JPS6035191A - ポンプ - Google Patents

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】 この発明は、バイモルフ振動素子を駆動源としたポンプ
に関する。

バイモルフを駆動源として用いるポンプとしては、特開
昭５５−４３２２６号公報により、第１図にその断面構
造を示すようなものが知られている。この図において、
バイモルフよりなる膜１は、ポンプ室２ａとポンプ室２
ｂとの境界に位置している。さらにポンプ室２ａは、弁
３ａにより吸引口４ａと、また弁３ｄにより排出口４ｄ
と適宜、連通ずる。同様にポンプ室２ｂも弁３ｂにより
吸引口４ｂと、また弁３Ｃにより排出口４Ｃと適宜、連
通ずる。

かかる構造のポンプにおいて、バイモルフよりなる膜ｌ
が文論電源（図示せず）により、交互に図示矢印方向に
往復振動し、例えば、第１図に示す様に、ポンプ室２ａ
が圧縮される様な状態におかれると、弁３ａ、３ｃは閉
じ、弁３ｂ、３ｄが開き、バイモルフよりなる膜ｌの動
いた容積分の流体が弁３ｄより外へυ１出され、同容量
の流体がポンプ室２１）に流入する。この様な流体の動
きがバイモルフよりなる膜ｌの振動により、交互に繰り
返され、全体として流体は図の左方より右方へと輸送さ
れる。

この様なバイモルフを用いたポンプは、他の原理を用い
たポンプ、例えば、電動機、内燃機関、蒸気タービン等
を原動力とするポンプとは異なり、小型化、軽量化がで
き、騒音、振動も小さいという特徴を有する。更に磁力
線による周囲の電気機器への悪影響もない等、好ましい
特徴も有している。

しかしながら、上記した様な構造のポンプは、理屈上は
、−［、述の説明でも分る通りの作動をするはずである
が、本発明者等の空気を被輸送流体とする実験によれば
、実際には、流体の吸引排出量が全く認められず、実用
性の無いものであった。

上記した事情に鑑み、本発明の主要な目的は、ポンプと
して実用性のある程度の流体の吸引排出量を有し、且つ
バイモルフ構造の有する長所である小型化、軽量化、低
騒音等の特色を失なうことのないポンプを提供すること
にある。

本発明者等は、上述の目的で研究した結果、前記したバ
イモルフ駆動ポンプにおいて、吸引排出効果が実質的に
認められないのは、本来のバイモルフの振巾は大きいに
も拘らず、バイモルフの全周が固定されているために、
その振巾が減殺されて流体の効果的な吸引排出に利用さ
れていないことに着眼した。即ち、バイモルフの固定端
と相対する自由端は、本来、バイモルフの変形により、
最も大きく移動する部位である。その自由端をも固定し
、中央部位を変形させようとしても、その変形による移
動は少ないのであり、これが、全周を固定した場合に、
効果的な流体の吸引排出量が得られない原因であろうと
考えられる。したがって、本発明者等は、かかる認識の
下に、ポンプ本体の一部を構成し流体に応力を加えるべ
き可動膜は、全周を固定せざるを得ないので、この可動
膜とバイモルフとは別体にし、バイモルフの大きな変形
を効果的にｉＹｌ動膜に伝達すべきことを端緒として研
究を進めた。ところが、可動膜とバイモルフとを、例え
ば連結棒により、常時固定、接続された状態にしてバイ
モルフにより可動膜を振動せしめたのでは、その振Ｉ＋
］は、なお小さく、望むべき吸排出捕を達成できないの
である。本発明者等の研究によれば、これは、バイモル
フの可動膜を動かす力が小さいことによるのではなく、
バイモルフの変形が？ｌｉなる振動ではなく曲げ変形を
含むものであるのに対１７、可動膜とバイモルフとを固
定接続する連結棒自体がバイモルフの曲げを妨げる様に
固定接続されているため、バイモルフの曲げ振動が妨げ
られて、得られる振巾が小さいことによることがわかっ
た。したがって、バイモルフから可動膜への応力ｆべ達
手段は、これらを固定的に連結するものではなく、バイ
モルフにも可動膜にも固定されず一定方向に移動自在と
するか、或いはバイモルフと可動膜のいずれかに固定さ
れて、バイモルフの曲げ変形を実質的に妨げない様にす
れば、バイモルフの振動変形が効果的に可動膜に伝達さ
れ、大きな流体の吸引排出量が得られることに思い至り
、本発明に至ったものである。

本発明のポンプは、このような知見に基〈ものであり、
より詳しくは、それぞれ弁を設けた流体の流入口と排出
口との間に一部が可動膜により構成された液体収容部を
有するポンプ本体と、前記可動膜の近傍に配設され、一
端のみを固定した交流電圧の印加により曲げ振動するバ
イモルフと、前記バイモルフと前記可動膜との間に、前
記バイモルフと前記可動膜の少なくとも一方には固定さ
れずに配置された、バイモルフの曲げ振動を可動膜に伝
達する応力伝達イ段と、を有し、バイモルフにより駆動
される可動膜の振動並びに弁の動作により流体の吸引、
排出を行うようにしたことを特徴とするものである。

以下、本発明をその実施例について、図面を参照しつつ
、更に詳細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例に係るポンプの斜視図であ
り、第３図は、第２図の■−■線に沿う１１面において
切断した縦断面図である。これらの図において、バイモ
ルフ１１は、固定端ｌｌｅの他は周囲を固定ぜす、交流
電圧の印加により振動可能に設けられている。このバイ
モルフ１１と相対して、ポンプ本体１２が設けられる。

このポンプ本体１２は、その−側壁が可動膜１３ａによ
り構成された流体収容部１３の」１流と下流にそれぞれ
、配管１４．　ａおよび１４．　ｂを取付け、配管１４
ａ内の流体流入ｒ＋　１．５　ａに弁ｌｅａ、配管１４
ｂ内の流体排出＋１１５　ｂに（Ｐ　ｌ　６　ｂを、そ
れぞれ設けてなる。またｉｉｒ動膜１３ａの中央には、
断面径の小さい棒状体からなる応力伝達手段１７が固着
されている。バイモルフ１１は、交流電圧の印加により
、図に矢印で示す様に曲げ振動する。振動の一周期につ
いて、本発明のポンプの作用を説明すると、第３図に実
線で示した右側最大振巾から、点線で示した左側最大振
巾に至る過程にわたって、バイモルフ１１は、応力伝達
手段１７により、その曲げ変形を実質的に妨げられるこ
となく、振動する。応力伝達手段１７は、バイモルフ１
１の右から左への運動により押圧され、これに伴ない可
動膜１３ａは、ポンプ本体の液体収容部１３内の流体を
加圧し、弁１６ｂが開き、弁１６ａが閉じ、弁１６ｂよ
り流体が排出される。それと共に左側最大振巾に至る迄
、流体収容部１３内の流体は、加圧されて圧縮される。

次に、左側最大振巾から右側最大振巾に至る過程では、
バイモルフ１１は、応力伝達手段１７に応力を加えない
で、自由振動することができ、大きな振巾とすることが
できる。この間、流体収容部内の流体には応力が加わら
ないので、それまで圧縮されていた流体は膨張し、また
可動膜１３ａ自体がゴム弾性体であるときは、その弾性
によって流体収容部１３の内容積が拡大し、その結果、
弁１６ｂが閉じ、弁１６ａが開き、流体はポンプ本体内
に吸引される第４図および第５図は、本発明のポンプの
別の実施例を示すものであり、第４図は、その部分斜視
図であり、第５図は、第４図のｖ−Ｖ線に沿う平面にお
いて切断した縦断面図である。これらの図において、１
対のバイモルフ２１ａ、２１ｂが、ポンプ本体２２の流
体収容部２３を介して相対しており、流体収容部２３の
上流と下流には、それぞれ弁（図示ゼず）を備えた流体
流入口および初出［１を４える配管２４．　ａおよび２
４ｂが取付けられている。また流体収容部２３の両側壁
部は、１対の可動膜２３ａ、２３ｂにより構成され、そ
れぞれのｎｆ動脱膜２３ａ２３ｂの中央には応力伝達手
段２７ａ、２７ｂが固着されている。更に応力伝達手段
２７ａ、２７ｂのそれぞれは、中介体２８ａ、２８ｂと
、中介体２８ａ、２８ｂのそれぞれにおける可動膜２３
ａ、２３ｂに固着された端とは逆側の端に固着された円
板２９ａ、２９ｂと、これら円板のそれぞれと若干の間
隔を有して中介体−１―に設けられた円板２９ｃ、２９
ｄとよりなる。これら円板は、中介体の径より数倍程度
大きい径を有する。一方、バイモルフ２１ａ、２１ｂの
それぞれは、上記円板の径よりは小さいが、中介体の径
よりは大きい孔３０ａ、３０ｂを有し、それぞれの孔３
０ａ、３０ｂに中介体２８ａ。

２８ｂを貫通せしめ、前記１対の円板２９ａ、２９Ｃ１
及び他の１対の円板２９ｂ、２９ｄの間に挿入されてい
る。円板２９ａと円板２９ｃとの間隔、ならびに円板２
９ｂと円板２９ｄとの間隔は、端的に云えばバイモルフ
２１ａ、２１ｂの曲げ変形が可能な程度であればよい。

これを更に詳細に示す図面が第６図、第７図であり、第
６図は第５図の部分拡大図であり、第７図はバイモルフ
が逆側に極大に変形したときの図である。

第４図〜第７図に例示するポンプの作用を説明すると、
交流信号の印加により、バイモルフ２１ａは曲げ振動す
るが、振動開始のときには、バイモルフ２１ａは円板２
９ａ、２９ｃのいずれにも接触していなく、交流電圧の
印加により、曲げられるにつれ、ある時点から円板２９
ｃに接し、中介体２８ａを押圧し可動膜２３ａを圧迫す
る。圧迫開始後から第７図に示す様なバイモルフ２１ａ
の変形の極大に至る迄は、第２図および第３図に示す先
の例と同様に作用する。一方、この極大過程から第６図
に示すような変形の逆側の極大過程に至る過程では、先
の例と異なり、バイモルフ２１ａは、円板２９ａを押圧
し、可動膜２３ａを駆動し、ポンプ本体内容積を広げる
。この過程でも円板２９ａと別の円板２９ｃとの間隔が
あるため、バイモルフ２１ａは曲げ変形を実質的に妨げ
られない。その結果、バイモルフ２１ａの振巾は十分に
大きく、望むべき吸排出量を有するポンプが得られる。

−１−犯例での円板２９ａ、２９ｃは平らな円板であっ
たが、第８図、第９図にその断面を示す様な、二つに折
れ曲げた形状の円板２９ａａ、２９ｃＣにすれば、その
間隔は第６図、第７図との比較から知られる様に狭いも
のとすることができ、バイモルフの振動を一層有効に可
動膜の変形に用いることができる。

また、−１−記いずれの例も、応力伝達手段１７．２７
ａ、２７ｂは、可動膜１３ａ、２３ａ、２３ｂに固着さ
れていたが、可動膜１３ａ、２３ａ、２３ｂに固着せず
、バイモルフ１１．２１ａ、２１ｂに固着されていても
よい。また、可動膜１３ａ、２３ａ、２３ｂにも、／ヘ
イモルフ１１．２１ａ、２１ｂにも固着せず、バイモル
フの振動方向に移動自在であるように、他の支持体に取
り付けられていてもよい。応力伝達手段は、上記例の様
な、直線棒状体に限るものでなく、例えば、第１Ｏ図、
第１１図に示す様な屈曲棒ないし線状体３７ａであって
もよく、可動膜とバイモルフの両方に固着されない限り
、種々の態様が用いられるが材質的には、応力を吸収し
にくく、且つ軽量なものが好ましく用いられる。

第２図〜第３図には、バイモルフｌｌを１個用いた例を
示したが、１対とすれば更にポンプの吸引排出量を増す
ことができ、配置の許す限りにおいてバイモルフを３個
、４個とすれば、吸引排出量を、一層、増大させ得るこ
とは云う迄もない。

なお、本発明に用いられるバイモルフは、高分１ 予圧電体からなるバイモルフでもよいし、セラミック圧
電体からなるバイモルフであってもよい。

セラミック圧電体からなるバイモルフを用いるときには
、振１１が小さいので、その自由端に補助板を接続させ
、その補助板により得られる大きな振巾を、応力伝達手
段に伝える方法が好適に用いられる。

通常、バイモルフと云えば、適宜選択された表面」−に
電極を有する圧電膜と、同様に適宜選択された表面−４
−に電極を有する圧電膜とが接着剤により積層接着され
、一方の圧電膜が圧電効果により伸長したとき、他方が
収縮する様に結線されたものを云う。しかし広義には、
上記圧電膜が偶数層積層されたものもバイモルフと云う
。バイモルフの内部に位置する電極を内面電極と呼び、
表面に位置する電極を表面電極と呼ぶこととした場合、
圧電性を発現する分極方向が同一方向のときには圧電膜
両方のそれぞれの両面に電極を必要とし、そのいくつか
は内面電極となる。しかしながら、圧電性を発現する分
極方向が異方向のときには、２ 内面電極は必要ではない。

更に接着剤が、例えば低融点合金の如き導電性を有する
場合には相接触するいずれかの内面電極を省略すること
も可能である。より一層広義に云うバイモルフは、圧電
膜を一層または二層以上とする少なくとも二層の薄膜体
を接着剤により接合し、且つ前記の圧電膜の一層または
二層以上を挟持しこれに電圧を印加する形態で電極（膜
）を配置してなる可撓性積層構造体を指す。薄膜体とし
ては、前記圧電膜に限らず他の薄膜体、例えば燐青銅板
、布、紙、圧電性を有しない高分子薄膜体等であっても
よい。しかもこのような最も広い意のバイモルフにおい
ては薄膜体及び圧電膜はそれぞれ１層又は２層以上であ
って良く、全層の数が偶数に限られるものでもない。こ
の場合にもかかる薄膜体の存在故に圧電膜の一方の面の
伸長、収縮が抑制され、曲げ変形を生じ、狭義のバイモ
ルフとほぼ同様の作用が得られる。

本発明のポンプの流体収容室の一部を構成する可動膜は
、流体の種類によって、選択されるが、柔軟性を有し、
屈曲性に優れるものが良く、例えば天然ゴ１１．シリコ
ンゴム、テフロン、ポリエチレン、ナイロン等の単独、
繊維による補強物、又はラミネートとされたもの、或い
は蛇腹状のもの等が用いられる。蛇腹状とするときには
、−ヒ記例示した如き高分子月料に限られず金属でもよ
い。

可動膜の厚さは、特に限定するものでなく、材質とポン
プ本体の大きさにより決まるが、ｔｏｐ〜１０００ｇの
ものが好適に使用される。

なお、本発明のポンプは、特に気体、低粘度の液体の輸
送に、好適に用いられる。

」二連したように、本発明によれば、バイモルフ素子を
動力源としてポンプの可動膜を駆動するに際して、バイ
モルフの変形を減殺することなく可動膜に伝達すること
が可能となり、バイモルフの特質を十分生かした特徴の
あるポンプが得られる。このため、特に小型で消費電力
が少なく騒音のない電流と流体の洩漏が皆無のポンプを
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイモルフ駆動ポンプの断面図、第２図
、第４図及び第１Ｏ図はそれぞれ本発明実施例に係るポ
ンプの斜視図、第３図は第２図の■−■線に沿う平面に
おいて切断した縦断面図、第５図は第４図のＶ−ｖ線に
沿う平面において切断した縦断面図、第６図は第５図の
部分拡大図、第７図はバイモルフ２１ａが第６図のとは
逆側の極大に変形したときの図、第８図および第９図は
応力伝達手段の別の実施例の断面図、第１１図は第１θ
図のＸＩ−ＸＩ線に沿う平面において切断した横断面図
である。 １．１１．２１ａ、２１ｂ、３１ａ φ・・番・バイモルフ ２ａ、２ｂ　・・・・・・・・ｅポンプ室３ａ、３ｂ、
３ｃ、３ｄ、１６ａ、１６ｂΦ・・・・弁 ４ａ、４ｂ、１５ａ＊＊＊吸引口 ４ｃ、４ｄ、１５ｂ−−−排出口 １２．２２　・・・・拳・・・・ポンプ本体１３ａ、２
３ａ、２３ｂ、３３ａ ・・・可動膜 １７．２７ａ、２７ｂ、３７ａ ・・・応力伝達手段 ２８ａ、２８ｂ　・・・・・・・中介棒２９ａ、２９ｂ
、２９ｃ、２９ｄ、２９ａａ、２９ｃｃ　・・・円板 ３０ａ、３０ｂ　・・・・・・・孔 ６ 第　６　図 第　θ　団 特開口１ＵＧＯ−３５１９１（７） 弗　７　回 弗９　回 第　／ｌ　閾

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれ弁を設けた流体の流入口と排出口との間に
   一部が可動膜により構成された流体収容部を有するポン
   プ本体と、前記可動膜の近傍に配設され、一端のみを固
   定した交流電圧の印加により曲げ振動するバイモルフと
   、前記バイモルフと前記可動膜との間に、前記バイモル
   フと前記可動膜の少なくとも一方には固定されずに配置
   された、バイモルフの曲げ振動を可動膜に伝達する応力
   伝達手段と、を有し、バイモルフにより駆動される可動
   膜の振動並びに弁の動作により流体の吸引、排出を行う
   ようにしたことを特徴とするポンプ２、前記応力伝達手
   段が前記可動膜のみに固着されている特許請求の範囲第
   １項記載のポンプ。 ３、前記応力伝達手段が、前記可動膜の中央部にほぼ直
   交するように配置された棒状体からなる特許請求の範囲
   第１項または第２項に記載のポンプ。 ４、前記棒状体には、それによりほぼ中心を貫通された
   一対の円板が取付けられ、これら円板の間に、バイモル
   フが、該棒状体にゆるく挿通された形態で配置されてい
   る特許請求の範囲第３項記載のポンプ。