JP2006207436A - 圧電ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電ダイヤフラムポンプにおいて、被駆動ユニットを交換可能とし、駆動ダイヤフラムの振動を効率良く被駆動ユニットに伝達することができるようにする。
【解決手段】圧電ダイヤフラムポンプＰは、駆動ユニット１と、被駆動ユニット２と、固定ユニット３とを備え、被駆動ユニット２は、駆動ダイヤフラム１２からの駆動が伝達される従動膜２４ａを備え、この従動膜２４ａを上に凸形状に形成したことにより、従動膜２４ａは、その中央部から駆動ダイヤフラム１２に接触するので、確実な接触と、高い伝達効率が得られ、高速の駆動にも追従する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子をアクチュエータとして用いた圧電ダイヤフラム型ポンプに関するものである。

圧電素子をアクチュエータとして用いた圧電ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムの撓みが増減し、ポンプ室の内容積が増減することで吸入側の弁より動作流体を吸入し、排出側の弁より動作流体を吐出するものである。撓みの増減は、円盤状の圧電素子の上下面に設けられた電極に電流が供給されることにより、圧電素子が径方向に伸縮することで実現される。

圧電素子をアクチュエータとして使用する際におけるダイヤフラム構造を用いるメリットは、径方向の微小な撓みを厚み方向の大変位に変換可能であるため、低い印加電圧で圧電素子を駆動させることができることである。

一方、デメリットとして、発生する力は変位拡大率に反比例して小さくなることが挙げられる。

一般に液体を吐出するポンプにおいては、動作流体による内部の汚染が大きな問題となる。例えば、アルコールに粉体などの固形物を含有したものの場合、ポンプ内部に液体が残留すると、液体の各種成分が弁やパイプなどの構成部材に付着したり、場合によっては溶かしたりする可能性がある。

これにより、弁の開閉が正常に行われなかったり、弁の劣化が発生したりして、ポンプの寿命を著しく低下させる原因になるものと考えられる。このようなポンプの寿命低下の解決方法の一つとして、弁を含めたユニットを交換する等、流体が流れる部分を交換する構造が提案されている。

例えば、圧電素子にバイモルフ式ポンプを用いたポンプを、吸入弁付吸入口と送出弁付送出口とを設けた弁ユニツトと、圧電素子を組込んだ駆動ユニツトとに分割し、これを着脱自在にして、交換可能にしたものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この構成では、密閉性を高めるためには弾性部材をバイモルフに強く押しつける必要があり、強く押しつけるとバイモルフの振動を阻害するという問題がある。

また、他の従来例として、ポンプアクチュエータユニットと、これに着脱可能に取り付けられたポンプ接流ユニットからなる圧電ポンプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この圧電ポンプでは、取替え時の駆動ダイヤフラムと接液側ダイヤフラム（弾性膜）との結合が両面テープ等でなされているため、交換時に圧電ダイヤフラムを傷つける可能性があるという問題があった。

さらにまた、他の従来例として、ポンプ本体と吐出チューブとから構成される収液部を、ポンプ本体を着脱可能に収容する駆動部とポンプアクチュエータが固着された駆動体とからなる固定部に対して交換可能にした給液装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この給液装置では、伝達部材形状が平面状であるため伝達効率が小さく、両面テープなどの面接合部材を必要とするという問題があった。

しかし、圧電ダイヤフラムを駆動源とした場合、変位量は数十μｍ程度と非常に小さい。また、発生力も小さいため、変位を効率的に被駆動側に伝達する必要がある。従来の交換式構造のポンプは、アクチュエータに大きな変位を必要とするものであり、発生力の伝達効率が低いものであった。

そこで、これらの課題を解決するものとして、振動の伝達を良くするために空気又は液体を伝達媒質として用いた圧電ダイヤフラムポンプが提案されている（例えば、特許文献４参照）。図１０に、上記従来の圧電ダイヤフラムポンプを示す。同図において、圧電ダイヤフラムポンプ１００は、圧電素子１０２で駆動される駆動ダイヤフラム部１０１と押え部１０９の間に、交換可能な被駆動ダイヤフラム部１０４を挟んで構成されている。そして、被駆動ダイヤフラム１０５と駆動ダイヤフラム１０３との間の密閉空間１１１に、振動の伝達を良くするために空気又は液体の伝達媒質１１０が挿入されている。これにより、駆動ダイヤフラム１０３の振動は、伝達媒質１１０を介して、被駆動ダイヤフラム１０５に伝わり、この振動により、被駆動ダイヤフラム部１０４の被駆動空間１０６の流動液体が吸入弁、排出弁１０７を介して、連通パイプ１０８より、吸入又は吐出され、ポンプ動作が行われる。

この圧電ダイヤフラムポンプ１００では、被駆動ダイヤフラム部１０５が平面状に形成されており、その周囲部分と駆動ダイヤフラム１０３を密閉することで振動を伝達する。これにより、駆動ダイヤフラム１０３が吸入動作を行うときにも、内部の伝達媒質１１０が負圧となることにより被駆動ダイヤフラム１０５を引き上げて追従させ、吐出・吸入いずれの動作にも対応している。

しかしながら、上記圧電ダイヤフラムポンプ１００では、伝達媒質１１０としての空気又は液体が圧力によって体積の変化を生じるため、厳密には駆動ダイヤフラム１０３の振動を、そのまま被駆動ダイヤフラム１０５に伝えることは難しいという問題を含んでいた。特に、駆動ダイヤフラム１０３の振動周波数が低い間は、被駆動ダイヤフラム１０５の追従性は良いが、振動周波数が高速になると被駆動ダイヤフラム１０５の追従性が劣化する。
実用新案登録第０２５４２６２０号公報 実用新案登録第２５４２６２０号公報 特開平６−２４４９２号公報 特開２００４−３５３４９３号公報

本発明は、上記問題を解決するものであり、伝達媒質の空気や液体を用いず、簡単な構成で、駆動ダイヤフラムの振動を直接、被駆動膜に伝達することにより、被駆動ユニットを交換しても、高い伝達効率が得られ、高速の駆動にも追従できる圧電ダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、圧電素子を用いた圧電ダイヤフラムポンプにおいて、前記圧電素子と、この圧電素子の変形に応じて弾性変形されるダイヤフラム板とを有する駆動ダイヤフラムと、この駆動ダイヤフラムを支持する支持筐体とにより構成される駆動ユニットと、前記駆動ユニットにより駆動される被駆動ユニットと、前記被駆動ユニットを前記駆動ユニットに取り外し自在に固定する固定ユニットとを備え、前記被駆動ユニットは、前記駆動ダイヤフラムからの振動が伝達される従動膜部と、この従動膜部を固定する固定部と、この固定部と前記従動膜部とにより形成される内部空間に対して、流体を吸入及び吐出するために開閉動作をする弁と、この弁と連通し流体の吸入及び吐出を導く管路とを備え、前記従動膜部が前記駆動ダイヤフラム側に凸の形状であるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電ダイヤフラムポンプにおいて、前記従動膜部は、面内方向における応力当たりの伸び率が、面垂直方向における応力当たりの伸び率よりも大きいものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の圧電ダイヤフラムポンプにおいて、同心円状に複数の切り込み溝が形成されているものである。

請求項４の発明は、請求項１に記載の圧電ダイヤフラムポンプにおいて、前記従動膜部は、中央部の弾性係数が周辺部の弾性係数よりも大きいものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電ダイヤフラムポンプにおいて、前記従動膜部は、周辺部にベローズ部を有するものである。

請求項１の発明によれば、従動膜部がその中心を最高点とする凸形状であることにより、従動膜部が中央部から駆動ダイヤフラムに接触するので、確実な接触と、高い伝達効率が得られ、高速の駆動にも追従でき、被駆動ユニットを交換しても振動の動きがスムーズな圧電ダイヤフラムポンプを得ることができる。

請求項２の発明によれば、従動膜部が径方向に伸び易く、厚み方向を変形し難くできるので、従動膜部の径方向への変形が容易となり、駆動ダイヤフラムの厚み方向の変位を従動膜部に効率良く伝達することができる。

請求項３の発明によれば、従動膜部の径方向の変形が容易になり、従動膜部が駆動ダイヤフラムの動きに抵抗なく連動できるので、振動の動きがスムーズな圧電ダイヤダイヤフラムポンプを得ることができる。

請求項４の発明によれば、従動膜部の径方向には伸びやすく、厚み方向には変形が小さくなるため、駆動ダイヤフラムの変位を従動膜部に確実に伝達でき、駆動ダイヤフラムの動きを効率的に利用できる。

請求項５の発明によれば、従動膜部が追従する距離を増やすことができると共に、従動膜部の支持筐体への固定をより確実に行うことができる。

以下、本発明の一実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプを分解したユニットを示し、図２は、図１の各ユニットを結合して組み立てた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。これらの図において、圧電ダイヤフラムポンプＰは、駆動機能を備えた駆動ユニット１と、この駆動ユニット１により駆動される被駆動ユニット２と、被駆動ユニット２を取り外し自在に固定する固定ユニット３とを備え、被駆動ユニット２を自由に交換できるようにしている。

駆動ユニット１は、支持筐体１１と、駆動ダイヤフラム１２とを備え、支持筐体１１は駆動ダイヤフラム１２を固定し、交換される被駆動ユニット２を内部に嵌合する孔部１５を持つ。駆動ダイヤフラム１２は、平板円形状の圧電素子１３（ＰＺＴ）及びその変形に応じて弾性変形可能な導電部材であるダイヤフラム板１４により構成される。

駆動ダイヤフラム１２は、ダイヤフラム板１４の一方の面の中央部に、同心円上の圧電素子１３を貼り付けて形成され、その端部近傍は、支持筐体１１に密着して固定されている。圧電素子１３の寸法は、例えば直径１５ｍｍ、厚み０．２０ｍｍであり、ダイヤフラム板１４は、例えば直径２０ｍｍ、厚み０．２０ｍｍの円形の真鍮板である。

圧電素子１３とダイヤフラム板１４には、それぞれ電極１３ａと電極１４ａが設けられ、電圧制御部４により、これら電極１３ａと電極１４ａとの間に電圧を印加することにより、圧電素子１３を変形させて圧電ダイヤフラムポンプＰの吸入・吐出時間を制御する。印加電圧は＋１２０Ｖと０Ｖの交番電圧とし、＋１２０Ｖの電圧を印加した時にポンプは吐出動作を行い、０Ｖ印加時は吸入動作を行う。

このような駆動ダイヤフラム１２は、高温中で金属板のダイヤフラム板１４と圧電素子１３を接着することで形成されるため、その熱膨張差により常温では撓みを持ち、通常その撓みは、図１、２に示すように上に湾曲した凸型をしている。圧電素子１３に電圧が印加されていない初期状態においては、ダイヤフラム板１４は孔部１５の容積が膨らんだ方向になるように支持筐体１１に固定される。

支持筐体１１は、円形に成形されたプラスチック（例えばポリアセタール（ＰＯＭ）やポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリフェニルスチレン（ＰＰＳ）等）製の樹脂成形品からなり、孔部１５は円筒状空洞をなし、その内周壁と支持筐体１１の外壁との間には中空部１１ａが形成されている。中空部１１ａには、ダイヤフラム板１４の外周部が挿入、密着されて支持筐体１１に固定されることにより、駆動ダイヤフラム１２が支持筐体１１に固定される。

被駆動ユニット２は、プラスチックにより形成された円環状の側面と底面２６を持つ筐体２１（固定部）と、筐体２１の上面に貼り付けられて、その外周部が固定され被駆動ダイヤフラムとなる従動膜２４ａ（従動膜部）と、筐体２１と従動膜２４ａとにより形成される空間のポンプ室２５（内部空間）とにより構成される。筐体２１の底面２６には、ポンプ室２５の内部及び外部への動作流体の吸入及び吐出の開閉動作を行う吸入弁２３ａ及び吐出弁２３ｂを有し、これらの吸入弁２３ａ及び吐出弁２３ｂを介して外部と配管接続される吸入パイプ２２ａ及び吐出パイプ２２ｂが備えられている。この筐体２１の外径は、上記駆動ユニット１の孔部１５の底面の外径に略等しく、被駆動ユニット２の筐体２１が、駆動ユニット１の孔部１５に底面より嵌合する。

従動膜２４ａは、駆動ダイヤフラム１２側に中心を最高点とする上に凸の形状で、その底面のポンプ室２５側は平面状であるような膜厚分布に構成され、その部材は、例えば、耐薬品性の高い膜、例えば水素添加ニトリルブタジエンラバー（以下、ＨＮＢＲと略す）で形成される。そして、被駆動ユニット２の筐体２１を駆動ユニット１の支持筐体１１の孔部１５に嵌合させた時に、従動膜２４ａは、その膜の中央部より駆動ダイヤフラム１２の内面に接触し始め、嵌合し終わると、その内面のほぼ全面に接触して密着される。なお、従動膜２４ａの被駆動ユニット２の筐体２１への固定は、接着、溶着などの方法や、端部に切り欠けを設けて筐体２１に設けた突起を挿入して一体化する方法、又は従動膜２４ａを挟んで筐体２１と反対側に別部材を設けて挟み込む等の方法がある。

固定ユニット３は、被駆動ユニット２を固定する押えとして、プラスチックで成形された筐体３１よりなり、外形が駆動ユニット１の支持筐体１１と略同じ円環状に形成される。筐体３１の中央部には駆動ユニット１の孔部１５の底面の半径と同じ内径を持ち、被駆動ユニット２の筐体２１の下部に嵌合する凹部３２を設けている。さらに、凹部３２の底面の中央部には、被駆動ユニット２の吸入パイプ２２ａと吐出パイプ２２ｂが貫通できる貫通孔３３を設けている。固定ユニット３が被駆動ユニット２に嵌合された時に、被駆動ユニット２の吸入パイプ２２ａと吐出パイプ２２ｂは、貫通孔３３を通って外部に連結される。

上記各ユニット１、２、３の組立てにおいては、被駆動ユニット２の筐体２１の下部を固定ユニット３の筐体３１の凹部３２に嵌合させ、被駆動ユニット２の筐体２１の上部を駆動ユニット１の支持筐体１１の孔部１５に嵌合させる。そして、駆動ユニット１の支持筐体１１の下面と固定ユニット３の筐体３１の上面とを当接させ、駆動ユニット１と固定ユニット３との中間に被駆動ユニット２を挟み込んで固定し、収納する。この固定の手法としては、別途設ける爪部やスライドスイッチ、ネジ止め等の方法が利用できるが、ここでは、この固定方法の図示は省略する。

上記固定により、被駆動ユニット２の筐体２１の上面に貼られた従動膜２４ａが、駆動ダイヤフラム１２のダイヤフラム板１４の下面に押圧密着される。この時、従動膜２４ａは、その中心を最高点とする上に凸形状をしているため、駆動ユニット１に挿入されるに従って、その中央部より駆動ダイヤフラム１２のダイヤフラム板１４の下面の中央部より接触する。次いで、その中央部の周囲から接触面積が増加していく。そして、この接触が広がるにつれて、駆動ユニット１の支持筐体１１の孔部１５に存在していた空気が、孔部１５と筐体２１の間の僅かな隙間を通って孔部１５外に押し出される。そして、駆動ユニット１と被駆動ユニット２との嵌合が終わると、駆動ダイヤフラム１２と従動膜２４ａとは、その間に空気を殆ど含まず略全面的に密着され、一体化される。

上述のように組立てを完成した後、圧電ダイヤフラムポンプＰを駆動する場合、駆動ダイヤフラム１２の圧電素子１３に電圧制御部４から交番電圧（＋１２０ボルトから０ボルト）を印加する。圧電素子１３に電圧が印加されていない初期状態においては、ダイヤフラム板１４は凸状の孔部１５が膨らんだ方向となるように支持筐体１１に固定されている。そして、正電圧が印加されると、圧電素子１３が径方向に縮むが、ダイヤフラム板１４が伸びないため、圧電素子１３の変形に伴ってダイヤフラム板１４の撓みが減少する。そして、正電圧から接地電圧にすると、ダイヤフラム板１４自身の復元力によって初期状態の形状まで戻る。

このように、電圧制御部４からの交番電圧により、圧電素子１３が直径方向に伸縮し、この伸縮によりダイヤフラム板１４は、その板厚方向である垂直方向Ａ（図２）に振動する。この振動は従動膜２４ａに直接伝達され、従動膜２４ａも同様に膜厚方向である垂直方向Ｂに振動する。この振動により、被駆動ユニット２のポンプ室２５の容積が拡縮する。この容積の拡縮に伴い、ポンプ室２５の容積が減少した場合は、ポンプ室２５内の圧力が増加し、吸入弁２３ａが閉じて吐出弁２３ｂが開き、吐出弁２３ｂを介し吐出パイプ２２ｂより流体を吐出する。逆に、ポンプ室２５の容積が増加した場合は、ポンプ室２５内の圧力が減少し、吐出弁２３ｂが閉じて吸入弁２３ａが開き、吸入弁２３ａを介して吸入パイプ２２ａより流体を吸入する。

本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプＰにおいては、被駆動ユニット２を交換する際に、従動膜２４ａが上に凸の形状となっているので、駆動ダイヤフラム１２と従動膜２４ａの接触がスムーズに行われるため、両者の接触する中央部に空気が入るなどの不具合を発生することがなく、確実に密着された接触状態が得られる。そして、従動膜２４ａの中央部が確実に接触するため、駆動ダイヤフラム１２における最も厚み方向の変動幅が大きい中心の変位を最大限利用することができる。また、駆動ダイヤフラム１２と従動膜２４ａとは、その間に伝達媒質を介さず直接に接触しているので、振動の伝達効率が高くできると共に、駆動ダイヤフラム１２の高速な振動に対しても従動膜２４ａが追従できるので、高効率で高速性に優れた圧電ダイヤフラムポンプＰを得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの被駆動ユニット２を示し、図３（ｂ）は、この被駆動ユニット２を用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。被駆動ユニット２における従動膜２４ｂの形状を、膜の厚みを一定のまま凸形状に成形した点で上記第１の実施形態と異なる。同図において、上記第１の実施形態の部材と同等部材には同一符号を付している（以下、同様）。

これらの図において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｂは、前記と同様の材質部材を用い、膜の厚さが一定（０．２ｍｍ）のまま凸形状に成形されている。従って、中央部に近いほど凸状に厚みの増える上記実施形態１の従動膜２４ａに比べ、膜の体積が少なくなり、駆動ユニット１の駆動ダイヤフラム１２に対して、被駆動性が改善される。

次に、本発明の第３の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの従動膜２４ｃ（従動膜部）を示し、図４（ｂ）は、この従動膜２４ｃを用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｃは、面内方向（径方向）における単位応力当たりの伸び率が、面垂直方向における単位応力当たりの伸び率よりも大きくした点で上記第１の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｃが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第１の実施形態と同様である。

そして、従動膜２４ｃは、上記特性を持たすため、前記と同様の材質部材を用い、従動膜２４ｃの表面上に直径１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの凹部２７が一様に形成されている。このような構成の従動膜２４ｃは、厚さが径方向に一様でなく部分的に薄くなっているので、実質的に径方向の力に対する強度が弱くなる。従って、径方向の単位応力当たりの伸び率が、厚さが一様の場合に比べ大きくなるので、変形し易くなる。一方、厚み方向の寸法は、部分的な凹部の窪みがあっても、凹部でない部分はあまり変形しないので、厚み方向の単位応力当たりの伸び率は、殆ど変わらない。従って、従動膜２４ｃは、径方向に伸び易く、厚み方向に変形し難くなるので、駆動ダイヤフラム１２のダイヤフラム板１４からの変位を確実に従動膜２４ｃに伝達することができる。

図４（ｂ）において、駆動ダイヤフラム１２上の圧電素子１３に交番電圧が印加されると、圧電素子１３の径方向の伸縮に伴い駆動ダイヤフラム１２は厚み方向に振動する。この振動が従動膜２４ｃに伝達されると、従動膜２４ｃの形状が上に凸の形状をしているため、駆動ダイヤフラム１２の面から伝達される力は、従動膜２４ｃの中央部から加わり、駆動ダイヤフラム１２の面からの圧力は、従動膜２４ｃの径方向と厚み方向の両方に加わる。従動膜２４ｃの径方向への変位は、円形の凹部２７の厚みが薄いため単位応力当たりの伸び率が大きくなり、駆動ダイヤフラム１２の変形への抵抗は少なく、駆動ダイヤフラム１２の動作を制限しない。また、厚み方向の変位については、円形の凹部２７が無い場合と同等の変位を行うため、駆動ダイヤフラム１２からの変位が従動膜２４ｃに伝わり易く、被駆動ユニット２のポンプ室２５の容積は大きく変動する。

このような凹部２７による厚みの薄い部分を設けた従動膜２４ｃを被駆動ユニット２に用いたことにより、径方向に伸び易く、厚み方向に変形し難くできるので、変位を確実に伝達することができ、駆動ダイヤフラム１２の動きを効率的に利用できる。

また、従動膜２４ｃの形状として、上記凹部２７が逆に凸部となっていても同等の効果が得られ、また、凹部２７の形状は円形でなくてもよい。さらに、複数の膜を積層して上記形状と同等の形状を形成しても、同等の効果が得られる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの従動膜２４ｄ（従動膜部）を示し、図５（ｂ）は、この従動膜２４ｄを被駆動ユニット２の従動膜として用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｄは、面内方向（径方向）における単位応力当たりの伸び率が、面垂直方向における単位応力当たりの伸び率よりも大きくする特性を得るために、同心円状に複数の切り込み溝２８が形成された構造とした点で上記第３の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｄが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第３の実施形態と同様である。

上記従動膜２４ｄは、上記特性を得るために、前記と同様の材質部材を用い、同心円の直径の異なる深さ０．１ｍｍの切り込み溝２８が一様に形成されている。このような構成の従動膜２４ｄは、切り込み溝２８により径方向に不連続となっているため、実質的に径方向の力に対する強度が弱くなって変形し易くなり、単位応力当たりの伸び率が、厚さが一様の場合に比べ大きくなる。一方、厚み方向については連続であるため、切り込み溝２８が無い場合と同等の変位を行う。

図５（ｂ）において、駆動ダイヤフラム１２に交番電圧が印加され、駆動ダイヤフラム１２が振動すると、この振動が従動膜２４ｄの中央部に伝達されて、従動膜ｄの径方向と厚み方向の両方に加わる。この振動による従動膜２４ｄの変位は、径方向では、切り込み溝２８による厚みの不連続のため、単位応力当たりの伸び率が大きくなり、駆動ダイヤフラム１２の変形への抵抗は少ない。一方、厚み方向については、不連続が無い場合と同等の変位を行うため、駆動ダイヤフラム１２からの変位が伝わり易い。従って、駆動ダイヤフラム１２のダイヤフラム板１４からの変位を確実に従動膜２４ｄに伝達することができ、被駆動ユニット２のポンプ室２５の体積を大きく変動させることができる。

このような切り込み溝２８による厚みの不連続部分を設けた従動膜２４ｄを用いたことにより、横方向に伸び易くなり、変位を確実に従動膜２４ｄに伝達できるので、駆動ダイヤフラム１２の動きを効率的に利用でき、圧電ダイヤフラムポンプＰの効率を上げることができる。

また、従動膜２４ｄの形状として、上記切り込み溝２８が被駆動ユニット２のポンプ室２５側に設けられていても同等の効果が得られる。さらに、複数の膜を積層して同様の形状を形成し、円周方向への変形を大きくしても同等の効果が得られる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの従動膜２４ｅ（従動膜部）を示し、図６（ｂ）は、この従動膜２４ｅを用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｅは、中央部２９ａの弾性係数を周辺部２９ｂの弾性係数よりも大きくした点で上記第１の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｅが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第１の実施形態と同様である。

これらの図において、従動膜２４ｅは、上記特性を持たすために、膜材料にニトリルブタジエンラバー（ＮＢＲ）を用い、その中央部２９ａに加硫処理を施して形成されている。加硫処理では、ＮＢＲに硫黄結合を増やす再処理を施し、中央部２９ａのみ硬度を増加させて弾性係数を大きくしている。このような構成の従動膜２４ｅは、中央部２９ａに比べて周辺部２９ｂの弾性係数が小さく変形し易くなるので、径方向への変形量は、周辺部２９ｂの外周辺に向かうほど大きくなる。従って、中央部２９ａの変形を小さく、外周部２９ｂの変形を大きくできるので、駆動ダイヤフラム１２の変形に対する従動膜２４ｅからの抵抗は小さい。一方、上に凸形状の従動膜２４ｅは、その中央部２９ａで駆動ダイヤフラム１２による変形が最も大きくなり、上記加硫処理により、硬度が高く、弾性係数を大きくした中央部２９ａでは、膜自身の変形量が小さくなることにより、厚み方向において、駆動ダイヤフラム１２の変形に対する伝達効率を大きくでき、被駆動ユニット２のポンプ室２５の容積を大きく変動できる。

図６（ｂ）において、駆動ダイヤフラム１２に交番電圧が印加され、駆動ダイヤフラム１２が振動すると、この振動が従動膜２４ｅの中央部２９ａに伝達され、従動膜eの径方向と厚み方向の両方に加わる。この伝達による振動は、上記従動膜２４ｅの特性より、駆動ダイヤフラム１２の変形量の大きい中央部２９ａにおいて、伝達され易いので、伝達効率の高い圧電ダイヤフラムポンプＰを得ることができる。

また、従動膜２４ｅの形状として、中央部２９ａを別材料として２色成形により硬度を増したプラスチック膜を用いても同様の効果が得られる。さらに、複数の膜を積層して中央部２９ａの厚みのみを大きくしても同等の効果が得られる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの従動膜２４ｆ（従動膜部）を示し、図７（ｂ）は、この従動膜２４ｆを用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｆは、周辺部４３の径方向の単位応力当たりの伸び率が、中央部４２の径方向の単位応力当たりの伸び率よりも大きくした点で上記第１の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｆが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第１の実施形態と同様である。

そして、従動膜２４ｆは、上記特性を持たすため、前記実施形態１と同様の材質部材を用い、従動膜２４ｆの周辺部４３の表面上に凹部４１が一様に形成されている。このような構成により、従動膜２４ｆは、周辺部４３の径方向には、厚さが一様でなく部分的に薄くなっているので、実質的に径方向の力に対する強度が弱くなる。従って、周辺部４３の径方向の単位応力当たりの伸び率が、厚さが一様の場合に比べ大きくなるので、変形し易くなる。一方、中央部４２の径方向の厚さは一様であるので、径方向では周辺部４３に対して変形し難く、従って、従動膜２４ｆの中央部は変形し難くなり、駆動ダイヤフラム１２からの振動が伝達され易い。従って、従動膜２４ｆに対し、中央部４２での駆動ダイヤフラム１２からの振動が伝達され易くなり、伝達効率が大きくなって、被駆動ユニット２のポンプ室２５の体積を大きく変動することができる。

図７（ｂ）において、駆動ダイヤフラム１２に交番電圧が印加され、駆動ダイヤフラム１２が振動すると、この振動が従動膜２４ｆの中央部４２に伝達され、従動膜ｆの径方向と厚み方向の両方に加わる。この伝達による振動は、上記従動膜２４ｆの特性より、駆動ダイヤフラム１２の変形量の大きい中央部４２において、振動が伝達され易くなるので、伝達効率の高い圧電ダイヤフラムポンプＰを得ることができる。

次に、本発明の第７の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）は、本実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの従動膜２４ｇ（従動膜部）を示し、図８（ｂ）は、この従動膜２４ｇを用いた圧電ダイヤフラムポンプＰを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｇは、周辺部４６の径方向の単位応力当たりの伸び率が、中央部４５の径方向の単位応力当たりの伸び率よりも大きくするために、周辺部４６に同心円状に複数の切り込み溝４４を設けた点で上記第６の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｇが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第６の実施形態と同様である。

そして、従動膜２４ｇは、上記特性を持たすため、上記と同様の材質部材を用い、従動膜２４ｇの周辺部４６の表面上に、直径の異なる同心円の深さ０．１ｍｍの切り込み溝４４を周辺部４６にのみ一様に形成されて構成される。このような構成において、従動膜２４ｇは、切り込み溝４４により周辺部４６の径方向に不連続となっているため、実質的に径方向の力に対する強度が弱くなって変形し易くなる。従って、周辺部４６における径方向の単位応力当たりの伸び率が、切り込み溝４４が無い場合に比べ大きくなる。一方、中央部４５では、径方向の伸び率は変わらないので、周辺部４６に比べて変形し難く、駆動ダイヤフラム１２からの変形が伝達され易い。従って、駆動ダイヤフラム１２の変形への抵抗が少なくなり、厚み方向において、変形の伝達効率が大きくなり、被駆動ユニット２のポンプ室２５の体積を大きく変動することができる。

図８（ｂ）において、駆動ダイヤフラム１２に交番電圧が印加され、駆動ダイヤフラム１２が振動すると、この振動が従動膜２４ｇの中央部４５に伝達され、従動膜ｇの径方向と厚み方向の両方に加わる。この伝達された振動は、上記従動膜２４ｇの特性より、駆動ダイヤフラム１２の変形量の大きい中央部４５において、より伝達され易くなるので、伝達効率の高い圧電ダイヤフラムポンプＰを得ることができる。

次に、本発明の第８の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図９を参照して説明する。図９は、本実施形態における圧電ダイヤフラムポンプを示す。本実施形態において、被駆動ユニット２の従動膜２４ｈは、その周辺部５０にひだ状に形成されたベローズ部５１が一体に形成された点で上記第１の実施形態と異なる。なお、従動膜２４ｈが、上に凸の形状で中央部が凸状に厚みの増えている点は、上記第１の実施形態と同様である。

従動膜２４ｈのベローズ部５１は、従動膜２４ｈの周辺部５０の全周に亘ってひだ状に形成されているので、柔らかくクッション的な働きをし、従動膜２４ｈの周辺部５０における圧力に対し柔軟に動く。

駆動ダイヤフラム１２に交番電圧が印加され、駆動ダイヤフラム１２が振動すると、この振動が従動膜２４ｈの中央部に伝達され、従動膜ｈの径方向と厚み方向の両方に加わる。従動膜２４ｈに径方向の力が加わると、従動膜２４ｈの周辺部５０にベローズ部５１があることにより、径方向の力に対する変形が容易になり、駆動ダイヤフラム１２への密着した固定がより確実となる。

このような、ベローズ部５１を従動膜２４ｈに備えたことにより、従動膜２４ｈの径方向への変位が容易であるため、駆動ダイヤフラム１２の変形への抵抗が小さくなる。これにより、厚み方向の変形の伝達効率が大きくなり、被駆動ユニット２のポンプ室２５の体積を大きく変動することができる。

また、従動膜２４ｈの形状として、周辺部５０に弾性率の異なる材料を貼り付けることでも同様の効果が得られる。従動膜２４ｈとベローズ部５１は別部品として構成してもよい。

以上説明したように、各種実施形態の圧電ダイヤフラムポンプＰによれば、被駆動ユニット２を交換した際において、従動膜２４ａ〜２４ｈの形状を凸とすることで、駆動ダイヤフラム１２と従動膜２４ａ〜２４ｈの接触面において、この接触面の間に空気が入るなどの不具合を発生することなく、接触がスムーズに行われ、確実に密着された接触状態が得られる。従って、駆動ダイヤフラム１２からの振動を従動膜２４ａ〜２４ｈに直接伝達できる。このことにより、被駆動ユニット２を交換しても、伝達効率の高い圧電ダイヤフラムポンプを得ることができる。

また、駆動ダイヤフラム１２と従動膜２４ａ〜２４ｈとが、その間に空気や液体の伝達媒質を介さず直接に接触しているので、駆動ダイヤフラム１２の高速な振動に対しても従動膜が追従できるので、被駆動ユニット２を交換しても、高速性に優れた圧電ダイヤフラムポンプＰを得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、従動膜の平面上に凹形の窪み又は同心円状に複数の切り込み溝を一様に設けることにより、従動膜が径方向に伸び易く、厚み方向を変形し難くでき、従動膜の変形が容易となり、駆動ダイヤフラムの変位を従動膜に効率良く伝達できる。

また、従動膜の中央部の硬度を高くすること、又は従動膜の周辺部のみに凹形の窪み又は同心円状に複数の切り込み溝を設けることにより、従動膜の中央部の変形量を小さく、周辺部の変形量を大きくし、駆動ダイヤフラムからの伝達効率を上げることができる。

本発明の一実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記圧電ダイヤフラムポンプの組立完成後の断面図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける被駆動ユニットの断面図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける従動膜の斜視図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける従動膜の斜視図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 （ａ）は本発明の第５の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける従動膜の斜視図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 （ａ）は本発明の第６の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける従動膜の斜視図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 （ａ）は本発明の第７の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプにおける従動膜の斜視図、（ｂ）は同圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 本発明の第８の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 従来の圧電ダイヤフラムポンプの断面図。

符号の説明

１ 駆動ユニット
２ 被駆動ユニット
３ 固定ユニット
１１ 支持筐体
１２ 駆動ダイヤフラム
１３ 圧電素子
１４ ダイヤフラム板
２１ 筐体（固定部）
２２ａ 吸入パイプ（管路）
２２ｂ 吐出パイプ（管路）
２３ａ 吸入弁（弁）
２３ｂ 吐出弁（弁）
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇ、２４ｈ 従動膜（従動膜部）
２５ ポンプ室（内部空間）
２７ 凹部
２８ 切り込み溝
２９ａ 中央部
２９ｂ 周辺部
４１ 凹部
４２ 中央部
４３ 周辺部
４４ 切り込み溝
４５ 中央部
４６ 周辺部
５０ 周辺部
５１ ベローズ部
Ｐ 圧電ダイヤフラムポンプ

Claims (5)

1. 圧電素子を用いた圧電ダイヤフラムポンプにおいて、
   前記圧電素子と、この圧電素子の変形に応じて弾性変形されるダイヤフラム板とを有する駆動ダイヤフラムと、この駆動ダイヤフラムを支持する支持筐体とにより構成される駆動ユニットと、
   前記駆動ユニットにより駆動される被駆動ユニットと、
   前記被駆動ユニットを前記駆動ユニットに取り外し自在に固定する固定ユニットとを備え、
   前記被駆動ユニットは、前記駆動ダイヤフラムからの振動が伝達される従動膜部と、この従動膜部を固定する固定部と、この固定部と前記従動膜部とにより形成される内部空間
   に対して、流体を吸入及び吐出するために開閉動作をする弁と、この弁と連通し流体の吸入及び吐出を導く管路とを備え、
   前記従動膜部が前記駆動ダイヤフラム側に凸の形状であることを特徴とする圧電ダイヤフラムポンプ。
2. 前記従動膜部は、面内方向における応力当たりの伸び率が、面垂直方向における応力当たりの伸び率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
3. 前記従動膜部には、同心円状に複数の切り込み溝が形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
4. 前記従動膜部は、中央部の弾性係数が周辺部の弾性係数よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
5. 前記従動膜部は、周辺部にベローズ部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電ダイヤフラムポンプ。

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