JP2010242501A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】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、該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子の圧電体層にクラックが生じにくい圧電ポンプを得る。
【解決手段】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圧電振動子を、最も空気室側にはシムが位置するように配置した圧電ポンプ。
【選択図】図３

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。

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２００１-２６３４８６号公報 特開２００２-３９０７４号公報 特許３４０５６１８号公報

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、液体に触れるポンプ室側には金属製のシムを位置させ、大気室側に圧電体層を位置させていた。

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。

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。

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。

本発明は、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する圧電振動子を、最も空気室側にはシムが位置するように配置することによって、圧電体のクラック発生を防止したものである。すなわち、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、該圧電振動子を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、かつ、該シムが空気室側に面していることを特徴としている。シムと圧電体層との間、あるいは圧電体層の表裏には、シムと圧電体層を接着する接着層あるいは圧電体層に通電するための電極層が存在するが、これらの接着剤層と電極層は、積層構造の要素としては含んでいない。また各圧電体層は、単層構造の他、複数層を電気的に直列または並列に接続した複数層構造のいずれでもよい。

本発明の圧電ポンプは、その好ましい一態様においては、シムは、その表裏に圧電体層を有するメインシムと、このメインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に積層した保護シムとを有している。

保護シムは、空気室側圧電体層全体を覆う大径とするのが好ましいが、平面円形の空気室側圧電体が受ける引張応力は、その中央部が最も大きく周縁部に行くに従って小さくなることを考慮すると、空気室側圧電体層の周縁部を露出させるような小径とすることも可能である。

保護シムは、具体的には、厚さ５〜５００μｍの導電性金属薄板、例えばステンレスまたは４２アロイ等から構成するのがよい。

以上の保護シムを設ける態様では、メインシムのポンプ室側の圧電体層上には、合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムを積層接着することが望ましい。合成樹脂フィルムとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることができる。

本発明は、最もシンプルな態様では、シムと圧電体層はそれぞれ一層（一枚）のみであり、ポンプ室側に位置する圧電体層上には合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層接着されている。

本発明による圧電ポンプは、圧電振動子を、その最も大気室側に金属製のシムが位置するように配置したので、圧電振動子がポンプ室側から受ける圧力によって圧電体が受ける引張応力を緩和することができる。

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。

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。

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。

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。

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。

平面円形をなす圧電振動子１０は、図１、図３、図４に示すように、メインシム１１の表裏に圧電体層１２ｆ、１２ｒが積層接着された構造となっており、大気室Ａ側に面する圧電体層１２ｆの上には保護シム１３が積層接着され、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が積層接着されている。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、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。

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。

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。

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、従来の圧電振動子１０では存在しなかったものであり、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ことができる。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。

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。

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。

上記構成の本圧電ポンプ２０は、メインシム１１の配線突起１１ａと保護シム１３の配線突起１３ａの間（表側圧電体層１２ｆの表裏間）、及びメインシム１１の配線突起１１ａと環状電極端子２９の配線突起２９ａの間（裏側圧電体層１２ｒの表裏間）にそれぞれ交番電界を与えると、圧電振動子１０が振動して上述のポンプ作用が得られる。このポンプ作用に際し、圧電振動子１０には、ポンプ室Ｐ側から常時液体圧力が加わり、その結果、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆには引張応力が加わる。この引張応力は液体の温度が高くなるほど大きくなる。この引張応力に対し、本実施形態によれば、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆに積層接着した保護シム１３がよく抵抗する。すなわち、圧電体層１２ｆに加わる引張応力は、保護シム１３によって緩和され、圧電体層１２ｆにクラックが発生するのを防止し、あるいは圧電体層１２ｆの寿命を長くすることができる。

図５は、圧電振動子１０の別の実施形態を示している。この実施形態は、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆ上に積層接着する保護シムを該圧電体層１２ｆより小径の小径保護シム１３Ｓとした実施形態である。大気室Ａ側の圧電体層１２ｆに加わる引張応力は、圧電振動子１０の中心部で最も大きく、周縁部では小さくなるため、圧電体層１２ｆの中心部のみに小径保護シム１３Ｓを設けても一定の応力緩和効果を得ることができる。

図６は、本発明による圧電ポンプ２０の最もシンプルな実施形態である。この実施形態は、ユニモルフ型の圧電振動子１０を本発明に適用したもので、圧電振動子１０が大気室Ａ側に位置する１枚のシム（メインシム、単一シム）１１とポンプ室Ｐ側に位置する１層の圧電体層１２とからなっている。圧電体層１２上には、第一の実施形態と同様に、カバーフィルム１４が積層接着されている。この実施形態では、大気室Ａ側には圧電体層１２が存在せず、大気室側圧電体が引張応力を受けるという問題点自体が存在しないので、圧電振動子の耐久性、ひいては圧電ポンプ２０の耐久性を高めることができる。

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。 同圧電ポンプの断面図である。 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。 同圧電ポンプの圧電振動子の模式分解斜視図である。 本発明による圧電ポンプ用圧電振動子の第２実施形態を示す斜視図である。 本発明による圧電ポンプの第３実施形態を示す模式断面図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１１ メインシム
１１ａ 配線突起
１２ １２ｆ １２ｒ 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
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室

Claims (7)

1. 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、かつ、上記シムが空気室側に面していることを特徴とする圧電ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記シムは、その表裏に圧電体層を有するメインシムと、このメインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に積層した保護シムとを有する圧電ポンプ。
3. 請求項２記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムは、空気室側圧電体層全体を覆う大径である圧電ポンプ。
4. 請求項２記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムは、空気室側圧電体層の周縁部を露出させる小径である圧電ポンプ。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムは、厚さ５〜５００μｍの導電性金属薄板からなっている圧電ポンプ。
6. 請求項２ないし５のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記メインシムのポンプ室側の圧電体層上には、合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層されている圧電ポンプ。
7. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記シムと圧電体層はそれぞれ一層のみであり、ポンプ室側に位置する圧電体層上には合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層されている圧電ポンプ。

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