的振动，使共振片122的可动部1221振动，借此，微型流体传输装置1从底座12的至少一进入孔1211吸入流体，将该流体进入该至少一汇流排槽1212中再流入该汇流腔室1213经中空孔洞1223导入暂存腔室114中，受该压电致动器2的悬浮板21振动及共振片122的共振效应而压缩暂存腔室114的体积，由该出口板11的至少一排出孔115排出，构成一微型流体传输装置1传输流体的操作。

又如图1所示，共振片122与压电致动器20之间具有一间隙h，于共振片122及压电致动器20之外框22之间的间隙h中填充设置一胶层5，例如：导电胶，但不以此为限，以使共振片122与压电致动器20的悬浮板21之间可维持该间隙h的深度，进而可导引气流更迅速地流动；以及，因应此间隙h的深度而可使共振片122与压电致动器20之间形成压缩腔室116，进而可透过共振片122的中空孔洞1223导引流体于腔室间更迅速地流动，且因悬浮板21与共振片122保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音降低。

又本案为了改善在悬浮板21之外框22及共振片122之间设置胶层5在涂布施作时，胶层5涂在压电致动之外框22受到外框22的毛细作用的关系，使胶层5沿着外框22的外框顶面221而朝向支架23流动，如此流动容易溢出于外框22而沾粘到支架23等问题，为了避免此问题，本案于外框22的外框顶面221上形成了凹槽24，供溢出的胶层5可容置于凹槽24内，来解决胶层5溢出或粘着于支架23上的问题。

综上所述，本案所提供一种压电致动器，借由透过悬浮板、外框及支架蚀刻制成构成不同阶梯结构，以减少其支架的厚度，增加支架的弹性，使悬浮板垂直的位移量增加，即可提升使用本发明压电致动器的微型流体传输装置的传输效率，在同样以薄型化、微小化的微型流体传输装置，能够具有较佳的效果，以达到提升功效的目的；因此，本案压电致动器极具产业利用价值，爰依法提出申请。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺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】

1：微型流体传输装置

10：壳体

11：出口板

111：板件

112：侧壁部

113：容置空间

114：暂存腔室

115：排出孔

116：压缩腔室

12：底座

121：入口板

1211：进入孔

1212：汇流排槽

1213：汇流腔室

122：共振片

1221：可动部

1222：固定部

1223：中空孔洞

20：压电致动器

20a：压电致动板

20b：压电元件

21：悬浮板

211：悬浮板顶面

212：悬浮板底面

213：凸部

2131：凸部顶面

22：外框

221：外框顶面

222：外框底面

223：导电接脚

23：支架

231：支架顶面

232：支架底面

24：凹槽

241：槽底面

25：空隙

31、32：绝缘片

40：导电片

41：导电接脚

42：电极

5：胶层

6：封胶

h：间隙L1：第一厚度

L2：第二厚度

L3：第三厚度

L4：第四厚度

Claims (18)

1.一种压电致动器，适用于一微型流体传输装置，其特征在于，包含：

一压电致动板，包括有：

一悬浮板，具有一悬浮板顶面及相对设置的一悬浮板底面，且该悬浮板顶面上具有一凸部，该凸部具有一凸部顶面，而该悬浮板顶面及该悬浮板底面之间定义一第一厚度，该凸部的该凸部顶面与该悬浮板底面之间定义一第二厚度；

一外框，环绕设置于该悬浮板的周边，且具有一外框顶面及相对设置的一外框底面，该外框的该外框顶面与该外框底面之间定义一第三厚度；

至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间，且具有一支架顶面及相对设置的一支架底面，该支架顶面与该支架底面之间定义一第四厚度；

至少一凹槽，设置于该至少一支架的相邻位置，该至少一凹槽具有一槽底面；以及

一压电元件，贴附于该悬浮板底面；

其中，该第三厚度大于该第一厚度，该第一厚度大于该第四厚度。

2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，该第三厚度等于该第二厚度。

3.如权利要求1或2中任一所述的压电致动器，其特征在于，该凸部顶面与该外框顶面共平面；该至少一凹槽的该槽底面与该至少一支架的该支架顶面共平面；该悬浮板的该悬浮板底面、该至少一支架的该支架底面及该外框的该外框底面共平面。

4.如权利要求3所述的压电致动器，其特征在于，该悬浮板顶面、该至少一支架的该支架顶面以及该至少一凹槽的该槽底面由蚀刻制程形成同一平面的阶梯结构。

5.如权利要求1或2项中任一所述的压电致动器，其特征在于，该凸部的该凸部顶面与该外框的该外框顶面共平面；该至少一凹槽的该槽底面、该至少一支架的该支架顶面、该悬浮板的该悬浮板顶面共平面；该悬浮板的该悬浮板底面与该外框的该外框底面共平面。

6.如权利要求5所述的压电致动器，其特征在于，该悬浮板顶面、该至少一支架的该支架顶面、该支架底面以及该至少一凹槽的该槽底面由蚀刻制程形成在不同平面呈现上、下阶梯结构。

7.如权利要求1或2中任一所述的压电致动器，其特征在于，该第三厚度为295～305μm。

8.如权利要求7所述的压电致动器，其特征在于，该第一厚度为265～275μm。

9.如权利要求8所述的压电致动器，其特征在于，该第四厚度为250～260μm。

10.一种压电致动板，适用于一微型流体传输装置的一压电致动器，其特征在于包含：

一悬浮板，具有一悬浮板顶面及相对设置的一悬浮板底面，且该悬浮板顶面上具有一凸部，该凸部具有一凸部顶面，而该悬浮板顶面及该悬浮板底面之间定义一第一厚度，该凸部的该凸部顶面与该悬浮板底面之间定义一第二厚度；

一外框，环绕设置于该悬浮板的周边，且具有一外框顶面及相对设置的一外框底面，该外框的该外框顶面与该外框底面之间定义一第三厚度；

至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间，且具有一支架顶面及相对设置的一支架底面，该支架顶面与该支架底面之间定义一第四厚度；以及

至少一凹槽，设置于该至少一支架的相邻位置，该至少一凹槽具有一槽底面；

其中，该第三厚度大于该第一厚度，该第一厚度大于该第四厚度。

11.如权利要求10所述的压电致动板，其特征在于，该第三厚度等于该第二厚度。

12.如权利要求10或11项中任一所述的压电致动板，其特征在于，该凸部顶面与该外框顶面共平面；该至少一凹槽的该槽底面与该至少一支架的该支架顶面共平面；该悬浮板的该悬浮板底面、该至少一支架的该支架底面及该外框的该外框底面共平面。

13.如权利要求12所述的压电致动板，其特征在于，该悬浮板顶面、该至少一支架的该支架顶面以及该至少一凹槽的该槽底面由蚀刻制程形成同一平面的阶梯结构。

14.如权利要求10或11中任一所述的压电致动板，其特征在于，该凸部的该凸部顶面与该外框的该外框顶面共平面；该至少一凹槽的该槽底面、该至少一支架的该支架顶面、该悬浮板的该悬浮板顶面共平面；该悬浮板的该悬浮板底面与该外框的该外框底面共平面。

15.如权利要求14所述的压电致动板，其特征在于，该悬浮板顶面、该至少一支架的该支架顶面、该支架底面以及该至少一凹槽的槽底面由蚀刻制程形成在不同平面呈现上、下阶梯结构。

16.如权利要求10或11项中任一所述的压电致动板，其特征在于，该第三厚度是295～305μm。

17.如权利要求16所述的压电致动板，其特征在于，该第一厚度是265～275μm。

18.如权利要求17所述的压电致动板，其特征在于，该第四厚度是250～260μm。

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