(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の圧電振動子の周辺部を、外径が圧電振動子の径に一致し、かつ内径が圧電振動子の径の８０％以上であるシールド材を取り付けた平板状ケーシングで挟持し、その平板状ケーシングの片側に流体吸込口及び流体吐出口を設け、これら各々に吸込用、吐出用チェック弁を設けてなる圧電ポンプにおいて、
ケーシング内に装着された上記圧電振動子の静電容量が、装着前の当該圧電振動子の静電容量の９０％以上であることを特徴とする小型圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、医療機器、産業機器、理化学機器等に用いられる圧電ポンプ、特に小型圧電ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１を参照して従来の圧電ポンプを説明すると、ケーシング１の内周面に設けられた固定用シールド材４を介して圧電振動子３の周辺部を密封支持し、この圧電振動子３に交流電圧ｅを印加して当該圧電振動子３を振動させることにより流体を吸込口６より吸込用チェック弁２を通してポンプ室内に吸い込み、このポンプ室内に吸い込んだ流体を吐出用チェック弁２´を通して吐出口６´より吐出するように構成されている。
【０００３】
現在、直径が５０ｍｍ程度の円盤状圧電振動子を用いた圧電ポンプが主流であるが、圧電ポンプに対するより一層の小型化が強く望まれており、そのための手段として、円盤状圧電振動子の直径を４０ｍｍ以下と小さくし、相対的に小さくした上記のケーシング中に圧電振動子を装着していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電ポンプの小型化に関してその設計指針は明らかになっておらず、従来サイズの圧電ポンプのケーシングを相対的に小型化しただけの設計指針であるため、期待される値に対して十分なポンプ性能が得られない、または駆動中に圧電振動子が破損する、等の問題が生じていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述のような現状に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ケーシング内に装着された状態での圧電振動子の静電容量は装着前の静電容量に対して低下するが、このような小型ポンプにおいてはその低下の度合は圧電振動子の装着状態及び圧電ポンプの性能を把握する上で極めて有効な指標であることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は円盤状の圧電振動子の周辺部を、外径が圧電振動子の径に一致し、かつ内径が圧電振動子の径の８０％以上であるシールド材を取り付けた平板状ケーシングで挟み込むことにより固定し、その平板状ケーシングの片側に流体吸込口及び流体吐出口を設け、これら各々に吸込用、吐出用チェック弁を設けてなる圧電ポンプにおいて、ケーシング内に装着された上記圧電振動子の静電容量が商用電源周波数において装着前の当該圧電振動子の静電容量の９０％以上であることを特徴とする小型圧電ポンプを要旨とするものである。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
小型圧電ポンプにおける上記の問題点を解決するため、本発明ではケーシング内に装着された上記圧電振動子の静電容量は、商用電源周波数において装着前の当該圧電振動子の静電容量の９０％以上でなければならない。静電容量が９０％未満の場合、圧電振動子の振幅は著しく抑制されることを示し、結果として十分なポンプ特性が得られない。更に、極端な場合には駆動中に圧電振動子が破損してしまうことがある。圧電振動子の静電容量はポンプのケーシング内に装着する前の値に近いほど好ましいが、１００％に近付きすぎる場合、例えば９９％以上では圧電振動子と固定用シールド材の密着性が劣っていることを意味し、そのため流体の漏れを生じることがあるので、ケーシング内に装着後の圧電振動子の静電容量は、装着前の静電容量の９８％以下であることがより望ましい。
【０００９】
ここで用いる圧電振動子を構成する圧電体としては、セラミックス系、有機系のものが使用でき、具体的には、セラミックス系ではチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛等、有機系ではポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。これらの圧電振動子は電気的に絶縁体とするため、その表面にエポキシ樹脂等の絶縁塗料を塗布してもよい。
【００１０】
また、チェック弁としては流体の吸込時および吐出時にそれぞれ開くものであれば特に規定はないが、ダックビル型弁、アンブレラ型弁等を用いることができる。
【００１１】
この圧電体の誘電率は３０００以上、電気機械結合係数Ｋｐは５０％以上が好ましい。誘電率が３０００未満、あるいは電気機械結合係数Ｋｐが５０％未満であると、変位量、発生力が低下し、ポンプの吐出流量、吐出圧力が低下する場合がある。
【００１２】
圧電振動子の直径は、圧電ポンプの小型化という観点から５０ｍｍ以下、特に４０ｍｍ以下であることが好ましい。しかしながら、その直径が小さすぎると素子特性の低下が生じ、ポンプ特性の低下につながってしまうことがある。その傾向は、直径が２０ｍｍより小さくなると現れ始めるので、好ましくは２０ｍｍ以上がよい。
【００１３】
圧電振動子の厚さは、０．８〜１．５ｍｍの範囲で、圧電ポンプ装着前の商用電源周波数における静電容量が７０〜１８０ｎＦとなるよう、上述の直径を勘案しながら選択することが好ましい。静電容量がこの範囲を外れると、素子特性の低下が生じ、ポンプ特性の低下につながってしまうことがある。
【００１４】
圧電振動子を装着するケーシングの材料は特に制限されず、ポンプの使用目的によって適宜選択すればよいが、耐薬品性などの点で例えば、ポリプロピレン、ポリアセタールなどを用いることができる。
【００１５】
また、シールド材の材質は圧電振動子との密着性が保たれれば特に制限はなく、例えば、シリコンゴムなどを例示することができる。シールド材の内径の上限は、圧電振動子の直径より小さくなければならない。しかしながら、内径が圧電振動子の直径に近すぎると、圧電振動子との密着性が保てなくなる場合が生じることがあるので、好ましくは圧電振動子の直径の８０〜９５％である。
【００１６】
シールド材の厚さは０．１〜１．０ｍｍが好ましく、厚さが０．１ｍｍ未満であるとケーシング内に圧電振動子を装着した後の当該圧電振動子の商用電源周波数による静電容量の低下が起こることがあり、この低下を抑制しようとすると圧電振動子とシールド材との密着性が悪くなるため、好ましくない。一方、厚さが１．０ｍｍを越えると、圧電振動子の素子特性が低下し、ポンプ特性の低下につながってしまうことがあるので好ましくない。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１８】
なお、本発明に示す静電容量、誘電率及び電気機械結合係数の測定にはベクトルインピーダンスメータを用いた。
【００１９】
図２は本発明の小型圧電ポンプの一実施例を示す縦断面図、図３はその上面図である。図２、図３において、１１ａ、１１ｂ、１１ｃはケーシングであり、ケーシング１１ａに吸込口１６と吐出口１６´、ケーシング１１ｂに吸込用チェック弁１２と吐出用チェック弁１２´が設けられている。このチェック弁にはアンブレラ型のものを使用した。圧電振動子１３はケーシング１１ｂと１１ｃ間の内周部に設けられた固定用シールド材１４を介して密封支持されている。ノズル部分を除いた組み立て後のケーシングのサイズは４０×３６×２０ｍｍ、ノズルは内径４ｍｍφ、長さ１０ｍｍであり、材質はポリアセタールである。
【００２０】
固定用シールド材は径方向の断面が平板状のシリコンゴム製のリングで、内径２６ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍである。
【００２１】
なお、このケーシング内での素子の固定はＭ３の固定用ねじ１７にてケーシングの４隅を締め付けることにより行った。
【００２２】
本実施例における圧電振動子は、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ及びＬａよりなる複合酸化物を焼結し、機械加工して得られた誘電率３９００、電気機械結合係数６４％の圧電板２枚をリン青銅板を介して接着したものを用い、直径３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、５０Ｈｚにおける静電容量は８４ｎＦである。
【００２３】
図２のケーシング内に圧電振動子を装着する時の上記固定用ねじの締め付け力を調整して、５０Ｈｚにおける圧電振動子の静電容量を８０ｎＦ（装着前の９５％、以下同じ、実施例１）、７８ｎＦ（９３％、実施例２）、７２ｎＦ（８６％、比較例１）とした小型圧電ポンプに２００Ｖ、５０Ｈｚの交流電圧を印加して２５℃の水を流通させた。このときの得られたポンプ特性を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003808108.tif 000002
【００２５】
【発明の効果】
上述のように、本発明の圧電ポンプによればポンプ特性を損なわずにサイズの小型化を図ることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の圧電ポンプの構造を示す縦断面図である。
【図２】  本発明における一実施例を示す縦断面図である。
【図３】  本発明における一実施例を示す上面図である。
【符号の説明】
１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  ：  ケーシング
２、１２  ：  吸込用チェック弁
２´、１２´  ：  吐出用チェック弁
３、１３  ：  圧電素子
４、１４  ：  固定用シールド材
５、１５  ：  リード線
６、１６  ：  吸込口
６´、１６´  ：  吐出口
１７  ：  固定用ねじ
【図１】
0003808108.tif 000003
【図２】
0003808108.tif 000004
【図３】
0003808108.tif 000005