WO2020111064A1 - ポンプ - Google Patents

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WO2020111064A1
WO2020111064A1 PCT/JP2019/046178 JP2019046178W WO2020111064A1 WO 2020111064 A1 WO2020111064 A1 WO 2020111064A1 JP 2019046178 W JP2019046178 W JP 2019046178W WO 2020111064 A1 WO2020111064 A1 WO 2020111064A1
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WO
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diaphragm
pump
outer peripheral
top plate
peripheral edge
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/046178
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English (en)
French (fr)
Inventor
伸拓 田中
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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Priority to CN201980064470.5A priority patent/CN112789407B/zh
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    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/08—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having tubular flexible members
    • F04B43/09—Pumps having electric drive
    • F04B43/095—Piezoelectric 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
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a pump, and more particularly to a pump including a piezoelectric body.
  • a pump equipped with a piezoelectric material has been used as a suction device or a pressurizing device for fluid such as gas or liquid.
  • Some pumps have a function of a valve body that closes an intake port or an exhaust port to a pump chamber, which is at least partially realized by vibration of a diaphragm.
  • Patent Document 1 describes a pump without a valve element.
  • the pump suctions and exhausts gas by vibrating a diaphragm to which a piezoelectric body is attached.
  • an object of the present invention is to provide a pump having a piezoelectric body with improved work amount.
  • a diaphragm having a piezoelectric body on a first main surface and a second main surface of the diaphragm opposite to the first main surface are opposed to each other.
  • the side wall and the diaphragm are cross-sectionally viewed in a direction orthogonal to the direction in which the support portion that supports the outer periphery of the diaphragm and the second main surface of the diaphragm and the main surface of the top plate face each other.
  • a pump in which the first opening of the top plate is located so as to face the position of the second opening formed between them and the displacement of the diaphragm that is smaller than the displacement at the outer peripheral edge of the diaphragm. is there.
  • the pump of the present invention it is possible to provide a pump having a piezoelectric body with improved work load.
  • a pump includes a diaphragm having a piezoelectric body on a first main surface, and a ceiling having a first opening facing a second main surface of the diaphragm opposite to the first main surface.
  • a plate and a cover including a side wall connected to an outer peripheral portion of the top plate so as to surround a space between the top plate and the vibration plate, and a cover connected to the side wall and supporting an outer circumference of the vibration plate.
  • the first opening of the top plate is located so as to face the portion and the position of the diaphragm having a displacement amount smaller than the displacement amount at the outer peripheral edge of the diaphragm.
  • the displacement of the outer peripheral edge of the diaphragm is large, so that the speed of the fluid flowing through the outer peripheral edge of the diaphragm is high.
  • the velocity of the fluid flowing is slower than that at the outer peripheral edge. Therefore, there is a static pressure difference between the outer peripheral edge of the diaphragm and the position where the displacement amount is smaller than the outer peripheral edge, and the outer peripheral edge has a lower static pressure.
  • the opening of the top plate faces the position where the displacement is smaller than the outer peripheral edge of the diaphragm, the outer peripheral edge of the diaphragm has a lower static pressure than the opening of the top plate, and An outward flow rate is generated from the portion toward the outer peripheral edge of the diaphragm. As a result, the work of the pump can be improved.
  • the diaphragm vibrates in opposite phases at the central portion and the outer peripheral edge, and the first opening of the top plate is closer to the vibration node of the diaphragm than the outer peripheral edge of the diaphragm. May be.
  • the diaphragm vibrates in opposite phases at the central portion and the outer peripheral edge, so that there is a non-vibrating node portion between the central portion and the outer peripheral edge. Since the displacement of the diaphragm becomes almost zero at the node, the fluid speed becomes the slowest.
  • the opening of the top plate is closer to the vibration node than the outer peripheral edge of the diaphragm, a large static pressure difference can be generated between the opening of the top plate and the outer peripheral edge of the diaphragm.
  • the outward flow rate can be increased from the opening of the top plate toward the outer peripheral edge of the diaphragm.
  • the first opening of the top plate may be located inside a position serving as a node of vibration of the diaphragm. According to such a configuration, since the distance between the opening of the top plate and the outer peripheral edge of the diaphragm is long, high pressure characteristics can be obtained.
  • the diaphragm is circular, vibrates in opposite phase at the central portion and the outer peripheral edge of the diaphragm, the position of the diaphragm with a displacement amount smaller than the displacement amount at the outer peripheral edge of the diaphragm,
  • the position may be 45% or more and 81% or less of the radius of the diaphragm from the center CL of the diaphragm.
  • the support portion may have a beam shape along the outer peripheral edge of the diaphragm. With such a configuration, the flexibility of the support portion can be made suitably higher than that of the diaphragm.
  • the support may be more flexible than the diaphragm. According to such a configuration, the displacement amount of the outer peripheral edge of the diaphragm increases, so that the backflow suppressing effect can be enhanced, and the pump flow rate and the pump pressure can be increased.
  • the supporting portion may be connected to the entire outer circumference of the diaphragm.
  • the support portion may be thinner than the diaphragm.
  • the flexibility of the support portion can be suitably made higher than that of the diaphragm.
  • the diaphragm may be made of metal, and the supporting portion may be made of resin. With such a configuration, the flexibility of the support portion can be made suitably higher than that of the diaphragm.
  • a valve body may be provided, one of which is connected to the outer peripheral edge of the diaphragm and the other of which is an open end.
  • the open end of the valve element since the other end of the valve element is the open end, when the backflow of the fluid occurs from the opening of the support portion, the open end of the valve element stands up toward the top plate, and It is possible to narrow the flow path from the opening to the opening of the support portion. Therefore, since the flow path resistance can be increased with respect to the reverse flow of the fluid, the reverse flow of the fluid can be reduced by the valve body. Further, when the fluid flows from the opening portion of the top plate to the opening of the support portion, the other of the valve bodies is separated from the top plate, so that the flow of the fluid is not obstructed.
  • a recess may be provided outside the first opening of the top plate.
  • a recess may be provided on the diaphragm side at the center of the top plate.
  • an auxiliary plate sandwiched between the vibration plate and the piezoelectric body may be provided.
  • the vibration of the diaphragm can be further amplified.
  • the static pressure difference can be increased, and the pump flow rate and pump pressure can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the pump 1 according to the first embodiment.
  • air is taken as an example of the fluid flowing by the pump 1, but the fluid is not limited to this, and the fluid may be gas other than air or liquid.
  • the pump 1 includes a piezoelectric body 3, a diaphragm 7, a support portion 9 that supports the diaphragm 7 in a vibrating manner, and a cover 10 that surrounds a space between the diaphragm 7.
  • the cover 10 includes a side wall 11 to which the outer end of the support portion 9 is connected, and a top plate 31 connected to the upper end of the side wall 11.
  • the piezoelectric body 3 is configured by providing electrodes on both main surfaces of a thin plate made of a piezoelectric material.
  • the piezoelectric body 3 is provided with an electrode film (not shown) on substantially the entire upper and lower main surfaces.
  • the piezoelectric body 3 has a disk shape and is attached to the lower surface of the central portion of the diaphragm 7.
  • the diaphragm 7 is made of metal such as SUS301.
  • the piezoelectric body 3 is connected to the first main surface 7a of the diaphragm 7.
  • a rectangular wave or sinusoidal drive voltage of, for example, about 20 kHz is applied from an external power supply between the electrode films on the upper and lower principal surfaces of the piezoelectric body 3, whereby the vibration plate 7 and the piezoelectric body 3 have a principal surface method.
  • Flexural vibration with the line direction as the amplitude direction is rotationally symmetrical (concentric) from the center of the main surface to the outer circumference.
  • the top plate 31 includes a first main surface 31a facing the diaphragm 7, a second main surface 31b opposite to the first main surface 31a, and an annular recess 31c formed on the second main surface 31b side. It has a plurality of first openings 31d arranged in an annular shape and penetrating from the bottom surface of the recess 31c to the pump chamber 15.
  • the top plate 31 has a cylindrical recess 31e that is recessed in the direction of the second main surface 31b in the central portion on the first main surface 31a side.
  • the top plate 31 has a point-symmetrical shape having a symmetrical point 31f, and the first opening 31d is not located at the symmetrical point 31f.
  • the symmetry point 31f is a position facing the center CL of the diaphragm 7 on the top plate 31, and is, for example, the center of the top plate 31.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken from a direction orthogonal to the direction in which the first main surface 31a of the top plate 31 and the second main surface 31b of the diaphragm 7 face each other.
  • the side wall 11 is connected to the outer peripheral portion of the top plate 31 so as to surround the pump chamber 15 on the vibration plate 7 side of the top plate 31.
  • the side wall 11 has, for example, a cylindrical shape. Therefore, the cover 10 faces the surface of the diaphragm 7 on the side opposite to the first main surface 31 a, has the first opening 31 d, and is connected to the outer peripheral portion of the diaphragm 7 via the support portion 9.
  • the top plate 31 and the side wall 11 may form the cover 10 as separate members or may form the cover 10 as an integral member.
  • a second opening 17 that connects the pump chamber 15 and the external space on the piezoelectric body 3 side is provided between the diaphragm 7 and the side wall 11. As a result, the air sucked into the pump chamber 15 from the first opening 31d of the top plate 31 is discharged from the second opening 17.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the vibration characteristics of the diaphragm 7.
  • the downward displacement of the diaphragm 7 is positive, and the upward displacement is negative.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is located opposite to the position of the diaphragm 7 having a displacement amount smaller than the displacement amount Dp at the outer peripheral edge of the diaphragm 7.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is formed within the range Rp1 of the diaphragm 7 having a displacement amount smaller than the displacement amount Dp at the outer peripheral edge of the diaphragm 7 in a plan view. More specifically, it is formed within a distance Rv of 63% ⁇ 18% of the radius Rd from the center of the pump chamber 15 (center CL of the vibration plate 7).
  • the pressure distribution in the pump chamber 15 is presumed to follow the Bessel function of the first kind, the range of the distance Rv from the center of the pump chamber 15 is close to the node of the pressure distribution of the pump chamber 15. It is assumed that the position of the vibration node Nd of the diaphragm 7 and the position of the pressure change node of the pump chamber 15 coincide with each other. Therefore, fluid leakage does not occur from the first opening 31d, and a high pump flow rate and pump pressure can be obtained.
  • the first opening 31d of the top plate 31 may be located in a range Rp2 outside the position serving as the node Nd of vibration of the diaphragm 7 in the direction along the first and second major surfaces 7a and 7b. ..
  • the first opening 31d of the top plate 31 is formed between the vibration node Nd of the vibration plate 7 and the outer peripheral edge of the vibration plate 7 serving as an antinode of the vibration.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is located within a range in which the sign of the displacement of the diaphragm 7 and the sign of the value obtained by differentiating the displacement of the diaphragm 7 match.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is located at a position of the vibration plate 7 having a displacement amount smaller than the displacement amount Dp at the outer peripheral edge of the vibration plate 7 and is a node Nd of vibration of the vibration plate 7. Also, it may be located in the inner range Rp3 in the direction along the first and second main surfaces 7a and 7b. In this case, since the distance between the first opening 31d of the top plate 31 and the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is long, high pressure characteristics can be obtained.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the pump 1.
  • FIG. 4 is a plan view of the top plate 31 and the side wall 11 viewed from the diaphragm 7 side.
  • FIG. 5 is a plan view of the vibration unit 23.
  • the pump 1 is configured by laminating a plurality of plate-shaped members, that is, the piezoelectric body 3, the auxiliary plate 5, the vibration unit 23, the side wall plate 21, and the top plate 31 in this order.
  • the overall thickness of the pump 1 has a low profile, for example, about 1 mm.
  • the auxiliary plate 5 is arranged between the piezoelectric body 3 and the vibration plate 7.
  • the upper surface of the auxiliary plate 5 is attached to the lower surface of the central portion of the diaphragm 7.
  • the pump 1 may not have the auxiliary plate 5.
  • the side wall plate 21 has a circular opening 21a forming the pump chamber 15 and a side wall portion 11a surrounding the opening 21a.
  • the vibration unit 23 has a diaphragm 7, a support portion 9, a side wall portion 11b, and a second opening portion 17.
  • the diaphragm 7 has, for example, a circular shape in a plan view, and is arranged at the center of the vibration unit 23.
  • the shape of the diaphragm 7 is not limited to a circular shape and may be a rectangular shape.
  • the side wall portion 11b has a frame shape in a plan view and is arranged around the diaphragm 7.
  • the support portion 9 has a beam-shaped beam portion 25 extending along the outer peripheral edge of the diaphragm 7, and connects the diaphragm 7 and the side wall portion 11b.
  • the diaphragm 7 is arranged such that its center CL faces the recess 31e of the top plate 31.
  • the side wall 11 is composed of the side wall 11a of the side wall plate 21 and the side wall 11b of the vibration unit 23.
  • a plurality of support parts 9 are provided in the vibration unit 23, and three or more support parts 9 are provided at intervals.
  • the support portion 9 extends in the radial direction of the vibrating plate 7 and a beam-shaped beam portion 25, and extends in the radial direction of the vibrating plate 7 and the first connecting portion 27 that connects the beam portion 25 and the vibrating plate 7.
  • the second connecting portion 29 that connects the portion 25 and the side wall portion 11b is provided.
  • the first connecting portions 27 are arranged at 90° intervals.
  • the supporting portion 9 since the supporting portion 9 has the long rectangular beam portion 25, the supporting portion 9 is formed in a shape having higher flexibility than the diaphragm 7, and the outer peripheral edge of the diaphragm 7 can vibrate.
  • the thickness of the support portion 9 may be smaller than that of the diaphragm 7, or the support portion 9 may be bent more than the diaphragm 7. Easy material may be used.
  • the second opening 17 has a first through hole 17a formed between the diaphragm 7 and the side wall portion 11b and a second through hole 17b formed between the beam portion 25 and the side wall portion 11b. ..
  • the first through hole 17 a is formed along the outer peripheral edge of the diaphragm 7.
  • the second through hole 17b is formed along the beam portion 25. In the vibration unit 23, both the first through hole 17a and the second through hole 17b penetrate in the stacking direction.
  • the diaphragm 7 has, for example, a diameter of 13 mm and a thickness of 0.5 mm.
  • the piezoelectric body 3 has a diameter of 11 mm and a thickness of 0.05 mm, for example.
  • the top plate 31 has, for example, a diameter of 17 mm and a thickness of 0.25 mm.
  • the distance between the diaphragm 7 and the top plate 31 in the central portion is, for example, 0.15 mm.
  • FIGS. 6A to 6H are explanatory views showing displacement of the diaphragm during operation of the pump 1.
  • the piezoelectric body 3 tries to expand and contract isotropically in the in-plane direction, so that the piezoelectric body 3 and the vibration plate 7 are laminated. Flexural vibrations in the thickness direction are generated concentrically.
  • the side wall portion 11b serves as a fixed portion
  • the center CL of the diaphragm 7 serves as the antinode of the first vibration
  • the outer peripheral edge of the diaphragm 7 serves as the antinode of the second vibration.
  • the center CL of the diaphragm 7 and the outer peripheral edge of the diaphragm 7 vibrate in opposite directions.
  • FIG. 6A shows a state in which the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is closest to the top plate 31.
  • FIG. 6B when the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is slightly separated from the top plate 31, air flows into the outer peripheral edge of the diaphragm 7 from the second opening 17.
  • the static pressure at the outer peripheral edge of the diaphragm 7 decreases by the wind velocity of the inflowing air, and the air flows into the pump chamber 15 from the first opening 31d.
  • 6C shows a state where the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is separated from the top plate 31 and the diaphragm 7 and the top plate 31 are substantially parallel to each other, and FIG.
  • FIG. 6D shows that the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is further separated from the top plate 31. It is in a state of being.
  • the state of the pump chamber 15 in FIGS. 6C and 6D is similar to the state in FIG. 6B. Therefore, even in the state of FIGS. 6C and 6D, air flows from the second opening 17 to the outer peripheral edge of the diaphragm 7.
  • FIG. 6E shows a state where the outer peripheral edge of the diaphragm 7 approaches the top plate 31 and the diaphragm 7 is substantially parallel to the top plate 31, and FIG. 6H shows the outer peripheral edge of the vibration plate 7 further to the top plate 31.
  • FIGS. 7 and 8 are schematic cross-sectional views of pumps in Comparative Examples 1 and 2.
  • a first opening 31d is provided at the center of the top plate 31.
  • the other configurations of the pump 1A are the same as those of the pump 1.
  • the pump 1B shown in FIG. 8 is the same as the pump 1A of the first embodiment except that a top opening 31 is also provided with a first opening 31d in the center thereof.
  • the other configurations of the pump 1B are the same as those of the pump 1.
  • the first opening portion 31d of the top plate 31 is provided so as to face the position of the vibration node Nd of the vibration plate 7, and the pump performance of the pump 1 including the auxiliary plate 5 is that the drive voltage is 20 Vpp.
  • the pump flow rate is 1.19 L/min and the pump pressure is 0.4 kPa.
  • the pump performance of the pump 1A of Comparative Example 1 shown in FIG. 7 is that the pump flow rate is 0.03 L/min and the pump pressure is 0 kPa at a drive voltage of 20 Vpp.
  • the pump performance of the pump 1B of Comparative Example 2 shown in FIG. 8 is that the pump flow rate is 0.03 L/min and the pump pressure is 0 kPa at a drive voltage of 20 Vpp. Therefore, the pump performance of each of the pumps 1A and 1B is the same.
  • the output of the pump 1 of the first embodiment has higher performances in both the pump flow rate and the pump pressure than the pumps 1A and 1B of Comparative Examples 1 and 2, and the work amount is improved.
  • the diaphragm 7 having the piezoelectric body 3 on the first main surface 7a and the surface of the diaphragm 7 opposite to the first main surface 7a face each other, and the first opening 31d is provided.
  • a cover 10 having a top plate 31 and a side wall 11 connected to an outer peripheral portion of the top plate 31 so as to surround a space between the top plate 31 and the vibration plate 7, and an outer periphery of the vibration plate 7 connected to the side wall 11.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is located.
  • the outer peripheral edge of the diaphragm 7 has a large displacement, the speed of the fluid flowing through the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is high.
  • the speed of the fluid flowing is slower than that at the outer peripheral edge. Therefore, there is a static pressure difference between the outer peripheral edge of the diaphragm 7 and a position where the displacement amount is smaller than the outer peripheral edge, and the outer peripheral edge has a lower static pressure.
  • the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is closer to the outer peripheral edge of the diaphragm 7 than the first opening 31d of the top plate 31.
  • the static pressure is low, and an outward flow rate is generated from the first opening 31d of the top plate 31 toward the outer peripheral edge of the diaphragm 7. As a result, the work of the pump can be improved.
  • the diaphragm 7 vibrates in the opposite phase at the central portion and the outer peripheral edge, and the first opening 31 d of the top plate 31 is located at a position that is a node Nd of vibration of the diaphragm 7 rather than the outer peripheral edge of the diaphragm 7. near.
  • the diaphragm 7 vibrates in the opposite phase at the central portion and the outer peripheral edge, there is a non-vibrating node Nd between the central portion and the outer peripheral edge. Since the displacement amount of the vibration plate 7 becomes substantially zero in the portion that becomes the node Nd, the speed of the fluid becomes the slowest.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is closer to the position that becomes the node Nd of vibration than the outer peripheral edge of the diaphragm 7, a gap between the first opening 31d of the top plate 31 and the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is set. A large static pressure difference can be generated, and the outward flow rate can be increased from the first opening 31d of the top plate 31 toward the outer peripheral edge of the diaphragm 7.
  • the first opening 31d of the top plate 31 may be located inside the position serving as the node Nd of vibration of the diaphragm 7.
  • the diaphragm 7 is circular and vibrates in opposite phases at the central portion and the outer peripheral edge of the diaphragm 7, and the position of the diaphragm 7 having a displacement amount smaller than the displacement amount at the outer peripheral edge of the diaphragm 7 is The position is 45% or more and 81% or less of the radius of the diaphragm 7 from the center CL of the plate 7.
  • the first opening 31d of the top plate 31 is located in the vicinity of the node Nd in the Bessel function of the first kind, so that a large static pressure difference can be generated.
  • the supporting portion 9 may have a beam shape along the outer peripheral edge of the diaphragm 7. According to such a configuration, the flexibility of the support portion 9 can be made suitably higher than that of the diaphragm 7.
  • the support portion 9 is more flexible than the diaphragm 7.
  • a recess 31c may be provided outside the first opening 31d of the top plate 31.
  • a dent 31e may be provided on the diaphragm 7 side at the center of the top plate 31. According to such a configuration, since the distance between the diaphragm 7 and the top plate 31 is longer in the central portion of the diaphragm 7 where the vibration displacement is maximum, the air resistance is reduced and the vibration displacement is increased. be able to. As a result, the pump flow rate and pump pressure can be increased.
  • an auxiliary plate 5 sandwiched between the vibration plate 7 and the piezoelectric body 3 may be provided.
  • the vibration of the diaphragm 7 can be further amplified.
  • the static pressure difference can be increased, and the pump flow rate and pump pressure can be increased.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the pump 1C according to the second embodiment.
  • the support portion 9C is thinner than the diaphragm 7.
  • the pump 1 of the first embodiment is different from the pump 1C of the second embodiment. Therefore, the pump 1C in the second embodiment is common to the pump 1 in the first embodiment except for this point and the points described below.
  • the second opening 17 is not shown in FIG. 9, it is formed in the support portion 9C.
  • the support portion 9C is thinner than the diaphragm 7, even if the support portion 9C and the diaphragm 7 are made of the same material, the flexibility of the support portion 9C is reduced. It can be made higher than the diaphragm 7.
  • the thickness of the diaphragm 7 is 0.40 mm, while the thickness of the support portion 9C is 0.10 mm.
  • FIG. 10A is a schematic sectional view of a pump 1D according to the third embodiment.
  • FIG. 10B is a plan view of the diaphragm unit 23D of the pump 1D according to the third embodiment.
  • the diaphragm 7 and the support portion 9D are formed as separate members.
  • the pump 1 according to the first embodiment and the pump 1D according to the third embodiment are different.
  • the configuration other than this point and the point described below is common to the pump 1 of the first embodiment and the pump 1D of the third embodiment.
  • the support portion 9D of the pump 1D is made of a material having a lower elastic modulus than the diaphragm 7.
  • the support portion 9D is made of, for example, a resin film such as polyimide.
  • the elastic modulus of the film is, for example, 1 to 5 GPa
  • the elastic modulus of the diaphragm 7 is, for example, 200 GPa if it is made of stainless steel. In this way, since the elastic modulus of the support portion 9D is lower than the elastic modulus of the diaphragm 7, the diaphragm 7 is not strongly restrained. Thereby, the outer peripheral edge of the diaphragm 7 can vibrate greatly.
  • the thickness of the film is, for example, 5 to 200 ⁇ m.
  • the configuration in which the diaphragm 7 and the support portion 9D are formed as separate members may be applied to the first embodiment.
  • a plurality of through holes 9Da are annularly formed in the support portion 9D to form the second opening 17D.
  • the support portion 9D is connected to the entire outer circumference of the diaphragm 7. Therefore, since the connection strength between the vibration plate 7 and the supporting portion 9D can be improved, the durability of the supporting portion 9D can be improved.
  • the diaphragm 7 is made of metal and the support portion 9D is made of resin. According to such a configuration, the flexibility of the support portion 9D can be suitably made higher than that of the diaphragm 7.
  • FIG. 11A is a schematic cross-sectional view when the valve body 35 of the pump 1E according to the fourth embodiment is open.
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view when the valve body 35 of the pump 1E according to the fourth embodiment is closed.
  • a ring-shaped valve body 35 is attached along the outer peripheral edge of the diaphragm 7.
  • the pump 1 of the first embodiment is different from the pump 1E of the fourth embodiment.
  • the pump 1 ⁇ /b>E of the fourth embodiment is common to the pump 1 of the first embodiment except for this point and the configuration other than the matters described below.
  • the valve body 35 is formed of a film made of polyimide or PET.
  • the valve body 35 has an adhesive portion 35a that is adhered to the diaphragm 7 near the inner periphery and a movable portion 35b that is an open end near the outer periphery.
  • the adhesive portion 35a is attached to the surface of the diaphragm 7 outside the first opening 31d.
  • the valve body 35 suppresses the flow from the opening of the support portion 9 to the first opening portion 31d of the top plate 31, and prevents the flow from the first opening portion 31d of the top plate 31 to the second opening portion 17 of the support portion 9. Pass through.
  • the thickness of the valve body 35 is 100 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or less. The thinner the valve body 35, the easier it will operate as a valve body. In order to ensure the durability of the valve body 35, the thickness of the valve body 35 is preferably 3 ⁇ m or more. Further, if the radial length of the movable portion 35b of the valve body 35 is longer than the distance between the diaphragm 7 and the top plate 31, the open end of the valve body 35 overlaps with the top plate 31, and the top plate 31 of the top plate 31 is overlapped. The flow path Fp from the first opening 31d to the second opening 17 of the support 9 can be closed. Thereby, the occurrence of backflow can be largely prevented.
  • the pump 1E according to the fourth embodiment includes the valve body 35, one of which is connected to the outer peripheral edge of the diaphragm 7 and the other of which is an open end.
  • the other end of the valve element 35 is the open end, so that when the backflow of the fluid occurs from the second opening 17 of the support portion 9, the open end of the valve element 35 is the top plate 31.
  • the flow path Fp from the first opening 31d of the top plate 31 to the second opening 17 of the support 9 can be narrowed. Therefore, since the flow path resistance can be increased with respect to the reverse flow of the fluid, the reverse flow of the fluid can be reduced by the valve element 35.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, but can be modified as follows.
  • the vibration unit 23 has the four support parts 9, but the number is not limited to this.
  • the vibration unit 23 may have three or five or more support parts 9. As shown in FIG. 12, for example, in the vibration unit 23E, three support portions 9 may be arranged at every 120°.
  • the diaphragm 7 and the beam portion 25 may be connected in a bifurcated manner. As shown in FIG. 13, for example, in the vibration unit 23F, the vibration plate 7 and the beam portion 25 are connected by the two first connecting portions 27. Further, the beam portion 25 and the side wall portion 11b may be connected by one second connecting portion 29.
  • the present invention can be applied to a pump including a piezoelectric body.

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Abstract

第１主面に圧電体を有する振動板（７）と、第１主面と逆側の振動板の第２主面に対向し、第１開口部（３１ｄ）を有する天板（３１）と、天板と振動板との間の空間を囲むように、天板の外周部に接続される側壁（１１）とを備えるカバー（１０）と、側壁に接続され、振動板の外周を支持する支持部（９）と、振動板の第２主面と天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、側壁と振動板との間に形成された第２開口部（１７）と、を備え、振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板の位置と対向して、天板の第１開口部が位置する、ポンプである。

Description

ポンプ
　本発明は、ポンプに関し、特に圧電体を備えるポンプに関する。
　従来、圧電体を備えるポンプが気体や液体などの流体の吸引装置または加圧装置として用いられている。ポンプには、ポンプ室への吸気口又は排気口を閉じる弁体の機能を振動板の振動により少なくとも部分的に実現するポンプがある。
　例えば、特許文献１には、弁体を備えないポンプが記載されている。ポンプは、圧電体が貼り付けられた振動板の振動により吸排気を実施している。
特許第５１７７３３１号
　しかしながら、振動板の振動により弁体の機能を少なくとも部分的に実現するポンプにおいて、充分なポンプ流量またはポンプ圧力を得ることができないので、ポンプの充分な仕事量を得ることができない問題がある。
　したがって、本発明の目的は、圧電体を備えるポンプにおいて、仕事量を向上させたポンプを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、第１主面に圧電体を有する振動板と、前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板及び、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁を備えるカバーと、前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する、ポンプである。
　本発明に係るポンプによれば、圧電体を備えるポンプにおいて、ポンプの仕事量を向上させたポンプを提供することができる。
実施形態１におけるポンプの模式的断面図 振動板の振動特性を示す説明図 ポンプの分解斜視図 実施形態１における天板の底面図 振動ユニットの平面図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図 比較例１のポンプの模式的断面図 比較例２のポンプの模式的断面図 実施形態２におけるポンプの模式的断面図 実施形態３におけるポンプの模式的断面図 実施形態３におけるポンプの模式的断面図 実施形態４におけるポンプの模式的断面図 実施形態４におけるポンプの模式的断面図 変形例における振動ユニットの平面図 変形例における振動ユニットの平面図
　本発明の一態様のポンプは、第１主面に圧電体を有する振動板と、前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板及び、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁を備えるカバーと、前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する。
　このような構成によれば、振動板の外周縁は変位が大きいので振動板の外周縁を流れる流体の速さが速い。これに対して、振動板の外周縁の変位量よりも小さい変位量の振動板の位置では、外周縁に比べて流れる流体の速さが遅い。したがって、振動板の外周縁と、外周縁よりも変位量の小さい位置とでは、静圧差があり、外周縁の方が静圧が低い。天板の開口部は、振動板の外周縁よりも変位量の小さい位置と対向しているので、天板の開口部よりも振動板の外周縁の方が静圧が低く、天板の開口部から振動板の外周縁に向けて外向きの流量が生じる。これにより、ポンプの仕事量を向上させることができる。
　また、前記振動板は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の外周縁よりも前記振動板の振動の節となる位置に近くてもよい。このような構成によれば、振動板は中央部と外周縁において逆位相で振動するので、中央部と外周縁との間に振動しない節となる部分が存在する。この節となる部分は、振動板の変位量がほぼゼロとなるので、流体の速さが最も遅くなる。したがって、天板の開口部が振動板の外周縁よりも振動の節となる位置に近いので、天板の開口部と振動板の外周縁との間に大きな静圧差を発生させることができ、天板の開口部から振動板の外周縁に向けて外向きの流量を増やすことができる。
　また、前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の振動の節となる位置よりも内側に位置してもよい。このような構成によれば、天板の開口部と振動板の外周縁との距離が長いため、高い圧力特性が得られる。
　また、前記振動板は円形であって、前記振動板の中央部と外周縁において逆位相で振動し、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置は、前記振動板の中心ＣＬから前記振動板の半径の４５％以上８１％以下の位置であってもよい。このような構成によれば、天板の開口部が、第１種ベッセル関数において節の近傍に位置するので、大きな静圧差を発生させることができる。
　また、前記支持部は、前記振動板の外周縁に沿った梁形状を有してもよい。このような構成によれば、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
　また、前記支持部は、前記振動板よりも可撓性が高くてもよい。このような構成によれば、振動板の外周縁の変位量が増大するので、逆流抑制効果を高めることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を高くすることができる。
　また、前記支持部は、前記振動板の外周全体と接続してもよい。このような構成によれば、振動板と支持部との接続強度を向上させることができるので、支持部の耐久性を向上することができる。
　また、前記支持部は、前記振動板よりも薄くてもよい。このような構成によれば、例えば、支持部と振動板とが同一の材質であっても、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
　また、前記振動板は、金属製であり、前記支持部は、樹脂製であってもよい。このような構成によれば、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
　また、一方が前記振動板の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体を備えてもよい。このような構成によれば、弁体の他方が開放端であるので、支持部の開口から流体の逆流が発生した場合、弁体の開放端が天板に向けて起立することにより、天板の開口部から支持部の開口への流路を狭くすることができる。したがって、流体の逆流に対して流路抵抗を増すことができるので、流体の逆流を弁体により低減することができる。また、天板の開口部から支持部の開口へ流体が流れる場合は、弁体の他方は天板から離れているので、流体の流れを妨げることがない。
　また、前記天板の前記第１開口部の外側に凹部を有してもよい。このような構成によれば、開口部の内側の気流を乱すことなく、外部から天板の開口部に流れる流体の空気抵抗を低減することができる。
　また、前記天板の中央部の前記振動板側に窪み部を有してもよい。このような構成によれば、振動変位が最大となる振動板の中央部において振動板と天板との間隔が他の箇所よりも長いので空気抵抗を低減し、振動変位を増大することができる。この結果、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
　また、前記振動板と前記圧電体とに挟まれた補助板を備えてもよい。このような構成によれば、振動板の振動をより増幅することができる。この結果、静圧差を大きくすることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
　以下、本発明に係るポンプについて、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同じ機能、構成を有する部材については同一の符号を付して、明細書においてはその説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
　なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、本発明がこの構成に限定されるものではない。また、以下の実施の形態において具体的に示される数値、形状、構成、ステップ、ステップの順序などは、一例を示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、全ての実施の形態において、各変形例における構成も同様であり、各変形例に記載した構成をそれぞれ組み合わせてもよい。
　（実施形態１）
　最初に、図１を参照して実施形態１におけるポンプ１の構造について概略的に説明する。図１は、実施形態１におけるポンプ１の模式的断面図である。なお、以下の説明では、ポンプ１により流れる流体として空気を例に説明するが、これに限らず、流体は、空気以外の気体でもよいし、液体でもよい。
　ポンプ１は、圧電体３と、振動板７と、振動板７を振動可能に支持する支持部９と、振動板７との間の空間を囲むカバー１０を備える。カバー１０は、支持部９の外端が接続される側壁１１と、側壁１１の上端と接続される天板３１と、を備える。
　圧電体３は、圧電材料からなる薄板の両主面に電極を設けて構成されている。圧電体３は、上下主面それぞれの略全面に図示しない電極膜が設けられている。圧電体３は、円板状であり、振動板７の中央部の下面に貼り付けられている。
　振動板７は、例えば、ＳＵＳ３０１のような金属製である。振動板７はその第１主面７ａに圧電体３が接続されている。圧電体３の上下主面それぞれの電極膜間に、外部電源からの例えば２０ｋＨｚ程度の矩形波や正弦波状の駆動電圧が印加されることにより、振動板７及び圧電体３には、主面法線方向を振幅方向とする屈曲振動が主面中心から外周にかけて回転対称形（同心円状）に生じる。
　天板３１は、振動板７と対向する第１主面３１ａと、第１主面３１ａと反対側の第２主面３１ｂと、第２主面３１ｂ側に形成された環状の凹部３１ｃと、凹部３１ｃの底面からポンプ室１５へ貫通する、環状に並べられた複数の第１開口部３１ｄとを有する。また、天板３１は、第１主面３１ａ側の中央部に第２主面３１ｂ方向に窪んだ円筒状の窪み部３１ｅを有する。天板３１は対称点３１ｆを有する点対称形状であり、対称点３１ｆには第１開口部３１ｄが位置していない。対称点３１ｆは、天板３１における振動板７の中心ＣＬに対向する位置であり、例えば、天板３１の中心である。なお、図１は、天板３１の第１主面３１ａと振動板７の第２主面３１ｂとが対向する向きに直交する方向から断面視した図である。
　側壁１１は、天板３１の振動板７側のポンプ室１５を囲むように天板３１の外周部に接続される。側壁１１は、例えば、円筒形状を有する。したがって、カバー１０は、第１主面３１ａと逆側の振動板７の面に対向し、第１開口部３１ｄを有するとともに、支持部９を介して振動板７の外周部に接続される。なお、天板３１と側壁１１とは、それぞれ別部材としてカバー１０を構成してもよいし、一体物としてカバー１０を構成してもよい。
　振動板７と側壁１１との間には、ポンプ室１５と圧電体３側の外部空間とを連通する第２開口部１７を有する。これにより、天板３１の第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ吸引された空気は、第２開口部１７から排出される。
　次に、図１及び図２を参照して、振動板７の半径Ｒｄと、ポンプ１及び振動板７の中心ＣＬから天板３１の第１開口部３１ｄまでの距離Ｒｓと、振動板７の中心ＣＬから振動板７の振動時の節Ｎｄまでの距離Ｒｖとの関係を説明する。図２は、振動板７の振動特性を説明する説明図である。図２において、振動板７の下方への変位をプラスとし、上方への変位をマイナスとする。
　天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の位置と対向して位置する。平面視で、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の範囲Ｒｐ１内に天板３１の第１開口部３１ｄが形成されている。より、具体的には、ポンプ室１５の中心（振動板７の中心ＣＬ）から半径Ｒｄの６３％±１８％の距離Ｒｖ内に形成されている。ポンプ室１５内の圧力分布は、第１種ベッセル関数に従うと推測されるので、ポンプ室１５の中心から距離Ｒｖの範囲は、ポンプ室１５の圧力分布の節に近い。なお、振動板７の振動の節Ｎｄの位置とポンプ室１５の圧力変化の節の位置とは一致すると推測される。したがって、第１開口部３１ｄから流体漏れが生じず、高いポンプ流量及びポンプ圧力を得ることができる。
　また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも第１、第２主面７ａ、７ｂに沿う方向において外側の範囲Ｒｐ２に位置してもよい。天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄから振動の腹となる振動板７の外周縁の間に形成される。言い換えると、振動板７の変位の符号と振動板７の変位を微分した値の符号とが一致する範囲内に天板３１の第１開口部３１ｄが位置する。
　また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の位置であって、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも、第１、第２主面７ａ、７ｂに沿う方向において内側の範囲Ｒｐ３に位置してもよい。この場合、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁の距離が長いので、高い圧力特性を得ることができる。
　次に、実施形態１におけるポンプ１の具体構成例について、図３～図５を参照して、さらに詳細に説明する。図３は、ポンプ１の分解斜視図である。図４は、振動板７側から見た天板３１および側壁１１の平面図である。図５は、振動ユニット２３の平面図である。
　ポンプ１は、複数の板状部材である、圧電体３、補助板５、振動ユニット２３、側壁板２１、及び、天板３１を、順に積層して構成されている。ポンプ１の全体の厚みは、例えば、１ｍｍ程度の低背な構成である。
　補助板５は、圧電体３と振動板７との間に配置されている。補助板５の上面は振動板７の中央部の下面に貼り付けられている。なお、ポンプ１は、補助板５を備えない構成でもよい。
　側壁板２１は、ポンプ室１５を形成する円状の開口２１ａと開口２１ａの周囲を囲む側壁部１１ａを有する。
　振動ユニット２３は、振動板７、支持部９、側壁部１１ｂ、及び、第２開口部１７を有する。振動板７は、例えば、平面視で円形状であり、振動ユニット２３の中央に配置されている。なお、振動板７の形状は円形状に限られず、矩形でもよい。側壁部１１ｂは、平面視で枠状であり、振動板７の周囲に配置されている。支持部９は、振動板７の外周縁に沿って延びる梁形状の梁部２５を有し、振動板７と側壁部１１ｂとを連結する。振動板７は、その中心ＣＬが天板３１の窪み部３１ｅと対向するように配置されている。側壁板２１の側壁部１１ａと振動ユニット２３の側壁部１１ｂとで側壁１１を構成する。
　支持部９は、振動ユニット２３に３つ以上の複数個設けられ、それぞれの支持部９が間隔を空けて設けられている。支持部９は、梁形状の梁部２５と、振動板７の半径方向に延び、梁部２５と振動板７とを接続する第１連結部２７と、振動板７の半径方向に延び、梁部２５と側壁部１１ｂとを接続する第２連結部２９とを備える。第１連結部２７は、９０°間隔で配置されている。このように、支持部９は長い矩形の梁部２５を有するので、振動板７より可撓性が高い形状に形成されており、振動板７の外周縁は振動可能である。なお、支持部９が振動板７よりも可撓性を高くするために、支持部９の厚みが振動板７の厚みよりも薄くしてもよいし、支持部９が振動板７よりも曲がりやすい材質でもよい。
　第２開口部１７は、振動板７と側壁部１１ｂとの間に形成された第１貫通孔１７ａと、梁部２５と側壁部１１ｂとの間に形成された第２貫通孔１７ｂとを有する。第１貫通孔１７ａは、振動板７の外周縁に沿って形成されている。第２貫通孔１７ｂは、梁部２５に沿って形成されている。振動ユニット２３において、第１貫通孔１７ａ及び第２貫通孔１７ｂは、共に積層方向に貫通している。
　振動板７は、例えば、直径１３ｍｍで厚さが０．５ｍｍである。圧電体３は、例えば、直径１１ｍｍで厚さが０．０５ｍｍである。天板３１は、例えば、直径１７ｍｍで厚さが０．２５ｍｍである。中央部における振動板７と天板３１との間隔は、例えば、０．１５ｍｍである。
　次に、ポンプ１の駆動について、図６Ａ～図６Ｈを参照して説明する。図６Ａ～図６Ｈはポンプ１が動作中の振動板の変位を示す説明図である。ポンプ１では、外部接続端子（図示省略）に交流の駆動電圧が印加されると、圧電体３が面内方向に等方的に伸縮しようとして、圧電体３と振動板７との積層体に厚み方向の屈曲振動が同心円状に生じる。この屈曲振動では、側壁部１１ｂが固定部となり、振動板７の中心ＣＬが第１の振動の腹となり、振動板７の外周縁が第２の振動の腹となる。振動板７の中心ＣＬと振動板７の外周縁とは逆方向の振動となる。
　図６Ａは、振動板７の外周縁が天板３１に最も接近している状態である。次に、図６Ｂに示すように、振動板７の外周縁が天板３１から少し離れると、第２開口部１７から振動板７の外周縁へと空気が流入する。その流入空気の風速分、振動板７の外周縁における静圧が下がり、第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ空気が流入する。図６Ｃは振動板７の外周縁が天板３１から離れて振動板７と天板３１とが略平行になった状態であり、図６Ｄは振動板７の外周縁がさらに天板３１から離れた状態である。図６Ｃ、図６Ｄのポンプ室１５の状態も図６Ｂの状態と同様である。したがって、図６Ｃ、図６Ｄの状態においても、第２開口部１７から振動板７の外周縁へと空気が流入する。
　次に、図６Ｅのように、振動板７の外周縁が天板３１に最も離れた状態に至った後、図６Ｆのように、振動板７の外周縁が天板３１へ少し接近すると、振動板７の外周縁から第２開口部１７へと空気が排出される。その排出空気の風速分、振動板７の外周縁における静圧が下がり、第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ空気が流入する。図６Ｇは振動板７の外周縁が天板３１へ接近して振動板７が天板３１と略平行になった状態であり、図６Ｈは、振動板７の外周縁が天板３１へさらに接近した状態であるが、図６Ｇ、図６Ｈのポンプ室１５の状態も同様である。したがって、図６Ｇ、図６Ｈの状態においても、振動板７の外周縁から第２開口部１７へと空気が排出される。
　以上のように、図６Ａから図６Ｈに至り、さらに図６Ａに戻るサイクルを繰り返す過程で、第１開口部３１ｄからは空気が流入する。第２開口部１７からは、図６Ｂから図６Ｄの過程では空気が流入し、図６Ｆから図６Ｈの過程では空気が排出されるが、第１開口部３１ｄから空気が流入するため、図６Ｆから図６Ｈの過程での空気の排出量の方が、図６Ｂから図６Ｄの過程での空気の流入量より多い。したがって、図６Ａから図６Ｈに至り、さらに図６Ａに戻るサイクルの繰り返しにより、第１開口部３１ｄから空気が流入し、第２開口部１７から空気が排出される。
　次に、図７、図８を参照して、上述した実施形態によるポンプの効果を説明する。図７、図８は、比較例１、２におけるポンプの模式断面図を示す。図７に示すポンプ１Ａは、天板３１の中央部に第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ａにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。また、図８に示すポンプ１Ｂは、実施形態１のポンプ１Ａにおいて、天板３１の中央部にも第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ｂにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。
　実施形態１において、振動板７の振動の節Ｎｄの位置に対向して天板３１の第１開口部３１ｄが設けられ、補助板５を備えるポンプ１のポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が１．１９Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０．４ｋＰａである。
　また、図７に示す、比較例１のポンプ１Ａのポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が０．０３Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０ｋＰａである。
　また、図８に示す、比較例２のポンプ１Ｂのポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が０．０３Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０ｋＰａである。したがって、ポンプ１Ａ及び１Ｂのそれぞれのポンプ性能は同じである。
　このように、実施形態１のポンプ１の出力は、比較例１、２のそれぞれのポンプ１Ａ、１Ｂよりもポンプ流量及びポンプ圧力共に高い性能を有し、仕事量が向上している。
　実施形態１のポンプ１によれば、第１主面７ａに圧電体３を有する振動板７と、第１主面７ａと逆側の振動板７の面に対向し、第１開口部３１ｄを有する天板３１及び天板３１と振動板７との間の空間を囲むように天板３１の外周部に接続される側壁１１を備えるカバー１０と、側壁１１に接続され、振動板７の外周を支持する支持部９と、側壁１１と振動板７との間に形成された第２開口部１７と、振動板７の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置と対向して、天板３１の第１開口部３１ｄが位置する。この構成によれば、振動板７の外周縁は変位が大きいので振動板７の外周縁を流れる流体の速さが速い。これに対して、振動板７の外周縁の変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置では、外周縁に比べて流れる流体の速さが遅い。したがって、振動板７の外周縁と、外周縁よりも変位量の小さい位置とでは、静圧差があり、外周縁の方が静圧が低い。天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁よりも変位量の小さい位置と対向しているので、天板３１の第１開口部３１ｄより振動板７の外周縁の方が静圧が低く、天板３１の第１開口部３１ｄから振動板７の外周縁に向けて外向きの流量が生じる。これにより、ポンプの仕事量を向上させることができる。
　また、振動板７は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁よりも振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置に近い。このような構成によれば、振動板７は中央部と外周縁において逆位相で振動するので、中央部と外周縁との間に振動しない節Ｎｄとなる部分が存在する。この節Ｎｄとなる部分は、振動板７の変位量がほぼゼロとなるので、流体の速さが最も遅くなる。したがって、天板３１の第１開口部３１ｄが振動板７の外周縁よりも振動の節Ｎｄとなる位置に近いので、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁との間に大きな静圧差を発生させることができ、天板３１の第１開口部３１ｄから振動板７の外周縁に向けて外向きの流量を増やすことができる。
　また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも内側に位置してもよい。このような構成によれば、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁との距離が長いため、高い圧力特性を得ることができる。
　また、振動板７は円形であって、振動板７の中央部と外周縁において逆位相で振動し、振動板７の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置は、振動板７の中心ＣＬから振動板７の半径の４５％以上８１％以下の位置である。このような構成によれば、天板３１の第１開口部３１ｄが、第１種ベッセル関数において節Ｎｄの近傍に位置するので、大きな静圧差を発生させることができる。
　また、支持部９は、振動板７の外周縁に沿った梁形状を有してもよい。このような構成によれば、支持部９の可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。
　また、支持部９は、振動板７よりも可撓性が高い。このような構成によれば、振動板７の外周縁の変位量が増大するので、逆流抑制効果を高めることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を高くすることができる。
　また、ポンプ１の積層方向において、天板３１の第１開口部３１ｄの外側に凹部３１ｃを有してもよい。このような構成によれば、第１開口部３１ｄの内側の気流を乱すことなく、外部から天板３１の第１開口部３１ｄに流れる流体の空気抵抗を低減することができる。
　また、天板３１の中央部の振動板７側に窪み部３１ｅを有してもよい。このような構成によれば、振動変位が最大となる振動板７の中央部において振動板７と天板３１との間隔が他の箇所よりも長いので空気抵抗を低減し、振動変位を増大することができる。この結果、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
　また、振動板７と圧電体３とに挟まれた補助板５を備えてもよい。このような構成によれば、振動板７の振動をより増幅することができる。この結果、静圧差を大きくすることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
（実施形態２）
　次に、本発明の実施形態２のポンプ１Ｃについて図９を参照して説明する。図９は、実施形態２におけるポンプ１Ｃの模式的断面図である。
　実施形態２のポンプ１Ｃにおいて、支持部９Ｃは振動板７よりも薄い。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態２のポンプ１Ｃとが異なる。したがって、実施形態２におけるポンプ１Ｃは、この点及び以下に説明する点以外の構成は、実施形態１のポンプ１と共通である。なお、図９に第２開口部１７は示されていないが、支持部９Ｃに形成されている。
　実施形態２のポンプ１Ｃによれば、支持部９Ｃは、振動板７よりも薄いので、例えば、支持部９Ｃと振動板７とが同一の材質であっても、支持部９Ｃの可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。例えば、振動板７の厚みが０．４０ｍｍに対して、支持部９Ｃの厚みが０．１０ｍｍである。
（実施形態３）
　次に、本発明の実施形態３のポンプ１Ｄについて図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して説明する。図１０Ａは、実施形態３におけるポンプ１Ｄの模式的断面図である。図１０Ｂは、実施形態３におけるポンプ１Ｄの振動板ユニット２３Ｄの平面図である。
　実施形態３のポンプ１Ｄは、振動板７と支持部９Ｄとが別部材で形成されている。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態３のポンプ１Ｄとが異なる。この点及び以下に説明する点以外の構成は、実施形態１のポンプ１と実施形態３のポンプ１Ｄと共通である。
　ポンプ１Ｄの支持部９Ｄは、振動板７よりも弾性率が低い材料で構成されている。支持部９Ｄは、例えば、ポリイミドなどの樹脂製のフィルムで構成されている。フィルムの弾性率は、例えば、１～５ＧＰａで、振動板７の弾性率は、例えば、ステンレススチール製であれば２００ＧＰａである。このように、支持部９Ｄの弾性率が振動板７の弾性率よりも低いので、振動板７を強く拘束しない。これにより、振動板７の外周縁が大きく振動することができる。なお、フィルムの厚みは、例えば、５～２００μｍである。なお、振動板７と支持部９Ｄとを別部材で形成する構成は、実施形態１に適用してもよい。
　支持部９Ｄには、複数の貫通孔９Ｄａが環状に形成されて第２開口部１７Ｄを構成している。
　実施形態３におけるポンプ１Ｄによれば、支持部９Ｄは、振動板７の外周全体と接続している。したがって、振動板７と支持部９Ｄとの接続強度を向上させることができるので、支持部９Ｄの耐久性を向上することができる。
　また、実施形態３におけるポンプ１Ｄによれば、振動板７は金属製であり、支持部９Ｄは樹脂製である。このような構成によれば、支持部９Ｄの可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。
（実施形態４）
　次に、本発明の実施形態４のポンプ１Ｅについて図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。図１１Ａは、実施形態４におけるポンプ１Ｅの弁体３５が開いている際の模式的断面図である。図１１Ｂは、実施形態４におけるポンプ１Ｅの弁体３５が閉じている際の模式的断面図である。
　実施形態４のポンプ１Ｅは、円環形状の弁体３５が振動板７の外周縁に沿って貼り付けられている。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態４のポンプ１Ｅとが異なる。この点及び以下に記載した事項以外の構成は、実施形態４のポンプ１Ｅは、実施形態１のポンプ１と共通である。
　弁体３５は、ポリイミドまたはＰＥＴ製のフィルムで形成されている。弁体３５は、内周付近が振動板７に接着される接着部３５ａと、外周付近が開放端となっている可動部３５ｂとを有する。接着部３５ａは、第１開口部３１ｄより外側の振動板７の面上に貼り付けられる。弁体３５は、支持部９の開口から天板３１の第１開口部３１ｄへの流れを抑制し、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流れを通す。これにより、支持部９の第２開口部１７からの逆流が抑制されるので、大流量、高圧力のポンプ性能を実現することができる。弁体３５の厚みは１００μｍ以下であり、さらに望ましくは、１０μｍ以下である。弁体３５の厚みが薄いほど、弁体として動作しやすくなる。なお、弁体３５の耐久性を確保するために、弁体３５の厚みは、３μｍ以上が望ましい。さらに、弁体３５の可動部３５ｂの径方向の長さが、振動板７と天板３１の距離よりも長ければ、弁体３５の開放端が天板３１と重なることにより、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流路Ｆｐを塞ぐことができる。これにより、逆流の発生を大幅に防ぐことができる。
　このように、実施形態４におけるポンプ１Ｅは、一方が振動板７の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体３５を備える。実施形態４におけるポンプ１Ｅによれば、弁体３５の他方が開放端であるので、支持部９の第２開口部１７から流体の逆流が発生した場合、弁体３５の開放端が天板３１に向けて起立することにより、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流路Ｆｐを狭くすることができる。したがって、流体の逆流に対して流路抵抗を増すことができるので、流体の逆流を弁体３５により低減することができる。また、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７へ流体が流れる場合は、弁体３５の他方は天板３１から離れているので、流体の流れを妨げることがない。このようにして、ポンプ室１５への流体の逆流をより低減することができる。
　本発明は、上記実施の形態のものに限らず、次のように変形実施することができる。
　（１）上記各実施形態において、振動ユニット２３は、４つの支持部９を有していたがこれに限らない。振動ユニット２３は、３つまたは５つ以上の支持部９を有してもよい。図１２に示すように、例えば、振動ユニット２３Ｅは、１２０°ごとに３つの支持部９がそれぞれ配置されてもよい。
　（２）上記各実施形態において、振動ユニット２３は、振動板７と梁部２５とが二股で接続されてもよい。図１３に示すように、例えば、振動ユニット２３Ｆにおいて、２つの第１連結部２７により、振動板７と梁部２５とが連結される。また、梁部２５と側壁部１１ｂとが１個の第２連結部２９で連結されてもよい。
　本発明は、圧電体を備えるポンプに適用可能である。
　　　１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ　ポンプ
　　　３　　　圧電体
　　　５　　　補助板
　　　７　　　振動板
　　　７ａ　　第１主面
　　　７ｂ　　第２主面
　　　９、９Ｃ、９Ｄ　支持部
　　　９Ｄａ　貫通孔
　　１０　　　カバー
　　１１　　　側壁
　　１１ａ　　側壁部
　　１１ｂ　　側壁部
　　１５　　　ポンプ室
　　１７、１７Ｄ　　　第２開口部
　　１７ａ　　第１貫通孔
　　１７ｂ　　第２貫通孔
　　２１　　　側壁板
　　２１ａ　開口
　　２３、２３Ｂ　振動ユニット
　　２５　　　梁部
　　２７　　　第１連結部
　　２９　　　第２連結部
　　３１　　　天板
　　３１ａ　　第１主面
　　３１ｂ　　第２主面
　　３１ｃ　　凹部
　　３１ｄ　　第１開口部
　　３１ｅ　　窪み部
　　３３　　　第２主面
　　３５　　弁体
　　ＣＬ　　　中心
　　Ｆｐ　　　流路

Claims (13)

  1. 　第１主面に圧電体を有する振動板と、
    　前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板と、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁とを備えるカバーと、
    　前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、
    　前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、
    　前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する、
    　ポンプ。
  2. 　前記振動板は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、
    　前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の外周縁よりも前記振動板の振動の節となる位置に近い、
    　請求項１に記載のポンプ。
  3. 　前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の振動の節となる位置よりも内側に位置する、
    　請求項１または２に記載のポンプ。
  4. 　前記振動板は円形であって、前記振動板の中央部と外周縁において逆位相で振動し、
    　前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置は、前記振動板の中心から前記振動板の半径の４５％以上８１％以下の位置である、
    　請求項１に記載のポンプ。
  5. 　前記支持部は、前記振動板の外周縁に沿った梁形状を有する、
    　請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ。
  6. 　前記支持部は、前記振動板よりも可撓性が高い、
    　請求項１から５のいずれか１つに記載のポンプ。
  7. 　前記支持部は、前記振動板の外周全体と接続する、
    　請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ。
  8. 　前記支持部は、前記振動板よりも薄い、
    　請求項６または７に記載のポンプ。
  9. 　前記振動板は、金属製であり、
    　前記支持部は、樹脂製である、
    　請求項６または７に記載のポンプ。
  10. 　一方が前記振動板の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体を備える、
    　請求項１から９のいずれか１つに記載のポンプ。
  11. 　前記天板の前記第１開口部の外側に凹部を有する、
    　請求項１から１０のいずれか１つに記載のポンプ。
  12. 　前記天板の中央部の前記振動板側に窪み部を有する、
    　請求項１から１１のいずれか１つに記載のポンプ。
  13. 　前記振動板と前記圧電体とに挟まれた補助板を備える、
    　請求項１から１２のいずれか１つに記載のポンプ。
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