(57)【要約】【課題】ユニモルフ型の圧電振動子を用い、Ｏリングによってポンプ室の液密を保持する圧電ポンプにおいて、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、または振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれがない圧電ポンプを得る。【解決手段】Ｏリングの輪郭の反対側において、シムと圧電体に圧電振動子の振動に追従する弾性を有する弾性電極を介して給電する圧電ポンプ。【選択図】  図２
2009041554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉導電性金属板からなるシムと、このシムの表裏の一面に積層形成した圧電体とを有する平面円形の圧電振動子；
この圧電振動子のシムの圧電体を備えない面の周縁に弾接するＯリングを支持し、該圧電振動子との間にポンプ室を形成するメインハウジング；及び
このメインハウジングとの間に上記圧電振動子を挟着するサブハウジング；を有し、
上記圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電界を作用させ該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
上記サブハウジングに、上記Ｏリングの輪郭の反対側に位置させて、シム用と圧電体用の給電穴を形成し、
このシム用給電穴と圧電体用給電穴にそれぞれ圧電振動子の振動に追従して弾性変形可能な一対の弾性電極を挿通し、この一対の弾性電極を上記圧電振動子のシムと圧電体に圧縮状態で導通させて給電することを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記弾性電極は、圧縮コイルばねからなっている圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記弾性電極は、シムまたは圧電体に接触する電極と、この電極をシムまたは圧電体に向けて付勢するばね部材とからなっている圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項３記載の圧電ポンプにおいて、上記電極は、カーボン電極である圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記弾性電極は、ゴム材料中に導電材料を混入させた導電性ゴムからなっている圧電ポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、サブハウジング上には、上記一対の弾性電極を圧縮する給電制御基板が位置しており、この給電制御基板に、該一対の弾性電極に導通する給電端子が設けられている圧電ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の圧電体は、Ｏリング径より小径であって、圧電体用給電穴に対応する部分が径方向に突出している圧電ポンプ。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子の圧電体は、Ｏリング径より大径であって、シム用給電穴に対応する部分にシムを露出させる穴が空いている圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する圧電振動子によってポンプ作用を得る圧電ポンプに関し、特にユニモルフ型の圧電振動子に対する給電構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユニモルフ型の圧電振動子は、薄肉導電性金属板からなるシムと、このシムの表裏の一面に積層形成した圧電体とを有する平面円形の振動子である。このユニモルフ型の圧電振動子を用いた圧電ポンプは、メインハウジングに支持したＯリングとサブハウジングとの間に、圧電体をサブハウジング側に向けた圧電振動子を挟着して、圧電振動子とメインハウジングとの間にポンプ室を形成し、ポンプ室に連なる一対の流路には、流れ方向の異なる一対の逆止弁（ポンプ室への流体流を許す逆止弁とポンプ室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。シムと圧電体との間に交番電界を作用させて圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、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。
【特許文献１】実開平5-96500号公報
【特許文献２】特開2002-171003号公報
【特許文献３】特開2003-4760号公報
【特許文献４】特開2006-22807号公報
【特許文献５】特開2006-281170号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この圧電ポンプでは、圧電体の表面とシムとの間（圧電体の表裏）に交番電界を与えるための配線構造を必要とする。しかし従来品は、圧電体に対して、Ｏリングの平面位置より内側において、例えば半田付けによって給電ラインを接続していた。このため、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、あるいは振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれがある。
【０００４】
本発明は、以上の問題意識に基づき、ユニモルフ型の圧電振動子を用いた圧電ポンプにおいて、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、または振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれがない（少ない）圧電ポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ユニモルフ型の圧電振動子を用い、Ｏリングによってポンプ室の液密を保持する圧電ポンプでは、Ｏリング部分における圧電振動子の振動（振幅）が最も小さいことに着目し、このＯリングの輪郭の反対側において、シムと圧電体に圧電振動子の振動に追従する弾性を有する弾性電極を介して給電すれば、配線ラインが圧電振動子の振動を阻害し、または振動により配線ラインと圧電体との配線信頼性が低下するおそれが少ないとの結論に達して完成されたものである。
【０００６】
本発明は、薄肉導電性金属板からなるシムと、このシムの表裏の一面に積層形成した圧電体とを有する平面円形の圧電振動子； この圧電振動子のシムの圧電体を備えない面の周縁に弾接するＯリングを支持し、該圧電振動子との間にポンプ室を形成するメインハウジング；及びこのメインハウジングとの間に圧電振動子を挟着するサブハウジング；を有し、圧電振動子のシムと圧電体との間に交番電界を作用させ該圧電振動子振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、サブハウジングに、Ｏリングの輪郭の反対側に位置させて、シム用と圧電体用の給電穴を形成し、このシム用給電穴と圧電体用給電穴にそれぞれ圧電振動子の振動に追従して弾性変形可能な一対の弾性電極を挿通し、この一対の弾性電極を上記圧電振動子のシムと圧電体に圧縮状態で導通させて給電することを特徴としている。
【０００７】
弾性電極は、最も簡単には導電性の圧縮コイルばねから構成することができる。
【０００８】
弾性電極はまた、シムまたは圧電体に接触する電極と、この電極をシムまたは圧電体に向けて付勢するばね部材とから構成することができる。電極は、より具体的には、カーボン電極が好ましい。
【０００９】
あるいは、弾性電極は、ゴム材料中に導電材料を混入させた導電性ゴムから構成することができる。ゴム材料としては、具体的にはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）やシリコーンゴムを用いることができ、導電材料としては、具体的には炭素粉（グラファイト）やカーボンファイバを用いることができる。
【００１０】
サブハウジング上には、一対の弾性電極を圧縮する給電制御基板を位置させ、この給電制御基板に、該一対の弾性電極に導通する給電端子を設けることができる。
【００１１】
圧電振動子の圧電体の平面形状は、Ｏリング径より小径であっても大径であってもよい。小径の場合には、圧電体用給電穴に対応する部分を径方向に突出させ、この突出部分に圧電体用弾性電極を接触させればよい。大径の場合には、シム用給電穴に対応する部分にシムを露出させる穴を穿設し、この穴を介してシム用弾性電極をシムに接触させればよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の圧電ポンプは、ユニモルフ型の圧電振動子のシムと圧電体に対し、Ｏリングの反対側の面において、該Ｏリング上に位置する弾性電極を介して給電するので、圧電振動子の振動による影響を受けることが少ない。よって、給電構造が圧電振動子の振動を妨げ、あるいは圧電振動子の振動によって給電ラインの信頼性、耐久性が損なわれるおそれが少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本実施形態の圧電ポンプは、図１に示すように、圧電振動子１０、メインハウジング２０、サブハウジング３０、給電制御基板４０及び蓋体５０を有している。メインハウジング２０とサブハウジング３０は合成樹脂材料（例えばＰＢＴ(ポリブチレンテレフタレート)樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂）からなり、蓋体５０は金属材料（例えばＳＵＳ）からなっている。
【００１４】
メインハウジング２０には、平面円形のポンプ室凹部２１と、このポンプ室凹部２１に直交する互いに平行な吸入側流路（吸入ポート）２２と吐出側流路（吐出ポート）２３とが設けられている。ポンプ室凹部２１の周囲には、該ポンプ室凹部２１と同心にＯリング２４を嵌める環状溝（Ｏリング収納溝）２５が形成されている。圧電振動子１０は、このＯリング２４上に載置され、サブハウジング３０によって挟着されることで、ポンプ室凹部２１と圧電振動子１０との間にポンプ室Ｐが形成され、サブハウジング３０と圧電振動子１０との間に大気室Ａが形成される。
【００１５】
圧電振動子１０は、Ｏリング２４に接触するシム１１と大気室Ａ内に位置する圧電体１２とを積層したユニモルフ型である。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）が中央部の振幅が最も大きくなるように振動する。
【００１６】
図２（ａ）は、圧電振動子１０の圧電体１２の平面形状例を示している。Ｏリング２４の中心径をＤとしたとき、シム１１の径はこのＯリング径Ｄより十分大きい。一方、圧電体１２の径はＯリング径Ｄより小径であり、その一部に径方向突起１２ａが形成されている。この径方向突起１２ａは、Ｏリング径Ｄより外側に延びている。シム１１と圧電体１２は、常法に従い、接着剤で接着され、圧電体１２の表面には電極膜及び保護膜が形成されているが、径方向突起１２ａ部分では保護膜が除去されている。
【００１７】
サブハウジング３０には、図３に示すように、Ｏリング２４と同一径の同心円上に位置させて（Ｏリング２４の輪郭の反対側に）、シム用と圧電体用の一対の給電穴（貫通穴）３１、３２が穿設されている。この給電穴３１、３２内には、圧縮コイルばね（導電性材料）からなるコイルばね電極（圧電振動子１０の振動に追従して弾性変形可能な弾性電極）３３、３４が挿入されている。このコイルばね電極３３の圧電振動子１０側の端部は、シム１１と導通し、コイルばね電極３４の圧電振動子１０側の端部は、圧電体１２の径方向突起１２ａに導通する。勿論、一対の給電穴（貫通穴）３１、３２は、厳密にＯリング２４と同一径の同心円上に位置しなくても、Ｏリング２４の輪郭の反対側に位置すればよい。また、コイルばね電極３３、３４の間に適当なスペーサ（絶縁部材）を介在させれば、一対の給電穴３１、３２は繋がっていてもよい。
【００１８】
給電制御基板４０は、コイルばね電極３３と３４のサブハウジング３０からの突出端に位置しており、この給電制御基板４０により、コイルばね電極３３と３４は圧縮されている。給電制御基板４０には、コイルばね電極３３と３４にそれぞれ導通する給電用端子（図示せず）が設けられており、コイルばね電極３３と３４の圧縮状態では、給電制御基板４０上に設けた給電電子部品４１（図１）により、圧電振動子１０のシム１１と圧電体１２に対する給電回路が構成される。なお、圧電振動子１０とサブハウジング３０との間には、適当な位置決め手段（回り止め手段）が設けられ、サブハウジング３０には給電制御基板４０の位置を定める位置決めピン３５が設けられていて、圧電体１２の径方向突起１２ａとコイルばね電極３４との導通を保証している。
【００１９】
図２（ｂ）は、圧電振動子１０の別の実施形態を示している。この実施形態では、圧電体１２の径はＯリング径Ｄより大径であり、そのＯリング径Ｄ上の一部に、シム１１を露出させる露出穴１２ｂが形成されている。この実施形態では、コイルばね電極３３が露出穴１２ｂを通ってシム１１に導通し、コイルばね電極３４が圧電体１２に導通する。露出穴１２ｂ部分では、シム１１上の接着剤は除去され、コイルばね電極３４部分では圧電体１２上の保護膜は除去されている。
【００２０】
メインハウジング２０のポンプ室凹部２１には、ペア逆止弁セット６０が設けられている。このペア逆止弁セット６０は、従来の一対のアンブレラに代わるもので、実質的に２枚の金属板状部材６１と６２からなっている。
【００２１】
メインハウジング２０のポンプ室凹部２１の底部には、吸入側流路２２と吐出側流路２３の開口端に跨らせて、長円状の段凹部２６が形成されている。また、吐出側流路２３のポンプ室凹部２１側の端部には、大径逃げ部２３Ｄが形成されている。
【００２２】
段凹部２６内には、開閉板ばね６１が挿入されている。この開閉板ばね６１は、その一端吸入弁部６１ａが吸入側流路２２の開口端上に延びて常時は該吸入側流路２２を閉塞する。またその他端吐出弁部６１ｂは、一端吸入弁部６１ａより幅狭で、吐出側流路２３上に延びているが、大径逃げ部２３Ｄ内に位置して吐出側流路２３を閉塞することはない（図１）。開閉板ばね６１は、その一端吸入弁部６１ａと他端吐出弁部６１ｂが流路圧力で容易に弾性変形する金属材料、例えば厚さ０．０２〜０．０５ｍｍ程度のステンレス（ＳＵＳ）材料やゴム材料、例えば厚さ０．１〜０．５ｍｍ程度のＥＰＤＭから構成するのがよい。
【００２３】
開閉板ばね６１の他端吐出弁部６１ｂ上には、固定穴部材６２が重ねられている。図２では、この固定穴部材６２にハッチングを付した。この固定穴部材６２は、吐出側流路２３の軸線上に位置する吐出流路穴６２ａと、複数の固定用凹部６２ｂとを有しており、ポンプ室凹部２１上には、固定用凹部６２ｂに対応する複数の熱溶着突起２７が形成されている。開閉板ばね６１の他端吐出弁部６１ｂは、固定穴部材６２の吐出流路穴６２ａを塞ぐ大きさ（幅）を有しており、固定用凹部６２ｂに熱溶着突起２７を嵌めて熱溶着すると、他端吐出弁部６１ｂが固定穴部材６２下面に接触して、常時は吐出側流路２３を閉塞する。固定穴部材６２は、実質的に開閉板ばね６１の中間部をメインハウジング２０に固定し、一端吸入弁部６１ａと他端吐出弁部６１ｂの弾性変形を可能にしている。
【００２４】
図６は、固定穴部材６２をポンプ室凹部２１に固定するための別実施形態である。この実施形態では、固定穴部材６２に圧入脚６２ｃを設け、ポンプ室凹部２１にこの圧入脚６２ｃを圧入する圧入溝２８を設けている。
【００２５】
本実施形態の圧電ポンプは、次のように動作する。給電制御基板４０上の給電部品４１を介してコイルばね電極３３と３４の間に交番電界を与えると、コイルばね電極３３はシム１１に導通し、コイルばね電極３４は圧電体１２の径方向突起１２ａに導通しているので、圧電振動子１０のシム１１と圧電体１２（圧電体１２の表裏）に交番電界が与えられ、圧電振動子１０は平面円形の中央部分の振幅が最も大きくなるように振動する。
【００２６】
すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、ペア逆止弁セット６０の開閉板ばね６１の一端吸入弁部６１ａがポンプ室凹部２１側に弾性変形し（図１鎖線）、他端吐出弁部６１ｂは固定穴部材６２に密着するため、吸入側流路２２からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、開閉板ばね６１の他端吐出弁部６１ｂが大径逃げ部２３Ｄ内に弾性変形し（図１鎖線）、一端吸入弁部６１ａが吸入側流路２２を閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出側流路２３に液体が流出する。したがって、圧電振動子１０を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。
【００２７】
そして、本実施形態によると、圧電振動子１０に対する給電は、該圧電振動子１０の振動が最も少ないＯリング２４の輪郭の反対側において、シム１１と圧電体１２に導通しているコイルばね電極３３と３４によって行われるので、給電構造が圧電振動子１０の振動を妨げるおそれがない。また、コイルばね電極３３と３４は、常時圧縮されており、振動の最も少ない場所においてシム１１と圧電体１２に導通しているので、長期に渡る導通信頼性を確保することができる。
【００２８】
図７、図８はそれぞれ、本発明による圧電ポンプの別の実施形態を示している。これらは、シム１１と圧電体１２に導通させる弾性電極の別の実施形態を示すものである。図７では、カーボン付勢電極（弾性電極）３３Ｃと３４Ｃは、シム１１と圧電体１２に接触するカーボン電極Ｃと、この電極をシムまたは圧電体に向けて付勢する導電性ばね部材（圧縮コイルばね）Ｓとからなっている。カーボン付勢電極３３Ｃと３４ＣのコイルばねＳは、給電制御基板４０により圧縮され、カーボン電極Ｃが圧電振動子１０のシム１１と圧電体１２に導通する。カーボン（炭素）電極は、例えば黒鉛（グラファイト）粉末にカーボンブラックとナノ結晶（粒径20 nm以下）のTiO2を混合したペーストを焼成して得られる。炭素には種々の形態（フラーレン、カーボンナノチューブ等）が知られているが、本実施形態の用途では、電気伝導性、耐摩耗性に優れていれば形態は問わない。カーボン以外の導電性電極も使用可能である。
【００２９】
図８は、弾性電極として、ゴム材料中に導電材料を混入させた導電性ゴム柱３３Ｒ、３４Ｒを用いた実施形態である。導電性ゴム柱３３Ｒ、３４Ｒは、ゴム材料（例えばＥＰＤＭやシリコーンゴム）中に、導電材料、好ましくは炭素粉や炭素繊維、カーボンナノチューブを混入し、全体として導電性と弾力性（復元性）を与えた材料である。導電性ゴム柱３３Ｒ、３４Ｒは、一対の給電穴３１、３２に挿入した自由状態では、図８に鎖線で示すように同穴から突出しており、給電制御基板４０により圧縮されると、該基板の給電端子が圧電振動子１０のシム１１と圧電体１２に導通する。本実施形態の導電性ゴム柱も、全体として電気伝導性、耐摩耗性及び弾性（復元性）に優れていれば、その具体的な形態は問わない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による圧電ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、図１の圧電ポンプの圧電振動子の別の実施形態を示す平面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、図２のIIIａ-IIIａ線、IIIｂ-IIIｂ線に沿う断面図である。
【図４】図１の圧電ポンプの逆止弁部分の平面図である。
【図５】同斜視図である。
【図６】逆止弁部分の別の実施形態を示す、図５に対応する斜視図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、本発明による圧電ポンプの別の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、本発明による圧電ポンプのさらに別の実施形態を示す、図３に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  圧電振動子
１１  シム
１２  圧電体
２０  メインハウジング
２１  ポンプ室凹部
２２  吸入側流路
２３  吐出側流路
２４  Ｏリング
２５  環状溝
２６  段凹部
２７  熱溶着突起
２８  圧入溝
３０  サブハウジング
３１  ３２  給電穴
３３  ３４  コイルばね電極（弾性電極）
３３Ｃ  ３４Ｃ  カーボン付勢電極（弾性電極）
Ｃ  カーボン
Ｓ  ばね部材
３３Ｒ  ３４Ｒ  導電性ゴム柱（弾性電極）
４０  給電制御基板
５０  蓋体
６０  ペア逆止弁セット
６１  開閉板ばね
６１ａ  一端吸入弁部
６１ｂ  他端吐出弁部
６２  固定穴部材
６２ａ  吐出流路穴
６２ｂ  固定用凹部
６２ｃ  圧入脚
【図１】
2009041554.tif 000003
【図２】
2009041554.tif 000004
【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】
2009041554.tif 000009
【図８】
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