JP5000453B2 - Piezoelectric pump with built-in driver - 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。 The present invention relates to a piezoelectric pump having a piezoelectric pump and its control board built in the same housing.
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、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して小型化及び薄型化を図っている(特許文献1乃至4)。
圧電ポンプの制御基板には、圧電振動子に対する駆動制御部品、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、電源からの低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一般的に搭載されている。このように高電圧を発生させる駆動制御系では、高電圧駆動信号の出力ラインを流れる電流量(圧電振動子への入力電流量)をモニタし、異常電流を検知した場合に高電圧駆動信号の出力を強制的に遮断する保護回路が備えられている。 The control board of the piezoelectric pump includes a drive control component for the piezoelectric vibrator, such as a waveform generation circuit that generates a sine wave signal for drive control, a boost circuit that boosts a low input voltage from the power supply, and a voltage signal after boosting In general, a high voltage control circuit that provides a piezoelectric vibrator with a high voltage drive signal obtained by synthesizing a sine wave signal is mounted. In such a drive control system for generating a high voltage, the amount of current flowing through the output line of the high voltage drive signal (the amount of input current to the piezoelectric vibrator) is monitored, and when an abnormal current is detected, the high voltage drive signal A protection circuit that forcibly cuts off the output is provided.
しかしながら、上記高電圧駆動信号の出力ラインに外部ノイズがのると、この外部ノイズが保護回路によって異常電流として誤検知され、高電圧駆動信号の出力遮断が頻発してしまうことが問題となっている。特許文献1〜4には電源内部から発生するノイズの除去対策としてバイパスコンデンサを用いることが開示されているが、保護回路による異常電流の誤検知を回避できるように外部ノイズ除去する方法は開示されていない。また、外部ノイズを除去するためには、コイル等比較的大きな外部取り付け部品を出力部に取り付けるのが一般的であり、十分なノイズ対策効果を得るためには、圧電ポンプの制御基板の大型化招く。また、ビーズによるノイズ除去も行われるが完全な対策には至っていない。
However, when external noise is applied to the output line of the high voltage drive signal, the external noise is erroneously detected as an abnormal current by the protection circuit, and the output of the high voltage drive signal is frequently interrupted. Yes.
本発明は、以上の問題意識に基づき、高電圧駆動信号のノイズ成分を除去して保護回路の誤検知を回避し、安定したポンプ動作を実現可能なドライバ内蔵圧電ポンプをノートPC等の小型電子機器に設置し易いよう、UL規格が取得し易く、小型で得ることを目的とする。 The present invention is based on the above awareness of the problem. The piezoelectric pump with a built-in driver that can eliminate the noise component of the high-voltage drive signal to avoid erroneous detection of the protection circuit and realize a stable pump operation can be realized with a small electronic device such as a notebook PC. The purpose is to obtain a UL standard that is easy to obtain and small in size so that it can be easily installed in equipment.
本発明は、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間にバイパスコンデンサを配置すれば、高電圧駆動信号にのった外部からのノイズを除去(吸収)でき、保護回路による誤検知を回避できることに着目して完成されたものである。 In the present invention, if a bypass capacitor is arranged between the output line of the high-voltage drive signal and the ground, external noise on the high-voltage drive signal can be removed (absorbed), and erroneous detection by the protection circuit can be avoided. It was completed paying attention to.
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、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、制御基板には、圧電振動子に高電圧駆動信号を出力する高電圧制御回路と、この高電圧駆動信号の出力ラインに流れる電流量をモニタし、異常電流を検知したときに高電圧駆動信号の出力を強制終了する保護回路とが設けられていて、さらに、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間に、バイパスコンデンサを設けたことを特徴としている。 That is, the present invention accommodates in a single housing a piezoelectric vibrator that forms a liquid pump chamber on at least one surface of the front and back, and a control board on which a drive control component for the piezoelectric vibrator is mounted. A high-voltage control circuit that outputs a high-voltage drive signal to the piezoelectric vibrator on the control board. And a protection circuit that monitors the amount of current flowing through the output line of the high voltage drive signal and forcibly terminates the output of the high voltage drive signal when an abnormal current is detected. A bypass capacitor is provided between the output line and ground.
バイパスコンデンサの静電容量は、圧電振動子の素子容量に対する比率が10%以内であることが好ましい。この態様によれば、バイパスコンデンサを設けたことによる消費電流の増大を抑えられる。
好ましくは、前記バイパスコンデンサは、前記出力ラインと前記保護回路の接続点よりも圧電振動子に近い位置で前記出力ラインに接続する。
The capacitance of the bypass capacitor is preferably 10% or less of the element capacity of the piezoelectric vibrator. According to this aspect, an increase in current consumption due to the provision of the bypass capacitor can be suppressed.
Preferably, the bypass capacitor is connected to the output line at a position closer to the piezoelectric vibrator than a connection point between the output line and the protection circuit.
具体的に、制御基板には、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、入力した直流電圧信号を昇圧する昇圧回路とが設けられ、高電圧制御回路は、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。 Specifically, the control board has a digital waveform generation circuit that generates a sine wave digital signal for drive control, an active filter that extracts only low frequency components from the sine wave digital signal generated by the digital waveform generation circuit, and an input And a high voltage control circuit that synthesizes the boosted DC voltage signal and the sine wave digital signal that has passed through the active filter to generate a high voltage drive signal. It is practical.
本発明によれば、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間にバイパスコンデンサを設けたので、高電圧駆動信号中の外部からのノイズ成分は除去されて保護回路の誤検出を回避でき、安定したポンプ動作を実現可能なドライバ内蔵圧電ポンプが得られる。 According to the present invention, since the bypass capacitor is provided between the output line of the high voltage drive signal and the ground, the noise component from the outside in the high voltage drive signal is removed, so that erroneous detection of the protection circuit can be avoided and stable. Thus, a piezoelectric pump with a built-in driver that can realize the pump operation is obtained.
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。
1 to 6 show the overall configuration of a
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。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
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。
The
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。
As shown in FIG. 5, a first power supply line (lead member) 14 is conductively connected to the
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。
An O-
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。
In the
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。
The suction-
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。
The
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。
In the
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。
The
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。
The
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。また、駆動基板50がメインハウジング内に収納されることで高電圧を発生させる回路基板が圧電ポンプ100の外側から内部に入ることとなりUL規格などの取得に有利であり、圧電ポンプ、駆動基板50が一体となるため、ノートPC等小型電子機器内での配置の自由度が増大する。
On the
次に、図6乃至図9を参照し、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、出力ライン505と、出力電流帰還制御ライン(保護回路)506と、バイパスコンデンサ507とを有している。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、出力電流帰還制御ライン(保護回路)506及びバイパスコンデンサ507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。
Next, drive control of the
FIG. 6 is a block diagram showing a drive control system (electronic circuit component 53) of the
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。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。
The booster circuit 501 boosts the DC voltage signal (low voltage signal) DC1 input from the power supply 500 and outputs a DC voltage signal (high voltage signal) DC2 higher than the DC voltage signal DC1 to the high
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。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、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。
The digital waveform generation circuit 502 receives the DC voltage signal DC1 from the power supply 500 and generates a sine wave digital signal S1 for driving control for the
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。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。
The secondary
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を生成する。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。
The high
出力ライン505は、高電圧制御回路504と圧電振動子10の間を接続する信号ラインであって、該高電圧制御回路504で生成された高電圧駆動信号S3を圧電振動子10に与える。
The
出力電流帰還制御ライン(保護回路)506は、出力ライン505と高電圧制御回路504内の配線部に接続されていて、出力ライン505を流れる電流量(圧電振動子10への入力電流量)をモニタし、異常電流を検知したときに高電圧駆動信号S3の出力(高電圧制御回路504からの出力)を強制的に遮断する。本実施形態では、出力ライン505を流れる電流量が第1の規定値を超える場合は圧電振動子10がショートしている状態であると想定され、また、同電流量が第2の規定値を下回る場合は圧電振動子10が接続されていないオープン状態(負荷なし)であると想定されるので、高電圧駆動信号S3の出力を遮断するようにしている。
The output current feedback control line (protection circuit) 506 is connected to the
バイパスコンデンサ507は、出力ライン505と出力電流帰還制御ライン(保護回路)506の接続点よりも圧電振動子10側に位置させて、該出力ライン505とグランドGの間に接続されており、外部から導入され、出力ライン505を通過する高電圧駆動信号S3のノイズを吸収する。
The
このバイパスコンデンサ507は、圧電振動子10とともに電源500の負荷として働くため、静電容量が小さいほど消費電流の増大を抑えられる。実際的に、バイパスコンデンサ507の静電容量Cbは、圧電振動子10の素子容量Cの10%以内に設定してある(Cb/C≧0.1)。本実施形態では、圧電振動子10の素子容量0.05μF、バイパスコンデンサ507の静電容量0.005μFである。
Since the
上記高電圧駆動信号S3が与えられると、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、バイパスコンデンサ507が出力ライン505(高電圧駆動信号S3)にのったノイズを吸収するので、出力電流帰還制御ライン(保護回路)506にノイズが重畳せずに済み、ノイズ重畳による異常電流は生じない。これにより、保護回路(出力電流帰還制御ライン506)の誤検出による高電圧駆動信号S3の出力遮断を回避でき、安定したポンプ動作を実現できる。
When the high voltage drive signal S3 is given, the
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。なお、ノイズ除去手段には、バイパスコンデンサ507の替わりにコイルを設けることも考えられるが、コイルを用いた場合には駆動基板50が大型化し、ハウジング20内に収納することが難しい。
The
この圧電ポンプ100において、圧電振動子10の素子容量Cを一定にしてバイパスコンデンサ507の静電容量Cbを異ならせて保護回路(出力電流帰還制御ライン506)の誤作動発生頻度(ノイズ停止確率)を測定した測定結果を表1及び図8に示した。図8は、バイパスコンデンサ507の静電容量Cbと圧電振動子10の素子容量Cの割合(容量比率Cb/C)と、保護回路(出力電流帰還制御ライン506)の誤作動発生頻度[%]と、駆動制御系全体の消費電流量[mA]との関係をグラフ化して示している。
表1より、容量比率Cb/Cが100%以下、0.1%以上の場合にノイズ停止確率は0%であり、効果が得られることが分かる。
表1及び図8において、容量比率Cb/C=0.0パーセントの場合は、バイパスコンデンサ507を設けていない比較例であって、保護回路の誤作動発生頻度40%、消費電流量210mAであった。
From Table 1, it can be seen that when the capacity ratio Cb / C is 100% or less and 0.1% or more, the noise stop probability is 0%, and the effect is obtained.
In Table 1 and FIG. 8, the capacity ratio Cb / C = 0.0% is a comparative example in which the
これに対し、容量比率Cb/C>0の場合は、バイパスコンデンサ507を設けた実施例である。バイパスコンデンサ507を設けることで、保護回路の誤作動発生頻度は0%となり、外部ノイズによる異常電流が出力電流帰還制御ライン(保護回路)506に生じていないこと、すなわち、出力ライン505にのった外部ノイズが除去されていることが明らかである。また、消費電流量は、バイパスコンデンサ507の静電容量が大きいものほど大きくなることが明らかである。容量比率Cb/C≧0.1%であれば消費電流209mAでバイパスコンデンサ507を設けない場合と同等であり、容量比率Cb/C≦10%であれば消費電流215mAでバイパスコンデンサ507を設けない場合に対して消費電流の増大が抑えられている範囲であると判定できる。この結果を受けて、本実施形態では、バイパスコンデンサ507の静電容量Cbを圧電振動子10の素子容量Cの10%以内に設定した。
On the other hand, when the capacitance ratio Cb / C> 0, the
100 圧電ポンプ
10 圧電振動子
20 ハウジング
50 駆動基板
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
505 出力ライン
506 出力電流帰還制御ライン(保護回路)
507 バイパスコンデンサ
DESCRIPTION OF
507 Bypass capacitor
Claims (4)
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、
前記制御基板には、前記圧電振動子に高電圧駆動信号を出力する高電圧制御回路と、この高電圧駆動信号の出力ラインに流れる電流量をモニタし、異常電流を検知したときに前記高電圧駆動信号の出力を強制終了する保護回路とが設けられていて、
さらに、前記高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間に、バイパスコンデンサを設けたことを特徴とするドライバ内蔵圧電ポンプ。 A piezoelectric vibrator forming a liquid pump chamber on at least one side of the front and back in a single housing;
A piezoelectric pump with a built-in driver that houses a control board on which a drive control component for the piezoelectric vibrator is mounted, and vibrates the piezoelectric vibrator to supply and discharge liquid into the liquid pump chamber to perform a pumping action. ,
The control board monitors a high voltage control circuit that outputs a high voltage drive signal to the piezoelectric vibrator, and an amount of current flowing through the output line of the high voltage drive signal, and detects the abnormal voltage when the high voltage is detected. And a protection circuit for forcibly terminating the output of the drive signal,
And a driver built-in piezoelectric pump, wherein a bypass capacitor is provided between the output line of the high-voltage drive signal and the ground.
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