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JP4497021B2 - 圧電ダイヤフラムポンプ - Google Patents

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JP4497021B2
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Description

本発明は、圧電素子を用いた圧電ダイヤフラムポンプに関する。
従来、圧電素子をアクチュエータとして用いた圧電ダイヤフラムポンプは、ダイヤフラムのたわみが増減し、ポンプ室の内容積が増減することで吸入側の弁より動作流体を吸入し、排出側の弁より動作流体を吐出する。たわみの増減は、円盤状の圧電素子の上下面に設けられた電極間に電圧が印加されることにより、圧電素子が伸縮することで成される。この種のダイヤフラム構造では、径方向の微小なたわみを厚み方向の大変位に変換可能であるため、低い印加電圧で圧電素子を駆動させることができるが、発生する力は変位拡大率に反比例して小さくなる。
一般に液体を吐出するポンプにおいては、動作流体による内部の汚染が問題となる。例えば、アルコールに粉体などの固形物を含有した流体の場合、ポンプ内部に液体が残留すると、液体の各種成分が弁やパイプなどの構成部材に付着したり、これらを溶かしたりすることがある。その結果、弁が劣化し、弁の開閉が正常に行われなくなってポンプの寿命が低下する。
このようなポンプ寿命低下の解決法の一つとして、流体が流れる部分を交換する構造が知られている(例えば、特許文献1乃至4参照)。特許文献1には、圧電素子を組込んだ駆動ユニットと、吸入弁付吸入口及び送出弁付送出口を設けた弁ユニットとに分割して、これらを着脱自在とし、流体による汚染、弁の劣化等が発生した場合、弁ユニットを交換可能としたものが示されている。ここに、駆動ユニットと弁ユニットとは、ねじ込み嵌合して着脱自在に連結され、弾性膜で筒状部を液密とする構造であり、弾性部材をバイモルフの支持体に押し付けて組み合わせるが、密閉性を高めるためには弾性部材をバイモルフに押し付ける必要があり、強く押し付けるとバイモルフの振動を阻害する。
また、特許文献2には、ポンプアクチュエータユニットと、これに着脱可能に取り付けられたポンプ接流ユニットからなり、接流ユニットのみを交換することが可能なものが示されているが、両者の結合を両面テープ又は面ファスナーで行うため、交換時に圧電ダイヤフラムを傷つける可能性がある。
また、特許文献3には、ポンプ本体に対して圧電素子よりなるポンプアクチュエータを持つ駆動体が着脱可能とされ、駆動体がポンプ本体の柔軟性壁材の壁面に変位を与えるものが示されているが、圧電素子の垂直方向の変位は微小であり、伝達部材形状が平面状であって伝達効率が小さく、両面テープなどの面接合部材を必要とする。
また、特許文献4には、駆動ダイヤフラムと被駆動ダイヤフラムとの間が密閉されており、密閉空間内に封入した伝達媒質により駆動ダイヤフラムの振動を被駆動ダイヤフラムに伝達するものが示されているが、交換ユニットを挿入する際のユーザの動作によっては、密閉される空間に空気が入り込み、伝達効率が小さくなることがある。
上記いずれのポンプ部を交換可能な圧電ダイヤフラムポンプにおいても、変位量は数十μm程度と非常に小さく、また、発生力も小さいため、変位を効率的に被駆動側に伝達する必要があり、また、アクチュエータに大きな変位を必要とし、発生力の伝達効率が低いものとなっていた。
特開平1−285681号公報 実用新案登録2542620号公報 特開平6−24492号公報 特開2004−353493号公報
本発明は、上記問題を解消するもので、流体に接するポンプ部を交換可能な構成とし、かつ、駆動ダイヤフラムの振動を被駆動、つまり従動ダイヤフラム膜部に効率的に伝達することが可能な圧電ダイヤフラムポンプを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、圧電素子が固定された駆動ダイヤフラムを有する駆動ユニットと、この駆動ダイヤフラムの変位に従動する従動ダイヤフラム膜部を有し、この従動ダイヤフラム膜部の変位により流体を吸入・吐出する被駆動ユニットとを備え、前記被駆動ユニットは流体に接する部位を持ち、交換自在に組み込まれている圧電ダイヤフラムポンプであって、前記駆動ダイヤフラムは、圧電素子への交番電圧の非印加時に前記従動ダイヤフラム膜部側に凹状に湾曲してなり、前記駆動ダイヤフラム及び従動ダイヤフラム膜部に接触するように両側に凸状に膨らんだ板状の変位伝達部材を有し、圧電素子への交番電圧の非印加時に前記従動ダイヤフラム膜部は前記凸状に倣って変形しているものである。
また、前記変位伝達部材は、板面内方向の変形係数が板面垂直方向の変形係数よりも小さいものとすればよい。
また、前記変位伝達部材の弾性係数が、前記従動ダイヤフラム膜部の弾性係数よりも大きいものとすればよい
本発明によれば、ポンプ部を交換可能な構成にあって、駆動ダイヤフラムが従動ダイヤフラム膜部の中心部から接触して変位を伝達するので、駆動ダイヤフラムから従動ダイヤフラム膜部へ駆動力を効率良く伝達することができ、ポンプの動きがスムーズとなる。
以下、本発明の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図面を参照して説明する。まず、本発明が適用される圧電ダイヤフラムポンプの基本概念について、図1を参照して説明する。圧電ダイヤフラムポンプ1は、駆動ユニット10と、被駆動ユニット20と、ベース筐体30とを備えている。駆動ユニット10は、金属板上に円盤形状の圧電素子11が固定された駆動ダイヤフラム12と、駆動ダイヤフラム12を支持する筐体13とから成る。被駆動ユニット20は、変形性を持つ従動ダイヤフラム膜部21と、ダイヤフラム固定部22と、それらにより形成される内部の被駆動空間23に対して、流体の吸入及び吐出に対して開閉動作を行う弁24と、弁24と連通し吸入弁へ流体の吸入、及び吐出弁から流体の吐出を導く管路を有する外部との連通パイプ25より成る。ベース筐体30は、被駆動ユニット20を駆動ユニット10に固定するものである。被駆動ユニット20は、流体に接するポンプ部であって、ポンプ寿命が来たときに交換される交換部となる。
駆動ダイヤフラム12は、高温中で圧電素子11に接着されているため、熱膨張により常温では凹のたわみを有している。駆動ユニット10とベース筐体30は、ネジ等の手段で固定され、これらの中間に位置する被駆動ユニット20は適宜交換して使用される。弁部分の構造は、例えば、前後の圧力差により開閉するゴム製の片持ち弁等を用いればよい。
上記のような圧電ダイヤフラムポンプ1の動作について図2及び図3を参照して説明する。圧電素子11の上下面には電極が設けられており、電極に電圧を印加することで厚み方向に電界が発生する。この電界により圧電素子11は変形する。電界の向きが圧電素子11の分極の向きと同方向である場合、圧電素子11は厚み方向に伸び、径方向に縮む。このとき、金属板は伸びないため、圧電素子11の変形に伴い、駆動ダイヤフラム12のたわみが減少する。電界の向きが圧電素子11の分極の向きと逆方向である場合、駆動ダイヤフラム12のたわみが増加する。電界の向きを交互に入れ替えることで、駆動ダイヤフラム12は厚み方向に振動する。この振動が、これに接触している被駆動ダイヤフラム膜部21に伝達されることで、被駆動ユニット20中の被駆動空間23の体積が変動する。この空間23の体積が増加すると、内部の圧力が低下し、被駆動ユニット20は、排出弁が閉じて吸入弁が開き、液体を吸入する。また、空間23の体積が減少すると、内部の圧力が増加し、吸入弁が閉じて排出弁が開き、液体を排出する。
次に、本発明の前提としての圧電ダイヤフラムポンプについて図4及び図5を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1において、固定部としての駆動ユニット10は、円形の真鍮板上に円形の圧電素子(PZT)11が貼り付けられた駆動ダイヤフラム12と、この駆動ダイヤフラム12が固定される、円形に成形されたプラスチック(例えば、ポリアセタール(POM)やポリカーボネイト(PC)、ポリフェニルスチレン(PPS)等)製の筐体13とから成る。圧電素子11の直径は、14mm、厚み0.13mm、真鍮板は直径20mm、厚み0.10mmである。駆動ダイヤフラム12の交換部側には、交換部側を凸とする変位伝達部材14Aが貼り付けられている。この変位伝達部材14Aは、ニトリルゴム(NBR)などで構成すればよい。圧電素子11への印加電圧は、+120Vと0Vの交番電圧とし、+120Vの電圧を印加した時にポンプは吐出動作を行い、0V印加時に吸入動作を行う。
また、交換部としての被駆動ユニット20は、プラスチックにより形成された筐体で成る固定部22と、その上面に貼り付けられた、耐薬品性の高い膜、例えば、水素化ニトリルゴム(HNBR)製の従動ダイヤフラム膜部21(以下、従動膜という)とから成り、固定部22の下面には、吸入用及び吐出用の穴が貫通し、それぞれ弁部24を経由して外部へと連結するパイプ25が連結されている。また、固定用押さえとしてのベース筐体30は、プラスチック製であり、被駆動ユニット20が収まるくぼみが設けられている。被駆動ユニット20は、駆動ユニット10とベース筐体30の中間に挟み込んで固定される。その固定手法は、別途設ける爪部やネジ止め等が利用できるが、図示は省略している。
上記構成において、駆動ダイヤフラム12上の圧電素子11に+120V/0Vの交番電圧が印加されると、圧電素子11の径方向の伸縮にともない駆動ダイヤフラム12は厚み方向に振動する。この振動が変位伝達部材14Aにより従動膜21に伝達されることで、被駆動ユニット20中の被駆動空間23の体積が変動する。この空間23の体積が増加すると、内部の圧力が低下し、被駆動ユニット20は排出弁が閉じて吸入弁が開き、液体を吸入する。また、空間23の体積が減少すると、内部の圧力が増加し、吸入弁が閉じて排出弁が開き、液体を排出する
ポンプ組立時に、被駆動ユニット20(交換部)を駆動ユニット10(固定部)に挿入すると、駆動ユニット10の変位伝達部材14Aが中心を最高点とする凸形状をしているため、変位伝達部材14Aの中心部がまず最初に従動膜21に接し、次いで、その周囲から接触面積が増加していく。
このように変位伝達部材14Aの形状を凸とすることで、被駆動ユニット20との接触がスムーズに行われるため、固定後の接触状態は、中央部に空気が入るなどの不具合を発生することなく、確実となる。また、駆動ダイヤフラム12の中心部が従動膜21に確実に接触しているため、最も厚み方向の変動幅が大きい中心の変位を最大限利用することができる。
次に、本発明の第1実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図6及び図7を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1において、駆動ダイヤフラム12は従動膜21側に凹状に約0.2mm湾曲しており、変位伝達部材14Bとして、周辺厚みが0.2mm、中心厚みが0.5mmで厚みの両側方向に膨らんだ形状のNBRを用いる。この変位伝達部材14Bは接着により駆動ダイヤフラム12に固定される。
被駆動ユニット20(交換部)を駆動ユニット10(固定部)に挿入すると、変位伝達部材14Bが中心を最高点とする凸形状をしているため、変位伝達部材14Bの中心部がまず最初に従動膜21に接し、次いでその周囲から接触面積が増加していく。
このように変位伝達部材14Bの形状を厚みの両側に凸とすることで、交換部との接触がスムーズに行われるため、固定後の接触状態は中央部に空気が入るなどの不具合を発生することなく、確実である。また、中心部が確実に接触しているため、最も厚み方向の変動幅が大きい中心の変位を最大限利用することができる。また、従動膜側に凹状に湾曲した駆動ダイヤフラム12を用いることができるため、圧電素子11を有する駆動ダイヤフラム12の製造に熱硬化性の接着材を利用でき、製造が容易となる。
次に、本発明の第2実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図8を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1において、駆動ダイヤフラム12は従動膜21側に凹状に湾曲しており、変位伝達部材14Cとして、周辺厚みが0.2mm、中心厚みが0.5mmで厚みの両側方向に膨らんだ形状のNBR膜を用いる。また、このNBR膜に直径1mm、深さ0.1mmの円形凹部15が一様に形成されている。
駆動ダイヤフラム12上の圧電素子11に+120V/0Vの交番電圧が印加されると、圧電素子11の径方向の伸縮にともない、駆動ダイヤフラム12は厚み方向に振動する。この振動が変位伝達部材14Cにより従動膜21に伝達されるとき、従動膜21の径方向への変位は、円形凹部15があることで弾性係数が小さく、駆動ダイヤフラム12の動作を制限しない。また、厚み方向の変位については、円形凹部が無い場合と同等の変位を行うため、被駆動ユニット20中の空間23の体積は大きく変動する。
変位伝達部材14Cの形状として、上記凹部15が逆に凸部となっていても、同等の効果が得られる。また、凹部15の形状は円形でなくてもよい。また、複数の膜を積層して上記形状と同等の形状を形成しても、同等の効果が得られる。本実施形態によれば、従動膜21の変形が容易となり、ポンプの動きがさらにスムーズになる。
次に、本発明の第3実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図9を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1は、変位伝達部材14Dが、内部に複数枚の短冊板を内蔵する構造としたものである。駆動ダイヤフラム12は、従動膜21側に凹状に湾曲しており、変位伝達部材14Dとして、周辺厚みが0.2mm、中心厚みが0.5mmで厚みの両側方向に膨らんだ形状のNBRを用い、同部材14Dには、中心を同一とし直径の異なる深さ0.1mmの切れ込み16が一様に形成されている。
駆動ダイヤフラム12上の圧電素子11に+120V/0Vの交番電圧が印加されると、圧電素子11の径方向の伸縮にともない、駆動ダイヤフラム12は厚み方向に振動する。この振動が変位伝達部材14Dにより従動膜21に伝達されるとき、従動膜21の径方向への変位は、切れ込み部16で不連続となっているため容易であり、圧電ダイヤフラム12の変形への抵抗は小さい。一方、従動膜21の厚み方向については連続であるため、切れ込み16が無い場合と同等の変位となる。変位伝達部材14Dの形状として、上記切れ込み16が被駆動ユニット20の空間側に設けられていても同等の効果が得られる。また、複数の膜を積層して円周方向への変形を大きくしても同等の効果が得られる。本実施形態によれば、従動膜21の変形が容易となり、ポンプの動きがさらにスムーズとなる。
次に、本発明の第4実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図10を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1においては、変位伝達部材14Eが、中心部の弾性係数が周辺部の弾性係数よりも大きいものとした。駆動ダイヤフラム12は従動膜21側に凹状に湾曲しており、変位伝達部材14Eとして、周辺厚みが0.2mm、中心厚みが0.5mmで厚みの両側方向に膨らんだ形状のNBR膜を用いる。また、この変位伝達部材14Eは、中央部17に加硫処理をして硬度を高くしたものを用い、周辺部18に硬度が低いものを用いる。
駆動ダイヤフラム12上の圧電素子11に+120V/0Vの交番電圧が印加されると、圧電素子11の径方向の伸縮にともない、駆動ダイヤフラム12は厚み方向に振動する。この振動が変位伝達部材14Eにより従動膜21に伝達されるとき、変位伝達部材14Eの径方向への変位量は、周辺部18に向かうほど大きいため、中央部17の硬度が高くなることによる駆動ダイヤフラム12の変形への抵抗は小さい。一方、変位伝達部材14Eの厚み方向については、硬度の高い中央部17での変位が最も大きいため、変位の伝達効率が大きくなり、被駆動ユニット20中の空間23の体積は大きく変動する。こうして、上記実施形態と同等の効果が得られる。
次に、本発明の第5実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図11及び図12を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1においては、変位伝達部材14Fが硬度60°のNBR、従動膜21が厚み0.2mm、硬度40°NBR膜で形成されているものを用いる。被駆動ユニット20(交換部)を駆動ユニット10(固定部)に挿入すると、従動膜21の中心部が、まず、最初に駆動ダイヤフラム12に接して下にたわみ、次いでその周囲から接触面積が増加していく。このとき、変位伝達部材14Fの方が従動膜21よりも弾性係数が高いため、接触に伴い起こる変形は従動膜21側で発生し、変位伝達部材14Fの凸形状は維持される。本実施形態によれば、変位伝達部材14Fが変形し難いので、伝達効率が向上する。
次に、本発明の参考例に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図13及び図14を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1においては、駆動ダイヤフラム12が従動膜21側に凸状に約0.2mm湾曲しているものを用いる。駆動ダイヤフラム12自身が変位伝達部材となる。被駆動ユニット20(交換部)を駆動ユニット10(固定部)に挿入すると、駆動ダイヤフラム12が中心を最高点とする凸形状をしているため、その中心部がまず最初に従動膜21に接し、次いでその周囲から接触面積が増加していく。
このように、駆動ダイヤフラム12の形状を従動膜21側に凸とすることで、交換部との接触がスムーズに行われるため、固定後の接触状態は中央部に空気が入るなどの不具合を発生することなく、確実となる。また、中心部が確実に接触しているため、最も厚み方向の変動幅が大きい中心の変位を最大限利用することができる。
従動膜21側に凸状に湾曲した駆動ダイヤフラム12は、図15に示すように、例えば、0℃から−20℃の環境において、金属板に2液性接着剤等を用いて圧電素子11を接着し、20℃(常温)に戻すことで作成できる。また、図16に示すように、予め凸形状に形成した金属板に常温下で圧電素子11を接着してもよい。この実施形態によれば、従動膜21と変位伝達部が一体化されるのて、部品点数を低減できる。
次に、本発明の第6実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプについて図17を参照して説明する。本実施形態の圧電ダイヤフラムポンプ1においては、変位伝達部14Gの従動膜21に対する接触面が、最大変形時においても従動膜21側に凸状に湾曲している。駆動ダイヤフラム12は、従動膜21側に凹状に湾曲しており、変位伝達部材14Gとして、周辺厚みが0.2mm、中心厚みが0.5mmで厚みの両側方向に膨らんだ形状のNBRを用いる。また、この変位伝達部材14Gは、接着により駆動ダイヤフラム12に固定されている。
被駆動ユニット20(交換部)を駆動ユニット10(固定部)に挿入すると、固定部の変位伝達部材14Gが中心を最高点とする凸形状をしているため、変位伝達部材14Gの中心部がまず最初に従動膜21に接し、次いでその周囲から接触面積が増加していく。
駆動ダイヤフラム12上の圧電素子11に+60V/−60Vの交番電圧が印加されるとする。+60Vの電圧を印加すると、圧電素子11が径方向に縮むことで、駆動ダイヤフラム12の凹み量が小さくなり、変位伝達部材14Gにより従動膜21は厚み方向に押し下げられる。次に、−60Vの電圧を印加すると、圧電素子11は径方向に伸びることで、駆動ダイヤフラム12の凹みは大きくなる。このとき、変位伝達部材14Gを、この逆電圧印加時において凸であるものを使用することで、従動膜21との接触について常に中心において従動膜21側に抑え付けることができるため、120V/0Vで駆動する場合と同量の変位を得ることができる。逆電圧を利用できることで、使用電圧の絶対値が小さくなり、ポンプとしての消費電力を大幅に低減できる。本実施形態によれば、駆動時の全周期において、変位伝達部14Gと従動膜21とが接触しているので、ポンプを逆電圧印加時にも駆動できる。
本発明は、上記実施形態の構成に限られることなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、図18及び図19に示すように、従動膜21に接触して駆動ダイヤフラム12の変位を伝達する駆動ユニット10(固定部)の可動接触面が従動膜21側に凸状に湾曲し、従動膜21が固定部側に凸状に湾曲しているものとしてもよい
本発明が適用される圧電ダイヤフラムポンプの基本概念を示す分解断面図。 上記圧電ダイヤフラムポンプの動作を説明するための図。 上記圧電ダイヤフラムポンプの動作を説明する図。 本発明の前提に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 本発明の第1実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記実施形態の圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 (a)は本発明の第2実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの断面図、(b)は変位伝達部材の下面斜視図。 (a)は本発明の第3実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの断面図、(b)は変位伝達部材の上面斜視図。 本発明の第4実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 本発明の第5実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記実施形態の圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 本発明の参考例に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記圧電ダイヤフラムポンプの断面図。 上記における駆動ダイヤフラムの製造法を示す側面図。 上記における駆動ダイヤフラムの他の製造法を示す側面図。 本発明の第6実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの構成及び動作を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る圧電ダイヤフラムポンプの分解断面図。 上記実施形態の圧電ダイヤフラムポンプの断面図。
符号の説明
1 圧電ダイヤフラムポンプ
10 駆動ユニット(固定部)
11 圧電素子
12 駆動ダイヤフラム
14A〜14G 変位伝達部材
20 被駆動ユニット(交換部)
21 従動ダイヤフラム膜部(従動膜)

Claims (3)

  1. 圧電素子が固定された駆動ダイヤフラムを有する駆動ユニットと、この駆動ダイヤフラムの変位に従動する従動ダイヤフラム膜部を有し、この従動ダイヤフラム膜部の変位により流体を吸入・吐出する被駆動ユニットとを備え、前記被駆動ユニットは流体に接する部位を持ち、交換自在に組み込まれている圧電ダイヤフラムポンプであって、
    前記駆動ダイヤフラムは、圧電素子への交番電圧の非印加時に前記従動ダイヤフラム膜部側に凹状に湾曲してなり、
    前記駆動ダイヤフラム及び従動ダイヤフラム膜部に接触するように両側に凸状に膨らんだ板状の変位伝達部材を有し、
    圧電素子への交番電圧の非印加時に前記従動ダイヤフラム膜部は前記凸状に倣って変形していることを特徴とする圧電ダイヤフラムポンプ。
  2. 前記変位伝達部材は、板面内方向の変形係数が板面垂直方向の変形係数よりも小さいことを特徴とする請求項記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
  3. 前記変位伝達部材の弾性係数が、前記従動ダイヤフラム膜部の弾性係数よりも大きいことを特徴とする請求項又は請求項2に記載の圧電ダイヤフラムポンプ。
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