(57)【要約】【課題】逆止弁のないバルブレス構造で、液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能なダイアフラム型液体搬送器を提供する。【解決手段】ポンプベース１には、４つの圧力室８１、８２、８３、８４を構成するための凹部が形成されており（８２、８３は図示なし）、圧力室８１、８４にはそれぞれ流出入口７１、７２が形成されている。圧力室間は流路（図示なし）でつながっており、流出入口７１と流出入口７２は圧力室と流路を介して連通されている。ポンプベース１にシールゴム６を挟んでダイアフラム２が配され、その上に圧電素子３が重ねられている。圧電素子３の中心部にダンパーゴム５を配し、その上にポンプ蓋４が固定される。圧電素子３には、各圧力室上において独立に電圧が印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流出入口を備えた一対の流出入圧力室と、流出入口を有しない１ないし複数の中間圧力室とが、流路を介して連結されており、各圧力室には壁面の一部として当該圧力室の容積を変化させる容積変化部材が備えられており、該容積変化部材は、電界印加によって変形する変位発生素子とこれと一体的に動作するダイアフラムによって構成されていることを特徴とするダイアフラム型液体搬送器。
【請求項２】
各変位発生素子は、間欠的に変形するように電圧の印加が行なわれており、上流側圧力室が連結されていない圧力室の容積が増大するとき当該圧力室には外部から液体が流入し、下流側圧力室が連結されていない圧力室の容積が縮小するとき当該圧力室から外部へ液体が流出し、上流側圧力室の容積が縮小するときその上流側圧力室に隣接する下流側圧力室の容積が増大して上流側から下流側へ液体の搬送が行なわれることを特徴とする請求項１に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項３】
圧力室を形成するための凹部が形成されたポンプベースと、前記ポンプベースに被せられるポンプ蓋との間に密閉空間が形成されており、その密閉空間内に前記変位発生素子が設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項４】
各前記変位発生素子は、１枚の圧電素子の部分領域によって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項５】
前記ダイアフラムは、前記圧電素子によって前記ポンプベースに押圧されていることを特徴とする請求項４に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項６】
前記ダイアフラムは、前記ポンプベースに接着されていることを特徴とする請求項３に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項７】
前記ダイアフラムは、前記密閉空間内に配置された押圧部材によって前記ポンプベースに押圧されていることを特徴とする請求項３に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項８】
各前記変位発生素子は、圧力室毎に設置された圧電素子によって構成されていることを特徴とする請求項１から３、６または７のいずれかに記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項９】
前記圧電素子が積層型圧電素子であることを特徴とする請求項８に記載のダイアフラム型液体搬送器。
【請求項１０】
各圧力室が円周上に配置されており、全体として円筒状形状を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のダイアフラム型液体搬送器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気・電子機器および電子部品の発熱体を冷却するための冷却装置を構成する小型薄型のダイアフラム型液体搬送器に関するものである。また、医療・化学の分野において微小流体流量を高精度に制御するためのマイクロポンプに関するものである。特に、本発明は、逆止弁を用いることなく液体を搬送できるようにしたダイアフラム型液体搬送器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロポンプの主な液体搬送方式としては、逆止弁を用いる方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルを用いた方式とに大きく分類することができる。前者の方式として、例えば、特許文献１には、アクチュエータによってダイアフラムを動かすことによりポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載されている。また、特許文献２には、圧電素子に交流電界を印加することで、圧電素子を屈曲振動させ、その屈曲振動をもとに吸込弁と吐出弁を交互に働かせ、吸込、吐出を行わせる、図１３に示す圧電ポンプが開示されている。図１３に示すように、ポンプ室１４の内壁面の一部を構成する、圧電素子１２が弾性シム板１１に貼り合わされてなるダイアフラム１３が振動することにより、ポンプ室１４内の容積が変化する。圧縮時には、液体の圧力により吸込弁１５は閉塞し、吐出弁１６は開放して、ポンプ室１４内の液体は吐出弁１６より流れ出る。また、膨張時には、ポンプ室１４内の液体の負圧により吐出弁１６は閉塞し、吸込弁１５は開放して、ポンプ室１４内に液体が流入する。後者の方式として、特許文献３には、加圧室に連通するノズル部に突起物を設け、流れの方向により流路抵抗が異なるマイクロポンプが記載されている。このマイクロポンプによれば、所望の流れの方向とは逆方向への流れを起こりにくくすることができ、所望の一方向に液体を搬送することが可能となる。
【特許文献１】特開平１１-２５７２３３号公報
【特許文献２】特開２００３-３５２６４号公報
【特許文献３】特開平１０-１１０６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この特許文献１、２に開示された従来例では、逆止弁（吸込弁、吐出弁）を設けるので、機械的に劣化しやすいということと組立工数がかかるという問題がある。また、特許文献３に開示されたマイクロポンプは、流体の一部が逆流してしまうという問題があり、精度の高い液体の搬送が困難である。さらに、いずれの特許文献に記載されたものも、構造上、一方向にしか液体を搬送できないという問題がある。
本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、劣化の原因となる逆止弁のないバルブレス構造で、液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能なマイクロポンプを提供できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、流出入口を備えた一対の流出入圧力室と、流出入口を有しない１ないし複数の中間圧力室とが、流路を介して連結されており、各圧力室には壁面の一部として当該圧力室の容積を変化させる容積変化部材が備えられており、該容積変化部材は、電界印加によって変形する変位発生素子とこれと一体的に動作するダイアフラムによって構成されていることを特徴とするダイアフラム型液体搬送器、が提供される。
【０００５】
そして、好ましくは、各変位発生素子は、間欠的に変形するように電圧の印加が行なわれており、上流側圧力室が連結されていない圧力室の容積が増大するとき当該圧力室には外部から液体が流入し、下流側圧力室が連結されていない圧力室の容積が縮小するとき当該圧力室から外部へ液体が流出し、上流側圧力室の容積が縮小するときその上流側圧力室に隣接する下流側圧力室の容積が増大して上流側から下流側へ液体の搬送が行なわれる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、圧力室の増大と縮小のみによって液体を搬送することができるので、逆止弁（吸込弁、吐出弁）を用いる必要がなくなり、バルブレス構造とすることで、部品点数、組立工数を削減することが可能になり、低コストでかつ機械的劣化のない信頼性の高いダイアフラム型液体搬送器を提供することができる。また、バルブレス構造とすると共に、流入側と流出側の区別を設けない構造としたことで、液体を正逆両方向に高精度に搬送することが可能なダイアフラム型液体搬送器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態を示す断面図であって、図１は、図３のＹ−Ｙ線での縦断面図、図２は、図３のＹ−Ｙ’線での縦断面図、図３は、図１のＸ−Ｘ線での横断面図である。図１〜図３において、１はポンプベース、２はダイアフラム、３は圧電素子、４はポンプ蓋、５はダンパーゴム、６はシールゴム、７１、７２は流出入口、８１〜８４は圧力室、９１〜９３は流路である。
図に示されるように、ポンプベース１には、４つの圧力室８１、８２、８３、８４を構成するための凹部が形成されており、圧力室８１、８４にはそれぞれ流出入口７１、７２が開設されている。さらに、圧力室８１と圧力室８２が流路９１で、圧力室８２と圧力室８３が流路９２で、圧力室８３と圧力室８４が流路９３でつながっており、流出入口７１と流出入口７２が圧力室と流路を介して連通されている。本発明の圧電型液体搬送器は、ポンプベース１にシールゴム６を挟んでダイアフラム２が配され、その上に圧電素子３が重ねられている。さらに、圧電素子３の中心部にダンパーゴム５を配し、その上にポンプ蓋４を重ね、ネジや接着により、ポンプベース１に固定する。ネジ止めの場合には、ポンプベース１とポンプ蓋４の間にゴム等のシール材（図示せず）を挟んで固定する。これによって、圧電素子３やダイアフラム２はポンプベース１とポンプ蓋４で密封される。ここで、圧電素子３は、ダンパーゴム５によりポンプベース１に押圧されており、シールゴム６は、圧電素子３によりポンプベース１に押圧されている。これにより、液体が流路９１〜９３以外の経路を介して流れないようにされている。なお、シールゴム６は、ポンプベース１に形成された溝内に配置されている。
図４は、本実施の形態における圧電素子３の平面図である。図４に示すように、圧電素子３は、円周方向に９０°ずつ４等分されたそれぞれの領域に独立に電界を印加することにより（電極、ケーブルは図示せず）、後述されるように、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄの順に間欠的に位相がずれて上下動する。圧電素子３とダイアフラム２は接着剤、粘着剤等により密着しており、圧電素子３とダイアフラム２は一体となって振動する。
【０００８】
次に、圧電素子への電界の印加と液体の流れの関係について説明する。図５は、圧電素子３の各領域に印加される電圧の波形図であり、図６は、各圧力室の状態を示す動作説明図である。時刻ｔ１において、領域Ａに印加される電圧が立ち上がる。これにつれて領域Ａのダイアフラムが上に凸に変形し圧力室８１の容積が増大する。このとき、領域Ｂの圧電素子に電圧が印加されていないため圧力室８２の液体は静止状態にあり、容積の増大した圧力室８１には流出入口７１を介して外部より液体が流入する。時刻ｔ２にいたると、領域Ａに印加される電圧が低下し始め、同時に領域Ｂに印加される電圧が立ち上がり始める。よって、圧力室８１の容積が縮小すると共に、領域Ｂの圧力室８２の容積が増大し始める。これにつれて液体は圧力室８１から圧力室８２へと流入する。このとき、圧力室８２の容積の増大を圧力室８１の容積の減少が補償する形で液体の移動が行なわれるため、圧力室８１への流出入口７１を介しての液体の流入は殆ど起こらない。時刻ｔ３にいたると、領域Ｂに印加される電圧が低下し始めるが、ｔ２〜ｔ３間に圧力室８２へ流入した液体の量は、ｔ１〜ｔ２間に圧力室８１へ流入した液体の量に一致している。以下、同様にして、ｔ３〜ｔ４間では圧力室８２の容積が縮小し圧力室８３の容積が増大し、それにつれて液体は圧力室８２から圧力室８３へと流入する。また、ｔ４〜ｔ５間では圧力室８３の容積が縮小し圧力室８４の容積が増大し、それにつれて液体は圧力室８３から圧力室８４へと流入する。このとき、圧力室８４の容積の増大を圧力室８３の容積の縮小によって補償するように液体の移動が行なわれるため、圧力室８４へ流出入口７２からの流入はほとんど生じない。時刻ｔ５〜ｔ６間はｔ１〜ｔ２間の状態に戻り、ｔ４〜ｔ５間に圧力室８４へ流入した液体が流出入口７２を介して外部へ流出される。
領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに印加される電圧を交換することによって液体の流れ方向を逆転させることができる。例えば、領域Ａに印加される電圧と領域Ｄに印加される電圧とを交換し、領域Ｂに印加される電圧と領域Ｃに印加される電圧とを交換することによって流れ方向を逆転させることができる。あるいは、領域Ａに印加される電圧と領域Ｃに印加される電圧とを交換することによって、もしくは、領域Ｂに印加される電圧と領域Ｄに印加される電圧とを交換することによって流れ方向を逆転させることができる。
【０００９】
〔第２の実施の形態〕
図７は、本発明の第２の実施の形態を示す横断面図である。本実施の形態の縦断面図は、図１、図２に示される第１の実施の形態の場合と同様であって、図７は、図１のＸ−Ｘ線断面に相当している。本実施の形態の、第１の実施の形態と相違する点は、ポンプベース１に形成された、圧力室をつなぐ流路を円弧状でなく直線状としたことである。
すなわち、図７に示すように、圧力室８１と圧力室８２が流路９４で、圧力室８２と圧力室８３が流路９５で、圧力室８３と圧力室８４が流路９６でつながっている。その他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、動作も同様である。
【００１０】
〔第３の実施の形態〕
図８、図９は、本発明の第３の実施の形態を示す図であって、図８は、図９のＷ−Ｗ線での縦断面図、図９は、図８のＺ−Ｚ線での横断面図である。本実施の形態おいては、全ての圧力室に共通の１枚の圧電素子３に代え、個別の積層型圧電素子を用いている。第１の実施の形態と同様にポンプベース１には、４つの圧力室８１、８２、８３、８４を構成するための凹部と流出入口７１、７２が形成され、さらに、各圧力室をつなぐ流路９１、９２、９３が形成され、流出入口７１と流出入口７２が圧力室および流路を介して連通されている（圧力室８２、８３、流路９１〜９３は図示なし）。本実施の形態においては、ダイアフラム２はポンプベース１上に接着されている。ダイアフラム２の上の圧力室８１、８２、８３、８４に相当する位置にそれぞれ積層型圧電素子３１、３２、３３、３４が配され、その上にポンプ蓋４を重ねられ、ポンプ蓋４はネジや接着によりポンプベース１に固定される。ネジ止めの場合には、ポンプベース１とポンプ蓋４の間にゴム等のシール材（図示せず）を挟んで固定する。積層型圧電素子３１、３２、３３、３４はそれぞれ独立に電圧が印加され（電極、ケーブルは図示せず）、制御される。
【００１１】
〔第４の実施の形態〕
図１０、図１１は、本発明の第４の実施の形態を示す図であって、図１０は、図１１のＶ−Ｖ線での縦断面図、図１１は、図１０のＵ−Ｕ線での横断面図である。先の第３の実施の形態では、ダイアフラム２がポンプベース１上に接着されていたが、本実施の形態では、ダイアフラム２とポンプ蓋４との間に弾性押圧部材１０を挿入してこれによりダイアフラム２をポンプベース１上に押圧している。これ以外の点は、第３の実施の形態と同じである。
第４の実施の形態では、それ自身弾性を有する押圧部材によってダイアフラム２を押圧していたが、これに代えゴムシートのような弾性を有する部材と弾性を有しない押圧部材との積層体を用いてダイアフラム２をポンプベース１に押圧するようにしてもよい。
第２〜第４の実施の形態のダイアフラム型液体搬送器は、第１の実施の形態の場合と同様に、圧電素子の各領域あるいは各積層型圧電素子には例えば図５に示される電圧が印加され、図６に示されるように動作するものである。第１〜第４の実施の形態では、圧力室は４個の場合が示されているが、図６の動作説明図からも分かるように圧力室は３個以上であれば、正常に液体搬送を行うことが可能である。
【００１２】
〔第５の実施の形態〕
図１２は、本発明の第５の実施の形態を示す縦断面図である。第１〜４の実施の形態では、圧力室は円周上に配置され、液体搬送器は円筒形の形状をしていたが、本実施の形態では、圧力室は直線状に配置され、また液体搬送器は直方体の形状をなしている。さらに、先の実施の形態では、圧力室は四個ずつ配置されていたが、本実施の形態では圧力室は三個に減らされている。すなわち、図１２に示されるように、圧力室８１〜８３が直線状に配置され、圧力室８１と圧力室８２が流路９１で、圧力室８２と圧力室８３が流路９２でつながっている。そして、圧力室８１には流出入口７１が、圧力室８３には流出入口７２が開設されている。また、本実施の形態においては、ダイアフラム２はポンプベース１上に接着されており、各圧力室上には、積層型圧電素子３１ないし３３が設置されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す横断面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態において用いられている圧電素子の平面図。
【図５】本発明の第１の実施の形態の動作を説明するための電圧波形図。
【図６】本発明の第１の実施の形態の動作説明図。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す横断面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す縦断面図。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す横断面図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す縦断面図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態を示す横断面図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態を示す縦断面図。
【図１３】従来例の縦断面図。
【符号の説明】
【００１４】
１  ポンプベース
２  ダイアフラム
３  圧電素子
３１、３２、３３、３４  積層型圧電素子
４  ポンプ蓋
５  ダンパーゴム
６  シールゴム
７１、７２  流出入口
８１、８２、８３、８４  圧力室
９１、９２、９３、９４、９５、９６  流路
１０  弾性押圧部材
１１  弾性シム板
１２  圧電素子
１３  ダイアフラム
１４  ポンプ室
１５  吸込弁
１６  吐出弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2009121242.tif 000011
【図１０】
2009121242.tif 000012
【図１１】
2009121242.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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