JP4793441B2 - 圧電マイクロポンプ - Google Patents

Description

本発明は圧電マイクロポンプ、詳しくは屈曲変形する圧電素子を用いたマイクロポンプに関するものである。

従来より、電圧印加によりベンディングモードで屈曲変形する圧電素子を用いたマイクロポンプが知られている。特許文献１には、ポンプ本体にポンプ室を形成し、このポンプ室の天井壁を構成するダイヤフラムの背面に圧電素子を貼り付けたマイクロポンプが開示されている。

図９の（ａ）は特許文献１に示されたポンプ構造の概略を示したものである。ケース２０にはポンプ室２１が設けられ、ポンプ室２１の天井壁を構成するダイヤフラム２２の上に圧電素子２３が貼り付けられている。ダイヤフラム２２としては、ポリイミドのような有機材料が使用されている。ところが、圧電素子２３が屈曲変形したとき、図９の（ｂ）のように圧電素子２３の屈曲によって発生するはずのポンプ室２１の容積変化の一部が、圧電素子２３の両端部分のダイヤフラム２２の変位によって無駄になってしまうという問題がある。例えていえば、圧電素子２３がダイヤフラム２２を介して浮いて動いているだけの状態になり、圧電素子２３の変位をポンプ室２１の容積変化として十分に伝えることができない。このような現象が生じる理由は、例えば圧電素子２３がポンプ室２１に向かって凸に変形し、ポンプ室２１に満たされた非圧縮性流体（液体）を押し出そうとする時、ダイヤフラム２２には液圧がかかり、この液圧によってダイヤフラム２２の周辺部（圧電素子２３が貼り付けられていない部分）がポンプ室２１と逆方向に変位するからである。逆に、圧電素子２３がポンプ室２１に向かって凹に変形した時は、ダイヤフラム２２の周辺部がポンプ室２１方向に撓む。

ダイヤフラム２２が金属板のような硬質材料で形成されておれば、ダイヤフラム２２の周辺部の撓みを抑制できるので、図９の（ｂ）のような現象は発生しない。しかし、ダイヤフラム２２が硬いと圧電素子２３の屈曲変形を阻害して振幅が小さくなり、ポンプ室２１の容積変化が小さくなる。また、ポンプの駆動周波数を下げてしまう結果、ポンプの流体輸送能力が低下するという問題がある。さらに、従来の場合は、ダイヤフラム２２の中央に圧電素子２３を貼り付けることができなければ、左右の変位のバランスが崩れ、ポンプ室２１の容積変化を正確に伝えることができない。そのため、ダイヤフラム２２と圧電素子２３の貼付位置精度を高くする必要がある。
特開２００３−２１４３４９号公報

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、ダイヤフラムが柔らかい材料で形成されていても、圧電素子の変位をポンプ室の容積変化として無駄なく伝えることができ、流体輸送能力の優れた圧電マイクロポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ポンプ室をダイヤフラムで隔離し、ダイヤフラムの背面に圧電素子を配置し、圧電素子の屈曲変形によりダイヤフラムを追従変形させ、ポンプ室を容積変化させてポンプ室内の流体を輸送する圧電マイクロポンプにおいて、上記圧電素子の背面に当接してこれを支持する支持部材が設けられ、上記圧電素子は上記ダイヤフラムの可変位領域より小形に形成されており、上記ダイヤフラムには上記圧電素子より外周側の全周に亘って、上記圧電素子が配置されていない余白部が設けられていることを特徴とする圧電マイクロポンプを提供する。

圧電素子に交番電圧（矩形波電圧または交流電圧）を印加すると、圧電素子が板厚方向に屈曲変形し、ダイヤフラムも追従して変形する。ダイヤフラムが柔らかい材料で形成されていると、ポンプ室内に満たされた流体の圧力変化のため、ダイヤフラムの周辺部（圧電素子が配置されていない部分）が圧電素子と逆方向に撓み、圧電素子の変位をポンプ室の容積変化として十分に伝えることができない。しかし、圧電素子の背面が支持部材によって支持されているので、ダイヤフラムの周辺部の逆方向の撓みを支持部材が規制し、圧電素子が浮いた状態になるのを防止する。その結果、圧電素子の変位をポンプ室の容積変化として確実に伝えることができ、流体輸送能力を向上させることができる。

圧電素子の背面は支持部材に対して接触しているだけで、接着などで拘束されている訳ではない。そのため、支持部材が圧電素子の屈曲変位を制限せず、圧電素子を効率よく駆動させることができる。なお、本発明でダイヤフラムの背面とは、ダイヤフラムのポンプ室と反対側の面のことであり、圧電素子の背面とは、圧電素子のポンプ室と反対側の面のことである。

圧電素子をダイヤフラムの中央に貼り付けることが好ましいが、本発明は中央部からズレが生じても、支持部材によって圧電素子の背面方向へのずれが規制されるので、性能低下を生じにくい。また、ダイヤフラムが圧電素子に比べてかなり大きい場合でも性能低下を生じにくい。柔かい（ヤング率の低い）ダイヤフラムを使用でき、低電圧駆動の圧電素子でもポンプ作用を得やすい。

支持部材としては、例えばダイヤフラムを支持しているケースの内壁を用いてもよいし、ケースの内側に別部材を配置してもよい。支持部材はケースなどと同様な比較的硬質の材料で形成してもよいし、ゴムなどの弾性体を用いてもよい。ダイヤフラムは、従来と同様にポリイミドのような有機材料でもよいし、ゴム、エラストマなど任意の弾性材料も使用できる。金属板も使用可能であるが、望ましくはヤング率が２０ＭＰａ以下、厚さが１００μｍ以下の柔弾性材料がよい。

好ましい実施形態によれば、支持部材は非駆動時における圧電素子の背面全面を支持する平面部材がよい。この場合には、圧電素子がポンプ室に向かって凸となるように変形したときには支持部材が圧電素子の外周部背面または両端部背面を支持し、圧電素子がポンプ室に向かって凹となるように変形したときには支持部材が圧電素子の中央部背面を支持することができる。そのため、圧電素子がいずれの向きに変形した場合でもダイヤフラムを常にポンプ室方向に変位させ、ポンプ室の体積を減少させることができる。その結果、ポンプ室の流体を確実に押し出すことができ、流体輸送能力を向上させることができる。

好ましい実施形態によれば、圧電素子は長方形に形成され、支持部材は圧電素子の長手方向両端部の背面を支持し、圧電素子の中央部背面側には圧電素子が屈曲変形可能な空間が設けられているものがよい。圧電素子の形状としては、円板形や長方形などがあるが、長方形状の圧電素子をその長手方向両端部（短辺側の２辺）を支点とするモードで屈曲変位させた場合、円板状の圧電素子をその外周部を支点とするモードで屈曲変位させた場合よりも大きな変位体積が得られる。そのため、長方形の圧電素子をダイヤフラム駆動用アクチュエータとして使用すれば、ポンプ効率を向上させることができる。支持部材が圧電素子の背面全面を支持した場合には、圧電素子がいずれの向きに変形したときでもダイヤフラムを常にポンプ室方向に変位させることができるが、圧電素子がポンプ室に対して凹に変形したときの変位体積が凸に変形したときに比べて小さい。そこで、支持部材が圧電素子の長手方向両端部の背面を支持する構造とすることにより、圧電素子がポンプ室に向かって凸に変形する場合は、ダイヤフラムの中央部を押し上げ、圧電素子がポンプ室に向かって凹に変形する場合は、ダイヤフラムの中央部を下方に引張るように変位する。いずれの場合も大きな変位体積を得ることができる。従って、ポンプ室の体積を周期的に大きく変動させることができ、ポンプ効率を高めることができる。

好ましい実施形態によれば、圧電素子はダイヤフラムの可変位領域より小形に形成されており、ダイヤフラムの圧電素子より外周側の全周に亘って、圧電素子が配置されていない余白部が設けられている構造とするのがよい。圧電素子をダイヤフラムの可変位領域と同等な大きさにした場合、ダイヤフラムに余白部分が殆どないので、圧電素子が変位した時にダイヤフラムの一部に過大な力がかかり、圧電素子の変位が制約される可能性がある。これに対し、圧電素子をダイヤフラムの可変位領域より小形とし、圧電素子より外周側にダイヤフラムの余白部分を設けた場合には、圧電素子が変位した時にダイヤフラムの余白部分が自由に伸縮することができ、圧電素子の変位を拘束しない。そのため、圧電素子が自由に屈曲変位でき、ポンプ効率が向上する。

好ましい実施形態によれば、圧電素子をダイヤフラムに面接着するのがよい。この場合には、ダイヤフラムが圧電素子と密着して動くことにより、圧電素子の変位を確実にダイヤフラムに伝えることができる。また、圧電素子が左右にフリーに動くのを防止することができる。接着剤としては、ダイヤフラムと同様にシリコーン系やウレタン系などの弾性接着剤を用いるのがよい。なお、圧電素子をダイヤフラムの中央部に対して多少位置ずれしていても、ポンプ効率に大きな影響がない。

好ましい実施形態によれば、ダイヤフラムと支持部材との厚み方向隙間を圧電素子の厚みより狭く設定し、圧電素子をダイヤフラムの弾性によって支持部材に押し付けるようにするのがよい。ダイヤフラムの弾性によって圧電素子を予め支持部材に押しつけて保持することができる。圧電素子と支持部材とを確実に接触させることができるため、圧電素子の屈曲変形により、ポンプ室の体積を確実に変動させることができる。このようにダイヤフラムの弾性によって圧電素子を予め支持部材に押しつけて保持する場合には、圧電素子とダイヤフラムとを接着しなくてもよい。接着しない場合には、圧電素子がダイヤフラムに拘束されずに自由に変位できるので、圧電素子を低電圧で効率よく駆動することができる。なお、圧電素子とダイヤフラムとを接着しない場合、圧電素子がダイヤフラムに対して平面方向に位置ずれを起こすことがある。そこで、支持部材に圧電素子の外周面を所定の隙間をもって位置規制する周壁部を設けるのがよい。この場合には、圧電素子の位置ずれを防止できるとともに、圧電素子の変位に対して周壁部が拘束力を持たないので、圧電素子を効率よく駆動することができる。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明によれば、圧電素子の背面を支持部材によって支持したので、ダイヤフラムの周辺部の変位を支持部材が規制し、圧電素子が浮いた状態になるのを防止できる。その結果、圧電素子の変位をポンプ室の容積変化として確実に伝えることができ、流体輸送能力を向上させることができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図１〜図４は本発明にかかる圧電マイクロポンプの第１実施例を示す。本実施例のマイクロポンプＰは、底板１と、圧電素子２と、ダイヤフラム３と、枠体４と、天板５とで構成され、これら部品が互いに積層接着されている。

底板１は、例えばガラスエポキシ基板や樹脂材料によって形成されており、中央部に振動室を構成する長方形の凹部１ａが形成されている。本実施例では、後述するように凹部１ａの底壁１ａ₁ が圧電素子２の背面に当接してこれを支持する支持部材となっている。凹部１ａの底面には、圧電素子２のリード線２ａを引き出すための２つの引き出し孔１ｂと、振動室を大気に開放するための複数の貫通孔１ｃとが形成されている。凹部１ａの深さは、圧電素子２の厚みと同等または僅かに浅い。

圧電素子２は長方形に形成され、凹部１ａに収納されている。圧電素子２の外形寸法は凹部１ａの内寸より小さく、圧電素子２を凹部１ａに収納した状態で圧電素子２の４つの辺と凹部１ａの内側縁との間に所定の隙間δ（図３参照）が形成される。この隙間δは、圧電素子２が屈曲変位したとき、ダイヤフラム３の十分に伸びることができる余白部分３ａの幅に対応する。この実施例の圧電素子２は公知のバイモルフ型セラミック圧電素子である。圧電素子２の下面の電極には２本のリード線２ａが接続されており、これらリード線２ａに矩形波信号または交流信号を印加することにより、長手方向両端部（短辺側の２辺）を支点とし、長手方向中央部を最大変位点とするベンディングモードで屈曲振動させることができる。なお、圧電素子２としては、ユニモルフ型圧電素子でもよい。

ダイヤフラム３はゴム、エラストマ、軟質樹脂のような弾性シート材料で、底板１と同一外形に形成されている。ダイヤフラム３の背面、つまり振動室側の面には接着剤が全面に塗布されており、ダイヤフラム３を圧電素子２が収納された底板１上に密着させることにより、圧電素子２とダイヤフラム３とが面接着されるとともに、底板１の凹部１ａを除く上面とダイヤフラム３とが接着される。

枠体４は、例えばガラスエポキシ基板や樹脂材料によって構成されており、ポンプ室６を形成するため長方形枠状に形成されている。枠体４の１つの短辺側側面の外側に流入通路７を形成するための側壁部４ａが設けられ、１つの長辺側側面の外側に排出通路８を形成するための側壁部４ｂが設けられている。枠体４の内側（ポンプ室）と流入通路７との間の側壁には流入孔４ｃが形成され、この流入孔４ｃのポンプ室側の側面にはポンプ室６への液体の流入のみを許容する逆止弁１０が取り付けられている。枠体４の内側（ポンプ室）と排出通路８との間の側壁には排出孔４ｄが形成され、この排出孔４ｄの排出通路側の側面にはポンプ室６からの液体の排出のみを許容する逆止弁１１が取り付けられている。この例では、逆止弁１０，１１をゴムなどの弾性シートで構成したが、これに限るものではない。枠体４の下面はダイヤフラム３の上面に接着されている。

天板５は、例えばガラスエポキシ基板や樹脂材料によって構成されており、枠体４の上面に接着されている。天板５を接着することにより、天板５とダイヤフラム３との間にポンプ室６と流入通路７と排出通路８とが形成される。流入通路７および排出通路８にはそれぞれチューブ９ａ，９ｂが接続され、チューブ９ａ，９ｂを介して図示しない液体供給部および液体排出部と接続されている。この実施例では、チューブ９ａ，９ｂとしてシリコンチューブを用いた。

図５は上記マイクロポンプＰの動作を説明するための概略図であり、（ａ）は非駆動時または電圧切替時、（ｂ）は圧電素子２が上に凸に変形した時、（ｃ）は圧電素子２が下に凸に変形した時を示す。

図６の（ａ）は、圧電素子２に印加される交番電圧を示す。圧電素子２に＋Ｖと−Ｖの間で変化する交番電圧を印加すると、例えば＋Ｖの半周期の間、圧電素子２は図５の（ｂ）のように上に凸に変形し、−Ｖの半周期の間、圧電素子２は図５の（ｃ）のように下に凸に変形する。電圧切替え時には、（ａ）のように圧電素子２は平面形状に復帰するため、ダイヤフラム３も平坦に戻る。なお、電圧の向きと圧電素子２の変形の向きは、圧電素子２の分極方向に関係するので、上記とは逆に＋Ｖの半周期の間、圧電素子２を下に凸に変形させ、−Ｖの半周期の間、圧電素子２を上に凸に変形させることもできる。

圧電素子２が上に凸に変形したとき、ダイヤフラム３の中央部がポンプ室６に向かって変位し、ポンプ室６内の液体を押し出す。このとき、ポンプ室６内の液圧によってダイヤフラム３は逆方向に押されるが、圧電素子２の長手方向両端部が底板１の凹部１ａの底壁１ａ₁ に接触して支持されるので、ダイヤフラム３がポンプ室６と逆方向に撓むことがなく、効率よく液体を押し出すことができる。なお、幅δを持つダイヤフラム３の余白部分３ａが４辺に設けられているので、圧電素子２が上に凸に変形したとき、圧電素子２の短手方向両端部（長辺側の２辺）に対応する余白部分３ａが伸びることで、圧電素子２の変位が拘束されることなく、大きく屈曲変形することができる。逆に、圧電素子２が下に凸に変形したとき、圧電素子２の長手方向中央部が底板１の凹部１ａの底壁１ａ₁ に接触するので、圧電素子２の両端部が持ち上がり、ダイヤフラム３の周辺部がポンプ室６に向かって変位し、ポンプ室６内の液体を押し出す。このときも、圧電素子２の長手方向両端部（短辺側の２辺）および短手方向両端部（長辺側の２辺）に対応する余白部分３ａが伸びることで、圧電素子２の変位が強く拘束されることなく、圧電素子２が屈曲変形することができる。

図６の（ｂ）は上記マイクロポンプＰの吐出流量の変化を示す。上記のように圧電素子２がいずれの向きに変形した場合でもダイヤフラム３を常にポンプ室６方向に変位させるので、ポンプ室６から液体を吐出する間隔が短く、ポンプ室６からほぼ間断なく液体を吐出することができる。圧電素子２が上に凸に変化した時の吐出流量は、圧電素子２が下に凸に変化した時の吐出流量に比べて大きい。そのため、図６の（ｂ）に示すように、大流量吐出と小流量吐出とが交互に現れる。

上記構成のマイクロポンプにおいて、ポンプ室６の大きさを２５．５ｍｍ×１２．５ｍｍ×１．６ｍｍとし、圧電素子２に±５Ｖ、１７Ｈｚの矩形波状の電圧を印加して駆動したとき、吐出流量は６．４μｌ／ｓ、ポンプ圧は３５０Ｐａを得ることができた。

図７は本発明の好ましい第２実施例を示す。この実施形態は、第１実施例におけるダイヤフラム３と底板１の凹部底壁１ａ₁ との隙間Ｈを、圧電素子２の厚みＴより狭くした例である。この場合には、ダイヤフラム３の弾性によって圧電素子２を底壁１ａに押しつけて保持することができる。そのため、圧電素子２とダイヤフラム３とを接着しなくてもよい。但し、圧電素子２とダイヤフラム３とを接着してもよいことは勿論である。

圧電素子２とダイヤフラム３とを接着しない場合には、両者を接着した場合に比べて圧電素子２がより自由に屈曲変形することができ、大きな変位を得ることができる。そのため、ポンプ効率が向上する。

図８は本発明の好ましい第３実施例を示す。図８の（ａ）は非駆動時または電圧切替時、図８の（ｂ）は圧電素子２が上に凸に変形した時、図８の（ｃ）は圧電素子２が下に凸に変形した時である。

この実施例では、底板１の凹部１ａに、圧電素子２の長手方向両端部つまり短辺側の２辺を支持する枕部（支持部材）１ｄを設けたものである。圧電素子２は枕部１ｄの上に載っているだけで、接着はされていない。枕部１ｄは底板１と一体に形成してもよいし、別部品を底板１上に固定してもよい。枕部１ｄの間には、圧電素子２が自由に変形できる振動空間１ｅが設けられている。

上記のように、圧電素子２の長手方向両端部を枕部１ｄで支持し、圧電素子２を振動室内部で持ち上げる構造とする。これにより、（ｂ）のように圧電素子２が上に凸に変形する場合は、圧電素子２は中央部付近でダイヤフラム３を上方に押し上げ、ポンプ室６の容積を縮小させるため、ポンプ室６内の液体を押し出すことができる。一方、（ｃ）のように圧電素子２が下に凸に変形する場合は、ダイヤフラム３を下方に引張るように変位する。枕部１ｄの間には振動空間１ｅが設けられているので、圧電素子２の中央部は下方へ大きく変位できる。圧電素子２の下方への変位に追従してダイヤフラム３も一体に変位し、ポンプ室６の容積を拡大できる。そのため、ポンプ室６へ液体を吸い込むことができる。

この実施例では、圧電素子２が下に凸に変形するとき、ポンプ室６へ液体を吸い込み、圧電素子２が上に凸に変形するとき、ポンプ室６の液体を排出できる。圧電素子２が上下に屈曲変位するとき、圧電素子２の両端部を枕部１ｄが常に支持しているので、圧電素子２が浮いた状態にならず、圧電素子２の変位をポンプ室６の容積変化として効果的に伝えることができるこの実施例のマイクロポンプでは、第１実施例と異なり、圧電素子２のポンプ室６と逆方向の屈曲を有効に活用できるため、ポンプの吐出流量を大きくでき、ポンプ効率を高めることができる。

上記実施例では、圧電素子２としてバイモルフ型の圧電素子を用いた。この圧電素子は、交番電圧を印加することで、両方向に同等の屈曲変位をさせるものであるが、例えば一方向にのみ大きな変位が得られる圧電素子を使用してもよい。第１実施例では圧電素子２の上に凸の変形が吐出量に大きく影響するので、上方向にのみ大きな変位が得られる圧電素子を使用することで、ポンプ効率を高めることができる。なお、一方向にのみ大きな変位が得られる圧電素子は、中間層に対して上下で非対称な積層構造にすることにより実現できる。また、上下で対称な積層構造であっても、印加電圧を正負で非対称にして、一方側にのみ大きな電圧を印加することにより、一方側にのみ大きく変位させることができる。さらに両者を組み合わせることで、より大きな変位を得ることもできる。

上記実施例では、長方形の圧電素子を用いたが、正方形や円形の圧電素子を用いることもできる。但し、長方形の圧電素子の場合、正方形や円形の圧電素子より大きな変位体積が得られるので、小型で効率のよいマイクロポンプを実現できる利点がある。

上記実施例では、圧電素子の背面を支持する支持部材として、ケースを構成する底板を用いたが、ケースとは別の部材を用いてもよい。この場合、支持部材は硬質材料に限らず、弾性ゴム等の軟質材料を使用してもよい。さらに、ケースは図２に示すように底板と枠体と天板とで構成したものに限らず、ダイヤフラムによってポンプ室を隔離でき、圧電素子の背面を支持する支持部材を設けることができる構造であれば、如何なる構造であってもよい。

本発明に係る圧電マイクロポンプの第１実施例の斜視図である。 図１に示す圧電マイクロポンプの分解斜視図である。 図１に示す圧電マイクロポンプの縦断面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 図１に示す圧電マイクロポンプの作動を示す概略断面図であり、（ａ）は非駆動時、（ｂ）は上に凸の状態、（ｃ）は下に凸の状態を示す。 （ａ）は圧電素子に印加される交番電圧を示し、（ｂ）はマイクロポンプの吐出流量の変化を示す。 本発明の第２実施例の概略断面図である。 本発明の第３実施例の概略断面図であり、（ａ）は非駆動時、（ｂ）は上に凸の状態、（ｃ）は下に凸の状態を示す。 従来のマイクロポンプの一例の断面図であり、（ａ）は非駆動時、（ｂ）は圧電素子が変形した状態を示す。

符号の説明

Ｐ マイクロポンプ
１ 底板
１ａ 凹部（振動室）
１ａ₁ 底壁（支持部材）
１ｄ 枕部（支持部材）
２ 圧電素子
３ ダイヤフラム
３ａ 余白部
４ 枠体
５ 天板
６ ポンプ室
７ 流入通路
８ 排出通路
１０，１１ 逆止弁

Claims (5)

1. ポンプ室をダイヤフラムで隔離し、ダイヤフラムの背面に圧電素子を配置し、圧電素子の屈曲変形によりダイヤフラムを追従変形させ、ポンプ室を容積変化させてポンプ室内の流体を輸送する圧電マイクロポンプにおいて、
   上記圧電素子の背面に当接してこれを支持する支持部材が設けられ、
   上記圧電素子は上記ダイヤフラムの可変位領域より小形に形成されており、上記ダイヤフラムには上記圧電素子より外周側の全周に亘って、上記圧電素子が配置されていない余白部が設けられていることを特徴とする圧電マイクロポンプ。
2. 上記支持部材は、非駆動時における上記圧電素子の背面全面を支持する平面部材であることを特徴とする請求項１に記載の圧電マイクロポンプ。
3. 上記圧電素子は長方形に形成され、上記支持部材は上記圧電素子の長手方向両端部の背面を支持し、上記圧電素子の中央部背面側には上記圧電素子が屈曲変形可能な空間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電マイクロポンプ。
4. 上記圧電素子は上記ダイヤフラムに面接着されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電マイクロポンプ。
5. 上記ダイヤフラムと上記支持部材との厚み方向隙間は、上記圧電素子の厚みより狭く設定されており、上記圧電素子は上記ダイヤフラムの弾性によって上記支持部材に押し付けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電マイクロポンプ。

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