JP2005201235A - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 バイモルフ型圧電振動子を用いた圧電ポンプにおいて、シムの表裏の圧電体の露出面に対する配線作業が容易で、耐久性に優れ、シムの可撓性を犠牲にすることがなく、良好なポンプ作用が得られる圧電ポンプを得る。
【解決手段】 圧電ポンプに用いるバイモルフ型の圧電振動子では、表裏の圧電体の露出面は常に同電位であることを利用し、単一の電極取出部材によって表裏の圧電体に配線した圧電ポンプ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電ポンプに関し、特にそのバイモルフ型の圧電振動子に対する配線構造に関する。

板状の圧電振動子を振動させることによりポンプ作用を得る圧電ポンプは、圧電振動子によって可変容積室を形成し、この可変容積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（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積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、可変容積室の容積が変化し、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ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。この圧電ポンプは、薄型にできることから、例えば水冷ノートパソコンの冷却水循環ポンプとして用いられている。

圧電振動子は、圧電体を、シム（導電性薄肉金属板）の表裏の少なくとも一方に積層してなっている。圧電体はその表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると一方の表面積が拡大し他方の表面積が拡大する性質がある。このため、圧電体の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。

圧電体をシムの表裏の両方に積層したバイモルフ型では、シムの表裏の圧電体の分極特性を同一方向にしてある。つまり、シムに接触する表裏の一対の圧電体の分極特性がそれぞれ異極となり、一対の圧電体の露出面がそれぞれ異極となるようにしている。 このように表裏の圧電体の分極特性を同一方向にすると、シムと、シム表裏の一対の圧電体の露出面との間に交互に正負電圧を与えたとき、シムの変位量を増大させることができる。

このバイモルフ型の圧電振動子では、共通電極となるシムへの配線は比較的容易であるが、シムの表裏の圧電体に対する電気配線を如何にして行うかが問題となっている。従来では、表裏の圧電体の露出面に対して個別に配線し、ポンプ外においてこの個別配線を結線していた。このため、配線作業性が悪く、さらにリード線で配線すると、シムが振動するため断線事故が発生しやすいという問題もある。また、圧電振動子は冷却水（液体）が出入りする可変容積室を構成するため、円形断面のリード線が表面に付着しているとＯリング等によるシールが困難になる。一方、圧電体の表面全面に接触する薄板を用いて配線すると、シムの可撓性が犠牲にされ、良好なポンプ作用が得にくくなる。
特開２００２−１６３００号公報 特開２００２−３９０７４号公報

本発明は、以上の問題意識に基づき、バイモルフ型圧電振動子を用いた圧電ポンプにおいて、シムの表裏の圧電体の露出面に対する配線作業が容易で、耐久性に優れ、シムの可撓性を犠牲にすることがなく、良好なポンプ作用が得られる圧電ポンプを得ることを目的とする。

本発明は、圧電ポンプに用いるバイモルフ型の圧電振動子では、表裏の圧電体の露出面は常に同電位であることを利用し、単一の電極取出部材によって表裏の圧電体に配線すれば、配線作業が容易になるという着眼に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明は、導電性金属薄板からなるシムの表裏にそれぞれ圧電体を積層したバイモルフ型の圧電振動子によって、可変容積室を形成し、この圧電振動子のシムと、表裏の圧電体のそれぞれの露出面との間に、交互に正負電位を与えることにより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、圧電振動子の表裏の圧電体の露出面に接触させて結合される一対の接触子と、この一対の接触子を接続する接続縁と、一つの配線接続部とを有する単一の電極取出部材を設けたことを特徴としている。

電極取出部材は、その一対の接触子を圧電体に結合する前の成形状態では平面状とし、接続縁で折り曲げることで該一対の接触子が一対の圧電体の露出面に結合されるようにすることが望ましい。

電極取出部材はまた、一対の接触子の平面形状を同一とし、圧電振動子の外側に位置する配線接続部側の基部の平面的な幅よりも、圧電振動子の圧電体との接触結合部の幅を狭く形成することが望ましい。例えば平面三角形状にするとよい。

この電極取出部材の一対の接触子の間には、シムの配線接続突起を延出させ、この配線接続突起には、電極取出部材の接続縁との間に隙間を確保する絶縁用凹部を形成することが望ましい。

また、シムの配線接続突起と電極取出部材の一対の接触子の間にはそれぞれ、絶縁板材を挿入し、これらの配線接続突起、一対の接触子及び絶縁板材を合成樹脂製（絶縁性）熱収縮チューブで覆い、機械的に固定することで絶縁性及び一体性を高めるのがよい。

また、シムの配線接続突起には、該配線接続突起と、電極取出部材の配線接続部とにそれぞれ結合したリード線を掛け止める一対の凹部を形成すると、リード線の脱落を簡単に防止することができる。

シムの配線接続突起と電極取出部材の配線接続部にはそれぞれ、リード線の半田付け部分に位置させて貫通孔を形成し、半田付け強度を高めることができる。この一対の半田付け部の貫通孔は、平面位置を異ならせるのがよい。

圧電体と電極取出部材の電気接触性及び結合作業性を高めるため、圧電体露出面には膜状電極を形成し、電極取出部材は金属箔から構成して、その一対の接触子の膜状電極との接触面に低融点金属メッキ層を形成することが望ましい。一対の接触子に低融点金属メッキ層を設けることで、該一対の接触子を熱圧着により容易に表裏の圧電体の露出面（膜状電極）に同時に結合することができる。

電極取出部材の金属箔は、少なくとも、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ及びこれらのうち少なくとも一種を含む合金のいずれかから構成することができ、低融点金属メッキ層は、少なくとも半田メッキ層、Ｓｂフリー半田メッキ層、Ｐｂフリー半田メッキ層、及びＳｂメッキ層のいずれかから構成できる。また、圧電振動子のシムは、少なくともステンレス、真鍮、ＦｅまたはＣｕを主成分とする合金のいずれかから構成できる。

圧電振動子のシムの厚さは、０．０５〜０．３ｍｍ程度、圧電体の厚さは、０．１〜０．５ｍｍ程度、電極取出部材の厚さは、０．０１〜０．０５ｍｍ程度がよい。

本発明の圧電ポンプによれば、シムの表裏の圧電体の露出面に対する電気配線が容易になる。

図１は、圧電振動子を有する圧電ポンプの一例を示している。ハウジング１０は、アッパハウジング１０ａとロワハウジング１０ｂからなり、アッパハウジング１０ａとロアハウジング１０ｂの間に、圧電振動子１１が液密に挟着支持されている。圧電振動子１１の厚さは誇張して描いているが実際の厚みは１．５ｍｍ未満である。アッパハウジング１０ａには、この圧電振動子１１との間に可変容積室１２を形成する凹部１３が形成されている。

アッパハウジング１０ａには、冷却水（液体）の入口ポート１４Ａと出口ポート１４Ｂが開口していて、入口ポート１４Ａは入口側液溜室１５Ａに連通し、出口ポート１４Ｂは出口側液溜室１５Ｂに連通している。入口側液溜室１５Ａと可変容積室１２の間、出口側液溜室１５Ｂと可変容積室１２の間にはそれぞれ、隔壁１６Ａ、１６Ｂが位置しており、この両隔壁１６Ａ、１６Ｂにアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂが設けられている。アンブレラ１７Ａは、入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２への流体流を許してその逆の流体流を許さず、アンブレラ１７Ｂは、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）への流体流を許してその逆の流体流を許さない逆止弁である。

以上の圧電ポンプは、圧電振動子１１が正逆に弾性変形すると、可変容積室１２の容積が拡大する行程では、アンブレラ１７Ａが開いてアンブレラ１７Ｂが閉じるため、冷却水入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２内に液体が流入し、可変容積室１２の容積が縮小する行程では、アンブレラ１７Ｂが開いてアンブレラ１７Ａが閉じるため、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）へ液体が流出する。従って、圧電振動子１１を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことでポンプ作用が得られる。

圧電振動子１１は、図２、図４に模式的に示すように、中心部の円形のシム１１１と、その表裏に積層形成した圧電体１１２とからなっている。シム１１１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板から構成する。圧電体１１２は、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。この分極処理は、シム１１１の表裏に位置する一対の圧電体１１２において互いに同一方向である。つまり、図４において、一対の圧電体１１２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、シム１１１の厚さ方向に同一方向の分極処理が施されている。

一対の圧電体１１２のシム１１１側の面は、該シム１１１と全面的に導通するように接着され、シム１１１側と反対の露出面には、全面的に膜状電極１１３が形成されている。この膜状電極１１３は、例えば導電ペースト（銀ペースト）を印刷（スクリーン焼成）することで形成することができる。これらの膜状電極の材料や形成方法は各種周知である。

以上の圧電振動子１１はバイモルフ型の圧電振動子として知られ、シム１１１を一方の共通電極とし、一対の圧電体１１２の露出面（膜状電極１１３）を他方の共通電極として、交番電界を与えると、表裏の一方が伸び他方が縮む動作が繰り返され（振動し）、上記の圧電ポンプ作用が得られる。

本実施形態は、以上の圧電振動子１１の一対の圧電体１１２の露出面（膜状電極１１３）への配線構造を特徴としており、単一の電極取出部材１８を用いて一対の膜状電極１１３へ配線している。電極取出部材１８は、一対の膜状電極１１３に対応する一対の接触子１８１と、この接触子１８１間を接続する接続縁１８２と、配線接続部１８３とを有している。この電極取出部材１８は、例えば厚さ０．０１〜０．０５ｍｍ程度のＣｕ箔からなっており、成形状態では平面状である。また、接触子１８１の膜状電極１１３との接触部には、低融点金属メッキ層（例えば半田メッキ層）１８５が形成されている。この低融点金属メッキ層１８５は、膜状電極１１３との接触部のみに形成すればよく、その形成エリアの例を図４、図５にハッチングを付して示した。

以上の電極取出部材１８は、圧電振動子１１の膜状電極１１３との接続に当たり、接続縁１８２に設定される折曲線１８６に沿って折り曲げ、その一対の接触子１８１（低融点金属メッキ層１８５）を膜状電極１１３に接触させ、接触圧力を加えたまま熱を加えることで結合することができる。別言すると、低融点金属メッキ層１８５と膜状電極１１３は、以上のような熱圧着が可能な材料から選択する。配線接続部１８３に対する配線（リード線やＦＰＣ）は後に行う。

シム１１１側には、配線接続突起（径方向突出板状部）１１４が径方向に突出形成されており、配線接続部１８３と対をなす異極の配線（リード線やＦＰＣ）は、この配線接続突起１１４を介して行う。配線接続突起１１４は、図４に実線で示すように、配線接続部１８３と周方向位置を一致させて設ける他、同図に鎖線で示すように、周方向位置を異ならせて設けてもよい。なお、電極取出部材１８には、配線接続突起１１４との対向部等に必要に応じて絶縁膜を形成できることは勿論である。

以上の電極取出部材１８を有する圧電振動子１１は、可変容積室１２の液密を保持するためにも有利である。すなわち、圧電振動子１１は、図１で説明したように、アッパハウジング１０ａとロアハウジング１０ｂとの間に挟着され、その表裏の一面の周縁には可変容積室１２の液密を保持するためのＯリング１９が接触する。このとき、電極取出部材１８（接触子１８１）は薄肉の平面（箔）状であるため、断面円形のリード線を膜状電極１１３に半田付けする場合に比し、Ｏリング１９との間に隙間ができにくく、液密が保持しやすい（図３参照）。

また、電極取出部材１８と可変容積室１２内の液体との絶縁をとるため、膜状電極１１３と電極取出部材１８の全体をさらに絶縁シート（被膜）で覆うことができる。このような絶縁シートを設けても、同様の効果が得られる。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、電極取出部材１８の他の形状例を示している。これらの電極取出部材１８には、図４で説明したのと同一の機能（作用）の部分に同一の符号を付して説明を省略する。

図６ないし図１０は、本発明による圧電ポンプの圧電振動子のシムと電極取出部材の別の実施形態を示している。電極取出部材１８０は、上述の実施形態と同様に、一対の接触子１８１１と、この接触子１８１１間を接続する接続縁１８１２と、配線接続部１８１３とを有しており、一対の接触子１８１１と接続縁１８１２とはコ字状断面をなしている。一対の接触子１８１１は、圧電振動子１１の外側に位置する配線接続部１８１３側が幅広で、圧電振動子１１の中心部に向かって徐々に幅を狭くする平面略三角形状部を有する同一形状をなしている。つまり、接触子１８１１は、圧電振動子１１の膜状電極１１３との半田付け部１１３１の幅が最も狭く、圧電振動子１１の外方に向かって幅を広げている。このように接触子１８１１の形状を定めると、接触子１８１１（電極取出部材１８０）が圧電振動子１１の動きを妨げることが少ない。

圧電振動子１１のシム１１１に形成された径方向に突出する配線接続突起１１４は、この一対の接触子１８１１の間に延びている。この配線接続突起１１４には、一対の接触子１８１１を接続する接続縁１８１２との間に隙間を確保する絶縁用凹部１１４１が形成されている。

円形をなすシム１１１の上下には、環状をなすスペーサ絶縁リング１１５が位置し、この上下一対のスペーサ絶縁リング１１５から、一対の接触子１８１１と配線接続突起１１４との間に延びるストリップ状絶縁板材１１５１が挟着され、シム１１１と電極取出部材１８０との短絡を防止している。ストリップ状絶縁板材１１５１は同時に、電極取出部材１８０の接続縁１８１２が、シム１１１の絶縁用凹部１１４１側に移動するのを防止し、絶縁を確実にする。

シム１１１の配線接続突起１１４には、絶縁用凹部１１４１よりも圧電振動子１１の外方に位置させて、配線接続突起１１４の幅方向の両側に対称に、一対のリード線掛止凹部１１４３と１１４４が形成されており、一方のリード線掛止凹部１１４３より内方に、半田付け用貫通孔１１４５が形成されている。

電極取出部材１８０の配線接続部１８１３には、配線接続突起１１４の半田付け用貫通孔１１４５に対応させて、半田付け用貫通孔１８１４が形成されている。この半田付け用貫通孔１１４５と１８１４は平面位置が異なっており、それぞれ、リード線２１と２２が半田付けされている。半田付け用貫通孔１１４５と１８１４は半田付け強度を高め、その平面位置を異ならせることで全体の薄型化を図ることができる。またリード線２１と２２は、リード線掛止凹部１１４３と１１４４に掛け止められ、リード線２１と２２の抜止抵抗を高めている。

電極取出部材１８０は、以上のようにシム１１１の配線接続突起１１４とストリップ状絶縁板材１１５１を囲むように結合される。結合後には、電極取出部材１８０、配線接続突起１１４及びストリップ状絶縁板材１１５１とは、合成樹脂製（絶縁性）の熱収縮チューブ２３（図１０）により覆われる。熱収縮チューブ２３は、電極取出部材１８０、ストリップ状絶縁板材（絶縁体）１１５１及び配線接続突起１１４を一体化して圧電振動子１１に対する配線部の絶縁性及び機械的一体性を高める。

さらに、圧電振動子１１の表面には、ＰＰＳフィルム（絶縁性フィルム）２４（図６、図１０）が接着されている。このＰＰＳフィルム２４は電極取出部材１８０上に延びる径方向舌片２４ａを有しており、接触子１８１１と圧電振動子１１の膜状電極１１３との離脱を防止している。

以上のシム１１１の配線接続突起１１４及び電極取出部材１８０回りの配線構造によれば、圧電振動子１１の動きを妨げることがなく、確実にシム１１１及び膜状電極１１３へ配線構造することができる。

図６ないし図１０で説明した実施形態における電極取出部材１８０の材料、厚さ、加工方法、表面処理等の要素は先の実施形態の電極取出部材１８についての説明と同様である。

以上の説明から明らかなように、本発明は圧電振動子１１の一対の圧電体１１２の露出面（膜状電極１１３）に対する配線構造（電極取出部材１８）を要旨としている。従って、圧電振動子１１自体の構成、あるいはアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂ等の構成を問わない。例えば圧電振動子１１は、圧電体１１２を積層構造として駆動電圧を下げたもの等が知られており、本発明はこれらの圧電振動子（圧電体）も当然に使用可能である。

本発明による圧電振動子を適用する圧電ポンプの一実施例を示す縦断面図である。 図１の圧電ポンプの圧電振動子部分を模式的に断面とした要部拡大断面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 本発明による圧電振動子の模式分解断面図である。 電極取出部材の他の形状例を示す平面図である。 本発明による圧電ポンプの圧電振動子のシムと電極取出部材の別の実施形態を示す、分解状態の要部の模式斜視図である。 同平面図である。 図７の正面図である。 同組立配線完了状態の斜視図である。 さらに熱収縮チューブ及び合成樹脂フィルムを装着した状態の斜視図である。

符号の説明

１１ 圧電振動子
１１１ シム
１１２ 圧電体
１１３ 膜状電極
１１３１ 半田付け部
１１４ 配線接続突起
１１４１ 絶縁用凹部
１１４３ １１４４ リード線掛止凹部
１１４５ 半田付け用貫通孔
１１５ スペーサ絶縁リング
１１５１ ストリップ状絶縁板材
１８ １８０ 電極取出部材
１８１ １８１１ 接触子
１８２ １８１２ 接続縁
１８３ １８１３ 配線接続部
１８１４ 半田付け用貫通孔
１８５ 低融点金属メッキ層
１８６ 折曲線
２１ ２２ リード線
２３ 熱収縮チューブ
２４ ＰＰＳフィルム

Claims (12)

1. 導電性金属薄板からなるシムの表裏にそれぞれ圧電体を積層したバイモルフ型の圧電振動子によって、可変容積室を形成し、この圧電振動子のシムと、表裏の圧電体のそれぞれの露出面との間に、交互に正負電位を与えることにより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、
   上記圧電振動子の表裏の圧電体の露出面に接触させて結合される一対の接触子と、この一対の接触子を接続する接続縁と、一つの配線接続部とを有する単一の電極取出部材を設けたことを特徴とする圧電ポンプ。
2. 請求項１記載の圧電ポンプにおいて、上記電極取出部材は、その一対の接触子を圧電体に結合する前の成形状態では平面状をなしていて、上記接続縁で折り曲げることで該一対の接触子が一対の圧電体の露出面に結合される圧電ポンプ。
3. 請求項１または２記載の圧電ポンプにおいて、上記電極取出部材の一対の接触子は平面形状が同一であり、圧電振動子の外側に位置する上記配線接続部側の基部の平面的な幅よりも、圧電振動子の圧電体との接触結合部の幅が狭く形成されている圧電ポンプ。
4. 請求項３記載の圧電ポンプにおいて、上記電極取出部材の一対の接触子の間に、上記シムの配線接続突起が延びており、この配線接続突起には、上記電極取出部材の接続縁との間に隙間を確保する絶縁用凹部が形成されている圧電ポンプ。
5. 請求項４記載の圧電ポンプにおいて、シムの上記配線接続突起と上記電極取出部材の一対の接触子の間にはそれぞれ、絶縁板材が挿入されており、これらの配線接続突起、一対の接触子及び絶縁板材は、熱収縮チューブにより覆われて機械的に固定されている圧電ポンプ。
6. 請求項４または５記載の圧電ポンプにおいて、シムの上記配線接続突起には、該配線接続突起と、電極取出部材の配線接続部とにそれぞれ結合したリード線を掛け止める一対の凹部が形成されている圧電ポンプ。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、シムの上記配線接続突起と上記電極取出部材の配線接続部には、リード線の半田付け部分に位置させて貫通孔が形成されている圧電ポンプ。
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、上記圧電体の露出面には膜状電極が形成されており、上記電極取出部材は、金属箔からなっていて、その一対の接触子の膜状電極との接触面に低融点金属メッキ層を有する圧電ポンプ。
9. 請求項８記載の圧電ポンプにおいて、上記金属箔は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ及びこれらのうち少なくとも一種を含む合金のいずれかからなる圧電ポンプ。
10. 請求項８または９記載の圧電ポンプにおいて、上記低融点金属メッキ層は、半田メッキ層、Ｓｂフリー半田メッキ層、Ｐｂフリー半田メッキ層、及びＳｂメッキ層のいずれかからなる圧電ポンプ。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記圧電振動子のシムは、ステンレス、真鍮、ＦｅまたはＣｕを主成分とする合金のいずれかからなる圧電ポンプ。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項記載の圧電ポンプにおいて、上記圧電振動子のシムの厚さは、０．０５〜０．３ｍｍ、圧電体の厚さは、０．１〜０．５ｍｍ、電極取出部材の厚さは、０．０１〜０．０５ｍｍである圧電ポンプ。

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