TWM548216U - 壓電致動器及其壓電致動板 - Google Patents

Description

壓電致動器及其壓電致動板

本案係關於一種壓電致動器，尤指一種適用於微型流體傳輸裝置的壓電致動器。

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流體輸送之目的。然而，受限於此等傳統馬達以及流體閥之體積限制，使得此類的儀器設備難以縮小其整體裝置的體積，即難以實現薄型化之目標，更無法使之達成可攜式之目的。此外，該等傳統馬達於作動時亦會產生噪音之問題，導致使用上的不便利及不舒適。

將流體傳輸裝置微小、輕薄化以適用於上述領域後，隨著體積的縮減，微型流體傳輸裝置的於流體傳輸上的效率也會隨之降低，因此，如何透過壓電致動器之設計以提升微型流體傳輸裝置的效率，以達到體積小、微型化且靜音的微型流體傳輸裝置，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微型流體傳輸裝置的壓電致動 器，透過懸浮板、外框及支架蝕刻製成構成不同階梯結構，以減少其支架的厚度，增加支架的彈性，使懸浮板垂直的位移量增加，進而提升微型流體傳輸裝置的效率。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供了一種壓電致動器，適用於一微型流體傳輸裝置，包含：一壓電致動板以及一壓電元件，其中該壓電致動板更包含有：一懸浮板，具有一懸浮板頂面及相對設置之一懸浮板底面，且該懸浮板頂面上具有一凸部，該凸部具有一凸部頂面，而該懸浮板頂面及該懸浮板底面之間定義一第一厚度，該凸部之該凸部頂面與該懸浮板底面之間定義一第二厚度；一外框，環繞設置於該懸浮板之周邊，且具有一外框頂面及相對設置之一外框底面，該外框之該外框頂面與該外框底面之間定義一第三厚度；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，且具有一支架頂面及相對設置之一支架底面，該支架頂面與該支架底面之間定義一第四厚度；至少一凹槽，設置於該至少一支架之相鄰位置，該至少一凹槽具有一槽底面；該壓電元件，貼附於該懸浮板底面；其中，該第三厚度大於該第一厚度，該第一厚度大於該第四厚度。

本案之一較廣義實施態樣為提供了一種壓電致動板，適用於一微型流體傳輸裝置之壓電致動器，包含：一懸浮板，具有一懸浮板頂面及相對設置之一懸浮板底面，且該懸浮板頂面上具有一凸部，該凸部具有一凸部頂面，而該懸浮板頂面及該懸浮板底面之間定義一第一厚度，該凸部之該凸部頂面與該懸浮板底面之間定義一第二厚度；一外框，環繞設置於該懸浮板之周邊，且具有一外框頂面及相對設置之一外框底面，該外框之該外框頂面與該外框底面之間定義一第三厚度；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，且具有一支架頂面及相對設置之一支架底面，該支架頂面與該支架底面之間定義一第四厚度；以及至少一凹槽，設置於該至少一支架之相鄰位置，該至少一凹槽具有一槽底面；其中，該第三厚度大於該第一厚度，該第一厚度大於該第四厚度。

10‧‧‧殼體

11‧‧‧出口板

111‧‧‧板件

112‧‧‧側壁部

113‧‧‧容置空間

114‧‧‧暫存腔室

115‧‧‧排出孔

116‧‧‧壓縮腔室

12‧‧‧底座

121‧‧‧入口板

1211‧‧‧進入孔

1212‧‧‧匯流排槽

1213‧‧‧匯流腔室

122‧‧‧共振片

1221‧‧‧可動部

1222‧‧‧固定部

1223‧‧‧中空孔洞

20‧‧‧壓電致動器

20a‧‧‧壓電致動板

20b‧‧‧壓電元件

21‧‧‧懸浮板

211‧‧‧懸浮板頂面

212‧‧‧懸浮板底面

213‧‧‧凸部

2131‧‧‧凸部頂面

22‧‧‧外框

221‧‧‧外框頂面

222‧‧‧外框底面

223‧‧‧導電接腳

23‧‧‧支架

231‧‧‧支架頂面

232‧‧‧支架底面

24‧‧‧凹槽

241‧‧‧槽底面

25‧‧‧空隙

31、32‧‧‧絕緣片

40‧‧‧導電片

41‧‧‧導電接腳

42‧‧‧電極

5‧‧‧膠層

6‧‧‧封膠

h‧‧‧間隙

L1‧‧‧第一厚度

L2‧‧‧第二厚度

L3‧‧‧第三厚度

L4‧‧‧第四厚度

第1圖所示為微型流體傳輸裝置之剖面結構示意圖。

第2A圖所示為微型流體傳輸裝置相關構件之正面分解示意圖。

第2B圖所示為流體控制裝置相關構件之背面分解示意圖。

第3A圖所示為壓電致動板之第一實施例剖面示意圖。

第3B圖所示為壓電致動板之第一實施例立體示意圖。

第4A圖所示為壓電致動板之第二實施例剖面示意圖。

第4B圖所示為壓電致動板之第二實施例立體示意圖。

第4C圖所示為壓電致動板之第二實施例另一角度立體示意圖。

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。

如第1圖、第2A圖及第2B圖所示，本案之微型流體傳輸裝置1具有一殼體10、一壓電致動器20。其中，殼體10包含出口板11及底座12，底座12則包含一入口板121及一共振片122，但不以此為限。壓電致動器20係對應於共振片122而設置，並使出口板11、壓電致動器20以及底座12之共振片122、入口板121等依序向上堆疊設置。

請參閱第2A圖，於本實施例中，殼體1之出口板11為一板件111其周緣垂直延伸一側壁部112所形成，該板件111與該側壁部112定義一容置空間113，供該壓電致動器20設置其中，又板件111於一表面凹陷以形成一暫存腔室114，以及板件111上設有至少一排出孔115貫穿連通該暫存腔室114，且由該側壁部112與板件111 共同定義出一容置空間113，用以供壓電致動器20設置於容置空間113中。而底座12包含一入口板121及一共振片122，其中，入口板121具有至少一進入孔1211，於本實施例中，進入孔1211之數量為4個，但不以此為限，其貫穿入口板121之上下表面，主要用以供流體自裝置外順應大氣壓力之作用而自該至少一進入孔1211流入流體控制裝置內；又如第2B圖所示，入口板121上具有至少一匯流排槽1212，每一匯流排槽1212對應連通一進入孔1211而設置，於該匯流排槽1212的中心交流處具有一匯流腔室1213，且匯流腔室1213係與匯流排槽1212相連通，藉此可將自該至少一進入孔1211進入匯流排槽1212之流體引導並匯流集中至匯流腔室1213。

於本實施例中，微型流體傳輸裝置1更包含有兩絕緣片31、32以及一導電片40，絕緣片31、導電片40以及另一絕緣片32依序堆疊後設置於容置空間113內，且位於壓電致動器20及該出口板11之板件111之間。

如第1圖所示，於本實施例中，入口板121具有一體成型的進入孔1211、匯流排槽1212及匯流腔室1213，且當入口板121與共振片122對應組裝後，於此匯流腔室1213處構成一匯流流體的腔室，以供流體暫存，此外，共振片122對應於匯流腔室1213為一可動部1221，而固定黏接於底座12部分為固定部1222，且於共振片122上具有一中空孔洞1223，對應於入口板121之匯流腔室1213而設置，供流體流通。於本實施例中，共振片122為一可撓性材質，但不以此為限。於另一些實施例中，共振片122可為一銅材質，但不以此為限。

於一些實施例中，入口板121之材質為一不鏽鋼材質，但不以此為限。於另一些實施例中，由該匯流腔室1213處所構成腔室之深度與該等匯流排槽1212之深度相同，但不以此為限。

請繼續審閱第2A圖、第2B圖、第3A圖以及第3B圖所示，上述之壓電致動器20對應於共振片122而設置，並包含有一壓電致動板20a以及一壓電元件20b，其中壓電致動板20a更包含有懸浮板21、外框22以及至少一支架23；懸浮板21具有一懸浮板頂面211以及相對設置之一懸浮板底面212，且懸浮板頂面211上設有一凸部 213，其中，懸浮板211之懸浮板頂面211與懸浮板底面212之間定義一第一厚度L1，懸浮板21之懸浮板底面212與凸部213之一凸部頂面2131之間定義一第二厚度L2；壓電元件20b可為一陶瓷壓電片，但不以此為限，壓電元件20b貼附於懸浮板21之懸浮板底面212；外框22環繞設置於懸浮板21之周邊，且具有一外框頂面221與相對設置之一外框底面222，外框22之外框頂面221與外框底面222之間定義一第三厚度L3；至少一支架23連接於懸浮板21與外框22之間，且具有一支架頂面231及相對設置之一支架底面232，至少一支架23之支架頂面231與支架底面232之間定義一第四厚度L4，其中，外框22的第三厚度L3大於懸浮板21的第一厚度L1，懸浮板21的第一厚度L1大於至少一支架23的第四厚度L4。此外，於一些實施例中，該外框22的第三厚度L3與凸部213之頂面2131與懸浮板21之懸浮板底面212定義的第二厚度L2相同，但不以此為限。

上述之壓電致動器20透過縮減至少一支架23的第四厚度L4，以降低至少一支架23的剛性，進而可增加該至少一支架23的彈性，用以提升該懸浮板21的垂直振動的位移量，進而連帶增加流體傳輸量，來提升流體傳輸裝置的效率。

請參閱第3A圖以及第3B圖所示，第3A圖為壓電致動板20a之第一實施例立體示意圖，第3B圖為本案壓電致動板20a之第一實施例剖面示意圖；壓電致動板20a更包含至少一凹槽24，至少一凹槽24設置於至少一支架23相鄰位置，至少一凹槽24形成於外框22的外框頂面221且鄰接至少一支架23的邊緣區域，至少一凹槽24具有一槽底面241，於本實施例中，至少一支架23與至少一凹槽24其數量皆為4個，但不以此為限；於本實施例中，懸浮板21之懸浮板底面212、支架23之支架底面232及外框22之外框底面222三者共平面，懸浮板21之懸浮板頂面211上凸部213之頂面2131與外框22之外框頂面221共平面，凹槽24之槽底面241與支架23之支架頂面231共平面，使壓電致動板20a為以懸浮板底面212、支架底面223及外框底面222為同一平面之基準，而凸部213、懸浮板21、支架23則可因其頂面高度不同而呈一同一平面之階梯結構。

上述壓電致動板20a的第一實施例中，壓電致動板20a為一體成型之結構，懸浮板21之懸浮板頂面211、支架235之支架頂面231以及凹槽24之槽底面241皆由透過蝕刻製程而形成，且於蝕刻製程中，其蝕刻面皆於同一面。

請參閱第4A圖、第4B圖以及第4C圖所示，第4A圖為本案壓電致動板20a之第二實施例立體示意圖，第4B圖為本案壓電致動板20a之第二實施例剖面示意圖；於本實施例中，同樣具有至少一凹槽24，至少一凹槽24具有一槽底面241，其中，懸浮板21之懸浮板底面212及外框22之外框底面222共平面，懸浮板21之凸部213之凸部頂面2131與外框22之外框頂面221共平面，懸浮板21之懸浮板頂面211、凹槽24之槽底面241與支架23之支架頂平面231共平面，使壓電致動板20a在頂面及底面兩不同平面分別呈現上、下階梯結構。

上述壓電致動板20a的第二實施例中，壓電致動板20a亦為一體成型之結構，懸浮板21之懸浮板頂面211、支架23之支架頂面231及支架底面232以及凹槽24之槽底面241皆由蝕刻製程而形成，且於蝕刻製程中，懸浮板頂面211、支架頂面231、槽底面241之蝕刻面與支架底面232之蝕刻面為不同平面。

於此實施例中，其外框22之第三厚度L3介於295~305μm，懸浮板21之第一厚度L1介於265~275μm，支架23之第四厚度L4介於250~260μm，其中，懸浮板21上凸部213之凸部頂面2131與懸浮板21之懸浮板底面212之間的第二厚度L2與外框22之第三厚度L3相同，皆為介於295~305μm之間，但不以此為限。

本案的壓電致動板20a的相關實施例，主要係透過懸浮板21、外框22及支架23蝕刻製成構成不同階梯結構，以增加支架23的彈性，提升懸浮板21的位移量，進而提升微型流體傳輸裝置1的效率，支架23的第四厚度L4與懸浮板21的位移量及對應的微型流體傳輸裝置1的效率比較如下表一所示：

是以，由上述的實驗數據可以得知，支架23之第四厚度L4由265~275μm降低至250~260μm後，其提供一定剛性連接於懸浮板21與外框22之間外，不僅能夠增加其彈性，使懸浮板21受壓電元件20b驅動後，其垂直方向的振動位移量能夠由6.5μm增加至10μm，促使微型流體傳輸裝置1的最高氣壓值由259mmHg提升至451mmHg，故本案的支架22可有效提升微型流體傳輸裝置1的效率，具有高效優勢，特別是其傳輸效率為微型流體傳輸裝置1最重要的研發重點。

請續參閱第2A圖，上述之壓電元件20b為方形板狀結構，且其邊長不大於懸浮板21之邊長，並可貼附於懸浮板21之上。於本實施例中，懸浮板21為可撓之正方形板狀結構，懸浮板21之外側環繞設置外框22，外框22之型態亦大致對應於懸浮板21之型態。於本實施例中，外框22亦為正方形之鏤空框型結構；而懸浮板21與外框22之間以四支架23連接並提供彈性支撐。請同時參閱第3A圖、第3B圖、第4A圖、第4B圖，懸浮板21、外框22以及四支架23係為一體成型之結構，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，是以，本案之微型流體傳輸裝置1之壓電致動器20即為由壓電元件20b與金屬板黏合而成，但不以此為限。外框22係環繞設置於懸浮板21之外側，且具有一向外凸設之導電接腳223，用以供電連接之用，但不以此為限；以及該四支架23連接於懸浮板21以及外框22之間，以提供彈性支撐。於本實施例中，每一該支架23之一端連接於懸浮板21之側邊，另一端則連接於外框22之內側邊，且於支架23、懸浮板21及外框22之間更具有至少一空隙25，用以供流體流通，且該懸浮板21、外框22以及支架23之型態及數量係具有多種變化。透過此跨設於懸浮板21與外框22之間之支架23，以減少懸浮板21於運作時不均一的偏移角度，有助於增加懸浮板21於Z軸上的振幅，使懸浮板21在上下振動時可有更好的位移狀態，即該懸浮板21作動時更為穩定、一致，俾利於提升壓電致動器20作動之穩定性及效能。又於本實施例中，懸浮板21之凸部213、懸浮板21、至少一支架23呈階梯狀，且其厚度係逐漸遞減。

以及，上述之兩絕緣片31、32為上下夾設導電片40而設置。此外，於一些實施例中，絕緣片31、32為一絕緣之材質，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40為一導電之材質，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40上亦可設罝一導電接腳41以及一電極42，導電接腳41以向外電導通之用，電極42用來電連接壓電元件20b，使外部電力通過導電接腳41、導電片40、電極42電連接至壓電元件20b。

請一併參閱第1圖、第2A圖及第2B圖，當本案之微型流體傳輸裝置1組裝時，依序將一絕緣片31、一導電片40、另一絕緣片32、一壓電致動器20以及一底座12等結構依序向上堆疊組裝黏固，並容設於出口板11之容置空間113內，最後將該出口板11之側壁部112兩側容置空間113予以塗布封膠6提供防漏密封而設置形成一種流體積小、及微型化外形之微型流體傳輸裝置1。在上述結構中，一旦對壓電元件20b施加驅動電壓，則因壓電元件20b的伸縮而使懸浮板21彎曲振動，伴隨著懸浮板21的振動，使共振片122的可動部1221振動，藉此，微型流體傳輸裝置1從底座12之至少一進入孔1211吸入流體，將該流體進入該至少一匯流排槽1212中再流入該匯流腔室1213經中空孔洞1223導入暫存腔室114中，受該壓電致動器2之懸浮板21振動及共振片122之共振效應而壓縮暫存腔室114之體積，由該出口板11之至少一排出孔115排出，構成一微型流體傳輸裝置1傳輸流體之操作。

又如第1圖所示，共振片122與壓電致動器20之間具有一間隙h，於共振片122及壓電致動器20之外框22之間的間隙h中填充設置一膠層5，例如：導電膠，但不以此為限，以使共振片122與壓電致動器20之懸浮板21之間可維持該間隙h之深度，進而可導引氣流更迅速地流動；以及，因應此間隙h之深度而可使共振片122與壓電致動器20之間形成壓縮腔室116，進而可透過共振片122之中空孔洞1223導引流體於腔室間更迅速地流動，且因懸浮板21與共振片122保持適當距離使彼此接觸干涉減少，促使噪音降低。

又本案為了改善在懸浮板21之外框22及共振片122之間設置膠層5在塗 布施作時，膠層5塗在壓電致動之外框22受到外框22之毛細作用的關係，使膠層5沿著外框22的外框頂面221而朝向支架23流動，如此流動容易溢出於外框22而沾黏到支架23等問題，為了避免此問題，本案於外框22的外框頂面221上形成了凹槽24，供溢出的膠層5可容置於凹槽24內，來解決膠層5溢出或黏著於支架23上的問題。

綜上所述，本案所提供一種壓電致動器，藉由透過懸浮板、外框及支架蝕刻製成構成不同階梯結構，以減少其支架的厚度，增加支架的彈性，使懸浮板垂直的位移量增加，即可提升使用本案壓電致動器的微型流體傳輸裝置的傳輸效率，在同樣以薄型化、微小化的微型流體傳輸裝置，能夠具有較佳的效果，以達到提升功效之目的；因此，本案壓電致動器極具產業利用價值，爰依法提出申請。

縱使本案已由上述實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝入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。

20a‧‧‧壓電致動板

21‧‧‧懸浮板

211‧‧‧懸浮板頂面

212‧‧‧懸浮板底面

213‧‧‧凸部

2131‧‧‧凸部頂面

22‧‧‧外框

221‧‧‧外框頂面

222‧‧‧外框底面

23‧‧‧支架

231‧‧‧支架頂面

232‧‧‧支架底面

24‧‧‧凹槽

241‧‧‧槽底面

L1‧‧‧第一厚度

L2‧‧‧第二厚度

L3‧‧‧第三厚度

L4‧‧‧第四厚度

Claims (18)

1. 一種壓電致動器，適用於一微型流體傳輸裝置，包含：一壓電致動板，包括有：一懸浮板，具有一懸浮板頂面及相對設置之一懸浮板底面，且該懸浮板頂面上具有一凸部，該凸部具有一凸部頂面，而該懸浮板頂面及該懸浮板底面之間定義一第一厚度，該凸部之該凸部頂面與該懸浮板底面之間定義一第二厚度；一外框，環繞設置於該懸浮板之周邊，且具有一外框頂面及相對設置之一外框底面，該外框之該外框頂面與該外框底面之間定義一第三厚度；至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，且具有一支架頂面及相對設置之一支架底面，該支架頂面與該支架底面之間定義一第四厚度；至少一凹槽，設置於該至少一支架之相鄰位置，該至少一凹槽具有一槽底面；以及一壓電元件，貼附於該懸浮板底面；其中，該第三厚度大於該第一厚度，該第一厚度大於該第四厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動器，其中該第三厚度等於該第二厚度。
3. 如申請專利範圍第1或2項中任一項所述之壓電致動器，其中該凸部頂面與該外框頂面共平面；該至少一凹槽之該槽底面與該至少一支架之該支架頂面共平面；該懸浮板之該懸浮板底面、該至少一支架之該支架底面及該外框之該外框底面共平面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓電致動器，其中該懸浮板頂面、該至少一 支架之該支架頂面以及該至少一凹槽之該槽底面由蝕刻製程形成同一平面之階梯結構。
5. 如申請專利範圍第1或2項中任一項所述之壓電致動器，其中該凸部之該凸部頂面與該外框之該外框頂面共平面；該至少一凹槽之該槽底面、該至少一支架之該支架頂面、該懸浮板之該懸浮板頂面共平面；該懸浮板之該懸浮板底面與該外框之該外框底面共平面。
6. 如申請專利範圍第5項所述之壓電致動器，其中該懸浮板頂面、該至少一支架之該支架頂面、該支架底面以及該至少一凹槽之該槽底面由蝕刻製程形成在不同平面呈現上、下階梯結構。
7. 如申請專利範圍第1或2項中任一項所述之壓電致動器，其中該第三厚度為295~305μm。
8. 如申請專利範圍第7項所述之壓電致動器，其中該第一厚度為265~275μm。
9. 如申請專利範圍第8項所述之壓電致動器，其中該第四厚度為250~260μm。
10. 一種壓電致動板，適用於一微型流體傳輸裝置之一壓電致動器，包含：一懸浮板，具有一懸浮板頂面及相對設置之一懸浮板底面，且該懸浮板頂面上具有一凸部，該凸部具有一凸部頂面，而該懸浮板頂面及該懸浮板底面之間定義一第一厚度，該凸部之該凸部頂面與該懸浮板底面之間定義一第二厚度；一外框，環繞設置於該懸浮板之周邊，且具有一外框頂面及相對設置之一外框底面，該外框之該外框頂面與該外框底面之間定義一第三厚度； 至少一支架，連接於該懸浮板與該外框之間，且具有一支架頂面及相對設置之一支架底面，該支架頂面與該支架底面之間定義一第四厚度；以及至少一凹槽，設置於該至少一支架之相鄰位置，該至少一凹槽具有一槽底面；其中，該第三厚度大於該第一厚度，該第一厚度大於該第四厚度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之壓電致動板，其中該第三厚度等於該第二厚度。
12. 如申請專利範圍第10或11項中任一項所述之壓電致動板，其中該凸部頂面與該外框頂面共平面；該至少一凹槽之該槽底面與該至少一支架之該支架頂面共平面；該懸浮板之該懸浮板底面、該至少一支架之該支架底面及該外框之該外框底面共平面。
13. 如申請專利範圍第12項所述之壓電致動板，其中該懸浮板頂面、該至少一支架之該支架頂面以及該至少一凹槽之該槽底面由蝕刻製程形成同一平面之階梯結構。
14. 如申請專利範圍第10或11項中任一項所述之壓電致動板，其中該凸部之該凸部頂面與該外框之該外框頂面共平面；該至少一凹槽之該槽底面、該至少一支架之該支架頂面、該懸浮板之該懸浮板頂面共平面；該懸浮板之該懸浮板底面與該外框之該外框底面共平面。
15. 如申請專利範圍第14項所述之壓電致動板，其中該懸浮板頂面、該至少一支架之該支架頂面、該支架底面以及該至少一凹槽之槽底面由蝕刻製程形成在不同平面呈現上、下階梯結構。
16. 如申請專利範圍第10或11項中任一項所述之壓電致動板，其中該第三厚度係295~305μm。
17. 如申請專利範圍第16項所述之壓電致動板，其中該第一厚度係265~275μm。
18. 如申請專利範圍第17項所述之壓電致動板，其中該第四厚度係250~260μm。