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WO2019159501A1 - 流体制御装置 - Google Patents

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WO2019159501A1
WO2019159501A1 PCT/JP2018/044652 JP2018044652W WO2019159501A1 WO 2019159501 A1 WO2019159501 A1 WO 2019159501A1 JP 2018044652 W JP2018044652 W JP 2018044652W WO 2019159501 A1 WO2019159501 A1 WO 2019159501A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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main plate
opening
plate
main
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/044652
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
伸拓 田中
近藤　大輔
宏之 横井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to GB2008666.6A priority Critical patent/GB2583226B/en
Priority to JP2020500290A priority patent/JP6908175B2/ja
Publication of WO2019159501A1 publication Critical patent/WO2019159501A1/ja
Priority to US16/991,458 priority patent/US12066018B2/en
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    • A61B5/022—Measuring pressure in heart or blood vessels by applying pressure to close blood vessels, e.g. against the skin; Ophthalmodynamometers
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    • A61M16/00—Devices for influencing the respiratory system of patients by gas treatment, e.g. ventilators; Tracheal tubes
    • A61M16/20—Valves specially adapted to medical respiratory devices

Definitions

  • the present invention relates to a fluid control device that controls the flow rate of a fluid.
  • Patent Document 1 describes a fluid control device including a pump chamber and a valve chamber.
  • Patent Literature 1 when the fluctuation in the center of the pump chamber and the fluctuation in the center of the valve chamber are in opposite phases, the flow rate of the fluid increases.
  • an object of the present invention is to provide a fluid control device capable of efficiently obtaining a fluid flow rate.
  • the fluid control device includes a valve and a pump.
  • the valve includes a first main plate, a second main plate having one main surface facing one main surface of the first main plate, and a side plate connecting the first main plate and the second main plate, the first main plate and the second main plate. And a valve chamber surrounded by side plates.
  • the first main plate has a first opening communicating with the inside and outside of the valve chamber
  • the second main plate has a second opening communicating with the inside and outside of the valve chamber.
  • a valve membrane capable of switching between a state in which the first opening and the second opening are in communication and a state in which the first opening and the second opening are not in communication is disposed in the valve chamber. Has been.
  • the pump is disposed to face the other main surface of the second main plate, and includes a piezoelectric element, a vibration part including the vibration plate, and a pump chamber formed by the second main plate.
  • the pump chamber communicates with the valve chamber through the second opening.
  • the frequency coefficient of the first main plate is smaller than the frequency coefficient of the second main plate.
  • the first main plate having a small frequency coefficient is easier to bend than the second main plate. Further, the first main plate and the second main plate vibrate in substantially opposite phases. Therefore, the vibration of the first main plate is promoted, the height of the valve chamber is increased, and the opening and closing of the valve is promoted. That is, a large flow rate can be obtained, and the performance of the fluid control device is improved.
  • the fluid control device includes a valve and a pump.
  • the valve includes a first main plate, a second main plate having one main surface facing one main surface of the first main plate, and a side plate connecting the first main plate and the second main plate, the first main plate and the second main plate. And a valve chamber surrounded by side plates.
  • the first main plate has a first opening communicating with the inside and outside of the valve chamber
  • the second main plate has a second opening communicating with the inside and outside of the valve chamber.
  • a valve membrane capable of switching between a state in which the first opening and the second opening are in communication and a state in which the first opening and the second opening are not in communication is disposed in the valve chamber. Has been.
  • the pump is disposed to face the other main surface of the second main plate, and includes a piezoelectric element, a vibration part including the vibration plate, and a pump chamber formed by the second main plate.
  • the pump chamber communicates with the valve chamber through the second opening.
  • the first main plate and the second main plate are made of the same material.
  • the first main plate is thinner in the main surface direction than the second main plate.
  • the first main plate is softer than the second main plate. Therefore, the vibration of the first main plate is promoted, the height of the valve chamber is increased, and the opening and closing of the valve is promoted. That is, a large flow rate can be obtained, and the performance of the fluid control device is further improved.
  • the frequency coefficient ratio of the first main plate with respect to the second main plate is larger than 0.85 and smaller than 1.
  • the first main plate of the fluid control device according to the present invention has a plurality of first openings. Moreover, it is preferable that the space
  • the flow rate increases because the flow path resistance when the valve is opened is reduced.
  • the distance between the first main plate and the second main plate of the fluid control device according to the present invention is smaller than the distance between the vibrating portion and the second main plate.
  • the fluid control device of the present invention is used for medical equipment.
  • the medical device is, for example, a sphygmomanometer, a massager, an aspirator, a nebulizer, and a negative pressure closure therapy device.
  • FIG. 1A is an external perspective view from the valve 20 side of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an external perspective view from the pump 30 side of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side sectional view of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged side sectional view of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • 5 (A) and 5 (B) are side cross-sectional views showing a deformed shape of the fluid control device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5C is a side cross-sectional view showing a deformed shape of a fluid control device having a conventional configuration.
  • FIG. 6 is a graph showing the displacement rate with respect to the frequency coefficient ratio of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1A is an external perspective view from the valve 20 side of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an external perspective view from the pump 30 side of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view taken along line SS of the fluid control device 10 in FIGS. 1 (A) and 1 (B).
  • FIG. 4 is an enlarged view of a side sectional view of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 (A) and 5 (B) are side cross-sectional views showing a deformed shape of the fluid control device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5C is a side sectional view showing a deformed shape of a fluid control device having a conventional configuration.
  • FIG. 6 is a graph showing the displacement rate with respect to the frequency coefficient ratio of the fluid control apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • symbol is abbreviate
  • the fluid control device 10 includes a valve 20 and a pump 30.
  • a plurality of first openings 201 are formed on the top surface side of the bulb 20.
  • the first opening 201 is a vent hole.
  • the valve 20 includes a first main plate 21, a second main plate 22, a side plate 23 and a valve membrane 24.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 are discs.
  • the side plate 23 is a cylinder.
  • the side plate 23 is disposed between the first main plate 21 and the second main plate 22 and connects the first main plate 21 and the second main plate 22 so as to face each other. More specifically, the centers of the first main plate 21 and the second main plate 22 coincide in plan view.
  • the side plate 23 connects the peripheral edges of the first main plate 21 and the second main plate 22 arranged in this way over the entire circumference.
  • the side plate 23 may be integrally formed with the first main plate 21 or the second main plate 22. In other words, the first main plate 21 or the second main plate 22 may have a recessed shape.
  • the valve 20 has a valve chamber 200 that is a cylindrical space surrounded by the first main plate 21, the second main plate 22, and the side plates 23.
  • the valve membrane 24 is disposed in the valve chamber 200.
  • a plurality of first openings 201 are formed in the first main plate 21 so as to penetrate the first main plate 21.
  • the valve membrane 24 is formed with a plurality of second openings 202 penetrating the valve membrane 24 so as to overlap each of the plurality of first openings 201 in plan view.
  • a plurality of third openings 203 are formed in the second main plate 22 so as to penetrate the second main plate 22.
  • the plurality of third openings 203 are formed at positions that do not overlap the first openings 201 and the second openings 202 in plan view. Through the plurality of third openings 203, the valve chamber 200 of the valve 20 and the pump chamber 300 of the pump 30 communicate with each other.
  • the pump 30 is formed with the second main plate 22 as one component.
  • the pump 30 is formed by the second main plate 22, the pump side plate 31, the pump bottom plate 32, and the vibrating portion 33.
  • the vibration part 33 is formed by a vibration plate 331 and a piezoelectric element 332.
  • the pump bottom plate 32 and the diaphragm 331 are integrally formed. More specifically, when the pump 30 is viewed in plan from the second main plate 22 side, the pump bottom plate 32 and the diaphragm 331 are connected via the connecting portion 35 so as to be flush with each other. In other words, along the periphery of the pump bottom plate 32, the pump bottom plate 32 and the diaphragm 331 are formed so as to have a plurality of pump bottom openings 34 that are not connected to each other with a predetermined opening diameter. With this configuration, the diaphragm 331 is held by the piezoelectric element 332 so as to vibrate.
  • the pump side plate 31 has an annular shape in plan view from the first main plate 21 side.
  • the pump side plate 31 is disposed between the second main plate 22 and the pump bottom plate 32, and connects the second main plate 22 and the pump bottom plate 32. More specifically, the centers of the second main plate 22 and the pump bottom plate 32 coincide in plan view.
  • the pump side plate 31 connects the peripheral edges of the second main plate 22 and the pump bottom plate 32 arranged in this way over the entire circumference.
  • the pump 30 has a pump chamber 300 that is a cylindrical space surrounded by the second main plate 22, the pump bottom plate 32, and the pump side plate 31.
  • the piezoelectric element 332 includes a disc-shaped piezoelectric body and a driving electrode.
  • the driving electrodes are formed on both main surfaces of the disk piezoelectric body.
  • the piezoelectric element 332 is disposed on the opposite side of the diaphragm 331 from the pump chamber 300 side, that is, on the outside of the pump 30. At this time, the center of the piezoelectric element 332 and the center of the diaphragm 331 substantially coincide with each other in plan view.
  • the piezoelectric element 332 is connected to a control unit (not shown).
  • the control unit generates a drive signal for the piezoelectric element 332 and applies it to the piezoelectric element 332.
  • the piezoelectric element 332 is displaced by a drive signal, and stress due to this displacement acts on the diaphragm 331. Thereby, the diaphragm 331 is flexibly vibrated. For example, the vibration of the diaphragm 331 generates a waveform of the first type Bessel function.
  • the volume and pressure of the pump chamber 300 change as the vibration plate 331 (vibration unit 33) bends and vibrates.
  • the fluid sucked from the pump bottom opening 34 is discharged from the third opening 203.
  • valve membrane 24 moves to the first main plate 21 side by the fluid flowing in from the third opening 203. As a result, the fluid is discharged to the outside through the second opening 202 and the first opening 201. On the other hand, when fluid tries to flow from the third opening 203 to the pump bottom opening 34, the valve membrane 24 moves to the second main plate 22 side and closes the third opening 203. Therefore, it functions as the fluid control device 10 having a rectifying function.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a part of the side sectional view in FIG.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 are made of a material and a thickness that can vibrate in a direction orthogonal to the main surface.
  • the material of the first main plate 21 and the second main plate 22 is, for example, stainless steel.
  • the first main plate thickness t1 of the first main plate 21 is thinner than the second main plate thickness t2 of the second main plate 22.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 are compared using a frequency coefficient that is a specific calculation formula under the condition that the first main plate thickness t1 ⁇ the second main plate thickness t2.
  • the frequency coefficient is a coefficient related to the flexibility of the first main plate 21 and the second main plate 22 that vibrate. More specifically, the frequency coefficient is expressed by the following equation using the thickness t of the diaphragm, the longitudinal elastic modulus (Young's modulus) E, and the material density ⁇ of the diaphragm.
  • the frequency coefficient of the first main plate 21 is smaller than the frequency coefficient of the second main plate 22. That is, the first main plate 21 is more flexible than the second main plate 22.
  • phase difference 90 ° ⁇ ⁇ 270 ° is generated between the first main plate 21 and the second main plate 22. That is, the first main plate 21 and the second main plate 22 vibrate in substantially opposite phases.
  • the phase difference is preferably 180 ° in vacuum.
  • the phase difference may be 135 ° ⁇ ⁇ 225 °, but it is better that the phase difference is closer to 180 °.
  • the interval h1 is formed to be smaller than the interval h2.
  • the interval h1 is 5 ⁇ m to 100 ⁇ m
  • the interval h2 is 100 ⁇ m to 500 ⁇ m. More preferably, the interval h1 is 10 ⁇ m to 40 ⁇ m, and the interval h2 is 150 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • the pressure in the valve chamber 200 becomes higher than the pressure in the pump chamber 300, and the backflow is suppressed. That is, the rectifying effect of the fluid control device 10 is improved.
  • the opening width d1 of the first opening 201 and the interval h1 between the first main plate 21 and the second main plate 22 is formed to be larger than the interval h1.
  • the opening width d1 has a diameter of 0.6 mm, and the opening width d1 is not less than 10 times the interval h1.
  • the opening width d1 is the longest length that a straight line can take when an arbitrary straight line is drawn on the opening surface of the first opening 201.
  • the thickness of the diaphragm 331 is 0.4 mm.
  • stacked in order of the 1st main board 21, the side board 23, and the 2nd main board be a thickness direction. 5A to 5C, the displacement of the first main plate 21 and the second main plate 22 is exaggerated.
  • the first main plate thickness t1 is 0.4 mm
  • the second main plate thickness t2 is 0.45 mm.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 vibrate in opposite phases, and the displacement of the first main plate 21 with respect to the thickness direction and the displacement of the second main plate 22 with respect to the thickness direction are in opposite directions and are the largest. Therefore, the interval displacement of the valve chamber 200 is the largest.
  • the first main plate thickness t1 is 0.3 mm
  • the second main plate thickness t2 is 0.45 mm.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 vibrate in opposite phases, and the displacement with respect to the thickness direction of the first main plate 21 and the thickness direction of the second main plate 22 are inferior to the configuration of FIG.
  • the displacement with respect to is in the opposite direction and is large. Therefore, the interval displacement of the valve chamber 200 becomes large.
  • the first main plate thickness t1 is 0.5 mm and the second main plate thickness t2 is 0.45 mm.
  • the first main plate thickness t1 is thicker than the second main plate thickness t2
  • the displacement between the first main plate thickness t1 and the second main plate thickness t2 becomes small. Therefore, the interval displacement of the valve chamber 200 is small.
  • the first main plate 21 and the second main plate 22 are positioned by setting the first main plate thickness t1 to 0.4 mm and the second main plate thickness t2 to 0.45 mm in the configuration of FIG.
  • the phase difference approaches 180 °, and the largest displacement can be obtained. That is, opening and closing of the valve is promoted, and a more efficient fluid control device 10 can be realized.
  • FIG. 6 is a graph showing a simulation result of the displacement rate with respect to the frequency coefficient ratio in the fluid control device 10.
  • the second main plate thickness t2 is 0.45 mm, and the thickness of the diaphragm 331 is 0.4 mm.
  • the first main plate thickness t1 is changed between 0.3 mm and 0.5 mm.
  • the horizontal axis is the frequency coefficient ratio.
  • the frequency coefficient ratio is expressed by (frequency coefficient of first main plate 21) / (frequency coefficient of second main plate 22).
  • the vertical axis is the displacement ratio.
  • the displacement ratio is expressed by (displacement of the center position of the first main plate 21) / (displacement of the center position of the second main plate 22).
  • the shape of the fluid control device 10 has been described as a substantially disk-shaped configuration.
  • the shape of the fluid control device 10 is not limited to a disk shape, and may be a shape close to a polygon.
  • first main plate 21 and the second main plate 22 are described as being made of the same material and made of stainless steel or the like. However, the first main plate 21 and the second main plate 22 are not limited to the same material. The flexibility of the first main plate 21 can be obtained, and the same effect can be obtained by using a material whose frequency coefficient is smaller than that of the second main plate 22.
  • the fluid control device described above is used for medical devices such as a blood pressure monitor, a massage device, a suction device, a nebulizer, and a negative pressure closure therapy device. Thereby, the drive efficiency of a medical device can be improved.
  • the first main plate and the second main plate have been described using main plates having a constant thickness.
  • the average values of the main plate thicknesses are compared, and (average thickness t1a of the first main plate 21) ⁇ (average of the second main plate 22) You may comprise so that it may become thickness t2a).

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Abstract

流体制御装置は、バルブ（２０）と、ポンプ（３０）とを備える。バルブ（２０）は、第１主板（２１）、第２主板（２２）および側板（２３）によって囲まれるバルブ室（２００）を有する。第１主板（２１）は、第１開口部（２０１）を有し、第２主板（２２）は、第２開口部（２０２）を有する。バルブ（２０）には、バルブ室（２００）内に第１開口部（２０１）と第２開口部（２０２）とが連通している状態と、第１開口部（２０１）と第２開口部（２０２）とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜（２４）が配置されている。ポンプ（３０）は、圧電素子（３３２）、および、振動板（３３１）を含む振動部（３３）と、第２主板（２２）により形成されたポンプ室（３００）を有する。ポンプ室（３００）は、第２開口部（２０２）を介してバルブ室（２００）と連通する。また、振動部（３３）の屈曲振動において、第１主板（２１）の周波数係数は、第２主板（２２）の周波数係数よりも小さい。

Description

流体制御装置
　本発明は、流体の流量を制御する流体制御装置に関する。
　従来、圧電素子等の駆動体を備えた流体制御装置が各種実用化されている。
　特許文献１には、ポンプ室とバルブ室とを備える流体制御装置が記載されている。特許文献１における、ポンプ室の中央の間隔変動とバルブ室の中央の間隔変動とが逆位相の場合に、流体の流量が増大する。
特開２０１７－７２１４０号公報
　しかしながら、特許文献１における流体制御装置の構造では、バルブ室を形成する天板、もしくは、外板のいずれか一方しか振動していない。このため、バルブ室内の間隔変動は小さい。すなわち、間隔変動が逆位相となる際の効果を得られず、所望の流量を得られない虞がある。
　したがって、本発明の目的は、流体の流量が効率的に得られる、流体制御装置を提供することである。
　この発明における流体制御装置は、バルブと、ポンプとを備える。バルブは、第１主板、第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、第１主板と第２主板とを接続する側板を備え、第１主板、第２主板および側板によって囲まれるバルブ室を有する。第１主板は、バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、第２主板は、バルブ室の内外を連通する第２開口部を有する。また、バルブ室内には、第１開口部と第２開口部とが連通している状態と、第１開口部と第２開口部とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜が配置されている。
　ポンプは、第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、第２主板により形成されたポンプ室を有する。ポンプ室は、第２開口部を介してバルブ室と連通する。
　また、振動部の屈曲振動において、第１主板の周波数係数は、第２主板の周波数係数よりも小さい。
　この構成では、周波数係数が小さい第１主板は、第２主板よりも曲がりやすい。また、また、第１主板と、第２主板とが略逆位相で振動する。したがって、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉が促進される。すなわち、大きな流量を得ることができ、流体制御装置の性能が向上する。
　この発明における流体制御装置は、バルブと、ポンプとを備える。バルブは、第１主板、第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、第１主板と第２主板とを接続する側板を備え、第１主板、第２主板および側板によって囲まれるバルブ室を有する。第１主板は、バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、第２主板は、バルブ室の内外を連通する第２開口部を有する。また、バルブ室内には、第１開口部と第２開口部とが連通している状態と、第１開口部と第２開口部とが連通していない状態と、を切替可能な弁膜が配置されている。
　ポンプは、第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、第２主板により形成されたポンプ室を有する。ポンプ室は、第２開口部を介してバルブ室と連通する。
　第１主板と、第２主板とは、同素材で形成されている。また、第１主板は、第２主板よりも主面方向の厚さが薄い。
　この構成では、第１主板が第２主板よりも柔らかくなる。したがって、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉が促進される。すなわち、大きな流量を得ることができ、流体制御装置の性能がさらに向上する。
　また、この発明における流体制御装置において、第２主板を基準とした、第１主板の周波数係数比は、０．８５よりも大きく、１よりも小さいことが好ましい。
　この構成では、第１主板の振動が促進され、バルブ室内の高さが大きくなり、弁の開閉がさらに促進される。
　また、この発明における流体制御装置の第１主板は、第１開口部を複数有することが好ましい。また、第１主板と第２主板との間隔は、第１開口部の開口幅の最小値よりも小さいことが好ましい。
　この構成では、弁が開いた時の流路抵抗が低減するため、流量が増大する。
　また、この発明における流体制御装置の第１主板と第２主板との間隔は、振動部と第２主板との間隔よりも小さいことが好ましい。
　この構成では、バルブ室内の圧力が向上し、流量および整流効果がさらに増大する。
　また、この発明の流体制御装置は、医療機器に用いられる。
　この構成では、医療機器の性能が向上する。医療機器は、例えば、血圧計、マッサージ器、吸引器、ネブライザ、および、陰圧閉鎖療法装置等である。
　この発明によれば、流体の流量が効率的に得られる、流体制御装置を提供できる。
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のバルブ２０側からの外観斜視図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のポンプ３０側からの外観斜視図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の分解斜視図である。 図３は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図である。 図４は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図を拡大した図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の変形形状を示す側面断面図である。図５（Ｃ）は、従来構成の流体制御装置の変形形状を示す側面断面図である。 図６は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の周波数係数比に対する変位率を示すグラフである。
（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置について、図を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のバルブ２０側からの外観斜視図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０のポンプ３０側からの外観斜視図である。図２は本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の分解斜視図である。図３は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）における流体制御装置１０のＳ－Ｓ線における側面断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の側面断面図を拡大した図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の変形形状を示す側面断面図である。図５（Ｃ）は、従来構成の流体制御装置の変形形状を示す側面断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る流体制御装置１０の周波数係数比に対する変位率を示すグラフである。なお、図を見やすくするため、一部の符号を省略し、一部の構造を誇張して記載している。
　図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、流体制御装置１０は、バルブ２０およびポンプ３０を備える。バルブ２０の天面側には、複数の第１開口部２０１が形成されている。第１開口部２０１は通気孔である。
　まず、バルブ２０の構造について説明する。バルブ２０は、第１主板２１、第２主板２２、側板２３および弁膜２４を備える。
　図１（Ａ）、図２、図３に示すように、第１主板２１および第２主板２２は、円板である。また、側板２３は、円筒である。
　側板２３は、第１主板２１と第２主板２２との間に配置されており、第１主板２１と第２主板２２とを対向するように接続している。より具体的には、平面視において、第１主板２１と第２主板２２との中心は一致している。側板２３は、このように配置された第１主板２１と第２主板２２における周縁を全周に亘って接続している。なお、側板２３は、第１主板２１、または、第２主板２２と一体形成されていてもよい。すなわち、第１主板２１、または、第２主板２２がくぼんだ、凹部形状であってもよい。
　この構成によって、バルブ２０は、第１主板２１、第２主板２２および側板２３によって囲まれる円柱形の空間であるバルブ室２００を有する。
　弁膜２４は、バルブ室２００内に配置されている。
　上述のとおり、第１主板２１には、複数の第１開口部２０１が第１主板２１を貫通するように形成されている。弁膜２４には、平面視において、複数の第１開口部２０１のそれぞれに重なるように、複数の第２開口部２０２が、弁膜２４を貫通して形成されている。
　また、第２主板２２には、複数の第３開口部２０３が、第２主板２２を貫通するように形成されている。複数の第３開口部２０３は、平面視において、第１開口部２０１および第２開口部２０２に、重ならない位置に形成されている。この複数の第３開口部２０３によって、バルブ２０のバルブ室２００とポンプ３０のポンプ室３００とは連通している。
　次に、ポンプ３０の構造について説明する。ポンプ３０は、図１（Ｂ）、図２、図３に示すように、第２主板２２を一つの構成要素として形成されている。ポンプ３０は、第２主板２２と、ポンプ側板３１と、ポンプ底板３２と、振動部３３とで形成されている。振動部３３は、振動板３３１と、圧電素子３３２で形成されている。
　また、ポンプ底板３２と、振動板３３１とは、一体形成されている。より具体的には、ポンプ３０を第２主板２２側から平面視して、ポンプ底板３２と、振動板３３１とは、面一となるように、接続部３５を介して接続されている。言い換えれば、ポンプ底板３２の周縁に沿って、所定の開口径で、連接しない複数のポンプ底開口部３４を有し、ポンプ底板３２と振動板３３１を分離するように形成されている。この構成によって、振動板３３１は、圧電素子３３２によって振動可能に保持される。
　ポンプ側板３１は、第１主板２１側から平面視して、円環状である。また、ポンプ側板３１は、第２主板２２とポンプ底板３２との間に配置されており、第２主板２２とポンプ底板３２とを接続している。より具体的には、平面視において、第２主板２２とポンプ底板３２との中心は一致している。ポンプ側板３１は、このように配置された第２主板２２とポンプ底板３２における周縁を全周に亘って接続している。
　この構成によって、ポンプ３０は、第２主板２２、ポンプ底板３２およびポンプ側板３１によって囲まれる円柱形の空間であるポンプ室３００を有する。
　圧電素子３３２は、円板の圧電体と駆動用の電極とによって構成されている。駆動用の電極は、円板の圧電体における両主面に形成されている。
　圧電素子３３２は、振動板３３１におけるポンプ室３００側と反対側、すなわち、ポンプ３０の外側に配置されている。この際、平面視において、圧電素子３３２の中心と、振動板３３１の中心とは略一致している。
　圧電素子３３２は、図示しない制御部に接続されている。該制御部は、圧電素子３３２に対する駆動信号を生成し、圧電素子３３２に印加する。圧電素子３３２は、駆動信号によって変位し、この変位による応力が振動板３３１に作用する。これにより、振動板３３１は、屈曲振動する。例えば、振動板３３１の振動は、第１種ベッセル関数の波形を生じる。
　このように、振動板３３１（振動部３３）が屈曲振動することによって、ポンプ室３００の体積、圧力が変化する。ここで、ポンプ底開口部３４から吸入した流体は、第３開口部２０３から吐出される。
　バルブ２０が上述の構成であることから、第３開口部２０３から流入した流体によって、弁膜２４は、第１主板２１側に移動する。これにより、流体は、第２開口部２０２、第１開口部２０１を介して、外部に吐出される。一方、第３開口部２０３から、ポンプ底開口部３４に流体が流れようとすると、弁膜２４は、第２主板２２側に移動し、第３開口部２０３を塞ぐ。したがって、整流機能を有する、流体制御装置１０として機能する。
　図４を用いて、より具体的な流体制御装置１０の構造について説明する。図４は、図３における側面断面図の一部を拡大した図である。
　第１主板２１および第２主板２２は、主面に対して直交する方向に振動可能な材質および厚みからなる。第１主板２１および第２主板２２の材質は、例えば、ステンレス鋼等である。
　第１主板２１の第１主板厚みｔ１は、第２主板２２の第２主板厚みｔ２よりも薄い。
　第１主板厚みｔ１＜第２主板厚みｔ２となる条件において、具体的な計算式である周波数係数を用いて、第１主板２１と、第２主板２２とを比較する。周波数係数とは、振動する第１主板２１および第２主板２２の可撓性に関連する係数である。より詳細には、周波数係数は、振動板の板厚ｔ、縦弾性係数（ヤング率）Ｅ、および、振動板の素材密度ρを用いて、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　本実施形態において、第１主板２１の素材と、第２主板２２の素材は同じである場合、第１主板２１の周波数係数は、第２主板２２周波数係数よりも小さくなる。すなわち、第１主板２１は、第２主板２２よりも可撓性が高い。
　したがって、第１主板２１と、第２主板２２とには、９０°＜θ＜２７０°の位相差が発生する。すなわち、第１主板２１と、第２主板２２とは略逆位相の振動となる。この際、真空中においては、１８０°の位相差であることが好ましい。なお、位相差は、１３５°＜θ＜２２５°であってもよいが、１８０°に近いほど良い。
　このことにより、第１主板２１の変位が大きくなる。よって、バルブ室２００内の間隔変動は大きくなる。すなわち、弁の開閉が促進され、より効率的な流体制御装置１０を実現できる。
　また、第１主板２１と第２主板２２との間隔ｈ１と、第２主板２２と振動部３３との間隔ｈ２において、間隔ｈ１は、間隔ｈ２よりも小さくなるように形成されている。例えば、間隔ｈ１は、５μｍ～１００μｍであり、間隔ｈ２は、１００μｍ～５００μｍである。より望ましくは、間隔ｈ１は、１０μｍ～４０μｍであり、間隔ｈ２は、１５０μｍ～２５０μｍである。
　このことにより、バルブ室２００内の圧力が、ポンプ室３００内の圧力よりも高くなり、逆流が抑制される。すなわち、流体制御装置１０の整流効果が向上する。
　さらに、第１開口部２０１の開口幅ｄ１と、第１主板２１と第２主板２２との間隔ｈ１において、開口幅ｄ１は、間隔ｈ１よりも大きくなるように形成されている。例えば、開口幅ｄ１は直径０．６ｍｍで、開口幅ｄ１は、間隔ｈ１の１０倍以上の大きさである。なお、開口幅ｄ１とは、第１開口部２０１の開口面に任意の直線を引いた際に、当該直線が取りうる最長の長さである。
　このことにより、弁が開いた時の流路抵抗が低減する。すなわち、流体制御装置１０の流量がさらに向上する。
　図４、図５（Ａ）－図５（Ｃ）を用いて、流体制御装置１０の変形形状を軸対称モデルでＦＥＭ解析した結果を、具体的に説明する。振動板３３１の厚みは、０．４ｍｍとする。なお、第１主板２１、側板２３、第２主板の順に積層される方向を、厚み方向とする。図５（Ａ）－図５（Ｃ）においては、第１主板２１、および、第２主板２２の変位を誇張して記載している。
　図５（Ａ）は、第１主板厚みｔ１を０．４ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。この際、第１主板２１と第２主板２２とは逆位相で振動し、第１主板２１の厚み方向に対する変位と、第２主板２２の厚み方向に対する変位は、逆方向であり、最も大きい。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、最も大きくなる。
　次に、図５（Ｂ）は、第１主板厚みｔ１を０．３ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。この際、図５（Ａ）の構成には劣るものの、第１主板２１と第２主板２２とは逆位相で振動し、第１主板２１の厚み方向に対する変位と、第２主板２２の厚み方向に対する変位は、逆方向であり、大きい。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、大きくなる。
　次に、図５（Ｃ）は、従来構成を元に、第１主板厚みｔ１を０．５ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとする。第１主板厚みｔ１が第２主板厚みｔ２よりも厚いことにより、第１主板厚みｔ１と第２主板厚みｔ２の変位は小さくなる。したがって、バルブ室２００の間隔変位は、小さい。
　このことから、図５（Ａ）の構成である、第１主板厚みｔ１を０．４ｍｍ、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとすることによって、第１主板２１と第２主板２２との位相差が１８０°に近づき、最も大きい変位を得られる。すなわち、弁の開閉が促進され、より効率的な流体制御装置１０を実現できる。
　図６は、流体制御装置１０における、周波数係数比に対する変位率のシミュレーション結果を表したグラフである。
　図６では、第２主板厚みｔ２を０．４５ｍｍとし、振動板３３１の厚みは、０．４ｍｍとする。この際、第１主板厚みｔ１を０．３ｍｍ～０．５ｍｍの間で変化させる。
　横軸は、周波数係数比である。周波数係数比は、（第１主板２１の周波数係数）／（第２主板２２の周波数係数）で表される。縦軸は、変位比である。変位比は、（第１主板２１の中心位置の変位）／（第２主板２２の中心位置の変位）で表される。
　図６に示すように、周波数係数比が１より小さい場合、第１主板２１の変位が第２主板２２の変位よりも大きく、第１主板２１と第２主板２２とが逆位相で変位し、バルブ室２００の間隔変位は大きくなる。特に、第２主板２２を基準とした第１主板２１の周波数係数比が０．８５よりも大きく、１よりも小さい場合には、第１主板２１と第２主板２２が逆位相で変位し、バルブ室２００の変位絶対量（間隔変位）が最も大きくなる。したがって、流体制御装置１０の特性が向上する。一方、周波数係数比が１より大きいと、第１主板２１と第２主板２２とが同位相となり、バルブ室２００の間隔変位は小さくなってしまう。
　なお、上述の説明において、流体制御装置１０の形状を略円板状の構成として説明した。しかしながら、流体制御装置１０の形状は、円板状に限らず、多角形に近い形状であってもよい。
　また、第１主板２１および第２主板２２を同素材とし、ステンレス鋼等であるとして説明した。しかしながら、第１主板２１と第２主板２２は、同素材に限るものではない。第１主板２１の可撓性が得られ、周波数係数において、第１主板２１の周波数係数が第２主板２２の周波数係数よりも小さい素材を用いることによって、同様の効果が得られる。
　上述の流体制御装置は、例えば、血圧計、マッサージ器、吸引器、ネブライザ、および、陰圧閉鎖療法装置等の医療機器に用いられる。これにより、医療機器の駆動効率を向上できる。
　なお、本願発明では、第１主板と第２主板とはそれぞれ厚さが一定の主板を用いて説明した。しかしながら、第１主板と第２主板のそれぞれの厚さが一定でない場合には、主板厚さの平均値を比較して、（第１主板２１の平均厚みｔ１ａ）＜（第２主板２２の平均厚みｔ２ａ）となるように構成してもよい。
ｄ１…開口幅
ｈ１、ｈ２…間隔
ｔ１…第１主板厚み
ｔ２…第２主板厚み
１０…流体制御装置
２０…バルブ
２１…第１主板
２２…第２主板
２３…側板
２４…弁膜
３０…ポンプ
３１…ポンプ側板
３２…ポンプ底板
３３…振動部
３４…ポンプ底開口部
３５…接続部
２００…バルブ室
２０１…第１開口部
２０２…第２開口部
２０３…第３開口部
３００…ポンプ室
３３１…振動板
３３２…圧電素子

Claims (6)

  1. 　第１主板、前記第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、前記第１主板と前記第２主板とを接続する側板を備え、前記第１主板、前記第２主板および前記側板によって囲まれるバルブ室を有し、前記第１主板は前記バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、前記第２主板は前記バルブ室の内外を連通する第２開口部を有し、該バルブ室内に前記第１開口部と前記第２開口部とが連通している状態と前記第１開口部と前記第２開口部とが連通していない状態とを切替可能な弁膜が配置された、バルブと、
    　前記第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、前記第２主板により形成されたポンプ室を有し、前記ポンプ室は前記第２開口部を介して前記バルブ室と連通する、ポンプと、
    　を備え、
    　前記振動部の屈曲振動において、前記第１主板の周波数係数は、前記第２主板の周波数係数よりも小さい、流体制御装置。
  2. 　第１主板、前記第１主板の一方主面に対向する一方主面を有する第２主板、および、前記第１主板と前記第２主板とを接続する側板を備え、前記第１主板、前記第２主板および前記側板によって囲まれるバルブ室を有し、前記第１主板は前記バルブ室の内外を連通する第１開口部を有し、前記第２主板は前記バルブ室の内外を連通する第２開口部を有し、該バルブ室内に前記第１開口部と前記第２開口部とが連通している状態と前記第１開口部と前記第２開口部とが連通していない状態とを切替可能な弁膜が配置された、バルブと、
    　前記第２主板の他方主面に対向して配置され、圧電素子、および、振動板を含む振動部と、前記第２主板により形成されたポンプ室を有し、前記ポンプ室は前記第２開口部を介して前記バルブ室と連通する、ポンプと、
    　を備え、
    　前記第１主板と、前記第２主板とは、同素材で形成されており、
    　前記第１主板は、前記第２主板よりも主面方向の厚さが薄い、流体制御装置。
  3. 　前記第２主板を基準とした、前記第１主板の周波数係数比は、
    　０．８５よりも大きく、１よりも小さい、
    　請求項１に記載の流体制御装置。
  4. 　前記第１主板は、前記第１開口部を複数有し、
    　前記第１主板と、前記第２主板と、の間隔は、
    　前記第１開口部の開口幅の最小値よりも小さい、
    　請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流体制御装置。
  5. 　前記第１主板と、前記第２主板と、の間隔は、
    　前記振動部と、前記第２主板と、の間隔よりも小さい、
    　請求項４に記載の流体制御装置。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の流体制御装置を備えた、医療機器。
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