(57)【要約】  ポンプは、少なくとも部分的にポンプ室（２８）を規定するための本体と、ポンプ室（２８）の流体に作用する際に変位を受けるポンプ部材と、電流を生成するためにポンプ部材の変位に応答する圧電素子とを含む。圧電素子によって生成された電流は、圧電素子に結合される電荷蓄積装置に好ましくは与えられる。蓄積装置は、バッテリ（５０，１５０，２５０）、キャパシタ（５２，１５２，２５２）およびポンプ用電源（５４）を含むがこれらに限定されず、さまざまな.形状をとることができる。一実施例では、ポンプ部材は、ポンプ室の流体に作用する際に変位を受けるダイヤフラム（２６）である。この実施例では、圧電素子は電流を生成するためにダイヤフラムの変位に応答する。別の実施例では、ポンプ部材は、流体がポンプ室と連通することを可能にするためのバルブ（１３０，２３０，１３２，２３２）である。バルブは、流体がポンプ室に入ることを可能にするための入口弁（１３０，２３０）であるか、または流体をポンプ室から放出するための出口弁（１３２，２３２）である。圧電素子は電流を生成するためにバルブの変位に応答する。圧電素子は、バルブの外部表面に接着することができる。代替的には、圧電素子は、バルブの稼動部分を構成することができる。
2008527234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室（２８）を少なくとも部分的に規定するための本体と、
ポンプ室（２８）を通る流体のポンピングと関連した変位を受けるポンプ部材（２６，１３０，２３０，１３２，２３２，１２２６）と、
電流を生成するためにポンプ部材（２６，１３０，２３０，１３２，２３２）の変位に応答する圧電素子（４０，１４０，１２４０，８０）とを含む、ポンプ。
【請求項２】
圧電素子（４０，１４０，１２４０，８０）によって生成された電流を受取るよう結合される電荷蓄積装置をさらに含む、請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
蓄積装置はバッテリ（５０，１５０，２５０）である、請求項２に記載のポンプ。
【請求項４】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項２に記載のポンプ。
【請求項５】
ポンプ部材は、ダイヤフラム（２６）がポンプ室（２８）の流体に作用するにつれて変位を受けるダイヤフラム（２６）であり、圧電素子（４０，１４０）は電流を生成するためにダイヤフラム（２６）の変位に応答する、請求項１に記載のポンプ。
【請求項６】
圧電素子（４０）はダイヤフラム（２６）の外部表面に接着される、請求項５に記載のポンプ。
【請求項７】
圧電素子（１４０）はダイヤフラム（２６）に取付けられ、ダイヤフラム（２６）に対して間隔をあけて担持される、請求項５に記載のポンプ。
【請求項８】
圧電素子（１４０）をダイヤフラム（２６）に取付ける台座（１４２）をさらに含む、請求項７に記載のポンプ。
【請求項９】
圧電素子（１４０）の動きを強調するために圧電素子（１４０）によって担持される分銅（１４４）をさらに含む、請求項８に記載のポンプ。
【請求項１０】
圧電素子（１４０）は圧電素子（１４０）の先端に近接する分銅（１４４）を担持する、請求項９に記載のポンプ。
【請求項１１】
ポンプ部材は、変位を受けるがポンプ室（２８）の流体に実質的に直接には作用しない駆動されたダイヤフラム（１２２６）であって、ダイヤフラム（１２２６）の変位に応答する圧電素子（１２４０）をさらに含み、圧電素子（１２４０）はポンプ室（２８）の流体に作用し、かつさらに電流を生成する、請求項１に記載のポンプ。
【請求項１２】
ダイヤフラム（１２２６）は圧電素子（１２４０）に取付けられ、圧電素子（１２４０）に対して間隔をあけて担持される、請求項１１に記載のポンプ。
【請求項１３】
ダイヤフラム（２６）を圧電素子に取付ける台座（１２４２）をさらに含む、請求項１２に記載のポンプ。
【請求項１４】
ダイヤフラム（１２２６）の動きを強調するためにダイヤフラム（１２２６）によって担持される分銅（１２４４）をさらに含む、請求項１３に記載のポンプ。
【請求項１５】
ダイヤフラム（１２２６）はダイヤフラム（１２２６）の先端に近接する分銅（１２４４）を担持する、請求項１４に記載のポンプ。
【請求項１６】
圧電素子は圧電セラミックフィルムである、請求項５に記載のポンプ。
【請求項１７】
ダイヤフラム（２６）は、圧電層（４０）に電界が与えられるとダイヤフラム（２６）の変位を引起こす圧電層（４０）を含む、請求項５に記載のポンプ。
【請求項１８】
圧電素子によって生成される電流を受取るよう結合される電荷蓄積装置（ＣＳＤ）をさらに含み、蓄積装置はダイヤフラム（２６）の圧電層に電界を与える電源である、請求項１７に記載のポンプ。
【請求項１９】
圧電素子によって生成された電流を受取るために結合される電荷蓄積装置をさらに含む、請求項５に記載のポンプ。
【請求項２０】
蓄積装置はバッテリ（５０，１５０，２５０）である、請求項５に記載のポンプ。
【請求項２１】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項５に記載のポンプ。
【請求項２２】
ポンプ室（２８）の流体に作用するアクチュエータをさらに含み、
ポンプ部材は、流体がポンプ室（２８）と連通することを可能にするために変位を受けるバルブ（１３０，２３０，１３２，２３２）であって、
圧電素子は電流を生成するために変位に応答する、請求項１に記載のポンプ。
【請求項２３】
圧電素子によって生成された電流を受取るよう結合される電荷蓄積装置をさらに含む、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項２４】
蓄積装置はバッテリ（５０，１５０，２５０）である、請求項２３に記載のポンプ。
【請求項２５】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項２３に記載のポンプ。
【請求項２６】
圧電素子（８０）はバルブ（１３０，２３０，１３２，２３２）の外部表面に接着される、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項２７】
バルブ（１３０，２３０，１３２，２３２）は圧電セラミックフィルムを含む、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項２８】
アクチュエータは、圧電層に電界が与えられるとアクチュエータの作動を引起こす圧電層を含む、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項２９】
蓄積装置はアクチュエータの圧電層に電界を与える電源である、請求項２３に記載のポンプ。
【請求項３０】
バルブは、流体がポンプ室（２８）に入ることを可能にするための入口弁（１３０，１３２）である、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項３１】
バルブは、流体がポンプ室（２８）へ放出されるための出口弁（１３２，２３２）である、請求項２２に記載のポンプ。
【請求項３２】
ダイヤフラムポンプを動作させる方法であって、
ポンプ室（２８）を通る流体のポンピングと関連してダイヤフラム（２６，１２２６）の変位を引起こすステップと、
電流を生成するためにダイヤフラム（２６）の変位に応答する圧電素子（４０，１２４０）を用いるステップとを含む、方法。
【請求項３３】
ダイヤフラム（２６）は、圧電層に電界が与えられるとダイヤフラム（２６）の変位を引起こす圧電層（４０）を含み、方法は、ダイヤフラム（２６）の圧電層に電界を与える電源を増強するために圧電素子によって生成された電流を用いるステップを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
圧電素子によって生成された電流を蓄積するために電荷蓄積装置を用いるステップをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
蓄積装置はバッテリ（５０，１５０，２５０）である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
ダイヤフラム（２６）を駆動するステップをさらに含み、ダイヤフラム（２６）はポンプ室（２８）の流体に作用し、圧電素子（４０）は電流を生成するためにダイヤフラム（２６）の変位に応答する、請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
圧電素子（１４０）をダイヤフラム（２６）に取付けるステップをさらに含み、圧電素子（１４０）はダイヤフラム（２６）に対して間隔をあけて担持される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
ダイヤフラム（１２２６）を駆動するステップをさらに含み、ダイヤフラム（１２２６）は変位を受けるがポンプ室（２８）の流体に実質的に直接には作用せず、
ダイヤフラム（１２２６）の変位に応答するために圧電素子（１２４０）を用いるステップを含み、圧電素子はポンプ室（２８）の流体に作用し、かつさらに電流を生成する、請求項３２に記載の方法。
【請求項４０】
ダイヤフラム（２６）ポンプを動作させる方法であって、
流体がそこを通ってポンプ室（２８）と連通するバルブ（１３０，２３０，１３２，２３２）の変位を引起こすステップと、
電流を生成するために変位に応答する圧電素子（８０）を用いるステップとを含む、方法。
【請求項４１】
ポンプはアクチュエータ（２６）を含み、アクチュエータは圧電層に電界が与えられたときアクチュエータの変位を引起こす圧電層（４０）を含み、方法は、アクチュエータの圧電層に電界を与える電源（５４）を増強するために圧電素子によって生成された電流を用いるステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
圧電素子によって生成された電流を蓄積するために電荷蓄積装置を用いるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
蓄積装置はバッテリ（５０，１５０，２５０）である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
蓄積装置はキャパシタ（５２，１５２，２５２）である、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
バルブは入口弁（１３０，２３０）であって、方法はさらに、流体がポンプ室（２８）
に入るとバルブの変位を引起こすステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
バルブは出口弁（１３２，２３２）であって、方法はさらに、流体がポンプ室（２８）から出るとバルブの変位を引起こすステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明の技術分野
本発明はエネルギを排出し蓄積するための圧電装置の利用に関係する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術および他の考慮
少し例を挙げるだけでも、（たとえば）ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、蠕動ポンプなどの、流体をポンプで汲出すための多くの種類のポンプが考案されてきた。これらのポンプは異なる種類のアクチュエータおよび可動部を有しているが、共通して、アクチュエータの動作のために何らかの種類の原動力を必要とする。そのため、ポンプはさまざまな型の運動および／または振動を享受し、対応する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的であって必要とされるのは、電力を生成するためのポンプの機械的な動きを、排気し、または別の方法で利用するための機器、方法および／または手法である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概略
ポンプは、少なくとも部分的にポンプ室を規定するための本体と、ポンプ室の流体のポンピングに関連して変位を受けるポンプ部材と、電流を生成するためにポンプ部材の変位に応答する圧電素子とを含む。圧電素子によって生成された電流は、圧電素子に結合される電荷蓄積装置に与えられるのが好ましい。蓄積装置は、バッテリ、キャパシタ、およびポンプ用電源を含むがこれらに限定されず、さまざまな形状をとることができる。
【０００５】
１つの例示的実施例では、ポンプ部材は、ポンプ室の流体に作用する際に変位を受けるダイヤフラムである。この例示的実施例では、圧電素子は電流を生成するためにダイヤフラムの変位に応答する。圧電素子はさまざまな方法でダイヤフラムに取付けるか、または添えることができる。たとえば、圧電素子はダイヤフラムの外部表面に接着することができる。圧電素子は、ダイヤフラムの外部表面に与えられ、または接着された圧電セラミックフィルムの形状をとることができる。
【０００６】
１つの例示的実現例では、ダイヤフラム自体が、圧電層に電界が与えられるとダイヤフラムの変位を引起こす、圧電層を含むことができる。ダイヤフラムが圧電層を含む例示的実現例では、圧電素子によって生成された電流を受取るよう結合される電荷蓄積装置は、ダイヤフラムの圧電層に電界を与えるまさにその電源であることができる。
【０００７】
ダイヤフラムポンプの動作モードの１つの例は、ポンプ室の流体に作用するためにダイヤフラムの変位を生じさせることと、電流を生成するためにダイヤフラムの変位に応答する圧電素子を用いることとを含む。この方法は、圧電素子によって生成された電流を蓄積するために電荷蓄積装置を用いるステップをさらに含むことができる。
【０００８】
別の実施例では、ポンプ部材はポンプ室の流体に作用するダイヤフラムであり、これもまた間隔をあけた関係で圧電素子を担持する。圧電素子は、電流を生成するためにダイヤフラムの変位に応答する。
【０００９】
さらに別の実施例において、ポンプ部材は、変位のために駆動されるがポンプ室の流体には作用しないダイヤフラムである。駆動されたダイヤフラムは、ダイヤフラムと間隔を空けた関係で保持される圧電素子に接続されるか、または取付けられる。圧電素子はダイヤフラムの変位に応答し、そうすることにより、電流を生成するだけでなくポンプ室の流体に作用するよう機能する。
【００１０】
別の実施例では、アクチュエータ（必ずしもダイヤフラムでなくてもよい）はポンプ室の流体に作用し、ポンプ部材は、流体がポンプ室と連通することを可能にするために変位を受けるバルブである。バルブは、ポンプ室に流体を入れるための入口弁またはポンプ室から流体を放出するための出口弁であり得る。圧電素子は電流を生成するためにバルブの変位に応答する。圧電素子はバルブの外部表面に接着することができる。代替的には、圧電素子は稼動部分を構成することができる。圧電素子はたとえば圧電セラミックフィルムであり得る。
【００１１】
この別の実施例においてアクチュエータが必ずしもダイヤフラムである必要はないが、（たとえば）アクチュエータが、圧電層に電界が与えられるとアクチュエータの作動を引起こす圧電層を含む場合にはダイヤフラムであり得る。バルブの変位に応答して圧電素子によって生成された電流を受取る蓄積装置は、アクチュエータの圧電層に電界を与える電源であり得る。
【００１２】
ポンプ動作の別の例としてのモードは、流体がそこを通ってポンプ室と連通するバルブの変位を引起こすことと、電流を生成するためにバルブの変位に応答する圧電素子を用いることとを含む。この方法は、圧電素子によって生成された電流を蓄積するための電荷蓄積装置を用いるステップをさらに含むことができる。バルブが入口弁であるとき、この方法はさらに、流体がポンプ室に入る際にバルブの変位を引起こすことを含む。バルブが出口弁であるとき、この方法はさらに、流体がポンプ室から出る際にバルブの変位を引起こすことを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の前述のおよび他の目的、機能、ならびに利点は添付の図面に示される好ましい実施例の下記のより特定の説明から明らかになり、その参照記号はさまざまな図面の全体にわたって同一の部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を図示することに重点が置かれている。
【００１４】
図面の詳細な説明
以下の説明では、制限ではなく説明の目的のため、本発明についての完全な理解を与えるために、特定のアーキテクチャ、インターフェース、手法などの具体的な詳細が述べられる。しかしながら、本発明が、これらの具体的な詳細から逸脱する他の実施例において実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の場合において、周知の装置、回路および方法の詳細な説明は、不要な詳細を与えて本発明の説明を不明確にしないよう、省略される。
【００１５】
本願明細書に記載のポンプは、少なくとも部分的にポンプ室を規定するための本体と、ポンプ室の流体をポンピングすることに関連して変位を受けるポンプ部材と、電流を生成するためにポンプ部材の変位に応答する圧電素子とを含む。圧電素子によって生成された電流は、圧電素子に結合される電荷蓄積装置に与えられるのが好ましい。蓄積装置は、バッテリ、キャパシタおよびポンプ用電源を含むがこれらに限定されず、さまざまな形状をとることができる。
【００１６】
図１Ａおよび図１Ｂは、そのようなポンプの例示的一実施例を示す。図１Ａおよび図１
Ｂのポンプ２０は一般的に記述され、したがって本願明細書に記述された創造性のある進歩に対応することができる多くのさまざまなポンプ構成を代表することを意図する。ポンプ２０は、ポンプ本体ベース２２およびポンプ本体蓋またはカバー２４を含む本体を含む。図１Ａおよび図１Ｂに示される特定のジオメトリについては、ポンプ本体ベース２２およびポンプ本体カバー２４の両方を含むポンプ本体は本質的に円筒状である（たとえば上から見ると円形である）。ダイヤフラム２６は、好ましくはその周囲に沿って、ポンプ本体のシートまたは他の表面にクランプ締めされ、接着され、固定され、または溶接され得る。ポンプ室２８はダイヤフラム２６とポンプ本体ベース２２との間に形成される。ポンプ本体、典型的にはポンプ本体ベース２２は、入口弁３０および出口弁３２の両方を収容する。
【００１７】
図１Ａおよび図１Ｂのポンプ２０において、変位を受けるポンプ部材はダイヤフラム２６である。図１Ａおよび図１Ｂの実施例において、ダイヤフラム２６がその変位を受けるにつれて、ダイヤフラム２６はポンプ室２８における流体に作用する。図１Ａがポンプの吸気行程または吸入行程中のダイヤフラム２６の変位された状態、位置または構成を示す一方、図１Ｂはポンプの排気行程中の緩んだ（変位されていない）状態のダイヤフラム２６を示す。図１Ａに示されたように、また図１Ａおよび図１Ｂの比較によって理解されるように、ポンプの変位は、矢印３６によって示された方向に、すなわちダイヤフラム２６が緩んだときのダイヤフラム２６の面に直角の方向に生じる。ダイヤフラム２６はいかなる変位可能または変形可能な部材であってもよく、したがって１つ以上の材料層を含むことができる。
【００１８】
有意に、ポンプ２０は、ダイヤフラム２６の変位に応答する圧電素子４０をさらに含み、その応答することにより電流を生成する。図１の圧電素子４０は、ダイヤフラム２６の外部表面に重なるか接触する、圧電フィルムもしくは圧電セラミックフィルムまたは層の形状をとることができる。圧電素子４０は、さまざまな方法でダイヤフラムに取付けるか、または添えることができる。圧電素子はダイヤフラムの外部表面に与えられるか接着されることが好ましい。圧電素子４０は、いかなる形状をとっても、このようにダイヤフラム２６上もしくはその上部に、または別の方法でダイヤフラム２６上に接触して位置決めされ、その結果、ダイヤフラム２６の変位は、圧電素子４０における撓み、応力または圧縮を引起こす。圧電素子４０における撓み、応力または圧縮は、電荷蓄積装置に蓄積することができる電流を圧電素子４０に生成させる。
【００１９】
圧電素子４０は多層積層物を含む。多層積層物は、図示されない金属の基板層と図示されない外部金属層との間に接着剤によって積層される圧電ウェハ４２を含むことができる。多層積層物の構造およびその製作プロセスは、下記の１つ以上に記述される（これらすべては引用によってその全体が本願明細書に援用される）。２００１年９月１４日に出願されたＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／２８９４７、「圧電アクチュエータおよびそれを用いたポンプ（Piezoelectric Actuator and Pump Using Same）」と題されて２００３年３月１７日に出願された米国特許出願連続番号第１０／３８０，５４７号、２００３年３月１７日に出願された米国特許出願連続番号第１０／３８０，５８９号、および、「可撓性フィルム上に導体を有する圧電ダイヤフラムアセンブリ（Piezoelectric Diaphragm Assembly with Conductors On Flexible Film）」と題されて２００５年４月１３日に出願された米国仮特許出願第６０／６７０，６９２号である。
【００２０】
図２に示されるように、圧電素子４０の層状の積層物に含まれ得る圧電ウェハ４２は、その対向する主な２つの表面上にスパッタリングまたは別の方法で形成された薄い電極４４を有する。電極４４は、ニッケルもしくは銀、または他の適切な導電性の金属から形成されてもよい。電極４４のうち１つは陽極であり、他の電極４４は陰極である。陽極および陰極４４はそれぞれの正および負の導線４６によって係合される。
【００２１】
正の導線および負の導線４６は、電源または他の電荷蓄積装置などの電気的装置に接続される。蓄積装置は、バッテリ、キャパシタおよびポンプ用電源を含むがこれらに限定されず、さまざまな形状をとることができる。図１Ａおよび図１Ｂは、バッテリ５０として、導線４６によって圧電素子４０が接続されている蓄積装置を示す。図３は、圧電素子４０が導線４６によってキャパシタ５２に接続されているポンプ２０を示す。
【００２２】
１つの例示的実現例では、ダイヤフラム２６はそれ自体が圧電層を含むことができ、圧電層は圧電層に電界が与えられるとダイヤフラム２６の変位を引起こす。電界は、図４に示される電源５４などの電源によってダイヤフラム２６の圧電層に供給される。ダイヤフラム２６が圧電層を含む例示的実現例では、圧電素子によって生成された電流を受取るよう結合される電荷蓄積装置は、ダイヤフラム２６の圧電層に電界を与えるまさにその電源（すなわち電源５４）であり得る。
【００２３】
図１１Ａおよび図１１Ｂはポンプの別の例示的実施例の断面の側面図である。図１１Ａおよび図１１Ｂのポンプは、たとえば圧電素子１４０がダイヤフラム２６によって間隔を空けた関係で担持され、電流を生成するためにダイヤフラム２６の変位に応答する点において、図１Ａおよび図１Ｂのポンプとは異なる。図１１Ａが、たとえばポンプの吸気行程または吸入行程についてダイヤフラムの変位された状態を示す一方、図１１Ｂはたとえばポンプの排気行程についてダイヤフラムの緩んだ状態すなわち変位されていない状態を示す。
【００２４】
図１１Ａおよび図１１Ｂの実施例では、圧電素子１４０はダイヤフラム２６に取付けられ、ダイヤフラム２６と間隔を空けた関係で担持される。圧電素子１４０は、好ましくは台座１４２によってダイヤフラム２６に取付けられる。好ましくは、台座１４２は、圧電素子の物理的な拘束部材１４０の中央部分をダイヤフラム２６の中央部分に取付ける。図１１Ａおよび図１１Ｂの例示的実現例に示されるように、圧電素子１４０は、圧電素子１４０の運動を強調するために分銅１４４を担持することができる。分銅１４４は、圧電素子１４０の先端で担持することができる。たとえば、圧電１４０が円形または円盤状の構成を有する実現例では、分銅１４４は、圧電素子１４０の周囲で担持することができる。
【００２５】
前述された実施例におけるように、駆動されたダイヤフラム２６の変位は圧電素子１４０の応答的な変位を引起こす。具体的には、ダイヤフラム２６はポンプ室の流体に作用するために駆動され、圧電素子１４０は電流を生成するためにダイヤフラム２６の変位に応答する。電荷蓄積装置ＣＳＤによって典型的に示される電荷蓄積装置（たとえばバッテリ）によって、電流が蓄積され、または用いられる。
【００２６】
図１２Ａおよび図１２Ｂはポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、駆動されたダイヤフラム１２２６が圧電素子１２４０によって間隔を空けた関係で担持され、圧電素子１２４０は、ポンプ室２８における流体に作用するため、また電流を生成するために、ダイヤフラム１２２６の変位に応答する。図１２Ａはダイヤフラム１２２６の変位された状態を示す一方で、図１２Ｂはダイヤフラム１２２６の緩んでいる、すなわち変位されていない状態を示す。図１２Ａおよび図１２Ｂの実施例は、図１２Ａおよび図１２Ｂでは、ダイヤフラム１２２６ではなく圧電素子１２４０が、ポンプ室２８における流体に作用する点で、図１１Ａおよび図１１Ｂの実施例と異なる。ダイヤフラム１２２６はそのバッテリまたは電源５４によって駆動され、流体のポンピングに関連して変位を受けるが、流体のポンピングはダイヤフラム１２２６によって直接達成されるわけではなく、ダイヤフラムに応答的に接続される圧電素子１２４０によって達成される。
【００２７】
したがって、図１２Ａおよび図１２Ｂの実施例では、ポンプ部材は、変位を受けるがポ
ンプ室２８の流体に実質的に直接には作用しない、駆動されたダイヤフラム１２２６である。圧電素子１２４０はダイヤフラム１２２６の変位に応答し、それによって圧電素子１２４０がポンプ室２８の流体に作用し、さらに電流を生成する。ダイヤフラム１２２６は圧電素子１２４０に取付けられ、圧電素子１２４０に対して間隔を空けた関係で担持される。たとえば、１つ以上の台座１２４２がダイヤフラム１２２６を圧電素子１２４０に取付けるために使用されてもよい。
【００２８】
図１２Ａおよび図１２Ｂの例示的実現例で示されるように、ダイヤフラム１２２６は、ダイヤフラム１２２６の運動（たとえば変位）を強調するために分銅１２４４を担持することができる。分銅１２４４は、ダイヤフラム１２２６の先端で担持することができる。たとえば、ダイヤフラム１２２６が円形または円盤状の構成を有する実現例では、分銅１２４４は、ダイヤフラム１２２６の周囲で担持することができる。
【００２９】
図１２Ａおよび図１２Ｂの実施例では、ダイヤフラム１２２６が駆動されてそれによってダイヤフラムが変位を受けるが、ポンプ室２８の流体に実質的に直接には作用しない。圧電素子１２４０がダイヤフラム１２２６の変位に応答し、その結果、圧電素子１２４０がポンプ室２８の流体に作用し、さらに電荷蓄積装置ＣＳＤによって蓄積される電流を生成する。
【００３０】
図１１Ａおよび図１１Ｂの実施例ならびに図１２Ａおよび図１２Ｂ実施例に示される一般的な電荷蓄積装置ＣＳＤは、前述した例示的電荷蓄積装置のいずれであってもよいことが認識される。
【００３１】
前述したポンプのほとんどの構造上の特徴は、圧電素子（たとえば圧電素子４０、圧電素子１４０、または圧電素子２４０）が変位可能なダイヤフラム２６にどのように応答して作用するかを説明するための例示的なコンテキストを与えるためだけに上述される。そのため、ポンプ２０の要素の構造的要素または要素の位置のいずれにも特定の強調または臨界が与えられるべきではない。たとえば、入口弁３０と出口弁３２との構造および位置決めは、必ずしも密接に結びついていない。当業者は、バルブを通る流体の流れの方向が変位方向の矢印３６と平行なように、入口弁３０および出口弁３２の１つ以上が配向され得ることを認識するだろう（たとえば、入口弁３０および出口弁３２の１つ以上がポンプ本体ベース２２の底部壁に形成される）。代替的には、バルブを通る流体の流れの方向が変位方向の矢印３６に直交するように、入口弁３０および出口弁３２の１つ以上が配向され得る（たとえば、入口弁３０および出口弁３２の１つ以上がポンプ本体ベース２２の側壁に形成される）。
【００３２】
さらに、ポンプ本体、そのポンプ本体ベース２２およびポンプ本体蓋２４の形状、大きさまたは他の構成は、ダイヤフラム２６の変位に対する圧電素子４０の応答的な動作を制御する効果または影響を有しない。無数の補助的もしくは表面の特徴を伴って、または伴わずに、さまざまに形成されたポンプ本体を利用することができる。
【００３３】
上述のポンプは簡単な電源５４によって動力供給されるように示されたが、他の型のポンプ駆動装置を代替的に利用し得ることが認識されるべきである。たとえば、ボグレイ（Ｖｏｇｅｌｅｙ）らによって２００４年４月２日に出願され、「圧電装置およびこれを駆動するための方法および回路（Piezoelectric Devices and Methods and Circuits for Driving Same）」と題された米国特許出願連続番号第１０／８１５，９７８号に開示される駆動回路の１つ以上によってポンプが管理されてもよく、その全体が引用によって、またはそこに言及および／もしくは引用によって参照される文書によって、本願明細書に援用される。
【００３４】
圧電層を含むダイヤフラムの構造の例、そのようなダイヤフラムおよびこれを組み込んだポンプを製作する方法は、本発明が互換性を有するさまざまな例としてのポンプ構成とともに、下記に図示される（それらすべてが引用によってその全体が本願明細書に援用される）。２００１年９月１４日に出願されたＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／２８９４７、「圧電アクチュエータおよびこれを用いたポンプ（Piezoelectric Actuator and Pump Using Same）」と題されて２００３年３月１７日に出願された米国特許出願連続番号第１０／３８０，５４７号、および「圧電アクチュエータおよびこれを用いたポンプ（Piezoelectric Actuator and Pump Using Same）」と題されて２００３年３月１７日に出願された米国特許出願連続番号第１０／３８０，５８９号である。
【００３５】
図５Ａおよび図５Ｂは、ポンプ室の流体に作用するときに別の型のポンプ部材が変位を受ける、ポンプの別の実施例を示す。図５Ａおよび図５Ｂの実施例では、変位を受け、電流を生成するポンプ部材は、流体がポンプ室と連通することを可能にするために変位を受けるバルブである。
【００３６】
前の実施例と同じく、図５Ａおよび図５Ｂのポンプ１２０が一般に記述され、本願明細書に記述された創造性のある進歩に対応することができる多くのさまざまなポンプ構成を代表することを意図する。ポンプ１２０は、ポンプ本体ベース２２およびポンプ本体蓋またはカバー２４を含む本体を含む。図５Ａおよび図５Ｂに示される特定のジオメトリについては、ポンプ本体ベース２２およびポンプ本体カバー２４の両方を含むポンプ本体は本質的に円筒状である（たとえば上から見ると円形である）。ポンプ室２８はポンプ本体に形成され、アクチュエータが与えられてポンプ室２８に流体を引き入れたりポンプ室２８から流体を汲み出したりする。図５Ａおよび図５Ｂに示されるアクチュエータの形状は、たまたま図示したダイヤフラム２６である。しかしながら、この実施例および続いて記述される実施例については、アクチュエータはダイヤフラムである必要はなく、たとえば例として、ピストン型アクチュエータまたは蠕動型アクチュエータのような他の形状さえとることができることが理解されるべきである。アクチュエータが実際にダイヤフラムであるという特定の場合において、ダイヤフラム２６は、好ましくはその周囲に沿って、ポンプ本体のシートまたは他の表面にクランプ締めされ、接着され、固定され、または溶接され得る。
【００３７】
上述のように、図５Ａおよび図５Ｂの実施例では（続く実施例も同様に）、変位を受けて電流を生成するポンプ部材は、流体がポンプ室と連通することを可能にするために変位を受けるバルブである。たとえば、変位可能なポンプ部材は、入口弁１３０および出口弁１３２の片方または両方であり得る。入口弁１３０は、受動的にかつポンプアクチュエータ（たとえば図示する実施例におけるダイヤフラム２６）の作用に応答して機能して、ポンプ室２８に流体が入ることを可能にする一方、出口弁１３２はポンプ室２８から流体を放出する。入口弁１３０および出口弁１３２の片方または両方が、変位可能な、電流を生成するポンプ部材として機能することができるので、以後本願明細書における総称「バルブ」は、入口弁１３０および出口弁１３２の片方または両方を指すことができる。
【００３８】
図５Ａおよび図５Ｂの実施例では、電流を生成する変位可能なバルブ（たとえば入口弁１３０または出口弁１３２のいずれか）は、それ自体が圧電部材（たとえば圧電セラミックフィルム）である変形可能または可撓性の部材である。すなわち、圧電素子はバルブの稼動部分を構成することができる。バルブを含む圧電部材は、図２の圧電ウェハ４２に関して示されたような態様で、その対向する主な２つの表面上にスパッタリングまたは別の方法で形成された電極４４を有するのが好ましい。バルブが、流体がポンプ室２８に入ったり出たりすることに受動的に応答して屈曲するかまたは動くとき、バルブの圧電部材に電流が生成される。図５Ａは、流体をポンプ室２８に引入れるためにダイヤフラム２６の作動に応答して曲げられている入口弁１３０を示し、図５Ｂは、流体をポンプ室２８から
出すためのダイヤフラム２６の作動に応答した出口弁１３２の動きを示す。いずれの場合も、バルブの圧電部材によって生成された電流は、導線１４６を通して電荷蓄積装置に送信される。特定的に図示された図５Ａおよび図５Ｂの実施例では、電荷蓄積装置はバッテリ１５０である。
【００３９】
電荷蓄積装置の種類が異なり得ることがここでも認識される。たとえば図６は、電流を生成する変位可能なバルブからキャパシタンス１５２へ回復した電荷を供給する、図５Ａおよび図５Ｂの実施例のポンプ１２０を示す。代替的には図７は、電流を生成する変位可能なバルブから回復した電荷をアクチュエータ（たとえばダイヤフラム２６）を作動させるよう機能する電源５４へ供給する、図５Ａおよび図５Ｂの実施例のポンプ１２０を示す。
【００４０】
圧電素子は、バルブ自体の稼動部分を形成するのではなく、バルブの稼動部分の外部表面に接着することができる。たとえば、図８Ａおよび図８Ｂは、入口弁２３０および出口弁２３２の片方または両方が、可撓性バルブの表面の１つに接着されるかまたは適用される圧電セラミックフィルム８０を有する、ポンプ２２０の実施例を示す。圧電セラミックフィルム８０は、図２の圧電素子４２のために示されたスパッタリングされた電極などの２つの電極を伴って形成されることができる。バルブによって支持される圧電セラミックフィルム８０の電極は、導線２４６によって電荷蓄積装置に接続される。特定的に示された図８Ａおよび図８Ｂの実施例では、電荷蓄積装置はバッテリ２５０である。図８Ａおよび図８Ｂの実施例は、前の実施例と同様の態様だが代りに電荷蓄積装置としてのキャパシタ２５２などのキャパシタに接続することができ（図９参照）、または、バルブによって支持される圧電セラミックフィルム８０によって生成される電流を、ポンプのアクチュエータ（たとえばダイヤフラム２６）を作動させる電源５４に与えることができることが認識される。
【００４１】
本発明が、現在最も実際的かつ好ましい実施例であると考えられるものに関して記述されている一方、本発明は開示された実施例に限定的ではなく、反対に、さまざまな変更および等価な構成を包含するように意図されることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】電流を生成するためにダイヤフラムの変位に圧電素子が応答する、ポンプの例示的実施例の断面の側面図である。ダイヤフラムの変位された状態を示す。
【図１Ｂ】電流を生成するためにダイヤフラムの変位に圧電素子が応答する、ポンプの例示的実施例の断面の側面図である。ダイヤフラムが緩んでいるか、または変位されていない状態を示す。
【図２】変位可能であって電流を生成するポンプ要素として利用することができる圧電ウェハの例示的な非限定的実施例の断面の側面図である。
【図３】圧電素子が電気リード線によってバッテリにではなくキャパシタに接続されている、図１Ａおよび図１Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図４】圧電素子が電界をダイヤフラムに与える電源に電気リード線によって接続されている、図１Ａおよび図１Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図５Ａ】電流を生成するためにバルブの変位に圧電素子が応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、入口弁の変位された状態を示す。
【図５Ｂ】電流を生成するためにバルブの変位に圧電素子が応答するポンプの実施例の断面の側面図であって、出口弁の変位された状態を示す。
【図６】圧電素子が電気リード線によってバッテリにではなくキャパシタに接続されている、図５Ａおよび図５Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図７】圧電素子が、ダイヤフラムに電界を与える電源に電気リード線によって接続されている、図５Ａおよび図５Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図８Ａ】バルブによって保持される圧電素子が電流を生成するためにバルブの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、入口弁の変位された状態を示す。
【図８Ｂ】バルブによって保持される圧電素子が電流を生成するためにバルブの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、出口弁の変位された状態を示す。
【図９】圧電素子が電気リード線によってバッテリにではなくキャパシタに接続されている、図８Ａおよび図８Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図１０】、圧電素子が、ダイヤフラムに電界を与える電源に電気リード線によって接続されている、図８Ａおよび図８Ｂのポンプを示す断面の側面図である。
【図１１Ａ】バルブによって保持される圧電素子が電流を生成するためにバルブの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、ダイヤフラムの変位された状態を示す。
【図１１Ｂ】バルブによって保持される圧電素子が電流を生成するためにバルブの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、ダイヤフラムの緩んでいるかまたは変位されていない状態を示す図である。
【図１２Ａ】駆動されたダイヤフラムが間隔を空けた関係で圧電素子によって担持され、圧電素子は、ポンプ室の流体に作用するため、さらに電流の生成のためにダイヤフラムの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、ダイヤフラムの変位された状態を示す。
【図１２Ｂ】駆動されたダイヤフラムが間隔を空けた関係で圧電素子によって担持され、圧電素子は、ポンプ室の流体に作用するため、さらに電流の生成のためにダイヤフラムの変位に応答するポンプの例示的実施例の断面の側面図であって、ダイヤフラムの緩んでいる、または変位された状態を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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