KR20090057215A

KR20090057215A - 압전 펌프

Info

Publication number: KR20090057215A
Application number: KR1020097002596A
Authority: KR
Inventors: 가쿠 카미타니; 미도리 스나가
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2006-12-09
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-04
Also published as: WO2008069264A1; JP4730437B2; KR101033077B1; CA2654688A1; EP2037124A1; CN101490419B; CN101490419A; JPWO2008069264A1; CA2654688C; US20090148318A1

Abstract

본 발명은 구조가 간단하면서 토출 압력을 높일 수 있는 압전 펌프를 제공한다. 펌프 본체(10)의 중앙부에 제1개구부(11)를 형성하고, 중앙으로부터 떨어진 위치에 제2개구부(12)를 형성한다. 펌프 본체(10)에 금속제 다이아프램(20)의 바깥둘레부를 고정하고, 다이아프램(20)의 배면 중앙부에 제1개구부(11)를 덮으면서 제2개구부(12)까지 도달하지 않는 크기의 압전 소자(23)를 부착한다. 압전 소자(23)에 공진주파수 부근의 전압을 인가함으로써 제1개구부(11)에 대향하는 다이아프램(20)의 부분과 제2개구부(12)에 대향하는 다이아프램(20)의 부분을 서로 반대방향으로 굴곡 변형시켜, 제1개구부(11) 및 제2개구부(12) 중 하나로부터 유체를 흡입하고 다른 하나로부터 토출한다. 이것에 의해 토출 압력을 높일 수 있고, 토출측의 압력이 높은 조건하에서도 유체를 확실히 토출할 수 있다.

펌프 본체, 제1개구부, 제2개구부, 다이아프램, 압전 소자

Description

압전 펌프{PIEZOELECTRIC PUMP}

본 발명은 압전 펌프, 특히 압전 소자에 의해 굴곡 변형하는 다이아프램(diaphragm)을 이용한 압전 펌프에 관한 것이다.

노트북 컴퓨터 등의 소형 전자기기의 냉각용 펌프나 연료전지의 연료 수송용 펌프 등에 압전 펌프가 이용된다. 압전 펌프는 압전 소자에의 전압인가에 의해 굴곡 변형하는 다이아프램을 이용한 펌프로서 구조가 간단하고 박형(薄型)으로 구성되며 또한 저소비전력이라는 이점이 있다. 압전 소자를 구동원으로 이용한 압전 펌프의 경우, 그 유입구 및 유출구에 역행 방지판(check valve)이 마련되는데, 역행 방지판의 장기간의 사용에 따른 신뢰성의 저하나 역행 방지판에 더스트 등의 이물이 부착하여 유체를 충분히 수송할 수 없다는 문제가 있었다. 또한 역행 방지판에 더스트 등의 이물이 부착하여 압전 소자를 높은 주파수로 구동했을 때에 역행 방지판이 추종 동작을 할 수 없어 유체를 수송할 수 없다는 등의 문제가 있었다.

특허문헌 1이나 2에는 유입구와 유출구를 갖는 펌프 본체상에 다이아프램을 접촉상태로 부착하는 동시에, 다이아프램상에 유입구로부터 유출구를 향해 배열되도록 복수의 압전 소자를 부착한 압전 펌프가 제안되어 있다. 이 펌프의 경우에는, 유입구측에 가까운 압전 소자로부터 유출구측에 가까운 압전 소자로 순차적으로 구 동함으로써, 다이아프램을 유입구로부터 유출구를 향해 순차적으로 굴곡시켜 유체를 유입구로부터 유출구를 향해 압출할 수 있다. 그리고 압전 소자에의 전압인가를 정지하면 다이아프램의 복원에 의해 유입구와 유출구 사이의 유로를 폐쇄하기 때문에 유입구 및 유출구의 역행 방지판을 생략할 수 있다.

그런데 이 구조의 압전 펌프에서는 복수의 압전 소자를 평면형상으로 배열할 필요가 있기 때문에, 압전 펌프가 대형이면서 복잡해질 뿐만 아니라 압전 소자를 순차적으로 구동하기 위한 드라이버 회로도 복잡해져 비용이 늘어난다는 문제가 있다.

특허문헌 3에는 역행 방지판을 갖지 않는 유체펌프가 개시되어 있다. 특히 특허문헌 3의 도 10에는 펌프 본체와 다이아프램 사이에 펌프실을 형성하고, 펌프 본체의 중앙부에 제1개구부를 마련하며, 주변부에 제2개구부를 마련하고, 다이아프램에 탄성버퍼를 형성하며, 다이아프램의 중앙부를 다른 구동수단에 의해 왕복 구동함으로써 다이아프램을 굴곡 변형시키는 유체펌프가 개시되어 있다. 다이아프램이 제1개구부를 열었을 때에 제1개구부로부터 유체를 펌프실로 흡인하고, 제1개구부를 닫았을 때에 제2개구부에 대응하는 버퍼부를 굴곡시켜 버퍼부의 탄성 복원력에 의해 제2개구부로부터 유체를 배출하도록 되어 있다.

특허문헌 3의 경우에는 단일 구동원으로 다이아프램을 왕복 구동할 뿐이기 때문에 구조가 간단해진다. 그러나 다이아프램의 제1개구부와 대향한 부위, 즉 다이아프램의 중앙부만을 변위시키고 그 변위 다음에 다이아프램의 주변부(버퍼부)를 굴곡 변형시키기 때문에, 다이아프램으로서 부드러운 재료를 사용하지 않으면 안 되고 토출(吐出) 압력을 높게 할 수 없다. 예컨대 유체가 공기와 같은 압축성 유체인 경우, 다이아프램의 버퍼부를 탄성 변형시키기 위해서는 고무나 수지와 같은 매우 부드러운 재료를 사용하지 않으면 안 되므로 토출 압력은 저하한다. 그 결과 펌프실 밖의 압력이 높은 조건에서는 유체를 확실하게 토출할 수 없는 경우가 있다.

특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 평2-149778호

특허문헌 2: 일본국 공개특허공보 평4-86388호

특허문헌 3: 일본국 공표특허공보 평10-511165호

그래서 본 발명의 바람직한 실시형태의 목적은 구조가 간단하면서 토출 압력을 높일 수 있는 압전 펌프를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 펌프 본체와, 바깥둘레부가 펌프 본체에 대해서 고정된 다이아프램과, 이 다이아프램의 중앙부에 부착된 압전 소자와, 상기 다이아프램의 거의 중앙부와 대향하는 펌프 본체의 부위에 형성된 제1개구부와, 상기 다이아프램의 중앙부와 바깥둘레부와의 중간영역 또는 이 중간영역과 대향하는 펌프 본체의 부위에 형성된 제2개구부를 포함하며, 상기 다이아프램은 금속판이고, 상기 압전 소자는 상기 제1개구부를 덮으면서 제2개구부까지 도달하지 않는 크기로 형성되며, 상기 압전 소자에 소정 주파수의 전압을 인가함으로써, 제1개구부에 대향하는 다이아프램의 부분과 제2개구부에 대향하는 다이아프램의 부분을 서로 반대방향으로 굴곡 변형시켜 상기 제1개구부 및 제2개구부의 한쪽에서 유체를 흡입하고 다른쪽에서 토출하는 것을 특징으로 하는 압전 펌프를 제공한다.

본 발명에서는 특허문헌 3과 같이 다이아프램 자신의 탄성 복원력을 이용해 유체를 압출하는 것이 아니라, 다이아프램으로서 영률(Young's modulus)이 높은 금속판을 사용해 이 다이아프램을 압전 소자에 의해 강제적으로 굴곡 변형시킴으로써 유체를 토출하는 것이다. 특히 압전 소자의 크기를 제1개구부를 덮으면서 제2개구부까지 도달하지 않는 크기로 함으로써, 제1개구부에 대향하는 다이아프램의 부분과 제2개구부에 대향하는 다이아프램의 부분을 서로 반대방향으로 효율적으로 굴곡 변형시킬 수 있다. 그 때문에 토출 압력을 높일 수 있고, 토출측의 압력이 높은 조건하에서도 유체를 확실히 토출할 수 있다. 특히 영률이 높은 금속판을 다이아프램으로 하고 있기 때문에 다이아프램의 압전체에의 추종성이 양호하고, 따라서 높은 주파수로 동작시키는 것이 가능하다.

압전 소자에 인가하는 전압의 주파수는 임으로 선정할 수 있는데, 압전 소자를 다이아프램 및 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 공진주파수 부근의 주파수로 구동한 경우에는, 다이아프램의 변위 체적이 매우 커져 많은 유량이 얻어지는 점에서 바람직하다. 1차 공진모드(1차 공진주파수)로 구동하면 제1개구부로부터 유체를 흡입하고 제2개구부로부터 유체를 토출할 수 있으며, 3차 공진모드(3차 공진주파수)를 이용한 경우에는 제2개구부로부터 유체를 흡입하고 제1개구부로부터 유체를 토출할 수 있다. 상기 1차 공진모드 및 3차 공진모드 모두를 높은 주파수로 구성할 수 있는데, 특히 3차 공진모드를 이용한 경우에는 1차 공진모드의 약 3배라는 매우 높은 주파수로 구동이 가능하며, 이것에 의해 들을 수 있는 영역을 넘은 주파수로 구동할 수 있어 소음을 방지할 수 있다. 이에 대해서는 예컨대 특허문헌 3과 같이 다이아프램으로서 부드러운 재료를 사용한 경우, 다이아프램의 중앙부 변위와 다이아프램의 주변부 변위의 시간 지연이 생기기 때문에, 특허문헌 3의 유체 펌프는 시간 지연에 대응하는 주파수 이상에서는 구동할 수 없다. 한편 본 발명의 압전 펌프는 다이아프램으로서 영률이 높은 금속판을 사용하고 있기 때문에 1차 공진모드 및 3차 공진모드라는 높은 공진주파수로 구동할 수 있으며, 특히 인간의 들을 수 있는 영역을 넘은 3차 공진모드로 구동한 경우에는 소음이 발생하지 않으면서 높은 유량이 얻어진다. 또한 변위가 적은 만큼 펌프 본체와 다이아프램과의 고정부분에서 생기는 스트레스가 감소하여 신뢰성이 높아진다. 한편 다이아프램의 영률은 100GPa 이상이 바람직하다. 100GPa 이상의 경우, 1차 공진모드, 3차 공진모드 중 어느 것으로 구동시켜도 뛰어난 추종성이 있으며, 또 구동시에 손실이 적기 때문에 발열량이 적고 전력효율이 좋다.

본 발명의 압전 펌프는 공기와 같은 압축성 유체를 수송하는데 적합하다. 유체와 같은 비압축성 유체를 토출하는 압전 펌프의 경우, 유입구 및 유출구에 각각 고무나 수지와 같은 부드러운 재료를 이용한 역행 방지판을 마련하고, 수십 Hz 정도의 낮은 주파수로 압전 소자를 구동하는 것이 일반적이다. 이 압전 펌프를 공기와 같은 압전성 유체를 토출하기 위한 펌프로서 이용한 경우, 압전 소자의 변위량이 매우 작아 유체를 거의 토출할 수 없다. 압전 소자를 다이아프램 및 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 공진주파수(1차 공진주파수 또는 3차 공진주파수) 부근에서 구동하면 최대 변위가 얻어지는데, 공진주파수는 kHz의 오더 고주파수이기 때문에 역행 방지판이 추종 동작을 할 수 없다. 본 발명에서는 역행 방지판을 갖지 않기 때문에 압전 소자를 공진주파수 부근의 주파수로 구동해도 역행 방지판에 의한 제약이 없으며, 비압축성 유체를 효율적으로 수송할 수 있다. 또한 역행 방지판에 더스트 등이 부착해 동작 불량이 생길 염려도 없어 신뢰성이 높은 압전 펌프를 제공할 수 있다.

제2개구부를 3차 공진모드에서의 다이아프램의 최대 변위위치 또는 그것보다 바깥둘레측에 형성하는 것이 좋다. 3차 공진모드에서의 다이아프램의 최대 변위위치는 압전 소자와 다이아프램의 면적비나 다이아프램의 영률 등에 따라 다르지만, 최대 변위위치 또는 그것보다 외측에 제2개구부(유입구)를 마련함으로써 압전 펌프의 동작 사이클에 있어서 제1개구부(토출구)로부터 유체를 토출할 때의 제2개구부(유입구)의 실링성을 충분히 얻을 수 있으며, 토출해야 할 유체의 역류를 방지할 수 있으므로 토출 압력뿐만 아니라 토출 유량도 높아진다.

제2개구부는 제1개구부를 중심으로 하는 동일 원주상에 복수개 형성되어 있는 것이어도 된다. 3차 공진모드로 구동한 경우 제2개구부가 유입측이 되는데, 이 제2개구부가 한 개이면 펌프 본체와 다이아프램의 주변부와의 사이에 형성되는 환형상의 포켓 공간에 빠르게 유체가 유입되지 않아 충분한 유량을 토출할 수 없는 경우가 있다. 이에 비해 제2개구부를 동일 원주상에 복수개 형성한 경우에는 환형상의 포켓 공간에 빠르게 유체를 유입시킬 수 있어 토출 유량을 증대시킬 수 있다.

[효과]

본 발명에 따르면, 금속제 다이아프램의 중앙부에 제1개구부를 덮으면서 제2개구부까지 도달하지 않는 크기의 압전 소자를 부착하여 이 압전 소자를 소정 주파수의 전압으로 구동함으로써, 제1개구부에 대향하는 다이아프램의 부분과 제2개구부에 대향하는 다이아프램의 부분을 서로 반대방향으로 굴곡 변형시킬 수 있도록 했기 때문에, 토출 압력을 높일 수 있고 토출측의 압력이 높은 조건하에서도 유체를 확실히 토출할 수 있다. 게다가 압전 펌프를 펌프 본체와 압전 소자를 부착한 다이아프램만으로 구성할 수 있고 역행 방지판과 같은 보조부품을 필요로 하지 않기 때문에, 구조가 매우 간단해져 소형·박형이면서 신뢰성이 높은 압전 펌프를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전 펌프의 제1실시예의 전체 사시도이다.

도 2는 도 1에 나타내는 압전 펌프의 분해 사시도이다.

도 3은 도 1에 나타내는 압전 펌프의 3차 공진모드에서의 펌핑 동작을 나타내는 A-A선 단면도이다.

도 4는 도 1에 나타내는 압전 펌프의 1차 공진모드에서의 펌핑 동작을 나타내는 A-A선 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 압전 펌프의 제2실시예의 펌핑 동작을 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 압전 펌프의 제3실시예의 펌핑 동작을 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 압전 펌프의 제4실시예의 사시도이다.

[부호의 설명]

10 펌프 본체(상부판)

11 제1개구부

12 제2개구부

이하에 본 발명의 바람직한 실시의 형태를 실시예에 기초해 설명한다.

[실시예 1]

도 1∼도 3은 압전 펌프의 제1실시예를 나타낸다. 여기서 도 1은 본 발명에 따른 압전 펌프의 전체 사시도, 도 2는 도 1에 나타내는 압전 펌프의 분해 사시도, 도 3은 도 1의 A-A선 단면도이다.

본 실시예의 압전 펌프(P)는 펌프 본체를 구성하는 상부판(10)과, 다이아프램(20)과, 환형상의 누름판(30)을 차례로 적층한 구조로 이루어지며, 이들 부품이 적층 접착되어 있다. 상부판(10)은 강성이 있는 평판형상으로 형성된 것으로서, 그 중심위치에 제1개구부(11)가 형성되고, 제1개구부(11)를 중심으로 하는 동일 원주상에 복수의 제2개구부(12)가 형성되어 있다. 여기서는 유량을 확보하기 위해 제2개구부(12)를 8개 형성했으나, 제2개구부(12)의 개수는 필요로 하는 유량에 따라 임으로 설정할 수 있다.

다이아프램(20)은 스프링 탄성을 갖는 얇은 두께의 금속판으로 형성되어 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 다이아프램(20)에는 원호형상의 복수의 슬릿(21)이 형성되고, 슬릿(21)보다 외측 영역의 표리면에 접착제가 도포되며, 상부판(10)과 누름판(30)으로 다이아프램(20)의 외측 영역이 접착 고정되어 있다. 접착제의 도포 영역이 슬릿(21)에 의해 구획되어 있기 때문에, 접착제가 슬릿(21)보다 내측의 원형 영역(22)까지 퍼질 일이 없다. 누름판(30)의 안쪽둘레 가장자리(31)는 다이아프램(20)의 원형 영역(22)보다 지름이 조금 작으며, 이 안쪽둘레 가장자리(31)로 둘러싸인 원형 영역(22)이 굴곡 변형할 수 있는 영역이다.

다이아프램(20)은 상부판(10)의 하면측에 접촉상태로 배치되어 있다. 다이아프램(20)의 배면(하면)으로서 원형 영역(22)의 중앙부에 원형의 압전 소자(23)가 부착되어 있다. 다이아프램(20)의 원형 영역(22)의 중심(압전 소자(23)의 중심)과 상부판(10)의 제1개구부(11)의 중심은 동일축상에 위치하고 있다. 압전 소자(23)의 반지름은 제1개구부(11)와 제2개구부(12)와의 거리(L)보다 작기 때문에, 제2개구부(12)는 압전 소자(23)보다 바깥둘레측에 위치하고 있다. 한편 제2개구부(12)의 위치는 3차 공진모드에서의 다이아프램(20)의 최대 변위위치와 동일 위치 또는 그것보다 약간 바깥둘레측으로 하는 것이 좋다.

누름판(30)은 후술하는 압전 소자(23)의 두께와 다이아프램(20)의 변위량과의 합계보다 두껍게 형성되어 있으며, 압전 펌프(P)를 기판 등에 탑재한 경우에 압전 소자(23)가 기판과 접촉하는 것을 방지하고 있다. 한편 누름판(30)의 일부에는 절개홈(32)이 형성되어 있는데, 이는 압전 펌프(P)를 기판 등에 탑재한 경우에 다이아프램(20)의 하면측이 밀폐 공간이 되는 것을 방지하는 동시에 압전 소자에의 배선을 인출하기 위한 홈이다.

이 실시예에서는 압전 소자(23)로서 표리면에 전극을 갖는 단일 판의 압전 세라믹을 사용하고, 이것을 다이아프램(20)의 이면(상부판(10)과 반대측의 면)에 부착해서 변위 부재로서의 유니모르프(unimorph) 진동판을 구성했다. 압전 소자(23)에 교번 전압(alternating voltage)(정현파 또는 구형파)을 인가함으로써 압전 소자(23)가 평면방향으로 신축하기 때문에, 압전 소자(23)를 포함하는 다이아프램(20) 전체가 판 두께방향으로 굴곡 변형한다. 다이아프램 및 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 3차 공진모드(약 15kHz)로 구동하는 경우에는, 제2개구부(12)와 거의 대응하는 다이아프램(20)의 주변부가 최대 변위가 되도록 굴곡 변형한다. 다이아프램 및 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 1차 공진모드(약 5kHz)로 구동하는 경우에는, 다이아프램(20)의 중심부가 최대 변이가 되도록 굴곡 변형한다. 압전 소자(23)의 투입 전압은 ±60V(120Vpp)∼±120V(240Vpp) 정도가 바람직하다.

도 3의 (a)∼(e)는 압전 펌프(P)의 3차 공진모드에서의 펌핑 동작, 즉 압전 소자(23)에 3차 공진주파수 부근의 전압을 인가한 경우의 동작을 나타낸다. 도 3의 (a)는 초기 상태이고, 다이아프램(20)의 전체 면이 펌프 본체(10)에 접촉하고 있으며, 제1개구부(11) 및 제2개구부(12)는 닫혀 있다. 도 3의 (b)는 압전 소자(23)에의 인가전압의 최초의 1/4 주기를 나타내고, 다이아프램(20)이 위로 볼록하게 굴곡하기 때문에 다이아프램(20)의 중앙부가 펌프 본체(10)에 압착되어 다이아프램(20)의 주변부가 펌프 본체(10)로부터 떨어진다. 그 때문에 제1개구부(11)는 계속 닫혀 있게 되는데, 다이아프램(20)의 주변부와 펌프 본체(10)와의 사이에 환형상의 포켓 공간이 형성되기 때문에, 이 포켓 공간에 제2개구부(12)로부터 유체가 흡입된다. 다음의 1/4 주기에서는, 다이아프램(20)의 압전 소자(23)가 부착되어 있지 않은 영역보다도 압전 소자(23)가 부착된 영역의 쪽이 압전 소자(23)가 존재함으로 인해 질량이 크고 이에 수반하여 관성효과가 크기 때문에, 도 3의 (c)와 같이 다이아프램(20)이 압전 소자(23)의 중심(重心)의 위치에 맞춰져 초기 상태보다도 다이아프램측(아래측)으로 평탄 상태로 되돌아간다. 이때 다이아프램(20)과 펌프 본체(10)와의 사이에 연속한 포켓 공간이 형성되므로 유체는 다이아프램(20)과 펌프 본체(10)와의 사이에 형성된 포켓 공간 내의 중심방향으로 이송된다. 이때 제1개구부(11)와 제2개구부(12)는 모두 조금 열려 있다. 다음의 1/4 주기에서는, 도 3의 (d)와 같이 다이아프램(20)이 아래로 볼록하게 굴곡하기 때문에 다이아프램(20)의 주변부가 펌프 본체(10)에 압착되어 제2개구부(12)가 닫히게 된다. 그 때문에 다이아프램(20)과 펌프 본체(10)와의 사이에 들어있는 유체는 중앙부에 모여져 제1개구부(11)로부터 압출된다. 다음의 1/4 주기에서는 도 3(e)와 같이 압전 소자(23)가 평탄 상태로 되돌아가려고 하는데, 압전 소자(23)의 중심 위치의 관계로 인해 도 3(c)에 형성되는 포켓 공간보다도 두께방향으로 작은 포켓 공간이 형성된 상태가 된다. 유체의 유출은 도 3의 (b)와 같이 다이아프램(20)이 다시 제1개구부(11)와 접촉 상태로 되돌아갈 때까지 계속된다. 그 후 다이아프램(20)의 동작은 도 3의 (b)로 되돌아가고, 그 이후 (b)∼(e)의 동작을 주기적으로 반복한다. 이와 같이 압전 소자(23)를 3차 공진모드로 구동한 경우에는 유체를 제2개구부(12)로부터 흡입하고, 중심부의 제1개구부(11)로부터 토출할 수 있다.

도 4의 (a)∼(d)는 압전 펌프(P)의 1차 공진모드에서의 펌핑 동작을 나타낸다. 도 4의 (a)는 초기 상태이며, 도 4의 (b)는 압전 소자(23)에의 인가전압의 최초 1/4 주기를 나타낸다. 다이아프램(20)이 아래로 볼록하게 굴곡하기 때문에 다이 아그램(20)의 중앙부와 펌프 본체(10)와의 사이에 포켓 공간이 형성되며, 이 포켓 공간에 제1개구부(11)로부터 유체가 흡입된다. 다음의 1/4 주기에서는 다이아프램(20)의 압전 소자(23)가 부착되어 있지 않은 영역보다도 압전 소자(23)가 부착된 영역의 쪽이 압전 소자(23)가 존재함으로 인해 질량이 크고 이에 수반하여 관성효과가 크기 때문에, 도 4의 (c)와 같이 다이아프램(20)이 압전 소자(23)의 중심의 위치에 맞춰져 초기 상태보다도 약간 다이아프램측으로 평탄 상태로 되돌아간다. 이때 유체는 다이아프램(20)과 펌프 본체(10)와의 사이에 형성된 포켓 공간 내의 바깥둘레 방향으로 이송된다. 이때 제1개구부(11)와 제2개구부(12)는 모두 조금 열려 있다. 다음의 1/4 주기에서는, 도 4의 (d)와 같이 다이아프램(20)이 위로 볼록하게 굴곡하기 때문에, 다이아프램(20)의 중앙부가 펌프 본체(10)에 압착되어 제1개구부(11)가 닫히게 된다. 그 때문에 다이아프램(20)과 펌프 본체(10)와의 사이에 들어있는 유체는 주변부에 모여져 제2개구부(12)로부터 압출된다. 다음의 1/4 주기에서는, 도 4(e)와 같이 압전 소자(23)가 평탄상태로 되돌아가려고 하면, 압전 소자(23)에 아래 방향으로 관성이 생기기 때문에, 도 4(c)에 형성되는 포켓 공간보다도 두께방향으로 작은 포켓 공간이 형성된 상태가 된다. 유체의 유출은 다음의 1/4 주기에서 도 4의 (b)와 같이 다이아프램(20)이 다시 제2개구부(12)와 접촉 상태로 되돌아갈 때까지 계속된다. 그런 다음 다이아프램(20)의 동작은 도 4의 (b)로 되돌아가고 그 이후 (b)∼(e)의 동작을 주기적으로 반복한다. 이와 같이 압전 소자(23)를 1차 공진모드로 구동한 경우에는, 유체를 중심부의 제1개구부(11)로부터 흡입하고 주변부의 제2개구부(12)로부터 토출할 수 있다.

본 압전 펌프(P)를 연료전지의 공기 공급용 펌프로서 이용해 하기의 조건으로 실험을 행했다. 한편 본 실험예는 3차 공진모드로 구동시킨 예이다.

투입 전압 : 15.5kHz, ±60V∼±90V의 구형파 전압

다이아프램 : 두께 0.1㎜의 SUS판

압전 소자 : 지름 12.7㎜의 PZT판

제1개구부의 지름 : 1.3㎜

제2개구부의 지름 : 0.8㎜×8개

거리(L) : 8.425㎜

다이아프램의 변위영역의 지름 : 20㎜

상기 조건으로 압전 펌프(P)를 구동한 결과, 정압:7.5kPa, 무부하유량:2㎖/s를 얻을 수 있었다. 그 결과, 높은 토출 압력의 압전 펌프가 얻어짐이 확인되었다. 또한 3차 공진모드를 이용한 고주파 구동으로서, 이 주파수에서는 청각 감도가 낮아서 소음을 방지할 수 있었다.

[실시예 2]

도 5는 본 발명의 제2실시예의 3차 공진모드에서의 펌핑 동작을 나타낸다. 도 3과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 중복 설명을 생략한다. 제1실시예에서는 제2개구부(12)를 펌프 본체(10)에 마련했으나, 이 실시예는 다이아프램(20)에 제2개구부를 마련한 것이다. 이 경우에는 3차 공진모드로 구동하면 유체를 압전 펌프의 뒷측의 제2개구부(25)로부터 흡입하고, 앞측의 제1개구부(11)로부터 배출할 수 있다. 이 구조는 연료전지의 공기 공급용 펌프 또는 냉각용 펌프로서 바람직한 구조가 된다.

[실시예 3]

도 6은 본 발명의 제3실시예의 3차 공진모드에서의 펌핑 동작을 나타낸다. 도 3과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 중복 설명을 생략한다. 이 실시예는 펌프 본체(10)의 일부를 다이아프램(20)보다 바깥쪽으로 연장하고, 이 연장부(15)의 하면측에 다이아프램(20)의 바깥둘레부 내측으로부터 외측까지 연장하는 오목홈 형상의 제2개구부(16)를 형성한 것이다. 제2개구부(16)의 내측 끝은 압전 소자(23)의 바깥둘레보다 외측이면서 다이아프램(20)의 바깥둘레 고정부보다 내측에 있으며, 외측 끝이 연장부(15)로부터 하면측에 개구하고 있다. 한편, 제2개구부(16)는 오목홈 형상으로 할 필요는 없으며, 내측 끝이 압전 소자(23)보다 외측이면서 다이아프램(20)의 바깥둘레 고정부보다 내측에 개구하고, 외측 끝이 다이아프램(20)의 바깥둘레 고정부보다 외측에 개구한 연통공(communicating hole)으로 해도 된다. 이 경우, 실시예 2와 같은 다이아프램(20)에 개구부를 마련하는 경우에 비해 보다 높은 강도를 유지하는 것이 가능하며, 또한 3차 공진모드로 구동했을 때 유체를 압전 펌프의 뒷측(하측)으로부터 흡입하고, 앞측(상측)으로부터 배출할 수 있으므로 바람직하다.

[실시예 4]

도 7은 본 발명의 제4실시예를 나타낸다. 이 실시예는 제2개구부(12)를 제1개구부(11)를 중심으로 하는 원호형상의 구멍으로 한 것이다. 이 경우도 복수의 제2개구부(12)가 원주형상으로 배열되어 있기 때문에, 다이아프램의 주변부와 펌프 본체와의 사이에 형성되는 환형상의 포켓 공간을 유체로 빠르게 채울 수 있어 유량을 증대시킬 수 있다.

제1∼제4실시예에서는 압전 인가에 의해 평면방향으로 신축하는 압전 소자를 다이아프램의 편면에 부착한 유니모르프형을 나타냈으나, 다이아프램의 양면의 각각에 역방향으로 신축하는 압전 소자를 부착한 바이모르프(bimorph)형이나, 다이아프램의 편면에 그 자체가 굴곡 변형하는 바이모르프형의 압전 소자를 부착한 것이어도 된다.

압전 펌프의 구조로서 도 2에서는 상부판, 다이아프램 및 누름판의 적층구조로 했으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상부판, 다이아프램 및 누름판의 외형형상은 사각형에 한정되지 않고 원형이어도 된다.

도 3에 나타내는 실시예에서는 초기 상태에 있어서 다이아프램과 펌프 본체가 접촉 상태인 예를 나타냈으나, 펌프 본체에 얕은 오목부를 마련하고, 다이아프램과 펌프 본체와의 사이에 좁은 공간(펌프실)이 형성되어 있어도 된다. 단, 초기 상태에서는 제1개구부와 제2개구부가 다이아프램에 의해 닫혀져 있는 것이 좋다.

상기 실시예에서는 본 발명의 압전 펌프를 공기와 같은 압축성 유체의 수송용 펌프로서 이용한 예를 나타냈으나, 액체와 같은 비압축성 유체에도 적용할 수 있다. 본 발명의 압전 펌프는 토출 압력이 높기 때문에 예컨대 냉각기 등의 컴프레서(compressor)용 펌프로서의 용도에도 사용할 수 있다.

Claims

펌프 본체와, 바깥둘레부가 펌프 본체에 대해서 고정된 다이아프램과, 상기 다이아프램의 중앙부에 부착된 압전 소자와, 상기 다이아프램의 거의 중앙부와 대향하는 펌프 본체의 부위에 형성된 제1개구부와, 상기 다이아프램의 중앙부와 바깥둘레부와의 중간 영역 또는 상기 중간 영역과 대향하는 펌프 본체의 부위에 형성된 제2개구부를 포함하며,

상기 다이아프램은 금속판이고,

상기 압전 소자는 상기 제1개구부를 덮으면서 제2개구부까지 도달하지 않는 크기로 형성되며,

상기 압전 소자에 소정 주파수의 전압을 인가함으로써 제1개구부에 대향하는 다이아프램의 부분과 제2개구부에 대향하는 다이아프램의 부분을 서로 반대방향으로 굴곡 변형시켜, 상기 제1개구부 및 제2개구부 중 하나로부터 유체를 흡입하고 다른 하나로부터 토출하는 것을 특징으로 하는 압전 펌프.
제1항에 있어서,

상기 유체는 압축성 유체이며, 상기 압전 소자에 상기 다이아프램 및 상기 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 1차 공진주파수 부근의 전압을 인가함으로써, 제1개구부로부터 유체를 흡입하고 제2개구부로부터 유체를 토출하는 것을 특징으로 하는 압전 펌프.
제1항에 있어서,

상기 유체는 압축성 유체이며, 상기 압전 소자에 상기 다이아프램 및 상기 압전 소자로 이루어지는 변위 부재의 3차 공진주파수 부근의 전압을 인가함으로써, 제2개구부로부터 유체를 흡입하고 제1개구부로부터 유체를 토출하는 것을 특징으로 하는 압전 펌프.
제3항에 있어서,

상기 제2개구부는 상기 다이아프램의 최대 변위위치 또는 그것보다 바깥둘레측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 펌프.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 제2개구부는 제1개구부를 중심으로 하는 동일 원주상에 복수개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 펌프.