WO2015015625A1

WO2015015625A1 - 圧電ポンプ

Info

Publication number: WO2015015625A1
Application number: PCT/JP2013/070947
Authority: WO
Inventors: 一広緒方
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-05

Abstract

　【課題】　吐出流量をより増加させることのできる圧電ポンプを提供する。　【解決手段】　本発明の圧電ポンプは、圧電素子１１を備えたポンプ室１と、ポンプ室１に通じる流体吸込部２１および流体吐出部２２とを有し、流体吸込部２１および流体吐出部２２にはそれぞれ一方の端部が固定された板状の弁３１および弁３２が設けられてなる圧電ポンプにおいて、弁３１および弁３２に切欠き３０が設けられていることを特徴とするものである。これにより、振動板の駆動周波数を上げたとしても弁の追従性がよく、吐出流量をより増加させることができるようになる。

Description

圧電ポンプ

　本発明は、圧電素子の駆動により振動する振動板をダイヤフラムとして用いた圧電ポンプに関するものである。

　従来より、圧電振動子（圧電素子）の駆動により流体の流量を制御して吐出することのできるダイヤフラム構造の圧電ポンプが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この圧電ポンプは、流体の入口側（流体吸込部）と出口側（流体吐出部）に、流体の逆流を防ぐための弁が設けられている。また、弁の開閉は一般に毎秒５０回～６０回（５０Ｈｚ～６０Ｈｚ）で行われているが、さらに弁の開閉が速いものも求められている。

特開平７－３０１１８０号公報

　ここで、圧電ポンプの吐出流量を増加させるために、振動板の駆動周波数（圧電素子の駆動周波数）を上げたとしても、弁の開閉が追従できずに十分な吐出流量の増加が見込めないおそれがあるという問題があった。

　本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、吐出流量をより増加させることのできる圧電ポンプを提供することを目的とする。

　本発明の圧電ポンプは、圧電素子を備えたポンプ室と、該ポンプ室に通じる流体吸込部および流体吐出部と、前記流体吸込部および前記流体吐出部にそれぞれ設けられており、一方の端部が固定された板状の弁とを有し、前記弁に切欠きが設けられているものである。

　本発明の圧電ポンプによれば、弁に切欠きを設けることにより、切欠きが支点となって弁が大きく開閉するとともに、切欠きにより曲げ剛性が低くなって開閉速度も向上する。その結果、振動板の駆動周波数を上げても、弁の動きが追従できるため、吐出流量を増加させることができる。

（ａ）は本発明の圧電ポンプの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の一例を示す概略上面図、（ｃ）は（ｂ）に示す弁（吸込弁）の側面図である。図１（ａ）に示す圧電ポンプの動作説明図であり、（ａ)は振動板が上側に凸となるように撓んだ状態を示し、（ｂ）は振動板が下側に凸となるように撓んだ状態を示している。（ａ）は図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す弁（吸込弁）の側面図である。（ａ）は図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す弁（吸込弁）の側面図である。図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図である。図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図である。図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図である。図１（ａ）に示す弁（吸込弁）の実施の形態の他の例を示す概略上面図である。

　本発明の圧電ポンプの実施の形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。

　図１（ａ）は本発明の圧電ポンプの実施の形態の一例を示す概略断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す弁３１（吸込弁）のポンプ室１側から見た一例を示す概略上面図である。

　図１に示す圧電ポンプは、圧電素子１１を備えたポンプ室１と、ポンプ室１に通じる流体吸込部２１および流体吐出部２２とを有し、流体吸込部２１および流体吐出部２２にはそれぞれ一方の端部が固定された板状の弁３１および弁３２が設けられている。また、弁３１（吸込弁）および弁３２（吐出弁）には切欠き３０が設けられている。

　ポンプ室１は、圧電素子１１と振動板１２とから構成された、屈曲振動する圧電振動板１３を備えている。

　圧電素子１１としては、圧電体を介して表面電極が互いに対向するように配置された構造のもの、圧電体と内部電極とが積層された構造のもの等が挙げられる。

　また、ポンプ室１は屈曲可能な振動板１２を備えている。振動板１２は、ポンプ室１の内部空間を仕切るように配置されていて、仕切られた空間のうちの一方である流体通過空間１４を流体が通過するようになっていて、圧電素子１１がこの振動板１２の流体通過空間１４とは反対側の面上に固着されている。なお、振動板１２は、ＳＵＳ等の金属材料やアクリル等の樹脂材料を好適に用いて形成することができる。

　図に示す例では、ポンプ室１は例えば第１の筐体６１と第２の筐体６２とを嵌め合わせることで形成された内部空間であり、振動板１２の周縁部が第１の筐体６１と第２の筐体６２とで挟持されることによって振動可能に固定されている。

　また、本発明の圧電ポンプは、ポンプ室１に通じる流体吸込部２１および流体吐出部２２を有している。この流体吸込部２１および流体吐出部２２には、それぞれ流体の逆流を防止するように板状の弁３１（吸込弁）および弁３２（吐出弁）が設けられている。

　流体吸込部２１および流体吐出部２２には、流体を吸い込む吸込孔４１と流体を吐出する吐出孔４２とが設けられているとともに、吸込孔４１および吐出孔４２よりも流路の径が大きい弁収容室５１、５２が設けられていて、この弁収容室５１、５２に板状の弁３１（吸込弁）および弁３２（吐出弁）が収容されている。

　吸込孔４１および吐出孔４２としては、例えば開口部（流路の横断面）が円形の場合、例えば直径１ｍｍ～３ｍｍのものを採用することができる。そして、吸込孔４１および吐出孔４２の直径が上記範囲の場合、弁３１、３２は、吸込孔４１および吐出孔４２の開口部を塞ぐことができるように、吸込孔４１および吐出孔４２の直径よりも大きく、例えば長さ３ｍｍ～６ｍｍ、幅２ｍｍ～５ｍｍ、厚み０．２ｍｍ～０．５ｍｍのシート状または薄板状に形成されている。また、弁３１、３２は、ニトリルブタジエンゴム等のゴム、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂、リン青銅等の金属が挙げられる。

　なお、図に示す例では、第２の筐体６２と第３の筐体６３とを嵌め合わせることで、弁３１、３２のそれぞれの一方の端部（固定端部３１１）が第２の筐体６２と第３の筐体６３とで挟持されることによって開閉可能に固定されている。なお、固定端部３１１は、その全体が第２の筐体６２と第３の筐体６３とで挟持され固定されてもよく、その一部が固定されてもよい。そして、弁３１は弁収容室５１の流体が流れる上流側であって吸込孔４１の開口部に開閉可能に配置され、弁３２は弁収容室５２の流体が流れる上流側であってポンプ室１の流体通過空間１４に通じる開口部に開閉可能に配置されている。

　そして、圧電素子１１が駆動することによって、振動板１２が屈曲する。例えば、図２（ａ）に示すように、振動板１２が上側（流体通過空間１４とは反対側）に凸となるように撓むことで、上流側の弁３１が開くと同時に下流側の弁３２が閉じて、流体がポンプ室１の流体通過空間１４に吸引される。また、図２（ｂ）に示すように、振動板１２が下側（流体通過空間１４側）に凸となるように撓むことで、上流側の弁３１が閉じると同時に下流側の弁３２が開いて、流体がポンプ室１の流体通過空間１４から吐出される。この動作が繰り返されることによって、ポンプ機能を発現する。

　ここで、流体の吐出流量を増加する手段として、単位時間当たりの振動板１２の撓む回数を増加させること、すなわち振動板１２の駆動周波数を向上させるという方法があるが、これに伴って、単位時間当たりの弁３１、３２の開閉回数を増加させること、すなわち弁３１、３２の開閉速度を向上させる必要がある。

　そこで、本実施形態の圧電ポンプにおいては、弁３１、３２に切欠き３０が設けられている。これにより、弁３１、３２の開き量とともに開閉速度を向上できるため、結果として流体の吐出流量を増加させることができる。

　なお、流体吸込部２１および流体吐出部２２の構成としては本例に示すものに限定されない。また、例えば弁３１がポンプ室１（流体通過空間１４）の入口の内側に設けられ、弁３２がポンプ室１（流体通過空間１４）の出口の内側に設けられた構成であってもよい。

　以下、弁３１（吸込弁）の切欠き３０の実施形態の例について説明する。なお、弁３２（吐出弁）についての説明は省略するが、弁３２も弁３１と同様の構造である。

　ここで、図１（ｂ）および図１（ｃ）の弁３１は、切欠き３０が弁３１の主面に設けられた溝である。このように、切欠き３０の厚みが他の部位よりも薄くなることで、弁３１が曲がりやすくなるため、弁３１の開き量と開閉速度が向上する。

　切欠き３０は弁３１のどの部位に設けられたとしても、切欠き３０を曲げの支点として開閉しやすくなる効果が得られるが、吸込孔４１の開口部と弁３１の固定端部３１１との間にあるのが好ましく、特に図３に示すように、切欠き３０は弁３１における固定された一方の端部（固定端部３１１）に隣接する部位に設けられるのが好ましい。切欠き３０は、固定端部３１１に隣接する部位に設けられることで、固定と溝による曲げの支点を集中させて開き量を大きくするとともに、吸込孔４１の開口部位置の弁３１とのずれによるねじれを生じにくくする。

　また、この切欠き３０が溝である場合、溝は弁３１における一方の主面に設けられればよいが、図４に示すように、流体の流れ方向の上流側となる主面に設けられるのが好ましい。なお、図４において溝が破線で記載されているのは、上流側となる主面である下側の主面（ポンプ室１側から見て反対側の主面）に溝が設けられていることを示している。これにより、切欠き３０がより開閉しやすくなる。

　なお、図３に示すように切欠き３０である溝を下流側の主面に設けてもよい。溝を下流側の主面に設けることで、吸込孔４１の開口部位置と切欠き３０との位置が重なった構造とすることもできる。ここで、溝が下流側の主面にある場合は、弁３１の開閉の妨げにならないように、溝の深さおよび幅が適宜設定される。また、切欠き３０である溝は両主面に設けられてもよい。

　なお、溝の底部が先細り状になっていてもよく、さらに切欠き３０を開閉しやすくすることができる。

　また、弁３１の他の例として、図５に示す例の弁３１は、切欠き３０が弁３１の幅方向の両側から切り込まれた切込み（略同等に切り込まれた切込み）である。この構成によれば、切欠き３０（切込み）において弁３１の幅が狭くなることで弁３１が曲がりやすくなるため、弁３１の開閉速度を向上させることができる。また、幅方向の両側から略同等に切り込まれた切込みであることで、吸込孔４１の開口部位置のずれによるねじれが生じにくくなる。特に、図６に示すように、切欠き３０の先端部が狭くなっていることで、弁３１の開閉速度をより向上させることができる。

　また、図７に示すように、切欠き３０の幅の中心が先端に向かうにつれて固定された一方の端部（固定端部３１１）に近づいているのが好ましい。言い換えると、切欠き３０（切込み）は、弁３１の幅が一方の端部（固定端部３１１）の側に向かって徐々に狭くなるように切り込まれ、切欠き３０（切込み）切込みの先端部が一方の端部（固定端部３１１）の側に偏っているのが好ましい。この構成によれば、支点を弁３１の固定端部３１１の根元にし、吸込孔４１の開口部位置のずれによるねじれをさらに抑制できるとともに、弁の開閉速度をさらに向上させることができる。

　また、図８に示すように、切欠きの先端を曲面にするのが好ましい。言い換えると、切欠き３０（切込み）の先端部が平面視で丸みを帯びているのが好ましい。これにより、切欠き３０の先端への応力集中が緩和でき、弁３１の繰り返しの変形による強度低下を防止することができる。

　なお、弁３１の繰り返しの変形による強度低下を防止するという点で、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示す切欠き３０（溝）の凹んだ内側の角部が丸みを帯びていてよく、図５に示す切欠き３０（切込み）の凹んだ内側の角部が丸みを帯びていてもよい。

１　　ポンプ室
１１　圧電素子
１２　振動版
１３　圧電振動板
１４　流体通過空間
２１　流体吸入部
２２　流体吐出部
３１、３２　弁
３０　切欠き
３１１　固定端部
４１　吸入孔
４２　吐出孔
５１、５２　弁収容室
６１　第１の筐体
６２　第２の筺体
６３　第３の筺体

Claims

　圧電素子を備えたポンプ室と、該ポンプ室に通じる流体吸込部および流体吐出部と、前記流体吸込部および前記流体吐出部にそれぞれ設けられており、一方の端部が固定された板状の弁とを有し、前記弁に切欠きが設けられていることを特徴とする圧電ポンプ。
　前記切欠きは、固定された前記一方の端部に隣接する部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電ポンプ。
　前記切欠きは前記弁の上流側となる主面に設けられた溝であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電ポンプ。
　前記切欠きは幅方向の両側から切り込まれた切込みであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電ポンプ。
　前記溝の底部が先細り状になっていることを特徴とする請求項３に記載の圧電ポンプ。
　前記切込みの先端部が狭くなっていることを特徴とする請求項４に記載の圧電ポンプ。
　前記切込みは、前記弁の幅が前記一方の端部の側に向かって徐々に狭くなるように切り込まれ、前記切込みの前記先端部が前記一方の端部の側に偏っていることを特徴とする請求項６に記載の圧電ポンプ。
　前記切込みの前記先端部が平面視で丸みを帯びていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧電ポンプ。