ピエゾポンプとは？仕組みや種類、選び方まで分かりやすく解説

ピエゾポンプとは？基本原理と仕組み

ピエゾポンプは、特殊なセラミック部品が持つ性質を利用して液体を送り出す、非常にコンパクトで精密なポンプです。従来のモーターを使ったポンプとは全く異なる、そのユニークな駆動原理を理解することが、ピエゾポンプを深く知るための第一歩となります。

電圧で変形するピエゾ素子（圧電素子）の特性

ピエゾポンプの心臓部といえるのが、「ピエゾ素子（圧電素子）」と呼ばれる部品です。ピエゾ素子は、主にチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）などのセラミックスから作られており、「電圧を加えると変形（伸び縮み）し、逆に力を加えて変形させると電圧を発生する」という「圧電効果」を持つ特殊なデバイスです。

この性質を利用し、電気信号を物理的な動きに変換する部品を「アクチュエータ」と呼びます。ピエゾ素子のアクチュエータは、電気信号にほぼ瞬時に、かつナノメートルからマイクロメートルという非常に微細な単位で正確に応答することができます。従来のモーターのように回転軸や歯車といった機械的な可動部品を持たないため、摩擦による摩耗がなく、静かで長寿命という特長も持ち合わせています。このピエゾ素子の特性こそが、ピエゾポンプが持つ多くの利点の源泉となっています。

ピエゾポンプが液体を送り出す仕組み（ダイヤフラム式の場合）

現在主流となっているピエゾポンプの多くは、「ダイヤフラム式」と呼ばれる構造を採用しています。これは、ピエゾ素子の動きを液体の流れに変えるための、非常に合理的でシンプルな仕組みです。

ダイヤフラムとは、ポンプ内部に設置された薄い膜のことです。ピエゾ素子はこのダイヤフラムに直接、あるいは間接的に接続されています。液体を送り出すプロセスは、以下の3つのステップを高速で繰り返すことで成り立っています。

1. 待機状態: ポンプチャンバー（液体を溜める小部屋）内のダイヤフラムは中立の位置にあります。
2. 吐出工程: ピエゾ素子に電圧が印加されると、素子が変形しダイヤフラムをポンプチャンバー内へと押し込みます。これによりチャンバーの容積が減少し、内部の液体が出口側の一方通行の弁（出口弁）から押し出されます。
3. 吸引工程: ピエゾ素子への電圧を止めると、素子とダイヤフラムが元の位置に戻ります。これによりチャンバーの容積が増加して内部が真空に近い状態になり、今度は入口側の一方通行の弁（入口弁）から新しい液体が吸い込まれます。

この一連のサイクルを、駆動用の電気信号の周波数に応じて1秒間に何十回、何百回と高速で繰り返すことで、連続的な液体の流れが生み出されます。つまり、ピエゾポンプは従来のポンプ技術と、圧電効果という材料科学の革新を融合させた、先進的な流体制御デバイスなのです。

一般的なポンプとの違い

ピエゾポンプの特性をより深く理解するために、製造現場で広く使われている他のポンプ方式と比較してみましょう。それぞれのポンプには得意な用途と不得意な用途があり、その違いを知ることが適切な選定につながります。

遠心式ポンプとの比較

遠心式ポンプは、内部の羽根車（インペラ）を高速回転させ、その遠心力によって液体にエネルギーを与えて送り出すポンプです。大量の液体を連続的に送る能力に長けており、工場の冷却水循環やビルの給水設備など、パワフルさが求められる場面で広く利用されています。

一方で、遠心式ポンプは吐出側の配管の抵抗（負荷）によって流量が大きく変動するため、厳密な量の液体を正確に送り出す「定量性」は低いという特徴があります。

対照的に、ピエゾポンプは一回のサイクルで決まった容積の液体を送り出す「容積式ポンプ」に分類されます。そのため、吐出側の圧力変動の影響を受けにくく、ナノリットル単位での精密な吐出が可能です 7。大量送液には向きませんが、微量液体の精密制御という点では遠心式ポンプよりはるかに優れています。

ダイヤフラムポンプとの関係性

前述の通り、多くのピエゾポンプはダイヤフラム式の構造を採用しているため、広義にはダイヤフラムポンプの一種と考えることができます。一般的なダイヤフラムポンプも、ダイヤフラムの往復運動によって液体を吸入・吐出するという基本原理は同じです。

両者の決定的な違いは、ダイヤフラムを動かすための「駆動源」にあります。従来のダイヤフラムポンプがモーターやソレノイド（電磁石）、圧縮空気などを使うのに対し、ピエゾポンプはピエゾ素子を使います。モーターやソレノイドは、サイズが大きく、動作音や振動が発生しやすい傾向にあります。一方、ピエゾ素子による駆動は、固体そのものが変形するため、極めて小型・軽量で、静音性に優れ、電気信号に対する応答性も非常に高速です。この駆動源の革新が、ダイヤフラムポンプの応用範囲を、分析装置や医療機器といったハイテク分野へと大きく広げました。

チューブ（ペリスタルティック）ポンプとの比較

チューブポンプは、ローラーで弾力性のあるチューブを順々に押しつぶしていくことで、中の液体をしごき出すように搬送するポンプです。この方式の最大の利点は、液体がチューブ内部にしか接触しないため、ポンプ本体が汚染されず、またチューブを交換するだけで容易に衛生状態を保てる点にあります。

ピエゾポンプも、後述する「カートリッジ型」の構造を採用することで、液体が通る流路部分だけを交換可能にし、チューブポンプと同様の高い清浄性を実現しています。両者の違いは、主に小型化の限界と応答性にあります。ピエゾポンプはモーターやローラーが不要なため、より小型・薄型化が可能で、電気信号による高速なオン・オフ制御によって、インクジェットのように微小な液滴を狙ったタイミングで吐出する、といった用途にも対応できます。

特徴	ピエゾポンプ	遠心ポンプ	チューブポンプ
駆動原理	ピエゾ素子の変形でダイヤフラムを駆動	羽根車の回転による遠心力	ローラーによるチューブの圧送
流量特性	微量・間欠吐出が得意、脈動あり	大流量・連続流	低〜中流量・連続流、脈動あり
定量性・精度	非常に高い	低い（負荷変動に弱い）	比較的高い
主な用途	精密分注、試薬送液、局所冷却	冷却水循環、給排水	薬液送液、食品移送、分析装置
小型化	非常に得意（薄型・軽量）	難しい	ある程度可能
粘度耐性	低い（低粘度液体向き）	低い	高い（高粘度液体にも対応可）

ピエゾポンプの主な種類と特徴

ピエゾポンプと一言でいっても、その内部構造にはいくつかのバリエーションが存在します。ここでは、性能を左右する「駆動素子」と、使い勝手に影響する「構造」という2つの観点から、主な種類とその特徴を見ていきましょう。

駆動素子の違い：積層型とバイモルフ型

ピエゾポンプの性能は、アクチュエータとして使われるピエゾ素子の種類によって大きく変わります。代表的なものに「積層型」と「バイモルフ型」があります。

• 積層型アクチュエエータ (Stacked Actuator)
  圧電材料の薄いシートを何層にも重ね合わせた構造です。このタイプは、非常に**大きな力（発生力）**を生み出すことができますが、**変形量（変位）**は素子全長の0.1%程度と非常に小さいのが特徴です。応答速度が速く、比較的低い電圧で駆動できるという利点もあります。高い吐出圧力が求められる用途に適しています。
• バイモルフ型アクチュエータ (Bimorph Actuator)
  2枚のピエゾ板を貼り合わせた構造で、電圧をかけると一方が伸び、もう一方が縮むことで、全体が弓なりに「しなる」ように変形します。この方式は、積層型とは対照的に、発生する力は小さいものの、数mm単位の大きな変位を得られるのが最大の特徴です。応答速度は積層型に劣りますが、その大きな変位量を活かして、圧電ポンプの駆動源として広く応用されています 14。
  このように、アクチュエータの選定は、「力」と「変位量」というトレードオフの関係にあり、ポンプの設計思想そのものを決定づける重要な要素です。

構造の違い：一体型とカートリッジ型

ポンプ全体の構造にも、用途に応じて違いがあります。

• 一体型
  ピエゾ素子を含む駆動部と、液体が流れるポンプヘッド部が一体となっている構造です。部品点数が少なく、シンプルな構成が可能です。
• カートリッジ型
  駆動部と、液体が接するポンプヘッド部（カートリッジ）が分離できる構造です 8。多くの場合、カートリッジは磁石によって駆動部に簡単に着脱できるようになっています 12。このタイプの最大の利点は、カートリッジ部分だけを交換できることにあります。例えば、医療やバイオ分野の研究では、異なるサンプル間の汚染（コンタミネーション）を防ぐことが極めて重要です。カートリッジ型であれば、サンプルごとに滅菌済みの使い捨てカートリッジに交換することで、常にクリーンな状態で実験を行うことができます 12。この構造の登場により、ピエゾポンプは衛生管理が厳しい高付加価値市場でも活用されるようになりました。

ピエゾポンプを導入するメリットと注意点

ピエゾポンプは多くの優れた特長を持つ一方で、万能なデバイスではありません。そのメリットを最大限に活かし、思わぬトラブルを避けるために、長所と短所の両方を正しく理解しておくことが重要です。

ピエゾポンプのメリット

ピエゾポンプが持つ主なメリットは、そのユニークな駆動原理に由来します。

メリット	詳細
小型・軽量・薄型	モーターや歯車などの機械部品が不要なため、手のひらに収まるほど小さく、薄く、軽く設計できます。これにより、ポータブル機器やスペースに制約のある装置への組み込みが容易になります。
高精度・精密吐出	電気信号によってピエゾ素子の変位量をナノメートル単位で制御できるため、送液量を極めて精密にコントロールできます。製品によっては、10nL（ナノリットル）単位での液滴吐出も可能です。
高速応答性	ピエゾ素子は電圧の変化にほぼ遅延なく応答するため、ポンプの起動・停止が非常に高速です。これにより、液切れが良く、高周波での間欠吐出といった動作も得意とします。
低消費電力・低騒音	摩擦を生じる摺動部がないため、エネルギー効率が高く、消費電力を抑えられます。また、機械的な動作音や振動がほとんど発生しないため、非常に静かです。
優れた流量制御性	駆動用の電圧や周波数を変えるだけで、流量を広範囲にわたってリニアに調整できます。センサーと組み合わせたフィードバック制御にも適しており、安定した流量を維持することが可能です。
長寿命・ メンテナンスフリー	駆動部に摩耗する部品がないため、機械的な寿命が長く、高い耐久性を持ちます。これにより、メンテナンスの手間やコストを削減できます。
自己吸引可能	ポンプ内にあらかじめ液体を満たしておく「呼び水」をしなくても、自力で液体を吸い上げることができます（自己吸引、セルフプライミング）。
ガスロック耐性	マイクロポンプで問題となりやすい、流路内に気泡が混入して送液不能になる「ガスロック」現象に対し、気泡を排出する機能を備えたモデルもあります。

ピエゾポンプの注意点・デメリット

一方で、ピエゾポンプを検討する際には、以下のような注意点も考慮する必要があります。

注意点・デメリット	詳細と対策
高粘度流体への不向き	ピエゾ素子の発生力には限界があるため、粘り気の強い液体（高粘度流体）を動かすのは苦手です。粘度が高くなると、流量が大幅に低下したり、送液できなくなったりする場合があります。 対策: 水やアルコールのように、粘度が低い液体での使用が基本です。高粘度流体を扱う場合は、ギアポンプやスクリューポンプなど、より強力なポンプ方式を検討します。
気泡の混入（ガスロック）	流路内に気泡が混入すると、液体ではなく気体が圧縮されてしまい、ポンプが空打ち状態（ガスロック）になることがあります。 対策: ガスロック防止機能を備えたポンプを選定する、あるいは配管のレイアウトを工夫して気泡が混入しにくいシステムを構築することが重要です。
脈動の発生	ダイヤフラムの往復運動で送液するため、原理的に吐出される流れには脈動（流量の波）が発生します。 対策: 多くの用途では、高周波で駆動することにより脈動は実用上問題にならないレベルまで平滑化されます。それでも完全に滑らかな流れが必要な場合は、アキュムレータ（脈動減衰器）などを別途設置する必要があります。
制御の考慮点（非線形性）	厳密には、ピエゾ素子の変位量は印加電圧に対して完全な比例関係（線形）にはならず、わずかなヒステリシス（履歴特性）や非線形性を示します。 対策: 単純な送液であれば問題ありませんが、極めて高い精度での流量制御や位置決めが求められる場合は、流量センサーなどを用いてフィードバックをかける「クローズドループ制御」を行うことで、この非線形性を補正できます。

ピエゾポンプの主な用途例

ピエゾポンプが持つ「小型・精密・静音」といった特長は、様々な最先端分野のニーズと合致し、その応用範囲を広げています。

医療・バイオ分野

小型・軽量で低消費電力という特性は、携帯型の医療機器に最適です。例えば、インスリンを自動で皮下注入するウェアラブルなインスリンポンプなどが実用化されています。また、臨床検査装置や遺伝子解析装置において、μL（マイクロリットル）単位の試薬や検体を正確に分注する用途でも活躍しています。さらに、カートリッジ式の衛生性を活かし、細胞培養装置での培地交換や創薬研究支援など、コンタミネーションを嫌うデリケートな用途にも採用が広がっています。

分析・検査装置

化学分析の世界では、微量のサンプルを正確に扱う技術が分析精度を左右します。ピエゾポンプは、液体クロマトグラフィーの移動相送液や、環境分析装置でのサンプル吸引、そして近年注目される「ラボオンチップ（チップ上の化学実験室）」と呼ばれるマイクロ流体デバイスへの精密な送液など、分析装置の心臓部として重要な役割を担っています。接液部を耐薬品性の高い材質（PTFE、PEEKなど）で構成したモデルもあり、様々な薬液や有機溶剤に対応可能です。

半導体・エレクトロニクス分野

電子機器の高性能化に伴い、CPUなどの半導体チップからの発熱量は増大しています。ピエゾポンプは、こうしたチップを局所的に冷却するための液体冷媒の循環や、製造工程におけるフォトレジスト、洗浄液、接着剤などの精密塗布にも利用されます。また、空気を送る「マイクロブロア」と呼ばれるタイプの圧電ポンプは、スマートフォンなどの小型電子機器内部の冷却や、ガスセンサーへのサンプルガス供給などに使われています。

その他産業分野

産業用インクジェットプリンターにおいて、インクの微小な液滴を高速で射出するヘッドの駆動源としてもピエゾ技術は広く使われています。その他にも、小型燃料電池への燃料供給、業務用機器における潤滑油や香料の微量添加など、その用途は多岐にわたります。

ピエゾポンプ選定のポイント

自社の製品やシステムに最適なピエゾポンプを選定するためには、いくつかの重要なポイントを確認する必要があります。要求仕様を明確にすることで、数ある製品の中から最適な一台を見つけ出すことができます。

移送する液体の特性の確認

ポンプ選定における最も基本的なステップは、扱う液体（流体）の特性を正確に把握することです。

• 化学的適合性（耐薬品性）: 使用する液体によって、ポンプの接液部（ダイヤフラム、弁、ハウジングなど）が腐食したり、膨潤したりしないかを確認します。メーカーが提供する耐薬品性データを確認し、液体の種類に応じてPTFEやPEEK、パーフロロゴム（FFKM）といった高耐食性の材質を選定する必要があります。
• 粘度: 前述の通り、ピエゾポンプは高粘度流体が苦手です。扱う液体の粘度（単位: mPa·s や cP）が、ポンプの仕様範囲内に収まっているかを必ず確認します。
• 固形物の有無: 液体中にスラリーなどの固形粒子が含まれている場合、ポンプ内部の微細な流路や弁が詰まる原因となります。固形物の有無やそのサイズ、硬度などを事前に確認し、ポンプが対応可能かを見極める必要があります。

必要な流量と揚程（圧力）の明確化

次に、システムが要求する性能を数値で定義します。

• 流量: 単位時間あたりに送りたい液体の量（例: mL/min）を決定します。必要な流量は一定なのか、あるいは可変させる必要があるのかも重要な要素です。
• 揚程（圧力）: ポンプが液体を押し出す際に打ち勝たなければならない抵抗の大きさを「揚程」または「圧力」で表します。これには、配管の摩擦抵抗や、高低差による水頭圧などが含まれます。
• 性能曲線の確認: メーカーは通常、流量（横軸）と揚程（縦軸）の関係を示した「性能曲線（Q-Hカーブ）」を公開しています。自社が求める運転ポイント（必要な流量と、その時の揚程）が、そのポンプの性能曲線の範囲内に収まっているかを確認することが、ポンプ選定の基本となります 27。

精度や応答性などの要求仕様

定量性や制御に関する要求仕様も明確にしておきましょう。

• 精度: 吐出量のばらつきはどの程度まで許容できるか、その要求精度を定義します。非常に高い精度が求められる場合は、オープンループ制御（一方的な指示）で十分か、あるいはセンサーを用いたクローズドループ制御（結果を確認しながらの補正）が必要になるかを検討します。
• 応答性: ポンプの起動・停止に要する時間はどのくらいか、また1秒間に何回程度のオン・オフが必要かなど、応答速度に関する要求を整理します。
• 制御方法: 単純なオン・オフだけでよいのか、あるいは電圧や周波数を外部からコントロールして流量を可変させたいのかによって、必要なドライバー（駆動回路）やコントローラの種類が変わってきます。

設置環境とメンテナンス性

最後に、物理的な制約や運用面での要求も考慮します。

• 設置スペース: ポンプ本体の寸法や配管の取り回しが、装置内の限られたスペースに収まるかを確認します。
• 滅菌・メンテナンス性: 医療・バイオ分野などで使用する場合、滅菌処理が可能か、あるいは流路の交換が容易かは非常に重要な選定基準です。このような用途では、カートリッジ型のポンプが有力な選択肢となります。

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まとめ

1. ピエゾポンプは、電圧で変形するピエゾ素子を駆動源とし、小型・軽量ながら高精度な微量送液を実現するポンプです。
2. 主なメリットは小型・低消費電力・高速応答性・高精度であり、医療・分析機器やエレクトロニクス分野での組込み用途に最適です。
3. 選定時には、液体の特性（特に粘度）、必要な流量・圧力、制御の要求仕様を明確にし、用途に応じて最適な種類を選ぶことが重要です。