(57)【要約】  使用時にポンプ送りされるべき流体を含むチェンバ及び1以上のアクチュエータを有する流体ポンプである。上記チェンバは、第１及び第２の端壁並びに側壁により画定された実質的に円柱状の形状を有する主キャビティと、該主キャビティから半径方向外側に向かって延びる二次キャビティとを含む。上記１以上のアクチュエータは、使用時に、第１端壁の面に実質的に垂直な方向において該第１端壁の振動的運動を生じさせ、これにより、使用時に、上記端壁の該軸方向振動が主キャビティ内の流体の圧力の半径方向振動を生じさせ、また、二次キャビティは第１端壁から上記側壁を、アクチュエータが駆動された場合に該側壁に対して第１端壁が動くことができるように隔てる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時にポンプ送りされるべき流体を含み、第１及び第２端壁並びに側壁により境界を区切られた実質的に円柱状の形状を持つ主キャビティと、該主キャビティから半径方向外側に向かって延びる二次キャビティとを有するチェンバと、
使用時に、前記第１端壁の面に実質的に垂直な方向において該第１端壁の振動運動を生じさせる１以上のアクチュエータと、
を有し、
これにより、使用時に、前記端壁の軸方向振動が前記主キャビティにおける前記流体の圧力の半径方向振動を生じさせ、
前記二次キャビティが、前記アクチュエータが駆動された場合に前記第１端壁が前記側壁に対して移動することができるように該側壁を前記第１端壁から隔てている、
流体ポンプ。
【請求項２】
前記側壁の上部と前記第１端壁との間に間隙が設けられる請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項３】
前記側壁の上部と前記第１端壁との間に順応性材料の層が設けられる請求項２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記二次キャビティが、前記側壁と前記第１端壁との間の薄い部分と、前記側壁より半径方向外側の深い部分とを含む請求項１ないし３の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項５】
前記側壁が前記第１端壁に向かって先細りとなる請求項４に記載のポンプ。
【請求項６】
前記第１端壁が前記二次キャビティの半径方向最外側部で取り付けられる請求項１ないし５の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項７】
前記チェンバの壁を経る少なくとも２つの開口を更に有し、これら開口のうちの少なくとも１つはバルブ付き開口である請求項１ないし６の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項８】
第２アクチュエータを更に有し、該第２アクチュエータは、使用時において、前記第２端壁に実質的に垂直な方向において該第２端壁の振動運動を生じさせる請求項１ないし７の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項９】
前記アクチュエータが、圧電ディスク又は磁歪ディスクの何れかである能動素子を含む請求項１ないし８の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項１０】
前記アクチュエータが、圧電リング又は磁歪リングの何れかである能動素子を含む請求項１ないし９の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項１１】
前記能動素子が、前記端壁の一方又は両方の軸方向たわみを誘起するためにラジアルモードで励起される請求項９又は請求項１０に記載のポンプ。
【請求項１２】
前記能動素子のリングの内周と外周との間の半径方向距離が前記アクチュエータのモード形状の波長の約半分である請求項１１に記載のポンプ。
【請求項１３】
前記能動素子のリングの前記内周及び前記外周が、実質的に前記アクチュエータの振動モード形状のノードに位置される請求項１２に記載のポンプ。
【請求項１４】
前記リングの前記内周と前記外周との間の距離が、前記アクチュエータのモード形状の波長の約四分の一である請求項１１に記載のポンプ。
【請求項１５】
前記リングの前記外周が、実質的に前記二次キャビティの半径方向最外側部に隣接する請求項１４に記載のポンプ。
【請求項１６】
前記アクチュエータがソレノイドを含む請求項１ないし８の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項１７】
前記第１端壁の厚さが、モード形状マッチングのために前記アクチュエータの変位形状を最適化するよう形成される請求項１ないし１６の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項１８】
前記アクチュエータが、前記圧電材料又は前記磁歪材料が該アクチュエータの休止位置に事前圧縮されるように構築される請求項９ないし１５の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項１９】
前記主キャビティの半径ａ及び高さｈは、
ａ／ｈが１.２より大きい、及び
ｈ２／ａが４×１０−１０ｍより大きい、
なる不等式を満足する請求項１ないし１８の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２０】
前記主キャビティの半径ａが、
(k0・c_min/2πf) < a < (k0・c_max/2πf)
なる不等式も満足し、ここで、c_minは１１５m/sであり、c_maxは１９７０m/sであり、ｆは動作周波数であり、ｋ０は定数（k0=3.83）である請求項１９に記載のポンプ。
【請求項２１】
使用時において、駆動される前記端壁（又は複数の端壁）の運動及び前記主キャビティ内の前記圧力振動がモード形状マッチングされ、前記振動運動の周波数が前記主キャビティにおける半径方向圧力振動の最低共振周波数の２０％以内である請求項１ないし２０の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２２】
前記比ａ／ｈが２０より大きい請求項１９ないし２１の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２３】
前記主キャビティの容積が１０ml未満である請求項１ないし２２の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２４】
使用時において、前記振動運動の周波数が、前記主キャビティにおける半径方向圧力振動の最低共振周波数に等しい請求項１ないし２３の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２５】
使用時において、前記主キャビティにおける半径方向流体圧力振動の最低共振周波数が５００Hzより高い請求項１ないし２４の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２６】
前記端壁の一方又は両方が、これら端壁が中心において最小距離により隔てられる一方、縁部では最大距離により隔てられるように切頭円錐形状を有する請求項１ないし２５の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２７】
前記端壁の運動が、前記キャビティ内の圧力振動とモード形状マッチングされる請求項１ないし２６の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２８】
前記端壁の運動の振幅がベッセル関数の形状に近い請求項１ないし２７の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項２９】
前記チェンバの壁における如何なるバルブ無し開口も、前記主キャビティの中心から０.６３ａ±０.２ａの距離に配置され、ここでａは前記主キャビティの半径である請求項１ないし２８の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項３０】
前記チェンバの壁における如何なるバルブ付き開口も、前記主キャビティの中心の近傍に配置される請求項１ないし２９の何れか一項に記載のポンプ。
【請求項３１】
前記比ｈ２／ａが１０−７ｍより大きく、前記作動流体が気体である請求項１９ないし３０の何れか一項に記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体のためのポンプ、特にはポンピングキャビティ（ポンプ送り空洞）が略円形の端壁を有する略ディスク形状の円柱状キャビティであるようなポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなポンプの構成は、特許文献１に開示されている。このようなポンプにおいては、一方又は両方の端壁がアクチュエータにより該端壁の面に実質的に垂直な方向に振動変位するよう駆動される。端壁が斯様に駆動される場合、該端壁表面は、必要ではないが、自身が圧電ユニモルフ又はバイモルフ等の複合振動アクチュエータの素子として形成される。代わりに、上記端壁は、該端壁と力伝達（例えば、機械的接触、磁気的又は静電的）関係にある別個のアクチュエータにより振動状態に駆動される受動材料層として形成することができる。
【０００３】
駆動される端壁（又は複数の端壁）の動きの空間的形状（プロファイル）を、キャビティ内の圧力振動の空間的形状と一致させることが、即ちモードマッチングと呼ばれる条件、が好ましい。モードマッチングは、当該アクチュエータによりキャビティ内の流体に対してなされる仕事が、駆動される端壁表面にわたって建設的に加わり、該キャビティ内の圧力振動の振幅を上昇させ、高いポンプ効率を生じさせることを保証する。モードがマッチングされていないポンプでは、端壁の表面における、該端壁により流体に対してなされている仕事が該キャビティ内の流体における圧力振動の振幅を上昇させるというより低下させるような領域が存在し得る。即ち、アクチュエータにより流体に対してなされる有効な仕事は減少され、ポンプは低い効率となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際特許出願公開第WO2006/111775号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図３により、従来技術における課題が示されている。特許文献１の図３は、一方の端壁１２がディスク１７の下側表面により形成されると共に、ディスク１７及び圧電ディスク２０により形成された圧電アクチュエータにより振動運動状態に励起されるようなポンプを示している。ディスク１７及び圧電ディスク２０は一緒になって複合屈曲モードアクチュエータを形成し、該アクチュエータの振動がキャビティ１１内の流体に半径方向に対称な圧力波を励起する。端壁１２の運動の振幅は、キャビティの中心において最大となり、該キャビティの縁部において最小となる。このような複合アクチュエータを組み込んだポンプは、構築するのが相対的に簡単である。というのは、上記アクチュエータを、当該アクチュエータの運動の振幅が零に近い該アクチュエータの周部で上記キャビティに剛性的に固定することができるからである。しかしながら、キャビティの湾曲した側壁の構築のために通常の固体材料を使用する多くの現実的設計においては、これら側壁の音響インピーダンスは作動流体（working fluid）のものより大きく、その結果、キャビティ内の流体の圧力振動は端壁において波腹（antinode）を有する。この位置において、側壁は特許文献１の図３に示されるようにノード（節）を有するので、このような構成は、端壁の全表面領域にわたり有効なモードマッチングを生じさせることができない。確かなことに、モードマッチングの不成立は主に端壁の外側の半径区域において発生し、従って、作動流体体積及び端壁のかなりの面積割合が振動的にモードマッチングされない。
【０００６】
特許文献１の図３のＢは、アクチュエータの、従って端壁１２の運動の振幅がベッセル関数を近似し、キャビティの周部に波腹を持つような好ましい構成を示している。この場合、駆動される端壁及びキャビティ内の流体における圧力振動はモードマッチングされ、該ポンプの効率は改善される。しかしながら、このようなポンプをどの様にして構築することができるかは明らかではない。というのは、アクチュエータは、該アクチュエータが通常は取り付けられなければならない側壁に、振動の波腹を有さねばならないからである。
【０００７】
従来技術の２つの他の課題が特許文献１の図１により示されており、該図は簡単なユニモルフアクチュエータにより駆動されるポンプを示している。該アクチュエータは、第２ディスクに取り付けられた圧電ディスクからなっている。このようなアクチュエータがキャビティの周部で固定された場合、該アクチュエータの最低次モードは図３のＡに概略図示されているようなものになるであろう。
【０００８】
この設計には２つの制限がある。第１に、上記圧電ディスクの厚さ及び直径は当該アクチュエータにおける所要の振動周波数及びモード形状を達成する必要性により決定され、使用することが可能な圧電材料の体積を実効的に定める。圧電材料の単位体積当たりに効率的に供給することができるパワーには制限が存在するから、この圧電ディスク体積に対する制限は当該アクチュエータの有効なパワー出力に対して制限を課す。第２に、上記圧電ディスクは、当該アクチュエータの運動の振幅及び曲率半径が最大となる該ディスクの中心において大きな歪を受ける。大きな歪は減極（depolarization）により圧電材料の劣化につながり得、これにより当該アクチュエータの運動の振幅を減少させ、かくして該アクチュエータの寿命が限られるということが知られている。アクチュエータの中心における斯様な大きな歪は、圧電ディスクと第２ディスクとが接着により結合されている場合、これら２つのディスクの間の接着層の疲労にもつながり得、これも、アクチュエータの寿命の低下につながる。
【０００９】
本発明は、上述した課題の１以上を克服することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
使用時にポンプ送りされるべき流体を含むチェンバ（室）であって、第１及び第２端壁並びに側壁により境界を区切られた実質的に円柱状の形状を持つ主キャビティ（主空洞）と、該主キャビティから半径方向外側に向かって延びる二次キャビティとを含むチェンバと、
使用時に、上記第１端壁の面に実質的に垂直な方向において該第１端壁の振動的運動を生じさせる１以上のアクチュエータと、
を有し、
これにより、使用時に、上記端壁の軸方向振動が上記主キャビティにおける上記流体の圧力の半径方向振動を生じさせ、
上記二次キャビティが、上記アクチュエータが駆動された場合に上記第１端壁が上記側壁に対して移動することができるように該側壁を第１端壁から隔てている、
流体ポンプが提供される。
【００１１】
上記二次キャビティは、第１端壁から側壁を、当該アクチュエータが駆動された場合に第１端壁が側壁とは独立に動くことができるように隔ててもよい。
【００１２】
本発明は、機械的なアクチュエータの取り付けを上記側壁から物理的に分離することにより、主キャビティの縁部にアクチュエータ振動の波腹を位置させるという挑戦を打開する。
【００１３】
一実施例において、前記アクチュエータは前記側壁の直径より大きな直径位置において剛性的に取り付けられ、前記主キャビティは当該アクチュエータの表面に接近するが接触はしない側壁により画定される。このような構成において、主キャビティ内の半径方向の音響波は上記側壁により実質的に反射され、主キャビティ内に所望の半径方向定在波を、湾曲した側壁に圧力波腹を伴って生成するが、当該アクチュエータは該側壁には接触せず、所望のように、該アクチュエータが該半径位置に変位の波腹を伴って又は大凡伴って振動するのを可能にする。他の実施例では、上記側壁は、同様に定められるが、該側壁の上部と当該アクチュエータの表面との間の間隙を充填する順応性（compliant）材料を伴う。
【００１４】
好ましい実施例において、能動素子が当該アクチュエータの振動を駆動するための圧電材料のリングであるようなアクチュエータの使用は、限られた圧電材料体積及び該圧電材料内の大きな歪の問題を更に解決する。このような圧電リングは、該リングの圧電ディスク対応物より大幅に大きな外径のものであり得るので、該圧電リングは大幅に大きな面積を有することができる。このことは、より大きな体積の圧電材料が使用されるのを可能にすると共に、当該アクチュエータの中心における高歪領域から圧電材料を削除する。
【００１５】
好ましくは、上記側壁の上部と第１端壁との間に間隙が設けられる。側壁の上部と第１端壁との間には順応性材料の層を設けることができる。
【００１６】
前記二次キャビティは、上記側壁の半径方向外側に配置された剛性取付部と第１端壁との間の薄い部分と、該側壁より半径方向外側の深い部分とを含むことができる。上記側壁は第１端壁に向かって先細になることができる。
【００１７】
第１端壁は、好ましくは、二次キャビティの半径方向最外部で取り付けられる。
【００１８】
好ましくは前記チェンバの壁を通る少なくとも２つの開口が設けられ、これら開口のうちの少なくとも１つはバルブ付き開口とする。
【００１９】
第２アクチュエータを、使用時において該第２アクチュエータが第２端壁に対して実質的に垂直な方向の該第２端壁の振動運動を生じさせるように設けることができる。
【００２０】
一方又は両方のアクチュエータは、圧電型又は磁歪型の何れかであって、且つ、ディスク又はリングとすることが可能な能動素子を含むことができる。
【００２１】
上記能動素子は、好ましくは、前記端壁の一方又は両方の軸方向たわみを誘起するようにラジアル（半径方向）モードで励起される。
【００２２】
好ましくは、上記能動素子の内周と外周との間の距離は、概ね、アクチュエータのモード形状の波長の半分とする。このような場合、該能動素子は、好ましくは、その内周及び外周が実質的にアクチュエータ振動モード形状のノードに位置されるように、即ち、アクチュエータ材料が実質的に斯様な２つの振動ノードの間の領域にわたるように設計される。
【００２３】
上記能動素子の内周と外周との間の距離は、概ね、アクチュエータモード形状の波長の四分の一とすることができる。このような場合、該能動素子は、好ましくは、その外径が前記二次キャビティの半径方向最外側部に実質的に隣接するように設計される。
【００２４】
代替構成において、当該アクチュエータはソレノイドを含むことができる。
【００２５】
前記第１端壁の厚さは、好ましくは、モード形状マッチングのためにアクチュエータの変位形状（プロファイル）を最適化するように成形される。
【００２６】
当該アクチュエータは、好ましくは、前記圧電又は磁歪材料がアクチュエータの休止位置において事前圧縮（pre-compressed）されるように構築される。
【００２７】
前記主キャビティの半径ａ及び高さｈは、好ましくは、下記の不等式を満たすものとする：
ａ／ｈは１.２より大である；及び
ｈ２／ａは４×１０-10ｍより大である。
【００２８】
前記主キャビティの半径ａは、好ましくは、下記の不等式も満足する：
(k0・c_min/2πf) < a
< (k0・c_max/2πf)
ここで、c_minは１１５m/sであり、c_maxは１９７０m/sであり、ｆは動作周波数であり、ｋ０は定数（k0=3.83）である。
【００２９】
駆動される端壁（又は複数の端壁）の運動及び主キャビティ内の圧力振動は、好ましくは、モード形状がマッチングされたものとし、上記振動運動の周波数は、主キャビティ内の半径方向圧力振動の最低共振周波数の２０％以内とすることができる。
【００３０】
比ａ／ｈは２０より大きくすることができる。主キャビティの容積は１０ml未満とすることができる。
【００３１】
上記振動運動の周波数は、好ましくは、主キャビティ内の半径方向圧力振動の最低共振周波数に等しくする。
【００３２】
該主キャビティ内の半径方向流体圧力振動の最低共振周波数は、好ましくは、５００Hzより大きくする。
【００３３】
前記端壁の一方又は両方は、これら端壁が中心において最小距離で隔てられ、縁部では最大距離で隔てられるように、切頭円錐形状を有することができる。
【００３４】
前記端壁の運動は、好ましくは、前記主キャビティ内の圧力振動に対してモード形状がマッチングされる。
【００３５】
該端壁運動の振幅は、好ましくは、ベッセル関数の形状を近似するものとする。
【００３６】
前記チェンバの壁の如何なるバルブ無し開口も主キャビティの中心から０.６３ａ±０.２ａの距離に配置されることが好ましく、ここで、ａは主キャビティの半径である。
【００３７】
前記チェンバの壁の如何なるバルブ付き開口も前記端壁の中心の近くに配置されることが好ましい。
【００３８】
比ｈ２／ａは、好ましくは、１０−７メートルより大きいものとし、作動流体は好ましくは気体とする。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１のＡ〜Ｃは、従来技術によるポンプの概略図であり、アクチュエータの変位及びキャビティ内の圧力振動はモードマッチングされていない。
【図２】図２のＡ及びＢは、従来技術による好ましい実施例の概略図であり、アクチュエータの変位及びキャビティ内の圧力振動がモードマッチングされている。
【図３】図３のＡ及びＢは、本発明の一実施例を示し、好ましいモードマッチングされた条件が達成されるのを可能にしている。
【図４】図４のＡ〜Ｃは、本発明の他の実施例を示す。
【図５】図５のＡ及びＢは、本発明において採用することが可能な可能性のあるアクチュエータ構造を示す。
【図６】図６のＡ及びＢは、本発明において採用することが可能な可能性のあるアクチュエータ構造を示す。
【図７】図７のＡ及びＢは、本発明において採用することが可能な他の能性のあるアクチュエータ設計を示す。
【図８】図８は、傾斜された主キャビティを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施例を、添付図面を参照して説明する。
【００４１】
図１のＡは、従来技術によるポンプの概略図である。キャビティ１１は、端壁１２及び１３、並びに側壁１４により画定されている。該キャビティは、楕円及び他の形状も使用することができるが、実質的に円形の形状である。キャビティ１１には、ノードの空気入口１５が設けられ、該空気入口は本例ではバルブ無しである。端壁１３の実質的に中心に配置されたバルブ付き空気出口１６も存在する。第１端壁１２は、本体１８に取り付けられたディスク１７の下側表面により画定されている。上記入口及び出口は、本体１８を貫通している。
【００４２】
アクチュエータは、ディスク１７に取り付けられた圧電ディスク２０を有している。適切な電気的駆動が加えられると、該アクチュエータは前記キャビティの面に対し実質的に垂直な方向に振動させられ、これにより、該キャビティにおける流体内に半径方向の圧力振動を発生させる。
【００４３】
図１のＢは、上記キャビティの駆動された壁１２の１つの可能性のある変位形状（変位プロファイル）を示す。この場合、該運動の振幅は、上記キャビティの中心で最大となり、該キャビティの縁部で最小となる。実線の曲線及び矢印は、或る時点における壁の変位を示し、点線の曲線は該変位の半サイクル後の位置を示している。描かれた変位は誇張されており、前記圧電ディスクは明瞭化のために図からは省略されている。
【００４４】
図１のＣは、図１のＡ及びＢに示したキャビティに対する、１つの可能性のある圧力振動形状（プロファイル）を示している。実線の曲線及び矢印は、或る時点における圧力を示し、点線の曲線は半サイクル後の該圧力を示している。このモード及び一層高次のモードの場合、キャビティの壁に圧力の波腹（anti-node）が存在する。キャビティ内の圧力の半径方向依存性は、大凡、下記の特性を持つベッセル関数である：
【００４５】
【数１】
2011513649.tif 000003
ここで、ｒは当該キャビティの中心からの半径方向距離であり、ａは該キャビティの半径であり、Ｐ０は該キャビティの中心における圧力である。
【００４６】
図１のＢ及びＣは、図１のＡのポンプの動作に典型的に採用されるアクチュエータ変位及び圧力振動のモードを示している。該図を見ると、これらのモードは、この場合、中程度に良好にマッチングされているのみであることが分かる。即ち、アクチュエータがキャビティの中心で圧力振動を向上させるように作用する場合、該アクチュエータは、圧力振動が反対の符号のものとなるキャビティ壁の近くで圧力振動を必然的に減少させるように作用しなければならない。
【００４７】
モードマッチングの程度は、キャビティの面積にわたり積分されたアクチュエータの速度と圧力との積により表すことができる。例えば、アクチュエータ速度及び圧力を：
【００４８】
【数２】
2011513649.tif 000004
と表すことができ、ここで、関数Ｖ(r)がアクチュエータ速度の半径依存性を表し、Ｐ(r)がキャビティ内の圧力振動の半径依存性を表し、ωが角速度であり、ｔは時間であり、φが圧力と速度との間の位相差である場合、モードマッチングの程度は、圧力及び速度のアクチュエータの表面にわたる積分により定義することができ：
【００４９】
【数３】
2011513649.tif 000005
ここで、Ｍはモードマッチングの程度を表し、Ｖ(0)及びＰ(0)は、各々、キャビティの中心におけるアクチュエータ速度及び圧力であり、ｄＡは面積の要素（element）であり、当該積分はキャビティと直接的に通じるアクチュエータの面積にわたりなされる。図１の設計において、アクチュエータの運動の振幅はキャビティの縁の近くでは小さく、該アクチュエータの中心領域が該積分を支配する。
【００５０】
図２は、アクチュエータが、キャビティ内の圧力振動のモード形状に良好にマッチングされたモード形状を有するような１つの可能性のある好ましい構成を示している。この場合、アクチュエータはキャビティ内の圧力振動の振幅を全ての点で増加させるように作用し、式３により表されるモードマッチングの程度は増加される。Ｖ(r)とＰ(r)との積は、キャビティ中心におけるよりもキャビティの周部に向かって小さくなるが、キャビティの周の近くの一層大きな相互作用領域は、該キャビティの周部が全体のモードマッチングの程度に大きく貢献することを意味する。本発明は、この好ましい構成を達成する、即ちキャビティの壁でアクチュエータ変位の波腹（anti-node）を達成する実用的な方法に関するものである。
【００５１】
図３のＡは、本発明の１つの可能性のある実施例を示し、該実施例においてはポンプのチェンバが主キャビティ１１０と二次キャビティ２３とに分割される。この構成において、アクチュエータディスク１７は、本体１８に該本体の周に沿って取り付けられている。このような態様で該アクチュエータを取り付けることは、相対的に剛性的な取り付けが用いられることを可能にし、当該ポンプの製造を容易にする。該アクチュエータは、好ましくは、図３のＢに示される振動モードで駆動される。側壁１４は半径ａにおけるキャビティの深さのステップ状変化により形成され、二次キャビティ２３は、この半径を超えて、減少された深さで、当該アクチュエータがポンプ本体に取り付けられた半径位置２１まで延びている。側壁１４における上記キャビティ深さのステップ状変化は、主キャビティ１１０内の音響波を反射するように作用し、必要な定在波を発生する一方、アクチュエータ運動は該半径位置では拘束されないままとなり、主キャビティ１１０の該実効的縁部においてアクチュエータ振動の波腹を生成するという望ましい結果を可能にする。図３のＡの側壁１４におけるたわみの程度は、主に２つの要因に、即ち上記側壁の材料の音響インピーダンス及び主キャビティ１１０の深さに対する該側壁１４の高さに依存する。最初の推定として、完全な高さの主キャビティの壁の反射率Ｒは、
【００５２】
【数４】
2011513649.tif 000006
により与えられ、ここで、ＺWallは当該側壁の材料の音響インピーダンスであり、ＺFluidは主キャビティ１１０内の流体の音響インピーダンスである。従って、強い主キャビティの共振を達成するためには、上記壁材料の音響インピーダンスが主キャビティ内の流体のものよりも著しく大きいか又は著しく小さいかの何れかであることが重要である。前者の条件は、上記壁が金属又は何らかのプラスチックから形成され、且つ、上記主キャビティ内の流体が気体である場合に容易に満たされるが、他の組み合わせも可能である。
【００５３】
上記側壁が主キャビティの全高まで延びていない場合、反射の程度は減少されるであろう。最初の推定として、この場合の反射率は：
【００５４】
【数５】
2011513649.tif 000007
により与えられ、ここで、ｈWallは上記側壁の高さであり、ｈCavityは上記主キャビティの高さである。従って、図３のＡの構成にとり、上記側壁の高さが最大にされることが重要である。
【００５５】
図４のＡ〜Ｃは、本発明の変形例を示す。図４のＡは、二次キャビティが側壁１４の外側で深さが増加されたポンプを示す。この設計の特徴は、側壁１４の上部とアクチュエータディスク１７との間の狭い間隙の広がりを最少化することを意図するものである。というのは、この間隙内では高い圧力が発生され、ポンプ効率の損失につながり得るからである。このような理由で、図４のＡの側壁１４は、合理的に可能な限り狭いものとする一方、該側壁の音響インピーダンス、従って該側壁の反射率は維持するのが好ましい。先細りにされた側壁１４が好ましく、その一例が図４のＣに示されている。このような側壁の内側エッジにおける最適な音響的反射を達成するために、図示のように該側壁の内側エッジは垂直のままに留めるのが好ましい。図４のＢは、側壁１４の上部とアクチュエータディスク１７との間の間隙を、適切に順応性のある部材が充填するようなポンプを示している。このような順応性のある部材は、上記側壁における音響エネルギの反射を更に改善するように作用する。該順応性部材の剛性（stiffness）は、当該アクチュエータの運動の著しい減衰を回避するために慎重に選定されねばならない。
【００５６】
図５は、本発明に採用することができると共に圧電ディスク２０を具現化する１つの可能性のあるアクチュエータの構成を示している。最適な動作のために、このディスクの半径は当該アクチュエータの最初の振動ノードの半径に概ね等しくされねばならず、従って、モードマッチングされたポンプ設計のためには、該圧電ディスクの半径は主キャビティ内の圧力振動の最初のノードの半径に概ね等しくされねばならない。アクチュエータの該最初の振動ノードを超えると、該アクチュエータの湾曲の符号が変化する。即ち、中央のアクチュエータ波腹領域の湾曲を発生させる当該圧電ディスクの面内膨張は、上記最初の振動ノードを超える所要の湾曲（ここでは、反対の符号の）の発生に抗する。一般法則として、このタイプの簡単なユニモルフアクチュエータは、圧電素子が、アクチュエータの湾曲が単一の符号のものである領域のみに広がるように構成されるべきである。
【００５７】
図６は、本発明に採用することが可能な第２の可能性のあるアクチュエータ構成を示す。図６のＡは、ディスク１７上への圧電リング２０の大凡の半径方向位置決めを示す。図６のＢは、結果としてのアクチュエータの変位形状を、明瞭化のために図から上記圧電リングを削除して示している。この構成においては、ＰＺＴは当該アクチュエータの振動モード形状の概ね半波長にわたっており、この領域においても該アクチュエータの湾曲は１つの符号のものである。結果として、該圧電リングの面内膨張及び収縮（双頭矢印で示す）は、当該アクチュエータの振動を効率的に駆動する。
【００５８】
図６の実施例は、図５のものより好ましい。というのは、圧電材料の体積、従って当該アクチュエータの最大パワー出力の両方が一層大きくなるからである。例えば、当該ポンプがモードマッチングされる場合、該アクチュエータの運動の半径方向依存性は、主キャビティ内の圧力振動の半径方向依存性に一致し、従って式１のベッセル関数に近くなるからである。従って、図５のＡの圧電ディスクは約０.６３ａの半径位置まで延在することができ、これは、主キャビティの半径ａに最初の最大値を持つベッセル関数の最初の零の半径位置である。従って、このような圧電ディスクの最大有効面積は、約１.２ａ２である。
【００５９】
再びベッセル関数依存性を仮定して、図６の圧電リングは０.６３ａの半径から１.４４ａの半径（次のベッセル関数零）まで延在することができ、この領域においてもベッセル関数の湾曲は単一の符号のものである。従って、このような圧電リングの最大有効面積は約５.３ａ２である。アクチュエータの運動はベッセル関数を近似するのみであり得るが、この簡単な計算は、圧電材料の面積、従ってアクチュエータの最大パワー出力の点で、リングアクチュエータへの移行の大きな利点を示している。
【００６０】
図７は、本発明に採用することが可能な他の可能性のあるアクチュエータ構成を示している。図７のＡは、ディスク１７上での圧電リング２０の大凡の半径方向位置決めを示している。図７のＢは、結果としてのアクチュエータの変位形状を、明瞭化のために図から上記圧電リングを削除して示している。この構成において、ＰＺＴは当該アクチュエータの振動モード形状の概ね四分の一波長にわたっており、この領域においても該アクチュエータの湾曲は１つの符号のものである。結果として、該圧電リングの面内膨張及び収縮（双頭矢印で示す）は、当該アクチュエータの振動を効率的に駆動する。
【００６１】
図８は、傾斜された主キャビティを示し、一方の端壁（この場合は、第２端壁）は形状が切頭円錐である。如何にして主キャビティ１１０が側壁１４において一層大きな高さを有する一方、中心において、端壁１２、１３間の距離が最小であるかが分かる。このような形状は、キャビティの中心において圧力が増加される。典型的には、該キャビティの直径は２０mmであり、中心における高さは０.２５mmであり、半径方向端部における高さは０.５mmである。
【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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【国際調査報告】
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