JPH0381585A

JPH0381585A - 圧電ポンプ

Info

Publication number: JPH0381585A
Application number: JP21810289A
Authority: JP
Inventors: Yukio Senda; 千田　幸雄; Yasuo Oguri; 康生小栗
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1989-08-24
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1991-04-05

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］本発明は圧電ポンプに係り、詳しくは化学、医療、家庭
等の分野において比較的小流量の液体又は気体を効率良
く移送することができる圧電ポンプに関する。

［従来の技術］従来、小流量の流体を移送するポンプとしては、電動機
やソレノイドを駆動源とし、羽根車やピストン又はプラ
ンジャーを作動させ、その回転運動や往復運動により吸
入及び吐出を行なう機構があった。これらのポンプは電
動機やソレノイドを駆動源としていることから、その力
学的エネルギーを羽根車やピストン又はプランジャーに
伝達するための中間機構を必要とする。そのため、ポン
プの構造は複雑となり小型化も困難であるという不具合
があった。

このような問題を解決し、ポンプを小型化する手段とし
て圧電振動子に電圧を、６−　ｉ−することにより弾性
体に振動を起こし、その振動による弾性体の変形の進行
波に載せて流体を移送するポンプが提案されている（特
開昭５９−１４７８８８号）。

第１３図は、この特開昭５９−１４７８８８号に開示さ
れている進行波を用いるポンプを示す断面図である。図
示の如く、このポンプは、金属などの２枚の弾性体４５
．４６の外部に弾性体４５．４６を振動させる圧電振動
子４１．４２．４３．４４を配し、両弾性体４５．４６
の当接面で囲まれた波形空間の移動を起こさせることに
より、該空間内の流体を搬送させるものである。この場
合、進行波の生成は、次のような原理による。即ち、弾
性体４５．４６の一端（吸入口４７側）に設けた振動子
４１．４３により弾性体４５．４６に横振動変形を生起
させると共に、弾性体４５．４６の他”ｉ’Ｊ　（吐出
口４８側）に設けた振動子４２．４４により振動を吸収
させると、弾性体４５．４６の振動変形が進行波となる
。特開昭５９−１４７８８８号に開示されるポンプでは
、発生した進行波の波形空間に流体を載せて搬送する構
成により、少量の流体を搬送することを可能とし、また
、振動の周期及び振幅等の制御により、微少搬送量の制
御を可能としている。

［発明が解決しようとする課題］特開昭５９−１４７８８８号に開示されている進行波を
用いたポンプでは、発生する進行波の振幅が非常に小さ
く、ポンプを形成する他の部オイ、例えばケーシングな
どの加工精度や組立て精度とほぼ同等、或いはそれ以下
の変位しか発生しないために、流量も非常に少ない上に
、安定した流れを維持することが期待できないという大
きな問題点を有する。

この原因は、弾性体の両端にそれぞれ振動発生用と吸収
用の圧電素子を配置させて進行波を形成させていること
にある。即ち、このような構成では、進行波の振幅は、
圧電素子の変位とほぼ同じ大きさとなるが、圧電素子の
変位は通常当該圧電素子長の約ｏ、ｉ％であるから、進
行波の振幅は大きくても数くクロン−１ｏ′：、クロン
程度と非常に小さい。共振現象を利用してこの振幅をあ
る程度大きくすることは可能であるが、この場合におい
ても、高々数１０９クロン程度てあり、前述の如く、組
立て、加工精度と同等である。このため、変位が吸収さ
れてしまうことになる。しかも、共振を利用する場合に
は、共振周波数に一致させるための自動追尾用の回路が
必要となり、装置自身も複雑化するなど種々の問題点が
あった。

本発明は上記従来の問題点を解決し、ポンプの組立て、
加工精度よりも遥かに大きな変位を発生させることがで
き、安定した流量を維持することができる圧電ポンプを
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］請求項（１）の圧電ポンプは、ケーシング部材で包囲さ
れた空間内に、板状屈曲型圧電アクチュエータ及び吸入
口と吐出口を設けてポンプ室を形成してなる圧電ポンプ
てあって、該ポンプ室に内在する被移送物を押し出し且
つ吸引するためのポンプ動作を、前記圧電アクチュエー
タの進行波状の撓み変形により行なわせることを特徴と
する請求項（２）の圧電ポンプは、ケーシング部材で包囲さ
れた空間内に板状屈曲型圧電アクチュエータと、吸入口
及び吐出口を有する可撓性相料よりなる管状物を配置す
ることによってポンプ室を形成してなる圧電ポンプてあ
って、該管状物に内在する被移送物を押し出し且つ吸引
するためのポンプ動作を、前記圧電アクチュエータの進
行波状の撓み変形により行なわせることを特徴とする。

［作用］以下に本発明の作用について図面を参照して詳細に説明
する。

第７図は本発明の圧電ポンプの作動原理を説明する断面
図、第８図は同ポンプの流路内を示す斜視図である。

ケーシング２１は吸入口２２、吐出口２３を有しており
、その内部の流路２５内には圧電アクチュエータ２４が
配置されている。該圧電アクチュエータ２４は、交流電
圧の印加により進行波状の変位を発生させるものである
。即ち、本発明の圧電ポンプでは、圧電アクチュエータ
２４に生する進行波状の変位とケーシング内壁面２７．
２８．２９．３０で囲まれる空間２６ａ、２６ｂ、２６
ｃ、２６ｄに被移送物（図示せず）を内在させ、圧電ア
クチュエータ２４の進行波状変位が進む方向に被移送物
を移送させてポンプ動作を行なわせる。

この場合、ポンプの効率を上げるために、圧電アクチュ
エータ２４の進行波状の変位において、流路２５を形成
するケーシング内壁面２７．２８．２９．３０のうち、
上、下面（圧電アクチュエータ２４の進行波の振幅方向
と垂直な面）２７．２８に圧電アクチュエータ２４を接
触させるようにするのが好ましい。また、流路２５の側
面（圧電アクチュエータ２４と垂直な面）２９．３０に
は、圧電アクチュエータ２４は接触しないが、圧電アク
チュエータ２４との間隔はできるだけ小さい間隔となる
ようにするのが好ましい。

即ち、圧電アクチュエータ２４とケーシング内壁面２７
〜３０との隙間からは、被移送物が一部漏洩し、移送効
率が低下するため、この漏洩を極力減らすべく、圧電ア
クチュエータ２４とケーシング内壁面２７〜３０との間
隔は圧電アクチュエータ２４の変位を阻害しない範囲で
できるたけ小さくすることが好ましい。ケーシング内壁
面２７〜３０のうち、上、下面２７．２８は圧電アクチ
ュエータ２４と接触しても圧電アクチュエータ２４の変
位を殆ど阻害しないが、側面２９．３０は圧電アクチュ
エータ２４と接触すると摩擦により圧電アクチュエータ
２４の変位を阻害することとなる。このようなことから
、上、下面２７．２８は圧電アクチュエータ２４に接触
させ、側面２９．３０はごくわずかに間隔をあけるのが
好ましいのである。

通常の場合、内壁面２７．２８の間隔は、圧電アクチュ
エータ２４の変位（振幅）よりも数１０〜数ｉｏｏμｍ
程度小さくし、一方、内壁面２９．３０の間隔は圧電ア
クチュエータ２４の幅より数１０〜数１００μｍ大きく
することが好ましい。

このような本発明の圧電ポンプによれは、進行波状の変
位を生ずる圧電アクチュエータを用いることにより、ポ
ンプの組立て、加工精度よりも遥かに大きい変位を発生
させることかできる。

従来において、進行波の形成には、通常、超音波モータ
ーに見られるように、数１０ＫＨｚにもなる素子の共振
周波数に一致させた周波数の電圧を印加し、共振状態で
進行波を得ている。これに対して、本発明においては、
共振下では駆動させず、非共振下で駆動させるため、共
振周波数を得るための特別な駆動回路は不要となり、装
置構成が簡素化される。また、吐出量のコントロールは
進行波の移動速度、即ち、印加電圧の周波数を変化させ
ることにより容易に行なうことかできる。

印加電圧の周波数は被移送物質の種類、必要とする吐出
量によって決定される。更に、印加する２種類の電圧の
位相差を逆転させることによって、移送方向の切換えを
行なうことができる。

特に、本発明においては、後述の第１図〜第４図に示す
如く、流路内に可撓性羽ねよりなる管状物を配置させ、
該管状物置に被移送物を内在させ、圧電アクチュエータ
の進行波状の撓み変形を該管状物に伝達させて被移送物
質を移送させるようにするのが好ましい。このような構
成とすることにより、移送効率はより向上する。

［実施例］以下に実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する
。

第１図は本発明の圧電ポンプの一実施例の基本構造を示
す断面図、第２図は第１図ＩＩ　−Ｉｔ線に沿う断面図
、第３図は作動原理を示す断面図である。

図中、ＩＡは上側ケーシング部材、ＩＢは下側ケーシン
グ部材であり、下側ケーシング部材ＩＢは管状物２と圧
電アクチュエータ３とを内在し得るように断面凹形状と
され、板状の上側ケーシング部材ＩＡにボルト締め又は
接着剤等で接合されている。両ケーシング部材ＩＡ、Ｉ
Ｂて形成される空間内には、可撓性材料よりなる管状物
２と、圧電アクチュエータ３とが挿填されている。管状
物２と上側ケーシング部材ＩＡとの接触面、及び、管状
物２と圧電アクチュエータ３との接触面はそれぞれエポ
キシ系等の接着剤で接着されている。一方、下側ケーシ
ング部材ＩＢと圧電アクチュエータ３とは相互に接着さ
れておらず、単に接する構成となっている。

圧電アクチュエータ３は、本実施例ではバイモルフ型の
屈曲型圧電アクチュエータが採用されており、交流電圧
の印加により第３図に示す如く進行波状に変位する。第
３図において、ある時刻ｔでは圧電アクチュエータ３は
実線で示す姿勢をとっている。この時刻ｔから時刻ｔ′
まで時間が経過する間に、矢印Ｘの方向に進行波が進む
ように圧電アクチュエータか変位し、時刻ｔ′では圧電
アクチュエータ３は、第３図の３′で示す姿勢をとる。

この時刻ｔＮｔ′の間に、圧電アクチュエータ３と上側
ケーシング部材ＩＡとによって挟まれて形成される閉空
間８は、圧電アクチュエータ３の進行波状変位によって
矢印Ｘの方向へ８動する。これによって、この閉空間８
に満たされている管状物２内の被移送物４が矢印Ｘの方
向に移送される。

なお、このように圧電アクチュエータ３を変位させるに
際しては、該圧電アクチュエータ３の変位の頂部Ｐ、Ｑ
の部分において、圧電アクチュエータ３が上側ケーシン
グ部材ＩＡに押し付けられた状態となるように、該圧電
アクチュエータ３への印加電圧や、上側ケーシング部材
ＩＡと圧電アクチュエータ３との間隔を適宜調整する。

第４図は圧電アクチュエータを２枚用いた例を示す断面
図である。第４図に示す圧電ポンプにおいては、２枚の
圧電アクチュエータ３Ａ、３Ｂの間に可撓性の管状物２
を挟み込み、かつこの管状物２を圧電アクチュエータ３
Ａ、３Ｂにそれぞれ接着しである。この２枚の圧電アク
チュエータ３Ａ、３Ｂは、それぞれの進行波状の変位が
管状物２を中心として対称な形状となるように構成され
ている。第４図に示す圧電ポンプにおいても、圧電アク
チュエータ３Ａ、３Ｂの変位により、圧電アクチュエー
タ３Ａ、３Ｂ間の閉空間が移動して、該閉空間に満たさ
れている管状物２内の被移１送物４が移送される。

圧電アクチュエータ進行波状に変位させるには、公知の
方法によって行なうことがてきる。例えば、昭和６０年
度精機学会春期大会学術講演会論文集Ｎｏ　、　１２４
　（Ｐ３１５〜３１［ｉ）に示される方法を採用するこ
とができる。

具体的には、第５図に示すように、圧電アクチュエータ
３の電極１０Ａ、ＩＯＢを複数個例えば４個の各部分１
１．１２．１３．１４に分割し、各部分１１．１２．１
３．１４のそれぞれに＋ＶＩ、＋Ｖ２、−ｖ、、　　Ｖ
２の電圧を印加する。このとき、■、と■２としては、
第６図（ａ）、（ｂ）に示すような位相か９０”ずれた
電圧を印加する。そして、各部分１１．１２．１３．１
４の分極方向ＤＡ、ＤＢを、各部分１１．１２．１３．
１４の方向にそれぞれ逆向きにすることにより、第６図
（ｃ）に示すような進行波状の変位を圧電アクチュエー
タに発生させることができる。

本発明において、使用する圧電アクチュエータ２３（３Ａ、３Ｂ）としては、例えば、板状の圧電体セラ
主ツクス、好ましくは圧電特性の優れたチタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴと称す）系のセラよツクスに、銀又はニ
ッケル等の電極を形成させ、中央支持板となる金属板と
共に貼り合せたものが挙げられる。ここで、中央支持板
としては、リン青銅、鉄ニツケル合金、真ちゅう、ステ
ンレス等の金属を用いるのが一般的である。

上、下側ケーシング部材ＩＡ、ＩＢはポンプ室内圧に耐
え得る剛性及び化学的安定性を有するものであれば良く
、その材質には特に制限はないが、例えば、ポリアセタ
ール樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリカーボネート樹Ｂ
’ｉ１等の熱可塑性樹脂、或いは、銅、真ちゅう、ステ
ンレス等の金属などが挙げられる。

可撓性の管状物２は、肉薄で、可撓性を有し、圧電アク
チュエータの変位をできるだけ阻害しないものであって
、被移送物に対して化学的安定性を有するものが好まし
い。管状物２に用いられる構成材料としては、ポリエチ
レンテレフタレート（ＰＥＴ）、ボリイくド、テフロン
等の樹脂、或いは銅、リン青銅、真ちゅう等の金属、或
いは、これら樹脂と金属とのうよネート材などが挙げら
れ、これらを管状のフィルム又は箔としたものを用いる
ことができる。

なお、管状物２の形態としては、管に限らず、２枚のフ
ィルム又は箔を重ね合せ、両端をシールしたもの、或い
は上、下側ケーシング部材にパツキン材と共に挟み込ん
だ形のものでも良い。即ち、管状物２は圧電アクチュエ
ータの変形に応じて変形し、且つ被移送物が漏洩しない
ＩＪ質、形態であればいずれの相質、形態のものであっ
ても良い。

第９図及び第１０図に本発明の実施例に係るリング型圧
電ポンプを示す。なお、第９図（ａ）は圧電アクチュエ
ータ４０の電極構造を示す図、第９図（ｂ）はその分極
構造を示す図、第１０図は圧電ポンプ５０の一部切欠斜
視図である。

第１０図に示す如く、リング状であって、かつ周回溝３
４ｂを有する下側ケーシング部オＪ’　３４　Ｂと、該
下側ケーシング３４Ｂに重ね合された平板リング状の上
側ケーシング３４Ａとでリング状のケーシング３４が構
成されている。このケーシング３４内にリング状の圧電
アクチュエータ４０と、リング状の管状物３５とが装入
されている。

この管状物３５の端部３６（吸入口）、３７　（吐出口
）は、下側ケーシング３４Ｂに設りられた開口３８から
外部に引き出されている。

本実施例で用いたリング状の圧電アクチュエータ４０は
、外径６０ｍｍ、内径４５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの圧電
体セラ主ツクス３１．３２を貼り合せて構成されている
。これらの圧電体セラミックス３１．３２は、第９図（
ａ）に示す１６極に分割した電極パターンを有すると共
に、第９図（ｂ）に示すように、分極方向が交互に厚み
方向において反転する分極方向となる８極の分極構造を
有している。この圧電体セラくツクス３１．３２を０．
０５ｍｍ厚さのリン青銅板３３を介して貼り合せ、圧電
アクチュエータ４０としである。

５なお、圧電ポンプ５０のケーシング３４を構成する上側
ケーシング部材３４Ａ、下側ケーシング部材３４Ｂとし
てはポリカーボネート樹脂製のものを用い、また可撓性
管状物３５としては厚さ０．０５ｍｍのポリエチレンテ
レフタレートフィルムの管を用いた。管状物３５はケー
シング３４内の圧電アクチュエータ４０の上に配置し、
それぞれ上側ケーシング部材３４Ａ及び圧電アクチュエ
ータ４０との接合面を接着しである。

この圧電アクチュエータ４０に印加する電圧としては、
第９図（ａ）に示すように、＋ＶＩ＋ｖ２、−ｖ、、−
ｖ２の４　ｆｆｆｉ類の電圧を用い、ＶｌとＶ２は位相
を９０°ずらし、周波数５０Ｈｚ、実効電圧５０Ｖの正
弦波電圧とした。

このような構成の圧電ポンプ５０を用いて、水を被移送
物質としてその流量を測定したところ、約１００ｃｃ／
ｍｉｎの流量が得られた。

第１１図及び第１２図に本発明のさらに別の実施例に係
るリニア型圧電ポンプを示す。第１１図（ａ）は圧電ア
クチュエータ６０の電極構造を示６す図、第１１図（ｂ）はその分極構造を示す図、第１２
図は圧電ポンプ７０の斜視図である。

本実施例では、凹形断面形状の棒状の下側ケーシング５
４Ｂと、平板状の上側ケーシング５４Ａとでケーシング
５４が形成されており、該ケーシング５４内に圧電アク
チュエータ５０と管状物５５とが装入されている。管状
物５５の両端の吸入口５６、及び吐出口５７はケーシン
グ５４の両端から延出している。なお、これらのケーシ
ング５４及び管状物５５の材質は第９．１０図に示した
ものと同様である。

本実施例で用いた矩形状の圧電アクチュエータ６０は、
長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの圧電体セ
ラくツクス５１．５２を厚さ０．０５ｍｍのリン青銅板
５３を介して貼り合せたものである。電極パターンは第
１１図（ａ）に示すように８極に分割したものであり、
分極パターンは第１１図（ｂ）に示すように４極に分割
したものである。

この圧電ポンプ７０の圧電アクチュエータ６０に印加す
る電圧は、第１１図（ａ）に示すように、４種類の電圧
を用い、Ｖ＋　と■２は位相を９０”ずらし、周波数５
０Ｈｚ、実効電圧５０Ｖの正弦波電圧とした。

このような構成の圧電ポンプ７ｏを用いて、水を被移送
物質としてその流量を測定したところ、約７５ｃｃ／ｍ
ｉｎの流量が得られた。

［発明の効果］以上詳述した通り、木゛発明の圧電ポンプによれば、次
のような効果が奏される。

■　進行波状の変位を生ずる板状屈曲型圧電アクチュエ
ータを使用するので、大きな変位を発生させることがで
き、安定した流量が維持できる。

■　流量を大きくすることができるため、進行波型ポン
プの利点、例えば逆止弁を使用しないので弁によるトラ
ブルが無くなる、或いは、流体の移送方向が容易に逆転
できるなどの利点を十分に発揮できる。

■　構造が更に簡素化され、部品点数の減少が可能とな
り、圧電ポンプのコストダウンのみならず、小型化、薄
型化、高品質化、高性能化が遠戚される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電ポンプの一実施例の基本構造を示
す断面図、第２図は第１図ＩＩ　−ＩＩ線に沿う断面図
、第３図は作動原理を示す断面図である。第４図は本発
明の他の実施例に係る圧電ポンプの断面図である。第５
図は圧電アクチュエータの作動原理を示す斜視図、第６
図は印加電圧と変位との関係を示すグラフである。第７
図は本発明の圧電ポンプの基本構造及び作動原理を説明
する断面図、第８図は同内部透視斜視図である。第９図
及び第１０図は実施例１で作製した圧電ポンプを説明す
る図であって、第９図（ａ）は圧電アクチュエータの電
極構造を示す図、第９図（ｂ）はその分極構造を示す図
、第１０図は圧電ポンプの一部切欠斜視図である。第１
１図及び第１２図は実施例２で作製した圧電ポンプを説
明する図であって、第１１図（ａ′）は圧電アクチュエ
ータの９電極構造を示す図、第１１図（ｂ）はその分極構造を示
す図、第Ｌ２図は圧電ポンプの斜視図である。第１３図
は従来例を示す断面図である。ＩＡ・・・上側ケーシング部材、１Ｂ・・・下側ケーシング部材、２　・・・管状物、３　・・・圧電アクチュエータ、４　・・・被移送物、　　２１・・・ケーシング、２２
・・・吸入口、　　　２３・・・吐出口、２４・・・圧
電アクチュエータ、２５・・・流路、３１．３２．５１．５２・・・圧電体セラ果ツクス、３４．５４・・・ケーシング、４０．６０・・・圧電アクチュエータ、３５．５５・・
・管状物。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ケーシング部材で包囲された空間内に、板状屈曲
型圧電アクチュエータ及び吸入口と吐出口を設けてポン
プ室を形成してなる圧電ポンプであって、該ポンプ室に
内在する被移送物を押し出し且つ吸引するためのポンプ
動作を、前記圧電アクチュエータの進行波状の撓み変形
により行なわせることを特徴とする圧電ポンプ。
（２）ケーシング部材で包囲された空間内に板状屈曲型
圧電アクチュエータと、吸入口及び吐出口を有する可撓
性材料よりなる管状物を配置することによってポンプ室
を形成してなる圧電ポンプであって、該管状物に内在す
る被移送物を押し出し且つ吸引するためのポンプ動作を
、前記圧電アクチュエータの進行波状の撓み変形により
行なわせることを特徴とする圧電ポンプ。