JP5528404B2 - 流体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体制御を行う流体制御装置に関するものである。

特許文献１に従来の流体ポンプが開示されている。
図１は特許文献１の流体ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。図１に示す流体ポンプは、ポンプ本体１０と、外周部がポンプ本体１０に対して固定された振動板２０と、この振動板２０の中央部に貼り付けられた圧電素子２３と、振動板２０の略中央部と対向するポンプ本体１０の部位に形成された第１開口部１１と、振動板２０の中央部と外周部との中間領域又はこの中間領域と対向するポンプ本体の部位に形成された第２開口部１２とを備える。振動板２０は金属製であり、圧電素子２３は第１開口部１１を覆い、且つ第２開口部１２まで達しない大きさに形成されている。

図１に示す流体ポンプでは、圧電素子２３に所定周波数の電圧を印加することにより、第１開口部１１に対向する振動板２０の部分と第２開口部１２に対向する振動板２０の部分とが相反方向に屈曲変形する。これにより、第１開口部１１および第２開口部１２の一方から流体を吸込み、他方から吐出する。

国際公開第２００８／０６９２６４号パンフレット

図１に示したような構造の流体ポンプは、構造が簡単で薄型に構成でき、例えば燃料電池システムの空気輸送用ポンプとして用いられる。ところが、組み込み先の電子機器は常に小型化の傾向があるため、流体ポンプの能力（流量と圧力）を低下させることなく更なる流体ポンプの小型化が要求される。流体ポンプが小型化する程、ポンプの能力（流量と圧力）は低下するため、ポンプの能力を維持しつつ小型化しようとすれば、従来構造の流体ポンプでは限界があった。

そこで、本願の発明者は、以下に示す構造の流体ポンプを考案した。
図２は、同流体ポンプの主要部の構成を示す断面図である。流体ポンプ９０１は、基板３９、可撓板３５、スペーサ３７、振動板３１、圧電素子３２を備え、それらを順に積層した構造を有している。なお、可撓板３５は、本発明の板に対応する。

流体ポンプ９０１では、圧電素子３２と圧電素子３２に接合された振動板３１とがアクチュエータ３０を構成する。この振動板３１の端部は、中心に通気孔３５Ａが形成された可撓板３５の端部に、スペーサ３７を介して接着固定されている。そのため、振動板３１は、可撓板３５からスペーサ３７の厚み分離れてスペーサ３７に支持されている。

また、可撓板３５には、中心に円柱形の開口部４０が形成された基板３９が接合されている。可撓板３５の一部は基板３９の開口部４０で基板３９側へ露出する。この円形の露出部は、アクチュエータ３０の振動に伴う流体の圧力変動により、アクチュエータ３０と実質的に同一周波数で振動することができる。すなわち、この可撓板３５と基板３９との構成により、可撓板３５のアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近は屈曲振動可能な可動部４１（露出部）となり、当該アクチュエータ対向領域の可動部４１より外側の周辺部は基板３９に拘束された固定部４２となっている。

以上の構造において圧電素子３２に電圧が印加されると、流体ポンプ９０１では、圧電素子３２の伸縮により振動板３１が屈曲振動し、振動板３１の振動に伴って可撓板３５の可動部４１が振動する。これにより、流体ポンプ９０１は、通気孔３５Ａから空気を吸引又は吐出する。よって、流体ポンプ９０１では、アクチュエータ３０の振動に伴い可動部４１が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができる。

しかしながら、上記流体ポンプ９０１では、可撓板３５の可動部４１が基板３９によって支持されていない。そのため、可撓板３５の可動部４１が可動部４１にかかる張力等によって振動板３１から離れる方向に撓み、可撓板３５の可動部４１から当該可動部４１に対向する振動板３１の領域までの間隔が長くなる場合がある。

この場合、アクチュエータ３０の振動が可動部４１に伝わりにくくなり、可動部４１の振動が小さくなる。したがって、流体ポンプ９０１では、理想的な圧力−流量特性に対して圧力が低くなるという問題がある。

そこで、スペーサ３７の厚みを薄くすることでアクチュエータ３０と可撓板３５との間隔を予め狭くして振動させることにより、圧力を増加させる方法が考えられるが、この方法では、圧力が増加した分流量が減少するという問題があり、流量を減少させずに高い圧力を発生させることが困難であった。

従って本発明は、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることができる、小型低背の流体制御装置を提供することを目的とする。

本発明の流体制御装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

（１）振動板と、
前記振動板の一方の主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、
前記振動板の他方の主面に対向して設けられ、孔が設けられている板と、を備え、
前記板は、屈曲振動可能な可動部を有し、
前記振動板および前記板の少なくとも一方は、前記孔と前記孔に対向する前記振動板の領域との間に位置し、前記孔と前記孔に対向する前記振動板の領域との中間の方向へ突出する突出部を有する。

この構成では、突出部が設けられている箇所では振動板と板との間隔が他の箇所よりも狭くなっているため、高い圧力を得ることができる。また、突出部が設けられている箇所以外では振動板と板との間隔が狭くなっていないため、圧力損失が減少し、流体の流量が低下しない。そのため、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることができる。

（２）前記板に接合され、開口部が形成された基板をさらに備え、
前記板は、前記基板に拘束された固定部をさらに有し、
前記可動部は、前記基板の前記開口部に面する。

この構成では、駆動体により振動板が振動し、振動板の振動に伴って板の可動部が振動する。

また、この構成は、突出部を振動板に設けた第１の構成と、突出部を板に設けた第２の構成とを含んでいる。第１の構成の場合では、板の可動部と当該可動部に対向する振動板の領域との間隔が板の固定部と当該固定部に対向する振動板の領域との間隔より狭くなる。第２の構成の場合では、板の可動部が突出部を兼用し、板の可動部と当該可動部に対向する振動板の領域との間隔が基板と当該基板に対向する振動板の領域との間隔より狭くなる。

そのため、この構成では、板の可動部が可動部にかかる張力等によって振動板から離れる方向に撓んでも板の可動部から当該可動部に対向する振動板の領域までの間隔が突出部の高さ分狭まる。これにより、振動板の振動が板の可動部に伝わり易くなる。

また、上記第１の構成の場合では、板の可動部と当該可動部に対向する振動板の領域との間隔が狭くなっているが、板の固定部と当該固定部に対向する振動板の領域との間隔は狭くなっていない。同様に、上記第２の構成の場合においても、板の可動部と当該可動部に対向する振動板の領域との間隔が狭くなっているが、基板と当該基板に対向する振動板の領域との間隔は狭くなっていない。

そのため、この構成では、振動板の振動時、固定部または基板に対向する振動板の領域が板の固定部または基板に当接することを抑制できる。すなわち振動板の振動が板の固定部または基板によって制限されることを抑制できる。

従って、この構成によれば、振動板の振動に伴って板の可動部が十分に振動し、振動板の振動が板の固定部または基板によって制限されることを抑制できる。そのため、よりポンプ能力の高い流体制御装置を提供できる。

（３）前記突出部は、前記振動板の他方の主面に形成されており、前記可動部側へ突出することが好ましい。

この構成では、当該可動部に対向する振動板の領域に突出部が設けられ、板の可動部と当該可動部に対向する振動板の領域との間隔が板の固定部と当該固定部に対向する振動板の領域との間隔より狭くなるため、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることができる。

（４）前記突出部は、円柱状に形成されていることが好ましい。

この構成では、振動板の振動に伴う損失がより少なくなり、ポンプとしての動作効率が高まる。

（５）前記突出部は、前記突出部の周縁に近づくにつれて厚みが薄くなる形状の端部を有することが好ましい。

この構成における突出部の端部の形状は、例えばＲ状、又はテーパ状である。この構成では、突出部の端部と、当該端部より内側に位置する突出部の中央部と、で異なる圧力分布が得られるため、流体の圧縮時に、流体の圧力の高い突出部の中央部から、流体の圧力の低い突出部の端部の方向へ流体が流動し易くなる。このため、ポンプの加圧効率をより改善することができる。

また、この構成では、振動板の平面が一様でない場合や、スペーサの厚みにばらつきがある場合であっても、突出部が可動部に接触してしまうことを抑制できる。

また、この構成では、突出部と可動部との間に平行度を要求される部分（突出部の端部が設けられていない部分）が少なくなるため、突出部と可動部との平行度が相対的に高くなり、ポンプの圧縮比をより高めることができる。

（６）前記振動板全体のうち前記突出部を除く領域は、エッチングにより前記振動板の前記突出部の領域の厚みより薄い厚みに形成されていることが好ましい。

この構成では、振動板全体のうち突出部を除く領域をエッチングすることで、突出部の高さをエッチングの深さによって精密に規定できる。

よって、この構成によれば、エッチングの深さを調整することで、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることを容易に達成することができる。

（７）前記突出部の前記開口部側の面の面積は、振動板の振動が板の可動部に十分に伝わるよう、前記開口部の開口面の面積以上であることが好ましい。

この構成では突出部が、対向する可動部を覆う大きさとなる。このため、より高い圧力が得られる。

（８）前記振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、を有する振動板ユニットを備え、
前記板は、前記振動板の他方の主面に対向するよう前記枠板に接合されていることが好ましい。

この構成では、振動板の周辺部が実質的に拘束されていないため、振動板の振動に伴う損失が少なく、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られる。

（９）前記板は、複数の微粒子を含有した接着剤によって前記複数の微粒子を挟んで前記枠板に接着されていることが好ましい。

この構成では、複数の微粒子の直径を調整することで、振動板の振動が板の可動部に十分に伝わるよう、突出部と板の可動部との間隔を定めることができる。

また、この構成では、枠板と板とが接着剤によって固定される際、接着剤層の厚みが微粒子の直径より薄くならないため、塗布した接着剤が周囲に流れ出る量を抑制できる。

また、この構成では、連結部と板との隙間へ上記接着剤の余剰分が流れ込んでも、連結部の板側の面が板から少なくとも微粒子の直径分離れているため、連結部と板とが接着することを抑制できる。同様に、振動板と板との隙間へ上記接着剤の余剰分が流れ込んでも、振動板の板側の面が板から少なくとも微粒子の直径分離れているため、振動板と板とが接着することを抑制できる。そのため、振動板および連結部と板とが接着して振動板の振動を阻害してしまうことを抑制できる。

（１０）前記板の前記連結部と対向する領域には孔部が形成されていることが好ましい。

この構成では、枠板を板に接着固定する際に、上記接着剤の余剰分が孔部に流れ込む。そのため、この構成によれば、振動板および連結部と板とが接着することを一層抑制することができる。即ち振動板の振動を阻害してしまうことを一層抑制できる。

（１１）前記振動板および前記駆動体はアクチュエータを構成し、前記アクチュエータは円板状であることが好ましい。

この構成では、アクチュエータが回転対称形（同心円状）の振動状態となるため、アクチュエータと可撓板との間に不要な隙間が発生せず、ポンプとしての動作効率が高まる。

本発明によれば、突出部が設けられている箇所では振動板と板との間隔が他の箇所よりも狭くなっているため、高い圧力を得ることができる。また、突出部が設けられている箇所以外では振動板と板との間隔が狭くなっていないため、圧力損失が減少し、流体の流量が低下しない。そのため、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることができる小型低背の流体制御装置を提供できる。

特許文献１の流体ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。 本発明の比較例に係る流体ポンプ９０１の主要部の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。 図４に示す振動板ユニット１６０の外観斜視図である。 図４に示す枠板１６１及び可撓板１５１の接着部分を拡大した概略断面図である。 図８（Ａ）は、図３に示す圧電ポンプ１０１の常温時の主要部の断面図である。図８（Ｂ）は、図３に示す圧電ポンプ１０１の高温時の主要部の断面図である。 図４に示す振動板ユニット１６０及び可撓板１５１の接合体の平面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の圧力−流量特性と圧電ポンプ１０１から突出部１４３を無くした構成の圧電ポンプの圧力−流量特性とを示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の最大圧力と突出部１４３の直径との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る圧電ポンプ２０１の振動板ユニット２６０の外観斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る圧電ポンプ３０１の振動板ユニット３６０の外観斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る圧電ポンプ４０１の断面図である。 図１４に示す可撓板４５１の平面図である。 本発明の第５実施形態に係る圧電ポンプ５０１の断面図である。 図１６に示す突出部５４３の一部拡大断面図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。図４は、図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図であり、図５は、図３に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。図６は、図４に示す振動板ユニット１６０を可撓板１５１側から見た同振動板ユニット１６０の外観斜視図であり、図７は、図４に示す枠板１６１及び可撓板１５１の接着部分を拡大した概略断面図である。

図３〜図５に示すように、圧電ポンプ１０１は、カバー板１９５、基板１９１、可撓板１５１、振動板ユニット１６０、圧電素子１４２、スペーサ１３５、電極導通用板１７０、スペーサ１３０及び蓋部１１０を備え、それらを順に積層した構造を有している。
なお、可撓板１５１が、本発明の「板」に相当する。

円板状の振動板１４１の上面には圧電素子１４２が接着固定されて、振動板１４１と圧電素子１４２とによって円板状のアクチュエータ１４０が構成される。ここで、振動板１４１を含む振動板ユニット１６０は、圧電素子１４２の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する金属材料で形成されている。振動板１４１及び圧電素子１４２を接着時に加熱硬化させることにより、振動板１４１が圧電素子１４２側へ凸に反りながら、圧電素子１４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子１４２の割れを防止できる。例えば、振動板ユニット１６０は、ＳＵＳ４３０などで形成するのがよい。例えば、圧電素子１４２は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどで形成するのがよい。圧電素子１４２の線膨張係数はほぼゼロであり、ＳＵＳ４３０の線膨張係数は１０．４×１０^−６Ｋ^−１程度である。
なお、圧電素子１４２が、本発明の「駆動体」に相当する。

スペーサ１３５の厚みは、圧電素子１４２の厚みと同じか、少し厚くしておくとよい。

振動板ユニット１６０は、図４〜図６に示すように、振動板１４１と、枠板１６１と、連結部１６２とによって構成される。振動板ユニット１６０は、金属板のエッチング加工により一体成型することで形成されている。振動板１４１の周囲には枠板１６１が設けられていて、振動板１４１は枠板１６１に対して連結部１６２で連結されている。そして、枠板１６１は、図７に示すように、複数の球形の微粒子１２１を含有した接着剤層１２０を介して可撓板１５１に接着固定されている。
なお、図７では説明簡略化のため微粒子１２１の数が３個しか描かれていないが、実際は多数の微粒子１２１が存在する。

ここで、接着剤層１２０の接着剤１２２の材質は例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂であり、微粒子１２１の材質は例えば、導電性の金属でコーティングされたシリカ又は樹脂である。そして、接着剤層１２０は、接着時、加圧条件下で加熱することで硬化される。そのため、接着後、枠板１６１及び可撓板１５１は複数の微粒子１２１を挟んだ状態で接着剤層１２０によって接着固定される。

また、上記振動板１４１は、図５、図６に示すように、可動部１５４側に突出する円柱状の突出部１４３を有する。この突出部１４３は、可撓板１５１の可動部１５４に対向して配置されている。振動板１４１と可撓板１５１の可動部１５４及び固定部１５５との関係の詳細については後述する。ここで、振動板１４１全体のうち突出部１４３を除く領域および連結部１６２は、当該領域に対してハーフエッチングを行うことにより、振動板１４１の突出部１４３の領域の厚みより薄い厚みに形成されている。

このため、突出部１４３の高さは、ハーフエッチングの深さによって精密に規定できる。この実施形態において、突出部１４３の高さは２０μｍであり、突出部１４３の直径は５．５ｍｍである。また、固定部１５５に対向する振動板１４１の領域および連結部１６２と可撓板１５１との間の距離は、ハーフエッチングの深さと微粒子１２１の直径との合計（例えば３０μｍ）によって精密に規定できる。即ち、固定部１５５に対向する振動板１４１の領域および連結部１６２は、可撓板１５１からハーフエッチングの深さと微粒子１２１の直径との合計分離れて、配置される。そして、連結部１６２は、小さなバネ定数の弾性を持つ弾性構造となっている。

したがって、振動板１４１は３つの連結部１６２で枠板１６１に対して３点で柔軟に弾性支持されており、振動板１４１の屈曲振動は殆ど妨げられない。すなわち、圧電ポンプ１０１は、アクチュエータ１４０の周辺部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていない構造となっている。

枠板１６１の上面には、樹脂製のスペーサ１３５が接着固定されている。スペーサ１３５の厚みは圧電素子１４２と同じか少し厚く、ポンプ筺体１８０の一部を構成するとともに、次に述べる電極導通用板１７０と振動板ユニット１６０とを電気的に絶縁する。

スペーサ１３５の上には、金属製の電極導通用板１７０が接着固定されている。電極導通用板１７０は、ほぼ円形に開口した枠部位１７１と、この開口内に突出する内部端子１７３と、外部へ突出する外部端子１７２とで構成されている。

内部端子１７３の先端は圧電素子１４２の表面にはんだ付けされる。はんだ付け位置をアクチュエータ１４０の屈曲振動の節に相当する位置とすることにより内部端子１７３の振動は抑制できる。

電極導通用板１７０の上には、樹脂製のスペーサ１３０が接着固定される。スペーサ１３０はここでは圧電素子１４２と同程度の厚みを有する。スペーサ１３０は、アクチュエータが振動したときに、内部端子１７３のはんだ部分が、蓋部１１０に接触しないようにするためのスペーサである。また、圧電素子１４２表面が蓋部１１０に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅が低下することを抑制する。そのため、スペーサ１３０の厚みは、前述の通り、圧電素子１４２と同程度の厚みであればよい。

蓋部１１０はスペーサ１３０の上端部に接合され、アクチュエータ１４０の上部を覆う。そのため、後述する可撓板１５１の通気孔１５２を通して吸引された流体は吐出孔１１１から吐出される。吐出孔１１１は蓋部１１０の中心に設けてもよいが、蓋部１１０を含むポンプ筺体１８０内の正圧を開放する吐出孔であるので、蓋部１１０の中心に設ける必要はない。

可撓板１５１には電気的に接続するための外部端子１５３が形成されている。また、可撓板１５１の中心には通気孔１５２が形成されている。可撓板１５１は、振動板１４１に対向し、接着剤層１２０によって複数の微粒子１２１を挟んで枠板１６１に接着固定されている（図７参照）。

可撓板１５１の下部には、中心に円柱形の開口部１９２が形成された基板１９１が接着剤で貼付されている。可撓板１５１の一部は基板１９１の開口部１９２で露出する。この円形に露出した可撓板１５１の一部は、アクチュエータ１４０の振動に伴う空気の圧力変動により、アクチュエータ１４０と実質的に同一周波数で振動することができる。すなわち、この可撓板１５１と基板１９１との構成により、可撓板１５１の開口部１９２に対応する箇所が屈曲振動可能な可動部１５４となり、可撓板１５１の可動部１５４より外側の周辺部が基板１９１に拘束された固定部１５５となる。この円形の可動部１５４の固有振動数は、アクチュエータ１４０の駆動周波数と同一か、やや低い周波数になるように設計している。

従って、アクチュエータ１４０の振動に呼応して、通気孔１５２を中心とした可撓板１５１の可動部１５４も大きな振幅で振動する。可撓板１５１の振動位相がアクチュエータ１４０の振動位相よりも遅れた（例えば９０°遅れの）振動となれば、可撓板１５１とアクチュエータ１４０との間の隙間空間の厚み変動が実質的に増加する。そのことによってポンプの能力をより向上させることができる。

基板１９１の下部には、カバー板１９５が接合されている。カバー板１９５には、３つの吸引孔１９７が設けられている。吸引孔１９７は、基板１９１に形成された流路１９３によって、開口部１９２と連通している。

可撓板１５１、基板１９１、及びカバー板１９５は、振動板ユニット１６０の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する材料で形成されている。可撓板１５１、基板１９１、及びカバー板１９５は、ほぼ同一の線膨張係数からなる。例えば、可撓板１５１はベリリウム銅、基板１９１はリン青銅、カバー板１９５は銅などで形成するのが良い。これらの線膨張係数は概略１７×１０^−６Ｋ^−１程度である。また、振動板ユニット１６０はＳＵＳ４３０などで形成するのがよい。ＳＵＳ４３０の線膨張係数は１０．４×１０^−６Ｋ^−１程度である。

この場合、枠板１６１に対する、可撓板１５１、基板１９１、カバー板１９５の線膨張係数の違いから、接着時に加熱硬化させることにより、可撓板１５１が圧電素子１４２側に凸に反りながら、中心付近の屈曲振動可能な可動部１５４に張力が与えられる。これによって、屈曲振動可能な可動部１５４の張力が調整されるとともに、屈曲振動可能な可動部１５４がたるんで、振動が妨げられることがない。可撓板１５１を構成するベリリウム銅はバネ材なので、円形の可動部１５４が大きな振幅で振動しても、へたりなどが生じることがなく、耐久性に優れる。

以上の構造において外部端子１５３，１７２に駆動電圧が印加されると、圧電ポンプ１０１では、アクチュエータ１４０が同心円状に屈曲振動し、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が振動する。これにより、圧電ポンプ１０１は、吸引孔１９７から通気孔１５２を介して空気をポンプ室１４５へ吸引し、ポンプ室１４５の空気を吐出孔１１１から吐出する。このとき、圧電ポンプ１０１では、振動板１４１の周辺部が実質的に拘束されていないため、振動板１４１の振動に伴う損失が少なく、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られる。

図８（Ａ）は、図３に示す圧電ポンプ１０１の常温時の主要部の断面図であり、図８（Ｂ）は、図３に示す圧電ポンプ１０１の高温時の主要部の断面図である。ここで、図８（Ａ）は、説明のため、振動板ユニット１６０、圧電素子１４２、可撓板１５１、基板１９１及びカバー板１９５の接合体の反りを実際より強調して示している。また、図８（Ａ）（Ｂ）では、説明のため、蓋部１１０、スペーサ１３０、電極導通用板１７０、及びスペーサ１３５の図示を省略している。

この実施形態の圧電ポンプ１０１では、圧電素子１４２、振動板ユニット１６０、可撓板１５１、基板１９１、及びカバー板１９５は、常温（２０℃）より高い温度（例えば１２０℃）で接着剤等によって接合される（図８（Ｂ）参照）。これにより、接合後、常温において、上述した振動板ユニット１６０及び圧電素子１４２の線膨張係数の違いから振動板１４１は圧電素子１４２側を凸にして反り、上述した振動板ユニット１６０及び基板１９１の線膨張係数の違いから可撓板１５１は圧電素子１４２側を凸にして反る（図８（Ａ）参照）。この実施形態では常温において、振動板１４１及び可撓板１５１は、圧電素子１４２側を凸にしてほぼ等しい曲率で反っている。

しかしながら、この実施形態の流体ポンプ１０１においても、可撓板１５１の可動部１５４が基板１９１によって支持されていない。そのため、常温時、可撓板１５１の可動部１５４が、可撓板１５１及び基板１９１を接着する際に使用した接着剤の余剰分１５９の硬化収縮等によって振動板１４１から離れる方向に撓んでしまう（図８（Ａ）参照）。そのため、可撓板１５１の可動部１５４から当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域までの間隔が長くなる。

そこで、この実施形態の流体ポンプ１０１では、振動板１４１が、可動部１５４に対向する領域に突出部１４３を有する。これにより、可撓板１５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間隔より狭くなる。

そのため、可撓板１５１の可動部１５４が振動板１４１から離れる方向に撓んでも可撓板１５１の可動部１５４から当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域までの間隔が突出部１４３の高さ分狭まる。これにより、アクチュエータ１４０の振動が可撓板１５１の可動部１５４に伝わり易くなる。

また、この構成では、可撓板１５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が狭くなっているが、可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間隔は狭くなっていない。

そのため、アクチュエータ１４０の振動時、固定部１５５に対向する振動板１４１の領域が可撓板１５１の固定部１５５に当接してしまい、アクチュエータ１４０の振動が可撓板１５１の固定部１５５によって制限されることを抑制できる。すなわち、可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間の距離が狭くなっていないため、この間を通過する流体の流量は低下しない。即ち、可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間での圧力損失は生じない。

以上より、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、突出部１４３が設けられている箇所では振動板１４１と可撓板１５１との間隔が他の箇所よりも狭くなっているため、高い圧力を得ることができる。また、突出部１４３が設けられている箇所以外では振動板１４１と可撓板１５１との間隔が狭くなっていないため、圧力損失が減少し、流体の流量が低下しない。そのため、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることができる。

また、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が十分に振動し、振動板１４１の振動が可撓板１５１の固定部１５５によって制限されることを抑制できる。そのため、この実施形態の圧電ポンプ１０１は、小型低背で優れたポンプ能力を有する。

また、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、複数の微粒子１２１の直径を調整することで、アクチュエータ１４０の振動が可撓板１５１の可動部１５４に十分に伝わるよう、突出部１４３と可撓板１５１の可動部１５４との間隔を定めることができる。そして、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、エッチングの深さを調整することで、従来よりも流量を減少させることなく高い圧力を得ることを容易に達成することができる。

なお、突出部１４３の高さは、可撓板１５１の可動部１５４が振動板１４１から離れる方向に撓むため（図８（Ａ）参照）、可動部１５４の先端が撓んだ距離より長いことが好ましい。また、突出部１４３の可動部側の面の面積は、アクチュエータ１４０の振動が可撓板１５１の可動部１５４に十分に伝わるよう、開口部１９２の開口面（円柱の上面）の面積以上であることが好ましい。この場合、突出部１４３が、対向する可動部１５４を覆う大きさとなる。

さらに、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、枠板１６１と可撓板１５１とが接着剤層１２０を介して接着固定される際、接着剤層１２０の厚みが微粒子１２１の直径より薄くならないため、接着剤層１２０の接着剤１２２が周囲に流れ出ることを抑制できる。

また、圧電ポンプ１０１では、連結部１６２と可撓板１５１との隙間へ接着剤１２２の余剰分が流れ込んでも、連結部１６２の可撓板１５１側の面が可撓板１５１から微粒子１２１の直径とハーフエッチングの深さとの合計分離れているため、連結部１６２と可撓板１５１とが接着することを抑制できる。

同様に、固定部１５５に対向する振動板１４１の領域と可撓板１５１の固定部１５５との隙間へ上記接着剤１２２の余剰分が流れ込んでも、振動板１４１の当該領域の可撓板１５１側の面が可撓板１５１の固定部１５５から微粒子１２１の直径とハーフエッチングの深さとの合計分離れているため、固定部１５５に対向する振動板１４１の領域と可撓板１５１の固定部１５５とが接着することを抑制できる。

そのため、振動板１４１および連結部１６２と可撓板１５１とが接着して振動板１４１の振動を阻害してしまうことも抑制できる。

図９は、図４に示す振動板ユニット１６０及び可撓板１５１の接合体の平面図である。
図４〜図９に示すように、可撓板１５１及び基板１９１の連結部１６２と対向する領域に孔部１９８を設けておくとよい。これにより、枠板１６１を可撓板１５１に接着固定する際に、接着剤１２２の余剰分が孔部１９８に流れ込む。

そのため、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、振動板１４１及び連結部１６２と可撓板１５１とが接着することを一層抑制することができる。即ち振動板１４１の振動を阻害してしまうことを一層抑制できる。

ここで、この実施形態の圧電ポンプ１０１の圧力−流量特性（ポンプ能力）と、突出部が設けられていない圧電ポンプの圧力−流量特性とを比較する。

両圧電ポンプに対して共振周波数の３５Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、両圧電ポンプの吐出孔１１１から吐出される空気の流量と吐出圧力とを測定した結果を表１に示す。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の圧力−流量特性と、突出部が設けられていない圧電ポンプの圧力−流量特性とを示すグラフである。図１０に示すグラフの各点は、表１に示す各圧力および各流量に対応する。
なお、上述したように、突出部１４３の高さは２０μｍであり、突出部１４３の直径は５．５ｍｍである。

図１０に示す測定結果より、本発明の圧電ポンプ１０１の圧力と流量が全て、突出部が設けられていない圧電ポンプの圧力と流量を上回ることが明らかとなった。即ち、突出部が設けられていない圧電ポンプのポンプ能力より、突出部１４３を備える圧電ポンプ１０１のポンプ能力の方が優れていることが明らかとなった。この結果は、突出部１４３を設けたことで、高い圧力が得られ、また、突出部１４３以外の箇所では振動板１４１と可撓板１５１との間隔が狭くなっていないため、圧力損失が減少し、流体の流量が低下しなかったためである。

続いて、圧電ポンプ１０１の吐出圧力と突出部１４３の直径との関係について説明する。

突出部１４３の直径を異ならせた複数の圧電ポンプ１０１を用意し、各圧電ポンプ１０１に対して共振周波数の３５Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、各圧電ポンプ１０１の吐出孔１１１から吐出される空気の吐出圧力の最大値を測定した結果を表２に示す。

図１１は、本発明の第１実施形態に係る圧電ポンプ１０１の最大圧力と突出部１４３の直径との関係を示すグラフである。図１１に示すグラフの各点は、表２に示す各最大圧力および各径比率に対応する。
なお、円柱形の開口部１９２の直径は、５ｍｍである。また、各圧電ポンプ１０１の突出部１４３の直径は、５ｍｍを１としたときの径比率で表している。

図１１に示す測定結果により、「径比率＜１」の区間で、径比率が小さくなるにつれて圧電ポンプ１０１の圧力が低くなることが明らかとなった。この結果は、突出部１４３の直径が円柱形の開口部１９２の直径より小さいことにより、アクチュエータ１４０の振動が可撓板１５１の可動部１５４に十分に伝わらず、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が十分に振動しなかったためであると考えられる。

また、図１１に示す測定結果により、「１．１８＜径比率」の区間で、径比率が大きくなるにつれて圧電ポンプ１０１の圧力が低くなることが明らかとなった。この結果は、突出部１４３の直径が円柱形の開口部１９２の直径より長すぎることにより、アクチュエータ１４０の振動時、振動板１４１の突出部１４３が可撓板１５１の固定部１５５に当接し、振動板１４１の振動が可撓板１５１の固定部１５５によって制限されたためであると考えられる。

そして、図１１に示す測定結果により、「１．００≦径比率≦１．１８」の区間で、即ち突出部１４３の直径５ｍｍ〜５．９ｍｍの区間で、圧電ポンプ１０１の圧力が高くなることが明らかとなった。この結果は、突出部１４３の直径が円柱形の開口部１９２の直径と同じか少し大きい程度であることにより、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が十分に振動し、振動板１４１の振動が可撓板１５１の固定部１５５によって制限されることも抑制できたためであると考えられる。

以上より、突出部１４３の直径を円柱形の開口部１９２の直径と同じか少し大きい程度とすることで、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が十分に振動し、振動板１４１の振動が可撓板１５１の固定部１５５によって制限されることを抑制できる。すなわち、突出部１４３の直径を円柱形の開口部１９２の直径と同じか少し大きい程度とすることで、圧電ポンプ１０１は、小型低背で優れたポンプ能力を有する。

また、以上のことから、流体制御装置の圧力、流量を制御するためには、振動板１４１と可撓板１５１の隙間を適切にすることが重要であることが明らかとなった。また圧力を増すためには、特に可撓板１５１に設けられた通気孔１５２の周辺の隙間を小さくすることが効果的であることが明らかとなった。

《第２の実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る圧電ポンプ２０１について説明する。
図１２は、本発明の第２実施形態に係る圧電ポンプ２０１の振動板ユニット２６０の外観斜視図である。この実施形態の圧電ポンプ２０１が第１実施形態の圧電ポンプ１０１と相違する点は、突出部２４３の形状が円環状である点である。その他の構成については同じである。

この実施形態の圧電ポンプ２０１においても、可撓板１５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間隔より狭くなる。

従って、この実施形態の圧電ポンプ２０１によれば、上記第１の実施形態に係る圧電ポンプ１０１と同様の効果が得られる。

《第３の実施形態》
以下、本発明の第３実施形態に係る圧電ポンプ３０１について説明する。
図１３は、本発明の第３実施形態に係る圧電ポンプ３０１の振動板ユニット３６０の外観斜視図である。この実施形態の圧電ポンプ３０１が第１実施形態の圧電ポンプ１０１と相違する点は、半円状の突出部３４３Ａ、Ｂを備える点である。その他の構成については同じである。この実施形態の圧電ポンプ３０１では、空気が突出部３４３Ａ、Ｂの間の溝３４４を通過することが可能である。

この実施形態の圧電ポンプ３０１においても、可撓板１５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が可撓板１５１の固定部１５５と当該固定部１５５に対向する振動板１４１の領域との間隔より狭くなる。

従って、この実施形態の圧電ポンプ３０１によれば、上記第１の実施形態に係る圧電ポンプ１０１と同様の効果が得られる。

《第４の実施形態》
以下、本発明の第４実施形態に係る圧電ポンプ４０１について説明する。
図１４は、本発明の第４実施形態に係る圧電ポンプ４０１の断面図である。図１５は、図１４に示す可撓板４５１の平面図である。

この実施形態の圧電ポンプ４０１が第１実施形態の圧電ポンプ１０１と相違する点は、可撓板４５１の形状である。その他の構成については同じである。

詳述すると、この実施形態の圧電ポンプ４０１では、可撓板４５１の可動部１５４が突出部１５４を兼用し、可撓板４５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が基板１９１と当該基板１９１に対向する振動板１４１の領域との間隔より突出部１５４の高さ分狭くなっている。
なお、可撓板４５１の可動部１５４より外側の領域は、基板１９１に拘束された固定部４５５となっている。

また、この実施形態の圧電ポンプ４０１では、可撓板４５１の可動部１５４と当該可動部１５４に対向する振動板１４１の領域との間隔が狭くなっているが、基板１９１と当該基板１９１に対向する振動板１４１の領域との間隔は狭くなっていない。

そのため、この実施形態の圧電ポンプ４０１では、突出部１５４が設けられている箇所では振動板１４１と可撓板４５１との間隔が他の箇所よりも狭くなっているため、高い圧力を得ることができる。また、突出部１５４が設けられている箇所以外では振動板１４１と可撓板４５１との間隔が狭くなっていないため、圧力損失が減少し、流体の流量が低下しない。

また、アクチュエータ４４０の振動時、基板１９１に対向する振動板１４１の領域が基板１９１に当接することを抑制できる。すなわちアクチュエータ４４０の振動が基板１９１によって制限されることを抑制できる。

従って、この実施形態の圧電ポンプ４０１によれば、上記第１の実施形態に係る圧電ポンプ１０１と同様の効果が得られる。

《第５の実施形態》
以下、本発明の第５実施形態に係る圧電ポンプ５０１について説明する。
図１６は、本発明の第５実施形態に係る圧電ポンプ５０１の断面図である。図１７は、図１６に示す突出部５４３の一部拡大断面図である。この実施形態の圧電ポンプ５０１が第１実施形態の圧電ポンプ１０１と相違する点は、突出部５４３の形状である。その他の構成については同じである。

詳述すると、突出部５４３は、突出部５４３の周縁に近づくにつれて厚みが薄くなるＲ形状の端部５４７と、端部５４７より内側に位置する平坦形状の中央部５４６と、を有する。

この実施形態の圧電ポンプ５０１では、突出部５４３の端部５４７と可撓板１５１の可動部１５４との間隔が、突出部５４３の中央部５４６と可撓板１５１の可動部１５４との間隔よりも広くなっている。これにより、この実施形態の圧電ポンプ５０１では、突出部５４３の中央部５４６と、突出部５４３の端部５４７とで異なる圧力分布が得られるため、空気の圧縮時に、空気圧の高い突出部５４３の中央部５４６と可動部１５４との間から、空気圧の低い突出部５４３の端部５４７と可動部１５４との間へ空気が流動し易くなる。このため、ポンプの加圧効率をより改善することができる。

また、この実施形態の圧電ポンプ５０１では、振動板１４１の平面が一様でない場合や、接着剤層１２０の厚みにばらつきがある場合であっても、突出部５４３が可動部１５４に接触してしまうことを抑制できる。

また、この実施形態の圧電ポンプ５０１では、突出部５４３と可動部１５４との間に平行度を要求される部分（突出部５４３の端部５４７が設けられていない部分）が少なくなるため、突出部５４３と可動部１５４との平行度が相対的に高くなり、ポンプの圧縮比をより高めることができる。

なお、本実施形態では突出部５４３の端部５４７をＲ状に形成したが、これに限るものではない。例えば、突出部５４３の端部５４７をテーパ状等に形成してもよい。

《他の実施形態》
前記実施形態ではユニモルフ型で屈曲振動するアクチュエータ１４０を設けたが、振動板１４１の両面に圧電素子１４２を貼着してバイモルフ型で屈曲振動するように構成してもよい。

また、前記実施形態では、圧電素子１４２の伸縮によって屈曲振動するアクチュエータ１４０を設けたが、これに限るものではない。例えば、電磁駆動で屈曲振動するアクチュエータを設けてもよい。

また、前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。

また、前記実施形態では、圧電素子１４２と振動板１４１との大きさをほぼ等しくした例を示したが、圧電素子１４２より振動板１４１のほうが大きくてもよい。また、以上の実施形態では円板状の圧電素子１４２及び円板状の振動板１４１を用いたが、これらは一方が矩形又は多角形であってもよい。

また、前記実施形態では突出部１４３、２４３、３４３のそれぞれがハーフエッチングにより形成されているが、これに限るものではない。例えば、金属板を金型で押圧することにより、突出部１４３、２４３、３４３のそれぞれを形成しても構わない。

また、前記実施形態では振動板１４１と突出部１４３、２４３、３４３のそれぞれが一体形成されているが、これに限るものではない。例えば、振動板１４１と突出部１４３、２４３、３４３のそれぞれが別体であっても構わない。

また、突出部の形状も突出部１４３、２４３、３４３の形状に限らない。

また、前記実施形態では突出部が振動板１４１及び基板１９１のいずれか一方に設けられているが、これに限るものではない。例えば、突出部が振動板１４１及び基板１９１の両方に設けられていても構わない。

また、前記実施形態では、連結部１６２を３箇所に設けたが、これに限るものではない。例えば、２箇所だけ、あるいは、４箇所以上設けてもよい。連結部１６２はアクチュエータ１４０の振動を妨げるものではないが、振動に多少の影響を与えるため、３箇所で連結（保持）することにより、高精度に位置を保持しつつ自然な保持が可能となり、圧電素子１４２の割れを防止することもできる。

また、本発明は可聴音の発生が問題とならない用途では、可聴音周波数帯域でアクチュエータ１４０を駆動してもよい。

また、前記実施形態では、可撓板１５１のアクチュエータ１４０に対向する領域の中心付近に１個の通気孔１５２を配置した例を示したが、これに限るものではない。例えば、アクチュエータ１４０に対向する領域の中心付近に複数の孔を配置してもよい。

また、前記実施形態では、アクチュエータ１４０を１次モードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めたが、これに限るものではない。例えば、アクチュエータ１４０を３次モード等の他のモードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めてもよい。

また、前記実施形態では流体として空気を用いているが、これに限るものではない。例えば、当該流体が、液体、気液混合流、固液混合流、固気混合流などのいずれであっても適用できる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…ポンプ本体
１１…第１開口部
１２…第２開口部
２０…振動板
２３…圧電素子
３０…アクチュエータ
３１…振動板
３２…圧電素子
３５…可撓板
３５Ａ…通気孔
３７…スペーサ
３９…基板
４０…開口部
４１…可動部
４２…固定部
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１…圧電ポンプ
１１０…蓋部
１１１…吐出孔
１２０…接着剤層
１２１…微粒子
１２２…接着剤
１３０…スペーサ
１３５…スペーサ
１４０…アクチュエータ
１４１…振動板
１４２…圧電素子
１４３…突出部
１４５…ポンプ室
１５１…可撓板
１５２…通気孔
１５３…外部端子
１５４…可動部
１５５…固定部
１６０…振動板ユニット
１６１…枠板
１６２…連結部
１７０…電極導通用板
１７１…枠部位
１７２…外部端子
１７３…内部端子
１８０…ポンプ筺体
１９１…基板
１９２…開口部
１９３…流路
１９５…カバー板
１９７…吸引孔
１９８…孔部
２４３…突出部
２４４…凹部
３４３Ａ、Ｂ…突出部
３４４…溝
４４０…アクチュエータ
４５１…可撓板
４５５…固定部
５４０…アクチュエータ
５４３…突出部
５４６…中央部
５４７…端部
９０１…流体ポンプ

Claims (11)

1. 振動板と、
   前記振動板の一方の主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、
   前記振動板の他方の主面に対向して設けられ、孔が設けられている板と、を備え、
   前記板は、屈曲振動可能な可動部を有し、
   前記振動板および前記板の少なくとも一方は、前記孔と前記孔に対向する前記振動板の領域との間に位置し、前記孔と前記孔に対向する前記振動板の領域との中間の方向へ突出する突出部を有する、流体制御装置。
2. 前記板に接合され、開口部が形成された基板をさらに備え、
   前記板は、前記基板に拘束された固定部をさらに有し、
   前記可動部は、前記基板の前記開口部に面する、請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記突出部は、前記振動板の他方の主面に形成されており、前記板側へ突出する、請求項１または２に記載の流体制御装置。
4. 前記突出部は、円柱状に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
5. 前記突出部は、前記突出部の周縁に近づくにつれて厚みが薄くなる形状の端部を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体制御装置。
6. 前記振動板全体のうち前記突出部を除く領域は、エッチングにより前記振動板の前記突出部の領域の厚みより薄い厚みに形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
7. 前記突出部の前記開口部側の面の面積は、前記開口部の開口面の面積以上である、請求項２から６のいずれか１項に記載の流体制御装置。
8. 前記振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、を有する振動板ユニットを備え、
   前記板は、前記振動板の他方の主面に対向するよう前記枠板に接合されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体制御装置。
9. 前記板は、複数の微粒子を含有した接着剤によって前記複数の微粒子を挟んで前記枠板に接着されている、請求項８に記載の流体制御装置。
10. 前記板の前記連結部と対向する領域には孔部が形成された、請求項８又は９に記載の流体制御装置。
11. 前記振動板および前記駆動体はアクチュエータを構成し、
    前記アクチュエータは円板状である、請求項１から１０のいずれか１項に記載の流体制御装置。