(57)【要約】  第１主面に圧電体を有する振動板（７）と、第１主面と逆側の振動板の第２主面に対向し、第１開口部（３１ｄ）を有する天板（３１）と、天板と振動板との間の空間を囲むように、天板の外周部に接続される側壁（１１）とを備えるカバー（１０）と、側壁に接続され、振動板の外周を支持する支持部（９）と、振動板の第２主面と天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、側壁と振動板との間に形成された第２開口部（１７）と、を備え、振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板の位置と対向して、天板の第１開口部が位置する、ポンプである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面に圧電体を有する振動板と、  前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板と、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁とを備えるカバーと、  前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、  前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、  前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する、  ポンプ。
【請求項２】
前記振動板は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、  前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の外周縁よりも前記振動板の振動の節となる位置に近い、  請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の振動の節となる位置よりも内側に位置する、  請求項１または２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記振動板は円形であって、前記振動板の中央部と外周縁において逆位相で振動し、  前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置は、前記振動板の中心から前記振動板の半径の４５％以上８１％以下の位置である、  請求項１に記載のポンプ。
【請求項５】
前記支持部は、前記振動板の外周縁に沿った梁形状を有する、  請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項６】
前記支持部は、前記振動板よりも可撓性が高い、  請求項１から５のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項７】
前記支持部は、前記振動板の外周全体と接続する、  請求項１から４のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項８】
前記支持部は、前記振動板よりも薄い、  請求項６または７に記載のポンプ。
【請求項９】
前記振動板は、金属製であり、  前記支持部は、樹脂製である、  請求項６または７に記載のポンプ。
【請求項１０】
一方が前記振動板の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体を備える、  請求項１から９のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項１１】
前記天板の前記第１開口部の外側に凹部を有する、  請求項１から１０のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項１２】
前記天板の中央部の前記振動板側に窪み部を有する、  請求項１から１１のいずれか１つに記載のポンプ。
【請求項１３】
前記振動板と前記圧電体とに挟まれた補助板を備える、  請求項１から１２のいずれか１つに記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ポンプに関し、特に圧電体を備えるポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、圧電体を備えるポンプが気体や液体などの流体の吸引装置または加圧装置として用いられている。ポンプには、ポンプ室への吸気口又は排気口を閉じる弁体の機能を振動板の振動により少なくとも部分的に実現するポンプがある。【０００３】  例えば、特許文献１には、弁体を備えないポンプが記載されている。ポンプは、圧電体が貼り付けられた振動板の振動により吸排気を実施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１７７３３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、振動板の振動により弁体の機能を少なくとも部分的に実現するポンプにおいて、充分なポンプ流量またはポンプ圧力を得ることができないので、ポンプの充分な仕事量を得ることができない問題がある。【０００６】  したがって、本発明の目的は、圧電体を備えるポンプにおいて、仕事量を向上させたポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、第１主面に圧電体を有する振動板と、前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板及び、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁を備えるカバーと、前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する、ポンプである。
【発明の効果】
【０００８】  本発明に係るポンプによれば、圧電体を備えるポンプにおいて、ポンプの仕事量を向上させたポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１におけるポンプの模式的断面図
【図２】振動板の振動特性を示す説明図
【図３】ポンプの分解斜視図
【図４】実施形態１における天板の底面図
【図５】振動ユニットの平面図
【図６Ａ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｂ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｃ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｄ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｅ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｆ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｇ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図６Ｈ】ポンプが動作中の振動板の変位を示す説明図
【図７】比較例１のポンプの模式的断面図
【図８】比較例２のポンプの模式的断面図
【図９】実施形態２におけるポンプの模式的断面図
【図１０Ａ】実施形態３におけるポンプの模式的断面図
【図１０Ｂ】実施形態３におけるポンプの模式的断面図
【図１１Ａ】実施形態４におけるポンプの模式的断面図
【図１１Ｂ】実施形態４におけるポンプの模式的断面図
【図１２】変形例における振動ユニットの平面図
【図１３】変形例における振動ユニットの平面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】  本発明の一態様のポンプは、第１主面に圧電体を有する振動板と、前記第１主面と逆側の前記振動板の第２主面に対向し、第１開口部を有する天板及び、前記天板と前記振動板との間の空間を囲むように、前記天板の外周部に接続される側壁を備えるカバーと、前記側壁に接続され、前記振動板の外周を支持する支持部と、前記振動板の第２主面と前記天板の主面とが対向する向きに直交する方向に断面視して、前記側壁と前記振動板との間に形成された第２開口部と、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置と対向して、前記天板の第１開口部が位置する。
【００１１】  このような構成によれば、振動板の外周縁は変位が大きいので振動板の外周縁を流れる流体の速さが速い。これに対して、振動板の外周縁の変位量よりも小さい変位量の振動板の位置では、外周縁に比べて流れる流体の速さが遅い。したがって、振動板の外周縁と、外周縁よりも変位量の小さい位置とでは、静圧差があり、外周縁の方が静圧が低い。天板の開口部は、振動板の外周縁よりも変位量の小さい位置と対向しているので、天板の開口部よりも振動板の外周縁の方が静圧が低く、天板の開口部から振動板の外周縁に向けて外向きの流量が生じる。これにより、ポンプの仕事量を向上させることができる。
【００１２】  また、前記振動板は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の外周縁よりも前記振動板の振動の節となる位置に近くてもよい。このような構成によれば、振動板は中央部と外周縁において逆位相で振動するので、中央部と外周縁との間に振動しない節となる部分が存在する。この節となる部分は、振動板の変位量がほぼゼロとなるので、流体の速さが最も遅くなる。したがって、天板の開口部が振動板の外周縁よりも振動の節となる位置に近いので、天板の開口部と振動板の外周縁との間に大きな静圧差を発生させることができ、天板の開口部から振動板の外周縁に向けて外向きの流量を増やすことができる。
【００１３】  また、前記天板の前記第１開口部は、前記振動板の振動の節となる位置よりも内側に位置してもよい。このような構成によれば、天板の開口部と振動板の外周縁との距離が長いため、高い圧力特性が得られる。
【００１４】  また、前記振動板は円形であって、前記振動板の中央部と外周縁において逆位相で振動し、前記振動板の外周縁における変位量よりも小さい変位量の前記振動板の位置は、前記振動板の中心ＣＬから前記振動板の半径の４５％以上８１％以下の位置であってもよい。このような構成によれば、天板の開口部が、第１種ベッセル関数において節の近傍に位置するので、大きな静圧差を発生させることができる。
【００１５】  また、前記支持部は、前記振動板の外周縁に沿った梁形状を有してもよい。このような構成によれば、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
【００１６】  また、前記支持部は、前記振動板よりも可撓性が高くてもよい。このような構成によれば、振動板の外周縁の変位量が増大するので、逆流抑制効果を高めることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を高くすることができる。
【００１７】  また、前記支持部は、前記振動板の外周全体と接続してもよい。このような構成によれば、振動板と支持部との接続強度を向上させることができるので、支持部の耐久性を向上することができる。
【００１８】  また、前記支持部は、前記振動板よりも薄くてもよい。このような構成によれば、例えば、支持部と振動板とが同一の材質であっても、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
【００１９】  また、前記振動板は、金属製であり、前記支持部は、樹脂製であってもよい。このような構成によれば、支持部の可撓性を振動板よりも好適に高くすることができる。
【００２０】  また、一方が前記振動板の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体を備えてもよい。このような構成によれば、弁体の他方が開放端であるので、支持部の開口から流体の逆流が発生した場合、弁体の開放端が天板に向けて起立することにより、天板の開口部から支持部の開口への流路を狭くすることができる。したがって、流体の逆流に対して流路抵抗を増すことができるので、流体の逆流を弁体により低減することができる。また、天板の開口部から支持部の開口へ流体が流れる場合は、弁体の他方は天板から離れているので、流体の流れを妨げることがない。
【００２１】  また、前記天板の前記第１開口部の外側に凹部を有してもよい。このような構成によれば、開口部の内側の気流を乱すことなく、外部から天板の開口部に流れる流体の空気抵抗を低減することができる。
【００２２】  また、前記天板の中央部の前記振動板側に窪み部を有してもよい。このような構成によれば、振動変位が最大となる振動板の中央部において振動板と天板との間隔が他の箇所よりも長いので空気抵抗を低減し、振動変位を増大することができる。この結果、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
【００２３】  また、前記振動板と前記圧電体とに挟まれた補助板を備えてもよい。このような構成によれば、振動板の振動をより増幅することができる。この結果、静圧差を大きくすることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
【００２４】  以下、本発明に係るポンプについて、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同じ機能、構成を有する部材については同一の符号を付して、明細書においてはその説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
【００２５】  なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、本発明がこの構成に限定されるものではない。また、以下の実施の形態において具体的に示される数値、形状、構成、ステップ、ステップの順序などは、一例を示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、全ての実施の形態において、各変形例における構成も同様であり、各変形例に記載した構成をそれぞれ組み合わせてもよい。
【００２６】  （実施形態１）  最初に、図１を参照して実施形態１におけるポンプ１の構造について概略的に説明する。図１は、実施形態１におけるポンプ１の模式的断面図である。なお、以下の説明では、ポンプ１により流れる流体として空気を例に説明するが、これに限らず、流体は、空気以外の気体でもよいし、液体でもよい。
【００２７】  ポンプ１は、圧電体３と、振動板７と、振動板７を振動可能に支持する支持部９と、振動板７との間の空間を囲むカバー１０を備える。カバー１０は、支持部９の外端が接続される側壁１１と、側壁１１の上端と接続される天板３１と、を備える。
【００２８】  圧電体３は、圧電材料からなる薄板の両主面に電極を設けて構成されている。圧電体３は、上下主面それぞれの略全面に図示しない電極膜が設けられている。圧電体３は、円板状であり、振動板７の中央部の下面に貼り付けられている。
【００２９】  振動板７は、例えば、ＳＵＳ３０１のような金属製である。振動板７はその第１主面７ａに圧電体３が接続されている。圧電体３の上下主面それぞれの電極膜間に、外部電源からの例えば２０ｋＨｚ程度の矩形波や正弦波状の駆動電圧が印加されることにより、振動板７及び圧電体３には、主面法線方向を振幅方向とする屈曲振動が主面中心から外周にかけて回転対称形（同心円状）に生じる。
【００３０】  天板３１は、振動板７と対向する第１主面３１ａと、第１主面３１ａと反対側の第２主面３１ｂと、第２主面３１ｂ側に形成された環状の凹部３１ｃと、凹部３１ｃの底面からポンプ室１５へ貫通する、環状に並べられた複数の第１開口部３１ｄとを有する。また、天板３１は、第１主面３１ａ側の中央部に第２主面３１ｂ方向に窪んだ円筒状の窪み部３１ｅを有する。天板３１は対称点３１ｆを有する点対称形状であり、対称点３１ｆには第１開口部３１ｄが位置していない。対称点３１ｆは、天板３１における振動板７の中心ＣＬに対向する位置であり、例えば、天板３１の中心である。なお、図１は、天板３１の第１主面３１ａと振動板７の第２主面３１ｂとが対向する向きに直交する方向から断面視した図である。
【００３１】  側壁１１は、天板３１の振動板７側のポンプ室１５を囲むように天板３１の外周部に接続される。側壁１１は、例えば、円筒形状を有する。したがって、カバー１０は、第１主面３１ａと逆側の振動板７の面に対向し、第１開口部３１ｄを有するとともに、支持部９を介して振動板７の外周部に接続される。なお、天板３１と側壁１１とは、それぞれ別部材としてカバー１０を構成してもよいし、一体物としてカバー１０を構成してもよい。
【００３２】  振動板７と側壁１１との間には、ポンプ室１５と圧電体３側の外部空間とを連通する第２開口部１７を有する。これにより、天板３１の第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ吸引された空気は、第２開口部１７から排出される。
【００３３】  次に、図１及び図２を参照して、振動板７の半径Ｒｄと、ポンプ１及び振動板７の中心ＣＬから天板３１の第１開口部３１ｄまでの距離Ｒｓと、振動板７の中心ＣＬから振動板７の振動時の節Ｎｄまでの距離Ｒｖとの関係を説明する。図２は、振動板７の振動特性を説明する説明図である。図２において、振動板７の下方への変位をプラスとし、上方への変位をマイナスとする。
【００３４】  天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の位置と対向して位置する。平面視で、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の範囲Ｒｐ１内に天板３１の第１開口部３１ｄが形成されている。より、具体的には、ポンプ室１５の中心（振動板７の中心ＣＬ）から半径Ｒｄの６３％±１８％の距離Ｒｖ内に形成されている。ポンプ室１５内の圧力分布は、第１種ベッセル関数に従うと推測されるので、ポンプ室１５の中心から距離Ｒｖの範囲は、ポンプ室１５の圧力分布の節に近い。なお、振動板７の振動の節Ｎｄの位置とポンプ室１５の圧力変化の節の位置とは一致すると推測される。したがって、第１開口部３１ｄから流体漏れが生じず、高いポンプ流量及びポンプ圧力を得ることができる。
【００３５】  また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも第１、第２主面７ａ、７ｂに沿う方向において外側の範囲Ｒｐ２に位置してもよい。天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄから振動の腹となる振動板７の外周縁の間に形成される。言い換えると、振動板７の変位の符号と振動板７の変位を微分した値の符号とが一致する範囲内に天板３１の第１開口部３１ｄが位置する。
【００３６】  また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁における変位量Ｄｐよりも小さい変位量の振動板７の位置であって、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも、第１、第２主面７ａ、７ｂに沿う方向において内側の範囲Ｒｐ３に位置してもよい。この場合、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁の距離が長いので、高い圧力特性を得ることができる。
【００３７】  次に、実施形態１におけるポンプ１の具体構成例について、図３〜図５を参照して、さらに詳細に説明する。図３は、ポンプ１の分解斜視図である。図４は、振動板７側から見た天板３１および側壁１１の平面図である。図５は、振動ユニット２３の平面図である。
【００３８】  ポンプ１は、複数の板状部材である、圧電体３、補助板５、振動ユニット２３、側壁板２１、及び、天板３１を、順に積層して構成されている。ポンプ１の全体の厚みは、例えば、１ｍｍ程度の低背な構成である。
【００３９】  補助板５は、圧電体３と振動板７との間に配置されている。補助板５の上面は振動板７の中央部の下面に貼り付けられている。なお、ポンプ１は、補助板５を備えない構成でもよい。
【００４０】  側壁板２１は、ポンプ室１５を形成する円状の開口２１ａと開口２１ａの周囲を囲む側壁部１１ａを有する。
【００４１】  振動ユニット２３は、振動板７、支持部９、側壁部１１ｂ、及び、第２開口部１７を有する。振動板７は、例えば、平面視で円形状であり、振動ユニット２３の中央に配置されている。なお、振動板７の形状は円形状に限られず、矩形でもよい。側壁部１１ｂは、平面視で枠状であり、振動板７の周囲に配置されている。支持部９は、振動板７の外周縁に沿って延びる梁形状の梁部２５を有し、振動板７と側壁部１１ｂとを連結する。振動板７は、その中心ＣＬが天板３１の窪み部３１ｅと対向するように配置されている。側壁板２１の側壁部１１ａと振動ユニット２３の側壁部１１ｂとで側壁１１を構成する。
【００４２】  支持部９は、振動ユニット２３に３つ以上の複数個設けられ、それぞれの支持部９が間隔を空けて設けられている。支持部９は、梁形状の梁部２５と、振動板７の半径方向に延び、梁部２５と振動板７とを接続する第１連結部２７と、振動板７の半径方向に延び、梁部２５と側壁部１１ｂとを接続する第２連結部２９とを備える。第１連結部２７は、９０°間隔で配置されている。このように、支持部９は長い矩形の梁部２５を有するので、振動板７より可撓性が高い形状に形成されており、振動板７の外周縁は振動可能である。なお、支持部９が振動板７よりも可撓性を高くするために、支持部９の厚みが振動板７の厚みよりも薄くしてもよいし、支持部９が振動板７よりも曲がりやすい材質でもよい。
【００４３】  第２開口部１７は、振動板７と側壁部１１ｂとの間に形成された第１貫通孔１７ａと、梁部２５と側壁部１１ｂとの間に形成された第２貫通孔１７ｂとを有する。第１貫通孔１７ａは、振動板７の外周縁に沿って形成されている。第２貫通孔１７ｂは、梁部２５に沿って形成されている。振動ユニット２３において、第１貫通孔１７ａ及び第２貫通孔１７ｂは、共に積層方向に貫通している。
【００４４】  振動板７は、例えば、直径１３ｍｍで厚さが０．５ｍｍである。圧電体３は、例えば、直径１１ｍｍで厚さが０．０５ｍｍである。天板３１は、例えば、直径１７ｍｍで厚さが０．２５ｍｍである。中央部における振動板７と天板３１との間隔は、例えば、０．１５ｍｍである。
【００４５】  次に、ポンプ１の駆動について、図６Ａ〜図６Ｈを参照して説明する。図６Ａ〜図６Ｈはポンプ１が動作中の振動板の変位を示す説明図である。ポンプ１では、外部接続端子（図示省略）に交流の駆動電圧が印加されると、圧電体３が面内方向に等方的に伸縮しようとして、圧電体３と振動板７との積層体に厚み方向の屈曲振動が同心円状に生じる。この屈曲振動では、側壁部１１ｂが固定部となり、振動板７の中心ＣＬが第１の振動の腹となり、振動板７の外周縁が第２の振動の腹となる。振動板７の中心ＣＬと振動板７の外周縁とは逆方向の振動となる。
【００４６】  図６Ａは、振動板７の外周縁が天板３１に最も接近している状態である。次に、図６Ｂに示すように、振動板７の外周縁が天板３１から少し離れると、第２開口部１７から振動板７の外周縁へと空気が流入する。その流入空気の風速分、振動板７の外周縁における静圧が下がり、第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ空気が流入する。図６Ｃは振動板７の外周縁が天板３１から離れて振動板７と天板３１とが略平行になった状態であり、図６Ｄは振動板７の外周縁がさらに天板３１から離れた状態である。図６Ｃ、図６Ｄのポンプ室１５の状態も図６Ｂの状態と同様である。したがって、図６Ｃ、図６Ｄの状態においても、第２開口部１７から振動板７の外周縁へと空気が流入する。
【００４７】  次に、図６Ｅのように、振動板７の外周縁が天板３１に最も離れた状態に至った後、図６Ｆのように、振動板７の外周縁が天板３１へ少し接近すると、振動板７の外周縁から第２開口部１７へと空気が排出される。その排出空気の風速分、振動板７の外周縁における静圧が下がり、第１開口部３１ｄからポンプ室１５へ空気が流入する。図６Ｇは振動板７の外周縁が天板３１へ接近して振動板７が天板３１と略平行になった状態であり、図６Ｈは、振動板７の外周縁が天板３１へさらに接近した状態であるが、図６Ｇ、図６Ｈのポンプ室１５の状態も同様である。したがって、図６Ｇ、図６Ｈの状態においても、振動板７の外周縁から第２開口部１７へと空気が排出される。
【００４８】  以上のように、図６Ａから図６Ｈに至り、さらに図６Ａに戻るサイクルを繰り返す過程で、第１開口部３１ｄからは空気が流入する。第２開口部１７からは、図６Ｂから図６Ｄの過程では空気が流入し、図６Ｆから図６Ｈの過程では空気が排出されるが、第１開口部３１ｄから空気が流入するため、図６Ｆから図６Ｈの過程での空気の排出量の方が、図６Ｂから図６Ｄの過程での空気の流入量より多い。したがって、図６Ａから図６Ｈに至り、さらに図６Ａに戻るサイクルの繰り返しにより、第１開口部３１ｄから空気が流入し、第２開口部１７から空気が排出される。
【００４９】  次に、図７、図８を参照して、上述した実施形態によるポンプの効果を説明する。図７、図８は、比較例１、２におけるポンプの模式断面図を示す。図７に示すポンプ１Ａは、天板３１の中央部に第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ａにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。また、図８に示すポンプ１Ｂは、実施形態１のポンプ１Ａにおいて、天板３１の中央部にも第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ｂにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。
【００５０】  実施形態１において、振動板７の振動の節Ｎｄの位置に対向して天板３１の第１開口部３１ｄが設けられ、補助板５を備えるポンプ１のポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が１．１９Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０．４ｋＰａである。
【００５１】  また、図７に示す、比較例１のポンプ１Ａのポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が０．０３Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０ｋＰａである。
【００５２】  また、図８に示す、比較例２のポンプ１Ｂのポンプ性能は、駆動電圧が２０Ｖｐｐにおいて、ポンプ流量が０．０３Ｌ／ｍｉｎ、ポンプ圧力が０ｋＰａである。したがって、ポンプ１Ａ及び１Ｂのそれぞれのポンプ性能は同じである。
【００５３】  このように、実施形態１のポンプ１の出力は、比較例１、２のそれぞれのポンプ１Ａ、１Ｂよりもポンプ流量及びポンプ圧力共に高い性能を有し、仕事量が向上している。
【００５４】  実施形態１のポンプ１によれば、第１主面７ａに圧電体３を有する振動板７と、第１主面７ａと逆側の振動板７の面に対向し、第１開口部３１ｄを有する天板３１及び天板３１と振動板７との間の空間を囲むように天板３１の外周部に接続される側壁１１を備えるカバー１０と、側壁１１に接続され、振動板７の外周を支持する支持部９と、側壁１１と振動板７との間に形成された第２開口部１７と、振動板７の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置と対向して、天板３１の第１開口部３１ｄが位置する。この構成によれば、振動板７の外周縁は変位が大きいので振動板７の外周縁を流れる流体の速さが速い。これに対して、振動板７の外周縁の変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置では、外周縁に比べて流れる流体の速さが遅い。したがって、振動板７の外周縁と、外周縁よりも変位量の小さい位置とでは、静圧差があり、外周縁の方が静圧が低い。天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁よりも変位量の小さい位置と対向しているので、天板３１の第１開口部３１ｄより振動板７の外周縁の方が静圧が低く、天板３１の第１開口部３１ｄから振動板７の外周縁に向けて外向きの流量が生じる。これにより、ポンプの仕事量を向上させることができる。
【００５５】  また、振動板７は、中央部と外周縁において逆位相で振動し、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の外周縁よりも振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置に近い。このような構成によれば、振動板７は中央部と外周縁において逆位相で振動するので、中央部と外周縁との間に振動しない節Ｎｄとなる部分が存在する。この節Ｎｄとなる部分は、振動板７の変位量がほぼゼロとなるので、流体の速さが最も遅くなる。したがって、天板３１の第１開口部３１ｄが振動板７の外周縁よりも振動の節Ｎｄとなる位置に近いので、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁との間に大きな静圧差を発生させることができ、天板３１の第１開口部３１ｄから振動板７の外周縁に向けて外向きの流量を増やすことができる。
【００５６】  また、天板３１の第１開口部３１ｄは、振動板７の振動の節Ｎｄとなる位置よりも内側に位置してもよい。このような構成によれば、天板３１の第１開口部３１ｄと振動板７の外周縁との距離が長いため、高い圧力特性を得ることができる。
【００５７】  また、振動板７は円形であって、振動板７の中央部と外周縁において逆位相で振動し、振動板７の外周縁における変位量よりも小さい変位量の振動板７の位置は、振動板７の中心ＣＬから振動板７の半径の４５％以上８１％以下の位置である。このような構成によれば、天板３１の第１開口部３１ｄが、第１種ベッセル関数において節Ｎｄの近傍に位置するので、大きな静圧差を発生させることができる。
【００５８】  また、支持部９は、振動板７の外周縁に沿った梁形状を有してもよい。このような構成によれば、支持部９の可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。
【００５９】  また、支持部９は、振動板７よりも可撓性が高い。このような構成によれば、振動板７の外周縁の変位量が増大するので、逆流抑制効果を高めることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を高くすることができる。
【００６０】  また、ポンプ１の積層方向において、天板３１の第１開口部３１ｄの外側に凹部３１ｃを有してもよい。このような構成によれば、第１開口部３１ｄの内側の気流を乱すことなく、外部から天板３１の第１開口部３１ｄに流れる流体の空気抵抗を低減することができる。
【００６１】  また、天板３１の中央部の振動板７側に窪み部３１ｅを有してもよい。このような構成によれば、振動変位が最大となる振動板７の中央部において振動板７と天板３１との間隔が他の箇所よりも長いので空気抵抗を低減し、振動変位を増大することができる。この結果、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
【００６２】  また、振動板７と圧電体３とに挟まれた補助板５を備えてもよい。このような構成によれば、振動板７の振動をより増幅することができる。この結果、静圧差を大きくすることができ、ポンプ流量及びポンプ圧力を増大することができる。
【００６３】（実施形態２）  次に、本発明の実施形態２のポンプ１Ｃについて図９を参照して説明する。図９は、実施形態２におけるポンプ１Ｃの模式的断面図である。
【００６４】  実施形態２のポンプ１Ｃにおいて、支持部９Ｃは振動板７よりも薄い。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態２のポンプ１Ｃとが異なる。したがって、実施形態２におけるポンプ１Ｃは、この点及び以下に説明する点以外の構成は、実施形態１のポンプ１と共通である。なお、図９に第２開口部１７は示されていないが、支持部９Ｃに形成されている。
【００６５】  実施形態２のポンプ１Ｃによれば、支持部９Ｃは、振動板７よりも薄いので、例えば、支持部９Ｃと振動板７とが同一の材質であっても、支持部９Ｃの可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。例えば、振動板７の厚みが０．４０ｍｍに対して、支持部９Ｃの厚みが０．１０ｍｍである。
【００６６】（実施形態３）  次に、本発明の実施形態３のポンプ１Ｄについて図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して説明する。図１０Ａは、実施形態３におけるポンプ１Ｄの模式的断面図である。図１０Ｂは、実施形態３におけるポンプ１Ｄの振動板ユニット２３Ｄの平面図である。
【００６７】  実施形態３のポンプ１Ｄは、振動板７と支持部９Ｄとが別部材で形成されている。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態３のポンプ１Ｄとが異なる。この点及び以下に説明する点以外の構成は、実施形態１のポンプ１と実施形態３のポンプ１Ｄと共通である。
【００６８】  ポンプ１Ｄの支持部９Ｄは、振動板７よりも弾性率が低い材料で構成されている。支持部９Ｄは、例えば、ポリイミドなどの樹脂製のフィルムで構成されている。フィルムの弾性率は、例えば、１〜５ＧＰａで、振動板７の弾性率は、例えば、ステンレススチール製であれば２００ＧＰａである。このように、支持部９Ｄの弾性率が振動板７の弾性率よりも低いので、振動板７を強く拘束しない。これにより、振動板７の外周縁が大きく振動することができる。なお、フィルムの厚みは、例えば、５〜２００μｍである。なお、振動板７と支持部９Ｄとを別部材で形成する構成は、実施形態１に適用してもよい。
【００６９】  支持部９Ｄには、複数の貫通孔９Ｄａが環状に形成されて第２開口部１７Ｄを構成している。
【００７０】  実施形態３におけるポンプ１Ｄによれば、支持部９Ｄは、振動板７の外周全体と接続している。したがって、振動板７と支持部９Ｄとの接続強度を向上させることができるので、支持部９Ｄの耐久性を向上することができる。
【００７１】  また、実施形態３におけるポンプ１Ｄによれば、振動板７は金属製であり、支持部９Ｄは樹脂製である。このような構成によれば、支持部９Ｄの可撓性を振動板７よりも好適に高くすることができる。
【００７２】（実施形態４）  次に、本発明の実施形態４のポンプ１Ｅについて図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。図１１Ａは、実施形態４におけるポンプ１Ｅの弁体３５が開いている際の模式的断面図である。図１１Ｂは、実施形態４におけるポンプ１Ｅの弁体３５が閉じている際の模式的断面図である。
【００７３】  実施形態４のポンプ１Ｅは、円環形状の弁体３５が振動板７の外周縁に沿って貼り付けられている。この点において、実施形態１におけるポンプ１と実施形態４のポンプ１Ｅとが異なる。この点及び以下に記載した事項以外の構成は、実施形態４のポンプ１Ｅは、実施形態１のポンプ１と共通である。
【００７４】  弁体３５は、ポリイミドまたはＰＥＴ製のフィルムで形成されている。弁体３５は、内周付近が振動板７に接着される接着部３５ａと、外周付近が開放端となっている可動部３５ｂとを有する。接着部３５ａは、第１開口部３１ｄより外側の振動板７の面上に貼り付けられる。弁体３５は、支持部９の開口から天板３１の第１開口部３１ｄへの流れを抑制し、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流れを通す。これにより、支持部９の第２開口部１７からの逆流が抑制されるので、大流量、高圧力のポンプ性能を実現することができる。弁体３５の厚みは１００μｍ以下であり、さらに望ましくは、１０μｍ以下である。弁体３５の厚みが薄いほど、弁体として動作しやすくなる。なお、弁体３５の耐久性を確保するために、弁体３５の厚みは、３μｍ以上が望ましい。さらに、弁体３５の可動部３５ｂの径方向の長さが、振動板７と天板３１の距離よりも長ければ、弁体３５の開放端が天板３１と重なることにより、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流路Ｆｐを塞ぐことができる。これにより、逆流の発生を大幅に防ぐことができる。
【００７５】  このように、実施形態４におけるポンプ１Ｅは、一方が振動板７の外周縁に接続し、他方が開放端である弁体３５を備える。実施形態４におけるポンプ１Ｅによれば、弁体３５の他方が開放端であるので、支持部９の第２開口部１７から流体の逆流が発生した場合、弁体３５の開放端が天板３１に向けて起立することにより、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７への流路Ｆｐを狭くすることができる。したがって、流体の逆流に対して流路抵抗を増すことができるので、流体の逆流を弁体３５により低減することができる。また、天板３１の第１開口部３１ｄから支持部９の第２開口部１７へ流体が流れる場合は、弁体３５の他方は天板３１から離れているので、流体の流れを妨げることがない。このようにして、ポンプ室１５への流体の逆流をより低減することができる。
【００７６】  本発明は、上記実施の形態のものに限らず、次のように変形実施することができる。
【００７７】  （１）上記各実施形態において、振動ユニット２３は、４つの支持部９を有していたがこれに限らない。振動ユニット２３は、３つまたは５つ以上の支持部９を有してもよい。図１２に示すように、例えば、振動ユニット２３Ｅは、１２０°ごとに３つの支持部９がそれぞれ配置されてもよい。
【００７８】  （２）上記各実施形態において、振動ユニット２３は、振動板７と梁部２５とが二股で接続されてもよい。図１３に示すように、例えば、振動ユニット２３Ｆにおいて、２つの第１連結部２７により、振動板７と梁部２５とが連結される。また、梁部２５と側壁部１１ｂとが１個の第２連結部２９で連結されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】  本発明は、圧電体を備えるポンプに適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】      １、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ  ポンプ      ３      圧電体      ５      補助板      ７      振動板      ７ａ    第１主面      ７ｂ    第２主面      ９、９Ｃ、９Ｄ  支持部      ９Ｄａ  貫通孔    １０      カバー    １１      側壁    １１ａ    側壁部    １１ｂ    側壁部    １５      ポンプ室    １７、１７Ｄ      第２開口部    １７ａ    第１貫通孔    １７ｂ    第２貫通孔    ２１      側壁板    ２１ａ  開口    ２３、２３Ｂ  振動ユニット    ２５      梁部    ２７      第１連結部    ２９      第２連結部    ３１      天板    ３１ａ    第１主面    ３１ｂ    第２主面    ３１ｃ    凹部    ３１ｄ    第１開口部    ３１ｅ    窪み部    ３３      第２主面    ３５    弁体    ＣＬ      中心    Ｆｐ      流路
【図１】
2020111064.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020111064.tif 000007
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2020111064.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
2020111064.tif 000019
【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
2020111064.tif 000021
【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月1日(2021.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
次に、図７、図８を参照して、上述した実施形態によるポンプの効果を説明する。図７、図８は、比較例１、２におけるポンプの模式断面図を示す。図７に示すポンプ１Ａは、天板３１の中央部に第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ａにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。また、図８に示すポンプ１Ｂは、実施形態１のポンプ１において、天板３１の中央部にも第１開口部３１ｄが設けられている。ポンプ１Ｂにおいて、その他の構成はポンプ１と同様である。
【国際調査報告】
2020111064.tif 000025
2020111064.tif 000026
2020111064.tif 000027
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