JP2010019182A - Piezoelectric pump driving circuit - Google Patents
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Description
本発明は、ポンプ作用する圧電振動子と同一のハウジング内に収納され、該圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路に関する。 The present invention relates to a drive circuit for a piezoelectric pump that is housed in the same housing as a piezoelectric vibrator that acts as a pump and drives the piezoelectric vibrator with an alternating voltage.
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(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。このような圧電ポンプは、近年、水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられており、圧電振動子とこの圧電振動子を交流電圧で駆動させる駆動回路とを同一のハウジング内に収納して小型化及び薄型化を図っている。
圧電ポンプの駆動回路は、一般に、交流電圧を生成する高電圧制御部を有し、この交流電圧で圧電振動子を駆動させる。しかしながら、圧電振動子に印加する交流電圧として矩形波電圧を用いると、正弦波電圧を用いた場合よりも圧電振動子の容積時間変化が増大してポンプ性能が向上するものの、オーバーシュートやアンダーシュートなどにより生じる瞬間的な突入電流がノイズとして作用する。この矩形波電圧に限らず、圧電振動子に印加する交流電圧の電圧波形に含まれるエッジ部分はすべてノイズ源となってしまう。静音性が要求される液冷用圧電ポンプにおいて、騒音は大きな問題である。このため、従来では、正弦波電圧または正弦波を基にした擬似正弦波電圧で圧電振動子を駆動せざるを得なかった。正弦波電圧または擬似正弦波電圧を用いると、回路効率が低くなることから効率改善のための対策が必要となる、回路規模を小さくできない、汎用ICを利用できないなど、回路設計上の制約が大きかった。 The drive circuit of a piezoelectric pump generally has a high voltage control unit that generates an AC voltage, and drives the piezoelectric vibrator with this AC voltage. However, when a rectangular wave voltage is used as an AC voltage applied to the piezoelectric vibrator, the volume time change of the piezoelectric vibrator is increased and the pump performance is improved as compared with the case of using a sine wave voltage. An instantaneous inrush current generated by the above acts as noise. Not only the rectangular wave voltage but all edge portions included in the voltage waveform of the AC voltage applied to the piezoelectric vibrator become noise sources. Noise is a major problem in liquid-cooled piezoelectric pumps that require quietness. For this reason, conventionally, the piezoelectric vibrator had to be driven by a sine wave voltage or a pseudo sine wave voltage based on a sine wave. If sine wave voltage or pseudo sine wave voltage is used, circuit efficiency will be low, so measures to improve efficiency will be required, circuit scale cannot be reduced, and general-purpose ICs cannot be used. It was.
本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電振動子に印加する交流電圧のノイズ成分を除去でき、静音性に優れたポンプ動作を実現可能な圧電ポンプの駆動回路を得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a piezoelectric pump drive circuit capable of removing a noise component of an AC voltage applied to a piezoelectric vibrator and realizing a pump operation excellent in silence based on the above problem awareness.
本発明は、高電圧制御部の出力側に圧電振動子と並列に接続するコンデンサを配置すれば、正弦波電圧以外の交流電圧で圧電振動子を駆動させても、交流電圧のノイズ成分はコンデンサで除去されて騒音を低減できること、さらに、正弦波電圧以外の交流電圧を用いることで回路設計の自由度が大きくなることに着目して完成されたものである。 In the present invention, if a capacitor connected in parallel with the piezoelectric vibrator is arranged on the output side of the high voltage control unit, even if the piezoelectric vibrator is driven with an AC voltage other than a sine wave voltage, the noise component of the AC voltage is a capacitor. It was completed by paying attention to the fact that noise can be reduced by removing the noise and that the degree of freedom in circuit design is increased by using an AC voltage other than a sine wave voltage.
すなわち、本発明は、ハウジング内に、表裏の少なくとも一面にポンプ室を形成する圧電振動子とともに収納され、圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路であって、圧電振動子に交流電圧を印加する高電圧制御部を有し、この高電圧制御部と圧電振動子の間に、該圧電振動子に対して並列に接続する並列コンデンサを設けたことを特徴としている。 That is, the present invention is a piezoelectric pump drive circuit that is housed in a housing together with a piezoelectric vibrator that forms a pump chamber on at least one side of the front and back, and drives the piezoelectric vibrator with an alternating voltage. A high voltage control unit for applying a voltage is provided, and a parallel capacitor connected in parallel to the piezoelectric vibrator is provided between the high voltage control unit and the piezoelectric vibrator.
並列コンデンサは、高電圧制御部に直列に接続した電気抵抗体と圧電振動子に直列に接続した電気抵抗体との間に配置することが好ましい。この態様によれば、電気抵抗体と並列コンデンサでノイズフィルタが構成され、交流電圧のノイズをより低減できる。 The parallel capacitor is preferably disposed between an electric resistor connected in series to the high voltage control unit and an electric resistor connected in series to the piezoelectric vibrator. According to this aspect, the noise filter is configured by the electric resistor and the parallel capacitor, and the noise of the AC voltage can be further reduced.
並列コンデンサは、直列に接続した一対のコンデンサからなり、該一対のコンデンサの間でグランドに接続していることが好ましい。この態様によれば、一対のコンデンサに蓄積された電荷はグランドに流れるので、コンデンサの保持電荷を抑えられ、圧電振動子に対して並列コンデンサがノイズ源となるおそれがない。また、並列コンデンサを構成する各コンデンサに要求される耐圧が抑えられるので、設計自由度が大きくなる。 The parallel capacitor is preferably composed of a pair of capacitors connected in series, and is connected to the ground between the pair of capacitors. According to this aspect, since the electric charge accumulated in the pair of capacitors flows to the ground, the electric charge held in the capacitors can be suppressed, and there is no possibility that the parallel capacitor becomes a noise source with respect to the piezoelectric vibrator. Further, since the withstand voltage required for each capacitor constituting the parallel capacitor is suppressed, the degree of freedom in design is increased.
並列コンデンサの静電容量は、圧電振動子の素子容量の1/2以上であることが好ましい。このようにすることで、スパイクノイズによって生ずる電流が圧電振動子に流れてしまうことを防止できる。 The capacitance of the parallel capacitor is preferably at least 1/2 of the element capacity of the piezoelectric vibrator. By doing in this way, it can prevent that the electric current which arises by spike noise flows into a piezoelectric vibrator.
高電圧制御部は、矩形波電圧を圧電振動子に印加することが実際的である。矩形波電圧で圧電振動子を駆動させれば、正弦波電圧で圧電振動子を駆動させた場合よりも回路効率がよく、また汎用ICを用いて回路構成できるので回路規模を簡素化でき、小型化に有利である。 It is practical that the high voltage control unit applies a rectangular wave voltage to the piezoelectric vibrator. If the piezoelectric vibrator is driven with a rectangular wave voltage, the circuit efficiency is better than when the piezoelectric vibrator is driven with a sine wave voltage, and the circuit configuration can be simplified by using a general-purpose IC. It is advantageous to make.
本発明によれば、高電圧制御部の出力側に圧電振動子と並列に接続されるように設けたコンデンサにて、高電圧制御部から圧電振動子に印加される交流電圧のノイズ成分(突入電流)が除去されるので、騒音を低減でき、静音性に優れたポンプ動作を実現可能な圧電ポンプの駆動回路を得られる。 According to the present invention, a capacitor provided to be connected in parallel with the piezoelectric vibrator on the output side of the high voltage control unit, the noise component (inrush) of the AC voltage applied from the high voltage control unit to the piezoelectric vibrator. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric pump drive circuit capable of reducing noise and realizing pump operation with excellent quietness.
図1〜図5は、本発明による駆動回路を備えた圧電ポンプ100の全体構成を示している。圧電ポンプ100は、単一のハウジング20内に、圧電振動子10と駆動回路50を収納したドライバ内蔵型の圧電ポンプである。
1 to 5 show the overall configuration of a
ハウジング20は、上蓋(アッパハウジング)20A、メインハウジング20B及び下蓋(ロアハウジング)20Cからなる。メインハウジング20Bには、上蓋20A側に開口させて円形凹部41(図3、図5)が形成され、下蓋20C側に開口させて基板収納凹部51(図4、図5)が形成されている。円形凹部41の周縁には、Oリング収納環状溝41aが同心に形成されている。
The
圧電振動子10は、図3、図5に示すように、円形の金属製のシム11と、このシム11の表裏面の一方に形成した円形の圧電体12とを有している。この実施形態では、液体ポンプ室P側にシム11が臨み、大気室A側に圧電体12が臨んでいる。シム11は、厚さ30〜300μm程度のステンレスや42アロイ等からなる金属薄板であり、圧電体12は、例えば厚さ50〜600μm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の表裏に交流電圧が与えられると、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)が振動する。なお、上記圧電振動子10はユニモルフ構造であるが、バイモルフ、マルチモルフ構造であっても良い。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
圧電振動子10には、図5に示すように、その圧電体12の表面周縁部に、導電性ゴム18を介して第1給電ライン(リード部材)14が導通接続されている。導電性ゴム18は、ゴム性を維持して体積固有抵抗値を小さくした導電性ゴムからなっている。また、シム11に半径方向に突出させて一体に形成した配線接続突起11cには第2給電ライン15が接続されている。
As shown in FIG. 5, a first power supply line (lead member) 14 is conductively connected to the
メインハウジング20BのOリング収納環状溝41aには、Oリング27が挿入され、円形凹部41内には、圧電振動子10が挿入されている。そして、圧電振動子10の周縁上に環状ガイド28を介在させてメインハウジング20B上に上蓋20Aを被せることにより、圧電振動子10が液密に狭着支持されている。この圧電振動子10と円形凹部41との間には液体ポンプ室Pが構成され、圧電振動子10と上蓋20Aとの間には、大気室(大気ポンプ室)Aが形成される。
An O-
メインハウジング20Bには、円形凹部41内に、圧電振動子10(円形凹部41)の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室42と吐出側液溜室43が形成されている。吸入側液溜室42と液体ポンプ室P、吐出側液溜室43と液体ポンプ室Pとの間にはそれぞれ、吸入側逆止弁32と吐出側逆止弁33が設けられている。また、メインハウジング20Bには、この吸入側液溜室42と吐出側液溜室43に連通する吸入ポート24と吐出ポート25が形成されている。吸入側逆止弁32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であり、吐出側逆止弁33は、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。
In the
メインハウジング20Bには、円形凹部41周囲の筒状部44に、周方向位置を異ならせて、給電ライン収納溝45と46が形成されている(図4、図5)。給電ライン収納溝45と46は、第1給電ライン14と第2給電ライン15を通すもので、通した状態でも、十分な空気流通空間が確保できるように、大断面積が確保されている。メインハウジング20Bには、給電ライン収納溝45と46を介して、大気室Aと基板収納凹部51とを連通させる大切欠(大気室通路、貫通穴)52が形成されている(図4、図5)。この大切欠52の上面は、図4に明らかなように、メインハウジング20Bに被せた上蓋20Aによって塞がれる。
In the
メインハウジング20Bには、また、基板収納凹部51を外部に連通させる外部連通路(穴)54が形成されている。従って、基板収納凹部51は、大切欠52と給電ライン収納溝45、46を介して、大気室Aに連通し、外部連通路54を介して外部と連通している。このため、メインハウジング20Bの基板収納凹部51に駆動回路50を嵌め、下蓋20Cで蓋をした状態でも、大気室Aは外部と連通することとなる。
The
駆動回路50は、基板上に、圧電振動子10に対する駆動制御を行う電子回路部品53(図4、図5)と、これら電子回路部品53間を接続するプリント配線(図示せず)を備えている。給電ライン収納溝45と46を介して大気室A(円形凹部41)の外に導かれた第1給電ライン14と第2給電ライン15は、駆動回路50に接続されている。
The
次に、図6を参照し、本発明の駆動回路50による圧電振動子10の駆動制御について説明する。
Next, drive control of the
図6は、圧電振動子10の駆動制御系を示すブロック図である。駆動回路50は、低電圧(直流電圧DC1)を処理する低電圧部に電源500、昇圧回路501及び波形生成回路502を備え、高電圧(直流電圧DC2)を処理する高電圧部に高電圧制御回路503を備えている。
FIG. 6 is a block diagram showing a drive control system of the
昇圧回路501は、電源500から入力した直流電圧DC1を昇圧し、この直流電圧DC1より高い直流電圧DC2を高電圧制御回路503に出力する。本実施形態では、例えば5Vの直流電圧DC1を200Vの直流電圧DC2に昇圧する。 The booster circuit 501 boosts the DC voltage DC1 input from the power supply 500 and outputs a DC voltage DC2 higher than the DC voltage DC1 to the high voltage control circuit 503. In this embodiment, for example, a DC voltage DC1 of 5V is boosted to a DC voltage DC2 of 200V.
波形生成回路502は、電源500から直流電圧DC1を入力し、圧電振動子10に対する駆動制御用の矩形波信号S1を生成する。矩形波信号S1の周波数及び振幅は、圧電振動子10の駆動態様に応じて、入力電圧の範囲内で適宜設定可能である。
The
高電圧制御回路503は、昇圧回路501で昇圧された後の直流電圧DC2と波形生成回路502で生成された矩形波信号S2を合成して圧電振動子10を駆動可能なレベルの交流電圧S3を生成し、この交流電圧S3を圧電振動子10に印加する。交流電圧S3の信号波形は、矩形波信号S2に対応する矩形波となる。本実施形態の高電圧制御回路503は、振幅(圧電振動子の表裏の電極間にかかる電圧のピークからピークまでの振幅)Vopが175Vとなる交流電圧S3を生成する。
The high voltage control circuit 503 synthesizes the DC voltage DC2 boosted by the booster circuit 501 and the rectangular wave signal S2 generated by the
矩形波の交流電圧S3を用いることで、この高電圧制御回路503を汎用ICにより構成できる。これによって回路効率の改善、回路規模の簡素化及び小型化を図れる。 The high voltage control circuit 503 can be configured by a general-purpose IC by using the rectangular wave AC voltage S3. As a result, the circuit efficiency can be improved, the circuit scale can be simplified and the size can be reduced.
高電圧制御回路503の一対の出力ライン504は、第1〜第4電気抵抗体R1〜R4を介して圧電振動子10の一対の入力ラインである第1給電ライン14、第2給電ライン15に接続し、第5電気抵抗体R5を介してグランドに接続している。
The pair of
以上の駆動回路50には、高電圧制御回路503と圧電振動子10の間、すなわち、高電圧制御回路503の一対の出力ライン504の間に、圧電振動子10に対して並列に接続する並列コンデンサCが設けられている。この並列コンデンサCは、高電圧制御回路503側の第1、第2電気抵抗体R1、R2と圧電振動子10側の第3、第4電気抵抗体R3、R4の間に位置し、電気抵抗体R1〜R5とともにノイズフィルタを構成する。上述したように交流電圧S3は矩形波電圧であり、交流電圧S3に生じやすいオーバーシュートやアンダーシュートは電気抵抗体R1〜R5によって低減され、交流電圧S3のオン/オフ時に生じる突入電流は並列コンデンサCで吸収されることから、圧電振動子10に印加される電流波形のノイズ成分(スパイクノイズ)を低減できる。
The driving
並列コンデンサCは、直列に接続した一対のコンデンサC1、C2からなり、該一対のコンデンサC1、C2の中間位置でグランドに接続されている。コンデンサC1、C2で吸収したノイズ成分はグランドに流れるため、コンデンサC1、C2の蓄積電荷を小さく抑えることができる。つまり、コンデンサC1、C2が圧電振動子10のノイズ源として作用するおそれがない。また、圧電振動子10に印加される駆動波形は波形が切替わるゼロクロスポイントで大きくなることから、一対のコンデンサC1、C2の間にグランドを設けることでより効果的にスパイクノイズを低減できる。一対のコンデンサC1、C2は同一のコンデンサである。並列コンデンサCは、単一のコンデンサで構成することも勿論可能であるが、本実施形態のように複数のコンデンサで構成すれば、個々のコンデンサに要求される耐圧が抑えられ、設計自由度がひろがる。
The parallel capacitor C includes a pair of capacitors C1 and C2 connected in series, and is connected to the ground at an intermediate position between the pair of capacitors C1 and C2. Since the noise component absorbed by the capacitors C1 and C2 flows to the ground, the accumulated charge of the capacitors C1 and C2 can be suppressed to a small value. That is, there is no possibility that the capacitors C1 and C2 act as noise sources of the
並列コンデンサCの静電容量は、小さいと圧電振動子10側にスパイクノイズによって生ずる電流が流れてしまうため圧電振動子10の素子容量以上であることが好ましい。本実施形態では、圧電振動子10の素子容量62μF、バイパスコンデンサ507の静電容量39μFである。
If the capacitance of the parallel capacitor C is small, a current caused by spike noise flows to the
上記交流電圧S3が与えられると、圧電振動子10は、該交流電圧S3に基づいて正逆に振動する。圧電ポンプ100は、圧電振動子10の振動により、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、液体ポンプ室Pから吐出ポート25に液体が流出する。これにより、ポンプ作用が得られる。このポンプ作用中、圧電振動子10に与えられる交流電圧S3は、矩形波高電圧であるが、並列コンデンサCと電気抵抗体R1〜R5のフィルタ効果によって、圧電振動子10に印加する前段階でノイズ成分が除去されるので、騒音を低減することができる。これにより、静かなポンプ動作を実現できる。
When the AC voltage S3 is applied, the
以上の本実施形態では、圧電振動子10と並列に接続した並列コンデンサCにより騒音を低減し、矩形波の交流電圧S3で圧電振動子10を駆動することで回路効率の改善、高電圧制御回路503に汎用ICを用いた回路規模の簡素化及び小型化を実現した。具体的に、駆動回路50は大きさ20mm×31mm、厚さ4.5mmと非常に小型に形成できた。これにより、圧電ポンプ100は駆動回路50をハウジング20内に収納した上で、34mm×50mm、厚さ8mmと小型化を達成できた。
In the above embodiment, noise is reduced by the parallel capacitor C connected in parallel with the
ノイズ除去手段としては、並列コンデンサCの替わりにまたは並列コンデンサCに加えてコイルを設けることも考えられるが、コイルを用いると、スパイクノイズを除去することができず、また、駆動回路50が大型化してハウジング20内に収納することが難しい。
As a noise removing means, it is conceivable to provide a coil instead of the parallel capacitor C or in addition to the parallel capacitor C. However, if a coil is used, spike noise cannot be removed, and the
100 圧電ポンプ
10 圧電振動子
20 ハウジング
50 駆動基板
500 電源
501 昇圧回路
502 波形生成回路
503 高電圧制御回路
504 出力ライン
C 並列コンデンサ
C1、C2 コンデンサ
R1〜R5 電気抵抗体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記圧電振動子に交流電圧を印加する高電圧制御部を有し、この高電圧制御部と前記圧電振動子の間に、該圧電振動子に対して並列に接続する並列コンデンサを設けたことを特徴とする圧電ポンプの駆動回路。 A piezoelectric pump drive circuit that is housed in a housing together with a piezoelectric vibrator that forms a pump chamber on at least one side of the front and back, and drives the piezoelectric vibrator with an alternating voltage,
A high voltage control unit for applying an AC voltage to the piezoelectric vibrator, and a parallel capacitor connected in parallel to the piezoelectric vibrator is provided between the high voltage control unit and the piezoelectric vibrator. A drive circuit for a piezoelectric pump.
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Legal Events
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Effective date: 20101119 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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A761 | Written withdrawal of application |
Effective date: 20120606 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 |