JP6028779B2

JP6028779B2 - 流体制御装置

Info

Publication number: JP6028779B2
Application number: JP2014204639A
Authority: JP
Inventors: 平田　篤彦; 篤彦平田; 安藤　禎憲; 禎憲安藤; 剛伸前田; 幸治兒玉; 健太大森
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: JP2014240662A

Description

本発明は、流体制御を行う流体制御装置に関するものである。

特許文献１に従来の流体ポンプが開示されている。
図１は特許文献１の流体ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。図１に示す流体ポンプは、ポンプ本体１０と、外周部がポンプ本体１０に対して固定された振動板２０と、この振動板２０の中央部に貼り付けられた圧電素子２３と、振動板２０の略中央部と対向するポンプ本体１０の部位に形成された第１開口部１１と、振動板２０の中央部と外周部との中間領域又はこの中間領域と対向するポンプ本体の部位に形成された第２開口部１２とを備える。振動板２０は金属製であり、圧電素子２３は第１開口部１１を覆い、且つ第２開口部１２まで達しない大きさに形成されている。

図１に示す流体ポンプでは、圧電素子２３に所定周波数の電圧を印加することにより、第１開口部１１に対向する振動板２０の部分と第２開口部１２に対向する振動板２０の部分とが相反方向に屈曲変形する。これにより、第１開口部１１および第２開口部１２の一方から流体を吸込み、他方から吐出する。

国際公開第２００８／０６９２６４号パンフレット

図１に示したような構造の流体ポンプは、構造が簡単で薄型に構成でき、例えば燃料電池システムの空気輸送用ポンプとして用いられる。ところが、組み込み先の電子機器は常に小型化の傾向があるため、流体ポンプの能力（流量と圧力）を低下させることなく更なる流体ポンプの小型化が要求される。流体ポンプが小型化する程、ポンプの能力（流量と圧力）は低下するため、ポンプの能力を維持しつつ小型化しようとすれば、従来構造の流体ポンプでは限界があった。

そこで、本願の発明者は、以下に示す構造の流体ポンプを考案した。
図２は、同流体ポンプの主要部の構成を示す断面図である。流体ポンプ９０１は、可撓板３５、振動板ユニット３８、圧電素子３２を備え、それらを順に積層した構造を有している。

振動板ユニット３８は、金属製であり、振動板３１と、枠板３３と、連結部３４とによって構成される。また、圧電素子３２と圧電素子３２に接合された振動板３１とがアクチュエータ３０を構成する。この振動板３１の周囲には枠板３３が設けられており、振動板３１は枠板３３に対して連結部３４で連結されている。そして、枠板３３は、中心に吸引孔３５Ａが形成された可撓板３５の端部に、接着剤層３７によって固定されている。そのため、振動板３１及び連結部３４は、可撓板３５から接着剤層３７の厚み分離れて枠板３３に支持されている。また、連結部３４は、小さなバネ定数の弾性をもつ弾性構造となっている。

したがって、振動板３１は、２つの連結部３４で枠板３３に対して２点で柔軟に弾性支持されており、圧電素子３２の伸縮による振動板３１の屈曲振動は殆ど妨げられない。すなわち、流体ポンプ９０１は、アクチュエータ３０の周辺部が実質的に拘束されていない構造となっている。このため、アクチュエータ３０の屈曲振動に伴う損失が少なくなる。

また、アクチュエータ３０の駆動に伴って可撓板３５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、流体ポンプ９０１は、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量を得ることができる。

しかしながら、上記流体ポンプ９０１では、枠板３３と可撓板３５とを接着剤によって固定する際、余分な接着剤が接着剤層３７から連結部３４と可撓板３５との隙間に流れ込み、両者が接着してアクチュエータ３０の振動を阻害してしまうおそれがある。

そこで本発明は、接着剤によって振動板の振動が阻害されることを抑制することができる流体制御装置を提供することを目的とする。

本発明の流体制御装置は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

本発明の流体制御装置は、振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、を有する振動板ユニットと、前記振動板の一方主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、前記振動板の他方主面に対向して前記枠板に固定されている可撓板と、を備える。そして、前記可撓板の前記連結部と対向する領域には孔部が形成される。

この構成では、枠板を可撓板に接着固定する際に、接着剤の余剰分が孔部に流れ込む。そのため、本発明の流体制御装置は、この構成により、連結部と可撓板とが接着することを抑制することができる。即ち、本発明の流体制御装置は、振動板の振動を接着剤が阻害してしまうことを抑制できる。

また、少なくとも前記振動板の一部および前記連結部は、前記振動板の一部および前記連結部の前記可撓板側の面が前記可撓板から離れるよう、前記枠板の厚みより薄い厚みに形成されていてもよい。

この構成では、振動板の一部の厚みと枠板の厚みとの差が、振動板の一部と可撓板との間の距離に相当する。すなわち、この構成では、圧力−流量特性に影響を与える当該距離を、振動板ユニットの可撓板側の厚みを部分的に異ならせることによって規定することができる。よって、この構成では、振動板の一部と可撓板との間の距離を精密に規定できるため、圧力−流量特性が流体制御装置の個体毎にバラつくことを抑制できる。

また、前記振動板ユニットは一体形成されていてもよい。

この構成では、圧力−流量特性に影響を与える当該距離を、一体形成された振動板ユニットの可撓板側の厚みを部分的に異ならせることによって規定することができるため、より圧力−流量特性が流体制御装置の個体毎にバラつくことを抑制できる。

また、少なくとも前記振動板の一部および前記連結部は、エッチングにより前記枠板の厚みより薄い厚みに形成されていてもよい。

この構成では、前記振動板の一部および前記連結部の前記可撓板側の面をエッチングすることで、振動板の一部および連結部と可撓板との間の距離をエッチングの深さによって規定できる。

従って、この構成によれば、振動板の一部と可撓板との間の距離を精密に規定できるため、圧力−流量特性が流体制御装置の個体毎にバラつくことを一層抑制できる。

また、前記振動板の一部は、前記振動板の周縁部であってもよい。

この構成では、振動板の周縁部と可撓板との隙間へ上記接着剤の余剰分が流れ込んでも、振動板の周縁部の可撓板側の面が可撓板から離れているため、振動板の周縁部と可撓板とが接着することを抑制できる。そのため、この構成によれば、振動板の周縁部と可撓板とが接着して振動板の振動を阻害してしまうことを抑制できる。

また、前記振動板および前記駆動体はアクチュエータを構成し、前記アクチュエータは円板状であってもよい。

この構成では、アクチュエータが回転対称形（同心円状）の振動状態となるため、アクチュエータと可撓板との間に不要な隙間が発生せず、ポンプとしての動作効率が高まる。

また、前記可撓板は、前記可撓板の前記振動板に対向する領域の中心又は中心付近に位置し、屈曲振動可能な可動部と、前記領域の前記可動部より外側に位置し、実質的に拘束された固定部と、を有してもよい。

この構成によれば、アクチュエータの振動に伴い、可動部が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができ、そのことにより圧力と流量を増加させることができる。

本発明によれば、接着剤によって振動板の振動が阻害されることを抑制することができる。

特許文献１の流体ポンプの３次共振モードでのポンピング動作を示す図である。本発明の比較例に係る流体ポンプ９０１の主要部の断面図である。本発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。図３に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。図４に示す振動板ユニット１６０の外観斜視図である。図４に示す振動板ユニット１６０及び可撓板１５１の接合体の平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の外観斜視図である。図４は、図３に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図であり、図５は、図３に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。図６は、図４に示す振動板ユニット１６０を可撓板５１側から見た同振動板ユニット１６０の外観斜視図である。

図３〜図５に示すように、圧電ポンプ１０１は、カバー板１９５、基板１９１、可撓板１５１、振動板ユニット１６０、圧電素子１４２、スペーサ１３５、電極導通用板１７０、スペーサ１３０及び蓋部１１０を備え、それらを順に積層した構造を有している。

円板状の振動板１４１の上面には圧電素子１４２が接着固定されて、振動板１４１と圧電素子１４２とによって円板状のアクチュエータ１４０が構成される。ここで、振動板１４１を含む振動板ユニット１６０は、圧電素子１４２の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する金属材料で形成されている。振動板１４１及び圧電素子１４２を接着時に加熱硬化させることにより、振動板１４１が圧電素子１４２側へ凸に反りながら、圧電素子１４２に適切な圧縮応力を残留させることができ、圧電素子１４２の割れを防止できる。例えば、振動板ユニット１６０は、ＳＵＳ４３０などで形成するのがよい。例えば、圧電素子１４２は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどで形成するのがよい。圧電素子１４２の線膨張係数はほぼゼロであり、ＳＵＳ４３０の線膨張係数は１０．４×１０^−６Ｋ^−１程度である。
なお、圧電素子１４２が、本発明の「駆動体」に相当する。

スペーサ１３５の厚みは、圧電素子１４２の厚みと同じか、少し厚くしておくとよい。

振動板ユニット１６０は、図４〜図６に示すように、振動板１４１と、枠板１６１と、連結部１６２とによって構成される。振動板ユニット１６０は、金属板のエッチング加工により一体成型することで形成されている。振動板１４１の周囲には枠板１６１が設けられていて、振動板１４１は枠板１６１に対して連結部１６２で連結されている。そして、枠板１６１は接着剤によって可撓板１５１に固定される。

振動板１４１および連結部１６２は、図５、図６に示すように、振動板１４１および連結部１６２の可撓板１５１側の面が可撓板１５１から離れるよう、枠板１６１の厚みより薄い厚みに形成されている。振動板１４１および連結部１６２は、振動板１４１および連結部１６２の可撓板１５１側の面に対してハーフエッチングを行うことにより、枠板１６１の厚みより薄い厚みに形成されている。このため、振動板１４１および連結部１６２と可撓板１５１との間の距離は、ハーフエッチングの深さによって所定寸法（例えば１５μｍ）に精密に規定できる。また、連結部１６２は、小さなバネ定数の弾性を持つ弾性構造となっている。

したがって、振動板１４１は３つの連結部１６２で枠板１６１に対して３点で柔軟に弾性支持されており、振動板１４１の屈曲振動は殆ど妨げられない。すなわち、圧電ポンプ１０１は、アクチュエータ１４０の周辺部が（勿論中心部も）実質的に拘束されていない構造となっている。

枠板１６１の上面には、樹脂製のスペーサ１３５が接着固定されている。スペーサ１３５の厚みは圧電素子１４２と同じか少し厚く、ポンプ筺体１８０の一部を構成するとともに、次に述べる電極導通用板１７０と振動板ユニット１６０とを電気的に絶縁する。

スペーサ１３５の上には、金属製の電極導通用板１７０が接着固定されている。電極導通用板１７０は、ほぼ円形に開口した枠部位１７１と、この開口内に突出する内部端子１７３と、外部へ突出する外部端子１７２とで構成されている。

内部端子１７３の先端は圧電素子１４２の表面にはんだ付けされる。はんだ付け位置をアクチュエータ１４０の屈曲振動の節に相当する位置とすることにより内部端子１７３の振動は抑制できる。

電極導通用板１７０の上には、樹脂製のスペーサ１３０が接着固定される。スペーサ１３０はここでは圧電素子１４２と同程度の厚みを有する。スペーサ１３０は、アクチュエータが振動したときに、内部端子１７３のはんだ部分が、蓋部１１０に接触しないようにするためのスペーサである。また、圧電素子１４２表面が蓋部１１０に過度に接近して、空気抵抗により振動振幅が低下することを抑制する。そのため、スペーサ１３０の厚みは、前述の通り、圧電素子１４２と同程度の厚みであればよい。

蓋部１１０はスペーサ１３０の上端部に接合され、アクチュエータ１４０の上部を覆う。そのため、後述する可撓板１５１の通気孔１５２を通して吸引された流体は吐出孔１１１から吐出される。吐出孔１１１は蓋部１１０の中心に設けてもよいが、蓋部１１０を含むポンプ筺体１８０内の正圧を開放する吐出孔であるので、蓋部１１０の中心に設ける必要はない。

可撓板１５１には電気的に接続するための外部端子１５３が形成されている。また、可撓板１５１の中心には通気孔１５２が形成されている。

可撓板１５１の下部には、中心に円柱形の開口部１９２が形成された基板１９１が接合されている。可撓板１５１の一部は基板１９１の開口部１９２で露出する。この円形に露出した可撓板１５１の一部は、アクチュエータ１４０の振動に伴う空気の圧力変動により、アクチュエータ１４０と実質的に同一周波数で振動することができる。すなわち、この可撓板１５１と基板１９１との構成により、可撓板１５１のアクチュエータに対向する領域の中心又は中心付近は屈曲振動可能な可動部１５４（露出部）となり、当該アクチュエータに対向する領域の可動部１５４より外側の周辺部は基板１９１に拘束された固定部１５５となる。この円形の可動部１５４の固有振動数は、アクチュエータ１４０の駆動周波数と同一か、やや低い周波数になるように設計している。

従って、アクチュエータ１４０の振動に呼応して、通気孔１５２を中心とした可撓板１５１の可動部１５４も大きな振幅で振動する。可撓板１５１の振動位相がアクチュエータ１４０の振動位相よりも遅れた（例えば９０°遅れの）振動となれば、可撓板１５１とアクチュエータ１４０との間の隙間空間の厚み変動が実質的に増加する。そのことによってポンプの能力をより向上させることができる。

基板１９１の下部には、カバー板１９５が接合されている。カバー板１９５には、３つの吸引孔１９７が設けられている。吸引孔１９７は、基板１９１に形成された流路１９３によって、開口部１９２と連通している。

可撓板１５１、基板１９１、及びカバー板１９５は、振動板ユニット１６０の線膨張係数より大きな線膨張係数を有する材料で形成されている。可撓板１５１、基板１９１、及びカバー板１９５は、ほぼ同一の線膨張係数からなる。例えば、可撓板１５１はベリリウム銅、基板１９１はリン青銅、カバー板１９５は銅などで形成するのが良い。これらの線膨張係数は概略１７×１０^−６Ｋ^−１程度である。また、振動板ユニット１６０はＳＵＳ４３０などで形成するのがよい。ＳＵＳ４３０の線膨張係数は１０．４×１０^−６Ｋ^−１程度である。

この場合、枠板１６１に対する、可撓板１５１、基板１９１、カバー板１９５の線膨張係数の違いから、接着時に加熱硬化させることにより、可撓板１５１が圧電素子１４２側に凸に反りながら、中心付近の屈曲振動可能な可動部１５４に適切な張力が与えられる。これによって、屈曲振動可能な可動部１５４の張力が適切に調整されるとともに、屈曲振動可能な可動部１５４がたるんで、振動が妨げられることがない。可撓板１５１を構成するベリリウム銅はバネ材なので、円形の可動部１５４が大きな振幅で振動しても、へたりなどが生じることがなく、耐久性に優れる。

以上の構造において外部端子１５３，１７２に駆動電圧が印加されると、圧電ポンプ１０１では、アクチュエータ１４０が同心円状に屈曲振動し、吸引孔１９７から通気孔１５２を介して空気をポンプ室１４５へ吸引し、ポンプ室１４５の空気を吐出孔１１１から吐出する。このとき、圧電ポンプ１０１では、振動板１４１の周辺部が実質的に拘束されていないため、振動板１４１の振動に伴う損失が少なく、小型・低背でありながら高い圧力と大きな流量が得られる。

さらに、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、連結部１６２と可撓板１５１との隙間へ上記接着剤の余剰分が流れ込んでも、連結部１６２の可撓板１５１側の面が可撓板１５１から離れているため、連結部１６２と可撓板１５１とが接着することを抑制できる。同様に、振動板１４１と可撓板１５１との隙間へ上記接着剤の余剰分が流れ込んでも、振動板１４１の可撓板１５１側の面が可撓板１５１から離れているため、振動板１４１と可撓板１５１とが接着することを抑制できる。そのため、振動板１４１および連結部１６２と可撓板１５１とが接着してアクチュエータ１４０の振動を阻害してしまうことを抑制できる。

また、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、振動板１４１の厚みと枠板１６１の厚みとの差が、振動板１４１と可撓板１５１との間の距離に相当する。即ち、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、圧力−流量特性に影響を与える当該距離を、振動板１４１に対するハーフエッチングの深さによって規定している。よって、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、振動板１４１と可撓板１５１との間の距離を精密な設定が可能なエッチングの深さによって規定できるため、圧力−流量特性が圧電ポンプ１０１の個体毎にバラつくことを抑制できる。

以上より、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、接着剤によって振動板１４１の振動が阻害されることを抑制し、圧力−流量特性のバラつきを抑制することができる。ただし、連結部１６２の可撓板１５１側の面が可撓板１５１から離れるように構成することは本実施形態において必須ではない。

また、アクチュエータ１４０及び可撓板１５１は、いずれも常温では圧電素子１４２側を凸にして、ほぼ等しい量だけ反っている。ここで、圧電ポンプ１０１の駆動時の発熱による温度上昇、又は環境温度の上昇によってアクチュエータ１４０及び可撓板１５１はいずれも反りが減少するが、アクチュエータ１４０及び可撓板１５１はいずれも等しい量だけ平行に変形する。即ち、振動板１４１に対するハーフエッチングの深さによって規定した、振動板１４１と可撓板１５１との間の距離が温度によって変化しない。

従って、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、ポンプの適正な圧力−流量特性を、幅広い温度範囲にわたって維持することが可能である。

図７は、図４に示す振動板ユニット１６０及び可撓板１５１の接合体の平面図である。

図４〜図７に示すように、可撓板１５１及び基板１９１の連結部１６２と対向する領域に孔部１９８を設ける。これにより、枠板１６１を可撓板１５１に接着固定する際に、余剰の接着剤が孔部１９８に流れ込む。

そのため、この実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、振動板１４１及び連結部１６２と可撓板１５１とが接着することを抑制できる。即ち振動板１４１の振動を阻害してしまうことを抑制できる。

《他の実施形態》
前記実施形態ではユニモルフ型で屈曲振動するアクチュエータ１４０を設けたが、振動板１４１の両面に圧電素子１４２を貼着してバイモルフ型で屈曲振動するように構成してもよい。

また、前記実施形態では、圧電素子１４２の伸縮によって屈曲振動するアクチュエータ１４０を設けたが、これに限るものではない。例えば、電磁駆動で屈曲振動するアクチュエータを設けてもよい。

また、前記実施形態では、圧電素子１４２はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、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、圧電素子１４２と振動板１４１との大きさをほぼ等しくした例を示したが、これに限るものではない。例えば、圧電素子１４２より振動板１４１のほうが大きくてもよい。

また、前記実施形態では円板状の圧電素子１４２及び円板状の振動板１４１を用いたが、これに限るものではない。例えば、一方が矩形や多角形であってもよい。

また、前記実施形態では、振動板１４１全体の厚みが枠板１６１の厚みより薄く形成されているが、これに限るものではない。例えば、少なくとも振動板１４１の一部の厚みが枠板１６１の厚みより薄く形成されていても構わない。ただし、振動板１４１の一部は、振動板１４１全体のうち可撓板１５１と枠板１６１の接着部分に最も近い振動板１４１の周縁部であることが好ましい。

また、前記実施形態では、連結部１６２を３箇所に設けたが、これに限るものではない。例えば、２箇所だけ、あるいは、４箇所以上設けてもよい。連結部１６２はアクチュエータ１４０の振動を妨げるものではないが、振動に多少の影響を与えるため、３箇所で連結（保持）することにより、高精度に位置を保持しつつ自然な保持が可能となり、圧電素子１４２の割れを防止することもできる。

また、本発明は可聴音の発生が問題とならない用途では、可聴音周波数帯域でアクチュエータ１４０を駆動してもよい。

また、前記実施形態では、可撓板１５１のアクチュエータ１４０に対向する領域の中心に１個の通気孔１５２を配置した例を示したが、これに限るものではない。例えば、アクチュエータ１４０に対向する領域の中心付近に複数の孔を配置してもよい。

また、前記実施形態では、アクチュエータ１４０を１次モードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めたが、これに限るものではない。例えば、アクチュエータ１４０を３次モード等の他のモードで振動させるように駆動電圧の周波数を定めてもよい。

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。例えば、当該流体が、液体、気液混合流、固液混合流、固気混合流などのいずれであっても適用できる。

最後に、上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、上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。

１０…ポンプ本体
１１…第１開口部
１２…第２開口部
２０…振動板
２３…圧電素子
３０…アクチュエータ
３１…振動板
３２…圧電素子
３３…枠板
３４…連結部
３５…可撓板
３５Ａ…吸引孔
３７…接着剤層
３８…振動板ユニット
１０１…圧電ポンプ
１１０…蓋部
１１１…吐出孔
１３０…スペーサ
１３５…スペーサ
１４０…アクチュエータ
１４１…振動板
１４２…圧電素子
１４５…ポンプ室
１５１…可撓板
１５２…通気孔
１５３…外部端子
１５４…可動部
１５５…固定部
１６０…振動板ユニット
１６１…枠板
１６２…連結部
１７０…電極導通用板
１７１…枠部位
１７２…外部端子
１７３…内部端子
１８０…ポンプ筺体
１９１…基板
１９２…開口部
１９３…流路
１９５…カバー板
１９７…吸引孔
１９８…孔部
９０１…流体ポンプ

Claims

振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、前記振動板と前記枠板とを連結し、前記枠板に対して前記振動板を弾性支持する連結部と、を有する振動板ユニットと、
前記振動板の一方主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、
前記振動板の他方主面に対向して接着剤により前記枠板に固定されている可撓板と、を備え、
前記可撓板の前記連結部と対向する領域には孔部が形成された、流体制御装置。
少なくとも前記振動板の一部および前記連結部は、前記振動板の一部および前記連結部の前記可撓板側の面が前記可撓板から離れるよう、前記枠板の厚みより薄い厚みに形成されている、請求項１に記載の流体制御装置。
前記振動板ユニットは一体形成されている、請求項１または２に記載の流体制御装置。
前記振動板の一部は、前記振動板の周縁部である、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体制御装置。
前記振動板および前記駆動体はアクチュエータを構成し、
前記アクチュエータは円板状である、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体制御装置。
前記可撓板は、前記可撓板の前記振動板に対向する領域の中心又は中心付近に位置し、屈曲振動可能な可動部と、前記領域の前記可動部より外側に位置し、実質的に拘束された固定部と、を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体制御装置。