(57)【要約】【課題】振動子の推力を向上させて、ポンプの性能を向上させることができる電磁振動型ポンプを提供する。【解決手段】ケーシング内に対向して配置される電磁石と、該電磁石間の空隙部に挿入されるとともに、磁石を固定した振動子と、該振動子の左右端部に固着されるダイヤフラムと、前記ケーシングの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ポンプ。前記磁石の表面の形状が凸形状を呈している。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に対向して配置される電磁石と、該電磁石間の空隙部に挿入されるとともに、磁石を固定した振動子と、該振動子の左右端部に固着されるダイヤフラムと、前記ケーシングの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ポンプであって、前記磁石の表面の形状が凸形状を呈してなる電磁振動型ポンプ。
【請求項２】
前記磁石が前記振動子に所定の間隔で２ブロックまたは４ブロック固定されている請求項１記載の電磁振動型ポンプ。
【請求項３】
前記振動子の両端部の２ブロックの磁石の幅寸法が中央部の２ブロックの磁石の幅寸法の約１／２である請求項２記載の電磁振動型ポンプ。
【請求項４】
前記磁石が極異方性の立体形磁石である請求項２記載の電磁振動型ポンプ。
【請求項５】
前記磁石が本体磁石と該本体磁石の表面に貼り付けられる凸部形状の軟磁性体からなる請求項１、２、３または４記載の電磁振動型ポンプ。
【請求項６】
前記軟磁性体が積層体である請求項５記載の電磁振動型ポンプ。
【請求項７】
前記磁石が軟磁性体の本体と該本体の表面に貼り付けられるの凸部形状の磁石からなる請求項１、２、３または４記載の電磁振動型ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁振動型ポンプに関する。さらに詳しくは、主として室内用エアマットやエアベッドへのエアの吸排、養魚用水槽や家庭浄化槽などにおける酸素補給、または公害監視における検査ガスのサンプリングなどに利用される電磁振動型ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電磁石と磁石との磁気的相互作用に基づく、該磁石を備えた振動子の振動を利用して流体を吸引、吐出する電磁振動型ポンプとして、ダイヤフラム式のポンプがある。
【０００３】
かかる電磁振動型ポンプにおける振動子は、図１８に示されるように、一般に振動子１０１の磁石１０２の表面が平坦であり、電磁石１０３の鉄心１０４とのあいだで形成される磁気抵抗の変化は、磁石１０２の端部が鉄心１０４の端部と接近する瞬間に発生する。しかし、かかる磁気抵抗の変化は小さいので、磁石１０２の能力は有効に活用されず、振動子１０１の推力を向上させることができない。
【０００４】
そこで、鉄心と磁石とのあいだの空隙変化に着目した電磁駆動機構が提案されている（特許文献１参照）。この電磁駆動機構では、図１９に示されるように、磁石２０１の横断面を樽型または日本太鼓の形状とすることにより、振動子２０２の推力（出力）を向上させて、ポンプの性能（効率および力率など）の向上を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−７８８２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、たとえば小型電磁振動型ポンプにあっては、磁石の磁気エネルギーをさらに有効に活用して振動子の推力を向上させて、ポンプの出力および効率の向上を図ることが望まれている。
【０００７】
本発明は、叙上の事情に鑑み、振動子の推力を向上させて、ポンプの性能を向上させることができる電磁振動型ポンプを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電磁振動型ポンプは、ケーシング内に対向して配置される電磁石と、該電磁石間の空隙部に挿入されるとともに、磁石を固定した振動子と、該振動子の左右端部に固着されるダイヤフラムと、前記ケーシングの両端部に装着されるポンプケーシング部とを備える電磁振動型ポンプであって、前記磁石の表面の形状が凸形状を呈してなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の電磁振動型ポンプについて説明する。
【００１０】
実施の形態１
図１〜３に示されるように、本発明の実施の形態１にかかわる電磁振動型ポンプは、ケーシング１内に対向して配置される電磁石２と、該電磁石２のあいだに、所定の間隔をおいて配置される磁石３を備える振動子４と、該振動子４の両端に連結されるダイヤフラム５と、前記ケーシング１の両端部に固定されるポンプケーシング６から構成されている。該ポンプケーシング６は、さらに吸引室７および吐出室８を有しており、吸引室７は吸入口９と吸入弁１０を、吐出室８は吐出口１１と吐出弁１２をそれぞれ備えている。なお、吐出口１２側にはチューブ１３などが接続されている。これにより、前記電磁石２と磁石３との磁気的相互作用に基づいて、振動子４に連結されたダイヤフラム５を振動させ、外部のエアを吸引したのち、チューブ１３を通して吐出させることができる。
【００１１】
前記電磁石２は、断面がＥ型の鉄心を積層してなるＥ型鉄心１４と、該Ｅ型鉄心１４の２箇所の凹部に組込まれる捲線コイル１５とから構成されている。該Ｅ型鉄心１４の両端極部１６の一部は、磁石３に対向し、中央極部１７は、両側の磁石３に対向するように配置されている。
【００１２】
前記磁石３は、非磁性体１８に所定の間隔で２ブロック固定されており、その表面の形状が２段の凸形状を呈している。すなわち磁石３は、矩形の本体磁石２１ａと２段の凸形状の２段凸部２１ｂとから構成されている。本実施の形態では、磁石３が本体磁石２１ａと２段凸部２１ｂを一体に作製されているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、本体磁石２１ａに２段凸部２１ｂを貼り付けて作製することもできる。かかる別体構造とする場合、本体磁石２１ａを磁石とし、２段凸部２１ｂを磁石またはケイ素鋼板などの軟磁性体から作製することができる。たとえば前記磁石３の材質がボンド磁石であれば、とくに問題なく作製することができるが、材質が焼結磁石の場合、加工が難しくなるため、本体磁石２１ａに２段凸部２１ｂ（後述する１段の場合は、本体磁石３１ａに１段の凸形状の１段凸部３１ｂ）を貼り付ける構造とするのが好ましい。また、本発明において、磁石３の表面の形状は、２段の凸形状に限定されるものではなく、図４に示されるように、１段の凸形状とすることができる。すなわち磁石３１は、矩形の本体磁石３１ａと１段の凸形状の１段凸部３１ｂとから構成することができる。前記２段凸部２１ｂおよび１段凸部３１ｂの寸法は、それぞれ振動方向に対して磁束分布が変化するよう適宜選定することができる。たとえば図２（ａ）に示される２段凸部２１ｂの場合、図２（ｂ）に示される２ブロックの磁石の磁束分布からわかるように、片側に３段の段付分布（磁束密度）を考慮し、また、図４（ａ）に示される１段凸部３１ｂの場合、図４（ｂ）に示される４ブロックの磁石の磁束分布からわかるように、片側に２段の段付分布（磁束密度）を考慮して選定する。
【００１３】
つぎにわかりやすくするために１段凸部の磁石について説明する。今、図５に示されるように、振動子が電磁力によって、紙面左側に移動し、電磁石の鉄心１４（端極部１６、中央極部１７）と磁石３１が図５に示す相互関係の位置になったとする。磁気抵抗をＲ、振動子の変位をｘとすると、本実施の形態では、図５で示す領域Ａで大きな磁気抵抗の変化（ｄＲ／ｄｘ）が起こるので、推力、つまり出力が増大する。この力（ｆ）は一般には、レラクタンス力といわれ、つぎの式で表される。ここで、Φは磁束を表す。
ｆ＝−１／２・Φ２ｄＲ／ｄｘ
このレラクタンス力は、一般の電磁力、つまりＢＬＩ則（Ｂ：磁束密度、Ｌ：巻線の長さ、Ｉ：電流）の力とは異なる。
【００１４】
他方、従来の樽型形状の磁石の場合は、凸状の形状変化でないので、磁気抵抗の変化率ｄＲ／ｄｘは小さく、推力のほとんどは電磁力としてＢＬＩ則の力が働く。本実施の形態における凸形状の磁石の場合、鉄心との空隙も凸部から狭くなり、磁気抵抗が減少して、さらに磁束が増大し、推力が増大するという二重の効果（Φ２に比例）を奏することになる。
【００１５】
実施例１
つぎに通電電圧ＡＣ１００Ｖおよび周波数５０Ｈｚ、６０Ｈｚにおけるポンプの特性（流量Ｑ―圧力Ｈの特性）について説明する。
【００１６】
表１に示す磁石を備える振動子を用いてポンプ性能を調べた。なお、振動子のみの差が特性に現れるように、２極（２ブロック）の振動子以外の仕様は同一にしてある。たとえば鉄心間の空隙寸法は１６ｍｍであり、測定（定格）圧力は１５ｋＰａである。ポンプ性能の結果を図６〜９および表２に示す。なお、表２は６０Ｈｚの特性のみを示す。
【００１７】
【表１】
2004138009.tif 000003
【００１８】
【表２】
2004138009.tif 000004
【００１９】
図６〜９および表２から、凸部の効果が顕著に表れ、閉鎖時圧力（最大圧力）および定格時流量が向上していることがわかる。これらの向上以外にも効率および圧力の高い範囲（すなわち２０ｋＰａ以上）が向上しているという特徴がある。また、２段凸部および１段凸部とも凸部厚さが大きくなると、凸部の磁石厚さの増大により、起磁力が増大し、さらなる磁束増大およびレラクタンス変化の増大が生じて、ポンプの特性が向上していることがわかる。
【００２０】
なお、磁石厚さを６ｍｍとする平坦な磁石を固定する振動子について、空隙寸法を１６ｍｍ、１４ｍｍおよび１２ｍｍと変更した場合の特性も調べた。その結果を表２に示す。表２から、前記２段凸部および１段凸部の磁石を固定する振動子の方が優れていることがわかる。
【００２１】
なお、本発明において、前記磁石３の数は、２ブロックに限定されるものではなく、図４に示されるように、４ブロックとすることができる。この図４に示される振動子３２では、両端部の２ブロックの磁石３１の幅寸法は中央部の２ブロックの磁石３１の幅寸法の約１／２にされている。これにより、従来の振動子では、中央部の２つの磁石のみであるため、磁路が１回路のみしか形成されないのに対し、本実施の形態では、左右両端部の磁石３１が左右移動時に交互に磁路の形成に寄与するようになる。また、前記振動子２の磁石量としては、中央部の１個の磁石３１の磁石量を１とすると、端部の磁石３１の磁石量は１／２となるから、１＋１＋１／２＋１／２＝３の割合である。このため、４個（４ブロック）の磁石を固定する振動子２の磁石量は２個の磁石を固定する振動子の磁石量の１．５倍となる。したがって、磁束は１．５倍となり、推力も１．５倍となる。
【００２２】
確認試験として、４ブロック（４極）の平坦な磁石と４ブロック（４極）の樽型磁石をそれぞれ固定する振動子を用いたポンプの特性（流量Ｑ―圧力Ｈの特性）を調べた。振動子以外の仕様は同一であって、たとえば鉄心間の空隙寸法は１３ｍｍであり、測定（定格）圧力は１５ｋＰａである。その結果を図１０〜１１に示す。図１０〜１１から、４極樽型の磁石の振動子の方が、推力が向上しているため、流量および圧力が増大している。定格圧力１５ｋＰａ時の流量では、１．１４倍（５０Ｈｚ）、１．１５倍（６０Ｈｚ）および最大圧力では、１．０８倍（５０Ｈｚ）、１．１４倍（６０Ｈｚ）向上している。しかしながら、図６〜９と比較すると、２極の磁石の振動子ではあるが、本実施の形態における２段凸部および１段凸部の磁石の振動子の方が、大幅に向上していることがわかる。これは、４極平坦および４極樽型の磁石のレラクタンス変化ｄＲ／ｄｘがほぼ一定であり、２段凸部および１段凸部の磁石と比べて、レラクタンス変化が無限大に近い変化をしないためであると考えられる。
【００２３】
実施の形態２
つぎに本発明の実施の形態２にかかわる電磁振動型ポンプを説明する。前記実施の形態における磁石は、平板状の磁石であるが、本実施の形態における磁石は、図１２〜１３に示されるように、表面の形状が凸形状を呈しており、外形が四角状の極異方性の立体形磁石４１にされている。本実施の形態では、振動子４２が、本体磁石４１ａと凸部４１ｂからなる立体形磁石４１および該２ブロックの立体形磁石４１と２個のねじ４３に非磁性体樹脂により一体成形された非磁性体棒４４とから構成されている。立体形磁石４１の極性は周方向の４箇所にＮ極とＳ極の極性が交互に着磁されている。この立体形磁石４２の内径は、非磁性体棒４４に対して相対回転しないように、四角形または八角形などの多角形であるのが好ましい。前記非磁性体棒４４としては、たとえば６ナイロンにガラスが１５％含有されたものを用いることができる。
【００２４】
実施例２
凸部のない角１６（ｍｍ）の磁石と凸部（凸部厚さ０．５ｍｍ）の幅Ｗが３ｍｍおよび５ｍｍについて、ポンプの特性（流量Ｑ―圧力Ｈの特性）を調べた。その結果を図１４に示す。図１４から、幅Ｗが３ｍｍより、５ｍｍの方が優れており、流量および圧力が増大していることががわかる。これは幅Ｗが５ｍｍの方がレラクタンス効果に加えて、磁束量も増えたからであると考えられる。
【００２５】
実施の形態３
つぎに本発明の実施の形態３にかかわる電磁振動型ポンプを説明する。本実施の形態における磁石は、ネオジム鉄ボロン系の平板状の焼結磁石の表面（両側）に凸部形状の軟磁性体が貼り付けられたものである。たとえばこの凸部形状の軟磁性体としては、凸部厚さが３ｍｍであり、積層厚さが１ｍｍであり、幅が８ｍｍである軟磁性体のケイ素鋼板を３０枚積層した積層体とすることができる。なお、凸部の寸法は電磁石鉄心の溝幅寸法や、振動子の設計振動幅を勘案して決定する。また、段数は１段または２段程度が適当である。
【００２６】
実施例３
厚さ６ｍｍの焼結磁石に前記積層体の凸部を貼り付けた磁石（１段凸部積層体）を固定した振動子を組み込んだポンプの特性（流量Ｑ―圧力Ｈの特性）を調べた。その結果を図１５に示す。なお、比較のため、実施例１の平坦な磁石を固定した振動子を用いるポンプの特性を記載する。図１５から、５０Ｈｚの定格時流量８０．０（Ｌ／ｍｉｎ）の圧力が向上し、最大圧力が３７．６（ｋＰａ）と向上するとともに、６０Ｈｚの定格時流量８０．０（Ｌ／ｍｉｎ）の圧力が向上し、最大圧力が４６．２（ｋＰａ）と向上していることがわかる。したがって、従来のポンプの振動子を交換するだけで、ポンプの特性を向上させることができる。しかし、前記実施例１の１段凸部（ｔ３）の磁石の場合の特性と比較すると劣る。その理由は、実施例１と異なり、凸部が軟磁性体のため、磁束の増大は少なく、空隙縮小による磁気抵抗の低下（レラクタンスの変化）の効果のみによるものと考えられる。なお、段数および寸法の組合せで特性は種々変更できる。最大圧力の増大は、推力の増大によるものであるから、印加電圧を低下して流量を制御するとき、安定したポンプ動作が可能である。
【００２７】
実施の形態４
つぎに本発明の実施の形態４にかかわる電磁振動型ポンプを説明する。前記実施の形態３では、軟磁性体が本体磁石の表面に配置された構造であるが、磁石内部に継鉄として埋め込む構造とすることができる。本実施の形態では、図１６に示されるように、平板状の磁石５１が、軟磁性体（ヨーク）である矩形の本体５１ａとその両表面に貼り付けられる、たとえば２段凸部形状の磁石５１ｂとから構成されている。なお、本発明においては、平板状磁石に代えて、立体形磁石とすることもできる。たとえば図１７に示されるように、四角形の磁性体５２ａとその表面に貼り付けられる、たとえば４枚の１段凸部形状の磁石５２ｂとから構成される立体形磁石５２とすることもできる。この４枚の磁石５２ｂは周方向の４箇所にＮ極とＳ極の極性が交互に着磁されている。図１７において、５３は非磁性体棒であり、５４はねじである。なお、図１６に示される平板状の磁石構造でも軟磁性体の本体５１ａの厚さで磁石量を減少させ、磁束を調整することができる。たとえば磁束は充分であるが、質量ｍが軽く、固有振動数ω（＝（ｋ／ｍ）１／２、ｋはバネ定数である）が高いとき、質量ｍをアップするために採用する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、凸部により磁気抵抗の変化が大きくなり、振動子の推力を向上させることができるとともに、ポンプの性能を向上させることができる。かかる推力を向上（増大）させると、印加電圧を下げて流量を減少させる場合、圧力の異常な低下がなく、制御性のよいポンプを得ることができる。
【００２９】
また、ポンプの容量に必要な磁石量を減ずることができるため、ポンプの寸法を従来のポンプと比べて縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電磁振動型ポンプにかかわる実施の形態１を示す部分切欠平面図である。
【図２】図２（ａ）は図１の振動子を示す拡大断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の磁束分布を示す図である。
【図３】図２の振動子の側面図である。
【図４】図４（ａ）は振動子の他の実施の形態を示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の磁束分布を示す図である。
【図５】凸部磁石によりリアクタンスの変化が大きくなることを説明する概略説明図である。
【図６】２段凸部磁石の振動子の５０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図７】２段凸部磁石の振動子の６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図８】１段凸部磁石の振動子の５０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図９】１段凸部磁石の振動子の６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図１０】４極平坦磁石の振動子の５０Ｈｚ、６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図１１】４極樽型磁石の振動子の５０Ｈｚ、６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかわる振動子を示す断面図である。
【図１３】図１２の振動子の側面図である。
【図１４】立体形磁石の振動子の５０Ｈｚ、６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図１５】１段凸部積層体の振動子の５０Ｈｚ、６０Ｈｚのポンプ特性図である。
【図１６】本発明の実施の形態４にかかわる凸部磁石を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態４にかかわる振動子を示す側面図である。
【図１８】従来のポンプにおける振動子の一例を示す断面図である。
【図１９】従来のポンプにおける他の振動子を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　ケーシング
２　　電磁石
３　　磁石
４　　振動子
５　　ダイヤフラム
６　　ポンプケーシング
１４　　Ｅ型鉄心
１５　　捲線コイル
１６　　端極部
１７　　中央極部
２１ａ、３１ａ　本体磁石
２１ｂ、３１ｂ　２段凸部体
【図１】
2004138009.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004138009.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2004138009.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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