(57)【要約】  流体制御装置は、バルブ（２０）と、ポンプ（３０）とを備える。バルブ（２０）は、第１主板（２１）、第２主板（２２）および側板（２３）によって囲まれるバルブ室（２００）を有する。第１主板（２１）は、第１開口部（２０１）を有し、第２主板（２２）は、第２開口部（２０２）を有する。バルブ（２０）には、バルブ室（２００）内に第１開口部（２０１）と第２開口部（２０２）とが連通している状態と、第１開口部（２０１）と第２開口部（２０２）とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜（２４）が配置されている。ポンプ（３０）は、圧電素子（３３２）、および、振動板（３３１）を含む振動部（３３）と、第２主板（２２）により形成されたポンプ室（３００）を有する。ポンプ室（３００）は、第２開口部（２０２）を介してバルブ室（２００）と連通する。また、振動部（３３）の屈曲振動において、第１主板（２１）の周波数係数は、第２主板（２２）の周波数係数よりも小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主板、前記第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、前記第１主板と前記第２主板とを接続する側板を備え、前記第１主板、前記第２主板および前記側板によって囲まれるバルブ室を有し、前記第１主板は前記バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、前記第２主板は前記バルブ室の内外を連通する第２開口部を有し、該バルブ室内に前記第１開口部と前記第２開口部とが連通している状態と前記第１開口部と前記第２開口部とが連通していない状態とを切替可能な弁膜が配置された、バルブと、
前記第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、前記第２主板により形成されたポンプ室を有し、前記ポンプ室は前記第２開口部を介して前記バルブ室と連通する、ポンプと、
を備え、
前記振動部の屈曲振動において、前記第１主板の周波数係数は、前記第２主板の周波数係数よりも小さい、流体制御装置。
【請求項２】
第１主板、前記第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、前記第１主板と前記第２主板とを接続する側板を備え、前記第１主板、前記第２主板および前記側板によって囲まれるバルブ室を有し、前記第１主板は前記バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、前記第２主板は前記バルブ室の内外を連通する第２開口部を有し、該バルブ室内に前記第１開口部と前記第２開口部とが連通している状態と前記第１開口部と前記第２開口部とが連通していない状態とを切替可能な弁膜が配置された、バルブと、
前記第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、前記第２主板により形成されたポンプ室を有し、前記ポンプ室は前記第２開口部を介して前記バルブ室と連通する、ポンプと、
を備え、
前記第１主板と、前記第２主板とは、同素材で形成されており、
前記第１主板は、前記第２主板よりも主面方向の厚さが薄い、流体制御装置。
【請求項３】
前記第２主板を基準とした、前記第１主板の周波数係数比は、
０．８５よりも大きく、１よりも小さい、
請求項１に記載の流体制御装置。
【請求項４】
前記第１主板は、前記第１開口部を複数有し、
前記第１主板と、前記第２主板と、の間隔は、
前記第１開口部の開口幅の最小値よりも小さい、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流体制御装置。
【請求項５】
前記第１主板と、前記第２主板と、の間隔は、
前記振動部と、前記第２主板と、の間隔よりも小さい、
請求項４に記載の流体制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体制御装置を備えた、医療機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流量を制御する流体制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子等の駆動体を備えた流体制御装置が各種実用化されている。【０００３】
特許文献１には、ポンプ室とバルブ室とを備える流体制御装置が記載されている。特許文献１における、ポンプ室の中央の間隔変動とバルブ室の中央の間隔変動とが逆位相の場合に、流体の流量が増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７２１４０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における流体制御装置の構造では、バルブ室を形成する天板、もしくは、外板のいずれか一方しか振動していない。このため、バルブ室内の間隔変動は小さい。すなわち、間隔変動が逆位相となる際の効果を得られず、所望の流量を得られない虞がある。【０００６】
したがって、本発明の目的は、流体の流量が効率的に得られる、流体制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明における流体制御装置は、バルブと、ポンプとを備える。バルブは、第１主板、第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、第１主板と第２主板とを接続する側板を備え、第１主板、第２主板および側板によって囲まれるバルブ室を有する。第１主板は、バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、第２主板は、バルブ室の内外を連通する第２開口部を有する。また、バルブ室内には、第１開口部と第２開口部とが連通している状態と、第１開口部と第２開口部とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜が配置されている。【０００８】
ポンプは、第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、第２主板により形成されたポンプ室を有する。ポンプ室は、第２開口部を介してバルブ室と連通する。【０００９】
また、振動部の屈曲振動において、第１主板の周波数係数は、第２主板の周波数係数よりも小さい。【００１０】
この構成では、周波数係数が小さい第１主板は、第２主板よりも曲がりやすい。また、また、第１主板と、第２主板とが略逆位相で振動する。したがって、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉が促進される。すなわち、大きな流量を得ることができ、流体制御装置の性能が向上する。【００１１】
この発明における流体制御装置は、バルブと、ポンプとを備える。バルブは、第１主板、第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、第１主板と第２主板とを接続する側板を備え、第１主板、第２主板および側板によって囲まれるバルブ室を有する。第１主板は、バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、第２主板は、バルブ室の内外を連通する第２開口部を有する。また、バルブ室内には、第１開口部と第２開口部とが連通している状態と、第１開口部と第２開口部とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜が配置されている。【００１２】
ポンプは、第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、第２主板により形成されたポンプ室を有する。ポンプ室は、第２開口部を介してバルブ室と連通する。【００１３】
第１主板と、第２主板とは、同素材で形成されている。また、第１主板は、第２主板よりも主面方向の厚さが薄い。【００１４】
この構成では、第１主板が第２主板よりも柔らかくなる。したがって、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉が促進される。すなわち、大きな流量を得ることができ、流体制御装置の性能がさらに向上する。【００１５】
また、この発明における流体制御装置において、第２主板を基準とした、第１主板の周波数係数比は、０．８５よりも大きく、１よりも小さいことが好ましい。【００１６】
この構成では、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉がさらに促進される。【００１７】
また、この発明における流体制御装置の第１主板は、第１開口部を複数有することが好ましい。また、第１主板と第２主板との間隔は、第１開口部の開口幅の最小値よりも小さいことが好ましい。【００１８】
この構成では、弁が開いた時の流路抵抗が低減するため、流量が増大する。【００１９】
また、この発明における流体制御装置の第１主板と第２主板との間隔は、振動部と第２主板との間隔よりも小さいことが好ましい。【００２０】
この構成では、バルブ室内の圧力が向上し、流量および整流効果がさらに増大する。【００２１】
また、この発明の流体制御装置は、医療機器に用いられる。【００２２】
この構成では、医療機器の性能が向上する。医療機器は、例えば、血圧計、マッサージ器、吸引器、ネブライザ、および、陰圧閉鎖療法装置等である。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、流体の流量が効率的に得られる、流体制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のバルブ２０側からの外観斜視図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のポンプ３０側からの外観斜視図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の分解斜視図である。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図である。
【図４】図４は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図を拡大した図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の変形形状を示す側面断面図である。図５（Ｃ）は、従来構成の流体制御装置の変形形状を示す側面断面図である。
【図６】図６は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の周波数係数比に対する変位率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置について、図を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のバルブ２０側からの外観斜視図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のポンプ３０側からの外観斜視図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の分解斜視図である。図３は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）における流体制御装置１０のＳ−Ｓ線における側面断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図を拡大した図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の変形形状を示す側面断面図である。図５（Ｃ）は、従来構成の流体制御装置の変形形状を示す側面断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の周波数係数比に対する変位率を示すグラフである。なお、図を見やすくするため、一部の符号を省略し、一部の構造を誇張して記載している。
【００２６】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、流体制御装置１０は、バルブ２０およびポンプ３０を備える。バルブ２０の天面側には、複数の第１開口部２０１が形成されている。第１開口部２０１は通気孔である。
【００２７】
まず、バルブ２０の構造について説明する。バルブ２０は、第１主板２１、第２主板２２、側板２３および弁膜２４を備える。
【００２８】
図１（Ａ）、図２、図３に示すように、第１主板２１および第２主板２２は、円板である。また、側板２３は、円筒である。
【００２９】
側板２３は、第１主板２１と第２主板２２との間に配置されており、第１主板２１と第２主板２２とを対向するように接続している。より具体的には、平面視において、第１主板２１と第２主板２２との中心は一致している。側板２３は、このように配置された第１主板２１と第２主板２２における周縁を全周に亘って接続している。なお、側板２３は、第１主板２１、または、第２主板２２と一体形成されていてもよい。すなわち、第１主板２１、または、第２主板２２がくぼんだ、凹部形状であってもよい。
【００３０】
この構成によって、バルブ２０は、第１主板２１、第２主板２２および側板２３によって囲まれる円柱形の空間であるバルブ室２００を有する。
【００３１】
弁膜２４は、バルブ室２００内に配置されている。
【００３２】
上述のとおり、第１主板２１には、複数の第１開口部２０１が第１主板２１を貫通するように形成されている。弁膜２４には、平面視において、複数の第１開口部２０１のそれぞれに重なるように、複数の第２開口部２０２が、弁膜２４を貫通して形成されている。
【００３３】
また、第２主板２２には、複数の第３開口部２０３が、第２主板２２を貫通するように形成されている。複数の第３開口部２０３は、平面視において、第１開口部２０１および第２開口部２０２に、重ならない位置に形成されている。この複数の第３開口部２０３によって、バルブ２０のバルブ室２００とポンプ３０のポンプ室３００とは連通している。
【００３４】
次に、ポンプ３０の構造について説明する。ポンプ３０は、図１（Ｂ）、図２、図３に示すように、第２主板２２を一つの構成要素として形成されている。ポンプ３０は、第２主板２２と、ポンプ側板３１と、ポンプ底板３２と、振動部３３とで形成されている。振動部３３は、振動板３３１と、圧電素子３３２で形成されている。
【００３５】
また、ポンプ底板３２と、振動板３３１とは、一体形成されている。より具体的には、ポンプ３０を第２主板２２側から平面視して、ポンプ底板３２と、振動板３３１とは、面一となるように、接続部３５を介して接続されている。言い換えれば、ポンプ底板３２の周縁に沿って、所定の開口径で、連接しない複数のポンプ底開口部３４を有し、ポンプ底板３２と振動板３３１を分離するように形成されている。この構成によって、振動板３３１は、圧電素子３３２によって振動可能に保持される。
【００３６】
ポンプ側板３１は、第１主板２１側から平面視して、円環状である。また、ポンプ側板３１は、第２主板２２とポンプ底板３２との間に配置されており、第２主板２２とポンプ底板３２とを接続している。より具体的には、平面視において、第２主板２２とポンプ底板３２との中心は一致している。ポンプ側板３１は、このように配置された第２主板２２とポンプ底板３２における周縁を全周に亘って接続している。
【００３７】
この構成によって、ポンプ３０は、第２主板２２、ポンプ底板３２およびポンプ側板３１によって囲まれる円柱形の空間であるポンプ室３００を有する。
【００３８】
圧電素子３３２は、円板の圧電体と駆動用の電極とによって構成されている。駆動用の電極は、円板の圧電体における両主面に形成されている。
【００３９】
圧電素子３３２は、振動板３３１におけるポンプ室３００側と反対側、すなわち、ポンプ３０の外側に配置されている。この際、平面視において、圧電素子３３２の中心と、振動板３３１の中心とは略一致している。
【００４０】
圧電素子３３２は、図示しない制御部に接続されている。該制御部は、圧電素子３３２に対する駆動信号を生成し、圧電素子３３２に印加する。圧電素子３３２は、駆動信号によって変位し、この変位による応力が振動板３３１に作用する。これにより、振動板３３１は、屈曲振動する。例えば、振動板３３１の振動は、第１種ベッセル関数の波形を生じる。
【００４１】
このように、振動板３３１（振動部３３）が屈曲振動することによって、ポンプ室３００の体積、圧力が変化する。ここで、ポンプ底開口部３４から吸入した流体は、第３開口部２０３から吐出される。
【００４２】
バルブ２０が上述の構成であることから、第３開口部２０３から流入した流体によって、弁膜２４は、第１主板２１側に移動する。これにより、流体は、第２開口部２０２、第１開口部２０１を介して、外部に吐出される。一方、第３開口部２０３から、ポンプ底開口部３４に流体が流れようとすると、弁膜２４は、第２主板２２側に移動し、第３開口部２０３を塞ぐ。したがって、整流機能を有する、流体制御装置１０として機能する。
【００４３】
図４を用いて、より具体的な流体制御装置１０の構造について説明する。図４は、図３における側面断面図の一部を拡大した図である。
【００４４】
第１主板２１および第２主板２２は、主面に対して直交する方向に振動可能な材質および厚みからなる。第１主板２１および第２主板２２の材質は、例えば、ステンレス鋼等である。
【００４５】
第１主板２１の第１主板厚みｔ１は、第２主板２２の第２主板厚みｔ２よりも薄い。
【００４６】
第１主板厚みｔ１＜第２主板厚みｔ２となる条件において、具体的な計算式である周波数係数を用いて、第１主板２１と、第２主板２２とを比較する。周波数係数とは、振動する第１主板２１および第２主板２２の可撓性に関連する係数である。より詳細には、周波数係数は、振動板の板厚ｔ、縦弾性係数（ヤング率）Ｅ、および、振動板の素材密度ρを用いて、以下の式で表される。
【００４７】
【数１】
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【００４８】
本実施形態において、第１主板２１の素材と、第２主板２２の素材は同じである場合、第１主板２１の周波数係数は、第２主板２２周波数係数よりも小さくなる。すなわち、第１主板２１は、第２主板２２よりも可撓性が高い。
【００４９】
したがって、第１主板２１と、第２主板２２とには、９０°＜θ＜２７０°の位相差が発生する。すなわち、第１主板２１と、第２主板２２とは略逆位相の振動となる。この際、真空中においては、１８０°の位相差であることが好ましい。なお、位相差は、１３５°＜θ＜２２５°であってもよいが、１８０°に近いほど良い。
【００５０】
このことにより、第１主板２１の変位が大きくなる。よって、バルブ室２００内の間隔変動は大きくなる。すなわち、弁の開閉が促進され、より効率的な流体制御装置１０を実現できる。
【００５１】
また、第１主板２１と第２主板２２との間隔ｈ１と、第２主板２２と振動部３３との間隔ｈ２において、間隔ｈ１は、間隔ｈ２よりも小さくなるように形成されている。例えば、間隔ｈ１は、５μｍ〜１００μｍであり、間隔ｈ２は、１００μｍ〜５００μｍである。より望ましくは、間隔ｈ１は、１０μｍ〜４０μｍであり、間隔ｈ２は、１５０μｍ〜２５０μｍである。
【００５２】
このことにより、バルブ室２００内の圧力が、ポンプ室３００内の圧力よりも高くなり、逆流が抑制される。すなわち、流体制御装置１０の整流効果が向上する。
【００５３】
さらに、第１開口部２０１の開口幅ｄ１と、第１主板２１と第２主板２２との間隔ｈ１において、開口幅ｄ１は、間隔ｈ１よりも大きくなるように形成されている。例えば、開口幅ｄ１は直径０．６ｍｍで、開口幅ｄ１は、間隔ｈ１の１０倍以上の大きさである。なお、開口幅ｄ１とは、第１開口部２０１の開口面に任意の直線を引いた際に、当該直線が取りうる最長の長さである。
【００５４】
このことにより、弁が開いた時の流路抵抗が低減する。すなわち、流体制御装置１０の流量がさらに向上する。
【００５５】
図４、図５（Ａ）−図５（Ｃ）を用いて、流体制御装置１０の変形形状を軸対称モデルでＦＥＭ解析した結果を、具体的に説明する。振動板３３１の厚みは、０．４ｍｍとする。なお、第１主板２１、側板２３、第２主板の順に積層される方向を、厚み方向とする。図５（Ａ）−図５（Ｃ）においては、第１主板２１、および、第２主板２２の変位を誇張して記載している。
【００５６】
図５（Ａ）は、第１主板厚みｔ１を０．４ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。この際、第１主板２１と第２主板２２とは逆位相で振動し、第１主板２１の厚み方向に対する変位と、第２主板２２の厚み方向に対する変位は、逆方向であり、最も大きい。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、最も大きくなる。
【００５７】
次に、図５（Ｂ）は、第１主板厚みｔ１を０．３ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。この際、図５（Ａ）の構成には劣るものの、第１主板２１と第２主板２２とは逆位相で振動し、第１主板２１の厚み方向に対する変位と、第２主板２２の厚み方向に対する変位は、逆方向であり、大きい。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、大きくなる。
【００５８】
次に、図５（Ｃ）は、従来構成を元に、第１主板厚みｔ１を０．５ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。第１主板厚みｔ１が第２主板厚みｔ２よりも厚いことにより、第１主板厚みｔ１と第２主板厚みｔ２の変位は小さくなる。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、小さい。
【００５９】
このことから、図５（Ａ）の構成である、第１主板厚みｔ１を０．４ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとすることによって、第１主板２１と第２主板２２との位相差が１８０°に近づき、最も大きい変位を得られる。すなわち、弁の開閉が促進され、より効率的な流体制御装置１０を実現できる。
【００６０】
図６は、流体制御装置１０における、周波数係数比に対する変位率のシミュレーション結果を表したグラフである。
【００６１】
図６では、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとし、振動板３３１の厚みは、０．４ｍｍとする。この際、第１主板厚みｔ１を０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの間で変化させる。
【００６２】
横軸は、周波数係数比である。周波数係数比は、（第１主板２１の周波数係数）／（第２主板２２の周波数係数）で表される。縦軸は、変位比である。変位比は、（第１主板２１の中心位置の変位）／（第２主板２２の中心位置の変位）で表される。
【００６３】
図６に示すように、周波数係数比が１より小さい場合、第１主板２１の変位が第２主板２２の変位よりも大きく、第１主板２１と第２主板２２とが逆位相で変位し、バルブ室２００の間隔変位は大きくなる。特に、第２主板２２を基準とした第１主板２１の周波数係数比が０．８５よりも大きく、１よりも小さい場合には、第１主板２１と第２主板２２が逆位相で変位し、バルブ室２００の変位絶対量（間隔変位）が最も大きくなる。したがって、流体制御装置１０の特性が向上する。一方、周波数係数比が１より大きいと、第１主板２１と第２主板２２とが同位相となり、バルブ室２００の間隔変位は小さくなってしまう。
【００６４】
なお、上述の説明において、流体制御装置１０の形状を略円板状の構成として説明した。しかしながら、流体制御装置１０の形状は、円板状に限らず、多角形に近い形状であってもよい。
【００６５】
また、第１主板２１および第２主板２２を同素材とし、ステンレス鋼等であるとして説明した。しかしながら、第１主板２１と第２主板２２は、同素材に限るものではない。第１主板２１の可撓性が得られ、周波数係数において、第１主板２１の周波数係数が第２主板２２の周波数係数よりも小さい素材を用いることによって、同様の効果が得られる。
【００６６】
上述の流体制御装置は、例えば、血圧計、マッサージ器、吸引器、ネブライザ、および、陰圧閉鎖療法装置等の医療機器に用いられる。これにより、医療機器の駆動効率を向上できる。
【００６７】
なお、本願発明では、第１主板と第２主板とはそれぞれ厚さが一定の主板を用いて説明した。しかしながら、第１主板と第２主板のそれぞれの厚さが一定でない場合には、主板厚さの平均値を比較して、（第１主板２１の平均厚みｔ１ａ）＜（第２主板２２の平均厚みｔ２ａ）となるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
ｄ１…開口幅
ｈ１、ｈ２…間隔
ｔ１…第１主板厚み
ｔ２…第２主板厚み
１０…流体制御装置
２０…バルブ
２１…第１主板
２２…第２主板
２３…側板
２４…弁膜
３０…ポンプ
３１…ポンプ側板
３２…ポンプ底板
３３…振動部
３４…ポンプ底開口部
３５…接続部
２００…バルブ室
２０１…第１開口部
２０２…第２開口部
２０３…第３開口部
３００…ポンプ室
３３１…振動板
３３２…圧電素子
【図１】
2019159501.tif 000004
【図２】
2019159501.tif 000005
【図３】
2019159501.tif 000006
【図４】
2019159501.tif 000007
【図５】
2019159501.tif 000008
【図６】
2019159501.tif 000009
【国際調査報告】
2019159501.tif 000010
2019159501.tif 000011
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