TWI722012B - 壓電致動器 - Google Patents

Abstract

一種壓電致動器，包含:一懸浮板，為正方形之結構，具有介於7.5mm至12mm邊長，且可由一中心部到一外周部彎曲振動，一外框，環繞設置於該懸浮板之外側，至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐；以及一壓電陶瓷板，為正方形之型態，具有 不大於該懸浮板邊長之邊長，貼附於該懸浮板之一第一表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。

Description

壓電致動器

本案係關於一種壓電致動器，尤指一種適用於微型超薄且靜音之微型流體控制裝置之壓電致動器。

目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微幫浦、噴霧器、噴墨頭、工業列印裝置等產品所包含之流體輸送結構為其關鍵技術，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。

舉例來說，於醫藥產業中，許多需要採用氣壓動力驅動之儀器或設備，通常採以傳統馬達及氣壓閥來達成其氣體輸送之目的。然而，受限於此等傳統馬達以及氣體閥之結構的限制，使得此類的儀器設備難以縮小其體積，以至於整體裝置的體積無法縮小，即難以實現薄型化之目標，因此也無法裝設置可攜式裝置上或與可攜式裝置配合使用，便利性不足。此外，該等傳統馬達及氣體閥於作動時亦會產生噪音，令使用者焦躁，導致使用上的不便利及不舒適。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失，可使傳統採用氣壓動力驅動的儀器或設備達到體積小、微型化且靜音，進而達成輕便舒適之可攜式目的之微型流體控制裝置及其所採用之壓電致動器，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種適用於可攜式或穿戴式儀器或設備中之微型流體控制裝置及其所採用之壓電致動器，藉由壓電致動器高頻作動產生的流體波動，於設計後之流道中產生壓力梯度，而使流體高速流動，且透過流道進出方向之阻抗差異，將流體由吸入端傳輸至排出端，俾解決習知技術之採用氣壓動力驅動的儀器或設備所具備之體積大、難以薄型化、無法達成可攜式之目的，以及噪音大等缺失。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種一種壓電致動器，包含： 一懸浮板，為正方形之結構，具有介於7.5mm至12mm邊長，且可由一中心部到一外周部彎曲振動；一外框，環繞設置於該懸浮板之外側；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐；以及一壓電陶瓷板，為正方形之型態，具有 不大於該懸浮板邊長之邊長，貼附於該懸浮板之一第一表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

本案之微型氣壓動力裝置1係可應用於醫藥生技、能源、電腦科技或是列印等工業，俾用以傳送氣體，但不以此為限。請參閱第1A圖、第1B圖、第2A圖、第2B圖及第7A至7E圖，第1A圖為本案較佳實施例之微型氣壓動力裝置之正面分解結構示意圖，第1B圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之正面組合結構示意圖、第2A圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之背面分解結構示意圖，第2B圖則為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之背面組合結構示意圖，第7A至7E圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集壓作動示意圖。如第1A圖及第2A圖所示，本案之微型氣壓動力裝置1係由微型流體控制裝置1A以及微型閥門裝置1B所組合而成，其中微型流體控制裝置1A具有殼體1a、壓電致動器13、絕緣片141、142及導電片15等結構，其中，殼體1a係包含集氣板16及底座10，底座10則包含進氣板11及共振片12，但不以此為限。壓電致動器13係對應於共振片12而設置，並使進氣板11、共振片12、壓電致動器13、絕緣片141、導電片15、另一絕緣片142、集氣板16等依序堆疊設置，且該壓電致動器13係由一懸浮板130、一外框131、至少一支架132以及一壓電陶瓷板133所共同組裝而成；以及微型閥門裝置1B包含一閥門片17以及一出口板18但不以此為限。且於本實施例中，如第1A圖所示，集氣板16不僅為單一的板件結構，亦可為周緣具有側壁168之框體結構，且該集氣板16具有介於9mm至17mm之間的長度、介於9mm至17mm之間的寬度，且該長度及該寬度比值為0.53倍至1.88倍之間，而由該周緣所構成之側壁168與其底部之板件共同定義出一容置空間16a，用以供該壓電致動器13設置於該容置空間16a中，故當本案之微型氣壓動力裝置1組裝完成後，則其正面示意圖會如第1B圖所示，以及第7A至第7E圖所示，可見該微型流體控制裝置1A係與微型閥門裝置1B相對應組裝而成，亦即該微型閥門裝置1B之閥門片17及出口板18依序堆疊設置定位於該微型流體控制裝置1A之集氣板16上而成。而其組裝完成之背面示意圖則可見該出口板18上之卸壓通孔181及出口19，出口19用以與一裝置(未圖示)連接，卸壓通孔181則供以使微型閥門裝置1B內之氣體排出，以達卸壓之功效。藉由此微型流體控制裝置1A以及微型閥門裝置1B之組裝設置，以使氣體自微型流體控制裝置1A之進氣板11上之至少一進氣孔110進氣，並透過壓電致動器13之作動，而流經多個壓力腔室(未圖示)繼續傳輸，進而可使氣體於微型閥門裝置1B內單向流動，並將壓力蓄積於與微型閥門裝置1B之出口端相連之一裝置(未圖示)中，且當需進行卸壓時，則調控微型流體控制裝置1A之輸出量，使氣體經由微型閥門裝置1B之出口板18上的卸壓通孔181而排出，以進行卸壓。

請續參閱第1A圖及第2A圖，如第1A圖所示，微型流體控制裝置1A之進氣板11係具有第一表面11b、第二表面11a及至少一進氣孔110，於本實施例中，進氣孔110之數量係為4個，但不以此為限，其係貫穿進氣板11之第一表面11b及第二表面11a，主要用以供氣體自裝置外順應大氣壓力之作用而自該至少一進氣孔110流入微型流體控制裝置1A內。且又如第2A圖所示，由進氣板11之第一表面11b可見，其上具有至少一匯流排孔112，用以與進氣板11第二表面11a之該至少一進氣孔110對應設置。於本實施例中，其匯流排孔112的數量與進氣孔110對應，其數量為4個，但並不以此為限，其中該等匯流排孔112的中心交流處係具有中心凹部111，且中心凹部111係與匯流排孔112相連通，藉此可將自進氣孔110進入匯流排孔112之氣體引導並匯流集中至中心凹部111傳遞。是以於本實施例中，進氣板11具有一體成型的進氣孔110、匯流排孔112及中心凹部111，且於該中心凹部111處即對應形成一匯流氣體的匯流腔室，以供氣體暫存。於一些實施例中，進氣板11之材質係可為但不限為由一不鏽鋼材質所構成，且其厚度係介於0.4mm至0.6mm之間，而其較佳值為0.5mm，但不以此為限。於另一些實施例中，由該中心凹部111處所構成之匯流腔室之深度與該等匯流排孔112之深度相同，且該匯流腔室及該匯流排孔112之深度之較佳值係介於0.2mm至0.3mm之間，但不以此為限。共振片12係由一可撓性材質所構成，但不以此為限，且於共振片12上具有一中空孔洞120，係對應於進氣板11之第一表面11b之中心凹部111而設置，以使氣體流通。於另一些實施例中，共振片12係可由一銅材質所構成，但不以此為限，且其厚度係介於0.03mm至0.08mm之間，而其較佳值為0.05mm，但亦不以此為限。

請同時參閱第3A圖、第3B圖及第3C圖，其係分別為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之壓電致動器之正面結構示意圖、背面結構示意圖以及剖面結構示意圖，壓電致動器13係由一懸浮板130、一外框131、至少一支架132以及一壓電陶瓷板133所共同組裝而成，其中，該壓電陶瓷板133貼附於懸浮板130之第一表面130b，用以施加電壓產生形變以驅動該懸浮板130彎曲振動，懸浮板130具有中心部130d及外周部130e，是以當壓電陶瓷板133受電壓驅動時，懸浮板130可由該中心部130d到外周部130e彎曲振動，以及該至少一支架132係連接於懸浮板130以及外框131之間，於本實施例中，該支架132係連接設置於懸浮板130與外框131之間，其兩端點係分別連接於外框131、懸浮板130，以提供彈性支撐，且於支架132、懸浮板130及外框131之間更具有至少一空隙135，用以供氣體流通，且該懸浮板130、外框131以及支架132之型態及數量係具有多種變化。另外，外框131係環繞設置於懸浮板130之外側，且具有一向外凸設之導電接腳134，用以供電連接之用，但不以此為限。於本實施例中，懸浮板130係為一階梯面之結構，意即於懸浮板130之第二表面130a更具有一凸部130c，該凸部130c可為但不限為一圓形凸起結構，且凸部130c之高度係介於0.02mm至0.08mm之間，而較佳值為0.03mm，其直徑為懸浮板130之最小邊長的0.55倍的尺寸，但不以此為限。請同時參閱第3A圖及第3C圖即可見，懸浮板130之凸部130c之表面係與外框131之第二表面131a共平面，且懸浮板130之第二表面130a及支架132之第二表面132a亦為共平面，且該懸浮板130之凸部130c及外框131之第二表面131a與懸浮板130之第二表面130a及支架132之第二表面132a之間係具有一特定深度。至於懸浮板130之第一表面130b，則如第3B圖及第3C圖所示，其與外框131之第一表面131b及支架132之第一表面132b為平整之共平面結構，而壓電陶瓷板133則貼附於此平整之懸浮板130之第一表面130b處。於另一些實施例中，懸浮板130之型態亦可為一雙面平整之板狀正方形結構，並不以此為限，可依照實際施作情形而任施變化。於一些實施例中，懸浮板130、支架132以及外框131係可為一體成型之結構，且可由一金屬板所構成，例如可由不鏽鋼材質所構成，但不以此為限。且於一些實施例中，該懸浮板130厚度係介於0.1mm至0.4mm之間，而其較佳值為0.27mm，另該懸浮板130之長度介於7.5mm至12mm之間，而其較佳值可為7.5mm至8.5mm、寬度介於7.5mm至12mm之間，而其較佳值可為7.5mm至8.5mm但不以此為限。至於該外框131之厚度係介於0.2mm至0.4mm之間，而其較佳值為0.3mm，但不以此為限。

又於另一些實施例中，壓電陶瓷板133之厚度之係介於0.05mm至0.3mm之間，且其較佳值為0.10mm，而該壓電陶瓷板133具有不大於該懸浮板130邊長之邊長，具有長度介於7.5mm至12mm之間，而其較佳值可為7.5mm至8.5mm、寬度介於7.5mm至12mm之間，而其較佳值可為7.5mm至8.5mm，另長度及寬度比之較佳值為0.625倍至1.6倍之間，然亦不以此為限。再於另一些實施例中，壓電陶瓷板133之邊長可小於懸浮板130之邊長，且同樣設計為與懸浮板130相對應之正方形板狀結構，但並不以此為限。

本案之微型氣壓動力裝置1中的相關實施例，壓電致動器13之所以採用正方形懸浮板130，其原因在於相較於圓形懸浮板(如第4A圖所示之(j)~(l)態樣之圓形懸浮板j0)之設計，該正方形懸浮板130之結構明顯具有省電之優勢，其消耗功率之比較係如下表一所示：

表一

是以，藉由實驗的上表得知：該具正方型懸浮板130邊長尺寸（8mm至10mm）之壓電致動器13相較於該圓形懸浮板j0直徑（8mm至10mm）的壓電致動器，較為省電。上述藉由實驗所獲得的耗電功率比較數據，其省電之緣由可推測為：因在共振頻率下操作之電容性負載，其消耗功率會隨頻率之上升而增加，又因邊長尺寸正方形設計之懸浮板130之共振頻率明顯較同樣圓形之懸浮板j0低，故其相對的消耗功率亦明顯較低，亦即本案所採用正方形設計之懸浮板130相較於圓形懸浮板j0之設計，實具有省電優勢，尤其是應用於穿戴裝置，節省電力是非常重要的設計重點。但無論如何，上述正方形設計的懸浮板其省電效果是藉由實驗中所獲得，並非能夠靠理論之公式所直接推導，其省電緣由的推測僅係作為實驗合理性的參考說明。

請續參閱第4A、4B、4C圖，其係為壓電致動器之多種實施態樣示意圖。如圖所示，則可見壓電致動器13之懸浮板130、外框131以及支架132係可有多樣之型態，且至少可具有第4A圖所示之(a)~(l)等多種態樣，舉例來說，(a)態樣之外框a1及懸浮板a0係為方形之結構，且兩者之間係由多個支架a2以連結之，例如：8個，但不以此為限，且於支架a2及懸浮板a0、外框a1之間係具有空隙a3，以供氣體流通。於另一(i)態樣中，其外框i1及懸浮板i0亦同樣為方形之結構，惟其中僅由2個支架i2以連結之；另，具有更進一步的相關技術，如第4B、4C圖所示，壓電致動器13之懸浮板亦可有如第4B圖所示之(m)~(r) 以及第4C圖所示之(s)~(x)等多種態樣，惟此些態樣中，懸浮板130及外框131均為正方形之結構。舉例來說，(m)態樣之外框m1及懸浮板m0均為正方形之結構，且兩者之間係由多個支架m2以連結之，例如：4個，但不以此為限，且於支架m2及懸浮板m0、外框m1之間係具有空隙m3，以供流體流通。且於此實施例中，連結於外框m1及懸浮板m0之間的支架m2係可為但不限為一板連接部m2，且此板連接部m2具有兩端部m2’及m2”，其中一端部m2’係與外框m1連接，而另一端部m2”則與懸浮板m0連接，且此兩端部m2’及m2”係彼此相對應、且設置於同一軸線上。於(n)態樣中，其同樣具有外框n1、懸浮板n0以及連接於外框n1、懸浮板n0之間的支架n2、以及供流體流通之空隙n3，且支架n2亦可為但不限為一板連接部n2，板連接部n2同樣具有兩端部n2’及n2”，且端部n2’與外框n1連接，而另一端部n2”則與懸浮板n0連接，惟於本實施態樣中，該板連接部n2係以介於0~45度之斜角連接於外框n1及懸浮板n0，換言之，及該兩端部n2’及n2”並未設置於同一水平軸線上，其係為相互錯位之設置關係。於(o)態樣中，其外框o1、懸浮板o0以及連接於外框o1、懸浮板o0之間的支架o2、以及供流體流通之空隙o3等結構均與前述實施例相仿，其中惟作為支架之板連接部o2之設計型態與(m)態樣略有不同，然於此態樣中，該板連接部o2之兩端部o2’及o2”仍為彼此相對應、且設置於同一軸線上。

又於(p)態樣中，其同樣具有外框p1、懸浮板p0以及連接於外框p1、懸浮板p0之間的支架p2、以及供流體流通之空隙p3等結構，於此實施態樣中，作為支架之板連接部p2更具有懸浮板連接部p20、樑部p21及外框連接部p22等結構，其中樑部p21設置於懸浮板p0與外框p1之間的間隙p3中，且其設置之方向係平行於外框p1及懸浮板p0，以及，懸浮板連接部p20係連接於樑部p21及懸浮板p0之間，且外框連接部p22係連接樑部p21及外框p1之間，且該懸浮板連接部p20與外框連接部p22亦彼此相對應、且設置於同一軸線上。

於(q)態樣中，其外框q1、懸浮板q0以及連接於外框q1、懸浮板q0之間的支架q2、以及供流體流通之空隙q3等結構均與前述(m)、(o) 態樣相仿，其中惟作為支架之板連接部q2之設計型態與(m)、(o)態樣略有不同，於此態樣中，該懸浮板q0係為正方形之型態，且其每一邊均具有兩板連接部q2與外框q1連接，且其中每一板連接部q2之兩端部q2’及q2”同樣為彼此相對應、且設置於同一軸線上。然而於(r)態樣中，其亦具有外框r1、懸浮板r0、支架r2以及空隙r3等構件，且支架r2亦可為但不限為一板連接部r2，於此實施例中，板連接部r2係為V字形之結構，換言之，該板連接部r2亦以介於0~45度之斜角連接於外框r1及懸浮板r0，故於每一板連接部r2均具有一端部r2”與懸浮板r0連接，並具有兩端部r2’與外框r1連接，意即該兩端部b2’與端部b2”並未設置於同一水平軸線上。

續如第4C圖所示，該等(s)~(x)態樣之外觀型態大致上對應於第4B圖所示之(m)~(r)之型態，惟於此等(s)~(x)態樣中，每一壓電致動器13的懸浮板130上均設有凸部130c，即如圖中所示之s4、t4、u4、v4、w4、x4等結構，且無論是(m)~(r)態樣或是(s)~(x)等態樣，該懸浮板130設計為正方形之型態，以達到前述低耗電之功效；且由此等實施態樣可見，無論懸浮板130係為雙面平坦之平板結構，或為一表面具有凸部之階梯狀結構，均在本案之保護範圍內，且連接於懸浮板130及外框131之間的支架132之型態與數量亦可依實際施作情形而任施變化，並不以本案所示之態樣為限。又如前所述，該等懸浮板130、外框131及支架132係可為一體成型之結構，但不以此為限，至於其製造方式則可由傳統加工、或黃光蝕刻、或雷射加工、或電鑄加工、或放電加工等方式製出，均不以此為限。

此外，請續參閱第1A圖及第2A圖，於微型流體控制裝置1A中更具有絕緣片141、導電片15及另一絕緣片142係依序對應設置於壓電致動器13之下，且其形態大致上對應於壓電致動器13之外框之形態。於一些實施例中，絕緣片141、142即由可絕緣之材質所構成，例如：塑膠，但不以此為限，以進行絕緣之用；於另一些實施例中，導電片15即由可導電之材質所構成，例如：金屬，但不以此為限，以進行電導通之用。以及，於本實施例中，導電片15上亦可設置一導電接腳151，以進行電導通之用。

請同時參閱第1A圖及第5A圖至第5E圖，其中第5A圖至第5E圖係為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之微型流體控制裝置1A之局部作動示意圖。首先，如第5A圖所示，可見微型流體控制裝置1A係依序由進氣板11、共振片12、壓電致動器13、絕緣片141、導電片15及另一絕緣片142等堆疊而成，且於本實施例中，係於共振片12及壓電致動器13之外框131周緣之間的間隙g0中填充一材質，例如：導電膠，但不以此為限，以使共振片12與壓電致動器13之懸浮板130之凸部130c之間可維持該間隙g0之深度，進而可導引氣流更迅速地流動，且因懸浮板130之凸部130c與共振片12保持適當距離使彼此接觸干涉減少，促使噪音產生可被降低。

請續參閱第5A圖至第5E圖，如圖所示，當進氣板11、共振片12與壓電致動器13依序對應組裝後，則於共振片12之中空孔洞120處可與其上的進氣板11共同形成一匯流氣體的腔室，且在共振片12與壓電致動器13之間更形成一第一腔室121，用以暫存氣體，且第一腔室121係透過共振片12之中空孔洞120而與進氣板11第一表面11b之中心凹部111處的腔室相連通，且第一腔室121之兩側則由壓電致動器13之支架132之間的空隙135而與設置於其下的微型閥門裝置1B相連通。

當微型氣壓動力裝置1之微型流體控制裝置1A作動時，主要由壓電致動器13受電壓致動而以支架132為支點，進行垂直方向之往復式振動。如第5B圖所示，當壓電致動器13受電壓致動而向下振動時，由於共振片12係為輕、薄之片狀結構，是以當壓電致動器13振動時，共振片12亦會隨之共振而進行垂直之往復式振動，即為共振片12對應於該進氣板11之中心凹部111的部分亦會隨之彎曲振動形變，即該共振片12對應於該進氣板11之中心凹部111的部分係為共振片12之可動部12a，是以當壓電致動器13向下彎曲振動時，此時共振片12的可動部12a會因流體的帶入及推壓以及壓電致動器13振動之帶動，而隨著壓電致動器13向下彎曲振動形變，則氣體由進氣板11上的至少一進氣孔110進入，並透過其第一表面11b的至少一匯流排孔112以匯集到其中央的中心凹部111處，再經由共振片12上與中心凹部111對應設置的中央孔洞120向下流入至第一腔室121中，其後，由於受壓電致動器13振動之帶動，共振片12亦會隨之共振而進行垂直之往復式振動，如第5C圖所示，此時共振片12之可動部12a亦隨之向下振動，並貼附抵觸於壓電致動器13之懸浮板130之凸部130c上，使懸浮板130之凸部130c以外的區域與共振片12兩側之固定部12b之間的匯流腔室的間距不會變小，並藉由此共振片12之形變，以壓縮第一腔室121之體積，並關閉第一腔室121中間流通空間，促使其內的氣體推擠向兩側流動，進而經過壓電致動器13之支架132之間的空隙135而向下穿越流動。至於第5D圖則為其共振片12之可動部12a經由彎曲振動形變後，而回復至初始位置，而後續壓電致動器13受電壓驅動以向上振動，如此同樣擠壓第一腔室121之體積，又此時由於壓電致動器13係向上抬升，該抬升之位移可為d，因而使得第一腔室121內的氣體會朝兩側流動，進而帶動氣體持續地自進氣板11上的至少一進氣孔110進入，再流入中心凹部111所形成之腔室中，再如第5E圖所示，該共振片12受壓電致動器13向上抬升的振動而共振向上，共振片12之可動部12a亦至向上位置，進而使中心凹部111內的氣體再由共振片12的中央孔洞120而流入第一腔室121內，並經由壓電致動器13之支架132之間的空隙135而向下穿越流出微型流體控制裝置1A。由此實施態樣可見，當共振片12進行垂直之往復式振動時，係可由其與壓電致動器13之間的間隙g0以增加其垂直位移的最大距離，換句話說，於該兩結構之間設置間隙g0可使共振片12於共振時可產生更大幅度的上下位移，而其中該壓電致動器之振動位移為d，與該間隙g0的差值為x，即x=g0-d，經測試當x≦0um，為有噪音狀態；當x＝1至5um，微型氣壓動力裝置1最大輸出氣壓可達到350mmHg；當x＝5至10um，微型氣壓動力裝置1最大輸出氣壓可達到250mmHg；當x＝10至15um，微型氣壓動力裝置1最大輸出氣壓可達到150mmHg，其數值對應關係係如下列表二所示。上述之數值係在操作頻率為17K至20K之間、操作電壓為±10V至 ±20V之間。如此，在經此微型流體控制裝置1A之流道設計中產生壓力梯度，使氣體高速流動，並透過流道進出方向之阻抗差異，將氣體由吸入端傳輸至排出端，且在排出端有氣壓之狀態下，仍有能力持續推出氣體，並可達到靜音之效果。                                                                          (表二 )

另外，於一些實施例中，共振片12之垂直往復式振動頻率係可與壓電致動器13之振動頻率相同，即兩者可同時向上或同時向下，其係可依照實際施作情形而任施變化，並不以本實施例所示之作動方式為限。

請同時參閱第1A圖、第2A圖及第6A圖、第6B圖，其中第6A圖係為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集氣板16與微型閥門裝置1B之集壓作動示意圖，第6B圖則為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集氣板16與微型閥門裝置1B之卸壓作動示意圖。如第1A圖及第6A圖所示，本案之微型氣壓動力裝置1之微型閥門裝置1B係依序由閥門片17以及出口板18堆疊而成，並搭配微型流體控制裝置1A之集氣板16來運作。

於本實施例中，集氣板16具有一表面160及一基準表面161，該表面160上係凹陷以形成一集氣腔室162，供該壓電致動器13設置其中，由微型流體控制裝置1A向下傳輸之氣體則暫時蓄積於此集氣腔室162中，且於集氣板16中係具有複數個貫穿孔，其包含有第一貫穿孔163及第二貫穿孔164，第一貫穿孔163及第二貫穿孔164之一端係與集氣腔室162相連通，另一端則分別與集氣板16之基準表面161上的第一卸壓腔室165及第一出口腔室166相連通。以及，在第一出口腔室166處更進一步增設一凸部結構167，例如可為但不限為一圓柱結構，該凸部結構167之高度係高於該集氣板16之基準表面161，且凸部結構167之高度介於0.3mm至0.55mm之間，且其較佳值為0.4mm。

出口板18包含有一卸壓通孔181、一出口通孔182、一基準表面180以及一第二表面187，其中該卸壓通孔181、出口通孔182係貫穿出口板18之基準表面180與第二表面187，該基準表面180上凹陷一第二卸壓腔室183及一第二出口腔室184，該卸壓通孔181設在第二卸壓腔室183中心部分，且於第二卸壓腔室183與第二出口腔室184之間更具有一連通流道185，用以供氣體流通，而出口通孔182之一端與第二出口腔室184相連通，另一端則與出口19相連通，於本實施例中，出口19係可與一裝置相連接(未圖示)，例如：壓力機，但不以此為限。

閥門片17上具有一閥孔170以及複數個定位孔洞171，該閥門片17之厚度介於0.1mm至0.3mm之間，而其較佳值為0.2mm。

當閥門片17在集氣板16及出口板18之間定位組裝時，該出口板18之卸壓通孔181對應於該集氣板16之該第一貫穿孔163，該第二卸壓腔室183對應於該集氣板16之第一卸壓腔室165，該第二出口腔室184對應於該集氣板16之第一出口腔室166，而該閥門片17設置於該集氣板16及該出口板18之間，阻隔第一卸壓腔室165與第二卸壓腔室183連通，且該閥門片17之閥孔170設置於該第二貫穿孔164及該出口通孔182之間，且閥孔170位於集氣板16之第一出口腔室166之凸部結構167而對應設置，藉由此單一之閥孔170之設計，以使氣體可因應其壓差而達到單向流動之目的。

又該出口板18之卸壓通孔181一端可進一部增設一凸出而形成之凸部結構181a，例如可為但不限為圓柱結構，該凸部結構181a之高度係介於0.3mm至0.55mm之間，且其較佳值為0.4mm，而此凸部結構181a透過改良以增加其高度，該凸部結構181a之高度係高於該出口板18之基準表面180，以加強使閥門片17快速地抵觸且封閉卸壓通孔181，並達到一預力抵觸作用完全密封之效果；以及，出口板18更具有至少一限位結構188，該限位結構188之高度為0.32mm，以本實施例為例，限位結構188係設置於第二卸壓腔室183內，且為一環形塊體結構，且不以此為限，其主要為當微型閥門裝置1B進行集壓作業時，供以輔助支撐閥門片17之用，以防止閥門片17塌陷，並可使閥門片17可更迅速地開啟或封閉。

當微型閥門裝置1B集壓作動時，主要如第6A圖所示，其係可因應來自於微型流體控制裝置1A向下傳輸之氣體所提供之壓力，又或是當外界的大氣壓力大於與出口19連接的裝置(未圖示)的內部壓力時，則氣體會自微型流體控制裝置1A之集氣板16中的集氣腔室162分別經第一貫穿孔163以及第二貫穿孔164而向下流入第一卸壓腔室165及第一出口腔室166內，此時，向下的氣體壓力係使可撓性的閥門片17向下彎曲形變進而使第一卸壓腔室165的體積增大，且對應於第一貫穿孔163處向下平貼並抵頂於卸壓通孔181之端部，進而可封閉出口板18之卸壓通孔181，故於第二卸壓腔室183內的氣體不會自卸壓通孔181處流出。當然，本實施例，可利用卸壓通孔181端部增設一凸部結構181a之設計，以加強使閥門片17快速地抵觸且封閉卸壓通孔181，並達到一預力抵觸作用完全密封之效果，同時並透過環設於卸壓通孔181周邊之限位結構188，以輔助支撐閥門片17，使其不會產生塌陷。另一方面，由於氣體係自第二貫穿孔164而向下流入第一出口腔室166中，且對應於第一出口腔室166處之閥門片17亦向下彎曲形變，故使得其對應的閥孔170向下打開，氣體則可自第一出口腔室166經由閥孔170而流入第二出口腔室184中，並由出口通孔182而流至出口19及與出口19相連接之裝置(未圖示)中，藉此以對該裝置進行集壓之作動。

請續參閱第6B圖，當微型閥門裝置1B進行卸壓時，其係可藉由調控微型流體控制裝置1A之氣體傳輸量，使氣體不再輸入集氣腔室162中，或是當與出口19連接之裝置(未圖示)內部壓力大於外界的大氣壓力時，則可使微型閥門裝置1B進行卸壓。此時，氣體將自與出口19連接的出口通孔182輸入至第二出口腔室184內，使得第二出口腔室184之體積膨脹，進而促使可撓性之閥門片17向上彎曲形變，並向上平貼、抵頂於集氣板16上，故閥門片17之閥孔170會因抵頂於集氣板16而關閉。當然，在本實施例，可利用第一出口腔室166增設一凸部結構167之設計，故可供可撓性之閥門片17向上彎曲形變更快速抵觸，使閥孔170更有利達到一預力抵觸作用完全貼附密封之關閉狀態，因此，當處於初始狀態時，閥門片17之閥孔170會因緊貼抵頂於該凸部結構167而關閉，則該第二出口腔室184內的氣體將不會逆流至第一出口腔室166中，以達到更好的防止氣體外漏之效果。以及，第二出口腔室184中的氣體係可經由連通流道185而流至第二卸壓腔室183中，進而使第二卸壓腔室183的體積擴張，並使對應於第二卸壓腔室183的閥門片17同樣向上彎曲形變，此時由於閥門片17未抵頂封閉於卸壓通孔181端部，故該卸壓通孔181即處於開啟狀態，即第二卸壓腔室183內的氣體可由卸壓通孔181向外流進行卸壓作業。當然，本實施例，可利用卸壓通孔181端部增設之凸部結構181a或是透過設置於第二卸壓腔室183內之限位結構188，讓可撓性之閥門片17向上彎曲形變更快速，更有利脫離關閉卸壓通孔181之狀態。如此，則可藉由此單向之卸壓作業將與出口19連接的裝置(未圖示)內的氣體排出而降壓，或是完全排出而完成卸壓作業。

請同時參閱第1A圖、第2A圖及第7A圖至第7E圖，其中第7A圖至第7E圖係為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集壓作動示意圖。如第7A圖所示，微型氣壓動力裝置1即由微型流體控制裝置1A以及微型閥門裝置1B所組合而成，其中微型流體控制裝置1A係如前述，依序由進氣板11、共振片12、壓電致動器13、絕緣片141、導電片15、另一絕緣片142及集氣板16等結構堆疊組裝定位而成，且於共振片12與壓電致動器13之間係具有一間隙g0，且於共振片12與壓電致動器13之間具有第一腔室121，以及，微型閥門裝置1B則同樣由閥門片17以及出口板18等依序堆疊組裝定位在該微型流體控制裝置1A之集氣板16上而成，且於微型流體控制裝置1A之集氣板16與壓電致動器13之間係具有集氣腔室162、於集氣板16之基準表面161更凹陷一第一卸壓腔室165以及第一出口腔室166，以及於出口板18之基準表面180更凹陷一第二卸壓腔室183及第二出口腔室184，在本實施例中，藉由該微型氣壓動力裝置之操作頻率為27K至29.5K之間、操作電壓為±10V至±16V，以及藉由該等多個不同的壓力腔室搭配壓電致動器13之驅動及共振片12、閥門片17之振動，以使氣體向下集壓傳輸。

如第7B圖所示，當微型流體控制裝置1A之壓電致動器13受電壓致動而向下振動時，則氣體會由進氣板11上的進氣孔110進入微型流體控制裝置1A中，並經由至少一匯流排孔112以匯集到其中心凹部111處，再經由共振片12上的中空孔洞120向下流入至第一腔室121中。其後，則如第7C圖所示，由於受壓電致動器13振動之共振作用，共振片12亦會隨之進行往復式振動，即其向下振動，並接近於壓電致動器13之懸浮板130之凸部130c上，藉由此共振片12之形變，使得進氣板11之中心凹部111處之腔室之體積增大，並同時壓縮第一腔室121之體積，進而促使第一腔室121內的氣體推擠向兩側流動，進而經過壓電致動器13之支架132之間的空隙135而向下穿越流通，以流至微型流體控制裝置1A與微型閥門裝置1B之間的集氣腔室162內，並再由與集氣腔室162相連通之第一貫穿孔163及第二貫穿孔164向下對應流至第一卸壓腔室165及第一出口腔室166中，由此實施態樣可見，當共振片12進行垂直之往復式振動時，係可由其與壓電致動器13之間的間隙g0以增加其垂直位移的最大距離，換句話說，於該兩結構之間設置間隙g0可使共振片12於共振時可產生更大幅度的上下位移。

接著，則如第7D圖所示，由於微型流體控制裝置1A之共振片12回復至初始位置，而壓電致動器13受電壓驅動以向上振動，而其中該壓電致動器之振動位移為d，與該間隙g0的差值為x，即x=g0-d，經測試當x＝1至5um、該操作頻率為27k至29.5KHz、操作電壓為±10V至±16V時，其最大輸出氣壓可達到至少300mmHg，但不以此為限。如此同樣擠壓第一腔室121之體積，使得第一腔室121內的氣體朝兩側流動，並由壓電致動器13之支架132之間的空隙135持續地輸入至集氣腔室162、第一卸壓腔室165以及第一出口腔室166中，如此更使得第一卸壓腔室165及第一出口腔室166內的氣壓越大，進而推動可撓性的閥門片17向下產生彎曲形變，則於第二卸壓腔室183中，閥門片17則向下平貼並抵頂於卸壓通孔181端部之凸部結構181a，進而使卸壓通孔181封閉，而於第二出口腔室184中，閥門片17上對應於出口通孔182之閥孔170係向下打開，使第二出口腔室184內之氣體可由出口通孔182向下傳遞至出口19及與出口19連接的任何裝置(未圖示)，進而以達到集壓作業之目的。最後，則如第7E圖所示，當微型流體控制裝置1A之共振片12共振向上位移，進而使進氣板11第一表面11b的中心凹部111內的氣體可由共振片12的中空孔洞120而流入第一腔室121內，再經由壓電致動器13之支架132之間的空隙135而向下持續地傳輸至集氣板16中，則由於其氣體壓係持續向下增加，故氣體仍會持續地經由集氣腔室162、第二貫穿孔164、第一出口腔室166、第二出口腔室184及出口通孔182而流至出口19及與出口19連接的任何裝置中，此集壓作業係可經由外界之大氣壓力與裝置內的壓力差以驅動之，但不以此為限。

當與出口19連接的裝置(未圖示)內部的壓力大於外界的壓力時，則微型氣壓動力裝置1係可如第8圖所示進行降壓或是卸壓之作業，其降壓或是卸壓之作動方式主要係如前所述，可藉由調控微型流體控制裝置1A之氣體傳輸量，使氣體不再輸入集氣腔室162中，此時，氣體將自與出口19連接的出口通孔182輸入至第二出口腔室184內，使得第二出口腔室184之體積膨脹，進而促使可撓性之閥門片17向上彎曲形變，並向上平貼、抵頂於第一出口腔室166之凸部結構167上，而使閥門片17之閥孔170關閉，即第二出口腔室184內的氣體不會逆流至第一出口腔室166中；以及，第二出口腔室184中的氣體係可經由連通流道185而流至第二卸壓腔室183中，再由卸壓通孔181以進行卸壓作業；如此可藉由此微型閥門結構1B之單向氣體傳輸作業將與出口19連接的裝置內的氣體排出而降壓，或是完全排出而完成卸壓作業。

由上述說明可知，本案之微型氣壓動力裝置1中，隨著微型氣壓動力裝置1之微型化，其各項性能變化係如下表三所示：

表三

由此表可見，經取樣25個微型氣壓動力裝置1產品實際實驗後，由該實驗獲得的結論是：藉由將正方形之懸浮板130之邊長均大尺寸14mm逐漸縮小到7.5mm過程中，發現隨該等邊長尺寸降低的同時，而良率及最大輸出氣壓的功能卻逐步提升，且所得的較佳尺寸為7.5mm至8.5mm，進一步發現該較佳尺寸特別是在其操作頻率在27K至29.5KHz之間， 可以提升最大輸出氣壓之功能達到至少300mmHg以上。以上現象其合理的推測似係當懸浮板130之邊長降低時，則使該懸浮板130於垂直振動時減少其水平方向的變形，故可增進垂直方向之動能有效利用，且因邊長降低時可減少組裝時於垂直方向的誤差值，藉此能夠減少懸浮板130與共振片12或其他組裝元件之間的碰撞干涉及維持該懸浮板130與該共振片12一定之距離，因此良率能隨之提升並且同時增加其最大輸出氣壓的功能。此外，當壓電致動器13的懸浮板130的尺寸縮小，壓電致動器13亦可做得更小，於振動時不易傾斜之情況下，內部的氣體流道容積減小，有利於空氣的推動或壓縮，故可提升性能外且能同步縮小整體的元件尺寸。再者，如前述所述，對於壓電致動器13配備較大尺寸的懸浮板130與壓電陶瓷板133而言，由於懸浮板130的剛性較差，於振動時容易扭曲變形，使其容易與共振片12或其他組裝元件之間產生碰撞干涉，故其產生噪音比例較高，而噪音問題也是造成產品不良的原因之一，故大尺寸的懸浮板130與壓電陶瓷板133之不良率較高，因此，當懸浮板130與壓電陶瓷板133尺寸縮小時，除提高性能、減少噪音等優點外，亦能降低產品的不良率。

但無論如何，上述因懸浮板130縮小邊長尺寸使之增進良率及增加其最大輸出氣壓的功能，均是藉由實驗中所獲得，並非能夠靠理論之公式所直接推導，其增進功能原因的推測僅係作為實驗合理性的參考說明。

當然，本案微型氣壓動力裝置1為達到薄型化之趨勢，將微型流體控制裝置1A組裝微型閥門裝置1B 之總厚度介於2mm至6mm的高度，進而使微型氣體動力裝置1達成輕便舒適之可攜式目的，並可廣泛地應用於醫療器材及相關設備之中。

綜上所述，本案所提供之微型氣壓動力裝置，主要藉由微型流體控制裝置及微型閥門裝置之相互組接，使氣體自微型流體控制裝置上之進氣孔進入，並利用壓電致動器之作動，使氣體於設計後之流道及壓力腔室中產生壓力梯度，進而使氣體高速流動而傳遞至微型閥門裝置中，再透過微型閥門裝置之單向閥門設計，使氣體以單方向流動，進而可將壓力累積於與出口連接的任何裝置中；而當欲進行降壓或卸壓時，則調控微型流體控制裝置之傳輸量，並使氣體可由與出口連接的裝置中傳輸至微型閥門裝置之第二出口腔室，並由連通流道將之傳輸至第二卸壓腔室，再由卸壓通孔流出，進而以達到可使氣體迅速地傳輸，且同時可達到靜音之功效，更可使微型氣體動力裝置之整體體積減小及薄型化，進而使微型氣體動力裝置達成輕便舒適之可攜式目的，並可廣泛地應用於醫療器材及相關設備之中。因此，本案之微型氣體動力裝置極具產業利用價值，爰依法提出申請。

縱使本發明已由上述實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

1‧‧‧微型氣壓動力裝置 1A‧‧‧微型流體控制裝置 1B‧‧‧微型閥門裝置 1a‧‧‧殼體 10‧‧‧底座 11‧‧‧進氣板 11a‧‧‧進氣板之第二表面 11b‧‧‧進氣板之第一表面 110‧‧‧進氣孔 111‧‧‧中心凹部 112‧‧‧匯流排孔 12‧‧‧共振片 12a‧‧‧可動部 12b‧‧‧固定部 120‧‧‧中空孔洞 121‧‧‧第一腔室 13‧‧‧壓電致動器 130‧‧‧懸浮板 130a‧‧‧懸浮板之第二表面 130b‧‧‧懸浮板之第一表面 130c‧‧‧凸部 130d‧‧‧中心部 130e‧‧‧外周部 131‧‧‧外框 131a‧‧‧外框之第二表面 131b‧‧‧外框之第一表面 132‧‧‧支架 132a‧‧‧支架之第二表面 132b‧‧‧支架之第一表面 133‧‧‧壓電陶瓷板 134、151‧‧‧導電接腳 135‧‧‧空隙 141、142‧‧‧絕緣片 15‧‧‧導電片 16‧‧‧集氣板 16a‧‧‧容置空間 160‧‧‧表面 161‧‧‧基準表面 162‧‧‧集氣腔室 163‧‧‧第一貫穿孔 164‧‧‧第二貫穿孔 165‧‧‧第一卸壓腔室 166‧‧‧第一出口腔室 167、181a‧‧‧凸部結構 168‧‧‧側壁 17‧‧‧閥門片 170‧‧‧閥孔 171‧‧‧定位孔洞 18‧‧‧出口板 180‧‧‧基準表面 181‧‧‧卸壓通孔 182‧‧‧出口通孔 183‧‧‧第二卸壓腔室 184‧‧‧第二出口腔室 185‧‧‧連通流道 187‧‧‧第二表面 188‧‧‧限位結構 19‧‧‧出口 g0‧‧‧間隙 (a)~(x)‧‧‧壓電致動器之不同實施態樣 a0、i0、j0、m0、n0、o0、p0、q0、r0‧‧‧懸浮板 a1、i1、m1、n1、o1、p1、q1、r1‧‧‧外框 a2、i2、m2、n2、o2、p2、q2、r2‧‧‧支架、板連接部 a3、m3、n3、o3、p3、q3、r3‧‧‧空隙 d‧‧‧壓電致動器之振動位移 s4、t4、u4、v4、w4、x4‧‧‧凸部 m2’、n2’、o2’、q2’、r2’‧‧‧支架連接於外框之端部 m2”、n2”、o2”、q2”、r2”‧‧‧支架連接於懸浮板之端部

第1A圖為本案為較佳實施例之微型氣壓動力裝置之正面分解結構示意圖。 第1B圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之正面組合結構示意圖。 第2A圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之背面分解結構示意圖。 第2B圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之背面組合結構示意圖。 第3A圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之壓電致動器之正面組合結構示意圖。 第3B圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之壓電致動器之背面組合結構示意圖。 第3C圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之壓電致動器之剖面結構示意圖。第4A至第4C圖為壓電致動器之多種實施態樣示意圖。 第5A圖至第5E圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之微型流體控制裝置之局部作動示意圖。 第6A圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集氣板與微型閥門裝置之集壓作動示意圖。 第6B圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集氣板與微型閥門裝置之卸壓作動示意圖。 第7A至第7E圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之集壓作動示意圖。 第8圖為第1A圖所示之微型氣壓動力裝置之降壓或是卸壓作動示意圖。

13‧‧‧壓電致動器

130‧‧‧懸浮板

130a‧‧‧懸浮板之第二表面

130c‧‧‧凸部

130d‧‧‧中心部

130e‧‧‧外周部

131‧‧‧外框

131a‧‧‧外框之第二表面

132‧‧‧支架

132a‧‧‧支架之第二表面

134‧‧‧導電接腳

135‧‧‧空隙

Claims (13)

1. 一種壓電致動器，包含：一懸浮板，為正方形之結構，具有介於7.5mm至10mm邊長，且可由一中心部到一外周部彎曲振動；一外框，環繞設置於該懸浮板之外側；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，以提供彈性支撐；以及一壓電陶瓷板，為正方形之型態，具有不大於該懸浮板邊長之邊長，貼附於該懸浮板之一第一表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動；其中，當該懸浮板受電壓驅動時，其操作頻率於18K至28KHz之間，產生較大輸出氣壓。
2. 如請求項1所述壓電致動器，其中該懸浮板為正方形之結構，具有7.5mm至8.5mm之邊長。
3. 如請求項1所述壓電致動器，其中該懸浮板為正方形之結構，具有8.5mm至10mm之邊長。
4. 如請求項1所述壓電致動器，其中該懸浮板為正方形之結構，具有10mm至12mm之邊長。
5. 如請求項1所述壓電致動器，其中該懸浮板之一第二表面上具有一凸部。
6. 如請求項5所述壓電致動器，其中該懸浮板之該凸部高度係介於0.02mm至0.08mm之間。
7. 如請求項5所述壓電致動器，其中該懸浮板之該凸部為一圓形凸起結構，直徑為該懸浮板之最小邊長的0.55倍的尺寸。
8. 如請求項1所述壓電致動器，其中該至少一支架為一板連接部，用以連接該懸浮板與該外框。
9. 如請求項8所述壓電致動器，其中該板連接部之兩端部係彼此相對應、且設置於同一軸線上。
10. 如請求項8所述壓電致動器，其中該板連接部係以介於0~45度之斜角連接於該懸浮板與該外框。
11. 如請求項1所述壓電致動器，其中該至少一支架包括有：一樑部，設置於該懸浮板與該外框之間之一間隙中，其設置之方向係平行於該外框及該懸浮板；一懸浮板連接部，連接於該樑部與該懸浮板之間；以及一外框連接部，連接於該梁部與該外框之間，並與該懸浮板連接部彼此相對應、且設置於同一軸線上。
12. 如請求項1所述壓電致動器，其中該懸浮板之厚度介於0.1mm至0.4mm之間。
13. 如請求項1所述壓電致動器，其中該壓電陶瓷板之厚度介於0.05mm至0.3mm之間。

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