JP2023126990A - ポンプ及び流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても吸込能力が低下しにくい構成のポンプ及び流体制御装置を提供する。【解決手段】流体制御装置１０１ａ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７０とを備える。ポンプ１１ａは、アクチュエータ素子３０と、前記アクチュエータ素子３０の少なくとも一つの主面３２ａに面する内部空間１と、を備え、前記内部空間１は、前記主面３２ａに対して垂直な方向の断面積が拡張された拡張部２を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、ポンプ及び流体制御装置に関する。

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が知られている。この流体制御装置は、例えば、血圧計として利用されている（特許文献１）。

上記の小型ポンプでは、アクチュエータ素子の振動（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。上記の小型ポンプで使用されるアクチュエータ素子では、使用時の音の発生を考慮して、共振周波数が人の可聴帯域以上（２０ｋＨｚ以上）のものが広く利用されている。

国際公開第２０１６／０６３７１０号

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。このため、アクチュエータ素子やポンプのハウジングのさらなる小型化が検討されている。しかしながら、本開示の発明者の検討によると、アクチュエータ素子やハウジングを小型にすると、アクチュエータ素子の変位が小さくなり、ポンプの吸込能力などの特性が低下することがあることが判明した。

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、小型化しても吸込能力が低下しにくい構成のポンプ及び流体制御装置を提供することにある。

本開示の一態様では、ポンプは、アクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の少なくとも一つの主面に面する内部空間と、を備え、前記内部空間は、前記主面に対して垂直な方向の断面積が拡張された拡張部を含む。

本開示に係る技術によれば、小型化しても吸込能力が低下しにくい構成のポンプ及び流体制御装置を提供することができる。

第１実施形態に係る流体制御装置の斜視図である。 図１のII－II線断面図である。 図２のIII－III線断面図である。 図２のIV－IV線断面図である。 図２のＶ－Ｖ線断面図である。 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。 （ａ）は、第１実施形態の流体制御装置において、拡張部のサイズを変えたときの、ポンプの発生空気圧の周波数応答特性を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）における周波数が２２ｋＨｚ～２６ｋＨｚの範囲を拡大したグラフである。 第１実施形態に係る流体制御装置の変形例を示す断面図である。 図８のIX－IX線断面図である。 第１実施形態に係る流体制御装置の別の変形例を示す断面図である。 第１実施形態に係る流体制御装置の更に別の変形例を示す断面図である。 図１１のXII－XII線断面図である。 第１実施形態に係る流体制御装置の更に別の変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係るポンプの斜視図である。 図１４のXV－XV線断面図である。 第２実施形態に係るポンプで用いられるアクチュエータ素子の支持部材の斜視図である。 第２実施形態に係るポンプの変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係るポンプの別の変形例を示す断面図である。 第２実施形態に係るポンプの更に別の変形例を示す断面図である。 第３実施形態に係る流体制御装置の断面図である。 （ａ）は図２０のＡ－Ａ線断面図であって、（ｂ）は図２０のＢ－Ｂ線断面図であり、（ｃ）は図２０のＣ－Ｃ線断面図である。

以下、本開示に係る技術の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である構成部分については、図面中に同一の符号を付して、重複した説明を省略又は簡略にする場合がある。また、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするため便宜上特徴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は実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本開示はそれらに限定されるものではなく、本開示の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。一つの実施形態で示した構成を他の実施形態に適用することもできる。

［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。

第１実施形態に係る流体制御装置１０１ａは、図１～図５に示すように、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７０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４０（第１板）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。

ハウジング２０は、第１開孔部２１と第２開孔部２２とを有する。流体を容器７０に貯留する場合において、第１開孔部２１は流体導入口となり、第２開孔部２２は流体吐出口となる。容器７０に貯留された流体を外部に放出する場合において、第１開孔部２１は流体吐出口となり、第２開孔部２２は流体導入口となる。ハウジング２０は、第２開孔部２２を有する有底角筒状体である第１部材２３と、角筒状体である第２部材２４と、第１開孔部２１を有する有底角筒状体である第３部材２５とから構成されている。第３部材２５は、第１開孔部２１の周囲に円環状に配置され、内側に突出した突起部２６を有する。なお、本実施形態では、突起部２６は、第３部材２５が備える構成として、第３部材２５と一体的に形成されているが、突起部２６は、第３部材２５とは別部材で構成されていても構わない。

ハウジング２０の第１部材２３と第２部材２４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２部材２４と第３部材２５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２部材２４と第３部材２５とで挟持されている。これにより支持部材５０はハウジング２０に固定される。ただし、流路板４０及び支持部材５０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の内壁に接着剤を用いて固定してもよい。

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ができる。

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以上であることが好ましい。

アクチュエータ素子３０は、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。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。ただし、アクチュエータ素子３０の形状はこれ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、角板状であってもよい。ただし、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。

アクチュエータ素子３０は、弾性基板（基板）３５と、弾性基板３５の表面（下側の表面）に配置された振動素子３６とを含む構成であってもよい。弾性基板３５は、振動素子３６の振動による屈曲振動が可能で、振動素子３６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３５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。圧電振動子としては、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系圧電振動子を用いることができる。圧電振動子は、バルクタイプであってもよいし、薄膜タイプであってもよい。振動素子３６は、弾性基板３５の表面に２個以上積層してもよい。振動素子３６は、弾性基板３５の上下の両側表面に配置してもよい。また、圧電振動子の代わりに、電歪振動子を用いてもよい。さらに、アクチュエータ素子３０は、弾性基板３５を含まなくてもよく、例えば、分極方向を互いに逆向きとした圧電振動子を２個積層した圧電振動子積層体であってもよい。

アクチュエータ素子３０は、第１主面３２ａ（板状圧電体３７側の表面）が支持部材５０を介して、ハウジング２０の突起部２６に接続し、かつ貫通孔３１がハウジング２０の第１開孔部２１と連通する位置に配置されている。本実施形態では、アクチュエータ素子３０が振動するときのノード（節）部Ｎが突起部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（図６を参照）。すなわち、突起部２６は、アクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときに生じるノード部Ｎよりもアクチュエータ素子３０の中心寄りの位置において、アクチュエータ素子３０に対して接続されている。なお、図６では、支持部材５０を省略している。以下、本実施形態において、ハウジング２０の第１開孔部２１側のアクチュエータ素子３０の表面を第１主面３２ａと呼び、その反対側の表面を第２主面３２ｂと呼ぶことがある。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側の表面で、第２主面３２ｂは、弾性基板３５側の表面とされているが、これに限定されるものではない。弾性基板３５側の表面を第１主面３２ａとし、板状圧電体３７側の表面を第２主面３２ｂとしてもよい。

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、内部空間１を介して配置されている。内部空間１は、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに面する空間であって、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに沿って中心から外側に向かって広がっており、ハウジング２０の内部に導入された流体の流路となる。すなわち、内部空間１は、アクチュエータ素子３０が振動することによって、流体が流れる流路である。流路板４０は、アクチュエータ素子３０側の表面４１に窪み部４２（凹部）を有する。窪み部４２は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１を中心とした円環状（ドーナツ状）に形成されている。この窪み部４２によって、内部空間１は、アクチュエータ素子３０の外周端部よりも内側の領域に、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに対して垂直な方向で、かつアクチュエータ素子３０の外周端部に沿った方向に断面積が拡張された拡張部２が形成される。ハウジング２０の内部に導入された流体は、拡張部２を横切る方向に流れる。すなわち、拡張部２は、拡張部の高さｈ２（アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂと流路板４０の窪み部４２との距離）を、内部空間１の開口高さｈ１（アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂと流路板４０との距離）よりも高くすることによって、流体が流れる方向に対して垂直な方向に断面積が拡張されている。窪み部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２への流体の流れがより円滑になりやすくなる。窪み部４２の内半径は貫通孔３１の半径よりも大きく、窪み部４２の外半径は突起部２６の半径以下であると好ましい。本実施形態では、窪み部４２の外半径は突起部２６の半径と一致している。すなわち、窪み部４２の外縁は、突起部２６に対向している。

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に貫通孔４３を有する。貫通孔４３は、流体が流れる流路となる。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。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。

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の幅方向（配線５１ａと配線５１ｂとが延びる方向に対して垂直となる方向）の長さは、ハウジング２０の長さと同じとされていて、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂ全体が支持部材５０に固定されている。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用いることができる。

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を介して接続する。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の周囲が削られている。配線５１ｂは、電極３８ｂに接続する。

以上のような構成とされたポンプ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に動作周波数の電圧を印加する。これにより、振動素子３６が振動する。この振動素子３６が振動すると、弾性基板３５を含むアクチュエータ素子３０が振動（屈曲運動）する。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と流路板４０との間の内部空間１を、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに沿って流れる。内部空間１の拡張部２を通った流体は、次いで、流路板４０の貫通孔４３を流れ、第２開孔部２２を介して、容器７０に供給される。この流体の流れによって、内部空間１の拡張部２を横切る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３６と動作周波数とが整合することによって、ポンプ１１ａの吸込能力が向上する。

図７（ａ）は、第１実施形態の流体制御装置１０１ａにおいて、拡張部２のサイズを変えたときの、ポンプの発生空気圧の周波数応答特性を示すグラフである。図７（ａ）において、横軸は、周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ｋＨｚ））を表し、縦軸は、ポンプの空気の吸込圧力（Ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｋＰａ））を表す。なお、吸込圧力は、シミュレーションによって算出した値である。
シミュレーションに際して、アクチュエータ素子３０は、円板状（直径：６ｍｍ）とした。また、アクチュエータ素子３０の共振周波数（固有振動数）は２１ｋＨｚとした。内部空間１の開口高さｈ１（アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂと流路板４０との距離）を５８．５μｍとし、拡張部２の開口高さｈ２（アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂと流路板４０の窪み部４２との距離）は、２２５μｍ（１６６．５μｍ）、２００μｍ（１４１．５μｍ）、１７５μｍ（１１６．５μｍ）、１５０μｍ（９１．５μｍ）、１２５μｍ（６６．５μｍ）、１００μｍ（４１．５μｍ）、５８．５μｍ（０μｍ）とした。なお、括弧内の数値は、拡張部２の開口高さｈ２と内部空間１の開口高さｈ１との差（ｈ２－ｈ１）である。

図７（ａ）のグラフから、拡張部２の開口高さｈ２（即ち、流体が流れる方向に対して垂直な方向の断面積）を変えることによって、ヘルムホルツ共振の周波数が変動することがわかる。この結果から、ポンプ１１ａのサイズを小型化した場合であっても、拡張部２のサイズを変えることによって、ヘルムホルツ共振を利用することでアクチュエータ素子の動作周波数や電源の仕様（印加電圧）を変更せずにポンプ１１ａの吸込能力を高くすることができることがわかる。ここで、アクチュエータ素子３０の動作周波数は、アクチュエータ素子３０の共振周波数（固有振動数）とヘルムホルツ共振の共振周波数との間に設定することが好ましい。図７（ｂ）は、図７（ａ）における周波数が２２ｋＨｚ～２６ｋＨｚの範囲を拡大したグラフである。図７（ｂ）に示すように、例えばアクチュエータ素子３０の動作周波数を２３ｋＨｚ近傍に設定すると、拡張部２のサイズを変えることによって、ポンプの空気の吸込圧力が変化する。

以上のように構成された本実施形態の流体制御装置１０１ａでは、ポンプ１１ａのアクチュエータ素子３０は、第１主面３２ａが支持部材５０を介してハウジング２０の突起部２６に接続し、かつ貫通孔３１がハウジング２０の第１開孔部２１と対向する位置に配置され、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、内部空間１を介して配置されている。また、流路板４０は、アクチュエータ素子３０側の表面４１に窪み部４２が設けられていて、内部空間１は、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに対して垂直な方向、すなわち流体が流れる方向に対して垂直な方向に断面積が拡張された拡張部２を含む。このような構成を有するポンプ１１ａは、ポンプ１１ａのハウジング２０や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、可聴帯域以上（２０ｋＨｚ以上）において、ヘルムホルツ共振周波数を低くできる。このため、ポンプ１１ａのサイズを小型化した場合でも、ヘルムホルツ共振を利用することでアクチュエータ素子の動作周波数や電源の仕様を変更せずにポンプ１１ａの吸込能力を高くすることができる。

流体制御装置１０１ａでは、内部空間１の拡張部２を形成する凹部が、流路板４０に設けられた窪み部４２によって形成されている。ただし、凹部の位置は、これに限定されるものではない。凹部は、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに設けてもよいし、流路板４０とアクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂの両方に設けてもよい。また、窪み部４２の代わりに、拡張部２を形成する領域以外の領域に突起部を設けることよって、拡張部２を形成する領域が相対的に凹部となるようにしてもよい。凹部は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１の外側からアクチュエータ素子３０の外周端部までの拡張部２に対応する範囲の領域に設けてもよいし、この範囲に対向する流路板４０のアクチュエータ素子３０側の表面４１の領域に設けてもよい。凹部をこの位置に形成することによって、ヘルムホルツ共振を２０ｋＨｚ以上において、低い共振周波数でより発生させやすくなる。

図８は、第１実施形態に係る流体制御装置の変形例を示す断面図であり、流体制御装置を図２と同じ方向で切断した断面図である。図９は、図８のIX－IX線断面図である。
図８及び図９に示す流体制御装置１０１ｂは、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂ（弾性基板３５の表面）に窪み部３３が設けられている点で、流体制御装置１０１ａと相違する。流体制御装置１０１ｂによれば、第１実施形態に係る流体制御装置１０１ａと同様の効果を得ることができる。

図１０は、第１実施形態に係る流体制御装置の別の変形例を示す断面図であり、流体制御装置を図２と同じ方向で切断した断面図である。
図１０に示す流体制御装置１０１ｃは、流路板４０に窪み部４２が設けられ、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに窪み部３３が設けられている点で、流体制御装置１０１ａと相違する。流路板４０とアクチュエータ素子３０の両方に窪み部を設けることによって、流路板４０とアクチュエータ素子３０のそれぞれに設ける窪み部の深さを浅くすることができる。このため、流体制御装置１０１ｃによれば、第１実施形態に係る流体制御装置１０１ａと同様の効果を得ることができる。

図１１は、第１実施形態に係る流体制御装置の更に別の変形例を示す断面図であり、流体制御装置を図２と同じ方向で切断した断面図である。図１２は、図１１のXII－XII線断面図である。
図１１及び図１２に示す流体制御装置１０１ｄは、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂ（弾性基板３５の表面）に第１突起部３４ａと第２突起部３４ｂが設けられている点で、流体制御装置１０１ａと相違する。第１突起部３４ａは、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１の周囲に設けられている。第２突起部３４ｂは、アクチュエータ素子３０の外周端部の周囲に設けられている。第１突起部３４ａと第２突起部３４ｂとが設けられていない第２主面３２ｂの領域は、相対的に凹部となる。このため、流体制御装置１０１ｄによれば、第１実施形態に係る流体制御装置１０１ａと同様の効果を得ることができる。

図１３は、第１実施形態に係る流体制御装置の更に別の変形例を示す断面図である。
図１３に示す流体制御装置１０１ｅは、支持部材５０を介して接続するハウジング２０の突起部２６とアクチュエータ素子３０の接続位置が、アクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときのノード部Ｎの外側の位置とされ、流路板４０に設けられている窪み部４２が円形状とされている点で、流体制御装置１０１ａと相違する。突起部２６がノード部Ｎの外側に位置する場合、アクチュエータ素子３０の振動は、突起部２６と接続する位置より内側の部分の方が外側の部分よりも大きくなる。よって、流体制御装置１０１ｅでは、流路板４０の窪み部４２は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１と対向する部分も含めて凹状とされている。このため、流体制御装置１０１ｅによれば、第１実施形態に係る流体制御装置１０１ａと同様の効果を得ることができる。なお、流体制御装置１０１ｅにおいて、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１に対向する部分の流路板４０の窪み部４２は、アクチュエータ素子３０の外周縁の表面に対して低くなっていればよく、窪み部４２のその他の部分と平面とする必要はない。言い換えれば、流路板４０の窪み部４２は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１に対向する部分を中央とした円環状（ドーナツ状）であって、円環状の外側部分よりも、中央がやや深さが浅い形状であってもよい。

支持部材５０を介して接続するハウジング２０の突起部２６とアクチュエータ素子３０の接続位置が、アクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときのノード部Ｎの内側の位置とされている場合、アクチュエータ素子３０の振動は、突起部２６と接続する位置より内側の部分と外側の部分とでほぼ同じとすることができる。したがって、この場合、流路板４０の窪み部４２は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１に対向する部分の中央とした円環状（ドーナツ状）であって、中央の高さとアクチュエータ素子の外周縁の高さとが同じ形状とすることができる。

なお、本変形例では、支持部材５０を介して接続するハウジング２０の突起部２６とアクチュエータ素子３０の接続位置が、アクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときのノード部Ｎの外側の位置とされているが、ノード部Ｎの位置であってもよい。

第１実施形態およびその変形例に係る流体制御装置１０１ａ～１０１ｅのポンプ１１ａ～１１ｅでは、アクチュエータ素子３０の第１主面３２ａが支持部材５０を介してハウジング２０の突起部２６に接続しているが、ポンプの構成はこれに限定されるものではない。例えば、アクチュエータ素子３０がハウジング２０と接触しないように支持部材によって支持されていてもよい。

［第２実施形態］
図１４は、第２実施形態に係るポンプの斜視図である。図１５は、図１４のXV－XV線断面図である。図１６は、第２実施形態に係る流体制御装置で用いられるアクチュエータ素子とその支持部材の斜視図である。

第２実施形態に係るポンプ１２ａは、図１４～図１６に示すように、ハウジング２０’と、アクチュエータ素子３０’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。

ハウジング２０’は、第１開孔部２１と第２開孔部２２とを有する。第１開孔部２１は流体導入口であり、第２開孔部２２は流体吐出口である。ハウジング２０’は、第２開孔部２２を有する有底角筒状体である第４部材２７と、第１開孔部２１を有する有底角筒状体である第５部材２８とから構成されている。

ハウジング２０’の第４部材２７と第５部材２８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４部材２７と第５部材２８とで挟持されている。これにより支持部材５０’はハウジング２０に固定される。支持部材５０’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。

第４部材２７は、第１実施形態の流体制御装置１０１ａの第１部材２３と同様の構成とすることができる。第５部材２８は、第１開孔部２１の周囲に窪み部２９が設けられていること以外は、第１実施形態の流体制御装置１０１ａの第３部材２５と同様の構成とすることができる。窪み部２９は、第１開孔部２１を中心とした円環状（ドーナツ状）に形成されている。窪み部２９は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面とされていてもよい。

アクチュエータ素子３０’は、貫通孔３１を有しないこと以外は、第１実施形態の流体制御装置１０１ａのアクチュエータ素子３０と同様の構成とすることができる。

アクチュエータ素子３０’は、弾性基板３５がハウジング２０’の第１開孔部２１と対向する位置に内部空間１を介して配置されている。以下、本実施形態において、ハウジング２０の第１開孔部２１に対向する側のアクチュエータ素子３０’の表面を第１主面３２ａと呼び、その反対側の表面を第２主面３２ｂと呼ぶことがある。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、弾性基板３５側の表面で、第２主面３２ｂは、板状圧電体３７側の表面とされているが、これに限定されるものではない。板状圧電体３７側の表面を第１主面３２ａとし、弾性基板３５側の表面を第２主面３２ｂとしてもよい。

内部空間１は、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａに面する空間であって、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａに沿って中心から外側に向かって広がっており、ハウジング２０’の内部に導入された流体の流路となる。すなわち、内部空間１は、アクチュエータ素子３０’が振動することによって、流体が流れる流路である。第５部材２８に設けられている窪み部２９によって、内部空間１に、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２が形成される。

支持部材５０’は、幅方向（配線５１ａと配線５１ｂとが延びる方向に対して垂直となる方向）の長さが、アクチュエータ素子３０の直径よりも小さい帯状とされていること以外は、第１実施形態の流体制御装置１０１ａの支持部材５０と同様の構成とされている。

以上のような構成とされたポンプ１２ａ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が振動すると、弾性基板３５を含むアクチュエータ素子３０’が振動する。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、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’と第５部材２８との間の内部空間１を、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａに沿って流れる。内部空間１の拡張部２を通った流体は、次いで、第２開孔部２２から吐出される。この流体の流れによって、内部空間１の拡張部２を横切る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１２ａの吸込能力が向上する。

以上のように構成された本実施形態のポンプ１２ａでは、アクチュエータ素子３０’は、第１主面３２ａがハウジング２０’の第１開孔部２１と対向する位置に内部空間１を介して配置されている。また、ハウジング２０’の第５部材２８のアクチュエータ素子３０’側の表面に窪み部２９が設けられていて、内部空間１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２を含む。このような構成を有するポンプ１２ａは、ポンプ１２ａのハウジング２０’や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１２ａのサイズを小型化した場合でも、ポンプ１２ａの吸込能力を高くすることができる。

ポンプ１２ａでは、内部空間１の拡張部２を形成する凹部が、ハウジング２０’の第５部材２８に設けられた窪み部２９によって形成されている。ただし、凹部の位置は、これに限定されるものではない。凹部は、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａに設けてもよいし、ハウジング２０’の第５部材２８とアクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａの両方に設けてもよい。また、窪み部２９の代わりに、拡張部２を形成する領域以外の領域に突起部を設けることよって、拡張部２を形成する領域が相対的に凹部となるようにしてもよい。凹部は、アクチュエータ素子３０の貫通孔３１の外側からアクチュエータ素子３０’の外周端部までの拡張部２に対応する範囲の領域に設けてもよいし、この範囲に対向する第５部材２８のアクチュエータ素子３０側の表面の領域に設けてもよい。凹部をこの位置に形成することによって、ヘルムホルツ共振を２０ｋＨｚ以上において、低い共振周波数でより発生させやすくなる。なお、窪み部２９の内半径は第１開孔部２１の半径よりも大きく、窪み部２９の外半径はアクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときに生じるノード部の半径以下であると好ましい。本実施形態では、窪み部２９の外半径はノード部の半径と一致している。すなわち、窪み部２９の外縁は、アクチュエータ素子３０が固有振動数で振動するときに生じるノード部と対向している。

図１７は、第２実施形態に係るポンプの変形例を示す断面図であり、ポンプを図１５と同じ方向で切断した断面図である。
図１７に示すポンプ１２ｂは、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａ（弾性基板３５の表面）に窪み部３３が設けられている点で、ポンプ１２ａと相違する。ポンプ１２ｂによれば、第２実施形態に係るポンプ１２ａと同様の効果を得ることができる。

図１８は、第２実施形態に係るポンプの別の変形例を示す断面図であり、ポンプを図１５と同じ方向で切断した断面図である。
図１８に示すポンプ１２ｃは、ハウジング２０’の第５部材２８に窪み部２９が設けられ、アクチュエータ素子３０の第１主面３２ａに窪み部３３が設けられている点で、ポンプ１２ａと相違する。ハウジング２０’の第５部材２８とアクチュエータ素子３０の両方に窪み部を設けることによって、ハウジング２０’の第５部材２８とアクチュエータ素子３０’のそれぞれに設ける窪み部の深さを浅くすることができる。このため、ポンプ１２ｃによれば、第２実施形態に係るポンプ１２ａと同様の効果と共に、窪み部を設けることによるハウジング２０’の第５部材２８とアクチュエータ素子３０’の強度の低下を抑えることができる。

図１９は、第１実施形態に係るポンプの別の変形例を示す断面図であり、ポンプを図１５と同じ方向で切断した断面図である。
図１９に示すポンプ１２ｄは、アクチュエータ素子３０’の第１主面３２ａ（弾性基板３５の表面）に第１突起部３４ａと第２突起部３４ｂが設けられている点で、ポンプ１２ａと相違する。第１突起部３４ａは、アクチュエータ素子３０’の貫通孔３１の周囲に設けられている。第２突起部３４ｂは、アクチュエータ素子３０’の外周端部の周囲に設けられている。第１突起部３４ａと第２突起部３４ｂとが設けられていない第１主面３２ａの領域は、相対的に凹部となる。このため、ポンプ１２ｄによれば、第２実施形態に係るポンプ１２ａと同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
図２０は、第３実施形態に係る流体制御装置の断面図である。図２１の（ａ）は図２０のＡ－Ａ線断面図であって、（ｂ）は図２０のＢ－Ｂ線断面図であり、（ｃ）は図２０のＣ－Ｃ線断面図である。

第３実施形態に係る流体制御装置１０３は、図２０～図２１に示すように、ポンプ１２ａと、ポンプ１２ａから送られた流体を一時的に貯留する容器７０と、ポンプ１２ａと容器７０を接続するバルブ８０と、を備える。流体制御装置１０３は、バルブ８０を備えること以外は、第２実施形態に係る流体制御装置１０２ａと同じ構成である。

バルブ８０は、上下方向に向けて開口し、外側断面が円形で、内側断面が四角形の筒管８１と、筒管８１の内部に配置されている弁８３とボール８６と、を備える。筒管８１は、外部に接続する取出口８２を有する。弁８３は、上下方向に開口した第１流路孔８４と、一方の端部が下方に向けて開口し、他方の端部が取出口８２と接続する第２流路孔８５とを有する。ボール８６は、弁８３の下方に配置されている。

ポンプ１２ａが駆動して、流体を容器７０に貯留する場合は、ボール８６は、ポンプ１２ａから送られた流体に押されて上方に移動して、第２流路孔８５の下方の開口を閉じる。これによって、流体は、第１流路孔８４を通って容器７０に送られる。一方、ポンプ１２ａが静止して、容器７０に貯留された流体を外部に取り出す場合は、ボール８６は下方に移動して、ポンプ１２ａの第２開孔部２２を閉じる。これによって、流体は、第１流路孔８４を通って弁８３の下方に流れ、その弁８３の下方に流れた流体が、第２流路孔８５を通って、取出口８２を介して外部に取り出される。

以上のように構成された本実施形態の流体制御装置１０３では、ポンプ１２ａと容器７０を接続するバルブ８０を備えるので、容器７０に貯留された流体を、バルブ８０を介して外部に取り出すことができる。

以上の本実施形態において、ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、アクチュエータ素子３０、３０’の第１主面３２ａ又は第２主面３２ｂに面する空間であって、アクチュエータ素子３０、３０’の第１主面３２ａ又は第２主面３２ｂに沿って流体が流れる内部空間１を有し、内部空間１は、アクチュエータ素子３０の第２主面３２ｂに対して垂直な方向、すなわち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２を含む。この拡張部の断面積を調整することによって、ハウジング２０、２０’やアクチュエータ素子３０、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くなる。このため、ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄのサイズを小型化した場合でも、ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの吸込能力を高くすることができる。本実施形態のポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、例えば、アクチュエータ素子３０、３０’の最大径が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内としても高い吸込能力を有する。

［構成例］
本開示の構成例を、次に述べる。
（１） 一構成例として、ポンプは、アクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の少なくとも一つの主面に面する内部空間と、を備え、前記内部空間は、前記主面に対して垂直な方向の断面積が拡張された拡張部を含む。

（２） 一構成例として、上記（１）に記載のポンプでは、前記アクチュエータ素子は、基板と、前記基板の少なくとも一方の表面に配置された振動素子とを含んでいてもよい。

（３） 一構成例として、上記（１）又は（２）に記載のポンプでは、前記アクチュエータ素子を支持する支持部材をさらに備えていてもよい。

（４） 一構成例として、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載のポンプでは、少なとも一つの開孔部を有するハウジングと、前記開孔部の周囲に配置され、前記ハウジングの内側に向けて突出する突起部と、第１板と、をさらに備え、前記アクチュエータ素子は、互いに対向する第１主面と第２主面と、該第１主面と該第２主面との間を貫通する貫通孔とを有し、前記貫通孔が前記ハウジングの開孔部と対向する位置に配置され、前記第１板は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面と対向する位置に、前記内部空間を介して配置され、前記内部空間は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面に面する空間であり、前記拡張部は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面及び前記第１板の前記アクチュエータ素子の前記第２主面と対向する表面の少なくとも一方に備えられた凹部を有していてもよい。

（５） 一構成例として、上記（４）に記載のポンプでは、前記突起部は、前記アクチュエータ素子が固有振動数で振動するときに生じるノード部よりも前記アクチュエータ素子の中心寄りの位置において、前記アクチュエータ素子に対して接続されていてもよい。

（６） 一構成例として、上記（４）又は（５）に記載のポンプでは、前記凹部の外縁は、前記突起部と対向してもよい。

（７） 一構成例として、上記（４）～（６）のいずれか一つに記載のポンプでは、前記凹部は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面を含んでいてもよい。

（８） 一構成例として、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載のポンプでは、少なとも一つの開孔部を有するハウジングをさらに備え、前記アクチュエータ素子は、互いに対向する第１主面と第２主面とを有し、前記第１主面が前記ハウジングの前記開孔部と対向する位置に、前記内部空間を介して配置され、前記内部空間は、前記アクチュエータ素子の前記第１主面に面する空間であり、前記拡張部は、前記アクチュエータ素子の前記第１主面及び前記ハウジングの前記アクチュエータ素子の前記第１主面と対向する表面の少なくとも一方に備えられた凹部を有していてもよい。

（９） 一構成例として、上記（８）に記載のポンプでは、前記凹部の外縁は、前記アクチュエータ素子が固有振動数で振動するときに生じるノード部と対向していてもよい。

（１０） 一構成例として、上記（８）又は（９）に記載のポンプでは、前記凹部は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面を含んでいてもよい。

（１１） 一構成例として、流体制御装置では、上記（１）～（１０）のいずれか一つに記載のポンプと、前記ポンプに接続する容器と、を備えていてもよい。

（１２） 一構成例として、上記（１１）に記載の流体制御装置では、前記ポンプと前記容器とがバルブを介して接続していてもよい。

なお、上記の本実施形態において、ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、容器７０と接続した流体制御装置１０１ａ～１０１ｄ、１０２ａ～１０２ｄ、１０３のポンプとして利用されている。ただし、ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、用途はこれに限定されるものではない。ポンプ１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、例えば、血圧計、エアジャッキなどの空気を利用した装置に空気を供給する空気の搬送用ポンプとして、種々の用途に利用することができる。また、本実施形態に係るポンプは、冷却用ファンなどの送風機の代替品としても利用することができる。

１ 内部空間
２ 拡張部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ ポンプ
２０、２０’ ハウジング
２１ 第１開孔部
２２ 第２開孔部
２３ 第１部材
２４ 第２部材
２５ 第３部材
２６ 突起部
２７ 第４部材
２８ 第５部材
２９ 窪み部
３０、３０’ アクチュエータ素子
３１ 貫通孔
３２ａ 第１主面
３２ｂ 第２主面
３３ 窪み部
３４ａ 第１突起部
３４ｂ 第２突起部
３５ 弾性基板
３６ 振動素子
３７ 板状圧電体
３８ａ、３８ｂ 電極
４０ 流路板
４１ 表面
４２ 窪み部
４３ 貫通孔
５０、５０’ 支持部材
５１ａ、５１ｂ 配線
５２ スルーホール
７０ 容器
８０ バルブ
８１ 筒管
８２ 取出口
８３ 弁
８４ 第１流路孔
８５ 第２流路孔
８６ ボール
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０３ 流体制御装置

Claims (12)

1. アクチュエータ素子と、
   前記アクチュエータ素子の少なくとも一つの主面に面する内部空間と、を備え、
   前記内部空間は、前記主面に対して垂直な方向の断面積が拡張された拡張部を含むことを特徴とする、ポンプ。
2. 前記アクチュエータ素子は、基板と、前記基板の少なくとも一方の表面に配置された振動素子とを含む、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記アクチュエータ素子を支持する支持部材をさらに備える、請求項１又は２に記載のポンプ。
4. 少なとも一つの開孔部を有するハウジングと、
   前記開孔部の周囲に配置され、前記ハウジングの内側に向けて突出する突起部と、
   第１板と、をさらに備え、
   前記アクチュエータ素子は、互いに対向する第１主面と第２主面と、該第１主面と該第２主面との間を貫通する貫通孔とを有し、前記貫通孔が前記ハウジングの開孔部と対向する位置に配置され、
   前記第１板は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面と対向する位置に、前記内部空間を介して配置され、
   前記内部空間は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面に面する空間であり、
   前記拡張部は、前記アクチュエータ素子の前記第２主面及び前記第１板の前記アクチュエータ素子の前記第２主面と対向する表面の少なくとも一方に備えられた凹部を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のポンプ。
5. 前記突起部は、前記アクチュエータ素子が固有振動数で振動するときに生じるノード部よりも前記アクチュエータ素子の中心寄りの位置において、前記アクチュエータ素子に対して接続されている、請求項４に記載のポンプ。
6. 前記凹部の外縁は、前記突起部と対向している、請求項４又は５に記載のポンプ。
7. 前記凹部は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面を含む、請求項４～６のいずれか一項に記載のポンプ。
8. 少なとも一つの開孔部を有するハウジングをさらに備え、
   前記アクチュエータ素子は、互いに対向する第１主面と第２主面とを有し、前記第１主面が前記ハウジングの前記開孔部と対向する位置に、前記内部空間を介して配置され、
   前記内部空間は、前記アクチュエータ素子の前記第１主面に面する空間であり、
   前記拡張部は、前記アクチュエータ素子の前記第１主面及び前記ハウジングの前記アクチュエータ素子の前記第１主面と対向する表面の少なくとも一方に備えられた凹部を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のポンプ。
9. 前記凹部の外縁は、前記アクチュエータ素子が固有振動数で振動するときに生じるノード部と対向している、請求項８に記載のポンプ。
10. 前記凹部は、断面が円弧状に窪んだ湾曲面を含む、請求項８又は９に記載のポンプ。
11. 請求項１～１０のいずれか一項の記載のポンプと、前記ポンプに接続する容器と、を備える流体制御装置。
12. 前記ポンプと前記容器とがバルブを介して接続している請求項１１に記載の流体制御装置。

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