JP2006226239A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 流体を吐出する複数の流出路を備えつつ、適切量の流体を精度よく吐出することができるポンプ装置を提供すること。
【解決手段】 ポンプ装置１は、ポンプ室２と、ポンプ室２に接続された流入路３と、流出側アクティブバルブ６を介してポンプ室２に接続された複数の流出路４と、ポンプ室２を容積変化させるポンプ機構１３とを備えている。複数の流出側アクティブバルブ６は、ポンプ室２の周りに配置されており、ポンプ室２から流出側アクティブバルブ６までの寸法は、いずれの流出路４においても等しい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ポンプ装置本体で流入口および複数の流出口が開口するポンプ装置に関するものである。

近年の情報化社会を支える携帯電子機器の電源として、あるいは大気汚染や地球温暖化に対処するための電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。この燃料電池の中でも、メタノールから直接、プロトンを取り出すことにより発電を行うダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、改質器が不要であり体積エネルギー密度が高いという特質を有するため、携帯電子機器への応用の期待が高まりつつある。

かかるＤＭＦＣとしては、起電部（セル）を有する起電装置と、メタノールもしくはメタノール水溶液（以下、本明細書では、メタノールとする。）の収容容器と、この収容容器からメタノールを圧送する送液ポンプを備えたものが種々提案されている（例えば、特許文献１、２および３参照）。

セルは、アノード集電体とアノード触媒層とを有するアノード極（燃料極）と、カソード集電体とカソード触媒層とを有するカソード極（空気極）と、アノード極とカソード極の間に配置される電解質膜とを備えている。アノード極へは、送液ポンプによってメタノールが供給され、カソード極へは、送気ポンプあるいは、ブロワーによって空気が供給される。
特開２００４−７１２６２号公報 特開２００４−１２７６１８号公報 特開２００４−１５２７４１号公報

上述したＤＭＦＣの起電部であるセルのアノード極では、メタノール酸化の活性が低く電圧ロスを伴ってしまう。また、カソード極でも電圧ロスがある。そのため、１つのセルから取り出せる出力は極めて低くなっている。従って、所定の出力を得るために、ＤＭＦＣでは、複数のセルが用いられている。

また、アノード極に過剰なメタノールが供給されると、そのメタノールの一部が未反応の状態で、電解質膜を透過してカソード極に漏れてしまう、いわゆるクロスオーバーが発生する。このクロスオーバーは、カソード極の電位を低下させてしまうため、上述したカソード極での電圧ロスの一因ともなっている。また、カソード極に達した未反応のメタノールは、発電には関与せず酸素と反応して熱を発生させるため、クロスオーバーによって、セルにおける発電効率が著しく低下することになる。従って、アノード極へは、過剰なメタノールを供給しないようにすることが好ましい。

以上から、セルのアノード極へメタノールを供給するポンプ装置としては、複数のセルへ吐出が可能で、かつ、適切量のメタノールを精度よく吐出できるといった特性を備えたポンプ装置が望まれる。しかしながら、このような特性を備えたポンプ装置に関しては、具体的な提案がなされていない。

そこで、本発明の課題は、流体を吐出する複数の流出路を備えつつ、適切量の流体を精度よく吐出することができるポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のポンプ装置では、ポンプ装置本体には、流入口に連通する流入路と、該流入路に配置された流入側アクティブバルブと、前記流入路に接続されたポンプ室と、該ポンプ室に配置されたポンプ機構と、前記ポンプ室から延びて複数の流出口の各々に連通する複数の流出路と、該複数の流出路の各々に配置された流出側アクティブバルブとが構成され、前記流入側アクティブバルブおよび前記流出側アクティブバルブは、前記ポンプ室の周りに平面状に配置されていることを特徴とする。

本発明では、流出側アクティブバルブを介してポンプ室に接続された複数の流出路を備えているため、流出側アクティブバルブを閉じている間は、流体の逆流を確実に防止することができる。また、流出路から吐出する流体の吐出先を流出側アクティブバルブにて制御することができる。さらに、１つのポンプ機構によって各流出路から流体を吐出するため、吐出性能が均一である。また、複数の流出側アクティブバルブは、ポンプ室の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路の各々において流路を短くできる。従って、各流出路からの吐出量のばらつきを抑え、適切量の流体を精度よく吐出することができる。さらに、複数の流出路を備えている分、複数の流出側アクティブバルブを必要とするが、複数の流出側アクティブバルブをポンプ室の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路の各々において流路を短くできる分、ポンプ装置を小型化できる。

本発明では、前記複数の流出路では、ポンプ室から前記流出側アクティブバルブまでの流路の長さを等しいことが好ましい。このように構成すると、流路抵抗が等しくなり各流出路を介しての吐出量を高い精度で制御することができる。

本発明において、前記流入口および前記複数の流出口は、前記ポンプ装置本体の同一の面で開口していることが好ましい。このように構成すると、ポンプ装置と外部との接続が容易である。

本発明において、前記流入側アクティブバルブ、前記ポンプ機構および前記流出側アクティブバルブに対する配線基板は、前記ポンプ装置本体において、前記流入口および前記複数の流出口が開口している面とは異なる面に積層されていることが好ましい。このように構成すると、流入口や流出口に配管を接続する際、配線基板が平面になり、配線や接続が容易になるなどの利点がある。

本発明において、前記ポンプ装置本体は、前記流出路が一方面側に溝状に形成された流路構成板と、該流路構成板の前記一方面側に重ねて配置されたシート状封止部材とを備えていることが好ましい。このような構成を採用すれば、複雑な流路であっても容易に構成できるので、ポンプ装置の小型化、薄型化および低コスト化を図ることができる。

本発明において、前記ポンプ装置本体は、前記ポンプ機構が内部に収納されたベース板を有しているとともに、当該ベース板に前記流路構成板が積層されており、前記ポンプ機構はダイヤフラム弁を備えている場合がある。この場合、当該ダイヤフラム弁は、外周部分が前記ベース板と前記流路構成板との間に挟持されていることが好ましい。このように構成すると、構造を簡素化できるとともに、ダイヤフラム弁自身でベース板と流路構成板との液密を保持できる。

本発明において、前記ポンプ装置本体は、前記流入側アクティブバルブおよび前記流出側アクティブバルブが内部に収納されたベース板を有しているとともに、当該ベース板に前記流路構成板が積層されており、前記流入側アクティブバルブおよび前記流出側アクティブバルブは各々、ダイヤフラム弁を備えている場合がある。この場合、当該ダイヤフラム弁はいずれも、外周部分が前記ベース板と前記流路構成板との間に挟持されていることが好ましい。このように構成すると、構造を簡素化できるとともに、ダイヤフラム弁自身でベース板と流路構成板との液密を保持できる。

本発明のポンプ装置では、流出側アクティブバルブを介してポンプ室に接続された複数の流出路を備えているため、流出側アクティブバルブを閉じている間は、流体の逆流を確実に防止することができる。また、流出路から吐出する流体の吐出先を流出側アクティブバルブにて制御することができる。さらに、１つのポンプ機構によって各流出路から流体を吐出するため、吐出性能が均一である。また、複数の流出側アクティブバルブは、ポンプ室の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路の各々において流路を短くでき、流路抵抗が安定する。従って、各流出路からの吐出量のばらつきを抑え、適切量の流体を精度よく吐出することができる。さらに、複数の流出路を備えている分、複数の流出側アクティブバルブを必要とするが、複数の流出側アクティブバルブをポンプ室の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路の各々において流路を短くできる分、ポンプ装置を小型化、薄型化できる。

［ポンプ装置の基本構成］
図１は、本発明を適用したポンプ装置の基本構成を示す概念図である。図１に示すように、本形態のポンプ装置１は、例えば、携帯電子機器に使用されるＤＭＦＣにおいて、メタノールを圧送する送液ポンプとして使用されるものであり、ポンプ装置本体７では、１つ流入口８０と複数の流出口４０（４０ａ〜４０ｈ）とが開口している。また、ポンプ装置本体７には、ポンプ室２と、ポンプ室２および流入口８０に接続された流入路３と、ポンプ室２および複数の流出口４０に接続された複数の流入路４（４０ａ〜４０ｈ）とが構成されている。さらに、ポンプ装置本体７には、流入路３に流入側アクティブバルブ５が構成され、ポンプ室２にポンプ機構１３が構成され、複数の流出路４の各々に流出側アクティブバルブ６（６ａ〜６ｈ）が構成されている。ここで、８つの流出口４０ａ〜４０ｈおよび流出路４ａ〜４ｈはそれぞれ、ＤＭＦＣの起電部である８つのセル（図示省略）に接続可能となっており、流出路４ａ〜４ｈから吐出されたメタノールはセルのアノード極へ供給可能となっている。

流入路３には、ポンプ室２への流入方向に向かって開くパッシブバルブ１０を備えた第１流路８と、ポンプ室２からの流出方向に向かって開くパッシブバルブ１１を備えた第２流路９とが接続されており、第１流路８の端部によって流入口８０が構成され、第２流路９の端部によって還流口９０が構成されている。ここで、第１流路８および第２流路９は、メタノール収容容器（図示省略、以下収容容器とする。）に接続可能となっている。具体的には、第１流路８が収容容器の下方に、第２流路９が収容容器の上方に接続可能となっている。パッシブバルブ１０は、例えばゴム製のバルブであり、ポンプ室２に向かうメタノールの吸入方向に圧力が生じると開くが、収容容器に向かうメタノールの吐出方向に圧力が生じても開かないようになっている。従って、流入口８０、第１流路８および流入路３を介して、メタノールが収容容器からポンプ室２に吸入され、また、流入路３、第２流路９および還流口９０を介して、メタノールがポンプ室２から収容容器へ吐出されるようになっている。

このように構成したポンプ装置１において、流入側アクティブバルブ５は、後述する駆動アクチュエータ（図１では図示省略）によって、開閉可能になっている。また、流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈも、流入側アクティブバルブ５と同様に、後述する駆動アクチュエータ（図１では図示省略）によって、個別に開閉可能になっている。

このように構成されたポンプ装置１では、流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈが閉状態で、かつ、流入側アクティブバルブ５が開状態であるときに、ポンプ機構１３がポンプ室２を拡張すると、メタノールがポンプ室２に吸入される。また、流入側アクティブバルブ５が閉状態で、かつ、流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈの少なくとも１つが開状態のときに、ポンプ機構１３がポンプ室２を収縮させると、メタノールがポンプ室２からセルに向かって吐出される。さらに、流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈが閉状態で、かつ、流入側アクティブバルブ５ａが開状態であるときに、ポンプ機構１３がポンプ室２を収縮させると、メタノールが収容容器に吐出される。

［ポンプ装置の制御方法］
図２は、図１に示すポンプ装置１の制御方法を説明するタイミングチャートである。本形態において、ポンプ装置１は、図２に示すように、流入側アクティブバルブ５を開いて、ポンプ機構１３の吸入動作で、第１流路８からポンプ室２にメタノールを吸入する吸入ステップＳ１と、吸入ステップの後に、ポンプ機構１３の吐出動作で、第２流路９へポンプ室２からメタノールを吐出してポンプ装置１のバックラッシュを解消した後に、流入側アクティブバルブ５を閉じる初期吐出ステップＳ２と、初期吐出ステップＳ２の後に、所定の流出側アクティブバルブ６を順次開いて、ポンプ機構１３の吐出動作で所定量のメタノールを吐出する吐出ステップＳ３とを備えた制御方法によって、制御されている。以下、その制御方法を詳細に説明する。

図２の上段に示すチャートでは、中心線から下側に延びている部分は、ポンプ機構１３が吐出方向に動作する吐出動作の状態を示し、中心線から上側に延びている部分は、ポンプ機構１３が吸入方向に動作する吸入動作の状態を示している。また、図２の下段に示すアクティブバルブ１０、６のアクチュエータのタイミングチャートでは、上側に延びている部分が各アクティブバルブ１０、６が開いている状態を示している。

初期状態では、流入側アクティブバルブ５および流出側アクティブバルブ６は全て閉状態となっている。その状態でまず、流入側アクティブバルブ５を開状態とする。その後、ポンプ機構１３をメタノールの吐出方向へ作動させる。このポンプ機構１３の吐出動作を上死点（原点）まで行って、ポンプ機構１３の原点復帰を行う（原点復帰ステップＳ０）。尚、この際には、ポンプ室２から、開状態となったパッシブバルブ１１を介して、第２流路９へメタノールを吐出する。

続いて、ポンプ室２にメタノールを吸入する（吸入ステップＳ１）。より具体的には、流入側アクティブバルブ５を開状態としたまま、ポンプ機構１３をメタノールの吸入方向へ動作させる。このポンプ機構１３の吸入動作を、例えば、ポンプ機構１３の下死点まで行う。ポンプ機構１３の吸入動作で、開状態となったパッシブバルブ１０を介して、第１流路８からメタノールをポンプ室２へ吸入する。

続いて、ポンプ機構１３の吐出動作で、ポンプ室２からメタノールを吐出してポンプ装置１のバックラッシュを解消した後に、流入側アクティブバルブ５を閉じる（初期吐出ステップＳ２）。より具体的には、流入側アクティブバルブ５を開状態としたまま、ポンプ装置１のバックラッシュを解消するまでポンプ機構１３をメタノールの吐出方向へ動作させる。このポンプ機構１３の吐出動作で、開状態となったパッシブバルブ１１を介して、第２流路９へメタノールを吐出し、その後、流入側アクティブバルブ５を閉状態とする。

続いて、所定の流出側アクティブバルブ６を順次開いて、ポンプ機構１３の吐出動作で所定量のメタノールを吐出する（吐出ステップＳ３）。より具体的には、まず、流出側アクティブバルブ６ｆを開状態とした後、ポンプ機構１３で吐出動作を行わせて、所定量のメタノールを流出路４ｆから吐出する。次に、流出側アクティブバルブ６ｆを閉状態、流出側アクティブバルブ６ｇを開状態とした後、ポンプ機構１３に吐出動作を行わせて、所定量のメタノールを流出路４ｇから吐出する。このように、流出側アクティブバルブ６ｆ、６ｇ、６ｈ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅの開閉動作をこの順番で順次行いつつ、ポンプ機構１３に吐出動作を行わせると、流出路４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅからこの順番で所定量のメタノールを吐出することができる。

ここで、ポンプ室２に、気泡の有無を検出する検出器を設けた場合において、この検出器が気泡を検出したときには、例えば、流入側アクティブバルブ５を開状態として、ポンプ機構１３の吐出動作を行うことで、開状態となったパッシブバルブ１１を介して、第２流路９へ気泡を排出することができる。また、ポンプ装置１の起動時あるいは、収容容器の交換後には、同様の動作で、気泡を排出することも可能である。

このように、本形態のポンプ装置１は、流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈを備えていることから、流出路４ａ〜４ｈからポンプ室２へのメタノールの逆流を確実に防止することができる。また、流出路４ａ〜４ｈから吐出するメタノールの吐出先を流出側アクティブバルブ６ａ〜６ｈで制御することができる。さらに、ポンプ装置１では、１つのポンプ機構１３の吐出動作によって各流出路４ａ〜４ｈからメタノールを吐出する。そのため、各流出路４ａ〜４ｈごとにポンプ機構が設けられている場合と比較して、吐出性能が均一になり、各流出路４ａ〜４ｈからの吐出量のばらつきを抑えることができる。従って、ポンプ装置１では、適切量のメタノールを精度よく吐出することができる。

また、流入路３は、流入側アクティブバルブ５を介してポンプ室２に接続されているため、ポンプ室２から流入路３への逆流を確実に防止することができる。

また、本形態のポンプ装置１の制御方法では、吸入ステップＳ１と吐出ステップＳ３との間に、ポンプ装置１のバックラッシュを解消する初期吐出ステップＳ２が設けられている。そのため、吐出ステップＳ３では、当初からポンプ機構の移動量と流出路４ａ〜４ｈからの吐出量との関係をリニアに保つことができる。従って、ポンプ機構の移動量を適切に制御してやれば、吐出ステップＳ３で最初に流体が吐出される流出路４ｆからの吐出量も精度よく制御することができ、各流出路４ａ〜４ｈからの吐出量のばらつきを低減させることができる。

さらに、吐出ステップＳ３で、流出路４ａ〜４ｈから複数回にわたって吐出するために必要なメタノールを、吸入ステップＳ１で吸入している。そのため、各流出路４ａ〜４ｈから吐出するメタノールの吐出量が著しく微量であっても、吸入量をある程度確保することができる。例えば、各流出路４ａ〜４ｈからの各吐出量がそれぞれ１μｌであっても、吸入量は８μｌとすることができる。従って、ポンプ装置１の容量を大きくすることができ、自給性能を備えることが容易になる。

［ポンプ装置の具体的な構成］
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したポンプ装置の斜視図およびその流路などを平面的に示す説明図である。図４および図５は、本発明の実施の形態に係るポンプ装置を斜め上方からみたときの分解斜視図および斜め下方からみたときの分解斜視図である。図６は、本発明を適用したポンプ装置の断面構成を示す説明図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本形態のポンプ装置１は、ボックス状の装置本体７の一方の面７１に、図１を参照して説明した流入口８０、還流口９０、流出口４０を構成するパイプが接続されている。

このような構成のポンプ装置１を構成するにあたって、本形態では、後述するポンプ機構１３やアクティブバルブ５、６に対する配線基板７４、底板７５、ベース板７６、後述する流路が溝状に形成された流路構成板７７、この流路構成板の上面を覆うことにより流路の上面を塞ぐ封止シート７８、前記のパイプが連結された上板７９がこの順に積層されて、ポンプ装置本体７が構成されている。

図４および図５に示すように、ベース板７６には、後述するポンプ機構１３やアクティブバルブ５、６の配置空間などを構成するための穴１３７、５７、６７ａ〜６７ｈが形成されている。また、流路構成板７７において、その中心位置にはポンプ室２を構成するための丸い貫通穴２１が形成されており、この貫通穴２１の周りには、流路構成板７７の下面側に、アクティブバルブ５、６の弁室を構成する凹部５８、６８ａ〜６８ｈが形成されている。

また、貫通穴２１からは９本の溝３１、４１ａ〜４１ｈが放射状に延びている。また、流路構成板７７の溝３１、４１ａ〜４１ｈの近傍には溝８２、９２、４２ａ、４２ｂ・・などが形成されている。

本形態では、９本の溝３１、４１ａ〜４１ｈのうち、溝３１によって流入路３が構成されている。すなわち、ベース板７６、流路構成板７７および封止シート７８を重ねた状態では、溝３１の上面が塞がれるとともに、流入路３に対して流入側アクティブバルブ５が配置された状態となる。また、ベース板７６、流路構成板７７および封止シート７８を重ねると、溝４１ａ〜４１ｈ、４２ａ、４２ｂ・・・によって流出路４ａ〜４ｈが形成されるとともに、各流出路４ａ〜４ｈに流出側アウティブバルブ６ａ〜６ｈが配置された状態となる。なお、ベース板７６、流路構成板７７および封止シート７８を重ねると、溝８２、ベース板７６の凹部８３、および流路構成板７７の凹部８４によって第１流路８が構成され、溝９２、ベース板７６の凹部（図示せず）、および流路構成板７７の凹部９４によって第２流路９が構成される。なお、パッシブバルブ１０、１１は、第１流路８および第２流路９のうち、流路構成板７７の凹部８４、９４に設置される。

このように本形態では、流出側アクティブバルブ６（６ａ〜６ｈ）は、ポンプ室２の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路４（４ａ〜４ｈ）の各々において流路を短くでき、ポンプ装置１の薄型化を図ることができる。また、各流出路４（４ａ〜４ｈ）からの吐出量のばらつきを抑えることができるので、適量の流体を精度よく吐出することができる。さらに、複数の流出路４（４ａ〜４ｈ）を備えている分、複数の流出側アクティブバルブ６（６ａ〜６ｈ）を必要とするが、複数の流出側アクティブバルブ６（６ａ〜６ｈ）をポンプ室２の周りに平面状に配置されているため、複数の流出路４（４ａ〜４ｈ）の各々において流路を短くできる分、ポンプ装置１を小型化できる。また、本形態において、複数の流出路４（４ａ〜４ｈ）では、ポンプ室２から流出側アクティブバルブ６（６ａ〜６ｈ）までの流路の長さが等しい。このため、各流出路４（４ａ〜４ｈ）を介しての吐出量を高い精度で制御することができる。

また、本形態において、流入口８０、還流口９０および複数の流出口４０（４０ａ〜４０ｈ）は、ポンプ装置本体７の同一の面７１で開口しているため、ポンプ装置１と外部との接続が容易である。

さらに、流入側アクティブバルブ５、ポンプ機構１３および流出側アクティブバルブ６に対する配線基板７４は、ポンプ装置本体７において、流入口８０、還流口９０および複数の流出口４０（４０ａ〜４０ｈ）が開口している面とは反対側の面に積層されているため、流入口８０、還流口９０および複数の流出口４０（４０ａ〜４０ｈ）に対して配管を接続する際、配線基板７４と各アクティブバルブ５、６やポンプ機構１３との配線が容易になるなどの利点がある。

さらにまた、ポンプ装置本体１０は、流入路３および流出路４が一方面側に溝状に形成された流路構成板７７と、この路構成板７７の一方面側に重ねて配置された封止シート７８とを備えているため、小型の装置本体７に対して多数の流路を形成でき、かつ、ポンプ装置１を効率よく生産できる。

［ポンプ機構の構成］
（ポンプ機構の全体構成）
以下、本発明を適用したポンプ装置１に用いたポンプ機構１３の一例を説明する。図７は、本発明を適用したポンプ装置を縦に分割した状態の分解斜視図である。図８（ａ）、（ｂ）は、図７に示すポンプ装置においてポンプ室の内容積を膨張させた状態を示す説明図、およびポンプ室の内容積を収縮させた状態を示す説明図である。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図７に示すポンプ機構の回転体に用いたロータの斜視図、平面図、および断面図である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図７に示すポンプ機構の回転体に用いた移動体の斜視図、平面図および断面図である。

図７および図８（ａ）において、本形態のポンプ機構１３は、概ね、流入路３および流出路４に連通するポンプ室２の内容積を膨張収縮させて液体の吸入および吐出を行う弁体としてのダイヤフラム弁１７０と、ダイヤフラム弁１７０を駆動する駆動機構１０５とから構成されている。

本形態において、駆動機構１０５は、以下に説明するように、環状のステータ１２０と、このステータ１２０の内側に同軸状に配置された回転体１０３と、この回転体１０３の内側に同軸状に配置された移動体１６０と、回転体１０３の回転を移動体１６０を軸線方向に移動させる力に変換して移動体１６０に伝達する変換機構１４０とを備えている。ここで、駆動機構１０５は、ベース板７６に形成された空間内において、底板７５とベース板７６との間に搭載された状態にある。

駆動機構１０５において、ステータ１２０は、ボビン１２３に巻回されたコイル１２１、およびコイル１２１を覆うように配置された２枚のヨーク１２５からなるユニットが軸線方向に２段に積層された構造になっている。この状態で、上下２段のいずれのユニットにおいても、２枚のヨーク１２５の内周縁から軸線方向に突き出た極歯が周方向に交互に並んだ状態となる。

図７、図８および図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、回転体１０３は、上方に開口するカップ状部材１３０と、このカップ状部材１３０の円筒状の胴部１３１の外周面に固着された環状のロータマグネット１５０とを備えている。カップ状部材１３０の底壁１３３の中央には、軸線方向上側に凹む凹部１３５が形成され、底板７５には、凹部１３５内に配置されたボール１１８を受ける軸受部７５１が形成されている。また、ベース板７６の上端側の内面には環状段部７６６が形成されている一方、カップ状部材１３０の上端部分には、胴部１３１の上端部分と環状のフランジ部１３４とによって、ベース板７６側の環状段部７６６に対向する環状段部が形成されており、これらの環状段部で区画形成された環状空間内には、環状のリテーナ１８１およびこのリテーナ１８１によって周方向に離間した位置に保持されたベアリングボール１８２からなる軸受１８０が配置されている。このようにして、回転体１０３は、軸線周りに回転可能な状態でポンプ装置本体７に支持された状態にある。

回転体１０３において、ロータマグネット１５０の外周面は、ステータ１２０の内周面に沿って周方向に並ぶ極歯に対向している。ここで、ロータマグネット１５０の外周面では、Ｓ極とＮ極が周方向に交互に並んでおり、ステータ１２０とカップ状部材１３０とはステッピングモータを構成している。

図７、図８および図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、移動体１６０は、底壁１６１と、底壁１６１の中央から軸線方向に突き出た円筒部１６３と、この円筒部１６３の周りを囲むように円筒状に形成された胴部１６５とを備えており、胴部１６５の外周には雄ネジ１６７が形成されている。

本形態では、回転体１０３の回転によって移動体１６０を軸線方向で往復移動させるための変換機構１４０を構成するにあたって、まず、図７、図８、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、カップ状部材１３０の胴部１３１の内周面には、周方向に離間する４箇所に雌ネジ１３７を形成する一方、移動体１６０の胴部１６５の外周面には、カップ状部材１３０の雌ネジ１３７に係合して動力伝達機構１４１を構成する雄ネジ１６７が形成されている。従って、雄ネジ１６７と雌ネジ１３７とが噛み合うようにカップ状部材１３０の内側に移動体１６０を配置すれば、移動体１６０はカップ状部材１３０の内側に支持された状態となる。また、移動体１６０の底壁１６１には、周方向に６個の長穴１６９が貫通穴として形成されている一方、ベース板７６からは６本の突起７６９が延びて、突起７６９の下端部が長穴１６９に嵌ることにより、供回り防止機構１４９が構成されている。すなわち、カップ状部材１３０が回転した際、移動体１６０は、突起７６９と長穴１６９からなる供回り防止機構１４９によって回転が阻止されているので、カップ状部材１３０の回転は、その雌ネジ１３７および移動体１６０の雄ネジ１６７からなる動力伝達機構１４１を介して移動体１６０に伝達される結果、移動体１６１は、回転体１０３の回転方向に応じて軸線方向の一方側および他方側に直線移動することになる。

（弁体の構成）
再び図７および図８（ａ）において、本形態では、移動体１６０には、ダイヤフラム弁１７０が直接、連結されている。ダイヤフラム弁１７０は、底壁１７１と、底壁１７１の外周縁から軸線方向に立ち上がる円筒状の胴部１７３と、この胴部１７３の上端から外周側に広がるフランジ部１７５とを備えたカップ形状を有しており、底壁１７１の中央部分が、移動体１６０の円筒部１６３に被さった状態で、それらの上下方向から、止めネジ１７８とキャップ１７９とに固定されている。また、ダイヤフラム弁１７０のフランジ部１７５の外周縁は、液密性と位置決めとして機能する肉厚部になっており、この肉厚部は、流路構成板７７の貫通穴２１の周囲において、ベース板７６と流路構成板７７との間に固定されている。このようにして、ダイヤフラム１７０は、ポンプ室２の下面を規定し、かつ、ポンプ室２の周りにおいてベース板７６と流路構成板７７との間の液密を確保している。

この状態で、ダイヤフラム弁１７０の胴部１７３は、断面Ｕ字状に折り返された状態にあり、折り返し部分１７２は、移動体１６０の位置によって形状が変化することになる。しかるに本形態では、移動体１６０の円筒部１６３の外周面からなる第１の壁面１６８と、ベース板７６から延びた突起７６９の内周面からなる第２の壁面７６８との間に構成された環状空間内に、ダイヤフラム弁１７０の断面Ｕ字状の折り返し部分１７２を配置してある。従って、図８（ａ）、（ｂ）に示す状態、および図８（ａ）、（ｂ）に示す状態に移行する途中の状態のいずれにおいても、ダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形する。

また、本形態では、図７、図８（ａ）、および図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、カップ状部材１３０の底壁１３３には、周方向における２７０°の角度範囲にわたって１本の溝１３６が形成されている一方、移動体１６０の底面からは下方に向けて突起１６６が形成されている。ここで、移動体１６０は、軸線回りに回転しないが、軸線方向に移動するのに対して、回転体１０３は、軸線回りに回転するが、軸線方向に移動しない。従って、突起１６６と溝１３６は、回転体１０３および移動体１６０の停止位置を規定するストッパとして機能する。すなわち、溝１３６は、周方向において深さが変化しており、移動体１６０が軸線方向の下方に移動すると、突起１６６が溝１３６内に嵌るとともに、回転体１０３の回転により溝１３６の端部が突起１６６に当接する。その結果、回転体１０３の回転が阻止され、回転体１０３および移動体１６０の停止位置、すなわちダイヤフラム弁１７０の内容積の最大膨張位置が規定されることになる。

（動作）
このように構成したポンプ機構１３において、ステータ１２０のコイル１２１に給電すると、カップ状部材１３０が回転し、その回転が変換機構１４０を介して移動体１６０に伝達される。従って、移動体１６０は軸線方向で往復直線運動を行う。その結果、ダイヤフラム弁１７０が移動体１６０の移動に合わせて変形し、ポンプ室２の内容積を膨張、収縮させるので、ポンプ室２では、流入路３からの液体の流入と、流出路４に向けての液体の流出が行われる。その間、ダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形し、無理な摺動が発生しない。しかも、ダイヤフラム弁１７０は、ポンプ室２の流体から圧力を受けても、環状空間内に内外側とも規定されているため、変形しない。さらに、移動体１６０の下方位置は、カップ状部材１３０の溝１３６および移動体１６０の突起１６６によって構成されたストッパにより規定されることになる。よって、カップ状部材１３０の回転に伴い、ダイヤフラム弁１７０は高精度に容積変化をする。

以上説明したように、本形態のポンプ機構１３では、ステッピングモータ機構による回転体１０３の回転を、雄ネジ１６７および雌ネジ１３７からなる動力伝達機構１４１を利用した変換機構１４０を介して移動体１６０に伝達して、ダイヤフラム弁１７０が固定された移動体１６０を往復直線運動させる。このため、駆動機構１０５からダイヤフラム弁１７０まで、必要最小限の部材で動力を伝達するので、ポンプ機構１３の小型化、薄型化および低コスト化を図ることができる。また、動力伝達機構１４１における雄ネジ１６７および雌ネジ１３７のリード角を小さく、あるいは駆動側のステータの極歯を増加することで、移動体１６０の微小送りを行うことができる。従って、ポンプ室２の容積を厳密に制御できるので、高い精度で定量吐出を行うことができる。

さらに、本形態ではダイヤフラム弁１７０を用いているが、このダイヤフラム弁１７０の折り返し部分１７２は、環状空間内に保持された状態のまま、第１の壁面１６８および第２の壁面７６８に沿って展開あるいは巻き上げるように変形し、無理な摺動が発生しない。従って、無駄な負荷が発生せず、かつ、ダイヤフラム弁１７０の寿命が長い。また、ダイヤフラム弁１７０は、ポンプ室２の流体から圧力を受けても、変形しない。それ故、本形態のポンプ機構１３によれば、高い精度で定量吐出を行うことができ、かつ、信頼性も高い。

さらにまた、回転体１０３は、ポンプ装置本体７に対してベアリングボール１８２を介して軸線周りに回転可能に支持されているため、摺動ロスが小さく、かつ、回転体１０３は軸線方向に安定して保持されるので、軸線方向における推力が安定している。それ故、駆動機構１０５の小型化、耐久性の向上、吐出性能の向上を図ることができる。

なお、上記形態では、変換機構１４０の動力伝達機構１４１としてネジを利用したが、カム溝を利用してもよい。さらに、上記形態では弁体として、カップ状のダイヤフラム弁を用いたが、その他の形状のダイヤフラム弁、あるいはＯリングを備えたピストンを用いてもよい。

また、上記形態では、流入口８０が１個、流出口４０が８個の例を掲げたが、流入口８０は複数でもかまわない。また、流入口８０、ポンプ機構１３、流出口４０がそれぞれ１個でも、また、それらを組み合わせてもよい。また、上記形態では、流出路４を均等の長さとしたが、均等でなしに用途により配置してもよい。さらに、上記形態では、還流口９０が設けてあるが、不要の場合はなくてもよい。さらにまた、上記形態では、上面を塞ぐ封止シート７８、前記のパイプが連結された上板７９が別体で図示してあるが、上板７９のパイプがなく、封止シート７８に流出穴だけを開け、シール部材を介して接続するように構成してもよい。

［アクティブバルブの構成］
図１１および図１２はそれぞれ、本発明を適用したポンプ装置１のアクティブバルブ５、６として用いたバルブの要部を軸線方向に切断したものを斜め上方からみたときの説明図、およびこのバルブの磁力線を示す説明図である。

図１１および図１２に示すように、アクティブバルブ５、６は、ベース板７６の穴５７、６７ａ〜６７ｈ内にリニアアクチュエータ２０１を備えており、このリニアアクチュエータ２０１は、円筒状の固定体２０３と、この固定体２０３の内側に配置された略円柱状の可動体２０５とを有している。固定体２０３は、ボビン２３１に環状に巻回されたコイル２３３と、コイル２３３の外周面からコイル２３３の軸線方向の両側を回りこんで一方の先端部２３６ａと他方の先端部２３６ｂがコイル２３３の内周側でスリット２３７を介して軸線方向で対向する固定体側ヨーク２３５を備えている。可動体２０５は、円板状の第１の可動体側ヨーク２５１と、この第１の可動体側ヨーク２５１に対して軸線方向の両側に積層された一対の磁石２５３ａ、２５３ｂとを有している。一対の磁石２５３ａ、２５３ｂとしては、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｃｏ系の希土類磁石、あるいは樹脂磁石を用いることがきる。また、可動体２０５において、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの各々には、第１の可動体側ヨーク２５１とは反対側の端面に第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂが積層されている。

本形態では、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは、いずれも軸線方向に着磁されており、第１の可動体側ヨーク２５１の方に同極を向けている。以下、本形態では、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、第１の可動体側ヨーク２５１の方にＮ極を向け、軸線方向における外側にＳ極を向けているものとして説明するが、着磁方向についてはその逆であってもよい。

ここで、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面は、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出している。また、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの外周面も、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出している。

なお、第１の可動体側ヨーク２５１の軸線方向における両端面には凹部が形成され、これらの凹部に対して一対の磁石２５３ａ、２５３ｂが各々嵌め込まれ、接着剤などで固定されている。なお、第１の可動体側ヨーク２５１、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂ、および第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの固定については、接着、圧入、あるいはそれらを併用して一体化した構成を採用すればよい。

また、固定体２０３の軸線方向における両側の開口部には軸受板２７１ａ、２７１ｂ（軸受部材）が固定されており、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂから軸線方向の両側に突き出た支軸２５７ａ、２５７ｂは、いずれも軸受板２７１ａ、２７１ｂの穴に摺動自在に挿入されている。このようにして、可動体２０５は、軸線方向に往復移動可能な状態で固定体２０３に支持されている。この状態で、可動体２０５は、外周面が固定体２０３の内周面に所定の隙間を介して対向し、かつ、固定体側ヨーク２３５の先端部２３６ａ、２３６ｂ同士は、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面とコイル２３３の内周面との隙間内で軸線方向に対向する状態にある。また、可動体２０５と固定体側ヨーク２３５との間には間隙が確保されている。なお、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂと支軸２５７ａ、２５７ｂとの固定には、接着、圧入、あるいはそれらを併用して一体化した構成を採用すればよい。

このように構成したリニアアクチュエータ２０１において、図面に向かって右側では向こう側から手前側に向かってコイル２３３に電流が流れ、図面に向かって左側では手前側から向こう側にコイル３３に電流を流れる期間では、磁力線は、図１２に示すように表される。従って、可動体５は、まず、矢印Ａで示すように、ローレンツ力により軸線方向において推力を受け、移動する。これに対して、コイル２３３への通電方向を反転させると、可動体２０５は、矢印Ｂで示すように、軸線方向に沿って下降する。

なお、本形態のリニアアクチュエータ２０１では、可動体２０５を磁力で推進するとともに、軸線方向の一方側において、軸受板２７１ａと第２の可動体側ヨーク２５５ａとの間に、付勢部材としての円錐台形状のコイルバネ２９１を配置してある、従って、可動体２０５が下降する際には、圧縮バネを変形させながら移動し、可動体２０５が上昇する際には、圧縮バネの形状復帰力が補助して、高速で移動する。

このように構成したリニアアクチュエータ２０１において、本形態では、一方の支軸２５７ｂの端部には、弁室２７０（凹部５８、６８ａ〜６８ｈ）に配置されたダイヤフラム弁２６０の中央部分が接続されている。ダイヤフラム弁２６０の外周側には、液密性と位置決めとして機能する環状肉厚部２６１が形成されており、ダイヤフラム弁２６０において、この環状肉厚部２６１を含む外周側がベース板７６と流路構成板７７との間に挟まれて液密が確保されている。

なお、弁体については、ダイヤフラム弁２６０に限らず、ベローズ弁、その他の弁体を用いてもよい。また、支軸２５７ａ、２５７ｂと弁体については別体のものを結合させた構成であっても、支軸２５７ａ、２５７ｂと弁体が一体に形成されている構成であってもよい。

以上説明したように、本形態では、可動体２０５において一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、同極を向けており、磁気的反発力が作用しているが、磁石２５３ａ、２５３ｂの間に第１の可動体側ヨーク２５１が配置されているため、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂを同極を向けた状態で固定することができる。

また、可動体２０５において一対の磁石２５３ａ、２５３ｂは各々、同極を第１の可動体側ヨーク２５１に向けているため、第１の可動体側ヨーク２５１からは、半径方向に強い磁束が発生する。従って、第１の可動体側ヨーク２５１とコイル２３３の周面同士を対向させておけば、可動体２０５に大きな推力を付与することができる。

さらに、磁石２５３ａ、２５３ｂを軸線方向で着磁すればよいので、磁石２５３ａ、２５３ｂを半径方向に着磁する場合と違って、小型化した場合でも着磁が容易であり、量産に適している。

しかも、本形態では、第１の可動体側ヨーク２５１の外周面が、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出しているため、固定体側ヨーク２３５を設けた場合でも、可動体２０５に対して軸線方向と垂直方向に作用する磁気吸引力を小さくできる。同様に、第２の可動体側ヨーク２５５ａ、２５５ｂの外周面が、一対の磁石２５３ａ、２５３ｂの外周面から外周側に張り出しているため、固定体側ヨーク２３５を設けた場合でも、可動体２０５に対して軸線方向と垂直方向に作用する磁気吸引力を小さくできる。従って、組み立て作業を行いやすく、かつ、可動体２０５が傾きにくいという利点がある。

また、本形態において、磁石２５３ａ、２５３ｂをコイル３３の外周側に配置したため、コイル２３３よりも磁石２５３ａ、２５３ｂを外側に配置した場合と比較して、磁石２５３ａ、２５３ｂが小さくてよいので、アクティブバルブ５、６を安価に構成できる。また、コイル２３３を外側に配置したので、固定側ヨークのみで磁路を閉じることができる。

さらに、固定体２０３において、軸線方向に開口する開口部には支軸２５７ａ、２５７ｂを軸線方向に移動可能に支持する軸受板２７１ａ、２７１ｂが保持されているため、軸受部材を別途、配置する必要がない。また、固定体２０３を基準に軸受板２７１ａ、２７１ｂを固定できるので、支軸２５７ａ、２５７ｂが傾かないという利点がある。

［その他の実施の形態］
また、用途も燃料電池に限ったものではなく、例えば、化学物質の分析装置分野においては、微量試薬の滴下装置に用いられる、複数のシリンジポンプの代用として使用しても良い。

本発明を適用したポンプ装置の基本構成を示す概念図である。 図１に示すポンプ装置１の制御方法を説明するタイミングチャートである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明を適用したポンプ装置の斜視図およびその流路などを平面的に示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るポンプ装置を斜め上方からみたときの分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係るポンプ装置を斜め下方からみたときの分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係るポンプ装置の断面構成を示す説明図である。 本発明を適用したポンプ装置を縦に分割した状態の分解斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、図７に示すポンプ装置においてポンプ室の内容積を膨張させた状態を示す説明図、およびポンプ室の内容積を収縮させた状態を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図７に示すポンプ機構の回転体に用いたロータの斜視図、平面図、および断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図７に示すポンプ機構の回転体に用いた移動体の斜視図、平面図および断面図である。 本発明を適用したポンプ装置のパッシブバルブ５、６として用いたバルブの要部を軸線方向に切断したものを斜め上方からみたときの説明図である。 図１１に示すバルブの磁力線を示す説明図である。

符号の説明

１ ポンプ装置
２ ポンプ室
３ 流入路
４（４ａ〜４ｈ） 流出路
５ 流入側アクティブバルブ
６（６ａ〜６ｈ） 流出側アクティブバルブ
７ ポンプ装置本体
８ 第１流路
９ 第２流路
１０、１１ パッシブバルブ
１３ ポンプ機構
４０（４０ａ〜４０ｈ） 流出口
７４ 配線基板
７５ 底板
７６ ベース板
７７ 流路構成板
７８ 封止シート
７９ 上板
８０ 流入口
９０ 還流口
１０３ 回転体
１０５ 駆動機構
１２０ ステータ
１２１ コイル
１４０ 変換機構
１４１ 動力伝達機構
１４９ 供回り防止機構
１３０ ロータ
１５０ ロータマグネット
１６０ 移動体
１７０ ダイヤフラム弁
２０１ リニアアクチュエータ
２０３ 固定体
２０５ 可動体
２３３ コイル
２３５ 固定体側ヨーク
２３６ａ、３６ｂ 固定体側ヨークの先端部
２５１ 第１の可動体側ヨーク
２５３ａ、２５３ｂ 磁石
２５５ａ、２５５ｂ 第２の可動体側ヨーク
２９１ コイルバネ（付勢部材）
２６０ ダイヤフラム弁

Claims (7)

1. ポンプ装置本体に、流入口に連通する流入路と、該流入路に配置された流入側アクティブバルブと、前記流入路に接続されたポンプ室と、該ポンプ室に配置されたポンプ機構と、前記ポンプ室から延びて複数の流出口の各々に連通する複数の流出路と、該複数の流出路の各々に配置された流出側アクティブバルブとが構成され、
   前記流出側アクティブバルブは、前記ポンプ室の周りに平面状に配置されていることを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１において、前記複数の流出路では、前記ポンプ室から前記流出側アクティブバルブまでの流路の長さが等しいことを特徴とするポンプ装置。
3. 請求項１または２において、前記流入口および前記複数の流出口は、前記ポンプ装置本体の同一の面で開口していることを特徴とするポンプ装置。
4. 請求項３において、前記流入側アクティブバルブ、前記ポンプ機構および前記流出側アクティブバルブに対する配線基板は、前記ポンプ装置本体において、前記流入口および前記複数の流出口が開口している面とは異なる側の面に積層されていることを特徴とするポンプ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記ポンプ装置本体は、前記流出路が一方面側に溝状に形成された流路構成板と、該流路構成板の前記一方面側に重ねて配置されたシート状封止部材とを備えていることを特徴とするポンプ装置。
6. 請求項５において、前記ポンプ装置本体は、前記ポンプ機構が内部に収納されたベース板を有しているとともに、当該ベース板に前記流路構成板が積層されており、
   前記ポンプ機構はダイヤフラム弁を備え、
   当該ダイヤフラム弁は、外周部分が前記ベース板と前記流路構成板との間に挟持されていることを特徴とするポンプ装置。
7. 請求項５において、前記ポンプ装置本体は、前記流入側アクティブバルブおよび前記流出側アクティブバルブ機構が内部に収納されたベース板を有しているとともに、当該ベース板に前記流路構成板が積層されており、
   前記流入側アクティブバルブおよび前記流出側アクティブは各々、ダイヤフラム弁を備え、
   当該ダイヤフラム弁はいずれも、外周部分が前記ベース板と前記流路構成板との間に挟持されていることを特徴とするポンプ装置。

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