WO2005024967A1 - Piezoaktor - Google Patents

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Lutz Weber
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    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
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    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
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    • B41J2/14298—Structure of print heads with piezoelectric elements of disc type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type

Definitions

  • the invention relates to a piezo actuator for miniaturized pumps, atomizers, valves or the like, with a piezo disk and a counter-holder disk coupled to the piezo disk, which is connected to its substrate in a fluid-tight manner at its edge and passes through the piezo disk while changing the volume of one between the counter-holder disk and cavities formed on the substrate.
  • the curvature of the counter-holder disc can lead to a deformation of the substrate, which counteracts a desired change in the volume of the cavity.
  • the actuator will then not reach its full efficiency. Fluctuations in manufacturing dimensions and material properties have a considerable influence on the extent of the efficiency reductions, so that close tolerance deviations must be observed with regard to performance data that is as constant as possible.
  • the manufacturing process is correspondingly unstable.
  • the present invention has for its object to provide a new piezo actuator of the type mentioned, which can be produced with less effort compared to the prior art with increased manufacturing reliability.
  • the piezo actuator according to the invention which achieves this object is characterized by a weak point which runs along the connected edge of the counter-holder disc and forms a joint when the counter-holder disc is curved.
  • the weak point or the joint advantageously prevents the substrate from moving together with the arching counter-holding disk. Regardless of dimensional fluctuations and changed material properties, the actuator achieves its full efficiency.
  • the weak point is preferably formed by at least one annular groove and / or an annular step recess on the edge of the counter-holding disk.
  • Such a type of modified counter-holder disc can advantageously be produced in one piece as a plastic injection-molded part.
  • annular groove or step recess is provided in a part of the counter-holder disk which projects from the piezo disk, wherein the annular groove or step recess can be formed on the side of the counter-holder disk facing away or facing the substrate.
  • Grooves or step recesses on both sides of the counter-holding disk are also conceivable, the grooves or recesses in question lying opposite one another.
  • the annular groove preferably has a single deepest foot line and is preferably U-shaped or V-shaped in cross section. With such a cross-sectional shape, the position of the joint formed by the weak point is precisely defined, namely by the foot line. Fluctuations in manufacturing dimensions and material properties then have only a minor influence on the curvature behavior.
  • the bottom line in the top view of the piezo disc runs between the edge of the piezo disc and the inner edge of an annular edge region in which the counter-holder disc is connected to the substrate, preferably glued or welded.
  • the remaining material thickness at the weak point is preferably about 10 to 30% of the thickness of the counter-holding disk.
  • the counter-holder disc has a recess, which may be open towards the annular groove and / or step recess, for the supply of a connecting conductor to the electrode of the piezo disc facing the counter-holder disc.
  • the electrode on the side of the piezo disk facing away from the counter-holding disk can have an edge recess into which a contact layer electrically connected to the opposite electrode extends. In this case, contacting of the electrodes of the piezo disk is advantageously possible only from the side facing away from the counter-holder disk.
  • FIGS. 2 to 4 partial representations of a micropump with actuators according to further exemplary embodiments for the present invention
  • FIG. 5 shows a first embodiment for contacting the piezo disk of an actuator according to the invention
  • FIG. 6 shows a second embodiment for contacting the piezo disk in an actuator according to the invention.
  • a micropump shown in FIG. 1 has a ceramic piezo disk 1, a counter-holder disk 2, which is coupled to the piezo disk and projects beyond the edge of the piezo disk, and a pump body 3 connected to the counter-holder disk.
  • the diameter of the pump body matches that of the counter-holder disc.
  • a pump cavity 4 is formed between the counter-holder disk and the pump body.
  • micropump such as valves, channels and electrodes of the piezo disk, are not shown in FIG. 1.
  • the piezo disc consists of a ceramic material.
  • the counter-holder disc and the pump body are one-piece injection-molded parts made of plastic, the diameter of which in the exemplary embodiment shown is approximately 10 mm.
  • the thickness of the counter holder disc is 0.7 mm.
  • the piezo disk is glued to the counter bracket disk 2 over its entire side facing the counter bracket disk, for which purpose an electrically conductive adhesive forming an electrode of the piezo disk is used and the adhesive layer could be led out of the adhesive gap to form a contacting tab.
  • annular groove 6 is formed between the piezo disk 1 and the inner edge of the ring projection 5 or edge region 18 in the counter-holder disk, the cross section of which has a V-shape and the lowest foot line 7 approximately in the middle between the edge of the Piezo disk and the aforementioned inner edge runs.
  • the counter-holder disk is weakened along the glued edge area 18 in such a way that a joint is formed which prevents the curvature of the counter-holder disk from being transmitted to its edge area and via the adhesive connection to the pump body.
  • the position of this joint is exactly defined by the foot line 7.
  • a curvature of the pump body 3 would have the consequence that the change in volume of the pump cavity 4 associated with the curvature of the counter-holding disk 2 would be partially canceled and the desired pumping effect would not be achieved.
  • annular groove 6a is formed in a counter-holder disc 2a, the cross-section of which is not V-shaped but U-shaped.
  • the annular groove has a single deepest root line 7a, which exactly shows the position of the through the annular groove 6a formed joint determined.
  • two annular grooves 6b and 6b 'with a V-profile are formed in a counter-holder disc 2b, whose base lines 7b and 7b', in seen the top view of the pump, are aligned with each other. Both ring grooves are of the same depth. About 25% of the material thickness of the counter-holding disc remains between the base lines. A neutral bending line 8 of the counter-holder disk advantageously penetrates the remaining material area. Tensile and compressive loads in this area are minimized.
  • a counter-holder disc 2c has a step recess 9 instead of an annular groove 6, the width of an annular shoulder 10 formed by the step recess 9 being somewhat larger than the width of an annular projection 5c connected to the counter-holder disc 2c.
  • the micropump shown in FIG. 5, which largely corresponds to the micropump of FIG. 1, has a piezo disk 1 d with electrodes 11 and 12, which are formed by metal layers on the piezoceramic. While the electrode 12 occupies the entire surface of the piezo disk facing the counter-holder disk, a recess 13 is formed in the electrode 11 on the top of the piezo disk, into which a contact layer 14 connected to the electrode 12 and encompassing the piezo disk at the edge projects. There is thus the possibility of attaching connecting conductors 15 and 16 for the electrodes 11 and 12 exclusively on the side of the piezo disk facing away from the counter-holding disk, unaffected by an annular groove 6d.
  • electrodes 11 e and 12 e are attached to a piezo disk, each of which extends over the entire disk surface.
  • a recess 17 connected to an annular groove 6e enables the connection of a conductor 16e to the electrode 12e.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor für miniaturisierte Pumpen, Zerstäuber, Ventile oder dergleichen, mit einer Piezoscheibe (1) und einer an die Piezoscheibe gekoppelten Gegenhalterscheibe (2), die an ihrem Rand (18) fluiddicht mit einem Substrat (3) verbunden ist und sich durch die Piezoscheibe (1) unter Änderung des Volumens einer zwischen der Gegenhalterscheibe (2) und dem Substrat (3) gebildeten Kavität (4) wölben lässt. Erfindungsgemäß ist eine entlang dem verbundenen Rand (18) der Gegenhalterscheibe (2) verlaufende, beim Wölben der Gegenhalterscheibe ein Gelenk bildende Schwachstelle (6,9) vorgesehen.

Description

Beschreibung:
thinXXS GmbH, D-66482 Zweibrücken (Deutschland)
„Piezoaktor"
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor für miniaturisierte Pumpen, Zerstäuber, Ventile oder dergleichen, mit einer Piezoscheibe und einer an die Piezoscheibe gekoppelten Gegenhalterscheibe, die an ihrem Rand fluiddicht mit einem Substrat verbunden ist und sich durch die Piezoscheibe unter Änderung des Volumens einer zwischen der Gegenhalterscheibe und dem Substrat gebildeten Kavitat wölben lässt.
Je nach den Abmessungen des Substrats, z.B. eines relationssymmetrischen Pum- penkörpers mit einem Durchmesser zwischen 5 und 25 mm und einer Dicke zwischen 0,3 und 2 mm, kann es bei der Wölbung der Gegenhalterscheibe zu einer Mitverformung des Substrats kommen, welche einer gewünschten Änderung des Volumens der Kavitat entgegenwirkt. Der Aktor erreicht dann nicht seinen vollen Wirkungsgrad. Auf das Ausmaß der Wirkungsgradminderungen haben Schwan- kungen von Fertigungsmaßen und Materialeigenschaften erheblichen Einfluss, so dass im Hinblick auf möglichst konstante Leistungsdaten enge Toleranzabweichungen eingehalten werden müssen. Entsprechend instabil ist der Fertigungspro- zess.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Piezoaktor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der sich gegenüber dem Stand der Technik bei erhöhter Fertigungssicherheit mit geringerem Aufwand herstellen lässt.
Der diese Aufgabe lösende Piezoaktor nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine entlang dem verbundenen Rand der Gegenhalterscheibe verlaufende, beim Wölben der Gegenhalterscheibe ein Gelenk bildende Schwachstelle. Vorteilhaft verhindert die Schwachstelle bzw. das Gelenk eine Mitbewegung des Substrats mit der sich wölbenden Gegenhalterscheibe. Unabhängig von Maßschwankungen und geänderten Materialeigenschaften erreicht der Aktor seinen vollen Wirkungsgrad.
Vorzugsweise ist die Schwachstelle durch wenigstens eine Ringnut oder/und eine ringförmige Stufenausnehmung am Rand der Gegenhalterscheibe gebildet. Vorteilhaft lässt sich eine solcher Art modifizierte Gegenhalterscheibe einstückig als Kunststoffspritzteil herstellen.
Insbesondere ist die Ringnut oder Stufenausnehmung in einem von der Piezoscheibe überstehenden Teil der Gegenhalterscheibe vorgesehen, wobei die Ringnut oder Stufenausnehmung auf der dem Substrat abgewandten oder zugewandten Seite der Gegenhalterscheibe gebildet sein kann. Denkbar sind auch Nuten oder Stufenausnehmungen auf beiden Seiten der Gegenhalterscheibe, wobei die betreffenden Nuten bzw. Ausnehmungen einander gegenüberliegen.
Vorzugsweise weist die Ringnut eine einzige tiefstgelegene Fußlinie auf und ist vorzugsweise im Querschnitt U- oder V-förmig ausgebildet. Durch eine solche Quer- schnittsform ist die Lage des durch die Schwachstelle gebildeten Gelenks genau, nämlich durch die Fußlinie, festgelegt. Schwankungen von Fertigungsmaß- und Materialeigenschaften haben auf das Wölbungsverhalten dann nur noch geringen Einfluss.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft die Fußlinie in der Draufsicht auf die Piezoscheibe zwischen dem Rand der Piezoscheibe und dem Innenrand eines ringförmigen Randbereichs, in welchem die Gegenhalterscheibe mit dem Substrat verbunden, vorzugsweise verklebt oder verschweißt, ist.
Vorzugsweise beträgt die verbleibende Materialdicke an der Schwachstelle etwa 10 bis 30% der Dicke der Gegenhalterscheibe.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Gegenhalterscheibe eine, ggf. zu der Ringnut oder/und Stufenausnehmung hin offene, Ausnehmung für die Zuführung eines Anschlussleiters an die der Gegenhalterscheibe zugewandte Elektrode der Piezoscheibe auf. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Elektrode auf der der Gegenhalterscheibe abgewandten Seite der Piezoscheibe eine Randaussparung aufweisen, in welche eine elektrisch mit der gegenüberliegenden Elektrode verbundene Kontaktschicht hineinreicht. Vorteilhaft sind in diesem Fall Kontaktierungen der Elektroden der Piezoscheibe ausschließlich von der der Gegenhalterscheibe abgewandten Seite her möglich.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 wesentliche Teile einer Mikropumpe mit einem Aktor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung, Fig.2 bis 4 Teildarstellungen einer Mikropumpe mit Aktoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen für die vorliegende Erfindung,
Fig.5 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Kontaktierung der Piezoscheibe eines Aktors nach der Erfindung, und Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Kontaktierung der Piezoscheibe iη einem Aktor nach der Erfindung.
Eine in Fig. 1 gezeigte Mikropumpe weist eine keramische Piezoscheibe 1 , eine, an die Piezoscheibe gekoppelte, über den Rand der Piezoscheibe hinaus vorstehende Gegenhalterscheibe 2 und einen mit der Gegenhalterscheibe verbundenen Pumpenkörper 3 auf. Der Pumpenkörper stimmt im Durchmesser mit der Gegenhalterscheibe überein. Zwischen der Gegenhalterscheibe und dem Pumpenkörper ist eine Pumpkavität 4 gebildet. Die genannten Teile sind rotationssymmetrisch, können aber von einer solchen Form auch abweichen.
Einzelheiten der Mikropumpe, wie Ventile, Kanäle und Elektroden der Piezo- scheibe, sind in Fig. 1 nicht gezeigt.
Die Piezoscheibe besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Keramikmaterial. Bei der Gegenhalterscheibe und dem Pumpenkörper handelt es sich um einstückige Spritzgussteile aus Kunststoff, deren Durchmesser in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 10 mm beträgt. Die Dicke der Gegenhalterscheibe liegt bei 0,7 mm. Die Piezoscheibe ist über ihre gesamte, der Gegenhalterscheibe zugewandte Seite mit der Gegenhalterscheibe 2 verklebt, wozu z.B. ein elektrisch leitender, eine Elektrode der Piezoscheibe bildender Kleber verwendet und die Kleberschicht zur Bildung einer Kontaktierungsfahne aus dem Klebespalt herausgeführt werden könnte. Eine Klebverbindung besteht femer zwischen einem ringförmigen Randbereich 18 der Gegenhalterscheibe und einem Ringvorsprung 5 des Pumpenkörpers, dessen Höhe der Tiefe der Pumpkavität entspricht.
In der Draufsicht auf die Mikropumpe gesehen ist zwischen der Piezoscheibe 1 und dem Innenrand des Ringvorsprungs 5 bzw. Randbereichs 18 in der Gegenhalterscheibe eine Ringnut 6 gebildet, deren Querschnitt eine V-Form aufweist und deren tiefstgelegene Fußlinie 7 etwa in der Mitte zwischen dem Rand der Piezoscheibe und dem genannten Innenrand verläuft.
Liegt an der Piezoscheibe 1 keine Spannung, so hat sie die in Fig. 1 gezeigte ebene Form. Bei Anlegen einer positiven Spannung zieht sie sich zusammen, wodurch sie sich gemeinsam mit der Gegenhalterscheibe 2 in der Art eines Bimetallelements krümmt. Dabei wölbt sich die rundum mit dem Pumpenkörper 3 verbundene Gegenhalterscheibe in die Pumpkavität 4 hinein und verringert deren Volumen. Durch periodisches Anlegen einer Spannung an die Piezoscheibe lässt sich eine Pumpwirkung erzielen.
Durch die Ringnut 6 ist die Gegenhalterscheibe entlang dem verklebten Randbereich 18 derart geschwächt, dass ein Gelenk gebildet ist, welches eine Übertra- gung der Wölbung der Gegenhalterscheibe auf deren Randbereich und über die Klebverbindung auf den Pumpenkörper verhindert. Die Lage dieses Gelenks ist durch die Fußlinie 7 exakt festgelegt. Eine Mitwölbung des Pumpenkörpers 3 würde zur Folge haben, dass die mit der Wölbung der Gegenhalterscheibe 2 verbundene Volumenänderung der Pumpkavität 4 teilweise aufgehoben und die gewünschte Pumpwirkung nicht erreicht würde.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist in einer Gegenhalterscheibe 2a eine Ringnut 6a gebildet, deren Querschnitt nicht V- sondern U-förmig ist, Auch in diesem Fall weist die Ringnut eine einzige tiefstgelegene Fußlinie 7a auf, welche exakt die Lage des durch die Ringnut 6a gebildeten Gelenks bestimmt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sind in einer Gegenhalterscheibe 2b zwei Ringnuten 6b und 6b' mit einem V-Profil gebildet, deren Fußlinien 7b und 7b', in der Draufsicht auf die Pumpe gesehen, zueinander ausgerichtet sind. Beide Ringnuten sind gleich tief. Zwischen den Fußlinien verbleibt etwa 25% der Materialdicke der Gegenhalterscheibe. Vorteilhaft durchstößt den verbleibenden Materialbereich eine neutrale Biegelinie 8 der Gegenhalterscheibe. Zug- und Druckbe- lastungen dieses Bereichs sind minimiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 weist eine Gegenhalterscheibe 2c anstelle einer Ringnut 6 eine Stufenausnehmung 9 auf, wobei die Breite einer durch die Stufenausnehmung 9 gebildeten Ringschulter 10 etwas größer als die Breite eines mit der Gegenhalterscheibe 2c verbundenen Ringvorsprungs 5c ist.
Die in Fig. 5 gezeigte Mikropumpe, welche weitgehend der Mikropumpe von Fig. 1 entspricht, weist eine Piezoscheibe 1 d mit Elektroden 1 1 und 12 auf, welche durch Metallschichten auf der Piezokeramik gebildet sind. Während die Elektrode 12 die gesamte, der Gegenhalterscheibe zugewandte Fläche der Piezoscheibe einnimmt, ist in der Elektrode 1 1 auf der Oberseite der Piezoscheibe eine Aussparung 13 gebildet, in die eine mit der Elektrode 12 verbundene, die Piezoscheibe am Rand umgreifende Kontaktschicht 14 hineinragt. Somit besteht die Möglichkeit, Anschlussleiter 15 und 16 für die Elektroden 1 1 und 12 ausschließlich auf der der Gegenhalterscheibe abgewandten Seite der Piezoscheibe, unbeeinträchtigt durch eine Ringnut 6d, anzubringen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 sind an einer Piezoscheibe le Elektroden 11 e und 12e angebracht, die sich jeweils über die gesamte Scheibenfläche erstrecken. Eine mit einer Ringnut 6e in Verbindung stehende Ausnehmung 17 ermöglicht den Anschluss eines Leiters 16e an der Elektrode 12e.

Claims

Patentansprüche:
1. Piezoaktor für miniaturisierte Pumpen, Zerstäuber, Ventile oder dergleichen, mit einer Piezoscheibe (1 ) und einer an die Piezoscheibe gekoppelten Gegen- halterscheibe (2), die an ihrem Rand (18) fluiddicht mit einem Substrat (3) verbunden ist und sich durch die Piezoscheibe (1 ) unter Änderung des Volumens einer zwischen der Gegenhalterscheibe (2) und dem Substrat (3) gebildeten Kavitat (4) wölben lässt, gekennzeichnet durch eine entlang dem verbundenen Rand (18) der Gegenhalterscheibe (2) verlaufende, beim Wölben der Gegenhalterscheibe ein Gelenk bildende Schwachstelle (6,9).
2. Piezoaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwachstelle (6,9) durch wenigstens eine Ringnut (6) oder/und eine ringförmige Stufenausnehmung (9) gebildet ist.
3. Piezoaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (6) oder Stufenausnehmung (9) in einem von der Piezoscheibe (1 ) überstehenden Teil der Gegenhalterscheibe (2) gebildet ist.
4. Piezoaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (6) oder/und Stufenausnehmung (9) auf der dem Substrat zugewandten oder abgewandten Seite der Gegenhalterscheibe (2) gebildet ist oder dass auf beiden Seiten einander gegenüberliegende Nuten (6b,6b') oder/und Stufenausnehmungen vorgesehen sind.
5. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (6) eine einzige tiefstgelegene Fußlinie (7) aufweist und vorzugsweise im Querschnitt V- oder U-förmig ausgebildet ist.
6. Piezoaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußlinie (7) in der Draufsicht auf die Piezoscheibe (1 ) zwischen dem Rand der Piezoscheibe (1 ) und dem Innenrand eines ringförmigen Verbin- dungsbereichs (18) zwischen der Piezoscheibe (1 ) und dem Substrat (3) verläuft.
7. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Schwachstelle verbleibende Materialdicke 10 bis 30% der Dicke der Gegenhalterscheibe (2) beträgt.
8. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenhalterscheibe (2e) eine, ggf. zur der Ringnut (6e) oder/und Stufenausnehmung hin offene. Ausnehmung (17) für die Zuführung eines Anschlussleiters (15e) zu der der Gegenhalterscheibe (2e) zugewandten Elektrode (12e) der Piezoscheibe (l e) aufweist.
9. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1 1 ) auf der der Gegenhalterscheibe (2d) abgewandten Seite der Piezoscheibe (l d) eine Randaussparung (13) aufweist, in welche eine mit der anderen Elektrode ( 12) verbundene Kontaktschicht ( 14) hineingeführt ist.
10. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoscheibe (1 ) mit der Gegenhalterscheibe (2) über einen leitfähigen, eine Elektrode (12) bildenden Kleber verbunden und ggf. die Kleberschicht zur Bildung einer Kontaktierungsfahne aus dem Klebespalt herausgeführt ist.
1 1. Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenhalterscheibe (2) ein einstückig im Spritzgießverfahren hergestelltes Kunststoff teil ist.
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