JP2006132476A - 圧電気体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を用いながら、気体の圧縮が可能な圧電気体ポンプを得る。
【解決手段】平面円形の容積室形成凹部と、この容積室形成凹部と同心のＯリング収納環状溝と、上記容積室形成凹部に連通する吸入ポートと吐出ポートとを有するハウジング；及びこのＯリング収納環状溝に収納されたＯリング上に密着載置されて上記容積室形成凹部との間に可変容積室を形成し、交流電力供給により振動する圧電振動子；を有し、該圧電振動子の振動により上記吸入ポートから可変容積室に気体を吸入し吸入した気体を吐出ポートから吐出する圧電気体ポンプにおいて、ハウジングのＯリング収納環状溝の内周エッジを容積室形成凹部の周縁部に交差させた圧電気体ポンプ。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電振動子を用いた気体ポンプに関する。

圧電振動子を用いたポンプは一般に、圧電振動子によって可変容積室を形成し、この可変容積室に吸入ポートと吐出ポートを開口させている。圧電振動子を振動させると可変容積室の容積が変化し、容積が拡大する行程では吸入ポートから流体を吸入し、容積が縮小する行程では流体を吐出する動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。
特開２００２-１０６４７０号公報 特開平７-３０１１８３号公報

この圧電ポンプは従来、液体（非圧縮性流体）にのみ用いられていた。これは、圧電振動子の変位量が最大でも直径の０．５％程度と小さく、圧縮性の気体に対しては十分な圧縮比を得ることが困難であるという理由による。圧縮比は、吐出完了時に可変容積室の容積を零にできれば理論上最大となるが、従来このようなポンプは実現不可能と考えられていた。しかし、本発明者によれば、圧電振動子は変位量は僅かでも高周波数（例えば１０００Ｈｚ以上）での運転が可能であり、圧縮比を高めることができれば、十分気体ポンプとして使用できる。

本発明は従って、圧電振動子を用いながら、気体の圧縮が可能な圧電気体ポンプを得ることを目的とする。

本発明は、気体ポンプとして用いる際の最大の問題点は、吐出完了時に如何に可変容積室の容積を最小にするかにあるとの問題意識に基づき、圧電振動子を容積室形成凹部に容易に沿わせることができる構造について研究の結果、可変容積室形成凹部とＯリング収納溝との好ましい関係を見出してなされたものである。

本発明は、平面円形の容積室形成凹部と、この容積室形成凹部と同心のＯリング収納環状溝と、上記容積室形成凹部に連通する吸入ポートと吐出ポートとを有するハウジング；及びこのＯリング収納環状溝に収納されたＯリング上に密着載置されて上記容積室形成凹部との間に可変容積室を形成し、交流電力供給により振動する圧電振動子；を有し、該圧電振動子の振動により上記吸入ポートから可変容積室に気体を吸入し吸入した気体を吐出ポートから吐出する圧電気体ポンプにおいて、ハウジングの容積室形成凹部を構成する曲面中に、Ｏリング収納環状溝の内周エッジを形成したことを特徴としている。

この内周エッジは、Ｏリング収納環状溝の外周エッジより低く形成することが好ましい。

容積室形成凹部は、中央部が最も深く周辺部に向けて深さを滑らかに減じるすり鉢状に形成するのが好ましく、Ｏリング収納環状溝の内周エッジは、このすり鉢状凹部の周縁部に交差させる。

圧電振動子は、Ｏリング上に位置する部分を含んでその内側が変形（振動）するものであれば使用可能である。より具体的には、中心部の円形金属材料からなるシムと、このシムの表裏面中央に積層形成した一対の円形圧電体と、この一対の円形圧電体の外囲に接し上記シムの周縁表裏に位置する一対の弾性リング部材と、少なくとも可変容積室側の円形圧電体と弾性リング部材を接着する接着フィルムとからなる圧電振動子を用い、円形圧電体と弾性リング部材の境界部分をＯリング上に位置させるのがよい。

ハウジングの容積室形成凹部の形状及び深さは、最大負荷時に圧電振動子が振動するとき、該圧電振動子の全面が該凹部に接触するように定めるのが好ましい。

圧電振動子の気体吸入時の過剰な変形を防止し、圧電振動子の全面が容易に容積室形成凹部に接触するようにするため、可変容積室と反対側の面に背圧室を形成し、この背圧室に吐出ポートに連通する排気通路の背圧を及ぼすことが好ましい。
背圧室には、該背圧室への加圧気体の流入を許し、その逆の気体の流れを阻止する逆止弁を設けるのがよい。

圧電振動子は、ユニモルフ型、バイモルフ型、積層型等、交流電圧の印加により振動する圧電振動子であれば、いずれも使用できる。

本発明によれば、自由状態で平面からなる（自由状態では曲面として形成することが不可能な）圧電振動子を吐出完了状態において圧電振動子を可及的に容積室形成凹部に沿わせること、つまり可変容積室の容積を可及的に零に近づけることが可能となるため、気体用の圧電ポンプを得ることができる。

図１ないし図４は、本発明による圧電気体ポンプの一実施形態を示している。ハウジング１０には、その上面中央に、平面円形の容積室形成凹部１１が形成されている。この容積室形成凹部１１は、中心部が最も深く周縁に向けて滑らかに深さを減じるすり鉢状をなしている。その最大深さは、図４では特に誇張して描いているが、その径の１／３００〜１／１０００程度である。

ハウジング１０は、吸気通路２０と排気通路３０を有するベース部材Ｂ上に固定されており、容積室形成凹部１１には、その中心に関し対称な位置に、この吸気通路２０に連通する吸入ポート２１と排気通路３０に連通する吐出ポート３１が開口している。吸入ポート２１は、容積室形成凹部１１に面する大径凹部２１ａを有しており、この大径凹部２１ａには、中心部にアンブレラ支持孔２１ｂが形成され、周縁部に複数の連通穴２１ｃが形成されている。容積室形成凹部１１（ハウジング１０）の裏面には、アンブレラ支持孔２１ｂに通じる小径凹部２１ｄが形成されている。吐出ポート３１は、吸入ポート２１とは逆に、容積室形成凹部１１に面する小径凹部３１ａを有しており、この小径凹部３１ａには、中心部にアンブレラ支持孔３１ｂが形成され、周縁部に複数の連通穴３１ｃが形成されている。また容積室形成凹部１１（ハウジング１０）の裏面には、大径凹部３１ｄが形成されている。

吸入側アンブレラ（逆止弁）２２には、吸入ポート２１の大径凹部２１ａに最小のクリアランスで嵌まる逆止弁盤部２２ａと、アンブレラ支持孔２１ｂに嵌まる軸部２２ｂと、小径凹部２１ｄに支持される抜け止め凸部２２ｃとを有している。吐出側アンブレラ（逆止弁）３２は、吐出ポート３１の小径凹部３１ａに最小のクリアランスで嵌まる抜け止め凸部３２ａと、アンブレラ支持孔３１ｂに嵌まる軸部３２ｂと、大径凹部３１ｄに支持される抜け止め凸部３２ｃとを有している。吸入側アンブレラ２２は、吸気通路２０から容積室形成凹部１１内への気体流を許し、その逆の気体流を許さない。吐出側アンブレラ３２は、容積室形成凹部１１から排気通路３０への気体流を許し、その逆の気体流を許さない。

吸入側アンブレラ２２の逆止弁盤部２２ａは、吸入ポート２１の大径凹部２１ａに最小のクリアランスで嵌まり、吐出側アンブレラ３２の抜け止め凸部３２ａは、吐出ポート３１の小径凹部３１ａに最小のクリアランスで嵌まる。さらに、吸入側アンブレラ２２の逆止弁盤部２２ａと吐出側アンブレラ２３の抜け止め凸部３２ａは、容積室形成凹部１１の面形状に沿う形をしている。

ハウジング１０には、容積室形成凹部１１と同心に、Ｏリング収納環状溝１２が形成されている。このＯリング収納環状溝１２は、該環状溝の中心軸と同心の内外の縦壁１２ａ、１２ｂと、この内外の縦壁１２ａ、１２ｂと直交する底壁１２ｃとを有しており、内周縦壁１２ａが容積室形成凹部１１の曲面中に形成されている（内周縦壁１２ａの上端部内周エッジ１２ａ’が容積室形成凹部１１の曲面に交差している）。すなわち、容積室形成凹部１１は上述のように、すり鉢状の曲面からなっており、内周エッジ１２ａ’は、この曲面の周縁部に交差している（容積室形成凹部１１と内周エッジ１２ａ’は一本の円形エッジによって画成されている）。その結果、内周エッジ１２ａ’の断面は、図４に誇張して示すように、９０゜より小さい角度をなしている。また、Ｏリング収納環状溝１２の外周縦壁１２ｂの上端部エッジ１２ｂ’は、Ｏリング収納内周エッジ１２ａ’より高い。外周エッジ１２ｂ’の外周側には、環状溝１２の軸線に直交する振動子支持面（挟着面）１２ｄが形成されている。

圧電振動子１３は、この実施形態ではバイモルフ型を用いている。図５は、バイモルフ型圧電振動子１３の模式図で、中心部の平面円形の金属材料からなるシム１３ａと、その上下（表裏）の中央に積層形成した平面円形の一対の圧電体１３ｂと、シム１３ａの上下（表裏）の周縁部に圧電体１３ｂの外囲に接触させて積層形成した一対の弾性リング部材１３ｃとを有しており、表裏の圧電体１３ｂと弾性リング部材１３ｃがそれぞれ接着保護フィルム１３ｄで接着されている。

シム１３ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板や鉄系合金または銅薄板から構成される。圧電体１３ｂは、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。この分極処理は、シム１３ａの表裏に位置する一対の圧電体１３ｂにおいて同方向である。つまり、図において、一対の圧電体１３ｂの分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、分極方向はシム１３ａを挟んで同一方向である。

一対の圧電体１３ｂのシム１３ａ側の面は、該シム１３ａと全面的に導通するように接着され、シム１３ａ側と反対の露出面には、全面的に膜状電極が形成されている。この膜状電極は、例えば導電ペースト（銀ペースト）を印刷（スクリーン焼成）することで形成することができる。また、膜状電極はシム側にも形成することがある。これらの膜状電極の材料や形成方法は各種周知である。

以上のバイモルフ型圧電振動子１３は、シム１３ａを一方の共通電極とし、一対の圧電体１３ｂの露出面（膜状電極）を他方の共通電極として、交番電界を与えると、表裏の一方が伸び他方が縮む（正逆に弾性変形する）動作が繰り返される。図では、シム１３ａと圧電体１３ｂに接続される配線の図示は省略している。

以上の圧電振動子１３は、Ｏリング収納環状溝１２内にＯリング１４を収納した状態で、芯合わせをして該Ｏリング１４及びＯリング収納環状溝１２の振動子支持面１２ｄ上に載置され、カバー部材１５の周縁に形成した環状押圧面１５ａと振動子支持面１２ｄとの間に挟着保持される。その結果、容積室形成凹部１１と圧電振動子１３との間に可変容積室１１ａが形成される。Ｏリング１４と圧電振動子１３は、この状態において、図４に示すように、Ｏリング１４上に、圧電振動子１３の圧電体１３ｂと弾性リング部材１３ｃの境界部Ｘが位置するように寸法が設定されている。このように、圧電振動子１３の変形部分（圧電体１３ｂ）をＯリング１４上に位置させ、容積室形成凹部１１の形状と深さを圧電振動子１３の変形性能を考慮して定めることにより、圧電振動子１３を容積室形成凹部１１側に変形させるとき、可及的に圧電振動子１３の全面を容積室形成凹部１１に沿わせることができる。

カバー部材１５には、環状押圧面１５ａの内側に圧電振動子１３との間に背圧室１６を形成する凹部１５ｂが形成されている。カバー部材１５とハウジング１０には、図２に示すように、背圧室１６を排気通路３０に連通させる背圧通路１７が形成されており、この背圧通路１７と背圧室１６は、背圧ポート１８を介して連通している。背圧ポート１８は、吸入ポート２１、吐出ポート３１と同一構造であり、背圧室１６に面する大径凹部１８ａを有し、この大径凹部１８ａには、中心部にアンブレラ支持孔１８ｂが形成され、周縁部に複数の連通穴１８ｃが形成されている。背圧室１６の裏面には、アンブレラ支持孔１８ｂに通じる小径凹部１８ｄが形成されている。背圧アンブレラ（逆止弁）１９は、背圧ポート１８の大径凹部１８ａに最小のクリアランスで嵌まる逆止弁盤部１９ａと、アンブレラ支持孔１８ｂに嵌まる軸部１９ｂと、小径凹部１８ｄに支持される抜け止め凸部１９ｃとを有している。背圧ポート１８（背圧アンブレラ１９）は、背圧通路１７から背圧室１６内への気体流を許し、その逆の気体流を許さない。なお、背圧室１６の密閉性を高めるため、図４に示すように、可変容積室側と同様の構造でＯリングを設けることができる。

上記構成の圧電気体ポンプは次のように作動する。図示しない電源回路によりバイモルフ型圧電振動子１３のシム１３ａと表裏の圧電体１３ｂの両面に交番電界を与えると、該圧電振動子１３が正逆に弾性変形（振動）する。圧電振動子１３が背圧室１６側に弾性変形するとき（可変容積室１１ａの容積が増大する方向に弾性変形するとき）、吸入ポート２１（吸入側アンブレラ２２）が開いて吸気通路２０から可変容積室１１ａ内に気体（空気）が流入し、容積室形成凹部１１側に変形するとき（可変容積室１１ａの容積を減少させる方向に変形するとき）、吐出ポート３１（吐出側アンブレラ３２）が開いて可変容積室１１ａ内の気体が排気通路３０に吐出される。排気通路３０からの吐出圧力は、背圧通路１７、背圧ポート１８（背圧アンブレラ１９）を介して背圧室１６に及ぼされる。

このポンプ動作において、Ｏリング１４を収納したＯリング収納環状溝１２の内周エッジ１２ａ’は容積室形成凹部１１の周縁部に交差している（臨んでいる）ため、圧電振動子１３は吐出サイクルのときに容積室形成凹部１１に全面的に沿うように弾性変形することができ、可変容積室１１ａの容積を可及的に零にすることができる。また、Ｏリング収納環状溝１２の内周エッジ１２ａ’が外周エッジ１２ｂ’より低いことも、圧電振動子１３を滑らかに変形させるために効果がある。さらに吸入側アンブレラ２２の逆止弁盤部２２ａと吐出側アンブレラ２３の抜け止め凸部３２ａが、容積室形成凹部１１の面形状に沿う形をしている点も可変容積室１１ａの容積を可及的に零にするために有利である。従来のＯリング収納環状溝では、内周エッジ１２ａ’の内側にも、外側の振動子支持面１２ｄと同様の軸線に直交する振動子支持面が形成されており、この振動子支持面が圧電振動子１３の容積室形成凹部１１に沿う滑らかな変形を妨げていた。なお、背圧室１６を形成しない場合には、背圧室１６側の接着保護フィルム１３ｄは省略することが可能である。

また、Ｏリング１４上に、圧電振動子１３の圧電体１３ｂと弾性リング部材１３ｃの境界部Ｘを位置させることで、より確実に圧電振動子１３を容積室形成凹部１１に密着させることができる。さらに、背圧室１６には、可変容積室１１ａから圧縮気体が吐出される際の背圧が及ぼされるため、可変容積室１１ａの容積が増大する際の圧電振動子１３の変形が抑制される。以上の相乗効果により、圧電振動子１３の正逆の振動による圧縮比を高め、気体ポンプとして動作させることができる。

図６と図７は、背圧室１６に排気通路３０の背圧を及ぼす場合（図６）と、及ぼさない場合（図７）との性能を比較したものである。両図の（Ａ）は、流量と圧電振動子１３の駆動周波数との関係、（Ｂ）は流量と吐出側の負荷との関係を調べたものであり、図７の比較例では、比較例１から３を調べている。背圧室１６に背圧を導くか否か以外の構成は、同一である。

この性能比較から明らかなように、背圧室１６に背圧を導くことにより、同一駆動周波数であれば流量を増加させることができること、及び同一負荷であれば流量を高めることができることが分かる。

背圧室１６に背圧を導く以上の実施形態は、圧縮比を高めるために効果があるが、背圧室１６に背圧を導く構成を省略しても、本発明の圧電ポンプは気体ポンプとして動作させることができる。

本発明による圧電気体ポンプの一実施形態を示す分解斜視図である。 組立状態における図１のII-II線に沿う断面図である。 ハウジングの平面図である。 図３のIV-IV線に沿う、縦方向を拡大して示す断面図である。 バイモルフ型圧電振動子の模式分解斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明による圧電気体ポンプの特性例を示すグラフ図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、比較例の圧電気体ポンプの特性例を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１１ 容積室形成凹部
１１ａ 可変容積室
１２ Ｏリング収納環状溝
１２ａ 内周縦壁
１２ｂ 外周縦壁
１２ａ’ 内周エッジ
１２ｂ’ 外周エッジ
１２ｃ 底壁
１２ｄ 振動子支持面（挟着面）
１３ 圧電振動子
１３ａ シム
１３ｂ 圧電体
１３ｃ 弾性リング部材
１３ｄ 接着保護フィルム
１４ Ｏリング
１５ カバー部材
１５ａ 環状押圧面
１５ｂ 凹部
１６ 背圧室
１７ 背圧通路
１８ 背圧ポート
１８ａ 大径凹部
１８ｂ アンブレラ支持孔
１８ｃ 連通穴
１８ｄ 小径凹部
１９ 背圧アンブレラ（逆止弁）
１９ａ 逆止弁盤部
１９ｂ 軸部
１９ｃ 抜け止め凸部
２０ 吸気通路
２１ 吸入ポート
２１ａ ３１ｄ 大径凹部
２１ｂ ３１ｂ アンブレラ支持孔
２１ｃ ３１ｃ 連通穴
２１ｄ ３１ａ 小径凹部
２２ 吸入側アンブレラ（逆止弁）
２２ａ 逆止弁盤部
２２ｂ ３２ｂ 軸部
２２ｃ ３２ａ ３２ｃ 抜け止め凸部
３０ 排気通路
３１ 吐出ポート
３２ 吐出側アンブレラ（逆止弁）
Ｂ ベース部材
Ｘ 境界部

Claims (7)

1. 平面円形の容積室形成凹部と、この容積室形成凹部と同心のＯリング収納環状溝と、上記容積室形成凹部に連通する吸入ポートと吐出ポートとを有するハウジング；及び
   このＯリング収納環状溝に収納されたＯリング上に密着載置されて上記容積室形成凹部との間に可変容積室を形成し、交流電力供給により振動する圧電振動子；
   を有し、
   該圧電振動子の振動により上記吸入ポートから可変容積室に気体を吸入し吸入した気体を吐出ポートから吐出する圧電気体ポンプにおいて、
   ハウジングの上記容積室形成凹部を構成する曲面中に、上記Ｏリング収納環状溝の内周エッジを形成したことを特徴とする圧電気体ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電気体ポンプにおいて、上記Ｏリング収納環状溝の内周エッジは、該Ｏリング収納環状溝の外周エッジより低い位置に形成されている圧電気体ポンプ。
3. 請求項１または２記載の圧電気体ポンプにおいて、上記容積室形成凹部は、中央部が最も深く周辺部に向けて深さを滑らかに減じるすり鉢状をなしている圧電気体ポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の圧電気体ポンプにおいて、上記圧電振動子は、中心部の円形金属材料からなるシムと、このシムの表裏面中央に積層形成した一対の円形圧電体と、この一対の円形圧電体の外囲に接し上記シムの周縁表裏に位置する一対の弾性リング部材と、少なくとも可変容積室側の円形圧電体と弾性リング部材を接着する接着フィルムとからなり、
   上記円形圧電体と弾性リング部材の境界部分が上記Ｏリング上に位置している圧電気体ポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電気体ポンプにおいて、ハウジングの上記容積室形成凹部の形状及び深さは、最大負荷時に上記圧電振動子が振動するとき、該圧電振動子の全面が該凹部に接触するように定められている圧電気体ポンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧電気体ポンプにおいて、上記圧電振動子の可変容積室と反対側の面には背圧室が形成されており、この背圧室に吐出ポートに連通する排気通路の背圧が及ぼされている圧電気体ポンプ。
7. 請求項６記載の圧電気体ポンプにおいて、上記背圧室には、該背圧室への加圧気体の流入を許し、その逆の気体の流れを阻止する逆止弁が備えられている圧電気体ポンプ。

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