JP6156507B2 - 気体制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、ポンプを用いて容器に対する気体の充填又は吸引を行う気体制御装置に関する。
従来、気体を吸引し、気体を吐出するポンプが各種考案されている。例えば、特許文献１には圧電マイクロブロアが開示されており、特許文献２には圧電ポンプが開示されている。
特許文献１の圧電マイクロブロア及び特許文献２の圧電ポンプを含むポンプの圧力−流量特性（以降、ＰＱ特性と称する。）は、流量をＱ［Ｌ／ｍｉｎ］とし、圧力をＰ［ｋＰａ］としたとき、「Ｐ＝Ｐｍａｘ（ １− Ｑ／ Ｑｍａｘ）」の式で表される。この式は、直線状であり、流量Ｑが０の場合、得られる圧力Ｐは最大圧力Ｐｍａｘになり、流量Ｑが最大流量Ｑｍａｘの場合、得られる圧力Ｐは０になるという関係を表す。
国際公開第２００９／１４８００８号パンフレット 特開２０１３−６８２１５号公報
以下、本願発明者が検討した結果を説明する。内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器は、直線状のＰＱ特性を必要としない。当該容器は、例えば浮き輪、風船である。
図２２は、浮き輪の内部に流入した気体の圧力と浮き輪の容積との関係を示すグラフである。図２３は、風船の内部に流入した気体の圧力と風船の容積との関係を示すグラフである。
例えば、浮き輪に空気を充填する場合、図２２に示すように、浮き輪に空気が全く充填されていない最収縮状態から、浮き輪に空気がある程度充填された準膨張状態までの期間には、高い吐出圧力は余り必要でなく、大きな吐出流量が必要となる。そして、準膨張状態から、浮き輪に空気が完全に充填された最膨張状態までの期間には、吐出流量は少なくてもよいものの、高い吐出圧力が必要となる。
また、例えば、風船に空気を充填する場合、図２３に示すように、風船に空気が全く充填されていない最収縮状態から、風船に空気が少し充填された準収縮状態までの期間には、高い吐出圧力は余り必要でなく、準収縮状態の直後、非常に高い吐出圧力を必要とする瞬間があり、その瞬間を乗り越えると、風船は、低い吐出圧力でも空気を充填することができるようになるが、大きな吐出流量が必要となる。
そのため、吐出流量が大きく吐出圧力が低いタイプのポンプ（例えば特許文献１の圧電マイクロブロア）を用いて浮き輪に空気を充填する場合、浮き輪を準膨張状態から最膨張状態にさせることが困難になる。一方、吐出流量が小さく吐出圧力が高いタイプのポンプ（例えば特許文献２の圧電ポンプ）を用いて浮き輪に空気を充填する場合、浮き輪を最収縮状態から準膨張状態にするまでに極めて多くの時間を要する。
また、吐出流量が大きく吐出圧力が低いタイプのポンプ（例えば特許文献１の圧電マイクロブロア）を用いて風船に空気を充填する場合、準収縮状態の風船をそれ以上膨張させることが困難になる。一方、吐出流量が小さく吐出圧力が高いタイプのポンプ（例えば特許文献２の圧電ポンプ）を用いて風船に空気を充填する場合、非常に高い吐出圧力を必要とする瞬間を乗り越えると、その後風船を膨らませるのに極めて多くの時間を要する。
そこで本発明は、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に対する、気体の充填又は吸引を速やかに行うことができる気体制御装置を提供することを目的とする。
本発明の気体制御装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
（１）気体の第１吸引孔および第１吐出孔を有する第１ポンプと、
前記気体の第２吸引孔および第２吐出孔を有する第２ポンプと、を備え、
前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量は、前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量より大きく、
前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力は、前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力より高く、
前記第１吐出孔と前記第２吐出孔とは、内部に流入した前記気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に接続する、ことを特徴とする気体制御装置。
この構成において、第１ポンプは、気体を大きな吐出流量で容器に送出する。第２ポンプは、気体を高い吐出圧力で容器に送出する。このため、本発明の気体制御装置は、大流量特性と高圧力特性との両方を実現できる。
そして、本発明の気体制御装置は、大流量特性と高圧力特性とを、容器が必要とするＰＱ特性に応じて使用する。例えば、本発明の気体制御装置は、容器が必要とするＰＱ特性に応じて、第１ポンプを駆動してから第２ポンプを駆動したり、第２ポンプを駆動してから第１ポンプを駆動したりする。これにより、本発明の気体制御装置は、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に、気体を速やかに充填することができる。
（２）前記容器の内部から前記第１吐出孔へ前記気体が流れることを阻止する第１逆止弁を備えることが好ましい。
この構成では、容器内に流入した気体の圧力が第１ポンプの吐出圧力を上回ると、第１逆止弁が閉じる。これにより、この構成の気体制御装置は、容器内から第１ポンプの第１吐出孔へ気体が逆流することを防止できる。
（３）前記容器の内部から前記第２吐出孔へ前記気体が流れることを阻止する第２逆止弁を備えることが好ましい。
この構成では、容器内に流入した気体の圧力が第２ポンプの吐出圧力を上回ると、第２逆止弁が閉じる。これにより、この構成の気体制御装置は、第２ポンプを駆動していないときであっても、容器内から第２ポンプの第２吐出孔へ気体が逆流することを防止できる。
（４）前記容器内の前記気体の圧力を検知する検知部と、
前記第１ポンプ及び前記第２ポンプのうちいずれか一方のポンプの駆動を開始する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第１ポンプ及び前記第２ポンプのうちいずれか一方のポンプの駆動を開始した後、前記検知部の出力に基づいて前記容器内の気圧を監視し、前記気圧の上昇に応じて、他方のポンプの駆動を開始することが好ましい。
この構成では、容器内の気圧の値に基づいて制御部が、駆動を開始するタイミングを各ポンプに指示する。
（５）前記気体の第３吸引孔および第３吐出孔を有する第３ポンプと、を備え、
前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量は、前記第３ポンプが前記第３吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量より大きく、
前記第３ポンプが前記第３吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力は、前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力より高く、
前記第３吐出孔は、前記第２吸引孔に接続することが好ましい。
この構成において、第１ポンプは、気体を大きな吐出流量で容器に送出する。第２ポンプは、高い吐出圧力で気体を容器に送出する。さらに、第２ポンプ及び第３ポンプは、直列に接続されているため、同時に駆動することにより、より高い吐出圧力で空気を容器に送出する。このため、この構成の気体制御装置も、大流量特性と高圧力特性との両方を実現できる。
そして、この構成の気体制御装置も、大流量特性と高圧力特性とを、容器が必要とするＰＱ特性に応じて使用する。例えば、本発明の気体制御装置は、容器が必要とするＰＱ特性に応じて、第１ポンプを駆動し、その後、第２ポンプを駆動してから第３ポンプを駆動する。これにより、この構成の気体制御装置も、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に、気体を速やかに充填することができる。
（６）前記気体の第４吸引孔および第４吐出孔を有する第４ポンプと、を備え、
前記第４ポンプが前記第４吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量は、前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大流量より大きく、
前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力は、前記第４ポンプが前記第４吐出孔から吐出することのできる前記気体の最大圧力より高く、
前記第４吐出孔は、前記容器に接続することが好ましい。
この構成において、第１ポンプは、気体を大きな吐出流量で容器に送出する。第２ポンプは、気体を高い吐出圧力で容器に送出する。そして、第４ポンプは、大きな吐出流量で気体を容器に送出する。このため、この構成の気体制御装置も、大流量特性と高圧力特性との両方を実現できる。
そして、この構成の気体制御装置も、大流量特性と高圧力特性とを、容器が必要とするＰＱ特性に応じて使用する。例えば、本発明の気体制御装置は、容器が必要とするＰＱ特性に応じて、第１、第４ポンプを駆動し、第２ポンプ、第３ポンプの順で駆動する。これにより、この構成の気体制御装置も、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に、気体を速やかに充填することができる。
（７）前記第１ポンプ又は前記第２ポンプの少なくとも一方は、アクチュエータとしての圧電素子と、前記圧電素子に接合する第１主面を持ち、前記圧電素子の伸縮により屈曲振動する振動板と、を有することが好ましい。
この構成では、アクチュエータとして圧電素子を用いることで、小型でありながら大きい流量と高い圧力を実現できる。
（８）前記第１ポンプは、前記振動板に接合し、前記振動板とともにポンプ室を構成する第１筐体と、前記第１筐体を間隔を設けて被覆して前記第１筐体との間に通気路を構成する第２筐体と、を有し、
前記第１筐体には、前記ポンプ室の内部と外部とを連通させる通気孔が設けられており、
前記第２筐体における前記通気孔と対向する領域には、前記吐出孔が設けられていることが好ましい。
この構成では、駆動電圧が圧電素子に印加されると、圧電素子の伸縮により振動板が屈曲振動する。そして、この振動板の屈曲振動によりポンプ室の体積が周期的に変化する。これにより、第１ポンプの外部の気体が通気孔からポンプ室へ吸引され、ポンプ室の気体が通気孔から吐出される。
この構成では、ポンプ室から通気孔を介して吐出される気体によって、第１ポンプの外部に存在する気体が通気路を介して引き込まれて吐出孔から吐出される。そのため、吐出孔から吐出される気体の流量が、引き込まれる気体の流量分多くなる。
従って、この構成の第１ポンプによれば、小型でありながら大きな吐出流量が得られる。
（９）前記第２ポンプは、
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、
前記第１主面とは逆側の前記振動板の第２主面に対向し、通気孔が設けられている板と、を有することが好ましい。
この構成では、振動板の周縁部が実質的に固定されていない。また、この構成において圧電素子に駆動電圧が印加されると、圧電素子の伸縮により振動板が屈曲振動し、振動板の振動に伴って板も振動する。これにより、通気孔から気体が吸引され、吐出孔から吐出される。
そのため、この構成の第２ポンプによれば、小型でありながら高い吐出圧力が得られる。
また、本発明の気体制御装置は、以下の構成を備えている。
（１０）気体の第１吸引孔および第１吐出孔を有する第１ポンプと、
気体の第２吸引孔および第２吐出孔を有する第２ポンプと、を備え、
第１ポンプが第１吸引孔から吸引可能な気体の最大流量は、第２ポンプが第２吸引孔から吸引可能な気体の最大流量より大きく、
第２ポンプが第２吸引孔から吸引可能な気体の最大吸引圧力の大きさは、第１ポンプが第１吸引孔から吸引可能な気体の最大吸引圧力の大きさより大きく、
第１吸引孔と第２吸引孔とは、内部に残存する気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に接続する。
この構成において、第１ポンプは、気体を大きな吸引流量で容器から吸引する。第２ポンプは、気体を高い吸引圧力で容器から吸引する。このため、本発明の気体制御装置は、大流量特性と高圧力特性との両方を実現できる。
そして、本発明の気体制御装置は、大流量特性と高圧力特性とを、容器が必要とするＰＱ特性に応じて使用する。例えば、本発明の気体制御装置は、容器が必要とするＰＱ特性に応じて、第１ポンプを駆動してから第２ポンプを駆動したり、第２ポンプを駆動してから第１ポンプを駆動したりする。これにより、本発明の気体制御装置は、内部に残存する気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器から、気体を速やかに吸引することができる。
（１１）第１吸引孔から容器の内部へ気体が流れることを阻止する第３逆止弁を備えることが好ましい。
この構成では、容器内の気体の圧力が第１ポンプの吸引圧力を下回ると、第３逆止弁が閉じる。これにより、この構成の気体制御装置は、第１吸引孔から容器の内部へ気体が逆流することを防止できる。
（１２）第２吸引孔から容器の内部へ気体が流れることを阻止する第４逆止弁を備えることが好ましい。
この構成では、容器内の気体の圧力が第２ポンプの吸引圧力を下回ると、第４逆止弁が閉じる。これにより、この構成の気体制御装置は、第２ポンプを駆動していないときであっても、第２吸引孔から容器の内部へ気体が逆流することを防止できる。
（１３）容器内の気体の圧力を検知する検知部と、
第１ポンプ及び第２ポンプのうちいずれか一方のポンプの駆動を開始する制御部と、を備え、
制御部は、第１ポンプ及び第２ポンプのうちいずれか一方のポンプの駆動を開始した後、検知部の出力に基づいて容器内の気圧を監視し、気圧の低下に応じて、他方のポンプの駆動を開始することが好ましい。
この構成では、容器内の気圧の値に基づいて制御部が、駆動を開始するタイミングを各ポンプに指示する。
この発明によれば、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に、気体を速やかに充填することができる。
また、この発明によれば、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器から、気体を速やかに吸引することができる。
本発明の第１実施形態に係る気体制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。 図１に示す第１ポンプ１０１のＰＱ特性を示すグラフである。 図１に示す第２ポンプ２０１のＰＱ特性を示すグラフである。 図１に示す第１ポンプ１０１の外観斜視図である。 図１に示す第１ポンプ１０１の分解斜視図である。 図４に示す第１ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。 図７は、図１に示す第１ポンプ１０１をポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動させた際における、第１ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。図７（Ａ）はポンプ室の体積が増大したときの図、図７（Ｂ）はポンプ室の体積が減少したときの図である。 図１に示す第２ポンプ２０１の外観斜視図である。 図１に示す第２ポンプ２０１の分解斜視図である。 図８に示す第２ポンプ２０１のＴ−Ｔ線の断面図である。 図１に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 図１に示す第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る気体制御装置２００の主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る気体制御装置３００の主要部の構成を示すブロック図である。 図１４に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 図１４に示す第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 図１４に示す第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係る気体制御装置４００の主要部の構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る気体制御装置５００の主要部の構成を示すブロック図である。 図１９に示す第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 図１９に示す第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 浮き輪の内部に流入した気体の圧力と浮き輪の容積との関係を示すグラフである。 風船の内部に流入した気体の圧力と風船の容積との関係を示すグラフである。 本発明の第６実施形態に係る気体制御装置６００の主要部の構成を示すブロック図である。 図２４に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 図２４に示す第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。 本発明の第７実施形態に係る気体制御装置７００の主要部の構成を示すブロック図である。
《本発明の第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る気体制御装置１００について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る気体制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す第１ポンプ１０１のＰＱ特性（圧力−流量特性）を示すグラフである。図３は、図１に示す第２ポンプ２０１のＰＱ特性を示すグラフである。
気体制御装置１００は、第１ポンプ１０１、第２ポンプ２０１、第１逆止弁１０２、第２逆止弁２０２、及び可撓性の容器９を備えている。
容器９は、内部に流入した空気の圧力に応じて容積が変化する特性を有する。容器９は、空気袋である。気体制御装置１００は、空気袋を膨張または収縮させてユーザにマッサージを行うマッサージ機である。空気袋の内部に流入した気体の圧力と空気袋の容積との関係は、浮き輪の内部に流入した気体の圧力と浮き輪の容積との関係（図２２参照）と同じである。
気体制御装置１００の筐体１１０には、筐体１１０の内部と外部を連通する第１通気孔１０６と、筐体１１０の内部と外部を連通する第２通気孔１０７と、各孔を結ぶ流路とが形成されている。
第１ポンプ１０１は、空気の吸引孔５３および吐出孔２４を有する。第２ポンプ２０１は、空気の吸引孔１９７および吐出孔１８１を有する。
第１ポンプ１０１は、図２に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第１ポンプ１０１は、吐出流量が大きく吐出圧力が低いタイプのポンプである。第２ポンプ２０１は、図３に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第２ポンプ２０１は、吐出流量が小さく吐出圧力が高いタイプのポンプである。
第１ポンプ１０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大流量は、第２ポンプ２０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大流量より大きい。第２ポンプ２０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大圧力は、第１ポンプ１０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大圧力より高い。
ここで、第１ポンプ１０１の吸引孔５３は、第１通気孔１０６と連通している。第２ポンプ２０１の吸引孔１９７は、第２通気孔１０７と連通している。第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１は、第１逆止弁１０２及び第２逆止弁２０２を介して、容器９に並列に接続されている。そのため、第１ポンプ１０１の吐出孔２４は、容器９の内部と連通する。また、第２ポンプ２０１の吐出孔１８１は、容器９の内部と連通する。
第１逆止弁１０２は、容器９の内部から吐出孔２４へ空気が流れることを阻止する。第２逆止弁２０２は、容器９の内部から吐出孔１８１へ空気が流れることを阻止する。
制御部１１１は、例えばマイクロコンピュータで構成され、気体制御装置１００の各部の動作を制御する。制御部１１１は、時間を計測するタイマー回路を有する。
ここで、第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１の構造について詳述する。
まず、第１ポンプ１０１の構造について図４〜図６を用いて詳述する。
図４は、図１に示す第１ポンプ１０１の外観斜視図である。図５は、図１に示す第１ポンプ１０１の分解斜視図である。図６は、図４に示す第１ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。
第１ポンプ１０１は、上から順に、外筐体１７、天板３７、側板３８、振動板３９、圧電素子４０、及びキャップ４２を備え、それらが順に積層された構造を有している。天板３７、側板３８、及び振動板３９は、ポンプ室３６を構成している。第１ポンプ１０１は、幅２０ｍｍ×長さ２０ｍｍ×ノズル１８以外の領域の高さ１．８５ｍｍの寸法となっている。
なお、天板３７と側板３８とが本発明の「第１筐体」を構成している。外筐体１７が本発明の「第２筐体」に相当する。また、天板３７、側板３８、振動板３９、及び圧電素子４０によって、ポンプ本体が構成されている。
外筐体１７は、例えば空気が吐出される吐出孔２４が中心に設けられたノズル１８を有する。このノズル１８は、外形の直径２．０ｍｍ×内形（即ち吐出孔２４）の直径０．８ｍｍ×高さ１．６ｍｍの寸法となっている。外筐体１７の四角には、ネジ穴５６Ａ〜５６Ｄが設けられている。
外筐体１７は、下方が開口した断面コ字状（ｃ字状）である。外筐体１７は、ポンプ室３６の天板３７、ポンプ室３６の側板３８、振動板３９及び圧電素子４０を収納する。外筐体１７は、例えば樹脂からなる。
ポンプ室３６の天板３７は、円板状であり、例えば金属からなる。天板３７には、中央部６１と、中央部６１から水平方向に突出し、外筐体１７の内壁に当接する鍵状の突出部６２と、外部回路に接続するための外部端子６３とが設けられている。
また、天板３７の中央部６１には、ポンプ室３６の内部と外部とを連通させる通気孔４５が設けられている。この通気孔４５は、外筐体１７の吐出孔２４と対向する位置に設けられている。天板３７は、側板３８の上面に設けられている。
ポンプ室３６の側板３８は、円環状であり、例えば金属からなる。側板３８は、振動板３９の上面３９Ａに設けられている。そのため、側板３８の厚みは、ポンプ室３６の高さとなる。
振動板３９は、円板状であり、例えば金属からなる。振動板３９は、側板３８と天板３７と共にポンプ室３６を構成する。
圧電素子４０は、円板状であり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。圧電素子４０は、印加された交流駆動電圧に応じて伸縮する。圧電素子４０は、振動板３９におけるポンプ室３６とは逆側の下面３９Ｂに設けられている。
そして、天板３７、側板３８、振動板３９、及び圧電素子４０の接合体は、天板３７に設けられている４個の突出部６２によって外筐体１７に対して弾性的に支持されている。
電極導通用板７０は、圧電素子４０に接続される内部端子７３と、外部回路に接続される外部端子７２とで構成されている。内部端子７３の先端は圧電素子４０の平板面にはんだで接合されている。はんだで接合される位置を圧電素子４０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７３の振動がより抑制できる。
キャップ４２には、円板形状の吸引孔５３が設けられている。吸引孔５３の直径は、圧電素子４０の直径より大きい。また、キャップ４２には、外筐体１７のネジ穴５６Ａ〜５６Ｄに対応する位置に切欠き５５Ａ〜５５Ｄが設けられている。
また、キャップ４２は、外周縁に、天板３７側へ突出する突出部５２を有する。キャップ４２は、突出部５２で外筐体１７を挟持し、ポンプ室３６の天板３７、ポンプ室３６の側板３８、振動板３９及び圧電素子４０を、外筐体１７とともに収納する。キャップ４２は、例えば樹脂からなる。
そして、図６に示すように、天板３７、側板３８、振動板３９及び圧電素子４０の接合体と外筐体１７及びキャップ４２との間には通気路３１が設けられている。
以下、第１ポンプ１０１が駆動している時における空気の流れについて説明する。
図７（Ａ）（Ｂ）は、図１に示す第１ポンプ１０１を、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動をさせた際における、第１ポンプ１０１のＳ−Ｓ線の断面図である。ここで、図中の矢印は、空気の流れを示している。
図６に示す状態において、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）に対応する交流駆動電圧が外部端子６３，７２から圧電素子４０に印加されると、振動板３９は同心円状に屈曲振動する。同時に、天板３７は、振動板３９の屈曲振動に伴うポンプ室３６の圧力変動により、振動板３９の屈曲振動に伴って（この実施形態では振動位相が１８０°遅れて）同心円状に屈曲振動する。これにより、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、振動板３９及び天板３７が屈曲変形してポンプ室３６の体積が周期的に変化する。
図７（Ａ）に示すように、交流駆動電圧が圧電素子４０に印加されて振動板３９が圧電素子４０側へ屈曲すると、ポンプ室３６の体積が増大する。これに伴い、第１ポンプ１０１の外部の空気が吸引孔５３及び通気路３１を介してポンプ室３６内に吸引される。さらに、第１ポンプ１０１の外部の空気が吸引孔５３、通気路３１、及び通気孔４５を介してポンプ室３６内に吸引される。ポンプ室３６からの空気の流出は無いものの、吐出孔２４から第１ポンプ１０１の外部への空気の流れの慣性力が働いている。
図７（Ｂ）に示すように、交流駆動電圧が圧電素子４０に印加されて振動板３９がポンプ室３６側へ屈曲すると、ポンプ室３６の体積が減少する。これに伴い、ポンプ室３６内の空気が通気孔４５、通気路３１を介して吐出孔２４から吐出される。
このとき、ポンプ室３６から吐出される空気によって、第１ポンプ１０１の外部の空気が吸引孔５３及び通気路３１を介して引き込まれて吐出孔２４から吐出される。そのため、吐出孔２４から吐出される空気の流量が、外部から引き込まれる空気の流量分多くなる。
以上により、この実施形態の第１ポンプ１０１によれば、消費電力あたりの吐出流量が大幅に多くなる。そのため、第１ポンプ１０１では、低消費電力でありながら大きな吐出流量が得られる。
次に、第２ポンプ２０１の構造について図８、図９、図１０を用いて詳述する。
図８は、図１に示す第２ポンプ２０１の外観斜視図である。図９は、図１に示す第２ポンプ２０１の分解斜視図である。図１０は、図８に示す第２ポンプ２０１のＴ−Ｔ線の断面図である。
第２ポンプ２０１は、カバー板１９５、基板１９１、可撓板１５１、スペーサ１２０、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及び蓋板１８５を備え、これらが順に積層された構造を備えている。
可撓板１５１、スペーサ１２０、枠板１６１、スペーサ１３５、電極導通用板１７０、スペーサ１３０及び蓋板１８５は、ポンプ筺体１８０を構成している。そして、ポンプ筺体１８０の内部の空間がポンプ室１４５に相当する。
振動板１４１は、蓋板１８５に対向する上面と可撓板１５１に対向する下面とを有する。
なお、振動板１４１の上面は本発明の「第１主面」に相当する。振動板１４１の下面は本発明の「第２主面」に相当する。可撓板１５１は本発明の「板」に相当する。圧電素子１４２が、本発明の「駆動体」に相当する。
振動板１４１の上面には圧電素子１４２が接着剤によって固定されている。振動板１４１と圧電素子１４２のそれぞれは、円板状である。そして、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を圧電素子１４２側へ凸に反らせる適切な圧縮応力を圧電素子１４２に残留させることができる。この圧縮応力は、圧電素子１４２が割れることを防止できる。
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。
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９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が設けられていている。振動板１４１は枠板１６１に対して連結部１６２で連結されている。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。そして、枠板１６１は、スペーサ１２０を介して可撓板１５１に固定されている。
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いる。そのため、振動板１４１の屈曲振動は殆ど妨げられない。すなわち、第２ポンプ２０１は、アクチュエータ１４０の周縁部が（勿論中心部も）実質的に固定されていない構造となっている。
枠板１６１の上面には、スペーサ１３５が接着剤によって固定されている。スペーサ１３５は樹脂製である。スペーサ１３５の厚みは圧電素子１４２の厚みと同じか少し厚い。また、スペーサ１３５はポンプ筺体１８０の一部を構成する。また、スペーサ１３５は、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の上面には、電極導通用板１７０が接着剤によって固定されている。電極導通用板１７０は、金属製である。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の上面には、スペーサ１３０が接着固定される。スペーサ１３０は樹脂製である。スペーサ１３０は、アクチュエータ１４０が振動した時に、内部端子１７３のはんだ部分が、蓋板１８５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の表面が蓋板１８５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も抑制する。そのため、スペーサ１３０の厚みは、圧電素子１４２の厚みと同程度であればよい。
スペーサ１３０の上面には、吐出孔１８１が形成された蓋板１８５が接合される。蓋板１８５はアクチュエータ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空気は吐出孔１８１から吐出される。
ここで、吐出孔１８１は、蓋板１８５を含むポンプ筺体１８０内の正圧を開放する吐出孔である。そのため、吐出孔１８１は、必ずしも、蓋板１８５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の下面に対向し、スペーサ１２０を挟んで枠板１６１に固定されている。
可撓板１５１の下面には、基板１９１が接着剤で貼付されている。基板１９１の中央には、円柱形の開口部１９２が形成されている。可撓板１５１の一部は基板１９１の開口部１９２で基板１９１側へ露出する。この円形に露出する可撓板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、可撓板１５１と基板１９１との構成により、開口部１９２に面する可撓板１５１の箇所が屈曲振動可能な円形の可動部１５４となっている。可動部１５４は、可撓板１５１のアクチュエータ１４０に対向する領域の中心又は中心付近に相当する。さらに、可撓板１５１のうち可動部１５４より外側に位置する箇所が基板１９１に固定された固定部１５５となっている。この可動部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、可撓板１５１の可動部１５４も通気孔１５２を中心として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。また、隙間空間の厚み変動が、内側から外側へ向かって空気を移送するような動きを作りだすことができる。これにより、第２ポンプ２０１は、ポンプ能力（吐出圧力と吐出流量）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を介して、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を有する材料で形成されている。
例えば、可撓板１５１はベリリウム銅などで形成するのが良い。基板１９１はリン青銅などで形成するのが良い。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を圧電素子１４２側に凸に反らせ、可動部１５４に張力を与えられる。これにより、屈曲振動可能な可動部１５４の張力が調整される。さらに、可動部１５４がたるんで、可動部１５４の振動が妨げられることがない。
なお、可撓板１５１を構成するベリリウム銅はバネ材料であるため、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い。すなわち、ベリリウム銅は耐久性に優れる。
以上の構造において、第２ポンプ２０１の１次振動モードの周波数（基本波）に対応する交流駆動電圧が外部端子１５３，１７２に印加されると、第２ポンプ２０１では、アクチュエータ１４０が同心円状に屈曲振動する。さらに、第２ポンプ２０１では、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、第２ポンプ２０１は、吸引孔１９７から通気孔１５２を介して空気をポンプ室１４５へ吸引する。さらに、第２ポンプ２０１は、ポンプ室１４５の空気を吐出孔１８１から吐出する。
このとき、第２ポンプ２０１では、振動板１４１の周縁部が実質的に固定されていない。そのため、第２ポンプ２０１によれば、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吐出圧力が得られる。
なお、可撓板１５１及び基板１９１における、連結部１６２と対向する領域には孔部１９８が設けられるとよい。これにより、枠板１６１とスペーサ１２０と可撓板１５１とが接着剤を介して固定される際に、接着剤の余剰分が孔部１９８に流れ込む。
そのため、第２ポンプ２０１は、振動板１４１及び連結部１６２と可撓板１５１とが接着することを抑制することができる。即ち、第２ポンプ２０１は、振動板１４１の振動が接着剤によって阻害されてしまうことを抑制できる。
次に、容器９に空気を充填するときにおける気体制御装置１００の動作について説明する。
図１１は、図１に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。図１２は、図１に示す第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。なお、図中の矢印は、空気の流れを示している。
制御部１１１は、容器９に空気の充填を開始するとき、駆動電圧を第１ポンプ１０１の圧電素子４０に印加し、第１ポンプ１０１をオンする。これにより、通気孔１０６から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第１ポンプ１０１内を経由して第１ポンプ１０１の吐出孔２４から容器９内へ吐出され、容器９を膨張させていく。
なお、このとき、容器９内の空気圧も高まるため、第２逆止弁２０２が閉じる。そのため、気体制御装置１００は、容器９内から第２ポンプ２０１の吐出孔１８１へ空気が逆流することを第２逆止弁２０２によって防止できる。
第１ポンプ１０１の駆動開始から一定時間が経過すると、制御部１１１は、駆動電圧を第２ポンプ２０１の圧電素子１４２に印加し、第２ポンプ２０１をオンする。
これにより、通気孔１０７から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第２ポンプ２０１のポンプ室１４５を経由して第２ポンプ２０１の吐出孔１８１から容器９へ吐出され、気体制御装置１００が容器９内の圧力（空気圧）を目標圧力まで高める。
なお、このとき、容器９内の空気圧が第１ポンプ１０１の吐出圧力を上回る。しかし、気体制御装置１００では、容器９内の空気圧が第１ポンプ１０１の吐出圧力を上回ると、第１逆止弁１０２が閉じる。そのため、気体制御装置１００は、容器９内から第１ポンプ１０１の吐出孔２４へ空気が逆流することを第１逆止弁１０２によって防止できる。
ここで、図２２に示すように、容器９に空気が全く充填されていない最収縮状態から、浮き輪に空気がある程度充填された準膨張状態までの期間には、高い吐出圧力は余り必要でなく、大きな吐出流量が必要となる。この実施形態の気体制御装置１００では、容器９のたるみが無くなるまで、第１ポンプ１０１が、空気を大きな吐出流量で容器９に送出する。
そして、準膨張状態から、浮き輪に空気が完全に充填された最膨張状態までの期間には、吐出流量は少なくてもよいものの高い吐出圧力が必要になる。この実施形態の気体制御装置１００では、第２ポンプ２０１が、高い吐出圧力で空気を容器９に充填する。
したがって、気体制御装置１００によれば、大流量特性と高圧力特性とを、容器９が必要とするＰＱ特性に応じて使用することで、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器９に空気を速やかに充填することができる。
《第２実施形態》
図１３は、本発明の第２実施形態に係る気体制御装置２００の主要部の構成を示すブロック図である。この気体制御装置２００が第１実施形態の気体制御装置１００と相違する点は、圧力センサ１２１を備える点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
詳述すると、圧力センサ１２１は、容器９内の圧力（空気圧）を検知し、その検知信号を制御部１１１に出力する。
制御部１１１は、圧力センサ１２１から出力される検知信号によって容器９内の圧力（空気圧）を監視する。制御部１１１は、第１ポンプ１０１の駆動開始から容器９内の空気圧が一定圧力を超えるまでの間、第２ポンプ２０１をオフしておき、容器９内の空気圧が一定圧力を超えたとき、第２ポンプ２０１をオンする。
気体制御装置２００では制御部１１１が、容器９内の空気圧に応じて第２ポンプ２０１をオンしている。
したがって、第２実施形態の気体制御装置２００においても、第１実施形態の気体制御装置１００と同様の効果を奏する。
《第３実施形態》
図１４は、本発明の第３実施形態に係る気体制御装置３００の主要部の構成を示すブロック図である。この気体制御装置３００が第１実施形態の気体制御装置１００と相違する点は、筐体３１０、第３ポンプ３０１、及び逆止弁３０２を備える点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
詳述すると、気体制御装置３００の筐体３１０には、筐体１１０の内部と外部を連通する第１通気孔１０６と、筐体１１０の内部と外部を連通する第２通気孔１０７と、筐体１１０の内部と外部を連通する第３通気孔１０８と、が形成されている。
第３ポンプ３０１は、第２ポンプ２０１と同じ構造を有しており、空気の吸引孔１９７および吐出孔１８１を有する。
第３ポンプ３０１は、図３に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第３ポンプ３０１は、第２ポンプ２０１と同じく、吐出流量が小さく吐出圧力が高いタイプのポンプである。
第１ポンプ１０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大流量は、第３ポンプ３０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大流量より大きい。第３ポンプ３０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大圧力は、第１ポンプ１０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大圧力より高い。
以上の構成において、第１ポンプ１０１の吸引孔５３は、第１通気孔１０６と連通している。逆止弁３０２の一方の孔は、第３通気孔１０８と連通している。第２ポンプ２０１の吸引孔１９７は、第３ポンプ３０１の吐出孔１８１及び逆止弁３０２の他方の孔と連通している。
第３ポンプ３０１の吸引孔１９７は、第２通気孔１０７と連通している。第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１は、第１逆止弁１０２及び第２逆止弁２０２を介して容器９に並列に接続されており、第１ポンプ１０１の吐出孔２４と第２ポンプ２０１の吐出孔１８１とは、容器９の内部と連通する。
ここで、容器９に空気を充填するときにおける気体制御装置３００の動作について説明する。
図１５は、図１４に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。図１６は、図１４に示す第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。図１７は、図１４に示す第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。なお、図中の矢印は、空気の流れを示している。
制御部１１１は、容器９に空気の充填を開始するとき、駆動電圧を第１ポンプ１０１の圧電素子４０に印加し、第１ポンプ１０１をオンする。これにより、通気孔１０６から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第１ポンプ１０１内を経由して第１ポンプ１０１の吐出孔２４から容器９へ吐出され、容器９を膨張させていく。
第１ポンプ１０１の駆動開始から一定時間が経過すると、制御部１１１は、駆動電圧を第２ポンプ２０１の圧電素子１４２に印加し、第２ポンプ２０１をオンする。さらに、制御部１１１は、第１ポンプ１０１をオフする。
これにより、通気孔１０８から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第２ポンプ２０１のポンプ室１４５を経由して第２ポンプ２０１の吐出孔１８１から容器９へ吐出され、気体制御装置３００が容器９内の圧力（空気圧）を所定圧力まで高める。
なお、容器９内の圧力（空気圧）が所定圧力に達するまでの間、第２ポンプ２０１が駆動しているとき、流路抵抗の大きな第３ポンプ３０１でなく流路抵抗の小さい逆止弁３０２を介して外気を吸引するため、十分な流量が生じる。
そのため、容器９内の圧力（空気圧）が所定圧力に達するまでの間、第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１の両方を駆動する必要が無く、第２ポンプ２０１を駆動するだけで済む。よって、気体制御装置３００では、逆止弁３０２を設けることによって、容器９内の圧力（空気圧）が所定圧力に達するまでの間の消費電力を低減できる。
また、このとき、容器９内の空気圧が高まるため、第１逆止弁１０２が閉じる。そのため、気体制御装置３００は、容器９内から第１ポンプ１０１の吐出孔２４へ空気が逆流することを第１逆止弁１０２によって防止できる。
第２ポンプ２０１の駆動開始から所定時間経過すると、制御部１１１は、駆動電圧を第３ポンプ３０１の圧電素子１４２に印加し、第３ポンプ３０１をオンする。
これにより、通気孔１０７から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第３ポンプ３０１のポンプ室１４５を経由して第３ポンプ２０１の吐出孔１８１から第２ポンプ２０１の吸引孔１９７へ吐出され、第２ポンプ２０１のポンプ室１４５を経由して第２ポンプ２０１の吐出孔１８１から容器９へ吐出され、気体制御装置３００が容器９内の圧力（空気圧）を目標圧力まで高める。なお、このとき、第３ポンプ３０１の吐出圧力が高まるため、逆止弁３０２は閉じた状態となる。
ここで、この実施形態の気体制御装置３００においても気体制御装置１００と同様に、容器９のたるみが無くなるまで、第１ポンプ１０１が、空気を大きな吐出流量で容器９に送出する。
そして、気体制御装置３００でも、第２ポンプ２０１が、高い吐出圧力で空気を容器９に充填する。
さらに、気体制御装置３００では、第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１が、より高い吐出圧力で空気を容器９に充填する。気体制御装置３００では、同じ構造の第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１が直列に接続されている。そのため、第２ポンプ２０１及び第３ポンプ３０１が駆動している時に第２ポンプ２０１から吐出される空気の最大吐出圧力は、第２ポンプ２０１が駆動している時に第２ポンプ２０１から吐出される空気の最大吐出圧力の２倍に達する。
したがって、気体制御装置３００においても、気体制御装置１００と同様に、大流量特性と高圧力特性とを、容器９が必要とするＰＱ特性に応じて使用することで、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器９に、空気を速やかに充填することができる。
なお、この実施形態では、第３ポンプ３０１が第２ポンプ２０１と同じ構造を有しているが、これに限るものではない。実施の際は、第３ポンプ３０１が第２ポンプ２０１と異なる構造を有していてもよい。
《第４実施形態》
図１８は、本発明の第４実施形態に係る気体制御装置４００の主要部の構成を示すブロック図である。この気体制御装置４００が第３実施形態の気体制御装置３００と相違する点は、圧力センサ１２１を備える点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
詳述すると、制御部１１１は、圧力センサ１２１から出力される検知信号によって容器９内の圧力（空気圧）を監視する。制御部１１１は、第１ポンプ１０１の駆動開始から容器９内の空気圧が一定圧力を超えるまでの間、第２ポンプ２０１、第３ポンプ３０１をオフしておき、容器９内の空気圧が一定圧力を超えたとき、第２ポンプ２０１をオンする。そして、容器９内の空気圧が一定圧力よりも高い所定圧力を超えたとき、制御部１１１は、第３ポンプ３０１をオンする。
気体制御装置４００では気体制御装置２００と同様に、制御部１１１が、容器９内の空気圧に応じて第２ポンプ２０１、第３ポンプ３０１を順番にオンしていく。
したがって、第４実施形態の気体制御装置４００においても、第３実施形態の気体制御装置３００と同様の効果を奏する。
《第５実施形態》
図１９は、本発明の第５実施形態に係る気体制御装置５００の主要部の構成を示すブロック図である。この気体制御装置５００が第１実施形態の気体制御装置１００と相違する点は、第４ポンプ４０１を備える点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
詳述すると、第４ポンプ４０１は、第１ポンプ１０１と同じ構造を有しており、空気の吸引孔５３および吐出孔２４を有する。
第４ポンプ４０１は、図２に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第４ポンプ４０１は、第１ポンプ１０１と同じく、吐出流量が大きく吐出圧力が低いタイプのポンプである。
第４ポンプ４０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大流量は、第２ポンプ２０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大流量より大きい。第２ポンプ２０１が吐出孔１８１から吐出することのできる空気の最大圧力は、第４ポンプ４０１が吐出孔２４から吐出することのできる空気の最大圧力より高い。
以上の構成において、第１ポンプ１０１の吸引孔５３は、第１通気孔１０６と連通している。第４ポンプ４０１の吸引孔５３は、第１通気孔１０６と連通している。第２ポンプ２０１の吸引孔１９７は、第２通気孔１０７と連通している。第１ポンプ１０１、第４ポンプ４０１、及び第２ポンプ２０１は、第１逆止弁１０２及び第２逆止弁２０２を介して、容器９に並列に接続されており、第１ポンプ１０１の吐出孔２４と第２ポンプ２０１の吐出孔１８１と第４ポンプ４０１の吐出孔２４とは、容器９の内部と連通する。
ここで、容器９に空気を充填するときにおける気体制御装置５００の動作について説明する。
図２０は、図１９に示す第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。図２１は、図１９に示す第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。なお、図中の矢印は、空気の流れを示している。
制御部１１１は、容器９に空気の充填を開始するとき、駆動電圧を第１ポンプ１０１の圧電素子４０に印加し、第１ポンプ１０１をオンする。さらに、制御部１１１は、駆動電圧を第４ポンプ４０１の圧電素子４０に印加し、第４ポンプ４０１をオンする。これにより、通気孔１０６から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１内を経由して第１ポンプ１０１の吐出孔２４と第４ポンプ４０１の吐出孔２４とから容器９内へ吐出され、容器９を膨張させていく。
第１ポンプ１０１の駆動開始から一定時間が経過すると、制御部１１１は、駆動電圧を第２ポンプ２０１の圧電素子１４２に印加し、第２ポンプ２０１をオンする。さらに、制御部１１１は、第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１をオフする。
これにより、通気孔１０７から筐体１１０の外部の空気が吸引され、空気が第２ポンプ２０１のポンプ室１４５を経由して第２ポンプ２０１の吐出孔１８１から容器９へ吐出され、気体制御装置５００が容器９内の圧力（空気圧）を目標圧力まで高める。
なお、このとき、容器９内の空気圧が高まるため、第１逆止弁１０２が閉じる。そのため、気体制御装置５００は、容器９内から第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１の吐出孔２４へ空気が逆流することを第１逆止弁１０２によって防止できる。
ここで、この実施形態の気体制御装置５００においても気体制御装置１００と同様に、容器９のたるみが無くなるまで、第１ポンプ１０１が、空気を大きな吐出流量で容器９に送出する。気体制御装置５００では、同じ構造の第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１が並列に接続されている。そのため、第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１から吐出される空気の最大吐出流量は、第１ポンプ１０１のみから吐出される空気の最大吐出流量の２倍に達する。
そして、気体制御装置５００でも、第２ポンプ２０１が、高い吐出圧力で空気を容器９に充填する。
したがって、気体制御装置５００においても、気体制御装置１００と同様に、大流量特性と高圧力特性とを、容器９が必要とするＰＱ特性に応じて使用することで、内部に流入した気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器９に、空気を速やかに充填することができる。
なお、この実施形態では、第４ポンプ４０１が第１ポンプ１０１と同じ構造を有しているが、これに限るものではない。実施の際は、第４ポンプ４０１が第１ポンプ１０１と異なる構造を有していてもよい。
また、気体制御装置５００においても、図１３に示す気体制御装置２００のように、圧力センサ１２１を設けても良い。そして、気体制御装置５００でも気体制御装置２００と同様に、制御部１１１が、容器９内の空気圧に応じて第１ポンプ１０１、第４ポンプ４０１、及び第２ポンプ２０１を順番にオンしても良い。
また、気体制御装置５００においても、図１４に示す気体制御装置３００のように、第３ポンプ３０１を第２ポンプ２０１に直列に接続し、逆止弁３０２を設けても良い。
ところで、前記各実施形態では、ポンプから吐出された気体が容器内に充填される場合を示したが、これに限るものではない。ポンプによって容器内から気体を吸引する場合にも同様の構成が可能である。
《本発明の第６実施形態》
以下、本発明の第６実施形態に係る気体制御装置６００について、図２４、図２、図３を用いて説明する。
図２４は、本発明の第６実施形態に係る気体制御装置６００の主要部の構成を示すブロック図である。気体制御装置６００が第１実施形態の気体制御装置１００と主に相違する点は、第１ポンプ１０１、第２ポンプ２０１、第１逆止弁１０２、及び第２逆止弁２０２が逆向きに接続されていることと、容器６０９と、である。その他の点は同じであるため、説明を省略する。
気体制御装置６００は、第１ポンプ１０１、第２ポンプ２０１、第１逆止弁１０２、第２逆止弁２０２、及び可撓性の容器６０９を備えている。
なお、第１逆止弁１０２は、本発明の第３逆止弁に相当する。また、第２逆止弁２０２は、本発明の第４逆止弁に相当する。
容器６０９は、内部に流入した空気の圧力に応じて容積が変化する特性を有する。気体制御装置６００は、例えば、固体の半球状のカップを皮膚に押しつけて使用するカッピング装置である。カップと皮膚が容器６０９を構成する。カップは固体であるが、皮膚はカップ内部の吸引圧によって吸い上がって膨らみ、カップ内部の体積が実質的に小さくなるので、カップと皮膚の作る空間は、圧力に応じて容積が変化する。
あるいは、気体制御装置６００は、可撓性の容器６０９で食品や衣類などを包み、内部の気体を吸引して、外部の大気圧との差圧により小型に圧縮するようなパック装置である。
気体制御装置６００の筐体６１０には、筐体６１０の内部と外部を連通する第１通気孔１０６と、筐体６１０の内部と外部を連通する第２通気孔１０７と、が形成されている。
第１ポンプ１０１は、空気の吸引孔５３および吐出孔２４を有する。第２ポンプ２０１は、空気の吸引孔１９７および吐出孔１８１を有する。
第１ポンプ１０１は、図２に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第１ポンプ１０１は、吐出流量が大きく吐出圧力が低いタイプのポンプである。第２ポンプ２０１は、図３に示すＰＱ特性を有するポンプである。すなわち、第２ポンプ２０１は、吐出流量が小さく吐出圧力が高いタイプのポンプである。
第１ポンプ１０１が吸引孔５３から吸引することのできる空気の最大流量は、第２ポンプ２０１が吸引孔１９７から吸引することのできる空気の最大流量より大きい。第２ポンプ２０１が吸引孔１９７から吸引することのできる空気の最大吸引圧力の大きさは、第１ポンプ１０１が吸引孔５３から吸引することのできる空気の最大吸引圧力の大きさより大きい。
ここで、第１ポンプ１０１の吐出孔２４は、第１通気孔１０６と連通している。第２ポンプ２０１の吐出孔１８１は、第２通気孔１０７と連通している。第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１は、第１逆止弁１０２及び第２逆止弁２０２を介して、容器６０９に並列に接続されている。そのため、第１ポンプ１０１の吸引孔５３は、容器６０９の内部と連通する。また、第２ポンプ２０１の吸引孔１９７は、容器６０９の内部と連通する。
第１逆止弁１０２は、吸引孔５３から容器６０９内へ空気が流れることを阻止する。第２逆止弁２０２は、吸引孔１９７から容器６０９内へ空気が流れることを阻止する。
制御部１１１は、例えばマイクロコンピュータで構成され、気体制御装置６００の各部の動作を制御する。制御部１１１は、時間を計測するタイマー回路を有する。
次に、容器６０９から空気を吸引するときにおける気体制御装置６００の動作について説明する。
図２５は、図２４に示す第１ポンプ１０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。図２６は、図２４に示す第１ポンプ１０１及び第２ポンプ２０１が駆動している時の空気の流れを示す説明図である。なお、図中の矢印は、空気の流れを示している。
制御部１１１は、容器６０９から空気の吸引を開始するとき、駆動電圧を第１ポンプ１０１の圧電素子４０に印加し、第１ポンプ１０１をオンする。これにより、容器６０９内の空気が吸引孔５３から吸引され、空気が第１ポンプ１０１内を経由して第１ポンプ１０１の吐出孔２４から通気孔１０６を介して筐体１１０の外部へ吐出され、容器６０９は収縮していく。
なお、このとき、容器６０９内の空気圧が低下するため、第２逆止弁２０２が閉じる。そのため、気体制御装置６００は、第２ポンプ２０１の吸引孔１９７から容器６０９内へ空気が逆流することを第２逆止弁２０２によって防止できる。
第１ポンプ１０１の駆動開始から一定時間が経過すると、制御部１１１は、駆動電圧を第２ポンプ２０１の圧電素子１４２に印加し、第２ポンプ２０１をオンする。
これにより、容器６０９内の空気が吸引孔１９７から吸引され、空気が第２ポンプ２０１内を経由して第２ポンプ２０１の吐出孔１８１から通気孔１０７を介して筐体６１０の外部へ吐出される。この結果、気体制御装置６００は、容器６０９内の圧力（空気圧）を目標圧力まで低下させる。
なお、このとき、容器６０９内の空気圧が第１ポンプ１０１の吸引圧力を下回る。しかし、気体制御装置６００では、容器６０９内の空気圧が第１ポンプ１０１の吸引圧力を下回ると、第１逆止弁１０２が閉じる。そのため、気体制御装置６００は、第１ポンプ１０１の吸引孔５３から容器６０９内へ空気が逆流することを第１逆止弁１０２によって防止できる。
したがって、気体制御装置６００によれば、大流量特性と高圧力特性とを、容器６０９が必要とするＰＱ特性に応じて使用することで、内部に残留する気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器６０９内から空気を速やかに吸引することができる。
《第７実施形態》
図２７は、本発明の第７実施形態に係る気体制御装置７００の主要部の構成を示すブロック図である。この気体制御装置７００が第６実施形態の気体制御装置６００と相違する点は、圧力センサ１２１を備える点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
詳述すると、圧力センサ１２１は、容器６０９内の圧力（空気圧）を検知し、その検知信号を制御部１１１に出力する。
制御部１１１は、圧力センサ１２１から出力される検知信号によって容器６０９内の圧力（空気圧）を監視する。制御部１１１は、容器６０９の空気圧の値に基づいて、駆動を開始するタイミングを各ポンプに指示する。
制御部１１１は、第１ポンプ１０１の駆動開始から容器６０９内の空気圧が所定圧力以下になるまでの間、第２ポンプ２０１をオフしておき、容器６０９内の空気圧が所定圧力以下になったとき、第２ポンプ２０１をオンする。
気体制御装置７００では制御部１１１が、容器６０９内の空気圧に応じて第２ポンプ２０１をオンしている。
したがって、第７実施形態の気体制御装置７００においても、第６実施形態の気体制御装置６００と同様の効果を奏する。
《その他の実施形態》
前記実施形態では気体として空気を用いているが、これに限るものではない。当該気体が、空気以外の他の気体であっても適用できる。
また、前記実施形態では、容器として空気袋を、気体制御装置としてマッサージ機を用いているが、これに限るものではない。空気袋以外の容器、例えばビーチボールやゴムボート、又は風船人形のような玩具やタイヤであっても適用でき、気体制御装置が、マッサージ機以外の気体制御装置であっても適用できる。
ここで、空気袋以外の容器を用いる場合、その容器が必要とするＰＱ特性に応じて気体制御装置の大流量特性と高圧力特性とを使用する。例えば、気体制御装置１００では、第１ポンプ１０１をオンしてから第２ポンプ２０１をオンしているが、容器が必要とするＰＱ特性によっては、第２ポンプ２０１をオンしてから第１ポンプ１０１をオンしてもよい。
また、前記実施形態では、第１ポンプとして図４〜図６に示す構造の第１ポンプ１０１を、第２ポンプとして図８〜図１０に示す構造の第２ポンプ２０１を、用いているが、これに限るものではない。
同様に、第３ポンプとして図８〜図１０に示す構造の第３ポンプ３０１を、第４ポンプとして図４〜図６に示す構造の第４ポンプ４０１を、用いているが、これに限るものではない。第１ポンプ１０１、第２ポンプ２０１、第３ポンプ３０１、第４ポンプ４０１以外の他のポンプ（例えば電磁ポンプなど）であっても適用できる。
また、前記実施形態では、気体制御装置１００、２００、３００、４００、５００が第１逆止弁１０２と第２逆止弁２０２とを備えているが、これに限るものではない。例えば第１ポンプや第２ポンプが逆止機能を有している場合、気体制御装置は第１逆止弁と第２逆止弁とを備えなくとも良い。
また、前記実施形態では、図１２に示すように、第２ポンプ２０１がオンした後も第１ポンプ１０１がオン状態を維持しているが、第２ポンプ２０１をオンした後、制御部１１１は、第１ポンプ１０１をオフしてもよい。
一方、前記実施形態では、図１６、図１７に示すように、第２ポンプ２０１をオンした後、制御部１１１は、第１ポンプ１０１をオフしているが、第２ポンプ２０１がオンした後も第１ポンプ１０１がオン状態を維持してもよい。
同様に、前記実施形態では、図２１に示すように、第２ポンプ２０１をオンした後、制御部１１１は、第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１をオフしているが、第２ポンプ２０１がオンした後も第１ポンプ１０１及び第４ポンプ４０１がオン状態を維持してもよい。
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なるが、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なってもよい。
また、前記実施形態では、図５、図６、図９、図１０に示すように、振動板の一方の面に圧電素子を設けたユニモルフ型の圧電振動子を使用しているが、これに限るものではない。振動板の両面に圧電素子を設けたバイモルフ型の圧電振動子を使用してもよい。
また、前記実施形態では、円板状の圧電素子、円板状の振動板、及び円板状の天板を用いたが、これに限るものではない。例えば、これらの形状が矩形板状や多角板状、楕円板状であってもよい。
また、前記実施形態では、圧電ポンプを、ポンプ本体の１次振動モードの周波数（基本波）で共振駆動させたが、これに限るものではない。実施の際は、複数の振動の腹を有する、３次振動モード以上の奇数次の振動モードの周波数で共振駆動させても良い。
また、前記実施形態では、図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、天板３７が、振動板３９の屈曲振動に伴って同心円状に屈曲振動する例を示したが、これに限るものではない。実施の際は、振動板３９のみが屈曲振動してもよく、必ずしも天板３７が、振動板３９の屈曲振動に伴って屈曲振動しなくても良い。
最後に、前記実施形態の説明は、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。
９…容器
１７…外筐体
１８…ノズル
２４…吐出孔
３１…通気路
３６…ポンプ室
３７…天板
３８…側板
３９…振動板
４０…圧電素子
４２…キャップ
４５…通気孔
５２…突出部
５３…吸引孔
５５Ａ…切欠き
５６Ａ…ネジ穴
６１…中央部
６２…突出部
６３…外部端子
７０…電極導通用板
７２…外部端子
７３…内部端子
１００…気体制御装置
１０１…第１ポンプ
１０２…第１逆止弁
１０６…第１通気孔
１０７…第２通気孔
１０８…第３通気孔
１１０…筐体
１１１…制御部
１２０…スペーサ
１２１…圧力センサ
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
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
１８１…吐出孔
１８５…蓋板
１９１…基板
１９２…開口部
１９３…流路
１９５…カバー板
１９７…吸引孔
１９８…孔部
２００…気体制御装置
２０１…第２ポンプ
２０２…第２逆止弁
３００…気体制御装置
３０１…第３ポンプ
３０２…逆止弁
３１０…筐体
４００…気体制御装置
４０１…第４ポンプ
５００…気体制御装置
６００…気体制御装置
６０９…容器
６１０…筐体
７００…気体制御装置

Claims (11)

  1. 気体の第１吸引孔および第１吐出孔を有する第１ポンプと、
    前記気体の第２吸引孔および第２吐出孔を有する第２ポンプと、
    制御部と、を備え、
    前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量は、前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量より大きく、
    前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力は、前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力より高く、
    前記第１吐出孔と前記第２吐出孔とは、内部に流入した前記気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に接続され、
    前記制御部は、前記容器内の圧力が初期状態よりも高い所定圧力に達するまでは前記第１ポンプを駆動し、前記容器内の圧力が前記所定圧力を超えると前記第２ポンプを駆動する、ことを特徴とする気体制御装置。
  2. 前記容器の内部から前記第１吐出孔へ前記気体が流れることを阻止する第１逆止弁を備えることを特徴とする、請求項１に記載の気体制御装置。
  3. 前記容器の内部から前記第２吐出孔へ前記気体が流れることを阻止する第２逆止弁を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の気体制御装置。
  4. 前記気体の第３吸引孔および第３吐出孔を有する第３ポンプと、を備え、
    前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量は、前記第３ポンプが前記第３吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量より大きく、
    前記第３ポンプが前記第３吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力は、前記第１ポンプが前記第１吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力より高く、
    前記第３吐出孔は、前記第２吸引孔に接続する、請求項１から３のいずれか１項に記載の気体制御装置。
  5. 前記気体の第４吸引孔および第４吐出孔を有する第４ポンプと、を備え、
    前記第４ポンプが前記第４吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量は、前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出可能な前記気体の最大流量より大きく、
    前記第２ポンプが前記第２吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力は、前記第４ポンプが前記第４吐出孔から吐出可能な前記気体の最大圧力より高く、
    前記第４吐出孔は、前記容器に接続する、請求項１から４のいずれか１項に記載の気体制御装置。
  6. 前記第１ポンプ又は前記第２ポンプの少なくとも一方は、アクチュエータとしての圧電素子と、前記圧電素子に接合する第１主面を持ち、前記圧電素子の伸縮により屈曲振動する振動板と、を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の気体制御装置。
  7. 前記第１ポンプは、前記振動板に接合し、前記振動板とともにポンプ室を構成する第１筐体と、前記第１筐体を間隔を設けて被覆して前記第１筐体との間に通気路を構成する第２筐体と、を有し、
    前記第１筐体には、前記ポンプ室の内部と外部とを連通させる通気孔が設けられており、
    前記第２筐体における前記通気孔と対向する領域には、前記第１吐出孔が設けられている、請求項６に記載の気体制御装置。
  8. 前記第２ポンプは、
    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、
    前記第１主面とは逆側の前記振動板の第２主面に対向し、通気孔が設けられている板と、を有する、請求項６に記載の気体制御装置。
  9. 気体の第１吸引孔および第１吐出孔を有する第１ポンプと、
    前記気体の第２吸引孔および第２吐出孔を有する第２ポンプと、
    制御部と、を備え、
    前記第１ポンプが前記第１吸引孔から吸引可能な前記気体の最大流量は、前記第２ポンプが前記第２吸引孔から吸引可能な前記気体の最大流量より大きく、
    前記第２ポンプが前記第２吸引孔から吸引可能な前記気体の最大吸引圧力の大きさは、前記第１ポンプが前記第１吸引孔から吸引可能な前記気体の最大吸引圧力の大きさより大きく、
    前記第１吸引孔と前記第２吸引孔とは、内部に残存する前記気体の圧力に応じて容積が変化する特性を有する容器に接続され、
    前記制御部は、前記容器内の圧力が初期状態よりも低い所定圧力に達するまでは前記第１ポンプを駆動し、前記容器内の圧力が前記所定圧力を下回ると前記第２ポンプを駆動する、ことを特徴とする気体制御装置。
  10. 前記第１吸引孔から前記容器の内部へ前記気体が流れることを阻止する第３逆止弁を備えることを特徴とする、請求項９に記載の気体制御装置。
  11. 前記第２吸引孔から前記容器の内部へ前記気体が流れることを阻止する第４逆止弁を備えることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の気体制御装置。
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