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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Mikropumpen und insbesondere auf eine Mikropumpe, die ein piezoelektrisches Element verwendet, das eine Biegedeformation erfährt.
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Stand der Technik
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Bisher war eine Mikropumpe bekannt, die ein piezoelektrisches Element verwendet, das durch Anlegen einer Spannung in einem Biegemodus eine Biegedeformation erfährt. Die
JP 2003 214349 A offenbart eine Mikropumpe, in der eine Pumpenkammer in einem Pumpenkörper gebildet ist, und ein piezoelektrisches Element auf einer Rückoberfläche einer Membran befestigt ist, die eine obere Wand der Pumpenkammer definiert.
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Teil (a) von
9 stellt schematisch eine Pumpenstruktur dar, die in der
JP 2003 214349 A beschrieben ist. Eine Pumpenkammer
21 ist in einem Gehäuse
20 vorgesehen. Ein piezoelektrisches Element
23 ist auf einer Membran
22 befestigt, die eine obere Wand der Pumpenkammer definiert. Die Membran
22 ist aus einem organischen Material gebildet, wie z. B. Polyimid. Wenn jedoch mit Bezugnahme auf Teil (b) von
9 das piezoelektrische Element
23 eine Biegedeformation erfährt, wird eine Volumenänderung der Pumpenkammer
21, die erwartungsgemäß durch Biegen des piezoelektrischen Elements
23 erzeugt wird, teilweise ineffizient als Folge einer Verschiebung der Membran
22 an beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Elements
23. Anders ausgedrückt, das piezoelektrische Element
23 wird lediglich floatend über der Membran
22 bewegt. Somit kann eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements
23 nicht als eine Volumenänderung der Pumpenkammer
21 übertragen werden. Dieses Phänomen tritt auf, weil beispielsweise, wenn das piezoelektrische Element
23 deformiert ist, um sich zu der Pumpenkammer
21 hin auszubeulen, um nicht komprimierbares Fluid (Flüssigkeit), das in der Pumpenkammer gefüllt ist, hinauszupumpen, ein Druck der Flüssigkeit auf die Membran
22 ausgeübt wird, und ein Umfangsabschnitt der Membran
22 (Abschnitt, wo kein piezoelektrisches Element
23 befestigt ist) durch den Druck der Flüssigkeit in einer Rückwärtsrichtung weg von der Pumpenkammer
21 verschoben wird. Wenn im Gegensatz dazu das piezoelektrische Element
23 deformiert ist, um sich von der Pumpenkammer
21 weg auszubeulen, wird der Umfangsabschnitt der Membran
22 zu der Pumpenkammer
21 hin gebogen.
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Wenn die Membran 22 aus einem harten Material gebildet ist, wie z. B. einer Metallplatte, kann das Biegen des Umfangsabschnitts der Membran 22 unterbunden werden, und somit tritt das Phänomen, wie es in Teil (b) von 9 gezeigt ist, nicht auf. Falls jedoch die Membran 22 hart ist, unterbindet die Membran 22 die Biegedeformation des piezoelektrischen Elements 23 und verringert dadurch die Amplitude der Biegedeformation und die Volumenänderung der Pumpenkammer 21. Außerdem ist eine Antriebsfrequenz der Pumpe verringert und somit ist die Fluidbeförderungsleistung verschlechtert. Ferner ist in der bekannten Konfiguration das Links-Rechts-Gleichgewicht einer Verschiebung unterbrochen, und die Volumenänderung der Pumpenkammer 21 kann nicht korrekt übertragen werden, es sei denn, das piezoelektrische Element 23 ist an der Mitte der Membran 22 befestigt. Somit ist es notwendig, eine Positionsgenauigkeit der Befestigung zwischen der Membran 22 und dem piezoelektrischen Element 23 zu erhöhen.
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Aus der
JP 2001 065 461 A ist eine piezoelektrische Membranpumpe bekannt, bei der eine Membran aus einem piezoelektrischen Material und einer elastischen Platte gebildet ist. Eine Mikropumpe, bei der eine Membran an einem über ein piezoelektrisches Element vorstehenden Rand eingespannt ist, ist nicht offenbart.
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Die
EP 14 89 306 A2 und die
US 2005/0244288 A1 offenbaren jeweils Pumpen, bei denen eine Piezostapel zwischen einer Membran und einer Basis vorgesehen ist, um die Membran durch eine Längenänderung des Piezostapels auszulenken.
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Aus der
US 4 430 529 A ist ein piezoelektrischer Lautsprecher bekannt, bei dem eine Membran mit einem darauf angeordneten Piezoelement einen Biegeschwinger darstellt. Der Biegeschwinger ist von beiden Seiten mittig unterstützt, um den Mittelabschnitt stationär zu halten, um akustische Verzerrungen zu verringern.
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Folglich ist es eine Aufgabe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Mikropumpe zu schaffen, die in der Lage ist, eine Verschiebung eines piezoelektrischen Elements effizient als Volumenänderung einer Pumpenkammer zu übertragen, selbst wenn eine Membran aus einem weichen Material gebildet ist, und die eine gute Fluidbeförderungsleistung aufweist.
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Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine piezoelektrische Mikropumpe gemäß Anspruch 1.
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Wenn eine Wechselspannung (Rechteckwellenspannung oder Wechselspannung) an das piezoelektrische Element angelegt ist, erfährt das piezoelektrische Element eine Biegedeformation in einer Plattendickerichtung und die Membran wird durch die Biegedeformation deformiert. Falls die Membran aus einem weichen Material gebildet ist, wird ein Umfangsabschnitt der Membran (Abschnitt, wo das piezoelektrische Element nicht angeordnet ist) in einer Rückwärtsrichtung entgegengesetzt zu dem piezoelektrischen Element gebogen, als eine Folge einer Druckänderung des Fluids, das in die Pumpenkammer gefüllt ist. Somit kann die Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht effizient als die Volumenänderung der Pumpenkammer übertragen werden. Da jedoch die Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements durch das Tragebauglied getragen wird, unterbindet das Tragebauglied das Biegen des Umfangsabschnitts der Membran in der Rückwärtsrichtung und verhindert, dass das piezoelektrische Element gefloatet wird. Folglich kann die Verschiebung des piezoelektrischen Elements zuverlässig als Volumenänderung der Pumpenkammer übertragen werden, wodurch die Fluidbeförderungsleistung verbessert wird.
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Die Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements ist lediglich in Kontakt mit dem Tragebauglied, und durch das Tragebauglied wird keine Beschränkung durch Bonding oder dergleichen geliefert. Das Tragebauglied unterbindet die Biegedeformation des piezoelektrischen Elements nicht und somit kann das piezoelektrische Element effizient angetrieben werden. Es wird angemerkt, dass die Rückoberfläche der Membran gemäß der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche der Membran gegenüber der Pumpenkammer ist, und die Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements eine Oberfläche des piezoelektrischen Elements gegenüber der Pumpenkammer ist.
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Es wird bevorzugt, dass das piezoelektrische Element an einem Mittelabschnitt der Membran befestigt ist, bei diesem Ausführungsbeispiel unterbindet das Tragebauglied jedoch eine Verschiebung des piezoelektrischen Elements zu der Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements, selbst wenn die Membran von dem Mittelabschnitt verschoben ist. Somit ist die Leistung des piezoelektrischen Elements kaum verschlechtert. Außerdem, selbst wenn die Membran bedeutend größer ist als das piezoelektrische Element, ist die Leistung des piezoelektrischen Elements kaum verschlechtert.
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Eine weiche Membran (mit niedrigem Youngschen Modul) kann verwendet werden, und es ist wahrscheinlich, dass eine Pumpaktion erreicht wird durch ein piezoelektrisches Element, das mit einer niedrigen Spannung angetrieben wird.
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Das Tragebauglied kann beispielsweise eine Innenwand eines Gehäuses sein, das die Membran trägt, oder kann ein zusätzliches Bauglied sein, das in dem Gehäuse angeordnet ist. Das Tragebauglied kann aus einem relativ harten Material gebildet sein, ähnlich dem Gehäuse, oder kann aus einem elastischen Bauglied gebildet sein, wie z. B. Gummi. Die Membran kann aus einem organischen Material gebildet sein, wie z. B. Polyimid, ähnlich der bekannten Konfiguration. Alternativ kann die Membran aus jedem elastischen Material gebildet sein, wie z. B. Gummi oder Elastomer. Außerdem kann die Membran alternativ auch eine Metallplatte sein. Ein weiches elastisches Material mit einem Youngschen Modul von 20 MPa oder kleiner und einer Dicke von 100 μm oder kleiner ist wünschenswert.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Tragebauglied ein flaches Bauglied sein, das einen gesamten Bereich der Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements in einem Nichtantriebszustand trägt. In diesem Fall trägt das Tragebauglied eine Rückoberfläche eines äußeren Umfangsabschnitts oder Rückoberflächen von beiden Endabschnitten des piezoelektrischen Elements, wenn das piezoelektrische Element deformiert ist, um sich zu der Pumpenkammer hin auszubeulen, während das Tragebauglied eine Rückoberfläche eines Mittelabschnitts des piezoelektrischen Elements trägt, wenn das piezoelektrische Element deformiert ist, um sich weg von der Pumpenkammer auszubeulen. Folglich kann die Membran konstant zu der Pumpenkammer hin verschoben werden, unabhängig von der Richtung, in der das piezoelektrische Element deformiert ist, und somit kann das Volumen der Pumpenkammer verringert werden. Folglich kann das Fluid in der Pumpenkammer zuverlässig ausgepumpt werden, und die Fluidbeförderungsleistung kann verbessert werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Element in einer rechteckigen Form gebildet sein, das Tragebauglied kann Rückoberflächen beider Endabschnitte in einer longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements tragen, und ein Raum für die Biegedeformation des piezoelektrischen Elements kann auf einer Rückoberflächenseite eines Mittelabschnitts des piezoelektrischen Elements vorgesehen sein. Die Form des piezoelektrischen Elements kann eine runde Form oder eine rechteckige Form sein. Wenn ein rechteckiges piezoelektrisches Element eine Biegeverschiebung in einem Modus erfährt, in dem beide Endabschnitte in der longitudinalen Richtung (kurze zwei Seiten) des piezoelektrischen Elements als Tragepunkte dienen, kann eine größere Volumenverschiebung erhalten werden, im Vergleich zu einem Fall, in dem ein rundes piezoelektrisches Element Biegeverschiebung in einem Modus erfährt, in dem ein äußerer Umfangsabschnitt des piezoelektrischen Elements als ein Tragepunkt dient. Wenn das rechteckige piezoelektrische Element somit als ein Membranantriebsbetätigungsglied verwendet wird, kann somit eine Pumpeffizienz verbessert werden. Wenn das Tragebauglied die gesamte Fläche der Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements trägt, kann die Membran konstant zu der Pumpenkammer hin verschoben werden, unabhängig von der Richtung, in der das piezoelektrische Element deformiert ist. Die Volumenverschiebung der Pumpenkammer ist jedoch kleiner als in dem Fall, in dem das piezoelektrische Element deformiert ist, um sich weg von der Pumpenkammer auszubeulen. Somit trägt das Tragebauglied die Rückoberflächen beider Endabschnitte in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements. Folglich ist die Membran verschoben, so dass der Mittelabschnitt derselben nach oben gedrückt wird, wenn das piezoelektrische Element deformiert ist, um sich zu der Pumpenkammer hin auszubeulen, während die Membran verschoben ist, so dass der Mittelabschnitt derselben nach unten gezogen wird, wenn das piezoelektrische Element deformiert ist, um sich von der Pumpenkammer weg auszubeulen. In jedem Fall kann eine große Volumenverschiebung erhalten werden. Folglich kann das Volumen der Pumpenkammer periodisch bedeutend variiert werden, wodurch die Pumpeffizienz verbessert wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Element gebildet sein, um kleiner zu sein als eine verschiebbare Region der Membran, und die Membran kann einen Rand in einem gesamten Umfangsabschnitt der Membran aufweisen, der außerhalb des piezoelektrischen Elements angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element nicht an dem Rand angeordnet ist. Wenn das piezoelektrische Element eine Größe aufweist, die äquivalent ist zu derjenigen der verschiebbaren Region der Membran, hat die Membran beinahe keinen Rand. Wenn somit das piezoelektrische Element verschoben wird, wird eine übermäßige große Kraft teilweise an die Membran angelegt; dadurch kann die Verschiebung des piezoelektrischen Elements begrenzt werden. Im Gegensatz dazu, wenn das piezoelektrische Element kleiner ist als die verschiebbare Region der Membran und die Membran den Rand außerhalb des piezoelektrischen Elements hat, kann der Rand der Membran frei ausgedehnt oder zusammengezogen werden, wenn das piezoelektrische Element verschoben wird. Somit ist die Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht begrenzt. Folglich kann das piezoelektrische Element frei eine Biegeverschiebung erfahren, und die Pumpeffizienz kann verbessert werden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das piezoelektrische Element auf das Diagramm oberflächengebondet sein. Da die Membran bewegt wird, während die Membran eng auf dem piezoelektrischen Element befestigt ist, kann in diesem Fall die Verschiebung des piezoelektrischen Elements zuverlässig zu der Membran übertragen werden. Außerdem kann das piezoelektrische Element daran gehindert werden, sich frei in einer Links-Rechts-Richtung zu bewegen. Ein Haftmittel kann ein elastisches Haftmittel sein, wie z. B. ein Siliziumhaftmittel oder ein Urethanhaftmittel. Selbst wenn das piezoelektrische Element leicht von dem Mittelabschnitt der Membran verschoben ist, beeinträchtigt die Verschiebung die Pumpeffizienz nicht ernsthaft.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Zwischenraum zwischen der Membran und dem Tragebauglied in einer Dickerichtung kleiner sein als eine Dicke des piezoelektrischen Elements, und das piezoelektrische Element kann durch die Elastizität der Membran an das Tragebauglied gedrückt werden. Das piezoelektrische Element kann vorher an das Tragebauglied gedrückt werden und durch die Elastizität der Membran gehalten werden. Da das piezoelektrische Element und das Tragebauglied sicher in Kontakt miteinander sind, kann das Volumen der Pumpenkammer durch die Biegedeformation des piezoelektrischen Elements zuverlässig geändert werden. Wie es oben beschrieben ist, wenn das piezoelektrische Element vorher an das Tragebauglied gedrückt wird und durch die Elastizität der Membran gehalten wird, müssen das piezoelektrische Element und die Membran nicht aneinander gebondet sein. Wenn das piezoelektrische Element und die Membran nicht aneinander gebondet sind, kann das piezoelektrische Element ohne Begrenzung durch die Membran frei verschoben werden. Folglich kann das piezoelektrische Element mit einer niedrigen Spannung effizient angetrieben werden. Wenn das piezoelektrische Element und die Membran nicht aneinander gebondet sind, kann das piezoelektrische Element von der Membran in einer Ebenenrichtung verschoben werden. Somit kann das Tragebauglied vorzugsweise einen Umfangswandabschnitt aufweisen, der die Position einer äußeren Umfangsoberfläche des piezoelektrischen Elements regelt, mit einem vorbestimmten Zwischenraum dazwischen angeordnet. In diesem Fall kann verhindert werden, dass das piezoelektrische Element verschoben wird, und der Umfangswandabschnitt begrenzt die Verschiebung des piezoelektrischen Elements nicht. Somit kann das piezoelektrische Element effizient angetrieben werden.
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Vorteile
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Da das Tragebauglied die Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements trägt, unterbindet das Tragebauglied mit der vorliegenden Erfindung eine Verschiebung des Umfangsabschnitts der Membran, wie es oben beschrieben wurde. Das Tragebauglied verhindert somit, dass das piezoelektrische Element floatet. Folglich kann die Verschiebung des piezoelektrischen Elements zuverlässig übertragen werden als die Volumenänderung der Pumpenkammer, wodurch die Fluidbeförderungsleistung verbessert wird.
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Beste Modi zum Ausführen der Erfindung
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Hierin nachfolgend werden die besten Modi zum Ausführen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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1 bis 4 zeigen eine piezoelektrische Mikropumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Mikropumpe P dieses Ausführungsbeispiels umfasst eine untere Platte 1, ein piezoelektrisches Element 2, eine Membran 3, einen Rahmen 4 und eine obere Platte 5. Diese Komponenten sind gegenseitig geschichtet und gebondet.
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Die untere Platte 1 ist beispielsweise aus einer Glasepoxidplatte oder einem Harzmaterial gebildet. Eine rechteckige Ausnehmung 1a, die als eine Vibrationskammer dient, ist an einem Mittelabschnitt der unteren Platte 1 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel, obwohl es später beschrieben ist, dient eine untere Wand 1a 1 der Ausnehmung 1a als ein Tragebauglied. Die untere Wand 1a 1 ist in Kontakt mit einer Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements 2 und trägt das piezoelektrische Element 2. Zwei Tore 1b und eine Mehrzahl von Durchganglöchern 1c sind an einer unteren Oberfläche der Ausnehmung 1a gebildet. Anschlussleitungen 2a des piezoelektrischen Elements 2 werden von den Toren 1b geleitet. Die Durchgangslöcher 1c bewirken, dass die Vibrationskammer der Luft ausgesetzt wird. Die Ausnehmung 1a hat eine Tiefe äquivalent zu oder etwas kleiner als die Dicke des piezoelektrischen Elements 2.
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Das piezoelektrische Element 2 hat eine rechteckige Form und ist in der Ausnehmung 1a untergebracht. Die Außenabmessung des piezoelektrischen Elements 2 ist kleiner als die Innenabmessung der Ausnehmung 1a. Wenn das piezoelektrische Element 2 in der Ausnehmung 1a untergebracht ist, sind vorbestimmte Zwischenräume δ (siehe 3) zwischen vier Seiten des piezoelektrischen Elements 2 und inneren Rändern der Ausnehmung 1a vorgesehen. Die Zwischenräume δ entsprechen den Breiten von Rändern 3a der Membran 3. Die Membran 3 kann an den Rändern 3a ausreichend ausgedehnt werden, wenn das piezoelektrische Element 2 Biegedeformation erfährt. Das piezoelektrische Element 2 dieses Ausführungsbeispiels ist ein bekanntes keramisches piezoelektrisches Element vom bimorphen Typ. Das piezoelektrische Element 2 weist Elektroden an einer unteren Oberfläche desselben auf. Die beiden Anschlussleitungen 2a sind mit den Elektroden verbunden. Ansprechend auf das Anlegen eines Rechteckwellensignals oder eines Wechselstromsignals an die Anschlussleitungen 2a wird das piezoelektrische Element 2 in einen Biegemodus vibriert, in dem beide Endabschnitte in einer longitudinalen Richtung (kurze zwei Seiten) des piezoelektrischen Elements 2 als Tragepunkte dienen, und ein Mittelabschnitt in der longitudinalen Richtung desselben als ein maximaler Verschiebungspunkt dient. Alternativ kann das piezoelektrische Element 2 ein piezoelektrisches Element vom unimorphen Typ sein.
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Die Membran 3 ist aus einem elastischen Lagematerial gebildet, wie z. B. Gummi, Elastomer oder weiches Harz. Die Membran 3 hat eine Form äquivalent zu derjenigen der unteren Platte 1. Ein Haftmittel wird auf eine gesamte Oberfläche einer Rückoberfläche oder eine Oberfläche nahe der Vibrationskammer der Membran 3 aufgebracht. Wenn die Membran 3 fest auf der unteren Platte 1 befestigt ist, in der das piezoelektrische Element 2 untergebracht ist, ist die Membran 3 oberflächengebondet auf das piezoelektrische Element 2 und ist auf eine obere Oberfläche der unteren Platte 1 gebondet, in einem Bereich, der nicht durch die Ausnehmung 1a besetzt ist.
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Der Rahmen 4 ist beispielsweise aus einer Glasepoxidplatte oder einem Harzmaterial gebildet. Der Rahmen 4 hat eine rechteckige Rahmenform, um eine Pumpenkammer 6 zu definieren. Ein Seitenwandabschnitt 4a zum Bilden eines Einlassdurchgangs 7 ist außerhalb einer Oberfläche von einer der kurzen Seiten des Rahmens 4 vorgesehen. Ein Seitenwandabschnitt 4b zum Bilden eines Auslassdurchgangs 8 ist außerhalb einer Oberfläche von einer der langen Seiten des Rahmens 4 vorgesehen. Ein Einlasstor 4c ist an einer Seitenwand zwischen dem Inneren des Rahmens 4 (Pumpenkammer) und dem Einlassdurchgang 7 gebildet. Ein Prüfventil 10 ist an einer Pumpenkammerseite des Einlasstors 4c befestigt. Ein Prüfventil 10 erlaubt es nur Flüssigkeit, in die Pumpenkammer 6 zu fließen. Ein Auslasstor 4d ist an einer Seitenwand zwischen der Innenseite des Rahmens 4 (Pumpenkammer) und dem Auslassdurchgang 8 gebildet. Ein Prüfventil 11 ist an der Auslassdurchgangsseite des Auslasstors 4d befestigt. Das Prüfventil 11 erlaubt es nur Flüssigkeit, von der Pumpenkammer 6 ausgelassen zu werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Prüfventile 10 und 11 aus einer elastischen Lage gebildet, beispielsweise aus Gummi, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Eine untere Oberfläche des Rahmens 4 ist auf eine obere Oberfläche der Membran 3 gebondet.
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Die obere Platte 5 ist beispielsweise aus einer Glasepoxidplatte oder einem Harzmaterial gebildet. Die obere Platte 5 ist auf eine obere Oberfläche des Rahmens 4 gebondet. Durch Bonden der oberen Platte 5, sind die Pumpenkammer 6, der Einlassdurchgang 7 und der Auslassdurchgang 8 zwischen der oberen Platte 5 und der Membran 3 definiert. Röhren 9a und 9b sind jeweils mit dem Einlassdurchgang 7 und dem Auslassdurchgang 8 verbunden. Der Einlassdurchgang 7 und der Auslassdurchgang 8 sind jeweils mit einem Flüssigkeitsversorgungsabschnitt und einem Flüssigkeitsauslassabschnitt (nicht gezeigt) über die Röhren 9a und 9b verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Röhren 9a und 9b Siliziumröhren.
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5 zeigt schematische Diagramme zum Beschreiben eines Betriebs der oben beschriebenen Mikropumpe P. Teil (a) stellt einen Nichtantriebszustand oder einen Spannungsschaltzustand dar, Teil (b) stellt einen Zustand dar, wo das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen, und Teil (c) stellt einen Zustand dar, wo das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen.
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Teil (a) von 6 stellt eine Wechselspannung dar, die an das piezoelektrische Element 2 angelegt ist. Wenn beispielsweise Wechselspannungen von +V und –V abwechselnd angelegt werden, wird das piezoelektrische Element 2 deformiert, um sich in einer halben Periode von +V nach oben auszubeulen, wie es in Teil (b) von 5 gezeigt ist, während das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich in einer halben Periode von –V nach unten auszubeulen, wie es in Teil (c) von 5 gezeigt ist. Wenn die Spannung geschaltet wird, wird das piezoelektrische Element 2 zu einer flachen Form wiederhergestellt, wie es in Teil (a) gezeigt ist, und somit ist die Membran 3 zu einer flachen Form wiederhergestellt. Es wird angemerkt, dass die Richtung der Spannung und die Richtung der Deformation des piezoelektrischen Elements 2 von der Polarisierungsrichtung des piezoelektrischen Elements 2 abhängen. Somit kann das piezoelektrische Element 2 deformiert werden, um sich in einer halben Periode von +V nach unten auszubeulen, während das piezoelektrische Element 2 deformiert werden kann, um sich in einer halben Periode von –V nach oben auszubeulen, auf umgekehrte Weise.
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Wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen, wird ein Mittelabschnitt der Membran 3 zu der Pumpenkammer 6 hin verschoben, und die Membran 3 pumpt die Flüssigkeit in die Pumpenkammer 6 aus. Zu diesem Zeitpunkt wird die Membran 3 nicht in der umgekehrten Richtung weg von der Pumpenkammer 6 gebogen, obwohl die Membran 3 durch einen Druck der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 6 in einer umgekehrten Richtung gedrückt wird, da beide Endabschnitte in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 2 in Kontakt mit der unteren Wand 1a 1 der Ausnehmung 1a der unteren Platte 1 sind, und durch die untere Wand 1a 1 getragen werden. Somit kann die Membran 3 effizient die Flüssigkeit hinauspumpen. Da die Ränder 3a mit den Breiten δ an den vier Seiten der Membran 3 vorgesehen sind, werden die Ränder 3a, die beiden Endabschnitten in einer Kurzseitenrichtung (zwei lange Seiten) des piezoelektrischen Elements 2 entsprechen, ausgedehnt, wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen. Folglich kann das piezoelektrische Element 2 große Biegedeformation erfahren, ohne dass die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 beschränkt ist. Wenn im Gegensatz dazu das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen, ist der Mittelabschnitt in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 2 in Kontakt mit der unteren Wand 1a 1 der Ausnehmung 1a der unteren Platte 1. Somit sind beide Endabschnitte des piezoelektrischen Elements 2 erhöht, ein Umfangsabschnitt der Membran 3 ist zu der Pumpenkammer 6 hin verschoben, und somit pumpt die Membran 3 die Flüssigkeit aus in die Pumpenkammer 6. Zu diesem Zeitpunkt sind die Ränder 3a, die beiden Endabschnitten in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 2 (zwei kurze Seiten) entsprechen, und die Ränder 3a, die beiden Endabschnitten in der Kurzseitenrichtung des piezoelektrischen Elements 2 (zwei lange Seiten) entsprechen, ausgedehnt. Folglich kann das piezoelektrische Element 2 Biegedeformation erfahren, ohne dass die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 beschränkt ist.
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Teil (b) von 6 stellt eine Änderung bei der Auslassflussrate der Mikropumpe P dar. Wie es oben beschrieben ist, da das piezoelektrische Element 2 konstant bewirkt, dass die Membran 3 zu der Pumpenkammer 6 hin verschoben wird, unabhängig von der Richtung, in der das piezoelektrische Element 2 deformiert wird, wird die Flüssigkeit in kurzen Intervallen von der Pumpenkammer 6 ausgelassen, und somit kann die Flüssigkeit im Wesentlichen kontinuierlich von der Pumpenkammer 6 ausgelassen werden. Die Auslassflussrate, wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen, ist größer als die Ladungsflussrate, wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen. Folglich treten der Auslass mit einer großen Flussrate und Auslass mit einer kleinen Flussrate abwechselnd auf, wie es in Teil (b) von 6 gezeigt ist.
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Wenn bei der Mikropumpe mit der oben beschriebenen Konfiguration die Größe der Pumpenkammer 6 25,5 mm × 12,5 mm × 1,6 mm ist, und eine Rechteckwellenspannung mit ±5 V bei 17 Hz an das piezoelektrische Element 2 angelegt wurde, um das piezoelektrische Element 2 zu treiben, wurden eine Auslassflussrate von 6,4 μl/s und ein Pumpendruck von 350 Pa erhalten.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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7 stellt ein bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel, bei dem ein Zwischenraum H zwischen der Membran 3 und der unteren Wand 1a 1 der Ausnehmung der unteren Platte 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kleiner eingestellt ist als eine Dicke T des piezoelektrischen Elements 2. In diesem Fall kann das piezoelektrische Element 2 an die untere Wand 1a gedrückt werden und durch die Elastizität der Membran 3 gehalten werden. Somit müssen das piezoelektrische Element 2 und die Membran 3 nicht aneinander gebondet werden. Das piezoelektrische Element 2 und die Membran 3 können jedoch aneinander gebondet sein.
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Wenn das piezoelektrische Element 2 und die Membran 3 nicht aneinander gebondet sind, kann das piezoelektrische Element 2 eine Biegedeformation freier erfahren als im Vergleich zu dem Fall, wo beide Komponenten aneinander gebondet sind. Somit kann eine große Verschiebung erhalten werden. Dies kann eine Pumpeffizienz erhöhen.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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8 stellt ein bevorzugtes drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Teil (a) von 8 stellt einen Nichtantriebszustand oder einen Spannungsschaltzustand dar, Teil (b) von 8 stellt einen Zustand dar, wo das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen, und Teil (c) von 8 stellt einen Zustand dar, wo das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Blöcke (Tragebauglieder) 1d an der Ausnehmung 1a der unteren Platte 1 vorgesehen. Die Blöcke 1d tragen beide Endabschnitte in der longitudinalen Richtung, nämlich zwei kurze Seiten des piezoelektrischen Elements 2. Das piezoelektrische Element 2 ist lediglich auf den Blöcken 1d platziert, und wird nicht an die Blöcke 1d gebondet. Die Blöcke 1d können einstückig gebildet sein mit der unteren Platte 1, oder können als zusätzliche Bauglieder auf der unteren Platte 1 befestigt sein. Ein Vibrationsraum 1e ist zwischen den Blöcken 1d vorgesehen. Das piezoelektrische Element 2 ist in dem Vibrationsraum 1e frei deformierbar.
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Wie es oben beschrieben ist, werden beide Endabschnitte in der longitudinalen Richtung des piezoelektrischen Elements 2 durch die Blöcke 1d getragen, so dass das piezoelektrische Element 2 in der Vibrationskammer erhöht ist. Wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen, wie es in Teil (b) gezeigt ist, drückt das piezoelektrische Element 2 folglich die Membran 3 beinahe an einen Mittelabschnitt derselben nach oben, um das Volumen der Pumpenkammer 6 zu verringern. Somit kann die Flüssigkeit in der Pumpenkammer 6 ausgepumpt werden. Wenn im Gegensatz dazu das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen, wie es in Teil (c) gezeigt ist, wird das piezoelektrische Element 2 verschoben, so dass die Membran 3 nach unten gezogen wird. Da der Vibrationsraum 1e zwischen den Blöcken 1d vorgesehen ist, kann ein Mittelabschnitt des piezoelektrischen Elements 2 deutlich nach unten verschoben werden. Die Membran 3 wird gleichzeitig durch die Abwärtsverschiebung des piezoelektrischen Elements 2 verschoben, so dass das Volumen der Pumpenkammer 6 erhöht werden kann. Somit kann die Flüssigkeit in die Pumpenkammer 6 gesaugt werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Flüssigkeit in die Pumpenkammer 6 gesaugt werden, wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach unten auszubeulen, während die Flüssigkeit in der Pumpenkammer 6 ausgelassen werden kann, wenn das piezoelektrische Element 2 deformiert ist, um sich nach oben auszubeulen. Wenn das piezoelektrische Element eine Aufwärts- oder Abwärtsbiegeverschiebung in einem Biegemodus erfährt, tragen die Blöcke 1d fortlaufend beide Endabschnitte des piezoelektrischen Elements 2. Somit floatet das piezoelektrische Element 2 nicht, und die Verschiebung des piezoelektrischen Elements 2 kann effektiv als eine Volumenänderung der Pumpenkammer 6 übertragen werden. Mit einer solchen Mikropumpe dieses Ausführungsbeispiels, anders als des ersten Ausführungsbeispiels, kann das Biegen des piezoelektrischen Elements 2 in der umgekehrten Richtung weg von der Pumpenkammer 6 effektiv verwendet werden. Somit kann die Auslassflussrate der Pumpe erhöht werden und die Pumpeffizienz kann verbessert werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das piezoelektrische Element 2 ein piezoelektrisches Element vom bimorphen Typ. Das piezoelektrische Element dieses Typs erfährt Biegeverschiebung äquivalent in beiden Richtungen, wenn eine Wechselspannung angelegt ist. Alternativ kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element verwendet werden, das nur deutlich in eine Richtung verschoben werden kann. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel hängt die Auslassrate von der Deformation des piezoelektrischen Elements 2 zum Ausbeulen nach oben ab. Falls somit ein piezoelektrisches Element verwendet wird, das nur überwiegend nach oben verschoben werden kann, kann die Pumpeffizienz verbessert werden. Das piezoelektrische Element, das in der Lage ist, überwiegend nur in eine Richtung verschoben zu werden, wird durch eine Schichtstruktur erhalten, in der eine obere und eine untere Schicht asymmetrisch zu einer Zwischenschicht sind. Selbst mit einer Schichtstruktur, in der eine obere und eine untere Schicht symmetrisch sind, kann ein piezoelektrisches Element alternativ nur in eine Richtung deutlich verschoben werden, falls eine positive Spannung, die anzulegen ist, und eine negative Spannung, die anzulegen ist, asymmetrisch sind und eine große Spannung nur an entweder die obere oder die untere Schicht angelegt wird. Falls als weitere Alternative beide Strukturen kombiniert werden, kann eine weitere große Verschiebung erhalten werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das rechteckige piezoelektrische Element verwendet. Ein quadratisches oder kreisförmiges piezoelektrisches Element kann jedoch verwendet werden. Es wird angemerkt, dass das rechteckige piezoelektrische Element eine größere Volumenverschiebung erreicht als das quadratische oder kreisförmige piezoelektrische Element. Somit kann das rechteckige piezoelektrische Element eine kleine hoch effiziente Mikropumpe realisieren.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dient die untere Platte, die das Gehäuse definiert, als das Tragebauglied zum Tragen der Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements. Das Tragebauglied kann jedoch ein zusätzliches Bauglied sein, das von dem Gehäuse getrennt ist. In diesem Fall ist das Material des Tragebauglieds nicht auf ein hartes Material begrenzt, und kann ein weiches Material sein, wie z. B. elastisches Gummi. Ferner ist das Gehäuse nicht auf eines beschränkt, das die untere Platte, den Rahmen und die obere Platte umfasst, wie es in 2 gezeigt ist. Das Gehäuse kann jede Struktur haben, solange die Pumpenkammer durch die Membran isoliert ist, und das Tragebauglied zum Tragen der Rückoberfläche des piezoelektrischen Elements kann vorgesehen sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine piezoelektrische Mikropumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht, die die piezoelektrische Mikropumpe in 1 zeigt.
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3 ist ein longitudinaler Querschnitt, der die piezoelektrische Mikropumpe in 1 zeigt.
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4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in 3.
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5 stellt Querschnitte dar, die schematisch einen Betrieb der piezoelektrischen Mikropumpe in 1 zeigen, wobei Teil (a) einen Nichtantriebszustand zeigt, Teil (b) einen Nach-Oben-Ausbeulungszustand zeigt, Teil (c) einen Nach-Unten-Ausbeulungszustand zeigt.
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6 stellt in Teil (a) den Wechselstrom dar, der an das piezoelektrische Element anzulegen ist, und in Teil (b) eine Änderung bei der Auslassflussrate der Mikropumpe.
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7 ist ein schematischer Querschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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8 stellt Querschnitte dar, die schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei Teil (a) einen Nichtantriebszustand zeigt, Teil (b) einen Nach-Oben-Ausbeulungszustand zeigt und Teil (c) einen Nach-Unten-Ausbeulungszustand zeigt.
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9 stellt Querschnitte eines Beispiels einer bekannten Mikropumpe dar, wobei Teil (a) einen Nichtantriebszustand zeigt und Teil (b) einen Zustand zeigt, wo ein piezoelektrisches Element deformiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- P
- Mikropumpe
- 1
- untere Platte
- 1a
- Ausnehmung (Vibrationskammer)
- 1a1
- untere Wand (Tragebauglied)
- 1d
- Block (Tragebauglied)
- 2
- piezoelektrisches Element
- 3
- Membran
- 3a
- Rand
- 4
- Rahmen
- 5
- obere Platte
- 6
- Pumpenkammer
- 7
- Einlassdurchgang
- 8
- Auslassdurchgang
- 10, 11
- Prüfventil
