JP2008180091A - ドライバ内蔵圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電ポンプと駆動基板とを同一のハウジング内に収納するとき、より良好に駆動基板の発熱要素の発熱を放熱することができるドライバ内蔵圧電ポンプの放熱構造を得る。
【解決手段】駆動基板４０の回路基板４３で発生する熱は、駆動基板４０に伝達され、駆動基板４０と重なっている配線突起１１ａを介してシム１１に逃げる。つまり、駆動基板４０の一部が金属製のシム１１から径方向に突出させた配線突起１１ａに重なっており、シム１１は常に冷却されているため、高い放熱性で駆動基板４０を放熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一のハウジング内に圧電ポンプとその制御基板を内蔵する圧電ポンプに関する。

圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に可変容積室を形成し、圧電振動子を振動させることにより、可変容積室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、可変容積室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁）を設けており、圧電振動子の振動により可変容積室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。

本出願人は、薄型にできるという圧電ポンプの特徴を生かして、水冷ノートパソコンの冷却水循環ポンプとして用いる圧電ポンプを開発中である。
特表２００４-５１７２４０号公報 特開２００４-６０６４１号公報 特開２００５-５３０７２号公報

小型化には、圧電ポンプと駆動基板（ドライバ）とを同一のハウジング内に収納することが得策である。ところが、駆動基板上にはＩＣ、インダクター、ＦＥＴ回路等の発熱要素が存在する。このため、これら要素の自己発熱によりハウジング内の温度が上昇し、ジャンクション温度に到達するおそれがある。

本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電ポンプと駆動基板とを同一のハウジング内に収納するとき、より良好に駆動基板の発熱要素の発熱を放熱することができるドライバ内蔵圧電ポンプの放熱構造を得ることを目的とする。

本発明は、圧電ポンプでは、流体が常に圧電振動子に接触して流動（循環）しており、この流動（循環）流体を放熱に利用できないかとの着眼からなされたものである。

本発明は、単一のハウジング内に、圧電ポンプの圧電振動子と、該圧電振動子に対する給電制御用電気部品を搭載した制御基板とを収納したドライバ内蔵圧電ポンプであって、圧電振動子は、金属薄板からなるシムの一面に圧電体を積層した構造であって、該シムの圧電体とは反対側の露出面をポンプ室に臨ませていること、圧電振動子のシムは、径方向に突出する配線突起上に、圧電体の表裏の電極にそれぞれ導通する表面用端子と裏面用端子の少なくとも一方を有すること、及びこの配線突起は制御基板の一部に重ねられていることを特徴としている。

該制御基板には、圧電振動子の配線突起が重ねられる部分に、上記表面用端子と裏面用端子の両方もしくは少なくとも一方に導通する一対の給電端子を設けることが望ましい。

制御基板は、回路基板上の発熱要素の放熱性を高めるために、金属基板上に絶縁層を介して回路基板を備えていることが好ましい。

この金属基板は、その輪郭内に、絶縁層及び回路基板が収まる平面的な大きさを有しているのがよい。

制御基板（回路基板）上の一対の給電端子は、プリント配線とするのが実際的である。

制御基板（回路基板）上には、少なくとも、発熱要素としてのＩＣ、インダクター、及びＦＥＴ回路のうち少なくとも一つが搭載されている。

ハウジングは、圧電振動子を挟着する対をなすハウジングを備えており、この対をなすハウジング中に制御基板を挟着して、圧電振動子の配線突起と制御基板の一部（隅部）に重ねるのがよい。

本発明のドライバ内蔵圧電ポンプは、制御基板上の発熱要素からの発熱が、該制御基板上に重ねられるシムの配線突起を介して該シムに伝わり、シムは、ポンプ作用を受けて流動する流体に常時接触しているため、効率的に放熱を図り、ジャンクション温度に到達するおそれをなくすことができる。

図１４ないし図１６は、圧電振動子１０を有する圧電ポンプ２０の一例を示している。この圧電ポンプ２０は、下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。

ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、Ｏリング２７を介して圧電振動子１０が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。

ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出流路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。

以上の圧電ポンプは、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

本発明は、例えば以上のような圧電ポンプ２０のミドルハウジング２２とアッパハウジング２３を平面的に大型にして圧電ポンプの収納凹部に加えて制御基板の収納凹部を形成した上で、駆動基板上の発熱要素の発熱を効率的に放熱する構成を提案するものである。図１ないし図１３はその一実施形態である。図１では、ミドルハウジングとアッパハウジングは、図１４ないし図１６のものに比して大型であるので、ミドルハウジング２２Ｌとアッパハウジング２３Ｌとして示し、かつ、ロアハウジング２１の図示、及びミドルハウジング２２Ｌの逆止弁３２、３３の図示を省略している。図２、図３は、圧電振動子１０と駆動基板４０の関係を示し、図４ないし図９は主に圧電振動子１０の具体例を示し、図１０ないし図１３は主に駆動基板４０の具体例を示している。

ミドルハウジング２２Ｌは、図１に示すように、ポンプ室形成凹部２２ＬＰと駆動基板収納凹部２２ＬＫを隣り合わせて有し、アッパハウジング２３Ｌは、ポンプ室形成凹部２２ＬＰに対応するポンプ室形成凹部２３ＬＰを有し、駆動基板収納凹部２２ＬＫに対応する部分は平板状（蓋状）をなしている。

圧電ポンプの圧電振動子１０は、ミドルハウジング２２Ｌのポンプ室形成凹部２２ＬＰとアッパハウジング２３Ｌのポンプ室形成凹部２３ＬＰとの間に挟着支持される。この実施形態の圧電振動子１０は、ポンプ室Ｐ側に臨むシム１１と、大気室Ａ側に臨む圧電体１２とを備えている。シム１１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のステンレス、４２アロイ等の薄板からなっており、図４、図５に示すように、円形の本体部から径方向に突出する配線突起１１ａを有している。ミドルハウジング２２Ｌには、ポンプ室形成凹部２２ＬＰと駆動基板収納凹部２２ＬＫとに跨らせて、この配線突起１１ａを収納する配線突起収納凹部２２ＬＴ（図１）が形成されている。

圧電体１２は、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。この圧電体１２の表裏にはそれぞれ、図４、図５に示すように、巨視的にはシム１１に対応する円形の表面電極１２ａと裏面電極１２ｂが形成されている。表面電極１２ａは、その周縁一部を径方向に延長した径方向延長電極１２ｃ、圧電体１２の側面に延びる側面電極１２ｄ及び裏面周縁に至る取出電極１２ｅを連続して有し、裏面電極１２ｂは、取出電極１２ｅを避ける（裏面電極１２ｂと取出電極１２ｅを非接触とする）切除部１２ｆ（図５）を有している。このような表面電極１２ａないし取出電極１２ｅは、例えば導電ペースト（銀ペースト）を焼成（スクリーン印刷）することで形成することができる。

シム１１と圧電体１２の間には、シム１１側から順に、絶縁層１３と中間導電層１４が積層状態で位置している。全体として円形をなす絶縁層１３は、シム１１の配線突起１１ａ上に延びる径方向延長部１３ａを有し、この径方向延長部１３ａに隣り合わせて、取出電極１２ｅ（切除部１２ｆ）に対応する切欠部１３ｂを有している。この切欠部１３ｂ内には、表面用端子（表面電極取出用端子）１５の内側端部が位置していて、該内側端部が取出電極１２ｅに導通している。表面用端子１５の外側端部は、絶縁層１３と同一面上において径方向延長部１３ａに隣り合わせて配線突起１１ａの上に延びている。配線突起１１ａ上の構成は、図６ないし図８に詳細に示している。

中間導電層１４は、裏面電極１２ｂと全面的に接触（導通）する円形部（導通面）から径方向に延びる裏面用端子（裏面電極取出用端子）１４ａを有しており、この裏面用端子１４ａは、絶縁層１３の径方向延長部１３ａの上に、表面用端子１５と平行に非接触で延びている。中間導電層１４には、取出電極１２ｅ及び表面用端子１５を避ける（非接触とする）切欠１４ｂが形成されている。これらの絶縁層１３、中間導電層１４及び表面用端子１５は、例えば、印刷、コーティング、フィルム等の技術によって形成することができる。

圧電振動子１０は、完成状態では、シム１１の配線突起１１ａの上に、膜状体からなる裏面用端子１４ａと表面用端子１５が互いに平行に非接触で延びており、裏面用端子１４ａと表面用端子１５がそれぞれ裏面電極１２ｂと表面電極１２ａに導通している。

ミドルハウジング２２Ｌの駆動基板収納凹部２２ＬＫには、駆動基板４０が収納支持されている。駆動基板４０は、図１０ないし図１４に示すように、金属基板４１上に、絶縁層４２を介して回路基板４３を備えている。金属基板４１は、例えば厚さ最大１ｍｍ程度のアルミニウムまたは銅等から構成するもので、平面的にみて絶縁層４２（回路基板４３）より大きく、その周縁は、絶縁層４２（回路基板４３）の周縁に露出している。回路基板４３上には、圧電振動子１０に対する給電制御を行う電気部品４４が搭載され、これら電気部品４４間を接続するプリント配線４５が形成されている。給電制御用電気部品４４中には、発熱要素としてのＩＣ４４ａ、インダクター４４ｂ及びＦＥＴ回路４４ｃ等が含まれている。

プリント配線４５中には、圧電振動子１０の裏面用端子１４ａと表面用端子１５に接続される一対の給電端子４５ａ、４５ｂが含まれている。この給電端子４５ａ、４５ｂは、駆動基板４０の周縁部に臨んでおり、圧電振動子１０の配線突起１１ａを駆動基板４０の隅部に重ねたとき、配線突起１１ａ上の裏面用端子１４ａと表面用端子１５にそれぞれ導通するように設けられている。

すなわち、以上の圧電振動子１０と駆動基板４０は、まず、ミドルハウジング２２Ｌのポンプ室形成凹部２２ＬＰに圧電振動子１０を嵌め、その配線突起１１ａを配線突起収納凹部２２ＬＴに嵌めて駆動基板収納凹部２２ＬＫ側に突出させる。次に駆動基板４０は、その給電端子４５ａ、４５ｂをポンプ室形成凹部２２ＬＰ側に位置させて、ミドルハウジング２２Ｌの駆動基板収納凹部２２ＬＫに嵌めて（収納して）配線突起１１ａ上に重ねる。この状態では、駆動基板４０の給電端子４５ａ、４５ｂがシム１１上の裏面用端子１４ａと表面用端子１５にそれぞれ導通するから、常法に従い、両者を半田付けする。その後、アッパハウジング２３Ｌをミドルハウジング２２Ｌに重ね、ミドルハウジング２２Ｌの下方に図１４ないし図１６で説明したロアハウジング２１を重ねて圧電ポンプを完成する（図１）。

この完成状態において、駆動基板４０の給電端子４５ａ、４５ｂを介して裏面用端子１４ａと表面用端子１５に給電すると、前述のように、圧電振動子１０が振動してポンプ作用が得られる。このとき、ミドルハウジング２２Ｌとアッパハウジング２３Ｌとに挟着された駆動基板４０の電気部品４４（回路基板４３）で発生する熱は、次のように放熱される。圧電振動子１０のシム１１は、ポンプ室Ｐ側に臨んでおり、圧電振動子１０が振動してポンプ作用が実行されるときには、シム１１は常に流動する液体に接触している。そして、この作動流体は、循環する途中で、例えばノートＰＣのＣＰＵの熱を奪い、ラジエータで放熱されるサイクルを繰り返しており、一定以下の温度に保たれている。

一方、駆動基板４０の電気部品４４（例えばＩＣ４４ａ、インダクター４４ｂ、ＦＥＴ回路４４ｃ）で発生する熱は、駆動基板４０（の特に金属基板４１）に伝達され、駆動基板４０と重なっている配線突起１１ａを介してシム１１に逃げる。つまり、駆動基板４０の一部が金属製のシム１１から径方向に突出させた配線突起１１ａに重なっており、シム１１は常に液体で冷却されているため、高い放熱性で駆動基板４０を放熱することができる。配線突起１１ａは、圧電振動子１０に給電するための必須の構成であるから、放熱のための特別な構造を用意する必要がなく、また、配線突起１１ａは、振動しないので、安定した放熱構造が得られる。

本発明によるドライバ内蔵圧電ポンプの一実施形態を示す分解斜視図である。 図１の圧電振動子と駆動基板の関係を示す分解斜視図である。 同背面から見た背面分解斜視図である。 圧電振動子の一実施形態を示す分解斜視図である。 同図４とは反対の方向から見た背面分解斜視図である。 圧電振動子のシムの配線突起回りの拡大平面図である。 図６のVII-VII線に沿う断面図である。 図６のVIII-VIII線に沿う断面図である。 圧電振動子のシムの配線突起回りの斜視図である。 駆動基板の一実施携帯を示す平面図である。 駆動基板に圧電振動子の配線突起を重ねた状態を示す平面図である。 図１０のXII-XII線に沿う断面図である。 図１２のXIII-XIII線に沿う断面図である。 本発明の圧電振動子を用いた圧電ポンプの具体例を示す平面図である。 図１４のII-II線に沿う断面図である。 同分解斜視図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１１ シム
１１ａ 配線突起
１２ 圧電体
１２ａ 表面電極
１２ｂ 裏面電極
１２ｃ 径方向延長電極
１２ｄ 側面電極
１２ｅ 取出電極
１２ｆ 切除部
１３ 絶縁層
１３ａ 径方向延長部
１３ｂ 切欠部
１４ 中間導電層
１４ａ 裏面用端子
１４ｂ 切欠
１５ 表面用端子
２０ 圧電ポンプ
２１ ロアハウジング
２２Ｌ ミドルハウジング
２２ＬＫ 駆動基板収納凹部
２２ＬＰ ポンプ室形成凹部
２２ＬＴ 配線突起収納凹部
２３Ｌ アッパハウジング
２３ＬＰ ポンプ室形成凹部
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室
４０ 駆動基板
４１ 金属基板
４２ 絶縁層
４３ 回路基板
４４ 電気部品
４４ａ ＩＣ
４４ｂ インダクター
４４ｃ ＦＥＴ回路
４５ プリント配線
４５ａ ４５ｂ 給電端子

Claims (7)

1. 単一のハウジング内に、圧電ポンプの圧電振動子と、該圧電振動子に対する給電制御用電気部品を搭載した制御基板とを収納したドライバ内蔵圧電ポンプであって、
   上記圧電振動子は、金属薄板からなるシムの一面に圧電体を積層した構造であって、該シムの圧電体とは反対側の露出面をポンプ室に臨ませており、
   上記圧電振動子のシムは、径方向に突出する配線突起上に、上記圧電体の表裏の電極にそれぞれ導通する表面用端子と裏面用端子の少なくとも一方を有し、
   上記配線突起は制御基板の一部に重ねられていることを特徴とするドライバ内蔵圧電ポンプ。
2. 請求項１記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記制御基板には、圧電振動子の上記配線突起が重ねられる部分に、上記表面用端子と裏面用端子の両方もしくは少なくとも一方に導通する一対の給電端子が備えられていることを特徴とするドライバ内蔵圧電ポンプ。
3. 請求項１または２記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記制御基板は、金属基板上に絶縁層を介して回路基板を備えているドライバ内蔵圧電ポンプ。
4. 請求項３記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記金属基板は、その輪郭内に、上記絶縁層及び回路基板が収まる平面的な大きさを有しているドライバ内蔵圧電ポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記制御基板上の一対の給電端子はプリント配線であるドライバ内蔵圧電ポンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記制御基板は、ＩＣ、インダクター、及びＦＥＴ回路のうち少なくとも一つを備えているドライバ内蔵圧電ポンプ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、ハウジングは、圧電振動子を挟着する対をなすハウジングを備えており、この対をなすハウジング中に制御基板が挟着されているドライバ内蔵圧電ポンプ。