JP5088870B2 - 圧電ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、液体あるいは気体などの搬送に用いて好適な圧電ポンプに関し、特に、液体に接触する圧電駆動型ダイヤフラムの信頼性を改善した圧電ポンプに関する。
従来の圧電ポンプは、圧電振動子の屈曲撓み振動によって、圧電駆動型ダイヤフラムを駆動させて、媒体液体を排出する構造が一般的である。このような圧電ポンプで使用されるダイヤフラムの一例としては、2枚の圧電振動子にて弾性板を挟み込む形で接合された構造を持つバイモルフ型圧電振動子を用いたものがある。圧電振動子の屈曲撓み振動を利用した、ダイヤフラム式の圧電ポンプは、例えば特許文献1に開示されている。
また、他の例として、1枚の圧延振動子に弾性板を設けた構造を持つユニモルフ型圧電振動子を用いたものがある。図7は、従来の圧電ポンプの説明図であり、図7(a)は平面図、図7(b)は、図7(a)でのAA断面図である。図7に示すように、従来の圧電ポンプは、1枚の圧電振動子を、可とう性樹脂にて全体を覆った、ユニモルフ型の圧電駆動型ダイヤフラムを、2個対向させた構造である。第1の圧電振動子101を、可とう性樹脂70にて、全体を覆った、第1の圧電駆動型ダイヤフラム500と、第2の圧電振動子102を、可とう性樹脂71にて、全体を覆った、第2の圧電駆動型ダイヤフラム510とを、筐体40の内部にて、対向させ、容量室400を形成している。
第1の圧電振動子101には、リード線90が接続され、また、第2の圧電振動子102には、リード線91が接続されている。容量室400の一方には、吸入口61が開けられ、また他方には、吐出口6が開けられており、外部の配管が、これらに接続されている。リード線90、91に電圧が印加されると、第1の圧電振動子101および第2の圧電振動子102が屈曲運動を起こし、この動きに従って、第1の圧電駆動型ダイヤフラム500、第2の圧電駆動型ダイヤフラム510も屈曲運動を起こし、容量室400の内部にある液体を排出する。ここで、第1および第2の圧電振動子の材質は、チタン酸バリウム系圧電セラミック材を使用し、また、可とう性樹脂70,71は、シリコン系樹脂を使用している。
このように、ダイヤフラム式の圧電ポンプの駆動源として、圧電振動子が用いられる理由の1つに低背化が可能であるという点がある。圧電振動子が圧電駆動型ダイヤフラム自体を直接屈曲させるため、機械式や電磁式のダイヤフラムポンプに較べてピストン部分が不要である。このため、携帯可能な電子機器に搭載される燃料電池の燃料供給装置や電子機器の冷却循環水の送液など低背化が利点となる用途に応用されることが期待されている。
特開2000−265963号公報
しかし、従来の構成の場合、圧電振動子には、駆動するための電圧が印加されるため、圧電振動子を、媒体である液体に直接接触させると、圧電振動子のセラミックの表面と弾性板側の電極の間でショートが起こり、電圧を印加しても屈曲しなくなるという問題がある。このため圧電振動子により構成されたダイヤフラム全体をシリコンゴムのような可とう性のある樹脂材料で被覆する構成となっている。
上述のように圧電振動子を用いたダイヤフラムポンプの最大の利点は低背である点であるため、ポンプ全体の低背化には液室、弁などの容積を勘案するとダイヤフラム自体が薄いことが望ましいが、セラミックを液体より保護する必要から設けられている可とう性樹脂材料が少なからず吸水透湿性があるため5年、10年という長期に渡る防水性を維持するためには厚くせざるを得ず、例えば圧電振動子の厚みを1mmとしても最低でもダイヤフラムの厚みが3mm程度は必要であった。また、この問題を解決する方策として接水面にのみフッ素樹脂などの撥水性の強い膜を形成する試みもなされているがフッ素樹脂自体が難接着性のためにやはり同様に長期に渡る信頼性を確保するのが困難である上、ダイヤフラムの厚みよりポンプ全体の厚みを薄くすることに制約を生じさせていた。
一方、ポンプとしての性能は一般にP−Q曲線というもので示される。ここでPは吐出圧力、Qは流量である。圧電振動子を用いたダイヤフラムポンプにおいてこのPとQを決定する要素は、突出圧力Pについては弾性変形時の力であり、流量Qについては変位量である。ダイヤフラムを構成する部材が薄くなる、あるいは柔らかくなると弾性変形時に発生する力は小さくなり、変位量が大きくなる。これは、薄いもの、柔らかい物を曲げる時には大きな力を必要としないのと同様である。従来構造における圧電バイモルフの保護材料としての可とう性樹脂は柔らかいために厚みがあっても変位が大きく、発生力は比較的小さいためポンプ全体の高さが大きいにもかかわらず吐出圧力が低いという問題があった。
また、電子機器の冷却循環水の送液に用いる場合、冷却水の流路は閉鎖循環系になるため電子機器内部の発熱、および外気温の変化により冷却水の容積が変化しポンプにかかる圧力が変動する。このため、従来構造の圧電バイモルフの保護材料として可とう性樹脂を用いた場合にはダイヤフラムの変位量が圧力による変化を受けて変化し流量が安定しないという問題があった。
したがって、本発明は、上記の課題を解決し、耐液性にすぐれ薄型で、かつ吐出圧力が高く、周囲環境の変化の影響を受けにくい、圧電振動子を用いた圧電ポンプを提供することにある。
本発明は、第1の導電性金属弾性板の片面に第1の圧電振動子を接合した第1の圧電駆動型ダイヤフラムと、第2の導電性金属弾性板の片面に第2の圧電振動子を接合した第2の圧電駆動型ダイヤフラムと、前記第1の圧電駆動型ダイヤフラムと前記第2の圧電駆動型ダイヤフラムを取り付ける筐体とを備え、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板を、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子より大きく形成し、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板に、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の外縁に沿って窪みを設け、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板とを対向するように配置し、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板と前記筐体で容積室を形成し、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板とが直接媒体に接することを特徴とする圧電ポンプである。
また、本発明は、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板の前記媒体と接する面に、可とう性樹脂層が設けられたことを特徴とする上記の圧電ポンプである。
また、本発明は、前記第1及び第2の圧電振動子の前記可とう性樹脂層が設けられた面と反対側の面に、金属箔が設けられ、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の表面電極と接触するよう接合されるとともに、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板の、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子からはみだした部分に、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の外縁とは接触しない位置にて絶縁物により接合されていることを特徴とする上記の圧電ポンプである。
また、本発明は、第1の圧電駆動型ダイヤフラム及び第2の圧電駆動型ダイヤフラムの周縁部分が、Oリングにより筐体に固定されていることを特徴とする上記の圧電ポンプである。
即ち、上記の課題を解決するために、第一の発明の圧電ポンプでは、導電性金属弾性板からなるシムの片面に圧電振動子を接合したユニモルフ型圧電振動子の金属弾性板が対向するように配置されて容積室を構成していることを特徴としている。
第一の構成による圧電ポンプにおいては、液体と接触する表面を、導電性金属弾性板とすることで圧電振動子と、容量室の液体を分離する。従来の可とう性樹脂層の代わりに、導電性金属弾性板を使用することで吸水透湿性がなくなり従来に比し厚みを薄くしても充分な防水効果が得られる。また、金属は一般的にヤング率が樹脂材料よりも大きいためにダイヤフラムが剛となり発生力を増す効果があるため、ポンプとして用いた際に負荷圧力の変動に対しての流量の変化が少なくなる。更にこの構造では、このユニモルフを対向させることによってバイモルフ型と同等の流量、吐出圧を得ることが可能となった。導電性金属弾性板の材質には、真鍮、ステンレスなどが用いられる。
一方、圧電振動子を変形させるためには圧電振動子に電圧を印加しなければならないが、この構成では導電性金属弾性板が圧電振動子の表面に接合されているため、ユニモルフの弾性板に導電性のある金属を使用することで表面の金属薄膜と弾性板にリード線を接続してその間に電圧を印加することで圧電振動子を変形させることが可能となる。
第二の発明の圧電振動子では、第一の発明の圧電振動子において2枚を対向して容積室を形成する金属弾性板弾性板表面に、樹脂などからなる絶縁層を設けたものであり搬送液体による腐食を予防すると同時に電気的な絶縁を保つことを特徴としている。
第三の構成においては、基本的な構成と効果は第一の発明、および第二の発明と同じであるが圧電振動子上に、金属箔等の金属薄膜を有する絶縁性の樹脂層を設けることで、圧電振動子を変形させるために電圧を印加する際の電極の取り出しを容易にすると共に、ポンプ筐体など別の構成部品へのリークを防止し、湿度の影響により圧電振動子から電流がリークすることを防止する構成としたものである。
また、本構成では圧電振動子表面に、金属箔等の金属薄膜を接着することで圧電振動子表面と導通を持った端子を直接外部に取り出すことができるため、ポンプ筐体ではんだ付け部分を回避する必要が無く低背化に寄与する。
第四の発明の圧電振動子では、第三の発明の圧電振動子において2枚の圧電振動子に挟みこむように接合された弾性板に、圧電振動子外縁に沿うように窪みが設けられており、圧電振動子表面に金属箔が圧電振動子の表面電極と接触するよう接合されると同時に、はみだした弾性板に絶縁物層により接合されていることを特徴とする。
即ち、第四の構成においては、第三の発明と構成の効果は同じであるが、側面からの湿度の進入を防ぐために弾性体と表面を覆う可とう性樹脂層の外周部を接合する際に、圧電振動子外周上に沿うように弾性板に予め、窪みを設けて、接合している樹脂材料と圧電振動子外周部分が確実に接触しない構造にしたものである。
また、これらの構成において、弾性板が圧電振動子の寸法より大きく、圧電振動子より外部に露出する構成とすることにより、媒体である液体が、漏れた場合に、圧電振動子まで到達するのに時間がかかり、腐食の点で、より信頼性が向上する。
上記に説明したように、本発明の構成によれば、耐液性にすぐれ薄型で、かつ吐出圧力が高く、周囲環境の変化の影響を受けにくい、圧電振動子を用いた圧電ポンプを提供できる。
本発明の圧電ポンプは、導電性金属弾性板の片面に圧電振動子を接合したユニモルフ型圧電振動子を用いた構成であり、圧電振動子に接合された導電性金属弾性板が対向するように配置されて、容積室を構成し、弾性板が直接媒体と接する構造である。
また、圧電ポンプを構成するユニモルフ型圧電振動子において、弾性板が、圧電振動子の寸法より大きく、圧電振動子より外部に露出しており、更に、圧電振動子表面に金属箔が圧電振動子の表面電極と接触するよう接合されると同時に、はみだした弾性板に圧電振動子外縁とは接触しない位置にて絶縁物層により接合されている。ここで、絶縁物層の材質は、フッ素樹脂系材料が使用される。
また、圧電ポンプを構成するユニモルフ型圧電振動子において、圧電振動子が接合された弾性板に、圧電振動子外縁に沿うように窪みが設けられており、更に、圧電振動子表面に金属箔を有する可とう性樹脂層を金属箔が圧電振動子の表面電極と接触するよう接合されると同時に、はみだした弾性板に圧電振動子外縁とは接触しない位置にて絶縁物層により接合されている圧電ポンプとする。
また、導電性金属弾性板の表面に、可とう性樹脂層が配置され、この可とう性樹脂層の周囲をOリングにより、円周状に筺体に固定される。
図1は、本発明の実施例1における圧電ポンプの説明図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)でのAA断面図である。図1に示すように、圧電ポンプ300は、第1の圧電駆動型ダイヤフラム100と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム200と、これらを収納する筐体4と、この筺体4の開放端を覆う蓋5a、5b、また、1の圧電駆動型ダイヤフラム100と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム200の周縁部分で筐体に固定するOリング3a、3b、3c、3dとで構成されている。また、第1の圧電駆動型ダイヤフラム100と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム200と、筐体4の側面とで囲まれて、容量室400が形成されている。
また、第1の圧電駆動型ダイヤフラム100は、導電性金属弾性板2aに、圧電振動子1aが貼り付けられた構造であり、第2の圧電駆動型ダイヤフラム200は、導電性金属弾性板2bに圧電振動子1bが貼り付けられた構造である。ここで、導電性金属弾性板2aと、導電性金属弾性板2bとが対向しており、これにより容量室400を形成し、容量室に入る、液体などの媒体と直接することとなる。
また、導電性金属弾性板2aと、導電性金属弾性板2bの材質は真鍮である。これにより、圧電振動型ダイヤフラムのヤング率は、従来のシリコン系樹脂を用いた場合より、高くなっている。また、直接媒体と接触する第1の導電性金属弾性板2aと、第2の導電性金属弾性板2bの材質が、金属である真鍮のため、媒体が透過することはない。なお、圧電振動型ダイヤフラムの寸法は、厚みを2mm、直径を35mmとした。また容量室400の直径は、30mmとした。圧電ポンプ300の全体の高さは、8mmである。
図2は、本発明の実施例2における圧電ポンプの説明図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は、図2(a)でのAA断面図である。図2に示すように、圧電ポンプ310は、第1の圧電駆動型ダイヤフラム110と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム210と、筐体4と、蓋5a、5b、また、Oリング3a、3b、3c、3dとで構成されている。ここで、第1の圧電駆動型ダイヤフラム110と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム210と、筐体4の側面とで囲まれて、容量室400が形成されている。
また、第1の圧電駆動型ダイヤフラム110は、導電性金属弾性板2aに、圧電振動子11aが貼り付けられた構造であり、更に、導電性金属弾性板2aに、可とう性樹脂層7aが全面に貼り付けられている。また、圧電振動子11aの直径寸法は、導電性金属弾性板2aの直径寸法の約50%としている。また、第2の圧電駆動型ダイヤフラム210は、導電性金属弾性板2bに、圧電振動子11bが貼り付けられた構造であり、更に、導電性金属弾性板2bに、可とう性樹脂7bが全面に貼り付けられている。また、圧電振動子11bの直径寸法は、導電性金属弾性板2bの直径寸法の約50%としている。
また、導電性金属弾性板2aと、導電性金属弾性板2bの材質は真鍮である。また、前記可とう性樹脂層7a、7bの材質は、テフロン(登録商標)としており、可とう性樹脂層7a、7bが、直接、媒体の液体に接する。これによって、第1の導電性金属弾性板2aと、第2の導電性金属弾性板2bが、前記可とう性樹脂7a、7bによって保護されるので、第1の導電性金属弾性板2aと、第2の導電性金属弾性板2bの材質である真鍮が、腐食から保護される。
ここで、また、前記圧電振動子11bの直径寸法は、導電性金属弾性板2bの直径寸法の約50%としている。これによって、媒体である液体が、漏れた場合に、圧電振動子2a、2bまで到達するのに時間がかかり、腐食の点で、より信頼性が向上する。なお、圧電振動型ダイヤフラムの寸法は、厚みを2mm、直径を35mmとした。また容量室400の直径は、30mmとした。
また、比較例として、図7に示す構造の従来の圧電ポンプを作製した。圧電振動型ダイヤフラムの寸法は、直径を35mmとし、容量室400の直径は、30mmとした。本発明の実施例1、2と従来の圧電ポンプでP(閉鎖圧力)−Q(流量)特性、平均故障時間特性を比較した。
図5は、本発明の実施例1の圧電ポンプと、従来の圧電ポンプとのP−Q特性を比較して示した図である。図5より、流量200ml/min以下の範囲では、一定の圧力下で、本発明の圧電ポンプの流量は、常に、従来の圧電ポンプより大きくなっていることがわかる。この特性により、本発明の圧電ポンプは、周囲環境の変化による、温度変化、他の変化の影響を受けにくいことがわかる。
図6は、本発明の実施例1、2の圧電ポンプと、従来の圧電ポンプとの平均故障時間特性を比較して示した図である。ここで、この特性の試験条件は、周囲温度60℃に保持して行った。また、故障状態の定義は、媒体が漏れて、圧電振動子を、電気的に不良とした。図6より、本発明の圧電ポンプは、従来の圧電ポンプより、相対湿度20%RHから相対湿度80%RHの間にて、著しく、平均の故障に到るまでの時間が長くなり、信頼性が改善されていることがわかる。
図3は、本発明の実施例3における圧電ポンプの断面図である。図3に示すように、圧電ポンプ320は、第1の圧電駆動型ダイヤフラム120と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム220と、これらを収納する筐体4と、この筺体4の開放端を覆う蓋5a、5b、また、第1の圧電駆動型ダイヤフラム120と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム220の周縁部分で筐体に固定するOリング3a、3b、3c、3dとで構成されている。ここで、第1の圧電駆動型ダイヤフラム120と、第2の圧電駆動型ダイヤフラム220と、筐体4の側面とで囲まれて、容量室400が形成されている。
また、第1の圧電駆動型ダイヤフラム120は、導電性金属弾性板21aに、圧電振動子12aが貼り付けられた構造であり、更に、導電性金属弾性板21aに、可とう性樹脂層71aが全面に貼り付けられている。また、圧電振動子12aの直径寸法は、導電性金属弾性板21aの直径寸法の約50%としている。また、第2の圧電駆動型ダイヤフラム220は、導電性金属弾性板21bに、圧電振動子12bが貼り付けられた構造であり、更に、前記導電性金属弾性板21bに、可とう性樹脂層71bが全面に貼り付けられている。また、前記圧電振動子12bの直径寸法は、導電性金属弾性板21bの直径寸法の約50%としている。
また、導電性金属弾性板21aと、導電性金属弾性板21bの材質は真鍮である。これにより、圧電振動型ダイヤフラムのヤング率は、従来のシリコン系樹脂を用いた場合より、高くなっている。また、可とう性樹脂層71a、71bの材質は、テフロン(登録商標)としており、可とう性樹脂層71a、71bが、直接、媒体の液体に接する。これによって、 第1の導電性金属弾性板21aと、第2の導電性金属弾性板21bが、可とう性樹脂層71a、71bによって保護されるので、第1の導電性金属弾性板21aと、第2の導電性金属弾性板21bの材質である真鍮が、媒体である液体の腐食から保護される。
また、実施例3では、更に圧電振動子12aの可とう性樹脂層71aが設けられた面と反対側の面に、金属箔8aを配置し、圧電振動子12bの可とう性樹脂層71bが設けられた面と反対側の面に金属箔8bを配置し、金属箔8a、8bの外周を、樹脂等の絶縁物層10を介して、導電性金属板21a、21bと接合している。これにより、更に、漏れた媒体の液体から、圧電振動子を保護することができる。
図4は、本発明の実施例4における圧電ポンプの断面図である。本実施例4の圧電ポンプの構造は、先の実施例3の圧電ポンプと同様であり、構造の説明を省略する。ここで、実施例4では、導電性金属弾性板22aには、圧電振動子13aの外周縁に沿って、窪み9aが設けられている。また、同じく、導電性金属弾性板22bには、圧電振動子13bの外周縁に沿って、窪み9bが設けられている。窪み9a、9bは、媒体の液体が漏れて、導電性金属弾性板22aあるいは22bの表面を移動した場合、その液体をせき止めて、圧電振動子まで、到達しないようにする効果がある。これによって、更に実施例3よりも、腐食に対する信頼性が改善している。
本発明による構成の圧電ユニモルフ型振動子を使用することで従来よりも低背かつ信頼性に優れ吐出圧力の変化の少ないダイヤフラム式の圧電ポンプを供することが可能となり、携帯可能な電子機器に搭載される燃料電池の燃料供給装置や電子機器の冷却循環水の送液などに使用することが可能となった。
本発明の実施例1における圧電ポンプの説明図。図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(a)でのAA断面図。 本発明の実施例2における圧電ポンプの説明図。図2(a)は平面図、図2(b)は、図2(a)でのAA断面図。 本発明の実施例3における圧電ポンプの断面図。 本発明の実施例4における圧電ポンプの断面図。 本発明と従来の圧電ポンプのP−Q特性を比較して示した図。 本発明と従来の圧電ポンプの平均故障時間特性を比較して示した図。 従来の圧電ポンプの説明図。図7(a)は平面図、図7(b)は、図7(a)でのAA断面図。
符号の説明
1a、1b、11a、11b、12a、12b、13a、13b、101,102 圧電振動子
2a、2b、21a、21b、22a、22b 導電性金属弾性板
3a、3b、3c、3d、31 Oリング
4、40、41 筐体
5a、5b、50、51 蓋
6 吐出口
7a、7b、70、71、71a、71b 可とう性樹脂層
8a、8b 金属箔
9a、9b 窪み
10 絶縁物層
61 吸入口
90、91 リード線
100,110,120,130、200、210、220、230、500、510 圧電駆動型ダイヤフラム
300、310、320、330 圧電ポンプ
400 容量室

Claims (4)

  1. 第1の導電性金属弾性板の片面に第1の圧電振動子を接合した第1の圧電駆動型ダイヤフラムと、第2の導電性金属弾性板の片面に第2の圧電振動子を接合した第2の圧電駆動型ダイヤフラムと、前記第1の圧電駆動型ダイヤフラムと前記第2の圧電駆動型ダイヤフラムを取り付ける筐体とを備え、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板を、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子より大きく形成し、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板に、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の外縁に沿って窪みを設け、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板とを対向するように配置し、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板と前記筐体で容積室を形成し、前記第1の導電性金属弾性板と前記第2の導電性金属弾性板とが直接媒体に接することを特徴とする圧電ポンプ。
  2. 前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板の前記媒体と接する面に、可とう性樹脂層が設けられたことを特徴とする請求項に記載の圧電ポンプ。
  3. 前記第1及び第2の圧電振動子の前記可とう性樹脂層が設けられた面と反対側の面に、金属箔が設けられ、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の表面電極と接触するよう接合されるとともに、前記第1の導電性金属弾性板及び前記第2の導電性金属弾性板の、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子からはみだした部分に、前記第1の圧電振動子及び第2の圧電振動子の外縁とは接触しない位置にて絶縁物により接合されていることを特徴とする請求項に記載の圧電ポンプ。
  4. 第1の圧電駆動型ダイヤフラム及び第2の圧電駆動型ダイヤフラムの周縁部分が、Oリングにより筐体に固定されていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の圧電ポンプ。
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