(57)【要約】【課題】小型化が可能な流体ポンプを提供する。【解決手段】実施形態の流体ポンプは、表面を有する中空の容器であって、前記表面に開口を有し、かつ前記容器の内部と外部を連通する孔を有する容器と、前記開口の面積よりも広い振動面を有し、前記振動面を前記孔に対向させて、かつ前記振動面を前記容器から離して設けられ、前記振動面と前記開口を結ぶ線に沿って前記振動面を振動させる超音波振動子とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する中空の容器であって、前記表面に開口を有し、かつ前記容器の内部と外部を連通する孔を有する容器と、
前記開口の面積よりも広い振動面を有し、前記振動面を前記孔に対向させて、かつ前記振動面を前記容器から離して設けられ、前記振動面と前記開口を結ぶ線に沿って前記振動面を振動させる超音波振動子と、
を備える流体ポンプ。
【請求項２】
前記振動面が振動している間、前記振動面を前記孔に向けて一定の押付力で押し付ける押付機構をさらに備える請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項３】
前記押付機構の押付力を調整する調整部をさらに備える請求項２に記載の流体ポンプ。
【請求項４】
前記開口は、直径が０．１ｍｍ以下の円形状である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項５】
前記振動面が凸状の第１曲面を有し、前記容器が前記表面の一部に凹状の第２曲面を有し、かつ前記第２曲面の一部に前記孔を有し、
前記振動面と前記開口を結ぶ線に垂直な投影面における前記振動面の投影面積が、前記投影面における前記開口の投影面積よりも広い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項６】
前記開口は、前記投影面において直径が０．１ｍｍ以下の円形状である、請求項５に記載の流体ポンプ。
【請求項７】
前記孔に逆止弁が設けられる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項８】
前記容器は、前記孔を複数有し、
各孔に前記振動面を対向させて設けられた前記超音波振動子を複数有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項９】
前記超音波振動子の浮上を規制する規制部材をさらに備える、請求項１に記載の流体ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、流体ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、流体の圧縮、排出または移送のための流体ポンプ（例えば圧縮機）では、モータの回転運動や、モータの回転運動をクランクシャフト等で変換した往復運動を利用して流体を移送する。このように、モータやクランクシャフト等の駆動機構や伝達機構を備える流体ポンプでは、装置のサイズが大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８２５４１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本機械学會誌，１１１（１０７４），４２０−４２３，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
小型化が可能な流体ポンプを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の流体ポンプは、表面を有する中空の容器であって、前記表面に開口を有し、かつ前記容器の内部と外部を連通する孔を有する容器と、前記開口の面積よりも広い振動面を有し、前記振動面を前記孔に対向させて、かつ前記振動面を前記容器から離して設けられ、前記振動面と前記開口を結ぶ線に沿って前記振動面を振動させる超音波振動子とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る流体ポンプを示す図。
【図２】第１の実施形態に係る音響放射圧を説明する図。
【図３】第１の実施形態に係る実験結果を示す図。
【図４】第１の実施形態の変形例に係る流体ポンプを示す図。
【図５】第２の実施形態に係る流体ポンプを示す図。
【図６】第３の実施形態に係る流体ポンプを示す図。
【図７】第４の実施形態に係る流体ポンプを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、発明を実施するための実施形態について説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る流体ポンプ１００の概略を示す図である。図１の例では、流体ポンプ１００は流体を圧縮する圧縮機として用いている。なお、流体は例えば空気である。流体ポンプ１００により圧縮された空気は、例えば空気圧で駆動する小型のアクチュエータ、シリンダ等に用いることができる。
【００１０】
図１に示す流体ポンプ１００は、内部に空気を含む容器１０を備えている。この容器１０は一部に孔２０を有している。この孔２０には、容器１０内部からの空気が漏れないように逆止弁３０が設けられている。また、流体ポンプ１００は、容器１０の孔２０に振動面４５を対向させて、容器１０から一定の距離を隔てて超音波振動子４０を備えている。図１の流体ポンプ１００はさらに、超音波振動子４０の振動面４５を孔２０に対して、この孔２０に向かう方向に一定の押付力Ｆで押し付ける押付機構５０を備えている。
【００１１】
流体ポンプ１００では、超音波振動子４０が容器１０から一定の距離を隔てて振動面４５を振動させると、音響放射圧により超音波振動子４０の振動面４５と容器１０の間の空気の圧力は増加する。これにより、孔２０を通して容器１０の内部に空気が送り込まれ、容器１０内部において空気が圧縮される。また、押付機構５０の押付力Ｆにより、容器１０内部の空気の圧力を調整することができる。
【００１２】
容器１０は、内部に空気を蓄えることができる密閉性の容器である。図１の例では、容器１０は直方体形状である。容器１０は、壁面の一部に容器１０の内部と容器１０の外部とを連通する略円形状の孔２０を有している。この孔２０を通って容器１０の外部から内部に空気が流入する。この孔２０の容器１０内部側の開口には、この開口を塞ぐように逆止弁３０が設けられている。なお、容器１０は、空気の流出入に伴い形状が変化しないように材質としては剛性が高いものが好ましく、例えばアルミ系や鉄系の金属材料等を用いることができる。
【００１３】
超音波振動子４０は、超音波振動する振動面４５を有する振動子である。例えばボルト締めランジュバン型振動子や、バイモルフ型振動子等の、物体の固有周波数で振動する振動子を用いることができる。超音波振動子４０は、振動面４５と容器１０との間に一定の距離ｈを隔てて、かつ振動面４５を容器１０の孔２０に対向させて設けられる。距離ｈは１００μｍ以下であることが好ましく、振動面４５の振幅ξ程度であることがより好ましい。超音波振動子４０の振動面４５は、例えば略円形状であり、振動面４５の中心と孔２０の中心を一致させている。このとき、超音波振動子４０の振動面４５の面は、孔２０の容器１０の外部側の開口の面よりも広く、振動面４５が孔２０の全体を覆って対向している。
【００１４】
押付機構５０は、超音波振動子４０の振動面４５と容器１０の孔２０の開口を結ぶ線１１０（図１のX軸方向）に沿って平行移動が可能なスライダ状の機構である。押付機構５０が超音波振動子４０を把持した状態で、この超音波振動子４０に対してＸ軸方向に平行移動するための一定の押付力Ｆを加えることで、超音波振動子４０の振動面４５を容器１０の孔２０に対して押し付ける。なお、押付力Ｆは、後述のように容器１０内の目標圧力に応じて事前に設定することができる。
【００１５】
以下、図２及び図３を参照して流体ポンプ１００の作用について説明する。
【００１６】
超音波振動子４０の振動面４５が線１１０に沿って超音波振動すると、音響放射圧により振動面４５と容器１０の間（振動面４５の直下）の空気の圧力Ｐは増加する。ここで、音響放射圧とは、超音波の伝播が物体によって遮られるとき、この物体の表面に生ずる圧力のことである。このとき、振動面４５の中心において圧力Ｐは最大となり、振動面４５の中心からｙ軸方向に離れるに従って圧力Ｐが減少していく。そして、振動面４５のｙ軸方向の端部近傍において圧力Ｐは、振動面４５と容器１０の間の外（振動面４５の面外）の空気の圧力Ｐ０に等しくなる。図２には、振動面４５直下のｙ軸方向の圧力分布を示している。なお、図２に示す圧力分布は振動子の径が音波の波長と比較し小さい典型的な場合を示したものであり、必ずしも圧力分布が図示したごとき変曲点の無い上に凸の分布をなすわけではない。
【００１７】
超音波振動子４０は、押付機構５０によるＸ軸正の方向への押付力と、音響放射圧により生じる圧力差Ｐ−Ｐ０に起因するＸ軸負の方向への反発力とが釣り合う位置で超音波浮揚する。すなわち、押付力が一定の場合には、超音波振動子４０の振動面４５と容器１０の間の距離（浮揚距離）ｈは一定に保たれる。ここで、押付力Ｆと浮揚距離ｈの関係は次式で与えられる（非特許文献１）。
【数１】
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【００１８】
ここで、Ｆは押付力［ｋｇ・ｍ／ｓ２］、Ｓは振動面の面積［ｍ２］、ξは振動面の振動振幅［ｍ］、ｈは浮揚距離［ｍ］、ρは流体の密度［ｋｇ／ｍ３］、ｃは音速［ｍ／ｓ］であり、左辺Ｆ／Ｓが音響放射圧に相当する。
【００１９】
（式１）により押付力Ｆが大きくなるに従い、浮揚距離ｈが減少することがわかる。したがって、浮揚距離ｈが振動振幅ξよりも小さくなると、超音波振動子４０の振動面４５の振動に伴って振動面４５と容器１０が接触する。このため、事前に押付力Ｆと浮揚距離ｈの関係を調べておき、ξ＜ｈを満たす範囲で押付力Ｆの上限値を定めることが好ましい。これにより、振動面４５と容器１０が接触することによる振動面４５または容器１０の摩耗や、騒音を抑制することができる。
【００２０】
図２の例では、流体ポンプ１００の作動開始直後等、容器１０内の圧力Ｐｒが孔２０上部の圧力Ｐｕと比較しＰｒ＜Ｐｕの場合には、超音波振動子４０の振動面４５が超音波振動するのに伴って、孔２０上部の圧力Ｐｕと、容器１０内の圧力Ｐｒとの圧力差Ｐｕ−Ｐｒにより、孔２０上部の空気が孔２０を通って容器１０内に流入する。このとき、空気は容器１０内の圧力Ｐｒが孔２０上部の圧力Ｐｕに等しくなるまで容器１０内に流入する。これにより、容器１０内に圧縮空気が蓄積される。
【００２１】
容器１０内の圧力が孔２０上部の圧力に等しくなる時点における容器１０内の圧力Ｐｒは、押付力Ｆ及び容器１０の孔２０の開口面積（円の直径）に依存することが確かめられている。
【００２２】
図３は実験結果を示す図である。この実験では、容器１０としてはアルミ製容器（容積５６ｍｌ）を用いた。また、振動面４５の振動振幅ξ＝１２μｍの超音波振動子４０を用いた。図３は、容器１０の孔２０の直径Φ＝０．１ｍｍ、Φ＝０．３ｍｍの２パターンについて、押付力（押付圧力）を変化させたときの容器１０内の圧力を測定した結果である。この実験においては押付圧力５５ｋＰａを超えた時点で接触面４５と容器１０が接触することによる騒音が発生した。
【００２３】
図３に示すように、押付力が等しい場合には、孔２０の直径が小さいほど容器１０内において最終的に到達（飽和）する圧力（飽和圧力）が増加する。また、孔２０の直径が等しい場合には、押付力が大きいほど飽和圧力が増加する。特に孔２０の直径が０．１ｍｍの場合には、騒音が発生しない範囲内において押付圧力に対して飽和圧力が十分高いことがわかる。したがって、容器１０内の圧力Ｐｒを押付力により調整するためには、容器１０が有する孔２０の直径を０．１ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００２４】
なお、超音波振動子４０の振動面４５の形状は円形でなくてもよい。例えば、矩形状の振動面４５とすることができる。このときには、孔２０の重心（図心）位置と振動面４５の重心（図心）位置を一致させることが好ましい。または、振動面４５内で最も変位の大きい位置を孔２０の重心（図心）位置と一致させることが好ましい。また、容器１０は複数の孔２０を有してもよい。このとき、各孔２０に対向する超音波振動子４０を設けることで、より短時間で容器１０内の圧力を飽和圧力に到達させることができる。
【００２５】
また、押付機構５０としては、超音波振動子４０の自重を利用することもできる。例えば超音波振動子４０と対抗荷重をワイヤを介して接続し、この対抗荷重と自重との差分により押付力を発生させる。このとき、対抗荷重を調整することで所定の押付力を得ることができる。また、リニアモータやソレノイド等のアクチュエータを用いることもできる。
【００２６】
また、流体としては、水や油等の液体であってもよい。
【００２７】
本実施形態の流体ポンプ１００によれば、モータやクランクシャフト等の駆動機構や伝達機構を備える必要がなく、超音波振動子を用いることで装置の小型化が可能となる。また、超音波振動子は、人に聴こえない超音波領域で振動するので、装置の稼働にともなう騒音を低減することができる。また、駆動機構や伝達機構等の接触摺動する部位がないため摩耗等による劣化を少なくすることができ、装置の寿命を向上させることができる。
【００２８】
（変形例）
図４は、流体ポンプ１００の変形例を示す図である。
【００２９】
図４に示す流体ポンプ１００は、超音波振動子４０の振動面４５が凸状の曲面（第１曲面）を有する円弧状である。また、容器１０は壁面の一部に凹状の曲面（第２曲面）を有しており、この第２曲面の一部に孔２０を有している。このとき、X軸方向の軸に垂直な投影面における振動面４５の面積は、投影面における孔２０の開口の面積よりも広い。また、孔２０の開口は、X軸方向の軸に垂直な投影面において直径が０．１ｍｍ以下の円形状であることが好ましい。これにより、例えば超音波振動子４０の姿勢がわずかに傾斜した場合であっても、振動面４５と容器１０が接触することを防ぐことができる。また、超音波振動子４０の姿勢がわずかに傾斜した場合であっても孔２０と振動面４５の距離を近く保つことができる。式１よりｈが小さいほど音響放射圧が増加するので、孔２０の上面と振動面４５との距離が接近可能であるほど高い音響放射圧を発生させることができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る流体ポンプ２００の概略を示す図である。なお、図１に示す流体ポンプ１００と同一の構成については同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００３１】
図５に示す流体ポンプ２００は、押付機構５０の押付力を調整する調整部６０をさらに備えている。
【００３２】
調整部６０は、超音波振動子４０の駆動を開始する時には、押付機構５０の押付力を最終的な押付力（目標押付力）よりも小さく調整し、時間経過とともに大きくしていくことで、事前に定める所定の時間が経過した時点で目標押付力に達するように調整する。このように、超音波振動子４０の駆動開始直後には、比較的小さな押付力で超音波振動子４０を押し付けることにより、十分な音響放射圧が発生していない場合であっても振動面４５と容器１０が接触することを防ぐことができる。これにより、振動面４５または容器１０の摩耗、接触による騒音を低減することができる。
【００３３】
調整部６０は、さらに超音波振動子４０の非稼働時には、孔２０を塞ぐように、超音波振動子４０の振動面４５と容器１０を接触させるように押付力を調整する。これにより、非稼働時に孔２０を空気が通過することによる容器１０内の圧力変化を防ぐことができる。
【００３４】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る流体ポンプ３００の概略を示す図である。なお、図１に示す流体ポンプ１００と同一の構成については同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００３５】
図６に示す流体ポンプ３００は、バイモルフ型の超音波振動子４０を用いている。また、超音波振動子４０の浮上を抑制する規制部材７０を備えている。規制部材７０と容器１０との距離Hは、規制部材７０に超音波振動子４０が接したときに、超音波振動子４０の浮上高がｈとなるように定める。このとき、超音波振動子４０の浮上高ｈは、所望の音響放射圧が得られるように事前に定めておく。距離Hは超音波振動子４０の厚さとｈとの和となるように定められる。距離ｈは１００μｍ以下程度であることが好ましく、振動面４５の振幅ξ程度であることがより好ましい。
【００３６】
規制部材７０は、音響放射圧により浮上する超音波振動子４０の上昇を抑制し、振動面４５と孔２０との間の距離を一定以下に保つ。規制部材７０を用いることで、アクチュエータや対抗荷重を用いることなく超音波振動子４０の上昇を抑制することができ、さらに装置を小型化できる。
【００３７】
なお、規制部材７０は、容器１０と一体であってもよいし、他の部材に固定されてもよい。規制部材７０は、超音波振動子の浮上を確実に規制できるよう、アルミや鉄などの剛性の高い材質であることが好ましい。
【００３８】
（第４の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る流体ポンプ４００の概略を示す図である。なお、図１に示す流体ポンプ１００と同一の構成については同一の符号を付すことで説明を省略する。図６に示す流体ポンプ４００は、図６の例では、流体ポンプ４００は容器１０内を減圧する減圧機として用いている。
【００３９】
図７に示す流体ポンプ４００は、超音波振動子４０及び押付機構５０が容器１０の内部に設けられている。超音波振動子４０の振動面４５を振動させると、音響放射圧により超音波振動子４０の振動面４５と容器１０の間の空気の圧力は向上する。この際、外気圧との圧力差により、孔２０を通して容器１０の内部から容器１０の外部に空気が排出され、容器１０内部の圧力が減圧する。
【００４０】
以上説明したうち少なくとも１つの実施形態に係る流体ポンプによれば、装置の小型化が可能となる。
【００４１】
これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１００、２００、３００、４００・・・流体ポンプ
１０・・・容器
２０・・・孔
３０・・・逆止弁
４０・・・超音波振動子
４５・・・振動面
５０・・・押付機構
６０・・・調整部
７０・・・規制部材
１１０・・・線
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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