JP2017072140A - 流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブの応答性を高めながら、大きな流量を実現できる流体制御装置を提供する。
【解決手段】ポンプ室４５とバルブ室４０とを経由する流路を設けた流体制御装置１１であって、振動することによりポンプ室４５に内圧の変動を生じさせる振動部３７と、バルブ室４０に面しており、一端側でポンプ室４５に通じ他端側でバルブ室４０に通じる連通孔４３を設けているバルブ底板２３と、バルブ室４０に面してバルブ底板２３に対向しており、バルブ室４０に通じる吐出孔４１を設けているバルブ天板２１と、を備え、連通孔４３と吐出孔４１とは非対向に配しており、バルブ底板２３は、振動部３７の振動が伝わることで弾性変形する。
【選択図】図５

Description

この発明は、流体に圧力変動を生じさせるポンプと流れの方向づけを行うバルブとを備える流体制御装置に関する。

従来、ポンプ室で流体に圧力変動を生じさせる流体制御装置が各種利用されている。ある種の流体制御装置では、ポンプ室と接続する流路に弁構造を設けずにポンプ室を常に外部と繋がった状態とし、流路の形状などの設定によって流路で一方向の流体の流れを生じさせていた（例えば特許文献１参照。）。このようにポンプ室が常に外部と繋がった状態である流体制御装置では、ポンプ室で生じる高い圧力振幅（例えば数十kPa）をそのまま流体の流体圧とすることができず、高い流体圧を実現することが難しかった。

そのため、流路に逆止弁構造（バルブ）を設けて高い流体圧を実現可能にした流体制御装置が利用されることがあった（例えば特許文献２参照。）。特許文献２に開示された流体制御装置は、ポンプ室の吐出側の流路にバルブ室を設け、バルブ室内に変位自在なフィルムを設けている。そして、ポンプ室側に流体が逆流しようとする際に、流体の流れに応じて変位するフィルムによって流路を遮蔽することで流体の逆流を防ぎ、このことによってポンプ室内で生じる高い圧力振幅に近い高い流体圧を得ていた。

特許第５２８７８５４号公報 特表２０１０−５２８９８１号公報

上記の特許文献２のようにバルブを設ける構成では、ポンプ室で圧力変動が生じる周波数（ポンプの駆動周波数）が高い場合には、流体圧の変動に対する逆止弁構造の応答性が問題になることがあった。具体的には、バルブ室に設けたフィルムをバルブとして機能させるためには、フィルムの動きが流体圧の変動に追従する必要があり、流体圧が変動する時間スケールよりも大幅に短い時間スケールでフィルムが変位可能である必要があった。

流体圧の変動に対するフィルムの追従性を高めるためには、フィルムの軽量化が有効である。しかしながら、フィルムの素材として一般的なＰＥＴなどの樹脂よりも軽量な素材は殆ど存在しなかった。また、フィルムの厚みを薄くすることで軽量化を図ろうとしても、フィルムに破れなどの破損が生じ易くなってしまうため、フィルムの厚みを薄くしてフィルムの追従性を高めることも困難であった。

そのため、特許文献２に係る構成では、バルブ室を構成するプレート間隔を極めて狭いものにすることによって、高い駆動周波数に対応していた。バルブ室を構成するプレート間隔が狭ければ、バルブ室内でのフィルムの移動距離が短くなるため、フィルムの移動に要する時間を短縮することができる。これにより、流体圧の変動に対するフィルムの追従性があまり高くなくても、流体圧の変動に対するバルブの応答性を高めることができ、駆動周波数が高い場合にもフィルムを逆止弁として機能させることができる。ただし、この場合には、バルブ室を構成するプレート間隔が狭くなることで、バルブ室内での流路抵抗が無視できない領域になってしまうことがあり、大きな流量を実現することが難しくなることがあった。

そこで、本発明の目的は、バルブの応答性を高めながら、大きな流量を実現できる流体制御装置を提供することにある。

本発明は、ポンプ室とバルブ室とを経由する流路を設けた流体制御装置において、振動することにより前記ポンプ室に内圧の変動を生じさせる振動部と、前記バルブ室に面しており、一端側で前記ポンプ室に通じ他端側で前記バルブ室に通じる第１の流路孔を設けている第１のプレートと、前記バルブ室に面して前記第１のプレートに対向しており、前記バルブ室に通じる第２の流路孔を設けている第２のプレートと、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配置され、前記第１のプレートと前記第２のプレートと共に前記バルブ室を形成する円環状の側壁板と、前記バルブ室内部に設けられ、第３の流路孔を設けているフィルムと、を備え、前記第１の流路孔と前記第２の流路孔とは非対向に配している。

この構成では、第１のプレートと第２のプレートとのうちの少なくとも一方に振動部の振動が伝わることによって、第１のプレートと第２のプレートとの間の最小間隔（以下、プレート間隔と称する。）が変化する。すると、プレート間隔が狭まる状態では、バルブ室における流路抵抗が増大する。また、プレート間隔が拡がる状態では、バルブ室における流路抵抗が低減する。このため、ポンプ室での圧力変動に同期してバルブ室における流路抵抗の増減が生じ、高い応答性のバルブを実現できる。そして、プレート間隔が拡がる状態では、バルブ室における流路抵抗が低減するので大きな流量を確保することができる。

前記フィルムは、前記バルブ室の内部で、回転不能に保持されることが好ましい。

前記側壁板の内周の一部と前記フィルムの外周の一部には、それぞれ互いに嵌り合う切欠部と突起部が設けられていることが好ましい。

前記第３の流路孔は、前記第１の流路孔に非対向かつ前記第２の流路孔に対向する位置に設けられていることが好ましい。

この構成では、フィルムに流体圧の変動が伝わることによって、フィルムに変位や変形が生じる。すると、ポンプ室で流体圧が増圧する際には第２のプレートにフィルムが近づく。第２のプレートの第２の流路孔は第２のプレートの第３の流路孔と対向するため、フィルムが第２のプレートに近づいても第２の流路孔は開放される。また、ポンプ室で流体圧が減圧する際には第１のプレートにフィルムが近づく。第１のプレートの第１の流路孔はフィルムの第３の流路孔と非対向であるため、フィルムが第１のプレートに近づくと第１の流路孔が遮蔽される。そして、第２の流路孔が開放される際にプレート間隔が拡がると、バルブ室における流路抵抗が低減したものになり流量が増大する。一方、第１の流路孔が遮蔽される際にプレート間隔が狭まると、フィルムの移動距離および移動時間が減少して流体圧の変動に対する応答性が高まる。

前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動が伝わることで、前記第１のプレートと前記第２のプレートとが対向する方向に沿って弾性変形し、なおかつ、前記弾性変形する際であって、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔が広くなる方向に変形するときには、同時に前記第１のプレートと前記振動部との間隔が狭くなり、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔が狭くなる方向に変形するときには、同時に前記第１のプレートと前記振動部との間隔が広くなることが好ましい。

前記第１の流路孔は、複数の孔からなることが好ましい。

前記第２の流路孔は、複数の孔からなることが好ましい。

前記第３の流路孔は、複数の孔からなることが好ましい。

前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動に連成して振動してもよい。または前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動が流体を介して伝わることで振動してもよい。

特には、前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動周波数と一致する構造共振周波数を有することが好ましい。また、前記第１のプレートと前記第２のプレートとのいずれも、前記振動部の振動が伝わって振動することが好ましい。

いずれの場合にも、プレート間隔が大きく変動することになるので、より高い応答性とより大きな流量との実現を図ることができる。

また、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔の変動の位相は、前記振動部の振動の位相と位相差を有することが好ましい。特には、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔の変動の位相は、前記第１の流路孔を流れる流量の変動の位相と一致する、または、前記第１の流路孔を流れる流量の変動の位相よりも、前記振動部の振動の位相に近いことが好ましい。

この構成によれば、より大きな流量との実現を図ることができる。

また、前記振動部は、前記ポンプ室に面しているダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに固定されている圧電素子と、を備えてもよい。

本発明によれば、振動部の振動が伝わることによりプレートの間隔を変動させることで、バルブ室での流路抵抗を変動させるので、流体圧の変動に対して高いバルブの応答性を実現しながら、大きな流量を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置の天面側から視た外観斜視図である。 図１に示す流体制御装置の底面側から視た外観斜視図である。 図１に示す流体制御装置の分解斜視図である。 図１に示す流体制御装置の側面断面図である。 図１に示す流体制御装置の第１の振動態様を示す側面断面図である。 図１に示す流体制御装置の第２の振動態様を示す側面断面図である。 図１に示す流体制御装置における振動の位相と吐出性能との関係を示すグラフである。 図１に示す流体制御装置の振動の振幅と吐出性能との関係を示すグラフである。 図１に示す流体制御装置の実装態様を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置の天面側から視た外観斜視図である。 図１０に示す流体制御装置の側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置の側面断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る流体制御装置の側面断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る流体制御装置の側面断面図である。 流路孔の変形例を示す平面図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１１について図１〜図９を参照して説明する。

図１は、流体制御装置１１の天面側から視た外観斜視図である。図２は、流体制御装置１１の底面側から視た外観斜視図である。図３は、流体制御装置１１の分解斜視図である。図４は、流体制御装置１１の側面断面図である。

流体制御装置１１は、バルブ部１２とポンプ部１３と制御部１４（図４参照）とを備えている。バルブ部１２は、流体制御装置１１の天面側に配置されている（図１参照）。ポンプ部１３は、流体制御装置１１の底面側に配置されている（図２参照）。バルブ部１２とポンプ部１３とは互いに積層した状態で貼り合わされている。

バルブ部１２は、流体の流れを方向づける機能を有している。バルブ部１２は、バルブ室４０が内部に設けられた円筒容器状であり、バルブ天板２１と、バルブ側壁板２２と、バルブ底板２３と、フィルム２４とを備えている（図３および図４参照）。バルブ底板２３は、本発明の第１のプレートに相当するものである。バルブ天板２１は、本発明の第２のプレートに相当するものである。

バルブ天板２１は、バルブ部１２の天面側に配置されている。バルブ側壁板２２は、バルブ天板２１とバルブ底板２３との間に配置されている。バルブ底板２３は、バルブ部１２の底面側に配置されている。バルブ天板２１とバルブ側壁板２２とバルブ底板２３とは互いに積層した状態で貼り合わされている。フィルム２４は、バルブ部１２の内部、即ちバルブ室４０に収容されている。

バルブ天板２１は、天面側から視て円板状である。バルブ側壁板２２は、天面側から視て円環状である。バルブ底板２３は、天面側から視て円板状である。バルブ天板２１とバルブ側壁板２２とバルブ底板２３の外周径は、互いに一致している。

バルブ室４０は、バルブ側壁板２２の天面側から視た主面中央付近に所定の開口径で設けられている。フィルム２４は、天面側から視て概略円板状であり、バルブ側壁板２２よりも薄い厚みに設定されている。フィルム２４の外周径は、バルブ側壁板２２におけるバルブ室４０の開口径とほとんど一致しており、若干の隙間が空くように微小に小さく設定されている。そして、フィルム２４の外周の一部には、突起部２５を設けている（図３参照）。また、バルブ側壁板２２の内周の一部には、突起部２５が微小な隙間を空けた状態で嵌り込む切欠部２６を設けている（図３参照）。このため、フィルム２４はバルブ室４０の内部で、回転不能かつ上下動自在に保持される。

バルブ天板２１の天面側から視た主面中央付近には、所定配列で並べられた複数の吐出孔４１が設けられている。吐出孔４１は、本発明の第２の流路孔に相当するものである。また、バルブ底板２３の天面側から視た主面中央付近には、所定配列で並べられた複数の連通孔４３が設けられている。連通孔４３は、本発明の第１の流路孔に相当するものである。したがって、バルブ室４０は、吐出孔４１を介して外部に通じるとともに、連通孔４３を介してポンプ部１３側に通じている。

また、フィルム２４の天面側から視た主面中央付近には、所定配列で並べられた複数のフィルム孔４２が設けられている。フィルム孔４２は、本発明の第３の流路孔に相当するものである。フィルム孔４２と吐出孔４１とは、互いに対向するように配列されている。一方、フィルム孔４２と連通孔４３とは、互いに非対向になるように配列されている。

ポンプ部１３は、流体に圧力変動を生じさせる機能を有している。ポンプ部１３は、ポンプ室４５が内部に設けられた円筒容器状であり、ポンプ側壁板３１と、ポンプ底板３２と、圧電素子３３と、を備えている。ポンプ側壁板３１は、バルブ底板２３とポンプ底板３２との間に配置されている。ポンプ底板３２は、ポンプ側壁板３１と圧電素子３３との間に配置されている。圧電素子３３は、ポンプ部１３の底面側に配置されている。ポンプ側壁板３１は、バルブ底板２３の底面に積層した状態で貼り合わされている。また、ポンプ側壁板３１とポンプ底板３２と圧電素子３３とは互いに積層した状態で貼り合わされている。

ポンプ側壁板３１は、天面側から視て円環状である。ポンプ室４５は、ポンプ側壁板３１の天面側から視た主面中央付近に所定の開口径で設けられている。ポンプ底板３２は、外周部３４を備えている。外周部３４は、天面側から視て円環状であり、天面側から視た主面中央付近に所定の開口径で開口が設けられている。ポンプ側壁板３１およびポンプ底板３２の外周部３４は、互いの外周径および開口径が互いに一致しており、互いに積層した状態で張りあわされている。ポンプ側壁板３１およびポンプ底板３２の外周径は、バルブ部１２の外周径よりも一定寸法だけ小さく設定している。

また、ポンプ底板３２は、外周部３４とともに、複数の梁部３５と、ダイヤフラム３６と、を備えている。ダイヤフラム３６は、天面側から視て円板状であり、外周部３４の開口内に、外周部３４との間に隙間を空けた状態で配置されている。複数の梁部３５は、外周部３４とダイヤフラム３６との間の隙間に設けられ、ポンプ底板３２の周方向に沿って延び、ダイヤフラム３６と外周部３４との間を連結している。したがって、ダイヤフラム３６は、梁部３５を介して中空に支持されており、厚み方向に上下動自在となっている。外周部３４とダイヤフラム３６との間の隙間部分は吸入孔４６として設けられている。

圧電素子３３は、天面側から視てダイヤフラム３６よりも半径が小さい円板状であり、ダイヤフラム３６の底面に貼り付けられている。圧電素子３３は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。圧電素子３３の両主面には、図示していない電極が形成されており、この電極を介して制御部１４から駆動電圧が印加される。圧電素子３３は、印加される駆動電圧に応じて面内方向に伸縮する圧電性を有している。したがって、圧電素子３３に駆動電圧が印加されると、圧電素子３３が面内方向に伸縮しようとして、ダイヤフラム３６には同心円状の屈曲振動が生じる。この屈曲振動によって、ダイヤフラム３６を弾性支持する梁部３５にも振動が生じ、これによりダイヤフラム３６が上下に変位するように振動することになる。このように圧電素子３３とダイヤフラム３６とは一体的に振動し、本発明の振動部３７を構成している。

制御部１４は、ここでは、圧電素子３３の駆動周波数をポンプ室４５の音響共振周波数に合わせる。ポンプ室４５の音響共振周波数とは、ポンプ室４５の中心部で発生した圧力振動と、その圧力振動が外周部側に伝搬して反射し、再びポンプ室４５の中心部に到達する圧力振動とが共振する周波数のことである。このようにすると、少なくとも平面方向の中心部付近が屈曲振動の腹となり、少なくとも平面方向の外周部付近が屈曲振動の節となる。すなわち、ポンプ室４５において、平面方向に定在波状の圧力分布が生じることになる。このことにより、ポンプ室４５の平面方向の中心部に対向して設けられている連通孔４３の近傍では、流体の圧力変動が大きくなり、ポンプ室４５の平面方向の外周部に対向して設けられている吸入孔４６の近傍では、流体の圧力変動がほとんどなくなる。したがって、吸入孔４６をポンプ室４５の平面方向の外周部に連通させておけば、吸入孔４６に弁などを設けなくても、吸入孔４６を介した圧力損失がほとんど生じなくなる。したがって、吸入孔４６を任意の形状やサイズとすることができ、流体の流量を大きく稼ぐことなどが可能になる。

図５は、流体制御装置１１の第１の振動態様を模式的に示す側面断面図である。ここでは、振動部３７の振動が、ポンプ部１３の構成部材を直接伝搬してバルブ部１２に振動を生じさせる場合を例に説明する。

圧電素子３３が駆動電圧の印加によって伸びようとする際には、図５（Ａ）に示すように、圧電素子３３の伸びがダイヤフラム３６を厚み方向の底面側に凸になるように屈曲させる。これにより、ポンプ室４５の容積が膨張し、ポンプ室４５の内圧が減圧する。すると、バルブ室４０において、フィルム２４よりも底面側の空間の内圧が、フィルム２４よりも天面側の空間の内圧よりも低くなる。これにより、バルブ室４０においてフィルム２４は底面側に引き寄せられ、バルブ底板２３の天面に密着するようになる。この際、フィルム２４のフィルム孔４２は、バルブ底板２３の連通孔４３と非対向に設けられているので、フィルム２４が連通孔４３を遮蔽する。このことにより、ポンプ室４５の内圧が減圧する状況では、バルブ室４０を介した流体の流れが阻害され、ポンプ室４５には吸入孔４６を介して外部の流体が吸入される。

一方、圧電素子３３が面内方向に縮もうとする際には、図５（Ｂ）に示すように、圧電素子３３の縮みがダイヤフラム３６を厚み方向の天面側に凸になるように屈曲させる。これにより、ポンプ室４５の容積が収縮し、ポンプ室４５の内圧が増圧する。すると、バルブ室４０において、フィルム２４よりも底面側の空間の内圧が、フィルム２４よりも天面側の空間の内圧よりも高くなる。これにより、バルブ室４０においてフィルム２４は天面側に押し離され、バルブ天板２１の底面に密着するようになる。この際、フィルム２４のフィルム孔４２は、バルブ天板２１の吐出孔４１と対向するように設けられているので、フィルム２４がバルブ天板２１の底面に密着していても、吐出孔４１は開放される。このことにより、ポンプ室４５の内圧が増圧する状況では、バルブ室４０を介した流体の流れが阻害されず、ポンプ室４５からは連通孔４３、バルブ室４０、フィルム孔４２、および吐出孔４１を介して外部に流体が吐出される。

そして、振動部３７の振動がポンプ部１３を直接伝搬してバルブ底板２３に振動を生じさせる。このことにより、バルブ底板２３は厚み方向に上下動するように弾性変形する。図５（Ａ）に示すように、振動部３７が底面側に屈曲して外部の流体を吸入孔４６から吸入する際には、バルブ底板２３は振動部３７とは逆に天面側に屈曲する。これにより、ポンプ室４５の容積が更に膨張するとともに、バルブ室４０においてバルブ天板２１とバルブ底板２３とのプレート間隔が狭まる。したがって、バルブ室４０においてフィルム２４が底面側に引き寄せられる際の移動距離および移動時間が短縮されたものになる。このことにより、フィルム２４が流体圧の変動に追従することが可能になり、バルブ部１２が応答性の高いものになる。

一方、図５（Ｂ）に示すように、振動部３７が天面側に屈曲する際には、バルブ底板２３は振動部３７とは逆に底面側に屈曲する。これにより、ポンプ室４５の容積が更に収縮するとともに、バルブ室４０においてプレート間隔が拡がる。したがって、バルブ室４０において静定時のプレート間隔がある程度狭く設定されていても、駆動時にプレート間隔が拡がることで流路抵抗が低減したものになる。このことにより、流体制御装置１１として大きな吐出流量を確保することができるようになる。

図６は、流体制御装置１１の第２の振動態様を模式的に示す側面断面図である。ここでは、ポンプ部１３の振動が流体を介して伝わってバルブ部１２に振動が生じる場合を例に説明する。

図６（Ａ）に示すように、ダイヤフラム３６が底面側に屈曲する際には、ポンプ室４５の内圧が減圧し、バルブ室４０においてフィルム２４は底面側に引き寄せられて流体の流れを阻害し、ポンプ室４５には吸入孔４６を介して外部の流体が吸入される。また、図６（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム３６が天面側に屈曲する際には、ポンプ室４５の内圧が増圧し、バルブ室４０においてフィルム２４が天面側に押し離されて流体の流れを阻害せず、ポンプ部１３からバルブ部１２を介して外部に流体が吐出される。

そして、振動部３７の振動が流体の圧力変動を介してバルブ天板２１に振動を生じさせる。このことを言い換えると、振動部３７の振動によって生じるポンプ室４５の流体圧の変動によって、連通孔４３からバルブ室４０に向けて吐出風が生じ、この吐出風がバルブ天板２１に振動を生じさせる。このことにより、バルブ天板２１も厚み方向に上下動するように弾性変形する。図６（Ｂ）に示すように、振動部３７が天面側に屈曲してポンプ室４５の流体を連通孔４３からバルブ室４０に吐出する際に、バルブ天板２１は振動部３７と同様に天面側に屈曲する。これにより、バルブ室４０においてプレート間隔が拡がる。したがって、バルブ室４０において静定時のプレート間隔がある程度狭く設定されていても、駆動時にプレート間隔が拡がることで流路抵抗が低減したものになる。このことにより、流体制御装置１１として大きな吐出流量を確保することができるようになる。

一方、図６（Ａ）に示すように、振動部３７が底面側に屈曲する際には、図６（Ｂ）に示した状態からの反作用でバルブ天板２１は底面側に屈曲する。これにより、バルブ室４０においてプレート間隔が狭まる。したがって、バルブ室４０においてフィルム２４が底面側に引き寄せられる際の移動距離および移動時間が短縮されたものになる。このことにより、フィルム２４が流体圧の変動に追従することが可能になり、バルブ部１２が応答性の高いものになる。

以上のように、バルブ部１２には、振動部３７の振動がポンプ部１３を直接伝搬することや、流体を介して間接的に伝わることによって振動が生じる。なお、図５に示したバルブ底板２３の振動と図６に示したバルブ天板２１の振動とは、いずれか一方が主体的に生じる振動態様になることもあるが、バルブ底板２３の振動とバルブ天板２１の振動とが重畳するような振動態様になることもある。また、上記のようにしてバルブ底板２３やバルブ天板２１の一方に生じた振動が、バルブ部１２を直接伝搬して、バルブ底板２３やバルブ天板２１の他方に伝わって振動を生じさせることもある。

いずれの振動態様においても、ポンプ室４５の流体を連通孔４３からバルブ室４０に吐出する際に、バルブ室４０においてプレート間隔が拡がり、流体制御装置１１として大きな吐出流量を確保することができるようになる。また、外部の流体を吸入孔４６からポンプ室４５に吸引する際に、バルブ室４０においてプレート間隔が狭まり、バルブ部１２が応答性の高いものになる。

次に、流体制御装置１１の具体的な設定方法について説明する。流体制御装置１１の吐出流量は、プレート間隔の振幅や位相、および、連通孔４３を流れる流体の流量の振幅や位相に影響を受ける。このため、これらを適切に設定することによって吐出流量は増大させることができる。なお、以下で説明する位相とは、特に説明の無い場合には振動部３７の駆動電圧を基準とした位相差を示している。

プレート間隔の振幅は、バルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）と振動部３７の駆動周波数との関係に基づいて変化する。具体的には、バルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）を振動部３７の駆動周波数に近付けることによって、プレート間隔の振幅は増大させることができる。また、プレート間隔の位相は、振動部３７の駆動周波数とバルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）との大小関係によって変化する。具体的には、バルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）が振動部３７の駆動周波数よりも十分に高ければ、プレート間隔の位相は振動部３７の駆動周波数の位相と同相になる。また、バルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）が、振動部３７の駆動周波数よりも十分に低ければ、プレート間隔の位相は振動部３７の駆動周波数の位相と逆相になる。そして、バルブ天板２１やバルブ底板２３が有する構造共振周波数（固有振動数）を、振動部３７の駆動周波数の近傍で調整して設定することで、プレート間隔の位相を精緻に設定することができる。

また、連通孔４３での流量振幅や流量位相は、流体の音響共振により制御される。例えば、連通孔４３での流量振幅および流量位相は、ポンプ室４５の開口径の影響を受けて変動する。図７（Ａ）は、ポンプ室４５の開口径が、連通孔４３での流量振幅および流量位相に及ぼす影響を示す図である。図７（Ａ）に示されるように、流体の音響共振に係る設計パラメータを制御することにより、連通孔４３での流量振幅および流量位相を制御して設定することができる。

これらのプレート間隔の振幅や位相および連通孔４３での流量振幅や流量位相は、バルブ室４０やポンプ室４５の開口径、バルブ室４０やポンプ室４５の高さ、流体制御装置１１全体の共振周波数、連通孔４３や吐出孔４１の開口径、各部の材料特性や厚み、外周径などを設計パラメータとして調整することができる。

例えば、プレート間隔の位相と連通孔４３での流量位相との位相差を以下に説明するような範囲に設定することで、吐出流量を増大させることができる。

図７（Ｂ）は、プレート間隔の位相と連通孔４３での流量位相との位相差が吐出流量に及ぼす影響を示す図である。流体制御装置１１においては、プレート間隔の位相や連通孔４３での流量位相を調整することにより、吐出流量を変動させることができる。図７（Ｂ）に示す調整例では、流量位相は約６０ｄｅｇで略一定として、プレート間隔の位相を調整している。図７（Ｂ）では、プレート間隔の位相を連通孔４３での流量位相と近い６０ｄｅｇを中心とする±３０ｄｅｇ以内の範囲に設定する場合に、それ以外の範囲と比較して吐出流量に顕著な増加がみられる。特に、プレート間隔の位相が連通孔４３での流量位相よりも若干早い３０ｄｅｇから、プレート間隔の位相が連通孔４３での流量位相と略一致する６０ｄｅｇの範囲にかけて、吐出流量の最大化がみられている。したがって、プレート間隔の位相を連通孔４３での流量位相と一致させることや、プレート間隔の位相を連通孔４３での流量位相よりも、駆動部の振動位相（図７（Ｂ）中の横軸{０ｄｅｇ}に相当する。）に近付けることにより、吐出流量を増大させられることがわかる。

また例えば、プレート間隔の振幅を以下に説明するような範囲に設定することでも、吐出流量を増大させることができる。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、バルブ天板２１、バルブ底板２３、およびフィルム２４の変位量の時間変化を示す図である。図８（Ａ）は実施例１に対応している。図８（Ｂ）は実施例２に対応している。実施例１は、バルブ底板２３の変位量の最大値（振動振幅）、即ち、プレート間隔の変動を比較的小さくしたものであり、バルブ底板２３の構造共振周波数を振動部３７の駆動周波数とずらす構成に対応している。一方、実施例２は、プレート間隔の変動を比較的大きくしたものであり、バルブ底板２３の構造共振周波数を振動部３７の駆動周波数と一致させて構造共振させる構成に対応している。

実施例１と実施例２のいずれにおいても、振動部３７を駆動することによって、バルブ天板２１、バルブ底板２３、およびフィルム２４のいずれにも、振動部３７の駆動周期（駆動周波数）と略一致する周期で振動が得られている。また、バルブ天板２１およびバルブ底板２３の振動位相は、フィルムの振動位相（連通孔４３での流量位相と等価である。）よりも遅れたものになっている。

図８（Ｃ）は、上記実施例１と実施例２とのそれぞれに対して、制御部１４の設定により消費電力を異ならせた場合の吐出流量の変化を示す図である。実施例１と実施例２のいずれにおいても、消費電力が大きくなることは振動部３７の振動振幅が大きくなることを意味している。そして、このことは、振動部３７の振動によって引き起こされるプレート間隔の振幅が大きくなることも意味している。

グラフからは、実施例１と実施例２のいずれにおいても、消費電力が大きくなるにつれて得られる吐出流量も大きくなっている。特に実施例２のようにプレート間隔の振幅がより大きい場合には、実施例１のようにプレート間隔の振幅がより小さい場合よりも、消費電力の増加に対する吐出流量の増加の割合が大きくなっており、同一消費電力における吐出流量の絶対値が、１．５倍程度大きくなっていることが確認できる。すなわち、実施例１および実施例２において、プレート間隔の振幅の大きさと流体制御装置１１の吐出流量の大きさとが相関を持っており、プレート間隔の振幅が大きくなるほど、流体制御装置１１における吐出流量が増加することがわかる。

以上に説明したような適宜の設定調整を行うことにより、流体制御装置１１における吐出流量を増大させることができる。なお、上記した吐出流量の調整方法は、あくまで一例であり、その他の各種設計パラメータの調整によって、プレート間隔の振幅や位相を調整し、これにより吐出流量を調整することもできる。

図９は、流体制御装置１１を外部構造に実装する際の実装態様を例示する側面図である。流体制御装置１１は、バルブ部１２のほうがポンプ部１３よりも外周径が大きく、ポンプ部１３の底面が、ポンプ部１３の外周側に露出している。そこで、ここでは流体制御装置１１の接合面を、ポンプ部１３の底面におけるポンプ部１３よりも外周側の領域として、外部構造体１５に接着剤１６を介して接合している。これにより、外部構造体１５においてポンプ部１３が配される側の空間が負圧となり、バルブ部１２が配される側の空間が正圧となる。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置５１について図１０および図１１を参照して説明する。

図１０は、流体制御装置５１の天面側から視た分解斜視図である。図１１は、流体制御装置５１の側面断面図である。

流体制御装置５１は、バルブ部１２とポンプ部５３と制御部１４（不図示）とを備えている。バルブ部１２と制御部１４は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。ポンプ部５３は、振動調整板５４と、ポンプ側壁板３１と、ポンプ底板３２と、圧電素子３３と、を備えている。ポンプ側壁板３１とポンプ底板３２と圧電素子３３とは、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。一方、この実施形態においては、第１の実施形態に係る構成と相違する構成として振動調整板５４を備えている。

振動調整板５４は、バルブ底板２３の振動領域の調整のために設けている。具体的には、振動調整板５４は、バルブ底板２３とポンプ側壁板３１との間に配置した状態で貼り合わされている。振動調整板５４は、天面側から視て円環状であり、ポンプ側壁板３１に設けられたポンプ室４５と連通するポンプ上室５５が、主面中央付近に所定の開口径で設けられている。ポンプ上室５５は、ポンプ室４５よりも開口径が小さい。また、振動調整板５４とポンプ側壁板３１とは、互いの外周径が互いに一致している。

この振動調整板５４をバルブ底板２３に付設することにより、バルブ底板２３の外周部付近で剛性を部分的に高めることができる。これにより、バルブ底板２３をポンプ上室５５に面する中央部付近のみで振動させ、バルブ底板２３の外周部付近でほとんど振動が生じない状態にすることができる。したがって、バルブ底板２３の振動が生じる範囲を、振動調整板５４におけるポンプ上室５５の開口径によって設定することができる。これにより、バルブ底板２３の振動領域や構造共振周波数を、バルブ底板２３の板厚や外周径などを変更せずに容易に調整することができる。なお、流体振動やフィルム２４の振動には、バルブ底板２３の中央部付近の振動が主体的に寄与するため、バルブ底板２３の外周部付近が振動しなくても、バルブ部１２の応答性の向上や吐出流量の増大といった効果は十分に得ることができる。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置６１について図１２を参照して説明する。

図１２は、流体制御装置６１の側面断面図である。

流体制御装置６１は、バルブ部１２とポンプ部６３と制御部１４（不図示）とを備えている。バルブ部１２と制御部１４は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。ポンプ部６３は、ポンプ側壁板６４と、ポンプ底板６５と、圧電素子３３と、を備えている。圧電素子３３は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。一方、この実施形態においては、第１の実施形態に係る構成と相違する構成としてポンプ側壁板６４とポンプ底板６５とを備えている。

ポンプ側壁板６４は、ポンプ室４５が設けられているとともに、ポンプ室４５を外部に連通させる吸入孔６６が設けられている。一方、ポンプ底板６５は、平板状であり吸入孔が設けられていない。第１の実施形態においても説明したが、ポンプ室４５が音響共振する場合には、ポンプ室の外周部分での圧力変動が殆ど無くなるので、ポンプ側壁板６４に吸入孔６６を設けても、圧力損失が大きくならず、大きな流量を得ることができる。特に、外部の流体が、吸入孔６６を介してポンプ室４５に直線的に流れることになり、流路抵抗が低減されるため、第１の実施形態に比較しても、圧力損失をより抑制することができ、更に大きな流量を得ることができる。

≪第４の実施形態≫
次に、本発明の第４の実施形態に係る流体制御装置７１について図１３を参照して説明する。

図１３は、流体制御装置７１の側面断面図である。

流体制御装置７１は、バルブ部１２とポンプ部７３と制御部１４（不図示）とを備えている。バルブ部１２と制御部１４は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。ポンプ部７３は、ポンプ側壁板７４と、ポンプ底板３２と、圧電素子３３と、を備えている。ポンプ底板３２および圧電素子３３は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。一方、この実施形態においては、第１の実施形態に係る構成と相違する構成としてポンプ側壁板７４を備えている。

ポンプ側壁板７４は、ポンプ室４５が設けられているとともに、ポンプ室４５を外部に連通させる吸入孔７５が設けられている。そして、ポンプ底板３２にもは、吸入孔４６が設けられている。このようにすると、外部の流体が、吸入孔６６を介してポンプ室４５に直線的に流れるとともに、吸入孔４６，７５による総開口面積を拡がることになり、圧力損失を更に抑制することができる。したがって、この実施形態では、第１の実施形態や第２の実施形態と比較しても、圧力損失をより抑制することができ、更に大きな流量を得ることができる。

≪第５の実施形態≫
次に、本発明の第５の実施形態に係る流体制御装置８１について図１４を参照して説明する。

図１４は、流体制御装置８１の側面断面図である。

流体制御装置８１は、バルブ部１２とポンプ部８３と制御部１４（不図示）とを備えている。バルブ部１２と制御部１４は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。ポンプ部８３は、ポンプ側壁板３１と、ポンプ底板３２と、圧電素子８４と、を備えている。ポンプ側壁板３１およびポンプ底板３２は、第１の実施形態に係る構成と同じ構成である。一方、この実施形態においては、第１の実施形態に係る構成と相違する構成として圧電素子８４を備えている。

圧電素子８４は、ポンプ底板３２のダイヤフラム３６に対して天面側に貼り付けられており、ポンプ室４５の内側に配置されている。圧電素子８４をこのように配置すると、流体制御装置８１を全体として薄型化することができ、また、外部構造体との接触による圧電素子８４の破損の発生も防ぐことができる。

≪変形例≫
以下、バルブ部１２に設ける吐出孔４１やフィルム孔４２、連通孔４３などの形状の変形例を示す。図１５（Ａ）〜（Ｅ）のそれぞれには、吐出孔４１およびフィルム孔４２の平面形状と、連通孔４３の平面形状とをそれぞれ対応づけて示している。なお、図１５（Ａ）に示す各流路孔の平面形状は、上述の各実施形態で採用したものである。

吐出孔４１およびフィルム孔４２と連通孔４３とは、図１５（Ａ）〜（Ｅ）に例示するような配置や個数、形状にすることができる。また、その他の配置や個数、形状であっても、吐出孔４１およびフィルム孔４２と、連通孔４３とが互いに非対向になるならば、適宜の配置や個数、形状とすることができる。

以上の各実施形態や変形例に示したように、本発明は実施することができる。ただし、上記の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１，５１，６１，７１，８１…流体制御装置
１２…バルブ部
２１…バルブ天板（第２のプレート）
２２…バルブ側壁板
２３…バルブ底板（第１のプレート）
２４…フィルム
２５…突起部
２６…切欠部
１３，５３，６３，７３，８３…ポンプ部
３１，６４，７４…ポンプ側壁板
３２，６５…ポンプ底板
３３，８４…圧電素子
３４…外周部
３５…梁部
３６…ダイヤフラム
３７…振動部
１４…制御部
１５…外部構造体
１６…接着剤
４０…バルブ室
４１…吐出孔（第２の流路孔）
４２…フィルム孔（第３の流路孔）
４３…連通孔（第１の流路孔）
４５…ポンプ室
４６，６６，７５…吸入孔
５４…振動調整板
５５…ポンプ上室

Claims (15)

1. ポンプ室とバルブ室とを経由する流路を設けた流体制御装置であって、
   振動することにより前記ポンプ室に内圧の変動を生じさせる振動部と、
   前記バルブ室に面しており、一端側で前記ポンプ室に通じ他端側で前記バルブ室に通じる第１の流路孔を設けている第１のプレートと、
   前記バルブ室に面して前記第１のプレートに対向しており、前記バルブ室に通じる第２の流路孔を設けている第２のプレートと、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に配置され、前記第１のプレートと前記第２のプレートと共に前記バルブ室を形成する円環状の側壁板と、
   前記バルブ室内部に設けられ、第３の流路孔を設けているフィルムと、
   を備え、
   前記第１の流路孔と前記第２の流路孔とは非対向に配している、
   流体制御装置。
2. 前記フィルムは、前記バルブ室の内部で、回転不能に保持される、
   請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記側壁板の内周の一部と前記フィルムの外周の一部には、それぞれ互いに嵌り合う切欠部と突起部が設けられている、
   請求項１又は請求項２に記載の流体制御装置。
4. 前記第３の流路孔は、前記第１の流路孔に非対向かつ前記第２の流路孔に対向する位置に設けられている、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流体制御装置。
5. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動が伝わることで、前記第１のプレートと前記第２のプレートとが対向する方向に沿って弾性変形し、なおかつ、前記弾性変形する際であって、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔が広くなる方向に変形するときには、同時に前記第１のプレートと前記振動部との間隔が狭くなり、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔が狭くなる方向に変形するときには、同時に前記第１のプレートと前記振動部との間隔が広くなる、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の流体制御装置。
6. 前記第１の流路孔は、複数の孔からなる、
   請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体制御装置。
7. 前記第２の流路孔は、複数の孔からなる、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の流体制御装置。
8. 前記第３の流路孔は、複数の孔からなる、
   請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の流体制御装置。
9. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動に連成して振動する、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の流体制御装置。
10. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の振動が流体を介して伝わることで振動する、
    請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の流体制御装置。
11. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとのうちの少なくとも一方は、前記振動部の駆動周波数と一致する構造共振周波数を有する、
    請求項９又は請求項１０に記載の流体制御装置。
12. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとは、いずれも前記振動部の振動が伝わって振動する、
    請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の流体制御装置。
13. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔の変動の位相は、前記振動部の振動の位相と位相差を有する、
    請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の流体制御装置。
14. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間隔の変動の位相は、前記第１の流路孔を流れる流量の変動の位相と一致する、または、前記第１の流路孔を流れる流量の変動の位相よりも、前記振動部の振動の位相に近い、
    請求項１３に記載の流体制御装置。
15. 前記振動部は、前記ポンプ室に面しているダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに固定されている圧電素子と、を備える、
    請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の流体制御装置。

Images