KR20030034192A - 압전 액추에이터 및 이를 사용하는 펌프 - Google Patents

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클리포드 엔. 로젠
윌리 조 이스트
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클리포드 엔. 로젠
윌리 조 이스트
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Abstract

본 발명은 압전 액추에이터(14)를 제조하는 방법이 액추에이터를 사용하는 소형 격막 펌프(10)와 함께 제시된다. 본 발명의 목적은 소형 격막 펌프와 다른 용도에 사용될 수 있고, 종래 기술의 액추에이터보다 크기가 작고 보다 쉽게 제조되지만, 유사한 크기의 이미 알려진 모든 장치보다도 높은 힘과 변위를 제공한다. 펌프(10)는 새로운 단방향 밸브(200)와 소형의 구동 회로(18)와 함께 새로운 액추에이터를 통합한다. 펌프는 소형 컴퓨터의 수냉 시스템에, 그리고 다른 액체 시스템에 직접 적용된다.

Description

압전 액추에이터 및 이를 사용하는 펌프{PIEZOELECTRIC ACTUATOR AND PUMP USING SAME}
본 발명에 대한 종래 기술은 다음과 같이 분류될 수 있다:
Ⅰ. 압전 액추에이터의 프리스트레싱(prestressing)이나, 돔-형상(dome-shaped) 압전 액추에이터, 또는 이들 둘다를 개시하는, 미국특허 제 5471721, 5632841, 5849125, 6162313, 6042345, 6060811, 및 6071087 호. 본 발명이 프리스트레스 또는 돔-형상 압전 엑츄에어터를 이용하지 않기 때문에, 이러한 종래 기술은 대체로 적절하지 않다.
Ⅱ. 소위 마이크로펌프(micropump)을 개시하는, 미국특허 6179584, 6213735, 5271724, 5759015, 5876187 및 6227809 호. 이러한 펌프들은 대체로 한번에 소량의 유체만을 펌핑한다; 작은 힘과 그와 관련된 낮은 레이놀즈 수 때문에, 이 종래기술은 대체로 적절하지 않다.
Ⅲ. 플래퍼(flapper) 밸브를 개시하는 밸브미국특허 4034780 및 4095615. 이들은 별도의 힌지에 장착된 플래퍼이다. 소형 펌프를 갖는 플렉스(flex) 밸브를 개시하는 어떠한 종래 기술도 발견되지 않았다.
Ⅳ. 금속 및 다른 재료를 필름에 접착하는 것을 포함해서, 다양한 목적을 가지는 폴리이미드 접착제의 사용을 개시하는, 미국특허 5084345, 4859530, 3936342 및 5049421 호.
Ⅴ. 압전 액추에이터용 전기 구동 회로를 개시하는, 미국특허 제 4939405 및 5945768호.
Ⅵ. 압전 액추에이터를 포함하는 다양한 종류의 펌프를 개시하는, 미국특허 6227824, 6033191, 6109889 및 독일 WO 87/07218호.
본 출원은 2000년 9월 18일에 출원된 미국 가특허출원 제 60/233248호를 기초한 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 강유전성 액추에이터 및 이들 액추에이터를 주 발동기(prime mover)로서 이용하는 소형 격판(diaphram) 펌프의 제조 분야에 관한 것이다. 액추에이터의 최상의 모드는 압전기이다.
도 1은 본 발명에 따른 최상의 모드의 펌프의 분해 사시도.
도 2는 도 1의 선 2-2에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 압전 액추에이터를 제조하는 데 이용된 프레스의 단면도.
도 4는 펌프로 사용된 압전 액추에이터의 구동 회로도.
도 5는 펌프 챔버가 축소된, 본 발명의 변형 실시예를 도시한 부분적인 도식도.
도 6은 주입구와 배출구가 액추에이터의 평면과 수직하는 펌프의 또 다른 변형 실시예를 보여주는 도면.
본 발명은 고변위(high-displacement) 강유전성 액추에이터인 압전 액추에이터를 제조하는 방법이다. 압전 액추에이터는 소형 격판 펌프에서 격판으로 사용될 수 있다. 그 펌프는 소형이고, 경량이고, 소음이 적고, 그리고 효율적이다. 최상의 모드는 대략 40mm[1.5"]의 지름, 대략 13mm[0.5"]의 두께 대략 35g[1 온스]의 무게의 둥근 펌프는 물 또는 다른 액체를 분당 450 밀리미터까지 펌핑할 수 있다. 이러한 펌핑 율은, 25ma로 대략 25 ㎟ [1"]2의 작은 전자 구동 회로를 구동하는 6볼트 배터리에 의해 달성된다. 이 회로는 본 발명의 일부이다. 본 발명의 동작에 필요한 단방향 밸브는, 플렉스 밸브이며, 여기서 얇은 폴리이미드 막이 동작요소로서 기능한다.
도 1은 본 발명의 압전 액추에이터가 소형 격막 펌프에서 어떻게 사용될 수 있는지를 나타낸다. 펌프(10)는 일반적으로 원형의 짧은 실린더의 형태로 된다. 펌프(10)는 펌프 몸체(12), 압전 액추에이터(14), 펌프 커버(16) 및 압전 액추에이터 전자 구동 회로(18)를 포함한다. 펌프 몸체(12)는 펌프를 어떤 기판에 장착하기 위한 돌기부(20)를 갖는다. 주입구(22)와 배출구(24)는 펌프 몸체(12)의 일부이다. 그러나, 그렇지 않으면 주입구(22)와 배출구(24)는 펌프 몸체에 고정된 별개의 단편일 수 있다. 펌프 커버(16)는 펌프 몸체(12)와 본질적으로 동일한 지름을 갖고, 펌프 몸체(12)와 동일한 재료로 되어 있다. 이 재료는 통상 아세탈[DELRAIN?],PVC 또는 PC와 같은 표준 플라스틱으로 되거나, 스테인리스 강 또는 황동과 같은 금속으로 된다. 이들은 쉽게 기계 가공되거나, 열에 의해 성형될 수 있기 때문에 바람직하다. 펌프 몸체(12)와 커버(16)가 예를 들어 클램핑에 의해 압축되어 있는 동안에 커버(16)는 신속 경화 접착제와 같은 어떤 수단에 의해 펌프 몸체(12)에 고정될 수 있다. 펌프 커버는 액추에이터(14) 위의 영역에 구멍이 뚫린 개구(26)를 갖는다.
펌프의 치수는 특정한 용도에 따라 변한다. 최상의 모드에서는, 펌프 몸체(14)의 지름은 대략 40mm[1.5＂]이다. 펌프 챔버(30)는, 예를 들어 몰딩 또는 기계 가공에 의해 펌프 몸체(12)의 중앙에 형성된다. 펌프 챔버(30)의 지름은 대략 28mm[0.125＂]이거나, 압전 액추에이터(14)의 지름보다 대략 3mm[1/8＂]만큼 작다. 챔버(30)의 깊이는 대략 6mm[0.25＂]이다. 대략 3mm[0.125＂]의 폭과 대략 2mm[0.70＂]의 깊이의 시트(32)는 펌프 챔버(30)의 상단에 있는 펌프 몸체(12)에 제공된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전 액추에이터(14)는 펌프 챔버(30)의 상단에 격막을 형성하기 위해 시트(32)에 장착된다.
펌프를 조립하기 위해, 압전 액추에이터(14)가 정위치에 놓일 때 압전 액추에이터와 동일한 지름의 실링 와셔(34)가 시트(32) 위에 놓여, 펌프 챔버를 밀봉한다. 실링 와셔(34)는 접합 표면(mating surface)상의 어떤 요철을 수용하여 액추에이터(14)와 펌프 몸체(12) 사이에 양호한 밀봉을 보증하기 위하여 부나-N 또는 실리콘 고무와 같은 상대적으로 유연한 재료로 될 수 있다. 일단 압전 액추에이터(14)가 정위치에 있으면, O-링 실(36)은 압전 액추에이터(14)의 상단에위치되어, 압전 액추에이터(14)를 정위치에 유지하고, 커버(166)로부터 압전 액추에이터(14)를 밀봉한다. 그리고, 펌프 몸체(12) 베이스와 동일한 외측 지름, 그러나 대략 1/8＂두께의 커버(16)가 정위치에 놓인다. 밀봉 와셔(34)와 O-링 실(36)은 펌프 몸체(12)에 대해 액추에이터(14)를 정위치에 고정하는 추가 기능을 갖지만, 총괄적으로 펌프 실이라고 칭하여진다. 그리고, 커버(16)는 클램핑 압력하에 예를 들어 접착제에 의해 압축되는 동안 몸체(12)에 고정되어, 압전 액추에이터(14)를 몸체(12)에 밀봉하고, 액추에이터(14)를 정위치에 고정시켜, 펌핑 동작을 가능케 한다.
압전 액추에이터(14)를 제조하는 공정은 일반적으로 다음과 같다.
모건 일렉트로 세라믹스(Morgan Electro Ceramics)로부터 이용 가능한 PZT5A와 같은 다결정 강유전성 재료로 형성된 압전 웨이퍼(38)가 얻어진다. 명칭이 암시하는 바와 같이, 이 재료는 실제로 세라믹이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속 기판층(40)과 외부 금속층(42) 사이에 압전 웨이퍼(38)를 적층함으로써 압전 웨이퍼(38)는 고변위의 압전 액추에이터(14)로 가공되고, 도 2에서는 3개의 층과, 3개의 층 사이의 접착제의 두께를 명확하게 나타내기 위해 다소 과장되게 도시되었다. 층(38)과 층(40) 사이의 접착제(41)는 폴리이미드 접착제이다. 이 적층 공정은 몇 가지 공정으로 이루어진다: 적층 공정은, 금속층은 높은 변위동안 압전이 파손되는 것을 방지하기 때문에 압전 액추에이터(14)를 주름지게 한다. 적층 공정은 폴리이미드 접착체의 상당히 낮은 유전율로 인해 보다 높은 전압을 허용함으로써, 종래의 압전보다 3 내지 5배 높은 변위를 허용한다. 고성능 폴리이미드 접착제를 사용하여 금속층들 사이에 적층하는 것은 충돌과 진동에 매우 저항력이 있는 압전 액추에이터를 만든다. 본 발명과 같은 압전 액추에이터 장치는 종래 압전 장치가 단지 115℃ 정도의 온도에서 사용되는 것에 비하여 연속적으로 200℃ 정도의 고온 분위기에서 사용될 수 있다. 상당한 온도 증가는 200℃까지의 온도에 의해 영향을 받지 않는 본딩 공정에 사용되는 폴리이미드 접착제에 기인한 것이다. 통상, 종래의 압전 장치에 사용된 에폭시 접착제는 통상 115℃ 까지의 온도에 견딜 수 있다. 이러한 동작 온도의 증가는 본 발명의 펌프가 다양한 펌프 용도에 사용될 수 있게 하고, 연속적으로 비등수 조차도 펌핑할 수 있다.
압전 웨이퍼(38)는 다양한 형상과 두께로 언급된 벤더(vendor)를 통해 구할 수 있다. 본 발명에서는 25mm[1＂] 지름과 0.2mm[0.008＂] 두께의 원형 웨이퍼가 최적이라는 것을 발견하였다. 정방 웨이퍼가 시도되었지만, 최대 변위를 제공하지 못하였다. 일반적으로, 웨이퍼가 얇으면 얇을수록, 주어진 전압에서 변위가 보다 크게 되지만, 힘은 보다 낮게 된다. 0.2mm[8-mil]의 두께는 웨이퍼 지름에 대해 최상의 흐름 속도를 제공한다.
최상의 모드에서, 0.1mm[0.004＂] 두께의 스테인리스 강이 기판층(40)에 사용되고, 기판층(40)은 끌어올려진 액체와 접촉된다. 스테인리스 강은 물을 포함하는 다수의 액체와의 양립성, 피로 저항력, 도전성 및 저가의 신속한 유용성 때문에 선택된다. 0.05mm[0.001＂] 두께의 알루미늄은 주로 가동 전압을 그 표면에 걸쳐 압전 웨이퍼(38)로 전송하는데 있어서의 알루미늄의 도전성 때문에, 그러나 또한 강고하고 저가의 신속한 유용성 때문에 외부층(42)에 사용된다.
상기에서 언급한 바와 같이, 압전 웨이퍼(38)의 지름은 대략 25mm[1＂]이고, 기판층(40)의 지름은 대략 40mm[1.25＂]이다. 기판층(40)의 에지로부터의 웨이퍼(38)의 셋백(setback)은 본 발명의 중요한 특징이다. 이것은 액추에이터 조립용 클램핑 표면의 역할을 하는 림(rim)을 남긴다. 이것은 전체 압전 웨이퍼(38)가 기판(40)과 외부층(42)에 접합되는 것을 제외하고, 자유롭게 되고 상대적으로 억제되지 않는 것을 의미한다. 이것은 액추에이터(14)의 최대 변위를 가능케 하여 펌프를 통한 액체의 최대 흐름을 보증한다.
외부층(42)의 지름은 웨이퍼(38)의 지름보다 작다. 웨이퍼(38)로부터의 외부층(42)의 셋백은 외부층(42)으로부터 기판층(42)으로의 구동 전압의 이상에서 동작하는 것을 방지하도록 행해진다.
다른 재료와 다른 두께는 상술한 필요 요건을 만족하는 한 밀폐층(40 및 42)에 사용될 수 있다.
본 발명의 압전 액추에이터는 평탄하다는 것이 주요 특징이다. 대부분의 종래 기술에서, 액추에이터는 돔 형상이고, 이러한 형상은 액추에이터의 최대 변위와, 정해진 크기의 액추에이터에 대한 펌프의 최대 용량에 필요로 되는 것이 가정된다. 필요한 액추에이터의 형상을 제조하거나, 변위를 증가시키도록 예정되어 있는 액추에이터에 프리스트레스를 만들기 위해, 특정 금형과 방법이 만들어진다. 그러나, 본 발명의 테스트는 돔 형상이 필요하지 않고, 또한 평탄한 액추에이터가 정해진 크기에 대해 종래 기술에서 알려진 어떤 펌프보다도 높은 펌핑 용량을 갖는 것을 보여주었다. 이러한 액추에이터가 보다 간단하게 대량으로 제조됨에 따라, 다음과 같은 것을 보여줄 것이다. 또한, 평탄한 형상은 펌프가 정해진 용도에 대해 보다 작게 될 수 있는 것을 의미한다. 또한, 평탄한 액추에이터는 본래 돔 형상의 액추에이터보다 주어진 용도에 설치하기가 더 용이하다. 더욱이, 액추에이터를 사용하는 펌프는 다수의 용도에 있어서 상당히 긴 수명을 갖는 것을 나타내었다.
압전 액추에이터(14)를 제조하는 공정은 특히 다음과 같다.
1. 압전 웨이퍼(38)와 밀페층(40 및 42)은 잔재가 남지 않는 에탄올 또는 아세톤과 같은 용매를 사용하여 세척된다. 모든 오일, 그리스, 먼지 및 지문이 양호한 접합을 보증하기 위해 제거되어야 한다.
2. 그리고, 압전 웨이퍼(38)는 양면에 란버 주식회사(Ranbar Inc.)로부터 입수할 수 있는 고성능 폴리이미드 겔 접착제의 0.1mm[0.005＂] 이하의 박층(41)으로 코팅된다. 이 겔은 용매가 제거된 후 양호한 접합에 충분한 재료를 허용하기 위해 최소 25%의 고체를 포함해야 한다.
3. 그리고, 상기 용매의 대부분을 상기 겔로부터 제거하고 폴리이미드 겔 중합 공정을 시작하기 위해, 압전 웨이퍼(38)가 대략 5분동안 표준 가열 램프 아래에 놓여진다. 압전의 양면은 금속에 접합되기 때문에 가열 램프 아래에서 경화되어야 한다.
4. 일단 만져보아서 접착제가 건조되면, 압전 웨이퍼(38)는 기판층(40)과 외부층(42) 사이에 놓여진다.
5. 조립체가 특정 프레스에 위치된다. 이 프레스는 압전 액추에이터(14)를 제조하기 위해 특별히 개발되었고, 균일한 온도와 압력을 제공하여 액추에이터의 3개의 구성요소 사이에 양호한 접합을 보증한다. 도 3에 나타낸 최상의 모드를 참조하면, 프레스는 각 에지에 4개의 나비나사(102)와 함께 유지된 2개의 300㎟[12＂]2×6mm[1/4＂] 두께의 알루미늄판(101)으로 이루어진다. 프레스할 때 균일한 압력을 보증하기 위해, 프레스의 하단판(101)은 우베 인더리스트 주식회사(Ube Industries Ltd.)로부터 입수할 수 있는 우필렉스(Upilex)와 같은 저가의 폴리이미드 필름(104) 시트로 피복된다. 압전 액추에이터(38)는 고온의 필름 위에 놓여지고, 고온의 4mm[1/8＂] 두께의 고무 시트(106)가 압전 액추에이터 위에 놓여진다. 상단의 고무와 하단의 필름은 압전 액추에이터(38)를 보호하여 프레스에 온도가 가해질 때 압력 분산도 제공한다. 물론, 다른 지름의 프레스 판도 가능하다.
6. 일단 압전 액추에이터가 프레스에 놓여지면, 손으로 나비나사(102)를 조인다.
7. 그리고, 프레스는 30분동안 대략 200℃의 표준 대류 오븐에 위치된다.
8. 프레스가 오븐으로부터 제거되어, 안전한 온도로 냉각되고, 액추에이터(14)가 프레스로부터 제거된다.
프레스(100)는 압전 액추에이터를 제조하기 위한 저가, 고속 공정을 위한 노력의 산물이다. 프레스는 폴리이미드 접착제가 경화 온도에 있을 때, 압전 웨이퍼(38)와 금속층(40, 42)에 접합되는데 필요한 압력을 발생시키는 알루미늄 판(101)의 열 팽창을 이용한다. 오븐이 제조 공정동안 연속 동작을 허용하는 온도에 있을 때, 프레스는 오븐에 넣고, 꺼낼 수 있다. 프레스가 오븐으로부터 제거되어 실온으로 될 때에도 압전 액추에이터에는 압력이 남아있기 때문에, 온도의 급격한 변화는 압전 액추에이터(14)에 영향을 미치지 않는다.
이 프레스 공정은 용매를 추가로 제거하고 상대적으로 낮은 온도에서 폴리이미드를 경화시키는 공정중의 하나인 것이 주요 특징이다. 유사한 압전 액추에이터를 만드는 종래 기술의 공정은 금형/프레스가 매우 높은 온도, 즉 폴리이미드를 용해할 만큼 충분히 높은 온도를 취해야 할 필요가 있다. 더욱이, 이러한 온도는 압전 세라믹에서 극성을 제거하기(depole)하기 때문에, 마지막 공정에서 다시 압전 세라믹에서 극성을 부여(pole)할 필요가 있다. 본 발명은 이 단계를 완전히 제거하고, 따라서 보다 저가로 압전 액추에이터를 제조하는데 기여한다.
이 간단한 방법과 하드웨어를 이용하면, 소망하는 동작 규모에 따라, 분당 수십만, 또는 그 이상의 압전 액추에이터(14)를 제조하는 것이 가능하게 된다.
압전 액추에이터 펌프(10)의 원리는 모든 격막 펌프와 동일하다. 통상, 격막 펌프의 격막은 모터 또는 엔진에 연결된 캠 또는 푸시로드에 의해 동작된다. 이것은 압전 액추에이터 펌프(10)의 경우에는 적용되지 않는다. 압전 액추에이터(14)는 격막으로서 동작하고 펄스 전기장이 밀폐층(40 및 42)에 의해 압전 웨이퍼(14)를 가로질러 가해질 때 이동한다. 이러한 가변 전기장은 압전 액추에이터(14)가 팽창 및 수축되게 한다. 액추에이터(14)의 에지가 억제된 상태에서 액추에이터(14)가 팽창됨에 따라, 액추에이터(14)는 액추에이터의 중앙이 펌프 챔버(30)로부터 멀어짐에 따라 근소한 돔 형상을 갖는다. 이것은 액체를 주입구(22)를 통해 펌프 챔버(30)로 유입한다. 압전 액추에이터(14)가 수축될 때, 압전 액추에이터(14)는액체를 향하여 이동되어, 액체를 배출구(30)를 통해 펌프 챔버(30)의 외부로 배출시킨다.
종래 기술의 압전 액추에이터가 갖는 문제점중 하나는 압전를 구동시키는데 필요한 전압이었다. 전력을 압전 액추에이터 펌프(10)로 제공하기 위해, 도 4에 나타낸 전기 구동부(18)가 발명되었고, 이 전기 구동부(18)는 전압을 6볼트 직류 전원으로부터 200볼트 피크 대 피크 이상의 교류로 전환한다. 이 전압은 바람직한 실시예에서 상술된 펌프율을 얻기 위해 압전 액추에이터를 구동할 정도의 전압이다. 도 4의 회로에서, 포인트(A)는 기판층(40)에 연결되고, 포인트(b)는 외부층(42)에 연결된다.
압전 액추에이터는 피크 대 피크 전압이 고르게 균형이 잡히지 않을 때 보다 양호하게 수행된다. 압전 액추에이터는 동일한 음전압보다 양전압에서 보다 양호하게 응답한다. 따라서, 회로(18)는 교류를 양의 150볼트와 음의 50볼트로 상쇄된 전압으로 만들도록 설계되었다. 이것은 매우 유효한 펌프를 만드는 압전 액추에이터에 충분한 전압이다. 사인곡선파가 보다 낮은 주파수와 전압에서 동작할 때, 방형파는 압전를 보다 효율적으로 만든다. 도 4의 회로 구성요소의 값은 다음과 같다.
R1 - 8 내지 20㏁C2 - 0.1㎌
R2 - 8 내지 20㏁C3 - 0.1㎌[200v]
R3 - 680㏁C4 - 0.47㎌[200]
R4 - 1㏁L1 - 680μH
C - 0.1㎌D1 - BAS21 다이오드
U1은 유기 램피 구동부를 나타내는 IMP 528칩이다. 이 회로에서, U1은 다른 구성요소와 함께, 펄스를 형성하고, 펄스를 압전 액추에이터(14)를 구동하는데 필요한 200볼트 피크 대 피크 값으로 증폭하는데 이용한다. 상기 R1과 R2의 값은 특정한 용도에 의존하여 대략 35㎐과 대략 85㎐ 사이의 출력 주파수를 변화하도록 선택된다.
이 회로는 소형화된 구성요소로 구성되어, 대략 25㎟[1＂]2×6mm[1/4＂] 깊이의 박스(302)에 넣어질 수 있다. 이 회로는 11개의 기성품 표면 장착 구성요소만을 갖는다. 박스(302)는 펌프(10)에 근접한 어느 개소에도 장착될 수 있다. 최상의 모드에서, 박스는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 적당한 접착제에 의해 펌프의 상단에 장착된다. 리드(15)는 구동 회로(18)로부터 이어져, 예를 들어 상표 POGO?하에 ECT 회사에서 판매하는 스프링 부하 접점(304)에 고정된다. 이들 접점(304)은 펌프 커버(16)의 상단의 박스(306)에 장착되고, 2개의 층(40 및 42)과 접촉되도록 펌프 커버(16)를 통해 돌출된다. 이 소형 구동 회로는 큰 전력을 공급할 필요가 없고, 종래 기술의 압전 액추에이터에 사용된 변압기가 필요로 되지 않는다. 대안적으로, 리드(15)는 커버(16)에서 개구를 통해 이어질 수 있고, 납땜에 의해서와 같이, 층(40, 42)에 전기적으로 고정된다. O-링(36)은 기판층(42)의 납땜점을 수용할 만큼 유연하다.
몇 가지 종래 형태의 단방향 밸브는 압전 액추에이터 펌프(10)용 주입구 및 배출구 밸브로서 평가되었다. 모두는 압전 액추에이터(14)의 동적 동작에 대해 벌크 및 낮은 응답을 포함하는 다양한 단점을 갖는다. 직렬 플렉스 밸브(inline flex valve; 200)가 발명되었고, 도 2에 나타낸 바와 같은 압전 액추에이터(14)의 작동에 충분히 적용된다. 플렉스 밸브의 동작 소자는 대략 0.05mm[0.002＂] 두께의 폴리이미드 필름의 타원형 디스크(202)이다. 디스크(202)는 강성 튜브(204)의 축선에 대해 대략 45°로 형성된 강성 튜브(204)의 단편의 종단과 동일한 크기와 형상이다. 강성 튜브(204)의 내부 지름은 펌프 몸체(12)의 주입구(22) 또는 배출구(24)의 내부 지름과 동일하다. 강성 튜브(204)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 주입구/배출구(22, 24) 위에서 미끄러지는 유연성 시스템 도관(206)의 종단에 포획되어, 시스템 액체를 전달한다. 밸브 디스크(202)는 모든 충분한 수단, 예를 들어 접착제 또는 열 본딩에 의해, 203으로 나타낸 점에서 경사진 표면의 종단 아래에 부착된다. 유사한 플렉스 밸브(200)가 배출구(24)에 위치될 수 있다. 2개의 밸브의 2개의 디스크(202)는 동일한 하류 방향으로 향할 것이다. 그러나, 펌프(10)를 동작시키는데 있어서, 펌프(10)는 배출구에 밸브를 갖지 않은 상태에서 전체 용량으로 끌어올리는 것이 발견되었다. 주입구 밸브가 부분적으로 개방된 상태에서도 주입구 회로에서의 액체는 폐쇄된 주입구 밸브로서 동작할 만큼 충분한 관성을 제공하는 것이 가정된다. 주입구 밸브만으로 동작하는 것이 최상의 모드로 고려된다.
이 플렉스 밸브(200)는 본 발명의 중요한 특징이다. 플렉스 밸브(200)는 완전히 최소한의 벌크로 된다. 또한, 디스크(202)의 무게는 가능한 가볍게 하여, 액추에이터(14)의 동작에 빠르게 반응한다. 디스크(200)가 개방될 때, 디스크(200)는 시스템 흐름에 거의 저항력이 나타나지 않는다. 디스크(200)가 45°로 장착되면,완전히 개방되어도 45°의 각도만을 통해 이동되지만, 디스크(200)가 흐름에 수직하게 장착되면, 두배나 큰 각을 통해 이동된다. 디스크(200)는 재료과 제조가 매우 간단하게 되고 저가로 된다. 또한, 밸브(200)의 어느 부분도 펌프 챔버(30)로 돌출되지 않는다. 이것은 펌프 자체 마중물을 만드는 펌프 챔버(30)의 볼륨을 최소화하고 그 효율을 증가시킨다. 더욱이, 펌프가 동작하지 않을 때 굴성 밸브(200)가 편향되게 폐쇄되는 것은 이들 특징에 기여한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 펌프의 대안적인 실시예를 나타낸다. 도 5의 펌프는 펌프 챔버(30)가 실링 와셔(34)에 비해 두께가 감소된 것을 제외하고 도 6의 펌프와 본질적으로 동일하다. 이것은 펌프의 자체 마중물 능력을 향상시킨다. 또한, 도 6의 펌프는 최소 두께의 펌프 챔버(30)를 갖는다. 더욱이, 주입구(22)와 배출구(24)는 액추에이터(14)의 평면에 수직하고, 구성은 일부 용도에 보다 편리하게 될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도시하지 않았지만 펌프 몸체의 하단은 기판층(40)이 펌프 챔버(30)에 걸쳐 서로 대향되는 상태로 상기에서 설명된 압전 액추에이터(14)의 경상과 달리 동일하게 배열된 압전 액추에이터(14)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 도시하지 않았지만 상기에서 설명된 2개의 펌프가 하나의 펌프 몸체에 나란히 장착된다. 액추에이터; 실; 주입구에만 단방향 밸브를 갖는 주입구 및 배출구; 펌프 커버; 및 구동부는 상기에서 설명된 하나 이상의 구성에 위치된다. 본 발명의 바람직한 형태에서, 구동부는 배치된 시스템에서 직렬 방식으로 동작하는 펌프와 전기적으로 직렬로 된다.
본 발명은 컴퓨터에서의 CPU의 수냉용 특정 용도를 갖지만, 상대적으로 흐름 속도가 높고 전력 소비이 작은 매우 소형의 펌프가 매우 저가로 액체를 이동하는데 필요되는 모든 곳에서 보다 광범위한 용도를 가질 수 있다. 압전 액추에이터 자체는 스피커, 가청 알람, 자동차용 센서, 잡음 상쇄를 활성화하는 사운드 생성기 및 가속도계와 같은 매우 많은 다른 용도를 가질 수 있다.

Claims (28)

  1. 압전 웨이퍼(38)로부터 압전 액추에이터(14)를 제조하는 방법으로서:
    a. 에탄올 또는 아세톤과 같이 잔재가 남지 않는 용매를 사용하여 상기 압전 웨이퍼(38)와 밀폐 금속층(40 및 42)을 세척하는 단계;
    b. 상기 압전 웨이퍼(38)의 양면을 고성능 폴리이미드 겔 접착제(41)의 0.01mm[0.005＂] 이하의 박막으로 코팅하는 단계;
    c. 상기 용매의 대부분을 상기 겔로부터 제거하고 상기 폴리이미드 겔 중합 공정을 시작하기 위해, 상기 압전 웨이퍼(38)의 양면을 대략 5분동안 표준 가열 램프 아래에 놓이는 단계;
    d. 일단 상기 접착제가 건조되면, 압전 액추에이터(14)를 형성하기 위해 상기 금속층(40 및 42) 사이에 상기 압전 웨이퍼(38)를 위치시키는 단계;
    e. 각 에지에 4개의 나비나사와 함께 유지된 2개의 300m㎟[12＂]2×6mm[1/4＂] 두께의 알루미늄 박판(101)을 포함하는 프레스를 조립하고, 상기 프레스의 하단판(101)을 폴리이미드 필름 시트(104)로 피복하고, 다중 압전 액추에이터(14)를 상기 필름에 위치시키며, 고온의 3mm[1/8＂] 두께의 고무 시트(106)로 피복하는 단계;
    f. 손으로 나비나사(102)를 단단히 조이는 단계;
    g. 상기 프레스(100)를 대략 30분동안 대략 200℃의 표준 대류식 오픈에 위치시키는 단계;
    h. 상기 오븐으로부터 상기 프레스(100)를 제거하여, 상기 프레스(100)를 안전한 온도로 냉각시키고, 상기 프레스로부터 상기 액추에이터(14)를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 겔은 상기 용매가 제거된 후 양호한 접합에 충분한 재료를 허용하기 위해 최소 25%의 고체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 액체를 끌어올리는 소형 격막 펌프(10)로서:
    펌프 챔버(30), 주입구(22) 및 배출구(24)를 갖는 펌프 몸체(12);
    상기 펌프 몸체(12)용 커버(16);
    격막으로서 상기 펌프 몸체(12)와 상기 커버(16) 사이에 고정된 압전 액추에이터(14);
    상기 주입구(22) 및 배출구(24)중 하나 또는 양자에 위치된 단방향 밸브(200); 및
    상기 펌프(10)에 근접하게 위치된 상기 압전 액추에이터(14)용 전기 구동 회로(18)를 포함하는 소형 격막 펌프.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 압전 액추에이터는 제 1금속의 기판층(40)과 제 2금속의 외부층(42) 사이의 압전 세라믹 층(38)을 포함하고, 대략 200℃의 온도의 프레스(100)에서 접착제(41)에 의해 각각 접합되는 소형 격막 펌프.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 기판층(40)은 스테인리스 강이고, 상기 외부층(42)은 알루미늄인 소형 격막 펌프.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 접착제(41)는 폴리이미드인 소형 격막 펌프.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 압전 액추에이터(14)는 평평한 소형 격막 펌프.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 프레스(100)는 평판을 포함하는 소형 격막 펌프.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 압전 액추에이터(14)는
    a. 에탄올 또는 아세톤과 같이 잔재가 남지 않는 용매를 사용하여 상기 압전 웨이퍼(38)와 밀폐 금속층(40 및 42)을 세척하는 단계;
    b. 상기 압전 웨이퍼(38)의 양면을 고성능 폴리이미드 겔 접착제(41)의 0.005＂이하의 박막으로 코팅하는 단계;
    c. 상기 용매 대부분을 상기 겔로부터 제거하고 상기 폴리이미드 겔 중합 공정을 시작하기 위해, 상기 압전 웨이퍼(38)의 양면을 대략 5분동안 표준 가열 램프 아래에 위치시키는 단계;
    d. 일단 상기 접착제가 건조되면, 압전 액추에이터(14)를 형성하기 위해 상기 금속층(40 및 42) 사이에 상기 압전 웨이퍼(38)를 위치시키는 단계;
    e. 각 에지에 4개의 나비나사와 함께 유지된 2개의 12＂인치2×1/4＂두께의 알루미늄 박판(101)을 포함하는 프레스를 조립하고, 상기 프레스의 하단판(101)을 폴리이미드 필름 시트(104)로 피복하고, 다중 압전 액추에이터(14)를 상기 필름에 위치시키며, 고온의 1/8＂ 두께의 고무 시트(106)로 피복하는 단계;
    f. 손으로 나비나사(102)를 단단히 조이는 단계;
    g. 상기 프레스(100)를 대략 30분동안 대략 195℃의 표준 대류식 오픈에 위치시키는 단계;
    h. 상기 오븐으로부터 상기 프레스(100)를 제거하여, 상기 프레스(100)를 안전한 온도로 냉각시키며, 상기 프레스로부터 상기 액추에이터(14)를 제거하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제조되며,
    상기 겔은 상기 용매가 제거된 후 양호한 접착에 충분한 재료를 허용하기 위해 최소 25%의 고체를 포함해는 것을 특징으로 하는 소형 격막 펌프.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 펌프 몸체(12), 커버(16) 및 압전 액추에이터(14)는 원형이고, 상기 압전 액추에이터(14)는 상기 커버(16)와 상기 압전 액추에이터(14) 사이에 압축된 O-링(36)에 의해 상기 펌프 몸체(12)와 커버(16) 사이에 유지되는 소형 격막 펌프.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 펌프 챔버(30)는 상기 실링 와셔(34)의 두께와 동일한 깊이인 소형 격막 펌프.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 주입구(22)와 배출구(24)의 축선은 상기 펌프 몸체(12) 측면에 본질적으로 수직한 소형 격막 펌프.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 주입구(22)와 배출구(24)의 축선은 상기 압전 액추에이터(14)의 평면에 본질적으로 수직한 소형 격막 펌프.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 기판층(40)은 상기 펌프 챔버(30)를 향하는 소형 격막 펌프.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 압전 세라믹 층(38)의 지름은 상기 기판층(40)의 지름보다 작고, 상기 외부층(42)의 지름은 상기 압전 세라믹 층(38)의 지름보다 작은 소형 격막 펌프.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 압축된 O-링(36)은 상기 압전 액추에이터(14)를 상기 펌프 몸체(12)의 정위치에 고정하도록 상기 기판층(40)에서만 동작하는 소형 격막 펌프.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 단방향 밸브(200)는 주입구(22) 또는 배출구(24)에연결된 길이 방향의 강성 튜브(204)와 경사진 표면의 종단(203) 아래에 부착된 상기 경사진 표면과 동일한 크기와 형상을 갖는 얇은 디스크(202)를 포함하고, 상기 강성 튜브(204)의 축선과 대략 45°를 이루는 상기 강성 튜브(204)의 종단에 상기 경사진 표면을 형성하는 소형 격막 펌프.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 단방향 밸브(200)의 작동 소자를 포함하는 상기 얇은 디스크(202)는 폴리이미드 필름으로 형성되는 소형 격막 펌프.
  18. 제 17항에 있어서, 단방향 밸브(200)는 상기 주입구(22)와 상기 배출구(24) 모두에 위치되는 소형 격막 펌프.
  19. 제 17항에 있어서, 단방향 밸브(200)는 상기 주입구(22)에만 위치되는 소형 격막 펌프.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 단방향 밸브(200)의 어느 부분도 상기 펌프 챔버(30)에 위치되지 않는 소형 격막 펌프.
  21. 제 20항에 있어서, 사이 압전 액추에이터(14)용 전기 구동부는 6볼트 직류 전원과, 상기 6볼트 직류를 상기 압전 액추에이터(14)를 펌프 조건으로 구동하는데 충분한 교류 전압으로 변환하는 회로(18)를 포함하는 소형 격막 펌프.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 전기 구동부는 포인트(A)가 상기 압전 액추에이터(14)의 상기 기판층(40)에 연결되고, 포인트(B)는 상기 액추에이터(14)의 상기 외부층(42)에 연결되며,
    상기 소자는
    R1 - 8 내지 20㏁C2 - 0.1㎌
    R2 - 8 내지 20㏁C3 - 0.1㎌[200v]
    R3 - 680㏁C4 - 0.47㎌[200]
    R4 - 1㏁L1 - 680μH
    C - 0.1㎌D1 - BAS21 다이오드
    값을 가지며,
    U1은 유기 램프 구동부를 나타내는 IMP 528칩이고, 상기 R1과 R2의 값은 대략 35㎐과 대략 85㎐ 사이의 출력 주파수를 변경하도록 선택되는 다음 회로(18)를 포함하는 소형 격막 펌프.
  23. 제 22항에 있어서, 방형파는 대략 양의 150볼트와 음의 50볼트 진폭의 전기구동 회로(18)에 의해 발생되는 소형 격막 펌프.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 전기 구동부는 소형화된 회로 소자로 구성되고, 상기 펌프 커버(16)에 장착된 박스(302)에 포함되는 소형 격막 펌프.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 전기 구동 회로(18)의 출력은 상기 펌프 커버(16)를 통해 돌출되는 스프링 부하 접점(304)에 의해 상기 압전 액추에이터(14)에 연결되는 소형 격막 펌프.
  26. 제 25항에 있어서, 2개의 동일한 액추에이터(14)는 상기 펌프 본체의 서로 다른 단에 위치되고, 각 액추에이터(14)는 상기 기판층(40)은 상기 펌프 챔버(30)에 걸쳐 서로 대향되는 소형 격막 펌프.
  27. 제 25항에 있어서, 압전 액추에이터(14)와 결합된 2개의 펌프 챔버(30); 주입구(22)에서만 단방향 밸브(200)를 갖는 주입구(22) 및 배출구(24); 실(34, 36); 펌프 커버(16) 및 구동부(18)는 하나의 펌프 몸체에 나란히 위치되고, 상기 2개의 구동부(18)는 상기 압전 액추에이터(14)와 전기적으로 직렬로 되고, 평행한 방식으로 동작하는 소형 격막 펌프.
  28. 액체를 끌어올리는 소형 격막 펌프(10)로서:
    대략 1인치 내지 대략 1.5인치에 걸쳐, 그리고 대략 1/4 인치 내지 5/8인치두께를 일반적인 원형의 펌프 챔버(30)로 측정하는 디스크 형상의 펌프 몸체(12);
    상기 펌프(10)의 격막으로서 동작하고, 일반적으로 원형이고 본질적으로 단단하며, 압전 세라믹 층(38)을 사이에 끼우는 2개의 금속층(40, 42)으로 이루어진 압전 액추에이터(14);
    펌프 커버(16);
    상기 주입구(22)에 위치되어 시스템 유체가 상기 펌프(10)로만 흐르게 하며, 길이 방향의 강성 튜브(204)와 길이 방향의 강성 튜브(204)와 경사진 표면의 종단(203) 아래에 부착된 상기 경사진 표면과 동일한 크기와 형상을 갖는 폴리이미드 필름의 타원형 디스크(202)를 포함하고, 상기 강성 튜브(204)의 축선과 대략 45°를 이루는 상기 강성 튜브(204)의 종단에 상기 경사진 표면을 형성하며, 시스템 도관(206)에 장착되는 단방향 밸브(200); 및
    상기 펌프(10)에 근접하게 장착되고 상기 압전 엑추에이터(14)에 전기적으로 연결되는 상기 펌프 몸체(12)의 크기보다 작은 박스(302)에 포함된 상기 압전 액추에이터(14)용 전기 구동 회로(18)를 포함하며,
    상기 펌프 몸체에서의 적어도 하나의 개구는 주입구(22) 또는 배출구(24)로서 동작하고, 유체 시스템 도관(206)에 연결되며,
    상기 3개의 층은 대략 200℃의 온도의 평평한 프레스(100)에 폴리이미드 접착제(41)에 의해 함께 접합되며,
    상기 압전 액추에이터(14)는 실링 와셔(34)와 O-링(36)에 의해 상기 펌프 몸체(12)와, 압축하는 동안 상기 펌프 몸체(12)에 고정되는 펌프 커버(16) 사이에 밀봉되고 유지되며,
    상기 압전 구동 회로(18)는 유기 램프 구동부를 구성하는 집적 회로 장치를 포함하고, 상기 압전 액추에이터(14)에 걸쳐 양의 150볼트 내지 음의 50볼트의 방형파를 만드는 소형 격막 펌프.
KR10-2003-7003953A 2000-09-18 2001-09-14 압전 액추에이터 및 이를 사용하는 펌프 KR20030034192A (ko)

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