JPH03134271A - 微量吐出装置 - 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】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は、所定時間連続あるいは間欠的に流体を微量吐
出する携帯型の装置に関するものである。

〔従来の技術］ 従来、微量吐出装置としては、第７図に示すように、電
磁アクチュエーター７０１を駆動力とし、これに大小の
歯車を組み合わせた伝動装置７０２を結合し、これによ
り注射筒をアーム７０４によって直接押すものが特開昭
５４−１２１９１および特公昭６１−２２５９９に提言
されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、これは電磁アクチュエータ品を利用している
ため、電ｍノイズに対して弱く、消費電流も太き（なる
、また歯車を用いているため、バックラッシュによる、
吐出量のばらつきが大きく、構造も複雑になる。さらに
注射筒を押しているため全体形状が大きくなり、携帯用
としては問題があった。本発明の目的は、電磁ノイズに
対して強く、携帯用として小さな電池が使えるよう消費
電流を少なく、かつ吐出精度のよい小型の携帯用微量吐
出装置を提供することにある。

１課題を解決するための手段〕 本発明の微量吐出装置は少なくとも、セラミッり系また
は有機系、の圧電素子を有するポンプユニットと前記ポ
ンプユニットを作動させるための集積回路、前記集積回
路を動かすための電源から構成されることを特徴とする
。

［作　用］ 本発明の上記構成によれば、集積回路からの駆動信号に
より、圧電素子に駆動パルス電圧が印加され、圧電素子
はラジアル方向への伸縮を行う。

よって前記圧電素子が貼りつけらでいる振動板は上下に
振動し、この運動によりタンク内の流体はポンプユニッ
ト内へ吸入され、そして吐出口より吐出されるよう作用
する。

［実　施　例］ 次に本発明の詳細について図面を参照して説明する。第
１図は本発明による微量吐出装置の一実施例である。

本発明による微量吐出装置は圧電素子、振動板、逆上弁
、および吸入口、吐出口、流路を有する本体などからな
るポンプユニット１０１、ポンプユニット１０１を作動
させるための集積回路１０２、前記集積回路１０２、昇
圧コイル、コンデンサーなどの電気素子類、基板などか
らなる回路ブロック１０３、電源としての電池１０４、
外部操作スイッチ１０５、タンク１０６．ケース１０７
および表示体１０８から構成される。

第２図は、前記ポンプユニット１０１の詳細図である。

第一の圧電素子２０１、第二の圧電素子２１４であり、
前記２枚の圧電素子の分極方向は異なるようにはりつけ
られており、電極用金属板２０２、振動板２０３、吸入
逆止弁２０４、吐出逆止弁２０５、そして吸入口２０６
、吐出口２０７、吸入弁室２０８、吐出弁室２０９を有
する八本体２１０、そして加圧室２１１、前記加圧室と
弁室との吸入孔２１２、吐出孔２１３を有するＢ本体２
１４より構成される。Ｂ本体２１４は逆止弁２０４．２
０５を組み込まれた八本体２１０及び、圧電素子２０１
、電極用金属板２０２を貼りつけた振動板２０３と超音
波溶着または接着剤等により組み立てられる。

第３図は本発明の回路ブロック図の一実施例である。３
０１はリチウム電池の電源、３０２は昇圧回路、３０３
はＣＰＵ、３０４は低電圧の信号を高電圧の信号に変換
するレベルシフタ。３０５は３０６の圧電素子を駆動す
るドライバーである。３０７はポンプの流量等を表示す
る表示装置、３０８は流量等を選択するスイッチである
。

前記３０８のスイッチにより流量を選択し、ＣＰＵ３０
３からのポンプ駆動信号が出力される。ＣＰＵの信号は
一般的に３から５ボルトの電圧で動作しており、また圧
電素子は５０ボルト等の高電圧で動作させる。そこで、
３０２の昇圧回路で３ボルトの電圧を５０ボルトに昇圧
し、レベルシフタ３０４によってＣＰＵからの信号を５
０ボルトの信号に変換する。

第４図（ａ）は−殻内なチョッパ型昇圧回路の一実施例
である。４０１．４０２が入力端子、４０３．４０４が
出力端子である。端子４０１．４０３は共通電極Ｖｄｄ
となっている。４０２は一３ボルト等の低電圧ＶｓｓＬ
、４０４は一５０ボルト等の高電圧Ｖｓｓｈである。４
０５は昇圧コイル、４０６は第一のスイッチング素子、
４０７は第一のスイッチング素子４０６のオン・オフの
制御をする制御回路、４０８は帰還回路で抵抗４０９と
４１０で構成されている。４１１は出力を平滑する平滑
コンデンサ、４１５は逆流防止ダイオード、４１２は直
流入力、４１３は直流出力、４１４はスイッチング素子
４０６を制御する制御信号である。制御信号４１４によ
りスイッチング素子４０６がオンすると、直流人力４１
２がら供給された電流は昇圧コイル４０５とスイッチン
グ素子４０６を通して流れはじめ、時間と共に増加して
いき、流れる電流値の２乗に比例するエネルギーが昇圧
コイル４０５に蓄積される。次にスイッチング素子４０
６がオフすると、昇圧コイル４０５に蓄積されたエネル
ギーは、逆流防止ダイオード４１５を通じて、平滑コン
デンサ４１１に蓄積される。ここで逆流防止ダイオード
４１５は、スイッチング素子４０６がオンした時に、平
滑コンデンサ４１１に蓄積された電荷が、スイッチング
素子４０６を通じて逃げるのを防止している。

直流出力４１３は、抵抗４０９，４１０で構成される帰
還回路４０８で分圧されて制御回路４０７に送られ、そ
の値は制御回路４０７の内部の基準電圧と比較される。

制御回路４０７が比較結果を元に制御信号４１４を切り
替えてスイッチング素子４０６のオン・オフを制御して
直流出力４１３が一定値となるようにしている。

第４図（ｂ）はレベルシフタ回路の一例である。４２１
　ハ信号人力Ｖｉｒ＋７’あ１）Ｖｄｄ、Ｖｓｓｌレベ
ルの信号が人力され、４２２は信号出力ｖＯであり、Ｖ
ｄｄ、Ｖｓｓｈレベルの信号が出力される。４２３はイ
ンバーター、４２４はＶｄｄ、４２５はＶｓｓｈ、４２
６．４２７はＰチャンネルのＦＥＴ、４２８．４２９は
ＮチャンネルのＦＥＴである。４２１にＶｄｄレベルの
信号が入力された場合、トランジスタ４２７．４２８は
オンし、トランジスタ４２６，４２９はオフする。よっ
て出力４２２にはＶｄｄが出力される。

またＶｉｎ４２１にＶｓｓｌレベルの信号が加えられた
ときには、トランジスタ４２６，４２９がオンし、トラ
ンジスタ４２７，４２８はオフし、出力４２２にはＶｓ
ｓｈレベルの信号が出力される。

第４図（Ｃ）はドライバ回路の一例である。４４０は入
力信号Ｖｉｎ、４４１はインパーク、４４２．４４３は
レベルシフタ、４４４．４４６はＰチャンネルのトラン
ジスタ、４４５．４４７はＮチャンネルのトランジスタ
、４４９は圧電素子であり、４５０．４５１は圧電素子
４４９の電極である。４４０にＶｄｄレベルの信号が印
加されたときには、トランジスタ４４４，４４７がオフ
し、トランジスタ４４５，４４６がオンするので、電極
４５０にはＶｓ　ｓ　ｈ、電極４５１にはＶｄｄの電圧
が印加される。また４４０にＶｓｓｌの信号が印加され
たときには、同様に電極４５０にはＶｄｄ、電極４５１
にはＶｓｓｈの電圧が印加され、圧電素子を駆動する。

第５図は、ポンプユニットの動作について示す。第５図
（ａ）にポンプユニットを示す。５゜ｌは第一の圧電素
子、５１７は第２の圧電素子、５０２は電極用金属板、
振動板５１６．吸入逆止弁５０３、吐出逆止弁５０４、
そして、吸入口５０５、吐出口５０６、吸入弁室５０７
、吐出弁室５０８を有する八本体５０９、そして加圧室
５１０、前記加圧室と弁室との吸入孔５１１、吐出孔５
１２を有するＢ本体５１３より構成され、加圧室５１０
、弁室５０７．５０８には液体が充填されている。第一
の圧電素子５０１の上面の電極が５１４、第２の圧電素
子５１７の上面の電極が５１８、下面の電極が５１５で
あり、前記２枚の圧電素子の分極方向は異なるとし、電
極５１４にＶｄｄ、電極５１５と５１８にＶｓｓｈの電
圧が印加されたときにはラジアル方向に収縮するとする
。また、電極５１４．５１５．５１８はそれぞれ第４図
（ｃ）の端子４５１，４５０に対応する。第６図に第５
図のポンプユニットの駆動波形を示す。第６図（ａ）は
第３図のＣＰＵ３０３から出力される駆動波形であり、
第６図（ｂ）、第５図の端子５１４は第６図（ｂ）、端
子５１５、端子５１８は第６図（ｃ）に対応する。第６
図の６０１の期間には５１４にＶｄｄ、５１５．５１８
にＶｓｓｈの電圧が印加され、第一の圧電素子５０１、
第２の圧電素子５１７は共にラジアル方向に収縮するの
で、振動板５１６は第５図（ｂ）のように下に凸に変位
する。すると加圧室５１０に充填されている液体は、加
圧され吐出逆止弁５０４を押し下げ、吐出口５０６へ液
体を移動させ、また吸入逆止弁５０３があるため、加圧
室５１０から吸入口５０５への液体の逆流はない。次に
、第６図の６０２の期間には電極５１４にＶｓｓｈ、電
極５１５．５１８にＶｄｄが印加され、第一の圧電素子
５０１、第二の圧電素子５１７は共にラジアル方向に伸
張するので、振動板５１６は第５図（Ｃ）のように上に
凸に変位する。すると加圧室５１０に充填されている液
体は、減圧され吸入逆止弁５０３を押し上げ、吸入口５
０５から加圧室５１０へと液体を移動させる。また吐出
逆上弁５０４があるため、加圧室５１０から吐出口５０
６への液体の移動はない。以上第５図（ｂ）、（Ｃ）の
動作を繰り返すことにより、吸入口５０５から吐出口５
０６へと液体を移動させることが可能となる。

第８図には、流量と背圧の関係のグラフを示す。横軸は
背圧で縦軸は流量である。８０１は圧電素子を１枚のみ
用いたモノモルフ圧電素子の場合のポンプユニットの場
合のグラフであり、８０２は第２図に述べた構造のポン
プユニットのグラフである。−射的に背圧が高くなると
振動板の変位量が小さくなるため流量が減るが、圧電素
子を２枚用いるバイモルフ圧電素子を用いることにより
同じ材料のモノモルフ圧電素子と比較して、圧電素子の
厚みがモノモルフの厚みとすれば、１枚当り半分の厚み
になるので容量は倍になり、それが２枚並列になってい
るので４倍の容量を持つことになるため、変位量がモノ
モルフに比べて大きくなる。それによってモノモルフの
場合と比べ流量が増え、またバイモルフの厚みを増せば
振動系の剛性が増すため背圧の影響を受けにくくなる。

［発明の効果］ 以上説明したように、微量吐出装置として、圧電素子を
用いたポンプを使用するため、電磁型アクチュエーター
を用いた吐出装置と比べ構成部品を少なくでき、小型化
が可能でありコストが低減でき、またタンクの形状が制
限されないため、吐出装置の形状の自由度が多くなる。

また圧電素子は、電圧駆動によるアクチュエーターのた
め消費電流はμＡのオーダーであるため消費電流を少な
くでき、リチウム電池等の電源においても電池寿命のな
がい携帯用微量吐出装置が可能となる。また電磁アクチ
ュエーターをもちいた微量吐出装置においては、１ステ
ツプ毎の流量は調整できないが、本微量吐出装置は圧電
素子を用いているため、電圧によって変位量つまり吐出
量が制御できるので、吐出量の周波数による制御と共に
、ｌステップ毎の流量の電圧制御ができ、吐出量の微量
調整が可能となる。そして、圧電素子は変位量がＩｕｍ
以下での制御も可能であり電磁アクチュエーターを用い
た吐出装置と違い歯車によるバックラッシュが無いので
、例えば径が１０ｍｍの加圧室を用いるとすると体積に
換算して０．０２μリツトルという非常に微小な量での
正確な制御が可能となる。また圧電素子は、磁界の影響
を受けないため、磁場が存在する状態においても電磁型
アクチュエーターのように誤動作することがなく安全性
の高い、微量吐出装置を提供できる。

また、２枚以上の圧電素子と振動板で構成されているた
め、第８図で述べたように１ステツプ流量の大きく、背
圧の影響を受けにくいポンプユニットを構成することが
でき、また、振動板の両面に圧電素子を貼る一般のバイ
モルフ振動板では片側の圧電素子が液体中にあるため、
腐食、導電雰囲気中ではショートしたり、接点が腐食し
たりするため用いることができないが、第２図のごと（
振動板の片面に圧電素子を貼り付けるため、前記加圧室
内の液体に圧電素子が接することがないため、前記加圧
室内が腐食あるいは導電雰囲気中であっても、ショート
あるいは接点が腐食することなしにポンプユニットを構
成することができポンプユニットの信頼性及び寿命を長
くすることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の微量吐出装置の一実施例
を示す図、 第２図はポンプユニットを示す図、 第３図は本発明の微量吐出装置の回路ブロック図、 第４図（ａ）は昇圧回路図、第４図（ｂ）はレベルシフ
タ図、第４図（Ｃ）はドライバーの一例を示す図、 第５図（ａ）〜（Ｃ）はポンプユニットの動作説明図、 第６図はポンプユニットの駆動信号図、第７図は従来例
を示す図、 第８図はバイモルフ圧電素子とモノモルフ圧電素子を用
いた場合の背圧と流量の関係を示す図。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも、セラミック系または有機系の圧電素子を有
   するポンプユニットと前記ポンプユニットを作動させる
   ための集積回路、前記集積回路を動かすための電源から
   構成される微量吐出装置において２枚以上の前記圧電素
   子を重ね合わせ、振動板に貼り付けることを特徴とする
   微量吐出装置。