JP4815398B2 - ドライバ内蔵圧電ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、同一のハウジング内に圧電ポンプとその制御基板を内蔵する圧電ポンプに関する。
圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に可変容積室(液体ポンプ室)を形成し、圧電振動子を振動させることにより、可変容積室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、可変容積室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁(可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁)を設けており、圧電振動子の振動により可変容積室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。このような圧電ポンプは、例えば水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられており、小型化及び薄型化が重要課題となっている。
特開平6−109068号公報 特開平8−205563号公報 特開2000−60847号公報
圧電ポンプの小型化には、圧電振動子と、この圧電振動子に駆動信号を与える制御基板(ドライバ)とを同一のハウジング内に収納することが得策である。また、圧電ポンプの制御基板は高電圧を発生するものであり、UL規格取得の観点からもハウジング内に制御基板を収納することは必須である。ところが、従来の制御基板は、圧電振動子に対する駆動制御用部品、例えば駆動制御用の正弦波信号を生成する波形生成回路、電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路、及び、昇圧後の電圧信号と正弦波信号とを合成してなる高電圧駆動信号を圧電振動子に与える高電圧制御回路などがアナログ回路で構成されている。このため、回路規模が大きく、ハウジング内に収納できない。このようなアナログ回路で構成された発信器を基準パルス発信器として使用するのは上記特許文献2に開示されている。これに対し、制御基板上の駆動制御用部品をデジタル回路で構成すると、回路規模が小さくなることから制御基板を小型化及び薄型化できるものの、駆動制御用の正弦波信号がデジタル波形で生成されるために、局所的に急峻な電圧変化が生じ、理想的な正弦波にならない(図8(C)参照)。この滑らかでない正弦波デジタル信号と昇圧後の電圧信号とを合成してなる高電圧駆動信号を圧電振動子に与えると、該高電圧駆動信号の急峻な電圧変化に圧電振動子が応答し、騒音が生じることが判明した。正弦波デジタル信号の急峻な電圧変化をなくすには、該正弦波デジタル信号を生成するときの時間軸及び電圧軸における分解能を高めることが考えられるが、これを実現するには回路規模が膨大となり、現実的ではない。また、単に自動車のエンジンの振動や外部の環境音をキャンセルするためにデジタル/アナログ変換器にて、圧電アクチュエータや圧電セラミック板への信号を生成するものは、特許文献1、3にそれぞれ開示されているが、車や生体音検知装置のような大規模な装置向けの用途に単に振動や音をキャンセルするために使用するにとどまっており、小型の電子機器に常にダイヤフラムを振動させる圧電ポンプ内に一体化して使用する際の課題を形成するに至っていない。
本発明は、以上の問題意識に基づき、ポンプ動作時の騒音を低減でき、小型化されたドライバ内蔵圧電ポンプを得ることを目的とする。
本発明は、圧電振動子に対する駆動制御用電気部品をデジタル回路で構成すれば制御基板の小型化及び薄型化を実現できること、正弦波デジタル信号の高周波数成分(急峻な電圧変化部分)が騒音の要因になっていること、及び、この高周波数成分を除去して正弦波デジタル信号を理想的な正弦波信号に近づければ騒音を低減できることに着眼して完成されたものである。
すなわち、本発明は、単一のハウジング内に、表裏の少なくとも一面に液体ポンプ室を形成する圧電振動子と、該圧電振動子に対する駆動制御用部品を搭載した制御基板とを収納し、圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプであって、制御基板に、駆動制御用の正弦波デジタル信号を生成するデジタル波形生成回路と、このデジタル波形生成回路で生成した正弦波デジタル信号から低周波数成分のみを取り出すアクティブフィルタと、このアクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号を用いて高電圧駆動信号を生成し、この高電圧駆動信号を圧電振動子に与える高電圧制御回路とを設けたことを特徴としている。
制御基板には、外部電源からの入力した直流電圧信号を昇圧する昇圧回路が設けられ、この昇圧回路で昇圧した直流電圧信号とアクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号とを高電圧制御回路で合成して高電圧駆動信号を生成することが実際的である。昇圧回路は、高電圧制御回路とは別にまたは高電圧制御回路内に、設けることができる。
上記昇圧回路、デジタル波形生成回路及びアクティブフィルタは、昇圧回路で昇圧される前の直流電圧信号を処理する低電圧部を構成し、高電圧制御回路は、昇圧回路で昇圧された後の直流電圧信号を処理する高電圧部を構成することが好ましい。このようにアクティブフィルタを低電圧部に設ければ、昇圧回路で昇圧される前の低電圧信号(正弦波デジタル信号)から低周波数部分を取り出すので、昇圧回路で昇圧された後の高電圧信号(高電圧駆動信号)から低周波数部分を取り出す場合よりもフィルタ構成部品の個数を減らすことができ、小型化に貢献できる。また、フィルタ構成部品に高耐圧部品を用いる必要がなく、コストダウンも図れる。
具体的に、ハウジングは、圧電振動子を収納する円形凹部と制御基板を収納する基板収納凹部とを表裏に有するメインハウジングと、このメインハウジングの円形凹部を閉塞する上蓋と、基板収納凹部を閉塞する下蓋とから構成することができる。
本発明によれば、騒音の要因となる正弦波デジタル信号の高周波数成分はアクティブフィルタで除去され、該アクティブフィルタを通過した滑らかな正弦波デジタル信号(低周波数成分)と昇圧後の電圧信号を合成してなる高電圧駆動信号で圧電振動子を駆動させるので、ポンプ動作時の騒音を低減でき、かつ、小型化されたドライバ内蔵圧電ポンプを得ることができる。
図1ないし図6は、本発明の一実施形態による圧電ポンプ100の全体構成を示している。この圧電ポンプ100は、圧電振動子10、ハウジング20及び駆動基板50を備えている。ハウジング20は、上蓋(アッパハウジング)20A、メインハウジング20B及び下蓋(ロアハウジング)20Cからなっており、メインハウジング20Bには、上蓋20A側に開口させて円形凹部41(図3、図5参照)が形成され、下蓋20C側に開口させて基板収納凹部51(図4、図5参照)が形成されている。円形凹部41の周縁には、Oリング収納環状溝41aが同心に形成されている。
圧電振動子10は、図3、図5に示すように、円形の金属製のシム11と、このシム11の表裏面の一方に形成した円形の圧電体12とを有している。この実施形態では、液体ポンプ室P側にシム11が臨み、大気室A側に圧電体12が臨んでいる。
シム11は、厚さ30〜300μm程度のステンレスや42アロイ等からなる導電性金属薄板であり、圧電体12は、例えば厚さ50〜300μm程度のPZT(Pb(Zr、Ti)O3)等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。圧電体12の表裏に交番電界(高電圧駆動信号)が与えられると、圧電体12の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム11(圧電振動子10)が振動する。
圧電振動子10には、図5に示すように、その圧電体12の表面周縁部に、導電性ゴム18を介して第1給電ライン(リード部材)14が導通接続されている。導電性ゴム18は、ゴム性を維持して体積固有抵抗値を小さくした導電性ゴムからなっている。また、シム11に半径方向に突出させて一体に形成した配線接続突起11cには第2給電ライン15が接続されている。
メインハウジング20BのOリング収納環状溝41aには、Oリング27が挿入され、円形凹部41内には、圧電振動子10が挿入されている。そして、圧電振動子10の周縁上に環状ガイド28を介在させてメインハウジング20B上に上蓋20Aを被せることにより、圧電振動子10が液密に狭着支持されている。この圧電振動子10と円形凹部41との間には液体ポンプ室Pが構成され、圧電振動子10と上蓋20Aとの間には、大気室(大気ポンプ室)Aが形成される。
メインハウジング20Bには、円形凹部41内に、圧電振動子10(円形凹部41)の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室42と吐出側液溜室43が形成されている。吸入側液溜室42と液体ポンプ室P、吐出側液溜室43と液体ポンプ室Pとの間にはそれぞれ、吸入側逆止弁32と吐出側逆止弁33が設けられている。また、メインハウジング20Bには、この吸入側液溜室42と吐出側液溜室43に連通する吸入ポート24と吐出ポート25が形成されている。
吸入側逆止弁32は、吸入ポート24から液体ポンプ室Pへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、吐出側逆止弁33は、液体ポンプ室Pから吐出ポート25への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。
逆止弁32、33は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板32a、33aに、弾性材料からなるアンブレラ32b、33bを装着してなっている。
メインハウジング20Bには、円形凹部41周囲の筒状部44に、周方向位置を異ならせて、給電ライン収納溝45と46が形成されている(図4、図5)。給電ライン収納溝45と46は、第1給電ライン14と第2給電ライン15を通すもので、通した状態でも、十分な空気流通空間が確保できるように、大断面積が確保されている。
メインハウジング20Bには、給電ライン収納溝45と46を介して、大気室Aと基板収納凹部51とを連通させる大切欠(大気室通路、貫通穴)52が形成されている(図4、図5)。この大切欠52の上面は、図4に明らかなように、メインハウジング20Bに被せた上蓋20Aによって塞がれる。
メインハウジング20Bには、また、基板収納凹部51を外部に連通させる外部連通路(穴)54が形成されている。従って、基板収納凹部51は、大切欠52と給電ライン収納溝45、46を介して、大気室Aに連通し、外部連通路54を介して外部と連通している。このため、メインハウジング20Bの基板収納凹部51に駆動基板50を嵌め、下蓋20Cで蓋をした状態でも、大気室Aは外部と連通することとなる。すなわち、圧電振動子10が振動して大気室Aの容積が縮小するときには、給電ライン収納溝45、46、大切欠52、基板収納凹部51及び外部連通路54を通る外向きの空気流が生じ、大気室Aの容積が拡大するときには、逆に、外部連通路54、基板収納凹部51、大切欠52及び給電ライン収納溝45、46を通る内向きの空気流が生じる。
駆動基板50上には、圧電振動子10に対する駆動制御を行う電子回路部品53(図4、図5)と、これら電子回路部品53間を接続するプリント配線(図示せず)が形成されている。給電ライン収納溝45と46を介して大気室A(円形凹部41)の外に導かれた第1給電ライン14と第2給電ライン15は、駆動基板50に接続されている。駆動基板50上の電子回路部品53による発熱は、給電ライン収納溝45、46、大切欠52、基板収納凹部51及び外部連通路54を通る外向きの空気流、または、外部連通路54、基板収納凹部51、大切欠52及び給電ライン収納溝45、46を通る内向きの空気流により、外部へ逃がされる。
次に、図6〜図9を参照し、本発明の特徴部分である圧電振動子10の駆動制御について説明する。
図6は、圧電振動子10の駆動制御系(電子回路部品53)を示すブロック図である。この駆動制御系は、電源500と、昇圧回路501と、デジタル波形生成回路502と、二次アクティブフィルタ503と、高電圧制御回路504とを有している。
昇圧回路501は、電源500から入力した直流電圧信号(低電圧信号)DC1を昇圧し、この直流電圧信号DC1より高い直流電圧信号(高電圧信号)DC2を高電圧制御回路504に出力する。本実施形態では、例えば5Vの直流電圧信号DC1を200Vの直流電圧信号DC2に昇圧する。直流電圧信号DC1、DC2の信号波形を図8(A)(B)にそれぞれ示す。図8において、縦軸は電圧、横軸は時間である。この昇圧回路501は、高電圧制御回路504内に設けられていてもよい。
デジタル波形生成回路502は、電源500から直流電圧信号DC1を入力し、圧電振動子10に対する駆動制御用の正弦波デジタル信号S1を生成する。正弦波デジタル信号S1の周波数及び振幅は、圧電振動子10の駆動態様に応じて、適宜設定可能である。図8(C)に正弦波デジタル信号S1の信号波形を示す。正弦波デジタル信号S1は、非連続のデジタル値(電圧値)により正弦波波形をあらわすため、図8(C)に示されるように時間軸に沿って階段状の電圧変化、すなわち、局所的に急峻な電圧変化が生じている。この正弦波デジタル信号S1は、時間軸及び電圧軸の分解能を高めることで理想的な連続する正弦波波形に近づけることは可能であるが、デジタル波形生成回路502の構成上、限界がある。本実施形態の正弦波デジタル信号S1は、最大振幅(正ピークから負ピークまでの振幅)Vppを3Vに設定してある。
二次アクティブフィルタ503は、デジタル波形生成回路502で生成された正弦波デジタル信号S1を入力し、この正弦波デジタル信号S1のうち、所定のカットオフ周波数fcより高い周波数成分を遮断して、同カットオフ周波数fc以下の低周波数成分のみを取り出す。図8(D)に二次アクティブフィルタ503を通過した正弦波デジタル信号S2の信号波形を示す。正弦波デジタル信号S2は、二次アクティブフィルタ503により高周波数成分が除去されたことで、階段状の急峻な電圧変化がなくなって滑らかな信号波形となり、理想的な正弦波波形に近づく。この正弦波デジタル信号S2の最大振幅Vppは、二次アクティブフィルタ503を通過する前の正弦波デジタル信号S1と同様、3Vである。図7は、オペアンプOP、抵抗R1、R2及びコンデンサC1、C2からなる二次アクティブフィルタ503の具体的な回路構成例を示している。
高電圧制御回路504は、昇圧回路501で昇圧された後の直流電圧信号DC2と、二次アクティブフィルタ503を通過した滑らかな正弦波デジタル信号S2とを合成し、圧電振動子10を駆動可能なレベルの高電圧駆動信号S3を生成し、この高電圧駆動信号S3を圧電振動子10に出力する。図8(E)に高電圧駆動信号S3の信号波形を示す。高電圧駆動信号S3は、正弦波デジタル信号S2と同様に、階段状の急峻な電圧変化のない滑らかな信号波形(正弦波波形)となる。本実施形態の高電圧制御回路504は、振幅(0Vから正負一方のピークまでの振幅)Vopが170Vとなる高電圧駆動信号S3を生成する。
上記高電圧制御回路504から高電圧駆動信号S3が出力されると、圧電振動子10は、該高電圧駆動信号S3に基づいて正逆に振動(弾性変形)する。圧電ポンプ100は、圧電振動子10の振動により、液体ポンプ室Pの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁32が開いて吐出側逆止弁33が閉じるため、吸入ポート24から液体ポンプ室P内に液体が流入する一方、液体ポンプ室Pの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁33が開いて吸入側逆止弁32が閉じるため、液体ポンプ室Pから吐出ポート25に液体が流出する。これにより、ポンプ作用が得られる。このポンプ作用中、圧電振動子10を振動させる高電圧駆動信号S3は上述したように階段状の急峻な電圧変化のない滑らかな信号波形(正弦波波形)を有するから、圧電振動子10の振動はスムーズに繰り返され、騒音は低減する。
以上の駆動制御系において、電源500、昇圧回路501、デジタル波形生成回路502及び二次アクティブフィルタ503は、低電圧信号(直流電圧信号DC1)を処理する低電圧部を構成し、高電圧制御回路504は、高電圧信号(直流電圧信号DC2)を処理する高電圧部を構成している。二次アクティブフィルタ504は、高電圧部に設けることも可能であるが、高電圧部に設ける場合には、昇圧回路で昇圧された後の高電圧信号(高電圧駆動信号)から低周波数部分を取り出すので、昇圧回路で昇圧される前の低電圧信号(正弦波デジタル信号)から低周波数部分を取り出す場合よりもフィルタ構成部品の個数が増えて小型化に不利なだけでなく、フィルタ構成部品に高耐圧部品を用いることが必須となりコストアップにつながるので、本実施形態のように低電圧部に設けることが好ましい。以上の駆動制御系を搭載した駆動基板50は20mm×31mm、厚さ4.5mmと非常に小型に形成できた。これにより、圧電ポンプ100は駆動基板50をハウジング20内に収納した上で、34mm×50mm、厚さ8mmと小型化を達成できた。
図9は、二次アクティブフィルタ503のカットオフ周波数fc[Hz]を変化させながら、ポンプ動作時の騒音値[dBA]を測定した結果を示している。
図9中の破線及び一点鎖線は、比較例であって、発振器をそれぞれ駆動周波数30Hz、60Hzで動作させたときに生じる騒音値を示す。この騒音値は、発振器の出力をアンプにより増幅して測定したものである。発振器はNF回路ブロック社製のDF1905を、アンプはメスッテク社製のM−2601をそれぞれ使用した。この発振器による騒音値は、駆動周波数30Hzのとき16.9dBA程度、駆動周波数60Hzのとき18.4dBA程度であった。
また図9中の太実線(図示左右方向の実線)は、比較例であって、二次アクティブフィルタ503を具備しない従来の駆動制御系により圧電振動子10を駆動させたときに生じる騒音値を示している。ここで、従来の駆動制御系により圧電振動子10を駆動させるとは、デジタル波形生成回路503から出力された正弦波デジタル信号S1を用いて生成した高電圧駆動信号により圧電振動子10を駆動させること、すなわち、圧電振動子10を駆動させる高電圧駆動信号に局所的に急峻な電圧変化が生じている状態(正弦波デジタル信号S1の高周波数成分が含まれている状態)を意味する。この場合の騒音値は42.8dBAであった。
図9において、折れ線グラフは、実施例であって、本実施形態の駆動制御系(電源500、昇圧回路501、デジタル波形生成回路502、二次アクティブフィルタ503及び高電圧制御回路504)により圧電振動子10をそれぞれ駆動周波数30Hz、60Hzで駆動させた場合の、カットオフ周波数fcと騒音値の関係を示す。
図9を見ると、圧電振動子10を駆動周波数30Hz、60Hzのいずれで駆動させたときもポンプ動作時の騒音値は、二次アクティブフィルタを具備しない駆動制御系で圧電振動子を駆動させた場合よりも大幅に低減していることがわかる。これにより、二次アクティブフィルタ503を用いることで、ポンプ動作時の騒音を低減できることが明らかである。図9をより詳細に見ると、カットオフ周波数fcが1.6kHzより低ければポンプ動作時の騒音値は発振器による騒音値よりも小さく、カットオフ周波数fcが1.6kHz以上になると、ポンプ動作時の騒音値は発振器による騒音値よりも大きくなっていることがわかる。この傾向は、圧電振動子10を駆動周波数30Hzで駆動させた場合も駆動周波数60Hzで駆動させた場合も同じである。本実施形態では、発振器による騒音値を基準騒音レベルとし、ポンプ動作時の騒音値がこの基準騒音レベルを超えないように、二次アクティブフィルタ503のカットオフ周波数fcを設定する。すなわち、カットオフ周波数fcは、ポンプ動作時の騒音値が基準騒音レベルと同等になるときの周波数1.6kHzを上限値として設定する。カットオフ周波数fcの下限値は、圧電振動子10の駆動周波数領域に影響を与えない程度に設定することが好ましい。また、本実施例では2次アクティブフィルタを用いたが、圧電ポンプの駆動周波数と落としたい騒音の周波数の差が大きい場合は一次のアクティブフィルタで適用可能であり、駆動周波数と落としたい騒音の周波数と差が小さい場合は二次以上のアクティブフィルタを使用すると良い。但し、アクティブフィルタの次数は大きくなると回路の規模が大きくなるので、好ましくはアクティブフィルタの次数は低くしたほうが良い。
以上のように本実施形態では、局所的に急峻な電圧変化を有する滑らかでない正弦波デジタル信号S1のうち、ポンプ動作時の騒音の要因となる高周波数成分を遮断し、低周波数成分のみを取り出す二次アクティブフィルタ503を備えたので、該二次アクティブフィルタ503を通過した滑らかな正弦波デジタル信号S2(低周波数成分のみ)を用いて、急峻な電圧変化のない滑らかな正弦波波形を有する高電圧駆動信号S3を生成することができる。そして、この高電圧駆動信号S3により圧電振動子10を駆動させるので、圧電振動子10の振動はスムーズに繰り返され、ポンプ動作時の騒音を低減できる。このようにポンプ動作時の騒音を低減できれば、圧電振動子10に対する駆動制御部品をデジタル回路で構成して小型化及び薄型化した制御基板50と圧電振動子10を単一のハウジング20内に収納することにより、小型化されたドライバ内蔵圧電ポンプを得ることができる。
本発明の一実施形態による圧電ポンプを示す平面図である。 同背面図である。 図1、図2のIII-III線に沿う断面図である。 図1、図2のIV-IV線に沿う断面図である。 同圧電ポンプの分解斜視図である。 同圧電ポンプの駆動制御系を説明するブロック図である。 図6の二次アクティブフィルタの具体的な回路構成例である。 (A)〜(E)図6のa〜e点における信号波形を示す模式図である。 同圧電ポンプの駆動周波数と騒音値の関係を示すグラフである。
符号の説明
100 圧電ポンプ
10 圧電振動子
14 第1給電ライン
15 第2給電ライン
18 導電性ゴム
20 ハウジング
20A 上蓋
20B メインハウジング
20C 下蓋
41 円形凹部
45、46 給電ライン収納溝
50 駆動基板
51 基板収納凹部
52 大切欠
53 電子回路部品
54 外部連通路
500 電源
501 昇圧回路
502 デジタル波形生成回路
503 二次アクティブフィルタ
504 高電圧制御回路
A 大気室
DC1 直流電圧信号(低電圧信号)
DC2 直流電圧信号(高電圧信号)
P 液体ポンプ室
S1 正弦波デジタル信号
S2 正弦波デジタル信号(低周波数成分のみ)
S3 高電圧駆動信号

Claims (4)

  1. 単一のハウジング内に、表裏の少なくとも一面に液体ポンプ室を形成する圧電振動子と、該圧電振動子に対する駆動制御用部品を搭載した制御基板とを収納し、前記圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプであって、
    前記制御基板に、駆動制御用の正弦波デジタル信号を生成するデジタル波形生成回路と、このデジタル波形生成回路で生成した正弦波デジタル信号から低周波数成分のみを取り出すアクティブフィルタと、このアクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号を用いて高電圧駆動信号を生成し、この高電圧駆動信号を前記圧電振動子に与える高電圧制御回路とを設けたことを特徴とするドライバ内蔵圧電ポンプ。
  2. 請求項1記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記制御基板には、入力した直流電圧信号を昇圧する昇圧回路が設けられ、前記高電圧制御回路は、この昇圧回路で昇圧した直流電圧信号と前記アクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号とを合成して前記高電圧駆動信号を生成するドライバ内蔵圧電ポンプ。
  3. 請求項2記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記昇圧回路、前記デジタル波形生成回路及び前記アクティブフィルタは、前記昇圧回路で昇圧される前の直流電圧信号を処理する低電圧部を構成し、前記高電圧制御回路は、前記昇圧回路で昇圧された後の直流電圧信号を処理する高電圧部を構成するドライバ内蔵圧電ポンプ。
  4. 請求項1ないし3のいずれか一項に記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記ハウジングは、前記圧電振動子を収納する円形凹部と前記制御基板を収納する基板収納凹部とを表裏に有するメインハウジングと、このメインハウジングの円形凹部を閉塞する上蓋と、基板収納凹部を閉塞する下蓋とからなるドライバ内蔵圧電ポンプ。
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