JP2005325780A - 往復動式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 非駆動状態においても吸入弁や吐出弁の弾性力を高めることなく確実に流体の漏入および漏出を防止することができ、かつポンプの駆動時に発生する騒音を減少させることもできる往復動式ポンプを提供する。
【解決手段】 振動子９によって駆動される振動板３によりポンプ室２１の容積を変化させる往復動式ポンプ１において、前記振動子９が非駆動状態において前記ポンプ室２１内の吸入弁３４または吐出弁３５を強制的に閉塞するように形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、往復運動する振動子を利用して流体を移送する往復動式ポンプに関する。

一般に、ポンプの１つの方式として容積移送式ポンプに大別される往復動式ポンプが従来から多用されている。往復動式ポンプの中でもダイアフラムを採用する電磁振動型ポンプは、低消費電力で流体の移送が可能な小型ポンプを提供できるため、近年の携帯可能な電子機器用ポンプや燃料供給ポンプなどに好適である（例えば、特許文献１参照）。

ここで、特許文献１に例示されている電磁振動型ポンプによる流体移送の原理を図３を用いて説明する。

電磁振動型ポンプ１０１は、主として電磁振動の駆動力を供給する磁場駆動機構部１０２と、流体の移送を行うポンプ本体１０４とによって形成されている。

一方の磁場駆動機構部１０２は、中心部の筒状のコイル保持部材１０８の外周部に巻かれたコイル１０７によって形成される電磁石１１２と、当該コイル保持部材１０８の中心孔内部に軸方向移動自在に遊挿されている中心軸１０９とこの中心軸１０９の両端部に固着された永久磁石１２６（図３においては片側のみ示す）とによって形成されている振動子１０５と、当該振動子１０５のポンプ本体１０４側端部おいて磁場駆動機構部１０２とポンプ本体１０４との間を仕切るようにして取り付けられた振動板１０３とによって主に形成されている。

他方のポンプ本体１０４は、振動板１０３と円筒状のケース１１９とによって囲まれたポンプ室１２１と、ポンプ１０１の外部から流体の吸入を行う吸入ノズル１３６およびポンプ１０１の外部に流体の吐出を行う吐出ノズル１３７と、ポンプ室１２１と吸入ノズル１３６または吐出ノズル１３７を区切る役目を持つ吸入弁１３４および吐出弁１３５とによって主に形成されている。

更に説明すると、磁場駆動機構部１０２の中に設置された電磁石１１２の両端部の極性（Ｎ極とＳ極）は、外部からの電流の通電方向を一定間隔で変えることによって一定間隔で交互に切り換えられる。電磁石１１２の両端部の極性が交互に変化すると、永久磁石１２６が取り付けられた振動子１０５は、電磁石１１２と永久磁石１２６との磁界の吸引作用および反発作用によって軸方向に移動させられて、ＤＳ（駆動側）方向やＦＳ（流体側）方向に一定間隔で往復振動する電磁振動を起こす。それによって、振動子１０５に取り付けられた振動板１０３（ダイアフラム）が振動子１０５と共に振動するために、ポンプ本体１０４の内部にあるポンプ室１２１の容積は振動板１０３の振動と共に膨張したり収縮したりして変化する。ポンプ室１２１の容積が変化するとポンプ室１２１内の圧力が変化するため、ポンプ室１２１の容積が膨張すると吸気弁１３４が開いて流体が吸入され、ポンプ室１２１の容積が収縮されると吐出弁１３５が開いて流体が吐出（図３は吐出状態を示す）される。

特開２００２−１０６４７２号公報

このように形成されている電磁振動型ポンプ１０１において、磁場駆動機構部１０２に電流が通電されない場合には、振動子１０３は不動状態に保持されて振動板１０３が振動しないので、弾性体で形成された吸入弁１３４と吐出弁１３５の復帰弾性力のみに依存してポンプ室１２１の密閉性を保っていた。

しかしながら、ポンプ室１２１にある流体の圧力と吸入ノズル１３６側または吐出ノズル１３７側にある流体の圧力とに大きな差がある場合には、各弁体１３４、１３５はポンプ室１２１の密閉性を保つことが出来なくなり、非駆動状態においては開いてしまう問題が生じた。すなわち、ポンプ１０１に接続された貯蔵タンクなどに充填されている外部の流体の圧力は、ポンプ１０１の非駆動状態時に吸入弁１３４や吐出弁１３５の復帰弾性力を越えてポンプ室１２１内の流体より圧力が高くなることがある。従って、図４の矢印に示すように、ポンプ室１２１に対する流体の漏入および漏出を引き起こす可能性があるので、従来例においては確実に流体を移送することが困難であるという問題が生じた。

これらの問題を簡単に解決する方法としては、各弁体１３４や１３５を弾性力の大きい材質に変更して、非駆動状態においても流体の漏入および漏出を防ぐ方法が挙げられる。しかし、前記の解決方法によっては、非駆動状態におけるの密閉性の向上は図られるが、駆動状態において流体を移送する時に各弁体１３４や１３５を開くために大きな力が必要となるという問題が生じる。そうなると、ポンプ１０１の駆動力を大きくするためにコイル１０７の巻数を多くしたり、コイル１０７に対する印加電圧を高くしたりしなければならないので、ポンプの小型化、省電力化に向けて大きな弊害を伴う問題があった。また、電磁振動型ポンプ１０１は振動子１０５が振動すると、振動子１０５の端部もしくは振動子１０５に取り付けられた部品が電磁石１１２と当接するために騒音を発生させるが、ポンプ１０１の駆動力を大きくするとその騒音も大きくなってしまうという弊害も伴うものであった。

本発明は前述した点に鑑みてなされたもので、非駆動状態においても吸入弁や吐出弁の弾性力を高めることなく確実に流体の漏入および漏出を防止することができ、かつポンプの駆動時に発生する騒音を減少させることもできる往復動式ポンプを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための第１の手段として、本発明の往復動式ポンプは、振動子によって駆動される振動板によりポンプ室の容積を変化させる往復動式ポンプにおいて、前記振動子が非駆動状態において前記ポンプ室内の吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞するように形成されていることを特徴とする。

このように形成することにより、振動子が非駆動状態においてポンプ室内の吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞するので、吸入弁または吐出弁の弾性力を大きくすることなく、非駆動状態においてポンプ室と外部との間における不測の流体の漏入および漏出の発生が確実に防止され、流体移送を確実に行うことができる。

第２の手段として、本発明の往復動式ポンプは、前記振動子が、当該振動子に取り付けられている永久磁石の磁力によって前記吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞する位置に保持されるように形成されていることを特徴とする。

このように形成することにより、振動子に取り付けられている永久磁石の磁力を利用して振動子により吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞することができる。

第３の手段として、本発明の往復動式ポンプは、前記振動板に駆動力を付与する前記振動子の鍔部と振動板との接触面積を振動板の面積と近接させて、振動子が振動板から受ける反発力を大きくすることを特徴とする。

このように形成することにより、ポンプの駆動時に発生する騒音を減少させることができる。

第４の手段として、本発明の往復動式ポンプは、振動子もしくは振動子に取り付けられた部品が他の部品と当接する部分に緩衝材を設けることを特徴とする。

このように形成することにより、緩衝材によってポンプの駆動時に発生する騒音を減少させることができる。

本発明の往復動式ポンプはこのように形成され作用するものであるから、非駆動状態においても吸入弁や吐出弁の弾性力を高めることなく確実に流体の漏入および漏出を防止することができ、かつポンプの駆動時に発生する騒音を減少させることができるなどの極めて優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図１および図２により説明する。

図１および図２は本発明の往復動式ポンプの１実施形態を示し、図１は非駆動状態における振動子の位置を示す断面図であり、図２は駆動状態における流体の吸入状態を示す断面図である。

本実施形態の往復動式ポンプ１は、図１に示すように、主として電磁石１２の極性を切り替えることによって振動子９を往復駆動させることが出来る磁場駆動機構部２と、流体の吸入と吐出を交互に行うことが出来るポンプ本体４とによって形成されている。

また、往復動式ポンプ１の方向の名称は、図１右側にある磁場駆動機構部２が配置される方向を駆動側ＤＳ、図１左側にある流体の吸入と吐出を行うポンプ本体４が配置される方向を流体側ＦＳとする。

磁場駆動機構部２は、主として筒状のコイル保持部材８とコイル保持部材８の外周部に巻かれたコイル７で構成される円筒状の電磁石１２と、電磁石１２を囲む円筒の筒状外鉄芯１６と共に電磁石１２の磁気閉回路を形成するためにコイル保持部材８の中心孔の内部に設置されている円筒状の筒状内鉄芯５と、筒状内鉄芯５の中心孔内に軸方向移動自在に遊挿されている中心軸部２２およびこの中心軸部２２の両端部（ＤＳ側およびＦＳ側）に取り付けられている永久磁石２６（２６Ｄ、２６Ｆ）とによって形成されている振動子９と、この振動子９のＦＳ側に取り付けられた振動板３とによって形成されている。

前記コイル保持部材８は、非磁性体、例えば樹脂などで形成されており、筒状内鉄芯５の両端に形成されているフランジ６Ｄおよび６Ｆの間に装着されている。また、コイル保持部材８の外周のＤＳ側とＦＳ側の両端近傍には、それぞれ外側方向に向かう環状の接続壁１１が形成されており、両接続壁１１の間にコイル７が丁度装着されている。また、両接続壁１１の外周端部からは、それぞれ軸方向の外側に大径筒状部１５が軸方向に沿って延出形成されている。各大径筒状部１５の外周は、コイル７の軸方向の外側に設置された円筒状の筒状外鉄芯１６に固着されている。また、ＤＳ側に位置する大径筒状部１５の先端は、ＤＳ側に位置する樹脂などの非磁性体で環状に形成された保持ケース１７の内側面の外周近傍に形成された取付溝１７ａに固着されている。また、コイル保持部材８のＦＳ側に位置する大径筒状部１５の先端には、接続筒状部１８が形成されている。この接続筒状部１８は二重環状に形成されており、前記二重環状の接続筒状部１８は内径寸法が大径筒状部１５の内径寸法とほぼ同一の寸法に形成された内側筒部１８ａと、内側筒部１８ａの中心軸から外側に間隔をおいて形成された大径の外側筒部１８ｂとによって形成されている。更に、外側筒部１８ｂの軸方向の寸法は、内側筒部１８ａの寸法より長く形成されている。この外側筒部１８ｂの内周側には、ＤＳ側が開口部になっているコップ状の内ケース１９が固着されており、外側筒部１８ｂの外周側にはＤＳ側が開口部になっていて内ケース１９を内部に収納可能なコップ状の外ケース２０が固着されている。なお、内側筒部１８ａと内ケース１９とによって振動板３の外周部分が挟持されている。また、前記振動板３と内ケース１９によってポンプ室２１が形成されている。

電磁石１２のコイル７に対しては、往復動式ポンプ１を制御するプログラムなどの指示を受けて外部電源から所定の高さの正負の電圧を周期的に端子（図示しない）を介して印加されるようになっている。これにより、筒状内鉄芯５のＤＳ側のフランジ６Ｄに形成される第１磁極１３と、筒状内鉄芯５のＦＳ側のフランジ６Ｆに形成される第２磁極１４とは相互に異なる極性を周期的に切り換えられる。

また、振動子９は、電磁石１２の影響を受けない樹脂などの非磁性体あるいはオーステナイト系ステンレス鋼などの不感磁性体により形成されていて、軸方向であるＤＳ側やＦＳ側に所定のストロークをもって往復振動することが可能となっている。ＦＳ側への最大ストローク位置は、後に説明する振動子９の鍔部９ａが吸入弁３４の傘部３４ａと当接する位置であり、ＤＳ側への最大ストローク位置は、磁石ホルダー２４Ｆとフランジ６Ｆとが当接する位置である。なお、振動子９は筒状内鉄芯５の寸法よりも長い棒状であり、両端部が往復振動中も常に筒状内鉄芯５の孔から突出するように形成されている。また、振動子９のＦＳ側の端部には振動子９の軸本体２２の外径より大きく鍔状に形成された円筒状の鍔部９ａが形成されている。振動子９の鍔部９ａの外径は、後に説明する吸入弁３４の傘部３４ａの頭部と少なくとも当接が可能になる程度の寸法を有してる。そして、前記振動子９のＤＳ側とＦＳ側とには、永久磁石２６Ｄおよび２６Ｆを固定する磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆが装着されている。

ＤＳ側の磁石ホルダー２４ＤおよびＦＳ側の磁石ホルダー２４Ｆは、磁性体、例えば筒状内鉄芯５と同様の強磁性体によって円筒状に形成されている。これらの各磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆは、コイル保持部材８の各大径筒状部１５のそれぞれの内部空間に配置されている。磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆの軸方向の内端面の外周側には環状に形成された永久磁石２６Ｄおよび２６Ｆがその軸方向の両端側より挟持されている。更に、磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆのフランジ６Ｄおよび６Ｆ側には、防振ゴムなどによりほぼ段付き環状に形成された緩衝材２７がそれぞれ固着されている。この緩衝材２７の軸方向の内端面は、筒状内鉄芯５のフランジ６Ｄおよび６Ｆの端面と対向するよう配置されている。

各磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆに設置されている環状の各永久磁石２６Ｄおよび２６Ｆは、それぞれ筒状内鉄芯５のフランジ６Ｄおよび６Ｆの外周とコイル保持部材８の大径筒状部１５の内周との間に配置されている。また、各永久磁石２６Ｄおよび２６Ｆは内側がそれぞれ同極、例えば電磁石１２の端面と向き合う内側がＳ極またはＮ極となるように各磁石ホルダー２４Ｄおよび２４Ｆに固着されている。また、各永久磁石２６Ｄおよび２６Ｆは、それぞれの内周が筒状内鉄芯５のフランジ６Ｄおよび６Ｆと向かい合うように配置されている。

振動板３は、非磁性体で弾性を有する素材、例えばゴム様弾性体、樹脂、オーステナイト系ステンレス鋼などの不感磁性金属などにより、全体としてほぼ環状の薄膜状に形成されている。なお、振動板３の断面形状としては、設計目的に応じて、波状などの周知の各種形状から任意選択使用することが可能である。この振動板３の中心部は、振動子９の鍔部９ａと磁石ホルダー２４Ｆとによって挟持されて、振動子９からの駆動力が付与される。鍔部９ａと磁石ホルダー２４Ｆとによって振動板３が挟持される面積（接触面積）が拡大すると、振動子９がＤＳ方向に振動した時に振動板３が与えるＦＳ方向の反発力が大きくなる。すなわち、鍔部９ａの外径の拡大によって振動子９が振動したときに起こる磁石ホルダー２４Ｆとフランジ６Ｆの当接による騒音を緩和することが可能となる。また、振動板３が屈折しやすいように振動子の接触面９ｂの外周付近に凸部（図示せず）を設けることが好ましい。

ポンプ室２１の左隣に位置する内ケース１９と外ケース２０の隙間には、吸入室３０と吐出室３１がそれぞれ独立して形成されている。そして、内ケース１９のＦＳ側に配置されている側壁１９ａにはポンプ室２１と吸入室３０並びに吐出室３１とを貫通する吸入孔３２並びに吐出孔３３が形成されている。吸入孔３２はゴム弾性体などの弾性体で形成されている吸入弁３４の基軸部３４ｂを保持している。この吸入弁３４は逆止弁としての機能を有するように頭部に傘状の傘部３４ａが形成されており、その傘部３４ａを漏出を防止ために内ケース１９のＤＳ方向側に配して設置されている。同様にして、吐出孔３３はゴム弾性体などの弾性体で形成されている吐出弁３５の基軸部３５ｂを保持している。この吐出弁３５は逆止弁としての機能を有するように頭部に傘状の傘部３５ａが形成されており、その傘部３５ａを漏入を防止ために内ケース１９のＦＳ方向側に配して設置されている。そして、外ケース２０の側壁２０ａの外端面には、吸入室３０に連通する吸入ノズル３６と、吐出室３１に連通する吐出ノズル３７とがＦＳ側に向かってそれぞれ突出形成されている。

次に、前述した構成からなる本実施形態の作用について説明する。

まず、非駆動状態の作用を説明する。

図１は前述したように本発明の往復動式ポンプ１における非駆動状態での振動子の位置を示している。往復動式ポンプ１を制御するプログラムなどが往復動式ポンプ１を停止する際に、電磁石１２の極性をＤＳ側の永久磁石２６Ｄの極性と協働して永久磁石２６Ｄを電磁石１２側に吸引する方向に通電した状態で通電を停止させるようにして、振動子９がＦＳ方向へ移動させられて吸入弁３４の傘部３４ａを押圧した状態で停止する指令を出す。これにより、振動子９のＤＳ側にある永久磁石２６Ｄと強磁性体で形成されているフランジ６Ｄが磁石ホルダー２４Ｄを介して互いに吸引した着磁状態となる。よって、ポンプ室２１内にある流体の圧力と、吸入ノズル３６または吐出ノズル３７の内部にある流体の圧力に大きな差がある場合においても、振動子９は永久磁石２６Ｄの磁力によって固定状態に保持されるために、非駆動状態においても流体の漏入および漏出を完全に防止することが可能となる。

次に、流体の吐出動作を説明する。

本発明の往復動式ポンプ１の駆動状態における流体の吐出は、図１の中に示されている吐出弁３１がＦＳ方向に開いた状態であること以外は図１と同様の状態であるために、本発明の往復動式ポンプ１の駆動状態における流体の吐出を図１を用いて説明する。

ポンプ室２１内にある流体の吐出の場合、図示しない制御部からの制御指令に基づいて電磁石１２の磁極の極性が切り替わり、第１磁極１３と永久磁石２６Ｄの極性が対極（Ｎ極とＳ極）になることでフランジ６Ｄと永久磁石２６Ｄは引力によって磁石ホルダー２４Ｄを介して着磁する。また、第２磁極１４と永久磁石２６Ｆの極性が同極となることでフランジ６Ｆと永久磁石２６Ｆの間に斥力が働いて、フランジ６Ｆと永久磁石２６Ｆの間隔は広がる。前記引力および斥力によって振動子９がＦＳ側に移動を行い、振動板３がＦＳ側に伸びてポンプ室２１の容積が減少する。

ポンプ室２１の容積が減少するとポンプ室２１にある流体の圧力が上昇するため、吐出弁３５の傘部３５ａは内ケース１９の側壁１９ａのＦＳ側に位置する外側面から離れる。その結果、ポンプ室２１の流体は吐出孔３３から吐出室３１を介して吐出ノズル３７に流出する。

なお、流体の圧力が最も上昇する時に振動子９は鍔部９ａをもって吸入弁３４の傘部３４ａに当接しているので、往復動式ポンプ１の駆動状態においてもポンプ室２１内にある流体は吸入弁３４から逆流して漏出することが出来ない。更に、図示はしないが振動子９に各弁体３４、３５と連結する棒などを接続した場合、弁体３４、３５の材質に関係なく振動子９の振動にあわせて各弁体３４、３５を強制開閉させる機構を形成することが可能となる。

次に、流体の吸入動作を説明する。

容積が減少したポンプ室２１から流体が所定量流出すると、図示しない制御部からの制御指令に基づいて電磁石１２の磁極の極性が切り換えられる。つまり、第１磁極１３と第２磁極１４の極性をコイル７に逆の電流を流すことによって、吐出時と相互に逆転させて、振動子９の移動方向を図１のＦＳ側から図２のＤＳ側に変化させる。

図２は、本実施形態のポンプ１における流体の吸入状態を示している。

ポンプ室２１内への流体の吸入の場合、図示しない制御部からの制御指令に基づいて電磁石１２の磁極の極性が切り替わり、第２磁極１４と永久磁石２６Ｆの極性が対極になることによりフランジ６Ｆと永久磁石２６Ｆとが引力によって磁石ホルダー２４Ｆを介して着磁する。また、第１磁極１３と永久磁石２６Ｄの極性が同極となることによりフランジ６Ｄと永久磁石２６Ｄの間に斥力が働いて、フランジ６Ｄと永久磁石２６Ｄの間隔は広がる。前記引力および斥力によって振動子９がＤＳ側に移動を行い、振動板３がＤＳ側に伸びてポンプ室２１の容積が増加する。

ポンプ室２１の容積が増加するとポンプ室２１にある流体の圧力が減少するため、吸入弁３４の傘部３４ａは内ケース１９の側壁１９ａのＤＳ側に位置する内側面から離れる。その結果、吸入ノズル３６および吸引室３１内の流体は吸入孔３２からポンプ室２１内に流入する。

往復動式ポンプ１が駆動されると、吐出状態においては振動子９と吸入弁３４の傘部３４ａの当接もしくは磁石ホルダー２４Ｄとフランジ６Ｄの当接、吸入状態においては磁石ホルダー２４Ｆとフランジ６Ｆの当接が起こるため、往復動式ポンプ１の駆動中は騒音が発生する。本実施形態においては、騒音を緩和させるために前記の当接部分にフェルト、ゴムなどの緩衝材２７が固着されているので、騒音の発生が確実に防止される。

また、振動子９がＤＳ方向に振動する吸入状態においては、前記したように振動板３と振動子９の鍔部９ａとの接触面積を拡大させることにより、振動板３が与えるＦＳ方向の反発力が大きくなって、磁石ホルダー２４Ｆとフランジ６Ｆの当接力を減少させるので、両者の当接による騒音を緩和させることが可能となる。

本実施形態のポンプ１によれば、振動子９の鍔部９ａと吸入弁３４の傘部３４ａの当接による吸入弁の強制閉塞によって、流体の吸入および吐出が確実に可能となるため、往復動式ポンプ１の吸入および吐出流量を正確に保持することが可能となり、かつポンプ駆動時に発生する騒音を緩和させることが可能となる。

なお、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、本実施例では往復動式ポンプを小型化するためにポンプ室は１つのみであったが、２以上のポンプ室を有する往復動式ポンプにおいても同様の効果を得られる。

本発明の往復動式ポンプの１実施形態における非駆動状態での振動子の位置を示す断面図 図１の本発明の往復動式ポンプにおける駆動状態での流体の吸入状態を示す断面図 従来の往復動式ポンプにおける駆動状態での流体の吐出を示す部分断面図 従来の往復動式ポンプにおける流体の漏入および漏出を示す部分断面図

符号の説明

１ 往復動式ポンプ
３ 振動板（ダイアフラム）
９ 振動子
９ａ 振動子の鍔部
１２ 電磁石
２１ ポンプ室
２６Ｄ ＤＳ側永久磁石
２６Ｆ ＦＳ側永久磁石
２７ 緩衝材
３４ 吸入弁
３５ 吐出弁
ＤＳ 駆動側
ＦＳ 流体側

Claims (4)

1. 振動子によって駆動される振動板によりポンプ室の容積を変化させる往復動式ポンプにおいて、前記振動子が非駆動状態において前記ポンプ室内の吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞するように形成されていることを特徴とする往復動式ポンプ。
2. 前記振動子は、当該振動子に取り付けられている永久磁石の磁力によって前記吸入弁または吐出弁を強制的に閉塞する位置に保持されるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の往復動式ポンプ。
3. 前記振動板に駆動力を付与する前記振動子の鍔部と振動板との接触面積を振動板の面積と近接させて、振動子が振動板から受ける反発力を大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の往復動式ポンプ。
4. 振動子もしくは振動子に取り付けられた部品が他の部品と当接する部分に緩衝材を設けることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の往復動式ポンプ。