CN211500945U - 流体控制装置 - Google Patents

Abstract

一种流体控制装置，包含：压电致动器包括悬浮板；外框；支架；压电元件；壳体包括出口板及底座，出口板供压电致动器设置于其中，底座包括入口板及共振片，入口板具有相连通于外的汇流腔室，共振片设置固定于入口板上，并具有中空孔洞；胶体设置于压电致动器之外框与底座的共振片之间，以维持压电致动器与底座的共振片之间具有间隙；其中，悬浮板由具有线膨胀系数比压电元件的线膨胀系数小的材料形成，且具有一受热变形保持弯曲的硬度，以及悬浮板与共振片的线膨胀系数不同，以让悬浮板与共振片之间之间隙得到一特定变形位移量。

Description

流体控制装置

【技术领域】

本案是关于一种适用于微型超薄且静音的流体控制装置。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微泵、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

举例来说，于医药产业中，许多需要采用气压动力驱动的仪器或设备，通常采以传统马达及气压阀来达成其流体输送的目的。然而，受限于此等传统马达以及流体阀的体积限制，使得此类的仪器设备难以缩小其整体装置的体积，即难以实现薄型化的目标，更无法使的达成可携式的目的。此外，这些传统马达及流体阀于作动时亦会产生噪音的问题，导致使用上的不便利及不舒适。

因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失，可使传统采用流体控制装置的仪器或设备达到体积小、微型化且静音，进而达成轻便舒适的可携式目的的流体控制装置，实为目前迫切需要解决的问题。

如图1所示，为一种流体控制装置，包括一壳体1及一压电致动器2、两绝缘片3a、3b及一导电片4。该壳体1包含一出口板11及一底座12，该出口板11为周缘具有侧壁111及底部具有一板件112的框体结构，且由该侧壁111与板件112共同定义出一容置空间113，用以供该压电致动器2设置于该容置空间113中，又该板件112于一表面凹陷以形成一暂存腔室114，以及该板件112上设有至少一排出孔115贯穿连通至该暂存腔室114；而底座12则包含入口板121及共振片122，该入口板121 具有至少一进入孔1211、至少一汇流排槽1212及一汇流腔室1213，该进入孔1211对应连通该汇流排槽1212，而该至少一汇流排槽1212的另一端则连通于该汇流腔室1213，该汇流腔室1213处构成一汇流流体的腔室，以供流体暂存，此所构成腔室的深度与该汇流排槽1212的深度相同，而该共振片122为一可挠性材质，具有一中空孔洞1223，对应于该入口板121的汇流腔室1213而设置，以使该汇流腔室1213的流体可经该中空孔洞1223流通至该共振片122下方。如此由一出口板11、一绝缘片3b、一导电片4、一绝缘片3a、压电致动器2及底座12依序向上堆叠粘固，最后将该出口板11的侧壁111两侧容置空间113予以涂布封胶6以防漏密封而设置形成一种流体控制装置，如此流体控制装置的结构简单，因此能构成为薄型。

又该压电致动器2对应于共振片122而设置，由悬浮板21、压电元件22、外框23以及至少一支架24所构成，而共振片122对应于汇流腔室1213 为一可动部1221，而固定粘接于底座12部分为固定部1222。

上述组装的流体控制装置所应用的设备始终处于呈小型化的趋势。因此，要求在不使上述流体控制装置的输出能力(排出流量和排出压力) 降低的前提下，使上述流体控制装置进一步小型化。然而，上述流体控制装置越是小型化，则上述流体控制装置的输出能力就越是降低。因此，若欲维持控制输出能力并将其小型化，则在现有结构的上述控制中存在界限。因此，本实用新型对以下所示的结构的控制进行了研究。

图1是表示上述流体控制装置的主要部分的结构的剖视图。流体控制装置是由一出口板11、一绝缘片3a、一导电片4、一绝缘片3b、压电致动器2及底座12依序向上堆叠粘固的结构。在流体控制装置中，该压电致动器2的外框23隔着胶体5粘接固定在该共振片122的固定部 1222上，因此，悬浮板21与共振片122分开相当于胶体5的厚度的距离的方式支承。另外，因随着压电致动器2的振动而产生的流体的压力变动，上述共振片122的一部分能与压电致动器2实质相同的频率振动。即，利用该共振片122和底座12的结构，使可动部1221面向汇流腔室1213的部位为能弯曲振动。此外，在上述结构中，一旦对压电元件22施加驱动电压，则因压电元件22的伸缩而使悬浮板21弯曲振动，伴随着悬浮板21的振动，使共振片122的可动部1221振动。借此，流体控制装置从底座12的至少一进入孔1211吸入流体，将该流体进入该至少一汇流排槽1212中再流入该汇流腔室1213，经中空孔洞1223导入暂存腔室114中，受该压电致动器2的悬浮板21振动及共振片122的共振效应而压缩暂存腔室114的体积，由该出口板11的至少一排出孔 115排出，由于随着压电致动器2的振动而使可动部1221振动，因此流体控制装置能实质上增大振动振幅。故流体控制装置虽然小型，但却具有较高的排出压力和较大的排出流量。

然而，上述流体控制装置的该压电致动器2通过胶体5粘接固定，由于粘着的胶体5需要使用加热加压才能稳固粘着该压电致动器2，如此会使压电致动器2与压电元件22根据构件各自不同的线膨胀系数而产生翘曲(热变形)，其结果是，悬浮板21与共振片122之间的距离变化。此处，悬浮板21与共振片122之间的距离是对流体控制装置的压力一流量特性带来影响的重要因素。

因此，在流体控制装置中，存在流体控制装置的压力一流量特性因温度变化而变动这样的问题。即，在流体控制装置中，存在温度特性差这样的问题。

【实用新型内容】

本案的主要目的在于提供一种能抑制因温度变化而使压力一流量特性出现变动的流体控制装置。

本案的另一目的在于提供一种流体控制装置，利用压电元件需要由线膨胀系数比悬浮板的线膨胀系数大的材料形成，且悬浮板采用不锈钢材料的面积及硬度条件来限定去抑制热变形量，以及底座及悬浮板的线膨胀系数不同，以使流体控制装置在底座及悬浮板之间的胶体加热加压后，以控制悬浮板与共振片之间达到最有效变形位移量δ来产生最大性能与流量，让流体控制装置能抑制因温度变化而使压力一流量特性出现变动，流体控制装置能在宽度很大温度范围内维持适当的压力一流量特性，以达到整体体积减小及薄型化，轻便舒适的可携式的目的。

为达上述目的，本案的一广义实施态样为提供一种一种流体控制装置，包含：一压电致动器包括:一悬浮板；一外框，环绕设置于该悬浮板之外侧；至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间；一压电元件，具有不大于该悬浮板边长的边长，贴附于该悬浮板上；以及一壳体，包括:一出口板，周缘具有一侧壁及一板件以构成一容置空间的一框体结构，供该压电致动器设置于该容置空间中；一底座，包括一入口板及一共振片所构成，罩盖于该出口板的该容置空间中，以封闭该压电致动器，该入口板具有相连通于外的汇流腔室，该共振片设置固定于该入口板上，并具有一中空孔洞，相对于该入口板的该汇流腔室；一胶体，设置于该压电致动器的该外框与该底座的该共振片之间，以维持该压电致动器与该底座的该共振片之间具有一间隙；其中，悬浮板由具有线膨胀系数比压电元件的线膨胀系数小的材料形成，且具有一受热变形保持弯曲的硬度，以及该悬浮板与该共振片的线膨胀系数不同，以让该悬浮板与该共振片之间间隙得到一特定变形位移量。

【附图说明】

图1所示为流体控制装置的剖面结构示意图。

图2A所示为流体控制装置相关构件的分解正面视得示意图。

图2B所示为流体控制装置相关构件的分解背面视得示意图。

图3所示为流体控制装置的底座与压电致动器位置局部剖面示意图。

图4为图3所示的流体控制装置的胶体加热加压状态下的底座与压电致动器位置局部剖面示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。

如图1、图2A、B及图3所示，本案的流体控制装置包含一壳体1、一压电致动器2、两绝缘片3a、3b及一导电片4。其中，壳体1包含出口板11及底座12，底座12则包含一入口板121及一共振片122，但不以此为限。压电致动器2是对应于共振片122而设置，并使出口板11、压电致动器2以及底座12的共振片122、入口板121等依序向上堆叠设置，且压电致动器2由悬浮板21、压电元件22、外框23以及至少一支架24 组装而成。

于本实施例中，壳体1的出口板11为周缘具有侧壁111及底部具有一板件112的框体结构，且由侧壁111与板件112共同定义出一容置空间 113，用以供该压电致动器2设置于该容置空间113中，又板件112于一表面凹陷以形成一暂存腔室114，以及板件112上设有至少一排出孔 115贯穿连通至该暂存腔室114。而底座12包含一入口板121及一共振片122，其中，入口板121具有至少一进入孔1211，于本实施例中，进入孔1211的数量为4个，但不以此为限，其贯穿入口板121的上下表面，主要用以供流体自装置外顺应大气压力的作用而自该至少一进入孔 1211流入流体控制装置内；又入口板121上具有至少一汇流排槽1212，每一汇流排槽1212对应连通一进入孔1211而设置，于该汇流排槽1212 的中心交流处具有一汇流腔室1213，且汇流腔室1213是与汇流排槽 1212相连通，借此可将自该至少一进入孔1211进入汇流排槽1212的流体引导并汇流集中至汇流腔室1213。

于本实施例中，入口板121具有一体成型的进入孔1211、汇流排槽1212 及汇流腔室1213，且当入口板121与共振片122对应组装后，于此汇流腔室1213处构成一汇流流体的腔室，以供流体暂存。

于一些实施例中，入口板121的材质为一不锈钢材质，但不以此为限。于另一些实施例中，由该汇流腔室1213处所构成腔室的深度与这些汇流排槽1212的深度相同，但不以此为限。

又上述的压电致动器2对应于共振片122而设置，由悬浮板21、压电元件22、外框23以及至少一支架24所构成，而共振片122对应于汇流腔室1213为一可动部1221，而固定粘接于底座12部分为固定部1222，且于共振片122上具有一中空孔洞1223，对应于入口板121的汇流腔室 1213而设置，以使流体可流通。于本实施例中，共振片122为一可挠性材质，但不以此为限。于另一些实施例中，共振片122为一铜材质，但不以此为限。

上述的压电元件22为方形板状结构，且其边长不大于悬浮板21的边长，并可贴附于悬浮板21之上。于本实施例中，悬浮板21为可挠的正方形板状结构，悬浮板21之外侧环绕设置外框23，外框23的型态亦大致对应于悬浮板21的型态。于本实施例中，外框23亦为正方形的镂空框型结构；而悬浮板21与外框23之间以四支架24连接并提供弹性支撑。请同时参阅图2A图及图2B，悬浮板21、外框23以及四支架24是为一体成型的结构，且可由一金属板所构成，例如可由不锈钢材质所构成，但不以此为限，是以，本案的流体控制装置的压电致动器2即为由压电元件22与金属板粘合而成，但不以此为限。外框23是环绕设置于悬浮板21之外侧，且具有一向外凸设的导电接脚231，用以供电连接之用，但不以此为限；以及该四支架24连接于悬浮板21以及外框 23之间，以提供弹性支撑。于本实施例中，每一该支架24的一端连接于悬浮板21的侧边，另一端则连接于外框23之内侧边，且于支架24、悬浮板21及外框23之间更具有至少一空隙25，用以供流体流通，且该悬浮板21、外框23以及支架24的型态及数量是具有多种变化。透过此跨设于悬浮板21与外框23之间的支架24，以减少悬浮板21于运作时不均一的偏移角度，有助于增加悬浮板21于Z轴上的振幅，使悬浮板21 在上下振动时可有更好的位移状态，即该悬浮板21作动时更为稳定、一致，俾利于提升压电致动器2作动的稳定性及效能。又于本实施例中，悬浮板21是为一正方形且具有阶梯面的结构，即于悬浮板21的一表面上更具有一凸部26，凸部26可为一圆形凸起结构，但不以此为限。

以及，上述的两绝缘片3a、3b为上下夹设导电片4而设置。此外，于一些实施例中，绝缘片3a、3b为一绝缘的材质，例如：塑胶，但不以此为限，以进行绝缘之用；于另一些实施例中，导电片4为一导电的材质，例如：金属，但不以此为限，以进行电导通之用。以及，于本实施例中，导电片4上亦可设置一导电接脚41，以进行电导通之用。

当本案的流体控制装置组装时，依序将出口板11、一绝缘片3b、一导电片4、一绝缘片3a、一压电致动器2以及一底座12等结构向上堆叠组装粘固，并容设于出口板11的容置空间113内，最后将该出口板11的侧壁111两侧容置空间113予以涂布封胶6予以防漏密封而设置形成一种流体积小、及微型化外形的流体控制装置。在上述结构中，一旦对压电元件22施加驱动电压，则因压电元件22的伸缩而使悬浮板21弯曲振动，伴随着悬浮板21的振动，使共振片122的可动部1221振动，借此，流体控制装置从底座12的至少一进入孔1211吸入流体，将该流体进入该至少一汇流排槽1212中再流入该汇流腔室1213经中空孔洞 1223导入暂存腔室114中，受该压电致动器2的悬浮板21振动及共振片 122的共振效应而压缩暂存腔室114的体积，由该出口板11的至少一排出孔115排出，构成一流体控制装置传输流体的操作。

又如图1及图3所示，共振片122与压电致动器2之间具有一间隙h，于共振片122及压电致动器2之外框23之间的间隙h中填充设置一胶体5，例如：导电胶，但不以此为限，以使共振片122与压电致动器2的悬浮板21之间可维持该间隙h的深度，进而可导引气流更迅速地流动；以及，因应此间隙h的深度而可使共振片122与压电致动器2之间形成压缩腔室116，进而可透过共振片122的中空孔洞1223导引流体于腔室间更迅速地流动，且因悬浮板21与共振片122保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低。

又当上述的胶体5粘着时，是需要使用加热加压才能稳固粘着该压电致动器2定位，而在胶体5实施加热加压过程，会使压电致动器2与压电元件22受到加热而根据构件各自不同的线膨胀系数产生翘曲(热变形)，其结果是，悬浮板21与共振片122之间的距离产生变化。此处，悬浮板21与共振片122之间的距离是对流体控制装置的压力一流量特性带来影响的重要因素。

因此，本案的流体控制装置要如何增加压力及流量，亦即需要控制此间隙h就变成非常重要，这间隙h是靠胶体5产生的，而胶体5需要加热加压才能达到粘着的效果，且经加热后金属的压电致动器2就一定会产生热变形，本案为了保持足够的间隙h，乃采用金属材料的压电致动器2来做了一些热变形限定，以控制控制悬浮板21与共振片122之间达到最有效变形位移量δ，以达到产生最大性能与流量。

本案利用悬浮板21与压电元件22的组合件关系，以固定压电元件22的热变形量，来变更悬浮板21的材料条件，亦即压电元件22需要由线膨胀系数比悬浮板21的线膨胀系数大的材料形成，在压电致动器2利用胶体5接合定位于底座12上状况下，在胶体5加热加压接合后，在常温下，因压电元件22及悬浮板21的线膨胀系数不同而使悬浮板21朝压电元件22侧呈凸状翘曲，如图4所示向下翘曲状态，此外，上述底座12 的共振片122及悬浮板21的线膨胀系数不同而使底座12上共振片122 朝如图4所示向上翘曲状态，即为共振片122朝向远离悬浮板21侧呈凸状翘曲，以控制悬浮板21与共振片122之间达到最有效变形位移量δ，以提供产生最大性能与流量，故流体控制装置能抑制因温度变化而使压力一流量特性出现变动。即流体控制装置能在宽度很大温度范围内维持适当的压力一流量特性。

另外，本案并以悬浮板21采用不锈钢材料来作实验，亦即针对悬浮板 21采用不锈钢材料的面积及硬度条件来限定去抑制热变形量，以控制悬浮板21与共振片122之间达到最有效变形位移量δ，以提供产生最大性能与流量。

其实验结果如下:

上表所示，乃采用悬浮板21为正方形型态，其边长尺寸为4-10mm，而采用不锈钢材料的硬度H为370HV-410HV，悬浮板21采用不锈钢材料的硬度H/2为310HV-350HV，如此在胶体5实施加热加压过程中可以达到不同的弯曲量，例如:悬浮板21采用不锈钢材料硬度H，在受到加热时，可让悬浮板21与共振片122之间保持在15～17μm变形位移量(δ)，采用不锈钢材料硬度H/2，可让悬浮板21与共振片122 之间保持在20～25μm变形位移量δ，因此悬浮板21采用不锈钢材料硬度H/2比采用不锈钢材料硬度H可增加3～10μm变形位移量δ，再以压电元件22驱动频率在27-29.5kHz范围去驱动悬浮板21产生振动变形，悬浮板21采用不锈钢硬度H的材料，可使流体控制装置在性能上输出气压为300-400mmHg，而流率为50-100ml/min，而悬浮板 21采用不锈钢硬度H/2，可使流体控制装置在性能上输出气压则是 30-400mmHg，而流率为90-160ml/min，在流体控制装置性能表现上，输出在气压的数值是接近的，而流率是有大幅度的差异性，故悬浮板 21采用以不锈钢材料硬度H/2达到流体控制装置的悬浮板21与共振片122之间的间距是最有效变形位移量δ的位置。

综上所述，本案所提供的流体控制装置中，利用压电元件需要由线膨胀系数比悬浮板的线膨胀系数大的材料形成，且悬浮板采用不锈钢材料的面积及硬度条件来限定去抑制热变形量，以及底座及悬浮板的线膨胀系数不同，以使流体控制装置在底座及悬浮板之间的胶体加热加压后，以控制悬浮板与共振片之间达到最有效变形位移量来产生最大性能与流量，让流体控制装置能抑制因温度变化而使压力一流量特性出现变动，流体控制装置能在宽度很大温度范围内维持适当的压力一流量特性，以达到整体体积减小及薄型化，轻便舒适的可携式目的。

【符号说明】

1：壳体

11：出口板

111：侧壁

112：板件

113：容置空间

114：暂存腔室

115：排出孔

116：压缩腔室

12：底座

121：入口板

1211：进入孔

1212：汇流排槽

1213：汇流腔室

122：共振片

1221：可动部

1222：固定部

1223：中空孔洞

2：压电致动器

21：悬浮板

22：压电元件

23：外框

231、41：导电接脚

24：支架

25：空隙

26：凸部

3a、3b：绝缘片

4：导电片

5：胶体

6：封胶

h：间隙

δ：变形位移量

Claims (15)

1.一种流体控制装置，其特征在于，包含：

一压电致动器，包括：

一悬浮板；

一外框，环绕设置于该悬浮板之外侧；

至少一支架，连接于该悬浮板与该外框之间；以及

一压电元件，具有不大于该悬浮板边长的边长，贴附于该悬浮板上；以及

一壳体，包括：

一出口板，周缘具有一侧壁及一板件以构成一容置空间的一框体结构，供该压电致动器设置于该容置空间中；以及

一底座，包括一入口板及一共振片所构成，罩盖于该出口板的该容置空间中，以封闭该压电致动器，该入口板具有相连通于外的一汇流腔室，该共振片设置固定于该入口板上，并具有一中空孔洞，相对于该入口板的该汇流腔室；以及

一胶体，设置于该压电致动器的该外框与该底座的该共振片之间，以维持该压电致动器与该底座的该共振片之间具有一间隙；

其中，该悬浮板由具有线膨胀系数比压电元件的线膨胀系数小的材料形成，且具有一受热变形保持弯曲的硬度，以及该悬浮板与该共振片的线膨胀系数不同，以让该悬浮板与该共振片之间的该间隙得到一最大性能与流量的变形位移量。

2.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该悬浮板为不锈钢材质，具有310HV至350HV硬度。

3.如权利要求2所述流体控制装置，其特征在于，该悬浮板受热变形后让悬浮板与该共振片之间保持在20至25μm变形位移量，以提供流体控制装置输出气压为300至400mmHg，流率为90至160ml/min。

4.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该悬浮板为不锈钢材质，具有370HV-410HV硬度。

5.如权利要求4所述流体控制装置，其特征在于，该悬浮板受热变形后该悬浮板与该共振片之间保持在15～17μm变形位移量，以提供该流体控制装置输出气压为300至400mmHg，流率为50至100ml/min。

6.如权利要求1所述的流体控制装置，其特征在于，该悬浮板为正方形。

7.如权利要求6所述的流体控制装置，其特征在于，该悬浮板的边长介于4mm至10mm之间。

8.如权利要求1所述的流体控制装置，其特征在于，该压电元件的驱动频率为27至29.5kHz。

9.如权利要求1所述的流体控制装置，其特征在于，该悬浮板由线膨胀系数比电元件线膨胀系数小材料形成，在该胶体加热加压接合后，在常温下，因该压电元件及该悬浮板的线膨胀系数不同而使该悬浮板朝该压电元件侧呈凸状翘曲。

10.如权利要求9所述的流体控制装置，其特征在于，该悬浮板与该共振片的线膨胀系数不同，在该胶体加热加压接合后，在常温下，使该共振片朝向远离该悬浮板侧呈凸状翘曲。

11.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该胶体为导电胶。

12.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该入口板具有至少一进入孔，贯穿该入口板的上下表面，以及该入口板上具有至少一汇流排槽，每一该汇流排槽对应连通该至少一进入孔而设置，于该汇流排槽的中心交流处具有一汇流腔室，且该汇流腔室与该至少一汇流排槽相连通，借此可将自该至少一进入孔进入该至少一汇流排槽的流体引导并汇流集中至该汇流腔室。

13.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该悬浮板上具有一凸部，对应到该共振片的该中空孔洞。

14.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，该共振片对应于该汇流腔室为一可动部，而固定粘接于该底座部分为一固定部。

15.如权利要求1所述流体控制装置，其特征在于，所述流体控制装置进一步包括两绝缘片及一导电片，该两绝缘片为上下夹设该导电片而设置，依序将该出口板、该绝缘片、该导电片、另一该绝缘片、该压电致动器以及该底座向上堆叠组装粘固，并容设于该出口板的该容置空间内，构成该流体控制装置。

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