(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１開口部を有するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと対向して位置する薄板部と、前記ダイヤフラムと前記薄板部とを接続する枠体とを含み、ポンプ室である内部空間を有する第１筐体と、
前記第１開口部よりも大きな開口の貫通孔を有し、前記ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記第１開口部が前記貫通孔の内側に位置するように前記ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子と、
前記第１開口部に近接する位置に吐出口を有し、少なくとも前記ダイヤフラムを覆い、前記ダイヤフラムとの間に流体通路を有する外壁と、を備えており、
前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記貫通孔の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、前記圧電素子と重なる領域の厚みと異なっている圧電ガスポンプ。
【請求項２】
前記薄板部の厚みが前記ダイヤフラムの厚みよりも薄い請求項１に記載の圧電ガスポンプ。
【請求項３】
前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記貫通孔の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、前記圧電素子と重なる領域の厚みと異なっている請求項１または請求項２に記載の圧電ガスポンプ。
【請求項４】
前記圧電素子は、圧電体と、該圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極とを備え、
一方の主面に設けられた前記表面電極が、主表面電極および該主表面電極と分離された副表面電極とを含む自励振型の圧電素子である請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電ガスポンプ。
【請求項５】
前記第１開口部が、複数の孔を有する請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電ガスポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、気体の流れを発生させる圧電ガスポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】  従来から、例えば特公昭６４−２７９３号公報に（以下、特許文献１という）に記載のような圧電素子を駆動源に用いた圧電ガスポンプ（流れ発生装置）が知られている。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の圧電ガスポンプは、第１開口部を有するダイヤフラムと、該ダイヤフラムと対向して位置する薄板部と、前記ダイヤフラムと前記薄板部とを接続する枠体とを含み、ポンプ室である内部空間を有する第１筐体と、前記第１開口部よりも大きな開口の貫通孔を有し、前記ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記第１開口部が前記貫通孔の内側に位置するように前記ダイヤフラムに取り付けられた圧電素子と、前記第１開口部に近接する位置に吐出口を有し、少なくとも前記ダイヤフラムを覆い、前記ダイヤフラムとの間に流体通路を有する外壁と、を備えており、前記ダイヤフラムは、当該ダイヤフラムに垂直な方向から見たときに前記貫通孔の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、前記圧電素子と重なる領域の厚みと異なっている。
【発明の効果】
【０００４】  本開示の圧電ガスポンプによれば、ダイヤフラムの振動に薄板部の振動が重畳することで、小型でかつ流体流量の増大化が可能な圧電ガスポンプを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】圧電ガスポンプの一例を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１に示す圧電ガスポンプのＡ−Ａ線で切断した断面の概略端面図である。
【図３】図２に示す第１筐体および圧電素子の概略斜視図である。
【図４】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の一例を示す拡大端面図である。
【図５】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【図６】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【図７】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【図８】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【図９】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【図１０】図２に示す圧電素子の内側領域に位置するダイヤフラムの形態の他の例を示す拡大端面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】  以下、添付図面を参照して、圧電ガスポンプの例を詳細に説明する。なお、以下に示す開示の一例によりこの発明が限定されるものではない。
【０００７】  図１は、圧電ガスポンプの開示の一例を示す模式的な斜視図であり、図２は図１に示す圧電ガスポンプのＡ−Ａ線で切断した断面の概略端面図、図３は図２に示す第１筐体および圧電素子の概略斜視図である。
【０００８】  図１および図２に示す圧電ガスポンプは、ポンプ室となる内部空間を有する第１筐体１を備える。
【０００９】  第１筐体１は、第１開口部１１１を有するダイヤフラム１１と、ダイヤフラム１１と対向する位置に設けられた薄板部１２と、ダイヤフラム１１と薄板部１２とを接続する枠体１３とを含んでいる。図に示す例では、この第１筐体１は、ダイヤフラム１１を天板、薄板部１２を底板、枠体１３を側壁とする箱型の形状になっており、第１開口部１１１はダイヤフラム１１の中央部に設けられている。
【００１０】  第１筐体１の内部には、ダイヤフラム１１と薄板部１２と枠体１３とで空間が形成され、この空間（内部空間１０）がポンプ室となる。なお、ここでいうポンプ室とは、ダイヤフラム１１の振動によって内部空間１０への気体の流入および流出が繰り返され、ポンプとして機能する部屋のことを意味している。気体（ガス）としては、酸素含有ガス（空気）のほか、適宜用いることができる。
【００１１】  第１筐体１を構成するダイヤフラム１１、薄板部１２および枠体１３としては、ステンレス（ＳＵＳ）、黄銅、４２アロイなどの金属部材、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマーなどの樹脂部材を用いることができる。
【００１２】  ダイヤフラム１１は、第１開口部１１１を有していて、この第１開口部１１１を通して内部空間１０への気体の流入および流出が行われる。ここで、第１開口部１１とは、１個の孔を有する構成であってもよく、複数の孔を有する構成であってもよい。
【００１３】  ダイヤフラム１１の厚みは、例えば５０〜５００μｍの厚みとされる。
【００１４】  また、ダイヤフラム１１が円板状であって、第１開口部１１が１個の円形の孔を有する場合の当該第１開口部１１の直径は、ダイヤフラム１１の外周形状の直径の例えば１〜２０％の長さとされる。
【００１５】  また、ダイヤフラム１１が円板状であって、第１開口部１１１が複数の円形の孔を有する場合の当該孔の個数は例えば２〜３００個とされ、それぞれの孔の直径はダイヤフラム１１の外周形状の直径の例えば０．０２〜１０％の長さとされる。第１開口部１１１が、複数の孔を有する場合には、流出する気体の吐出方向の指向性を抑制できるため、流体を広範囲に送風可能となる。
【００１６】  なお、ダイヤフラム１１の外周形状および第１開口部１１１の形状はともに円状に限られず、多角形状であってもよい。
【００１７】  薄板部１２は、ダイヤフラム１１と対向する位置に設けられていて、基本的にはダイヤフラム１１の外周形状と同じ外周形状である。
【００１８】  枠体１３は、ダイヤフラム１１および薄板部１２をこれらの間に所望の間隔を設けるように支持し、ダイヤフラム１１および薄板部１２とともに第１筐体１を形成している。ここで、図に示す枠体１３は、断面で見たときに高さ方向の中央部に内側に向けて突出するように内面に凸部１３１を有する段差形状になっていて、凸部１３１がダイヤフラム１１および薄板部１２で挟まれた構成になっている。
【００１９】  枠体１３は、ダイヤフラム１１および薄板部１２よりも変形しにくく、例えばダイヤフラム１１および薄板部１２と同じ材質を有する場合は、これらよりも厚みが厚くなっている。ここで、枠体１３が内面に凸部１３１を有するなど厚みが異なる部位を有する場合は、枠体１３の最も薄い部分がダイヤフラム１１および薄板部よりも厚くなっている。
【００２０】  なお、枠体１３は、図に示すような凸部１３１を有する形状に限られず、断面で見て厚みが高さ方向に沿って一定となっている形状でもよく内面に凹部を有する形状であってもよい。
【００２１】  また、圧電ガスポンプは、第１開口部１１１よりも大きな開口の貫通孔２１を有し、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに第１開口部１１１が貫通孔２１の内側に位置するようにダイヤフラム１１に取り付けられた圧電素子２を備える。なお、図２は端面図であって、図２に示す圧電素子２は複数個あるのではなく、図３に示すような環状平板型の形状を有する１個の圧電素子２を示している。
【００２２】  圧電素子２は、例えば、貫通孔２１を有する圧電体と、圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極とを備えるものである。
【００２３】  圧電素子２を構成する圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸バリウム系、ニオブ酸カリウム／ナトリウム系などの圧電セラミックス、水晶、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶を用いることができる。圧電素子２を構成する表面電極としては、銀、ニッケル、銅、銀−パラジウムなどを用いることができる。
【００２４】  ここで、圧電素子２が第１開口部１１１よりも大きな開口の貫通孔２１を有しているとは、貫通孔２１の横断面の面積が第１開口部１１１の横断面の面積よりも大きいことを意味する。圧電素子２の内側領域（貫通孔２１の内側領域）でダイヤフラム１１が圧電素子２の変位よりも大きな変位を得られるように、貫通孔２１の大きさが設定されている。
【００２５】  図１に示すように、圧電素子２は例えば配線部材５を介して外部回路に接続されており、圧電素子２を駆動させることによって、ダイヤフラム１１を振動させ、圧電ガスポンプを駆動させることができる。
【００２６】  圧電素子２は、圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極のパターンとして、以下の形態をとり得る。
【００２７】  圧電素子２は、一方の主面および他方の主面に設けられた表面電極がそれぞれの面に面方向に広がる一つの主表面電極（一対の主表面電極）を有する他励振型の圧電素子であってもよい。
【００２８】  また圧電素子２は、一方の主面に設けられた表面電極が、主表面電極および該主表面電極と分離された副表面電極とを含むいわゆる自励振型の圧電素子であってもよい。このような構成とすることで、例えば、複数の圧電ガスポンプを利用する際に、それぞれの圧電ガスポンプごとに最適駆動周波数を調整できるため、圧電ガスポンプの流体流量の個体差を抑制できる。加えて、例えば−２０℃〜＋８０℃といった環境温度変化に伴う流体流量の変化も抑制できる。なお、ダイヤフラム１１に４２アロイを用いると、圧電素子２との熱膨張差を低減できるため、環境温度変化に伴う流体流量の変化の抑制に特に有効である。
【００２９】  また、圧電ガスポンプは、第１開口部１１１に近接する位置に吐出口３１１を有し、少なくともダイヤフラム１１を覆うとともにダイヤフラム１１との間に流体通路４を有するように設けられた外壁３を備える。
【００３０】  外壁３は、少なくともダイヤフラム１１を覆うように設けられる。図に示す例では、第１筐体１の外側からダイヤフラム１１と対向する天板部３１と、枠体部３２とを備えている。天板部３１および枠体部３２としては、ステンレス（ＳＵＳ）、黄銅、４２アロイなどの金属部材、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマーなどの樹脂部材を用いることができる。
【００３１】  外壁３を構成する天板部３１は、第１開口部１１１に近接する位置に吐出口３１１を有している。ここで、吐出口３１１とは、気体（ガス）を流出させる開口部のことを意味している。吐出口３１１は、例えば第１開口部１１１と同じかこれよりも大きな開口面積を有している。
【００３２】  枠体部３２は、天板部３１の外周部と接合されて天板部３１を支持している。図２に示す例では、枠体部３２の内面が段差形状になっているが、断面で見て厚みが高さ方向に沿って一定となっている形状でもよく内面に凹部を有する形状であってもよい。
【００３３】  また、図１に示す例では、枠体部３２の一部に配線部材５を挿通する挿通口３２１が設けられ、この挿通口３２１から外部に配線部材５を取り出しているが、この取り出し方についても特に限定はない。
【００３４】  外壁３（天板部３１）は、少なくともダイヤフラム１１との間に流体通路４を有するように設けられている。ここで、流体通路４とは、気体（ガス）が流れる通路のことを意味している。この流体通路４は、外壁３（天板部３１）と第１筐体１（ダイヤフラム１１）との間に所望の間隔を有するように外壁３を固定することによって形成される。例えば、外壁３の枠体部３２の内寸を、第１筐体１の枠体１３の外寸よりも大きく設定したうえで、第１筐体１の枠体１３の複数個所を高さ方向に突出させて天板部３１と接合したり、第１筐体１の枠体１３の複数個所を径方向（高さ方向に垂直な方向）に突出させて枠体部３２と接合したりすることによって、流体通路４を形成できる。
【００３５】  図１および図２に示す例では、外壁３は天板部３１および枠体部３２を備え、第１筐体１の枠体１３と外壁３の枠体部３２との間にも流体通路４を有している構成を示しているが、この構成に限定されず、枠体部３２を備えていない構成でもよい。
【００３６】  また、図１および図２に示す例では、第１筐体１の枠体１３と外壁３の枠体部３２との間の開放された端部（下端部）が気体の流入口となっているが、その他の形態もとり得る。例えば、外壁３が第１筐体１の全体を取り囲むように、さらに底板部を備える構成であってもよく、この場合は、枠体部３２または底板部に気体の流入口が設けられる。
【００３７】  そして、ダイヤフラム１１の振動に伴って薄板部１２が振動する。このように振動させるためには、薄板部１２がダイヤフラム１１よりも変形しやすく、振動しやすい構成とすればよい。例えば、薄板部１２の弾性率をダイヤフラム１１の弾性率よりも小さくしてもよく、薄板部１２の厚みをダイヤフラム１１の厚みよりも薄くしてもよい。
【００３８】  薄板部１２の厚みをダイヤフラム１１の厚みよりも薄くする場合、例えば、ダイヤフラム１１の厚みに対する薄板部１２の厚みを３０〜８０％と設定することができる。具体的には、ダイヤフラム１１の厚みを１００μｍとしたときに、薄板部１２の厚みを５０μｍ程度にすることができる。
【００３９】  このような構成によれば、圧電素子２の変位に伴うダイヤフラム１１の変位に加え、圧電素子２（貫通孔２１）の内側領域に位置するダイヤフラム１１の一部の重畳変位を誘発でき、更にダイヤフラム１１と対向する薄板部１２の振動を重畳させることができる。したがって、小型でかつ流体流量の増大化が可能な圧電ガスポンプを得ることができる。
【００４０】  ここで、図４および図５に示すように、ダイヤフラム１１は、当該ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置する領域の少なくとも一部が、薄板部１２の側または外壁３（天板部３１）の側に向けて突出していてもよい。なお、図４は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、外壁３（天板部３１）の側に向けてドーム状に突出している構成を示している。また、図５は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、薄板部１２の側に向けてドーム状に突出している構成を示している。
【００４１】  このような構成とすることで、ダイヤフラム１１の突出部が形状効果により変形し易くなるため、圧電素子２の貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の重畳変位を更に増大させることができ、流体流量の更なる増化が可能となる。
【００４２】  また、図６〜図１０に示すように、ダイヤフラム１１は、当該ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置する領域の少なくとも一部の厚みが、圧電素子２と重なる領域の厚みと異なっていてもよい。なお、図６は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、薄板部１２の側の面に設けられた凹みにより薄くなっている構成を示している。図７は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、薄板部１２の側の面に設けられた凸部により厚くなっている構成を示している。図８は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、薄板部１２の側の面および外壁３（天板部３１）の側の面の両方に設けられた凹部により薄くなっている構成を示している。図９は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、薄板部１２の側の面に設けられた凹みにより薄くなっているものであるが、図６に示すような凹みとそれ以外の部位との境界が段差状になっているのではなく、傾斜状になっている構成を示している。図１０は、ダイヤフラム１１に垂直な方向から見たときに貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の一部が、外壁３（天板部３１）の側の面の両方に設けられた環状の溝により薄くなっている構成を示している。
【００４３】  このような構成とすることで、厚みの減少による剛性の低下により、圧電素子２の貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の振幅を増大させたり、厚みの増加による質量負荷効果（運動エネルギーの増加）により圧電素子２の貫通孔２１の内側に位置するダイヤフラム１１の重畳変位を更に増大させたりすることができ、流体流量の更なる増化が可能となる。
【００４４】  次に、圧電ガスポンプの製造方法の一例について説明する。
【００４５】  まず、圧電素子２の圧電体を形成するためのチタン酸ジルコン酸鉛などの原料をボールミルなどで調合し、得られた混合原料を７００℃〜１２００℃で仮焼合成する。この仮焼合成原料をボールミルなどで粉砕し、成形用バインダーを添加後スプレードライヤーで顆粒を作製する。
【００４６】  得られた顆粒を用い、中心付近に軸ピンを有する成形金型でプレス成形することで貫通孔を有する成形体を作製する。この成形体を脱脂、焼成して得られた圧電体をラッピング等で所望の形状に加工し、表面電極ペーストを印刷後に５００℃〜８００℃で焼付けして表面電極を形成する。その後、３ｋＶ／ｍｍ程度の電圧を印加して、所望の圧電特性を有する圧電素子２を得る。
【００４７】  次に、打抜き加工などで所望の形状に加工した４２アロイを有するダイヤフラム１１に、例えば熱硬化型のエポキシ系接着剤を印刷し、圧電素子２を当接させながら８０℃〜２００℃で加熱することで、圧電素子２を有するダイヤフラム１１を得る。
【００４８】  また同様に、打抜き加工などで所望の形状に加工したＳＵＳを有する薄板部１２と、射出成形などで成形された内面に凸部１３１（段差形状）を有する枠体１３を準備し、枠体１３の一方端部および他方端部にそれぞれ設けた段差部に、例えばエポキシ系接着剤を塗布し、一方端部の段差部へダイヤフラム１１を組み込むとともに、他方端部の段差部へ薄板部１２を組み込み、加熱、硬化させることで第１筐体１を得る。
【００４９】  次に、外部からの電気信号を圧電素子２に入力するため配線部材５、例えば側面を樹脂で被覆されたリード線を準備する。そして、半田等の接合部材を用いて圧電素子２の表面電極とダイヤフラム１１とに配線部材５を電気的および機械的に接合する。
【００５０】  次に、第１筐体１を構成する枠体１３の高さ方向上端に設けた突出部または外面に設けた突出部にエポキシ系接着剤を塗布し、外壁３を構成する枠体部３２の内面に接合後、加熱、硬化させる。
【００５１】  なお、流体が移動可能な流体通路４は、枠体１３の高さ方向上端に設けた突出部の高さおよび天板部３１に設ける受け部との位置などを適切に設定することで構成できる。
【００５２】  次に、枠体部３２の一方端部に設けた段差部へ例えばエポキシ系接着剤を塗布し、第１筐体１を接合した天板部３１を組み込み、加熱、硬化させることで本開示の圧電ガスポンプが得られる。
【符号の説明】
【００５３】１  第１筐体１１  ダイヤフラム１１１  第１開口部１２  薄板部１３  枠体１３１  凸部２  圧電素子２１  貫通孔３  外壁３１  天板部３１１  吐出孔３２  枠体部
【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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