DE3618106A1 - Piezoelektrisch betriebene fluidpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drücken und Volumenströmen gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.

Piezoelektrisch betriebene Antriebselemente zum Erzeugen von Drücken, insbesondere als Antriebselemente in Tinten­ schreibern sind allgemein bekannt. So wird in der DE-OS 21 64 614 eine Anordnung an Schreibwerken zum Schreiben mit farbiger Flüssigkeit auf Papier beschrieben, bei der über ein piezoelektrisch betriebenes Antriebselement eine in einer Tintenkammer befindliche Flüssigkeit aus einer Schreibdüse ausgestoßen wird. Die Volumenveränderung in der Kammer wird durch eine elektrisch angesteuerte Piezo­ keramik bewirkt, die auf einer Metallplatte sitzt und die sich in die Kammer hineinwölbt. Das verwendete Piezoan­ triebselement besteht aus einer durchgehend polarisierten Piezokeramikschicht, die auf einer Metallplatte angeord­ net ist, wobei die Metallplatte als Gegenelektrode dient. Wenn ein geeigneter Spannungsimpuls angelegt wird, zieht sich die Piezokeramik zusammen. Da die Keramik auf einer Metallplatte befestigt ist, wirkt sich auf diese Platte ein Biegemoment aus. Das hat zur Folge, daß sich der Mit­ telteil der Platte in die Flüssigkeitskammer hineinwölbt.

Die Längenänderungen, die man direkt piezoelektrisch er­ zeugen kann, sind verschwindend klein. Sie sind außerdem begrenzt durch die elektrischen Feldstärken, die man an der Keramik anlegen darf, ohne daß dies zu Durch- oder Überschlägen führt. Weiters dürfen die angelegten Feld­ stärken nicht zu einer Umpolarisation führen, sie müssen außerdem über entsprechende Ansteuerschaltkreise schalt­ bar sein.

Es ist deshalb üblich eine Spannung von ca. 200 V nicht zu überschreiten. Die Feldstärke sollte dabei kleiner sein als ein Volt je Mikrometer in Gegenrichtung zur Po­ larisation. Die Abstände zwischen Elektroden an Luft sollten außerdem nicht kleiner als 1 µm/V sein. Die di­ rekten Längenänderungen, die auf diese Weise erzielbar sind, sind damit rund 1%, oder etwa 0,2 µm bei einer Schichtdicke von 200 µm, vorausgesetzt, die Keramik ist durch und durch aktiv und nicht etwa durch eine Brennhaut teilweise inaktiv.

Derartige Brennhäute lassen sich bisher nur bei im Stapel gesinterten Keramikfolien vermeiden, wenn man den Rand der innen im Stapel liegenden Folien sowie die außenlie­ genden Folien entfernt. Bei diesem Verfahren läßt sich die mechanische Bearbeitung der Keramik und damit die Ge­ fahr von Mikrorissen auf ein Minimum und auf den Rand be­ grenzen. Die übrigen Oberflächen können ohne Nachbearbei­ tung so benutzt werden, wie sie aus dem Brennofen kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art so auszubilden bzw. anzusteuern, daß sich ein möglichst großer Hub ergibt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Pa­ tentanspruches gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß die Membran einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich aufweist, die derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich verlängert wird, ergibt sich ein besonders großer Hub. Dieser Hub ist das Ergeb­ nis der Ausnutzung von zwei Wirkungen, nämlich der Aus­ nutzung der Querkontraktion in der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbarter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch die Querkontraktion läßt sich der Hub der Membran durch Verringerung der Schicht­ dicken und Vergrößerung der Längenabmessungen steigern.

Eine besonders vorteilhafte Kraftwirkung ergibt sich, wenn man die Membranbereiche konzentrisch zueinander an­ ordnet, so daß sie sich bei der Anregung warzenartig aus­ wölben. Diese warzenartige Auswölbung stellt die kleinste und kompakteste geometrische Form dar, die von einer ebe­ nen Schicht ausgeht und einen Hohlraum erweitert und schließt. Sie ist rotationssymmetrisch um eine Flächen­ normale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht. An der Übergangslinie ändert sich der benötigte Krümmungszustand. Entsprechend sind die Elektroden so an­ geordnet bzw. die entsprechenden Membranbereiche so pola­ risiert und über die Elektroden angesteuert, daß sich der periphere Bereich (Kreisring) verkürzt, der zentrale Be­ reich dagegen verlängert.

Der Rand der Membran verändert bei Auslenkung seine Lage nicht, wewegen er fest eingespannt werden kann. Die Bie­ gelinie entspricht im wesentlichen einer Auslenkung unter Innendruck.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung sind mehrere einzeln unabhängig voneinander akti­ vierbare Membranen auf einer gemeinsamen Substratfläche angeordnet, wobei die Ansteuerleitungen für die einzelnen Membranen über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche führen, damit bei der Ansteuerung über diese Ansteuerlei­ tungen keine unerwünschten piezoelektrischen Effekte auf­ treten.

Um den Hub noch weiter zu vergrößern, kann anstelle der Stützschicht eine weitere piezoelektrische anregbare Schicht angeordnet sein, die jeweils in entgegengesetzter Richtung zu der ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht polarisiert ist. Damit ergibt sich nahezu eine Verdoppe­ lung des Hubes.

Mit dem erfindungsgemäßen Antriebselement läßt sich eine besonders wirksame und einfach ansteuerbare Pumpeinrich­ tung erzeugen. Dazu sind drei miteinander über einen Pumpkanal verbundene Membranen angeordnet, die derart zu­ sammenwirken, daß eine erste Membran als Einlaßventil dient, eine zweite Membran dem veränderlichen Hohlraum zugeordnet ist und eine dritte Membran als Auslaßventil dient.

Eine derartig ausgebildete statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern und einem veränderlichen Hohl­ raum läßt sich z. B. von einem künstlichen Herzen verwen­ den oder als Schmierstoffhydraulikpumpe zur Erzeugung von hohen Drücken. Die gesamte Vorrichtung läßt sich einfach ansteuern und trotz hoher erzielbarer Drücke klein aus­ bilden.

Weiters ist es möglich, die Vorrichtung als akustische Wandlereinrichtung in Lautsprechern oder als Drucksensor zu verwenden.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Vergleichsdarstellung zwischen der Verformung einer Membranplatte unter Innendruck und einer Membranplatte mit aufgeprägter Wölbung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Membran im ausgelenkten Zu­ stand,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Membran im unerregten Zu­ stand,

Fig. 4 eine statische Pumpe aus drei miteinander verbun­ denen Membranen in Draufsicht,

Fig. 5 eine statische Pumpe gemäß Fig. 4 im Querschnitt,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Schreibkopfes für eine Tintenschreibeinrichtung mit einer Vielzahl auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Membranen als Schreibdüsen.

Ein planarer Wandler aus Piezokeramik wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, besteht aus einer piezoelek­ trisch anregbaren durchgehend in eine Richtung polari­ sierten Schicht 1 aus Piezokeramik und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht 2, z. B. aus Nickel. Diese so gebildete elektrisch ansteuer­ bare Membran wird über entsprechende Elektroden 3, 4 an­ gesteuert, wobei die Stützschicht 2 als durchgehende Mas­ seelektrode dient und die eigentlichen Ansteuerelektro­ den aus einer peripheren Ansteuerelektrode 3 und einer zentralen Ansteuerelektrode 4 bestehen. Diese eigentli­ chen Ansteuerelektroden 3 und 4 definieren konzentrisch zueinander angeordnete Membranen in Form von Kreisflächen bzw. Kreisringflächen. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden 3 und 4 wölbt sich die Membran in Arbeits­ richtung in der in Fig. 2 dargestellten Form, wenn die Kreisringelektrode 3 mit ihrem erzeugten elektrischen Feld zu einer Kontraktion der Piezokeramikschicht 1 im Bereich der Ringelektrode 3 führt und im Bereich der Elektrode 4 es zu einer Dehnung der Piezokeramikschicht kommt.

Dies wird im folgenden anhand der Fig. 1 näher erläutert.

Die kleinste und kompakteste geometrische Form, die von einer ebenen Schicht ausgeht, nur schwache Krümmungen be­ nötigt und einen Hohlraum erweitert und schließt, ist ei­ ne Warze oder eine domartige Auswölbung. Eine derartige Form ist rotationssymmetrisch um eine Flächennormale und verläßt die Ebene in einer torusförmigen Hohlkehle, die in einen linsenförmigen Kugelabschnitt übergeht.

Eine derartige Idealform läßt sich nun dadurch erzeugen, daß man eine ebene elastische Membran einem gleichmäßigen Innendruck aussetzt. Damit ergibt sich die auf der linken Seite der Fig. 1a dargestellte Form mit dem in der Fig. 1b dargestellten Neigungsverlauf und einem Krümmungsver­ lauf gemäß Fig. 1c, wobei die Abszisse dem Radius der Membranfläche zugeordnet ist.

Um diese ideale Warzenform zu erreichen, sind nun erfin­ dungsgemäß die Ansteuerelektroden 3 und 4 in Verbindung mit der piezoelektrisch anregbaren Schicht 1 und der Stützschicht 2, die als Masseelektrode dient, so ausge­ bildet, daß sich näherungsweise diese Idealform bei der Auslenkung ergibt.

Zu diesem Zweck ist die kreisförmige Außenelektrode 3 im äußeren Krümmungsbereich der Membran angeordnet und wird mit einem derartigen elektrischen Feld beaufschlagt, daß sich die piezoelektrische Schicht in diesem Krümmungsbe­ reich zusammenzieht. Die konzentrisch dazu angeordnete Innenelektrode 4 wiederum wird mit einem derartigen Feld beaufschlagt, daß sich der zentrale Bereich der Piezo­ keramikschicht 1 ausdehnt. Damit werden zwei Effekte gleichzeitig ausgenutzt, nämlich die Querkontraktion der Keramik selbst und die Krümmung des Verbundes benachbar­ ter Schichten, die sich unterschiedlich ausdehnen. Der Krümmungsradius, bis zu dem sich ebene Schichten derartig verwölben lassen, liegt etwa bei 0,1 m bis 0,4 m, je nachdem wie dünn man die Schichten fertigen kann. Das Verhältnis der Elektrodenflächen zueinander ist nun so dimensioniert, daß sich näherungsweise der gewünschte Verlauf in Fig. 1a ergibt. Dies ergibt eine Neigung gemäß Fig. 1b mit zugehöriger Krümmung Fig. 1c (rechte Seite Fig. 1).

Wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt, läßt sich mit einem derartigen planaren Wandler aus Piezokeramik eine stati­ sche Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern SE und SA und einem veränderlichen Hohlraum H ausbilden. Zu diesem Zwecke sind auf einer durchgehenden Substratfläche 1 die drei Membranen SE, H, SA ausgebildet. In einer das Sub­ strat A mit seiner zugehörigen Stützschicht 2 tragenden Trägerschicht T ist ein Pumpkanal P ausgebildet. Dieser Pumpkanal P steht mit einem Fluidvorrat V (Fig. 4) in Verbindung. In dem Pumpkanal ist im Bereich des Einlaß­ ventiles SE eine Querrippe Q ausgeformt, an die sich im unerregten Zustand die Membran aus Piezokeramik 1 und Stützschicht 2 anlegt und damit den Kanal verschließt. Im angeregten Zustand der Membran entsprechend der Fig. 2 hebt sich die Membran warzenförmig ab und öffnet damit den Kanal P.

Derselbe Aufbau wie beim Einlaßventil SE mit der Querrip­ pe Q ergibt sich beim Auslaßventil SA mit der dortigen Querrippe Q. In dem Pumpkanalabschnitt mit in der Mitte erweiterten Hohlraumbereich PH zwischen dem Einlaßventil SE und dem Auslaßventil SA befindet sich die eigentliche als Pumpe dienende Membran H, die entsprechend den Mem­ branen der Einlaßventile SE und SA aufgebaut ist. Eine derartig aufgebaute Pumpe wie in den Fig. 4 und 5 läßt sich nun in vorteilhafter Weise z. B. über einen Dreipha­ sendrehstrom ansteuern und zwar dadurch, daß mit einer ersten Phase in einem Pumpschritt zunächst das Einlaßven­ til SE geöffnet wird, daß dann durch die Auslenkung der Membran H (2. Phase) Fluid aus dem Vorrat V angesaugt wird und daß dann nach Schließen des Einlaßventiles SE und nach Öffnen des Auslaßventiles SA (3. Phase) durch Betätigung der eigentlichen Pumpmembran H Fluid aus dem Auslaßbereich A ausgestoßen wird.

Zum Schließen der Sperrschieber SE, SA ist es auch mög­ lich, diese so anzusteuern, daß ihre Membranen unter Vor­ spannung den Kanal P verschließen. Damit wird ein beson­ ders dichter Verschluß erreicht. Außerdem ist bei einer Ansteuerung in Arbeitsrichtung aus dieser Vorspannung heraus ein besonders großer Arbeitshub möglich.

Je nach Verwendungszweck läßt sich der Pumpkanal auch in anderer Weise ausbilden. So ist es auch möglich, anstelle der Querrippe Q in dem Einlaß- und im Auslaßventil SE und SA kragenförmige Öffnungen anzuordnen, wobei der Kragen selbst den Kanal bildet. Die Membranfläche legt sich dann im unerregten Zustand in analoger Weise wie auf die Quer­ rippe auf diesen Kragen auf und verschließt so den Aus­ laß.

Auf eine derartige statische Pumpe sind nun vielerlei Verwendungen möglich. So kann entsprechend der Fig. 7 da­ mit ein Tintenschreibkopf aufgebaut werden, bei dem auf einer einzigen Substratfläche 1, z. B. neun Schreibdüsen S 1 bis S 9 angeordnet sind. Jede dieser Schreibdüsen be­ steht aus einem Einlaßventil SE, einem veränderlichen Hohlraum H und einem Auslaßventil SA. Die Schreibdüsen S 1 bis S 9 stehen dabei mit dem Vorratsbereich V in Verbin­ dung. Um einen Schreibkopf mit einer größeren Anzahl von Düsen bilden zu können, ist es auch möglich, mehrere Sub­ stratflächen mit darauf angeordneten Schreibdüsen über­ einander zu packen.

Bei einem derartigen Tintenschreibkopf sind die Schreib­ düsen S 1 bis S 9 funktionell vollständig von der Tinten­ versorgung V getrennt. Damit kann ein mechanischer Ver­ schluß der Düsen zwischen Schreibkopf und dem eigentli­ chen vor dem Schreibkopf angeordneten Papier und der An­ trieb dieses Verschlusses entfallen, da die eigentlichen Tintenkanäle durch die Auslaßventile SA geschlossen sind, solange diese Auslaßventile SA nicht angesteuert werden. Ein Übersprechen zwischen den Düsen entfällt, da beim ei­ gentlichen Spritzvorgang keine Fließverbindung besteht. Die Spritzvorgänge werden dabei nicht durch die Reflexion im eigentlichen Spritzkanal und nicht durch das Überspre­ chen von Nachbardüsen begrenzt, sondern nur durch die Ei­ genwerte der einzelnen Wandlerelemente. Durch statisches Pumpen lassen sich Luftblasen aus dem Tintenkanal P ent­ fernen und leere Kanäle lassen sich dabei elektrisch ge­ steuert füllen.

Die beschriebenen statischen Pumpen lassen sich auch zur Versorgung von Schmierstoffen in Lagern verwenden, da die erreichten Drücke sehr hoch sind. Weiter ist es möglich, derartige Pumpen im Bereich der Medizin zum Transport von Blut und anderen Gewebsflüssigkeiten zu verwenden.

Die Membran allein wiederum läßt sich in einer akusti­ schen Wandlereinrichtung z. B. als Hochtonlautsprecher verwenden. Weiterhin kann eine derartige Vorrichtung als Drucksensor dienen, wobei die durch den Druck auftretende Auslenkung eine an den Elektroden 3 und 4 abgreifbare Spannung verursacht.

Wie in der Fig. 6 dargestellt, läßt sich ein sogenannter steuerbarer Sperrschieber, z. B. ein Einlaßventil SE, ein Auslaßventil SA oder der steuerbare Hohlraum H in einfa­ cher Weise herstellen. Zu diesem Zwecke wird als Substrat eine dünne Schicht aus Piezokeramik verwendet, auf der die erforderliche Struktur z. B. des Tintenschreibkopfes galvanoplastisch aufgebaut wird. Die Piezokeramikschicht 1 wird zu diesem Zwecke vor dem galvanoplastischen Aufbau polarisiert und geprüft. Danach werden auf der Piezokera­ mikschicht 1 auf ihrer einen Seite Ansteuerelektroden 3 und 4, z. B. aus Silber oder Gold fotolithographisch gal­ vanisch strukturiert und auf ihrer anderen Seite die Stützschicht 2 galvanisch aufgebracht. Auf dieser als Masseelektrode dienenden Stützschicht wird dann im Be­ reich der Warzen Aluminium (ALU) aufgedampft, das später zwischen den umgebenden Metallschichten herausgeätzt wer­ den kann und so ermöglicht, daß sich die Warze vom Steg Q zwischen den Kanälen löst. Es folgt der galvanische Auf­ bau der Kanalstruktur in den Lücken eines Photoresist, das Auffüllen der Kanäle mit einer gegen die Kanalwand W ätzbaren Füllung und das Aufbringen der Trägerschicht T. Auf der Rückseite der Keramik kann auch außerhalb der Elektroden eine weitere Stützschicht SS aufgebracht wer­ den, die ein Verwerfen des Verbundes bei Temperaturände­ rung verhindert. Hier lassen sich auch Strukturen zum Verbinden und zum Kontaktieren der Elektroden unterbrin­ gen, da die Keramik nur im Bereich der Warzen polarisiert ist. Für die Dicke der einzelnen Schichten ergeben sich folgende ungefähre Werte: Piezokeramikschicht (1) 200 µm; Elektroden (3, 4) 10 µm, Silber bzw. Gold; Stützschicht (2) 100 µm, Nickel; zusätzliche Stützschicht (SS) 100 µm, Nickel; Zwischenlage (ALU) Aluminium 0,2 µm; Stärke des Pumpkanales (Wände W) 50 µm, Nickel; und Trägerschicht (T) 100 µm, Nickel.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Drücken und Volumenströ­ men mit einer elektrisch ansteuerbaren Membran aus einer ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht (1) und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stütz­ schicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Be­ reich (3) und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich (4) aufweist, die derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich (3) durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich (4) verlängert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch anregbare, durchgehend in einer Richtung polarisierte Schicht (1) auf ihrer einen Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer anderen Seite eine dem Peripheriebereich zugeordnete erste An­ steuerelektrode (3) und eine dem zentralen Bereich zuge­ ordnete zweite Ansteuerelektrode (4) aufweist, wobei der Peripheriebereich und der Zentralbereich zum Ansteuern mit unterschiedlichen elektrischen Feldern beaufschlagt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch anregbare Schicht (1) auf ihrer einen Seite eine durchgehende Massenelektrode (2) und auf ihrer anderen Seite eine gemeinsame Ansteuerelektrode aufweist, wobei die peripheren Bereiche und der Zentralbereich un­ terschiedlich polarisiert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die aktivierbaren Bereiche der Membran (3, 4) konzen­ trisch zueinander angeordnet sind, so daß sie sich bei Anregung domartig auswölben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere einzeln unabhängig voneinander aktivierbare Membran­ bereiche auf einer gemeinsamen Substratfläche angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerleitungen für die einzelnen Membranbereiche über unpolarisierte Bereiche der Substratfläche führen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an­ stelle der Stützschicht (2) eine weitere piezoelektrisch anregbare Schicht angeordnet ist, die jeweils in entge­ gengesetzter Richtung zur ersten piezoelektrisch anregba­ ren Schicht polarisiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als statische Pumpe mit zwei steuerbaren Sperrschiebern (SE, SA) und einem veränderlichen Hohlraum (H) ausgebildet ist, wobei drei miteinander verbundene Membranen derart zusammenwirken, daß eine erste Membran als Einlaßventil (E) dient, eine zweite Membran dem ver­ änderlichen Hohlraum (H) zugeordnet ist und eine dritte Membran als Auslaßventil (SA) dient.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als akustische Wandlereinrichtung dient.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Drucksensor ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Membranbereiche über die einzelnen Phasen einer Drehstromquelle angesteuert werden.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran derart angesteuert wird, daß sie sich entgegen ihrer Arbeitsrichtung auswölbt und so unter Vorspannung anliegt.