KR100561728B1 - piezoelectric pump - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도전성탄성판에 압전소자가 부착되는 다수의 압전액추에이터가 서로 다른 변위 차를 이루며 순차적으로 연동되게 하여 체크밸브 없이도 유체를 펌핑시킬 수 있는 압전펌프를 제공한다.The present invention provides a piezoelectric pump capable of pumping a fluid without a check valve by allowing a plurality of piezoelectric actuators to which a piezoelectric element is attached to the conductive elastic plate to sequentially interoperate with each other in a different displacement difference.
유체흡입관(11)이 연결되는 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 출구측으로 유체를 펌핑시키는 압전액추에이터(30)를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스(20)의 내측에 유로(24)를 공유하는 다수의 유체펌핑실(23)이 설치되고, 각각의 유체펌핑실(23)에는 인접되는 유로(24)를 서로 공유하는 압전액추에이터(30)가 취부되어 콘트롤러(40)가 각각의 압전액추에이터(30)들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작하도록 구성되고, 상기 콘트롤러(40)에 의해 제어되는 압전액추에이터(30)가 0°,90°,180°,270°변위 폭(위상차)을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 함.A pump case 20 having a suction hole 21 to which the fluid suction pipe 11 is connected and a discharge hole 22 to which the fluid discharge pipe 12 is connected, and a piezoelectric element attached to the conductive elastic plate 31. In a piezoelectric pump including a controller 40 for controlling a piezoelectric actuator 30 for causing displacement and pumping fluid to an outlet side, a plurality of channels sharing the flow passage 24 inside the pump case 20. The fluid pumping chamber 23 is installed, and each of the fluid pumping chambers 23 is provided with piezoelectric actuators 30 which share the adjacent flow paths 24 with each other, so that the controller 40 controls the respective piezoelectric actuators 30. The piezoelectric actuator 30 controlled by the controller 40 is configured to operate in conjunction with each other by sequentially controlling different displacement differences, and the 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° displacement widths (phase difference) are controlled. Characterized in that it is set to have.
압전펌프, 체크밸브, 도전성탄성판, 압전소자Piezoelectric pumps, check valves, conductive elastic plates, piezoelectric elements
Description
도1은 종래 유니몰프(unimorph) 압전액추에이터를 이용한 압전펌프의 예시도,1 is an exemplary diagram of a piezoelectric pump using a conventional unimorph piezoelectric actuator;
도2은 종래 바이몰프(bimorph) 압전액추에이터를 이용한 압전펌프의 예시도,Figure 2 is an illustration of a piezoelectric pump using a conventional bimorph piezoelectric actuator,
도3은 종래 압전펌프의 작동관계를 설명하는 선도,3 is a diagram illustrating an operation relationship of a conventional piezoelectric pump;
도4는 본 발명이 적용된 디스크형 압전액추에이터의 예시도,Figure 4 is an illustration of a disk-type piezoelectric actuator to which the present invention is applied,
도5는 본 발명이 적용된 압전펌프의 일 예시도,5 is an exemplary view of a piezoelectric pump to which the present invention is applied;
도6은 본 발명에 따른 압전펌프의 작동에 다른 유체의 흐름을 표현한 참고도,Figure 6 is a reference diagram representing the flow of other fluid in the operation of the piezoelectric pump according to the present invention,
도7은 본 발명의 또 다른 구성에 의한 압전 펌프케이스의 예시도, Figure 7 is an illustration of a piezoelectric pump case according to another configuration of the present invention,
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전펌프의 예시도,Figure 8 is an illustration of a piezoelectric pump according to another embodiment of the present invention,
도9는 도8에 나타낸 압전펌프의 단면도,9 is a cross-sectional view of the piezoelectric pump shown in FIG. 8;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11: 유체흡입관 12: 유체토출관11: fluid suction pipe 12: fluid discharge pipe
20: 펌프케이스 21: 흡입공20: pump case 21: suction hole
22: 토출공 23: 유체펌핑실22: discharge hole 23: fluid pumping chamber
24: 유로 30: 압전액추에이터24: Euro 30: Piezo actuator
31: 도전성탄성판 34: 압전소자31 conductive
40: 콘트롤러40: controller
본 발명은 소량의 유체를 펌핑하는 압전펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전성탄성판(plate)에 압전소자가 부착되는 다수의 압전액추에이터(unimorph 또는 bimorph)가 서로 다른 변위 차를 이루며 순차적으로 연동되는 방식으로 개량하여 체크밸브 없이도 유체를 펌핑시킴으로써 구조가 간단하고, 고장 및 소음도 줄일 수 있는 압전펌프를 제공함에 있는 것이다.The present invention relates to a piezoelectric pump for pumping a small amount of fluid, and more particularly, a plurality of piezoelectric actuators (unimorph or bimorph) to which a piezoelectric element is attached to a conductive elastic plate (unimorph or bimorph) form a different displacement difference and sequentially interlock. The present invention provides a piezoelectric pump that is simple in structure and can reduce failure and noise by pumping fluid without a check valve.
미소(微少) 유체 이송을 위한 소형 펌프로는 다이아후램 펌프가 주로이용되고 있으며, 이는 소형전동기와 소형전동기의 회전운동을 로드의 왕복운동으로 바꾸어 다이아후램에 변위를 주어 체크밸브를 통해 비교적 작은 양의 유체를 펌핑시키도록 구성되고 있다.The diaphragm pump is mainly used as a small pump for micro fluid transfer, and the diaphragm displaces the diaphragm by converting the rotational movement of the small motor and the small motor into a reciprocating motion of the rod, thereby providing a relatively small amount through the check valve. Is configured to pump fluid.
종래에는 도1에 나타낸 바와 같이 펌프케이스(20)에 유체 흡입공(21)과 토출공(22)이 구비되어 내측에 도전성탄성판(31:plate) 즉, 심(shim)의 한쪽면에는 인가전압에 따라 변위를 일으키도록 된 압전소자(34)가 부착되는 방식의 유니몰프(unimorph) 압전액추에이터(30)로 내설되어 상기 유니몰프 압전액추에이터(30)의 리드선(35a,35b)과 연결되는 콘트롤러의 전계 신호를 통해 기전력을 가하면 극성에 따라 압전소자(34)가 한쪽방향으로 변위를 일으키면서 유체를 유입시킨 후 출구측으로 펌핑(pumping)작용하도록 되어 있다.Conventionally, as shown in FIG. 1, a
또 다른 예로는 도2에서와 같이 도전성탄성판(31)의 양쪽면 모두에 압전소자(34:34a,34b)가 부착되는 바이몰프(bimorph) 압전액추에이터(30a)가 제안되기도 하였으며, 상기 바이몰프 압전액추에이터(30a)는 기전력을 가하면 압전소자(34a,34b)가 부착된 양쪽방향으로 변위를 일으키면서 펌핑(pumping) 작용하게 하여 상기한 유니몰프 압전액추에이터 보다는 더 큰 변위를 일으키면서 유체를 펌핑시키도록 구성되어 있다.As another example, as shown in FIG. 2, a bimorph piezoelectric actuator 30a having piezoelectric elements 34: 34a and 34b attached to both surfaces of the conductive
상기한 종래 구조의 압전액추에이터는 전계 신호에 따라 변위만을 발생하므로 펌핑 유체의 흡입과 토출을 단속하는 별도의 체크밸브(10a,10b)를 필요로 하고 있다.The piezoelectric actuator of the above-described conventional structure only generates displacement in accordance with the electric field signal, and thus requires
하지만 체크밸브(10a,10b)는 그 내측에 유로를 단속하는 볼(ball)과, 상기 볼이 안착되는 씨트(sheet)를 형성하고 있어 상기 체크밸브(10)가 제대로 동작하지 않을 경우 누설이 발생하여 펌핑 성능을 저하시키는 단점이 있다.However, the
또한, 체크밸브(10a,10b)는 유로 단속을 위해 볼을 이용하는 관계로 펌핑 중에 소음을 발생할 뿐만 아니라, 부품수가 많아져서 구성이 복잡하다는 등의 문제점을 안고 있다.In addition, the
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 감안 해결하고자 하는 것으로, 본 발명은 체크밸브를 이용하지 아니하면서도 다수의 압전액추에이터만으로도 펌핑 작용을 수행할 수 있도록 개선된 체크밸브가 필요없는 압전펌프를 제공함으로써 체크밸브를 이용하는 따른 펌핑 성능이 저하 및 소음이 발생되는 것을 예방하는데 그 목적이 있는 것이다.The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, the present invention is a piezoelectric pump that does not require an improved check valve to perform the pumping action only a plurality of piezoelectric actuators without using a check valve. The purpose of the present invention is to prevent deterioration of pumping performance and noise caused by using a check valve.
또한, 본 발명은 압전펌프의 구조가 간단하면서도 콤펙트하게 구성하여 작은 양의 유체 이송에 적합하여 다양한 의료장비나 가전제품 등에서 아주 유용하게 사용되어질 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 하고 있다.In addition, the present invention is another object of the piezoelectric pump structure to be simple yet compact so that it can be used in a variety of medical equipment or home appliances, such as suitable for small amount of fluid transfer.
상기한 목적 달성을 위해 본 발명에서는 압전액추에이터가 수용되는 내측 유체펌핑실에 유체흡입관과 연결되는 흡입공 및 유체토출관이 연결되는 토출공이 형성되는 펌프케이스와, 도전성탄성판에 부착되는 압전소자가 변위를 일으키며 펌프케이스의 흡입공으로 유입된 유체를 출구측 토출공으로 펌핑하도록 된 압전액추에이터와, 상기 압전액추에이터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스의 내측에 유로를 공유하는 다수의 유체펌핑실이 설치되고, 각각의 유체펌핑실에는 인접되는 유로를 서로 공유하는 압전액추에이터가 취부되어 콘트롤러가 각각의 압전액추에이터들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작하도록 구성되고, 상기 콘트롤러는 하나의 압전액추에이터와 인접되는 또 다른 압전액추에이터가 서로 다른 변위( 0°,90°,180°,270°변위) 폭(위상차)을 가지도록 설정되는 것을 특징으로 하는 압전펌프를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a pump case in which a suction hole connected to a fluid suction pipe and a discharge hole connected to a fluid discharge tube are formed in an inner fluid pumping chamber in which a piezoelectric actuator is accommodated, and a piezoelectric element attached to a conductive elastic plate. A piezoelectric actuator including a piezoelectric actuator configured to cause displacement and pump the fluid introduced into a suction hole of a pump case to an outlet discharge hole, and a controller for controlling the piezoelectric actuator, the plurality of which share a flow path inside the pump case. A fluid pumping chamber is installed, and each of the fluid pumping chambers is provided with piezoelectric actuators which share adjacent flow paths so that the controller sequentially controls the respective piezoelectric actuators so that they operate in conjunction with each other with different displacements. The controller is adjacent to one piezo actuator Provides a piezoelectric pump, characterized in that another of the piezoelectric actuator so as to set a different displacement (0 °, 90 °, 180 °, 270 ° displacement) width (a phase difference).
또한, 본 발명은 압전액추에이터가 수용되는 내측 유체펌핑실에 흡입공과 토출공이 형성되는 펌프케이스와, 도전성탄성판에 부착되는 압전소자가 변위를 일으키며 펌프케이스의 흡입공으로 유입된 유체를 출구측 토출공으로 펌핑하도록 된 압전액추에이터와, 상기 압전액추에이터를 제어하는 콘트롤러를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스는 그 상,하부측으로 또 다른 펌프케이스가 다수 적층되고, 각각의 펌프케이스에 조립되는 압전액추에이터의 흡입공과 토출공은 그 상부측으로 적층되는 펌프케이스의 토출공과 흡입공에 서로 연결되고, 최상부측 펌프케이스에는 가장 하부측에 위치한 펌프케이스의 흡입공과 직접 연결되는 유체흡입관과 최상부측 펌프케이스의 토출공과 연결되는 유체토출관이 함께 병설되고, 상기 펌프케이스의 일측면에 가이드홈이 형성되어 상기 가이드홈으로 조립되는 가이드블럭에 의해 ,상,하로 적층되는 펌프케이스를 고정 및 분리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전펌프를 제공한다.In addition, the present invention is the pump case in which the suction hole and the discharge hole is formed in the inner fluid pumping chamber in which the piezoelectric actuator is accommodated, and the piezoelectric element attached to the conductive elastic plate causes displacement, and the fluid introduced into the suction hole of the pump case is discharged to the outlet side. In a piezoelectric pump including a piezoelectric actuator to be pumped, and a controller for controlling the piezoelectric actuator, the pump case has a plurality of pump cases stacked on the upper and lower sides thereof, and the piezoelectric actuator is assembled to each pump case. The suction hole and the discharge hole are connected to the discharge hole and the suction hole of the pump case stacked on the upper side, and the upper pump case has a fluid suction pipe directly connected to the suction hole of the pump case located at the lower side and the discharge hole of the upper pump case. The fluid discharge pipe to be connected together is installed together, the pump case On one side the guide groove is formed to provide a piezoelectric pump, characterized in that is configured to secure and remove the pump casing which is assembled by a guide block with the guide groove, the up and down laminating.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 디스크형 압전액추에이터의 예시도를 나타낸 것으로, 압전액추에이터(30)는 도전성탄성판(31)의 한쪽면에 압전소자(34)가 부착되고, 상기 도전성탄성판(31)와 압전소자(34)에는 납땜 연결되는 리드선(35:35a,35b)이 구비되어 콘트롤러(40)가 상기 리드선(35)을 통해 압전액추에이터(30)에 기전력을 가하여 전계 신호를 발생시키면 압전소자(34)가 한쪽방향으로 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 유체를 펌핑(pumping) 시키는 디스크 형태로 구성되고 있다.Figure 4 shows an exemplary view of a disk-type piezoelectric actuator according to the present invention, the
그리고 압전액추에이터(30)를 수용하는 펌프케이스(20)는 유체흡입관(11)이 연결되는 유체 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되고, 그 내측에는 압전액추에이터(30)가 수납되는 유체펌핑실(23)이 구비되어 있다.In addition, the
상기 펌프케이스(20)의 유체펌핑실(23)에 취부되어 유체를 펌핑시키는 압전액추에이터(30)는 이를 제어하는 콘트롤러(40)와 연결되어 상기 콘트롤러(40)의 전계 신호에 따라 압전액추에이터(30)가 변위를 일으키면 유체를 출구측으로 펌핑시키도록 구성된다.The
상기 펌프케이스(20)는 압전액추에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 유체흡입관(11)이 연결되는 흡입공(21)과 유체토출관(12)이 연결되는 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)를 형성하되, 상기 펌프케이스(20)의 내측에 유로(24)를 공유하는 다수의 유체펌핑실(23:231,232,233,234,235)이 설치되어 각각의 유체펌핑실(23)에는 인접되는 유로(24)를 서로 공유하는 다수의 압전액추에이터(30:301,302,303,304,305)가 취부된다.The
이들은 각각 콘트롤러(40)에 연결되어 상기 콘트롤러(40)가 각각의 압전액추에이터(30)들을 순차적으로 제어하여 이들이 서로 다른 변위 차를 이루며 연동하여 동작할 수 있도록 한다.These are connected to the
상기 콘트롤러(40)에 의해 제어되는 각각의 압전액추에이터(30)는 이들이 서로 연동하여 순차적으로 동작할 수 있도록 0°,90°,180°,270°변위 폭(위상차)을 가지도록 차례로 설정된다.Each
한편, 본 발명에서는 일실시예로 하나의 펌프케이스(20)에 일렬로 나란하게 다수의 압전액추에이터(30)가 부설되어 하나의 유체흡입입구를 통해 유입되는 유체를 그와 마주하는 유체토출구를 통해 토출되는 구성으로 되는 압전펌프를 도시하고 설명하였으나, 또 다른 실시예는 도7내지 도9에 나타낸 바와 같이 압전펌프를 부피가 작고 콤펙트화된 구조로 형성할 수 있다.Meanwhile, in the present invention, in one embodiment, a plurality of
도7은 본 발명의 또 다른 구성에 의한 압전 펌프케이스의 예시도이고, 도8은 다수의 펌프케이스가 상,하로 적층되는 구조를 갖는 압전펌프의 예시도이고, 도9는 압전펌프의 단면도,Figure 7 is an exemplary view of a piezoelectric pump case according to another configuration of the present invention, Figure 8 is an illustration of a piezoelectric pump having a structure in which a plurality of pump cases are stacked up and down, Figure 9 is a cross-sectional view of the piezoelectric pump,
이에 도시된 바와 같이 압전액추에이터(30)가 수용되는 내측 유체펌핑실(23)에 흡입공(21)과 토출공(22)이 형성되는 펌프케이스(20)와, 도전성탄성판(31)에 부착되는 압전소자(34)가 변위를 일으키며 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑하도록 된 압전액추에이터(30)와, 상기 압전액추에이터(30)를 제어하는 콘트롤러(40)를 포함하는 압전펌프에 있어서, 상기 펌프케이스는 그 상,하부측으로 또 다른 펌프케이스(201,202,203,204)가 다수 적층되고, 각각의 펌프케이스(20)에 조립되는 압전액추에이터(30)의 흡입공(21)과 토출공(22)은 그 상부측으로 적층되는 펌프케이스(202)의 토출공(22)과 흡입공(21)에 서로 연결되고, 최상부측 펌프케이스(204)에는 가장 하부측에 위치한 펌프케이스(201)의 흡입공(21)과 직접 연결되는 유체흡입관(11)과 최상부측 펌프케이스(204)의 토출공(22)과 연결되는 유체토출관(12)이 함께 병설된다.As shown therein, the
그리고 상기 펌프케이스(20)의 일측면에 가이드홈(26)이 형성되어 상기 가이드홈(26)으로 조립되는 가이드블럭(27)에 의해 ,상,하로 적층되는 펌프케이스(20)를 고정 및 분리하도록 구성되고, 상기 가이드블럭(27)의 내측면에는 각각의 압전액추에이터(30)에 납땜 연결되는 리드선(35)을 외부로 인출시키도록 그 내측면에 요함부로 형성되는 리드선인출통로(271)를 형성하여 상기 가이드블럭(27)을 통해 인출되는 리드선(35)을 콘트롤러(40)에 연결하도록 되어있다.In addition, the
이처럼 상,하로 적층되는 구성을 갖는 압전펌프는 각각의 압전액추에이터의 토출공이 인접되는 또 다른 펌프케이스의 유입포트에 연결되도록 조립하면 제1펌프케이스(201)를 통해 펌핑되는 유체는 제2펌프케이스(202)로 유입되어질 수 있게되고, 제2펌프케이스(202)로 유입된 유체는 또 다른 제3, 4펌프케이스(203,204)를 순차적으로 경유하면서 순차적으로 펌핑작용을 하게 된다.Thus, when the piezoelectric pump having a configuration stacked up and down is assembled such that the discharge hole of each piezoelectric actuator is connected to the inlet port of another pump case adjacent to the pump, the fluid pumped through the
그리고 유체의 유입과 펌핑된 유체를 원하는 영역으로 토출시키기 위해서는 최상부측에 위치한 펌프케이스(204)에는 상기 압전펌프에 유체를 공급하는 유체공급관(11) 및 토출구를 통해 펌핑되는 유체를 이송하는 유체배출관(12)이 함께 설치되며, 상기 유체공급관(11)은 맨아랫쪽에 위치한 펌프케이스(201)의 유체 흡입공에 직접 연결된다.In order to discharge the inflow of the fluid and the pumped fluid to the desired area, the
이와 같이 구성된 본 발명은 펌프케이스의 내측에 유니몰프형 압전액추에이터를 다수개 배치하고, 각각의 압전액추에이터는 펌프케이스(20)의 흡입공(21)으로 유입된 유체를 출구측 토출공(22)으로 펌핑시키도록 이들이 서로 연동하여 동작되도록 전계를 인가함으로써, 체크밸브 없이도 흡입 측으로 유입된 유체가 출구 측으로 진행되도록 다수의 압전 액추에이터를 순차적으로 펌핑시킬 수 있게 된다. In the present invention configured as described above, a plurality of unimorphic piezoelectric actuators are disposed inside the pump case, and each piezoelectric actuator discharges the fluid introduced into the
상기 압전액추에이터에 기전력을 가하면 한쪽방향으로 변위를 일으킬 때 펌프케이스에 형성된 흡입포트과 연결되는 압전액추에이터의 흡입 측으로부터 첫번째 압전엑츄에이터가 변위를 일으켜 유체를 흡입하면, 90°위상지연으로 두 번째 압전 엑츄에이터가 변위를 시작하고, 180°지연으로 세번째 압전엑츄에이터가 변위를 시작하게 하면서 각 액추에이터 변위에 의해 발생된 공간에 유체가 유입되어 출구 측으로 토출하는 펌핑동작을 반복하게 된다.When an electromotive force is applied to the piezoelectric actuator, the first piezoelectric actuator causes a displacement from the suction side of the piezoelectric actuator connected to the suction port formed in the pump case when the displacement is induced in one direction, and the second piezoelectric actuator is subjected to a 90 ° phase delay. The displacement starts, and the third piezoelectric actuator starts the displacement with a 180 ° delay, and the pumping operation is repeated in which the fluid is introduced into the space generated by the displacement of each actuator and discharged to the outlet side.
이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 펌프케이스에 부설되는 다수의 압전액추에이터를 사용하여 이들이 서로 연동하여 동작되도록 전계를 인가함으로써, 체크 밸브 없이도 흡입 측으로 유입된 유체를 출구 측으로 펌핑 작동이 가능하여 부품수가 작고, 구조도 간단하여 고장이나 수리가 자주 발생하지 않을 뿐만 아니라 체크밸브에 의한 소음이 없으므로 저소음화를 실현할 수 있는 장점을 갖는 매우 유용한 발명인 것이다. As described above, the present invention uses a plurality of piezoelectric actuators attached to the pump case by applying an electric field so that they operate in conjunction with each other, it is possible to pump the fluid introduced to the suction side to the outlet side without a check valve, so that the number of parts It is a very useful invention having the advantage of being able to realize low noise because it is small and its structure is simple and does not frequently cause trouble or repair, and there is no noise caused by the check valve.
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