JPWO2013125364A1 - 流体制御装置 - Google Patents

Abstract

流体制御装置（１００）は、圧電ポンプ（１０１）と制御部（１１１）と駆動回路（１１２）とを備えている。流体制御装置（１００）は、空気貯蔵部（１０９）に接続される。駆動回路（１１２）は、交流電圧におのおの異なる直流バイアス電圧が重畳された第１駆動電圧または第２駆動電圧を、圧電ポンプ（１０１）の圧電素子（４２）に印加する。流体制御装置（１００）では、圧電素子（４２）に印加する電圧が第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替わることで、直流バイアス電圧の高さが切り替わる。これにより、圧電アクチュエータ（４０）が振動の中心にあるときにおいて、圧電アクチュエータ（４０）と可撓板（５１）との間隔が、第１の間隔（Ｋ１）から第２の間隔（Ｋ２）に切り替わる。したがって、流体制御装置（１００）は、圧電ポンプ（１０１）のＰＱ特性を圧電ポンプ（１０１）の駆動中に動的に変化させることができる。

Description

この発明は、流体制御を行う流体制御装置に関する。

従来、流体制御を行う流体制御装置が各種考案されている。例えば特許文献１には圧電ポンプが開示されている。

図１８は、特許文献１における円板状の圧電ポンプ９０１の外観斜視図である。図１９は、図１８に示すＵ−Ｕ線における圧電ポンプ９０１の断面図である。図１９の（ａ）は、流入口９１２から流体が吸い込まれ、圧電ポンプ９０１の周縁部に環状のポケット室Ｓが生成された状態を示している。図１９の（ｂ）は、圧電ポンプ９０１の周縁部に形成された環状のポケット室Ｓが圧電ポンプ９０１の中心側に移動し、流入口９１２および流出口９１３の双方がほぼ閉鎖された状態を示している。図１９の（ｃ）は、ポケット室Ｓがさらに中心側へ移動して中心部で合体し、流出口９１３から流体の吐出を開始した状態を示している。図１９の（ｄ）は、圧電素子９２０の屈曲変形がさらに中心側に移動し、中心部の変位が最大となった状態を示している。

この圧電ポンプ９０１は、基板９１０と、この基板９１０上に変位可能に配置された円板状の圧電素子９２０と、で構成されており、圧電素子９２０の外周端全周が接着剤で基板９１０に固定されている。

基板９１０には、流体が流入する流入口９１２と、その流体が流出する流出口９１３とが形成されている。

圧電素子９２０の表裏面には、隙間Ｇ９１〜Ｇ９４を介して５分割された複数の分割電極９２３ａ〜９２３ｅが同心円状に形成されている。

以上の構成において、それぞれの分割電極９２３ａ〜９２３ｅに交流電圧を位相をずらして印加すると、圧電素子９２０は、図１９の（ａ）〜（ｄ）に示すように環状の波打ち状に周期的に屈曲振動する。

詳述すると、圧電素子９２０は、図１９の（ａ）に示すように、圧電素子９２０と基板９１０との間に環状のポケット室Ｓを形成する。そして、圧電素子９２０は、図１９の（ｂ）（ｃ）に示すように、そのポケット室Ｓを半径方向に移動させ、流入口９１２から流入した流体を周縁部から中心部へと移送する。そして、圧電素子９２０は、図１９の（ｄ）に示すように、流出口９１３から流体を吐出する。その後、圧電素子９２０は図１９の（ａ）に示す状態に戻る。

国際公開第２００８／１１１３９７号パンフレット

前述した圧電ポンプ９０１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、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。

そして、ポンプが流体に与えるエネルギーは、Ｐ×Ｑで表され、前記式を満たす各動作点によって異なる。最大のエネルギーを流体に与えることができる動作点は、Ｐ＝Ｐmax／２、Ｑ＝Ｑmax／２の動作点（以下、「最適動作点」という）であり、Ｐmax×Ｑmax／４のエネルギーを流体に与えることができる。

この最適動作点以外の動作点では、流体に与えることができるエネルギーは少なくなり、ポンプ効率が低下する。しかし、実使用環境下でのポンプの動作点を常に前記最適動作点に一致させることは極めて困難であるので、現実には用途に応じた最適動作点に近い動作点にてポンプを動作させることが一般的に行われている。

そこで、前述した圧電ポンプ９０１においても、用途に応じた最適動作点にできるだけ近い動作点になるように、流体が移送される流路の幅（例えば圧電素子９２０と基板９１０との間隔など）を調整して、圧電ポンプ９０１の最大圧力Ｐmax及び最大流量Ｑmaxの設定を行っていた。

しかしながら、このような方法では、圧電ポンプ９０１の製造後、一度調整した流路の幅を変えることができない。圧電ポンプ９０１では、例えば圧電ポンプ９０１が駆動しているときの発熱による圧電ポンプ９０１のＰＱ特性の変化、又は圧電ポンプ９０１の流出口９１３側に付与される圧力（背圧）の変化のような動作点そのものの変化などによって、動作点と最適動作点が遠く離れてしまう場合がある。よって、圧電ポンプ９０１では、ポンプ効率が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、ポンプ効率を向上させることができる流体制御装置を提供することにある。

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）圧電体を有し、圧電体への電圧の印加により屈曲振動する圧電アクチュエータと、 圧電アクチュエータの一方の主面に対向して設けられ、孔が形成されている平板と、 交流電圧におのおの異なる直流バイアス電圧が重畳された第１駆動電圧または第２駆動電圧を圧電体に印加する駆動回路と、を備え、
第１駆動電圧が圧電体に印加され、圧電アクチュエータが振動の中心の位置にあるとき、圧電アクチュエータと平板との間隔が第１の間隔であり、第２駆動電圧が圧電体に印加され、圧電アクチュエータが振動の中心の位置にあるとき、圧電アクチュエータと平板との間隔が第１の間隔とは異なる第２の間隔である。

この構成では、駆動回路が圧電体に第１駆動電圧または第２駆動電圧を印加することで、圧電アクチュエータと平板との間隔が第１の間隔または第２の間隔となる。ここで、圧電アクチュエータと平板との間隔（最短距離）は、ポンプのＰＱ特性に影響を与える重要な因子である。

よって、この構成によれば、圧電体に印加する電圧を第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替えることで、ポンプのＰＱ特性を動的に変化させることができる。

これにより、例えばポンプが駆動しているときの発熱によるポンプのＰＱ特性の変化、又は、背圧の変化のような動作点そのものの変化が発生しても、任意の駆動電圧を印加することでポンプのＰＱ特性を動的に変化させることができる。すなわち、最適動作点に近い動作点においてポンプを駆動させることができる。よって、この構成では、ポンプ効率を向上できる。

また、この構成では、ポンプのＰＱ特性を動的に変化させることで、ポンプの最大圧力と最大流量を変化させることができる。これにより、低ポンプ圧力下での大流量特性と、低流量下での高ポンプ圧力特性との両方を実現することができる。

また、第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替わる際の直流バイアス電圧の変化に併せた圧電アクチュエータの変位によって、ポンプのＰＱ特性が徐々に変化するため、大流量特性から高ポンプ圧力特性へスムーズに移行する。

（２）圧電アクチュエータは、一方の主面に圧電体が接合され、圧電体の伸縮により屈曲振動する振動板をさらに有することが好ましい。

（３）圧電アクチュエータは、直流バイアス電圧が高くなる程、圧電アクチュエータと平板との間隔が狭くなる方向に変位することが好ましい。

この構成では、直流バイアスを有する電圧が印加されているとき、圧電素子に対して圧縮応力がかかった状態で圧電アクチュエータを屈曲振動させることができる。ここで、圧電素子の圧電セラミックスは圧縮応力に強いものの引張応力に弱い。そのため、この構成によれば、圧電アクチュエータが屈曲振動するときの引張応力により圧電素子が破損されてしまうことを抑制できる。

（４）平板は、可撓性を有する材料で構成されており、圧電アクチュエータの振動に伴って振動することが好ましい。

この構成では、圧電アクチュエータの振動に伴い平板が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができ、そのことにより圧力と流量を増加させることができる。

（５）駆動回路によって圧電体に印加される直流バイアス電圧の電界方向は、圧電体の分極方向と一致することが好ましい。

駆動回路によって圧電素子に印加される直流バイアス電圧の電界方向が、圧電素子の分極方向と逆向きである場合、脱分極が生じるおそれがある。この構成では、直流バイアス電圧の電界方向と圧電体の分極方向とが一致するため、脱分極を防止できる。

（６）駆動回路は、交流電圧を整流平滑し、直流バイアス電圧を生成する整流平滑回路を含むことが好ましい。

この構成では、直流バイアス電圧を生成する直流電源を設けなくとも済むため、流体制御装置の製造コストを削減できる。

（７）駆動回路が圧電体に印加する電圧を、第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替える制御部を備えることが好ましい。

この構成では、圧電ポンプが効率よく駆動できるように、駆動の段階に応じて切り替えることができる。

本発明によれば、ポンプのＰＱ特性を動的に変化させ、ポンプ効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。 図１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 図１に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。 図１に示す駆動回路１１２の回路図である。 図１に示す圧電ポンプ１０１に印加される駆動電圧の波形図である。 直流バイアス電圧が印加された図１に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。 図１に示す圧電ポンプ１０１のＰＱ特性を示すグラフである。 図１に示す流体制御装置１００のスイッチＳＷがオフである間の空気の流れを示すブロック図である。 図１に示す流体制御装置１００のスイッチＳＷがオンである間の空気の流れを示すブロック図である。 図４に示す駆動回路１１２の変形例である駆動回路２１２の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る流体制御装置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実施形態に係る流体制御装置に備えられる圧電ポンプ３０１の外観斜視図である。 図１２に示す圧電ポンプ３０１の分解斜視図である。 図１２に示すＳ−Ｓ線における圧電ポンプ３０１の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る流体制御装置に備えられる圧電ポンプ４０１の外観斜視図である。 図１５に示す圧電ポンプ４０１の分解斜視図である。 図１５に示すＴ−Ｔ線における圧電ポンプ４０１の断面図である。 特許文献１の圧電ポンプ９０１の外観斜視図である。 図１８に示すＵ−Ｕ線における圧電ポンプ９０１の断面図である。

《第１実施形態》
本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００について以下説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。流体制御装置１００は、圧電ポンプ１０１と制御部１１１と駆動回路１１２とを備え、空気貯蔵部１０９に接続される。

流体制御装置１００の筐体１１０には、空気貯蔵部１０９のゴム管１０９Ａに接続される接続口１０６Ａと、筐体１１０外部の空気を筐体１１０内部へ吸引するための吸引口１０６Ｂと、が形成されている。ここで、空気貯蔵部１０９は、例えばビーチボールやゴムボート、風船人形のような玩具やタイヤ、又は血圧測定用のカフである。

圧電ポンプ１０１の吸引孔５２は、筐体１１０の吸引口１０６Ｂに連通し、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５は、筐体１１０の接続口１０６Ａに連通する。

駆動回路１１２は、交流電圧におのおの異なる直流バイアス電圧が重畳された第１駆動電圧または第２駆動電圧を圧電ポンプ１０１に印加し、圧電ポンプ１０１を駆動する。

制御部１１１は、例えばマイクロコンピュータで構成され、駆動回路１１２を含む装置本体の各部の動作を制御する。

ここで、圧電ポンプ１０１の構造について詳述する。図２は、図１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。図３は、図１に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。圧電ポンプ１０１は、基板９１、可撓板５１、スペーサ５３Ａ、補強板４３、振動板ユニット６０、圧電素子４２、スペーサ５３Ｂ、電極導通用板７０、スペーサ５３Ｃ及び蓋板５４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５１が、本発明の「平板」にする。

円板状の振動板４１の上面には圧電素子４２が接着固定され、振動板４１の下面には補強板４３が貼着されて、振動板４１と圧電素子４２と補強板４３とによって円板状の圧電アクチュエータ４０が構成される。圧電素子４２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなり、図３に示す矢印の方向に分極されている。

ここで、振動板４１を圧電素子４２および補強板４３よりも線膨張係数の大きな金属板としておき、接着時に加熱硬化させることにより、全体が反ることなく、圧電素子４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子４２の割れを防止できる。例えば、振動板４１をリン青銅（Ｃ５２１０）やステンレススチールＳＵＳ３０１など線膨張係数の大きな材料とし、補強板４３を４２ニッケルまたは３６ニッケルまたはステンレススチールＳＵＳ４３０などとするのがよい。

なお、振動板４１、圧電素子４２、補強板４３については、上から圧電素子４２、補強板４３、振動板４１の順に配置してもよい。この場合も圧電素子４２に適切な圧縮応力が残留するように、補強板４３、振動板４１の材質を逆にすることで線膨張係数が調整されている。

振動板４１の周囲には枠板６１が設けられていて、振動板４１は枠板６１に対して連結部６２で連結されている。連結部６２は例えば細いリング状に形成されており、小さなバネ定数の弾性をもたせて弾性構造としている。

したがって振動板４１は二つの連結部６２で枠板６１に対して２点で柔軟に支持されている。そのため、振動板４１の屈曲振動を殆ど妨げない。すなわち、圧電アクチュエータ４０の周縁部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていない状態となっている。

なお、スペーサ５３Ａは可撓板５１と一定の隙間をあけて圧電アクチュエータ４０を保持するために設けられる。枠板６１には電気的に接続するための外部端子６３が形成されている。

振動板４１、枠板６１、連結部６２及び外部端子６３は金属板の打ち抜き加工により成形されていて、これらによって振動板ユニット６０が構成されている。

枠板６１の上面には、樹脂製のスペーサ５３Ｂが接着固定されている。スペーサ５３Ｂの厚みは圧電素子４２と同じか少し厚く、枠板６１は、ポンプ筺体８０の一部を構成するとともに、次に述べる電極導通用板７０と振動板ユニット６０とを電気的に絶縁する。

スペーサ５３Ｂの上には、金属製の電極導通用板７０が接着固定されている。電極導通用板７０は、ほぼ円形に開口した枠部位７１と、この開口内に突出する内部端子７３と、外部へ突出する外部端子７２とで構成されている。

内部端子７３の先端は圧電素子４２の表面にはんだ付けされる。はんだ付け位置を圧電アクチュエータ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の振動は抑制できる。

電極導通用板７０の上には、樹脂製のスペーサ５３Ｃが接着固定される。スペーサ５３Ｃはここでは圧電素子４２と同程度の厚さを有する。スペーサ５３Ｃは、圧電アクチュエータ４０が振動したときに、内部端子７３のはんだ部分が、蓋板５４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４２表面が蓋板５４に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅の低下するのを防止する。そのため、スペーサ５３Ｃの厚さは、前述の通り、圧電素子４２と同程度の厚さであればよい。

蓋板５４は吐出孔５５を有しており、スペーサ５３Ｃの上部に被せられ、圧電アクチュエータ４０の周囲を覆う。吐出孔５５は蓋板５４の中心に設けてもよいが、蓋板５４を含むポンプ筺体８０内の正圧を開放する吐出孔であるので、必ずしも蓋板５４の中心に設ける必要はない。

一方、可撓板５１の中心には吸引孔５２が形成されている。この可撓板５１と振動板ユニット６０との間に、補強板４３の厚みへ数１０μｍ程度加えたスペーサ５３Ａが挿入されている。このように、スペーサ５３Ａが存在しても、振動板４１は枠板６１に拘束されているわけではないので、吐出孔５５側に付与される圧力（背圧）の変動に応じて間隙は自動的に変化する。

但し、振動板４１は連結部６２（バネ端子）の拘束の影響を多少は受けるので、このようにスペーサ５３Ａを挿入することで、背圧が低いときには積極的に隙間を確保して流量を増大することができる。また、スペーサ５３Ａを挿入した場合でも、背圧が高いときには連結部６２（バネ端子）がたわんで、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との対向領域の隙間が自動的に減少し、高い圧力で動作することが可能である。

なお、図５に示した例では、連結部６２を二箇所に設けたが、三箇所以上に設けてもよい。連結部６２は圧電アクチュエータ４０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、例えば三箇所で連結（保持）することにより、より自然な保持が可能となり、圧電素子４２の割れを防止することもできる。

可撓板５１の下部には、中心に円柱形の開口部９２が形成された基板９１が設けられている。可撓板５１の一部は基板９１の開口部９２で露出する。この円形の露出部は、圧電アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、圧電アクチュエータ４０と実質的に同一周波数で振動することができる。この可撓板５１と基板９１との構成により、可撓板５１の圧電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であり、周縁部は実質的に拘束された固定部となる。この円形の可動部の固有振動数は、圧電アクチュエータ４０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、外部端子６３，７２に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ４０が同心円状に屈曲振動し、圧電アクチュエータ４０の振動に呼応して、吸引孔５２を中心とした可撓板５１の露出部も大きな振幅で振動する。可撓板５１の振動位相が圧電アクチュエータ４０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５１と圧電アクチュエータ４０との間の隙間空間の厚さ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。

次に、駆動回路１１２について詳述する。

図４は、図１に示す駆動回路１１２の回路図である。図５は、図１に示す圧電ポンプ１０１に印加される駆動電圧の波形図である。

制御部１１１は、スイッチＳＷをオンオフし、駆動回路１１２が圧電素子４２に印加する電圧を、第１駆動電圧または第２駆動電圧に切り替える。

詳述すると、駆動回路１１２において、スイッチＳＷがオフである間、交流電源ＡＣから出力された交流電圧は、コンデンサＣ１を介して第１駆動電圧として圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加される（図５参照）。ここで、交流電源ＡＣは、圧電ポンプ１０１の共振周波数と等しい周波数の第１駆動電圧を出力している。また、この実施形態において、第１駆動電圧の直流バイアス電圧は０Ｖである。

一方、駆動回路１１２において、スイッチＳＷがオンである間、交流電源ＡＣから出力された交流電圧は、コンデンサＣ１を介して圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加され、直流電源ＤＣから出力された直流バイアス電圧（例えば９Ｖ）は、抵抗Ｒ１を介して圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加される。すなわち、直流バイアス電圧が交流電圧に重畳されて第２駆動電圧が生成され、圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加される（図５参照）。

以上の回路構成により、駆動回路１１２は、直流バイアス電圧がおのおの異なる第１駆動電圧または第２駆動電圧を圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加することができる。

図６は、直流バイアス電圧が印加された図１に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。図７は、図１に示す圧電ポンプ１０１のＰＱ特性を示すグラフである。図７において圧電ポンプ１０１のＰＱ特性は、印加する直流バイアス電圧毎に示されている。

圧電素子４２に印加する電圧を第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替えることで、直流バイアス電圧の高さが切り替わる。これにより、圧電アクチュエータが振動の中心の位置にあるときにおいて、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔が、第１の間隔Ｋ１（図３参照）から第２の間隔Ｋ２（図６参照）に切り替わる。

ここで、圧電アクチュエータ４０は、直流バイアス電圧が高くなる程、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔が狭くなる方向に変位する。反対に、圧電アクチュエータ４０は、直流バイアス電圧が低くなる程、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔が広くなる方向に変位する。

そして、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔（最短距離）は、圧電ポンプ１０１のＰＱ特性に影響を与える重要な因子である。

そのため、この実施形態によれば、圧電素子４２に印加する電圧を第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替えることで、圧電ポンプ１０１のＰＱ特性を圧電ポンプ１０１の駆動中に動的に変化させることができる（図７参照）。

図７より、直流バイアス電圧が−５Ｖである場合、直流バイアス電圧が０Ｖである場合と比較して、最大流量が増え、最大圧力が下がることが分かる。逆に、直流バイアス電圧が５Ｖ〜３５Ｖである場合、図７より、直流バイアス電圧が０Ｖである場合と比較して、直流バイアス電圧が高くなる程、最大流量は小さくなり、最大圧力は大きくなることが分かる。

以上より、例えば、圧電ポンプ１０１が駆動しているときの発熱によって温度が変化しても、又は環境温度が変化しても、ＰＱ特性を動的に変化させることで、予め設定したＰ＝Ｐmax／２、Ｑ＝Ｑmax／２に近い動作点において圧電ポンプ１０１を駆動させることができる。

よって、この実施形態によれば、圧電ポンプ１０１のポンプ効率を向上できる。

また、駆動回路１１２によって圧電素子４２に印加される直流バイアス電圧の電界方向が、圧電素子４２の分極方向と逆向きである場合、負の直流バイアス電圧が高くなる程、脱分極が生じやすくなる。

そこで、図３、図６に示すように、駆動回路１１２によって圧電素子４２に印加される直流バイアス電圧の電界方向は、圧電素子４２の分極方向と一致することが好ましい。また、負の直流バイアス電圧を印加する場合、脱分極が生じないよう所定電圧（この実施形態では−５Ｖ）以上にすることが好ましい。

また、圧電アクチュエータ４０は、直流バイアス電圧が高くなる程、圧電素子４２が収縮し、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔が狭くなる方向に変位する。そのため、正の直流バイアス電圧を印加する場合に、圧電素子４２に対して圧縮応力がかかった状態で圧電アクチュエータ４０を屈曲振動させることができる。そして、圧電素子４２の圧電セラミックスは圧縮応力に強いものの引張応力に弱い。そのため、この実施形態によれば、圧電アクチュエータ４０が屈曲振動するときの引張応力により圧電素子４２が破損されてしまうことを抑制できる。

ここで、空気貯蔵部１０９に空気を充填するときにおける流体制御装置１００の動作について説明する。

図８は、図１に示す流体制御装置１００のスイッチＳＷがオフである間の空気の流れを示すブロック図である。図９は、図１に示す流体制御装置１００のスイッチＳＷがオンである間の空気の流れを示すブロック図である。

流体制御装置１００は、空気貯蔵部１０９に圧縮空気を充填するとき、駆動回路１１２によって第１駆動電圧を圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加し、図３に示すように圧電アクチュエータ４０を屈曲振動させる。圧電アクチュエータ４０が振動の中心の位置にあるとき、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔は第１の間隔Ｋ１である。これにより、吸引口１０６Ｂから外気が吸引され、空気が圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５を経由して圧電ポンプ１０１の吐出孔５５から空気貯蔵部１０９へ送出し、空気貯蔵部１０９内の圧力（空気圧）を高める（図８参照）。

圧電アクチュエータ４０の駆動開始から一定時間経過すると、制御部１１１は、スイッチＳＷをオンする（図４参照）。そして、流体制御装置１００は、直流バイアス電圧を交流電圧に重畳した第２駆動電圧を駆動回路１１２によって圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加し、図６に示すように圧電アクチュエータ４０を屈曲振動させる。圧電アクチュエータ４０が振動の中心の位置にあるとき、圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との間隔は第２の間隔Ｋ２である。

これにより、吸引口１０６Ｂから外気が吸引され、空気が圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５を経由して圧電ポンプ１０１の吐出孔５５から空気貯蔵部１０９へ送出し、空気貯蔵部１０９内の圧力（空気圧）を目標圧力まで高める（図９参照）。

ここで、空気貯蔵部１０９に空気が入っていないポンピング動作の初期には、ポンプ圧力は低くとも良いものの大きな流量が必要になる。この実施形態の流体制御装置１００では、スイッチＳＷをオフにすることにより、空気貯蔵部１０９のたるみが無くなるまで空気を大流量で空気貯蔵部１０９に送出することができる。

そして、空気が十分に入り、空気貯蔵部１０９の体積がほぼ一定で変化しなくなるポンピング動作の後期には、流量は少なくてもよいものの高いポンプ圧力が必要になる。この実施形態の流体制御装置１００では、スイッチＳＷをオンにすることにより、高圧縮の空気を充填することができる。

よって、この実施形態の流体制御装置１００によれば、低ポンプ圧力下での大流量特性と、低流量下での高ポンプ圧力特性との両方を実現することができる。

また、第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替わる際の直流バイアス電圧の変化に併せて、圧電アクチュエータ４０が振動の中心の位置にあるときにおける圧電アクチュエータ４０と可撓板５１との距離が徐々に変化する。これにより圧電ポンプ１０１のＰＱ特性が徐々に変化するため、大流量特性から高ポンプ圧力特性へスムーズに移行する。

なお、実施の際は、前述の可撓板５１の代わりに可撓性を有しない平板を用いてもよい。

なお、前述の実施形態では直流電源ＤＣを有する駆動回路１１２（図４参照）を用いたが、実施の際は、直流電源ＤＣの代わりに整流平滑回路を有する駆動回路２１２（図１０参照）を用いても構わない。

詳述すると、駆動回路２１２において、スイッチＳＷがオフである間、交流電源ＡＣから出力された交流電圧は、コンデンサＣ１を介して第１駆動電圧として圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加される（図５参照）。

一方、駆動回路２１２において、スイッチＳＷがオンである間、交流電源ＡＣから出力された交流電圧は、コンデンサＣ１を介して圧電素子４２に印加され、その交流電圧がダイオードＤ、抵抗Ｒ２、Ｒ３及びコンデンサＣ２により整流平滑されて生成された直流バイアス電圧（例えば９Ｖ）は、抵抗Ｒ１を介して圧電素子４２に印加される。すなわち、駆動回路２１２においても、直流バイアス電圧が交流電圧に重畳されて第２駆動電圧が生成され、圧電素子４２に印加される（図５参照）。

以上の回路構成により、駆動回路２１２は、直流バイアス電圧のおのおの異なる第１駆動電圧または第２駆動電圧を圧電ポンプ１０１の圧電素子４２に印加する。そのため、この変形例によれば、直流電源ＤＣを設けなくとも済むため、流体制御装置１００の製造コストを削減できる。

《第２実施形態》
図１１は、本発明の第２実施形態に係る流体制御装置２００の主要部の構成を示すブロック図である。この流体制御装置２００が第１実施形態の流体制御装置１００と相違する点は、圧力センサ１２１を備える点であり、その他の点については同じである。

詳述すると、圧力センサ１２１は、空気貯蔵部１０９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空気貯蔵部１０９内の圧力（空気圧）を監視する。制御部１１１は、圧電アクチュエータ４０の駆動開始から空気貯蔵部１０９内の空気圧が一定圧力を超えるまでの間、スイッチＳＷをオフし、空気貯蔵部１０９内の空気圧が一定圧力を超えている間、スイッチＳＷをオンする（図４参照）。

この実施形態では、空気貯蔵部１０９内の空気圧に応じてスイッチＳＷのオンオフを切り替えている。すなわち、この実施形態によれば、空気貯蔵部１０９内の空気圧に応じて圧電ポンプ１０１のＰＱ特性を動的に変化させることができる。

《第３実施形態》
図１２は、本発明の第３実施形態の流体制御装置に備えられる圧電ポンプ３０１の外観斜視図である。図１３は、図１２に示す圧電ポンプの分解斜視図である。図１４は、図１２に示すＳ−Ｓ線における圧電ポンプ３０１の断面図である。ここで、図１４（Ａ）は、直流バイアス電圧が印加されないスイッチＳＷがオフである間の圧電ポンプ３０１の断面図であり、図１４（Ｂ）は、直流バイアス電圧が印加されるスイッチＳＷがオンである間の圧電ポンプ３０１の断面図である。

この実施形態の流体制御装置は、第１実施形態の流体制御装置１００の圧電ポンプ１０１の代わりに圧電ポンプ３０１を備える点で、図１に示す第１実施形態の流体制御装置１００と相違する。その他の構成については同じである。

詳述すると、圧電ポンプ３０１は、ポンプ本体を構成する平板３１０と、振動板３２０と、環状の押え板３４０とを順に積層した構造を有し、各板が接着剤で固定されている。

なお、振動板３２０及び圧電素子３３０の接合体が、本発明の「圧電アクチュエータ」に相当する。

平板３１０は、剛性を有する金属板または樹脂板などで構成されている。平板３１０の中心部には、流出口３１１が形成され、流出口３１１を中心とする平板３１０の同一円周上には、８個の流入口３１２が形成されている。

振動板３２０は、バネ弾性を持つ金属板で構成されている。振動板３２０には円弧状の複数のスリット３２１が形成され、スリット３２１より外側領域の表裏面に接着剤が塗布され、平板３１０と押え板３４０とで振動板３２０の外側領域が接着固定されている。接着剤の塗布領域がスリット３２１により隔てられているため、接着剤がスリット３２１より内側の円形領域３２２まで拡がることがない。

振動板３２０は平板３１０の下面側に接触状態で配置されている。振動板３２０の下面であって、円形領域３２２の中央部には、円形の圧電素子３３０が貼り付けられている。

振動板３２０の円形領域３２２の中心と圧電素子３３０の中心と平板３１０の流出口３１１の中心とは、同軸上に位置している。圧電素子３３０の半径は、流出口３１１と流入口３１２との距離Ｌより小さく、流入口３１２は圧電素子３３０より外周側に位置している。

押え板３４０は、圧電素子３３０の厚みと振動板３２０の変位量との合計より厚く形成されており、圧電ポンプ３０１を基板などに搭載した場合に、圧電素子３３０が基板と接触するのを防止する板である。押え板３４０の内周縁３４１は振動板３２０の円形領域３２２より僅かに小径であり、この内周縁３４１で囲まれた領域が振動板３２０の屈曲変形できる領域である。

また、押え板３４０の一部には切溝３４２が形成されている。切溝３４２は、圧電ポンプ３０１を基板などに実装した場合に、振動板３２０の下面側が密閉空間になるのを防止するとともに、圧電素子３３０への配線を引き出すための溝である。

以上の構成において、圧電素子３３０への直流バイアス電圧が印加されていないときには、図１４（Ａ）に示すように平板３１０と振動板３２０とが全面で接触している。即ち平板３１０と振動板３２０との第１の間隔Ｋ１は０である。

ここで、圧電素子３３０に第１駆動電圧を印加すると、振動板３２０の円形領域３２２は、圧電素子３３０の伸縮により屈曲振動する。これにより、圧電ポンプ３０１は、流入口３１２から流体を吸引し、流体を外周部から中心部へと移送し、流出口３１１から流体を吐出する。

圧電素子３３０の駆動開始から一定時間経過すると、制御部１１１は、スイッチＳＷをオンする（図４参照）。そして、駆動回路１１２が、直流バイアス電圧を交流電圧に重畳した第２駆動電圧を圧電素子３３０に印加する。振動板３２０の円形領域３２２が振動の中心の位置にあるとき、図１４（Ｂ）に示すように振動板３２０と平板３１０との間隔が第１の間隔Ｋ１より広くなる方向に変位し、第２の間隔Ｋ２となる。

これにより、圧電ポンプ３０１は、流入口３１２から流体を吸引し、流体を外周部から中心部へと移送し、流出口３１１から流体を吐出する。ここで、流体の最大流量は、第１駆動電圧が印加されているときにおける流体の最大流量と比べて、流路が広くなっているため増加する。

そのため、この実施形態においても、駆動回路１１２が圧電素子３３０に第１駆動電圧または第２駆動電圧を印加することで、振動板３２０と平板３１０との間隔が第１の間隔Ｋ１または第２の間隔Ｋ２となる。

よって、この実施形態においても、圧電素子３３０に印加する電圧を第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替えることで、圧電ポンプ３０１のＰＱ特性を動的に変化させることができる（図７参照）。したがって、この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、この実施形態においても、駆動回路１１２によって圧電素子３３０に印加される直流バイアス電圧の電界方向は、圧電素子３３０の分極方向と一致することが好ましい。

また、この実施形態においても、駆動回路１１２の代わりに駆動回路２１２（図１０参照）を用いても構わない。同様に、図１１に示す圧力センサ１２１をこの実施形態で用いても構わない。

《第４実施形態》
図１５は、本発明の第４実施形態の流体制御装置に備えられる圧電ポンプ４０１の外観斜視図である。図１６は、図１５に示す圧電ポンプ４０１の分解斜視図である。図１７は、図１５に示すＴ−Ｔ線における圧電ポンプ４０１の断面図である。ここで、図１７（Ａ）は、直流バイアス電圧が印加されないスイッチＳＷがオフである間の圧電ポンプ４０１の断面図であり、図１７（Ｂ）は、直流バイアス電圧が印加されるスイッチＳＷがオンである間の圧電ポンプ４０１の断面図である。

この実施形態の流体制御装置は、第１実施形態の流体制御装置１００の圧電ポンプ１０１の代わりに圧電ポンプ４０１を備える点で、図１に示す第１実施形態の流体制御装置１００と相違する。その他の構成については同じである。

詳述すると、この圧電ポンプ４０１は、平板４１０と、この平板４１０上に変位可能に配置された円板状の圧電素子４２０と、で構成されており、圧電素子４２０の外周部全周が接着剤で平板４１０に固定されている。

なお、圧電素子４２０が、本発明の「圧電アクチュエータ」に相当する。

平板４１０は、剛性を有する金属板または樹脂板などで構成されている。接着剤４１１が塗布された外周部よりやや内径側の平板４１０の部位には、流体が流入する流入口４１２が複数形成されている。また、圧電素子４２０の中心部と対向する平板４１０の部位には、その流体が流出する流出口４１３が形成されている。

圧電素子４２０の表裏面には、隙間Ｇ１〜Ｇ４を介して５分割された複数の分割電極４２３ａ〜４２３ｅが同心円状に形成されている。

以上の構成において、圧電素子４２０への直流バイアス電圧が印加されていないときには、図１７（Ａ）に示すように平板４１０と圧電素子４２０とが全面で接触している。即ち平板４１０と圧電素子４２０との第１の間隔Ｋ１は０である。ここで、それぞれの分割電極４２３ａ〜４２３ｅに第１駆動電圧を位相をずらして印加すると、圧電素子４２０は、環状の波打ち状に屈曲振動する。

これにより、圧電ポンプ４０１は、圧電素子４２０と平板４１０との間に形成される環状のポケット室を半径方向に移動させ、流入口４１２から流入した流体を外周部から中心部へと移送し、流出口４１３から流体を吐出する。

圧電素子４２０の駆動開始から一定時間経過すると、制御部１１１は、スイッチＳＷをオンする（図４参照）。そして、駆動回路１１２が、直流バイアス電圧を交流電圧に重畳した第２駆動電圧を圧電素子４２０に印加すると、圧電素子４２０は、環状の波打ち状に屈曲振動する。圧電素子４２０が振動の中心の位置にあるとき、図１７（Ｂ）に示すように圧電素子４２０と平板４１０との間隔が第１の間隔Ｋ１より広くなる方向に変位し、第２の間隔Ｋ２となる。

これにより、圧電ポンプ４０１は、圧電素子４２０と平板４１０との間に形成される環状のポケット室を半径方向に移動させ、流入口４１２から流入した流体を外周部から中心部へと移送し、流出口４１３から流体を吐出する。ここで、流体の最大流量は、第１駆動電圧が印加されているときにおける流体の最大流量と比べて、流路が広くなっているため増加する。

そのため、この実施形態においても、駆動回路１１２が圧電素子４２０に第１駆動電圧または第２駆動電圧を印加することで、圧電素子４２０と平板４１０との間隔が第１の間隔Ｋ１または第２の間隔Ｋ２となる。

よって、この実施形態においても、圧電素子４２０に印加する電圧を第１駆動電圧から第２駆動電圧に切り替えることで、圧電ポンプ４０１のＰＱ特性を動的に変化させることができる（図７参照）。したがって、この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、この実施形態においても、駆動回路１１２によって圧電素子４２０に印加される直流バイアス電圧の電界方向は、圧電素子４２０の分極方向と一致することが好ましい。

また、この実施形態においても、駆動回路１１２の代わりに駆動回路２１２（図１０参照）を用いても構わない。同様に、図１１に示す圧力センサ１２１をこの実施形態で用いても構わない。

《その他の実施形態》
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く、当該流体が、空気以外の気体や液体であっても適用できる。

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、前記実施形態ではユニモルフ型で屈曲振動する圧電アクチュエータを設けたが、これに限るものではない。振動板の両面に圧電素子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、第１駆動電圧の直流バイアス電圧が０Ｖであるが、これに限るものではない。また、前記実施形態では、第２駆動電圧の直流バイアス電圧が９Ｖであるが、これに限るものではない。第２駆動電圧の直流バイアス電圧は、第１駆動電圧の直流バイアス電圧よりも大きければよい。

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。

４０…圧電アクチュエータ
４１…振動板
４２…圧電素子
４３…補強板
４５…ポンプ室
５１…可撓板
５２…吸引孔
５３Ａ、５３Ｂ…スペーサ
５３Ｃ…スペーサ
５４…蓋板
５５…吐出孔
６０…振動板ユニット
６１…枠板
６２…連結部
６３…外部端子
７０…電極導通用板
７１…枠部位
７２…外部端子
７３…内部端子
８０…ポンプ筺体
９１…基板
９２…開口部
１００…流体制御装置
１０１…圧電ポンプ
１０６Ａ…接続口
１０６Ｂ…吸引口
１０９…空気貯蔵部
１０９Ａ…ゴム管
１１０…筐体
１１１…制御部
１１２…駆動回路
１２１…圧力センサ
２００…流体制御装置
２１２…駆動回路
３０１…圧電ポンプ
３１０…平板
３１１…流出口
３１２…流入口
３２０…振動板
３２１…スリット
３２２…円形領域
３３０…圧電素子
３４０…押え板
３４１…内周縁
３４２…切溝
４０１…圧電ポンプ
４１０…平板
４１１…接着剤
４１２…流入口
４１３…流出口
４２０…圧電素子
４２３ａ〜e…分割電極
９０１…圧電ポンプ
９１０…基板
９１２…流入口
９１３…流出口
９２０…圧電素子
９２３ａ〜e…分割電極

Claims (7)

1. 圧電体を有し、前記圧電体への電圧の印加により屈曲振動する圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの一方の主面に対向して設けられ、孔が形成されている平板と、
   交流電圧におのおの異なる直流バイアス電圧が重畳された第１駆動電圧または第２駆動電圧を前記圧電体に印加する駆動回路と、を備え、
   前記第１駆動電圧が前記圧電体に印加され、前記圧電アクチュエータが振動の中心の位置にあるとき、前記圧電アクチュエータと前記平板との間隔が第１の間隔であり、
   前記第２駆動電圧が前記圧電体に印加され、前記圧電アクチュエータが振動の中心の位置にあるとき、前記圧電アクチュエータと前記平板との間隔が前記第１の間隔とは異なる第２の間隔である、流体制御装置。
2. 前記圧電アクチュエータは、一方の主面に前記圧電体が接合され、前記圧電体の伸縮により屈曲振動する振動板をさらに有する、請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記圧電アクチュエータは、前記直流バイアス電圧が高くなる程、前記圧電アクチュエータと前記平板との間隔が狭くなる方向に変位する、請求項１又は２に記載の流体制御装置。
4. 前記平板は、可撓性を有する材料で構成されており、前記圧電アクチュエータの振動に伴って振動する、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. 前記駆動回路によって前記圧電体に印加される前記直流バイアス電圧の電界方向は、前記圧電体の分極方向と一致する、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. 前記駆動回路は、前記交流電圧を整流平滑し、前記直流バイアス電圧を生成する整流平滑回路を含む、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. 前記駆動回路が前記圧電体に印加する電圧を、前記第１駆動電圧から前記第２駆動電圧に切り替える制御部を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体制御装置。