JP2006342711A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動部に機械的摩擦を生じさせない、小型で簡略な流体ポンプを提供する。
【解決手段】 非磁性材料からなる中空チューブと、非磁性材料の短冊形状の支持材と、前記支持材に物理的堆積方法で形成された磁歪材料と、前記支持材を前記中空チューブ内に固定するための固定子と、前記中空チューブの外周に配置された電磁コイルと、前記電磁コイルの外周に配置されたバイアス磁石と、から構成されることを特徴とした流体ポンプとする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、磁歪材料を用いた流体ポンプに関する。

従来、容積変動型ポンプとしては、ピストンやダイアフラム等を用いたものが一般的に知られているが、なかでも、微量な液体を送液するマイクロポンプには数多くの機構原理が存在する。例えば弁機構においてはリードバルブ型、バルブレス型などがあり、又、駆動系では小型モータを用いたダイヤフラム型、ピストン型などの機構を有するマイクロポンプが以前から一般的に知られている。この種のマイクロポンプは、医療機器及び化学分析機器の微量流体供給装置として、薬液の定量注入や反応混合ガス等の流体物を搬送するために用いられ、現在、より高精度な制御ができる小型で汎用性のあるマイクロポンプの開発が進められている。

また、従来から磁歪材料を用いた流体ポンプとして、以下に挙げられるようなポンプが知られている（特許文献１）。これは、磁歪素子を動力源としたポンプであり、ダイアフラムを使用することなく磁歪素子の伸縮を効率良く流体の噴射力に変換することにより、高圧力での使用を可能とすることを目的としている。

上記従来技術に係るポンプによれば、流体に噴射力を与えるために、従来のダイアフラムで構成されていた部位をピストンで構成し、このピストンが直接磁歪素子により駆動されることにより、ポンプ要部の構成部品の強度向上が可能となる。

また、上記従来技術に係るポンプでは、ポンプで汲み上げる流体が磁歪素子の周囲を流れるため、磁歪素子が冷却され温度上昇が抑制される。従って、高負荷運転が可能となると同時に信頼性が向上する、という特長を有している。
特開平０６−０８８５７２

しかしながら、上記従来技術に係るポンプでは、逆止弁を３箇所に設けなければならず、部品点数が多くなり、構造が複雑であるため、小型化に不向きであった。また、ピストン等を変位させるため、ハウジングとピストン等に機械的摩擦が生じてしまい、効率の低下を招いてしまう。

したがって、本発明は、上記の問題点を解決する小型で簡略な流体ポンプとし、駆動部に機械的摩擦を生じさせず、さらに駆動部に電気端子を設ける必要のない構造の流体ポンプを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、非磁性材料からなる中空チューブと、非磁性材料の短冊形状の支持材と、前記支持材に物理的堆積方法で形成された磁歪材料と、前記支持材を前記中空チューブ内に固定するための固定子と、前記中空チューブの外周に配置された電磁コイルと、前記電磁コイルの外周に配置されたバイアス磁石と、から構成されることを特徴とした流体ポンプとしている。

請求項２記載の発明は、非磁性材料からなる中空チューブと、非磁性材料からなる短冊形状の支持材と、前記支持材に物理的堆積方法で形成された磁歪材料と、前記支持材を前記中空チューブ内に固定する固定子と、前記中空チューブの外周に分割配置されたヨークと、前記ヨークの外周に各々配置された電磁コイルと、から構成されることを特徴とした流体ポンプとしている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の流体ポンプにおいて、分割配置された前記ヨーク間の空隙にバイアス磁石を配置したことを特徴とした流体ポンプとしている。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記磁歪材料が前記支持材の少なくとも片面に形成されると共に、前記磁歪材料が磁歪に対し正特性を有することを特徴とする流体ポンプとしている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の流体ポンプにおいて、前記磁歪材料が鉄ガリウム合金であることを特徴とする流体ポンプとしている。

請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記支持材の片面に磁歪に対し正特性を有する磁歪材料が形成され、その反対面に、磁歪に対し負特性を有する磁歪材料が形成されることを特徴とする流体ポンプとしている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の流体ポンプにおいて、磁歪に対し正特性をもつ磁歪材料が鉄ガリウム合金、磁歪に対し負特性をもつ磁歪材料がニッケル材であることを特徴とする流体ポンプとしている。

請求項８記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記支持材、磁歪材料からなる異種金属積層磁歪短冊片とその固定子の表面を可撓性の有機物質等で被覆することを特徴とする流体ポンプとしている。

本発明では、磁歪ポンプとして、電磁コイルを用い、中空チューブの外周から磁界をかけることにより、磁歪材料が伸縮し、支持材とともに撓むことより、内部の流体を動かすことができる。つまり、駆動部に電気端子を直接設ける必要がなく、中空チューブ外部から動力を与えることができる。

また、前記電磁コイルが発生させる交番磁界周期によって、流量を制御することが可能となる。さらには、ピストン等による駆動部の機械的摩擦がないため、効率の良いポンプ構成となり、また、逆止弁等の部材を設けることなく構成が可能なため、部品点数の削減が可能となり、簡略な構成となる。

以下、本発明の最良の形態に係る磁歪材料を用いた流体ポンプについて、添付図面を参照して説明する。

図１は本発明における流体ポンプの第１の実施形態を示す模式断面図である。この流体ポンプ１は、非磁性材料の、例えばステンレス等からなる中空チューブ２と、非磁性材料の、たとえばアルミニウム等からなる短冊形状の支持材３と、前記支持材３の一面にスパッタ法等の物理的堆積方法で形成された、磁歪に対し正特性を有する磁歪材料である鉄ガリウム合金４と、その反対面に、磁歪に対し負特性を有する磁歪材料であるニッケル材５と、前記２種類の磁歪材料の形成された前記支持材３を前記中空チューブ２内に固定するための固定子６と、前記中空チューブ２の外周に配置された電磁コイル７と、前記電磁コイル７の外周に配置されたバイアス磁石８と、から構成される。

図１のように配置された流体ポンプ１は、バイアス磁石８による磁界が矢印Ｂの方向にかかり、磁歪に対し正特性を有する磁歪材料である鉄ガリウム合金４が矢印Ｃの方向へ伸長する。このとき、支持材３は、磁界による変形がなく、さらに、磁歪に対し負特性を有する磁歪材料であるニッケル材５が矢印Ｄの方向へ収縮するため、支持材３、鉄ガリウム合金４、ニッケル材５からなる異種金属積層磁歪短冊片９が矢印Ａの方向へ撓む。

また、前記中空チューブ２の外周に配置された電磁コイル７に交番電流を流すことにより、前記中空チューブ２内に磁界の強弱が発生可能となる構造である。このとき、バイアス磁石８による磁界に加えて、電磁コイル７による磁界が矢印Ｂの方向に発生した場合には、前記異種金属積層磁歪短冊片９は、さらに矢印Ａの方向へ撓み、また、バイアス磁石８による磁界磁界に加えて、電磁コイル７による磁界が矢印Ｂと逆方向に発生したときには、前記異種金属積層磁歪短冊片９は矢印Ａと逆方向に復元する。この交番電流により、矢印Ａ方向への撓みと、逆方向への復元する動作を交互に繰り返す。この繰り返し動作により、流体を矢印Eの方向へと送り出すことが可能となる。

図２は本発明における流体ポンプの第２の実施形態を示す模式断面図である。上記同様に、この流体ポンプ１０は、非磁性材料の、例えばステンレス等からなる中空チューブ１１と、非磁性材料の、例えばアルミニウム等からなる短冊形状の支持材１２と、前記支持材１２の一面にスパッタ法等の物理的堆積方法で形成された、磁歪に対し正特性を有する磁歪材料である鉄ガリウム合金１３と、その反対面に、磁歪に対し負特性を有する磁歪材料であるニッケル材１４と、前記２種類の磁歪材料の形成された前記支持材１２を前記中空チューブ１１内に固定するための固定子１５と、前記中空チューブ１１の外周に分割配置される円筒状のヨーク１６と、更にその外周に各々配置された電磁コイル１７と、から構成される。

更に、図３に、本発明における流体ポンプの第３の実施形態として、分割配置された前記ヨーク１６間の空隙にバイアス磁石１８を配置した模式断面図を示す。

この構成によれば、分割配置されたヨークの外周に電磁コイルを各々配置することにより、電磁コイルの巻き数を少ない巻き数でより高い磁界を異種金属積層磁歪短冊片に印加することが可能となり、応答性の高い磁歪変位が得られる。更に、バイアス磁石を前記ヨーク間の空隙に配置することのより、更に高い磁界を確保することが可能となり、より大きな磁歪変位を得ることができる。

以上より、本発明の流体ポンプにおいて、上記のような実施形態を採ることにより、さほど高い磁界が必要なく、構造の簡略化が必要な場合と、また、多少の構造の複雑化をもってしても高い磁界が必要である場合とを、加味し、実施形態を随時選択可能となる。

尚、上記の実施形態においては、中空チューブ２、１１及び支持材３、１２を構成する非磁性材料として、ステンレス及びアルミニウムを用いているが、この限りではなく、また、正特性を有する磁歪材料として鉄ガリウム合金、負特性を有する磁歪材料としてニッケル材を用いているが、矢印A方向への撓みを十分に確保可能な磁歪素材料であればよく、たとえば正特性を有する磁歪材料として鉄パラジウム合金等を用いることも可能である。

また、上記の実施形態において、支持材３、１２の片面に鉄ガリウム合金、その反対面にニッケル材を形成させたが、片面に鉄ガリウム合金を形成させるのみでも構わない。なぜならば、正特性を有する磁歪材料を形成させることにより矢印A方向への撓みを発生させるためである。しかしながら、その反対面に負特性を有する磁歪材料を形成させることにより、矢印A方向への撓みをより顕著に発生させることが可能となる。

図４は本発明における流体ポンプの一例を示す外観斜視図であり、図５、図６にそれぞれそのＰ−Ｐ断面図、Ｑ−Ｑ断面図を示す。この流体ポンプ１９は、インレットノズル２０、アウトレットノズル２１、中空チューブ２２、電磁コイル２３、バイアス磁石２４、異種金属積層磁歪短冊片２５、板バネ２６から構成される。

中空チューブ２２外周部に、電磁コイル２３、バイアス磁石２４を接着固定し、その両端に、インレットノズル２０、アウトレットノズル２１を圧入固定し、流体ポンプ１９は構成される。

また、図７に本発明における異種金属積層磁歪短冊片の固定方法を表す断面斜視図を示す。このとき、インレットノズル２０における、中空チューブ圧入固定側の流路部２７は図４、図５、図６で示すように、２ヶ所の孔形状となっており、その中間部には異種金属積層磁歪短冊片２５固定用のスリット部２８が設けられている。このスリット部２８に異種金属積層磁歪短冊片２５と、湾曲させた板バネ２６を挿入することにより、異種金属積層磁歪短冊片２５を中空チューブ２２内に片持ち固定可能となる。

上記記載の流体ポンプ１９では、中空チューブ２２の最外周に接着固定されたバイアス磁石２４から、中空チューブ２２内長手方向に発生する磁界により、異種金属積層磁歪短冊片２５が撓む。さらに、中空チューブ２２の外周に配置された電磁コイル２３に交番電流を流すことにより、中空チューブ２２内長手方向に磁界の強弱が発生するため、異種金属積層磁歪短冊片２５が、往復繰り返し動作を行い、流体を中空チューブ２２内長手方向へと送り出すことが可能となる。

このとき、本発明の流体ポンプにおいて、利用する流体によっては、化学変化を生じさせないために、異種金属積層磁歪短冊片の表面を可撓性の有機物質で被覆する。

よって、本発明の流体ポンプによれば、小型で簡略で、駆動部に機械的摩擦を生じさせず、さらに駆動部に電気端子を設ける必要のない流体ポンプを提供することが可能となる。

本発明における流体ポンプの第１の実施形態を示す模式断面図である。 本発明における流体ポンプの第２の実施形態を示す模式断面図である。 本発明における流体ポンプの第３の実施形態を示す模式断面図である。 本発明における流体ポンプの外観斜視図である。 図２におけるＰ−Ｐ断面図である。 図２におけるＱ−Ｑ断面図である。 本発明における異種金属積層磁歪短冊片の固定方法を表す断面斜視図である。 従来技術による、磁歪素子を動力源としたポンプの断面図である。

符号の説明

１，１０，１９ 流体ポンプ
２，１１，２２ 中空チューブ
３，１２ 支持材
４，１３ 鉄ガリウム合金
５，１４ ニッケル材
６，１５ 固定子
７，１７，２３ 電磁コイル
８，１８，２４ バイアス磁石
９，２５ 異種金属積層磁歪短冊片
２０ インレットノズル
２１ アウトレットノズル
２６ 板バネ
２７ 流路部
２８ スリット部

Claims (8)

1. 非磁性材料からなる中空チューブと、
   非磁性材料からなる短冊形状の支持材と、
   前記支持材に物理的堆積方法で形成された磁歪材料と、
   前記支持材を前記中空チューブ内に固定する固定子と、
   前記中空チューブの外周に配置された電磁コイルと、
   前記電磁コイルの外周に配置されたバイアス磁石と、から構成されることを特徴とした流体ポンプ。
2. 非磁性材料からなる中空チューブと、
   非磁性材料からなる短冊形状の支持材と、
   前記支持材に物理的堆積方法で形成された磁歪材料と、
   前記支持材を前記中空チューブ内に固定する固定子と、
   前記中空チューブの外周に分割配置されたヨークと、
   前記ヨークの外周に各々配置された電磁コイルと、から構成されることを特徴とした流体ポンプ。
3. 請求項２記載の流体ポンプにおいて、分割配置された前記ヨーク間の空隙にバイアス磁石を配置したことを特徴とした流体ポンプ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記磁歪材料が前記支持材の少なくとも片面に形成されると共に、前記磁歪材料が磁歪に対し正特性を有することを特徴とする流体ポンプ。
5. 請求項４記載の流体ポンプにおいて、前記磁歪材料が鉄ガリウム合金であることを特徴とする流体ポンプ。
6. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記支持材の片面に磁歪に対し正特性を有する磁歪材料が形成され、その反対面に、磁歪に対し負特性を有する磁歪材料が形成されることを特徴とする流体ポンプ。
7. 請求項６記載の流体ポンプにおいて、磁歪に対し正特性をもつ磁歪材料が鉄ガリウム合金、磁歪に対し負特性をもつ磁歪材料がニッケル材であることを特徴とする流体ポンプ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載の流体ポンプにおいて、前記支持材、磁歪材料からなる異種金属積層磁歪短冊片とその固定子の表面を可撓性の有機物質で被覆することを特徴とする流体ポンプ。
   

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