JPH05164052A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 圧電アクチュエータを利用して順逆方向に高
速流体搬送が可能な圧電ポンプを得る。 ［構成］ 圧電ポンプ１内には積層型圧電アクチュエー
タ３が固定されている。積層型圧電アクチュエータ３の
もう一方の端面には流体吸引吐出部材４が接着されてい
る。さらに、圧電ポンプ１内には積層型圧電アクチュエ
ータ３が２ケ所固定されており、この積層型圧電アクチ
ュエータ３のもう一方の端面には弁５が接着されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、医療用分野等で用いる
超微量吐出を行うポンプ機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電ポンプとしては、例えば実開
昭５７−１２３９８４号公報に記載される考案が開示さ
れている。上記考案は、図１２に示す如く、圧電体ホル
ダー７１内部に積層圧電体７２を設置し、この積層圧電
体７２の自由端には可動隔壁部材７３が連結され、ポン
プ室７４を形成する。積層圧電体７２の伸縮動作によっ
て可動隔壁部材７３が変形し、ポンプ室７４内の圧力を
変化させ一方向弁７５を介して液体を吸引吐出する。こ
の積層圧電体７２は印加電圧１５００Ｖで１００μｍの
変位を発生し、その微小変位量で微小液体を搬送するも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記従来技
術においては以下の様な欠点がある。すなわち、従来こ
のような圧電ポンプに使用される弁は、ほとんどがメカ
機構によるものである。そのため、一方向弁が多く液体
を一方にしか搬送できなかった。また、液体の搬送方向
を逆転するため、電磁弁を用いて弁の開閉タイミングを
ずらす方法も考えられたが、電磁弁の応答周波数はせい
ぜい数十ＨＺのため、液体搬送に長時間要するものであ
った。さらに、電磁弁の弁のストローク移動量は小さい
ものでも０．２mm程度もあるため、弁移動によって流体
を動かしてしまい、微量吐出において好ましくない現象
を引起こす欠点があった。

【０００４】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、液体を正逆方向に高速搬
送することのできる圧電ポンプの提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、駆動源に圧電
アクチュエータを用いる圧電ポンプにおいて、圧電アク
チュエータの微小変位により動作する流体吸引吐出部材
と、該流体吸引吐出部材と一定の時間差で圧電アクチュ
エータの微小変位により動作する弁とを具備したもので
ある。

【０００６】

【作用】本発明は、圧電アクチュエータ（積層型圧電ア
クチュエータ）の微小変位により、流体吸引吐出部材を
動作させ、ポンプ室内を正圧・負圧にして流体をポンプ
室内に吸引したり、ポンプ室から押出したりする。流体
吸引吐出部材の動作に連動して一定の時間差で、流体吸
引吐出部材と同様な圧電アクチュエータにより動作する
弁を用いたため、流体吸引吐出部材の動作に追従でき、
高速搬送が可能となる。また、弁のストローク移動量は
２０〜１００μｍになり、弁の動作により動く流体を極
力抑え、超微量の流体ポンプを可能とする。

【０００７】

【実施例１】図１〜図６は本実施例を示し、図１は圧電
ポンプの縦断面図、図２〜図６は圧電ポンプの動作図で
ある。１は圧電ポンプで、この圧電ポンプ１のケーシン
グ２内部上面には約２０μｍの変位量の積層型圧電アク
チュエータ３が固定されている。積層型圧電アクチュエ
ータ３のもう一方の端面には円柱形状の流体吸引吐出部
材４が接着されている。さらに、ケーシリング２内部上
面には約２０μｍの変位量の積層型圧電アクチュエータ
３が２々所固定されており、この積層型圧電アクチュエ
ータ３のもう一方の端面には円柱形状の弁５が接着され
ている。

【０００８】流体の吸引吐出部材４および弁５はケーシ
リング２に形成されたガイド穴６に遊嵌されており、ポ
ンプ室７からの流体の漏れを防止するため、流体吸引吐
出部材４および弁５の外周面には環状のゴムリング８が
嵌合されている。なお、弁５と流路管口９の隙間は１５
μｍに設定され、圧電アクチュエータ３が延びたとき、
その先端が円錐形状の弁５がポンプ室７の流路管口９を
塞ぐように構成されている。ポンプ室７には空気抜き用
の穴１０が設置され、脱気後ネジで塞がれる。各積層型
圧電アクチュエータ３には矩形波の電圧が図示しない駆
動回路から一定の時間差で供給される様に構成されてい
る。

【０００９】以上の構成から成る圧電ポンプ１の動作を
説明する。予め各積層型圧電アクチュエータ６には電圧
が印加され、２カ所の弁９は流路を閉じている（図１参
照）。次に、左の弁５の積層型圧電アクチュエータ３の
電圧が切られ、積層型圧電アクチュエータ６は縮み流路
が開く（図２参照）。次に、流体吸引吐出部材４の積層
型圧電アクチュエータ３の電圧が切られ、アクチュエー
タ３は縮みポンプ室７を負圧にする。流体はポンプ室７
に流れ込む（図３参照）。次に、開いていた左の弁５の
積層型圧電アクチュエータ３に電圧を印加し、流路を閉
じる（図４参照）。次に、右の弁５の積層型圧電アクチ
ュエータ３の電圧を切り、流路を開く（図５参照）。次
に、流体吸引吐出部材４の積層型圧電アクチュエータ３
に電圧を印加し、ポンプ室７を正圧にし、流体をポンプ
室７から押出す（図６参照）。以上サイクルの繰返しに
よって液体を微量に搬送する。前記サイクルを逆に行う
と、逆方向に流体搬送をする。

【００１０】積層型圧電アクチュエータ３の変位量が２
０μｍ、流体吸引吐出部材４の端面直径が１０mmの場
合、１回の動作で約１．５mm³ の流体搬送が可能であ
る。流量・搬送時間の制御は、印加電圧の矩形波のパル
ス数を変化させても、流体吸引吐出部材４の積層型圧電
アクチュエータ３の印加電圧値を変化させてもできる。
また、積層型圧電アクチュエータ３の利用により弁５の
ストローク移動量は最小限小さくなり、不用な流体移動
を極力抑えることができ、駆動周波数は数十ｋＨＺまで
応答するので短時間で流体搬送を行なうことができる。
さらに、このようなシリンダピストンタイプのポンプに
おいては、シリンダとピストンとの間の磨耗現象によっ
て正確な流体搬送が行なえなくなる問題点があったが、
本実施例ではピストンである流体吸引吐出部材４の移動
量は数十μｍのため、嵌合されたゴムリング８が変形す
るだけであり、磨耗現象の原因となる摺動が発生しな
い。

【００１１】本実施例によれば、正逆可能な高分解能微
量ポンプが実現でき、しかも、磨耗現象が発生しないた
め長寿命である。また、流体吸引吐出部材の圧電アクチ
ュエータに印加する電圧を下げて移動量を小さくするこ
とで分解能を向上することができる。

【００１２】

【実施例２】図７は本実施例を示す縦断面図である。本
実施例の圧電ポンプ２１は、前記実施例１の流体吸引吐
出部材４に加えて新たな流体吸引吐出部材を設けるとと
もに、流路管口にテーパーを設けて構成した点が異な
り、他の構成は同一な構成から成るもので、同一構成部
分には同一番号を付してその説明を省略する。

【００１３】本実施例では、微小の流体吸引吐出用の小
型の流体吸引吐出部材２２をポンプ室７に配置した。大
小の流体吸引吐出部材４，２２と弁２３はケーシリング
２に形成されたガイド穴６にそって遊嵌され、ポンプ室
７からの流体の漏れを防止するため、それぞれにゴムリ
ング８が嵌合されている。流路管口２４は弁２３先端の
円錐形状にあわせてテーパー形状に形成されており、弁
２３と流路管口２４は面接触によって流路を遮断する。
本実施例は前記実施例１と同様な作用であり、作用の説
明を省略する。

【００１４】本実施例によれば、さらに小型の流体吸引
吐出部材２２を設けたことにより、大小二種類の流量範
囲で流体が搬送できる。例えば、１サイクルで１〜３mm
³ と０．２〜１mm³ の二種類の流量範囲の設定が可能で
ある。また、同時に使用して大流量の流体搬送が可能で
ある。さらに、弁２３と流路管口２４の接触を面接触に
したため確実な流路遮断が可能である。

【００１５】

【実施例３】図８および図９は本実施例を示し、図８は
一部を断面した正面図、図９は図８のＡ−Ａ’線部分断
面図で、てこと弁の実線は積層型圧電アクチュエータが
電圧印加によって延びた状態を示しており、破線は電圧
が切られた状態を示している。本実施例の圧電ポンプ３
１は、前記実施例１における流体吸引吐出部材４および
弁５に変位拡大機構を設けて構成した点が異なり、他の
構成は同一な構成部分から成るもので、同一構成部分に
は同一番号を付してその説明を省略する。

【００１６】本実施例の各積層型圧電アクチュエータ３
はヒンジによるてこ３２を利用した約４倍の拡大率を有
する変位拡大機構３３内に接着固定され、弁５および流
体吸引吐出部材４は各変位拡大機構３３の拡大端面３４
に固定されている。変位拡大機構３３はケーシリング２
の上面にネジ固定される。以上、前記実施例１と同様な
構成であり構成の説明を省略する。

【００１７】以上の構成から成る圧電ポンプ３１は、変
位拡大機構によって、流体吸引吐出部材４と弁５のスト
ローク移動量を大きくすることができる（積層型圧電ア
クチュエータ３の変位が２０μｍの場合、拡大端面３４
の変位量は８０μｍとなる）。従って、流体吸引吐出部
材４の移動量の増加によって、多量の流体搬送ができ
る。また、弁５のストローク移動量が増加したために流
体変動は大きくなるが、高粘土の流体の搬送ができる。
高粘土流体はわずかな隙間までは流れ込まない場合があ
り、ある程度流路管口９と弁５との隙間を増加させる必
要がある。なお、前記実施例１と同様に、ゴムリング８
の変形だけ起こるため、弁５・流体吸引吐出部材４とケ
ーシング２との間で磨耗現象が発生しない。また、圧電
アクチュエータの印加電圧値を変化させたり、矩形波の
パルス数を変化させたりして流量・搬送時間を調節する
ことができる。

【００１８】本実施例によれば、変位拡大機構を用いて
搬送できる流量を増やすことができる。また、弁と流路
管口の隙間を大きく変えることができるので、高粘土流
体にも使用できる。

【００１９】

【実施例４】図１０および図１１は本実施例を示し、図
１０は側部断面図で、実線は積層型圧電アクチュエータ
に電圧を印加しない場合を、破線は電圧印加の場合を示
す。図１１は押圧部材の斜視図である。本実施例の圧電
ポンプ４１は、前記実施例３における弁５を廃止し、代
わりに押圧部材４２で弁機構を構成した点が異なり、他
の構成は同一な構成から成るもので、同一構成部分には
同一番号を付してその説明を省略する。

【００２０】本実施例は、ケーシング２に形成された流
路管口４３を円盤形状の弁４４が塞ぎ、この円盤形状弁
４４には、変位拡大機構３３の拡大端面３４との接続の
ため連結棒４５が配置されている。連結棒４５と拡大端
面３４は接着固定され、連結棒４５と円盤形状弁４４と
はネジ固定されている。連結棒４５にはポンプ室４６か
らの流体漏れを防止するためのゴムリング８が嵌合され
ている。円盤形状弁４４は下方向から図１１に示すよう
な押圧部材４２によってケーシング２の流路管口４３に
圧着されている。この押圧部材４２の内部には流体の流
路４７が２経路形成され、円盤形状弁４４との接触面に
は球状ゴム４８が圧着部材として配置される。押圧部材
４２の外周にはネジが切られ、ケーシング２に螺合され
る。なお、球状ゴム４８の圧着力は積層型圧電アクチュ
エータ３の変位拡大機構３３を介した発生力以下にして
おく。

【００２１】以上の構成から成る圧電ポンプ４１は、積
層型圧電アクチュエータ３に電圧を印加しない場合は流
路管口４３に円盤形状弁４４が圧着されて流路が閉じて
いる。積層型圧電アクチュエータ３に電圧を印加した場
合は、円盤形状弁４４が下方に下げられ流路が開く。円
盤形状弁４４と流路管口４３は面接触するため、確実に
流路を遮断する。

【００２２】本実施例によれば、前記各実施例の場合は
流路を閉じるために電圧を印加しなければならず、使用
しないときは流路が開いてポンプから流体が漏れるもの
であったが、本実施例では電圧を印加しないときに流路
が閉じているため、低消費電力が望め、ポンプを使用し
ないときにも流体漏れは起こらない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明に係る圧電ポ
ンプによれば、圧電アクチュエータを利用して順逆方向
に高速流体搬送が可能な圧電ポンプを提供することがで
き、今後微量流体の取扱が多くなる医療分野での利用に
役立つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１を示す縦断面図である。

【図２】実施例１を示す動作図である。

【図３】実施例１を示す動作図である。

【図４】実施例１を示す動作図である。

【図５】実施例１を示す動作図である。

【図６】実施例１を示す動作図である。

【図７】実施例２を示す縦断面図である。

【図８】実施例３を示す一部を断面した正面図である。

【図９】図８のＡ−Ａ’線部分断面図である。

【図１０】実施例４を示す側部断面図である。

【図１１】実施例４を示す斜視図である。

【図１２】従来例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 圧電ポンプ ２ ケーシリング ３ 積層型圧電アクチュエータ ４ 流体吸引吐出部材 ５ 弁 ７ ポンプ室 ８ ゴムリング ９ 流路管口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動源に圧電アクチュエータを用いる圧
   電ポンプにおいて、圧電アクチュエータの微小変位によ
   り動作する流体吸引吐出部材と、該流体吸引吐出部材と
   一定の時間差で圧電アクチュエータの微小変位により動
   作する弁とを具備したことを特徴とする圧電ポンプ。