JP2014098396A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型低背でポンプ能力の高い流体ポンプを構成する。
【解決手段】流体ポンプ１０１はアクチュエータ４０と金属板による平面部５１とで構成されている。アクチュエータ４０は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２が貼着されたものである。矩形波または正弦波状の駆動電圧が印加されることによってアクチュエータ４０は中心部から周辺部にかけて屈曲振動する。アクチュエータ４０は、その周辺部が拘束されていない。アクチュエータ４０は平面部５１に近接対向した状態で屈曲振動する。平面部５１のうちアクチュエータ４０と対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には中心通気孔５２が配置されている。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、気体や液体等の流体を輸送するのに適した流体ポンプに関するものである。

特許文献１に従来の圧電ポンプが開示されている。図１は特許文献１の圧電ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。ポンプ本体１０と、外周部がポンプ本体１０に対して固定されたダイヤフラム２０と、このダイヤフラム２０の中央部に貼り付けられた圧電素子２３と、ダイヤフラム２０の略中央部と対向するポンプ本体１０の部位に形成された第１開口部１１と、ダイヤフラム２０の中央部と外周部との中間領域又はこの中間領域と対向するポンプ本体の部位に形成された第２開口部１２とを備え、ダイヤフラム２０は金属板であり、圧電素子２３は第１開口部１１を覆い、且つ第２開口部１２まで達しない大きさに形成され、圧電素子２３に所定周波数の電圧を印加することにより、第１開口部１１に対向するダイヤフラム２０の部分と第２開口部１２に対向するダイヤフラム２０の部分とを相反方向に屈曲変形させ、第１開口部１１および第２開口部１２の一方から流体を吸込み、他方から吐出するものである。

国際公開第２００８／０６９２６４号パンフレット

図１に示したような構造の圧電ポンプは、構造が簡単で薄型に構成でき、例えば燃料電池システムの空気輸送用ポンプとして用いられる。

ところが、組み込み先の電子機器は常に小型化の傾向があり、それに伴いポンプの能力（流量と圧力）を低下させることなく更なる小型化が要求される。また、組み込み先の電子機器の電源電圧の低下に伴い、駆動電圧も低電圧化が要求される。小型化する程、また駆動電圧を低くする程、ポンプの能力（流量と圧力）は低下するので、ポンプの能力を維持しつつ小型化しようとすれば、又は大型化することなくポンプの能力を高めようとすれば、従来構造の流体ポンプでは限界があった。

また、ダイヤフラムを備えた従来構造の流体ポンプにおいて、流量を大きくするにはダイヤフラムを大きくすることが有効であるが、流体ポンプ全体のサイズが大きくなるだけでなく、適する動作周波数が低いため可聴音が発生するという問題も生じる。

本発明の目的は、小型低背でポンプ能力の高い流体ポンプを提供することにある。

従来の流体ポンプは、圧力に耐えうる硬さをもつダイヤフラムを駆動させ、かつ、ダイヤラムの外周部がポンプ本体に固定されている構造であるため、駆動電圧が高いわりに、得られる圧力が小さく流量が小さい。この点に鑑みて、本発明の流体ポンプは次のように構成する。

周辺部が実質的に拘束されていなくて、中心部から周辺部にかけて屈曲振動するアクチュエータと、
前記アクチュエータに近接対向して配置される平面部と、
前記平面部のうち前記アクチュエータと対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近に配置された１つまたは複数の中心通気孔と、
を備える。

このように、アクチュエータの周辺部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていないので、アクチュエータの屈曲振動に伴う損失が少なく、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られる。

前記アクチュエータは円板状とすれば、回転対称形（同心円状）の振動状態となるため、アクチュエータと平面部との間に不要な隙間が発生せず、ポンプとしての動作効率が高まる。

前記平面部におけるアクチュエータ対向領域のうち、例えば中心又は中心付近が屈曲振動可能な薄板部であり、周辺部が実質的に拘束された厚板部とする。

この構造によれば、アクチュエータの振動に伴い、通気孔を中心とした対向面の薄板部分が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができ、そのことにより圧力と流量を増加させることができる。

また、前記薄板部と対向して前記厚板部と接合され、前記薄板部および前記厚板部とともに内部空間を形成するカバー板部を備え、前記カバー板部には、前記内部空間と流体ポンプ筐体の外部とを連通させる通気溝が形成された。

この構造によれば、発生可能な圧力と流量、即ちポンプ能力を大幅に向上させることができる。この構造では、平面部の中心通気孔付近における、アクチュエータと平面部の薄板部との振動に起因する圧力波や、シンセティックジェットの流れの発生をカバー板部により抑制することができるためであると考えられる。

また、前記アクチュエータ対向領域の周辺部分に、１つまたは複数の周辺通気孔を備えれば、アクチュエータ対向領域の周辺部分で発生している正圧を利用することができ、同一面で吸引／吐出が可能となる。

また、前記アクチュエータは、当該アクチュエータと前記平面部との間に一定の隙間をあけて弾性構造により保持する構成とすれば、負荷変動に応じてアクチュエータと平面部との隙間を自動的に変化させることができる。たとえばアクチュエータに対して低負荷時には積極的に隙間を確保して流量を増大させることができ、高付加時にはバネ端子がたわんでアクチュエータと平面部との対向領域の隙間が自動的に減少し、高い圧力で動作することが可能である。

また、前記平面部上に前記アクチュエータを位置決めする開口部を有する位置保持構造を設け、前記アクチュエータは前記開口部内に収められていることで、アクチュエータを平面部に拘束することなく、アクチュエータの位置ずれすることを防ぐことができる。

本発明によれば、屈曲振動に伴う損失が少なく、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られる。

図１は特許文献１の圧電ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。 図２Ａは第１の実施形態に係る流体ポンプに備えるアクチュエータ４０の中央断面図である。 図２Ｂは第１の実施形態に係る流体ポンプ１０１の主要部の断面図である。 図３Ａは流体ポンプ１０１の動作原理を示す図である。 図３Ｂは流体ポンプ１０１の動作原理を示す図である。 図４は第２の実施形態に係る流体ポンプ１０２の主要部の断面図である。 図５は第３の実施形態に係る流体ポンプ１０３の主要部の断面図である。 図６は第４の実施形態に係る流体ポンプの一部の分解斜視図である。 図７は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の主要部の断面図である。 図８は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の分解斜視図である。 図９は流体ポンプ１０５の斜視図である。 図１０は流体ポンプ１０５の主要部の断面図である。 図１１は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ−Ｑ特性図である。 図１２Ａは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。 図１２Ｂは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。 図１３は第７の実施形態に係る流体ポンプ１０７の主要部の断面図である。 図１４は第８の実施形態に係る流体ポンプ１０８の主要部の断面図である。 図１５は第９の実施形態に係る流体ポンプ１０９の主要部の断面図である。 図１６は第１０の実施形態に係る流体ポンプ１１０の主要部の断面図である。 図１７は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の分解斜視図である。 図１８は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の主要部の断面図である。 図１９は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ−Ｑ特性図である。

《第１の実施形態》
図２Ａは第１の実施形態に係る流体ポンプに備えるアクチュエータ４０の中央断面図である。図２Ｂは第１の実施形態に係る流体ポンプ１０１の主要部の非駆動時の断面図である。アクチュエータ４０は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したものである。振動板４１は例えばステンレススチールやりん青銅等の金属製である。圧電素子４２の上下面にはそれぞれほぼ全面の電極膜が形成されている。下面の電極は振動板４１と電気的に導通している。または容量結合している。上面の電極には導体線が接続され、この導体線と振動板４１とに駆動回路が電気的に接続され、矩形波状または正弦波状の駆動電圧が印加される。アクチュエータ４０は中心部から周辺部にかけて回転対称形（同心円状）の屈曲振動する。

図２Ｂに示すように、流体ポンプ１０１はアクチュエータ４０とステンレススチールやりん青銅等の金属板による平面部５１とで構成されている。アクチュエータ４０は平面部５１上に載置されている（接触している）。ここでは非駆動時を表しているため、図２Ｂではアクチュエータ４０は平面部５１上に固定されているように見えるが、アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。非駆動時にはアクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。平面部５１のうちアクチュエータ４０と対向する平面部５１のアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には一つの中心通気孔５２が配置されている。

図３Ａ、図３Ｂは流体ポンプ１０１の動作原理を示す模式図である。但し、例えば２０ｋＨｚ程度の周波数で動作させた例であり、アクチュエータの変形量は誇張している。

アクチュエータに電圧を印加させることによりアクチュエータが凹凸に屈曲変形するが、先ず、図３Ａに示すようにアクチュエータ４０が上に凸に屈曲変形すれば、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙が中央部と平面部５１との間隙に比べて狭まり、その間隙付近の圧力が高まる。一方、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間隙が広がり、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間の空間の圧力が低くなって（負圧となって）、この空間に中心通気孔５２から流体（例えば空気）が流入する。このとき、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙を通して流体が流れ込もうとするか又は少しは流れ込む。しかし、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙は狭く、その間隙の流路抵抗は大きい。そのためアクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙から流れこもうとする流量よりも、外部から中心通気孔５２を通って流入する流量が支配的になり、中心通気孔５２を通って流入する流量を所定量確保できる。

次に、図３Ｂに示すようにアクチュエータ４０が下に凸に屈曲変形すれば、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間隙が周辺部と平面部５１との間隙に比べて狭まり、その間隙付近の圧力が高まる。一方、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙が広がり、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間の圧力が低下する。そのため、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間の空間から周辺方向（放射方向）へ流体が流れる。このとき、中心通気孔５２から外部方向へ流体が逆流しようとするか又は少しは逆流する。しかし、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙は広く、その間隙の流路抵抗は小さい。そのため中心通気孔５２から流れ出ようとする流量よりも、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙から流れ出ようとする流量が支配的になり、中心通気孔５２を通って外部へ逆流する流量は抑えられる。

上記アクチュエータは重心の高さを平均高さとして中心部と周辺部が数μｍ〜数１０μｍ上下に振動する。

上記の動作をアクチュエータ４０の１次モードの共振周波数、例えば２０ｋＨｚ程度の周波数で繰り返すことにより、中心通気孔５２から流体を吸引し、周辺部へ吐出するポンプ動作を行う。アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に保持されていないので、小型でも充分な振幅を得ることができる。

アクチュエータ４０の中心部の圧力も周辺部の圧力も、アクチュエータ４０の屈曲振動に伴い刻々と変動するが、時間平均して見れば、中心部では負圧が発生し、周辺部ではそれに対抗して釣り合う正圧が発生する。そのため、アクチュエータ４０が駆動している間は、アクチュエータ４０が平面部５１に近接して非接触状態で保持される。但し、中心部と周辺部の圧力は、吸引側、吐出側の外部圧力によって変化する。すなわちポンプの負荷変動に依存して変化する。

図２Ａ、図２Ｂに示した流体ポンプ１０１では、高負荷になるほど、すなわちアクチュエータ４０の中心部と周辺部の圧力差が大きくなるほど、平面部５１に対するアクチュエータ４０の平均高さが低くなる。高負荷状態、すなわち大きい圧力差を発生させてポンプ動作している場合には、アクチュエータ４０と平面部５１との隙間が減少してアクチュエータ４０が平面部５１に接触する場合もあるが、このような場合でもポンプ動作に支障はない。

特許文献１のようにダイヤフラムを用いた従来の流体ポンプは、屈曲振動するダイヤフラムの周辺部が平面部に拘束状態で固定保持されたものである。これに対し本発明の流体ポンプは、屈曲振動を用いながらも、アクチュエータの周辺部を拘束状態には保持せず、自由振動により非接触浮上させる。このことで、ダイヤフラムを用いた従来の流体ポンプでは得られなかった、小型・低背構造で高い圧力と大きな流量をもつ流体ポンプが構成できる。また、アクチュエータの周辺部を平面部で保持していないので、高い固有振動数となるように設計しても充分な振幅を得ることができ、２０ｋＨｚ以上の非可聴域で共振駆動させるような設計も容易である。

図２Ａ、図２Ｂに示した流体ポンプによれば、厚み方向に平面部５１、アクチュエータ４０及び間隙分が積層されるだけであるので、例えば０．５ｍｍ程度の極めて低背な流体ポンプが構成できる。

なお、アクチュエータ４０が非接触状態で保持される原理は、いわゆるスクイズ効果やスクイズ膜効果と呼ばれる現象に近いが、本発明では屈曲振動を利用しているため、中心部と周辺部とで圧力の位相が異なることや、非接触状態を維持しながらポンプの負荷変動に応じて自律的に隙間が調整される、という点で異なる。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係る流体ポンプ１０２の主要部の非駆動時の断面図である。この流体ポンプ１０２は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したアクチュエータ４０と平面部５１を備えている。平面部５１の上部にはアクチュエータ４０の周囲を囲むスペーサ５３及び蓋部５４を設けている。蓋部５４には吐出孔５５を形成している。アクチュエータ４０は、実施例１と同様であり、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。非駆動時には、アクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。

アクチュエータ４０が屈曲振動すると、第１の実施形態で述べた原理により、中心通気孔５２を通して流体が吸引される。この吸引された流体は吐出孔５５から吐出される。したがって、この流体ポンプ１０２は吸引／吐出の両方の機能を備える。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係る流体ポンプ１０３の主要部の断面図である。流体ポンプ１０３はアクチュエータ４０とステンレススチールやりん青銅等の金属板による平面部５１とで構成されている。アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。

非駆動時にはアクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。平面部５１のうちアクチュエータ４０と対向する平面部５１におけるアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には一つの中心通気孔５２が配置されている。また、同アクチュエータ対向領域の周辺部分に複数の周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等を備えている。

アクチュエータ対向領域の隙間の圧力は、中心部、周辺部ともに、アクチュエータ４０の屈曲振動に伴い刻々と変動するが、時間平均して見れば、中心部では負圧を発生し、周辺部ではそれに対抗して釣り合う正圧を発生して、アクチュエータ４０が駆動している間はアクチュエータ対向領域に近接して非接触で保持する状態が得られる。従って、アクチュエータ対向領域のうち周辺部分に周辺通気孔を配置することで、周辺通気孔に正圧が発生する。

このように、アクチュエータ対向領域の周辺部に周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等を備えれば、周辺部で発生している正圧を利用することができ、中心部での負圧との差を利用できるため、より大きな圧力差を取り出すことができる。そのため、周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等をそのままポンプの吐出孔としてもよいし、図示しない筺体の吐出孔を別に一箇所に設け、周辺通気孔に連通させて集中排気する構成にしてもよい。

このように、アクチュエータ対向領域の周辺部分に周辺通気孔を備えれば、周辺部で発生している正圧を利用することができ、同一面で吸引／吐出が可能となる。

但し、アクチュエータ４０の中心部と周辺部の圧力差が小さくなる低負荷時には、周辺部の隙間が減少して圧力損失が大きくなるため、第１・第２の実施形態と比較して流量は減少する傾向がある。

《第４の実施形態》
図６は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の一部の分解斜視図、図７は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の主要部の断面図である。

円板状の振動板４１の上面には圧電素子４２が貼着されて、この振動板４１と圧電素子４２とによってアクチュエータが構成される。

振動板４１の周囲には振動板支持枠６１が設けられていて、振動板４１は振動板支持枠６１に対して連結部６２で連結されている。連結部６２は細いリング状に形成されたものであり、小さなバネ定数の弾性をもたせて弾性構造としている。したがって振動板４１は二つの連結部６２で振動板支持枠６１に対して２点で柔軟に支持されている。そのため、振動板４１の屈曲振動を殆ど妨げない。すなわち、アクチュエータの周辺部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていない状態となっている。スペーサ５３Ａは振動板ユニット６０を平面部５１と一定の隙間をあけて保持するために設けられる。振動板支持枠６１には電気的に接続するための外部端子６３が形成されている。

振動板４１、振動板支持枠６１、連結部６２及び外部端子６３は金属板の打ち抜き加工により成形されていて、これらによって振動板ユニット６０が構成されている。

圧電素子４２の線膨張係数に合わせて、振動板ユニット６０は圧電素子４２と線膨張係数の差が小さい材料、たとえば４２ニッケル（42Ni-残Fe）で構成している。これにより、接着時の加熱硬化に伴う反りの発生を抑制できる。

振動板ユニット６０の外周部の上には、樹脂製のスペーサ５３Ｂが接着固定されている。スペーサ５３Ｂの厚さは圧電素子４２と同じか少し厚く、筺体の一部を構成するとともに、次に述べる電極導通用板７０と振動板ユニット６０とを電気的に絶縁する。

スペーサ５３Ｂの上には、金属製の電極導通用板７０が接着固定されている。電極導通用板７０はほぼ円形の開口と、この開口内に突出する内部端子７３と、外部へ突出する外部端子７２とで構成されている。

内部端子７３の先端は圧電素子４２の表面にはんだ付けされる。はんだ付け位置をアクチュエータの屈曲振動の節に相当する位置とすることにより内部端子７３の振動は抑制できる。

電極導通用板７０の上には、樹脂製のスペーサ５３Ｃが接着固定される。スペーサ５３Ｃはここでは圧電素子４２と同程度の厚さを有する。スペーサ５３Ｃの上には、図示しない筺体の蓋部が接着固定され、筺体蓋部の一部には通気孔が設けられていて、そこから流体が吐出される。スペーサ５３Ｃは、アクチュエータが振動したときに、内部端子７３のはんだ部分が、図示しない筺体蓋部に接触しないようにするためのスペーサである。また、圧電素子４２表面が図示しない筺体蓋部に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅の低下するのを防止する。そのため、スペーサ５３Ｃの厚さは、前述のとおり、圧電素子４２と同程度の厚さであればよい。

平面部５１の中心には中心通気孔５２が形成されている。この平面部５１と振動板ユニット６０との間に厚さ数１０μｍ程度のスペーサ５３Ａが挿入されている。このように、スペーサ５３Ａが存在しても、振動板４１は振動板支持枠６１に拘束されているわけではないので、負荷変動に応じて間隙は自動的に変化する。但し、バネ端子の拘束の影響を多少は受けるので、このようにスペーサ５３Ａを挿入することで、低負荷時には積極的に隙間を確保して流量を増大することができる。また、スペーサ５３Ａを挿入した場合でも、高負荷時にはバネ端子がたわんで、アクチュエータ４０と平面部５１との対向領域の隙間が自動的に減少し、高い圧力で動作することが可能である。

なお、図６に示した例では、連結部６２を二箇所に設けたが、三箇所以上に設けてもよい。連結部６２はアクチュエータ４０の振動を妨げるものではないが、振動に多少の影響を与えるため、例えば三箇所で連結（保持）することにより、より自然な保持が可能となり、圧電素子の割れを防止することもできる。

《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の分解斜視図、図９は流体ポンプ１０５の斜視図、図１０はその主要部の断面図である。

この流体ポンプ１０５は、基板９１、平面部５１、スペーサ５３Ａ、振動板ユニット６０、補強板４３、圧電素子４２、スペーサ５３Ｂ、電極導通用板７０、スペーサ５３Ｃ及び蓋部５４を備えている。これらの部材のうち、振動板ユニット６０、圧電素子４２、スペーサ５３Ａ、電極導通用板７０及びスペーサ５３Ｃの構成は図６に示したものと同様である。

圧電素子４２と振動板４１との間には補強板４３を挿入している。補強板４３を圧電素子４２および振動板４１よりも線膨張係数の大きな金属板としておき、接着時に加熱硬化させることにより、全体が反ることなく、圧電素子４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子４２の割れを防止できる。例えば、振動板４１を４２ニッケル（42Ni-残Fe）または３６ニッケル（36Ni-残Fe）など線膨張係数の小さな材料とし、補強板４３をステンレススチールＳＵＳ４３０などとするのがよい。補強板を用いる場合には、スペーサ５３Ｂの厚さは、圧電素子４２と補強板４３の厚さを加えたものと同じか、少し厚くしておくとよい。なお、振動板４１、圧電素子４２、補強板４３については、上から圧電素子４２、振動板４１、補強板４３の順に配置してもよい。この場合も圧電素子４２に適切な圧縮応力が残留するように、それぞれの線膨張係数が調整されている。

平面部５１の下部には、中心に円筒形の開口部９２が形成された基板９１が設けられている。平面部５１の一部は基板９１の開口部９２で露出する。この円形の露出部は、アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、アクチュエータ４０と実質的に同一周波数で振動することができる。この平面部５１と基板９１との構成により、平面部５１のアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近は屈曲振動可能な薄板部であり、周辺部は実質的に拘束された厚板部となる。この円形の薄板部の固有振動数は、アクチュエータ４０の駆動周波数と同一か、やや低い周波数になるように設計している。従って、アクチュエータ４０の振動に呼応して、中心通気孔５２を中心とした平面部５１の露出部も大きな振幅で振動する。平面部５１の振動位相がアクチュエータ４０の振動位相よりも遅れた（例えば９０°遅れの）振動となれば、平面部５１とアクチュエータ４０との間の隙間空間の厚さ変動が実質的に増加する。そのことによってポンプの能力をより向上させることができる。

蓋部５４はスペーサ５３Ｃの上部に被せられ、アクチュエータ４０の周囲を覆う。そのため、中心通気孔５２を通して吸引された流体は吐出孔５５から吐出される。吐出孔５５は蓋部５４の中心に設けてもよいが、蓋部５４を含む筐体内の正圧を開放する吐出孔であるので、蓋部５４の中心に設ける必要はない。

図９に表れている外部端子６３，７２に駆動電圧を印加することによって前記アクチュエータ４０が屈曲振動し、底面の中心通気孔５２から流体が吸引され、吐出孔５５から吐出される。

図１１は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ−Ｑ特性図である。横軸は流量、縦軸は圧力であり、30Vp-pで駆動した場合と50Vp-pで駆動した場合とについて表している。ダイヤフラムを用いた従来構造の流体ポンプにおいては、ほぼ同一サイズとしたとき駆動電圧90Vp-pで最大圧力10kPa、最大流量0.02 l/min程度の能力であったのに対し、その半分の駆動電圧で、約２倍の圧力、約１０倍の流量が得られることが分かる。

第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５は例えば燃料電池のカソード空気ブロアとして用いることができる。

《第６の実施形態》
図１２Ａ、図１２Ｂは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。この第６の実施形態は、第２の実施形態の流体ポンプのアクチュエータ４０の周辺を位置保持枠８０で囲む構造を有するものである。アクチュエータ４０は平面部（図示せず）上に固定された位置保持枠８０の開口部８１内に、収められている。

図１２Ａの例では、位置保持枠８０に円形の開口部８１を設け、この開口部８１内に円板状のアクチュエータ４０を配置している。開口部８１の内径はアクチュエータ４０の外径より僅かに大きい。そのため、アクチュエータ４０は周辺が拘束されることなく、位置保持枠８０の開口部８１内に収まる。

なお、図１２Ａのアクチュエータ４０の圧電素子の電極との接続は例えば導体線を介して行うこともできる。これによりアクチュエータ４０を実質的に平面部に固定せずに駆動をしたとしても、アクチュエータ４０が位置ずれすることを防げる。

図１２Ｂの例では、位置保持枠８０にほぼ円形の開口部８１を設け、この開口部８１内に円板状のアクチュエータ４０を配置した際に、アクチュエータ４０を３点で接触するように、位置保持枠８０に３つの突起８２を設けている。これらの突起８２は、それら３つの突起８２がアクチュエータ４０に同時に接しないようにクリアランスを持たせている。そのため、アクチュエータ４０は周辺が拘束されることなく、位置保持枠８０の開口部８１内に収まる。これによりアクチュエータ４０を実質的に平面部に固定せずに駆動をしたとしても、アクチュエータ４０が位置ずれすることを防げる。また、突起８２が形成されているため、アクチュエータ４０と位置保持枠８０との接触面積が小さいので、アクチュエータの圧電素子への衝撃を少なくすることができる。なお、第６の実施形態における上記位置保持枠８０の高さ方向の厚みは、アクチュエータ４０の周辺部の最大変位位置よりも大きいことが好ましい。また、アクチュエータ４０の圧電素子の電極に対する電気的接続は図示されていないが、例えば導体線等の弾性を有する導体を介して接続して行うことができる。

《第７の実施形態》
図１３は第７の実施形態に係る流体ポンプ１０７の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０７は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したアクチュエータ４０と平面部５１を備えている。なお、アクチュエータ４０は第４及び第５の実施形態のように、弾性構造である連結部６２を有する振動板支持枠６１により保持されている。平面部５１の上部にはアクチュエータ４０の周囲を囲むスペーサ５３及び蓋部５４を設けている。スペーサ５３には吐出孔５７を形成している。

アクチュエータ４０が屈曲振動すると、第１の実施形態で述べた原理により、中心通気孔５２を通して流体が吸引される。この吸引された流体は吐出孔５７から吐出される。したがって、この流体ポンプ１０７は厚み方向に対して直交方向、すなわち側方に吐出（吐出）させることができる。

《第８の実施形態》
図１４は第８の実施形態に係る流体ポンプ１０８の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０８は、第４の実施形態で示した流体ポンプ１０４を二つ積層した構造である。なお、ここでは蓋部が形成されている。但し、この例は、上部のポンプの平面部が下部のポンプの蓋部を兼ねている。また、上部のポンプの中心通気孔５２Ｂが下部のポンプの吐出孔を兼ねている。

このように二つの流体ポンプを直列に連結することによって、単一の流体ポンプに比べて、流量は変わらないが、吸引・吐出の圧力が２倍となる。同様にして、直列接続するポンプの数をＮ個にすることによって、吸引・吐出の圧力をＮ倍にすることができる。その場合も平面部と蓋部を兼用することができ、全体にコンパクトな構成とすることができる。

《第９の実施形態》
図１５は第９の実施形態に係る流体ポンプ１０９の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０９は、図１３に示した流体ポンプ１０７を４つ積層した構造である。但し、各中心通気孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄが閉塞されないように、流入路５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄを設けている。また、各吐出孔５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄから吐出される流体の流出路５９を設けている。

このように４つの流体ポンプを並列に連結することによって、単一の流体ポンプに比べて、吸引・吐出の圧力は変わらないが、流量が４倍となる。

《第１０の実施形態》
図１６は第１０の実施形態に係る流体ポンプ１１０の主要部の断面図である。この流体ポンプ１１０は、一つの筐体内に二つのアクチュエータ４０Ａ，４０Ｂを設けた例である。なお、アクチュエータ４０Ａ及び４０Ｂは、第４及び第５の実施形態のように、弾性構造である連結部６２を有する振動板支持枠６１がそれぞれ設けられており、それぞれ保持されている。スペーサ５３の一部に吐出孔５７が形成されている。このような構造により、平面部５１Ａとアクチュエータ４０Ａとによってポンプ動作し、平面部５１Ｂとアクチュエータ４０Ｂとによってポンプ動作する。二つのアクチュエータ４０Ａ，４０Ｂは同期して屈曲振動するので、中心通気孔５２Ａ，５２Ｂから同時に吸気され、吐出孔５７から吐出される。実質的に二つのポンプが内蔵されているので、単一のアクチュエータを備えた流体ポンプに比べて流量が２倍になる。

《第１１の実施形態》
図１７は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の分解斜視図である。図１８は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の主要部の断面図である。この実施形態に係る流体ポンプ１１１が第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５と相違する点は、アクチュエータ４０とカバー板部９５である。その他の構成については、流体ポンプ１０５と同じである。

なお、スペーサ５３Ａの厚みは、補強板４３の厚みに数１０μｍ程度を加えた長さである。また、スペーサ５３Ｂの厚みは、圧電素子４２の厚みと同じか、少し厚くするのが好ましい。

詳述すると、まず、アクチュエータ４０は、上から圧電素子４２、振動板４１、補強板４３の順に接合された構造となっている。

次に、カバー板部９５は、流路板９６及びカバー板９９を接合したものである。カバー板部９５は薄板部と対向して厚板部と接合されており、薄板部および厚板部とともに内部空間９４を形成する。ここで、当該薄板部は、上述したように、図１０において基板９１の開口部９２で露出する、平面部５１の円形の中央部である。当該薄板部は、アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、アクチュエータ４０と実質的に同一周波数で振動する。また、当該厚板部は、上述したように、平面部５１における当該中央部より外周の外周部と基板９１とからなる部分である。

また、カバー板部９５には、内部空間９４と流体ポンプ１１１の筐体の外部とを連通させる通気溝９７が形成されている。

この実施形態では、外部端子６３，７２に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ４０が屈曲振動し、通気溝９７から中心通気孔５２を介して空気が吸引され、吐出孔５５から吐出される。

図１９は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ−Ｑ特性図である。この図では、カバー板部９５を設けた構造の流体ポンプ１１１とこの流体ポンプ１１１からカバー板部９５を除いた構造の流体ポンプとを、３０Ｖp-pで駆動した場合における流量と圧力を測定した実験結果を表している。

実験により、流体ポンプ１１１からカバー板部９５を除いた構造の流体ポンプでは、最大圧力１８kPa、最大流量０．１９５ l/minの能力であったのに対し、カバー板部９５を設けた流体ポンプ１１１では最大圧力４０kPa、最大流量０．２３５ l/minまで能力が向上することが明らかとなっている。

以上の実験結果は、平面部５１の中心通気孔５２付近において、アクチュエータ４０と平面部５１の中央部（即ち薄板部）との振動に起因する圧力波や、シンセティックジェットの流れの発生を、カバー板部９５を設けることにより、抑制できたためであると考えられる。また、これ以外にも、カバー板部９５を設けることで、平面部５１の中央部の振動の位相や振動振幅の中心が変位することなど、種々の要因が想定される。

以上より、この実施形態に係る流体ポンプ１１１によれば、発生可能な圧力と流量、即ちポンプ能力を大幅に向上させることができる。

《他の実施形態》
以上の各実施形態ではユニモルフ型で屈曲振動するアクチュエータを設けたが、振動板の両面に圧電素子を貼着してバイモルフ型で屈曲振動するように構成してもよい。

また、本発明は圧電素子を備えたアクチュエータに限らず、電磁駆動で屈曲振動するアクチュエータを備えたものにも適用できる。

また、以上の各実施形態では、圧電素子と振動板との大きさをほぼ等しくした例を示したが、圧電素子より振動板のほうが大きくてもよい。

また、本発明は可聴音の発生が問題とならない用途では、可聴音周波数帯域でアクチュエータを駆動してもよい。

また、以上の各実施形態では、平面部５１のアクチュエータ対向領域の中心付近に１個の中心通気孔５２を配置した例を示したが、アクチュエータ対向領域の中心付近に複数の中心通気孔を配置してもよい。

また、以上の各実施形態において、吐出孔を有する流体ポンプは、その吐出孔を大気開放して、中心通気孔から空気を吸引する負圧動作を行ってもよいし、逆に、中心通気孔を大気開放して、吐出孔から空気を送り出す正圧動作を行ってもよい。

また、以上の各実施形態では、アクチュエータ４０が１次モードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めたが、アクチュエータ４０を３次モード等の他のモードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めてもよい。

また、以上の各実施形態では円板状の圧電素子及び円板状の振動板を用いたが、これらは一方が矩形又は多角形であってもよい。

なお、吸引する、又は吸引／吐出する流体は気体に限らず液体であってもよい。

４０…アクチュエータ
４０Ａ，４０Ｂ…アクチュエータ
４１…振動板
４２…圧電素子
４３…補強板
５１…平面部
５１Ａ，５１Ｂ…平面部
５２…中心通気孔
５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ…中心通気孔
５３…スペーサ
５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ…スペーサ
５４…蓋部
５５…吐出孔
５６Ａ，５６Ｂ…周辺通気孔
５７…吐出孔
５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ…吐出孔
５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄ…流入路
５９…流出路
６０…振動板ユニット
６１…振動板支持枠
６２…連結部
６３，７２…外部端子
７０…電極導通用板
７３…内部端子
８０…位置保持枠
８１…開口部
９１…基板
９２…開口部
９４…内部空間
９５…カバー板部
９６…流路板
９７…通気溝
９９…カバー板
１０１〜１０５…流体ポンプ
１０７〜１１０…流体ポンプ
１１１…流体ポンプ

Claims (6)

1. 円板状の振動板と、前記振動板に設けられている円板状の圧電素子と、を有するアクチュエータと、
   前記アクチュエータに近接対向して配置される平面部と、
   前記平面部のうち前記アクチュエータと対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近に配置された１つまたは複数の中心通気孔と、
   前記振動板の外周から隙間をあけて、前記振動板を囲む振動板支持枠と、
   前記振動板と前記振動板支持枠との間に設けられ、前記振動板の外周を前記振動板支持枠に対して支持する弾性構造の連結部と、
   を備え、
   前記振動板、前記振動板支持枠および前記連結部は、導電性を有し、
   前記圧電素子の一方の主面は前記振動板および前記連結部を介して前記振動板支持枠に接続し、
   前記アクチュエータは、少なくとも駆動電圧が印加されている間、前記平面部に対して非接触状態を保ちながら、中心部から周辺部にかけて屈曲振動する、流体ポンプ。
2. 前記アクチュエータ対向領域は、中心又は中心付近が屈曲振動可能な薄板部であり、周辺部が実質的に拘束された厚板部である、請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記薄板部と対向して前記厚板部と接合され、前記薄板部および前記厚板部とともに内部空間を形成するカバー板部を備え、
   前記カバー板部には、前記内部空間と流体ポンプ筐体の外部とを連通させる通気溝が形成された、請求項２に記載の流体ポンプ。
4. 前記アクチュエータ対向領域の周辺部分に、１つまたは複数の周辺通気孔を備えた、請求項１乃至３の何れかに記載の流体ポンプ。
5. 前記アクチュエータは、当該アクチュエータと前記平面部との間に一定の隙間をあけて保持されている、請求項１乃至４の何れかに記載の流体ポンプ。
6. 前記平面部上に前記アクチュエータを位置決めする開口部を有する位置保持構造が設けられ、前記アクチュエータは前記開口部内に収められている、請求項１，２乃至５の何れかに記載の流体ポンプ。