JP6380075B2 - ブロア - Google Patents

Description

本発明は、気体の輸送を行うブロアに関するものである。

従来から、気体の輸送を行うブロアが各種知られている。例えば特許文献１には、圧電駆動のポンプが開示されている。

図１１は、特許文献１に係るポンプ９００の断面図である。

このポンプ９００は、圧電ディスク９２０と、圧電ディスク９２０が接合された円盤９１２と、円盤９１２とともに空洞９１１を構成する本体９１３と、を備えている。この本体９１３には、気体が流入する流入口９１５と、気体が流出する流出口９１４とが形成されている。本体９１３は底板９１８を有する。

流入口９１５は、底板９１８における、空洞９１１の中心軸と空洞９１１の外周との間に設けられている。流出口９１４は、底板９１８における、空洞９１１の中心軸に設けられている。この流出口９１４には、空洞９１１の外部から内部へ気体が流れることを防ぐ弁９１６が設けられている。

特許４７９５４２８号公報

図１２（Ａ）は、空洞９１１の中心軸から空洞９１１の外周にかけるブロア室３１の各点の圧力変化を示す図である。図１２（Ｂ）は、空洞９１１の中心軸から空洞９１１の外周までを構成する底板９１８の各点の変位を示す図である。

特許文献１のポンプ９００を３次モードの共振周波数で動作させた場合、圧電ディスク９２０は、円盤９１２を屈曲振動させる。円盤９１２の屈曲振動に応じて底板９１８も図１２（Ｂ）に示すように屈曲振動する。これにより、流入口９１５から空洞９１１内へ気体が流入し、空洞９１１内の気体が流出口９１４から吐出される。

この結果、空洞９１１の中心軸から空洞９１１の外周にかけて、空洞９１１の各点の圧力は、円盤９１２及び底板９１８の屈曲振動によって図１２（Ａ）に示すように変化する。

しかしながら、本願の発明者は、特許文献１のポンプ９００において、図１２（Ｂ）に示す底板９１８の各点の変位を、図１２（Ａ）に示すブロア室３１の各点の圧力変化に重ねることで（図１３参照）、次のような問題を発見した。

まず、図１３に示すように、空洞９１１の第１外周空間Ｑ１において、空気の圧力が大気圧Ｐ１より低い負圧となった時、底板９１８の外周領域は底板９１８の初期位置Ｐ２から円盤９１２側へ近づいている。すなわち、空洞９１１の第１外周空間Ｑ１において、空気の圧力が負圧となった時、底板９１８の外周領域が空洞９１１の圧力を高めようとする。

次に、図１３に示すように、空洞９１１の第２外周空間Ｑ２において、空気の圧力が大気圧Ｐ１より高い正圧となった時、底板９１８の外周領域は底板９１８の初期位置Ｐ２から円盤９１２とは逆側へ離間している。すなわち、空洞９１１の第２外周空間Ｑ２において、空気の圧力が正圧となった時、底板９１８の外周領域が空洞９１１の圧力を低下させようとする。

したがって、特許文献１では、ポンプ９００が３次モードの共振周波数で動作した場合、空洞９１１（ブロア室）の空気の圧力共振が底板９１８（天板部）の外周領域の屈曲振動によって低下し、吐出圧力や吐出流量が低下するという問題がある。

本発明は、天板部の外周領域の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができるブロアを提供することを目的とする。

本発明のブロアは、前記課題を解決するために以下の構成を備えている。

本発明のブロアは、第１主面と第２主面とを有する振動体と、振動体の第１主面および第２主面の少なくとも一方の主面に設けられ、振動体を、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屈曲振動させる駆動体と、を有するアクチュエータと、
アクチュエータとともにブロア室を構成する天板部であって、ブロア室の内部と外部を連通させる通気孔を有する天板部と、を備え、
天板部は、振動体の屈曲振動により形成される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、ブロア室の外周までの範囲に接する第１外周領域と、第１外周領域より内側に位置する第１中央領域と、を有し、
第１外周領域は、第１外周領域の屈曲振動を拘束する領域である、ブロア。

この構成において、ブロア室の中心軸からブロア室の外周にかけて、ブロア室の各点の圧力は、振動体および天板部の屈曲振動によって変化する。ブロア室は、天板部の第１外周領域に接する外周空間と、外周空間より内側に位置し、天板部の第１中央領域に接する中央空間と、によって構成される。

この構成のブロアは、奇数次の振動モードの共振周波数で動作する。この構成のブロアが動作している間、ブロア室の外周空間において気体（例えば空気）の圧力が基準圧力（例えば大気圧）より低くなった時、天板部の第１外周領域は、殆ど屈曲振動しない。また、ブロア室の外周空間において気体の圧力が基準圧力より高くなった時、天板部の第１外周領域は、殆ど屈曲振動しない。

すなわち、この構成では、天板部の第１外周領域が、悪影響をブロア室の圧力に及ぼさず、ブロア室の気体の圧力共振を低下させない。

したがって、本発明のブロアは、天板部の第１外周領域の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、本発明のブロアは、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

また、振動体は、振動体の屈曲振動により形成される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、ブロア室の外周までの範囲に接する第２外周領域と、第２外周領域より内側に位置する第２中央領域と、を有し、
第２外周領域は、第２外周領域の屈曲振動を拘束する領域であることが好ましい。

この構成のブロアが動作している間、ブロア室の外周空間において気体（例えば空気）の圧力が基準圧力（例えば大気圧）より低くなった時、振動体の第２外周領域も、殆ど屈曲振動しない。また、ブロア室の外周空間において気体の圧力が基準圧力より高くなった時、振動体の第２外周領域も、殆ど屈曲振動しない。

すなわち、この構成では、天板部の第１外周領域と振動体の第２外周領域とが、悪影響をブロア室の圧力に及ぼさず、ブロア室の気体の圧力共振を低下させない。

したがって、本発明のブロアは、天板部の第１外周領域と振動体の第２外周領域との屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、本発明のブロアは、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

また、第１外周領域の剛性は、第１中央領域の剛性より高いことが好ましい。

この構成によって、第１外周領域は、第１外周領域の屈曲振動を拘束することができる。

また、第１外周領域の厚みは、第１中央領域の厚みより厚いことが好ましい。

この構成によって、第１外周領域の剛性は、第１中央領域の剛性より高くなる。

また、ブロア室の中心軸からブロア室の端までの最短距離ａとアクチュエータの振動周波数ｆとは、ブロア室を通過する気体の音速をｃとし、第１種ベッセル関数Ｊ_０´（ｋ_０）＝０の関係を満たす値をｋ_０としたとき、ａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）の関係を満たすことが好ましい。

この構成において、振動体および天板部は、最短距離ａとなるよう形成されている。駆動体は、アクチュエータを振動周波数ｆで振動させる。

なお、ｋ_０は、第１種ベッセル関数を微分したＪ_０´（ｋ_０）＝０を満たす値とする。また、ａは、ブロア室の中心軸かブロア室の端までの最短距離とする。

ここで、ａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）である場合、振動体の振動の節の内、最も外側の節が、ブロア室の圧力振動の節と一致し、圧力共振が生じる。

そのため、ａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）の関係を満たす場合、この構成のブロアは、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

また、駆動体は、圧電体であることが好ましい。

この構成のブロアは、駆動時に発生する音や振動が小さい圧電体を駆動源として用いることで、静音化を図ることができる。

また、通気孔には、ブロア室の外部から内部へ気体が流れることを防ぐ弁が設けられていることが好ましい。

この構成のブロアは、ブロア室の外部から通気孔を介してブロア室の内部へ気体が流れることを弁によって防ぐことができる。そのため、この構成のブロアは、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

この発明によれば、天板部の外周領域の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。

本発明の第１実施形態に係る圧電ブロア１００の外観斜視図である。 図１に示す圧電ブロア１００の外観斜視図である。 図１に示す圧電ブロア１００のＳ−Ｓ線の断面図である。 図１に示す圧電ブロア１００を３次モードの共振周波数（基本波）で動作させた時における圧電ブロア１００のＳ−Ｓ線の断面図である。 図４（Ｂ）に示す瞬間の、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周にかけるブロア室３１の各点の圧力変化と、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する天板部１７の各点の変位と、の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態の比較例に係る圧電ブロア１５０の断面図である。 図６に示す圧電ブロア１５０における、ブロア室３１の各点の圧力変化と天板部１７０の各点の変位との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る圧電ブロア２００の断面図である。 本発明の第２実施形態の比較例に係る圧電ブロア２５０の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧電ブロア３００の断面図である。 特許文献１に係るポンプ９００の断面図である。 図１２（Ａ）は、空洞９１１の中心軸から空洞９１１の外周にかける空洞９１１の各点の圧力変化を示す図である。図１２（Ｂ）は、空洞９１１の中心軸から空洞９１１の外周までを構成する底板９１８の各点の変位を示す図である。 図１２（Ｂ）に示す底板９１８の各点の変位を、図１２（Ａ）に示すブロア室３１の各点の圧力変化に重ねた図である。

《本発明の第１実施形態》
以下、本発明の第１実施形態に係る圧電ブロア１００について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電ブロア１００の外観斜視図である。図２は、図１に示す圧電ブロア１００の外観斜視図である。図３は、図１に示す圧電ブロア１００のＳ−Ｓ線の断面図である。

圧電ブロア１００は、上から順に、天板部１７、振動体４５、及び圧電素子４２を備え、それらが順に積層された構造を有している。振動体４５は、振動板４１、補強板７０、及び拘束板６０を備え、それらが積層された構造を有している。圧電ブロア１００は、ポンプの一種である。振動体４５は、第１主面４０Ａと第２主面４０Ｂとを有する。

振動板４１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。本実施形態において、振動板４１の厚みは、０．１ｍｍである。

振動体４５の第２主面４０Ｂは、天板部１７の先端に接合している。これにより、振動体４５は、天板部１７とともに振動板４１の厚み方向から挟んで円柱形状のブロア室３１を構成する。また、振動体４５および天板部１７は、ブロア室３１が半径ａとなるよう形成されている。本実施形態においてブロア室３１の半径ａは、１１ｍｍである。

さらに、そのため、振動体４５の第２主面４０Ｂにおける天板部１７との接合部分より内側の領域は、ブロア室３１の底面を構成する。振動体４５は、ブロア室３１をブロア室３１の外部と連通させる円柱状の通気孔１２４を有する。通気孔１２４の直径は、１．４ｍｍである。

また、振動体４５は、振動体４５及び天板部１７の屈曲振動により形成されるブロア室３１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３１の外周までの範囲に接する外周領域１４５と、外周領域１４５より内側に位置する中央領域１４６と、を有する。外周領域１４５は、外周領域１４５の屈曲振動を拘束する領域である。

なお、圧電素子４２は、駆動体の一例に相当する。外周領域１４５は、本発明の第２外周領域の一例に相当する。中央領域１４６は、本発明の第２中央領域の一例に相当する。ブロア室３１の圧力振動の節の詳細については、後述する。

振動板４１の主面４０Ｃには、外周領域１４５の屈曲振動を拘束する拘束板６０が接合されている。これにより、外周領域１４５の厚みは、中央領域１４６の厚みより厚くなっている。そのため、外周領域１４５の剛性は、中央領域１４６の剛性より高い。拘束板６０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。拘束板６０の内径は、１８ｍｍである。

ブロア室３１は、振動体４５の外周領域１４５に接する外周空間１３１と、外周空間１３１より内側に位置し、振動体４５の中央領域１４６に接する中央空間１３２と、によって構成される。

補強板７０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７０は、振動板４１のブロア室３１とは逆側の主面４０Ｃに接合されている。補強板７０は、圧電素子４２の屈曲によって圧電素子４２が破損することを防止する。

圧電素子４２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４２の両主面には、電極が形成されている。

圧電素子４２は、補強板７０のブロア室３１とは逆側の第１主面４０Ａに接合されている。圧電素子４２は、印加された交流電圧に応じて伸縮する。本実施形態において圧電素子４２の直径は、１１ｍｍであり、圧電素子４２の厚みは、０．１５ｍｍある。

なお、圧電素子４２、補強板７０、拘束板６０及び振動板４１の接合体は、圧電アクチュエータ９０を構成する。

天板部１７は、下方が開口した断面コ字状に形成されている。天板部１７の先端は、振動板４１に接合している。天板部１７は、例えば金属から構成されている。

天板部１７は、振動板４１の第２主面４０Ｂに対向する円板状の天上部１８と、天上部１８に接続する円環状の側壁部１９と、天上部１８の振動板４１とは逆側の主面に接合する円板状の薄天板２８と、を有する。天上部１８及び薄天板２８の一部は、ブロア室３１の天面を構成する。

天板部１７は、ブロア室３１の内部と外部を連通させる通気孔２４を薄天板２８に有する。通気孔２４の直径は、１．４ｍｍである。

また、天板部１７は、振動体４５及び天板部１７の屈曲振動により形成されるブロア室３１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３１の外周までの範囲に接する外周領域１７５と、外周領域１７５より内側に位置する中央領域１７６と、を有する。外周領域１７５は、外周領域１７５の屈曲振動を拘束する領域である。

なお、外周領域１７５は、本発明の第１外周領域の一例に相当する。中央領域１７６は、本発明の第１中央領域の一例に相当する。ブロア室３１の圧力振動の節の詳細については、後述する。

振動板４１の主面４０Ｃには、外周領域１７５の屈曲振動を拘束する拘束板１６０が接合されている。これにより、外周領域１７５の厚みは、中央領域１７６の厚みより厚くなっている。そのため、外周領域１７５の剛性は、中央領域１７６の剛性より高い。拘束板１６０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。拘束板１６０の内径は、１８ｍｍである。

また、天板部１７の振動板４１側には、ブロア室３１の一部であり、通気孔２４と連通するキャビティ２５を構成する凹部２６が形成されている。キャビティ２５は、円柱形状である。キャビティ２５の直径は、３．０ｍｍであり、キャビティ２５の厚みは、０．３ｍｍである。

以下、圧電ブロア１００の動作時における空気の流れについて説明する。

図４（Ａ）（Ｂ）は、図１に示す圧電ブロア１００を３次モードの共振周波数（基本波）で動作させた時における圧電ブロア１００のＳ−Ｓ線の断面図である。図４（Ａ）は、ブロア室３１の容積が最も減少したときの図であり、図４（Ｂ）は、ブロア室３１の容積が最も増大したときの図である。

また、図５は、図４（Ｂ）に示す瞬間の、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周にかけるブロア室３１の各点の圧力変化と、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する天板部１７の各点の変位と、の関係を示す図である。

ここで、図４中の矢印は、空気の流れを示している。また、ブロア室３１の共振周波数とは、ブロア室３１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３１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。

また、図５において、ブロア室３１の各点の圧力変化と天板部１７の各点の変位とは、ブロア室３１の中心軸Ｃ上にある天板部１７の中心の変位で規格化された値で示されている。図５に示す、ブロア室３１の各点の圧力変化分布ｕ（ｒ）は、ブロア室３１の中心軸Ｃからの距離をｒとしたとき、ｕ（ｒ）＝Ｊ_０（ｋ_０ｒ／ａ）の式で表される。

図３に示す状態において、３次モードの共振周波数ｆ（３８．０５ｋＨｚ）の６０Ｖｐｐの交流駆動電圧が圧電素子４２の両主面の電極に印加されると、圧電素子４２は、伸縮し、振動体４５を３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１７は、振動体４５の屈曲振動が伝わり、振動体４５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）３次モードで同心円状に屈曲振動する。

これにより、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、振動体４５及び天板部１７が屈曲変形してブロア室３１の体積が周期的に変化する。

図４（Ａ）に示すように、振動体４５が圧電素子４２側へ屈曲すると、天板部１７も圧電素子４２とは逆側へ屈曲する。これに伴い、圧電ブロア１００の外部の空気が通気孔２４を介してブロア室３１内に吸引される。

図４（Ｂ）に示すように、振動体４５がブロア室３１側へ屈曲すると、天板部１７もブロア室３１側へ屈曲する。これに伴い、圧電ブロア１００の外部の空気が通気孔１２４を介してブロア室３１内に吸引され、ブロア室３１内の空気が通気孔２４から吐出される。

以上のように、圧電ブロア１００では、振動体４５の振動に伴い天板部１７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１００は、吐出圧力と吐出流量を増加させることができる。

なお、ブロア室３１の半径ａとアクチュエータ９０の共振周波数ｆとは、ブロア室３１を通過する空気の音速をｃとし、第１種ベッセル関数を微分したＪ_０´（ｋ_０）＝０の関係を満たす値をｋ_０としたとき、ａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）の関係を満たす。第１種ベッセル関数Ｊ_０（ｘ）は、以下の数式で示される。

本実施形態において、ブロア室３１の半径ａは、ブロア室３１の中心軸Ｃから、振動板４１における天板部１７との接合部分より内側にある領域の端Ｊまでの最短距離である。共振周波数ｆは、３８．０５ｋＨｚである。空気の音速ｃは、約３４０ｍ／ｓである。ｋ_０は、７．０２である。

図５の点線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する天板部１７の各点は、屈曲振動によって変位する。同様に、図５の点線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する振動板４１の各点は、屈曲振動によって変位する。

そして、図５の実線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周にかけて、ブロア室３１の各点の圧力は、振動板４１及び天板部１７の屈曲振動によって変化する。

圧電ブロア１００ではブロア室３１の半径ａとアクチュエータ９０の共振周波数ｆとがａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）を満たす。そのため、圧電ブロア１００では、天板部１７の振動の節の内、最も外側の節Ｆが、ブロア室３１の圧力振動の節と一致し、圧力共振が生じている。また、圧電ブロア１００では、振動板４１の振動の節の内、最も外側の節Ｆが、ブロア室３１の圧力振動の節と一致し、圧力共振が生じている。

ここで、圧電ブロア１００が動作している間、ブロア室３１の外周空間１３１において空気の圧力が大気圧より高くなった時、図５に示すように、天板部１７の外周領域１７５（約８ｍｍから端Ｊまでの領域）は、拘束板１６０によって拘束され、殆ど屈曲振動しない。

同様に、圧電ブロア１００が動作している間、ブロア室３１の外周空間１３１において空気の圧力が大気圧より高くなった時、振動体４５の外周領域１４５（約８ｍｍから端Ｊまでの領域）も、拘束板６０によって拘束され、殆ど屈曲振動しない。

反対に、圧電ブロア１００が動作している間、ブロア室３１の外周空間１３１において空気の圧力が大気圧より低くなった時も、天板部１７の外周領域１７５は、拘束板１６０によって拘束され、殆ど屈曲振動しない。

同様に、ブロア室３１の外周空間１３１において空気の圧力が大気圧より低くなった時も、振動体４５の外周領域１４５は、拘束板６０によって拘束され、殆ど屈曲振動しない。

すなわち、この構成では、天板部１７の外周領域１７５が、悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼさず、ブロア室３１の空気の圧力共振を低下させない。さらに、振動体４５の外周領域１４５が、悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼさず、ブロア室３１の空気の圧力共振を低下させない。

したがって、圧電ブロア１００は、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。さらに、圧電ブロア１００は、振動体４５の外周領域１４５の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、圧電ブロア１００は、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

また、圧電ブロア１００では、天板部１７の振動時において、天板部１７の振動の節Ｆより内側における天板部１７の各点の変位分布が、図５に示すように、ブロア室３１の圧力振動の節Ｆより内側におけるブロア室３１の各点の圧力変化分布に近似している。

同様に、圧電ブロア１００では、振動板４１の振動時において、振動板４１の振動の節Ｆより内側における振動板４１の各点の変位分布が、図５に示すように、ブロア室３１の圧力振動の節Ｆより内側におけるブロア室３１の各点の圧力変化分布に近似している。

そのため、圧電ブロア１００は、振動板４１及び天板部１７の振動エネルギーを殆ど損なうことなく、ブロア室３１の空気に伝えることができる。したがって、圧電ブロア１００は、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

また、圧電ブロア１００は、ブロア室３１の通気孔２４近くにキャビティ２５を有する。そのため、圧電ブロア１００では、ブロア室３１の通気孔２４近くで発生する渦がキャビティ２５で低下する。これにより、ブロア室３１の圧力振動が渦によって乱されることを防ぐことができる。

よって、圧電ブロア１００は、ブロア室３１の通気孔２４近くで発生する渦を弱め、吐出圧力が低下することを防ぐことができる。

また、圧電ブロア１００は、駆動時に発生する音や振動が小さい圧電体を駆動源として用いているため、静音化を実現できる。

以下、本発明の第１実施形態に係る圧電ブロア１００と本発明の第１実施形態の比較例に係る圧電ブロア１５０とを比較する。まず、圧電ブロア１５０の構成および動作について説明する。

図６は、本発明の第１実施形態の比較例に係る圧電ブロア１５０の断面図である。圧電ブロア１５０が圧電ブロア１００と相違する点は、拘束板１６０を備えない点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

図６に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆ（３８．０５ｋＨｚ）の６０Ｖｐｐの交流駆動電圧が圧電素子４２の両主面の電極に印加されると、圧電素子４２は、伸縮し、振動体４５を３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１７０は、振動体４５の屈曲振動が伝わり、振動体４５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）３次モードで同心円状に屈曲振動する。

これにより、図４（Ａ）（Ｂ）に示す圧電ブロア１００と同様に、圧電ブロア１５０の振動体４５及び天板部１７０も屈曲変形してブロア室３１の体積が周期的に変化する。

図７は、図６に示す圧電ブロア１５０における、ブロア室３１の各点の圧力変化と天板部１７０の各点の変位との関係を示す図である。図７において、ブロア室３１の各点の圧力変化と天板部１７０の各点の変位とは、図５と同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃ上にある天板部１７０の中心の変位で規格化された値で示されている。図７に示す、ブロア室３１の各点の圧力変化分布ｕ（ｒ）は、図５と同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからの距離をｒとしたとき、ｕ（ｒ）＝Ｊ_０（ｋ_０ｒ／ａ）の式で表される。

図７の点線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する天板部１７０の各点は、屈曲振動によって変位する。同様に、図７の点線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周までを構成する振動板４１の各点は、屈曲振動によって変位する。

そして、図７の実線に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の外周にかけて、ブロア室３１の各点の圧力は、振動板４１及び天板部１７０の屈曲振動によって変化する。

ここで、図７の点線に示す波形と、図７の実線に示す波形とは、外周領域（約８ｍｍから端Ｊまでの領域）において逆方向の変位となっている。逆方向の変位となっている面積Ｓ２（図７参照）は、同様に逆方向の変位となっている面積Ｓ１（図５参照）より極めて広い。そのため、圧電ブロア１５０では、特許文献１のポンプ９００と同様に、天板部１７０の外周領域が悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼす。

次に、圧電ブロア１５０と圧電ブロア１００とに対して駆動周波数ｆ（３８．０５ｋＨｚ）の６０Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、圧電ブロア１５０の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、圧電ブロア１００の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、を測定した結果を以下に示す。

なお、実験は、ブロア室３１の外部から通気孔２４を介して内部へ気体が流れること（図４（Ａ）の矢印参照）を防ぐ弁（不図示）を圧電ブロア１００の天板部１７と圧電ブロア１５０の天板部１７０とに装着した状態で測定した。この弁は、後述の図１０に示す弁３０１と同じ働きをする弁である。

実験により、圧電ブロア１５０では空気の圧力が１３．２（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア１００では空気の圧力が２０．０（ｋＰａ）であることが明らかとなった。

以上の結果になった理由は、圧電ブロア１００では、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動が拘束板１６０によって拘束され、天板部１７の外周領域１７５が悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼさなかったためであると考えられる。

したがって、圧電ブロア１００は、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、圧電ブロア１００は、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

以下、本発明の第２実施形態に係る圧電ブロア２００について説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る圧電ブロア２００の断面図である。圧電ブロア２００が圧電ブロア１００と相違する点は、拘束板６０を備えない点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

以下、本発明の第２実施形態に係る圧電ブロア２００と本発明の第２実施形態の比較例に係る圧電ブロア２５０とを比較する。まず、圧電ブロア２５０の構成および動作について説明する。

図９は、本発明の第２実施形態の比較例に係る圧電ブロア２５０の断面図である。圧電ブロア２５０が圧電ブロア２００と相違する点は、拘束板１６０を備えない点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

次に、圧電ブロア２５０と圧電ブロア２００とに対して駆動周波数ｆ（３８．０５ｋＨｚ）の６０Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、圧電ブロア２５０の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、圧電ブロア２００の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、を測定した結果を以下に示す。

なお、実験は、ブロア室３１の外部から通気孔２４を介して内部へ気体が流れること（図４（Ａ）の矢印参照）を防ぐ弁（不図示）を圧電ブロア２００の天板部１７と圧電ブロア２５０の天板部１７０とに装着した状態で測定した。この弁は、後述の図１０に示す弁３０１と同じ働きをする弁である。

実験により、圧電ブロア２５０では空気の圧力が１０．５（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア２００では空気の圧力が１３．０（ｋＰａ）であることが明らかとなった。

以上の結果になった理由は、圧電ブロア２００では、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動が拘束板１６０によって拘束され、天板部１７の外周領域１７５が悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼさなかったためであると考えられる。

したがって、圧電ブロア２００は、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、圧電ブロア２００は、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

以下、本発明の第３実施形態に係る圧電ブロア３００について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る圧電ブロア３００の断面図である。圧電ブロア３００が圧電ブロア１００と相違する点は、弁３０１を備える点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

図１０に示す圧電ブロア３００のように、薄天板２８（具体的には薄天板２８における通気孔２４の周囲）には、ブロア室３１の外部から通気孔２４を介して内部へ気体が流れること（図４（Ａ）の矢印参照）を防ぐ弁３０１が設けられていてもよい。

弁３０１は、フィルム３２４と、蓋板３２１と、を有する。フィルム３２４は、樹脂で構成されている。フィルム３２４は、例えば半透明なポリイミドで構成される。

蓋板３２１は、天板部１７の天面（詳しくは拘束板１６０の天面）に接合している。そのため、拘束板１６０は、蓋板３２１と薄天板２８との間に位置する。蓋板３２１と拘束板１６０と薄天板２８とは互いに積層した状態で貼付されている。これにより、蓋板３２１と拘束板１６０と薄天板２８とはバルブ室３４０を構成する。フィルム３２４は、バルブ室３４０に収容されている。

蓋板３２１は、円板状である。蓋板３２１と拘束板１６０と薄天板２８の外周径は、互いに一致している。

バルブ室３４０は、拘束板１６０の中央に所定の開口径で設けられている。フィルム３２４は、概略円板状である。フィルム３２４は、拘束板１６０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、拘束板１６０の厚み（バルブ室３４０の高さ）は、４０μｍ以上５０μｍ以下であり、フィルム３２４の厚みは、５μｍ以上１０μｍ以下に設定されている。また、フィルム３２４は、通気孔２４からの吐出風によってバルブ室３４０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３２４の外周径は、拘束板１６０におけるバルブ室３４０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。

蓋板３２１の中央には、吐出孔３４１が設けられている。また、フィルム３２４の中央には、所定配列で並べられた複数のフィルム孔３４２が設けられている。したがって、バルブ室３４０は、吐出孔３４１を介して外部に通じるとともに、通気孔２４を介してブロア室３１に通じる。

以上の構成において、フィルム３２４は、通気孔２４からの吐出風や吸引風によってバルブ室３４０の内部で上下動自在に可動する。空気がバルブ室３４０からブロア室３１へ通気孔２４を介して吸引されるとき、フィルム３２４は、通気孔２４に引き寄せられて、通気孔２４を塞ぐ。これにより、弁３０１は、バルブ室３４０から通気孔２４を介してブロア室３１へ気体が流れること（図４（Ａ）の矢印参照）を防ぐ。

以上より、圧電ブロア３００は、駆動時、空気の流れを一方向にすることができる。

次に、圧電ブロア１５０と圧電ブロア３００とに対して駆動周波数ｆ（３８．０５ｋＨｚ）の６０Ｖｐｐの正弦波交流電圧を印加した条件で、圧電ブロア１５０の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、圧電ブロア３００の通気孔２４から流出する空気の圧力（ｋＰａ）と、を測定した結果を以下に示す。

なお、実験は、ブロア室３１の外部から通気孔２４を介して内部へ気体が流れること（図４（Ａ）の矢印参照）を防ぐ弁（不図示）を圧電ブロア１５０の天板部１７０に装着した状態で測定した。この弁は、図１０に示す弁３０１と同じ働きをする弁である。

実験により、圧電ブロア１５０では空気の圧力が１３．２（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア３００では空気の圧力が２０．０（ｋＰａ）であることが明らかとなった。

以上の結果になった理由は、圧電ブロア３００では、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動が拘束板１６０によって拘束され、天板部１７の外周領域１７５が悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼさなかったためであると考えられる。

したがって、圧電ブロア３００は、天板部１７の外周領域１７５の屈曲振動によって吐出圧力や吐出流量が低下することを防ぐことができる。そのため、圧電ブロア３００は、高い吐出圧力および高い吐出流量を実現できる。

《その他の実施形態》
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、空気以外の気体であっても適用できる。

また、前記実施形態では、圧電ブロア１００が拘束板１６０を備えているが、これに限るものではない。例えば、中央領域と、中央領域より高い剛性を持つ材料で構成された外周領域と、を有する天板部を備え、拘束板を備えなくてもよい。

また、前記実施形態では、振動板４１、補強板７０、拘束板６０、１６０、天上部１８及び薄天板２８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４２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４２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、圧電素子４２は、補強板７０のブロア室３１とは逆側の第１主面４０Ａに接合されているが、これに限るものではない。実施の際は、例えば、圧電素子４２が振動板４１の第２主面４０Ｂに接合されていてもよいし、２枚の圧電素子４２が、補強板７０の第１主面４０Ａ及び振動板４１の第２主面４０Ｂに接合されていてもよい。

この場合、天板部１７は、少なくとも１枚の圧電素子４２、補強板７０、及び振動板４１から構成される圧電アクチュエータとともに、振動板４１の厚み方向から挟んでブロア室を構成する。

また、前記実施形態では円板状の圧電素子４２、円板状の振動板４１、円板状の補強板７０、円環状の拘束板６０、１６０、円板状の天上部１８及び円板状の薄天板２８等を用いたが、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、ｋ_０が７．０２の条件を用いたが、これに限るものではない。２．４０、３．８３、５．５２、８．６５、１０．１７、１１．７９、１３．３２、１４．９３など、ｋ_０は、Ｊ_０´（ｋ_０）＝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、３次モードの周波数で圧電ブロアの振動体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３１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、振動板の中心軸からブロア室の外周までの最短距離ａを使用する。

最後に、前記実施形態の説明は、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。

ａ…半径
Ｃ…中心軸
Ｆ…節
Ｑ１…第１外周空間
Ｑ２…第２外周空間
１０…以上
１７…天板部
１８…天上部
１９…側壁部
２４…通気孔
２５…キャビティ
２６…凹部
２８…薄天板
３１…ブロア室
４０Ａ…第１主面
４０Ｂ…第２主面
４０Ｃ…主面
４１…振動板
４２…圧電素子
４５…振動体
５０…以上
６０…拘束板
７０…補強板
９０…圧電アクチュエータ
１００…圧電ブロア
１２４…通気孔
１３１…外周空間
１３２…中央空間
１４５…外周領域
１４６…中央領域
１５０…圧電ブロア
１６０…拘束板
１７０…天板部
１７５…外周領域
１７６…中央領域
２００…圧電ブロア
２５０…圧電ブロア
３００…圧電ブロア
３０１…弁
３２１…蓋板
３２４…フィルム
３４０…バルブ室
３４１…吐出孔
３４２…フィルム孔
９００…ポンプ
９１１…空洞
９１２…円盤
９１３…本体
９１４…流出口
９１５…流入口
９１６…弁
９１８…底板
９２０…圧電ディスク

Claims (7)

1. 第１主面と第２主面とを有する振動体と、前記振動体の前記第１主面および前記第２主面の少なくとも一方の主面に設けられ、前記振動体を、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ブロア室を構成する天板部であって、前記ブロア室の内部と外部を連通させる通気孔を有する天板部と、を備え、
   前記天板部は、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第１外周領域と、前記第１外周領域より内側に位置する第１中央領域と、を有し、
   前記第１外周領域は、前記第１外周領域の屈曲振動を拘束する領域である、ブロア。
2. 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第２外周領域と、前記第２外周領域より内側に位置する第２中央領域と、を有し、
   前記第２外周領域は、前記第２外周領域の屈曲振動を拘束する領域である、請求項１に記載のブロア。
3. 前記第１外周領域の剛性は、前記第１中央領域の剛性より高い、請求項１又は２に記載のブロア。
4. 前記第１外周領域の厚みは、前記第１中央領域の厚みより厚い、請求項１から３のいずれか１項に記載のブロア。
5. 前記ブロア室の中心軸から前記ブロア室の端までの最短距離ａと前記アクチュエータの振動周波数ｆとは、前記ブロア室を通過する気体の音速をｃとし、第１種ベッセル関数Ｊ_０´（ｋ_０）＝０の関係を満たす値をｋ_０としたとき、ａｆ＝（ｋ_０ｃ）／（２π）の関係を満たす、請求項１から４のいずれか１項に記載のブロア。
6. 前記駆動体は、圧電体である、請求項１から５のいずれか１項に記載のブロア。
7. 前記通気孔には、前記ブロア室の外部から内部へ気体が流れることを防ぐ弁が設けられている、請求項１から６のいずれか１項に記載のブロア。

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