圧電ポンプ

【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く、しかも圧電振動子の振動（変形）を抑制することが少ない圧電ポンプを得る。
【解決手段】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メイン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、かつ、メインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に、導電性金属板からなる保護シムが積層されており、この保護シムは穴あき構造である圧電ポンプ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、液体に触れるポンプ室側には金属製のシムを位置させ、大気室側に圧電体層を位置させていた。
【０００４】
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。その原因は、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のに対し、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ため、大気室側の圧電体層には引張応力が加わるからであると推論した。
【０００５】
本出願人は、以上の問題点を解決するため既に、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のメイン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、そのメインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に導電性金属板からなる保護シムを積層した圧電ポンプを提案した（特願２００７-２１２５７３号）。
【特許文献１】特開平1-283069号公報
【特許文献２】特開2002-61551号公報
【特許文献３】特開2002-118303号公報
【特許文献４】特開2005-113776号公報
【特許文献５】特開2006-207436号公報
【特許文献６】特許2772525号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、このように保護シムを設けた圧電振動子は、保護シムによって圧電体のクラックの発生を防止できるものの、圧電振動子の振動（変位）が抑制されてしまうため、ポンプ効率が低下するという新たな問題点が指摘された。
【０００７】
本発明は従って、圧電振動子の大気室側の圧電体層にクラックが生じにくく、しかも圧電振動子の振動（変形）を抑制することが少ない圧電ポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、空気室側圧電体層を覆う保護シムを穴あき構造とすれば、振動の抑制を最小限に抑えながら圧電体のクラックの発生を防止できるとの着眼に至って本発明を完成したものである。
【０００９】
すなわち、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、圧電振動子は、導電性金属薄板からなる少なくとも一枚のメイン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、かつ、上記メインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に導電性金属板からなる保護シムが積層されており、この保護シムは、穴あき構造であることを特徴としている。シムと圧電体層との間、あるいは圧電体層の表裏には、シムと圧電体層を接着する接着層あるいは圧電体層に通電するための電極層が存在するが、これらの接着剤層と電極層は、積層構造の要素としては含んでいない。また各圧電体層は、単層構造の他、複数層を電気的に直列または並列に接続した複数層構造のいずれでもよい。
【００１０】
保護シムは、空気室側圧電体層全体を覆う大径とすることができる。このようにすることで、圧電体層全体で応力の集中部分を少なくすることができる。
【００１１】
保護シムに形成する穴（貫通穴）の形成態様には自由度がある。最も簡単には、保護シムの穴を、該保護シム全体に均等に穿設（配設）することができる。
【００１２】
あるいは、保護シムの穴は、該保護シムの穴の合計面積と無欠部分の合成面積の比（有穴合計面積／無欠合計面積）が、周縁に行くに従って、大きくなるように穿設することができる。このとき、保護シムの中心部分には、穴を形成しない（中心部分を無欠領域とする）態様も可能である。圧電体のクラックは、圧電振動子の中心部分で主に生じることが確認されており、保護シムの穴の合計面積が、周縁に行くに従って、無穴部分の合計面積より広くなるようにし、あるいはさらに中心部分を無穴とすることで、クラック発生を効果的に防止できる。
【００１３】
保護シムの最外周部分は、完全円形部とするのがよい。このように、完全円形とすることで保護シム外周部において不均一な応力分布となることを防止することができる。
【００１４】
保護シムは、具体的には、厚さ５〜５００μｍの導電性金属薄板、例えばステンレスまたは４２アロイ等から構成するのがよい。
【００１５】
メインシムのポンプ室側の圧電体層上には、合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムを積層接着することが望ましい。合成樹脂フィルムとしては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることができる。
【００１６】
本発明は、最もシンプルな態様では、メインシムと圧電体層はそれぞれ一層（一枚）のみであり、ポンプ室側に位置する圧電体層上には合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層接着されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による圧電ポンプは、圧電振動子を、その最も大気室側に金属製の保護シムが位置するように配置し、この保護シムを穴あき構造としたので、圧電振動子の振動（変形）を犠牲にすることなく、圧電振動子がポンプ室側から受ける圧力によって圧電体が受ける引張応力を緩和し、クラックの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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とミドルハウジング２２は、予め一体に形成してもよい。
【００１９】
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、環状ガイド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、圧電振動子１０の周縁部のみを拘束、支持し、中央部は変位自在となるように該圧電振動子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。
【００２０】
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を連通させる吐出流路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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
平面円形をなす圧電振動子１０は、図１、図３、図４に示すように、メインシム１１の表裏に圧電体層１２ｆ、１２ｒが積層接着された構造となっており、大気室Ａ側に面する圧電体層１２ｆの上には保護シム１３が積層接着され、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が積層接着されている。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、環状ガイド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（外径）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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、従来の圧電振動子１０では存在しなかったものであり、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には、多数の円形穴１３０が穿設されている。円形穴１３０を有する保護シム１３は、保護シム１３自体の変形をできるだけ阻害しないようにすること、及び該保護シム１３の直下の圧電体層１２ｆ（大気室Ａ側の圧電体層）にクラックが生じるのを防止することが目的であり、この目的の範囲で円形穴１３０の径、数及び位置を定めることができる。
【００２７】
図１、図４及び図５は、その円形穴１３０の配置の一実施形態を示している。この実施形態では、各円形穴１３０は、同一径であり、保護シム１３の全体に均一に分散している。保護シム１３の最外周には、完全円形部１３１が残されている。この均一配置の実施形態では、保護シム１３の中心部において圧電体層１２ｆと密着する面積を増やして圧電体層１２ｆのクラック発生を防止するために、保護シム１３の径をＤ、円形穴１３０の径及び隣り合う円形穴１３０の間隔をｄとしたとき、１０ｄ＞Ｄを満足するように、円形穴１３０の大きさと数を決定することが望ましい。
【００２８】
なお、図１ないし図３では、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、環状ガイド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、環状ガイド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よい。この構造では、保護シム１３の径は、圧電体層１２ｆの径と同径にすれば、圧電体層１２ｆの部分的な応力の集中をより緩和できるが、圧電体層１２ｆの周縁部は変位が小さいため、保護シム１３の径は、圧電体層１２ｆの径よりも多少小さくても良い。
【００２９】
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。
【００３０】
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。図５ないし図１５では、配線突起１３ａは描いていない。
【００３１】
上記構成の本圧電ポンプ２０は、メインシム１１の配線突起１１ａと保護シム１３の配線突起１３ａの間（表側圧電体層１２ｆの表裏間）、及びメインシム１１の配線突起１１ａと環状電極端子２９の配線突起２９ａの間（裏側圧電体層１２ｒの表裏間）にそれぞれ交番電界を与えると、圧電振動子１０が振動して上述のポンプ作用が得られる。このポンプ作用に際し、圧電振動子１０には、ポンプ室Ｐ側から常時液体圧力が加わり、その結果、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆには引張応力が加わる。この引張応力は液体の温度が高くなるほど大きくなる。この引張応力に対し、本実施形態によれば、大気室Ａ側の圧電体層１２ｆに積層接着した保護シム１３がよく抵抗する。すなわち、圧電体層１２ｆに加わる引張応力は、保護シム１３によって緩和され、圧電体層１２ｆにクラックが発生するのを防止し、あるいは圧電体層１２ｆの寿命を長くすることができる。そして、保護シム１３に形成した円形穴１３０は、保護シム１３自体の変形（圧電振動子１０の変形）を容易にするから、圧電振動子１０の振幅を犠牲にすることが少ない。
【００３２】
図６ないし図１５はそれぞれ、圧電振動子１０の保護シム１３の別の実施形態を示している。
【００３３】
図６は、図５の実施形態において、保護シム１３の中心部に、無穴部（無欠領域）１３２を形成した実施形態である。この実施形態によると、最もクラックが発生しやすい圧電体層１２ｆの中心部に中心無欠部１３２が重なるので、より確実にクラックの発生を防止することができる。
【００３４】
図７ないし図９の実施形態は、保護シム１３の中心側の円形穴１３０の径を小さくし、外周側に行くに従ってその径を大きくした実施形態である。無欠部の合計面積と、有穴部の合計面積は、外周側に行くほど、有穴部の合計面積が大きくなっている。つまり、円形穴１３０は、有穴合計面積／無欠合計面積が、周縁に行くに従って、大きくなるように穿設されている。いずれの実施形態も、保護シム１３の中心部には、図６の実施形態よりは小さいが、巨視的に円形と認識できる無欠部（無欠領域）１３２が存在する。図７ないし図９の実施形態の円形穴１３０はいずれも、４種類の径の円形穴１３０を用いている点では共通している。
【００３５】
図１０の実施形態は、保護シム１３に、完全円形部１３１に沿う外周部の穴部を除き、同一形状の正方形穴１３３を穿設したものである。中心部には、正方形無欠部１３４が残されている。
【００３６】
図１１ないし図１５の実施形態は、保護シム１３の中心無欠部１３２の外側に順に輪帯を想定し、各輪帯にそれぞれ、貫通穴１３５を形成した実施形態である。有穴の輪帯と輪帯の間は、無欠の輪帯を構成している。図１１の実施形態では、有穴輪帯は内側から順に４つ想定され、内方の有穴輪帯から外方の有穴輪帯にかけて、内方ほど大きさが小さく合計有穴面積が小さい貫通穴１３５ａ、１３５ｂ、１３５ｃ、１３５ｄを穿設している。図１１の実施形態では、最も内方の貫通穴１３５ａは長方形状であり、外側の貫通穴１３５ｂないし１３５ｄは、扇形形状である。
【００３７】
図１２の実施形態は、無欠部１３２の外側の３番目の有穴輪帯に形成する貫通穴１３５ｃ’を、図１１の実施形態より大きい大区画扇形としたものである。
【００３８】
図１３の実施形態は、中心部の無欠部１３２を大きくして、その外側に無欠輪帯によって区画された有穴輪帯を２つ想定し、内側の有穴輪帯には周方向に一列に円形穴１３６を並べ、外側の有穴輪帯には、４つの扇形穴１３７を等角度間隔に形成した実施形態である。
【００３９】
図１４の実施形態は、図１３の実施形態と同様に、中央の無欠部１３２を大きくして、その外側に無欠輪帯によって区画された有穴輪帯を２つ想定し、内側の有穴輪帯には多数（６列）の小径円形穴１３８を並べ、外側の輪帯には、４つの扇形穴１３７を等角度間隔に形成した実施形態である。
【００４０】
図１５の実施形態は、中央の無欠部１３２を大きくして、その外側に有穴輪帯を１つ想定し、その有穴輪帯内に、周方向に一列に変形扇形穴１３９を並べたものである。変形扇形穴１３９は、扇形形状の中央部に、内径側から外径側に突起１３９ａを設けた形状をしている。
【００４１】
図５から図１５の実施形態はいずれも、保護シム１３自体の変形を抑制せず、該保護シム１３の直下の圧電体層１２ｆ（大気室Ａ側の圧電体層）にクラックが生じるのを防止する作用効果をもつ。また、図６から図１５の実施形態はいずれも保護シム１３の各貫通孔の密度を中心部では少なくし、周縁部では大きくしている。これにより、最も圧電体層１２ｆに応力が集中する中心部では保護シム１３と接触する部分を多くして、圧電体層１２ｆのクラックの発生を防止し、応力の集中が比較的少ない周縁部では逆に保護シム１３に接触する部分を少なくして、圧電振動子１０の変位が保護シム１３によって抑制されるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】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。
【図２】同圧電ポンプの断面図である。
【図３】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。
【図４】同圧電ポンプの圧電振動子の模式分解斜視図である。
【図５】本発明による圧電ポンプ用圧電振動子の保護シム単体の穴形状の一例を示す平面図である。
【図６】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図７】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図８】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図９】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１０】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１１】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１２】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１３】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１４】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【図１５】同保護シム単体の穴形状の別の例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０圧電振動子
１１メインシム
１１ａ配線突起
１２１２ｆ１２ｒ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
３２３３逆止弁
１３０円形穴
１３１完全円形部
１３２中心無欠部
１３３正方形穴
１３４正方形無欠部
１３５貫通穴
１３６円形穴
１３７扇形穴
１３８小径円形穴
１３９変形扇形穴
Ａ大気室
Ｐポンプ室

【特許請求の範囲】
【請求項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、該圧電振動子を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メイン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、かつ、上記メインシムの表裏の圧電体層のうち空気室側の圧電体層上に導電性金属板からなる保護シムが積層されており、
この空気室側圧電体層を覆う保護シムは、穴あき構造であることを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
上記保護シムは空気室側圧電体層全体を覆う大径である請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムの穴は、該保護シム全体に均等に穿設されている圧電ポンプ。
【請求項４】
請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムの穴の合計面積と無欠部分の合成面積の比（有穴合計面積／無欠合計面積）は、周縁に行くに従って、大きくなっている圧電ポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし３記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムの穴は、該保護シムの中心部には存在しない圧電ポンプ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムの最外周部分は、完全円形部である圧電ポンプ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記保護シムは、厚さ５〜５００μｍの導電性金属薄板からなっている圧電ポンプ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記メインシムのポンプ室側の圧電体層上には、合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層されている圧電ポンプ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記メインシムと圧電体層はそれぞれ一層のみであり、ポンプ室側に位置する圧電体層上には合成樹脂フィルムからなるカバーフィルムが積層されている圧電ポンプ。

【図１】