JP2019039436A - 流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第２の板の振動領域や構造共振周波数を第２の板の板厚や外周径などを変更せず容易に調整できる流体制御装置を提供する。【解決手段】第１通気孔を有する第１の板と、第１の側壁板と、第１通気孔に通じるバルブ室を第１の板及び第１の側壁板と共に構成し、バルブ室に通じ第１通気孔とは対向しない第２通気孔を有する第２の板と、バルブ室の内部で回転不能かつ上下動自在に保持され、第１通気孔に対向せず第２の通気孔に対向する第３通気孔を有するフィルムとを備え、第２の板は、第２の板のバルブ室側の主面を正面視して、第１通気孔と重なる補助孔を有するバルブと、振動調整板と、第２の側壁板と、屈曲振動する駆動体を備えた振動体が順に積層され、振動調整板と第２の側壁板と振動体から構成されているブロア室を備え、振動調整板はブロア室におけるブロア上室を構成する開口部を有し、開口部と第１通気孔とが対向する。【選択図】図３

Description

この発明は、流体の流れを一方向にするバルブを備える流体制御装置に関する。

従来、流体の流れを制御する流体制御装置が各種開示されている。例えば特許文献１には、振動板と、振動板を屈曲振動させる圧電素子と、複数の開口部を有する天板と、を備える圧電マイクロブロアが開示されている。この圧電マイクロブロアは、振動板を圧電素子により屈曲振動させ、周囲の空気を巻き込みながら、複数の開口部から外へ吐出する。

この圧電マイクロブロアは、複数の開口部を備えることにより、開口部の付近で発生する騒音（風切り音）を小さくすることができる。

国際公開第２０１１／４０３２０号パンフレット

しかしながら、特許文献１の圧電マイクロブロアは複数の開口部を備えるが、その最大吐出流量は１．１（Ｌ／ｍｉｎ）程度である（特許文献１の図９参照）。すなわち、圧電マイクロブロアの吐出流量及び圧力は小さい。

そのため、空気の逆流を防ぐバルブを、圧電マイクロブロアの複数の開口部に装着し、複数の開口部から吐出される空気の流れを一方向にする場合、流路抵抗の少ないバルブを選択する必要がある。圧電マイクロブロアの複数の開口部から排出され、バルブ内の流路を通過してバルブから吐出される空気の流量及び圧力は、バルブの流路抵抗によってさらに減少してしまうためである。

そこで、本発明の目的は、ブロアから吐出された気体の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、気体を通過させつつ、バルブの構成の一部である第２の板の振動領域や構造共振周波数を、第２の板の板厚や外周径などを変更せずに容易に調整することができる流体制御装置を提供することにある。

本発明の流体制御装置は、バルブと、振動調整板と、第２の側壁板と、駆動体を備えた振動体と、を備える。流体制御装置は、バルブと、振動調整板と、第２の側壁板と、振動体とが順に積層されている。バルブは、第１通気孔を有する第１の板と、第１の側壁板と、第２の板と、フィルムと、を備える。第２の板は、第１通気孔に通じるバルブ室を第１の板及び第１の側壁板と共に構成し、該バルブ室に通じ第１通気孔とは対向しない第２通気孔を有する。フィルムは、バルブ室の内部に収容され、回転不能かつ上下動自在に保持され、第１通気孔に対向せず第２の通気孔に対向する第３通気孔を有する。第２の板は、第２の板のバルブ室側の主面を正面視して、第１通気孔と重なる補助孔を有する。流体制御装置は、振動調整板と第２の側壁板と振動体とによって構成されているブロア室を備える。振動調整板はブロア室におけるブロア上室を構成する開口部を有し、該開口部と第１通気孔とは対向している。

そして、第２の板は、第２の板のバルブ室側の主面を正面視して、第１通気孔と重なる補助孔を有する。

この構成において、第１通気孔は、例えばブロアの吐出孔に接続し、第２通気孔は例えば大気開放される
この構成では、ブロアが駆動している間、補助孔に対向するフィルムの領域が、第１通気孔からバルブ室への吐出風によって、補助孔側へ変形する。これにより、第１の板とフィルムの当該領域との隙間が大きくなる。すなわち、第２の板が補助孔を有さない場合と比べて、バルブの流路抵抗が小さくなり、気体の流量及び圧力が増大する。

したがって、この構成のバルブは、ブロアから吐出された気体の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、気体を通過させることができる。

また、振動調整板は第２の板の外周部付近で剛性を部分的に高めることができる。これにより、第２の板をブロア上室に面する中央部付近のみで振動させ、第２の板の外周部付近でほとんど振動が生じない状態にすることができる。

したがって、この構成の流体制御装置は、第２の板の振動が生じる範囲を、振動調整板におけるブロア上室の開口径によって設定することができる。これにより、第２の板の振動領域や構造共振周波数を、第２の板の板厚や外周径などを変更せずに容易に調整することができる。

本発明は、ブロアから吐出された気体の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、気体を通過させつつ、バルブの構成の一部である第２の板の振動領域や構造共振周波数を、第２の板の板厚や外周径などを変更せずに容易に調整することができる。

本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１１１の天面側から視た流体制御装置１１１の外観斜視図である。 図１に示す流体制御装置１１１の底面側から視た流体制御装置１１１の外観斜視図である。 図１に示す流体制御装置１１１の分解斜視図である。 図３に示す天板２１の中央部の正面図である。 図３に示すフィルム２４の中央部の正面図である。 図３に示すフィルム２４及び底板２３の接合体の中央部の正面図である。 図３に示す連通孔４３、吐出孔４１、及び補助孔４９の拡大正面図である。 図１に示す流体制御装置１１１の側面断面図である。 図１に示すブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置１１１の空気の流れを示す側面断面図である。 図９（Ｂ）に示す瞬間における、補助孔４９周辺の空気の流れを示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置２１１に備えられる天板２２１の中央部の正面図である。 図１１に示す流体制御装置２１１に備えられるブロア部１３が駆動している間における、補助孔２４９周辺の空気の流れを示す拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置３１１に備えられる天板３２１の中央部の正面図である。 補助孔４９の直径が異なる複数の流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量と駆動電圧との関係を示す図である。 補助孔４９の直径が異なる複数の流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出圧力と駆動電圧との関係を示す図である。 流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出圧力と駆動電圧との関係を示す図である。 流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量と駆動電圧との関係を示す図である。 流体制御装置１１１に備えられる底板２３、圧電素子３３、フィルム２４の変位の変化を示す図である。 流体制御装置３１１に備えられる底板２３、圧電素子３３、フィルム２４の変位の変化を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る流体制御装置４１１の側面断面図である。

≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１１１について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１１１の天面側から視た流体制御装置１１１の外観斜視図である。図２は、図１に示す流体制御装置１１１の底面側から視た流体制御装置１１１の外観斜視図である。図３は、図１に示す流体制御装置１１１の分解斜視図である。図４は、図３に示す天板２１の中央部の正面図である。図５は、図３に示すフィルム２４の中央部の正面図である。図６は、図３に示すフィルム２４及び底板２３の接合体の中央部の正面図である。図７は、図３に示す連通孔４３、吐出孔４１、及び補助孔４９の拡大正面図である。図８は、図１に示すＳ−Ｓ線における断面図である。

流体制御装置１１１は、図１、図２に示すように、バルブ部１２とブロア部１３と制御部１４（図８参照）とを備えている。バルブ部１２は、図１、図３に示すように、流体制御装置１１１の天面側に配置されている。ブロア部１３は、図２、図３に示すように、流体制御装置１１１の底面側に配置されている。バルブ部１２とブロア部１３とは互いに積層した状態で貼付されている。

バルブ部１２は、流体の流れを一方向にする機能を有している。バルブ部１２は、バルブ室４０が内部に設けられた円筒容器状である。バルブ部１２は、図１、図３に示すように、天板２１と、側壁板２２と、底板２３と、フィルム２４とを備えている。

なお、底板２３は、本発明の第１の板の一例に相当する。天板２１は、本発明の第２の板の一例に相当する。また、底板２３は、本発明の振動体の一例に相当する。

天板２１と、側壁板２２と、底板２３とは、金属で構成されている。天板２１と、側壁板２２と、底板２３とは、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）で構成される。フィルム２４は、樹脂で構成されている。フィルム２４は、例えば半透明なポリイミドで構成される。

天板２１は、バルブ部１２の天面側に配置されている。側壁板２２は、天板２１と底板２３との間に配置されている。底板２３は、バルブ部１２の底面側に配置されている。天板２１と側壁板２２と底板２３とは互いに積層した状態で貼付されている。フィルム２４は、バルブ部１２の内部空間、即ちバルブ室４０に収容されている。

天板２１は、天面側から視て円板状である。側壁板２２は、天面側から視て円環状である。底板２３は、天面側から視て円板状である。天板２１と側壁板２２と底板２３の外周径は、互いに一致している。

バルブ室４０は、側壁板２２の中央に所定の開口径で設けられている。フィルム２４は、天面側から視て概略円板状である。フィルム２４は、側壁板２２の厚みよりも薄い厚みに設定されている。

本実施形態では、側壁板２２の厚み（バルブ室４０の高さ）は、４０μｍ以上５０μｍ以下であり、フィルム２４の厚みは、５μｍ以上１０μｍ以下に設定されている。また、フィルム２４は、ブロア部１３からの吐出風によってバルブ室４０の内部で上下動自在に可動するよう、極めて軽い質量に設定されている。

フィルム２４の外周径は、側壁板２２におけるバルブ室４０の開口径とほとんど一致しており、若干の隙間が空くように微小に小さく設定されている。そして、フィルム２４の外周の一部には、突起部２５を設けている（図３参照）。

また、側壁板２２の内周の一部には、突起部２５が微小な隙間を空けた状態で嵌り込む切欠部２６を設けている（図３参照）。このため、フィルム２４はバルブ室４０の内部で、回転不能かつ上下動自在に保持される。

天板２１の中央には、所定配列で並べられた複数の吐出孔４１及び複数の補助孔４９が設けられている。また、底板２３の中央には、所定配列で並べられた複数の連通孔４３が設けられている。また、フィルム２４の中央には、所定配列で並べられた複数のフィルム孔４２が設けられている。したがって、バルブ室４０は、吐出孔４１を介して外部に通じるとともに、連通孔４３を介してブロア室４５に通じる。

ここで、複数の吐出孔４１と複数の連通孔４３とは、互いに対向しないように配列されている。複数の補助孔４９と複数の連通孔４３とは、互いに対向するように配列されている。各補助孔４９は、天板２１のバルブ室４０側の主面を正面視して、各連通孔４３と重なる。また、各補助孔４９の中心軸と各連通孔４３の中心軸とは一致している。

さらに、複数のフィルム孔４２と複数の吐出孔４１とは、互いに対向するように配列されている。複数のフィルム孔４２と複数の補助孔４９とは、互いに対向しないように配列されている。複数のフィルム孔４２と複数の連通孔４３とは、互いに対向しないように配列されている。

なお、連通孔４３は、本発明の第１通気孔の一例に相当する。吐出孔４１は、本発明の第２通気孔の一例に相当する。フィルム孔４２は、本発明の第３通気孔の一例に相当する。

なお、補助孔４９の直径は、連通孔４３の直径以上であることが好ましい。詳述すると、図７に示すように、連通孔４３の半径をｒｈ、補助孔４９の半径をＲｓ、補助孔４９を挟む２つの吐出孔４１のそれぞれの半径をｒ１、ｒ２、補助孔４９を挟む２つの吐出孔４１の中心点間の距離をａとしたとき、｛ａ−（ｒ１＋ｒ２）｝／２＞Ｒｓ≧ｒｈの関係を満たすことが好ましい。

ブロア部１３は、圧電素子３３への電圧印加により屈曲変形するダイヤフラム３６を用いたポンプの一種である。ブロア部１３は、図２、図３に示すように、ブロア室４５が内部に設けられた円筒容器状である。

ブロア部１３は、振動調整板５４と、側壁板３１と、底板３２と、圧電素子３３と、を備えている。振動調整板５４と、側壁板３１と、底板３２とは、金属で構成されている。振動調整板５４と、側壁板３１と、底板３２とは、例えばステンレススチールで構成される。

なお、圧電素子３３は、本発明の駆動体の一例に相当する。

側壁板３１は、底板２３と底板３２との間に配置されている。底板３２は、側壁板３１と圧電素子３３との間に配置されている。圧電素子３３は、ブロア部１３の底面側に配置されている。側壁板３１は、底板２３の底面に積層した状態で貼付されている。また、側壁板３１と底板３２と圧電素子３３とは互いに積層した状態で貼付されている。

振動調整板５４は、底板２３の振動領域の調整のために設けている。具体的には、振動調整板５４は、底板２３と側壁板３１との間に配置した状態で貼付されている。振動調整板５４は、天面側から視て円環状である。

振動調整板５４の中央には、ブロア上室５５が所定の開口径で設けられている。ブロア上室５５は、ブロア下室４８よりも開口径が小さい。ブロア上室５５及びブロア下室４８は、ブロア室４５を構成する。また、振動調整板５４と側壁板３１とは、互いの外周径が互いに一致している。

なお、この振動調整板５４が底板２３に設けられることにより、底板２３の外周部付近で剛性を部分的に高めることができる。これにより、底板２３をブロア上室５５に面する中央部付近のみで振動させ、底板２３の外周部付近でほとんど振動が生じない状態にすることができる。

したがって、底板２３の振動が生じる範囲を、振動調整板５４におけるブロア上室５５の開口径によって設定することができる。これにより、底板２３の振動領域や構造共振周波数を、底板２３の板厚や外周径などを変更せずに容易に調整することができる。

なお、流体振動やフィルム２４の振動には、底板２３の中央部付近の振動が主体的に寄与するため、底板２３の外周部付近が振動しなくても、バルブ部１２の応答性の向上や吐出流量の増大といった効果は十分に得ることができる。

側壁板３１は、天面側から視て円環状である。には、側壁板３１の中央には、ブロア下室４８が所定の開口径で設けられている。底板３２は、外周部３４を備えている。外周部３４は、天面側から視て円環状であり、天面側から視た主面中央付近に所定の開口径で開口が設けられている。

側壁板３１および底板３２の外周部３４は、互いの外周径および開口径が互いに一致しており、互いに積層した状態で貼付されている。側壁板３１および底板３２の外周径は、バルブ部１２の外周径よりも一定寸法だけ小さく設定している。

また、底板３２は、外周部３４とともに、複数の梁部３５と、ダイヤフラム３６と、を備えている。ダイヤフラム３６は、天面側から視て円板状であり、外周部３４の開口内に、外周部３４との間に隙間を空けた状態で配置されている。複数の梁部３５は、外周部３４とダイヤフラム３６との間の隙間に設けられ、底板３２の周方向に沿って延び、ダイヤフラム３６と外周部３４との間を連結している。

したがって、ダイヤフラム３６は、梁部３５を介して中空に支持されており、厚み方向に上下動自在となっている。外周部３４とダイヤフラム３６との間の隙間部分は吸入孔４６として設けられている。

圧電素子３３は、天面側から視てダイヤフラム３６よりも半径が小さい円板状である。圧電素子３３は、ダイヤフラム３６の底面に貼り付けられている。圧電素子３３は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されている。

圧電素子３３の両主面には、図示していない電極が形成されており、この電極を介して制御部１４から駆動電圧が印加される。圧電素子３３は、印加される駆動電圧に応じて面方向に伸縮する圧電性を有している。

したがって、圧電素子３３に駆動電圧が印加されると、圧電素子３３が面方向に伸縮し、ダイヤフラム３６には同心円状の屈曲振動が生じる。この屈曲振動によって、ダイヤフラム３６を弾性支持する梁部３５にも振動が生じ、これによりダイヤフラム３６が上下に変位するように振動する。このように圧電素子３３とダイヤフラム３６とは、圧電アクチュエータ３７を構成し、一体的に振動する。

制御部１４は、例えばマイクロコンピュータで構成される。制御部１４は、本実施形態において、圧電素子３３の駆動周波数をブロア室４５の共振周波数に調整する。ブロア室４５の共振周波数とは、ブロア室４５の中心部で発生した圧力振動と、その圧力振動が外周部側に伝搬して反射し、再びブロア室４５の中心部に到達する圧力振動とが、共振する周波数のことである。

このように調整すると、平面方向の中心部付近が屈曲振動の腹となり、平面方向の外周部付近が屈曲振動の節となる。すなわち、ブロア室４５において、平面方向に定在波状の圧力分布が生じることになる。

これにより、ブロア室４５の平面方向の中心部に対向して設けられている連通孔４３の近傍では、流体の圧力変動が大きくなり、ブロア室４５の平面方向の外周部に対向して設けられている吸入孔４６の近傍では、流体の圧力変動がほとんどなくなる。

したがって、吸入孔４６をブロア室４５の平面方向の外周部に連通させておけば、吸入孔４６に弁などを設けなくても、吸入孔４６を介した圧力損失がほとんど生じなくなる。したがって、吸入孔４６を任意の形状やサイズとすることができ、流体の流量を大きく稼ぐことなどが可能になる。

次に、ブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置１１１の空気の流れを説明する。

図９は、図１に示すブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置１１１の空気の流れを示す側面断面図である。図１０は、図９（Ｂ）に示す瞬間における、補助孔４９周辺の空気の流れを示す拡大断面図である。図１０は、図１に示すＴ−Ｔ線の断面図である。図９、図１０に示す矢印は、空気の流れを示している。

図８に示す状態において、制御部１４が交流の駆動電圧を圧電素子３３の両主面の電極に印加すると、圧電素子３３は伸縮し、ダイヤフラム３６を同心円状に屈曲振動させる。これにより、図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３７が屈曲変形してブロア室４５の体積が周期的に変化する。

図９（Ａ）に示すように、ダイヤフラム３６が底面側に屈曲する際には、ブロア室４５の圧力が減少し、バルブ室４０においてフィルム２４は底板２３側に引き寄せられて底板２３に接触する。これにより、連通孔４３が塞がり、バルブ室４０から連通孔４３への空気の流れが阻止される。そして、ブロア室４５には吸入孔４６を介して外部の空気が吸入される。

また、図９（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム３６が天面側に屈曲する際には、ブロア室４５の圧力が増加し、連通孔４３からバルブ室４０に向けて吐出風が生じる。この吐出風により、フィルム２４が天面側に押されて天板２１に接触する。これにより、連通孔４３が開くため、空気の流れが阻止されず、連通孔４３からバルブ室４０へ空気が流れる。そして、バルブ室４０の空気が、バルブ部１２の吐出孔４１から外部へ吐出される。

さらに、バルブ部１２では、圧電アクチュエータ３７の振動がブロア部１３から直接伝搬することや、空気を介して間接的に伝わることによって天板２１に振動が生じる。

これにより、天板２１も厚み方向に上下動するように弾性変形する。図９（Ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３７が天面側に屈曲してブロア室４５の空気を連通孔４３からバルブ室４０に吐出する際に、天板２１は圧電アクチュエータ３７と同様に天面側に屈曲する。これにより、バルブ室４０の体積が増加する。

一方、図９（Ａ）に示すように、圧電アクチュエータ３７が底面側に屈曲する際には、図９（Ｂ）に示した状態からの反作用で天板２１は底面側に屈曲する。これにより、バルブ室４０の体積が減少する。

したがって、バルブ室４０においてフィルム２４が底面側に引き寄せられる際の移動距離および移動時間が短縮されたものになる。これにより、フィルム２４が空気圧の変動に追従することが可能になり、バルブ部１２が応答性の高いものになる。

なお、圧電アクチュエータ３７の振動がブロア部１３から直接伝搬することや、空気を介して間接的に伝わることによって、底板２３を振動させることもある。

ここで、ブロア部１３が駆動している間、図９（Ｂ）に示す瞬間には、図１０に示すように、補助孔４９に対向するフィルム２４の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔４９側へ変形する。これにより、底板２３とフィルム２４との隙間ｈ１が大きくなる。すなわち、天板２１が補助孔４９を有さない場合と比べて、バルブ部１２の流路抵抗が小さくなり、空気の流量及び圧力が増大する。

したがって、流体制御装置１１１及びバルブ部１２は、ブロア部１３から吐出された空気の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、空気を通過させることができる。

また、バルブ部１２では、各補助孔４９の中心軸と各連通孔４３の中心軸とは一致している。そのため、中心軸が一致していない場合に比べて、天板２１のバルブ室４０側の主面を正面視して、補助孔４９と連通孔４３とが重なる面積が増える。そのため、バルブ部１２では、バルブ部１２の流路抵抗が小さくなり、空気の流量及び圧力が増大する。

さらに、バルブ部１２では、補助孔４９の直径は、連通孔４３の直径以上である。

そのため、ブロア部１３が駆動している間、補助孔４９に対向するフィルム２４の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔４９側へ変形する。そのため、バルブ部１２は、バルブ部１２の流路抵抗を最大限小さくすることができる。

また、図３〜図７に示すように、補助孔４９の直径が連通孔４３の直径以上であるため、製造時、製造者は、天板２１の補助孔４９から、フィルム２４の加工不良や製造工程時に生じた損傷、汚れなどを目視で容易に検出できる。

また、補助孔４９の直径が連通孔４３の直径以上であり、フィルム２４が半透明であるため、製造時、製造者は、天板２１の補助孔４９を見ながら、天板２１、フィルム２４、及び底板２３の位置合わせができる。すなわち、組立て時、製造者は、連通孔４３、吐出孔４１、フィルム孔４２、及び補助孔４９がズレることを容易に防止できる。したがって、製造者は、流体制御装置１１１を容易に組み立てることができる。

≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置２１１について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る流体制御装置２１１に備えられる天板２２１の中央部の正面図である。図１２は、図１１に示す流体制御装置２１１に備えられるブロア部１３が駆動している間における、補助孔２４９周辺の空気の流れを示す拡大断面図である。図１２に示す矢印は、空気の流れを示している。

流体制御装置２１１が流体制御装置１１１と相違する点は、天板２２１が、各補助孔２４９の間を区切る桟部２４８を有する点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。

この構成においても、ブロア部１３が駆動している間、図１２に示すように、補助孔４９に対向するフィルム２４の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔２４９側へ変形する。これにより、底板２３とフィルム２４との隙間ｈ２が大きくなる。すなわち、天板２２１が補助孔２４９を有さない場合と比べて、バルブ部２１２の流路抵抗が小さくなり、空気の流量及び圧力が増大する。

したがって、流体制御装置２１１及びバルブ部２１２は、ブロア部１３から吐出された空気の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、空気を通過させることができる。

また、前述の流体制御装置１１１において、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風が急激に大きくなった場合など、フィルム２４が補助孔４９側へ大きく変形し、破損するおそれもある（図１０参照）。

この構成では、各補助孔２４９の間に桟部２４８があるため、図１２に示すようにフィルム２４が桟部２４８に接触する。そのため、桟部２４８は、フィルム２４の変形を抑制し、フィルム２４が破損することを防止できる。これにより、バルブ部２１２及び流体制御装置２１１の耐久性が向上する。

≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置３１１について説明する。

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る流体制御装置３１１のバルブ部３１２に備えられる天板３２１の中央部の正面図である。流体制御装置３１１が流体制御装置１１１と相違する点は、補助孔３４９の直径が連通孔４３の直径より短い点である。その他の点については同じであるため、説明を省略する。

この構成においても、ブロア部１３が駆動している間、補助孔４９に対向するフィルム２４の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔３４９側へ変形する。これにより、底板２３とフィルム２４との隙間が大きくなる。すなわち、天板３２１が補助孔３４９を有さない場合と比べて、流路抵抗が小さくなり、空気の流量及び圧力が増大する。

したがって、流体制御装置３１１及びバルブ部３１２は、ブロア部１３から吐出された空気の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、空気を通過させることができる。

≪実験１≫
次に、ブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置１１１の吐出性能と比較例の流体制御装置の吐出性能とを比較する。比較例の流体制御装置が流体制御装置１１１と相違する点は、天板２１が補助孔４９を有さない点である。その他の構成に関しては同じであるため、説明を省略する。

図１４は、補助孔４９の直径が異なる３つの流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量と駆動電圧との関係を示す図である。図１５は、補助孔４９の直径が異なる３つの流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出圧力と駆動電圧との関係を示す図である。

図１４、図１５は、補助孔４９の直径が異なる３つの流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とを用意し、それぞれの圧電素子３３に所定周波数（例えば１７ｋＨｚ）の駆動電圧を印加し、吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量および吐出圧力を測定した実験結果を示している。

なお、実験において、３つの流体制御装置１１１に関して補助孔４９の直径はそれぞれ、０．４μｍ、０．８μｍ、１．０μｍである。また、３つの流体制御装置１１１と比較例の流体制御装置とに関して連通孔４３の直径は、０．８μｍである。

実験により、流体制御装置１１１の吐出流量および吐出圧力は図１４、図１５に示すように、比較例の流体制御装置の吐出流量および吐出圧力に比べて増大することが明らかとなった。

以上の結果になった理由は、連通孔４３と重なる補助孔４９によって、バルブ部１２の流路抵抗が小さくなるためであると考えられる。

したがって、流体制御装置１１１及びバルブ部１２は、ブロア部１３から吐出された空気の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、空気を通過させることができる。

また、実験により、吐出流量は、図１４に示すように、連通孔４３と重なる補助孔４９の面積が大きくなるにつれて、増大していくことが明らかとなった。特に、補助孔４９の直径が連通孔４３の直径より長いとき、吐出流量が高いことが明らかとなった。

一方、実験により、吐出圧力は、図１５に示すように、連通孔４３と重なる補助孔４９の面積が大きくなるにつれて、減少していくことが明らかとなった。特に、補助孔４９の直径が連通孔４３の直径より短いとき、吐出圧力が高いことが明らかとなった。

したがって、本実施形態のバルブ部１２は、補助孔４９の面積を調整することで、駆動電圧の値を上げることなく（消費電力を高めることなく）、吐出圧力または吐出流量の値をさらに増大できる。

≪実験２≫
次に、ブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置２１１の吐出性能と補助孔を有さない比較例の流体制御装置の吐出性能とを比較する。

図１６は、流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出圧力と駆動電圧との関係を示す図である。図１７は、流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量と駆動電圧との関係を示す図である。

図１６、図１７は、流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置とのそれぞれの圧電素子３３に、所定周波数（例えば１７ｋＨｚ）の駆動電圧を印加し、吐出孔４１から吐出される空気の吐出流量および吐出圧力を測定した実験結果を示している。

なお、実験において、流体制御装置２１１の各補助孔２４９の直径は、０．２μｍである。流体制御装置２１１と比較例の流体制御装置との連通孔４３の直径は、０．８μｍである。

実験により、流体制御装置２１１の吐出流量および吐出圧力は図１６、図１７に示すように、比較例の流体制御装置の吐出流量および吐出圧力に比べて増大することが明らかとなった。

以上の結果になった理由は、連通孔４３と重なる補助孔２４９によって、バルブ部２１２の流路抵抗が小さくなるためであると考えられる。

したがって、流体制御装置２１１及びバルブ部２１２は、ブロア部１３から吐出された空気の流量及び圧力をできるだけ低下させずに、空気を通過させることができる。

さらに、桟部２４８は図１１、図１２に示すように、フィルム２４の変形を抑制し、フィルム２４が破損することを防止できる。これにより、バルブ部２１２及び流体制御装置２１１は、耐久性を向上できる。

次に、ブロア部１３が駆動している間における、流体制御装置１１１のフィルム２４の変位と流体制御装置３１１のフィルム２４の変位とを比較する。

図１８は、流体制御装置１１１に備えられる底板２３、圧電素子３３、フィルム２４の変位の変化を示す図である。図１９は、流体制御装置３１１に備えられる底板２３、圧電素子３３、フィルム２４の変位の変化を示す図である。

なお、図１８、図１９では、底板２３、圧電素子３３、及びフィルム２４の変位をレーザドップラ振動計を用いて測定した。レーザドップラ振動計は、補助孔４９、３４９からフィルム２４のバルブ室４０側の主面にレーザ光を照射することで、フィルム２４の変位を測定できる。レーザドップラ振動計は、吐出孔４１から底板２３のバルブ室４０側の主面にレーザ光を照射することで、底板２３の変位を測定できる。レーザドップラ振動計は、圧電素子３３のブロア室４５とは逆側の主面にレーザ光を照射することで、圧電素子３３の変位を測定できる。

実験により、流体制御装置１１１では、図１８に示すように、補助孔４９に対向するフィルム２９の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔４９側へ大きく変形することが明らかとなった。

これに対して、流体制御装置３１１では、図１９に示すように、補助孔３４９に対向するフィルム２４の領域が、連通孔４３からバルブ室４０への吐出風によって、補助孔３４９側へ小さく変形することが明らかとなった。

以上より、連通孔４３の直径未満の直径を有する補助孔３４９より、連通孔４３の直径以上の直径を有する補助孔４９の方が変形量に優れていることが明らかとなった。すなわち、補助孔３４９を有するバルブ部３１２の流路抵抗より、補助孔４９を有するバルブ部１２の流路抵抗の方が低いことが明らかとなった。

したがって、補助孔４９は、連通孔４３の直径以上の直径を有することが好ましいと考えられる。

≪その他の実施形態≫
なお、前述の実施形態では、流体制御装置１１１、２１１、３１１は、ブロア部１３を備えているが、これに限るものではない。実施の際、流体制御装置１１１、２１１、３１１は、異なるブロア部を備えていてもよい。

例えば、図２０に示すように、流体制御装置４１１は、前述のバルブ部１２と、前述の制御部１４と、ブロア部４１３と、を備えていてもよい。ブロア部４１３は、振動調整板４５４と、側壁板４３１と、振動体４５０と、圧電素子４３３と、を備えている。

なお、振動調整板４５４が、図３、図８で示した振動調整板５４と相違する点は、面方向の大きさである。その他の点は同じであるため、説明を省略する。

また、側壁板４３１が、図３、図８で示した側壁板３１と相違する点は、面方向の大きさである。その他の点は同じであるため、説明を省略する。

また、圧電素子４３３が、図３、図８で示した圧電素子３３と相違する点は、面方向の大きさである。その他の点は同じであるため、説明を省略する。

振動体４５０は、底板４３２と、補強板４３６と、拘束板４６０と、を有する。底板４３２は、円板形状であり、例えばステンレススチールで構成されている。また、底板４３２には吸入孔４６が設けられている。

振動体４５０は、振動体４５０の屈曲振動により形成されるブロア室４４５の圧力振動の節のうち、最も外側の圧力振動の節Ｆから、ブロア室４４５の外周までの範囲に接する外周領域４５１と、外周領域４５１より内側に位置する中央領域４５２と、を有する。外周領域４５１は、外周領域４５１の屈曲振動を拘束する領域である。

底板４３２の圧電素子４３３側の主面には、外周領域４５１の屈曲振動を拘束する拘束板４６０が接合されている。これにより、外周領域４５１の厚みは、中央領域４５２の厚みより厚くなっている。そのため、外周領域４５１の剛性は、中央領域４５２の剛性より高い。拘束板４６０は、円環形状であり、例えばステンレススチールで構成されている。

補強板４３６は、円板形状であり、例えばステンレススチールで構成されている。補強板４３６は、底板４３２のブロア室４４５とは逆側の主面に接合されている。補強板４３６は、圧電素子４３３の屈曲によって圧電素子４３３が破損することを防止する。

以上の構成において流体制御装置４１１は、図９（Ａ）（Ｂ）に示す流体制御装置１１１と同様に、駆動時、振動体４５０の屈曲振動により、吸入孔４６から空気を吸入し、連通孔４３からバルブ室４０へ吐出する。

また、前記実施形態では流体として空気を用いているが、これに限るものではない。当該流体が、空気以外の気体にも適用できる。

また、前記実施形態では、バルブ部やブロア部を構成する各板はＳＵＳから構成されているが、これに限るものではない。例えば、アルミニウム、チタン、マグネシウム、銅などの他の材料から構成してもよい。

また、前記実施形態ではブロアの駆動源として圧電素子を設けたが、これに限るものではない。例えば、電磁駆動でポンピング動作を行うブロアとして構成されていても構わない。

また、前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成されているが、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。

最後に、前述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１２…バルブ部
１３…ブロア部
１４…制御部
２１…天板
２２…側壁板
２３…底板
２４…フィルム
２５…突起部
２６…切欠部
３１…側壁板
３２…底板
３３…圧電素子
３４…外周部
３５…梁部
３６…ダイヤフラム
３７…圧電アクチュエータ
４０…バルブ室
４１…吐出孔
４２…フィルム孔
４３…連通孔
４５…ブロア室
４６…吸入孔
４８…ブロア下室
４９…補助孔
５４…振動調整板
５５…ブロア上室
１１１、２１１…流体制御装置
２１２…バルブ部
２２１…天板
２４８…桟部
２４９…補助孔
３１１…流体制御装置
３１２…バルブ部
３２１…天板
３４９…補助孔
４１１…流体制御装置
４１３…ブロア部
４３１…側壁板
４３２…底板
４３３…圧電素子
４３６…補強板
４４５…ブロア室
４５０…振動体
４５１…外周領域
４５２…中央領域
４５４…振動調整板
４６０…拘束板

Claims (10)

1. 第１通気孔を有する第１の板と、
   第１の側壁板と、
   前記第１通気孔に通じるバルブ室を前記第１の板及び前記第１の側壁板と共に構成する第２の板であって、前記バルブ室に通じ前記第１通気孔とは対向しない第２通気孔を有する第２の板と、
   前記バルブ室の内部に収容され、回転不能かつ上下動自在に保持されたフィルムであって、前記第１通気孔に対向せず前記第２の通気孔に対向する第３通気孔を有するフィルムと、を備え、
   前記第２の板は、前記第２の板の前記バルブ室側の主面を正面視して、前記第１通気孔と重なる補助孔を有するバルブと、
   振動調整板と、
   第２の側壁板と、
   屈曲振動する駆動体を備えた振動体と、が順に積層され、
   前記振動調整板と前記第２の側壁板と前記振動体とによって構成されているブロア室を備え、
   前記振動調整板は前記ブロア室におけるブロア上室を構成する開口部を有し、
   前記開口部と前記第１通気孔とが対向していることを特徴とする、流体制御装置。
2. 前記開口部は前記振動調整板の中央に設けられ、
   前記開口部の開口径は、前記ブロア室におけるブロア下室を構成する前記第２の側壁板の開口径よりも小さい請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記フィルムは、前記第１の側壁板との間に隙間が空くように設定されている請求項１又は請求項２に記載の流体制御装置。
4. 前記補助孔の中心軸と前記第１通気孔の中心軸とは一致する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
5. 前記第１通気孔と対向する前記補助孔の数は、複数であり、
   前記第２の板は、複数の前記補助孔の間に桟部を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流体制御装置。
6. 前記補助孔の直径は、前記第１通気孔の直径より長い、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
7. 前記補助孔の直径は、前記第１通気孔の直径より短い、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
8. 前記補助孔は、複数の前記第２通気孔に挟まれており、
   前記第１通気孔の半径をｒｈ、前記補助孔の半径をＲｓ、前記補助孔を挟む２つの前記第２通気孔のそれぞれの半径をｒ１、ｒ２、前記補助孔を挟む２つの前記第２通気孔の中心点間の距離をａとしたとき、｛ａ−（ｒ１＋ｒ２）｝／２＞Ｒｓ≧ｒｈの関係を満たす、請求項６に記載の流体制御装置。
9. 前記フィルムは外周に突起部を有し、
   前記第１の側壁板は内周に前記突起部が嵌り込む切欠部を有する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の流体制御装置。
10. 前記振動体は、前記振動体の屈曲振動により形成される前記ブロア室の圧力振動の節のうち、最も外側の圧力振動の節から、前記ブロア室の外周までの範囲に接する外周領域と、前記外周領域より内側に位置する中央領域と、を有し、
    前記外周領域は、前記外周領域の屈曲振動を拘束する領域である、請求項９に記載の流体制御装置。