(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面、該下面に連続した側面、該側面に連続し前記下面に平行な上面によって外面が定義される柱状体で、前記下面の中心に第１の開口部を有し、該第１の開口部から前記柱状体の内部を前記上面に向かって垂直に立ち上がり、前記上面に到達する途中で前記側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔を有するホーン部と、
前記上面に接して設けられ、前記上面から前記下面に向かって伝搬する機械的振動を前記ホーン部に印加する振動発生手段と、
を備え、前記下面に対向してポンプ用対向子が用いられ、前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間に部分的にギャップが形成され、前記中心の位置から放射状に測った前記ギャップの相対的位置関係により、前記貫通孔中を移送される流体の方向が決定されることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間において、前記中心の位置側に前記ギャップが生じるように、前記ホーン部の下面の形状が設定されており、前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間を介して、前記第１の開口部から流入した流体が前記貫通孔を経由して前記第２の開口部の方向に向かい流体が移送されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間において、前記中心の位置から放射状に測った外側の領域に前記ギャップが生じるように、前記ホーン部の下面の形状が設定されており、前記第２の開口部から流入した流体が、前記貫通孔を経由して前記第１の開口部の方向に、流体が移送されることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項４】
下面、該下面に連続した側面、該側面に連続し前記下面に平行な上面によって外面が定義される柱状体で、前記下面の中心に第１の開口部を有し、該第１の開口部から前記柱状体の内部を前記上面に向かって垂直に立ち上がり、前記上面に到達する途中で前記側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔を有するホーン部と、前記上面に接して設けられ、前記上面から前記下面に向かって伝搬する機械的振動を前記ホーン部に印加する振動発生手段とを備えるポンプの、前記下面に対向するポンプ用対向子であって、
前記中心の位置側において、前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間にギャップが生じるように、前記ポンプ用対向子の上面の形状が設定されており、前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間を介して、前記第１の開口部から流入した流体が前記貫通孔を経由して前記第２の開口部の方向に向かい流体が移送されることを特徴とするポンプ用対向子。
【請求項５】
下面、該下面に連続した側面、該側面に連続し前記下面に平行な上面によって外面が定義される柱状体で、前記下面の中心に第１の開口部を有し、該第１の開口部から前記柱状体の内部を前記上面に向かって垂直に立ち上がり、前記上面に到達する途中で前記側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔を有するホーン部と、前記上面に接して設けられ、前記上面から前記下面に向かって伝搬する機械的振動を前記ホーン部に印加する振動発生手段とを備えるポンプの、前記下面に対向するポンプ用対向子であって、
前記中心の位置から放射状に測った外側の領域に、前記ポンプ用対向子の上面と前記ホーン部の下面との間にギャップが生じるように、前記ポンプ用対向子の上面の形状が設定されており、前記第２の開口部から流入した流体が、前記貫通孔を経由して前記第１の開口部の方向に、流体が移送されることを特徴とするポンプ用対向子。
【請求項６】
第１下面、該第１下面に連続した第１側面、該第１側面に連続し前記第１下面に平行な第１上面によって外面が定義される第１柱状体からなるホーン部と、
前記第１上面に接して設けられ、前記第１上面から前記第１下面に向かって伝搬する機械的振動を前記ホーン部に印加する振動発生手段と、
前記第１下面に対向する第２上面、該第２上面に連続した第２側面、該第２側面に連続し前記第２上面に平行な第２下面によって外面が定義される第２柱状体で、前記第２上面の中心に第１の開口部を有し、前記第１の開口部から前記第２下面に設けられた第２の開口部に向かう貫通孔、又は、前記第１の開口部から前記第２側面に設けられた第２の開口部に向かう貫通孔を有するポンプ用対向子と、
を備え、前記第２上面と前記第１下面との間に部分的にギャップが形成され、前記中心の位置から放射状に測った前記ギャップの相対的位置関係により、前記貫通孔中を移送される流体の方向が決定されることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はポンプに係り、特に超音波を用いたポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、インフラやプラント、医療などの様々な場面において、超音波ポンプが開発されている（特許文献１参照。）。
例えば、特許文献１に記載の体内埋込型液体ポンプシステムは、液体を溜める貯留部と、貯留部に連通する液体の流出口と、超音波を、貯留部内に照射して流出口から液体を吐出させる超音波発生手段とを有する。特許文献１に記載の超音波発生手段は、平面状の超音波素子を有する構成、流出口とは反対側に向かって凸状または凹状を成す超音波素子を有する構成、流出口とは反対側に向かって凸状または凹状を成す面を有する音響レンズを介して、平面状の超音波素子を有するような複雑な構成、または、リングアレイ状の超音波素子を有するような複雑な構成を有している。特許文献１に記載の発明では、超音波素子の材料は、圧電セラミックスのＰＺＴや圧電単結晶のＰＭＮ−ＰＴなどの圧電材料や、ＣＭＵＴｓなどが用いられ、超音波発生手段により、超音波を、貯留部内に収束可能に発生させることができるようにしている。
【０００３】
特許文献１に記載されているような従来型の超音波ポンプは、摺動部が存在しないので、駆動による摩耗や破損が無いため、摺動部が存在するポンプよりも耐用年数が長くなると期待され、磁性材料を含まずに構成することが可能であるため、ＭＲＩなどの強磁場環境下においても利用可能であるという特徴があるものの、構造が複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−６８１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、(a)下面、この下面に連続した側面、この側面に連続し下面に平行な上面によって外面が定義される柱状体で、下面の中心に第１の開口部を有し、この第１の開口部から柱状体の内部を上面に向かって垂直に立ち上がり、上面に到達する途中で側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔を有するホーン部と、(b)上面に接して設けられ、上面から下面に向かって伝搬する機械的振動をホーン部に印加する振動発生手段とを備えるポンプであることを特徴とする。この第１の態様に係るポンプにおいては、下面に対向してポンプ用対向子が用いられ、ポンプ用対向子の上面とホーン部の下面との間に部分的にギャップが形成され、中心の位置から放射状に測ったギャップの相対的位置関係により、貫通孔中を移送される流体の方向が決定される。ここでギャップを形成するための凹部、凸部、テーパ部等は、ホーン部の下面、ポンプ用対向子の上面のいずれに設けてもよく、ホーン部の下面とポンプ用対向子の上面の両方に設けてもよい。
【０００７】
本発明の第２の態様は、第１の態様で説明したポンプのホーン部の下面に対向するポンプ用対向子であることを要旨とする。第２の態様に係るポンプ用対向子は、中心の位置側のポンプ用対向子の上面とホーン部の下面との間にギャップが生じるように、ポンプ用対向子の上面の形状が設定されており、ポンプ用対向子の上面とホーン部の下面との間を介して、第１の開口部から流入した流体が貫通孔を経由して第２の開口部の方向に向かい流体が移送される。
【０００８】
本発明の第３の態様は、第１の態様で説明したポンプのホーン部の下面に対向するポンプ用対向子であることを要旨とする。第３の態様に係るポンプ用対向子は、中心の位置から放射状に測った外側の領域に、ポンプ用対向子の上面とホーン部の下面との間にギャップが生じるように、ポンプ用対向子の上面の形状が設定されており、第２の開口部から流入した流体が、貫通孔を経由して第１の開口部の方向に、流体が移送される。
【０００９】
本発明の第４の態様は、(a)第１下面、この第１下面に連続した第１側面、この第１側面に連続し第１下面に平行な第１上面によって外面が定義される第１柱状体からなるホーン部と、(b)第１上面に接して設けられ、第１上面から第１下面に向かって伝搬する機械的振動をホーン部に印加する振動発生手段と、(c)第１下面に対向する第２上面、該第２上面に連続した第２側面、該第２側面に連続し第２上面に平行な第２下面によって外面が定義される第２柱状体で、第２上面の中心に第１の開口部を有し、第１の開口部から第２下面に設けられた第２の開口部に向かう貫通孔、又は、第１の開口部から第２側面に設けられた第２の開口部に向かう貫通孔を有するポンプ用対向子と、を備えるポンプであることを特徴とする。この第４の態様に係るポンプにおいては、第２上面と第１下面との間に部分的にギャップが形成され、中心の位置から放射状に測ったギャップの相対的位置関係により、貫通孔中を移送される流体の方向が決定されることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るポンプの主要部の概略を説明するために、一部を断面図として示す横面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るポンプに用いる振動発生手段の主要部の概略を説明する横面図である。
【図３】第１の実施の形態に係るポンプに用いるホーン部の主要部の概略を説明する鳥瞰図である。
【図４】第１の実施の形態に係るポンプの動作原理を説明するための模式的な断面図である。
【図５】凹部半径ｒr＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子の上面に設けられる凹部傾斜角を変化させた場合の第１の実施の形態に係るポンプの効果を説明する図である。
【図６】凹部傾斜角αr＝1°の場合において、凹部半径を変えた場合の第１の実施の形態に係るポンプの効果を説明する図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るポンプに用いるポンプ用対向子の主要部の概略を説明する断面図である。
【図８】凹部半径ｒsr＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子の上面２５に設けられる凹部段差を変化させた場合の第１の実施の形態の変形例に係るポンプの効果を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るポンプの主要部の概略を説明するために、一部を断面図として示す横面図である。
【図１０】第２の実施の形態に係るポンプの動作原理を説明するための模式的な断面図である。
【図１１】傾斜部半径長Δｒ＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子の上面に設けられる凸部傾斜角を変化させた場合の第２の実施の形態に係るポンプの効果を説明する図である。
【図１２】凸部傾斜角α＝1°の場合において、傾斜部半径長を変えた場合の第２の実施の形態に係るポンプの効果を説明する図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の変形例に係るポンプに用いるポンプ用対向子の主要部の概略を説明する断面図である。
【図１４】下段部半径長Δｒs＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子の上面に設けられる凸部段差を変化させた場合の第２の実施の形態の変形例に係るポンプの効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係るポンプは、図１〜図３に示すように、平坦な下面２４b、この下面２４bに連続した側面２４s、この側面２４sに連続し下面２４bに平行な上面２４tによって外面が定義される柱状体で、下面２４bの中心に第１の開口部Ｏ1を有し、この第１の開口部Ｏ1から柱状体の内部を上面２４tに向かって垂直に立ち上がり、上面２４tに到達する途中で側面２４sに設けられた第２の開口部Ｏ2に向かい曲がる貫通孔２３を有するホーン部２４と、上面２４tに接して設けられ、上面２４tから下面２４bに向かって伝搬する機械的振動をホーン部２４に印加する振動発生手段２２とを備える。なお、本明細書において「上面」「下面」等の「上」「下」の定義は、図面を観測する上での単なる表現上の用語の選択の問題であって、例えば、ホーン部２４の方位を９０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼は、「左」「右」になり、１８０°変えて観察すれば「上」「下」の称呼の関係は、逆になることは勿論である。
【００１４】
第１の実施の形態に係るポンプのホーン部２４には、ポンプ効果を起こす際の流体の通り道として、下面２４bの直径の１／１０〜１／６程度の直径を有する円筒型（チュウブ状）の貫通孔２３が、ホーン部２４の内部に設けられる。例えば、ホーン部２４の下面２４bの直径を３０ｍｍとすると、貫通孔２３の長手方向に垂直な断面における直径は３〜５ｍｍ程度に選ばれる。具体的には、例えば、直径４．２ｍｍの貫通孔２３を選定すれば良い。ホーン部２４の側面２４sに設けられる第２の開口部Ｏ2は、振動に与える影響を小さくするため、有限要素解析により振動の節を導出し、この振動の節の位置に開口すれば良い。
【００１５】
図４に拡大図を示すように、ホーン部２４に対向するポンプ用対向子２１cは、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceの中心側が一番深くなるように傾斜面を有する凹部が構成されている。ポンプ用対向子２１cは、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料を用いて、円柱の形状を作成し、その上面２１ceに凹部傾斜角αrを与えれば、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceに凹部が形成される。
【００１６】
図４に示すように、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceと、ホーン部２４となるホーン部２４の下面２４bの２つの平行面が近距離に存在し、片方の面となるホーン部２４の下面２４ｂが超音波振動すると、その２平面間の端では流体が貫通孔２３を介して流出と流入を繰り返す。しかしながら、図４に示すように、ホーン部２４に対向するポンプ用対向子２１cが、その上面２１ceに中心側が一番深くなるように凹部傾斜角αrの凹部が構成されていると、貫通孔２３に対する流出と流入の際の流体抵抗が異なるので、第１の開口部Ｏ1から第２の開口部Ｏ2の方向に向かう方向への一方向への流れが大きくなる。その結果、図１〜図４に示したようにホーン部２４の下面２４bの中央を第１の開口部Ｏ1とする貫通孔２３を上向きに流体が流れるポンプ効果が発生する。
【００１７】
即ち、図４に示すような凹部傾斜角αrの凹部がポンプ用対向子２１cの上面２１ceに構成されていることにより、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceとホーン部２４の下面２４bとの間を介して、ホーン部２４の下面２４bに設けられた第１の開口部Ｏ1から流入した流体が、ホーン部２４の貫通孔２３を経由して、ホーン部２４の側面２４sに設けられた第２の開口部Ｏ2の方向に向かい流体が移送される。
このように、第１の実施の形態に係るポンプは、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceがホーン部２４の下面２４bとの間に形成するギャップがホーン部２４の下面２４bの中心の位置側にあるトポロジーとなるので、第１の開口部Ｏ1から第２の開口部Ｏ2の方向に向かう方向に、貫通孔２３中を移送される流体の方向が決定される。
【００１８】
第１の実施の形態に係るポンプに用いる振動発生手段２２は、図２に示すような円柱形をなすボルト締めランジュバン型振動子である。即ち、第１の実施の形態の振動発生手段２２は、ドーナッツ形の圧電セラミックスからなる２つの圧電素子２２３，２２５と、圧電素子２２５の両側に配置されたドーナッツ形の電極板２２４ａ，２２４ｂと、電極板２２４ｂの上に配置されたドーナッツ形の金属ブロック２２６と、圧電素子２２３の下に配置されたドーナッツ形の金属ブロック２２２と、金属ブロック２２６、電極板２２４ｂ、圧電素子２２５、電極板２２４ａ、圧電素子２２３、金属ブロック２２２を貫通する貫通ボルト２２７を備えている。
【００１９】
図２に示すように、第１の実施の形態に係るポンプに用いるボルト締めランジュバン型振動子は、２つの圧電素子２２３，２２５が、電極板２２４ａ，２２４ｂを挟んで、金属ブロック２２２と金属ブロック２２６の間に挟み込まれた構造である。金属ブロック２２２と金属ブロック２２６の間に圧電素子２２３，２２５を挟み込むために、貫通ボルト２２７で締めつけている。圧電素子２２３，２２５を２つの金属ブロック２２２，２２６で挟んだサンドイッチ構造とすることで全長をかせぎ，低い共振周波数、例えば２８ｋＨｚで共振するようにしている。図２に示した発振器２２９には共振周波数追従装置を用い、常に振動発生手段２２の共振周波数となるように、電極板２２４ａ，２２４ｂを駆動することで圧電素子２２３，２２５の最大の振動振幅を得るようにするのが好ましい。
【００２０】
ホーン部２４の振動面となる下面２４bの全域において一様のポンプ効果を得るためには、下面２４bと下面２４bに対向する上面２１ceの平行度を保証する必要がある。そのために、第１の実施の形態に係るポンプにおいては、ポンプ用対向子２１cの下部にゴムシート等の弾性板１４を配置し、弾性板１４を流体を収納する容器１３の内部に設置し、この容器１３をｚ軸ステージ１１に搭載している。ｚ軸ステージ１１をｚ軸方向に駆動することにより、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceをホーン部２４の下面２４bに押し当て、下面２４bと上面２１ceとの平行度を実現している。下面２４bと上面２１ceとの間の高い平行度が実現されることによって、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceからホーン部２４の下面２４bへと予圧がかかる。上面２１ceから下面２４bへ予圧を与えることで、ホーン部２４の下面２４bとポンプ用対向子２１cの上面２１ceは接触するが、振動発生手段２２から超音波振動をホーン部２４加えると、スクイーズ膜効果により正圧が発生し、一定のギャップを生じる。
【００２１】
図５及び図６に示すポンプ効果の測定においては、振動発生手段２２には共振周波数２８ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動子を用い、振動発生手段２２の先端にはその共振周波数に合わせて下面２４bの直径が３０ｍｍとなるように製作したホーン部２４を取り付けている。流体の通り道として直径４．２ｍｍの貫通孔２３を設けた場合で測定している。又、図５及び図６のポンプ効果の測定においては、図１に示したキャピラリー配管１６ａの位置にマノメータを取り付けている。即ち、マノメータの一端をホーン部２４の側面２４sに開口された第２の開口部Ｏ2に接続し、他端を大気へと開放することで、ゲージ圧を測定できるような構成で測定した。図５及び図６のそれぞれの縦軸は、図１の矢印の方向を負圧と定義した場合のマノメータで測定された圧力である。
【００２２】
更に、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceからホーン部２４下面２４bへ印加する予圧を一定に保持するためにホーン部２４を固定する治具（図示省略。）の表裏にひずみゲージを計４枚貼り、４ゲージ法にてひずみを測定し、その値から初期予圧を推定した。したがって、図５及び図６のポンプ効果の測定においては、初期振動振幅を１．８μｍp-p、初期予圧を１Ｎで一定とし、ポンプの動作実験を行なっている。図５及び図６のグラフ中のデータは各三回測定した結果の平均である。
【００２３】
図５に示すデータは、凹部半径ｒr＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子２１cの上面２１ceに設けられる凹部傾斜角αrを変化させた場合のポンプ効果を示すものである。凹部半径ｒr＝７．５ｍｍの場合は、凹部傾斜角αr＝3°程度においてポンプ効果が最大になることがわかる。図５中の○印は，ポンプ用対向子２１cの上面２１ceに凹部半径ｒr＝２．１ｍｍの穴を設けたときのものである。
【００２４】
図６に示すデータは、凹部傾斜角αr＝1°の場合において、凹部半径ｒrを変えた場合の結果である。凹部傾斜角αr＝1°の場合は、凹部半径ｒr＝１１ｍｍ程度においてポンプ効果が最大になることがわかる。
以上説明したとおり、第１の実施の形態に係るポンプによれば、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子を提供することができる。
【００２５】
図７に示すように、ホーン部２４に対向するポンプ用対向子２５cの上面２５ceに中心側が一番深くなるように凹部段差の深さｈrの階段状の凹部が構成されている場合であっても、図１に示した貫通孔２３に対する流出と流入の際の流体抵抗が異なるので、第１の開口部Ｏ1から第２の開口部Ｏ2の方向に沿った一方向への流れが大きくなる。その結果、図１〜図４に示したようにホーン部２４の下面２４bの中央を第１の開口部Ｏ1とする貫通孔２３を上向きに流体が流れるポンプ効果が発生する。
【００２６】
即ち、図７に示すような凹部段差ｈrの凹部がポンプ用対向子２５cの上面２５ceに構成されている場合であっても、図８に示すように、ポンプ用対向子２５cの上面２５ceとホーン部２４の下面２４bとの間を介して、ホーン部２４の下面２４bに設けられた第１の開口部Ｏ1から流入した流体が、ホーン部２４の貫通孔２３を経由して、ホーン部２４の側面２４sに設けられた第２の開口部Ｏ2の方向に向かい流体が移送される。
【００２７】
図８に示すデータは、凹部半径ｒsr＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子２５cの上面２５ceに設けられる凹部段差ｈrを変化させた場合のポンプ効果を示すものである。凹部半径ｒsr＝７．５ｍｍの場合は、凹部段差ｈr＝０．０５ｍｍ程度においてポンプ効果が最大になり、その圧力は、図５及び図６に示したデータと同程度であることがわかる。
このように、第１の実施の形態の変形例に係るポンプによっても、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子を提供することができる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係るポンプは、図９及び図１０に示すように、平坦な下面２４b、この下面２４bに連続した側面、この側面に連続し下面２４bに平行な上面によって外面が定義される柱状体で、下面２４bの中心に第１の開口部Ｏ1を有し、この第１の開口部Ｏ1から柱状体の内部を上面に向かって垂直に立ち上がり、上面に到達する途中で側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔を有するホーン部２４と、上面に接して設けられ、上面から下面２４bに向かって伝搬する機械的振動をホーン部２４に印加する振動発生手段２２とを備える点では、第1の実施の形態に係るポンプとまったく同様である。
【００２９】
第２の実施の形態に係るポンプのホーン部２４には、ポンプ効果の際の流体の通り道として、下面２４bの直径の１／１０〜１／６程度の直径を有する円筒型（チュウブ状）の貫通孔が設けられる。ホーン部２４の側面に設けられる第２の開口部は、第1の実施の形態に係るポンプと同様に、有限要素解析により振動の節を導出し、この振動の節の位置に開口すれば、振動に与える影響を小さくできる。
【００３０】
図１０に示すように、ホーン部２４に対向する対向子２１pは、ポンプ用対向子２１pの上面２１peの中心側が平坦であり、ラジアル方向（放射状方向）に外側に行くに従い深くなる傾斜部が構成されている。ポンプ用対向子２１pは、Ａｌ等の金属材料を用いて、円柱状に作成し、その円柱の上面２１peに凸部傾斜角αを与えれば、ポンプ用対向子２１pの上面２１peの外側に、ホーン部２４の下面２４bとの間にギャップが生じるトポロジーが実現できる。
【００３１】
図１０に示すように、ポンプ用対向子２１pの上面２１peと、ホーン部２４となるホーン部２４の下面２４bの２つの平行面が近距離に存在し、片方の面となるホーン部２４の下面２４ｂが超音波振動すると、その２平面間の端では流体が貫通孔を介して流出と流入を繰り返す。しかしながら、図１０に示すように、ホーン部２４に対向するポンプ用対向子２１pが、その上面２１peの外側にギャップが生じるように凸部傾斜角αの凸部をなす形状であると、貫通孔に対する流出と流入の際の流体抵抗が異なるので、第２の開口部から第１の開口部Ｏ1の方向に沿った方向への一方向への流れが大きくなる。その結果、図9及び図１０に示したように下面２４bの中央に設けられた第１の開口部Ｏ1が吐出口となるように、貫通孔を下向きに流体が流れるポンプ効果が発生する。
【００３２】
即ち、図１０に示すような凸部傾斜角αで定義される凸部がポンプ用対向子２１pの上面２１peに構成されていることにより、ポンプ用対向子２１pの上面２１peとホーン部２４の下面２４bとの間を介して、ホーン部２４の下面２４bに設けられた第１の開口部Ｏ1に向かって、ホーン部２４の貫通孔を経由して、ホーン部２４の側面に設けられた第２の開口部から流入する。その結果、図９及び図１０の矢印の方向に沿って貫通孔中を流体が移送される。
【００３３】
このように、第２の実施の形態に係るポンプにおいては、ポンプ用対向子２１pの上面２１peがホーン部２４の下面２４bとの間に形成されるギャップの位置が、下面２４bの中心位置から放射状に外側に生じるトポロジーとなるので、第２の開口部から第１の開口部Ｏ1の方向に沿った方向に、貫通孔中を移送される流体の方向が決定される。
第２の実施の形態に係るポンプに用いる振動発生手段２２は、図２に示したようなボルト締めランジュバン型振動子が採用可能であり、ランジュバン型振動子については、第１の実施の形態に係るポンプにおいて説明したとおりであり、重複した説明を省略する。
【００３４】
ホーン部２４の振動面となる下面２４bの全域において一様のポンプ効果を得るためには、下面２４bと下面２４bに対向する上面２１peの平行度を保証する必要がある。そのために、第２の実施の形態に係るポンプにおいても、第１の実施の形態に係るポンプと同様に、ポンプ用対向子２１pの下部に弾性板１４が配置され、弾性板１４が容器１３の内部に設置され、この容器１３をｚ軸ステージ１１で移動させる構成にしている。ｚ軸ステージ１１を駆動することにより、ポンプ用対向子２１pの上面２１peがホーン部２４の下面２４bに押し当てられ、下面２４bと上面２１peとの平行度が実現される。下面２４bと上面２１peとの間の高い平行度が実現されることによって、上面２１peから下面２４bへと予圧がかかる。上面２１peから下面２４bへ予圧を与えることで、ホーン部２４の下面２４bとポンプ用対向子２１pの上面２１peは接触するが、振動発生手段２２から超音波振動をホーン部２４加えると、スクイーズ膜効果により正圧が発生し、一定のギャップを生じる。
【００３５】
図１１及び図１２に示すポンプ効果の測定においては、振動発生手段２２には共振周波数２８ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動子を用い、振動発生手段２２の先端にはその共振周波数に合わせて下面２４bの直径が３０ｍｍとなるように製作したホーン部２４を取り付けている。流体の通り道として直径４．２ｍｍの貫通孔を設けた場合で測定している。又、図１１及び図１２のポンプ効果の測定においては、図９に示したキャピラリー配管１６ｂの位置にマノメータを取り付けている。即ち、マノメータの一端をホーン部２４の側面に開口された第２の開口部に接続し、他端を大気へと開放している。図１１及び図１２のそれぞれの縦軸は、図９の矢印の方向を正圧と定義した場合のマノメータで測定された圧力である。
【００３６】
更に、ポンプ用対向子２１pの上面２１peからホーン部２４下面２４bへ印加する予圧を一定に保持するためにホーン部２４を固定する治具（図示省略。）の表裏にひずみゲージを計４枚貼り、４ゲージ法にてひずみを測定し、その値から初期予圧を推定した。したがって、図１１及び図１２のポンプ効果の測定においては、初期振動振幅を１．８μｍp-p、初期予圧を１Ｎで一定とし、ポンプの動作実験を行なっている。図１１及び図１２のグラフ中のデータは各三回測定した結果の平均である。
【００３７】
図１１に示すデータは、ラジアル方向に測った傾斜部の長さを「傾斜部半径長Δｒ」と定義して、傾斜部半径長Δｒ＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子２１pの上面２１peに設けられる凸部傾斜角αを変化させた場合のポンプ効果を示すものである。傾斜部半径長Δｒ＝７．５ｍｍの場合は、凸部傾斜角α＝４°程度においてポンプ効果が最大になることがわかる。
【００３８】
図１２に示すデータは、凸部傾斜角α＝1°の場合において、傾斜部半径長Δｒを変えた場合の結果である。凸部傾斜角α＝1°の場合は、傾斜部半径長Δｒ＝１１ｍｍ程度においてポンプ効果が最大になることがわかる。
以上説明したとおり、第２の実施の形態に係るポンプによれば、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子を提供することができる。
【００３９】
図１３に示すように、ホーン部２４に対向するポンプ用対向子２５pの上面２５peに中心側が平坦で、ラジアル方向に測って外側が一番深くなるような階段状の凸部が構成されている場合であっても、図９に示した貫通孔に対する流出と流入の際の流体抵抗が異なるので、第２の開口部から第１の開口部Ｏ1の方向に沿った一方向への流れが大きくなる。その結果、図９及び図１０に示したようにホーン部２４の下面２４bの中央を第１の開口部Ｏ1とする貫通孔の中を下向きに流体が流れるポンプ効果が発生する。
【００４０】
即ち、図１３に示すような凸部段差ｈとなる階段状の凸部が、ポンプ用対向子２５pの上面２５peに構成されている場合であっても、図１０に示すように、ポンプ用対向子２５pの上面２５peとホーン部２４の下面２４bとの間を介して、ホーン部２４の下面２４bに設けられた第１の開口部Ｏ1向かって吐出する流体が、ホーン部２４の貫通孔を経由して、ホーン部２４の側面に設けられた第２の開口部から流入して、貫通孔中を流体が移送される。
【００４１】
図１４に示すデータは、ラジアル方向に測った下段部の長さを「下段部半径長Δｒs」と定義して、下段部半径長Δｒs＝７．５ｍｍの場合において、ポンプ用対向子２５pの上面２５peに設けられる凸部段差ｈを変化させた場合のポンプ効果を示すものである。図１１及び図１２に示した圧力値よりも小さいが、下段部半径長Δｒs＝７．５ｍｍの場合は、凸部段差ｈ＝０．１５ｍｍ程度においてポンプ効果が最大になることがわかる。
したがって、第２の実施の形態の変形例に係るポンプによっても、従来の超音波ポンプとは別のアプローチを用いて、簡単な構造でポンプ効果を得ることができるポンプ及びこのポンプに用いるポンプ用対向子を提供することができる。
【００４２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいては、ポンプ用対向子２１c，２１p，２５c，２５pの上面にテーパや段差があるトポロジーを説明したが、例示に過ぎない。ポンプ用対向子の上面を平坦にして、ホーン部の下面にテーパや段差があるようなトポロジーでも、ホーン部の下面とポンプ用対向子の上面との間にギャップを形成することができるので、第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいて説明した効果と同様な効果を奏することが可能なことは勿論である。更に、ポンプ用対向子の上面と、ホーン部の下面の双方にテーパや段差を設けても、ホーン部の下面とポンプ用対向子の上面との間にギャップを形成することができるので、第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいて説明した効果と同様な効果を奏することが可能なことは、当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００４３】
更に、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいては、ポンプ用対向子２１c，２１p，２５c，２５pの上面に一定の傾きのテーパが有る場合、及び１段の段差があるトポロジーを説明したが、例示に過ぎない。ポンプ用対向子の上面や、ホーン部の下面には、同心円状に２重、３重等の多重の輪が構成されるトポロジーで、多数のテーパや段差を設けてもよい。２重、３重に設けられる場合は、多重に設けられるテーパが半径方向で互いに異なる傾きを有していたり、半径方向にテーパ部と段差部との組み合わせを用いたりしてもよい。２重、３重等の多重の構造を採用して、半径方向に複数の傾きのテーパが有る場合や、半径方向に２段以上の多段の段差があるようなトポロジーにしても、既に述べた第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいて説明した効果と同様な効果を奏することが可能なことは、当業者であれば容易に理解できるであろう。特に、ポンプ用対向子の上面やホーン部の下面には、半径方向に次第に大きくなる多数の傾きを連続させて、包絡線が指数関数に近似可能なトポロジーにしたり、無限小に近似可能な微細な多数の傾きを連続させて、半径方向に指数関数的に変化する曲面を形成したりすれば、音響的には最も好ましい。
【００４４】
更に、本発明の第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいては、ホーン部側に流体を移送するための貫通孔を設けた場合を説明したが、流体が移送される貫通孔をポンプ用対向子側に設けてもスクイーズ膜効果が得られることは、明らかである。即ち、第１下面、この第１下面に連続した第１側面、この第１側面に連続し第１下面に平行な第１上面によって外面が定義される第１柱状体からなるホーン部と、ホーン部の第１上面に接して設けられ、第１上面から第１下面に向かって伝搬する機械的振動をホーン部に印加する振動発生手段と、ホーン部の第１下面に対向する第２上面、この第２上面に連続した第２側面、この第２側面に連続し第２上面に平行な第２下面によって外面が定義される第２柱状体でポンプ用対向子を構成し、このポンプ用対向子側に貫通孔を設けてもよい。
【００４５】
この場合、ポンプ用対向子の第２上面の中心に第１の開口部を設け、第２下面に設けられた第２の開口部に向かう貫通孔をポンプ用対向子の内部に有するようにしても、第１の開口部から第２柱状体の内部を第２下面に向かって垂直に立ち下がり、第２下面に到達する途中で第２側面に設けられた第２の開口部に向かい曲がる貫通孔をポンプ用対向子の内部に有するようにしても構わない。ポンプ用対向子側に貫通孔が有る場合であっても、第２上面と第１下面との間に部分的にギャップが形成され、中心の位置から放射状に測ったギャップの相対的位置関係により、ポンプ用対向子側の貫通孔中を移送される流体の方向が決定され、既に述べた第１及び第２の実施の形態に係るポンプにおいて説明した効果と同様な効果を奏することが可能なことは容易に理解できるであろう。
【００４６】
このことから、図１や図９に示した上下関係を逆にして、下側に振動発生手段を備える構成にして、図１や図９に示したポンプ用対向子２１c，２１p，２５c，２５pをホーン部として用い、図１や図９に示したホーン部をポンプ用対向子としても良いことも容易に理解できるであろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な、特許請求の範囲の記載に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１１…ｚ軸ステージ
１３…容器
１４…弾性板
１６ａ，１６ｂ…キャピラリー配管
２１ce…上面
２１c，２１p，２５c，２５p…ポンプ用対向子
２１pe…上面
２２…振動発生手段
２２２，２２６…金属ブロック
２２３，２２５…圧電素子
２２４ａ，２２４ｂ…電極板
２２７…貫通ボルト
２２９…発振器
２３…貫通孔
２４b…下面
２４s…側面
２４t…上面
２４…ホーン部
２５ce…上面
２５pe…上面
【図１】
0006419554.tif 000002
【図２】
0006419554.tif 000003
【図３】
0006419554.tif 000004
【図４】
0006419554.tif 000005
【図５】
0006419554.tif 000006
【図６】
0006419554.tif 000007
【図７】
0006419554.tif 000008
【図８】
0006419554.tif 000009
【図９】
0006419554.tif 000010
【図１０】
0006419554.tif 000011
【図１１】
0006419554.tif 000012
【図１２】
0006419554.tif 000013
【図１３】
0006419554.tif 000014
【図１４】
0006419554.tif 000015