(57)【要約】【課題】ポンプ構造の簡略化による小型軽量化を図り、脈動することなく精度良く送液できる圧電ポンプを提供する。【解決手段】変形可能なシム材２の長手方向に圧電素子３が複数箇所に設けられた圧電振動子１がポンプ室１０の管壁部４の一部に支持されて収容されており、各圧電素子３へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子１の長手方向の一端から他端へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子１と管壁部４との間でポンプ室１０の液体を煽りながら送液する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形可能な基材の長手方向に圧電素子が複数箇所に設けられた圧電振動子がポンプ室の管壁部の一部に支持されて収容されており、各圧電素子へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子の長手方向の一端から他端へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子と管壁部との間でポンプ室の液体を煽りながら送液することを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
各圧電素子への駆動電圧を印加する方向を切り換えることで、進行波の伝播方向を変えて送液方向が切り換えられることを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
各圧電素子の振動周波数を変化させて液体の流速を変化させることを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
【請求項４】
圧電振動子は基材の短手方向の一辺側が管壁部に固定されており、ポンプ室を流れる液体の送液方向と直交する管壁部の断面形状は固定端から自由端に向かって空間部が拡大するような傾斜壁面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
【請求項５】
圧電振動子は基材の短手方向中央部が管壁部より管路側に突設された固定部材に挟持固定されており、基材の長手方向両端側に設けられた圧電素子の近傍には、短手方向にスリットが各々形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電ポンプ。
【請求項６】
基材の長手方向一端側の圧電素子に駆動電圧を印加すると共に長手方向他端側の圧電素子に位相差９０度で駆動電圧を印加して圧電振動子の短手方向に山が連なった進行波を形成することを特徴とする請求項５記載の圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子として圧電素子を利用した圧電ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を駆動源としたポンプは小型軽量化が可能で、しかも低騒音で電磁ノイズが無いなどのメリットがあるため、液体を送液する小型ポンプの開発が行われている。圧電素子を駆動源としたポンプの一例について説明する。ポンプ室と流路とを接続する逆止弁とポンプ室内に設けられた圧電素子の変位による体積変化を利用して一方向へ送液するもの（特許文献１参照）、圧電素子の伸縮運動により発生した振動により回転駆動される超音波モータを駆動源として絞りローラを備えた移動体を回転させて絞りローラによりチューブを絞って送液するもの（特許文献２参照）、積層型電歪素子を流路に外接させてチューブを変形させて送液するもの（特許文献３参照）等が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２６５９６４号
【特許文献２】特開２００１−１１５９７２号
【特許文献３】特開平５−２０２８５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に示すポンプは、逆止弁の開閉に伴う送液量のばらつきが発生し易い。また、液体の流路に逆止弁が設けられるため、流路抵抗のばらつきが大きくなり送液に脈動が発生し易くポンプ効率が低下する。また。逆止弁の移動が停止するまで送液量に誤差が生じ易く、逆止弁による封止効果の持続が経時変化と共に難しくなる。
また、特許文献２は、絞りローラとチューブとの接触部が摩耗し易く、定期的なメンテナンスが必要になる。また、移動体が１回転する間に絞りローラによるチューブを絞り出す角度範囲が決まっているため、移動体の回転数変化によってのみ送液量を変化させることができため送液する速度が遅く、モータ負荷が変化するため送液量を変化させ難い。また、絞りローラでチューブを潰しながら送液するため脈動が発生し易く、更にはチューブの経時変化に伴う摩耗や変形を考慮すると材質の選定が難しい。また更に、部品点数が多くポンプの小型化が難しい。
更に、特許文献３のポンプは、チューブの経時変化に伴う摩耗や変形が生じ易いうえに、チューブに外接して積層型電歪素子を設ける必要があるので、小型化が図り難く、チューブの変形によって送液量の誤差が生じ易くなる。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ポンプ構造の簡略化による小型軽量化を図り、脈動することなく精度良く送液でき、送液する方向や送液量の制御がし易く、長期使用に耐え得る圧電ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
変形可能な基材の長手方向に圧電素子が複数箇所に設けられた圧電振動子がポンプ室の管壁部の一部に支持されて収容されており、各圧電素子へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子の長手方向の一端から他端へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子と管壁部との間でポンプ室の液体を煽りながら送液することを特徴とする。
各圧電素子への駆動電圧を印加する方向を切り換えることで、進行波の伝播方向を変えて送液方向が切り換えられることを特徴とする。
各圧電素子の振動周波数を変化させて液体の流速を変化させることを特徴とする。
圧電振動子は基材の短手方向の一辺側が管壁部に固定されており、ポンプ室を流れる液体の送液方向と直交する管壁部の断面形状は固定端から自由端に向かって空間部が拡大するような傾斜壁面に形成されていることを特徴とする。
或いは圧電振動子の短手方向中央部が管壁部より管路側に突設された固定部材に固定されており、圧電素子が設けられた基材の近傍には、短手方向にスリットが各々形成されていることを特徴とする。この場合、基材の長手方向一端側の圧電素子に駆動電圧を印加すると共に長手方向他端側の圧電素子に位相差９０度で駆動電圧を印加して圧電振動子の短手方向に山が連なった進行波を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
上述した圧電ポンプを用いれば、基材の長手方向に圧電素子が複数箇所に設けられた圧電振動子がポンプ室の管壁部の一部に支持されて収容されており、各圧電素子へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子の長手方向の一端から他端へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子と管壁部との間でポンプ室の液体を煽りながら送液するので、液体の流路内に駆動源を設けることができポンプの小型化軽量化が図れる。また、逆止弁が存在しないので流路抵抗が少なくしかも管路の変形を伴わずに送液が行えるので、脈動なく精度良く送液でき、ポンプ効率を向上できる。また、チューブのように流路の絞り（変形）を行わずに送液できるので、長期使用に耐え得る圧電ポンプを提供することができる。
また、圧電振動子の振動による進行波の伝播方向を変えることにより送液方向が切り換えられ、圧電素子の振動周波数を変化させて液体の流速を変化させることができるので、送液する方向や送液量の制御がし易く、調整範囲の広い制御が行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明に係る圧電ポンプの最良の実施形態について添付図面とともに詳細に説明する。本実施形態の圧電ポンプは変形可能な基材の長手方向に圧電素子が複数箇所に設けられた圧電振動子がポンプ室の管壁部の一部に支持されて収容されており、各圧電素子へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子の長手方向の一端から他端へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子と管壁部との間でポンプ室の液体を煽りながら送液するポンプに広く適用可能である。
【０００８】
図１乃至図３において、圧電振動子の代表的な構成について説明する。図１において、圧電振動子１は、変形可能な基材（シム材）２の長手方向に圧電素子３が複数箇所に設けられている。シム材２としては、例えばリン青銅、ステンレススチール等の金属板材、或いはＣＦＲＰ（カーボン強化プラスチック）などの樹脂フィルム材が用いられる。シム材２は、圧電素子３に電圧を印加する電極として用いられ、かつ振動子としての強度を持たせるために用いられる。圧電素子３は、シム材２の両面に設けられるバイモルフタイプ、シム材２の片面に設けられるユニモルフタイプの何れであっても良い。圧電素子２は、接着剤による貼付け、シム材２への圧電材料の蒸着、溶射等によって形成することも可能である。また、本実施例では圧電素子３どうしの間隔は均一であるが、必ずしも間隔は均一でなくても良く、駆動電圧（印加電圧）に位相差を設けることで均一な進行波を形成するようにしても良い。また、シム材２の長手方向に設けられる圧電素子３の数も偶数、奇数を問わずに様々に設計できる。
【０００９】
圧電振動子１は液体の流路内で一部が固定されている。本実施例では、短手方向（幅方向）の一辺側が管壁部（固定部）４に固定されている。各圧電素子３への通電により圧電振動子１の自由端５を振動させて進行波を生成するように構成されている。具体的には、各圧電素子３へ位相差を設けた駆動電圧の印加により生じた変位により圧電振動子１の長手方向の一端（本実施例では左端）から他端（本実施例では右端）へ伝播する進行波を生成し、該進行波の伝播により圧電振動子１と管壁部４との間でポンプ室の液体７を煽りながら送液する。
【００１０】
図２に送液管６内で圧電振動子１の振動により作り出される進行波の一例について説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、進行波が左側から右側へ伝播する状態を示す。圧電振動子１は図面に垂直方向奥側で管壁部４に固定されているものとする。圧電素子３には左端側の圧電素子３ａから右側の圧電素子３ｂへと順次位相差を設けた電圧が印加される。このとき、圧電振動子１の変位により管壁部４との間で液体７が煽られることにより送液管６内を矢印Ｆ方向へ送液される。図２（ａ）〜（ｄ）の状態を立体的に示したのが、図３（ａ）〜（ｄ）である。図３（ａ）〜（ｄ）において、圧電振動子１の自由端５側が大きく波打って進行波が形成され、矢印Ｆ方向へ送液される。図２（ｄ）の状態から図２（ａ）の状態へ移行する動作を繰り返し行って送液管６内を矢印Ｆ方向へ送液が行われる。
【００１１】
尚、送液方向を矢印Ｆ方向と逆方向にする場合には、図２（ｄ）から図２（ａ）の順に位相差を設けて各圧電素子３ａ〜３ｄに駆動電圧を印加することで液体７の送液方向を切り換えることができる。また、各圧電素子３ａ〜３ｄの振動周波数を変化させることで液体７の流速を変化させることができる。
【００１２】
次に圧電振動子の他の構成について図４及び図５を参照して説明する。上述した実施例では圧電振動子１の短手方向（幅方向）の一辺側が管壁部４に固定されていた。本実施例では、図４において、圧電振動子１の短手方向（幅方向）の一部、例えば中央部が管壁部４より管内に突設された固定部材８に挟持固定されている。この固定部材８は、圧電素子３へ駆動電圧を印加する電極部として利用される。また、圧電素子３は、シム材２の長手方向両端で両面側に設けられている。圧電素子３が設けられたシム材２の近傍には、短手方向（幅方向）にスリット９が各々形成されている。よって、圧電素子３への駆動電圧の印加によって発生する変位が、シム材２の短手方向（幅方向）両側に設けられた連結部２ａを通じて長手方向へ伝播する。即ち、圧電振動子１には、進行波の山がシム材２の幅方向に連なった波が長手方向へ伝播する。このように、シム材２にスリット９を設けたのは、仮にスリット９を設けない場合には、圧電素子３の変位が進行波として長手方向に平行に伝播されずに、シム材２自体の変形により吸収されてしまうのを防ぐためである。尚、スリット９の長さや数は任意に変更できるものとする。また、シム材２の形状が短冊状であればスリット９を省略することも可能である。
【００１３】
上述した圧電振動子１の振動により作り出される進行波の一例について、図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図５（ａ）において、シム材２の長手方向（矢印Ｆ方向）に進行波を形成する場合について説明する。シム材２の長手方向左側端部の圧電素子３に駆動電圧を印加して瞬間的に上に凸となるように変位させ、長手方向右側端部の圧電素子３に位相差９０度で駆動電圧を印加して瞬間的に上に凸となるように変位させると、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すようにシム材２の両側の連結部２ａを介して長手方向（矢印Ｆ方向）へ進行波が伝播する。この進行波の伝播により圧電振動子１と管壁部４との間で液体を煽りながら矢印Ｆ方向へ送液する。
【００１４】
次に、前述した圧電振動子１を用いた圧電ポンプの一例について図６（ａ）（ｂ）及び図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）（ｂ）は、図１乃至図３に示す圧電振動子１を用いた４連式の圧電ポンプである。ポンプ室１０の両側に配管接続部１１を有し、ポンプ室１０内には圧電振動子１が内蔵されている。圧電振動子１は短手方向（幅方向）の一辺側がポンプ室１０を形成する管壁部４に挟持されて固定されている。シム材２からは各圧電素子３に駆動電圧を印加するための電極部１２が設けられる。ポンプ室１０の断面形状は、圧電振動子１の幅方向（送液方向と直交する方向）に固定端から自由端に向かって空間部が拡大するような傾斜壁面１３が上下に形成されている。これは、圧電振動子１の固定端から自由端にむかうに従って、進行波の変位量（振幅）が大きくなることに対応したもので、圧電振動子１の振動により生成される進行波により管壁部４との間で液体７を確実に追い込んで一方向へ送液できるようにするためである。
【００１５】
図７（ａ）（ｂ）は、図４及び図５に示す圧電振動子１を用いた振動伝達式の圧電ポンプである。ポンプ室１０の両側に配管接続部１１を有し、ポンプ室１０が断面矩形状に形成されている（或いは断面円形状でもよい）。ポンプ室１０には圧電振動子１が長手方向両端側の一部が固定されて内蔵されている。圧電振動子１の短手方向（幅方向）の中央部が管壁部４より管路側に突設された固定部材８に固定されている。この固定部材８は、圧電素子３へ電圧印加する電極部として利用される。シム材２の長手方向一端側（左端側）の圧電素子３に駆動電圧を印加すると共に長手方向他端側（右端側）の圧電素子３に位相差９０度で駆動電圧を印加してシム材２の幅方向に山が連なった進行波が形成される。この進行波により管壁部４との間で液体７を追い込んで一方向へ送液される。
【００１６】
上述した圧電ポンプとしては、電子機器の冷却やインスリンの投入用など幅広い利用が見込まれ、液体としては、水の他に不凍液、薬液など様々なものが用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】圧電振動子の平面図及び正面図である。
【図２】図１の圧電振動子による送液動作の状態説明図である。
【図３】図１の圧電振動子の振動動作の斜視説明図である。
【図４】他例に係る圧電振動子の平面図及び正面図である。
【図５】図４の圧電振動子の振動動作の斜視説明図である。
【図６】図１の圧電振動子を用いた圧電ポンプの断面図である。
【図７】図４の圧電振動子を用いた圧電ポンプの断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  圧電振動子
２  シム材
２ａ  連結部
３  圧電素子
４  管壁部
５  自由端
６  送液管
７  液体
８  固定部材
９  スリット
１０  ポンプ室
１１  配管接続部
１２  電極部
１３  傾斜壁面
【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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【図７】
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