JP2019063981A - Fluid system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は流体システムに関し、特に集積化して作製されたマイクロ流体制御システムに関する。 The present invention relates to fluid systems, and more particularly to integrated and fabricated microfluidic control systems.
近年、医学、コンピュータ技術、印刷、エネルギー産業などの様々な分野において、製品の微小化に進んでいる。その中では、マイクロポンプ、噴霧器、インクジェットヘッド、工業印刷装置などの製品に含まれている流体輸送構造は最も重要な構造であり、どのように革新的な構造を得られるのか、どのように技術的な欠点を解決するのかは重要な課題とされている。 In recent years, products have been miniaturized in various fields such as medicine, computer technology, printing, energy industry and the like. Among them, the fluid transport structure contained in products such as micro pump, sprayer, inkjet head, industrial printing equipment is the most important structure, and how to obtain innovative structure, technology It is considered to be an important issue whether to
技術の急速な発展に伴って、流体輸送装置の用途は、産業用途、生物医学用途、医療、電子放熱などますます多様化しており、かつウェアラブル装置としての用途もなされている。従来の流体輸送装置は、徐々に、装置の小型化と流速の最大化という傾向を示している。 With the rapid development of technology, the applications of fluid transport devices are increasingly diversified, such as industrial applications, biomedical applications, medicine, electronic heat dissipation, and are also used as wearable devices. Conventional fluid transport devices have gradually shown a trend of device miniaturization and maximization of flow velocity.
しかしながら、現在の微小化された流体輸送装置は連続的に気体を輸送することができるが、微小化して限られた空間を有するチャンバー又は流路においてより多くの気体を輸送する要求があるが、その設計は困難である。したがって、弁部材を有する設計では、気流の連続性又は中断するように制御できることだけではなく、一方向への流通も制御でき、且つ限られた容積のチャンバー又は流路において気体を蓄積させて、最終的に気体量の輸送を向上させることができることが求められる。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。 However, although the current miniaturized fluid transport devices can transport gas continuously, there is a need to transport more gas in a chamber or flow path that is miniaturized and has a limited space, Its design is difficult. Thus, with a design having a valve member, not only can the airflow be controlled to be continuous or interrupted, but it can also control the flow in one direction, and the gas can be stored in a limited volume of chamber or flow path, It is required that the transport of the amount of gas can finally be improved. The present invention has been made in view of such circumstances.
先行技術が流体システムの小型化への要求を満たすことができないという問題を解決するために、本発明は、集積化して作製された流体システムを提供している。前記流体システムは、流体動作領域と流体流路と合流チャンバーと複数の弁部材とを備える。前記弁部材は、アクティブ弁部材又はパッシブ弁部材であっても良い。前記流体動作領域は、一つ又は複数の流体誘導ユニットで構成され、各流体誘導ユニットは出口孔を有する。前記流体流路は、流体動作領域での全ての流体誘導ユニットの出口孔に連通しており、且つ複数の分岐通路を有し、流体動作領域を分流して流体を輸送する。合流チャンバーは、流体が前記合流チャンバーの内部に蓄積するために、流体流路と連通されている。複数の弁部材は、それぞれ、前記複数の分岐通路に設けられ、弁部材の開閉状態を制御することによって、流体を前記分岐通路から輸出させる。 In order to solve the problem that the prior art can not meet the demand for miniaturization of fluid systems, the present invention provides fluid systems that are integrated and made. The fluid system includes a fluid operation area, a fluid flow path, a merging chamber, and a plurality of valve members. The valve member may be an active valve member or a passive valve member. The fluid operation area is composed of one or more fluid guiding units, each fluid guiding unit having an outlet hole. The fluid flow channel is in communication with the outlet holes of all the fluid guiding units in the fluid operation area, and has a plurality of branch passages to divert the fluid operation area and transport the fluid. The merging chamber is in fluid communication with the fluid flow path for fluid to accumulate within the merging chamber. A plurality of valve members are respectively provided in the plurality of branch passages, and fluid is exported from the branch passages by controlling the open / close state of the valve members.
本発明の一つの実施形態においては、前記複数の弁部材はアクティブ弁部材である。また、流体システムは、制御部を更に備え、前記複数の弁部材と電気的に接続され、弁部材の開閉状態を制御することができる。また、制御部と前記流体誘導ユニットとが、集積化した構造に包装されている。流体動作領域は、複数の流体誘導ユニットを備え、且つ前記複数の流体誘導ユニットは、並列・直列配置に設けられ、流体を輸送する。前記複数の分岐通路の長さ及び幅は、特定の流体輸送量又は流速の需要に応じて予め設計され、且つ前記複数の分岐通路は、直列・並列配置に設けられている。 In one embodiment of the present invention, the plurality of valve members are active valve members. The fluid system may further include a control unit, which is electrically connected to the plurality of valve members, and can control the open / close state of the valve members. Further, the control unit and the fluid guiding unit are packaged in an integrated structure. The fluid operation area comprises a plurality of fluid induction units, and the plurality of fluid induction units are provided in a parallel-series arrangement to transport the fluid. The lengths and widths of the plurality of branch passages are pre-designed according to the needs of a specific fluid transport volume or flow rate, and the plurality of branch passages are provided in a series-parallel arrangement.
上記の設計により、本発明の流体システムは、微小化された体積を有することができ、且つ特定の流速、圧力及び輸送量で流体を輸出することができる。 The above design allows the fluid system of the present invention to have a miniaturized volume and to export the fluid at a specific flow rate, pressure and transport volume.
本発明の特徴及び優れる点をより具体化にしたいくつの例示的な実施形態は、以下の説明において詳しく説明する。本発明は、様々な態様において様々な変更が可能であり、限定として解釈されるものではないことを理解されたい。 Several exemplary embodiments which make the features and advantages of the present invention more concrete are described in detail in the following description. It is to be understood that the present invention is capable of various modifications in various aspects, and is not to be construed as limiting.
図1〜図2D、図6A〜図7Bを参照されたい。本発明は流体システム100を提供し、少なくとも一つの流体動作領域10、少なくとも一つの流体誘導ユニット10a、少なくとも一つの出口孔160、少なくとも一つの流体流路20、複数の分岐通路20a、20b、21a、21b、22a、22b、少なくとも一つの合流チャンバー30、少なくとも一つのセンシング素子40、複数の弁部材50、50a、50b、50c、50d、少なくとも一つの通路基材51、少なくとも一つの第1貫通孔511、少なくとも一つの第2貫通孔512、少なくとも一つのチャンバー513、少なくとも一つの第1出口514、少なくとも一つの第2出口515、少なくとも一つの圧電アクチュエータ52、少なくとも一つのキャリア521、少なくとも一つの圧電セラミックス522、少なくとも一つの53、ブロッキング部材531を備える。以下の実施形態において、流体動作領域10、流体流路20、合流チャンバー30、センシング素子40、通路基材51、第1貫通孔511、第2貫通孔512、チャンバー513、第1出口514、第2出口515、圧電アクチュエータ52、キャリア521、圧電セラミックス522、連結ロッド53、ブロッキング部材531の数量が一つであることを例として説明されているが、これには限定されず、流体動作領域10、流体流路20、合流チャンバー30、センシング素子40、通路基材51、圧電アクチュエータ52、連結ロッド53は複数個を組み合わせてなるのもでも良い。 See Figures 1-2D, 6A-7B. The present invention provides a fluid system 100 including at least one fluid operating area 10, at least one fluid guiding unit 10a, at least one outlet hole 160, at least one fluid flow path 20, and a plurality of branch paths 20a, 20b, 21a. , 21b, 22a, 22b, at least one merging chamber 30, at least one sensing element 40, a plurality of valve members 50, 50a, 50b, 50c, 50d, at least one passage base 51, at least one first through hole 511, at least one second through hole 512, at least one chamber 513, at least one first outlet 514, at least one second outlet 515, at least one piezoelectric actuator 52, at least one carrier 521, at least one piezoelectric Ceramics 522, less Comprising one 53, the blocking member 531 also. In the following embodiments, the fluid operation area 10, the fluid flow path 20, the merging chamber 30, the sensing element 40, the passage base 51, the first through hole 511, the second through hole 512, the chamber 513, the first outlet 514, the first Although the number of the two outlets 515, the piezoelectric actuator 52, the carrier 521, the piezoelectric ceramic 522, the connecting rod 53, and the blocking member 531 is described as an example, the present invention is not limited thereto. The fluid flow path 20, the merging chamber 30, the sensing element 40, the passage base 51, the piezoelectric actuator 52, and the connecting rod 53 may be combined.
図1を参照されたい。図1は、本発明の一つの好ましい実施形態における流体システムの構造概念図である。本発明の流体システム100は、流体動作領域10、流体流路20、合流チャンバー30、センシング素子40、複数の弁部材50a、50b、50c、50d、及び制御部60を備える。本発明の好ましい実施形態においては、上述した全ての構成が基材11に包装されて、集積化されたマイクロ構造を形成し、すなわち、全ての構成が集積化して一体化に作製されている。その中で、流体動作領域10が一つ又は複数の流体誘導ユニット10aで構成され、これらの流体誘導ユニット10aが直列、並列、又は直列・並列に接続された配置であり、各流体誘導ユニットが作動した後に各自の内部に圧力差が生じることで、気体である流体を吸入して、設けられた出口孔160(図3Cに示している)を介して加圧して吐出する。これによって、流体の輸送を達成することができる。 See FIG. FIG. 1 is a structural conceptual view of a fluid system in one preferred embodiment of the present invention. The fluid system 100 of the present invention includes a fluid operation area 10, a fluid flow path 20, a merging chamber 30, a sensing element 40, a plurality of valve members 50a, 50b, 50c, 50d, and a control unit 60. In a preferred embodiment of the present invention, all of the above described configurations are packaged in a substrate 11 to form an integrated microstructure, ie, all configurations are integrated and fabricated. Among them, the fluid operation area 10 is composed of one or more fluid induction units 10a, and these fluid induction units 10a are arranged in series, in parallel, or in series / parallel connection, and each fluid induction unit is After actuation, a pressure difference is generated inside each of them, so that the fluid which is a gas is sucked and pressurized and discharged through the provided outlet hole 160 (shown in FIG. 3C). This allows fluid transport to be achieved.
本実施形態において、流体動作領域10は、4つの流体誘導ユニット10aを含み、且つ前記流体誘導ユニット10aが並列・直列に接続して配置されている。流体流路20は、流体動作領域10での全ての流体誘導ユニット10aの出口孔160(図3Cに示している)に連通しており、これらの流体誘導ユニット10aから排出された流体を受け取る。流体誘導ユニット10aと流体流路20との構造、作動方式及び設置方式は後述する。流体流路20は、複数の分岐通路20a及び20bをさらに備え、当該流体動作領域10から排出された流体を分流して所要の輸送量を形成する。実施形態においては、分岐通路20a及び20bを用いて説明しているが、これには限定されない。合流チャンバー30が分岐通路20a及び20bに連通することによって、流体流路20に連通し、輸送流体を合流チャンバー30内部に蓄積させ、流体システム100を制御して輸出する必要がある時に、流体流路20の輸出に供給し、流体の輸送量を増大させることができる。さらに、センシング素子40は、前記流体流路20内nい設けられ、前記流体流路20内の流体を感知測定するために用いられている。 In the present embodiment, the fluid operation area 10 includes four fluid induction units 10a, and the fluid induction units 10a are arranged in parallel and in series. The fluid flow channels 20 communicate with the outlet holes 160 (shown in FIG. 3C) of all the fluid guiding units 10a in the fluid operation area 10 and receive the fluid discharged from these fluid guiding units 10a. The structure, operation method and installation method of the fluid guiding unit 10a and the fluid flow passage 20 will be described later. The fluid flow passage 20 further includes a plurality of branch passages 20a and 20b, and the fluid discharged from the fluid operation area 10 is diverted to form a required transport amount. Although the embodiment is described using branch passages 20a and 20b, it is not limited thereto. The merging chamber 30 communicates with the branch passages 20a and 20b to communicate with the fluid flow passage 20 so that transport fluid may be accumulated inside the merging chamber 30 and the fluid flow may be controlled when the fluid system 100 needs to be controlled and exported. It can be supplied to the export of the passage 20 to increase the amount of fluid transport. Furthermore, a sensing element 40 is provided in the fluid flow channel 20 and used to sense and measure the fluid in the fluid flow channel 20.
上述した分岐通路20a、20bが流体流路20に連通する方式について、図では分岐通路20a、20bと流体流路20とが並列に接続して配置されていることを示しているが、これには限定されない。複数の分岐通路20a、20bを直列に接続して配置しても良く、或いは複数の分岐通路20a、20bを直列・並列に接続して配置しても良い。その中で、複数の分岐通路20a、20bの長さ及び幅は、いずれも、所要の特定の輸送量に応じて予め設計することができ、すなわち、分岐通路20a、20bの長さ及び幅に関する設計は、輸送量の流速及び輸送量の多少に影響を与え、所要の特定の輸送量に従って長さ及び幅を予め計算することによって得られる。 Regarding the method in which the branch passages 20a and 20b are in communication with the fluid flow passage 20, the figure shows that the branch passages 20a and 20b and the fluid flow passage 20 are arranged in parallel connection. Is not limited. A plurality of branch passages 20a and 20b may be connected in series, or a plurality of branch passages 20a and 20b may be connected in series and in parallel. Among them, the length and the width of the plurality of branch passages 20a, 20b can all be designed in advance according to the required specific transport volume, ie with regard to the length and the width of the branch passages 20a, 20b. The design affects the flow rate of the transport volume and some of the transport volume and is obtained by precalculating the length and width according to the specific transport volume required.
本実施形態において、図に示すように、分岐通路20aは、分岐して連通する2つの分岐通路21a、22aを備える。同じように、分岐通路20bも分岐して連通する2つの分岐通路21b、22bを備える。図においては分岐通路21a、22aがそれぞれ分岐して連通されている分岐通路20a、20bと直列に接続して配置されていることであるが、これには限定されない。さらに、複数の分岐通路21a、22aを並列に接続して配置しても良く、或いは複数の分岐通路21a、22aを直列・並列に接続して配置しても良い。複数の弁部材50a、50c、50b及び50dは、アクティブ弁部材又はパッシブ弁部材でである。本実施形態においてアクティブ弁部材であり、且つそれぞれ分岐通路21a、22a、21b、22bに順次配置されている。弁部材50a、50c、50b及び50dは、設けられた分岐通路21a、22a、21b、22bの連通状態を制御することができる。例えば、弁部材50aが開くと、分岐通路21aを開いて流体を輸出領域Aに輸出する。弁部材50bが開くと、分岐通路21bを開いて流体を輸出領域Aに輸出する。弁部材50cが開くと、分岐通路22aを開いて流体を輸出領域Aに輸出する。弁部材50dが開くと、分岐通路22bを開いて流体を輸出領域Aに輸出する。制御部60は、2本の電気的な接続線610、620を有し、電気的な接続線610が弁部材50a、50dの開閉状態を制御するように電気的に接続され、電気的な接続線620が弁部材50b、50cの開閉状態を制御するように電気的に接続されている。これにより、弁部材50a、50b、50c及び50dが制御部60によって駆動され、それに対応して設けられた分岐通路21a、22a、21b、22bの連通状態を制御し、結果としては、流体を輸出領域Aに輸出することを制御することができる。 In the present embodiment, as shown in the figure, the branch passage 20a includes two branch passages 21a and 22a that branch and communicate. Similarly, the branch passage 20b is also provided with two branch passages 21b and 22b that branch and communicate. In the figure, the branch passages 21a and 22a are disposed in series with the branch passages 20a and 20b which are branched and communicated, but the invention is not limited thereto. Furthermore, a plurality of branch passages 21a and 22a may be connected in parallel, or a plurality of branch passages 21a and 22a may be connected in series and in parallel. The plurality of valve members 50a, 50c, 50b and 50d are active valve members or passive valve members. In this embodiment, it is an active valve member, and is sequentially disposed in the branch passages 21a, 22a, 21b, and 22b, respectively. The valve members 50a, 50c, 50b and 50d can control the communication state of the provided branch passages 21a, 22a, 21b and 22b. For example, when the valve member 50a is opened, the branch passage 21a is opened to export the fluid to the export area A. When the valve member 50b is opened, the branch passage 21b is opened to export the fluid to the export area A. When the valve member 50c is opened, the branch passage 22a is opened to export the fluid to the export area A. When the valve member 50d is opened, the branch passage 22b is opened to export the fluid to the export area A. The control unit 60 has two electrical connection lines 610 and 620, and the electrical connection line 610 is electrically connected to control the open / close state of the valve members 50a and 50d, and is electrically connected. A wire 620 is electrically connected to control the open / close state of the valve members 50b, 50c. As a result, the valve members 50a, 50b, 50c and 50d are driven by the control unit 60 to control the communication state of the branch passages 21a, 22a, 21b, 22b provided correspondingly, and as a result, the fluid is exported It is possible to control exporting to area A.
図2Aを参照されたい。図2Aは本発明の一つの好ましい実施形態における流体誘導ユニットの構造概念図である。本発明の一つの好ましい実施形態では、流体誘導ユニット10aは圧電ポンプでも良い。図に示すように、各流体誘導ユニット10aは、入口板17、基材11、共振板13、作動板14、圧電素子15及び出口板16などの構成で順次集積してなる。その中で、入口板17は、少なくとも一つの入口孔170を有し、共振板13は中空孔130及び可動部材131を有し、可動部材131は、共振板13が基材11に固設されていない部分で形成された可撓構造であり、且つ可動部材131の中心部の位置付近に中空孔130が設けられている。共振板13と入口板17との間に第1チャンバー12が形成されている。作動板14は中空浮動構造であり、浮揚部材141、外枠部材142及び複数の空隙143を有する。作動板14の浮揚部材141は、複数の連接部材(図示せず)が外枠部材142に連接することによって、浮揚部材141を外枠部材142中に浮動させ、且つ、気体の流通するように、浮揚部材141と外枠部材142との間に複数の空隙143が形成されている。浮揚部材141、外枠部材142及び空隙143の設置方式、実施形態及び数量はこれには限定されず、実際の状況に応じて変更することができる。好ましくは、作動板14は金属材料の薄膜又はポリシリコンからなる薄膜で構成され、ただし、これには限定されない。作動板14と共振板13との間には隙間g0があり、第2チャンバー18を形成する。出口孔160が出口板16に設けられ、且つ、作動板14と出口板16との間に第3チャンバー19が形成される。 See Figure 2A. FIG. 2A is a structural conceptual view of a fluid guiding unit in one preferred embodiment of the present invention. In one preferred embodiment of the present invention, the fluid induction unit 10a may be a piezoelectric pump. As shown in the figure, each fluid guiding unit 10a is sequentially accumulated in the configuration of an inlet plate 17, a base 11, a resonance plate 13, an operation plate 14, a piezoelectric element 15, an outlet plate 16, and the like. Among them, the inlet plate 17 has at least one inlet hole 170, the resonant plate 13 has the hollow hole 130 and the movable member 131, and the movable member 131 has the resonant plate 13 fixed to the substrate 11. The hollow structure 130 is a flexible structure formed by a portion that is not formed, and a hollow hole 130 is provided in the vicinity of the position of the central portion of the movable member 131. A first chamber 12 is formed between the resonant plate 13 and the inlet plate 17. The actuating plate 14 has a hollow floating structure and has a levitation member 141, an outer frame member 142 and a plurality of air gaps 143. The levitation member 141 of the actuating plate 14 causes the levitation member 141 to float in the outer frame member 142 by a plurality of connecting members (not shown) being connected to the outer frame member 142 so that gas can flow. A plurality of air gaps 143 are formed between the levitation member 141 and the outer frame member 142. The installation method, embodiment and quantity of the levitation member 141, the outer frame member 142 and the air gap 143 are not limited thereto, and may be changed according to the actual situation. Preferably, the working plate 14 is formed of a thin film of metal material or a thin film of polysilicon, but is not limited thereto. There is a gap g0 between the operation plate 14 and the resonance plate 13 to form a second chamber 18. An outlet hole 160 is provided in the outlet plate 16 and a third chamber 19 is formed between the actuating plate 14 and the outlet plate 16.
本発明の好ましい実施形態において、流体誘導ユニット10aの基材11は駆動回路(図示せず)を更に備え、圧電素子15の正極及び陰極と電気的に接続されるように用いられる。これによって、圧電素子15に駆動電源を提供することができるが、これには限定されない。駆動回路は、流体誘導ユニット10a内部の任意の位置に配置されることができ、実際の状況に応じて変更することができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the base 11 of the fluid guiding unit 10a further includes a drive circuit (not shown), and is used to be electrically connected to the positive electrode and the negative electrode of the piezoelectric element 15. Although this can provide a drive power supply to the piezoelectric element 15, it is not limited thereto. The drive circuit can be disposed at any position inside the fluid induction unit 10a and can be changed according to the actual situation.
図2A〜図2Cを参照されたい。図2B〜図2Dは、図2Aに示されている流体誘導ユニット10aが作動する状態を示す図である。図2Aにしめされているのは、流体誘導ユニット10aが作動していない状態(すなわち、初期状態)である。圧電素子15に電圧を印加すると、変形が生じ、作動板14が垂直方向に沿って往復振動するように駆動される。図2Bに示すように、作動板14の浮揚部材141が上に振動すると、第2チャンバー18の体積を増大させ、圧力が減少し、流体が入口板17上の入口孔170から外部圧力に応じて流入して第1チャンバー12のところに合流し、共振板13に第1チャンバー12と対応して設けられた中央孔130より上に流れて第2チャンバー18に流入する。 See Figures 2A-2C. 2B to 2D are diagrams showing the state in which the fluid guiding unit 10a shown in FIG. 2A is in operation. What is shown in FIG. 2A is a state in which the fluid guiding unit 10a is not in operation (that is, an initial state). When a voltage is applied to the piezoelectric element 15, deformation occurs, and the actuating plate 14 is driven to oscillate back and forth along the vertical direction. As shown in FIG. 2B, when the levitation member 141 of the actuating plate 14 vibrates upward, the volume of the second chamber 18 is increased, the pressure is reduced, and the fluid responds to the external pressure from the inlet hole 170 on the inlet plate 17. Flows into the first chamber 12, flows upward from a central hole 130 provided in the resonance plate 13 corresponding to the first chamber 12, and flows into the second chamber 18.
そして、図2Cに示すように、作動板14の浮揚部材141の振動より、共振板13が共振し、可動部材131も上方に振動するようになる。この時に、作動板14の浮揚部材141は下方に振動し、共振板13の可動部材131が作動板14の浮揚部材141の下方に付着して当接するようになる。なお、この際に、共振板13の中央孔130と第2チャンバー18との間にある流通空隙が閉じられ、第2チャンバー18は、圧縮を受けて体積が小さくなり、圧力が増大する。これに対して、第3チャンバー19は体積が増大し、圧力が小さくなる。これによって、圧力勾配が形成され、第2チャンバー18中の流体が圧力を受けて両側に流され、作動板14の複数の空隙143を介して第3チャンバー19中に流入する。図2Dに示すように、作動板14の浮揚部材141が下方に振動し続け、共振板13の可動部材131が下方に振動するように連動し、第2チャンバー18を更に圧縮させ、流体の大部分は一時的な貯蔵のために第3のチャンバー19に流入する。 Then, as shown in FIG. 2C, due to the vibration of the levitation member 141 of the operation plate 14, the resonance plate 13 resonates and the movable member 131 also vibrates upward. At this time, the levitation member 141 of the actuating plate 14 vibrates downward, and the movable member 131 of the resonance plate 13 adheres to and abuts below the levitation member 141 of the actuating plate 14. At this time, the flow-through gap between the central hole 130 of the resonance plate 13 and the second chamber 18 is closed, and the second chamber 18 is compressed to reduce its volume, and the pressure increases. On the other hand, the volume of the third chamber 19 increases and the pressure decreases. As a result, a pressure gradient is formed, and the fluid in the second chamber 18 receives pressure, flows on both sides, and flows into the third chamber 19 through the plurality of gaps 143 of the operation plate 14. As shown in FIG. 2D, the floating member 141 of the actuating plate 14 continues to vibrate downward, and the movable member 131 of the resonant plate 13 interlocks downward to further compress the second chamber 18, thereby making the fluid large. The part flows into the third chamber 19 for temporary storage.
最後に、作動板14の浮揚部材141が上方に振動し、第3チャンバー19を圧縮させて体積が小さくなり、圧力が増大し、第3チャンバー19内部の流体を出口板16の出口孔160から流出させ、出口板16の外部へ誘導して流体の輸送を達成する。上述した動作は、作動板14が往復振動を行う時に、完全な振動の動作が完了する。圧電素子15が作動した状態では、作動板14の浮揚部材141と共振板13の可動部材131とが上述した動作を繰り返し行うことで、流体を入口孔170から出口孔160へ加圧吐出させ、流体の輸送を達成する。本発明のある実施形態においては、共振板13の垂直往復振動頻度は、作動板14の振動頻度と同じになってもよく、すなわち、両者が同時に上向きまたは下向きであってもよく、実際の状況に応じて任意に変更することでも良い。本実施形態に示す動作形態に限定されるものではない。 Finally, the levitation member 141 of the actuating plate 14 vibrates upward, and the third chamber 19 is compressed to reduce the volume and the pressure increases, and the fluid in the third chamber 19 is discharged from the outlet hole 160 of the outlet plate 16. It is drained and directed out of the outlet plate 16 to achieve fluid transport. The above-described operation completes the complete vibration operation when the actuating plate 14 oscillates back and forth. In a state where the piezoelectric element 15 is operated, the floating member 141 of the operation plate 14 and the movable member 131 of the resonance plate 13 repeatedly perform the above-described operation to discharge the fluid from the inlet hole 170 to the outlet hole 160 under pressure. Achieve fluid transport. In one embodiment of the present invention, the vertical reciprocating vibration frequency of the resonant plate 13 may be the same as the vibration frequency of the actuating plate 14, ie both may be simultaneously upward or downward, the actual situation It may be changed arbitrarily according to. It is not limited to the operation mode shown in the present embodiment.
本実施形態の流体誘導ユニット10aの流路による圧力勾配では、流体が高速で流れ、且つ流路の流れ方向における抵抗が異なり、流入を吸入端から吐出端に転送し、吐出端では圧力を有する場合でも、流体を押し出せることができ、且つ騒音を抑えられる効果を奏する。 In the pressure gradient by the flow path of the fluid induction unit 10a of the present embodiment, the fluid flows at high speed, and the resistance in the flow direction of the flow path is different, transferring the inflow from the suction end to the discharge end and having pressure at the discharge end Even in this case, the fluid can be pushed out and noise can be suppressed.
図3Aを参照されたい。図3Aは本発明の一つの好ましい実施形態における流体動作領域の構造概念図である。当該流体動作領域10は、複数の流体誘導ユニット10aを備え、これらの流体誘導ユニット10aが特定の配置方式で当該流体動作領域10より輸出される流体の輸送量を調整することができ、本実施形態において、これらの流体誘導ユニット10aは、直列・並列の方式で基材11に配置されている。 See FIG. 3A. FIG. 3A is a structural conceptual view of a fluid operation area in one preferred embodiment of the present invention. The fluid operation area 10 includes a plurality of fluid induction units 10a, and these fluid induction units 10a can adjust the transport amount of the fluid exported from the fluid operation area 10 in a specific arrangement manner. In form, these fluid guiding units 10a are arranged on the substrate 11 in a serial-parallel manner.
図3B〜図3Cを参照されたい。図3Bは本発明の流体誘導ユニットが直列に接続された配置である構造を示す図である。図3Cは本発明の流体誘導ユニットが並列方式で配置された構造を示す図である。図3Dは本発明の流体誘導ユニットが直列・並列の方式で配置された構造を示す図である。図3Bに示すように、当該流体動作領域10内の流体誘導ユニット10aが直列方式で配置され、流体誘導ユニット10aを直列方式で配置することによって、流体動作領域10の出口孔160での流体の圧力を上昇させることができる。図3Cに示すように、当該流体動作領域10内部の当該流体誘導ユニット10aが並列方式で配置され、流体誘導ユニット10aを並列方式で配置することによって、流体動作領域10の出口孔160の輸出流体量を更に増大させることができる。図3Dに示すように、当該流体動作領域10内部の当該流体誘導ユニット10aが直列・並列の方式で配置され、流体動作領域10の圧力値および出力を同期して増加させることができる。 See FIGS. 3B-3C. FIG. 3B is a view showing a structure in which the fluid induction units of the present invention are arranged in series. FIG. 3C is a view showing a structure in which fluid induction units of the present invention are arranged in a parallel manner. FIG. 3D is a view showing a structure in which the fluid induction units of the present invention are arranged in a series-parallel manner. As shown in FIG. 3B, the fluid induction units 10a in the fluid operation area 10 are arranged in series, and by arranging the fluid induction units 10a in series, the fluid in the outlet hole 160 of the fluid operation area 10 is The pressure can be raised. As shown in FIG. 3C, the fluid induction units 10a inside the fluid operation area 10 are arranged in a parallel manner, and by arranging the fluid induction units 10a in a parallel manner, the export fluid of the outlet hole 160 of the fluid operation area 10 The amount can be further increased. As shown in FIG. 3D, the fluid induction units 10a inside the fluid operation area 10 can be arranged in a serial-parallel manner, and the pressure value and the output of the fluid operation area 10 can be synchronously increased.
図4〜図5を参照されたい。図4は本発明のもう一つの好ましい実施形態における流体動作領域の構造を示す図である。図5は本発明のもう一つの好ましい実施形態における流体動作領域の構造を示す図である。図4に示すように、当該流体動作領域10内部の当該流体誘導ユニット10aが環状の方式で配置されて流体を輸送する。図5に示すように、当該流体動作領域10内部の当該流体誘導ユニット10aがハニカム方式で配置されている。 See Figures 4 to 5. FIG. 4 is a view showing the structure of a fluid operation area in another preferred embodiment of the present invention. FIG. 5 is a view showing the structure of a fluid operation area in another preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the fluid induction unit 10a inside the fluid operation area 10 is disposed in an annular manner to transport fluid. As shown in FIG. 5, the fluid induction unit 10a inside the fluid operation area 10 is arranged in a honeycomb system.
本実施形態においては、流体システム100の流体誘導ユニット10aは、駆動回路に結合され、適用性に優れ、多様な電子部品に適用することができ、且つ同時に気体を輸送することができ、大容量の気体の輸送する需要を満たすことができる。さらに、流体誘導ユニット10aと、もう一つの流体誘導ユニット10aとが亦別々に制御して動作させたり、停止させたりすることも可能である。例えば、流体誘導ユニット10a作動し、もう一つの流体誘導ユニット10aが停止してもよく、又は交互に作動しても良い。ただし、これに限定されるものではなく、様々な気体の流通を容易に実現することができ、且つ、消費電力を大幅に低減することができる。 In the present embodiment, the fluid induction unit 10a of the fluid system 100 is coupled to a drive circuit, has excellent applicability, can be applied to various electronic components, and can simultaneously transport gas, and has a large capacity. It can meet the demand for transport of gases. Furthermore, it is also possible to separately control and operate the fluid guiding unit 10a and another fluid guiding unit 10a. For example, one fluid induction unit 10a may be activated and another fluid induction unit 10a may be deactivated or alternately activated. However, the present invention is not limited to this, and circulation of various gases can be easily realized, and power consumption can be significantly reduced.
図6A〜図6Bは、本発明の弁部材が第1実施形態において作動している状態を示す図である。弁部材50は、通路基材51、圧電アクチュエータ52、連結ロッド53を備える。以下の本実施形態の弁部材50が分岐通路21aに設けられたことを説明するが、他の分岐通路22a、21b、22bに設けられた弁部材50の構造及び動作は同じであるため、ここでは省略する。通路基材51は、第1貫通孔511及び第2貫通孔512を備え、それぞれ分岐通路21aに連通しており、且つ通路基材51によって互いに離隔して配置されている。通路基材51の上方にチャンバー513が凹設され、チャンバー513には、第1貫通孔511に連通する第1出口514が設けられ、且つ第2貫通孔512に連通する第2出口515が設けられている。圧電アクチュエータ52は、キャリア521及び圧電セラミックス522を備える。キャリア521が以可撓性材料で構成され、圧電セラミックス522がキャリア521の一つの表面に付着し、且つ制御部60に電気的に接続されている。圧電アクチュエータ52がチャンバー513を覆い、キャリア521上に設けられている。連結ロッド53は、キャリア521の他面に連結され、且つ第2出口515を挿入して垂直方向に自由変位できる。連結ロッド53の一端には、第2出口515の開孔の直径よりも大きい断面積を有するブロッキング部材531が設けられ、第2出口515の連通を閉じることにより制限する。ブロッキング部材531は、平板状又はドーム状であってもよい。 6A-6B show the valve member of the present invention operating in the first embodiment. The valve member 50 includes a passage base 51, a piezoelectric actuator 52, and a connecting rod 53. Although it will be described that the valve member 50 of the present embodiment described below is provided in the branch passage 21a, the structure and operation of the valve member 50 provided in the other branch passages 22a, 21b, 22b are the same. I will omit it. The passage base 51 is provided with a first through hole 511 and a second through hole 512, is in communication with the branch passage 21a, and is spaced apart from each other by the passage base 51. A chamber 513 is recessed above the passage base 51, and the chamber 513 is provided with a first outlet 514 communicating with the first through hole 511 and a second outlet 515 communicating with the second through hole 512. It is done. The piezoelectric actuator 52 includes a carrier 521 and a piezoelectric ceramic 522. The carrier 521 is made of a flexible material, and the piezoelectric ceramic 522 is attached to one surface of the carrier 521 and is electrically connected to the control unit 60. A piezoelectric actuator 52 covers the chamber 513 and is provided on the carrier 521. The connecting rod 53 is connected to the other surface of the carrier 521 and can be freely displaced in the vertical direction by inserting the second outlet 515. A blocking member 531 having a cross-sectional area larger than the diameter of the aperture of the second outlet 515 is provided at one end of the connecting rod 53 and is restricted by closing the communication of the second outlet 515. The blocking member 531 may be flat or dome-shaped.
図6A示すように、弁部材50は、圧電アクチュエータ52が作動していない状態では、連結ロッド53は常に開いている初期位置にある。この時に、ブロッキング部材531と第2出口515との間に空隙を有し、第2貫通孔512、チャンバー513及び第1貫通孔511を当該空隙により互いに連通させ、分岐通路21aに連通して輸送流体を通過させることができる。これに対して、図6Bに示すように、圧電アクチュエータ52が作動すると、圧電セラミックス522は、キャリア521を上方に撓ませるように駆動し、連結ロッド53がキャリア521の連動を受けて上方に移動し、ブロッキング部材531が第2出口515の開口を遮るようになる。この時に、ブロッキング部材531が第2出口515を遮り、輸送流体を通過させないこととする。上述した作動方式によって、弁部材50が作動していない状態では分岐通路21aの開状態を維持し、作動している状態では分岐通路21aを閉じることができる。すなわち、弁部材50は、第2貫通孔512の開閉状態を制御することによって、分岐通路21aから流体の輸出を制御することができる。 As shown in FIG. 6A, in the state where the piezoelectric actuator 52 is not actuated, the valve member 50 is in the initial position where the connecting rod 53 is always open. At this time, there is a gap between the blocking member 531 and the second outlet 515, and the second through hole 512, the chamber 513 and the first through hole 511 are communicated with each other by the gap and communicated with the branch passage 21a for transportation Fluid can pass through. On the other hand, as shown in FIG. 6B, when the piezoelectric actuator 52 is actuated, the piezoelectric ceramic 522 drives the carrier 521 to bend upward, and the connecting rod 53 moves upward by receiving the interlock of the carrier 521. And the blocking member 531 blocks the opening of the second outlet 515. At this time, the blocking member 531 blocks the second outlet 515 and does not pass the transport fluid. By the above-described operation method, the open state of the branch passage 21a can be maintained when the valve member 50 is not operated, and the branch passage 21a can be closed when the valve member 50 is operated. That is, the valve member 50 can control the export of fluid from the branch passage 21 a by controlling the open / close state of the second through hole 512.
図7A〜図7Bは、本発明の弁部材が第2実施形態において作動している状態を示す図である。弁部材50の構造は同じであるため、その説明はここで省略し、弁部材50が作動していない状態では常に閉じる状態の動作について説明する。 7A-7B show the valve member of the present invention operating in the second embodiment. Since the structure of the valve member 50 is the same, the description thereof will be omitted here, and the operation in the state of always closing when the valve member 50 is not in operation will be described.
図7Aに示すように、弁部材50は、圧電アクチュエータ52が作動していない状態では、連結ロッド53が常に閉じる初期位置にある。この時に、ブロッキング部材531が第2出口515の開口を閉じ、輸送流体を通過させないこととする。図7Bに示すように、圧電アクチュエータ52が作動すると、圧電セラミックス522は、キャリア521を下方に撓ませるように駆動し、連結ロッド53は、キャリア521の連動を受け下方に移動する時、ブロッキング部材531と第2出口515との間に流動空間を有し、第2貫通孔512、チャンバー513及び第1貫通孔511を当該流体空間により互いに連通させ、分岐通路21aに連通して輸送流体を通過させることができる。上述した作動方式によって、弁部材50が作動していない状態では、分岐通路21aの閉状態を維持し、作動している状態では、分岐通路21aを開くことができる。すなわち、弁部材50は、第2貫通孔512の開閉状態を制御することによって、流体が分岐通路21aから輸出することを制御できる。 As shown in FIG. 7A, the valve member 50 is in the initial position in which the connecting rod 53 is always closed when the piezoelectric actuator 52 is not actuated. At this time, the blocking member 531 closes the opening of the second outlet 515 and does not pass the transport fluid. As shown in FIG. 7B, when the piezoelectric actuator 52 is actuated, the piezoelectric ceramic 522 drives the carrier 521 to bend downward, and the connecting rod 53 receives the interlock of the carrier 521 and moves downward as a blocking member. There is a flow space between 531 and the second outlet 515, and the second through hole 512, the chamber 513 and the first through hole 511 are communicated with each other by the fluid space, and are communicated with the branch passage 21a to pass the transport fluid. It can be done. According to the above-described operation method, it is possible to maintain the closed state of the branch passage 21a when the valve member 50 is not operated, and open the branch passage 21a when the valve member 50 is operated. That is, the valve member 50 can control the export of the fluid from the branch passage 21 a by controlling the open / close state of the second through hole 512.
上述したとおり、本発明が提供する流体システムは、少なくとも一つの流体誘導ユニットを介して、気体を合流チャンバー内に輸送し、且つ分岐通路内の弁部材を用いて流体システムが輸出する流体の流量、流速及び圧力を更に制御・調整する。さらに、本発明は、流体誘導ユニットを介して、分岐通路の数量、設置方式及び駆動方式などにより、多様な機器や気体輸送の需要に対応することができ、高輸送量、効率良く、且つ適用性に優れる効果を奏することができる。 As described above, the fluid system provided by the present invention transports gas into the merging chamber via at least one fluid guiding unit, and the flow rate of fluid exported by the fluid system using the valve member in the branch passage. , Further control and adjust the flow rate and pressure. Furthermore, the present invention can meet the demand for various devices and gas transportation by the number of branch paths, the installation method and the drive method, etc., through the fluid induction unit, and the high transport amount, the efficiency, and the application It is possible to exhibit the effect of excellent in the sex.
本発明の技術方案の範囲を逸脱しない範囲で、当業者が、上記の技術内容に基づいて行う変更、修飾は、同等に変化した等価の実施例であり、本発明の技術方案を逸脱しない限り、本発明の要旨に基づいて上記実施例に対して行ういかなる簡単な修正、同等変化、及び修飾は、いずれも本発明の技術方案の範囲内に属するものである。 The changes and modifications made by those skilled in the art based on the above technical contents without departing from the scope of the technical solution of the present invention are equivalent embodiments equivalent to each other, without departing from the technical solution of the present invention. All simple modifications, equivalent changes, and modifications made to the above embodiments based on the subject matter of the present invention are all within the scope of the technical solution of the present invention.
1:流体システム
10:流体動作領域
10a:流体誘導ユニット
11:基材
12:第1チャンバー
13:共振板
130:中空孔
131:可動部材
14:作動板
141:浮揚部材
142:外枠部材
143:空隙
15:圧電素子
16:出口板
160:出口孔
17:入口板
170:入口孔
18:第2チャンバー
19:第3チャンバー
20:流体流路
20a、20b、21a、21b、22a、22b:分岐通路
30:合流チャンバー
40:センシング素子
50、50a、50b、50c、50d:弁部材
51:通路基材
511:第1貫通孔
512:第1貫通孔
513:チャンバー
514:第1出口
515:第2出口
52:圧電アクチュエータ
521:キャリア
522:圧電セラミックス
53:連結ロッド
531:ブロッキング部材
60:制御部
610、620:電気的な接続線
g0:隙間
A:輸出領域
1: Fluid system 10: fluid operation area 10a: fluid induction unit 11: base 12: first chamber 13: resonance plate 130: hollow hole 131: movable member 14: operating plate 141: levitation member 142: outer frame member 143: Air gap 15: Piezoelectric element 16: outlet plate 160: outlet hole 17: inlet plate 170: inlet hole 18: second chamber 19: third chamber 20: fluid flow passages 20a, 20b, 21a, 21b, 22a, 22b: branch passage 30: merging chamber 40: sensing element 50, 50a, 50b, 50c, 50d: valve member 51: passage base material 511: first through hole 512: first through hole 513: chamber 514: first outlet 515: second outlet 52: Piezoelectric actuator 521: Carrier 522: Piezoelectric ceramic 53: Coupling rod 531: Blocking member 60: Controller 61 , 620: electrical connection lines g0: Clearance A: Export area
Claims (13)
前記流体動作領域は、少なくとも一つの流体誘導ユニットで構成され、前記流体誘導ユニットが制御されて作動することによって、輸送流体を少なくとも一つの出口孔から排出させ、
前記流体流路は、前記流体動作領域の前記少なくとも一つの出口孔に連通し、且つ複数の分岐通路を有し、前記流体動作領域から輸送された流体を分流して所要の輸送量を形成し、
前記センシング素子は、前記流体流路内に設けられ、前記流体流路内の流体を感知測定するために用いられ、
前記合流チャンバーは、前記流体流路と連通され、流体が前記合流チャンバーの内部に蓄積され、
前記複数の弁部材は、前記複数の分岐通路に設けられ、弁部材の開閉状態を制御することによって、前記複数の分岐通路における流体を輸出させ、
前記弁部材は、通路基材と圧電アクチュエータと連結ロッドとを備え、
前記通路基材は、第1貫通孔と第2貫通孔を有し、前記第1貫通孔と前記第2貫通孔とが互いに離間して設けられ、且つ分岐流路に連通し、前記通路基材は、チャンバーを更に凹設し、前記チャンバーは、前記第1貫通孔に連通する第1出口と、前記第2貫通孔に連通する第2出口とを設け、
前記圧電アクチュエータは、キャリアと前記キャリアの表面に粘着されている圧電セラミックスとで構成され、且つ前記圧電アクチュエータは前記チャンバーを覆い、
前記連結ロッドは、キャリアの他面に連結され、且つ前記第2出口を挿入して自由に変位でき、前記連結ロッドの一端は、前記第2出口の直径よりも大きい断面積を有するブロッキング部材を有し、前記第2出口を閉じることができ、
前記圧電アクチュエータが作動されることによって、前記連結ロッドのブロッキング部材が連動されて前記第2出口の開閉状態を制御し、流体を分岐流路から輸出させる、
ことを特徴とする流体システム。 A fluid system, manufactured in an integrated manner, comprising a fluid operation area, a fluid flow path, a merging chamber, a sensing element, and a plurality of valve members,
The fluid operation area is composed of at least one fluid induction unit, and the fluid induction unit is controlled and operated to discharge transport fluid from at least one outlet hole.
The fluid flow channel communicates with the at least one outlet hole of the fluid operation area and has a plurality of branch passages, and diverts the fluid transported from the fluid operation area to form a required transport amount ,
The sensing element is provided in the fluid flow channel and used to sense and measure a fluid in the fluid flow channel.
The junction chamber is in communication with the fluid flow path, and fluid is accumulated inside the junction chamber,
The plurality of valve members are provided in the plurality of branch passages, and export the fluid in the plurality of branch passages by controlling the open / close state of the valve member,
The valve member includes a passage base, a piezoelectric actuator, and a connecting rod,
The passage base material has a first through hole and a second through hole, the first through hole and the second through hole are provided separately from each other, and are in communication with the branch flow passage, and the passage base The material further has a chamber recessed, and the chamber is provided with a first outlet communicating with the first through hole and a second outlet communicating with the second through hole,
The piezoelectric actuator is composed of a carrier and a piezoelectric ceramic adhered to the surface of the carrier, and the piezoelectric actuator covers the chamber.
The connecting rod is connected to the other surface of the carrier and can be freely displaced by inserting the second outlet, and one end of the connecting rod is a blocking member having a cross-sectional area larger than the diameter of the second outlet. And the second outlet can be closed,
When the piezoelectric actuator is actuated, the blocking member of the connection rod is interlocked to control the open / close state of the second outlet, and the fluid is exported from the branch channel.
A fluid system characterized by
前記少なくとも一つの流体動作領域は、、少なくとも一つの流体誘導ユニットで構成され、前記流体誘導ユニットが制御されて作動することによって、輸送流体を少なくとも一つの出口孔から排出させ、
前記少なくとも一つの流体流路は、前記流体動作領域における前記少なくとも一つの出口孔に連通され、且つ複数の分岐通路を有し、前記流体動作領域から輸送された流体を分流して所要の輸送量を形成し、
前記少なくとも一つの合流チャンバーは、前記流体流路と連通され、流体が前記合流チャンバーの内部に蓄積される、
前記少なくとも一つのセンシング素子は、前記流体流路内に設けられ、前記流体流路内の流体を感知測定するために用いられ、
前記複数の弁部材は、前記分岐通路に設けられ、弁部材の開閉状態を制御することによって、前記複数の分岐通路における流体を輸出させ、
前記弁部材は、少なくとも一つの通路基材と少なくとも一つの圧電アクチュエータと少なくとも一つの連結ロッドとを備え、
前記少なくとも一つの通路基材は、少なくとも一つの第1貫通孔と少なくとも一つの第2貫通孔を有し、前記第1貫通孔と前記第2貫通孔とが互いに離間して設けられ、且つ分岐流路に連通し、前記通路基材は、少なくとも一つのチャンバーを更に凹設し、前記チャンバーは、前記第1貫通孔に連通する第1出口と、前記第2貫通孔に連通する第2出口とを設け、
前記少なくとも一つの圧電アクチュエータは、少なくとも一つのキャリアと前記キャリアの表面に粘着されている少なくとも一つの圧電セラミックスとで構成され、且つ前記圧電アクチュエータは前記チャンバーを覆い、
前記少なくとも一つの連結ロッドは、キャリアの他面に連結され、且つ前記第2出口を挿入して自由に変位でき、前記連結ロッドの一端は、前記第2出口の直径よりも大きい断面積を有する少なくとも一つのブロッキング部材を有し、前記第2出口を閉じることができ、
前記圧電アクチュエータが作動されることによって、前記連結ロッドのブロッキング部材が連動されて前記第2出口の開閉状態を制御し、流体を分岐流路から輸出させる、
ことを特徴とする流体システム。
An integrated fluid system comprising at least one fluid operating area, at least one fluid flow path, at least one merging chamber, at least one sensing element, and a plurality of valve members ,
The at least one fluid operation area is composed of at least one fluid induction unit, and the fluid induction unit is controlled and operated to discharge the transport fluid from the at least one outlet hole,
The at least one fluid flow passage is in communication with the at least one outlet hole in the fluid operation area, and has a plurality of branch passages, and diverts the fluid transported from the fluid operation area to achieve a required transport amount Form
The at least one merging chamber is in communication with the fluid flow path, and fluid is accumulated inside the merging chamber.
The at least one sensing element is provided in the fluid flow channel and used to sense and measure the fluid in the fluid flow channel,
The plurality of valve members are provided in the branch passage, and export the fluid in the plurality of branch passages by controlling the open / close state of the valve member,
The valve member comprises at least one passage substrate, at least one piezoelectric actuator, and at least one connecting rod;
The at least one passage substrate has at least one first through hole and at least one second through hole, and the first through hole and the second through hole are provided apart from each other, and branched The passage base material is in communication with the flow passage, and the passage base material further dents at least one chamber, and the chamber is provided with a first outlet communicating with the first through hole and a second outlet communicating with the second through hole And
The at least one piezoelectric actuator comprises at least one carrier and at least one piezoelectric ceramic adhered to a surface of the carrier, and the piezoelectric actuator covers the chamber.
The at least one connecting rod is connected to the other side of the carrier and can be freely displaced by inserting the second outlet, one end of the connecting rod having a cross-sectional area larger than the diameter of the second outlet Having at least one blocking member and closing the second outlet,
When the piezoelectric actuator is actuated, the blocking member of the connection rod is interlocked to control the open / close state of the second outlet, and the fluid is exported from the branch channel.
A fluid system characterized by
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