(57)【要約】【課題】アクチュエータで駆動されたダイアフラムの変形によって流体を移送する容積形ポンプにおいて、従来、接着によってアクチュエータはダイアフラムと接合されていた。その場合、ポンプ室内の圧力を従来よりも高めポンプ出力を向上させるために、接着固定したアクチュエータで比較的剛性の高いダイアフラムを撓ませると、ダイアフラムとアクチュエータとの接合部が剥離する課題があった。【解決手段】ダイアフラム５により容積が変更可能なポンプ室３と、ダイアフラム５を駆動するアクチュエータ６と、ポンプ室３へ作動流体を流入させる入口流路１と、ポンプ室３から作動流体を流出させる出口流路２とを備えたポンプにおいて、ダイアフラム５とアクチュエータ６との間に端板８を配置し、端板８の中央領域の少なくとも一部をダイアフラム５と溶接、固相接合、ろう付のいずれかで接合する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムにより容積が変更可能なポンプ室と、前記ダイアフラムを駆動するアクチュエータと、前記ポンプ室へ作動流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から作動流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、前記ダイアフラムと前記アクチュエータとの間には端板が配置され、前記端板の中央領域の少なくとも一部は前記ダイアフラムと溶接、固相接合、ろう付のいずれかで接合されていることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記端板はアルミニウム合金でできていることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
前記端板はセラミックスでできていることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項４】
前記端板の外周付近は弾性を有する接着剤で前記ダイアフラムと接合されていることを特徴とする請求項１から３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記端板の前記ダイアフラムと接合する面の外周角部には丸め加工が施されていることを特徴とする請求項１から４に記載のポンプ。
【請求項６】
前記端板にはリブが設けられていることを特徴とする請求項１から５に記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムによりポンプ室内の容積を変更して流体の移送を行うポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子等のアクチュエータで駆動されるダイアフラムと、そのダイアフラムにより容積変化可能なポンプ室と、ポンプ室へ流体が流入する入口流路と、入口流路のみに逆止弁等の流体抵抗要素を備え、入口流路のイナータンスをポンプ室から流体が流出する出口流路のイナータンスよりも小さく構成し、高負荷圧力に対応し吐出流量の多い高出力ポンプが、本発明の発明者らにより開発されている。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−３２２９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１のポンプは、アクチュエータである圧電素子の伸長を無駄なくポンプ室体積の減少に利用できれば、ポンプ室内圧がさらに上昇しポンプ出力が向上する。そのためには、ダイアフラムの剛性を比較的高く構成しポンプ室内圧によるダイアフラムの変形を少なくする必要がある。一方、キュリー温度の関係で圧電素子に加えることのできる熱量には制限があり、従来、熱をあまり加える必要のない接着によって圧電素子はダイアフラムと接合していた。そのため、接着固定した圧電素子で比較的剛性の高いダイアフラムを撓ませると、ダイアフラムと圧電素子との接合部に発生する応力によって、接着部が剥離する問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、ポンプ室内の圧力を従来よりも高めポンプ出力を向上させるとともに、アクチュエータとダイアフラムとの接合部の剥離を防止した構造のポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、ダイアフラムにより容積が変更可能なポンプ室と、前記ダイアフラムを駆動するアクチュエータと、前記ポンプ室へ作動流体を流入させる入口流路と、前記ポンプ室から作動流体を流出させる出口流路とを備えたポンプにおいて、前記ダイアフラムと前記アクチュエータとの間には端板が配置され、前記端板の中央領域の少なくとも一部は前記ダイアフラムと溶接、固相接合、ろう付のいずれかで接合した。上記構成によれば、剛性の高いダイアフラムを用いてもダイアフラムと端板との接合部は剥離しない。また、端板は撓み難いため、端板とアクチュエータとの間には接合法によらず剥離の問題は生じない。そして、剛性の高いダイアフラムを用いることで、ポンプ室内の圧力によるダイアフラムの変形が少なくなるので、ポンプ室内の圧力を従来よりも高めポンプ出力を増加させることができる。
【０００６】
さらに請求項２記載の発明は、請求項１記載のポンプにおいて、端板をアルミニウム合金製とした。こうすることで、端板を軽く製作でき、アクチュエータの高周波駆動が可能となる。
【０００７】
さらに請求項３に記載の発明は、請求項１記載のポンプにおいて、端板をセラミックス製とした。こうすることで、請求項２と同様に端板を軽く製作でき、アクチュエータの高周波駆動が可能となる。
【０００８】
さらに請求項４に記載の発明は、請求項１から３記載のポンプにおいて、端板の外周付近は弾性を有する接着剤でダイアフラムと接合した。こうすることで、ダイアフラムと端板との接合面の外周角部に集中する応力を緩和してダイアフラムが破損するのを防止できる。
【０００９】
さらに請求項５に記載の発明は、請求項１から４記載のポンプにおいて、端板のダイアフラムと接合する面の外周角部には丸め加工を施した。こうすることで、請求項４と同様、ダイアフラムと端板との接合面の外周角部に集中する応力を緩和してダイアフラムが破損するのを防止できる。
【００１０】
さらに請求項６記載の発明は、請求項１から５記載のポンプにおいて、端板にリブを設けた。こうすることで、端板の剛性を高めながらより軽く製作できるので、アクチュエータの高周波駆動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係わるポンプの実施形態の縦断面を示している。
【００１３】
カップ形状のケース９の底部内側に圧電素子６が接着にて固定されている。ダイアフラム５は厚さ約２０μｍのステンレス製であり、端板８はダイアフラムより厚いアルミニウム合金製の板状部材である。ここで、端板８にアルミニウム合金を用いるのは他の金属と比較して密度が小さく軽いので、圧電素子６の高周波駆動が可能となり好ましいためである。
【００１４】
次に、端板８とダイアフラム５との接合について、端板８をダイアフラム５との接合面側から見た平面図である図２を用いて説明する。
【００１５】
溶接、固相接合、または、ろう付のいずれかによって、端板８は外周よりも５０μｍ以上内側の中央領域（図２において８２と示した領域）の全面若しくは一部でダイアフラム５と高強度に接合されている。このとき、レーザースポット溶接による接合が、母材のみで接合でき更に溶接部の変形が少ないため好ましい。そして、高強度接合されていない端板８の外周部（図２において斜線を引いて８１と示した領域）は、変性シリコーン系の弾性を有する接着剤でダイアフラム５に接着されている。このとき、接着剤の厚さは約５から２０μｍ程度である。
【００１６】
再び図１に戻って説明する。ケース９の縁部にダイアフラム５が固着され、端板８に圧電素子６が接着される。この際、ケース９の縁部内側から端板８外周までの距離は約３００μｍとなっている。ダイアフラム５の上部には、固定部の気密が保たれるようにポンプ筐体７が固定され、ダイアフラム５とポンプ筐体７下部との間には、ポンプ室３が形成されている。このポンプ室３へ向けて、入口流路１と出口流路２とが開口し、出口流路２のイナータンスは入り口流路１のイナータンスよりも大きくなっている。そして、入口流路１には、入口流路１を開閉する逆止弁４が配置されている。
【００１７】
ここで、流路のイナータンスＬとは、流路の断面積をＳ、流路の長さをｌ、作動流体の密度をρとした場合に、Ｌ＝ρ×ｌ／Ｓで与えられ、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。そして、イナータンスが大きいほど流量の時間変化が小さく、イナータンス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は、個々の流路のイナータンスを、電気回路におけるインダクタンスの並列接続、直列接続と同様に算出される。
【００１８】
次に、本実施形態のポンプの動作について、図１を用いて説明する。図面上の矢印は、本発明のポンプにおける作動流体の送出方向である。また、交流電圧の印可により圧電素子６は図１の上下方向へ約４．５μｍの伸縮を繰り返す。
【００１９】
まず、圧電素子６が伸長し、ダイアフラム５がポンプ室３の容積を小さくする方向に動作すると、出口流路２においては、ポンプ室３内の圧力と負荷圧力（＝ポンプ室３より下流の作動流体の圧力）との圧力差と、イナータンスに従って、ポンプ室３から流出する方向に作動流体が流れ出すが、その流出量よりダイアフラム５によるポンプ室３の容積減少量の方が多いため、作動流体の圧縮率に従ってポンプ室３内の圧力が高まる。すると、入口流路１の逆止弁４が閉鎖するとともに、ポンプ室３から出口流路２へ流出する流量が徐々に増加する。
【００２０】
そして、ポンプ室３から出口流路２への作動流体の流出量が、ダイアフラム５の変位によるポンプ室３の容積減少量を上回ると、作動流体の圧縮率に従ってポンプ室３内の圧力は低下し始める。次に、ダイアフラム５をポンプ室３の容積を大きくする方向に動作させると、ポンプ室３内の圧力が入口流路１の圧力よりも十分に低下するので逆止弁４が開放し、圧力差と入口流路１のイナータンスに従って、入口流路１からポンプ室３へ流入する作動流体の流量が増加する。一方、出口流路２においては、負荷圧力とポンプ室３内の圧力との圧力差と、イナータンスに従って作動流体がポンプ室３から流出する方向の流量が減少するものの、流出が継続する。この際、入口流路１のイナータンスが出口流路２のイナータンスよりも小さいので、出口流路２における流出流量の減少量が少ないうちに、ポンプ室３内から流出した体積分の作動流体が入口流路１からポンプ室３内へ流入し、ダイアフラム５の変位によって排除される作動流体の体積より大きな体積の作動流体を送出する。
【００２１】
さらに、ダイアフラム５を厚さ約２０μｍのステンレス製とし、ケース９の縁部内側から端板８外周までの距離を約３００μｍと狭くしてダイアフラム５の剛性を高め、ダイアフラム５と端板８とを高強度に接合した、本実施形態の構成によって、ポンプ室３内の圧力によるダイアフラム５の変形が少なくなり、圧電素子６伸長時のポンプ室３内の圧力を従来よりも高めポンプ出力を増加させることができる。また、ダイアフラム５を撓ませても端板８との接合部が剥離せず信頼性を高めることができる。
【００２２】
また、端板８は板厚が厚く撓み難いため、端板８と圧電素子６との間は接着によって固定しても剥離の問題は生じない。そこで、まずダイアフラム５と端板８とを溶接、固相接合、または、ろう付のいずれかで高強度に接合しておき、次に、端板８と圧電素子６とを接着することで、圧電素子のキュリー温度を問題にせずに本実施形態のポンプを組立てることができる。
【００２３】
さらに、圧電素子６が伸長したとき、端板８のダイアフラム５と接合した面の外周角部に応力が集中しやすいが、本実施例で示したように外周部は弾性接着剤で接着したので、接着層の弾性変形によって応力が緩和され、ダイアフラムの破損を防止できる。これは、端板８とダイアフラム５との縦断面を示した図３のように、端板８のダイアフラム５と接合する面の外周角部に丸め加工８３を施しても、同様の効果がある。
【００２４】
さらに、形状の異なるダイアフラム５と端板８との縦断面を示した図５のように、ダイアフラム５の形状を中央部に穴のあいたドーナツ状としても良い。この場合、ダイアフラム５の質量をより軽くすることが可能となる。
【００２５】
さらに、端板８の材質としてアルミニウム合金の代わりにセラミックスを用いても良い。この場合、ダイアフラム５とはろう付によって高強度に接合する。また、端板８を圧電素子６との接合面側から見た平面図である図４に示したように、圧電素子６との接着面と外周部との間にリブ８４を設け、リブ８４で繋がれた領域以外を薄くすると、端板８の剛性を高めながら軽くできるのでより好ましい。
【００２６】
以上、入口流路を開閉する逆止弁があり、ポンプ室から流体が流出する出口流路のイナータンスが入口流路のものより大きい構成のポンプを用いて実施形態の説明を行ったが、入口流路と出口流路の双方に逆止弁を設けたポンプに本発明を利用しても、ポンプ室内圧を高めポンプ出力を向上させる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、ポンプを使用する各種産業で利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係わるポンプの実施形態の縦断面である。
【図２】本発明に係わるポンプの端板をダイアフラムとの接合面側から見た平面図である。
【図３】本発明に係わるポンプの端板とダイアフラムとの縦断面である。
【図４】本発明に係わるポンプの端板を圧電素子との接合面側から見た平面図である。
【図５】本発明に係わるポンプの端板と形状の異なるダイアフラムとの縦断面である。
【符号の説明】
【００２９】
１：入口流路
２：出口流路
３：ポンプ室
４：逆止弁
５：ダイアフラム
６：アクチュエータ（圧電素子）
７：ポンプ筐体
８：端板
９：ケース
８２：中央領域
８３：丸め加工
８４：リブ
【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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