JP4935159B2 - マイクロポンプ - Google Patents

Description

本発明はマイクロポンプ、特に流体の特性を利用したマイクロポンプに関するものである。

ノートパソコンなどの小型電子機器の冷却用ポンプや燃料電池の燃料輸送用ポンプなどに、マイクロポンプが用いられる。特に、アクチュエータとして圧電アクチュエータを用いると、小型でかつ低消費電力のポンプを構成できる利点がある。

特許文献１には、弾性を有するシムの少なくとも一面に薄板状の圧電体と、この圧電体の周囲を取り囲む弾性体とが固着され、圧電体はシムの周縁より内側に形成され、弾性体の厚みは圧電体の厚み以下とされたダイヤフラムを用いたポンプが開示されている。ダイヤフラムはケース本体の内部に、その弾性体部分が挟持された状態で振動自在に収容されている。ケース本体の内部には吸入用と吐出用の２つの逆止弁が設けられている。

特許文献２には、ダイヤフラムにより容積可変なポンプ室と、ポンプ室へ流体を流入させる入口流路と、ポンプ室から流体を流出させる出口流路と、入口流路とポンプ室との間に逆止弁と、逆止弁を通さずに流体を出口流路へ導く接続流路とを備えたポンプが開示されている。ダイヤフラムの背面には圧電アクチュエータが取り付けられ、圧電アクチュエータの伸縮振動によりダイヤフラムを変形させるように構成されている。

特許文献１では、吸入用と吐出用の２つの逆止弁を必要とするため、流体が２つの逆止弁を通過する際の圧力損失が大きいという問題がある。また、ダイヤフラムと対向して２つの逆止弁が配置されるので、ポンプの厚みが大きくなり、小型機器には適用しにくい。

特許文献２のポンプは、入口流路から入った流体をポンプ室に導き、ポンプ室の容積変化によって流体をノズル状の出口流路から高速で噴出させ、その流体エネルギーを利用して出口流路の周囲にある接続流路から流体を引き込む、一種の噴流ポンプである。このような噴流ポンプは、高速で流体を噴出させ、この噴流表面の摩擦で周囲の流体を引き込む原理を用いたものであり、出口流路から流体を高速でかつ継続して噴出させなければならない。そのために、ポンプ室を構成するダイヤフラムを大きくかつ高速で変位させなければならず、消費電力が大きくなり、エネルギー変換効率が悪いという問題がある。
特開２００５−２４０８７１号公報 特開２００５−３０７７７７号公報

そこで、本発明の目的は、逆止弁の個数を減らして圧力損失を低減するとともに、アクチュエータの駆動エネルギーを流体輸送に効率よく変換できるマイクロポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、アクチュエータによってポンプ室の側壁を構成するダイヤフラムを弾性変形させ、ポンプ室の容積を変化させることにより、入口部から流体を吸入し出口部から流体を吐出するマイクロポンプにおいて、上記ポンプ室と上記出口部との間には、上流側がポンプ室と接続されたスロート部と、当該スロート部の下流側に接続され、下流側に向かって流路の断面積が漸次拡大するテーパ部とからなる第２流路が形成され、上記入口部は第１流路を介して上記スロート部に接続されており、上記ポンプ室の容積縮小時に、上記ポンプ室から第２流路に向かって流体の流れを発生させると共に、第２流路のスロート部を流れる流体の流速増大に伴う圧力低下により第１流路から流体をスロート部へ吸入して第２流路へと流出させ、上記ポンプ室の容積拡大時に、上記第２流路からポンプ室に向かって流体の流れを発生させると共に、第２流路のスロート部を流れる流体の流速増大に伴う圧力低下により、第１流路から流体をスロート部へ吸入してポンプ室へと流入させることを特徴とするマイクロポンプを提供する。

本発明のマイクロポンプはベンチュリ管の原理を利用したものである。すなわち、ポンプ室に接続された第２流路にはスロート部とそれに続くテーパ部とが設けられ、スロート部には第１流路が接続されている。アクチュエータを作動させてポンプ室の容積を減少させると、ポンプ室内の流体は第２流路を通って流出する。ポンプ室より流路の断面積が小さいスロート部を流体が通過する時、流速が増大し、圧力低下が起こる。また、流体がテーパ部を通って流出する時に、流速減少に伴う圧力回復が起こる。これにより、スロート部ではベルヌーイの定理により速度水頭（動圧）の上昇分だけ圧力水頭（静圧）が低下する。そのため、第１流路から流体がスロート部へ吸い込まれ、スロート部で２つの流れが合流して第２流路から吐出される。
本発明では、ポンプ室の容積減少時だけでなく、容積拡大時にも第１流路から流体を吸い込むことができる。すなわち、ポンプ室の容積拡大時には、容積減少時と逆に、第２流路からポンプ室に向かって流れが生じる。流体がテーパ部を介して流路の断面積が小さいスロート部を通過する時に、流速増大に伴う圧力低下が起こるので、第１流路から流体がスロート部へ吸い込まれ、スロート部で合流した流体がポンプ室に入る。
ポンプ室の容積が周期的に変化することで、第２流路を流れる流体の向きが逆転することになるが、ポンプ室の容積減少時および拡大時のいずれの時にも第１流路からスロート部に流体が流れ込み、時間平均すると第１流路から第２流路への流れが得られる。

好ましい実施形態によれば、第１流路はスロート部に対してほぼ直交方向に接続されているものがよい。
この場合には、スロート部と第１流路とがＴ字形に接続されることになり、液溜まりをなくすことができる。また、スロート部の流れが第１流路側へ流れ込むのを抑制できる。

好ましい実施形態によれば、スロート部の流路の断面積は第１流路の断面積以上とするのがよい。
スロート部の流路の断面積が第１流路の断面積より小さくてもよいが、スロート部の流路の断面積が小さ過ぎると、流体抵抗が増し、圧力損失が大きくなるとともに、スロート部から第１流路側へ流体が流れ込む可能性が生じる。そのため、スロート部の流路の断面積を第１流路の断面積以上とすることで、上記のような懸念を解消できる。

好ましい実施形態によれば、ポンプ室と第１流路と第２流路は同一平面上に配置されているのがよい。
この場合には、平面的な構造で製作が容易になるとともに、ポンプを低背化することができる。

好ましい実施形態によれば、第１流路に、スロート部方向への流体の流れのみを許容する逆止弁を設けてもよい。
本発明では、第１流路および第２流路に逆止弁を必ず設ける必要はない。しかし、アクチュエータの停止時に第２流路側の背圧によって流体が第１流路へ逆流する可能性がある。そのため、第１流路に逆止弁を設けることで、流体が第１流路へ逆流するのを防止できる。

好ましい実施形態によれば、アクチュエータは電圧印加により屈曲変形する圧電アクチュエータであり、圧電アクチュエータの一端部は支持部に固定されており、他端部にはダイヤフラムの中央部を打撃する打撃部が設けられ、圧電アクチュエータの屈曲変形に従い打撃部がダイヤフラムの中央部を打撃してダイヤフラムを弾性変形させるように構成してもよい。
この場合には、片持ち構造の圧電アクチュエータを用いることで、打撃部の変位量が非常に大きくなり、ダイヤフラムの中央部を大きく変位させることができる。しかも、瞬間的に大きな力積をダイヤフラムに与えるので、スロート部を流れる流体の流れが高速になり、第１流路からの流体の吸引圧も高くなる。そのため、大きな吐出流量が得られる。

好ましい実施形態によれば、アクチュエータは電圧印加により屈曲変形する圧電アクチュエータであり、圧電アクチュエータはダイヤフラムの背面に面接着されており、ダイヤフラムは圧電アクチュエータの屈曲変形と一体に変形するように構成してもよい。
この場合は、ダイヤフラムおよびアクチュエータを薄型に構成できるので、ポンプを低背化できる。

以上のように、本発明のマイクロポンプは、噴流ポンプとは異なり、速度水頭（動圧）と圧力水頭（静圧）との変換を利用して第１流路から流体を吸い込むので、第２流路を流れる流量がさほど大きくなくても、第１流路から流体をスロート部へ吸い込むことができる。しかも、ポンプ室の容積減少時と容積拡大時の両方で第１流路から流体を吸い込むことができる。そのため、ダイヤフラムを駆動するアクチュエータの駆動エネルギーを流体輸送に効率よく変換でき、エネルギー変換効率がよいマイクロポンプを実現できる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。

図１〜図４は本発明にかかるマイクロポンプの第１実施例を示す。
本実施例のマイクロポンプＰは、底板１と、第１中間層２と、弾性体シート３と、第２中間層４と、流路形成板５と、カバー６とを下方から順に積層した構造よりなり、これら部品が積層接着されている。底板１の第１中間層２が接着された部位と異なる端部には、下板７を介して圧電アクチュエータ８の一端部が固定されている。

底板１は、例えば金属板や樹脂板により平面視略Ｌ字形に形成されている。底板１の一端部には後述するポンプ室１５の底面を構成する底壁部１ａが一体に形成されている。底板１の他端部には一対の保護壁１ｂが上方へ起立形成されている。この保護壁１ｂは後述する圧電アクチュエータ８の両側部を保護している。さらに、底板１の他端部先端に下板７が接着、ネジ止め等によって固定されている。

第１中間層２は、例えばガラスエポキシ基板、樹脂板、金属板などよりなる平面視略Ｌ字形の平板であり、底板１の一端部上に接着固定されている。第１中間層２には、図２、図４に示すように、ポンプ室１５を形成するための円形の開口部２ａが形成されており、この開口部２ａに幅狭な溝部（スロート部）２ｂが接続されている。スロート部２ｂの下流側はテーパ部２ｃを介して幅広な出口部２ｄと接続されている。スロート部２ｂとテーパ部２ｃとで第２流路を形成している。また、スロート部２ｂに直交するように第１流路２ｅが接続され、第１流路２ｅの上流側に幅広な入口部２ｆが形成されている。この例ではスロート部２ｂと第１流路２ｅの流路の断面積がほぼ等しく設定されている。上記出口部２ｄに隣接して、出口部２ｄと隔離された流入側窓穴２ｇが形成されている。なお、この例では第１中間層２を逆Ｌ字形に形成したが、これに限るものではない。

弾性体シート３は、ＰＥＴフィルムやポリイミドフィルムのような弾性材料よりなる薄膜状のシートであり、第１中間層２の開口部２ａや出口部２ｄ、入口部２ｆなどが形成された一端側の上面に接着されている。ここでは、厚さ０．１ｍｍのＰＥＴフィルムを用いた。弾性体シート３には、円形の開口部２ａと対応する位置にダイヤフラム部３ａが設けられ、ダイヤフラム部３ａと開口部２ａと底板１とでポンプ室１５が形成されている。弾性体シート３には、出口部２ｄおよび窓穴２ｇと対応する位置に貫通穴３ｂ，３ｃが形成され、さらに窓穴２ｇと対応する位置に弁穴３ｄが形成され、入口部２ｆと対応する位置に連通穴３ｅが形成されている。弾性体シート３の上面側には、弁穴３ｄを上側から閉じる逆止弁９が接着されている。ここでは、逆止弁９としてゴムシートを長方形に裁断したものを用いた。

第２中間層４は、第１中間層２と同種の材料により、弾性体シート３と略同一の外形形状に形成された平板であり、第１中間層２と第２中間層４との間で弾性体シート３を挟着している。第２中間層４には、開口部２ａと対応する円形の開口部４ａが形成され、この開口部４ａに隣接して横長な連通部４ｂが形成されている。この連通穴４ｂは、弾性体シート３の弁穴３ｄおよび連通穴３ｅと対応している。さらに、連通部４ｂに隣接して、弾性体シート３の貫通穴３ｂ，３ｃとそれぞれ対応する２つの窓穴４ｃ，４ｄが独立して形成されている。

流路形成板５も、第１，第２中間層２，４と同種の材料により形成された平板であり、第２中間層４の上面であって、連通部４ｂ、窓穴４ｃ，４ｄと対応する部位の上面に接着されている。流路形成板５には、連通穴４ｂと同一形状の連通穴５ａが形成され、さらに窓穴４ｃ，４ｄと対応する位置に外部に連通した出口通路５ｂおよび入口通路５ｃが形成されている。

天板６は流路形成板５の上面に接着され、連通穴５ａ、出口通路５ｂおよび入口通路５ｃの上面を閉鎖している。継手１０，１１は積層された第２中間層４、流路形成板５、カバー６に対して側方から差し込まれており、それぞれ出口通路５ｂおよび入口通路５ｃに接続されている。

圧電アクチュエータ８の一端部は下板７を介して底板１に固定されている。ここでは、下板７は底板１に接着等によって固定され、圧電アクチュエータ８は接着剤によって下板７に固定されている。なお、圧電アクチュエータ８の下板７への固定はネジ止め等の他の方法によってもよい。この実施例の圧電アクチュエータ８は、長方形に形成された公知のバイモルフ型セラミック圧電素子である。圧電アクチュエータ８は片持ち梁状に支持されているので、交番信号または交流信号を印加すると、長手方向一端部を支点とし、長手方向他端部を最大変位点とするベンディングモードで屈曲振動させることができる。なお、圧電アクチュエータ８としてユニモルフ型圧電素子を用いてもよい。圧電アクチュエータ８の他端部すなわち自由端部の下面には打撃部８ａが突設されており、この打撃部８ａは第２中間層４の開口部４ａを介して弾性体シート３のダイヤフラム部３ａの中央部上面に対応している。この例では、圧電アクチュエータ８の非作動時において、図３に示すように打撃部８ａとダイヤフラム部３ａとが離れている例を示したが、接触していてもよい。

上記構造のマイクロポンプの作動について説明する。
圧電アクチュエータ８に交番電圧を印加すると、アクチュエータ８は周期的な撓み変形が生じ、上に反った状態から下に反った状態に変化する際に、打撃部８ａでダイヤフラム部３ａ上面を打撃する。そのため、ポンプ室１５の容積が減少し、ポンプ室１５内に満たされた流体（液体）はスロート部２ｂからテーパ部２ｃを介して出口部２ｄへ押し出される。流体が流路の断面積が小さいスロート部２ｂを通過する時に、流速増大に伴う圧力低下が起こるので、第１流路２ｅからスロート部２ｂへ流体が吸い込まれ、スロート部２ｂを流れる流体と合流して出口部２ｄへ流れる。

第１流路２ｅからスロート部２ｂへの流体の吸込みにより、次のような流体の流れが発生する。すなわち、流体は継手１１から入口通路５ｃに入り、窓穴４ｄ、貫通穴３ｃを通り、底面側が底板１で閉じられた流入側窓穴２ｇに入る。窓穴２ｇを通った流体は、弁穴３ｄ、連通穴４ｂ、連通穴３ｅを通って入口部２ｆに入り、第１流路２ｅからスロート部２ｂへ吸い込まれ、テーパ部２ｃを介して出口部２ｄへ排出される。出口部２ｄに入った流体は、貫通穴３ｂ、窓穴４ｃを通って出口通路５ｂへ抜け、継手１０を介して外部へ排出される。

上記流体の流れは、圧電アクチュエータ８に印加される交番電圧の半周期によってダイヤフラム部３ａを打撃し、ポンプ室１５の容積が減少する場合であるが、圧電アクチュエータ８に印加される交番電圧の次の半周期では、圧電アクチュエータ８が上側に反るので、打撃部８ａがダイヤフラム部３ａから離れる。そのため、ダイヤフラム部３ａは自身の弾性によって平面状に復帰する。このとき、ポンプ室１５の容積が拡大するので、出口部２ｄからテーパ部２ｃ、スロート部２ｂを通ってポンプ室１５に向かって流れが生じる。流体がテーパ部２ｃを介して流路の断面積が小さいスロート部２ｂを通過する時に、流速増大に伴う圧力低下が起こるので、第１流路２ｅから流体がスロート部２ｂへ吸い込まれ、スロート部２ｂで合流した流体がポンプ室１５に入る。圧電アクチュエータ８がダイヤフラム部３ａを打撃することによるポンプ室１５の容積減少に比べて、ダイヤフラム部３ａが平面状に戻ることによるポンプ室１５の容積拡大の方が緩やかであるため、容積拡大時のスロート部２ｂでの圧力低下は小さいと考えられる。しかし、ポンプ室１５の圧力はダイヤフラム部３ａの張力により低下しているので、第１流路２ｅから流体がスロート部２ｂへ吸い込まれ、第１流路２ｅから第２流路２ｂへの一定方向の流れが生じる。

上記のように圧電アクチュエータ８を片持ち梁状に支持した場合、ダイヤフラム部３ａの上面に接触していない間にエネルギーを蓄え、打撃時に瞬間的に運動量を失うので、大きな力積をダイヤフラム部３ａに瞬間的に与えることができる。そのため、ポンプ室１５から第２流路２ｂ，２ｃ側に向かって流れる高速流れを作ることができ、得られるポンプ圧を大きくすることができる。

本実施例では、入口通路側に逆止弁９が設けられている。そのため、圧電アクチュエータ８の休止時や停止時において、出口側の圧力（背圧）によって液体がスロート部２ｂから第１流路２ｅへ逆流するのを防止できる。但し、この逆止弁９は省略することができる。また、本実施例では、圧電アクチュエータ８によりダイヤフラム部３ａを打撃して瞬間的に大きな力積を加えるので、高いポンプ圧を得ることができるが、その反面、第１流路２ｅへの逆流を確実に防止する必要があり、逆止弁９を設けるのが効果的である。

図５は本発明の第２実施例を示す。第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例では、ポンプ室１５とスロート部２ｂとの間に、スロート部２ｂに向かって流路の断面積が漸次小さくなる案内部２ｈが設けられている。ポンプ室１５からスロート部２ｂにかけて流路の断面積が急激に縮小することによる圧力損失を少なくするためである。

また、この実施例では、スロート部２ｂの流路の断面積を第１流路２ｅに比べて大きくしてある。そのため、スロート部２ｂの流路の断面積を確保でき、圧力損失を少なくするとともに、第１流路２ｅの開口面積を相対的に小さくすることで、スロート部２ｂから第１流路２ｅに向かって液体が逆流するのを防止できる。

図６は本発明の第３実施例を示す。上下のケース２０，２１の間にダイヤフラム２２が挟着され、ダイヤフラム２２と下ケース２１との間にポンプ室２３が形成されている。ダイヤフラム２２の背面には圧電アクチュエータ２４が貼り付けられている。
この場合には、圧電アクチュエータ２４の屈曲変位によりダイヤフラム２２を上下に追随変位させることができるので、ポンプ室２３の可変容積を大きくできる。この場合のダイヤフラム２２としては、ＰＥＴ，ポリイミドのような有機材料でもよいし、ゴム、エラストマなど任意の弾性材料を使用できる。金属板も使用可能である。

上記実施例では、アクチュエータとして電圧印加により屈曲変形する圧電アクチュエータを用いたが、伸縮する圧電アクチュエータを用いてもよい。さらに、加振用モータなどの圧電アクチュエータ以外のアクチュエータを用いることも可能である。

本発明に係るマイクロポンプの第１実施例の斜視図である。 図１に示す圧電マイクロポンプの分解斜視図である。 図１のIII −III 線断面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 本発明の第２実施例のポンプ室および第１，第２流路の構造を示す平面図である。 本発明の第３実施例の概略断面図である。

符号の説明

Ｐ マイクロポンプ
１ 底板
２ 第１中間層
２ａ 開口部
２ｂ スロート部
２ｃ テーパ部
２ｄ 出口部
２ｅ 第１流路
２ｆ 入口部
３ 弾性体シート
３ａ ダイヤフラム部
４ 第２中間層
５ 流路形成板
６ カバー
７ 下板
８ 圧電アクチュエータ
８ａ 打撃部
９ 逆止弁
１５ ポンプ室

Claims (7)

1. アクチュエータによってポンプ室の側壁を構成するダイヤフラムを弾性変形させ、ポンプ室の容積を変化させることにより、入口部から流体を吸入し出口部から流体を吐出するマイクロポンプにおいて、
   上記ポンプ室と上記出口部との間には、上流側がポンプ室と接続されたスロート部と、当該スロート部の下流側に接続され、下流側に向かって流路の断面積が漸次拡大するテーパ部とからなる第２流路が形成され、
   上記入口部は第１流路を介して上記スロート部に接続されており、
   上記ポンプ室の容積縮小時に、上記ポンプ室から第２流路に向かって流体の流れを発生させると共に、第２流路のスロート部を流れる流体の流速増大に伴う圧力低下により第１流路から流体をスロート部へ吸入して第２流路へと流出させ、
   上記ポンプ室の容積拡大時に、上記第２流路からポンプ室に向かって流体の流れを発生させると共に、第２流路のスロート部を流れる流体の流速増大に伴う圧力低下により、第１流路から流体をスロート部へ吸入してポンプ室へと流入させることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 上記第１流路は上記スロート部に対してほぼ直交方向に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 上記スロート部の流路の断面積は上記第１流路の断面積以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロポンプ。
4. 上記ポンプ室と第１流路と第２流路は同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
5. 上記第１流路に、上記スロート部方向への流体の流れのみを許容する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロポンプ。
6. 上記アクチュエータは電圧印加により屈曲変形する圧電アクチュエータであり、上記圧電アクチュエータの一端部は支持部に固定されており、他端部には上記ダイヤフラムの中央部を打撃する打撃部が設けられ、上記圧電アクチュエータの屈曲変形に従い上記打撃部が上記ダイヤフラムの中央部を打撃してダイヤフラムを弾性変形させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロポンプ。
7. 上記アクチュエータは電圧印加により屈曲変形する圧電アクチュエータであり、上記圧電アクチュエータは上記ダイヤフラムの背面に面接着されており、上記ダイヤフラムは圧電アクチュエータの屈曲変形と一体に変形することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロポンプ。

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