JPH04194380A - 液送ポンプ - 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〕 本発明は圧電素子を駆動源としたポンプに係り。

特に、液体を液送するポンプ室の構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、圧電素子をポンプの駆動源に適用したものは、特
開昭６１−２８７７６号公報に見られるように。

多数出願されている。

又、圧電素子応用ポンプと逆止弁としての機能をもつ流
体ダイオードとを組み合わせた例としては、特開昭５４
−１４８５３１号公報に見るように、インクジェットプ
リンタ等に使用されるインクガンの応答周波数の向上を
目的に、液タンクと圧電素子間に流体ダイオードを設け
た発明が出願されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

圧電素子を応用したポンプは、一般に、小流量用のポン
プとして用いられているが、流入口から流出口間の流路
部の流路断面積が小さくなるにしたがい、流体と流路部
の摩擦抵抗の増加により、吐出流量が低下する。

しかし、従来例は、インジェット等を対象とした装置の
ため１通常、液タンクの上流側に加圧用の高圧ポンプが
付設されている。したがって、その高圧ポンプを、摩、
液抵抗増加量、又、逆止弁機能をもつ流体ダイオードの
抵抗値等を考慮して選定すれば何ら問題はないといえる
が、従来例に示す場合でも高圧ポンプがないと、各部品
間を連結する流路分の圧力損失が生じ、やはり吐出流量
が低下し、場合によっては流れなくなってしまう。

このように、圧電素子のみを駆動源とした小形の微量液
送ポンプを実現するには、圧電素子の振幅が比較的小さ
く、吐呂圧がさほど高くないため、ポンプ性能が上記摩
擦抵抗に大きく支配されて吐出流量が減ってしまうとい
う間層かあった。

本発明の主な目的は、微量液送を図るために流路断面積
を小さくした場合でも、ポンプの性能を低下させること
なく、安定した流量を供給できる圧電素子応用の微量液
送ポンプを提供することにある。

本発明の他の目的は、ポンプ自身に逆止弁機能をもたせ
、小形かつ軽量な微量液送ポンプを提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を解決するために、流体ダイオードの構成部分
の一部を圧電素子で構成するようにした。

〔作用〕

液体を液送するのに必要なポンプ室を、ポンプ機能を実
現するのに必要最小限の部品で構成したことにより、摩
擦抵抗増加の要因となる不要な流路部が排除され、ポン
プの流量低下を防止することができる。゛ 又、このように構成したことにより、ポンプ自身が逆止
弁機能をもつため、逆止弁の取り付は部が省略しうるの
でポンプ全体を小形軽量化することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を引用しながら説明する
。

第２図は、流体ダイオード１内の流れ方向を変えた場合
の液体の流動状況を説明したものである。

（ａ）図は逆方向流れを、（ｂ）図は順方向流れを示し
ている。この例では、流体ダイオード１に渦流式のもの
を用いている。ここで、流出口２０は、流体ダイオード
１の内壁面に接線方向に付設されており、又、流入口１
０は、流出口２０と直角方向に配置されている。

まず、（ａ）図に示す逆方向流れについであるが、流出
口２０からポンプ室３に入った逆方向流れ２１は、流体
ダイオード１の内壁面に沿って旋回しながら徐々に渦室
中心へ向かい、やがて、流入口１０からポンプ室３外部
へ流出する。このように逆方向流れ２１は、ポンプ室３
外部へ流出するまでの経過が長く、大きい抵抗を受ける
。一方、（ｂ）図に示すように、流入口１０からポンプ
室３人った順方向の流れ１１は、周方向へ分散するが旋
回する度合いは小さく、容易に流出口２０からポンプ室
３外部へ排出され、その抵抗が小さい。

このように、流体ダイオード１は、液体の流れ方向によ
る渦の強さを変えて、流路の抵抗を制御するものであり
、この抵抗差を利用して流体の逆止弁として適用する。

次に、第１図を用いて本発明の一実施例を説明する。こ
こでは、ポンプ室３を、流体ダイオード１の上面に圧電
素子２を付設した構成としている。

又ポンプ室には、別置の液タンク３０から液導入管３１
を介し、注入口１０を経て液体３２が流入するように配
置されている。さらに、本実施例では、圧電素子２とし
て、バイモルフ式のものを取り付けており、コントロー
ラ（図示せず）により、電極部４に交流電圧を印加する
と、圧電素子２は図中破線で示すように±Ｓの振幅で上
下方向に振動し、内部の液体は加圧され流入口１０と流
出口２０に向かうが、その流れ方向の抵抗差により流出
口２０から吐出する。このように、液体３２を液送する
に必要なポンプ室３を圧電素子２と流体ダイオード１の
二つの部品のみで構成するようにした。本実施例によれ
ば、ポンプ機能を実現するのに必要最小限の部品でポン
プ室３を構成したことにより、摩擦抵抗増加の要因とな
る不要な流路部を排除でき、流路部の断面積を小さくし
た場合でもポンプの流量低下を最小限に抑えることがで
きるという効果がある。

又、部品点数が極めて少なく、かつ、機械的可動部がな
いに等しいことから、故障する頻度が低く信頼性が向上
すると共に、安価に製作できるという効果がある。

さらに、流体ダイオードが逆止機能をもつため、上記構
成としたことで専用の逆止弁を付設する必要がなく、ポ
ンプ全体を小形軽量化できるという効果がある。

［発明の変形例・応用例］ ここで、圧電素子２と流体ダイオード１との間隔Ｇは、
必ずしも圧電素子２の振幅Ｓより大きい値に設定する必
要はない。例えば、下式に表わすように間隔Ｇと振幅Ｓ
とが、はぼ等しくなるように設定することも可能である
。

Ｇ″：Ｓ 第３図に、そのように設定した場合の微量液送ポンプの
構成例を示す。本実施例によれば、圧電素子２が下方に
振動変形した際、圧電素子２の中央部が注入口１０をふ
さぎ、ポンプ室３内部の液体が注入口１０側へ逆流する
ことを防止する機能をもつ。これにより、逆流量が極め
て少ない量となり、吐出流量が増加するため、ポンプ性
能が向上するという効果がある。− さて、流体ダイオード１の構成部分の一部を圧電素子２
で構成する場合、その取り付は位置は、流体ダイオード
１の上面に限定されるものではない。又、取り付は個数
も、−個に限定されるものではない。第４図に、流体ダ
イオード１の上面と下面に圧電素子２′及び２１を取り
付けた場合、すなわち、−個の流体ダイオード１に二個
の圧電素子２を取り付けた構成例を示す。ここでは、圧
電素子２と流体ダイオード１との間隔Ｇを、下式に示す
ように圧電素子２の振幅Ｓのほぼ二倍に設定している。

Ｇ与２ＸＳ この場合の圧電素子２′及び２′の駆動制御方法は、上
面の圧電素子２′が下方に振動変形した際に下面の圧電
素子２′が上方に振動変形するように、又上面の圧電素
子２′が上方に振動変形した際に下面の圧電素子２′が
下方に振動変形するように、コントローラ（図示せず）
で位相を１８０度変えた制御をすれば良い。これにより
、圧電素子２の一周期当りの振動変形量が二倍となるこ
とは明らかである。本実施例によれば、圧電素子２の振
動変形量が二倍になるため、流入口１０からの流入量を
増大させると共に、流出時の吐出圧を上昇させ、吐出流
量が大幅に増加できるという効果がある。

次に、流出口２０のチャンネル数であるが、今まで記述
してきだ液送ポンプは１チヤンネルタイプの構成例であ
るが、多チャンネル化する場合には、第５図及び第６図
に示すようなポンプ構成とすれば良い。

まず、第５図は、二個の流体ダイオード１の構成部分の
一部を、−個の圧電素子２と共用するよう構成した例で
ある。このように構成し、圧電素子２を振動変形させれ
ば、上方の流体ダイオード１′のポンプ室３′と下方の
流体ダイオード１１のポンプ室３１が交互に加圧され、
それぞれの流出口２０から、液体が吐出される。本実施
例によれば、二流路の駆動制御を同一の圧電素子２で行
うため、特に複雑・な制御を行うことなく容易に二流路
の流量をほぼ一定に制御できる。又、二流路を一個の圧
電素子２で駆動制御できるため、安価に製作できる。

次に、第６図は、二個の流体ダイオード１を三個の圧電
素子２で駆動するよう構成した例である。

この場合の圧電素子２の駆動制御方法は、上段の圧電素
子２′が下方に振動変形した際に、中段の圧電素子２−
１は上方に、又下段の圧電素子２′″は下方に振動変形
するように、コントローラ（図示せず）で制御すれば最
大の吐出流量が得られる。

換言すれば、上段と下段の圧電素子２′および２′＃は
同位相で、又中段の圧電素子２′は１８０度の位相差で
制御すれば良い。このように構成すると、上方の流出口
２０’　と下方の流出口２ｏ＃の流量を変化させたい場
合には、上方の圧電素子２′と下方の圧電素子２″との
位相差を異ならせることで容易に実現できることは明ら
かである。

本実施例によれば、上述のように各チャンネルの流量を
自由に調整でき、第５図と比べ、ポンプを大型化するこ
となく流量を増大させることができる。

さて、これまでの実施例で説明してきた微量液送ポンプ
では、流入口１０と流出口２０との取り出し口を垂直方
向に配置した例について述べてきた。しかし、本発明に
よるポンプを実際に使用する場合、他の装置の都合やス
ペースの制約等により、流入口１０と流出口２０が軸方
向に配置されていないと適用しにくい場合が考えられる
。その場合には、第７図に示すように、流入口１０を９
０度回転させ取り付けるようにすれば容易に実現できる
。又、このように配置すれば、流入口１０と流出口２ｏ
の取付は位置を軸方向に配置できるばかりでなく、微量
液送ポンプ全体の厚みを減少させることができ、よりコ
ンパクト化を図れる。

さらに、流入口１０と流出口２０とを軸方向に配置すれ
ば、原理的にいくらでも多チャンネル化できることは明
らかである。

第８図に、流入口１０と流出口２０とを軸方向に配置し
た構成により、流出口２０を５チヤンネルとした場合の
ポンプ構成を示す。この例では、流体ダイオード１の上
方に圧電素子２を付設するため、下段のポンプと接続す
るために、途中にスペーサ５を介在させるようにした。

本実施例によれば、ポンプ全体をさほど大きくすること
なく、容易に多チャンネル化を実現できる。

ところで、圧電素子２の振幅は、前述のように比較的小
さい。したがって、吐出圧を高くするためには、ポンプ
室内容積を極力小さくすることが好ましい。このような
場合には、第９図に示すよ−うに圧電素子２の液体と接
触する側の面を凸状とし、容積減少を図る方法が考えら
れる。図では。

圧電素子２に加え、流体ダイオード１の内壁面の一部に
も容積減少のための工夫を施している。本実施例によれ
ば、流路口２０径の大きさによらず、吐出圧の上昇が図
れる。

又、この例では、単一円弧により圧電素子２を凸面化し
ているが、直線、もしくは放物線で凸面化しても有効で
あることは明らかである。

さて、圧電素子２の液体と接“触する側の面を凸面とす
る場合、第９図では圧電素子２自身を凸状にした構成を
例に説明したが、必ずしもそれに限定されるものではな
い。例えば、図示はしないが、平板上の圧電素子２の表
面に生物学的に安定なシリコン等の凸状の弾性体を接合
して構成することも可能である。このように構成すれば
、生体物質を液送する場合でも、死滅させることなく液
送できる。又、第４図で示した構成と同様、流体ダイオ
ード１の上下面に凸状の弾性体を圧電素子２に接合する
ように配置した場合、上下の圧電素子２が振動変形した
時、仮りに接触しても、弾性体が緩衝材となり、その衝
撃で圧電素子２を破損させることはない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、液体を液送するに必要なポンプ室を圧
電素子２と流体ダイオードｌのみの二つの部品で構成す
るので、ポンプ室はポンプ機能を実現するのに必要最小
限の部品で構成され、摩擦抵抗増加の要因となる不要な
流路部を排除でき、ポンプの流量低下を防止することが
できる。

又、部品点数が極めて少ないこと、かつ機械的可動部が
ないに等しいことから、故障する頻度が低く信頼性を向
上できることに加え、安価に製作できる。

さらに、流体ダイオードが逆止弁機能をもつため、専用
の逆止弁を付設する必要がなく、ポンプ全体を小形軽量
化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例の液送ポン
プ上面図及び横断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、流体
ダイオードの流れ方向を変えた場合の液体の流動状況の
説明図、第３図は、圧電素子と流体ダイオードとの間隔
を圧電素子の振幅とほぼ同寸法に設定した場合の液送ポ
ンプの横断面図、第４図は、−個の流体ダイオードに二
個の圧電素子を取り付けた液送ポンプの横断面図、第５
図及び第６図は、流路口を２チヤンネルとした液送ポン
プの横断面図、第７図（ａ）、（ｂ）は、流入口と流出
口の取り畠し口を平行に配置しだ液送ポンプ縦断面図及
び横断面図、第８図は、流入口と流出口の取り出し口を
平行に配置し流路口を５チヤンネルとした液送ポンプの
横断面図、第９図は、圧電素子の液体と接触する側の面
を凸状とした液送ポンプの横断面図である。 １．１’　、１’・・・流体ダイオード、２．２’　。 ２′・・・圧電素子、３．３’　、３’・・・ポンプ室
、４゜・・・電極部、５・・・スペーサ、１０・・・流
入口、１１・・・順方向流れ、２０．２０’　、２０’
・・・流出口、２１・・・逆方向流れ、３０・・・液タ
ンク、３１・・・液導入管、３２・・・液体、Ｇ・・・
圧電素子と流体ダイオ−第１図 Ｃｂ） 、マ 第２図 （α） 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 （α） 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流れの方向により流路抵抗が異なる流体ダイオード
   の構成部分の一部を電圧を印加することにより振動を発
   生する圧電素子で構成したことを特徴とする液送ポンプ
   。 ２、液体を液送するポンプのポンプ室を流体ダイオード
   と圧電素子で構成したことを特徴とする液送ポンプ。 ３、流体ダイオードを渦流形とした請求項１に記載の液
   送ポンプ。 ４、圧電素子をバイモルフ形ないしユニモルフ形ないし
   積層形とした請求項１に記載の液送ポンプ。 ５、流体ダイオードを渦流形、圧電素子をバイモルフ形
   ないしユニモルフ形とした請求項１に記載の液送ポンプ
   。 ６、圧電素子の液体と接触する側の面を凸面とし、その
   断面形状を円弧状ないし放物線状とした請求項１に記載
   の液送ポンプ。 ７、圧電素子の液体と接触する側の面の形状を凸面とす
   る場合、圧電素子自身の断面形状を凸状とする、ないし
   平板状の圧電素子に凸状の断面形状の弾性体を付設する
   ことにより構成した請求項６に記載の液送ポンプ。