JP2004308465A

JP2004308465A - 定量搬送ポンプ

Info

Publication number: JP2004308465A
Application number: JP2003100108A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Omori; 勝好大森; Kenji Suzuki; 健司鈴木
Original assignee: Star Micronics Co Ltd
Current assignee: Star Micronics Co Ltd
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】１回あたりの搬送量がより安定な定量搬送ポンプを得る。
【解決手段】流入口逆流阻止手段を備える流入口６１と流出口逆流阻止手段を備える流出口６２を有するポンプ圧力室６０の一部を構成する圧力室ダイアフラム５４と、前記圧力室ダイアフラム５４に屈曲動作を与えるアクチュエータ５１と、該アクチュエータ５１に押されたときの前記圧力室ダイアフラム５４の屈曲動作の限度を決める押込み時ストッパ５６ｃとを備える。これによって、アクチュエータ５１に押されたときの圧力室ダイアフラム５４の屈曲の限度を押込み時ストッパ５６ｃが決めるため、電圧変動などによるアクチュエータ５１の駆動量変化にかかわらず、圧力室ダイアフラム５４の屈曲の限度を一定に保つことができ、ポンプの搬送量変動を抑制できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、定量の液体または気体を搬送するための定量搬送ポンプに関する。特に、マイクロポンプとして適した定量搬送ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
医薬投与の技術分野、燃料電池の燃料供給の技術分野、印刷機器のインク供給の技術分野などにおいては、より厳密に定量の液体または気体を搬送する定量搬送ポンプが求められている。
【０００３】
従来の液体または気体を搬送するための圧電素子などを用いた小型の搬送ポンプは、圧力室の一部を構成する圧力室ダイアフラムに圧電素子などのアクチュエータを直接貼着し駆動している（例えば、特許文献１参照）。また、圧電素子などのアクチュエータそのものを圧力室ダイアフラムとして使用しているものもある（例えば、特許文献２参照）。また、圧力室ダイアフラムと座屈構造体を結合部材で結合し圧力室ダイアフラムを駆動するものもある（例えば、特許文献３参照）。
さらに、従来の技術として、図６に示すような静電駆動型マイクロダイアグラムポンプが開示されている。すなわち、送液室６は第１の送液基板１と第２の送液基板５により形成されており、送液ダイアフラム９の駆動は固定電極１１と可動電極１２、加圧ピン１３を含む駆動部により行われる。固定電極１１と可動電極１２とはその間に絶縁膜を介して接合されている。図６は、静電力を加えていない状態を示しており、静電力を加えると可動電極１２が固定電極１１に吸い寄せられて送液ダイアフラム９が変形し送液の吐出を行うものである（特許文献４参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１４９３７０号公報
【特許文献２】
特開平５−２６３７６３号公報
【特許文献３】
特開平８−１６９１１０号公報
【特許文献４】
特開平１１―８２３０９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記特許文献１乃至３の圧電素子などを用いた小型の搬送ポンプは、圧電素子などのアクチュエータの屈曲変形動作が直接圧力室ダイアフラムの変形となるため、図５で示すアクチュエータに与える駆動電圧とポンプの搬送量の関係において、点線で示した従来例の搬送ポンプ特性のように、圧電素子などの駆動電圧の違いが圧力室の容量変化となって現れ、ポンプの搬送量が変化または変動する。また、アクチュエータの動作が直接強制的に吸引動作となるため、吸引時に搬送液に気泡を生じさせるキャビテーション現象を起こしがちで、搬送量を変動させることにもなる。また、上記図６に示した静電駆動型マイクロダイアフラムポンプは、電圧などの変化による静電力の変化が送液の吐出量の変化に直接影響を与えるものである。
【０００６】
そこで、本発明は、ポンプの１回あたりの搬送量がより安定する定量搬送ポンプを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明では、流入口逆流阻止手段を備える流入口と流出口逆流阻止手段を備える流出口を有するポンプ圧力室の一部を構成する圧力室ダイアフラムと、
前記圧力室ダイアフラムに屈曲動作を与えるアクチュエータと、
該アクチュエータに押されたときの前記圧力室ダイアフラムの屈曲動作の限度を決める押込み時ストッパとを備える定量搬送ポンプとする。これによって、アクチュエータに押されたときの圧力室ダイアフラムの屈曲の限度を押込み時ストッパが決めるため、電圧変動、弾性力変動などによるアクチュエータの駆動力変化にかかわらず、圧力室ダイアフラムの屈曲の限度を一定に保つことができ、ポンプの搬送量変動を抑制できる。
【０００８】
また、前記押込み時ストッパを、前記ポンプ圧力室の前記圧力室ダイアフラムに対向する壁とすれば、容易にかつ安定した押込み時ストッパを形成できる。
【０００９】
また、さらに、前記アクチュエータから開放されたときの前記圧力室ダイアフラムの屈曲動作の限度を決める開放時ストッパを備える定量搬送ポンプとすれば、より厳密にポンプの搬送量変動を抑制できる。
【００１０】
また、前記開放時ストッパが、前記アクチュエータ又は前記圧力室ダイアフラムに設けた前記圧力室ダイアフラム駆動のための駆動ピンを通す穴を有し、前記アクチュエータと前記圧力室ダイアフラムとの間に配設される定量搬送ポンプとすれば、容易にかつ安定した開放時ストッパを形成できる。
【００１１】
また、前記圧力室ダイアフラム駆動のための駆動ピンが、前記圧力室ダイアフラムが前記アクチュエータから開放されたときに、前記圧力室ダイアフラム又は前記アクチュエータから離間さる構成の定量搬送ポンプとすれば、圧力室ダイアフラムの開放時位置が、開放時ストッパにより一義的に決まるものとできると共に、吸引時に搬送液等に気泡を生じさせるキャビテーション現象を抑止でき、より厳格にポンプの搬送量の変動を抑制できる。
【００１２】
また、前記押込み時ストッパの前記圧力室ダイアフラムと当接する部分に、前記流入口又は前記流出口の少なくとも一つを設ける定量搬送ポンプとすれば、圧力室ダイアフラムによって流入口又は流出口を押込み時最終段階において塞ぐことができこれによってもポンプの搬送量の変動一部を抑制できる。
【００１３】
また、前記アクチュエータを、圧電素子を有するダイアフラムを備えるものとすれば、定量搬送ポンプの薄型化、小型化を容易とできる。
【００１４】
また、前記アクチュエータのダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室の一部を構成する前記圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向って伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成した定量搬送ポンプとすれば、搬送量変動を抑制した定量搬送ポンプを膜状及び板状の積層として容易に効率よく製造できる。
【００１５】
また、前記アクチュエータのダイアフラムと、
駆動ピンを通す穴を有する前記開放時ストッパと、
前記駆動ピンを設け前記ポンプ圧力室の一部を構成する前記圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向って伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成した定量搬送ポンプとすれば、容易にかつ安定した開放時ストッパを形成でき搬送量変動を抑制した定量搬送ポンプを膜状及び板状の積層として容易に効率よく製造できる。
【００１６】
また、前記ポンプ圧力室の一部を構成するダイアフラム駆動のための駆動ピンを設けた前記アクチュエータのダイアフラムと、
前記駆動ピンを通す穴を有する前記開放時ストッパと、
前記ポンプ圧力室の一部を構成する圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向って伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成した定量搬送ポンプとすれば、容易にかつ安定した開放時ストッパを形成できると共に、アクチュエータのダイアフラムに駆動ピンを設けることにより駆動ピンの形成製造組立てが容易となり、搬送量変動を抑制した定量搬送ポンプを膜状及び板状の積層として容易に効率よく製造できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、本発明による一実施の形態としての定量搬送ポンプの動作原理を説明するための構成断面図で、アクチュエータへの電圧がオフの状態を示す。図２は、同じ実施の形態における定量搬送ポンプの動作原理を説明するための構成断面図で、アクチュエータへの電圧がオンの状態を示す。
【００１９】
図１と図２において、定量搬送ポンプ５０は、板状の各構成部材の積層からなる。この積層の点については、図３の分解斜視図を用いて後に詳述する。アクチュエータ５１は、圧電素子５１ｂを圧電素子ダイアフラム５１ａに貼着して構成される。ここでは、さらに圧力室ダイアフラム５４を押す駆動ピン５２がダイアフラム５１ａに貼着されている。
【００２０】
圧力室ダイアフラム５４と圧電素子ダイアフラム５１ａとの間には駆動ピン５２を通す穴５３ａを設けた開放時ストッパ５３が置かれる。開放時ストッパ５３は、図２のアクチュエータＯＮ状態において駆動ピン５２から開放された圧力室ダイアフラム５４の上側ストッパとしての機能を果たす。しかし、アクチュエータＯＮ状態における圧力室ダイアフラム５４は、自己の弾性力により、図２に示すように水平になるので、圧力室ダイアフラム５４の膜厚によっては必ずしも開放時ストッパ５３は必要としない。
【００２１】
圧力室ダイアフラム５４は、圧力室スペーサ５５をケース板５６とで挟みポンプ圧力室６０を形成する。
【００２２】
ケース板５６は、流入口６１の一部を構成する穴５６ａと流出口６２の一部を構成する穴５６ｂとが設けられている。ケース板５６の上面５６ｃは、この実施例では押込み時ストッパとして働く。ケース板５６は、流入口逆流阻止弁５７ａと流出口逆流阻止弁５７ｂとを形成したバルブ膜５７を底ケース５８との間に挟み込む。
【００２３】
流入口６１は、底ケース５８に設けた流入路５８ａと流入口逆流阻止弁５７ａと穴５６ａから構成されている。流出口６２は、底ケース５８に設けた流出路５８ｂと流出口逆流阻止弁５７ｂと穴５６ｂから構成されている。流入路５８ａ及び流出路５８ｂは底ケース５８を貫通するように図中、下方から上方に向けて形成してもよい。
【００２４】
次に同じ実施の形態における定量搬送ポンプの積層構成を示す分解斜視図である図３によって、このポンプの製造法を説明する。
【００２５】
アクチュエータ５１は、圧電素子５１ｂを圧電素子ダイアフラム５１ａ上に貼着し、さらに、駆動ピン５２を固着して製造される。圧電素子ダイアフラム５１ａの四隅付近には固定用の穴５１ｃ乃至５１ｆと位置決め用の穴５１ｇ乃至５１ｊが形成される。圧電素子ダイアフラム５１ａは、この四隅付近の穴をプレス加工などにより製造される。この四隅付近の穴については、板状又は膜状の各層に共通に形成されるので、以下説明を省略する。
【００２６】
駆動ピン５２を通す穴５３ａを設けた開放時ストッパ５３、圧力室ダイアフラム５４、ポンプ圧力室６０のスペースを形成する圧力室スペーサ５５、流入口用の穴５６ａと流出口用の穴５６ｂを形成したケース板５６、流入口逆流阻止弁５７ａと流出口逆流阻止弁５７ｂとを形成したバルブ膜５７、流入路５８ａと流出路５８ｂとを形成した底ケース５８をそれぞれプレス加工により製造する。なお、厚みを要するケース板５６と底ケース５８は、溝などを切削加工により形成しても良い。
【００２７】
これらの製造した各部品を位置決め用の穴５１ｇ乃至５１ｊにて位置決めを行い、必要な接着剤などを塗布し、積層することにより、定量搬送ポンプ５０が製造される。また固定用の穴５１ｃ乃至５１ｆにカシメ用ピンを挿通し、カシメにて固定することによって製造を行ってもよい。
【００２８】
次に、上記の実施の形態における定量搬送ポンプ５０の動作につき説明する。図１に示すアクチュエータ５１すなわち圧電素子５１ｂへの電圧がＯＦＦの状態では、圧力室ダイアフラム５４の復元力に抗して圧電素子ダイアフラム５１ａに固着した駆動ピン５２が、圧力室ダイアフラム５４を凹面状に撓め強くケース板５６の上面に押し付ける。このときポンプ圧力室６０の内容積は最小値をとる。このときポンプ圧力室６０の内容積は、当然に圧電素子５１ｂへの電圧の変動による影響を受けない、ポンプ圧力室６０を囲む各部の寸法によって決まる値である。
【００２９】
さらに、この実施の形態においては、圧力室ダイアフラム５４の下面が流入口６１の穴５６ａを閉じているので、外圧の変化による搬送流体の漏れ防止の効果がある。
【００３０】
図２に示すアクチュエータ５１すなわち圧電素子５１ｂへの電圧がＯＮの状態では、圧電素子ダイアフラム５１ａが圧電素子５１ｂの屈曲変形により上面凸状態に反り上がり圧電素子ダイアフラム５１ａに固着した駆動ピン５２下部が、圧力室ダイアフラム５４から離れる。これにより、圧力室ダイアフラム５４はその復元力で開放時ストッパ５３の下面側に当たる上限位置まで戻る。このときポンプ圧力室６０の内容積は最大値をとる。このときポンプ圧力室６０の内容積は、電圧がＯＦＦの状態と同様、圧電素子５１ｂへの電圧の変動による影響を受けない、ポンプ圧力室６０を囲む各部の寸法によって決まる値である。
【００３１】
また、圧力室ダイアフラム５４がその復元力で開放時ストッパ５３の下面に当たる上限位置まで戻る間に流入口逆流阻止弁５７ａが開かれ、搬送流体がポンプ圧力室６０内に満たされる。この吸引動作は、圧力室ダイアフラム５４の復元力による自由な動作のため、急激な負圧が発生することなく、流体内に溶け込んだ他の気体が気泡となるなどのキャビテーション現象は起こらない。
【００３２】
次のアクチュエータ５１すなわち圧電素子５１ｂへの電圧がＯＦＦとなる段階で、アクチュエータ５１は元の図１の状態に戻ろうとして駆動ピン５２を介して圧力室ダイアフラム５４を押す。圧力室ダイアフラム５４は凹面状に撓められ強くケース板５６の上面に押し付けられる。このとき、上記のポンプ圧力室６０の内容積の最大値と最小値の差の流体が、流出口逆流阻止弁５７ｂを開放して流出口６２から排出される。上記のとおり内容積の最大値と最小値とは、ポンプ圧力室６０を囲む各部の寸法によって決まる値であるから、その差分容量も一定である。
【００３３】
上記の実施の形態によれば、圧力室ダイアフラム５４の下限は、ケース板５６の上面で制限され、上限は駆動ピン５２から開放され開放時ストッパ５３により制限されるので、図４に示すように、圧力室ダイアフラム５４の本来の変位量に圧力室ダイアフラム５４の変位量は影響を受けず一定である。
【００３４】
図５は、例えば前記特許文献に示されるような圧電素子などのアクチュエータを圧力室ダイアフラムに直接貼着し駆動する従来の搬送ポンプと、本実施例の定量搬送ポンプにおける駆動電圧とポンプ搬送量の関係を比較して表す図である。
【００３５】
本図は、従来の技術では、駆動電圧により、ポンプの搬送量がリニアに変化することを示し、また本実施例によれば、圧電素子５１ｂに圧電素子ダイアフラム５１ａに取付けた駆動ピン５２がポンプ圧力室６０の高さ分変位する電圧をＶｘとすれば、アクチュエータ５１にＶｘ以上の電圧を与える限り本発明の実施の形態におけるポンプの搬送量が一定であることを示している。
【００３６】
以上のように上記の実施の形態によれば、圧力室ダイアフラム５４の動作範囲を制限する構造的ストッパを設けてポンプ圧力室６０の内容量の変化量に制限を加えているため、１回の圧力室ダイアフラム５４の動作ストロークの容量変化が一定でありポンプの搬送量が一定である。また、電圧変化によるアクチュエータ５１への駆動力の変化がポンプの搬送量に影響を与えない。吸引動作が圧力室ダイアフラム５４の復元力で決まるため、アクチュエータ５１を単純なＯＮ／ＯＦＦで駆動できる。アクチュエータ５１がＯＦＦの状態で、圧力室ダイアフラム５４によりポンプ圧力室６０の流入口６１が閉じた状態とすることができ多少の外圧の変化があっても流体が流れ出ることを防止できる。上記の実施の形態では、流入口６１の位置を閉じる状態に配置したが、流出口６２の穴５６ｂの位置を圧力室ダイアフラム５４により閉じる状態とできる位置に配置しても良いし、また、流入口６１と流出口６２の両穴の位置を圧力室ダイアフラム５４により閉じる状態とできる位置に配置しても上記の効果を得ることができる。また、吸引動作は、圧力室ダイアフラム５４の復元力による自由な動作のため、急激な負圧が発生することなく、流体内に溶け込んだ他の気体が気泡となるなどのキャビテーション現象は起こらないので、一層厳密な定量搬送が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力室ダイアフラムが屈曲動作を与えるアクチュエータに押されたときの圧力室ダイアフラムの屈曲動作の限度を決める押込み時ストッパを備える定量搬送ポンプとしたため、アクチュエータに押されたときの圧力室ダイアフラムの屈曲の限度を押込み時ストッパが決め、アクチュエータの駆動力変化にかかわらず、圧力室ダイアフラムの屈曲の限度を一定に保つことができ、ポンプの搬送量変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態としての定量搬送ポンプの動作原理を説明するための構成断面図で、アクチュエータへの電圧がオフの状態を示す。
【図２】図１と同じ実施の形態における定量搬送ポンプの動作原理を説明するための構成断面図で、アクチュエータへの電圧がオンの状態を示す。
【図３】図１と同じ実施の形態における定量搬送ポンプの構成を示す分解斜視図である。
【図４】図１と同じ実施の形態における定量搬送ポンプの圧力室ダイアフラムの動作説明図である。
【図５】図１と同じ実施の形態における定量搬送ポンプの駆動電圧と搬送量との関係図である。
【図６】従来の静電駆動型マイクロダイアフラムポンプの一例を示す説明断面図である。
【符号の説明】
５０定量搬送ポンプ、５１アクチュエータ、５１ａ圧電素子ダイアフラム、５１ｂ圧電素子、５２駆動ピン、５３開放時ストッパ、５３ａ穴、５４圧力室ダイアフラム、５５圧力室スペーサ、５６ケース板、５６ａ穴、５６ｂ穴、５６ｃ押込み時ストッパ（ケース板上面）、５７バルブ膜、５７ａ流入口逆流阻止弁、５７ｂ流出口逆流阻止弁、５８底ケース、５８ａ流入路、５８ｂ流出路、６０ポンプ圧力室、６１流入口、６２流出口。

Claims

流入口逆流阻止手段を備える流入口と流出口逆流阻止手段を備える流出口を有するポンプ圧力室の一部を構成する圧力室ダイアフラムと、
前記圧力室ダイアフラムに屈曲動作を与えるアクチュエータと、
該アクチュエータに押されたときの前記圧力室ダイアフラムの屈曲動作の限度を決める押込み時ストッパと、
を備えたことを特徴とする定量搬送ポンプ。
前記押込み時ストッパが、前記ポンプ圧力室の前記圧力室ダイアフラムに対向する壁であることを特徴とする請求項１に記載の定量搬送ポンプ。
前記アクチュエータから開放されたときの前記圧力室ダイアフラムの屈曲動作の限度を決める開放時ストッパを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の定量搬送ポンプ。
前記開放時ストッパが、前記アクチュエータ又は前記圧力室ダイアフラムに設けた前記圧力室ダイアフラム駆動のための駆動ピンを通す穴を有し、前記アクチュエータと前記圧力室ダイアフラムとの間に配設されることを特徴とする請求項３に記載の定量搬送ポンプ。
前記圧力室ダイアフラム駆動のための駆動ピンは、前記圧力室ダイアフラムが前記アクチュエータから開放されたときに、前記圧力室ダイアフラム又は前記アクチュエータから離間されていることを特徴とする請求項４に記載の定量搬送ポンプ。
前記押込み時ストッパの前記圧力室ダイアフラムと当接する部分に、前記流入口又は前記流出口の少なくとも一つを設けることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の定量搬送ポンプ。
前記アクチュエータが、圧電素子を有するダイアフラムを備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の定量搬送ポンプ。
前記アクチュエータのダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室の一部を構成する前記圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向って伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成したことを特徴とする請求項１に記載の定量搬送ポンプ。
前記アクチュエータのダイアフラムと、
駆動ピンを通す穴を有する前記開放時ストッパと、
前記駆動ピンを設け前記ポンプ圧力室の一部を構成する前記圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向かって伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成したことを特徴とする請求項３に記載の定量搬送ポンプ。
前記ポンプ圧力室の一部を構成するダイアフラム駆動のための駆動ピンを設けた前記アクチュエータのダイアフラムと、
前記駆動ピンを通す穴を有する前記開放時ストッパと、
前記ポンプ圧力室の一部を構成する圧力室ダイアフラムと、
前記ポンプ圧力室上下スペースを構成する圧力室スペーサと、
前記流入口と前記流出口を有するケース板と、
前記流入口の弁と前記流出口の弁を設けた弁膜と、
前記流入口の弁位置から外方に向かって伸びる流入路と前記流出口の弁位置から外方に向かって伸びる流出路とを形成した底ケース板と、
を積層して構成したことを特徴とする請求項３に記載の定量搬送ポンプ。