JP2007198147A - ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吐出量および吐出圧の向上を図るとともに、背圧が加わった場合にもポンプ作用が安定して維持され、また、自己吸引が十分かつ効率的に行われるようにする。
【解決手段】吸入側予備室１１Ａと吐出側予備室１１Ｂとをポンプ室２１に隣接して形成し、ポンプ室２１と吸入側予備室１１Ａ、ポンプ室２１と吐出側予備室１１Ｂをそれぞれ吸入流路１７ａ、吐出流路１７ｂで連通させ、これら流路に、吸入側逆止弁１８ａおよび吐出側逆止弁１８ｂを設ける。ポンプ室２１の壁部の一部をダイヤフラム５１と圧電素子５２からなるポンプアクチュエータ５０で構成し、ダイヤフラム５１の振動でポンプ作用を得る。各予備室１１Ａ，１１Ｂの壁部の一部をダイヤフラム６１、圧電素子６２および可撓性の円板６３からなるサブアクチュエータ６０で構成し、サブアクチュエータ６０の円板６３をポンプアクチュエータ５０のダイヤフラム５１と同期させて駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダイヤフラムを駆動することによって流体をポンプ室内に吸入して圧送するダイヤフラムポンプに係り、特にマイクロポンプとして好適なダイヤフラムポンプに関する。

医療分野の医薬投与や燃料電池の燃料供給、あるいは印刷機器のインク供給等の技術分野においては、高い精度で定量の流体や気体を圧送するマイクロポンプが用いられており、そのようなポンプとしては、ダイヤフラム等の可撓性を有する薄膜を駆動して振動させることによりポンプ作用を発揮するポンプが好適に用いられている（特許文献１〜３）。

図７はこの種のダイヤフラムポンプの一従来構造を示しており、このポンプによると、ポンプ室７１は、圧電素子７２で駆動させられるダイヤフラム７３によって容積が可変とされており、図８（ａ）に示すように、ダイヤフラム７３が図中上方に撓んでポンプ室７１の容積が増大すると、流体は吸入口７４ａから一旦吸入側予備室７５Ａに入り、開いている逆止弁７６ａを経てポンプ室７１に流れ込む。そして図８（ｂ）に示すように。ダイヤフラム７３が図中下方に撓んでポンプ室７１の容積が減少すると、ポンプ室７１内から流体が逆止弁７６ｂを経て吐出側予備室７５Ｂに出ていき、さらに吐出口７４ｂから吐出される。

このポンプにおいては、各予備室７５Ａ，７５Ｂを形成する壁部の一部が弾性を有するゴム板等のダンパ部材７７で構成されており、このダンパ部材７７の吸入側は、吸入時には吸入圧によって上方に撓み、これによって吸入側予備室７５Ａの容積が縮小して流体の吸入動作が補助される。また、吐出時には、ダンパ部材７７の吐出側が吐出圧によって下方に撓んで吐出側予備室７５Ｂの容積が大きくなり、流体の吐出動作が補助される。このポンプによれば、吸入側および吐出側の予備室７５Ａ，７５Ｂを設け、さらにこれら予備室７５Ａ，７５Ｂの壁部の一部をダンパ部材７７で構成することにより、ポンプ室７１の前後の流路抵抗を減少させてダイヤフラム７３の振動によるポンプ作用の効率化が図られるとされている。

特開平５−１６３５号公報 特開平９−２１７６６２号公報 特開２００５−１３３７０４号公報

図７および図８に示したダイヤフラムポンプでは、吸入や吐出に応じて変形するダンパ部材７７によってポンプ作用が補助されるが、このダンパ部材７７の変形は、あくまで発生した吸入圧および吐出圧で惹起される従動的なものである。したがって、吐出口７４ｂから上流側に流体を押し戻す背圧が加わった場合、ダンパ部材７７は下方に撓んだままか、あるいはさらに下方に撓んでしまい、その背圧に抗して流体を吐出するポンプ作用が生じにくくなる。また、液体を圧送するにあたって、内部に液体が充満していない初期の状態から液体を吸引する自己吸引時には、吸引力の一部がダンパ部材７７を変形させるために費やされるのでロスが生じ、効率よく自己吸引が行われないという問題があった。

よって本発明は、吐出量および吐出圧の向上が図られるとともに、背圧が加わった場合にもポンプ作用が安定して維持され、また、自己吸引が十分かつ効率的に行われることを可能としたダイヤフラムポンプを提供することを目的としている。

本発明は、ダイヤフラムを駆動することによって容積が可変とされたポンプ室と、該ポンプ室に吸入流路を介して連通する吸入側予備室と、ポンプ室に吐出流路を介して連通する吐出側予備室と、吸入流路に設けられて吸入側予備室からポンプ室へのみの流体の流通を許容する吸入側逆止弁と、吐出流路に設けられてポンプ室から吐出側予備室へのみの流体の流通を許容する吐出側逆止弁と、吸入側予備室に通じる吸入口と、吐出側予備室に通じる吐出口とを備え、吸入側予備室および吐出側予備室を形成する壁部の少なくとも一部が、これら予備室の容積を可変とする可撓性部材で構成されるとともに、該可撓性部材を駆動して各予備室の容積を変化させる駆動手段を有することを特徴としている。

本発明のダイヤフラムポンプによれば、ダイヤフラムが吸入状態に駆動されるとポンプ室の容積が増大してポンプ室内が負圧となり、これによって吸入側逆止弁が開き、吐出側逆止弁が閉じ、流体が吸入口から吸入側予備室、吸入流路を通ってポンプ室内に流れ込む。次いでダイヤフラムが吐出状態に駆動されるとポンプ室の容積が減少し、吸入側逆止弁は閉じ、吐出側逆止弁は開き、ポンプ室内の流体は吐出流路、吐出側予備室を通って吐出口から吐出される。このようなダイヤフラムの駆動の繰り返しによる振動によってポンプ作用が連続的に生じ、流体は圧送される。なお、ダイヤフラムを駆動する駆動手段としては、例えば圧電素子が好適に用いられる。

本発明では、このポンプ作用の吸入時に、吸入側予備室の容積が縮小するように可撓性部材を駆動すると、より多くの流体が吸入側予備室からポンプ室に送り込まれ、吐出時には、逆に吐出側予備室の容積が拡大するように可撓性部材を駆動すると、吐出側予備室内の圧力が減少するのでポンプ室内の流体が吐出側予備室により多く吸引される。このように可撓性部材をダイヤフラムと同期させて能動的に駆動して吸入側および吐出側の各予備室の容積を変化させることにより、流体の吐出量および吐出圧の向上を図ることができる。また、高い吐出圧が維持されることにより吐出口に背圧が加わってもポンプ作用が安定して維持される。さらに、自己吸引時には内部の空気の吐出量が増えることになるので、自己吸引が十分かつ効率的に行われる。

上記のように可撓性部材を振動させて流体をより効率的に流動させるにあたっては、可撓性部材の動きが流体を介して吸入側逆止弁および吐出側逆止弁に直接的に伝わって、流体が吸入側予備室からポンプ室に、また、ポンプ室から吐出側予備室にスムーズに流動するようにすることが望ましい。そのためには、吸入側予備室および吐出側予備室をポンプ室と隔壁を隔てて隣接配置し、可撓性部材を吸入側逆止弁と吐出側逆止弁とに対向配置する形態が好適である。

可撓性部材は、吸入側予備室用と吐出側予備室用との２つに分かれており別々に駆動するように構成してもよく、また、一体であってもよい。一体の場合には吸入側予備室および吐出側予備室の双方の容積は共に拡大したり減少したりする。可撓性部材は吸入側予備室および吐出側予備室の容積を増減させることのできるものであればいかなるものでもよく、例えば、ゴム製の薄板や金属薄板、あるいはこれらを貼り合わせた２層構造のものが挙げられる。さらに、ポンプ室の容積を増減する本発明の上記ダイヤフラムと同じ材質のものであってもよい。また、可撓性部材の駆動手段としては、上記のように圧電素子が好適に用いられる。

本発明によれば、可撓性部材をダイヤフラムと同期させて能動的に駆動して吸入側および吐出側の各予備室の容積を適宜に変化させることにより、吐出量および吐出圧の向上が図られるとともに、背圧が加わった場合にもポンプ作用が安定して維持され、また、自己吸引が十分かつ効率的に行われるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明を具体化した一実施形態を説明する。
図１は一実施形態に係る液体圧送用のダイヤフラムポンプ（以下、ポンプと略称）１の断面図、図２（ａ），（ｂ）はポンプ１の動作状態を示す断面図である。また、図４はポンプ１の分解斜視図であって（ａ）は上から見た場合、（ｂ）は下から見た場合をそれぞれ示している。これら図に示すように、ポンプ１は、矩形薄板状のケース本体１０、中間ケース２０、上蓋３０、下蓋４０が積層され、中間ケース２０と上蓋３０との間にポンプアクチュエータ５０が、また、ケース本体１０と下蓋４０との間にサブアクチュエータ６０が介装されて構成されている。ケース本体１０、中間ケース２０、上蓋３０および下蓋４０は接着等の手段によって図１に示す積層状態に固着され、その状態で、中間ケース２０内にはポンプ室２１が区画され、ケース本体１０内には吸入側および吐出側の２つの予備室１１Ａ，１１Ｂが区画されている。

図４（ａ）で明らかなように、中間ケース２０の上面には円形の浅い凹所２２が形成されており、一方、図４（ｂ）で明らかなように、ケース本体１０の下面にも同様の浅い凹所１２が形成されている。ケース本体１０の凹所１２内には、さらに同寸法の円形の凹所１２ａ，１２ｂが並列して形成されており、これら凹所のうちの一方（１２ａ）が吸入側予備室１１Ａ、他方（１２ｂ）が吐出側予備室１１Ｂを構成する。

図１に示すように、ケース本体１０における２つの予備室１１Ａ，１１Ｂの配列方向に対応する側面の、吸入側予備室１１Ａには吸入管１３ａが、また吐出側予備室１１Ｂ側には吐出管１３ｂが、それぞれ一体的に形成されている。これら管１３ａ，１３ｂは各側面に対して直交し、かつ互いに同軸的に延びている。吸入側予備室１１Ａは吸入管１３ａ内からケース本体１０内にわたって形成された吸入口１４ａによって外部に連通しており、吐出側予備室１１Ｂは吐出管１３ｂ内からケース本体１０内にわたって形成された吐出口１４ｂによって外部に連通している。

図４（ａ）に示すように、ケース本体１０の上面であって吸入側予備室１１Ａに対応する箇所には矩形の浅い凹所が弁座１５ａとして形成されており、この弁座１５ａの中央にはオリフィス状の小孔１６が形成されている。一方、中間ケース２０の凹所２２内であって小孔１６に対向する箇所には、小孔１６に通じる矩形孔２３が形成されている。図１に示すように、これらケース本体１０側の小孔１６と中間ケース２０側の矩形孔２３とにより、吸入側予備室１１Ａとポンプ室２１とを連通する吸入流路１７ａが構成されている。弁座１５ａには、上方のポンプ室２１方向にのみ可動して開き、通常は吸入流路１７ａを閉塞するベローズ状の吸入側逆止弁１８ａが収容されている。

また、図４（ａ）に示すように、ケース本体の吐出側予備室１１Ｂに対応する箇所には矩形孔１９が形成されている。そして、図４（ｂ）に示すように中間ケース２０の下面であって矩形孔１９に対向する箇所には、上記弁座１５ａと同様の弁座１５ｂが形成されており、この弁座１５ｂの中央には、上記小孔１６と同様で矩形孔１９に通じる小孔２４が形成されている。図１に示すように、これらケース本体１０側の矩形孔１９と中間ケース２０側の小孔２４とにより、吐出側予備室１１Ｂとポンプ室２１とを連通する吐出流路１７ｂが構成されている。

中間ケース２０の弁座１５ｂには、下方の吐出側予備室１１Ｂ方向にのみ可動して開き、通常は吐出流路１７ｂを閉塞するベローズ状の吐出側逆止弁１８ｂが収容されている。この吐出側逆止弁１８ｂおよび上記吸入側逆止弁１８ａは、いずれもケース本体１０と中間ケース２０とに挟まれて保持されている。

図４（ｂ）に示すように、上蓋３０の下面にも円形の凹所３１が形成されており、この凹所３１の外周縁には段部３２が形成されている。そしてこの段部３２に上記ポンプアクチュエータ５０が嵌合されている。ポンプアクチュエータ５０は、図１および図４に示すように、円形の金属薄板からなるダイヤフラム５１の上面に、このダイヤフラム５１よりも小径の円形状の圧電素子５２が貼り合わせられたもので、ダイヤフラム５１の外周縁が上蓋３０の段部３２に嵌合され、接着等の手段によって固着されている。

このようにポンプアクチュエータ５０が固着された上蓋３０は中間ケース２０の上面に固着され、中間ケース２０の凹部２２がポンプアクチュエータ５０に塞がれてポンプ室２１が区画されている。ポンプアクチュエータ５０の上方は上蓋３０の凹所３１によって空間が確保され、上下方向への振動が許容されるようになされている。ポンプアクチュエータ５０は、圧電素子５２に所定のサイン波や矩形波等の交流信号（駆動信号）が与えられるとダイヤフラム５１が上下方向に撓んで振動し、図２（ａ）に示すようにダイヤフラム５１が上方へ撓むとポンプ室２１の容積が増大し、反対に図２（ｂ）に示すようにダイヤフラム５１が下方へ撓むとポンプ室２１の容積が減少する。

図４（ａ）に示すように、下蓋４０は上蓋３０と同様の構成であり、外周縁に段部４２を有する円形の凹所４１を上に向けてケース本体１０の下面に固着され、その段部４２には、上記サブアクチュエータ６０が嵌合されている。サブアクチュエータ６０は、図１および図４に示すように、円形の金属薄板からなるダイヤフラム６１の下面に圧電素子６２が貼り合わせられ、ダイヤフラム６１の上面に、金属薄板あるいはゴム等の可撓性を有する材料でできた円板６３が貼り付けられたものである。本実施形態では、これらダイヤフラム６１と円板６３との２層によって本発明の可撓性部材が構成されており、また、圧電素子６２が可撓性部材を駆動する駆動手段となっている。

サブアクチュエータ６０は、ダイヤフラム６１の外周縁が下蓋４０の段部４２に嵌合され、接着等の手段によって固着されている。円板６３は、ケース本体１０の凹所１２に嵌合し、上記各予備室１１Ａ，１１Ｂに対応する箇所に形成された薄い凸部６４がダイヤフラム６１に接合されている。なお、図５（ａ）に示すように、この場合の圧電素子６２の電極６２ａは円形の素子面全面に一体的に形成された構造のものが採用されている。しかしながら後述するように圧電素子６２の電極パターンはこれに限られるものではない。

サブアクチュエータ６０が固着された下蓋４０は、円板６３をケース本体１０の凹所１２に嵌合してケース本体１０の下面に固着され、ケース本体１０内の各予備室１１Ａ，１１Ｂは１枚の円板６３で塞がれ区画されている。図１に示すように、これら予備室１１Ａ，１１Ｂは、ケース本体１０および中間ケース２０の互いに重ねられた薄肉部（隔壁）１０ｃ，２０ｃを隔ててポンプ室２１に隣接して配置されており、円板６３は、吸入側および吐出側の各逆止弁１８ａ，１８ｂに対向配置されている。

サブアクチュエータ６０の下方は下蓋４０の凹所４１によって空間が確保され、上下方向への振動が許容されるようになされている。サブアクチュエータ６０は、圧電素子６２に所定のサイン波や矩形波等の交流信号（駆動信号）が与えられるとダイヤフラム６１とともに円板６３が上下方向に撓んで振動する。図２（ａ）に示すように円板６３が上方に撓むと吸入側および吐出側の各予備室１１Ａ，１１Ｂの容積が減少し、反対に図２（ｂ）に示すように円板６３が下方へ撓むと各予備室１１Ａ，１１Ｂの容積が増大する。

以上が一実施形態のポンプ１の構成であり、次にこのポンプ１の動作ならびにそれに伴う作用効果を説明する。
図３はポンプアクチュエータ５０とサブアクチュエータ６０の各圧電素子５２，６２に所定のサイン波を同期させて連続的に与えて上下振動させる様子を示したもので、＋（プラス）波長の時には、ポンプアクチュエータ５０側およびサブアクチュエータ６０側のいずれのダイヤフラム５１，６１も上方に撓み、−（マイナス）波長の時にはいずれのダイヤフラム５１，６１も下側に撓む。このように各アクチュエータ５０，６０を同期させて駆動した場合、吸入時および吐出時は次のような作用を示す。

［１］液体吸入動作
ポンプアクチュエータ５０のダイヤフラム５１が上方に撓みポンプ室２１の容積が増大してポンプ室２１内が負圧になり、吸入側逆止弁１８ａが開き、吐出側逆止弁１８ｂは閉じる。液体は吸入口１４ａから吸入側予備室１１Ａ、吸入流路１７ａを通ってポンプ室２１内に吸引されるが、この時、サブアクチュエータ６０の円板６３がダイヤフラムとともに上方に撓んで吸入側予備室１１Ａの容積が減少するので、吸入側予備室１１Ａに入り込んだ液体は円板６３に押され、より多くの液体がポンプ室２１に送り込まれる。また、吐出側予備室１１Ｂも円板６３が上方に撓むため容積が減少するが、吐出側予備室１１Ｂ内の液体は、吐出側逆止弁１８ｂが閉じられているため吐出口１４ｂから吐出させられる。

［２］液体吐出動作
ポンプアクチュエータ５０のダイヤフラム５１が下方に撓みポンプ室２１の容積が減少してポンプ室２１内は正圧になり、吸入側逆止弁１８ａは閉じ、吐出側逆止弁１８ｂが開く。ポンプ室２１内の液体は吐出流路１７ｂ、吐出側予備室１１Ｂを通って吐出口１４ｂから吐出されるが、この時、サブアクチュエータ６０の円板６３がダイヤフラム６１とともに下方に撓んで吐出側予備室１１Ｂの容積が増大するので、吐出側予備室１１Ｂ内の圧力が減少し、ポンプ室２１内の液体は吐出側予備室１１Ｂにより多く吸引されて吐出口１４ｂから吐出していく。また、吸入側予備室１１Ａも円板６３が下方に撓むため容積が増大するので、吸入口１４ａからより多くの液体が吸入側予備室１１Ａ内に入り込み蓄えられる。

以上の吸入／吐出の動作が繰り返されることによってポンプ作用が連続的に生じ、液体が圧送される。上記のようにサブアクチュエータ６０のダイヤフラム６１および円板６３をポンプアクチュエータ５０のダイヤフラム５１と同期させて能動的に駆動して吸入側および吐出側の各予備室１１Ａ，１１Ｂの容積を変化させることにより、液体の吐出量および吐出圧の向上が図られる。また、高い吐出圧が維持されることにより吐出口１４ｂに背圧が加わってもポンプ作用が安定して維持される。

上記ポンプ作用はポンプ１内に液体が充満している時に生じるものであるが、内部に液体が充満していない初期の状態から液体を吸引する自己吸引時には、上記のポンプ作用によって内部の空気の吐出量が増えることになるので、自己吸引が十分かつ効率的に行われる。

また、各予備室１１Ａ，１１Ｂはケース本体１０および中間ケース２０の互いに重ねられた薄肉部１０ｃ，２０ｃを隔ててポンプ室２１に隣接して配置されており、サブアクチュエータ６０の円板６３は、吸入側および吐出側の各逆止弁１８ａ，１８ｂに対向配置されているため、円板６３の振動は、各予備室１１Ａ，１１Ｂ内の液体を介して吸入側および吐出側の各逆止弁１８ａ，１８ｂに直接的に伝わる。このため、液体が吸入側予備室１１Ａからポンプ室２１に、また、ポンプ室２１から吐出側予備室１１Ｂにスムーズに流動し、吐出量および吐出圧の一層の向上が図られる。

なお、図５（ａ）を参照してサブアクチュエータ６０を構成する圧電素子６２の電極パターンを説明したが、電極パターンとしてはこの他に、図５（ｂ）に示すように吸入側および吐出側の各予備室１１Ａ，１１Ｂごとに電極６２ａを分割して形成する分割型が挙げられる。また、図５（ｃ）に示すように素子面に形成した円形の電極を４分割し、そのうちの２つの電極６２ａを選択して吸入側および吐出側の各予備室１１Ａ，１１Ｂに対応させるパターンもある。

図６は、本発明の他の実施形態を示しており、このポンプ１においては、サブアクチュエータ６０が、吸入側予備室１１Ａ用と吐出側予備室１１Ｂ用の２つに分割されている。そして、これら２つのサブアクチュエータ６０は、上記円板６３が省略されてダイヤフラム６１と圧電素子６２のみによって構成されている。円板６３が省略されたものの、その振動による作用は上記実施形態と同様である。

このポンプ１によれば、サブアクチュエータ６０を個別に駆動することができるため、各サブアクチュエータ６０を異なる方向に作動させたり、一方もしくは両方を撓ませずに平坦な状態に保持するなどして、吸入時あるいは吐出時において細かな制御を適宜に行うことができ、これによって、より効率が向上したポンプ作用を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るダイヤフラムポンプの断面図である。 一実施形態のダイヤフラムポンプの（ａ）吸入時、（ｂ）吐出時の断面図である。 一実施形態のダイヤフラムポンプが具備するポンプアクチュエータおよびサブアクチュエータの動作を説明する図である。 一実施形態のダイヤフラムポンプの分解斜視図であって、（ａ）上から見た場合、（ｂ）下から見た場合である。 （ａ）〜（ｃ）はサブアクチュエータの圧電素子の電極パターンの種類を示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係るダイヤフラムポンプの断面図である。 従来のダイヤフラムポンプの一例を示す断面図である。 図７のダイヤフラムポンプの（ａ）吸入時、（ｂ）吐出時の断面図である。

符号の説明

１…ダイヤフラムポンプ
１１Ａ…吸入側予備室
１１Ｂ…吐出側予備室
１４ａ…吸入口
１４ｂ…吐出口
１７ａ…吸入流路
１７ｂ…吐出流路
１８ａ…吸入側逆止弁
１８ｂ…吐出側逆止弁
２１…ポンプ室
５０…ポンプアクチュエータ
５１…ポンプアクチュエータのダイヤフラム
５２…ポンプアクチュエータの圧電素子
６０…サブアクチュエータ
６１…サブアクチュエータのダイヤフラム（可撓性部材）
６２…サブアクチュエータの圧電素子（駆動手段）
６３…サブアクチュエータの円板（可撓性部材）

Claims (3)

1. ダイヤフラムを駆動することによって容積が可変とされたポンプ室と、
   該ポンプ室に吸入流路を介して連通する吸入側予備室と、
   前記ポンプ室に吐出流路を介して連通する吐出側予備室と、
   前記吸入流路に設けられて前記吸入側予備室から前記ポンプ室へのみの流体の流通を許容する吸入側逆止弁と、
   前記吐出流路に設けられて前記ポンプ室から前記吐出側予備室へのみの流体の流通を許容する吐出側逆止弁と、
   前記吸入側予備室に通じる吸入口と、
   前記吐出側予備室に通じる吐出口とを備え、
   前記吸入側予備室および前記吐出側予備室を形成する壁部の少なくとも一部が、これら予備室の容積を可変とする可撓性部材で構成されるとともに、該可撓性部材を駆動して各予備室の容積を変化させる駆動手段を有することを特徴とするダイヤフラムポンプ。
2. 前記吸入側予備室および前記吐出側予備室は、前記ポンプ室と隔壁を隔てて隣接配置され、前記可撓性部材は、前記吸入側逆止弁と前記吐出側逆止弁とに対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤフラムポンプ。
3. 前記可撓性部材は、前記吸入側予備室用と前記吐出側予備室用との２つに分かれているか、もしくは一体であることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤフラムポンプ。

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