JPH04183977A - 圧電ポンプ - Google Patents

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、気体や液体からなる流体の流量をｆｆｆ密に
制御できるポンプに関し、特に動植物の相識やその他の
構造物に比較的少量をｒ４−、人するポンプに関する。

〔従来の技術〕

最近、遺伝子操作技術を始めとしたバイオ技術の発展に
より、従来非常に高価であった薬剤か比較的安価に入手
できる様になった。

例えは、糖尿病の治療薬としてのインソ、リンかその一
例である。糖尿病患者には状態に応じた量を良いタイミ
ンクでインシコリンを体内に注入することか必要である
。この注入操作をとこの場所でも実施できることが、患
者の苦痛を和らげる一つの方法である。そのためには、
インノコリン液を収容したタンク、タンクから定量−の
インノヨリンを送り出すポンプ、血糖値をモニターする
センサー、相識にインソコリンを注入する注入ヱ１およ
びこれらを動作させるエネルギー源か必要であり、これ
らを常時携帯しなけれはならなかった。

しかしながら、以上の各要素を体内に埋ｙ）込み、エネ
ルギーは超音波、マイクロ波およびＸ線等の体内に侵入
できるエネルギー媒体を体内に埋め込んだ変換器にあて
て供給し、タンクへのインシュリンの供給は埋め込み時
あるいは注射用による注入によって行うことか可能とな
れは、体外にぶらさげたすせずに通常の生活か過ごせる
ようになる。

現在、上記の様な各要素を体内に埋め込み、薬液の注入
を良いタイミンクで、とこても実施てきるシステムか盛
んに研究されている。この各要素の内のポンプに要求さ
れる性能としては、小型軽量である。電気的制御によっ
てポンプ動作（流量や圧力）を精度良く変化できる。単
位体積当たりのポンプ能力か大きい、誤動作しない、振
動に強い、腐蝕しない、動作の応答性か良いおよび構造
か簡単である等かある。これらの条件に合うポンプ用ア
クチュエータとして種々のアクチュエータが検問されて
いるか、固体アクチュエータである圧電アクチュエータ
かその候補として研究されている。

第６図は、既に商品化されている圧電屈曲子を用いた圧
電ポンプの構造である。

８１はタンク部で、このタンク部８１は保持材兼空胴部
８２の両側部に流体の流入口８３および流出口８４を設
けて構成されている。保持材兼空胴部８２の下端には円
形区隔板８５に圧電セラミクス板８６を接着された圧電
屈曲子か振動の節点８７てシリコーン樹脂等のフレキノ
プルな接着剤により糊着されている。流入口８３と流出
口８４とにはそれぞれ流入弁８８と流出口８９とか設け
られており、例えば圧電屈曲子の端子９０．９１間に電
圧を印加し、圧電屈曲子か点線９２の様に屈曲変位した
時、流入弁８８は閉し、流出弁８９は点線にて示す弁９
３の様に開く、また圧電屈曲子か点線９２の屈曲変位と
は逆方向の屈曲変位をした時、流入弁８８は開き、流出
弁８９は閉じる。

９４は」１記タンク部８１の保持部であり、９５は圧電
屈曲子を変位しやすくするための放音孔である。

以」−の構成の圧電屈曲子を用いた圧電ポンプの端子９
０．９１に交流電圧を印加すると、連続して流体９６を
流入口８３から取り入れて流出［１８４から取り出すポ
ンプ動作を行う。この時、圧電ポンプの端子への印加電
圧や周波数を変化させることにより、流体９６の速度を
変えることができる。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかるに、前記従来技術における圧電屈曲子を用いた圧
電ポンプには以下の様な欠点かある。

すなわち、圧電屈曲子における発生力の小ささから生じ
る欠点て、発生力の小ささは流体を圧力制御てきる範囲
か小さいことを意味する。

圧電ポンプに流入する流体圧か大きい場合は弁の開閉を
大きくしないと常に漏流かおこり、これを防ぐには弁の
開閉力を大きくする必要がある。

また、流入する流体圧か除圧の場合、流体をボンピンク
するにはこの除圧にうち勝つ圧電屈曲子の発生力か必要
となる。

従って、一定の流体圧を有する流体のボンピンクのみ行
えは問題かないものの、例えば密閉状態に近いタンク内
の流体を導出させるポンプであれは、タンク内の流体の
減少とともにタンク内は除圧となり、場合によっては流
体か逆流する事態に陥ってしまう。この様な事態は−・
射的におこり易い。

タンクを体内に埋め込む場合、タンク内の内容物か外部
へ飛散する、またはタンク内に体内ガスか流入すること
等を避けるため、タンクを密閉に近い状態にしなければ
ならない。

すなわち、上記説明にてわかる通り、流体の圧力制御で
きる範囲か小さな従来の圧電屈曲子を用いた圧電ポンプ
を利用することは困難である。

因って、本発明は前記従来技術における欠点に鑑みて開
発されたもので、広範囲にわたり流体の圧力制御かでき
る圧電ポンプの提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明は、中
空状の圧電変位素子と、該圧電変位素子の端面に固設し
たジヨイントおよび弁を有するフランジと、前記圧電変
位素子に設けた変位拡大用のバネおよび流体の密封保持
用の伸縮容器と、前記変位拡大用のバネ先端に固設した
ジョインＩ・および弁を有する弁座とから構成したもの
である。また、弁を有する弁座の両端面に変位拡大用の
バネと）ｈ体の密１１保持用の伸縮容器とを設け、該伸
縮容器の端部をジヨイントを有するハウシングの板部内
側１ｒｒｉに固設するとともに、該板部内側面と前記変
位拡大用のバネとの間の少なくともどちらか一方に圧電
変位素子を介在させて構成したものである。

第１図を用いて本発明の詳細な説明する。

１は圧電変位素子で、この圧電変位素子１の一方の端部
にはコイルバネ２の一端か固定されており、コイルバネ
２の他端には慣性体３か固定されている。また、圧電変
位素子１の他方の端面は固定台４に固定されている。

以上の構成から成る圧電変位素子１にコイルバネ２と慣
性体３系との固有振動数と同一な周波数のパルス電圧を
印加すると、圧電変位素子１のコイルバネ２固定側の自
由端は印加電圧に比例してΔＸ、変位５する。この圧電
変位素子ｌの急変形（こよりコイルバネ２にエネルギー
か（云えられ、コイルバネ２か固有振動数で振動し、慣
性体３の先端部て△Ｘ２に変位６が拡大される。

上記原理による変位拡大機構を利用して圧電ポンプを作
成する。

第２図は本発明に係る圧電ポンプの概念図である。

１１は内部に貫通孔を有する圧電変位素子て、この圧電
変位素子１１の一方の端面には圧電変位素子Ｉｌ側に流
入弁１２か取（１けられた流体を吸入するジヨイントＩ
３か固設されている。圧電変位素子１１の反対側のもう
一方の端面にはコイルバネ１４の端部か固設され、コイ
ルバネ１４の他端部には内部に流出弁１５を有する弁座
慣性体１６か固設されている。弁座慣性体１６のコイル
バネ１４固設側端而の反対側端部にはノヨインｌ−１７
か設けられている。

ジヨイント１３の流入弁１２取り付は面には筒形状をし
た伸縮容器１８の一端か流入弁１２と接触しないように
密着固定されており、伸縮容器１８の他端は弁座慣性体
１６のコイルバネＩ４固設面に弁座慣性体１６の流出口
Ｉ９を囲むように密着固定されている。また、圧電変位
素子１１の側面には電源（図示省略）に接続された線２
０か配線されている。

以−にの構成から成る圧電ポンプ２１は重力に対して同
一の方向２２に設置される。この状態て弁座慣性体１６
の重量とコイルバネ１４による反発力とか均衡し、弁座
慣性体１６は保持される。そして、圧電変位素子１１に
線２０を介してコイルバネ１４と弁座慣性体１６系との
固有振動数以下の周波数のパルス電圧を印加すると、圧
電変位素子１１か急変形し、この変位がコイルバネ１４
て増大される。増大された変位により伸縮容器１８内の
容積２３か増加し、増加分の容積２３に等しい流体か流
入弁１２を通って伸縮容器１８内に流入する。次に、コ
イルバネ１４か伸びから縮みに変化した時、流入弁１２
は閉し、流出弁１５か開き、伸縮容器１８内にたまって
いた流体か流出弁１５を通ってジヨイント１７より排出
される。

〔実　施　例〕

以下、本発明に係る圧電ポンプの実施例について図面を
参照しなから詳細に説明する。

（第１実施例） 第３図は本発明の第１実施例を示す断面図である。

３１は円環形状をした積層タイプの圧電変位素子て、こ
の圧電変位素子３１の一方の端部には側面に貫通孔３２
を穿設されたＬ型の支持台３３か固設され、支持台３３
の底面は固定物３４にネジ３５を介して固着されて、圧
電変位素（’−３］は固定物３４に支持固定されている
。圧電変位素子３１のもう一方の端面にはジヨイント３
６のフランジ部３７か固設されており、ジヨイント３６
の先端部は圧電変位素子３１の内側と支持台３３の貫通
孔３２とを通り外部に突出している。

フランジ部３７のジョイン１−３６開［］Ｉ１には流入
弁３８か設けられ、流入弁３８を設けた同一端面には流
入弁３８を囲むようにバネ特性を有、する金属へローズ
３９の端部か密着固定されている。

金属ベローズ３９の他端部は、貫通孔４０か穿設され、
その内部に流出弁４１か設けられた弁座慣性体４２に密
着固定されている。金属へローズ３９を密着固定した端
面の反対側の弁座慣性体４２端面にはジヨイント４３か
設けられている。また、圧電変位素子３１の外周面には
電源（図示省略）に接続された線４４か配線されている
。

以上の構成から成る圧電ポンプの圧電変位素子３１にパ
ルス電圧を印加すると、圧電変位素子３１か急変形し、
この変形かバネ特性を有する金属ベローズ３９により拡
大されて弁座慣性体４２に伝えられる。従って、金属ベ
ローズ３９内の体積か増大し、流体か流入弁３８を通り
金属ベローズ３９内に流入する。次に、金属ベローズ３
９の体積かもとに戻る過程て、金属ベローズ３９内に収
容されている流体か流出弁４Ｉを通りジヨイント４３よ
り１井出される。

本実施例によれば、圧電変位素子３１．弁座慣性体４２
．流入出弁３８．４＋および金属へローズ３９の伸縮容
器等による簡単な構成で圧電ポンプを実現できる。また
、圧電ポンプをパルス電圧て駆動させることにより、−
回当たりの吐出量のコントロールかしやすい。

（第２実施例） 第４図は本発明の第２実施例を示す断面図である。

５１は両側に板部５２．５３を有するハウジングである
。板部５２，５３の外側面には水平方向の同一軸線上５
４を中心軸とする位置に配管用のジヨイント５５．５６
か設けられており、一方の板部５２の内壁には円環形状
をした積層タイプの圧電変位素子５７か前記同一軸線」
−５４を中心軸とする位置に固定されている。圧電変位
素子５７の固定端の反対側端面にはコイルバネ５８か固
設されるとともに、もう一方の板部５３の内壁にはコイ
ルバネ５９か固設されており、コイルバネ５８とコイル
バネ５９とはそれぞれ弁座慣性体６０を対向方向から押
し合うように同一軸線上５４を軸心として配設されてい
る。弁座慣性体６０には弁６１か設けられている。

同一軸線」−５４を中心軸として可撓性を有する二つの
ゴム製ベローズ６２．６３の開口端か板部５２の内壁と
弁座６０および板部５３の内壁と弁座慣性体６０とに密
着固定されており、各ベローズ６２，６３は弁６１．圧
電変位素子５７およびコイルバネ５８．５９と干渉しな
いように配設されている。また、圧電変位素子５７の外
周面には電源（図示省略）に接続された線６４か配線さ
れている。

以」二の構成から成る圧電ポンプは、まずパルス電源か
らの電圧パルスを線６４を介して圧電変位素子５７に与
える。すると、圧電変位素子５７の急変形か起こり、コ
イルバネ５８により変位が増大されて弁座慣性体６０を
動かす。この弁座慣性体６０の動作によりベローズ６３
側の流体か弁６１を通りベローズ６２側へ流れる。この
後、コイルバネ５８．５９の反発作用により弁座慣性体
６０か反対方向へ戻される。この時、弁６１か閉じるた
めベローズ６２内の流体かジヨイント５５を通り４ＪＰ
出される。

本実施例によれは、弁６１か一つたけて済むため、より
簡単な構成で圧電ポンプを実現できる。

（第３実施例） 第５図は本発明の第３実施例を示す断面図である。

本実施例の圧電ポンプは、前記第２実施例におけるハウ
シング５１の板部５３の内壁とコイルバネ５９との間に
円環形状をした積層タイプの圧電変位素子６５を介在さ
せて構成した点か異なり、他の構成は同一の構成から成
るもので、同一構成部分には同一番号を付し、構成の説
明を省略する。

以上の構成から成る圧電ポンプは、コイルバネ５８、弁
座慣性体６０およびコイルバネ５９の共振周波数で圧電
変位素子５７と圧電変位素子６５とにそれぞれタイミン
グを半周期すらしたパルス電圧を印加する。

本実施例によれば、圧電変位素子５７．６５を対向させ
てコイルバネ５８．５９を加振するため、コイルバネ５
８．５９により大きなエネルギーを供給できる。因って
、弁座慣性体６０の振幅も大きくなり流体の吐出量も増
大する。

〔発明の効果〕

以」二説明したように、本発明に係る圧電ポンプによれ
は、圧電変位素子の急変形を利用し、これをコイルバネ
に１云える事により変位を拡大して流体を吐出するもの
で、簡単な構成により安価な小型のポンプを実現できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電ポンプの原理図、第２図は同
概念図、第３図は同第１実施例を示す断面図、第４図は
同第２実施例を示す断面図、第５図は同第３実施例を示
す断面図、第６図は従来例を示す断面図である。 ］、Ｉｌ、３］、５７．６５・圧電変位素子２．１４，
５８．５９・　コイルバネ ３・・・１ｎ性体 ４・固定台 ５．６・変位 １２．３８・・ｒＡｔ入弁 １Ｓ、＋７．３６，４３，５５．５６ ジヨイント １５．４１・・・流出弁 ＋６．４２．６０・弁座慣性体 １８・・伸縮容器 １９・流出口 ２０．４４．６４・・・線 ２１・・圧電ポンプ ３３・・・支持台 ３７・・フランジ部 ３９・・・金属へローズ ５１・・・ハウシング ５２．５３・・・板部 ６０・・弁 ６２．６３・・ヘローズ 特許出願人　オリンパス光学工業株式会社／ 、２０

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空状の圧電変位素子と、該圧電変位素子の端面
   に固設したジョイントおよび弁を有するフランジと、前
   記圧電変位素子に設けた変位拡大用のバネおよび流体の
   密封保持用の伸縮容器と、前記変位拡大用のバネ先端に
   固設したジョイントおよび弁を有する弁座とから構成し
   たことを特徴とする圧電ポンプ。
2. （２）弁を有する弁座の両端面に変位拡大用のバネと流
   体の密封保持用の伸縮容器とを設け、該伸縮容器の端部
   をジョイントを有するハウジングの板部内側面に固設す
   るとともに、該板部内側面と前記変位拡大用のバネとの
   間の少なくともどちらか一方に圧電変位素子を介在させ
   て構成したことを特徴とする圧電ポンプ。