JP2023073156A - Surface mountable thin piezoelectric blower device - Google Patents
Surface mountable thin piezoelectric blower device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023073156A JP2023073156A JP2021186020A JP2021186020A JP2023073156A JP 2023073156 A JP2023073156 A JP 2023073156A JP 2021186020 A JP2021186020 A JP 2021186020A JP 2021186020 A JP2021186020 A JP 2021186020A JP 2023073156 A JP2023073156 A JP 2023073156A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diaphragm
- blower device
- piezoelectric
- fluid
- piezoelectric blower
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 12
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 230000036772 blood pressure Effects 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000002386 air freshener Substances 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 201000002859 sleep apnea Diseases 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
本発明は、携帯端末に代表される小型電子機器等、に内蔵するのに好適な薄型の圧電ブロアデバイスの構造に関する。 The present invention relates to the structure of a thin piezoelectric blower device suitable for being incorporated in small electronic devices such as mobile terminals.
圧電素子をアクチュエータとして高周波領域の駆動周波数でダイヤフラムを稼働させ、気体を送出する圧電ブロアデバイス、特に小型化を想定して考案された構成は、古くから数多く出願され、以下のような構成例がある。 (特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5)
Piezoelectric blower devices that use a piezoelectric element as an actuator to operate a diaphragm at a drive frequency in the high-frequency range to blow out gas, especially configurations devised for miniaturization, have been applied for many times over the years. be. (
特許文献1では、ポンプ本体と、駆動手段によって変位する変位器と、この変位器と上記ポンプ本体との間に形成されるポンプ室とを備え、上記ポンプ室は逆止弁を有しない第1開口部と第2開口部とを介して入口と出口とに流体的に連結され、上記変位器はポンプ本体に固定されたプレート状またはダイヤフラム状の部材で構成され、上記ポンプ本体にはポンプ室を構成する凹部が設けられ、上記ポンプ室と境界を接する弾性バッファが設けられ、上記駆動手段の作動力は変位器の上記第1開口部と対向する部分に作用するものであり、上記変位器はその第1終端位置において第1開口部を閉じ、かつ第2終端位置において第1開口部を開放状態とし、上記駆動手段は上記変位器を動作させることにより、上記変位器の動きに基づいて上記バッファの変形を引き起こし、バッファの変形により第2開口部を介して流体を排出または流入させる、逆止弁を有しない、流体ポンプの事例が示されている。
In
しかしながら、特許文献1に示される構成においては、変位器の動作によって変化するポンプ容積>>バッファ内容積という関係が成り立たないと大きな差圧が発生しないため、気体のような圧縮性流体を扱う場合はバッファの変形を引き起こすのには非常に小さいバッファ容積に限定しなければならない。したがって排出される流体量は小さく、またバッファの復元力による流体排出であるので、出口側の背圧も小さいという問題があった。
However, in the configuration shown in
特許文献2では、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプで、前記出口流路は、ポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さく、前記入口流路は、ポンプ室に動作流体が流入する場合の流体抵抗が流出する場合の流体抵抗よりも小さくなる流体抵抗要素を備え、前記駆動手段は、前記可動壁の運動周期を変更する周期制御手段を備え、当該周期制御手段は、前記ホンプ室の圧力が絶対0 気圧に達したときに、前記可動壁のポンプ室容積圧縮工程が開始するように前記アクチュエータを駆動する、流体ポンプの事例が示されている。
しかしながら、特許文献2に示される構成では、ピストンあるいはダイヤフラムを稼働させるアクチュエータとして、上下方向に伸縮する圧電素子を想定しており、一般的に圧電素子の上下方向の伸縮は非常に小さいため、大きな変位を得るには積層型の圧電素子を使用することが必須となり、ポンプの高さが大きくなって薄型の携帯端末には実装することは困難であるという問題があった。
However, in the configuration shown in
特許文献3では、ダイヤフラムとの間でブロア室を形成するブロア本体の第1壁部と、前記ダイヤフラムの中心部と対向する前記第1壁部の部位に形成され、ブロア室の内部と外部とを連通させる第1開口部と、前記第1壁部を間にしてブロア室と反対側に、第1壁部と間隔をあけて設けられた第2壁部と、前記第1開口部と対向する前記第2壁部の部位に形成された第2開口部と、前記第1壁部と第2壁部との間に形成され、外側端部が外部に連通され、内側端部が第1開口部及び第2開口部に接続された流入通路とを備え、前記第1開口部及び第2開口部と接続された流入通路の内側端部に、前記第1開口部及び第2開口部より大きな開口面積を有する中央空間が形成されており、前記ダイヤフラムの変位に伴い、前記第1壁部の前記中央空間と対向する部分が振動する、圧電マイクロブロアの事例が示されている。
In
しかしながら、特許文献3に示される構成では慣性力により圧縮性流体を送出できるものの、逆止弁は存在していないため外圧に対する流量変動が大きく、本デバイスが搭載されたアプリケーションでは製品機能が極端に限定されるという問題があった。圧電ブロアデバイスとして小型化されても、圧縮性流体を大流量で且つ高圧で送出できる構成であることが望ましい。
However, although the configuration shown in
特許文献4では、第1振動板と、前記第1振動板に対向する第2振動板と、前記第1振動板の周縁部および前記第2振動板の周縁部を接続する周壁部と、前記第1振動板および前記第2振動板の間に位置し、前記第1振動板、前記第2振動板および前記周壁部によって規定されたポンプ室と、前記第1振動板および前記第2振動板を屈曲振動させることにより、前記ポンプ室に圧力変動を生じさせる駆動体とを備え、前記第1振動板には、前記第1振動板の中央部および前記第2 振動板の中央部に直交する軸線の延在方向に沿って見た場合に当該軸線に重なる位置に配置されるとともに、逆止弁が付設されていない第1孔部が設けられ、前記第1振動板および前記第2振動板の少なくとも一方には、前記軸線の延在方向に沿って見た場合に前記第1孔部に重ならない位置に配置されるとともに、逆止弁が付設された第2 孔部が設けられ、前記第1 振動板および前記第2 振動板の少なくとも一方には、前記軸線を中心としつつ当該軸線の延在方向に沿って見た場合に前記第2孔部が設けられた領域よりも外側の領域に配置されるとともに、逆止弁が付設されていない第3孔部がさらに設けられている、流体ポンプの事例が示されている
In
特許文献4に示される事例は、従来例に比して流量の増大を図ることができる構造として提案されているが、この事例に関しても高い吐出圧が得られる原理構造は記述されておらず、非圧縮性流体を大流量で且つ高圧で送出することが必要なアプリケーションを前提とした薄型の携帯端末へ搭載することができないという問題があった。
The example shown in
特許文献5では、 流体を収容するためのキャビティを画定する実質的に円筒状の形状を有し、前記キャビティが両端において実質的に円形の端壁により閉じられた側壁により形成され、前記端壁のうちの少なくとも一方は駆動される端壁であり、前記駆動される端壁が中央部と、該駆動される端壁の中央部から半径方向外側に向かって延びる周縁部とを有するポンプ本体と、 前記駆動される端壁の前記中央部に動作的に関連されて、該駆動される端壁の振動運動を生じさせ、これにより、使用時において前記駆動される端壁の該端壁に実質的に垂直な方向の変位振動を、前記駆動される端壁の中心と前記側壁との間に環状のノードを伴って発生させるアクチュエータと、 前記駆動される端壁の前記周縁部と動作的に関連されて、前記変位振動の減衰を減少させるアイソレータと、 前記キャビティにおける前記環状のノードの位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第1 開口と、 前記ポンプ本体における前記第1 開口の位置以外の何れかの位置に配設されると共に、前記ポンプ本体を経て延在する第2 開口と、 前記第1 開口及び前記第2 開口のうちの少なくとも一方に配設されるバルブと、を有し、使用時に、前記変位振動が前記ポンプ本体の前記キャビティ内に前記流体の対応する半径方向の圧力振動を発生して、前記第1 及び第2 開口を経る流体の流れを生じさせるポンプ、の事例が示されている。 In U.S. Pat. No. 5,400,000, a substantially cylindrical shape defining a cavity for containing a fluid, said cavity being formed by side walls closed at both ends by substantially circular end walls, said end walls a pump body at least one of which is a driven end wall, said driven end wall having a central portion and a peripheral edge portion extending radially outwardly from said driven end wall central portion; , operatively associated with said central portion of said driven end wall for producing an oscillatory motion of said driven end wall, whereby in use said end wall of said driven end wall substantially an actuator for generating displacement vibrations in a substantially perpendicular direction with an annular node between the center of the driven end wall and the side wall; Associated therewith is an isolator for reducing damping of said displacement oscillations; and a first opening disposed at any location in said cavity other than at said annular node location and extending through said pump body; a second opening disposed in the pump body at any position other than the position of the first opening and extending through the pump body; and at least one of the first opening and the second opening. wherein, in use, said displacement oscillations produce corresponding radial pressure oscillations of said fluid within said cavity of said pump body to open said first and second openings. An example is shown of a pump that causes fluid flow through.
特許文献5に示される事例では、垂直方向に振動するアクチュエータによって円筒形キャビティの半径方向に音響定在波を形成し、これによって円筒形キャビティ中心付近に大振幅圧力振動を発生させている。特許文献3,及び特許文献4に比べて圧縮性流体を高圧に送出する原理構成として優れた提案である。しかしながら、この構成に基づいてより小型のブロアを製作しようとすると以下の問題があった。1つ目は小型のブロアを製作するためにキャビティ径を小さく設計した場合、キャビティ径が小さくなることによる共振周波数の増大で、差圧により従動する原理で構成されたバルブ(一方向弁)の揺動が共振周波数に追い付かなくなり、一方向弁としての機能が得られなくなる可能性があること。小型化しても大流量で且つ高圧であるという両方を要求するようなアプリケーションに対して、十分に満足するものではない。
In the case shown in U.S. Pat. No. 5,400,000, a vertically vibrating actuator creates an acoustic standing wave in the radial direction of a cylindrical cavity, thereby generating large amplitude pressure oscillations near the center of the cylindrical cavity. Compared to
上記の流体ポンプないしはブロアによれば、アクチュエータとして圧電素子を使用して高周波領域で駆動し、簡素な構成で流体を送出する機能を実現しており、小型電子機器へ適合することができる技術提案であることは確かである。しかしながら、携帯端末に代表されるような、より薄型の小型電子機器に内蔵して大流量且つ高圧であることを求めるアプリケーションに適用するには、これらの提案はそれを満足するものではない。例えばカフを加圧して血圧を測定する機能を携帯端末や時計型携帯機器に内蔵したい場合や、同様に花粉や大気汚染物質を吸引し検出あるいはカウントしたりする機能を、携帯端末や時計型携帯機器に内蔵する場合、さらには医療機器の一つである、傷口患部を吸引して肉芽形成効果を高める携帯可能な陰圧治療器に適用したい場合等では、ブロアデバイスの薄型化とともに、大流量且つ高圧であることが必須条件となる。 According to the above-mentioned fluid pump or blower, a piezoelectric element is used as an actuator to drive in a high frequency range, and the function of delivering fluid is realized with a simple configuration, which is a technical proposal that can be applied to small electronic devices. It is certain that However, these proposals are not satisfactory for applications that require a large flow rate and a high pressure by being incorporated in a thinner compact electronic device such as a portable terminal. For example, if you want to incorporate a function to pressurize the cuff and measure blood pressure in a mobile terminal or watch-type mobile device, or a similar function to suck pollen or air pollutants and detect or count them, When it is built into equipment, and when it is desired to apply it to a portable negative pressure treatment device, which is one of the medical devices, which suctions the affected part of the wound to enhance the granulation effect, the blower device can be made thinner and the flow rate can be increased. Moreover, a high pressure is an essential condition.
本発明は携帯端末に代表される今後の社会生活において継続的な需要が見込まれると考えられる、より薄型・小型の電子機器に内蔵することを目的として、薄型化が可能な圧電ブロアデバイスの具体的な構成を提案することである。 The present invention is a specific piezoelectric blower device that can be made thinner for the purpose of being incorporated in thinner and smaller electronic equipment, which is expected to continue to be in demand in future social life represented by mobile terminals. It is to propose a typical configuration.
本発明に係る圧電ブロアは、圧電素子によって変位振動する厚さ100μm以下の円形ダイヤフラムの中心内部にダイヤフラムの変位振動に伴いアクティブに動作する一方向弁機構を内蔵し、ダイヤフラムを含んで構成された円筒状キャビティ内に生じる流体の半径方向振動(縦波)によって生成される圧力定在波の最大・最小値となる位置に一方向弁機構の中心軸を一致させる。また一方向弁機構の流体出口側となるダイヤフラム面に貼り付けられた圧電素子は円筒形であり且つ中心部に流体導通穴を有した形状であり、一方向弁機構と同様圧力定在波の最大・最小値となる位置に流体導通穴の中心軸を一致させる。円筒形キャビティ内で生成される圧力定在波はダイヤフラムに内蔵された一方向弁によって変位振動に同期して選択的に開閉が切り替えられ、円筒形キャビティ内の高圧位相の流体は圧電素子の中心に形成された流体導通穴を通って外部に送出されることとなる。ダイヤフラムは円形縁部が接合固定されて振動し、薄型化したダイヤフラムに貼り付けられた圧電素子への電圧印可で生じる屈曲変位によって外部への流体送出を誘引する。これらの構造を薄い領域で形成するために、一方向弁機能を有するダイヤフラムは金属箔材を3層で拡散接合して製作される。また円筒形キャビティ及び吸入流路となる部分も同様に金属箔材による拡散接合によって一体的に形成される。またダイヤフラムの表面には絶縁層と導電層が形成されワイヤーボンディングで圧電素子と電気的な接続が行なわれるとともに、同様にダイヤフラム表面に別途流路基板と接続する流体経路が形成される。 A piezoelectric blower according to the present invention comprises a circular diaphragm with a thickness of 100 μm or less that is displaced and vibrated by a piezoelectric element, and a one-way valve mechanism that actively operates in accordance with the displacement and vibration of the diaphragm. The central axis of the one-way valve mechanism is aligned with the maximum and minimum values of standing pressure waves generated by radial vibrations (longitudinal waves) of the fluid in the cylindrical cavity. The piezoelectric element attached to the diaphragm surface, which is the fluid outlet side of the one-way valve mechanism, is cylindrical and has a fluid communication hole in the center. Align the central axis of the fluid conduction hole with the position where the maximum and minimum values are obtained. The pressure standing wave generated in the cylindrical cavity is selectively opened and closed in synchronization with the displacement vibration by a one-way valve built into the diaphragm, and the high-pressure phase fluid in the cylindrical cavity is at the center of the piezoelectric element. It will be delivered to the outside through the fluid conduction hole formed in the . The diaphragm vibrates with its circular edge fixed by bonding, and induces the delivery of fluid to the outside by bending displacement caused by voltage application to the piezoelectric element attached to the thinned diaphragm. In order to form these structures in thin areas, diaphragms with one-way valve function are fabricated by diffusion bonding three layers of metal foil material. Also, the cylindrical cavity and the suction channel are integrally formed by diffusion bonding of metal foil material. An insulating layer and a conductive layer are formed on the surface of the diaphragm and are electrically connected to the piezoelectric element by wire bonding.
本発明においては、サイズダウンに伴う駆動周波数増加に対する一方向弁の追従性を維持できるため、携帯端末に代表される、薄型・小型の電子機器に内蔵して大流量で且つ高圧が必要な種々のアプリケーションに対応することができる。 In the present invention, since the followability of the one-way valve to the increase in drive frequency accompanying size reduction can be maintained, it can be incorporated in thin and small electronic devices, such as mobile terminals, for various applications requiring large flow rates and high pressures. applications.
また、また金属箔材の拡散接合によって本体を形成することで、従来例に比べて圧電ブロアデバイスの厚さを極めて薄くすることができるため、実装における自由度が高くなる。 Moreover, by forming the main body by diffusion bonding of metal foil materials, the thickness of the piezoelectric blower device can be made extremely thinner compared to the conventional example, so that the degree of freedom in mounting is increased.
図1は本発明に係る圧電ブロアデバイス1の典型的な外観形状を示す斜視図である。金属箔材を金属拡散接合法によって多層化接合した略四角形状のブロア本体10の不図示のダイヤフラム面14に、中心部に流体導通穴31を有した円形の圧電素子30が貼り付けられている。略四角状のブロア本体10に接合され、ダイヤフラム14としては変位振動しない対角領域に、圧電素子30を駆動するための2つの電圧印可用ランド41,42が設けられている。そのうちの1つはGND用ランド41であり、圧電素子30下面に形成された不図示の-電極面30Bと導電性を持つ金属材料で構成された略四角状のブロア本体10に電気的に導通されている。他方はSIG用ランド42であり、絶縁層20上にAuメッキやAgをパターン印刷するなどによってSIG用ランド42は形成され、圧電素子30の+電極面30AとSIG用ランド42はAuないしはAl/Si材質の細いボンディングワイヤ50で電気的に接続されている。また、略四角状のブロア本体10に接合され、ダイヤフラム14としては変位振動しない領域で且つ2つの電圧印可用ランド41及び42が形成されていない領域、には流体を吸入しブロア本体内に導入するINLET穴60が形成される。本実施例のようにブロア機能に影響しない領域には貫通孔70を予め形成しておき、製品内に組み込む時に位置決め穴として使用しても良い。
不図示の電源装置を2つの電圧印可用ランド41及び42に接続して交流電圧を印可することで圧電素子30は圧縮・伸長を繰り返し、後述する原理にて流体を加圧・整流・送出し、圧電素子30の中心に穿たれた流体導通穴31をOUTLETとして矢印方向に吐出が行われる。
FIG. 1 is a perspective view showing a typical external shape of a
By connecting a power supply device (not shown) to the two voltage application lands 41 and 42 and applying an AC voltage, the
図2A,図2B,図2C,及び図3は、本発明に係る圧電ブロアデバイス1の模式断面図を示しており、特に図3では一方向弁の詳細な構造を示している。また本発明の構成をよく理解するために、図4に本発明に係る典型的な圧電ブロアデバイス1の分解構成斜視図を示している。
図2Bまたは図2Cは図2Aに矢視した方向から見たそれぞれの断面図を示している。略四角状のブロア本体10は図2Bまたは図2Cに示す通り断面方向から見ると、ダイヤフラム層14・キャビティ層13・ノード層12・流路層11の大きく4つのブロックで構成されている。これらの4つの層は金属箔材を後述する金属拡散接合法によって接合され一体化している。キャビティ層13の下に配置されたノード層12には2つのノード穴12Aが形成されており、INLET穴60から流路溝11Aを通り流路が接続され、さらにキャビティ13Aに流体経路が連結されている。
ダイヤフラム層14はさらに、薄い3つの層によって構成されている。図3の図中下から弁穴層14A、フラップ弁層14B、弁揺動空間層14C、となっており、同様に金属拡散接合法によってフラップ弁層14Bの一部であるフラップ弁14B―1以外はすべて一体化している。
弁穴層14Aは扇状の4つの弁穴14A-1を有した層として形成されている。フラップ弁14B-1は弁穴層14Aの扇状の4つの弁穴14A-1とは重ならない中心位置に貫通孔14B-2が形成されている。後述する2つの動作モードによってフラップ弁14B-1は弁揺動空間14D―1の間で強制的に揺動し、一方向弁としての機能を発現する。金属箔材の積層接合により、一方向弁機構を内蔵しつつ薄いダイヤフラム14としてバルク材料に近い組織構成となっている。
2A, 2B, 2C, and 3 show schematic cross-sectional views of the
2B or 2C show respective cross-sectional views as seen from the direction of the arrow in FIG. 2A. 2B or 2C, the substantially
The
汎用的で且つ安価に中空構造体を形成可能な技術として、金属拡散接合法は大きな特徴を持つ。MEMS(Micro Electoro Mechanical System)の技術領域においては、小型化を目的として微細な構造体と電子回路を、半導体シリコン材料を基に製造することが良く知られている。微細な構造体が高周波で動作する場合、必ずしも半導体シリコン材料が適するとは限らない。材料の機械的特性において、例えばSUS304と単結晶シリコンの曲げ強さを比較するとSUS304の方が3倍程度高い。またSUS304の方が延性も高いのでクラックが起きにくいなどのメリットがある。高周波で繰り返し弾性変形する動作が行われるようなデバイスでは、割れなどの破壊を回避するために、微細な加工が可能な範囲においては、金属材料を選択することが商業的には望ましいことは想像しやすいであろう。
圧電素子30はダイヤフラム14の表面に接着固定されている。接着剤80は導電性を有しない熱硬化性エポキシ樹脂接着剤等が選定される。圧電素子30の下面電極30Bは表面粗さがあり、微視的には加圧接着した時にダイヤフラム14表面と電気的に接続が保たれる。一方圧電素子30の上面電極30Aは、前述のボンディングワイヤ50によってSIG用ランド42と電気的に接続が保たれている。
The metal diffusion bonding method has a great feature as a general-purpose and low-cost technique for forming a hollow structure. In the technical field of MEMS (Micro Electro Mechanical System), it is well known to manufacture fine structures and electronic circuits based on semiconductor silicon materials for the purpose of miniaturization. Semiconductor silicon materials are not always suitable when fine structures operate at high frequencies. In terms of the mechanical properties of the material, for example, when comparing the bending strength of SUS304 and single crystal silicon, SUS304 is about three times higher. In addition, SUS304 has higher ductility and thus has the advantage of being less likely to crack. It is conceivable that it is commercially desirable to select metal materials within the range where fine processing is possible in order to avoid damage such as cracks in devices that repeatedly elastically deform at high frequencies. would be easy.
The
図5A及び図5Bは、ダイヤフラム14の変位振動によって一方向弁が開動・閉動したことを説明する模式断面図である。図5Aでは、圧電素子30の上面電極32に―電位が印可されて圧電素子30が径方向に伸長し、接着剤80により拘束されたダイヤフラム14との間で歪変形が起こり、ダイヤフラム14が図中上方向に変位した場合を示している。図5Bでは、圧電素子30の上面電極32に+電位が印可されて圧電素子30が径方向に圧縮し、接着剤80により拘束されたダイヤフラム14との間で歪変形が起こり、ダイヤフラム14が図中下方向に変位した場合を示している。この時ダイヤフラム14内に内蔵されたフラップ弁14B-1は、相対的にダイヤフラム14の変位方向とは逆方向に強制的に揺動することになる。図5Aのようにダイヤフラム14が上方向に変位した時にはフラップ弁14B-1は弁揺動空間層側14C―1に揺動して第1弁穴層14Aに係止し、外部への流体送出が不可の状態となる。ダイヤフラム14が下方向に変位した時には図5Bのようにフラップ弁14B-1は弁揺動空間14D―1側に揺動して圧電素子30に係止し、外部への流体送出が可の状態となる。
5A and 5B are schematic cross-sectional views explaining that the one-way valve is opened and closed by the displacement vibration of the
フラップ弁14B-1は10μm以下の極薄い金属箔材からなり、フラップ弁層14Bの一部として形成されている。金属の圧延加工は年々発展しており、圧延によって表面粗さが小さく数μm厚の均一な箔材を製作することが可能である。本発明に係る圧電ブロアデバイス1の構造を前提としてサイズダウンを試みていく場合にはダイヤフラム14の駆動周波数が高くなるため、フラップ弁14B―1の追従性を考慮するとより薄い材料を選択する必要性があることが予想される。
フラップ弁14B-1は弁穴層14Aと弁揺動空間層14Cの間に金属拡散接合で固定されているため、金属材料の弾性力によって貫通孔14B―2を含む周辺部が揺動可能となっている。圧力差によって弁体が従動的に開閉する従来例の構成よりも、ダイヤフラム14の変位振動によって強制的にフラップ弁14B―1を揺動させる方が高周波数駆動への適用性は高い。
The
Since the
図6は、本発明に係る圧電ブロアデバイス1を製作する元となる金属拡散接合の原理を示す模式図である。図は「Q&A 拡散接合」1993年 産報出版刊 著者: 大橋修 からの出典である。JISでは、拡散接合を「母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する方法」と定義している。拡散接合は接合部の完全化(表面被膜の除去、接合面の密着)であり、金属原子の拡散を利用する接合機構に由来し、摩擦圧接・鍛接・熱間圧接・冷間圧接などの方法とは異なる。
清浄な金属同士が原子レベルで接近すると、溶融しなくても常温で容易に原子的な接合部が形成されることはよく知られている。商業的にこの現象を使って金属同士を接合するために表面粗さの小さい金属材料同士を重ねて真空中で加熱・加圧し接合する方法を汎用的には用いる。ある温度まで加熱すると金属材料表面の酸化被膜は拡散によって消失し金属原子が露出する。また加圧によって金属結晶のクリープは起こり、金属同士の接合面では距離が縮まり原子拡散が進んでいき、接合は完了する。
図6の(A)は加熱前の酸化被膜で覆われた金属面を示している。
図6の(B)は酸化被膜が消失し凹凸が塑性変形し始めた過程を示している。
図6の(C)はクリープ変形する過程を示している。
図6の(D)は拡散で空隙が消失する過程を示している。
拡散接合法のメリットはいくつか挙げられるが、1)接合完了後、接合面はなくなり、バルクに近い組織になること。2)中空構造体が形成できること。3)金属種において接合材料の選択自由度が高いこと。4)表面粗さの小さい且つ薄い圧延材を選択して微細構造体を作りやすいこと。などが特筆すべき項目として挙げられる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the principle of metal diffusion bonding, which is the basis for manufacturing the
It is well known that when clean metals come close to each other at the atomic level, atomic joints are easily formed at room temperature without melting. Commercially, in order to join metals using this phenomenon, a method of stacking metal materials with small surface roughness and joining them by heating and pressing in a vacuum is generally used. When heated to a certain temperature, the oxide film on the surface of the metal material disappears due to diffusion, exposing the metal atoms. Also, the pressure causes the metal crystals to creep, and the distance between the metal-to-metal joint surfaces is reduced and atomic diffusion progresses, completing the joint.
FIG. 6A shows a metal surface covered with an oxide film before heating.
FIG. 6B shows the process in which the oxide film disappears and the irregularities begin to undergo plastic deformation.
FIG. 6C shows the process of creep deformation.
(D) of FIG. 6 shows a process in which voids disappear due to diffusion.
There are several merits of diffusion bonding. 2) the ability to form hollow structures; 3) A high degree of freedom in selecting bonding materials for metal species. 4) It is easy to select a thin rolled material with small surface roughness to form a fine structure. etc. are worth mentioning.
図7は、拡散接合原理使って積層接合したダイヤフラム14の厚さ構成例を示している。前述した通り、ダイヤフラム14は一方向弁機構を内蔵したものであるため、機能を満足する形状に予めエッチングや微細プレスにて加工された複数の金属箔材を重ねて接合される。フラップ弁14B-1部は外部からの加圧がないため、拡散接合実施後も弁穴層14A及び弁揺動空間層14C―1の間で揺動可能なように維持される。例えば金属材料としてSUS304を選択した場合、比較的入手がし易く且つ表面粗さが小さいものが安価に入手できる。厚さは概ね、t5μm~t1000μmの範囲にあり、ダイヤフラムを構成する各層の厚さを例えば以下のようにすることができる。
弁穴層14A:t30μm
フラップ弁層14B:t5μm
弁揺動空間層14C:t30μm
この例では拡散接合後のダイヤフラム層14厚はt65μmとなり、ダイヤフラム14の変位を最大化する方向に厚さを調整することができる。各層の厚さはこれに限定されることはなく、デバイス設計の目的に応じて種々の厚さが選択される。
FIG. 7 shows an example of the thickness configuration of the
Valve
In this example, the thickness of the
図8は、本発明に係る圧電ブロアデバイス1の実装方法を示した模式斜視図である。本発明の主目的は携帯端末に代表される薄型の小型電子機器への搭載であるため、圧電ブロアデバイス1の実装方法についても薄型化への考慮がされていなければならない。前述の図1で示したように、略四角状のブロア本体10には流体導通穴31が穿たれた圧電素子30と、INLET穴60と、圧電素子30を駆動するための2つの電圧印可用ランド41及び42が同一ダイヤフラム14表面に設けられている。
ここで、内部に流体流路を持ち、表面には電子回路を形成したような流路基板3を圧電ブロアデバイス1とは別に用意し、本発明の圧電ブロアデバイス1を、間座4を介して実装することで低ハイト流体モジュール0として成立させることができる。間座4は例えば接着性を有する熱硬化性接着シートなどが選定される。圧電ブロアデバイス1に形成された流体導通穴31及びINLET穴60は流路基板3内部に形成された流路に穴周囲をリークしないよう接着され、流体経路として接続される。また圧電素子30駆動用の2つの電圧印可用ランド41及び42は、導電性ペースト5や金属マイクロスプリング等で流路基板3表面に形成された電気的配線パターンに接続される。流路基板3内に内蔵された流路を前述した金属拡散接合で製作し、その上下に配線パターン化されたフィルム基板を貼り合わせた構成が薄型化と強度面が両立して小型電子機器への搭載には好ましいと考えられる。
フィルム基板は多層基板でもよく、本発明に係る圧電ブロアデバイス1のみを実装するのではなく、高密度配線により例えば圧力センサーダイ3Aや抵抗チップ3B、コンデンサーチップ3C、アンプ回路3D、コネクタ3E、システムLSI3Fなども同時にフィルム基板上に実装して、低ハイト流体モジュール0として形成可能となる。
図に示すように、内部構造は異なるが、本発明に係る圧電ブロアデバイス1と同様の製造方法で製作した圧電バルブデバイス2も実装した構成とすれば、小型・薄型のカフ加圧型の血圧計モジュールとして、携帯端末に代表される小型電子機器、特に腕時計型の情報端末への実装が容易となる。
FIG. 8 is a schematic perspective view showing a mounting method of the
Separately from the
The film substrate may be a multi-layer substrate, and not only the
As shown in the figure, although the internal structure is different, if a
本発明により製作される圧電ブロアデバイス1は、例えば情報機器分野では、血圧を測る機能や大気中のCO2濃度や粉塵濃度を測る機能を携帯端末に内蔵し、常時モニタリングするなどの産業上の利用が考えられる。
例えば医療用途ではモバイル性を重視した陰圧治療器、ドレナージ、加圧カフ、無呼吸症候群防止装置、呼吸補助器などで産業上の利用が考えられる。
例えば自動車分野では、前照灯内の結露対策、バックモニターカメラの水滴除去、居眠り防止、芳香剤蒸散などで産業上の利用が考えられる。
例えばパーソナルな分野では、ポケットファン、空冷装置内蔵ジャケットなどで産業上の利用が考えられる。
The
For example, in medical applications, industrial applications such as negative pressure treatment devices, drainage devices, pressurization cuffs, apnea syndrome prevention devices, and respiratory aids that emphasize mobility are conceivable.
For example, in the automotive field, industrial applications are conceivable, such as preventing condensation in headlights, removing water droplets from back monitor cameras, preventing falling asleep, and evaporating air fresheners.
For example, in the personal field, industrial applications such as pocket fans and jackets with a built-in air cooling device can be considered.
0 低ハイト流体モジュール
1 圧電ブロアデバイス
2 圧電バルブデバイス
3 流路基板
3A 圧力センサーダイ
3B 抵抗チップ
3C コンデンサーチップ
3D アンプ回路
3E コネクタ
3F システムLSI
4 間座
5 導電性ペースト(金属マイクロスプリング)
10 ブロア本体
11 流路層
11A 流路溝
12 ノード層
12A ノード穴
13 キャビティ層
13A キャビティ
14 ダイヤフラム
14A 弁穴層
14A-1 弁穴
14B フラップ弁層
14B―1 フラップ弁
14B―2 フラップ弁穴
14C 弁揺動空間層
14C-1 弁揺動空間
20 絶縁層
30 圧電素子
31 流体導通穴
30A 上面電極
30B 下面電極
41 GND用ランド
42 SIG用ランド
50 ボンディングワイヤ
60 INLET穴
70 貫通孔
80 接着剤
0 low height fluid module
1 piezoelectric blower device
2 piezoelectric valve device
3
4 spacer
5 Conductive paste (metallic microspring)
10
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021186020A JP2023073156A (en) | 2021-11-15 | 2021-11-15 | Surface mountable thin piezoelectric blower device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021186020A JP2023073156A (en) | 2021-11-15 | 2021-11-15 | Surface mountable thin piezoelectric blower device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023073156A true JP2023073156A (en) | 2023-05-25 |
JP2023073156A5 JP2023073156A5 (en) | 2024-05-16 |
Family
ID=86425080
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021186020A Pending JP2023073156A (en) | 2021-11-15 | 2021-11-15 | Surface mountable thin piezoelectric blower device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023073156A (en) |
-
2021
- 2021-11-15 JP JP2021186020A patent/JP2023073156A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4873014B2 (en) | Piezoelectric micro blower | |
JP5982117B2 (en) | Micro diaphragm pump | |
KR101333542B1 (en) | Fluid pump | |
JP5850208B1 (en) | Fluid control device and pump | |
CN102979706B (en) | Fluid control device | |
JP5012889B2 (en) | Piezoelectric micro blower | |
US9556889B2 (en) | Method and apparatus for reducing acoustic noise in a synthetic jet | |
US20100051242A1 (en) | Method and apparatus for reducing acoustic noise in a synthetic jet | |
CN102057163A (en) | Piezoelectric microblower | |
CN104500374A (en) | Fluid control device | |
CN117044239A (en) | Sensing device | |
JP2018123796A (en) | Micro diaphragm pump | |
JP2023073156A (en) | Surface mountable thin piezoelectric blower device | |
US20230287904A1 (en) | Actuator for a resonant acoustic pump | |
TWI722812B (en) | Blood pressure measurement module | |
JP2008054367A (en) | Piezoelectric actuator and pump employing it | |
CN113331804A (en) | Blood pressure measuring module | |
TW202118446A (en) | Blood pressure measurement module | |
JP6809866B2 (en) | Micropump and fluid transfer device | |
WO2022025230A1 (en) | Pump and fluid control device | |
CN109695562A (en) | A kind of fluid pump and exciting element | |
WO2022123983A1 (en) | Fluid control device and electronic equipment | |
WO2022025233A1 (en) | Pump, and fluid control device | |
US20240024591A1 (en) | Aerosol generator for an inhalation device | |
JP2023126991A (en) | Pump and fluid control device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240110 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240508 |