WO2012140932A1 - アクティブバルブ、流体制御装置 - Google Patents

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WO2012140932A1
WO2012140932A1 PCT/JP2012/051494 JP2012051494W WO2012140932A1 WO 2012140932 A1 WO2012140932 A1 WO 2012140932A1 JP 2012051494 W JP2012051494 W JP 2012051494W WO 2012140932 A1 WO2012140932 A1 WO 2012140932A1
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WO
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communication hole
valve
actuator
pump
active valve
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PCT/JP2012/051494
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English (en)
French (fr)
Inventor
平田篤彦
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F16K7/14—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat
    • F16K7/17—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat the diaphragm being actuated by fluid pressure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/021—Measuring pressure in heart or blood vessels
    • A61B5/022—Measuring pressure in heart or blood vessels by applying pressure to close blood vessels, e.g. against the skin; Ophthalmodynamometers
    • A61B5/0235—Valves specially adapted therefor

Definitions

  • the present invention relates to an active valve that opens and closes a valve by bending and vibrating an actuator, and a fluid control device including the active valve.
  • Patent Document 1 discloses a piezoelectric valve 1 having the following structure. 1 and 2 are cross-sectional views of the piezoelectric valve 1 when the valve is opened and closed. As shown in FIG. 1, the piezoelectric valve 1 includes a valve chamber top plate 2, a valve chamber upper wall plate 3, a valve seat 4, a valve body plate 5, a valve chamber lower wall plate 6, and a valve chamber bottom plate 7. In order.
  • the valve chamber top plate 2 constitutes the top surface of the valve chamber 14.
  • An outlet 16 for fluid outflow is formed at the center position of the valve chamber top plate 2.
  • the O-ring shaped valve seat 4 is bonded and fixed to the peripheral edge of the outlet 16 on the valve chamber 14 side.
  • an inflow port 17 for inflow of fluid is formed at a position close to the end face side of the valve chamber top plate 2 from the central position of the valve chamber top plate 2.
  • the valve chamber upper wall plate 3 has the same shape as the valve chamber lower wall plate 6 and constitutes the wall surface of the valve chamber 14.
  • the valve plate 5 is composed of a piezoelectric element 5B having electrodes (not shown) formed on the front and back surfaces and a resin film material 5A, and a region exposed to fluid in the piezoelectric element 5B is covered with the resin film material 5A. Has been. Further, on one end surface of the valve body plate 5, a wiring 12 is provided for applying an electrical signal to the electrodes formed on the front and back surfaces of the piezoelectric element 5B.
  • the valve chamber lower wall plate 6 has the same shape as the valve chamber upper wall plate 3 and constitutes the wall surface of the valve chamber 15.
  • the valve chamber bottom plate 7 constitutes the bottom surface of the valve chamber 15.
  • the piezoelectric valve 1 of Patent Document 1 has a structure that opens and closes the valve by applying a voltage to the piezoelectric element 5B to cause bending displacement, but the displacement amount of the piezoelectric element 5B is very small. That is, the cross-sectional area of the flow path when the valve is open is very narrow. Therefore, there is a method of increasing the displacement amount of the piezoelectric element 5B using the piezoelectric element 5B having a long length, but this method increases the area occupied by the piezoelectric valve 1. Therefore, with the structure of the piezoelectric valve 1, it is difficult to ensure a sufficient cross-sectional area of the flow path when the piezoelectric valve 1 is open while the valve is open.
  • the piezoelectric valve 1 disclosed in Patent Document 1 is a small-sized device that has to fill compressed air into a cuff for measuring blood pressure with a large volume that accommodates air at the time of blood pressure measurement, and quickly exhaust air from the cuff after the measurement is completed. It was not suitable for the sphygmomanometer. More specifically, in the configuration in which the small piezoelectric valve 1 is built in a small blood pressure monitor and the cuff is connected to the outlet 16 of the valve chamber top plate 2, the cross-sectional area of the flow path when the valve is open is very narrow. For this reason, in this configuration, the compressed air filled in the cuff cannot be rapidly exhausted from the outlet 16 to the inlet 17 after filling the cuff with the compressed air from the outlet 16 during blood pressure measurement.
  • An object of the present invention is to provide an active valve that consumes less power and is small and can sufficiently secure a cross-sectional area of the flow path. It is another object of the present invention to provide a small fluid control device that can fill compressed air into an air storage unit, rapidly exhaust air from the air storage unit, and has low power consumption.
  • the active valve of the present invention has the following configuration in order to solve the above problems.
  • a valve housing having a first communication hole and a second communication hole communicating with the outside;
  • the peripheral portion is not substantially constrained, and has an actuator that bends and vibrates from the central portion to the peripheral portion, and a flat portion that is disposed in close proximity to the actuator, and the flat portion is opposed to the actuator.
  • a pump housing in which a third communication hole communicating with the outside is formed in the actuator facing region, An exhaust chamber that communicates with the first communication hole is configured with the valve casing, and a first pump chamber that communicates with the third communication hole is configured with the pump casing.
  • the active valve sucks air from the third communication hole into the first pump chamber and increases the pressure of the first pump chamber by bending vibration of the actuator (that is, pumping operation). Thereby, the state which the diaphragm sealed the 2nd communicating hole is maintained.
  • the second communication hole is connected to an air storage unit such as a cuff for measuring blood pressure.
  • the active valve has a configuration in which the outside and the exhaust chamber communicate with each other.
  • the active valve has a structure in which the area A2 of the diaphragm to which the pressure P2 of the first pump chamber is applied is extremely wider than the inner area A1 of the second communication hole to which the pressure P1 is applied.
  • the active valve can maintain the state in which the diaphragm seals the second communication hole with low power consumption. Furthermore, since the active valve is not substantially restrained at the periphery of the actuator, 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 active valve stops the pumping operation
  • the air in the first pump chamber is immediately exhausted from the third communication hole to the outside of the apparatus main body.
  • the pressure of an air storage part is applied to a 2nd communicating hole, for example.
  • the active valve the diaphragm is opened, the first communication hole and the second communication hole are communicated, and the valve is opened.
  • the active valve having this configuration is The valve is opened and closed by bending displacement of the diaphragm. Therefore, with this structure, it is possible to sufficiently secure the cross-sectional area of the flow path when the valve is open while reducing the size of the active valve.
  • 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 actuator facing region in the plane portion is a thin plate portion that can be bent and vibrated at the center or near the center, for example, and is a thick plate portion in which the peripheral portion is substantially constrained.
  • the actuator vibrates, so that the thin plate portion of the opposing surface centering on the vent hole vibrates, so that the vibration amplitude can be substantially increased, thereby increasing the pressure and flow rate. it can.
  • the gap between the actuator and the plane portion can be automatically changed according to load fluctuations. It can. For example, when the actuator is lightly loaded, the gap can be positively increased to increase the flow rate, and when the actuator is heavily loaded, the spring terminal bends and the gap between the actuator and the flat area is automatically reduced. It is possible to operate with pressure.
  • the active valve has a pressure applied to the diaphragm from the second communication hole as P1, a pressure in the first pump chamber as P2, an inner area of the second communication hole as A1, and the first valve in the diaphragm.
  • P1 a pressure in the first pump chamber
  • A1 an inner area of the second communication hole
  • A2 the first valve in the diaphragm.
  • the active valve generates a pressure satisfying the relationship of P1 ⁇ A1 ⁇ P2 ⁇ A2 in the first pump chamber by the pumping operation.
  • the area A2 is much larger than the area A1, even when the pressure P2 in the first pump chamber is extremely small, the state where the diaphragm seals the second communication hole can be maintained.
  • the air in the first pump chamber is immediately exhausted from the third communication hole to the outside of the apparatus main body as described above. Moreover, the pressure of an air storage part is applied to a 2nd communicating hole. As a result, the pressure P2 in the first pump chamber becomes a pressure that satisfies the relationship P1 ⁇ A1> P2 ⁇ A2.
  • the pressure P2 in the first pump chamber satisfies the relationship of P1, A1> P2, A2 in the active valve, the diaphragm is opened, the first communication hole and the second communication hole are communicated, and the valve is opened.
  • the fluid control apparatus of the present invention has the following configuration in order to solve the above-mentioned problems.
  • a fourth communication hole and a fifth communication hole communicating with each other via the second pump chamber and the second pump chamber, and air sucked from the fourth communication hole by a pumping operation is supplied to the fifth communication hole.
  • An active valve, The second communication hole of the active valve communicates with the fifth communication hole of the pump and the air storage unit.
  • the active valve sucks air into the first pump chamber from the third communication hole and pressurizes the first pump chamber. For this reason, even if the pump performs the pumping operation, the active valve maintains the state where the diaphragm seals the second communication hole.
  • the pump sucks air from the fourth communication hole into the second pump chamber by the pumping operation, and sends the air from the fifth communication hole to the air storage unit. Thereby, the pressure (air pressure) in the air storage unit increases to the target pressure.
  • the air storage unit is, for example, a cuff for measuring blood pressure.
  • the active valve can maintain the state where the diaphragm seals the second communication hole even when the pressure P2 of the first pump chamber is extremely small. Therefore, even if the pump performs the pumping operation, the active valve can maintain a state where the diaphragm seals the second communication hole with low power consumption.
  • the volume of the first pump chamber is extremely small compared to the volume of air that can be accommodated in the air storage unit. Therefore, when the active valve stops the pumping operation, the air in the first pump chamber is immediately exhausted from the third communication hole to the outside of the apparatus main body. Moreover, the pressure of an air storage part is applied to a 2nd communicating hole. As a result, in the active valve, the diaphragm is opened and the first communication hole and the second communication hole communicate with each other. As a result, the air in the air storage portion is rapidly exhausted to the outside of the apparatus main body via the first communication hole and the second communication hole.
  • an active valve that consumes less power and is small and can sufficiently secure a cross-sectional area of the flow path. Further, it is possible to provide a small fluid control device that can fill the air storage unit with compressed air, exhaust the air rapidly from the air storage unit, and consumes less power.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the piezoelectric pump 101 shown in FIG. 3. It is sectional drawing of the principal part of the piezoelectric pump 101 shown in FIG. It is sectional drawing of the principal part of the active valve 103 shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the flow of air when the piezoelectric pump 101 shown in FIG. 3 and the active valve 103 are performing the pumping operation
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the main part of the fluid control apparatus 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the fluid control apparatus 100 includes a piezoelectric pump 101, an exhaust valve 103 with a piezoelectric pump (hereinafter referred to as “active valve 103”), a control unit 111, and a housing 110, and is connected to a cuff 109.
  • the casing 110 of the fluid control device 100 exhausts the connection port 106A communicating with the rubber tube 109A of the cuff 109, the suction ports 107A and 107B for sucking the air outside the casing 110, and the cuff 109 air.
  • an exhaust port 107C is formed.
  • the control unit 111 is constituted by a microcomputer, for example, and controls the operation of each unit of the apparatus main body.
  • the control unit 111 instructs each pump to turn on / off the pumping operation.
  • the fluid control device 100 starts the pumping operation of the active valve 103 and the piezoelectric pump 101 when blood pressure measurement is started.
  • the active valve 103 sucks outside air from the suction port 107 ⁇ / b> B and the suction hole 152 by the pumping operation to increase the pressure in the pump chamber 145, and the diaphragm 108 seals the exhaust valve hole 32.
  • the piezoelectric pump 101 sucks outside air from the suction port 107 ⁇ / b> A and the suction hole 52 by a pumping operation, and sends air from the discharge hole 55 to the cuff 109 via the pump chamber 45 in the piezoelectric pump 101.
  • the pressure (air pressure) in the cuff 109 increases to the target pressure.
  • the fluid control device 100 stops the pumping operation of the active valve 103 and the piezoelectric pump 101.
  • the diaphragm 108 is opened in the active valve 103 so that the communication hole 34 and the exhaust valve hole 32 communicate with each other, and the air in the cuff 109 is rapidly exhausted from the exhaust port 107C via the exhaust valve hole 32 and the communication hole 34. Is done.
  • the cuff 109 corresponds to the “air storage unit” of the present invention.
  • the piezoelectric pump 101 corresponds to the “pump” of the present invention.
  • the pump chamber 145 in the active valve 103 corresponds to the “first pump chamber” of the present invention.
  • the communication hole 34 of the active valve 103 corresponds to the “first communication hole” of the present invention.
  • the exhaust valve hole 32 of the active valve 103 corresponds to the “second communication hole” of the present invention.
  • the suction hole 152 of the active valve 103 corresponds to the “third communication hole” of the present invention.
  • the pump chamber 45 in the piezoelectric pump 101 corresponds to the “second pump chamber” of the present invention.
  • the suction hole 52 of the piezoelectric pump 101 corresponds to the “fourth communication hole” of the present invention.
  • the discharge hole 55 of the piezoelectric pump 101 corresponds to the “fifth communication hole” of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the piezoelectric pump 101 shown in FIG. 3
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part of the piezoelectric pump 101 shown in FIG.
  • the piezoelectric pump 101 includes a substrate 91, a flat portion 51, a spacer 53A, a reinforcing plate 43, a vibration plate unit 60, a piezoelectric element 42, a spacer 53B, an electrode conduction plate 70, a spacer 53C, and A lid 54 is provided and has a structure in which they are laminated in order.
  • a piezoelectric element 42 is attached to the upper surface of the disk-shaped diaphragm 41, and a reinforcing plate 43 is attached to the lower surface of the diaphragm 41, and the diaphragm 41, the piezoelectric element 42, and the reinforcing plate 43 form a disk.
  • a shaped actuator 40 is configured.
  • the vibration plate 41 is a metal plate having a larger linear expansion coefficient than the piezoelectric element 42 and the reinforcing plate 43, and is heated and cured at the time of bonding, so that the piezoelectric element 42 is appropriately warped without warping.
  • the piezoelectric element 42 can be prevented from cracking.
  • the diaphragm 41 may be made of a material having a large linear expansion coefficient such as phosphor bronze (C5210) or stainless steel SUS301, and the reinforcing plate 43 may be made of 42 nickel, 36 nickel, or stainless steel SUS430.
  • the piezoelectric element 42 is preferably formed of lead zirconate titanate ceramics.
  • the thickness of the spacer 53B is preferably the same as or slightly thicker than that of the piezoelectric element 42.
  • the diaphragm 41, the piezoelectric element 42, and the reinforcing plate 43 may be arranged in the order of the piezoelectric element 42, the reinforcing plate 43, and the diaphragm 41 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 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 40 (of course, the central portion) is not substantially restrained.
  • the spacer 53A is provided to hold the actuator 40 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.
  • a resin spacer 53B is bonded and fixed to the upper surface of the diaphragm support frame 61.
  • 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 pump housing 80, 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 frame portion 71 that is opened in a substantially circular shape, an internal terminal 73 that projects into the opening, and an external terminal 72 that projects outward.
  • 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.
  • the spacer 53C is a spacer for preventing the solder portion of the internal terminal 73 from contacting the lid portion 54 when the actuator vibrates. Further, the surface of the piezoelectric element 42 is prevented from excessively approaching the lid portion 54 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.
  • 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 suction 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 pump housing 80 including the lid portion 54.
  • a suction hole 52 is formed at the center of the flat portion 51.
  • a spacer 53A having a thickness obtained by adding about several tens of micrometers to the thickness of the reinforcing plate 43 is inserted between the flat portion 51 and the diaphragm unit 60.
  • the connecting portion 62 spring terminal
  • 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
  • a substrate 91 having a cylindrical opening 92 formed at the center is provided at the lower portion 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 actuator 40 bends and vibrates in a concentric manner, and in response to the vibration of the actuator 40, the exposed portion (thin plate) of the flat portion 51 centering on the suction hole 52. Part) 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.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part of the active valve 103 shown in FIG.
  • the active valve 103 includes a valve housing 31, a diaphragm 108, and a pump housing 180.
  • the active valve 103 has a structure in which the lid portion 54 of the piezoelectric pump 101 shown in FIG. 5 is replaced with a diaphragm 108 and a valve housing 31, and other configurations are the same as those of the piezoelectric pump 101 shown in FIG. .
  • each component 140, 153C, 171, 153B, 161, 153A, 151, 152, 191 and 192 of the pump casing 180 is the same as each component 40, 53C, 71 and 53B of the pump casing 80 shown in FIG. 61, 53A, 51, 52, 91, 92.
  • the valve casing 31 includes an exhaust valve hole 32 communicating with the discharge hole 55 and the cuff 109 of the piezoelectric pump 101, a communication hole 34 connected to the exhaust port 107 ⁇ / b> C and communicating with the outside of the casing 110, and an exhaust valve hole 32.
  • a valve seat 30 protruding from the periphery toward the diaphragm 108 is formed.
  • the pump housing 180 has a shape in which the lid 54 is removed from the pump housing 80 of the piezoelectric pump 101 shown in FIG.
  • the diaphragm 108 is made of a circular thin film and is fixed to the valve housing 31 in contact with the valve seat 30.
  • the diaphragm 108 includes a ring-shaped exhaust chamber 33 that communicates with the communication hole 34 together with the valve casing 31, and a pump chamber 145 that communicates with the suction hole 152 together with the pump casing 180.
  • the material of the diaphragm 108 is an elastic member such as ethylene propylene rubber or silicone rubber.
  • the active valve 103 of this embodiment is The valve is opened and closed by bending displacement of the diaphragm 108. Therefore, the active valve 103 of this embodiment can ensure a wide channel cross-sectional area (see FIG. 9 described later). Therefore, according to the structure of the active valve 103, it is possible to secure a sufficient flow path cross-sectional area in a state where the valve is open while reducing the size and height of the active valve 103.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the flow of air when the piezoelectric pump 101 and the active valve 103 shown in FIG. 3 are performing the pumping operation.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the air flow immediately after the piezoelectric pump 101 and the active valve 103 shown in FIG. 3 stop the pumping operation.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part when the active valve 103 shown in FIG. 3 is opened.
  • FIG. 10 is a graph showing changes in the pressure of the cuff 109 depending on the driving state of the piezoelectric pump 101 and the active valve 103 shown in FIG.
  • FIG. 11 is a graph in which the section from time 80 seconds to time 90 seconds shown in FIG. 10 is enlarged.
  • the control unit 111 starts the pumping operation of the active valve 103 and then starts the pumping operation of the piezoelectric pump 101 when starting the blood pressure measurement.
  • the active valve 103 sets the pressure of the cuff 109 applied from the exhaust valve hole 32 to the diaphragm 108 as P1, the pressure of the pump chamber 145 as P2, the inner area of the exhaust valve hole 32 as A1, and the diaphragm 108
  • a pressure satisfying the relationship of P1 ⁇ A1 ⁇ P2 ⁇ A2 is performed by performing a pumping operation to suck outside air from the suction port 107B and the suction hole 152 into the pump chamber 145. Cause it to occur.
  • the active valve 103 maintains the state in which the diaphragm 108 seals the exhaust valve hole 32.
  • the piezoelectric pump 101 sucks outside air from the suction port 107 ⁇ / b> A and the suction hole 52 by the pumping operation, and sends air from the discharge hole 55 to the cuff 109 via the pump chamber 45 in the piezoelectric pump 101.
  • the pressure (air pressure) in the cuff 109 increases to the target pressure.
  • the active valve 103 has a configuration in which the cuff 109 and the exhaust valve hole 32 communicate with each other, and the outside of the housing 110 communicates with the exhaust chamber 33. Therefore, the active valve 103 has a structure in which the area A2 of the diaphragm 108 to which the pressure P2 of the pump chamber 145 is applied is much wider than the inner area A1 of the exhaust valve hole 32 to which the pressure P1 of the cuff 109 is applied. For this reason, the pressure P2 that satisfies the relationship P1 ⁇ A1 ⁇ P2 ⁇ A2 may be very small.
  • the pressure P1 of the cuff 109 may be increased to 40 kPa. Therefore, according to the fluid control apparatus 100 of this embodiment, even if the piezoelectric pump 101 performs the pumping operation, the active valve 103 consumes a small amount of power (in this embodiment, 0.02 W or less), and the diaphragm 108 is the exhaust valve. The state where the hole 32 is sealed can be maintained.
  • the control unit 111 stops the pumping operation of the piezoelectric pump 101 and then stops the pumping operation of the active valve 103.
  • the volume of the pump chamber 145 is extremely smaller than the volume of air that can be accommodated in the cuff 109. Therefore, when the pumping operation of the active valve 103 stops, the air in the pump chamber 145 immediately passes from the suction port 107B of the housing 110 to the outside of the housing 110 via the suction hole 152 and the opening 192 of the active valve 103. Exhausted. Further, the pressure of the cuff 109 is applied to the exhaust valve hole 32. As a result, in the active valve 103, when the pumping operation is stopped, the pressure P2 in the pump chamber 145 becomes a pressure that satisfies the relationship P1 ⁇ A1> P2 ⁇ A2.
  • the active valve 103 opens the diaphragm 108 and the exhaust valve hole 32 and the communication hole 34 communicate with each other as shown in FIG. To do.
  • the air in the cuff 109 is rapidly exhausted from the exhaust port 107C via the exhaust valve hole 32 and the communication hole 34 (see FIGS. 10 and 11). 10 and 11, it is shown that the exhaust of the cuff 109 is completed in 2 seconds after the pumping operation of the active valve 103 is stopped.
  • the cuff 109 can be filled with compressed air, and the air can be quickly exhausted from the cuff 109. Further, according to this embodiment, as described above, the small and low-profile fluid control apparatus 100 with low power consumption can be provided.
  • the fluid control apparatus 100 includes the piezoelectric pump 101.
  • the fluid control apparatus 100 may include another pump instead of the piezoelectric pump 101.
  • the piezoelectric pump 101 and the active valve 103 are provided with a unimorph-type actuator that bends and vibrates.
  • a piezoelectric element may be attached to both surfaces of the diaphragm so that the bimorph-type bends and vibrates.

Abstract

　消費電力が小さく小型かつ流路断面積を充分に確保できるアクティブバルブを提供する。また、空気貯蔵部に圧縮空気を充填し、空気貯蔵部から空気を急速に排気することができ、且つ消費電力が小さく小型な流体制御装置を提供する。流体制御装置（１００）は、圧電ポンプ（１０１）とアクティブバルブ（１０３）とを備え、カフ（１０９）に接続される。アクティブバルブ（１０３）は、ポンピング動作により、吸引口（１０７Ｂ）から外気を吸引してポンプ室（１４５）の圧力を高め、ダイヤフラム（１０８）が排気弁孔（３２）をシールする。圧電ポンプ（１０１）は、ポンピング動作により、吸引口（１０７Ａ）から外気を吸引して吐出孔（５５）からカフ（１０９）へ送出する。両ポンプが動作を停止すると、ダイヤフラム（１０８）が開放し、カフ（１０９）の空気が排気弁孔（３２）及び連通孔（３４）を介して排気口（１０７Ｃ）から急速に排気される。

Description

アクティブバルブ、流体制御装置
　この発明は、アクチュエータを屈曲振動させて弁を開閉するアクティブバルブ、及びこのアクティブバルブを備える流体制御装置に関する。
　例えば特許文献１には、以下に示す構造の圧電弁１が開示されている。
　図１、図２は、圧電弁１の弁開閉時における断面図である。圧電弁１は、図１に示すように、弁室天板２、弁室上壁板３、弁座４、弁体板５、弁室下壁板６、および弁室底板７を備え、それらを順に積層した構造を有している。
　弁室天板２は、弁室１４の天面を構成する。弁室天板２の中央位置には流体流出用の流出口１６が形成されている。そして、流出口１６の弁室１４側の周縁にＯリング状の弁座４が接着固定されている。また、弁室天板２の中央位置から弁室天板２の端面側に寄った位置には流体流入用の流入口１７が形成されている。
　弁室上壁板３は、弁室下壁板６と同じ形状であり、弁室１４の壁面を構成する。
　弁体板５は、表裏面に電極（図示せず）が形成されている圧電素子５Ｂと、樹脂フィルム材５Ａとからなり、圧電素子５Ｂのうち流体にさらされる領域は樹脂フィルム材５Ａによって被覆されている。また、弁体板５の一方端面には圧電素子５Ｂの表裏面に形成された電極に電気信号を加える配線１２が設けられている。
　弁室下壁板６は、弁室上壁板３と同じ形状であり、弁室１５の壁面を構成する。
　弁室底板７は、弁室１５の底面を構成する。
　次に、圧電弁１への駆動電圧の印加状態の変化による動作について説明する。
　駆動電圧の非印加時には、図１に示すように、弁体板５は略平坦であり、中央部分が弁座４から離間しているため流出口１６を開放する。一方、駆動電圧の印加時には、図２に示すように、弁体板５は弁室１４の天面側に屈曲し、弁座４に中央部分が接触し、流出口１６を閉鎖する。
　したがって、駆動電圧の印加時には弁が閉じた状態となり、流出口１６と流入口１７との間における流体の流れを遮断することになる。一方、駆動電圧の非印加時には弁が開いた状態となり、流入口１７から流出口１６へ流体が流れることになる。
国際公開第２００８／０８１７６７号パンフレット
　上記特許文献１の圧電弁１は、圧電素子５Ｂに電圧を印加することにより屈曲変位を生じさせて弁を開閉する構造であるが、圧電素子５Ｂの変位量は非常に小さい。即ち、弁が開いた状態における流路断面積は非常に狭い。そこで、長さの長い圧電素子５Ｂを用いて圧電素子５Ｂの変位量を大きくする方法があるが、この方法では圧電弁１の専有面積が大きくなってしまう。よって、圧電弁１の構造では、圧電弁１の小型化を図りつつ、弁が開いた状態における流路断面積を充分に確保することは難しい。
　従って、上記特許文献１の圧電弁１は、空気を収容する体積の大きな血圧測定用のカフに圧縮空気を血圧測定時に充填し、測定終了後に当該カフから空気を急速に排気しなければならない小型の血圧計には適さなかった。詳述すると、小型の圧電弁１を小型の血圧計に内蔵させ、カフを弁室天板２の流出口１６に接続した構成では、弁が開いた状態における流路断面積が非常に狭い。そのため、この構成では、血圧測定時に流出口１６から圧縮空気をカフに充填した後、カフに充填された圧縮空気を流出口１６から流入口１７へ急速に排気させることができなかった。
　本発明の目的は、消費電力が小さく小型かつ流路断面積を充分に確保できるアクティブバルブを提供することにある。また、空気貯蔵部に圧縮空気を充填し、空気貯蔵部から空気を急速に排気することができ、且つ消費電力が小さく小型な流体制御装置を提供することにある。
　本発明のアクティブバルブは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。
　外部に連通する第１連通孔と第２連通孔とが形成されたバルブ筐体と、
　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を有し、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に、外部に連通する第３連通孔が形成されたポンプ筐体と、
　前記第１連通孔に連通する排気室を前記バルブ筐体とともに構成し、前記第３連通孔に連通する第１ポンプ室を前記ポンプ筐体とともに構成するダイヤフラムと、を備える。
　この構成においてアクティブバルブは、アクチュエータの屈曲振動（即ちポンピング動作）により、空気を第３連通孔から第１ポンプ室内に吸引し、第１ポンプ室を昇圧する。これにより、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持する。第２連通孔は、例えば、血圧測定用のカフ等の空気貯蔵部に接続される。ここで、アクティブバルブは、外部と排気室が連通した構成となっている。また、アクティブバルブは、第１ポンプ室の圧力Ｐ２が印加されるダイヤフラムの面積Ａ２が、圧力Ｐ１が印加される第２連通孔の内面積Ａ１より極めて広い構造となっている。そのため、第１ポンプ室の圧力Ｐ２が極めて小さな圧力であっても、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持できる。よって、アクティブバルブは、小さな消費電力で、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持できる。さらに、アクティブバルブは、アクチュエータの周辺部が実質的に拘束されていないため、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。
　一方、アクティブバルブがポンピング動作を停止したとき、第１ポンプ室の空気は、第３連通孔から装置本体の外部へすぐに排気される。また、第２連通孔には、例えば空気貯蔵部の圧力が印加される。この結果、アクティブバルブでは、ダイヤフラムが開放して第１連通孔と第２連通孔とが連通し、弁が開く。ここで、圧電素子５Ｂに電圧を印加することにより屈曲変位を生じさせて弁を開閉する構造の特許文献１の圧電弁１（図１、図２参照）と異なり、この構成のアクティブバルブは、ダイヤフラムの屈曲変位によって弁を開閉する構造である。そのため、この構造では、アクティブバルブの小型化を図りつつ、弁が開いた状態における流路断面積を充分に確保できる。
　従って、この構成によれば、消費電力が小さく小型かつ流路断面積を充分に確保できるアクティブバルブを提供できる。
　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。
　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、高負荷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。
　前記アクティブバルブは、前記第２連通孔から前記ダイヤフラムに印加される圧力をＰ１とし、前記第１ポンプ室の圧力をＰ２とし、前記第２連通孔の内面積をＡ１とし、前記ダイヤフラムにおける前記第１ポンプ室に接する部分の面積をＡ２としたとき、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力を、前記アクチュエータの屈曲振動を行って前記第１ポンプ室に生じさせ、前記ダイヤフラムで前記第２連通孔をシールし、
　前記アクティブバルブは、前記アクチュエータの屈曲振動を停止し、前記第１ポンプ室を降圧させて、前記ダイヤフラムが開放して前記第１連通孔と前記第２連通孔とを連通させる。
　この構成では、アクティブバルブは、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力を、ポンピング動作により第１ポンプ室に生じさせる。ここで、上述したように面積Ａ２は面積Ａ１より極めて広いため、第１ポンプ室の圧力Ｐ２が極めて小さな圧力であっても、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持できる。
　一方、アクティブバルブがポンピング動作を停止すると、第１ポンプ室の空気は、上述したように、第３連通孔から装置本体の外部へすぐに排気される。また、第２連通孔には、空気貯蔵部の圧力が印加される。この結果、第１ポンプ室の圧力Ｐ２がＰ１・Ａ１＞Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力になる。第１ポンプ室の圧力Ｐ２がＰ１・Ａ１＞Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力になると、アクティブバルブでは、ダイヤフラムが開放して第１連通孔と第２連通孔とが連通し、弁が開く。
　また、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。
　第２ポンプ室と前記第２ポンプ室を介して互いに連通する第４連通孔および第５連通孔とを有し、ポンピング動作により前記第４連通孔から吸引した空気を、前記第５連通孔に連通する空気貯蔵部へ前記第５連通孔から吐出するポンプと、
　前記アクティブバルブと、を備え、
　前記アクティブバルブの前記第２連通孔は、前記ポンプの前記第５連通孔および前記空気貯蔵部に連通する。
　この構成においてポンプ及びアクティブバルブがポンピング動作を行ったとき、アクティブバルブは、空気を第３連通孔から第１ポンプ室内に吸引し、第１ポンプ室を昇圧する。このため、ポンプがポンピング動作を行っても、アクティブバルブは、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持する。ポンプは、ポンピング動作により、空気を第４連通孔から第２ポンプ室内に吸引し、空気を第５連通孔から空気貯蔵部へ送出する。これにより、空気貯蔵部内の圧力（空気圧）が目標圧力まで高まる。空気貯蔵部は、例えば血圧測定用のカフである。
　ここで、アクティブバルブは、上述したように、第１ポンプ室の圧力Ｐ２が極めて小さな圧力であっても、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持できる。よって、ポンプがポンピング動作を行っていても、アクティブバルブは小さな消費電力で、ダイヤフラムが第２連通孔をシールした状態を維持できる。
　次に、第１ポンプ室の体積は空気貯蔵部の収容可能な空気の体積に比べて極めて小さい。そのため、アクティブバルブがポンピング動作を停止したとき、第１ポンプ室の空気は、第３連通孔から装置本体の外部へすぐに排気される。また、第２連通孔には、空気貯蔵部の圧力が印加される。この結果、アクティブバルブでは、ダイヤフラムが開放して第１連通孔と第２連通孔とが連通する。これにより、空気貯蔵部の空気が第１連通孔及び第２連通孔を経由して装置本体外部へ急速に排気される。
　従って、この構成によれば、空気貯蔵部に圧縮空気を充填し、空気貯蔵部から空気を急速排気することができ、且つ消費電力が小さい小型な流体制御装置を提供できる。
　本発明によれば、消費電力が小さく小型かつ流路断面積を充分に確保できるアクティブバルブを提供することができる。また、空気貯蔵部に圧縮空気を充填し、空気貯蔵部から空気を急速に排気することができ、且つ消費電力が小さい小型な流体制御装置を提供することができる。
特許文献１の圧電弁１の構造を説明する断面図である。 電圧印加時の図１の圧電弁１の断面図である。 本発明の実施形態に係る流体制御装置１００の主要部の構成を示す説明図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。 図３に示すアクティブバルブ１０３の主要部の断面図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３がポンピング動作を行っている時の空気の流れを示す説明図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３がポンピング動作を停止した直後の空気の流れを示す説明図である。 図３に示すアクティブバルブ１０３の弁開時の主要部の断面図である。 図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３の駆動状態によるカフ１０９の圧力の変化を示すグラフである。 図１０に示す時刻８０秒から時刻９０秒までの区間を拡大したグラフである。
　以下、本発明の実施形態に係る流体制御装置１００について説明する。
　図３は、本発明の実施形態に係る流体制御装置１００の主要部の構成を示す説明図である。流体制御装置１００は、圧電ポンプ１０１と圧電ポンプ付き排気弁１０３（以下、「アクティブバルブ１０３」と称する。）と制御部１１１と筐体１１０とを備え、カフ１０９に接続される。
　流体制御装置１００の筐体１１０には、カフ１０９のゴム管１０９Ａに連通させる接続口１０６Ａと、筐体１１０外部の空気を吸引するための吸引口１０７Ａ、１０７Ｂと、カフ１０９の空気を排気するための排気口１０７Ｃと、が形成されている。
　制御部１１１は、例えばマイクロコンピュータで構成され、装置本体の各部の動作を制御する。制御部１１１は、ポンピング動作のオンオフのタイミングを各ポンプに指示する。
　以上の構成において、流体制御装置１００は、詳細を後述するが、血圧の測定を開始する時、アクティブバルブ１０３及び圧電ポンプ１０１のポンピング動作を開始させる。アクティブバルブ１０３は、ポンピング動作により、吸引口１０７Ｂ及び吸引孔１５２から外気を吸引してポンプ室１４５の圧力を高め、ダイヤフラム１０８が排気弁孔３２をシールする。そして、圧電ポンプ１０１は、ポンピング動作により、吸引口１０７Ａ及び吸引孔５２から外気を吸引し、圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５を経由して空気を吐出孔５５からカフ１０９へ送出する。これにより、カフ１０９内の圧力（空気圧）が目標圧力まで高まる。その後、血圧の測定が終了すると、流体制御装置１００は、アクティブバルブ１０３及び圧電ポンプ１０１のポンピング動作を停止する。これにより、アクティブバルブ１０３においてダイヤフラム１０８が開放して連通孔３４と排気弁孔３２とが連通し、カフ１０９の空気が排気弁孔３２及び連通孔３４を経由して排気口１０７Ｃから急速に排気される。
　なお、カフ１０９が、本発明の「空気貯蔵部」に相当する。また、圧電ポンプ１０１が、本発明の「ポンプ」に相当する。また、アクティブバルブ１０３内のポンプ室１４５が、本発明の「第１ポンプ室」に相当する。また、アクティブバルブ１０３の連通孔３４が、本発明の「第１連通孔」に相当する。また、アクティブバルブ１０３の排気弁孔３２が、本発明の「第２連通孔」に相当する。また、アクティブバルブ１０３の吸引孔１５２が、本発明の「第３連通孔」に相当する。また、圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５が、本発明の「第２ポンプ室」に相当する。また、圧電ポンプ１０１の吸引孔５２が、本発明の「第４連通孔」に相当する。また、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５が、本発明の「第５連通孔」に相当する。
　ここで、圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３との構造について詳述する。まず、図３～図５を用いて圧電ポンプ１０１の構造について詳述する。
　図４は、図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図であり、図５は、図３に示す圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。
　図３～図５に示すように、圧電ポンプ１０１は、基板９１、平面部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及び蓋部５４を備え、それらを順に積層した構造を有している。
　円板状の振動板４１の上面には圧電素子４２が貼着され、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アクチュエータ４０が構成される。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。例えば、圧電素子４２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。この場合スペーサ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、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、それぞれの線膨張係数が調整されている。
　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４０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。なお、スペーサ５３Ａは平面部５１と一定の隙間をあけてアクチュエータ４０を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。
　振動板支持枠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の厚さは圧電素子４２と同じか少し厚く、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、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、蓋部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表面が蓋部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、前述のとおり、圧電素子４２と同程度の厚さであればよい。
　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、吸引孔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を含むポンプ筐体８０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。
　一方、平面部５１の中心には吸引孔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、補強板４３の厚みに数１０μｍ程度を加えた厚みのスペーサ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、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、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、高負荷時には連結部６２（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４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。
　平面部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。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、外部端子６３，７２に駆動電圧が印加されると、アクチュエータ４０が同心円状に屈曲振動し、アクチュエータ４０の振動に呼応して、吸引孔５２を中心とした平面部５１の露出部（薄板部）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。
　次に、アクティブバルブ１０３の構造について図３と図６を用いて詳述する。
　図６は、図３に示すアクティブバルブ１０３の主要部の断面図である。アクティブバルブ１０３は、バルブ筐体３１とダイヤフラム１０８とポンプ筐体１８０とを有する。アクティブバルブ１０３は、図５に示す圧電ポンプ１０１の蓋部５４をダイヤフラム１０８とバルブ筐体３１に置き換えた構造を有しており、その他の構成については図５に示す圧電ポンプ１０１と同じである。即ち、ポンプ筐体１８０の各構成要素１４０、１５３Ｃ、１７１、１５３Ｂ、１６１、１５３Ａ、１５１、１５２、１９１、１９２は、図５に示すポンプ筐体８０の各構成要素４０、５３Ｃ、７１、５３Ｂ、６１、５３Ａ、５１、５２、９１、９２と同じものである。
　バルブ筐体３１には、圧電ポンプ１０１の吐出孔５５及びカフ１０９に連通する排気弁孔３２と、排気口１０７Ｃに接続され、筐体１１０外部に連通する連通孔３４と、排気弁孔３２の周縁からダイヤフラム１０８側へ突出した弁座３０と、が形成されている。
　ポンプ筐体１８０は、図５に示す圧電ポンプ１０１のポンプ筐体８０から蓋部５４を取り外した形状を有している。
　ダイヤフラム１０８は、円状の薄膜からなり、弁座３０に接触してバルブ筐体３１に固定されている。また、ダイヤフラム１０８は、連通孔３４に連通するリング状の排気室３３をバルブ筐体３１とともに構成し、吸引孔１５２に連通するポンプ室１４５をポンプ筐体１８０とともに構成する。ダイヤフラム１０８の材質は、例えばエチレンプロピレンゴムまたはシリコーンゴム等の弾性部材である。
　なお、圧電素子５Ｂに電圧を印加することにより屈曲変位を生じさせて弁を開閉する構造の特許文献１の圧電弁１（図１、図２参照）と異なり、この実施形態のアクティブバルブ１０３は、ダイヤフラム１０８の屈曲変位によって弁を開閉する構造である。そのため、この実施形態のアクティブバルブ１０３は、広い流路断面積を確保できる（後述の図９参照）。従って、このアクティブバルブ１０３の構造によれば、アクティブバルブ１０３の小型・低背化を図りつつ、弁が開いた状態における流路断面積を十分に確保することが可能である。
　ここで、血圧測定時における流体制御装置１００の動作について説明する。
　図７は、図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３がポンピング動作を行っている時の空気の流れを示す説明図である。図８は、図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３がポンピング動作を停止した直後の空気の流れを示す説明図である。図９は、図３に示すアクティブバルブ１０３の弁開時の主要部の断面図である。図１０は、図３に示す圧電ポンプ１０１とアクティブバルブ１０３の駆動状態によるカフ１０９の圧力の変化を示すグラフである。図１１は、図１０に示す時刻８０秒から時刻９０秒までの区間を拡大したグラフである。
　制御部１１１は、血圧の測定を開始する時、アクティブバルブ１０３のポンピング動作を開始させてから圧電ポンプ１０１のポンピング動作を開始させる。この際、アクティブバルブ１０３は、排気弁孔３２からダイヤフラム１０８に印加されるカフ１０９の圧力をＰ１とし、ポンプ室１４５の圧力をＰ２とし、排気弁孔３２の内面積をＡ１とし、ダイヤフラム１０８におけるポンプ室１４５に接する部分の面積をＡ２としたとき、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力を、ポンピング動作を行って吸引口１０７Ｂ及び吸引孔１５２から外気を吸引してポンプ室１４５に生じさせる。このため、圧電ポンプ１０１がポンピング動作を行っても、アクティブバルブ１０３は、ダイヤフラム１０８が排気弁孔３２をシールした状態を維持する。圧電ポンプ１０１は、ポンピング動作により、吸引口１０７Ａ及び吸引孔５２から外気を吸引し、圧電ポンプ１０１内のポンプ室４５を経由して空気を吐出孔５５からカフ１０９へ送出する。これにより、カフ１０９内の圧力（空気圧）が目標圧力まで高まる。
　ここで、アクティブバルブ１０３は、カフ１０９と排気弁孔３２が連通し、筐体１１０の外部と排気室３３が連通した構成となっている。そのため、アクティブバルブ１０３は、ポンプ室１４５の圧力Ｐ２が印加されるダイヤフラム１０８の面積Ａ２が、カフ１０９の圧力Ｐ１が印加される排気弁孔３２の内面積Ａ１より極めて広い構造となっている。そのため、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力Ｐ２は、極めて小さな圧力で済む。例えば、カフ１０９の圧力Ｐ１が４０ｋＰaまで昇圧した場合でも、ポンプ室１４５の圧力Ｐ２は２ｋＰaで済む。従って、この実施形態の流体制御装置１００によれば、圧電ポンプ１０１がポンピング動作を行っていても、アクティブバルブ１０３は小さな消費電力（この実施形態では０．０２Ｗ以下）で、ダイヤフラム１０８が排気弁孔３２をシールした状態を維持できる。
　なお、筐体１１０の外部と排気弁孔３２を連通させ、カフ１０９と排気室３３を連通させた場合、面積Ａ１とＡ２が略等しくなるため、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力Ｐ２は、カフの圧力Ｐ１と同程度の圧力を要することになる。即ち、圧電ポンプ１０１がポンピング動作を行っている間、アクティブバルブ１０３に対して大きな電力を供給しなければ、ダイヤフラム１０８が排気弁孔３２をシールした状態を維持できないことになる。
　次に、血圧の測定が終了すると、制御部１１１は、圧電ポンプ１０１のポンピング動作を停止してから、アクティブバルブ１０３のポンピング動作を停止する。ここで、ポンプ室１４５の体積はカフ１０９の収容可能な空気の体積に比べて極めて小さい。そのため、アクティブバルブ１０３のポンピング動作が停止すると、ポンプ室１４５の空気は、アクティブバルブ１０３の吸引孔１５２および開口部１９２を経由して筐体１１０の吸引口１０７Ｂから筐体１１０の外部へすぐに排気される。また、排気弁孔３２には、カフ１０９の圧力が印加される。この結果、アクティブバルブ１０３では、ポンピング動作が停止すると、ポンプ室１４５の圧力Ｐ２がＰ１・Ａ１＞Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力になる。
　ポンプ室１４５の圧力Ｐ２がＰ１・Ａ１＞Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力になると、アクティブバルブ１０３では、図９に示すようにダイヤフラム１０８が開放して排気弁孔３２と連通孔３４とが連通する。これにより、カフ１０９の空気が排気弁孔３２及び連通孔３４を経由して排気口１０７Ｃから急速に排気される（図１０、図１１参照）。図１０、図１１では、アクティブバルブ１０３のポンピング動作を停止させてから、２秒でカフ１０９の空気の排気が完了することが示されている。
　従って、この実施形態の流体制御装置１００によれば、カフ１０９に圧縮空気を充填し、カフ１０９から空気を急速排気することができる。また、この実施形態によれば、上述したように、消費電力が小さい小型・低背な流体制御装置１００を提供できる。
　なお、以上の実施形態では、流体制御装置１００が圧電ポンプ１０１を備えているが、実施の際は、圧電ポンプ１０１に変えて他のポンプを備えても構わない。また、圧電ポンプ１０１及びアクティブバルブ１０３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。
　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。
１　　圧電弁
２　　弁室天板
３　　弁室上壁板
４　　弁座
５　　弁体板
５Ａ　　樹脂フィルム材
５Ｂ　　圧電素子
６　　弁室下壁板
７　　弁室底板
１２　　配線
１４　　弁室
１５　　弁室
１６　　流出口
１７　　流入口
３０　　弁座
３１　　バルブ筐体
３２　　排気弁孔
３３　　排気室
３４　　連通孔
４０　　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　　平面部
５２　　吸引孔
５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ　　スペーサ
５４　　蓋部
５５　　吐出孔
６０　　振動板ユニット
６１　　振動板支持枠
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　　ポンプ筐体
９１　　基板
９２　　開口部
１００　　流体制御装置
１０１　　圧電ポンプ
１０３　　排気弁付圧電ポンプ
１０６Ａ　　接続口
１０７Ａ、１０７Ｂ　　吸引口
１０７Ｃ　　排気口
１０８　　ダイヤフラム
１０９　　カフ
１０９Ａ　　ゴム管
１１０　　筐体
１１１　　制御部
１４０　　アクチュエータ
１４１　　振動板
１４２　　圧電素子
１４３　　補強板
１４５　　ポンプ室
１５１　　平面部
１５２　　吸引孔
１５３Ａ、１５３Ｂ、１５３Ｃ　　スペーサ
１６１　　振動板支持枠
１７１　　枠部位
１８０　　ポンプ筐体
１９１　　基板
１９２　　開口部

Claims (6)

  1. 　外部に連通する第１連通孔と第２連通孔とが形成されたバルブ筐体と、
    　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を有し、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に、外部に連通する第３連通孔が形成されたポンプ筐体と、
    　前記第１連通孔に連通する排気室を前記バルブ筐体とともに構成し、前記第３連通孔に連通する第１ポンプ室を前記ポンプ筐体とともに構成するダイヤフラムと、を備えるアクティブバルブ。
  2. 　前記アクチュエータは円板状である、請求項１に記載のアクティブバルブ。
  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に記載のアクティブバルブ。
  4. 　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３の何れかに記載のアクティブバルブ。
  5. 　前記アクティブバルブは、前記第２連通孔から前記ダイヤフラムに印加される圧力をＰ１とし、前記第１ポンプ室の圧力をＰ２とし、前記第２連通孔の内面積をＡ１とし、前記ダイヤフラムにおける前記第１ポンプ室に接する部分の面積をＡ２としたとき、Ｐ１・Ａ１＜Ｐ２・Ａ２の関係を満たす圧力を、前記アクチュエータの屈曲振動を行って前記第１ポンプ室に生じさせ、前記ダイヤフラムで前記第２連通孔をシールし、
    　前記アクティブバルブは、前記アクチュエータの屈曲振動を停止し、前記第１ポンプ室を降圧させて、前記ダイヤフラムが開放して前記第１連通孔と前記第２連通孔とを連通させる、請求項１乃至４の何れかに記載のアクティブバルブ。
  6. 　第２ポンプ室と前記第２ポンプ室を介して互いに連通する第４連通孔および第５連通孔とを有し、ポンピング動作により前記第４連通孔から吸引した空気を、前記第５連通孔に連通する空気貯蔵部へ前記第５連通孔から吐出するポンプと、
    　請求項１乃至５の何れかに記載のアクティブバルブと、を備え、
    　前記アクティブバルブの前記第２連通孔は、前記ポンプの前記第５連通孔および前記空気貯蔵部に連通する、流体制御装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016173457A1 (zh) * 2015-04-30 2016-11-03 深圳金亿帝医疗设备股份有限公司 气阀、集成气泵及可穿戴的电子血压计

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58140491A (ja) * 1982-02-16 1983-08-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 流れ発生装置
JPS61228179A (ja) * 1985-03-29 1986-10-11 Keihin Seiki Mfg Co Ltd 弁装置
WO2008081767A1 (ja) * 2006-12-27 2008-07-10 Murata Manufacturing Co., Ltd. 圧電バルブ
WO2009148008A1 (ja) * 2008-06-03 2009-12-10 株式会社村田製作所 圧電マイクロブロア

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58140491A (ja) * 1982-02-16 1983-08-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 流れ発生装置
JPS61228179A (ja) * 1985-03-29 1986-10-11 Keihin Seiki Mfg Co Ltd 弁装置
WO2008081767A1 (ja) * 2006-12-27 2008-07-10 Murata Manufacturing Co., Ltd. 圧電バルブ
WO2009148008A1 (ja) * 2008-06-03 2009-12-10 株式会社村田製作所 圧電マイクロブロア

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016173457A1 (zh) * 2015-04-30 2016-11-03 深圳金亿帝医疗设备股份有限公司 气阀、集成气泵及可穿戴的电子血压计

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