JP5170250B2 - 圧電ポンプ - Google Patents
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Description
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。
(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、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、前記ポンプ室の内面との間に生じる間隙に前記液体を保持する液体保持用部材と、
を備える。
この構造により、ポンプ室内の液体に対して毛管現象または表面張力の作用する領域が増して、液体のトラップ効果が高まる。
この構造により、ポンプ室内の液体に対して毛管現象または表面張力の作用する領域が増して、液体のトラップ効果が高まる。
この構造により、ポンプ室内の液体に対して毛管現象または表面張力の作用する領域が増して、液体のトラップ効果が高まる。
この構造により、ポンプ室内の液体に対して毛管現象または表面張力の作用する領域が増して、液体のトラップ効果が高まる。
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。
この構造により、前記液体保持用部材の上下面とポンプ室の内面との間に生じる間隙同士が前記開口を通じて連通するので、輸送すべき液体の流れを阻害することなく、流量の低下が抑えられる。
図2は第1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、矩形の圧電振動子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円状のポンプ室と、そのポンプ室へ液体、または液体と気体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、前記ポンプ室内の内面との間に間隙を生じさせて前記液体を毛管現象または表面張力で保持する液体保持用部材56とを備えている。
前記液体保持用部材56には、その中央部に開口57が形成されている。この開口57は、前記溝59A,59Bのほぼ中央位置に対面する位置関係に設けられている。
流路板62、ポンプ室板63、ダイヤフラム64、及び液体保持用部材56はそれぞれPETシートを加工したものである。
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。
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56: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56が非固定状態で配置されている。液体保持用部材56の厚み寸法はポンプ室の高さ(厚さ)寸法を定めるポンプ室板63の厚み寸法よりわずかに薄い。したがって、液体保持用部材56の上面とポンプ室52の天面(ダイヤフラム64の下面)との間に間隙が存在する。同様に、液体保持用部材56の下面とポンプ室52の底面(流路板62の上面)との間にも間隙が存在する。さらには、液体保持用部材56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にも円筒形状の間隙が存在する。したがって、液体の輸送時にポンプ室52の内部に液体が流入した際、その液体が前記間隙に入り込む。そして、液体の輸送を停止した後も、前記間隙には毛管現象または表面張力により液体が保持されたままとなる。
前記液体保持用部材56は狭空間形成用部材ということもできる。
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。
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。
ΔV=Vmax−Vmin
で表される。
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。
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。
上述のとおり、ポンプ室52の内面と液体保持用部材56の外面との間に存在する間隙に、毛管現象または表面張力により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。
(a)一旦ポンプ室内に液体が流れるとポンプ室内面と液体保持用部材との間隙に液体が毛管現象または表面張力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。
図7は、第2の実施形態に係る圧電ポンプ102の断面図である。この図7は、第1の実施形態での図4(B)に相当する図である。すなわち、ポンプ室52の中心を通り、且つ流路用溝59の延びる方向に対してほぼ直交する面での断面図である。
図8は、第3の実施形態に係る圧電ポンプ103の断面図である。この図8は、第1の実施形態での図4(B)に相当する図である。すなわち、ポンプ室52の中心を通り且つ流路用溝59の延びる方向に対してほぼ直交する面での断面図である。
図9は第4の実施形態に係る圧電ポンプに用いる液体保持用部材の平面図である。図9に示す液体保持用部材69には、その外周部に複数の切り込みSLが形成されている。
52…ポンプ室
53…排出口
54,55…逆止弁
56,69…液体保持用部材
56A,56B…液体保持用部材
57…開口
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
101,102,103…圧電ポンプ
H…弁室
SL…切り込み
Claims (7)
- 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、または液体と気体と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、前記ポンプ室の内面との間に生じる間隙に前記液体を保持する液体保持用部材と、
を備えた圧電ポンプ。 - 前記液体保持用部材は前記ポンプ室内に非固定状態に配置された、1枚または複数枚のシート材である、請求項1に記載の圧電ポンプ。
- 前記1枚のシート材、または前記複数枚のシート材のうちの1枚のシート材は、表面に凹部が形成された、請求項2に記載の圧電ポンプ。
- 前記1枚のシート材、または前記複数枚のシート材のうちの1枚のシート材は、周囲に複数の切り込みが形成された、請求項2または3に記載の圧電ポンプ。
- 前記複数のシート材のうち少なくとも1枚のシート材は発泡樹脂の成形体である、請求項2〜4のいずれかに記載の圧電ポンプ。
- 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、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電ポンプ。
- 前記液体保持用部材は、前記流路用溝に対面する位置に開口が設けられた、請求項6に記載の圧電ポンプ。
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