JP2023126989A - Pump and fluid control device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ポンプ及び流体制御装置に関する。 TECHNICAL FIELD This disclosure relates to pumps and fluid control devices.
気体や液体などの流体の輸送用の小型ポンプとして、流体導入口と流体吐出口とを有するハウジングと、そのハウジングの内部に配置されたアクチュエータ素子とを備えたポンプが知られている。また、この小型ポンプと、小型ポンプから送られた流体を一時的に貯留可能な容器とを組み合わせた流体制御装置は、例えば、血圧計として利用されている(例えば、特許文献1を参照)。 2. Description of the Related Art As a small pump for transporting fluid such as gas or liquid, a pump is known that includes a housing having a fluid inlet and a fluid outlet, and an actuator element disposed inside the housing. Further, a fluid control device that combines this small pump and a container that can temporarily store fluid sent from the small pump is used, for example, as a blood pressure monitor (see, for example, Patent Document 1).
上記の小型ポンプでは、アクチュエータ素子の屈曲運動によって、流体導入口からハウジングの内部に導入された流体は、アクチュエータ素子の表面に沿って流れて流体吐出口から外部に吐出される。 In the above-mentioned small pump, due to the bending movement of the actuator element, the fluid introduced into the housing from the fluid inlet flows along the surface of the actuator element and is discharged to the outside from the fluid outlet.
特許文献1に開示される技術では、圧電ポンプが、圧電アクチュエータの下面側に吸入孔が設けられた可撓板を有し、圧電アクチュエータの上面側に吐出孔が設けられた蓋板を有する構造となっている。また、この圧電ポンプは、カフから気体を排気することができるバルブを有している。このバルブは、カフに圧縮空気を充填した後、カフから空気を急速排気する。これにより、カフが急速に萎むため、次回の血圧の測定を直ぐに開始できる状態としている。 In the technology disclosed in Patent Document 1, a piezoelectric pump has a structure in which a piezoelectric pump has a flexible plate provided with a suction hole on the bottom side of the piezoelectric actuator, and a lid plate provided with a discharge hole on the top side of the piezoelectric actuator. It becomes. The piezoelectric pump also has a valve that allows gas to be evacuated from the cuff. This valve fills the cuff with compressed air and then rapidly evacuates the air from the cuff. As a result, the cuff deflates rapidly, so that the next blood pressure measurement can be started immediately.
ここで、アクチュエータ素子を利用した小型ポンプは、さらなる小型化が望まれている。しかしながら、特許文献1に開示される技術において、圧電ポンプの吐出孔にバルブを介さずカフを直接接続して小型化(低背化)した場合、カフに圧縮空気を充填した後、圧電ポンプが駆動を停止すると、空気が圧電ポンプ内に逆流し、圧電アクチュエータが可撓板に接近する。その結果、圧電アクチュエータによって吸入孔が閉塞され、排気できなくなる虞があった。 Here, further miniaturization of small pumps using actuator elements is desired. However, in the technology disclosed in Patent Document 1, when the cuff is directly connected to the discharge hole of the piezoelectric pump without using a valve to reduce the size (reducing the height), after filling the cuff with compressed air, the piezoelectric pump When the drive is stopped, air flows back into the piezoelectric pump and the piezoelectric actuator approaches the flexible plate. As a result, there was a possibility that the suction hole would be blocked by the piezoelectric actuator, making it impossible to exhaust the air.
本開示に係る技術は、このような事情を考慮してなされたもので、小型化に対応可能なポンプ及び流体制御装置を提供することを目的とする。 The technology according to the present disclosure was made in consideration of such circumstances, and aims to provide a pump and a fluid control device that can be made smaller.
本開示の一態様では、ポンプは、互いに対向する第1主面と第2主面とを有し、該第1主面と該第2主面との間を貫通する第1貫通孔を有するアクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の前記第2主面と空間を介して対向する第1面を含む対向部と、前記対向部と接続され、第2貫通孔を有する接続部とを有する第1板と、前記接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材と、前記アクチュエータ素子と前記第1ハウジング部材とを接続し、前記アクチュエータ素子を前記第1ハウジング部材の内側で支持する支持部材と、を有している。 In one aspect of the present disclosure, the pump has a first main surface and a second main surface facing each other, and has a first through hole that penetrates between the first main surface and the second main surface. A first plate having an actuator element, a facing part including a first surface facing the second main surface of the actuator element via space, and a connecting part connected to the facing part and having a second through hole. a cylindrical first housing member connected to the connecting portion; a support member connecting the actuator element and the first housing member and supporting the actuator element inside the first housing member; have.
本開示に係る技術によれば、小型化に対応可能なポンプ及び流体制御装置を提供することができる。 According to the technology according to the present disclosure, it is possible to provide a pump and a fluid control device that can be made smaller.
以下、本開示を適用した一実施形態であるポンプおよびこれを備えた流体制御装置について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本開示を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本開示の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A pump and a fluid control device equipped with the same, which are embodiments to which the present disclosure is applied, will be described below with reference to the drawings. Note that the embodiments shown below are specifically described in order to better understand the gist of the invention, and do not limit the present disclosure unless otherwise specified. In addition, the drawings used in the following explanation may show important parts enlarged for convenience in order to make it easier to understand the features of the present disclosure, and the dimensional ratio of each component may be the same as the actual one. Not necessarily.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る流体制御装置の斜視図である。図2は、図1のII-II線断面図である。図3は、図2のIII-III線断面図であり、図4は、図2のIV-IV線断面図であり、図5は、図2のV-V線断面図である。図6は、図1に示すアクチュエータ素子の作動状態を説明する模式断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a fluid control device according to a first embodiment. FIG. 2 is a sectional view taken along the line II--II in FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2, FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2, and FIG. 5 is a sectional view taken along line V-V in FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the operating state of the actuator element shown in FIG. 1.
第1実施形態に係る流体制御装置1Aは、ポンプ11Aと、ポンプ11Aから送られた流体を一時的に貯留する容器(タンク)2とを備える。
ポンプ11Aは、ハウジング20と、アクチュエータ素子30と、流路板(第1板)40と、アクチュエータ素子30を支持する支持部材50と、を備える。
A
The
ハウジング20は、ポンプ11Aの外装体であり、内部にアクチュエータ素子30および流路板40が収容される。
ハウジング20は、外側断面と内側断面がそれぞれ角形であり、厚み方向tに沿って延びる角筒状の第1ハウジング部材20Aを有する。
The
The
また、ハウジング20は、第1ハウジング部材20Aの一方の開口端を塞ぐように形成され、外側断面と内側断面がそれぞれ角形の有底筒状体である第2ハウジング部材20Bを有する。
更に、ハウジング20は、第1ハウジング部材20Aの他方の開口端の一部を塞ぐように形成され、外側断面と内側断面がそれぞれ角形の有底筒状体である第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cを有する。
Further, the
Furthermore, the
これらハウジング20を構成する第1ハウジング部材20A、第2ハウジング部材20B、および第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cは、例えば一体に形成されていればよい。
The
ハウジング20を構成する第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cには、第1開孔部(開孔)21が形成されている。また、ハウジング20を構成する第2ハウジング部材20Bには、流路板40と対向する内面20B1と、その反対面20B2とを貫通する第2開孔部22が形成されている。これにより、流体を容器2に貯留する場合において、第1開孔部21は流体導入孔となり、第2開孔部22は流体吐出孔となる。また、容器2に貯留された流体を外部に放出する場合においては、第1開孔部21は流体吐出孔となり、第2開孔部22は流体導入孔となる。
A first opening portion (opening) 21 is formed in the third housing member (position regulating member) 20C that constitutes the
ハウジング20の第2ハウジング部材20Bと第1ハウジング部材20Aの間には流路板40が配置されている。これにより流路板40はハウジング20に固定される。また、第1ハウジング部材20Aと第3ハウジング部材20Cの間には支持部材50が配置されている。つまり、支持部材50は第1ハウジング部材20Aと第3ハウジング部材20Cとで挟持されている。これにより支持部材50は第1ハウジング部材20Aの内側で支持され、ハウジング20に固定される。
A
本実施形態では、ハウジング20は、第2ハウジング部材20Bが流路板40を介して第1ハウジング部材20Aと接続されており、第3ハウジング部材20Cが支持部材50を介して第1ハウジング部材20Aと接続されている。
In the present embodiment, in the
なお、流路板40をハウジング20に固定する方法は、これに限定されるものではない。例えば、流路板40をハウジング20の例えば第1ハウジング部材20Aの内壁に接着剤などを用いて固定してもよい。
Note that the method for fixing the
ハウジング20は外側断面と内側断面がそれぞれ角形とされている。ただし、ハウジング20の形状は、これに限定されるものではない。ハウジング20は、例えば、外側断面が角形で内側断面が円形とされていてもよいし、外側断面と内側断面がそれぞれ円形とされていてもよいし、外側断面が円形で内側断面が角形とされていてもよい。ハウジング20の構成材料としては、例えば、樹脂やセラミックスなどの絶縁材料を用いることできる。
The
アクチュエータ素子30は所定の周波数で振動(屈曲運動)するものであることが好ましい。アクチュエータ素子30は共振周波数(固有振動数)を有することが好ましい。アクチュエータ素子30の共振周波数(固有振動数)は、例えば、20kHz以上の範囲にある。
It is preferable that the
アクチュエータ素子30は、貫通孔(第1貫通孔)31を有する。貫通孔31は、ハウジング20の第1開孔部21に連通されている。本実施形態では、アクチュエータ素子30は円板状とされ、貫通孔31は円板状のアクチュエータ素子30の中央に配置されている。なお、アクチュエータ素子30の形状は円板状に限定されるものではない。アクチュエータ素子30は、例えば、角板状や多角形板状であってもよい。但し、アクチュエータ素子30の形状は、不要な共振周波数の出現を抑制する観点から円板状が好ましい。
The
本実施形態のアクチュエータ素子30は、振動素子36から構成されている。こうした振動素子36は、板状圧電体37と、板状圧電体37の上下の表面に配置された電極38a、38bとを含む圧電振動子とされている。板状圧電体37は、例えば、分極方向を互いに逆向きにした2つの圧電体を接合したものから構成されている。板状圧電体37の構成材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用いたPZT系圧電振動材を用いることができる。本実施形態での板状圧電体37は、分極方向を互いに逆向きにした2つのバルクタイプのPZT系圧電振動材を接合したものを用いている。
なお、振動素子36は、振動素子として、圧電振動子の代わりに、電歪振動子を用いてもよい。
The
Note that an electrostrictive vibrator may be used as the vibrating
アクチュエータ素子30を支持する支持部材50は、アクチュエータ素子30と接合される面とは反対面がハウジング20を構成する第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cの突起部(位置規制部)26に接し、かつ貫通孔31が第3ハウジング部材20Cの第1開孔部21に連通する位置に配置されている。
The
第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cの突起部(位置規制部)26は、第1開孔部21の周囲に配置され、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cから、ハウジング20の内側に向けて突出している。なお。本実施形態では、突起部(位置規制部)26は、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cが備える構成として、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cと一体的に形成されているが、突起部(位置規制部)26は、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cとは別部材で構成されていても構わない。
The protruding part (position regulating part) 26 of the third housing member (position regulating member) 20C is arranged around the
また、支持部材50は、流路板40から支持部材50を平面視した時に、アクチュエータ素子30と第1ハウジング部材20Aとの間の領域の全面を覆うように配されている。これにより、流体が第1開孔部21から貫通孔31を経てのみ流入する。そして、これ以外の経路は、支持部材50によって塞がれている。したがって、支持部材50がアクチュエータ素子30を支持するだけでなく、流体の流入経路を遮る役割も果たすため、構造の簡素化が図れる。
Further, the
図6は、アクチュエータ素子30が振動している状態を示す。アクチュエータ素子30単体が固有振動数で振動するときに生じるノード(節)Nが、支持部材50を介して突起部(位置規制部)26と接する位置もしくは、ノードNが、突起部(位置規制部)26よりもわずかに外側となる位置であることが好ましい。
FIG. 6 shows a state in which the
なお、本実施形態では、アクチュエータ素子30は、支持部材50を介して第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cの突起部(位置規制部)26に接しており、支持部材50の弾性力によって突起部(位置規制部)26に押し付けられ、互いに離間しないように構成されている。
In this embodiment, the
以下、本実施形態においては、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cの突起部(位置規制部)26と接する側のアクチュエータ素子30の表面を第1主面32a、その反対側の表面を第2主面32bと称することがある。
なお、本実施形態では、アクチュエータ素子30の第1主面32aは板状圧電体37の一方の表面、第2主面32bは板状圧電体37の他方の表面とされている。
Hereinafter, in this embodiment, the surface of the
In this embodiment, the first
流路板40は、アクチュエータ素子30の第2主面32bと対向する位置に、空間E1を介して配置されている。空間E1は、ハウジング20の内部に導入された流体の流路の一部を構成し、流路板40のうち、空間E1に臨む面は、第1流路面(第1面)41aとされている。流路板40は、アクチュエータ素子30の第2主面32bと対向する第1流路面41aを含む対向部を有する。流路板40の対向部は、ハウジング20の内部に収容される。
The
流路板40のうち、第1流路面41aには、凹部42が形成されていることが好ましい。凹部42は、例えば、アクチュエータ素子30の貫通孔31を中心とした円環状に形成されている。この凹部42によって、空間E1には、流体が流れる方向に対して垂直な方向の断面積が拡張された拡張部E2が形成される。
It is preferable that a
このような構成により、ポンプ11Aのアクチュエータ素子30のサイズを小型化した場合であっても、20kHz以上において、低い周波数でヘルムホルツ共振を発生させやすい。このため、ポンプ11Aのサイズを小型化した場合でも、ポンプ11Aの吸込能力を高めることが可能になる。凹部42は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面とされていてもよい。この場合、拡張部E2への流体の流れがより円滑になりやすくなる。
With such a configuration, even when the size of the
流路板40は、アクチュエータ素子30に対向しない外側の領域が接続部40aとされ、この接続部40aに貫通孔(第2貫通孔)43が形成される。本実施形態では、貫通孔43は、流路板40を平面視した場合、矩形形状を呈しており(図3を参照)、ポンプ11Aの中心側の周縁がアクチュエータ素子30の周縁と重なり、ポンプ11Aの外側の周縁は第1ハウジング部材20Aと距離を置いて位置している。即ち、接続部40aは、貫通孔43が形成された領域を除いた部分で第1流路面41aを含む対向部と接続されている。即ち、接続部40aは、対向部の周囲に配置されている。また、流路板40は、接続部40aによって、貫通孔43が形成された領域を除いた部分で第1ハウジング部材20A(および第2ハウジング部材20B)に接続されている。なお、流路板40は接続部40aが一体に形成された1個の板状の部材であればよい。
The outer region of the
貫通孔43は、流体が流れる流路となる。即ち、貫通孔43は、第1流路面41aに臨む空間E1と、第1流路面41aの反対面を成す第2流路面(第2面)41bに臨む空間E3と連通させる。
The through
貫通孔43は、アクチュエータ素子30と同心円状に等間隔で複数個配置されていてもよい。接続部40aを含む流路板40の材料としては、例えば、樹脂、金属などを用いることができる。
A plurality of through
支持部材50は、配線51a、51bを備える。配線51aと配線51bとは、互いに反対方向に向かって延びている。支持部材50は、アクチュエータ素子30の振動(屈曲運動)を妨げないように、可撓性樹脂シートで形成されていてもよい。また、可撓性樹脂シートは絶縁性を有していてもよい。絶縁性を有する可撓性樹脂シートとしては、例えば、ポリイミドシートを挙げることができる。
The
配線51a、51bは、振動素子36の電極38a、38bと電源(不図示)とを接続する。配線51aと電極38aは、板状圧電体37に形成されたスルーホール52を介して接続される。配線51aと電極38bとが接触しないように、電極38bは、スルーホール52の周囲を避けるように形成されている。配線51bは、電極38bに接続されている。
以上のような構成の本実施形態のポンプ11Aは、次のようにして流体を輸送する。
配線51a、51bを介して、振動素子36の電極38a、38bに電圧を印加する。これにより、振動素子36が振動する。この振動素子36の振動によって、アクチュエータ素子30が振動(屈曲運動)する。
The
A voltage is applied to the
アクチュエータ素子30が振動することによって、流体が第1開孔部21から、アクチュエータ素子30の貫通孔31を流れ、ハウジング20の内部に導入される。流体は、アクチュエータ素子30の第2主面32bと流路板40の第1流路面41aとの間の空間E1を流れる。空間E1の拡張部E2を通った流体は、次いで、流路板40の貫通孔43から、第2流路面41bと第2ハウジング部材20Bの内面20B1との間の空間E3を流れ、第2開孔部22を介して、容器2に供給される。
When the
このような流体の流れによって、空間E1の拡張部E2の流体がヘルムホルツ共振する。このヘルムホルツ共振の周波数と振動素子と動作周波数とが整合することによって、ポンプ11Aの吸込能力を向上させることが可能になる。
Due to such a fluid flow, the fluid in the expanded portion E2 of the space E1 causes Helmholtz resonance. By matching the Helmholtz resonance frequency with the operating frequency of the vibration element, it becomes possible to improve the suction capacity of the
容器2に流体が充填された後、アクチュエータ素子30が振動を停止すると、容器2内に貯留された流体はポンプ11Aに逆流して貫通孔31から排出される。このとき、アクチュエータ素子30は、流体の圧力で支持部材50を突起部(位置規制部)26に向かって押す方向に力を受けることになり、アクチュエータ素子30と流路板40との間隔(空間E1および拡張部E2)は変化しないので流体を急速排気することができる。
After the
ここで、本実施形態のポンプ11Aを備えた流体制御装置1Aにおいて、バルブの不要化による効果について詳細に説明する。
Here, in the
まず、バルブを備える従来の流体制御装置の構成について説明する。従来の流体制御装置、例えば、特許文献1に記載の圧電ポンプは、圧電ポンプの上面がバルブの底面に接合されることにより、バルブが圧電ポンプに接続され、カフがバルブのカフ接続口に装着されることにより、バルブにカフが接続されている。圧電ポンプは、圧電アクチュエータの下面側に吸入孔が設けられた可撓板を有し、圧電アクチュエータの上面側に吐出孔が設けられた蓋板を有する構造となっている。 First, the configuration of a conventional fluid control device including a valve will be described. In a conventional fluid control device, for example, the piezoelectric pump described in Patent Document 1, the top surface of the piezoelectric pump is joined to the bottom surface of the valve, so that the valve is connected to the piezoelectric pump, and the cuff is attached to the cuff connection port of the valve. The cuff is connected to the valve by being connected to the valve. The piezoelectric pump has a structure in which a flexible plate is provided with a suction hole on the bottom side of the piezoelectric actuator, and a cover plate is provided with a discharge hole on the top side of the piezoelectric actuator.
バルブは、圧電ポンプの吐出孔に連通する第1通気孔と、カフの内部空間に連通する第2通気孔と、外部に連通する第3通気孔と、第1の弁座と、第3通気孔の周囲から突出する第2の弁座とを有する弁筐体と、開口部を有する弁筐体に固定されているダイヤフラムと、を備える。ダイヤフラムは、第1通気孔に連通する下バルブ室と、第2通気孔および第3通気孔に連通する上バルブ室とを形成する。 The valve includes a first ventilation hole communicating with the discharge hole of the piezoelectric pump, a second ventilation hole communicating with the internal space of the cuff, a third ventilation hole communicating with the outside, a first valve seat, and a third ventilation hole. The present invention includes a valve housing having a second valve seat protruding from around the pore, and a diaphragm fixed to the valve housing having an opening. The diaphragm forms a lower valve chamber communicating with the first vent hole and an upper valve chamber communicating with the second vent hole and the third vent hole.
このような従来の流体制御装置では、圧電ポンプを駆動させると、第1通気孔を介して下バルブ室に空気が流入し、下バルブ室の圧力が上バルブ室の圧力より高くなり、ダイヤフラムが第2の弁座と接触して第3通気孔を閉塞し、第1の弁座から離間することでダイヤフラムの開口部を介してカフに空気が送出される。一方、圧電ポンプの駆動が停止すると、下バルブ室の圧力が上バルブ室の圧力より低くなり、ダイヤフラムが第2の弁座から離間して第3通気孔を開放し、第1の弁座に接触することでダイヤフラムの開口部を閉塞し、カフの空気が第3通気孔を介して急速に排気される。 In such conventional fluid control devices, when the piezoelectric pump is driven, air flows into the lower valve chamber through the first ventilation hole, the pressure in the lower valve chamber becomes higher than the pressure in the upper valve chamber, and the diaphragm closes. Contact with the second valve seat blocks the third vent hole, and movement away from the first valve seat allows air to be delivered to the cuff through the opening in the diaphragm. On the other hand, when the piezoelectric pump stops driving, the pressure in the lower valve chamber becomes lower than the pressure in the upper valve chamber, and the diaphragm separates from the second valve seat, opens the third vent hole, and passes through the first valve seat. The contact closes the opening in the diaphragm and air in the cuff is rapidly evacuated through the third vent.
図10は、特許文献1に記載の圧電ポンプにおいて、ダイヤフラムの開口部の直径と、下バルブ室の圧力との関係(実線)、および空気流量との関係(破線)を示すグラフである。図10においては、横軸は、ダイヤフラムの開口部の直径(μm)、左縦軸は、下バルブ室の圧力(kPa)、右縦軸は動作時の流量(ml/min)を表す。なお、圧電アクチュエータは、円板状(直径:12mm)とした。圧電アクチュエータと可撓板との距離を10μmとした。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the diameter of the opening of the diaphragm and the pressure in the lower valve chamber (solid line) and the relationship with the air flow rate (dashed line) in the piezoelectric pump described in Patent Document 1. In FIG. 10, the horizontal axis represents the diameter of the opening of the diaphragm (μm), the left vertical axis represents the pressure in the lower valve chamber (kPa), and the right vertical axis represents the flow rate during operation (ml/min). Note that the piezoelectric actuator was disk-shaped (diameter: 12 mm). The distance between the piezoelectric actuator and the flexible plate was 10 μm.
図10のグラフから、従来の流体制御装置では、ダイヤフラムの開口部の直径が大きくなると流量は増加する一方、下バルブ室の圧力が低下している。即ち、従来の流体制御装置において、カフに空気を送出しようとすると、下バルブ室の圧力を上バルブ室の圧力よりも高くする必要があり、下バルブ室の圧力の低下を避けるためには、ダイヤフラムの開口部の直径を大きくすることができず、流量を増加することができないことがわかる。 The graph of FIG. 10 shows that in the conventional fluid control device, as the diameter of the diaphragm opening increases, the flow rate increases, while the pressure in the lower valve chamber decreases. That is, in the conventional fluid control device, when trying to send air to the cuff, it is necessary to make the pressure in the lower valve chamber higher than the pressure in the upper valve chamber, and in order to avoid a drop in the pressure in the lower valve chamber, It can be seen that the diameter of the diaphragm opening cannot be increased and the flow rate cannot be increased.
これは、第1通気孔に連通する下バルブ室と、第2通気孔および第3通気孔に連通する上バルブ室を形成するダイヤフラムを備えるバルブを必要とするためである。仮に、従来の流体制御装置でバルブを削除した場合、カフに圧縮空気を充填した後、圧電ポンプが駆動を停止すると、空気が圧電ポンプ内に逆流し、圧電アクチュエータが可撓板に接近する。その結果、圧電アクチュエータによって吸入孔が閉塞され、排気できなくなる虞がある。そのため、排気用の通気孔を備えるバルブは必要とされ、ダイヤフラムの開口部の直径も大きくできず、流量も増加できない。 This is because a valve is required that includes a diaphragm that forms a lower valve chamber communicating with the first vent and an upper valve chamber communicating with the second and third vents. If the valve is removed in a conventional fluid control device, when the piezoelectric pump stops driving after filling the cuff with compressed air, air flows back into the piezoelectric pump and the piezoelectric actuator approaches the flexible plate. As a result, the piezoelectric actuator may block the suction hole, making it impossible to exhaust the air. Therefore, a valve with an exhaust vent is required, the diameter of the diaphragm opening cannot be increased, and the flow rate cannot be increased.
図7は、第1実施形態の流体制御装置1Aにおいて、第2開孔部22の直径と、容器(タンク)2内の圧力との関係(実線)、およびポンプ11Aの空気流量との関係(破線)を示すグラフである。図7において、横軸は、第2開孔部22の直径(μm)、左縦軸は、ポンプの容器(タンク)内の圧力(kPa)、右縦軸は動作時の空気の流量(ml/min)を表す。なお、アクチュエータ素子30は、円板状(直径:12mm)とした。空間E1の開孔高さ(アクチュエータ素子30の第2主面32bと流路板40の第1流路面41aとの距離)を10μmとした。なお、本実施形態では、従来例のダイヤフラムの開口部は、第2開孔部22に相当する。また、図7によると、第2開孔部の直径を200μm以上にすると圧力及び流量は一定値に収束し、それぞれ高い値となる。
FIG. 7 shows the relationship (solid line) between the diameter of the
図7のグラフから、本実施形態のポンプ11Aを備えた流体制御装置1Aでは、アクチュエータ素子30に貫通孔31を形成することによって、従来の流体制御装置におけるバルブは必要としない。したがって、第2開孔部22の開孔径を広げて流量を増加させることができる。
From the graph of FIG. 7, the
以上のように構成された本実施形態の流体制御装置1Aでは、ポンプ11Aのアクチュエータ素子30が貫通孔31を有し、流路板40がアクチュエータ素子30の第2主面32bと空間E1を介して対向する第1面を含む対向部と、対向部と接続され、貫通孔43を有する接続部とを有する。また、流路板40の接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材20Aを有し、支持部材50がアクチュエータ素子30を第1ハウジング部材20Aの内側で支持している。
In the
また、本実施形態の流体制御装置1Aでは、ポンプ11Aのアクチュエータ素子30を支持する支持部材50のアクチュエータ素子30と接合される面とは反対面と、第3ハウジング部材20Cの突起部(位置規制部)26とが接し、かつ貫通孔31が第3ハウジング部材20Cの第1開孔部21と対向する位置に配置されている。
In addition, in the
このような構成を有するポンプ11Aは、アクチュエータ素子30が振動する際、流路板40に近接または離間する貫通孔31近傍のアクチュエータ素子30の中心付近と、この中心付近とは逆位相で流路板40に離間または近接するアクチュエータ素子30の周縁付近が弁として機能する。即ち、アクチュエータ素子30の中心付近と周縁付近がアクチュエータ素子30の共振振動に連動して機能する弁構造をなしている。これにより、可聴帯域以上(20kHz以上)の高い振動速度においても確実に作用する弁開閉機能を有することから、高いポンプ能力を発揮することができる。
In the
また、このような構成を有するポンプ11Aは、ポンプ11A内の圧力が上昇しても、この圧力上昇によって貫通孔31が塞がれることが無いため、ポンプ11Aにより容器(タンク)2内への流体の貯留及び容器(タンク)2内の流体の吐出が可能となる。即ち、本実施形態の流体制御装置1Aは、バルブを不要にできることから、小型化、低コスト化及び高性能化を図ることができる。
In addition, in the
さらに、このような構成を有する流体制御装置1Aは、バルブを設ける必要がないので第2開孔部22の開孔径は制限を受けることなく大きくすることができる。その結果、高圧で大きな流量を発生する流体制御装置を実現することが可能になる。
Furthermore, since the
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係る流体制御装置の断面図である。
なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成には同一の番号を付し、重複する説明を省略する。
第2実施形態に係る流体制御装置1Bを構成するポンプ11Bは、ハウジング20の内部に形成されたアクチュエータ素子60を有する。
(Second embodiment)
FIG. 8 is a sectional view of the fluid control device according to the second embodiment.
In addition, in the following description, the same numbers are attached to the same components as in the first embodiment described above, and redundant description will be omitted.
A
本実施形態のアクチュエータ素子60は、弾性基板(基板)65と、この弾性基板65の表面(下側の表面)に配置された振動素子66とから構成されている。弾性基板65は、振動素子66の振動による屈曲振動が可能で、振動素子66の振動エネルギーを減衰させにくい材料から構成されていると好ましく、弾性基板65の材料としては、例えば、シリコン、鉄、リン青銅などを用いることができる。振動素子66は、薄膜状圧電体67と、この薄膜状圧電体67の上下の表面に配置された電極68a、68bとを含む圧電振動子とされている。なお、振動素子66は、圧電振動子を2個以上積層した圧電振動子積層体であってもよい。
The
このようなアクチュエータ素子60では、振動素子66の表面(下側の表面)が第1主面62a、その反対側の表面である弾性基板65の表面(上側の表面)が第2主面62bを成す。
In such an
アクチュエータ素子60には、第1主面62aと第2主面62bとの間を貫通する貫通孔(第1貫通孔)61が形成されている。この貫通孔61は、振動素子66に形成された第1開孔領域65Aと、この第1開孔領域65Aに連なり、弾性基板65に形成された第2開孔領域65Bとから構成されている。
A through hole (first through hole) 61 is formed in the
このような貫通孔61は、振動素子66に形成された第1開孔領域65Aの開孔径が、弾性基板65に形成された第2開孔領域65Bの開孔径よりも大きくなるように形成されている。
また、第1開孔領域65Aの中心軸と、第2開孔領域65Bの中心軸とは、同一軸S上にあるように形成されている。
Such a through
Further, the central axis of the
なお、本実施形態のように、第1開孔領域65Aおよび第2開孔領域65Bが、断面円形の孔である場合、開孔径は直径で良いが、第1開孔領域、第2開孔領域65Bが、断面矩形や断面多角形の孔である場合、開孔径としては、最大直径(開孔最大径)であればよい。
Note that when the
本実施形態のように、アクチュエータ素子60を弾性基板65と振動素子66とを接合したものから構成しても、第1実施形態のポンプと同様に、可聴帯域以上(20kHz以上)の高い振動速度においても確実に作用する弁開閉機能を有することから、高いポンプ能力を発揮することができる。また、容器(タンク)2内への流体の貯留及び容器(タンク)2内の流体の吐出が可能なポンプ11Cを実現でき、バルブを不要にできることから、小型化、低コスト化及び高性能化を図ることができる。さらに、バルブを設ける必要がないので第2開孔部22の開孔径は制限を受けることなく大きくすることができ、高圧で大きな流量を発生する流体制御装置を実現することが可能になる。
Even if the
本実施形態のように、アクチュエータ素子60を振動素子66と弾性基板65とを接合したものから構成することによって、振動素子66として厚みの薄い薄膜状圧電体67を用いても、アクチュエータ素子60の物理的な強度を維持できる。また、薄膜状圧電体67を用いることにより、高周波振動に対応することができ、より効率的にアクチュエータ素子60を駆動させることができる。
By configuring the
また、本実施形態のように、振動素子66に形成された第1開孔領域65Aの開孔径を、弾性基板65に形成された第2開孔領域65Bの開孔径よりも大きくすることにより、互いに同一開孔径に形成する場合と比較して、振動素子66が弾性基板65に確実に固着されることから、信頼性を向上することができる。
Furthermore, as in the present embodiment, by making the opening diameter of the
また、アクチュエータ素子60において、吸入時の吸入側となる第1開孔領域65Aの開孔径を、第2開孔領域65Bの開孔径よりも大きくすることによって、流体が吸入方向に流れた場合に比べ、流体が逆流するときの流体抵抗を大きくすることができる。これによりポンプ性能を向上することができる。
Furthermore, in the
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係る流体制御装置の断面図である。
なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成には同一の番号を付し、重複する説明を省略する。
第3実施形態に係る流体制御装置1Cを構成するポンプ11Cは、ハウジング20の内部に形成されたアクチュエータ素子70を有する。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a sectional view of a fluid control device according to a third embodiment.
In addition, in the following description, the same numbers are attached to the same components as in the first embodiment described above, and redundant description will be omitted.
A
本実施形態のアクチュエータ素子70は、弾性基板(基板)75と、この弾性基板75の表面(上側の表面)に配置された振動素子76とから構成されている。弾性基板65は、振動素子76の振動による屈曲振動が可能で、振動素子76の振動エネルギーを減衰させにくい導電性材料から構成されていると好ましく、弾性基板75の材料としては、例えば、鉄、リン青銅などを用いることができる。振動素子76は、薄膜状圧電体77と、この薄膜状圧電体77の上下の表面に配置された電極78a、78bとを含む圧電振動子とされている。なお、本実施形態では、振動素子76の一方の電極78bは、導電性材料から構成される弾性基板75を介して配線51aに接続されている。
The
このようなアクチュエータ素子70では、弾性基板75の一方の表面(下側の表面)が第1主面72a、その反対側の表面である振動素子76の表面(上側の表面)が第2主面72bを成す。即ち、第2実施形態のアクチュエータ素子とは、弾性基板と振動素子との形成位置が逆になる構成となっている。
In such an
アクチュエータ素子70には、第1主面72aと第2主面72bとの間を貫通する貫通孔(第1貫通孔)71が形成されている。この貫通孔71は、振動素子76に形成された第1開孔領域75Aと、この第1開孔領域75Aに連なり、弾性基板75に形成された第2開孔領域75Bとから構成されている。
A through hole (first through hole) 71 is formed in the
本実施形態では、第1開孔領域75Aの開孔径と、弾性基板75に形成された第2開孔領域75Bの開孔径とは同一の大きさに形成されている。また、第1開孔領域75Aの中心軸と、第2開孔領域75Bの中心軸とは、同一軸S上にあるように形成されている。
In this embodiment, the opening diameter of the
本実施形態のように、アクチュエータ素子70を弾性基板75と振動素子76とを接合したものから構成し、振動素子76が流路板40の第1流路面41aに対向する位置にしても、第1実施形態のポンプと同様に、可聴帯域以上(20kHz以上)の高い振動速度においても確実に作用する弁開閉機能を有することから、高いポンプ能力を発揮することができる。また、容器(タンク)2内への流体の貯留及び容器(タンク)2内の流体の吐出が可能なポンプ11Cを実現でき、バルブを不要にできることから、小型化、低コスト化及び高性能化を図ることができる。さらに、バルブを設ける必要がないので第2開孔部22の開孔径は制限を受けることなく大きくすることができ、高圧で大きな流量を発生する流体制御装置を実現することが可能になる。
As in this embodiment, even if the
(構成例)
一構成例として、ポンプでは、互いに対向する第1主面と第2主面とを有し、該第1主面と該第2主面との間を貫通する第1貫通孔を有するアクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の前記第2主面と空間を介して対向する第1面を含む対向部と、前記対向部と接続され、第2貫通孔を有する接続部とを有する第1板と、前記接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材と、前記アクチュエータ素子と前記第1ハウジング部材とを接続し、前記アクチュエータ素子を前記第1ハウジング部材の内側で支持する支持部材と、を有している。
(Configuration example)
As one configuration example, in a pump, an actuator element has a first main surface and a second main surface facing each other, and has a first through hole penetrating between the first main surface and the second main surface. a first plate having a facing portion including a first surface facing the second main surface of the actuator element with a space therebetween; and a connecting portion connected to the facing portion and having a second through hole; A cylindrical first housing member connected to the connecting portion, and a support member connecting the actuator element and the first housing member and supporting the actuator element inside the first housing member. are doing.
一構成例として、前記第1貫通孔は、前記アクチュエータ素子の中心に位置していてもよい。 In one configuration example, the first through hole may be located at the center of the actuator element.
一構成例として、前記アクチュエータ素子は、前記第2主面を構成する基板と、前記第1主面を構成し、前記基板に接合される振動素子と、を有していてもよい。 As one configuration example, the actuator element may include a substrate forming the second main surface, and a vibration element forming the first main surface and bonded to the substrate.
一構成例として、前記第1貫通孔は、前記振動素子が有する第1開孔領域と、該第1開孔領域に連なり、前記基板が有する第2開孔領域とからなっていてもよい。 As one configuration example, the first through hole may include a first aperture region of the vibrating element and a second aperture region of the substrate that is continuous with the first aperture region.
一構成例として、前記第1開孔領域の開孔径は、前記第2開孔領域の開孔径よりも大きくてもよい。 As one configuration example, the aperture diameter of the first aperture region may be larger than the aperture diameter of the second aperture region.
一構成例として、前記第1開孔領域の中心軸と、前記第2開孔領域の中心軸とは、同一軸上にあってもよい。 As one configuration example, the central axis of the first aperture region and the central axis of the second aperture region may be on the same axis.
一構成例として、前記支持部材は、前記第1板から前記支持部材を平面視した時に、前記アクチュエータ素子と前記第1ハウジング部材との間の領域の全面を覆うように配されていてもよい。 As one configuration example, the support member may be arranged so as to cover the entire area between the actuator element and the first housing member when the support member is viewed from the first plate. .
一構成例として、前記第1ハウジング部材に接続され、前記第1板の前記第1面の反対面を成す第2面に対向するように広がる内面を有する第2ハウジング部材を備え、該第2ハウジング部材は、前記内面とその反対面との間を貫通する開孔を有していてもよい。 As one configuration example, the second housing member is connected to the first housing member and has an inner surface that extends to face a second surface opposite to the first surface of the first plate, The housing member may have an aperture extending between the inner surface and the opposite surface.
一構成例として、流体制御装置では、上記のポンプを有する流体制御装置であって、前記開孔を介して流体が流出入される容器を備えていてもよい。 As one configuration example, the fluid control device may include the above-mentioned pump, and may include a container into which fluid flows in and out through the opening.
以上、本開示に係る技術の一実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although one embodiment of the technology according to the present disclosure has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1A,1B,1C,1D 流体制御装置
2 容器(タンク)
11A,11B,11C,11D ポンプ
20 ハウジング
20A 第1ハウジング部材
20B 第2ハウジング部材
20C 第3ハウジング部材
21 第1開孔部(開孔)
22 第2開孔部
26 突起部(位置規制部)
30 アクチュエータ素子
31 貫通孔(第1貫通孔)
32a 第1主面
32b 第2主面
36 振動素子
37 板状圧電体
38a、38b 電極
40 流路板
41a 第1流路面
41b 第2流路面
42 凹部
43 貫通孔(第2貫通孔)
50 支持部材
51a、51b 配線
E1 空間
E2 拡張部
1A, 1B, 1C, 1D
11A, 11B, 11C,
22
30
32a First
50
Claims (9)
前記アクチュエータ素子の前記第2主面と空間を介して対向する第1面を含む対向部と、前記対向部と接続され、第2貫通孔を有する接続部とを有する第1板と、
前記接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材と、
前記アクチュエータ素子と前記第1ハウジング部材とを接続し、前記アクチュエータ素子を前記第1ハウジング部材の内側で支持する支持部材と、
を有することを特徴とするポンプ。 an actuator element having a first main surface and a second main surface facing each other, and a first through hole penetrating between the first main surface and the second main surface;
a first plate having a facing portion including a first surface facing the second main surface of the actuator element with a space therebetween; and a connecting portion connected to the facing portion and having a second through hole;
a cylindrical first housing member connected to the connecting portion;
a support member that connects the actuator element and the first housing member and supports the actuator element inside the first housing member;
A pump characterized by having.
該第2ハウジング部材は、前記内面とその反対面との間を貫通する開孔を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のポンプ。 a second housing member connected to the first housing member and having an inner surface that extends to face a second surface opposite to the first surface of the first plate;
8. A pump according to any one of claims 1 to 7, wherein the second housing member has an aperture extending between the inner surface and the opposite surface.
前記開孔を介して流体が流出入される容器を備えたことを特徴とする流体制御装置。 A fluid control device comprising the pump according to claim 8,
A fluid control device comprising a container into which fluid flows in and out through the opening.
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