JP4586371B2 - ポンプ装置及びダイヤフラムアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧力の作用により流体を吸入・吐出するポンプ装置及びそのポンプ装置に用いるダイヤフラムアクチュエータに関する。

近年では、圧力の作用により流体を吸入・吐出するポンプの小型化が図られ、小型化されたポンプは、医療用機器、分析機器、事務用機器、家庭用機器といった各種機器に組み込まれて種々の用途に使用されている。例えば、患者の体内に組み込まれて微粒状又は液体の薬剤を患部に定量的に投与するのにポンプが使用されたり、インクジェットプリンタに組み込まれてインクタンクから記録ヘッドにインクを供給するのにポンプが使用されたりしており、更なるポンプの小型化に伴い日常生活での需要・用途もますます増えると考えられている。

ところで、ポンプのなかには、ポンプ室の隔壁が圧電素子によるダイヤフラムによって構成されたダイヤフラムポンプがある（例えば、特許文献１参照。）。ダイヤフラムポンプにおいては、吸入バルブ及び排出バルブがポンプ室に設けられており、ダイヤフラムが振動可能に設けられている。交流電圧によってダイヤフラムが振動することによって、ポンプ室の容積が増減する。ポンプ室の容積が増大する時は、吸入バルブが開くとともに排出バルブが閉じることによって、流体が外部から吸入バルブを通ってポンプ室に流れ込む。一方、ポンプ室の容積が減少する時は、吸入バルブが閉じるとともに排出バルブが開くことによって、流体がポンプ室から排出バルブを通って外部に流れ出す。
特開２０００−２４９０７４号公報

ところで、気体などの圧縮性流体をポンプで効率よく送るためには、ポンプ室のデッドボリューム（動作時のポンプ室の最小容積）を出来る限り小さくする必要がある。即ち、流体が液体等の非圧縮性流体なら、流体がポンプ室に吸入・充填された状態において、ダイヤフラムの変位分だけ流体をポンプ室から確実に吐出することはできるが、流体が圧縮性流体なら、ダイヤフラムの変位によって流体が圧縮されてしまい、流体の圧縮比を上げられない。そのため、流体が圧縮性流体の場合には、ポンプ室から流体の一部しか吐出できなかったり、ポンプ室から流体を全く吐出できなかったりする可能性がある。

本発明は、薄型のポンプ装置及び、そのポンプ装置に用いるダイヤフラムアクチュエータを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、
本発明のポンプ装置は、
互いに向き合う二つの凹面を形成し、前記二つの凹面間に内部空間を形成し、前記内部空間から外部に通じる導入穴を前記二つの凹面のうちの一方の凹面に形成し、前記内部空間から外部に通じる排出穴を他方の凹面に形成するハウジングと、
前記二つの凹面に対向するように前記二つの凹面の間に配置され、前記内部空間を前記一方の凹面側の第一ポンプ室と前記他方の凹面側の第二ポンプ室とに仕切り、前記第一ポンプ室から前記第二ポンプ室に通じる穴を形成するダイヤフラムアクチュエータと、
前記ダイヤフラムアクチュエータの穴に設けられ、該穴を通じて前記第一ポンプ室から前記第二ポンプ室への流体の流れを許容し、前記ダイヤフラムアクチュエータの穴を通じて前記第二ポンプ室から前記第一ポンプ室への流体の流れを阻止する弁と、
を備え、
前記ダイヤフラムアクチュエータは、前記二つの凹面に対向するように前記二つの凹面の間に配置されたシム板と、前記シム板に接合された圧電シートと、を有し、
前記圧電シートと前記シム板との接合面には、空間が形成され、
前記圧電シートと前記シム板とのうちの一方の部材には、前記第一ポンプ室から前記空間にまで通じる第一絞り穴が前記穴として形成され、
前記圧電シートと前記シム板とのうちの他方の部材には、前記第二ポンプ室から前記空間にまで通じる第二絞り穴が前記穴として形成され、
前記弁が前記第一絞り穴に重なるとともに前記第二絞り穴の少なくとも一部から外れた状態で前記空間内に収納されている、
ことを特徴とする。
好ましくは、前記弁が前記一方の部材及び前記他方の部材に対して浮動状態となって前記空間内に収納されている。

好ましくは、前記ダイヤフラムアクチュエータが、前記一方の凹面側に凸状となるように湾曲する変形と、前記他方の凹面側に凸状となるように湾曲する変形と、を交互に繰り返す。

好ましくは、前記導入穴が前記一方の凹面の中央に形成されている。

好ましくは、前記排出穴が前記他方の凹面の中央に形成されている。

好ましくは、外部から前記導入穴を通じて前記第一ポンプ室への流体の流れを許容する逆止弁が前記導入穴に設けられている。

好ましくは、前記第二ポンプ室から前記排出穴を通じて外部への流体の流れを許容する逆止弁が前記排出穴に設けられている。

好ましくは、前記互いに向き合う二つの凹面は、前記ダイヤフラムアクチュエータが湾曲する変形に沿った形状である。

本発明のダイヤフラムアクチュエータは、弁と、シム板と、前記シム板に接合された圧電シートと、を備え、
前記圧電シートと前記シム板との接合面には、空間が形成され、
前記圧電シートと前記シム板とのうちの一方の部材には、接合面と反対の面から前記空間にまで通じる第一絞り穴が形成され、
前記圧電シートと前記シム板とのうちの他方の部材には、接合面と反対の面から前記空間にまで通じる第二絞り穴が形成され、
前記弁が前記第一絞り穴に重なるとともに前記第二絞り穴の少なくとも一部から外れた状態で前記空間内に収納されていることを特徴とする。

好ましくは、前記弁が前記一方の部材及び前記他方の部材に対して浮動状態となって前記空間内に収納されている。

本発明によれば、ポンプ及び、そのポンプ装置に用いるダイヤフラムアクチュエータの薄型化を図ることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第一の実施の形態〕
図１は、本発明を適用した第一の実施形態におけるポンプ装置１の斜視図であり、図２は、このポンプ装置１の分解斜視図であり、図３は、図１の面III−IIIに沿う断面図である。

ポンプ装置１は、内部空間を形成するとともに円盤状の外形を呈したハウジング１０と、ハウジング１０の上面及び下面に対して略平行になるようにハウジング１０内の内部空間に配置されるとともにその内部空間を入口側（下面側）の第一ポンプ室２と出口側（上面側）の第二ポンプ室３に仕切るダイヤフラムアクチュエータ２０と、を備える。

ハウジング１０は、ハウジング１０の下面側を構成する円盤状の第一ホルダ１１と、ハウジング１０の上面側を構成する円盤状の第二ホルダ１２と、第一ホルダ１１及び第二ホルダ１２の外縁に沿った状態で第一ホルダ１１と第二ホルダ１２との間に挟持されたスペーサ１３と、を備える。

第一ホルダ１１は、円板部１１ａと、円板部１１ａの一方の面（ハウジング１０の下面を成す。）の中心から突出したインレットニップル１１ｂと、円板部１１ａの他方の面に形成された円形凸部１１ｃと、円板部１１ａの外縁に沿ったリング状に形成されるとともに円板部１１ａの他方の面において凸状に形成されたリング状凸部１１ｄと、を一体形成したものである。

円形凸部１１ｃは、円板部１１ａの外縁よりも内側において円板部１１ａと同心の円形の凸状に形成されている。円形凸部１１ｃの表面は、径の大きい球面状に凹んだ凹面１１ｅとして形成されており、その凹面１１ｅは円形凸部１１ｃの中心で最も深く凹んでいる。リング状凸部１１ｄは円形凸部１１ｃから所定間隔をあけて円形凸部１１ｃを囲繞し、円形凸部１１ｃとリング状凸部１１ｄとの間にリング状の溝１１ｆが形成されている。リング状凸部１１ｄの一部に、切欠き１１ｇが形成されている。リング状凸部１１ｄには、ネジ穴１１ｈ，１１ｈ，…が形成されている。インレットニップル１１ｂには、インレットニップル１１ｂの頭頂から凹面１１ｅまで貫通した導入穴１１ｊが形成されている。

第二ホルダ１２は、第一ホルダ１１の円板部１１ａの直径と同一の直径を有する円板部１２ａと、円板部１２ａの一方の面（ハウジング１０の上面を成す。）の中心から突出したアウトレットニップル１２ｂと、円板部１２ａの他方の面に形成された円形凸部１２ｃと、を一体に形成したものである。

円板部１２ａの外周部には、円板部１２ａの一方の面から他方の面まで貫通した貫通穴１２ｈ，１２ｈ，…がネジ穴１１ｈ，１１ｈ，…に対応して形成されている。円形凸部１２ｃは、円板部１２ａの外縁よりも内側において円板部１２ａと同心の円形の凸状に形成されている。円形凸部１２ｃの直径は、第一ホルダ１１の円形凸部１１ｃの直径と実質的に同じである。円形凸部１２ｃの表面は、径の大きい球面状に凹んだ凹面１２ｅとして形成されており、その凹面１２ｅは円形凸部１２ｃの中心で最も深く凹んでいる。アウトレットニップル１２ｂには、アウトレットニップル１２ｂの頭頂から凹面１２ｅまで貫通した排出穴１２ｊが形成されている。

スペーサ１３は、第一ホルダ１１のリング状凸部１１ｄの直径と同一の直径を有するリング状に形成されたものである。スペーサ１３には、貫通穴１３ｈ，１３ｈ，…がネジ穴１１ｈ，１１ｈ，…に対応して形成されている。

第一ホルダ１１の円形凸部１１ｃの凹面１１ｅが第二ホルダ１２の円形凸部１２ｃの凹面１２ｅに対向し、且つ、円形凸部１１ｃの中心が円形凸部１２ｃの中心に重なっている。更に、スペーサ１３は、リング状凸部１１ｄに重なった状態で第二ホルダ１２の円板部１２ａの外縁部とリング状凸部１１ｄとの間に挟持されている。また、ネジ１４，１４，…が第二ホルダ１２の貫通穴１２ｈ，１２ｈ，…及びスペーサ１３の貫通穴１３ｈ，１３ｈ，…を介してネジ穴１１ｈ，１１ｈ，…に螺合し、ネジ１４，１４，…（図２では、図面の簡略化のため１つのみ図示。）によって第二ホルダ１２が及び第一ホルダ１１が互いの方に締結されている。第一ホルダ１１及び第二ホルダ１２が互いに対向した状態でネジ結合されることによって、ハウジング１０の内部空間が凹面１１ｅと凹面１２ｅとの間に形成される。

ダイヤフラムアクチュエータ２０は、全体として略円形のシート状に設けられている。ダイヤフラムアクチュエータ２０の直径は、第一ホルダ１１の円板部１１ａの直径よりも小さく円形凸部１１ｃの直径よりも大きい。ダイヤフラムアクチュエータ２０の外縁部は、ゴム弾性材からなるリング型シーリング３０によって上下に挟まれている。リング型シーリング３０は、断面円形状に形成され、全体としてリング状に形成されている。

このリング型シーリング３０は、ダイヤフラムアクチュエータ２０の外縁部を挟持した状態で第一ホルダ１１の溝１１ｆに嵌め込まれているとともに、弾性変形した状態で第一ホルダ１１の円板部１１ａと第二ホルダ１２の円板部１２ａとの間に挟持されている。これにより、凹面１１ｅと凹面１２ｅとの内部空間の周囲は、リング型シーリング３０によって封止されている。また、ダイヤフラムアクチュエータ２０は、凹面１１ｅと凹面１２ｅとの間に配置され、凹面１１ｅ及び凹面１２ｅに対向している。これにより、凹面１１ｅと凹面１２ｅとの間の内部空間は、ダイヤフラムアクチュエータ２０によって第一ポンプ室２と第二ポンプ室３とに仕切られている。なお、スペーサ１３の厚さが薄くなるほど、リング型シーリング３０の弾性変形量が大きくなり、リング型シーリング３０の封止効果が大きくなる。

図４、図５及び図６を参照して、ダイヤフラムアクチュエータ２０について説明する。ここで、図４及び図５ともにダイヤフラムアクチュエータ２０の分解斜視図であり、図４においては図中の上側が凹面１２ｅ側であり、図５においては図中の上側が凹面１１ｅ側である。図６は、図３の中央部を拡大した図面である。

ダイヤフラムアクチュエータ２０は、凹面１１ｅ，１２ｅに対向するように凹面１１ｅ，１２ｅ間に配置された略円形状のシム板２２と、シム板２２の直径とほぼ同じ直径を有する円形状の圧電シート２１と、圧電シート２１の中央部及びシム板２２の中央部を除いて圧電シート２１をシム板２２に接着する導電性接着層２３と、圧電シート２１の中央部及びシム板２２の中央部において圧電シート２１とシム板２２との間に挟まれたフロート弁２４と、圧電シート２１の両面のうちシム板２２との接着面とは反対となる面の一部に接続されたＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）シート２５と、を備える。

圧電シート２１は、薄膜電極、厚み方向に分極された圧電セラミック、薄膜電極の順に積層した積層構造となっている。圧電シート２１の中央には、圧電シート２１の表面から裏面にまで貫通した第一絞り穴２１ａが形成されている。圧電シート２１の一方の薄膜電極にＦＰＣシート２５が接続されている。ＦＰＣシート２５は、第一ホルダ１１の切欠き１１ｇを通じてハウジング１０の外に延出している。ＦＰＣシート２５は図中において接続配線部分のみの記載であるが、配線は図示しないＦＰＣシート２５上の回路に接続されている。

シム板２２は、弾性・可撓性を有した金属板である。シム板２２の圧電シート２１側の面の中央部には、円形状の凹部２２ａが形成されている。凹部２２ａの底には、シム板２２の表面から裏面まで貫通した六つの第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…が形成されている。これら第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…は、シム板２２の中央を中心にした環状に配列されている。導電性接着層２３により接着される範囲は、凹部２２ａのやや外側からシム板２２の外縁にかけての範囲であり、凹部２２ａがシム板２２と圧電シート２１との接着面において空間となる。第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…は後述するフロート弁２４の中心点に対し点対称に位置しているので、フロート弁２４から送出される流体による圧力が均等にかかることで、各第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…から均等な量の流体が通過することが可能となる。

また、シム板２２の外縁の一部には、矩形片２２ｃが形成されている。この矩形片２２ｃは、ＦＰＣシート２５と相対しているとともに、第一ホルダ１１の切欠き１１ｇを通じてハウジング１０の外に延出している。矩形片２２ｃ及びＦＰＣシート２５がリード線として機能し、矩形片２２ｃ及びＦＰＣシート２５を介して圧電シート２１の両面間にＦＰＣシート２５の回路から出力された電圧が印加されると、圧電シート２１が伸縮する。

ここで、圧電シート２１とシム板２２とを接着してなるダイヤフラムアクチュエータ２０においては、圧電シート２１が凹面１１ｅ側を向き、シム板２２が凹面１２ｅ側を向いている。そのため、第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…が、凹部２２ａによる空間から第二ポンプ室３にまで通じ、フロート弁２４が第一絞り穴２１ａの周囲の圧電シート２１と離間すると、第一絞り穴２１ａが凹部２２ａによる空間から第一ポンプ室２にまで通じる。

図７は、フロート弁２４の平面図であり、図８は、フロート弁２４の側面図である。図７、図８に示すように、フロート弁２４は、全体として車輪を平面視した形状に形成されている。つまり、フロート弁２４は、フィルム状のボス部２４ａと、ボス部２４ａの周囲をリング状に囲んだフィルム状のリング部２４ｂと、リング部２４ｂとボス部２４ａとの間を放射状に支持するフィルム状の四つスポーク部２４ｃ，２４ｃ，…と、から構成されている。リング部２４ｂとボス部２４ａとの間には、フロート弁２４の裏面から表面に貫通した扇状の開口２４ｄ，２４ｄ，…が形成されている。開口２４ｄ，２４ｄ，…はフロート弁２４の中心点に対し点対称に位置しているので、フロート弁２４面に圧力が均等にかかることで、各開口２４ｄ，２４ｄ，…から均等な量の流体が通過することが可能となる。なお、フロート弁２４は、弾性材料から形成されている。

このフロート弁２４は、浮動状態となって凹部２２ａ内に収納されている。つまり、フロート弁２４は圧電シート２１にもシム板２２にも接着されておらず、圧電シート２１及びシム板２２の両方に対して浮動状態に設けられている。そしてフロート弁２４の厚さは円形状の凹部２２ａの深さ及び接着層２３の厚さの和より小さいので、圧電シート２１と凹部２２ａとに囲まれた空間には、フロート弁２４の上下方向に隙間が生じている。ダイヤフラムアクチュエータ２０を平面視すると（積層方向から見ると）、フロート弁２４のボス部２４ａが圧電シート２１の第一絞り穴２１ａに重なっており、フロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…がシム板２２の第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…に少なくとも部分的に重なり、フロート弁２４がシム板２２の第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…から外れている。このフロート弁２４は、ダイヤフラムアクチュエータ２０の振動に応じて第一絞り穴２１ａ及び第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…を通じての第一ポンプ室２から第二ポンプ室３への流体の流れを許容するとともに、第二ポンプ室３から第一ポンプ室２への流体の流れを阻止する弁として機能する。

ここで、導入穴１１ｊの開口面積をＡ₁とし、第一絞り穴２１ａの開口面積をＡ₂とし、第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…の開口面積の総和をＡ₃とし、排出穴１２ｊの開口面積をＡ₄とし、フロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…の開口面積の総和をＡ₅とすると、Ａ₁＜Ａ₂で、Ａ₁＜Ａ₅で、Ａ₁＜Ａ₃である方が第二ポンプ室３への流体の移動を容易にする観点でも好ましい。特に、Ａ₂≦Ａ₅で、Ａ₂≦Ａ₃である方がより流体抵抗損失が少なく、さらにＡ₅≦Ａ₃の方が好ましい。そして、第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…と、フロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…と、の重なり面積は、Ａ₂に近いほど好ましい。

図９を用いてポンプ装置１の動作について説明する。ここで、図９は、ポンプ装置１の動作状態を説明するための概略断面図である。

ポンプ駆動回路によって所定周期の正弦波又は方形波の電圧（交流電圧）を矩形片２２ｃとＦＰＣシート２５との間に印加すると、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した状態（図９（ａ）に図示。）と、凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲した状態（図９（ｂ）に図示。）とを交互に繰り返す。図中、シム板２２を省略してあるが、シム板２２は常にフロート弁２４を上方から覆っている。

ダイヤフラムアクチュエータ２０が図９（ａ）の状態から図９（ｂ）の状態へ変形する時は、第一ポンプ室２の容積が増大するとともに第二ポンプ室３の容積が減少することにより、第一ポンプ室２内の流体に負圧が作用し、第二ポンプ室３内の流体に正圧が作用する。ここで、負圧とはポンプ室２，３の外から内に向かった圧力であり、正圧とはポンプ室２，３内から外に向かった圧力である。第一ポンプ室２内の流体が負圧になるとともに第二ポンプ室３内の流体が正圧となることによって、フロート弁２４のボス部２４ａが圧電シート２１の第一絞り穴２１ａを閉塞し、第一ポンプ室２から第二ポンプ室３への流体の流れがフロート弁２４によって阻止される。従って、ダイヤフラムアクチュエータ２０が図９（ａ）の状態から図９（ｂ）の状態へ変形する時は、外部の流体が導入穴１１ｊを通って第一ポンプ室２内に流れ、第二ポンプ室３内の流体が排出穴１２ｊを通って外部に流れる。

一方、ダイヤフラムアクチュエータ２０が（ｂ）の状態から（ａ）の状態へ変形する時は、第一ポンプ室２の容積が減少するとともに第二ポンプ室３の容積が増大することにより、第一ポンプ室２内の流体に正圧が作用し、第二ポンプ室３内の流体に負圧が作用する。第一ポンプ室２内の流体が正圧になるとともに第二ポンプ室３内の流体が負圧となることによって、フロート弁２４が圧電シート２１に対して浮き上がり、フロート弁２４と圧電シート２１の間に隙間が生じる。これにより、フロート弁２４のボス部２４ａが第一絞り穴２１ａを開放し、第一絞り穴２１ａを通じて第一ポンプ室２が第二ポンプ室３に連通するので第一ポンプ室２から第二ポンプ室３への流体の流れがフロート弁２４によって許容される。従って、ダイヤフラムアクチュエータ２０が（ｂ）の状態から（ａ）の状態へ変形する時は、第一ポンプ室２内の流体が第一絞り穴２１ａ及び第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…を通って第二ポンプ室３内に流れる。なお、フロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…の各内周縁がフロート弁２４の中心点から等距離であり、各外周縁がフロート弁２４の中心点から等距離であるので、フロート弁２４が圧電シート２１に対して浮き上がる際に圧電シート２１とシム板２２との間で回転してフロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…の相対的位置が変わっても、フロート弁２４の開口２４ｄ，２４ｄ，…がシム板２２の第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…に少なくとも部分的且つ均等に重なっているので、フロート弁２４によって第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…が閉塞されることはない。

以上のように、本実施形態によれば、図９（ａ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲すると、ダイヤフラムアクチュエータ２０の形状が凹面１１ｅの形状に沿うので、第一ポンプ室２のデッドボリュームを小さくすることができる。また、図９（ｂ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲すると、ダイヤフラムアクチュエータ２０の形状が凹面１２ｅの形状に沿うので、第二ポンプ室３のデッドボリュームを小さくすることができる。従って、第一ポンプ室２における流体の圧縮率も第二ポンプ室３における流体の圧縮率も大きくすることができる。そのため、液体等の非圧縮性流体のみならず、気体等の圧縮性流体であっても、このポンプ装置１によって確実に吸入・吐出することができる。

また、図９（ａ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した状態と、図９（ｂ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲した状態とが交互に繰り返されるので、第一ポンプ室２の容積の変化率も第二ポンプ室３の容積の変化率も大きい。従って、第一ポンプ室２における流体の圧縮率も第二ポンプ室３における流体の圧縮率も大きくすることができる。そのため、液体等の非圧縮性流体のみならず、気体等の圧縮性流体であっても、このポンプ装置１によって確実に吸入・吐出することができる。

また、導入穴１１ｊが凹面１１ｅの中央に形成されているので、つまり導入穴１１ｊから第一ポンプ室２の端部までの距離が短いので、ダイヤフラムアクチュエータ２０が図９（ｂ）に示すような状態へ変形している場合に、流体が導入穴１１ｊを通じて外部から第一ポンプ室２に効率よく流れるようになる。同様に、排出穴１２ｊが凹面１２ｅの中央に形成されているので、つまり排出穴１２ｊから第二ポンプ室３の端部までの距離が短いので、ダイヤフラムアクチュエータ２０が図９（ｂ）に示すような状態へ変形している場合に、流体が排出穴１２ｊを通じて第二ポンプ室３から外部へ効率よく流れるようになる。

また、シム板２２と圧電シート２１との接合面に形成された凹部２２ａにフロート弁２４が収納されているので、ダイヤフラムアクチュエータ２０の薄型を図ることができ、強いてはポンプ装置１の薄型を図ることができる。

また、凹部２２ａにフロート弁２４が収納されているので、図９（ａ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した場合でも、図９（ｂ）に示すようにダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲した場合でも、フロート弁２４が凹面１１ｅ，１２ｅに当たらないことが、フロート弁２４による第一絞り穴２１ａの開閉に対して凹面１１ｅ，１２ｅが干渉することを防止する点で好ましい。また、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側や凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した場合に、圧電シート２１やシム板２２が、凹面１１ｅ，１２ｅに当たらないことが、接触による圧電シート２１、シム板２２、第一ホルダ１１、第二ホルダ１２の少なくともいずれかの損壊や摩耗を抑制する点で好ましい。一方、湾曲した場合に、圧電シート２１やシム板２２が、凹面１１ｅ，１２ｅに当たるように設計することで動作時のデッドボリュームを小さくし、送出する流体の量を増大することもできる。

また、フロート弁２４の周波数応答性が高く、このポンプ装置１によって流れる流体の流量が大きい。また、ダイヤフラムアクチュエータ２０は、圧電シート２１とシム板２２とを接合し、その接合面の空間にフロート弁２４を収納しただけの構造となっているため、ダイヤフラムアクチュエータ２０の構造がシンプルである。また、第一ホルダ１１及び第二ホルダ１２を相対向させて、第一ホルダ１１と第二ホルダ２２との間にダイヤフラムアクチュエータ２０を配置させた状態でネジ１４，１４，…により第一ホルダ２２と第二ホルダ２２を締結するだけで、ポンプ装置１が構成される。そのため、ポンプ装置１の構造もシンプルである。更には、薄型のポンプ装置１を提供することができる。

〔第二の実施の形態〕
図１０は、本発明を適用した第二の実施形態におけるポンプ装置１０１の主要部の断面図であり、図１１は、ポンプ装置１０１の分解斜視図である。図１０、図１１に示すように、ポンプ装置１０１において、第１の実施形態のポンプ装置１のいずれかの部分と同一の部分に対しては同一の符号を付し、同一の部分についての説明は省略する。なお、図１０では、図６で図示された領域に対応する領域が示されている。

このポンプ装置１０１も、第一の実施形態のポンプ装置１と同様に、第一ホルダ１１、第二ホルダ１２及びスペーサ１３からなるハウジング１０と、圧電シート２１、シム板２２、接着層２３及びフロート弁２４からなるダイヤフラムアクチュエータ２０と、を備える。ここで、ハウジング１０及びダイヤフラムアクチュエータ２０は、第一の実施形態におけるハウジング１０及びダイヤフラムアクチュエータ２０とそれぞれ同じである。

このポンプ装置１０１においては、導入穴１１ｊにダックビル型逆止弁１４０が嵌め込まれており、排出穴１２ｊにもダックビル型逆止弁１５０が嵌め込まれている。ダックビル逆止弁１４０，１５０は、可撓性・弾性を有する材料（例えば、エラストマー（ゴム））でダックビル状（アヒルのくちばし形状）に形成されたものである。ダックビル型逆止弁１４０，１５０の後端では内部中空が開口しており、ダックビル型逆止弁１４０，１５０の先端では内部中空が閉じて、その先端部に内部中空まで通じる亀裂１４０ａ，１５０ａが閉じた状態で形成されている。

ダックビル型逆止弁１４０の先端が第一ポンプ室２に向いた状態で、ダックビル型逆止弁１４０が導入穴１１ｊに嵌め込まれ、導入穴１１ｊの内壁とダックビル型逆止弁１４０との間に介在したスリーブ１４１によってダックビル型逆止弁１４０が導入穴１１ｊ内に固定されている。ダックビル型逆止弁１５０の先端が第二ポンプ室３から外に向いた状態で、ダックビル型逆止弁１５０が排出穴１２ｊに嵌め込まれ、排出穴１２ｊの内壁とダックビル型逆止弁１５０との間に介在したスリーブ１５１によってダックビル型逆止弁１５０が排出穴１２ｊ内に固定されている。

このポンプ装置１０１の動作について説明する。
所定周期の正弦波又は方形波の電圧（交流電圧）によって、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した状態と、凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲した状態とを交互に繰り返す。

ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に湾曲した状態から、凹面１２ｅ側に湾曲した状態へ変形する時は、フロート弁２４のボス部２４ａが圧電シート２１の第一絞り穴２１ａを閉塞し、第一ポンプ室２から第二ポンプ室３への流体の流れがフロート弁２４によって阻止される。また、第一ポンプ室２が負圧となるのでダックビル型逆止弁１４０の亀裂１４０ａが開き、第二ポンプ室３が正圧となるのでダックビル型逆止弁１５０ａの亀裂１５０ａが開く。そのため、外部の流体が導入穴１１ｊを通って第一ポンプ室２内に流れることがダックビル型逆止弁１４０によって許容され、第二ポンプ室３内の流体が排出穴１２ｊを通って外部に流れることがダックビル型逆止弁１５０によって許容される。

一方、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に湾曲した状態から、凹面１１ｅ側に湾曲した状態へ変形する時は、フロート弁２４のボス部２４ａが圧電シート２１の第一絞り穴２１ａを開放し、第一ポンプ室２から第二ポンプ室３への流体の流れがフロート弁２４によって許容される。また、第一ポンプ室２が正圧となるのでダックビル型逆止弁１４０の亀裂１４０ａが閉じ、第二ポンプ室３が負圧となるのでダックビル型逆止弁１５０ａの亀裂１５０ａが閉じる。そのため、外部の流体が導入穴１１ｊを通って第一ポンプ室２内に流れることがダックビル型逆止弁１４０によって阻止され、第二ポンプ室３内の流体が排出穴１２ｊを通って外部に流れることがダックビル型逆止弁１５０によって阻止される。

第二の実施形態においても、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲すると、ダイヤフラムアクチュエータ２０の形状が凹面１１ｅの形状に沿うので、第一ポンプ室２のデッドボリュームを小さくすることができる。また、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲すると、ダイヤフラムアクチュエータ２０の形状が凹面１２ｅの形状に沿うので、第二ポンプ室３のデッドボリュームを小さくすることができる。また、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１１ｅ側に凸状となるように湾曲した状態と、ダイヤフラムアクチュエータ２０が凹面１２ｅ側に凸状となるように湾曲した状態とが交互に繰り返されるので、第一ポンプ室２の容積の変化率も第二ポンプ室３の容積の変化率も大きい。
従って、第一ポンプ室２における流体の圧縮率も第二ポンプ室３における流体の圧縮率も大きくすることができる。そのため、液体等の非圧縮性流体のみならず、気体等の圧縮性流体であっても、このポンプ装置１によって確実に吸入・吐出することができる。

更には、凹部２２ａにフロート弁２４が収納されているので、フロート弁２４による第一絞り穴２１ａの開閉に対して凹面１１ｅ，１２ｅが干渉することを防止することができる。
〔第三の実施の形態〕
図１２は、本発明を適用した第三の実施形態におけるダイヤフラムアクチュエータ１２０の主要部の断面図である。本実施形態では、第一の実施形態のポンプ装置１のダイヤフラムアクチュエータ２０をダイヤフラムアクチュエータ１２０に置き換えたものであり、その他の部位については、第１の実施形態のポンプ装置１のいずれかの部分と同一であり説明は省略する。
ダイヤフラムアクチュエータ１２０は、上に位置する第一ポンプ室２と下に位置する第二ポンプ室３との間を仕切るように全体として略円形のシート状に設けられている。ダイヤフラムアクチュエータ１２０の直径は、第一ホルダ１１の円板部１１ａの直径よりも小さく円形凸部１１ｃの直径よりも大きい。ダイヤフラムアクチュエータ１２０の外縁部は、ゴム弾性材からなるリング型シーリング３０によって上下に挟まれている。リング型シーリング３０は、断面円形状に形成され、全体としてリング状に形成されている。
ダイヤフラムアクチュエータ１２０は、凹面１１ｅ，１２ｅに対向するように凹面１１ｅ，１２ｅ間に配置された略円形状のシム板１２２と、シム板１２２の直径とほぼ同じ直径を有する円形状の圧電シート１２１と、シム板１２２に接合されたジンバル弁１２３と、を備える。
圧電シート１２１は、薄膜電極、厚み方向に分極された圧電セラミック、薄膜電極の順に積層した積層構造となっている。この圧電シート１２１はシム板１２２に接着されている。圧電シート１２１の中央には、圧電シート１２１の表面から裏面にまで貫通した貫通穴１２１ａが形成されている。圧電シート１２１の一方の薄膜電極にＦＰＣシート２５が接続されている。
シム板１２２は、弾性・可撓性を有した金属板である。シム板１２２の圧電シート１２１側の面の中央部には、貫通穴１２１ａに重なるように貫通穴１２２ａが形成されている。
ジンバル弁１２３は、図１３に示すように、弾性材からなる円形の可撓性シートであり、円周端部１２３ａがシム板１２２に接合され、静止状態で中央の蓋１２３ｂがジンバル弁１２３の自重によって貫通穴１２２ａを閉塞している。またジンバル弁１２３は、円周端部１２３ａと蓋１２３ｂとの間に、厚さ方向に貫通する複数の貫通穴１２３ｃ，１２３ｃ，…が設けられ、ポンプ装置１の圧電シート１２１が図９（ａ）に示すように凹面１１ｅ側に沿うように変形動作したときに、第一ポンプ室２と第二ポンプ室３との圧力差によって図１４に示すように弾性変形する。このとき、複数の貫通穴１２３ｃ，１２３ｃ，…は第二ポンプ室３と連通し、矢印の方向に向かって流体が流れ第一ポンプ室２内に充填される。また、ポンプ装置１の圧電シート１２１が図９（ｂ）に示すように凹面１２ｅ側に沿うように変形動作したときに、第一ポンプ室２と第二ポンプ室３との圧力差によって図１２に示すように、蓋１２３ｂが、貫通穴１２２ａの周囲のシム板１２２に密着するので、第一ポンプ室２と第二ポンプ室３との間で流体の移動は行われない。このような動作を連続して行うことによってデッドボリュームを抑え、流体の取り込み、送出が可能となる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。

例えば、第一、第二の実施形態では、シム板２２が凹面１２ｅ側に向き、圧電シート２１が凹面１１ｅ側に向いた状態でダイヤフラムアクチュエータ２０が設けられているが、逆にシム板２２が凹面１１ｅ側に向き、圧電シート２１が凹面１２ｅに向いた状態でダイヤフラムアクチュエータが設けられても良い。但し、この場合、フロート弁２４のボス部２４ａに重なる第一絞り穴２１ａが圧電シート２１に形成されているのではなく、シム板２２の凹部２２ａの底に形成され、第一絞り穴２１ａによって第一ポンプ室２が凹部２２ａに通じている。更にこの場合、フロート弁２４の開口２４ｄに重なる第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…がシム板２２に形成されるのではなく、圧電シート２１に形成され、第二絞り穴２２ａによって第二ポンプ室３が凹部２２ａに通じている。

また、第一、第二の実施形態では、フロート弁２４が車輪状を呈しているが、フロート弁２４の一部又は全体が第一絞り穴２１ａ全体に重なり、フロート弁２４の２４ｄ，２４ｄ，…が第二絞り穴２２ｂ，２２ｂ，…の少なくとも一部と重なっていれば、フロート弁２４の形状は特に限定されない。特に、圧電シート２１とシム板２２との間の空間の面方向の形状を略多角形とし、フロート弁２４を多角形と相似形状にすることでフロート弁２４の回転を規制することができる。

また、第一、第二の実施形態では、シム板２２に凹部２２ａが形成されているが、シム板２２と圧電シート２１との接合面に空間が形成されるのであれば、圧電シート２１に凹部が形成されていても良いし、シム板２２と圧電シート２１の両方の対応する位置に凹部が形成されていても良い。

また、第一、第二の実施形態ではシム板２２に絞り穴２２ｂを設けていたが、絞り穴２２ｂの代わりにフロート弁２４に対向する位置にメッシュを設けてもよい。

本発明を適用した第１の実施形態におけるポンプ装置１の斜視図である。 ポンプ装置１の分解斜視図である。 図１の面III−IIIに沿う断面図である。 ダイヤフラムアクチュエータ２０の分解斜視図である。 ダイヤフラムアクチュエータ２０の分解斜視図である。 ポンプ装置１の要部の断面図である。 フロート弁２４の平面図である。 フロート弁２４の側面図である。 ポンプ装置１の動作を説明するための概略断面図である。 本発明を適用した第２の実施形態におけるポンプ装置１０１の要部の断面図である。 ポンプ装置１０１の分解斜視図である。 本発明を適用した第三の実施形態におけるダイヤフラムアクチュエータ１２０の主要部の断面図である。 ダイヤフラムアクチュエータ１２０の平面図である。 ダイヤフラムアクチュエータ１２０の動作を説明するための断面図である。

符号の説明

１ … ポンプ装置
２ … 第一ポンプ室
３ … 第二ポンプ室
１０ … ハウジング
１１ｅ … 凹面（一方の凹面）
１１ｊ … 導入穴
１２ｅ … 凹面（他方の凹面）
１２ｊ … 排出穴
２０ … ダイヤフラムアクチュエータ
２１ … 圧電シート
２１ａ … 第一絞り穴
２２ … シム板
２２ａ … 凹部（空間）
２２ｂ … 第二絞り穴
２４ … フロート弁
１０１ … ポンプ装置
１２０ … ダイヤフラムアクチュエータ
１２１ … 圧電シート
１２１ａ … 貫通穴
１２２ … シム板
１２２ａ … 貫通穴
１２３ … ジンバル弁
１４０ … ダックビル型逆止弁
１５０ … ダックビル型逆止弁

Claims (10)

1. 互いに向き合う二つの凹面を形成し、前記二つの凹面間に内部空間を形成し、前記内部空間から外部に通じる導入穴を前記二つの凹面のうちの一方の凹面に形成し、前記内部空間から外部に通じる排出穴を他方の凹面に形成するハウジングと、
   前記二つの凹面に対向するように前記二つの凹面の間に配置され、前記内部空間を前記一方の凹面側の第一ポンプ室と前記他方の凹面側の第二ポンプ室とに仕切り、前記第一ポンプ室から前記第二ポンプ室に通じる穴を形成するダイヤフラムアクチュエータと、
   前記ダイヤフラムアクチュエータの穴に設けられ、該穴を通じて前記第一ポンプ室から前記第二ポンプ室への流体の流れを許容し、前記ダイヤフラムアクチュエータの穴を通じて前記第二ポンプ室から前記第一ポンプ室への流体の流れを阻止する弁と、
   を備え、
   前記ダイヤフラムアクチュエータは、前記二つの凹面に対向するように前記二つの凹面の間に配置されたシム板と、前記シム板に接合された圧電シートと、を有し、
   前記圧電シートと前記シム板との接合面には、空間が形成され、
   前記圧電シートと前記シム板とのうちの一方の部材には、前記第一ポンプ室から前記空間にまで通じる第一絞り穴が前記穴として形成され、
   前記圧電シートと前記シム板とのうちの他方の部材には、前記第二ポンプ室から前記空間にまで通じる第二絞り穴が前記穴として形成され、
   前記弁が前記第一絞り穴に重なるとともに前記第二絞り穴の少なくとも一部から外れた状態で前記空間内に収納されている、
   ことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記弁が前記一方の部材及び前記他方の部材に対して浮動状態となって前記空間内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記ダイヤフラムアクチュエータが、前記一方の凹面側に凸状となるように湾曲する変形と、前記他方の凹面側に凸状となるように湾曲する変形と、を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１又は２に記載のポンプ装置。
4. 前記導入穴が前記一方の凹面の中央に形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のポンプ装置。
5. 前記排出穴が前記他方の凹面の中央に形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のポンプ装置。
6. 外部から前記導入穴を通じて前記第一ポンプ室への流体の流れを許容する逆止弁が前記導入穴に設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のポンプ装置。
7. 前記第二ポンプ室から前記排出穴を通じて外部への流体の流れを許容する逆止弁が前記排出穴に設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のポンプ装置。
8. 前記互いに向き合う二つの凹面は、前記ダイヤフラムアクチュエータが湾曲する変形に沿った形状であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載のポンプ装置。
9. 弁と、シム板と、前記シム板に接合された圧電シートと、を備え、
   前記圧電シートと前記シム板との接合面には、空間が形成され、
   前記圧電シートと前記シム板とのうちの一方の部材には、接合面と反対の面から前記空間にまで通じる第一絞り穴が形成され、
   前記圧電シートと前記シム板とのうちの他方の部材には、接合面と反対の面から前記空間にまで通じる第二絞り穴が形成され、
   前記弁が前記第一絞り穴に重なるとともに前記第二絞り穴の少なくとも一部から外れた状態で前記空間内に収納されていることを特徴とするダイヤフラムアクチュエータ。
10. 前記弁が前記一方の部材及び前記他方の部材に対して浮動状態となって前記空間内に収納されていることを特徴とする請求項９に記載のダイヤフラムアクチュエータ。

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