(57)【要約】  圧電ポンプ（１）はバネ板（１５）を備える。バネ板（１５）は、アクチュエータ（３）を構成する円板部（２４）と、筐体（２）を構成する外枠部（２３）と、弾性支持部（４）とを備える。アクチュエータ（３）は主面の中心から外周にかけて屈曲振動する。弾性支持部（４）は、梁部（２５）と連結部（２６，２７，２８）とを備えて構成され、円板部（２４）を外枠部（２３）に弾性支持する。梁部（２５）は、円板部（２４）と外枠部（２３）との間のギャップにて円板部（２４）の外周に沿う方向に延伸される。連結部（２６）は、梁部（２５）を円板部（２４）に連結する。連結部（２７，２８）は、連結部（２６）からオフセットした位置に設けられ梁部（２５）を外枠部（２３）に連結する。
2012140967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の中心部から外周部にかけて屈曲振動する板状のアクチュエータと、
前記アクチュエータの外周よりも外側を囲む側壁と、
前記アクチュエータの外周を前記側壁に弾性支持する弾性支持部と、を備え、
前記弾性支持部は、
前記アクチュエータと前記側壁との間のギャップにて前記アクチュエータの外周に沿う方向に延伸される梁部と、
前記梁部を前記アクチュエータに連結するアクチュエータ連結部と、
前記アクチュエータの外周に沿う方向に前記アクチュエータ連結部からオフセットした位置に設けられ前記梁部を前記側壁に連結する側壁連結部と、を備えて構成されるアクチュエータ支持構造。
【請求項２】
主面の中心から外周にかけて屈曲振動する板状のアクチュエータと、
前記アクチュエータの外周よりも外側を囲む側壁と、前記アクチュエータの主面に近接対向する対向壁と、を設けて構成される筐体と、
前記アクチュエータの外周を前記側壁に弾性支持する弾性支持部と、を備え、
前記弾性支持部は、前記アクチュエータと前記側壁との間のギャップにて前記アクチュエータの外周に沿う方向に延伸される梁部と、前記梁部を前記アクチュエータに連結するアクチュエータ連結部と、前記アクチュエータの外周に沿う方向に前記アクチュエータ連結部からオフセットした位置に設けられ前記梁部を前記側壁に連結する側壁連結部と、を備えて構成され、
前記対向壁は、前記アクチュエータと対向する領域の中心又は中心付近に流体の流入する流路孔を設けて構成される、ポンプ装置。
【請求項３】
前記梁部は、前記側壁連結部を固定部とした場合の固有振動の腹近傍となる位置で前記アクチュエータ連結部を介して前記アクチュエータに連結されるように構成され、前記固有振動の固有振動数は、前記アクチュエータの固有振動数と一致することを特徴とする、請求項２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
２つの前記側壁連結部が前記梁部の両端に連結され、
前記アクチュエータ連結部は前記梁部の両端間の中央に連結される、請求項３に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記梁部の前記アクチュエータの屈曲振動に伴う振動は、１次共振モードの振動である、請求項３または請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは円板状である、請求項２〜５のいずれか１項に記載のポンプ装置。
【請求項７】
前記対向壁は、前記流路孔の外周に設けた屈曲振動可能な薄肉部と、前記薄肉部の外周に設けた厚肉部と、を備える請求項２〜６のいずれか１項に記載のポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲振動するアクチュエータを支持するアクチュエータ支持構造、およびそのアクチュエータ支持構造を備えて流体を輸送するポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの空気輸送用などとして、屈曲振動するアクチュエータを用いて流体の流れを制御する薄型のポンプ装置が開発されている（例えば特許文献１参照。）。【０００３】
図１は従来のポンプ装置の構成例とその動作を説明する図である。
ポンプ装置１００は、振動板１１１および圧電素子１１２からなるアクチュエータ１１０と、振動板１１１に近接対向して配置される対向板１０１とを備える。振動板１１１は金属製で、外周部全体が対向板１０１に固定されている。圧電素子１１２は振動板１１１の中央部に貼り付けられている。対向板１０１は、アクチュエータ１１０の中央に対向する位置に第１開口１０２が形成され、アクチュエータ１１０の圧電素子１１２から外れて対向する位置に第２開口１０３が形成されている。このポンプ装置は、圧電素子１１２に所定周波数の電圧が印加されると、振動板１１１が３次共振モードで共振し、振動板１１１において第１開口１０２に対向する部分と第２開口１０３に対向する部分とが相反する方向に屈曲変形する。この屈曲変形が繰り返されることにより、ポンプ装置１００は第１開口１０２および第２開口１０３の一方から流体を吸込み、他方から流体を吐出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０６９２６４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ポンプ装置の組み込み先の電子機器には常に小型化の要望があり、ポンプ装置もポンプ能力（流体圧力や流量）を低下させることなく小型化することが要求される。また、電子機器では電源電圧を低電圧化する要望もあり、ポンプ装置には駆動電圧の低電圧化も要求される。しかしながらポンプ装置では、小型化する程、また駆動電圧を低電圧化がする程、ポンプ能力が低下する傾向があるため、小型化や駆動電圧の低電圧化には限界があった。【０００６】
そこで本発明の第１の目的は、小型低背でポンプ能力が高いポンプ装置を提供することにある。【０００７】
また本発明の第２の目的は、そのようなポンプ装置に適した構成のアクチュエータ支持構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１，２）本発明のアクチュエータ支持構造は、アクチュエータと側壁と弾性支持部とを備える。また、本発明のポンプ装置は、アクチュエータと筐体と弾性支持部とを備え、筐体は側壁と対向壁とを設けて構成される。アクチュエータは板状で、主面の中心から外周にかけて屈曲振動する。側壁は、アクチュエータの外周よりも外側を囲む。対向壁は、アクチュエータの主面に近接対向し、アクチュエータと対向する領域の中心又は中心付近に流体の流入する流路孔を設けて構成される。
上記弾性支持部は、梁部とアクチュエータ連結部と側壁連結部とを備えて構成され、アクチュエータを側壁に弾性支持する。梁部は、アクチュエータと側壁との間のギャップにてアクチュエータの外周に沿う方向に延伸される。アクチュエータ連結部は、梁部をアクチュエータに連結する。側壁連結部は、アクチュエータの外周に沿う方向にアクチュエータ連結部からオフセットした位置に設けられ梁部を側壁に連結する。【０００９】
これらの構成によれば、アクチュエータの外周部が筐体などの側壁に弾性支持部を介して弾性支持されるので、図１に示した構造のようにアクチュエータの外周部が固定されず、アクチュエータの外周部が変位可能になる。また、弾性支持部を構成する梁部がアクチュエータの外周に沿った方向に延伸し、アクチュエータ連結部と側壁連結部とがオフセット配置されるので、梁部を略直線状や略円弧状に構成することが可能になり、梁部を折り返すように構成したりしなくても、梁部長さを確保することが可能になる。したがって、振動板をほとんど小型化（小面積化）することなく、梁部長さの設定範囲を広いものにできる。【００１０】
（３）上記ポンプ装置の構成において、前記梁部は、前記側壁連結部を固定部とした場合の固有振動の腹近傍となる位置で前記アクチュエータ連結部を介して前記アクチュエータに連結されるように構成され、前記固有振動の固有振動数は、前記アクチュエータの固有振動数と一致するように構成されると好適である。【００１１】
（４）上記構成において、２つの前記側壁連結部が前記梁部の両端に連結され、前記アクチュエータ連結部は前記梁部の両端間の中央に連結されると好適である。【００１２】
（５）上記構成において、前記梁部の前記アクチュエータの屈曲振動に伴う振動は１次共振モードの振動であると好適である。【００１３】
（６）上述のポンプ装置の構成において、前記アクチュエータは円板状であることが望ましい。【００１４】
（７）上述のポンプ装置の構成において、前記対向壁は、前記流路孔の外周に設けた屈曲振動可能な薄肉部と、前記薄肉部の外周に設けた厚肉部と、を備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
（１，２）この発明によれば、アクチュエータの外周部が屈曲振動に伴って変位可能になり、アクチュエータの屈曲振動が側壁部からの拘束によってダンピングされることを防ぐことができ、屈曲振動の振幅を増大させることができる。アクチュエータの屈曲振動の振幅が増大することにより、ポンプ装置においては駆動電圧が低くても効率よく流体圧力や流量を得ることができる。【００１６】
また、振動板をほとんど小型化（小面積化）することなく、梁部の長さの設定範囲を広いものにできる。これにより、梁部の弾性率や共振周波数など各種特性値を任意に設定することが可能になる。振動板の面積が大きいほど、ポンプ装置においては大きな流量を確保することができる。また、梁部の弾性率や共振周波数など各種特性値を任意に設定することができれば、それらを適切に設定することによってアクチュエータの屈曲振動の振幅を増大させることが可能になる。【００１７】
また、駆動中に弾性支持部に作用するモーメント荷重が過大であると、弾性支持部が破断する可能性がある。例えば、梁部が途中で折り返されるような構成（例えばミアンダ形状）を備えるならば、その折り返し部分で梁部が逆方向に拡開するようにモーメント荷重が作用し、その箇所で梁部が破断する危険性が高いものになる。このような問題に対して上記本願の構成では、アクチュエータ連結部と側壁連結部とがオフセットするように構成するので、梁部を略直線状や略円弧状に構成することが可能になり、モーメント荷重が主に作用する箇所をアクチュエータ連結部や側壁連結部に限定して梁部での破断を防ぐことができる。アクチュエータ連結部や側壁連結部は、アクチュエータや側壁との接続長さを比較的長いものに設定することで、破断しにくくすることができる。【００１８】
（３）本願発明者らは、アクチュエータの屈曲振動に共振して梁部が奇数次共振モードで振動する状態になると、屈曲振動のダンピングが効果的に防がれることを見いだした。したがって、梁部の弾性率や共振周波数などを適正に設定して梁部を奇数次共振モードで振動させることにより、梁部の共振の腹近傍となる位置で梁部がアクチュエータに連結されるように構成されることになり、この状態では屈曲振動のダンピングを効果的に防ぐことができ、屈曲振動の振幅をさらに増大させることができる。【００１９】
（４）梁部が両持ち構造で支持されることによって、梁部の中央に設けられるアクチュエータ連結部がねじれ変形することがなくなり、アクチュエータ連結部の破断を防ぐことができる。【００２０】
（５）梁部の振動が１次共振モードであれば、梁部の振動振幅を最大化することができ、アクチュエータの屈曲振動のダンピングを効果的に防げる。【００２１】
（６）アクチュエータが円板状であれば、回転対称形（同心円状）の屈曲振動が生じることになり、ポンプ装置においてアクチュエータと対向壁との間に不要な隙間が発生せず動作効率が高まる。【００２２】
（７）対向壁に屈曲振動可能な薄肉部を設けることにより、アクチュエータの振動に伴い薄肉部も振動するようになり、このことによって実質的な振動振幅を増してポンプ装置における流体圧力と流量を増加させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のポンプ装置の構成とその動作を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る圧電ポンプの模式図である。
【図３Ａ】図２に示す圧電ポンプの動作原理を説明する模式図である。
【図３Ｂ】図２に示す圧電ポンプの動作原理を説明する模式図である。
【図４】図２に示す圧電ポンプの斜視図である。
【図５】図２に示す圧電ポンプの分解斜視図である。
【図６】図５に示すバネ板の平面図である。
【図７】図５に示すバネ板の変形を説明する模式断面図である。
【図８】圧電ポンプの流体圧−流量特性を示す図である。
【図９】図５に示すバネ板のその他の構成例に係る平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る圧電ポンプの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係るアクチュエータ支持構造を備えるポンプ装置として、圧電素子を備える圧電ポンプを例に説明を行う。
【００２５】
《第１の実施形態》
まず、本発明の第１の実施形態に係る圧電ポンプ１の模式構成と、その基本的なポンプ動作とを説明する。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電ポンプ１の非駆動時の模式断面図である。
【００２７】
圧電ポンプ１は筐体２と、アクチュエータ３と、弾性支持部４とを備える。
【００２８】
アクチュエータ３は圧電素子３Ｂを振動板３Ａに貼り付けて構成される。圧電素子３Ｂ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、それらの電極間に例えば２０ｋＨｚ程度の矩形波状や正弦波状の駆動電圧が印加されることによって広がり振動するように構成されている。この圧電素子３Ｂを剛体の振動板３Ａに貼り付けるアクチュエータ３の構成により、アクチュエータ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）に生じることになる。
【００２９】
筐体２は、アクチュエータ３および弾性支持部４を収容する内部空間５と、内部空間５に連通する流路孔６Ａ，６Ｂとを流路として備える。内部空間５は、筒状の側壁５Ａと、側壁５Ａの下側開口を閉じるように設けられる下対向壁５Ｂと、側壁５Ａの上側開口を閉じるように設けられる上対向壁５Ｃと、を備えて構成される。流路孔６Ａは下対向壁５Ｂにおけるアクチュエータ３の下主面と対向する領域の中央近傍に設けられる。流路孔６Ｂは、ここでは上対向壁５Ｃにおけるアクチュエータ３の上主面と対向する領域から外れる位置に設ける。
【００３０】
弾性支持部４は、アクチュエータ３の外周を側壁５Ａに連結し、アクチュエータ３の下主面が非駆動時に下対向壁５Ｂに対して微小間隔または接触状態で対向配置されるようにアクチュエータ３を弾性支持する。
本実施形態の圧電ポンプ１は以上のような模式構成を採用する。
【００３１】
図３Ａ、図３Ｂは圧電ポンプ１の基本的なポンプ動作を説明する模式図である。アクチュエータ３は、駆動により下対向壁５Ｂから浮き上がるように動作し、アクチュエータ３の中央近傍領域と外周近傍領域とがそれぞれ数μｍ〜数１０μｍ程度の振幅で上下に振動する。
【００３２】
図３Ａに示すようにアクチュエータ３が上に凸に屈曲変形する際には、アクチュエータ３と下対向壁５Ｂとの間隙はアクチュエータ３の中央近傍で広がる。そのため、間隙の中央近傍では流体圧力が低くなり、流路孔６Ａや間隙の外周近傍から流体が流入しようとするが、間隙の外周近傍での間隔は狭く流路抵抗が大きなものになっているため、流路孔６Ａからの流体の流入が支配的になる。
【００３３】
図３Ｂに示すようにアクチュエータ３が下に凸に屈曲変形する際には、アクチュエータ３と下対向壁５Ｂとの間隙がアクチュエータ３の中央近傍で狭まる。そのため間隙の中央近傍では流体圧力が高くなり、流路孔６Ａや間隙の外周近傍から流体が流出しようとするが、間隙の外周近傍での間隔は広く流路抵抗が小さなものになっているため、間隙の外周近傍からの流体の流出が支配的になる。
【００３４】
以上の動作は、アクチュエータ３の１次モードの共振周波数、例えば２０ｋＨｚ程度の周波数で繰り返される。すると、アクチュエータ３の中央近傍や外周近傍の間隙における流体圧力は、アクチュエータ３の屈曲振動に伴い刻々と変動するが、時間平均して見れば中央近傍では常に負圧が発生し、外周近傍ではそれに対抗して釣り合う正圧が常に発生することになる。これにより、この圧電ポンプ１は、流路孔６Ａから流体を吸引し、流路孔６Ｂから流体を吐出することになる。なお、この圧電ポンプ１は、流路孔６Ａを大気開放して正圧動作するようにしてもよく、流路孔６Ｂを大気開放して負圧動作するようにしてもよい。
【００３５】
また、この構成では、アクチュエータ３と下対向壁５Ｂとの間隙における平均間隔がポンプの負荷変動に依存して変化する。すなわち、ポンプ負荷が高負荷な状態では、アクチュエータ３に対して、下対向壁５Ｂと逆側に位置する空間の圧力が大きくなるため、弾性支持部４のバネ力が釣り合うように下対向壁５Ｂに対するアクチュエータ３の平均間隔が狭くなる。一方、低負荷状態では、アクチュエータ３に対して、下対向壁５Ｂと逆側に位置する空間の圧力が小さくなるため、弾性支持部４のバネ力が釣り合うように下対向壁５Ｂに対するアクチュエータ３の平均間隔が広くなる。したがって、ポンプの負荷変動に応じて自律的に間隙の大きさが調整されることになる。
【００３６】
次に、圧電ポンプ１の具体構成例について説明する。図４は圧電ポンプ１の斜視図である。圧電ポンプ１は、複数の板状部材を積層してなり、天面に流体を吐出するための流路孔６Ｂを備え、全体の厚み寸法が例えば１ｍｍ程度の極めて低背な構成である。
【００３７】
図５は圧電ポンプ１の分解斜視図である。圧電ポンプ１は、天面側から順番に筐体天板１１、スペーサ１２、給電板１３、絶根スペーサ１４、圧電素子３Ｂ、バネ板１５、補強板１６、スペーサ１７、金属薄板１８、および枠体板１９を備える。
【００３８】
この構成例では、バネ板１５の一部領域が前述の振動板３Ａを構成し、その領域の上面に圧電素子３Ｂが、下面に補強板１６が接合され、前述のアクチュエータ３を構成する。補強板１６は剛性を高めてアクチュエータ３の共振周波数を調整するために設ける。
【００３９】
なお、このような構成のアクチュエータ３は、加熱硬化性接着剤などを用いて部材間を接合することがあり、その場合、部材間の線膨張係数差によりアクチュエータ３に反りが発生することがある。このような反りを防ぐためには、バネ板１５、圧電素子３Ｂ、および補強板１６それぞれの線膨張係数を、バネ板１５の上面での熱応力と下面での熱応力とがバランスするように選定するとよい。また、接合後の圧電素子３Ｂに圧縮応力が加わるようにしておけば、圧電素子３Ｂの耐衝撃性などを高めて割れにくくすることができ、そのためには、バネ板１５として圧電素子３Ｂや補強板１６よりも十分に線膨張係数が大きい材料を選定するとよい。例えば、バネ板１５として線膨張係数の大きい材料であるりん青銅、洋白などを採用し、補強板１６として比較的線膨張係数の小さいＳＵＳ４３０などを採用するとよい。
【００４０】
図６はバネ板１５の平面図である。バネ板１５は、金属製矩形板であり、３つの弾性支持部４と、外枠部２３と、円板部２４と、外部接続端子２９とを備えている。なお外部接続端子２９は外辺の角部から外側に突出し、駆動回路に接続されて前述の圧電素子３Ｂを駆動する駆動電圧が印加される。
【００４１】
外枠部２３は円板部２４の周囲を囲む円形開口を備え、前述の筐体２の一部を構成する。円板部２４は円形で、前述のように補強板１６および圧電素子３Ｂとともにアクチュエータ３を構成する。なお、ここではアクチュエータ３を約２０ｋＨｚの固有振動数を持つように設計し、圧電素子３Ｂにこの周波数と同一の周波数の駆動電圧が印加されることにより共振駆動し、屈曲振動する。３つの弾性支持部４は外枠部２３と円板部２４との間のギャップ（スリット）に、１２０°間隔で設けている。
【００４２】
各弾性支持部４は、梁部２５と連結部２６，２７，２８とを備えている。梁部２５は、外枠部２３と円板部２４との間のギャップにおいて、円板部２４の外周に沿って延伸し、両端が連結部２７，２８によって外枠部２３に連結され、中央が連結部２６によって円板部２４に連結されている。梁部２５は連結部２７，２８による両持ち梁構成となっている。このような構成の弾性支持部４によって、円板部２４およびアクチュエータ３は外枠部２３および筐体２に対して弾性支持される。
【００４３】
このように弾性支持部４を介して円板部２４を外枠部２３に連結すると、円板部２４の外周が実質的に拘束されない状態、則ち、アクチュエータ３を筐体２が実質的に拘束しない状態とすることができる。これにより、図３Ａ，図３Ｂに示したようにアクチュエータ３の外周近傍と下対向壁５Ｂとの間隔が変化するように、アクチュエータ３を屈曲振動させることが可能になる。すると、駆動時に流体圧力によってアクチュエータ３が下対向壁５Ｂの近傍から浮上し、アクチュエータ３は下対向壁５Ｂに対して非接触で自由振動することになり、アクチュエータ３の振動振幅を確保して小型・低背な構造でも高い圧力と大きな流量が得られる。また、２０ｋＨｚ以上の非可聴域で駆動するように、アクチュエータ３の屈曲振動の周波数を高くしても、充分な振幅を得て流量や流体圧力を確保することが可能になる。
【００４４】
また弾性支持部４は、図６に示したように、外枠部２３と円板部２４との間のスリットにおいて円板部２４の外周に沿って延伸する梁部２５を備えて構成していて、円板部２４をほとんど小型化（小面積化）することなく、梁部２５は梁部長さの設定範囲を広いものにしている。したがって、弾性支持部４は共振周波数（固有振動数）の設定自由度が高く、各部の材質や厚みにもよるが、共振周波数をアクチュエータ３の屈曲振動の周波数と実質的に一致するように設定することが可能になる。ここでは梁部２５と連結部２７，２８とを取り出したと仮定した場合の共振周波数（固有振動数）がアクチュエータ３の共振周波数（固有振動数）とほぼ等しくなるように弾性支持部４の寸法を設計している。
【００４５】
図７は、梁部２５の変形状態を説明する模式断面図である。弾性支持部４の共振周波数がアクチュエータ３の共振周波数（屈曲振動の周波数）と一致する場合、アクチュエータ３の屈曲振動に伴って、梁部２５には、アクチュエータとの連結部２６を振動の腹とする、１次共振モードの振動が生じる。この場合、アクチュエータ３の屈曲振動が梁部２５によりダンピングされることがなくなり、アクチュエータ３の屈曲振動における振動振幅を大きく（最大化）することができる。
【００４６】
また、梁部２５では、他部材に連結される連結部２６，２７，２８に図中に矢示する方向にモーメント荷重が作用する。各連結部２６，２７，２８は、アクチュエータ３や側壁との接続長さがこのモーメント荷重による破断が生じないような設計される。なお本構成では梁部２５が上面視して円弧状であり、途中で折り返される構成では無い。折り返し形状（ミアンダ形状など）では、上下逆方向に拡開するモーメント荷重が折り返し部に作用するため、弾性支持部が破断する危険性が高いが、本願のように梁部２５に折り返しがない構成の圧電ポンプ１は、弾性支持部が破断しにくく、故障の生じにくい構成といえる。
【００４７】
なお、梁部２５の振動モードが３次共振モードなどの１次共振モード以外の奇数次共振モードであっても、アクチュエータ３の屈曲振動が梁部２５によってダンピングされることを抑制できるが、高次の共振モードでは梁部２５の振動振幅自体が小さくなるため、１次共振モードの振動が最も望ましい。
【００４８】
なお、ここでは弾性支持部４を３箇所に設けているが、弾性支持部４は少なくとも二箇所に有れば十分であり、３箇所以上設けるようにしても良い。
【００４９】
このような構成のバネ板１５を採用することにより、アクチュエータ３の屈曲振動の振幅を増大させることができ、圧電ポンプ１において駆動電圧が低くても効率よく流体圧力や流量を得ることができる。
【００５０】
再び図５に戻りその他の各部構成を説明する。
筐体天板１１、スペーサ１２、給電板１３、絶縁スペーサ１４は、アクチュエータ３よりも天面側の筐体を構成し、それらの備える開口１２Ａ，１３Ａ，１４Ａが、アクチュエータ３よりも天面側の内部空間を構成する。
【００５１】
筐体天板１１は流路孔６Ｂが形成された矩形板である。筐体天板１１は金属や樹脂により構成するとよい。流路孔６Ｂは筐体内部の正圧を開放する吐出孔であり筐体天板１１のどの位置に設けてもよいが、ここでは筐体天板１１の中心から外れた位置に設けるようにしている。
【００５２】
スペーサ１２は開口１２Ａが形成された樹脂製矩形板であり、筐体天板１１と給電板１３との間に設けられる。給電板１３は開口１３Ａが形成された金属製矩形板であり、開口１３Ａの内側に突出する給電端子１３Ｂと、外辺の角部から外側に突出する外部接続端子１３Ｃとを備える。給電端子１３Ｂは圧電素子３Ｂの備える上面電極にはんだ付け等を用いて接続され、外部接続端子１３Ｃは駆動回路に接続される。絶縁スペーサ１４は、開口１４Ａが形成された樹脂製矩形板であり、給電板１３とバネ板１５との間を絶縁する。
【００５３】
なお、絶縁スペーサ１４の厚みは圧電素子３Ｂの厚みよりも若干厚くしておき、給電端子１３Ｂのはんだ付け位置をアクチュエータ３の屈曲振動の節に相当する位置としておく。これにより、アクチュエータ３の屈曲振動に伴って給電端子１３Ｂが振動することを抑制できる。すると給電端子１３Ｂによってアクチュエータ３の屈曲振動がダンピングされることを防ぐことができる。また、スペーサ１２の厚みは、アクチュエータ３の屈曲振動によっても給電端子１３Ｂが筐体天板１１に接触しないで、十分な間隔を保つような厚みに設定する。仮に筐体天板１１にアクチュエータ３が過度に接近すると、流路抵抗によりアクチュエータ３の振動振幅が低下する危険性があるため、この間隔を十分に保つことで、アクチュエータ３の振動振幅の低下を防止することができる。本構成例であれば、スペーサ１２の厚さは、圧電素子３Ｂと同程度の厚さであれば十分である。
【００５４】
また、スペーサ１７、金属薄板１８、枠体板１９はアクチュエータ３よりも底面側の筐体を構成し、スペーサ１７の備える開口１７Ａは、アクチュエータ３よりも底面側の内部空間を構成する。
【００５５】
スペーサ１７は、開口１７Ａが形成された矩形板であり、補強板１６の配置スペースを確保するために設けている。金属薄板１８は流路孔６Ａが形成された金属製矩形板であり、図２で説明した下対向壁５Ｂを構成している。枠体板１９は、開口１９Ａが形成された金属製矩形板であり、下対向壁５Ｂに薄肉部と厚肉部とを形成するために設けている。
【００５６】
ここでスペーサ１７の厚みは補強板１６の厚みよりも若干（約２０μｍだけ）厚くし、これにより、非駆動時に、アクチュエータ３の底面（補強板１６の底面）が金属薄板１８の天面（下対向壁５Ｂ）に対して微小間隙を隔てて対向するようにしている。この間隙は、負荷変動に応じて自動的に調整されることになり、低負荷時には間隙が広がって流量が増大し、高負荷時には弾性支持部４がたわんで間隙が狭まり、必要な流体圧力が確保されることになる。
【００５７】
また、金属薄板１８に枠体板１９を接合することによって、下対向壁５Ｂに薄肉部と厚肉部とを形成する。この構成において、薄肉部は共振周波数をアクチュエータ３と実質的に同一の周波数か、やや低い周波数となるように設定すると好適である。これにより、アクチュエータ３の振動に伴う圧力変動によって薄肉部が呼応して屈曲振動するようになり、その振動位相がアクチュエータ３の振動位相とずれた（例えば９０°遅れの）振動となって、アクチュエータ３と下対向壁５Ｂとの間隔の振動振幅を実質的に増加させてポンプの能力をより向上させることが可能になる。金属薄板１８や枠体板１９は金属製ではなく樹脂製としてもよいが、アクチュエータ３と実質的に同一の共振周波数を実現するために、ここでは金属製とした。
【００５８】
次に、以上の構成の圧電ポンプ１を用いてサンプル試験を行った結果について図８にて説明する。サンプルＡは比較用サンプルであり、敢えてバネ部の固有振動数をアクチュエータの固有振動数からずらしている。具体的にはサンプルＡは、バネ板の材質がりん青銅（C5210）、弾性支持部の固有振動数の設計値が17.4kHz、アクチュエータの固有振動が約20kHzとしている。一方、サンプルＢはバネ板の材質が洋白（C7701）、弾性支持部の固有振動数の設計値が19.8kHz、アクチュエータの固有振動が約20kHzとしている。
【００５９】
このようなサンプル試験において、弾性支持部の固有振動数をアクチュエータの固有振動数とほぼ等しくしたサンプルＢでは、弾性支持部の固有振動数をアクチュエータの固有振動数と異ならせたサンプルＡよりも、図中に示すように得られる流体圧力と流量が増大することが確認できた。このことは、弾性支持部による屈曲振動のダンピングが抑制されることによると考察される。
【００６０】
次にバネ板のその他の構成例について説明する。
図９はその他の構成例に係るバネ板１５Ａの平面図である。前述のバネ板１５は各々独立した構成の３つの弾性支持部４を備えるものであったが、このバネ板１５Ａは、円環状の梁部２５Ａと、６０°間隔で配置された６つの側壁連結部２７Ａと、側壁連結部２７Ａと３０°づつずれて配置された６つのアクチュエータ連結部２６Ａと、を備えて構成される。
【００６１】
本実施形態であっても弾性支持部の共振周波数（固有振動数）をアクチュエータの共振周波数（固有振動数）と略一致させて弾性支持部を１次共振モードで振動したり、より高次の奇数次共振モードで振動したりするように設計することにより、アクチュエータの屈曲振動がダンピングされることを防ぐことができる。なお、弾性支持部の共振周波数（固有振動数）をアクチュエータの共振周波数（固有振動数）と完全に一致させたものに限らず、効果が生じる範囲で多少ずれていてもよい。
【００６２】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電ポンプ５１を説明する。
【００６３】
図１０は、圧電ポンプ５１の分解斜視図である。圧電ポンプ５１は前述の第１の実施形態と相違する構成のアクチュエータ５３および金属薄板５８を備える。
【００６４】
アクチュエータ５３は、圧電素子３Ｂ、補強板５５、バネ板５６を、補強板５５を中間にして積層した構成である。この場合、各部の線膨張係数は適切に設定し直す必要があるが、補強板５５として圧電素子３Ｂやバネ板５６よりも十分に線膨張係数が大きい材料を採用すると好適である。例えば補強板５５は線膨張係数の大きい材料であるりん青銅、洋白などを採用し、バネ板は線膨張係数の小さい材料であるＳＵＳ４３０などを採用するとよい。この場合、バネ板はりん青銅や洋白などと比較してヤング率が大きく、第１の実施形態と同じバネ形状のままでは、バネ定数や固有振動数が大きくなりすぎるため、本実施形態の構成では、第１の実施形態よりもスリット部分を長くするなどの形状変更により、固有振動数を低減する調整を行うとよい。
【００６５】
また本実施形態では金属薄板５８において、バネ板５６の備える弾性支持部に対向する位置に逃げ穴５８Ａを形成する。この逃げ穴５８Ａはバネ板５６と金属薄板５８との干渉を防ぐためのものである。本願の構成では、アクチュエータの振動に合わせて弾性支持部が振動し、弾性支持部においてアクチュエータとの連結部近傍が最も大きな振幅となる。前述の実施形態では問題にならないが、本実施形態のようにバネ板の上に補強板と圧電素子が設けられる場合、バネ板５６と金属薄板５８との間隔が２０μｍしか存在せず、駆動時に金属薄板５８に弾性支持部が接触する可能性がある。弾性支持部と金属薄板５８との接触は圧力流量特性の劣化や異音を招来するため問題となるため、ここでは金属薄板５８の弾性支持部に対向する位置に逃げ穴５８Ａを設けることにより、弾性支持部と金属薄板５８との干渉を避けている。なお、アクチュエータの中心周辺には流路抵抗による浮揚効果が働くため、金属薄板５８との接触が生じにくく問題にはならない。
なお、図中では逃げ穴を６カ所に設けているが、これは様々な形状のバネ板に対応できるようにするためであり、本実施形態のように３つの弾性支持部を設ける場合、逃げ穴は対応する箇所に一つずつ合計３箇所に設けるだけでもよい。
【００６６】
《その他の実施形態》
以上の各実施形態ではバネ板の片面に圧電素子を配置するユニモルフ型のアクチュエータを設けたが、バネ板の両面に圧電素子を配置するバイモルフ型でアクチュエータを構成してもよい。
【００６７】
また、アクチュエータは、圧電素子を備えるタイプに限らず、屈曲振動するものであれば、電磁駆動などで駆動するものを採用してもよい。
【００６８】
また、圧電素子と円板部との大きさは等しくてもよく、圧電素子よりも円板部が大きい構成であってもよい。
【００６９】
また、本発明は可聴音の発生が問題とならない用途では、可聴音周波数帯域でアクチュエータを駆動してもよい。
【００７０】
また、流路孔６Ａを１つのみ配置する構成に限らず、アクチュエータに対向する領域に複数の流路孔６Ａを配置してもよい。
【００７１】
また、以上の各実施形態では、アクチュエータが１次モードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めたが、アクチュエータを３次モード等の他のモードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めてもよい。
【００７２】
また、以上の各実施形態では円板状の圧電素子及び円板状の振動板を用いたが、これらは一方が矩形又は多角形であってもよい。
【００７３】
なお、吸引する、又は吸引／吐出する流体は気体に限らず液体であってもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１，５１…圧電ポンプ
２…筐体
３…アクチュエータ
３Ａ…振動板
３Ｂ…圧電素子
４…弾性支持部
５…内部空間
５Ａ…側壁
５Ｂ…下対向壁
５Ｃ…上対向壁
６Ａ，６Ｂ…流路孔
１１…筐体天板
１２，１７…スペーサ
１４…絶縁スペーサ
１３…給電板
１３Ｂ…給電端子
１３Ｃ…外部接続端子
１５，１５Ａ，１５Ｂ…バネ板
１６…補強板
１８…金属薄板
１９…枠体板
１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１７Ａ，１９Ａ…開口
２３…外枠部
２４…円板部
２５，２５Ａ，２５Ｂ…梁部
２６，２７，２８，２６Ａ，２７Ａ…連結部
２９…外部接続端子
５３…アクチュエータ
５５…補強板
５６…バネ板
５８…金属薄板
５８Ａ…逃げ穴
【図１】
2012140967.tif 000003
【図２】
2012140967.tif 000004
【図３Ａ】
2012140967.tif 000005
【図３Ｂ】
2012140967.tif 000006
【図４】
2012140967.tif 000007
【図５】
2012140967.tif 000008
【図６】
2012140967.tif 000009
【図７】
2012140967.tif 000010
【図８】
2012140967.tif 000011
【図９】
2012140967.tif 000012
【図１０】
2012140967.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月25日(2012.9.25)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、屈曲振動するアクチュエータを支持するアクチュエータ支持構造を備えて流体を輸送するポンプ装置に関するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
（１，２）本発明のポンプ装置は、アクチュエータと筐体と弾性支持部とを備え、筐体は側壁と対向壁とを設けて構成される。アクチュエータは板状で、主面の中心から外周にかけて屈曲振動する。側壁は、アクチュエータの外周よりも外側を囲む。対向壁は、アクチュエータの主面に近接対向し、アクチュエータと対向する領域の中心又は中心付近に流体の流入する流路孔を設けて構成される。
上記弾性支持部は、梁部とアクチュエータ連結部と側壁連結部とを備えて構成され、アクチュエータを側壁に弾性支持する。梁部は、アクチュエータと側壁との間のギャップにてアクチュエータの外周に沿う方向に延伸される。アクチュエータ連結部は、梁部をアクチュエータに連結する。側壁連結部は、アクチュエータの外周に沿う方向にアクチュエータ連結部からオフセットした位置に設けられ梁部を側壁に連結する。または、側壁連結部は、前記梁部を前記側壁に連結し、前記アクチュエータの外周に沿う方向において、前記アクチュエータ連結部と異なる位置に設けられている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
（３）上記ポンプ装置の構成において、前記弾性支持部は、前記アクチュエータ連結部が前記梁部の振動の腹となる位置で前記梁部に連結され、前記弾性支持部の共振周波数は、前記アクチュエータの共振周波数と一致するように構成されると好適である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
次にバネ板のその他の構成例について説明する。
図９はその他の構成例に係るバネ板１５Ａの平面図である。前述のバネ板１５は各々独立した構成の３つの弾性支持部４を備えるものであったが、このバネ板１５Ａは、円環状の梁部２５Ａと、６０°間隔で配置された６つの側壁連結部２７Ａと、側壁連結部２７Ａと３０°ずつ、ずれて配置された６つのアクチュエータ連結部２６Ａと、を備えて構成される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の中心から外周にかけて屈曲振動する板状のアクチュエータと、
前記アクチュエータの外周よりも外側を囲む側壁と、前記アクチュエータの主面に近接対向する対向壁と、を設けて構成される筐体と、
前記アクチュエータの外周を前記側壁に弾性支持する弾性支持部と、を備え、
前記弾性支持部は、前記アクチュエータと前記側壁との間のギャップにて前記アクチュエータの外周に沿う方向に延伸される梁部と、前記梁部を前記アクチュエータに連結するアクチュエータ連結部と、前記アクチュエータの外周に沿う方向に前記アクチュエータ連結部からオフセットした位置に設けられ前記梁部を前記側壁に連結する側壁連結部と、を備えて構成され、
前記対向壁は、前記アクチュエータと対向する領域の中心又は中心付近に流体の流入する流路孔を設けて構成される、ポンプ装置。
【請求項２】
主面の中心から外周にかけて屈曲振動する板状のアクチュエータと、
前記アクチュエータの外周よりも外側を囲む側壁と、前記アクチュエータの主面に近接対向する対向壁と、を設けて構成される筐体と、
前記アクチュエータの外周を前記側壁に弾性支持する弾性支持部と、を備え、
前記弾性支持部は、前記アクチュエータと前記側壁との間のギャップにて前記アクチュエータの外周に沿う方向に延伸される梁部と、前記梁部を前記アクチュエータに連結するアクチュエータ連結部と、前記梁部を前記側壁に連結し、前記アクチュエータの外周に沿う方向において、前記アクチュエータ連結部と異なる位置に設けられている側壁連結部と、を備えて構成され、
前記対向壁は、前記アクチュエータと対向する領域の中心又は中心付近に流体の流入する流路孔を設けて構成される、ポンプ装置。
【請求項３】
前記弾性支持部は、前記アクチュエータ連結部が前記梁部の振動の腹となる位置で前記梁部に連結され、前記弾性支持部の共振周波数は、前記アクチュエータの共振周波数と一致することを特徴とする、請求項１または２に記載のポンプ装置。
【請求項４】
２つの前記側壁連結部が前記梁部の両端に連結され、
前記アクチュエータ連結部は前記梁部の両端間の中央に連結される、請求項３に記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記梁部の前記アクチュエータの屈曲振動に伴う振動は、１次共振モードの振動である、請求項３または請求項４に記載のポンプ装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは円板状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のポンプ装置。
【請求項７】
前記対向壁は、前記流路孔の外周に設けた屈曲振動可能な薄肉部と、前記薄肉部の外周に設けた厚肉部と、を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のポンプ装置。
【国際調査報告】
2012140967.tif 000014
2012140967.tif 000015
2012140967.tif 000016
2012140967.tif 000017