JP2009108715A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、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、圧電振動子の圧電体層にクラックが生じにくい圧電ポンプを得る。
【解決手段】導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有する圧電振動子に対し、交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に変形させるバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路を設けた圧電ポンプ。
【選択図】図３

Description

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する。

圧電ポンプは、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏に、ポンプ室と大気室を形成し、ポンプ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（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。圧電振動子を振動させると、ポンプ室の容積が変化し、この容積変化に伴い一対の逆止弁の一方が閉じて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小型にできるため、本出願人は、水冷ノート型パソコンの冷却水循環ポンプとして用いる圧電ポンプを開発中である。
特開平8-114408号公報 特開平8-200216号公報 特開平9-74773号公報 特開2000-92876号公報 特開2006-294947号公報 WO96/14687号公報

この圧電ポンプに用いる圧電振動子は、導電性金属板からなる金属シムの表裏の一面に圧電体層を設けたユニモルフ型、及び両面に圧電体層を設けたバイモルフ型が知られており、さらに本出願人は、圧電体層を電気的に並列または直列に接続した複数層としたマルチモルフ型を提案している（特願２００７-３５８７９号）が、いずれのタイプの圧電振動子も導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有する点では共通である。そして、どのタイプの圧電振動子を用いるにしても従来、大気室側には圧電体層を位置させていた。

ところが、大気室側に圧電体層を設けた圧電振動子は、長期間使用すると、該大気室側の圧電体層にクラック（割れ）が発生する可能性があることが判明した。

本発明は従って、圧電振動子の圧電体層にクラックが生じにくい圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明者らは、大気室側の圧電体層にクラックが生じる原因について研究の結果、圧電振動子はポンプ室側の液体圧力を受けて運転中は常時大気室側に突出する方向の力を受けていること、及びその結果、大気室側の圧電体層には引張応力が加わることがクラックの発生原因であるとの結論に達して本発明をなしたものである。すなわち、セラミックである圧電体層は、圧縮力には強いが引張力には弱い。

本発明は、圧電振動子を振動させる交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に弾性変形させるバイアス電圧を印加すれば、液体圧力による変形圧力とバイアス電圧による変形圧力がバランスし、圧電体層に加わる引張応力を緩和できるとの着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子に交番電界を与え振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有していて、該圧電振動子に対して交番電界を印加すること、及び圧電振動子に対して印加する交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に変形させるバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路を設けたことを特徴としている。

本発明は、圧電振動子のタイプを問うことなく適用できる。具体的には例えば、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に圧電体層を有するユニモルフタイプ；導電性金属薄板からなるシムの表裏の両面に、圧電体層を有するバイモルフタイプ；あるいはポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に、直列または並列に接続された複数層の圧電体層を有するマルチモルフタイプ；のいずれも使用可能である。

バイアス電圧印加回路は、圧電振動子に対して定電圧を印加する他、圧電振動子の変形（ポンプ室の温度）をモニタし、その変形量に応じて印加電圧を可変としてもよい。

本発明は、圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成した圧電ポンプにおいて、圧電振動子を振動させる交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に弾性変形させるバイアス電圧を印加したので、液体圧力による変形圧力とバイアス電圧による変形圧力をバランスさせ、圧電体層に加わる引張応力を緩和して、クラックの発生を抑制することができる。

図１及び図２は、本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示している。この圧電ポンプ２０は、図示下方から順に積層したロアハウジング２１、ミドルハウジング２２及びアッパハウジング２３を有している。

ロアハウジング２１には、冷却水（液体）の吸入ポート２４と吐出ポート２５が開口している。ミドルハウジング２２とアッパハウジング２３の間には、一対の環状狭着部材（Ｏリング２７、ガイド２８）を介して、圧電振動子１０とその裏側（ポンプ室Ｐ側）に配置した環状電極端子２９が液密に狭着支持されていて、該圧電振動子１０とミドルハウジング２２との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子１０とアッパハウジング２３との間には、大気室Ａが形成される。大気室Ａは、開放しても密閉してもよい。

ロアハウジング２１とミドルハウジング２２には、吸入ポート２４とポンプ室Ｐを連通させる吸入流路３０、及びポンプ室Ｐと吐出ポート２５を連通させる吐出経路３１がそれぞれ形成されており、ミドルハウジング２２には、この吸入流路３０と吐出流路３１にそれぞれ逆止弁（アンブレラ）３２、３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート２４からポンプ室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、逆止弁３３は、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。図示実施形態の逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着もしくは溶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。

またロアハウジング２１には、吸入流路３０及び吐出経路３１とは隔離させた位置に矩形状の収納凹部２１ａが形成されており、この収納凹部２１ａとミドルハウジング２２の間に、圧電振動子１０を駆動制御するドライバ回路基板２６が液密に収納されている。

圧電ポンプ２０は、圧電振動子１０が正逆に弾性変形（振動）すると、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の容積が減少する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２５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（振動）させることで、ポンプ作用が得られる。

平面円形をなす圧電振動子１０は、上述のように、ユニモルフタイプ、バイモルフタイプ及びマルチモルフタイプのいずれも利用可能である。図１、図３、図４は、メインシム１１の表裏に圧電体層１２ｆ、１２ｒが積層接着されたバイモルフタイプを基本構成とし、さらに、大気室Ａ側に面する圧電体層１２ｆの上には保護シム１３を積層接着し、ポンプ室Ｐ側に面する圧電体層１２ｒの上には、カバーフィルム１４を積層接着した圧電振動子である。表側（大気室Ａ側）の圧電体層１２ｆはメインシム１１の径よりも小さく形成され、裏側（ポンプ室Ｐ側）の圧電体層１２ｒはメインシム１１と同径で形成されている。ガイド２８は、メインシム１１の表側（大気室Ａ側）の圧電体層１２ｆの外形部外側部分に位置してメインシム１１を狭着支持する。なお、図２においては、圧電振動子１０の圧電体層１２ｆ、１２ｒ、メインシム１１、カバーフィルム１４は省略して表している。また、図１から図４では圧電体層１２ｆ、１２ｒの両面に膜状の電極層が形成されているが図示は省略している。

メインシム１１は、厚さ３０〜５００μｍ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、圧電体層１２ｆ、１２ｒを支持するための剛性を有している。

メインシム１１の表裏の圧電体層１２ｆ、１２ｒは、例えば厚さ５０〜５００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料から構成されるもので、表裏方向に分極処理が施されている。表裏の圧電体層１２ｆ、１２ｒの分極方向は同一方向である。このような圧電振動子はバイモルフ型（パラレル接続）として周知である。各圧電体層１２ｆ、１２ｒの表裏に同一の交番電界が与えられると、圧電体層１２ｆ、１２ｒ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。

保護シム１３は、メインシム１１と同様に、厚さ５〜５００μｍ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る。この保護シム１３は、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆ全体を覆う径を有している。この保護シム１３を設けることにより、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆに加わる引張応力を緩和し、クラックの発生を防止する一助となるが、必要に応じて設ければ良く、必ずしも必須の部材ではない。なお、圧電振動子１０は上述のように表側（大気室Ａ側）の圧電体層１２ｆはメインシム１１の径よりも小さく形成され、ガイド２８が、メインシム１１の表側（大気室Ａ側）圧電体層１２ｆの外形部外側部分にメインシム１１を狭着支持する構造となっているが、表側（大気室Ａ側）圧電体層１２ｆをメインシム１１と同径とし、ガイド２８が表側（大気室Ａ側）圧電体層１２ｆ上に当接する構造であっても良い。

カバーフィルム１４は、ポンプ室Ｐ側に位置する圧電体層１２ｒ上に積層接着して、ポンプ室Ｐ内に出入りする流体から該圧電体層１２ｒを保護するものである。このカバーフィルム１４は、厚さ１０〜１００μｍ程度の合成樹脂フィルム、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）から構成されている。

圧電振動子１０の裏に位置する環状電極端子２９は、メインシム１１の裏の圧電体層１２ｒの露出面（電極層）と環状に接触して電気的に導通している。さらに圧電振動子１０の表に位置する保護シム１３はメインシム１１の表の圧電体層１２の露出面電極層と同心円状に接触して電気的に導通している。メインシム１１、保護シム１３及び環状電極端子２９はそれぞれ、周縁部に配線接続用の配線突起１１ａ、１３ａ及び２９ａを有し、ミドルハウジング２２には、この配線突起１１ａ、１３ａ及び２９ａに対応する突出凹部２２ａがポンプ室Ｐに連なって形成されている。環状電極端子２９の径は、Ｏリング２７の径と実質的に同一径であり、少なくとも一部がその全周に沿って重なる関係、あるいはＯリング２７が環状電極端子２９を全周に渡って押圧できるように形成されている。従って、環状電極端子２９とＯリング２７が重なったとき、Ｏリング２７は一平面内に位置し、微小な凹凸が生じることはない。

本実施形態では、例えば以上の構成を有する圧電ポンプにおいて、図５に示すように、圧電振動子１０に、該圧電振動子１０をポンプ室Ｐ側に凸になるようにバイアス電圧を常時印加するバイアス電圧印加回路４０を設けている。このバイアス電圧印加回路４０は、圧電振動子１０に対して交番電界を与える交番電界印加回路４１とは別に設けられている。図５には、圧電振動子１０として、メインシム１１、圧電体層１２ｆ及び１２ｒのみを示している。圧電体層１２ｆと１２ｒの分極方向を▲矢印で示すと、バイアス電圧印加回路４０により、メインシム１１（圧電体層１２ｆと１２ｒのシム１１側の面）にプラス電位（＋）を与え、圧電体層１２ｆと１２ｒの表面（露出面）にマイナス電位（-）を与えることで、破線で誇張して示すように、裏側圧電体層１２ｒの表面積が拡大し、表側圧電体層１２ｆの表面積が縮小する結果、圧電振動子１０をポンプ室Ｐ側に凸に弾性変形させることができる。よって、このバイアス電圧による凸変位を液体圧力による凹変位とバランスさせることにより、圧電振動子１０の圧電体層１２ｆにクラックが発生するのを防止することができる。

図６は、圧電振動子１０としてユニモルフタイプを用いた場合の実施形態である。圧電振動子１０は、メインシム１１の一面、大気室Ａ側の面に圧電体層１２ｓを設けている。この実施形態では、圧電体層１２ｓの分極方向を▲としたとき、バイアス電圧印加回路４０によって、圧電体層１２ｓの表面積が縮小する方向にバイアス電圧を印加する。このようなバイアス電圧を印加することにより、破線で誇張して示すように、圧電振動子１０をポンプ室Ｐ側に凸に弾性変形させることができる。このバイアス電圧印加回路４０は、圧電振動子１０に対して交番電界を与える交番電界印加回路４１とは別に設けられている。

図７は、圧電振動子１０としてバイモルフシリーズ接続のマルチモルフタイプを用いた場合の実施形態である。この圧電振動子１０は、メインシム１１上に、電極層ｄ、大径圧電体層１２、電極層ｄ、中間シム４０、電極層ｄ、小径圧電体層１２ｂ及び電極層ｄを積層し、シム１１と大径圧電体層１２ａの周縁をＯリング２７とガイド２８で狭着支持している。小径圧電体層１２ｂは、ガイド２８に拘束されず、自由に変位可能である。なお、図５、図６では電極層の図示を省略している。

大径圧電体層１２ａと小径圧電体層１２ｂの厚さは同一であり、圧電体１２の全体の厚さは例えば５０〜１０００μｍ程度である。中間シム４０は、大径圧電体層１２ｂの径と同一径を有する円形または環状の金属弾性体（図示実施形態では円形）であって、積層圧電体１２の変位に伴って変形自在な機械的復元性を有する。この中間シム４０の機械的復元性はメインシム１１の機械的復元性より高く、中間シム４０は積層圧電体１２の変位を極力妨げない。中間シム４０は、メインシム１１と同一の材料でメインシム１１の厚さより厚く形成され、例えば厚さ５０〜６００μｍ程度の４２アロイ等からなる金属薄板を用いる。この中間シム４０を備えることで、積層圧電体１２の機械的強度が増し、閉鎖圧を高められる。中間シム４０は省略可能である。

中間シム４０と大径圧電体層１２ａ及び小径圧電体層１２ｂの間に位置する中間電極層ｄは、大径圧電体層１２ａと小径圧電体層１２ｂを電気的に分離する中性面として機能する。

この積層圧電体１２において、メインシム１１側の大径圧電体層１２ａは、シム側電極層ｄ及びメインシム１１を介して第２給電ライン１５と導通し、大気室Ａ側の小径圧電体層１２ｂは表面電極層ｄ及び環状電極端子２９を介して第１給電ライン１４と導通している。すなわち、大径圧電体層１２ａと小径圧電体層１２ｂは、電気的に直列接続（シリーズ接続）されている。大径圧電体層１２ａと小径圧電体層１２ｂの分極方向は、図７に▲矢印で示されるように、逆向きをなし、第１給電ライン１４及び第２給電ライン１５を介して交番電界印加回路４１から交番電圧が印加されると、表面積が拡縮する方向に弾性変形する。

この実施形態では、環状電極端子２９、第１給電ライン１４及び第２給電ライン１５を介して、圧電振動子１０に、該圧電振動子１０をポンプ室Ｐ側に凸になるようにバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路４０Ａ、４０Ｂを設けている。バイアス電圧印加回路４０Ａ、４０Ｂは、第２給電ライン１５を介してメインシム１１（大径圧電体層１２ａのメインシム側の面）にプラス電位（＋）を与え、第１給電ライン１４及び環状電極端子２９を介して小径圧電体層１２ｂの表面（露出面）にマイナス電圧（−）を与えることで、破線で誇張して示すように、圧電振動子１０をポンプ室側に凸に弾性変形させる。図７では、第１給電ライン１４側（上部圧電体層１２ａ側）と第２給電ライン１５側（メインシム１１側）にそれぞれバイアス電圧印加回路４０Ａ、４０Ｂを設け、このバイアス電圧印加回路４０Ａから印加されるバイアス電圧Ｖａとバイアス電圧印加回路４０Ｂから印加されるバイアス電圧Ｖｂとの大小関係をＶａ＜Ｖｂに設定してある。

圧電振動子１０を振動させる際には、先の実施形態と同様に、バイアス電圧印加回路４０Ａ、４０Ｂによるバイアス電圧を印加したまま、交番電界印加回路４１によって圧電振動子１０に交番電界を与える。

次に、圧電振動子１０に実際に与えるべきバイアス電圧の計算例を説明する。圧電ポンプ２０のポンプ室Ｐの液温が上昇すると、ポンプ室Ｐの内圧（ｋＰａ）が上昇する。図８は、液温と内圧の関係の一例を示している。このような液温-内圧曲線により、各液温のときの内圧Ｐを求めることができる。次に、圧電振動子１０がポンプ室Ｐ側へ変形するとポンプ室Ｐの内圧が高まる。図９は、圧電振動子１０の変形量（μｍ）と内圧の関係の一例を示している。このような変形量-内圧曲線により、液温の上昇に伴って与えるべき圧電振動子１０のポンプ室Ｐ側への変形量を求めることができる。最後に、図１０は、圧電振動子１０に与えるバイアス電圧（Ｖｏｐ）と、そのバイアス電圧で生じる該振動子の変形量（μｍ）の関係の一例を示している。従って、図８でポンプ室液温から内圧変化を求め、図９で内圧変化を打ち消すべき圧電振動子１０の変形量を求め、図１０でそのような変形を生じさせるバイアス電圧の大きさを求めることができる。

表１は、以上の手法により、図７の実施形態の圧電振動子１０を用いて、ポンプ室液温が４０、５０、６０、７０（℃）と変化したときの内圧とオフセット電圧を計算した結果である。
「表１」
液温（℃） ４０ ５０ ６０ ７０
内圧（ｋＰａ） 8.4 12.2 20.0 36.0
オフセット電圧（Ｖ） 34.0 57.6 94.5 145.5

勿論、表１の計算例は一例であり、ポンプ容量や圧電振動子の性質に応じて、図８ないし図１０で説明した手法に基づき、具体的なバイアス電圧の大きさを決定することができる。

以上の実施形態では、バイアス圧力印加回路４０によって圧電振動子１０に与えるバイアス電圧を一定としたが、圧電振動子１０の変位あるいはポンプ室Ｐの液体温度をモニタし、このモニタ出力により、圧電振動子１０に与えるバイアス圧力を変化させてもよい。

本発明が対象とする圧電ポンプの基本構造を示す分解斜視図である。 同圧電ポンプの断面図である。 本発明による圧電ポンプの第１実施形態を示す部分拡大断面図である。 同圧電ポンプの圧電振動子の模式分解斜視図である。 本発明による圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。 同別の圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。 同さらに別の圧電振動子に対するバイアス電圧印加回路の一実施形態を示す説明図である。 水の蒸気圧線図である。 ポンプ室内圧とダイヤフラムの変形量の一例を示すグラフ図である。 ダイヤフラムの変位と同変位を打ち消すために同ダイヤフラムに加えるべきバイアス電圧の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１１ メインシム
１１ａ 配線突起
１２ １２ｆ １２ｒ １２ｓ 圧電体層
１３ 保護シム
１３ａ 配線突起
１４ カバーフィルム
２０ 圧電ポンプ
２１ ロアハウジング
２２ ミドルハウジング
２３ アッパハウジング
２４ 吸入ポート
２５ 吐出ポート
２９ 環状電極端子
２９ａ 配線突起
３０ 吸入流路
３１ 吐出流路
３２、３３ 逆止弁
４０ バイアス電圧印加回路
４１ 交番電界印加回路
Ａ 大気室
Ｐ ポンプ室

Claims (6)

1. 周縁を液密に保持した圧電振動子の表裏にポンプ室と大気室を形成し、該圧電振動子に交番電界を与え振動させてポンプ作用を得る圧電ポンプにおいて、
   上記圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のシムと少なくとも一層の圧電体層との交互積層構造を有していて、該圧電体層に対して交番電界が印加されること、及び
   上記圧電振動子に対して印加する交番電界とは別に、該圧電振動子をポンプ室側に凸に変形させるバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加回路を設けたこと、
   を特徴とする圧電ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に圧電体層を有するユニモルフタイプである圧電ポンプ。
3. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、導電性金属薄板からなるシムの表裏の両面に、圧電体層を有するバイモルフタイプである圧電ポンプ。
4. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、圧電振動子は、ポンプ室側に導電性金属薄板からなるシムを有し、大気室側に、直列または並列に接続された複数層の圧電体層を有するマルチモルフタイプである圧電ポンプ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、バイアス電圧印加回路は、定電圧を印加する圧電ポンプ。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、バイアス電圧印加回路は、印加電圧を可変できる圧電ポンプ。

Images