JP4507242B2

JP4507242B2 - 流体振動装置及びその駆動方法

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Publication number: JP4507242B2
Application number: JP2004081976A
Authority: JP
Inventors: 中山　　実; 哲司座間; 進原; 信吾瀬和
Original assignee: Eamex Corp
Current assignee: Eamex Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: WO2005120728A1; JP2005269842A

Description

本発明は、例えば、洗浄装置、溶解装置、化学反応装置、ヒートパイプ、またはホビー用途に用いることができる流体振動装置に関する。

水などの流体を加振させて各種用途に用いることは、例えば超音波洗浄機が市販されているように、超音波を用いて行うことは枚挙にいとまがない。

さらに、特定の用途に用いるために機械的なアクチュエーションにより流体に振動を加えための流体振動装置も種々の検討が為されている（例えば、特許文献１）。

特開平９−１６６２２８号公報

しかし、上記の流体振動装置は、装置構成が複雑であり、小型化が難しく、また金属部品を多量に用いるために、軽量化が難しい。また、モーターを用いた流体振動装置は、音が大きくて、室内用途や医療用の用途には適していない。

例えば、セラミックス材料からなる圧電素子を駆動用素子として駆動させる流体振動装置を用いることも可能である。しかし、セラミックス製の圧電素子は、小型化が可能であるが、１００Ｖもの高電圧で駆動するために、低電圧の電源を用いるには電圧変換装置が必要で、装置構成が複雑になる。高電圧で駆動する流体振動装置は、該流体振動装置が組み込まれる装置の構成上若しくは用途上、使用が限定され、産業上の利用性に劣る。

本発明の目的は、小型化が可能であり、軽量化が可能な流体振動装置を提供することである。また、数Ｖ程度以下の低電圧で駆動し、しかも無音で駆動することができる流体振動装置を提供することでもある。

そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出した。

本発明は、流体室を２以上備えた流体振動装置であって、各流体室の少なくとも一部を構成するダイヤフラムを備え、該ダイヤフラムが導電性高分子膜を含み、２以上のダイヤフラムが面する閉空間に電解液が満たされ、各ダイヤフラムがダイヤフラムを挟んで該閉空間の反対側に流体室をそれぞれ備え、各ダイヤフラムが導電性高分子膜を該電解液に接するようにそれぞれ含む流体振動装置である。

本発明の流体振動装置は、上記のような構造であり、導電性高分子が化学的なメカニズムにより駆動するので、流体振動装置の駆動が低電圧で駆動が可能である。しかも、前記流体振動装置は、無音であって、さらに、装置構成も簡単で小型化も容易である。しかも、前記流体振動装置は、金属部品をほとんど使用していないので、軽量化も容易である。

以下、図を用いて説明するが、本願発明はこれらの実施態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の流体振動装置の第一の実施態様例の断面図である。本発明の流体振動装置である流体振動装置１は、内部空間を有するコイン状の筐体２の内側に、導電性高分子からなるダイヤフラム３、４を備えた流体振動装置である。ダイヤフラム３とダイヤフラム４とは、円盤状の導電性高分子膜であり、その円周部が壁面５に固定され、中央部分において接続部材６を介して互いに接続されている。２つのダイヤフラム３、４は、それぞれ膜面方向に張力がかかる状態で設置され、略円錐状を形成している。ダイヤフラム３は筐体２と第１流体室７を形成し、ダイヤフラム４は、筐体２と第２流体室８を形成している。流体振動装置１の内部にある空間部９は、膜状の導電性高分子膜により形成されたダイヤフラム３とダイヤフラム４並びに筐体２により仕切られて、形成されている。空間部９に電解液を満たすことにより、ダイヤフラム３、４は電解液と接する。ダイヤフラム３の導電性高分子膜とダイヤフラム４の導電性高分子膜とにそれぞれリード１０、１０’を介して電源に接続される。例えば、前記電解液の支持塩にアニオンを含み、ダイヤフラム４の導電性高分子膜にマイナスの電圧を印加し、ダイヤフラム３の導電性高分子膜にプラスの電圧を印加することで、ダイヤフラム４が収縮し、ダイヤフラム３が伸張し、流体室９が広くなり、流体室８が狭くなる。逆に、ダイヤフラム４の導電性高分子膜にプラスの電圧を印加し、ダイヤフラム３の導電性高分子膜にマイナスの電圧を印加すると、ダイヤフラム３が収縮してダイヤフラム４が伸張し、流体室７が狭くなり、流体室８が広くなる。つまり、ダイヤフラムである二つの導電性高分子膜は、一方の導電性高分子膜が作用極となり、他方が対極となって、伸縮運動をする。このようなダイヤフラムの運動により、一のダイヤフラムが収縮して一のダイヤフラムが構成する流体室内の流体を吐出すると同時に、一のダイヤフラムが収縮する力で他のダイヤフラムが伸張して、他のダイヤフラムが構成する流体室の容積が拡張し、流体振動装置１はツインの流体振動装置として機能する。

図１の流体振動装置１は、ポート１１を備えている。また、流体振動装置１は、ポート１１’を備えている。図１においては、各流体室にはポートが一つずつ付いているが、複数付いていてもよい。各流体室にポートが複数付いている場合には、同一ポンプ室に付いているポートのそれぞれは、吸入と吐出とが同じ周期となる。

図１においては、ダイヤフラム４が収縮することで、流体室８内の流体は、ポート１１’を通り、外部へ吐出される。流体室８内の流体が吐出されるのと同時に、ダイヤフラム４の収縮によってダイヤフラム３が伸張され、流体がポート１１を通って流体室７内に吸入される。また、ポートの付近に、吸入用管や吐出用管等を装着するための部材を適宜取付けても良い。

図２は、本発明の流体振動装置の第二の実施態様例において、図１の流体振動装置について接続部材を用いない場合における断面図である。流体振動装置１’は、流体室の少なくとも一部を構成するダイヤフラム３’、４’を備え、該ダイヤフラムが導電性高分子膜からなり、ダイヤフラム３’、４’が面する閉空間である空間部９’に電解液が満たされている。各ダイヤフラムがダイヤフラムを挟んで該閉空間の反対側にそれぞれ流体室７’、８’を備えている。各ダイヤフラムは、導電性高分子膜であることから、空間部９’の電解液に接している。前記の各ダイヤフラムは、導電性高分子膜からなるが、図１の流体振動装置と同様に、導電性高分子の電解伸縮作用によりダイヤフラムが駆動するのであれば、導電性高分子膜がダイヤフラムの一部として含まれていてもよく、導電性高分子膜を１の層とする積層体であっても良い。前記導電性高分子膜は、膜状の導電性高分子成型品を用いることができる。

図２において、流体振動装置１’は、２つの流体室を備え、導電性高分子膜からなるダイヤフラム３’、４’に電圧を印加して、流体振動装置として駆動させている状態である。一方のダイヤフラムであるダイヤフラム３’に電圧を印加し、他方のダイヤフラムであるダイヤフラム４’に対してダイヤフラム３’と逆電圧を印加することにより、ダイヤフラム４’が収縮して、ダイヤフラム３’が伸張する。ダイヤフラム４’が収縮することにより流体室８’の容積が縮小して該流体室内の流体が吐出される。また、ダイヤフラム３’が伸張することで流体室７’の容積が増大して、該流体室内に流体が吸引される。一方の導電性高分子膜を作用極とした場合に他方の導電性高分子膜が対極となることで、一方のダイヤフラムの駆動と他方のダイヤフラムの駆動とが吸入−吐出周期における逆位相となる。それぞれの導電性高分子膜の印加電圧の極性を正負交互に印加することで、ダイヤフラムの伸張と収縮とが交互に行われて、各流体室で吸入と吐出とが交互に行われる。流体振動装置１’を連続的に駆動することは、図１の流体振動装置１についても同様であるが、各導電性高分子膜に対する印加電圧の極性を正負交互に印加することにより、各導電性高分子膜に対する印加電圧の極性を周期的に正負交互に印加することで、行うことができる。

図２の流体振動装置１’は、図１の流体振動装置１と比べて、２つのダイヤフラムを接続するための接続部材を備えておらず、２つのダイヤフラムが接続されていない。導電性高分子膜であるダイヤフラム４’に電圧を印加することで、ダイヤフラム４’は、収縮運動をする。前記収縮運動により流体室８’の容積は縮小する。また、ダイヤフラム４’を挟んで流体室８’の反対側に設けられた空間部９’が閉じた空間であることから、前記収縮運動は、空間部９’に満たされた電解液を介して、伸張するダイヤフラム３’を引張って、流体室７’の容積を増大させることができる。

図２における流体振動装置は、流体室を２つの場合であるが、本発明の流体振動装置は２以上の流体室を備えたものであってもよい。流体室の一部を構成するダイヤフラムがそれぞれ導電性高分子膜を備え、各導電性高分子膜が電圧が印加されることにより、各導電性高分子膜は電極として作用して、電解伸縮を生じる。一の流体室を構成するダイヤフラムに含まれる導電性高分子膜が、電圧印加により、他の流体室に含まれる導電性高分子膜を、前記閉空間内の電解液を介して対極とすることができれば、ダイヤフラム間の位置関係は、特に限定されるものではない。例えば、多数のダイヤフラムが多面体を形成するように前記閉空間を形成し、該閉空間に電解液を満たして、１以上のダイヤフラムに含まれる導電性高分子膜が他のダイヤフラムに含まれる導電性高分子膜の対極となるようにすることもできる。特に、前記流体振動装置は、一方のダイヤフラムと他方のダイヤフラムとの位置関係が、前記ダイヤフラムが電解液を介して対向するように配置され、この対を１対以上有することが、エネルギーロスが少なく、駆動もスムースであることから、好ましい。対の一方のダイヤフラムと他方のダイヤフラムとが互いに吸入−吐出周期における逆位相となるように連続的に駆動させることで、収縮するダイヤフラムが同一の対の伸張するダイヤフラムを引張ることが、容易となる。

図２の実施態様例においては、対のダイヤフラム同士が接続されていない。ダイヤフラム間で接続がされている場合には、図１のように、吸入時におけるダイヤフラムの断面が略三角錐状となり、吐出時におけるダイヤフラムの断面が円弧状となる。従って、ダイヤフラム間で接続がされている場合には、吸入と吐出が切り替わる瞬間に、ダイヤフラムの形状が大きく変化して、切り替え時にタイムラグが生じてしまう。このタイムラグを防止するためには、ダイヤフラム間で接続がされていないことが好ましい。ダイヤフラム間で接続がされていないことは、図２のように、吸引におけるダイヤフラム形状と吐出におけるダイヤフラム形状とが同様となり、吸入と吐出と切り替え時のタイムラグを防止できる。さらに、ダイヤフラム間で接続がされていない前記流体振動装置は、接続部材が無いので、ダイヤフラム外径１０φの円形である流体振動装置等の小型流体振動装置を製造することが容易となり、駆動用素子として機能する導電性高分子膜が伸縮することができる部分も増大するために、好ましい。

本発明の流体振動装置は、各流体室において流体の吸入及び吐出が行われて、流体が振動すれば、その振動の周波数が特に限定されるものではない。前記流体振動装置による流体の振動周波数は、例えば、１０００Ｈｚから０．００１Ｈｚまでとすることができるが、好ましくは１００Ｈｚから０．０１Ｈｚであり、より好ましくは１０Ｈｚから０．１Ｈｚである。

本発明の流体振動装置は、各流体室から流体に与えられる力が特に限定されるものではないが、各流体室における流体の吐出圧が２００ｋＰａ以下となることが好ましく、前記流体振動装置が小型の用途に用いられる場合には前記吐出圧が５〜１００ｋＰａであり、特に１０〜４０ｋＰａであることがより好ましい。また、各流体室における流体の吐出量は、１周期における吐出、すなわち１回の吐出における吐出量は、２０００ｍＬであることが好ましく、５０〜１００ｍｍ^３であることがより好ましい。

本発明の流体振動装置は、用いられる流体が特に限定されるものではなく、液体または気体を用いることができる。前記液体は、水でも良く、有機の液体であってもよく、水とアルコールとの混合物のような混合溶媒であってもよい。前記気体は、空気であってもよく、不活性ガスであっても良い。前記流体は、加振により急激な体積膨張を生じるなどのない、爆発性が低い流体であることが容易に安全性を確保することができるので好ましい。

図１における流体振動装置は、導電性高分子膜のみからなるダイヤフラムの場合を示している。しかし、本発明の流体振動装置は、導電性高分子膜のみからなるダイヤフラムに限定されるものではなく、積層構造を有することもできる。例えば、前記ダイヤフラムは、導電性高分子膜上に保護層として機能しうる不織布を備えた構造とすることもできる。また、前記ダイヤフラムは、電解液が通過することのない導電性高分子膜上に、孔を有することにより電解液が通過することのできる導電性高分子膜を積層させても良く、導電性高分子膜間に更に不織布のような電解液が浸透することができる伸縮性を有する層や伸縮性の固体電解質層を備えていても良い。

前記導電性高分子膜は、導電性高分子の組成が特に限定されるものではなく公知の導電性高分子を用いることができ、吐出圧や吐出量等のダイヤフラムの性能に応じて、導電性高分子の組成を適宜選択することができる。より具体的には、導電性高分子の単量体としては、ポリピロールを用いることが、ドーパントとして、ドーパントイオンとしては公知のアニオンを用いることができる。また、前記流体振動装置を駆動するための電解液中の支持電解質も、公知の支持電解質を用いることができる。

上述の導電性高分子膜については、例えば、導電性高分子膜に１Ｖ、２００ｍＡで電圧印加することで、導電性高分子膜の膜面方向に５Ｍｐａの力を発生することができるポリピロール膜をダイヤフラムに用いた流体振動装置は、１つの流体室について２０ｋＰａの吐出圧を発生することができる。また、図１の実施態様例の流体振動装置では、各ダイヤフラムとして直径４０ｍｍ、厚さ４０μｍの円形導電性高分子膜を用い、膜面方向に０．５秒当たり０．９％の伸縮を行うことにより、１秒当たりの吐出量７２ｍｌ／ｓを発生することができる。また、導電性高分子膜の積層により所望の吐出圧を得ることができる。

特に、前記導電性高分子膜としては、０．５秒あたりの電解伸縮による伸び率が１Ｖの電圧印加で０．５％以上である導電性高分子膜が、膜面方向に０．５秒当たり０．９％以上の伸縮を行うことでき、大きな吐出量を容易に得ることができるので好ましい。０．５秒あたりの電解伸縮による伸び率が０．５％以上である導電性高分子膜は、電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも１つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び／又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により容易に得ることができる。また、前記導電性高分子膜としては、電解重合法を用いた導電性高分子の製造方法であって、該電解重合法が、アニオンとして、上記のトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンの替りに、化学式（１）
（Ｃ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２）Ｎ^- （１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）
で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む電解液を用いた導電性高分子の製造方法により容易に得ることができる。

前記電解重合法における溶媒として含まれる前記有機化合物としては、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン（以上、エーテル結合を含む有機化合物）、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、酢酸-t-ブチル、１，２−ジアセトキシエタン、３−メチル−２−オキサゾリジノン、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸ブチル、フタル酸ジエチル（以上、エステル結合を含む有機化合物）、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート（以上、カーボネート結合を含む有機化合物）、エチレングリコール、ブタノール、１−ヘキサノール、シクロヘキサノール、１−オクタノール、１−デカノール、１−ドデカノール、１−オクタデカノール（以上、ヒドロキシル基を含む有機化合物）、ニトロメタン、ニトロベンゼン（以上、ニトロ基を含む有機化合物）、スルホラン、ジメチルスルホン（以上、スルホン基を含む有機化合物）、及びアセトニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル（以上、ニトリル基を含む有機化合物）を例示することができる。なお、ヒドロキシル基を含む有機化合物は、特に限定されるものではないが、多価アルコール及び炭素数４以上の１価アルコールであることが、伸縮率が良いために好ましい。なお、前記有機化合物は、前記の例示以外にも、分子中にエーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち、２つ以上の結合あるいは官能基を任意の組合わせで含む有機化合物であってもよい。

前記有機化合物は、前記有機化合物を２種以上混合して電解液の溶媒に用いる場合には、エーテル結合を含む有機化合物、エステル結合を含む有機化合物、カーボネート結合を含む有機化合物、ヒドロキシル基を含む有機化合物、ニトロ基を含む有機化合物、スルホン基を含む有機化合物、及びニトリル基を含む有機化合物のうち、伸張に優れた有機化合物と収縮に優れた有機化合物とを組合わせて、電解重合により得られた導電性高分子の１酸化還元サイクル当たりの伸縮率の向上を図ることもできる。

また、前記の導電性高分子の製造方法において電解液に溶媒として含まれるハロゲン化炭化水素は、炭化水素中の水素が少なくとも１つ以上ハロゲン原子に置換されたもので、電解重合条件で液体として安定に存在することができるものであれば、特に限定されるものではない。

前記ハロゲン化炭化水素としては、例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタンを挙げることができる。前記ハロゲン化炭化水素は、１種類のみを前記電解液中の溶媒として用いることもできるが、２種以上併用することもできる。また、前記ハロゲン化炭化水素は、上記の有機化合物との混合して用いてもよく、該有機溶媒との混合溶媒を前記電解液中の溶媒として用いることもできる。

前記の導電性高分子の製造方法において、電解重合法に用いられる電解液には、電解重合される有機化合物（例えば、ピロール）およびトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む。この電解液を用いて電解重合を行うことにより、電解伸縮において１酸化還元サイクル当たりの伸縮率及び／または特定時間あたりの変位率が優れた導電性高分子を得ることができる。上記電解重合により、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンが導電性高分子に取り込まれることになる。

前記トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、電解液中の含有量が特に限定されるものではないが、電解液中に０．１〜３０重量％含まれるのが好ましく、１〜１５重量％含まれるのがより好ましい。

トリフルオロメタンスルホン酸イオンは、化学式ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻で表される化合物である。また、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、ホウ素、リン、アンチモン及びヒ素等の中心原子に複数のフッ素原子が結合をした構造を有し、アニオンの分子中に中心原子に対して結合するフッ素原子を複数含む。中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンとしては、特に限定されるものではないが、テトラフルオロホウ酸イオン（ＢＦ_４ ⁻）、ヘキサフルオロリン酸イオン（ＰＦ_６ ⁻）、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン（ＳｂＦ_６ ⁻）、及びヘキサフルオロヒ酸イオン（ＡｓＦ_６ ⁻）を例示することができる。なかでも、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻、ＢＦ_４ ⁻及びＰＦ_６ ⁻が人体等に対する安全性を考慮すると好ましく、ＣＦ_３ＳＯ_３ ⁻及びＢＦ_４ ⁻がより好ましい。前記の中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、１種類のアニオンを用いても良く、複数種のアニオンを同時に電解液中に用いても良く、さらには、トリフルオロメタンスルホン酸イオンと複数種の中心原子に対しフッ素原子を複数含むアニオンとを同時に電解液中に用いても良い。

また、アニオンとして含まれる前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、アニオン中心である窒素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である２つのパーフルオロアルキル基を有している。このパーフルオロアルキルスルホニルはＣ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２で表され、他のパーフルオロアルキルスルホニル基は、Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２で表される。前記のｎおよびｍは、それぞれ１以上の任意の整数であり、ｎとｍとが同じ整数であってもよく、ｎとｍとが異なる整数であっても良い。例えばトリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ウンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基などを挙げることができる。前記パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩としては、例えば、ビストリフルオロメチルスルホニルアミド塩、ビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド塩、ビス（ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル）イミド塩を用いることができる。

上記化学式（１）のパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、カチオンと塩を形成することができ、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩として電解重合法における電解液中に加えられていても良い。パーフルオロアルキルスルホニルイミドと塩を形成するカチオンは、Ｌi^＋の様に１つの元素から構成されていてもよく、複数の元素より構成されていても良い。前記カチオンは、１価の陽イオンとしてパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを形成することができ、電解液中で解離することができるものであれば、特に限定されるものではない。

また、ダイヤフラムが複層構造を有する場合において、ダイヤフラムの全面に導電性高分子膜の層と他の層との積層構造を有している必要が無く、流体室内の流体を透過することのない層を有していれば、形状の中心付近に空間部を備えた導電性高分子膜でも良い。

また、本発明の流体振動装置は、ダイヤフラムを同一面上に並列で複数設けても良い。また前記流体振動装置は、ダイヤフラムを流体振動装置内に積み重ね状に設置しても良い。前記のようにダイヤフラムを流体振動装置内に複数設ける際には、ダイヤフラムを同一面上に並列で複数備えたダイヤフラムユニットを形成しても良い。また、本発明の流体振動装置においては、前記ダイヤフラムユニットを並列に複数備えること、または前記ダイヤフラムユニットを積み重ね状に複数備えても良い。

図３は、前記ダイヤフラムユニットの一実施態様例の正面図である。ダイヤフラムユニット３１は、円形孔の開口部に形成された導電性高分子膜３３を多数備えた金属枠体３２を備えている。また、金属枠体３２の裏側にも同一形状の３２’を備えている。金属枠体３２には電圧印加用のタブ部３４が形成されている。金属枠体３２’も、同様にタブ部が形成されている。また、孔３３には、導電性高分子膜が孔３３の開口部を覆うように形成されている。図４は、図３のダイヤフラムユニットのＡ−Ａ断面図である。図５は、図４の断面図における部分拡大図である。

図５において、金属枠体３２の円形孔の開口部に形成された導電性高分子膜３３２は、金属枠体３２’の円形孔の開口部に形成された導電性高分子膜３３２’と絶縁体３５を介して、凸部が向かい合うように対面している。上述した図１または図２のダイヤフラムの様に伸縮駆動することができる。また、金属枠体３２と金属枠体３２’との間に多孔質体３６を配置することにより、金属枠体間に間隔を形成することが可能となり、導電性高分子膜３３２、３３２’を断面円弧状に維持することができる。また、前記金属枠体３２、３２’に電圧を印加することにより、各金属枠体における各ダイヤフラムに電圧を印加することができるので、複数のダイヤフラムの駆動を容易に制御することができる。なお、導電性高分子膜３３２と導電性高分子膜３３２’との間には電解液が封入されていることが好ましい。前記電解液が導電性高分子膜間に存在することにより、導電性高分子膜３３２、３３２’が作用電極と対極との関係となり、図１または図２に示したような伸縮駆動を容易にすることができる。また、前記絶縁体は、導電性高分子膜３３２と導電性高分子膜３３２’とが直接に接することを防止するために、各孔にそれぞれ配置されているが、導電性高分子膜３３２と導電性高分子膜３３２’とが接しなければ、配置されてなくても良い。

金属枠体３２，３２’に形成された導電性高分子膜は、特に形成方法が限定されるものではない。例えば、金属枠体を作用電極とし、該金属枠体に背板を当てて、該金属枠体の孔を該背板で塞いだ状態で電解重合をすることにより、該金属枠体の孔を覆う導電性高分子膜は、容易に形成することができる。このような電解重合方法により形成された導電性高分子膜は、前記金属枠体を一面に覆う膜となるが、孔においては、ダイヤフラムとしての導電性高分子膜は円形となる。同一のスペース内に多数の小さなダイヤフラムを形成できるので、各孔に形成された導電性高分子膜が伸縮駆動することにより、大きな吐出圧を得ることができ、しかも、複数の流体振動装置が並列に形成されるので、前記ダイヤフラムユニットを用いたダイヤフラムは、大きな流量を吐出することもできる。

図６は、前記ダイヤフラムユニットを用いた流体振動装置の一実施態様例における斜視図である。図７は、図６の流体振動装置におけるＢ−Ｂ断面図である。図８は、図７の断面図におけるポート６４付近における部分拡大断面図である。図９は図７の断面図におけるポート６５付近の部分拡大断面図である。

図６において、流体振動装置６１は、蓋体６２と底体６３により筐体が形成されている。その筐体内部に、前記ダイヤフラムユニットが収納されている。前記蓋体には、ポート６４とポート６５とがそれぞれ２つ設けられている。また、電圧印加用の端子６６、６６’も、外部電源と接続できるように、流体振動装置６１に備えている。流体振動装置６１においては、ポート６４から流体振動装置内に吸入された流体が、ポート６４から吐出されるように、流体振動装置６１が構成されている。また、流体振動装置６１においては、ポート６５から流体振動装置内に吸入された流体がポート６５から吐出されるように、流体振動装置６１が構成されている。

図７のＢ−Ｂ断面図に示すように、流体振動装置６１には、３つのダイヤフラムユニットが備えられている。図８に示すように、３つのダイヤフラムユニット６７、６８、６９は、間隔が設けられ、流路７０、７１、７２、７３が形成されている。流路７０と流路７２は、ポート６４側の端部にシール体７４、７５が設けられて、流路７０と流路７２の流体がポート６４から流れないようにされている。また、図９に示すように、流路７１と流路７３は、ポート６５側の端部にシール体７６、７７が設けられて、流路７１と流路７３の流体がポート６５から流れないようにされている。流路７１と流路７３とは、２つのポート６４と通じている。同様に、流路７０と流路７２とは、２つのポート６５と通じている。

図８及び図９において、ダイヤフラムユニット６７及び６９の図下側のダイヤフラム並びにダイヤフラムユニット６８の図上側のダイヤフラムが伸張して、流体は、ポート６４から吸入されて、一部が流路７１を通ってダイヤフラムユニット６７とダイヤフラムユニット６８との間の空間に流入し、残りが流路７３を通って底体６３とダイヤフラムユニット６９との間の空間に流入することができる。また、この流入と同時に、ダイヤフラムユニット６７及び６９の図上側のダイヤフラム、並びにダイヤフラムユニット６８の図下側のダイヤフラムが収縮することにより、蓋体６２とダイヤフラムユニット６７との間の空間、並びにダイヤフラムユニット６８と６９との間の空間に存在する流体が７０、７２を通り、２つのポート６５から吐出することができる。同様にして、ダイヤフラムユニット６７及び６９の図上側のダイヤフラム、並びにダイヤフラムユニット６８の図下側のダイヤフラムが伸張して、流体は、２つのポート６５から吸入されて、一部が流路７０を通って蓋体６２とダイヤフラムユニット６７との間の空間に流入し、残りが７２を通ってダイヤフラムユニット６８と６９との間の空間に流入することができる。また、ポート６５からの吸入と同時に、ダイヤフラムユニット６７とダイヤフラムユニット６８との間の空間、並びに底体６３とダイヤフラムユニット６９との間の空間に存在する流体が７１、７３を通り、２つのポート６４から吐出することができる。

つまり、図７〜９に例示した流体振動装置の実施態様例では、ダイヤフラムユニット６７とダイヤフラムユニット６８とにおいて、互いに対面する導電性高分子膜は、伸張と収縮とが、逆位相となるように駆動される。同様に、ダイヤフラムユニット６８とダイヤフラムユニット６９とにおいても。互いに対面する導電性高分子膜は、伸張と収縮とが、逆位相となるように駆動される。このような導電性高分子膜の駆動により、ポート６４及びポート６５は、それぞれ吸入と吐出とを１サイクルとし、周期的に吸入と吐出とが繰り返されて、流体振動装置６１が流体を加振することができる。なお、各ダイヤフラムユニットの導電性高分子膜の伸張と収縮とは、各ダイヤフラムユニットの金属枠体に電圧を印加することにより、上述のように生じることができる。また、前記実施態様例では、ポート６４及びポート６５をそれぞれ２つ備えていたが、本発明の流体振動装置は、それぞれ１つずつ備えていても良く、それぞれ２つ以上備えていても良い。

上述のように、本発明の流体振動装置は、流体室の一部を形成するダイヤフラムに含まれる導電性高分子膜について、電圧印加を調節することにより各流体室の導電性高分子膜を周期的に伸縮運動をさせることで、流体に周期的な力を与えることができる。これにより、本発明の流体振動装置は、振動を振動させることができる。なお、本願における振動とは、周期的に振れ動くことであり、小刻みな振動のみならず大きな振れの運動をも含むものである。

本発明の流体振動装置は、各流体室における導電性高分子膜に電圧印加によって流体を高速若しくは低速の往復運動をさせることで流体を加振させて、その加振流体により、前記流体振動装置が取付けられる装置の目的とする効果を発揮することができる。例えば図１０は、図２の流体振動装置を用いた応用用途装置の一実施態様例の概念図である。図１０においては、流体室７’で流体の吸入及び吐出が行われることで流路８１内の流体が加振され、流体室８’で流体の吸入及び吐出が行われることで流路８２内の流体が加振され、加振された流体により被加振体８３に振動が与えられる。

本発明の流体振動装置は、例えば上記のようにして、用いることができるのであるが、加振流体により被加振体を振動させるだけではなく、加振流体によってその他の熱的や力学的な効果を与えることができる。本発明の前記流体振動装置は、例えば、洗浄装置に用いる流体振動装置、溶解装置に用いる流体振動装置、化学反応装置における反応を生じるために振動若しくは熱エネルギーを与えるための流体振動装置、ヒートパイプの流体の供給に用いる流体振動装置、またはホビー用途として用いる流体振動装置として用いることができる。

本発明の流体振動装置の第一の実施態様例の断面図。本発明の流体振動装置の第二の実施態様例の断面図。ダイヤフラムユニットの一実施態様例の正面図。図３のダイヤフラムユニットのＡ−Ａ断面図。図４のダイヤフラムユニットのＡ−Ａ断面図における部分拡大図。ダイヤフラムユニットを用いた流体振動装置の一実施態様例における斜視図。図６の流体振動装置におけるＢ−Ｂ断面図。図７の断面図における吸入口付近における部分拡大断面図。図７の断面図における吸入口付近における部分拡大断面図。本発明の流体振動装置を用いた応用用途装置の一実施態様例の概念図。

符号の説明

１、１’ 流体振動装置
２、２’ 筐体
３、３’ ダイヤフラム
４、４’ ダイヤフラム
５、５’ 壁面
６接続部材
７、７’ 第１流体室
８、８’ 第２流体室
９、９’ 空間部
１０、１０’ リード
１１、１１’ 吸入口
３１ダイヤフラムユニット
３２、３２’ 金属枠体
３３孔
３３２、３３２導電性高分子膜
３４多孔質体
６１流体振動装置
６２蓋体
６３底体
６４、６４’ ポート
６５、６５’ ポート
６６、６６’ 端子
６７、６８、６９ダイヤフラムユニット
７０、７１流路
７２、７３流路
７４、７５シール体
７６、７７シール体
８１流路
８２流路
８３被加振体

Claims

流体室を２以上備えた流体振動装置であって、
各流体室の少なくとも一部を構成するダイヤフラムを備え、
該ダイヤフラムが導電性高分子膜を含み、
２以上のダイヤフラムが面する閉空間に電解液が満たされ、
各ダイヤフラムがダイヤフラムを挟んで該閉空間の反対側に流体室をそれぞれ備え、各ダイヤフラムが導電性高分子膜を該電解液に接するようにそれぞれ含む流体振動装置。
互いに対向するように配置した対のダイヤフラムを１以上備え、対のダイヤフラム同士が接続されていない請求項１に記載の流体振動装置。
前記導電性高分子膜が１Ｖの電圧印加により、０．５秒当たりの伸び率が０．５％以上の導電性高分子を含む請求項１または請求項２に記載の流体振動装置。
前記導電性高分子膜が、電解重合法による導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を含み、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも１つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び／又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により得られた前記導電性高分子を含む請求項１または請求項２に記載の流体振動装置。
前記導電性高分子膜が、電解重合法を用いた導電性高分子の製造方法であって、該電解重合法が、アニオンとして、上記のトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び／または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンの替りに、化学式（１）
（Ｃ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２）Ｎ^- （１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）
で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む電解液を用いた導電性高分子の製造方法により得られた前記導電性高分子を含む請求項１または請求項２に記載の流体振動装置。
各流体室に、流体の吸入及び吐出をするためのポートを備えた請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体振動装置。
流体振動装置の駆動方法であって、
前記流体振動装置は、
流体室が２以上設けられ、
各流体室の少なくとも一部がダイヤフラムで構成され、
該ダイヤフラムが導電性高分子膜を含み、
２以上のダイヤフラムが面する閉空間に電解液が満たされ、
各ダイヤフラムがダイヤフラムを挟んで該閉空間の反対側に流体室をそれぞれ備え、
各ダイヤフラムが導電性高分子膜を該電解液に接するようにそれぞれ含む流体振動装置であり、
一方のダイヤフラムの駆動と他方のダイヤフラムの駆動とが吸入−吐出周期における逆位相となるように、一方の導電性高分子膜に印加される電圧の逆電圧が他方の導電性高分子膜に印加されるように電圧を印加し、
それぞれの印加電圧の極性を正負交互に印加することで連続的に駆動させる
流体振動装置の駆動方法。
電圧を印加することにより前記導電性高分子膜が収縮運動をして一方の流体室の容積を縮小し、該収縮運動が該電圧と逆極性の電圧を印加することにより伸張する導電性高分子膜を、電解液を介して、引張ることにより、他方の流体室の容積を増大させる請求項７に記載の流体振動装置の駆動方法。
前記ダイヤフラムが電解液を介して対向するように配置された対を一対以上有し、対の一方のダイヤフラムと他方のダイヤフラムとが吸入−吐出周期における逆位相となるように連続的に駆動させる請求項７または８に記載の流体振動装置の駆動方法。