JP5169693B2 - 圧電ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、圧電振動子によって屈曲変形するダイヤフラムを備えた圧電ポンプに関する。

圧電振動子によって屈曲変形するダイヤフラムを備えた圧電ポンプは、一般に小型・薄型に構成できるとともに、低消費電力であることから、燃料電池の燃料輸送用ポンプなどとして利用可能である。このような圧電ポンプの特性として、輸送すべき燃料などの液体の吐出圧力や流量のほかに、ポンプ室に入った空気をポンプ室外へ排出する能力も求められている。

ポンプ室に入った空気（気体）をポンプ室外へ排出する能力を高めた圧電ポンプは特許文献１，２に開示されている。
特許文献１の圧電ポンプは、ケーシングの内面形状が、ポンプ圧縮（吐出）工程における圧電振動子の最大振幅時において、ケーシングと圧電振動子との間に間隙が殆ど生じないように構成されている。即ち、最大振幅時の圧電振動子の撓み形状とケーシングの内面とがほぼ同一の形状となるように、ケーシングの内面が加工されている。

次に、特許文献２の圧電ポンプを、図１を参照して説明する。図１は特許文献２の圧電ポンプＰの平面図である。この圧電ポンプＰは、ポンプ本体と、弾性膜と、圧電素子２１と、押え板３０とを備えている。ポンプ本体には、流入側弁室の一部を構成する凹部１１と、ポンプ室１２となる凹部と、排出側弁室を構成する凹部１３とが形成されている。流入側凹部１１とポンプ室１２との間には接続通路（流入口）１４が形成されていて、排出側凹部１３とポンプ室１２との間には接続通路（排出口）１５が形成されている。

押え板３０には、圧電素子２１と対応する箇所に開口穴３１が形成されている。流入ポート３４には、この流入ポート３４を開閉する流入側逆止弁４０が設けられている。また、排出ポート３５には、この排出ポート３５を開閉する排出側逆止弁４１が設けられている。

圧電素子２１の中央部と対面するポンプ室１２の内底面には台部１６が形成され、台部１６の外周に流入口１４及び排出口１５へ通じる流路部１７が形成されている。圧電素子２１を屈曲変形させると、圧電素子２１の中央部と台部１６との隙間が狭いので、台部１６の上に存在する液体が外周側の流路部１７へ押し出され、空気は流路部１７でトラップされる。さらに、ポンプ室１２の容積変化に伴い、流路部１７の液体は排出口１５へと排出され、空気も一緒に排出される。
特開平０３−０３１５８９号公報 特開２００８−１６３９０２号公報

圧電ポンプを薄く構成する場合には、ダイヤフラムやポンプ本体を薄い弾性体シートから構成することになるが、シートが薄いと、特許文献１のように特定の形状に加工することが非常に難しい。そのため、ポンプ室内に気泡が混入してきた場合に、ポンプ自身の発生圧力が低下して、気泡の排出が不可能になり、ポンプ動作が停止する虞がある。

また、特許文献２のように、空気をトラップする流路部をポンプ室の内周に設けた構造では、ポンプ室内が完全に空気であるときに、その空気を外に押し出す場合（ドライスタート時）に効果的である。しかし、圧電ポンプの使用形態は、一旦駆動を開始した後にそのまま継続的に液体を輸送し続ける用途に限らない。液体の輸送を開始した後、一旦駆動を停止し、再度駆動を開始する、とった断続的な駆動を行っても、気体の排出及び液体の輸送を確実に行える能力が求められる。しかし、特許文献２のような構造の圧電ポンプでは断続的な駆動を行った場合、十分な圧力が得られない。

そこで、この発明の目的は、断続的な駆動を行っても、高い圧力及び流量を維持したまま気体の排出及び液体の輸送を確実に行える圧電ポンプを提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）交流電圧の印加によって振動する圧電振動子と、
前記圧電振動子によって屈曲変形するダイヤフラムと、
少なくとも１つの壁面が前記ダイヤフラムで構成されたポンプ室と、
前記ポンプ室へ、液体、気体、または液体と気体の混合体である流体が流入する流入口と、
前記ポンプ室から前記流体が排出する排出口と、
前記流入口への前記流体の逆流及び前記排出口からの前記流体の逆流を阻止する逆止弁と、
前記ポンプ室内に設けられ、内部の孔に前記液体が保持される多孔質の液体保持用部材と、
を備える。

この構造により、液体がポンプ室内に一旦流入した後に動作が停止しても、ポンプ室の内面と液体保持用部材内部の微小な孔（空間）に液体が保持（トラップ）される。したがって、この状態では、ポンプ室内がほとんど液体で満たされるため、ポンプ室の等価的な容積が小さくなる。このことにより、再度駆動させた時のポンプ室内に入っている空気などの気体にかかる圧力（以下、「エアー圧力」という。）が向上する。

また、ポンプ室の容積が小さければ小さいほど、一般に流路抵抗が大きくなり、流量は小さくなるが、上記液体保持用部材によりトラップされた液体によって見かけ上の容積を小さくしているので、しかもその液体は搬送すべき液体と同じ液体であるので、流路抵抗の増加を引き起こすことが殆どない。よって、輸送すべき液体の流量が低下することなくエアー圧力が向上する。

（２）前記液体保持用部材は、例えば発泡樹脂の成形体である。
この構造により、前記ダイヤフラムに対向する前記ポンプ室の内面及び前記ダイヤフラムに前記液体保持用部材が接触しても、前記液体保持用部材が前記ダイヤフラムに対向する前記ポンプ室の内面及び前記ダイヤフラムに損傷を与えることがない。

また、前記液体保持用部材はダイヤフラムの変位を妨げないのでポンプ室の容積変化量が減少せず、必要な流量を確保できる。

（３）前記液体保持用部材は、前記ダイヤフラムに対向する前記ポンプ室の内面と前記ダイヤフラムとの間に挟み込んでもよい。
この構造により、前記ポンプ室内での前記液体保持用部材の位置が定まり、安定した特性が得られる。

（４）少なくとも前記ポンプ室は、前記ポンプ室の内面に前記流体の流路用溝を設けられたものとする。
この構造により、低背化やポンプ容積低減のためにポンプ室の高さを極力薄くした場合でも、液体が流路用溝による流路が確保されるため、流路抵抗による圧力損失の影響を受けずに流量を確保できる。

この発明によれば、液体がポンプ室内に一旦流入した後に動作が停止すれば、ポンプ室内がほとんど液体で満たされるため、ポンプ室の等価的な容積が小さくなる。このことにより、エアー圧力が向上する。また、ポンプ室の容積が小さければ小さいほど、一般に流路抵抗が大きくなり、流量は小さくなるが、上記液体保持用部材によりトラップされた液体によって見かけ上の容積を小さくしているので、しかもその液体は搬送すべき液体と同じ液体であるので、流路抵抗の増加を引き起こすことが殆どない。よって、輸送すべき液体の流量が低下することなくエアー圧力が向上する。

図２は、この発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の平面図である。圧電ポンプ１０１は、圧電振動子６５と、圧電振動子６５によって屈曲変形するダイヤフラムと、１つの壁面が前記ダイヤフラムで構成されたポンプ室と、そのポンプ室へ液体、気体、または両者の混合体が流入する流入口５１と、ポンプ室から前記流体が排出する排出口５３と、前記液体を毛管現象で保持する液体保持用部材５８とを備えている。

前記ポンプ室の内面には、前記流体の流路用溝５９Ａ，５９Ｂが設けられている。
前記圧電振動子６５は、交流電圧の印加によって振動し、前記ダイヤフラムを屈曲変形させる。圧電振動子６５の２つの電極はコネクタ６８に電気的に接続されている。

図３は、前記圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。天板６０は剛性の高いステンレススチールを加工したものである。天板６０の図における上面には天板シート６１が設けられている。なお、組み立てられた圧電ポンプ１０１を実際に使用する際に、天板６０が上面側になるように用いる。そのため、図３においては最下層に位置する部品ではあるが、ここではその名称を「天板」という。

天板シート６１の上部には流路板６２が配置される。この流路板６２には流路用溝５９（図２に示した流路用溝５９Ａ，５９Ｂ）が形成されている。

流路板６２の上部にはポンプ室板６３が配置される。ポンプ室板６３にはほぼ円形のくり抜きによるポンプ室５２が形成されている。

ポンプ室板６３の上部にはダイヤフラム６４が配置される。このダイヤフラム６４と前記流路板６２との間にポンプ室板６３が挟み込まれることによって、非常に薄い円筒形のポンプ室５２が構成される。

前記ポンプ室５２の内部には液体保持用部材５８が配置される。
流路板６２、ポンプ室板６３、及びダイヤフラム６４はそれぞれＰＥＴシートを加工したものである。液体保持用部材５８は発泡樹脂の成形体であり、具体的にはポリウレタンフォームを円板状に加工したものである。その他、セラミック多孔質体、網目状金属部材、フェルト等の繊維体などを用いることができる。

前記ダイヤフラム６４にはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電振動子６５が貼着される。
ダイヤフラム６４の上部には弁室板６６が配置され、この弁室板６６のさらに上部に底板６７が配置される。なお、上述したとおり、組み立てられた圧電ポンプ１０１を実際に使用する際に、底板６７が下面側になるように用いる。そのため、図３においては最上層に位置する部品ではあるが、ここではその名称を「底板」という。

上述したとおり、圧電ポンプ１０１は、天板６０が上面、底板６７が下面、となるようにして使用される。

前記ダイヤフラム６４と底板６７との間に弁室板６６が挟み込まれることによって、弁室板６６に形成された２つの開口が弁室Ｈを構成する。この弁室Ｈ，Ｈの内部に逆止弁５４，５５がそれぞれ配置（封入）される。

図４は、前記圧電ポンプ１０１の断面図である。図４（Ａ）は流路用溝５９を通る垂直面での断面図、図４（Ｂ）はポンプ室５２の中心を通り、且つ前記流路用溝５９の延びる方向に対してほぼ直交する垂直面での断面図である。

圧電ポンプ１０１の各部及び全体の寸法は次のとおりである。
ポンプ室５２：直径１４．５ｍｍ×厚さ０．０７５ｍｍ
圧電振動子６５：１７ｍｍ×０．３ｍｍ
液体保持用部材５８：直径１４．０ｍｍ×厚さ０．０６ｍｍ
ダイヤフラム６４：１９．４ｍｍ×２８．８ｍｍ×厚さ０．０７５ｍｍ
圧電ポンプ１０１全体：２４ｍｍ×３３ｍｍ×１．３２５ｍｍ
図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、ポンプ室５２の内部には、ほぼ円板形状の液体保持用部材５８が非固定状態で配置されている。液体保持用部材５８は、内部に微小な孔を備えた多孔質体であるので、ポンプ室５２内に入った液体は、液体保持用部材５８の内部の微小な孔（空間）に毛管現象または微小な孔に液体が充填されることにより保持（トラップ）される。

なお、さらには、液体保持用部材５８の上面とポンプ室５２の天面（ダイヤフラム６４の下面）との間隙、液体保持用部材５８の下面とポンプ室５２の底面（流路板６２の上面）との間隙、液体保持用部材５８の周縁とポンプ室板６３に形成された開口の内周面との間隙に液体を保持するようにしてもよい。

上記液体保持用部材５８の作用により、液体の輸送を停止した後も、前記間隙には毛管現象により液体が保持されたままとなる。
図４に示した例では、液体保持用部材５８の厚み寸法を、ポンプ室５２の高さ（厚み）を定めるポンプ室板６３の厚み寸法より僅かに薄くしたが、液体保持用部材５８の厚み寸法は、ポンプ室板６３と同じか僅かに厚くて、液体保持用部材５８がダイヤフラム６４と天板シート６１との間に挟まれていてもよい。特に、液体保持用部材５８に柔軟性または弾性があれば、液体保持用部材５８の厚み寸法を、ポンプ室板６３の厚み寸法と同等の厚みに成形したとしても、圧電振動子の駆動を阻害することがなく、最大のエアー圧力を得ることが可能となり、より好ましい。

図２〜図４に示した圧電ポンプ１０１の作用は次のとおりである。
圧電振動子６５は、その圧電振動子６５に対する印加電圧に応じてダイヤフラム６４をたわませる。これによりポンプ室５２の容積が拡張または収縮する方向に屈曲変形する。したがって圧電振動子６５に交流電圧を印加することによって、ポンプ室５２の容積は拡張／収縮が繰り返されることになる。

逆止弁５４は流入口から外部へ液体または気体が逆流するのを阻止し、逆止弁５５は排出口５３から内部へ液体または気体が逆流するのを阻止する。そのため、ポンプ室５２の拡張時に流入口５１から液体が流入し、ポンプ室５２の収縮時にはポンプ室５２内の液体が排出口５３から排出される。

ポンプ室５２に対して初めて液体が流入する場合（ドライスタート時）には、流入口５１→ポンプ室５２（及び流路用溝５９）→排出口５３、の経路で気体が吸引され、排出される。

これに伴い、液体が流入口５１から流入し、ポンプ室５２の内部が液体で充填された後、排出口５３から排出される。

その後、圧電振動子６５の駆動が一旦停止されても、ポンプ室５２内の前記液体保持用部材５８内の微小な孔、及び前記隙間に毛管現象により液体が保持されたまま（湿潤したまま）となる。

その後、圧電振動子６５の駆動が再開されれば、流入口５１→ポンプ室５２（及び流路用溝５９）→排出口５３の経路で直ちに液体を輸送することになる。

ここで、ポンプ室で発生する圧力とポンプ性能との関係を示す。
ダイヤフラム６４の振動によってポンプ室５２が発生する圧力ΔＰは、
ΔＰ＝ポンプ室の剛性Ｋ×ポンプ室の容積変化ΔＶ
で表される。前記ポンプ室の剛性Ｋは、
Ｋ＝１／｛（１／Ｋａ）＋（１／Ｋｐ）＋（１／Ｋｔ）｝
で表される。ここで、Ｋａはダイヤフラム６４の剛性、Ｋｐはポンプ室内の気体の剛性、Ｋｔは流路板６２及び天板シート６１を含めた天板６０の剛性である。

また、ポンプ室の容積変化ΔＶは、拡張時の容積をＶｍａｘ、収縮時の容積をＶｍｉｎとすれば、
ΔＶ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ
で表される。

したがって、エアー圧力ΔＰａは、
ΔＰａ＝〔１／｛（１／Ｋａ）＋（１／Ｋｐ）＋（１／Ｋｔ）｝〕×ΔＶ
液体の吐出圧ΔＰｌは、
ΔＰｌ≒〔１／｛（１／Ｋａ）＋（１／Ｋｔ）｝〕×ΔＶ
で表される。
また、流量はΔＶ×Ｆ（駆動周波数）である。

したがって、ポンプ性能の向上のためには、前記ポンプ室の剛性Ｋを高め、且つポンプ室の容積変化ΔＶを高めればよい。

一方、ポンプ室内の気体の剛性Ｋｐはダイヤフラムの剛性Ｋａ及び天板の剛性Ｋｔより非常に小さい。すなわち、Ｋｐ＜＜Ｋａ，Ｋｔの関係が成り立つので、前記エアー圧力ΔＰａは、
ΔＰａ≒Ｋｐ×ΔＶ
と表される。ポンプ室内の気体の剛性Ｋｐは、定数をＣとすると、
Ｋｐ＝Ｃ／Ｖ
と表すことができ、ポンプ室内の気体にかかるエアー圧力ΔＰａは、
ΔＰ≒Ｃ×ΔＶ／Ｖ
の関係が成り立つ。

したがって、エアー圧力を向上するためにはポンプ室容積を極力小さくすればよい。
上述のとおり、液体保持用部材内部に微小な孔が存在し、液体が保持されるため、気体にとって見かけ上のポンプ室容積が減少して、エアー圧力が向上する。

この発明の実施形態によれば次のような効果を奏する。
（ａ）一旦ポンプ室内に液体が流れるとポンプ室内に液体が微小な孔によりトラップされるので、初期状態（一回も液体を通していない状態）と比較すると、ポンプ室容積が気体にとって見かけ上小さくなり、エアー圧力が向上する。そのため、気泡の排出効率が向上して、ポンプ室内に気泡が混入してきた場合でも、ポンプ動作が停止する不具合が発生しない。また、輸送する液体そのものによりポンプ容積を低減させているため、流路抵抗の増加による流量の減少が生じるという不具合も発生しない。

（ｂ）ポンプ室の内面に流路用溝が設けられていることで、低背化やポンプ容積低減の為にポンプ室高さを極力薄くした場合でも、流路抵抗による圧力損失の影響を受けることなく、必要な流量を確保できる。

特許文献２の圧電ポンプＰの平面図である。 実施形態に係る圧電ポンプ１０１の平面図である。 実施形態に係る圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 実施形態に係る圧電ポンプ１０１の断面図である。

符号の説明

５１…流入口
５２…ポンプ室
５３…排出口
５４，５５…逆止弁
５８…液体保持用部材（発泡樹脂シート）
５９…流路用溝
５９Ａ，５９Ｂ…流路用溝
６０…天板
６１…天板シート
６２…流路板
６３…ポンプ室板
６４…ダイヤフラム
６５…圧電振動子
６６…弁室板
６７…底板
６８…コネクタ
１０１…圧電ポンプ
Ｈ…弁室

Claims (4)

1. 交流電圧の印加によって振動する圧電振動子と、
   前記圧電振動子によって屈曲変形するダイヤフラムと、
   少なくとも１つの壁面が前記ダイヤフラムで構成されたポンプ室と、
   前記ポンプ室へ、液体、気体、または液体と気体の混合体である流体が流入する流入口と、
   前記ポンプ室から前記流体が排出する排出口と、
   前記流入口への前記流体の逆流及び前記排出口からの前記流体の逆流を阻止する逆止弁と、
   前記ポンプ室内に設けられ、内部の孔に前記液体が保持される多孔質の液体保持用部材と、
   を備えた圧電ポンプ。
2. 前記液体保持用部材は発泡樹脂の成形体である、請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 前記液体保持用部材は、前記ダイヤフラムに対向する前記ポンプ室の内面と前記ダイヤフラムとの間に挟み込まれた、請求項２に記載の圧電ポンプ。
4. 少なくとも前記ポンプ室の内面に前記流体の流路用溝を設けた、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電ポンプ。

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