JP2009185800A - ダイヤフラム式エアポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラム式エアポンプにおいて、簡素な構造で、かつ省スペースが図られながら、吸気音を効果的に低減させる。
【解決手段】圧電素子９が貼着されたダイヤフラム３をハウジング２で支持し、ハウジング２とダイヤフラム３との間にポンプ室５を形成する。ポンプ室５とは反対側のダイヤフラム３の振動領域を、カバー４で覆って消音室６とする。ダイヤフラム３および圧電素子９を含む振動体７を共振させて撓み振動させ、カバー４に形成した吸気口４５から吸入した空気をポンプ室５で圧縮し、吐出口２３から吐出する。消音室６からポンプ室５に通じる連通孔３１を通過する際に生じる吸気音を消音室６による消音効果で低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄板状のダイヤフラムを圧電素子によって撓み振動させて空気を圧送するダイヤフラム式エアポンプに関する。

ダイヤフラムを撓み振動させて圧縮空気を発生させるエアポンプは、例えば比較的少量の流体を高い精度で定量的に圧送するマイクロポンプとして好適であり、広く提供されている。この種のポンプは、ポンプ室を形成する壁部の一部がダイヤフラムと呼ばれる可撓性を有する薄板状の振動体で構成され、このダイヤフラムを圧電素子等の駆動手段で撓み振動させることにより、ポンプ室内に吸入した流体をポンプ室外に吐出するものである（特許文献１等参照）。また、最近ではダイヤフラムを超音波振動させてポンプ室内に共鳴現象を発生させ、これによって得られる圧力差から流体を搬送するダイヤフラムポンプも知られている（特許文献４等）。

このようなダイヤフラム式のエアポンプにおいては、空気が吸入される際に吸気口で発生する風切り音の低減が課題となっている。特に、材質や設計上の制約から吸気口が小さくされたものや、流量が多い場合、あるいはダイヤフラムを比較的高い周波数で共振させるものにあっては、風切り音はノイズとして不満を生じさせるものである。そこで、吸気音を低減させるために、消音室や消音タンクを設けて対処したものが知られている（特許文献２．３等参照）

特開２００４−６０６３２号公報 実開昭６１−１０１６７９号公報 実開平３−８７９８５号公報 ＷＯ２００６／１１１７７５

消音作用をなす消音室や消音タンクを設けることはスペースの増大や構造の複雑化を招き、コンパクトな構造が求められるマイクロポンプには不向きである。
よって本発明は、簡素な構造で、かつ省スペースが図られながら、吸気音を効果的に低減させることができるダイヤフラム式エアポンプを提供することを目的としている。

本発明は、薄板状のダイヤフラム、および該ダイヤフラムに貼着された圧電素子を含み、該圧電素子で駆動されることにより撓み振動する振動体と、この振動体の一面側に配設されて該振動体を支持するとともに、振動体との間にポンプ室を形成するハウジングと、このハウジングに形成され、ポンプ室とハウジングの外部とを連通する吐出口と、振動体の他面側に配設されて、該振動体との間に消音室を形成するカバー部材と、このカバー部材に形成され、消音室とカバー部材の外部とを連通する吸気口と、ポンプ室と消音室とを連通する連通路とを備えることを特徴としている。

本発明のエアポンプでは、振動体が繰り返し往復して撓み振動することにより、流体がカバー部材の吸気口からカバー部材の内部の消音室に吸入され、さらに連通路を通ってポンプ室内に入り、ポンプ室が圧縮されると、ハウジングの吐出口から吐出されるといった吸入、圧縮のポンプ作用が発生する。撓み振動するダイヤフラムを含む振動体は、上記一面側であるポンプ室側のスペースと、上記他面側であるポンプ室とは反対側のスペースとにわたって往復振動する。

ここで、本発明では、ポンプ室とは反対側のスペースをカバー部材で覆い、カバー部材の内部を消音室としている。このため、連通路からポンプ室内に空気が吸入される際に生じる吸気音（風切り音）は、消音室によって低減され消音効果が発揮される。本発明では、振動体の振動スペースを消音室として有効利用しており、したがって省スペースが図られる。また、消音室はカバー部材を設けることにより形成することができるため、簡素な構造で実現することができる。

ポンプ室と消音室とを連通する連通路は、これらポンプ室と消音室とを仕切るダイヤフラム等の振動体に形成した孔などによって構成される。本発明のエアポンプでは、振動体を、振動体自身が有する固有振動数と一致する周波数（共振周波数）で振動する、すなわち共振するように駆動することができる。振動体に連通路を形成し、その振動体を共振させる場合においては、連通路を、共振する時に振動体に生じる円周状のノード部か、もしくはノード部の近傍に配置した形態が好ましい。ノード部とは、振動体が共振する時に外周付近に同心状に生じる撓み振動しない円周状の振動の節である。したがって、このようなノード部、もしくはノード部の近傍に連通路を形成すると、連通路が振動体の振動に与える影響が少なく、その結果、設計通りの振動特性を得ることができる。

本発明によれば、ハウジングに支持される振動体の振動領域をカバー部材で覆って消音室を形成するため、簡素な構造で、かつ省スペースが図られながら、吸気音を効果的に低減させることができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は一実施形態に係るダイヤフラム式エアポンプ（以下、エアポンプと略称）１の断面図である。このエアポンプ１は、全体が円盤状を呈しており、ハウジング２と、ダイヤフラム３と、カバー４とを備えている。ハウジング２は、図１において上下に配された上側ハウジング１０と下側ハウジング２０とから構成されている。上下のハウジング１０，２０は外径が同一の円盤状のもので、上側ハウジング１０の下面に下側ハウジング２０が同心状に接合されてハウジング２が構成されている。

上側ハウジング１０の上面には環状の厚肉部１１が同心状に形成されている。この厚肉部１１の外周側には鍔部１２が形成され、厚肉部１１の内側の凹所がポンプ室凹所１３となっている。ポンプ室凹所１３内の底板部１４と鍔部１２の厚さは、厚肉部１１の厚さの半分以下であって、互いに同一である。すなわちポンプ室凹所１３の深さは、上側ハウジング１０の厚さ、すなわち厚肉部１１の厚さの半分以上に設定されている。なお、これらの寸法関係は一例であって本発明を何ら制限するものではない。

下側ハウジング２０の中心には、下方に突出する吐出管部２１が形成されている。この吐出管部２１内には吐出流路２２が形成されており、吐出流路２２の先端開口が吐出口２３となっている。吐出管部２１には、空気導出用の図示せぬチューブが接続される。

下側ハウジング２０の上面（上側ハウジング１０への接合面）であって吐出管部２１に対応する箇所には、弁収容凹所２４が形成されている。吐出流路２２は弁収容凹所２４に連通している。また、上側ハウジング１０における底板部１４の弁収容凹所２４に対応する箇所には、弁収容凹所２４とポンプ室凹所１３とを連通させる吐出孔１５が形成されている。

弁収容凹所２４には、逆止弁２５が収容されている。逆止弁２５は、ゴムや樹脂等の弾性を有する材料によって舌片状に形成されたものである。逆止弁２５は、上側ハウジング１０の吐出孔１５を覆っており、上側ハウジング１０の下面に一端部が固定されている。逆止弁２５は、固定端部を支点に下側ハウジング２０方向に揺動可能となっており、その方向に揺動すると、ポンプ室凹所１３が吐出流路２２に連通する。

ダイヤフラム３は、弾性を有する金属薄板等を材料として円盤状に形成されたものであり、上側ハウジング１０の厚肉部１１の外径と同等の径を有している。ダイヤフラム３の片面（上面）には、円盤状の圧電素子９が同心状に配され、かつ、接着剤による接着等の手段によって固着されている。圧電素子９の径は、ダイヤフラム３の径よりも小さく、かつ、ポンプ室凹所１３の内径よりも小さい。

ダイヤフラム３は、圧電素子９を上方に向けた状態で、上側ハウジング１０の厚肉部１１の上面に、接着等の手段によって同心状に固着されている。ダイヤフラム３はポンプ室凹所１３を覆って気密的に上側ハウジング１０に固着され、ポンプ室凹所１３がポンプ室５として形成されている。

カバー４は、外径がハウジング２０の外径と同等の円盤状のもので、内面すなわち下面の外周部には、外周側に向かうにつれて肉厚となる環状の段部４１，４２が形成されている。そして、中央の円形状の凹所が消音室凹所４３となっている。消音室凹所４３の内径は、上側ハウジング１０のポンプ室凹所１３の内径とほぼ同一で、深さも同等とされている。そして、消音室凹所４３を形成するカバー４の上板部４４の中心には、消音室凹所４３と外部とを連通する円形状の吸気口４５が貫通形成されている。

カバー４は、外側の段部４１が上側ハウジング１０の厚肉部１１に外側から嵌合した状態で、段部４１の下面が鍔部１２の上面に接着等の手段で接合されている。この接合状態で、内側の段部４２の下面は、厚肉部１１に固着されたダイヤフラム４の周縁部に密着しており、ダイヤフラム３はカバー４とハウジング２とに挟み込まれている。ダイヤフラム３は消音室凹所４３を覆って気密的にカバー４に固着され、消音室凹所４３が消音室６として形成されている。

ダイヤフラム３およびカバー４のハウジング２への接合は、ダイヤフラム３を特に厚肉部１１に固着せずに載置した状態としてからカバー４を被せ、カバー４の段部４１、上側ハウジング１０の鍔部１２および下側ハウジング２０の周縁部に貫通させたボルトによってこれらを締結し、ダイヤフラム３の周縁部を段部４２と厚肉部１１とによって気密的に強く挟み込んだ状態とする方法を採用してもよい。

ダイヤフラム３に固着された圧電素子９には、交流信号等の駆動信号が付与される。圧電素子９に駆動信号が付与されると、圧電素子９は径方向に収縮振動し、その振動でダイヤフラム３は圧電素子９と一体的に上下方向に撓み振動する。この場合、圧電素子９に電圧が印加されて撓み振動するものは、ダイヤフラム３のみならず、圧電素子９も一体に振動し、さらには、圧電素子９以外のダイヤフラム３に一体に固着されている他の付随物（例えば圧電素子９の配線）も含まれる。また、これらの振動する領域は、ダイヤフラム３が上側ハウジング１０とカバー４とによって挟み込まれて固定されている周縁部の内側全体であって、ポンプ室５および消音室６とに挟まれた領域である。ここでは、その振動領域を振動体７と称する。

本実施形態で圧電素子９に付与される駆動信号は、振動体７が、振動体７自身の有する固有振動数と一致する周波数（共振周波数）で振動、すなわち共振するものとされる。振動体７が共振する時には、振動しない円周状の節、すなわちノード部が一定位置に同心状に生じる。この場合、振動体７の外周部における圧電素子９が固着されていないダイヤフラム３単独の箇所であって、上側ハウジング１０とカバー４とによって挟み込まれた領域のすぐ内側に、ノード部８は生じる。そしてダイヤフラム３のノード部８に対応した箇所に、ポンプ室５と消音室６とを連通する複数の連通孔（連通路）３１が貫通形成されている。これら連通孔３１は、ダイヤフラム３の周方向に等間隔をおいて形成されている。

各連通孔３１には、連通孔３１を通って消音室６からポンプ室５への空気の流入は許容するが、ポンプ室５から消音室６への空気の逆流は阻止する逆止弁が設けられている（図示略）。この逆止弁としては、例えば上記逆止弁２５と同様の、空気の圧力に応じて自然開閉する舌片状のものが用いられ、そのような舌片状のものの場合には、ダイヤフラム３の下面に連通孔３１を覆って設けられる。

以上が一実施形態のエアポンプ１の構成であり、このエアポンプ１は次のように作動する。
圧電素子９に電圧を印加して所定の駆動信号を連続的に与えることにより、ダイヤフラム３を含む振動体７全体が比較的高い周波数（例えば２０ｋＨｚ程度）で上下方向に撓み振動し、共振する。図２は振動体７が撓み振動する状態を示しており、図２（ａ）に示すように振動体７が上方へ撓むとポンプ室５の容積が増大し、図２（ｂ）に示すように振動体７が下方へ撓むとポンプ室５の容積が減少する。図２中の矢印は、空気の流動を示している。

振動体７が上方に撓んでポンプ室５の容積が増大すると、ポンプ室５内が負圧になる。これによって逆止弁２５は上側ハウジング１０方向に揺動して、吐出孔１５を閉塞する閉状態となる。そして外部の空気が吸気口４５から消音室６内に入り、その空気は連通孔３１を通ってポンプ室５内に流入する。連通孔３１に設けられた逆止弁は、消音室６からポンプ室５に流入しようとする空気の流れによって開く。したがって、消音室６からポンプ室５内に、連通孔３１を通って空気が流入可能となる。

次に、振動体７が下方に撓んでポンプ室５の容積が減少すると、ポンプ室５内は圧縮されて正圧になる。これによって、逆止弁２５は下側ハウジング２０方向に揺動して開状態となり、ポンプ室５内の空気が、吐出孔１５、弁収容凹所２４、吐出流路２２を通って吐出口２３から吐出される。このとき、連通孔３１に設けられた逆止弁は、ポンプ室５内の正圧となっている空気によって閉じられる。したがって、ポンプ室５から連通孔３１を通って消音室６に空気が流入することが阻止される。
このようにして吸気／吐出の動作が高速で繰り返されることによってポンプ作用が連続的に生じ、空気が吐出口２３から圧送される。

上記一実施形態のエアポンプ１では、撓み振動するダイヤフラム３を含む振動体７は、下面側のポンプ室５と上面側の消音室６とにわたって往復振動する。ここで、連通孔３１を通ってポンプ室５内に空気が吸入される際、もしもカバー４で消音室６が形成されていないと、連通孔３１から吸気音（風切り音）が生じる。しかしながら本実施形態では、連通孔３１が消音室６に通じており、かつ、カバー４で覆われているため、吸気音が低減されて消音効果が発揮される。

連通孔３１は、ダイヤフラム３への振動の影響を考慮すると小さい方が望ましいが、連通孔３１を小さくすると吸気音が大きくなるといった従来の課題があった。ところが本実施形態では消音室６によって連通孔３１で生じる吸気音が低減されるので、連通孔３１を小さくすることができる。しかも、本実施形態では、ポンプ室５と消音室６とを連通する連通孔３１が、振動体７が共振する時においても振動しないノード部８に対応する箇所に形成されている。これによってダイヤフラム３への振動の影響を抑えることができる。また、ダイヤフラム３を比較的高い周波数で共振させることにより、発生する吸気音の音量も大きくなるところであるが、消音室６の消音効果によって、ダイヤフラム３を共振させても吸気音が低減される。

消音室６のスペースは、そもそも振動体７の振動スペースであり、したがってポンプ室５とは反対側（上側）の振動体７の振動スペースを消音室６として有効利用していると言える。したがって、消音機能のみを有する消音室を他の箇所に別途形成した場合と比較すると、大幅な省スペースが図られる。また、消音室６はカバー４をハウジング２に被せて形成することができるため、簡素な構造で実現することができる。

また、図２（ｂ）に示すように、振動体７の最大振幅点は振動体７の中心にある。そして、ハウジング２の吐出口２３に通じる吐出孔１５は、振動体７の中心を通過してダイヤフラム３の面方向に直交する線（これはエアポンプの軸線に一致する）と同心状の位置に形成されている。

上記一実施形態では、消音室６からポンプ室５に通じる本発明の連通路を、ダイヤフラム３に形成した連通孔３１で構成しているが、その連通路としては、図３に示す連通路３２であってもよい。この連通路３２は、カバー４の内側の段部４２の内周面より径方向外方に穿孔されてから、ダイヤフラム３方向に直角に屈曲してダイヤフラム３を貫通し上側ハウジング１０の厚肉部１１に至り、次いで厚肉部１１の内周面方向に直角に屈曲して、その厚肉部１１の内周面に開口するといったコ字状に形成されている。連通路３２は、複数が周方向に等間隔をおいて形成されている。各連通路３２には、連通孔３１と同様に、連通路３２を通って消音室６からポンプ室５への空気の流入は許容するが、ポンプ室５から消音室６への空気の逆流は阻止する逆止弁が設けられている（図示略）。この逆止弁は、連通路３２の途中、もしくは上側ハウジング１０における連通路３２の開口などに設けられる。

なお、上記実施形態ではダイヤフラム３を共振させているが、本発明ではダイヤフラムを共振させることに限定はされず、比較的低周波（例えば数十〜数百Ｈｚ程度）でダイヤフラムを振動させるなど、ダイヤフラムの振動条件は任意である。

また、本発明は、ダイヤフラムの揺動によりポンプ室の容量変化によって流体を圧送するポンプに限らず、ダイヤフラムを超音波振動させてポンプ室内に共鳴現象を発生させ、これによって得られる圧力差から流体を搬送するポンプにも適用することができる。

本発明の一実施形態に係るエアポンプの断面図である。 一実施形態に係るエアポンプの動作を示す断面図であって、（ａ）は吸気時、（ｂ）は吐出時である。 一実施形態の変更例を示す断面図であって、（ａ）は吸気時、（ｂ）は吐出時である。

符号の説明

１…ダイヤフラム式エアポンプ、２…ハウジング、３…ダイヤフラム、４…カバー、
５…ポンプ室、６…消音室、７…振動体、８…ノード部、９…圧電素子、
１０…上側ハウジング、２０…下側ハウジング、２３…吐出口、
３１…連通孔（連通路）、３２…連通路、４５…吸気口。

Claims (3)

1. 薄板状のダイヤフラム、および該ダイヤフラムに貼着された圧電素子を含み、該圧電素子で駆動されることにより撓み振動する振動体と、
   この振動体の一面側に配設されて該振動体を支持するとともに、振動体との間にポンプ室を形成するハウジングと、
   このハウジングに形成され、前記ポンプ室とハウジングの外部とを連通する吐出口と、
   前記振動体の他面側に配設されて、該振動体との間に消音室を形成するカバー部材と、
   このカバー部材に形成され、前記消音室とカバー部材の外部とを連通する吸気口と、
   前記ポンプ室と前記消音室とを連通する連通路とを備えることを特徴とするダイヤフラム式エアポンプ。
2. 前記連通路は前記振動体に形成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式エアポンプ。
3. 前記連通路は、前記振動体が固有振動数で振動する時に該振動体に生じる円周状のノード部か、もしくはこのノード部の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のダイヤフラム式エアポンプ。

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