JP5505559B2 - 流体制御装置、流体制御装置の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体制御を行う流体制御装置、及び当該流体制御装置の調整方法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１０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１０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１０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１０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、流体ポンプの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１１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、カバー板９５、基板３９、可撓板３５、スペーサ３７、振動板３１、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。流体ポンプ９０１では、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の端部は、中心に通気孔３５Ａが形成された可撓板３５の端部に、スペーサ３７を介して接着固定されている。そのため、振動板３１は、可撓板３５からスペーサ３７の厚み分離れてスペーサ３７に支持されている。

また、可撓板３５には、中心に開口部４０が形成された基板３９が接合されている。可撓板３５における開口部４０を覆う部分は、アクチュエータ３０の振動に伴う流体の圧力変動により、アクチュエータ３０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３５と基板３９との構成により、可撓板３５における開口部４０を覆う部分は、屈曲振動可能な可動部４１となり、可撓板３５における可動部４１より外側の部分は基板３９に拘束された固定部４２となる。なお、可動部４１は、可撓板３５におけるアクチュエータ３０に対向する領域の中心を含む。

また、基板３９の下部にはカバー板９５が接合されており、カバー板９５には、開口部４０と連通する通気孔９７が設けられている。

以上の構造において圧電素子３２に駆動電圧が印加されると、流体ポンプ９０１では、圧電素子３２の伸縮により振動板３１が屈曲振動し、振動板３１の振動に伴って可撓板３５の可動部４１が振動する。これにより、流体ポンプ９０１は、通気孔９７から空気を吸引又は吐出する。

よって、流体ポンプ９０１では、アクチュエータ３０の振動に伴い可撓板３５の可動部４１が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができるので、流体ポンプ９０１は、小型・低背でありながら高い吐出圧力（以下、「ポンプ圧力」と称する。）と大きな流量を得ることができる。

ここで、可撓板３５の固有振動数は、可動部４１の径、可動部４１の厚み、可動部４１の材質、及び可動部４１の引張応力等によって決定される。可撓板３５の固有振動数が、流体ポンプ９０１に印加する駆動電圧の駆動周波数に近い程、可撓板３５の可動部４１は、アクチュエータ３０の振動に伴ってよく振動する。

しかしながら、流体ポンプ９０１を構成する各部材の形状は流体ポンプ９０１の個体毎にバラツキがあり、又、当該各部材を積層する際の位置合わせの精度にも限界がある。そのため、可撓板３５の固有振動数は、流体ポンプ９０１の個体毎にバラついてしまう。

したがって、流体ポンプ９０１において可撓板３５の固有振動数は、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に厳密に調整することは困難である。

そこで、本発明は、可撓板の固有振動数を最適値に調整できる流体制御装置、及び当該流体制御装置の調整方法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。

（１）振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、を有する振動板ユニットと、
前記振動板の一方の主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、
孔が設けられており、前記振動板の他方の主面に対向するよう前記枠板に接合されている可撓板と、
前記可撓板の前記振動板と逆側の主面に接合されているカバー部材と、を備え、
前記可撓板は、前記カバー部材によって引張応力が付加されている。

この構成において、カバー部材は、振動板と逆側の主面を押圧されることで変形し、振動板側を凸にして反る。これに伴って、可撓板のカバー部材との接合部分が引っ張られるため、可撓板に引張応力が付加され、可撓板の引張応力が高まる。

よって、この構成によれば、カバー部材の反り量をカバー部材への押圧によって変化させることで、振動板の振動に伴って振動する可撓板の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望の吐出圧力が得られる最適値に調整することができる。したがって、この構成によれば、消費電力を抑えつつ吐出圧力を増大させることができる。

（２）前記カバー部材は、中央に凹部が形成されており、
前記可撓板は、前記カバー部材の前記凹部に対向し、屈曲振動可能な可動部と、前記カバー部材に接合された固定部と、を有することが好ましい。

この構成では、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。

（３）前記カバー部材は、前記可撓板の前記振動板と逆側の主面に一方主面が接合され、中央に開口部が形成されている基板と、前記基板の他方主面に設けられているカバー板と、の接合体であることが好ましい。

この構成では、カバー板の振動板とは逆側の主面を押圧することで、カバー部材の反り量を変化させ、可撓板に引張応力を付加する。このようにして、可撓板の固有振動数を最適値に調整することができる。

（４）前記凹部の裏面に相当する前記カバー板の中央部は、前記振動板側へ押圧されていることが好ましい。

この構成では、カバー板の振動板とは逆側の主面の中央部を押圧することで、カバー部材の反り量を変化させ、可撓板に引張応力を付加する。このようにして、可撓板の固有振動数を最適値に調整することができる。

（５）前記カバー板は、前記中央部に押圧痕が形成されていることが好ましい。

この構成では、カバー板の振動板とは逆側の主面の中央部を押圧することで、当該押圧痕がカバー板に残る。これに伴って、可撓板のカバー部材との接合部分が引っ張られるため、可撓板に残留引張応力が付加され、（１）と同様の効果が得られる。

（６）外筐体をさらに備え、
前記カバー部材は、前記外筐体の一部を構成することが好ましい。

この構成では、カバー部材を外部から押圧しやすくなる。

（７）前記カバー部材は、延性金属材料から構成されていることが好ましい。

この構成では、カバー部材をより低荷重で塑性変形させることができる。

（８）前記振動板ユニットは、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をさらに有することが好ましい。

この構成では、振動板が、連結部で枠板に対して柔軟に弾性支持されているため、圧電素子の伸縮による振動板の屈曲振動は殆ど妨げられない。このため、振動板の屈曲振動に伴う損失が少なくなる。

（９）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ことが好ましい。

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、本発明の流体制御装置の調整方法は、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

（１０）上記（１）から（９）のいずれか１つに記載の流体制御装置から前記振動板の振動によって吐出される流体の吐出圧力を測定し、前記吐出圧力が所定値以上であるかどうか検査する検査工程と、
前記吐出圧力が所定値未満である場合、前記カバー部材の前記振動板とは逆側の主面を押圧する押圧工程と、を備え、
前記押圧工程は、前記押圧工程のあと前記検査工程へ戻す工程をさらに含む。

この方法では、製造後の流体制御装置に対してまず検査工程を行う。ここで吐出圧力が所定値以上である場合、その流体制御装置は固有振動数の調整の必要が無く良品と判定できる。

一方、吐出圧力が所定値未満である場合、カバー部材の振動板とは逆側の主面を押圧する押圧工程を行う。これにより、カバー部材は、振動板側を凸にして反った形状となり、これに伴って、可撓板は、カバー部材との接合部分を引っ張られて、振動板側を凸にして反る。そのため、可撓板に残留引張応力が付加されて、可撓板の引張応力が高まる。

そして、押圧工程を終えた流体制御装置について、吐出圧力が所定値以上であるかどうか、検査工程において再検査する。ここで吐出圧力が所定値以上であった場合、その流体制御装置は、可撓板が押圧工程によって最適な固有振動数に調整されたことになり、良品と判定できる。

一方、吐出圧力が再検査においても所定値未満である流体制御装置については、押圧工程を再度行う。そして以後、同様にして、検査工程と押圧工程とを繰り返す。

以上より、この方法によれば、可撓板の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望の吐出圧力が得られる最適値に調整することができる。したがって、この方法によれば、消費電力を抑えつつ吐出圧力を増大させた流体制御装置を提供することができる。

（１１）前記押圧工程は、前記カバー部材を押圧する圧力を、前記カバー部材を押圧した回数が増加する毎に高める工程をさらに含む。

この方法では、検査工程と押圧工程とを繰り返す毎に、押圧工程においてカバー部材を押圧する圧力を高めるため、カバー部材に、加圧力に対応した大きさの変形を確実に与えることができる。

（１２）前記検査工程は、交流電圧に直流バイアス電圧が重畳された駆動電圧を前記駆動体に印加して、前記振動板から前記可撓板までの間隔を、前記駆動電圧が前記駆動体に印加されていないときよりも広げて前記振動板を振動させ、前記吐出圧力を測定する。

前記駆動電圧が駆動体に印加されると、直流バイアス電圧の作用によって振動板から可撓板までの間隔が広がる。ここで、当該間隔は、流体制御装置の吐出圧力−吐出流量特性に影響を与える重要な因子である。そのため、当該間隔が広がると、流体制御装置の吐出圧力は低下する。

一方、可撓板の引張応力は流体制御装置の温度上昇とともに低下し、固有振動数も可撓板の引張応力の低下とともに低下する。すなわち、流体制御装置の吐出圧力は、流体制御装置の温度上昇とともに低下する。

よって、振動板から可撓板までの間隔が広がると、流体制御装置の吐出圧力は、常温より高い温度での流体制御装置の吐出圧力に近い値を示す。

したがって、常温より高い温度での吐出圧力を測定する場合、流体制御装置を長時間駆動し、発熱によって流体制御装置の温度を上昇させてから、流体制御装置のポンプ圧力を測定する必要があるが、この方法では、前記駆動電圧を駆動体に印加することで、常温より高い温度での吐出圧力を疑似的に測定できる。そのため、検査工程を短時間で実施できる。

本発明によれば、可撓板の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望の吐出圧力が得られる最適値に調整することができる。

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１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図である。 図１に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の第１調整方法を示すフローチャートである。 カバー押圧治具５０１に載置され、カバー板１９５が押圧される時の圧電ポンプ１０１の断面図である。 カバー押圧治具５０１によってカバー板１９５が押圧された後の圧電ポンプ１０１の断面図である。 カバー押圧治具５０１によってカバー板１９５が押圧された後の圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。 第１調整方法における、可撓板１５１の引張応力と、圧電アクチュエータ１４０と可撓板１５１との間隔（距離）との関係を示すグラフである。 第２調整方法における、可撓板１５１の引張応力と、圧電アクチュエータ１４０と可撓板１５１との間隔（距離）との関係を示すグラフである。 特許文献１の流体ポンプの主要部の断面図である。 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。

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１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２は、図１に示す圧電ポンプ１０１の分解斜視図であり、図３は、図１に示す圧電ポンプ１０１のＴ−Ｔ線の断面図である。

図２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。

振動板１４１は、圧電素子１４２が設けられる上面と可撓板１５１に対向する下面とを有する。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。

そのため、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、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や金型加工など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、複数の球形の微粒子を含有した接着剤層１２０を介して可撓板１５１に接着固定されている。

ここで、接着剤層１２０の接着剤の材質は例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂であり、微粒子の材質は例えば、導電性の金属でコーティングされたシリカ又は樹脂である。そして、接着剤層１２０は、接着時、加圧条件下で加熱することで硬化される。そのため、接着後、枠板１６１及び可撓板１５１は複数の微粒子を挟んだ状態で接着剤層１２０によって接着固定される。

すなわち、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側の面が可撓板１５１から微粒子の直径分離れて、配置される。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、微粒子の直径（例えば１５μｍ）によって規定できる。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。そのため、圧電ポンプ１０１では、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。

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の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の中心に設けられているが、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、必ずしも蓋部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は、振動板１４１に対向し、接着剤層１２０によって複数の微粒子を挟んで枠板１６１に接着固定されている。

そのため、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、枠板１６１と可撓板１５１とが接着剤層１２０を介して接着固定される際、接着剤層１２０の厚みが微粒子の直径より薄くならないため、接着剤層１２０の接着剤が周囲に流れ出る量を抑制できる。

また、圧電ポンプ１０１では、連結部１６２と可撓板１５１との隙間へ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から微粒子の直径分離れているため、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から微粒子の直径分離れているため、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、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、振動板１４１および連結部１６２と可撓板１５１とが接着剤の余剰分により接着して振動板１４１の振動を阻害してしまうことを抑制できる。

可撓板１５１の下部には、中心に平面視して円形状の開口部１９２が形成された基板１９１が接合されている。可撓板１５１における開口部１９２を覆う部分は、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における開口部１９２を覆う部分は、屈曲振動可能な可動部１５４となり、可撓板１５１における可動部１５４より外側の部分は基板１９１に拘束された固定部１５５となる。なお、可動部１５４は、可撓板１５１におけるアクチュエータ１４０に対向する領域の中心を含む。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。基板１９１とカバー板１９５との接合体は、本発明の「カバー部材」に相当し、ポンプ筺体１８０の一部を構成する。当該接合体は、開口部１９２によって中央に凹部が形成された形状を有する。
なお、カバー板１９５の振動板１４１とは逆側の主面の中央に形成されている押圧痕１９９の詳細については、後に詳述する。

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、例えば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に適切な引張応力が与えられる。

これによって、屈曲振動可能な可動部１５４の引張応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、可動部１５４の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。

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、同一の温度において、アクチュエータ１４０と可撓板１５１との反り量は略等しい。

すなわち、微粒子の直径によって規定した、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。そのため、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、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。

以上の構造において外部端子１５３，１７２に交流の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、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が振動する。これにより、圧電ポンプ１０１は、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、アクチュエータ１４０の振動に伴い可撓板１５１の可動部１５４が振動するため、実質的に振動振幅を増すことができ、圧電ポンプ１０１は、小型・低背でありながら高い吐出圧力（以下、「ポンプ圧力」と称する。）と大きな流量を得ることができる。

ここで、当該可動部１５４の固有振動数は、可動部１５４の径、可動部１５４の厚み、可動部１５４の材質、及び上述した可動部１５４の引張応力等によって決定される。可撓板１５１の可動部１５４の固有振動数が、圧電ポンプ１０１に印加する駆動電圧の駆動周波数に近い程、可動部１５４は、アクチュエータ１４０の振動に伴ってよく振動する。

しかしながら、可動部１５４の引張応力は、圧電ポンプ１０１の温度上昇とともに低下する。詳述すると、この実施形態の圧電ポンプ１０１では、圧電素子１４２、振動板ユニット１６０、可撓板１５１、基板１９１及びカバー板１９５は、常温（２０℃）より高い温度（例えば１２０℃）で接合される（図３参照）。

これにより、接合後、常温において、上述した振動板ユニット１６０及び圧電素子１４２の線膨張係数の違いから振動板１４１は圧電素子１４２側を凸にして反り、上述した振動板ユニット１６０及び基板１９１の線膨張係数の違いから可撓板１５１は圧電素子１４２側を凸にして反る。

そして、圧電ポンプ１０１の駆動時の発熱、又は環境温度の変化によって圧電ポンプ１０１の温度が上昇すると、振動板１４１と可撓板１５１の反りが共に減少する。そのため、可撓板１５１の引張応力は圧電ポンプ１０１の温度上昇とともに低下し、固有振動数も可撓板１５１の引張応力の低下とともに低下する。すなわち、圧電ポンプ１０１の吐出圧力は、圧電ポンプ１０１の温度上昇とともに低下する。

図８は、圧電ポンプ１０１の特性を示すグラフである。図８において縦軸は、可撓板１５１の引張応力であり、横軸は、圧電アクチュエータ１４０及び可撓板１５１の間隔である。

そして、圧電ポンプ１０１には、可撓板１５１の引張応力が低下した場合、例えば第１動作点Ｌ_０から第２動作点Ｈ_０へ移行するような場合に、ポンプ圧力が急激に低下する境界線ｈがあらわれる。このポンプ圧力が急激に低下する境界線ｈを、剥離線と呼んでいる。

この急激なポンプ圧力の低下を避けるため、圧電ポンプ１０１には、圧電ポンプ１０１の温度が実際の使用時に想定される温度範囲（例えば１０℃〜５５℃）の上限まで上昇しても、圧電ポンプ１０１の動作点が剥離線ｈより上にあることが求められる。一方、可撓板１５１の引張応力が剥離線ｈより大きいほど良いということではなく、可撓板１５１の引張応力が強すぎると、消費電力が増大してしまう。

したがって、圧電ポンプ１０１を製造する際には、前記温度範囲（例えば１０℃〜５５℃）内にある圧電ポンプ１０１の全動作点が、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる良品範囲Ｒ（図８参照）内に収まるよう、可撓板１５１の可動部１５４の固有振動数を調整する必要がある。

そこで、本実施形態では、当該固有振動数の調整方法として第１調整方法と第２調整方法を記述する。

《第１調整方法》
まず、以下に、本実施形態にかかる可撓板１５１の可動部１５４の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に調整する第１調整方法を記述する。

図４は、本発明の実施形態に係る圧電ポンプ１０１の第１調整方法を示すフローチャートである。図５は、カバー押圧治具５０１に載置され、カバー板１９５が押圧される時の圧電ポンプ１０１の断面図である。図６は、カバー押圧治具５０１によってカバー板１９５が押圧された後の圧電ポンプ１０１の断面図である。図７は、カバー押圧治具５０１によってカバー板１９５が押圧された後の圧電ポンプ１０１の主要部の断面図である。ここで、図５〜図７は、図１に示すＴ−Ｔ線の断面図である。また、図５に示すカバー押圧治具５０１は、昇降可能なステージ５０２と、押圧ピン５０３と、を備える治具である。また、図７は、説明のため、振動板ユニット１６０、圧電素子１４２、可撓板１５１、基板１９１及びカバー板１９５の接合体の反りを実際より強調して示している。

まず、製造された複数の圧電ポンプ１０１について、各圧電ポンプ１０１から吐出されるポンプ圧力を測定し、当該ポンプ圧力が所定値以上であるかどうか検査する検査工程を行う（図４：Ｓ１、Ｓ２）。この検査工程は、複数の圧電ポンプ１０１を実際の使用環境に即して長時間（本実施形態では３００秒）駆動し、発熱によって複数の圧電ポンプ１０１の温度を前記温度範囲の上限近くまで上昇させてから、各圧電ポンプ１０１のポンプ圧力を測定する。この際、各圧電ポンプ１０１を駆動するために必要な消費電力も測定する。

ここで、許容範囲内の消費電力においてポンプ圧力が所定値以上である圧電ポンプ１０１は、固有振動数の調整の必要が無く、最適な固有振動数の可動部１５４を有する。そのため、このような圧電ポンプ１０１は押圧工程を経ること無く良品と判定し、当該圧電ポンプ１０１の調整を終了する。なお、ここで良品と判定された圧電ポンプ１０１については、図示しない特性選別機において、ポンプ圧力、流量、消費電力など全ての項目について測定を行い、さらなる選別を行う。

一方、複数の圧電ポンプ１０１の温度を前記温度範囲の上限近くまで上昇させると、例えば図８に示すように、動作点が第１動作点Ｌ_０から剥離線ｈ以下の第２動作点Ｈ_０へ移行し、ポンプ圧力が所定値未満まで低下した圧電ポンプ１０１が観測される。

ポンプ圧力が所定値未満である圧電ポンプ１０１については、現在設定されているカバー押圧治具５０１の押圧力が一定値（この実施形態では、７ｋｇｆ）未満である場合、Ｓ４の押圧工程に進む（図４：Ｓ３のＹ）。

押圧工程では、図５に示すように、圧電ポンプ１０１をカバー板１９５を上にしてステージ５０２の上に戴置し、ステージ５０２を上昇させ、押圧ピン５０３でカバー板１９５の振動板１４１とは逆側の主面の中央部を押圧する（図４：Ｓ４）。この押圧工程において、カバー押圧治具５０１の押圧力はロードセルでモニタされる。そして、押圧力および押圧時間は、ステージ５０２の昇降動作を制御することで、任意に設定することができる。この実施形態において、初期値として設定されている押圧力は５ｋｇｆ、初期値として設定されている押圧時間は３秒である。

押圧工程において押圧ピン５０３がカバー板１９５を押圧した後、ステージ５０２を降下させ、カバー押圧治具５０１から圧電ポンプ１０１を取り外す。この結果、カバー板１９５の中央部に圧痕１９９が残り、カバー板１９５及び基板１９１の接合体は、図７に示すように振動板１４１側を凸にして反った形状となり、可撓板１５１との接合部分を引っ張って可撓板１５１を振動板１４１側を凸にして反らせる。これにより、可撓板１５１の可動部１５４には残留引張応力が生じる（図６参照）。

よって、この残留引張応力によって可撓板１５１の可動部１５４の引張応力が高まり、可動部１５４の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に近づけることができる。例えば、この残留引張応力によって、圧電ポンプ１０１の動作点が第１動作点Ｌ_０から第３動作点Ｌ_１へ移行し（図８参照）、可動部１５４の固有振動数も例えば２００Ｈｚ増加する。

なお、カバー板１９５の材質は、低荷重で塑性変形させ易い、純アルミニウム（Ａ１０５０）や純銅（Ｃ１１００）などの延性に富む材料がよい。この実施形態では、純銅（Ｃ１１００）を用いている。

次に、現在設定されているカバー押圧治具５０１の押圧力を、カバー板１９５を押圧した回数が増加する毎に増加させ、前記Ｓ１の検査工程に戻す（図４：Ｓ５）。この実施形態においてカバー押圧治具５０１の押圧力は、現在初期値として設定されている押圧力（５ｋｇｆ）に０．５ｋｇｆを増加させて５．５ｋｇｆに設定する。押圧時間は初期の押圧時間と同じ３秒のままとする。

そして、Ｓ４の押圧工程を経た圧電ポンプ１０１について、当該圧電ポンプ１０１から吐出されるポンプ圧力を測定し、当該ポンプ圧力が所定値以上であるかどうか、検査工程で再検査する（図４：Ｓ１、Ｓ２）。この検査工程も、複数の圧電ポンプ１０１を実際の使用環境に即して長時間（本実施形態では３００秒）駆動し、発熱によって複数の圧電ポンプ１０１の温度を前記温度範囲の上限近くまで上昇させてから、各圧電ポンプ１０１のポンプ圧力を測定する。

そのため、複数の圧電ポンプ１０１の温度を前記温度範囲の上限近くまで上昇させると、例えば圧電ポンプ１０１の動作点は、図８に示すように第３動作点Ｌ_１から第４動作点Ｈ_１へ移行する。ここでポンプ圧力が所定値以上であった場合、その圧電ポンプ１０１の可動部１５４は、押圧工程によって最適な固有振動数に調整されたことになる。例えば、圧電ポンプ１０１の動作点が図８に示すように第４動作点Ｈ_１であった場合、その圧電ポンプ１０１の可動部１５４は、押圧工程によって最適な固有振動数に調整されたことになる。そして、そのような圧電ポンプ１０１は、良品と判定し、固有振動数の調整を終了する。

なお、ここで良品と判定された圧電ポンプ１０１については、図示しない特性選別機において、ポンプ圧力、流量、消費電力など全ての項目について測定を行い、さらなる選別を行う。

一方、前記押圧工程を経てもポンプ圧力が所定値未満である圧電ポンプ１０１については、押圧工程を再度行う（図４：Ｓ４）。

すなわち、以後、設定されているカバー押圧治具５０１の押圧力が一定値（この実施形態では、７ｋｇｆ）以上となるまで（図４：Ｓ３）、検査工程と押圧工程を繰り返す。この際、設定されているカバー押圧治具５０１の押圧力は、図４のＳ５の工程において、押圧工程が行われる毎に０．５ｋｇｆずつ増加する。

そして、押圧工程と検査工程を複数回繰り返しても、ポンプ圧力が所定値未満である圧電ポンプ１０１、又は駆動するために必要な消費電力が許容値を超える圧電ポンプ１０１については、現在設定されているカバー押圧治具５０１の押圧力が一定値以上になると（図４：Ｓ３のＮ）、不良品と判定し、廃棄する。

以上より、本実施形態の第１調整方法によれば、圧電ポンプ１０１の温度上昇も考慮して、可動部１５４の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に調整することができる。したがって、本実施形態の第１調整方法によれば、消費電力を抑えつつポンプ圧力を増大させた圧電ポンプ１０１を提供することができる。

また、本実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、カバー板１９５及び基板１９１の接合体の反り量をカバー板１９５への押圧によって変化させることで、可動部１５４の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に調整することができる。したがって、本実施形態の圧電ポンプ１０１によれば、消費電力を抑えつつ吐出圧力を増大させることができる。

また、基板１９１とカバー板１９５との接合体は、ポンプ筺体１８０の一部を構成するため、本実施形態の圧電ポンプ１０１は、カバー板１９５をカバー押圧治具５０１で押圧し易い構造を有している。

なお、本実施形態の第１調整方法のように、カバー板１９５を押圧することで、可撓板１５１の可動部１５４に引張応力を加え、固有振動数を高くすることは可能であるが、その逆、即ち当該引張応力を減じて固有振動数を低くすることは不可能である。

したがって、可動部１５４の固有振動数が、最適値よりも少し低い値になるような設計を敢えて行い、圧電ポンプ１０１の製造後に、本実施形態の第１調整方法で調整することが好ましい。これによって、可撓板１５１の可動部１５４の固有振動数が、製造後の圧電ポンプ１０１の個体毎にバラついている場合でも、高い良品率を達成することができる。

《第２調整方法》
次に、以下、本実施形態にかかる可撓板１５１の可動部１５４の固有振動数を、許容範囲内の消費電力で所定値以上の所望のポンプ圧力が得られる最適値に調整する第２調整方法を記述する。この第２調整方法が第１調整方法と相違する点は、図４のＳ１、Ｓ２に示す検査工程である。その他の点については、第１調整方法と同じである。

詳述すると、第２調整方法においてもまず、製造された複数の圧電ポンプ１０１について、各圧電ポンプ１０１から吐出されるポンプ圧力を測定し、当該ポンプ圧力が所定値以上であるかどうか検査する検査工程を行う（図４：Ｓ１、Ｓ２）。

ただし、この第２調整方法では、当該検査工程において、商用の交流電源から出力される交流電圧に直流バイアス電圧が重畳された駆動電圧を圧電素子１４２に印加し、アクチュエータ１４０を振動させ、圧電ポンプ１０１のポンプ圧力を測定する。この際、各圧電ポンプ１０１を駆動するために必要な消費電力も測定する。

ここで、外部端子１５３，１７２に当該駆動電圧が印加されると、圧電ポンプ１０１では、直流バイアス電圧によってアクチュエータ１４０が可撓板１５１から離間するよう圧電素子１４２側を凸にして反り、アクチュエータ１４０と可撓板１５１との最短距離の間隔Ｋ（図３参照）が広がる。そして、アクチュエータ１４０は、広がった間隔Ｋを中心にして同心円状に屈曲振動し、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が振動する。

例えば、本実施形態の圧電ポンプ１０１では、周波数２３ｋＨｚの交流電圧３８Ｖｐ−ｐに直流バイアス電圧１５Ｖが重畳された駆動電圧が外部端子１５３，１７２に印加されると、アクチュエータ１４０及び可撓板１５１の間隔Ｋが１μｍ広がり、アクチュエータ１４０は、１μｍ広がった間隔Ｋを中心にして同心円状に屈曲振動し、振動板１４１の振動に伴って可撓板１５１の可動部１５４が振動する。

ここで、アクチュエータ１４０及び可撓板１５１の間隔Ｋは、ポンプの圧力−流量特性（以降、ＰＱ特性と称する。）に影響を与える重要な因子である。そのため、当該間隔Ｋが広がると、圧電ポンプ１０１のポンプ圧力は低下する。よって、当該間隔Ｋが広がると、圧電ポンプ１０１のポンプ圧力は、常温より高い温度での圧電ポンプ１０１のポンプ圧力に近い値を示す。

図９は、圧電ポンプ１０１の特性を示すグラフである。図９において縦軸は、可撓板１５１の引張応力であり、横軸は、圧電アクチュエータ１４０及び可撓板１５１の間隔である。

前述したように圧電ポンプ１０１の温度が上昇すると、圧電ポンプ１０１の動作点は、図９に示すように、例えば第１動作点Ｌ_０から第２動作点Ｈ_０へ移行する。一方、直流バイアス電圧が印加されて間隔Ｋが広がると、圧電ポンプ１０１の動作点は、例えば第１動作点Ｌ_０から第５動作点ＬＤ_０へ移行する。

ここで、圧電ポンプ１０１の動作点が、例えば第１動作点Ｌ_０のように剥離線ｈの上側で剥離線ｈに近い位置にあった場合、圧電ポンプ１０１の動作点は下に移動しても右に移動しても剥離線ｈより下に位置することになり、ポンプ圧力が急激に低下する。

そのため、圧電ポンプ１０１の動作点が、剥離線ｈの上側で剥離線ｈに近い位置にあった場合、直流バイアス電圧が印加されて間隔Ｋが広がると、圧電ポンプ１０１の動作点が右に移動するため、剥離線ｈより下となり、ポンプ圧力が急激に低下する。

従って、複数の圧電ポンプ１０１を実際の使用環境に即して長時間（本実施形態では３００秒程度）駆動し、発熱によって複数の圧電ポンプ１０１の温度を前記温度範囲の上限近くまで上昇させてから、各圧電ポンプ１０１のポンプ圧力を測定せずとも、直流バイアス電圧を印加して間隔Ｋを広げた状態にすることで、各圧電ポンプ１０１の動作点が剥離線ｈの上側で剥離線ｈに近い位置にあるかどうかを（本実施形態では僅か１５秒程度で）確認することができる。

そして、動作点が剥離線ｈの上側で剥離線ｈに近い位置にある圧電ポンプ１０１については、前記第１調整方法と同様に、図４のＳ４において押圧工程を実施する。これによって、可動部１５４の引張応力が増加するため、圧電ポンプ１０１の動作点は（例えば第１動作点Ｌ_０から第２動作点Ｌ_１へ）上に移行する。

そして、図４のＳ４の押圧工程を経た圧電ポンプ１０１については、前記第１調整方法と同様に、当該圧電ポンプ１０１から吐出されるポンプ圧力を測定し、当該ポンプ圧力が所定値以上であるかどうか、検査工程で再検査する（図４：Ｓ１、Ｓ２）。

ここでも前述と同様に、直流バイアス電圧を印加して間隔Ｋを広げた状態にすることで、各圧電ポンプ１０１の動作点が剥離線ｈの上側で剥離線ｈに近い位置にあるかどうかを確認することができる。

直流バイアス電圧を印加して間隔Ｋを広げた状態にすると、圧電ポンプ１０１の動作点は、例えば図９に示すように第３動作点Ｌ_１から第６動作点ＬＤ_１へ移行する。ここでポンプ圧力が所定値以上であった場合、その圧電ポンプ１０１の可動部１５４は、押圧工程によって最適な固有振動数に調整されたことになる。

例えば、圧電ポンプ１０１の動作点が図９に示すように第６動作点ＬＤ_１であった場合、その圧電ポンプ１０１の可動部１５４は、押圧工程によって最適な固有振動数に調整されたことになる。そして、そのような圧電ポンプ１０１は、良品と判定し、固有振動数の調整を終了する。

以上より、第２調整方法によればさらに、常温より高い温度での圧電ポンプ１０１のポンプ圧力を測定する検査工程を短時間で実施することができる。

《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、駆動体は圧電素子から構成されており、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、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
３５ 可撓板
３５Ａ 通気孔
３７ スペーサ
３９ 基板
４０ 開口部
４１ 可動部
４２ 固定部
９５ カバー板
９７ 通気孔
１０１ 圧電ポンプ
１１０ 蓋部
１１１ 吐出孔
１２０ 接着剤層
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
１５３，１７２ 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
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
１９９ 押圧痕
５０１ カバー押圧治具
５０２ ステージ
５０３ 押圧ピン
９０１ 流体ポンプ

Claims (12)

1. 振動板と、前記振動板の周囲を囲む枠板と、を有する振動板ユニットと、
   前記振動板の一方の主面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動体と、
   孔が設けられており、前記振動板の他方の主面に対向するよう前記枠板に接合されている可撓板と、
   前記可撓板の前記振動板と逆側の主面に接合されているカバー部材と、を備え、
   前記可撓板は、前記カバー部材によって引張応力が付加されている、流体制御装置。
2. 前記カバー部材は、中央に凹部が形成されており、
   前記可撓板は、前記カバー部材の前記凹部に対向し、屈曲振動可能な可動部と、前記カバー部材に接合された固定部と、を有する、請求項１に記載の流体制御装置。
3. 前記カバー部材は、前記可撓板の前記振動板と逆側の主面に一方主面が接合され、中央に開口部が形成されている基板と、前記基板の他方主面に設けられているカバー板と、の接合体である、請求項２に記載の流体制御装置。
4. 前記凹部の裏面に相当する前記カバー板の中央部は、前記振動板側へ押圧されている、請求項３に記載の流体制御装置。
5. 前記カバー板は、前記中央部に押圧痕が形成されている、請求項４に記載の流体制御装置。
6. 外筐体をさらに備え、
   前記カバー部材は、前記外筐体の一部を構成する、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体制御装置。
7. 前記カバー部材は、延性金属材料から構成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体制御装置。
8. 前記振動板ユニットは、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をさらに有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体制御装置。
9. 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８のいずれか１項に記載の流体制御装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の流体制御装置から前記振動板の振動によって吐出される流体の吐出圧力を測定し、前記吐出圧力が所定値以上であるかどうか検査する検査工程と、
    前記吐出圧力が所定値未満である場合、前記カバー部材の前記振動板とは逆側の主面を押圧する押圧工程と、を備え、
    前記押圧工程は、前記押圧工程のあと前記検査工程へ戻す工程をさらに含む、流体制御装置の調整方法。
11. 前記押圧工程は、前記カバー部材を押圧する圧力を、前記カバー部材を押圧した回数が増加する毎に高める工程をさらに含む、請求項１０に記載の流体制御装置の調整方法。
12. 前記検査工程は、交流電圧に直流バイアス電圧が重畳された駆動電圧を前記駆動体に印加して、前記振動板から前記可撓板までの間隔を、前記駆動電圧が前記駆動体に印加されていないときよりも広げて前記振動板を振動させ、前記吐出圧力を測定する、請求項１０または１１に記載の流体制御装置の調整方法。

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