JP5002474B2 - 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入を許す逆止弁とポンプ室からの流体流出を許す逆止弁）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（特許文献１乃至６）。
特開２００１-２６３４８６号公報 特開２００２-３９０７４号公報 特許３４０５６１８号公報 特開２００２-３２２９８６号公報 特開２００３-１９３９６５号公報 特開２００５-１３３７０４号公報

この圧電ポンプに用いる圧電振動子は、導電性金属板からなる金属シムの表裏の一面に圧電体層を設けたユニモルフ型、及び両面に圧電体層を設けたバイモルフ型が知られており（引用文献１乃至３）、さらに本出願人は、圧電体層を電気的に並列または直列に接続した複数層としたマルチモルフ型を提案している（特願２００７-３５８７９号）が、いずれのタイプの圧電振動子も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層厚方向に分極処理をした圧電体層との交互積層構造を有する点では共通である。そして、どのタイプの圧電振動子を用いるにしても従来、液体に触れるポンプ室側には金属製のシムを位置させ、大気室側に圧電体層を位置させていた。

ところが、大気室側に圧電体層を設けた圧電振動子は、長期間使用すると、該大気室側の圧電体層にクラック（割れ）が発生したり、圧電体層の厚み方向に分極（ポーリング）がされている場合、分極が解けて圧電振動しに所定の電圧をかけても所定の変位が発生しなくなる可能性があることが判明した。

引用文献４乃至６記載の圧電ポンプのように、上下方向に伸縮する圧電素子によってダイヤフラムを駆動する構成は、圧電素子にクラックが発生する可能性は低くなるが、ポンプが厚くなってしまう。
また、これらの圧電ポンプでは、ポンプ室へ流体を流入させる入口流路の合成イナータンス値を、ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路の合成イナータンス値よりも小さく設定しているが、これは流入量を増大させて高出力を得ることなどを目的としていて、圧電層のクラック発生に関しては何ら示唆されておらず、クラック発生を防止するものではなかった。

本発明は従って、薄型で、圧電振動子の圧電体層にクラックが生じにくく、分極が解けにくい長寿命の圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明者らは、大気室側の圧電体層にクラックが生じる原因や分極が解ける原因について研究の結果、圧電振動子はポンプ室側の液体圧力を受けて運転中は常時大気室側に突出する方向の力を受けていること、及びその結果、大気室側の厚さが１００〜３００μmと薄い圧電体層に面内方向に引張応力が加わることがクラックの発生原因であるとの結論に達した。また、圧電体層の面内方向に引張応力が加わっているとき、同時に、圧電体層の厚み方向には圧縮応力がかかっており、この圧縮応力によって分極が解けてしまうということを発見し、本発明をなしたものである。すなわち、セラミックである圧電体層は、圧縮力には強いが引張力には弱いので、圧電体層に作用する引張力が小さくなるようにすればよく、分極を解けないようにするにはできる限り分極と平行または反平行な方向の圧縮応力がかからないようにすればよいという着眼点に基づいてなされたものである。

本発明は、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、該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、上記圧電振動子は、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し、かつ、上記シムがポンプ室側に面していること、及び、上記ポンプ室への流体流入路及び該ポンプ室からの流体流出路にはそれぞれ逆止弁が設けられていて、上記流体流入路に設けられた逆止弁の方が上記流体流出路に設けられた逆止弁よりも流体抵抗が大きくなるように形成されていること、を特徴としている。

上記圧電振動子は、上記シムの大気室側の面にのみ上記圧電体層が形成されたユニモルフ型である。

本発明の圧電ポンプは、その好ましい一態様においては、上記ポンプ室への流体流入路の内径は、ポンプ室からの流体流出路の内径よりも小さく形成される。

本発明による圧電ポンプは、圧電振動子を、シムがポンプ室側に面するように配置し、上記ポンプ室への流体流入路に設けた逆止弁の流体抵抗が、ポンプ室からの流体流出路に設けた逆止弁の流体抵抗より大きくなるように形成したので、圧電層が受ける面内方向の引張応力と厚み方向の（分極方向と平行または反平行方向の）圧縮応力を緩和し、長寿命化を図ることができる。

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（流体、液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。この実施形態では、流体が流入するときの流体抵抗の方が流出するときの流体抵抗よりも大きくなるように、吸入ポート２４の内径φの方が、吐出ポート２５の内径φよりも小さく形成されている。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の表側（大気室Ａ側）に配置した環状電極端子１３と、圧電振動子１０の裏側（ポンプ室Ｐ側）に配置した環状電極端子２９が、圧電振動子１０を挟んで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を連通させる吐出流路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。穴あき基板３２ａ、３３ｂにはそれぞれ、複数の連通穴３２ｃ、３３ｃがあけられている。

またロアハウジング２１には、吸入流路３０及び吐出流路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（大気室Ａ内に突出、ポンプ室Ｐ内に突出する方向）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。

図３は、本発明の実施形態による圧電振動子１０及びその狭着支持構造を拡大して示す拡大断面図である。

圧電振動子１０は、円形のメインシム１１と、メインシム１１の表面に形成した円形の圧電体層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、圧電体層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上に圧電体層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。

圧電体層１２は、メインシム１１の表面１１ｃに構成され、大気室Ａ側に臨んでいる。圧電体層１２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。

圧電体層１２は、厚さ２００μmで径が２８mm程度のＰＺＴなどの圧電セラミックスからなり、厚み方向に分極処理され周知のように厚み方向に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。圧電体層１２は、メインシム１１側の面がシム側電極層１３ｂ及びメインシム１１を介して一対の給電ラインの一方と導通し、大気室Ａ側の面が表面電極層１３ｃ及び環状電極端子２９を介して他方の給電ラインと導通している。

環状電極端子２９は、圧電体層１２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で給電ライン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、圧電体層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、圧電体層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を介して圧電体層１２の周縁部を図示上方向から図示下方向へ押圧する。

上記狭着支持構造を有する圧電ポンプ２０において、一対の給電ラインの間に交番電圧を印加すると、一方の給電ラインが正、他方の給電ラインが負である瞬間には、圧電体層１２の表面積が縮小する。すると、圧電体層１２は全体としては圧電振動子１０をポンプ室Ｐ側に凸となる方向に変形させる（偶力を発生させる）ことになる。これに対し、一対の給電ラインの正負が逆転すると、以上とは逆に圧電体層１２は表面積が拡大して、全体としては圧電振動子１０を大気室Ａ側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は全体としてポンプ室Ｐ側、大気室Ａ側に振動し、ポンプ作用が得られる。

このポンプ作用に際し、圧電振動子１０には、ポンプ室Ｐ側から常時液体圧力が加わり、その結果、大気室Ａ側の圧電体層１２には引張応力が加わる。この引張応力は液体の温度が高くなるほど大きくなる。この実施形態では、吸入ポート２４の内径φの方を吐出ポート２５の内径φよりも細くして、ポンプ室Ｐ内に流入する流体抵抗の方をポンプ室Ｐから流出する流体抵抗よりも大きくしてある。そのため、ポンプ動作中、圧電振動子１０を大気室Ａ側に突出変位させる流体圧が低くなり、圧電振動子１０が大気室Ａ側に突出する変位が小さくなって、圧電振動子１０を構成する圧電体層１２に発生する面内方向の引張応力が小さくなる。したがって、大気室Ａ側に圧電体層１２が設けられていても、圧電体層１２にクラックが発生し難くなり、寿命が延びる。また、圧電体層１２に同時に発生する厚み方向と平行な圧縮応力が緩和され、厚み方向に分極処理された分極が解けにくくなり、変位減少による特性劣化を防止することができる。

吸入ポート２４と吐出ポート２５の内径φ(mm)の組合せと、圧電振動子１０のポンプ室Ｐ側変位と大気室Ａ側の変位(μm)の関係を実験により求めた結果を、表として表１及びグラフとして図４に示した。図４のグラフにおいて、縦軸は変位（μm）、横軸は吸入ポート２４、吐出ポート２５の内径φの組合せを表している。
＜表１＞

条件番号(1)は、吸入ポート２４及び吐出ポート２５の内径φが等しい従来構造である。条件番号(8)は、吸入ポート２４の内径φよりも吐出ポート２５の内径φを小さくした場合の比較例である。以上の実験結果より、条件(5)、(6)、(7)において、大気室Ａ側の変位が小さくなることが分かる。大気室Ａ側の変位が小さくなると圧電体層１２に発生する引張応力も小さくなり、クラックが発生するのが防止され、寿命が延びる。なお、条件(8)のように吸入ポート２４の内径φの方を吐出ポート２５の内径φよりも太くすると、大気室側変位がポンプ室側変位よりも大きくなるので、この実施形態では好ましくないことが分かる。

以上の実施形態では、ポンプ室Ｐへの流体抵抗を吸入ポート２４及び吐出ポート２５の内径を異ならせることにより調整したが、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を連通させる吐出流路３１によって調整する構造でもよい。あるいは、逆止弁３２、３３の硬度、形状などを含めた規格、穴あき基板３２ａ、３３ａの連通穴３２ｃ、３３ｃの径、形状、穴の数またはこれらの組合せによって調整してもよく、ポンプ室Ｐへの流入抵抗が流出抵抗よりも大きくなるように形成できればよい。
本実施形態では圧電体層１２をユニモルフとしたが、バイモルフ、積層タイプであっても効果が得られる。

本発明を適用した圧電ポンプの実施形態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。 図２の断面図の部分拡大断面図である。 同圧電ポンプにおいて、吸入ポートの内径と吐出ポートの内径の異なる組合せにおける圧電振動子の大気室側及びポンプ室側の変位をグラフで示す図である。

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
１３ｂ シム側電極層
１３ｃ 表面電極層
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
２７ Ｏ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
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室

Claims (3)

1. 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、該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、
   上記圧電振動子は、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し、かつ、上記シムがポンプ室側に面していること、及び
   上記ポンプ室への流体流入路及び該ポンプ室からの流体流出路にはそれぞれ逆止弁が設けられていて、上記流体流入路に設けられた逆止弁の方が上記流体流出路に設けられた逆止弁よりも流体抵抗が大きくなるように形成されていること、
   を特徴とする圧電ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記圧電振動子は、上記シムの大気室側の面にのみ上記圧電体層が形成されたユニモルフ型である圧電ポンプ。
3. 請求項１または２記載の圧電ポンプにおいて、上記ポンプ室への流体流入路の内径は、ポンプ室からの流体流出路の内径よりも小さく形成されている圧電ポンプ。

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