(57)【要約】【課題】マイクロポンプなどに用いられるダイアフラムポンプの吐出圧力を高める。【解決手段】基板１２と、この基板との接合面に凹部１６が形成された加工板１４とで、ケーシング３８とダイアフラム４０を構成する。圧電素子３２を含む駆動部材４２が、ダイアフラム４０を駆動する。駆動部材４２の圧電素子３２は、その周囲において、ケーシング３８に対し、可撓性の部材を介さずに固定され、ここを支点にしてダイアフラム４０を駆動する。これにより、圧電素子３２の変形を確実にダイアフラム４０に伝達することができ、ポンプ圧力を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部が形成されたケーシングと、
前記凹部の開口を覆い、前記ケーシングとともにポンプ室を画定するダイアフラムと、
前記ダイアフラムに接合されて、これを駆動し、前記ポンプ室を拡縮する駆動部材と、
を有するダイアフラムポンプであって、
前記駆動部材は、圧電素子を含み、この圧電素子を含む領域において、前記ポンプ室をまたぐような位置にある少なくとも２カ所において前記ケーシングに固定され、また前記ダイアフラムの中央付近にてこれに接合され、前記駆動部材のケーシングに固定された部分の径は、前記ポンプ室の径より大きい、
ダイアフラムポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のダイアフラムポンプであって、前記駆動部材は、圧電素子を含む領域の周囲全体において、前記ケーシングに接合される、ダイアフラムポンプ。
【請求項３】
それぞれ凹部が形成された第１および第２ケーシングと、
前記第１ケーシングの凹部を覆い、この第１ケーシングとともに第１ポンプ室を画定する第１ダイアフラムと、
前記第２ケーシングの凹部を覆い、この第２ケーシングとともに第２ポンプ室を画定する第２ダイアフラムと、
前記第１および第２ダイアフラムがそれぞれ表裏に接合され、これらを駆動し前記第１および第２ポンプ室を拡縮させる駆動部材と、
を有し、
前記駆動部材は、圧電素子を含み、この圧電素子を含む領域において前記第１および第２ポンプ室の少なくとも一方をまたぐような位置にある少なくとも２カ所において、当該一方のケーシングに固定され、前記第１及び第２ダイアフラムの中央付近にてこれに接合する、
ダイアフラムポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載のダイアフラムポンプであって、前記駆動部材は、圧電素子を含む領域の周囲全体において、前記一方のケーシングに接合されるダイアフラムポンプ。
【請求項５】
請求項３または４に記載のダイアフラムポンプであって、取扱い流体は、第１ポンプ室から第２ポンプ室へ送り出され、前記第２ダイアフラムの面積が、第１ダイアフラムのそれより小さい、ダイアフラムポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムポンプ、特にその構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、医療分野において、微量の薬剤を注入するためのポンプの需要がある。薬剤は、規定量を正確に注入する必要があるため、ポンプはその流量が正確であることが要求される。容積型ポンプはその流量が正確に定められ、さらにこの容積型ポンプに属するダイアフラムポンプは構造が簡単で小形化に向くという特徴がある。このような微少流量のダイアフラムポンプの駆動は、圧電素子を含む駆動部材により行われる。
【０００３】
図６は、微少流量用のダイアフラムポンプ１００の概略構成を示す図である。凹部１０２が設けられた基板１０４に所定の形状に加工された加工板１０６が接合されている。加工板１０６には、基板１０４の凹部１０２に対向する位置が周囲より薄く加工され、この部分がポンプのダイアフラム１０８となる。基板の凹部１０２と、これを覆うように設けられるダイアフラム１０８で囲まれる部分がポンプ室１１０となる。ダイアフラム１０８には、圧電素子からなる駆動部材１１２が接合されている。圧電素子に電圧を印加することによって駆動部材１１２が変形し、これによりダイアフラム１０８が変形して、ポンプ室１１０の容積が拡縮する。このような微少流量のダイアフラムポンプとして、例えば、下記特許文献１には、インスリンを注入する人工すい臓用マイクロダイアフラムポンプが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１３３６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のマイクロダイアフラムポンプの駆動部材は、ポンプのケーシングである基板に対し、可撓性のある部材（ダイアフラム）を介して支持されているために、圧電素子の変形による力をダイアフラムに効率的に伝えることができなかった。このため、吐出圧力が低いという問題があった。圧電素子の発生する力は、その体積の増加に応じて増加する。しかし、圧電素子の体積を増加させるために、従来の構造そのままに、その面積を大きくしても、その分ダイアフラムも大きくなるので、吐出圧力を高めることにはならない。また、圧電素子を厚くする場合、素子のコストが上昇する。
【０００６】
本発明は、吐出圧力を高めるのに有利なダイアフラムポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のダイアフラムポンプは、凹部が形成されたケーシングと、凹部の開口を覆いケーシングとともにポンプ室を画定するダイアフラムと、このダイアフラムを駆動して、ポンプ室を拡縮する駆動部材とを有している。さらに、駆動部材は、圧電素子を含み、この圧電素子を含む領域において、ポンプ室をまたぐような位置にある少なくとも２カ所において前記ケーシングに固定され、また前記ダイアフラムの中央付近にてこれに接合されている。
【０００８】
駆動部材は、圧電素子が存在する範囲において、ケーシングの部分で固定されていることとなり、圧電素子はここを支点として変形し、変形を効率よくダイアフラムに伝えることができる。このために、前記の圧電素子が基板に対し固定される位置は、ポンプ室の中心に関して対称となる位置とすることが好ましい。例えば、２カ所において突出しているのであれば、ポンプ室の中心を通る直線上に前記２点に配置することができる。
【０００９】
また、駆動部材の表裏両面にダイアフラムおよびポンプ室を配置することもできる。さらに、表裏両面に配置されポンプ室の一方から他方へと取扱い流体を送る直列２段の構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は本実施形態のダイアフラムポンプ１０の断面図である。ガラス製の基板１２とシリコン製の加工板１４が重ね合わされている。加工板１４には、図中の上面および下面（以下単に上面、下面と記す）のそれぞれに、加工が施されている。下面においては、そのほぼ中心部分に、掘り下げられるようにして略正方形の下面凹部１６が形成されている。一方、上面には、中心部分を残して、その周囲を囲うように略正方形の溝状に上面凹部１８が形成される。加工板１４は、前述のように、その下面に基板１２が接合され、基板１２には、下面凹部１６に対応する位置に基板の上下面を連通する二つの貫通路２０，２２が形成されている。加工板１４の下面凹部１６と基板１２に囲まれる部分がポンプ室２４となる。貫通路２０，２２には、それぞれ逆止弁２６，２８が接続される。貫通路２０に接続された逆止弁２６は、ポンプ室２４に向かう流れのみを許容し、この結果、貫通路２０は、ダイアフラムポンプ１０の吸込路として機能する。一方、貫通路２２に接続された逆止弁２８は、ポンプ室２４からの流れのみを許容し、この結果、貫通路２２は、ダイアフラムポンプ１０の吐出路として機能する。以降、貫通路２０，２２を、それぞれ吸込路２０、吐出路２２と記す。
【００１１】
加工板１４の上面には、金属製の薄板３０が接合され、さらにこれに積み重ねるようにしてＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）の圧電素子３２が接合されている。薄板３０は、加工板１４の、上面凹部１８の内側の中央部分３４と、上面凹部１８の周囲の部分に接合されている。圧電素子３２は略円形であり、その周囲が加工板１４の周囲より外側に位置する。
【００１２】
図１（ａ）に示したダイアフラムポンプ１０は、見方を変えれば、図１（ｂ），（ｃ）に示す構成と考えることができる。基板１２と加工板１４とで、ダイアフラムポンプ１０のケーシングとダイアフラムが構成される。図１（ｂ）の符号３８，４０が付された一点鎖線で囲まれた部分が、ケーシングとダイアフラムに相当する（以下、これらの符号を用いケーシング３８、ダイアフラム４０と記す）。すなわち、加工板１４の、ポンプ室２４に対向する部分がダイアフラム４０であり、加工板１４の、ダイアフラム４０の外側の部分と基板１２とがケーシング３８である。ポンプ室２４も、ケーシング３８の凹部の開口を覆うようにして設けられたダイアフラム４０とで画定された空間と見ることができる。図１のダイアフラムポンプ１０を上方よりみた図２も参照すると、ダイアフラム４０の中央部分３４の周囲の部分は、上面側、下面側双方から凹部が設けられているために、周囲より薄くなっている。また、薄板３０と圧電素子３２は、ダイアフラム４０を駆動するが、実際に駆動力の発生に寄与するのは、圧電素子３２が存在する範囲であり、以降この部分、すなわち図１（ｃ）に符号４２で示す一点鎖線で囲まれた部分を、以降、駆動部材４２と記す。
【００１３】
図２に示されるように、駆動部材４２の外周は、加工板１４の上面凹部１８より外側に位置し、外周全体が加工板１４すなわちケーシング３８に直接固定されている。すなわち、駆動部材４２の外径が、ポンプ室２４の径、すなわちさしわたしの寸法よりも大きくなっている。このダイアフラムポンプ１０のポンプ室２４は、略方形であるので、さしわたし寸法の最大は、対角線における寸法であるが、この寸法よりも駆動部材４２の外径が大きい。
【００１４】
図３は、ダイアフラムポンプ１０の動作説明図である。圧電素子３２に不図示のリード線により電圧を印加すると、その極性に応じて圧電素子３２は拡張、収縮を行う。圧電素子３２が拡張しようとするとき、下面には薄板３０が接合されているため、こちらの面が拘束され、その結果駆動部材４２は、上に、すなわち薄板３０が接合された側と反対側にに凸となるように反る（図３（ａ）参照）。逆に、圧電素子３２が収縮しようとするとき、下に凸となるように、駆動部材４２が反る（図３（ｂ）参照）。この駆動部材４２の運動によって、ダイアフラム４０が駆動されて、ポンプ室２４の容積変化が生じ、ダイアフラムポンプ１０が動作する。図３（ａ）が吸い込み行程を示し、（ｂ）が吐出行程を示す。
【００１５】
駆動部材４２の周縁が剛体であるケーシング３８に固定されているので、駆動部材４２の前述の動作が確実にダイアフラム４０の中央部分３４に伝達され、ダイアフラム４０を押し引きする。また、中央部分３４の周囲の薄い部分は、ダイアフラム４０を撓みやすくし、さらに、この部分で駆動部材４２と接触していないことにより、駆動部材４２の変形を拘束しないようにしている。
【００１６】
前述のように、本実施形態のダイアフラムポンプ１０は、円形の圧電素子３２の周辺は、全周にわたって、加工板１４の上面凹部１８の外側にて固定されており、ここを支点として駆動部材４２が運動する。これとは異なり、圧電素子を図２中、符号４４で指す一点鎖線で示すように小さくすることもできる。この圧電素子４４は、４方向すなわち４カ所で上面凹部１８の外周より外側に突出しており、これらの部分にて加工板１４すなわちケーシング３８に固定される。この場合、駆動部材がケーシングに固定された部分においては、駆動部材の外径が、ポンプ室のさしわたし寸法より大きくなっている。図示されるように、ポンプ室２４のこの部分の寸法は、方形の辺の長さに相当する。そして、駆動部材の外径は方形の辺よりは大きく、対角線よりは小さくなっている。この場合においても、固定された部分を支点として駆動部材が運動し、ダイアフラム４０に対して有効に力を伝達することができる。圧電素子が基板に対して固定される部分は、中央部分３４の中心に対して対称な配置とすることが好ましい。例えば、圧電素子の２カ所を、この中心を通る一つの直線上で、中心より等距離の位置に設けることができる。また、３カ所であれば円周を３等分する位置に、４カ所であれば、図２の圧電素子４４以外にも直角以外の角度で交わる２直線上の位置とすることができる。
【００１７】
図４は、本発明の他の実施形態であるダイアフラムポンプ５０の概略構成を示す断面図である。基板１２、加工板１４の構成は、ダイアフラムポンプ１０の構成と同様であるので、その説明を省略する。ダイアフラムポンプ５０において特徴的な構成は駆動部材５２である。駆動部材５２は、金属製の薄板５４と、これを挟むようにして接合された２枚の圧電素子５６，５８より構成される。すなわち、ダイアフラムポンプ１０のいわゆるユニモルフ型に対し、本実施形態においては駆動部材５２はバイモルフ型として構成される。図において給電用のリード線は省略されているが、二つの圧電素子５６，５８は、一方が収縮する場合は他方が拡張するような極性にて電圧が供給される。圧電素子５６，５８の直径、加工板１４の上面凹部１８との関係は前述のダイアフラムポンプ１０の場合と同様である。バイモルフ型とすることで、前述のダイアフラムポンプ１０より更にダイアフラムを駆動する力を増加させることができる。
【００１８】
図５は、本実施形態のダイアフラムポンプ７０の概略構成を示す断面図である。ダイアフラムポンプ７０は、前述のダイアフラムポンプ１０と同様の駆動部材４２の表裏両面に、加工板１４Ａ，１４Ｂと、基板１２Ａ，１２Ｂを接合して構成される。駆動部材４２に図中下側のポンプが第１ポンプ７２Ａ、上側のポンプが第２ポンプ７２Ｂとなり、個々のポンプ７２Ａ，７２Ｂの構成は、前述のダイアフラムポンプ１０と基本的に同一であり、その説明を省略する。第１ポンプ７２Ａの吐出路２２Ａが、第２ポンプ７２Ｂの吸込路２０Ｂにつながっている。駆動部材４２が下に凸に反るとき、第１ポンプ７２Ａは吐出行程、第２ポンプ７２Ｂは吸込工程となり、駆動部材４２が上に凸に反るときには、第１ポンプ７２Ａは吸込行程、第２ポンプ７２Ｂは吐出工程となり、これら二つのポンプ７２Ａ，７２Ｂは位相は逆となる。前述のように二つのポンプ７２Ａ，７２Ｂは吐出路２２Ａと吸込路２０Ｂがつながっているため、ダイアフラムポンプ７０全体としては、吸込路２０Ａより吸い込んだ取扱い流体を吐出路２２Ｂより吐出する。下流側のダイアフラム４０Ｂの面積が、上流側のダイアフラム４０Ａのそれよりも小さくなっている。この面積差によって、第２ポンプ７２Ｂの吸込圧力を高くすることができ、ダイアフラムポンプ７０全体として高圧で吐出することができる。
【００１９】
図５のダイアフラムポンプ７０において、ユニモルフ型の駆動部材４２に換えて、図３のダイアフラムポンプ５０に用いられるバイモルフ型の駆動部材５２を用いることもできる。また、二つのポンプ７２Ａ，７２Ｂを、直列に配置するのではなく、別個に吸込、吐出を行うようにすることもでき、この場合は二つのダイアフラムの有効面積について用途に応じて独立に変更することができる。
【００２０】
また、前述の駆動部材４２は、薄板３０に圧電素子３２を貼着、接合しているが、単独の圧電素子を用いることもできる。単独の圧電素子は、収縮すると中央部が厚くなった凸レンズ様の形状となり、拡張すると凹レンズ様の形状となる。この凹凸を利用して、ダイアフラムを駆動することができる。この場合、圧電素子表裏両面で凹凸が生じるので、図５に示すように駆動部材の両面にポンプを構成することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態であるダイアフラムポンプ１０の概要を示す断面図である。
【図２】ダイアフラムポンプ１０の要部を示す平面図である。
【図３】ダイアフラムポンプ１０の動作説明図である。
【図４】他の実施形態のダイアフラムポンプ５０の概要を示す断面図である。
【図５】さらに他の実施形態のダイアフラムポンプ７０の概要を示す断面図である。
【図６】従来のダイアフラムポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０，５０，７０  ダイアフラムポンプ、１２  基板、１４  加工板、１６  下面凹部、１８  上面凹部、２４  ポンプ室、３０，５４  薄板、３２，５６，５８  圧電素子、３８  ケーシング、４０  ダイアフラム、４２，５２  駆動部材。
【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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