JP2009108715A - Piezoelectric pump - Google Patents

Piezoelectric pump Download PDF

Info

Publication number
JP2009108715A
JP2009108715A JP2007279835A JP2007279835A JP2009108715A JP 2009108715 A JP2009108715 A JP 2009108715A JP 2007279835 A JP2007279835 A JP 2007279835A JP 2007279835 A JP2007279835 A JP 2007279835A JP 2009108715 A JP2009108715 A JP 2009108715A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
pump
piezoelectric vibrator
bias voltage
vibrator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2007279835A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Sato
昭 佐藤
Katsuya Sugai
勝弥 菅井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alps Alpine Co Ltd
Original Assignee
Alps Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alps Electric Co Ltd filed Critical Alps Electric Co Ltd
Priority to JP2007279835A priority Critical patent/JP2009108715A/en
Publication of JP2009108715A publication Critical patent/JP2009108715A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric pump in which a crack hardly is generated in a piezoelectric-crystal layer of a piezoelectric vibrator, in the piezoelectric pump which has a pump chamber and an atmospheric chamber formed at both sides of a piezoelectric vibrator whose circumferential edge sealed liquid-tightly, and obtains a pumping action by causing the piezoelectric vibrator to vibrate. <P>SOLUTION: The piezoelectric pump includes a bias voltage application circuit for applying a bias voltage which causes the piezoelectric vibrator to convexedly deform toward the pump chamber side, separately from an alternating electric field, with respect to a piezoelectric vibrator having an alternate laminated structure with at least one sheet of shims formed of electrically conductive thin metal sheets and at least one layer of piezoelectric-crystal layers. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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する。 The present invention relates to a piezoelectric pump that obtains a pump action by a vibrating piezoelectric vibrator.

圧電ポンプは、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ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(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。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて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。このような圧電ポンプは小型にできるため、本出願人は、水冷ノート型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。
特開平8-114408号公報 特開平8-200216号公報 特開平9-74773号公報 特開2000-92876号公報 特開2006-294947号公報 WO96/14687号公報
A piezoelectric pump forms a pump chamber and an air chamber on the front and back sides of a piezoelectric vibrator whose periphery is held liquid-tight, and a pair of check valves (to the pump chamber) having different flow directions are formed in a pair of flow paths connected to the pump chamber. And a check valve that allows fluid flow from the pump chamber). When the piezoelectric vibrator is vibrated, the volume of the pump chamber changes, and as the volume changes, one of the pair of check valves closes and the other opens repeatedly, thereby obtaining a pump action. Since such a piezoelectric pump can be reduced in size, the present applicant is developing a piezoelectric pump used as a cooling water circulation pump of a water-cooled notebook type personal computer.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-114408 JP-A-8-200216 Japanese Patent Laid-Open No. 9-74773 JP 2000-92876 JP 2006-294947 A WO96 / 14687 Publication

この圧電ポンプに用いる圧電振動子は、導電性金属板からなる金属シムの表裏の一面に圧電体層を設けたユニモルフ型、及び両面に圧電体層を設けたバイモルフ型が知られており、さらに本出願人は、圧電体層を電気的に並列または直列に接続した複数層としたマルチモルフ型を提案している(特願2007-35879号)が、いずれのタイプの圧電振動子も導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有する点では共通である。そして、どのタイプの圧電振動子を用いるにしても従来、大気室側には圧電体層を位置させていた。   The piezoelectric vibrator used in this piezoelectric pump is known as a unimorph type in which a piezoelectric layer is provided on one surface of a metal shim made of a conductive metal plate, and a bimorph type in which a piezoelectric layer is provided on both sides. The present applicant has proposed a multimorph type in which a plurality of piezoelectric layers are electrically connected in parallel or in series (Japanese Patent Application No. 2007-35879). This is common in that it has an alternately laminated structure of at least one shim made of a thin plate and at least one piezoelectric layer. Then, no matter what type of piezoelectric vibrator is used, a piezoelectric layer has conventionally been positioned on the atmosphere chamber side.

ところが、大気室側に圧電体層を設けた圧電振動子は、長期間使用すると、該大気室側の圧電体層にクラック(割れ)が発生する可能性があることが判明した。   However, it has been found that a piezoelectric vibrator provided with a piezoelectric layer on the atmosphere chamber side may cause cracks in the piezoelectric layer on the atmosphere chamber side when used for a long period of time.

本発明は従って、圧電振動子の圧電体層にクラックが生じにくい圧電ポンプを得ることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to obtain a piezoelectric pump in which cracks are unlikely to occur in a piezoelectric layer of a piezoelectric vibrator.

本発明者らは、大気室側の圧電体層にクラックが生じる原因について研究の結果、圧電振動子はポンプ室側の液体圧力を受けて運転中は常時大気室側に突出する方向の力を受けていること、及びその結果、大気室側の圧電体層には引張応力が加わることがクラックの発生原因であるとの結論に達して本発明をなしたものである。すなわち、セラミックである圧電体層は、圧縮力には強いが引張力には弱い。   As a result of research on the cause of cracks in the piezoelectric layer on the atmosphere chamber side, the present inventors have received a liquid pressure on the pump chamber side and applied a force in a direction that always protrudes to the atmosphere chamber side during operation. As a result, it was concluded that the application of tensile stress to the piezoelectric layer on the atmosphere chamber side caused the generation of cracks, and the present invention was made. That is, the piezoelectric layer made of ceramic is strong against compressive force but weak against tensile force.

本発明は、圧電振動子を振動させる交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に弾性変形させるバイアス電圧を印加すれば、液体圧力による変形圧力とバイアス電圧による変形圧力がバランスし、圧電体層に加わる引張応力を緩和できるとの着眼に基づいてなされたものである。   In addition to the alternating electric field that vibrates the piezoelectric vibrator, the present invention balances the deformation pressure caused by the liquid pressure and the deformation pressure caused by the bias voltage by applying a bias voltage that elastically deforms the piezoelectric vibrator toward the pump chamber. However, this is based on the viewpoint that the tensile stress applied to the piezoelectric layer can be relaxed.

本発明は、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子に交番電界を与え振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有していて、該圧電振動子に対して交番電界を印加すること、及び圧電振動子に対して印加する交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に変形させるバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路を設けたことを特徴としている。   The present invention provides a piezoelectric pump in which a pump chamber and an air chamber are formed on the front and back sides of a piezoelectric vibrator having a liquid-tight peripheral edge, and an alternating electric field is applied to the piezoelectric vibrator to obtain a pump action. And having an alternating laminated structure of at least one shim made of a conductive metal thin plate and at least one piezoelectric layer, applying an alternating electric field to the piezoelectric vibrator, and In addition to the alternating electric field to be applied, a bias voltage applying circuit for applying a bias voltage for projecting the piezoelectric vibrator to the pump chamber side is provided.

本発明は、圧電振動子のタイプを問うことなく適用できる。具体的には例えば、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に圧電体層を有するユニモルフタイプ;導電性金属薄板からなるシムの表裏の両面に、圧電体層を有するバイモルフタイプ;あるいはポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に、直列または並列に接続された複数層の圧電体層を有するマルチモルフタイプ;のいずれも使用可能である。   The present invention can be applied without questioning the type of piezoelectric vibrator. Specifically, for example, a unimorph type having a shim made of a conductive metal thin plate on the pump chamber side and a piezoelectric layer on the atmosphere chamber side; a piezoelectric layer on both sides of the shim made of a conductive metal thin plate Either a bimorph type having a shim made of a conductive metal thin plate on the pump chamber side and a multimorph type having a plurality of piezoelectric layers connected in series or in parallel on the atmosphere chamber side can be used. is there.

バイアス電圧印加回路は、圧電振動子に対して定電圧を印加する他、圧電振動子の変形(ポンプ室の温度)をモニタし、その変形量に応じて印加電圧を可変としてもよい。   The bias voltage application circuit may apply a constant voltage to the piezoelectric vibrator, monitor the deformation of the piezoelectric vibrator (temperature of the pump chamber), and change the applied voltage according to the amount of deformation.

本発明は、圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成した圧電ポンプにおいて、圧電振動子を振動させる交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に弾性変形させるバイアス電圧を印加したので、液体圧力による変形圧力とバイアス電圧による変形圧力をバランスさせ、圧電体層に加わる引張応力を緩和して、クラックの発生を抑制することができる。   In the piezoelectric pump in which the pump chamber and the air chamber are formed on the front and back sides of the piezoelectric vibrator, the bias voltage for elastically deforming the piezoelectric vibrator to the pump chamber side separately from the alternating electric field that vibrates the piezoelectric vibrator. Therefore, it is possible to balance the deformation pressure due to the liquid pressure and the deformation pressure due to the bias voltage, relieve the tensile stress applied to the piezoelectric layer, and suppress the generation of cracks.

図1及び図2は、本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示している。この圧電ポンプ20は、図示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。   1 and 2 show the basic structure of a piezoelectric pump targeted by the present invention. The piezoelectric pump 20 has a lower housing 21, a middle housing 22, and an upper housing 23 that are stacked in order from the bottom of the figure.

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、一対の環状狭着部材(Oリング27、ガイド28)を介して、圧電振動子10とその裏側(ポンプ室P側)に配置した環状電極端子29が液密に狭着支持されていて、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。   A cooling water (liquid) suction port 24 and a discharge port 25 are opened in the lower housing 21. Between the middle housing 22 and the upper housing 23, an annular electrode terminal 29 disposed on the piezoelectric vibrator 10 and the back side (pump chamber P side) via a pair of annular narrowing members (O-ring 27, guide 28). Are supported tightly in a liquid-tight manner, and a pump chamber P is formed between the piezoelectric vibrator 10 and the middle housing 22. An atmospheric chamber A is formed between the piezoelectric vibrator 10 and the upper housing 23. The atmosphere chamber A may be opened or sealed.

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を連通させる吐出経路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。図示実施形態の逆止弁32、33は、同一の形態であり、流路に接着もしくは溶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。   The lower housing 21 and the middle housing 22 are respectively formed with a suction flow path 30 for communicating the suction port 24 and the pump chamber P and a discharge path 31 for communicating the pump chamber P and the discharge port 25. Are provided with check valves (umbrellas) 32 and 33 in the suction flow path 30 and the discharge flow path 31, respectively. The check valve 32 is a suction-side check valve that allows a fluid flow from the suction port 24 to the pump chamber P and does not allow the reverse fluid flow. The check valve 33 transfers from the pump chamber P to the discharge port 25. This is a discharge-side check valve that allows the fluid flow of the fluid but does not permit the reverse fluid flow. The check valves 32 and 33 in the illustrated embodiment have the same configuration, and are provided with umbrellas 32b and 33b made of an elastic material on perforated substrates 32a and 33a that are bonded or welded and fixed to the flow path. .

またロアハウジング21には、吸入流路30及び吐出経路31とは隔離させた位置に矩形状の収納凹部21aが形成されており、この収納凹部21aとミドルハウジング22の間に、圧電振動子10を駆動制御するドライバ回路基板26が液密に収納されている。   A rectangular housing recess 21 a is formed in the lower housing 21 at a position separated from the suction flow path 30 and the discharge path 31, and the piezoelectric vibrator 10 is interposed between the storage recess 21 a and the middle housing 22. A driver circuit board 26 for driving and controlling the liquid crystal is stored in a liquid-tight manner.

圧電ポンプ20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の容積が減少する行程では、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(振動)させることで、ポンプ作用が得られる。   When the piezoelectric vibrator 10 is elastically deformed (vibrated) in the forward and reverse directions, the piezoelectric pump 20 opens the suction side check valve 32 and closes the discharge side check valve 33 in the stroke in which the volume of the pump chamber P increases. The liquid flows into the pump chamber P from the suction port 24. On the other hand, in the stroke in which the volume of the pump chamber P decreases, the discharge side check valve 33 opens and the suction side check valve 32 closes, so that the liquid flows out from the pump chamber P to the discharge port 25. Accordingly, the pump action can be obtained by elastically deforming (vibrating) the piezoelectric vibrator 10 continuously in the forward and reverse directions.

平面円形をなす圧電振動子10は、上述のように、ユニモルフタイプ、バイモルフタイプ及びマルチモルフタイプのいずれも利用可能である。図1、図3、図4は、メインシム11の表裏に圧電体層12f、12rが積層接着されたバイモルフタイプを基本構成とし、さらに、大気室A側に面する圧電体層12fの上には保護シム13を積層接着し、ポンプ室P側に面する圧電体層12rの上には、カバーフィルム14を積層接着した圧電振動子である。表側(大気室A側)の圧電体層12fはメインシム11の径よりも小さく形成され、裏側(ポンプ室P側)の圧電体層12rはメインシム11と同径で形成されている。ガイド28は、メインシム11の表側(大気室A側)の圧電体層12fの外形部外側部分に位置してメインシム11を狭着支持する。なお、図2においては、圧電振動子10の圧電体層12f、12r、メインシム11、カバーフィルム14は省略して表している。また、図1から図4では圧電体層12f、12rの両面に膜状の電極層が形成されているが図示は省略している。   As described above, any of the unimorph type, the bimorph type, and the multimorph type can be used for the piezoelectric vibrator 10 having a planar circular shape. 1, 3, and 4 are basically configured by a bimorph type in which piezoelectric layers 12 f and 12 r are laminated and bonded to the front and back of the main shim 11, and further, on the piezoelectric layer 12 f facing the atmosphere chamber A side, A piezoelectric vibrator is formed by laminating and bonding a protective shim 13 and laminating and bonding a cover film 14 on the piezoelectric layer 12r facing the pump chamber P side. The front side (atmosphere chamber A side) piezoelectric layer 12 f is formed smaller than the diameter of the main shim 11, and the back side (pump chamber P side) piezoelectric layer 12 r is formed with the same diameter as the main shim 11. The guide 28 is positioned on the outer side of the outer portion of the piezoelectric layer 12f on the front side (atmosphere chamber A side) of the main shim 11 and supports the main shim 11 tightly. In FIG. 2, the piezoelectric layers 12f and 12r, the main shim 11, and the cover film 14 of the piezoelectric vibrator 10 are omitted. 1 to 4, film-like electrode layers are formed on both surfaces of the piezoelectric layers 12f and 12r, but the illustration is omitted.

メインシム11は、厚さ30〜500μm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、圧電体層12f、12rを支持するための剛性を有している。   The main shim 11 is a conductive metal thin plate made of stainless steel or 42 alloy having a thickness of about 30 to 500 μm, and has rigidity for supporting the piezoelectric layers 12f and 12r.

メインシム11の表裏の圧電体層12f、12rは、例えば厚さ50〜500μm程度のPZT(Pb(Zr、Ti)O3)等の圧電材料から構成されるもので、表裏方向に分極処理が施されている。表裏の圧電体層12f、12rの分極方向は同一方向である。このような圧電振動子はバイモルフ型(パラレル接続)として周知である。各圧電体層12f、12rの表裏に同一の交番電界が与えられると、圧電体層12f、12r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 piezoelectric layers 12f and 12r on the front and back of the main shim 11 are made of a piezoelectric material such as PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) having a thickness of about 50 to 500 μm, for example, and are subjected to polarization treatment in the front and back directions. Has been. The polarization directions of the piezoelectric layers 12f and 12r on the front and back sides are the same direction. Such a piezoelectric vibrator is known as a bimorph type (parallel connection). When the same alternating electric field is applied to the front and back of each of the piezoelectric layers 12f and 12r, a cycle in which one of the front and back of the piezoelectric layers 12f and 12r extends and the other contracts is repeated, and the shim 11 (piezoelectric vibrator 10) is centered. It vibrates so that the amplitude of the part becomes the largest.

保護シム13は、メインシム11と同様に、厚さ5〜500μm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る。この保護シム13は、大気室A側の圧電体層12f全体を覆う径を有している。この保護シム13を設けることにより、大気室A側の圧電体層12fに加わる引張応力を緩和し、クラックの発生を防止する一助となるが、必要に応じて設ければ良く、必ずしも必須の部材ではない。なお、圧電振動子10は上述のように表側(大気室A側)の圧電体層12fはメインシム11の径よりも小さく形成され、ガイド28が、メインシム11の表側(大気室A側)圧電体層12fの外形部外側部分にメインシム11を狭着支持する構造となっているが、表側(大気室A側)圧電体層12fをメインシム11と同径とし、ガイド28が表側(大気室A側)圧電体層12f上に当接する構造であっても良い。   Like the main shim 11, the protective shim 13 is a conductive metal thin plate made of stainless steel having a thickness of about 5 to 500 μm, 42 alloy, or the like. The protective shim 13 has a diameter that covers the entire piezoelectric layer 12f on the atmosphere chamber A side. By providing this protective shim 13, the tensile stress applied to the piezoelectric layer 12f on the atmosphere chamber A side is relieved and helps to prevent the occurrence of cracks. is not. In the piezoelectric vibrator 10, as described above, the front side (atmosphere chamber A side) piezoelectric layer 12f is formed to be smaller than the diameter of the main shim 11, and the guide 28 is a front side (atmosphere chamber A side) piezoelectric body of the main shim 11. The main shim 11 is supported tightly on the outer part of the outer shape of the layer 12f, but the front side (atmosphere chamber A side) piezoelectric layer 12f has the same diameter as the main shim 11, and the guide 28 is on the front side (atmosphere chamber A side). ) It may be a structure in contact with the piezoelectric layer 12f.

カバーフィルム14は、ポンプ室P側に位置する圧電体層12r上に積層接着して、ポンプ室P内に出入りする流体から該圧電体層12rを保護するものである。このカバーフィルム14は、厚さ10〜100μm程度の合成樹脂フィルム、例えばPPS(ポリフェニレンサルファイド)から構成されている。   The cover film 14 is laminated and bonded onto the piezoelectric layer 12r located on the pump chamber P side, and protects the piezoelectric layer 12r from the fluid entering and leaving the pump chamber P. The cover film 14 is made of a synthetic resin film having a thickness of about 10 to 100 μm, for example, PPS (polyphenylene sulfide).

圧電振動子10の裏に位置する環状電極端子29は、メインシム11の裏の圧電体層12rの露出面(電極層)と環状に接触して電気的に導通している。さらに圧電振動子10の表に位置する保護シム13はメインシム11の表の圧電体層12の露出面電極層と同心円状に接触して電気的に導通している。メインシム11、保護シム13及び環状電極端子29はそれぞれ、周縁部に配線接続用の配線突起11a、13a及び29aを有し、ミドルハウジング22には、この配線突起11a、13a及び29aに対応する突出凹部22aがポンプ室Pに連なって形成されている。環状電極端子29の径は、Oリング27の径と実質的に同一径であり、少なくとも一部がその全周に沿って重なる関係、あるいはOリング27が環状電極端子29を全周に渡って押圧できるように形成されている。従って、環状電極端子29とOリング27が重なったとき、Oリング27は一平面内に位置し、微小な凹凸が生じることはない。   The annular electrode terminal 29 located on the back side of the piezoelectric vibrator 10 is in electrical contact with the exposed surface (electrode layer) of the piezoelectric layer 12r on the back side of the main shim 11 in an annular shape. Further, the protective shim 13 positioned on the front surface of the piezoelectric vibrator 10 is in electrical contact with the exposed surface electrode layer of the piezoelectric layer 12 on the front surface of the main shim 11 in a concentric manner. The main shim 11, the protection shim 13, and the annular electrode terminal 29 have wiring protrusions 11a, 13a, and 29a for connecting the wiring at their peripheral portions, respectively, and the middle housing 22 protrudes corresponding to the wiring protrusions 11a, 13a, and 29a. A recess 22 a is formed continuously with the pump chamber P. The diameter of the annular electrode terminal 29 is substantially the same as the diameter of the O-ring 27, and at least a portion thereof overlaps along the entire circumference, or the O-ring 27 extends over the entire circumference of the annular electrode terminal 29. It is formed so that it can be pressed. Therefore, when the annular electrode terminal 29 and the O-ring 27 are overlapped, the O-ring 27 is positioned in one plane and no minute unevenness is generated.

本実施形態では、例えば以上の構成を有する圧電ポンプにおいて、図5に示すように、圧電振動子10に、該圧電振動子10をポンプ室P側に凸になるようにバイアス電圧を常時印加するバイアス電圧印加回路40を設けている。このバイアス電圧印加回路40は、圧電振動子10に対して交番電界を与える交番電界印加回路41とは別に設けられている。図5には、圧電振動子10として、メインシム11、圧電体層12f及び12rのみを示している。圧電体層12fと12rの分極方向を▲矢印で示すと、バイアス電圧印加回路40により、メインシム11(圧電体層12fと12rのシム11側の面)にプラス電位(+)を与え、圧電体層12fと12rの表面(露出面)にマイナス電位(-)を与えることで、破線で誇張して示すように、裏側圧電体層12rの表面積が拡大し、表側圧電体層12fの表面積が縮小する結果、圧電振動子10をポンプ室P側に凸に弾性変形させることができる。よって、このバイアス電圧による凸変位を液体圧力による凹変位とバランスさせることにより、圧電振動子10の圧電体層12fにクラックが発生するのを防止することができる。   In the present embodiment, for example, in the piezoelectric pump having the above configuration, as shown in FIG. 5, a bias voltage is constantly applied to the piezoelectric vibrator 10 so that the piezoelectric vibrator 10 protrudes toward the pump chamber P. A bias voltage application circuit 40 is provided. The bias voltage application circuit 40 is provided separately from the alternating electric field application circuit 41 that applies an alternating electric field to the piezoelectric vibrator 10. FIG. 5 shows only the main shim 11 and the piezoelectric layers 12 f and 12 r as the piezoelectric vibrator 10. When the polarization directions of the piezoelectric layers 12f and 12r are indicated by ▲ arrows, the bias voltage application circuit 40 applies a positive potential (+) to the main shim 11 (the surface of the piezoelectric layers 12f and 12r on the shim 11 side), By applying a negative potential (−) to the surfaces (exposed surfaces) of the layers 12f and 12r, the surface area of the back-side piezoelectric layer 12r is enlarged and the surface area of the front-side piezoelectric layer 12f is reduced, as exaggerated by a broken line. As a result, the piezoelectric vibrator 10 can be elastically deformed convexly toward the pump chamber P side. Therefore, by balancing the convex displacement due to the bias voltage with the concave displacement due to the liquid pressure, it is possible to prevent cracks from occurring in the piezoelectric layer 12f of the piezoelectric vibrator 10.

図6は、圧電振動子10としてユニモルフタイプを用いた場合の実施形態である。圧電振動子10は、メインシム11の一面、大気室A側の面に圧電体層12sを設けている。この実施形態では、圧電体層12sの分極方向を▲としたとき、バイアス電圧印加回路40によって、圧電体層12sの表面積が縮小する方向にバイアス電圧を印加する。このようなバイアス電圧を印加することにより、破線で誇張して示すように、圧電振動子10をポンプ室P側に凸に弾性変形させることができる。このバイアス電圧印加回路40は、圧電振動子10に対して交番電界を与える交番電界印加回路41とは別に設けられている。   FIG. 6 shows an embodiment when a unimorph type is used as the piezoelectric vibrator 10. The piezoelectric vibrator 10 is provided with a piezoelectric layer 12s on one surface of the main shim 11 and the surface on the atmosphere chamber A side. In this embodiment, when the polarization direction of the piezoelectric layer 12s is と し た, the bias voltage application circuit 40 applies a bias voltage in a direction in which the surface area of the piezoelectric layer 12s is reduced. By applying such a bias voltage, the piezoelectric vibrator 10 can be elastically deformed so as to protrude toward the pump chamber P, as exaggerated by a broken line. The bias voltage application circuit 40 is provided separately from the alternating electric field application circuit 41 that applies an alternating electric field to the piezoelectric vibrator 10.

図7は、圧電振動子10としてバイモルフシリーズ接続のマルチモルフタイプを用いた場合の実施形態である。この圧電振動子10は、メインシム11上に、電極層d、大径圧電体層12、電極層d、中間シム40、電極層d、小径圧電体層12b及び電極層dを積層し、シム11と大径圧電体層12aの周縁をOリング27とガイド28で狭着支持している。小径圧電体層12bは、ガイド28に拘束されず、自由に変位可能である。なお、図5、図6では電極層の図示を省略している。   FIG. 7 shows an embodiment in which a bimorph series-connected multimorph type is used as the piezoelectric vibrator 10. In the piezoelectric vibrator 10, an electrode layer d, a large-diameter piezoelectric layer 12, an electrode layer d, an intermediate shim 40, an electrode layer d, a small-diameter piezoelectric layer 12 b, and an electrode layer d are stacked on a main shim 11. The periphery of the large-diameter piezoelectric layer 12a is tightly supported by an O-ring 27 and a guide 28. The small-diameter piezoelectric layer 12b is not restricted by the guide 28 and can be freely displaced. 5 and 6, illustration of the electrode layer is omitted.

大径圧電体層12aと小径圧電体層12bの厚さは同一であり、圧電体12の全体の厚さは例えば50〜1000μm程度である。中間シム40は、大径圧電体層12bの径と同一径を有する円形または環状の金属弾性体(図示実施形態では円形)であって、積層圧電体12の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する。この中間シム40の機械的復元性はメインシム11の機械的復元性より高く、中間シム40は積層圧電体12の変位を極力妨げない。中間シム40は、メインシム11と同一の材料でメインシム11の厚さより厚く形成され、例えば厚さ50〜600μm程度の42アロイ等からなる金属薄板を用いる。この中間シム40を備えることで、積層圧電体12の機械的強度が増し、閉鎖圧を高められる。中間シム40は省略可能である。   The large-diameter piezoelectric layer 12a and the small-diameter piezoelectric layer 12b have the same thickness, and the entire thickness of the piezoelectric body 12 is, for example, about 50 to 1000 μm. The intermediate shim 40 is a circular or annular metal elastic body (circular in the illustrated embodiment) having the same diameter as that of the large-diameter piezoelectric body layer 12 b, and is mechanically deformable as the laminated piezoelectric body 12 is displaced. Has resiliency. The intermediate shim 40 has a higher mechanical resilience than the main shim 11, and the intermediate shim 40 does not hinder the displacement of the laminated piezoelectric body 12 as much as possible. The intermediate shim 40 is formed of the same material as the main shim 11 and is thicker than the main shim 11, and a thin metal plate made of 42 alloy having a thickness of about 50 to 600 μm, for example, is used. By providing the intermediate shim 40, the mechanical strength of the laminated piezoelectric body 12 increases and the closing pressure can be increased. The intermediate shim 40 can be omitted.

中間シム40と大径圧電体層12a及び小径圧電体層12bの間に位置する中間電極層dは、大径圧電体層12aと小径圧電体層12bを電気的に分離する中性面として機能する。   The intermediate electrode layer d positioned between the intermediate shim 40 and the large-diameter piezoelectric layer 12a and the small-diameter piezoelectric layer 12b functions as a neutral surface that electrically separates the large-diameter piezoelectric layer 12a and the small-diameter piezoelectric layer 12b. To do.

この積層圧電体12において、メインシム11側の大径圧電体層12aは、シム側電極層d及びメインシム11を介して第2給電ライン15と導通し、大気室A側の小径圧電体層12bは表面電極層d及び環状電極端子29を介して第1給電ライン14と導通している。すなわち、大径圧電体層12aと小径圧電体層12bは、電気的に直列接続(シリーズ接続)されている。大径圧電体層12aと小径圧電体層12bの分極方向は、図7に▲矢印で示されるように、逆向きをなし、第1給電ライン14及び第2給電ライン15を介して交番電界印加回路41から交番電圧が印加されると、表面積が拡縮する方向に弾性変形する。   In this laminated piezoelectric body 12, the large-diameter piezoelectric layer 12a on the main shim 11 side is electrically connected to the second feed line 15 via the shim-side electrode layer d and the main shim 11, and the small-diameter piezoelectric layer 12b on the atmosphere chamber A side is It is electrically connected to the first feed line 14 via the surface electrode layer d and the annular electrode terminal 29. That is, the large-diameter piezoelectric layer 12a and the small-diameter piezoelectric layer 12b are electrically connected in series (series connection). The polarization directions of the large-diameter piezoelectric layer 12a and the small-diameter piezoelectric layer 12b are reversed as shown by the arrows in FIG. 7, and an alternating electric field is applied via the first feed line 14 and the second feed line 15. When an alternating voltage is applied from the circuit 41, it is elastically deformed in a direction in which the surface area expands or contracts.

この実施形態では、環状電極端子29、第1給電ライン14及び第2給電ライン15を介して、圧電振動子10に、該圧電振動子10をポンプ室P側に凸になるようにバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路40A、40Bを設けている。バイアス電圧印加回路40A、40Bは、第2給電ライン15を介してメインシム11(大径圧電体層12aのメインシム側の面)にプラス電位(+)を与え、第1給電ライン14及び環状電極端子29を介して小径圧電体層12bの表面(露出面)にマイナス電圧(−)を与えることで、破線で誇張して示すように、圧電振動子10をポンプ室側に凸に弾性変形させる。図7では、第1給電ライン14側(上部圧電体層12a側)と第2給電ライン15側(メインシム11側)にそれぞれバイアス電圧印加回路40A、40Bを設け、このバイアス電圧印加回路40Aから印加されるバイアス電圧Vaとバイアス電圧印加回路40Bから印加されるバイアス電圧Vbとの大小関係をVa<Vbに設定してある。   In this embodiment, a bias voltage is applied to the piezoelectric vibrator 10 via the annular electrode terminal 29, the first feeding line 14 and the second feeding line 15 so that the piezoelectric vibrator 10 protrudes toward the pump chamber P side. Bias voltage application circuits 40A and 40B to be applied are provided. The bias voltage application circuits 40A and 40B apply a positive potential (+) to the main shim 11 (the surface on the main shim side of the large-diameter piezoelectric layer 12a) via the second power supply line 15, and the first power supply line 14 and the annular electrode terminal By applying a negative voltage (−) to the surface (exposed surface) of the small-diameter piezoelectric layer 12b via 29, the piezoelectric vibrator 10 is elastically deformed convex toward the pump chamber side, as exaggeratedly shown by a broken line. In FIG. 7, bias voltage application circuits 40A and 40B are provided on the first power supply line 14 side (upper piezoelectric layer 12a side) and the second power supply line 15 side (main shim 11 side), respectively, and applied from the bias voltage application circuit 40A. The magnitude relationship between the bias voltage Va applied and the bias voltage Vb applied from the bias voltage application circuit 40B is set to Va <Vb.

圧電振動子10を振動させる際には、先の実施形態と同様に、バイアス電圧印加回路40A、40Bによるバイアス電圧を印加したまま、交番電界印加回路41によって圧電振動子10に交番電界を与える。   When the piezoelectric vibrator 10 is vibrated, as in the previous embodiment, an alternating electric field is applied to the piezoelectric vibrator 10 by the alternating electric field application circuit 41 while the bias voltage is applied by the bias voltage application circuits 40A and 40B.

次に、圧電振動子10に実際に与えるべきバイアス電圧の計算例を説明する。圧電ポンプ20のポンプ室Pの液温が上昇すると、ポンプ室Pの内圧(kPa)が上昇する。図8は、液温と内圧の関係の一例を示している。このような液温-内圧曲線により、各液温のときの内圧Pを求めることができる。次に、圧電振動子10がポンプ室P側へ変形するとポンプ室Pの内圧が高まる。図9は、圧電振動子10の変形量(μm)と内圧の関係の一例を示している。このような変形量-内圧曲線により、液温の上昇に伴って与えるべき圧電振動子10のポンプ室P側への変形量を求めることができる。最後に、図10は、圧電振動子10に与えるバイアス電圧(Vop)と、そのバイアス電圧で生じる該振動子の変形量(μm)の関係の一例を示している。従って、図8でポンプ室液温から内圧変化を求め、図9で内圧変化を打ち消すべき圧電振動子10の変形量を求め、図10でそのような変形を生じさせるバイアス電圧の大きさを求めることができる。   Next, a calculation example of the bias voltage that should be actually applied to the piezoelectric vibrator 10 will be described. When the liquid temperature in the pump chamber P of the piezoelectric pump 20 increases, the internal pressure (kPa) of the pump chamber P increases. FIG. 8 shows an example of the relationship between the liquid temperature and the internal pressure. From such a liquid temperature-internal pressure curve, the internal pressure P at each liquid temperature can be obtained. Next, when the piezoelectric vibrator 10 is deformed to the pump chamber P side, the internal pressure of the pump chamber P increases. FIG. 9 shows an example of the relationship between the deformation amount (μm) of the piezoelectric vibrator 10 and the internal pressure. From such a deformation amount-internal pressure curve, the deformation amount to the pump chamber P side of the piezoelectric vibrator 10 to be applied as the liquid temperature rises can be obtained. Finally, FIG. 10 shows an example of the relationship between the bias voltage (Vop) applied to the piezoelectric vibrator 10 and the deformation amount (μm) of the vibrator caused by the bias voltage. Accordingly, the change in internal pressure is obtained from the pump chamber liquid temperature in FIG. 8, the amount of deformation of the piezoelectric vibrator 10 to cancel the change in internal pressure is obtained in FIG. 9, and the magnitude of the bias voltage that causes such deformation is obtained in FIG. be able to.

表1は、以上の手法により、図7の実施形態の圧電振動子10を用いて、ポンプ室液温が40、50、60、70(℃)と変化したときの内圧とオフセット電圧を計算した結果である。
「表1」
液温(℃) 40 50 60 70
内圧(kPa) 8.4 12.2 20.0 36.0
オフセット電圧(V) 34.0 57.6 94.5 145.5
Table 1 calculated the internal pressure and offset voltage when the pump chamber liquid temperature was changed to 40, 50, 60, and 70 (° C.) using the piezoelectric vibrator 10 of the embodiment of FIG. It is a result.
"Table 1"
Liquid temperature (° C.) 40 50 60 70
Internal pressure (kPa) 8.4 12.2 20.0 36.0
Offset voltage (V) 34.0 57.6 94.5 145.5

勿論、表1の計算例は一例であり、ポンプ容量や圧電振動子の性質に応じて、図8ないし図10で説明した手法に基づき、具体的なバイアス電圧の大きさを決定することができる。   Of course, the calculation example in Table 1 is an example, and a specific magnitude of the bias voltage can be determined based on the method described with reference to FIGS. 8 to 10 according to the pump capacity and the properties of the piezoelectric vibrator. .

以上の実施形態では、バイアス圧力印加回路40によって圧電振動子10に与えるバイアス電圧を一定としたが、圧電振動子10の変位あるいはポンプ室Pの液体温度をモニタし、このモニタ出力により、圧電振動子10に与えるバイアス圧力を変化させてもよい。   In the above embodiment, the bias voltage applied to the piezoelectric vibrator 10 by the bias pressure application circuit 40 is constant. However, the displacement of the piezoelectric vibrator 10 or the liquid temperature in the pump chamber P is monitored, and the piezoelectric output is obtained by this monitor output. The bias pressure applied to the child 10 may be changed.

本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the basic structure of the piezoelectric pump which this invention makes object. 同圧電ポンプの断面図である。It is sectional drawing of the same piezoelectric pump. 本発明による圧電ポンプの第1実施形態を示す部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view which shows 1st Embodiment of the piezoelectric pump by this invention. 同圧電ポンプの圧電振動子の模式分解斜視図である。It is a model exploded perspective view of the piezoelectric vibrator of the same piezoelectric pump. 本発明による圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the bias voltage application circuit with respect to the piezoelectric vibrator by this invention. 同別の圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the bias voltage application circuit with respect to another piezoelectric vibrator. 同さらに別の圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one Embodiment of the bias voltage application circuit with respect to the same another piezoelectric vibrator. 水の蒸気圧線図である。It is a water vapor pressure diagram. ポンプ室内圧とダイヤフラムの変形量の一例を示すグラフ図である。It is a graph which shows an example of the deformation amount of a pump chamber internal pressure and a diaphragm. ダイヤフラムの変位と同変位を打ち消すために同ダイヤフラムに加えるべきバイアス電圧の一例を示すグラフ図である。It is a graph which shows an example of the bias voltage which should be applied to the diaphragm in order to cancel the same displacement as the displacement of a diaphragm.

符号の説明Explanation of symbols

10 圧電振動子
11 メインシム
11a 配線突起
12 12f 12r 12s 圧電体層
13 保護シム
13a 配線突起
14 カバーフィルム
20 圧電ポンプ
21 ロアハウジング
22 ミドルハウジング
23 アッパハウジング
24 吸入ポート
25 吐出ポート
29 環状電極端子
29a 配線突起
30 吸入流路
31 吐出流路
32、33 逆止弁
40 バイアス電圧印加回路
41 交番電界印加回路
A 大気室
P ポンプ室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric vibrator 11 Main shim 11a Wiring protrusion 12 12f 12r 12s Piezoelectric layer 13 Protection shim 13a Wiring protrusion 14 Cover film 20 Piezoelectric pump 21 Lower housing 22 Middle housing 23 Upper housing 24 Suction port 25 Discharge port 29 Annular electrode terminal 29a Wiring protrusion 30 suction channel 31 discharge channel 32, 33 check valve 40 bias voltage application circuit 41 alternating electric field application circuit A atmosphere chamber P pump chamber

Claims (6)

周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子に交番電界を与え振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
上記圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有していて、該圧電体層に対して交番電界が印加されること、及び
上記圧電振動子に対して印加する交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に変形させるバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路を設けたこと、
を特徴とする圧電ポンプ。
In a piezoelectric pump that forms a pump chamber and an atmospheric chamber on the front and back of a piezoelectric vibrator having a liquid-tight peripheral edge, and obtains a pump action by applying an alternating electric field to the piezoelectric vibrator to obtain a pump action.
The piezoelectric vibrator has an alternately laminated structure of at least one shim made of a conductive metal thin plate and at least one piezoelectric layer, and an alternating electric field is applied to the piezoelectric layer. In addition to the alternating electric field to be applied to the piezoelectric vibrator, a bias voltage application circuit for applying a bias voltage for projecting the piezoelectric vibrator to the pump chamber side is provided.
A piezoelectric pump characterized by
請求項1記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に圧電体層を有するユニモルフタイプである圧電ポンプ。 2. The piezoelectric pump according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a unimorph type having a shim made of a conductive metal thin plate on the pump chamber side and a piezoelectric layer on the atmosphere chamber side. 請求項1記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるシムの表裏の両面に、圧電体層を有するバイモルフタイプである圧電ポンプ。 2. The piezoelectric pump according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a bimorph type having piezoelectric layers on both sides of a shim made of a conductive metal thin plate. 請求項1記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に、直列または並列に接続された複数層の圧電体層を有するマルチモルフタイプである圧電ポンプ。 2. The piezoelectric pump according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator has a shim made of a conductive metal thin plate on the pump chamber side and a plurality of piezoelectric layers connected in series or in parallel on the atmosphere chamber side. A morph type piezoelectric pump. 請求項1ないし4のいずれか1項記載の圧電ポンプにおいて、バイアス電圧印加回路は、定電圧を印加する圧電ポンプ。 5. The piezoelectric pump according to claim 1, wherein the bias voltage application circuit applies a constant voltage. 6. 請求項1ないし4のいずれか1項記載の圧電ポンプにおいて、バイアス電圧印加回路は、印加電圧を可変できる圧電ポンプ。 5. The piezoelectric pump according to claim 1, wherein the bias voltage application circuit is capable of varying the applied voltage. 6.
JP2007279835A 2007-10-29 2007-10-29 Piezoelectric pump Withdrawn JP2009108715A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007279835A JP2009108715A (en) 2007-10-29 2007-10-29 Piezoelectric pump

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007279835A JP2009108715A (en) 2007-10-29 2007-10-29 Piezoelectric pump

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009108715A true JP2009108715A (en) 2009-05-21

Family

ID=40777459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007279835A Withdrawn JP2009108715A (en) 2007-10-29 2007-10-29 Piezoelectric pump

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009108715A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013513066A (en) * 2009-12-07 2013-04-18 デバイオテック・ソシエテ・アノニム Flexible element for micropumps
WO2013125364A1 (en) * 2012-02-21 2013-08-29 株式会社村田製作所 Fluid control device
KR101339371B1 (en) * 2011-12-15 2013-12-09 한국과학기술원 Electric Power Generation Type Pulse Tube Refrigerator Using Piezoelectric Element
CN107420291A (en) * 2017-07-13 2017-12-01 西安电子科技大学 A kind of laminated film piezoelectric micropump based on variable elasticity modulus
CN110253612A (en) * 2019-07-10 2019-09-20 重庆大学 A kind of software electrostatic chuck

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013513066A (en) * 2009-12-07 2013-04-18 デバイオテック・ソシエテ・アノニム Flexible element for micropumps
KR101339371B1 (en) * 2011-12-15 2013-12-09 한국과학기술원 Electric Power Generation Type Pulse Tube Refrigerator Using Piezoelectric Element
WO2013125364A1 (en) * 2012-02-21 2013-08-29 株式会社村田製作所 Fluid control device
JP5652551B2 (en) * 2012-02-21 2015-01-14 株式会社村田製作所 Fluid control device
JPWO2013125364A1 (en) * 2012-02-21 2015-07-30 株式会社村田製作所 Fluid control device
CN107420291A (en) * 2017-07-13 2017-12-01 西安电子科技大学 A kind of laminated film piezoelectric micropump based on variable elasticity modulus
CN110253612A (en) * 2019-07-10 2019-09-20 重庆大学 A kind of software electrostatic chuck
CN110253612B (en) * 2019-07-10 2022-02-25 重庆大学 Soft electrostatic chuck

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6460219B2 (en) Valve, fluid control device, and blood pressure measurement device
US8162629B2 (en) Piezoelectric pump
CN108050051B (en) Fluid control device and pump
JP2010242501A (en) Piezoelectric pump
JP4976157B2 (en) Piezoelectric pump and piezoelectric vibrator
US8210831B2 (en) Piezoelectric pump
US20080038125A1 (en) Piezoelectric pump and piezoelectric vibrator
JP2007165664A (en) Wiring structure for oscillator and piezo-electric pump
JP2009108715A (en) Piezoelectric pump
JP5652551B2 (en) Fluid control device
JP2016200067A (en) Fluid control device
JP5593907B2 (en) Piezoelectric pump and manufacturing method thereof
JP2009079482A (en) Piezoelectric pump
JP2005188355A (en) Diaphragm pump
US20070071615A1 (en) Diaphragm pump
JP6173938B2 (en) Piezoelectric pump
JP5402673B2 (en) Conjugate and fluid equipment
JP4976202B2 (en) Diaphragm pump
JP2009293507A (en) Piezoelectric pump
JP5002474B2 (en) Piezoelectric pump
JP4940042B2 (en) Piezoelectric pump
US20080199331A1 (en) Piezoelectric pump
JP2007146778A (en) Bending oscillator and diaphragm type pump
JP2008101495A (en) Diaphragm pump
JP2002130135A (en) Diaphragm and pump device therewith

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: 20110104