JP2009041554A - Piezoelectric pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動する圧電振動子によってポンプ作用を得る圧電ポンプに関し、特にユニモルフ型の圧電振動子に対する給電構造に関する。 The present invention relates to a piezoelectric pump that obtains a pump action by a vibrating piezoelectric vibrator, and more particularly to a power feeding structure for a unimorph type piezoelectric vibrator.
ユニモルフ型の圧電振動子は、薄肉導電性金属板からなるシムと、このシムの表裏の一面に積層形成した圧電体とを有する平面円形の振動子である。このユニモルフ型の圧電振動子を用いた圧電ポンプは、メインハウジングに支持したOリングとサブハウジングとの間に、圧電体をサブハウジング側に向けた圧電振動子を挟着して、圧電振動子とメインハウジングとの間にポンプ室を形成し、ポンプ室に連なる一対の流路には、流れ方向の異なる一対の逆止弁(ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁)を設けている。シムと圧電体との間に交番電界を作用させて圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、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。
この圧電ポンプでは、圧電体の表面とシムとの間(圧電体の表裏)に交番電界を与えるための配線構造を必要とする。しかし従来品は、圧電体に対して、Oリングの平面位置より内側において、例えば半田付けによって給電ラインを接続していた。このため、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、あるいは振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれがある。 This piezoelectric pump requires a wiring structure for applying an alternating electric field between the surface of the piezoelectric body and the shim (front and back of the piezoelectric body). However, in the conventional product, the power supply line is connected to the piezoelectric body, for example, by soldering inside the plane position of the O-ring. For this reason, the wiring line may inhibit the vibration of the piezoelectric vibrator, or the wiring reliability between the wiring line and the piezoelectric body may be reduced due to the vibration.
本発明は、以上の問題意識に基づき、ユニモルフ型の圧電振動子を用いた圧電ポンプにおいて、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、または振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれがない(少ない)圧電ポンプを得ることを目的とする。 In the present invention, based on the above awareness of the problem, in a piezoelectric pump using a unimorph type piezoelectric vibrator, the wiring line inhibits the vibration of the piezoelectric vibrator, or the wiring reliability between the wiring line and the piezoelectric body is caused by the vibration. An object of the present invention is to obtain a piezoelectric pump that has no (or less) risk of lowering.
本発明は、ユニモルフ型の圧電振動子を用い、Oリングによってポンプ室の液密を保持する圧電ポンプでは、Oリング部分における圧電振動子の振動(振幅)が最も小さいことに着目し、このOリングの輪郭の反対側において、シムと圧電体に圧電振動子の振動に追従する弾性を有する弾性電極を介して給電すれば、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、または振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれが少ないとの結論に達して完成されたものである。 The present invention pays attention to the fact that a piezoelectric pump using a unimorph type piezoelectric vibrator and maintaining the liquid tightness of the pump chamber by an O-ring has the smallest vibration (amplitude) of the piezoelectric vibrator in the O-ring portion. If power is supplied to the shim and the piezoelectric body via elastic electrodes that follow the vibration of the piezoelectric vibrator on the opposite side of the ring contour, the wiring line inhibits the vibration of the piezoelectric vibrator or the wiring line is caused by the vibration. And the conclusion that the wiring reliability between the piezoelectric body and the piezoelectric body is less likely to be reduced.
本発明は、薄肉導電性金属板からなるシムと、このシムの表裏の一面に積層形成した圧電体とを有する平面円形の圧電振動子; この圧電振動子のシムの圧電体を備えない面の周縁に弾接するOリングを支持し、該圧電振動子との間にポンプ室を形成するメインハウジング;及びこのメインハウジングとの間に圧電振動子を挟着するサブハウジング;を有し、圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電界を作用させ該圧電振動子振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、サブハウジングに、Oリングの輪郭の反対側に位置させて、シム用と圧電体用の給電穴を形成し、このシム用給電穴と圧電体用給電穴にそれぞれ圧電振動子の振動に追従して弾性変形可能な一対の弾性電極を挿通し、この一対の弾性電極を上記圧電振動子のシムと圧電体に圧縮状態で導通させて給電することを特徴としている。 The present invention relates to a planar circular piezoelectric vibrator having a shim made of a thin conductive metal plate and a piezoelectric body laminated on one surface of the shim; a surface of the piezoelectric vibrator not having the piezoelectric body of the shim A main housing that supports an O-ring that elastically contacts the periphery and forms a pump chamber with the piezoelectric vibrator; and a sub-housing that sandwiches the piezoelectric vibrator with the main housing; In a piezoelectric pump that obtains a pump action by applying an alternating electric field between a child shim and a piezoelectric body to vibrate the piezoelectric vibrator, the sub housing is positioned on the opposite side of the contour of the O-ring, A body power supply hole is formed, and a pair of elastic electrodes that are elastically deformable following the vibration of the piezoelectric vibrator are inserted into the shim power supply hole and the piezoelectric power supply hole, respectively. Shim and pressure of piezoelectric vibrator It is characterized in that electric power is supplied through electrical conduction in a compressed state.
弾性電極は、最も簡単には導電性の圧縮コイルばねから構成することができる。 The elastic electrode can be most simply composed of a conductive compression coil spring.
弾性電極はまた、シムまたは圧電体に接触する電極と、この電極をシムまたは圧電体に向けて付勢するばね部材とから構成することができる。電極は、より具体的には、カーボン電極が好ましい。 The elastic electrode can also be composed of an electrode that contacts the shim or piezoelectric body and a spring member that biases the electrode toward the shim or piezoelectric body. More specifically, the electrode is preferably a carbon electrode.
あるいは、弾性電極は、ゴム材料中に導電材料を混入させた導電性ゴムから構成することができる。ゴム材料としては、具体的にはEPDM(エチレンプロピレンゴム)やシリコーンゴムを用いることができ、導電材料としては、具体的には炭素粉(グラファイト)やカーボンファイバを用いることができる。 Alternatively, the elastic electrode can be composed of conductive rubber obtained by mixing a conductive material in a rubber material. Specifically, EPDM (ethylene propylene rubber) or silicone rubber can be used as the rubber material, and specifically, carbon powder (graphite) or carbon fiber can be used as the conductive material.
サブハウジング上には、一対の弾性電極を圧縮する給電制御基板を位置させ、この給電制御基板に、該一対の弾性電極に導通する給電端子を設けることができる。 A power supply control board for compressing the pair of elastic electrodes can be positioned on the sub-housing, and a power supply terminal conducting to the pair of elastic electrodes can be provided on the power supply control board.
圧電振動子の圧電体の平面形状は、Oリング径より小径であっても大径であってもよい。小径の場合には、圧電体用給電穴に対応する部分を径方向に突出させ、この突出部分に圧電体用弾性電極を接触させればよい。大径の場合には、シム用給電穴に対応する部分にシムを露出させる穴を穿設し、この穴を介してシム用弾性電極をシムに接触させればよい。 The planar shape of the piezoelectric body of the piezoelectric vibrator may be smaller or larger than the O-ring diameter. In the case of a small diameter, a portion corresponding to the piezoelectric power supply hole may be protruded in the radial direction, and the piezoelectric elastic electrode may be brought into contact with the protruding portion. In the case of a large diameter, a hole that exposes the shim is formed in a portion corresponding to the shim power supply hole, and the shim elastic electrode is brought into contact with the shim through the hole.
本発明の圧電ポンプは、ユニモルフ型の圧電振動子のシムと圧電体に対し、Oリングの反対側の面において、該Oリング上に位置する弾性電極を介して給電するので、圧電振動子の振動による影響を受けることが少ない。よって、給電構造が圧電振動子の振動を妨げ、あるいは圧電振動子の振動によって給電ラインの信頼性、耐久性が損なわれるおそれが少ない。 The piezoelectric pump of the present invention feeds power to the shim and the piezoelectric body of the unimorph type piezoelectric vibrator through the elastic electrode located on the O-ring on the surface opposite to the O-ring. Less affected by vibration. Therefore, there is little possibility that the power feeding structure prevents the vibration of the piezoelectric vibrator or the reliability and durability of the power feeding line are impaired by the vibration of the piezoelectric vibrator.
本実施形態の圧電ポンプは、図1に示すように、圧電振動子10、メインハウジング20、サブハウジング30、給電制御基板40及び蓋体50を有している。メインハウジング20とサブハウジング30は合成樹脂材料(例えばPBT(ポリブチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンスルフィド)樹脂)からなり、蓋体50は金属材料(例えばSUS)からなっている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric pump of the present embodiment includes a
メインハウジング20には、平面円形のポンプ室凹部21と、このポンプ室凹部21に直交する互いに平行な吸入側流路(吸入ポート)22と吐出側流路(吐出ポート)23とが設けられている。ポンプ室凹部21の周囲には、該ポンプ室凹部21と同心にOリング24を嵌める環状溝(Oリング収納溝)25が形成されている。圧電振動子10は、このOリング24上に載置され、サブハウジング30によって挟着されることで、ポンプ室凹部21と圧電振動子10との間にポンプ室Pが形成され、サブハウジング30と圧電振動子10との間に大気室Aが形成される。
The
圧電振動子10は、Oリング24に接触するシム11と大気室A内に位置する圧電体12とを積層したユニモルフ型である。シム11は、厚さ30〜300μm程度のステンレスや42アロイ等からなる導電性金属薄板であり、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。圧電体12の表裏に交番電界が与えられると、圧電体12の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム11(圧電振動子10)が中央部の振幅が最も大きくなるように振動する。
The
図2(a)は、圧電振動子10の圧電体12の平面形状例を示している。Oリング24の中心径をDとしたとき、シム11の径はこのOリング径Dより十分大きい。一方、圧電体12の径はOリング径Dより小径であり、その一部に径方向突起12aが形成されている。この径方向突起12aは、Oリング径Dより外側に延びている。シム11と圧電体12は、常法に従い、接着剤で接着され、圧電体12の表面には電極膜及び保護膜が形成されているが、径方向突起12a部分では保護膜が除去されている。
FIG. 2A shows an example of a planar shape of the
サブハウジング30には、図3に示すように、Oリング24と同一径の同心円上に位置させて(Oリング24の輪郭の反対側に)、シム用と圧電体用の一対の給電穴(貫通穴)31、32が穿設されている。この給電穴31、32内には、圧縮コイルばね(導電性材料)からなるコイルばね電極(圧電振動子10の振動に追従して弾性変形可能な弾性電極)33、34が挿入されている。このコイルばね電極33の圧電振動子10側の端部は、シム11と導通し、コイルばね電極34の圧電振動子10側の端部は、圧電体12の径方向突起12aに導通する。勿論、一対の給電穴(貫通穴)31、32は、厳密にOリング24と同一径の同心円上に位置しなくても、Oリング24の輪郭の反対側に位置すればよい。また、コイルばね電極33、34の間に適当なスペーサ(絶縁部材)を介在させれば、一対の給電穴31、32は繋がっていてもよい。
As shown in FIG. 3, the
給電制御基板40は、コイルばね電極33と34のサブハウジング30からの突出端に位置しており、この給電制御基板40により、コイルばね電極33と34は圧縮されている。給電制御基板40には、コイルばね電極33と34にそれぞれ導通する給電用端子(図示せず)が設けられており、コイルばね電極33と34の圧縮状態では、給電制御基板40上に設けた給電電子部品41(図1)により、圧電振動子10のシム11と圧電体12に対する給電回路が構成される。なお、圧電振動子10とサブハウジング30との間には、適当な位置決め手段(回り止め手段)が設けられ、サブハウジング30には給電制御基板40の位置を定める位置決めピン35が設けられていて、圧電体12の径方向突起12aとコイルばね電極34との導通を保証している。
The power
図2(b)は、圧電振動子10の別の実施形態を示している。この実施形態では、圧電体12の径はOリング径Dより大径であり、そのOリング径D上の一部に、シム11を露出させる露出穴12bが形成されている。この実施形態では、コイルばね電極33が露出穴12bを通ってシム11に導通し、コイルばね電極34が圧電体12に導通する。露出穴12b部分では、シム11上の接着剤は除去され、コイルばね電極34部分では圧電体12上の保護膜は除去されている。
FIG. 2B shows another embodiment of the
メインハウジング20のポンプ室凹部21には、ペア逆止弁セット60が設けられている。このペア逆止弁セット60は、従来の一対のアンブレラに代わるもので、実質的に2枚の金属板状部材61と62からなっている。
A pair
メインハウジング20のポンプ室凹部21の底部には、吸入側流路22と吐出側流路23の開口端に跨らせて、長円状の段凹部26が形成されている。また、吐出側流路23のポンプ室凹部21側の端部には、大径逃げ部23Dが形成されている。
An
段凹部26内には、開閉板ばね61が挿入されている。この開閉板ばね61は、その一端吸入弁部61aが吸入側流路22の開口端上に延びて常時は該吸入側流路22を閉塞する。またその他端吐出弁部61bは、一端吸入弁部61aより幅狭で、吐出側流路23上に延びているが、大径逃げ部23D内に位置して吐出側流路23を閉塞することはない(図1)。開閉板ばね61は、その一端吸入弁部61aと他端吐出弁部61bが流路圧力で容易に弾性変形する金属材料、例えば厚さ0.02〜0.05mm程度のステンレス(SUS)材料やゴム材料、例えば厚さ0.1〜0.5mm程度のEPDMから構成するのがよい。
An opening /
開閉板ばね61の他端吐出弁部61b上には、固定穴部材62が重ねられている。図2では、この固定穴部材62にハッチングを付した。この固定穴部材62は、吐出側流路23の軸線上に位置する吐出流路穴62aと、複数の固定用凹部62bとを有しており、ポンプ室凹部21上には、固定用凹部62bに対応する複数の熱溶着突起27が形成されている。開閉板ばね61の他端吐出弁部61bは、固定穴部材62の吐出流路穴62aを塞ぐ大きさ(幅)を有しており、固定用凹部62bに熱溶着突起27を嵌めて熱溶着すると、他端吐出弁部61bが固定穴部材62下面に接触して、常時は吐出側流路23を閉塞する。固定穴部材62は、実質的に開閉板ばね61の中間部をメインハウジング20に固定し、一端吸入弁部61aと他端吐出弁部61bの弾性変形を可能にしている。
A fixing
図6は、固定穴部材62をポンプ室凹部21に固定するための別実施形態である。この実施形態では、固定穴部材62に圧入脚62cを設け、ポンプ室凹部21にこの圧入脚62cを圧入する圧入溝28を設けている。
FIG. 6 is another embodiment for fixing the fixing
本実施形態の圧電ポンプは、次のように動作する。給電制御基板40上の給電部品41を介してコイルばね電極33と34の間に交番電界を与えると、コイルばね電極33はシム11に導通し、コイルばね電極34は圧電体12の径方向突起12aに導通しているので、圧電振動子10のシム11と圧電体12(圧電体12の表裏)に交番電界が与えられ、圧電振動子10は平面円形の中央部分の振幅が最も大きくなるように振動する。
The piezoelectric pump of this embodiment operates as follows. When an alternating electric field is applied between the
すると、ポンプ室Pの容積が拡大する行程では、ペア逆止弁セット60の開閉板ばね61の一端吸入弁部61aがポンプ室凹部21側に弾性変形し(図1鎖線)、他端吐出弁部61bは固定穴部材62に密着するため、吸入側流路22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、開閉板ばね61の他端吐出弁部61bが大径逃げ部23D内に弾性変形し(図1鎖線)、一端吸入弁部61aが吸入側流路22を閉じるため、ポンプ室Pから吐出側流路23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。
Then, in the process of expanding the volume of the pump chamber P, one end
そして、本実施形態によると、圧電振動子10に対する給電は、該圧電振動子10の振動が最も少ないOリング24の輪郭の反対側において、シム11と圧電体12に導通しているコイルばね電極33と34によって行われるので、給電構造が圧電振動子10の振動を妨げるおそれがない。また、コイルばね電極33と34は、常時圧縮されており、振動の最も少ない場所においてシム11と圧電体12に導通しているので、長期に渡る導通信頼性を確保することができる。
According to this embodiment, the
図7、図8はそれぞれ、本発明による圧電ポンプの別の実施形態を示している。これらは、シム11と圧電体12に導通させる弾性電極の別の実施形態を示すものである。図7では、カーボン付勢電極(弾性電極)33Cと34Cは、シム11と圧電体12に接触するカーボン電極Cと、この電極をシムまたは圧電体に向けて付勢する導電性ばね部材(圧縮コイルばね)Sとからなっている。カーボン付勢電極33Cと34CのコイルばねSは、給電制御基板40により圧縮され、カーボン電極Cが圧電振動子10のシム11と圧電体12に導通する。カーボン(炭素)電極は、例えば黒鉛(グラファイト)粉末にカーボンブラックとナノ結晶(粒径20 nm以下)のTiO2を混合したペーストを焼成して得られる。炭素には種々の形態(フラーレン、カーボンナノチューブ等)が知られているが、本実施形態の用途では、電気伝導性、耐摩耗性に優れていれば形態は問わない。カーボン以外の導電性電極も使用可能である。
7 and 8 each show another embodiment of the piezoelectric pump according to the present invention. These show another embodiment of the elastic electrode that conducts to the
図8は、弾性電極として、ゴム材料中に導電材料を混入させた導電性ゴム柱33R、34Rを用いた実施形態である。導電性ゴム柱33R、34Rは、ゴム材料(例えばEPDMやシリコーンゴム)中に、導電材料、好ましくは炭素粉や炭素繊維、カーボンナノチューブを混入し、全体として導電性と弾力性(復元性)を与えた材料である。導電性ゴム柱33R、34Rは、一対の給電穴31、32に挿入した自由状態では、図8に鎖線で示すように同穴から突出しており、給電制御基板40により圧縮されると、該基板の給電端子が圧電振動子10のシム11と圧電体12に導通する。本実施形態の導電性ゴム柱も、全体として電気伝導性、耐摩耗性及び弾性(復元性)に優れていれば、その具体的な形態は問わない。
FIG. 8 shows an embodiment in which
10 圧電振動子
11 シム
12 圧電体
20 メインハウジング
21 ポンプ室凹部
22 吸入側流路
23 吐出側流路
24 Oリング
25 環状溝
26 段凹部
27 熱溶着突起
28 圧入溝
30 サブハウジング
31 32 給電穴
33 34 コイルばね電極(弾性電極)
33C 34C カーボン付勢電極(弾性電極)
C カーボン
S ばね部材
33R 34R 導電性ゴム柱(弾性電極)
40 給電制御基板
50 蓋体
60 ペア逆止弁セット
61 開閉板ばね
61a 一端吸入弁部
61b 他端吐出弁部
62 固定穴部材
62a 吐出流路穴
62b 固定用凹部
62c 圧入脚
DESCRIPTION OF
C Carbon
40 Power
Claims (8)
この圧電振動子のシムの圧電体を備えない面の周縁に弾接するOリングを支持し、該圧電振動子との間にポンプ室を形成するメインハウジング;及び
このメインハウジングとの間に上記圧電振動子を挟着するサブハウジング;を有し、
上記圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電界を作用させ該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
上記サブハウジングに、上記Oリングの輪郭の反対側に位置させて、シム用と圧電体用の給電穴を形成し、
このシム用給電穴と圧電体用給電穴にそれぞれ圧電振動子の振動に追従して弾性変形可能な一対の弾性電極を挿通し、この一対の弾性電極を上記圧電振動子のシムと圧電体に圧縮状態で導通させて給電することを特徴とする圧電ポンプ。 A planar circular piezoelectric vibrator having a shim made of a thin conductive metal plate and a piezoelectric body laminated on one surface of the shim;
A main housing that supports an O-ring elastically contacting the periphery of the surface of the piezoelectric vibrator that does not include the piezoelectric body and forms a pump chamber with the piezoelectric vibrator; and the piezoelectric housing between the main housing and the piezoelectric housing. A sub-housing for sandwiching the vibrator;
In a piezoelectric pump that obtains a pump action by causing an alternating electric field to act between a shim and a piezoelectric body of the piezoelectric vibrator,
In the sub-housing, located on the opposite side of the contour of the O-ring, a power supply hole for shim and piezoelectric body is formed,
A pair of elastic electrodes that can be elastically deformed following the vibration of the piezoelectric vibrator are inserted into the shim power supply hole and the piezoelectric power supply hole, respectively, and the pair of elastic electrodes are inserted into the shim and the piezoelectric body of the piezoelectric vibrator. A piezoelectric pump characterized in that power is supplied by conduction in a compressed state.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20101207 |