JP6572619B2

JP6572619B2 - ブロア

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Publication number: JP6572619B2
Application number: JP2015096192A
Authority: JP
Inventors: 雅啓佐々木
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: JP2016211442A

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１９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が接合された振動板９１２と、振動板９１２とともに空洞９１１を構成する筐体９１３と、を備えている。この筐体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。筐体９１３は天板９１８を有する。

流入口９１５は、天板９１８における、空洞９１１の中心軸と空洞９１１の外周との間の領域に設けられている。流出口９１４は、天板９１８における、空洞９１１の中心軸Ｃ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２０は、図１９に示す空洞９１１の中心軸Ｃから空洞９１１の外周までを構成する振動板９１２及び天板９１８の各点の変位の一例を示す図である。図２０において振動板９１２の各点の変位は、空洞９１１の中心軸Ｃ上にある振動板９１２の中心の変位で規格化された値で示されている。また、図２０において天板９１８の各点の変位は、空洞９１１の中心軸Ｃ上にある天板９１８の中心の変位で規格化された値で示されている。

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、例えば図２０に示すように振動板９１２を屈曲振動させる。振動板９１２の屈曲振動に応じて天板９１８も例えば図２０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。

しかしながら、特許文献１のポンプ９００では例えば図２０に示すように、振動板９１２の振動の腹Ｂ１の位置と天板９１８の振動の腹Ｂ２の位置とが大きくズレる。このようなズレが生じる原因は、振動板９１２には圧電ディスク９２０が接合されているのに対して天板９１８には圧電ディスク９２０が接合されておらず、振動板９１２の屈曲振動だけが圧電ディスク９２０の存在によって阻害されるためであると考えられる。

振動板９１２の振動の腹Ｂ１の位置と天板９１８の振動の腹Ｂ２の位置とが大きくずれる状況では、振動の効率が悪く、電力が無駄に消費される。したがって、特許文献１のポンプ９００を含む従来のブロアでは、消費電力あたりの気体の吐出圧力が低いという問題がある。

本発明は、消費電力あたりの吐出圧力を向上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、アクチュエータと天板部とを備える。
アクチュエータは、振動体と駆動体とを有する。振動体は、第１主面と第２主面とを有する。駆動体は、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、振動体を屈曲振動させる。振動体の振動の腹の位置は前述したように、駆動体の存在によって外側にズレると考えられる。

天板部は、アクチュエータとともにブロア室を構成する。天板部は、ブロア室の内部と外部を連通させる通気孔を有する。天板部は、振動体の屈曲振動に伴って屈曲振動する。振動体および天板部の屈曲振動により、ブロア室内の気体が通気孔から吐出される。

天板部は、天板部の屈曲振動により形成される振動の腹のうち、最も外側の腹より内側に位置する中央領域を有する。天板部は、中央領域内に第１補強板を有する。

この構成では、天板部の中央領域の屈曲振動が第１補強板によって阻害される。これにより、天板部の振動の腹の位置が第１補強板の存在によって外側にズレる。よって、この構成では、振動体の振動の腹の位置と天板部の振動の腹の位置とが近づく。振動体の振動の腹の位置と天板部の振動の腹の位置とが近い状況では、振動の効率に優れ、電力が有効に消費される。したがって、本発明のブロアは、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

また、本発明において天板部は、振動体および天板部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外周領域を有する。天板部は、第１外周領域内に第２補強板を有する。

この構成において駆動体が振動体を屈曲振動させる間、天板部の第１外周領域は、第２補強板の存在によって殆ど屈曲振動しない。第２補強板は、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すことを防止する。

したがって、この構成のブロアは、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、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、本発明において振動体は、振動体および天板部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外周領域を有する。振動体は、第２外周領域内に第３補強板を有する。

この構成において駆動体が振動体を屈曲振動させる間、振動体の第２外周領域は、第３補強板の存在によって殆ど屈曲振動しない。第３補強板は、振動体の第２外周領域が、悪影響をブロア室の圧力に及ぼすことを防止する。

したがって、この構成のブロアは、振動体の第２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、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、本発明において駆動体は、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。

本発明のブロアは、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

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、振動板４１及び天板部１７の各点の変位を示す図である。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の端Ｊにかけるブロア室３１の各点の圧力変化を示す図である。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７に示す振動板４１及び天板部１５７の各点の変位を示す図である。本発明の第２実施形態に係る圧電ブロア２００の外観斜視図である。図９に示す圧電ブロア２００の断面図である。図１０に示す振動板４１及び天板部１７の各点の変位を示す図である。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。図１２に示す振動板４１及び天板部１５７の各点の変位を示す図である。本発明の第３実施形態に係る圧電ブロア３００の外観斜視図である。図１４に示す圧電ブロア３００のＴ−Ｔ線の断面図である。図１５に示す振動板４１及び天板部３１７の各点の変位を示す図である。本発明の第３実施形態の比較例に係る圧電ブロア３５０の断面図である。図１７に示す振動板４１及び天板部３５７の各点の変位を示す図である。特許文献１に係るポンプ９００の断面図である。図１９に示す空洞９１１の中心軸Ｃから空洞９１１の外周までを構成する振動板９１２及び天板９１８の各点の変位の一例を示す図である。

《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。圧電ブロア１００は、ポンプの一種である。振動体４５は、振動板４１及び補強板７０を備え、それらが積層された構造を有している。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。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。例えば本実施形態においてブロア室３１の半径ａは１１ｍｍであり、振動板４１の厚みは０．１ｍｍである。

また、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。例えば本実施形態において通気孔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を有する。ここで、ブロア室３１の圧力振動の節の詳細については、後述する。

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。ブロア室３１の圧力振動の節の詳細については、後述する。

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。例えば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、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。例えば本実施形態において通気孔２４の直径は、１．４ｍｍである。天板部１７は、例えば金属から構成されている。

また、天板部１７は、振動体４５及び天板部１７の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、天板部１７の屈曲振動により形成される振動の腹のうち、最も外側の腹Ｂ２より内側に位置する中央領域１７６と、を有する。ここで、外周領域１７５は、本発明の第１外周領域の一例に相当する。また、振動の腹の詳細に関しては後述する。

天板部１７は、中央領域１７６内に補強板１８０を有する。補強板１８０は、中央領域１７６の振動を拘束する。補強板１８０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。例えば本実施形態において補強板１８０の外径は、１２ｍｍ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。例えば本実施形態においてキャビティ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が駆動している間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、中心軸Ｃから端Ｊまでの振動板４１及び天板部１７の各点の変位を示す図である。図６は、図４（Ｂ）に示す瞬間の、中心軸Ｃから端Ｊまでのブロア室３１の各点の圧力変化を示す図である。

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において振動板４１の各点の変位は、ブロア室３１の中心軸Ｃ上にある振動板４１の中心の変位で規格化された値で示されている。また、図５において天板部１７の各点の変位は、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。

また、図６において、ブロア室３１の各点の圧力変化は、ブロア室３１の中心軸Ｃ上の圧力変化で規格化された値で示されている。図６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の交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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の屈曲振動に伴い天板部１７が屈曲振動する。そのため、圧電ブロア１００は、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。例えば本実施形態において共振周波数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。

ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図５の点線に示すように、振動によって変位する。また、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部１７の各点は、図５の実線に示すように、振動によって変位する。

そして、図６に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃから端Ｊ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の振動によって変化する。

ここで、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置は、圧電素子４２及び補強板７０の存在によって外側にズレると考えられる。そして、圧電ブロア１００が駆動している間、天板部１７の中央領域１７６の振動が補強板１８０によって阻害される。これにより、天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置が、図５に示すように補強板１８０の存在によって外側にズレる。

よって、圧電ブロア１００では、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近づく。振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近い状況では、振動の効率に優れ、電力が有効に消費される。したがって、圧電ブロア１００は、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

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７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、補強板１８０を中央領域１７６内に備えない点である。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７に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆの交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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１５７は、振動体４５の振動が伝わり、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１５７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８は、図７に示す振動板４１及び天板部１５７の各点の変位を示す図である。ここで、図８において振動板４１の各点の変位は、図５と同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃ上にある振動板４１の中心の変位で規格化された値で示されている。また、図８において天板部１５７の各点の変位は、図５と同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃ上にある天板部１５７の中心の変位で規格化された値で示されている。

ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図８の点線に示すように、振動によって変位する。同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部１５７の各点は、図８の実線に示すように、振動によって変位する。

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３７．０ｋＨｚの正弦波交流電圧６０Ｖｐｐ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。

実験により、圧電ブロア１５０では空気の圧力が１０．２（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア１００では空気の圧力が１４．０（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、図５、図８に示すように、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが補強板１８０の存在によって近づき、振動の効率が高まったためであると考えられる。

以上より、圧電ブロア１００は圧電ブロア１５０に比べて、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

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９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。図１０は、図９に示す圧電ブロア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、補強板６０を外周領域１４５内に備える点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

振動体２４５は、振動板４１、補強板７０、及び補強板６０を備え、それらが積層された構造を有している。振動板４１の主面４０Ｃには、外周領域１４５の振動を拘束する補強板６０が接合されている。補強板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。補強板６０の内径は、１８ｍｍである。

なお、圧電素子４２、補強板７０、補強板６０及び振動板４１の接合体は、圧電アクチュエータ２９０を構成する。

補強板６０は、振動板４１の主面４０Ｃに接合されている。補強板６０は、外周領域１４５の振動を拘束する。補強板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。補強板６０の内径は、１８ｍｍである。

図１０に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆの交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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２４５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２４５の振動が伝わり、振動体２４５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２００の振動体２４５及び天板部１７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１１は、図１０に示す振動板４１及び天板部１７の各点の変位を示す図である。ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図１１の点線に示すように、振動によって変位する。同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部１７の各点は、図１１の実線に示すように、振動によって変位する。

ここで、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置は、圧電素子４２及び補強板７０の存在によって外側にズレると考えられる。そして、圧電ブロア２００が駆動している間、天板部１７の中央領域１７６の振動が補強板１８０によって阻害される。これにより、天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置が、図１１に示すように補強板１８０の存在によって外側にズレる。

よって、圧電ブロア２００では、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近づく。振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近い状況では、振動の効率に優れ、電力が有効に消費される。

したがって、圧電ブロア２００は、前述の圧電ブロア１００と同様に、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

また、圧電ブロア２００ではブロア室３１の半径ａとアクチュエータ２９０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２００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２００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２００が駆動している間、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２４５の外周領域１４５は、補強板６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板６０は、振動体２４５の外周領域１４５が圧電素子４２側へ変位することを防止する。

反対に、圧電ブロア２００が駆動している間、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、振動体２４５の外周領域１４５は、補強板６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板６０は、振動体２４５の外周領域１４５がブロア室３１側へ変位することを防止する。

すなわち、圧電ブロア２００は、振動体２４５の外周領域１４５が悪影響をブロア室３１の圧力に及ぼすことを防止する。そのため、圧電ブロア２００は、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２００は、振動体２４５の外周領域１４５の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１２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、補強板１８０を中央領域１７６内に備えない点である。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１２に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆの交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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２４５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１５７は、振動体２４５の振動が伝わり、振動体２４５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２００と同様に、圧電ブロア２５０の振動体２４５及び天板部１５７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１３は、図１２に示す振動板４１及び天板部１５７の各点の変位を示す図である。ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図１３の点線に示すように、振動によって変位する。同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部１５７の各点は、図１３の実線に示すように、振動によって変位する。

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３７．０ｋＨｚの正弦波交流電圧６０Ｖｐｐ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。

実験により、圧電ブロア２５０では空気の圧力が１３．２（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア２００では空気の圧力が１７．８（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、図１１、図１３に示すように、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部１７の振動の腹Ｂ２の位置とが補強板１８０の存在によって近づき、振動の効率が高まったためであると考えられる。

以上より、圧電ブロア２００は圧電ブロア２５０に比べて、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

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１４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。図１５は、図１４に示す圧電ブロア３００のＴ−Ｔ線の断面図である。圧電ブロア３００が圧電ブロア１００と相違する点は、補強板６０及び補強板１６０を備える点である。圧電ブロア３００が圧電ブロア２００と相違する点は、補強板１６０を外周領域１７５内に備える点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

天板部３１７が前述の天板部１７と相違する点は、補強板１６０を外周領域１７５に備える点である。補強板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。補強板１６０の内径は、１８ｍｍである。補強板１６０は、外周領域１７５の振動を拘束する。

図１５に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆの交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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２４５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３１７は、振動体２４５の振動が伝わり、振動体２４５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３００の振動体２４５及び天板部３１７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１６は、図１５に示す振動板４１及び天板部３１７の各点の変位を示す図である。ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図１６の点線に示すように、振動によって変位する。同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部３１７の各点は、図１６の実線に示すように、振動によって変位する。

そして、図６に示すように、ブロア室３１の中心軸Ｃから端Ｊ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３１７の振動によって変化する。

ここで、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置は、圧電素子４２及び補強板７０の存在によって外側にズレると考えられる。そして、圧電ブロア３００が駆動している間、天板部３１７の中央領域１７６の振動が補強板１８０によって阻害される。これにより、天板部３１７の振動の腹Ｂ２の位置が、図１１に示すように補強板１８０の存在によって外側にズレる。

よって、圧電ブロア３００では、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部３１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近づく。振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部３１７の振動の腹Ｂ２の位置とが近い状況では、振動の効率に優れ、電力が有効に消費される。

したがって、圧電ブロア３００は、前述の圧電ブロア１００と同様に、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

また、圧電ブロア３００ではブロア室３１の半径ａとアクチュエータ２９０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３００では、天板部３１７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３００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３００が駆動している間、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、天板部３１７の外周領域１７５（約８ｍｍから端Ｊまでの領域）は、補強板１６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板１６０は、振動体２４５の外周領域１４５がブロア室３１とは逆側へ変位することを防止する。

同様に、圧電ブロア３００が駆動している間、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２４５の外周領域１４５（約８ｍｍから端Ｊまでの領域）は、補強板６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板６０は、振動体２４５の外周領域１４５がブロア室３１とは逆側へ変位することを防止する。

反対に、圧電ブロア３００が駆動している間、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３１７の外周領域１７５は、補強板１６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板１６０は、振動体２４５の外周領域１４５がブロア室３１側へ変位することを防止する。

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２４５の外周領域１４５は、補強板６０によって拘束され、殆ど振動しない。つまり、補強板６０は、振動体２４５の外周領域１４５がブロア室３１側へ変位することを防止する。

すなわち、圧電ブロア３００では、振動体２４５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。さらに、天板部３１７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。

したがって、圧電ブロア３００は、天板部３１７の外周領域１７５の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３００は、振動体２４５の外周領域１４５の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。

以下、本発明の第３実施形態に係る圧電ブロア３００と本発明の第３実施形態の比較例に係る圧電ブロア３５０とを比較する。まず、圧電ブロア３５０の構成および動作について説明する。

図１７は、本発明の第３実施形態の比較例に係る圧電ブロア３５０の断面図である。圧電ブロア３５０が圧電ブロア３００と相違する点は、補強板１８０を中央領域１７６内に備えない点である。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１７に示す状態において、３次モードの駆動周波数ｆの交流駆動電圧（例えば６０Ｖｐｐ）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２４５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３５７は、振動体２４５の振動が伝わり、振動体２４５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３００と同様に、圧電ブロア３５０の振動体２４５及び天板部３５７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１８は、図１７に示す振動板４１及び天板部３５７の各点の変位を示す図である。ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する振動板４１の各点は、図１８の点線に示すように、振動によって変位する。同様に、ブロア室３１の中心軸Ｃからブロア室３１の端Ｊまでを構成する天板部３５７の各点は、図１８の実線に示すように、振動によって変位する。

次に、圧電ブロア３５０と圧電ブロア３００とに対して駆動周波数３７．０ｋＨｚの正弦波交流電圧６０Ｖｐｐを印加した条件で、圧電ブロア３５０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。

実験により、圧電ブロア３５０では空気の圧力が２０．０（ｋＰａ）であるのに対し、圧電ブロア３００では空気の圧力が３１．８（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、図１６、図１８に示すように、振動板４１の振動の腹Ｂ１の位置と天板部３１７の振動の腹Ｂ２の位置とが補強板１８０の存在によって近づき、振動の効率が高まったためであると考えられる。

以上より、圧電ブロア３００は圧電ブロア３５０に比べて、消費電力あたりの吐出圧力を向上できる。

《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、振動板４１、補強板６０、補強板７０、補強板１６０、補強板１８０、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、円環状の補強板６０、１６０、１８０、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振動させても良い。

また、前記実施形態では、補強板１８０が中央領域１７６の一部に設けられているが、これに限るものではない。実施の際は、補強板１８０より大きな補強板が中央領域１７６の全てに設けられていてもよい。

また、前記実施形態では、補強板６０が外周領域１４５の全体に設けられているが、これに限るものではない。実施の際は、補強板６０より小さい補強板が外周領域１４５の一部に設けられていてもよい。

同様に、前記実施形態では、補強板１６０が外周領域１７５の全体に設けられているが、これに限るものではない。実施の際は、補強板１６０より小さい補強板が外周領域１７５の一部に設けられていてもよい。

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。

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
６０、７０、１６０、１８０…補強板
９０、２９０…圧電アクチュエータ
１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０…圧電ブロア
１２４…通気孔
１３１…外周空間
１３２…中央空間
１４５…外周領域
１５７…天板部
１７５…外周領域
１７６…中央領域
２４５…振動体
３１７…天板部
３５７…天板部
９００…ポンプ
９１１…空洞
９１２…振動板
９１３…筐体
９１４…流出口
９１５…流入口
９１６…弁
９１８…天板
９２０…圧電ディスク

Claims

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し、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伴って屈曲振動し、
前記天板部は、前記天板部の屈曲振動により形成される振動の腹のうち、最も外側の腹より内側に位置する中央領域内に第１補強板を有し、
前記振動体は、前記振動体および前記天板部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外周領域内に第３補強板を有する、ブロア。
前記天板部は、前記振動体および前記天板部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外周領域内に第２補強板を有する、請求項１に記載のブロア。
前記駆動体は、圧電体である、請求項１又は２に記載のブロア。