JP2835519B2 - 圧電ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 産業上の利用可能性 本発明は、縦効果型圧電アクチュエータを使用した圧
電ポンプの改良に関する発明である。

従来の技術 従来の圧電アクチュエータを利用したポンプでは、バ
イモルフ型アクチュエータを用いているために、アクチ
ュエータの電圧と変位特性はヒステリシスが大きい。そ
の為に送量と電圧の比が比例しないと共に、一般にバイ
モルフ型アクチュエータでは、共振点付近の周波数で駆
動するので、送量と周波数は比較しないとの欠点があっ
た。

また、圧電アクチュエータポンプにおいて、昭和61年
３月14日出願（特願昭61−57970号）し、昭和62年９月2
1日に特許出願公開昭62−214287号として特許公開され
た「圧電振動子ポンプ」のように、空気室（空気貯溜
部）を設けた発明はあるが、送量と周波数特性の関係を
リニアに改善する目的ではなく、周波数変動に対して変
動の少ない安定送量を得る目的とするものであった。

更に、ポンプの送量をセンサーで検出し、その検出信
号を駆動信号にフィードバックして送量設定値に合致し
た送量が出来るように、サーボ系を形成した発明はある
が、ポンプの送量特性が電圧、周波数に対してリニアに
変化していないため、送量設定値に合致した送量が得ら
れる様なサーボ系とすることは実現不可能であった。こ
こで、駆動信号とは、駆動電圧と周波数のどちらか又は
両方を言う。

発明が解決しようとする課題 本発明は、縦効果型圧電アクチュエータを駆動源とし
て、被膜されたダイヤフラムを駆動させると共に、前記
圧電アクチュエータの変位量を拡大する機構を有するこ
とにより送量制御が容易にでき、微少量から多量まで幅
広い制御ができると共に、センサーを用いてポンプ駆動
回路でフィードバックをかけた場合に、設定値に合致し
た送量が得られる様なサーボ系ができる圧電ポンプを提
供することを目的とするものである。

［発明の構成］ 課題を解決するための手段 本発明は、上記の課題を解決するために、吸入口の下
方には吸入側上突出筒を垂設し底には吸入側逆止弁を設
けた吸入側中空部と、吐出口の下方には吐出側上突出筒
を垂設し底には吐出側逆止弁を設けた吐出側中空部とか
らなる吸入吐出部と、前記吸入吐出部の下方に、表面に
は複数の突部が、背面には断面形状が半円形状の溝部が
形成され、伸縮自在の弾性部材の被膜が形成されている
ダイアフラムを取り付けポンプ室を形成したポンプ部
と、前記ポンプ部の下方に、レバーを有する板バネ及び
縦効果型圧電アクチュエータが固定されているＬ形固定
部材の前記レバーの先端に左右支持部からなるコ状支持
部材を支持部材を介して取り付け、前記支持部材の下端
と前記Ｌ形固定部材間にスプリングを係止させ、前記ダ
イヤフラムの上下動を拡大させる拡大機構部とからなる
ことを特徴とする圧電ポンプの構成とした。

作用 本発明である圧電ポンプの作用について、第１実施例
に基づいて説明すれば以下の通りである。

拡大機構部2bを構成する縦効果型圧電アクチュエータ
11に交流電圧（極性は一方だけで負側は存在しない交流
電圧）を印加すると、前記縦効果型アクチュエータ11は
上下に振動し、この上下の振動は拡大機構部2bを構成す
るレバー14により拡大され、レバー14の先端部に支持板
27を介して、前記支持板27の下端部に固定されたコ状支
持部材７を上下動させ、右支持部7b及び左支持部7aの上
端に固定されているダイヤフラム９を上下動させる。

そして、前記ダイヤフラム９が下方に移動したとき
は、ポンプ室８内は負圧状態になるので、吐出側逆止弁
6aが閉じた状態となり、吸込側逆止弁5aが開放された状
態となり、ポンプ室８の液体が吸入口３及び中空部５を
通りポンプ室８に流入する。

しかし、前記ダイヤフラム９が上方に移動したとき
は、ポンプ室８内は正圧状態となるので吸入側逆止弁5a
が閉じられた状態となり、吐出側逆止弁6aは開放された
状態となり前記ポンプ室８の液体が吐出側の中空部６に
吐出され吐出口４を通り流出する。

拡大機構部2bを構成するスプリング13は、コ状支持部
材７を下方に引張っている。これは、前記縦効果型圧電
アクチュエータ11は、縮み方向には力を発生できないか
らである。つまり、引張り応力には弱いので、スプリン
グ13を用いて前記縦効果型圧電アクチュエータ11に圧縮
応力を加えているのである。

以上、縦効果型圧電アクチュエータ11の上下振動及び
前記縦効果型圧電アクチュエータ11に連動して上下動す
るダイアフラム９によりポンプ室８の液体の吸入、吐出
が繰返される。

実施例 第１図から第９図は、本発明の実施例を示した図であ
る。以下図面に表された実施例に従って本発明を詳細に
説明する。

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は第
１図中のＡ−Ｂ線の縦断面図である。

本発明である圧電ポンプは、吸入口３の真下に形成さ
れている空気貯溜部5c内に吸入側突出筒3aが垂設されて
いるとともに、前記空気貯溜部5cの底には傘状の吸入側
逆止弁5aを設けた吸入側中空部５及び吐出口４の真下に
形成されている空気貯溜部6cに突出するように吐出側突
出筒4aが垂設されているとともに、前記空気貯溜部6cの
底には傘状の吐出側逆止弁6aを設けた吐出側中空部６と
からなる吸入吐出部１と、前記吸入吐出部１の下方に、
基部9a上面に、周部表面には複数の突部10a、10b、10c
が形成され、周面背面には断面形状が半円形状をしてい
る溝部10dが形成されている伸縮自在の弾性部材の被膜1
0が形成されているダイアフラム９が上下動できるよう
に取り付けられ、前記取り付けられたダイアフラム９上
にポンプ室８が設けられているポンプ部1aと、レバー14
を有する板バネ15及び縦効果型圧電アクチュエータ11が
固定されているＬ形固定部材12の前記レバー14の先端に
左右支持部7a、7bからなるコ状支持部材７を支持部材27
を介して取り付け、前記支持部材27の下端と前記Ｌ形固
定部材12間にスプリング13を係止させた構成の拡大機構
部2bとからなる。符号２は拡大機構部2bを収納したケー
シングで、符号９はダイヤフラムである。

吸入吐出部１には吸入口３が設けられ、前記吸入口３
の下方には吸入口３の径よりやや大径の吸入側中空部５
がある。そして、前記吸入側中空部５には吸入側上突出
筒3aが垂設されており、前記吸入側中空部５の底には傘
状の吸入側逆止弁5aが設けられている。

また、吸入吐出部１には吐出口４が設けられていて、
前記吐出口４の下方に吐出口４の径よりも大径の吐出側
中空部６が設けられている。そして、前記吐出側中空部
６には中空の吐出側突出筒4aが垂設されており、前記吐
出側中空部６の底には傘状の吐出側逆止弁6aが設けられ
ている。符号5c及び符号6cは空気が貯溜する空気貯溜部
である。このように、吸入側上突出筒3a及び吐出側上突
出筒4aの外側には、空気が貯溜する空気貯溜部5c、6cを
形成されている。

吸入吐出部１の下方にはポンプ部1aがあり、前記ポン
プ部1aには、基部9a上面にゴム等の伸縮自在の弾性部材
により被膜10が形成したダイアフラム９が上下動できる
ように取り付けられ、ダイアフラム９上にポンプ室８が
設けられている。

第１図及び第２図に示すように、本圧電ポンプでは、
吸入側逆止弁5a及び吐出側逆止弁6aとして傘弁を使用し
ているが、必ずしも傘弁に限定されるものではなく、他
の弁を使用してもよい。

また、ケーシング内2aに収納された拡大機構部2bは、
Ｌ形固定部材12、レバー14を有する板バネ15、縦効果型
アクチュエータ11、左右支持部7a、7bを有するコ状支持
部材７、前記レバー14に前記コ状支持部材７を支持させ
る支持部材27及び前記支持部材27とＬ形固定部材12間に
係止されるスプリング13からなる。

ケーシング内2aに拡大機構部2bがあり、前記ケーシン
グ内2aにＬ形固定部材12が固定されていて、前記Ｌ形固
定部材12の内方に上部にレバー14を有する板バネ15が固
定され、前記レバー14の先端には、左右支持部7a、7bを
有するコ状支持部材７が支持部材27を介して取り付けら
れている。

前記板バネ15の近接位置に縦効果型圧電アクチュエー
タ11を固定され、前記縦効果型圧電アクチュエータ11の
上端は、板バネ15の上端に取り付けられているレバー14
の下面に接触するようにＬ形固定部材12内に固定されて
いる。

第２図に示すように、ダイアフラム９を支持している
左支持部7a及び右支持部7bからなるコ状支持部材７が、
前記支持部材27の下部にボルト24により固定されてい
る。

そして、前記支持部材27の下端には、スプリング13の
上端が係止されているとともに、前記スプリング13の下
端25はＬ形固定部材12に固定されているボルト26に係止
されている。ダイアフラム９は、コ状支持部材７の左支
持部7aの上端及び右支持部7bの上端に取り付けられてい
る。

第３図は、本発明である圧電ポンプに使用されている
ダイアフラムの拡大縦断面図である。本圧電ポンプに使
用されているダイアフラム９は、基部9aの表面にゴム等
の伸縮自在の弾性部材である被膜10が形成されていると
共に、被膜10の周部表面には複数の突出部10a、10b、10
cが形成されていて、周部背面には溝部10dが形成されて
いて、前記溝10dの形状は断面形状が半円形状である。

第４図は、ダイアフラム９の他の実施例を示したもの
である。本例のダイアフラム９では、基板9bの上面に被
膜10を形成し、前記基板9bの下面に基部9aを取り付ける
構成である。本例のダイアフラム９でも、被膜10の周部
表面には複数の突出部10a、10b、10cが形成されてい
て、周部背面には溝部10dが形成されていて、前記溝10d
の形状は断面形状が半円形状である。

第３図及び第４図に示したダイアフラム９の被膜10の
突出部10a、10b、10cが形成されている周部を固定させ
ているので、ダイアフラム９は全体が縦効果型圧電アク
チュエータ11の振動に応じて平行に上下動する。そのた
めに、平板でのみ構成されていたダイアフラムのように
球状変形をすることがない。

即ち、従来のダイアフラムのように金属板により形成
され金属板の周部を固定した場合、又は金属板に放射状
にスリットを設け被膜を形成し周部を固定したダイアフ
ラムの場合には、球状変形又は円錐変形をしていた。

しかしながら、本発明に使用されている構成のダイア
フラム９は、伸縮自在の弾性部材の被膜10が基部９の上
に形成されているので、水平にしかも水平に上下動する
のである。符号20、21はボルトであり、吸入吐出部１は
ケーシング２に上記ボルトにより取り付けられている。

第５図は、本発明である圧電ポンプの第２実施例を示
したもので一部を省略した簡略図である。本実施例の圧
電ポンプでは、拡大機構部2bを吸入吐出部１及びポンプ
部1aの真横に配置した圧電ポンプである。

前記拡大機構部2bは、先端にダイアフラム９を支持す
る支持部材７を取り付けたレバー14を有する板バネ15を
取り付けたＬ形固定部材12と、上端は前記Ｌ形固定部材
12に固定するとともに、下端は前記レバー14に接触する
ように取り付けた縦効果型圧電アクチュエータ11と、上
端は前記Ｌ形固定部材12に固定するとともに下端は前記
レバー14に接続するように取り付けたスプリング13とか
らなる拡大機構部とした。

このように、拡大機構部2bを吸入吐出部１及びポンプ
部1aの真横に配置することにより、本例の圧電ポンプを
コンパクト化することができるのである。本実施例の吸
入吐出部１の縦断面図は、第１図に示した図と同じであ
る。

第６図は本発明の第３実施例の蓋体１の縦断面図であ
る。本実施例では吸入口３側の吸入側中空部５内に中空
の吸入側下突出筒3bを設けるとともに、吐出側中空部６
内にもまた中空の吐出側下突出筒4bを設けた構成の圧電
ポンプである。

この様な構成にすると、吸入吐出部１をどのような向
きに向けても空気が空気貯溜部5b、6b及び吸入側貯溜部
5c、吐出側貯溜部6cに溜るので空気貯溜部を有する圧電
ポンプとしての性能が損われることがなく、流路の途中
のどこでも配置できる。

第７図は、本発明である圧電ポンプの第４実施例を示
した図であり、一部を省略した簡略図である。本例の圧
電ポンプは、ポンプ室８のあるポンプ部11aを縦方向即
ち垂直に配置するとともに、拡大機構部2bを前記ポンプ
部1aの真横に配置した構成の圧電ポンプである。

ポンプ部1aの前記ポンプ室８の下方に弁をボール弁と
した吸入側逆止弁5aを設け、前記吸入側逆止弁5aの下方
に上突出筒3aが垂設されている吸入側中空部５を設ける
とともに、前記ポンプ室８の上方に弁をボール弁とした
吐出側逆止弁6aを設け、前記吐出側逆止弁6aの上方に上
突出筒4aが垂設されている吐出側中空部６を設けた構成
のポンプ部である。

そして、上突出筒3aの外側には吸入側貯溜部5cが形成
され、上突出筒4aの外側には吐出側貯溜部6cが形成され
ている。

本実施例では、吸入口３側の吸入側中空部５と吸入側
逆止弁5aとは別体で接合されている。同様に、吐出側中
空部６と吐出側逆止弁6aとは別体で接合されている。

ポンプ部1aの真横に設置された拡大機構部1aは、上端
にダイアフラム９を支持する支持部材７を取り付けたレ
バー14を有する板バネ15及び係止部材27aを取り付けた
Ｌ形固定部材12と、上端は前記Ｌ形固定部材12に固定す
るとともに下端は前記レバー14の側面に接触するように
取り付けた縦効果型圧電アクチュエータ11と、前記支持
部材7cと前記係止部材27a間に係止されたスプリング13
とからなる拡大機構部である。

第８図及び第９図は、第４実施例である圧電ポンプに
取り付けられる第５実施例の吐出部及び吸入部の断面図
である。即ち、第８図は吸入側の構造を示し、第９図は
吐出側の構造を示した断面図である。

第８図は、吸入口側の中空部と吸入口側の逆止弁が一
体に形成された場合の縦断面図である。即ち、吸入口３
側の空気貯溜部5cが設けられている中空部５と吸入口３
側の吸入側逆止弁5aが一体に形成されている場合を示し
た図である。前記中空部５内には突出筒3aが垂設されて
いて、前記突出筒3aの外側に空気貯溜部5cが形成されて
いる。前記逆止弁５は球体である。

第９図は、吐出口４側の中空部と吐出口４側の吐出側
逆止弁6aが一体に形成された場合の縦断面図である。即
ち、吐出口４側の空気貯溜部6cが設けられている中空部
６内に吐出４側の吐出側逆止弁6aがある場合を示した図
である。前記中空部６内には突出筒4aが垂設されてい
て、前記突出筒4aの外側に空気貯溜部6cが形成されてい
る。吐出側逆止弁6aは球体である。

［発明の効果］ 本発明は以上の構成であるから縦効果型圧電アクチュ
エータを用いた圧電ポンプとした為に、正確な送量を得
ることができ、良好な制御性を持つとともに、大きな送
量を得ることができるとの効果がある。

また、縦効果型圧電アクチュエータを用いると共に、
中空部に空気貯溜部を設けることにより吸入圧力、吐出
圧力の変動を緩和させて、正確な流量、良好な制御性及
び大きな送量を得ることができるとの効果がある。

更に、第10図の表に示すように、空気貯溜部はポンプ
室からの圧力の変動を空気貯溜部内の空気が膨張、収縮
することにより緩和し、流体の流れを平滑にし、不要な
繰返し運動がないのでエネルギーのロスが少なくなり、
ポンプ室の周波数と流量特性は高い周波数までリニアに
のび、流量が増加するとの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は第１
図中のＡ−Ｂ線の縦断面図、第３図は本発明に使用され
ているダイアフラムの縦断面図、第４図は他の実施例の
ダイアフラムの縦断面図、第５図は本発明の第２実施例
を示した簡略図、第６図は本発明の第３実施例の吸入吐
出部のみの縦断面図、第７図は本発明の第４実施例を示
した簡略図、第８図は本発明の第５実施例に使用される
空気貯溜部と吸入側逆止弁が一体に形成された部分の縦
断面図、第９図は本発明の第５実施例に使用される空気
貯溜部及び吐出側逆止弁が一体に形成された部分の縦断
面図、第10図は周波数と１秒当りの流量を示したグラフ
である。 １……吸入吐出部 1a……ポンプ部 ２……ケーシング 2a……ケーシング内 2b……拡大機構部 ３……吸入口 3a……吸入側上突出筒 3b……吸入側下突出筒 ４……吐出口 4a……吐出側上突出筒 4b……吐出側下突出筒 ５……吸入側中空部 ６……吐出側中空部 5a……吸入側逆止弁 5b、5c……空気貯溜部 6a……吐出側逆止弁 6b、6c……空気貯溜部 ７……コ状支持部材 7a……左支持部 7b……右支持部 7c……支持部材 ８……ポンプ室 ９……ダイアフラム 9a……基部 9b……基板 10……被膜 10〜10c……突部 11……縦効果型圧電アクチュエータ 12……Ｌ形固定部材 13……スプリング 14……レバー 15……板バネ 16〜19……オーリング 20〜24……ボルト 25……一端 26……ボルト 27……支持部材 27a……係止部材 28〜31……ボルト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井川 博之 東京都大田区南久が原１丁目13番６号 株式会社日本計器製作所内 (56)参考文献 特開 昭62−172517（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−79112（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−108890（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−57385（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−103580（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−117332（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F04B 43/04 F04B 11/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸入口の下方には吸入側上突出筒を垂設し
   底には吸入側逆止弁を設けた吸入側中空部と、吐出口の
   下方には吐出側上突出筒を垂設し底には吐出側逆止弁を
   設けた吐出側中空部とからなる吸入吐出部と、 前記吸入吐出部の下方に、表面には複数の突部が、背面
   には断面形状が半円形状の溝部が形成され、伸縮自在の
   弾性部材の被膜が形成されているダイアフラムを取り付
   けポンプ室を形成したポンプ部と、 前記ポンプ部の下方に、レバーを有する板バネ及び縦効
   果型圧電アクチュエータが固定されているＬ形固定部材
   の前記レバーの先端に左右支持部からなるコ状支持部材
   を支持部材を介して取り付け、前記支持部材の下端と前
   記Ｌ形固定部材間にスプリングを係止させ、前記ダイヤ
   フラムの上下動を拡大させる拡大機構部とからなること
   を特徴とする圧電ポンプ。
2. 【請求項２】吸入側中空部には吸入側下突出筒を、吐出
   側中空部にき吐出側下突出筒を設けたことを特徴とする
   請求項１記載の圧電ポンプ。
3. 【請求項３】拡大機構部を、先端にダイアフラムを支持
   する支持部材を取り付けた板バネを有する板バネを取り
   付けたＬ形固定部材と、上端は前記Ｌ形固定部材に固定
   するとともに下端は前記レバーに接触するように取り付
   けた縦効果型圧電アクチュエータと、上端は前記Ｌ形固
   定部材に固定するとともに下端は前記レバーに接触する
   ように取り付けたスプリングとからなる拡大機構部と
   し、前記拡大機構部を吸入吐出部及びポンプ部の真横に
   配置したことを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
4. 【請求項４】ポンプ部のポンプ室を縦方向に配置し、前
   記ポンプ室の下方には弁をボール弁とした吸入側逆止弁
   を設けられているとともに前記吸入側逆止弁の下方に吸
   入側上突出筒が垂設され、前記吸入側上突出筒の外側に
   空気貯溜部がある吸入側中空部を設け、前記ポンプ室上
   方には弁をボール弁とした吐出側逆止弁を設けるととも
   に前記吐出側逆止弁の上方に吐出側上突出筒が垂設さ
   れ、前記吐出側上突出筒の外側に空気貯溜部がある吐出
   側中空部を設けたポンプ室の真横に、上端にダイアフラ
   ムを支持する支持部材を取り付けたレバーを有する板バ
   ネ及び係止部材を取り付けたＬ形固定部材と、上端は前
   記Ｌ形固定部材に固定するとともに下端は前記レバーの
   側面に接触するように取り付けた縦効果型圧電アクチュ
   エータと、前記支持部材と前記係止部材間に係止された
   スプリングとからなる拡大機構部を前記ポンプ部の真横
   に配置したことを特徴とする圧電ポンプ。
5. 【請求項５】吸入側逆止弁と吸入側中空部、吐出側逆止
   弁と吐出側中空部を一体としたことを特徴とする請求項
   ４記載の圧電ポンプ。