(57)【要約】      （修正有）【課題】振動板の一部に局所的な変形が発生した場合においても応力集中による性能低下がない振動子とこの振動子を用いた圧電ポンプを提供する。【解決手段】少なくとも一部が拘束される振動板４１と、その振動板４１の少なくとも片面に複数の圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが積層されている。各圧電素子の振動板から遠い面には電極層５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂが積層されている。さらに、隣り合う圧電素子にかかる電圧の印加方向は逆方向とした。分割して積層される圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂの境界は、振動板４１に与えられる拘束条件から得られる変位関数の変曲線に相当する位置とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が拘束される振動板と、
前記振動板の少なくとも片面に並べて積層された複数の圧電素子と
を備え、
前記振動板を拘束したときの拘束条件と前記振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所を前記複数の圧電素子の境界としたことを特徴とする振動子。
【請求項２】
隣り合う圧電素子の変位の方向を逆方向とすることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
開口部を有するケースと、
前記開口部を塞ぐように前記ケースに固設された振動板と、
前記ケースへ流体を導入するための吸込口と、
前記吸込口から導入された流体を前記ケースの外へ排出するための排出口と、
前記振動板の表面に積層され、前記振動板の中央部に配置された第１圧電素子と、
前記振動板の表面に積層され、前記振動板の周縁部と前記第１圧電素子との間に配置された第２圧電素子と
を備え、
前記振動板を拘束したときの拘束条件と前記振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所を前記振動板の上に並べられた前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の境界としたことを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項４】
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の変位の方向を逆方向とすることを特徴とする請求項３に記載の圧電ポンプ。
【請求項５】
前記第２圧電素子は前記第１圧電素子の周囲に環状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電ポンプ。
【請求項６】
開口部を有するケースと、
前記開口部を塞ぐように前記ケースに固設された振動板と、
前記ケースへ流体を導入するための吸込口と、
前記吸込口から導入された流体を前記ケースの外へ排出するための排出口と、
前記振動板の一方の面に積層され、前記振動板の中央部に配置された第１圧電素子と、
前記振動板の前記一方の面に積層され、前記振動板の周縁部と前記第１圧電素子との間に配置された第２圧電素子と、
前記振動板を間に挟んで前記第１圧電素子と対向する他方の面に積層された第３圧電素子と、
前記振動板を間に挟んで前記第２圧電素子と対向する前記他方の面に積層された第４圧電素子と
を備え、
前記振動板を拘束したときの拘束条件と前記振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所を前記振動板の上に並べられた前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の境界とし、且つ、前記第３圧電素子と前記第４圧電素子の境界としたことを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項７】
前記第１圧電素子と前記第３圧電素子の変位の方向を同一方向とし、
前記第２圧電素子と前記第４圧電素子の変位の方向を同一方向とするとともに、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子の変位の方向を逆方向とし、
前記第３圧電素子と前記第４圧電素子の変位の方向を逆方向とすること特徴とする請求項６に記載の圧電ポンプ。
【請求項８】
前記第２圧電素子は前記第１圧電素子の周囲に環状に配置され、前記第４圧電素子は前記第３圧電素子の周囲に環状に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電ポンプ。
【請求項９】
少なくとも一部が拘束される振動板と、
前記振動板を間に挟んで両面に積層された第１圧電素子および第２圧電素子と、
前記第１圧電素子の前記振動板から遠い面に積層され、前記振動板の中央部に配置された第１電極層と、
前記第１圧電素子の前記振動板から遠い面に積層され、前記振動板の周縁部と前記第１電極層との間に配置された第２電極層と、
前記第２圧電素子の前記振動板から遠い面に積層され、前記振動板の中央部に前記第１電極層に対向して配置される第３電極層と、
前記第２圧電素子の前記振動板から遠い面に積層され、前記第２電極層に対向して配置された第４電極層と
を備え、
前記振動板を拘束したときの拘束条件と前記振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所を前記第１電極層と前記第２電極層の境界とし、且つ、前記第３電極層と前記第４電極層の境界としたことを特徴とする振動子。
【請求項１０】
前記第１電極層と前記第２電極層に印加する電圧の向きと、前記第３電極層と前記第４電極層に印加する電圧の向きとを逆方向とするとともに、
前記第１電極層と前記第３電極層に印加する電圧の向きと、前記第２電極層と前記第４電極層に印加する電圧の向きとを逆方向にしたことを特徴とする請求項９に記載の振動子。
【請求項１１】
少なくとも一部が拘束される板状の圧電素子と、
前記圧電素子の一方の面に積層され、前記圧電素子の中央部に配置された第１電極層と、
前記圧電素子の前記一方の面に積層され前記圧電素子の周縁部と前記第１電極層との間に配置された第２電極層と、
前記圧電素子の他方の面に積層され、前記圧電素子の中央部に前記第１電極層と対向して配置された第３電極層と、
前記圧電素子の前記他方の面に積層され前記圧電素子の周縁部と前記第３電極層との間に前記第２電極層と対向して配置された第４電極層と、
を備え、
前記圧電素子を拘束したときの拘束条件と前記圧電素子を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所を前記第１電極層と前記第２電極層の境界とし、且つ、前記第３電極層と前記第４電極層の境界としたことを特徴とする振動子。
【請求項１２】
前記第１電極層と前記第２電極層に印加する電圧の向きと、前記第３電極層と前記第４電極層に印加する電圧の向きとを逆方向とするとともに、
前記第１電極層と前記第３電極層に印加する電圧の向きと、前記第２電極層と前記第４電極層に印加する電圧の向きとを逆方向にしたことを特徴とする請求項１１に記載の振動子。
【請求項１３】
前記第２電極層は前記第１電極層の周囲に環状に配置され、前記第４電極層は前記第３電極層の周囲に環状に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子及び振動子を用いた圧電ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動部に圧電素子を備えた振動子を用いることにより、薄型、小型で消費電力の少なく、低騒音の圧電ポンプや圧電スピーカーを作成する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２０１２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した圧電ポンプ等においては、例えば、振動子に大きな振幅指令を与えた場合や、搬送流体から振動子に大きな圧力が与えられた場合に、圧電ポンプに固定されている振動板が不可逆的に変形することがある。このような場合には、振動子の振幅が当初の設計値から変化してしまい、圧電ポンプの性能の低下を生じる。そこで、振動板の一部に局所的な変形が発生するような撓みが振動板に生じた場合においても、不可逆的な変形が発生しない振動子の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る振動子は、少なくとも一部が拘束される振動板と、その振動板の少なくとも片面に並べて積層された複数の圧電素子とを備えている。振動板に並べられた複数の圧電素子の境界は、振動板を拘束したときの拘束条件とこの振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所とした。
【０００６】
また、実施形態に係る圧電ポンプは、開口部を有するケースと、開口部を塞ぐようにケースに固設された振動板と、ケースへ流体を導入するための吸込口と、吸込口から導入された流体をケースの外へ排出するための排出口とを備えたポンプ本体を有する。ケースへ固設された振動板の表面には、振動板の中央部に積層された第１圧電素子と、振動板の周縁部と第１圧電素子との間に積層された第２圧電素子とが配置される。積層された第１圧電素子と第２圧電素子の配置の境界は、振動板を拘束したときの拘束条件と振動板を変位させたときの変位条件に基づく変曲点に相当する箇所とした。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態１の振動子が取り付けられた圧電ポンプの断面概略図である。
【図２】図２は、図１の圧電ポンプのカバーを取り除いた状態の平面図である。
【図３】図３は、図１の圧電ポンプの振動子を駆動するための回路図である。
【図４】図４は、図１の圧電ポンプの振動子を駆動する動作を説明するための動作説明図である。
【図５】図５は、図１の圧電ポンプに取り付けられる実施形態２の振動子の断面図である。
【図６】図６は、図１の圧電ポンプに取り付けられる実施形態３の振動子の斜視図である。
【図７】図７は、図６の振動子の断面図である。
【図８】図８は、実施形態１の振動子の全周が完全拘束されている場合の変曲点を示す説明図である。
【図９】図９は、実施形態１の振動子の全周がばね拘束されている場合の変曲点を示す説明図である。
【図１０】図１０は、従来の圧電ポンプに用いられる振動子の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。
【０００９】
図１は、実施形態１の振動子４が取り付けられた圧電ポンプ１の断面図である。圧電ポンプ１は、ポンプ本体２と、カバー３を含む、扁平な円筒状の外観を有する。ポンプ本体２は、有底の円筒形のケース２０と円形で板状の振動子４を有している。ケース２０は、円形板状の底部２８と、その周囲に円筒状の周壁２９を有している。ケース２０は、底部２８と同程度の大きさの開口部２７を有している。底部２８には、ケース２０の内部空間２３へ流体を導入するための吸込口２４が設けられている。底部２８には、内部空間２３へ導入された流体を吐出するための排出口２５が設けられている。吸込口２４は、内部空間２３へ導入した流体の逆流を防ぐための逆止弁２１を備える。排出口２５には、内部空間２３から吐出した流体の内部空間２３への逆流を防止するための逆止弁２２を備える。ケース２０の図面上方には、開口部２７を塞ぐ振動子４が固設されている。
【００１０】
振動子４は、円形で板状の振動板４１を有している。振動板４１の周縁部４１ｂは、その全周にわたってケース２０の周壁２９に設けられた固定溝２６に固定されている。固定溝２６は、周壁２９の内周面を厚み方向に一定の深さで周状に切り欠かれた円環状の溝である。固定溝２６は、周壁２９の上端の開口部２７の近くに設けられている。固定溝２６の軸方向の厚さは振動板４１を固定できる厚さに調整される。実施形態１においては、振動板４１を固定溝２６に直接はめ込むように固設したが、固定溝２６と周縁部４１ｂの間にＯリング等を組み込むことも可能である。
【００１１】
振動子４は、振動板４１と振動板４１の両面に設けた第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂとを含む。第１圧電素子は、振動板４１の一方の面４１ｃの中央部に円形に積層されて配置されている。第２圧電素子４３ａは、振動板４１の一方の面４１ｃの周縁部４１ｂと第１圧電素子４２ａとの間（以下、第１圧電素子４２ａの外周部ともいう。）に環状に積層されて配置されている。第３圧電素子４２ｂは、第１圧電素子４２ａと対向する他方の面４１ｄに円形に積層される。第４圧電素子４３ｂは、第２圧電素子４３ａと対向する他方の面４１ｄに環状に積層される。
【００１２】
第１圧電素子４２ａのカバー３側の面には、第１電極層５２ａが積層されている。第２圧電素子４３ａのカバー３側の面には、第２電極層５３ａが積層されている。第３圧電素子４２ｂの内部空間２３側の面には、第３電極層５２ｂが積層されている。第４圧電素子４３ｂの内部空間２３側の面には、第４電極層５３ｂが積層されている。各電極層は、対応する各圧電素子と同じ形を有している。このように、実施形態１においては、各電極層５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂは、各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂのカバー３側または内部空間２３側の全面を覆うように積層したが、各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂに十分な変位を生じさせることができるのであれば電極層の積層範囲はこれに限られない。
【００１３】
カバー３は、ポンプ本体２の図面上部を塞ぐ有底の扁平な円筒形の部材である。カバー３は、ケース２０の底部２８とほぼ同じ大きさの円形のカバー底部３２を有する。カバー底部３２の周囲にケース２０と嵌合するカバー周壁３１を有している。カバー周壁３１は、ケース２０の周壁２９の外側の上部に設けられた段部２９ａでポンプ本体２と嵌合する。カバー周壁３１の厚みは段部２９ａの深さと同じとした。図１では詳細を示していないが、カバー周壁３１の嵌合壁２９ｂに対する嵌合方法として、例えば、ねじ式、はめ込み式等が挙げられる。カバー３の材料については、特に限定されずケース２０と同様の材料を用いてもよい。カバー３の機能としては、振動子４を外部からの埃や物理的な接触による破損を防ぐものである。
【００１４】
図２は、図１の圧電ポンプ１のポンプ本体２をカバー３側から見た平面図である。図２に示すように、円筒形のケース２０の開口部２７を振動子４が覆っている。振動子４の中央部には、第１電極層５２ａが積層された円形の第１圧電素子４２ａが配置されている。第１圧電素子４２ａの外周部には、第２電極層５３ａが積層された環状の第２圧電素子４３ａ配置されている。なお、振動子４の他方の面４１ｄ（図１）における第３圧電素子４２ｂおよび第４圧電素子４３ｂのレイアウトは、図２に示した第１圧電素子４２ａおよび第２圧電素子４３ａのレイアウトと同じである。
【００１５】
振動板４１としては、例えば、導電性金属薄板が用いられる。導電性金属薄板としては、金、白金、銅、及びこれらを含む合金等があげられる。振動板４１の厚みについては、振動子４が使用される環境等により適宜調整可能である。
【００１６】
第１〜第４圧電素子４２ａ,４２ｂ,４３ａ,４３ｂの材料としては、薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されない。代表的な圧電材料としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸鉛、水晶などが挙げられる。これらの中でも、圧電特性が優れており、入手が比較的容易なことから、ＰＺＴが好ましい。圧電素子４２ａ,４２ｂ,４３ａ,４３ｂの厚さは、例えば、０．５μｍ〜５．０μｍが一般的である。
【００１７】
振動子４の振動板４１に積層された第１〜第４圧電素子４２ａ,４２ｂ,４３ａ,４３ｂは、分極方向が矢印Ｐ（図３）となるように分極処理が施される。なお、分極処理とは、例えば、強誘電体微結晶の集合体の結晶軸を強い直流電界（数ＫＶ／ｍｍ）を印加することにより自発分極の方向を揃えた結晶とすることをいう。
【００１８】
図１に示すように、振動板４１は、その周縁部４１ｂの全周を固定溝２６に固設されている。振動板４１の固設方法は、ポンプ本体２の内部空間２３の密閉性が保持できる方法であればよく、特に限定されない。内部空間２３の密閉性は、ポンプ性能にもよるが、必ずしも完全密閉を必要とするものではない。図１には、特に図示されていないが、固定溝２６と周縁部４１ｂの間にＯリングをはめ込んでもよい。
【００１９】
図３は、図１の圧電ポンプ１における振動子４の回路図である。実施形態１の振動子４は、バイモルフ型とした。バイモルフ型のアクチュエータの基本的な回路は、シリーズ型とパラレル型が知られている。実施形態１の振動子４は、低い電圧で大きな変位が得られるパラレル型とした。振動子４は、第１電極層５２ａにマイナスの電圧が印加されている場合には、対向して配置される第３電極層５２ｂにプラスの電圧が印加されている。また、第２電極層５３ａにプラスの電圧が印加されている場合には、対向して配置される第４電極層５３ｂにはマイナスの電圧が印加されるように回路を配置した。
【００２０】
図１に図示されていないが、ケース２０の内壁は、送出する流体によるさび防止等のため、金属膜やシリコンゴム等でコーティングしてもよい。
【００２１】
次に、実施形態１における圧電ポンプ１に設けられた振動子４の動作について説明する。
【００２２】
図４は図１の振動子４の駆動説明図である。図４（ａ）は、振動子４の圧電素子に電圧が印加される前の状態を表している。図４（ｂ）は、図３の回路パターンで示した振動子４の各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂに電圧が印加された状態を表している。なお、ここでは、各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂに積層される各電極層５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂの図示を省略している。
【００２３】
分極方向Ｐに分極処理がされた第１圧電素子４２ａに図３の回路図に示す分極と同一方向の電圧を印加すると、第１圧電素子４２ａは、矢印に示すように径方向に縮み変形する。これに対して、分極方向Ｐとは逆方向に電圧が印加される第３圧電素子４２ｂは、矢印に示すように径方向に伸びるように変形する。この結果、図４（ｂ）に示すように、振動子４の中央部付近は、底部２８の方向（図面下方向）へ凸状に変形する。その結果、内部空間２３の圧力が高まる（図示せず）。
【００２４】
このとき、振動板４１に環状に配置されている第２圧電素子４３ａに対しては、図３に示すように第１圧電素子４２ａと逆方向の電圧が印加される。これにより、第２圧電素子４３ａは、矢印のように径方向に伸びるように変形する。同時に第２圧電素子４３ａと逆方向の電圧が印加される第４圧電素子４３ｂは、径方向に縮むように変形する。
【００２５】
この結果、図４（ｂ）に示すように、振動子４の周縁部４１ｂ付近は、カバー３の方向へ凸状に変形する。これにより、例えば、振動子４に対して大きな振幅指令を受けた場合の周縁部４１ｂ付近の振動板４１に対する局所的な応力集中を防止する。具体的には、第２圧電素子４３ａおよび第４圧電素子４３ｂが振動板４１の撓みをコントロールして、振動子４の周縁部４１ｂ付近における局所的な応力集中による、振動板４１の塑性変形を防止する。
【００２６】
各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂへの電圧の印加方向が逆方向に切り替えられると、すべての圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂの変位の方向も逆方向になる。なお、各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂへの電圧の印加方向を逆方向とした場合の動作図は、図４（ｂ）を上下方向に反転したものとなるため図示およびその説明を省略する。
【００２７】
圧電素子の上記の性質を利用して、例えば、図３に示した振動子４の回路に交流電圧を印加した場合には、振動子４は、各圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂのカバー３方向と底部２８方向への連続した撓み運動と連動して屈曲を繰り返す。この結果、内部空間２３の圧力を変動させて圧電ポンプ１として機能する。
【００２８】
具体的には、振動板４１の中央部が、カバー３の方向へ凸状に変形すると、内部空間２３の容積が拡大するとともに、内部空間２３の圧力が低下し吸込口２４より流体が導入される。一方、振動板４１が、底部２８の方向へ凸状に変形、すなわち図４（ｂ）のように変形すると、内部空間２３の容積が縮小するとともに、内部空間２３の圧力が上昇し、排出口２５より流体を排出する。図１の圧電ポンプ１においては、流体の逆流を防ぐために吸込口２４と排出口２５のそれぞれに逆止弁２１，２２を設けている。
【００２９】
一方、図１０（ｂ）に示す、従来の圧電ポンプの振動子４０３においては、振動子４０３の外周部に、上述した実施形態１の第２圧電素子４３ａおよび第４圧電素子４３ｂに相当する構成が設けられていない。このため、例えば、振動子４０３に大きな振幅指令が与えられた場合、振動板４１の中央部は第１圧電素子４５ａと第２圧電素子４５ｂにより大きく変位する。これに伴い、図１０（ｂ）のように振動板４１は底部２８へ凸状に撓む。この振動板４１の撓みと内部空間２３内の搬送流体により圧力が高まる。この時に発生した応力（矢印）は、振動板４１の周縁部４１ｂと第１、第２圧電素子４５ａ，４５ｂの間の振動板４１にも作用する。振動板４１に用いられる金属薄板は、より大きな変位を得るため非常に薄いものが用いられている。このため、上記のように振動板４１に設定範囲を超えた圧力を受けた場合には、振動板４１の周縁部４１ｂ付近に図示のような変形が生じる。
【００３０】
そして、この変形部４６が弾性範囲を超えて変形したまま戻らなくなる、いわゆる金属の塑性変形が起こることがある。このような塑性変形が起こると、振動板４１に設計上において必要な変位が得られなくなる。この結果、内部空間２３の容積の変動幅が変わってしまい、圧電ポンプから送られる流体の吐出量が設計値から外れてしまう。また、変形部４６に継続的にストレスが与えられると振動板４１が金属疲労により破断してポンプ故障の原因となる。
【００３１】
これに対し、実施形態１の振動子４は、上述の通り、第１圧電素子４２ａ，第３圧電素子４２ｂと周縁部４１ｂの間に変形部４６に相当する部分を積極的に変位させるための環状の第２圧電素子４３ａおよび第４圧電素子４３ｂを設けた。そして、例えば、図４（ｂ）に示すように振動子４の中央部付近を底部２８の方向へ凸状変形する時には、第２圧電素子４３ａが、第１圧電素子４２ａと逆の径方向に伸長するとともに、第４圧電素子４３ｂが、第３圧電素子４２ｂとは逆の径方向に縮むことで、周縁部４１ｂ付近の振動子４をカバー３の方向へ凸状に撓ませるようにした。
【００３２】
これにより、外周部に局所的な変形部４６が発生するような振幅指令が振動子４に与えられた場合においても、振動板４１の第２圧電素子４３ａ，第４圧電素子４３ｂがカバー３方向へ積極的に撓む。第２圧電素子４３ａ，第４圧電素子４３ｂに挟まれている振動板４１は、第２圧電素子４３ａ，第４圧電素子４３ｂによってコントロールされながら連動して撓む。このため振動板４１の変形部４６の動きが第２圧電素子４３ａおよび第４圧電素子４３ｂによりコントロールされる。このため内部空間２３に大きな容積差を発生させるとともに、振動板４１の塑性変形を防止することができる。なお、上述した説明では、主に、振動板４１の変位の一方（底部２８の方向への変位）のみを示したが、かかる電圧の方向を逆にすれば撓み方向を逆として同じとなるため、この詳細については説明を省略する。
【００３３】
次に、振動板４１の一方の面４１ｃに配置される第１圧電素子４２ａおよび第２圧電素子４３ａの配置条件について検討する。なお、第１圧電素子４２ａと第２圧電素子４３ａの配置が決定すれば、それぞれに対向する第３圧電素子４２ｂと第４圧電素子４３ｂの配置は決定するため第３圧電素子４２ｂと第４圧電素子４３ｂの配置条件についての説明は省略する。
【００３４】
図８は、振動板４１の周縁部４１ｂが完全拘束されている場合の振動板４１の変曲点Ｘを示す説明図である。ここでいう完全拘束とは、ケース２０の固定溝２６と振動板４１の周縁部４１ｂの接合部における鉛直方向、水平方向、回転方向の変位が全く無い状態を指す。一方、図９は、振動板４１の周縁部４１ｂが、ばね拘束されている場合の振動板４１の変曲点を示す説明図である。ここでいうばね拘束とは、例えば、固定溝２６と周縁部４１ｂの接合部において、鉛直方向および水平方向の変位が無く、回転方向に変位が生じている状態を指し、上述された完全拘束以外の全ての拘束状態を指す。なお、図８および図９では、振動板４１のみを示し、圧電素子および電極層については図示を省略している。
【００３５】
振動板４１の第１圧電素子４２ａ及び第２圧電素子４３ａは、振動板４１の変曲点Ｘを境界として配置されている。ここで、変曲点Ｘとは、振動板４１が撓んだときに中央部の撓み方向と周辺部の撓み方向の向きが切り替わる点をいう。図８および図９においては変曲点Ｘとして示してあるが、変曲点Ｘの集まりが円形の変曲線を形成する。
【００３６】
言い換えると、第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂに電圧を印加して振動板４１を変形させたとき、かかる電圧の印加方向の相違から第１圧電素子４２ａと第２圧電素子４３ａでは振動板４１の撓み方向が逆になる。この撓み方向の切り替わる部分が変曲点Ｘ（変曲線）であり、この部分が境界となるように第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂをレイアウトする。
【００３７】
振動板４１のこのような変位特性は、振動板４１の拘束条件と変位条件に基づいて定まる変位関数として示すことができる。具体的には、実施形態１の振動子４のように常に同じ条件で振動板４１を変位させる場合には、振動板４１の変曲点Ｘは変位関数より一義的に定まる。
【００３８】
ここで拘束条件として、振動板４１を拘束する位置やクランプの強さと拘束方法などが含まれる。拘束方法としては、例えば、梁の固定方法を参考にすると、完全拘束およびばね拘束が知られている。
変位条件には、振動板４１に加えられる力の位置、加えられる力の大きさ、加えられる力の方向などが考慮される。
【００３９】
例えば、実施形態１の圧電ポンプ１の振動板４１は、ケース２０の周壁２９の固定溝２６によって振動板４１の周縁部４１ｂの全周が拘束されている。このときの拘束条件は、「周縁部４１ｂの全周を固定溝２６で固定」である。さらにこの拘束条件について検討すると、図８に示すように、振動板４１の全周をケース２０の周壁２９の固定溝２６で完全拘束した場合と、図９に示すように、振動板４１の周縁部４１ｂを全周にわたり弾性体（図９ではバネとして図示）を介して固定溝２６に拘束した場合とが考えられる。後者の場合の拘束条件は「周縁部４１ｂの全周を固定溝２６で弾性的に固定」となる。実際には、周縁部４１ｂと固定溝２６とを完全拘束することは非常に難しいので、殆どの場合、図９に示すような弾性的な拘束になる。
【００４０】
一方、変位条件については、例えば、振動板４１の一方の面４１ｃの中央部に積層された第１圧電素子４２ａと他方の面４１ｄの第１圧電素子４２ａと対向して積層された第３圧電素子４２ｂが振動板４１を変位させる力、および内部空間２３内に搬送される流体の容積の変動による応力等が条件となる。
【００４１】
そして、上述したような拘束条件と変位条件から変位関数を用いて一義的に振動板４１の変曲点Ｘが決定される。なお、圧電ポンプの形状等によっては、振動子４に与えられる外力の位置、作用点の数、強さ、方向なども変位条件として考慮する必要がある。
【００４２】
次に、上述のように変曲点Ｘで第１圧電素子４２ａと第２圧電素子４３ａを分割して配置したことによる効果について説明する。なお、実施形態１においては、バイモルフ型の振動子４を示しているため、振動板４１の両面に第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂが配置されているが、説明が複雑になるため、第１圧電素子４２ａおよび第２圧電素子４３ａの変位と振動板４１との関係について詳細に説明する。
【００４３】
上述のように実施形態１に示す振動子４は、第１圧電素子４２ａが径方向へ収縮し振動板４１が底部２８の方向へ凸状変形した場合（図４（ｂ））、変曲点Ｘを境界として配置された第２圧電素子４３ａの部分は、内部空間２３からの応力により、カバー３方向に撓む。ここで、第１圧電素子４２ａと第２圧電素子４３ａの配置の境界を変曲点Ｘとしているため、振動板４１に応力が生じた場合においても、振動板４１は積層された第１および第２圧電素子４２ａ，４３ａに干渉されることなくそれぞれ逆方向に撓むことができる。加えて、第２圧電素子４３ａが設けられていることにより、内部空間２３側からの応力に対して、振動板４１のみの場合と比較して強度が増す。さらに、振動板４１の外周部に局所的な塑性変形が生じるような圧力が加えられた場合にも、第２圧電素子４３ａが応力による変形を抑制するように撓むことで振動板４１の塑性変形を防ぐことができる。この結果、振動板４１の可撓性を変更することなく、十分な強度を有する応答性の良い振動子４を容易に製造することができる。
【００４４】
実施形態１においては、ケース２０を円形の振動子４で塞いだ円筒形の圧電ポンプ１を示したが、ケース２０及び振動子４の形状については、これに限られることはない。
【００４５】
また、変曲線の線形は円形の変曲線に限られることはなく、例えば、流体を蠕動運動により輸送する圧電ポンプや圧電素子の振動を用いて流体を送り出す共振型のポンプ等においては、複数の変曲線を複数の圧電素子の境界として、分割配置することも可能であり、その形状も楕円形、長円形、短形など種々の形状がある。
【００４６】
実施形態１においては、第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂを振動板４１の両面に配置するバイモルフ型の振動子４（特にパラレル型）を用いて説明しているが、回路を少し変えることで、振動板４１を有しないシリーズ型とすることも可能である。また、振動板４１の片面のみに圧電素子を配置するユニモルフ型の振動子４を用いることも可能である。
【００４７】
また、圧電素子は分極方向と同一方向に電圧を印加すると径方向に収縮し、逆方向に電圧を印加すると径方向に伸長する性質を有している。よって、第１圧電素子４２ａ、第３圧電素子４２ｂの分極方向と第２圧電素子４３ａ、第４圧電素子４３ｂの分極方向を逆として振動板４１にレイアウトすることもできる。なお、この場合には、例えば、第１圧電素子４２ａと第２圧電素子４３ａにプラスの電圧を印加した場合には、第３圧電素子４２ｂと第４圧電素子４３ｂにはマイナスの電圧が印加されるように回路図を設計する。
【００４８】
次に実施形態２の振動子４０１および実施形態３の振動子４０２について図５、図６および図７を用いて説明する。
【００４９】
図５の振動子４０１は、一枚の円形の振動板４１と振動板４１の一方の面４１ｃに積層した振動板４１の直径よりも少し小さい直径を有する第１圧電素子４４ａと、他方の面４１ｄに第１圧電素子４４ａに対向して積層された第２圧電素子４４ｂとを有している。なお、各圧電素子４４ａ，４４ｂの分極方向Ｐは矢印方向に一定とした。また、第１圧電素子４４ａのカバー３側に第１電極層５２ａ、第２電極層５３ａを設けた。第１電極層５２ａは、第１圧電素子４４ａの中央部に配置し、第２電極層５３ａは、第１電極層５３ａの外周部に環状の隙間４７を介して環状に配置した。また、内部空間２３側の第２圧電素子４４ｂの中央部には、第１電極層５２ａと対向する第３電極層５２ｂが配置される。さらに、第２電極層５３ａと対向する第４電極層５３ｂが第３電極層５２ｂの外周に配置される。第１電極層５２ａと第２電極層５３ａの境界については、変位関数により一義的に決定される変曲点Ｘとした。回路配置については、図３と同様の配置とした。
【００５０】
第１圧電素子４４ａ，第２圧電素子４４ｂは、基本的に絶縁材料であるため、電圧をかけた場合も第１電極層５２ａ，第２電極層５３ａの境界である環状の隙間４７を越えて、第１圧電素子４４ａまたは第２圧電素子４４ｂの面に沿って径方向に電流が流れることはない。実施形態２の振動子４０１では、この性質を利用して、第１〜第４圧電素子４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂを振動板４１の変曲点Ｘを境界として分割して配置する実施形態１の振動子４とは異なり、電圧を印加するための電極層５２ａ，５２ｂ，５３ａ，５３ｂのみを分割して配置した。
【００５１】
図６の斜視図および図７の回路図に示した実施形態３の振動子４０２は、振動板４１を用いていない点が、図５に示した振動子４０１と異なっている。言い換えれば、振動子４０２は、一枚の円板状の圧電素子４４ｃの外周部を固定溝２６に直接固定している。振動子４０２は、一枚の圧電素子４４ｃの一方の面４８ａの中央部に円形の第１電極層５２ａを設けた。第１電極層５２ａの外周部に環状の隙間４７を介して環状の第２電極層５３ａを設けた。また図７に示すように他方の面４８ｂには第１電極層５２ａに対向する第３電極層５２ｂおよび第２電極層５３ａに対向する第４電極層５３ｂを設けた。第１電極層５２ａと第２電極層５３ａの境界は、圧電素子４４ｃにおける変位関数から一義的に決定される変曲点Ｘとした。なお、本実施形態３においては、圧電素子４４ｃを一枚の圧電素子としたが、回路構成を変更することにより複数枚の圧電素子を積層したものを振動子４０３として用いることも可能である。
【００５２】
図７は、図６の振動子４０２の回路図である。圧電素子４４ｃの分極方向は矢印Ｐで示した。この回路図によれば振動子４０２は、第１電極層５２ａに分極方向Ｐと逆方向の電圧を印加すると第１電極層５２の範囲の圧電素子４４ｃは径方向に伸長する。この時、第２電極層５３ａには、分極方向Ｐと同一方向の電圧が印加され、第２電極層５３ａの範囲の圧電素子４４ｃは径方向に収縮する。なお、第３電極層５２ｂには第１電極層５２ａと逆の電圧が印加され、第４電極層５３ｂには第２電極層５３ａと逆方向の電圧が印加される。この性質を利用して、例えば、振動子４０２に交流電圧を印加すると撓み運動が連続的に発生し、振動子４０２として機能する。
【００５３】
そして、振動子４０２に対して、過度の振幅指令が与えられた場合や、内部空間２３の搬送流体の圧力が高まった場合であっても、実施形態１の振動子４と同様に、第２および第４電極層５３ａ，５３ｂが積極的に撓むことにより、局所的な圧力の集中による圧電素子４４ｃの破損を防ぐことができる。
【００５４】
図５に示した実施形態２の振動子４０１は、実施形態１の振動子４とは異なり、第１〜第４電極層を振動子４０１の拘束条件および変位条件から変位関数を用いて一義的に決められる変曲点Ｘを境界として第１および第２圧電素子４５ａ，４５ｂにレイアウトしている。また図６および図７に示す実施形態３の振動子４０２は、実施形態１の振動子４とは異なり、第１〜第４電極層を振動子４０２の拘束条件および変位条件から変位関数を用いて一義的に決められる変曲点Ｘを境界として、圧電素子４４ｃにレイアウトしている。
【００５５】
このため、電極層のレイアウトを変更するだけで、振動子の大きさや形状の変更による変曲点の変化にも対応することができる。したがって、電極層の積層をする製造工程においてレイアウトの変更が可能となるため製造工程の効率化を図ることができる。さらに、振動子４０２においては、振動板４１のような金属薄板が不要となり、部品点数の削減にもつながる。
【００５６】
実施形態１〜３に示した振動子４，４０１および４０２は、圧電ポンプ１と組み合わせてその機能的な特徴を説明してきたが、振動子４，４０１および４０２の使用される用途はこれに限られることはなく、例えば、圧電スピーカーや圧電ブザー、ソナー、各種超音波機器や、加速度センサー等の各種センサーにも使用することが可能である。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これらの実施形態は、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、種々の変更、置き換え、変更を行うことができる。これらの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様に、特許請求の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５８】
１…圧電ポンプ、２…ポンプ本体、２０…ケース、２１…逆止弁、２２…逆止弁、２３…内部空間、２４…吸込口、２５…排出口、２６…固定溝、２７…開口部、２８…底部、２９…周壁、２９ａ…段部、２９ｂ…嵌合壁、３…カバー、３１…カバー周壁、３２…カバー底部、４…振動子、４０１…振動子、４０２…振動子、４０３…振動子、４１…振動板、４１ａ…凸部、４１ｂ…周縁部、４１ｃ…一方の面、４１ｄ…他方の面、４２ａ…第１圧電素子、４２ｂ…第３圧電素子、４３ａ…第２圧電素子、４３ｂ…第４圧電素子、４４ａ…第１圧電素子、４４ｂ…第２圧電素子、４４ｃ…圧電素子、４５ａ…第１圧電素子、４５ｂ…第２圧電素子、４６…変形部、４７…環状の隙間、４８ａ…一方の面、４８ｂ…他方の面、５２ａ…第１電極層、５２ｂ…第３電極層、５３ａ…第２電極層、５３ｂ…第４電極層、Ｘ…変曲点、Ｐ…分極方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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【図１０】
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