(57)【要約】【課題】圧電振動子に印加する交流電圧のノイズ成分を除去でき、静音性に優れたポンプ動作を実現可能な圧電ポンプの駆動回路を得る。【解決手段】ハウジング内に、表裏の少なくとも一面にポンプ室を形成する圧電振動子とともに収納され、圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路であって、圧電振動子に交流電圧を印加する高電圧制御部を有し、この高電圧制御部と圧電振動子の間に、該圧電振動子に対して並列に接続する並列コンデンサを設けた。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に、表裏の少なくとも一面にポンプ室を形成する圧電振動子とともに収納され、前記圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路であって、
前記圧電振動子に交流電圧を印加する高電圧制御部を有し、この高電圧制御部と前記圧電振動子の間に、該圧電振動子に対して並列に接続する並列コンデンサを設けたことを特徴とする圧電ポンプの駆動回路。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ポンプの駆動回路において、前記並列コンデンサは、前記高電圧制御部に直列に接続した電気抵抗体と前記圧電振動子に直列に接続した電気抵抗体との間に、配置する圧電ポンプの駆動回路。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電ポンプの駆動回路において、前記並列コンデンサは、直列に接続した一対のコンデンサからなり、該一対のコンデンサの間でグランドに接続した圧電ポンプの駆動回路。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧電ポンプの駆動回路において、前記並列コンデンサの静電容量は、前記圧電振動子の素子容量の１／２以上である圧電ポンプの駆動回路。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電ポンプの駆動回路において、前記高電圧制御部は、矩形波電圧を前記圧電振動子に印加する圧電ポンプの駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ作用する圧電振動子と同一のハウジング内に収納され、該圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に可変容積室（ポンプ室）を形成し、圧電振動子を振動させることにより、可変容積室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、可変容積室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁）を設けており、圧電振動子の振動により可変容積室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。このような圧電ポンプは、近年、水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられており、圧電振動子とこの圧電振動子を交流電圧で駆動させる駆動回路とを同一のハウジング内に収納して小型化及び薄型化を図っている。
【特許文献１】特開平２−２５３８９０号公報
【特許文献２】特開平６−１４５６３号公報
【特許文献３】特開平６−３１０７７２号公報
【特許文献４】特開平８−２３７９６０号公報
【特許文献５】特開２００２−３３９８７２号公報
【特許文献６】特開２００３−２４４９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電ポンプの駆動回路は、一般に、交流電圧を生成する高電圧制御部を有し、この交流電圧で圧電振動子を駆動させる。しかしながら、圧電振動子に印加する交流電圧として矩形波電圧を用いると、正弦波電圧を用いた場合よりも圧電振動子の容積時間変化が増大してポンプ性能が向上するものの、オーバーシュートやアンダーシュートなどにより生じる瞬間的な突入電流がノイズとして作用する。この矩形波電圧に限らず、圧電振動子に印加する交流電圧の電圧波形に含まれるエッジ部分はすべてノイズ源となってしまう。静音性が要求される液冷用圧電ポンプにおいて、騒音は大きな問題である。このため、従来では、正弦波電圧または正弦波を基にした擬似正弦波電圧で圧電振動子を駆動せざるを得なかった。正弦波電圧または擬似正弦波電圧を用いると、回路効率が低くなることから効率改善のための対策が必要となる、回路規模を小さくできない、汎用ＩＣを利用できないなど、回路設計上の制約が大きかった。
【０００４】
本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電振動子に印加する交流電圧のノイズ成分を除去でき、静音性に優れたポンプ動作を実現可能な圧電ポンプの駆動回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、高電圧制御部の出力側に圧電振動子と並列に接続するコンデンサを配置すれば、正弦波電圧以外の交流電圧で圧電振動子を駆動させても、交流電圧のノイズ成分はコンデンサで除去されて騒音を低減できること、さらに、正弦波電圧以外の交流電圧を用いることで回路設計の自由度が大きくなることに着目して完成されたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、ハウジング内に、表裏の少なくとも一面にポンプ室を形成する圧電振動子とともに収納され、圧電振動子を交流電圧で駆動させる圧電ポンプの駆動回路であって、圧電振動子に交流電圧を印加する高電圧制御部を有し、この高電圧制御部と圧電振動子の間に、該圧電振動子に対して並列に接続する並列コンデンサを設けたことを特徴としている。
【０００７】
並列コンデンサは、高電圧制御部に直列に接続した電気抵抗体と圧電振動子に直列に接続した電気抵抗体との間に配置することが好ましい。この態様によれば、電気抵抗体と並列コンデンサでノイズフィルタが構成され、交流電圧のノイズをより低減できる。
【０００８】
並列コンデンサは、直列に接続した一対のコンデンサからなり、該一対のコンデンサの間でグランドに接続していることが好ましい。この態様によれば、一対のコンデンサに蓄積された電荷はグランドに流れるので、コンデンサの保持電荷を抑えられ、圧電振動子に対して並列コンデンサがノイズ源となるおそれがない。また、並列コンデンサを構成する各コンデンサに要求される耐圧が抑えられるので、設計自由度が大きくなる。
【０００９】
並列コンデンサの静電容量は、圧電振動子の素子容量の１／２以上であることが好ましい。このようにすることで、スパイクノイズによって生ずる電流が圧電振動子に流れてしまうことを防止できる。
【００１０】
高電圧制御部は、矩形波電圧を圧電振動子に印加することが実際的である。矩形波電圧で圧電振動子を駆動させれば、正弦波電圧で圧電振動子を駆動させた場合よりも回路効率がよく、また汎用ＩＣを用いて回路構成できるので回路規模を簡素化でき、小型化に有利である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高電圧制御部の出力側に圧電振動子と並列に接続されるように設けたコンデンサにて、高電圧制御部から圧電振動子に印加される交流電圧のノイズ成分（突入電流）が除去されるので、騒音を低減でき、静音性に優れたポンプ動作を実現可能な圧電ポンプの駆動回路を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１〜図５は、本発明による駆動回路を備えた圧電ポンプ１００の全体構成を示している。圧電ポンプ１００は、単一のハウジング２０内に、圧電振動子１０と駆動回路５０を収納したドライバ内蔵型の圧電ポンプである。
【００１３】
ハウジング２０は、上蓋（アッパハウジング）２０Ａ、メインハウジング２０Ｂ及び下蓋（ロアハウジング）２０Ｃからなる。メインハウジング２０Ｂには、上蓋２０Ａ側に開口させて円形凹部４１（図３、図５）が形成され、下蓋２０Ｃ側に開口させて基板収納凹部５１（図４、図５）が形成されている。円形凹部４１の周縁には、Ｏリング収納環状溝４１ａが同心に形成されている。
【００１４】
圧電振動子１０は、図３、図５に示すように、円形の金属製のシム１１と、このシム１１の表裏面の一方に形成した円形の圧電体１２とを有している。この実施形態では、液体ポンプ室Ｐ側にシム１１が臨み、大気室Ａ側に圧電体１２が臨んでいる。シム１１は、厚さ３０〜３００μm程度のステンレスや４２アロイ等からなる金属薄板であり、圧電体１２は、例えば厚さ５０〜６００μm程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。圧電体１２の表裏に交流電圧が与えられると、圧電体１２の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が振動する。なお、上記圧電振動子１０はユニモルフ構造であるが、バイモルフ、マルチモルフ構造であっても良い。
【００１５】
圧電振動子１０には、図５に示すように、その圧電体１２の表面周縁部に、導電性ゴム１８を介して第１給電ライン（リード部材）１４が導通接続されている。導電性ゴム１８は、ゴム性を維持して体積固有抵抗値を小さくした導電性ゴムからなっている。また、シム１１に半径方向に突出させて一体に形成した配線接続突起１１ｃには第２給電ライン１５が接続されている。
【００１６】
メインハウジング２０ＢのＯリング収納環状溝４１ａには、Ｏリング２７が挿入され、円形凹部４１内には、圧電振動子１０が挿入されている。そして、圧電振動子１０の周縁上に環状ガイド２８を介在させてメインハウジング２０Ｂ上に上蓋２０Ａを被せることにより、圧電振動子１０が液密に狭着支持されている。この圧電振動子１０と円形凹部４１との間には液体ポンプ室Ｐが構成され、圧電振動子１０と上蓋２０Ａとの間には、大気室（大気ポンプ室）Ａが形成される。
【００１７】
メインハウジング２０Ｂには、円形凹部４１内に、圧電振動子１０（円形凹部４１）の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室４２と吐出側液溜室４３が形成されている。吸入側液溜室４２と液体ポンプ室Ｐ、吐出側液溜室４３と液体ポンプ室Ｐとの間にはそれぞれ、吸入側逆止弁３２と吐出側逆止弁３３が設けられている。また、メインハウジング２０Ｂには、この吸入側液溜室４２と吐出側液溜室４３に連通する吸入ポート２４と吐出ポート２５が形成されている。吸入側逆止弁３２は、吸入ポート２４から液体ポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、吐出側逆止弁３３は、液体ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。
【００１８】
メインハウジング２０Ｂには、円形凹部４１周囲の筒状部４４に、周方向位置を異ならせて、給電ライン収納溝４５と４６が形成されている（図４、図５）。給電ライン収納溝４５と４６は、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５を通すもので、通した状態でも、十分な空気流通空間が確保できるように、大断面積が確保されている。メインハウジング２０Ｂには、給電ライン収納溝４５と４６を介して、大気室Ａと基板収納凹部５１とを連通させる大切欠（大気室通路、貫通穴）５２が形成されている（図４、図５）。この大切欠５２の上面は、図４に明らかなように、メインハウジング２０Ｂに被せた上蓋２０Ａによって塞がれる。
【００１９】
メインハウジング２０Ｂには、また、基板収納凹部５１を外部に連通させる外部連通路（穴）５４が形成されている。従って、基板収納凹部５１は、大切欠５２と給電ライン収納溝４５、４６を介して、大気室Ａに連通し、外部連通路５４を介して外部と連通している。このため、メインハウジング２０Ｂの基板収納凹部５１に駆動回路５０を嵌め、下蓋２０Ｃで蓋をした状態でも、大気室Ａは外部と連通することとなる。
【００２０】
駆動回路５０は、基板上に、圧電振動子１０に対する駆動制御を行う電子回路部品５３（図４、図５）と、これら電子回路部品５３間を接続するプリント配線（図示せず）を備えている。給電ライン収納溝４５と４６を介して大気室Ａ（円形凹部４１）の外に導かれた第１給電ライン１４と第２給電ライン１５は、駆動回路５０に接続されている。
【００２１】
次に、図６を参照し、本発明の駆動回路５０による圧電振動子１０の駆動制御について説明する。
【００２２】
図６は、圧電振動子１０の駆動制御系を示すブロック図である。駆動回路５０は、低電圧（直流電圧ＤＣ１）を処理する低電圧部に電源５００、昇圧回路５０１及び波形生成回路５０２を備え、高電圧（直流電圧ＤＣ２）を処理する高電圧部に高電圧制御回路５０３を備えている。
【００２３】
昇圧回路５０１は、電源５００から入力した直流電圧ＤＣ１を昇圧し、この直流電圧ＤＣ１より高い直流電圧ＤＣ２を高電圧制御回路５０３に出力する。本実施形態では、例えば５Ｖの直流電圧ＤＣ１を２００Ｖの直流電圧ＤＣ２に昇圧する。
【００２４】
波形生成回路５０２は、電源５００から直流電圧ＤＣ１を入力し、圧電振動子１０に対する駆動制御用の矩形波信号Ｓ１を生成する。矩形波信号Ｓ１の周波数及び振幅は、圧電振動子１０の駆動態様に応じて、入力電圧の範囲内で適宜設定可能である。
【００２５】
高電圧制御回路５０３は、昇圧回路５０１で昇圧された後の直流電圧ＤＣ２と波形生成回路５０２で生成された矩形波信号Ｓ２を合成して圧電振動子１０を駆動可能なレベルの交流電圧Ｓ３を生成し、この交流電圧Ｓ３を圧電振動子１０に印加する。交流電圧Ｓ３の信号波形は、矩形波信号Ｓ２に対応する矩形波となる。本実施形態の高電圧制御回路５０３は、振幅（圧電振動子の表裏の電極間にかかる電圧のピークからピークまでの振幅）Ｖｏｐが１７５Ｖとなる交流電圧Ｓ３を生成する。
【００２６】
矩形波の交流電圧Ｓ３を用いることで、この高電圧制御回路５０３を汎用ＩＣにより構成できる。これによって回路効率の改善、回路規模の簡素化及び小型化を図れる。
【００２７】
高電圧制御回路５０３の一対の出力ライン５０４は、第１〜第４電気抵抗体Ｒ１〜Ｒ４を介して圧電振動子１０の一対の入力ラインである第１給電ライン１４、第２給電ライン１５に接続し、第５電気抵抗体Ｒ５を介してグランドに接続している。
【００２８】
以上の駆動回路５０には、高電圧制御回路５０３と圧電振動子１０の間、すなわち、高電圧制御回路５０３の一対の出力ライン５０４の間に、圧電振動子１０に対して並列に接続する並列コンデンサＣが設けられている。この並列コンデンサＣは、高電圧制御回路５０３側の第１、第２電気抵抗体Ｒ１、Ｒ２と圧電振動子１０側の第３、第４電気抵抗体Ｒ３、Ｒ４の間に位置し、電気抵抗体Ｒ１〜Ｒ５とともにノイズフィルタを構成する。上述したように交流電圧Ｓ３は矩形波電圧であり、交流電圧Ｓ３に生じやすいオーバーシュートやアンダーシュートは電気抵抗体Ｒ１〜Ｒ５によって低減され、交流電圧Ｓ３のオン／オフ時に生じる突入電流は並列コンデンサＣで吸収されることから、圧電振動子１０に印加される電流波形のノイズ成分（スパイクノイズ）を低減できる。
【００２９】
並列コンデンサＣは、直列に接続した一対のコンデンサＣ１、Ｃ２からなり、該一対のコンデンサＣ１、Ｃ２の中間位置でグランドに接続されている。コンデンサＣ１、Ｃ２で吸収したノイズ成分はグランドに流れるため、コンデンサＣ１、Ｃ２の蓄積電荷を小さく抑えることができる。つまり、コンデンサＣ１、Ｃ２が圧電振動子１０のノイズ源として作用するおそれがない。また、圧電振動子１０に印加される駆動波形は波形が切替わるゼロクロスポイントで大きくなることから、一対のコンデンサＣ１、Ｃ２の間にグランドを設けることでより効果的にスパイクノイズを低減できる。一対のコンデンサＣ１、Ｃ２は同一のコンデンサである。並列コンデンサＣは、単一のコンデンサで構成することも勿論可能であるが、本実施形態のように複数のコンデンサで構成すれば、個々のコンデンサに要求される耐圧が抑えられ、設計自由度がひろがる。
【００３０】
並列コンデンサＣの静電容量は、小さいと圧電振動子１０側にスパイクノイズによって生ずる電流が流れてしまうため圧電振動子１０の素子容量以上であることが好ましい。本実施形態では、圧電振動子１０の素子容量６２μF、バイパスコンデンサ５０７の静電容量３９μFである。
【００３１】
上記交流電圧Ｓ３が与えられると、圧電振動子１０は、該交流電圧Ｓ３に基づいて正逆に振動する。圧電ポンプ１００は、圧電振動子１０の振動により、液体ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４から液体ポンプ室Ｐ内に液体が流入する一方、液体ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、液体ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。これにより、ポンプ作用が得られる。このポンプ作用中、圧電振動子１０に与えられる交流電圧Ｓ３は、矩形波高電圧であるが、並列コンデンサＣと電気抵抗体Ｒ１〜Ｒ５のフィルタ効果によって、圧電振動子１０に印加する前段階でノイズ成分が除去されるので、騒音を低減することができる。これにより、静かなポンプ動作を実現できる。
【００３２】
以上の本実施形態では、圧電振動子１０と並列に接続した並列コンデンサＣにより騒音を低減し、矩形波の交流電圧Ｓ３で圧電振動子１０を駆動することで回路効率の改善、高電圧制御回路５０３に汎用ＩＣを用いた回路規模の簡素化及び小型化を実現した。具体的に、駆動回路５０は大きさ２０mm×３１mm、厚さ４．５mmと非常に小型に形成できた。これにより、圧電ポンプ１００は駆動回路５０をハウジング２０内に収納した上で、３４mm×５０mm、厚さ８mmと小型化を達成できた。
【００３３】
ノイズ除去手段としては、並列コンデンサＣの替わりにまたは並列コンデンサＣに加えてコイルを設けることも考えられるが、コイルを用いると、スパイクノイズを除去することができず、また、駆動回路５０が大型化してハウジング２０内に収納することが難しい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による圧電ポンプを示す平面図である。
【図２】同背面図である。
【図３】図１、図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図１、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
【図５】同圧電ポンプの分解斜視図である。
【図６】同圧電ポンプの駆動制御系を説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００    圧電ポンプ
１０      圧電振動子
２０      ハウジング
５０      駆動基板
５００    電源
５０１    昇圧回路
５０２    波形生成回路
５０３    高電圧制御回路
５０４    出力ライン
Ｃ        並列コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ５  電気抵抗体
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010019182.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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