(57)【要約】【課題】  ハウジングに形成した凹部をダイヤフラム（圧電振動子）で閉塞し、該ダイヤフラムの振動でポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、凹部形状は加工（製造）が容易な周辺部が浅く中心部が最も深い階段状断面とした上で、圧力損失が許容範囲で自吸力が大きいバランスのよいダイヤフラムポンプを得る。【解決手段】  凹部は、ダイヤフラムの周縁の非変位部分から凹部の回転対称中心にかけて段階的に深さを増す階段状断面をなしていて、その段数ｎは、３、４または５であり、この階段状断面凹部の深さを最浅部から順にｙ１〜ｙｎとし、該深さｙ１〜ｙｎ部分の中央部におけるダイヤフラムの平均変位量をｄ１〜ｄｎとしたとき、２≦（ｙｎ／ｄｎ）／（ｙ１／ｄ１）≦６の条件を満足するダイヤフラムポンプ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに形成した回転対称形状の凹部と、この凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、
上記凹部は、周囲から回転対称中心にかけて段階的に深さを増す階段状断面をなしていて、その段数をｎ（正の整数）とするとき、次の条件式（１）を満足し、
この階段状断面凹部の深さを最浅部から順にｙ１〜ｙｎとし、該深さｙ１〜ｙｎ部分の中央部におけるダイヤフラムの平均変位量をｄ１〜ｄｎとしたとき、次の条件式（２）を満足することを特徴とするダイヤフラムポンプ。
（１）３≦ｎ≦５
（２）２≦（ｙｎ／ｄｎ）／（ｙ１／ｄ１）≦６
【請求項２】
請求項１記載のダイヤフラムポンプにおいて、次の条件式（３）を満足するダイヤフラムポンプ。
（３）３・ｄ１≦ｙ１≦６・ｄ１
【請求項３】
請求項１または２記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムの振動部分の直径は３０ｍｍ以上であるダイヤフラムポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムが可変容積室の容積を増大させる方向に変位するときの自吸力は５ｋＰａ以上であるダイヤフラムポンプ。
【請求項５】
請求項３または４記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記凹部のすべての場所における平均流量が毎秒１２０μリットル／ｍｍ2以下であるダイヤフラムポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記凹部のすべての場所における平均流速が１２０ｍｍ／秒以下であるダイヤフラムポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載のダイヤフラムポンプにおいて、上記ダイヤフラムは圧電振動子または電歪振動子であるダイヤフラムポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラムポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤフラムポンプは、ハウジングに形成した回転対称形状の凹部と、この凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るポンプとして知られている。ダイヤフラムは、ゴム、圧電振動子等の弾性（振動）可能な材料から構成される。
【０００３】
このダイヤフラムポンプでは、自吸力（ダイヤフラムが可変容積室の容積を拡大する方向に変形するときの該可変容積室へ流体を吸い込む力）をできるだけ大きくし、圧力損失をできるだけ小さくするとよい。理論的には自吸力はダイヤフラムが変形する前の可変容積室の容積を零にすると無限大となり、容積を大きくするに従って小さくなるという性質がある。一方、ダイヤフラムが変形して流体を移動させる状態を考えると、容積が小さいほど流速が増して圧力損失が大きくなってしまう。ダイヤフラムは中央部の変形が大きく周辺部で小さいことを考えると、流速をより均一にするには、ダイヤフラムの中央部で凹部深さを深くし、周辺部で浅くするのが好ましく、実際、凹部中心を最も深くしたダイヤフラムポンプが多く知られている。このアプローチでは、凹部は中央部が最も深く周辺部が浅い非球面形状とすることが好ましいこととなるが、本発明者の解析では、加工コストと効果を比較考量すると、非球面凹部は必ずしも好ましい解決手段ではない。
【特許文献１】特開平１０-１５９７４０号公報
【特許文献２】特開平１１-８２３１０号公報
【特許文献３】特開２００２-１０６４７０号公報
【特許文献４】特開２００３-２９３９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上の問題意識に基づき、凹部形状は加工（製造）が容易な周辺部が浅く中心部が最も深い階段状断面とした上で、圧力損失が許容範囲で自吸力が大きいバランスのよいダイヤフラムポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、凹部を階段状断面としたときの段数、及びその深さについて研究の結果、これらはダイヤフラムの変位量との関係で好ましい範囲があることを見い出して完成されたものである。
【０００６】
すなわち本発明は、ハウジングに形成した回転対称形状の凹部と、この凹部を閉塞するダイヤフラムとによって可変容積室を形成し、ダイヤフラムを振動させることによりポンプ作用を得るダイヤフラムポンプにおいて、凹部は、ダイヤフラムの周縁の非変位部分から凹部の回転対称中心にかけて段階的に深さを増す階段状断面をなしていて、その段数をｎ（正の整数）とするとき、次の条件式（１）を満足し、この階段状断面凹部の深さを最浅部から順にｙ１〜ｙｎとし、該深さｙ１〜ｙｎ部分の中央部におけるダイヤフラムの平均変位量をｄ１〜ｄｎとしたとき、次の条件式（２）を満足することを特徴としている。
（１）３≦ｎ≦５
（２）２≦（ｙｎ／ｄｎ）／（ｙ１／ｄ１）≦６
【０００７】
さらに、次の条件式（３）を満足することが好ましい。
（３）３・ｄ１≦ｙ１≦６・ｄ１
つまり、最浅部の深さｙ１は、同最浅部の中央部におけるダイヤフラムの平均変位量ｄ１の３倍以上６倍以下とする。
【０００８】
本出願人が開発中のダイヤフラムを圧電振動子から構成した圧電ポンプにおける好ましい具体的数値を上げると、ダイヤフラムの振動部分の直径（つまり凹部の直径）は３０ｍｍ以上、自吸力は５ｋＰａ以上、凹部のすべての場所における平均流量は毎秒１２０μリットル／ｍｍ2以下、平均流速は１２０ｍｍ／秒以下とすることが好ましいことが分かった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図３は、圧電振動子をダイヤフラムとしたダイヤフラムポンプの基本形状の一例を示している。ハウジング１０は、アッパハウジング１０ａとロワハウジング１０ｂからなり、アッパハウジング１０ａとロアハウジング１０ｂの間に、圧電振動子（ダイヤフラム）１１が液密に挟着支持されている。圧電振動子１１の厚さは例えば１．５ｍｍ未満である。アッパハウジング１０ａには、この圧電振動子１１との間に可変容積室（ポンプ室）１２を形成する凹部１３が形成されている。
【００１０】
アッパハウジング１０ａには、液体の入口ポート１４Ａと出口ポート１４Ｂが開口していて、入口ポート１４Ａは入口側液溜室１５Ａに連通し、出口ポート１４Ｂは出口側液溜室１５Ｂに連通している。入口側液溜室１５Ａと可変容積室１２の間、出口側液溜室１５Ｂと可変容積室１２の間にはそれぞれ、隔壁１６Ａ、１６Ｂが位置しており、この両隔壁１６Ａ、１６Ｂにアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂが設けられている。アンブレラ１７Ａは、入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２への流体流を許してその逆の流体流を許さず、アンブレラ１７Ｂは、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）への流体流を許してその逆の流体流を許さない逆止弁である。
【００１１】
以上のダイヤフラムポンプは、圧電振動子１１が正逆に弾性変形すると、可変容積室１２の容積が拡大する行程では、アンブレラ１７Ａが開いてアンブレラ１７Ｂが閉じるため、冷却水入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２内に液体が流入し、可変容積室１２の容積が縮小する行程では、アンブレラ１７Ｂが開いてアンブレラ１７Ａが閉じるため、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）へ液体が流出する。従って、圧電振動子１１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。
【００１２】
図３では、ハウジング１０の凹部１３を均一深さで描いているが、このような均一深さの凹部１３によって形成された可変容積室１２では、圧電振動子１１の中央部での流速が周辺部での流速より大きく（周辺部での十分な流体の移動が起こらず）、効率的なポンプ作用が得られない。
【００１３】
本実施形態は、ハウジング１０の凹部１３の形状と圧電振動子（ダイヤフラム）１１の関係を研究してなされたもので、図１に凹部１３の形状例を示す。図１では凹部１３の方向を図３とは逆に描いている。凹部１３は、周辺部から中心にかけて段階的に深さを増す、軸１３Ｘを中心とする回転対称形状をなす４段の階段状断面をなしている。すなわち階段状凹部１３Ｓの底面は、最周辺部（圧電振動子１１周縁の非変位部分）から順に、第一輪帯（最浅輪帯）１３ａ、第二輪帯１３ｂ、第三輪帯１３ｃ及び中心円形部１３ｄからなっており、各輪帯と中心円形部は、軸１３Ｘと直交する平面と、軸１３Ｘを中心とする円筒面からなっている。圧電振動子１１は軸１３Ｘに対して直交する平面円形をなし、その周縁部は、アッパハウジング１０ａロワハウジング１０ｂとで挟着支持されて非変形部分を構成している。
【００１４】
いま、第一輪帯１３ａ、第二輪帯１３ｂ、第三輪帯１３ｃ、中心円形部１３ｄの深さをそれぞれｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４とし、その中央部における圧電振動子１１の平均変位量をｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４とする。圧電振動子１１の平均変位量は、輪帯１３ａ、第二輪帯１３ｂ、第三輪帯１３ｃについては輪帯幅の中央部が描く円上の圧電振動子の変位量（圧電振動子１１が中立位置から上下に均等に弾性変形すると仮定して該中立位置からの正逆の変位量の合計）の平均を意味し、中心円形部１３ｄについては、該中心円形部１３ｄに対応する円形圧電振動子が平面的に変形すると仮定した変位量の平均を意味する。
【００１５】
以上のように階段状凹部１３Ｓの深さと圧電振動子１１の変形量をとると、
２≦（ｙ４／ｄ４）／（ｙ１／ｄ１）≦６
の条件を満足するとき、圧力損失が許容範囲で自吸力が大きいバランスのよいダイヤフラムポンプが得られる。つまり、凹部の深さと圧電振動子の変位量の比をとったとき、中央部のそれが最浅部のそれの２倍から４倍の範囲となるようにするとよい。
【００１６】
階段状凹部の段数ｎは、図示例では４段であるが、３≦ｎ≦５、すなわち、３段、４段または５段とするのが好ましい（条件式（１））。２段では自吸力は大きいが圧力損失が大きく、６段以上、あるいは無段階の非球面とすると、加工コストの増大の割に好ましい結果が得られない。
【００１７】
階段状凹部１３Ｓの深さと圧電振動子の変位量の比について、中央部のそれを最浅部のそれの２倍から６倍の範囲とするという条件は、凹部段数が３段、４段、５段のいずれの場合にも当てはまる（条件式（２））。この条件式（２）の下限を超えると、特に中心円形部１３ｄにおける圧力損失が大きくなり、また圧電振動子１１の振動周波数を上げても流量が増えないという現象が生じる。上限を超えると、特に第１輪帯１３ａにおける圧力損失が大きくなり、また圧電振動子１１の振動周波数を上げても流量が増えないという現象が生じる。
【００１８】
階段状凹部１３Ｓの形状については、第一輪帯１３ａ（最浅部）の深さも重要な要素である（条件式（３））。つまりこの第一輪帯１３ａが浅すぎると（条件式（３）の下限を超えると）、自吸力は大きいが圧力損失が大きくなる。また深すぎると（条件式（３）の上限を超えると）、自吸力が低下する。また、第１輪帯１３ａ部の圧力損失は小さくなるが、他の部分の圧力損失は変化しないため、深くすることの効果としては小さい。
【００１９】
圧電振動子１１は、中立位置から上下に均等に変位すると考えられるバイモルフ型が好ましい。図２は、バイモルフ型圧電振動子１１の模式図で、中心部のシム１１１と、その表裏に積層形成した圧電体１１２とからなっている。シム１１１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構成される。圧電体１１２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。この分極処理は、シム１１１の表裏に位置する一対の圧電体１１２において同方向である。つまり、図２において、一対の圧電体１１２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、分極方向はシム１１１を挟んで同一方向である。
【００２０】
一対の圧電体１１２のシム１１１側の面は、該シム１１１と全面的に導通するように接着され、シム１１１側と反対の露出面には、全面的に膜状電極１１３が形成されている。この膜状電極１１３は、例えば導電ペースト（銀ペースト）を印刷（スクリーン焼成）することで形成することができる。また、膜状電極はシム側にも形成することがある。これらの膜状電極の材料や形成方法は各種周知である。
【００２１】
以上のバイモルフ型圧電振動子１１は、シム１１１を一方の共通電極とし、一対の圧電体１１２の露出面（膜状電極１１３）を他方の共通電極として、交番電界を与えると、表裏の一方が伸び他方が縮む動作が繰り返され（振動し）、上記のダイヤフラムポンプ作用が得られる。
【００２２】
勿論、圧電振動子１１に代えて電歪振動子やゴム製のダイヤフラムを用いてもよい。ゴム製のダイヤフラムの場合は、その中心部に往復駆動アクチュエータを接続し、ダイヤフラムに振動を与える。このようなゴム製ダイヤフラムの駆動機構の具体例は各種知られている。
【００２３】
以上は、階段状凹部１３Ｓと圧電振動子（ダイヤフラム）１１のサイズに関わらず成立する条件であるが、次に、以上の条件を満足した上で、本出願人が開発中の小型の圧電ポンプに用いて好ましい条件を示す。
ダイヤフラムの振動部分の直径は３０ｍｍ以上である。
自吸力は５ｋＰａ以上である。
凹部のすべての場所における平均流量が毎秒１２０μリットル／ｍｍ2以下である。
凹部のすべての場所における平均流速が１２０ｍｍ／秒以下である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるダイヤフラムポンプの凹部形状の一実施形態を示す断面図である。
【図２】バイモルフ型圧電振動子の構造例を示す模式分解斜視図である。
【図３】本発明を適用する圧電ポンプの一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  圧電振動子（ダイヤフラム）
１２  可変容積室（ポンプ室）
１３ａ  １３ｂ  １３ｃ  輪帯（凹部）
１３ｄ 中心円形部（凹部）
１３Ｓ  階段状凹部
【図１】
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【図２】
2005220773.tif 000004
【図３】
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