JP4848319B2

JP4848319B2 - 圧電ポンプ

Info

Publication number: JP4848319B2
Application number: JP2007164740A
Authority: JP
Inventors: 昭佐藤; 二郎中島; 道夫上村; 栄一駒井; 人司大西
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: JP2008223754A; US20080199331A1

Description

本発明は、振動する圧電振動子によってポンプ作用を得る圧電ポンプに関する。

圧電ポンプは、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ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（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて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いる。
特開平６−１１７３７７号公報特開平６−２０３３５１号公報特開２００１−２３８２９１号公報実用新案登録第２５１０５９０号公報

圧電振動子としては、導電性金属薄板からなるシムの片面に圧電体を積層したユニモルフ型と、両面に圧電体を積層したバイモルフ型とが知られている。いずれのタイプの圧電振動子を用いるにしても従来は、液密を保持するための一対の環状シール部材（環状狭着部材）をシムの表裏のみに接触させ、環状シール部材の内側に圧電体を位置させていた。これは、変位（伸縮）する圧電体を押さえると、該圧電体の変位が不十分になって吐出量が落ち、ポンプ動作が不安定になると考えられていたことによる。

しかし、圧電ポンプで考慮すべき要素は、流量だけでなく、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）が高いこと、及び、圧電振動子の機械的強度が高いことが要求される。すなわち、内圧が高くなったときにも圧電振動子の変形を抑制し閉鎖圧を高くするという新たな要求が生じてきた。

本発明は、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の機械的強度及び支持強度を高め、閉鎖圧を高くすることができる圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明は、環状狭着部材で圧電体を押さえることはしない、という従来の技術常識を見直し、圧電振動子の変位は犠牲にしても、圧電体の周縁を環状狭着部材で狭着支持したことで、圧電振動子の機械的強度を高め、閉鎖圧を高めるという着眼に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に形成した圧電体層とを有する圧電振動子；及びこの圧電振動子の周縁の表裏を狭着支持し、該圧電振動子の表裏に形成されたポンプ室と大気室を液密に保持する一対の環状狭着部材；を有し、圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、メインシムの一方の面を前記ポンプ室に臨ませ、他方の面に前記圧電体層が少なくとも１層形成されており、一対の環状狭着部材は、ポンプ室側の環状狭着部材が前記メインシムの周縁に当接し、大気室側の環状狭着部材が前記圧電体層の周縁に当接することを特徴としている。

圧電振動子は、ユニモルフ型とバイモルフ型等、少なくとも金属等の弾性体により形成されたシムを少なくとも１枚有するものである。

より具体的には、圧電振動子の圧電体層は、メインシムの他方の面上に形成した下部圧電体層と、この下部圧電体層上に該下部圧電体層とは電気的に分離させて形成した上部圧電体層とにより構成できる。この場合、上部圧電体層は下部圧電体層より小径であって、大気室側の環状狭着部材は、上部圧電体層の周縁を開放し、下部圧電体層の周縁を狭着支持することが好ましい。この態様によれば、上部圧電体層が自由状態（環状狭着部材により変位が抑制されない状態）で保持されるから、圧電振動子の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、変位量損失を抑えることができる。

圧電振動子の複数層の圧電体層の間には、メインシムとは別に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムが介在していることが好ましい。この中間シムは、メインシムよりも高い機械的復元性を有しているとより好ましい。中間シムが高い機械的復元性を有していれば、複数の圧電体層の変位に伴って変形容易であり、該複数の圧電体層の変位を極力妨げることがない。

中間シムは該中間シム上の圧電体層より大径で形成し、この中間シムとメインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が一対の環状挟着部材によって挟着支持されていることが好ましい。圧電振動子の圧電体層を例えば下部圧電体層と上部圧電体層の二層で構成した場合には、中間シムは上部圧電体層より大径で下部圧電体層の周縁に延出し、この中間シムを介して下部圧電体層の周縁が狭着支持される。一対の環状狭着部材の間にも中間シムを介在させることで、該狭着支持部の機械的強度が増し、閉鎖圧をより高められる。さらに、環状挟着部材を含めた圧電振動子の厚さを薄くできるため、圧電ポンプ全体の厚さを抑えることが可能となり、より薄型化された圧電ポンプを提供できる。

本発明によれば、圧電振動子の圧電体の周縁を環状狭着部材により狭着支持しているので、シムの薄型化を要求されている圧電ポンプにおいて、圧電振動子の機械的強度及び支持強度を高め、閉鎖圧を高くすることができる。

図１及び図２は、本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示している。この圧電ポンプ２０は、図示下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。

ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して圧電振動子１０及び環状電極端子２９が液密に狭着支持されていて、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。

ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出経路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室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、逆止弁３３は、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。図示実施形態の逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着もしくは溶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。

またロアハウジング２１には、吸入流路３０及び吐出経路３１とは隔離させた位置に矩形状の収納凹部２１ａが形成されており、この収納凹部２１ａとミドルハウジング２２の間に、圧電振動子１０を駆動制御するドライバ回路基板２６が液密に収納されている。

圧電ポンプ２０は、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、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からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が減少する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形（振動）させることで、ポンプ作用が得られる。

以上の圧電ポンプ２０では、上述したように、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して圧電振動子１０（及び環状電極端子２９）がミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間に液密に狭着支持されている。本発明はこの狭着支持構造に特徴を有するものであり、以下では、図３〜図１０を参照し、圧電振動子１０及びその狭着支持構造について詳細に説明する。

図３及び図４は、本発明の第１実施形態による圧電振動子１０及びその狭着支持構造を示している。図３は圧電振動子１０の狭着支持構造を拡大して示す拡大断面図であり、図４は圧電振動子１０と一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）のみを抽出して模式的に描いた模式断面図である。

圧電振動子１０は、円形のメインシム１１と、メインシム１１の表裏面の一方に形成した円形の積層圧電体１２とを有する圧電振動子である。

メインシム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、積層圧電体１２を支持するための剛性を有している。このメインシム１１は、周縁部に配線接続用の配線突起１１ａを有し、裏面（一方の面）１１ｂをポンプ室Ｐ側に臨ませ、表面（他方の面）１１ｃ上に積層圧電体１２を形成してある。ミドルハウジング２２には、配線突起１１ａに対応する突出凹部２２ａがポンプ室Ｐに連なって形成されている。

積層圧電体１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には中間電極層１３ａが位置し、この中間電極層１３ａは、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを電気的に分離する中性面として機能する。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは同一形状及び厚さをなし、その径はメインシム１１の円形部分の径と同等または若干小さくなっている。

下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向は、図４の三角指標で示されるように、逆向きをなしている。周知のように、圧電体（層）は、正負の電圧を印加すると、表面積が拡縮する方向に弾性変形する。メインシム１１側の下部圧電体層１２ａはシム側電極層１３ｂ及びメインシム１１を介して第２給電ライン１５と導通し、大気室Ａ側の上部圧電体層１２ｂは表面電極層１３ｃ及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４と導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に直列接続（シリーズ接続）されている。

この直列型の積層圧電体１２は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂをそれぞれ別個に形成し、分極処理後に下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを互いの分極方向が異なる向きで電気的に直列するだけで、形成可能である。より具体的に説明すると、下部圧電体層１２ａは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（シム側電極層１３ｂ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して分極処理を施すことにより形成する。上部圧電体層１２ｂは、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし単層もしくは複数層重ねて焼成し、この焼成体の表裏面に電極層（表面電極層１３ｃ、中間電極層１３ａ）を形成して、この表裏面の電極層を利用して下部圧電体層１２ａとは逆向きの分極処理を施すことにより形成する。そして、メインシム１１と下部圧電体層１２ａのシム側電極層１３ｂを接着し、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの中間電極層１３ａを互いに接着する。接着には、例えば導電性樹脂接着剤を用いる。これにより、分極方向が互いに逆向きで、かつ、電気的には直列に接続された下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂからなる積層圧電体１２が得られる。この形成方法によれば、分極処理用の側面電極やスルーホール電極を必要としないので、直列型の積層圧電体１２を容易に形成可能である。積層圧電体１２の全体の厚さは、例えば５０〜１０００μｍ程度とする。なお、この直列型の積層圧電体１２は、一体焼成で形成した後に分極処理を行って形成しても良い。

この積層圧電体１２において、大気室Ａに露出する表面電極層１３ｃはＡｕで形成される。一方、中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂはＡｕで形成しても良いが、ＡｇまたはＡｇを含むＡｇ系導電材料により形成しても良い。周知のようにＡｕはマイグレーション耐性のある導電材料であるから、表面電極層１３ｃの長時間駆動によるマイグレーションを抑制できる。一方、大気室Ａに露出しない中間電極層１３ａ及びシム側電極層１３ｂは、マイグレーション耐性を表面電極層１３ｃほど必要としないから、メインシム１１との密着強度が良好なＡｇまたはＡｇ系導電材料を用いることで、長時間駆動による電極剥離を抑制でき、Ａｕを用いる場合よりも低コスト化を図れる。この電極組み合わせによれば、圧電振動子１０の長寿命化を図れる。

環状電極端子２９は、上部圧電体層１２ｂの変位を妨げず、かつ、表面電極層１３ｃと安定に導通可能な環状の導電性金属薄板であって、表面電極層１３ｃの周縁部に接着される環状部２９ｂと、環状部２９ｂから延出した配線接続用の配線突起２９ａとを有し、配線突起２９ａで第１給電ライン１４に導通接続している。配線突起２９ａは、メインシム１１の配線突起１１ａと対をなし、該配線突起１１ａとともにミドルハウジング２２の突出凹部２２ａに収納される。この環状電極端子２９は、例えば厚さ３０μｍ程度の４２アロイ等により形成されている。

以上の圧電振動子１０は、図３及び図４に示されるように、弾性を有する一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）により、積層圧電体１２の周縁部で狭着支持されている。Ｏリング２７は、ミドルハウジング２２と圧電振動子１０の間に配置され、メインシム１１の裏面１１ｂの周縁部に当接して図示上方向の押力を与える。一方、ガイド２８は、アッパハウジング２３と圧電振動子１０の間に配置され、積層圧電体１２の表面電極層１３ｃに接着した環状電極端子２９に当接し、この環状電極端子２９を介して積層圧電体１２の周縁部を図示上方向から図示下方向へ押圧する。このように積層圧電体１２自体を狭着支持すれば、圧電振動子１０の機械的強度（支持強度）が増し、閉鎖圧（吸入側と吐出側のアンブレラが閉じたとき（流量がゼロになるとき）の吐出側流路内（系）の圧力）を高められる。また、一対の環状狭着部材２７、２８は、積層圧電体１２の変位量が最小となる周縁部に接するから、積層圧電体１２の変位を極力妨げない。なお、この環状電極端子２９の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。

上記狭着支持構造を有する圧電ポンプ２０において、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、第１給電ライン１４が正、第２給電ライン１５が負である瞬間には、図４に矢印で示すように、下部圧電体層１２ａの表面積が拡大し、上部圧電体層１２ｂの表面積が縮小する。すると、積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において下方に凸となる方向に変形させる（偶力Ｆを発生させる）ことになる。これに対し、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の正負が逆転すると、以上とは逆に積層圧電体１２は全体としては圧電振動子１０を図４において上方に凸となる方向に変形させる。この繰り返しにより、圧電振動子１０は全体として振動することになる。そして、その振幅は、積層圧電体１２が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい。ポンプ動作中、流路内には該流路を流れる液体によって圧力が加わる。上述したように本実施形態では、一対の環状狭着部材２７、２８で積層圧電体１２の周縁部が狭着支持されている、すなわち、閉鎖圧が高く保持されているので、流路内に送液による圧力がかかった状態でも安定したポンプ動作を実現可能である。

図５及び図６は、本発明の第２実施形態による圧電振動子２１０及びその狭着支持構造を示している。この第２実施形態は、第１実施形態の変形例であって、直列型の積層圧電体１２及び環状電極端子２９に替えて、並列型の積層圧電体２１２及び環状電極端子２９と棒状電極端子２９'を用いている。

積層圧電体２１２は、メインシム１１の表面１１ｃ側から順に積層した下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの二層で構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には中間電極層１３ａが位置し、この中間電極層１３ａは、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂを電気的に分離する中性面として機能する。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは同一形状及び厚さをなし、その径はメインシム１１の円形部分の径と同等または若干小さくなっている。

下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向は、図６の三角指標で示されるように、同一である。下部圧電体層１２ａはシム側電極層１３ｂを介してメインシム１１と導通し、メインシム１１及び上部圧電体層１２ｂの大気室Ａ側の表面電極層１３ｃは第１給電ライン１４に導通している。第１給電ライン１４は、メインシム１１及び環状電極端子２９の配線突起１１ａ、２９ａに接続されていて、環状電極端子２９は表面電極層１３ｃに接着されている。中間電極層１３ａは、上部圧電体層１２ｂの側面に形成した側面電極１３ｄ、表面に形成した取出電極１３ｅ及び該取出電極１３ｅに接着した棒状電極端子２９'を介して第２給電ライン１５に導通している。すなわち、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂは、電気的に並列接続（パラレル接続）されている。中間電極層１３ａと取出電極１３ｅは、側面電極１３ｄの替わりに、スルーホール電極を用いて導通させてもよい。また、第２実施形態においても、環状電極端子２９及び棒状電極端子２９'の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、第２給電ライン１５と取出電極１３ｅを接合して、環状狭着部材２８で積層圧電体２１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。

この第２実施形態では、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの分極方向が同一であるから、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の間に交番電界を印加すると、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小し、圧電振動子２１０の圧電体が単一の圧電体層からなる場合に比して大きい振幅で振動することになる。このとき、圧電振動子２１０は、メインシム１１の裏面１１ｂの周縁部がＯリング２７により図示上方向に押圧され、かつ、積層圧電体２１２の周縁部が環状電極端子２９及び棒状電極端子２９'を介してガイド２８により図示下方向に押圧されることで、ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間に液密に狭着支持されているから、第１実施形態と同様に、圧電振動子２１０の機械的強度及び閉鎖圧を高められる。

図７は、本発明の第３実施形態による圧電振動子３１０及びその狭着支持構造を示している。この第３実施形態は、第１実施形態の変形例であって、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に、メインシム１１とは別に、中間シム４０を介在させた実施形態である。中間シム４０は、積層圧電体３１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。中間シム４０の機械的復元性はメインシム１１の機械的復元性より高く、中間シム４０は積層圧電体３１２の変位を極力妨げない。この中間シム４０は、メインシム１１と同一の材料で、メインシム１１の厚さより厚く形成してある。具体的には例えば、厚さ５０〜６００μｍ程度の４２アロイ等からなる金属薄板を用いる。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体３１２延いては圧電振動子３１０の機械的強度が増し、閉鎖圧をより高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体３１２の中間位置であって、積層圧電体３１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体３１２の変位を拡大することができる。中間シム４０と下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの間には、それぞれ中間電極層１３ａが位置している。この第３実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体３１２の表面電極層１３ｃを直接支持しても良い。

図８は、本発明の第４実施形態による圧電振動子４１０及びその狭着支持構造を示している。この第４実施形態は、第２実施形態の変形例であって、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に、メインシム１１とは別に、中間シム４０を介在させた実施形態である。中間シム４０は、積層圧電体４１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する、円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）である。中間シム４０の機械的復元性はメインシム１１の機械的復元性より高く、中間シム４０は積層圧電体４１２の変位を極力妨げない。この中間シム４０は、メインシム１１と同一の材料で、メインシム１１の厚さより厚く形成してある。具体的には例えば、厚さ５０〜６００μ程度の４２アロイ等からなる金属薄板からなる。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体４１２延いては圧電振動子４１０の機械的強度が増し、閉鎖圧をより高められる。中間シム４０の挿入位置は、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間、すなわち、積層圧電体４１２の中間位置であって、積層圧電体４１２に交番電界を印加したときに発生する偶力Ｆの中性面となるから、中間シム４０による積層圧電体４１２の変位拘束を拡大することができる。中間シム４０と下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの間には、それぞれ中間電極層１３ａが位置している。この中間シム４０は、中間電極層１３ａと第２給電ライン１５を導通接続するための電極端子としても機能するため、第２実施形態の側面電極１３ｄ、取出電極１３ｅ及び棒状電極端子２９'は不要となり、配線接続が容易となる。シム側電極層１３ｂと表面電極層１３ｃは、メインシム１１及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４に導通している。この第４実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合し、環状狭着部材２８で積層圧電体４１２の表面電極層１３ｃを直接支持してもよい。

図９は、本発明の第５実施形態による圧電振動子５１０及びその狭着支持構造を示している。この第５実施形態は、第３実施形態の変形例であって、上部圧電体層１２ｂを下部圧電体層１２ａより小径で形成し、下部圧電体層１２ａの周縁部を一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）で狭着支持している。積層圧電体５１２は全体として断面凸形状をなし、中間電極層１３ａ及び中間シム４０は上部圧電体層１２ｂの径と同一の径サイズで形成されている。下部電極体層１２ａに形成される中間電極層１３ａは下部圧電体層１２ａの径と同一のサイズでもよい。下部圧電体層１２ａの周縁部は、上部圧電体層１２ｂから露出し、この露出部分にガイド２８が直接当接する。ガイド２８は、下部圧電体層１２ａの径に対応する環状をなしていて、上部圧電体層１２ｂには接触しない。つまり、上部圧電体層１２ｂは、ガイド２８に拘束されず、自由に変位可能である。この第５実施形態によれば、下部圧電体層１２ａの周縁部を狭着支持することで圧電振動子５１０の機械的強度及び閉鎖圧を高めつつ、上部圧電体層１２ｂを自由に変位させることで圧電振動子５１０の変位量をかせぐことができる。さらに、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に生じた段差部にガイド２８を配置しているので、ハウジングの薄型化に有利である。図示実施形態では、中間シム４０が下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に介在しているが、中間シム４０はなくてもよい。また、直列型の積層圧電体５１２に替えて、並列型の積層圧電体を用いてもよい。この第５実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合してもよい。

図１０は、本発明の第６実施形態による圧電振動子６１０及びその狭着支持構造を示している。この６実施形態は、第５実施形態の変形例であり、中間シム４０を下部圧電体層１２ａの周縁部まで延ばし、この中間シム４０を介して下部圧電体層１２ａの周縁部をガイド２８で狭着支持している。中間シム４０と下部圧電体層１２ａの径は同一である。ガイド２８と下部圧電体層１２ａの間にも中間シム４０を介在させることで、該狭着支持部での強度が増し、圧電振動子６１０の機械的強度及び閉鎖圧をより高めることができる。図示実施形態では直列型の積層圧電体６１２を用いているが、並列型の積層圧電体を用いてもよい。この第６実施形態においても、環状電極端子２９の代わりに半田等にて第１給電ライン１４と表面電極層１３ｃを接合してもよい。

図１１は、一対の環状狭着部材２７、２８により圧電振動子３１０を積層圧電体１２の周縁部で狭着支持した実施例１と、一対の環状狭着部材２７、２８により同圧電振動子３１０をメインシム１１の周縁部で狭着支持した比較例１（図１３）において、流路内の所定位置での流量［ｍｌ／ｍｉｎ］と圧力［ｋＰａ］を測定した結果を示している。測定は、圧電振動子３１０を駆動周波数３０Ｈｚ、６０Ｈｚで動作させて行った。図中の丸指標は駆動周波数３０Ｈｚで動作させたときの測定値を、四角指標は駆動周波数６０Ｈｚで動作させたときの測定値を示している。

圧電振動子３１０は、図７に示した第３実施形態の圧電振動子であって、下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間に中間シム４０が介在している。実施例１と比較例１は、一対の環状狭着部材２７、２８により狭着支持する位置が異なる。実施例１ではメインシム１１の厚さ０．０３ｍｍ、下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さ０．２ｍｍ、中間シム４０の厚さ０．１ｍｍとし、比較例１ではメインシム１１の厚さ０．０３ｍｍ、下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さ０．３ｍｍ、中間シム４０の厚さ０．０５ｍｍとすることで、測定条件を比較例１より実施例１で厳しくし、実施例１の効果がより明確になる構成とした。なお、比較例１では実施例１より中間シム４０の厚みが０．０５ｍｍ薄いが、比較例１と実施例１の機械的強度は下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さが支配的となるため、本測定においては中間シム４０の厚さの違いによる影響を無視できる。

図１１から明らかなように、駆動周波数３０Ｈｚ及び６０Ｈｚのいずれで圧電振動子３１０を動作させても、積層圧電体１２の周縁部を狭着支持した実施例１では、閉鎖圧（流量ゼロのときの圧力）が比較例１よりも大きくなる。また、圧電振動子３１０の駆動周波数を３０Ｈｚから６０Ｈｚに変えると、比較例１では閉鎖圧は変わらないが、実施例１でも閉鎖圧の低下は無く、高速駆動化の影響はない。なお、実施例１では流量（圧電振動子３１０の変位）が比較例１に比べて若干落ちているが、駆動周波数６０Ｈｚ時でも５０ｍｌ／ｍｉｎ以下に抑えられており、大幅な減少ではない。

図１２は、一対の環状狭着部材２７、２８により圧電振動子５１０を積層圧電体１２の周縁部で狭着支持した実施例２と、上述の比較例１（図１３）において、流路内の所定位置での流量［ｍｌ／ｍｉｎ］と圧力［ｋＰａ］を測定した結果を示している。測定は、圧電振動子３１０、５１０を駆動周波数３０Ｈｚ、６０Ｈｚで動作させて行った。図中の丸指標は駆動周波数３０Ｈｚで動作させたときの測定値を、四角指標は駆動周波数６０Ｈｚで動作させたときの測定値を示している。

圧電振動子５１０は、図９に示した第５実施形態の圧電振動子であって、上部圧電体層１２ｂが下部圧電体層１２ａより小径に形成され、該上部圧電体層１２ｂから延出している下部圧電体層１２ａの周縁部がガイド２８により狭着支持されている。下部圧電体層１２ａと上部圧電体層１２ｂの間には、中間シム４０が介在している。比較例１は、上部圧電体層１２ｂの大きさと一対の環状狭着部材２７、２８により狭着支持される位置が異なる以外は、同一の構成である。具体的に、メインシム１１の厚さは０．０３ｍｍ、下部圧電体層１２ａ及び上部圧電体層１２ｂの厚さは０．２ｍｍ、中間シム４０の厚さは０．０５ｍｍとしてある。

図１２から明らかなように、駆動周波数３０Ｈｚ及び６０Ｈｚのいずれで圧電振動子３１０、５１０を動作させても、積層圧電体５１２の周縁部を狭着支持した実施例２では、閉鎖圧（流量ゼロのときの圧力）が比較例１よりも大きくなる。また、圧電振動子３１０、５１０の駆動周波数を３０Ｈｚから６０Ｈｚに変えると、比較例１では閉鎖圧は変わらないが、実施例２でも閉鎖圧の低下は無く、高速駆動化の影響はない。なお、実施例２では流量（圧電振動子の変位）が比較例１に比べて若干落ちているが、駆動周波数６０Ｈｚ時でも６０ｍｌ／ｍｉｎ以下に抑えられており、大幅な減少ではない。

以上のように本実施形態によれば、一対の環状狭着部材２７、２８によって積層圧電体１２（２１２、３１２、４１２、５１２、６１２）の周縁部を狭着支持するので、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０、５１０、６１０）の変位を極力妨げずに、圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０、５１０、６１０）の機械的強度及び閉鎖圧を高めることができる。したがって、流路系の内圧で圧電振動子１０（２１０、３１０、４１０、５１０、６１０）が変形することなく、安定したポンプ動作を実現可能である。これにより、メインシム１１の薄型化にも容易に対応できる。

図１４ないし図１７は、本発明による圧電ポンプの別の実施形態を示している。この実施形態は、図１ないし図３の圧電ポンプ２０とはハウジング構造が異なる点、環状電極端子２９を廃止し、導電性ゴム１８を介して表面電極層１３ｃを第１給電ライン１４に接続した点、及び第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の平面位置を異ならせた点で、第一の実施形態と異なる。図１ないし図３の圧電ポンプ２０と同一の要素には同一の符号を付した。圧電振動子１０自体は、上述の各実施形態のいずれも採用できる。

この実施形態の圧電ポンプ２０は、アッパハウジング（上蓋）２０Ａ、ロアハウジング２０Ｂ、駆動基板２０Ｃ及び下蓋２０Ｄを備えている。ロアハウジング２０Ｂには、圧電振動子１０を収納する円形凹部４１が形成されている。

ロアハウジング２０Ｂとアッパハウジング２０Ａの間には、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して、円形凹部４１に挿入した圧電振動子１０が液密に狭着支持されており、該圧電振動子１０とロアハウジング２０Ｂとの間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２０Ａとの間には、大気室Ａが形成される。環状挟着部材２８が圧電振動子１０の圧電体層の周縁を挟着支持するのは、上述の各実施例と同様である。

ロアハウジング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とポンプ室Ｐ、吐出側液溜室４３とポンプ室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、ロアハウジング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。ロアハウジング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１４、図１５）。

平面円形をなす圧電振動子１０の表面電極層１３ｃには、その周縁部において、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。例えば、カーボンブラックを添加し、体積固有抵抗を小さくしたＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＥＰＤＭ（エチレン-プロピレン-ジエンゴム）、シリコーンゴム、ブチルゴムなどが挙げられる。アッパハウジング２０Ａの内面には、図１６に示すように、この導電性ゴム１８を収納して力Ｐで表面電極層１３ｃに常時押し付ける凹部２０ｒが形成されている。

導電性ゴム１８は、圧電振動子１０の直径が２５ｍｍ程度のとき、例えば縦横１〜３ｍｍ程度、厚さ１ｍｍ程度の大きさを有するもので、図１７（Ａ）に示すように、厚さ方向の中間部に予めスリット１８ａが形成されており、この導電性ゴム１８に、第１給電ライン１４を挿入することで、該第１給電ライン１４との導通が図られている。第１給電ライン１４は、線材やＦＰＣ、板状の金属部材でもよい。ＦＰＣの場合には、絶縁被覆を剥離して剥離部分と絶縁被覆の一部をスリット１８ａ内に挿入する。

図１７（Ｂ）は、導電性ゴム１８に、スリット１８ａに代えて、第１給電ライン１４を挿入する穴１８ｂを形成した実施形態、図１７（Ｃ）はスリット１８ａも穴１８ｂも形成することなく、硬質材料で形成した第１給電ライン１４を差し込むことで、第１給電ライン１４との導通をとる実施形態である。

シム１１の径方向に突出する配線突起１１ａには、図１４、図１５に示すように、第２給電ライン１５が半田１６によって接続されている。

第１給電ライン１４と第２給電ライン１５は、ロアハウジング２０Ｂの筒状部４４に形成した給電ライン収納溝４５と４６を通って、円形凹部４１の外部に導かれ、駆動基板２０Ｃに接続されている。上述のように、給電ライン収納溝４５と４６は、平面位置が異なっており、これらの収納溝に収納される第１給電ライン１４と第２給電ライン１５の平面位置も異なることになる。このように圧電振動子１０に対する第１、第２の給電ライン１４と１５の平面位置を異ならせ上下方向に重ねないことで、短絡の危険を減らす（無くす）ことができる。

図１４から図の実施形態では、圧電振動子１０の表面電極１３ｃに対し、導電性ゴム１８を介して第１給電ライン１４を接続したが、表面電極１３ｃに対し半田付けにより第１給電ライン１４を接続してもよい。

本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示す分解斜視図である。同圧電ポンプの断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第１実施形態を示す部分拡大断面図である。同狭着支持構造の模式断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第２実施形態を示す分解斜視図である。同狭着支持構造の模式断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第３実施形態を示す模式断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第４実施形態を示す模式断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第５実施形態を示す模式断面図である。圧電振動子の狭着支持構造の第６実施形態を示す模式断面図である。一対の環状狭着部材により、積層圧電体の周縁部を狭着支持した実施例１とメインシムの周縁部を狭着支持した比較例１において、圧電ポンプの流量と圧力の関係を示すグラフである。一対の環状狭着部材により、積層圧電体の下部圧電体層の周縁部を狭着支持した実施例２とメインシムの周縁部を狭着支持した比較例１において、圧電ポンプの流量と圧力の関係を示すグラフである。図１１及び図１２の比較例１の狭着支持構造を示す模式断面図である。本発明が対象とする圧電ポンプの別の基本構造を示す分解斜視図である。同要部の分解斜視図である。図１４、図１５の圧電ポンプの組立状態における導電性ゴム部分の縦断面図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は導電性ゴムに対するリード部材の導通構造の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０圧電振動子
１１メインシム
１１ａ配線突起
１２積層圧電体
１２ａ下部圧電体層
１２ｂ上部圧電体層
１３ａ中間電極層
１３ｂシム側電極層
１３ｃ表面電極層
１３ｄ側面電極
１３ｅ取出電極
１４第１給電ライン
１５第２給電ライン
１８導電性ゴム
２０圧電ポンプ
２１ロアハウジング
２２ミドルハウジング
２３アッパハウジング
２４吸入ポート
２５吐出ポート
２６ドライバ回路基板
２７Ｏリング（環状狭着部材）
２８ガイド（環状狭着部材）
２９環状電極端子
３０吸入流路
３１吐出流路
３２、３３逆止弁
４０中間シム
Ａ大気室
Ｐポンプ室

Claims

導電性金属薄板からなるメインシムと、このメインシム上に形成した圧電体層とを有する圧電振動子；及びこの圧電振動子の周縁の表裏を狭着支持し、該圧電振動子の表裏に形成されたポンプ室と大気室を液密に保持する一対の環状狭着部材；を有し、前記圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
前記圧電振動子は、前記メインシムの一方の面を前記ポンプ室に臨ませ、他方の面に前記圧電体層が少なくとも１層形成されており、
前記一対の環状狭着部材は、ポンプ室側の環状狭着部材が前記メインシムの周縁に当接し、大気室側の環状狭着部材が前記圧電体層の周縁に当接することを特徴とする圧電ポンプ。
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、前記圧電振動子の圧電体層は、メインシムの他方の面上に形成した下部圧電体層と、この下部圧電体層上に該下部圧電体層とは電気的に分離させて形成した上部圧電体層を有し、この上部圧電体層は前記下部圧電体層より小径であって、前記大気室側の環状狭着部材は、前記上部圧電体層の周縁を開放し、前記下部圧電体層の周縁を狭着支持する圧電ポンプ。
請求項１または２記載の圧電ポンプにおいて、前記圧電振動子の複数層の圧電体層の間には、前記メインシムとは別に、機械的復元性を有する金属弾性材料からなる中間シムが介在している圧電ポンプ。
請求項３記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、前記メインシムより高い機械的復元性を有する圧電ポンプ。
請求項３または４記載の圧電ポンプにおいて、前記中間シムは、該中間シム上の圧電体層より大径であり、この中間シムと前記メインシムの周縁及び両シムの間の圧電体層が、前記一対の環状挟着部材によって挟着支持されている圧電ポンプ。