JP2018040351A - 小型流体制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体制御装置を採用した機器や設備の体積を小さくし同時に静音性を確保し、便利且つ快適に使用でき、ポータブル性も備えた小型流体制御装置を提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータと、ケーシングとを包括する小型流体制御装置であって、圧電アクチュエータは、懸吊板、外枠、フレーム及び圧電セラミック板を有し、懸吊板は、正方形形態で、第一及び第二表面を有し、外枠の第二表面が懸吊板の第二表面にある凸部以外の部分と共平面になり、ケーシングは、集気板及びベースを含み、集気板は、収容空間を有する枠体構造で、ベースは、気体導入板及び共振片が接合することによってなり、収容空間内に設置することで、圧電アクチュエータを密封し、そのうち、圧電アクチュエータにある外枠の第二表面は、ベースの共振片との間に接着層を設置することで、圧電アクチュエータとベースの共振片との間で、必要な圧縮チャンバの深さを維持している。
【選択図】図５

Description

本発明は小型流体装置に関し、特に、小型で非常に薄く、静かな小型流体制御装置に関するものである。

現在医薬、コンピューターテクノロジー、印刷、エネルギー等の工業など分野を問わず製品は精密化及び小型化の方向に発展しており、そのうち、小型ポンプ、噴霧器、インクジェットヘッド、工業印刷装置等の製品に含まれる流体輸送構造は中でも重要な技術であるが、いかに革新的な構造で技術のボトルネックを打破するかが発展させるための重要な内容となっている。

例えば、医藥産業においては空気圧動力を採用して駆動される機器や設備が多いが、通常は従来型のモーターと気圧バルブでその気体輸送の目的が達せられている。しかしながら、これら従来型のモーターと気圧バルブの体積の制限を受けて、これらの機器・設備はその体積を縮小することが難しく、装置全体の体積を縮小することができないため、薄型化という目標を実現することが難しく、これをポータブル型にするという目的に達成することはさらに難しい。また、これら従来型のモーター及び気体バルブは、作動時に騒音の発生といった問題も引き起こし、使用上の不便及び不快に繋がってしまう。

従来の小型流体制御装置の構成を示す断面拡大模式図である図６を参照すると、従来の小型流体制御装置１’は、集気板１１’、圧電アクチュエータ１２’、接着層１３’及びベース１４’などを順次積層するように組立てられており、そのうち、ベース１４’は、気体導入板１４１’及び共振片１４２’を包含し、前記気体導入板１４１’は、集約アレイ１４４’に対応するように連通する気体導入孔１４３’を有することで、集約チャンバ１４５’を構成し、前記共振片１４２’は、その上に中空孔１４６’を有し、前記集約チャンバ１４５’に対応するように設置している。前記圧電アクチュエータ１２’は、懸吊板１２１’、外枠１２２’、少なくとも一つのフレーム１２３’及び圧電セラミック板１２４’によって組立てられており、前記共振片１４２’は、前記圧電アクチュエータ１２’の前記外枠１２２’との間に間隙ｈ０’を有し、且つ前記間隙ｈ０’に充填するように前記接着層１３’を設置することで、前記共振片１４２’と前記圧電アクチュエータ１２’との間に圧縮チャンバ１０’を構成している。前記集気板１１’は、第一貫通孔１１１’を有し、且つ前記圧電アクチュエータ１２’の外部を被覆している。この従来の前記小型流体制御装置１’は、前記圧電アクチュエータ１２’の懸吊板１２１’を駆動することにより、垂直方向の往復振動を行って湾曲変形し、流体を制御することで、前記気体導入孔１４３’から前記集約アレイ１４４’に入り込んで前記集約チャンバ１４５’に集約するようにガイドし、前記圧縮チャンバ１０’に伝送し、前記圧縮チャンバ１０’の体積によって圧縮変化させ、流体を前記集気板１１’の第一貫通孔１１１’から排出することで、一定の圧力の出力に達している。また、従来の前記小型流体制御装置１’の構成において、前記懸吊板１２１’、前記外枠１２２’及び前記フレーム１２３’は、金属板の一体成型の構成であって、前記圧縮チャンバ１０’が必要とする深さｈ’に達成させるため、前記圧電アクチュエータ１２’に複数回のエッチング加工を行って前記外枠１２２’の高さを構成し、前記外枠１２２’と前記懸吊板１２１’との間に階段状段差凹空間を形成し、上述した前記外枠１２２’及び前記共振片１４２’の間に設置する接着層１３’を前記外枠１２２’と前記共振片１４２’との間にある前記間隙ｈ０’に塗布することによって、前記圧縮チャンバ１０’が必要とする深さｈ’を維持し、前記懸吊板１２１’は前記共振片１４２’と適切な距離を保持し、互いの接触干渉を低減している。

しかし、前記外枠１２２’が前記懸吊板１２１’との間に階段状段差凹空間を形成し、前記外枠１２２’と前記共振片１４２’との間にある間隙ｈ０’に充填するように設置した接着層１３’で、前記圧縮チャンバ１０’が必要とする深さｈ’を維持するという上述の方法では、前記懸吊板１２１’が前記共振片１４２’と適切な距離を保持し、互いの接触干渉を低減することができるものの、前記外枠１２２’は金属材質の材料で、一定の剛性を有しており、従来の方法では、階段状の段差の高さの前記外枠１２２’を保持し、その高さは、前記共振片１４２’の間にある接着層１３’と結合し合っており、一段の三分の二を占める高さの金属の前記外枠１２２’に対して一段の三分の一を占める高さの接着層１３’を合わせることで、前記圧縮チャンバ１０’が必要とする深さｈ’を達成するという方法の配置では、剛性が強いだけでなく、前記懸吊板１２１’が垂直方向に振動する場合、振動時に発生するその他の干渉振動を有効的に吸収することができないため、エネルギーロスとなり、また、騒音の増大という問題も発生し、騒音問題もまた製品不具合の原因の一つとなっている。

このため、上述の従来技術の欠点を改善し、従来の流体制御装置を採用した機器や設備の体積を小さくして小型化すると同時に静音性を確保し、便利且つ快適に使用でき、ポータブル性も備えた小型流体制御装置をいかに開発するかが現在解決を要する切迫した問題となっている。

本発明の主な目的は、ポータブル或いはウェアラブルな機器や設備に適用する小型流体制御装置を提供することであって、圧電アクチュエータの懸吊板、外枠、フレームが一体成型の金属板構造、且つ同じ深さで懸吊板の凸部及びフレームが必要とする形態にエッチングしたことにより、外枠の第二表面、フレームの第二表面及び懸吊板の第二表面のいずれもが共平面の構造となり、外枠の異なる深さに応じて複数回のエッチング加工を行う従来の方法を簡略化すると同時に、外枠と共振片との間に設置した接着層により、エッチングした後外枠に発生する粗面を塗布することで、接着層と外枠との結合強度を強化させ、且つ外枠の厚さが従来の方法より薄いことから、間隙を塗布する接着層の厚さが増加し、接着層の厚さの増加により、接着層の塗布の不均一性を有効的に改善することができ、懸吊板を組立てる際にある水平方向の組立て誤差を低減し、懸吊板にある垂直方向の動的エネルギーの利用効率を向上させると同時に、振動エネルギーを吸収し、騒音を低減して静音にするという効果に達することも補助することができ、且つこの小型化した圧電アクチュエータは、小型流体制御装置全体の体積をより縮小且つ薄型化することで、便利で快適なポータブル性という目的を達することにある。

本発明のもう一つの目的は、圧電アクチュエータの懸吊板が正方形形態という設計と、懸吊板上に凸部をさらに有するという作動とを提供することで、流体がベースにある気体導入板の気体導入孔から流入し、連通し合う集約アレイ及び集約チャンバに沿って流動を行い、共振片の中空孔により流体が共振片と圧電アクチュエータとの間に形成する圧縮チャンバ内で圧力勾配が発生することで、流体が高速で流動し、流体の流量は低下せず、圧力損失も発生せず、継続的に伝送して高い排出圧力を得ることにある。

上述の目的を達するため、本発明の比較的広義の実施態様が提供する小型流体制御装置は、懸吊板、外枠、少なくとも一つのフレーム及び圧電セラミック板を有し、前記懸吊板は、正方形形態で、第一表面及びそれに対応する第二表面を有し、前記第二表面上に凸部を有し、前記外枠は、前記懸吊板の外側を囲繞するように設置し、第一表面及びそれに対応する第二表面を有し、前記外枠の前記第二表面が前記懸吊板の前記第二表面にある前記凸部以外の部分と共平面になり、前記少なくとも一つのフレームは、前記懸吊板と前記外枠との間に接続し、前記圧電セラミック板は、前記懸吊板の辺の長さより長くない辺の長さを有し、前記懸吊板の前記第一表面上に貼着する圧電アクチュエータと、集気板及びベースを含み、前記集気板は、周縁に側壁を有することで収容空間を構成する枠体構造で、前記圧電アクチュエータを前記収容空間内に設置し、前記ベースは、気体導入板及び共振片が接合することによってなり、前記集気板の前記収容空間に結合することで、前記圧電アクチュエータを密封し、前記気体導入板は、少なくとも一つの気体導入孔及びそれに連通する少なくとも一つの集約アレイを有することで、集約チャンバを構成し、前記共振片は、前記気体導入板上に固定するように設置し、且つ前記気体導入板の前記集約チャンバに相対し、前記懸吊板の前記凸部に対応する中空孔を有するケーシングと、を包括し、そのうち、前記圧電アクチュエータにある前記外枠の前記第二表面は、前記ベースの前記共振片との間に接着層を設置することで、前記圧電アクチュエータと前記ベースの前記共振片との間で、構造に必要な前記圧縮チャンバの深さを維持している。

本発明の好ましい実施例に係る小型流体制御装置の構造を示す正面分解模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す正面組立模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す背面分解模式図である。 図２Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す背面組立模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す正面模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す背面模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す断面模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の局部動作を示す模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の局部動作を示す模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の局部動作を示す模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の局部動作を示す模式図である。 図１Ａに図示された小型流体制御装置の局部動作を示す模式図である。 図１Ｂに図示された小型流体制御装置の構造を示す断面拡大模式図である。 従来の小型流体制御装置の構成を示す断面拡大模式図である。

本発明の特徴と利点を体現するいくつかの典型的実施例を以下において詳細に説明する。本発明は異なる態様において各種の変化が可能であり、そのいずれも本発明の範囲を逸脱せず、且つ本発明の説明及び図面は本質的に説明のために用いられ、本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。

本発明の小型流体制御装置１は、医薬・バイオテクノロジー、エネルギー、コンピューターテクノロジー、または印刷等の工業に応用し、気体を伝送するために用いることができるが、これに限らない。本発明の好ましい実施例に係る小型流体制御装置の構造を示す正面分解模式図である図１Ａ、図１Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す正面組立模式図である図１Ｂ、図１Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す背面分解模式図である図２Ａ、図２Ａに図示された小型流体制御装置の構造を示す背面組立模式図である図２Ｂ、図１Ｂに図示された小型流体制御装置の構造を示す断面拡大模式図である図５を参照されたい。図１Ａ、図２Ａ及び図５にあるように、本発明に係る小型流体制御装置１は、ケーシング１ａ、圧電アクチュエータ１３、絶縁片１４１、１４２、導電片１５等の構造を有し、そのうち、ケーシング１ａは、集気板１６及びベース１０を包含し、前記ベース１０は、気体導入板１１及び共振片１２を包含するが、これらに限らない。前記圧電アクチュエータ１３は、共振片１２に対応するように設置され、前記気体導入板１１、前記共振片１２、前記圧電アクチュエータ１３、前記絶縁片１４１、前記導電片１５、もう一つの前記絶縁片１４２、前記集気板１６等が順次積層するように設置され、且つ前記圧電アクチュエータ１３は、懸吊板１３０及び圧電セラミック板１３３によって組立てられている。本実施例において、図１Ａ及び図５にあるように、集気板１６は、単一のプレート構造のみに限らず、周縁に側壁１６８を有する枠体構造としてもよく、且つ周縁に構成する前記側壁１６８は、その底部のプレートとともに、前記圧電アクチュエータ１３を設置するために用いる収容空間１６ａを定義している。また、上述したように、本実施例に係る前記集気板１６は、表面１６０を有し、前記表面１６０は、その上で凹設することで集気チャンバ１６２を形成し、前記小型流体制御装置１によって伝送する気体は、前記集気チャンバ１６２に一時的に蓄積されており、且つ前記集気板１６は、第一貫通孔１６３及び第二貫通孔１６４を有し、前記第一貫通孔１６３の一端及び前記第二貫通孔１６４の一端は、前記集気チャンバ１６２と連通し合い、それぞれのもう一端は、前記集気板１６の基準表面１６１上にある第一圧力リリーフチャンバ１６５及び第一出口チャンバ１６６とそれぞれ連通し合っている。また、前記第一出口チャンバ１６６箇所に凸部構造１６７がさらに増設され、例えば円柱構造とすることができるが、これに限らない。

図２Ａにあるように、前記圧電アクチュエータ１３は、前記圧電セラミック板１３３、前記懸吊板１３０、外枠１３１及び少なくとも一つのフレーム１３２を包括し、そのうち、前記圧電セラミック板１３３は、方形プレート状構造であって、その辺の長さは、前記懸吊板１３０の辺の長さより長くなく、前記懸吊板１３０の上に貼着することができる。本実施例において、前記懸吊板１３０は、可撓性の正方形プレート状構造であって、前記懸吊板１３０の外側に前記外枠１３１を囲繞するように設置し、前記外枠１３１の形態も前記懸吊板１３０にほぼ対応する形態であるため、本実施例において、前記外枠１３１もまた、正方形の中空枠型構造であり、且つ前記懸吊板１３０と前記外枠１３１との間は、前記フレーム１３２によって接続することで、弾性的な支持を提供している。また、図１Ａ及び図２Ａにあるように、本発明に係る前記小型流体制御装置１は、絶縁片１４及び導電片１５などの構造をさらに包括し、前記絶縁片１４は、二つの前記絶縁片１４１、１４２とすることができ、且つ前記二つの絶縁片１４１、１４２は、前記導電片１５を上下で挟着するように設置している。本発明に係る前記小型流体制御装置１が組立てられると、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂにあるように、前記絶縁片１４２、前記導電片１５、前記絶縁片１４１、前記圧電アクチュエータ１３及び前記ベース１０などの構造が順次組立てられて前記集気板１６にある前記収容空間１６ａ内に収容され、組立後は、図１Ｂ及び図２Ｂにあるように、体積が小さく、外形が小型化した前記小型流体制御装置１を構成することができる。

図１Ａ及び図２Ａにあるように、前記小型流体制御装置１の前記気体導入板１１は、第一表面１１ｂ、第二表面１１ａ及び少なくとも一つの気体導入孔１１０を有し、本実施例において、前記気体導入孔１１０の数量は４個であるが、これに限らず、前記気体導入板１１の前記第一表面１１ｂ及び前記第二表面１１ａを貫通し、主に、気体を装置外から大気圧の作用に順応して前記少なくとも一つの気体導入孔１１０から前記小型流体制御装置１内に流入させるために用いている。また、図２Ａにあるように、前記気体導入板１１の前記第一表面１１ｂから分かるとおり、その上には、前記気体導入板１１の前記第二表面１１ａにある前記少なくとも一つの気体導入孔１１０に対応するように設置するために用いる少なく一つの集約アレイ１１２を有している。これら集約アレイ１１２は、中心で交わる箇所に集約チャンバ１１１を有し、前記集約チャンバ１１１は、前記集約アレイ１１２と連通し合い、これにより、前記少なくとも一つの気体導入孔１１０から前記集約アレイ１１２に入り込む気体を前記集約チャンバ１１１にガイドし、集約して伝送することができる。本実施例において、前記気体導入板１１は、一体成型された前記気体導入孔１１０、前記集約アレイ１１２及び前記集約チャンバ１１１を有し、前記気体導入板１１が前記共振片１２に対応するように組立てられると、前記集約チャンバ１１１箇所は、対応するように、流体を一時的に保存するためのチャンバとして構成することができる。一部の実施例において、前記気体導入板１１の材質は、ステンレス材質によって構成することができるがこれに限らず、且つその厚さは、０.４ｍｍ〜０.６ｍｍの間であり、好ましくは０.５ｍｍであるが、これに限らない。その他の一部の実施例において、前記集約チャンバ１１１箇所に構成する前記集約チャンバの深さは、これら集約アレイ１１２の深さと同じであるが、これに限らない。

本実施例において、前記共振片１２は、可撓性材質によって構成することができるが、これに限らず、且つ前記共振片１２は、その上に、前記気体導入板１１の第１表面１１ｂにある前記集約チャンバ１１１に対応するように設置する中空孔１２０を有することで、気体を流通させることができる。その他の一部の実施例において、前記共振片１２は、銅材質によって構成することができるが、これに限らず、且つその厚さは、０.０３ｍｍ〜０.０８ｍｍの間であり、好ましくは０.０５ｍｍであるが、これに限らない。

図４Ａ及び図５にあるように、前記共振片１２は、前記圧電アクチュエータ１３との間に間隙ｈを有し、本実施例において、前記共振片１２及び前記圧電アクチュエータ１３の前記外枠１３１との間にある前記間隙ｈは、これに限らないが、例えば導電ペーストといった接着層１３６を充填するように設置することで、前記共振片１２と前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０との間にある前記間隙ｈの深さを維持することができ、さらに、気流をより迅速に流動するようにガイドすることができる。また、前記間隙ｈに応じて前記共振片１２と前記圧電アクチュエータ１３との間に圧縮チャンバ１２１を形成することができ、前記共振片１２の前記中空孔１２０によって、流体をより迅速に流動するようにガイドすることができ、且つ前記懸吊板１３０と前記共振片１２とが適切な距離を保持するため、互いの接触干渉が減少し、騒音の発生を低減することができる。

また、図１Ａ及び図２Ａを同時に参照すると、前記小型流体制御装置１は、前記絶縁片１４１、前記導電片１５及び前記その他の絶縁片１４２などの構造をさらに有し、前記圧電アクチュエータ１３と前記集気板１６との間でそれぞれ順次挟着され、その形態は、前記圧電アクチュエータ１３の前記外枠１３１にほぼ対応している形態である。一部の実施例において、絶縁片１４１、１４２は、これに限らないが、例えばプラスチックといった絶縁が可能な材質によって構成することで、絶縁を行っており、その他の一部の実施例において、導電片１５は、これに限らないが、例えば金属といった導電可能な材質によって構成することで、電気の導通を行っている。また、本実施例において、前記導電片１５は、その上に導電ピン１５１を設置することで、電気の導通を行ってもよい。

図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す正面模式図である図３Ａと、図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す背面模式図である図３Ｂと、図１Ａに図示された小型流体制御装置の圧電アクチュエータを示す断面模式図である図３Ｃとを同時に参照すると、図示されているとおり、前記圧電アクチュエータ１３は、前記懸吊板１３０、前記外枠１３１、前記少なくとも１つのフレーム１３２及び前記圧電セラミック板１３３によって組立てられており、本実施例において、前記懸吊板１３０、前記外枠１３１及び前記フレーム１３２は、一体成型の構造であり、且つ金属プレートによって構成することができ、例えば、ステンレス材質によって構成することができるが、これに限らず、このため、本発明に係る前記小型流体制御装置１の前記圧電アクチュエータ１３は、前記圧電セラミック板１３３が金属プレートと貼着することによってなるが、これに限らない。また、図示されているとおり、前記懸吊板１３０は、第一表面１３０ｂ及びそれに対応する第二表面１３０ａを有しており、そのうち、前記圧電セラミック板１３３は、前記懸吊板１３０の前記第一表面１３０ｂに貼着し、印加電圧を用いて前記懸吊板１３０の湾曲振動を駆動している。図３Ａにあるように、前記懸吊板１３０は、中心部１３０ｄ及び外周部１３０ｅを有し、前記圧電セラミック板１３３が電圧を受けて駆動すると、前記懸吊板１３０は、前記中心部１３０ｄから前記外周部１３０ｅまで湾曲振動することができ、前記外枠１３１は、前記懸吊板１３０の外側に前記外枠１３１を囲繞するように設置し、且つ給電の接続のために用い、外側に向かって凸設する導電ピン１３４を有しているが、これに限らない。前記少なくとも一つのフレーム１３２は前記懸吊板１３０及び前記外枠１３１の間に接続することで、弾性的な支持を提供している。本実施例において、前記フレーム１３２の一端は、前記外枠１３１に接続し、もう一端は、前記懸吊板１３０に接続し、且つ前記フレーム１３２、前記懸吊板１３０及び前記外枠１３１の間に流体の流通のために用いる少なくとも一つの空隙１３５をさらに有し、前記懸吊板１３０、前記外枠１３１及び前記フレーム１３２の形態と数量とは様々な変化が可能である。

図３Ａ及び図３Ｃにあるように、前記懸吊板１３０の前記第二表面１３０ａは、前記外枠１３１の第二表面１３１ａ及び前記フレーム１３２の第二表面１３２ａと平坦な共平面構造であって、本実施例を例にすると、前記懸吊板１３０は、正方形の構造であって、各辺の長さは、７.５ｍｍ〜１２ｍｍの間であり、好ましくは７.５ｍｍ〜８.５ｍｍであって、その厚さは、０.１ｍｍ〜０.４ｍｍの間であり、好ましくは０.２７ｍｍであるが、これに限らない。また、前記外枠１３１の厚さも、０.１ｍｍ〜０.４ｍｍの間であり、好ましくは０.２７ｍｍであるが、これに限らない。また、前記圧電セラミック板１３３の辺の長さは、前記懸吊板１３０の辺の長さより長くなく、同じように前記懸吊板１３０に対応する正方形プレート状構造に設計し、前記圧電セラミック板１３３の厚さは０.０５ｍｍ〜０.３ｍｍの間であり、好ましくは０.１０ｍｍであって、本発明が正方形の前記懸吊板１３０を用いた理由としては、従来の圧電アクチュエータの円形懸吊板の設計と比較すると、本発明に係る前記圧電アクチュエータ１３の正方形の前記懸吊板１３０の方が省電力という利点を顕著に有しており、その消費電力の比較は、以下の表１のとおりである。

従って、実験による上記の表から分かるとおり、正方形でその辺の長さが８ｍｍ〜１０ｍｍの寸法にある圧電アクチュエータの懸吊板は、円形で直径が８ｍｍ〜１０ｍｍの寸法にある圧電アクチュエータの懸吊板と比べて省電力であって、その省電力の理由は、共振周波数下で作用する容量性負荷により、その消費電力が周波数の上昇に伴って増加し、また、辺の長さの寸法が正方形である前記懸吊板１３０の共振周波数は、直径が正方形と同じ寸法の円形の懸吊板より明らかに低いことから、相対的に消費電力も顕著に低く、つまり、本発明が用いる正方形設計の前記懸吊板１３０は、従来の円形懸吊板設計より、省電力であるという利点を有し、小型で非常に薄く、静かな前記小型流体制御装置１が求められている傾向において、低電力消費という効果にさらに達することができ、特にウェアラブルデバイスでの応用において、省電力であることは非常に重要な設計ポイントとなっている。

上述したように、これら懸吊板１３０、前記外枠１３１及び前記フレーム１３２は、一体成型の構造とすることができるが、これに限らず、その他の製造方法としては、従来の加工、フォトリソグラフィ、レーザ加工、電鋳加工或いは放電加工などで製造することができるが、これに限らない。本実施例を例にすると、本発明に係る前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０、前記外枠１３１及び前記フレーム１３２は、一体成型の構造、即ち金属プレートであって、前記外枠１３１、前記フレーム１３２及び前記懸吊板１３０を同じ深さにエッチングすることで、前記外枠１３１の第二表面１３１ａ、前記フレーム１３２の第二表面１３２ａ及び前記懸吊板１３０の前記第二表面１３０ａを共平面構造とすることができる。この同じ深さにするエッチング加工により、それまで前記外枠１３１の異なる深さに応じて行っていた複数回のエッチング加工を簡略化することができると同時に、上述した前記外枠１３１と前記共振片１２との間に設置する前記接着層１３６により、エッチングした後前記外枠１３１に発生する粗面を塗布することで、前記接着層１３６と前記外枠１３１との結合強度を強化させ、且つ前記外枠１３１の厚さが従来の方法より薄いことから、前記間隙ｈを塗布する前記接着層１３６の厚さが増加し、前記接着層１３６の厚さの増加により、前記接着層１３６の塗布の不均一性を有効的に改善することができ、前記懸吊板１３０を組立てる際にある水平方向の組立て誤差を低減し、前記懸吊板１３０にある垂直方向の動的エネルギーの利用効率を向上させると同時に、振動エネルギーを吸収し、騒音を低減して静音にするという効果に達することも補助することができる。

また、図３Ｂにあるように、本実施例において、前記懸吊板１３０は、正方形で、階段面を有する構造であって、即ち、前記懸吊板１３０の前記第二表面１３０ａは、その上に凸部１３０ｃをさらに有し、前記凸部１３０ｃは、前記第二表面１３０ａの前記中心部１３０ｄに設置し、且つ円形の凸起構造とすることができるが、これに限らない。一部の実施例において、前記凸部１３０ｃの高さは、０.０２ｍｍ〜０.０８ｍｍの間であり、好ましくは０.０３ｍｍで、その直径は、４．４ｍｍであるが、これに限らない。

このため、図１Ａ、図４Ａ〜図４Ｅ及び図５を参照すると、前記ベース１０、前記圧電アクチュエータ１３、前記絶縁片１４１、前記導電片１５、前記もう一つの絶縁片１４２及び前記集気板１６などが順次積層するように組立てられた後、図４Ａ及び図５にあるように、前記小型流体制御装置１は、前記共振片１２の前記中空孔１２０箇所において、その上にある前記気体導入板１１とともに気体を集約するチャンバ、即ち前記気体導入板１１の前記第一表面１１ｂの前記集約チャンバ１１１箇所にあるチャンバを形成することができ、且つ前記共振片１２と前記圧電アクチュエータ１３との間に、気体を一時的に保存するために用いる前記圧縮チャンバ１２１をさらに形成し、前記圧縮チャンバ１２１は、前記共振片１２の前記中空孔１２０により、前記気体導入板１１の前記第１表面１１ｂの前記集約チャンバ１１１箇所にあるチャンバと連通し合っており、前記小型流体制御装置１が前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０を駆動して垂直の往復振動を行うことを制御した作動実施状態を示す局部模式図について以下において説明する。

図４Ｂにあるように、前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０が垂直の往復振動を行って湾曲変形し、下に向かって変位するように制御すると、発生した気体は、前記気体導入板１１にある前記少なくとも一つの気体導入孔１１０から入り込み、前記第一表面１１ｂの前記少なくとも一つの集約アレイ１１２によって中央にある前記集約チャンバ１１１箇所に集約され、この時、前記共振片１２は、軽くて薄い片状構造であるため、流体の導入及び押圧、前記懸吊板１３０の共振に伴って垂直の往復振動が発生し、つまり、前記集約チャンバ１１１に対応する前記共振片１２の可動部１２ａもまた、湾曲振動に伴って変形し、また、図４Ｃにあるように、前記懸吊板１３０が垂直の往復振動してある位置に変位すると、前記共振片１２の前記可動部１２ａは、前記懸吊板１３０の前記凸部１３０ｃに極めて近接し、流体が前記圧縮チャンバ１２１の経路内に入り込むことができ、前記懸吊板１３０の前記凸部１３０ｃ以外の部分と前記共振片１２の固定部１２ｂとの間の距離が小さくならない状況下において、その間に流れた流体の流量は、低減せず、圧力損失も発生しないことから、前記圧縮チャンバ１２１の体積をより有効的に縮小することができ、また、図４Ｄにあるように、前記圧電アクチュエータ１３が垂直の往復振動を持続的に行って湾曲変化し、上に向かって変位すると、前記圧縮チャンバ１２１内にある流体を両側に向かって流動するように押圧することを促すことができ、前記圧電アクチュエータ１３の前記フレーム１３２の間にある前記空隙１３５を介して下に向かって通過するように流動することで、高い排出圧力が得られ、この時、図４Ｅにあるように、前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０にある前記凸部１３０ｃが上に向かって移動することに伴い、前記共振片１２の前記可動部１２ａも上に向かって湾曲振動するように変形することで、前記集約チャンバ１１１の体積が縮小し、前記集約アレイ１１２内にある流体が前記集約チャンバ１１１に流通するための箇所が小さくなり、前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０が垂直の往復振動をさらに持続的に行うと、図４Ｂから図４Ｅに図示された実施状態を再度繰り返し行うことができる。本実施例において、前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０に前記凸部１３０ｃを備えさせるという設計を本発明に係る前記小型流体制御装置１に応用することで良好な流体伝送効率に達することができるということが分かるものの、前記凸部１３０ｃの設計形態、数量及び位置などは、実際に使用する状況に応じて変化を施すことができることから、これに限らない。

上述した説明から分かるとおり、本発明に係る前記小型流体制御装置１は、前記共振片１２及び前記圧電アクチュエータ１３の前記外枠１３１の間に間隙ｈを有し、前記間隙ｈは、これに限らないが、例えば導電といった接着層１３６を設置することで、前記共振片１２と前記圧電アクチュエータ１３の前記懸吊板１３０にある前記凸部１３０ｃとの間にある深さを維持することができ、前記外枠１３１の第二表面１３１ａは、前記懸吊板１３０の前記第二表面１３０ａと共平面であるため、前記間隙ｈの充填可能な大きさが比較的あり、一部の実施例において、前記接着層１３６の厚さは、５０μｍ〜６０μｍの間であり、好ましくは５５μｍであるが、これに限らない。前記接着層１３６を厚くすることにより、前記間隙ｈの深さを維持することができるだけでなく、気流をガイドすることで前記圧縮チャンバ１２１内により迅速に流動させると同時に、さらに、前記接着層１３６の緩衝作用により、前記圧電アクチュエータ１３が作動する際に発生する振動を吸収、軽減させるという補助を行うことで、騒音を低減するとともに、間隙ｈの深さの増加により、前記懸吊板１３０の前記凸部１３０ｃ及び前記共振片１２は、適切な距離を保持して互いの接触干渉を減少させ、騒音の発生を低減することができる。

本発明に係る前記小型流体制御装置１において、前記接着層１３６の異なる厚さが、前記小型流体制御装置１の性能及び不具合発生率にどのような差異をもたらしているのかというデータは、以下の表２のとおりである。

表２のデータから分かるとおり、前記接着層１３６の厚さは、前記小型流体制御装置１の性能に顕著に影響を及ぼすことができ、前記接着層１３６の厚さが厚いと、前記間隙ｈは、深さを深く維持することができるものの、前記圧縮チャンバ１２１の深さが深くなり、体積が大きくなるため、圧縮作動の性能が相対的に悪くなることから、前記小型流体制御装置１の性能が低下し、これに対して、前記接着層１３６の厚さが薄いと、提供可能な前記間隙ｈの深さが不足し、前記懸吊板１３０の前記凸部１３０ｃと前記共振片１２とが互いに接触し易くなり、性能が低下して騒音が発生し、騒音問題もまた製品不具合の原因の一つとなっている。従って、本実施例において、サンプリングした２５個の前記小型流体制御装置１の製品実験結果から、厚さが５０μｍ〜６０μｍの間の前記接着層１３６が性能に顕著な向上が見られるだけでなく、同時に製品不具合率が相対的に低く、その中でも５５μｍの前記接着層１３６の性能が最も好ましく、且つ製品不具合率が最も低いが、これに限らない。

また、一部の実施例において、前記共振片１２の垂直の往復振動周波数は、前記圧電アクチュエータ１３の振動周波数と同じ、即ち両者は、同時に上下することができ、実際に使用する状況に応じて変化を施すことができることから、本実施例のような作動方法とは限らない。

以上のことから、本発明が提供する圧電アクチュエータは、小型流体制御装置に応用し、小型流体制御装置は、ケーシングと、ケーシング内に設置する圧電アクチュエータを包含し、ケーシングは、集気板及びベースが組み合わさることによってなり、本発明に係る圧電アクチュエータの懸吊板が正方形形態という設計と、懸吊板上に凸部をさらに有するという作動とを利用することで、流体がベースにある気体導入板の気体導入孔から流入し、連通し合う集約アレイ及び集約チャンバに沿って流動を行い、共振片の中空孔により流体が共振片と圧電アクチュエータとの間に形成する圧縮チャンバ内で圧力勾配が発生することで、流体が高速で流動し、流体の流量は低下せず、圧力損失も発生せず、継続的に伝送して高い排出圧力を得ることができる。また、圧電アクチュエータの懸吊板、外枠、フレームが一体成型の金属板構造、且つ同じ深さで懸吊板の凸部及びフレームが必要とする形態にエッチングしたことにより、外枠の第二表面、フレームの第二表面及び懸吊板の第二表面のいずれもが共平面の構造となり、外枠の異なる深さに応じて複数回のエッチング加工を行う従来の方法を簡略化すると同時に、外枠と共振片との間に設置した接着層により、エッチングした後外枠に発生する粗面を塗布することで、接着層と外枠との結合強度を強化させ、且つ外枠の厚さが従来の方法より薄いことから、間隙を塗布する接着層の厚さが増加し、接着層の厚さの増加により、接着層の塗布の不均一性を有効的に改善することができ、懸吊板を組立てる際にある水平方向の組立て誤差を低減し、懸吊板にある垂直方向の動的エネルギーの利用効率を向上させると同時に、振動エネルギーを吸収し、騒音を低減して静音にするという効果に達することも補助することができ、且つこの小型化した圧電アクチュエータは、小型流体制御装置全体の体積をより縮小且つ薄型化することで、便利で快適なポータブル性という目的を達することができる。

本発明について上述のように実施例に基づいて詳細に説明したが、発明の属する技術分野において通常の知識を有する者であればさまざまな工夫と修飾が可能であり、それらはいずれも本発明の特許請求の範囲が求める保護を逸脱しない。

１’、１ 小型流体制御装置
１ａ ケーシング
１４’、１０ ベース
１４１’、１１ 気体導入板
１１ａ 気体導入板の第二表面
１１ｂ 気体導入板の第一表面
１４３’、１１０ 気体導入孔
１４５’、１１１ 集約チャンバ
１４４’、１１２ 集約アレイ
１４２’、１２ 共振片
１２ａ 可動部
１２ｂ 固定部
１４６’、１２０ 中空孔
１０’、１２１ 圧縮チャンバ
１２’、１３ 圧電アクチュエータ
１２１’、１３０ 懸吊板
１３０ａ 懸吊板の第二表面
１３０ｂ 懸吊板の第一表面
１３０ｃ 凸部
１３０ｄ 中心部
１３０ｅ 外周部
１２２’、１３１ 外枠
１３１ａ 外枠の第二表面
１３１ｂ 外枠の第一表面
１２３’、１３２ フレーム
１３２ａ フレームの第二表面
１３２ｂ フレームの第一表面
１２４’、１３３ 圧電セラミック板
１３４、１５１ 導電ピン
１３５ 空隙
１３’、１３６ 接着層
１４１、１４２ 絶縁片
１５ 導電片
１１’、１６ 集気板
１６ａ 収容空間
１６０ 表面
１６１ 基準表面
１６２ 集気チャンバ
１１１’、１６３ 第一貫通孔
１６４ 第二貫通孔
１６５ 第一圧力リリーフチャンバ
１６６ 第一出口チャンバ
１６７ 凸部構造
１６８ 側壁
ｈ０’、 ｈ 間隙
ｈ’ 圧縮チャンバの深さ

Claims (10)

1. 懸吊板、外枠、少なくとも一つのフレーム及び圧電セラミック板を有し、前記懸吊板は、正方形形態で、第一表面及びそれに対応する第二表面を有し、前記第二表面上に凸部を有し、前記外枠は、前記懸吊板の外側を囲繞するように設置し、第一表面及びそれに対応する第二表面を有し、前記外枠の前記第二表面が前記懸吊板の前記第二表面にある前記凸部以外の部分と共平面になり、前記少なくとも一つのフレームは、前記懸吊板と前記外枠との間に接続し、前記圧電セラミック板は、前記懸吊板の辺の長さより長くない辺の長さを有し、前記懸吊板の前記第一表面上に貼着する圧電アクチュエータと、
   集気板及びベースを含み、前記集気板は、周縁に側壁を有することで収容空間を構成する枠体構造で、前記圧電アクチュエータを前記収容空間内に設置し、前記ベースは、気体導入板及び共振片が接合することによってなり、前記集気板の前記収容空間に結合することで、前記圧電アクチュエータを密封し、前記気体導入板は、少なくとも一つの気体導入孔及びそれに連通する少なくとも一つの集約アレイを有することで、集約チャンバを構成し、前記共振片は、前記気体導入板上に固定するように設置し、且つ前記気体導入板の前記集約チャンバに相対し、前記懸吊板の前記凸部に対応する中空孔を有するケーシングと、を包括し、
   そのうち、前記圧電アクチュエータにある前記外枠の前記第二表面は、前記ベースの前記共振片との間に接着層を設置することで、前記圧電アクチュエータと前記ベースの前記共振片との間で、構造に必要な前記圧縮チャンバの深さを維持することを特徴とする、小型流体制御装置。
2. 前記接着層の厚さは、５０μｍ〜６０μｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
3. 前記接着層の厚さは、５５μｍであることを特徴とする請求項２に記載の、小型流体制御装置。
4. 前記懸吊板の厚さは、０.１ｍｍ〜０.４ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
5. 前記外枠の厚さは、０.１ｍｍ〜０.４ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
6. 前記懸吊板の前記凸部の高さは、０.０２ｍｍ〜０.０８ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
7. 前記懸吊板は、各辺の長さが７.５ｍｍ〜１２ｍｍの間で、厚さが０.１ｍｍ〜０.４ｍｍの間であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
8. 前記懸吊板は、各辺の長さが７.５ｍｍ〜８．５ｍｍの間で、厚さが０.２７ｍｍであることを特徴とする請求項７に記載の、小型流体制御装置。
9. 前記懸吊板、前記外枠及び前記少なくとも一つのフレームは、一体成型の構造であることを特徴とする請求項１に記載の、小型流体制御装置。
10. 前記懸吊板、前記外枠及び前記フレームは、同じ深さのエッチングによって構成することで、前記外枠の第二表面が前記懸吊板の前記第二表面にある前記凸部以外の部分と共平面になることを特徴とする請求項９に記載の、小型流体制御装置。