JP5000571B2 - ドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ - Google Patents

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４バルブ圧電ポンプに関し、特に該圧電振動子に対する給電制御用電気部品を搭載した制御基板をハウジング内に収納するドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプに関する。

４バルブ圧電ポンプは、圧電振動子の表裏（上下）にそれぞれポンプ室を形成する一方、単一の吸入ポートと、単一の吐出ポートを設け、一対のポンプ室と吸入ポートとの間にそれぞれ該吸入ポートから該一対のポンプ室への流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吸入側逆止弁を設け、一対のポンプ室と吐出ポートとの間にそれぞれ該一対のポンプ室から吐出ポートへの流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吐出側逆止弁を設けたものである（特許文献４）。

このドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプは、圧電振動子を振動させると、一対のポンプ室の一方の容積が拡大して他方の容積が縮小することから、圧電振動子が正逆いずれに振動するときでも、一対の逆止弁の一方が閉じて他方が開く動作を繰り返し、ポンプ作用が得られる。圧電振動子の表裏の一方のみにポンプ室を設ける２バルブ圧電振動子ポンプに比して、脈動の周期を半分にした高効率化（高流量化）が可能である。
特開平6-288355号公報 特開2004-060640号公報 特表2004-517240号公報 特開2005-337068号公報 特開2006-299962号公報 特開2007-071099号公報

このように原理的には優れる４バルブ圧電ポンプを小型化するには、圧電振動子と、この圧電振動子に駆動電圧を与える駆動基板（ドライバ）とを同一のハウジング内に収納したドライバ内蔵型とすることが得策である。しかし、圧電振動子に駆動電圧を与える駆動基板は、高電圧を発するため、圧電ポンプのハウジングに内蔵すると、ＵＬ規格を満足することが困難になる。

本発明は従って、ＵＬ規格を満足させた上で、極限までの小型化、薄型化を図ったドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプを得ることを目的とする。また本発明は、圧電振動子を挟着する一対のハウジングを組み立てることで実質的な流路構造を構成できるドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明は、ハウジング内に、その表裏に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給電制御用電気部品を搭載した制御基板を収納し、上記一対のポンプ室と単一の吸入ポートとの間にそれぞれ該吸入ポートから該一対のポンプ室への流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吸入側逆止弁を設け、上記一対のポンプ室と単一の吐出ポートとの間にそれぞれ該一対のポンプ室から吐出ポートへの流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吐出側逆止弁を設け、圧電振動子を振動させてポンプ作用を得るドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプにおいて、ハウジングを、圧電振動子を挟着する挟着面を有する一対のハウジングから構成し、この一対のハウジングの一方のハウジングの一端部に、該ハウジングの基準底面と平行な方向に延びる吸入ポートと吐出ポートを突出させ、この吸入ポートと吐出ポートを有する有ポートハウジングの上記挟着面を、吸入ポートと吐出ポートから離れるに従って、該基準底面から離れる方向に傾斜させて圧電振動子平面を基準底面に対して傾斜させ、有ポートハウジングに、吸入ポートと吐出ポートの反対側の端部に位置させて、少なくとも一部が圧電振動子及びポンプ室と平面視重複する上記制御基板の収納空間を形成したことを特徴としている。

有ポートハウジングの制御基板収納空間を形成する壁面の肉厚は、非均一とするのがよい。

また、無ポートハウジングは、その圧電振動子の径方向に沿う方向の壁面の肉厚を非均一とし、吸入ポートと吐出ポートに向けて肉厚を増大させることが望ましい。

一対のハウジングはともに合成樹脂材料の成形品から構成することができる。

圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有する。

本発明のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプによれば、圧電振動子を挟着する一対のハウジングの一端部に、該ハウジングの基準底面と平行な方向に延びる吸入ポートと吐出ポートを突出させ、これらのポートを有する有ポートハウジングの圧電振動子挟着面を、吸入ポートと吐出ポートから離れるに従って、基準底面から離れる方向に傾斜させて圧電振動子平面を基準底面に対して傾斜させ（非平行とし）、有ポートハウジングに、吸入ポートと吐出ポートの反対側の端部に位置させて、少なくとも一部が圧電振動子及びポンプ室と平面視重複する制御基板の収納空間を形成したので、制御基板収納空間を形成する壁面の肉厚を十分確保してＵＬ規格を満足しながら、小型化、薄型化を図ることができる。

最初に、図８について、ドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプの動作原理を説明する。この圧電振動子ポンプは、アッパハウジング１０、ロアハウジング２０、圧電振動子３０、及び４つのアンブレラ（逆止弁）１１、１２、２１、２２を基本的な構成要素としている。アッパハウジング１０と圧電振動子３０の間、及びロアハウジング２０と圧電振動子３０の間にはそれぞれ、アッパポンプ室（可変容積室）１３とロアポンプ室（可変容積室）２３が形成されている。単一の吸入ポート３１は、吸入側流路１４Ｈと２４Ｈに連通しており、吸入側流路１４Ｈは吸入側逆止弁１１を介してアッパポンプ室１３に連通し、吸入側流路２４Ｈは吸入側逆止弁２１を介してロアポンプ室２３に連通している。また、単一の吐出ポート３２は、吐出側流路１５Ｄと吐出側流路２５Ｄに連通しており、吐出側流路１５Ｄは吐出側逆止弁１２を介してアッパポンプ室１３に連通し、吐出側流路２５Ｄは吐出側逆止弁２２を介してロアポンプ室２３に連通している。

このドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプは、圧電振動子３０が正逆に弾性変形（振動）すると、アッパポンプ室１３とロアポンプ室２３のいずれか一方の容積が増大し他方の容積が減少する。アッパポンプ室１３の容積が増大する行程はロアポンプ室２３の容積が減少する行程であり、アッパポンプ室１３の容積が増大するから吸入側逆止弁１１が開いて吸入ポート３１からアッパポンプ室１３内に流体が流入し、ロアポンプ室２３の容積が減少するからロアポンプ室２３内の流体が吐出側逆止弁２２を開いて吐出ポート３２に流出する（図８（Ｂ））。逆にアッパポンプ室１３の容積が減少する行程はロアポンプ室２３の容積が増大する行程であり、ロアポンプ室２３の容積が増大するから吸入側逆止弁２１が開いて吸入ポート３１からロアポンプ室２３内に流体が流入し、アッパポンプ室１３の容積が減少するからアッパポンプ室１３内の流体が吐出側逆止弁１２を開いて吐出ポート３２に流出する（図８（Ａ））。従って、吐出ポート３２における脈動の周期を短くする（圧電振動子３０の上下の一方のみにポンプ室が形成される場合に比して半分にする）ことができる。

本実施形態は、以上の動作原理のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプを小型（薄型）な簡易な構造で実現するものであり、図１ないし図７は、その第一の実施形態を示している。図１ないし図７では、図８と共通の構成要素には同一の符号を付している。

本実施形態のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプは、吸入ポート３１と吐出ポート３２を有する有ポートハウジング１０と、これらのポートを有しない無ポートハウジング２０を有している。有ポートハウジング１０は、基準底面１０Ｂを有し、吸入ポート３１と吐出ポート３２は、該有ポートハウジング１０の一端部に互いに平行に、基準底面１０Ｂと平行に突出している。有ポートハウジング１０の基準底面１０Ｂの反対側には、圧電振動子３０を挟着する挟着面１０Ｓが形成されている。この挟着面１０Ｓは、基準底面１０Ｂとは非平行であって、吸入ポート３１と吐出ポート３２から離れるに従って、基準底面１０Ｂから離れる方向に傾斜している。この傾斜角度θ（図２）は、例えば３゜±１゜である。

有ポートハウジング１０には、ポンプ室１３を形成する凹部１３ａと、この凹部１３ａに連通する吸入側流路１４Ｈと吐出側流路１５Ｄが形成されていて、この吸入側流路１４Ｈと吐出側流路１５Ｄが吸入ポート３１と吐出ポート３２に連通している。

有ポートハウジング１０にはまた、その吸入ポート３１と吐出ポート３２を有する側の端部に、無ポートハウジング２０側に向かって突出する吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄが形成されており、この吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄの中心部に、吸入側流路１４Ｈに連通する吸入接続流路１４Ｈａと、吐出側流路１５Ｄに連通する吐出接続流路１５Ｄａが形成されている。吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄは、平面矩形で、その先端部に、軸線方向に対して適当な角度傾斜した吸入接続斜面１６Ｈａと吐出接続斜面１６Ｄａが形成されている。

無ポートハウジング２０には、ポンプ室２３を形成する凹部２３ａと、この凹部２３ａに連通する吸入側流路２４Ｈと吐出側流路２５Ｄが形成されている。無ポートハウジング２０の端部には、有ポートハウジング１０の吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄが嵌まり込む凹部２６Ｈと２６Ｄ（図３）が形成されており、この凹部２６Ｈと２６Ｄの奥部に、有ポートハウジング１０の吸入接続斜面１６Ｈａと吐出接続斜面１６Ｄａに対応する吸入側接続斜面２６Ｈａと吐出接続斜面２６Ｄａが形成されている。以上の有ポートハウジング１０と無ポートハウジング２０は、合成樹脂材料により容易に成形することができる

有ポートハウジング１０の吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄを、無ポートハウジング２０の凹部２６Ｈと２６Ｄに嵌め、両者の吸入接続斜面１６Ｈａと２６Ｈａの間、及び吐出接続斜面１６Ｄａと２６Ｄａの間にそれぞれＯリング２７を挟着すると、吸入側と吐出側の液密な流路が完成する。

逆止弁１１と１２は、無ポートハウジング２０の吸入側流路２４Ｈと吐出側流路２５Ｄの凹部２３ａ側の端部に設けられ、逆止弁２１と２２は、有ポートハウジング１０の吸入側流路１４Ｈと吐出側流路１５Ｄの凹部１３ａ側の端部に設けられている。図示実施形態の逆止弁１１、１２、２１、２２は、同一の形態のアンブレラバルブであり、図６に示すように、流路に接着もしくは溶着固定される穴あき基板４１に、弾性材料からなるアンブレラ４２を装着してなっている。図６は、吐出側の逆止弁１２と２２を描いているが、吸入側の逆止弁１１と２１は、流れ方向が図示例とは逆になる。

圧電振動子３０は、有ポートハウジング１０の挟着面１０Ｓと無ポートハウジング２０の挟着面２０Ｓとの間に、Ｏリング３３を介して液密に挟着保持され、凹部１３ａとの間にポンプ室１３を構成し、凹部２３ａとの間にポンプ室２３を構成する。圧電振動子３０は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有するもので、圧電体層に交番電界を与えることにより正逆に振動する周知のものであり、本実施形態は、圧電振動子３０の構成の如何は問わない。例えばユニモルフ、バイモルフのいずれのタイプでもよい。

本実施形態は、有ポートハウジング１０の挟着面１０Ｓと無ポートハウジング２０の挟着面２０Ｓが、吸入ポート３１と吐出ポート３２から離れるに従って、有ポートハウジング１０の基準底面１０Ｂから離れる方向に傾斜している。有ポートハウジング１０には、吸入ポート３１と吐出ポート３２とは反対側の端部に位置させて、制御基板５０を収納する収納凹部１８が形成されている。

駆動基板５０上には、図４、図５に示すように、圧電振動子３０に対する給電制御を行う電気部品５３と、これら電気部品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。プリント配線は、図示しない給電ラインによって圧電振動子３０に接続されており、該圧電振動子３０の圧電体層に対して駆動高電圧を供給する。

収納凹部１８は、圧電振動子３０の基準底面１０Ｂに対する傾斜配置を利用して高さを確保した有ポートハウジング１０の端部（吸入ポート３１と吐出ポート３２とは反対側の端部）に設けているため、有ポートハウジング１０全体を高く（厚く）することなく、容易に大きな体積を確保することができる。また、収納凹部１８の内端部は、少なくとも一部が圧電振動子３０及びポンプ室１３（２３）と平面視重複する位置まで達していて、小型化が図られている。そして、このように、収納凹部１８の内端部一部を、圧電振動子３０及びポンプ室１３（２３）と平面視重複する位置まで延ばしても、圧電振動子３０の基準底面１０Ｂの傾斜配置によって、ポンプ室１３（２３）と収納凹部１８を隔離する壁面１８Ｓ（図６）の厚さを十分確保することができる。このため、薄型の有ポートハウジング１０であってもＵＬ規格を満足することができる。

さらに、図示実施形態では、有ポートハウジング１０の収納凹部１８の底壁１８Ｗ（図６）の厚さ、及び圧電振動子３０の径方向に沿う方向の無ポートハウジング２０の壁面２０Ｗの厚さを非均一（不均一）にしている。より具体的には、底壁１８Ｗは収納凹部１８の奥部に行くに従って厚さを増し、無ポートハウジング２０の壁面２０Ｗは、吸入ポート３１と吐出ポート３２に向けて厚さを増大させている。このように、ハウジングの壁面厚さを非均一にすることで、ポンプ運転時（圧電振動子３０の振動時）の共振の可能性を少なくし、騒音の発生を防止することができる。

本実施形態のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプは、有ポートハウジング１０傾斜挟着面１０Ｓと無ポートハウジング２０の傾斜挟着面２０Ｓとの間にＯリング３３を介して圧電振動子３０を挟着し、有ポートハウジング１０の吸入接続突起１６Ｈと吐出接続突起１６Ｄを、無ポートハウジング２０の凹部２６Ｈと２６Ｄに嵌め、両者の吸入接続斜面１６Ｈａと２６Ｈａの間、及び吐出接続斜面１６Ｄａと２６Ｄａの間にそれぞれＯリング２７を挟着して組み立てるだけで、液密構造の４バルブ圧電ポンプを得ることができる。有ポートハウジング１０と無ポートハウジング２０の位置決めは、有ポートハウジング１０に設けた位置決め穴１９Ａと、無ポートハウジング２０に設けた位置決め突起１９Ｂ（図５、図１、図７）によって行うことができる。

また、有ポートハウジング１０の収納凹部１８には、無ポートハウジング２０を結合する前に、制御基板５０を挿入し、その給電端子を圧電振動子３０の圧電体層に接続する。その後、有ポートハウジング１０に無ポートハウジング２０を結合すると、無ポートハウジング２０の蓋部２８が収納凹部１８を閉塞し、ＵＬ規格を満足させる。蓋部２８には、図４に示すように、電源供給ポート２９が設けられている。

以上の実施形態では、一対のハウジングの一方（有ポートハウジング１０）に吸入ポート３１と吐出ポート３２の双方を設けたが、他方のハウジング（無ポートハウジング２０）に両ポートを形成してポートを有する有ポートハウジングとしても良く、あるいはハウジング１０とハウジング２０にそれぞれ一つずつのポートを設け、双方のハウジングをポートを有する有ポートハウジングとすることもできる。その際のルールは、吸入側流路突起を有する側の有ポートハウジングに、吸入ポートを設け、吐出側流路突起を有する側の有ポートハウジングに、吐出ポートを設けるというルールである。

本発明によるドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプを圧電ポンプに適用した実施形態を示す平面図である。 同正面図である。 同左側面図である。 同右側面図である。 図１のV-V線に沿う断面図である。 図１のVI-VI線に沿う断面図である。 図５のVII-VII線に沿う断面を含む平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、ドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプの原理を示すスケルトン図である。

符号の説明

１０ 有ポートハウジング
１０Ｂ 基準底面
１０Ｓ ２０Ｓ 挟着面
１１ １２ ２１ ２２ 逆止弁
１３ ポンプ室
１３ａ 凹部
１４Ｈ ２４Ｈ 吸入側流路
１５Ｄ ２５Ｄ 吐出側流路
１６Ｈ 吸入接続突起
１６Ｄ 吐出接続突起
１６Ｈａ 吸入接続斜面
１６Ｄａ 吐出接続斜面
１８ 収納凹部
２０ 無ポートハウジング
２３ ポンプ室
２３ａ 凹部
２６Ｈ ２６Ｄ 凹部
２６Ｈａ ２６Ｄａ 吸入側接続斜面
２７ Ｏリング
２８ 蓋部
３０ 圧電振動子
３１ 吸入ポート
３２ 吐出ポート
３３ Ｏリング
５０ 制御基板

Claims (5)

1. ハウジング内に、その表裏に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給電制御用電気部品を搭載した制御基板を収納し、上記一対のポンプ室と単一の吸入ポートとの間にそれぞれ該吸入ポートから該一対のポンプ室への流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吸入側逆止弁を設け、上記一対のポンプ室と単一の吐出ポートとの間にそれぞれ該一対のポンプ室から吐出ポートへの流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吐出側逆止弁を設け、圧電振動子を振動させてポンプ作用を得るドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプにおいて、
   上記ハウジングを、圧電振動子を挟着する挟着面を有する一対のハウジングから構成し、
   この一対のハウジングの一方のハウジングの一端部に、該ハウジングの基準底面と平行な方向に延びる上記吸入ポートと吐出ポートを突出させ、
   この吸入ポートと吐出ポートを有する有ポートハウジングの上記挟着面を、吸入ポートと吐出ポートから離れるに従って、該基準底面から離れる方向に傾斜させて圧電振動子平面を基準底面に対して傾斜させ、
   上記有ポートハウジングに、吸入ポートと吐出ポートの反対側の端部に位置させて、少なくとも一部が圧電振動子及びポンプ室と平面視重複する上記制御基板の収納空間を形成したことを特徴とするドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ。
2. 請求項１記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記有ポートハウジングの制御基板収納空間を形成する壁面の肉厚は、非均一であるドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ。
3. 請求項１または２記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、上記吸入ポートと吐出ポートを有しない無ポートハウジングは、その圧電振動子の径方向に沿う方向の壁面の肉厚が非均一であり、吸入ポートと吐出ポートに向けて肉厚を増大させているドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプにおいて、上記一対のハウジングはともに合成樹脂材料の成形品からなっているドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有するドライバ内蔵４バルブ圧電ポンプ。

Images