JP2015048753A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】接液部と駆動部との接合を確実に行い且つ容易に分離することができ、高い伝達効率で駆動部から接液部へ振動を伝達し、ポンプの運転効率を向上させることができる圧電ポンプを提供する。【解決手段】ポンプ室１１を覆うダイヤフラム１２を有した接液部１と、接液部に接合してダイヤフラム１２に振動を付与する圧電素子２２を有した駆動部２とを備える。接液部１は、ダイヤフラム１２の外側面に取着された磁性体金属からなる磁性体ダイヤフラム１３を備える。駆動部２は、圧電素子２２が取着された金属板２４と、金属板の外側面に取着されたゴム磁石シート２３とを備える。接液部１と駆動部２を接合したとき、接液部の磁性体ダイヤフラム１３が駆動部のゴム磁石シート２３の磁気によりゴム磁石シート２３の外側面に吸着されて接合する。【選択図】図２

Description

本発明は、接液部を駆動部から着脱可能とし、接液部を滅菌処理し或いは簡単に取り外して使い捨てることができる接液部分離型の圧電ポンプに関する。

従来、各種の液体を比較的小流量で送液する小形のポンプとして、圧電素子などにより振動をダイヤフラムに付与して駆動するダイヤフラム振動型ポンプ装置が、各種の分野で使用されている。

この種のポンプ装置は、内部を流れる液体に対し、特に衛生を保つ必要があるとき、ポンプ内を滅菌する必要がある。

例えば、ポンプ装置を細胞培養装置などで使用し、培養液などを滅菌状態でポンプにより送液する場合、ポンプを使用する前に、ポンプ内を滅菌処理する必要がある。或いは、流す液体を交換するたびに、ポンプの接液部を使い捨てる必要がある。

このため、従来、液体を流すポンプ本体と吐出チューブを含む収液部と、圧電素子及びダイヤフラムを設けたポンプアクチュエータを含む駆動部と、を分離可能とし、分離した収液部を滅菌処理する構造の給液装置が、下記特許文献１において提案されている。

特開平６−２４４９２号公報 特開２００６−２０７４３６号公報

しかし、上記従来の給液装置は、収液部と駆動部が分離可能に構成されることから、収液部と駆動部を組み付けたとき、そのポンプ本体側のポンプ膜とポンプアクチュエータ側の振動体を接触させるために、両面テープなどの面接合部材を着脱ごとに使用する。

このように、上記給液装置は、ポンプ膜と駆動部の振動体との接合に、両面テープなどの面接合部材を使用するため、不十分な接合状態が生じやすく、そのような場合、駆動部の振動体の振動がポンプ膜に伝達しにくくなって、伝達効率が低下し、ポンプの運転効率が低くなる。

そこで、従来、上記特許文献２において、両面テープなどの面接合部材を使用せずに、駆動ユニットと被駆動ユニットを接合させる構造の圧電ダイヤフラムポンプが提案されている。この圧電ダイヤフラムポンプは、圧電素子と駆動ダイヤフラムを備えた駆動ユニットと、ゴムシートなどの従動膜をポンプ室に張設した被駆動ユニットとを接合させて、ポンプ室の従動膜を圧電素子により振動させ、駆動する。

また、この圧電ダイヤフラムポンプは、被駆動ユニットのポンプ室の従動膜を膨出形状とし、駆動ユニットの駆動ダイヤフラムを、従動膜の膨出形状に対応した凹状形状とし、被駆動ユニットの膨出形状のポンプ室の従動膜を、駆動ユニットの凹状形状の駆動ダイヤフラムに嵌合させて接合し、駆動ダイヤフラムの振動をポンプ室の従動膜に伝達する。

然るに、この従来の圧電ダイヤフラムポンプは、ポンプ室の従動膜と駆動ユニットの駆動ダイヤフラムとの接合に、両面テープなどの面接合部材を使用しないため、ポンプ室側の被駆動ユニットと駆動ユニットの着脱を、比較的簡便に行うことができるものの、ポンプ室の膨出形状の従動膜と凹状形状の駆動ダイヤフラムを単純に嵌め合わせて接合させるのみであるため、接合状態によっては、接合面に隙間が生じやすく、駆動ユニットの振動の伝達効率が低下し、ポンプの運転効率が低下する課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、接液部と駆動部との接合を確実に行い且つ容易に分離することができ、高い伝達効率で駆動部から接液部へ振動を伝達し、ポンプの運転効率を向上させることができる圧電ポンプを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電ポンプは、ポンプ室を覆うダイヤフラムを有した接液部と、該接液部に接合して該ダイヤフラムに振動を付与する圧電素子を有した駆動部とを備えた圧電ポンプにおいて、
該接液部は、該ダイヤフラムの外側面に取着された磁性体金属からなる磁性体ダイヤフラムを備え、
該駆動部は、該圧電素子が取着された金属板と、該金属板の外側面に取着されたゴム磁石シートとを備え、
該接液部と該駆動部を接合したとき、該接液部の該磁性体ダイヤフラムが該駆動部の該ゴム磁石シートの磁気により該ゴム磁石シートの外側面に吸着されて接合することを特徴とする。

この発明によれば、接液部と駆動部を接合したとき、接液部の磁性体ダイヤフラムが、駆動部のゴム磁石シートの磁気により、ゴム磁石シートの外側面に吸着されて、接液部と駆動部が接合されるので、接液部と駆動部の接合と分離を確実に且つ容易に行なうことができる。また、接合状態で駆動部の圧電素子が駆動された時、駆動部の圧電素子の振動が磁性体ダイヤフラムを通して接液部のポンプ室を覆うダイヤフラムに高い伝達効率で伝達され、ポンプの運転効率を向上させることができる。

ここで、上記ゴム磁石シートは、ネオジム磁石粉末と合成ゴムを混合してシート状に成形したネオジムラバーマグネットから構成することが好ましい。このネオジムラバーマグネット製のゴム磁石シートを用いた駆動部は、接合時、接液部の磁性体ダイヤフラムに強力に吸着され、圧電素子の振動を非常に高い伝達効率で接液部のダイヤフラムに伝達することができる。

また、上記圧電ポンプにおいて、上記駆動部のケース本体の接合側に、スペーサが上記ゴム磁石シートの外周部に取り付けられ、該スペーサの内側における該ゴム磁石シートの外側面に、板状凹部が形成され、接液部と駆動部の接合時、該板状凹部に該接液部の該ダイヤフラムが嵌入するように構成することができる。
これによれば、簡単な接合操作で、駆動部のゴム磁石シートの外側面を接液部のダイヤフラムに、正確に位置決めして接合することができる。

また、上記圧電ポンプにおいて、上記接液部のケース本体と駆動部のケース本体は、各々、薄い板状に形成されるとともに、各々の外形形状が接合時に同一の外形形状となるように同じ外形輪郭線を有して形成することが好ましい。これによれば、接液部と駆動部の接合を簡単且つ正確に行なうことができる。

さらに、上記接液部のケース本体及びダイヤフラムは、オートクレーブによる滅菌処理が可能な耐熱性合成樹脂材料（例えば、環状オレフィンコポリマー）から成形することが好ましい。これによれば、取り外した接液部を、オートクレーブの蒸気加熱により滅菌処理することができるので、血液や細胞培養液など滅菌処理の必要な液体を送液するポンプとして簡便に使用することができる。

本発明の圧電ポンプによれば、接液部と圧電素子により駆動する駆動部との接合及び分離を容易に行うことができ、接合は確実に行なわれ、駆動部から接液部への振動の伝達効率が高くなり、ポンプの運転効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す圧電ポンプの斜視図である。 同圧電ポンプの拡大縦断面図である。 圧電ポンプの接液部と駆動部を分離した状態の斜視図である。 接液部の正面図である。 接液部の背面図である。 駆動部の正面図である。 駆動部の背面図である。 接液部と駆動部を分離した状態の拡大縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この圧電ポンプは、図１、２に示すように、ポンプ室１１を覆うダイヤフラム１２を有した接液部１と、接液部１に接合してダイヤフラム１２に振動を付与する圧電素子２２を有した駆動部２とを備え、接液部１と駆動部２とを容易に分離可能としたダイヤフラム式の圧電ポンプである。

概略的には、圧電ポンプの接液部１は、ダイヤフラム１２の外側面に取着された磁性体金属からなる磁性体ダイヤフラム１３を備えて構成される。ポンプを駆動する駆動部２は、圧電素子２２が取着された金属板２４と、金属板２４の外側面に取着されたゴム磁石シート２３とを備えて構成される。接液部１と駆動部２は接合されて使用され、接液部１の磁性体ダイヤフラム１３が駆動部２のゴム磁石シート２３の磁気によりゴム磁石シート２３の外側面に吸着されて接合する構造である。

接液部１のケース本体１０は、図３、４，５などに示すように、略正方形の板状に形成され、その正面外形形状は、接合される駆動部２の外形形状と同じに、つまり同じ外形輪郭線を有して形成される。接液部１のケース本体１０の正面側には、液体を吸入する吸入口部１４と液体を吐出する吐出口部１５が突出して設けられている。吸入口部１４及び吐出口部１５は通路を通して内部のポンプ室１１に連通する。

図８に示すように、接液部１には、ケース本体１０の背面側に、厚さの薄い円板状空間としてポンプ室１１が設けられ、吸入口部１４の吸入孔１４ａ及び吐出口部１５の吐出孔１５ａが通路を通してポンプ室１１に連通される。吸入孔１４ａには、板ゴムなどから形成される吸入弁１４ｂが設けられ、吐出孔１５ａには、同様の吐出弁１５ｂが設けられる。接液部１のポンプ室１１の外側（背面側）は、ダイヤフラム１２によって覆われ、ダイヤフラム１２の外側（背面側）には、磁性体ダイヤフラム１３が接着される。磁性体ダイヤフラム１３は、接液部１と駆動部２との接合時、駆動部２のゴム磁石シート２３が密に吸着するために設けられ、磁性体ダイヤフラム１３には例えばマルテンサイト系或いはフェライト系のステンレス板が使用される。

これにより、接液部１のポンプ室１１では、ダイヤフラム１２及び磁性体ダイヤフラム１３に振動が印加され、振動によってポンプ室１１内に負圧が発生すると、吸入弁１４ｂが開いて、吸入口部１４から液体がポンプ室１１内に吸入され、振動によってポンプ室１１内に正圧が発生すると、吐出弁１５ｂが開いて、ポンプ室１１内の液体が吐出口部１５から吐出される構造となっている。

この接液部１のケース本体１０とダイヤフラム１２は、例えば、ＣＯＣ（環状オレフィンコポリマー）等の耐熱性合成樹脂材料から成形され、また、吸入弁１４ｂと吐出弁１５ｂは耐熱性のゴムから成形され、これにより、取り外した接液部１を、オートクレーブの蒸気加熱或いは酸化エチレンガスによる滅菌処理ができるようになっている。これにより、本圧電ポンプは、血液や細胞培養液などの液体を送液する滅菌処理の可能なポンプとして使用することができる。

一方、上記のように、ポンプを駆動する駆動部２は、圧電素子２２が取着された金属板２４と、金属板２４の外側面に取着されたゴム磁石シート２３とを備えて構成される。駆動部２のケース本体２０は、図３、６，７などに示すように、略正方形の板状で内部に薄い空間を設けて形成され、その正面視の外形形状は、接合される接液部１の外形形状（外形輪郭線）と同じに形成される。ケース本体２０内には、金属板２４の裏面に接着された圧電素子２２が配設され、金属板２４の外側面（背面側）には、ゴム磁石シート２３が接着される。

ゴム磁石シート２３には、合成ゴムにネオジム磁石の粉末を混合してシート状に成形したネオジムラバーマグネットが使用される。ネオジムラバーマグネット製のゴム磁石シート２３は、非常に強力な磁力を発生するため、接液部１に駆動部２を接合させたとき、接液部１の磁性体ダイヤフラム１３がゴム磁石シート２３に確実に吸着され、圧電素子２２の振動を高い伝達効率で接液部１のダイヤフラム１２に伝達するようになっている。

圧電素子２２が一面に接着された金属板２４は、リン青銅などのばね弾性を有した薄い金属板から形成され、圧電素子２２の振動によって良好に振動し、その振動を、ゴム磁石シート２３を介して接液部１のダイヤフラム１２に印加する構造である。

また、導電性を有する金属板２４は、圧電素子２２の一方の電極部を兼用しており、外部から接続される電源線２９は、この金属板２４と圧電素子２２の外側面に設けた電極部に接続される。電源線２９は図示しない電源回路に接続され、圧電素子２２には、電源回路から、例えば電圧６０〜２５０Ｖ（ｐ−ｐ）、１０〜６０Ｈｚの周波数の交流電圧が印加され、圧電素子２２が駆動される。

図３、８に示すように、駆動部２のケース本体２０の内側には、矩形枠状のスペーサ２１がケース本体２０の外縁部に添ってゴム磁石シート２３の外周部を囲うように設けられる。この枠状のスペーサ２１は、その内側に板状凹部２５が形成され、接液部１と駆動部２の接合時、この板状凹部２５内に接液部１のダイヤフラム１２が嵌入するようになっている。

また、スペーサ２１内の板状凹部２５の形状は、図２，８に示すように、接液部１のダイヤフラム１２及び磁性体ダイヤフラム１３が位置決めされた状態で、嵌入するように形成される。これにより、接液部１と駆動部２が接合されたとき、接液部１のダイヤフラム１２及び磁性体ダイヤフラム１３が、板状凹部２５内に、正確に位置決めされて嵌入し、磁性体ダイヤフラム１３がゴム磁石シート２３に対し正確に位置決めされて吸着されるようになっている。

上記のように、駆動部２のケース本体２０は、図３、６，７に示す如く、略正方形の板状で内部に薄い空間を設けて形成され、その外形形状は、接合される接液部１の外形形状と同じに形成される。また、図１のように、接液部１と駆動部２が接合された場合、各々のケース本体１０，２０の外形形状は、接合時に同一の外形形状となるように同じ外形輪郭線を有して形成され、特に、ケース本体１０，２０の正面視で現れる４つの角部は、３つの角部が三角形に切除され、右上の１つの角部のみが直角角部として形成される。

これにより、使用者が接液部１と駆動部２を接合する際、視覚的に容易に確認可能な、３つの三角形の角部と１つの直角状の角部を容易に合わせるように接合することができ、使用者が接液部１と駆動部２を接合したとき、簡単且つ正確に位置合わせされた状態で両者を接合できるようになっている。

上記構成の圧電ポンプは、接液部１と駆動部２を接合した大きさが、例えば約２５ｍｍ×約２５ｍｍで、厚さを約６ｍｍとする、非常に小型の圧電ポンプとして製作され、血液や細胞培養液などを送液するポンプとして分析装置などで使用される。

接液部１のケース本体１０の吸入口部１４には、図示しない吸入チューブが接続され、吐出口部１５には吐出チューブが接続され、駆動部２から導出される電源線２９は図示しない電源回路に接続される。接液部１と駆動部２は、図１，２のように接合した状態で使用され、接合状態では、接液部１の磁性体ダイヤフラム１３が駆動部２のゴム磁石シート２３に、確実に吸着された状態となる。

電源回路から電源を供給して圧電ポンプの駆動部２を駆動すると、交流電圧が圧電素子２２に印加され、圧電素子２２は、その交流電圧の周波数に応じた周波数（例えば１０Ｈｚ〜６０Ｈｚ）で振動し、その振動が金属板２４及びゴム磁石シート２３を介して、接液部１の磁性体ダイヤフラム１３及びダイヤフラム１２に伝達され、ポンプ室１１に接するダイヤフラム１２が振動する。

このとき、ダイヤフラム１２の振動によって、ポンプ室１１内に負圧が生じると、吐出弁１５ｂが閉じて吸入弁１４ｂが開き、吸入口部１４の吸入孔１４ａから液体がポンプ室１１内に入り、ポンプ室１１内に正圧が生じると、吸入弁１４ｂが閉じて吐出弁１５ｂが開き、吐出口部１５から液体が吐出され、液体の送液が行なわれる。

このときのポンプの送液流量は、圧電素子２２に供給される電源の交流電圧（例えば６０〜２５０Ｖｐ−ｐ）または周波数（例えば１０〜６０Ｈｚ）を制御することにより、調整される。このように、接液部１と駆動部２の接合状態で、駆動部２のゴム磁石シート２３が接液部１のダイヤフラム１２の磁性体ダイヤフラム１３に密に吸着され、ゴム磁石シート２３には金属板２４を介して圧電素子２２が接着されるので、圧電素子２２が駆動された時、駆動部２の圧電素子２２の振動が磁性体ダイヤフラム１３を通して接液部１のポンプ室１１を覆うダイヤフラム１２に高い伝達効率で伝達され、これによりポンプは高い運転効率で送液を行うことができる。

そして、血液分析や細胞培養液の送液の１工程が終了し、別の血液や培養液を送液する場合、接液部１を駆動部２から取り外し、使い捨てる。このとき、接液部１は駆動部２に対しゴム磁石シート２３の磁力により強力に吸着されているため、取り外し操作が難しい場合が考えられるが、接液部１のケース本体１０と駆動部２のスペーサ２１との間の接合部分に、例えば使用者が爪をかけることができる程度の小隙間や小凹部を設けておけば、使用者はそこに爪をかけて接液部１を剥がすように分離することができる。

また、接液部１はオートクレーブの高圧蒸気或いは酸化エチレンガスにより滅菌処理されるが、そこには圧電素子などの電気部品は含まれず、そのケース本体１０、ダイヤフラム１２、磁性体ダイヤフラム１３、吸入弁１４ｂ、吐出弁１５ｂは耐熱性を有しているため、劣化せずに良好に滅菌処理することができる。

そして、再度、圧電ポンプを使用する際、滅菌後の接液部１を駆動部２に接合させて再び図１の状態として使用する。このとき、図８に示すように、接液部１のケース本体１０と駆動部２のケース本体２０とが同じ外形形状（外形輪郭線）で形成され、且つ接液部１のダイヤフラム１２と磁性体ダイヤフラム１３が、それに対応した形状を持つ駆動部２のスペーサ２１内の板状凹部２５に嵌入されるので、使用者は、接液部１のケース本体１０と駆動部２のケース本体２０の外周の各辺を合わせるように接合させれば、接液部１のダイヤフラム１２と磁性体ダイヤフラム１３が駆動部２の板状凹部２５内に正確に位置決めされた状態で嵌入し、磁性体ダイヤフラム１３がゴム磁石シート２３の外側面に正確に吸着されて、接液部１と駆動部２を良好に接合することができる。

このように、接液部１と駆動部２を接合したとき、接液部１の磁性体ダイヤフラム１３が、駆動部２のゴム磁石シート２３の磁気により、ゴム磁石シート２３の外側面に吸着されて、接液部１と駆動部２が接合されるので、接液部１と駆動部２の接合を確実に且つ容易に行なうことができる。また、接液部１のダイヤフラム１２と駆動部２のゴム磁石シート２３の内側の圧電素子２２の位置合わせも正確に行なうことができ、簡単な操作で接液部１と駆動部２の接合と分離を容易に行うことができる。

１ 接液部
２ 駆動部
１０ ケース本体
１１ ポンプ室
１２ ダイヤフラム
１３ 磁性体ダイヤフラム
１４ 吸入口部
１４ａ 吸入孔
１４ｂ 吸入弁
１５ 吐出口部
１５ａ 吐出孔
１５ｂ 吐出弁
２０ ケース本体
２１ スペーサ
２２ 圧電素子
２３ ゴム磁石シート
２４ 金属板
２５ 板状凹部
２９ 電源線

Claims (5)

1. ポンプ室を覆うダイヤフラムを有した接液部と、該接液部に接合して該ダイヤフラムに振動を付与する圧電素子を有した駆動部とを備えた圧電ポンプにおいて、
   該接液部は、該ダイヤフラムの外側面に取着された磁性体金属からなる磁性体ダイヤフラムを備え、
   該駆動部は、該圧電素子が取着された金属板と、該金属板の外側面に取着されたゴム磁石シートとを備え、
   該接液部と該駆動部を接合したとき、該接液部の該磁性体ダイヤフラムが該駆動部の該ゴム磁石シートの磁気により該ゴム磁石シートの外側面に吸着されて接合することを特徴とする圧電ポンプ。
2. 前記ゴム磁石シートは、ネオジム磁石粉末と合成ゴムを混合してシート状に成形したネオジムラバーマグネットから構成されたことを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
3. 前記駆動部のケース本体の接合側には、スペーサが前記ゴム磁石シートの外周部に取り付けられて、該スペーサの内側における該ゴム磁石シートの外側面に、板状凹部が形成され、接液部と駆動部の接合時、該板状凹部に該接液部の該ダイヤフラムが嵌入することを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
4. 前記接液部のケース本体と駆動部のケース本体は、各々、薄い板状に形成されるとともに、各々の外形形状が接合時に同一の外形形状となるように同じ外形輪郭線を有して形成されたことを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
5. 前記接液部のケース本体及びダイヤフラムは、オートクレープによる滅菌処理が可能な耐熱性合成樹脂材料から成形されたことを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。

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