(57)【要約】【課題】高負荷圧力に対応し吐出流量が多い、入口流路の合成イナータンス値が出口流路の合成イナータンス値よりも小さい液体用ポンプにおいて、ダイアフラムが周辺部や中央部の屈曲点で疲労破壊する課題があった。【解決手段】ダイアフラムが平坦な状態から、積層型圧電素子で押されるときと引かれるときに異なる点で屈曲させるためにダイアフラム周辺固定部の形状に差を設けた。また、積層型圧電素子ユニットへのダイアフラムの固定は外周より内側にて行った。【選択図】    図２
2005113778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層型圧電素子で駆動されるダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、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、前記入口流路を開閉する流体抵抗要素を備えるポンプにおいて、ポンプ室側と積層型圧電素子側の前記ダイアフラムの周辺固定部の形状が異なっていることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
積層型圧電素子で駆動されるダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、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、前記入口流路を開閉する流体抵抗要素を備えるポンプにおいて、積層型圧電素子ユニットへの前記ダイアフラムの固定は、前記圧電素子ユニット端面の外周より内側でなされていることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
前記積層型圧電素子の振動中心において、前記ダイアフラムの曲げによる内部応力が最も小なるように、前記積層型圧電素子及び前記ダイアフラムとの位置関係を固定したことを特徴とする請求項１から２記載のポンプ。
【請求項４】
前記入口流路の合成イナータンス値は前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さい事を特徴とする請求項１から３記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンあるいはダイアフラム等により、ポンプ室内の容積を変更して作動流体の移動を行うポンプに関し、特に、小形高出力のポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入口流路のみに逆止弁等の流体抵抗要素を備え、前記入口流路の合成イナータンス値を出口流路の合成イナータンス値よりも小さくしたポンプにおいて、高負荷圧力に対応し吐出流量の多い高出力で信頼性の高いポンプが、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）
これは、出口流路の大きな合成イナータンス値による流体の慣性効果を利用したものである。
【０００３】
【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】
【０００４】
ダイアフラムを用いてポンプ室内の容積を変更して流体の移動を行うポンプにおいて、高負荷圧力下で高出力を得ようとした場合、ダイアフラムを高剛性にする必要がある。そのとき、ダイアフラムの屈曲部での応力も同時に大きくなるため、ダイアフラムが疲労破壊しやすいという課題があった。
【０００５】
特に、特許文献１の構成において、流体の慣性効果を十分に発生させるためには、通常の出口流路にも逆止弁を配置したポンプに比較し、はるかにポンプ室内圧を高くする必要がある。このとき、ダイアフラムも厚くする必要があるため、ダイアフラムの屈曲部での内部応力が大きくなり、特にダイアフラムの疲労破壊を生じやすかった。
【０００６】
そこで本発明は、高負荷圧力で動作するダイアフラムポンプのダイアフラムの内部応力を軽減し、耐久性の高いポンプの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のポンプは、積層型圧電素子で駆動されるダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、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、前記入口流路を開閉する流体抵抗要素を備えるポンプにおいて、ポンプ室側と積層型圧電素子側の前記ダイアフラムの周辺固定部の形状が異なっている。
【０００８】
上記構成によれば、ダイアフラムの周辺固定部によるダイアフラムの屈曲位置が、ポンプ室側に変位したときと積層方圧電素子側に変位したときで異なるため、屈曲部の変形量が小さくなり、内部応力が緩和されてダイアフラムの耐久性を向上できる。
【０００９】
また請求項２の発明は、積層型圧電素子で駆動されるダイアフラムにより、容積が変更可能なポンプ室と、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、前記入口流路を開閉する流体抵抗要素を備えるポンプにおいて、積層型圧電素子ユニットへの前記ダイアフラムの固定は、前記圧電素子ユニット端面の外周より内側でおこなった。
【００１０】
上記構成によれば、ダイアフラム周辺部によるダイアフラムの屈曲位置が、ポンプ室側に変位したときと積層方圧電素子側に変位したときで異なるため、屈曲部の変形量が小さくなり、内部応力が緩和されてダイアフラムの耐久性を向上できる。
【００１１】
さらに、請求項３の発明は、前記積層型圧電素子の振動中心において、前記ダイアフラムの曲げによる内部応力が最も小なるように、前記積層型圧電素子及び前記ダイアフラムとのを位置関係を固定した。
【００１２】
上記構成によれば、請求項１及び２の発明において、最もダイアフラムの変形による応力が小さい状態となるため、ダイアフラムの耐久性はさらに高くなる。
【００１３】
また、請求項４の発明は、前記入口流路の合成イナータンス値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。
【００１４】
上記構成によれば、高出力であるがポンプ室内部の圧力が高く、ダイアフラムの耐久性が課題となる入口流路の合成イナータンス値が前記出口流路の合成イナータンス値よりも小さいポンプにおいて、ダイアフラムの耐久性を向上し、積層型圧電素子の変異量を大きくできるため、さらの高出力のポンプを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明に係わるポンプの第１の実施形態の縦断面を示している。積層型圧電素子の保持部材である圧電素子ケース３１の下部には、ケース底板３４が溶接によって堅固に固定されている。ポンプの駆動源である積層型圧電素子３２の上面には端板３３があらかじめ接着され、積層型圧電素子ユニットを構成し、前記圧電素子ケース３１内部に固定される。この固定は、積層型圧電素子３２の下面と前記ケース底板３４上面の接着による。
【００１７】
積層型圧電素子３２の固定後、圧電素子ケース３１の上面と端板３３の上面は研削加工によって、同一平面に加工している。この加工の際に、積層型圧電素子３２には、駆動時における積層型圧電素子の駆動電圧の中心値が印加される。従って、積層型圧電素子３２と端板３３の上面には、積層型圧電素子への電圧がかけられていない状態では段差が発生する。
【００１８】
研削加工後、端板３３と圧電素子ケース３１の双方に、ダイアフラム２２が接着される。ダイアフラム２２は、厚さ２０μｍのステンレス鋼薄板で形成されているが、端板３３と圧電素子ケース３１に接着した下面とは反対側にあたる上面は樹脂皮膜を付けてある。このダイアフラム２２を圧電素子ケース３１との間に挟む形でポンプ室部材２１が取り付けられている。圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状は、圧電素子ケース３１のほうが若干大きくなっている。
【００１９】
ポンプ室部材２１は、ポンプ室２１ａ、細管部２１ｂ、出口接続管路２１ｃがその内部に形成されている。圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１の固定は、図示しないビスで行われている。ポンプ室部材２１の上部には、入口流路部材１１が嵌合され、図示しないビスによって固定されている。
【００２０】
開放されている入口流路部材１１の上面は、柔軟かつガスバリア性の高い圧力変動吸収板１２によって封止されている。圧力変動吸収板１２の材質としては、柔軟性とガスバリア性を両立するために、金属薄膜と樹脂の複合材料等が好ましい。
【００２１】
入口流路１１ａが設けられた入口流路部材１１の突出部には図示しない入口管路が接続され、同様にポンプ室部材２１の突出部には図示しない出口管路が接続される。この入口管路と出口管路は、適当な柔軟性を持った樹脂チューブ等で構成されている。
【００２２】
次に、本発明のポンプ内部の流路について説明する。図示しない入口管路から流入した流体は、圧力変動吸収室１１ｂからポンプ室２１ａに流入する。圧力変動吸収室１１ｂのポンプ室２１ａへの流路は、徐々に縮小され約φ０．５ｍｍの穴となりポンプ室２１ａへ連通している。この圧力変動吸収室１１ｂとポンプ室２１ａとの境界部には、１５μｍのステンレス鋼薄板で形成されたリード弁２３がチェック弁として設置され、ポンプ室２１ａから圧力変動吸収室１１ｂへの逆流を防止している。
【００２３】
ポンプ室２１ａは、細管部２１ｂが開口する接続部分と、ダイアフラム２２上部の扁平形状の圧縮部分で構成される。ポンプ室２１ａから出た流体は、細管部２１ｂ、接続流路２１ｃを通り、図示しない接続管路に送出される。
【００２４】
次に、本発明のポンプの動作について説明する。まず、流路のイナータンス値Ｌを定義する。イナータンス値Ｌ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。
【００２５】
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。具体的には、複数の流路を並列接続した場合の合成イナータンス値は、電気回路におけるインダクタンスの並列接続と同様に合成して求められる。また、複数の形状が異なる流路の直列接続した場合の合成イナータンス値は、電気回路におけるインダクタンスの直列接続と同様に合成して求められる。
【００２６】
また、流路に柔軟部等の圧力変動吸収要素がある場合は、合成イナータンス値は圧力変動吸収要素まで考慮すればよい。従って本発明のポンプにおいて、入口流路の合成イナータンス値は、圧力変動吸収要素である圧力変動吸収板１２からリード弁２３までの合成イナータンス値となる。一方、出口流路の合成イナータンス値は、細管部２１ｂと出口接続管路２１ｃのイナータンス値の合計となる。出口流路は入口流路に比較して、流路の長さも長く、流路の断面積も小さいため、出口流路の合成イナータンス値は入口流路よりはるかに大きくなっている。
【００２７】
図２は本実施形態におけるポンプの動作時の要部の縦断面図である。(ａ）は積層型圧電素子の伸張時、（ｂ）は、積層型圧電素子の振動中心時、（ｃ）は積層型圧電素子の収縮時である。
【００２８】
積層型圧電素子３２と、積層型圧電素子ケース３１の上面を研削する際に積層型圧電素子３２に駆動時における積層型圧電素子の駆動電圧の中心値を印加して切削したため、図２(ｂ）の積層型圧電素子の振動中心においてダイアフラム２２は平面状態になり、曲げによる内部応力の発生が最も小さい。
【００２９】
積層型圧電素子３２が伸張したとき、図２（ａ）のようにダイアフラム２２は、ポンプ室部材２２のダイアフラムとの接触面の内周で上方に屈曲される。一方、積層型圧電素子３２が収縮したとき、図２（ｃ）のようにダイアフラム２２は、ポンプ室部材２２のダイアフラムとの接触面の内周で下方に屈曲される。
【００３０】
圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状は、圧電素子ケース３１のほうが若干大きくなっているため、ダイアフラムの屈曲位置が、ポンプ室側に変位したときと積層方圧電素子側に変位したときで異なる。従って、ポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状が同一の場合に比較して、同位置での曲げ量が１／２となり、曲げによる応力値が小さく、ダイアフラムの耐久性を向上できるのである。
【実施例２】
【００３１】
図３は、本発明に係わるポンプの第２の実施形態におけるポンプの動作時の要部の縦縦断面を示している。第１の実施形態と同様に、(ａ）は積層型圧電素子の伸張時、（ｂ）は、積層型圧電素子の振動中心時、（ｃ）は積層型圧電素子の収縮時である。
【００３２】
本実施形態においては、第１実施形態とは逆に圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状は、圧電素子ケース３１のほうが若干小さくなっている。その他の部分と動作及びダイアフラムの曲げによる応力を減じる効果は、第１の実施形態と同様である。
【００３３】
本実施形態の構成においては、積層型圧電素子３２の収縮時である図２(ｃ）において、第１の実施形態で生じたポンプ室部材２１とダイアフラム２２の微小隙間が発生しないため、流体の中の異物等が微小隙間に詰まることが無く、よりダイアフラムの耐久性を高めることが可能になる。
【実施例３】
【００３４】
図４は、本発明に係わるポンプの第３の実施形態におけるポンプの動作時の要部の縦縦断面を示している。第１および第２の実施形態と同様に、(ａ）は積層型圧電素子の伸張時、（ｂ）は、積層型圧電素子の振動中心時、（ｃ）は積層型圧電素子の収縮時である。
【００３５】
本実施形態においては、第１実施形態と同様に圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状は、圧電素子ケース３１のほうが若干小さくなっている。また、圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の稜部はＲ加工が施されている。
【００３６】
また、端板３３へのダイアフラム２２の固定は、圧電素子ユニット端面である、端板３３上面の外周より内側でなされている。さらに、端板３３の外周部の稜部もＲ加工がなされている。
【００３７】
本実施例の動作において、積層型圧電素子３２が伸張したとき、図４（ａ）のようにダイアフラム２２は、ポンプ室部材２２のダイアフラムとの接触面の内周で上方に屈曲される。一方、積層型圧電素子３２が収縮したとき、図２（ｃ）のようにダイアフラム２２は、ポンプ室部材２２のダイアフラムとの接触面の内周で下方に屈曲される。
【００３８】
圧電素子ケース３１とポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状は、圧電素子ケース３１のほうが若干大きくなっているため、ダイアフラムの屈曲位置が、ポンプ室側に変位したときと積層方圧電素子側に変位したときで異なる。従って、ポンプ室部材２１のダイアフラム２２の外周固定部の内周部の形状が同一の場合に比較して、同位置での曲げ量が１／２となり、曲げによる応力値が小さく、ダイアフラムの耐久性を向上できるのである。
【００３９】
さらに、本実施例では、ダイアフラム２２の固定が圧電素子ユニット端面である、端板３３上面の外周より内側でなされているため、ダイアフラム２２の内周においても、積層型圧電素子３２が伸張した図４（ａ）の場合においては、ダイアフラムの屈曲位置は端板３３の外周部となり、積層型圧電素子３２が収縮した図４（ｃ）の場合においては、ダイアフラムの屈曲位置が、端板３３の外周より内側の固定部でなされるため、固定が端板３３の最外周まで行われる場合に比較して、内周部においても同位置での曲げ量が１／２となり、曲げによる応力値が小さく、ダイアフラムの耐久性を向上できるのである。
【００４０】
さらに、各稜部にＲ加工が施されていることも、曲げ応力を緩和し更なるダイアフラムの耐久性の向上が可能になっている。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、小形高出力の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】
【００４２】
【図１】本発明に係わるポンプの第１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第１の実施形態の動作時の要部の縦断面図である。
【図３】本発明に係わるポンプの第２の実施形態の動作時の要部の縦断面図である。
【図４】本発明に係わるポンプの第３の実施形態の動作時の要部の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１：入口流路部材
１１ａ：入口接続管路
１１ｂ：圧力変動吸収室
１２：圧力変動吸収板
２１：ポンプ室部材
２１ａ：ポンプ室
２１ｂ：細管部
２１ｃ：出口接続管路
２２：ダイアフラム
２３：リード弁
３１：圧電素子ケース
３２：積層型圧電素子
３３：端板
３４：ケース底板
４１：圧電素子ケース
４２：ポンプ室部材
４３：端板
４４：ケース底板
４５：保持ビス
【図１】
2005113778.tif 000003
【図２】
2005113778.tif 000004
【図３】
2005113778.tif 000005
【図４】
2005113778.tif 000006