(57)【要約】【課題】圧電素子を用いてダイアフラムを駆動する送液ポンプにおいて、ポンプ室に混入した気泡を容易に除去可能とする。【解決手段】基台部と基台部から立設された柱部とからなる駆動部材の柱部の先端をポンプ室の外部からダイアフラムに接続しておき、電荷を印加して圧電素子を伸長させることにより、基台部をダイアフラムから離間可能とする。こうした送液ポンプでは、初期状態からポンプ室の容積を増加させた後に、ポンプ室の容積を初期状態に戻すことで流体を圧送することになるので、初期状態でのポンプ室の容積をいくらでも小さく設定することができる。その結果、ポンプ室内に気泡が残ることを回避することが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室の一部を構成するダイアフラムを変形させて、該ポンプ室の容積を変更することによって流体を圧送する送液ポンプであって、
前記ポンプ室の外部に設けられて、前記ダイアフラムに接続された駆動部材と、
前記駆動部材を介して前記ダイアフラムを変形させる圧電素子と、
前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段と
を備え、
前記駆動部材は、基台部と該基台部から立設された柱部とを有し、該柱部の先端が前記ダイアフラムに接続された部材であり、
前記圧電素子は、前記電圧が印加されると伸長して、前記駆動部材の前記基台部を前記ダイアフラムから離間させる圧電素子である送液ポンプ。
【請求項２】
前記圧電素子が、前記駆動部材の前記柱部の周囲の複数個所に設けられている請求項１に記載の送液ポンプ。
【請求項３】
前記圧電素子が、前記駆動部材の前記柱部を取り巻いて設けられ、断面が円環形状の圧電素子である請求項１に記載の送液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を圧送する送液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプ室の一部をダイアフラムで構成し、圧電素子でダイアフラムを変形させることによって、ポンプ室内の液体を圧送する送液ポンプが広く知られている。この送液ポンプでは、圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子が伸長してダイアフラムを変形させ、ポンプ室の容積を減少させる。その結果、ポンプ室内の流体が加圧されて送液される。また、印加した電圧を取り除いて圧電素子を元の長さに復帰させると、ダイアフラムが元の形状に復帰してポンプ室の容積が増加し、それに伴ってポンプ室内に液体が供給される。その後、再び圧電素子に電圧を印加すると、ポンプ室に供給された液体が加圧されて圧送される。
【０００３】
このような送液ポンプは、ポンプ室内に気泡が混入すると、ダイアフラムを変形させても気泡が潰れて液体を加圧することが困難となり、ポンプ性能が低下する。そこで、ポンプ室に混入した気泡をポンプ室内の液体と一緒に吸引して除去しようとする技術（例えば特許文献１）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４６０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、圧電素子を用いてダイアフラムを駆動する送液ポンプは、ポンプ室に混入した気泡を除去することが難しいという問題があった。これは、ダイアフラムという比較的広い面積を有する部材を、圧電素子というストロークの小さなアクチュエーターを用いて変形させる関係上、ポンプ室の周辺部分に液体の流れが滞る箇所が生じ易く、しかも、ダイアフラムの周辺部分は固定されているので、この箇所に気泡が付着すると、その気泡を除去することが困難なためである。
【０００６】
この発明は、従来の技術が有する上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、圧電素子を用いてダイアフラムを駆動する送液ポンプにおいて、ポンプ室に混入した気泡を容易に除去可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の送液ポンプは次の構成を採用した。すなわち、
ポンプ室の一部を構成するダイアフラムを変形させて、該ポンプ室の容積を変更することによって流体を圧送する送液ポンプであって、
前記ポンプ室の外部に設けられて、前記ダイアフラムに接続された駆動部材と、
前記駆動部材を介して前記ダイアフラムを変形させる圧電素子と、
前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段と
を備え、
前記駆動部材は、基台部と該基台部から立設された柱部とを有し、該柱部の先端が前記ダイアフラムに接続された部材であり、
前記圧電素子は、前記電圧が印加されると伸長して、前記駆動部材の前記基台部を前記ダイアフラムから離間させる圧電素子であることを要旨とする。
【０００８】
こうした構成を有する本発明の送液ポンプにおいては、電圧を印加して圧電素子を伸長させると、基台部および柱部がダイアフラムから離間してダイアフラムが変形することによりポンプ室の容積が増加する。そして、印加した電圧を取り除いて圧電素子を元の長さに復帰させると、基台部および柱部が元の位置に復帰してダイアフラムが元の形状に復帰することにより、ポンプ室の容積が減少する。このようにポンプ室の容積を増減させることで、ポンプ室から流体が圧送される。
【０００９】
こうすれば、ポンプ室の容積を増加させた後に、ポンプ室の容積を減少させる（元に戻す）ことによって流体が圧送される。従って、初期状態（送液ポンプの動作前）のポンプ室の容積は、流体の送液量には影響しないので、初期状態でのポンプ室の容積をいくらでも小さくすることができる。このため、例えば、ポンプ室に気泡の溜まり易い箇所が存在するのであれば、ポンプ室のその部分を初期状態では潰れてしまうようにすることもできる。もちろん、ポンプ室全体を潰してしまうこともできる。その結果、本発明の送液ポンプでは、ポンプ室に気泡が残ることを回避することが可能となる。
【００１０】
尚、初期状態でのポンプ室の容積を極力小さくしておけば、ポンプ室の容積が増加した時と容積が元に戻った時との容積比を大きくすることができる。これにより、高い圧力によってポンプ室内の流体を圧送することができるので、高性能の送液ポンプを実現することが可能となる。
【００１１】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、駆動部材の柱部の周囲の複数箇所に圧電素子を設けることとしてもよい。尚、「柱部の周囲の複数箇所に圧電素子を設ける」とは、柱部を取り囲むように複数の圧電素子が設けられることに限らず、柱部の周囲のある領域に複数の圧電素子が偏在して設けられることも含まれる。
【００１２】
こうすれば、複数の圧電素子によって基台部を（および柱部）をダイアフラムから離間させることで、大きな力でダイアフラムを駆動することができる。従って、送液ポンプが流体を圧送する能力を向上させることが可能となる。
【００１３】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、駆動部材の柱部を取り巻くように、断面が円環形状の圧電素子を設けることとしてもよい。こうすれば、駆動部材の基台部をダイアフラムから離間させる力を、柱部を中心として基台部に偏りなく伝えることができる。従って、基台部および柱部の動作が安定することで、ダイアフラムを安定して駆動することが可能となる。
【００１４】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、駆動部材の基台部および圧電素子との間に隙間が形成された状態で、基台部および圧電素子をケース部材で覆うこととしてもよい。こうすれば、基台部および圧電素子に異物が付着したり、基台部および圧電素子が外部から衝撃を受けたりすることを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施例の送液ポンプの構造を示した断面図である。
【図２】送液ポンプが流体を圧送する動作を示した説明図である。
【図３】従来の送液ポンプの構造を示した断面図である。
【図４】変形例の送液ポンプの構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために、次のような順序に従って実施例を説明する。
Ａ．送液ポンプの構造：
Ｂ．送液ポンプの動作：
Ｃ．変形例：
【００１７】
Ａ．送液ポンプの構造  ：
図１は、本実施例の送液ポンプ１００の構造を示した説明図である。図１（ａ）には、送液ポンプ１００の断面図が示されており、図１（ｂ）には、送液ポンプ１００の上面図が示されている。図示されているように、本実施例の送液ポンプ１００は、おおまかには、圧電素子ケース１１０と、流路ブロック１２０とから構成されている。
【００１８】
圧電素子ケース１１０の内部には、円筒形状の圧電素子１１４が収納されている。圧電素子ケース１１０の上面側には、圧電素子ケース１１０の内壁がケース内側に突出する凸部１１０ｂが設けられており、この凸部１１０ｂに対して圧電素子１１４の上面が固定される。また、圧電素子１１４の底部には底板１１２（基台）が設けられており、底板１１２には中心柱１１８（柱部）が立設されている。尚、本実施例では、底板１１２と中心柱１１８とが別部材で形成されているものとして説明するが、底板１１２と中心柱１１８とは一体形成されていてもよい。また、本実施例の底板１１２および中心柱１１８は、本発明の「駆動部材」に対応する。
【００１９】
また、圧電素子ケース１１０の凸部１１０ｂの上側には、ごく浅い円形の凹部が設けられており、この凹部の底に、ステンレス鋼薄板で形成された円板形状のダイアフラム１１６が接着される。この状態で、ダイアフラム１１６の中央部は、中心柱１１８の上端部に対して接着される。
【００２０】
尚、圧電素子ケース１１０内の圧電素子１１４は、電圧印加部２００（電圧印加手段）に接続されている。詳細には後述するが、送液ポンプ１００で流体を圧送する際には、電圧印加部２００から圧電素子１１４に対して電圧を印加する。
【００２１】
流路ブロック１２０は、圧電素子ケース１１０の上面に載せられて、ネジ止めなどによって圧電素子ケース１１０に堅固に取り付けられる。流路ブロック１２０の図面左側の側面には、出口接続管１２２が立設している。出口接続管１２２の内部には出口流路１２３が形成されており、この出口流路１２３は、流路ブロック１２０の底面側に開口している。また、流路ブロック１２０の上面側には、入口側バッファー室１２４が形成されている。入口側バッファー室１２４の中心部分には、流路ブロック１２０の底面側に貫通する通路が形成されており、この通路が底面側に開口する位置には逆止弁１２１が設けられている。さらに、流路ブロック１２０の図面右側の側面には入口接続管１２５が立設しており、入口接続管１２５の内部には入口流路１２６が形成されており、この入口流路１２６は入口側バッファー室１２４に開口している。入口接続管１２５は、例えばチューブなどを介して流体の供給源（図示せず）に接続される。
【００２２】
Ｂ．送液ポンプの動作  ：
図２は、送液ポンプ１００が流体を圧送する動作を示した説明図である。流体の圧送を開始する際には、先ず、電圧印加部２００から圧電素子１１４に電圧を印加することによって圧電素子１１４を伸長させる。このとき、底板１１２が圧電素子１１４に押されてダイアフラム１１６から離れる方向に移動することにより、ダイアフラム１１６が中心柱１１８に引っ張られて変形する。その結果、図２（ａ）に示されるように、流路ブロック１２０の底面とダイアフラム１１６との間の空間（ポンプ室１３０）の容積が増加して、ポンプ室１３０、入口側バッファー室１２４、入口流路１２６、出口流路１２３が流体で満たされる。
【００２３】
その後、圧電素子１１４に印加した正電荷を取り除くと、図２（ｂ）に示されるように、圧電素子１１４が元の長さに復帰することで中心柱１１８が元の位置に復帰しようとして、ダイアフラム１１６によってポンプ室１３０内の流体が加圧される。ここで、ポンプ室１３０と入口側バッファー室１２４との間には逆止弁１２１が設けられているので、ポンプ室１３０内の流体が入口側バッファー室１２４に逆流することはない。その結果、ダイアフラム１１６によって加圧された流体が出口流路１２３から押し出される。
【００２４】
続いて、図２（ｃ）に示されるように電圧を印加して圧電素子１１４を伸長させると、底板１１２および中心柱１１８を介してダイアフラム１１６が変形してポンプ室１３０の容積が増加して、ポンプ室１３０が負圧となる。この負圧は、入口側バッファー室１２４にある流体（入口側の流体）をポンプ室１３０に吸い込む方向に作用すると同時に、出口流路１２３内にある流体（出口側の流体）を吸い込む方向にも作用する。しかし実際には、出口側の流体が吸い込まれることはほとんど無く、図２（ｃ）に示されるように、もっぱら入口側の流体がポンプ室１３０に吸い込まれる。これは、出口側の流路（出口流路１２３）のイナータンスに比べて、入口側の流路（入口側バッファー室１２４および入口側バッファー室１２４からポンプ室１３０の底面側に貫通する通路部分）のイナータンスが大幅に小さいことに因る。
【００２５】
ここでイナータンスとは、流路の特性値であり、流路の一端に圧力が加わったことによって流路内の流体が流れようとする時の、流体の流れ易さを示している。たとえば、最も単純な場合として、断面積がＳで長さがＬの流路に密度ρの流体（ここでは液体とする）が満たされており、流路の一端に圧力Ｐ（正確には、両端での圧力差Ｐ）が加わったものとする。流路内の流体には圧力Ｐ×断面積Ｓの力が作用し、その結果、流路内の流体が流れ出す。その時の流体の加速度をａとすると、流路内の流体の質量は密度ρ×断面積Ｓ×長さＬだから、運動方程式を立てて変形すると、
Ｐ＝ρ×Ｌ×ａ    ・・・（１）
が得られる。更に、流路を流れる体積流量をＱ、流路を流れる流体の流速をｖとすると、
Ｑ＝ｖ×Ｓ  だから、
ｄＱ／ｄｔ＝ａ×Ｓ    ・・・（２）
が成り立つ。（２）式を（１）式に代入すると、
Ｐ＝（ρ×Ｌ／Ｓ）×（ｄＱ／ｄｔ）    ・・・（３）
となる。この式は、流路内の流体についての運動方程式を、流路の一端に加わる圧力Ｐ（正確には両端での圧力差）と、ｄＱ／ｄｔとを用いて表した式である。（３）式は、同じ圧力Ｐが加わるのであれば、（ρ×Ｌ／Ｓ）が小さくなるほど、ｄＱ／ｄｔが大きくなる（すなわち、流速が大きく変化する）ことを表している。この（ρ×Ｌ／Ｓ）が、イナータンスと呼ばれる値である。
【００２６】
本実施例の送液ポンプ１００では、出口流路１２３のイナータンスは、内径が小さく且つ通路長が長いので大きな値となる。これに対してポンプ室１０２の入口側の流路のイナータンスは、入口側バッファー室１２４からポンプ室１３０の底面側に貫通する通路部分の通路長が短いので小さな値となる。このため、ポンプ室１３０が負圧となったときに、合成イナータンスの大きな出口側の液体はほとんど吸い込まれず、もっぱら合成イナータンスの小さな入口側の液体がポンプ室１３０に吸い込まれるのである。
【００２７】
こうしてポンプ室１３０内に流体を吸い込んだら、圧電素子１１４に印加した電圧を取り除いてダイアフラム１１６を元の形状に復帰させることでポンプ室１３０内の流体を出口流路１２３から押し出し、その後、圧電素子１１４に再び電圧を印加してダイアフラム１１６を変形させることでポンプ室１３０内に流体を吸い込む。このように圧電素子１１４に電圧を印加したり、印加した電圧を取り除いたりすることを繰り返し、入口側の流路からポンプ室１３０に吸い込んだ流体を出口側の流路に押し出す動作を繰り返すことで、流体を圧送する。
【００２８】
このように本実施例の送液ポンプ１００では、ポンプ室１３０の容積を増加させることでポンプ室１３０内に流体を吸い込んだ後、吸い込んだ分の流体をポンプ室１３０から圧送する。従って、流体を吸い込む前の状態（初期状態）のポンプ室１３０の容積は、流体の送液量には影響しないので、初期状態のポンプ室１３０の容積をいくらでも小さくすることができる。このため、例えば初期状態のポンプ室１３０の容積をほとんど０とすることも可能であり、これによりポンプ室１３０内に気泡が混入した場合でも、ポンプ室１３０内に気泡が残ることを回避することができる。その結果、ダイアフラム１１６を元の形状に復帰させたときに、ポンプ室１３０内の気泡が圧縮されて流体を加圧することが困難となることを回避することができるので、送液ポンプ１００が流体を圧送する能力を維持することが可能となる。
【００２９】
また、初期状態のポンプ室１３０の容積を極力小さくすることで、ポンプ室１３０の容積が増加した時と容積が元に戻った時との容積比を大きくすることができる。これにより、高い圧力によってポンプ室１３０内の流体を圧送することが可能となる。
【００３０】
図３は、従来の送液ポンプ３００の構造を示した断面図である。図３（ａ）に示されているように、従来の送液ポンプ３００では、ダイアフラム３１６の上側にポンプ室３３０が形成されている。また、圧電素子３１４は、下端側が圧電素子ケース３１０の底部に接着され、上端側がダイアフラム３１６に接着される。このような送液ポンプ３００は、圧電素子３１４に電圧を印加して圧電素子３１４を伸長させることによってポンプ室３３０内の流体を加圧する。また、圧電素子３１４に印加した電圧を取り除いて圧電素子３１４を元の長さに復帰させると、入口側バッファー室３２４からポンプ室３３０に流体が供給される。
【００３１】
このような従来の送液ポンプ３００では、圧電素子３１４を伸長させてダイアフラム３１６を変形させても、ダイアフラム３１６によって排除することのできない領域がポンプ室３３０の周辺部分に発生する（図３（ｂ）を参照）。従って、このような部分に気泡が入り込んでしまうと、いくらダイアフラム３１６を変形させても気泡を追い出すことは困難となる。これに対して、本実施例の送液ポンプ１００では、そのような部分は生じない。その結果、ポンプ室１３０内に気泡が留まってポンプ性能が低下することを、確実に回避することが可能となる。
【００３２】
Ｃ．変形例  ：
上述した実施例の送液ポンプ１００では、中心柱１１８を取り巻くように円筒形状の圧電素子１１４を設けるものと説明した（図１を参照）。しかし、圧電素子１１４は、伸長することによって底板１１２をダイアフラム１１６から離間させて、ポンプ室１３０の容積を増加させることができるものであればよい。従って、圧電素子１１４は円筒形状に限られず、例えば次のように圧電素子１１４を設けることとしてもよい。尚、以下に説明する変形例において、上述した実施例と同様の構成部分については、実施例と同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３３】
図４は、変形例の送液ポンプ１００の構造を示した説明図である。図示されているように、変形例の送液ポンプ１００では、直方体形状の圧電素子１１４が、中心柱１１８の周囲の複数箇所（変形例では４箇所）に設けられている。このような変形例の送液ポンプ１００においても、初期状態のポンプ室１３０の容積をほとんど０とすることで、ポンプ室１３０内に気泡を残ることを回避することができる。また、圧電素子１１４は、中心柱１１８の周囲の４箇所に設けるだけでよいので、中心柱１１８を取り巻くように円筒形状の圧電素子１１４設ける場合と比較して、使用する圧電素子１１４の量を少なくすることができる。その結果、送液ポンプ１００を安価に製造することが可能となる。
【００３４】
以上、各種の実施形態を説明したが、本発明は上記すべての実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１００…送液ポンプ、    １１０…圧電素子ケース、    １１０ｂ…凸部、
１１２…底板、    １１４…圧電素子、    １１６…ダイアフラム、
１１８…中心柱、    １２０…流路ブロック、    １２１…逆止弁、
１２２…出口接続管、    １２３…出口流路、    １２４…入口側バッファー室、
１２５…入口接続管、    １２６…入口流路、    １３０…ポンプ室、
２００…電圧印加部、    ３００…送液ポンプ、    ３１４…圧電素子、
３１６…ダイアフラム、    ３２４…入口側バッファー室、    ３３０…ポンプ室
【図１】
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【図２】
2013060925.tif 000004
【図３】
2013060925.tif 000005
【図４】
2013060925.tif 000006