(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】圧電素子に対して負電圧を印加して圧電素子を収縮させることによってポンプ室の容積を増加させ、印加した負電圧を解除することによってポンプ室の容積を減少させる。このようにポンプ室内の流体を圧送することとすれば、ダイアフラムが変形していない時（初期状態）のポンプ室の容積を幾らでも小さくすることができる。従って、初期状態ではポンプ室の気泡の溜まり易い箇所が潰れるようにすることで、ポンプ室内に気泡が残ることを回避することが可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室の容積を増加させることによって該ポンプ室に流体を吸入し、該ポンプ室の容積を減少させることによって該ポンプ室内の流体を圧送する送液ポンプであって、
前記ポンプ室の容積を変更するダイアフラムと、
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、
前記電圧印加手段は、前記圧電素子に負電圧を印加して該圧電素子を収縮させることによって前記ポンプ室の容積を増加させ、該負電圧の印加を解除することによって該ポンプ室の容積を減少させる手段である送液ポンプ。
【請求項２】
前記圧電素子は、積層型圧電素子である請求項１に記載の送液ポンプ。
【請求項３】
前記流体は液体である請求項１または請求項２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、圧電素子に正電圧を印加すると、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、ひとたび気泡が付着すると、ダイアフラムを駆動しても付着した気泡を取り除くことは難しい。
【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、
ポンプ室の容積を増加させることによって該ポンプ室に流体を吸入し、該ポンプ室の容積を減少させることによって該ポンプ室内の流体を圧送する送液ポンプであって、
前記ポンプ室の容積を変更するダイアフラムと、
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、
前記電圧印加手段は、前記圧電素子に負電圧を印加して該圧電素子を収縮させることによって前記ポンプ室の容積を増加させ、該負電圧の印加を解除することによって該ポンプ室の容積を減少させる手段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、圧電素子に負電圧を印加した後に印加した負電圧を解除することにより、ポンプ室の容積を増減させてポンプ室から流体を圧送する。尚、「負電圧の印加を解除する」とは、印加した負電圧の一部を解除するものであってもよい。従って、印加した負電圧を完全に解除することに限らず、例えば、大部分の負電圧を解除する（少しだけ負電圧を残しておく）場合も含まれる。
【０００９】
こうすれば、流体で満たされたポンプ室の容積を減少させることによって流体を圧送し、その後、圧送した分の流体をポンプ室に吸い込むのではなく、ポンプ室の容積を増加させて流体を吸い込んだ後、吸い込んだ分の流体を圧送することになる。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】
また、上述した本発明の送液ポンプにおいては、ダイアフラムを変形させる圧電素子に、積層型の圧電素子を用いることとしてもよい。こうすれば、圧電素子のストロークを大きくすることで流体の圧送能力を向上させ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は、圧電素子を用い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、液体を圧送するための送液ポンプとして好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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．送液ポンプの構成：
Ｂ．送液ポンプの動作：
【００１４】
Ａ．送液ポンプの構成  ：
図１は、本実施例の送液ポンプ１００の構造を示した断面図である。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。
【００１５】
圧電素子ケース１１０の内部には、圧電素子１１２が収納されている。圧電素子１１２の底面は圧電素子ケース１１０の底部に接着されており、圧電素子１１２の上面には補強板１１４が接着されている。圧電素子１１２は、電圧が印加されると電圧値に応じて伸縮する性質を有している。そして、補強板１１４および圧電素子ケース１１０は、圧電素子１１２に電圧が印加されていない状態で、補強板１１４の上面と圧電素子ケース１１０の上面とが面位置となるように研磨加工されている。
【００１６】
また、補強板１１４および圧電素子ケース１１０の上面には、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、それぞれ補強板１１４および圧電素子ケース１１０に接着される。
【００１７】
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（圧電素子ケース１１０とは反対側）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、底面側（圧電素子ケース１１０側）に貫通する通路が形成されており、この通路が流路ブロック１２０の底面側に開口する位置に逆止弁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。
【００１８】
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、負電圧を印加して圧電素子１１２を収縮させることにより、ダイアフラム１１６を圧電素子ケース１１０側に引き込んで、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）の容積を増加させる。そして、図２（ａ）に示されるように、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を全て流体で満たしておく。
【００１９】
その後、圧電素子１１２に印加した負電荷を取り除くと、図２（ｂ）に示されるように、圧電素子１１２が元の長さに復帰してダイアフラム１１６が元の形状に復帰しようとすることにより、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。
【００２０】
続いて、図２（ｃ）に示されるように圧電素子１１２に負電圧を印加すると、圧電素子１１２が収縮してポンプ室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から流路ブロック１２０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。
【００２１】
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。
【００２２】
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１３０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から流路ブロック１２０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。
【００２３】
こうしてポンプ室１３０内に流体を吸い込んだら、圧電素子１１２に印加した負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１１２に再び負電圧を印加することでポンプ室１３０内に流体を吸い込む。こうして圧電素子１１２に対して負電圧を印加したり、印加した負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。
【００２４】
このように流体を圧送する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内の気泡が潰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。
【００２５】
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が形成されており、圧電素子３１２に正電圧を印加して圧電素子３１２を伸長させることに因ってポンプ室３３０内の流体を加圧する。また、圧電素子３１２に印加した正電圧を取り除いて圧電素子３１２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。
【００２６】
このような従来の送液ポンプ３００では、圧電素子３１２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によって潰す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）。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である。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。
【００２７】
また、本実施例の送液ポンプ１００では、圧電素子１１２に電圧を印加していない状態で、ダイアフラム１１６の上面と流路ブロック１２０の底面との間にごく僅かな隙間が空くようになっている（図１を参照）。従って、流体を圧送中にダイアフラム１１６が元の形状に復帰する度に、流路ブロック１２０の底面とダイアフラム１１６とが接触することが無く、接触によってダイアフラム１１６が劣化することを防止することができる。
【００２８】
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】
【００２９】
１００…送液ポンプ、    １１０…圧電素子ケース、    １１２…圧電素子、
１１６…ダイアフラム、    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、    １２７…凹部、
１３０…ポンプ室、    ３００…送液ポンプ、    ３１２…圧電素子、
３１６…ダイアフラム、    ３２０…流路ブロック、    ３２３…出口流路、
３２４…入口側バッファー室、    ３３０…ポンプ室
【図１】
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【図２】
2013060817.tif 000004
【図３】
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