WO2020195075A1

WO2020195075A1 - 圧電ポンプ

Info

Publication number: WO2020195075A1
Application number: PCT/JP2020/002390
Authority: WO
Inventors: 伸拓田中; 雅章藤崎
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2020-10-01
Also published as: GB2595783B; GB2595783A; GB202109332D0; US20210355930A1; US11802555B2

Abstract

圧電ポンプは、第１天板と、第２天板と、ダイヤフラムと、第１側壁と、第２側壁とを備え、ダイヤフラムは、圧電素子を有する振動部と、枠部と、接続部とを有し、接続部は、第１ポンプ室と第２ポンプ室を連通させる第３開口を形成し、第１ポンプ室において、第１天板の主面からダイヤフラムの主面方向に平面視して第１開口から間隔を空けて第１開口を囲むように設けられた環状の第１弁をさらに備える。

Description

圧電ポンプ

　本発明は、圧電ポンプに関する。

　従来より、圧電素子を利用した圧電ポンプが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１の圧電ポンプは、圧電素子を貼付したダイヤフラムと、ダイヤフラムの両主面に対向して配置される第１天板、第２天板と、第１側壁、第２側壁とを有する。第１側壁はダイヤフラムと第１天板を連結し、第２側壁はダイヤフラムと第２天板を連結する。第１天板、ダイヤフラム、第１側壁で囲まれる空間が第１ポンプ室であり、第２天板、ダイヤフラム、第２側壁で囲まれる空間が第２ポンプ室である。両ポンプ室はダイヤフラムによって仕切られている。

　第１天板には吸込口と吐出口が設けられており、第２天板にも吸込口と吐出口が設けられている。それぞれの吐出口は複数の開口からなり、ポンプ室に設けられたフィルム状の弁によって選択的に開閉される。

　このような構成において圧電素子に交流電力を供給することで、ユニモルフモードの屈曲変形が生じ、第１ポンプ室と第２ポンプ室の内部空間に圧力変化が生じる。ポンプ室に設けられた弁は当該圧力変化に応じて、吐出口を開く位置と吐出口を閉じる位置の間を交互に移動する。

米国特許出願公開第２０１５／００２３８２１号公報

　吐出口を開閉する弁は、吐出口の縁に対して繰り返し衝突する。吐出口の縁に弁が繰り返し衝突すると、弁が損傷して、バルブとしての機能が低下する場合がある。結果として、圧電ポンプの信頼性が低下する場合がある。

　従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、信頼性を向上させた圧電ポンプを提供することにある。

　前記目的を達成するために、本発明の圧電ポンプは、第１開口を形成する第１天板と、前記第１天板に対して間隔を空けて配置され、第２開口を形成する第２天板と、前記第１天板と前記第２天板の間に配置され、圧電素子が添付されるダイヤフラムと、前記第１天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第１天板と前記ダイヤフラムの間に第１ポンプ室を形成する第１側壁と、前記第２天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第２天板と前記ダイヤフラムの間に第２ポンプ室を形成する第２側壁と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記圧電素子を有する振動部と、前記第１側壁と前記第２側壁によって挟まれる枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する接続部とを有し、前記接続部は、前記第１ポンプ室と前記第２ポンプ室を連通させる第３開口を形成し、前記第１ポンプ室において、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視して前記第１開口から間隔を空けて前記第１開口を囲むように設けられた環状の第１弁をさらに備える。

　本発明の圧電ポンプによれば、信頼性を向上させることができる。

実施の形態１における圧電ポンプの斜視図実施の形態１における圧電ポンプの分解斜視図図１のＡ－Ａ断面図実施の形態１におけるダイヤフラムの平面図図４Ａの一部拡大図実施の形態１における圧電ポンプを平面視したときの第１開口、第１弁および第３開口の位置関係を示す図実施の形態１における圧電ポンプを平面視したときの第２開口、第２弁および第３開口の位置関係を示す図実施の形態１におけるダイヤフラムの表面を示す平面図実施の形態１における圧電素子の裏面を示す平面図実施の形態１における圧電ポンプを駆動させたときの一状態を示す断面図実施の形態１における圧電ポンプを駆動させたときの一状態を示す断面図実施の形態１における圧電ポンプを駆動させたときの一状態を示す断面図実施の形態１における圧電ポンプを駆動させたときの一状態を示す断面図実施の形態１の変形例におけるダイヤフラムを示す平面図実施の形態２における圧電ポンプの概略構成を示す断面図実施の形態３における圧電ポンプの概略構成を示す断面図実施の形態４における圧電ポンプの概略構成を示す断面図実施の形態４における圧電ポンプを平面視したときの第２開口、第２弁および第３開口の位置関係を示す平面図

　本発明の第１態様によれば、第１開口を形成する第１天板と、前記第１天板に対して間隔を空けて配置され、第２開口を形成する第２天板と、前記第１天板と前記第２天板の間に配置され、圧電素子が添付されるダイヤフラムと、前記第１天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第１天板と前記ダイヤフラムの間に第１ポンプ室を形成する第１側壁と、前記第２天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第２天板と前記ダイヤフラムの間に第２ポンプ室を形成する第２側壁と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記圧電素子を有する振動部と、前記第１側壁と前記第２側壁によって挟まれる枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する接続部とを有し、前記接続部は、前記第１ポンプ室と前記第２ポンプ室を連通させる第３開口を形成し、前記第１ポンプ室において、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視して前記第１開口から間隔を空けて前記第１開口を囲むように設けられた環状の第１弁をさらに備える、圧電ポンプを提供する。

　このような構成によれば、第１弁が第１開口から離れて配置されているため、第１開口の縁に当たらない設計となり、第１弁の損傷を抑制することができる。これにより第１弁の寿命を延ばし、圧電ポンプの信頼性を向上させることができる。

　本発明の第２態様によれば、前記第２ポンプ室において、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視して前記第２開口から間隔を空けて前記第２開口を囲むように設けられた環状の第２弁をさらに備え、前記第１弁は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で内向き又は外向きの気流を抑制し、前記第２弁は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁とは逆向きの気流を抑制する、第１態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、第２弁が第２開口から離れて配置されているため、第２開口の縁に当たらない設計となり、第２弁の損傷を抑制することができる。これにより第２弁の寿命を延ばし、圧電ポンプの信頼性を向上させることができる。

　本発明の第３態様によれば、前記第１弁は、前記第１天板に固定される第１固定部と、前記第１固定部から延びる第１可動部とを備え、前記第２弁は、前記第２天板に固定される第２固定部と、前記第２固定部から延びる第２可動部とを備える、第２態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、弁を天板に固定することで、弁を振動部に固定した場合よりも弁の固定部の振動を抑制することができる。これにより、余分な振動損失を抑制し、大きな振動変位が得られ、高い流量および圧力特性が得られる。

　本発明の第４態様によれば、前記第１弁は、前記振動部に固定される第３固定部と、前記第３固定部から延びる第３可動部とを備え、前記第２弁は、前記振動部に固定される第４固定部と、前記第４固定部から延びる第４可動部とを備える、第２態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、弁を振動部に固定することで、天板近傍における流路抵抗を低減することができ、高い流量を得ることができる。

　本発明の第５態様によれば、前記第１弁の前記第１可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第１固定部の内側に配置され、前記第２弁の前記第２可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第２固定部の外側に配置される、第３態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、圧電ポンプの外部の空気が第２開口から第２ポンプ室に流入して、第３開口を介して第１ポンプ室に流入し、第１開口から外部に流出する流れを促進することができる。

　本発明の第６態様によれば、前記第１弁の前記第３可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第３固定部の内側に配置され、前記第２弁の前記第４可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第４固定部の外側に配置される、第４態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、圧電ポンプの外部の空気が第２開口から第２ポンプ室に流入して、第３開口を介して第１ポンプ室に流入し、第１開口から外部に流出する流れを促進することができる。

　本発明の第７態様によれば、前記第１弁の前記第１可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第１固定部の外側に配置され、前記第２弁の前記第２可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第２固定部の内側に配置される、第３態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、圧電ポンプの外部の空気が第１開口から第１ポンプ室に流入して、第３開口を介して第２ポンプ室に流入し、第２開口から外部に流出する流れを促進することができる。

　本発明の第８態様によれば、前記第１弁の前記第３可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第３固定部の外側に配置され、前記第２弁の前記第４可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第４固定部の内側に配置される、第４態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、圧電ポンプの外部の空気が第１開口から第１ポンプ室に流入して、第３開口を介して第２ポンプ室に流入し、第２開口から外部に流出する流れを促進することができる。

　本発明の第９態様によれば、前記振動部の外周縁は、前記振動部の振動の節となる位置からずれた位置に配置される、第１態様から第８態様のいずれか１つに記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、振動部の外周縁を確実に振動させることで、圧電素子による振動が圧電ポンプの外郭を構成する側壁や天板まで伝わることを抑制することができる。このようにして振動の漏洩を減少し、振動部による変位を大きくすることができる。

　本発明の第１０態様によれば、前記振動部、前記接続部および前記枠部は一体的に構成されている、第１態様から第９態様のいずれか１つに記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、振動の漏洩を減少させることができる。

　本発明の第１１態様によれば、前記振動部と前記接続部は別体で構成されており、前記接続部は、前記振動部よりも弾性率の低い材料で構成されている、第１態様から第９態様のいずれか１つに記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、振動の漏洩を減少させることができる。

　本発明の第１２態様によれば、前記接続部は、前記振動部よりも薄い、第１１態様に記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、振動の漏洩を減少させることができる。

　本発明の第１３態様によれば、前記接続部は、前記振動部の外周縁から外側に延びる第１接続部と、前記第１接続部から前記振動部の前記外周縁に沿って延びる第２接続部と、前記第２接続部から前記枠部に接続されるように延びる第３接続部とを有する、第１態様から第１２態様のいずれか１つに記載の圧電ポンプを提供する。このような構成によれば、振動の漏洩を減少させることができる。

　以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
　図１～図３は、実施の形態１における圧電ポンプ２の概略構成を示す図である。図１は、実施の形態１における圧電ポンプ２の斜視図であり、図２は、圧電ポンプ２の分解斜視図であり、図３は、圧電ポンプ２の縦断面図（図１のＡ－Ａ断面図）である。

　圧電ポンプ２は、圧電素子１０（図２、図３）を用いて空気を輸送するポンプ装置である（「マイクロブロア」、「マイクロポンプ」等と称してもよい。）。圧電ポンプ２は、圧電素子１０を高速で振動させることで、吸込口である第２開口２２から空気を吸い込むとともに、吐出口である第１開口２０から空気を吐き出すポンプである。図１～図３に示すように、圧電ポンプ２の表面に第１開口２０が設けられ、圧電ポンプ２の裏面に第２開口２２が設けられる。

　図２、図３に示すように、圧電ポンプ２は、第１天板４と、第２天板６と、ダイヤフラム８と、圧電素子１０と、第１側壁１２と、第２側壁１４と、第１弁１６と、第２弁１８とを備える。圧電ポンプ２は、圧電素子１０をダイヤフラム８に貼り合わせた構造を有し、圧電素子１０に交流電力を供給することにより、ユニモルフモードの屈曲変形を生じさせる。圧電ポンプ２の内部には、バルブとして機能する第１弁１６および第２弁１８が内蔵されている。

　第１天板４および第２天板６はそれぞれ、圧電ポンプ２の表面および裏面を構成する部材である。第１天板４と第２天板６はそれぞれ円板状の部材であり、互いに間隔を空けて配置される。第１天板４の中央部に第１開口２０が形成され、第２天板６の中央部に第２開口２２が形成される。第１天板４および第２天板６にはその他の開口は形成されていない。第１天板４および第２天板６の材質は例えば、ステンレススチール、アルミニウムなどの金属、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの樹脂である。

　ダイヤフラム８は、第１天板４と第２天板６の間に配置される部材である。ダイヤフラム８には圧電素子１０が添付される。ダイヤフラム８が圧電素子１０を有してもよい。ダイヤフラム８は、振動部２６と、枠部２８と、接続部３０とを備える。ダイヤフラム８の詳細な構成については後述する。

　圧電素子１０は、図３に示すように、平面視して第１開口２０および第１開口２０の周囲の第１天板４と重なる位置に設けられている。同様に、圧電素子１０は、平面視して第２開口２２および第２開口２２の周囲の第２天板６と重なる位置に設けられている。

　第１側壁１２および第２側壁１４はそれぞれ、圧電ポンプ２の側壁を構成する部材である。第１側壁１２および第２側壁１４はそれぞれ円環状の部材であり、中央部に円形の開口を形成する。第１側壁１２および第２側壁１４の材質は例えば、金属や樹脂である。

　図３に示すように、第１側壁１２は、第１天板４とダイヤフラム８を連結し、第１天板４とダイヤフラム８の間に第１ポンプ室３２を形成する。第２側壁１４は、第２天板６とダイヤフラム８を連結し、第２天板６とダイヤフラム８の間に第２ポンプ室３４を形成する。

　第１ポンプ室３２と第２ポンプ室３４は、図３に示す第３開口２３を介して互いに連通する。第３開口２３は、前述したダイヤフラム８の接続部３０が形成する開口である。

　第１弁１６および第２弁１８は、圧電ポンプ２の内部における空気の流れを制御するバルブ部材である。第１弁１６および第２弁１８はそれぞれ円環状の部材であり、中央部に円形の開口を形成する。第１弁１６は第１ポンプ室３２に設けられており、第２弁１８は第２ポンプ室３４に設けられる。第１弁１６および第２弁１８の材質は例えば、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳなどの樹脂である。

　図３に示すように、第１弁１６は、固定部（第１固定部）１６Ａと、可動部（第１可動部）１６Ｂとを備える。固定部１６Ａは、第１天板４に固定された部分であり、可動部１６Ｂは、固定部１６Ａから延びる可動部分である。可動部１６Ｂはいずれの部材にも固定されておらず、自由端（開放端）として機能する。

　図３に示すように、可動部１６Ｂは固定部１６Ａよりも第１開口２０に近い中心側に設けられている。このような配置とすることで、第１ポンプ室３２において中心から外側に向かう空気の流れを抑制し、外側から中心に向かう逆向きの流れＦ１を促進する。

　第２弁１８は、固定部（第２固定部）１８Ａと可動部（第２可動部）１８Ｂとを備える。固定部１８Ａは、第２天板６に固定された部分であり、可動部１８Ｂは、固定部１８Ａから延びる可動部分である。可動部１８Ｂはいずれの部材にも固定されておらず、自由端として機能する。

　可動部１８Ｂは、固定部１８Ａよりも第２開口２２から遠い外側に設けられている。このような配置とすることで、第２ポンプ室３４において外側から中心に向かう空気の流れを抑制し、中心から外側に向かう逆向きの流れＦ２を促進する。

　次に、ダイヤフラム８の構成について、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、圧電素子１０が添付されたダイヤフラム８の平面図であり、図４Ｂは、図４Ａの一部拡大図である。

　図４Ａに示すように、実施の形態１のダイヤフラム８は、振動部２６、複数の枠部２８および複数の接続部３０が一体的に形成されたものである。ダイヤフラム８の材質は例えば、ステンレススチールやアルミニウムなどの金属材料を主とする。ダイヤフラム８の表面の全部または一部にポリイミドなどの絶縁性材料によるコーティングが施されていても良い。

　振動部２６は、圧電素子１０が添付される円板状の部分である。振動部２６は、圧電素子１０とともに振動する振動部材として機能する。振動部２６に添付される圧電素子１０は、振動部２６と同心状に配置される。

　枠部２８は、ダイヤフラム８の外周部分である。枠部２８は、前述した第１側壁１２と第２側壁１４により挟まれる。枠部２８は、第１側壁１２、第２側壁１４とともに圧電ポンプ２の側壁を構成する。実施の形態１の枠部２８は、ダイヤフラム８の周方向Ｒの全体にわたって連続して設けられている。

　接続部３０は、振動部２６と枠部２８を接続する部分である。接続部３０は、振動部２６の外周縁２７から外側に延びて枠部２８に接続される。接続部３０は、振動部２６を支持する支持部として機能する。接続部３０は複数箇所に分けて設けられており、接続部３０同士の間には複数の第３開口２３が形成される。

　図３を用いて説明したように、第３開口２３は第１ポンプ室３２と第２ポンプ室３４を連通させる開口である。第３開口２３に隣接する枠部２８は、前述したようにダイヤフラム８の全周にわたって設けられているため、第３開口２３を圧電ポンプ２の外部に露出させない。このような構成によれば、圧電素子１０の振動による圧力変化に応じて、前述した第１ポンプ室３２の流れＦ１および第２ポンプ室３４の流れＦ２に加えて、図３に示すような流れＦ３～Ｆ５が生じる。Ｆ３は、第２開口２２から第２ポンプ室３４に流入する流れであり、Ｆ４は、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入する流れであり、Ｆ５は、第１ポンプ室３２から第１開口２０を介して外部に流出する流れである。図３では、圧電ポンプ２の内部における平均的な流れとして矢印Ｆ１～Ｆ５を示している。

　次に、接続部３０の詳細な構成について、図４Ｂを用いて説明する。

　図４Ｂに示すように、接続部３０は、第１接続部３０Ａと、第２接続部３０Ｂと、第３接続部３０Ｃとを有する。第１接続部３０Ａは、振動部２６の外周縁２７から外側に延びる部分である。第２接続部３０Ｂは、第１接続部３０Ａの先端から振動部２６の外周縁２７に沿って延びる部分である。図４Ｂに示す第２接続部３０Ｂは、振動部２６の外周縁２７に沿って一方側に向かう成分Ｒ１と他方側に向かう成分Ｒ２とを有する。第３接続部３０Ｃは、第２接続部３０Ｂの先端から枠部２８に向かって延びる部分である。

　このような構成によれば、第２接続部３０Ｂを有する接続部３０は、振動部２６を支持する梁として機能する。接続部３０を梁として機能させることで、接続部３０に所望の可撓性を持たせることができる。これにより、振動部２６が振動したときに、振動部２６の振動が接続部３０を介して枠部２８に伝わることが抑制されるため、圧電素子１０の振動の漏洩を抑制することができる。

　次に、弁１６、１８と開口２０、２２のそれぞれの関係について、図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、圧電ポンプ２を平面視したときの第１開口２０、第１弁１６および第３開口２３の位置関係を示す平面図であり、図５Ｂは、圧電ポンプ２を平面視したときの第２開口２２、第２弁１８および第３開口２３の位置関係を示す平面図である。

　図５Ａに示すように、第１開口２０は、平面視で第１弁１６の内側に配置されており、第３開口２３は、平面視で第１弁１６の外側に配置されている。第１弁１６は第１開口２０から間隔Ｄ１を空けて第１開口２０を囲むように環状に形成されており、第３開口２３からも間隔Ｄ２を空けて設けられている。このような構成によれば、第１弁１６が第１開口２０から離れているため、圧電ポンプ２の駆動時に第１弁１６の可動部１６Ｂが高速で移動しても、第１開口２０の縁に可動部１６Ｂが衝突しない。このように第１弁１６の可動部１６Ｂを第１開口２０の縁に衝突しない設計とすることで、第１弁１６の損傷を抑制することができ、第１弁１６の寿命を延ばすことができる。これにより、圧電ポンプ２の信頼性を向上させることができる。

　同様に、図５Ｂに示すように、第２開口２２は、平面視で第２弁１８の内側に配置されており、第３開口２３は、平面視で第２弁１８の外側に配置されている。第２弁１８は第２開口２２から間隔Ｄ１を空けて第２開口２２を囲むように環状に形成されており、第３開口２３からも間隔Ｄ２を空けて設けられている。このような構成によれば、第１弁１６と同様に第２弁１８の可動部１８Ｂを第２開口２２の縁に衝突しない設計とすることができる。これにより、第２弁１８の損傷を抑制し、第２弁１８の寿命を延ばすことができ、圧電ポンプ２の信頼性を向上させることができる。

　次に、圧電素子１０に接続される配線３６について、図６および図７を用いて説明する。図６は、配線３６を形成するダイヤフラム８の表面を示す平面図であり、図７は、圧電素子１０の裏面を示す平面図である。

　図６に示すように、ダイヤフラム８の表面には、配線３６として第１配線４４および第２配線４６が形成されている。ダイヤフラム８の表面の一部には絶縁性材料によるコーティングが施されており、ダイヤフラム８の上に形成された第１配線４４と第２配線４６は電気的に絶縁されている。絶縁性材料によりコーティングが施されたダイヤフラム８の上に第１配線４４と第２配線４６を形成することにより、断線するリスクを低減することができる。

　第１配線４４および第２配線４６は、ダイヤフラム８の振動部２６から接続部３０および枠部２８にわたって形成されており、圧電ポンプ２の外部に設けられた駆動回路（図示せず）に接続されている。

　図示を省略しているが、第１配線４４と第２配線４６が第１側壁１２および第２側壁１４と接触する部分では、絶縁性材料によるコーティングが施されており、側壁１２、１４とは通電しないように設計されている。

　図７に示すように、圧電素子１０の裏面には、第１電極３８と、第２電極４０とが形成されている。第１電極３８と第２電極４０の間には絶縁領域４２が設けられており、第１電極３８と第２電極４０が電気的に絶縁されている。第１電極３８は、圧電素子１０の裏面の大部分に形成されており、第２電極４０は圧電素子１０の裏面のわずかな部分に形成されている。圧電素子１０の表面（図示せず）では、第２電極４０が表面全体にわたって形成されており、図７では、第２電極４０が裏面側に折り返された部分が示されている。

　図６に示したダイヤフラム８の振動部２６に対して、図７に示した圧電素子１０の裏面を載置する際には、第１配線４４に第１電極３８を接触させながら、第２配線４６に第２電極４０を接触させる。第１配線４４および第２配線４６という２種類の配線を介して、第１電極３８と第２電極４０に交流電力をそれぞれ供給することができ、圧電素子１０に所望の屈曲運動を生じさせることができる。

　上述した構成を有する圧電ポンプ２の動作について、図８Ａ～図８Ｄを用いて説明する。図８Ａ～図８Ｄは、圧電ポンプ２を駆動させたときの一状態をそれぞれ示す縦断面図である。図８Ａ～図８Ｄでは、振動部２６に添付された圧電素子１０の図示を省略している。

　図８Ａは、ダイヤフラム８の中央部が第２天板６側に最も凹んだ状態を示す。図８Ｂは、図８Ａに示す状態からダイヤフラム８の中央部が第１天板４側に移動してフラットになった状態を示す。

　図８Ａ、図８Ｂに示すように、ダイヤフラム８の中央部が第２天板６側から第１天板４側に向かって移動することで（矢印Ｘ１）、第１ポンプ室３２の中央部の空気が第１天板４に向かって押され、第１開口２０から吐出される流れＦ６が生じる。このとき、第１ポンプ室３２の中央部の空気が外側に向かう流れＦ７は、第１弁１６によって抑制される。一方で、第１弁１６は、第１ポンプ室３２内の外側の空気が中央部に向かう逆向きの流れＦ８を抑制しない。

　第２ポンプ室３４では、中央部の空間が上に広がることにより負圧が生じる。これにより、第２開口２２を介して圧電ポンプ２の外部から第２ポンプ室３４に流入する流れＦ９が生じる。このとき、第２ポンプ室３４内の外側の空気が中央部に向かう流れＦ１０は第２弁１８によって抑制される。一方で、第２弁１８は、第２ポンプ室３４の中央部から外側に向かう流れＦ１１を抑制しない。

　第１ポンプ室３２、第２ポンプ室３４でＦ８、Ｆ１１の流れがそれぞれ促進されることにより、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入する流れＦ１２が生じる。

　図８Ｂに示す状態からさらに進んだ状態を図８Ｃ、図８Ｄに示す。図８Ｃは、図８Ｂに示す状態からダイヤフラム８の中央部が第１天板４側に最も移動した状態を示す。図８Ｄは、図８Ｃに示す状態からダイヤフラム８の中央部が第２天板６側に移動してフラットになった状態を示す。

　図８Ｃ、図８Ｄに示すように、ダイヤフラム８の中央部が第１天板４側から第２天板６側に向かって移動することで（矢印Ｘ２）、第２ポンプ室３４の中央部の空気が第２天板６に向かって押され、第２開口２２から外部に吐出される流れＦ１３が生じる。このとき、第２弁１８は、第２ポンプ室３４内の外側の空気が中央部に向かう流れＦ１４を抑制する一方で、第２ポンプ室３４の中央部の空気が外側に向かう流れＦ１５を抑制しない。このような流れＦ１５が促進されることにより、第２開口２２から外部に流出する流れＦ１３の流量は相対的に小さくなる。

　第１ポンプ室３２では、中央部の空間が下に広がることにより負圧が生じる。これにより、第１開口２０を介して圧電ポンプ２の外部から第１ポンプ室３２に流入する流れＦ１６が生じる。このとき、第１弁１６は、第１ポンプ室３２の中央部から外側に向かう流れＦ１７を抑制する一方で、第１ポンプ室３２内の外側の空気が中央部に向かう逆向きの流れＦ１８を抑制しない。このような流れＦ１８が促進されることにより、第１開口２０から第１ポンプ室３２に流入する流れＦ１６の流量は相対的に小さくなる。

　第１ポンプ室３２、第２ポンプ室３４でＦ１８、Ｆ１５の流れがそれぞれ促進されることにより、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入する流れＦ１９が生じる。

　図８Ａ～図８Ｄに示す一連の状態が、圧電素子１０の振動周期に応じて高速で繰り返される。図８Ａ、図８Ｂに示す流れＦ６、Ｆ９の流量は、第１弁１６、第２弁１８のそれぞれの気流制御作用により、図８Ｃ、図８Ｄに示す流れＦ１６、Ｆ１３の流量よりも相対的に大きくなる。これにより、圧電ポンプ２の内部における平均的な流れとしては、図３に示したようなＦ１～Ｆ５の流れが生じる。すなわち、圧電ポンプ２の外部の空気が第２開口２２から第２ポンプ室３４に流入して、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入し、第１開口２０を介して圧電ポンプ２の外部に流出する流れＦ１～Ｆ５が平均的に生じる。

　図８Ａ～図８Ｄに示すように、振動部２６には振動の節４８が存在する。振動の節４８は、振動部２６が振動しても変位しない箇所である。これに対して振動部２６の外周縁２７は、振動の節４８からずれた位置に位置している。このような配置によれば、振動部２６の外周縁２７を確実に振動させることができるため、振動部２６の振動が接続部３０を介して枠部２８および側壁１２、１４に過剰に伝わることを抑制することができる。これにより、圧電素子１０および振動部２６の振動の漏洩を抑制することができる。

　上述した実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、第１弁１６は、図５Ａに示すように平面視して第１開口２０から間隔を空けて設けられ、第２弁１８は、図５Ｂに示すように平面視して第２開口２２から間隔を空けて設けられる。このような構成によれば、第１弁１６、第２弁１８がそれぞれ第１開口２０、第２開口２２から離れて配置されているため、弁１６、１８が開口２０、２２のそれぞれの縁に当たらない設計となり、弁１６、１８の損傷を抑制することができる。これにより弁１６、１８の寿命を延ばし、圧電ポンプ２の信頼性を向上させることができる。

　また実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、第１弁１６は、平面視で外向きの気流を抑制し、第２弁１８は、平面視で内向きの気流を抑制する。このような構成によれば、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入する流れＦ４（図３）を促進することができる。これにより、図３に示すような流れＦ１～Ｆ５を平均的に生じさせることができる。

　また実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、第１弁１６は、第１天板４に固定される第１固定部１６Ａと、第１固定部１６Ａから延びる第１可動部１６Ｂとを備える。また、第２弁１８は、第２天板６に固定される第２固定部１８Ａと、第２固定部１８Ａから延びる第２可動部１８Ｂとを備える。このような構成によれば、弁１６、１８を天板４、６にそれぞれ固定することで、弁１６、１８を振動部２６に固定した場合よりも弁１６の第１固定部１６Ａ、および弁１８の第２固定部１８Ａの振動を抑制することができる。これにより、余分な振動損失を抑制し、大きな振動変位が得られ、高い流量および圧力特性が得られる。

　また実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、第１弁１６の第１可動部１６Ｂは、平面視で第１弁１６の第１固定部１６Ａの内側に配置され、第２弁１８の第２可動部１８Ｂは、平面視で第２弁１８の第２固定部１８Ａの外側に配置される。このような構成によれば、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入する流れＦ４を促進することができ、図３に示すような流れＦ１～Ｆ５を平均的に生じさせることができる。

　また実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、振動部２６、枠部２８および接続部３０は一体的に構成されている。このような構成によれば、ダイヤフラム８が複数の部材で構成される場合に比べて、振動部２６の振動が接続部３０を介して枠部２８に伝わりにくくなる。これにより、圧電素子１０の振動の漏洩を抑制することができる。

　また実施の形態１の圧電ポンプ２によれば、圧電素子１０は、平面視して第１開口２０および第１開口２０の周囲の第１天板４と重なる位置、かつ、第２開口２２および第２開口２２の周囲の第２天板６と重なる位置に設けられている。特に実施の形態１では、第１開口２０および第２開口２２はそれぞれ、平面視において第１ポンプ室３２および第２ポンプ室３４の中心に配置される。このような構成によれば、第１開口２０および第２開口２２が圧力変動の大きい部分に位置するため、高い圧力特性が得られる。また圧力変動の大きい部分から空気を吐出できるため、吐出風の流速を大きくすることができる。

（変形例）
　実施の形態１では、ダイヤフラム８を構成する振動部２６、枠部２８および接続部３０が一体的に形成される例について説明したが、このような場合に限らない。ダイヤフラム８を複数の部材で構成する例について、図９を用いて説明する。

　図９は、変形例におけるダイヤフラム５０を示す平面図である。図９に示すダイヤフラム５０は、圧電素子１０が添付される振動部５２と、接続部５４と、枠部５６とを備える。振動部５２、接続部５４および枠部５６は互いに別体である。

　振動部５２、接続部５４および枠部５６はそれぞれ、上から順番に積層された大略円板状の部材である。振動部５２の上に圧電素子１０が載置され、接続部５４の上に振動部５２が載置され、枠部５６の上に接続部５４が載置される。振動部５２、接続部５４および枠部５６はいずれも、圧電素子１０と同心状に配置される。

　図９に示すように、接続部５４の外周部が一部切り欠かれており、複数の第３開口５８が形成されている。第３開口５８のそれぞれは、前述した第１ポンプ室３２と第２ポンプ室３４を連通させる開口である。第３開口５８に隣接する枠部５６は、ダイヤフラム５０の外周全体にわたって形成されており、第３開口５８を圧電ポンプ２の外部に露出させない。

　ダイヤフラム５０を構成する振動部５２、接続部５４および枠部５６を別体で形成することで、ダイヤフラム５０を複数種類の材料から作ることができ、材料や形状の選択性を広げることができる。

　本変形例によれば、接続部５４を振動部５２よりも弾性率の低い材料で構成してもよい。このような構成によれば、振動部５２の振動が接続部５４を介して枠部５６に伝わりにくくなり、振動の漏洩を減少させることができる。この場合、接続部５４をポリイミド、ＰＥＴ、ＰＰＳなどの樹脂フィルムで形成し、振動部５２をステンレススチールやアルミニウムなどの金属材料で形成してもよい。

　本変形例ではさらに、接続部５４の厚みを振動部５２の厚みよりも薄くしてもよい。このような構成によれば、振動部５２の振動が接続部５４を介して枠部５６に伝わりにくくなり、振動の漏洩をさらに減少させることができる。この場合、接続部５４を０．０１～０．２ｍｍ程度の厚みの金属箔で形成し、振動部５２を０．３～０．５ｍｍ程度の厚みの金属板で形成してもよい。

（実施の形態２～４について）
　本発明に係る実施の形態２～４の圧電ポンプについて説明する。実施の形態２～４では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。また、実施の形態１と重複する記載は省略する。

　図１０は、実施の形態２の圧電ポンプ６０の概略構成を示す縦断面図である。図１１は、実施の形態３の圧電ポンプ７０の概略構成を示す縦断面図である。図１２は、実施の形態４の圧電ポンプ８０の概略構成を示す縦断面図である。

　実施の形態２～４では、第１ポンプ室３２に設けられる第１弁の位置や向き、並びに、第２ポンプ室３４に設けられる第２弁の位置や向き等が、実施の形態１と異なる。

（実施の形態２）
　図１０に示すように、実施の形態２の圧電ポンプ６０は、第１弁６２と第２弁６４とを備える。実施の形態１と同様に、第１弁６２は第１天板４に固定され、第２弁６４は第２天板６に固定されるが、弁６２、６４における固定部と可動部の位置関係が異なっている。

　具体的には、第１弁６２は、第１固定部６２Ａと第１可動部６２Ｂとを備え、第１可動部６２Ｂは、平面視で第１固定部６２Ａの外側に配置されている。同様に、第２弁６４は第２固定部６４Ａと第２可動部６４Ｂとを備え、第２可動部６４Ｂは、平面視で第２固定部６４Ａの内側に配置される。すなわち、第１弁６２は平面視で内向きの気流を抑制し、第２弁６４は平面視で外向きの気流を抑制する。このような構成によれば、図１０に示すように、実施の形態１の圧電ポンプ２とは逆向きの流れＦ２０～Ｆ２４を平均的に生じさせることができる。すなわち、圧電ポンプ２の外部の空気が第１開口２０から第１ポンプ室３２に流入し、第１ポンプ室３２から第３開口２３を介して第２ポンプ室３４に流入し、第２開口２２から圧電ポンプ２の外部に流出する流れＦ２０～Ｆ２４を平均的に生じさせることができる。

　実施の形態１、２によれば、第１弁１６、６２は、平面視で内向き又は外向きの気流を抑制し、第２弁１８、６４は、平面視で第１弁１６、６２とは逆向きの気流を抑制する。これにより、平均的な流れとして、外部の空気が第２開口２２から内部に流入して第１開口２０から外部に流出する流れ、あるいは、第１開口２０から内部に流入して第２開口２２から外部に流出する流れを生じさせることができる。

（実施の形態３）
　図１１に示すように、実施の形態３の圧電ポンプ７０は、第１弁７２と第２弁７４とを備える。実施の形態１とは異なり、第１弁７２と第２弁７４はともにダイヤフラム８の振動部２６に固定されている。さらに実施の形態３の圧電ポンプ７０では、振動部２６の表面と裏面の両側に圧電素子１０Ａ、１０Ｂを貼付している。

　図１１に示すように、第１弁７２は振動部２６の表面に固定されており、第２弁７４は振動部２６の裏面に固定されている。振動部２６において圧電素子１０Ａが添付されていない表面の領域に第１弁７２が取り付けられ、圧電素子１０Ｂが添付されていない裏面の領域に第２弁７４が取り付けられている。

　図１１に示すように、第１弁７２は第３固定部７２Ａと第３可動部７２Ｂとを備え、第３可動部７２Ｂは、平面視で第３固定部７２Ａの内側に配置される。第２弁７４は第４固定部７４Ａと第４可動部７４Ｂとを備え、第４可動部７４Ｂは、平面視で第４固定部７４Ａの外側に配置される。このような構成によれば、実施の形態１の圧電ポンプ２と同じ向きの流れとして、外部の空気が第２開口２２から内部に流入し、第１開口２０から外部に流出する流れＦ３０～Ｆ３４を平均的に生じさせることができる。

　このように弁７２、７４を振動部２６に固定することで、圧電ポンプ７０の内部空間における天板４、６近傍の流路抵抗を低減することができ、高い流量を得ることができる。

　また、圧電素子１０Ａ、１０Ｂを２つ設けることで、圧電素子１０を１つのみ設けた場合よりも圧電素子１０Ａ、１０Ｂの変位が大きくなり、特性が高くなる。また圧電素子１０Ａ、１０Ｂと振動部２６が上下対称な形状となるため、温度が変化してもダイヤフラム８の反りが生じにくくなり、特性が安定する。

（実施の形態４）
　図１２に示すように、実施の形態４の圧電ポンプ８０は、第１天板４に形成された第１開口２０の形状は実施の形態１と共通しているが、第２天板８２に形成された第２開口８４の形状が、実施の形態１と異なっている。

　図１２に示すように、実施の形態４の圧電ポンプ８０は、実施の形態１の圧電ポンプ２と同様の構成の第１弁１６および第２弁１８を備える。このため、外部の空気が第２開口８４から第２ポンプ室３４に流入し、第２ポンプ室３４から第３開口２３を介して第１ポンプ室３２に流入し、第１ポンプ室３２から第１開口２０を介して外部に流出する流れＦ４０～Ｆ４４が平均的に生じる。

　ここで、実施の形態４の圧電ポンプ８０における第２弁１８と第２開口８４の関係について、図１３を用いて説明する。

　図１３は、圧電ポンプ８０を平面視したときの第２弁１８、第２開口８４および第３開口２３の位置関係を示す平面図である。

　図１３に示すように、第２開口８４は複数箇所に分けて設けられている。複数の第２開口８４は平面視で円周状に配置されている。複数の第２開口８４はいずれも第２弁１８の内側に配置される。第２開口８４の外側に配置された第２弁１８は、第２開口８４から間隔Ｄ３を空けて第２開口８４を囲むように環状に設けられる。

　このように、平面視において第２弁１８と第２開口８４の間に間隔Ｄ３を設けることで、第２弁１８が第２開口８４の縁に当たらない設計とすることができる。これにより、第２弁１８の損傷を抑制し、第２弁１８の寿命を延ばすことができ、圧電ポンプ８０の信頼性を向上させることができる。

　また、第２開口８４をそれぞれ複数の開口から形成することで、各開口における流路抵抗が小さくなり、高い流量を得ることができる。

　以上、上述の実施の形態１～４を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態１～４に限定されない。例えば、実施の形態１では、第１ポンプ室３２に第１弁１６を設け、第２ポンプ室３４に第２弁１８を設ける場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、第１弁１６あるいは第２弁１８のいずれか一方を省略し、圧電ポンプ２の内部に弁を１つのみ設ける場合であってもよい。あるいは、圧電ポンプ２の内部に弁を３つ以上設ける場合であってもよい。

　本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。また、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は、本開示の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

　本発明は、圧電素子を利用した圧電ポンプに有用である。

　２　圧電ポンプ
　４　第１天板
　６　第２天板
　８　ダイヤフラム
１０　圧電素子
１２　第１側壁
１４　第２側壁
１６　第１弁
１６Ａ　固定部（第１固定部）
１６Ｂ　可動部（第１可動部）
１８　第２弁
１８Ａ　固定部（第２固定部）
１８Ｂ　可動部（第２可動部）
２０　第１開口
２２　第２開口
２３　第３開口
２６　振動部
２７　外周縁
２８　枠部
３０　接続部
３０Ａ　第１接続部
３０Ｂ　第２接続部
３０Ｃ　第３接続部
３２　第１ポンプ室
３４　第２ポンプ室
３６　配線
３８　第１電極
４０　第２電極
４２　絶縁領域
４４　第１配線
４６　第２配線
４８　振動の節
５０　ダイヤフラム
５２　振動部
５４　接続部
５６　枠部
５８　第３開口
６０　圧電ポンプ
６２　第１弁
６２Ａ　第１固定部
６２Ｂ　第１可動部
６４　第２弁
６４Ａ　第２固定部
６４Ｂ　第２可動部
７０　圧電ポンプ
７２　第１弁
７２Ａ　第３固定部
７２Ｂ　第３可動部
７４　第２弁
７４Ａ　第４固定部
７４Ｂ　第４可動部
８０　圧電ポンプ
８２　第２天板
８４　第２開口
Ｄ１～Ｄ３　間隔
Ｆ１～Ｆ１９　流れ
Ｆ２０～Ｆ２４　流れ
Ｆ３０～Ｆ３４　流れ
Ｆ４０～Ｆ４４　流れ
Ｒ　周方向
Ｒ１　一方側の成分
Ｒ２　他方側の成分

Claims

　第１開口を形成する第１天板と、
　前記第１天板に対して間隔を空けて配置され、第２開口を形成する第２天板と、
　前記第１天板と前記第２天板の間に配置され、圧電素子が添付されるダイヤフラムと、
　前記第１天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第１天板と前記ダイヤフラムの間に第１ポンプ室を形成する第１側壁と、
　前記第２天板と前記ダイヤフラムを連結し、前記第２天板と前記ダイヤフラムの間に第２ポンプ室を形成する第２側壁と、を備え、
　前記ダイヤフラムは、前記圧電素子を有する振動部と、前記第１側壁と前記第２側壁によって挟まれる枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する接続部とを有し、
　前記接続部は、前記第１ポンプ室と前記第２ポンプ室を連通させる第３開口を形成し、
　前記第１ポンプ室において、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視して前記第１開口から間隔を空けて前記第１開口を囲むように設けられた環状の第１弁をさらに備える、圧電ポンプ。
　前記第２ポンプ室において、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視して前記第２開口から間隔を空けて前記第２開口を囲むように設けられた環状の第２弁をさらに備え、
　前記第１弁は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で内向き又は外向きの気流を抑制し、前記第２弁は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁とは逆向きの気流を抑制する、請求項１に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁は、前記第１天板に固定される第１固定部と、前記第１固定部から延びる第１可動部とを備え、
　前記第２弁は、前記第２天板に固定される第２固定部と、前記第２固定部から延びる第２可動部とを備える、請求項２に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁は、前記振動部に固定される第３固定部と、前記第３固定部から延びる第３可動部とを備え、
　前記第２弁は、前記振動部に固定される第４固定部と、前記第４固定部から延びる第４可動部とを備える、請求項２に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁の前記第１可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第１固定部の内側に配置され、
　前記第２弁の前記第２可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第２固定部の外側に配置される、請求項３に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁の前記第３可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第３固定部の内側に配置され、
　前記第２弁の前記第４可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第４固定部の外側に配置される、請求項４に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁の前記第１可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第１固定部の外側に配置され、
　前記第２弁の前記第２可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第２固定部の内側に配置される、請求項３に記載の圧電ポンプ。
　前記第１弁の前記第３可動部は、前記第１天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第１弁の前記第３固定部の外側に配置され、
　前記第２弁の前記第４可動部は、前記第２天板の主面から前記ダイヤフラムの主面方向に平面視で前記第２弁の前記第４固定部の内側に配置される、請求項４に記載の圧電ポンプ。
　前記振動部の外周縁は、前記振動部の振動の節となる位置からずれた位置に配置される、請求項１から８のいずれか１つに記載の圧電ポンプ。
　前記振動部、前記接続部および前記枠部は一体的に構成されている、請求項１から９のいずれか１つに記載の圧電ポンプ。
　前記振動部と前記接続部は別体で構成されており、前記接続部は、前記振動部よりも弾性率の低い材料で構成されている、請求項１から９のいずれか１つに記載の圧電ポンプ。
　前記接続部は、前記振動部よりも薄い、請求項１１に記載の圧電ポンプ。
　前記接続部は、前記振動部の外周縁から外側に延びる第１接続部と、前記第１接続部から前記振動部の前記外周縁に沿って延びる第２接続部と、前記第２接続部から前記枠部に接続されるように延びる第３接続部とを有する、請求項１から１２のいずれか１つに記載の圧電ポンプ。