(57)【要約】【課題】  導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子と、この圧電振動子の周縁を液密にしてポンプ室を形成するハウジングとを有し、この圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電流を印加し該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子回りの液密構造の信頼性が高い圧電ポンプを得る。【解決手段】圧電振動子のシムの周縁部に、円筒状曲折部を形成し、この円筒状曲折部とハウジングとの間に、液密シール部材を介在させた圧電ポンプ。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子と、この圧電振動子の周縁を液密にしてポンプ室を形成するハウジングとを有し、この圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電流を印加し該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
上記圧電振動子のシムの周縁部に、円筒状曲折部を形成し、この円筒状曲折部とハウジングとの間に、液密シール部材を介在させたことを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記ポンプ室は上記圧電振動子の表裏の一方に形成され、上記液密シール部材は、該圧電振動子のシムの円筒状曲折部の内周面に位置している圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記ポンプ室は上記圧電振動子の表裏の一方に形成され、上記液密シール部材は、該圧電振動子のシムの円筒状曲折部の外周面に位置している圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記ポンプ室は上記圧電振動子の表裏にそれぞれ形成され、上記液密シール部材は、該圧電振動子のシムの円筒状曲折部の内周面と外周面にそれぞれ位置している圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の上記シムは、その円筒状曲折部の端部に外方に曲折された外方フランジ部を有する圧電ポンプ。
【請求項６】
導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子において、上記シムの周縁部に、円筒状曲折部を形成したことを特徴とする圧電振動子。
【請求項７】
請求項６記載の圧電振動子において、圧電振動子の上記シムは、その円筒状曲折部の端部に外方に曲折された外方フランジ部を有する圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた圧電ポンプ及び圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄板状の圧電振動子を振動させることによりポンプ作用を得る圧電ポンプは、圧電振動子とハウジングとによってポンプ室を形成し、このポンプ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（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて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、薄型にでき、例えば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いる。
【０００３】
圧電振動子は、圧電体を、シム（導電性金属薄板）の表裏の少なくとも一方に積層してなっている。圧電体はその表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると、一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小する性質がある。このため、圧電体の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が延びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。
【０００４】
【特許文献１】登録実用新案第２５１０５９０公報
【特許文献２】実開平３-８６７９号公報
【特許文献４】特開２００４-２５７３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような圧電ポンプに用いられる圧電振動子は従来、平板状（円板状）をなしており、その周縁部に当接させたＯリング（液密シール部材）をハウジングとの間で圧縮することで、液密構造としている。圧縮されたＯリングは、圧電振動子とハウジングとの間に離間させる方向の力を与える。この力は、短期的に液密構造に影響を与えることはないが、長期のスパンで考えると、液密構造に悪影響を与えるおそれがある。上述の水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプのような用途では、液密構造を万全にしておくことが望ましい。
【０００６】
本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電振動子回りの液密構造の信頼性が高い圧電ポンプを得ることを目的とする。
また、本発明は、信頼性の高い液密構造が容易に得られる圧電振動子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来の平板状（円板状）の圧電振動子では、液密シール部材を該振動子の平面方向と直交する方向に圧縮せざるを得ず、この圧縮構造が長期に渡る液密構造についての不安要因であるとの認識に基づき、圧縮方向を該振動子の径方向とすれば、信頼性が向上するとの着眼に基づいてなされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明による圧電ポンプは、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子と、この圧電振動子の周縁を液密にしてポンプ室を形成するハウジングとを有し、この圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電流を印加し該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子のシムの周縁部に、円筒状曲折部を形成し、この円筒状曲折部とハウジングとの間に、液密シール部材を介在させたことを特徴としている。
【０００９】
ポンプ室は圧電振動子の表裏の一方に形成するタイプと、表裏の双方に形成するタイプが可能である。表裏の一方に形成するタイプでは、液密シール部材は、該圧電振動子のシムの円筒状曲折部の内周面または外周面の一方に位置させればよい。
【００１０】
一方、表裏の双方に形成するタイプでは、該圧電振動子のシムの円筒状曲折部の内周面と外周面にそれぞれ液密シール部材を位置させることが望ましい。
【００１１】
また、シムには、その円筒状曲折部の端部に外方に曲折された外方フランジ部を形成することが好ましい。
【００１２】
本発明は、導電性金属薄板からなるシムの表裏の少なくとも一方に圧電体を積層してなる圧電振動子の態様では、シムの周縁部に、円筒状曲折部を形成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、圧電振動子の周縁部に位置させて液密構造とする液密シール部材を、シムに形成した曲折円筒状部とハウジングとの間で圧縮するため、液密シール部材の反発力がハウジングと圧電振動子を離間させる方向の力として作用することがない。このため、長期に渡り高い液密信頼性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図７は、２バルブ型圧電ポンプの概念構成の一例を模式的に示している。圧電振動子１０は、ハウジング２０を構成するアッパハウジング２０Ｕとロアハウジング２０Ｌの間に挟着支持されていて、アッパハウジング２０Ｕとの間にポンプ室Ａを構成している。
【００１５】
ハウジング２０（アッパハウジング２０Ｕ）には、冷却水（液体）の入口ポート２１と出口ポート２２が開口しており、入口ポート２１とポンプ室Ａとの間、及びポンプ室Ａと出口ポート２２との間にそれぞれ、逆止弁１１、１２が設けられている。逆止弁１１は、入口ポート２１からポンプ室Ａ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、逆止弁１２は、ポンプ室Ａから出口ポート２２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。
【００１６】
以上の圧電ポンプは、圧電振動子１０が正逆に弾性変形すると、ポンプ室Ａの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁１１が開いて吐出側逆止弁１２が閉じるため、入口ポート２１からポンプ室Ａ内に液体が流入する（図７（Ｂ））。一方、ポンプ室Ａの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁１２が開いて吸入側逆止弁１１が閉じるため、ポンプ室Ａから出口ポート２２に液体が流出する（同（Ａ））。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。
【００１７】
図１ないし図３は、例えば以上のような基本構成を有する圧電ポンプに本発明を適用した第一の実施形態を示している。圧電振動子１０は、この実施形態では、中心部のシム１０１と、シム１０１の表裏の一面（図の下面）に積層形成した圧電体１０２とを有するユニモルフタイプを図示している。シム１０１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板からプレス成型など周知な方法により一体に構成されており、中心円形部１０１ａの周縁に図の上方に曲折形成された円筒状曲折部１０１ｂを有し、この円筒状曲折部１０１ｂの上端部にはさらに外方に曲折形成されたフランジ部１０１ｃが形成されている。圧電体１０２は、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）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。圧電体１０２は、シム１０１の中心円形部１０１ａに対応する円形をなしており、該中心円形部１０１ａの裏面に導電性接着剤を介して接着され、圧電体１０２の表面は、透明電極で覆われる。
【００１８】
アッパハウジング２０Ｕには、圧電振動子１０（シム１０１）の円筒状曲折部１０１ｂとフランジ部１０１ｃとＯリング（液密シール部材）２４を挿入する環状溝２５が形成されており、ロアハウジング２０Ｌには、シム１０１のフランジ部１０１ｃを挿入する段凹部２６が形成されている。この段凹部２６により、圧電振動子１０の軸方向の位置が定まる。Ｏリング２４は、円筒状曲折部１０１ｂの内周面と環状溝２５との間において、圧電振動子１０の平面方向と平行な方向に圧縮され液密が保持されている。図２、図３では、逆止弁１１、１２としてアンブレラを図示しているが、基本構成は図１と同様である。シム１０１のフランジ部１０１ｃは、省略することが可能であるが、存在することで、圧電振動子１０の位置精度を高めることができる。また、シム１０１が中心円形部１０１a、円筒状曲折部１０１ｂとフランジ部１０１ｃとを含め、ステンレス薄板により一体に構成されているために、高い液密性を確保することができる。さらに、Ｏリング２４の圧縮方向が平面方向であることから、アッパハウジング２０Ｕ及びロアハウジング２０Ｌは、薄くても剛性を確保できるため、圧電ポンプの薄型化にも対応が容易である。
【００１９】
上記構成の本圧電ポンプは、シム１０１と圧電体１０２の間に交番電流を印加することで、圧電振動子１０が振動し、図７で説明したのと同様のポンプ作用が得られる。そして、Ｏリング２４は圧電振動子１０の平面方向と平行な方向に圧縮され平面方向と直交する力を受けることがない。つまり、Ｏリング２４がアッパハウジング２０Ｕとロアハウジング２０Ｌに、両者を離間させる方向の力を及ぼすことがないため、長期に渡る液密性を保証することができる。
【００２０】
図４は、シム１０１の円筒状曲折部１０１ｂの外周側にＯリング２４を位置させた本発明の別の実施形態を示している。この実施形態では、アッパハウジング２０Ｕの環状溝２５だけで、シム１０１（圧電振動子１０）を支持しており、アッパハウジング２０Ｕのみを示してロアハウジング２０Ｌの図示を省略している。
【００２１】
以上の実施形態のユニモルフ型の圧電振動子１０は、ポンプ室Ａとは反対の面に圧電体１０２を積層しているが、原理的にはポンプ室Ａ側に圧電体１０２を積層してもよい。しかし、ポンプ室Ａとは反対の面に圧電体１０２を積層すると、圧電体１０２に液体が触れるおそれがないため、例えば腐食性液体や水溶液等の液送用に好ましい。また、ポンプ室Ａ側に圧電体１０２を積層する場合、保護フィルム等で圧電体１０２を覆い、液体と圧電体１０２が直接接するのを防止することはできるが、長期間の使用により保護フィルムを液体が透湿する場合があり、この観点からもポンプ室Ａと反対側に圧電体１０２を積層するのが好ましい。
【００２２】
図８は、本発明を適用する４バルブ型圧電ポンプの動作原理を示している。この４バルブ圧電ポンプは、圧電振動子１０とアッパハウジング２０Ｕの間、及び圧電振動子１０とロアハウジング２０Ｌの間にそれぞれポンプ室Ａ及びＢを形成する一方、ハウジング２０に単一の入口ポート２１と単一の出口ポート２２を設け、一対のポンプ室Ａ、Ｂと入口ポート２１との間にそれぞれ該入口ポート２１から該一対のポンプ室Ａ、Ｂへの流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吸入側逆止弁１１Ｕ、１１Ｌを設け、一対のポンプ室Ａ、Ｂと出口ポート２２との間にそれぞれ該一対のポンプ室Ａ、Ｂから出口ポート２２への流体流を許容しその逆方向の流体流を許さない第一、第二の吐出側逆止弁１２Ｕ、１２Ｌを設けている。
【００２３】
この４バルブ型圧電ポンプでは、圧電振動子１０を正逆に弾性変形（振動）させると、ポンプ室ＡとＢのいずれか一方の容積が増大し他方の容積が減少する行程が繰り返される。ポンプ室Ａの容積が増大する（ポンプ室Ｂの容積が減少する）行程では、逆止弁１１Ｕが開いて入口ポート２１からポンプ室Ａ内に流体が流入し、ポンプ室Ｂ内の流体が逆止弁１２Ｕを開いて出口ポート２２に流出する（図８（Ｂ））。逆にポンプ室Ａの容積が減少する（ポンプ室Ｂの容積が増大する）行程では、吸入側逆止弁２８Ｌが開いて入口ポート２１からポンプ室Ｂ内に流体が流入し、ポンプ室Ａ内の流体が吐出側逆止弁２９Ｕを開いて出口ポート２２に流出する（同（Ａ））。従って、出口ポート２２における脈動の周期を短くする（圧電振動子１０の上下の一方のみにポンプ室が形成される場合に比して半分にする）ことができる。
【００２４】
図５、図６は、以上の動作原理の４バルブ型圧電ポンプに本発明を適用した実施形態を示している。この実施形態では、圧電振動子１０は、中心円形部１０１ａの両面に圧電体１０２を積層したバイモルフタイプとして構成されており、アッパハウジング２０Ｕとロアハウジング２０Ｌとの間には、シム１０１の円筒状曲折部１０１ｂとＯリング２４を挿入する環状溝２７が形成されている。すなわち、アッパハウジング２０Ｕの円柱状凸部２７ａと、ロアハウジング２０Ｌの円筒状凹部２７ｂとによって環状溝２７が形成されている。この環状溝２７には、円筒状曲折部１０１ｂと、その内周面と外周面にそれぞれ位置するＯリング２４が挿入され、圧電振動子１０の平面方向と平行な方向に圧縮されて液密が保持されている。図５、図６では、逆止弁１１Ｕ、１１Ｌ、１２Ｕ、１２Ｌとしてアンブレラを図示しているが、基本構成は図８と同様である。
【００２５】
この４バルブ型の実施形態においても、同電位とした表裏の圧電体１０２とシム１０１との間に交番電流を与えることで圧電振動子１０を振動させ、ポンプ作用を得ることができる。バイモルフタイプの圧電振動子１０によれば、ユニモルフ型に比べ振動の振幅を大きくすることができ、ポンプ効率を高めることができる。そして、シム１０１の円筒状曲折部１０１ｂの内周面と外周面にそれぞれ位置するＯリング２４は圧電振動子１０の平面方向と平行な方向に圧縮され、平面方向と直交する方向には圧縮されることがない。よって、アッパハウジング２０Ｕとロアハウジング２０Ｌに離間する方向の力は加わらず、長期に渡る液密構造を保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による圧電振動子の一実施形態を示す模式分解図である。
【図２】図１の圧電振動子を用いた圧電ポンプの一実施形態を示す、要部の半断面斜視図である。
【図３】同断面図である。
【図４】図１の圧電振動子を用いた圧電ポンプの別の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による圧電振動子の他の実施形態を示す模式分解図である。
【図６】図５の圧電振動子を用いた圧電ポンプの一実施形態を示す断面図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の適用対象とする２バルブ型圧電ポンプの概念構成の一例を示す模式図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の適用対象とする４バルブ型圧電ポンプの概念構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  圧電振動子
１０１  シム
１０１ａ  中心円形部
１０１ｂ  円筒状曲折部
１０１ｃ  フランジ部
１０２  圧電体
１１  １１Ｕ  １１Ｌ  吸入側逆止弁
１２  １２Ｕ  １２Ｌ  吐出側逆止弁
２０  ハウジング
２０Ｕ  アッパハウジング
２０Ｌ  ロアハウジング
２１  入口ポート
２２  出口ポート
２４  Ｏリング
２５  ２７  環状溝
２６  段凹部
Ａ  Ｂ  ポンプ室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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