專利名稱：流體泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適于輸送氣體或液體等流體的流體泵。
背景技術(shù)：
在專利文獻(xiàn)I中公開有現(xiàn)有的壓電泵。圖I是表示專利文獻(xiàn)I的壓電泵在第三階共振模態(tài)下的泵抽取動(dòng)作的圖。壓電泵包括泵主體10 ;隔片20，該隔片20的外周部固定于泵主體10 ;壓電元件23，該壓電元件23粘貼在上述隔片20的中央部；第一開口部11，該第一開口部11形成在泵主體10的與隔片20的大致中央部處相對(duì)的部位上；以及第二開口部12，該第二開口部12形成在隔片20的中央部與外周部的中間區(qū)域上、或形成在泵主體的與該中間區(qū)域相對(duì)的部位上，隔片20是金屬板，壓電元件23覆蓋第一開口部11且形成為不會(huì)到達(dá)第二開口部12的大小，通過對(duì)壓電元件23施加規(guī)定頻率的電壓，就可使隔片20 的與第一開口部11相對(duì)的部分和隔片20的與第二開口部12相對(duì)的部分朝相反方向彎曲變形，以從第一開口部11和第二開口部12中的一方吸入流體，并從另一方排出?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :國(guó)際公開第2008/069264號(hào)冊(cè)子

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在具有圖I所示結(jié)構(gòu)的壓電泵中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能形成得較薄，因而可用作例如燃料電池系統(tǒng)的空氣輸送用泵。但是，由于作為組裝目的地(日文組 込 先)的電子設(shè)備通常具有小型化的趨勢(shì)，因此，相應(yīng)地要求壓電泵在不降低泵的能力(流量和壓力)的情況下更加小型化。此外，伴隨著組裝目的地的電子設(shè)備的電源電壓降低，驅(qū)動(dòng)電壓也被要求低電壓化。由于越是小型化，另外越是降低驅(qū)動(dòng)電壓，則越是會(huì)使泵的能力(流量和壓力)降低，因此，若要在維持泵的能力的同時(shí)小型化、或是在不大型化的同時(shí)提高泵的能力，則在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的流體泵中存在限度。此外，在具有隔片的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的流體泵中，為增大流量而增大隔片是有效的，但這樣不僅增大了流體泵整體的尺寸，也出現(xiàn)因相適應(yīng)的動(dòng)作頻率較低而發(fā)出可聽聲(日文 可聴音)這樣的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種小型、低背且泵能力高的流體泵。 解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案由于現(xiàn)有的流體泵是使具有可承受壓力的硬度的隔片驅(qū)動(dòng)且隔片的外周部固定于泵主體的結(jié)構(gòu)，因此，驅(qū)動(dòng)電壓越高，所得到的壓力越小，流量越小?；谶@點(diǎn)，本發(fā)明的流體泵是如下所述構(gòu)成的。本發(fā)明的流體泵包括
致動(dòng)器，該致動(dòng)器的周邊部實(shí)質(zhì)上沒有受到約束，且從中心部至周邊部發(fā)生彎曲振動(dòng)；平面部，該平面部以靠近且相對(duì)的方式配置于上述致動(dòng)器；以及一個(gè)或多個(gè)中心通氣孔，這些中心通氣孔配置在上述平面部中的、與上述致動(dòng)器相對(duì)的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心或中心附近。這樣，由于致動(dòng)器的周邊部(當(dāng)然中心部也)實(shí)質(zhì)上沒有受到約束，因此，使隨著致動(dòng)器的彎曲振動(dòng)而引起的損失減少，不僅能小型、低背，還可得到較高的壓力和較大的流量。若將上述致動(dòng)器設(shè)為圓板狀，則處于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形(同心圓狀)的振動(dòng)狀態(tài)，因此， 在致動(dòng)器與平面部之間不會(huì)產(chǎn)生不需要的間隙，從而可提高作為泵的動(dòng)作效率。上述平面部的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域中的例如中心或中心附近為能彎曲振動(dòng)的薄板部， 周邊部為實(shí)質(zhì)上受到約束的厚板部。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由于伴隨著致動(dòng)器的振動(dòng)，以通氣孔為中心的相對(duì)面的薄板部分也發(fā)生振動(dòng)，因此,能實(shí)質(zhì)上增加振動(dòng)幅度,藉此,能使壓力和流量增加。此外，包括蓋板部，該蓋板部以與上述薄板部相對(duì)的方式與上述厚板部接合，上述薄板部和上述厚板部一起形成內(nèi)部空間，在上述蓋板部上形成有使上述內(nèi)部空間與流體泵筐體的外部連通的通氣槽。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可使所能產(chǎn)生的壓力和流量即泵能力大幅提高。在上述結(jié)構(gòu)中，可以想到通過蓋板部來抑制在平面部的中心通氣孔附近因致動(dòng)器與平面部的薄板部的振動(dòng)而產(chǎn)生壓力波或合成射流。此外，通過在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部分設(shè)置一個(gè)或多個(gè)周邊通氣孔，就可利用在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部處產(chǎn)生的正壓，從而可在相同面上進(jìn)行抽吸、排出。此外，若上述致動(dòng)器為被彈性結(jié)構(gòu)以隔著一定間隙的方式保持在該致動(dòng)器與上述平面部之間的結(jié)構(gòu)，則能根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)來使致動(dòng)器與平面部間的間隙自動(dòng)變化。例如，對(duì)于致動(dòng)器來說，在低負(fù)荷時(shí)，能積極地確保間隙來使流量增大，在高負(fù)荷時(shí)，使彈簧端子撓曲來自動(dòng)減少致動(dòng)器與平面部之間的相對(duì)區(qū)域的間隙，從而能在較高的壓力下進(jìn)行動(dòng)作。此外，通過在上述平面部上設(shè)置具有對(duì)上述致動(dòng)器進(jìn)行定位的開口部的位置保持結(jié)構(gòu)，并將上述致動(dòng)器收納在上述開口部?jī)?nèi)，從而能在致動(dòng)器不受平面部約束的情況下防止致動(dòng)器發(fā)生位置偏移。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能使隨著彎曲振動(dòng)而引起的損失減少，不僅能小型、低背，還能得到較高的壓力和較大的流量。


圖I是表示專利文獻(xiàn)I的壓電泵在第三階共振模態(tài)下的泵抽取動(dòng)作的圖。圖2A是在第一實(shí)施方式的流體泵中設(shè)置的致動(dòng)器40的中央剖視圖。圖2B是第一實(shí)施方式的流體泵101的主要部分的剖視圖。圖3A是表示流體泵101的動(dòng)作原理的圖。圖3B是表示流體泵101的動(dòng)作原理的圖。
圖4是第二實(shí)施方式的流體泵102的主要部分的剖視圖。圖5是第三實(shí)施方式的流體泵103的主要部分的剖視圖。圖6是第四實(shí)施方式的流體泵的一部分的分解立體圖。圖7是第四實(shí)施方式的流體泵104的主要部分的剖視圖。圖8是第五實(shí)施方式的流體泵105的分解立體圖。圖9是流體泵105的立體圖。圖10是流體泵105的主要部分的剖視圖。圖11是在使第五實(shí)施方式的流體泵105的排出孔55朝大氣開放來進(jìn)行從中心通氣孔52抽吸空氣的負(fù)壓動(dòng)作時(shí)的P — Q特性圖。圖12A是表示第六實(shí)施方式的流體泵的致動(dòng)器40的位置保持結(jié)構(gòu)的例子的圖。圖12B是表示第六實(shí)施方式的流體泵的致動(dòng)器40的位置保持結(jié)構(gòu)的例子的圖。圖13是第七實(shí)施方式的流體泵107的主要部分的剖視圖。圖14是第八實(shí)施方式的流體泵108的主要部分的剖視圖。圖15是第九實(shí)施方式的流體泵109的主要部分的剖視圖。圖16是第十實(shí)施方式的流體泵110的主要部分的剖視圖。圖17是第i^一實(shí)施方式的流體泵111的分解立體圖。圖18是第i^一實(shí)施方式的流體泵111的主要部分的剖視圖。圖19是在使第i^一實(shí)施方式的流體泵111的排出孔55朝大氣開放來進(jìn)行從中心
通氣孔52抽吸空氣的負(fù)壓動(dòng)作時(shí)的P — Q特性圖。
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施方式)圖2A是在第一實(shí)施方式的流體泵中設(shè)置的致動(dòng)器40的中央剖視圖。圖2B是第一實(shí)施方式的流體泵101的主要部分在沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)的剖視圖。致動(dòng)器40通過將圓板狀的壓電元件42粘接在圓板狀的振動(dòng)板41上形成。振動(dòng)板41是例如不銹鋼、磷青銅等金屬制的。在壓電元件42的上、下表面上分別形成有大致整個(gè)面的電極膜。下表面的電極與振動(dòng)板41電導(dǎo)通。此外，還電容耦合。在上表面的電極上連接有導(dǎo)體線，該導(dǎo)體線和振動(dòng)板41 與驅(qū)動(dòng)電路電連接，從而施加矩形波狀或正弦波狀的驅(qū)動(dòng)電壓。致動(dòng)器40進(jìn)行從中心部至周邊部呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形(同心圓狀)的彎曲振動(dòng)。如圖2B所示，流體泵101由致動(dòng)器40和平面部51構(gòu)成，其中，上述平面部51由不銹鋼、磷青銅等金屬板制成。致動(dòng)器40被載置在平面部51上(發(fā)生接觸)。由于在此示出了沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)的情況，因此，在圖2B中，雖然致動(dòng)器40看上去是固定在平面部51上，但致動(dòng)器40的周邊部并沒有受到平面部51的約束。在沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)，致動(dòng)器40只不過是以接觸的方式相對(duì)配置在平面部51上。在平面部51中的、與致動(dòng)器40相對(duì)的平面部51的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心或中心附近處，配置有一個(gè)中心通氣孔52。圖3A、圖3B是表示流體泵101的動(dòng)作原理的示意圖。但是，這是在例如20kHz左右的頻率下動(dòng)作的例子，并夸大了致動(dòng)器的變形量。通過對(duì)致動(dòng)器施加電壓就可使致動(dòng)器彎曲變形成凹凸?fàn)?，但首先若如圖3A所示使致動(dòng)器40向上彎曲變形成凸?fàn)?，則致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙比中央部與平面部51間的間隙小，而使周邊部與平面部51間的間隙附近的壓力升高。另一方面，致動(dòng)器40的中央部與平面部51間的間隙擴(kuò)大，使得致動(dòng)器40的中央部與平面部51之間的空間的壓力變低(呈負(fù)壓)，從而使流體(例如空氣)從中心通氣孔52流入上述空間。此時(shí)， 流體想要經(jīng)由致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙流入，或是少量流體經(jīng)由周邊部與平面部51間的間隙流入。但是，致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙較小，該間隙的流路阻力較大。因此，與想要從致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙流入的流量相比， 從外部經(jīng)由中心通氣孔52流入的流量占絕大多數(shù)，因而，可確保經(jīng)由中心通氣孔52流入的流量為規(guī)定量。接著，若如圖3B所示使致動(dòng)器40向下彎曲變形成凸?fàn)?，則致動(dòng)器40的中央部與平面部51間的間隙比周邊部與平面部51間的間隙小，而使中央部與平面部51間的間隙附近的壓力升高。另一方面，致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙擴(kuò)大，使致動(dòng)器40的周邊部與平面部51之間的壓力降低。因此，流體從致動(dòng)器40的中央部與平面部51之間的空間朝向周邊方向(放射方向)流動(dòng)。此時(shí)，流體想要從中心通氣孔52朝向外部方向倒流， 或是少量流體從中心通氣孔52朝向外部方向倒流。但是，致動(dòng)器40的周邊部與平面部51 間的間隙較大，該間隙的流路阻力較小。因此，與想要從中心通氣孔52流出的流量相比，想要從致動(dòng)器40的周邊部與平面部51間的間隙流出的流量占絕大多數(shù)，從而可抑制經(jīng)由中心通氣孔52朝外部倒流的流量。上述致動(dòng)器以重心高度為平均高度而使中心部與周邊部在上下幾μ m 幾十μ m 間振動(dòng)。通過在致動(dòng)器40的第一階模態(tài)的共振頻率、例如20kHz左右的頻率下反復(fù)進(jìn)行上述動(dòng)作，從而進(jìn)行將流體從中心通氣孔52抽吸并朝周邊部排出的泵動(dòng)作。由于致動(dòng)器40 的周邊部未保持于平面部51，因此，即便致動(dòng)器40是小型的，也能得到足夠的振幅。致動(dòng)器40的中心部的壓力和周邊部的壓力均隨著致動(dòng)器40的彎曲振動(dòng)而時(shí)刻變動(dòng)著，但若從時(shí)間上平均來看，則在中心部處產(chǎn)生負(fù)壓，在周邊部產(chǎn)生與該負(fù)壓平衡的正壓。因此，在致動(dòng)器40驅(qū)動(dòng)的過程中，致動(dòng)器40靠近平面部51以非接觸狀態(tài)保持。但是， 中心部與周邊部的壓力隨著抽吸側(cè)、排出側(cè)的外部壓力的變化而變化。即，取決于泵的負(fù)荷變動(dòng)而發(fā)生變化。在圖2A、圖2B所示的流體泵101中，越是高負(fù)荷、即致動(dòng)器40的中心部與周邊部的壓力差越大，則致動(dòng)器40相對(duì)于平面部51的平均高度就越低。在為了產(chǎn)生高負(fù)荷狀態(tài)、 即較大的壓力差而進(jìn)行泵動(dòng)作時(shí)，有時(shí)也減小致動(dòng)器40與平面部51間的間隙以使致動(dòng)器 40與平面部51接觸，但即便在這種情況下，也不會(huì)對(duì)泵動(dòng)作造成妨礙。在如專利文獻(xiàn)I這樣的使用隔片的現(xiàn)有的流體泵中，彎曲振動(dòng)的隔片的周邊部在約束狀態(tài)下固定保持于平面部。與此相對(duì)，本發(fā)明的流體泵即便使用彎曲振動(dòng)，也不會(huì)將致動(dòng)器的周邊部保持在約束狀態(tài)，從而可通過自由振動(dòng)而使致動(dòng)器的周邊部浮起而不接觸。 通過這樣，就能構(gòu)成在使用隔片的現(xiàn)有的流體泵中無法得到的具有小型、低背結(jié)構(gòu)且具有較高的壓力和較大的流量的流體泵。此外，由于致動(dòng)器的周邊部并沒有保持在平面部上，因此，即便設(shè)計(jì)成具有很高的固有頻率也能得到足夠的振幅，從而容易進(jìn)行在20kHz以上的非可聽區(qū)域內(nèi)共振驅(qū)動(dòng)這樣的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖2A、圖2B所示的流體泵，由于僅在厚度方向上層疊平面部51、致動(dòng)器40及間隙量，因此，能構(gòu)成例如O. 5mm左右的非常低背的流體泵。另外，致動(dòng)器40以非接觸狀態(tài)保持的原理與稱為所謂的擠壓效應(yīng)或擠壓膜效應(yīng)的現(xiàn)象相似，但由于在本發(fā)明中利用彎曲振動(dòng)，因此，在中心部和周邊部處的壓力相位不同這點(diǎn)和可在維持非接觸狀態(tài)的同時(shí)根據(jù)泵的負(fù)荷變動(dòng)自主地調(diào)節(jié)間隙這點(diǎn)上有差異。(第二實(shí)施方式)圖4是第二實(shí)施方式的流體泵102的主要部分在沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)的剖視圖。該流體泵 102包括將圓板狀的壓電元件42粘接在圓板狀的振動(dòng)板41上的致動(dòng)器40和平面部51。在平面部51的上部設(shè)有圍住致動(dòng)器40周圍的隔板53及蓋部54。在蓋部54上形成有排出孔 55。致動(dòng)器40與實(shí)施例I 一樣，其周邊部沒有受到平面部51的約束。在沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)，致動(dòng)器40只不過是以接觸的方式相對(duì)配置在平面部51上。一旦致動(dòng)器40彎曲振動(dòng)，則根據(jù)在第一實(shí)施方式中說明的原理，流體經(jīng)由中心通氣孔52被抽吸。所抽吸的流體從排出孔55被排出。因此，上述流體泵102兼具抽吸、排出兩個(gè)功能。(第三實(shí)施方式)圖5是第三實(shí)施方式的流體泵103的主要部分的剖視圖。流體泵103由致動(dòng)器40 和平面部51構(gòu)成，其中，上述平面部51由不銹鋼、磷青銅等金屬板制成。致動(dòng)器40的周邊部沒有受到平面部51的約束。在沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)，致動(dòng)器40只不過是以接觸的方式相對(duì)配置在平面部51上。在平面部51中的、與致動(dòng)器40相對(duì)的平面部51的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心或中心附近處，配置有一個(gè)中心通氣孔52。此外，在上述致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部分具有多個(gè)周邊通氣孔56A、 56B 等。致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的間隙的壓力無論是中心部還是周邊部均隨著致動(dòng)器40的彎曲振動(dòng)而時(shí)刻變動(dòng)著，但從時(shí)間上平均來看，在中心部處產(chǎn)生負(fù)壓，在周邊部處產(chǎn)生與負(fù)壓平衡的正壓，從而可得到致動(dòng)器40在驅(qū)動(dòng)過程中靠近致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域以非接觸的方式保持的狀態(tài)。因此，通過在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域中的周邊部分配置周邊通氣孔，從而可在周邊通氣孔處產(chǎn)生正壓。這樣，若在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部設(shè)置周邊通氣孔56A、56B等，則可利用在周邊部處產(chǎn)生的正壓，此外，由于可利用周邊部處的正壓與中心部處的負(fù)壓之間的差，因此， 可獲得更大的壓力差。因而，既可以將周邊通氣孔56A、56B等直接作為泵的排出孔，也可以是將未圖示的筐體的排出孔設(shè)置在另外一處，并使其與周邊通氣孔連通來集中排氣的結(jié)構(gòu)。這樣，通過在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部分設(shè)置周邊通氣孔，就可利用在周邊部處產(chǎn)生的正壓，從而可在相同面上進(jìn)行抽吸、排出。但是，在致動(dòng)器40的中心部與周邊部的壓力差變小的低負(fù)荷時(shí)，由于減小周邊部的間隙會(huì)使壓力損失變大，因此，與第一實(shí)施方式、第二實(shí)施方式相比，流量會(huì)有減少的趨勢(shì)。(第四實(shí)施方式)圖6是第四實(shí)施方式的流體泵104的一部分的分解立體圖，圖7是第四實(shí)施方式的流體泵104的主要部分的剖視圖。
通過將壓電元件42粘接在圓板狀的振動(dòng)板41的上表面，就可由上述振動(dòng)板41和壓電元件42來構(gòu)成致動(dòng)器。在振動(dòng)板41的周圍設(shè)有振動(dòng)板支承框64，振動(dòng)板41通過連接部62與振動(dòng)板支承框61連接。連接部62形成為細(xì)的環(huán)狀，并使其具有較小的彈簧常數(shù)的彈性而成為彈性結(jié)構(gòu)。因此，振動(dòng)板41通過兩個(gè)連接部62在兩點(diǎn)上柔軟地支承于振動(dòng)板支承框61。因此，幾乎不會(huì)妨礙振動(dòng)板41的彎曲振動(dòng)。即，致動(dòng)器的周邊部(當(dāng)然中心部也)處于實(shí)質(zhì)上不受到約束的狀態(tài)。隔板53A是為了將振動(dòng)板單元60以與平面部51具有一定間隙的方式進(jìn)行保持而設(shè)置的。在振動(dòng)板支承框61上形成有用于電連接的外部端子63。振動(dòng)板41、振動(dòng)板支承框61、連接部62及外部端子63是通過金屬板的沖裁加工成形而成的，并由它們來構(gòu)成振動(dòng)板單元60。與壓電元件42的線膨脹系數(shù)相對(duì)應(yīng)地使振動(dòng)板單元60由線膨脹系數(shù)與壓電元件 42的線膨脹系數(shù)的差較小的材料、例如42鎳(42Ni —其余為Fe)構(gòu)成。藉此，可抑制因粘接時(shí)的加熱硬化而產(chǎn)生翹曲。在振動(dòng)板單元60的外周部上粘接固定有樹脂制的隔板53B。隔板53B的厚度與壓電元件42的厚度相同或比其稍微厚一些，隔板53B不僅構(gòu)成筐體的一部分，還使后面說明的電極導(dǎo)通用板70與振動(dòng)板單元60電絕緣。在隔板53B上粘接固定有金屬制的電極導(dǎo)通用板70。電極導(dǎo)通用板70由大致圓形的開口、朝該開口內(nèi)突出的內(nèi)部端子73、朝外部突出的外部端子72構(gòu)成。內(nèi)部端子73的前端與壓電元件42的表面錫焊連接。通過將錫焊連接位置作為與致動(dòng)器的彎曲振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)奈恢茫瑥亩芤种苾?nèi)部端子73的振動(dòng)。在電極導(dǎo)通用板70上粘接固定有樹脂制的隔板53C。隔板53C在此具有與壓電元件42相同程度的厚度。在隔板53C上粘接固定有未圖示的筐體的蓋部，在筐體蓋部的一部分上設(shè)有通氣孔，從而可使流體從通氣孔排出。隔板53C是在致動(dòng)器振動(dòng)時(shí)用于使內(nèi)部端子73的錫焊部分不與未圖示的筐體蓋部接觸的隔板。此外，還可防止壓電元件42表面過度靠近未圖示的筐體蓋部而因空氣阻力使振動(dòng)振幅降低。因此，隔板53C的厚度如上所述只要具有與壓電元件42相同程度的厚度即可。在平面部51的中心形成有中心通氣孔52。在上述平面部51與振動(dòng)板單元60之間插入有厚度為幾十ym左右的隔板53A。這樣，即便存在隔板53A,振動(dòng)板41也不一定會(huì)受到振動(dòng)板支承框61的約束，因此，間隙可根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)而自動(dòng)變化。但是，由于多少會(huì)受到彈簧端子約束的影響，因此，通過如上所述將隔板53A插入，能在低負(fù)荷時(shí)積極地確保間隙來增大流量。此外，即便在插入有隔板53A的情況下，在高負(fù)荷時(shí)，彈簧端子會(huì)發(fā)生撓曲， 而使致動(dòng)器40與平面部51的相對(duì)區(qū)域的間隙自動(dòng)減少，因而能在較高的壓力下動(dòng)作。另外，在圖6所不的例子中，將連接部62設(shè)置在兩處，但也可以設(shè)置在三處以上。 雖然連接部62不會(huì)妨礙致動(dòng)器40的振動(dòng)，但多少會(huì)給振動(dòng)帶來影響，因此，通過在例如三處進(jìn)行連接(保持)，就能進(jìn)行更自然的保持，從而能防止壓電元件的破裂。(第五實(shí)施方式)圖8是第五實(shí)施方式的流體泵105的分解立體圖，圖9是流體泵105的立體圖，圖 10是其主要部分的剖視圖。該流體泵105包括基板91、平面部51、隔板53A、振動(dòng)板單元60、加強(qiáng)板43、壓電元件42、隔板53B、電極導(dǎo)通用板70、隔板53C及蓋部54。這些構(gòu)件中的振動(dòng)板單元60、壓電元件42、隔板53A、電極導(dǎo)通用板70及隔板53C的結(jié)構(gòu)與圖6所示的相同。在壓電元件42與振動(dòng)板41之間插入加強(qiáng)板43。通過預(yù)先使加強(qiáng)板43為線膨脹系數(shù)比壓電元件42及振動(dòng)板41的線膨脹系數(shù)大的金屬板，并在粘接時(shí)使其加熱硬化，從而能以整體不發(fā)生翹曲的方式在壓電元件42上殘留有適當(dāng)?shù)膲嚎s應(yīng)力，并能防止壓電元件 42破裂。例如，最好使振動(dòng)板41為42鎳(42Ni —其余是Fe)或36鎳(36Ni —其余是Fe) 等線膨脹系數(shù)小的材料，并使加強(qiáng)板43為不銹鋼SUS430等。在使用加強(qiáng)板的情況下，最好預(yù)先使隔板53B的厚度與壓電元件42和加強(qiáng)板43的厚度和相同、或比其稍微厚一些。另外,對(duì)于振動(dòng)板41、壓電元件42、加強(qiáng)板43來說，也可以從上方按壓電元件42、振動(dòng)板41、 加強(qiáng)板43的順序配置。此時(shí)，也對(duì)各自的線膨脹系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以在壓電元件42上殘留有適當(dāng)?shù)膲嚎s應(yīng)力。在平面部51的下部設(shè)有基板91，該基板91的中心形成有圓筒形的開口部92。平面部51的一部分在基板91的開口部92露出。通過隨著致動(dòng)器40的振動(dòng)的壓力變動(dòng)，上述圓形的露出部以與致動(dòng)器40實(shí)質(zhì)相同的頻率振動(dòng)。通過上述平面部51和基板91的結(jié)構(gòu)，平面部51的致動(dòng)器相對(duì)領(lǐng)域的中心或中心附近是能彎曲振動(dòng)的薄板部，而周邊部是實(shí)質(zhì)上受到約束的厚板部。上述圓形的薄板部的固有頻率設(shè)計(jì)成與致動(dòng)器40的驅(qū)動(dòng)頻率相同或比致動(dòng)器40的驅(qū)動(dòng)頻率稍低的頻率。因此，響應(yīng)于致動(dòng)器40的振動(dòng)，以中心通氣孔52 為中心的平面部51的露出部也以較大的振幅振動(dòng)。只要是平面部51的振動(dòng)相位比致動(dòng)器 40的振動(dòng)相位慢的(例如慢90°的)振動(dòng)，就會(huì)使平面部51與致動(dòng)器40之間的間隙空間的厚度變動(dòng)實(shí)質(zhì)增加。藉此，可進(jìn)一步提高泵的能力。蓋部54蓋在隔板53C的上部，以覆蓋致動(dòng)器40周圍。因此，經(jīng)由中心通氣孔52 被抽吸的流體會(huì)從排出孔55排出。雖然也可以將排出孔55設(shè)置在蓋部54的中心，但由于排出孔55是用于釋放包括蓋部54在內(nèi)的筐體內(nèi)的正壓的排出孔，因此，不需要設(shè)置在蓋部 54的中心。通過對(duì)圖9所示的外部端子63、72施加驅(qū)動(dòng)電壓，就會(huì)使上述致動(dòng)器40彎曲振動(dòng)，從而使流體從底面的中心通氣孔52被抽吸，并從排出孔55排出。圖11是在使第五實(shí)施方式的流體泵105的排出孔55朝大氣開放來進(jìn)行從中心通氣孔52抽吸空氣的負(fù)壓動(dòng)作時(shí)的P — Q特性圖。橫軸是流量、縱軸是壓力，表示在30Vp-p 下驅(qū)動(dòng)的情況和在50Vp-p下驅(qū)動(dòng)的情況。在使用隔片的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的流體泵中，可知當(dāng)形成為大致相同的尺寸時(shí)，具有在驅(qū)動(dòng)電壓90Vp-p下最大壓力為lOkPa、最大流量為O. 021/min 左右的能力，而在上述一半的驅(qū)動(dòng)電壓下，可獲得大約2倍的壓力、大約10倍的流量。第五實(shí)施方式的流體泵105例如可用作燃料電池的陰極空氣鼓風(fēng)機(jī)。(第六實(shí)施方式)圖12A、圖12B是表示第六實(shí)施方式的流體泵的致動(dòng)器40的位置保持結(jié)構(gòu)的例子的圖。在本第六實(shí)施方式中，具有用位置保持框80圍住第二實(shí)施方式的流體泵的致動(dòng)器40 周邊的結(jié)構(gòu)。致動(dòng)器40被收納在固定于平面部(未圖示)上的位置保持框80的開口部81 內(nèi)。另外，還可通過例如導(dǎo)體線來進(jìn)行圖12A的致動(dòng)器40與壓電元件的電極的連接。 藉此，即便在沒有將致動(dòng)器40實(shí)質(zhì)固定在平面部的情況下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可防止致動(dòng)器40發(fā)生位置偏移。在圖12B的例子中，在位置保持框80上設(shè)有大致圓形的開口部81，在將圓板狀的致動(dòng)器40配置在該開口部81內(nèi)時(shí)，在位置保持框80上設(shè)置三個(gè)突起82，以在三點(diǎn)上與致動(dòng)器40發(fā)生接觸。上述突起82具有間隔，以使上述三個(gè)突起82不會(huì)同時(shí)與致動(dòng)器40接觸。因此，致動(dòng)器40在周邊不受到約束的情況下收納于位置保持框80的開口部82內(nèi)。藉此，即便在沒有將致動(dòng)器40實(shí)質(zhì)固定在平面部的情況下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可防止致動(dòng)器40發(fā)生位置偏移。此外，由于形成有突起82，從而能使致動(dòng)器40與位置保持框80之間的接觸面積變小，因此，能減少致動(dòng)器對(duì)壓電元件的沖擊。另外，較為理想的是，使第六實(shí)施方式中的上述位置保持框80在高度方向上的厚度比致動(dòng)器40的周邊部的最大變位位置大。此外，雖然沒有圖示致動(dòng)器40與壓電元件的電極之間的電連接，但可通過例如導(dǎo)體線等具有彈性的導(dǎo)體來進(jìn)行連接。(第七實(shí)施方式)圖13是第七實(shí)施方式的流體泵107的主要部分的剖視圖。該流體泵107包括將圓板狀的壓電元件42粘接在圓板狀的振動(dòng)板41上的致動(dòng)器40和平面部51。另外，致動(dòng)器40如第四實(shí)施方式及第五實(shí)施方式那樣，被具有彈性結(jié)構(gòu)即連接部62的振動(dòng)板支承框 61保持。在平面部51的上部設(shè)有圍住致動(dòng)器40周圍的隔板53及蓋部54。在隔板53上形成有排出孔57。一旦致動(dòng)器40彎曲振動(dòng)，則根據(jù)在第一實(shí)施方式中說明的原理，流體經(jīng)由中心通氣孔52被抽吸。所抽吸的流體從排出孔57被排出。因此，能使上述流體泵107朝與厚度方向正交的方向即側(cè)方排出(排出)。(第八實(shí)施方式)圖14是第八實(shí)施方式的流體泵108的主要部分的剖視圖。該流體泵108是層疊兩個(gè)在第四實(shí)施方式中示出的流體泵104的結(jié)構(gòu)。另外，在此形成有蓋部。但是，在本例中， 上部的泵的平面部兼作下部的泵的蓋部。此外，上部的泵的中心通氣孔52B兼作下部的泵的排出孔。通過這樣將兩個(gè)流體泵串聯(lián)連接，與單一的流體泵相比，雖然流量沒有改變，但抽吸、排出的壓力變?yōu)?倍。同樣地，通過將串聯(lián)連接的泵的數(shù)量設(shè)為N個(gè)，就能使抽吸、排出的壓力變?yōu)镹倍。在這種情況下，也能兼作平面部和蓋部，從而能成為在整體上緊湊的結(jié)構(gòu)。(第九實(shí)施方式)圖15是第九實(shí)施方式的流體泵109的主要部分的剖視圖。該流體泵109是層疊四個(gè)圖13所示的流體泵107的結(jié)構(gòu)。但是，以不堵塞各中心通氣孔52A、52B、52C、52D的方式設(shè)有流入流路58B、58C、58D。此外，還設(shè)置有從各排出孔57A、57B、57C、57D中排出的流體的流出流路59。通過這樣將四個(gè)流體泵并列連接，與單一的流體泵相比，雖然抽吸、排出的壓力沒有改變，但流量變?yōu)?倍。(第十實(shí)施方式)圖16是第十實(shí)施方式的流體泵110的主要部分的剖視圖。該流體泵110是在一個(gè)筐體內(nèi)設(shè)置兩個(gè)致動(dòng)器40A、40B的例子。另外，在致動(dòng)器40A及40B中，如第四實(shí)施方式
10及第五實(shí)施方式那樣，分別設(shè)有具有彈性結(jié)構(gòu)即連接部62的振動(dòng)板支承框61，并被振動(dòng)板支承框61分別保持。在隔板53的一部分上形成有排出孔57。通過這種結(jié)構(gòu)，利用平面部 51A和致動(dòng)器40A來進(jìn)行泵動(dòng)作，并利用平面部51B和致動(dòng)器40B來進(jìn)行泵動(dòng)作。由于使兩個(gè)致動(dòng)器40A、40B同步地進(jìn)行彎曲振動(dòng)，因此，能從中心通氣孔52A、52B同時(shí)吸氣，并從排出孔57排出。由于實(shí)質(zhì)上內(nèi)置了兩個(gè)泵，因此，與具有單一的致動(dòng)器的流體泵相比，流量變?yōu)?倍。(第—^一實(shí)施方式)圖17是第i^一實(shí)施方式的流體泵111的分解立體圖。圖18是第i^一實(shí)施方式的流體泵111的主要部分的剖視圖。本實(shí)施方式的流體泵111與第五實(shí)施方式的流體泵105 的不同之處在于致動(dòng)器40和蓋板部95。其它的結(jié)構(gòu)與流體泵105相同。另外，隔板53A的厚度為加強(qiáng)板43的厚度加上幾十μ m左右后的厚度。此外，較為理想的是，隔板53B的厚度與壓電元件42的厚度相同或比壓電元件42的厚度稍厚。詳細(xì)而言，首先，致動(dòng)器40是從上方按壓電元件42、振動(dòng)板41、加強(qiáng)板43的順序接合而成的結(jié)構(gòu)。接著，蓋板部95是將流路板96及蓋板99接合后的構(gòu)件。蓋板部95以與薄板部相對(duì)的方式與厚板部接合，因而，薄板部和厚板部一起形成內(nèi)部空間94。在此，如上所述，該薄板部是圖10中在基板91的開口部92處露出的平面部51的圓形的中央部。通過隨著致動(dòng)器40的振動(dòng)的壓力變動(dòng)，上述薄板部以與致動(dòng)器40實(shí)質(zhì)相同的頻率振動(dòng)。此外，如上所述，該厚板部是由平面部51的比該中央部更外周的外周部和基板91構(gòu)成的部分。此外，在蓋板部95上形成有使內(nèi)部空間94與流體泵111的筐體的外部連通的通氣槽97。在本實(shí)施方式中，通過對(duì)外部端子63、72施加驅(qū)動(dòng)電壓，就可使致動(dòng)器40彎曲振動(dòng)，從而使空氣從通氣槽97經(jīng)由中心通氣孔52被抽吸，并從排出孔55排出。圖19是在使第i^一實(shí)施方式的流體泵111的排出孔55朝大氣開放來進(jìn)行從中心通氣孔52抽吸空氣的負(fù)壓動(dòng)作時(shí)的P — Q特性圖。在該圖中，表示了測(cè)定在30Vp-p下對(duì)設(shè)有蓋板部95的結(jié)構(gòu)的流體泵111和從該流體泵111中除去蓋板部95后的結(jié)構(gòu)的流體泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)的流量和壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)可知，在從流體泵111中除去蓋板部95后的結(jié)構(gòu)的流體泵中，具有最大壓力為18kPa、最大流量為O. 1951/min的能力，而在設(shè)有蓋板部95的流體泵111中，能力可提高至最大壓力為40kPa、最大流量為O. 2351/min?？梢韵氲揭陨系膶?shí)驗(yàn)結(jié)果是因?yàn)橥ㄟ^設(shè)置蓋板部95，就可抑制在平面部51的中心通氣孔52附近處因致動(dòng)器40和平面部51的中央部(即薄板部)的振動(dòng)而產(chǎn)生壓力波和合成射流(synthetic jet)的緣故。除此之外，通過設(shè)置蓋板部95，還可想到使平面部 51的中央部的振動(dòng)相位、振動(dòng)振幅的中心發(fā)生變位等各種原因。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式的流體泵111，可使所能產(chǎn)生的壓力和流量即泵能力大巾畐提聞。(其它實(shí)施方式)在以上各實(shí)施方式中，設(shè)置有單壓電型且可發(fā)生彎曲振動(dòng)的致動(dòng)器，但也可以將壓電元件粘接在振動(dòng)板的兩個(gè)面上來構(gòu)成雙壓電型且可發(fā)生彎曲振動(dòng)的致動(dòng)器。
此外，本發(fā)明不局限于具有壓電元件的致動(dòng)器，也可以適用于包括以電磁驅(qū)動(dòng)方式彎曲振動(dòng)的致動(dòng)器的流體泵。此外，在以上各實(shí)施方式中，示出了使壓電元件和振動(dòng)板的大小大致相等的例子， 但也可以使振動(dòng)板比壓電元件大。此外，在本發(fā)明產(chǎn)生可聽聲不會(huì)造成問題的用途上，也可以在可聽聲頻帶范圍內(nèi)對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此外，在以上各實(shí)施方式中，示出了在平面部51的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心附近配置一個(gè)中心通氣孔52的例子，但也可以在致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心附近設(shè)置多個(gè)中心通氣孔。此外，在以上各實(shí)施方式中，具有排出孔的流體泵既可以是將其排出孔朝大氣開放來進(jìn)行從中心排氣孔抽吸空氣的負(fù)壓動(dòng)作，也可以相反地將中心通氣孔朝大氣開放來進(jìn)行將空氣從排出孔送出的正壓動(dòng)作。此外，在以上各實(shí)施方式中，確定驅(qū)動(dòng)電壓的頻率以使致動(dòng)器40在第一階模態(tài)下振動(dòng)，但也可以確定驅(qū)動(dòng)電壓的頻率以使致動(dòng)器40在第三階模態(tài)其它模態(tài)下振動(dòng)。此外，在以上各實(shí)施方式中，使用圓板狀的壓電元件及圓板狀的振動(dòng)板，但它們中的一個(gè)也可以是矩形或是多邊形的。另外，所抽吸的或所抽吸、排出的流體不局限于氣體，也可以是液體。(符號(hào)說明)40致動(dòng)器40A.40B 致動(dòng)器41振動(dòng)板42壓電元件43加強(qiáng)板51平面部51A、51B 平面部52中心通氣孔52A、52B、52C、52D 中心通氣孔53 隔板53A、53B、53C 隔板54 蓋部55排出孔56A、56B周邊通氣孔57排出孔57A、57B、57C、57D 排出孔58B、58C、58D 流入流路59流出流路60振動(dòng)板單元61振動(dòng)板支承框62連接部0151]63,72外部端子0152]70電極導(dǎo)通用板0153]73內(nèi)部端子0154]80位置保持框0155]81開口部0156]91基板0157]92開口部0158]94內(nèi)部空間0159]95蓋板部0160]96流路板0161]97通氣槽0162]99蓋板0163]101 105流體泵0164]107 110流體泵0165]111流體泵
權(quán)利要求
1.一種流體泵，包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器的周邊部實(shí)質(zhì)上沒有受到約束，且從中心部至周邊部發(fā)生彎曲振動(dòng)；平面部，該平面部以靠近且相對(duì)的方式配置于所述致動(dòng)器；以及一個(gè)或多個(gè)中心通氣孔，這些中心通氣孔配置在所述平面部中的、與所述致動(dòng)器相對(duì)的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心或中心附近。
2.如權(quán)利要求I所述的流體泵，其特征在于，所述致動(dòng)器是圓板狀的。
3.如權(quán)利要求I或2所述的流體泵，其特征在于，在所述致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域中，中心或中心附近是能彎曲振動(dòng)的薄板部，周邊部是實(shí)質(zhì)上受到約束的厚板部。
4.如權(quán)利要求3所述的流體泵，其特征在于，包括蓋板部，該蓋板部以與所述薄板部相對(duì)的方式與所述厚板部接合，所述薄板部和所述厚板部一起形成內(nèi)部空間，在所述蓋板部上形成有使所述內(nèi)部空間與流體泵筐體的外部連通的通氣槽。
5.如權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)所述的流體泵，其特征在于，在所述致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的周邊部分設(shè)有一個(gè)或多個(gè)周邊通氣孔。
6.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的流體泵，其特征在于，所述致動(dòng)器被彈性結(jié)構(gòu)以隔著一定間隙的方式保持在所述致動(dòng)器與所述平面部之間。
7.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的流體泵，其特征在于，在所述平面部上設(shè)有位置保持結(jié)構(gòu)，該位置保持結(jié)構(gòu)具有對(duì)所述致動(dòng)器進(jìn)行定位的開口部，所述致動(dòng)器被收納在所述開口部?jī)?nèi)。
全文摘要
一種流體泵(101)，其小型低背且泵能力較高。流體泵(101)由致動(dòng)器(40)和平面部(51)構(gòu)成，其中，所述平面部(51)由金屬板制成。致動(dòng)器(40)通過將圓板狀的壓電元件(42)粘接至圓板狀的振動(dòng)板(41)上形成。通過施加矩形波或正弦波狀的驅(qū)動(dòng)電壓，致動(dòng)器(40)從中心部至周邊部發(fā)生彎曲振動(dòng)。致動(dòng)器(40)的周邊部沒有受到約束。致動(dòng)器(40)以靠近平面部(51)且與其相對(duì)的狀態(tài)發(fā)生彎曲振動(dòng)。在平面部(51)中的、與致動(dòng)器(40)相對(duì)的致動(dòng)器相對(duì)區(qū)域的中心或中心附近配置有中心通氣孔(52)。
文檔編號(hào)F04B45/047GK102597520SQ201180004549
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者兒玉幸治, 大森健太, 平田篤彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所