(57)【要約】  流体制御装置（１０）は、ポンプ（５０）と外部構造体（２７）とを備える。ポンプ（５０）は、アクチュエータ（１４）と、アクチュエータ（１４）と厚み方向に間隔を空けて対向した天板部（１５）と、天板部（１５）から厚み方向に延び振動体（４２）を支持した側壁板（２３）と、を備える。アクチュエータ（１４）は、板状の振動体（４２）と、振動体（４２）を厚み方向に振動させる圧電素子（２５）と、を備える。天板部（１５）は、厚み方向に直交する外方向に側壁板（２３）よりも突出した突出部（１２）及び固定部（１１３）を備える。固定部（１１３）は、突出部（１２）を介して外部構造体（２７）に固定されている。
2016181833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み方向に振動するアクチュエータと、
前記アクチュエータの端部を支持する側壁部と、
前記側壁部に支持され、前記アクチュエータ及び前記側壁部とともに空間を構成する天板部と、を備え、
前記天板部は、前記アクチュエータと前記厚み方向に間隔を空けて対向した天面部と、前記厚み方向に直交する外方向に前記天面部から延び、前記側壁部に接合する接合部と、前記外方向に前記接合部から延び、前記側壁部よりも突出した突出部と、前記外方向に前記突出部から延び、外部構造体に固定される固定部と、を有する、
ポンプ。
【請求項２】
前記突出部は、前記接合部より薄い第１薄肉部を有する、
請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記第１薄肉部は、環状に設けられている請求項２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記突出部は、前記接合部より薄い第２薄肉部を有し、
前記天面部の中心軸から前記第１薄肉部までの距離は、前記天面部の中心軸から前記第２薄肉部までの距離と異なる、請求項２に記載のポンプ。
【請求項５】
前記突出部は、開口を有さない、請求項１乃至４のいずれかに記載のポンプ。
【請求項６】
前記突出部の前記外方向における寸法をdとし、前記突出部の前記厚み方向における寸法をtとして、
【数１】
2016181833.tif 000011
の条件式を満足する、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のポンプ。
【請求項７】
【数２】
2016181833.tif 000012
の条件式を満足する、請求項６に記載のポンプ。
【請求項８】
【数３】
2016181833.tif 000013
の条件式を満足する、請求項７に記載のポンプ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のポンプと、
前記外部構造体と、を備える流体制御装置。
【請求項１０】
前記天面部は、前記空間に通じる複数の流路孔を有し、
前記外部構造体は、前記複数の流路孔を開閉する弁を有する弁筐体である、請求項９に記載の流体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の吸引と吐出とを行うポンプおよび流体の流れを制御する流体制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、従来のポンプ９０１（例えば、特許文献１乃至３参照。）の構成を示す側面断面図である。図２２に示すように従来のポンプ９０１は、天板部９０２と側壁部９０３と振動部９０４とを備えている。天板部９０２と側壁部９０３と振動部９０４とは、内部に振動空間９１０を有する箱状をなしている。振動部９０４は、振動空間９１０を挟んで天板部９０２と対向している。側壁部９０３は、天板部９０２と一致する外形を有しており、天板部９０２から振動空間９１０の周囲を囲むように突出しており、振動部９０４の外周部を弾性支持している。該ポンプ９０１は、天板部９０２の天面側に固定用リング（シーリング）９１１が貼り付けられており、該固定用リング（シーリング）９１１を介して外部構造体９１２に固定されている。【０００３】
該ポンプ９０１を駆動すると、振動部９０４が厚み方向に振動する。この振動は、側壁部９０３を介して天板部９０２に伝わる。これにより、振動部９０４だけでなく天板部９０２とにも厚み方向の振動が生じ、振動部９０４と天板部９０２とに挟まれる振動空間９１０に流体の流れが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０６６３６４号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６９３７４号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０７６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の構成のポンプは、天板部が外部構造体に固定された状態で使用されるため、天板部の振動が外部構造体に漏洩することで振動板や天板部の振動が大きく減衰することがあった。これにより、ポンプが吸引および吐出する流体の流量や流体圧が低下することがあった。発明者らが行った試験では、天板部を外部構造体に固定する場合には、固定しない場合と比べて、振動空間に生じる厚み方向の間隔変動が平均で約47%減少することが確認されている。【０００６】
そこで、本発明は、天板部を外部構造体に固定する際の振動漏洩を抑制することができ、効率的に流体を制御することができるポンプ、および、流体制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のポンプおよび流体制御装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。【０００８】
本発明のポンプは、アクチュエータ、天板部、および、側壁部、を備えている。アクチュエータは、厚み方向に振動する。側壁部は、アクチュエータの端部を支持する。天板部は、側壁部に支持され、アクチュエータ及び側壁部とともに空間を構成する。天板部は、天面部と接合部と突出部と固定部とを有する。【０００９】
天面部は、アクチュエータと厚み方向に間隔を空けて対向している。接合部は、厚み方向に直交する外方向に天面部から延び、側壁部に接合する。突出部は、接合部から外方向に延び、側壁部よりも突出した。固定部は、突出部から外方向に延び、外部構造体に固定される。【００１０】
この構成では、アクチュエータの駆動により生じる振動が側壁部を介して天板部に伝わって、アクチュエータとともに天板部が振動する。この天板部は側壁部よりも外方向に突出する突出部を介して固定部から外部構造体に固定される。そのため、この構成のポンプは、側壁部に対向する位置で外部構造体に固定される場合と比べて、天板部の振動が外部構造体に漏洩しにくくなる。したがって、この構成のポンプは、天板部とアクチュエータとに挟まれる空間（以下、振動空間と称する）での間隔変動の低減を防ぐことができ、振動空間で流体の流れを効率的に制御することができる。この構成のポンプは、高いポンプ効率を実現することができる。【００１１】
上述のポンプにおいて突出部は、接合部より薄い第１薄肉部を有することが好ましい。すなわち天板部の厚み方向の寸法は、突出部で局所的に薄いことが好ましい。第１薄肉部は例えば、環状に設けられている。これにより、この構成のポンプは、突出部の剛性を低減でき、突出部を介して振動が漏洩することを更に抑制できる。【００１２】
なお、突出部は、接合部より薄い第２薄肉部を有してもよい。天面部の中心軸から第１薄肉部までの距離は、天面部の中心軸から第２薄肉部までの距離と異なる。ただし、突出部は、開口を有さないことが好ましい。  上述のポンプにおいて、突出部の外方向における寸法をdとし、突出部の厚み方向における寸法をtとして、【００１３】
【数１】
2016181833.tif 000003
【００１４】
の条件式を満足することが好ましい。【００１５】
特には、【００１６】
【数２】
2016181833.tif 000004
【００１７】
の条件式を満足することが更に好ましい。【００１８】
これらの構成では、天板部が外部構造体に固定されていても、天板部が外部構造体に固定していない場合と比べて遜色のない効率で、流体を制御することができる。具体的には［数１］の場合には、外部構造体に固定された状態でも、外部構造体に固定されていない状態に比較して、振動空間に生じる厚み方向の間隔変動がおよそ９０％を超えることを発明者らは確認している。また、［数２］の場合には、振動空間に生じる厚み方向の間隔変動がおよそ９９％を超えることを発明者らは確認している。【００１９】
また、【００２０】
【数３】
2016181833.tif 000005
【００２１】
の条件式を満足することが更に好ましい。この構成では、十分な効率で流体を制御しながら、ポンプの外方向の寸法が過大になることを防ぐことができる。【００２２】
また、この発明の流体制御装置は、上述のポンプと外部構造体とを備える。この構成の流体制御装置は、上述のポンプを備えるため、高いポンプ効率を実現することができる。【００２３】
上述の流体制御装置において、天面部は、振動空間に通じる複数の流路孔を有し、外部構造体は、複数の流路孔を開閉する弁を有する弁筐体であることが好ましい。この構成の流体制御装置は、弁によって、振動空間に流体が逆流することを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、天板部を外部構造体に固定する際の振動漏洩を抑制することができ、流体制御装置において効率的に流体を制御し、ポンプにおいて高いポンプ効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係るポンプ５０を底面側から見た外観斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すポンプ５０を天面側から見た外観斜視図である。
【図３】図３は、図１に示すポンプ５０の分解斜視図である。
【図４】図４は、図１に示すポンプ５０が３次モードで動作した時の流体制御装置１０の側面断面図である。
【図５】図５は、図４に示す外部構造体２７の外観斜視図である。
【図６】図６は、図１に示すポンプ５０が１次モードで動作した時の流体制御装置１０の側面断面図である。
【図７】図７は、突出部１２の長さと振動振幅との関係を説明するグラフである。
【図８】図８は、突出部１２の長さに対する突出部１２の厚みを独立変数とした回帰直線を説明するグラフである。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態に係る流体制御装置１０Ａの分解斜視図である。
【図１０】図１０は、図９に示すポンプ５０が３次モードで動作した時の流体制御装置１０Ａの側面断面図である。
【図１１】図１１は、図９に示すポンプ５０が１次モードで動作した時の流体制御装置１０Ａの側面断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第３実施形態に係るポンプ５０Ｂが３次モードで動作した時の流体制御装置１０Ｂの側面断面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示すポンプ５０Ｂが１次モードで動作した時の流体制御装置１０Ｂの側面断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第４実施形態に係る流体制御装置４００の側面断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に示す天板部４１５の底面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第５実施形態に係る流体制御装置５００の側面断面図である。
【図１７】図１７は、図１５に示す天板部４１５の第１変形例に係る天板部５１５の底面図である。
【図１８】図１８は、図１５に示す天板部４１５の第２変形例に係る天板部６１５の底面図である。
【図１９】図１９は、図１５に示す天板部４１５の第３変形例に係る天板部７１５の底面図である。
【図２０】図２０は、図４に示す外部構造体２７の第１変形例に係る外部構造体１２７の外観斜視図である。
【図２１】図２１は、図４に示す外部構造体２７の第２変形例に係る外部構造体２２７の外観斜視図である。
【図２２】図２２は、従来例に係るポンプ９０１の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る複数の実施形態について説明する。なお、本発明に係る流体制御装置は、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ができる。
【００２７】
《第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る流体制御装置１０について説明する。第１実施形態における流体制御装置１０は後述の図５に示すように、ポンプ５０と外部構造体２７とを備える。流体制御装置１０は、流体を吸引する吸引装置又は流体を吐出する吐出装置である。流体制御装置１０は例えば、カフを有する血圧計、搾乳器又は鼻水吸引器などを構成する。
【００２８】
図１は、本発明の第１実施形態に係るポンプ５０を底面側から見た外観斜視図である。図２は、図１に示すポンプ５０を天面側から見た外観斜視図である。図３は、図１に示すポンプ５０を天面側から見た分解斜視図である。
【００２９】
ポンプ５０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。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から厚み方向に直交する外方向（外周方向）に突出する円環状の部位である。該ポンプ５０は、本体部１１の内部に振動空間１３が設けられている。
【００３０】
また、ポンプ５０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は、「天板部１５」を構成するものである。圧電素子２５は、「駆動体」に相当するものである。
【００３１】
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路孔３１が設けられている。流路孔３１は、ここでは複数（例えば本実施形態では４つ）を局所的に集合させて配している。流路孔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振動空間１３に通じている。流路孔３１は、本実施形態においては外部空間に気体を排出する排気孔である。
【００３２】
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。厚天板２２は、振動空間１３の一部を構成する開口３２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。開口３２は、前述した薄天板２１の流路孔３１よりは開口径が大きく、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の流路孔３１との間に介在させることにより、流路孔３１と振動空間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。
【００３３】
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、振動空間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。
【００３４】
振動板２４は、枠部４１と振動体４２と連結部４３とを備えている。振動体４２は、円板状である。枠部４１は、振動体４２の周囲を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の底面に接合されている。連結部４３は振動体４２から放射方向に延びて振動体４２と枠部４１とを繋ぐ梁状である。これにより、振動体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と振動体４２と連結部４３とに囲まれる領域には、流路孔３４が設けられている。流路孔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振動空間１３に通じている。流路孔３４は、本実施形態においては外部空間から気体を吸気する吸気孔である。
【００３５】
圧電素子２５は、円板状であり、振動体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、後述するアクチュエータ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、振動体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。
【００３６】
振動体４２と圧電素子２５との積層体は、「アクチュエータ１４」を構成している。
【００３７】
図４は、図１に示すポンプ５０が３次モードで動作した時の流体制御装置１０の側面断面図である。図４中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部１５が３次モードで振動している様子を示している。また、図４は、ポンプ５０の外部構造体２７への取付状態も示している。図５は、図４に示す外部構造体２７の外観斜視図である。流体制御装置１０は、ポンプ５０と外部構造体２７と筐体（不図示）とを備える。
【００３８】
ポンプ５０は、本体部１１と突出部１２とを備え、本体部１１の内部に振動空間１３が設けられ、振動空間１３の底面側にアクチュエータ１４が配されている。ポンプ５０は、薄天板２１の天面に固定用リング（シーリング）２６が取り付けられることによって、該固定用リング２６を介して外部構造体２７に固定されている。
【００３９】
外部構造体２７は、流体制御装置１０の筐体（不図示）に取り付けられる。外部構造体２７は、例えば図５に示すように円環状である。外部構造体２７の材料は、例えばＳＵＳ（ステンレススチール）である。
【００４０】
ポンプ５０は、側壁板２３に支持され、アクチュエータ１４及び側壁板２３とともに振動空間１３を構成する天板部１５を備える。天板部１５は、アクチュエータ１４と厚み方向に間隔を空けて対向した天面部１１０と、天面部１１０から外方向に延び、側壁板２３に接合する接合部１１１と、接合部１１１から外方向に延び、側壁板２３よりも突出した突出部１２と、突出部１２から外方向に延び、固定用リング２６を介して外部構造体２７に固定される固定部１１３と、を有する。固定用リング２６は、本体部１１に対して外周方向に間隔を空けた位置で、固定部１１３に接合している。
【００４１】
なお、ポンプ５０の外部構造体２７への取り付けは、固定用リング２６を介さずに行ってもよく、例えば、薄天板２１を直接、外部構造体２７に圧着や接着させてもよい。その場合には、固定部１１３に圧着用のねじ穴等を設けたり、接着用の接着剤等を付着させることで、固定部１１３を外部構造体２７に取り付けるようにするとよい。  該ポンプ５０は、圧電素子２５に交流駆動信号が印加されることにより駆動する。圧電素子２５への交流駆動信号の印加により、圧電素子２５には面積振動が生じ、この圧電素子２５の面積振動が振動体４２に拘束されることによって、アクチュエータ１４には厚み方向の撓み振動が同心円状に生じる。
【００４２】
ここで、交流駆動信号の周波数は、アクチュエータ１４が有する３次の構造共振周波数となるように設定される。３次の構造共振周波は、アクチュエータ１４が３次モードで振動する周波数である。これにより、３次モードで振動するアクチュエータ１４には、中心部に第１の振動の腹が生じ、外周部に、第１の振動の腹とは位相が１８０°異なる第２の振動の腹が生じる。このように、アクチュエータ１４を高次（かつ奇数次）の共振周波数で振動させることで、アクチュエータ１４に上下方向に振れるような振動が生じにくくなる。また、アクチュエータ１４の外周部での振動振幅が小さくなって、アクチュエータ１４の振動が、枠部４１等を介して外部構造体２７に漏れにくくなる。
【００４３】
また、アクチュエータ１４の振動は、枠部４１および側壁板２３を介して、または、振動空間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、アクチュエータ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。
【００４４】
これらの振動が連成されることにより、振動空間１３の厚み方向の間隔は、振動空間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、振動空間１３において、外周方向の内側に向けて流体の流れが生じ、流路孔３４から流体が吸引され、流路孔３１から流体が吐出されることになる。
【００４５】
ここで、該ポンプ５０において高いポンプ効率を実現するためには、アクチュエータ１４および薄天板２１に生じる振動の振幅が大きいことが望まれる。しかしながら、薄天板２１に生じる振動の一部は、固定用リング（シーリング）２６を介して外部構造体２７に漏洩することがあり、このことによってポンプ５０のポンプ効率は低減する恐れがある。
【００４６】
そこで、ポンプ５０の天板部１５は、側壁板２３よりも外方向に突出する突出部１２を有している。そして、天板部１５は、突出部１２を介して固定部１１３で外部構造体２７に固定される。そのため、側壁板２３に対向する位置で外部構造体２７に固定される場合と比べて、天板部１５の振動が外部構造体２７に漏洩しにくくなる。
【００４７】
したがって、ポンプ５０は、天板部１５とアクチュエータ１４とに挟まれる振動空間１３での間隔変動の低減を防ぐことができ、振動空間１３で流体の流れを効率的に制御することができる。よって、ポンプ５０は、高いポンプ効率を実現することができる。
【００４８】
なお、図４では交流駆動信号の周波数は、３次の構造共振周波数となるように設定されているが、これに限るものではない。本発明は、図６に示すようにアクチュエータ１４が１次モードで振動する場合により好適である。アクチュエータ１４が１次モードで振動する場合、アクチュエータ１４の中心位置の振動が大きく、天板部１５から外部構造体２７への振動漏えいも大きいためである。
【００４９】
図７は、突出部１２の長さと振動空間１３の中央での間隔変動（片側振幅）との関係を示すグラフである。なお、当該グラフの横軸は、突出部１２の起点部分（突出部１２における本体部１１との境界部分）から突出部１２の終点部分（突出部１２における固定用リング２６との境界部分）までの外周方向の距離（以下、突出距離dと称する。）を示している。また、当該グラフの縦軸は、ポンプ５０を外部構造体２７に取り付けていない状態での振動空間１３の中央での間隔変動によって正規化した、ポンプ５０を外部構造体２７に取り付けた状態での振動空間１３中央の間隔変動（以下、規格化振幅と称する。）を示している。また、図７は、突出部厚ｔを異ならせた複数の試料（凡例）ごとに、突出距離dと規格化振幅との関係を示している。
【００５０】
図示するように、突出距離dと規格化振幅との間には一定の相関関係があり、突出距離dが短いほど規格化振幅は小さくなり、突出距離dが長くなるほど規格化振幅は１００％に近づく。すなわち、突出距離dが短ければ、ポンプ５０における振動の一部が外部構造体２７に漏出して、規格化振幅が小さくなる。一方、突出距離dが長ければ、ポンプ５０における振動の一部が外部構造体２７に漏出しにくくなり、規格化振幅が大きくなる。
【００５１】
図８は、図７で示した複数の試料から同一の規格化振幅（９０％）が得られる試料を抽出し、抽出した複数の試料に基づいて算出した、突出部厚tを独立変数とする突出距離dの回帰直線（原点を通る回帰直線）について説明するグラフである。
【００５２】
突出部厚t毎に同等の規格化振幅（約９０％）が得られる複数の試料からは、次式で示す回帰直線Ｌ１が得られた。
【００５３】
【数４】
2016181833.tif 000006
【００５４】
先に示した図７において、同一の突出部厚tで試料を比べると、規格化振幅が９０％を超える全ての試料の突出距離dは、規格化振幅が９０％である試料の突出距離dよりも長い。このことから、規格化振幅が９０％を超える全ての試料は、図８において回帰直線Ｌ１よりも上側の、突出距離dがより大きい領域に納まることになる。したがって、規格化振幅が９０％を超える全ての試料は、次の条件式を満足する。
【００５５】
【数５】
2016181833.tif 000007
【００５６】
すなわち、突出部１２の突出距離dを、突出部１２の厚みtに応じて上記条件式を満足するように設定することによって、ポンプ５０における振動の一部が外部構造体２７に殆ど漏出しないようにすることができる。すなわち、ポンプ５０を外部構造体２７に取り付けている状態での振動空間１３の中央での間隔変動を、ポンプ５０を外部構造体２７に取り付けていない状態での振動空間１３の中央での間隔変動と同等の大きさにすることができる。したがって、突出部１２の突出距離dを、上記条件式を満足するよう設定することにより、ポンプ５０のポンプ効率を高められる。
【００５７】
また、図７において突出部１２の厚み毎に同等の規格化振幅（約９９％）が得られる試料は、次式で示す条件式を満足している。
【００５８】
【数６】
2016181833.tif 000008
【００５９】
したがって、先に示した図７において規格化振幅が約９９％よりも大きくなる条件は、突出距離dが次式を満足することである。
【００６０】
【数７】
2016181833.tif 000009
【００６１】
したがって、突出部１２の突出距離dを、突出部１２の厚みtに応じて上記条件式を満足するように設定することによって、ポンプ５０における振動が外部構造体２７にほぼ完全に漏出しないようにすることができ、ポンプ５０のポンプ効率をより高められる。
【００６２】
なお、突出距離dを過大に大きくしたとしても、ポンプ効率の改善効果を一定以上は望むことはできない。このため、ポンプ５０のサイズを抑制するためにも、突出距離dはある程度までに抑制することが望ましい。例えば、ポンプ５０の突出距離dは、次式を満足するように設定するとよい。
【００６３】
【数８】
2016181833.tif 000010
【００６４】
すなわち、突出部１２の突出距離dを、ポンプ５０のポンプ効率をほぼ最大化できる大きさから、約１．１倍程度として、ポンプ５０の大型化を防ぐようにしてもよい。
【００６５】
以上に説明したように、本実施形態に係るポンプ５０は、厚み方向に直交する外方向に突出する突出部１２を備え、固定部１１３を外部構造体２７に固定している。これにより、ポンプ５０は、ポンプ５０に生じる振動が外部構造体２７に漏洩することを抑制できる。したがって、ポンプ５０は、高いポンプ効率を実現することができる。
【００６６】
《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態に係る流体制御装置１０Ａについて説明する。
【００６７】
図９は、本発明の第２実施形態に係る流体制御装置１０Ａの分解斜視図である。図１０は、図９に示すポンプ５０が３次モードで動作した時の流体制御装置１０Ａの側面断面図である。図１０中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部１５が３次モードで振動している様子を示している。図１１は、図９に示すポンプ５０が１次モードで動作した時の流体制御装置１０Ａの側面断面図である。図１１中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部１５が１次モードで振動している様子を示している。
【００６８】
流体制御装置１０Ａは、第１実施形態で示したポンプ５０を備えるとともに、弁筐体５１と弁体５２とを更に備えている。
【００６９】
弁筐体５１は、ポンプ５０の天面に積層して設けられており、弁体５２を内部に収容している。具体的には、弁筐体５１は、弁天板５３と弁枠板５４とを備えている。弁天板５３は、円板状であり、弁筐体５１の天面を構成している。弁枠板５４は、弁天板５３とポンプ５０の天面との間に積層して設けられており、弁体５２を収容する弁室空間６２が設けられた円環状である。弁体５２は、概略円板状であり、弁枠板５４の厚みよりも薄く構成され、弁室空間６２において上下動可能に構成されている。弁体５２の外周面の一部と、弁室空間６２の内壁面の一部とには、互いに係合するように凹凸に設けられており、弁体５２は、弁室空間６２において回転不能に構成されている。
【００７０】
弁天板５３には、平面視した中央付近に流路孔６１が設けられている。流路孔６１は、弁筐体５１の天面側の外部空間に通じるとともに、弁筐体５１の内部で弁室空間６２に通じている。また、流路孔６１は、ポンプ５０の薄天板２１に設けられた流路孔３１と対向することのないように位置をずらして配されている。
【００７１】
弁体５２には、平面視した中央付近に流路孔６３が設けられている。流路孔６３は、弁天板５３に設けられた流路孔６１と対向する位置に配されている。すなわち、弁体５２の流路孔６３は、弁天板５３の流路孔６１と同様に、ポンプ５０の薄天板２１に設けられた流路孔３１と対向することのないように位置をずらして配されている。
【００７２】
流体制御装置１０Ａがポンプ５０を駆動すると、ポンプ５０が弁室空間６２に流体を吐出する。この流体圧によって、弁室空間６２において弁体５２の底面側の流体圧が高まり、弁体５２は弁天板５３側に移動する。このとき、弁体５２の流路孔６３が弁天板５３の流路孔６１と重なり合うことで、弁筐体５１における流路が開通することになり、弁体５２の流路孔６３および弁天板５３の流路孔６１を介して、外部空間に流体が吐出されることになる。
【００７３】
一方、ポンプ５０の駆動が停止する等の理由で、ポンプ５０の流体圧が低下し、弁筐体５１の天面側の外部空間の流体圧が相対的に高まると、弁天板５３の流路孔６１を介して外部空間から弁室空間６２に流体が逆流しようとする。この際には、外部空間から弁室空間６２に逆流しようとする流体によって、弁室空間６２において弁体５２の天面側の流体圧が高まり、弁体５２はポンプ５０側に移動する。このとき、弁体５２の流路孔６３がポンプ５０の流路孔３１と重なり合わずに閉塞されることになり、外部空間から弁室空間６２への流体の逆流が阻止されることになる。
【００７４】
以上より、ポンプ５０の天板部１５は、側壁板２３よりも外方向に突出する突出部１２を有している。そして、本実施形態に係る流体制御装置１０Ａにおいては、上記の弁筐体５１が、ポンプ５０に対する「外部構造体」として構成されている。すなわち、流体制御装置１０Ａは、第１実施形態で示した固定用リング２６および外部構造体２７に替えて弁筐体５１を備えている。そして、天板部１５は、突出部１２を介して固定部１１３で弁筐体５１に固定される。そのため、ポンプ５０は、側壁板２３に対向する位置で弁筐体５１に固定される場合と比べて、ポンプ５０で生じる振動が弁筐体５１に漏洩することを抑制できる。
【００７５】
したがって、ポンプ５０は、天板部１５とアクチュエータ１４とに挟まれる振動空間１３での間隔変動の低減を防ぐことができ、振動空間１３で流体の流れを効率的に制御することができる。よって、ポンプ５０は、高いポンプ効率を実現することができる。
【００７６】
《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態に係る流体制御装置１０Ｂについて説明する。
【００７７】
図１２は、本発明の第３実施形態に係るポンプ５０Ｂが３次モードで動作した時の流体制御装置１０Ｂの側面断面図である。図１０中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部１５Ｂが３次モードで振動している様子を示している。図１３は、図１２に示すポンプ５０Ｂが１次モードで動作した時の流体制御装置１０Ｂの側面断面図である。図１３中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部１５Ｂが１次モードで振動している様子を示している。
【００７８】
流体制御装置１０Ｂは、第２実施形態で示したポンプ５０とは、異なる構成のポンプ５０Ｂを備えている。ポンプ５０Ｂは、厚天板２２Ｂを備えており、該厚天板２２Ｂの外周径は、側壁板２３および振動板２４の外周径よりも大きく、薄天板２１の外周径よりも小さい。
【００７９】
以上より、ポンプ５０Ｂの天板部１５は、側壁板２３よりも外方向に突出する突出部１２を有している。このような構成の流体制御装置１０Ｂにおいても、弁筐体５１が、ポンプ５０Ｂに対する「外部構造体」として構成されている。すなわち、流体制御装置１０Ｂは、第１実施形態で示した固定用リング２６および外部構造体２７に替えて弁筐体５１を備えている。そして、天板部１５は、突出部１２を介して固定部１１３で弁筐体５１に固定される。そのため、ポンプ５０Ｂは、側壁板２３に対向する位置で弁筐体５１に固定される場合と比べて、ポンプ５０Ｂで生じる振動が弁筐体５１に漏洩することを抑制できる。
【００８０】
したがって、ポンプ５０Ｂは、天板部１５とアクチュエータ１４とに挟まれる振動空間１３での間隔変動の低減を防ぐことができ、振動空間１３で流体の流れを効率的に制御することができる。よって、ポンプ５０Ｂは、高いポンプ効率を実現することができる。
【００８１】
ただし、該構成では、厚天板２２Ｂの外周径が側壁板２３および振動板２４の外周径よりも大きいために、突出部１２の実質的な剛性が高まる。このため、第１実施形態や第２実施形態に比べて、突出部１２を介してポンプ５０Ｂから弁筐体５１に振動が漏洩しやすくなる。このため、本実施形態のように構成する場合には、厚天板２２Ｂからの薄天板２１の突出距離をより大きくしたり、薄天板２１の厚みをより薄くしたりすることが好ましい。ただし、本実施形態の構成でも、外部構造体である弁筐体５１が固定部１１３で固定されることになるため、従来構成に比べれば、ポンプ５０Ｂからの振動の漏洩を抑制することができる。
【００８２】
《第４実施形態》
次に、本発明の第４実施形態に係る流体制御装置４００について説明する。
【００８３】
図１４は、本発明の第４実施形態に係る流体制御装置４００の側面断面図である。図１４中の点線は、アクチュエータ１４及び天板部４１５が１次モードで振動している様子を示している。図１５は、図１４に示す天板部１５の底面図である。
【００８４】
第４実施形態の流体制御装置４００が第１実施形態の流体制御装置１０と相違する点は、ポンプ４５０である。ポンプ４５０がポンプ５０と相違する点は、天板部４１５が薄天板２１、厚天板２２、及び円環状の枠板４２３で構成されている点である。天板部４１５は、天面部１１０と接合部１１１と突出部１２と固定部４１３とを有する。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
【００８５】
枠板４２３は、固定用リング２６を介して外部構造体２７に固定される薄天板２１の領域の底面に接合している。そのため、固定部４１３の厚みは、固定部１１３の厚みより厚い。
【００８６】
図１５に示すように、突出部１２は、接合部１１１より薄い薄肉部２１１を有する。薄肉部２１１は円環状である。薄肉部２１１は、本発明の第１薄肉部の一例に相当する。
【００８７】
以上より、ポンプ５０の天板部４１５は、側壁板２３よりも外方向に突出する突出部１２を有している。そして、天板部４１５は、突出部１２を介して固定部４１３で外部構造体２７に固定される。そのため、ポンプ５０は、側壁板２３に対向する位置で外部構造体２７に固定される場合と比べて、ポンプ５０で生じる振動が外部構造体２７に漏洩することを抑制できる。
【００８８】
したがって、ポンプ５０は、天板部４１５とアクチュエータ１４とに挟まれる振動空間１３での間隔変動の低減を防ぐことができ、振動空間１３で流体の流れを効率的に制御することができる。よって、ポンプ５０は、高いポンプ効率を実現することができる。
【００８９】
また、突出部１２が薄肉部２１１を有するため、ポンプ５０は、突出部１２の剛性を低減できる。よって、ポンプ５０は、ポンプ５０で生じる振動が突出部１２を介して外部構造体２７に漏洩することを抑制できる。
【００９０】
なお、図１４ではポンプ４５０が１次モードで動作しているが、これに限るものではない。実施の際、ポンプ４５０が３次モードで動作してもよい。
【００９１】
《第５実施形態》
次に、本発明の第５実施形態に係る流体制御装置５００について説明する。
図１６は、本発明の第５実施形態に係る流体制御装置５００の側面断面図である。
【００９２】
第５実施形態の流体制御装置５００が第４実施形態の流体制御装置４００と相違する点は、ポンプ４５０の固定方法である。流体制御装置５００は、ポンプ４５０の固定部４１３の底面を、固定用リング２６を介して外部構造体２７に固定している。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
【００９３】
流体制御装置４００及び流体制御装置５００においてポンプ４５０が動作している間、天板部４１５の両面には、大気圧と振動空間１３の圧力とが印加される。ポンプ４５０が動作している間、振動空間１３の圧力は大気圧より高くなる。
【００９４】
そのため、図１６に示す流体制御装置５００ではポンプ４５０が動作している間、天板部４１５の両面の圧力差により、天板部４１５には外部構造体２７から離間する方向へ力が働く。
【００９５】
これに対して図１４に示す流体制御装置４００では、ポンプ４５０が動作している間、天板部４１５の両面の圧力差により、天板部４１５が外部構造体２７に向けて押しつけられる。そのため、流体制御装置４００の固定力は、流体制御装置５００の固定力より強くなる。
【００９６】
したがって、図１４に示すようにポンプ４５０の固定部４１３の天面（即ち圧力が低い方の面）が、固定用リング２６を介して外部構造体２７に固定されることが好ましい。
【００９７】
《その他実施形態》
図１５に示す天板部１５は、例えば以下のような変形例を採用することができる。
【００９８】
図１７は、図１５に示す天板部４１５の第１変形例に係る天板部５１５の底面図である。図１８は、図１５に示す天板部４１５の第２変形例に係る天板部６１５の底面図である。図１９は、図１５に示す天板部４１５の第３変形例に係る天板部７１５の底面図である。
【００９９】
図１７に示す天板部５１５及び図１８に示す天板部６１５が天板部４１５と相違する点は、突出部１２に占める薄肉部２１１の割合である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
【０１００】
突出部１２が円環状であり、薄肉部２１１が円環状に配置されている場合、天板部４１５の振動の対称性が保たれる。これにより、天板部４１５では不要振動が生じにくく、エネルギー損失が軽減される。
【０１０１】
さらに、突出部１２に占める薄肉部２１１の割合が高いほど、ポンプ５０は、突出部１２の剛性を低減できる。そのため、突出部１２に占める薄肉部２１１の割合が高いほど、ポンプ５０は、ポンプ５０で生じる振動が外部構造体２７に漏洩することを抑制できる。
【０１０２】
そこで、突出部１２に占める薄肉部２１１の割合は、図１８に示すように５０％以上あれば良い。突出部１２に占める薄肉部２１１の割合は、図１７に示すように８０％以上あるとさらに良い。突出部１２に占める薄肉部２１１の割合は、図１５に示すように１００％であれば最も良い。
【０１０３】
なお、図１５〜図１８に示すように突出部１２は、円環状の薄肉部２１１を有するが、これに限るものではない。実施の際、薄肉部２１１は、円環状以外の形状（例えば多角形の環状）でもよい。
【０１０４】
次に、図１９に示す天板部７１５が天板部４１５と相違する点は、突出部７１２である。その他の構成については同じであるため、説明を省略する。
【０１０５】
突出部７１２は、接合部１１１より薄い薄肉部２１１と、接合部１１１より薄い薄肉部２１２を有する。薄肉部２１１は、円環状である。薄肉部２１２も、円環状である。天面部１１０の中心軸Ｃから薄肉部２１１までの距離は、天面部１１０の中心軸Ｃから薄肉部２１２までの距離と異なる。薄肉部２１１は本発明の第１薄肉部の一例に相当し、薄肉部２１２は本発明の第２薄肉部の一例に相当する。
【０１０６】
なお、図１５〜図１９に示す天板部４１５、天板部５１５、天板部６１５、及び天板部７１５において、突出部１２には開口が無いことが望ましい。この場合、ポンプ５０は、天板部１５の上下の空間を分断することができる。そのため、ポンプ５０は、流体の流路を振動空間１３に限定することができ、流体を正確に制御することができる。
【０１０７】
次に、図４に示す外部構造体２７は、例えば以下のような変形例を採用することができる。
【０１０８】
図２０は、図４に示す外部構造体２７の第１変形例に係る外部構造体１２７の外観斜視図である。図２１は、図４に示す外部構造体２７の第２変形例に係る外部構造体２２７の外観斜視図である。
【０１０９】
図２０に示す外部構造体１２７が図４に示す外部構造体２７と相違する点は、補強部１２９である。外部構造体１２７は、ポンプ５０の固定部１１３に接合する環状部１２８と、環状部１２８より内側に位置する補強部１２９と、を有する。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
【０１１０】
以上より、外部構造体１２７の剛性が補強部１２９によって上がるため、外部構造体１２７の振動が抑制される。そのため、ポンプ５０で生じる振動が外部構造体１２７を介して流体制御装置１０の筐体（不図示）に伝達することを大幅に低減できる。
【０１１１】
同様に、図２１に示す外部構造体２２７が図４に示す外部構造体２７と相違する点は、補強部２２９である。外部構造体２２７は、ポンプ５０の固定部１１３に接合する環状部１２８と、環状部１２８より内側に位置する補強部２２９と、を有する。その他の点については同じであるため、説明を省略する。
【０１１２】
以上より、外部構造体２２７の剛性が補強部２２９によって上がるため、外部構造体２２７の振動が抑制される。そのため、外部構造体２２７は、ポンプ５０で生じる振動が外部構造体２２７を介して流体制御装置１０の筐体（不図示）に伝達することを大幅に低減できる。
【０１１３】
なお、外部構造体２７及び環状部１２８のそれぞれは、円環状であるが、これに限るものではない。実施の際、外部構造体２７及び環状部１２８のそれぞれは、円環状以外の形状（例えば多角形の環状）でもよい。
【０１１４】
また、上述した各実施形態においては、ポンプの駆動源として圧電素子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、例えば、電磁駆動でポンピング動作を行うポンプとして構成されていても構わない。
【０１１５】
また、上述した各実施形態では、圧電素子２５をチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから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、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の圧電材料などから構成してもよい。
【０１１６】
また、上述した各実施形態では、圧電素子を、振動板の振動空間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振動空間側の主面に接合してもよいし、２枚の圧電素子を振動板の両主面に接合してもよい。
【０１１７】
また、上述した各実施形態では、圧電素子や、振動体、振動空間等を平面視して円形状にする例を示したが、本発明は、これに限るものではない。例えば、これらの形状が矩形や多角形でもよい。
【０１１８】
また、上述した各実施形態では、アクチュエータを３次の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、アクチュエータを１次の共振周波数や、その他の共振周波数で駆動するようにしてもよい。
【０１１９】
また、上述した各実施形態では、天板部や弁筐体、弁体の中央付近に、複数の円形の流路孔を集合させて設ける例を示したが、本発明は、これに限るものではない。例えば、１つの流路孔を設けるようにしたり、非円形の流路孔を設けたりしてもよく、また、側壁板に外方向に延びる流路孔を設けるようにしてもよい。
【０１２０】
また、上述した各実施形態では、振動空間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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。
【符号の説明】
【０１２３】
Ｃ…中心軸
１０、１０Ａ、１０Ｂ…流体制御装置
１１…本体部
１２…突出部
１３…振動空間
１４…アクチュエータ
１５…天板部
１５Ｂ…天板部
２１…薄天板
２２、２２Ｂ…厚天板
２３…側壁板
２４…振動板
２５…圧電素子
２６…固定用リング
２７…外部構造体
３１…流路孔
３２、３３…開口
３４…流路孔
４１…枠部
４２…振動体
４３…連結部
５０…ポンプ
５０Ｂ…ポンプ
５１…弁筐体
５２…弁体
５３…弁天板
５４…弁枠板
６１…流路孔
６２…弁室空間
６３…流路孔
１１０…天面部
１１１…接合部
１１３…固定部
１２７…外部構造体
１２８…環状部
１２９…補強部
２１１…薄肉部
２１２…薄肉部
２２７…外部構造体
２２９…補強部
４００…流体制御装置
４１３…固定部
４１５…天板部
４２３…枠板
４５０…ポンプ
５００…流体制御装置
５１５…天板部
６１５…天板部
７１２…突出部
７１５…天板部
９０１…ポンプ
９０２…天板部
９０３…側壁部
９０４…振動部
９１０…振動空間
９１２…外部構造体
【図１】
2016181833.tif 000014
【図２】
2016181833.tif 000015
【図３】
2016181833.tif 000016
【図４】
2016181833.tif 000017
【図５】
2016181833.tif 000018
【図６】
2016181833.tif 000019
【図７】
2016181833.tif 000020
【図８】
2016181833.tif 000021
【図９】
2016181833.tif 000022
【図１０】
2016181833.tif 000023
【図１１】
2016181833.tif 000024
【図１２】
2016181833.tif 000025
【図１３】
2016181833.tif 000026
【図１４】
2016181833.tif 000027
【図１５】
2016181833.tif 000028
【図１６】
2016181833.tif 000029
【図１７】
2016181833.tif 000030
【図１８】
2016181833.tif 000031
【図１９】
2016181833.tif 000032
【図２０】
2016181833.tif 000033
【図２１】
2016181833.tif 000034
【図２２】
2016181833.tif 000035
【国際調査報告】
2016181833.tif 000036
2016181833.tif 000037