JP2004517240A - 圧電アクチュエータおよびそれを用いたポンプ - Google Patents

Abstract

圧電アクチュエータ（１４）の製造方法が該アクチュエータを用いた小型ダイヤフラムポンプ（１０）と共に開示されている。本発明の目的は、小型ダイヤフラムポンプやその他の用途において使用でき、先行技術のアクチュエータより小型で、製造が簡単であり、しかも同様のサイズを有する公知の装置より一桁分大きい力と変位を提供するアクチュエータである。ポンプ（１０）は、新規の一方向弁（２００）と小型ドライバ回路（１８）と共に、新規のアクチュエータを組み込んでいる。ポンプは、小型コンピュータの水冷システムや他の流体システムにおいて直接応用されるものである。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、２０００年９月１８日に提出された米国仮特許出願番号６０／２３３２４８の特典を主張するものである。
本発明は、強誘電性アクチュエータ、および原動機としてこのアクチュエータを用いる小型ダイヤフラムポンプの製造の分野に関する。最良の形態では、アクチュエータは圧電式である。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に対する先行技術は、下記のようにグループ分けすることができる。
Ｉ．圧電アクチュエータのプレストレッシング（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｉｎｇ）型またはドーム型圧電アクチュエータ、またはその両方を示している米国特許第５４７１７２１号、第５６３２８４１号、第５８４９１２５号、第６１６２３１３号、第６０４２３４５号、第６０６０８１１号および第６０７１０８７号（特許文献１、２、３、４、５、６および７参照。）。本発明は、プレストレスされた圧電アクチュエータまたはドーム型圧電アクチュエータを使用していないので、これらの先行技術は概して適切ではない。
【０００３】
ＩＩ．いわゆるマイクロポンプを示している米国特許第６１７９５８４号、第６２１３７３５号、第５２７１７２４号、第５７５９０１５号、第５８７６１８７号および第６２２７８０９号（特許文献８、９、１０、１１、１２および１３参照。）。これらのポンプは、力が弱く、低いレイノルズ数のために、概して一度に一滴の流体しかポンプでくみ上げないので、これらの先行技術は概して適切ではない。
【０００４】
ＩＩＩ．フラッパ弁を示している米国特許第４０３４７８０号および第４０９５６１５号（特許文献１４および１５参照。）。これらの特許は別々の蝶番に装着されたフラッパに関する。小型ポンプを備えた屈曲弁（ｆｌｅｘ ｖａｌｖｅ）を示す先行技術は見出せなかった。
【０００５】
ＩＶ．金属や他の材料を薄膜に接着することを含む、種々の目的用のポリイミド接着剤の使用を示す米国特許第５０８４３４５号、第４８５９５３０号、第３９３６３４２号および第５０４９４２１号（特許文献１６、１７、１８および１９参照。）。
【０００６】
Ｖ．圧電アクチュエータ用の電気ドライバ回路を示す米国特許第４９３９４０５号および第５９４５７６８号（特許文献２０および２１参照。）。
【０００７】
ＶＩ．圧電アクチュエータを組み込んだ種々のポンプを示す米国特許第６２２７８２４号、第６０３３１９１号、第６１０９８８９号およびドイツ国際特許出願ＷＯ８７／０７２１８（特許文献２２、２３、２４および２５参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５４７１７２１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５６３２８４１号明細書
【特許文献３】
米国特許第５８４９１２５号明細書
【特許文献４】
米国特許第６１６２３１３号明細書
【特許文献５】
米国特許第６０４２３４５号明細書
【特許文献６】
米国特許第６０６０８１１号明細書
【特許文献７】
米国特許第６０７１０８７号明細書
【特許文献８】
米国特許第６１７９５８４号明細書
【特許文献９】
米国特許第６２１３７３５号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５２７１７２４号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５７５９０１５号明細書
【特許文献１２】
米国特許第５８７６１８７号明細書
【特許文献１３】
米国特許第６２２７８０９号明細書
【特許文献１４】
米国特許第４０３４７８０号明細書
【特許文献１５】
米国特許第４０９５６１５号明細書
【特許文献１６】
米国特許第５０８４３４５号明細書
【特許文献１７】
米国特許第４８５９５３０号明細書
【特許文献１８】
米国特許第３９３６３４２号明細書
【特許文献１９】
米国特許第５０４９４２１号明細書
【特許文献２０】
米国特許第４９３９４０５号明細書
【特許文献２１】
米国特許第５９４５７６８号明細書
【特許文献２２】
米国特許第６２２７８２４号明細書
【特許文献２３】
米国特許第６０３３１９１号明細書
【特許文献２４】
米国特許第６１０９８８９号明細書
【特許文献２５】
国際公開ＷＯ８７／０７２１８号パンフレット
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は高変位強誘電体アクチュエータに関し、この場合、圧電アクチュエータの作製方法に関する。この圧電アクチュエータは、小型ダイヤフラムポンプ内のダイヤフラムとして使用することができる。このポンプは、小型軽量で、静かであり、効率的である。最良の形態である、直径約４０ｍｍ［１．５”］、厚さ約１３ｍｍ［０．５”］、重量約３５ｇ［１オンス］の丸型ポンプは、１分あたり４５０ミリリットル以上の水または他の流体を汲み上げることができる。このポンピング速度は、約２５ｍｍ［１”］平方の小型電子ドライバ回路を通して、２５ｍａ駆動で６ボルトの電池を使用して達成される。この回路は、本発明の一部を形成する。本発明の操作に必要な一方向弁は屈曲弁（ｆｌｅｘ ｖａｌｖｅ）であり、ポリイミドの薄膜が作用要素として機能する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、小型ダイヤフラムポンプにおいて本発明の圧電アクチュエータがどのように使用されるかを示している。ポンプ１０は概して円形の短いシリンダの形態であり、ポンプ本体１２と、圧電アクチュエータ１４と、ポンプカバー１６と圧電アクチュエータ電子ドライバ回路１８とを含む。ポンプ本体１２は、ポンプを基板に装着するための突出部２０を有する。入口２２と出口２４は、ポンプ本体１２の一部であるが、そうでなければポンプ本体に固定される別の部品であってもよい。ポンプカバー１６は本質的にポンプ本体１２と同じ直径を有し、同じ材質のものである。通常その材質は、アセタール［ＤＥＬＲＩＮ（登録商標）］、ＰＶＣまたはＰＣ等の標準的なプラスチック、またはステンレス鋼または黄銅等の金属である。これらの材料は、機械加工が容易であるか、または熱成形できるので好ましい。ポンプ本体１２およびカバー１６が型締等により圧縮されている間に、カバー１６は、速硬性接着剤による等のいずれかの手段によってポンプ本体１２に固定できる。ポンプカバーは、アクチュエータ１４上の空間を通気するための開口部２６を有している。
【００１１】
ポンプの寸法は、特定の用途次第で異なる。最良の形態では、ポンプ本体１２は直径約４０ｍｍ［１．５”］である。ポンプ室３０は、例えば成形または機械加工によって、ポンプ本体１２の中心に形成される。ポンプ室３０は、直径が約２８ｍｍ［１．１２５”］であるか、または圧電アクチュエータ１４の直径より約３ｍｍ［１／８”］小さい直径である。ポンプ室３０は約６ｍｍ［０．２５”］の深さである。幅約３ｍｍ［０．１２５”］で深さ約２ｍｍ［０．０７０”］の座部３２が、ポンプ本体１２内のポンプ室３０の上部に設けられている。図２に示すように、圧電アクチュエータ１４が座部３２の上に装着され、ポンプ室３０の上部にダイヤフラムを形成する。
【００１２】
ポンプを組み立てるために、圧電アクチュエータと同じ直径のシーリングワッシャ３４が座部３２の上に置かれ、圧電アクチュエータ１４を定位置に配置した時ポンプ室を密封する。シーリングワッシャ３４は、係合表面内の凸凹を考慮して、アクチュエータ１４とポンプ本体１２の間の良好なシールを保証するために、ブナＮ（Ｂｕｎａ−Ｎ）またはシリコンゴム等の比較的柔らかな材料のものであってよい。一旦圧電アクチュエータ１４が定位置に置かれると、圧電アクチュエータ１４を定位置に保持し、カバー１６から密封するために、圧電アクチュエータ１４の上にＯリングシール３６が置かれる。ポンプ本体１２の基部と同じ直径であるが、約１／８”だけの厚さのカバー１６が定位置に置かれる。シーリングワッシャ３４およびＯリングシール３６は、両方ともポンプ本体１２に対してアクチュエータ１４を定位置に固定する付加的な機能を有するが、集合的にポンプシールと称する。次に、例えばクランプ圧力下で接着剤により圧縮されている間に、カバー１６を本体１２に固定し、本体１２に対して圧電アクチュエータ１４をシールし、アクチュエータ１４を定位置に固定して、ポンピング作用を可能にする。
【００１３】
圧電アクチュエータ１４の作製プロセスは概して下記の通りである。
モルガン電子セラミックス（Ｍｏｒｇａｎ Ｅｌｃｔｒｏ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）社から入手できるＰＺＴ５Ａ等の多結晶強誘電材料で形成される圧電ウエハ３８が得られる。この名称が示すように、この材料は実際にセラミックである。図２に示すように、金属基板層４０と外部金属層４２の間に圧電ウエハ３８を積層することによって、この材料を高変位圧電アクチュエータ１４内に加工するが、図２では、明瞭さのためにこれら三層の厚さおよびそれらの間の接着剤の厚さを過大に示している。層３８と４０の間の接着剤４１は、ポリイミド接着剤である。この積層プロセスは幾つかの事を成し遂げる。つまり、高変位の間、圧電体が割れるのを金属層が防止するので、圧電アクチュエータ１４の耐久性を高める。ポリイミド接着剤の比較的低い誘電率のために、より高い電圧を可能にし、それによって従来の圧電アクチュエータより３〜５倍高い変位を許容する。高性能ポリイミド接着剤を使用して金属層間に積層されるので、圧電アクチュエータが高い耐衝撃性と耐振動性を有するようになる。従来の圧電アクチュエータでは単に１１５℃であるのに対して、本発明では、連続して２００℃にもなる熱い環境において圧電アクチュエータ装置を使用できる。かなりの温度上昇は、接着プロセスにおいて使用される、２００℃までの温度に影響されないポリイミド接着剤によるものである。従来の圧電アクチュエータにおいて使用されているエポキシ接着剤は、通常１１５℃までの温度にしか耐えられない。この操作温度の上昇により、本発明のポンプを種々のポンプの用途において使用できるようになり、沸騰した水を連続的に汲み上げることもできるようになる。
【００１４】
圧電ウエハ３８は、上記の業者から様々な形状および厚さで入手できる。本発明においては、直径２５ｍｍ［１”］で厚さが０．２ｍｍ［０．００８”］の円形ウエハが最適であることが見出されている。正方形のウエハも試してみたが、最大変位をもたらさなかった。概して、ウエハが薄くなればなるほど、所定の電圧における変位が大きくなるが、力も低くなる。０．２ｍｍ［８ｍｉｌ］の厚さがこの直径のウエハに対して最良の流量を与える。
【００１５】
最良の形態において、ポンプで汲み上げられる液体と接触する層である基板層４０用に０．１ｍｍ［０．００４”］厚さのステンレス鋼を使用する。ステンレス鋼を選んだのは、水を含む多くの液体との適合性と、その耐疲労性と、その電気伝導率と、低価格で容易に入手可能であることによる。０．０５ｍｍ［０．００１”］厚さのアルミニウムを外部層４２用に使用するが、それも主として表面全体に作動電圧を圧電ウエハ３８に伝達する際の電気伝導率によるものであるが、更にその強靭性と低価格で入手可能であることにもよる。
【００１６】
上記のように、圧電ウエハ３８の直径は約２５ｍｍ［１”］であり、基板層４０の直径は約４０ｍｍ［１．２５”］である。基板層４０の縁からのウエハ３８のセットバックが、本発明の重要な特徴である。これは、アクチュエータアッセンブリのためにクランプ表面として作用するリムを残存させる。これは、圧電ウエハ３８が基板４０と外部層４２とに接着されていることを除いて、圧電ウエハ３８全体が自由であり、相対的に拘束されていないことを意味する。これによって、アクチュエータ１４の最大変位が可能となり、ポンプを通る液体の最大流量を保証する。
【００１７】
外部層４２の直径はウエハ３８の直径より小さい。ウエハ３８の縁からの外部層４２のセットバックは、外部層４２から基板層４０への駆動電圧のアーク発生を防止するためである。
【００１８】
上記の要件を満たす限り、他の材料および厚さも包囲層４０、４２用に使用できる。
【００１９】
特記すべきことは、本発明の圧電アクチュエータが平らであることである。先行技術のアクチュエータの多くがドーム形状であるが、アクチュエータの最大変位に対して、従ってまた、所定サイズのアクチュエータ用ポンプの最大効率に対して、この形状が必要であると思われる。必要であると考えられるアクチュエータの形状を作り出すために、またはその変位を増大させると考えられるプレストレスをアクチュエータ内に作り出すために、特別な鋳型と方法が急増拡大している。しかし、本発明をテストした結果、ドーム形状は必要ではなく、先行技術における公知のどのポンプよりも、平らなアクチュエータが所定のサイズに対して高いポンプ効率を有していることが示された。そのようなものとして、下記に示されているように、アクチュエータを大量に、またより簡単に製造できる。平らな形状は、所定の用途用にポンプが小型であってよいということを意味する。平らなアクチュエータは、ドーム型アクチュエータよりも、所定の用途において本来装着が容易である。更に、多数の用途に対して、アクチュエータを使用するポンプが十分に長寿命を有することが示されている。名称が一般家庭の言葉となっている多くの製造業者が本発明を使用またはテストしている。
【００２０】
特に圧電アクチュエータ１４の製造方法は下記の通りである。
１．残留物を残さない溶媒、例えばエタノールまたはアセトンを使用して、圧電ウエハ３８および包囲層４０、４２を洗浄する。良好な接着を保証するためには、全ての油分、グリース、ほこりおよび指紋を取り除かなければならない。
【００２１】
２．次に、ランバー社（Ｒａｎｂａｒ Ｉｎｃ．）から入手できるような高性能ポリイミドゲル接着剤の、０．１ｍｍ［０．００５”］以下の厚さの薄層４１を圧電ウエハ３８の両面に塗る。溶媒が除去された後も良好な接着に十分な材料を許容するために、ゲルは最低２５％の固形分を含んでいなければならない。
【００２２】
３．次に、ゲルからほとんどの溶媒を除去し、ポリイミドゲルの重合化プロセスを開始させるために、標準の加熱ランプの下に約５分間圧電ウエハ３８を置く。両面を金属に接着させるので、加熱ランプの下で圧電性物質の両面を硬化させなければならない。
【００２３】
４．一旦触って接着剤が乾くと、圧電ウエハ３８を基板層４０と外部層４２の間に置く。
【００２４】
５．このアッセンブリを特別なプレス具に置く。このプレス具は、特に圧電アクチュエータ１４作製のために開発されたもので、均一な温度と圧力を提供し、アクチュエータの３つの要素間に良好な接着を保証する。図３に示した最良の形態を参照すると、プレス具は各々の縁で計４つのちょうネジ１０２と共に保持された、３００ｍｍ［１２”］平方×６ｍｍ［１／４”］厚さの２枚のアルミニウムプレート１０１を備えている。プレス具に置かれている間均一の圧力を保証するために、プレス具の下部プレート１０１が、宇部興産（Ｕｂｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｌｔｄ．）から入手できるユピレックス（Ｕｐｉｌｅｘ）等の低価格ポリイミドフィルム１０４のシートで被覆されている。圧電アクチュエータ３８をフィルムの上に置き、４ｍｍ［１／８”］厚さのゴム１０６の高温シートを圧電アクチュエータの上に置く。上部のゴムと下部のフィルムが圧電アクチュエータ３８にクッションを与え、プレス具が温度に達すると、均等の圧力分布を提供する。他の寸法のプレス具プレートも可能であることはもちろんである。
【００２５】
６．一旦圧電アクチュエータをプレス具内に置くと、手で可能な限りしっかりとちょうネジ１０２を締める。
【００２６】
７．次に約２００℃で３０分間、標準の対流オーブンにプレス具を置く。
【００２７】
８．オーブンからプレス具を取り出し、安全な温度になるまで冷やし、プレス具からアクチュエータ１４を取り出す。
【００２８】
プレス具１００は、低価格で、圧電アクチュエータの迅速な製造方法を開発しようとする努力の結果である。プレス具は、硬化温度にある間、ポリイミド接着剤が圧電ウエハ３８と金属層４０、４２を接着させるのに必要な圧力を作り出すアルミニウムプレート１０１の熱膨張を利用している。オーブンが温度に達している間に、プレス具をオーブン内に置くことができ、また取り出すことができ、それによって製造プロセス中に連続操作を可能にする。プレス具をオーブンから取り出し、室温に戻している間でさえ、圧電アクチュエータ１４は圧力下にあるので、急激な温度変化により圧電アクチュエータ１４が影響を受けることがない。
【００２９】
特記すべきことは、このプレスプロセスが、更に溶媒を除去し、比較的低温でポリイミドを硬化させるプロセスの１つであることである。同様の圧電アクチュエータを作製するための先行技術のプロセスは、より高い温度まで鋳型とプレス具の温度を上昇させることが必要であり、ポリイミド接着剤を溶かすに十分高い温度である。更に、そのような高い温度は、圧電セラミックをデポール（ｄｅｐｏｌｅ）するので、プロセスの終りに圧電セラミックを再びポール（ｐｏｌｅ）する必要がある。本発明は，このステップを完全に除去するので、圧電アクチュエータの低価格の製造に貢献する。
【００３０】
これらの簡単な方法とハードウエアを使用して、所望の操作規模に応じて、１ヶ月に何十万という、またはそれ以上の圧電アクチュエータ１４を製造することができる。
【００３１】
圧電アクチュエータポンプ１０の原理は、いずれかのダイヤフラムポンプのものと同じである。通常ダイヤフラムポンプ内のダイヤフラムは、モータまたはエンジンに接続されたカムまたはプッシュロッドによって操作される。圧電アクチュエータポンプ１０の場合はそうではない。圧電アクチュエータ１４は、ダイヤフラムとして作用し、包囲層４０、４２によって圧電ウエハ３８全体にパルス電界が印加された時に動作する。この変動する電界によって、圧電アクチュエータ１４が伸縮する。アクチュエータ１４が伸び、その縁が締め付けられるにつれて、アクチュエータの中心がポンプ室３０から離れるので、わずかにドーム形状になる。これによって、入口２２を通って液体がポンプ室３０へと引き寄せられる。圧電アクチュエータ１４が縮むと液体に向かって動作し、出口２４を通ってポンプ室３０から液体を押し出す。
【００３２】
先行技術の圧電アクチュエータが抱える問題の１つは、圧電性物質を駆動するために必要な電圧であった。圧電アクチュエータポンプ１０に電力を提供するために、図４に示す電気ドライバ１８が発明された。これは、６ボルトの直流電源からの電圧をピークピーク値で２００ボルトを超える交流電流に変換する。この電圧は、好ましい実施形態において、上記のポンピング速度を達成するために圧電アクチュエータを駆動するのに十分である。図４の回路において、ポイントＡは基板層４０に接続される一方、ポイントＢは外部層４２に接続されている。
【００３３】
ピークピーク値電圧の均衡が均等に保たれていない場合に、圧電アクチュエータの動作が良くなる。圧電アクチュエータは、マイナス電圧より同じプラスの電圧に対して応答が良い。このように、回路１８はプラスの１５０ボルトとマイナスの５０ボルトの電圧オフセットで、交流電流を作り出すように設計されている。これは、圧電アクチュエータが非常に効率的なポンプを作るのに十分な電圧である。正弦波が使えるが、より低い周波数と電圧では、方形波が圧電をより効率的にする。図４の回路要素の値は下記の通りである。
Ｒ１−８〜２０ ＭΩ Ｃ２−０．１μＦ
Ｒ２−８〜２０ ＭΩ Ｃ３−０．１μＦ［２００ｖ］
Ｒ３−６８０ ＫΩ Ｃ４−０．４７μＦ［２００］
Ｒ４−１ ＭΩ Ｌ１−６８０μＨ
Ｃ１−０．１μＦ Ｄ１−ＢＡＳ２１ダイオード
【００３４】
Ｕ１はエレクトロルミネセンスランプドライバと指定されたＩＭＰ５２８チップである。該チップは、この回路において他の要素と共にパルスを成形し、圧電アクチュエータ１４を駆動するのに必要な２００ボルトのピークピーク値にまでパルスを増幅する働きをする。Ｒ１とＲ２の値は、特定の用途に応じて、約３５Ｈｚと約８５Ｈｚとの間で出力周波数を変化させるために選択される。
【００３５】
この回路は、略２５ｍｍ［１”］平方×６ｍｍ［１／４”］深さの箱３０２内に収めることができるように小型要素で構成されている。それは１１個の既製の面実装要素のみを有している。箱３０２はポンプ１０近辺のどこに装着してもよい。最良の形態では、図１および図２に示すように、箱３０２はポンプの上部に、例えば適切な接着剤によって装着される。導線１５がドライバ回路１８から伸び、ＰＯＧＯ（登録商標）という商標でＥＣＴ社から販売されているもの等、ばね上げしてある接点３０４に固定される。これらの接点３０４は、ポンプカバー１６の上部の箱３０６内に装着され、ポンプカバー１６を突き抜けて突出し、２枚の層４０、４２と接触する。この小型ドライバ回路は、先行技術の圧電アプリケーションにおいて使用されている大きな電力供給および変圧器の必要性を除去する。別には、カバー１６内の開口部を通して導線１５を伸ばし、半田付け等によって層４０、４２に電気的に固定することもできる。Ｏリング３６は基板層４２上のろう接点を収容するのに十分な程度に柔軟である。
【００３６】
圧電アクチュエータポンプ１０用の入口弁および出口弁として、幾つかの従来のタイプの一方向弁を評価した。その全てが、嵩高および圧電アクチュエータ１４の動作特性に対する不十分な応答を含む様々な欠点を有していた。図２に示すように、圧電アクチュエータ１４の動作にうまく適合するインライン屈曲弁２００を発明した。屈曲弁の作用要素は、約０．０５ｍｍ［０．００２”］厚さのポリイミドフィルムの楕円形ディスク２０２である。ディスク２０２は、硬質チューブ２０４の軸に対して約４５°の角度に形成された、硬質チューブ２０４の短片の端と同じサイズおよび同じ形状を有する。硬質チューブ２０４の内径はポンプ本体１２の入口２２および出口２４の内径と同じである。硬質チューブ２０４は、図２に示すように、入口２２および出口２４の上に滑るようにはめ込まれ、システム液を運ぶ柔軟なシステム導管２０６の端で捕えられる。弁ディスク２０２は、接着剤または熱接着等の十分な手段によって、２０３で示される点において、偏向した表面の下端に取り付けられる。同様の屈曲弁２００を出口２４内に配置してもよい。両方の弁の両方のディスク２０２が同じ下流方向を指向するであろう。しかし、ポンプ１０の操作において、出口には如何なる弁も置かない方が全容量で操作することが見出された。入口回路内の液体は、入口弁が部分的に開かれている場合でも、閉じられた入口弁として作用するのに十分な慣性を提供するのだと推論される。入口弁のみでの操作が最良の形態であると考えられる。
【００３７】
この屈曲弁２００は本発明の重要な特徴である。これは絶対的に最小の嵩のものである。ディスク２０２の質量は、アクチュエータ１４の作用に対して急速に反応できるように、できる限り軽いものである。この弁が開かれている時、事実上システムフローに対する如何なる抵抗も示さない。弁は４５°の角度で装着され、完全に開くためにたった４５°の角度を移動すればいいが、一方、流れに対して垂直に装着されたとすれば、その２倍の大きさの角度を移動しなければならないであろう。これは極度に簡略化されたものであり、低価格の材料と低価格の組立のものである。更に、弁２００のどの部分もポンプ室３０内に突出していない。これはポンプ室３０の体積を最小にし、それによってポンプを自吸式にするのを助け、ホンプの効率を高める。これらの特徴に更に貢献しているのは、ポンプが操作されていない時、屈曲弁２００が偏向して閉じられていることである。
【００３８】
図５および図６は本発明のポンプの代替実施形態を示している。図５のポンプは、ポンプ室３０の厚さがシーリングワッシャ３４の厚さにまで減らされている点以外は、本質的に図２のものと同じである。これはポンプの自吸能力を改善する。図６のポンプも最小限の厚さのポンプ室３０を有している。更に、入口２２と出口２４がアクチュエータ１４の平面に対して垂直になっており、この構成はある用途においてより便利であるかもしれない。
【００３９】
図示していないが、更に別の実施形態では、ポンプ本体の下部が、上記の圧電アクチュエータ１４と全く同様に、しかし圧電アクチュエータ１４の鏡像として配置された圧電アクチュエータ１４を備えており、２枚の基板層４０がポンプ室３０をはさんで対向している。
【００４０】
図示していないが、更に別の実施形態では、上記のポンプ２台が１つのポンプ本体内に並んで配置される。アクチュエータと、シールと、一方向弁を入口のみに備えた入口および出口と、ポンプカバーと、ドライバとが１つまたはそれ以上の上記構成内に配置されている。この実施形態の好ましい形態では、ドライバが電気的に直列に配置され、ポンプが配置されるシステムにおいて、ポンプが流体的に並列操作する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、特にコンピュータ内のＣＰＵの水冷用のアプリケーションを有するが、液体を非常に低価格で動かすために、比較的高い流量および最小の消費電力を有する非常に小型のポンプが必要である場合に、より幅広いアプリケーションを有するかもしれない。圧電アクチュエータ自体も、スピーカ、可聴警報、自動車センサ、能動的雑音消去用の音響発生器および加速度計等の他の多くのアプリケーションを有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】
各々の位置にある部品が最良の形態におけるものである本発明のポンプの透視図である。
【図２】
図１の線２−２に沿ったポンプの断面図である。
【図３】
本発明の圧電アクチュエータを作製するのに使用されるプレス具の断面図である。
【図４】
ポンプと共に使用される圧電アクチュエータ用のドライバ回路を示す図である。
【図５】
ポンプ室のサイズが縮小されている本発明の代替態様を示す部分図である。
【図６】
入口と出口がアクチュエータの平面に対して垂直になっている、ポンプの他の代替態様を示す部分図である。

Claims (28)

1. 圧電ウエハから圧電アクチュエータを作製する方法であって、改良が：
   ａ．エタノールまたはアセトン等の、残留物を残さない溶媒を使用して、圧電ウエハ３８および包囲金属層４０、４２を洗浄する。
   ｂ．０．０１ｍｍ［０．００５”］以下の厚さの高性能ポリイミドゲル接着剤４１の薄層を圧電ウエハ３８の両面に塗る。溶媒が除去された後も良好な接着に十分な材料を許容するために、ゲルは最低２５％の固形分を含んでいなければならない。
   ｃ．ゲルからほとんどの溶媒を除去し、ポリイミドゲルの重合化プロセスを開始させるために、標準の加熱ランプの下に約５分間圧電ウエハ３８の両面を置く。
   ｄ．一旦触って接着剤が乾くと、圧電ウエハ３８を金属層４０と４２の間に置き、圧電アクチュエータ１４を形成する。
   ｅ．各々の縁で計４つのちょうネジ１０２と共に保持された、３００ｍｍ［１２”］平方×厚さ６ｍｍ［１／４”］の２枚のアルミニウムプレート１０１を備えたプレス具を組み立てる。ポリイミドフィルム１０４のシートでプレス具の下部プレート１０１を被覆する。多数の圧電アクチュエータ１４をフィルムの上に置き、厚さ３ｍｍ［１／８”］のゴム１０６の高温シートで被覆する。
   ｆ．手で可能な限りしっかりとちょうネジ１０２を締める。
   ｇ．約２００℃で約３０分間、標準の対流オーブンにプレス具１００を置く。
   ｈ．オーブンからプレス具１００を取り出し、安全な温度にまで冷却し、プレス具からアクチュエータ１４を取り出す。
   を含む圧電ウエハ３８から圧電アクチュエータ１４を作製する方法。
2. 流体をポンプで汲み上げるための小型ダイヤフラムポンプ１０であって、改良が、
   ポンプ室３０と、入口２２と、出口２４とを有するポンプ本体１２と、
   ポンプ本体１２用のカバー１６と、
   ポンプ本体１２とカバー１６の間に固定されたダイヤフラムとしての圧電アクチュエータ１４と、
   入口２２と出口２４の一方または両方に置かれた一方向弁２００と、
   ポンプ１０に近接して置かれた圧電アクチュエータ１４用の電気ドライバ回路１８と、
   を含む流体をポンプで汲み上げるための小型ダイヤフラムポンプ１０。
3. 更に、圧電アクチュエータが第１金属の基板層４０と第２金属の外部層４２の間に置かれ、プレス具１００において約２００℃の温度で接着剤４１によって各々の層に接着された圧電セラミック３８の層を備えることを特徴とする請求項２に記載のポンプ１０。
4. 更に、基板層４０がステンレス鋼であり、外部層４２がアルミニウムであることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。
5. 更に、接着剤４１がポリイミドであることを特徴とする請求項４に記載のポンプ。
6. 更に、圧電アクチュエータ１４が平らであることを特徴とする請求項５に記載のポンプ。
7. 更に、プレス具１００が平らなプレートを備えることを特徴とする請求項６に記載のポンプ。
8. 圧電アクチュエータ１４が下記の方法：
   ａ．エタノールまたはアセトン等の、残留物を残さない溶媒を使用して、圧電ウエハ３８および包囲金属層４０、４２を洗浄する。
   ｂ．０．００５”以下の厚さの高性能ポリイミドゲル接着剤４１の薄層を圧電ウエハ３８の両面に塗る。溶媒が除去された後も良好な接着に十分な材料を許容するために、ゲルは最低２５％の固形分を含んでいなければならない。
   ｃ．ゲルからほとんどの溶媒を除去し、ポリイミドゲルの重合化プロセスを開始させるために、標準の加熱ランプの下に約５分間圧電ウエハ３８の両面を置く。
   ｄ．一旦触って接着剤が乾くと、圧電ウエハ３８を金属層４０と４２の間に置き、圧電アクチュエータ１４を形成する。
   ｅ．各々の縁で計４つのちょうネジ１０２と共に保持された、１２”インチ平方×厚さ１／４”の２枚のアルミニウムプレート１０１を備えたプレス具１００を組み立てる。ポリイミドフィルム１０４のシートでプレス具１００の下部プレート１０１を被覆する。多数の圧電アクチュエータ１４をフィルムの上に置き、１／８”の高温ゴムシート１０６で被覆する。
   ｆ．手で可能な限りしっかりとちょうネジ１０２を締める。
   ｇ．約１９５℃で約３０分間、標準の対流オーブンにプレス具１００を置く。
   ｈ．オーブンからプレス具１００を取り出し、安全な温度にまで冷却し、プレス具からアクチュエータ１４を取り出す。
   によって作られることを更に特徴とする請求項７に記載のポンプ。
9. 更に、ポンプ本体１２と、カバー１６と、圧電アクチュエータ１４とが円形であり、カバー１６と圧電アクチュエータ１４の間で圧縮されたＯリング３６によって、圧電アクチュエータ１４がポンプ本体１２とカバー１６間の定位置に保持され、プラスチックのシーリングワッシャ３４が圧電アクチュエータ１４とポンプ本体１２の間に介在することを特徴とする請求項８に記載のポンプ１０。
10. 更に、ポンプ室３０がシーリングワッシャ３４の厚さと同じ深さしかないことを特徴とする請求項９に記載のポンプ１０。
11. 更に、入口２２と出口２４の軸が本質的にポンプ本体１２の側部に対して垂直であることを特徴とする請求項９に記載のポンプ１０。
12. 更に、入口２２と出口２４の軸が本質的に圧電アクチュエータ１４の平面に対して垂直であることを特徴とする請求項９に記載のポンプ１０。
13. 更に、基板層４０がポンプ室３０に面していることを特徴とする請求項１１に記載のポンプ１０。
14. 更に、圧電セラミック層３８の直径が基板層４０の直径より小さく、外部層４２の直径が圧電セラミック層３８の直径より小さいことを特徴とする請求項１３に記載のポンプ１０。
15. 更に、圧縮されたＯリング３６が基板層４０上でのみ作用し、ポンプ本体１２内の定位置に圧電アクチュエータ１４を固定することを特徴とする請求項１４に記載のポンプ１０。
16. 更に、一方向弁２００が、入口２２または出口２４に接続された硬質管材料２０４の長さを備え、硬質管材料２０４の一端が硬質管材料２０４の軸に対して約４５°の角度で偏向した表面を形成し、偏向した表面の下端２０３に固着された、偏向した表面と同じサイズと形状の薄いディスク２０２が、一方向弁２００の作用要素として作用することを特徴とする請求項１５に記載のポンプ１０。
17. 更に、一方向弁２００の作用要素を構成する薄いディスク２０２がポリイミドフィルムで形成されていることを特徴とする請求項１６に記載のポンプ１０。
18. 更に、一方向弁２００が入口２２および出口２４の両方に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のポンプ１０。
19. 更に、一方向弁２００が入口２２のみに配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のポンプ１０。
20. 更に、一方向弁２００の如何なる部品もポンプ室３０内に置かれていないことを特徴とする請求項１９に記載のポンプ１０。
21. 更に、圧電アクチュエータ１４の電気ドライバが６ボルトの直流電源と、６ボルトの直流を、ポンピング状態にまで圧電アクチュエータ１４を駆動するのに十分である交流電圧に変換する回路１８とを備えることを特徴とする請求項２０に記載のポンプ１０。
22. 更に、請求項２１に記載のポンプであって、電気ドライバは図４の回路１８を備え：
    ポイントＡは圧電アクチュエータ１４の基板層４０に接続され、ポイントＢはアクチュエータ１４の外部層４２に接続され、
    要素は下記の値を有し：
    Ｒ１−８〜２０ ＭΩ Ｃ２−０．１μＦ
    Ｒ２−８〜２０ ＭΩ Ｃ３−０．１μＦ［２００ｖ］
    Ｒ３−６８０ ＫΩ Ｃ４−０．４７μＦ［２００］
    Ｒ４−１ ＭΩ Ｌ１−６８０μＨ
    Ｃ１−０．１μＦ Ｄ１−ＢＡＳ２１ダイオード
    Ｕ１はエレクトロルミネセンスランプドライバと指定されたＩＭＰ５２８チップであり、Ｒ１とＲ２の値は、約３５Ｈｚから約８５Ｈｚの間で出力周波数を変化させるために選択されていることを特徴とするポンプ。
23. 略１５０ボルトの正の振幅と５０ボルトの負の振幅を有する電気ドライバ回路１８によって方形波形が作り出されることを特徴とする請求項２２に記載のポンプ１０。
24. 更に、電気ドライバが小型回路要素から成り、ポンプカバー１６上に装着される箱３０２内に収容されることを特徴とする請求項２３に記載のポンプ１０。
25. 更に、ポンプカバー１６を通り抜けて突出するばね上げしてある接点３０４によって、電気ドライバ回路１８の出力が圧電アクチュエータ１４に接続されていることを特徴とする請求項２４に記載のポンプ１０。
26. 更に、２個の全く同じアクチュエータ１４がポンプ本体のいずれかの端に配置され、各アクチュエータ１４の基板層４０がポンプ室３０を挟んで対向していることを特徴とする請求項２５に記載のポンプ１０。
27. 更に、付随する圧電アクチュエータ１４を備えた２個のポンプ室３０と、一方向弁２００を入口２２のみに備えた入口２２と出口２４と、シール３４、３６と、ポンプカバー１６と、ドライバ１８とが１つのポンプ本体内に並んで配置され、２つのドライバ１８が圧電アクチュエータ１４と電気的に直列に接続され、流体的に並列操作することを特徴とする請求項２５に記載のポンプ１０。
28. 流体をポンプで汲み上げるための小型ダイヤフラムポンプ１０であって、改良が：
    幅が約１インチから約１．５インチ、厚さが約１／４インチから５／８インチの概してディスク形状であり、概して円形のポンプ室３０を備え、ポンプ本体に設けられた少なくとも１つの開口部が入口２２または出口２４として作用し、流体システム導管２０６に接続されているポンプ本体１２と；
    概して円形であり、平らであることを必須とし、圧電セラミック３８の層を間に挟む２枚の金属層４０、４２で作られ、該３枚の層が約２００℃の温度で、平らなプレス具１００においてポリイミド接着剤４１によって共に接着され、ポンプ１０のダイヤフラムとしての役目を果たす圧電アクチュエータ１４と；
    ポンプカバー１６と；
    シーリングワッシャ３４とＯリングシール３６とによって、ポンプ本体１２とポンプカバー１６の間の定位置に密封保持され、ポンプカバー１６が圧縮されている間にポンプ本体１２に固定される前記圧電アクチュエータ１４と；
    ポンプ１０のみにシステム流体の流れを許容するために入口２２に配置された一方向弁２００であって、硬質管材料２０４の長さを有し、管材料２０４の軸に対して約４５°の角度で一端が形成され、偏向した端表面を備え、その下端２０３において偏向した端表面に取り付けられた、偏向した端表面と同じサイズと形状のポリイミドフィルムの楕円形ディスク２０２を備え、システム導管２０６内に装着されている一方向弁２００と；
    概してポンプ本体１２より小型であり、ポンプ１０に近接して装着される箱３０２に収容され、圧電アクチュエータ１４に電気的に接続される、圧電アクチュエータ１４用の電気ドライバ回路１８であって、エレクトロルミネセンスランプドライバを構成する集積回路装置を含み、圧電アクチュエータ１４全体にプラスの１５０ボルトからマイナスの５０ボルトをもたらす方形波を作り出す電気ドライバ回路１８と；
    を含む流体をポンプで汲み上げるための小型ダイヤフラムポンプ１０。

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