(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に変位可能に配置された中空円板状の圧電素子とを備えた流体移送装置であって、
上記圧電素子は、この圧電素子より大形でかつ弾性変形自在な振動板の中央部上面に貼り付けられ、上記圧電素子より外周側へ延びる振動板の外周部が上記基板に固定されており、
上記圧電素子には周方向に分割された複数の分割電極が形成されており、
上記分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加する電圧印加手段が設けられ、
上記分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加することにより、上記圧電素子を周方向に波打ち状に屈曲変形させ、上記振動板と基板との間に生成される中央部から外周部まで連通したポケット室を周方向に移動させることにより、遠心力を利用して中央部から外周方向に流体を移送することを特徴とする流体移送装置。
【請求項２】
上記複数の分割電極は、上記中空円板状の圧電素子の周方向に等角度で分割されたものであり、上記圧電素子を屈曲変形させる際に、全周での位相差は４π＋２ｎπ（ｎ＝０，１，２…）であり、等角度に分割された複数の分割電極に上記位相差が等配分されることを特徴とする請求項１に記載の流体移送装置。
【請求項３】
上記基板および振動板のいずれか一方の中心部に流体の流入口が形成され、上記基板および振動板のいずれか一方の外周部であってかつ上記基板と振動板との固定部より内側位置に流体の流出口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体移送装置。
【請求項４】
上記圧電素子は、分割された複数の分割電極と分割されていない全面電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【請求項５】
上記圧電素子は、分割された複数の第１の分割電極と、分割されかつ上記第１の分割電極に対して位相をずらして設けた複数の第２の分割電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【請求項６】
上記基板は上記圧電素子と振動板とで構成され、上記一対の圧電素子の対向する分割電極同士が同一位相となるように、上記分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加することにより、上記一対の圧電素子を屈曲変形させ、一対の圧電素子の間に生成されるポケット室を周方向に移動させることにより、中央部から外周方向に流体を移送することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体移送装置、例えば屈曲変形する圧電素子を用いた流体移送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコンなどの小型電子機器の冷却水輸送用ポンプや燃料電池の燃料輸送用ポンプなどに、圧電ポンプが用いられている。また、ＣＰＵ等の冷却用ファンに代わる送風用ポンプ、あるいは燃料電池で発電するのに必要な酸素を供給するための送風用ポンプとしても、圧電ポンプを用いることができる。圧電ポンプは、電圧印加により屈曲変形する圧電素子を用いたポンプであり、構造が簡単で、薄型に構成でき、かつ低消費電力であるという利点がある。
【０００３】
特許文献１には、低背で軸方向の空気流を発生する単一ファンブレードの圧電ファンが開示されている。この圧電ファンは、ハウジングの内部に、一端部だけで取り付けられたファンブレードを備え、このファンブレードに圧電素子が固定され、圧電素子によってファンブレードを屈曲させる。ファンブレードが屈曲すると、ハウジングに形成された内部空洞を通る軸方向空気流が生成される。
【０００４】
特許文献２には、簡素な構造で高い効率を有する圧電モータが開示されている。この圧電モータは、平行四辺形の恒弾性体を２枚の圧電セラミックスで挟んだステータと、ステータの平行四辺形の一辺に接する円柱状のロータを備え、ロータが羽根車の回転軸となっている。平行四辺形の圧電セラミックスを駆動すると、縦振動と屈曲振動が結合して平行四辺形の一辺に円運動又は楕円運動が生じ、その振動によってロータが回転する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１および２のいずれの場合も、吐出口及び吸入口が常に連通しており、吐出側から吸入側へ空気が漏れる構成となっており、逆流が生じたり、吐出圧力が低いという欠点がある。また、圧電素子以外にファンブレードやロータなどの部品を必要とするので、構造が大型になるという欠点がある。
【０００６】
特許文献３には、複数のピエゾ素子を平面状に円周方向に隔てて配置し、個々のピエゾ素子を電気的に接続し、これらピエゾ素子を非導電性の可撓性材料で一体的にモールドし、このモールド部の中央部に通孔およびこの通孔に一方向にのみ流体を流す逆止弁を設けたポンプ用ピエゾ振動子が開示されている。ところが、この構造の場合、予め個別に製造された複数のピエゾ素子を一体的にモールドしなければならないので、全体として大型になるとともに、各ピエゾ素子に電圧を印加したとき、中心部が一方に突出する状態と他方に突出する状態の間で板厚方向に振動するに過ぎないので、流体を移送するためには逆止弁が必要である。そのため、構造が複雑になるという問題がある。また、ピエゾ素子が板厚方向に往復振動するため、脈動を発生し、連続的な流体の流れを生成できないという問題がある。
【特許文献１】特表２０００−５１３０７０号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９８８０号公報
【特許文献３】実開昭６１−１３０７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、逆止弁がなくても流体を移送でき、構造が簡単かつ小型の流体移送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は、基板と、この基板上に変位可能に配置された中空円板状の圧電素子とを備えた流体移送装置であって、上記圧電素子は、この圧電素子より大形でかつ弾性変形自在な振動板の中央部上面に貼り付けられ、上記圧電素子より外周側へ延びる振動板の外周部が上記基板に固定されており、上記圧電素子には周方向に分割された複数の分割電極が形成されており、上記分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加する電圧印加手段が設けられ、上記分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加することにより、上記圧電素子を周方向に波打ち状に屈曲変形させ、上記振動板と基板との間に生成される中央部から外周部まで連通したポケット室を周方向に移動させることにより、遠心力を利用して中央部から外周方向に流体を移送することを特徴とする流体移送装置を提供する。
【０００９】
本発明は、遠心ファンの原理を利用して、圧電素子の中心部から外周方向に遠心力により流体を移送するものである。すなわち、基板上に周方向に分割された複数の分割電極を持つ中空円板状の圧電素子を配置する。圧電素子に電圧を印加しない状態では、基板と圧電素子とはほぼ隙間なく接触しているため、流入口と流出口との間が閉じられる。分割電極に周方向に順次位相をずらした電圧を印加すると、圧電素子には周方向に波打ち状の屈曲変形を生じる。そのため、圧電素子と基板との間にポケット室が生成され、このポケット室が高速で回転するため、その遠心力により、圧電素子の中心部から外周方向への流体の流れが発生する。この流体の流れは、従来の往復式ポンプと異なり脈動が殆どないので、流体を円滑かつ連続的に移送できる。圧電素子と基板との間に中心部から外周部まで流路（ポケット室）が導通しているので、容積型ポンプと比較して大きな流量が得られる。また、本発明は、流入口から吐出口に形成される流体が流れる流路（ポケット室）部分以外の部分は、圧電素子と基板とで周辺がシールされているので、吐出側から流入側へ流体が漏れにくい。これにより圧力を高く維持でき、周辺からの逆流を低減することができる。流体を抱え込んだポケット室を圧電素子自身でシールできるため、流体の漏れが少なく、ポケット室内の流体を確実に移送でき、高い吐出圧力を発生することができる。１枚の圧電素子に複数の分割電極を形成しただけであるため、構造が簡単で、小型・薄型に構成できる。
【００１０】
本発明の流体移送装置によって移送できる流体としては、液体でもよいし気体（例えば空気）でもよい。特に、圧電素子を高周波数で駆動する場合には、気体を用いるのがよい。空気の場合、半導体素子の冷却用ブロアや、燃料電池の空気極で発生する水を蒸発させる送風用ブロアなどの用途に用いることができる。
【００１１】
望ましい実施形態によれば、上記複数の分割電極は、上記中空円板状の圧電素子の周方向に等角度で分割されたものであり、圧電素子を屈曲変形させる際に、全周での位相差を４π＋２ｎπ（ｎ＝０，１，２…）とし、等角度に分割された複数の分割電極に上記位相差を等配分するのがよい。この場合には、圧電素子の変形が軸対称変形になるので、駆動に伴って圧電素子に傾きが発生しない。また、駆動に伴って、凸変形部分と凹変形部分の変位差がほぼ一定に維持されるため、圧電素子全体の重心移動がほとんど発生しないような支持が可能であり、振動が抑えられる。
【００１２】
好ましい実施の形態によれば、圧電素子を、この圧電素子より大形でかつ弾性変形自在な振動板の中央部上面に貼り付け、圧電素子より外周側へ延びる振動板の外周部を基板に固定した構造とするのがよい。基板上に圧電素子を直接配置することも可能であるが、圧電素子が放射方向の稜線を持つように屈曲変形する場合は、圧電素子の外周部や内周部を基板に固定することができず、圧電素子を安定に保持することが難しい。これに対し、圧電素子を弾性変形自在な振動板の上に貼り付け、この振動板の外周部を基板に固定すれば、圧電素子の変形を許容しながら基板に対して安定に取り付けることができる。振動板としては薄肉な金属板でもよいし、樹脂板でもよい。
【００１３】
好ましい実施の形態によれば、基板および振動板のいずれか一方の中心部に流体の流入口を形成し、基板および振動板のいずれか一方の外周部であってかつ基板と振動板との固定部より内側位置に流体の流出口を形成するのがよい。上記のように圧電素子を振動板の上に貼り付け、振動板の外周部を基板に固定した構造の場合に、基板および振動板のいずれか一方の中心部に流体の流入口を形成し、基板および振動板のいずれか一方の外周部に流体の流出口を形成することで、圧電素子に孔を設ける必要がなく、圧電素子が効率よく変形できる。
【００１４】
圧電素子としてはバイモルフ構造の積層型圧電素子を用いてもよいし、単板構造の圧電素子を用いてもよい。積層構造の圧電素子の場合、分割された複数の分割電極と分割されていない全面電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものでもよいし、複数の第１の分割電極と、第１の分割電極に対して位相をずらして設けた複数の第２の分割電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものでもよい。前者の場合には、一方の電極をべた電極（全面電極）にできるため、電極パターンが一種類で済む。後者の場合には、前者に比べて１面当たりの分極電極の数を少なくでき、各分割電極に印加される電圧を低くできるという利点がある。単板構造の圧電素子の場合、それ自身では屈曲変形しないので、金属板などの振動板の上に貼り付けてユニモルフ構造とすればよい。
【００１５】
上記説明では、固定された基板に対して圧電素子を変位可能に配置したが、基板として圧電素子を用いてもよい。すなわち、２枚の円板状圧電素子を対向して配置し、これら圧電素子を対称的に屈曲変位させるようにしてもよい。この場合には、ポケット室の容積が２倍になるので、流体の吐出圧力だけでなく、吐出流量も増大させることが可能になる。なお、２枚の圧電素子だけで流体移送装置を構成してもよいが、各圧電素子を振動板に貼り付け、これら振動板の外周部同士を接着することで、流体移送装置を構成する方がよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、基板上に周方向に複数の分割電極が形成された中空円板状の圧電素子を配置し、各分割電極に周方向に順次異なる位相の電圧を印加するようにしたので、圧電素子が周方向に波うち状の屈曲変形をする。そして、圧電素子と基板との間に生成されるポケット室が周方向に回転して、遠心力により中央部から外周方向に流体を移送するので、脈動が少なく連続的に流体を移送できる。圧電素子に印加する周波数を調整することで、流体の性質に応じた遠心力を得ることができ、流量増大を図ることができる。また、本流体移送装置は１つの円板状圧電素子と基板とで構成され、逆止弁も不要であるので、構造が簡単になり、小型・薄型化できる。さらに、非駆動時には圧電素子が平板状となり、流入口と流出口との間の流路を閉じるので、非駆動時の流体の漏れを無くすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１〜図３は本発明にかかる流体移送装置の第１実施例を示し、ここでは空気供給用マイクロブロアとして用いた例を示す。図１は本実施例のマイクロブロアＡの全体斜視図、図２はその分解斜視図、図３は図１のIII −III 線断面図である。
【００１９】
本実施例のマイクロブロアＡは、固定板である基板１０と、その上に変位自在に配置された円板状の振動板２０と、振動板２０の上面に貼り付けられた中空円板状（円環状）の圧電素子３０とで構成されている。振動板２０の外周部全周が接着剤１１（図２に斜線で示す）により基板１０に固定されている。なお、接着に代えてカシメ、溶接、ネジ止め、ろう付等にて固定してもよい。基板１０と振動板２０とが同一直径の円板で構成され、圧電素子３０は振動板２０より小径に設定されている。基板１０は、剛性のある金属板または樹脂板などよりなり、振動板２０と接する上面が平面の板材で構成されている。接着剤１１が塗布された外周部よりやや内径側の基板１０の部位には複数の流出口１２が形成されている。この実施例では、流出口１２が複数の円弧状スリット穴で形成されているが、単一の穴でもよく、形状はスリット状に限らず丸穴でもよい。振動板２０は基板１０より薄肉な金属板または樹脂シートよりなり、圧電素子３０の屈曲変形に追従して変形できる弾性体がよい。振動板２０の中心部には流入穴２１が形成されている。なお、流入口２１を基板１０の中心部に設けてもよい。圧電素子３０の外径寸法は接着剤１１の塗布領域より小さく、圧電素子３０の変位が接着剤１１によって拘束されないようにしてある。この実施例では、圧電素子３０の外周縁が流出口１２より内径側に位置しているが、流出口１２より外径側に位置していてもよい。圧電素子３０の中心部には、振動板２０の流入穴２１より大径な開口部３４が形成されている。
【００２０】
図４，図５は圧電素子３０の断面構造およびその電極構造を示す。図４，図５に示すように、圧電素子３０は２層の圧電体層３１ａ，３１ｂを全面電極３２を間にして積層したものであり、２層の圧電体層３１ａ，３１ｂは、矢印Ｐで示すように全領域にわたって同一方向に分極されている。表裏の主面には幅狭なギャップ部を介して周方向に８分割された分割電極３３ａ〜３３ｈが形成されている。分割電極３３ａ〜３３ｈは４５°ピッチで形成されている。８個の分割電極３３ａ〜３３ｈのうち、対角位置にある分割電極同士が相互に接続され、かつ表裏対向する分割電極同士が相互に接続されて電圧印加手段１と接続されている。そのため、図５では、分割電極３３ａと３３ｅに電圧印加手段１から電圧Ｅ１が印加され、分割電極３３ｂと３３ｆに電圧Ｅ２が印加され、分割電極３３ｃと３３ｇに電圧Ｅ３が印加され、分割電極３３ｄと３３ｈに電圧Ｅ４が印加される。全面電極３２はグランドつまり０ｖに接続されている。
【００２１】
図６は圧電素子３０の８個に分割された１つの領域３０ａに電圧を印加した時の変形の一例を示す。分割電極と全面電極との間に一方向の電圧を印加すると、図６の（ａ）のように上向きにかつ放射方向（半径方向）の稜線を持つように変形し、電圧印加を中止すると図６の（ｂ）のように平坦状になり、逆方向の電圧を印加すると、図６の（ｃ）のように下向きにかつ放射方向（半径方向）の稜線を持つように変形する。このように圧電素子３０の各部分がバイモルフとして駆動されるため、圧電素子３０が貼り付けられた振動板２０も圧電素子３０に追従して変形する。なお、圧電素子３０は積層されたバイモルフ構造に限る必要はなく、図５に示すような分割電極パターンを一面に、全面電極パターンを他面にそれぞれ形成した単板圧電素子を振動板２０に接着したユニモルフ構造であってもよい。
【００２２】
図７は、電圧印加手段１から各分割電極に印加される電圧Ｅ１〜Ｅ４の振幅および位相を示す。図７から明らかなように、各分割電極には位相がπ／２異なり振幅が等しい正弦波電圧Ｅ１〜Ｅ４が印加される。隣の分割電極に対して位相がπ／２進んだ正弦波の電界を印加することにより、圧電素子３０の対角位置にある領域には同一の電界が印加され、それらの領域では同一の変形が実現される。
【００２３】
図８は、図５及び図７に示されるように圧電素子に電圧を印加した場合のある瞬間の各領域の変位方向を＋，０，−で表したものである。＋方向を紙面表方向とすると、−方向は紙面裏方向となる。対角位置の２つの領域が＋方向に最大限屈曲した場合、それと直交する２つの領域では−方向に最大限屈曲し、その間の４つの領域は上記両方向の変形を中和するように変形する。このような変形が周回しながら連続的に発生する。
【００２４】
図２のように、圧電素子３０を貼り付けた振動板２０とを基板１０と組み合わせた場合、振動板２０が圧電素子３０に追従して変形するので、振動板２０と基板１０とが対角の２か所で接触し、それと直角な方向では、基板１０と振動板２０が最も大きく離間し、ポケット室Ｓ（図３の（ｂ）参照）が形成される。印加電圧の位相を変化させると、接触箇所は回転し、印加電圧の位相が２πｒａｄ変化すると、接触箇所はπｒａｄ回転する。印加電圧の角速度を大きくし、接触箇所の回転角速度を大きくしていくと、基板１０と振動板２０との間のポケット室Ｓに挟まれた空気は、遠心力により、中心から外周に向かって流れるようになる。そのため、振動板２０の中心部に設けた流入口２１から流体が吸い込まれ、基板１０の外周部に設けた流出口１２から排出することができる。この流れは、往復駆動式の従来のポンプとは異なり、殆ど脈動を発生させず、連続的な流れを生成できる。また、分割電極数を８個とし、隣合う電極の位相差をπ／２としているので、対角の２箇所で必ず基板１０と接触し、駆動に伴って傾きが発生しない。しかも、圧電素子全体の重心移動がほとんど発生しないので、遠心ファンとして安定した送風性能を達成できる。なお、上記実施例のように圧電素子３０を振動板２０によって基板１０に弾性保持した場合には、分割電極数および電圧位相が上記のような設定でなくても、圧電素子３０が傾くことがない。
【００２５】
上記実施例では、分割電極数を８個としたため、ある瞬間の＋方向に最大限屈曲した領域と、−方向に最大限屈曲した領域とが直交する位置となったが、分割電極数によっては、必ずしも＋方向に最大限屈曲した領域と−方向に最大限屈曲した領域とが直交する位置に存在するわけではない。また、分割電極数を８個としたが、例えば分割電極数１２個とし、隣合う電極の位相差をπ／２とした場合には、周方向の３箇所で基板１０に接触するので、圧電素子３０がより安定した姿勢で変形できる。なお、分割電極数は任意に増大させることができるが、例えば隣合う電極の位相差をπ／２とした場合には、分割電極数を４の倍数（８以上）とするのがよい。
【実施例２】
【００２６】
図９は本発明の第２実施例を示す。この実施例では、第１実施例とは異なり、圧電素子３０の分割電極として２種類の異なるパターンを使用している。すなわち、図９の（ａ）に示すように、９０°ピッチで分割された第１の分割電極パターン３５ａ〜３５ｄと、図９の（ｂ）に示すように、９０°ピッチで分割され、第１の分割電極パターンに対して位相をπ／４ずらして設けた第２の分割電極パターン３６ａ〜３６ｄとを、圧電体層を間にして交互に積層したものである。図９において、ｅ１〜ｅ４は各分割電極に印加される電圧を示す。
【００２７】
図１０は分割電極に印加される電圧ｅ１〜ｅ４の振幅および位相を示す。図１０に示すように、各分割電極には位相がπ／２異なり振幅が等しい正弦波電圧ｅ１〜ｅ４が印加されるため、圧電素子３０には第１実施例と同様な変位が発生する。第１実施例では、分割電極３３ａ〜３３ｅと全面電極３２（０ｖ）との間にπ／２ずつ位相をずらした電圧Ｅ１〜Ｅ４を印加したが、第２実施例では圧電体層を挟んで対向する分割電極間にπ／２ずつ位相をずらした電圧ｅ１〜ｅ４を印加するので、電圧ｅ１〜ｅ４の振幅を電圧Ｅ１〜Ｅ４に比べて低くすることができる。また、一面に形成される分割電極の数が第１実施例に比べて少なくなる、換言すれば分割電極を仕切るギャップ部の数を少なくできるので、圧電素子３０を効果的に屈曲させることができる。
【実施例３】
【００２８】
図１１は本発明の第３実施例の圧電マイクロブロアＢを示す。第１，第２実施例では、固定平板である基板の上に圧電素子を対向して配置した例を示したが、この実施例は２枚の圧電素子４０，５０を対向して配置したものである。この例では、圧電素子４０，５０をそれぞれ振動板４１，５１の上に貼り付け、振動板４１，５１の外周部同士を接着してある。一方の振動板４１の中心部に流入穴４２を設け、他方の振動板５１の外周部に流出孔５２を設けた場合には、圧電マイクロブロアＢの表側の中心部から流体を吸い込み、裏側の周辺部から流体を吐出することができる。この場合には、一対の圧電素子４０，５０の対向する部分が対称的に変位するように電圧を印加することにより、流体を抱え込むポケット部の体積を固定平板を用いた場合に比べて２倍にできるので、流量が増加するという利点がある。
【００２９】
上記実施例では、圧電素子を振動板に貼り付けたものを基板上に配置したが、振動板を省略して基板上に直接配置してもよい。但し、その場合には、圧電素子が基板上で移動しないように、何らかの与圧手段によって保持しておく必要がある。
上記実施例では、圧電素子として２層の圧電体層を積層した構造について説明したが、３層以上の圧電体層を積層したものでもよい。薄層化して多数積層した場合には、印加電圧をさらに下げることができる。
また、積層構造とは、単層構造の圧電体を焼成し、表裏面に電極を形成した後、相互に接着したものでもよいし、電極を形成した複数のセラミックグリーンシートを積層し、その後で焼成したものでもよい。積層構造の場合、積層された各圧電体層の分極方向は同一方向に限らず、それぞれの屈曲領域がバイモルフとして駆動するように、適切な方向に分極すればよい。
上記実施例では、本流体移送装置を空気のような圧縮性流体の移送用マイクロブロアとして用いた例を示したが、液体のような非圧縮性流体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施例の圧電マイクロブロアの全体斜視図である。
【図２】図１に示す圧電マイクロブロアの分解斜視図である。
【図３】図１の静止時のIII −III 線断面図および駆動時のIII −III 線断面図である。
【図４】図１に示す圧電マイクロブロアに用いられる圧電素子の断面である。
【図５】図４に示す圧電素子の電極パターンおよび配線図である。
【図６】図４に示す圧電素子の一つの領域の屈曲変形を示す図である。
【図７】図４に示す圧電素子に印加される各電圧の位相を示す図である。
【図８】図４に示す圧電素子の各領域の変位方向を示す平面図である。
【図９】圧電素子の電極パターンの第２実施例を示す図である。
【図１０】図９に示す圧電素子に印加される各電圧の位相を示す図である。
【図１１】圧電素子の第３実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ａ，Ｂ        圧電マイクロブロア
１            電圧印加手段
１０          基板（固定板）
１１          接着部
１２          流出口
２０          振動板
２１          流入口
３０          圧電素子
３１ａ，３１ｂ  圧電体層
３２          全面電極
３３ａ〜３３ｈ  分割電極
３５ａ〜３５ｄ，３６ａ〜３６ｄ  分割電極
【図１】
0005104097.tif 000002
【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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【図１１】
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