JPH10196520A - 変位アクチュエータ駆動ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ポンプ容量の大きな変位アクチュエータ駆動ポ
ンプを提供する。 【解決手段】基枠２９の両側に円柱状の積層型圧電素子
３０，３１を固定し、基枠の中央に両開口面を圧電素子
側に対向させた円筒状のシリンダー３４を固定する。シ
リンダー内の両側に円柱状の慣性体３５，３６を慴動自
在に設ける。これらの慣性体は自由ピストンの機能を兼
ね、その基端面が圧電素子の変位面３２，３３に接する
位置から、圧電素子の変位より十分大きく変位した位置
までの間を移動可能になっている。ポンプ室３７内で両
慣性体の間にスプリング３８を接続する。これにより、
両圧電素子が変位すると、両慣性体はシリンダーの中心
部に向かって飛び出し、流体を吐出する。そしてスプリ
ングで圧電素子側に戻され、流体を吸入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子や電歪素子
等の変位アクチュエータを駆動源として流体を吸入、及
び吐出する変位アクチュエータ駆動ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、変位アクチュエータを駆動源とす
るポンプは、伸縮方向の異なる２枚の薄板状変位アクチ
ュエータ素子を接着し屈曲変形により変位を得るバイモ
ルフ型変位アクチュエータを用いて、ダイヤフラムやピ
ストン等のポンプ要素を駆動していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バイモ
ルフ型変位アクチュエータは素子自体が弾性体で構成さ
れているため、発生力が小さく、ポンプ容量を高めるこ
とができないという問題点があった。本発明は、上記問
題点を解決するためになされたもので、大きなポンプ容
量が得られる変位アクチュエータ駆動ポンプを提供する
ことを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、基枠と、基枠に固定され電圧の供給によって
外側方向に変位する変位面を有する単板型又は積層型の
変位アクチュエータと、変位アクチュエータの変位面に
接する位置から変位アクチュエータの変位方向に向かっ
て変位アクチュエータの変位より大きく変位した位置ま
での間を移動自在に支持された慣性体と、慣性体を変位
アクチュエータの変位面に復帰させる復帰要素と、基枠
に固定され慣性体の往復運動により流体を吸入、吐出す
るポンプ要素と、変位アクチュエータにパルス信号を繰
り返し供給する駆動回路とからなることを特徴としたも
のである。

【０００５】単板型又は積層型変位アクチュエータは一
般に変位量は小さいが、発生力が大きく、応答速度が速
いという特性を有している。従って、上記手段によれ
ば、変位アクチュエータにパルス信号が印加されると、
変位アクチュエータの変位面が瞬時に変位し、慣性体は
あたかも鋼球の玉突き衝突のように前方に飛ばされる。
そして、最大変位量に達すると運動を停止し、スプリン
グ等の復帰要素により変位アクチュエータの変位面に戻
される。上記行程が駆動回路に同期して繰り返され、慣
性体は往復運動を行ってポンプ要素を駆動する。このよ
うに、本発明は変位アクチュエータの変位を慣性体の運
動に変換して、変位拡大と駆動力の伝達を行い、ポンプ
要素を作動させるものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下は、本発明の第１実施例を図
１を参照して説明する。Ｌ字状の基枠１の水平面に軸を
垂直に向けた円柱状の圧電素子２の下端面が固定されて
いる。この圧電素子は積層型変位アクチュエータで、電
圧を印加すると上端の変位面３が上方に変位するように
なっている。基枠１の垂直面に開口面を前記変位面３に
同軸的に対向させたシリンダー４が固定されている。シ
リンダー４と変位面３の間には下端面が変位面３に接
し、上端面がシリンダー４内に位置する円柱状の慣性体
５が、シリンダーの内面に対し慴動自在に設けられてい
る。この慣性体は一種の自由ピストンであり、図中破線
で示すように、その下端面が変位面３に接する位置か
ら、圧電素子２の変位より十分大きく変位した位置まで
の間を自由に移動できるようになっている。慣性体５の
上端面とシリンダー４の内面で区画される空間でポンプ
室６が形成され、シリンダーヘッド７の上部にはポンプ
室６に接続された吸入弁８と吐出弁９が取付けられてい
る。圧電素子２はリード線で駆動回路１０に接続されて
いる。上記構成によると、駆動回路１０のパルス信号に
より圧電素子２が変位すると、慣性体５は運動エネルギ
ーを得て上方に飛び出し、ポンプ室６の流体を吐出す
る。そして、自重により下降し、ポンプ室６に流体を吸
入して、圧電素子の変位面３に戻る。この行程が駆動回
路１０の信号に同期して繰り返されポンプ動作が行われ
る。なお、圧電素子２の変位時に、基枠１や慣性体５が
弾性変形を起こすと、運動エネルギーの一部が熱と振動
に変換され損失となるため、基枠１と慣性体５は剛性の
高い材料が選ばれる。また、基枠１は堅固な床の上に設
置される。

【０００７】次に、本発明の第２実施例を図２を参照し
て説明する。逆Ｔ字状の基枠１１の左側垂直面に円柱状
の圧電素子１２の一端面が固定されている。この圧電素
子は積層型変位アクチュエーターで、電圧を印加すると
非固定端の変位面１３が軸方向外側に変位するようにな
っている。基枠１１の左側水平面に開口面を前記変位面
１３に同軸的に対向させたシリンダー１４が固定されて
いる。シリンダー１４と変位面１３の間には基端面が変
位面１３に接し、先端面がシリンダー１４内に位置する
円柱状の慣性体１５が、シリンダーの内面に対し慴動自
在に設けられている。この慣性体１５は自由ピストンの
機能を兼ね、図中破線で示すように、その基端面が変位
面１３に接する位置から、圧電素子１２の変位より十分
大きく変位した位置までの間を自由に移動できるように
なっている。慣性体１５の先端面とシリンダー１４の内
面で区画される空間でポンプ室１６が形成され、ポンプ
室１６内で慣性体１５とシリンダーヘッド１７の間にス
プリング１８が接続されている。シリンダーヘッド１７
の外側にはポンプ室１６に接続された吸入弁１９と吐出
弁２０が取付けられている。一方、基枠１１の右側部に
は前記左側構成要素と同一形状の圧電素子２１、シリン
ダー２２、慣性体２３、ポンプ室２４、スプリング２
５、吸入弁２６、吐出弁２７が左側構成要素に対して左
右対称に配置されている。両圧電素子１２，２１はリー
ド線で駆動回路２８に並列接続されている。上記構成に
よると、両圧電素子１２，２１に駆動回路２８のパルス
信号が印加されると、両慣性体１５，２３は互いに反対
方向に移動して夫々のシリンダー１４，２２の奥に進行
し、ポンプ室１６，２４の流体を吐出して、同時にスプ
リング１８，２５を圧縮する。そして、両慣性体１５，
２３はスプリング１８，２５の復元力によって圧電素子
１２，２１側に戻され、ポンプ室１６，２４に流体を吸
入する。上記行程が駆動回路２８の信号に同期して繰り
返されポンプ動作が行われる。本実施例においては、２
個の慣性体１５，２３が左右対称の運動を行い、慣性体
の反作用が打ち消されるため、基枠１１を堅固な床に設
置する必要がなく、また、慣性体の振動が外部に伝わら
ないという利点がある。

【０００８】次に、本発明の第３実施例を図３を参照し
て説明する。両側に立壁を有する基枠２９の両立壁に円
柱状の圧電素子３０，３１が所定の間隔で端面同士を対
向するように固定されている。これらの圧電素子は積層
型変位アクチュエーターで、電圧が印加されると非固定
端の変位面３２，３３が軸方向外側に変位するようにな
っている。基枠２９の中央部に開口面を前記変位面３
２，３３に同軸的に対向させた円筒状のシリンダー３４
が固定されている。シリンダーの両側部には基端面が変
位面３２，３３に接し、先端面がシリンダー３４内に位
置する円柱状の慣性体３５，３６が、シリンダーの内面
に対し慴動自在に設けられている。これらの慣性体は自
由ピストンの機能を兼ね、図中破線で示すように、その
基端面が変位面３２，３３に接する位置から、圧電素子
３０，３１の変位より十分大きく変位した位置までの間
を自由に移動できるようになっている。シリンダー３４
内の中央に両慣性体３５，３６に挟まれたポンプ室３７
が形成され、ポンプ室内で両慣性体３５，３６の間にス
プリングが３８接続されている。シリンダー３４の外側
にはポンプ室３７に接続された吸入弁３９と吐出弁４０
が取付けられている。両圧電素子３０，３１はリード線
で駆動回路４１に並列接続されている。上記構成による
と、駆動回路４１のパルス信号により両圧電素子３０，
３１が変位すると、両慣性体３５，３６は互いに引き寄
せられるようにシリンダー３４の中心部に向かって進行
して、ポンプ室３７の流体を吐出し、同時にスプリング
３８を圧縮する。そして、両慣性体３５，３６はスプリ
ング３８によって圧電素子３０，３１側に戻され、ポン
プ室３７に流体を吸入する。この行程が繰り返されポン
プ動作が行われる。本実施例においては、シリンダー３
４を共通化したため、ポンプ要素の部品点数が削減でき
るという利点がある。

【０００９】次に、本発明の第４実施例を図４を参照し
て説明する。両側に立壁を有する基枠４２の左立壁の右
側面に円筒状の圧縮用圧電素子４３の一端面が固定され
ている。この圧電素子は積層型変位アクチュエーター
で、電圧が印加されると非固定端の変位面４４が軸方向
外側に変位するようになっている。左立壁の左側面の下
方に板状の復帰用圧電素子４５の下部が固定されてい
る。この圧電素子はバイモルフ型変位アクチュエーター
で、前記圧縮用圧電素子に比べ発生力は小さいが大きな
変位量を有しており、電圧が印加されると図中点線で示
すように形状が湾曲して上端が立壁の反対方向へ移動す
るようになっている。左立壁と復帰用圧電素子４５には
圧縮用圧電素子４３の内孔に合わせて穴が設けられてい
る。基枠４２中央に上記第３実施例と同一形状のシリン
ダー４６、ポンプ室４７、吸入弁４８、吐出弁４９が構
成されている。シリンダー４６の左側部には基端面が圧
縮用圧電素子の変位面４４に接し、先端面がシリンダー
４６内に位置する段付円柱状の慣性体５０が、シリンダ
ーの内面に対し慴動自在に設けられている。慣性体の基
端部には圧縮用圧電素子の変位面４４を覆うようにフラ
ンジが形成されている。慣性体５０の基端面に連動棒５
１の一端が固定され、他端は圧縮用圧電素子４３、左立
壁、復帰用圧電素子４５の各穴を軸方向に移動自在に貫
通し、その先端に円板状のプレート５２が形成されてい
る。慣性体５０は自由ピストンの機能を兼ね、図中破線
で示すように、その基端面が圧縮用圧電素子の変位面４
４に接する位置から、圧縮用圧電素子の変位より十分大
きく変位した位置までの間を、連動棒５１と一体となっ
て自由に移動できるようになっている。一方、基枠４２
の右側部には前記左側構成要素と同一形状の圧縮用圧電
素子５３、復帰用圧電素子５４、慣性体５５、連動棒５
６、プレート５７が左側構成要素に対して左右対称に配
置されている。両圧縮用圧電素子４３，５３はリード線
で第１駆動回路５８に並列接続され、両復帰用圧電素子
４５，５４はリード線で第２駆動回路５９に並列接続さ
れている。駆動回路５８，５９は図５に示すように、互
いに位相が半周期ずれたパルス信号を出力するようにな
っている。上記構成によると、まず、第１駆動回路５８
のパルス信号が出力されると、両圧縮用圧電素子４３，
５３が変位して、両慣性体５０，５５は夫々シリンダー
４６の中心部に向かって進行し、ポンプ室４７の流体を
吐出する。次に、第２駆動回路５９のパルス信号が出力
されると、両復帰用圧電素子４５，５４の形状が湾曲し
て連動棒のプレート５２，５７を押し、慣性体５０，５
５を圧縮用圧電素子４３，５３側に戻して、ポンプ室４
７に流体を吸入する。この行程が両駆動回路５８、５９
に同期して繰り返され、ポンプ動作が行われる。本実施
例においては、圧縮行程時にスプリング等の抗力が作用
しないため、ポンプの吐出圧力を高めることができると
いう利点がある。

【００１０】次に、本発明の第５実施例について説明す
る。慣性体が一往復して変位アクチュエーターの変位面
に当たると、慣性体が変位面上でリバウンドするため、
次の駆動はリバウンドが収束した後に行われる。しかし
ながら、慣性体が変位面に復帰した時期が正確に検出で
きれば、慣性体がリバウンドする前に次の駆動が行える
ため、ポンプ容量の増大と、騒音の低減を図ることがで
きる。図６はこれを実現する実施例を示すもので、６０
は圧電素子、６１は慣性体、６２は駆動回路である。駆
動回路６２において、６３は入力信号に同期して単一パ
ルス信号を出力する単安定マルチバイブレーター回路
（以下は第１モノマルチと記す）、６４は前記と同一機
能の第２モノマルチであり、第１モノマルチ、第２モノ
マルチの出力パルス幅をｔ１、ｔ２、慣性体の最小往復
周期をｔ３とすると、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３の関係が成立す
るように設定されている。６５は入力信号に含まれたノ
イズを除去する波形成形回路、６６は第２モノマルチ６
３の出力信号により信号ラインのＯＮ／ＯＦＦを制御す
るアナログスイッチである。第１モノマルチ６３の出力
は電圧増幅用トランジスタ６７を介して圧電素子６０に
接続されると共に、信号検出のためにアナログスイッチ
６６を介して波形成形回路６５の入力に接続される。波
形成形回路６５の出力はＯＲ回路６８の第１入力に接続
され、ＯＲ回路６８の出力は第１、第２モノマルチ６
３，６４の入力に接続される。６９はスタートスイッチ
で、ＯＲ回路６８の第２入力に接続されている。以上の
構成の動作を図７を参照して説明すると、まず、スター
トスイッチ６９が押されると、第１モノマルチ６３が作
動して圧電素子６０に駆動信号を供給する。同時に第２
モノマルチ６４が作動してアナログスイッチ６６を遮断
し、駆動信号が波形成形回路６５に入力されるのを防
ぐ。圧電素子はその圧電気直接効果により圧力センサー
としても機能するため、慣性体６１が一往復して圧電素
子６０に当たると、圧電素子はその圧力に応じた検出信
号を出力する。この時点では第２モノマルチ６４の出力
は停止しており、検出信号はアナログスイッチ６６を通
過し、波形成形回路６５を介して第１モノマルチ６３を
作動させ、圧電素子６０の２発目の駆動が行われる。こ
のように、慣性体が圧電素子の変位面に戻った時期に同
期して圧電素子の駆動が行われるため、慣性体のリバウ
ンドを防止することができる。

【００１１】なお、上記実施例では、変位アクチュエー
タに圧電素子を用いたが、電歪素子や磁歪素子等を用い
てもよい。また、ポンプ要素としてピストンとシリンダ
ー（慣性体）を用いたが、ダイヤフラム、ベローズ、柔
軟性チューブ等を用いてもよい。また、復帰要素として
慣性体の自重、スプリング、バイモルフ型圧電素子等を
用いたが、電磁ソレノイド、電磁リニアモーター、超音
波リニアモーター等を用いてもよい。また、第５実施例
では、アクチュエータとセンサーを同一の圧電素子で実
現したが、センサーを別に設けてもよく、更に、センサ
ーは圧電効果を用いたもの以外に、静電気、磁気、光等
を利用したものであってもよい。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の変位アク
チュエータ駆動ポンプは、変位アクチュエータや駆動力
の伝達経路に弾性要素が介在していないため、大きな駆
動力をポンプ要素に伝えることができ、ポンプ容量を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位アクチュエータ駆動ポンプの第１実施例に
おける断面図である。

【図２】変位アクチュエータ駆動ポンプの第２実施例に
おける断面図である。

【図３】変位アクチュエータ駆動ポンプの第３実施例に
おける断面図である。

【図４】変位アクチュエータ駆動ポンプの第４実施例に
おける断面図である。

【図５】図４の駆動回路の出力波形図である。

【図６】変位アクチュエータ駆動ポンプの駆動回路部分
における構成図である。

【図７】図６の動作を説明する信号波形図である。

【符号の説明】

１、１１、２９、４２ 基枠 ２、１２、２１、３０、３１、６０ 圧電素子 ３、１３、３２、３３、４４ 変位面 ４、１４、２２、３４、４６ シリンダー ５、１５、２３、３５、３６、４７、５０、５５ 慣
性体 １０、２８、４１、５８、５９、６２ 駆動回路 １８、２５、３８ スプリング ４３、５３ 圧縮用圧電素子 ４５、５４ 復帰用圧電素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基枠と、基枠に固定され電圧の供給によ
   って外側方向に変位する変位面を有する単板型又は積層
   型の変位アクチュエータと、変位アクチュエータの変位
   面に接する位置から変位アクチュエータの変位方向に向
   かって変位アクチュエータの変位より大きく変位した位
   置までの間を移動自在に支持された慣性体と、慣性体を
   変位アクチュエータの変位面に復帰させる復帰要素と、
   基枠に固定され慣性体の往復運動により流体を吸入、吐
   出するポンプ要素と、変位アクチュエータにパルス信号
   を繰り返し供給する駆動回路とからなることを特徴とす
   る変位アクチュエータ駆動ポンプ。