(57)【要約】【課題】液体搬送する圧電ポンプにおいて、圧電素子の圧電性を損なわず、ポンプ室をシールし、電気絶縁性とポンプ性能を確保する。【解決手段】圧電ポンプ１は、搬送する液体を吸入及び排出するポンプ室３内に、バイモルフ型圧電素子４１が弾性体４２に埋め込まれた素子モールド品４を備え、バイモルフ型圧電素子４１への交流電圧印加による素子モールド品４の振動によりポンプ動作し、液体搬送する。バイモルフ型圧電素子４１は、低温加硫可能なシリコンゴムにてモールドされるため、圧電性が損なわれない。素子モールド品４の厚肉な周辺部がケーシング２に挟持されることにより、リード線５と半田付け部の突起による応力を分散しつつ、ポンプ室３のシール性及び電気絶縁性が確保される。素子モールド品４の中央部が必要最小限の厚さにモールドされることにより、ポンプ動作の効率低下を軽減し、ポンプ性能が確保される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送する液体を吸入及び排出するためのポンプ室と、このポンプ室内に配設された、バイモルフ型圧電素子が弾性体に埋め込まれている素子モールド品と、前記ポンプ室に形成された吸入口及び吐出口と、前記吸入口及び吐出口にそれぞれの方向性を持たせて配設された逆止弁と、を備え、前記バイモルフ型圧電素子への交流電圧印加により前記素子モールド品の振動面が振動し、この振動によるポンプ動作によって液体搬送を行う圧電ポンプにおいて、
前記素子モールド品は、前記弾性体として用いられた低温加硫可能なシリコンゴムにより前記バイモルフ型圧電素子がモールドされており、
前記素子モールド品の周辺部は、該素子モールド品の中央部より厚肉であることを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
前記シリコンゴムは、加硫温度が約１４０℃以下であり、且つゴム硬度が約４０°から約７０°であることを特徴とする請求項１に記載の圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子が弾性体に埋め込まれた素子モールド品の振動面の振動によるポンプ動作によって液体搬送を行う圧電ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の圧電ポンプは、例えば図８に示すように、ケーシング２の内部にポンプ室３を有し、このポンプ室３の内部に素子モールド品４を備え、この素子モールド品４の周辺部をＯリング１１により挟持され、ポンプ室３の同一面に形成された吸入口６と吐出口７には、それぞれの方向性を持たせた吸入側逆止弁８１と吐出側逆止弁８２とが配設されたものである。ここに、素子モールド品４は、バイモルフ型圧電素子４１を弾性体４２に埋め込まれ、図９に示すように、素子モールド品４の中央部は、素子モールド品４の周辺部の弾性体４２の表面高さと略同一となるように厚肉にモールドされている。圧電ポンプ１は、バイモルフ型圧電素子４１への交流電圧印加により、素子モールド品４の振動面が振動し、この振動によるポンプ動作によって液体搬送を行うものである。
【０００３】
また、同様の圧電ポンプにおいて、例えば、特許文献１及び２に示されるように、チタン酸ジルコン酸鉛を成分とする圧電素子が使用され、この圧電素子の外周部がＯリングを取り付けたケーシングにより挟持されることによってポンプ室のシール性を確保するものが知られている。
また、例えば、特許文献３に示されるように、ケーシング内に逆止弁を備えたインナープレートと、底面に圧電素子が接着されたカートリッジとを重ねて組み込み、このインナープレートとカートリッジとの間にポンプ室を形成し、このポンプ室の周辺部にシール用のＯリングを配設した圧電ポンプが知られている。ここに、カートリッジは、圧電素子が接着された底面の振動部と、その周辺部にインナープレート側へ押し付ける厚肉円筒状のガイド部を備え、カートリッジのガイド部が、インナープレートの周辺部とＯリングとを押さえ付けることにより、Ｏリングを含むインナープレートとカートリッジとを密着させてポンプ室がシールされている。
また、例えば、特許文献４に示されるように、金属被膜で構成された絶縁膜を液体と接触する表面に固着させた圧電素子を密封シールとケーシングにより挟持してポンプ室を形成した圧電ポンプが知られている。
【特許文献１】特許３４６０３０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２０１２３５号公報
【特許文献３】特開２００２−１３０１３７号公報
【特許文献４】特開２００１−３２３８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の圧電ポンプにおいて、圧電素子は、全面に亘って厚い弾性体で覆われているため、圧電素子の振動に対する抵抗となり、ポンプ性能は大幅に低下していた。圧電素子の応力と歪み量を効率良く得るためには、圧電素子を挟持する圧力と、圧電素子を挟持する位置の厳密な寸法精度とが必要であるが、圧電素子がＯリング等の密封シールにより挟持される場合、密封シールの組み込み寸法には許容差が必要であるため、この許容差の分だけ圧電素子を挟持する位置が変わってしまう。このため、圧電素子が挟持される圧力も変わり、ポンプの能力（液送量）にばらつきが生じる問題があった。
【０００５】
また、チタン酸ジルコン酸鉛を成分とする圧電素子のキュリー点は、成分割合によって異なるが約１９０℃から約３２０℃の間にある。この圧電素子は、圧電素子温度がキュリー点の１／２以上となると、圧電性は減少し、圧電素子温度がキュリー点を超えると、圧電性は消滅してしまう。一般的なゴム材料を用いた成形は、２次加硫で１５０℃以上の熱を加えて成形するため、圧電素子を一般的なゴム成形でモールドすると、この熱が圧電素子に加わり、圧電性が劣化する問題があった。
【０００６】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、圧電素子の圧電性を損なわず、ポンプ室のシール性、電気絶縁性及びポンプ性能が確保された圧電ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、搬送する液体を吸入及び排出するためのポンプ室と、このポンプ室内に配設された、バイモルフ型圧電素子が弾性体に埋め込まれている素子モールド品と、ポンプ室に形成された吸入口及び吐出口と、吸入口及び吐出口にそれぞれの方向性を持たせて配設された逆止弁と、を備え、バイモルフ型圧電素子への交流電圧印加により素子モールド品の振動面が振動し、この振動によるポンプ動作によって液体搬送を行う圧電ポンプにおいて、素子モールド品は、弾性体として用いられた低温加硫可能なシリコンゴムによりバイモルフ型圧電素子がモールドされており、素子モールド品の周辺部は、該素子モールド品の中央部より厚肉であるものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電ポンプにおいて、シリコンゴムは、加硫温度が約１４０℃以下であり、且つゴム硬度が約４０°から約７０°であるものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、低温加硫のシリコンゴムは、加硫温度が低いため、一般的なゴム材料に比べて圧電素子の圧電性を損なうことなく、圧電素子にモールド加工を施すことが可能となる。このゴム成形により圧電素子がモールドされるため、電気絶縁性が確保される。厚肉にモールドされた素子モールド品の周辺部が挟持されることにより、従来のＯリング等の密封シールを用いることなくポンプ室のシール性が確保され、圧電素子を挟持する位置が変わらず、圧電素子を挟持する圧力も変わらないため、ポンプ性能にばらつきが生じない。また、素子モールド品の中央部は、必要最小限の厚さにモールドされているため、従来のような圧電素子が周辺部と同様に中央部も厚肉にモールドされた圧電ポンプに比べ、圧電素子が弾性体によりモールドされていることによるポンプ動作の効率低下を軽減でき、ポンプ性能が確保される。
【００１０】
請求項２の発明によれば、一般的なゴム材料の加硫温度が約１５０℃以上であるのに対して低温加硫のシリコンゴムの加硫温度は、約１４０℃以下であるため、一般的なゴム材料を用いてモールド加工を施すよりも圧電素子の圧電性を損なうことなく、圧電素子にモールド加工を施すことが可能となる。また、ゴム硬度の範囲は、圧電素子をモールドしている弾性体が圧電素子の振動に対する抵抗にならず、且つポンプ室内の液体に対して圧力を伝えるときに緩衝体にならない範囲であるため、圧電素子が弾性体によりモールドされていることによるポンプ動作の効率低下を軽減でき、ポンプ性能が確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の一実施の形態に係る圧電ポンプについて、図面を参照して説明する。図１は、圧電ポンプ１を示す。圧電ポンプ１は、ケーシング２の内部にポンプ室３を有し、このポンプ室３の内部に素子モールド品４が配設されている。ケーシング２は、略円盤状の略中央に凹部を有する皿状に形成された第１のケーシング２１と、この第１のケーシング２１と略同形状の第２のケーシング２２とから成り、第１、第２のケーシング２１、２２の凹部を内側にして互いに対向するように配置されることによりケーシング２内部にポンプ室３を形成している。第１、第２のケーシング２１、２２の凹部周囲の対向面で挟持されている素子モールド品４は、略円盤状のバイモルフ型圧電素子４１が弾性体４２に埋め込まれており、一端部よりバイモルフ型圧電素子４１に半田付けされたリード線５が引き出されている。ケーシング２１は、ポンプ室３側に吸入口６と吐出口７とを有し、吸入口６に吸入側逆止弁８１、吐出口７に吐出側逆止弁８２がそれぞれの方向性を持たせて配設されている。
【００１２】
図２は、素子モールド品４を示す。素子モールド品４は、略円盤状を成し、中央部４２ａより周辺部４２ｂが厚肉となっており、この周辺部４２ｂの一部よりリード線５が引き出されている。素子モールド品４の厚肉な周辺部４２ｂが第１のケーシング２１と第２のケーシング２２に挟持されている。図３に示すように、素子モールド品４は、バイモルフ型圧電素子４１の全体が弾性体４２によりモールドされたものであり、この弾性体４２は、低温加硫のシリコンゴムの一種であり、且つゴム硬度が約４０°から約７０°の範囲にある低温加硫の液状シリコンゴムが用いられている。素子モールド品４から引き出されたリード線５は、バイモルフ型圧電素子４１の半田付け部１０に半田付けされている。このリード線５の半田付け部１０とバイモルフ型圧電素子４１の周辺部４２ｂは、中央部４２ａより厚肉にモールドされている。素子モールド品４の中央部４２ａは、必要最小限の略２ｍｍの厚さにモールドされており、この中央部４２ａの厚さは、電気用品の技術上の基準を定める省令に基づくものである。この省令には、ポンプの振動面に単一材料にて強化絶縁を施す場合、絶縁材の厚さは、２ｍｍ以上にすることが定められている。素子モールド品４の周辺部４２ｂの厚さは、リード線５の半田付け部１０の高さ分である略１ｍｍを中央部４２ａの厚さに加えた、略３ｍｍとされている。なお、上述の厚さとは、バイモルフ型圧電素子４１の表面から素子モールド品４の表面までの差を示す。
【００１３】
図４は、バイモルフ型圧電素子４１を示し、図５は、バイモルフ型圧電素子４１のリード線５の半田付け部１０を示し、図６は、バイモルフ型圧電素子４１の電極４１ｃ表裏半田付け部１０を示す。バイモルフ型圧電素子４１は、略円盤状を成し、シム電極４１ａの両面に分極方向が同一になるように１枚ずつ圧電体４１ｂが接着積層され、外側の両面に電極４１ｃが設けられている。
【００１４】
圧電体４１ｂは、略円盤状を成し、チタン酸ジルコン酸鉛等を成分としており、両面に銀等導電ペーストが塗布され、焼付け固着されている。この圧電体４１ｂは、両面に絶縁油中で数ｋＶの直流電圧が印加されることにより、圧電体４１ｂの厚さ方向に分極圧電性を有する。シム電極４１ａは、２枚の圧電体４１ｂに挟まれた略円盤状のシム（導電性金属薄板）と、このシムに接着された側の圧電体４１ｂの導電ペーストとが一体になって構成されている。シム電極４１ａは、一部分がバイモルフ型圧電素子４１の外周より突出し、このシム電極４１ａの突出した部分にリード線５が半田付けされている。バイモルフ型圧電素子４１の外側両面の導電ペーストは、電極４１ｃとして設けられている。この両面の電極４１ｃは、ジャンパ線９を半田付け部１０に半田付けされることにより接続され、片面の電極４１ｃには、さらにリード線５が半田付け部１０に半田付けされ、このリード線５は、シム電極４１ａのリード線５と略同一方向に引き出されている。
【００１５】
上記のように構成された本実施形態の圧電ポンプの作用について次に説明する。圧電ポンプ１は、ポンプ室３のケーシング２１側に素子モールド品４の中央部４２ａに位置する振動面が配置されており、バイモルフ型圧電素子４１への交流電圧印加により、バイモルフ型圧電素子４１は、径方向に伸縮して表面が撓み、振動が生じる。これにより、素子モールド品４の振動面が振動し、この振動によりポンプ室３の容積は、拡張と縮小を繰り返す。素子モールド品４の振動面がポンプ室３の容積を拡張させる方向に撓むことにより負圧となったポンプ室３内に吸入側逆止弁８１を介して液体が吸入される。このとき、吐出側逆止弁８２は閉じられているため、排出された液体が逆流して吐出口７よりポンプ室３に吸入されることはない。また、素子モールド品４の振動面がポンプ室３の容積を縮小させる方向に撓むことにより加圧されたポンプ室３内から吐出側逆止弁８２を介して液体が排出される。このとき、吸入側逆止弁８１は閉じられているため、ポンプ室３に吸入された液体が逆流して吸入口６より排出されることはない。
【００１６】
以上説明したように、本実施形態の圧電ポンプ１において、バイモルフ型圧電素子４１は、両面、半田付け部１０及び半田付け部１０近傍のリード線５を低温加硫の液状シリコンゴムにてモールドされているため、ポンプ室３内においてバイモルフ型圧電素子４１が液体と接触しない。これにより、バイモルフ型圧電素子４１は、電極の防食及び電気絶縁が可能となる。また、弾性体４２として用いられている低温加硫の液状シリコンゴムは、加硫温度が約１１０℃であり、一般的なゴム材料の加硫温度より低い。このため、バイモルフ型圧電素子４１は、一般的なゴム材料を用いられるよりも圧電性が損なわれることなく、モールドされることが可能となる。バイモルフ型圧電素子４１は、弾性体４２として低温加硫の液状シリコンゴムを用いてモールドされることにより、ポンプ作用による加圧と負圧の繰り返しに対して弾性体４２がバイモルフ型圧電素子４１の表面から剥離しないように強固に接着される。
【００１７】
圧電ポンプ１は、ポンプ室３のシールに用いられていた従来のＯリング１１に代えて素子モールド品４の厚肉な周辺部４２ｂが第１のケーシング２１と第２のケーシング２２に挟持されることにより、ポンプ室のシール性が確保されている。従って、第１のケーシング２１と第２のケーシング２２とが素子モールド品４を挟持する位置は変わらず、すなわち、バイモルフ型圧電素子４１が挟持される位置は変わらず、バイモルフ型圧電素子４１が挟持される圧力も変わらないため、ポンプ性能にばらつきが生じない。また、リード線５と半田付け部１０は、シールされる位置にあるが、厚肉な周辺部４２ｂによりモールドされているため、リード線５と半田付け部１０の突起による応力は分散されつつ、ポンプ室３のシール性及び電気絶縁性が確保されている。
【００１８】
素子モールド品４は、中央部４２ａより周辺部４２ｂが厚肉であり、中央部４２ａをモールドした弾性体４２の厚さは、必要最小限の厚さであるため、従来のような周辺部４２ｂの弾性体４２の表面高さと略同一となるように中央部４２ａが厚肉にモールドされたものに比べ、バイモルフ型圧電素子４１が弾性体４２によりモールドされていることによるポンプ動作の効率低下を軽減でき、ポンプ性能が確保される。また、弾性体４２のゴム硬度は、後述の測定結果、表２に示されるように、バイモルフ型圧電素子４１をモールドしている弾性体４２がバイモルフ型圧電素子４１の振動に対する抵抗にならず、且つポンプ室３内の液体に対して圧力を伝えるときに緩衝体にならない硬度であるため、バイモルフ型圧電素子４１が弾性体４２によりモールドされていることによるポンプ動作の効率低下を軽減でき、ポンプ性能が確保される。
【００１９】
上記実施形態の圧電ポンプ１において、素子モールド品４の中央部４２ａと周辺部４２ｂの厚さ寸法の違いによるポンプ性能を測定した結果を表１に示す。測定条件として、ポンプ駆動電源は、ＡＣ１００Ｖ、６０Ｈｚとし、送液側負荷圧力は、２０ｋＰａとし、搬送液体は、常温の精製水を用いた。
試料は、いずれも外径５０ｍｍの円盤状である２枚のバイモルフ型圧電素子４１が弾性体４２として低温加硫のシリコンゴムを用いて外径５５ｍｍの円盤状にモールドされたものである。圧電体４１ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛等を成分としている。表中に記載されている厚さは、バイモルフ型圧電素子４１の表面から素子モールド品４の表面までの差を示す。中央部４２ａより周辺部４２ｂが厚肉な素子モールド品４は、厚肉部の内径が４９ｍｍとされたものである。
実施例１の試料として、素子モールド品４の中央部４２ａの厚さは、電気用品の技術上の基準を定める省令に基づき略２ｍｍとし、周辺部４２ｂの厚さは、略３ｍｍとした。弾性体４２には、ゴム硬度が６０°のシリコンゴムを用いた。比較例１の試料として、素子モールド品４の中央部４２ａの厚さは、周辺部４２ｂの厚さと等しい略３ｍｍとし、弾性体４２には、ゴム硬度が実施例１と同様の６０°のものを用いた。
【００２０】
【表１】
2007138884.tif 000003
【００２１】
上記の測定結果から、比較例１のように、バイモルフ型圧電素子４１の表面が厚肉な弾性体４２に覆われることは、バイモルフ型圧電素子４１の振動に対して抵抗となり、また、弾性体４２がポンプ室３内の液体に対して圧力を伝えるときに緩衝体となってポンプ動作の効率を大幅に下げることが分る。従って、実施例１のように、バイモルフ型圧電素子４１の中央部４２ａは、必要最小限の厚さにモールドされ、バイモルフ型圧電素子４１の周辺部４２ｂは、全周に亘って中央部４２ａの厚さにリード線５又は半田付け部１０の高さ分だけ加えた厚さにモールドされればよいことが分る。
【００２２】
上記実施形態の圧電ポンプ１において、素子モールド品４の弾性体４２のゴム硬度の違いによるポンプ性能を測定した結果を表２に示す。測定条件は、上記の素子モールド品４の中央部４２ａと周辺部４２ｂの厚さ寸法違いによるポンプ性能測定と同様の条件とした。
試料の形状と寸法は、実施例１と同様のものである。実施例２の試料として、弾性体４２には、ゴム硬度が４０°のものを用いた。実施例３の試料として、弾性体４２には、ゴム硬度が７０°のものを用いた。比較例２の試料として、弾性体４２には、ゴム硬度が３０°のものを用いた。比較例３の試料として、弾性体４２には、ゴム硬度が８０°のものを用いた。
【００２３】
【表２】
2007138884.tif 000004
【００２４】
上記の測定結果から、弾性体４２の硬度は、バイモルフ型圧電素子４１の振動に対する負荷として影響していることが判る。比較例２のように、ゴム硬度３０°では、挟持応力に対して永久ひずみが大きく、ポンプ性能を得ることができなかった。比較例３のように、ゴム硬度８０゜では、ゴム硬度７０°のものを用いた実施例３よりポンプ性能が大幅に低下した。これにより、ポンプ性能を大幅に低下させることなく確保できる弾性体４２のゴム硬度の適正値は、実施例１及至実施例３のように、約４０°から約７０゜の範囲がよいことが分る。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、ポンプ駆動電源の制約から圧電ポンプのポンプ性能により送出圧力と送出流量とを大きく得る必要がある場合、上記実施形態の圧電ポンプ１における素子モールド品４の変形例として、図７に示すように、素子モールド品４は、２枚のバイモルフ型圧電素子４１が並列に配置され、このバイモルフ型圧電素子４１の電極から引き出されたリード線５又は半田付け部１０の高さ分の間隔をあけて平行に保持した状態にて上記実施形態と同様のモールド加工が施されている。これにより、圧電ポンプ１は、２枚のバイモルフ型圧電素子４１の相乗効果により約２倍の送出圧力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電ポンプの断面図。
【図２】同圧電ポンプの素子モールド品の斜視図。
【図３】同圧電ポンプの素子モールド品の断面図。
【図４】同圧電ポンプのバイモルフ型圧電素子の平面図。
【図５】同圧電ポンプのバイモルフ型圧電素子のリード線半田付け部の断面図。
【図６】同圧電ポンプのバイモルフ型圧電素子の電極表裏ジャンパ線半田付け部の    断面図。
【図７】同圧電ポンプの素子モールド品の変形例の断面図。
【図８】従来の圧電ポンプの断面図。
【図９】従来の圧電ポンプの素子モールド品の斜視図。
【符号の説明】
【００２７】
１  圧電ポンプ
２  ケーシング
２１  第１のケーシング
２２  第２のケーシング
３  ポンプ室
４  素子モールド品
４１  バイモルフ型圧電素子
４２  弾性体
４２ａ  中央部
４２ｂ  周辺部
６  吸入口
７  吐出口  
８  逆止弁
【図１】
2007138884.tif 000005
【図２】
2007138884.tif 000006
【図３】
2007138884.tif 000007
【図４】
2007138884.tif 000008
【図５】
2007138884.tif 000009
【図６】
2007138884.tif 000010
【図７】
2007138884.tif 000011
【図８】
2007138884.tif 000012
【図９】
2007138884.tif 000013