CN1269637C - 一种压电致动器和使用压电致动器的泵 - Google Patents
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Abstract
公开了一种制造压电致动器(14)的方法，以及使用致动器的小型膜片泵(10)。其目的是得到一种能够用于小型膜片泵和适用于其它用途的致动器，其尺寸要比现有技术的致动器小并更易于制造，还能比任何已知的类似尺寸的装置提供更大量级的力和位移。膜片泵(10)结合了新致动器以及新颖的单向阀(20)和小型驱动电路(18)。该泵可直接应用于小型计算机的液体冷却系统和其他流体系统。
Description
本申请要求具有于2000年9月18日(18/09/00)提交的美国临时专利申请No.60/233248的优先权。
技术领域
本发明属于制造铁电致动器和使用这些致动器作为原动力的小型膜片泵的领域。在最佳的模式中致动器是压电致动器。
背景技术
涉及所述发明的现有技术可以分组总结如下：
I.美国专利Nos.5471721，5632841，5849125，6162313，6042345，6060811和6071087显示了预加应力的压电致动器，也显示了圆顶的压电致动器，或二者一起显示。这些现有技术一般来说是与本发明无关的，因为本发明不使用预加应力的或园顶的压电致动器。
II.美国专利Nos.6179584，6213735，5271724，5759015，5876187，6227809显示了所谓的微型泵。这种泵一般一次泵一滴流体，因为其很小的力和很低的雷诺数，这些现有技术一般来说与本发明无关。
III.美国专利Nos.4034780，4095615显示了挡板阀。其中的挡板固定在分开的铰链上。未在现有技术中发现带有微型泵的柔性阀。
IV.美国专利Nos.5084345，4859530，3936342，5049421显示了用于多种目的的聚酰亚胺胶粘剂，包括将金属和其他材料粘结到膜。
V.美国专利Nos.4939405，5945768显示了压电致动器的电驱动电路。
VI.美国专利Nos.6227824，6033191，6109889，德国的国际专利申请WO 87/07218显示了结合压电致动器的各种泵。
发明内容
本发明是一种制造大位移铁电致动器的方法，在本申请中是压电致动器的制造方法。该压电致动器可用作小型膜片泵的膜片。这种泵体积小、重量轻、安静和高效。泵的最好型式为圆形，直径为大约40mm(1.5英寸)，大约13mm(0.5英寸)厚，重量大约为35克(1盎司)，每分钟可泵450毫升的水或其他流体。这种泵送速率的实现是通过使用6伏电池在25毫安下驱动大约为25毫米边长正方形的小型电子驱动电路。该电路构成本发明的一部分。操作本发明必须的单向阀是柔性阀，其中聚酰亚胺薄膜用作工作元件。
本发明提出一种制造压电致动器的方法，包括以下步骤：1)用聚酰亚胺胶粘剂对压电元件的第一表面和相反的第二表面进行涂复；2)使聚酰亚胺胶粘剂中的溶剂挥发；3)将所述压电元件设置在第一金属层和第二金属层之间，以形成一组件；4)在一压力机构下对所述组件加压；5)所述组件在压力机构内时加热到均固化所述聚酰亚胺胶粘剂和保持所述压电元件充磁的温度；6)冷却压电致动器并且然后从压力机构中除去压电致动器。
所述聚酰亚胺胶粘剂的厚度不超过0.1mm。所述步骤2)的进行是利用热力或加热灯来开始聚合过程。所述在步骤2)的进行是通过固化聚酰亚胺胶粘剂到干燥接触。还包括：向在压力机构内的通过在所述第一金属层和所述第二金属层之间粘结所述压电元件形成的所述压电致动器施加均匀的压力。
所述施加压力的步骤包括：a)将聚酰亚胺薄膜片放置在压力机构的底板上；b)将所述压电致动器放置在所述聚酰亚胺薄膜片上；c)用一片橡胶覆盖所述压电致动器；d)压紧所述压力机构使所述压力机构的底板和顶板向位于其间的所述压电致动器施加均匀的压力。
所述步骤3)包括将所述压力机构置于加热器中。
还包括用多晶材料作为所述压电元件。还包括用不锈钢作为所述第一金属层。还包括用铝作为所述第二金属层。还包括形成带有边的第一金属层，所述边用作夹紧表面。
还包括形成表面积比所述压电元件大的第一金属层。还包括形成表面积比所述压电元件小的所述第二金属层。
还包括：形成直径比所述压电元件大的所述第一金属层；形成直径比所述压电元件小的所述第二金属层。
还包括使用平面元件作为所述压电元件。所述聚酰亚胺胶粘剂是一种含有至少25％固体的凝胶。所述固化温度不能熔化聚酰亚胺胶粘剂。所述固化温度不超过摄氏200度。
还包括：在步骤1)之前，使用不会留下残余物的溶剂清洗所述压电元件。还包括在不会使所述压电元件退磁的固化温度下进行步骤5)。
附图说明
图1是本发明的泵透视图，处于适当位置的元件构成最佳模式；
图2是沿图1的线2-2的泵剖视图；
图3是用于制造本发明的压电致动器的压力机构的剖视图；
图4显示了泵所采用的压电致动器的驱动电路图；
图5是显示本发明的不同实施例的局部示意图，其中的泵腔尺寸缩小了；
图6是显示本发明另一个不同实施例的局部示意图，其中的入口和出口正交于致动器的平面。
具体实施方式
图1显示了本发明的压电致动器是怎样用于微型膜片泵的。泵10一般具有短圆柱形。其包括泵体12。压电致动器14、泵盖16和压电致动器电驱动电路18。泵体12具有突出部20，可将泵固定到任何底板上。入口22和出口24是泵体的一部分，虽然可以是与泵体分开的另外固定到泵体上的单元。泵盖16基本上与泵体12的直径相同并由相同的材料制成。该材料一般是标准的塑料，比如DELRIN牌的乙缩醛二乙醇，聚氯乙烯或磷酯胆碱(PC)，或是金属，比如不锈钢或黄铜。之所以优选这些材料是由于这些材料容易加工或热成型。泵盖16可以通过任何方式固定到泵体12，如通过快速固化胶粘剂同时对泵体12和泵盖16加压，如通过夹紧。泵盖上设有开口26与致动器14上方的空间连通。
泵的尺寸取决于特定的应用场合。在最好的模式中，泵体12的直径大约在40mm(1.5英寸)。泵腔30在泵体的中心形成。可通过模制或机械加工来形成。泵腔30的直径大约为28mm(1.125英寸)或比压电致动器14的直径小大约3mm(1/8英寸)。泵腔30有大约6mm(0.25英寸)深。在泵体12上泵腔30顶部设置了宽为大约3mm(0.125英寸)、深度为大约2mm(0.070英寸)的泵座32。如图2所示，压电致动器14固定在泵座32上形成在泵腔30顶部的膜片。
为安装泵，先将直径与压电致动器相同的密封垫圈34放置在泵座32上，以便当压电致动器14位于适当位置时密封泵腔。密封垫圈34由比较软的材料制成，如丁纳-N橡胶或硅橡胶，以处理配合面上出现不规则的情况和保证压电致动器14和泵体12之间有良好的密封。一旦压电致动器14位于适当位置，将O形密封圈36设置在压电致动器14的顶部，将压电致动器14保持在适当位置并将其密封与泵盖16分开。然后将与泵体12具有相同外径的只有大约1/8英寸厚的泵盖16放置到适当位置。密封垫圈34和O形密封圈36整体称为泵密封，即使都有将压电致动器14固定到相对泵体12的适当位置的功能。泵盖16在加压的条件下固定到泵体12，例如在夹紧压力作用下通过胶粘剂，以密封压电致动器14到泵体12并固定压电致动器14到适当位置，使泵可以工作。
制造压电致动器14的工艺通常如下：
使用可从Morgan Electro Ceramics公司获得的PZT5A多晶铁电材料制成的压电晶片38，如其名所表示的该材料实际上是陶瓷。如图2所示，通过在金属基底层40和外金属层42之间层压压电晶片38形成大位移压电致动器14，其中为了更清晰，对三层的厚度和其间的胶粘剂作了放大。在层38和40之间的粘结剂41是聚酰亚胺胶粘剂。这种层压工艺实现了许多功能。使压电致动器更坚固，因为金属层可保持压电致动器在大位移的条件下免于破碎。因聚酰亚胺胶粘剂较低的介电常数而耐受更高的电压，因此可施加比传统压电片高3-5倍的位移。使用高性能的聚酰亚胺胶粘剂在金属层之间进行层压使压电致动器具有很高的抗冲击和振动的性能。这样本发明的压电致动器装置可以用于连续200℃高温的环境，比较传统的压电片，其只有115℃。温度的明显提高是由于粘结工艺的聚酰亚胺胶粘剂不受高达200℃温度的影响。传统的压电片所使用的环氧树脂胶粘剂一般只能耐受115℃的温度。操作温度的增加可使本发明的泵用于不同场合，甚至可连续地泵送沸腾的水。
具有不同形状和厚度的压电晶片38可以从上面提到的厂家买到。可以发现本发明的直径为25毫米(1英寸)厚度为0.2毫米(0.008英寸)的圆形晶片是最佳的。试用了正方形晶片，但不能得到最大的位移。一般来讲，晶片越薄，在给定电压下的位移越大。但力就降低。0.2毫米(8密耳)厚对于该直径晶片有最大的流动速率。
在最佳模式中，厚度为0.1mm(0.004英寸)的不锈钢用作基底层40，该层与泵送的液体接触。选择不锈钢是因为其与包括水的许多液体的兼容性，抗疲劳性，导电性和容易以低价获得。厚度为0.05mm(0.001英寸)的铝可用作外层42，这主要是因为其向压电晶片38整个表面传导促动电压的导电性能，还因为其坚固和容易以低价格获得。
压电晶片38的直径是大约25毫米(1英寸)，如上所介绍的，基底层40的直径大约是40毫米(1.25英寸)。晶片38从基底层40的边回缩一些是本发明的重要特征。这样就留出了可用作致动器组件夹紧表面的边。这意味着整个压电晶片38是自由的并相对不受约束，除非该压电晶片是粘结到基底层40和外层42时。这使得压电致动器14具有最大的位移，可使流过泵的液体有最大流量。
外层42的直径比晶片38的直径小。外层42从晶片38的边回缩一些是为了防止驱动电压在外层42到基底层40形成电弧放电。
其他的材料和其他的厚度可用于封装层40和42，只要能满足所提到的要求。
应当注意到本发明的压电致动器是平面的。现有技术中的大部分致动器是圆顶形的，并认为产生最大的位移必须使用这种圆顶形致动器，从而对于给定尺寸的致动器泵的容量最大。扩展应用特定的模具和方法来制造这种认为是必须的致动器形状，或在致动器上施加预应力，这被认为可增加位移。本发明的实验已经显示出圆顶不是必须的，对于给定尺寸，平面致动器比现有技术中任何已知泵具有更高的泵送能力。而且这样的泵非常简单，可大规模地生产，如在下面将讨论的。平面形还意味着对于给定的应用其尺寸可以更小。对于任何给定的场合，平面致动器还比圆顶致动器本质上更容易进行安装。另外，使用致动器的泵对于连续使用已经显示出具有相当长的寿命。许多家喻户晓的制造商正在使用和实验本发明。
制造压电致动器14的具体工艺如下：
1.使用不会留下残余物的溶剂，如乙醇或丙酮，清洗压电晶片38和封装金属层40和42。必须清除全部的油、油脂、灰尘和指印以保证良好的粘结。
2.在压电晶片38的两侧涂复厚度不超过0.1mm(0.005英寸)的高性能聚酰亚胺凝胶胶粘剂薄层41，如可从Ranbar公司获得的凝胶胶粘剂。所述凝胶应当含有至少25％的固体，以在所述溶剂挥发后有足够的材料进行良好的粘结。
3.然后将压电晶片38的两侧放在标准加热灯之下大约5分钟，从所述凝胶中清除大部分的溶剂，开始聚酰亚胺凝胶聚合过程。压电片的两侧必须在加热灯下进行固化，因为两侧面要粘结到金属上。
4.一旦胶粘剂干燥到可以接触，将压电晶片38放到基底层40和外层42之间。
5.将组件放置到特殊的压力机构上，该压力机构是特别为制造压电致动器14而开发的，可提供均匀的温度和压力，保证致动器三层元件之间有良好的粘结。参考图3所示的最佳模式，该压力机构包括两个边长300毫米(12英寸)厚6毫米(1/4英寸)的正方形铝板101，通过4个位于各边上的翼形螺栓102夹在一起。为了保证加压时有均匀的压力，用低价的聚酰亚胺膜片104，如可从UbeIndustries公司得到的Upilex，覆盖在压力机构的底板101上。将多个压电致动器14放到所述膜片上，并覆盖厚度为4毫米(1/8英寸)的高温橡胶片106。在顶部的橡胶片和在底部的薄膜对压电致动器14形成衬垫，在一定温度下加压时可有更均匀的压力分布。当然也可以采用其他尺寸的压力板。
6.一旦压电致动器放置在压力机构上拧紧翼形螺栓102。
7.然后将压力机构放入标准对流式炉在大约200℃下保持大约30分钟。
8.从炉中取出压力机构，冷却到安全温度，将致动器14从压力机构中取出。
压力机构100是为开发压电致动器的低成本快速制造工艺所作努力的结果。该机构利用了铝板101的热膨胀，其可形成必要的压力，使得聚酰亚胺胶粘剂在固化温度下粘结到压电晶片38和金属层40及42。压力机构可放入炉子中和从中取出，炉子保持一定温度，因此在制造期间可以进行连续的操作。温度的突然改变不会影响压电致动器14，因为即使压力机构从炉中取出，致动器仍然在压力作用下，并在室温下继续作用。
应当特别注意，该压力过程在较低温度下可进一步清除溶剂和使聚酰亚胺固化。现有技术的制造类似压电致动器的工艺要求模具/压力处于高很多的温度，高到足以熔化聚酰亚胺胶粘剂。此外，这样高的温度使压电陶瓷退磁，必须在工艺结束时重新充磁。本发明完全取消了这个工艺步骤，因此有益于降低制造压电致动器的成本。
使用这些简单的方法和硬件，每个月可以制造几十万个压电致动器14，甚至更多，这取决于所要求的生产规模。
压电致动器泵10的原理与膜片泵的原理相同。一般地，膜片泵中的膜片是通过连接到马达或发动机的凸轮或推杆进行操作的。但压电致动器泵10不是这样，压电致动器14用作膜片，当脉冲电场通过封装层40和42施加到整个压电晶片38时进行动作。该变化的电场使压电致动器14膨胀或收缩。当压电致动器14膨胀时，其边缘受到约束，当压电致动器中部从泵腔30向外移动时会出现轻微的凸起。这样就通过入口22将液体吸到泵腔中。当压电致动器14收缩时将朝液体移动，迫使液体通过出口从泵腔30排出。
现有技术的压电致动器的一个问题是驱动压电片所需的电压。为了向压电致动器泵10提供能量，发明了图4显示的电驱动器18，其可将任何6伏直流电源的电压转换到峰值到峰值超过200伏的交流电压。这种电压在优选的实施例中足以驱动压电致动器实现上述泵送速率。在图4的电路中，点A连接到基底层40而点B连接到外层42。
压电致动器在峰值到峰值电压不是均匀平衡时表现良好。对正电压的反应要比对相同的负电压更好些。因此，电路18设计成可产生交流电，其电压偏移为正150伏和负50伏。这样的电压足以使压电致动器有更有效的泵送。而正弦波在低频和低电压时也可以采用，方形波可使压电片更有效率。图4中的电路元件的值如下：
R1-8到20MΩ C2-0.1μF
R2-8到20MΩ C3-0.1μF(200v)
R3-680KΩ C4-0.47μF(200v)
R4-1MΩ L1-680μH
C1-0.1μF D1-BAS21二极管U1是IMP528芯片，用于场致发光灯的驱动器。在这个电路中，可与其他元件一起用于形成脉冲并将之放大到驱动压电致动器14所需要的峰值到峰值200伏。选择R1和R2的值使输出的频率在大约35Hz到85Hz之间变化，这取决于特定的应用场合。
该电路由微型元件构成，故可以容纳于边长大约为25毫米(1英寸)和深度为6毫米(1/4英寸)的正方形盒子32中。其只有11个可现货供应的表面固定件。盒子32可以固定在泵10的附近。在最佳模式中，其固定在泵的顶部，如图1和2所示，可通过适当的胶粘剂进行固定。引线15始自驱动电路18，连接到弹簧加载触点304，如可从ECT公司买到的商标为POGO的触点。这些触点304固定在位于泵盖16顶部的盒子306中，并穿过泵盖16突出与两金属层40和42接触。这种小型的驱动电路免除了现有技术压电片应用中所需的大电源和变压器。另外，引线15还可以穿过泵盖16上的开口通过钎焊电连接到金属层40和42。O形圈36足够柔软可适应在基底层42上的焊点。
对用作压电致动器泵10入口和出口阀的多个传统形式的单向阀进行了评估。全都具有各种的缺点，包括体积大和对压电致动器14的动态反应很差。发明了一种直进式柔性阀200，可以很好地配合压电致动器14的动作，如图2所示。柔性阀的工作元件是厚度为0.05mm(0.002英寸)的椭圆聚酰亚胺膜片202。膜片202的形状和尺寸与一段刚性管204的端部相同，该端部与刚性管204的轴线成大约45度。刚性管204的内径与泵体12的入口22或出口24的内径相同。刚性管204固定在柔性系统管路206的端部输送系统液体，该管路可在入口/出口22，24上滑动，如图2所示。膜片202在点203通过任何可靠的方式，比如胶粘剂或热粘结，连接到倾斜表面的下端。类似的柔性阀200可以设置在出口204。两个阀的膜片202可指向相同的下游方向。然而，可以发现当泵10以全部能力工作时出口24不存在任何阀。可假定入口回路中的液体，即使入口阀部分打开，可提供足够大的惯性，如同入口阀封闭。仅涉及入口阀的操作可认为是最佳模式。
柔性阀200是本发明的一个重要方面。其具有非常小的体积。膜片22的质量也是尽可能的轻，故可对压电致动器14的动作快速反应。当打开时实际上表示对系统流体没有阻力。因为以45度角固定，只要移动45度就可以全打开从而非常简单，如果正交于流动方向固定，则必须移动两倍大的角度才能打开，且材料和制造的成本都低。而且阀200没有任何部分突出于泵腔30。这样就使泵腔30体积小型化了，使泵可以自引并增加了效率。另外还有的特征就是当泵不工作时，该柔性泵200偏压封闭。
图5和6显示了本发明的泵的另外实施例。在图5中的泵基本上与图2的泵相同，除了泵腔30的厚度减少到密封垫圈34的厚度。这样可改进泵的自引能力。图6的泵也具有很小厚度的泵腔30。另外，入口22和出口24正交于压电致动器14的平面，这种结构在某些应用中更加方便。
在另外一个未显示的实施例中，泵体的底部包括压电致动器14，其与所介绍的压电致动器14相同但成为其镜像，基底层40在泵腔30的两边互相面对。
在又一个未显示的实施例中，两个上述泵在一个泵体中并排地固定在一起。压电致动器、密封件、入口和出口、只在入口设置的单向阀、泵盖和驱动器以上面介绍的一种或多种结构形式定位。在这个实施例的优选形式中，驱动器是电串联的，泵是以平行流方式在所应用的系统中工作。
工业适用范围
本发明可具体应用于计算机CPU的水冷却及更广泛的应用，即需要较高流动速率和极小能量消耗的微型泵并以非常低的成本输送液体的场合。压电致动器本身有非常多的其他用途，比如扬声器、声音报警器、汽车传感器、用于主动噪音消除的发声器和加速计。
Claims (20)
1.一种制造压电致动器的方法，包括以下步骤：
1)用聚酰亚胺胶粘剂对压电元件的第一表面和相反的第二表面进行涂复；
2)使聚酰亚胺胶粘剂中的溶剂挥发；
3)将所述压电元件设置在第一金属层和第二金属层之间，以形成一组件；
4)在一压力机构下对所述组件加压；
5)所述组件在压力机构内时加热到均固化所述聚酰亚胺胶粘剂和保持所述压电元件充磁的温度；
6)冷却压电致动器并且然后从压力机构中除去压电致动器。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述聚酰亚胺胶粘剂的厚度不超过0.1mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)的进行是利用热力或加热灯来开始聚合过程。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在步骤2)的进行是通过固化聚酰亚胺胶粘剂到干燥接触。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：向在压力机构内的通过在所述第一金属层和所述第二金属层之间粘结所述压电元件形成的所述压电致动器施加均匀的压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述施加压力的步骤包括：
a)将聚酰亚胺薄膜片放置在压力机构的底板上；
b)将所述压电致动器放置在所述聚酰亚胺薄膜片上；
c)用一片橡胶覆盖所述压电致动器；
d)压紧所述压力机构使所述压力机构的底板和顶板向位于其间的所述压电致动器施加均匀的压力。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)包括将所述压力机构置于加热器中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用多晶材料作为所述压电元件。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用不锈钢作为所述第一金属层。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用铝作为所述第二金属层。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成带有边的第一金属层，所述边用作夹紧表面。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成表面积比所述压电元件大的第一金属层。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括形成表面积比所述压电元件小的所述第二金属层。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
形成直径比所述压电元件大的所述第一金属层；
形成直径比所述压电元件小的所述第二金属层。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用平面元件作为所述压电元件。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺胶粘剂是一种含有至少25％固体的凝胶。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化温度不能熔化聚酰亚胺胶粘剂。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化温度不超过摄氏200度。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在步骤1)之前，使用不会留下残余物的溶剂清洗所述压电元件。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在不会使所述压电元件退磁的固化温度下进行步骤5)。
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