JP6575634B2 - ブロア - Google Patents

Description

この発明は、流体を搬送するブロアに関する。

従来、流体の流れを一方向にするバルブが各種開示されている。例えば特許文献１には、図１９に示すように、近接させた２枚の板９１４、９１６と２枚の板９１４、９１６に挟まれたフラップ９１７とを備えるバルブ９１０が開示されている。図１９中の矢印９３２は空気の流れを示している。

板９１６には、複数の通気孔９２０が設けられている。板９１４には、複数の通気孔９１８が設けられている。さらに、板９１４には、複数の補助孔９２８が設けられている。補助孔９２８は、通気孔９２０と同じ形状である。複数の通気孔９１８及び複数の補助孔９２８は、不図示のポンプの吸引孔に連通する。

バルブ９１０は、ポンプにより生じる風によってフラップ９１７を板９１４又は板９１６に引き寄せることで、通気孔９２０を開閉する。これにより、バルブ９１０は、空気の流れを一方向にする。

ここで、補助孔９２８は、フラップ９１７を加速し、通気孔９２０の開閉を促進するために設けられている。

特表２０１２−５２８９８１号

しかしながら、特許文献１のバルブ９１０では、フラップ９１７を挟んで２枚の板９１４、９１６を貼り合わせる時、位置ズレが生じる可能性がある。位置ズレが生じた場合、流路抵抗が増加し、バルブ９１０内を通過する空気の流量が低下する。

そこで、板９１６を正面視して通気孔９２０から目視で位置ズレを検査する方法が考えられるが、図１９に示すように、補助孔９２８が通気孔９２０と同じ形状である。そのため、製造者は、通気孔９２０から補助孔９２８の外周を見ることができない。よって、特許文献１のバルブ９１０は、フラップ９１７（可動板）を挟んだ２枚の板９１４、９１６の位置ズレを検査することが困難である。

そこで、本発明の目的は、可動板を挟んだ２枚の板の位置ズレを容易に検査することができるバルブ及び流体制御装置を提供することにある。

この発明は、第１主面と第２主面とを有する振動板と、前記振動板を屈曲振動させる駆動体と、を有するアクチュエータと、前記アクチュエータとともに前記振動板の厚み方向から前記振動板を挟んで第１ブロア室および第２ブロア室を構成する筐体と、を有するブロアであって、振動板は、円環状に配置された複数の開口部を有し、前記筐体は、前記第１ブロア室を前記筐体の外部と連通させ外部から前記第１ブロア室への流体の流入を防ぐ吐出弁を有する吐出孔と、前記第２ブロア室を前記筐体の外部と連通させ前記第２ブロア室から外部への流体の流出を防ぐ吸引弁を有する吸引孔と、を有する。

また、この発明のブロアでは、前記筺体は、前記振動板の前記第１主面を正面視して前記駆動体と重なる部分に、前記吐出孔および前記吸引孔を有する。

また、この発明のブロアでは、前記吐出弁が閉じたとき前記吸引弁が閉じ、前記吐出弁が開いたとき前記吸引弁が開く。

また、この発明のブロアでは、振動板は、振動体と、外周部と、前記振動体と前記外周部の間に配置され前記複数の開口部を前記振動体と前記外周部と共に形成する梁部を有し、前記複数の開口部によって囲まれる内側の空間が前記第１ブロア室を構成する。

本発明によれば、吸引圧力と吸引流量を増加できる。

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に示す可動板２４の中央部の正面図である。 図３に示す底板２３の中央部の正面図である。 図３に示す天板２１、可動板２４及び底板２３を接合したバルブ１２の中央部の正面図である。 図１に示すＳ−Ｓ線における断面図である。 図１に示す流体制御装置１１１を１次モードの周波数（基本波）で動作させた時における流体制御装置１１１のＳ−Ｓ線の断面図である。 図９（Ａ）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に備えられる底板２２３の中央部の正面図である。 天板２１、可動板２４及び図１１に示す底板２２３を接合したバルブ２１２の中央部の正面図である。 図１１に示す流体制御装置２１１に備えられる圧電ブロア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実施形態に係る流体制御装置３１１の外観斜視図である。 図１４に示す流体制御装置３１１の外観斜視図である。 図１４に示す振動板１４１及び圧電素子４７の外観斜視図である。 図１４に示すＵ−Ｕ線における断面図である。 図１４に示す流体制御装置３１１を１次モードの周波数（基本波）で動作させた時における流体制御装置３１１のＵ−Ｕ線の断面図である。 特許文献１に係るバルブ９１０の断面図である。

《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に示す可動板２４の中央部の正面図である。図６は、図３に示す底板２３の中央部の正面図である。図７は、図３に示す天板２１、可動板２４及び底板２３を接合したバルブ１２の中央部の正面図である。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３に示すように、バルブ１２と圧電ブロア１３と制御部１４（図８参照）とを備えている。バルブ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。圧電ブロア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１２と圧電ブロア１３とは互いに積層した状態で貼付されている。

バルブ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、可動板２４とを備えている。

なお、バルブ１２は、本発明のバルブの一例に相当する。また、圧電ブロア１３は、本発明のブロアの一例に相当する。天板２１は、本発明の第１の板の一例に相当する。底板２３は、本発明の第２の板の一例に相当する。

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。

可動板２４は、樹脂で構成されている。ここで、可動板２４は、透明であることが好ましい。可動板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との間に設けられている。底板２３は、バルブ１２の底面側に設けられている。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。可動板２４は、バルブ１２の内部空間、即ちバルブ室４０に設けられている。

天板２１は、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、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、円柱状である。バルブ室４０は、側壁板２２の中央に所定の直径で設けられている。可動板２４は、天面側から視て概略円板状である。可動板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、可動板２４の厚みは、５μｍ以上１０μｍ以下に設定されている。また、可動板２４は、圧電ブロア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。

可動板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、可動板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、可動板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第１通気孔４１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第２通気孔４３及び複数の補助孔４９が設けられている。また、可動板２４の中央には、所定配列で並べられた複数の第３通気孔４２が設けられている。したがって、バルブ室４０は、第１通気孔４１を介して外部に通じるとともに、第２通気孔４３を介してブロア室４５に通じる。

ここで、複数の第１通気孔４１と複数の第２通気孔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と複数の第１通気孔４１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とは逆側の主面を正面視して、各第１通気孔４１と重なる。また、各補助孔４９の中心軸と各第１通気孔４１の中心軸とは一致している。

さらに、複数の第３通気孔４２と複数の第１通気孔４１とは、互いに対向しないように配列されている。複数の第３通気孔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。複数の第３通気孔４２と複数の第２通気孔４３とは、互いに対向するように配列されている。

また、底板２３は、図６に示すように、複数の縁部５０を有する。各縁部５０は各補助孔４９を囲む。各縁部５０は、天板２１のバルブ室４０とは逆側の主面を正面視して、各第１通気孔４１と重なる。

次に、圧電ブロア１３は、圧電素子３３への電圧印加により屈曲変形する振動体３６を用いたポンプの一種である。圧電ブロア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。

圧電ブロア１３は、振動調整板５４と、側壁板３１と、振動板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、振動板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、振動板３２とは、例えばステンレススチールで構成される。

側壁板３１は、底板２３と振動板３２との間に配置されている。振動板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、圧電ブロア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と振動板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、振動体３６は、ブロア室４５が半径ａとなるよう形成されている。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、流体振動や可動板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１２の応答性の向上や吸引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。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。

また、振動板３２は、外周部３４と、複数の梁部３５と、振動体３６と、を備えている。外周部３４は円環状である。振動体３６は円板状である。振動体３６は、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と振動体３６との間の隙間に設けられ、振動板３２の周方向に沿って延び、振動体３６と外周部３４との間を連結している。

したがって、振動体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と振動体３６との間の隙間部分（開口部）は吸入孔４６として設けられている。

なお、側壁板３１および振動板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いる。側壁板３１および振動板３２の外周径は、バルブ１２の外周径よりも一定寸法だけ小さく設定している。

圧電素子３３は、天面側から視て振動体３６よりも半径が小さい円板状である。圧電素子３３は、振動体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は、圧電材料で構成されるため、応答性に優れる。そのため、圧電素子３３は、高周波駆動を実現できる。

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、振動体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、振動体３６を弾性支持する梁部３５にも振動が生じ、これにより振動体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と振動体３６とは、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第２通気孔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。

なお、圧電素子３３は、本発明の駆動体の一例に相当する。底板２３と振動調整板５４と側壁板３１とは、本発明の筐体の一例を構成する。

次に、圧電ブロア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に示す圧電ブロア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（Ａ）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１次モードの周波数（基本波）の交流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、振動体３６を１次モードの共振周波数ｆで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、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。

なお、ブロア室４５の半径ａと振動体３６の共振周波数ｆとは、ブロア室１３１を通過する空気の音速をｃとし、第１種ベッセル関数Ｊ０（ｋ０）＝０の関係を満たす値をｋ０としたとき、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす。

本実施形態において、共振周波数ｆは、２１ｋＨｚである。空気の音速ｃは、３４０ｍ／ｓである。ｋ０は、２．４０である。第１種ベッセル関数Ｊ０（ｘ）は、以下の数式で示される。

また、ブロア室４５の各点の圧力変化分布ｕ（ｒ）は、ブロア室４５の中心軸Ｃからの距離をｒとしたとき、ｕ（ｒ）＝Ｊ０（ｋ０ｒ／ａ）の式で表される。

図９（Ａ）に示すように、振動体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において可動板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、可動板２４は第１通気孔４１を開く。そのため、外部の空気が第１通気孔４１を介してバルブ室４０へ吸引され、第３通気孔４２及び第２通気孔４３を介してブロア室４５へ吸引される。

また、図９（Ｂ）に示すように、振動体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、第２通気孔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、可動板２４が天面側に押されて天板２１に接触する。

これにより、可動板２４は第１通気孔４１を塞ぐ。そのため、ブロア室４５の空気が第２通気孔４３を介してバルブ室４０へ吸引されるが、バルブ室４０から外部への空気の流れが阻止される。

さらに、バルブ１２では、アクチュエータ３７の振動が圧電ブロア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、アクチュエータ３７が天面側に屈曲してブロア室４５の空気を第２通気孔４３からバルブ室４０に吐出する際に、天板２１はアクチュエータ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、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において可動板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、可動板２４が空気圧の変動に追従することが可能になり、バルブ１２が応答性の高いものになる。

なお、アクチュエータ３７の振動が圧電ブロア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。

また、ａｆ＝（ｋ０ｃ）／（２π）である場合、振動体３６の振動の節Ｆが、ブロア室１３１の圧力振動の節と一致し、圧力共振が生じる。さらに、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす場合でも、振動体３６の振動の節Ｆが、ブロア室４５の圧力振動の節とほぼ一致する。

圧電ブロア１３は、例えば鼻水や痰などの粘度の高い液体を吸引する用途に使用される。長期駆動に伴う圧電素子の破損を防ぐためには、圧電素子の振動速度は２ｍ／ｓ以下とする必要がある。鼻水や痰の吸引には２０ｋＰａ以上の圧力が必要なため、圧電ブロア１３には、１０ｋＰａ／（ｍ／ｓ）以上の圧力振幅が必要である。圧力振幅は、ａｆが１３０ｍ／ｓであるときに最大となる。そこから±２０％ずれても、圧力振幅は、１０ｋＰａ／（ｍ／ｓ）以上得られる。

そのため、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす場合、圧電ブロア１３は、鼻水や痰などの粘度の高い液体を吸引する用途に使用することが可能な、高い吸引圧力および高い吸引流量を実現できる。

ここで、圧電ブロア１３が駆動している間、図９（Ａ）に示す瞬間には、図１０に示すように、第１通気孔４１に対向する可動板２４の領域が、第１通気孔４１からバルブ室４０への吸引風によって、補助孔４９側へ変形する。これにより、天板２１と可動板２４との隙間ｈが大きくなる。すなわち、底板２３が補助孔４９を有さない場合と比べて、バルブ１２の流路抵抗が小さくなり、空気の流量が増大する。

したがって、流体制御装置１１１のバルブ１２によれば、圧電ブロア１３に吸引される空気の流量をできるだけ低下させずに通過させることができる。そのため、図７に示すように、天板２１の４つの第１通気孔４１と底板２３の４つの補助孔４９とがＸ方向またはＹ方向へズレないよう精密に位置合わせを行う必要がある。

そこで、バルブ１２では底板２３は、図７に示すように、天板２１のバルブ室４０とは逆側の主面を正面視して、第１通気孔４１と重なり、補助孔４９を囲む縁部５０を有する。また、可動板２４が透明である。

そのため、可動板２４を挟んで天板２１及び底板２３を貼り合わせる時、製造者は、天板２１の４つの第１通気孔４１から縁部５０を覗いて、Ｘ方向またはＹ方向へズレないよう４つの補助孔４９の位置を微調整できる。すなわち、製造者は、天板２１及び底板２３を容易に位置合わせできる。

したがって、流体制御装置１１１のバルブ１２によれば、可動板２４を挟んだ天板２１及び底板２３の位置ズレを容易に検査することができる。

なお、前記実施形態では、可動板２４は透明であるが、これに限るものではない。実施の際、可動板２４が透明でなくても、超音波などを天板２１のバルブ室４０とは逆側から照射することでも、製造者は、Ｘ方向またはＹ方向へズレないよう４つの補助孔４９の位置を微調整できる。

≪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に備えられる底板２２３の中央部の正面図である。図１２は、天板２１、可動板２４及び図１１に示す底板２２３を接合したバルブ２１２の中央部の正面図である。図１３は、図１１に示す流体制御装置２１１に備えられる圧電ブロア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１３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、底板２２３が、補助孔２４９の間を区切る桟部２４８Ｘ，２４８Ｙ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、圧電ブロア１３が駆動している間、図１３に示すように、第１通気孔４１に対向する可動板２４の領域が、第１通気孔４１からバルブ室４０への吸引風によって、補助孔２４９側へ変形する。これにより、天板２１と可動板２４との隙間ｈが大きくなる。すなわち、底板２２３が補助孔２４９を有さない場合と比べて、バルブ２１２の流路抵抗が小さくなり、空気の流量が増大する。

したがって、流体制御装置２１１のバルブ２１２によれば、圧電ブロア１３から吸引される空気の流量をできるだけ低下させずに通過させることができる。そのため、図１２に示すように、天板２１の４つの第１通気孔４１と底板２２３の８つの補助孔２４９とがＸ方向またはＹ方向へズレないよう精密に位置合わせを行う必要がある。

そこで、バルブ２１２では底板２２３は、図７に示すように、天板２１のバルブ室４０とは逆側の主面を正面視して、第１通気孔４１と重なり、補助孔２４９を囲む縁部２５０を有する。縁部２５０は、補助孔２４９の間を区切る桟部２４８Ｘ，２４８Ｙを含む。また、可動板２４は透明である。

そのため、可動板２４を挟んで天板２１及び底板２２３を貼り合わせる時、製造者は、天板２１の４つの第１通気孔４１から桟部２４８Ｘ，２４８Ｙ（縁部２５０の一部）を覗いて、Ｘ方向またはＹ方向へズレないよう８つの補助孔２４９の位置を微調整できる。すなわち、製造者は、天板２１及び底板２２３を容易に位置合わせできる。

したがって、流体制御装置２１１及びバルブ２１２によれば、可動板２４を挟んだ天板２１及び底板２２３の位置ズレを容易に検査することができる。

なお、前記実施形態では、可動板２４は透明であるが、これに限るものではない。実施の際、可動板２４が透明でなくても、超音波などを天板２１のバルブ室４０とは逆側から照射することでも、製造者は、Ｘ方向またはＹ方向へズレないよう８つの補助孔２４９の位置を微調整できる。

また、この構成では、各補助孔２４９の間に桟部２４８があるため、図１３に示すように可動板２４が桟部２４８に接触する。そのため、桟部２４８は、可動板２４の変形を抑制する。よって、吸引風が急激に大きくなった場合など、可動板２４が破損することを防止できる。これにより、バルブ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≫
以下、本発明の第３実施形態に係る流体制御装置３１１について説明する。

図１４は、本発明の第３実施形態に係る流体制御装置３１１の外観斜視図である。図１５は、図１４に示す流体制御装置３１１の外観斜視図である。図１６は、図１４に示す振動板１４１及び圧電素子４７の外観斜視図である。図１５及び図１６は、流体制御装置３１１の底面側から見た図である。図１７は、図１４に示す流体制御装置３１１のＵ−Ｕ線の断面図である。図１８は、図１４に示す流体制御装置３１１を１次モードの周波数（基本波）で動作させた時における流体制御装置３１１のＵ−Ｕ線の断面図である。

流体制御装置３１１が流体制御装置１１１と相違する主な点は、前述のバルブ１２が圧電ブロア３００の吸引孔３２４に装着されている点である。

まず、流体制御装置３１１は、圧電ブロア３００と、吐出弁８０と、吸引弁に相当するバルブ１２と、を備える。吐出弁８０は圧電ブロア３００の吐出孔１２４に装着されている。バルブ１２は圧電ブロア３００の吸引孔３２４に装着されている。バルブ１２の全ての第２通気孔４３は圧電ブロア３００の吸引孔３２４に連通している。

圧電ブロア３００は、上から順に、筐体１７、振動板１４１、圧電素子４７、及び筐体３１７を備え、それらが順に積層された構造を有している。

なお、この実施形態では、圧電素子４７が本発明の「駆動体」に相当する。

振動板１４１は、円板状であり、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）から構成されている。例えば振動板１４１の厚みは、０．６ｍｍである。例えば吐出孔１２４の直径は、０．６ｍｍである。

振動板１４１は、図１６に示すように、前述の振動板３２と同じ形状である。振動板１４１は、前述の振動板３２と同じ様に、外周部１３４と、複数の梁部１３５と、振動体１３６と、を備えている。振動板１４１は、開口部６２を有する。開口部６２は、振動体１３６を囲むよう、振動板１４１のほぼ全周にわたって形成されている。

ここで、外周部１３４は円環状である。振動体１３６は円板状である。振動体１３６は、外周部１３４の開口内に、外周部１３４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１３５は、外周部１３４と振動体１３６との間の隙間に設けられ、振動板１４１の周方向に沿って延び、振動体１３６と外周部１３４との間を連結している。

したがって、振動体１３６は、梁部１３５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。

振動板１４１は、第１主面１４１Ａと第２主面１４１Ｂとを有する。振動板１４１の第２主面１４１Ｂは、筐体１７の先端に接合している。これにより、振動板１４１は、筐体１７とともに振動体１３６を振動体１３６の厚み方向から挟んで円柱形状のブロア室１３１を構成する。また、振動板１４１および筐体１７は、ブロア室１３１が半径ａとなるよう形成されている。例えば本実施形態においてブロア室１３１の半径ａは、６．１ｍｍである。

ブロア室１３１は、振動板１４１の第２主面１４１Ｂを正面視して、開口部６２より内側の空間（より正確には、全ての開口部６２を結んで構成される円環より内側の空間）を指す。そのため、振動板１４１の第２主面１４１Ｂにおける開口部６２より内側の領域（より正確には、全ての開口部６２を結んで構成される円環より内側の領域）は、ブロア室１３１の底面を構成する。振動板１４１は例えば、金属板に対して打ち抜き加工を施すことにより形成される。

圧電素子４７は、円板形状であり、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４７の両主面には、電極が形成されている。圧電素子４７は、振動板１４１のブロア室１３１とは逆側の第１主面１４１Ａに接合されており、印加された交流電圧に応じて伸縮する。圧電素子４７及び振動体１３６は、アクチュエータ７０を構成する。

筐体１７は、下方が開口した断面コ字状に形成されている。筐体１７の先端は、振動板１４１に接合している。筐体１７は、例えば金属から構成されている。

筐体１７は、振動板１４１の第２主面１４１Ｂに対向する円板状の天板部１８と、天板部１８に接続する円環状の側壁部１９と、を有する。天板部１８の一部は、ブロア室１３１の天面を構成する。

なお、この実施形態では、ブロア室１３１が本発明の「第１ブロア室」に相当する。

天板部１８は、ブロア室１３１の中央部をブロア室１３１の外部と連通させる円柱状の吐出孔１２４を有する。ブロア室１３１の中央部とは、振動板１４１の第１主面１４１Ａを正面視して圧電素子４７と重なる部分である。天板部１８には、ブロア室１３１の外部から吐出孔１２４を介して内部へ気体が流れることを防ぐ吐出弁８０が設けられている。

次に、筐体３１７は、上方が開口した断面コ字状に形成されている。筐体３１７の先端は、振動板１４１の第１主面１４１Ａに接合している。筐体３１７は、例えば金属から構成されている。

これにより、筐体３１７は、アクチュエータ７０とともに振動体１３６を振動体１３６の厚み方向から挟んで円柱形状のブロア室３３１を構成する。また、振動板１４１および筐体３１７は、ブロア室３３１が半径ａとなるよう形成されている。すなわち、ブロア室３３１は、ブロア室１３１と同じ半径ａを有している。

本実施形態において振動板１４１の開口部６２は、ブロア室１３１の外周をブロア室３３１の外周と連通させる。開口部６２は、ブロア室３３１を囲むよう、振動板１４１のほぼ全周にわたって形成されている。そのため、アクチュエータ７０の吸引孔３２４側の面における開口部６２より内側の領域（より正確には、全ての開口部６２を結んで構成される円環より内側の領域）は、ブロア室３３１の底面を構成する。

筐体３１７は、振動板１４１の第１主面１４１Ａに対向する円板状の天板部３１８と、天板部３１８に接続する円環状の側壁部３１９と、を有する。天板部３１８の一部は、ブロア室３３１の天面を構成する。

なお、この実施形態では、筐体１７及び筐体３１７が本発明の「筐体」を構成する。また、ブロア室１３１が本発明の「第１ブロア室」に相当し、ブロア室３３１が本発明の「第２ブロア室」に相当する。

天板部３１８は、ブロア室３３１の中央部を筐体３１７の外部と連通させる円柱状の吸引孔３２４を有する。ブロア室３３１の中央部とは、振動板１４１の第１主面１４１Ａを正面視して圧電素子４７と重なる部分である。例えば吸引孔３２４の直径は、０．６ｍｍである。

以下、流体制御装置３１１の動作時における空気の流れについて説明する。

図１８は、図１３に示す流体制御装置３１１を１次モードの周波数（基本波）で動作させた時における流体制御装置３１１のＵ−Ｕ線の断面図である。図１８（Ａ）は、ブロア室１３１の容積が最も増大し、ブロア室３３１の容積が最も減少したときの図であり、図１８（Ｂ）は、ブロア室１３１の容積が最も減少し、ブロア室３３１の容積が最も増大したときの図である。ここで、図中の矢印は、空気の流れを示している。

図１７に示す状態において、１次モードの周波数（基本波）の交流駆動電圧が圧電素子４７の両主面の電極に印加されると、圧電素子４７は、伸縮し、振動体１３６を１次モードの共振周波数ｆで同心円状に屈曲振動させる。

同時に、天板部１８は、アクチュエータ７０の屈曲振動に伴うブロア室１３１の圧力変動により、アクチュエータ７０の屈曲振動に伴って（この実施形態では振動位相が１８０°遅れて）１次モードで同心円状に屈曲振動する。

天板部３１８も、アクチュエータ７０の屈曲振動に伴うブロア室３３１の圧力変動により、アクチュエータ７０の屈曲振動に伴って（この実施形態では振動位相が１８０°遅れて）１次モードで同心円状に屈曲振動する。

これにより、図１８（Ａ）（Ｂ）に示すように、ブロア室１３１、３３１の体積が周期的に変化する。

なお、ブロア室１３１の半径ａと振動板１４１の共振周波数ｆとは、ブロア室１３１を通過する空気の音速をｃとし、第１種ベッセル関数Ｊ０（ｋ０）＝０の関係を満たす値をｋ０としたとき、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす。

さらに、ブロア室３３１の半径ａと振動板１４１の共振周波数ｆとも、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす。本実施形態において、共振周波数ｆは、２１ｋＨｚである。空気の音速ｃは、３４０ｍ／ｓである。ｋ０は、２．４０である。

また、ブロア室１３１の各点の圧力変化分布ｕ（ｒ）は、ブロア室１３１の中心軸Ｃからの距離をｒとしたとき、ｕ（ｒ）＝Ｊ０（ｋ０ｒ／ａ）の式で表される。ブロア室３３１の各点の圧力変化分布ｕ（ｒ）も、ｕ（ｒ）＝Ｊ０（ｋ０ｒ／ａ）の式で表される。

図１８（Ａ）に示すように、振動板１４１が圧電素子４７側へ屈曲すると、天板部１８は圧電素子４７とは逆側へ屈曲し、ブロア室１３１の容積が増大する。さらに、天板部３１８は圧電素子４７側へ屈曲し、ブロア室３３１の容積が減少する。

このとき、ブロア室１３１の中央部の圧力が低下するため、吐出弁８０が閉じる。また、ブロア室３３１の中央部の圧力が増加するため、バルブ１２が閉じる。これにより、ブロア室３３１の中央部の空気が開口部６２を介してブロア室１３１に吸引される。

図１８（Ｂ）に示すように、振動板１４１がブロア室１３１側へ屈曲すると、天板部１８は圧電素子４７側へ屈曲し、ブロア室１３１の容積が減少する。さらに、天板部３１８は圧電素子４７とは逆側へ屈曲し、ブロア室３３１の容積が増大する。

このとき、ブロア室１３１の中央部の圧力が増加するため、吐出弁８０が開き、ブロア室１３１の中央部の空気が吐出孔１２４を介して筐体１７の外部へ吐出される。また、このとき、ブロア室３３１の中央部の圧力が低下するため、バルブ１２が開く。これにより、圧電ブロア３００外部の空気が吸引孔３２４を介してブロア室３３１内に吸引される。

以上のように、圧電ブロア３００は、アクチュエータ７０の駆動時、吸引孔３２４を介して筐体３１７の外部をブロア室３３１へ吸引し、ブロア室１３１の空気を吐出孔１２４を介して筐体１７の外部へ吐出する。

また、圧電ブロア３００では、振動板１４１の振動に伴い天板部１８、３１８が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができる。これにより、本実施形態の圧電ブロア３００は、吸引圧力と吸引流量を増加させることができる。

ここで、図１８（Ａ）（Ｂ）に示すように、ブロア室３３１の容積が減少した時にブロア室１３１の容積が増大し、ブロア室１３１の容積が減少した時にブロア室３３１の容積が増大する。すなわち、ブロア室１３１の容積とブロア室３３１の容積とは、逆位相で変化する。

そのため、ブロア室１３１の外周の空気とブロア室３３１の外周の空気とはアクチュエータ７０の駆動時、開口部６２を介して移動する。よって、ブロア室１３１の外周の圧力とブロア室３３１の外周の圧力とはアクチュエータ７０の駆動時、開口部６２を介して相殺され、常に大気圧（節）となる。

そして、ａｆ＝（ｋ０ｃ）／（２π）である場合、振動板１４１の振動の節Ｆが、ブロア室１３１の圧力振動の節とブロア室３３１の圧力振動の節とに一致し、圧力共振が生じる。さらに、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす場合でも、振動板１４１の振動の節Ｆが、ブロア室１３１の圧力振動の節とブロア室３３１の圧力振動の節とに、ほぼ一致する。

圧電ブロア３００は、例えば鼻水や痰などの粘度の高い液体を吸引する用途に使用される。長期駆動に伴う圧電素子の破損を防ぐためには、圧電素子の振動速度は２ｍ／ｓ以下とする必要がある。鼻水や痰の吸引には２０ｋＰａ以上の圧力が必要なため、圧電ブロア３００には、１０ｋＰａ／（ｍ／ｓ）以上の圧力振幅が必要である。圧力振幅は、ａｆが１３０ｍ／ｓであるときに最大となる。そこから±２０％ずれても、圧力振幅は、１０ｋＰａ／（ｍ／ｓ）以上得られる。

そのため、０．８×（ｋ０ｃ）／（２π）≦ａｆ≦１．２×（ｋ０ｃ）／（２π）の関係を満たす場合、圧電ブロア３００は、吐出孔１２４及び吸引孔３２４の両方から、高い吸引圧力および高い吸引流量を実現できる。圧電ブロア３００は、消費電力を増加させることなく、１つの駆動体でほぼ２倍の吸引圧力を生じさせることができる。

また、流体制御装置３１１は前述のバルブ１２を備える。そのため、流体制御装置３１１は、流体制御装置１１１と同様に、可動板２４を挟んだ天板２１及び底板２３の位置ズレを容易に検査することができる。

≪その他の実施形態≫
なお、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、バルブや圧電ブロアを構成する各板は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。

また、前記実施形態ではユニモルフ型の圧電振動子を使用しているが、これに限るものではない。振動体３６の両面に圧電素子３３を貼着したバイモルフ型の圧電振動子を使用してもよい。同様に、振動体１３６の両面に圧電素子４７を貼着したバイモルフ型の圧電振動子を使用してもよい。

また、前記実施形態では円板状の圧電素子３３、４７、円板状の振動体３６、１３６を用いたが、これに限るものではない。例えば、これらの形状が矩形や多角形であってもよい。

また、前記実施形態では、ｋ０が２．４０の条件を用いたが、これに限るものではない。５．５２、８．６５、１１．７９、１４．９３など、ｋ０は、Ｊ０（ｋ０）＝０の関係を満たす値であれば良い。

また、前記実施形態では、１次モードの周波数で圧電ブロアの振動板を屈曲振動させたが、これに限るものではない。実施の際は、複数の振動の腹を形成する、３次モード以上の奇数次の振動モードで振動板を屈曲振動させても良い。

また、前記実施形態では、ブロア室４５、１３１、３３１の形状が円柱形状であるが、これに限るものではない。実施の際は、ブロア室の形状が正角柱形状であっても良い。この場合、ブロア室の半径ａの代わりに、ブロア室の中心軸Ｃからブロア室の外周Ｆまでの最短距離ａを使用する。

また、前記第３実施形態では、バルブ１２の全ての第２通気孔４３は圧電ブロア３００の吸引孔３２４に接続しているが、これに限るものではない。実施の際、バルブ２１２の全ての第２通気孔４３が圧電ブロア３００の吸引孔３２４に接続していてもよい。

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
１３…圧電ブロア
１４…制御部
１７…筐体
１８…天板部
１９…側壁部
２１…天板
２２…側壁板
２３…底板
２４…可動板
２５…突起部
２６…切欠部
３１…側壁板
３２…振動板
３３…圧電素子
３４…外周部
３５…梁部
３６…振動体
３７…アクチュエータ
４０…バルブ室
４１…第１通気孔
４２…第３通気孔
４３…第２通気孔
４５…ブロア室
４６…吸入孔
４７…圧電素子
４８…ブロア下室
４９…補助孔
５０…縁部
５４…振動調整板
５５…ブロア上室
６２…開口部
７０…アクチュエータ
８０…吐出弁
１１１…流体制御装置
１２４…吐出孔
１３１…ブロア室
１３４…外周部
１３５…梁部
１３６…振動体
１４１…振動板
１４１Ａ…第１主面
１４１Ｂ…第２主面
２１１…流体制御装置
２１２…バルブ
２２３…底板
２４８Ｘ，２４８Ｙ…桟部
２４９…補助孔
２５０…縁部
３００…圧電ブロア
３１１…流体制御装置
３１７…筐体
３１８…天板部
３１９…側壁部
３２４…吸引孔
３３１…ブロア室
９１０…バルブ
９１４、９１６…板
９１７…フラップ
９１８、９２０…通気孔
９２８…補助孔

Claims (3)

1. 第１主面と第２主面とを有する振動板と、前記振動板を屈曲振動させる駆動体と、を有するアクチュエータと、前記アクチュエータとともに前記振動板の厚み方向から前記振動板を挟んで第１ブロア室および第２ブロア室を構成する筐体と、を有するブロアであって、
   前記振動板は、円環状に配置された複数の開口部を有し、
   前記筐体は、前記第１ブロア室を前記筐体の外部と連通させ外部から前記第１ブロア室への流体の流入を防ぐ吐出弁を有する吐出孔と、前記第２ブロア室を前記筐体の外部と連通させ前記第２ブロア室から外部への流体の流出を防ぐ吸引弁を有する吸引孔と、を有し、
   前記振動板は、振動体と、外周部と、前記振動体と前記外周部の間に配置され前記複数の開口部を前記振動体と前記外周部と共に形成する梁部とを有し、
   前記振動体と前記外周部の間は、前記振動体の側面および前記外周部の側面によって挟まれた空間であり、
   前記複数の開口部によって囲まれる内側の空間が前記第１ブロア室を構成することを特徴とする、
   ブロア。
2. 前記筐体は、前記振動板の前記第１主面を正面視して前記駆動体と重なる部分に、前記吐出孔および前記吸引孔を有することを特徴とする、
   請求項１に記載のブロア。
3. 前記吐出弁が閉じたとき前記吸引弁が閉じ、前記吐出弁が開いたとき前記吸引弁が開く、
   請求項１または請求項２に記載のブロア。

Images