(57)【要約】【課題】高負荷圧力と高周波駆動に対応した高出力、かつ、信頼性も向上させたポンプを提供する。【解決手段】ケース７の底部に配置した円形のダイヤフラム５は、外周緑がケースに固定支持されている。ダイヤフラムの底面には、ダイヤフラムを動かすための圧電素子６が配置されている。ダイヤフラムとケースの上壁との間の空間がポンプ室３であり、このポンプ室へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作時にポンプ室と運通した出口流路２とが開口している。このポンプは、入口流路１の合成イナータンス値と逆止弁４のイナータンス値との和が、出口流路２の合成イナータンス値よりも小さくなっている。【選択図】      図１
2004162547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路はポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路は流路を開閉する開閉部材を備えた流体抵抗要素を具備し、前記入口流路の合成イナータンス値と前記開閉部材のイナータンス値との和は、前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さいことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記開閉部材のイナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値の２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記開閉部材は薄板であり、前記開閉される流路の断面積の平方根は前記薄板における流路と重なる部分の平均板厚の４０倍以下であること特徴とする請求項１又は２の何れかに記載のポンプ。
【請求項４】
前記開閉される流路の断面積は、前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚の２５倍以下であること特徴とする請求項３記載のポンプ。
【請求項５】
前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚は８０μｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４の何れかに記載のポンプ。
【請求項６】
前記アクチュエータは、圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のポンプ。
【請求項７】
前記アクチュエータは、超磁歪素子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等によりポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行なう容積形ポンプに関連し、特に信頼性が高く、かつ、出力の大きいポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のポンプとしては、入口流路及び出口流路と容積が変更可能なポンプ室との間に逆止弁が取り付けられている構成のものが一般的である。（例えば特許文献１参照）
また、流体の粘性抵抗を利用して一方向への流れを生じさせるポンプ構成として、出口流路に弁を備え、その弁の開弁時には入口流路が出口流路よりも大きい流体抵抗を有するようにした構成のものがある。（例えば特許文献２参照）
【０００３】
さらに、弁部に可動部品を使わずポンプの信頼性を向上させるポンプ構成として、入口流路、出口流路ともに圧力降下が流れの方向によって異なる流路形状をした圧縮構成要素を備えた構成のものがある。（例えば特許文献３及び非特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２０３５７号公報
【特許文献２】特開平０８−３１２５３７号公報
【特許文献３】特表平０８−５０６８７４号公報
【非特許文献１】Ａｎｄｅｒｓ  Ｏｌｓｓｏｎ，  Ａｎ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｖａｌｖｅ‐ｌｅｓｓ  ｐｕｍｐ  ｆａｂｒｉｃａｔｅ  ｕｓｉｎｇ  ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ，１９９６  ＩＥＥＥ  ９ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ  Ｅ１ｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐ．４７９−４８４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の構成では、入口流路及び出口流路ともに逆止弁が必要であり、流体が２個所の逆止弁を通過すると圧力損失が大きいという問題がある。また、逆止弁は繰り返し開閉するために疲労損傷する危険があり、逆止弁の数が多いほど信頼性が低くなるという問題もある。
【０００６】
特許文献２の構成では、ポンプ吐出行程時に入口流路に生じる逆流を少なくするために、入口側流路の流体抵抗を大きくする必要がある。すると、ポンプ吸入行程では、その流体抵抗に逆らって流体をポンプ室内へ導入するために、吐出行程に比べ吸入行程がかなり長くなる。従って、ポンプの吐出吸入サイクルの周波数はかなり低くなってしまう。
【０００７】
ピストンあるいはダイヤフラムを上下動させるポンプは、ピストンあるいはダイヤフラムの面積が等しい場合、一般的に上下動させる周波数が高いほど流量が多くなり出力が高くなる。しかし、特許文献２の構成では前述したように低い周波数でしか駆動できないため、小型では高出力なポンプを実現できない問題がある。
【０００８】
特許文献３のポンプは、圧縮構成要素を通過する流体の流れの方向による圧力降下の違いにより正味流量を一方向に流す構成のため、ポンプ出口側の外部圧力（負荷圧力）が高くなるにつれて逆流量が増えてしまい、高負荷圧力ではポンプ動作をしなくなる問題がある。非特許文献１によると、最大負荷圧力は０．７６０気圧程度である。
【０００９】
そこで本発明は、高負荷圧力と高周波駆動に対応した高出力、かつ、信頼性も向上させたポンプの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ピストンあるいはダイヤフラム等の可動壁を変位させるアクチュエータと、該アクチュエータを駆動制御する駆動手段と、前記可動壁の変位により容積が変更可能なポンプ室と、前記ポンプ室へ動作流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から動作流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、
前記出口流路はポンプ動作時に前記ポンプ室と連通し、前記入口流路は流路を開閉する開閉部材を備えた流体抵抗要素を具備し、前記入口流路の合成イナータンス値と前記開閉部材のイナータンス値との和は、前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さくした。
【００１１】
この請求項１によると、まず出口流路をポンプ動作時にポンプ室と連通させたことによって、入口流路にのみ開閉部材を備えた流体抵抗要素を配置すればよいのでポンプの信頼性を高めることができる。また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁として粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応可能となる。
また、出口流路をポンプ動作時にポンプ室と連通させたことによって、出口流路の流体抵抗が減少しポンプ室の容積減少行程時に出口流路内の流速を高め流体の運動量を高めることができる。更に、入口流路の合成イナータンス値と開閉部材のイナータンス値との和を出口流路の合成イナータンス値よりも小さくしたので、出口流路内の流体の運動量が減少するまでに、入口流路側から多くの流体をポンプ室内に導入して吐出流量を大幅に増加させることができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のポンプにおいて、前記開閉部材のイナータンス値を前記出口流路の合成イナータンス値の２５％以下とした。こうすることで、開閉部材の存在が入口流路の流体の流体速度変化率に及ぼす影響を更に削減でき吐出流量が増加する。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のポンプにおいて、前記開閉部材を薄板とし、開閉される流路の断面積の平方根を前記薄板の流路と重なる部分の平均板厚の４０倍以下とした。こうすることで、ポンプ室内圧を高くして流量を増大するようにポンプを運転することができる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のポンプにおいて、前記開閉される流路の断面積の平方根を前記薄板の流路と重なる部分の平均板厚の２５倍以下とした。こうすることで、薄板は高いポンプ室内圧を繰り返し受けても疲労破壊せず、寿命を大幅に延ばした信頼性の高いポンプとすることができる。
【００１４】
また、請求項５の発明は、請求項３又は４に記載のポンプにおいて、前記薄板において前記開閉される流路と重なる部分の平均板厚は８０μｍとした。こうすることで、ポンプ室内と吸入流路側の圧力差によって、薄板は高い開閉周波数に追従して流体抵抗を少なくするのに十分な距離を移動可能となる。従って、高い周波数で駆動しても吐出流量が減少しないポンプを構成することができる。
【００１５】
さらに、請求項７に記載されているように、請求項１乃至６の何れかに記載のポンプにおいて、アクチュエータは圧電素子であることが好ましい。また、請求項８に記載されているように、請求項１乃至７記載のポンプにおいて、アクチュエータは超磁歪素子であることが好ましい。というのは、本発明のポンプは高周波駆動が可能であるため、アクチュエータとして圧電素子や超磁歪素子といった、高い周波数応答性を有するものを使用すると、小型軽量で高出力のポンプを実現できるからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明に係わるポンプの構造について図１で説明する。
図１は、本発明のポンプの縦断面を示している。円筒形状のケース７の底部に円形のダイヤフラム５を配置している。ダイヤフラム５は、外周緑がケース７に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム５の底面には、ダイヤフラム５を動かすためのアクチュエータとして、図面の上下方向に伸縮する圧電素子６が配置されている。
【００１７】
ダイヤフラム５とケース７の上壁との間の狭い空間がポンプ室３であり、このポンプ室３へ向けて流体抵抗要素である逆止弁４を設けた入口流路１と、ポンプ動作中でも常にポンプ室と連通した細い穴のあいた管路である出口流路２とが開口している。そして、入口流路１を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素と接続するための入口接続管８となっている。また、出口流路２を構成する部品の外周の一部は、ポンプに図示していない外部要素と接続するための出口接続管９となっている。また、入口流路、出口流路ともに、動作流体の入口側を丸めた丸め部分１５ａ，１５ｂがある。
【００１８】
ここで逆止弁４の詳細について図２を用いて説明する。図２において、破線で示した円が開閉される流路である弁穴４２であり、太い実線で示した舌形状のものが開閉部材である薄板４１である。逆止弁４は弁穴４２に薄板４１が重なるようにして構成され、舌形状をした薄板４１の基部は、弁穴４２から離れたところで弁穴４２を開けてある部材に固定されている。そして、弁穴４２中心から薄板４１外周までの距離は、一番短いところでも、弁穴４２中心から弁穴４２外周までの距離よりも長くしてある。この距離の差をラップ量と呼ぶ。そして、薄板４１の弁穴側の面とその反対側の面に加わる圧力差によって、薄板４１は弁穴４２から離れ弁穴４２を流体が通過するようになっている。
【００１９】
ここで、流路のイナータンス値Ｌを定義する。流路の断面積をＳ、流路の長さをｌ、動作流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓで与えられる。流路の差圧をΔＰ、流路を流れる流量をＱとした場合に、イナータンス値Ｌを用いて流路内流体の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００２０】
つまりイナータンス値Ｌとは、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示しており、イナータンス値Ｌが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値Ｌが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンス値は、個々の流路のイナータンス値を、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に合成して算出すれば良い。
【００２１】
また、ここで言う入口流路とは、ポンプ室３内から入口接続管８の流体流入側端面までの流路のことを言う。ただし、管路の途中に脈動吸収手段が接続されている場合は、ポンプ室３内から脈動吸収手段との接続部までの流路のことを言う。さらに、複数のポンプの入口流路１が合流している場合は、ポンプ室３内から合流部までの流路のことを言う。出口流路についても同様である。
【００２２】
次に、開閉部材のイナータンス値を定義する。開閉部材のイナータンス値は開閉部材の質量と開閉部材が塞ぐ流路の断面積とによってほぼ関連付けられ、
開閉部材のイナータンス値＝開閉部材の質量／開閉部材が塞ぐ流路の断面積の２乗で与えられる。この開閉部材のイナータンス値は、開閉部材が流路を完全に塞いでいる状態から開き出して流量が少ない間は、流路のイナータンスと同様に、単位圧力が流量の時間変化に与える影響度合を示していると考えて良く、やはりイナータンス値が大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス値が小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
【００２３】
そして、図２に示した開閉部材の一部が弁穴を開けてある部材に固定されている形式の弁においては、開閉部材の質量としては、弁穴中心から弁穴４２外周までの距離にラップ量を加えた径で描かれる領域（図２で斜線を引いて示した領域）内の薄板４１の質量を用いる。それ以外の、開閉部材が弁穴を開けてある部材に固定されない形式の弁においては、開閉部材の質量としては開閉部材の質量そのものを用いる。
【００２４】
次に、本発明に係わるポンプを運転した時の内部状態について、図３、図４を用いて説明する。
図４は、ポンプ室の内圧が十分に上昇せず、上手くポンプ動作できていない場合の各波形を示してある（Ｗ１：ポンプ運転時のダイヤフラム変位波形、Ｗ２：ポンプ室の内圧波形）。波形Ｗ１において、波形の傾きが正の領域が、圧電素子６が延びてポンプ室３の容積が減少している過程である。図示していないが、傾きが負の領域は圧電素子６が縮んでポンプ室３の容積が増加する過程となる。
【００２５】
図４の動作状態では、図示していないポンプ室容積増加行程を開始するタイミングには、ポンプ室内圧力が負荷圧力Ｐｆｕと等しくなってしまっており、ダイヤフラム変位を減少させポンプ室の容積増大によってポンプ室内圧力が低下しても、ポンプ室内圧を吸入側圧力よりも低下させるために、多くのダイヤフラム変位が必要となってしまいポンプ性能が大幅に低下する。場合によっては、ポンプ室の内圧が吸入側圧力より低下せず、吸入弁は開かずに出口流路内において吐出方向への流量とポンプ室内方向へ逆流する流量とが等しくなり、ポンプとしては機能しない状態となる。
このように、本実施例の構造のポンプはダイヤフラムによる排除体積を必ず吐出する従来の容積型ポンプと動作原理が異なっている。
【００２６】
一方、図３には、正常にポンプを運転したときの、ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１、ポンプ室３の内圧の波形Ｗ２、出口流路２を通過する流体の体積速度（出口管路の断面積×流体の流速であり、この場合は流量と等しい量。）の波形Ｗ３、逆止弁４を通過する流体の体積速度の波形Ｗ４を示している。また、図３に示している負荷圧力Ｐｆｕは、出口流量２より下流側位置の流体圧力であり、吸入側圧力Ｐｋｙは、入口流路１より上流側の流体圧力である。
【００２７】
ダイヤフラム５の変位の波形Ｗ１に示すように、波形の傾きが正の領域が、圧電素子６が延びてポンプ室３の容積が減少している過程である。また、波形の傾きが負の領域は、圧電素子６が縮んでポンプ室３の容積が増大している過程である。
そして、約４．５μｍ変位した平坦な波形区間が、ダイヤフラム５の上死点でポンプ室３の容積が最小となるダイヤフラム５の位置である。
【００２８】
ポンプ室３の内圧変化の波形Ｗ２に示すように、ポンプ室３の容積を減少する過程が始まると、ポンプ室３の内圧上昇が開始する。そして、ポンプ室３の容積を減少する過程が終了する前に、ポンプ室３の内圧は負荷圧力より遥かに高い絶対圧で２０気圧にも達する最大値を迎えて減少し始めている。この内圧最大点は、ダイヤフラム５による排除流体の体積速度と、波形Ｗ３で示した出口流路２の流体の体積速度とが等しくなる点である。
【００２９】
この理由は、この時刻より前では、
排除流体の体積速度  −  出口流路２の流体の体積速度  ＞  ０
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体が圧縮され、ポンプ室３内の圧力が上昇し、この時刻より後では、
排除流体の体積速度  −  出口流路２の流体の体積速度  ＜  ０
の関係を有しているので、その分ポンプ室３内の流体の圧縮量が減少し、ポンプ室３内の圧力は降下するからである。
【００３０】
ポンプ室３内の圧力は、各時刻によるポンプ室３内の流体の体積変化をΔＶとすると、
ΔＶ  ＝  ダイヤフラムによる排除流体体積  ＋  吸入流体体積  −  吐出流体体積と流体の圧縮率との関係に従って変化する。したがって、ポンプ室３の容積が減少している過程であっても、負荷圧力Ｐｆｕよりもポンプ室３内の圧力が低下する場合もある。
【００３１】
さらに、図３の場合では、動作流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンのため、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐｋｙよりも低下し絶対０気圧に近づいたところで飽和している。ただし、ポンプを含んだ流路系全体が加圧され吸入側圧力Ｐｋｙも十分に高い場合は、エアレーションやキャビテーションは発生しない場合もある。
【００３２】
また、出口流路２内の流体体積速度の波形Ｗ３に示すように、出口流路２内では、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐｆｕよりも大きい期間が、ほぼ流体の体積速度の増加期間となっている。そして、ポンプ室３内圧力が負荷圧力Ｐｆｕより低下すると、出口流路２内の流体の体積速度も減少し始める。
ポンプ室３内圧力と負荷圧力Ｐｆｕとの差圧をΔＰｏｕｔ、出口流路２での流体抵抗をＲｏｕｔ、イナータンスをＬｏｕｔ、流体の体積速度をＱｏｕｔとおくと、出口流路２内の流体には、
【００３３】
【数１】
2004162547.tif 000003
【００３４】
という関係がほぼ成り立つため、これら流体の体積速度の変化率は、ΔＰｏｕｔとＲｏｕｔ×Ｑｏｕｔとの差をイナータンス値Ｌｏｕｔで割ったものと等しい。
本実施形態のポンプは、図１で示したように出口流路２とポンプ室３とが連通しているため、流体抵抗が小さくなっている。その結果、差圧をΔＰｏｕｔ一定として比較した場合に、連通していないポンプよりも出口流路内の流体体積速度の最大値を大きくし運動量の最大値も大きくすることが可能となる。
【００３５】
そして、一周期分の波形Ｗ３で示されている流体の体積速度を積分した値が、一周期当たりの吐出流体体積となる。
また、逆止弁４を通過する流体の体積速度変化の波形Ｗ４に示すように、入口流路１では、ポンプ室３内圧力が吸入側圧力Ｐｋｙよりも減少すると、その圧力差によって逆止弁４の薄板４１が開き、流体の体積速度が増加し始める。また、ポンプ室３内圧力が上昇し、吸入側圧力Ｐｋｙよりも増加すると、流体の体積速度が減少し始める。そして、逆止弁４の逆止効果によって逆流は防がれている。
【００３６】
ポンプ室３内圧力と吸入側圧力Ｐｋｙとの差圧をΔＰｉｎ、出口流路２での流体抵抗をＲｉｎ、逆止弁４のイナータンスと流路のイナータンスを合わせたイナータンスをＬｉｎ、流体の体積速度をＱｉｎとおくと、入口流路１内の流体でも、
【００３７】
【数２】
2004162547.tif 000004
【００３８】
という関係がほぼ成り立つため、これら流体体積速度の変化率も、ΔＰｉｎとＲｉｎ×Ｑｉｎとの差を入口流路１のイナータンス値Ｌｉｎで割ったものと等しい。
そして、一周期分の波形Ｗ４で示されている流体の体積速度を積分した値が、一周期当たりの吸入流体体積であり、波形Ｗ３の説明で述べた吐出流体体積と等しい。従って、波形Ｗ４で示される流体の体積速度を、逆止弁４が開いている間に速くすればするほど、吸入流体体積（＝吐出流体体積）を多くできる。
【００３９】
そして、本実施形態のポンプは、入口流路１と薄板４１のイナータンス値の和を出口流路２のイナータンス値よりも小さくしてあるので、入口流路１の流体は、大きな流体速度の変化率で流入し、吸入流体体積（＝吐出流体体積）を増加させることが可能となっている。
【００４０】
次に、本発明に係わるポンプ構造について、具体的な寸法を示しながら説明を加える。
出口流路２は直径φ０．８［ｍｍ］、長さ１５［ｍｍ］とし、入口流路１は逆止弁４近傍の縮径された部分（弁穴４２に等しい部位）の直径をφ０．６［ｍｍ］、長さを０．２［ｍｍ］、残りの拡大された部分の直径をφ２［ｍｍ］長さ２［ｍｍ］とした。
ポンプ内に流す流体は水とした。水の密度は１Ｅ３［ｋｇ／ｍ３］なので、入口流路１の合成イナータンス値は１．３４Ｅ−５［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］、出口流路２のイナータンス値は２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］となる。
【００４１】
薄板４１は、水によって腐食されない材質で製作されることが望ましく、密度約８Ｅ３［ｋｇ／ｍ３］のＳＵＳの薄板をエッチングにて製作し、ラップ量は０．１５［ｍｍ］とした。
その場合、出口流路２のイナータンス値２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］と入口流路１の合成イナータンス値１．３４Ｅ−５［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］との差よりも、薄板４１のイナータンス値が小さくなるように薄板４１の板厚を選定すれば、入口流路の流体が確実に大きな流体速度の変化率で流入し、ポンプ室内に流入する流体体積が多くなる。
【００４２】
また、薄板４１の板厚を１１５［μｍ］以下にすることで、薄板４１のイナータンス値を出口流路２のイナータンス値２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］の２５％以下にすることができる。すると、入口流路１の合成イナータンス値と合算しても、出口流路２のイナータンス値の５０％以下となり、入口流路の流体を更に大きな流体速度の変化率でポンプ室内に流入させることができ、ポンプ室内に流入する流体体積が多くなる。
さらに、薄板４１のイナータンス値を出口流路２のイナータンス値２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］の１０％以下とすれば、入口流路２内の流体を加速させる際の薄板４１が存在する影響を無視できるレベルとなり好ましい。ちなみに、その条件を満たすためには板厚を４６［μｍ］以下にすると良い。
【００４３】
一方、薄板４１にはポンプ内の圧力が加わるため、その圧力で壊れないようにする必要がある。本実施形態のポンプはポンプ室内圧を高くすると吐出流量を多くできる特性であるため、従来の容積形ポンプと比較して遥かに高いポンプ室内圧で運転される。具体的には図３で説明したように、ポンプ室内圧は絶対圧で２０気圧にもなる。
そして、薄板４１は厚さを１０［μｍ］とすると頻繁に破壊されるが、１５［μｍ］とすると破壊されないことを試験により確認しており、板厚１３［μｍ］近傍で限界応力に達すると考えられる。弁穴４２の面積は０．２８［ｍｍ２］であるから、この面積の平方根は０．５３［ｍｍ］となり板厚１３［μｍ］の約４０倍の値となっている。
【００４４】
一般的に知られる分布荷重を受ける円板の曲げの理論によると、分布荷重を受ける面積／板厚の２乗が曲げによって発生する応力と比例関係にある。そこで、理論に従い試験結果は一般化して解釈することができる。つまり、開閉される流路の断面積の平方根は、薄板の流路と重なる部分の平均板厚の約４０倍以下にすると薄板は２０気圧に耐えられるようになり、ポンプ室内圧を高くして流量が増大するようにポンプを運転できると言える。
【００４５】
また、本実施例のポンプを長時間連続運転する場合には、薄板４１はポンプ室の圧力変動を何千万回と繰り返し受ける。そのような時には、より応力が緩和するように薄板４１の板厚を厚くすることが必要となる。具体的には、２０［μｍ］以上にすると、長時間運転しても薄板４１は疲労破壊しなくなることを確認した。この時、弁穴面積の平方根は、薄板の流路と重なる部分の平均板厚の約２５倍以下となっている。この結果も先ほどと同様に一般化して解釈できる内容である。以上のように弁穴４２の直径がφ０．６［ｍｍ］である本実施例の場合、薄板４１の少なくとも弁穴４２と重なる部分の板厚は１３［μｍ］以上で１１５［μｍ］以下とすると良い。２０［μｍ］以上で４６［μｍ］以下とするとより好ましい。
【００４６】
本実施例のポンプはアクチュエータに圧電素子を使用し、ダイヤフラム５と変位拡大機構を介さずに接続されているため、ダイヤフラムをｋＨｚオーダーの高い周波数で運転可能である。そのため、薄板４１がこのような高い周波数に追従して、流体抵抗を少なくするのに十分な距離だけ弁穴４２から開けるようにすれば、圧電素子の性能を生かした高い周波数でポンプを駆動でき、吐出流量が増加する。図３で示したように、入り口流路から流体を吸入する際に薄板４１に加わる差圧は１気圧である。弁穴４２の大きさにかかわらず薄板４１の板厚は８０［μｍ］以下とすれば、この差圧によって５［ｋＨｚ］の開閉周波数で１００［μｍ］開くことが可能となり良い。
【００４７】
以上の関係を、弁穴寸法と薄板の板厚との関係でまとめたグラフを図５に示す。グラフ上実線で挟まれた領域内が、薄板のイナータンス値を出口流路２のイナータンス値２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］の２５％以下、かつ、弁穴面積の平方根が薄板の板厚の約４０倍以下、更に、板厚が８０［μｍ］以下となる条件を満たす範囲である。そして、グラフ上一点鎖線で挟まれた領域内が、薄板のイナータンス値を出口流路２のイナータンス値２．９８Ｅ−４［ａｔｍ  ｓ２／ｃｍ３］の１０％以下、かつ、弁穴面積の平方根が薄板の板厚の約２５倍以下、更に、板厚が８０［μｍ］以下となる条件を満たす範囲である。
【００４８】
以上の構成において、ダイヤフラム５の形状は円形に限定するものではない。また、例えばポンプ停止時に万一加えられる過大な負荷圧力からポンプ構成部品を守る目的等で出口流路２に弁要素が配置されていても、少なくともポンプ動作時に出口流路２とポンプ室３とが連通し、流体がポンプ室から出口流路に吐出される方向とその逆方向に自由に移動できる状態となっていれば構わない。また、逆止弁４は、流体の圧力差で開閉する物であれば開閉部材として薄板形状以外のものを用いても良い。また、弁穴４２は円形状以外でも構わない。さらに、ポンプ内に流す流体は油等の水以外のもとしても良い。
【００４９】
さらに、ダイヤフラム５を動かすアクチュエータ６には伸縮するものであれば何を使用しても良いが、本発明のポンプ構造は、アクチュエータとダイヤフラム５とが変位拡大機構を介さずに接続され、ダイヤフラムを高い周波数で運転可能なため、本実施形態のように応答周波数が高い圧電素子６を使用することで、高周波駆動による流量増加ができ、小型高出力なポンプが実現できる。同様に高い周波数特性を有する超磁歪素子を使用しても良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポンプは、開閉部材を具備する流体抵抗要素を入口流路だけに配置すれば良いので、ポンプの信頼性を高めることができる。
また、ピストン或いはダイヤフラムと、それを駆動するアクチュエータとの間には変位拡大機構が配置されておらず、弁に粘性抵抗を利用していないので高周波駆動に対応し、高周波駆動することでポンプの出力を増加することができる。特に、アクチュエータとして圧電素子や超磁歪素子を使用するときには、素子の高い周波数応答性を十分に生かし小型軽量で高出力のポンプを実現できる。
【００５１】
また、請求項２から請求項４に記載した開閉部材と開閉される流路の断面積の関係を満たすことによって、ポンプ室内圧を高くして吐出流量が増大するようにポンプを運転可能となるとともに流体抵抗要素の信頼性が高くなる。また、入口流路の流体を大きな流体速度の変化率でポンプ室内に流入させることができ吐出流量が多くなる。更に、高い周波数に追従して、流体抵抗を少なくするのに十分な距離だけ開閉部材が移動可能となり、高周波駆動時のポンプ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態のポンプ構造の縦断面を示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態のポンプが具備する流体抵抗要素の上面図である。
【図３】本発明に係る実施形態のポンプ動作時の各状態量を示すグラフである。
【図４】ポンプ室の容積を減少させる時間が長く、ポンプ室内圧が十分に上昇しない状態を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施形態のポンプの弁穴寸法と薄板の板厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：入口流路
２：出口流路
３：ポンプ室
４：逆止弁（流体抵抗要素）
５：ダイヤフラム（可動壁）
６：圧電素子（アクチュエータ）
２０：駆動手段
４１：薄板（開閉部材）
４２：弁穴（開閉される流路）
【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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