TWM582533U - 微型壓電泵浦 - Google Patents

Abstract

一種微型壓電泵浦，包含：一管板，具有一入流管、一出流管、一入流通道、一出流通道、一正壓腔室、一負壓腔室以及一容置腔室，入流通道設置於入流管內並貫穿入流管，出流通道設置於出流管內並貫穿出流管，入流通道與負壓腔室相連通且出流通道與正壓腔室相連通，容置腔室設置於正壓腔室以及負壓腔室之間；一蓋板，封蓋於管板上；以及一泵核心模組，容置於管板之容置腔室中；其中，泵核心模組汲取負壓腔室內的流體進入泵核心模組後，流入正壓腔室，接著再從出流通道流出，同時，外部流體亦會自入流通道流入負壓腔室內，以完成流體之傳輸。

Description

微型壓電泵浦

本案關於一種微型泵浦，尤指一種微型、靜音及快速傳輸高流量流體之微型壓電泵浦。

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致動器為其關鍵技術。

隨著科技的日新月異，流體輸送結構的應用上亦愈來愈多元化，舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健、電子散熱等等，甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的踨影，可見傳統的流體致動器已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。

因此，如何藉由創新的封裝結構，使流體致動器得以增加其應用廣泛性，為當前重要的發展課題。

本案之主要目的係提供一種微型壓電泵浦，具有一外殼結構，使得一泵核心模組設置於外殼結構內時，不僅可以達到保護泵核心模組的功效，亦可於外殼結構內產生負氣壓以及正氣壓之效果，藉以傳輸流體。

本案之一廣義實施態樣為一種微型壓電泵浦，包含一管板、一蓋板以及一泵核心模組。管板具有一入流管、一出流管、一入流通道、一出流通道、一正壓腔室、一負壓腔室以及一容置腔室。入流通道設置於入流管內並貫穿入流管。出流通道設置於出流管內並貫穿出流管。入流通道與負壓腔室相連通，並且出流通道與正壓腔室相連通。容置腔室設置於正壓腔室以及負壓腔室之間。蓋板封蓋於該管板上，並具有一凹部以及一圍繞凹部之外周部。泵核心模組容置於管板之容置腔室中，並被蓋板封閉在管板中，藉此，正壓腔室形成於泵核心模組與管板之間。泵核心模組汲取負壓腔室內的流體進入泵核心模組後，流入正壓腔室，接著再從出流通道流出管板外，同時，外部流體亦會自入流通道流入負壓腔室內，以完成流體之傳輸。

體現本案特徵與優點的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當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1圖至第3圖，本案提供一種微型壓電泵浦10，包含一管板1、一蓋板2以及一泵核心模組3。泵核心模組3被蓋板2封蓋於管板1內以形成微型壓電泵浦10。

請參閱第3A圖至第3C圖、第7A圖以及第7B圖，於本案第一實施例中，管板1具有一入流管11、一出流管12、複數個接腳開口13、一脊部14、一正壓腔室C1、一容置腔室C2、一負壓腔室C3、一入流開口h1以及一出流開口h2。入流管11具有一入流通道11a，設置於入流管11內並貫穿入流管11。出流管12具有一出流通道12a，設置於出流管12內並貫穿出流管12。入流通道11a與負壓腔室C3相連通。出流通道12a與正壓腔室C1相連通。容置腔室C2設置於正壓腔室C1以及負壓腔室C3之間。脊部14凸設於管板1內，並且容置腔室C2形成於脊部14中。於本案第一實施例中，脊部14為一環狀形態，但不以此為限，脊部14之形態於其他實施例中可依設計需求而變更。於本案第一實施例中，入流通道11a為一彎折通道，但不以此為限，入流通道11a之形態於其他實施例中可依設計需求而變更。入流開口h1連通於入流通道11a以及負壓腔室C3之間，並且由於入流通道11a的彎折設計，入流開口h1設置於脊部14上。而出流開口h2連通於出流通道12a以及正壓腔室C1之間。

值得注意的是，於本案第一實施例中，入流管11以及出流管12設置於管板1之同一側，但不以此為限，入流管11以及出流管12的設置於其他實施例中可依設計需求而變更。

請參閱第3A圖、第4A圖、第4B圖、第7A圖以及第7B圖，於本案第一實施例中，蓋板2封蓋於管板1上，並具有一外周部21以及一凹部22。外周部21圍繞凹部22以及管板1之脊部14，藉此管板1之脊部14凸伸入蓋板2之凹部22內。此外，於本案第一實施例中，蓋板2之凹部22之一深度大於管板1之脊部14之一高度，如此，負壓腔室C3得以形成於蓋板2與管板1之間。

請參閱第2圖、第5A圖、第5B圖、第6A圖及第7A圖，於本案第一實施例中，泵核心模組3容置於管板1之容置腔室C2中，並被蓋板2封閉在管板1中。藉此，正壓腔室C1形成於泵核心模組3與管板1之間，負壓腔室C3形成於蓋板2與泵核心模組3之間。於本案第一實施例中，泵核心模組3由一進流板31、一共振片32、一壓電致動器33、一第一絕緣片35、一導電片36及一第二絕緣片37依序堆疊組成。進流板31具有至少一進流孔31a、至少一匯流排槽31b及一匯流腔室31c。進流孔31a供導入流體，並貫通匯流排槽31b。匯流排槽31b與匯流腔室31c相連通，藉此，進流孔31a所導入之流體得以通過匯流排槽31b後匯流至匯流腔室31c中。於本案第一實施例中，進流孔31a與匯流排槽31b之數量相同，分別為4個，但不以此為限，進流孔31a與匯流排槽31b之數量可依設計需求而變更。如此，四個進流孔31a分別貫通四個匯流排槽31b，且四個匯流排槽31b與匯流腔室31c相連通。

於本案第一實施例中，共振片32接合於進流板31上，且具有一中空孔32a、一可動部32b及一固定部32c。中空孔32a位於共振片32的中心處，並與進流板31之匯流腔室31c的位置對應。可動部32b設置於中空孔32a的周圍，而固定部32c設置於共振片32的外周緣部分並固定接合於進流板31上。

於本案第一實施例中，壓電致動器33接合於共振片32上，並包含一懸浮板33a、一外框33b、至少一支架33c、一壓電元件34、至少一間隙33d及一第一導電接腳33e。懸浮板33a為一正方型形態，可彎曲振動。懸浮板33a之所以採用正方形，乃相較於圓形形態之設計，正方形形態懸浮板33a之結構具有明顯省電之優勢。因在共振頻率下操作之電容性負載，其消耗功率會隨頻率的上升而增加，又因正方形形態懸浮板33a之共振頻率明顯較圓形形態懸浮板低，故其相對的消耗功率亦明顯較低，亦即本案所採用正方形形態設計之懸浮板33a，具有省電優勢之效益。外框33b環繞設置於懸浮板33a之外側。至少一支架33c連接於懸浮板33a與外框33b之間，用以提供懸浮板33a彈性支撐的支撐力。壓電元件34具有一邊長，該邊長小於或等於懸浮板33a之一邊長，且壓電元件34貼附於懸浮板33a之一表面上，用以被施加電壓以驅動懸浮板33a彎曲振動。懸浮板33a、外框33b與支架33c之間構成至少一間隙33d，用以供流體通過。第一導電接腳33e從外框33b之外緣凸伸。

於本案第一實施例中，導電片36從內緣凸伸一電極36a，呈彎曲狀，以及從外緣凸伸一第二導電接腳36b。電極36a電性連接壓電致動器33的壓電元件34。壓電致動器33之第一導電接腳33e以及導電片36之第二導電接腳36b向外接通外部電流，藉以驅動壓電致動器33之壓電元件34。第一導電接腳33e以及第二導電接腳36b分別自管板1之接腳開口13凸伸至管板1外。此外，第一絕緣片35以及第二絕緣片37的設置，可避免短路的發生。

請參閱第6A圖，於本案第一實施例中，懸浮板33a與共振片32之間形成一共振腔室38。共振腔室38可藉由在共振片32及壓電致動器33之外框33b之間的間隙填充一材質而形成，例如：導電膠，但不以此為限，以使共振片32與懸浮板33a之間可維持一定深度，進而可導引流體更迅速地流動。並且，因懸浮板33a與共振片32之間保持適當距離使彼此接觸干涉減少，促使噪音的產生降低。於其他實施例中，亦可藉由加高壓電致動器33之外框33b的高度來減少共振片32與壓電致動器33之外框33b之間的間隙填充材質的厚度。如此，泵核心模組3於整體組裝時，填充材質不會因熱壓溫度及冷卻溫度產生變化而被間接影響，可避免填充材質因熱脹冷縮因素影響到成型後共振腔室38之實際間距，但不以此為限。此外，共振腔室38的大小會影響泵核心模組3的傳輸效果，故維持一固定大小的共振腔室38對於泵核心模組3提供穩定的傳輸效率是十分重要的。因此，如第6B圖所示，於另一實施例中，懸浮板33a可採以沖壓成型製程使其向上延伸一距離，其向上延伸距離可由成型於懸浮板33a與外框33b之間的至少一支架33c調整，使懸浮板33a的表面與外框33b的表面兩者為非共平面。利用在外框33b的組配表面上塗佈少量填充材質，例如：導電膠，以熱壓方式使壓電致動器33貼合於共振片32的固定部32c，進而使得壓電致動器33得以與共振片32組配接合。如此直接透過將上述壓電致動器33之懸浮板33a採以沖壓成型製程構成共振腔室38的結構改良，所需的共振腔室38得以透過調整壓電致動器33之懸浮板33a沖壓成型距離來完成，有效地簡化了調整共振腔室38的結構設計，同時也簡化了製程、縮短製程時間。此外，第一絕緣片35、導電片36及第二絕緣片37皆為框形的薄形片體，依序堆疊於壓電致動器33上以構成泵核心模組3整體結構。

為了瞭解泵核心模組3之作動方式，請繼續參閱第6C圖至第6E圖，於本案第一實施例中，如第6C圖所示，壓電致動器33的壓電元件34被施加驅動電壓後產生形變，帶動懸浮板33a朝遠離進流板31的方向位移，此時共振腔室38的容積提升，於共振腔室38內形成了負壓，便汲取匯流腔室31c內的流體流經共振片32之中空孔32a進入共振腔室38內，同時共振片32受到共振原理的影響同步向遠離進流板31的方向位移，連帶增加了匯流腔室31c的容積，且因匯流腔室31c內的流體進入共振腔室38的關係，造成匯流腔室31c內同樣為負壓狀態，進而通過進流孔31a及匯流排槽31b來吸取流體進入匯流腔室31c內。接著如第6D圖所示，壓電元件34帶動懸浮板33a向靠近進流板31的方向位移，壓縮共振腔室38，同樣的，共振片32因共振被懸浮板33a帶動而向靠近進流板31的方向位移，推擠共振腔室38內的流體通過間隙33d流出泵核心模組3，以達到流體傳輸的效果。最後如第6E圖所示，當懸浮板33a朝遠離進流板31的方向位移回到初始位置時，共振片32也同時被帶動而朝遠離進流板31的方向位移，此時的共振片32壓縮共振腔室38，使共振腔室38內的流體向間隙33d移動，並且提升匯流腔室31c內的容積，讓流體能夠持續地通過進流孔31a、匯流排槽31b來匯聚於匯流腔室31c內。透過不斷地重複上述第6C圖至第6E圖所示之泵核心模組3之作動步驟，使泵核心模組3能夠連續將流體自進流孔31a導引進入進流板31及共振片32所構成流道，產生壓力梯度，再由間隙33d排出，使流體高速流動，達到泵核心模組3傳輸流體的操作。

請參閱第7C圖以及第7D圖，當泵核心模組3作動時，泵核心模組3汲取負壓腔室C3內的流體進入泵核心模組3後，流入正壓腔室C1，接著再通過出流開口h2從出流管12之出流通道12a流出微型壓電泵浦10外，同時，外部流體自入流管11之入流通道11a被吸入，通過入流開口h1後進入負壓腔室C3中，以完成流體之傳輸。

請參閱第8圖至第10D圖，於本案第二實施例中，僅管板1'之結構與第一實施例中管板1之結構不同，而其不同之處在於入流管11以及出流管12之配置方式。於本案第二實施例中，入流管11以及出流管12設置於管板1之相對兩側，但不以此為限。值得注意的是，入流管11以及出流管12於其他實施例中可僅設置於管板1之不同側，例如：相鄰之兩側。本案第二實施例之作動方式與第一實施例之作動方式相同，故不加以贅述。因第二實施例中之出流管12設置於入流管11的相對側，故第10D圖中流體之流出方向與第一實施例中流體之流出方向不同，即第一實施例之流體於同側流入與流出；而第二實施例之流體於不同側流入與流出，但不影響流體之傳輸。

值得注意的是，於本案第一實施例中，透過將微型壓電泵浦10之入流管11以及出流管12皆設置於管板1之側邊的設計，可使得流體得以從微型壓電泵浦1之側邊傳輸，達到薄型化的目的。此外，管板1的整體結構呈現一多方向階梯式的腔室設計，得以利用負壓以及正壓的作用配合，完成流體的傳輸。再者，於本案第一實施例以及第二實施例中，微型壓電泵浦10的整體總厚度為2至5微米，但不以此為限。

綜上所述，本案所提供之微型壓電泵浦，不僅可以達到薄型化以及保護泵核心模組的功效，亦可藉由多方向階梯式腔室的設計，於管板內產生負氣以及正壓之效果，藉以傳輸流體。

本案得由熟知此技術之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。

10、10'‧‧‧微型壓電泵浦 1、1'‧‧‧管板 11‧‧‧入流管 11a‧‧‧入流通道 12‧‧‧出流管 12a‧‧‧出流通道 13‧‧‧接腳開口 14‧‧‧脊部 2‧‧‧蓋板 21‧‧‧外周部 22‧‧‧凹部 3‧‧‧泵核心模組 31‧‧‧進流板 31a‧‧‧進流孔 31b‧‧‧匯流排槽 31c‧‧‧匯流腔室 32‧‧‧共振片 32a‧‧‧中空孔 32b‧‧‧可動部 32c‧‧‧固定部 33‧‧‧壓電致動器 33a‧‧‧懸浮板 33b‧‧‧外框 33c‧‧‧支架 33d‧‧‧間隙 33e‧‧‧第一導電接腳 34‧‧‧壓電元件 35‧‧‧第一絕緣片 36‧‧‧導電片 36a‧‧‧電極 36b‧‧‧第二導電接腳 37‧‧‧第二絕緣片 38‧‧‧共振腔室 C1‧‧‧正壓腔室 C2‧‧‧容置腔室 C3‧‧‧負壓腔室 h1‧‧‧入流開口 h2‧‧‧出流開口 A-A、B-B、C-C、D-D‧‧‧剖面線

第1圖為本案微型壓電泵浦之第一實施例之立體示意圖。 第2圖為本案微型壓電泵浦之第一實施例之立體分解示意圖。 第3A圖及第3B圖分別為本案第一實施例之管板之正面及背面示意圖。 第3C圖為本案第一實施例之管板之立體部分透視圖。 第4A圖及第4B圖分別為本案第一實施例之蓋板之正面及背面示意圖。 第5A圖為本案第一實施例之泵核心模組之立體分解示意圖。 第5B圖為本案第一實施例之泵核心模組之另一立體分解示意圖。 第6A圖為本案泵核心模組之剖面示意圖。 第6B圖為本案泵核心模組另一實施態樣之剖面示意圖。 第6C圖至第6E圖為本案泵核心模組之作動示意圖。 第7A圖為自第3A圖中A-A剖面線所得之剖面示意圖。 第7B圖為自第3A圖中B-B剖面線所得之剖面示意圖。 第7C圖為本案第一實施例之進流作動示意圖。 第7D圖為本案第一實施例之洩流作動示意圖。 第8圖為本案微型壓電泵浦之第二實施例之管板之立體示意圖。 第9圖為本案第二實施例之管板之正面示意圖。 第10A圖為自第9圖中C-C剖面線所得之剖面示意圖。 第10B圖為自第9圖中D-D剖面線所得之剖面示意圖。 第10C圖為本案第二實施例之進流作動示意圖。 第10D圖為本案第二實施例之洩流作動示意圖。

Claims (13)

1. 一種微型壓電泵浦，包含： 一管板，具有一入流管、一出流管、一入流通道、一出流通道、一正壓腔室、一負壓腔室以及一容置腔室，該入流通道設置於該入流管內並貫穿該入流管，該出流通道設置於該出流管內並貫穿該出流管，該入流通道與該負壓腔室相連通，並且該出流通道與該正壓腔室相連通，該容置腔室設置於該正壓腔室以及該負壓腔室之間； 一蓋板，封蓋於該管板上，並具有一凹部以及一圍繞該凹部之外周部；以及 一泵核心模組，容置於該管板之該容置腔室中，並被該蓋板封閉在該管板中，藉此，該正壓腔室形成於該泵核心模組與該管板之間； 其中，該泵核心模組汲取該負壓腔室內的流體進入該泵核心模組後，流入該正壓腔室，接著再從該出流通道流出該管板外，同時，外部流體亦會自該入流通道流入該負壓腔室內，以完成流體之傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵浦，其中該管板還具有一脊部，凸設於該管板內，該容置腔室形成於該脊部中，並且該蓋板之該外周部圍繞該脊部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微型壓電泵浦，其中該管板還具有一入流開口以及一出流開口，該入流開口連通於該入流通道以及該負壓腔室之間，並設置於該脊部上，而該出流開口連通於該出流通道以及該正壓腔室之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之微型壓電泵浦，其中該蓋板之該凹部之一深度大於該管板之該脊部之一高度，藉此該負壓腔室得以形成於該蓋板以及該泵核心模組之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵浦，其中該入流通道為一彎折通道。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵浦，其中該入流管以及該出流管設置於該管板之同一側。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵浦，其中該入流管以及該出流管設置於該管板之不同側。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微型壓電泵浦，其中該入流管以及該出流管設置於該管板之相對兩側。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微型壓電泵浦，其中該泵核心模組包含 ： 一進流板，具有至少一進流孔、至少一匯流排槽及一匯流腔室， 其中該進流孔供導入流體，並貫通該匯流排槽，該匯流排槽與該匯流腔室相連通，藉此，該進流孔所導入之流體得以通過該匯流排槽後匯流至該匯流腔室中； 一共振片，接合於該進流板上，具有一中空孔、一可動部及一固定部，該中空孔位於該共振片中心處，並與該進流板之該匯流腔室的位置相對應，該可動部設置於該中空孔周圍，而該固定部設置於該共振片的外周緣部分並固定接合在該進流板上；以及 一壓電致動器，接合於該共振片上； 其中，該共振片與該壓電致動器之間形成一共振腔室，藉此，當該壓電致動器受驅動時，該壓電致動器與該共振片之該可動部產生共振，流體由該進流板之該進流孔導入，通過該匯流排槽後匯集至該匯流腔室中，接著再流經該共振片之該中空孔，達成流體之傳輸。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微型壓電泵浦，其中該壓電致動器包含： 一懸浮板，為一正方形形態，可彎曲振動； 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，用以提供該懸浮板彈性支撐之支撐力；以及 一壓電元件，具有一邊長，該邊長小於或等於該懸浮板之一邊長，且該壓電元件貼附於該懸浮板之一表面上，用以被施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微型壓電泵浦，其中該泵核心模組還包含一第一絕緣片、一導電片及一第二絕緣片，其中該進流板、該共振片、該壓電致動器、該第一絕緣片、該導電片及該第二絕緣片依序堆疊設置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之微型壓電泵浦，其中該壓電致動器還包含一第一導電接腳，從該外框之外緣凸伸，該導電片具有一第二導電接腳，自該導電片之外緣凸伸，而該管板具有複數個接腳開口，該第一導電接腳以及該第二導電接腳分別自該些接腳開口凸伸至該管板外。
13. 如申請專利範圍第9項所述之微型壓電泵浦，其中該壓電致動器包含： 一懸浮板，為一正方形形態，可彎曲振動； 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，用以提供該懸浮板彈性支撐，並使該懸浮板之一表面與該外框之一表面形成一非共平面結構，且使該懸浮板之一表面與該共振板之間形成一腔室空間；以及 一壓電元件，具有一邊長，該邊長小於或等於該懸浮板之一邊長，且該壓電元件貼附於該懸浮板之一表面上，用以施加電壓以驅動該懸浮板彎曲振動。