JP6952400B2 - Piezoelectric gas pump - Google Patents
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Description
本開示は、気体の流れを発生させる圧電ガスポンプに関する。 The present disclosure relates to a piezoelectric gas pump that generates a gas flow.
従来から、例えば特公昭64−2793号公報に(以下、特許文献1という)に記載のような圧電素子を駆動源に用いた圧電ガスポンプ(流れ発生装置)が知られている。 Conventionally, for example, a piezoelectric gas pump (flow generator) using a piezoelectric element as a drive source as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-2793 (hereinafter referred to as Patent Document 1) has been known.
本開示の圧電ガスポンプは、第1開口部を有するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと対向して位置する薄板部と、前記ダイヤフラムと前記薄板部とを接続する枠体とを含み、ポンプ室である内部空間を有する第1筐体と、前記第1開口部よりも大きな開口の貫通孔を有し、前記ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記第1開口部が前記貫通孔の内側に位置するように前記ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子と、前記第1開口部に近接する位置に吐出口を有し、少なくとも前記ダイヤフラムを覆い、前記ダイヤフラムとの間に流体通路を有する外壁と、を備えており、前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記貫通孔の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、前記圧電素子と重なる領域の厚みと異なっている。 The piezoelectric gas pump of the present disclosure includes a diaphragm having a first opening, a thin plate portion located facing the diaphragm, and a frame body connecting the diaphragm and the thin plate portion, and is an internal space that is a pump chamber. The first housing has a through hole having an opening larger than that of the first opening, and the first opening is located inside the through hole when viewed from a direction perpendicular to the diaphragm. a piezoelectric element attached to the diaphragm, having a discharge port at a position proximate to said first opening, covering at least the diaphragm, provided with a, and an outer wall having a fluid passageway between the diaphragm , the diaphragm, at least a portion of the thickness of the region located inside the through hole when viewed in a direction perpendicular to the diaphragm, that is different from the thickness of the region overlapping with the piezoelectric element.
本開示の圧電ガスポンプによれば、ダイヤフラムの振動に薄板部の振動が重畳することで、小型でかつ流体流量の増大化が可能な圧電ガスポンプを実現することができる。 According to the piezoelectric gas pump of the present disclosure, it is possible to realize a piezoelectric gas pump that is compact and capable of increasing the fluid flow rate by superimposing the vibration of the thin plate portion on the vibration of the diaphragm.
以下、添付図面を参照して、圧電ガスポンプの例を詳細に説明する。なお、以下に示す開示の一例によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an example of the piezoelectric gas pump will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following disclosure examples.
図1は、圧電ガスポンプの開示の一例を示す模式的な斜視図であり、図2は図1に示す圧電ガスポンプのA−A線で切断した断面の概略端面図、図3は図2に示す第1筐体および圧電素子の概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of disclosure of the piezoelectric gas pump, FIG. 2 is a schematic end view of a cross section of the piezoelectric gas pump shown in FIG. 1 cut along the line AA, and FIG. 3 is shown in FIG. It is a schematic perspective view of the 1st housing and a piezoelectric element.
図1および図2に示す圧電ガスポンプは、ポンプ室となる内部空間を有する第1筐体1を備える。 The piezoelectric gas pump shown in FIGS. 1 and 2 includes a
第1筐体1は、第1開口部111を有するダイヤフラム11と、ダイヤフラム11と対向する位置に設けられた薄板部12と、ダイヤフラム11と薄板部12とを接続する枠体13とを含んでいる。図に示す例では、この第1筐体1は、ダイヤフラム11を天板、薄板部12を底板、枠体13を側壁とする箱型の形状になっており、第1開口部111はダイヤフラム11の中央部に設けられている。 The
第1筐体1の内部には、ダイヤフラム11と薄板部12と枠体13とで空間が形成され、この空間(内部空間10)がポンプ室となる。なお、ここでいうポンプ室とは、ダイヤフラム11の振動によって内部空間10への気体の流入および流出が繰り返され、ポンプとして機能する部屋のことを意味している。気体(ガス)としては、酸素含有ガス(空気)のほか、適宜用いることができる。 Inside the
第1筐体1を構成するダイヤフラム11、薄板部12および枠体13としては、ステンレス(SUS)、黄銅、42アロイなどの金属部材、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、液晶ポリマーなどの樹脂部材を用いることができる。 As the
ダイヤフラム11は、第1開口部111を有していて、この第1開口部111を通して内部空間10への気体の流入および流出が行われる。ここで、第1開口部11とは、1個の孔を有する構成であってもよく、複数の孔を有する構成であってもよい。 The
ダイヤフラム11の厚みは、例えば50〜500μmの厚みとされる。 The thickness of the
また、ダイヤフラム11が円板状であって、第1開口部11が1個の円形の孔を有する場合の当該第1開口部11の直径は、ダイヤフラム11の外周形状の直径の例えば1〜20%の長さとされる。 Further, when the
また、ダイヤフラム11が円板状であって、第1開口部111が複数の円形の孔を有する場合の当該孔の個数は例えば2〜300個とされ、それぞれの孔の直径はダイヤフラム11の外周形状の直径の例えば0.02〜10%の長さとされる。第1開口部111が、複数の孔を有する場合には、流出する気体の吐出方向の指向性を抑制できるため、流体を広範囲に送風可能となる。 When the
なお、ダイヤフラム11の外周形状および第1開口部111の形状はともに円状に限られず、多角形状であってもよい。 The outer peripheral shape of the
薄板部12は、ダイヤフラム11と対向する位置に設けられていて、基本的にはダイヤフラム11の外周形状と同じ外周形状である。 The
枠体13は、ダイヤフラム11および薄板部12をこれらの間に所望の間隔を設けるように支持し、ダイヤフラム11および薄板部12とともに第1筐体1を形成している。ここで、図に示す枠体13は、断面で見たときに高さ方向の中央部に内側に向けて突出するように内面に凸部131を有する段差形状になっていて、凸部131がダイヤフラム11および薄板部12で挟まれた構成になっている。 The
枠体13は、ダイヤフラム11および薄板部12よりも変形しにくく、例えばダイヤフラム11および薄板部12と同じ材質を有する場合は、これらよりも厚みが厚くなっている。ここで、枠体13が内面に凸部131を有するなど厚みが異なる部位を有する場合は、枠体13の最も薄い部分がダイヤフラム11および薄板部よりも厚くなっている。 The
なお、枠体13は、図に示すような凸部131を有する形状に限られず、断面で見て厚みが高さ方向に沿って一定となっている形状でもよく内面に凹部を有する形状であってもよい。 The
また、圧電ガスポンプは、第1開口部111よりも大きな開口の貫通孔21を有し、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに第1開口部111が貫通孔21の内側に位置するようにダイヤフラム11に取り付けられた圧電素子2を備える。なお、図2は端面図であって、図2に示す圧電素子2は複数個あるのではなく、図3に示すような環状平板型の形状を有する1個の圧電素子2を示している。 Further, the piezoelectric gas pump has a through
圧電素子2は、例えば、貫通孔21を有する圧電体と、圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極とを備えるものである。 The
圧電素子2を構成する圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸バリウム系、ニオブ酸カリウム/ナトリウム系などの圧電セラミックス、水晶、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶を用いることができる。圧電素子2を構成する表面電極としては、銀、ニッケル、銅、銀−パラジウムなどを用いることができる。 As the piezoelectric body constituting the
ここで、圧電素子2が第1開口部111よりも大きな開口の貫通孔21を有しているとは、貫通孔21の横断面の面積が第1開口部111の横断面の面積よりも大きいことを意味する。圧電素子2の内側領域(貫通孔21の内側領域)でダイヤフラム11が圧電素子2の変位よりも大きな変位を得られるように、貫通孔21の大きさが設定されている。 Here, the fact that the
図1に示すように、圧電素子2は例えば配線部材5を介して外部回路に接続されており、圧電素子2を駆動させることによって、ダイヤフラム11を振動させ、圧電ガスポンプを駆動させることができる。 As shown in FIG. 1, the
圧電素子2は、圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極のパターンとして、以下の形態をとり得る。 The
圧電素子2は、一方の主面および他方の主面に設けられた表面電極がそれぞれの面に面方向に広がる一つの主表面電極(一対の主表面電極)を有する他励振型の圧電素子であってもよい。 The
また圧電素子2は、一方の主面に設けられた表面電極が、主表面電極および該主表面電極と分離された副表面電極とを含むいわゆる自励振型の圧電素子であってもよい。このような構成とすることで、例えば、複数の圧電ガスポンプを利用する際に、それぞれの圧電ガスポンプごとに最適駆動周波数を調整できるため、圧電ガスポンプの流体流量の個体差を抑制できる。加えて、例えば−20℃〜+80℃といった環境温度変化に伴う流体流量の変化も抑制できる。なお、ダイヤフラム11に42アロイを用いると、圧電素子2との熱膨張差を低減できるため、環境温度変化に伴う流体流量の変化の抑制に特に有効である。 Further, the
また、圧電ガスポンプは、第1開口部111に近接する位置に吐出口311を有し、少なくともダイヤフラム11を覆うとともにダイヤフラム11との間に流体通路4を有するように設けられた外壁3を備える。 Further, the piezoelectric gas pump has a
外壁3は、少なくともダイヤフラム11を覆うように設けられる。図に示す例では、第1筐体1の外側からダイヤフラム11と対向する天板部31と、枠体部32とを備えている。天板部31および枠体部32としては、ステンレス(SUS)、黄銅、42アロイなどの金属部材、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、液晶ポリマーなどの樹脂部材を用いることができる。 The
外壁3を構成する天板部31は、第1開口部111に近接する位置に吐出口311を有している。ここで、吐出口311とは、気体(ガス)を流出させる開口部のことを意味している。吐出口311は、例えば第1開口部111と同じかこれよりも大きな開口面積を有している。 The
枠体部32は、天板部31の外周部と接合されて天板部31を支持している。図2に示す例では、枠体部32の内面が段差形状になっているが、断面で見て厚みが高さ方向に沿って一定となっている形状でもよく内面に凹部を有する形状であってもよい。 The
また、図1に示す例では、枠体部32の一部に配線部材5を挿通する挿通口321が設けられ、この挿通口321から外部に配線部材5を取り出しているが、この取り出し方についても特に限定はない。 Further, in the example shown in FIG. 1, an insertion port 321 through which the
外壁3(天板部31)は、少なくともダイヤフラム11との間に流体通路4を有するように設けられている。ここで、流体通路4とは、気体(ガス)が流れる通路のことを意味している。この流体通路4は、外壁3(天板部31)と第1筐体1(ダイヤフラム11)との間に所望の間隔を有するように外壁3を固定することによって形成される。例えば、外壁3の枠体部32の内寸を、第1筐体1の枠体13の外寸よりも大きく設定したうえで、第1筐体1の枠体13の複数個所を高さ方向に突出させて天板部31と接合したり、第1筐体1の枠体13の複数個所を径方向(高さ方向に垂直な方向)に突出させて枠体部32と接合したりすることによって、流体通路4を形成できる。 The outer wall 3 (top plate portion 31) is provided so as to have a
図1および図2に示す例では、外壁3は天板部31および枠体部32を備え、第1筐体1の枠体13と外壁3の枠体部32との間にも流体通路4を有している構成を示しているが、この構成に限定されず、枠体部32を備えていない構成でもよい。 In the examples shown in FIGS. 1 and 2, the
また、図1および図2に示す例では、第1筐体1の枠体13と外壁3の枠体部32との間の開放された端部(下端部)が気体の流入口となっているが、その他の形態もとり得る。例えば、外壁3が第1筐体1の全体を取り囲むように、さらに底板部を備える構成であってもよく、この場合は、枠体部32または底板部に気体の流入口が設けられる。 Further, in the examples shown in FIGS. 1 and 2, the open end (lower end) between the
そして、ダイヤフラム11の振動に伴って薄板部12が振動する。このように振動させるためには、薄板部12がダイヤフラム11よりも変形しやすく、振動しやすい構成とすればよい。例えば、薄板部12の弾性率をダイヤフラム11の弾性率よりも小さくしてもよく、薄板部12の厚みをダイヤフラム11の厚みよりも薄くしてもよい。 Then, the
薄板部12の厚みをダイヤフラム11の厚みよりも薄くする場合、例えば、ダイヤフラム11の厚みに対する薄板部12の厚みを30〜80%と設定することができる。具体的には、ダイヤフラム11の厚みを100μmとしたときに、薄板部12の厚みを50μm程度にすることができる。 When the thickness of the
このような構成によれば、圧電素子2の変位に伴うダイヤフラム11の変位に加え、圧電素子2(貫通孔21)の内側領域に位置するダイヤフラム11の一部の重畳変位を誘発でき、更にダイヤフラム11と対向する薄板部12の振動を重畳させることができる。したがって、小型でかつ流体流量の増大化が可能な圧電ガスポンプを得ることができる。 According to such a configuration, in addition to the displacement of the
ここで、図4および図5に示すように、ダイヤフラム11は、当該ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置する領域の少なくとも一部が、薄板部12の側または外壁3(天板部31)の側に向けて突出していてもよい。なお、図4は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、外壁3(天板部31)の側に向けてドーム状に突出している構成を示している。また、図5は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、薄板部12の側に向けてドーム状に突出している構成を示している。 Here, as shown in FIGS. 4 and 5, at least a part of the region located inside the through
このような構成とすることで、ダイヤフラム11の突出部が形状効果により変形し易くなるため、圧電素子2の貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の重畳変位を更に増大させることができ、流体流量の更なる増化が可能となる。 With such a configuration, the protruding portion of the
また、図6〜図10に示すように、ダイヤフラム11は、当該ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、圧電素子2と重なる領域の厚みと異なっていてもよい。なお、図6は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、薄板部12の側の面に設けられた凹みにより薄くなっている構成を示している。図7は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、薄板部12の側の面に設けられた凸部により厚くなっている構成を示している。図8は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、薄板部12の側の面および外壁3(天板部31)の側の面の両方に設けられた凹部により薄くなっている構成を示している。図9は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、薄板部12の側の面に設けられた凹みにより薄くなっているものであるが、図6に示すような凹みとそれ以外の部位との境界が段差状になっているのではなく、傾斜状になっている構成を示している。図10は、ダイヤフラム11に垂直な方向から見たときに貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の一部が、外壁3(天板部31)の側の面の両方に設けられた環状の溝により薄くなっている構成を示している。 Further, as shown in FIGS. 6 to 10, in the
このような構成とすることで、厚みの減少による剛性の低下により、圧電素子2の貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の振幅を増大させたり、厚みの増加による質量負荷効果(運動エネルギーの増加)により圧電素子2の貫通孔21の内側に位置するダイヤフラム11の重畳変位を更に増大させたりすることができ、流体流量の更なる増化が可能となる。 With such a configuration, the amplitude of the
次に、圧電ガスポンプの製造方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for manufacturing a piezoelectric gas pump will be described.
まず、圧電素子2の圧電体を形成するためのチタン酸ジルコン酸鉛などの原料をボールミルなどで調合し、得られた混合原料を700℃〜1200℃で仮焼合成する。この仮焼合成原料をボールミルなどで粉砕し、成形用バインダーを添加後スプレードライヤーで顆粒を作製する。 First, a raw material such as lead zirconate titanate for forming the piezoelectric body of the
得られた顆粒を用い、中心付近に軸ピンを有する成形金型でプレス成形することで貫通孔を有する成形体を作製する。この成形体を脱脂、焼成して得られた圧電体をラッピング等で所望の形状に加工し、表面電極ペーストを印刷後に500℃〜800℃で焼付けして表面電極を形成する。その後、3kV/mm程度の電圧を印加して、所望の圧電特性を有する圧電素子2を得る。 Using the obtained granules, a molded body having a through hole is produced by press molding with a molding die having a shaft pin near the center. The piezoelectric body obtained by degreasing and firing this molded product is processed into a desired shape by wrapping or the like, and the surface electrode paste is printed and then baked at 500 ° C. to 800 ° C. to form a surface electrode. Then, a voltage of about 3 kV / mm is applied to obtain a
次に、打抜き加工などで所望の形状に加工した42アロイを有するダイヤフラム11に、例えば熱硬化型のエポキシ系接着剤を印刷し、圧電素子2を当接させながら80℃〜200℃で加熱することで、圧電素子2を有するダイヤフラム11を得る。 Next, for example, a thermosetting epoxy adhesive is printed on the
また同様に、打抜き加工などで所望の形状に加工したSUSを有する薄板部12と、射出成形などで成形された内面に凸部131(段差形状)を有する枠体13を準備し、枠体13の一方端部および他方端部にそれぞれ設けた段差部に、例えばエポキシ系接着剤を塗布し、一方端部の段差部へダイヤフラム11を組み込むとともに、他方端部の段差部へ薄板部12を組み込み、加熱、硬化させることで第1筐体1を得る。 Similarly, a
次に、外部からの電気信号を圧電素子2に入力するため配線部材5、例えば側面を樹脂で被覆されたリード線を準備する。そして、半田等の接合部材を用いて圧電素子2の表面電極とダイヤフラム11とに配線部材5を電気的および機械的に接合する。 Next, in order to input an electric signal from the outside to the
次に、第1筐体1を構成する枠体13の高さ方向上端に設けた突出部または外面に設けた突出部にエポキシ系接着剤を塗布し、外壁3を構成する枠体部32の内面に接合後、加熱、硬化させる。 Next, an epoxy adhesive is applied to the protruding portion provided at the upper end of the
なお、流体が移動可能な流体通路4は、枠体13の高さ方向上端に設けた突出部の高さおよび天板部31に設ける受け部との位置などを適切に設定することで構成できる。 The
次に、枠体部32の一方端部に設けた段差部へ例えばエポキシ系接着剤を塗布し、第1筐体1を接合した天板部31を組み込み、加熱、硬化させることで本開示の圧電ガスポンプが得られる。 Next, for example, an epoxy adhesive is applied to the stepped portion provided at one end of the
1 第1筐体
11 ダイヤフラム
111 第1開口部
12 薄板部
13 枠体
131 凸部
2 圧電素子
21 貫通孔
3 外壁
31 天板部
311 吐出孔
32 枠体部1
Claims (5)
前記第1開口部よりも大きな開口の貫通孔を有し、前記ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記第1開口部が前記貫通孔の内側に位置するように前記ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子と、
前記第1開口部に近接する位置に吐出口を有し、少なくとも前記ダイヤフラムを覆い、前記ダイヤフラムとの間に流体通路を有する外壁と、を備えており、
前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記貫通孔の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、前記圧電素子と重なる領域の厚みと異なっている圧電ガスポンプ。 A first housing having an internal space that is a pump chamber, including a diaphragm having a first opening, a thin plate portion located facing the diaphragm, and a frame body connecting the diaphragm and the thin plate portion. ,
A piezoelectric material having a through hole with an opening larger than the first opening and attached to the diaphragm so that the first opening is located inside the through hole when viewed from a direction perpendicular to the diaphragm. With the element
It has a discharge port at a position close to the first opening, covers at least the diaphragm, and has an outer wall having a fluid passage between the diaphragm and the diaphragm .
The diaphragm, the piezoelectric gas pump at least part of the thickness of the region located inside the through hole when viewed in a direction perpendicular to the diaphragm, that is different from the thickness of the region overlapping with the piezoelectric element.
一方の主面に設けられた前記表面電極が、主表面電極および該主表面電極と分離された副表面電極とを含む自励振型の圧電素子である請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載の圧電ガスポンプ。 The piezoelectric element includes a piezoelectric body and surface electrodes provided on a pair of main surfaces of the piezoelectric body facing each other.
Any of claims 1 to 3 , wherein the surface electrode provided on one main surface is a self-excited piezoelectric element including a main surface electrode and a sub-surface electrode separated from the main surface electrode. Piezoelectric gas pump described in.
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