EP0310605A1 - Piezoelectrically operated fluid pump - Google Patents

Piezoelectrically operated fluid pump

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Publication number
EP0310605A1
EP0310605A1 EP87903244A EP87903244A EP0310605A1 EP 0310605 A1 EP0310605 A1 EP 0310605A1 EP 87903244 A EP87903244 A EP 87903244A EP 87903244 A EP87903244 A EP 87903244A EP 0310605 A1 EP0310605 A1 EP 0310605A1
Authority
EP
European Patent Office
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membrane
layer
piezoelectrically
piezoelectrically excitable
excitable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87903244A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Heinzl
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

La pompe de fluide décrite servant à produire des pressions comprend une membrane excitable électriquement et constituée d'une première couche à excitation piézoélectrique et d'une couche protectrice solidement liée à cette dernière. La membrane possède une région périphérique à excitation piézoélectrique et une région centrale à excitation piézoélectrique, ces régions étant excitées de telle manière que, pour provoquer une orientation de la membrane, celle-ci est raccourcie par contraction transversale dans sa région périphérique et agrandie dans sa région centrale.The fluid pump described for producing pressures comprises an electrically excitable membrane and consisting of a first layer with piezoelectric excitation and a protective layer firmly bonded to the latter. The membrane has a peripheral region with piezoelectric excitation and a central region with piezoelectric excitation, these regions being excited in such a way that, to cause an orientation of the membrane, the latter is shortened by transverse contraction in its peripheral region and enlarged in its central region.

Description

Piezoelektrisch betriebene FluidpumpePiezoelectrically operated fluid pump
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drücken und Volumenströmen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for generating pressures and volume flows according to the preamble of claim 1.
Piezoelektrisch betriebene Antriebselemente zum Erzeugen von Drücken, insbesondere als Antriebselemente in Tintenschreibern sind allgemein bekannt. So wird in der DE-OS 21 64 614 eine Anordnung an Schreibwerken zum Schreiben mit farbiger Flüssigkeit auf Papier beschrieben, bei der über ein piezoelektrisch betriebenes Antriebselement eine in einer Tintenkammer befindliche Flüssigkeit aus einer Schreibdüse ausgestoßen wird. Die Volumenverähderung in der Kammer wird durch eine elektrisch angesteuerte Piezokeramik bewirkt, die auf einer Metallplatte sitzt und die sich in die Kammer hineinwölbt. Das verwendete Piezoantriebselement besteht aus einer durchgehend polarisierten Piezokeramikschicht, die auf einer Metallplatte angeordnet ist, wobei die Metallplatte als Gegenelektrode dient. Wenn ein geeigneter Spannungsimpuls angelegt wird, zieht sich die Piezokeramik zusammen. Da die Keramik auf einer Metallplatte befestigt ist, wirkt sich auf diese Platte ein Biegemoment aus. Das hat zur Folge, daß sich der Mittelteil der Platte in die Flüssigkeitskammer hineinwölbt.Piezoelectrically operated drive elements for generating pressures, in particular as drive elements in ink pens, are generally known. For example, DE-OS 21 64 614 describes an arrangement of writing mechanisms for writing with colored liquid on paper, in which a liquid located in an ink chamber is ejected from a writing nozzle via a piezoelectrically operated drive element. The volume change in the chamber is brought about by an electrically controlled piezoceramic which sits on a metal plate and which bulges into the chamber. The piezo drive element used consists of a continuously polarized piezoceramic layer, which is arranged on a metal plate, the metal plate serving as a counter electrode. When a suitable voltage pulse is applied, the piezoceramic contracts. Since the ceramic is attached to a metal plate, a bending moment affects this plate. As a result, the central part of the plate bulges into the liquid chamber.
Die Längenänderungen, die man direkt piezoelektrisch erzeugen kann, sind verschwindend klein. Sie sind außerdem begrenzt durch die elektrischen Feldstärken, die man an der Keramik anlegen darf, ohne daß dies zu Durch- oder Überschlägen führt. Weiters dürfen die angelegten Feld- stärken nicht zu einer Umpolarisation führen, sie müssen außerdem über entsprechende Ansteuerschaltkreise schaltbar sein.The changes in length that can be generated directly piezoelectrically are negligibly small. They are also limited by the electric field strengths that can be applied to the ceramic without causing breakdowns or arcing. Furthermore, the field strengths do not lead to a polarization reversal, they must also be switchable via appropriate control circuits.
Es ist deshalb üblich eine Spannung von ca. 200 V nicht zu überschreiten. Die Feldstärke sollte dabei kleiner sein als ein Volt je Mikrometer in Gegenrichtung zur Polarisation. Die Abstände zwischen Elektroden an Luft sollten außerdem nicht kleiner als 1 μm/V sein. Die direkten Längenänderungen, die auf diese Weise erzielbar sind, sind damit rund 1 % . oder etwa 0,2 μm bei einer Schichtdicke von 200 μm, vorausgesetzt, die Keramik ist durch und durch aktiv und nicht etwa durch eine Brennhaut teilweise inaktiv.It is therefore common not to exceed a voltage of approx. 200 V. The field strength should be less than one volt per micron in the opposite direction to the polarization. The distances between electrodes in air should also not be less than 1 μm / V. The direct changes in length that can be achieved in this way are thus around 1%. or about 0.2 μm with a layer thickness of 200 μm, provided the ceramic is thoroughly active and not partially inactive due to a burning skin.
Derartige Brennhäute lassen sich bisher nur bei im Stapel gesinterten Keramikfolien vermeiden, wenn man den Rand der innen im Stapel liegenden Folien sowie die außenliegenden Folien entfernt. Bei diesem Verfahren läßt sich die mechanische Bearbeitung der Karamik und damit die Gefahr von Mikrorissen auf ein Minimum und auf den Rand begrenzen. Die übrigen Oberflächen können ohne Nachbearbeitung so benutzt werden, wie sie aus dem Brennofen kommen.Until now, such kilns have only been able to be avoided with ceramic films sintered in the stack if the edge of the films lying inside the stack and the outside films are removed. With this method, the mechanical processing of the ceramic and thus the risk of microcracks can be limited to a minimum and to the edge. The other surfaces can be used as they come out of the kiln without reworking.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden bzw. anzusteuern, daß sich ein möglichst großer Hub ergibt.The object of the invention is to design or control a device of the type mentioned in the introduction in such a way that the greatest possible stroke results.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst .This object is achieved in a device of the type mentioned at the outset according to the characterizing part of the first claim.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Dadurch, daß die Membran einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich und einen piezoelektrisch anregbrren zentralen Bereich aufweist, die derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich verlängert wird, ergibt sich ein besonders großer Hub. Dieser Hub ist das Ergebnis der Ausnutzung von zwei Wirkungen, nämlich der Ausnutzung der Querkontraktion in der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbarter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch die Querkontraktion läßt sich der Hub der Membran durch Verringerung der Schichtdicken und Vergrößerung der Längenabmessungen steigern.In that the membrane excites a piezoelectrically excitable peripheral region and a piezoelectrically has central area, which are controlled such that the membrane is shortened in its peripheral area by transverse contraction and lengthened in its central area to produce a membrane deflection, there is a particularly large stroke. This stroke is the result of the exploitation of two effects, namely the exploitation of the transverse contraction in the ceramic itself and the curvature of the bond between adjacent layers, which expand differently. The cross-contraction can increase the stroke of the membrane by reducing the layer thickness and increasing the length dimensions.
Eine besonders vorteilhafte Kraftwirkung ergibt sich, wenn man die Membranbereiche konzentrisch zueinander anordnet, so daß sie sich bei der Anregung warzenartig auswölben. Diese warzenartige Auswölbung stellt die kleinste und kompakteste geometrische Form dar, die von einer ebenen Schicht ausgeht und einen Hohlraum erweitert und schließt. Sie ist rotationssymmetrisch um eine Flächennormale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht. An der Übergangslinie ändert sich der benötigte Krümmungszustand. Entsprechend sind die Elektroden so angeordnet bzw. die entsprechenden Membranbereiche so polarisiert und über die Elektroden angesteuert, daß sich der periphere Bereich (Kreisring) verkürzt, der zentrale Bereich dagegen verlängert.A particularly advantageous force effect is obtained if the membrane regions are arranged concentrically with one another, so that they bulge out like warts when excited. This wart-like bulge represents the smallest and most compact geometric shape, which starts from a flat layer and widens and closes a cavity. It is rotationally symmetrical about a surface normal and leaves the plane in a toroidal fillet which merges into a lenticular spherical section. The required state of curvature changes at the transition line. Accordingly, the electrodes are arranged or the corresponding membrane areas are polarized and controlled via the electrodes in such a way that the peripheral area (circular ring) is shortened, but the central area is lengthened.
Der Rand der Membran verändert bei Auslenkung seine Lage nicht, wewegen er fest eingespannt werden kann. Die Biegelinie entspricht im wesentlichen einer Auslenkung unter Innendruck.The edge of the membrane does not change its position when deflected, because of which it can be firmly clamped. The bending line essentially corresponds to a deflection under internal pressure.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere einzeln unabhängig voneinander aktivierbare Membranen auf einer gemeinsamen Substratfläche angeordnet, wobei die Ansteuerleitungen für die einzelnen Membranen über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche führen, damit bei der Ansteuerung über diese Ansteuerleitungen keine unerwünschten piezoelektrischen Effekte auftreten.In a further advantageous embodiment of the invention, a plurality of membranes which can be activated independently of one another are arranged on a common substrate surface, the drive lines for the individual ones Guide membranes over unpolarized areas of the substrate surface so that no undesired piezoelectric effects occur when controlled via these control lines.
Um den Hub noch weiter zu vergrößern, kann anstelle der Stützschicht eine weitere piezoelektrische anregbare Schicht angeordnet sein, die jeweils in entgegengesetzter Richtung zu der ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht polarisiert ist. Damit ergibt sich nahezu eine Verdoppelung des Hubes.In order to increase the stroke even further, a further piezoelectric excitable layer can be arranged instead of the support layer, which is polarized in the opposite direction to the first piezoelectric excitable layer. This almost doubles the stroke.
Mit dem erfindungsgemäßen Antriebselement läßt sich eine besonders wirksame und einfach ansteuerbare Pumpeinrichtung erzeugen. Dazu sind drei miteinander über einenA particularly effective and easily controllable pump device can be produced with the drive element according to the invention. For this, three are together with one another
Pumpkanal verbundene Membranen angeordnet, die derart zusammenwirken, daß eine erste Membran als Einlaßventil dient, eine zweite Membran dem veränderlichen Hohlraum zugeordnet ist und eine dritte Membran als Auslaßventil dient.Pump channel connected membranes arranged so that a first membrane serves as an inlet valve, a second membrane is assigned to the variable cavity and a third membrane serves as an outlet valve.
Eine derartig ausgebildete statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern und einem veränderlichen Hohlraum läßt sich z. B. von einem künstlichen Herzen verwenden oder als Schmierstoffhydraulikpumpe zur Erzeugung von hohen Drücken. Die gesamte Vorrichtung läßt sich einfach ansteuern und trotz hoher erzielbarer Drücke klein ausbilden.Such a static pump with two controllable gate valves and a variable cavity can, for. B. from an artificial heart or as a lubricant hydraulic pump for generating high pressures. The entire device can be controlled easily and can be made small despite the high pressures that can be achieved.
Weiters ist es möglich, die Vorrichtung als akustische Wandlereinrichtung in Lautsprechern oder als Drucksensor zu verwenden.It is also possible to use the device as an acoustic transducer device in loudspeakers or as a pressure sensor.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Vergleichsdarstellung zwischen der Verformung einer Membranplatte unter Innendruck und einer Membranplatte mit aufgeprägter Wölbung,Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below, for example. Show it 1 is a schematic comparison illustration between the deformation of a membrane plate under internal pressure and a membrane plate with an embossed curvature,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Membran im ausgelenkten Zustand,2 a membrane according to the invention in the deflected state,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Membran im unerregten Zustand,3 shows a membrane according to the invention in the unexcited state,
Fig. 4 eine statische Pumpe aus drei miteinander verbundenen Membranen in Draufsicht,4 shows a static pump from three interconnected membranes in plan view,
Fig. 5 eine statische Pumpe gemäß Fig. 4 im Querschnitt,5 shows a static pump according to FIG. 4 in cross section,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung undFig. 6 is a schematic representation of the layer structure of the device according to the invention and
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Schreibkopfes für eine Tintenschreibeinrichtung mit einer Vielzahl auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Membranen als Schreibdüsen.7 shows a schematic illustration of a writing head for an ink writing device with a plurality of membranes arranged on a common substrate as writing nozzles.
Ein planarer Wandler aus Piezokeramik wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, besteht aus einer piezoelektrisch anregbaren durchgehend in eine Richtung polarisierten Schicht 1 aus Piezokeramik und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht 2, z. B. aus Nickel. Diese so gebildete elektrisch ansteuerbare Membran wird über entsprechende Elektroden 3, 4 angesteuert, wobei die Stützschicht 2 als durchgehende Masseelektrode dient und die eigentlichen Ansteuerelektroden aus einer peripheren Ansteuerelektrode 3 und einer zentralen Ansteuerelektrode 4 bestehen. Diese eigentlichen Ansteuerelektroden 3 und 4 definieren konzentrisch zueinander angeordnete Membranen in Form von Kreisflächen bzw. Kreisringflachen. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden 3 und 4 wölbt sich die Membran in Arbeitsrichtung in der in Fig. 2 dargestellten Form, wenn die Kreisringelektrode 3 mit ihrem erzeugten elektrischen Feld zu einer Kontraktion der Piezokeramikschicht 1 im Bereich der Ringelektrode 3 führt und im Bereich derA planar transducer made of piezoceramic as shown in FIGS. 2 and 3 consists of a piezoelectrically excitable layer 1 made of piezoceramic which is polarized continuously in one direction and a support layer 2, e.g. B. made of nickel. This electrically controllable membrane formed in this way is controlled via corresponding electrodes 3, 4, the support layer 2 serving as a continuous ground electrode and the actual control electrodes consisting of a peripheral control electrode 3 and a central control electrode 4. These actual control electrodes 3 and 4 define membranes arranged concentrically to one another in the form of circular surfaces or circular ring surfaces. By appropriate control of the electrodes 3 and 4, the membrane bulges in the working direction in the form shown in FIG. 2 when the circular ring electrode 3 with its generated electric field leads to a contraction of the piezoceramic layer 1 in the area of the ring electrode 3 and in the area of the
Elektrode 4 es zu einer Dehnung der Piezokeramikschicht 1 kommt.Electrode 4 there is an expansion of the piezoceramic layer 1.
Dies wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert.This is explained in more detail below with reference to FIG. 1.
Die kleinste und kompakteste geometrische Form, die von einer ebenen Schicht ausgeht, nur schwache Krümmungen benötigt und einen Hohlraum erweitert und schließt, ist eine Warze oder eine domartige Auswölbung. Eine derartige Form ist rotationssymmetrisch um eine Flächennormale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht.The smallest and most compact geometric shape, which starts from a flat layer, requires only slight curvatures and widens and closes a cavity, is a wart or a dome-like bulge. Such a shape is rotationally symmetrical about a surface normal and leaves the plane in a toroidal fillet which merges into a lenticular spherical section.
Eine derartige Idealform läßt sich nun dadurch erzeugen, daß man eine ebene elastische Membran einem gleichmäßigenSuch an ideal shape can now be produced by making a flat elastic membrane uniform
Innendruck aussetzt. Damit ergibt sich die auf der linkenSeite der Fig. la dargestellte Form mit dem in der Fig. lb dargestellten Neigungsverlauf und einem Krümmungsverlauf gemäß Fig. lc, wobei die Abszisse dem Radius der Membranfläche zugeordnet ist.Internal pressure interrupts. This results in the shape shown on the left-hand side of FIG. 1 a with the slope profile shown in FIG. 1 b and a curvature profile according to FIG. 1 c, the abscissa being assigned to the radius of the membrane surface.
Um diese ideale Warzenform zu erreichen, sind nun erfindungsgemäß die Ansteuerelektroden 3 und 4 in Verbindung mit der piezoelektrisch anregbaren Schicht 1 und der Stützschicht 2, die als Masseelektrode dient, so ausgebildet, daß sich näherüngsweise diese Idealform bei der Auslenkung ergibt.In order to achieve this ideal wart shape, the drive electrodes 3 and 4 are now designed according to the invention in connection with the piezoelectrically excitable layer 1 and the support layer 2, which serves as a ground electrode, such that this ideal shape approximately results in the deflection.
Zu diesem Zweck ist die kreisförmige Außenelektrode 3 im äußeren Krümmungsbereich der Membran angeordnet und wird mit einem derartigen elektrischen Feld beaufschlagt, daß sich die piezoelektrische Schicht in diesem Krümmungsbe- reich zusammenzieht. Die konzentrisch dazu angeordnete Innenelektrode 4 wiederum wird mit einem derartigen Feld beaufschlagt, daß sich der zentrale Bereich der Piezokeramikschicht 1 ausdehnt. Damit werden zwei Effekte gleichzeitig ausgenutzt, nämlich die Querkontraktion der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbarter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Der Krümmungsradius, bis zu dem sich ebene Schichten derartig verwölben lassen, liegt etwa bei 0,1 m bis 0,4 m, je nachdem wie dünn man die Schichten fertigen kann. Das Verhältnis der Elektrodenflächen zueinander ist nun so dimensioniert, daß sich näherungsweise der gewünschte Verlauf in Fig. la ergibt. Dies ergibt eine Neigung gemäß Fig. lb mit zugehöriger Krümmung Fig. lc (rechte Seite Fig. 1).For this purpose, the circular outer electrode 3 is arranged in the outer curvature region of the membrane and is subjected to an electrical field such that the piezoelectric layer is in this curvature area. draws together richly. The inner electrode 4, which is arranged concentrically thereto, is in turn subjected to a field such that the central region of the piezoceramic layer 1 expands. This exploits two effects at the same time, namely the transverse contraction of the ceramic itself and the curvature of the bond between adjacent layers, which expand differently. The radius of curvature up to which flat layers can be warped in this way is approximately 0.1 m to 0.4 m, depending on how thin the layers can be made. The ratio of the electrode areas to one another is now dimensioned such that the desired profile in FIG. This results in an inclination in accordance with FIG. 1b with the associated curvature in FIG. 1c (right side in FIG. 1).
Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, läßt sich mit einem derartigen planaren Wandler aus Piezokeramik eine statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern SE und SA und einem veränderlichen Hohlraum H ausbilden. Zu diesem Zwecke sind auf einer durchgehenden Substratfläche 1 die drei Membranen SE, H, SA ausgebildet. In einer das Substrat A mit seiner zugehörigen Stützschicht 2 tragenden Trägerschicht T ist ein Pumpkanal P ausgebildet. Dieser Pumpkanal P steht mit einem Fluidvorrat V (Fig. 4) in Verbindung. In dem Pumpkanal ist im Bereich des Einlaßventiles SE eine Querrippe Q ausgeformt, an die sich im unerregten Zustand die Membran aus Piezokeramik 1 und Stützschicht 2 anlegt und damit den Kanal verschließt. Im angeregten Zustand der Membran entsprechend der Fig. 2 hebt sich die Membran warzenförmig ab und öffnet damit den Kanal P.As shown in FIGS. 2 to 5, such a planar piezo ceramic transducer can be used to form a static pump with two controllable gate valves SE and SA and a variable cavity H. For this purpose, the three membranes SE, H, SA are formed on a continuous substrate surface 1. A pump channel P is formed in a carrier layer T carrying the substrate A with its associated support layer 2. This pump channel P is connected to a fluid supply V (FIG. 4). A transverse rib Q is formed in the pump channel in the area of the inlet valve SE, against which the diaphragm made of piezoceramic 1 and support layer 2 bears in the unexcited state and thus closes the channel. In the excited state of the membrane according to FIG. 2, the membrane lifts off in a wart-like manner and thus opens the channel P.
Derselbe Aufbau wie beim Einlaßventil SE mit der Querrippe Q ergibt sich beim Auslaßventil SA mit der dortigen Querrippe Q. In dem Pumpkanalabschnitt mit in der Mitte erweiterten Hohlraumbereich PH zwischen dem Einlaßventil SE und dem Auslaßventil SA befindet sich die eigentliche als Pumpe dienende Membran H, die entsprechend den Membranen der Einlaßventile SE und SA aufgebaut ist. Eine derartig aufgebaute Pumpe wie in den Fig. 4 und 5 läßt sich nun in vorteilhafter Weise z. B. über einen Dreiphasendrehstrom ansteuern und zwar dadurch, daß mit einer ersten Phase in einem Pumpschritt zunächst das Einlaßventil SE geöffnet wird, daß dann durch die Auslenkung der Membran H (2. Phase) Fluid aus dem Vorrat V angesaugt wird und daß dann nach Schließen des Einlaßventiles SE und nach Öffnen des Auslaßventiles SA (3. Phase) durch Betätigung der eigentlichen Pumpmembran H Fluid aus dem Auslaßbereich A ausgestoßen wird.The same structure as in the inlet valve SE with the transverse rib Q is obtained in the outlet valve SA with the transverse rib Q there. In the pump channel section with a cavity region PH widened in the middle between the inlet valve SE and the outlet valve SA is the actual membrane H serving as a pump, which is constructed in accordance with the membranes of the inlet valves SE and SA. A pump constructed in such a way as in FIGS. 4 and 5 can now be used advantageously, for. B. control via a three-phase three-phase current, namely that the inlet valve SE is first opened with a first phase in a pumping step, that fluid is then sucked from the reservoir V by the deflection of the membrane H (2nd phase) and that then after closing of the inlet valve SE and after opening the outlet valve SA (3rd phase), fluid is expelled from the outlet region A by actuation of the actual pump membrane H.
Zum Schließen der Sperrschieber SE, SA ist es auch möglich, diese so anzusteuern, daß ihre Membranen unter Vorspannung den Kanal P verschließen. Damit wird ein besonders dichter Verschluß erreicht. Außerdem ist bei einer Ansteuerung in Arbeitsrichtung aus dieser Vorspannung heraus ein besonders großer Arbeitshub möglich.To close the gate valves SE, SA, it is also possible to control them so that their membranes close the channel P under pretension. A particularly tight seal is thus achieved. In addition, a particularly large working stroke is possible when actuating in the working direction from this pretension.
Je nach Verwendungszweck läßt sich der Pumpkanal auch in anderer Weise ausbilden. So ist es auch möglich, anstelle der Querrippe Q in dem Einlaß- und im Auslaßventil SE und SA kragenformige Öffnungen anzuordnen, wobei der Kragen selbst den Kanal bildet. Die Membranfläche legt sich dann im unerregten Zustand in analoger Weise wie auf die Querrippe auf diesen Kragen auf und verschließt so den Auslaß.Depending on the intended use, the pump channel can also be designed in a different way. So it is also possible to arrange collar-shaped openings instead of the transverse rib Q in the inlet and outlet valves SE and SA, the collar itself forming the channel. The membrane surface then lies in the unexcited state in a manner analogous to that on the transverse rib on this collar and thus closes the outlet.
Auf eine derartige statische Pumpe sind nun vielerlei Verwendungen möglich . So kann entsprechend der Fig . 7 damit ein Tintenschreibkopf aufgebaut werden, bei dem auf einer einzigen Substratfläche 1, z. B. neun Schreibdüsen S1 bis S9 angeordnet sind. Jede dieser Schreibdüsen besteht aus einem Einlaßventil SE, einem veränderlichen Hohlraum H und einem Auslaßventil SA. Die Schreibdüsen S1 bis S9 stehen dabei mit dem Vorratspereich V in Verbindung. Um einen Schreibkopf mit einer größeren Anzahl von Düsen bilden zu können, ist es auch möglich, mehrere Substratflächen mit darauf angeordneten Schreibdüsen übereinander zu packen.Various uses are now possible on such a static pump. So according to Fig. 7 so that an ink writing head can be built in which on a single substrate surface 1, z. B. nine writing nozzles S1 to S9 are arranged. Each of these writing nozzles consists of an inlet valve SE, a variable cavity H and an outlet valve SA. The writing nozzles S1 to S9 are connected to the storage area V. In order to be able to form a write head with a larger number of nozzles, it is also possible to pack several substrate surfaces with write nozzles arranged thereon one above the other.
Bei einem derartigen Tintenschreibkopf sind die Schreibdüsen S1 bis S9 funktioneil vollständig von der Tintenversorgung V getrennt. Damit kann ein mechanischer VerSchluß der Düsen zwischen Schreibkopf und dem eigentlichen vor dem Schreibkopf angeordneten Papier und der Antrieb dieses Verschlusses entfallen, da die eigentlichen Tintenkanäle durch die Auslaßventile SA geschlossen sind, solange diese Auslaßventile SA nicht angesteuert werden. Ein Übersprechen zwischen den Düsen entfällt, da beim eigentlichen Spritzvorgang keine Fließverbindung besteht. Die Spritzvorgänge werden dabei nicht durch die Reflexion im eigentlichen Spritzkanal und nicht durch das Übersprechen von Nachbardüsen begrenzt, sondern nur durch die Eigenwerte der einzelnen Wandlerelemente. Durch statisches Pumpen lassen sich Luftblasen aus dem Tintenkanal P entfernen und leere Kanäle lassen sich dabei elektrisch gesteuert füllen.In such an ink writing head, the writing nozzles S1 to S9 are functionally completely separated from the ink supply V. A mechanical closure of the nozzles between the write head and the actual paper arranged in front of the write head and the drive of this closure can thus be omitted, since the actual ink channels are closed by the outlet valves SA as long as these outlet valves SA are not activated. Crosstalk between the nozzles is eliminated since there is no flow connection during the actual spraying process. The spraying processes are not limited by the reflection in the actual spraying channel and not by the crosstalk from neighboring nozzles, but only by the intrinsic values of the individual transducer elements. Static pumping removes air bubbles from the ink channel P and empty channels can be filled in an electrically controlled manner.
Die beschriebenen statischen Pumpen lassen sich auch zur Versorgung von Schmierstoffen in Lagern verwenden, da die erreichten Drücke sehr hoch sind. Weiters ist es möglich, derartige Pumpen im Bereich der Medizin zum Transport von Blut und anderen Gewebsflüssigkeiten zu verwenden.The static pumps described can also be used to supply lubricants in bearings, since the pressures reached are very high. It is also possible to use such pumps in the field of medicine for the transport of blood and other tissue fluids.
Die Membran allein wiederum läßt sich in einer akustischen Wandlereinrichtung z. B. als Hochtonlautsprecher verwenden. Weiterhin kann eine derartige Vorrichtung als Drucksensor dienen, wobei die durch den Druck auftretende Auslenkung eine an den Elektroden 3 und 4 abgreifbare Spannung verursacht. Wie in der Fig. 6 dargestellt, läßt sich ein sogenannter steuerbarer Sperrschieber, z. B. ein Einlaßventil SE, ein Auslaßventil SA oder der steuerbare Hohlraum H in einfacher Weise herstellen. Zu diesem Zwecke wird als Substrat eine dünne Schicht aus Piezokeramik verwendet, auf der die erforderliche Struktur z. B. des Tintenschreibkopfes galvanoplastisch aufgebaut wird. Die Piezokeramikschicht 1 wird zu diesem Zwecke vor dem galvanoplastischen Aufbau polarisiert und geprüft. Danach werden auf der Piezokeramikschicht 1 auf ihrer einen Seite Ansteuerelektroden 3 und 4, z. B. aus Silber oder Gold fotolithographisch galvanisch strukturiert und auf ihrer anderen Seite die Stützschicht 2 galvanisch aufgebracht. Auf dieser als Masseelektrode dienenden Stützschicht wird dann im Bereich der Warzen Aluminium (ALU) aufgedampft, das später zwischen den umgebenden Metallschichten herausgeätzt werden kann und so ermöglicht, daß sich die Warze vom Steg Q zwischen den Kanälen löst. Es folgt der galvanische Aufbau der Kanalstruktur in den Lücken eines Photoresist, das Auffüllen der Kanäle mit einer gegen die Kanalwand W ätzbaren Füllung und das Aufbringen der Trägerschicht T. Auf der Rückseite der Keramik kann auch außerhalb der Elektroden eine weitere Stützschicht SS aufgebracht werden, die ein Verwerfen des Verbundes bei Temperaturänderung verhindert. Hier lassen sich auch Strukturen zumThe membrane in turn can be used in an acoustic transducer device such. B. use as a tweeter. Furthermore, such a device can serve as a pressure sensor, the deflection occurring as a result of the pressure causing a voltage which can be picked up at the electrodes 3 and 4. As shown in Fig. 6, a so-called controllable gate valve, for. B. an inlet valve SE, an outlet valve SA or the controllable cavity H in a simple manner. For this purpose, a thin layer of piezoceramic is used as the substrate on which the required structure z. B. the ink writing head is galvanoplastic. For this purpose, the piezoceramic layer 1 is polarized and tested before the galvanoplastic structure. Thereafter, control electrodes 3 and 4, z. B. of silver or gold is structured photolithographically and the support layer 2 is applied galvanically on its other side. Aluminum (ALU) is then vapor-deposited on this support layer, which serves as the ground electrode, which can later be etched out between the surrounding metal layers and thus enables the wart to detach from the web Q between the channels. This is followed by the galvanic structure of the channel structure in the gaps of a photoresist, the filling of the channels with a filling that can be etched against the channel wall W and the application of the carrier layer T. On the back of the ceramic, a further supporting layer SS can also be applied outside the electrodes prevents warping of the composite when the temperature changes. Structures can also be found here
Verbinden und zum Kontaktieren der Elektroden unterbringen, da die Keramik nur im Bereich der Warzen polarisiert ist. Für die Dicke der einzelnen Schichten ergeben sich folgende ungefähre Werte: Piezokeramikschicht (1) 200 μm; Elektroden (3, 4) 10 μm, Silber bzw. Gold; Stützschicht (2) 100 μm, Nickel; zusätzliche Stützschicht (SS) 100 μm, Nickel; Zwischenlage (ALU) Aluminium 0,2 μm; Stärke des Pumpkanales (Wände W) 50 μm, Nickel; und Trägerschicht (T) 100 μm, Nickel.Connect and accommodate to contact the electrodes as the ceramic is polarized only in the area of the warts. The approximate values for the thickness of the individual layers are as follows: piezoceramic layer (1) 200 μm; Electrodes (3, 4) 10 μm, silver or gold; Support layer (2) 100 μm, nickel; additional support layer (SS) 100 μm, nickel; Intermediate layer (ALU) aluminum 0.2 μm; Pump channel thickness (walls W) 50 μm, nickel; and carrier layer (T) 100 μm, nickel.
12 Patentansprüche 7 Figuren 12 claims 7 figures

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Drücken und Volumenströmen mit einer elektrisch ansteuerbaren Membran aus einer ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht (1) und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membran einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich (3) und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich (4) aufweist, die derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich (3) durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich (4) verlängert wird.1. Device for generating pressures and volume flows with an electrically controllable membrane from a first piezoelectrically excitable layer (1) and a support layer (2) firmly connected to this excitable layer, characterized in that the membrane has a piezoelectrically excitable peripheral region (3) and has a piezoelectrically excitable central region (4) which is controlled in such a way that, in order to generate a membrane deflection, the membrane is shortened in its peripheral region (3) by transverse contraction and extended in its central region (4).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die piezoelektrisch anregbare, durchgehend in einer Richtung polarisierte Schicht (1) auf ihrer einen Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer anderen Seite eine dem Peripheriebereich zugeordnete erste Ansteuerelektrode (3) und eine dem zentralen Bereich zugeordnete zweite Ansteuerelektrode (4) aufweist, wobei der Peripheriebereich und der Zentralbereich zum Ansteuern mit uhterschiedlichen elektrischen Feldern beaufschlagt werden.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the piezoelectrically excitable, continuously polarized in one direction layer (1) on one side a continuous ground electrode (2) and on the other side of the peripheral region associated with a first drive electrode (3) and one Has a second control electrode (4) assigned to the central area, the peripheral area and the central area being actuated with different electrical fields.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die piezoelektrisch anregbare Schicht (1) auf ihrer einen3. Device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piezoelectrically excitable layer (1) on its one
Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer anderen Seite eine gemeinsame Ansteuerelektrode aufweist, wobei die peripheren Bereiche und der Zentralbereich unterschiedlich polarisiert sind.Side has a continuous ground electrode (2) and on the other side a common drive electrode, the peripheral regions and the central region being polarized differently.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die die aktivierbaren Bereiche der Membran (3, 4) konzentrisch zueinander angeordnet sind, so daß sie sich bei Anregung domartig auswölben.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the the activatable areas of the membrane (3, 4) are arranged concentrically to one another so that they bulge out like domes when excited.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere einzeln unabhängig voneinander aktivierbare Membranbereiche auf einer gemeinsamen Substratfläche angeordnet sind.5. Device according to one of claims 1 to 4, that a plurality of membrane regions are arranged individually on a common substrate surface.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ansteuerleitungen für die einzelnen Membranbereiche über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche führen.6. The device according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the control lines for the individual membrane areas lead over unpolarized areas of the substrate surface.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anstelle der Stützschicht (2) eine weitere piezoelektrisch anregbare Schicht angeordnet ist, die jeweils in entgegengesetzter Richtung zur ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht polarisiert ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, so that a further piezoelectrically excitable layer is arranged instead of the support layer (2), each of which is polarized in the opposite direction to the first piezoelectrically excitable layer, instead of the supporting layer (2).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung als statische Pumpe mit zwei steuerbaren8. Device according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the device as a static pump with two controllable
Sperrschiebern (SE, SA) und einem veränderlichen Hohlraum (H) ausgebildet ist, wobei drei miteinander verbundene Membranen derart. zusammenwirken, daß eine erste Membran als Einlaßventil (E) dient, eine zweite Membran dem veränderlichen Hohlraum (H) zugeordnet ist und eine dritte Membran als Auslaßventil (SA) dient.Gate valves (SE, SA) and a variable cavity (H) is formed, with three interconnected membranes such. cooperate that a first membrane serves as an inlet valve (E), a second membrane is assigned to the variable cavity (H) and a third membrane serves as an outlet valve (SA).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung als akustische Wandlereinrichtung dient.9. Device according to one of claims 1 to 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the device serves as an acoustic transducer device.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dab die vorrichtung als Drucksensor ausgebildet ist.10. The device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the device is designed as a pressure sensor.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen Membranbereiche über die einzelnen Phasen einer Drehstromquelle angesteuert werden.11. The device according to claim 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the individual membrane areas are controlled via the individual phases of a three-phase source.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Membran derart angesteuert wird, daß sie sich entgegen ihrer Arbeitsrichtung auswölbt und so unter Vorspannung anliegt. 12. The device according to one of claims 1 to 11, d a d u r c h g e k e n n e e c h n e t that the membrane is controlled so that it bulges against its working direction and so bears under tension.
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