JP4419790B2 - 圧電ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いたダイヤフラムポンプに関するものである。

従来の圧電ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラム板のたわみが増減し、ポンプの筐体内部の空間の容積が増減することで吸入側の弁より動作流体を吸入し、吐出側の弁より動作流体を吐出する。ダイヤフラム板のたわみの増減は、円盤状の圧電素子の両面に設けられた電極に電圧が印加されることにより、圧電素子が変形することで実現される。

一般に、ポンプによる液体吐出用途の一つとして、燃料電池へのアルコールの微少量供給や、静電噴霧する水の供給などが挙げられる。これらの用途では、吐出先の液体の液面状態や表面位置が重要な問題となるため、吐出液体の流量は安定していることが望ましい。しかし、ダイヤフラムポンプ等の往復動ポンプでは、吸入行程と吐出行程が交互に行われることで動作するため、一般に脈動量が大きくなる。

この往復動ポンプにおける脈動量を小さくするための技術として、例えば特許文献１に開示されるように、プランジャ往復動型液体クロマトグラフ用ポンプにおいて、プランジャの液体吐出行程時間を液体吸入行程時間に比較して短くし、液体の脈動を小さくするプランジャ動作制御手段がある。なお、この特許文献１の従来技術として、送液ポンプにおいて、吸入行程時間を吐出行程時間に比べて短くすることが示されている。

また、ポンプではないが、例えば、特許文献２に開示されるように、一般に管路を流れる流体の脈動を低減させるための技術として、流体の脈動とは逆位相で同振幅の反転信号を出力し、該反転信号に応じて、管路の流体が導入される流体室に配された圧力調節部材に、脈動を打ち消す圧力変化を生じさせるように変位を与えるとともに、該圧力調節部材を流体の静圧に抗する方向に付勢する静圧低減手段が知られている。
特開昭６４−３２１６３号公報 特開平６−１０１７９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に示されるように、吐出行程時間を短くすると、ダイヤフラムポンプにおいては脈動がむしろ目立つことになり、また、同文献１の従来技術としての記載は、プランジャ式のポンプではキャビテーションの問題があることを説明するものであって、ダイヤフラム式のポンプで適用されるものではない。また、特許文献２に示される技術は、ダイヤフラム式ポンプにそのまま適用できるものではない。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、圧電素子に印加する電圧の制御方法を変更することで、吐出流体の脈動を低減することができる圧電ダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、平板形状の圧電素子と、前記圧電素子の一面に配された導電部材よりなる電極層と、前記圧電素子の他面を覆うように接合され、圧電素子の変形に応じて弾性変形可能な導電部材よりなるダイヤフラム板と、前記ダイヤフラム板の圧電素子が接合された面の反対面を覆うように配された絶縁層と、前記ダイヤフラム板の端部近傍を保持し、前記絶縁層の下面に気体または液体でなる流体を圧縮するための空間を持ち、該空間に連通して前記流体を該空間に吸入する吸入口および前記流体を該空間から吐出する吐出口とを持つ筐体と、前記電極層と前記ダイヤフラム板の間に電圧を印加することにより圧電素子を変形させて前記流体の吸入時間および吐出時間を制御する制御部とを備えた圧電ダイヤフラムポンプにおいて、前記ダイヤフラム板は、圧電素子の接合に因り、電圧を印加していない初期状態において前記空間が膨らんだ方向に湾曲しており、電圧印加により空間内の流体を吐出するように構成されており、前記制御部は、流体吸入のための電圧印加時間よりも流体吐出のための電圧印加時間が長くなるように設定し、流体吐出時に印加する電圧の上昇が矩形波形よりも上昇速度が低くなるように制御可能であり、該電圧の下降が矩形波形の下降速度となるように設定したものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御部を、吐出時に印加する電圧の上昇が積分波形の電圧となるように設定したものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記制御部を、吐出時に印加する電圧の上昇が階段状のステップ波形の電圧となるように設定したものである。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記制御部を、吐出時に印加する電圧の上昇が三角波形の電圧となるように設定したものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項の発明において、前記制御部は、吐出時に印加する電圧を、ポンプの始動開始時には矩形波形に、定常状態時には矩形波形よりも上昇速度が低い波形に切替え可能とする回路を備えたものである。請求項６の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項の発明において、前記制御部は、流体の種類に応じて、吐出時に印加する電圧を、矩形波形よりも上昇速度が低く、互いに上昇速度が異なる複数の波形のいずれかに切替え可能とする回路を備えたものである。

請求項１の発明によれば、圧電ダイヤフラムポンプの流体吐出時間が長くなることから、一定の吐出流量としたとき、流体吸入のための電圧印加時間と流体吐出のための電圧印加時間が等しいときと比べて、吐出時間が長くなる分、吐出流の脈動量を低減することができる。ダイヤフラムポンプにおいては、動作周波数をプランジャ式などのポンプに比べて高くすることができるので、一回当りの吸入と吐出の流量が少なくても、時間当たりの流量は通常用途での所要量が得られ、吸入の脈動量が大きくなってもキャビテーションの発生は少ない。従って、吸入時間を吐出時間に比べ相対的に短くしても問題はない。

また、圧電ダイヤフラムポンプにおいて、電圧を印加していない初期状態でダイヤフラム板はポンプ内の空間が膨らんだ方向に湾曲しており、この状態から電圧印加によりフラットに戻るように変位することで空間内の流体を吐出し、ダイヤフラム板自体の復元力で元の状態に戻るときに流体を吸入する。ここに、電圧を印加する吐出時間の方が電圧を印加しない吸入時間より長いことで、吐出側の脈動を低減することが容易となる。

請求項２の発明によれば、電圧印加に対する圧電素子の変形は緩やかに起こり、流体の吐出流量は急激に増加することなく徐々に増加していくため、吐出時に矩形波形の電圧を印加したときと比べて吐出流体の脈動を小さくすることができる。

請求項３の発明によれば、電圧印加に対して圧電素子は段階的に変形し、瞬間吐出流量は直接吐出時電圧を印加したときと比べて小さくなり、吐出流体の脈動を小さくすることができる。

請求項４の発明によれば、電圧印加に対する圧電素子の変形は緩やかに起こり、瞬間吐出流量が平均的となって平均吐出流量との乖離も小さくなるので、吐出時に矩形電圧を印加したときと比べて吐出流体の脈動を小さくすることができる。

請求項５及び請求項６の発明によれば、構造を変更することなく粘度の異なる複数の流体に対応可能となり、また、ポンプの作動開始時には流体搬送効率の良い矩形波形の電圧を印加して流体吐出までの時間を短縮させ、定常状態においては積分波形等の印加電圧を用いて脈動の少ない吐出流を得ることができ、より効率的に請求項１の発明の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて、図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態による圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す。圧電ダイヤフラムポンプは、平板形状の圧電素子１と、圧電素子１の一面に配された導電部材よりなる電極層２と、圧電素子１の他面を覆うように接合され、圧電素子１の変形に応じて弾性変形可能な導電部材よりなるダイヤフラム板３と、ダイヤフラム板３の圧電素子１が接合された面の反対面を覆うように配された絶縁層３ａと、ダイヤフラム板３の端部近傍を保持し、絶縁層３ａの下面に気体または流体を圧縮するための空間４と、該空間４に連通した吸入口７ｃおよび吐出口７ｄとを備えた筐体５と、電極層２とダイヤフラム板３に接続された電極１０の間に電圧を印加することにより、圧電素子１を変形させて吸入・吐出時間を制御する制御部６を備える。

本実施形態では、円形の真鍮製のダイヤフラム板３上に円形の圧電素子（ＰＺＴ）１が貼り付けられ、前記ダイヤフラム板３は、円形に成形されたプラスチック、例えばポリアセタール（ＰＯＭ）やポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリフェニルスチレン（ＰＰＳ）等からなる筐体５に固定される。圧電素子１の寸法は、例えば直径１４ｍｍ、厚み０．１３ｍｍであり、ダイヤフラム板３は、例えば直径２０ｍｍ、厚み０．１０ｍｍの真鍮板である。

吸入口７ｃ、吐出口７ｄにはそれぞれ連通して吸入弁７ａ、吐出弁７ｂが接続される。これらの弁は筐体５と弁押え８との間に配置される。弁部分の構造に関しては本発明で限定するものではないが、例えば弁前後の圧力差により開閉するゴム製の片持ち弁を用いることが可能である。吸入される流体は、流体容器１２から吸入管路１１ａを経て吸入口７ｃよりポンプに吸入される。吐出される流体は、吐出口７ｄより吐出管路１１ｂを経て吐出される。

また、本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプの製造工程において、ダイヤフラム板３上に圧電素子１が接着（接合）されるが、このときダイヤフラム板３が熱収縮し、ダイヤフラム板３は湾曲した状態となる。圧電素子１に電圧が印加されていない初期状態においては、ダイヤフラム板３は空間４が膨らんだ方向となるように筐体５に固定される。

図２（ａ）（ｂ）は圧電素子１の電圧印加による変形を説明する図である。ここでは、圧電素子１の厚み方向を上下方向として示し、＋−は分極方向を示す。図１に示した電極層２とダイヤフラム板３に設けられた電極１０間に電圧を印加することで、圧電素子１の厚み方向に電界（白抜き矢印）が発生し、この電界により圧電素子１は黒矢印方向に変形する。図２（ａ）のように正電圧を印加し電界の向きが圧電素子１の分極の向きと同じ方向となるとき、圧電素子１は厚み方向に伸び、径方向に縮む。逆に、図２（ｂ）のように負電圧を印加し電界の向きが圧電素子１の分極の向きと逆方向となるとき、圧電素子１は厚み方向に縮み、径方向に伸びる。

図３（ａ）（ｂ）は本実施形態による圧電ダイヤフラムポンプの動作を示す。同ダイヤフラムポンプは、図１に示したように電圧を印加していない初期状態から、正電圧を印加すると、圧電素子１は径方向に縮むが、ダイヤフラム板３は伸びないため、図３（ａ）のように圧電素子１の変形に伴ってダイヤフラム板３のたわみが減少する。これにより、絶縁層３ａと筐体５によって構成されている空間４の体積が減少して空間４内の圧力が増加し、吸入弁７ａが閉じて吐出弁７ｂが開き、吐出行程となり、吐出口７ｄより流体を吐出する。

上記のように正電圧を印加した状態から、印加電圧を接地電圧とすると、ダイヤフラム板３は、図３（ｂ）のようにダイヤフラム板３自身の復元力によって初期状態の形状まで戻る。つまり、ダイヤフラム板３のたわみが増加することにより、空間４の体積が増加して空間４内の圧力が減少し、吐出弁７ｂが閉じて吸入弁７ａが開き、吸入行程となり、吸入口７ｃより流体を吸入する。

ここで、印加電圧を正電圧と接地電圧の交番電圧としたとき、ダイヤフラム板３は厚み方向に振動し、ポンプは前記吐出行程と前記吸入行程を交互に繰り返す。交番電圧の周波数（駆動周波数）が低い時には、吐出のための電圧を印加したとき、圧電素子１が急激に変形するため、吐出される流体は電圧の印加直後が最も流量が多く、吐出によりポンプ内部の流体が減少することにより瞬間の流量は徐々に減少していき、ほぼ零に収束する。その後、印加電圧が接地電圧となると、吸入行程が始まり、吐出行程と同様に、流体の瞬間吸入量は印加電圧を接地電圧とした瞬間がもっとも大きく、その後、徐々に減少していく。

駆動周波数を増加させていくと、瞬間の吸入流量または吐出流量が減少して零となった瞬間に逆方向の電圧が印加される状態となる。この場合がポンプを流れる流体の流量が最も大きくなる。被駆動流体が水である場合、駆動周波数が約４０Ｈｚで最も流体流量が大きくなる。駆動周波数を上記より高くすると、吐出行程において瞬間の吐出流量が零となる前に吸入行程に移る。このとき、ポンプを流れる流体の流量は、上記の場合よりも減少し、印加した電圧により期待される流量は確保されない。

次に、圧電素子１に印加する電圧波形の例について、図４〜図７を参照して説明する。

図４は、請求項１の発明に係る実施例１における印加電圧の波形と、同時刻でのポンプを流れる流体の流量を模式的に示す。本実施例では、印加電圧は＋１２０Ｖと０Ｖの交番電圧とし、図４に実線にて示されるようなＤｕｔｙ比（正電圧印加時間比）が７０％とした電圧を用いる。図４において時刻ｔ１に＋１２０Ｖの電圧を印加したときにポンプは吐出行程を開始し、時刻ｔ３に０Ｖの電圧を印加した時にポンプは吸入行程を開始する。印加する交番電圧の周波数を１００Ｈｚとすると、図４の時刻ｔ３から時刻ｔ４に示される吸入電圧印加時間は３ｍｓとなる。時刻ｔ１から時刻ｔ３に示される吐出電圧（０Ｖ）印加時間は７ｍｓであり、この時間で完全に吐出が終了するような条件を設定することで、ポンプの平均流量が最も大きくなるため、最大流量と平均流量との差が最も小さくなり吐出流の脈動を小さくすることができる。

このための条件は、例えば吐出側の流路抵抗を吸入側よりも大きくして、流体を完全に吐出するのに要する時間を電圧の印加時間と一致させ、また吸入側の流路抵抗を小さくし、吸入に要する時間を電圧の印加時間と一致させることで設定できる。このとき、吸入流量波形は図４の実線のようになり、時刻ｔ３に最大となる瞬間吸入流量は、破線にて示したようなＤｕｔｙ比が５０％のときの、時刻ｔ２に最大となる瞬間吸入流量と比較して大きくなるが、この吸入側の脈動は吐出側の脈動には影響しない。また、ダイヤフラムポンプにおいては、動作周波数をプランジャ式などのポンプに比べて高くすることができるので、一回当りの吸入と吐出の流量が少なくても、時間当たりの流量は、例えば液体噴霧装置などに液体を供給するなど、通常の用途での所要量が得られ、吸入の脈動量が大きくなってもキャビテーションの発生は少ない。したがって、吸入時間を吐出時間に比べ相対的に短くしても問題はない。

図５は、請求項２の発明に係る実施例２における印加電圧の波形と、同時刻でのポンプを流れる流体の流量を模式的に示す。本実施例では、印加電圧は＋１２０Ｖと０Ｖの交番電圧とし、図５に実線で示されたような積分波形の電圧とする。このような波形は、例えば電圧印加時に高電圧と圧電素子電極の中間に適切な抵抗を挿入するか、あるいはトランジスタにより印加電圧をコントロールすることにより実現可能であるが、実現手段はこれに限定されない。矩形波形の印加電圧を用いると、吐出直後の瞬間流量が大きくなる問題があったが、本実施例では図５の実線に示されるように、時刻ｔ１から時刻ｔ３まで吐出時に印加する電圧が連続的に増加することにより、電圧印加に対する圧電素子の変形は緩やかに起こるため、吐出流量は急激に増加することなく徐々に増加する。時刻ｔ３から時刻ｔ４の間は吸入電圧印加時間である。こうして、矩形波形の印加電圧を用いたときより瞬間吐出流量の最大値が小さくなるため、吐出流の脈動が小さくなる。また、吐出電圧を印加する時間割合が大きいため、最終的な吐出流量は、矩形電圧を印加するときと同等の流量が得られる。

図６は、請求項３の発明に係る実施例３における印加電圧の波形と、同時刻でのポンプを流れる流体の流量を示す。本実施例において、吸入時電圧を０Ｖ、吐出時電圧を＋１２０Ｖに定める。図６の時刻ｔ１以前の印加電圧が０Ｖである状態において、時刻ｔ１より、吸入時電圧と吐出時電圧の中間の電圧として＋６０Ｖを印加した後、時刻ｔ２より印加電圧を＋１２０Ｖまで上昇させる。つまり、吐出時に段階上のステップ波形の電圧を印加する。時刻ｔ１における圧電素子１の初期状態からの変形量は、時刻ｔ１に＋１２０Ｖの電圧を印加したときより小さくなるため、図６の実線で示されるように、瞬間的な吐出流量は＋１２０Ｖを印加したときより少なくなる。この定常状態を時刻ｔ１から時刻ｔ２まで一定時間維持することで、瞬間の流量はこの時間徐々に減少する。その後、時刻ｔ２から＋１２０Ｖを印加したときの圧電素子１の変形は、＋６０Ｖ印加時の状態からの変形量となるため、やはり瞬間吐出流量は０Ｖから直ぐに＋１２０Ｖを印加するときよりも小さくなる。これらの結果として、吸入時電圧と吐出時電圧の間の電位を、吐出行程中に挿入することで、矩形波形の印加電圧を用いたときより瞬間吐出流量の最大値が小さくなるため、吐出流体の脈動は減少することになる。

図７は、請求項４の発明に係る実施例４における印加電圧の波形と、同時刻でのポンプを流れる流体の流量を模式的に示す。本実施例において、印加電圧は＋１２０Ｖと０Ｖの交番電圧とし、図７に実線で示されたような三角波形の電圧とする。このような波形は、例えばトランジスタまたはオペアンプにより電圧の増幅を行うことによって実現可能であるが、実現手段はこれに限定されない。吐出時に矩形波形の電圧を印加したときには、吐出直後の瞬間吐出流量が大きい問題があったが、時刻ｔ１からｔ２まで吐出時に印加する電圧の上昇を一定割合にすることで、圧電素子１は緩やかに変形するので、瞬間吐出流量を平均的にすることができ、平均流量との乖離も小さくなる。つまり、矩形波形の印加電圧を用いたときより瞬間吐出流量の最大値が小さくなるため、吐出流の脈動が小さくなる。また、吐出電圧を印加する時間割合が大きいため、最終的な吐出流量は、矩形電圧を印加するときと同等の流量が得られる。

図８は、請求項５の発明に係る実施例５における回路図と、印加電圧の波形を模式的に示す。本実施例では、印加電圧の波形として、図８（ｂ）のような矩形波形と、図８（ｃ）のような積分波形を切替え可能な制御部６を持つ。この制御部６は、図８（ａ）に例示されるように、抵抗Ｒが挿入された経路（Ｙ）と挿入されていない経路（Ｘ）を切替えるスイッチＳＷと、このスイッチＳＷと電圧印加時間を制御する部位（Ｚ）とを備える。矩形波形の電圧を印加するとき、一般に流体の脈動は大きいが流量は大きい。これに対して、積分波形の電圧を印加したときは、流量は小さいが脈動は小さくなる。このことから、ポンプの始動開始時に吐出口７ｄの先端まで流体を送るときは、吐出流への脈動の影響はないため、図８（ｂ）に示した吸入効率の高い矩形波形の印加電圧で作動させて、吐出口７ｄから流体が吐出し始めた後（定常状態）は、図８（ｃ）に示した積分波形の印加電圧に切替えることで、定常状態において吐出流の脈動の低減が実現できる。

図９には、請求項５の発明に係る、実施例６における回路図と、印加電圧の波形を模式的に示す。本実施例では、印加電圧の波形として、図９（ｂ）のような電圧上昇速度が高い積分波形と、図９（ｃ）のような電圧上昇速度が低い積分波形を切替え可能な制御部６を持つ。この制御部６は、図９（ａ）に例示されるように、抵抗Ｒが挿入された経路（Ｘ）と２つの抵抗Ｒが挿入された経路（Ｙ）を切替えるスイッチＳＷと、このスイッチＳＷと電圧印加時間を制御する部位（Ｚ）とを備える。このような構成によれば、ポンプを、粘度の異なる流体として、例えば油（粘度０．０２）と水（粘度０．００１Ｐａ・ｓ）とを吐出する用途に用いる場合、粘度が２０倍異なるため、同一の電圧波形で制御すると、流量は油と水で異なるが、スイッチＳＷを切替えて、流体の粘度に合った積分波形の電圧上昇速度に変更することで、ポンプの流路径などの構造を変更することなく複数の流体の種類に対応することが可能となる。なお、図９（ｂ）は油用電圧波形であり、（ｃ）は水用電圧波形である。

図１０は、実施例７による圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す。実施例７は、上記実施例１〜実施例４において、吐出管路１１ｂの吐出口７ｄの近傍にポンプからの吐出流量の変動を測定するための流量センサ１３を配設し、制御部６によって流量センサ１３からの値を基に吸入の電圧印加時間と吐出の電圧印加時間をフィードバック制御するものである。その他の構成は図１に示したものと同等である。

本実施例において、流量センサ１３より計測された流量値が設定値よりも大きくなったとき、制御部６は吸入の電圧印加時間を短くすることにより、総流量を減少させる。また、流量が設定値よりも小さいとき、制御部６は吸入の電圧印加時間を長くすることで、総流量を増加させる。吸入と吐出の電圧印加時間比率は任意に変更可能であるが、吐出流の脈動を低減するためには吐出の印加電圧の時間割合が大きい範囲に設定しておくことが望ましい。このように、吐出流量を計測しながら吸入と吐出の電圧印加時間比率をフィードバック制御するので、吐出流の脈動を小さくしながら、安定した設定流量を確保することが可能となり、吸入の電圧印加時間が不足して流体が完全に吸入できないことによる流量の低下を防止することができる。

図１１は、実施例８による圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す。実施例８は、上記実施例１〜実施例４において、吸入管路１１ａの吸入口７ｃの近傍に流体容器１２からの吸入流量の変動を測定するための流量センサ１４を配設し、制御部６によって流量センサ１４の値を基に吸入の電圧印加時間をフィードバック制御するものである。その他の構成は図１に示したものと同等である。

本実施例において、流量センサ１４により計測された流量値が設定値よりも大きくなったとき、制御部６は吸入の電圧印加時間を短くすることにより、総流量を減少させる。また、流量が設定値よりも小さいとき、制御部６は吸入の電圧印加時間を長くすることで、総流量を増加させる。この制御は予め最適化された吐出流量の脈動低減の条件には影響しない。吐出流の脈動を低減するには、吸入と吐出の電圧印加時間比率は、実施例７と同様に設定しておくことが望ましい。このように、吸入流量を計測しながら電圧印加時間をフィードバック制御するので、吸入の電圧印加時間が不足して流体が完全に吸入できないことによる流量の低下を防止することができる。また、吐出流量の脈動を低減した最適化条件を変更することなく、吸入量（吐出量）の確保が可能となる。

図１２及び図１３は、実施例９における印加電圧の波形を模式的に示す。本実施例は、上記実施例８の構成において、制御部６にて流量センサ１４からの最大流量値を基に、図１２及び図１３に示したような定常電圧の領域を含んだ積分波形の印加電圧の、定常電圧である時間をフィードバック制御するものである。図１２は定常電圧時間を短くしたとき、図１３は定常電圧時間を長くしたときを示す。いずれも、時刻ｔ１から時刻ｔ３までが吐出の電圧印加時間であり、時刻ｔ３から時刻ｔ４までが吸入の電圧印加時間であり、吸入時電圧を０Ｖ、吐出時電圧を＋１２０Ｖに定め、吸入時電圧と吐出時電圧の中間の定常電圧として＋６０Ｖを設定し、時刻ｔ１より積分波形で電圧を上昇させ、時刻ｔ2-1 より所定時間後の時刻ｔ2-2 まで印加電圧＋６０Ｖの定常状態とし、時刻ｔ2-2 より再び積分波形にて＋１２０Ｖまで印加電圧を上昇させる。

本実施例において、流量センサ１４によって測定された瞬間流量の最大値が設定値よりも大きくなったときには、図１３に示すように、制御部６により時刻ｔ2-1 から時刻ｔ2-2 までの定常電圧の印加時間を長くすることにより、ポンプの総流量を減少させることができ、逆に、流量の最大値が設定値よりも小さくなったときには、図１２に示すように定常電圧の印加時間を短くすることにより、流量を増加させることができる。この定常電圧印加時間を制御することによる流量調整は、脈動低減のための条件とは独立して設定可能であり、最適な吐出条件を維持したまま安定して設定流量を確保することができる。また、吸入時電圧と吐出時電圧の中間の電位を吐出行程の間に挿入し、また積分波形で電圧を印加しているので、実施例３と同様に脈流低減効果が得られるとともに、圧電素子が段階的に、緩やかに変形するため、圧電素子が過変形することを防ぐことができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定するものではなく、発明の範囲を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、吸入のために印加する電圧を負電圧としてもよい。また、圧電素子の分極の向きが逆である場合も、圧電素子に印加する電圧を負電圧とする、あるいは圧電素子に電圧を印加する向きを逆にすることでまったく同等の動作を実現できる。

本発明の実施の形態による圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す図。 （ａ）は同上圧電ダイヤフラムポンプに用いられる圧電素子に正電圧を印加したときの動作を示す図、（ｂ）は同圧電素子に負電圧を印加した時の動作を示す図。 本発明の実施の形態による圧電ダイヤフラムポンプの動作を示す図であり、（ａ）は吐出の電圧を印加した状態を示す図、（ｂ）は吸入の電圧を印加した状態を示す図。 実施例１に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。 実施例２に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。 実施例３に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。 実施例４に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。 （ａ）は実施例５に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御のための回路図、（ｂ）、（ｃ）は制御を説明する図。 （ａ）は実施例６に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御のための回路図、（ｂ）、（ｃ）は制御を説明する図。 実施例７に係る圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す図。 実施例８に係る圧電ダイヤフラムポンプの概略構成を示す図。 実施例９に係る圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。 同上の圧電ダイヤフラムポンプの制御を説明する図。

符号の説明

１ 圧電素子
２ 電極層
３ ダイヤフラム板
３ａ 絶縁層
４ 空間
５ 筐体
６ 制御部
７ｃ 吸入口
７ｄ 吐出口

Claims (6)

1. 平板形状の圧電素子と、前記圧電素子の一面に配された導電部材よりなる電極層と、前記圧電素子の他面を覆うように接合され、圧電素子の変形に応じて弾性変形可能な導電部材よりなるダイヤフラム板と、前記ダイヤフラム板の圧電素子が接合された面の反対面を覆うように配された絶縁層と、前記ダイヤフラム板の端部近傍を保持し、前記絶縁層の下面に気体または液体でなる流体を圧縮するための空間を持ち、該空間に連通して前記流体を該空間に吸入する吸入口および前記流体を該空間から吐出する吐出口とを持つ筐体と、前記電極層と前記ダイヤフラム板の間に電圧を印加することにより圧電素子を変形させて前記流体の吸入時間および吐出時間を制御する制御部とを備えた圧電ダイヤフラムポンプにおいて、
   前記ダイヤフラム板は、圧電素子の接合に因り、電圧を印加していない初期状態において前記空間が膨らんだ方向に湾曲しており、電圧印加により空間内の流体を吐出するように構成されており、
   前記制御部は、流体吸入のための電圧印加時間よりも流体吐出のための電圧印加時間が長くなるように設定され、流体吐出時に印加する電圧の上昇が矩形波形よりも上昇速度が低くなるように制御可能であり、該電圧の下降が矩形波形の下降速度となるように設定されていることを特徴とする圧電ダイヤフラムポンプ。
2. 前記制御部は、吐出時に印加する電圧の上昇が積分波形の電圧に設定されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
3. 前記制御部は、吐出時に印加する電圧の上昇が階段状のステップ波形の電圧に設定されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
4. 前記制御部は、吐出時に印加する電圧の上昇が三角波形の電圧に設定されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
5. 前記制御部は、吐出時に印加する電圧を、ポンプの始動開始時には矩形波形に、定常状態時には矩形波形よりも上昇速度が低い波形に切替え可能とする回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
6. 前記制御部は、流体の種類に応じて、吐出時に印加する電圧を、矩形波形よりも上昇速度が低く、互いに上昇速度が異なる複数の波形のいずれかに切替え可能とする回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧電ダイヤフラムポンプ。

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