(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のハウジング内に、表裏の少なくとも一面に液体ポンプ室を形成する圧電振動子と、
該圧電振動子に対する駆動制御用部品を搭載した制御基板とを収納し、前記圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプであって、
前記制御基板には、前記圧電振動子に高電圧駆動信号を出力する高電圧制御回路と、この高電圧駆動信号の出力ラインに流れる電流量をモニタし、異常電流を検知したときに前記高電圧駆動信号の出力を強制終了する保護回路とが設けられていて、
さらに、前記高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間に、バイパスコンデンサを設けたことを特徴とするドライバ内蔵圧電ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記バイパスコンデンサの静電容量は、前記圧電振動子の素子容量に対する比率が１０％以内であるドライバ内蔵圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記バイパスコンデンサは、前記出力ラインと前記保護回路の接続点よりも前記圧電振動子に近い位置で前記出力ラインに接続されているドライバ内蔵圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載のドライバ内蔵圧電ポンプにおいて、前記制御基板には、駆動制御用の正弦波デジタル信号を生成するデジタル波形生成回路と、このデジタル波形生成回路で生成した正弦波デジタル信号から低周波数成分のみを取り出すアクティブフィルタと、入力した直流電圧信号を昇圧する昇圧回路とが設けられていて、前記高電圧制御回路は、昇圧した直流電圧信号と前記アクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号とを合成して前記高電圧駆動信号を生成するドライバ内蔵圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一のハウジング内に圧電ポンプとその制御基板を内蔵する圧電ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電ポンプは、平板状の圧電振動子とハウジングの間に可変容積室（液体ポンプ室）を形成し、圧電振動子を振動させることにより、可変容積室の容積を変化させてポンプ作用を得ている。より具体的には、可変容積室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁）を設けており、圧電振動子の振動により可変容積室の容積が変化すると、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。このような圧電ポンプは、例えば水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられており、圧電振動子とこの圧電振動子に駆動信号を与える制御基板（ドライバ）とを同一のハウジング内に収納して小型化及び薄型化を図っている（特許文献１乃至４）。
【特許文献１】特開平５−３２９４４２号公報
【特許文献２】特開平６−１８８７２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２５１８７４号公報
【特許文献４】特開２００５−８６１８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電ポンプの制御基板には、圧電振動子に対する駆動制御部品、例えば駆動制御用の正弦波信号を生成する波形生成回路、電源からの低入力電圧を昇圧する昇圧回路、及び、昇圧後の電圧信号と正弦波信号とを合成してなる高電圧駆動信号を圧電振動子に与える高電圧制御回路などが一般的に搭載されている。このように高電圧を発生させる駆動制御系では、高電圧駆動信号の出力ラインを流れる電流量（圧電振動子への入力電流量）をモニタし、異常電流を検知した場合に高電圧駆動信号の出力を強制的に遮断する保護回路が備えられている。
【０００４】
しかしながら、上記高電圧駆動信号の出力ラインに外部ノイズがのると、この外部ノイズが保護回路によって異常電流として誤検知され、高電圧駆動信号の出力遮断が頻発してしまうことが問題となっている。特許文献１〜４には電源内部から発生するノイズの除去対策としてバイパスコンデンサを用いることが開示されているが、保護回路による異常電流の誤検知を回避できるように外部ノイズ除去する方法は開示されていない。また、外部ノイズを除去するためには、コイル等比較的大きな外部取り付け部品を出力部に取り付けるのが一般的であり、十分なノイズ対策効果を得るためには、圧電ポンプの制御基板の大型化招く。また、ビーズによるノイズ除去も行われるが完全な対策には至っていない。
【０００５】
本発明は、以上の問題意識に基づき、高電圧駆動信号のノイズ成分を除去して保護回路の誤検知を回避し、安定したポンプ動作を実現可能なドライバ内蔵圧電ポンプをノートＰＣ等の小型電子機器に設置し易いよう、ＵＬ規格が取得し易く、小型で得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間にバイパスコンデンサを配置すれば、高電圧駆動信号にのった外部からのノイズを除去（吸収）でき、保護回路による誤検知を回避できることに着目して完成されたものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、単一のハウジング内に、表裏の少なくとも一面に液体ポンプ室を形成する圧電振動子と、該圧電振動子に対する駆動制御用部品を搭載した制御基板とを収納し、前記圧電振動子を振動させることにより液体ポンプ室内に液体を給排してポンプ作用を行わせるドライバ内蔵圧電ポンプであって、制御基板には、圧電振動子に高電圧駆動信号を出力する高電圧制御回路と、この高電圧駆動信号の出力ラインに流れる電流量をモニタし、異常電流を検知したときに高電圧駆動信号の出力を強制終了する保護回路とが設けられていて、さらに、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間に、バイパスコンデンサを設けたことを特徴としている。
【０００８】
バイパスコンデンサの静電容量は、圧電振動子の素子容量に対する比率が１０％以内であることが好ましい。この態様によれば、バイパスコンデンサを設けたことによる消費電流の増大を抑えられる。
好ましくは、前記バイパスコンデンサは、前記出力ラインと前記保護回路の接続点よりも圧電振動子に近い位置で前記出力ラインに接続する。
【０００９】
具体的に、制御基板には、駆動制御用の正弦波デジタル信号を生成するデジタル波形生成回路と、このデジタル波形生成回路で生成した正弦波デジタル信号から低周波数成分のみを取り出すアクティブフィルタと、入力した直流電圧信号を昇圧する昇圧回路とが設けられ、高電圧制御回路は、昇圧した直流電圧信号とアクティブフィルタを通過した正弦波デジタル信号とを合成して、高電圧駆動信号を生成することが実際的である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高電圧駆動信号の出力ラインとグランドの間にバイパスコンデンサを設けたので、高電圧駆動信号中の外部からのノイズ成分は除去されて保護回路の誤検出を回避でき、安定したポンプ動作を実現可能なドライバ内蔵圧電ポンプが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１ないし図６は、本発明の一実施形態による圧電ポンプ１００の全体構成を示している。この圧電ポンプ１００は、圧電振動子１０、ハウジング２０及び駆動基板５０を備えている。ハウジング２０は、上蓋（アッパハウジング）２０Ａ、メインハウジング２０Ｂ及び下蓋（ロアハウジング）２０Ｃからなっており、メインハウジング２０Ｂには、上蓋２０Ａ側に開口させて円形凹部４１（図３、図５参照）が形成され、下蓋２０Ｃ側に開口させて基板収納凹部５１（図４、図５参照）が形成されている。円形凹部４１の周縁には、Ｏリング収納環状溝４１ａが同心に形成されている。
【００１２】
圧電振動子１０は、図３、図５に示すように、円形の金属製のシム１１と、このシム１１の表裏面の一方に形成した円形の圧電体１２とを有している。この実施形態では、液体ポンプ室Ｐ側にシム１１が臨み、大気室Ａ側に圧電体１２が臨んでいる。
【００１３】
シム１１は、厚さ３０〜３００μm程度のステンレスや４２アロイ等からなる導電性金属薄板であり、圧電体１２は、例えば厚さ５０〜３００μm程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。圧電体１２の表裏に交番電界（高電圧駆動信号）が与えられると、圧電体１２の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム１１（圧電振動子１０）が振動する。
【００１４】
圧電振動子１０には、図５に示すように、その圧電体１２の表面周縁部に、導電性ゴム１８を介して第１給電ライン（リード部材）１４が導通接続されている。導電性ゴム１８は、ゴム性を維持して体積固有抵抗値を小さくした導電性ゴムからなっている。また、シム１１に半径方向に突出させて一体に形成した配線接続突起１１ｃには第２給電ライン１５が接続されている。
【００１５】
メインハウジング２０ＢのＯリング収納環状溝４１ａには、Ｏリング２７が挿入され、円形凹部４１内には、圧電振動子１０が挿入されている。そして、圧電振動子１０の周縁上に環状ガイド２８を介在させてメインハウジング２０Ｂ上に上蓋２０Ａを被せることにより、圧電振動子１０が液密に狭着支持されている。この圧電振動子１０と円形凹部４１との間には液体ポンプ室Ｐが構成され、圧電振動子１０と上蓋２０Ａとの間には、大気室（大気ポンプ室）Ａが形成される。
【００１６】
メインハウジング２０Ｂには、円形凹部４１内に、圧電振動子１０（円形凹部４１）の平面中心に対する偏心対称位置に位置させて、吸入側液溜室４２と吐出側液溜室４３が形成されている。吸入側液溜室４２と液体ポンプ室Ｐ、吐出側液溜室４３と液体ポンプ室Ｐとの間にはそれぞれ、吸入側逆止弁３２と吐出側逆止弁３３が設けられている。また、メインハウジング２０Ｂには、この吸入側液溜室４２と吐出側液溜室４３に連通する吸入ポート２４と吐出ポート２５が形成されている。
【００１７】
吸入側逆止弁３２は、吸入ポート２４から液体ポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、吐出側逆止弁３３は、液体ポンプ室Ｐから吐出ポート２５への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。
【００１８】
逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。
【００１９】
メインハウジング２０Ｂには、円形凹部４１周囲の筒状部４４に、周方向位置を異ならせて、給電ライン収納溝４５と４６が形成されている（図４、図５）。給電ライン収納溝４５と４６は、第１給電ライン１４と第２給電ライン１５を通すもので、通した状態でも、十分な空気流通空間が確保できるように、大断面積が確保されている。
【００２０】
メインハウジング２０Ｂには、給電ライン収納溝４５と４６を介して、大気室Ａと基板収納凹部５１とを連通させる大切欠（大気室通路、貫通穴）５２が形成されている（図４、図５）。この大切欠５２の上面は、図４に明らかなように、メインハウジング２０Ｂに被せた上蓋２０Ａによって塞がれる。
【００２１】
メインハウジング２０Ｂには、また、基板収納凹部５１を外部に連通させる外部連通路（穴）５４が形成されている。従って、基板収納凹部５１は、大切欠５２と給電ライン収納溝４５、４６を介して、大気室Ａに連通し、外部連通路５４を介して外部と連通している。このため、メインハウジング２０Ｂの基板収納凹部５１に駆動基板５０を嵌め、下蓋２０Ｃで蓋をした状態でも、大気室Ａは外部と連通することとなる。すなわち、圧電振動子１０が振動して大気室Ａの容積が縮小するときには、給電ライン収納溝４５、４６、大切欠５２、基板収納凹部５１及び外部連通路５４を通る外向きの空気流が生じ、大気室Ａの容積が拡大するときには、逆に、外部連通路５４、基板収納凹部５１、大切欠５２及び給電ライン収納溝４５、４６を通る内向きの空気流が生じる。
【００２２】
駆動基板５０上には、圧電振動子１０に対する駆動制御を行う電子回路部品５３（図４、図５）と、これら電子回路部品５３間を接続するプリント配線（図示せず）が形成されている。給電ライン収納溝４５と４６を介して大気室Ａ（円形凹部４１）の外に導かれた第１給電ライン１４と第２給電ライン１５は、駆動基板５０に接続されている。駆動基板５０上の電子回路部品５３による発熱は、給電ライン収納溝４５、４６、大切欠５２、基板収納凹部５１及び外部連通路５４を通る外向きの空気流、または、外部連通路５４、基板収納凹部５１、大切欠５２及び給電ライン収納溝４５、４６を通る内向きの空気流により、外部へ逃がされる。また、駆動基板５０がメインハウジング内に収納されることで高電圧を発生させる回路基板が圧電ポンプ１００の外側から内部に入ることとなりＵＬ規格などの取得に有利であり、圧電ポンプ、駆動基板５０が一体となるため、ノートＰＣ等小型電子機器内での配置の自由度が増大する。
【００２３】
次に、図６乃至図９を参照し、圧電振動子１０の駆動制御について説明する。
図６は、圧電振動子１０の駆動制御系（電子回路部品５３）を示すブロック図である。この駆動制御系は、電源５００と、昇圧回路５０１と、デジタル波形生成回路５０２と、二次アクティブフィルタ５０３と、高電圧制御回路５０４と、出力ライン５０５と、出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６と、バイパスコンデンサ５０７とを有している。電源５００、昇圧回路５０１、デジタル波形生成回路５０２及び二次アクティブフィルタ５０３は、低電圧信号（直流電圧信号ＤＣ１）を処理する低電圧部を構成し、高電圧制御回路５０４、出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６及びバイパスコンデンサ５０７は、高電圧信号（直流電圧信号ＤＣ２）を処理する高電圧部を構成している。
【００２４】
昇圧回路５０１は、電源５００から入力した直流電圧信号（低電圧信号）ＤＣ１を昇圧し、この直流電圧信号ＤＣ１より高い直流電圧信号（高電圧信号）ＤＣ２を高電圧制御回路５０４に出力する。本実施形態では、例えば５Ｖの直流電圧信号ＤＣ１を２００Ｖの直流電圧信号ＤＣ２に昇圧する。この昇圧回路５０１は、高電圧制御回路５０４内に設けられていてもよい。
【００２５】
デジタル波形生成回路５０２は、電源５００から直流電圧信号ＤＣ１を入力し、圧電振動子１０に対する駆動制御用の正弦波デジタル信号Ｓ１を生成する。正弦波デジタル信号Ｓ１の周波数及び振幅は、圧電振動子１０の駆動態様に応じて、適宜設定可能である。正弦波デジタル信号Ｓ１は、非連続のデジタル値（電圧値）により正弦波波形をあらわすため、時間軸に沿って階段状の電圧変化、すなわち、局所的に急峻な電圧変化が生じている。この正弦波デジタル信号Ｓ１は、時間軸及び電圧軸の分解能を高めることで理想的な連続する正弦波波形に近づけることは可能であるが、デジタル波形生成回路５０２の構成上、限界がある。本実施形態の正弦波デジタル信号Ｓ１は、最大振幅（正ピークから負ピークまでの振幅）Ｖｐｐを３Ｖに設定してある。
【００２６】
二次アクティブフィルタ５０３は、デジタル波形生成回路５０２で生成された正弦波デジタル信号Ｓ１を入力し、この正弦波デジタル信号Ｓ１のうち、所定のカットオフ周波数ｆｃより高い周波数成分を遮断して、同カットオフ周波数ｆｃ以下の低周波数成分のみを取り出す。正弦波デジタル信号Ｓ２は、二次アクティブフィルタ５０３により高周波数成分が除去されたことで、階段状の急峻な電圧変化がなくなって滑らかな信号波形となり、理想的な正弦波波形に近づく。この正弦波デジタル信号Ｓ２の最大振幅Ｖｐｐは、二次アクティブフィルタ５０３を通過する前の正弦波デジタル信号Ｓ１と同様、３Ｖである。図７は、オペアンプＯＰ、抵抗Ｒ１、Ｒ２及びコンデンサＣ１、Ｃ２からなる二次アクティブフィルタ５０３の具体的な回路構成例を示している。
【００２７】
高電圧制御回路５０４は、昇圧回路５０１で昇圧された後の直流電圧信号ＤＣ２と、二次アクティブフィルタ５０３を通過した滑らかな正弦波デジタル信号Ｓ２とを合成し、圧電振動子１０を駆動可能なレベルの高電圧駆動信号Ｓ３を生成する。高電圧駆動信号Ｓ３は、正弦波デジタル信号Ｓ２と同様に、階段状の急峻な電圧変化のない滑らかな信号波形（正弦波波形）となる。本実施形態の高電圧制御回路５０４は、振幅（０Ｖから正負一方のピークまでの振幅）Ｖｏｐが１７０Ｖとなる高電圧駆動信号Ｓ３を生成する。
【００２８】
出力ライン５０５は、高電圧制御回路５０４と圧電振動子１０の間を接続する信号ラインであって、該高電圧制御回路５０４で生成された高電圧駆動信号Ｓ３を圧電振動子１０に与える。
【００２９】
出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６は、出力ライン５０５と高電圧制御回路５０４内の配線部に接続されていて、出力ライン５０５を流れる電流量（圧電振動子１０への入力電流量）をモニタし、異常電流を検知したときに高電圧駆動信号Ｓ３の出力（高電圧制御回路５０４からの出力）を強制的に遮断する。本実施形態では、出力ライン５０５を流れる電流量が第１の規定値を超える場合は圧電振動子１０がショートしている状態であると想定され、また、同電流量が第２の規定値を下回る場合は圧電振動子１０が接続されていないオープン状態（負荷なし）であると想定されるので、高電圧駆動信号Ｓ３の出力を遮断するようにしている。
【００３０】
バイパスコンデンサ５０７は、出力ライン５０５と出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６の接続点よりも圧電振動子１０側に位置させて、該出力ライン５０５とグランドＧの間に接続されており、外部から導入され、出力ライン５０５を通過する高電圧駆動信号Ｓ３のノイズを吸収する。
【００３１】
このバイパスコンデンサ５０７は、圧電振動子１０とともに電源５００の負荷として働くため、静電容量が小さいほど消費電流の増大を抑えられる。実際的に、バイパスコンデンサ５０７の静電容量Ｃｂは、圧電振動子１０の素子容量Ｃの１０％以内に設定してある（Ｃｂ／Ｃ≧０．１）。本実施形態では、圧電振動子１０の素子容量０．０５μF、バイパスコンデンサ５０７の静電容量０．００５μFである。
【００３２】
上記高電圧駆動信号Ｓ３が与えられると、圧電振動子１０は、該高電圧駆動信号Ｓ３に基づいて正逆に振動（弾性変形）する。圧電ポンプ１００は、圧電振動子１０の振動により、液体ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート２４から液体ポンプ室Ｐ内に液体が流入する一方、液体ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、液体ポンプ室Ｐから吐出ポート２５に液体が流出する。これにより、ポンプ作用が得られる。このポンプ作用中、バイパスコンデンサ５０７が出力ライン５０５（高電圧駆動信号Ｓ３）にのったノイズを吸収するので、出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６にノイズが重畳せずに済み、ノイズ重畳による異常電流は生じない。これにより、保護回路（出力電流帰還制御ライン５０６）の誤検出による高電圧駆動信号Ｓ３の出力遮断を回避でき、安定したポンプ動作を実現できる。
【００３３】
以上の駆動制御系を搭載した駆動基板５０は２０mm×３１mm、厚さ４．５mmと非常に小型に形成できた。これにより、圧電ポンプ１００は駆動基板５０をハウジング２０内に収納した上で、３４mm×５０mm、厚さ８mmと小型化を達成できた。なお、ノイズ除去手段には、バイパスコンデンサ５０７の替わりにコイルを設けることも考えられるが、コイルを用いた場合には駆動基板５０が大型化し、ハウジング２０内に収納することが難しい。
【００３４】
この圧電ポンプ１００において、圧電振動子１０の素子容量Ｃを一定にしてバイパスコンデンサ５０７の静電容量Ｃｂを異ならせて保護回路（出力電流帰還制御ライン５０６）の誤作動発生頻度（ノイズ停止確率）を測定した測定結果を表１及び図８に示した。図８は、バイパスコンデンサ５０７の静電容量Ｃｂと圧電振動子１０の素子容量Ｃの割合（容量比率Ｃｂ／Ｃ）と、保護回路（出力電流帰還制御ライン５０６）の誤作動発生頻度［％］と、駆動制御系全体の消費電流量［mA］との関係をグラフ化して示している。
【表１】
0005000453.tif 000002
【００３５】
表１より、容量比率Ｃｂ／Ｃが１００％以下、０．１％以上の場合にノイズ停止確率は０％であり、効果が得られることが分かる。
表１及び図８において、容量比率Ｃｂ／Ｃ＝０．０パーセントの場合は、バイパスコンデンサ５０７を設けていない比較例であって、保護回路の誤作動発生頻度４０％、消費電流量２１０mAであった。
【００３６】
これに対し、容量比率Ｃｂ／Ｃ＞０の場合は、バイパスコンデンサ５０７を設けた実施例である。バイパスコンデンサ５０７を設けることで、保護回路の誤作動発生頻度は０％となり、外部ノイズによる異常電流が出力電流帰還制御ライン（保護回路）５０６に生じていないこと、すなわち、出力ライン５０５にのった外部ノイズが除去されていることが明らかである。また、消費電流量は、バイパスコンデンサ５０７の静電容量が大きいものほど大きくなることが明らかである。容量比率Ｃｂ／Ｃ≧０．１％であれば消費電流２０９mAでバイパスコンデンサ５０７を設けない場合と同等であり、容量比率Ｃｂ／Ｃ≦１０％であれば消費電流２１５mAでバイパスコンデンサ５０７を設けない場合に対して消費電流の増大が抑えられている範囲であると判定できる。この結果を受けて、本実施形態では、バイパスコンデンサ５０７の静電容量Ｃｂを圧電振動子１０の素子容量Ｃの１０％以内に設定した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態による圧電ポンプを示す平面図である。
【図２】同背面図である。
【図３】図１、図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図１、図２のIV-IV線に沿う断面図である。
【図５】同圧電ポンプの分解斜視図である。
【図６】同圧電ポンプの駆動制御系を説明するブロック図である。
【図７】図６の二次アクティブフィルタの具体的な回路構成例である。
【図８】バイパスコンデンサと圧電振動子の容量比率と保護回路の誤作動発生頻度及び消費電流量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１００  圧電ポンプ
１０  圧電振動子
２０  ハウジング
５０  駆動基板
５００  電源
５０１  昇圧回路
５０２  デジタル波形生成回路
５０３  二次アクティブフィルタ
５０４  高電圧制御回路
５０５  出力ライン
５０６  出力電流帰還制御ライン（保護回路）
５０７  バイパスコンデンサ
【図１】
0005000453.tif 000003
【図２】
0005000453.tif 000004
【図３】
0005000453.tif 000005
【図４】
0005000453.tif 000006
【図５】
0005000453.tif 000007
【図６】
0005000453.tif 000008
【図７】
0005000453.tif 000009
【図８】
0005000453.tif 000010