【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、医療機器、産業機器、理化学機器等に用いられる圧電ポンプ、特に小型圧電ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１を参照して従来の圧電ポンプを説明すると、ケーシング１の内周面に設けられた固定用シールド材４を介して圧電振動子３の周辺部を密封支持し、この圧電振動子３に交流電圧ｅを印加して当該圧電振動子３を振動させることにより流体を吸込口６より吸込用チェック弁２を通してポンプ室内に吸い込み、このポンプ室内に吸い込んだ流体を吐出用チェック弁２´を通して吐出口６´より吐出するように構成されている。
【０００３】
現在、直径が５０ｍｍ程度の円盤状圧電振動子を用いた圧電ポンプが主流であるが、圧電ポンプに対するより一層の小型化が強く望まれており、そのための手段として、円盤状圧電振動子の直径を４０ｍｍ以下と小さくし、相対的に小さくした上記のケーシング中に圧電振動子を装着していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電ポンプの小型化に関してその設計指針は明らかになっておらず、従来サイズの圧電ポンプのケーシングを相対的に小型化しただけの設計指針であるため、期待される値に対して十分なポンプ性能が得られない、または駆動中に圧電振動子が破損する、等の問題が生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述のような現状に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ケーシング内に装着された状態での圧電振動子の静電容量は装着前の静電容量に対して低下するが、このような小型ポンプにおいてはその低下の度合は圧電振動子の装着状態及び圧電ポンプの性能を把握する上で極めて有効な指標であることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は円盤状の圧電振動子の周辺部を、外径が圧電振動子の径に一致し、かつ内径が圧電振動子の径の８０％以上であるシールド材を取り付けた平板状ケーシングで挟み込むことにより固定し、その平板状ケーシングの片側に流体吸込口及び流体吐出口を設け、これら各々に吸込用、吐出用チェック弁を設けてなる圧電ポンプにおいて、ケーシング内に装着された上記圧電振動子の静電容量が商用電源周波数において装着前の当該圧電振動子の静電容量の９０％以上であることを特徴とする小型圧電ポンプを要旨とするものである。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
小型圧電ポンプにおける上記の問題点を解決するため、本発明ではケーシング内に装着された上記圧電振動子の静電容量は、商用電源周波数において装着前の当該圧電振動子の静電容量の９０％以上でなければならない。静電容量が９０％未満の場合、圧電振動子の振幅は著しく抑制されることを示し、結果として十分なポンプ特性が得られない。更に、極端な場合には駆動中に圧電振動子が破損してしまうことがある。圧電振動子の静電容量はポンプのケーシング内に装着する前の値に近いほど好ましいが、１００％に近付きすぎる場合、例えば９９％以上では圧電振動子と固定用シールド材の密着性が劣っていることを意味し、そのため流体の漏れを生じることがあるので、ケーシング内に装着後の圧電振動子の静電容量は、装着前の静電容量の９８％以下であることがより望ましい。
【０００９】
ここで用いる圧電振動子を構成する圧電体としては、セラミックス系、有機系のものが使用でき、具体的には、セラミックス系ではチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等、有機系ではポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。これらの圧電振動子は電気的に絶縁体とするため、その表面にエポキシ樹脂等の絶縁塗料を塗布してもよい。
【００１０】
また、チェック弁としては流体の吸込時および吐出時にそれぞれ開くものであれば特に規定はないが、ダックビル型弁、アンブレラ型弁等を用いることができる。
【００１１】
この圧電体の誘電率は３０００以上、電気機械結合係数Ｋｐは５０％以上が好ましい。誘電率が３０００未満、あるいは電気機械結合係数Ｋｐが５０％未満であると、変位量、発生力が低下し、ポンプの吐出流量、吐出圧力が低下する場合がある。
【００１２】
圧電振動子の直径は、圧電ポンプの小型化という観点から５０ｍｍ以下、特に４０ｍｍ以下であることが好ましい。しかしながら、その直径が小さすぎると素子特性の低下が生じ、ポンプ特性の低下につながってしまうことがある。その傾向は、直径が２０ｍｍより小さくなると現れ始めるので、好ましくは２０ｍｍ以上がよい。
【００１３】
圧電振動子の厚さは、０．８〜１．５ｍｍの範囲で、圧電ポンプ装着前の商用電源周波数における静電容量が７０〜１８０ｎＦとなるよう、上述の直径を勘案しながら選択することが好ましい。静電容量がこの範囲を外れると、素子特性の低下が生じ、ポンプ特性の低下につながってしまうことがある。
【００１４】
圧電振動子を装着するケーシングの材料は特に制限されず、ポンプの使用目的によって適宜選択すればよいが、耐薬品性などの点で例えば、ポリプロピレン、ポリアセタールなどを用いることができる。
【００１５】
また、シールド材の材質は圧電振動子との密着性が保たれれば特に制限はなく、例えば、シリコンゴムなどを例示することができる。シールド材の内径の上限は、圧電振動子の直径より小さくなければならない。しかしながら、内径が圧電振動子の直径に近すぎると、圧電振動子との密着性が保てなくなる場合が生じることがあるので、好ましくは圧電振動子の直径の８０〜９５％である。
【００１６】
シールド材の厚さは０．１〜１．０ｍｍが好ましく、厚さが０．１ｍｍ未満であるとケーシング内に圧電振動子を装着した後の当該圧電振動子の商用電源周波数による静電容量の低下が起こることがあり、この低下を抑制しようとすると圧電振動子とシールド材との密着性が悪くなるため、好ましくない。一方、厚さが１．０ｍｍを越えると、圧電振動子の素子特性が低下し、ポンプ特性の低下につながってしまうことがあるので好ましくない。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１８】
なお、本発明に示す静電容量、誘電率及び電気機械結合係数の測定にはベクトルインピーダンスメータを用いた。
【００１９】
図２は本発明の小型圧電ポンプの一実施例を示す縦断面図、図３はその上面図である。図２、図３において、１１ａ、１１ｂ、１１ｃはケーシングであり、ケーシング１１ａに吸込口１６と吐出口１６´、ケーシング１１ｂに吸込用チェック弁１２と吐出用チェック弁１２´が設けられている。このチェック弁にはアンブレラ型のものを使用した。圧電振動子１３はケーシング１１ｂと１１ｃ間の内周部に設けられた固定用シールド材１４を介して密封支持されている。ノズル部分を除いた組み立て後のケーシングのサイズは４０×３６×２０ｍｍ、ノズルは内径４ｍｍφ、長さ１０ｍｍであり、材質はポリアセタールである。
【００２０】
固定用シールド材は径方向の断面が平板状のシリコンゴム製のリングで、内径２６ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。
【００２１】
なお、このケーシング内での素子の固定はＭ３の固定用ねじ１７にてケーシングの４隅を締め付けることにより行った。
【００２２】
本実施例における圧電振動子は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＬａよりなる複合酸化物を焼結し、機械加工して得られた誘電率３９００、電気機械結合係数６４％の圧電板２枚をリン青銅板を介して接着したものを用い、直径３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、５０Ｈｚにおける静電容量は８４ｎＦである。
【００２３】
図２のケーシング内に圧電振動子を装着する時の上記固定用ねじの締め付け力を調整して、５０Ｈｚにおける圧電振動子の静電容量を８０ｎＦ（装着前の９５％、以下同じ、実施例１）、７８ｎＦ（９３％、実施例２）、７２ｎＦ（８６％、比較例１）とした小型圧電ポンプに２００Ｖ、５０Ｈｚの交流電圧を印加して２５℃の水を流通させた。このときの得られたポンプ特性を表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】
【発明の効果】
上述のように、本発明の圧電ポンプによればポンプ特性を損なわずにサイズの小型化を図ることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の圧電ポンプの構造を示す縦断面図である。
【図２】 本発明における一実施例を示す縦断面図である。
【図３】 本発明における一実施例を示す上面図である。
【符号の説明】
１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ ： ケーシング
２、１２ ： 吸込用チェック弁
２´、１２´ ： 吐出用チェック弁
３、１３ ： 圧電素子
４、１４ ： 固定用シールド材
５、１５ ： リード線
６、１６ ： 吸込口
６´、１６´ ： 吐出口
１７ ： 固定用ねじ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a piezoelectric pump used for medical equipment, industrial equipment, physics and chemistry equipment, and more particularly to a small piezoelectric pump.
[0002]
[Prior art]
A conventional piezoelectric pump will be described with reference to FIG. 1. A peripheral portion of the piezoelectric vibrator 3 is hermetically supported via a fixing shield material 4 provided on the inner peripheral surface of the casing 1. By applying the AC voltage e to vibrate the piezoelectric vibrator 3, the fluid is sucked into the pump chamber from the suction port 6 through the suction check valve 2, and the fluid sucked into the pump chamber is discharged through the discharge check valve 2 '. It is comprised so that it may discharge from outlet 6 '.
[0003]
At present, piezoelectric pumps using disk-shaped piezoelectric vibrators with a diameter of about 50 mm are the mainstream, but further miniaturization of piezoelectric pumps is strongly desired, and as a means for that purpose, the diameter of disk-shaped piezoelectric vibrators is strongly desired. Was reduced to 40 mm or less, and the piezoelectric vibrator was mounted in the relatively small casing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the design guideline regarding the miniaturization of the piezoelectric pump has not been clarified, and the design guideline is only a relatively small size of the casing of the piezoelectric pump of the conventional size. There has been a problem that the pump performance cannot be obtained or the piezoelectric vibrator is broken during driving.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In view of the current situation as described above, the present inventors have conducted extensive studies, and as a result, the capacitance of the piezoelectric vibrator in a state of being mounted in the casing is lower than the capacitance before mounting, In such a small pump, the degree of the decrease was found to be an extremely effective index for grasping the mounting state of the piezoelectric vibrator and the performance of the piezoelectric pump, and the present invention was completed.
[0006]
That is, the present invention provides a flat casing having a disk-shaped piezoelectric vibrator having a peripheral portion attached with a shield material having an outer diameter equal to the diameter of the piezoelectric vibrator and an inner diameter of 80% or more of the diameter of the piezoelectric vibrator. In the piezoelectric pump in which a fluid suction port and a fluid discharge port are provided on one side of the flat casing, and a suction check valve and a discharge check valve are provided on each side of the flat casing, the piezoelectric pump mounted in the casing is provided. The gist of the present invention is a small piezoelectric pump characterized in that the capacitance of the vibrator is 90% or more of the capacitance of the piezoelectric vibrator before mounting at the commercial power supply frequency.
[0007]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0008]
In order to solve the above-mentioned problems in the small piezoelectric pump, in the present invention, the capacitance of the piezoelectric vibrator mounted in the casing is 90% of the capacitance of the piezoelectric vibrator before mounting at the commercial power frequency. It must be more than that. When the capacitance is less than 90%, it indicates that the amplitude of the piezoelectric vibrator is remarkably suppressed, and as a result, sufficient pump characteristics cannot be obtained. Furthermore, in extreme cases, the piezoelectric vibrator may be damaged during driving. The capacitance of the piezoelectric vibrator is preferably as close as possible to the value before mounting in the casing of the pump. However, if it is too close to 100%, for example, 99% or more, the adhesion between the piezoelectric vibrator and the fixing shield material is inferior. Therefore, it is more desirable that the capacitance of the piezoelectric vibrator after mounting in the casing is 98% or less of the capacitance before mounting.
[0009]
As the piezoelectric body constituting the piezoelectric vibrator used herein, ceramic or organic materials can be used. Specifically, lead titanate, lead zirconate titanate, etc. are used in ceramics, and polyvinylidene fluoride is used in organic systems. Etc. Since these piezoelectric vibrators are electrically insulating, an insulating paint such as an epoxy resin may be applied to the surface thereof.
[0010]
The check valve is not particularly limited as long as it opens at the time of fluid suction and discharge, but a duckbill type valve, an umbrella type valve, or the like can be used.
[0011]
This piezoelectric body preferably has a dielectric constant of 3000 or more and an electromechanical coupling coefficient Kp of 50% or more. If the dielectric constant is less than 3000 or the electromechanical coupling coefficient Kp is less than 50%, the displacement amount and the generated force may decrease, and the pump discharge flow rate and discharge pressure may decrease.
[0012]
The diameter of the piezoelectric vibrator is preferably 50 mm or less, particularly 40 mm or less from the viewpoint of miniaturization of the piezoelectric pump. However, if the diameter is too small, the device characteristics may be deteriorated, leading to deterioration of the pump characteristics. Since the tendency starts to appear when the diameter is smaller than 20 mm, it is preferably 20 mm or more.
[0013]
The thickness of the piezoelectric vibrator is in the range of 0.8 to 1.5 mm, and can be selected in consideration of the above-mentioned diameter so that the capacitance at the commercial power source frequency before mounting the piezoelectric pump is 70 to 180 nF. preferable. If the capacitance is outside this range, the device characteristics may be deteriorated, leading to deterioration of the pump characteristics.
[0014]
The material of the casing on which the piezoelectric vibrator is mounted is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose of use of the pump. For example, polypropylene and polyacetal can be used in terms of chemical resistance.
[0015]
The material of the shield material is not particularly limited as long as the adhesion with the piezoelectric vibrator is maintained, and examples thereof include silicon rubber. The upper limit of the inner diameter of the shield material must be smaller than the diameter of the piezoelectric vibrator. However, if the inner diameter is too close to the diameter of the piezoelectric vibrator, the adhesiveness with the piezoelectric vibrator may not be maintained in some cases. Therefore, it is preferably 80 to 95% of the diameter of the piezoelectric vibrator.
[0016]
The thickness of the shield material is preferably 0.1 to 1.0 mm, and if the thickness is less than 0.1 mm, the electrostatic capacity of the piezoelectric vibrator after the piezoelectric vibrator is mounted in the casing according to the commercial power supply frequency. There is a case where a decrease occurs, and it is not preferable to suppress the decrease because the adhesion between the piezoelectric vibrator and the shield material is deteriorated. On the other hand, if the thickness exceeds 1.0 mm, the element characteristics of the piezoelectric vibrator are deteriorated, which may lead to deterioration of the pump characteristics.
[0017]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated using an Example, this invention is not limited to these.
[0018]
In addition, the vector impedance meter was used for the measurement of the electrostatic capacitance, the dielectric constant, and the electromechanical coupling coefficient shown in the present invention.
[0019]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the small piezoelectric pump of the present invention, and FIG. 3 is a top view thereof. 2 and 3, reference numerals 11a, 11b, and 11c denote casings. The casing 11a is provided with a suction port 16 and a discharge port 16 ', and the casing 11b is provided with a suction check valve 12 and a discharge check valve 12'. An umbrella type valve was used for this check valve. The piezoelectric vibrator 13 is hermetically supported via a fixing shield member 14 provided on the inner periphery between the casings 11b and 11c. The assembled casing excluding the nozzle portion has a size of 40 × 36 × 20 mm, the nozzle has an inner diameter of 4 mmφ, a length of 10 mm, and is made of polyacetal.
[0020]
The fixing shield material is a ring made of silicon rubber having a flat cross section in the radial direction, and has an inner diameter of 26 mm, an outer diameter of 30 mm, and a thickness of 0.3 mm.
[0021]
The element was fixed in the casing by tightening the four corners of the casing with M3 fixing screws 17.
[0022]
The piezoelectric vibrator in this example is a composite oxide composed of Pb, Zr, Ti and La, sintered and machined, and two piezoelectric plates having a dielectric constant of 3900 and an electromechanical coupling coefficient of 64% are phosphorous. A material bonded through a bronze plate is used, and the capacitance at a diameter of 30 mm, a thickness of 1.0 mm, and 50 Hz is 84 nF.
[0023]
By adjusting the tightening force of the fixing screw when the piezoelectric vibrator is mounted in the casing of FIG. 2, the capacitance of the piezoelectric vibrator at 50 Hz is 80 nF (95% before mounting, the same applies hereinafter, Example 1) ), 78 nF (93%, Example 2), 72 nF (86%, Comparative Example 1) were applied to an AC voltage of 200 V and 50 Hz through a small piezoelectric pump, and water at 25 ° C. was circulated. The pump characteristics obtained at this time are shown in Table 1.
[0024]
[Table 1]
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric pump of the present invention, the size can be reduced without impairing the pump characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a conventional piezoelectric pump.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a top view showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 11a, 11b, 11c: Casing 2, 12: Suction check valve 2 ', 12': Discharge check valve 3, 13: Piezoelectric element 4, 14: Fixing shield material 5, 15: Lead wires 6, 16 : Suction port 6 ', 16': Discharge port 17: Fixing screw
