JP2009281321A - ドライバ内蔵圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】万一液漏れ事故が生じても、搭載機器（例えばパソコン）への波及を防ぐことができるドライバ内蔵圧電ポンプを得る。
【解決手段】圧電振動子を収納する円形凹部と、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を収納する基板収納空間とを有するハウジング；及び円形凹部内に収納した圧電振動子の表裏の少なくとも一面に接触し、該圧電振動子と円形凹部との間に液体ポンプ室を形成する環状シール部材；を有し、圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、ハウジングに、環状シール部材の外側の空間を、基板収納空間に連通させる液漏れ経路を形成したドライバ内蔵圧電ポンプ。
【選択図】図３

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（液体ポンプ室）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。
特開2002-106470号公報 特開2004-060640号公報 特開2005-307858号公報 特開2007-132252号公報 特開2008-25519号公報

パソコンに水冷システムを用いた場合、最大の懸念は、液漏れ（水漏れ）である。液漏れは、ポンプ自体の故障に留まらず、パソコン自体の故障、情報の消失に繋がる。

本発明は従って、万一液漏れ事故が生じても、搭載機器（例えばパソコン）への波及を防ぐことができるドライバ内蔵圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明は、圧電ポンプを小型化するためには、圧電振動子と、この圧電振動子に駆動電圧を与える駆動基板（ドライバ）とを同一のハウジング内に収納することが必須であること、液漏れは、ハウジングと圧電振動子との間に液体ポンプ室を形成する環状シール部材回りに生じる可能性が一番高いこと、を考慮し、液漏れした液体によって駆動基板の短絡を検知すれば、不可構造（要素）を最小にして液漏れ検知ができるという着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、圧電振動子を収納する円形凹部と、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を収納する基板収納空間とを有するハウジング；及び円形凹部内に収納した圧電振動子の表裏の少なくとも一面に接触し、該圧電振動子と円形凹部との間に液体ポンプ室を形成する環状シール部材；を有し、圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、ハウジングに、環状シール部材の外側の空間を、基板収納空間に連通させる液漏れ経路を形成したことを特徴としている。

液漏れ経路は、制御基板から圧電振動子に給電する給電ラインの通過経路を用いると、特別な液漏れ径路を形成する必要がない。

ハウジングは、具体的には、円形凹部と基板収納空間を有するメインハウジングと、このメインハウジングの円形凹部及び基板収納空間の開放部を閉塞するカバーハウジングとで構成することができる。そして、このメインハウジングに、円形凹部の周囲に位置する環状突当面を形成し、この環状突当面の一部を切り欠いて液漏れ経路（給電ライン径路）を形成することができる。

メインハウジングとカバーハウジングは、この環状突当面において（つまり、液漏れ径路を除いて）、レーザ溶接することが望ましい。

制御基板には、液漏れ経路を介して基板収納空間に入った液体により生じた短絡を検知する短絡検知回路を設ける。また、短絡検知回路が短絡を検知したとき、該圧電ポンプの運転を停止する緊急停止回路を備えるのがよい。

本発明のドライバ内蔵圧電ポンプは、ハウジングに、圧電振動子とともに液体ポンプ室を形成する環状シール部材の外側の空間を、基板収納空間に連通させる液漏れ経路を形成したので、万一環状シール部材回りの欠陥で液漏れが生じても、基板収納空間内の制御基板の短絡を検知して容易に液漏れを検知でき、圧電ポンプ搭載機器への波及を未然に防ぐことができる。

図示実施形態は、圧電振動子と駆動基板とを同一のハウジング内に収納するとき、良好に駆動基板の温度上昇を抑制する放熱構造を備えたドライバ内蔵圧電ポンプに本発明を適用した実施形態である。駆動基板の熱対策は、駆動基板をハウジング内に設置して圧電ポンプの小型化を達成した上で、ＵＬ規格を満たすために必須である。

図１ないし図９は、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している。この圧電ポンプ２０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）の成形品からなるメインハウジング（ロアハウジング）２１とカバーハウジング（アッパハウジング）２２を有している。

メインハウジング２１とカバーハウジング２２の間には、Ｏリング（環状シール部材）２７と環状挟着部材（ガイド）２８を介して圧電振動子１０が液密に狭着支持されていて、該圧電振動子１０とメインハウジング２１に形成した円形凹部２６との間に液体ポンプ室Ｐを構成している。メインハウジング２１の円形凹部２６の周囲には、環状突当面２６Ｐが形成されている。この環状突当面２６Ｐは、平面状のカバーハウジング２２に当接する一平面上に位置している。圧電振動子１０とカバーハウジング２２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。

メインハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口しており、この吸入ポート２４と吐出ポート２５は、液体ポンプ室Ｐ側に開口する吸入流路３０と吐出流路３１に連通している。メインハウジング２１には、この吸入流路３０と吐出流路３１に跨らせて逆止弁ユニット２３が固定されている。逆止弁ユニット２３には、吸入ポート２４から液体ポンプ室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（アンブレラ）３２と、液体ポンプ室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（アンブレラ）３３が設けられている。図示実施形態の逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、弾性材料からなるアンブレラ３２ａ、３３ａにより、常時は流路穴３２ｂ、３３ｂを閉じている。

以上の圧電ポンプ２０は、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、液体ポンプ室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から液体ポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、液体ポンプ室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、液体ポンプ室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。

メインハウジング２１には、圧電振動子１０を駆動制御する制御基板（駆動制御基板）４０を収納し、かつその放熱を図るために、吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口する端面とは反対側の端面を基板挿入開口２１ｂとした基板収納空間２１ａが形成されている。この基板収納空間２１ａは、上面開放部２１ｃによって上面一部が開放されており、また、円形凹部２６（圧電振動子１０）の下方に、該円形凹部２６の一部と平面位置が一致する基板収納溝２１ｄを有している。つまり、この基板収納溝２１ｄは、基板挿入開口２１ｂ側から挿入した制御基板４０を受け入れる底壁２１ｅと上壁２１ｆ（図２ないし図５）を有していて、基板挿入開口２１ｂから圧電振動子１０の中心に向かって延びている。上壁２１ｆは、その上部一部に、ポンプ室Ｐの凹部２６が存在する内壁であるのに対し、底壁２１ｅは、ハウジング２１の外面壁である。

この基板収納溝２１ｄの底壁２１ｅには、制御基板４０の図の底面が接触する凸部２１ｅ２と、空気流通空間２１ｅ１が形成されている。また基板収納溝２１ｄの上壁２１ｆには、制御基板４０の挿入方向に延びる２条の押圧フィン２１ｇがメインハウジング２１と一体に形成されており、押圧フィン２１ｇの間が放熱空間２１ｈを構成する。押圧フィン２１ｇの基板挿入開口２１ｂ側の端部には、基板収納溝２１ｄの高さ（制御基板４０の厚さ方向の長さ）を奥部に向けて狭めるガイドテーパ部２１ｊ（図４）が形成されている。

制御基板４０上には、図１、図２に示すように、圧電振動子１０に対する給電制御を行う電気部品（電子回路部品）４１と、これら電気部品４１間を接続するプリント配線が形成されている。給電制御用電気部品４１中には、基板上に突出する発熱要素としてのＩＣ４１ａ（図１参照）、インダクター４１ｂ（同）及びＦＥＴ回路４１ｃ（同）が含まれており、また、外部電源と接続するためのコネクタ端子４１ｄが備えられている。プリント配線中には、圧電振動子１０への給電端子４２と４３が含まれており、制御基板４０上には、この給電端子４２と４３の短絡を検知する短絡検知回路４７と、圧電振動子１０の駆動回路４９を停止させる緊急停止回路４８（図９）が設けられている。

制御基板４０上の突出電気部品４１は、メインハウジング２１の押圧フィン２１ｇとの対応位置には配置されておらず、放熱空間２１ｈとの対応位置に配置されている。制御基板４０上には、図１に示すように、制御基板４０の挿入方向に向けて、２条の押圧フィン２１ｇ（図３）に対応する２条の直線状の突起物非存在エリア（押圧フィン接触エリア）４４が形成されている。

また、制御基板４０には、その略中央部に、メインハウジング２１の中央の放熱空間２１ｈの位置に対応させて、押圧ブロック装着穴４５が穿設されている。この押圧ブロック装着穴４５には、金属または合成樹脂材料からなる押圧ブロック４６が着脱される。押圧ブロック４６には、制御基板４０を基板収納溝２１ｄ内に挿入するとき、上壁２１ｆに当接して該押圧ブロック４６を基板収納溝２１ｄ内に案内するガイドテーパ部４６ａが形成されている。この押圧ブロック４６は、押圧フィン２１ｇに加えて、制御基板４０をハウジング２１の底壁２１ｅに押し付けるための補助的な作用をする。

圧電振動子１０は、平面円形のシム１１と、シム１１の表裏面の一方に形成した円形の圧電体（圧電体層）１２とを有するユニモルフ型である。圧電体１２は、液体ポンプ室Ｐ側に位置している。

シム１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等のばね性金属材料（導電性金属薄板）からなり、圧電体１２を支持するための剛性を有している。このシム１１は、その円形部分から外方に延びる接触脚部１１０を一体に有している。接触脚部１１０は、圧電振動子１０の中心から離れる方向に延びる外方延長部分１１１と、この外方延長部分１１１に直交して液体ポンプ室Ｐの側部に延びる直交部分１１２と、この直交部分１１２から液体ポンプ室の平面中心に向かって延びる内方延長部分１１３とを有して、断面略コ字状をなしている。内方延長部分１１３には、下方に凸の導通突起１１４が形成されている。この接触脚部１１０（と圧電振動子１０）は、側面（断面）視で液体ポンプ室Ｐをコ字状に囲んでいる

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。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。

圧電体１２の周縁には、Ｏリング２７が弾接してポンプ室Ｐの液密が保持されている。本実施形態では、圧電体１２のシム１１とは反対側の面に対して給電するため、該圧電体１２とＯリング２７との間に、環状電極（端子）２９が介在している。この環状電極２９は、厚さ１０〜３０μｍ程度のステンレス、４２アロイ、燐青銅等のばね性金属材料からなるもので、シム１１と同様に、その環状部分から外方に延びる接触脚部２９０を一体に有している。接触脚部２９０は、シム１１の接触脚部１１０と同様に、圧電振動子１０の中心から離れる方向に延びる外方延長部分２９１と、この外方延長部分２９１に直交して液体ポンプ室Ｐの側部に延びる直交部分２９２と、この直交部分２９２から液体ポンプ室の平面中心に向かって延びる内方延長部分２９３とを有して、断面略コ字状をなしている。内方延長部分２９３には、下方に凸の導通突起２９４が形成されている。

圧電振動子１０の接触脚部１１０と環状電極２９の接触脚部２９０は、メインハウジング２１の環状突当面２６Ｐに形成した給電ライン通過溝（給電ライン通過径路）２６Ｇ１、２６Ｇ２を通り、メインハウジング２１の上面開放部２１ｃを介して基板収納空間２１ａ内に導かれる。この結果、接触脚部２９０（と環状電極２９）は、側面（断面）視で液体ポンプ室Ｐをコ字状に囲んでいる。カバーハウジング２２には、基板収納空間２１ａの基板挿入開口２１ｂを閉塞する蓋部２２ａが形成されており、この蓋部２２ａに、制御基板４０の４１ｄを露出させる外部端子挿入穴２２ｂ（図１）が形成されている。

制御基板４０上の給電端子４２と４３は、制御基板４０を基板挿入開口２１ｂから基板収納空間２１ａ内の正規位置に挿入したとき、接触脚部１１０の導通突起１１４と接触脚部２９０の導通突起２９４にそれぞれ導通するように位置設定されている。接触脚部１１０の内方延長部分１１３と接触脚部２９０の内方延長部分２９３には、導通突起１１４と２９４をそれぞれ、給電端子４２と４３に弾接させる弾性が付与されている。

メインハウジング２１とカバーハウジング２２の間には、圧電振動子１０、Ｏリング２７、環状接触部材２８及び環状電極２９が挟着され、圧電振動子１０の接触脚部１１０と環状電極２９の接触脚部２９０は、メインハウジング２１の環状突当面２６Ｐの給電ライン通過溝２６Ｇ１、２６Ｇ２に嵌められ、基板収納空間２１ａの上面開放部２１ｃを介して基板収納空間２１ａ内に導かれる。そして、メインハウジング２１の基板収納空間２１ａの基板挿入開口２１ｂから基板収納溝２１ｄに制御基板４０が挿入される。すると、制御基板４０の表面の突起物非存在エリア４４がメインハウジング２１の押圧フィン２１ｇに接触し、押圧ブロック４６が上壁２１ｆに接触する。この挿入の際には、ガイドテーパ部２１ｊとガイドテーパ部４６ａが制御基板４０を基板収納溝２１ｄ内に案内する作用をする。

同時に、圧電振動子１０の接触脚部１１０の導通突起１１４と接触脚部２９０の導通突起２９４がそれぞれ、制御基板４０の給電端子４２と４３に弾性接触して電気的に導通する。制御基板４０の挿入方向は、内方延長部分１１３と内方延長部分２９３の延長方向と平行な方向なので、制御基板４０を単に挿入するだけで、制御基板４０と圧電振動子１０との電気的接続が完了する。

このように、メインハウジング２１、カバーハウジング２２及び制御基板４０を組み立てた状態で、メインハウジング２１とカバーハウジング２２を、環状突当面２６Ｐ上及び基板収納空間２１ａの両側に設定したレーザ溶接ライン２６Ｌ（図７）に沿ってレーザ溶接して結合する。このとき、環状突当面２６Ｐに形成されている給電ライン通過溝２６Ｇ１、２６Ｇ２部分では、図７に示すようにレーザ溶接はなされず、図８に模式的に示すように、Ｏリング２７の外側の環状空間２７Ｘと、基板収納空間２１ａとは、給電ライン通過溝２６Ｇ１、２６Ｇ２を介して連通することとなる。図８では、給電ライン通過溝２６Ｇ１、２６Ｇ２に嵌まる接触脚部１１０と２９０を描いていない。

そして、制御基板４０上の電気部品４１及び給電端子４２と４３を介してシム１１と圧電体１２（圧電体１２の表裏）に交番電界を与えるポンプ作用中において万一、Ｏリング２７部分で液漏れが生じ、該Ｏリング２７の外側の環状空間２７Ｘに液体（水）が漏れ出たときには、その液体が、給電ライン通過溝２６Ｇ１と２６Ｇ２を通って、基板収納空間２１ａ内に流入する。この液体は、制御基板４０の給電端子４２と４３を導通させ、制御基板４０に設けられている短絡検知回路４７がこの短絡を検知し、緊急停止回路４８が直ちに駆動回路４０を停止し本圧電ポンプの運転を停止する（圧電振動子１０への通電を停止する）。従って、仮に液漏れが生じても、短絡検知回路４７がその液漏れを検知して以降の運転は行われず、本圧電ポンプ搭載機器（例えばノートパソコン）への影響を回避することができる。この運転停止（液漏れ）は、搭載機器の外部に設けた表示器（警報器）によって表示するのが実際的である。

また、発熱する電気部品４１の熱が制御基板４０にその熱が伝わると、制御基板４０は押圧フィン２１ｇ及び押圧ブロック４６によってハウジング２１の底壁２１ｅに押し付けられているため、制御基板４０の熱を確実に該底壁（外面壁）２１ｅに伝え、該底壁２１ｅの外面を介して放熱することができる。図示実施形態では、基板収納溝２１ｄの底壁２１ｅが凸部２１ｅ２と空気流通空間２１ｅ１からなっていて、制御基板４０の下面に空気流通空間２１ｅ１による空間が形成されているため、空気流を促進し、発熱を抑制することができる。また、制御基板４０は、その表面がメインハウジング２１の押圧フィン２１ｇに接触していて、押圧フィン２１ｇの間が放熱空間２１ｈを構成しているため、押圧フィン２１ｇ及び放熱空間２１ｈを介して制御基板４０の熱を逃がすことができる。

以上の実施形態は、シム１１の表裏の一面に圧電体１２を有するユニモルフタイプの圧電振動子を用い、該圧電体１２を液体ポンプ室Ｐ側に向けて配置したが、圧電振動子１０の表裏を逆転させても、あるいはバイモルフタイプの圧電振動子を用いても全く同様の給電構造を実現できる。また、以上の実施形態は、圧電振動子１０の表裏の一方に液体ポンプ室Ｐを形成した２バルブタイプの実施形態であるが、表裏の双方に液体ポンプ室を形成した４バルブタイプにも勿論本発明は適用可能である。

以上の実施形態では、制御基板４０を基板挿入開口２１ｂから基板収納空間２１ａ内に挿入するだけで、給電端子４２と４３を、接触脚部１１０と接触脚部２９０（２９０ａ、２９０ｂ）に導通させることができるという利点があるが、この給電構造は好ましい一例であり、本発明は給電構造を限定するものではない。また、環状シール部材（Ｏリング２７）の外側空間２７Ｘを、基板収納空間２１ａに連通させる液漏れ経路は、給電ライン通過溝２６Ｇ１と２６Ｇ２とは別に設けてもよい。

本発明の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の圧電ポンプの組立状態におけるII-II線に沿う断面図である。 同III-III線に沿う断面図である。 図３のIV-IV線に沿う断面図である。 図３のV-V線に沿う断面図である。 図１の圧電ポンプの組立状態におけるVI-VI線に沿う断面図である。 本発明のドライバ内蔵圧電ポンプのレーザ溶接箇所を示す平面図である。 本発明のドライバ内蔵圧電ポンプの環状シール部材の外側空間、液漏れ径路及び制御基板収納空間の関係を示す模式図である。 本発明のドライバ内蔵圧電ポンプの短絡検知回路の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１１ シム（給電部材）
１２ 圧電体（圧電体層）
２０ 圧電ポンプ
２１ メインハウジング
２１ａ 基板収納空間
２１ｂ 基板挿入開口
２１ｃ 上面開放部
２１ｄ 基板収納溝
２１ｅ 底壁
２１ｆ 上壁
２１ｇ 押圧フィン
２１ｈ 放熱空間
２１ｊ ガイドテーパ部
２２ カバーハウジング
２２ａ 蓋部
２２ｂ 大気流通穴
２３ 逆止弁ユニット
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２６ 円形凹部
２６Ｐ 環状突当面
２６Ｇ１ ２６Ｇ２ 給電ライン通過溝（通過径路、液漏れ径路）
２６Ｌ レーザ溶接ライン
２７ Ｏリング（環状シール部材）
２７Ｘ 外側空間
２８ 環状狭着部材
２９ 環状電極（給電部材）
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
３２ ３３ 逆止弁
４０ 制御基板（駆動制御基板）
４１ 電気部品（駆動制御部品）
４２ ４３ 給電端子
４４ 突起物非存在エリア
４５ 押圧ブロック装着穴
４６ 押圧ブロック
４７ 短絡検知回路
４８ 緊急停止回路
Ａ 大気室
Ｐ 液体ポンプ室

Claims (6)

1. 圧電振動子を収納する円形凹部と、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を収納する基板収納空間とを有するハウジング；及び
   上記円形凹部内に収納した圧電振動子の表裏の少なくとも一面に接触し、該圧電振動子と円形凹部との間に液体ポンプ室を形成する環状シール部材；
   を有し、
   上記圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、
   上記ハウジングに、上記環状シール部材の外側の空間を、上記基板収納空間に連通させる液漏れ経路を形成した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、上記液漏れ経路は、上記制御基板から圧電振動子に給電する給電ラインの通過経路であ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、上記ハウジングは、上記円形凹部と基板収納空間を有するメインハウジングと、このメインハウジングの円形凹部及び基板収納空間の開放部を閉塞するカバーハウジングとを有しており、このメインハウジングに、上記円形凹部の周囲に位置する環状突当面が形成されていて、この環状突当面の一部を切り欠いて上記液漏れ経路が形成され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、上記メインハウジングとカバーハウジングは、上記環状突当面において、レーザ溶接され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、上記制御基板には、液漏れ経路を介して基板収納空間に入った液体により生じた短絡を検知する短絡検知回路が備えられているドライバ内蔵圧電ポンプ。
6. 請求項５記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記短絡検知回路が短絡を検知したとき、該圧電ポンプの運転を停止する緊急停止回路が備えられているドライバ内蔵圧電ポンプ。

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