JP2018009464A - 圧電ポンプ及びその操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の逆流を抑制し、流体輸送効率を高めることができる、圧電ポンプを提供する【解決手段】圧電ポンプ１００は、圧電素子１１０、振動片１２０、弁１３０及び流れ案内部材１４０を含む。振動片は、圧電素子に取り付けられた中央領域１２１と、周縁領域１２２と、第１の凹部１２３と共に、第１の凹部から突出するストッパ１２４及び位置制限壁１２５と、中央領域と周縁領域との間に位置し、第１の凹部を通って接続される、１つの通し溝１２６とを有する。弁は周縁領域に取り付けられ、非直線状貫通スリット１３２を有する。流れ案内部材は弁に取り付けられ、共に流れ案内部材内に突出する第２の凹部及びチャネルと、貫通孔１４６とを有する。チャネルは第２の凹部及び貫通孔を通って接続される。第２の凹部の、弁が存在する平面上への投影は、非直線状貫通スリットを覆う。圧電ポンプの操作方法を更に提供する。【選択図】図２

Description

本開示は、圧電ポンプ及びその操作方法に関する。より詳細には、本開示は、逆流を抑制でき、輸送効率を改善できる、圧電ポンプ及びその操作方法に関する。

圧電ポンプは、駆動モータが必要ない新しい種類の流体アクチュエータであり、これは単に、圧電振動子を変形させることによって、圧電振動子の変形がポンプ室の容積変化を引き起こす又は圧電振動子が生成した変動によって流体を輸送する、圧電セラミックの逆圧電効果によって、流体の輸送を実装する。そのため、圧電ポンプは従来のポンプに徐々に取って代わっており、エレクトロニクス、生物医学、航空宇宙、自動車及び石油化学産業において広範に使用されている。

一般に圧電ポンプは、圧電振動子及びポンプ本体を含み、圧電振動子に給電すると、圧電振動子は電場によって径方向に圧縮され得、誘起された内部引張応力によって屈曲及び変形が発生し得る。圧電振動子が前方に屈曲すると、ポンプ本体のチャンバ（これ以降ポンプ室と呼ぶ）の容積が増大し得、これによってポンプ室内の圧力が低下して、流体が流入口からポンプ室へと流れ込むことができる。一方、圧電振動子が後方に屈曲すると、ポンプ室の容積が低下し得、これによってポンプ室内の圧力が上昇して、ポンプ室内の流体が絞り出され、流出口から流れ出ることができる。従って、圧電振動子を作動させた場合に、逆流を発生させることなく、流体が流入口を通ってポンプ室内へ流れ込み、及び流出口を通ってポンプ室から流れ出るのを維持するための方法が、現在解決するべき喫緊の課題の１つとなっている。

本開示は、流体の逆流を抑制し、流体輸送効率を高めることができる、圧電ポンプを提供する。

上述の圧電ポンプに適合する圧電ポンプの操作方法も提供される。

本開示の圧電ポンプは、圧電素子、振動片、弁及び流れ案内部材を含む。振動片は、中央領域、周縁領域、第１の凹部、ストッパ、少なくとも１つの位置制限壁、及び少なくとも１つの通し溝を含む。中央領域は圧電素子に対応し、振動片の中央領域は圧電素子に取り付けられる。周縁領域は中央領域を取り囲む。第１の凹部は、中央領域の、圧電素子とは反対側の表面に設けられる。ストッパ及び位置制限壁は第１の凹部から突出し、通し溝は中央領域と周縁領域との間に位置し、第１の凹部を通って接続される。弁は、振動片の周縁領域の、圧電素子とは反対側の表面に取り付けられ、少なくとも１つの非直線状貫通スリットを有する。振動片のストッパの、弁上への投影は、上記非直線状貫通スリットを覆う。流れ案内部材は、弁の、振動片とは反対側の表面に取り付けられ、第２の凹部、少なくとも１つのチャネル及び少なくとも１つの貫通孔を有する。第２の凹部及びチャネルは、流れ案内部材の、弁に対面する表面に設けられる。チャネルは第２の凹部及び貫通孔を通って接続される。第２の凹部の、弁が存在する平面上への投影は、上記非直線状貫通スリットを覆う。圧電素子をある特定の周波数の駆動電圧で駆動すると、振動片及び弁はそれぞれ共振し、振動片の中央領域と、弁の、上記中央領域に対応する領域とが、最大振幅となる。

本開示のある実施形態によると、圧電素子は穿通孔を含み、振動片は第３の凹部を含み、この第３の凹部は、中央領域の、圧電素子側の表面に設けられ、上記穿通孔の位置に対応している。

本開示のある実施形態によると、振動片は、それぞれ中央領域及び周縁領域に接続された複数のアーム部分を含み、上記アーム部分は直線状又は弧状に延在する。

本開示のある実施形態によると、弁は複数の穿通溝を含み、流れ案内部材は複数のスロットを含み、穿通溝及びスロットそれぞれの位置は、アーム部分の位置に対応し、アーム部分は上記穿通溝及びスロット内へと延在する。

本開示のある実施形態によると、弁は第４の凹部を含み、この第４の凹部は、弁の、流れ案内部材に対面する表面に設けられ、また上記第４の凹部は上記第２の凹部に対応している。

本開示のある実施形態によると、上記チャネルの流入口の直径は、貫通孔から第２の凹部へと徐々に減少する。

本開示のある実施形態によると、振動片は複数の位置制限壁を含み、これら位置制限壁はストッパを取り囲み、弁上に投影された各位置制限壁の投影の形状は、湾曲形状、細長形状、丸みを帯びた形状、正方形、円形若しくは不規則な形状を含み、又は振動片は位置制限壁を含み、上記位置制限壁の形状は円形であり、ストッパを取り囲む。

本開示のある実施形態によると、弁上に投影されたストッパの投影の形状は、丸みを帯びた形状、楕円形若しくは多角形又は不規則な形状を含む。

本開示のある実施形態によると、各非直線状貫通スリットの形状は、弧状、Ｕ字型、多角形の一部又は不規則な形状を含む。

本開示の圧電ポンプの操作方法は：上述の圧電ポンプを提供するステップ；圧電素子を駆動するために、ある特定の周波数の駆動電圧を提供するステップであって、振動片及び弁が互いに共振することにより、振動片の中央領域と、弁の、上記中央領域に対応する領域とが最大振幅となる、ステップを含む。

以上から、本開示の圧電ポンプの圧電素子は、給電された場合に、上下に駆動するが、ある特定の周波数の駆動電圧が圧電素子に入力されることによって、振動片を直接駆動する以外に、振動片及び弁は共振状態を生成でき、この共振状態では、振動片の中央領域と、弁の、上記中央領域に対応する領域とが最大振幅となることができ、これにより振動片及び弁の振動振幅が増大し、更に流体を駆動して貫流させることができる。より詳細には、圧電素子が流れ案内部材から離れる方向に移動すると、振動片の中央領域が弁から離間し、ストッパ及び位置制限壁を弁から小さな距離だけ分離させることができ、これによって流体を、貫通孔、チャネル、第２の凹部及び非直線状貫通スリットから、弁と振動片の第１の凹部との間の空間へと案内できる。非直線状貫通スリットの設計によって、流体がこの非直線状貫通スリットを通過する際、非直線状貫通スリットを開放でき、また共振によってこの開口のサイズを増大させることができ、これによって流れ抵抗が低減され、換気率が上昇する。圧電素子がその位置に戻り、流れ案内部材に近づく方向に移動すると、弁と振動片の第１の凹部との間に位置する流体を、振動片の通し溝から絞り出すことができ、振動片の中央領域は弁に接近でき、非直線状貫通スリットは、共振によって平面状スリット状態に復元され、非直線状貫通スリットの開口を小さくすることができ、従って流れ抵抗は増大し、更に第１の凹部から突出するストッパを弁に対してもたせかけて、非直線状貫通スリットを遮蔽でき、流体は、上記非直線状貫通スリットから流れ案内部材の第２の凹部へと流れるのが困難になる。換言すると、弁と流れ案内部材との間の流路の流れ抵抗を徐々に増大させて一時的に閉鎖でき、これによって流体の逆流が抑制された状態が達成される。更に振動片は、弁に対面する表面に配置された位置制限壁を有し、これは、振動片が弁の方向に移動する際に、振動片の運動の大きさを制限でき、即ち、弁から離れる方向に移動する振動片の運動の大きさを、弁に近づく方向に移動する運動の大きさより大きくすることができ、これにより流体を貫通孔から圧電ポンプへと単一方向に流し、チャネル、第２の凹部、非直線状貫通スリット、第１の凹部を通過させて、通し溝を介して圧電ポンプから出すことができる。

本開示の上述の特徴及び利点をより分かりやすくするために、図面を伴ったいくつかの実施形態について以下に詳細に説明する。

添付の図面は、本開示の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。これらの図面は本開示の実施形態を図示しており、本記載と併せて、本開示の原理を説明する役割を果たす。

図１は、本開示のある実施形態による圧電ポンプの概略分解立体図である。 図２は、別の角度から見た、図１に示す概略図である。 図３は、組み立てた後の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。 図４は、図３の概略部分拡大図である。 図５は、本開示の別の実施形態による圧電ポンプの概略部分断面図である。 図６は、作動中の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。 図７は、作動中の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。 図８は、作動中の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。 図９Ａ〜９Ｈは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの弁を示す部分概略図である。 図１０Ａ〜Ｃは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片のアーム部分を示す部分概略図である。 図１１Ａ〜Ｃは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片の位置制限壁を示す部分概略図である。 図１２Ａ〜Ｂは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片のストッパを示す部分概略図である。 図１３は、従来の圧電ポンプの流量と、図１の圧電ポンプの流量との間の比較を概略的に示す図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態を詳細に参照する。上記実施形態の例を添付の図面に図示している。同一の又は同様の部分について言及する際、可能な場合は常に、図面及び本記載において同一の参照番号を使用する。

図１は、本開示のある実施形態による圧電ポンプの概略分解立体図である。図２は、別の角度から見た、図１に示す概略図である。図３は、組み立てた後の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。図４は、図３の概略部分拡大図である。図１〜図４を参照すると、この実施形態の圧電ポンプ１００は、圧電素子１１０、振動片１２０、弁１３０及び流れ案内部材１４０を含む。

この実施形態では、圧電素子１１０の外側プロファイル形状は、丸みを帯びた形状であり、シート状に見え、また圧電素子１１０は、圧電素子１１０の中央に位置する穿通孔１１２を含む。当然のことながら、他の実施形態では、圧電素子１１０の外側プロファイル形状は丸みを帯びた形状、楕円形、三角形、正方形、六角形又は他のいずれの多角形等であってよく、圧電素子１１０の形状は本開示において限定されない。

振動片１２０は、中央領域１２１、周縁領域１２２、（図２に示されている）第１の凹部１２３、（図２に示されている）ストッパ１２４、（図２に示されている）少なくとも１つの位置制限壁１２５、少なくとも１つの通し溝１２６、第３の凹部１２７及び複数のアーム部分１２８を含む。この実施形態では、振動片１２０の材料は、銅、ステンレス鋼又は可撓性を有する他のいずれの好適な金属若しくは金属合金を含んでよいが、振動片１２０の材料はこれらに限定されない。

中央領域１２１は、振動片１２０上の、圧電素子１１０に対応する領域であり、振動片１２０の中央領域１２１は圧電素子１１０に取り付けられる。周縁領域１２２は中央領域１２１を取り囲む。図２に示すように、第１の凹部１２３は、中央領域１２１の、圧電素子１１０とは反対側の表面、即ち図面に示す下面に設けられる。

図２に示すように、ストッパ１２４及び位置制限壁１２５は第１の凹部１２３から突出する。この実施形態では、振動片１２０は４つの位置制限壁１２５を含み、位置制限壁１２５は弧状に見え、ストッパ１２４を取り囲む。この実施形態では、ストッパ１２４、位置制限壁１２５及び周縁領域１２２は同一平面上に位置するが、他の実施形態では、ストッパ１２４及び位置制限壁１２５は、周縁領域１２２が存在する平面より僅かに低いか又は高くてよい。

他の実施形態では、振動片１２０は複数の通し溝１２６を含み、上記通し溝１２６は弧状に見え、中央領域１２１を取り囲み、各通し溝１２６は中央領域１２１と周縁領域１２２との間に位置し、第１の凹部１２３を通って接続される。

この実施形態では、アーム部分１２８は弧状に見え、中央領域１２１を取り囲む。アーム部分１２８はそれぞれ中央領域１２１及び周縁領域１２２に接続され、より具体的には、アーム部分１２８の２つの端部は中央領域１２１に接続され、アーム部分１２８の中央は周縁領域１２２に接続される。

図１を参照すると、第３の凹部１２７は中央領域１２１の、圧電素子１１０側の表面に設けられ、穿通孔１１２の位置に対応している。振動片１２０は、中央領域１２１を介する第３の凹部１２７の設計を有し、中央領域１２１の厚さを削減し、従って振動片１２０が上下振動する際に、中央領域１２１はより大きな振動を有することができる。当然のことながら、他の実施形態では、振動片１２０は第３の凹部１２７の設計を省略することもできる。

弁１３０は、振動片１２０の周縁領域１２２の、圧電素子１１０とは反対側の表面（振動片１２０の下面）に取り付けられ、即ち振動片１２０は圧電素子１１０と弁１３０との間に配置される。弁１３０は、中央に配置された少なくとも１つの非直線状貫通スリット１３２と、この非直線状貫通スリット１３２を取り囲む複数の穿通溝１３４とを含む。この実施形態では、弁１３０上に投影された振動片１２０のストッパ１２４の投影は、非直線状貫通スリット１３２を覆い、即ち非直線状貫通スリット１３２の位置はストッパ１２４の位置に対応する。更に穿通溝１３４の位置は振動片１２０のアーム部分１２８に対応し、アーム部分１２８のための空間を設けるために使用され、これによりアーム部分１２８は、振動中に穿通溝１３４を貫通でき、より大きな振動を有することができる。弁１３０の材料は、銅、ステンレス鋼又は可撓性を有する他のいずれの好適な金属若しくは金属合金を含んでよいが、弁１３０の材料はこれらに限定されない。

当然のことながら、弁１３０の設計はこれに限定されない。図５は、本開示の別の実施形態による圧電ポンプの概略部分断面図である。図５を参照すると、弁１３０ａは第４の凹部１３６ａを含み、この第４の凹部１３６ａは、弁１３０ａの、流れ案内部材１４０ａに対面する表面に設けられ、また上記第４の凹部１３６ａは上記第２の凹部１４２ａに対応している。第４の凹部１３６ａは、弁１３０ａと圧電素子１１０との間で共振が生成された場合に、この設計によって弁１３０ａの中央部分の厚さを削減するために使用され、中央部分が薄いほど振動を大きくすることができる。

図１を参照すると、流れ案内部材１４０は、弁１３０の、振動片１２０とは反対側の表面（弁１３０の下面）に取り付けられ、即ち弁１３０は、振動片１２０と流れ案内部材１４０との間に配置される。流れ案内部材１４０は、第２の凹部１４２、少なくとも１つのチャネル１４４、少なくとも１つの貫通孔１４６及び複数のスロット１４８を含む。第２の凹部１４２は、流れ案内部材１４０の、弁１３０に対面する表面（流れ案内部材１４０の上面）に設けられ、弁１３０が存在する平面上に投影された第２の凹部１４２の投影は、非直線状貫通スリット１３２を覆う。

チャネル１４４は、流れ案内部材１４０の上面に設けられ、またチャネル１４４は第２の凹部１４２及び貫通孔１４６を通って接続される。この実施形態では、流れ案内部材１４０は４つのチャネル１４４及び４つの貫通孔１４６を含むが、流れ案内部材１４０及びチャネル１４４の数はこれに限定されない。チャネル１４４は、第２の凹部１４２を中心として放射状であり、チャネル１４４の流入口の直径は貫通孔１４６から第２の凹部１４２へと徐々に減少し、これによって流体は、チャネル１４４が第２の凹部１４２に容易に流れ込むことができるものの貫通孔１４６から流れ出るのは困難である単方向抑制設計を通って流れ、チャネル１４４内を流れる流体の流れ方向を制御する機能が達成される。

スロット１４８の位置は、弁１３０の穿通溝１３４と同様に、アーム部分１２８の位置に対応し、スロット１４８は、アーム部分１２８をスロット１４８内へと延在させるために使用され、これによりアーム部分１２８はより大きな振動を得ることができる。更にこの実施形態では、流れ案内部材１４０の材料は、銅、ステンレス鋼又は他のいずれの好適な金属若しくは金属合金を含むが、流れ案内部材１４０の材料はこれらに限定されない。

これより、圧電ポンプ１００の作動中の圧電素子１１０、振動片１２０、弁１３０及び流れ案内部材１４０の相対位置について更に説明する。図６〜図８は、作動中の図１の圧電ポンプを示す概略断面図である。圧電ポンプ１００内を貫流する流体の流れ経路を明瞭に視認するために、振動片１２０と弁１３０との間に位置する第１の接着層１５０の厚さ、及び弁１３０と流れ案内部材１４０との間に位置する第２の接着層１６０の厚さは、故意に拡大して示されていることを注記しておく。更に図６及び図７は、図１の圧電ポンプ１００の上向き及び下向き変形量が最大となったときをそれぞれ示す概略図である。

まず図６を参照すると、図６では、圧電ポンプ１００は初期位置に配置され、この時点において圧電素子１１０、振動片１２０、弁１３０及び流れ案内部材１４０は、非屈曲水平状態であるように見える。圧電ポンプ１００が回路制御によって作動し始めると、圧電素子１１０は移動してよく、また振動片１２０を駆動して運動させる。圧電素子１１０が振動片１２０を直接駆動する以外に、本実施形態では、圧電ポンプ１００の振動片１２０及び弁１３０は圧電素子１１０と共振でき、従って圧電素子１１０は、単にある特定の周波数の小さな電場を駆動することによって、振動片１２０及び弁１３０に大きな振幅の振動を生成させることができる。共振は、振動片１２０と弁１３０との間の空間に比較的大きな変化を引き起こすことができる。振動片１２０及び弁１３０が共振しない状況に比べて、圧電ポンプ１００の振動片１２０及び弁１３０が圧電素子１１０によって共振することの効果は、振動振幅を２０％超まで増大させることができ、これによって圧電ポンプ１００の作動効率が上昇する。

より詳細には、圧電素子１１０を駆動するためにある具体的な周波数の駆動電圧を圧電素子１１０に供給する（例えば圧電素子１１０の直径が８ｍｍ〜２２ｍｍである場合、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの駆動電圧を印加する）ことによって、圧電ポンプ１００を操作する際、振動片１２０の中央領域１２１が、圧電素子１１０によって駆動されるため、流れ案内部材１４０から離れる方向（即ち図面の上方）に移動するだけでなく、振動片１２０が圧電素子１１０の振動周波数に対応する共振周波数を生成でき、従って振動片１２０はより大きい振動を生成できる。弁１３０もまた、圧電素子１１０の振動周波数に対応する共振周波数を生成できる。弁１３０は、第２の凹部１４２を覆って流れ案内部材１４０の領域に取り付けられるため、弁１３０が流れ案内部材１４０に取り付けられていない部分は、共振によって上下に振動できる。本実施形態では、振動片１２０及び弁１３０の共振モードにより、振動片１２０の中央領域１２１、及び中央領域１２１に対応する弁１３０の領域が最大振幅を生成するのを促進でき、これにより圧電素子１１０は、図６の状態から図７の状態へと変化できる。

図７では、共振の効果により、振動片１２０は上方に移動し、これに対応して弁１３０は下向きに移動し、これにより振動片１２０の中央領域１２１は弁１３０から離れ、振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間の空間をより大きくすることができ、従って圧力がより小さくなり、これにより、貫通孔１４６、チャネル１４４、第２の凹部１４２及び非直線状貫通スリット１３２から、弁１３０と振動片１２０の第１の凹部１２３との間の空間に、外部からの流体を案内できる。

続いて振動片１２０は下方に移動し、図６に示す位置へと徐々に戻る。次に振動片１２０は連続的に下方に移動し、図８に示すように下向きにくぼんだ形状に見える。図７の振動が図６及び図８へと徐々に振動するプロセス中、振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間の空間が徐々に小さくなり、上記空間内の圧力が大きくなるため、振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間に元々位置する流体を絞り出して、振動片１２０の通し溝１２６に向かって移動させることができ、次に圧電ポンプ１００から流れ出る。

図８に示すように、振動片１２０が下向きにくぼんで見えるとき、振動片１２０の下面に位置するストッパ１２４を弁１３０に対してもたせかけて、非直線状貫通スリット１３２を遮蔽でき、そして元々振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間に位置している流体は、非直線状貫通スリット１３２から流れ案内部材１４０の第２の凹部１４２へと流れることができなくなる。換言すると、弁１３０と流れ案内部材１４０との間の流路が一時的に閉鎖され、これによって流れの逆流が抑制される。

本実施形態では、振動片１２０が図８に示されている状態にある場合、振動片１２０の下面に位置する位置制限壁１２５は弁１３０と接触でき、弁１３０によって制限され、連続的に下方に移動できないことを注記しておく。換言すると、圧電ポンプ１００は、振動片１２０の、弁１３０に対面する表面上に配置された位置制限壁１２５によって、弁１３０の方向へ下方に移動する振動片１２０の移動量を制限でき、これにより、振動片１２０が上下に振動するプロセス中、弁１３０から離れる方向に移動する振動片１２０の移動量（即ち図７に示す上向きに突出する量）を、振動片１２０が弁１３０に近づく方向に移動する移動量（即ち図８に示す下向きにくぼむ量）よりも大きくすることができる。この設計により、流体を流れ案内部材１４０の貫通孔１４６へと指向させて、チャネル１４４、第２の凹部１４２及び非直線状貫通スリット１３２に沿って、振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間の空間に吸収されるのを促進でき、これにより流体は一方向に流れる。

更に、弁１３０の非直線状貫通スリット１３２は弧状の設計を有し、これは非直線状、非円形又は他の形状であるため、流体がこの非直線状貫通スリット１３２を通過する際、弁１３０の、非直線状貫通スリット１３２以外の部分（即ち弁１３０の、舌状に見える部分）を開放でき、換気のための開口サイズが増大する。換言すると、弁１３０を通過する際の流体の領域を、非直線状貫通スリット１３２自体の領域より大きくすることができ、これによって流体は弁１３０をより滑らかに通過できる。

このような構成により、振動片１２０が上方に移動すると、流体は振動片１２０の第１の凹部１２３と弁１３０との間の空間に迅速に入ることができ、振動片１２０が下方に移動すると、ストッパ１２４を弁１３０の非直線状貫通スリット１３２に対してもたせかけて、流体が下向きに逆流しないようにすることができる。換言すると、圧電素子１１０が振動片１２０を相互的に駆動して上下に振動させ（図６、図７、図６、図８の位置を繰り返させ）、振動片１２０及び弁１３０がこれに対応して共振することにより、流体は、流れ案内部材１４０の貫通孔１４６から一方向に、極めて効率的に圧電ポンプ１００に入り、チャネル１４４、第２の凹部１４２、非直線状貫通スリット１３２及び第１の凹部１２３を通過して、通し溝１２６を通って圧電ポンプ１００を出ることができる。

上述の実施形態では、弁１３０の非直線状貫通スリット１３２のうちの１つのみが弧状に見えるが、弁１３０の非直線状貫通スリット１３２の数及び形状はこれに限定されないことに留意されたい。図９Ａ〜図９Ｈは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの弁を示す部分概略図である。図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、非直線状貫通スリット１３２ａ、１３２ｂは複数の直線からなり、即ち非直線状貫通スリット１３２ａ、１３２ｂの形状は、多角形の一部分となる。例えば図９Ａでは、非直線状貫通スリット１３２ａは、２つの接続された直線で形成され、図９Ｂでは、非直線状貫通スリット１３２ｂは３つの接続された直線で形成され、そのうちいずれの２つが接続されている。当然のことながら、非直線状貫通スリット１３２ａ、１３２ｂは、２つの接続された線又は３つの接続された線によって形成されるとは限定されない。

図９Ｃ及び図９Ｄでは、非直線状貫通スリット１３２ｃ、１３２ｄの数は複数であり、より具体的には、非直線状貫通スリット１３２ｃ、１３２ｄの数はそれぞれ２個及び４個である。図９Ｅ、図９Ｆと図９Ｃ、図９Ｄとの間の違いは、非直線状貫通スリット１３２ｅ、１３２ｆの弧状の方向である。図９Ｅ及び図９Ｆの非直線状貫通スリット１３２ｅ、１３２ｆの弧状の方向は、非直線状貫通スリット１３２ｃ、１３２ｄの弧状の方向とは反対である。図９Ｇでは、非直線状貫通スリット１３２ｇの形状はＵ字型であり、これによりこの非直線状貫通スリット１３２ｇが取り囲む弁の領域１３０ｇは舌のような形状となる。図９Ｈと図９Ｇとの間の違いは、各非直線状貫通スリット１３２ｈの形状がＵ字型の一部分であることである。当然のことながら、以上の記載は単に非直線状貫通スリット１３２ａ〜１３２ｈの形状の一部分を示したものであるが、非直線状貫通スリットの形状は不規則な形状又は複数の上述の形状の組み合わせであってもよく、本開示によって限定されない。

更に上述の実施形態では、アーム部分１２８は弧状であり、中央領域１２１を取り囲み、またアーム部分１２８の２つの端部は周縁領域１２２に接続されるが、アーム部分１２８のタイプはこれに限定されない。ここで、他のタイプの振動片のアーム部分について参考のために記載する。図１０Ａ〜図１０Ｃは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片のアーム部分を示す部分概略図である。図１０Ａを参照すると、アーム部分１２８ａは中央領域１２１ａを超えて配置され、真っ直ぐ放射状に延在し、アーム部分１２８ａの一方の端部が中央領域１２１ａに接続され、もう一方の端部は周縁領域１２２ａに接続される。図１０Ｂでは、アーム部分１２８ｂは弧状であり、中央領域１２１ｂを取り囲み、アーム部分１２８ｂの一方の端部は中央領域１２１ｂに接続され、もう一方の端部は周縁領域１２２ｂに接続される。図１０Ｃでは、アーム部分１２８ｃの一部分は図１のアーム部分１２８と同一であり、アーム部分１２８ｃは弧状であり、中央領域１２１ｃを取り囲み、アーム部分１２８ｃの２つの端部は中央領域１２１ｃに接続され、アーム部分１２８ｃの中央が周縁領域１２２ｃに接続される。アーム部分１２８ｃの別の部分は図１０Ａのアーム部分１２８ａと同一であり、アーム部分１２８ｃは中央領域１２１ｃを超えて配置され、真っ直ぐ放射状に延在し、アーム部分１２８ｃの一方の端部は中央領域１２１ｃに接続され、もう一方の端部は周縁領域１２２ｃに接続される。当然のことながら、上述の説明は単にアーム部分１２８ａ〜１２８ｃの形状の一部分を示しているが、アーム部分の形状は不規則な形状又は複数の上述の形状の組み合わせであってもよく、本開示によって限定されない。

上述の実施形態では、振動片１２０は、４つの位置制限壁１２５を含み、これら位置制限壁１２５は弧状に見えるが、位置制限壁の数及びタイプはこれに限定されない。

ここで、他のタイプの位置制限壁について参考のために記載する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片の位置制限壁を示す部分概略図である。図１１Ａでは、位置制限壁１２５ａの形状はストリップ状であり、図１１Ｂでは、位置制限壁１２５ｂの形状は丸みを帯びた形状である。図１１Ｃでは、位置制限壁１２５ｃの数は１つのみであり、形状は円形であるが、他の実施形態では、位置制限壁１２５ｃは複数であってよく、また直径が異なる円形であってよい。あるいは他の実施形態では、位置制限壁の形状は正方形又は不規則な形状であってよく、図面によって限定されない。

上述の実施形態では、弁１３０上に投影されたストッパ１２４の投影の形状は丸みを帯びた形状であるが、ストッパ１２４の形状はこれに限定されない。図１２Ａ及び図１２Ｂは、本開示の他の実施形態による様々なタイプの圧電ポンプの振動片のストッパを示す部分概略図である。図１２Ａでは、ストッパ１２４ａの形状は四辺形であり、図１２Ｂでは、ストッパ１２４ｂの形状は六角形である。当然のことながら、他の実施形態では、ストッパの形状は楕円形、他のいずれの多角形又は不規則な形状であってよく、図面によって限定されない。

図１３は、従来の圧電ポンプの流量と、図１の圧電ポンプの流量との間の比較を概略的に示す図である。図１３を参照すると、従来の圧電ポンプが出力する１分あたりの流体の流量は約１６０ｍｌであり、その一方で本実施形態の圧電ポンプが出力する１分あたりの流体の流量は約２３０ｍｌであり、即ち従来の圧電ポンプに比べて、本実施形態の圧電ポンプは１分あたり７０ｍｌ増量しており、その成長率は略４０％である。

以上から、本開示の圧電ポンプの圧電素子は、給電された場合、上下に駆動するが、ある特定の周波数の駆動電圧が圧電素子に入力されることによって、振動片を直接駆動する以外に、振動片及び弁は共振状態を生成でき、この共振状態では、振動片の中央領域と、弁の、上記中央領域に対応する領域とが最大振幅となることができ、これにより振動片及び弁の振動振幅が増大し、更に流体を駆動して貫流させることができる。より詳細には、圧電素子が流れ案内部材から離れる方向に移動すると、振動片の中央領域が弁から離間し、ストッパ及び位置制限壁を弁から小さな距離だけ分離させることができ、これによって流体を、貫通孔、チャネル、第２の凹部及び非直線状貫通スリットから、弁と振動片の第１の凹部との間の空間へと案内できる。非直線状貫通スリットの設計によって、流体がこの非直線状貫通スリットを通過する際、非直線状貫通スリットを開放でき、また共振によってこの開口のサイズを増大させることができ、これによって流れ抵抗が低減され、換気率が上昇する。圧電素子がその位置に戻り、流れ案内部材に近づく方向に移動すると、弁と振動片の第１の凹部との間に位置する流体を、振動片の通し溝から絞り出すことができ、振動片の中央領域は弁に接近でき、非直線状貫通スリットは、共振によって平面状スリット状態に復元され、非直線状貫通スリットの開口を小さくすることができ、従って流れ抵抗は増大し、更に第１の凹部から突出するストッパを弁に対してもたせかけて、非直線状貫通スリットを遮蔽でき、流体は、上記非直線状貫通スリットから流れ案内部材の第２の凹部へと流れるのが困難になる。換言すると、この時点において、弁と流れ案内部材との間の流路の流れ抵抗を徐々に増大させて一時的に閉鎖でき、これによって流体の逆流が抑制された状態が達成される。更に振動片は、弁に対面する表面に配置された位置制限壁を有し、これは、振動片が弁の方向に移動する際に、振動片の運動の大きさを制限でき、即ち、弁から離れる方向に移動する振動片の運動の大きさを、弁に近づく方向に移動する運動の大きさより大きくすることができ、これにより流体を貫通孔から圧電ポンプへと単一方向に流し、チャネル、第２の凹部、非直線状貫通スリット、第１の凹部を通過させて、通し溝を介して圧電ポンプから出すことができる。

本開示を上述の実施形態を参照して説明したが、本開示の精神から逸脱することなく、説明した実施形態に対する修正を行ってよいことは、当業者には明らかだろう。従って、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるものとし、上述の詳細な説明によって定義されない。

本開示は、逆流を抑制でき、輸送効率を改善できる、圧電ポンプ及びその操作方法に関する。

１００ 圧電ポンプ
１１０ 圧電素子
１１２ 穿通孔
１２０ 振動片
１２１、１２１ａ〜１２１ｃ 中央領域
１２２、１２２ａ〜１２２ｃ 周縁領域
１２３ 第１の凹部
１２４、１２４ａ、１２４ｂ ストッパ
１２５、１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ 位置制限壁
１２６ 通し溝
１２７ 第３の凹部
１２８、１２８ａ〜１２８ｃ アーム部分
１３０、１３０ａ、１３０ｇ 弁
１３２、１３２ａ〜１３２ｈ 非直線状貫通スリット
１３４ 穿通溝
１３６ａ 第４の凹部
１４０、１４０ａ 流れ案内部材
１４２、１４２ａ 第２の凹部
１４４ チャネル
１４６ 貫通孔
１４８ スロット
１５０ 第１の接着層
１６０ 第２の接着層

本開示の圧電ポンプは、圧電素子、振動片、弁及び流れ案内部材を含む。振動片は、中央領域、周縁領域、第１の凹部、ストッパ、少なくとも１つの位置制限壁、及び少なくとも１つの通し溝を含む。中央領域は圧電素子に対応し、振動片の中央領域は圧電素子に取り付けられる。周縁領域は中央領域を取り囲む。第１の凹部は、中央領域の、圧電素子とは反対側の表面に設けられる。ストッパ及び位置制限壁は第１の凹部から突出し、通し溝は中央領域と周縁領域との間に位置し、通し溝と第１の凹部とを連通させている。弁は、振動片の周縁領域の、圧電素子とは反対側の表面に取り付けられ、少なくとも１つの非直線状貫通スリットを有する。振動片のストッパの、弁上への投影は、上記非直線状貫通スリットを覆う。流れ案内部材は、弁の、振動片とは反対側の表面に取り付けられ、第２の凹部、少なくとも１つのチャネル及び少なくとも１つの貫通孔を有する。第２の凹部及びチャネルは、流れ案内部材の、弁に対面する表面に設けられる。チャネルは第２の凹部と貫通孔とを連通させている。第２の凹部の、弁が存在する平面上への投影は、上記非直線状貫通スリットを覆う。圧電素子をある特定の周波数の駆動電圧で駆動すると、振動片及び弁はそれぞれ共振し、振動片の中央領域と、弁の、上記中央領域に対応する領域とが、最大振幅となる。

他の実施形態では、振動片１２０は複数の通し溝１２６を含み、上記通し溝１２６は弧状に見え、中央領域１２１を取り囲み、各通し溝１２６は中央領域１２１と周縁領域１２２との間に位置し、各通し溝１２６と第１の凹部１２３とを連通させている。

チャネル１４４は、流れ案内部材１４０の上面に設けられ、またチャネル１４４は第２の凹部１４２と貫通孔１４６とを連通させている。この実施形態では、流れ案内部材１４０は４つのチャネル１４４及び４つの貫通孔１４６を含むが、流れ案内部材１４０及びチャネル１４４の数はこれに限定されない。チャネル１４４は、第２の凹部１４２を中心として放射状であり、チャネル１４４の流入口の直径は貫通孔１４６から第２の凹部１４２へと徐々に減少し、これによって流体は、チャネル１４４が第２の凹部１４２に容易に流れ込むことができるものの貫通孔１４６から流れ出るのは困難である単方向抑制設計を通って流れ、チャネル１４４内を流れる流体の流れ方向を制御する機能が達成される。

Claims (10)

1. 圧電ポンプであって：
   圧電素子；
   中央領域、周縁領域、第１の凹部、ストッパ、少なくとも１つの位置制限壁、及び少なくとも１つの通し溝を有する、振動片であって、前記中央領域は前記圧電素子に対応し、前記振動片の前記中央領域は前記圧電素子に取り付けられ、前記周縁領域は前記中央領域を取り囲み、前記第１の凹部は、前記中央領域の、前記圧電素子とは反対側の表面に設けられ、前記ストッパ及び前記少なくとも１つの位置制限壁は前記第１の凹部から突出し、前記少なくとも１つの通し溝は前記中央領域と前記周縁領域との間に位置し、前記第１の凹部を通って接続される、振動片；
   前記振動片の前記周縁領域の、前記圧電素子とは反対側の表面に取り付けられ、少なくとも１つの非直線状貫通スリットを有する、弁であって、前記振動片の前記ストッパの、前記弁上への投影は、前記少なくとも１つの非直線状貫通スリットを覆う、弁；および
   前記弁の、前記振動片とは反対側の表面に取り付けられ、第２の凹部、少なくとも１つのチャネル及び少なくとも１つの貫通孔を有する、流れ案内部材であって、前記第２の凹部及び前記少なくとも１つのチャネルは、前記流れ案内部材の、前記弁に対面する表面に設けられ、前記少なくとも１つのチャネルは前記第２の凹部及び前記少なくとも１つの貫通孔を通って接続され、前記第２の凹部の、前記弁が存在する平面上への投影は、前記少なくとも１つの非直線状貫通スリットを覆う、流れ案内部材
   を備え、
   前記圧電素子をある特定の周波数の駆動電圧で駆動すると、前記振動片及び前記弁はそれぞれ共振し、前記振動片の前記中央領域と、前記弁の、前記中央領域に対応する領域とが、最大振幅となる、圧電ポンプ。
2. 前記圧電素子は穿通孔を備え、
   前記振動片は第３の凹部を備え、
   前記第３の凹部は、前記中央領域の、前記圧電素子側の表面に設けられ、前記穿通孔の位置に対応している、請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 前記振動片は、それぞれ前記中央領域及び前記周縁領域に接続された複数のアーム部分を備え、
   前記アーム部分は直線状又は弧状に延在する、請求項１又は２に記載の圧電ポンプ。
4. 前記弁は複数の穿通溝を備え、
   前記流れ案内部材は複数のスロットを備え、
   前記穿通溝及び前記スロットそれぞれの位置は、前記アーム部分の位置に対応し、これにより前記アーム部分は前記穿通溝及び前記スロット内へと延在する、請求項３に記載の圧電ポンプ。
5. 前記弁は第４の凹部を備え、
   前記第４の凹部は、前記弁の、前記流れ案内部材に対面する表面に設けられ、
   前記第４の凹部は前記第２の凹部に対応している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
6. 前記少なくとも１つのチャネルの流入口の直径は、前記貫通孔から前記第２の凹部へと徐々に減少する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
7. 前記振動片は複数の位置制限壁を備え、
   前記位置制限壁は前記ストッパを取り囲み、
   前記弁上に投影された各前記位置制限壁の投影の形状は、湾曲形状、細長形状、丸みを帯びた形状、正方形、円形若しくは不規則な形状を含み、又は
   前記振動片は前記位置制限壁を備え、前記位置制限壁の形状は円形であり、前記ストッパを取り囲む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
8. 前記弁上に投影された前記ストッパの投影の形状は、丸みを帯びた形状、楕円形若しくは多角形又は不規則な形状を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
9. 各前記非直線状貫通スリットの形状は、弧状、Ｕ字型、多角形の一部又は不規則な形状を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
10. 圧電ポンプの操作方法であって：
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧電ポンプを提供するステップ；および
    圧電素子を駆動するために、ある特定の周波数の駆動電圧を提供するステップであって、振動片及び弁が互いに共振することにより、前記振動片の中央領域と、前記弁の、前記中央領域に対応する領域とが最大振幅となる、ステップ
    を含む、操作方法。

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