(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、駆動時に積層型圧電素子を保持する保持部材が伸張して、損失となっていた。【解決手段】前記積層型圧電素子の保持部材の、前記積層型圧電素子の伸張方向と直交する面での平均断面積をＳｃ、前記ピストンあるいはダイアフラムの面積をＳｄ、前記保持部材の縦弾性係数をＥ（単位：Ｐａ）としたとき、Ｅ×Ｓｃ＞２×１０11Ｓｄを満たす。【選択図】    図１
2005113777.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ピストンあるいはダイアフラム等により、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、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ポンプにおいて、前記積層型圧電素子の保持部材の、前記積層型圧電素子の伸張方向と直交する面での平均断面積をＳｃ、前記ピストンあるいはダイアフラムの面積をＳｄ、前記保持部材の縦弾性係数をＥ（単位：Ｐａ）としたとき、Ｅ×Ｓｃ＞２×１０11Ｓｄを満たすことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
Ｅ×Ｓｃ＞４×１０11Ｓｄを満たすことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
Ｅ×Ｓｃ＜６×１０11Ｓｄ満たす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】
積層型圧電素子の保持部材が複数の材質から構成されており、各々の縦弾性係数をＥ１・・・Ｅｎ、各々の積層型圧電素子の伸張方向と直交する面での平均断面積をＳ１・・・Ｓｎとしたとき、Ｅｎ×Ｓｎの総和としてＥ×Ｓｃを定義した請求項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】
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、積層型圧電素子の発生変位が、前記積層型圧電素子のケースの変形に消費され、効率を低下させるという課題があった。そこで本発明は、高負荷圧力に対応し、吐出流量が多く、効率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】
【０００５】
本発明のポンプは、積層型圧電素子で駆動されるピストンあるいはダイアフラム等により、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、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ポンプにおいて、前記積層型圧電素子の保持部材の、前記積層型圧電素子の伸張方向と直交する面での平均断面積をＳｃ、前記ピストンあるいはダイアフラムの面積をＳｄ、前記ケースの縦弾性係数をＥ（単位：Ｐａ）としたとき、Ｅ×Ｓｃ＞２×１０11Ｓｄを満たした。
【０００６】
上記構成によれば、ポンプ動作時における積層型圧電素子の保持部材の変形による、積層型圧電素子の発生変位の消費を１％以下に抑えることが可能になる。
【０００７】
さらに請求項２に記載の発明は、Ｅ×Ｓｃ＞４×１０11Ｓｄを満たした。
【０００８】
上記構成によれば、ポンプの高出力動作時における積層型圧電素子の保持部材の変形による、積層型圧電素子の発生変位の消費を１％以下に抑えることが可能になる。
【０００９】
さらに請求項３に記載の発明は、Ｅ×Ｓｃ＜６×１０11Ｓｄを満たした。
【００１０】
上記構成によれば、ポンプの不必要な大型化を防ぎ、小型高出力のポンプの構成を可能にする。
【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。
【実施例１】
【００１２】
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。
【００１３】
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、圧電素子ケース３１と積層型圧電素子３２および端板３３の隙間に固定用ワックスを流し込むことによって、研削加工時の応力を緩和し、積層型圧電素子３２の折損や、端板３３と積層型圧電素子３２の接着部および積層型圧電素子３２とケース底板３４の接着部の剥離を防止することが可能になる。
【００１４】
研削加工後、固定用ワックスを加熱して除去した後、研削加工で同一平面とされた端板３３と圧電素子ケース３１の双方に、ダイアフラム２２が接着されている。
【００１５】
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２１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、同様にポンプ質部材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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、接続流露２１ｃを通り、図示しない接続管路に送出される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２は積層形圧電素子３２への駆動電圧および、絶対圧表示によるポンプ室２１ａの内部の圧力波形を示したグラフである。この時、作動流体は水であり、ポンプに負荷圧力（出口接続管路２１ｃ終端の圧力）を約３気圧加えている。駆動電圧が増加すると積層形圧電素子３２は図１の上方向に伸長するため、ダイアフラム２２はポンプ室２１ａの体積を圧縮する。図２から、駆動電圧の谷部過ぎからポンプ室２１ａの圧縮による圧力上昇が開始し、駆動電圧の上昇勾配が最も大きい点を通過後、ポンプ室２１ａの内圧は急激に下降し、絶対０気圧に近づいたところで、作動流体中に溶けていた成分がガス化して気泡となるエアレーションやキャビテーンヨンが起こり、絶対０気圧付近で平坦になっている。
【００２５】
これを詳しく説明すると、まず、リード弁２３が閉鎖されている状態で、ポンプ室２１ａが圧縮されると出口流路の大きなイナータンスにより、ポンプ室２１ａ内の圧力は大きく上昇する。この圧力上昇により出口流路の作動流体は加速され、慣性効果を発生する運動エネルギーが蓄えられる。積層形圧電素子３２の伸縮速度の勾配が小さくなると、それまでに出口流路内の作動流体に蓄えられた運動エネルギーによる慣性効果で作動流体は流れ続けようとするため、ポンプ室２１ａ内の圧力は急激に降下し、やがて入口流路内の圧力より小さくなる。この時点で圧力差によりリード弁２３が開き、入口流路からポンプ室２１ａへ作動流体が流入する。
【００２６】
このとき、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ため、入口流路における流入流量の増加率が大きい。そのため、出口流路からの流出が継続していると同時に、多くの作動流体がポンプ室２１ａ内へ流入する。そして、このポンプ室２１ａからの流出と流入が同時に生じている状態は、積層形圧電素子３２が収縮して再び伸長に転じるときまで継続する。これが、図２における主ポンプ室内圧の平坦部の状況である。
【００２７】
つまり、本構造のポンプは吐出と吸入が同時に生じている状況が存在するため、高い負荷圧力でも大きな流量を流すことができるが、これは、ポンプ室内が極めて高圧になるためである。図２において、ポンプ室２１ａ内の圧力が最大で約２ＭＰａ以上まで上昇しているように、本構造のポンプは、ポンプ室内に高い圧力を生じさせて高出力を得ている。
【００２８】
図３は本発明のポンプの、ポンプ室２１ａ内の絶対圧力の最大値とポンプの流体出力を示している。この結果から、ポンプ室内圧力の絶対値が２ＭＰａを超えるとポンプの流体出力が急激に上昇し、この傾向は４ＭＰａまで継続することがわかる。また、６ＭＰａを超えると、高圧によるリード弁の損傷が生じることも同じ実験で確かめられた。
【００２９】
従って、本発明のポンプにおいて効率的な動作を実現するには、ポンプ筺体に十分な剛性があることが重要となる。特に、積層型圧電素子の保持部材である圧電素子ケース３１は、積層型圧電素子３２が伸張して、ダイアフラム２２によってポンプ室２１ａを圧縮したときに、その反作用で積層型圧電素子３２の伸長方向に伸びると、積層型圧電素子３２の伸長によるポンプ室２１aの圧縮を減じてしまう可能性がある。
【００３０】
ここで積層型圧電素子の長さをｌｐ、圧電素子ケース３１の平均断面積をＳｃ、ダイアフラム面積をＳｄ、ポンプ室内絶対圧力の最大値をＰ、縦弾性係数をＥ、圧電素子ケースの伸びをλとすると、λ＝（Ｓｄ×Ｐ×ｌｐ）／（Ｅ×Ｓｃ）がなりたつ。積層型圧電素子は、一般にその長さの１／１０００程度の伸長が限界である。最大伸長時に、積層型圧電素子を保持する圧電素子ケースの伸びによって積層型圧電素子の伸長の損失を伸長量の１％以下に限るとするとλ＜１／１０００×１／１００であるから、Ｓｃ＞１×１０5Ｐ×Ｓｄ／Ｅがなりたつ。図３に示したようにポンプの特性からポンプ室内絶対圧力の最大値Ｐは、２ＭＰａ以上が望ましいため、この値を前式に代入して、Ｅ×Ｓｃ＞２×１０11Ｓｄを得る。
【００３１】
本発明のポンプにおいては、Ｅ＝２×１０11Ｐａの鉄系材料を圧電素子ケース３１に用い、Ｓｃ＝１．７Ｓｄと条件を満たしているため、積層型圧電素子の伸長の損失が極めて小さく、効率のよい駆動が可能になっているのである。さらに、高出力で駆動するためにはＥ×Ｓｃ＞４×１０11Ｓｄを満たすように圧電素子ケース３１の肉厚を厚くすればよい。
【００３２】
一方、実験によると、ポンプ室内絶対圧力の最大値が６Ｍｐａを超えると、出力は増加しなくなり、またリード弁の破損も発生するため、Ｅ×Ｓｃ＜６×１０11Ｓｄを満たすことより、不必要なポンプの大型化を防ぎ、小型軽量で高出力のポンプを構成することができるのである。
【実施例２】
【００３３】
図４は、本発明に係わるポンプの第２の実施形態の縦断面を示している。第１の実施形態と同様の部分の説明は省略する。積層型圧電素子の保持部材のひとつである圧電素子ケース４１の下部には、ケース底板４４が軽圧入によって固定されている。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４３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４１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４４上面の接着による。
【００３４】
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４３と圧電素子ケース４１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４１との間に挟む形でポンプ室部材４２が圧電素子ケース４１への軽圧入で取り付けられている。
【００３５】
上記の組み立て終了後、保持ビス４５でポンプ室部材４２、圧電素子ケース４１、ケース底板４４は堅固に締結される。保持ビス４５は、出口流路を避けて周囲に５本設けられている。
【００３６】
本実施例の構成において、圧電素子ケース４１に、Ｅ＝０．７×１０11Ｐａのアルミ合金材料を用いたため、圧電素子ケース４１単体では、Ｅ×Ｓｃ＞２×１０11Ｓｄを満たせないが、もうひとつの積層型圧電素子の保持部材である保持ビス４５を鉄系材料とすることにより、上記条件を満たしているのである。従って、本実施例においても、ポンプ室内絶対圧が２ＭＰａの時の積層型圧電素子の伸張時の損失は１％以下になり、効率のよい駆動が可能になるのである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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】
【００３８】
【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積層形圧電素子の駆動電圧および、絶対圧表示によるポンプ室の内部の圧力波形を示したグラフである。
【図３】本発明に係わるポンプのポンプ室内の絶対圧力の最大値とポンプの流体出力を示したグラフである。
【図４】本発明に係わるポンプの第２の実施形態の縦断面である。
【符号の説明】
【００３９】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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