CN114222859A - 压电泵以及泵单元 - Google Patents
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Abstract
泵单元具备压电泵、和容纳压电泵的壳体。压电泵具备：具有贯通孔的压电元件、覆盖贯通孔的一个开口的第1弹性板、和覆盖贯通孔的另一个开口的第2弹性板。第1弹性板具有与压电元件的贯通孔连通的连通孔。
Description
技术领域
本公开涉及压电泵以及泵单元。
背景技术
例如，已知如专利文献1记载的压电微型鼓风机那样，在隔膜安装压电元件并使压电元件驱动来使隔膜振动的结构。
以往，隔膜的振动源为压电元件，作为泵的特性与隔膜泵的特性相同。此外，如果包含压电元件和隔膜的压电振动板的振动与泵室整体的振动不匹配，则泵的动作变得不稳定。针对压电泵，例如谋求动作的稳定性等泵特性的提高。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开WO2008/069266号
发明内容
本公开的压电泵具备：
压电元件，具有贯通孔；
第1弹性板，覆盖所述贯通孔的一个开口，具有与所述贯通孔连通的连通孔；和
第2弹性板，覆盖所述贯通孔的另一个开口。
本公开的泵单元具备：
上述的压电泵；和
壳体，容纳所述压电泵，
所述壳体在与所述第1弹性板的所述连通孔对置的部分具有喷出口。
附图说明
本发明的目的、特点以及优点通过以下的详细说明和附图变得更为明确。
图1是表示泵单元的示意性立体图。
图2是在图1的切断面线A-A切断的剖视图。
图3是表示压电泵的示意性立体图。
图4A是表示第1实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图4B是表示第1实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图5A是表示第2实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图5B是表示第2实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图6A是表示第3实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图6B是表示第3实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图6C是表示第3实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图7A是表示第4实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图7B是表示第4实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图8A是表示第5实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图8B是表示第5实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图8C是表示第5实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图9A是表示第6实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图9B是表示第6实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图10A是表示第7实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
图10B是表示第7实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对压电泵的例子进行详细说明。另外，本发明并不通过以下所示的公开的一例来进行限定。图1是表示泵单元的示意性立体图，图2是在图1的切断面线A-A进行切断的剖视图。图3是表示压电泵的示意性立体图。图4A以及图4B是表示第1实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。
泵单元100具备：压电泵1、和容纳压电泵1的壳体2。压电泵1具备：具有贯通孔10a的压电元件10、覆盖贯通孔10a的一个开口的第1弹性板11、覆盖贯通孔10a的另一个开口的第2弹性板12。第1弹性板11具有与压电元件10的贯通孔10a连通的连通孔11a。
压电元件10例如具备：具有贯通孔10a的压电体、在压电体的相对置的一对主面分别设置的表面电极。作为构成压电元件10的压电体，能够使用锆钛酸铅系、钛酸钡系、铌酸钾/钠系等的压电陶瓷、水晶、钽酸锂等的压电单晶。作为构成压电元件10的表面电极，能够使用银、镍、铜、银-钯等。
压电元件10如果是具有贯通孔10a的压电元件，则形状没有特别限定。压电元件10可以是板状，也可以是柱状，如果是板状，则可以是圆板状、多边板状等，如果是柱状，则可以是圆柱状、多边柱状等。贯通孔10a的位置也没有特别限定，无论是板状还是柱状，例如设置在与压电体的中心轴线同轴位置。本实施方式中，压电元件10是圆板状，贯通孔10a被设置为与压电体的中心轴线同轴。
如图1所示，压电元件10例如经由布线构件5而与外部电路连接，通过控制施加电压使压电元件10振动，从而能够驱动压电泵1。压电元件10作为在压电体的对置的一对面分别设置的表面电极的图案，能够采用以下方式。
压电元件10可以是在一个面以及另一个面所设置的表面电极在各自的面具有在面方向扩展的一个表面电极(一对表面电极)的他激励型的压电元件。
此外，压电元件10可以是在一个面所设置的表面电极包含主表面电极以及与该主表面电极分离的副表面电极的所谓的自激励型的压电元件。通过设为这种结构，例如在利用多个压电泵1时，由于能够按各个压电泵1的每一个来调整最佳驱动频率，因此能够抑制压电泵1的流体流量的个体差异。此外，例如也能够抑制伴随着-20℃～+80℃这种的环境温度变化的流体流量的变化。
第1弹性板11包含可弹性变形的材料，如果覆盖贯通孔10a的一个开口，则形状没有特别限定。同样，第2弹性板12包含可弹性变形的材料，如果覆盖贯通孔10a的另一个开口，则形状没有特别限定。在第1弹性板11设置有与压电元件10的贯通孔10a连通的连通孔11a。
第1弹性板11以及第2弹性板12通过进行弹性变形能够追随压电元件10的变形(振动)。例如，如图4A以及图4B的概略图所示，在压电元件10进行在半径方向伸长的变形时，第1弹性板11以及第2弹性板12也同样进行弹性变形以使得在半径方向伸长即可。或者，在压电元件10进行在半径方向收缩的变形时，第1弹性板11以及第2弹性板12也同样进行弹性变形以使得在半径方向收缩即可。在此，也可以在压电元件10进行在半径方向收缩的变形时，压电元件10进行在厚度方向伸长的变形，此外，在压电元件10进行在半径方向伸长的变形时，压电元件10进行在厚度方向收缩的变形。
通过对压电元件10施加电压，压电元件10进行变形，反复从图4A的状态向图4B的状态的变化、从图4B的状态向图4A的状态的变化。由压电元件10、第1弹性板11和第2弹性板12包围的内部空间的容积变化，从而经由连通孔11a向内部空间的流体的吸入和喷出被反复，作为泵发挥功能。
在图4A以及图4B所示的例子中，相比于图4A的状态(第1状态)，图4B的状态(第2状态)中，压电元件10变形为向半径方向外侧伸长，从而内部空间的容积变大。通过从第1状态向第2状态的变形，流体被从外部吸入。此外，通过从第2状态向第1状态的变形，内部空间的容积变小，流体向外部喷出。
作为第1弹性板11以及第2弹性板12的材料，能够使用不锈钢(SUS)、黄铜、42合金等的金属材料、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、液晶聚合物等的树脂材料。若使用42合金，则能够减少与压电元件10的热膨胀差，因此对于抑制伴随环境温度变化的流体流量的变化特别有效。
第1弹性板11以及第2弹性板的厚度能够追随压电元件10的变形即可，例如设为50～500μm的厚度。在第1弹性板11设置的连通孔11a可以如本实施方式那样是一个，也可以是多个。
根据本公开的压电泵1，通过压电元件10的变形从而贯通孔10a的容积变化，反复流体的吸入和喷出。由于压电元件10的特性直接对压电泵1的动作带来影响，因此能够使动作稳定。此外，也能够控制容积变化，从而高精度地控制流量。这样，能够提高压电泵1的特性。
壳体2是容纳上述压电泵1的部件，在与第1弹性板11的连通孔11a对置的部分具有喷出口2a。本实施方式的壳体2包含：与第1弹性板11对置的顶板部21、支承顶板部21并且将压电泵1外部包围的圆筒状的框体部22。本实施方式的壳体2例如是在载置台之上载置有压电泵1、覆盖压电泵1来进行容纳的部件。壳体2还可以包含底板部，覆盖压电泵1整体来进行容纳。
在壳体2的内部空间，被容纳的压电泵1与壳体之间的间隙成为用于通过压电泵1来向壳体2外部喷出的流体流过的流体通路4。使压电泵1动作，若如上述那样压电泵1从第1状态变形至第2状态，则将流体通路4内的流体经由连通孔11a吸入，若从第2状态变形至第1状态，则将吸入的流体从连通孔11a喷出。此时，从位于与连通孔11a对置的部分的喷出口2a向壳体2的外部喷出流体。
通过泵单元100被喷出的流体没有特别限定。作为被喷出的流体，例如是包含空气、芳香剂、除菌剂或者抗菌剂等的功能性流体。泵单元100例如被配置在电子设备的内部，用于电子部件的冷却，被设置在汽车等车辆内以及住宅内、或者电影院等的娱乐设施的这种生活空间，被用作为喷出功能性流体。
作为壳体2的材料，能够使用不锈钢(SUS)、黄铜、42合金等的金属材料、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、液晶聚合物等的树脂材料。框体部22与顶板部21的外周部接合从而支承顶板部21。在图2所示的例子中，框体部22的内面为阶梯形状，但是也可以是厚度沿着轴线方向恒定的形状，在端面支承顶板部21，还可以在内面具有凹槽，顶板部21的周缘嵌入凹槽来进行支承。此外，在图1所示的例子中，在框体部22的一部分设置穿过布线构件5的插通口，从该插通口向外部引出布线构件5，但是布线构件5的引出方式没有特别限定。
图5A以及图5B是表示第2实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1A除了第1弹性板11A以及第2弹性板12A的结构与第1实施方式的压电泵1不同以外，具有同样的结构，因此对于同样的结构赋予与第1实施方式的压电泵1相同的参照符号并省略详细的说明。在本实施方式中，第1弹性板11A以及第2弹性板12A具有向压电元件10的贯通孔10a的轴线方向外侧突出的凸部13、14。本实施方式的凸部13、14是在第1弹性板11A以及第2弹性板12A的中心设置顶部(山)的形状，例如可以是圆锥形状、圆锥台形状、半球状等。
第2实施方式的压电泵1A也与第1实施方式的压电泵1同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，反复从图5A的第1状态向图5B的第2状态的变化、从图5B的第2状态向图5A的第1状态的变化。在第1状态中，由压电元件10、第1弹性板11A和第2弹性板12A包围的内部空间的容积相比于第1实施方式，变大凸部13、14的部分。第2实施方式的第1状态与第2状态之间的内部空间的容积变化比第1实施方式大，因此，能够增大流体流量并且高精度地控制流量。
在具有本实施方式的这种形状的凸部13的第1弹性板11A以及具有凸部14的第2弹性板12A是金属材料的情况下，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
图6A～图6C是表示第3实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1B除了第1弹性板11B以及第2弹性板12B的结构与第2实施方式的压电泵1A不同以外，具有同样的结构，因此对于同样的结构赋予与第2实施方式的压电泵1A相同的参照符号并省略详细说明。本实施方式中，第1弹性板11B以及第2弹性板12B具有凸部13A、14A，其形状是与第1弹性板11B以及第2弹性板12B同心的圆环状。
第3实施方式的压电泵1B也与第2实施方式的压电泵1A同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，变形为图6A的第1状态、图6B的第2状态以及图6C的第3状态的任一者。第2状态相比于第1状态，压电元件10变形为向半径方向外侧伸长，第3状态相比于第1状态，压电元件10变形为向半径方向内侧收缩。根据对压电元件10施加的电压的变化，状态变化从而内部空间的容积变化。压电泵1B经由连通孔11a反复向内部空间的流体的吸入和喷出，作为泵发挥功能。本实施方式能够取得三个状态，但是在动作时可以在任意两个状态间反复变化，也可以在三个状态间反复变化。由于每个状态中内部空间的容积不同，因此通过选择三个状态之中的任意状态来使其变化，能够控制流体流量。
在具有本实施方式的这种形状的凸部13A的第1弹性板11B以及具有凸部14A的第2弹性板12B是金属材料的情况，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
图7A以及图7B是表示第4实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1C除了第1弹性板11C以及第2弹性板12C的结构与第1实施方式的压电泵1不同以外，具有同样的结构，因此对于同样的结构赋予与第1实施方式的压电泵1相同的参照符号并省略详细的说明。本实施方式中，第1弹性板11C以及第2弹性板12C具有向压电元件10的贯通孔10a的轴线方向内侧陷入的凹部15、16。本实施方式的凹部15、16是在第1弹性板11C以及第2弹性板12C的中心设置顶部(谷)的形状，例如可以是圆锥形状、圆锥台形状、半球状等。
第4实施方式的压电泵1C也与第1实施方式的压电泵1同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，反复从图7A的第1状态向图7B的第2状态的变化、从图7B的第2状态向图7A的第1状态的变化。第1状态中，由压电元件10、第1弹性板11C与第2弹性板12C包围的内部空间的容积相比于第1实施方式，凹部15、16与陷入贯通孔10a的部分相应地变小。第3实施方式的第1状态与第2状态之间的内部空间的容积变化比第1实施方式大，因此能够增大流体流量，并且高精度地控制流量。
在具有凹部15的第1弹性板11C以及具有凹部16的第2弹性板12C是金属材料的情况下，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
图8A～图8C是表示第5实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1D除了第1弹性板11D以及第2弹性板12D的结构与第4实施方式的压电泵1C不同以外，具有同样的结构，因此，对于同样的结构赋予与第4实施方式的压电泵1C相同的参照符号并省略详细的说明。本实施方式中，第1弹性板11D以及第2弹性板12D具有凹部15A、16A，其形状是与第1弹性板11D以及第2弹性板12D同轴的圆筒状。
第5实施方式的压电泵1D也与第4实施方式的压电泵1C同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，变形为图8A的第1状态、图8B的第2状态以及图8C的第3状态的任一者。第2状态相比于第1状态，压电元件10变形为向半径方向外侧伸长，第3状态相比于第1状态，压电元件10变形为向半径方向内侧收缩。根据对压电元件10施加的电压的变化，状态变化从而内部空间的容积变化。压电泵1D反复经由连通孔1 1a向内部空间的流体的吸入和喷出，作为泵发挥功能。本实施方式与第3实施方式的压电泵1B同样地能够取得三个状态，但是在动作时可以在任意两个状态间反复变化，也可以在三个状态间反复变化。由于每个状态中内部空间的容积不同，因此通过选择三个状态之中的任意的状态并使其变化，从而能够控制流体流量。
在具有本实施方式的这种形状的凹部15A的第1弹性板11D以及具有凹部16A的第2弹性板12D是金属材料的情况下，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
图9A以及图9B是表示第6实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1E除了第1弹性板11E以及第2弹性板12E的结构与第2实施方式的压电泵1A不同以外，具有同样的结构，因此对于同样的结构赋予与第2实施方式的压电泵1A相同的参照符号并省略详细的说明。本实施方式中，第1弹性板11E以及第2弹性板12E具有向压电元件10的贯通孔10a的轴线方向外侧突出的凸部13、14，具有包围凸部的平坦部17、18，还在凸部13与平坦部17之间以及凸部14与平坦部18之间分别具有槽状部G。
第6实施方式的压电泵1E也与第2实施方式的压电泵1A同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，反复从图9A的第1状态向图9B的第2状态的变化、从图9B的第2状态向图9A的第1状态的变化。第6实施方式的第1状态与第2状态之间的内部空间的容积变化与第2实施方式相同。第1弹性板11E以及第2弹性板12E通过具有槽状部G，相比于不具有槽状部G的第2实施方式，能够以较小的力使第1弹性板11E以及第2弹性板12E变形。由此，即使施加于压电元件10的电压比第2实施方式低，也能够与第2实施方式相同地，使第1弹性板11E以及第2弹性板12E变形来实现相同的流体流量。
在具有槽状部G的第1弹性板11E以及第2弹性板12E是金属材料的情况下，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
图10A以及图10B是表示第7实施方式的压电泵的动作状态的概略剖视图。本实施方式的压电泵1F除了第1弹性板11F以及第2弹性板12F的结构与第4实施方式的压电泵1C不同以外，具有同样的结构，因此，对于同样的结构赋予与第4实施方式的压电泵1C相同的参照符号并省略详细的说明。本实施方式中，第1弹性板11F以及第2弹性板12F具有向压电元件10的贯通孔10a的轴线方向内侧陷入的凹部15、16，具有包围凹部的平坦部17、18，还在凹部15与平坦部17之间以及凹部16与平坦部18之间分别具有槽状部G。
第7实施方式的压电泵1F也与第4实施方式的压电泵1C同样地进行动作。通过对压电元件10施加电压，从而压电元件10变形，反复从图10A的第1状态向图10B的第2状态的变化、从图10B的第2状态向图10A的第1状态的变化。第7实施方式的第1状态与第2状态之间的内部空间的容积变化与第4实施方式相同。第1弹性板11F以及第2弹性板12F通过具有槽状部G，从而相比于不具有槽状部G的第4实施方式，能够以较小的力使第1弹性板11F以及第2弹性板12F变形。由此，即使施加于压电元件10的电压比第4实施方式低，也能够与第4实施方式相同地使第1弹性板11F以及第2弹性板12F变形，能够实现相同的流体流量。
在具有槽状部G的第1弹性板11F以及第2弹性板12F是金属材料的情况下，例如能够通过冲压加工等的公知的加工方法来形成。此外，在树脂材料的情况下，例如能够通过成型加工等的公知的加工方法来形成。
接下来，对压电泵的制造方法的一例进行说明。
首先，以球磨机等对用于形成压电元件10的锆钛酸铅等的原料进行调制，将得到的混合原料以700℃～1200℃进行预烧合成。以球磨机等将该预烧合成原料粉碎，添加成形用粘合剂后以喷雾干燥器制作颗粒。
使用得到的颗粒，以在中心附近具有轴销的成形金属模具进行冲压成形，制作具有贯通孔的成形体。将对该成形体进行脱脂、烧成而得到的压电体以研磨等加工成所期望的形状，印刷表面电极糊剂之后以500℃～800℃进行烧制形成表面电极。之后，施加3kV/mm左右的电压，得到具有期望的压电特性的压电元件10。
接下来，在将42合金制的板状部材以冲压加工等加工成所期望的形状而得到的第1弹性板11以及第2弹性板12，例如印刷热固化型的环氧系粘接剂。使粘接剂的印刷部分抵接于压电元件10并且以80℃～200℃进行加热，从而使第1弹性板11以及第2弹性板12与压电元件10接合。
接下来，为了将来自外部的电信号输入至压电元件10，准备布线构件5、例如以树脂覆盖侧面的引线。然后，使用焊料等的接合构件在压电元件10的表面电极对布线构件5进行电接合以及机械接合。通过以上，得到压电泵1。
另外，也可以准备42合金制的壳体2，将压电泵1容纳于壳体2内，根据需要将压电泵1与壳体2接合。通过以上，得到泵单元100。
根据本公开的压电泵，通过压电元件的变形而贯通孔的容积变化，反复流体的吸入和喷出。由于压电元件的特性直接对压电泵的动作带来影响，因此能够使动作稳定。此外，也能够控制容积变化，从而高精度地控制流量。这样，能够提高压电泵的特性。
此外，根据本公开的泵单元，通过具备上述压电泵，能够提高泵单元的特性。
本发明能够在不脱离其思想或者主要特征的情况下，以其他的各种方式实施。因此，上述的实施方式在所有方面都仅是示例，本发明的范围在权利要求书中表示，并不受说明书文本的任何限制。再有，属于权利要求书的范围的变形、变更全部是本发明的范围内。
符号说明
1 压电泵
1A 压电泵
1B 压电泵
1C 压电泵
1D 压电泵
1E 压电泵
1F 压电泵
2 壳体
2a 喷出口
4 流体通路
5 布线构件
10 压电元件
10a 贯通孔
11 第1弹性板
11A 第1弹性板
11B 第1弹性板
11C 第1弹性板
1 1D 第1弹性板
11E 第1弹性板
11F 第1弹性板
11a 连通孔
12 第2弹性板
12A 第2弹性板
12B 第2弹性板
12C 第2弹性板
12D 第2弹性板
12E 第2弹性板
12F 第2弹性板
13 凸部
13A 凸部
14 凸部
14A 凸部
15 凹部
15A 凹部
16 凹部
16A 凹部
17 平坦部
18 平坦部
21 顶板部
22 框体部
100 泵单元
G 槽状部。
Claims (6)
1.一种压电泵，具备：
压电元件，具有贯通孔；
第1弹性板，覆盖所述贯通孔的一个开口，具有与所述贯通孔连通的连通孔；和
第2弹性板，覆盖所述贯通孔的另一个开口。
2.根据权利要求1所述的压电泵，其中，
所述第1弹性板以及所述第2弹性板的至少一方具有向所述贯通孔的轴线方向内侧陷入的凹部。
3.根据权利要求2所述的压电泵，其中，
具有所述凹部的所述第1弹性板以及所述第2弹性板的至少一方具有：包围所述凹部的平坦部、和位于所述凹部与所述平坦部之间的槽状部。
4.根据权利要求1所述的压电泵，其中，
所述第1弹性板以及所述第2弹性板的至少一方具有向所述贯通孔的轴线方向外侧突出的凸部。
5.根据权利要求4所述的压电泵，其中，
具有所述凸部的所述第1弹性板以及所述第2弹性板的至少一方具有：包围所述凸部的平坦部、和位于所述凸部与所述平坦部之间的槽状部。
6.一种泵单元，具有：
权利要求1至5的任意一项所述的压电泵；和
壳体，容纳所述压电泵，
所述壳体在与所述第1弹性板的所述连通孔对置的部分具有喷出口。
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