JP2013223335A - Pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばチューブポンプ等のポンプ装置に関する。 The present invention relates to a pump device such as a tube pump.
従来より、円弧状に配設された弾性変形可能なチューブ部材と、突起部を具備するロータと、を具備するチューブポンプが知られている(例えば特許文献1参照)。このようなチューブポンプでは、前記突起部によってチューブ部材を局所的に押圧した状態で(押し潰した状態で)、前記ロータを回転させて前記押圧の位置を移動させる。この押圧の位置の移動によって、前記チューブ部材のうち押圧によって押し潰されていた部位が、当該チューブ部材の復元力によって元の形状に戻る。その際に、当該チューブ部材内部には真空状態が発生する為、次の液体が吸引される。上述の動作を連続的に行うことで、チューブ部材内の液体が搬送され、当該チューブポンプによる液体の吸引と吐出とが行われる。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a tube pump including an elastically deformable tube member arranged in an arc shape and a rotor having a protrusion (see, for example, Patent Document 1). In such a tube pump, in a state where the tube member is locally pressed by the protrusion (in a crushed state), the rotor is rotated to move the position of the press. By this movement of the pressing position, the portion of the tube member that has been crushed by pressing returns to its original shape by the restoring force of the tube member. At that time, since a vacuum state is generated inside the tube member, the next liquid is sucked. By performing the above-mentioned operation continuously, the liquid in the tube member is transported, and the liquid is sucked and discharged by the tube pump.
ところで、チューブポンプにおいては、ロータの駆動源として回転モータが用いられる。この回転モータは、一般的には電磁モータである。ここで、高いポンプ吐出圧力を得る為には、回転モータのトルクを大きくする必要がある。そして、回転モータのトルクを大きくする為には、例えば当該回転モータ自体を大型化するか、多段の減速ギアを設けて回転数を減少させる必要がある。いずれにせよ、当該回転モータの大型化は免れられず、小型で高吐出圧のポンプの実現は困難である。 By the way, in the tube pump, a rotary motor is used as a drive source of the rotor. This rotary motor is generally an electromagnetic motor. Here, in order to obtain a high pump discharge pressure, it is necessary to increase the torque of the rotary motor. In order to increase the torque of the rotary motor, for example, it is necessary to increase the size of the rotary motor itself or to provide a multistage reduction gear to reduce the rotational speed. In any case, an increase in the size of the rotary motor is inevitable, and it is difficult to realize a small pump with a high discharge pressure.
本発明は、上述の事情に鑑みて為されたものであり、小型化と高吐出圧化とを両立させたポンプ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a pump device that achieves both downsizing and high discharge pressure.
前記の目的を達成するために、本発明の一態様によるポンプ装置は、
弾性力を有するチューブ型の液体流路である流路部材と、
前記流路部材が円弧状に配設される円筒室が形成されたケース部材と、
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との長さの比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動とが同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
前記振動子のうち楕円振動が励起される面に設けられた摩擦接触子と、
前記円筒室内に配設され、前記摩擦接触子に対して当接し、前記振動子の前記楕円振動を駆動源として回転駆動される略円板形状のロータと、
前記ロータの外周部位に設けられ、前記流路部材を前記円筒室の側壁に向かって押圧する流路押圧部材と、
前記振動子の前記楕円振動発生面を、前記ロータに対して圧接させる押圧機構部と、
を具備し、
前記所定の値は、前記縦振動の共振周波数と前記捻れ振動の共振周波数とが略一致する値である
ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a pump device according to one aspect of the present invention comprises:
A channel member which is a tube-type liquid channel having elasticity;
A case member formed with a cylindrical chamber in which the flow path member is disposed in an arc shape;
The cross section perpendicular to the central axis has a rectangular shape, the ratio of the length of the short side to the long side constituting the rectangular shape is set to a predetermined value, and longitudinal vibration that expands and contracts in the direction of the central axis, and the center A vibrator in which elliptical vibration is excited by simultaneous excitation of torsional vibration with the axis being a torsional axis;
A friction contact provided on the surface of the vibrator where the elliptical vibration is excited;
A substantially disk-shaped rotor that is disposed in the cylindrical chamber, abuts against the friction contact, and is rotationally driven using the elliptical vibration of the vibrator as a drive source;
A flow path pressing member provided at an outer peripheral portion of the rotor and pressing the flow path member toward a side wall of the cylindrical chamber;
A pressing mechanism that presses the elliptical vibration generating surface of the vibrator against the rotor;
Comprising
The predetermined value is a value in which a resonance frequency of the longitudinal vibration and a resonance frequency of the torsional vibration substantially coincide with each other.
本発明によれば、小型化と高吐出圧化とを両立させたポンプ装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pump apparatus which made compatible size reduction and high discharge pressure can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係るポンプ装置について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るポンプ装置の一構成例を示す正面図である。図2は、図1に示すポンプ装置のポンプ部を上面側から観た図である。
図1及び図2に示すように、本一実施形態に係るポンプ装置は、ポンプ部10と、押圧機構部20と、フレーム30と、振動子40と、回転規制部材51s1,51s2と、を具備する。
Hereinafter, a pump device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a front view showing a configuration example of a pump device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view of the pump unit of the pump device shown in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the pump device according to the present embodiment includes a
前記ポンプ部10は、中心軸11と、軸受け12と、ロータ13と、摺動板14と、ポンプケース81と、チューブ型流路部材83と、加圧部材85と、を有する。
前記ポンプケース81は、ポンプ部10の構成部材を収容するケース部材であり、その内部には図1及び図2に示すように略円筒形状の収納空間(以降、円筒室と称する)81Hが設けられている。この円筒室81H内には、チューブ型流路部材83、加圧部材85、ロータ13、及び摺動板14が配設される。また、この円筒室81Hの上面は、後述するフレーム30の底面部32に対して固定され、フレーム30とポンプケース81とが一体化されている。
The
The
前記チューブ型流路部材83は、弾性変形可能な材料(例えばシリコンゴム等)によって形成されたチューブ部材であり、その中空部位が液体の流路となる。このチューブ型流路部材83は、図2に示すように円筒室81Hの円形状の内周面に沿って円弧状に配設されている。
The tube-type
前記加圧部材85は、後述するロータ13の外周面(側面)に設けられ、チューブ型流路部材83をポンプケース81の内周面に向かって押圧する(押し潰す)為の加圧部材である。
本例においては、ロータ13に対して中心軸(不図示)が固定された回転可能なローラーが、図2に示すようにロータ13の外周部位に加圧部材85として等間隔に3個設けられている。これらローラーは、ロータ13の回転に伴ってポンプケース81の内周面に沿って移動してチューブ型流路部材83をポンプケース81の内周面に対して順次押圧していくと共に、当該ローラー自身も、ロータ13に固定された中心軸(不図示)を回転軸として回転する。このように加圧部材85自身も回転するように構成することで、当該加圧部材85とチューブ型流路部材83との間の摩擦を抑えることができる。
The
In this example, three rotatable rollers having a central axis (not shown) fixed to the
なお、加圧部材85は、少なくともチューブ型流路部材83をポンプケース81の内周面に向かって押圧する(押し潰す)ことが可能な態様であればよく、本例のように回転可能なローラーでなくともよい(例えば単なる突起部材等であってもよい)。
The pressurizing
前記中心軸11は、ポンプケース81に対して固定された軸部材である。なお、軸受け12、ロータ13、摺動板14、及びチューブ型流路部材83は、この中心軸11に対して同心状に配設されている。
前記軸受け12は、中心軸11に挿通されたベアリング部材である。
The
The
前記ロータ13は、略円盤形状を呈し、その中心に設けられた中心軸11を介して、ポンプケース81の底面中央の軸受け12によって回転可能に支持されている。このロータ13は、後述する振動子40の中心軸を回転軸として回転駆動される。また、ロータ13の外周面(側周面)には、上述したようにチューブ型流路部材83をポンプケース81の内周面に向かって押圧する(押し潰す)為の加圧部材85が設けられている。
The
前記摺動板14は、ロータ13の上面に対して一体的に設けられた円板状の部材であり、例えばジルコニア等で形成されている。この摺動板14は、振動体たる振動子40に設けられた摩擦接触子41に接触(例えば圧接)しており、摩擦接触子41による駆動力をロータ13に伝達する。
The
前記押圧機構部20は、押圧バネ21と、押圧部材22と、バネ押さえリング23と、バネ規制シャフト23aと、を有する。
前記押圧バネ21は、振動子40をロータ13に対して押圧する為のバネ部材である。この押圧バネ21は、押圧部材22とバネ押さえリング23とによって挟持され、付勢力を有する状態で保持されている。具体的には、この押圧バネ21は、例えば板バネやコイルバネ等である。
The
The
前記押圧部材22は、振動子40の底面(押圧機構部20に対向する面)の中央部位近傍に設けられた板状部材であり、当該押圧部材22を介して前記押圧バネ21の押圧力が振動子40に伝達される。
前記バネ押さえリング23は、フレーム30のうち振動子40の上端面に対向する面(後述する上面部33)に回転可能に設けられた環状部材であり、押圧バネ21を位置決めする棒状部材であるバネ規制シャフト23aが螺合されている(バネ押さえリング23の内径面とバネ規制シャフトの外周面とには、互いに螺合する螺子溝が形成されている)。
The pressing
The
前記バネ規制シャフト23aは、前記押圧バネ21の中空部位内に挿通され、その一方端は押圧部材22に対して固定され、他方端はバネ押さえリング23及びフレーム30の底面に形成された貫通孔(不図示)に挿通されている。つまり、バネ規制シャフト23aは、押圧バネ21を位置決めしている。
The
前記フレーム30は、フレーム本体31と、底面部32と、上面部33と、を有する枠状部材である。
前記フレーム本体31は、互いに対向する一対の板状部材31a1,31a2から成り、それら板状部材の間に振動子40が挿入される。
前記底面部32は、フレーム30のうちポンプケース81に対して固定される部位である。この底面部32は、ポンプケース81の上面に対して固定され、当該フレーム30とポンプケース81とが一体化されている。
前記上面部33は、フレーム30のうち振動子40の上端面に対向する部位である。この上面部33のうち振動子40に対向する面には、押圧機構部22を構成するバネ押さえリング23が設けられている。
The
The frame
The
The
前記振動子40は、圧電シートが積層されて成る振動体であり、摩擦接触子41と、押圧部材22と、が固定されて設けられている。この振動子40の積層構造については後述する。
前記摩擦接触子41は、前記振動子40のうちポンプ部10に対向する面に設けられ、摺動板14に接触(例えば圧接)している。
The
The
前記回転規制部材51s1,51s2は、フレーム本体31を構成する板状部材31a1,31a2のうち振動子40に対向する面に設けられた略棒状の部材である。詳細には、板状部材31a1,31a2において回転規制部材51s1,51s2が設けられている位置は、振動子40の捻れ振動の節位置(当該振動子40の捻れ振動を阻害しない位置)である。これら回転規制部材51s1,51s2が振動子40を挟持することで、駆動時の振動子40の回転が規制される。
The rotation restricting members 51 s 1 and 51
以下、振動子40の積層構造の一例について説明する。図3は、振動子40の積層構造例を示す図である。
同図に示すように、振動子40は、第1積層部位411と、第2積層部位412と、第3積層部位413と、第4積層部位414と、第5積層部位415と、第6積層部位416と、第7積層部位417と、第8積層部位418と、から成る。
Hereinafter, an example of the laminated structure of the
As shown in the figure, the
詳細には、これら各積層部位(第1積層部位411、第2積層部位412、第3積層部位413、第4積層部位414、第5積層部位415、第6積層部位416、第7積層部位417、第8積層部位418)の積層構成は、次のような積層構成である。なお、各積層部位を構成する第1の圧電シート401、第2の圧電シート402、第3の圧電シート403、第4の圧電シート404、及び第5の圧電シート405の構成については後述する。
《第1積層部位411》
第1積層部位411は、第1の圧電シート401と第2の圧電シート402とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第2積層部位412》
第2積層部位412は、第1積層部位411上に積層された部位であって、少なくとも1枚の第3の圧電シート403から成る(複数枚の第3の圧電シート403から成る場合は、第3の圧電シート403がその厚み方向に積層されて成る)。
《第3積層部位413》
第3積層部位413は、第2積層部位412上に積層された部位であって、第4の圧電シート404と第5の圧電シート405とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第4積層部位414》
第4積層部位414は、第3積層部位413上に積層された部位であって、少なくとも1枚の第3の圧電シート403から成る(複数枚の第3の圧電シート403から成る場合は、第3の圧電シート403がその厚み方向に積層されて成る)。
《第5積層部位415》
第5積層部位415は、第4積層部位414上に積層された部位であって、第4の圧電シート404と第5の圧電シート405とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第6積層部位416》
第6積層部位416は、第5積層部位415上に積層された部位であって、少なくとも1枚の第3の圧電シート403から成る(複数枚の第3の圧電シート403から成る場合は、第3の圧電シート403がその厚み方向に積層されて成る)。
《第7積層部位417》
第7積層部位417は、第6積層部位417上に積層された部位であって、第1の圧電シート401と第2の圧電シート402とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第8積層部位418》
第8積層部位418は、第7積層部位417上に積層された部位であって、少なくとも1枚の第3の圧電シート403から成る(複数枚の第3の圧電シート403から成る場合は、第3の圧電シート403がその厚み方向に積層されて成る)。
Specifically, each of these stacking parts (first stacking
<<
The first
<< 2nd lamination | stacking site |
The second
<< 3rd lamination | stacking site |
The third
<< 4th lamination | stacking site |
The fourth
<< 5th lamination | stacking site |
The fifth
<< 6th lamination | stacking site |
The sixth
<< 7th lamination | stacking site |
The seventh
<<
The eighth
以下、前記第1の圧電シート401、第2の圧電シート402、第3の圧電シート403、第4の圧電シート404、第5の圧電シート405、第6の圧電シート406、第7の圧電シート407、及び第8の圧電シート408について詳細に説明する。
これら第1の圧電シート401、第2の圧電シート402、第3の圧電シート403、第4の圧電シート404、第5の圧電シート405、第6の圧電シート406、第7の圧電シート407、及び第8の圧電シート408は、矩形のシート状の圧電素子であり、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子(PZT)から成る。
Hereinafter, the first
The first
詳細には、前記第1の圧電シート401の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、+相の駆動用内部電極401aと+相の駆動用内部電極401cとが、中心線C(短辺を2等分する線)に対して対称に設けられている。
同様に、前記第2の圧電シート402の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、−相の駆動用内部電極402aと−相の駆動用内部電極402cとが、中心線C(短辺を2等分する線)に対して対称に設けられている。
Specifically, on the electrode forming surface of the first
Similarly, on the electrode forming surface of the second
ところで、+相の駆動用内部電極401aと−相の駆動用内部電極402aとの間、+相の駆動用内部電極401cと−相の駆動用内部電極402cとの間、及び+相の検出用内部電極404aと−相の検出用内部電極405aとの間には高電圧が印加され、各電極間の圧電材料が分極されて圧電的に活性化されている(圧電活性化領域とされている)。
By the way, between the + phase driving
なお、上述の各内部電極401a,401c,402a,402cは、例えば厚さ4μmの銀パラジウム合金である。
前記第3の圧電シート403は、第1の圧電シート401及び第2の圧電シート402と同形状であって、且つ、内部電極が設けられていないシート状の部材である。
Each of the
The third
前記第4の圧電シート404の電極形成面上には、積層時に第1の圧電シート401上の駆動用内部電極401a及び第2の圧電シート上の駆動用内部電極402aに対応する位置に、+相の検出用内部電極404aが設けられている。
前記第5の圧電シート405の電極形成面上には、積層時に第1の圧電シート401上の駆動用内部電極401a及び第2の圧電シート上の駆動用内部電極402aに対応する位置に、−相の検出用内部電極405aが設けられている。
On the electrode formation surface of the fourth
On the electrode forming surface of the fifth
前記+相の駆動用内部電極401aは、矩形形状を呈する第1の圧電シート401の一方長辺に向かって延びて露出する端部401aeを備えている。前記+相の駆動用内部電極401cは、矩形形状を呈する第1の圧電シート401の他方長辺に向かって延びて露出する端部401ceを備えている。
The + phase driving
前記−相の駆動用内部電極402aは、矩形形状を呈する第2の圧電シート402の一方長辺(内部電極401aの露出部401aeが延出されている辺に対応する辺(積層時に重なる辺))に向かって延びて露出する端部402aeを備えている。前記−相の駆動用内部電極402cは、矩形形状を呈する第2の圧電シート402の他方長辺に向かって延びて露出する端部402ceを備えている。
The -phase driving
前記+相の検出用内部電極404aは、矩形形状を呈する第4の圧電シート404の一方長辺(内部電極401aの露出部401aeが延出されている辺に対応する辺(積層時に重なる辺))に向かって延びて露出する端部404aeを備えている。
前記−相の検出用内部電極405aは、矩形形状を呈する第2の圧電シート402の一方長辺(内部電極402aの露出部402aeが延出されている辺に対応する辺(積層時に重なる辺))に向かって延びて露出する端部405aeを備えている。
The + phase detection
The -phase detection
なお、端部401aeと端部402aeとは、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。同様に、端部404aeと端部405aeとは、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
上述したように第1の圧電シート401と、第2の圧電シート402と、第3の圧電シート403と、第4の圧電シート404と、第5の圧電シート405とを積層することで、図4に示すような電極構成の振動子40を得ることができる。図4は、振動子40における電極構成の一例を示す図である。
Note that the end portion 401ae and the end portion 402ae are provided so as to be shifted by a predetermined interval so as not to overlap each other during stacking. Similarly, the end portion 404ae and the end portion 405ae are provided so as to be shifted by a predetermined interval so as not to overlap each other during stacking.
As described above, by stacking the first
なお、図4においては、説明の便宜上、振動子40の内部に存在する駆動電極及び振動検出電極(上述の各内部電極により構成される)を可視化して示し、且つ、各圧電シートについては別個に図示せずに振動子40として一体的に図示している。
図3及び図4に示すように、振動子40のうち、第1積層部位411において駆動用内部電極401aと駆動用内部電極402aとが積層されて成る部位は、駆動電極101B1(詳細は後述する)を構成している。振動子40のうち、第1積層部位411において駆動用内部電極401cと駆動用内部電極402cとが積層されて成る部位は、駆動電極101A2(詳細は後述する)を構成している。
In FIG. 4, for convenience of explanation, the drive electrode and the vibration detection electrode (configured by the above-described internal electrodes) existing inside the
As shown in FIGS. 3 and 4, in the
振動子40のうち、第3積層部位413において検出用内部電極404aと検出用内部電極405aとが積層されて成る部位は、振動検出電極101D(詳細は後述する)を構成している。
振動子40のうち、第5積層部位415において検出用内部電極404aと検出用内部電極405aとが積層されて成る部位は、振動検出電極101C(詳細は後述する)を構成している。
Of the
In the
振動子40のうち、第7積層部位417において駆動用内部電極401aと駆動用内部電極402aとが積層されて成る部位は、駆動電極101A1(詳細は後述する)を構成している。振動子40のうち、第7積層部位417において駆動用内部電極401cと駆動用内部電極402cとが積層されて成る部位は、駆動電極101B2(詳細は後述する)を構成している。
A portion of the
図5は、図4に示すX1方向から観た振動子40(右側面)の外部電極構成例を示す図である。図6は、図4に示すX2方向から観た振動子40(左側面)の外部電極構成例を示す図である。
振動子40の右側面においては、図3、図4、及び図5に示すように、駆動電極(B1+相)101B1+を構成する駆動用内部電極401aの端部401ae同士を外部電極113B1+により短絡する。駆動電極(B1−相)101B1−を構成する駆動用内部電極402aの端部402ae同士を外部電極113B1−により短絡する。振動検出電極(D+相)101D+を構成する検出用内部電極404aの端部404ae同士を外部電極113D+により短絡する。振動検出電極(D−相)101D−を構成する検出用内部電極405aの端部405ae同士を外部電極113D−により短絡する。振動検出電極(C+相)101C+を構成する検出用内部電極404aの端部404ae同士を外部電極113C+により短絡する。振動検出電極(C−相)101C−を構成する検出用内部電極405aの端部405ae同士を外部電極113C−により短絡する。駆動電極(A1+相)101A1+を構成する駆動用内部電極401aの端部401ae同士を外部電極113A1+により短絡する。駆動電極(A1−相)101A1−を構成する駆動用内部電極402aの端部402ae同士を外部電極113A1−により短絡する。
FIG. 5 is a diagram illustrating an external electrode configuration example of the vibrator 40 (right side surface) viewed from the X1 direction illustrated in FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating an external electrode configuration example of the vibrator 40 (left side surface) viewed from the X2 direction illustrated in FIG.
On the right side surface of the
振動子40の左側面においては、図3、図4、及び図6に示すように、駆動電極(A2+相)101A2+を構成する駆動用内部電極401cの端部401ce同士を外部電極113A2+により短絡する。駆動電極(A2−相)101A2−を構成する駆動用内部電極402cの端部402ce同士を外部電極113A2−により短絡する。駆動電極(B2+相)101B2+を構成する駆動用内部電極401cの端部401ce同士を外部電極113B2+により短絡する。駆動電極(B2−相)101B2−を構成する駆動用内部電極402cの端部402ce同士を外部電極113B2−により短絡する。
On the left side surface of the
以下、上述した構成の振動子40の振動モードについて詳細に説明する。
図7は、縦1次振動モードにおける振動子40の振動状態を破線で示す斜視図である。図8は、捻れ2次振動モードにおける振動子40の振動状態を破線で示す斜視図である。図9は、縦1次振動と捻れ2次振動とが合成されたときの振動子40の振動状態を破線で示す斜視図である。図7乃至図9においては、振動前の振動子40の状態(形状)を実線で示し、各振動モードにおける振動時の振動子40の状態(形状)を破線で示している。
Hereinafter, the vibration mode of the
FIG. 7 is a perspective view showing the vibration state of the
ここで、図4、図7乃至図9に示すように、略直方体形状の振動子40の中心軸(図7乃至図9において符号100cが付された軸)に直交する断面を構成する短辺の長さ(振動子40の厚さ)をTとし、長辺の長さ(振動子40の幅)をWとし、中心軸100cに沿った高さをHとする。但し、短辺T、長辺W、高さHの大小関係は、
T<W<H
であるとする。以降の説明においては、高さH方向を、縦1次振動モードの振動の方向とし、且つ、捻れ振動の捻れの軸方向とする。
Here, as shown in FIGS. 4 and 7 to 9, the short side constituting a cross section orthogonal to the central axis of the substantially rectangular parallelepiped transducer 40 (the axis denoted by
T <W <H
Suppose that In the following description, the height H direction is the vibration direction of the longitudinal primary vibration mode and the torsional axial direction of the torsional vibration.
本一実施形態に係るポンプ装置においては、振動子40のうち短辺T、長辺W、高さHの各寸法の値を適宜設定することで、縦1次振動モードの共振周波数と、捻れ2次振動モードの共振周波数と、を略一致させる。
図7乃至図9においてp1,p2で示すのは捻れ振動の方向であり、qで示すのは縦振動の方向であり、Nで示すのは振動の節である。
In the pump device according to this embodiment, by appropriately setting the values of the dimensions of the short side T, the long side W, and the height H of the
In FIGS. 7 to 9, p1 and p2 indicate directions of torsional vibration, q indicates a direction of longitudinal vibration, and N indicates a vibration node.
前記節Nは、図7に示す縦1次振動においては、振動子40の高さH方向の中心位置に1つ存在する。また、図8に示す捻れ2次振動においては、前記節Nは、高さH方向の2つの位置の2ヶ所に存在する。
ここで、高さcを一定として、(厚さ(短辺)T/幅(長辺)W)の値を横軸にとり、各振動モードにおける共振周波数の値を縦軸にとると、図10に示す特性を得ることができる。具体的には下記のような特性となる。すなわち、
・縦1次振動モードにおける共振周波数の値は、(T/W)の値に依存せず、高さcに応じた略一定の値をとる。
・捻れ1次振動モード、捻れ2次振動モード、及び捻れ3次振動モードにおける共振周波数の値は、(T/W)の値の増加に従って、増加していく。
・捻れ1次振動モードにおける共振周波数は、(T/W)の値がどのような値であっても、縦1次振動モードにおける共振周波数と一致することは無い。
・捻れ2次振動モードにおける共振周波数は、(T/W)の値が0.6となる近傍で、縦1次振動モードにおける共振周波数と一致する。
・捻れ3次振動モードにおける共振周波数は、(T/W)の値が0.3となる近傍で、縦1次振動モードにおける共振周波数と一致する。
In the longitudinal primary vibration shown in FIG. 7, one node N exists at the center position in the height H direction of the
Here, assuming that the height c is constant, the value of (thickness (short side) T / width (long side) W) is taken on the horizontal axis, and the value of the resonance frequency in each vibration mode is taken on the vertical axis. The following characteristics can be obtained. Specifically, the following characteristics are obtained. That is,
The value of the resonance frequency in the longitudinal primary vibration mode does not depend on the value of (T / W) and takes a substantially constant value corresponding to the height c.
The value of the resonance frequency in the torsional primary vibration mode, the torsional secondary vibration mode, and the torsional tertiary vibration mode increases as the value of (T / W) increases.
The resonance frequency in the torsional primary vibration mode does not coincide with the resonance frequency in the longitudinal primary vibration mode regardless of the value of (T / W).
The resonance frequency in the torsional secondary vibration mode coincides with the resonance frequency in the longitudinal primary vibration mode in the vicinity where the value of (T / W) is 0.6.
The resonance frequency in the torsional tertiary vibration mode coincides with the resonance frequency in the longitudinal primary vibration mode in the vicinity where the value of (T / W) is 0.3.
上述したような特性の為、
・縦1次振動モードと捻れ3次振動モードとを利用する場合、(T/W)の値が0.25〜0.35となるように、振動子40の短辺T及び長辺Wの長さを設定する。
・縦1次振動モードと捻れ2次振動モードとを利用する場合、(T/W)の値が0.55〜0.65となるように、振動子40の短辺T及び長辺Wの長さを設定する。
Because of the characteristics mentioned above,
When using the longitudinal primary vibration mode and the torsional tertiary vibration mode, the short side T and the long side W of the
When the longitudinal primary vibration mode and the torsional secondary vibration mode are used, the short side T and the long side W of the
本一実施形態に係るポンプ装置においては、捻れ振動として捻れ2次振動を利用するので、(T/W)の値が略0.6となるように設計する。これにより、縦1次振動モードにおける共振周波数と、捻れ2次振動モードにおける共振周波数と、を略一致させる。 In the pump device according to the present embodiment, since the torsional secondary vibration is used as the torsional vibration, the (T / W) value is designed to be approximately 0.6. Thereby, the resonance frequency in the longitudinal primary vibration mode and the resonance frequency in the torsional secondary vibration mode are substantially matched.
ところで、図3乃至図9に示すように、上述の各内部電極401a,401c,402a,402c,404a,405aは、振動子40に励起される縦1次振動の節部であり且つ捻れ2次振動の腹部に対応する位置に設けられている。
以下、上述の構成を採る本一実施形態に係るポンプ装置の作用について詳細に説明する。なお、説明の重複を避ける為、駆動電極についてA1相とA2相とをAn相と総称し、B1相とB2相とをBn相と総称する。
By the way, as shown in FIGS. 3 to 9, each of the
Hereinafter, the operation of the pump device according to the present embodiment having the above-described configuration will be described in detail. In addition, in order to avoid duplication of description, the A1 phase and the A2 phase of the drive electrode are collectively referred to as the An phase, and the B1 phase and the B2 phase are collectively referred to as the Bn phase.
An相、Bn相の駆動電極に対して、振動子40の縦1次振動及び捻れ2次振動の共振周波数と略一致する周波数且つ互いに同位相の交流電圧を印加することで、An相の駆動電極に対応する圧電活性化領域と、Bn相の駆動電極に対応する圧電活性化領域とが互いに同相で振動する。この結果、振動子40は縦振動する。このとき、C相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域と、D相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域とには、同一の振幅、同一の位相の電位が発生する。
An An-phase and Bn-phase drive electrode is driven by applying an AC voltage having substantially the same phase and the same phase as the resonance frequency of the longitudinal primary vibration and torsional secondary vibration of the
他方、An相、Bn相の駆動電極に対して、振動子40の縦1次振動及び捻れ2次振動の共振周波数と略一致する周波数且つ互いに逆位相(位相差180度)の交流電圧を印加することで、An相の駆動電極に対応する圧電活性化領域と、Bn相の駆動電極に対応する圧電活性化領域とが互いに逆相で振動する。この結果、振動子40は捻れ振動を行う。このとき、C相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域と、D相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域とには、同一の振幅で、逆位相の(逆極性の)電位が発生する。
On the other hand, an AC voltage having a frequency substantially coincident with the resonance frequency of the longitudinal primary vibration and the torsional secondary vibration of the
このように作用する振動子40のAn相の駆動電極とBn相の駆動電極とに対して、互いに位相の異なる(例えば位相差が90度の)交流電圧を印加することで、振動子40には図9に示すように縦1次振動と捻れ2次振動とが同時に励起され、振動子40の端面には楕円振動が形成される。
By applying alternating voltages having different phases (for example, a phase difference of 90 degrees) to the An-phase drive electrode and the Bn-phase drive electrode of the
このとき、上述したように摩擦接触子41に対して圧接している摺動板14は、振動子40の楕円振動を駆動源として、摩擦接触子41による摩擦駆動で回転する。この摺動板14の回転に伴って、当該摺動板14に対して一体的に固定されているロータ13も回転する。このとき、ロータ13に設けられている加圧部材85は、円筒室81Hの内周面に沿って円運動し、この過程でチューブ型流路部材83を一方向に順次押圧していく。この作用により、当該チューブ型流路部材83内の液体はロータ13の回転方向に搬送される(ポンプ動作が行われる)。
At this time, the sliding
なお、An相の駆動電極とBn相の駆動電極とに印加する交流電圧の位相差を反転させることで、振動子40に発生する楕円振動の回転方向を反転させることできる。これを利用して、ロータ13の回転方向を制御することができる。
ところで、振動子40に縦1次振動と捻れ2次振動とが同時に励起された場合、C相及びD相に対応する圧電活性化領域には、縦1次振動と捻れ2次振動に関わる電位(振動検出信号)が同時に励起される。このとき、C相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、D相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との差を演算することで、振動検出信号のうち縦1次振動に係る成分が相殺されて、捻れ2次振動に係る成分のみを検出することができる。
Note that the rotational direction of the elliptical vibration generated in the
By the way, when the longitudinal primary vibration and the torsional secondary vibration are simultaneously excited in the
これは、C相とD相とは、上述したように縦1次振動モードでは同一振幅且つ同一位相の電位を発生し、捻れ2次振動モードでは同一振幅且つ逆位相の電位を発生することによる。
詳細には、上述の外部電極101C−と外部電極101D−との間を電気的に接続し、外部電極101C+と外部電極101D+との間を電気的に接続し、外部電極101C+と外部電極101D+との間の電位差を取り出す(検出する)ことで、振動検出信号として捻れ2次振動成分のみを取り出す(検出する)ことができる。
This is because the C phase and the D phase generate potentials having the same amplitude and the same phase in the longitudinal primary vibration mode as described above, and generate potentials having the same amplitude and the opposite phase in the torsional secondary vibration mode. .
Specifically, the
なお、C相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、D相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との和を演算することで、振動検出信号のうち捻れ2次振動に係る成分が相殺されて、縦1次振動に係る成分のみを検出することができる。詳細には、上述の外部電極101C−と外部電極101D+との間を電気的に接続し、外部電極101C+と外部電極101D−との間の電位差を取り出す(検出する)ことで、振動検出信号として縦1次振動成分のみを取り出す(検出する)ことができる。必要に応じてこの縦1次振動成分を振動検出信号として用いても良い。
In addition, by calculating the sum of the potential generated in the piezoelectric activation region corresponding to the C phase and the potential generated in the piezoelectric activation region corresponding to the D phase, it relates to the torsional secondary vibration of the vibration detection signal. The components are canceled out, and only the component related to the longitudinal primary vibration can be detected. Specifically, the vibration detection signal is obtained by electrically connecting the
このようにして取得した振動検出信号と、駆動電極に印加する交流電圧との位相差は、共振振動時には所定の位相差となることが知られている。一般に超音波モータはモータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境の温度変動、負荷の変動により共振周波数が変動するが、この位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、常に共振周波数付近で駆動することができるので、効率の良い安定した駆動が可能となる。なお、振動検出信号に基づいた周波数追尾に係る技術自体は本願発明の特徴部ではないので、周波数追尾に係る技術については詳細な説明は省略する。 It is known that the phase difference between the vibration detection signal acquired in this way and the AC voltage applied to the drive electrode is a predetermined phase difference during resonance vibration. In general, the resonance frequency of an ultrasonic motor fluctuates due to temperature rise due to heat generated by the motor itself, temperature fluctuations in the surrounding environment, and load fluctuations. By controlling the drive frequency so that this phase difference is kept at a predetermined value, Since driving can be performed near the resonance frequency, efficient and stable driving is possible. Since the technology itself related to frequency tracking based on the vibration detection signal is not a characteristic part of the present invention, a detailed description of the technology related to frequency tracking is omitted.
以上説明したように、本一実施形態によれば、小型化と高吐出圧化とを両立させたポンプ装置を提供することができる。すなわち、本一実施形態に係るポンプ装置では、圧電横効果を利用して励起した振動子40の振動を駆動源として、ポンプ部10のロータ13を回転させてポンプ動作を実現する。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a pump device that achieves both miniaturization and high discharge pressure. That is, in the pump device according to the present embodiment, the pump operation is realized by rotating the
換言すれば、本一実施形態に係るポンプ装置は、電磁モータに比べて低速且つ高トルクの特性を有する超音波モータを駆動源に用いる為、トルクを増す為の減速ギヤが不要となり、電磁モータを用いる場合に比べて小型且つ高吐出圧のポンプ装置を実現することができる。 In other words, since the pump device according to the present embodiment uses an ultrasonic motor having a low speed and high torque characteristics as a drive source as compared with the electromagnetic motor, a reduction gear for increasing the torque is not required, and the electromagnetic motor Compared with the case of using the above, a small and high discharge pressure pump device can be realized.
また、本一実施形態に係るポンプ装置では、ポンプケース81内に配置したロータ13に固定された摺動板14に対して、振動子40に設けられた摩擦接触子41を圧接させて直接駆動する構造を採る(ポンプ装置のロータとして機能する部材と、超音波モータのロータとして機能する部材とを同一の部材(ロータ13)として構成している)為、更なる小型化を実現できる。
Further, in the pump device according to the present embodiment, the
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。 Further, the above-described embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention can be achieved. In the case of being obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can also be extracted as an invention.
10…ポンプ部、 11…中心軸、 13…ロータ、 14…摺動板、 20…押圧機構部、 21…押圧バネ、 22…押圧部材、 23…リング、 23a…バネ規制シャフト、 30…フレーム、 31…フレーム本体、 31a1,31a2…板状部材、 32…底面部、 33…上面部、 40…振動子、 41…摩擦接触子、 51s1,51s2…回転規制部材、 81…ポンプケース、 81H…円筒室、 83…チューブ型流路部材、 85…加圧部材、 101A1,101A2,101B1,101B2…駆動電極、 101C,101D…振動検出電極、 113A1,113A2,113B1,113B2,113C,113D…外部電極、 401a,401c,402a,402c…駆動用内部電極、 404a,405a…検出用内部電極、 401ae,401ce,402ae,402ce,404ae,405ae…端部、 401…第1の圧電シート、 402…第2の圧電シート、 403…第3の圧電シート、 404…第4の圧電シート、 405…第5の圧電シート、 406…第6の圧電シート、 407…第7の圧電シート、 408…第8の圧電シート、 411…第1積層部位、 412…第2積層部位、 413…第3積層部位、 414…第4積層部位、 415…第5積層部位、 416…第6積層部位、 417…第7積層部位、 418…第8積層部位。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記流路部材が円弧状に配設される円筒室が形成されたケース部材と、
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との長さの比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動とが同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
前記振動子のうち楕円振動が励起される面に設けられた摩擦接触子と、
前記円筒室内に配設され、前記摩擦接触子に対して当接し、前記振動子の前記楕円振動を駆動源として回転駆動される略円板形状のロータと、
前記ロータの外周部位に設けられ、前記流路部材を前記円筒室の側壁に向かって押圧する流路押圧部材と、
前記振動子の前記楕円振動発生面を、前記ロータに対して圧接させる押圧機構部と、
を具備し、
前記所定の値は、前記縦振動の共振周波数と前記捻れ振動の共振周波数とが略一致する値である
ことを特徴とするポンプ装置。 A channel member which is a tube-type liquid channel having elasticity;
A case member formed with a cylindrical chamber in which the flow path member is disposed in an arc shape;
The cross section perpendicular to the central axis has a rectangular shape, the ratio of the length of the short side to the long side constituting the rectangular shape is set to a predetermined value, and longitudinal vibration that expands and contracts in the direction of the central axis, and the center A vibrator in which elliptical vibration is excited by simultaneous excitation of torsional vibration with the axis being a torsional axis;
A friction contact provided on the surface of the vibrator where the elliptical vibration is excited;
A substantially disk-shaped rotor that is disposed in the cylindrical chamber, abuts against the friction contact, and is rotationally driven using the elliptical vibration of the vibrator as a drive source;
A flow path pressing member provided at an outer peripheral portion of the rotor and pressing the flow path member toward a side wall of the cylindrical chamber;
A pressing mechanism that presses the elliptical vibration generating surface of the vibrator against the rotor;
Comprising
The pump device according to claim 1, wherein the predetermined value is a value in which a resonance frequency of the longitudinal vibration and a resonance frequency of the torsional vibration substantially coincide with each other.
ことを特徴とする請求項1に記載のポンプ装置。 The pump device according to claim 1, wherein the rotor is driven to rotate about the central axis of the vibrator.
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