【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、柱状振動子による超音
波アクチュエーターにより発生させた弾性振動を駆動源
として流体を移送する超音波流体移送ポンプに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic fluid transfer pump for transferring a fluid by using elastic vibration generated by an ultrasonic actuator made of a columnar vibrator as a drive source.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の定量ポンプは駆動源として電磁モ
ーターを用いたものにほぼ限られるが、大別して不連続
型と連続型とに分類される。不連続型の中でも、とりわ
けＦＭＩ定量ポンプは１ステップ当りの移送量を連続的
に変化させることができるので、原理的には移送量を定
量的に無限に少なくすることができるが、調節部が機械
式であるから正確さに欠け、制御性に問題がある。連続
型ポンプでは電圧制御により流量を連続的に制御できる
ポンプもあり、微少流量も可能ではあるが、可動部がな
いので逆流を起こしやすいという欠点を有し、結果的に
は制御性に問題を残す。2. Description of the Related Art Conventional metering pumps are almost limited to those using an electromagnetic motor as a drive source, but are roughly classified into a discontinuous type and a continuous type. Among the discontinuous type, especially the FMI metering pump can continuously change the transfer amount per step, so in principle, the transfer amount can be quantitatively reduced to infinity, but the adjusting unit Since it is mechanical, it lacks accuracy and has problems in controllability. Some continuous pumps can control the flow rate continuously by voltage control, and even minute flow rates are possible, but since there is no moving part, there is a drawback that backflow is likely to occur, resulting in problems in controllability. leave.
【０００３】さらに、流量をより少なく制御性をより向
上させるためには、装置はより大がかりなものとならざ
るを得ないという欠点を有する。Further, in order to reduce the flow rate and improve the controllability, there is a drawback that the device must be larger.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来の定量ポンプで
は、微少な量を正確に制御することは難しく、装置も概
して大型である。With the conventional metering pump, it is difficult to accurately control a minute amount, and the apparatus is generally large in size.
【０００５】そこで本発明では、超音波アクチュエータ
ーを駆動源とすることにより、微少流量の正確な制御を
可能にし、さらに強磁場中での使用、装置の小形、軽量
化、騒音が無いこと、低消費電力を可能にすることを目
的とした流体を移送するためのポンプを提供する。な
お、振動子型アクチュエーターについてはすでに詳しい
記載がある（特願昭６３−１２９１２２号、特願平１−
２２６９５０号）。Therefore, in the present invention, by using an ultrasonic actuator as a driving source, it is possible to precisely control a minute flow rate, and further, it is used in a strong magnetic field, the apparatus is small and lightweight, and there is no noise. Provided is a pump for transferring a fluid intended to enable power consumption. A detailed description has already been made of the vibrator-type actuator (Japanese Patent Application No. 63-129122, Japanese Patent Application No.
226950).
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
流体移送ポンプは、柱状の圧電磁器の分極軸に垂直な両
端面に電極を有する圧電振動子と、前記圧電振動子に接
触して前記圧電振動子に生じる振動変位を受ける回転体
と、前記回転体に取り付けられている複数のベアリング
とを備え、流体で満たされた弾性チューブを軸線に垂直
な方向に前記ベアリングで押圧しながら前記ベアリング
を前記軸線にほぼ沿って移動させ、前記弾性チューブ内
における前記流体を移送し、前記圧電振動子の少なくと
も一方の端面に形成されている電極は互いに絶縁された
２つの部分に分割されていることを特徴とする。According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic fluid transfer pump in which a piezoelectric vibrator having electrodes on both end faces perpendicular to a polarization axis of a columnar piezoelectric ceramic is in contact with the piezoelectric vibrator. And a plurality of bearings attached to the rotating body, the elastic tube filled with fluid is pressed by the bearings in a direction perpendicular to the axis. The bearing is moved substantially along the axis to transfer the fluid in the elastic tube, and the electrode formed on at least one end face of the piezoelectric vibrator is divided into two parts insulated from each other. It is characterized by being
【０００７】請求項２に記載の超音波流体移送ポンプ
は、前記圧電振動子に励振電力を供給する駆動回路が、
該励振電力として交流パルス電力を出力し、該交流パル
ス電力の交流周波数を調節する手段と、該交流パルス電
力のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を調節する手
段とを備えることを特徴とする。According to another aspect of the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, the drive circuit for supplying the excitation power to the piezoelectric vibrator includes:
An alternating current pulse power is output as the excitation power, and means for adjusting the alternating current frequency of the alternating current pulse power and means for adjusting the pulse width and the pulse repetition frequency of the alternating current pulse power are provided.
【０００８】請求項３に記載の超音波流体移送ポンプ
は、前記圧電振動子が、この圧電振動子の容量およびイ
ンダクタンスを主なリアクタンス成分とする共振回路で
共振して発振する発振回路から交流電力を受けて励振さ
れることを特徴とする。In the ultrasonic fluid transfer pump according to a third aspect of the present invention, the piezoelectric vibrator vibrates in resonance with a resonance circuit having capacitance and inductance of the piezoelectric vibrator as a main reactance component to oscillate to generate AC power. It is characterized by being excited by receiving.
【０００９】[0009]
【作用】請求項１に記載の超音波流体移送ポンプでは、
柱状の圧電磁器の分極軸に垂直な両端面に電極を有する
圧電振動子の共振周波数に等しい周波数を有する交流信
号を前記圧電振動子に前記電極を介して印加すると、前
記圧電振動子は励振され前記圧電磁器の側面には一方向
の振動変位が生じる。前記振動変位は、前記圧電振動子
の側面に接触している前記回転体に伝達され、前記回転
体は回転する。前記ベアリングの軸が前記回転体に取り
付けられていることから、前記回転体が回転すれば前記
ベアリングも前記ベアリングの軸を中心に自転しながら
前記回転体の軸を中心にして回転する。この際、前記ベ
アリングは自転および前記回転体のまわりを回転するこ
とにより、前記弾性チューブを前記弾性チューブの軸線
に垂直な方向に順次押圧しながら、前記弾性チューブの
軸線にほぼ沿って移動する。従って、前記弾性チューブ
は前記軸線に沿って順次圧迫され、前記弾性チューブ内
の流体はベアリングの移動方向に移送される。このと
き、該弾性チューブは前記ベアリングの通過とともに順
次復元されるから該弾性チューブはこの復元力を利用し
て流体を自吸する。このように本発明の超音波流体移送
ポンプでは流体の吸入および吐出すなわちポンピング
が、超音波アクチュエーターを駆動源とすることにより
行われる。入力に対する応答速度が速いのでパルス駆動
が正確かつ容易に行え、しかも無入力時の保持力が大き
い。従って、微少流量の正確な制御が可能で逆流もな
く、移送量を容易に連続的に変えられる。また、低消費
電力での駆動が可能で、騒音も無い。さらに、低速・高
トルク回転が可能なので、ギヤが不要であるから、装置
の小形化かつ軽量化を実現できる。磁石の使用を必要と
しないことから、強磁場中での使用も可能である。液体
だけでなく気体の移送も可能であることから、気相反応
などに要する気体の微少量の供給への応用にも好都合で
ある。In the ultrasonic fluid transfer pump according to claim 1,
When an AC signal having a frequency equal to the resonance frequency of a piezoelectric vibrator having electrodes on both end faces perpendicular to the polarization axis of the columnar piezoelectric ceramic is applied to the piezoelectric vibrator through the electrodes, the piezoelectric vibrator is excited. A vibration displacement in one direction occurs on the side surface of the piezoelectric ceramic. The vibration displacement is transmitted to the rotating body that is in contact with the side surface of the piezoelectric vibrator, and the rotating body rotates. Since the shaft of the bearing is attached to the rotating body, when the rotating body rotates, the bearing also rotates about the shaft of the rotating body while rotating about the shaft of the bearing. At this time, the bearing moves substantially along the axis of the elastic tube while sequentially pressing the elastic tube in a direction perpendicular to the axis of the elastic tube by rotating around the rotary body and the rotation body. Therefore, the elastic tube is sequentially compressed along the axis, and the fluid in the elastic tube is transferred in the moving direction of the bearing. At this time, since the elastic tube is sequentially restored as it passes through the bearing, the elastic tube uses this restoring force to suck the fluid. As described above, in the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, suction and discharge of the fluid, that is, pumping is performed by using the ultrasonic actuator as a drive source. Since the response speed to input is fast, pulse driving can be performed accurately and easily, and the holding force when there is no input is large. Therefore, it is possible to accurately control the minute flow rate, there is no backflow, and the transfer amount can be easily and continuously changed. In addition, it can be driven with low power consumption and there is no noise. Further, since low-speed and high-torque rotation is possible, no gear is required, so the device can be made smaller and lighter. Since it does not require the use of a magnet, it can be used in a strong magnetic field. Since not only a liquid but also a gas can be transferred, it is convenient for application to supply a minute amount of gas required for a gas phase reaction or the like.
【００１０】前記圧電振動子の少なくとも一方の端面に
形成されている電極が互いに絶縁された２つの部分に分
割されていることから、一方の前記部分に設けられてい
る電極を自励式電源のための電極として用いることがで
きる。従って、本発明の超音波流体移送ポンプではさら
に低消費電力での駆動が可能となる。Since the electrode formed on at least one end face of the piezoelectric vibrator is divided into two parts which are insulated from each other, the electrode provided on one of the parts is used for self-exciting power supply. Can be used as an electrode. Therefore, the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention can be driven with lower power consumption.
【００１１】請求項２に記載の超音波流体移送ポンプで
は、前記励振電力として交流パルス電力を出力し、該交
流パルス電力の交流周波数を調節する手段と、該交流パ
ルス電力のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を調節
する手段とが前記駆動回路に備えてある。従って、極め
て微少な流量の正確な制御が可能で逆流もなく、しかも
移送量を容易に連続的に変えられる。また、低消費電力
での駆動が可能で、騒音も無く、低速・高トルク回転が
可能なので、ギヤが不要であるから、装置の小形化かつ
軽量化を実現でき、その上、磁石の使用を必要としない
ことから、強磁場中での使用も可能である。In the ultrasonic fluid transfer pump according to a second aspect of the present invention, means for outputting AC pulse power as the excitation power, adjusting the AC frequency of the AC pulse power, and pulse width and pulse repetition of the AC pulse power. Means for adjusting the frequency are provided in the drive circuit. Therefore, an extremely minute flow rate can be accurately controlled, there is no backflow, and the transfer amount can be easily and continuously changed. In addition, it can be driven with low power consumption, has no noise, and can rotate at low speed and high torque, so no gears are required, so the device can be made smaller and lighter. Since it is not necessary, it can be used in a strong magnetic field.
【００１２】請求項３に記載の超音波流体移送ポンプで
は、前記圧電振動子が、この圧電振動子の容量およびイ
ンダクタンスを主なリアクタンス成分とする共振回路で
共振して発振する発振回路から交流電力を受けて励振さ
れる。従って、本発明のポンプでは外部温度などの環境
変化にも対応しうる駆動回路を提供できる。According to another aspect of the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, the piezoelectric vibrator resonates in a resonance circuit having a capacitance and an inductance of the piezoelectric vibrator as a main reactance component to oscillate to generate AC power. I am excited to receive it. Therefore, the pump of the present invention can provide a drive circuit that can cope with environmental changes such as external temperature.
【００１３】[0013]
【実施例】図１は本発明の超音波流体移送ポンプの一実
施例を示す斜視図、図２は図１の超音波流体移送ポンプ
の流体移送部を図１の反対側方向正面から見たときの側
面図である。本実施例は銅箔から成る端子Ｐ、Ｑ、Ｒが
取り付けられている圧電振動子１と、回転体２と、摩擦
材３と、ベアリング４と、弾性チューブ５と、ガイド６
とから成る。なお、図１では圧電振動子１に交流電圧を
供給する電源回路が省いて描かれている。1 is a perspective view showing an embodiment of the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, and FIG. 2 is a front view of the fluid transfer portion of the ultrasonic fluid transfer pump of FIG. It is a side view at the time. In this embodiment, the piezoelectric vibrator 1 to which the terminals P, Q, and R made of copper foil are attached, the rotating body 2, the friction material 3, the bearing 4, the elastic tube 5, and the guide 6.
It consists of and. In FIG. 1, the power supply circuit for supplying an AC voltage to the piezoelectric vibrator 1 is omitted.
【００１４】図３は圧電振動子１の斜視図である。圧電
振動子１は円柱状の圧電磁器２０と、圧電磁器２０の分
極軸に垂直な両端面のそれぞれに設けられた電極２１、
２２および２３とから成る。圧電磁器２０は直径１０m
m、高さ１０mm で、材質はＴＤＫ製９１Ａ材（製品名）
であり、その共振周波数は約１３８kHz である。ＴＤＫ
９１Ａ材は電気機械結合係数が大きいことから、ここで
の実施例に用いている。電極２１および２２は同一面上
に設けられていて互いに絶縁状態にある。電極２１は圧
電振動子１に交流電圧を印加するための電極として用い
られ、電極２２は自励式電源のための電極として用いら
れる。電極２３はもう一方の端面全体をおおっている。
電極２１上には端子Ｐ、電極２２上には端子Ｑ、電極２
３上には端子Ｒが設けられている。図中の矢印は圧電振
動子１に交流信号を印加したときに共振状態において圧
電磁器２０の側面に生じる振動変位を示す。一方の端面
上に設けられている電極を２分割し、それらを互いに絶
縁状態にすることにより、自励式駆動が可能となるばか
りでなく、圧電磁器２０の側面には一方向の振動変位が
生じる。FIG. 3 is a perspective view of the piezoelectric vibrator 1. The piezoelectric vibrator 1 has a cylindrical piezoelectric ceramic 20, an electrode 21 provided on each end surface perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric ceramic 20,
22 and 23. Piezoelectric ceramic 20 has a diameter of 10 m
m, height 10mm, made of TDK 91A material (product name)
And its resonance frequency is about 138 kHz. TDK
Since the 91A material has a large electromechanical coupling coefficient, it is used in this example. The electrodes 21 and 22 are provided on the same surface and are insulated from each other. The electrode 21 is used as an electrode for applying an alternating voltage to the piezoelectric vibrator 1, and the electrode 22 is used as an electrode for a self-excited power supply. The electrode 23 covers the entire other end surface.
Terminal P on electrode 21, terminal Q on electrode 22, electrode 2
Terminal R is provided on 3. The arrow in the figure indicates the vibration displacement that occurs on the side surface of the piezoelectric ceramic 20 in the resonance state when an AC signal is applied to the piezoelectric vibrator 1. By dividing the electrode provided on one end face into two and making them insulated from each other, not only self-excited drive becomes possible, but also the side face of the piezoelectric ceramic 20 undergoes vibration displacement in one direction. ..
【００１５】図４はｒｆパルスを印加する場合のパルス
駆動のための電源回路の構成図である。パルス発生装置
とミキサーとの間にある楕円内の波形はパルス発生装置
の作る波形である。シグナル発生装置とミキサーとの間
にある楕円内の波形はシグナル発生装置の作る波形であ
る。ミキサーとパワーアンプとの間にある楕円内の波形
はパルス発生装置の作る波形とシグナル発生装置の作る
波形とが合成されたものである。パルス駆動の際には、
このようにして合成された波形を示す交流信号が圧電振
動子１に印加される。すなわち、このような電源回路を
用いることにより、圧電振動子１に印加する交流パルス
電力の交流周波数を調節し、かつ該交流パルス電力のパ
ルス幅およびパルス繰り返し周波数を調節することが可
能となる。FIG. 4 is a configuration diagram of a power supply circuit for pulse driving when the rf pulse is applied. The waveform inside the ellipse between the pulse generator and the mixer is the waveform produced by the pulse generator. The waveform inside the ellipse between the signal generator and the mixer is the waveform produced by the signal generator. The waveform in the ellipse between the mixer and the power amplifier is a combination of the waveform generated by the pulse generator and the waveform generated by the signal generator. In pulse driving,
An AC signal having the waveform thus synthesized is applied to the piezoelectric vibrator 1. That is, by using such a power supply circuit, it is possible to adjust the AC frequency of the AC pulse power applied to the piezoelectric vibrator 1, and to adjust the pulse width and the pulse repetition frequency of the AC pulse power.
【００１６】超音波流体移送ポンプの駆動時、圧電振動
子１には電極２１上に設けられた端子Ｐ、および電極２
３上に設けられた端子Ｒを介して、圧電振動子１の共振
周波数に等しい周波数を有する交流信号が印加される。
このとき、圧電振動子１はこの圧電振動子１の容量およ
びインダクタンスを主なリアクタンス成分とする共振回
路で共振して発振する発振回路から交流電力を受ける。
圧電振動子１は励振され、圧電磁器２０の側面には圧電
磁器２０の分極軸の方向に沿った一方向の振動変位が生
じる。回転体２は大小２つの円板とそれらをつなぐ円柱
とから成り、大きい方の円板は直径５６mm、厚さ３mm
で、一方の板面上には摩擦材３がその円板の中心を同心
とする幅８mm、厚さ１mm のリング状に固着されてい
る。小さい方の円板は直径３３mm、厚さ３mm である。
ベアリング４は直径１５mm、厚さ１０mm であり、その
軸は直径６mm、長さ１．３mm である。回転板２の小円
板の一方の板面上には６個のベアリング４の軸が等間隔
に固着されている。大小２つの円板をつなぐ円柱は、直
径５mm、長さ３５mm で、大小２つの円板の中心を同心
とし、大円板の中心を貫通して小円板に至っている。こ
のとき大円板と小円板は平行となり、その距離は１７mm
である。圧電振動子１は回転体２に固着されている摩
擦材３に接触している。このとき、圧電振動子１が円柱
状であることにより、圧電振動子１が摩擦材３と接する
部分の形状は圧電振動子１の両端面を結び両端面に垂直
な直線となる。該直線と回転体２の中心との距離は２１
mm である。摩擦材３にはエポキシ樹脂にポリアミドを
混入したものを用いた。圧電磁器２０の側面に生じた前
記一方向振動変位は、前記直線部分から摩擦材３を介し
て回転体２に伝達され、回転体２はその軸を中心に回転
する。このとき摩擦材３は回転による圧電磁器２０およ
び回転体２の大円板の磨耗を防止するだけでなく、回転
により回転体２と圧電振動子１との間に生ずる高電圧に
起因する電磁ノイズを防止する。回転体２の回転に伴
い、回転体２の小円板に固着されているベアリング４の
軸も回転体２の軸を中心に回転するので、ベアリング４
はベアリング４自身の軸を中心に自転しながら回転体２
の軸を中心に回転する。その際、ベアリング４はベアリ
ング４とガイド６との間に挟まれた部分の外径１mm、内
径０．５mmの弾性チューブ５の一部をガイド６の内壁に
順次押圧する。弾性チューブ５はベアリング４の移動と
ともに順次復元するから、弾性チューブ５はその復元力
によって弾性チューブ５の一方の開口から流体を吸引す
る。吸引された流体は弾性チューブ５内を移動し、弾性
チューブ５のもう一方の開口の外へ押し出される。ベア
リング４とガイド６との間に挟まれた部分の弾性チュー
ブ５にはどの箇所においても均一な負担がかかるので、
常に均一で正確なポンピングを行える。When the ultrasonic fluid transfer pump is driven, the piezoelectric vibrator 1 has a terminal P provided on an electrode 21 and an electrode 2.
An AC signal having a frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 1 is applied via a terminal R provided on the piezoelectric element 3.
At this time, the piezoelectric vibrator 1 receives AC power from an oscillation circuit that resonates and oscillates in a resonance circuit having a capacitance and an inductance of the piezoelectric vibrator 1 as main reactance components.
The piezoelectric vibrator 1 is excited, and a vibration displacement in one direction along the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic 20 is generated on the side surface of the piezoelectric ceramic 20. The rotating body 2 consists of two large and small discs and a cylinder connecting them, and the larger disc has a diameter of 56 mm and a thickness of 3 mm.
The friction material 3 is fixed to one plate surface in a ring shape having a width of 8 mm and a thickness of 1 mm with the center of the disk concentric. The smaller disc has a diameter of 33 mm and a thickness of 3 mm.
The bearing 4 has a diameter of 15 mm and a thickness of 10 mm, and its shaft has a diameter of 6 mm and a length of 1.3 mm. The shafts of six bearings 4 are fixed at equal intervals on one plate surface of the small circular plate of the rotary plate 2. The cylinder that connects two large and small discs has a diameter of 5 mm and a length of 35 mm. The two large and small discs are concentric with each other and penetrate through the center of the large disc to reach the small disc. At this time, the large disc and the small disc are parallel and the distance is 17 mm.
Is. The piezoelectric vibrator 1 is in contact with the friction material 3 fixed to the rotating body 2. At this time, since the piezoelectric vibrator 1 has a columnar shape, the shape of the portion where the piezoelectric vibrator 1 is in contact with the friction material 3 is a straight line connecting the both end surfaces of the piezoelectric vibrator 1 and perpendicular to the both end surfaces. The distance between the straight line and the center of the rotating body 2 is 21.
mm. As the friction material 3, a mixture of epoxy resin and polyamide was used. The one-way vibration displacement generated on the side surface of the piezoelectric ceramic 20 is transmitted from the linear portion to the rotating body 2 via the friction material 3, and the rotating body 2 rotates about its axis. At this time, the friction material 3 not only prevents abrasion of the piezoelectric ceramic 20 and the large disc of the rotary body 2 due to rotation, but also electromagnetic noise caused by high voltage generated between the rotary body 2 and the piezoelectric vibrator 1 due to rotation. Prevent. As the rotor 2 rotates, the shaft of the bearing 4 fixed to the small disc of the rotor 2 also rotates around the shaft of the rotor 2.
Is rotating body 2 while rotating around the axis of bearing 4 itself
Rotate around the axis of. At that time, the bearing 4 sequentially presses a part of the elastic tube 5 having an outer diameter of 1 mm and an inner diameter of 0.5 mm, which is a portion sandwiched between the bearing 4 and the guide 6, against the inner wall of the guide 6. Since the elastic tube 5 is sequentially restored as the bearing 4 moves, the elastic tube 5 sucks the fluid from one opening of the elastic tube 5 by the restoring force. The sucked fluid moves in the elastic tube 5 and is pushed out of the other opening of the elastic tube 5. Since the elastic tube 5 in the portion sandwiched between the bearing 4 and the guide 6 is evenly loaded at any position,
You can always perform uniform and accurate pumping.
【００１７】圧電振動子１に印加する交流信号の周波数
を一定の範囲内で変えることにより、圧電磁器２０の側
面に生じる振動変位の大きさだけでなく、その方向をも
任意に制御するとができる。従って、回転体２の回転速
度の制御および逆回転駆動が可能となるので、弾性チュ
ーブ５内を移動する流体の速度と方向を自由に制御する
ことができる。By changing the frequency of the AC signal applied to the piezoelectric vibrator 1 within a fixed range, not only the magnitude of the vibration displacement generated on the side surface of the piezoelectric ceramic 20 but also its direction can be controlled arbitrarily. .. Therefore, since the rotation speed of the rotating body 2 and the reverse rotation drive are possible, the speed and direction of the fluid moving in the elastic tube 5 can be freely controlled.
【００１８】図５は圧電振動子１の周波数に対するアド
ミタンスおよび位相の関係を示す特性図である。１４０
kHz 付近で共振し、約１６８kHz で反共振を起こしてい
る。約１４０kHz の共振周波数でのアドミタンスのピー
クが２つに分かれる共振割れを起こしている。これは圧
電磁器２０の一方の端面に設けられている電極が２つに
分割され電極２１および２２を形成し、それらが互いに
絶縁状態にあることによる。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the admittance and the phase with respect to the frequency of the piezoelectric vibrator 1. 140
It resonates near kHz and anti-resonance occurs at about 168 kHz. At the resonance frequency of about 140kHz, the admittance peak splits into two parts, causing a resonance crack. This is because the electrode provided on one end face of the piezoelectric ceramic 20 is divided into two to form electrodes 21 and 22, which are in an insulated state from each other.
【００１９】図６は印加電圧とベアリング４が回転体２
の軸を中心に回転するときの回転数との関係を示す特性
図である。前記回転数は印加電圧に対しリニアな関係に
あり、その傾きは約０．４rpm ／V である。なお、印加
電圧信号の周波数は圧電振動子１の共振周波数とほぼ等
しく、約１３８kHz である。In FIG. 6, the applied voltage and the bearing 4 are the rotor 2
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship with the number of rotations when rotating around the axis of. The rotation speed has a linear relationship with the applied voltage, and its inclination is about 0.4 rpm / V. The frequency of the applied voltage signal is approximately equal to the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 1 and is about 138 kHz.
【００２０】図７は印加電圧が１００Ｖp-p でその周波
数が約１３８kHz のパルス駆動を行なったときの、パル
ス幅と１パルスあたりの回転角との関係を示す特性図で
ある。Ｎ回転するのに要する時間をＴとし、パルス繰り
返し周波数をｆp とすると、１パルスあたりの回転角θ
は（１）式で与えられる。 θ（deg.）＝３６０Ｎ／（ｆp ・Ｔ） （１） パルス幅が２０ms 以上ではパルス幅と１パルスあたり
の回転角とはほぼ直線的な関係にあるので、電圧を印加
してから駆動が開始し一定になるまでの時間および電圧
を解除してから駆動が停止するまでの時間は、少なくと
も数十ms 以下であることがわかる。電磁モーターの自
然停止が数百ms から数s であることと比較すれば、本
装置の駆動源の応答速度は極めて速い。また、動作が可
能な最小限のパルス幅は１ms で、そのときの回転角は
約０．００３°であった。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the pulse width and the rotation angle per pulse when the applied voltage is 100 Vp-p and the frequency of the pulse driving is about 138 kHz. When the time required for N rotations is T and the pulse repetition frequency is fp, the rotation angle θ per pulse
Is given by equation (1). θ (deg.) = 360N / (fp · T) (1) When the pulse width is 20 ms or more, the pulse width and the rotation angle per pulse are in a substantially linear relationship, so driving after applying a voltage It can be seen that the time from starting to becoming constant and the time from releasing the voltage to stopping the driving are at least several tens of ms or less. The response speed of the drive source of this device is extremely fast, compared with the spontaneous stop of the electromagnetic motor being several hundred ms to several s. The minimum pulse width that can be operated was 1 ms, and the rotation angle at that time was about 0.003 °.
【００２１】図８は図７およびベアリング４が回転体２
の軸を中心に１回転したときの移送量より求めた、パル
ス幅と１パルスあたりの移送量との関係を示す特性図で
ある。ベアリング４の中心と回転体２の中心との距離は
ベアリング４の回転半径に相当する。前記回転半径をａ
とし、弾性チューブ５の内径をｒとすると、１回転あた
りの移送量Ｍｔは（２）式で与えられる。ただし弾性チ
ューブ５の断面を円形とする。 Ｍｔ＝（１回転あたりのベアリング４の移動距離） ×（弾性チューブ５の管内断面積） ＝２πａ×πｒ2／４ （２） 微少量を移送するためには、回転速度を減少させるとと
もにＭｔ値をできるだけ小さくしなければならない。Ｍ
ｔ値を小さくするにはａ値およびｒ値を小さくすればよ
い。ところで、本実施例の移送部においては、弾性チュ
ーブ５の管内断面はベアリング４の通過とともに円形か
ら楕円形に変化する。そこで実測により移送量を求め
た。２５００回転の移送量を１回転あたりに換算し３度
の測定値を平均したところ、Ｍｔ値は約０．７５nl で
あった。（２）式の弾性チューブ５の管内断面積をＳと
し、Ｍｔ＝０．７５nl を代入すると、Ｓ＝５９．７×
１０ー9m2となる。一方、管内断面が円形のときの理論的
なＳ値はＳ＝１９６．３×１０ー9m2で、管内断面が円形
から楕円形に変化することによりＳ値は約１／３にな
る。従って１回転あたりの移送量も１／３となるから本
実施例の移送部によればさらに微少量の移送が可能にな
る。また、動作が可能な最小限のパルス幅１mSにおける
移送量は０．００６２２pl であり、極めて微少な量か
らの制御が可能であるといえる。FIG. 8 shows the structure of FIG.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the pulse width and the transfer amount per pulse, which is obtained from the transfer amount after one rotation about the axis of FIG. The distance between the center of the bearing 4 and the center of the rotating body 2 corresponds to the radius of gyration of the bearing 4. Let the radius of gyration be a
And the inner diameter of the elastic tube 5 is r, the transfer amount Mt per rotation is given by the equation (2). However, the cross section of the elastic tube 5 is circular. Mt = to transport (first moving distance per rotation bearing 4) × (tube cross-sectional area of the elastic tube5) = 2πa × πr 2/ 4 (2) small amounts, Mt value with reducing the rotational speed Should be as small as possible. M
To reduce the t value, the a value and the r value may be reduced. By the way, in the transfer section of the present embodiment, the inner cross section of the elastic tube 5 changes from circular to elliptical as the bearing 4 passes. Therefore, the transfer amount was obtained by actual measurement. When the transfer amount of 2500 rotations was converted per rotation and the measured values of 3 times were averaged, the Mt value was about 0.75 nl. Let S be the internal cross-sectional area of the elastic tube 5 of the formula (2), and substitute Mt = 0.75nl, then S = 59.7 ×
Of 10over9 m2. On the other hand, the theoretical S value when the tube cross section is circular is S = 196.3 × 10over 9 m2, S value is about one-third by the pipe cross-section is changed to an ellipse from a circular. Therefore, the transfer amount per one rotation is also ⅓, so that the transfer unit of this embodiment can transfer a very small amount. Further, the transfer amount at the minimum operable pulse width of 1 mS is 0.00622 pl, and it can be said that control from an extremely small amount is possible.
【００２２】図９は印加電圧が１００Ｖp-p でその周波
数が約１３８kHz のパルス駆動の際の、パルス繰り返し
周波数と１分あたりの移送量との関係を示す特性図であ
る。本図はパルス幅がそれぞれ１，２，３，５，１０，
２０，３０，４０ ms であるパルス駆動を行なった場合
の特性を示す。広範囲のパルス幅駆動において微少量の
制御が可能であることがわかる。FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the pulse repetition frequency and the transfer amount per minute when the applied voltage is 100 Vp-p and the frequency of the pulse driving is about 138 kHz. This figure shows pulse widths of 1, 2, 3, 5, 10,
The characteristics when pulse driving of 20, 30, and 40 ms are performed are shown. It can be seen that a very small amount of control is possible in a wide range pulse width drive.
【００２３】本実施例の超音波流体移送ポンプの起動方
法としてパルス駆動を採用したのは、パルス駆動の方が
連続駆動よりも微少量の正確な制御には適しているから
である。パルス駆動の際にロータリーエンコーダを併用
したら、移送量のさらに正確な制御が行えるようになっ
た。ロータリーエンコーダは角度を電気信号に変換する
ものとして用いている。本実施例の超音波流体移送ポン
プには、単位角度毎にパルスを逐次発生するインクリメ
ンタル型を用いた。インクリメンタル型の最高の分解能
は１回転あたり６０００パルスなので、１パルスあたり
の回転角は０．０６°となり図７、図８より１パルスあ
たりの移送量は０．１２４pl となる。この０．１２４p
l がインクリメンタル型を併用したときの流体移送ポン
プの最少移送量となる。また、誤差については、パルス
駆動における最少回転角が図７より０．００３°であり
インクリメンタル型の分解能が０．０６°であることか
ら、最大誤差は５％、容量にして０．００６２pl とな
り、極めて微少な値である。従ってインクリメンタル型
を併用すれば、微少で正確な移送量の制御がさらに改善
される。The reason why the pulse driving is adopted as the starting method of the ultrasonic fluid transfer pump of this embodiment is that the pulse driving is more suitable for accurate control with a small amount than the continuous driving. By using a rotary encoder together with the pulse drive, more accurate control of the transfer amount became possible. The rotary encoder is used to convert the angle into an electric signal. The ultrasonic fluid transfer pump of this embodiment is of the incremental type, which sequentially generates pulses for each unit angle. Since the maximum resolution of the incremental type is 6000 pulses per rotation, the rotation angle per pulse is 0.06 °, and the transfer amount per pulse is 0.124 pl from FIGS. 7 and 8. This 0.124p
l is the minimum transfer amount of the fluid transfer pump when using the incremental type together. Regarding the error, since the minimum rotation angle in pulse driving is 0.003 ° from FIG. 7 and the resolution of the incremental type is 0.06 °, the maximum error is 5%, and the capacity is 0.0062pl. It is a very small value. Therefore, when the incremental type is used together, the control of the minute and accurate transfer amount is further improved.
【００２４】図１０は本発明の超音波流体移送ポンプの
もう１つの実施例を示す側面図、図１１は図１０の超音
波流体移送ポンプを流体移送部の方向から見たときの斜
視図である。本実施例は図１の実施例からガイド６を除
き、代わりに金属パイプ７を備え、金属パイプ７には弾
性チューブ５が装着されている。ただし、回転体２の小
円板に設けられているベアリング４は３個で、金属パイ
プ７を取り囲むようにして設けられていて、なおかつ、
金属パイプ７の外壁に弾性チューブ５を押圧するように
取り付けられている。FIG. 10 is a side view showing another embodiment of the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, and FIG. 11 is a perspective view of the ultrasonic fluid transfer pump of FIG. 10 as seen from the direction of the fluid transfer section. is there. In this embodiment, the guide 6 is removed from the embodiment of FIG. 1 and a metal pipe 7 is provided instead, and an elastic tube 5 is attached to the metal pipe 7. However, the number of bearings 4 provided on the small disk of the rotating body 2 is three, and they are provided so as to surround the metal pipe 7, and
The elastic tube 5 is attached to the outer wall of the metal pipe 7 so as to press the elastic tube 5.
【００２５】図１２は弾性チューブ５が金属パイプ７に
装着されている様子を示す斜視図である。弾性チューブ
５は外径３mm、内径２mm、長さ１５mm の円柱状の金属
パイプ７の一方の開口から内部空洞を経て他方の開口へ
通した後、金属パイプ７の外壁に沿ってコイル状に巻き
付かせてある。本実施例では３個のベアリング４は超音
波流体移送ポンプの駆動時にはいっせいに金属パイプ７
の軸を中心に回転するので、それに伴って弾性チューブ
５は順次圧迫され、弾性チューブ５内の流体も順次移動
する。弾性チューブ５を金属パイプ７に固定化させた一
体構造物としているので、チューブ交換の際には前記一
体構造物ごと取り換えればよいから、手間が簡単である
ばかりでなく常に同一条件でのポンピングが可能とな
る。本実施例の超音波流体移送ポンプにおいても、図１
の実施例と同様に極めて微小な流量の移送が可能である
ことが確認された。その上、本実施例ではベアリングの
大きさに関係なく、内径がより小さな弾性チューブを採
用することができるので、移送量をさらに減少させるこ
とができる。FIG. 12 is a perspective view showing how the elastic tube 5 is attached to the metal pipe 7. The elastic tube 5 is passed from one opening of a cylindrical metal pipe 7 having an outer diameter of 3 mm, an inner diameter of 2 mm and a length of 15 mm to the other opening through an inner cavity, and then wound in a coil shape along the outer wall of the metal pipe 7. It is attached. In this embodiment, the three bearings 4 are used together when the ultrasonic fluid transfer pump is driven.
Since the elastic tube 5 is rotated about its axis, the elastic tube 5 is sequentially pressed along with it, and the fluid in the elastic tube 5 also moves sequentially. Since the elastic tube 5 is fixed to the metal pipe 7 as an integrated structure, it is necessary to replace the integrated structure when exchanging the tube. Therefore, it is not only easy but also pumping under the same conditions. Is possible. Also in the ultrasonic fluid transfer pump of the present embodiment, FIG.
It was confirmed that it is possible to transfer an extremely minute flow rate as in the case of Example. Moreover, in this embodiment, since the elastic tube having a smaller inner diameter can be used regardless of the size of the bearing, the transfer amount can be further reduced.
【００２６】[0026]
【発明の効果】本発明の超音波流体移送ポンプでは、そ
の駆動源として超音波アクチュエーターを用いている。
柱状の圧電磁器の分極軸に垂直な両端面には電極が設け
られている。一方の端面に設けられている電極は２つに
分割され、かつ互いに絶縁されていて、もう一方の端面
に設けられている電極は端面の全部をおおっている。圧
電振動子はこのような圧電磁器と電極とからできてい
る。このように圧電振動子の少なくとも一方の端面に形
成されている電極を互いに絶縁された２つの部分に分割
し、２つの電極とすることにより、一方の電極を自励式
電源のための電極として用いることができる。従って、
本発明の超音波流体移送ポンプでは安定でかつ低消費電
力での駆動が可能となる。圧電振動子にその共振周波数
に等しい周波数の交流信号を印加すると、圧電振動子は
励振されて圧電磁器の側面には圧電磁器の分極軸の方向
に沿った一方向の振動変位が生じる。この振動変位は摩
擦材を介して回転体に伝わり、回転体はその軸を中心に
回転する。このときの摩擦材は圧電磁器と回転体との間
の回転による摩耗を防止するだけでなく、回転により両
者の間に発生する高電圧に起因する電磁ノイズも防止す
る。従って高磁場中での使用も可能である。回転体には
ベアリングの軸が設けられていることから、回転体の回
転に伴いベアリングも自転しながら回転体の軸を中心に
回転する。このときベアリングは弾性チューブを押圧し
ながら回転するので、ベアリングの通過とともに弾性チ
ューブの断面は円形から楕円形となり、再び円形に復元
する。弾性チューブはこの復元力により弾性チューブの
一方の開口から流体を自吸し、移送する。以上に示した
ように、本発明の超音波流体移送ポンプは圧電振動子か
らベアリングにいたるまでの構造が簡単であるから、装
置の小形、軽量化設計が可能である。その上、低速高ト
ルク回転駆動が可能なのでギアが不用となり、装置はさ
らに小形、軽量化できる。また入力に対する応答速度が
速いのでパルス駆動が正確かつ容易に行え、しかも無入
力時の保持力が大きい。従って、微少流量の正確な制御
が可能で逆流もなく、移送量を容易に連続的に変えられ
る。さらに、磁石の使用を必要としないことから、強磁
場中での使用も可能であり、騒音もない。液体だけでな
く気体の移送も可能であることから、気相反応などに要
する気体の微少量の供給への応用にも好都合である。According to the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, an ultrasonic actuator is used as its driving source.
Electrodes are provided on both end faces perpendicular to the polarization axis of the columnar piezoelectric ceramic. The electrode provided on one end face is divided into two and insulated from each other, and the electrode provided on the other end face covers the entire end face. The piezoelectric vibrator is composed of such a piezoelectric ceramic and electrodes. In this way, the electrode formed on at least one end surface of the piezoelectric vibrator is divided into two parts which are insulated from each other to form two electrodes, and one electrode is used as an electrode for a self-excited power supply. be able to. Therefore,
The ultrasonic fluid transfer pump of the present invention enables stable driving with low power consumption. When an AC signal having a frequency equal to its resonance frequency is applied to the piezoelectric vibrator, the piezoelectric vibrator is excited and a side surface of the piezoelectric ceramic is vibrated in one direction along the direction of the polarization axis of the piezoelectric ceramic. This vibration displacement is transmitted to the rotating body via the friction material, and the rotating body rotates about its axis. At this time, the friction material not only prevents abrasion due to rotation between the piezoelectric ceramic and the rotating body, but also prevents electromagnetic noise due to high voltage generated between both due to rotation. Therefore, it can be used in a high magnetic field. Since the rotating body is provided with the shaft of the bearing, the bearing rotates about the shaft of the rotating body while rotating with the rotation of the rotating body. At this time, since the bearing rotates while pressing the elastic tube, the cross section of the elastic tube changes from a circular shape to an elliptical shape as the bearing passes, and the circular shape is restored again. Due to this restoring force, the elastic tube sucks and transfers the fluid from one opening of the elastic tube. As described above, since the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention has a simple structure from the piezoelectric vibrator to the bearing, the device can be made compact and lightweight. Moreover, since low-speed high-torque rotation drive is possible, gears are unnecessary, and the device can be made even smaller and lighter. Further, since the response speed to the input is fast, the pulse drive can be accurately and easily performed, and the holding force when there is no input is large. Therefore, it is possible to accurately control the minute flow rate, there is no backflow, and the transfer amount can be easily and continuously changed. Further, since it is not necessary to use a magnet, it can be used in a strong magnetic field, and there is no noise. Since not only a liquid but also a gas can be transferred, it is convenient for application to supply a minute amount of gas required for a gas phase reaction or the like.
【００２７】本発明の超音波流体移送ポンプでは、連続
駆動の他にパルス駆動ができる。励振電力として交流パ
ルス電力を出力し、交流パルス電力の交流周波数を調節
する手段と、交流パルス電力のパルス幅およびパルス繰
り返し周波数を調節する手段とを駆動回路に備えた構造
を採用することにより、圧電磁器の側面に生じる振動変
位の大きさと方向を自由に変えることができるので、流
体の移送速度と移送方向をすばやく制御することができ
る。従って、極めて微少な流量の正確な制御が可能とな
りしかも逆流もなく、その上移送量を容易に連続的に変
えられる。The ultrasonic fluid transfer pump of the present invention can be pulse-driven in addition to continuous drive. By outputting the AC pulse power as the excitation power, a means for adjusting the AC frequency of the AC pulse power, and a means for adjusting the pulse width and pulse repetition frequency of the AC pulse power in the drive circuit, by adopting a structure, Since the magnitude and direction of the vibration displacement generated on the side surface of the piezoelectric ceramic can be freely changed, it is possible to quickly control the fluid transfer speed and the fluid transfer direction. Therefore, an extremely minute flow rate can be accurately controlled, there is no backflow, and the transfer amount can be easily and continuously changed.
【００２８】パルス駆動の際にロータリーエンコーダを
併用することにより、微少流量をさらに正確に制御する
ことができる。By using a rotary encoder together with the pulse drive, the minute flow rate can be controlled more accurately.
【００２９】本発明の超音波流体移送ポンプでは、圧電
振動子は、この圧電振動子の容量およびインダクタンス
を主なリアクタンス成分とする共振回路で共振して発振
する発振回路から交流電力を受けて励振される。従っ
て、本発明のポンプでは外部温度などの環境変化にも対
応しうる駆動回路を提供できる。In the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention, the piezoelectric vibrator is excited by receiving AC power from an oscillation circuit that resonates and oscillates in a resonance circuit having the capacitance and inductance of the piezoelectric vibrator as main reactance components. To be done. Therefore, the pump of the present invention can provide a drive circuit that can cope with environmental changes such as external temperature.
【図１】本発明の超音波流体移送ポンプの一実施例を示
す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an ultrasonic fluid transfer pump of the present invention.
【図２】図１の超音波流体移送ポンプの流体移送部を図
１の反対側方向正面から見たときの側面図。2 is a side view of the fluid transfer portion of the ultrasonic fluid transfer pump of FIG. 1 when viewed from the front side in the opposite direction of FIG.
【図３】圧電振動子１の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of the piezoelectric vibrator 1.
【図４】ｒｆパルスを印加する場合のパルス駆動のため
の電源回路の構成図。FIG. 4 is a configuration diagram of a power supply circuit for pulse driving when an rf pulse is applied.
【図５】圧電振動子１の周波数に対するアドミタンスお
よび位相の関係を示す特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between admittance and phase with respect to frequency of the piezoelectric vibrator 1.
【図６】印加電圧とベアリング４が回転体２の軸を中心
に回転するときの回転数との関係を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the applied voltage and the rotation speed when the bearing 4 rotates about the axis of the rotating body 2.
【図７】印加電圧が１００Ｖp-p でその周波数が約１３
８kHz のパルス駆動を行なったときの、パルス幅と１パ
ルスあたりの回転角との関係を示す特性図FIG. 7: Applied voltage is 100 Vp-p and its frequency is about 13
Characteristic diagram showing the relationship between pulse width and rotation angle per pulse when 8 kHz pulse drive is performed.
【図８】図７およびベアリング４が回転体２の軸を中心
に１回転したときの移送量より求めた、パルス幅と１パ
ルスあたりの移送量との関係を示す特性図8 is a characteristic diagram showing the relationship between the pulse width and the transfer amount per pulse obtained from the transfer amount when FIG. 7 and the bearing 4 make one rotation around the axis of the rotating body 2. FIG.
【図９】印加電圧が１００Ｖp-p でその周波数が約１３
８kHz のパルス駆動の際の、パルス繰り返し周波数と１
分あたりの移送量との関係を示す特性図。FIG. 9: Applied voltage is 100 Vp-p and its frequency is about 13
Pulse repetition frequency and 1 at 8kHz pulse driving
The characteristic view which shows the relationship with the transfer amount per minute.
【図１０】本発明の超音波流体移送ポンプのもう１つの
実施例を示す側面図。FIG. 10 is a side view showing another embodiment of the ultrasonic fluid transfer pump of the present invention.
【図１１】図１０の超音波流体移送ポンプを流体移送部
の方向から見たときの斜視図。11 is a perspective view of the ultrasonic fluid transfer pump of FIG. 10 when viewed from the direction of the fluid transfer unit.
【図１２】弾性チューブ５が金属パイプ７に装着されて
いる様子を示す斜視図。FIG. 12 is a perspective view showing how the elastic tube 5 is attached to the metal pipe 7.
１ 圧電振動子 ２ 回転体 ３ 摩擦材 ４ ベアリング ５ 弾性チューブ ６ ガイド ７ 金属パイプ ２０ 圧電磁器 ２１ 電極 ２２ 電極 ２３ 電極 1 Piezoelectric vibrator 2 Rotating body 3 Friction material 4 Bearing 5 Elastic tube 6 Guide 7 Metal pipe 20 Piezoelectric porcelain 21 Electrode 22 Electrode 23 Electrode
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3244596AJPH0560076A (en) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | Ultrasonic fluid transferring pump |
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3244596AJPH0560076A (en) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | Ultrasonic fluid transferring pump |
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0560076Atrue JPH0560076A (en) | 1993-03-09 |
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3244596AWithdrawnJPH0560076A (en) | 1991-08-28 | 1991-08-28 | Ultrasonic fluid transferring pump |
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0560076A (en) |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0719938A1 (en)* | 1994-12-28 | 1996-07-03 | WILO GmbH | Travelling wave piezo electric motor for canned motor pumps with magnetic coupling |
| CN102220960A (en)* | 2011-06-16 | 2011-10-19 | 华南农业大学 | Hub piezoelectric peristaltic pump |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0719938A1 (en)* | 1994-12-28 | 1996-07-03 | WILO GmbH | Travelling wave piezo electric motor for canned motor pumps with magnetic coupling |
| CN102220960A (en)* | 2011-06-16 | 2011-10-19 | 华南农业大学 | Hub piezoelectric peristaltic pump |
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|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed | Free format text:JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date:19981112 |