WO2011145544A1 - 流体ポンプ - Google Patents

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WO2011145544A1
WO2011145544A1 PCT/JP2011/061147 JP2011061147W WO2011145544A1 WO 2011145544 A1 WO2011145544 A1 WO 2011145544A1 JP 2011061147 W JP2011061147 W JP 2011061147W WO 2011145544 A1 WO2011145544 A1 WO 2011145544A1
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WO
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actuator
fluid pump
plate portion
center
diaphragm
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Application number
PCT/JP2011/061147
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English (en)
French (fr)
Inventor
兒玉幸治
平田篤彦
大森健太
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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Priority to EP19208135.4A priority patent/EP3623624B1/en
Priority to KR1020127003949A priority patent/KR101333542B1/ko
Priority to EP11783478.8A priority patent/EP2557312B1/en
Priority to CN201180004549.2A priority patent/CN102597520B/zh
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/047—Pumps having electric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B43/04—Pumps having electric drive
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2210/10—Kind or type
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps

Definitions

  • the present invention relates to a fluid pump suitable for transporting a fluid such as gas or liquid.
  • Patent Document 1 discloses a conventional piezoelectric pump.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a pumping operation in the third-order resonance mode of the piezoelectric pump disclosed in Patent Document 1.
  • the pump body 10 the diaphragm 20 whose outer peripheral portion is fixed to the pump body 10, the piezoelectric element 23 attached to the center portion of the diaphragm 20, and the pump body 10 facing the substantially center portion of the diaphragm 20
  • a first opening 11 formed in the part and a second opening 12 formed in an intermediate area between the central part and the outer peripheral part of the diaphragm 20 or a part of the pump main body facing the intermediate area.
  • the piezoelectric element 23 is formed in a size that covers the first opening 11 and does not reach the second opening 12.
  • the first opening is formed.
  • the portion of the diaphragm 20 that faces the portion 11 and the portion of the diaphragm 20 that faces the second opening 12 are bent and deformed in opposite directions, and the first opening 11 and the second opening Suction fluid from one of the two, is intended to be discharged from the other.
  • a piezoelectric pump having a structure as shown in FIG. 1 has a simple structure and can be configured thinly, and is used, for example, as a pneumatic transport pump for a fuel cell system.
  • An object of the present invention is to provide a fluid pump having a small size and a low profile and high pumping capacity.
  • the conventional fluid pump has a structure that drives a diaphragm that can withstand pressure and the outer periphery of the diaphragm is fixed to the pump body. Is small.
  • the fluid pump of the present invention is configured as follows.
  • An actuator that is not substantially constrained in the periphery and bends and vibrates from the center to the periphery; and A plane portion arranged in close proximity to the actuator; One or a plurality of central vent holes disposed at or near the center of the actuator facing region facing the actuator of the planar portion; Is provided.
  • peripheral portion of the actuator (of course, the central portion) is not substantially constrained, there is little loss due to the bending vibration of the actuator, and a high pressure and a large flow rate can be obtained while being small and low-profile.
  • the actuator is disc-shaped, it is in a rotationally symmetric (concentric) vibration state, so that no unnecessary gap is generated between the actuator and the flat portion, and the operating efficiency of the pump is increased.
  • the center or the vicinity of the center is a thin plate portion capable of bending vibration
  • the peripheral portion is a thick plate portion substantially constrained.
  • a cover plate portion that is joined to the thick plate portion so as to face the thin plate portion and forms an internal space together with the thin plate portion and the thick plate portion is provided.
  • the cover plate portion includes the internal space and the fluid pump.
  • a ventilation groove was formed to communicate with the outside of the housing.
  • the cover plate portion can suppress generation of pressure waves and synthetic jet flow caused by vibration between the actuator and the thin plate portion of the flat portion in the vicinity of the central vent hole of the flat portion. Conceivable.
  • peripheral vent holes are provided in the peripheral portion of the actuator facing region, the positive pressure generated in the peripheral portion of the actuator facing region can be used, and suction / discharge is performed on the same surface. Is possible.
  • the gap between the actuator and the planar portion is automatically changed according to load fluctuations.
  • the gap can be positively increased to increase the flow rate.
  • the spring terminal bends and the gap between the actuator and the flat area is automatically reduced. It is possible to operate with pressure.
  • a position holding structure having an opening for positioning the actuator is provided on the flat portion, and the actuator is accommodated in the opening so that the actuator is not displaced by the flat portion. Can be prevented.
  • a high pressure and a large flow rate can be obtained with a small loss and a low profile with little loss due to bending vibration.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a pumping operation in the third-order resonance mode of the piezoelectric pump disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 2A is a central sectional view of the actuator 40 provided in the fluid pump according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 101 according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a diagram illustrating the operating principle of the fluid pump 101.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating the operating principle of the fluid pump 101.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 102 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 103 according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a part of the fluid pump according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 104 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the fluid pump 105 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view of the fluid pump 105.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 105.
  • FIG. 11 is a PQ characteristic diagram when a negative pressure operation in which the discharge hole 55 of the fluid pump 105 according to the fifth embodiment is opened to the atmosphere and air is sucked from the central vent hole 52 is performed.
  • FIG. 11 is a PQ characteristic diagram when a negative pressure operation in which the discharge hole 55 of the fluid pump 105 according to the fifth embodiment is opened to the atmosphere and air is sucked from the central vent hole 52 is performed.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating an example of a position holding structure of the actuator 40 of the fluid pump according to the sixth embodiment.
  • FIG. 12B is a diagram illustrating an example of a position holding structure of the actuator 40 of the fluid pump according to the sixth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 107 according to the seventh embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 108 according to the eighth embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 109 according to the ninth embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 110 according to the tenth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 107 according to the seventh embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 108 according to the eighth embodiment.
  • FIG. 17 is an exploded perspective view of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 19 is a PQ characteristic diagram when a negative pressure operation is performed in which the discharge hole 55 of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment is opened to the atmosphere and air is sucked from the central vent hole 52.
  • FIG. 2A is a central sectional view of the actuator 40 provided in the fluid pump according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 101 according to the first embodiment when not driven.
  • the actuator 40 is obtained by attaching a disk-shaped piezoelectric element 42 to a disk-shaped diaphragm 41.
  • the diaphragm 41 is made of a metal such as stainless steel or phosphor bronze.
  • On the upper and lower surfaces of the piezoelectric element 42 almost the entire electrode film is formed. The electrode on the lower surface is electrically connected to the diaphragm 41. Or capacitively coupled.
  • a conductor wire is connected to the electrode on the upper surface, and a drive circuit is electrically connected to the conductor wire and the diaphragm 41, and a rectangular or sinusoidal drive voltage is applied.
  • the actuator 40 vibrates rotationally symmetrically (concentrically) from the center to the periphery.
  • the fluid pump 101 includes an actuator 40 and a flat portion 51 made of a metal plate such as stainless steel or phosphor bronze.
  • the actuator 40 is placed on (in contact with) the flat portion 51. Since the non-driving state is shown here, the actuator 40 seems to be fixed on the flat surface portion 51 in FIG. 2B, but the periphery of the actuator 40 is not constrained by the flat surface portion 51. At the time of non-driving, the actuator 40 is merely disposed so as to be in contact with the flat portion 51.
  • One central vent hole 52 is disposed at the center or in the vicinity of the center of the actuator facing region of the planar portion 51 facing the actuator 40 in the planar portion 51.
  • FIG. 3A and 3B are schematic diagrams showing the operation principle of the fluid pump 101.
  • the actuator is operated at a frequency of about 20 kHz, and the deformation amount of the actuator is exaggerated.
  • the actuator bends and deforms into an uneven shape.
  • FIG. 3A if the actuator 40 is bent and deformed upward, the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 is increased. The gap is narrower than the gap between the central portion and the flat portion 51, and the pressure near the gap increases.
  • the gap between the central portion of the actuator 40 and the flat portion 51 is widened, and the pressure in the space between the central portion of the actuator 40 and the flat portion 51 becomes low (becomes negative pressure).
  • a fluid for example, air
  • the fluid flows from the pores 52.
  • the fluid tries to flow through the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 or a little flows.
  • the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 is narrow, and the flow path resistance of the gap is large. Therefore, the flow rate flowing from the outside through the central vent hole 52 becomes more dominant than the flow rate trying to flow from the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51, and flows through the central vent hole 52.
  • a predetermined amount of flow can be secured.
  • the gap between the central portion of the actuator 40 and the flat portion 51 becomes narrower than the gap between the peripheral portion and the flat portion 51. Nearby pressure increases.
  • the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 widens, and the pressure between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 decreases. Therefore, the fluid flows from the space between the central portion of the actuator 40 and the flat portion 51 in the peripheral direction (radial direction). At this time, the fluid tends to flow backward from the central vent hole 52 or slightly flows backward.
  • the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 is wide, and the flow path resistance of the gap is small. Therefore, the flow rate that flows out of the gap between the peripheral portion of the actuator 40 and the flat portion 51 is dominant over the flow rate that flows out of the central vent hole 52, and the flow rate that flows back to the outside through the central vent hole 52. Is suppressed.
  • the above actuator vibrates up and down several ⁇ m to several tens of ⁇ m at the center and periphery with the height of the center of gravity as the average height.
  • the above operation is repeated at a resonance frequency of the primary mode of the actuator 40, for example, a frequency of about 20 kHz, thereby performing a pump operation for sucking fluid from the central vent hole 52 and discharging it to the peripheral portion. Since the actuator 40 has a peripheral portion that is not held by the flat portion 51, a sufficient amplitude can be obtained even if the actuator 40 is small.
  • Both the pressure at the central portion of the actuator 40 and the pressure at the peripheral portion fluctuate with the bending vibration of the actuator 40.
  • a negative pressure is generated at the central portion and counteracts at the peripheral portion.
  • Proportional positive pressure is generated. Therefore, while the actuator 40 is being driven, the actuator 40 is held in the non-contact state in proximity to the flat surface portion 51.
  • the pressure in the central portion and the peripheral portion varies depending on the external pressure on the suction side and the discharge side. That is, it changes depending on the load fluctuation of the pump.
  • the average height of the actuator 40 with respect to the flat surface portion 51 decreases as the load increases, that is, as the pressure difference between the central portion and the peripheral portion of the actuator 40 increases.
  • a high load state that is, when pumping is performed by generating a large pressure difference, the gap between the actuator 40 and the flat part 51 may be reduced and the actuator 40 may contact the flat part 51. Even in this case, there is no hindrance to the pump operation.
  • a conventional fluid pump using a diaphragm as in Patent Document 1 has a peripheral portion of a diaphragm that bends and vibrates fixedly held by a flat surface in a restrained state.
  • the fluid pump of the present invention does not hold the peripheral portion of the actuator in a restrained state while using bending vibration, and causes the actuator to float non-contact by free vibration. This makes it possible to construct a fluid pump having a high pressure and a large flow rate with a small and low-profile structure that could not be obtained with a conventional fluid pump using a diaphragm.
  • peripheral portion of the actuator is not held by a flat portion, a sufficient amplitude can be obtained even if it is designed to have a high natural frequency, and it is designed to be resonantly driven in a non-audible range of 20 kHz or higher. Is also easy.
  • the flat portion 51, the actuator 40, and the gap are only stacked in the thickness direction, so that an extremely low-profile fluid pump of about 0.5 mm can be configured. .
  • the principle that the actuator 40 is held in a non-contact state is close to a phenomenon called a squeeze effect or a squeeze film effect, but in the present invention, since bending vibration is used, pressure is applied between the central part and the peripheral part. The difference is that the phase is different, and that the gap is autonomously adjusted according to the load variation of the pump while maintaining a non-contact state.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 102 according to the second embodiment when not driven.
  • the fluid pump 102 includes an actuator 40 having a disk-shaped piezoelectric element 42 attached to a disk-shaped diaphragm 41 and a flat portion 51.
  • a spacer 53 and a lid portion 54 that surround the periphery of the actuator 40 are provided on the upper portion of the flat portion 51.
  • a discharge hole 55 is formed in the lid portion 54.
  • the actuator 40 is the same as that of the first embodiment, and its peripheral portion is not constrained by the flat portion 51. At the time of non-driving, the actuator 40 is merely disposed so as to be in contact with the flat portion 51.
  • the fluid pump 102 has both suction / discharge functions.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 103 according to the third embodiment.
  • the fluid pump 103 includes an actuator 40 and a flat portion 51 made of a metal plate such as stainless steel or phosphor bronze. The periphery of the actuator 40 is not constrained by the flat portion 51.
  • the actuator 40 is merely disposed so as to be in contact with the flat portion 51.
  • One central air hole 52 is disposed at the center or near the center of the actuator facing region in the flat portion 51 of the flat portion 51 facing the actuator 40.
  • a plurality of peripheral vent holes 56A, 56B and the like are provided in the peripheral portion of the actuator facing region.
  • the pressure in the gap in the actuator facing region fluctuates momentarily with the bending vibration of the actuator 40 in both the central portion and the peripheral portion.
  • a negative pressure is generated in the central portion and counteracted in the peripheral portion.
  • a positive pressure that balances is generated, and while the actuator 40 is being driven, a state in which the positive pressure is close to the actuator facing region and held in a non-contact state is obtained. Therefore, by arranging the peripheral vent hole in the peripheral portion of the actuator facing region, positive pressure is generated in the peripheral vent hole.
  • peripheral air holes 56A, 56B, etc. are provided in the peripheral part of the actuator facing region, the positive pressure generated in the peripheral part can be used, and the difference from the negative pressure in the central part is used. Therefore, a larger pressure difference can be taken out. Therefore, the peripheral vent holes 56A, 56B and the like may be used as the pump discharge holes as they are, or the discharge holes of the housing (not shown) may be separately provided at one place and communicated with the peripheral vent holes for concentrated exhaust.
  • the peripheral vent hole is provided in the peripheral portion of the actuator facing region, the positive pressure generated in the peripheral portion can be used, and suction / discharge can be performed on the same surface.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a part of the fluid pump 104 according to the fourth embodiment
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 104 according to the fourth embodiment.
  • a piezoelectric element 42 is attached to the upper surface of the disc-shaped diaphragm 41, and the diaphragm 41 and the piezoelectric element 42 constitute an actuator.
  • a diaphragm support frame 61 is provided around the diaphragm 41, and the diaphragm 41 is connected to the diaphragm support frame 61 by a connecting portion 62.
  • the connecting portion 62 is formed in a thin ring shape, and has an elastic structure with a small spring constant elasticity. Therefore, the diaphragm 41 is flexibly supported at two points with respect to the diaphragm support frame 61 by the two connecting portions 62. Therefore, the bending vibration of the diaphragm 41 is hardly disturbed. That is, the peripheral portion of the actuator (of course, the central portion) is not substantially restrained.
  • the spacer 53 ⁇ / b> A is provided to hold the diaphragm unit 60 with a certain gap from the flat portion 51. External terminals 63 for electrical connection are formed on the diaphragm support frame 61.
  • the diaphragm 41, the diaphragm support frame 61, the connecting portion 62, and the external terminal 63 are formed by punching a metal plate, and the diaphragm unit 60 is configured by these.
  • the diaphragm unit 60 is made of a material having a small difference in linear expansion coefficient from the piezoelectric element 42, for example, 42 nickel (42Ni-residual Fe).
  • a resin spacer 53B is bonded and fixed on the outer periphery of the diaphragm unit 60.
  • the thickness of the spacer 53B is the same as or slightly thicker than that of the piezoelectric element 42, constitutes a part of the housing, and electrically insulates the electrode conduction plate 70 and the diaphragm unit 60 described below.
  • a metal electrode conduction plate 70 is bonded and fixed on the spacer 53B.
  • the electrode conduction plate 70 includes a substantially circular opening, an internal terminal 73 protruding into the opening, and an external terminal 72 protruding outside.
  • the tip of the internal terminal 73 is soldered to the surface of the piezoelectric element 42.
  • the vibration of the internal terminal 73 can be suppressed.
  • a resin spacer 53C is bonded and fixed on the electrode conduction plate 70.
  • the spacer 53 ⁇ / b> C has the same thickness as the piezoelectric element 42.
  • a lid portion of a housing (not shown) is bonded and fixed on the spacer 53C, and a vent hole is provided in a part of the housing lid portion, from which fluid is discharged.
  • the spacer 53C is a spacer for preventing the solder portion of the internal terminal 73 from coming into contact with a housing lid portion (not shown) when the actuator vibrates.
  • the piezoelectric element 42 surface is prevented from excessively approaching a housing lid (not shown), and the vibration amplitude is prevented from lowering due to air resistance. Therefore, the thickness of the spacer 53C may be the same as that of the piezoelectric element 42 as described above.
  • a central vent 52 is formed at the center of the flat portion 51.
  • a spacer 53 ⁇ / b> A having a thickness of about several tens of ⁇ m is inserted between the flat portion 51 and the diaphragm unit 60.
  • the spacer 53A since it is somewhat affected by the restraint of the spring terminal, by inserting the spacer 53A in this way, it is possible to positively secure a gap and increase the flow rate at low loads. Further, even when the spacer 53A is inserted, the spring terminal bends under a high load, and the gap between the opposing regions of the actuator 40 and the flat surface portion 51 is automatically reduced, so that it can operate at a high pressure.
  • connection part 62 was provided in two places, you may provide in three or more places.
  • the connecting portion 62 does not disturb the vibration of the actuator 40, but has some influence on the vibration. For example, by connecting (holding) at three locations, more natural holding is possible, and cracking of the piezoelectric element is prevented. You can also
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the fluid pump 105 according to the fifth embodiment
  • FIG. 9 is a perspective view of the fluid pump 105
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the main part thereof.
  • the fluid pump 105 includes a substrate 91, a flat portion 51, a spacer 53A, a diaphragm unit 60, a reinforcing plate 43, a piezoelectric element 42, a spacer 53B, an electrode conduction plate 70, a spacer 53C, and a lid portion 54.
  • the configuration of the diaphragm unit 60, the piezoelectric element 42, the spacer 53A, the electrode conduction plate 70, and the spacer 53C is the same as that shown in FIG.
  • a reinforcing plate 43 is inserted between the piezoelectric element 42 and the vibration plate 41.
  • the reinforcing plate 43 is a metal plate having a larger linear expansion coefficient than the piezoelectric element 42 and the vibration plate 41, and is heated and cured at the time of bonding, so that an appropriate compressive stress remains in the piezoelectric element 42 without warping.
  • the piezoelectric element 42 can be prevented from cracking.
  • the diaphragm 41 may be made of a material having a small linear expansion coefficient such as 42 nickel (42Ni-residual Fe) or 36 nickel (36Ni-residual Fe), and the reinforcing plate 43 may be made of stainless steel SUS430 or the like.
  • the thickness of the spacer 53B is preferably the same as or a little thicker than the sum of the thickness of the piezoelectric element 42 and the reinforcing plate 43.
  • the diaphragm 41, the piezoelectric element 42, and the reinforcing plate 43 may be arranged in the order of the piezoelectric element 42, the diaphragm 41, and the reinforcing plate 43 from the top. Also in this case, the respective linear expansion coefficients are adjusted so that an appropriate compressive stress remains in the piezoelectric element 42.
  • a substrate 91 having a cylindrical opening 92 formed at the center is provided at the bottom of the flat portion 51.
  • a part of the flat portion 51 is exposed at the opening 92 of the substrate 91.
  • This circular exposed portion can vibrate at substantially the same frequency as that of the actuator 40 due to pressure fluctuation accompanying vibration of the actuator 40.
  • Due to the configuration of the flat portion 51 and the substrate 91, the center or the vicinity of the actuator facing region of the flat portion 51 is a thin plate portion capable of bending vibration, and the peripheral portion is a substantially constrained thick plate portion.
  • the natural frequency of the circular thin plate portion is designed to be the same as or slightly lower than the drive frequency of the actuator 40.
  • the exposed portion of the flat portion 51 centering on the central vent hole 52 also vibrates with a large amplitude. If the vibration phase of the plane part 51 is delayed (for example, delayed by 90 °) from the vibration phase of the actuator 40, the variation in the thickness of the gap space between the plane part 51 and the actuator 40 substantially increases. . As a result, the capacity of the pump can be further improved.
  • the lid 54 is placed on the upper portion of the spacer 53C and covers the periphery of the actuator 40. Therefore, the fluid sucked through the central vent hole 52 is discharged from the discharge hole 55.
  • the discharge hole 55 may be provided at the center of the lid portion 54, but is not required to be provided at the center of the lid portion 54 because it is a discharge hole that releases positive pressure in the casing including the lid portion 54.
  • the actuator 40 bends and vibrates, and the fluid is sucked from the central vent hole 52 on the bottom surface and discharged from the discharge hole 55.
  • FIG. 11 is a PQ characteristic diagram when a negative pressure operation in which the discharge hole 55 of the fluid pump 105 according to the fifth embodiment is opened to the atmosphere and air is sucked from the central vent hole 52 is performed.
  • the horizontal axis is the flow rate
  • the vertical axis is the pressure, which represents the case of driving at 30 Vp-p and the case of driving at 50 Vp-p.
  • the drive voltage is 90 Vp-p and the maximum pressure is 10 kPa and the maximum flow rate is about 0.02 liter / min. It can be seen that about twice the pressure and about ten times the flow rate can be obtained.
  • the fluid pump 105 according to the fifth embodiment can be used as a cathode air blower of a fuel cell, for example.
  • 12A and 12B are diagrams illustrating examples of the position holding structure of the actuator 40 of the fluid pump according to the sixth embodiment.
  • the sixth embodiment has a structure in which the position holding frame 80 surrounds the periphery of the actuator 40 of the fluid pump of the second embodiment.
  • the actuator 40 is housed in an opening 81 of a position holding frame 80 fixed on a flat surface (not shown).
  • a circular opening 81 is provided in the position holding frame 80, and the disc-shaped actuator 40 is disposed in the opening 81.
  • the inner diameter of the opening 81 is slightly larger than the outer diameter of the actuator 40. Therefore, the actuator 40 is accommodated in the opening 81 of the position holding frame 80 without being constrained in the periphery.
  • connection with the electrode of the piezoelectric element of the actuator 40 of FIG. 12A can also be performed through a conductor wire, for example. Thereby, even if the actuator 40 is driven without being substantially fixed to the flat surface portion, the actuator 40 can be prevented from being displaced.
  • the position is set so that the actuator 40 contacts at three points.
  • Three protrusions 82 are provided on the holding frame 80. These protrusions 82 have a clearance so that the three protrusions 82 do not contact the actuator 40 at the same time. Therefore, the actuator 40 is accommodated in the opening 82 of the position holding frame 80 without being constrained in the periphery. Thereby, even if the actuator 40 is driven without being substantially fixed to the flat surface portion, the actuator 40 can be prevented from being displaced.
  • the contact area between the actuator 40 and the position holding frame 80 is small, so that the impact of the actuator on the piezoelectric element can be reduced.
  • the thickness in the height direction of the position holding frame 80 in the sixth embodiment is preferably larger than the maximum displacement position of the peripheral portion of the actuator 40.
  • the electrical connection of the actuator 40 to the electrodes of the piezoelectric elements is not shown, but can be performed by connecting via an elastic conductor such as a conductor wire.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 107 according to the seventh embodiment.
  • the fluid pump 107 includes an actuator 40 having a disk-shaped piezoelectric element 42 attached to a disk-shaped diaphragm 41 and a flat portion 51.
  • the actuator 40 is hold
  • a spacer 53 and a lid portion 54 that surround the periphery of the actuator 40 are provided on the upper portion of the flat portion 51.
  • a discharge hole 57 is formed in the spacer 53.
  • the actuator 40 bends and vibrates, fluid is sucked through the central vent hole 52 according to the principle described in the first embodiment.
  • the sucked fluid is discharged from the discharge hole 57. Therefore, the fluid pump 107 can be discharged (discharged) in a direction orthogonal to the thickness direction, that is, in a lateral direction.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 108 according to the eighth embodiment.
  • the fluid pump 108 has a structure in which two fluid pumps 104 shown in the fourth embodiment are stacked. Here, a lid is formed. However, in this example, the flat portion of the upper pump also serves as the lid of the lower pump. The central vent hole 52B of the upper pump also serves as the discharge hole of the lower pump.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 109 according to the ninth embodiment.
  • This fluid pump 109 has a structure in which four fluid pumps 107 shown in FIG. 13 are stacked.
  • inflow passages 58B, 58C, and 58D are provided so that the central vent holes 52A, 52B, 52C, and 52D are not blocked.
  • an outflow passage 59 for fluid discharged from each of the discharge holes 57A, 57B, 57C, 57D is provided.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part of a fluid pump 110 according to the tenth embodiment.
  • This fluid pump 110 is an example in which two actuators 40A and 40B are provided in one casing.
  • the actuators 40A and 40B are each provided with a diaphragm support frame 61 having a connecting portion 62 having an elastic structure, and are held respectively.
  • a discharge hole 57 is formed in a part of the spacer 53.
  • the two actuators 40 ⁇ / b> A and 40 ⁇ / b> B bend and vibrate synchronously, they are simultaneously sucked from the central vent holes 52 ⁇ / b> A and 52 ⁇ / b> B and discharged from the discharge hole 57. Since two pumps are substantially built in, the flow rate is doubled compared to a fluid pump with a single actuator.
  • FIG. 17 is an exploded perspective view of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the main part of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment.
  • the fluid pump 111 according to this embodiment is different from the fluid pump 105 according to the fifth embodiment in the actuator 40 and the cover plate portion 95.
  • Other configurations are the same as those of the fluid pump 105.
  • the thickness of the spacer 53A is a length obtained by adding about several tens of ⁇ m to the thickness of the reinforcing plate 43.
  • the thickness of the spacer 53B is preferably the same as or slightly thicker than that of the piezoelectric element 42.
  • the actuator 40 has a structure in which a piezoelectric element 42, a vibration plate 41, and a reinforcing plate 43 are joined in this order from the top.
  • the cover plate portion 95 is obtained by joining the flow path plate 96 and the cover plate 99.
  • the cover plate portion 95 is joined to the thick plate portion so as to face the thin plate portion, and forms an internal space 94 together with the thin plate portion and the thick plate portion.
  • the thin plate portion is a circular central portion of the flat portion 51 exposed in the opening 92 of the substrate 91 in FIG.
  • the thin plate portion vibrates at substantially the same frequency as that of the actuator 40 due to pressure fluctuation accompanying vibration of the actuator 40.
  • the thick plate portion is a portion composed of the outer peripheral portion and the substrate 91 that are more peripheral than the central portion in the flat portion 51.
  • the cover plate portion 95 is formed with a ventilation groove 97 that communicates the internal space 94 with the outside of the casing of the fluid pump 111.
  • the actuator 40 bends and vibrates when a driving voltage is applied to the external terminals 63 and 72, and air is sucked from the vent groove 97 through the central vent hole 52 and discharged from the discharge hole 55.
  • FIG. 19 is a PQ characteristic diagram when a negative pressure operation is performed in which the discharge hole 55 of the fluid pump 111 according to the eleventh embodiment is opened to the atmosphere and air is sucked from the central vent hole 52.
  • the flow rate and pressure were measured when a fluid pump 111 having a structure provided with a cover plate portion 95 and a fluid pump having a structure excluding the cover plate portion 95 from the fluid pump 111 were driven at 30 Vp-p. The experimental results are shown.
  • the fluid pump with the structure in which the cover plate portion 95 is removed from the fluid pump 111 has the maximum pressure of 18 kPa and the maximum flow rate of 0.195 l / min, whereas the fluid pump provided with the cover plate portion 95 In 111, it is clear that the capacity is improved up to a maximum pressure of 40 kPa and a maximum flow rate of 0.235 L / min.
  • the present invention is not limited to an actuator provided with a piezoelectric element, but can be applied to an actuator provided with an actuator that bends and vibrates by electromagnetic drive.
  • the actuator may be driven in the audible sound frequency band in an application where generation of audible sound does not matter.
  • the fluid pump having the discharge hole may perform a negative pressure operation in which the discharge hole is opened to the atmosphere and air is sucked from the center vent hole. May be opened to the atmosphere, and a positive pressure operation may be performed in which air is sent out from the discharge holes.
  • the frequency of the drive voltage is determined so that the actuator 40 vibrates in the primary mode.
  • the frequency of the drive voltage is set so that the actuator 40 vibrates in other modes such as the tertiary mode. It may be determined.
  • a disk-shaped piezoelectric element and a disk-shaped diaphragm are used, but one of them may be rectangular or polygonal.
  • the fluid to be sucked or sucked / discharged is not limited to gas but may be liquid.

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Abstract

　小型低背でポンプ能力の高い流体ポンプ（１０１）を構成する。流体ポンプ（１０１）はアクチュエータ（４０）と金属板による平面部（５１）とで構成されている。アクチュエータ（４０）は円板状の振動板（４１）に円板状の圧電素子（４２）が貼着されたものである。矩形波または正弦波状の駆動電圧が印加されることによってアクチュエータ（４０）は中心部から周辺部にかけて屈曲振動する。アクチュエータ（４０）は、その周辺部が拘束されていない。アクチュエータ（４０）は平面部（５１）に近接対向した状態で屈曲振動する。平面部（５１）のうちアクチュエータ（４０）と対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には中心通気孔（５２）が配置されている。

Description

流体ポンプ
　本発明は、気体や液体等の流体を輸送するのに適した流体ポンプに関するものである。
　特許文献１に従来の圧電ポンプが開示されている。図１は特許文献１の圧電ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。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ダイヤフラム２０と、このダイヤフラム２０の中央部に貼り付けられた圧電素子２３と、ダイヤフラム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、ダイヤフラム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、ダイヤフラム２０は金属板であり、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、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に対向するダイヤフラム２０の部分と第２開口部１２に対向するダイヤフラム２０の部分とを相反方向に屈曲変形させ、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、他方から吐出するものである。
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圧電ポンプは、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り、それに伴いポンプの能力（流量と圧力）を低下させることなく更なる小型化が要求される。また、組み込み先の電子機器の電源電圧の低下に伴い、駆動電圧も低電圧化が要求される。小型化する程、また駆動電圧を低くする程、ポンプの能力（流量と圧力）は低下するので、ポンプの能力を維持しつつ小型化しようとすれば、又は大型化することなくポンプの能力を高めようとすれば、従来構造の流体ポンプでは限界があった。
　また、ダイヤフラムを備えた従来構造の流体ポンプにおいて、流量を大きくするにはダイヤフラムを大きくすることが有効であるが、流体ポンプ全体のサイズが大きくなるだけでなく、適する動作周波数が低いため可聴音が発生するという問題も生じる。
　本発明の目的は、小型低背でポンプ能力の高い流体ポンプを提供することにある。
　従来の流体ポンプは、圧力に耐えうる硬さをもつダイヤフラムを駆動させ、かつ、ダイヤラムの外周部がポンプ本体に固定されている構造であるため、駆動電圧が高いわりに、得られる圧力が小さく流量が小さい。この点に鑑みて、本発明の流体ポンプは次のように構成する。
　周辺部が実質的に拘束されていなくて、中心部から周辺部にかけて屈曲振動するアクチュエータと、
　前記アクチュエータに近接対向して配置される平面部と、
　前記平面部のうち前記アクチュエータと対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近に配置された１つまたは複数の中心通気孔と、
を備える。
　このように、アクチュエータの周辺部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていないので、アクチュエータの屈曲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。
　前記アクチュエータは円板状とすれば、回転対称形（同心円状）の振動状態となるため、アクチュエータと平面部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。
　前記平面部におけるアクチュエータ対向領域のうち、例えば中心又は中心付近が屈曲振動可能な薄板部であり、周辺部が実質的に拘束された厚板部とする。
　この構造によれば、アクチュエータの振動に伴い、通気孔を中心とした対向面の薄板部分が振動するため、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。
　また、前記薄板部と対向して前記厚板部と接合され、前記薄板部および前記厚板部とともに内部空間を形成するカバー板部を備え、前記カバー板部には、前記内部空間と流体ポンプ筐体の外部とを連通させる通気溝が形成された。
　この構造によれば、発生可能な圧力と流量、即ちポンプ能力を大幅に向上させることができる。この構造では、平面部の中心通気孔付近における、アクチュエータと平面部の薄板部との振動に起因する圧力波や、シンセティックジェットの流れの発生をカバー板部により抑制することができるためであると考えられる。
　また、前記アクチュエータ対向領域の周辺部分に、１つまたは複数の周辺通気孔を備えれば、アクチュエータ対向領域の周辺部分で発生している正圧を利用することができ、同一面で吸引／吐出が可能となる。
　また、前記アクチュエータは、当該アクチュエータと前記平面部との間に一定の隙間をあけて弾性構造により保持する構成とすれば、負荷変動に応じてアクチュエータと平面部との隙間を自動的に変化させることができる。たとえばアクチュエータに対して低負荷時には積極的に隙間を確保して流量を増大させることができ、高付加時にはバネ端子がたわんでアクチュエータと平面部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。
　また、前記平面部上に前記アクチュエータを位置決めする開口部を有する位置保持構造を設け、前記アクチュエータは前記開口部内に収められていることで、アクチュエータを平面部に拘束することなく、アクチュエータの位置ずれすることを防ぐことができる。
　本発明によれば、屈曲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１は特許文献１の圧電ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。 図２Ａは第１の実施形態に係る流体ポンプに備えるアクチュエータ４０の中央断面図である。 図２Ｂは第１の実施形態に係る流体ポンプ１０１の主要部の断面図である。 図３Ａは流体ポンプ１０１の動作原理を示す図である。 図３Ｂは流体ポンプ１０１の動作原理を示す図である。 図４は第２の実施形態に係る流体ポンプ１０２の主要部の断面図である。 図５は第３の実施形態に係る流体ポンプ１０３の主要部の断面図である。 図６は第４の実施形態に係る流体ポンプの一部の分解斜視図である。 図７は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の主要部の断面図である。 図８は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の分解斜視図である。 図９は流体ポンプ１０５の斜視図である。 図１０は流体ポンプ１０５の主要部の断面図である。 図１１は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ－Ｑ特性図である。 図１２Ａは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。 図１２Ｂは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。 図１３は第７の実施形態に係る流体ポンプ１０７の主要部の断面図である。 図１４は第８の実施形態に係る流体ポンプ１０８の主要部の断面図である。 図１５は第９の実施形態に係る流体ポンプ１０９の主要部の断面図である。 図１６は第１０の実施形態に係る流体ポンプ１１０の主要部の断面図である。 図１７は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の分解斜視図である。 図１８は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の主要部の断面図である。 図１９は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ－Ｑ特性図である。
　《第１の実施形態》
　図２Ａは第１の実施形態に係る流体ポンプに備えるアクチュエータ４０の中央断面図である。図２Ｂは第１の実施形態に係る流体ポンプ１０１の主要部の非駆動時の断面図である。アクチュエータ４０は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したものである。振動板４１は例えばステンレススチールやりん青銅等の金属製である。圧電素子４２の上下面にはそれぞれほぼ全面の電極膜が形成されている。下面の電極は振動板４１と電気的に導通している。または容量結合している。上面の電極には導体線が接続され、この導体線と振動板４１とに駆動回路が電気的に接続され、矩形波状または正弦波状の駆動電圧が印加される。アクチュエータ４０は中心部から周辺部にかけて回転対称形（同心円状）の屈曲振動する。
　図２Ｂに示すように、流体ポンプ１０１はアクチュエータ４０とステンレススチールやりん青銅等の金属板による平面部５１とで構成されている。アクチュエータ４０は平面部５１上に載置されている（接触している）。ここでは非駆動時を表しているため、図２Ｂではアクチュエータ４０は平面部５１上に固定されているように見えるが、アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。非駆動時にはアクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。平面部５１のうちアクチュエータ４０と対向する平面部５１のアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には一つの中心通気孔５２が配置されている。
　図３Ａ、図３Ｂは流体ポンプ１０１の動作原理を示す模式図である。但し、例えば２０ｋＨｚ程度の周波数で動作させた例であり、アクチュエータの変形量は誇張している。
　アクチュエータに電圧を印加させることによりアクチュエータが凹凸に屈曲変形するが、先ず、図３Ａに示すようにアクチュエータ４０が上に凸に屈曲変形すれば、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙が中央部と平面部５１との間隙に比べて狭まり、その間隙付近の圧力が高まる。一方、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間隙が広がり、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間の空間の圧力が低くなって（負圧となって）、この空間に中心通気孔５２から流体（例えば空気）が流入する。このとき、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙を通して流体が流れ込もうとするか又は少しは流れ込む。しかし、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙は狭く、その間隙の流路抵抗は大きい。そのためアクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙から流れこもうとする流量よりも、外部から中心通気孔５２を通って流入する流量が支配的になり、中心通気孔５２を通って流入する流量を所定量確保できる。
　次に、図３Ｂに示すようにアクチュエータ４０が下に凸に屈曲変形すれば、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間隙が周辺部と平面部５１との間隙に比べて狭まり、その間隙付近の圧力が高まる。一方、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙が広がり、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間の圧力が低下する。そのため、アクチュエータ４０の中央部と平面部５１との間の空間から周辺方向（放射方向）へ流体が流れる。このとき、中心通気孔５２から外部方向へ流体が逆流しようとするか又は少しは逆流する。しかし、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙は広く、その間隙の流路抵抗は小さい。そのため中心通気孔５２から流れ出ようとする流量よりも、アクチュエータ４０の周辺部と平面部５１との間隙から流れ出ようとする流量が支配的になり、中心通気孔５２を通って外部へ逆流する流量は抑えられる。
　上記アクチュエータは重心の高さを平均高さとして中心部と周辺部が数μｍ～数１０μｍ上下に振動する。
　上記の動作をアクチュエータ４０の１次モードの共振周波数、例えば２０ｋＨｚ程度の周波数で繰り返すことにより、中心通気孔５２から流体を吸引し、周辺部へ吐出するポンプ動作を行う。アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に保持されていないので、小型でも充分な振幅を得ることができる。
　アクチュエータ４０の中心部の圧力も周辺部の圧力も、アクチュエータ４０の屈曲振動に伴い刻々と変動するが、時間平均して見れば、中心部では負圧が発生し、周辺部ではそれに対抗して釣り合う正圧が発生する。そのため、アクチュエータ４０が駆動している間は、アクチュエータ４０が平面部５１に近接して非接触状態で保持される。但し、中心部と周辺部の圧力は、吸引側、吐出側の外部圧力によって変化する。すなわちポンプの負荷変動に依存して変化する。
　図２Ａ、図２Ｂに示した流体ポンプ１０１では、高負荷になるほど、すなわちアクチュエータ４０の中心部と周辺部の圧力差が大きくなるほど、平面部５１に対するアクチュエータ４０の平均高さが低くなる。高負荷状態、すなわち大きい圧力差を発生させてポンプ動作している場合には、アクチュエータ４０と平面部５１との隙間が減少してアクチュエータ４０が平面部５１に接触する場合もあるが、このような場合でもポンプ動作に支障はない。
　特許文献１のようにダイヤフラムを用いた従来の流体ポンプは、屈曲振動するダイヤフラムの周辺部が平面部に拘束状態で固定保持されたものである。これに対し本発明の流体ポンプは、屈曲振動を用いながらも、アクチュエータの周辺部を拘束状態には保持せず、自由振動により非接触浮上させる。このことで、ダイヤフラムを用いた従来の流体ポンプでは得られなかった、小型・低背構造で高い圧力と大きな流量をもつ流体ポンプが構成できる。また、アクチュエータの周辺部を平面部で保持していないので、高い固有振動数となるように設計しても充分な振幅を得ることができ、２０ｋＨｚ以上の非可聴域で共振駆動させるような設計も容易である。
　図２Ａ、図２Ｂに示した流体ポンプによれば、厚み方向に平面部５１、アクチュエータ４０及び間隙分が積層されるだけであるので、例えば０．５ｍｍ程度の極めて低背な流体ポンプが構成できる。
　なお、アクチュエータ４０が非接触状態で保持される原理は、いわゆるスクイズ効果やスクイズ膜効果と呼ばれる現象に近いが、本発明では屈曲振動を利用しているため、中心部と周辺部とで圧力の位相が異なることや、非接触状態を維持しながらポンプの負荷変動に応じて自律的に隙間が調整される、という点で異なる。
《第２の実施形態》
　図４は第２の実施形態に係る流体ポンプ１０２の主要部の非駆動時の断面図である。この流体ポンプ１０２は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したアクチュエータ４０と平面部５１を備えている。平面部５１の上部にはアクチュエータ４０の周囲を囲むスペーサ５３及び蓋部５４を設けている。蓋部５４には吐出孔５５を形成している。アクチュエータ４０は、実施例１と同様であり、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。非駆動時には、アクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。
　アクチュエータ４０が屈曲振動すると、第１の実施形態で述べた原理により、中心通気孔５２を通して流体が吸引される。この吸引された流体は吐出孔５５から吐出される。したがって、この流体ポンプ１０２は吸引／吐出の両方の機能を備える。
《第３の実施形態》
　図５は第３の実施形態に係る流体ポンプ１０３の主要部の断面図である。流体ポンプ１０３はアクチュエータ４０とステンレススチールやりん青銅等の金属板による平面部５１とで構成されている。アクチュエータ４０は、その周辺部が平面部５１に拘束されていない。
非駆動時にはアクチュエータ４０は平面部５１上に接触して対向配置されているにすぎない。平面部５１のうちアクチュエータ４０と対向する平面部５１におけるアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近には一つの中心通気孔５２が配置されている。また、同アクチュエータ対向領域の周辺部分に複数の周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等を備えている。
　アクチュエータ対向領域の隙間の圧力は、中心部、周辺部ともに、アクチュエータ４０の屈曲振動に伴い刻々と変動するが、時間平均して見れば、中心部では負圧を発生し、周辺部ではそれに対抗して釣り合う正圧を発生して、アクチュエータ４０が駆動している間はアクチュエータ対向領域に近接して非接触で保持する状態が得られる。従って、アクチュエータ対向領域のうち周辺部分に周辺通気孔を配置することで、周辺通気孔に正圧が発生する。
　このように、アクチュエータ対向領域の周辺部に周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等を備えれば、周辺部で発生している正圧を利用することができ、中心部での負圧との差を利用できるため、より大きな圧力差を取り出すことができる。そのため、周辺通気孔５６Ａ，５６Ｂ等をそのままポンプの吐出孔としてもよいし、図示しない筺体の吐出孔を別に一箇所に設け、周辺通気孔に連通させて集中排気する構成にしてもよい。
　このように、アクチュエータ対向領域の周辺部分に周辺通気孔を備えれば、周辺部で発生している正圧を利用することができ、同一面で吸引／吐出が可能となる。
　但し、アクチュエータ４０の中心部と周辺部の圧力差が小さくなる低負荷時には、周辺部の隙間が減少して圧力損失が大きくなるため、第１・第２の実施形態と比較して流量は減少する傾向がある。
《第４の実施形態》
　図６は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の一部の分解斜視図、図７は第４の実施形態に係る流体ポンプ１０４の主要部の断面図である。
　円板状の振動板４１の上面には圧電素子４２が貼着されて、この振動板４１と圧電素子４２とによってアクチュエータが構成される。
　振動板４１の周囲には振動板支持枠６１が設けられていて、振動板４１は振動板支持枠６１に対して連結部６２で連結されている。連結部６２は細いリング状に形成されたものであり、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で振動板支持枠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、アクチュエータの周辺部が（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。スペーサ５３Ａは振動板ユニット６０を平面部５１と一定の隙間をあけて保持するために設けられる。振動板支持枠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、振動板支持枠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。
　圧電素子４２の線膨張係数に合わせて、振動板ユニット６０は圧電素子４２と線膨張係数の差が小さい材料、たとえば４２ニッケル（42Ni-残Fe）で構成している。これにより、接着時の加熱硬化に伴う反りの発生を抑制できる。
　振動板ユニット６０の外周部の上には、樹脂製のスペーサ５３Ｂが接着固定されている。スペーサ５３Ｂの厚さは圧電素子４２と同じか少し厚く、筺体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はほぼ円形の開口と、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。はんだ付け位置をアクチュエータ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の上には、図示しない筺体の蓋部が接着固定され、筺体蓋部の一部には通気孔が設けられていて、そこから流体が吐出される。スペーサ５３Ｃは、アクチュエータが振動したときに、内部端子７３のはんだ部分が、図示しない筺体蓋部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表面が図示しない筺体蓋部に過度に接近して、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、前述のとおり、圧電素子４２と同程度の厚さであればよい。
　平面部５１の中心には中心通気孔５２が形成されている。この平面部５１と振動板ユニット６０との間に厚さ数１０μｍ程度のスペーサ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は振動板支持枠６１に拘束されているわけではないので、負荷変動に応じて間隙は自動的に変化する。但し、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、低負荷時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、高負荷時にはバネ端子がたわんで、アクチュエータ４０と平面部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６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、圧電素子の割れを防止することもできる。
《第５の実施形態》
　図８は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の分解斜視図、図９は流体ポンプ１０５の斜視図、図１０はその主要部の断面図である。
　この流体ポンプ１０５は、基板９１、平面部５１、スペーサ５３Ａ、振動板ユニット６０、補強板４３、圧電素子４２、スペーサ５３Ｂ、電極導通用板７０、スペーサ５３Ｃ及び蓋部５４を備えている。これらの部材のうち、振動板ユニット６０、圧電素子４２、スペーサ５３Ａ、電極導通用板７０及びスペーサ５３Ｃの構成は図６に示したものと同様である。
　圧電素子４２と振動板４１との間には補強板４３を挿入している。補強板４３を圧電素子４２および振動板４１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４２ニッケル（42Ni-残Fe）または３６ニッケル（36Ni-残Fe）など線膨張係数の小さな材料とし、補強板４３をステンレススチールＳＵＳ４３０などとするのがよい。補強板を用いる場合には、スペーサ５３Ｂの厚さは、圧電素子４２と補強板４３の厚さを加えたものと同じか、少し厚くしておくとよい。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、振動板４１、補強板４３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、それぞれの線膨張係数が調整されている。
　平面部５１の下部には、中心に円筒形の開口部９２が形成された基板９１が設けられている。平面部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、アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、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。この平面部５１と基板９１との構成により、平面部５１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薄板部であり、周辺部は実質的に拘束された厚板部となる。この円形の薄板部の固有振動数は、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、アクチュエータ４０の振動に呼応して、中心通気孔５２を中心とした平面部５１の露出部も大きな振幅で振動する。平面部５１の振動位相がアクチュエータ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、平面部５１とアクチュエータ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。
　蓋部５４はスペーサ５３Ｃの上部に被せられ、アクチュエータ４０の周囲を覆う。そのため、中心通気孔５２を通して吸引された流体は吐出孔５５から吐出される。吐出孔５５は蓋部５４の中心に設けてもよいが、蓋部５４を含む筐体内の正圧を開放する吐出孔であるので、蓋部５４の中心に設ける必要はない。
　図９に表れている外部端子６３，７２に駆動電圧を印加することによって前記アクチュエータ４０が屈曲振動し、底面の中心通気孔５２から流体が吸引され、吐出孔５５から吐出される。
　図１１は第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ－Ｑ特性図である。横軸は流量、縦軸は圧力であり、30Vp-pで駆動した場合と50Vp-pで駆動した場合とについて表している。ダイヤフラムを用いた従来構造の流体ポンプにおいては、ほぼ同一サイズとしたとき駆動電圧90Vp-pで最大圧力10kPa、最大流量0.02 l/min程度の能力であったのに対し、その半分の駆動電圧で、約２倍の圧力、約１０倍の流量が得られることが分かる。
　第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５は例えば燃料電池のカソード空気ブロアとして用いることができる。
《第６の実施形態》
　図１２Ａ、図１２Ｂは、第６の実施形態に係る流体ポンプのアクチュエータ４０の位置保持構造の例を示す図である。この第６の実施形態は、第２の実施形態の流体ポンプのアクチュエータ４０の周辺を位置保持枠８０で囲む構造を有するものである。アクチュエータ４０は平面部（図示せず）上に固定された位置保持枠８０の開口部８１内に、収められている。
　図１２Ａの例では、位置保持枠８０に円形の開口部８１を設け、この開口部８１内に円板状のアクチュエータ４０を配置している。開口部８１の内径はアクチュエータ４０の外径より僅かに大きい。そのため、アクチュエータ４０は周辺が拘束されることなく、位置保持枠８０の開口部８１内に収まる。
　なお、図１２Ａのアクチュエータ４０の圧電素子の電極との接続は例えば導体線を介して行うこともできる。これによりアクチュエータ４０を実質的に平面部に固定せずに駆動をしたとしても、アクチュエータ４０が位置ずれすることを防げる。
　図１２Ｂの例では、位置保持枠８０にほぼ円形の開口部８１を設け、この開口部８１内に円板状のアクチュエータ４０を配置した際に、アクチュエータ４０を３点で接触するように、位置保持枠８０に３つの突起８２を設けている。これらの突起８２は、それら３つの突起８２がアクチュエータ４０に同時に接しないようにクリアランスを持たせている。そのため、アクチュエータ４０は周辺が拘束されることなく、位置保持枠８０の開口部８２内に収まる。これによりアクチュエータ４０を実質的に平面部に固定せずに駆動をしたとしても、アクチュエータ４０が位置ずれすることを防げる。また、突起８２が形成されているため、アクチュエータ４０と位置保持枠８０との接触面積が小さいので、アクチュエータの圧電素子への衝撃を少なくすることができる。なお、第６の実施形態における上記位置保持枠８０の高さ方向の厚みは、アクチュエータ４０の周辺部の最大変位位置よりも大きいことが好ましい。また、アクチュエータ４０の圧電素子の電極に対する電気的接続は図示されていないが、例えば導体線等の弾性を有する導体を介して接続して行うことができる。
《第７の実施形態》
　図１３は第７の実施形態に係る流体ポンプ１０７の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０７は円板状の振動板４１に円板状の圧電素子４２を貼着したアクチュエータ４０と平面部５１を備えている。なお、アクチュエータ４０は第４及び第５の実施形態のように、弾性構造である連結部６２を有する振動板支持枠６１により保持されている。平面部５１の上部にはアクチュエータ４０の周囲を囲むスペーサ５３及び蓋部５４を設けている。スペーサ５３には吐出孔５７を形成している。
　アクチュエータ４０が屈曲振動すると、第１の実施形態で述べた原理により、中心通気孔５２を通して流体が吸引される。この吸引された流体は吐出孔５７から吐出される。したがって、この流体ポンプ１０７は厚み方向に対して直交方向、すなわち側方に吐出（吐出）させることができる。
《第８の実施形態》
　図１４は第８の実施形態に係る流体ポンプ１０８の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０８は、第４の実施形態で示した流体ポンプ１０４を二つ積層した構造である。なお、ここでは蓋部が形成されている。但し、この例は、上部のポンプの平面部が下部のポンプの蓋部を兼ねている。また、上部のポンプの中心通気孔５２Ｂが下部のポンプの吐出孔を兼ねている。
　このように二つの流体ポンプを直列に連結することによって、単一の流体ポンプに比べて、流量は変わらないが、吸引・吐出の圧力が２倍となる。同様にして、直列接続するポンプの数をＮ個にすることによって、吸引・吐出の圧力をＮ倍にすることができる。その場合も平面部と蓋部を兼用することができ、全体にコンパクトな構成とすることができる。
《第９の実施形態》
　図１５は第９の実施形態に係る流体ポンプ１０９の主要部の断面図である。この流体ポンプ１０９は、図１３に示した流体ポンプ１０７を４つ積層した構造である。但し、各中心通気孔５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄが閉塞されないように、流入路５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄを設けている。また、各吐出孔５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄから吐出される流体の流出路５９を設けている。
　このように４つの流体ポンプを並列に連結することによって、単一の流体ポンプに比べて、吸引・吐出の圧力は変わらないが、流量が４倍となる。
《第１０の実施形態》
　図１６は第１０の実施形態に係る流体ポンプ１１０の主要部の断面図である。この流体ポンプ１１０は、一つの筐体内に二つのアクチュエータ４０Ａ，４０Ｂを設けた例である。なお、アクチュエータ４０Ａ及び４０Ｂは、第４及び第５の実施形態のように、弾性構造である連結部６２を有する振動板支持枠６１がそれぞれ設けられており、それぞれ保持されている。スペーサ５３の一部に吐出孔５７が形成されている。このような構造により、平面部５１Ａとアクチュエータ４０Ａとによってポンプ動作し、平面部５１Ｂとアクチュエータ４０Ｂとによってポンプ動作する。二つのアクチュエータ４０Ａ，４０Ｂは同期して屈曲振動するので、中心通気孔５２Ａ，５２Ｂから同時に吸気され、吐出孔５７から吐出される。実質的に二つのポンプが内蔵されているので、単一のアクチュエータを備えた流体ポンプに比べて流量が２倍になる。
《第１１の実施形態》
　図１７は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の分解斜視図である。図１８は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の主要部の断面図である。この実施形態に係る流体ポンプ１１１が第５の実施形態に係る流体ポンプ１０５と相違する点は、アクチュエータ４０とカバー板部９５である。その他の構成については、流体ポンプ１０５と同じである。
　なお、スペーサ５３Ａの厚みは、補強板４３の厚みに数１０μｍ程度を加えた長さである。また、スペーサ５３Ｂの厚みは、圧電素子４２の厚みと同じか、少し厚くするのが好ましい。
　詳述すると、まず、アクチュエータ４０は、上から圧電素子４２、振動板４１、補強板４３の順に接合された構造となっている。
　次に、カバー板部９５は、流路板９６及びカバー板９９を接合したものである。カバー板部９５は薄板部と対向して厚板部と接合されており、薄板部および厚板部とともに内部空間９４を形成する。ここで、当該薄板部は、上述したように、図１０において基板９１の開口部９２で露出する、平面部５１の円形の中央部である。当該薄板部は、アクチュエータ４０の振動に伴う圧力変動により、アクチュエータ４０と実質的に同一周波数で振動する。また、当該厚板部は、上述したように、平面部５１における当該中央部より外周の外周部と基板９１とからなる部分である。
　また、カバー板部９５には、内部空間９４と流体ポンプ１１１の筐体の外部とを連通させる通気溝９７が形成されている。
　この実施形態では、外部端子６３，７２に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ４０が屈曲振動し、通気溝９７から中心通気孔５２を介して空気が吸引され、吐出孔５５から吐出される。
　図１９は第１１の実施形態に係る流体ポンプ１１１の吐出孔５５を大気開放して中心通気孔５２から空気を吸引する負圧動作をさせた場合のＰ－Ｑ特性図である。この図では、カバー板部９５を設けた構造の流体ポンプ１１１とこの流体ポンプ１１１からカバー板部９５を除いた構造の流体ポンプとを、３０Ｖp-pで駆動した場合における流量と圧力を測定した実験結果を表している。
　実験により、流体ポンプ１１１からカバー板部９５を除いた構造の流体ポンプでは、最大圧力１８kPa、最大流量０．１９５ l/minの能力であったのに対し、カバー板部９５を設けた流体ポンプ１１１では最大圧力４０kPa、最大流量０．２３５ l/minまで能力が向上することが明らかとなっている。
　以上の実験結果は、平面部５１の中心通気孔５２付近において、アクチュエータ４０と平面部５１の中央部（即ち薄板部）との振動に起因する圧力波や、シンセティックジェットの流れの発生を、カバー板部９５を設けることにより、抑制できたためであると考えられる。また、これ以外にも、カバー板部９５を設けることで、平面部５１の中央部の振動の位相や振動振幅の中心が変位することなど、種々の要因が想定される。
　以上より、この実施形態に係る流体ポンプ１１１によれば、発生可能な圧力と流量、即ちポンプ能力を大幅に向上させることができる。
《他の実施形態》
　以上の各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を設けたが、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、本発明は圧電素子を備えたアクチュエータに限らず、電磁駆動で屈曲振動するアクチュエータを備えたものにも適用できる。
　また、以上の各実施形態では、圧電素子と振動板との大きさをほぼ等しくした例を示したが、圧電素子より振動板のほうが大きくてもよい。
　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を駆動してもよい。
　また、以上の各実施形態では、平面部５１のアクチュエータ対向領域の中心付近に１個の中心通気孔５２を配置した例を示したが、アクチュエータ対向領域の中心付近に複数の中心通気孔を配置してもよい。
　また、以上の各実施形態において、吐出孔を有する流体ポンプは、その吐出孔を大気開放して、中心通気孔から空気を吸引する負圧動作を行ってもよいし、逆に、中心通気孔を大気開放して、吐出孔から空気を送り出す正圧動作を行ってもよい。
　また、以上の各実施形態では、アクチュエータ４０が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、アクチュエータ４０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、以上の各実施形態では円板状の圧電素子及び円板状の振動板を用いたが、これらは一方が矩形又は多角形であってもよい。
　なお、吸引する、又は吸引／吐出する流体は気体に限らず液体であってもよい。
　４０　　アクチュエータ
　４０Ａ，４０Ｂ　　アクチュエータ
　４１　　振動板
　４２　　圧電素子
　４３　　補強板
　５１　　平面部
　５１Ａ，５１Ｂ　　平面部
　５２　　中心通気孔
　５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ　　中心通気孔
　５３　　スペーサ
　５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ　　スペーサ
　５４　　蓋部
　５５　　吐出孔
　５６Ａ，５６Ｂ　　周辺通気孔
　５７　　吐出孔
　５７Ａ，５７Ｂ，５７Ｃ，５７Ｄ　　吐出孔
　５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄ　　流入路
　５９　　流出路
　６０　　振動板ユニット
　６１　　振動板支持枠
　６２　　連結部
　６３，７２　　外部端子
　７０　　電極導通用板
　７３　　内部端子
　８０　　位置保持枠
　８１　　開口部
　９１　　基板
　９２　　開口部
　９４　　内部空間
　９５　　カバー板部
　９６　　流路板
　９７　　通気溝
　９９　　カバー板
　１０１～１０５　　流体ポンプ
　１０７～１１０　　流体ポンプ
　１１１　　流体ポンプ

Claims (7)

  1. 　周辺部が実質的に拘束されていなくて、中心部から周辺部にかけて屈曲振動するアクチュエータと、
    　前記アクチュエータに近接対向して配置される平面部と、
    　前記平面部のうち前記アクチュエータと対向するアクチュエータ対向領域の中心又は中心付近に配置された１つまたは複数の中心通気孔と、
    を備えた流体ポンプ。
  2. 　前記アクチュエータは円板状である、請求項１に記載の流体ポンプ。
  3. 　前記アクチュエータ対向領域は、中心又は中心付近が屈曲振動可能な薄板部であり、周辺部が実質的に拘束された厚板部である、請求項１又は２に記載の流体ポンプ。
  4. 　前記薄板部と対向して前記厚板部と接合され、前記薄板部および前記厚板部とともに内部空間を形成するカバー板部を備え、
    　前記カバー板部には、前記内部空間と流体ポンプ筐体の外部とを連通させる通気溝が形成された、請求項３に記載の流体ポンプ。
  5. 　前記アクチュエータ対向領域の周辺部分に、１つまたは複数の周辺通気孔を備えた、請求項１乃至４の何れかに記載の流体ポンプ。
  6. 　前記アクチュエータは、当該アクチュエータと前記平面部との間に一定の隙間をあけて弾性構造により保持されている、請求項１乃至５の何れかに記載の流体ポンプ。
  7. 　前記平面部上に前記アクチュエータを位置決めする開口部を有する位置保持構造が設けられ、前記アクチュエータは前記開口部内に収められている、請求項１乃至５の何れかに記載の流体ポンプ。
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