JP3870781B2

JP3870781B2 - Diaphragm pump

Info

Publication number: JP3870781B2
Application number: JP2001392699A
Authority: JP
Inventors: 洋二浦野; 治倫北原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003193979A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイヤフラムポンプ、殊に圧電素子や電歪ポリマーを利用してダイヤフラムの駆動を行うダイヤフラムポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤフラムポンプとして、ダイヤフラムの駆動用アクチュエータに圧電素子や電歪ポリマーを用いたものが提案されており、電歪ポリマーを用いたものは電圧印加時のダイヤフラムのモーション管理が困難なために未だ実用化されていないものの殊に圧電素子を用いたユニモルフ型ダイヤフラムポンプ（たとえば特開昭５９−２０００８１号公報参照）においては既に実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ダイヤフラムポンプにおけるダイヤフラムのストロークと発生力とは、ダイヤフラムの駆動用のアクチュエータの能力でほぼ決定されてしまう。しかし、圧電素子をアクチュエータとするものや、電歪ポリマーをアクチュエータとするものにおいては、その能力の向上が容易ではなく、従って該アクチュエータを用いたダイヤフラムポンプの能力（ポンプ特性）は低レベルなものに留まっている。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところはアクチュエータの能力に依存していたポンプ特性の任意設定を可能としたダイヤフラムポンプを提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、一面がポンプ室に面したダイヤフラムの駆動手段による往復動でポンプ室の内容積を変化させるダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムの他面に背圧を加える背圧付与手段を設けてあり、且つ上記背圧付与手段は、ダイヤフラムの動きに同期して正圧の背圧と負圧の背圧とを交互に加えるものであることに特徴を有している。背圧をダイヤフラムに加えることで、ポンプ特性を変化させることができるようにしたものである。そしてダイヤフラムの動きに同期して正圧の背圧と負圧の背圧とを交互に加えることでダイヤフラムの往復動の両方向についてアシストを行うことができる。また背圧付与手段には、ダイヤフラムの他面に面する気密空間と該気密空間に充填した流体と、流体の圧力調整手段とからなるものを好適に用いることができる。この場合の流体は圧縮性流体であっても非圧縮性流体であってもよい。
【０００６】
上記駆動手段には、圧電素子を備えてダイヤフラムである金属薄板に張り合わされた圧電アクチュエータや、電歪ポリマーを用いたアクチュエータを好適に用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１において、吸気口１１と排気口１２とを備えるとともにこれら吸気口１１及び排気口１２に逆止弁１３，１４を組み付けたベース１に、固着手段４によってダイヤフラム２の周縁を固定することで、ダイヤフラム２とベース１とで囲まれたポンプ室３を形成しており、ダイヤフラム２の外面にはその往復駆動用の駆動手段（図示例ではスライダクランク機構）５と背圧付与手段６とを連結してある。
【００１１】
上記背圧付与手段６は、ダイヤフラム２に対して正圧、つまりポンプ室３の内容積を小さくする方向の圧力を加えるものであっても、負圧、つまりポンプ室３の内容積を大きくする方向の圧力を加えるものであってもよい。また、図では背圧付与手段６をシリンダーで示しているが、これに限定するものではない。
【００１２】
そして、上記シリンダーからなる背圧付与手段６によって正圧を加えた場合、ポンプの最大到達圧力を向上させることができ、負圧を加えた場合、ポンプの最大流量を向上させることができる。
【００１３】
図２は駆動手段５として圧電素子からなるアクチュエータを用いたものを示している。図３(a)中の矢印Ｘ方向が分極方向である円盤状の圧電素子５０の場合、印加する方向の電圧によって径方向に延びたり縮んだりするものであり、金属薄板からなるダイヤフラム２の一面に上記圧電素子５０を貼り付けた場合、圧電素子５０の伸縮に伴い、ダイヤフラム２は図３(b)に示すように湾曲する。
【００１４】
また、図４は駆動手段５として電歪ポリマーからなるアクチュエータを用いたものを示しており、図５に示すように絶縁伸縮材料からなる伸縮部５１の両面に導電性伸縮材料からなる電極５２，５２を設けて、両電極５２，５２間に電圧を印加すれば、このアクチュエータは厚み方向（電極間の方向）に縮み、直交する方向に延びる。この動きを利用してダイヤフラム２の駆動を行うのであるが、図示例では該アクチュエータそのものをダイヤフラム２として利用している。
【００１５】
スライダクランク機構のような駆動手段５では、ダイヤフラム２のストロークが駆動手段５によって決定されてしまうのに対して、圧電素子や電歪ポリマーを駆動手段５に用いた場合、背圧付与手段６による付勢でストロークを変化させることができる。また背圧付与手段６による付勢で発生力のアシストを行うことができる。
【００１６】
図６は駆動手段５として圧電素子アクチュエータを用い、背圧付与手段６として圧縮コイルばねを用いてダイヤフラム２に正圧を加えたものを示しており、図７は駆動手段５として圧電素子アクチュエータを用い、背圧付与手段６として引っ張りコイルばねを用いてダイヤフラム２に負圧を加えたものを示している。
【００１７】
また背圧付与手段６は、流体圧を利用するものであってもよい。図８はこの場合の一例を示しており、一面がポンプ室３に面しているダイヤフラム２の他面側にケーシング７で覆った気密空間８を設けて、該気密空間８の内圧を大気圧以上もしくは大気圧以下にしておくのである。前者であれば正圧を、後者であれば負圧をダイヤフラム２に加えたことになる。なお、気密空間８の圧力設定は、ケーシング７に設けた栓７０を外して別途ポンプに接続することで行えばよい。必要に応じて正圧にするか、負圧にするか、その圧力値はいくらにするかを調整することができる。また、ダイヤフラム２に対して面で背圧を加えることから、ダイヤフラム２の破損が生じる虞を無くすことができる。
【００１８】
発生力のアシスト及びストロークの増大という点においては、ダイヤフラム２の駆動に合わせて背圧付与手段６が正圧と負圧を交互に加えるようにしておくとよい。つまり、ポンプ室３の内容積を増大させる吸引時には図９(a)に示すように負圧を加え、ポンプ室３の内容積を減少させる吐出時には図９(b)に示すように正圧を加えるのである。これは背圧付与手段６としてシリンダーを用いることで簡単に行うことができる。
【００１９】
また、図１０(a)(b)に示すように、上記気密空間８を利用した背圧付与手段６を用いた場合にも、気密空間８に別途ポンプなどからなる流体圧制御手段９を接続することで発生力のアシスト及びストロークの増大を行うことができる。この場合、気密空間８を満たす流体には圧縮性流体だけでなく、非圧縮性流体も用いることができる。また、圧縮性流体を用いる場合、ダイヤフラム２との同期ずれを許容することができ、非圧縮性流体を用いた場合、ダイヤフラム２のモーションアシストをダイヤフラム２との同期により確実に行うことができる。
【００２０】
図１１及び図１２は図８にかかる実施例の具体例を示しており、ベース１及びケーシング７に透明アクリル樹脂を用いるとともに、ダイヤフラム２には直径２０．２ｍｍ、厚み０．０５０ｍｍの真鍮製金属薄板を用い、該ダイヤフラム２に貼り付ける駆動手段５として、直径２０．０ｍｍ、厚み０．２５０ｍｍの圧電素子（Ｃ９１）の両面に直径１８．０ｍｍ、厚み０．００８ｍｍの銀焼き付けによる電極を設けたものを用いている。なお、図１３に示すように、逆止弁１３，１４には厚み０．００２ｍｍのポリカーボネートフィルム２５をリング状部材２３，２４間に挟み込むとともにポリカーボネートフィルム２５にスリット２７を入れたものを用いている。図中１７はＯリングである。
このものにおいて、駆動手段５である圧電素子の正極に＋４００Ｖ、負極に−１００Ｖの電圧を駆動周波数１００Ｈｚ，矩形波デューティ４０で印加したところ、気密空間８を開放した状態（大気圧状態）では最大圧力３１８ｍｍＨｇ、流量６２ｍｌ／ｍｉｎであったものが、気密空間８を加圧して大気圧に対して９０ｍｍＨｇの正圧を加えたところ、最大圧力３２４ｍｍＨｇ、流量４０．８ｍｌ／ｍｉｎに変更することができ、気密空間８を減圧して大気圧に対して−９０ｍｍＨｇの負圧を加えたところ、最大圧力３１０ｍｍＨｇ、流量７６．３ｍｌ／ｍｉｎに変更することができた。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、一面がポンプ室に面したダイヤフラムの駆動手段による往復動でポンプ室の内容積を変化させるダイヤフラムポンプにおいて、ダイヤフラムの他面に背圧を加える背圧付与手段を設けているために、背圧をダイヤフラムに加えてポンプ特性を変化させることができるものである。背圧付与手段にはダイヤフラムの動きに同期して正圧の背圧と負圧の背圧とを交互に加えるものを用いてあるので、ダイヤフラムの往復動の両方向について、アシストを行うことができる。この構成は上記駆動手段が、圧電素子をダイヤフラムである金属薄板に張り合わせた圧電アクチュエータや、電歪ポリマーを用いたアクチュエータである場合、特に好ましい結果を得ることができる。
【００２５】
この時、背圧付与手段として、ダイヤフラムの他面に面する気密空間と該気密空間に充填した流体と、流体の圧力調整手段とからなるものを用いれば、ダイヤフラムに背圧を面圧として付与することができて、ダイヤフラムの破損を防止することができ、さらにこの場合の流体として圧縮性流体を用いれば、ダイヤフラムとの同期ずれを許容することができ、流体として非圧縮性流体を用いれば、ダイヤフラムとの同期によりダイヤフラムの動作アシストを確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図である。
【図２】同上の他例の断面図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上のさらに他例の断面図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】 (a)(b)は別の例の断面図である。
【図７】 (a)(b)はさらに別の例の断面図である。
【図８】異なる例の断面図である。
【図９】 (a)(b)は別の例の断面図である。
【図１０】 (a)(b)はさらに別の例の断面図である。
【図１１】具体例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図１２】同上の分解斜視図である。
【図１３】同上の弁部を示すもので、(a)は分解斜視図、(b)は拡大斜視図である。
【符号の説明】
２ダイヤフラム
３ポンプ室
５駆動手段
６背圧付与手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diaphragm pump, and more particularly to a diaphragm pump that drives a diaphragm using a piezoelectric element or an electrostrictive polymer .
[0002]
[Prior art]
Diaphragm pumps that use piezoelectric elements or electrostrictive polymers have been proposed as diaphragm drive actuators, and those that use electrostrictive polymers are still in practical use due to the difficulty of managing diaphragm motion when voltage is applied. In particular, a unimorph diaphragm pump using a piezoelectric element (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-200081) has already been put into practical use.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the stroke and generated force of the diaphragm in the diaphragm pump are almost determined by the ability of the actuator for driving the diaphragm. However, in the case of using a piezoelectric element as an actuator or the one using an electrostrictive polymer as an actuator, it is not easy to improve the capacity. Therefore, the capacity (pump characteristics) of a diaphragm pump using the actuator is low. Stay on.
[0004]
The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a diaphragm pump that can arbitrarily set pump characteristics depending on the ability of an actuator.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention provides a back pressure applying means for applying a back pressure to the other surface of the diaphragm in a diaphragm pump in which the inner volume of the pump chamber is changed by a reciprocating motion of the diaphragm driving means with one surface facing the pump chamber . In addition, the back pressure applying means is characterized in that it applies positive back pressure and negative back pressure alternately in synchronism with the movement of the diaphragm . The pump characteristics can be changed by applying back pressure to the diaphragm. Further, by alternately applying a positive back pressure and a negative back pressure in synchronization with the movement of the diaphragm, it is possible to assist in both directions of the reciprocating movement of the diaphragm. Further, as the back pressure applying means, it is possible to suitably use an apparatus including an airtight space facing the other surface of the diaphragm, a fluid filled in the airtight space, and a fluid pressure adjusting means. The fluid in this case may be a compressive fluid or an incompressible fluid.
[0006]
As the driving means, a piezoelectric actuator provided with a piezoelectric element and bonded to a metal thin plate as a diaphragm, or an actuator using an electrostrictive polymer can be suitably used.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment. In FIG. 1, a base including an intake port 11 and an exhaust port 12 and check valves 13 and 14 assembled to the intake port 11 and the exhaust port 12 are provided. 1, the periphery of the diaphragm 2 is fixed by the fixing means 4 to form a pump chamber 3 surrounded by the diaphragm 2 and the base 1, and driving means (reciprocating drive means) on the outer surface of the diaphragm 2 ( In the illustrated example, a slider crank mechanism) 5 and back pressure applying means 6 are connected.
[0011]
The back pressure applying means 6 increases the negative pressure, that is, the internal volume of the pump chamber 3, even if it applies positive pressure to the diaphragm 2, that is, the pressure in the direction of decreasing the internal volume of the pump chamber 3. You may apply the pressure of a direction. In the figure, the back pressure applying means 6 is shown as a cylinder, but the present invention is not limited to this.
[0012]
When a positive pressure is applied by the back pressure applying means 6 comprising the cylinder, the maximum ultimate pressure of the pump can be improved, and when a negative pressure is applied, the maximum flow rate of the pump can be improved.
[0013]
FIG. 2 shows a drive unit 5 using an actuator made of a piezoelectric element. In the case of the disk-shaped piezoelectric element 50 in which the arrow X direction in FIG. 3 (a) is the polarization direction, it is extended or contracted in the radial direction by the voltage in the applied direction. When the piezoelectric element 50 is attached to the diaphragm 2, the diaphragm 2 bends as shown in FIG.
[0014]
FIG. 4 shows an actuator using an electrostrictive polymer actuator as the driving means 5. As shown in FIG. 5, electrodes 52 made of a conductive elastic material are formed on both surfaces of an elastic part 51 made of an insulating elastic material. If 52 is provided and a voltage is applied between the electrodes 52, 52, the actuator contracts in the thickness direction (direction between the electrodes) and extends in a direction perpendicular to the thickness direction. The diaphragm 2 is driven using this movement, but in the illustrated example, the actuator itself is used as the diaphragm 2.
[0015]
In the driving means 5 such as a slider crank mechanism, the stroke of the diaphragm 2 is determined by the driving means 5, whereas when a piezoelectric element or an electrostrictive polymer is used for the driving means 5, the back pressure applying means 6 The stroke can be changed by urging. Further, the generated force can be assisted by the urging by the back pressure applying means 6.
[0016]
6 shows a piezoelectric element actuator used as the driving means 5 and a positive pressure applied to the diaphragm 2 using a compression coil spring as the back pressure applying means 6. FIG. 7 shows a piezoelectric element actuator used as the driving means 5. Used, a negative coil is applied to the diaphragm 2 using a tension coil spring as the back pressure applying means 6.
[0017]
Further, the back pressure applying means 6 may use fluid pressure. FIG. 8 shows an example of this case. An airtight space 8 covered with a casing 7 is provided on the other surface side of the diaphragm 2 whose one surface faces the pump chamber 3, and the internal pressure of the airtight space 8 is set to atmospheric pressure. Above or below atmospheric pressure. In the former case, positive pressure is applied to the diaphragm 2, and in the latter case, negative pressure is applied to the diaphragm 2. The pressure setting in the airtight space 8 may be performed by removing the plug 70 provided in the casing 7 and separately connecting to the pump. If necessary, it is possible to adjust the positive pressure, the negative pressure, or the pressure value. Moreover, since the back pressure is applied to the diaphragm 2 on the surface, the possibility that the diaphragm 2 is damaged can be eliminated.
[0018]
In terms of assisting the generated force and increasing the stroke, it is preferable that the back pressure applying means 6 alternately apply positive pressure and negative pressure in accordance with the driving of the diaphragm 2. That is, a negative pressure is applied as shown in FIG. 9 (a) during suction to increase the internal volume of the pump chamber 3, and a positive pressure is applied as shown in FIG. 9 (b) during discharge to reduce the internal volume of the pump chamber 3. To add. This can be easily performed by using a cylinder as the back pressure applying means 6.
[0019]
Further, as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b), even when the back pressure applying means 6 using the airtight space 8 is used, a fluid pressure control means 9 comprising a pump or the like is connected to the airtight space 8 separately. By doing so, it is possible to assist the generated force and increase the stroke. In this case, not only a compressible fluid but also an incompressible fluid can be used as the fluid filling the airtight space 8. Further, when a compressible fluid is used, the synchronization deviation with the diaphragm 2 can be allowed. When an incompressible fluid is used, the motion assist of the diaphragm 2 can be reliably performed by synchronization with the diaphragm 2.
[0020]
FIGS. 11 and 12 show a specific example of the embodiment according to FIG. 8, and a transparent acrylic resin is used for the base 1 and the casing 7, and the diaphragm 2 is made of a brass metal having a diameter of 20.2 mm and a thickness of 0.050 mm. As a driving means 5 to be attached to the diaphragm 2 using a thin plate, electrodes were provided by silver baking having a diameter of 18.0 mm and a thickness of 0.008 mm on both surfaces of a piezoelectric element (C91) having a diameter of 20.0 mm and a thickness of 0.250 mm. Something is used. As shown in FIG. 13, the check valves 13 and 14 are made of a polycarbonate film 25 having a thickness of 0.002 mm sandwiched between the ring-shaped members 23 and 24 and having a slit 27 in the polycarbonate film 25. . In the figure, 17 is an O-ring.
In this device, when a voltage of +400 V is applied to the positive electrode of the piezoelectric element which is the driving means 5 and −100 V is applied to the negative electrode at a driving frequency of 100 Hz and a rectangular wave duty of 40, the maximum is obtained when the airtight space 8 is opened (atmospheric pressure state). Although the pressure was 318 mmHg and the flow rate was 62 ml / min, when the airtight space 8 was pressurized and a positive pressure of 90 mmHg was applied to the atmospheric pressure, it could be changed to a maximum pressure of 324 mmHg and a flow rate of 40.8 ml / min. When the airtight space 8 was decompressed and a negative pressure of −90 mmHg was applied to the atmospheric pressure, the maximum pressure could be changed to 310 mmHg and the flow rate to 76.3 ml / min.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, in the diaphragm pump in which the inner volume of the pump chamber is changed by reciprocation by the diaphragm driving means whose one surface faces the pump chamber, the back pressure applying means for applying the back pressure to the other surface of the diaphragm is provided. to is provided, Ru der which can change the pump characteristics in addition back pressure to the diaphragm. Since the back pressure applying means uses a device that alternately applies a positive back pressure and a negative back pressure in synchronism with the movement of the diaphragm, it can assist in both directions of the reciprocating movement of the diaphragm. . In this configuration, particularly preferable results can be obtained when the driving means is a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element is bonded to a thin metal plate as a diaphragm or an actuator using an electrostrictive polymer.
[0025]
At this time, if the back pressure applying means includes an airtight space facing the other surface of the diaphragm, a fluid filled in the airtight space, and a fluid pressure adjusting means, the back pressure is applied to the diaphragm as the surface pressure. If the compressive fluid is used as the fluid in this case, the synchronization deviation with the diaphragm can be allowed. If the incompressible fluid is used as the fluid, the diaphragm can be prevented from being damaged. The operation of the diaphragm can be reliably performed by synchronizing with the diaphragm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of another example of the above.
FIG. 3 is an operation explanatory diagram of the above.
FIG. 4 is a cross-sectional view of still another example of the above.
FIG. 5 is an operation explanatory view of the above.
6A and 6B are cross-sectional views of another example.
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of still another example.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a different example.
9A and 9B are cross-sectional views of another example.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of still another example.
11A and 11B show specific examples, in which FIG. 11A is a perspective view and FIG. 11B is a cross-sectional view.
FIG. 12 is an exploded perspective view of the above.
FIGS. 13A and 13B show the valve portion of the above, where FIG. 13A is an exploded perspective view, and FIG. 13B is an enlarged perspective view.
[Explanation of symbols]
2 Diaphragm 3 Pump chamber 5 Driving means 6 Back pressure applying means

Claims

In a diaphragm pump that changes the internal volume of the pump chamber by reciprocating movement of the diaphragm driving means with one surface facing the pump chamber, back pressure applying means for applying back pressure to the other surface of the diaphragm is provided , and the back pressure is applied. The means is a diaphragm pump characterized in that a positive back pressure and a negative back pressure are alternately applied in synchronization with the movement of the diaphragm.

2. The diaphragm pump according to claim 1 , wherein the back pressure applying means is an airtight space facing the other surface of the diaphragm, a fluid filled in the airtight space, and a fluid pressure adjusting means .

The diaphragm pump according to claim 2 , wherein the fluid is a compressive fluid .

The diaphragm pump according to claim 2, wherein the fluid is an incompressible fluid .

The diaphragm pump according to any one of claims 1 to 4, wherein the driving means is a piezoelectric actuator that includes a piezoelectric element and is bonded to a metal thin plate that is a diaphragm.

The diaphragm pump according to any one of claims 1 to 4, wherein the driving means is an actuator using an electrostrictive polymer .