JPH0354383A

JPH0354383A - 圧電式ポンプ

Info

Publication number: JPH0354383A
Application number: JP1186021A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tatsumi; 巽　康一
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1991-03-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えば生体内に哩め込んで薬岐を投与する場
合等にポンプとして使用され、圧電振動板の振動により
ポンプ室の内容積を変化させポンプ作用を行う圧電式ポ
ンプに関する。

［従来の技術］従来、圧電式ポンプとして、特開昭６１−５３４７６号
公報、実開昭５７−３０３９４号公報で示されるものが
ある。これら従来の圧電式ポンプにあっては、そのユニ
モルフ振動子やバイモルフ振動子などの圧電振動板によ
ってポンプ室の少なくとも一つの内面部分を形成する。

また、ポンプ室の吸込み口と吐出口とにそれぞれ逆止弁
を設ける。

そして、上記圧電振動板の電極に電圧を印加することに
より、圧電振動板を変位させて上記ポンプ室の内容積を
変化し、吸込み口から流体を吸い込み、吐出口から吐出
するようになっている。

［発明が解決しようとする課題コしかしながら、従来の圧電式ポンプにおける圧電振動板
はその各面に１枚の電極を全面的に設ナている。このた
め、その電極に電圧印加すると、圧電振動板の振動板は
その極性に応じて一方向へ曲がるのみである。

しかも、圧電振動板の周辺部をその全周縁にわたってポ
ンプ本体側の部材に固定して拘束しているため、圧電振
動板の周辺部における曲げ動作は制限される。したがっ
て、圧電振動板の変位量がより小さくなる。つまり、充
分な吐出流量が得られないという問題点があった。

本発明は上記課題に着目してなされたもので、その目的
とするところは、その大きさに比べて圧電振動板の変位
量が大きくなり、充分な吐出量が得られる効率のよい圧
電式ポンプを提供することにある。

［課題を解決する手段および作用］上記課題を解決するために本発明は、ポンプ本体に形成
したポンプ室の少なくとも１つの内面部分を圧電振動板
で構成し、この圧電振動仮に電圧を印加することで圧電
振動板を変位させ、上記ポンプ室の内容積を変化させる
ことにより流体の吸い込みと吐出を行う圧電式ポンプに
おいて、上記圧電振動板の電極を、中央部側とポンプ本
体側こ支持される周辺゛部側とに分割し、その中央部側
と周辺部側の各電極に互いに極性が反転した交流電圧を
印加する駆動手段を備えた。

しかし−て、上記中央部と周辺部の各電極に互いに極性
が異なる交流電圧を印加して、圧電振動板を駆動するか
ら、周辺部での拘束支持においても、圧電振動板の変位
量を大きくでき、印加した交流電圧の１サイクル当たり
の圧電振動板の変位により吐出する流量が増えて、十分
な吐出ヱが得られるようになった。

［実施例］第１図ないし第６図は本発明の第１の実施例を示すもの
である。

第１図は圧電式ポンプ１の全体の構或図である。

すなわち、この圧電式ポンプ１はそのポンプ本体２の下
部内に圧電アクチュエータ３を設けてなり、その圧電ア
クチュエータ３の周縁部分を抑圧リング４によりポンプ
本体２に押し付けて固定し液密約に支持している。ポン
プ本体２の下部には下面側に開放する開口部２ａが形成
され、この開口部２ａに圧電アクチュエータ３が設置さ
れている。

そして、圧電アクチュエータ３の下面はその開口部２ａ
から外部に開放している。また、圧電アクチュエータ３
は開口部２ａを仕切り、上面側にポンプ本体２の内壁に
面してその内壁との間に密閉したポンプ室５を形成して
いる。つまり、圧電アクチュエータ３はポンプ室５の１
面たる底面を構成している。

ポンプ本体２にはポンプ室５に連通ずる流入口６と吐出
口７が形成されている。この流入口６には流入口金８が
取り付けられている。また、吐出Ｄ７には吐出口金９が
取り付１ノられている。さらに、流入口６には逆止弁か
らなる流入弁１１が設けられ、流入側へ向けてのみ流す
ようにしている。

また、吐出口７には逆止弁からなる吐出弁１２が設けら
れ、吐出側へ向けてのみ流すようにしている。

第２図は圧電アクチュエータ３の詳細な構造を示してい
る。すなわち、圧電アクチュエータ３は圧電振動板とし
ての、例えばバイモルフ振動子１３を第１の絶縁層１４
と第２の絶縁層１５で挟み込んで１枚の板状に構成して
なるものである。

バイモルフ振動子１３は、２枚のＰＺＴ　（ジルコンチ
タン酸鉛）等からなるセラミック板を、その間に金属板
１６を挟み込んで貼り合わせるとともに、その上下両面
にＡＩｌ蒸着等により電極層を形成している。この電極
層は周辺電極１７と中央電極１８とに分けられており、
この中央電極１ｚとク周辺電極１台は電気的に隔離して設けられている。

すなわち、バイモルフ振動子１３の電極層はポンプ本体
２への固定に使う周辺部１つと、フリー側部分としての
中央部２０とに分割されている。そして、中央電極ＩＳ
と前記金属板１６と、周辺電？極１＠と前記金属板１６の各間には、それぞれ駆動用交
流電圧を印加するための第１の制御線２１と、第２の制
御線２２を別々に接続している。っまり、周辺電極】７
と中央電極１８とには個別に駆動用交流電圧を印加する
ことができる。

このバイモルフ振動子１３は第３図および第４図で示す
ような駆動系により駆動される。すなわち、電源２３と
、この電源２３の駆動用交流電圧を所望の電圧値、周波
数値に設定する制御部２４とからなり、所望の電圧値、
周波数値に設定したのち、バイモルフ振動子１３におけ
る中央部２ｏと周辺部２１とにおける各電極１７．１８
にそれぞれ別々に印加する構成である。さらに、このと
き、バイモルフ振動子１３における電極層の周辺部１９
と制御部２４との間には反転器２５を設け、バイモルフ
振動子１３における電極層の周辺部１９へ印加する駆動
用交流電圧の位相を中央部２０に印加する駆動用交流電
圧の位相に比べて１８０＠変えるようになっている。

次に、上記構成の圧電式ポンブ１の動作を説明する。す
なわち、第３図および第４図で示すような構成の駆動回
路で、バイモルフ振動子１３に駆動用交流電圧を印加す
ると、周辺部１つと中央部２０とでは印加された電圧の
位相が１８０’違うので正反対の駆動状態で動作する。

すなわち、第５図（ｂ）で示すように電源２３から出た
交流電圧をバイモルフ振動子１３に印加するとき、中央
部２０、すなわち中央電極１８と金属板１６との間には
位相を変えずにそのまま印加する。これに対し、周辺部
１９、すなわち周辺電極１７と金属板１６との間には反
転器２５を通して、中央部２０とは逆向きの極性で印加
する。つまり、各電極１７．１８には、１８０”ずれた
位相の電圧が印加する。

しかして、バイモルフ振動子１３は各電極１７，１８と
金属板１６の間に生ずる電位差の向きにより、たわむ向
きが異なる。したがって、第５図（ａ）で示すように中
央部２０がポンプ室５側に膨れるようにたわんだとき、
周辺部１９はその中央部２０とは逆向きにたわむ。しか
し、周辺部１９は、ポンプ本体２との支持固定部分を支
点にしてたわむので、中央部２０をポンプ室５側へ持ち
上げるようにたわむ。

第６図は印加する電圧の位相が１８０’進んだときの状
態を示す。つまり、第５図で示す場合とは逆に中央部２
０が開口部２ａ外側へ膨れるようにたわむ。

そして、この作用により圧電式ポンプ１全体としては次
のように動作する。バイモルフ振動子１３が開口部２ａ
側へたわみ、ポンプ室５内の容積が増えて、ポンプ室５
内の圧力が減ると、流入口６の流入弁１１が開いて、ポ
ンプ室５内へ流体が流入する。また、逆向きにバイモル
フ振動子１３がポンプ室５側へたわむと、ポンプ室５内
の容積が減り、ポンプ室５内の圧カが増す。このため、
流入弁６が閉じるとともに吐出弁１２が開いて、ポンプ
室５から流体を吐き出す。これを繰り返すことにより流
入口６から流体を取り込むとともに順次、吐出口７へ送
り出すポンプ作用が逐行される。

以上の構成により、バイモルフ振動子１３は周辺部１９
で中央部２０を持ち上げるように動作するので、その分
，同振動子１３の変位量は大きくなった。したがって、
十分な吐出量を得られ、効率が向上するようになった。

また、バイモルフ振動子１３を以上のような構成とした
ので、そのバイモルフ振動子１３の機械的な強度は一様
である。したがって、動作させるとバイモルフ振動子１
３の変位量は、そのパイモルフ振動子１３に加わる負荷
の大きい場合にも充分に大きくなる。したがって、負荷
の大きなときにも十分な吐出量を得られるようになった
。

加えて、同じ交流電圧を印加したときのバイモルフ振動
子１３の変位量が大きいので、流量を制御できる範囲が
広く、また、細い制御が可能である。

第７図は本発明の第２の実施例を示すものである。この
実施例では、第１の制御線２１側と第２の制御線２２側
とに別々の制御部３１．３２を設けた駆動系を構成した
ものである。すなわち、電源２３よりバイモルフ振動子
１３に印加する交流電圧を周辺部１９側へ印加する交流
電圧と、中央部２０側へ印加する交流電圧とに分けて導
き、周辺部１９側へ印加する交流電圧は反転器３３によ
り位相を１８０”ずらしてから第１の制御部３１を通し
て印加するようにし、中央部２ｏ側へ印加する交流電圧
は第２の制御部３２を通してそのまま印加するように構
或する。

つまり、周辺電極１７と中央電極１８とに位相を１８０
’ずらした駆動用交流電圧を個別に印加することができ
る。

このため、第１の制御部３１、第２の制御部３２で周辺
部１９側へ印加する駆動用交流電圧と、中央部２０側へ
印加する駆動用交流電圧を独立に制御できる。このため
、例えば、吐出口７側の吐出口金９に接続されるチュー
ブの径が、流入口６側の流入口金８に接続されるチュー
ブの径より細い場合、または中央部２０側の電極のアク
チュエー夕を逆方向にたわませる場合のように負荷が大
きい場合には、周辺部１９側へ印加する交流電圧を中央
部２０側のそれより大きくすることで、バイモルフ振動
子１３を充分に変位させることができる。したがって、
この実施例によれば、上記第１の実施例にも増して、大
きな注入圧が得られる強力なポンプとなる。また、バイ
モルフ振動子１３の変位量も大きくなるので、流量制御
範囲がさらに広く、より細い制御が可能である。

また、バイモルフ振動子１３の代わりにモノモルフ振動
子を使って圧電アクチュエータ３を構成してもよい。

第８図ないし第１３図は本発明の第３の実施例を示すも
のである。

この第３の実施例では、バイモルフ振動子１３を第８図
で示すように構成する。すなわち、バイモルフ振動子１
３における長手方向各端縁部分には、それぞれ周辺電極
１７を設けて、この部分を支持側周辺部１９とする。ま
た、この両周辺電極１７に挟まれた中央側部分には上記
周辺電極１７とは電気的に分離した中央電極１８が設け
られている。そして、この中央電極１８の部分を中央部
２０とする。さらに、バイモルフ振動子１３は絶縁彼覆
３５をモールドしている。

第９図ないし第１３図は上記構成の圧電アクチュエータ
３をポンプ本体２に支持する構造の状態を示す。すなわ
ち、圧電アクチュエータ３の全周縁部はポンプ本体２に
おける開口部２ａの内面に形成した支持用溝４１に密に
嵌め込まれて支持されている。

さらに、圧電アクチュエータ３の長手刀向の各縁部は第
９図および第１０図で示すようにそのバイモルフ振動子
１３の端縁部分１３ａを含めて支持用溝４１内に嵌め込
んで支持されている。また、圧電アクチュエータ３の長
手方向に直交する向きの左右の各縁部１３ａは、第１１
図および第１２図で示すようにそのバイモルフ振動子１
３の部分がかからない範囲で支持用溝４１内に嵌め込ん
で支持されている。つまり、圧電アクチュエータ３の長
手方向に直交する向きの左右の各縁部１３ａはその第１
の絶縁層１４と第２の絶縁層１５のみが支持用溝４１内
に嵌め込んで支持されている。

このため、この向きではバイモルフ振動子１３を直接支
持せず、絶縁層１４．１５を介して間接的に支持するか
ら、バイモルフ振動子１３としては自由周辺４２となっ
ている。

また、第１３図はその平面から見た圧電アクチュエータ
３の支持関係を示す。この第１３図中、バイモルフ振動
子１３は点線（一部実線で示す。）で示される。そして
、斜線部は支持用溝４１内に嵌まり込んで支持される領
域である。つまり、バイモルフ振動子１３はその長手方
向に重心Ｇを挟んで向き合う一組の周辺部１９が支持周
辺４３として支持用溝４１の領域内に位置している。ま
た、重心Ｇを挟んで向き合う別組の周辺は自由周辺４２
として支持用溝４１の領域外に位置している。

しかして、上記支持構成によれば、バイモルフ振動子１
３はその長手方向に重心Ｇを挟んで向き合う一組の周辺
部ｌ９の端縁のみが支持周辺４３として支持用溝４１の
領域内に位置し、また、重心Ｇを挟んで向き合う別組の
周辺は自由周辺４２として支持部２７の領域外に位置し
ている。したがって、バイモルフ振動子１３の全周縁を
ポンプ本体２で拘束した第１の実施例のものよりそのバ
イモルフ振動子１３の変位員を大きくてきる。このため
、この圧電式ボンプ１の吐出量がより多くなり、効率の
向上が図れる。

なお、その他の構或および動作は以下に述べるものを除
き、上記実施例のものと同じである。

なお、本発明は上記各実施例のものに限定されない。例
えば、バイモルフ振動子の代わりにモノモルフ振動子を
使って圧電アクチュエー夕を構成してもよい。

［発明の目的コ以上説明したように本発明によれば、圧電式ポンプの圧
電振動板の電極を、中央部側とポンプ本体側に支持され
る周辺部側とに分割し、その中央部側と周辺部側の各電
極に互いに極性が反転した交流電圧を印加する駆動を行
うようにしたから、各電極に互いに極性が異なる交流電
圧を印加して圧電振動板を駆動するときの周辺部での拘
束支持において、圧電振動板の変位量を大きくでき、印
加した交流電圧の１サイクル当たりに圧電振動板による
吐出流量が増える。つまり、圧電振動板の大きさに対す
るその圧電振動板の変位量が相対的に大きくなり、充分
な吐出量が得られ、圧電式ポンプの効率を向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の第１の実施例を示し、第
１図は圧電ポンプの側断面図、第２図はその圧電アクチ
ュエータの展開斜視図、第３図および第４図は圧電アク
チュエー夕の駆動系を示す構成図、第５図（ａ）は圧電
アクチュエータの湾曲状態を示す側断面図、第５図（ｂ
）はそのときの圧電アクチュエータに印加する駆動信号
の説明図、第６図（ａ）は圧電アクチュエータの他の湾
曲状態を示す側断面図、第６図（ｂ）はそのときの圧電
アクチュエー夕に印加する駆動信号の説明図である。第
７図は本発明の第２の実施例を示す圧電アクチュエー夕
の駆動系を示す構成図である。第８図ないし第１３図は本発明の第３の実施例を示し、
第８図は圧電アクチュエー夕における圧電振動板の斜視
図、第９図は圧電ポンプの側断面図、第１０図は圧電振
動板の支持部の拡大断面図、第１１図は圧電ポンプの正
面断面図、第１２図は圧電振動板の支持部の拡大断面図
、第１３図は圧電アクチュエー夕を一部断面して示す平
面図である。１・・・圧電式ポンプ、２・・・ポンプ本体、３・・・
圧電アクチュエー夕、５・・・ポンプ室、６・・・流入
口、７・・・吐出口、１３・・・バイモルフ振動子、１
７・・・周辺電極、１８・・・中央電極、１つ・・・周
辺部、２０・・・中央部、２１　，２２・・・制御線、２３・・反転器、２３・・電源、２４・・・制御部、３３・・・反転器、３１　，３２・・制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

ポンプ本体に形成したポンプ室の少なくとも１つの内面
部分を圧電振動板で構成し、この圧電振動板に電圧を印
加することで圧電振動板を変位させ、上記ポンプ室の内
容積を変化させることにより流体の吸い込みと吐出を行
う圧電式ポンプにおいて、上記圧電振動板の電極を、中
央部側とポンプ本体側に支持される周辺部側とに分割し
、その中央部側と周辺部側の各電極に互いに極性が反転
した交流電圧を印加する駆動手段を備えたことを特徴と
する圧電式ポンプ。