JPH02149778A

JPH02149778A - 圧電マイクロポンプ

Info

Publication number: JPH02149778A
Application number: JP30370288A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Muranaka; 司村中; Hajime Miyazaki; 肇宮崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1988-11-30
Publication date: 1990-06-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野１本発明は流体の流出を微量制御するマイクロポンプに関
するものである。

［従来の技術］従来、圧電マイクロポンプの構造は、特開昭６２−１０
７８４１号に示され、第５図の如き構造であった。即ち
、第５図は５０７の駆動回路から信号を送ることにより
、５０３の圧電素子を駆動し、それによって５０１のタ
ンクより流体を送り出すものである。尚、５０２，５０
４は機械式の逆上弁である。５０５，５０６はチューブ
であ杭〔発明が解決しようとする課題１しかし従来技術においては、第５図の逆止弁はゴム等で
作られているため、微少量の流体の制御は難しい。また
、順方向に対しての押えがないため、第５図の５０６側
の圧力が５０５　＋１１１１の圧力よりも低い場合、自
然に流体は流出するという問題がある。そこで、本発明
はこのような問題点を解決するもので、その目的は流体
の微少流量制御を可能にするとともに、振動等による外
力よって流体が順方向に流出することを防止した圧電マ
イクロポンプを提供するところにある。

〔課題を解決するための手段１本発明の圧電マイクロポンプは、（１）少なくとも１枚以上の流体を加圧するための圧電
素子と、２枚以上の弁の働きをする圧電素子を貼り付け
た振動板および、１つ以上の圧電素子により圧力を加λ
る加圧室と２つ以上の圧電素子により弁の働きをする弁
室な有し、流入口および流出口、弁室、加圧室とそれら
を結ぶ流路をすべて同一平面上に配した基板からなり、
平板Ａにおいで、前記弁室と加圧室に平面的に対応する
位置に圧電素子を配したことを特徴とする。

（２）特許請求範囲第１項の圧電マイクロポンプにおい
て前記振動板と前記基板は振動板上のすべての圧電素子
と基板の前記流路の部分を少なくともさける部分のみ接
着したことを特徴とする。

（３）特許請求範囲第１項の圧電マイクロポンプにおい
て前記流路は流入口と１つの弁室、流出口と前記弁室と
は異なる弁室、加圧室と弁室を結ぶ基板上にもうけられ
たみぞからなることを特徴とする。

（４）特許請求範囲第１項記載の圧電マイクロポンプに
おいて前記弁室は基板に流路となるみぞと流路を遮断す
る１つ、ないし複数個の壁をもうけたことを特徴とする
。

（５）特許請求範囲第１項記載の圧電マイクロポンプに
おいて流入口側の加圧室と弁室を結ぶ流路の方を流出口
側の加圧室と弁室を結ぶ流路に比べ、流路の距離を長く
、または流路断面積を小さくしたことを特徴とする。

［実　施　例１第１図は本発明の実施例を示す要部の断面図である。１
０１，１０２，１０３は駆動用の圧電素子であり、低弾
性率の振動板１０４に接着されている。１０５は流体の
流入口、１０６は流体の流出口であり、流体は１０５の
流入口から入り１点線で囲まれた１０８の弁室、１０９
の加圧室。

１１０の弁室を通り、１０６の流出口へ吐出される。１
０７は基板であり、高弾性率の材料でできている。１１
１は圧電素子の変形方向を示し、矢印の方向を十とする
。

第２図は基板１０７の上面図である。２０１．２０２は
弁の働きをなす壁であり、圧電素子１０１．１０３が非
駆動状態においては振動板１０４と壁２０１．２０２は
密着した状態となり、流体は通過することができない。

圧電素子１０１．１０３が駆動状態においては圧電素子
が＋方向に変形するため振動板１０４と壁２０１゜２０
２は非密着状態となるため流体は通過することができる
。この動作によって弁の働きをなす。

２０３は流入口と弁室１０８を結ぶみぞであり、２０４
は弁室１０８と加圧室１０９を結ぶみぞであり、２０５
は加圧室１０９と弁ｇｌｌｏを結ぶみぞであり、２０６
は弁室１１０と流出０１０６を結ぶみぞである。

第３図はこの第１図の実施例の駆動波形の一例である。

第３図において（ａ）は第１図の圧電素子１０１の駆動
波形であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ圧電素子１０２
．１０３に対応した波形である。電圧レベルは非動作の
場合、０ボルト、動作状態においては＋Ｖボルトとして
いる。３０１．３０２，３０３，３０４．３０５はそれ
ぞれの圧電素子の動作期間を示す。

第４図は第３図の波形で動作させた場合の実施例である
。４０１は圧電素子１０１，１０２．１０３を駆動する
ための駆動回路である。４０２はグランド信号で、振動
板１０４上の薄膜電極を介して、圧電素子１０１．１０
２．１０３の接着面側とコンタクトしている。４０３．
４０４．４０５にはそれぞれ圧電素子１０１，１０２．
１０３の駆動用信号が４０１の駆動回路から送られる。

圧電素子ｌｏｔ、１０２．１０３は＋ｖの電圧がかけら
れたとき十方向に変位するとする。

（ａ）は第３図における３０１の期間に振動板１０４と
基板１０７と壁２０１，２０２は密着した状態であり、
流体の移動はない０次に（ｂ）は、３０２の期間であり
、圧電素子１０１が駆動されるため、振動板１０４が十
方向に変位し、振動板１０４と壁２０１が非密着状態と
なり、弁室１０８が開くため、流入口１０５と加圧室１
０９での流体の移動が可能となる０次に３０３の期間で
ある（Ｃ）において、弁室１０Ｂが開いた状態で、圧電
素子１０２が土方向に変形する、流入口１０５より、圧
電素子１０２の変形に伴なう一定体積の流体が加圧室１
０９にとりこまれる０次に３０４の期間である（ｄ）に
おいて、圧電素子１０１は閉じるため流入口１０５と加
圧室１０９の流路は閉じられ、それと同時に圧電素子１
０３は十方向へ変位するため弁室１１０が開き、流出口
１０６と加圧室１０９の流路が開き、流体の移動が可能
となる０次に３０５の期間である（ｅ）において、圧電
素子１０２は非動作位置へもどる加圧室内の流体は加圧
され、流出口１０６へ吐出される。これら（ａ）〜（ｅ
）の動作を一周期として、くり返し動作を行なうことに
よって、ある流体°の微少流量を流入口から流出口へ送
ることができる。

第６図は駆動素子が４個の場合の駆動回路の一例である
。（ａ）において６０１はｃｐｕ、６０２．６０３．６
０４．６０５は圧電素子駆動用のドライバーであり、Ｃ
ＰＵはから送られてきた信号を増幅し、６０６．６０７
．６０８．６０９の圧電素子を駆動する。ＣＰＵは第３
図の様な信号の反転信号を出力する。

通常、ＣＰＵは３〜５ボルトで動作しており、また圧電
素子は１００ボルト等、ＣＰＵと比較して高電圧で駆動
することが多い、よって６０２．６０３．６０４．６０
５の圧電駆動用のドライバーが必要となる。その１例を
第６図の（ｂ）に示す、６１Ｏは入力端子であり、例え
ば入力端子６１０にハイレベル（３ボルト）の信号が送
られてきたときには６１１．６１２．６１４のトランジ
スタがオンし、６１３のトランジスタはオフし、６１５
の圧電素子につながる出力端子には、ローレベル（０ボ
ルト）の信号が送られる。また入力端子６１０にローレ
ベルの信号が送られたときには６１１．６１２．６１４
のトランジスタがオフし、６１３のトランジスタがオン
し、出力端子はハイレベル（１００ボルト）の信号が送
られる。よって６１０の入力端子には反転信号を入力す
る。

第７図は本発明の圧電マイクロポンブの他の実施例であ
る。（ａ）は上面図で（ｂ）は（ａ）の−点鎖線上の断
面図である。７０１は流入口、７０２は流出口である。

７０３，７０４，７０５は圧電素子であり、振動板７１
１に接着されている。７０６の点線部分は弁室、７０７
の点線部分は加圧室、７０８の点線部分は弁室である。

７０９は弁室７０６にもうけられた壁であり、７１０は
弁室７０８にもうけられた壁であり、壁７０９．７１０
はゴムの様な低弾性率の材料で作られている。７１３は
基板７１２にもうけられた流路である。第１図の構造で
は流体を駆動用圧電素子１０２により吐出する際、流入
側の弁には弁を開こうとする力が加わるため、加圧力を
強くできない、そのため流路７１３は管摩擦による圧力
水頭の損失を大きくすることにより、吐出時、流入側の
弁に加わる圧力を減少させるものである。

内径ｄの管路の中を平均流速υで流体が流れているとき
、距１ｉｉｔ　Ｑ　ｌｉすれた２点の圧力水頭のｔ口失
は次式で表わされる。

ｈ＝え・Ｃ・υ　’／２ｇ−ｄ上式のえは管摩擦係数である。また管を曲げることによ
り、ｈ＝（４＋ｌｊ２／ｄ）υ　”／２ｇ ξは損失係数である。実験上ξはゆるやかに曲がってい
る管においてはＯｌ付近である。また急に曲がっている
管においては９０°の曲げにおいては約１．１である。

したがって、逆流防止用の流路７１３を曲げ、あるいは
断面積を小さ（、流路を長（することによって、流入側
の弁に加わる圧力を減少させることができる。よって圧
電素子７０４の駆動によって加圧室７０７を加圧した場
合、弁室７０６にかかる圧力が緩和されるため、加圧力
を強めることができる。基板７１２と振動板７１１は（
ａ）の斜線部を接着している。

第８図は第７図の駆動波形の一例である。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ圧電素子７０３．７
０４．７０５の駆動波形である。圧電素子７０３．７０
４．７０５と基板７１１は基板７１１上の薄膜電極を介
して共通電極となっており、グランド（Ｏボルト）とな
っている、圧電素子７０３，７０４．７０５は動作時に
は十Ｖボルト、非動作時には一■ボルトの電圧が加えら
れている。８０１は弁室７０６．７０８が両方とも閉じ
ている状態であり、流入ロア０１と流出ロア０２におけ
る流体の移動を阻止する。また弁室７０６が閉じた状態
の模式断面図を第９図に示す、９０１は圧電素子の変位
方向を示し、矢印側は十Ｖの電圧が加えられた場合の変
位方向を示し＋方向とする。圧電素子７０３に一■ボル
ト加えられた場合には圧電素子７０３と振動板７１１は
一方向に変位するため壁７０９が押さえつけられるため
変形し、弁室７０６が閉じるため、弁としてより強く（
動くことができる。

〔発明の効果］以上述べたように、本発明は特許請求の範囲第一項にお
いて、圧電素子は電圧の変化に対する追従性が数ｎ。Ｃ
と早く、また変位の安定性が高いため、追従性、安定性
の高い弁が構成でき、機械式弁に比べ高い周波数の駆動
が可能であり、また流量の精密な制御が可能である。ま
た主要部品としては基板、振動板、圧電素子で構成され
ているため、通常圧電素子は厚み０．１〜０．２ｍ１Ｉ
、振動板もほぼ同じ厚み、また基板は同一平面上に流入
口、流出口、弁室、加圧室をもうければよいため、厚み
は２１ＩＩＩ１１程度でよく、総厚みとしては、２．４
ｍｍ以下になるため、薄型が可能となる。

基板は穴あけ加工等必要ないため、ガラス等の穴あけ加
工の難しい材料でも、振動板の接する部分のみのエツチ
ングにて、流入口、流出口、流路、弁室、加圧室が構成
できるため、簡単な構成でマイクロポンプを構成するこ
とができる。また流入口と流出口を同時に閉じている状
態が作れるので、流入口と流出口の外部圧力の差によっ
ても影響をうけないという利点がある。そして非動作状
態においても、圧電素子が流入出口をおさえているため
、外部衝撃をうけても機械弁と比較して、流体が流出す
ることがないということを可能にした。

特許請求範囲（４）において、弁は流路に壁をもうけた
構造としたため、簡単な構造で弁を構成することができ
る。

特許請求範囲第５項において、流入口側の弁室と加圧室
を結ぶ流路の距離を長く、断面積を小さくしたため、加
圧室から弁室にかかる圧力を緩和でき、加圧室に加えら
れる圧力を大きくすることができるので吐出圧力の大き
いポンプを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電マイクロポンプの断面図である。第２図は本発明の圧電マイクロポンプの基板の上面図で
ある。第３図は本発明の圧電素子の駆動波形の一例を示す図で
ある。第４図は本発明のマイクロポンプを第３図の波形によっ
て駆動させた場合の模式図である。第５図は従来の圧電マイクロポンプの断面図である。第６図は本発明の圧電マイクロポンプ駆動回路の−例を
示す図である。第７図は本発明の圧電マイクロポンプの他の実施例を示
す図である。第８図は本発明の圧電マイクロポンブの駆動波形の他の
一例を示す図である。第９図は第７図の駆動状態の断面図の一部である。１０１、　１０２．１０４　　・　・　・　・　・１０５　・　・　・　・　・１０６　　・　・　・　・　・１０７　・　・　・　・　・１０８．１１０　　・１０９　　・　・　・　・　・２０１　、２０２　・２０３、２０４．２０７　・　・　・　・　・・圧電素子・振動板・流入口・流出口・基板・弁室・加圧室・壁２０５．２０６・流路となるみぞ・接着部第１第２第９第夕図第７図第？図？コ γ１２第６図第９図刀９ｏ／

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも１枚以上の流体を加圧するための圧電
素子と、２枚以上の弁の働きをする圧電素子を貼り付け
た振動板および、１つ以上の圧電素子により圧力を加え
る加圧室と２つ以上の圧電素子により弁の働きをする弁
室を有し、流入口および流出口、弁室、加圧室とそれら
を結ぶ流路をすべて同一平面上に配した基板からなり、
平板Ａにおいて、前記弁室と加圧室に平面的に対応する
位置に圧電素子を配したことを特徴とする圧電マイクロ
ポンプ。
（２）前記振動板と前記基板は振動板上のすべての圧電
素子と基板の前記流路の部分を少なくともさける部分の
みを接着したことを特徴とする請求項１記載の圧電マイ
クロポンプ。
（３）前記流路は流入口と１つの弁室、流出口と前記弁
室とは異なる弁室、加圧室と弁室を結ぶ基板上に、もう
けられたみぞからなることを特徴とする請求項１記載の
圧電マイクロポンプ。
（４）前記弁室は基板に流路となるみぞと流路を遮断す
る１つ、ないし複数個の壁をもうけたことを特徴とする
請求項１記載の圧電マイクロポンプ。
（５）前記流路において流入口側の加圧室と弁室を結ぶ
流路の方を流出口側の加圧室と弁室を結ぶ流路に比べ、
流路の距離を長く、または流路断面積を小さくしたこと
を特徴とする、請求項１記載の圧電マイクロポンプ。