JP2007187026A - 圧電型液体搬送器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子が高湿度に曝されない構造による、高信頼性で、小型薄型化が可能で、かつ、大流量の特性をもつ圧電型液体搬送器を提供する。
【解決手段】バイモルフ型圧電振動子１２のポンプ室９側である接水部に対し、片面に金属箔１１が貼り付けられた樹脂シートからなる接水樹脂シート１０を接水側が樹脂シートとなるように固着し、この接水樹脂シート１０でポンプ筐体部１の側壁上端部まで含めてポンプ室９を覆い、ポンプ筐体部１とポンプ蓋部１５との間に挟みこむ構成とする。また、ポンプ蓋部１５と接水樹脂シート１０との間に、透湿性の低い耐湿シートゴム１３を挟みこむ。また、振動の支持となるポンプ室９の外周に対して、圧電振動子の電極外周がその内側となるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器及び電子部品等の発熱体を冷却するための冷却装置を構成する小型薄型の圧電型液体搬送器に関する。

圧電振動子の振動により液体を吸入及び圧送して搬送する圧電ポンプは、従来は一般に、図５のような構造をしている。図５に示すように、従来の圧電ポンプは、流体の流入口２７及び流出口２８が形成されたポンプ筐体部２６にインナープレート３０がはめ込まれており、このインナープレート３０の周縁に沿ってポンプ室密閉シール２３が配置され、このポンプ室密閉シール２３を支持として、バイモルフ型圧電振動子２２が載置され、更にその上部にはポンプ蓋部２１が設置され、このポンプ蓋部２１によりポンプ筐体部２６が封止されている。

そして、バイモルフ型圧電振動子２２の下面、インナープレートの上面、及びポンプ室密閉シール２３で囲まれ、ポンプ室密閉シール２３により密封された空間は、ポンプ室２９を形成する。また、流入口２７から流入した液体がポンプ室を経て流出口２８から流出するようにインナープレート３０には流入弁２４及び流出弁２５が設けられている。圧電振動子は、２枚の圧電セラミック２２ａが弾性板２２ｂの上下面に固着されたバイモルフ型であり、接水モールド２２ｃを被覆して構成されている。

次に、従来の圧電ポンプの動作について説明する。電圧を印加するとバイモルフ型圧電振動子２２は上下方向に振動し、これによりポンプ室２９内は連続的に交互に減圧状態、加圧状態となり、流入弁２４と流出弁２５とが交互に開閉し、流体は流入口２７からポンプ室２９へ流入し、ポンプ室２９から流出口２８へと流出する。

図５に示す従来例においては、ポンプ室に入り込む液体の漏れに対して、圧電振動子の支持を行うともに外部への漏れシールとなる密閉シール（例えば、Ｏリングゴム）を蓋と筐体との間に配置し、蓋と筐体の締め付け力により潰すことで液漏れさせないように施されている。また、従来技術として、特許文献１乃至３では、図５に示した基本的な圧電ポンプに対し、吐出圧をあげたり、また、圧電体の絶縁劣化対策等を施したりしている。

特許文献１では、圧電振動子が貼り付けられたダイアフラムをポンプ筐体に取り付ける際に、溶接により封止固定することにより、液漏れに対する強固な対策を行い、このような固定とすることで、ダイアフラムの振動の支持点を強固に固定することになり、その結果、ダイアフラムの中心部の変位が大きくなり、吐出流量の増大が実現できると記載されている。

特許文献２では、弾性シールド材で被覆された圧電振動子に対して、流体と接触する接液面から徐々に水分が弾性シールド材に浸透することで圧電体の絶縁劣化が起こってしまうという従来の問題点に対する対策として、ポンプ室側である接液面側に金属皮膜を形成した絶縁膜を圧電振動子に貼り付けた構成のもの、及び接液面とは反接液側の圧電体も含めて全体を絶縁膜で覆った構成のものが開示されている。

特許文献３では、従来技術におけるポンプ室の密閉シールの密閉性の脆さにより、ポンプ室内の液体が振動板を回り込んでポンプ室の反対側に漏れ、圧電振動子が液体に触れてしまい、絶縁低下・破壊を起こすという問題に対し、逆止弁を備えたインナープレートと、圧電振動子を接着させたカートリッジとをＯリングゴムを介して強固に締め付けることで、ポンプ室内の液漏れを完全に封止させることを目的とした構成のものが開示されている。

特開２００３−０２８０６８号公報 特開２００１−３２３８７９号公報 特開２００２−１３０１３７号公報

しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。

圧電ポンプに対し大流量化、薄型化を施そうとすると、圧電振動子に印加される電界は非常に大きくなる。圧電振動子が湿気に曝される状態において、大電界が印加され続けると電極のマイグレーションが発生し、振動子の絶縁劣化が生じ、終にはショート破壊が起こってしまう。圧電ポンプでは、圧電振動子はポンプ室の上又は下に配置されるため、直接ではないものの、そのすぐ近傍に液体が存在することになり、圧電振動子は湿気に曝されやすい環境にある。

また、ポンプ室内の液体は、本発明の技術応用範囲である冷却装置内では、温度上昇する場合があり、この温度上昇により液体内の水分が気化してしまう。そして、気化した水蒸気は、ポンプ室の密閉シール部又は圧電振動子の接水部を透過し、圧電振動子のセラミック部に触れてしまうという問題点があった。そこで、圧電振動子とポンプ室内の液体からの水蒸気との耐湿分離、更には外気との耐湿分離構造が、圧電ポンプの大流量化、薄型化には重要となる。

ポンプ室内の液体からの水蒸気と圧電振動子とを耐湿分離したものとしては、特許文献１に開示された技術があり、接水部にダイアフラムとして金属プレートを配置した圧電ポンプが記載されている。しかし、金属プレートでは剛性が大きすぎるため、圧電振動子の変位拘束が強くなり、ポンプとしての流量は、高々数十ｃｃ程度であり、大流量化は困難である。

また、特許文献２では、接液面側に金属皮膜を形成した絶縁膜を圧電振動子に固着させたもの、また、その絶縁膜で圧電振動子を覆い包んだものが示されているが、この場合、金属皮膜が接水しているため、金属皮膜の腐食、又は電気的な漏電の可能性等、信頼性に課題があり、ポンプとしての寿命も高々２、３年程度しかもたないという問題点があった。

更に、特許文献３では、圧電振動子を剛性のあるカートリッジに接着し、そのカートリッジとインナープレートとでポンプ室の密閉シールであるＯリングをしっかりと潰すことで、密閉性を高めたものが開示されている。しかし、この構造では、カートリッジの剛性を確保するために、厚さが増加し、薄型化には限界が生じてしまう。

そこで、圧電ポンプの信頼性を高め、５乃至１０年程度の長期寿命を実現するためには、圧電ポンプ内の圧電振動子が高湿度に曝されない構造の開発が要求されている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、圧電振動子が高湿度に曝されない構造による、高信頼性で、小型薄型化が可能で、かつ、大流量の特性をもつ圧電型液体搬送器を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電型液体搬送器は、開口部を有するポンプ筐体と、前記開口部を覆うように配置された接水シートと、この接水シートと前記ポンプ筐体内壁とで囲まれた空間として形成されたポンプ室と、前記接水シート上に固着された圧電振動子と、前記ポンプ筐体に設けられ前記ポンプ室に流体が流入する流入口及び前記ポンプ室から流体が流出する流出口と、前記ポンプ筐体との間で前記圧電振動子を取り囲むポンプ蓋部と、を有し、前記圧電振動子の屈曲振動により前記ポンプ室の容積を可変にすることで流体を前記流入口から吸引し前記流出口から排出するポンプ機能を有し、前記接水シートは片面に金属箔が形成された樹脂シートからなり、接水側が樹脂シートとなるようにして前記ポンプ筐体と前記ポンプ蓋部との間に挟み込まれていることを特徴とする。

本発明においては、片面に金属箔が形成された樹脂シートからなる接水シートを、接水面が樹脂シートとなるようにして圧電振動子とポンプ室との間に配置することにより、接水シートがポンプ室内の液体から発生した水蒸気の透過を遮断し、圧電振動子とポンプ室とが耐湿分離構造となるため、水蒸気が圧電振動子に影響を及ぼすことがない。

流入口及び流出口には、夫々、流入口からのポンプ内部への流体の流入を許してその逆の流体流を許さない逆止弁、及びポンプ外部への流体の流出を許してその逆の流体流を許さない逆止弁を設けることができる。

ポンプ室の側面は密封シールからなり、この密封シールは前記圧電振動子を支持すると共に、前記ポンプ室を密封することができる。

また、接水シートはポンプ室の開口部よりも大きいと好適である。

ポンプ蓋部と接水シートとの間に透湿性の低い樹脂シートを配置することができる。これにより、圧電振動子に対して、外気からの湿気の進入防止がなされる。

圧電振動子には電圧を印加して振動させる電極が設けられており、圧電振動子の支持部であるポンプ室の外周に対して、電極の外周がポンプ室の外周の内側に位置していてもよい。これにより、支持部を介して圧電振動子に加わる応力の作用箇所と電界の印加箇所とが集中することがないため、電極のマイグレーションの進行が抑制される。

接水シートは、金属箔の厚さが前記圧電振動子の厚さの０．３乃至３％であり、樹脂シートの厚さが前記圧電振動子の厚さの５乃至１５％とすることができる。これにより、ポンプの流量等の性能を極端に落とすことなく、ポンプ全体厚の極薄型化が実現可能となる。

本発明によれば、片面に金属箔が貼り付けられた樹脂シートからなる接水シートを、接水面が樹脂シートとなるようにして圧電振動子とポンプ室との間に配置することにより、接水シートがポンプ室内の液体から発生した水蒸気の透過を遮断し、圧電振動子とポンプ室とが耐湿分離構造となるため、水蒸気が圧電振動子に影響を及ぼすことがない。これにより、圧電振動子の寿命、即ち圧電型液体搬送器の寿命として、５年乃至１０年程度の長寿命が実現可能となる。

次に、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る圧電型液体搬送器の断面図であり、図２は、その部分拡大図である。また、図３は、本実施形態における圧電振動子の（ａ）上面図、及び（ｂ）断面構成図であり、図４は、圧電振動子の電極位置を示した図である。

図３は、接水樹脂シート１０が接着され一体化されたバイモルフ型圧電振動子１２の（ａ）上面図、及び（ｂ）断面構成図である。図３に示すように、正方状の接水樹脂シート１０の上面である非接水側の面上には、この接水樹脂シート１０を覆うように厚さが例えば約１０〜２０μｍの金属箔１１が貼り付けられており、この金属箔１１が形成された接水樹脂シート１０の上面には、円板状のバイモルフ型圧電振動子１２が強固な接着剤により接着されている。接水樹脂シート１０は、例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標））シートからなる。また、金属箔１１は、例えばＡｌ（アルミニウム）又はＣｕ（銅）箔である。バイモルフ型圧電振動子１２は、弾性板２２ｂの上下面に圧電セラミック２２ａを固着して構成されており、更にその上面を覆うようにして接水樹脂シート１０が接着されている。また、バイモルフ型圧電振動子１２下部に設けられた接水樹脂シート１０の面積はバイモルフ型圧電振動子１２の水平断面積より大きく、図３（ａ）に示すように、正方状の接水樹脂シート１０の内側に円板状のバイモルフ型圧電振動子１２が設けられている。また、図３では、接水樹脂シート１０はバイモルフ型圧電振動子１２の上側にも接着されているが、これは振動の対称性を考慮して形成したものであり、これを形成しなくても対称性は損なわれるものの、ポンプとしての特性には大きな影響を及ぼすものではない。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る圧電型液体搬送器においては、凹形状をなすポンプ筐体部１の内底面上に、ポンプ底部の密封シールとしてポンプ底部液漏れシール２が貼られており、その上部には弁穴貫通プレート３が重なるようにして配置されている。ポンプ筐体部１の底面には、流体の流入口６及び流出口７が形成されており、これらは鉛直方向にポンプ底部液漏れシール２と弁穴貫通プレート３とを貫通し、流入口６及び流出口７に連通する所定の箇所には、弁穴貫通プレート３に設けられた流入弁４及び流出弁５が夫々配置されている。流入弁４は、流入口６からのポンプ内部への流体の流入を許してその逆の流体流を許さず、流出弁５は、ポンプ外部への流体の流出を許してその逆の流体流を許さない逆止弁である。

弁穴貫通プレート３の外周部上には、ポンプ筐体部１の側壁と共に圧電振動子の支持部をなすポンプ室密封シール８が配置されており、この上部には、図３に示した接水樹脂シート１０が接着され一体化されたバイモルフ型圧電振動子１２が載置されている。接水樹脂シート１０は、例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標））シートである。このとき、バイモルフ型圧電振動子１２の下部に形成された接水樹脂シート１０は、ポンプ筐体部１を上側から封止するように、ポンプ筐体部１の側壁上端部まで覆うように配置されている。そして、弁穴貫通プレート３の上面と、バイモルフ型圧電振動子１２下部に形成された接水樹脂シート１０と、ポンプ室密封シール８とで囲まれ、ポンプ室密閉シール８により密封された空間はポンプ室９を形成している。

更に、接水樹脂シート１０が接着され一体化されたバイモルフ型圧電振動子１２の上部には、ポンプ蓋部１５が配置され、ポンプ筐体部１とネジ締めにより締め付け固定されるが、その際に、図２に拡大して示すように、バイモルフ型圧電振動子１２上部に設けられた接水樹脂シート１０とポンプ蓋部１５との間には、例えばシリコンゴム又はフッ素ゴム等からなる振動ダンパー材１４を介し、また、バイモルフ型圧電振動子１２下部に設けられた接水樹脂シート１０とポンプ蓋部１５との間であって、ポンプ筐体部１の側壁上端部には、例えばフッ素ゴム又はエチレンプロピレンゴム等からなる透湿性の低い耐湿シートゴム１３を介して固定している。耐湿シートゴム１３には、例えば０．４ｍｍ厚のフッ素ゴムを用いている。

また、図４に示すように、バイモルフ型圧電振動子１２の下部には、圧電振動子に電圧を印加する圧電振動子の電極２０が形成されている。本実施形態においては、ポンプ室密閉シール８と接水樹脂シート１０との接点である支持部が、圧電振動子の電極１２の外周の外側に位置するような寸法にて圧電振動子の電極１２が形成されている。即ち、振動の支持となるポンプ室の外周の内側に圧電振動子の電極外周が位置している。

本実施形態においては、圧電振動子接水部に配置された接水樹脂シートの厚さとして、金属箔の厚さは圧電振動子全体の厚さの０．３〜３％、樹脂部の厚さは５〜１５％程度とする。具体的には、接水樹脂シート１０には、０．２ｍｍ厚のフッ素樹脂（テフロン（登録商標））シートを用い、金属箔１１には、１２μｍ厚のＡｌ箔を形成することで、圧電振動子の変位量は１２０μｍｐ−ｐ（マイクロメータ ピーク トゥ ピーク）が得られ、ポンプの流量も２００ｃｃ／分を超える流量が得られており、圧電振動子の変位拘束は比較的少ないものである。

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る圧電型液体搬送器の動作について説明する。バイモルフ型圧電振動子１２に交流電界を印加することで、圧電振動子を屈曲振動させ、その屈曲振動をもとに、ポンプ室９の体積が増加したときは、流体を流入口６から流入弁４を介してポンプ室９に吸い込み、その後ポンプ室９の体積が減少したときには、流出弁５を介して流体を流出口７から流出させ、このように、流入弁４及び流出弁５が交互に動作して吸引及び吐出がなされ、液体が搬送される。また、ポンプ室９内の液体から発生した水蒸気がポンプ室９上部の接水樹脂シート１０を透過したとしても、接水樹脂シート１０の圧電振動子側には金属箔１１が貼り付けられているため、圧電振動子側には侵入することはない。

次に、本実施形態の効果について説明する。本発明の圧電型液体搬送器は、電子機器の冷却装置に組み込まれることを想定しており、この場合、ポンプ室９内の液体の温度は、８０℃近くになる場合もある。このような温度上昇時には、液体内の水分が水蒸気化して、ポンプ室９を形成している樹脂部分から水蒸気が透過してしまう。このとき、金属箔１１は、接水樹脂シート１０内を透過した水蒸気がバイモルフ型圧電振動子１２に触れることが無いように耐湿分離する効果がある。また、接水樹脂シート１０は金属よりは剛性も低いことから、圧電振動子の変位をさほど拘束しないで済む効果がある。なお、金属箔１１を接水面に配することにより同様の効果を得ることも可能であるが、この場合は金属箔が液体に触れることになり、金属箔の腐食などの信頼性が損なわれるという問題が生じてしまうので、本実施形態では接水側と反対側としている。

また、本実施形態においては、接水樹脂シート１０とポンプ蓋部１５との間に耐湿シートゴム１３を配置して、ポンプ蓋部１５とポンプ筐体部１とをネジ締め固定している。これは、バイモルフ型圧電振動子１２に対して、外気からの湿度進入の防止を図ったものである。この耐湿シートゴム１３の有無により、バイモルフ型圧電振動子１２の耐湿ショート寿命は変化し、耐湿シートゴム１３が無い場合には２、３年程度であったものが、存在する場合には５乃至１０年という飛躍的な寿命改善がなされる。

また、圧電振動子の振動により、ポンプ室密閉シール８を潰すような圧力が応力となって圧電振動子の外周部に印加されることになるが、振動の支持となるポンプ室の外周の内側に圧電振動子の電極外周が位置しているため、その応力集中箇所と電界印加箇所とが重ならず、電極のマイグレーション進行を抑制する効果がある。

また、金属箔１１の厚さは圧電振動子全体の厚さの０．３〜３％、節水樹脂シートの厚さは５〜１５％程度とすることにより、ポンプの流量等の性能を極端に落とすことなく、ポンプの極薄型化が実現可能となる。

なお、圧電振動子に対する湿気の遮断方法として、ポンプ蓋部とポンプ筐体部との接合において、例えば、溶接、巻き締め接合、又はかしめ接合等による接合により、圧電振動子の設置周囲への湿度遮断が更に強固となることは明かであり、本発明をより効果的にするものである。

本発明によれば、ノートパソコン等の電子機器及び電子部品の冷却装置として好適に使用することができる。

本発明の実施形態に係る圧電型液体搬送器を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 本実施形態における圧電振動子の（ａ）上面図、及び（ｂ）断面構成図である。 本実施形態における圧電振動子の電極位置を示した図である。 従来の圧電型液体搬送器の一例を示した断面図である。

符号の説明

１；ポンプ筐体部
２；ポンプ底部液漏れシール
３；弁穴貫通プレート
４；流入弁
５；流出弁
６；流入口
７；流出口
８；ポンプ室密封シール
９；ポンプ室
１０；接水樹脂シート
１１；金属箔
１２；バイモルフ型圧電振動子
１２ａ；圧電セラミック
１２ｂ；弾性板
１３；耐湿シートゴム
１４；振動子ダンパー材
１５；ポンプ蓋部
２０；圧電振動子の電極
２１；ポンプ蓋部
２２；バイモルフ型圧電振動子
２２ａ；圧電セラミック
２２ｂ；弾性板
２２ｃ；接水モールド
２３；ポンプ室密閉シール
２４；流入弁
２５；流出弁
２６；ポンプ筐体部
２７；流入口
２８；流出口
２９；ポンプ室
３０；インナープレート

Claims (7)

1. 開口部を有するポンプ筐体と、前記開口部を覆うように配置された接水シートと、この接水シートと前記ポンプ筐体内壁とで囲まれた空間として形成されたポンプ室と、前記接水シート上に固着された圧電振動子と、前記ポンプ筐体に設けられ前記ポンプ室に流体が流入する流入口及び前記ポンプ室から流体が流出する流出口と、前記ポンプ筐体との間で前記圧電振動子を取り囲むポンプ蓋部と、を有し、前記圧電振動子の屈曲振動により前記ポンプ室の容積を可変にすることで流体を前記流入口から吸引し前記流出口から排出するポンプ機能を有し、前記接水シートは片面に金属箔が形成された樹脂シートからなり、接水側が樹脂シートとなるようにして前記ポンプ筐体と前記ポンプ蓋部との間に挟み込まれていることを特徴とする圧電型液体搬送器。
2. 前記流入口及び前記流出口には逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型液体搬送器。
3. 前記ポンプ室の側面は密封シールからなり、この密封シールは前記圧電振動子を支持すると共に、前記ポンプ室を密封することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電型液体搬送器。
4. 前記接水シートは前記ポンプ室の開口部よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電型液体搬送器。
5. 前記ポンプ蓋部と前記接水シートとの間には透湿性の低い樹脂シートが挟み込まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電型液体搬送器。
6. 前記圧電振動子には電圧を印加して振動させる電極が設けられており、前記圧電振動子の支持部である前記ポンプ室の外周に対して、前記電極の外周が前記ポンプ室の外周の内側に位置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電型液体搬送器。
7. 前記接水シートは、金属箔の厚さが前記圧電振動子の厚さの０．３乃至３％であり、樹脂シートの厚さが前記圧電振動子の厚さの５乃至１５％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電型液体搬送器。
   
   

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