DE20313727U1

DE20313727U1 - Piezoaktor

Info

Publication number: DE20313727U1
Application number: DE20313727U
Authority: DE
Original assignee: thinXXS GmbH
Current assignee: thinXXS GmbH
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2013-09-05
Also published as: EP1661190B1; EP1661190A1; US20070007859A1; WO2005024967A1; US7482733B2

Abstract

Piezoaktor für miniaturisierte Pumpen, Zerstäuber, Ventile oder dergleichen, mit eine 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,
gekennzeichnet durch eine entlang dem verbundenen Rand (18) der Gegenhalterscheibe (2) verlaufende, beim Wölben der Gegenhalterscheibe ein Gelenk bildende Schwachstelle (6,9).

Description

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 Kavität wölben lässt.
Je nach den Abmessungen des Substrats, z.B. eines relationssymmetrischen Pumpenkörpers 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 Kavität entgegenwirkt. Der Aktor erreicht dann nicht seinen vollen Wirkungsgrad. Auf das Ausmaß der Wirkungsgradminderungen haben Schwankungen von Fertigungsmaßen und Materialeigenschaften erheblichen Einfluss, so dass im Hinblick auf möglichst konstante Leistungsdaten enge Toleranzabweichungen eingehalten werden müssen. Entsprechend instabil ist der Fertigungsprozess.
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 Querschnittsform 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:
1 wesentliche Teile einer Mikropumpe mit einem Aktor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung,
2 bis 4 Teildarstellungen einer Mikropumpe mit Aktoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen für die vorliegende Erfindung,
5 ein erstes Ausführungsbeispiel für die Kontaktierung der Piezoscheibe eines Aktors nach der Erfindung, und
6 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Kontaktierung der Piezoscheibe in einem Aktor nach der Erfindung.
Eine in 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 Piezoscheibe, sind in 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 ferner 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 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 Übertragung 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 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 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 Druckbelastungen dieses Bereichs sind minimiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 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 5 gezeigte Mikropumpe, welche weitgehend der Mikropumpe von 1 entspricht, weist eine Piezoscheibe 1d mit Elektroden 11 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 11 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 11 und 12 ausschließlich auf der der Gegenhalterscheibe abgewandten Seite der Piezoscheibe, unbeeinträchtigt durch eine Ringnut 6d, anzubringen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 6 sind an einer Piezoscheibe 1e Elektroden 11e 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

Piezoaktor für miniaturisierte Pumpen, Zerstäuber, Ventile oder dergleichen, mit eine 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, gekennzeichnet durch eine entlang dem verbundenen Rand (18) der Gegenhalterscheibe (2) verlaufende, beim Wölben der Gegenhalterscheibe ein Gelenk bildende Schwachstelle (6,9).
Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwachstelle (6,9) durch wenigstens eine Ringnut (6) oder/und eine ringförmige Stufenausnehmung (9) gebildet ist.
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.
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.
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.
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 Verbindungsbereichs (18) zwischen der Piezoscheibe (1) und dem Substrat (3) verläuft.
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.
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 (1e) aufweist.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (11) auf der der Gegenhalterscheibe (2d) abgewandten Seite der Piezoscheibe (1d) eine Randaussparung (13) aufweist, in welche eine mit der anderen Elektrode (12) verbundene Kontaktschicht (14) hineingeführt ist.
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.
Piezoaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenhalterscheibe (2) ein einstückig im Spritzgießverfahren hergestelltes Kunststoffteil ist.