(57)【要約】【課題】圧電振動子と逆止弁を用いた圧電ポンプでは、逆止弁の応答性能の限界により、圧電振動子を高い周波数で駆動することができなかった。【解決手段】圧電体と振動板とを用いて長方形の板状に形成され、電圧の印加によって屈曲動作する圧電振動子５と、圧電振動子５を収容するポンプ室３６と、このポンプ室３６に通じる吐出ポート３１及び吸引ポート７３を有する筐体（１，３，７）と、ポンプ室３６で圧電振動子５を支持するトーションバー６１を有する支持体６と、を備える。ポンプ室３６は、上側ポンプ領域３６ａと下側ポンプ領域３６ｂに分かれ、圧電振動子５に電圧を印加して、圧電振動子５が上側に凸となるように屈曲動作したときに、圧電振動子５の長手方向の両端部が下側に変位することにより、上側ポンプ領域３６ａと下側ポンプ領域３６ｂとの間の流体の移動を抑制する構成になっている。【選択図】図９
2015224610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と振動板とを用いて長方形の板状に形成され、電圧の印加によって屈曲動作する圧電振動子と、
前記圧電振動子を収容するポンプ室を形成するとともに、前記ポンプ室の上側に吐出ポート、前記ポンプ室の下側に吸引ポートが設けられた筐体と、
前記ポンプ室で前記圧電振動子の各長辺部を支持するとともに、当該支持位置が前記圧電振動子の長手方向の中心を間に挟む２箇所に設定された支持片を有する支持体と、
を備え、
前記ポンプ室は、前記圧電振動子の介在により、前記吐出ポートに通じる上側ポンプ領域と、前記吸引ポートに通じる下側ポンプ領域とに区分され、
前記圧電振動子に電圧を印加した状態であって、かつ、前記圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときに、前記圧電振動子の長手方向の両端部が下側に変位することにより、前記上側ポンプ領域と前記下側ポンプ領域との間の流体の移動を抑制する
ことを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項２】
前記圧電振動子に電圧を印加していない状態では、前記圧電振動子の長手方向の両端部と前記筐体のポンプ室の上面との間に第１の隙間が形成され、
前記圧電振動子に電圧を印加した状態であって、かつ、前記圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときに、前記圧電振動子の長手方向の両端部が下側に変位することにより、前記圧電振動子の長手方向の両端部と前記筐体のポンプ室の下面との間に前記第１の隙間よりも小さい第２の隙間が形成されるか、当該第２の隙間がゼロとなることにより、前記第１のポンプ領域と前記第２のポンプ領域との間の流体の移動を抑制する
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
前記支持片は、前記圧電振動子の屈曲動作にしたがってねじれるトーションバーによって構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電ポンプ。
【請求項４】
前記筐体は、前記圧電振動子に対向する前記ポンプ室の下面であって、前記吸引ポートの周囲に、上側に凸形状をなすリング部を有する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の圧電ポンプ。
【請求項５】
前記筐体は、前記上側ポンプ領域よりも上側に、前記吐出ポートを介して前記上側ポンプ領域に連通する前室を有するとともに、前記前室の上側に、被加圧対象物を接続するための接続ポートと、排気のための排気ポートとを有し、
前記圧電振動子に電圧を印加していない状態では、前記吐出ポートを閉じた状態に保持し、前記圧電振動子に電圧を印加した状態では、前記吐出ポートから吐き出される空気に押されて屈曲変形することにより、前記排気ポートを閉じた状態に保持する弁体を備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加によって屈曲動作する圧電振動子を備える圧電ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来においては、圧電振動子と逆止弁を用いた圧電ポンプの構成が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。この種の圧電ポンプでは、圧電振動子に交番電圧を印加することにより、圧電振動子を屈曲動作させるとともに、この屈曲動作にしたがって逆止弁を開閉動作させることにより、流体の吸引および吐出を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２６２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、圧電ポンプの能力（流量、圧力）を高めるには、圧電振動子を高い周波数で駆動することが有効である。ただし、逆止弁の応答性能には限界があるため、圧電振動子の駆動周波数が、あるレベル以上になると、圧電振動子の屈曲動作に逆止弁の開閉動作が追従しなくなる。その結果、圧電振動子が屈曲動作しても逆止弁が閉じたままになり、圧電ポンプがポンプ機能を果たさなくなる。このため、従来では、圧電振動子の動きに逆止弁が追従できる範囲の低い周波数で、圧電振動子を駆動せざるを得ず、思うように圧電ポンプの能力を高めることができなかった。
【０００５】
また、圧電振動子を低い周波数で駆動する場合は、ポンプ能力の低さのほかに、騒音の問題を招来するおそれがあった。たとえば、圧電ポンプの中には６０〜１００Ｈｚの比較的低い周波数で圧電振動子を駆動するものがあるが、この範囲の周波数は可聴周波数帯域（４０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）に含まれる。このため、圧電振動子を駆動したときに生じる音が、人間の耳に騒音となって聞こえてしまう。
【０００６】
本発明の主な目的は、逆止弁の応答性能に制約されることなく、圧電振動子を高い周波数で駆動することができる圧電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】
本発明の第１の態様は、
圧電体と振動板とを用いて長方形の板状に形成され、電圧の印加によって屈曲動作する圧電振動子と、
前記圧電振動子を収容するポンプ室を形成するとともに、前記ポンプ室の上側に吐出ポート、前記ポンプ室の下側に吸引ポートが設けられた筐体と、
前記ポンプ室で前記圧電振動子の各長辺部を支持するとともに、当該支持位置が前記圧電振動子の長手方向の中心を間に挟む２箇所に設定された支持片を有する支持体と、
を備え、
前記ポンプ室は、前記圧電振動子の介在により、前記吐出ポートに通じる上側ポンプ領域と、前記吸引ポートに通じる下側ポンプ領域とに区分され、
前記圧電振動子に電圧を印加した状態であって、かつ、前記圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときに、前記圧電振動子の長手方向の両端部が下側に変位することにより、前記上側ポンプ領域と前記下側ポンプ領域との間の流体の移動を抑制する
ことを特徴とする圧電ポンプである。
【０００８】
本発明の第２の態様は、
前記圧電振動子に電圧を印加していない状態では、前記圧電振動子の長手方向の両端部と前記筐体のポンプ室の上面との間に第１の隙間が形成され、
前記圧電振動子に電圧を印加した状態であって、かつ、前記圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときに、前記圧電振動子の長手方向の両端部が下側に変位することにより、前記圧電振動子の長手方向の両端部と前記筐体のポンプ室の下面との間に前記第１の隙間よりも小さい第２の隙間が形成されるか、当該第２の隙間がゼロとなることにより、前記第１のポンプ領域と前記第２のポンプ領域との間の流体の移動を抑制する
ことを特徴とする上記第１の態様に記載の圧電ポンプである。
【０００９】
本発明の第３の態様は、
前記支持片は、前記圧電振動子の屈曲動作にしたがってねじれるトーションバーによって構成されている
ことを特徴とする上記第１または第２の態様に記載の圧電ポンプである。
【００１０】
本発明の第４の態様は、
前記筐体は、前記圧電振動子に対向する前記ポンプ室の下面であって、前記吸引ポートの周囲に、上側に凸形状をなすリング部を有する
ことを特徴とする上記第１〜第３の態様のいずれか一つに記載の圧電ポンプである。
【００１１】
本発明の第５の態様は、
前記筐体は、前記上側ポンプ領域よりも上側に、前記吐出ポートを介して前記上側ポンプ領域に連通する前室を有するとともに、前記前室の上側に、被加圧対象物を接続するための接続ポートと、排気のための排気ポートとを有し、
前記圧電振動子に電圧を印加していない状態では、前記吐出ポートを閉じた状態に保持し、前記圧電振動子に電圧を印加した状態では、前記吐出ポートから吐き出される空気に押されて屈曲変形することにより、前記排気ポートを閉じた状態に保持する弁体を備える
ことを特徴とする上記第１〜第４の態様のいずれか一つに記載の圧電ポンプである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、逆止弁の応答性能に制約されることなく、圧電振動子を高い周波数で駆動することができる圧電ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電ポンプの構成例を示す組立斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る圧電ポンプの構成例を示す組立平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る圧電ポンプを上側から見たときの分解斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る圧電ポンプを下側から見たときの分解斜視図である。
【図７】圧電振動子とＦＰＣの位置関係を示す平面レイアウト図である。
【図８】圧電振動子が駆動していないとき、または、駆動を停止したときの状態を示す模式図である。
【図９】圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときの状態を示す模式図である。
【図１０】圧電振動子が下側に凸となるように屈曲動作したときの状態を示す模式図である。
【図１１】圧電振動子の駆動を停止して排気したときの状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明の実施の形態においては、次の順序で説明を行う。
１．圧電ポンプの構成
２．圧電ポンプの各部の組立状態
３．圧電ポンプの動作
４．実施の形態の効果
５．変形例等
【００１５】
＜１．圧電ポンプの構成＞
図１は本発明の実施の形態に係る圧電ポンプの構成例を示す組立斜視図、図２は同組立平面図である。また、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。また、図５は本発明の実施の形態に係る圧電ポンプを上側から見たときの分解斜視図であり、図６は本発明の実施の形態に係る圧電ポンプを下側から見たときの分解斜視図である。
【００１６】
図示した圧電ポンプ１００は、上ケース１と、弁体２と、セパレータ３と、フレキシブル配線基板（以下「ＦＰＣ」と記す。）４と、圧電振動子５と、支持体６と、下ケース７と、を備えた構成になっている。圧電ポンプ１００の筐体は、上ケース１、セパレータ３および下ケース７によって構成されている。
【００１７】
ここでは、圧電ポンプ１００の各部の構成を説明するにあたって、圧電ポンプ１００の長手方向をＸ方向、圧電ポンプ１００の短手方向をＹ方向、圧電ポンプ１００の高さ方向をＺ方向と定義する。また、Ｚ方向のうち、図４の上側を圧電ポンプ１００の「上方」、「上側」又は「上方向」と定義し、図４の下側を圧電ポンプ１００の「下方」、「下側」又は「下方向」と定義する。
【００１８】
（上ケース）
上ケース１は、圧電ポンプ１００の筐体の一部を構成するもので、圧電ポンプ１００の最上部に配置されている。上ケース１は、たとえば、ポリカーボネートなどの樹脂の一体成形によって形成されている。上ケース１は、板状部１１と、ノズル部１２と、を有している。
【００１９】
板状部１１は、Ｘ方向に長い長方形の板状に形成されている。板状部１１には、排気ポートを構成する２つの貫通孔１３が形成されている。各々の貫通孔１３の孔形状は円形になっている。各々の貫通孔１３は、板状部１１の長手方向の中心位置から、Ｘ方向の一方と他方に均等な距離を隔てた位置に形成されている。また、各々の貫通孔１３は、板状部１１の短手方向の中心位置に形成されている。板状部１３の下面（ノズル部１２が形成されている面と反対側の面）には、凹状にキャビティ１４（図６参照）が形成されている。キャビティ１４は、後述する前室１６を形成する凹み空間であって、板状部１３の外形寸法よりも一回り小さい外形寸法でへこんでいる。キャビティ１４には、上述した２つの貫通孔１３の他に、ノズル孔１５が開口している。ノズル孔１５は、ノズル部１２の中心をＺ方向に貫通するように形成されている。
【００２０】
ノズル部１２は、被加圧対象物を接続するための接続ポートとなる。本実施の形態においては、被加圧対象物の一例として血圧計のカフを挙げる。ノズル部１２は、板状部１１の上面から上方に向かって垂直に起立（突出）した状態で形成されている。ノズル部１２は、板状部１１の長手方向の中心位置に形成されている。また、ノズル部１２は、板状部１１の短手方向の中心位置からＹ方向の一方側に片寄った位置に形成されている。このため、ノズル部１２は、Ｙ方向において、２つの貫通孔１３を結ぶ仮想直線（図２にＢ−Ｂで示す一点鎖線）から大きく外れた位置に配置されている。
【００２１】
（弁体）
弁体２は、上ケース１に設けられた２つの貫通孔１３と、セパレータ３に設けられた２つの吐出ポート３１（後述）とを、それぞれ開閉するために設けられたものである。弁体２は、長方形の薄いシート状に形成されている。弁体２は、たとえば、シリコンラバーによって構成されている。
【００２２】
（セパレータ）
セパレータ３は、圧電ポンプ１００の筐体の一部を構成するもので、圧電ポンプ１００の高さ方向の中間部に配置されている。セパレータ３は、上ケース１と同様に、長方形の板状に形成されている。セパレータ３は、ポリカーボネートなどの樹脂の一体成形によって形成されている。セパレータ３には、２つの吐出ポート３１が設けられている。セパレータ３の上面は部分的に少し突出した段付き部３２（図５参照）となっており、この段付き部３２に開口するように上記２つの吐出ポート３１が形成されている。段付き部３２の外形寸法は、上ケース１のキャビティ１４に段付き部３２がちょうど嵌り込むように、キャビティ１４の外形寸法よりも僅かに小さく設定されている。セパレータ３の下面には、収容凹部３３（図６参照）が形成されている。収容凹部３３は、セパレータ３の外形寸法よりも一回り小さい外形寸法で凹状にへこんでいる。収容凹部３３のＹ方向の両端部には、押さえ部３４が形成されている。押さえ部３４は、ＦＰＣ４を上から押さえるために、セパレータ３に一体に形成されたものである。セパレータ３の一方の短辺部には、逃げ部３５が形成されている。逃げ部３５は、ＦＰＣ４の引き出し部４３（後述）を外側に引き出すときに、ＦＰＣ４との干渉を避けるために形成されたものである。セパレータ３は、Ｚ方向において上ケース１と下ケース７の間に挟んで支持される。また、セパレータ３は、このセパレータ３と下ケース７との間にポンプ室３６を形成する。
【００２３】
（ＦＰＣ）
ＦＰＣ４は、たとえば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を基材として構成されている。ＦＰＣ４には、図示しない配線パターンが形成されている。この配線パターンは、圧電振動子５の駆動（屈曲動作）に必要な交番電圧を、圧電振動子５（圧電体５１）に印加するための配線パターンとなる。また、ＦＰＣ４は、圧電振動子５を屈曲動作（凸動作）させる場合に、圧電振動子５の長辺部外側の領域を封止する機能を果たす。ＦＰＣ４の一方の短辺部はＸ方向に大きく切り欠いて形成され、この切り欠き部分が、延出部４１を含む櫛形構造になっている。延出部４１は、基端部を支点（固定）とし、その反対側の先端部を自由端とした片持ち梁の形態で形成されている。延出部４１の先端部には、電極部４２が形成されている。電極部４２は、圧電振動子５の圧電体５１（後述）に半田付け等によって接合される部分となる。延出部４１は、電極部４２を圧電振動子５の圧電体５１に接合した場合に、ＦＰＣ４自身の剛性が圧電振動子５の屈曲動作の妨げとならないように、上記片持ち梁の形態で形成されている。また、ＦＰＣ４の一方の長辺部には、引き出し部４３が形成されている。引き出し部４３は、圧電振動子５の圧電体５１を、図示しないポンプ制御装置と電気的に接続するために形成されたものである。
【００２４】
（圧電振動子）
圧電振動子５は、互いに密着状態に重ねられた圧電体５１と振動板５２とを用いて長方形の板状（短冊形状）に形成されている。圧電振動子５は、電圧の印加によって屈曲動作する。より具体的に記述すると、圧電振動子５は、ＦＰＣ４の配線パターンを通して圧電体５１に交番電圧を印加した場合に、この交番電圧の印加にしたがって屈曲動作する。圧電振動子５は、振動板５２の片面（上面）に圧電体５１を貼り合わせたモノモルフ（ユニモルフ）構造になっている。圧電体５１は、たとえば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる薄板の上面全体に、Ａｇ（銀）の薄膜を蒸着によって形成した構造になっている。振動板５２は、たとえば、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）等の薄い金属板を用いて構成されている。圧電体５１の下面は、たとえば接着剤等を用いて、振動板５２の上面に貼り付けられている。
【００２５】
（支持体）
支持体６は、圧電振動子５を支持するものである。支持体６には、上述した振動板５２が一体に形成されている。また、支持体６には、振動板５２の他に、トーションバー６１とフレーム部６２が一体に形成されている。支持体６は、ＳＵＳ３０４等の薄い金属板を用いて構成されている。トーションバー６１は、振動板５２とフレーム部６２を連結するように、合計４つ形成されている。フレーム部６２は、圧電体５１と振動板５２の周囲を取り囲むように、振動板５２の外側に長方形に形成されている。トーションバー６１は、ポンプ室３６で圧電振動子５の各長辺部を支持する支持片に相当するものである。このトーションバー６１で圧電振動子５を支持することにより、当該支持位置においてＺ方向の圧電振動子５の位置が拘束される。各々のトーションバー６１は、Ｙ方向と平行に配置されている。トーションバー６１による圧電振動子５の支持位置は、圧電振動子５の長手方向の中心を間に挟む２箇所に設定されている。具体的には、圧電振動子５の長手方向の中心から、Ｘ方向の一方と他方にそれぞれ均等な距離を隔てた位置に当該支持位置が設定されている。本実施の形態においては、好ましい形態の一例として、圧電振動子５の長手方向の寸法をＬとしたときに、圧電振動子５の長手方向の中心から、Ｘ方向の一方と他方にそれぞれＬ／６の距離を隔てた位置に当該支持位置が設定されている。トーションバー６１は、適度なバネ性をもってねじれる性質を有している。このため、トーションバー６１は、電圧の印加によって圧電振動子５が屈曲動作した際に、この屈曲動作にしたがってねじれるように動作する。
【００２６】
（下ケース）
下ケース７は、圧電ポンプ１００の筐体の一部を構成するもので、圧電ポンプ１００の最下部に配置されている。下ケース７は、上ケース１およびセパレータ３と同様に、長方形に板状に形成されている。下ケース７は、たとえば、ＳＵＳ３０４等の金属で構成されている。下ケース７の上面には、Ｚ方向から見て、長方形の凹部７１と、円形のリング部７２とが形成されている。凹部７１は、下ケース７の外形寸法よりも一回り小さい外形寸法で凹状にへこんでいる。リング部７２は、凹部７１の底面から僅かに突出した凸形状に形成されている。リング部７２の突出寸法は、凹部７１の凹み寸法と同一になっている。また、リング部７２の円の中心には、一つの吸引ポート７３が形成されている。吸引ポート７３は、下ケース７の長手方向と短手方向で、それぞれ中心位置に形成されている。一方、下ケース７の下面には、Ｚ方向から見て、長方形の凸部７４と、円形の凹み部７５とが形成されている。凸部７４は、下ケース７の外形寸法よりも一回り小さい外形寸法で僅かに凸状に出っ張っている。凹み部７５は、凸部７４の凸面から僅かにへこんで形成されている。吸引ポート７３は、凹み部７５の円の中心に形成されている。
【００２７】
＜２．圧電ポンプの各部の組立状態＞
続いて、圧電ポンプ１００の各部の組立状態について説明する。
ここでは、圧電振動子５に電圧を印加していない状態を想定して、各部の相対的な位置関係等を記述する。
【００２８】
上ケース１は、圧電ポンプ１００の最上部に組み付けられている。圧電ポンプ１００の外周部においては、上ケース１と下ケース７の間に、セパレータ３と支持体６とがサンドイッチ状に挟まれている。セパレータ３は、上ケース１と支持体６との間に挟まれ、支持体６は、セパレータ３と下ケース７との間に挟まれている。
【００２９】
上ケース１とセパレータ３とは、上ケース１のキャビティ１４にセパレータ３の段付き部３２を嵌め込む状態で、接着等により接合されている。上ケース１とセパレータ３の間には前室１６が形成され、この前室１６内に弁体２が配置されている。また、上ケース１の貫通孔１３とノズル孔１５は、それぞれ前室１６に連通している。
【００３０】
弁体２は、セパレータ３の上面を形成する段付き部３２に取り付けられている。弁体２は、弁体２の長手方向の中間部をセパレータ３の段付き部３２に固定した状態で、セパレータ３に取り付けられている。弁体２とセパレータ３との固定には、接着剤等を用いることができる。弁体２の長手方向の一端側と他端側は、セパレータ３に固定されることなく、上方に屈曲変形可能になっている。
【００３１】
一方、セパレータ３と下ケース７とは、両者の間に支持体６を介在させた状態で、接着等により接合されている。セパレータ３と下ケース７との間には、収容凹部３３のへこみや凹部７１のへこみなどによってポンプ室３６が形成されている。ポンプ室３６は、圧電ポンプ１００がポンプ動作するための空間となる。圧電ポンプ１００のポンプ動作には、圧電振動子５の屈曲動作が含まれる。
【００３２】
ＦＰＣ４は、セパレータ３の押さえ部３４によってＹ方向の両側縁部（引き出し部４３を除く）を上方から押さえられた状態で、圧電振動子５とともにポンプ室３６に収容して配置されている。ＦＰＣ４は、圧電振動子５の上に被せられることにより、圧電振動子５の両脇部分（長辺部の外側近傍）を封止し、そこを通過しようとする空気の流通を抑制する。ＦＰＣ４の電極部４２は、圧電振動子５の圧電体５１の上面に半田付けによって接合されている。ＦＰＣ４の引き出し部４３は、セパレータ３の逃げ部３５の形成部位に配置されている。引き出し部４３の端部は、セパレータ３の長辺部よりも外側に延出した状態で配置されている。引き出し部４３の端部には、外部の電子機器（ポンプ制御装置を含む）と電気的に接続するための電極（不図示）が形成されている。
【００３３】
圧電振動子５は、圧電ポンプ１００の内部に収容されている。圧電振動子５は、４つのトーションバー６１によって支持されている。圧電振動子５は、ポンプ室３６に収容して配置されている。ポンプ室３６は、図８の模式図に示すように、圧電振動子５の介在により、Ｚ方向で上側ポンプ領域３６ａと下側ポンプ領域３６ｂとに区分されている。上側ポンプ領域３６ａは、下側ポンプ領域３６ｂよりも大きな領域になっている。
【００３４】
支持体６のフレーム部６２は、セパレータ３と下ケース７によってサンドイッチ状に挟み込まれている。セパレータ３、支持体６および下ケース７は、接着剤等を用いて相互に接合されている。支持体６の構造上、圧電振動子５の周囲は、４つのトーションバー６１が存在する部分を除いて、厚み方向に肉抜きした開口部になっている。ただし、圧電振動子５の圧電体５１の上にはＦＰＣ４が近接して配置され、その状態でＦＰＣ４がセパレータ３の押さえ部３４で上から押さえられている。このため、４つのトーションバー６１がつながる圧電振動子５の長辺部側の開口部は、図７の平面レイアウト図に示すように、圧電振動子５の上からＦＰＣ４をかぶせることにより、ＦＰＣ４によって閉じられている。
【００３５】
下ケース７は、圧電ポンプ１００の最下部に組み付けられている。圧電振動子５は、下ケース７の上面側に配置されている。圧電振動子５の振動板５２は、下ケース７の凹部７１の底面と所定の間隙を隔てて対向する状態に配置されている。また、圧電振動子５の振動板５２は、下ケース７のリング部７２の上面との間に隙間を隔てて配置されている。
【００３６】
＜３．圧電ポンプの動作＞
続いて、本発明の実施の形態に係る圧電ポンプの動作について説明する。
【００３７】
まず、圧電ポンプ１００の駆動は、図示しないポンプ制御装置によって制御される。ポンプ制御装置は、圧電ポンプ１００を駆動するときは、圧電振動子５に交番電流を供給する。また、ポンプ制御装置は、圧電ポンプ１００を駆動しないときは、圧電振動子５に交番電流を供給せず、圧電ポンプ１００の駆動を停止するときは、圧電振動子５に対する交番電流の供給を停止する。
【００３８】
また、ポンプ制御装置がＦＰＣ４の配線パターンを通して圧電振動子５の圧電体５１に交番電圧を印加すると、圧電振動子５は、交番電圧の周波数に応じて屈曲動作（振動）を繰り返す。その際、圧電振動子５は、圧電体５１に印加される電圧の極性の変化にともない、圧電振動子５が上側に凸となる屈曲動作と、圧電振動子５が下側に凸となる屈曲動作とを、交互に繰り返す。また、圧電振動子５を支持するトーションバー６１は、圧電振動子５の屈曲動作にしたがってねじり動作する。このため、圧電振動子５をトーションバー６１で支持しつつ、圧電振動子５を円滑に屈曲動作させることができる。
【００３９】
図８は圧電振動子が駆動していないとき、または、駆動を停止したときの状態を示す模式図である。
図８においては、圧電振動子５が全体的に平らな姿勢で静止している。このため、セパレータ３の吐出ポート３１の部分と下ケース７の吸引ポート７３の部分では、空気の吹き出しや吸い込みがない。この状態では、圧電振動子５の長手方向の両端部とポンプ室３６の上面（セパレータ３の下面）との間に第１の隙間Ｇ１が形成されている。また、弁体２は、２つの吐出ポート３１を塞ぐようにセパレータ３の上面に平らに配置された状態になり、前室１６は、上ケース１の２つの貫通孔１３を通して外部に連通した状態になる。
【００４０】
図９は圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときの状態を示す模式図である。
図９においては、圧電振動子５が全体的に上側に凸となるように円弧状に屈曲変位している。また、トーションバー６１の支持位置よりも圧電振動子５の長手方向の中心寄りの部分は上側に屈曲変位し、トーションバー６１の支持位置よりも圧電振動子５の長手方向の両端寄りの部分は下側に屈曲変位している。
【００４１】
このように圧電振動子５が屈曲動作した場合は、圧電振動子５の長手方向の中心寄りの部分が上側に屈曲変位することにより、下ケース７の吸引ポート７３から下側ポンプ領域３６ｂに空気が吸い込まれる。このとき、仮に、下ケース７の吸引ポート７３の周囲に凸形状のリング部７２を形成していない場合は、下側ポンプ領域３６ｂ内を下ケース７の上面に沿って吸引ポート７３側に流れる空気が、圧電ポンプ１００の外部から下側ポンプ領域３６ｂ内への空気（外気）の流れ込みを邪魔する。これに対して、下ケース７の吸引ポート７３の周囲に凸形状のリング部７２を形成しておくと、このリング部７２が、下側ポンプ領域３６ｂ内を下ケース７の上面に沿ってリング部７２に向かって流れる空気の障壁となる。このため、下ケース７の吸引ポート７３においては、圧電ポンプ１００の外部から下側ポンプ領域３６ｂ内に流れ込もうとする空気が、上述のように下側ポンプ領域３６ｂ内を流れる空気に邪魔されにくくなる。よって、リング部７２を形成しない場合に比べて、吸引ポート７３からの空気の吸い込み力が向上する。
また、圧電振動子５の長手方向の両端寄りの部分が下側に屈曲変位した状態では、圧電振動子５の長手方向の両端部とポンプ室３６の下面（下ケース７の上面）との間に、上記第１の隙間Ｇ１よりも小さい第２の隙間Ｇ２が形成される。第２の隙間Ｇ２は、圧電振動子５の長手方向の両端部外側を空気が回り込まないように、たとえば、２０μｍ程度の微小な寸法まで狭められる。このため、圧電振動子５の長手方向の両端部が下ケース７の上面に接近した状態では、上側ポンプ領域３６ａと下側ポンプ領域３６ｂとの間の空気の移動が抑制される。したがって、上側ポンプ領域３６ａに存在する空気のほとんどは、図中矢印で示すように、圧電振動子５の長手方向の両端部から下側ポンプ領域３６ｂに回り込むことなく、上側ポンプ領域３６ａ内にとどまる。
【００４２】
図１０は圧電振動子が下側に凸となるように屈曲動作したときの状態を示す模式図である。
図１０においては、圧電振動子５が全体的に下側に凸となるように円弧状に屈曲変位している。また、トーションバー６１の支持位置よりも圧電振動子５の長手方向の中心寄りの部分は下側に屈曲変位し、トーションバー６１の支持位置よりも圧電振動子５の長手方向の両端寄りの部分は上側に屈曲変位している。
【００４３】
このように圧電振動子５が屈曲動作した場合は、圧電振動子５の長手方向の両端寄りの部分が上側に屈曲変位することにより、図中矢印で示すように、上ケース１の２つの吐出ポート３１から空気が吐き出される。これは、圧電振動子５の屈曲動作によって生じた空気の流れが弁体２の両端部を押し上げて吐出ポート３１を開放し、上側ポンプ領域３６ａから前室１６に向かう空気の流れを形成するためである。また、上側ポンプ領域３６ａは下側ポンプ領域３６ｂよりも広くなっている。このため、圧電振動子５の長手方向の両端寄りの部分が上側に屈曲変形しても、圧電振動子５の長手方向の両端部とポンプ室３６の上面（セパレータ３の下面）との間に、上記第２の隙間Ｇ２よりも十分に大きな第３の隙間Ｇ３が形成される。したがって、圧電振動子５の長手方向の両端部は、空気の流れを抑制するほどセパレータ３の下面に接近した状態にならない。このため、圧電振動子５が下側に凸となるように屈曲動作すると、下側ポンプ領域３６ｂから上側ポンプ領域３６ａに空気が流れ込む。
【００４４】
このような屈曲動作を圧電振動子５が繰り返すと、圧電振動子５の長手方向の両端部が下ケース７の上面に近接したり、そこから離間したりすることにより、上側ポンプ領域３６ａと下側ポンプ領域３６ｂとの間で空気の流れが抑制されたり許容されたりする。このため、空気の吸い込みや吐き出しに必要な整流機能（換言すると、逆止弁と同様の機能）を、圧電振動子５自身が果たすようになる。
【００４５】
また、弁体２を開閉動作させる場合、弁体２は１００ｋＨｚレベルの周波数までしか追従できない。このため、弁体２の開閉動作と圧電振動子５の屈曲動作に、意図的に位相差を生じさせるべく、たとえば、圧電振動子５を２０ｋＨｚ以上の高い周波数で駆動すると、ポンプ室３６から吐出ポート３１を通して吐き出される空気に押されて弁体２の両端部が上側に屈曲変形した後、そのままの状態に維持される。このため、圧電振動子５に交番電流を印加して圧電ポンプ１００を連続駆動している間、吐出ポート３１は常に開放されたままになり、そこから空気が連続的に吐き出される。
【００４６】
このように、圧電ポンプ１００は、可聴周波数帯域を超えた高い周波数で圧電振動子５を駆動した場合でも、ポンプ機能を果たすようになる。また、圧電振動子５を高い周波数で駆動することにより、圧電ポンプ１００の能力（流量、圧力）を高めることができる。特に、圧電振動子５を２０ｋＨｚ以上、２７ｋＨｚ以下の周波数帯域、好ましくは、２３ｋＨｚ以上、２５ｋＨｚ以下の周波数帯域で駆動した場合は、その駆動音が人間の耳にほとんど聞こえないため、圧電ポンプ１００を静音で駆動させることができる。また、圧電振動子５が２０ｋＨｚ以上の高い周波数で微小変位するため、大流量と高圧力を発生させることができる。
【００４７】
また、圧電ポンプ１００は、圧電振動子５の連続駆動によって吐出ポート３１から連続的に空気を吐き出すため、上ケース１と弁体２を備えていなくてもポンプ機能を果たす。ただし、圧電ポンプ１００を、血圧計のカフを加圧する加圧手段として用いる場合は、カフに空気を送って加圧する機能と、カフ内の圧力を大気圧に戻す機能とを備える必要がある。
【００４８】
その場合、圧電ポンプ１００に上ケース１と弁体２を設けておけば、カフ（またはカフにつながるチューブ）を上ケース１のノズル部１２に接続することができる。
また、カフを被測定者の上腕部などに巻き付けて圧電ポンプ１００を駆動すると、セパレータ３の吐出ポート３１から吐き出される空気に押されて弁体２の両端部が上側に屈曲変形する。このとき、弁体２の両端部は、セパレータ３の上面（吐出ポート３１）から離れて上ケース１の下面に密着し、そこで貫通孔１３を閉塞した状態になる。このため、セパレータ３の吐出ポート３１から吐き出される空気は、ノズル部１２のノズル孔１５を通してカフに送り込まれる。これにより、カフ内の圧力が徐々に上昇するため、カフを加圧することができる。
【００４９】
その後、カフ内の圧力が所定の締め付け圧に到達した場合は、図示しないポンプ制御装置が、圧電振動子５の駆動を停止する。そうすると、セパレータ３の吐出ポート３１から空気が吐き出されなくなる。このため、それまで空気に押されて上側に屈曲変形していた弁体２の両端部が、元の状態（セパレータ３の上面と平行な状態）に戻る。このとき、弁体２の両端部は、上ケース１の下面（貫通孔１３）から離れてセパレータ３の上面に密着または近接した状態になる。このため、上ケース１の貫通孔１３は開放された状態になり、セパレータ３の吐出ポート３１は閉塞された状態になる。これにより、カフの内部空間が前室１６と貫通孔１３を通して外部の空間に通じる。このため、図１１の模式図で示すように、カフ側からノズル部１２に戻される空気を前室１６から貫通孔１３に導いて外部に逃がすことができる。よって、カフ内の圧力を大気圧に戻すことができる。
このように本実施の形態に係る圧電ポンプ１００は、血圧計のカフを加圧するための加圧ポンプとなり得るものである。
【００５０】
＜４．実施の形態の効果＞
本発明の実施の形態に係る圧電ポンプ１００によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
【００５１】
（１）本発明の実施の形態に係る圧電ポンプ１００は、逆止弁なしでポンプ機能を果たす。このため、圧電ポンプ１００の圧電振動子５を従来よりも高い周波数で駆動することができる。したがって、従来よりも高いポンプ能力をもつ圧電ポンプを実現することができる。また、可聴周波数帯域を超えた高い周波数で圧電振動子を駆動することにより、静音タイプの圧電ポンプを実現することができる。
【００５２】
（２）本発明の実施の形態に係る圧電ポンプ１００では、トーションバー６１の長さや断面寸法、トーションバー６１による圧電振動子５の支持位置などの設計パラメータを変えると、圧電振動子５の振動特性が変化する。たとえば、トーションバー６１による圧電振動子５の支持位置を、圧電振動子５の長手方向の中心寄りに変位させると、圧電振動子５の長手方向の両端側の屈曲変位量が相対的に増加する一方、圧電振動子５の長手方向の中心側の屈曲変位量が相対的に減少する。また逆に、トーションバー６１による圧電振動子５の支持位置を、圧電振動子５の長手方向の両端寄りに変位させると、圧電振動子５の長手方向の両端側の屈曲変位量が相対的に減少する一方、圧電振動子５の長手方向の中心側の屈曲変位量が相対的に増加する。このため、同じ外形サイズの圧電振動子５であっても、上記設計パラメータの変更により、圧電振動子５の振動特性を自在に調整することが可能となる。したがって、圧電ポンプ１００の設計の自由度が高くなる。
【００５３】
（３）逆止弁を用いた圧電ポンプの場合は、逆止弁の応答性能の制約によって駆動周波数を低く抑える必要がある。そして、この制約のもとでポンプ能力を高めるには、圧電振動子のサイズを大きくしたり、圧電振動子を大きく変位させたりする必要がある。これに対して、本実施の形態に係る圧電ポンプ１００の場合は、圧電振動子５のサイズが小さくても、圧電振動子５を高い周波数で微小変位させることによって、高いポンプ能力を発揮させることができる。このため、圧電ポンプ１００の小型軽量化を図ることができる。
【００５４】
＜５．変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。
【００５５】
たとえば、上記実施の形態においては、圧電振動子５の構成として、振動板５２の片面に圧電体５１を貼り合わせたモノモルフ構造を採用しているが、これに限らず、振動板５２の両面に圧電体５１を貼り合わせたバイモルフ構造を採用してもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、圧電ポンプ１００で取り扱う流体の一例として空気（気体）を例示したが、これに限らず、液体を扱うものであってもよい。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、圧電振動子が上側に凸となるように屈曲動作したときに、圧電振動子５の長手方向の両端部とポンプ室３６の下面との間に、上記第１の隙間Ｇ１よりも小さい第２の隙間Ｇ２が形成されるとしたが、これに限らず、第２の隙間Ｇ２がゼロ、つまり圧電振動子５の長手方向の両端部がポンプ室３６の上面に接触する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…上ケース
２…弁体
３…セパレータ
４…ＦＰＣ
５…圧電振動子
６…支持体
７…下ケース
１２…ノズル部
１３…貫通孔
３１…吐出ポート
３６…ポンプ室
３６ａ…上側ポンプ領域
３６ｂ…下側ポンプ領域
６１…トーションバー
７３…吸引ポート
１００…圧電ポンプ
【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】
2015224610.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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