JP2023126991A - 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、振動板は二つの連結部で枠板に対して2点で弾性支持する構造となっている。即ち、圧電アクチュエータの周辺部が実質的に拘束されていない状態となっている。そのため、圧電アクチュエータと固定部との間のギャップが正確にコントロールできないため、ポンプ性能が低下する場合があった。 In the technique disclosed in Patent Document 1, the diaphragm has a structure in which the diaphragm is elastically supported at two points on the frame plate by two connecting portions. That is, the peripheral portion of the piezoelectric actuator is not substantially restrained. As a result, the gap between the piezoelectric actuator and the fixed part cannot be accurately controlled, and pump performance may deteriorate in some cases.
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、高いポンプ性能を実現した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 achieve high pump performance.
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面を含む対向部を有する第1板と、内部に前記アクチュエータ素子と前記第1板の前記対向部を収容するハウジングと、前記ハウジングから内側に突出する突起部と、を備え、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。 In one aspect of the present disclosure, the pump includes an actuator element having a first main surface and a second main surface facing each other, and a first surface facing the second main surface of the actuator element with a space therebetween. a first plate having a facing portion; a housing that accommodates the actuator element and the facing portion of the first plate; and a protrusion projecting inward from the housing, the protrusion It is connected to the actuator element at a position closer to the center of the actuator element than a node portion that occurs when the element vibrates at its natural frequency.
本開示に係る技術によれば、高いポンプ性能を実現した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 achieve high pump performance.
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ノード部と、第3ハウジング部材に形成された突起部との位置関係を説明する説明図である。
(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 an explanatory diagram illustrating the positional relationship between the node portion of the actuator element shown in FIG. 1 and the protrusion portion formed on the third housing member.
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。第2ハウジング部材20Bは、第1ハウジング部材20Aに接続されている。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、外側断面が角形で内側断面が円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。第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cは、第1ハウジング部材20Aに接続されている。
Further, 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。
なお、ハウジング20は、上述した形状に限定されるものではなく、任意の筒形状にすることができる。
The
Note that 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(第1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(第2開孔)22が形成されている。流体を容器2に貯留する場合において、第1開孔部21は流体導入口となり、第2開孔部22は流体吐出口となる。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は流体吐出口となり、第2開孔部22は流体導入口となる。
A first opening portion (first 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
本実施形態では、アクチュエータ素子30には、貫通孔31が形成されている。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。
In this embodiment, 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は、接合部53によって支持部材50に接合されている。
アクチュエータ素子30の下面は、この支持部材50を介して、突起部(位置規制部)26に接している。即ち、支持部材50は、接合部53が形成される面(上面)の反対面(下面)で、突起部(位置規制部)26に接する。また、アクチュエータ素子30の貫通孔31は、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 lower surface of the
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の第1開孔部(第1開孔)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。この突起部(位置規制部)26は、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cに接続されている。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。なお、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 is arranged around the first opening part (first opening) 21 of the third housing member (position regulating member) 20C, and is arranged around the first opening part (first opening) 21 of the third housing member (position regulating member) 20C. , protrudes toward the inside of the
突起部(位置規制部)26は、アクチュエータ素子30を振動させたときに生じるノードNよりも内側、即ちアクチュエータ素子30の中心寄りに形成されている。即ち、突起部(位置規制部)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。より具体的には、突起部(位置規制部)26は、支持部材50を介してアクチュエータ素子30に対して接続されており、ノード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、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に接している。
The protrusion (position regulating part) 26 is formed inside the node N that occurs when the
なお、突起部(位置規制部)26は、ノードNよりもアクチュエータ素子30の中心寄りの支持部材50のアクチュエータ素子30と接合される面とは反対面には接しているものの、アクチュエータ素子30のノードN及びノードNよりも周縁部においては、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には接していない。即ち、突起部(位置規制部)26は、ノードN及びノードNよりも周縁寄りにおいて支持部材50とは離間している。
Note that although the protrusion (position regulating portion) 26 is in contact with the surface of the
本実施形態のアクチュエータ素子30は、配線51a、51bを介して電極38a、38bに電圧を印加すると、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が所定の周波数で振動(屈曲運動)する。
In the
図6(a)に示すように、振動素子36に接するものが無い状態で振動素子36を振動させると、振動素子36の面内で、全く振動せず振幅が0になるノード(節)Nと、振幅が最大になり変位が最も揺れ動くアンチノード(腹)ANとが生じる。本実施形態では、振動素子36の振動時のアンチノードANは、振動素子36の中心に生じ、ノード(節)Nは、振動素子36の周縁よりも内側に生じる。
As shown in FIG. 6(a), when the vibrating
一例として、厚み260μmのSi単結晶膜上に、厚み10μmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜を形成してなる、直径D12mmの振動素子を備えた振動素子36を振動させた場合(振動共振ゲイン40dB)、アンチノードANの振れ幅V1は15μm程度となり、周縁部の振れ幅V2は11μm程度となる。
As an example, when a vibrating
図6(b)に示すように、本実施形態では、振動素子36の振動時のアンチノードANの振れ幅V1と、周縁部の振れ幅V2とが、互いに同一になる円状の位置に、突起部(位置規制部)26が重なるように設けられる。この位置では、突起部(位置規制部)26の断面中心の直径をe、ノードNの直径をcとしたときに、c>eとなる関係、即ち、突起部(位置規制部)26がノードNの内側になる。即ち、突起部(位置規制部)26は、ノードNの内側でアクチュエータ素子30に支持部材50を介して接する。
As shown in FIG. 6(b), in this embodiment, at a circular position where the amplitude V1 of the antinode AN and the amplitude V2 of the peripheral edge when 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 the present embodiment, the
アクチュエータ素子30が支持部材50と接合される接合部53は、上述したノードNよりもアクチュエータ素子30の中心寄りに形成される。即ち、アクチュエータ素子30は、ノードNよりも内側において、支持部材50によって支持される(図2、5を参照)。
The
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る。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
支持部材50は、接合部53よりも周縁側では、第3ハウジング部材(位置規制部材)20Cに向かってクランク状に屈曲している。これにより、アクチュエータ素子30のノードNの位置においては、支持部材50は、アクチュエータ素子30に対して厚み方向tに離間した離間部50aが形成されている。
The
また、支持部材50は、離間部50aよりも周縁側で更にクランク状に屈曲して、第1ハウジング部材20Aと第3ハウジング部材20Cの間から、ハウジング20の外部に延びる引出部50bが形成されている。
Further, the
この支持部材50の引出部50bは、支持部材50の接合部53に対して、厚み方向tにおいて同一の位置になるように形成される。即ち、支持部材50の引出部50bの上面と、支持部材50の接合部53の上面とは、厚み方向tに対して垂直な面広がり方向fにおいて、同一面にある。このように、支持部材50を蛇腹構造とすることで、アクチュエータ素子30の振動を妨げず、変位量を向上させ、ポンプ性能の向上を図ることができる。
The pull-out
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、構造の簡素化を図ることができる。
Further, the
図5に示すように、支持部材50には、アクチュエータ素子30に電力を供給する給電配線51が形成されている。給電配線51は、配線51a、51bを備える。配線51aと配線51bとは、面広がり方向fに沿って、互いに反対方向に向かって延びている。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、電気配線としての役割も果たすため、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
As shown in FIG. 5, a power supply wiring 51 for supplying power to 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とは、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。こうした配線51aと電極38aとの電気接続部T1、および配線51bと電極38bとの電気接続部T2は、それぞれノードNよりも内側になる位置に形成されている。
以下、本実施形態においては、支持部材50を介して突起部(位置規制部)26と接続され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。なお、第2ハウジング部材20Bの内面は、流路板40の第1流路面41aの反対面を成す第2流路面41b(第2面)に対向するように広がる。
The
本実施形態では、流路板40のうち、第1流路面41aに凹部42が形成されている。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、厚み方向tに沿った断面積が拡張された拡張部E2が形成される。これにより、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。
In this embodiment, a
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、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。
The outer region of the
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。
Further, 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ればよい。なお、貫通孔43は、本実施形態では平面視で略矩形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、平面視で円形、楕円形、半円形など、各種形状に形成することができる。また、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
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
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は、突起部(位置規制部)26に接続されている。即ち、本実施形態では、アクチュエータ素子30は、支持部材50を介して突起部(位置規制部)26と接続され、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、更に流路板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。
In the
また、本実施形態の流体制御装置1Aでは、ポンプ11Aの突起部(位置規制部)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Nよりも内側、即ちアクチュエータ素子30の中心寄りの位置において、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に接し、アクチュエータ素子30に対して接続されている。
Further, 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が動作周波数にて振動(屈曲振動)する際に、アクチュエータ素子30の中心付近の変位量とアクチュエータ素子30の周縁付近の変位量をほぼ同じ大きさにすることができる。したがって、アクチュエータ素子30が振動(屈曲振動)する際のアクチュエータ素子30と流路板40とのギャップの精度が高まり、高いポンプ性能を実現できる。
In the
また、本実施形態の流体制御装置1Aでは、突起部(位置規制部)26は、ノードN及びノードNよりも周縁寄りにおいて支持部材50とは離間している。したがって、アクチュエータ素子30のノードNより周縁側の変位が規制されることが抑制されるため、アクチュエータ素子30の中心付近の変位量とアクチュエータ素子30の周縁付近の変位量をより確実にほぼ同じ大きさにすることができる。
Further, in the
(第2実施形態)
図7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. 7 is a sectional view of a fluid control device according to a 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
本実施形態では、厚み方向tに対して垂直な面広がり方向fにおいて、振動素子66の外縁が、弾性基板65の外縁よりも内側になるように形成されている。即ち、アクチュエータ素子30の第1主面32aと第2主面32bの対向方向(図7の厚み方向t)から見て、振動素子66の外縁は弾性基板65の外縁よりも内側にある。具体的には、弾性基板65は、振動素子66よりも直径が大きくなるように形成されている。
In this embodiment, the outer edge of the vibrating
このようなアクチュエータ素子60では、支持部材50を介して突起部(位置規制部)26と接続される振動素子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。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。
A through
また、本実施形態の流路板70は、アクチュエータ素子60と対向する第1流路面71aが平坦面となっており、第1実施形態のような凹部は形成されていない。よって、アクチュエータ素子60と第1流路面71aとの間には、拡張部などは形成されない。
Further, in the
本実施形態においても、アクチュエータ素子60が支持部材50と接合される接合部53は、ノードNよりもアクチュエータ素子60の中心寄りに形成される。即ち、アクチュエータ素子60は、ノードNよりも内側において、支持部材50によって支持される。また、本実施形態においても、突起部(位置規制部)26は、ノードNよりも内側、即ちアクチュエータ素子30の中心寄りの位置において、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に接し、アクチュエータ素子30に対して接続されている。
Also in this embodiment, 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実施形態と同様に、アクチュエータ素子30が動作周波数にて振動(屈曲振動)する際に、アクチュエータ素子30の中心付近の変位量とアクチュエータ素子30の周縁付近の変位量をほぼ同じ大きさにすることができ、したがって、アクチュエータ素子30が振動(屈曲振動)する際のアクチュエータ素子30と流路板40とのギャップの精度が高まり、高いポンプ性能を実現できる。
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、アクチュエータ素子30の第1主面32aと第2主面32bの対向方向から見て、振動素子66の外縁は弾性基板65の外縁よりも内側にある。したがって、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。
Further, as in this embodiment, the outer edge of the
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態に係る流体制御装置の断面図である。図9(A)は、図8のA-A線断面図であって、(B)は図8のB-B線断面図であり、(C)は図8のC-C線断面図である。
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は、ポンプ11Aと、容器2と、ポンプ11Aおよび容器2の間に配されたバルブ3とを有する。バルブ3を備える以外は、第1実施形態と同様である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a sectional view of a fluid control device according to a third embodiment. 9(A) is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 8, (B) is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 8, and (C) is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. be.
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 fluid control device 1C according to the third embodiment includes a
バルブ3は、上下方向に向けて開口した円筒管81と、円筒管81の内部に配置されている弁体83とボール86と、を備える。円筒管81は、外部に接続される取出口82を有する。弁体83は、上下方向に閉口した第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と接続される第2流路孔85とを有する。ボール86は、弁体83の下方に配置されている。
The
こうした構成のバルブ3は、ポンプ11Aが駆動して、流体を容器2に貯留する場合は、ボール86は、ポンプ11A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の下方の関口を閉じることによって、流体は、第1流路孔84を通って容器2に送られる。
In the
一方、ポンプ11Aが静止して、容器2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11Aの第2開孔部22を閉口する。これによって、流体は、第1流路孔84を通って弁体83の下方に流れ、その弁体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。
On the other hand, when the
以上のように構成された本実施形態の流体制御装置1Cによれば、ポンプ11Aと容器2とを接続するバルブ3を備えるので、容器2に貯留された流体を、バルブ3を介して外部に取り出すことができる。
According to the fluid control device 1C of the present embodiment configured as described above, 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面を含む対向部を有する第1板と、内部に前記アクチュエータ素子と前記第1板の前記対向部を収容するハウジングと、前記ハウジングから、前記ハウジングの内側に向けて突出する突起部と、を備え、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。
(Configuration example)
As one configuration example, a pump includes an actuator element having a first main surface and a second main surface facing each other, and a facing portion including a first surface facing the second main surface of the actuator element with a space therebetween. a housing that accommodates the actuator element and the facing portion of the first plate inside, and a protrusion protruding from the housing toward the inside of the housing, the protrusion is connected to the actuator element at a position closer to the center of the actuator element than a node portion that occurs when the actuator element vibrates at a natural frequency.
一構成例として、ポンプでは、前記突起部は、前記ノード部において前記アクチュエータ素子に対して離間していてもよい。 As one configuration example, in the pump, the protruding portion may be spaced apart from the actuator element at the node portion.
一構成例として、ポンプでは、前記アクチュエータ素子は、前記第1主面と前記第2主面との間を貫通する貫通孔を有していてもよい。 As one configuration example, in the pump, the actuator element may have a through hole that penetrates between the first main surface and the second main surface.
一構成例として、ポンプでは、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 a configuration example, in a pump, 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、ポンプでは、前記第1主面と前記第2主面の対向方向から見て、前記振動素子の外縁は前記基板の外縁よりも内側にあってもよい。 As a configuration example, in the pump, the outer edge of the vibrating element may be located inside the outer edge of the substrate when viewed from a direction in which the first main surface and the second main surface face each other.
一構成例として、ポンプでは、前記第1板は、前記対向部と接続される接続部を有し、前記ハウジングは、前記接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材を有していてもよい。 As one configuration example, in the pump, the first plate has a connecting part connected to the opposing part, and the housing has a cylindrical first housing member connected to the connecting part. Good too.
一構成例として、ポンプでは、前記ハウジングは、第1開孔を有し、前記第1ハウジング部材と接続される第3ハウジング部材を有し、前記突起部は、前記第3ハウジング部材に対して接続されていてもよい。 As one configuration example, in a pump, the housing includes a third housing member that has a first opening and is connected to the first housing member, and the protrusion portion is connected to the third housing member. May be connected.
一構成例として、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、前記支持部材は、前記第1ハウジング部材に対して接続されており、前記突起部は、前記支持部材を介して前記アクチュエータ素子に対して接続されており、前記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、前記支持部材の前記アクチュエータ素子と接合される面とは反対面に接していてもよい。 As one configuration example, the pump further includes a support member that supports the actuator element, the support member is connected to the first housing member, and the protrusion is connected to the actuator element through the support member. The support member may be connected to an actuator element, and may be in contact with a surface of the support member opposite to a surface to be joined to the actuator element at a position closer to the center of the actuator element than the node portion.
一構成例として、ポンプでは、前記支持部材は、前記第1ハウジング部材の外側まで延びる引出部を有し、前記支持部材は、前記ノード部において前記アクチュエータ素子に対して離間しており、前記支持部材と前記アクチュエータ素子とが接合される接合部と前記引出部とは、同一面上に位置していてもよい。 As one configuration example, in the pump, the support member has a drawer portion extending to the outside of the first housing member, the support member is spaced apart from the actuator element at the node portion, and the support member The joint portion where the member and the actuator element are joined and the pull-out portion may be located on the same plane.
一構成例として、ポンプでは、前記支持部材は、前記アクチュエータ素子に電力を供給する給電配線を有していてもよい。 As one configuration example, in a pump, the support member may have power supply wiring that supplies power to the actuator element.
一構成例として、ポンプでは、前記給電配線は、前記ノード部よりも前記アクチュエータ素子の中心寄りで、前記アクチュエータ素子に対して電気的に接続されていてもよい。 As one configuration example, in the pump, the power supply wiring may be electrically connected to the actuator element closer to the center of the actuator element than the node portion.
一構成例として、ポンプでは、前記ハウジングは、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ハウジング部材を有し、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第2開孔を有していてもよい。 As one configuration example, in the pump, the housing is connected to the first housing member and has a second housing that has an inner surface that extends so as to face a second surface that is opposite to the first surface of the first plate. The second housing member may have a second 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、上記ポンプを有する流体制御装置であって、前記第2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 pump described above, and may include a container into which fluid flows in and out through the second opening.
一構成例として、流体制御装置では、前記ポンプと前記容器との間には、バルブが形成されていてもよい。 As one configuration example, in the fluid control device, a valve may be formed between the pump and the container.
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 流体制御装置
2 容器(タンク)
3 バルブ
11A、11B、11C 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(第1開孔)
22 第2開孔部(第2開孔)
26 突起部(位置規制部)
30 アクチュエータ素子
31 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
50 支持部材
51a、51b 配線
52 スルーホール
53 接合部
E1 空間
E2 拡張部
N ノード(ノード部)
1A, 1B, 1C
3
22 Second opening part (second opening)
26 Projection (position regulating part)
30
Claims (14)
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面を含む対向部を有する第1板と、
内部に前記アクチュエータ素子と前記第1板の前記対向部を収容するハウジングと、
前記ハウジングから、前記ハウジングの内側に向けて突出する突起部と、を備え、
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;
a first plate having a facing portion including a first surface facing the second main surface of the actuator element with a space therebetween;
a housing that accommodates the actuator element and the facing portion of the first plate therein;
a protrusion protruding from the housing toward the inside of the housing,
The pump is characterized in that the protruding portion is connected to the actuator element at a position closer to the center of the actuator element than a node portion that occurs when the actuator element vibrates at a natural frequency.
前記ハウジングは、前記接続部と接続される筒状の第1ハウジング部材を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のポンプ。 The first plate has a connecting part connected to the opposing part,
The pump according to any one of claims 1 to 5, wherein the housing has a cylindrical first housing member connected to the connecting portion.
前記突起部は、前記第3ハウジング部材に対して接続されていることを特徴とする請求項6に記載のポンプ。 The housing includes a third housing member having a first opening and connected to the first housing member;
7. The pump according to claim 6, wherein the protrusion is connected to the third housing member.
前記支持部材は、前記第1ハウジング部材に対して接続されており、
前記突起部は、前記支持部材を介して前記アクチュエータ素子に対して接続されており、前記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、前記支持部材の前記アクチュエータ素子と接合される面とは反対面に接していることを特徴とする請求項6または7に記載のポンプ。 further comprising a support member that supports the actuator element,
the support member is connected to the first housing member,
The protrusion is connected to the actuator element via the support member, and is connected to a surface of the support member to be joined to the actuator element at a position closer to the center of the actuator element than the node part. 8. The pump according to claim 6, wherein the pump is in contact with opposite surfaces.
前記支持部材は、前記ノード部において前記アクチュエータ素子に対して離間しており、
前記支持部材と前記アクチュエータ素子とが接合される接合部と前記引出部とは、同一面上に位置することを特徴とする請求項8に記載のポンプ。 The support member has a drawer portion extending to the outside of the first housing member,
The support member is spaced apart from the actuator element at the node portion,
9. The pump according to claim 8, wherein a joint portion where the support member and the actuator element are joined and the draw-out portion are located on the same plane.
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第2開孔を有することを特徴とする請求項6から11のいずれか一項に記載のポンプ。 The housing has 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,
12. A pump according to any one of claims 6 to 11, wherein the second housing member has a second aperture extending between the inner surface and the opposite surface.
前記第2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 12,
A fluid control device comprising a container into which fluid flows in and out through the second opening.
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