(57)【要約】  ポンプ（１０）は、厚み方向に平面視した中心から外周部にかけて圧力振動を生じる圧力室（１３）を有する。ポンプ（１０）は、厚み方向から圧力室（１３）に面しており、厚み方向に沿って変位を生じる振動板部（１４）と、振動板部（１４）とは逆の方向から圧力室（１３）に面する天板部（１５）と、を備える。振動板部（１４）は、圧力室（１３）の外周部に開口する第１流入口（３４）を有する。天板部（１５）は、圧力室（１３）の中央部に開口する流出口（３１）と、圧力室（１３）の外周部に開口する第２流入口（３５）と、を有する。
2016199624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向に平面視した中心から外周部にかけて圧力振動を生じる圧力室を有するポンプであって、
前記厚み方向から前記圧力室に面しており、前記厚み方向に沿って変位を生じる振動板部と、
前記振動板部とは逆の方向から前記圧力室に面する天板部と、
を備え、
前記振動板部は、前記圧力室の外周部に開口する第１流入口が設けられ、
前記天板部は、前記圧力室の中央部に開口する流出口と、前記圧力室の外周部に開口する第２流入口と、が設けられた、
ポンプ。
【請求項２】
前記天板部の中心から前記第２流入口までの寸法と、前記振動板部の中心から前記第１流入口までの寸法とのうち、より小さい寸法をａとし、
前記振動板部の共振周波数をfとし、
前記圧力室を通過する流体の音速をｃとし、
第１種ベッセル関数Ｊ０（ｋ０）=0を満たす値をｋ０とした場合に、次式を満足する、
【数１】
2016199624.tif 000014
請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
次式を満足する、
【数２】
2016199624.tif 000015
請求項２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記天板部における中心から前記第２流入口までの寸法は、前記振動板部における中心から前記第１流入口までの寸法よりも小さい、請求項２または３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記第２流入口は、前記天板部の厚み方向に対して直交する側方に延びて外部に通じる、
請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の輸送を行うポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、積層構造のポンプが知られている（例えば特許文献１参照）。このポンプは、圧力室と、圧力室に流体を流入させる流入口と、圧力室から流体を流出させる流出口と、が形成され、圧力室に面して設けられたダイヤフラムと、ダイヤフラムを振動させる圧電素子を備えている。【０００３】
そして該ポンプは、圧力室に圧力振動の節と腹とが生じるように構成されている。そして、流入口は、圧力室において圧力振動の節となる位置に開口するように設けられている。また、流出口は、圧力室において圧力振動の腹となる位置に開口するように設けられている。これにより特許文献１のポンプは、圧力室を理想的な状態で圧力振動させ、吐出圧力や吐出流量などの吐出性能を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４７９５４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたようなポンプにおいては、流入口の径が小さい場合、流入口での流路抵抗が大きいために粘性損失が増えて電力効率が低下してしまうという問題がある。一方、流入口の径が大きい場合、流入口を圧力振動の節にのみ開口させることが難しくなり、圧力室の圧力振動が理想的な状態から離れたものになってしまう。このため、特許文献１のポンプでは、流入口の径が大きすぎても小さすぎても、吐出圧力や吐出流量などの吐出性能が低下してしまう。【０００６】
そこで本発明の目的は、流入口のサイズを大きくしなくても流入口での粘性損失を減じることができ、吐出性能を従来よりも改善することが可能なポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、厚み方向に平面視した中心から外周部にかけて圧力振動を生じる圧力室を有するポンプであって、前記厚み方向から前記圧力室に面しており、前記厚み方向に沿って変位を生じる振動板部と、前記振動板部とは逆の方向から前記圧力室に面する天板部とを備え、前記振動板部は、前記圧力室の外周部に開口する第１流入口が設けられ、前記天板部は、前記圧力室の中央部に開口する流出口と、前記圧力室の外周部に開口する第２流入口と、が設けられている。【０００８】
この構成では、振動板部における中心付近の領域（以下、ダイヤフラムという。）が厚み方向に変位すると、第１流入口と第２流入口との双方から圧力室に流体が吸引され、流出口を介して圧力室から流体が吐出される。このため、第１流入口や第２流入口のサイズが小さくても、第１流入口と第２流入口との合計の流量を大きくすることができ、第１流入口および第２流入口のそれぞれで流路抵抗を減少させて、粘性損失を減じることができる。これにより、該ポンプでは、従来よりも良好な吐出性能を実現することが可能になる。【０００９】
前記天板部の中心から前記第２流入口までの寸法と、前記振動板部の中心から前記第１流入口までの寸法とのうち、より小さい寸法をａとし、前記振動板部の共振周波数をfとし、前記圧力室を通過する流体の音速をｃとし、第１種ベッセル関数Ｊ０（ｋ０）=0を満たす値をｋ０とした場合に、次式を満足することが好ましい。【００１０】
【数１】
2016199624.tif 000003
【００１１】
特には、寸法ａと駆動周波数ｆとは次式を満足することが好ましい。【００１２】
【数２】
2016199624.tif 000004
【００１３】
これらの構成では、圧力室において第１流入口と第２流入口とのうち、より内側の位置にあるものが開口する付近を圧力振動の節をとすることができる。ここで、次式を満足する場合、圧力室において流出口付近を圧力振動の腹とし、第１流入口や第２流入口付近を振動の節とする理想的な圧力振動の状態（共振状態）が得られる。【００１４】
【数３】
2016199624.tif 000005
【００１５】
したがって、上記［数１］や［数２］の関係を満たすような場合でも、準理想的な圧力振動の状態を得ることができ、良好な吐出性能を実現できる。【００１６】
前記天板部における中心から前記第２流入口までの寸法は、前記振動板部における中心から前記第１流入口までの寸法よりも小さいことが好ましい。【００１７】
この構成では、ダイヤフラムの半径を小さくすることなく、圧力室の中心から圧力振動の節までの距離を小さくすることができる。天板部において第１流入口よりも内側の位置に第２流入口が設けられていると、圧力室の中心から圧力振動の節までの距離は、ダイヤフラムの半径よりも小さくなる。そして、圧力室の中心から圧力振動の節までの距離が小さいほど、圧力室における圧力振動の共振周波数（以下、共鳴周波数という。）、すなわちポンプの動作音は高く、人に聞こえ難いものになる。ただし、ダイヤフラムや圧電素子のサイズを小さくすることでも、圧力室における共鳴周波数を高くすることが可能である。しかしながら、その場合には、ダイヤフラムの振動振幅が小さくなって吐出性能が低下してしまう。これに対して、上記の構成では、共鳴周波数を高くしてもダイヤフラムや圧電素子のサイズを小さくする必要がないので、ポンプの吐出性能を低下させることなく、ポンプの動作音を人に聞こえにくくすることができる。【００１８】
前記第２流入口は、前記天板部の厚み方向に対して直交する側方に延びて外部に通じることが好ましい。【００１９】
この構成では、天板部の剛性を高めることができ、天板部の損壊など不具合の発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のポンプによれば、第１流入口および第２流入口で生じる粘性損失を減じることができ、このことにより、従来よりも良好な吐出性能を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るポンプを底面側から見た外観斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態に係るポンプを天面側から見た外観斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第１実施形態に係るポンプの分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態に係るポンプが備える天板部の底面側の平面図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係るポンプの側面断面図である。
【図６】図６は、圧力室において圧力振動が共振状態となる条件を説明するグラフである。
【図７】図７は、圧力室において圧力振動が共振状態となる周波数の変化を説明するグラフである。
【図８】図８は、本発明の変形例にかかるポンプを天面側から見た外観斜視図である。
【図９】図９は、本発明の変形例にかかるポンプを底面側から見た外観斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態に係るポンプの側面断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係るポンプの側面断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第４実施形態に係るポンプの側面断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の変形例に係るポンプの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係るポンプの複数実施形態を、気体の吸気と排気とを行うポンプを構成する場合を例に説明する。なお、本発明に係るポンプは、気体の他、液体や、気液混合流体、気固混合流体、固液混合流体、ゲル、ゲル混合流体等の適宜の流体の流れを制御するように構成することもできる。
【００２３】
《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係るポンプ１０を底面側から見た外観斜視図である。図２は、ポンプ１０を天面側から見た外観斜視図である。図３は、ポンプ１０を天面側から見た分解斜視図である。
【００２４】
ポンプ１０は、本体部１１と突出部１２とを有している。本体部１１は、天面と底面と周面とを有する円柱状の部位である。以下、これらの天面と底面とを結ぶ方向をポンプ１０の厚み方向とする。突出部１２は、本体部１１の天面側の端部に設けられ、本体部１１から外周方向に突出する円環状の部位である。該ポンプ１０は、本体部１１の内部に圧力室１３が設けられている。
【００２５】
また、ポンプ１０は、図３に示すように、薄天板２１、厚天板２２、側壁板２３、振動板２４、および、圧電素子２５を、天面側から底面側にかけて順に積層して構成されている。なお、薄天板２１および厚天板２２との積層体は、「天板部１５」を構成するものである。振動板２４と圧電素子２５との積層体は、「振動板部１４」を構成するものである。
【００２６】
薄天板２１は、円板状であり、本体部１１の天面を構成するとともに、突出部１２を構成している。薄天板２１は、平面視した中央付近に流出口３１が設けられている。流出口３１は、ここでは複数（４つ）を局所的に集合させて配している。流出口３１は、本体部１１の天面側の外部空間に通じるとともに、本体部１１の内部に設けられた圧力室１３に通じ、圧力室１３から外部に気体を流出させる。
【００２７】
厚天板２２は、本体部１１の一部を構成しており、薄天板２１よりも外周径が小さい円環状である。図４は、厚天板２２を底面側から見た平面図である。厚天板２２は、圧力室１３の一部を構成する開口３２と、複数の第２流入口３５とが設けられている。開口３２は厚天板２２の平面視した中央に設けられている。複数の第２流入口３５は、それぞれ厚天板２２の底面側に溝状に設けられ、開口３２から外周側に離れた位置から、放射状に延びている。
【００２８】
開口３２は、前述した薄天板２１の流出口３１および後述する側壁板２３の開口３３と通じており、後述する側壁板２３の開口３３よりも開口径が小さい。このような開口径の開口３２を、側壁板２３の開口３３と薄天板２１の流出口３１との間に介在させることにより、流出口３１と圧力室１３との接続部分で流体の流れが渦を巻くことを抑制できる。すなわち、流体を層流状態で流すことができ、流体を流れやすくすることができる。
【００２９】
複数の第２流入口３５は、それぞれ後述する側壁板２３の開口３３よりも中心側の位置から厚天板２２の外周まで延びる溝状である。各第２流入口３５は、中心側の端部に位置する幅広部３６と、外周側の端部に位置する幅狭部３７とを備えている。幅広部３６は、平面視して幅狭部３７よりも幅が広い形状である。この幅広部３６は、後述する側壁板２３の開口３３よりも内側、すなわち圧力室１３に全体が露出する。幅狭部３７は、後述する側壁板２３に重なり、厚天板２２の外周側の端部で外部と通じ、外部から圧力室１３に気体を流入させる。各第２流入口３５に幅広部３６を設けることにより、圧力室１３側の端部で流体の流れを層流状態に近づけることができ、第２流入口３５における流路抵抗を抑制して流体を流れやすくすることができる。また、各第２流入口３５に幅狭部３７を設けることで、厚天板２２と後述する側壁板２３との接合面積を大きくして、より大きな接合強度を確保できる。
【００３０】
また、図３に示す側壁板２３は、本体部１１の一部を構成しており、厚天板２２と同じ外周径を有するとともに、厚天板２２の開口３２よりも開口径が大きい開口３３を有する円環状である。開口３３は、圧力室１３の一部を構成しており、厚天板２２の平面視した中央に設けられている。
【００３１】
振動板２４は、枠部４１とダイヤフラム４２と連結部４３とを備えている。ダイヤフラム４２は、円板状である。枠部４１は、ダイヤフラム４２の周囲に間隔を空けて囲む円環状であり、側壁板２３と同じ外周径および開口径を有している。該枠部４１は側壁板２３の底面側に接合されている。連結部４３はダイヤフラム４２から放射方向に延びてダイヤフラム４２と枠部４１とを繋ぐ梁状である。これにより、ダイヤフラム４２は、連結部４３を介して枠部４１に弾性支持されている。また、振動板２４を平面視して枠部４１とダイヤフラム４２と連結部４３とに囲まれる領域には、第１流入口３４が設けられている。第１流入口３４は、本体部１１の底面側の外部空間に通じるとともに、本体部１１の内部に設けられた圧力室１３に通じ、外部から圧力室１３に気体を流入させる。
【００３２】
圧電素子２５は、円板状であり、ダイヤフラム４２の底面に貼り付けられている。該圧電素子２５は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の圧電材料からなる円板の上面および下面に図示していない電極を設けてなる。なお、圧電素子２５の上面の電極は、金属製の振動板２４によって代替するようにしてもよい。この圧電素子２５は厚み方向に電界が印加されることにより、面内方向に面積が拡大または縮小するような圧電性を有している。このような圧電素子２５を用いることにより、後述する振動板部１４を薄型に構成することが可能になる。なお、圧電素子２５は、ダイヤフラム４２の天面に貼り付けられていてもよく、天面と底面のそれぞれに、合わせて２つ設けられていてもよい。
【００３３】
図５は、ポンプ１０の側面断面図である。ポンプ１０は、振動板部１４と天板部１５とにより側壁板２３を厚み方向から挟むことで、内部に概略円柱形状の圧力室１３を構成している。圧力室１３は、天板部１５に設けられた開口３２と側壁板２３に設けられた開口３３とから構成されている。また、圧力室１３は、振動板部１４に設けられた第１流入口３４と、天板部１５に設けられた第２流入口３５と、天板部１５に設けられた流出口３１とのそれぞれを介して外部と通じている。
【００３４】
このポンプ１０の駆動時には、圧電素子２５に交流駆動信号が印加される。圧電素子２５は、交流駆動信号が印加されることにより、面積が拡大または縮小するように面積振動が生じる。この圧電素子２５の面積振動がダイヤフラム４２に拘束されることによって、振動板部１４には厚み方向の撓み振動が同心円状に生じる。
【００３５】
また、振動板部１４の振動は、枠部４１および側壁板２３を介して、または、圧力室１３における流体圧の変動を介して、厚天板２２および薄天板２１に伝わる。これにより、薄天板２１において、厚天板２２の開口３２に対向する領域にも、厚み方向に撓むような振動が生じることになる。薄天板２１に生じる振動は、振動板部１４に生じる振動と同一の周波数で、一定の位相差を有するものになる。
【００３６】
これらの振動が連成されることにより、圧力室１３の厚み方向の間隔は、圧力室１３の外周方向に沿って内側に進行波状に変化するものになる。これにより、圧力室１３において、外周方向の内側に向けて流体の流れが生じ、第１流入口３４および第２流入口３５から流体が吸引され、流出口３１から流体が吐出されることになる。
【００３７】
このポンプ１０では、第１流入口３４だけでなく第２流入口３５を設けているために、第１流入口３４のサイズが小さくても、第１流入口３４と第２流入口３５との合計の流量を大きくすることができ、第１流入口３４および第２流入口３５のそれぞれで流路抵抗を減少させることができる。このため、第１流入口３４のサイズを大きくしなくても、流体の粘性損失を減じることができ、該ポンプ１０は、従来よりも良好な吐出性能を実現することができる。
【００３８】
そして、圧力室１３を流れる流体には、圧力室１３の中心から外周部にかけての各点において圧力振動が生じる。この圧力振動は、圧力室１３における中心から第１流入口３４や第２流入口３５までの距離や、振動板部１４の共振周波数などが特定の条件を満足する場合に、共振状態になり、圧力室１３の中心付近での振幅が最大化する。ここで、圧力振動の共振状態とは、圧力室１３の中心側で発生した圧力振動と、その圧力振動が外周部側に伝搬して反射し、再び圧力室１３の中心側に到達する圧力振動とが重なり合い、圧力室１３の中心付近で振動の節を形成し、圧力室１３の外周部付近で振動の節を形成する状態のことである。
【００３９】
本実施形態においては、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの外周方向での寸法ａ2を、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの外周方向での寸法ａ1よりも短くする。この場合、圧力振動が理想的な共振状態になる条件は、次式で示される。
【００４０】
【数４】
2016199624.tif 000006
【００４１】
［数４］において、ｆは振動板部１４の駆動周波数である。ｃは圧力室１３を通過する空気の音速である。ｋ０は圧力振動についての第１種ベッセル関数Ｊ０（ｘ）が、ゼロとなる場合のｘの値である。
【００４２】
このように圧力振動が共振状態となることが理想的であるが、振動板部１４の駆動周波数ｆや寸法には、ある程度の製造ばらつきや温度変動が生じるため、圧力振動が共振状態に近いある程度の範囲にある状態が、圧力振動の準理想的な状態といえる。このように圧力振動が準理想的な状態になる条件は、次式のように示すことができる。
【００４３】
【数５】
2016199624.tif 000007
【００４４】
更には、圧力振動がより理想的な状態に近づく条件は、次式のように更に限定的に示すこともできる。
【００４５】
【数６】
2016199624.tif 000008
【００４６】
これらの［数５］または［数６］の条件を満足するように、振動板部１４の駆動周波数ｆ、および、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2が設定されていれば、圧力室１３において準理想的な共振状態を実現することができ、圧力室１３の中心部で圧力振動の振幅を大きくすることができる。
【００４７】
図６は、所定条件下で［ａ2×ｆ］を変化させた場合の、圧力室１３の中心部での圧力振動の振幅変化をシミュレーションによって確認した結果を示す図である。図６中には、本実施形態に係る実施例に対応するグラフを実線で示し、第２流入口を設けない比較例に対応するグラフを点線で示している。また、図６中には、上記［数４］乃至［数６］中で示した係数［0.8，0.9，1.0，1.1，1.2］各々を、［（ｋ０×ｃ）／２π］に積した値の位置を横軸上に付記している。
【００４８】
実施例における［ａ2×ｆ］と圧力振動の振幅との関係では、［ａ2×ｆ］が［数４］の関係を満足する状態で、圧力振動の振幅は最大となる。また、［ａ2×ｆ］が［数５］の関係を満足する状態では、圧力振動の振幅は、最大値を含むピークの急峻な立ち上がりと立ち下がりの間に納まり、相当程度大きくなる。また、［ａ2×ｆ］が［数６］の関係を満足する状態では、圧力振動の振幅は、最大値を含むピークの周辺の緩やかな立ち上がりと立ち下がりの間に納まり、ある程度ではあるが大きくなる。したがって、上記した［数４］乃至［数６］の条件を満足するように、振動板部１４の駆動周波数と、圧力室１３における中心から第２流入口３５までの寸法ａ2とを設定することにより、このポンプ１０は、圧力室１３を圧力振動の共振状態または共振状態に近い準理想的な状態にして、高い吐出性能を実現することができる。
【００４９】
一方、比較例における［ａ2×ｆ］と圧力振動の振幅との関係では、圧力振動の振幅の最大値は、実施例と比較して大幅に小さい。また、比較例においては、ある程度の圧力振動の振幅（例えば10kPa以上）が得られる［ａ2×ｆ］の範囲も、実施例に比較して大幅に狭い。
【００５０】
したがって、比較例のように、第２流入口を設けずに第１流入口のみを設ける場合と比べて、実施例のように、第１流入口とともに第２流入口を設ける場合には、流入口における流路抵抗が低減されることによって、圧力振動の振幅を大きくすることができることがわかる。このことは、製造バラツキや温度変化による駆動周波数や寸法のばらつきがあっても同様であり、実施例では比較例に比べて、より大きな圧力振動の振幅をより確実に得られることがわかる。
【００５１】
また、上記した［ａ2×ｆ］を構成する振動板部１４の駆動周波数ｆは、振動板部１４が有する構造共振周波数の特定の次数（例えば１次の構造共振周波数や、２次の構造共振周波数、３次の構造共振周波数など）と略一致することが望ましく、この駆動周波数ｆに応じて、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2は設定されることが望ましい。このようにして振動板部１４の駆動周波数ｆ、および、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2を設定すれば、圧力室１３の中心付近での振動板部１４の振動振幅を大きくすることができ、ポンプ１０において、より高い吐出圧力および高い吐出流量を実現することが可能になる。
【００５２】
更には、振動板部１４の駆動周波数ｆは、振動板部１４の中心から外周部にかけての各点に生じる変位振動の振幅プロファイルが、次式に最も近似することになる次数の構造共振周波数と略一致するように設定することが望ましい。
【００５３】
【数７】
2016199624.tif 000009
【００５４】
ここで、ｒは、圧力室１３中心からの距離である。ｕ（ｒ）は、距離ｒでの圧力振動の振幅である。なお、ここでは、各振幅プロファイルが最も近似する状態を、圧力室１３の中心に隣接する振動の節の位置がプロファイル間で最も近くなる状態と定義する。
【００５５】
このように、振動板部１４の駆動周波数ｆを設定する場合には、振動板部１４の中心から外周部にかけての各点に生じる変位振動の振幅プロファイルを、圧力室１３に生じる圧力振動の振幅プロファイルに近似させることができる。これにより、振動板部１４の振動エネルギーをあまり損なうことなく圧力室１３の流体に伝えることができる。そして、ポンプ１０において、更に高い吐出圧力および高い吐出流量を実現することが可能になる。
【００５６】
また、このポンプ１０では、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2を、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの寸法ａ1よりも短くすることにより、圧力振動の共振周波数（共鳴周波数）を高周波数側にシフトさせることができる。そして、このことにより、ポンプ１０の駆動音を人に聞こえ難くすることができる。
【００５７】
ここで、圧力振動の共振周波数（共鳴周波数）について図７を用いて具体的に説明する。図７は、所定条件下で、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2を変化させた場合の、圧力室１３の共鳴周波数の変化をシミュレーションによって確認した結果を示す図である。図７中には、本実施形態に係る構成例として、振動板部に設ける第１流入口３４のサイズ（外周方向の寸法）を異ならせた第１構成例および第２構成例を、白抜きの凡例で示している。また、第２流入口（スリット）を設けない比較例として、振動板部に設ける第１流入口３４のサイズ（外周方向の寸法）を異ならせた第１比較例および第２比較例を、黒塗りの凡例で示している。また、第２流入口（スリット）に替えて側壁板にスリットを設ける第３比較例を、ハッチングされた凡例で示している。なお、いずれの構成も、振動板部に設ける第１流入口３４の中心からの寸法ａ1を約６．１ｍｍとしている。
【００５８】
まず、本実施形態に係る２つの凡例（第１構成例および第２構成例）について説明すると、いずれの凡例においても、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2が、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの寸法ａ１よりも大きい場合には、寸法ａ2を変化させても圧力室１３の共鳴周波数はあまり変化しない。一方、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2が、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの寸法ａ１よりも小さい場合には、寸法ａ2を小さくするほど、圧力室１３の共鳴周波数は高周波数側にシフトする。このため、本実施形態に係るポンプ１０は、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2を、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの寸法ａ1よりも短くすることにより、圧力室１３の共鳴周波数を高くして、ポンプ１０の駆動音を人に聞こえ難くすることができる。
【００５９】
また、第１流入口３４のサイズが小さい場合の２つの凡例（第１構成例および第１比較例）を比較すると、本実施形態に係る凡例（第１構成例）では、比較例に係る凡例（第１比較例）よりも、共鳴周波数が高い。このことから、第１流入口のサイズが小さい場合には、本実施形態のように第２流入口を設けるだけで、共鳴周波数を高くできることがわかる。
【００６０】
一方、第１流入口３４のサイズが大きい場合の２つの凡例（第２構成例および第２比較例）を比較すると、第２流入口３５が第１流入口３４よりも内側に位置する場合には、本実施形態に係る凡例（第２構成例）のほうが、比較例に係る凡例（第２比較例）よりも、共鳴周波数を高くできるが、第２流入口３５が第１流入口３４よりも外側に位置する場合には、２つの凡例で共鳴周波数に大きな差はなかった。
【００６１】
これらのことから、少なくとも第２流入口３５を第１流入口３４よりも圧力室１３の中心側に配置することで、第１流入口３４のサイズがどのようなものでも、圧力室１３の共鳴周波数を高めることができ、第１流入口３４のサイズが小さい場合には、どのような位置に第２流入口３５を設けても、圧力室１３の共鳴周波数を高めることができることがわかる。なお、第３比較例は、第２流入口３５に替えて、側壁板にスリットを設ける場合を示すが、単に側壁にスリットを追加するだけでは、圧力室１３の共鳴周波数を高くすることはできなかった。
【００６２】
以上に説明したように、本発明の第１実施形態に係るポンプ１０では、振動板部１４に設ける第１流入口３４とともに、天板部１５側にも第２流入口３５を設けることで、第１流入口３４および第２流入口３５での流路抵抗を抑制でき、このことにより従来よりも吐出効率を高めることが可能になる。更には、該ポンプ１０によれば、圧力室１３における共鳴周波数を高周波数側にシフトさせることができ、ポンプ１０の動作音を人に聞こえ難くすることができる。
【００６３】
なお、この実施形態においては、振動板部１４の底面側に圧電素子２５のみを設けて、圧電素子２５を除いて振動板部１４の底面を略フラットに構成する例を示したが、振動板部１４の底面側に適宜の形状の補強板を設けるようにしてもよい。また、天板部１５の天面側についても、適宜の形状の補強板を設けるようにしてもよい。各々の補強板を適切な形状で設けることによって、振動板部１４の中心から外周部にかけて生じる変位振動の振幅プロファイルや、圧力室１３の中心から外周部にかけて生じる圧力振動の振幅プロファイルを調整することができ、両者をより近似させることが可能になる。例えば、図８に示す第１の変形例に係るポンプ１０Ａのように、天板部１５の天面側に、流出口３１の周囲を覆うように円板状の補強板５１を設ければ、振動板部１４の変位振動の振幅プロファイルにほとんど影響を与えずに、圧力室１３の圧力振動の振幅プロファイルを調整することができ、両者をより近似させられる。また、図９に示す第２の変形例に係るポンプ１０Ｂのように、振動板部１４の底面側に、ダイヤフラムの周囲を囲むように円環状の補強板５２を設ければ、振動板部１４の変位振動の振幅プロファイルと、圧力室１３の圧力振動の振幅プロファイルとのそれぞれに影響を与えて、両者をより近似させられる。このようにして、振動板部１４の変位振動の振幅プロファイルと、圧力室１３の圧力振動の振幅プロファイルとを近似させることにより、振動板部１４の振動エネルギーを殆ど損なうことなく圧力室１３の流体に伝えることができ、より高い吐出圧力および高い吐出流量を実現することができる。
【００６４】
また、この実施形態においては、圧力室１３の中心から第２流入口３５までの寸法ａ2を、圧力室１３の中心から第１流入口３４までの寸法ａ1よりも短くする構成例について説明したが、本発明は、逆に、寸法ａ2を寸法ａ1よりも長くなるように構成することもできる。
【００６５】
≪第２実施形態≫
図１０は、本発明の第２実施形態に係るポンプ１０Ｃを示す側面断面図である。
【００６６】
該ポンプ１０Ｃは、第２流入口３５Ｃを第１流入口３４Ｃよりも圧力室１３の外周側に配置している。
【００６７】
このように構成されたポンプ１０Ｃにおいても、第１実施形態と同様、第１流入口３４Ｃだけでなく第２流入口３５Ｃを設けているために、第１流入口３４Ｃのサイズが小さくても、第１流入口３４Ｃと第２流入口３５Ｃとの合計の流量を大きくすることができ、第１流入口３４Ｃおよび第２流入口３５Ｃのそれぞれで流路抵抗を減少させることができる。このため、第１流入口３４Ｃのサイズを大きくしなくても、流体の粘性損失を減じることができ、該ポンプ１０Ｃは、従来よりも良好な吐出性能を実現することができる。
【００６８】
ただし、本実施形態においては、圧力室１３の中心から第２流入口３５Ｃまでの寸法ａ2が、圧力室１３の中心から第１流入口３４Ｃまでの寸法ａ1よりも長いため、圧力振動が理想的な共振状態になる条件は、圧力室１３の中心から第２流入口３５Ｃまでの寸法ａ2ではなく、圧力室１３の中心から第１流入口３４Ｃまでの寸法ａ1によって次式で示される。
【００６９】
【数８】
2016199624.tif 000010
【００７０】
したがって、本実施形態において、圧力振動が準理想的な共振状態になる条件は、次式のように示すことができる。
【００７１】
【数９】
2016199624.tif 000011
【００７２】
更には、圧力振動がより理想的な共振状態に近い条件は、次式のように更に限定的に示すこともできる。
【００７３】
【数１０】
2016199624.tif 000012
【００７４】
これらの［数９］または［数１０］の条件を満足するように、振動板部１４の駆動周波数ｆおよび、振動板部１４における中心から第１流入口３４Ｃまでの寸法ａ1が設定されていれば、圧力室１３において第１実施形態に次ぐ理想的な共振状態を実現することができ、圧力室１３の中心部で圧力振動の振幅を大きくすることができる。
【００７５】
また、本実施形態においては、振動板部１４の駆動周波数ｆを、振動板部１４の中心から外周部にかけての各点に生じる変位振動の振幅プロファイルが、次式に最も近似することになる次数の構造共振周波数と略一致するように設定することが望ましい。
【００７６】
【数１１】
2016199624.tif 000013
【００７７】
このように、本実施形態では、振動板部１４の駆動周波数ｆを設定することにより、振動板部１４の振動エネルギーをあまり損なうことなく圧力室１３の流体に伝えることができ、やはり高い吐出圧力および高い吐出流量を実現することが可能になる。
【００７８】
なお、以上の各実施形態においては、第２流入口を溝状に構成する例を示したが、本発明は、第２流入口をその他の形状とすることもできる。
【００７９】
≪第３実施形態≫
図１１は、本発明の第３実施形態に係るポンプ１０Ｄを示す側面断面図である。
【００８０】
該ポンプ１０Ｄは、第２流入口３５Ｄを、天板部１５を貫通する孔状で設ける構成例である。なお、圧力室１３の中心から第２流入口３５Ｄまでの寸法ａ2は、第１実施形態と同様に、圧力室１３の中心から第１流入口３４Ｄまでの寸法ａ1よりも短くしている。
【００８１】
このように構成されたポンプ１０Ｄにおいても、第１実施形態と同様、第１流入口３４Ｄだけでなく第２流入口３５Ｄを設けているために、第１流入口３４Ｄおよび第２流入口３５Ｄのそれぞれで流路抵抗を減少させることができる。このため、第１流入口３４Ｄのサイズを大きくしなくても、流体の粘性損失を減じることができ、該ポンプ１０でも、従来よりも良好な吐出性能を実現することができる。また、該ポンプ１０Ｄにおいても、やはり圧力室の共鳴周波数を高周波数側にシフトさせることができ、ポンプ１０Ｄの動作音を人に聞こえ難くすることができる。
【００８２】
ただし、このように構成されたポンプ１０Ｄにおいては、天板部１５の剛性が低くなるために、天板部１５の損壊が生じやすくなったり、天板部１５に不要な振動が生じやすくなったりする恐れがある。したがって、これらのような観点からは、第１や第２実施形態に示した構成のように、第２流入口は天板部の底面に沿って延びる溝状とするほうが好ましい。
【００８３】
≪第４実施形態≫
図１２は、本発明の第４実施形態に係るポンプ１０Ｅを示す側面断面図である。
【００８４】
該ポンプ１０Ｅは、第３実施形態と同様に、天板部１５を貫通する孔状の第２流入口３５Ｅを備える。なお、該ポンプ１０Ｅは、第２実施形態と同様に、圧力室１３の中心から第２流入口３５Ｅまでの寸法ａ2が、圧力室１３の中心から第１流入口３４Ｅまでの寸法ａ1よりも長い。
【００８５】
このように構成されたポンプ１０Ｅにおいても、第１流入口３４Ｅおよび第２流入口３５Ｅのそれぞれで流路抵抗を減少させることができ、従来よりも良好な吐出性能を実現することができる。
【００８６】
以上の各実施形態や各変形例で示したように、本発明は実施することができるが、本発明のその他にも、特許請求の範囲に記載する構成に該当するならば、適宜の変更を加えることができる。
【００８７】
例えば、図１３に示す第３変形例に係るポンプ１０Ｆのように、第１の実施形態で示した側壁板および天板部の構成を、振動板部の両面側それぞれに設けるようにしてもよい。このようにすれば、ポンプ１０Ｆの天面側と底面側とのそれぞれに、圧力室から流体を吐出する流出口を設けることができる。また、このような両面吐出構造は、第１の実施形態に限られず、第２乃至第４の実施形態においても採用することができる。
【００８８】
また、上述の各実施形態においては、ダイヤフラムを圧電素子によって駆動する例を示したが、ダイヤフラムを電磁駆動でポンピング動作させるような、その他の駆動源を用いてポンプを構成することもできる。また、圧電素子を用いる場合、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの他の圧電材料を用いてもよい。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスなどで圧電素子を構成することもできる。
【００８９】
また、上述した各実施形態では、圧電素子を振動板部における適宜の次数の構造共振周波数で駆動する例を示したが、本発明は、これに限るものではない。例えば、圧電素子の駆動周波数を振動板部の構造共振周波数とは異ならせてもよい。
【００９０】
また、上述した各実施形態では、圧電素子を、振動板の圧力室とは逆側の主面に接合する例を示したが、本発明は、これに限るものではない。例えば、圧電素子が振動板の圧力室側の主面に接合されてもよいし、２枚の圧電素子を振動板の両主面に接合されてもよい。
【００９１】
また、上述の各実施形態においては、各流出口や各流入口に弁を設けていない場合を説明したが、各流出口や各流入口のいずれか、または全てに弁を設けるように構成することもできる。
【００９２】
また、上述の各実施形態においては、ポンプとして本体部から外周方向に突出する突出部を設ける構成例を示したが、突出部は必ずしも設ける必要はなく、各ポンプは、単純な円筒状に構成してもよい。また、各ポンプは、円筒状に限られず、多角形や楕円の柱状など適宜の外形状で構成してもよい。
【００９３】
また、上述した各実施形態では、圧力室において天板部側の流路孔近傍に凹部を設ける例を示したが、本発明は、これに限るものではなく、凹部を設けなくてもよい。
【００９４】
また、上述した各実施形態では、天板部を、薄天板と厚天板との積層体として構成する例を示したが、本発明は、これに限るものではない。例えば、上述の形状の天板部を一体の部材で構成してもよい。また、天板部を、全体として一様な厚みで構成するようにしてもよい。
【００９５】
最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲とを含む。
【符号の説明】
【００９６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…ポンプ
１１…本体部
１２…突出部
１３…圧力室
１４…振動板部
１５…天板部
２１…薄天板
２２…厚天板
２３…側壁板
２４…振動板
２５…圧電素子
３１…流出口
３２，３３…開口
３４，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ…第１流入口
３５，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｅ…第２流入口
３６…幅広部
３７…幅狭部
４１…枠部
４２…ダイヤフラム
４３…連結部
５１…補強板
５２…補強板
【図１】
2016199624.tif 000016
【図２】
2016199624.tif 000017
【図３】
2016199624.tif 000018
【図４】
2016199624.tif 000019
【図５】
2016199624.tif 000020
【図６】
2016199624.tif 000021
【図７】
2016199624.tif 000022
【図８】
2016199624.tif 000023
【図９】
2016199624.tif 000024
【図１０】
2016199624.tif 000025
【図１１】
2016199624.tif 000026
【図１２】
2016199624.tif 000027
【図１３】
2016199624.tif 000028
【国際調査報告】
2016199624.tif 000029
2016199624.tif 000030
2016199624.tif 000031