(57)【要約】【課題】流体を十分安定的に移送することができる圧電ポンプを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と構造体とによって囲まれたポンプ室と、ポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有する圧電ポンプであって、圧電素子は、電圧を印加することによって変位する変位部と、第１及び第２の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定された被固定部とを含み、第１の基板は、構造体に接合された状態から、変位部と支持部材における変位部の外周を包囲する包囲部とを露出させるように、上記変位部と包囲部とに対向する部分が除去されたものである圧電ポンプを提供する。【選択図】図１
2010216398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、
前記構造体を挟む第１及び第２の基板と、
を含有し、
前記第２の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室と、
前記ポンプ室と連通する第１及び第２の開口部と、
を有する圧電ポンプであって、
前記圧電素子は、電圧を印加することによって変位する変位部と、前記第１及び第２の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定された被固定部とを含み、
前記第１の基板は、前記構造体に接合された状態から、前記変位部と前記支持部材における前記変位部の外周を包囲する包囲部とを露出させるように、前記変位部と前記包囲部とに対向する部分が除去されたものである、圧電ポンプ。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記第１の基板側から順に積層された第１の電極と圧電体と第２の電極とを含有し、前記第１の電極と前記圧電体とからなる第１の積層体が、前記第２の電極よりも低いヤング率と厚さとの積を有する、請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記第２の電極の前記第２の基板側に硬質層を更に含有し、前記第１の積層体が前記第２の電極と前記硬質層とからなる第２の積層体よりも低いヤング率と厚さとの積を有する、請求項２に記載の圧電ポンプ。
【請求項４】
前記硬質層は、クロム、タングステン、タンタル及び白金からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属からなるものである、請求項３に記載の圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ごく微少量の流体を移送するための種々のマイクロポンプが検討されている。その一形態として、圧電素子をアクチュエータとして備えた圧電ポンプも提案されている。例えば特許文献１には、外圧の変化によらず常に一定の吐出を実現でき、かつ双方向への送液が可能であるマイクロポンプの提供を意図して、流体の流路を形成するシリコン基板（Ｓｉ基板）の外側に圧電素子が配設された圧電ポンプが提案されている。この圧電ポンプによると、ダイアフラムとして機能するシリコン基板と圧電素子のユニモルフ構造を採用しているために、非常に薄く製作することが可能である、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９９６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本発明者らが、上記特許文献１で提案されたような従来の圧電ポンプについて詳細に検討を行ったところ、このような従来の圧電ポンプは、流体を一定流量で安定的に移送することが困難であることを見出した。特に圧電ポンプを小型化ないし薄層化しようとすると、流体を安定的に移送することができる圧電ポンプを精度よく製造することが困難となるため、そのような能力（移送安定性）に対する要求が高くなる。
【０００５】
そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、流体を十分安定的に移送することができる圧電ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、従来の圧電ポンプが流体を安定的に移送できないのは、下記要因によるものであることを知見した。すなわち、従来の圧電ポンプでは、例えば特許文献１の図１に示されているように、圧電素子の全体がダイヤフラムの可動部分に貼り付けられている。ダイヤフラムは圧電素子の変位に伴い動作するところ、その動作の駆動手段である圧電素子自体がダイヤフラムにのみ固定されている。そのため、圧電素子の変位とダイヤフラムの動作とが互いに干渉し合ってしまい、その結果、ポンプとして安定的に流体を移送できないことを、本発明者らは突き止めた。そして、圧電素子の一部を変位しないように固定すれば、そこを支点として圧電素子が変位し、しかも、ダイヤフラムとして機能する部材の動作によっても、圧電素子の変位が安定性を維持することを本発明者らは見出し、更に詳細に検討を進めた結果、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明は、圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、上記構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室と、ポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有する圧電ポンプであって、圧電素子は、電圧を印加することによって変位する変位部と、第１及び第２の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定された被固定部とを含み、第１の基板は、上記構造体に接合された状態から、上記変位部と支持部材における上記変位部の外周を包囲する包囲部とを露出させるように、変位部と包囲部とに対向する部分が除去されたものである圧電ポンプを提供する。
【０００８】
かかる構成を有する本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子を構成する圧電体が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）に変位する。この変位に伴い、構造体が、支持部材との形状効果により、第１及び／又は第２の基板に固定された部分を支点として厚み方向に振動する。この振動により流体の流路となるポンプ室の容積及び内圧が変化し、これにより、流体が、第１の開口部、ポンプ室及び第２の開口部を経由して圧電ポンプ内を移送される。
【０００９】
また、本発明の圧電ポンプにおいては、圧電素子に電圧を印加しても、被固定部が、第１及び第２の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定されているので、その変位が抑制（規制）される。そのため、圧電素子は、その被固定部を支点として変位部が変位することによって振動する。その結果、上述の如く従来見られた不都合な点、すなわち、ダイヤフラムとして機能する支持部材の動作と圧電素子の変位との干渉が十分に抑制されので、本発明の圧電ポンプによれば、流体を安定的に移送することができる。
【００１０】
さらに、本発明の圧電ポンプにおいて、第１の基板は、上記構造体に接合された状態から、上記変位部と支持部材における上記変位部の外周を包囲する包囲部とが露出するように、変位部と包囲部とに対向する部分がエッチングにより除去されている。これにより、それらの変位部及び包囲部は、第１の基板と接合して拘束されることにより生じていた引張応力や圧縮応力（以下、単に「応力」という）を外部に開放することができる。その一方で、第１の基板のそれら以外の部分はそのまま（引き続き）構造体に接合して支持されている。これらの結果、構造体を第１の基板に精度よくかつ確実に固定することができるため、流体をより安定的に移送することができる。
【００１１】
ところで、圧電ポンプにおける上記構造体は、そのいずれか片側（例えば本発明における第２の基板側）のみが固定されるよりも両側が狭持されて固定される方が、動作の支点となる部分が強固に支持されるため、その動作は当然に安定的なものとなる。本発明の圧電ポンプのような構造の場合、第１の基板により構造体を固定する方法としては、その側、すなわち第２の基板とは反対側に何も接合していない状態から、構造体の動作部分以外の部分に第１の基板を接合する方法と、一旦その側の全面に第１の基板を接合した後、動作部分に接合した第１の基板の部分のみを選択的に除去する方法とが考えられる。
【００１２】
前者の方法の場合、構造体の片側に部分的に第１の基板を接合することになるため、その際に第１の基板に接合されていない動作部分が部分的に緩和されたり部分的に引っ張られたりする。その結果、動作部分における応力（分布）が一様でなくなり、それに伴って動作のバラツキが生じるため、そのような構造を有する圧電ポンプでは、流体の安定的な移送が困難となる。一方、本発明に係る後者の構造を有する圧電ポンプの場合、構造体の片側の全面に第１の基板が接合されるため、構造体の全面が第１の基板に拘束され、その応力（分布）が一様となる。その後、動作部分、すなわち上記変位部及び包囲部に接合した第１の基板の部分を除去して、その動作部分を露出しても、それ以外の部分はそのまま第１の基板との接合により拘束されている。その結果、動作部分における応力は引き続き一様に維持されるので、そのような構造を有する本発明の圧電ポンプによれば、流体を十分安定的に移送することが可能となる。
【００１３】
更に本発明の圧電ポンプは、圧電素子の変位部のみでなく、それを包囲する支持部材の包囲部も露出しているため、それら動作部分が大きく作動でき（換言すれば、大きく変位することが可能であり）、ポンプ容量を増大させることが可能となる。
【００１４】
本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子は、第１の基板側から順に積層された第１の電極と圧電体と第２の電極とを含有し、第１の電極と圧電体とからなる第１の積層体が、第２の電極よりも低いヤング率と厚さとの積を有すると好ましい。また、圧電素子は、第２の電極の第２の基板側に硬質層を更に含有し、第１の積層体が第２の電極と硬質層とからなる第２の積層体よりも低いヤング率と厚さとの積を有しても好ましい。そのようにすれば、構造体の動作部分が第１の基板側により大きく撓みやすくなり、第２の基板側への撓みの程度が低くなるため、圧電素子の動作に不具合が生じ難くなり、液体を更に安定的に移送することができる。
【００１５】
本発明の圧電ポンプにおいて、硬質層は、クロム、タングステン、タンタル及び白金からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属からなるものであると好ましい。これらの金属は特にヤング率が高いため、上述したのと同様の理由により、硬質層を薄くしても、一層安定的な流体の移送が可能となるので、圧電ポンプの小型化及び薄層化に有利である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、流体を十分安定的に移送することができる圧電ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の圧電ポンプの製造方法を模式的に示す工程図である。
【図２】本実施形態に係る圧電素子の平面形状を模式的に示す平面図である。
【図３】本実施形態の圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。
【図４】別の本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す平面図である。
【図５】別の本実施形態の圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。
【図６】別の本実施形態の圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図である。
【図７】実施例における試料を模式的に示す図である。
【図８】硬質層の厚さを変化させた際の構造体の撓みの程度を示すプロット図である。
【図９】さらに別の本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態（以下、単に「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００１９】
図１は、第１の本実施形態の圧電ポンプ１７０の製造方法を模式的に示す工程図である。まず、（ａ１）工程において、成膜用基板を兼ねる第１の基板１０２上に下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８をこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板１０２の表面上に下部電極層１０４を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成し、第１の基板１０２に下部電極層１０４を接合する。第１の基板１０２は、その表面上に下部電極層１０４、圧電体層１０６を形成可能なものであれば特に限定されず、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよい。ただし、後述の圧電体層１０６の材料及び成膜法との組合せの観点、並びに高配向の圧電体を得る観点から、Ｓｉ基板であると好ましい。下部電極層１０４の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極層１０４の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００２０】
次いで、下部電極層１０４の表面、及び必要に応じて露出した第１の基板１０２の表面上に圧電体層１０６を形成する。圧電体層１０６の形成方法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などであってもよいが、特にＳｉ基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法であると、配向性が高く圧電特性に優れた圧電体が得られ、また、圧電ポンプ１７０製造の際の歩留まりも向上するので好ましい。そのような成膜法は、例えば、本出願人による特開２０００−３３２５６９号公報に開示されている。圧電体層１０６の材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が好ましい。圧電体層１０６の材料にＰＺＴを採用し、Ｓｉ基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法で形成する場合、Ｓｉ（１００）上でＰＺＴ（００１）薄膜をエピタキシャル成長により形成することが、特に優れた配向性を得る観点から好ましい。圧電体層１０６の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。
【００２１】
続いて、圧電体層１０６の表面上に上部電極層１０８を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。上部電極層１０８の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極層１０８の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍであってもよい。
【００２２】
次に、（ａ２）工程において、上述のようにして積層した下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極層１０８の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記各層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のパターニングの方法として、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法を用いてもよい。これにより、下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８をこの順に積層して備えた圧電素子１２０が、第１の基板１０２に接合した状態で得られる。なお、（ａ１）及び（ａ２）工程に加えて／代えて、下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８を、例えばレーザー描画法により、その成膜と共に直接パターニングしてもよく、成膜及びパターニングを各層毎に行い、これを繰り返すことで圧電素子１２０を得てもよい。
【００２３】
パターニングによって形成される圧電素子１２０の平面形状としては、例えば図２に示される形状が挙げられる。図２は、圧電素子１２０の平面形状と、後述のエッチングにより除去される第１の基板１０２の部分を模式的に示す概略図である。図２の（ｂ）に示すように、圧電素子１２０は、絞り部分１２０ａを有する平面形状であると、少ない電圧の印加により圧電素子を大きく変位することができ、流体の流量を増大させることが可能となる。ただし、図２の（ａ）に示すように、圧電素子１２０が絞り部分を有しない平面形状であってもよい。
【００２４】
また、図２の（ｃ）に示すように、圧電素子１２０の絞り部分の幅が電極の取り出し部分に向かって徐々に面内方向に狭くなる平面形状であってもよく、（ｄ）に示すように、圧電素子１２０が円形の平面形状を有していてもよい。さらに、圧電素子１２０における圧電体１１６と各電極１１４、１１８の平面形状とが同一であっても異なっていてもよい。例えば、図２の（ａ）及び（ｂ）では、圧電体１１６と各電極１１４、１１８の平面形状とが実質的に同一となっている。一方、図２の（ｃ）及び（ｄ）のように、各電極１１４、１１６が、圧電体１１６に対して更に突条部１２０ｂを設けた平面形状を有していてもよい。その突条部１２０ｂは、各電極１１４、１１６の取り出し部として機能することもできる。なお、これら図２（ｃ）及び（ｄ）の場合、（ａ１）及び（ａ２）工程に代えて、下部電極層１０４の形成及びそのパターニング、圧電体層１０６の形成及びそのパターニング、上部電極層１０８の形成及びそのパターニングの処理を経て、圧電素子１２０を得てもよい。
【００２５】
なお、圧電素子１２０は、その支持部材の面内方向に加えて／代えて、それらの厚み方向に絞り部分を有していてもよい。これによっても、さらに、移送される流体の種類に応じて、面内方向と厚み方向との変位をバランス良く制御するため、絞り部分の形状を適宜変形させることも可能である。
【００２６】
次いで、（ａ３）工程において、第１の基板１０２及び圧電素子１２０の表面上に絶縁部材１２２を形成する。絶縁部材１２２は、圧電ポンプの支持部材を構成する部材である。絶縁部材１２２の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電素子１２０の変位によっても破損することなく適度に湾曲して追従することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。絶縁部材１２２の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電素子１２０の変位をポンプ室に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプの効率（流体移送効率、作動効率）が高くなる。絶縁部材１２２の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。絶縁部材１２２の材料が樹脂材料である場合、（ａ３）工程ではまず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物（例えば、樹脂及び／又は単量体と溶媒との混合物）を第１の基板１０２及び圧電素子１２０の表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させた後、所望の形状にパターニングする。パターニングは樹脂材料をパターニングする公知の方法によればよく、例えば、フォトリソグラフィ法が挙げられる。樹脂材料としては、第１の基板１０２及び圧電素子１２０に良好に接着し、更に現像性などのパターニング性が良好である材料が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド、パリレン等が挙げられる。パターニングにより得られた絶縁部材１２２の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。こうして、圧電素子１２０とその圧電素子１２０を支持する絶縁部材１２２とを備える構造体１２４を得る。
【００２７】
次に、（ａ４）工程において、第１の基板１０２を部分的にエッチングする。再び図１と共に図２をも参照して、この（ａ４）工程について具体的に説明する。（ａ４）工程では、第１の基板１０２の圧電素子１２０に対向する部分と、絶縁部材１２２における圧電素子１２０の外周を包囲する部分に対向する部分とをエッチングにより除去して、開口部１１２を形成する。図２において、一点鎖線で囲まれた部分が第１の基板１０２の開口部１１２である。これにより、圧電素子１２０における成形用基板１０２側の表面の一部と絶縁部材１２２における成形用基板１０２側の表面の一部とが露出する。表面が露出した圧電素子１２０の一部は、後述する変位部１２０ｃとして機能し、圧電素子１２０の表面が露出していない部分は、被固定部１２０ｄとして機能する。また、表面が露出した絶縁部材１２２の一部は、圧電素子１２０の変位部１２０ｃを包囲する包囲部１２２ａであり、圧電素子１２０の変位により伸縮及び湾曲することができる。
【００２８】
エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第１の基板１０２の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第１の基板１０２の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法、が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。こうして、開口部１１２を有する第１の基板１０２と、その第１の基板１０２に接合して形成された圧電素子１２０と、絶縁部材１２２とを備える第１の複合体１２６を得る。
【００２９】
一方、（ｂ１）工程において、まず、材料基板１３０を準備する。この材料基板１３０としては例えばガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。続いて、（ｂ２）工程において、材料基板１３０表面をエッチング等により所定の形状に加工する。更に、（ｂ３）工程において、材料基板１３０の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第１の開口部１３０ａ及び第２の開口部１３０ｂをエッチング等により形成する。こうして、開口部１３０ａ、１３０ｂを有する第２の基板１３２を得る。ここで、加工して得られた第２の基板１３２の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。
【００３０】
次に、（ｃ）工程において、第１の複合体１２６の絶縁部材１２２を形成した側に第２の基板１３２を貼り付ける。この際、第２の基板１３２をそのエッチング等により加工された表面が第１の複合体１２６に対向するように、かつ開口部１３０ａ、１３０ｂを圧電ポンプのポンプ室と連通するように位置合わせして貼り付ける。貼り付ける方法としては、第１の複合体１２６と第２の基板１３２とが接触する部位に、例えば、接着剤や樹脂を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。こうして、本実施形態の圧電ポンプ１７０を得る。
【００３１】
得られた本実施形態の圧電ポンプ１７０は、複数の圧電素子１２０と圧電素子１２０を支持する支持部材である絶縁部材１２２とを備える構造体１２４と、構造体１２４を直接狭持する第１及び第２の基板１０２、１３２と、を含有し、第２の基板１３２と構造体１２４とによって囲まれたポンプ室１７８と、ポンプ室１７８と連通する第１及び第２の開口部１３０ａ、１３０ｂとを有するものである。圧電素子１２０は、電圧を印加することによって変位する変位部１２０ｃと第１及び第２の基板１０２、１３２に狭持されることにより固定された被固定部１２０ｄとを含む。絶縁部材１２２は、圧電素子１２０の変位部１２０ｃの外周を包囲する包囲部１２２ａを有する。変位部１２０ｃ及び包囲部１２２ａは、第１の基板１０２側の表面が露出している。また、第１の基板１０２は、変位部１２０ｃと包囲部１２２ａとに対向していた部分が除去されて形成した開口部１１２を有する。
【００３２】
より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ１７０に含有される構造体１２４は、複数の圧電素子１２０と、その圧電素子１２０に直接接合して支持する絶縁部材１２２とを備える。絶縁部材１２２は、圧電素子１２０の第２の基板側に接合した膜状部１２２ｂと、その薄膜部及び圧電素子１２０を包囲する周縁部１２２ｃとを有する。その周縁部１２２ｃのうち、第１の基板１２０側に表面が露出した部分が包囲部１２２ａである。圧電素子１２０は薄膜状であり、絶縁部材１２２の膜状部１２２ｂ下側に埋め込まれるように配置されており、絶縁部材１２２が圧電素子１２０のポンプ室（流路）１７８側の面を被覆するように接合している。
【００３３】
第１の基板１２２はその上面を、構造体１２４の動作しない部分の下面に接合している。一方、第２の基板１３２は、圧電ポンプ１７０が動作しない状態では、ポンプ室１７８を形成する絶縁部材１２２の一部と接触していてもよいが、その部分で接合はされていない。また、第２の基板１３２は、その厚み方向に貫通する第１及び第２の開口部１３０ａ、１３０ｂを有しているが、これらの開口部１３０ａ、１３０ｂはポンプ室１７８と連通している。第２の基板１３２の開口部１３０ａ、１３０ｂの下側には、複数の圧電素子１２０のうちの一部が配置されている。その圧電素子１２０と開口部１３０ａ、１３０ｂとの間に位置する絶縁部材１２２の膜状部１２２ｂは、圧電ポンプ１７０が動作しない状態において、開口部１３０ａ、ｂを閉塞している。
【００３４】
次に、本実施形態の圧電ポンプ１７０の動作方法について説明する。本実施形態の圧電ポンプ１７０において、薄膜状の圧電体１１６に電圧を印加すると、圧電素子１２０が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）において変位する。特に、圧電素子１２０は薄膜状であり、しかも第１及び第２の基板１０２、１３２により構造体１２４の周縁部が固定されているため、圧電体１１６の面内方向の変位に伴い、厚み方向に湾曲する。そして電圧印加のオン／オフ、あるいは印加する電圧の方向を順方向／逆方向に切り替える（交流電圧を印加する）ことによって、構造体１７４は、第１及び第２の基板１０２、１３２に固定された構造体１２４の周縁部を支点として厚み方向に上下動を繰り返す。この動作により流路でもあるポンプ室１７８の容積及び内圧が変化することで、第１の開口部１３０ａ、ポンプ室１７８及び第２の開口部１３０ｂを順に経由して流体が圧電ポンプ１７０内を移送される。
【００３５】
本実施形態の圧電ポンプ１７０の動作方法について、図３を参照しながら更に詳細に説明する。まず、（ａ）工程において、圧電ポンプ１７０は停止状態にあり、構造体１２４の上面は第２の基板１３２と接触している。それにより、ポンプ室１７８を形成する絶縁部材１２２により開口部１３０ａ、１３０ｂが閉塞されている。次いで、（ｂ）工程において、複数の圧電素子１２０のうち最上流の圧電素子１２０ｘに電圧を印加する。すると、圧電素子１２０ｘにおける圧電体１２２の変位に伴い圧電素子１２０ｘが絶縁部材１２２を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材１２２が下側へ引っ張られて、第２の基板１３２と離間する。これにより、ポンプ室１７８が負圧になると共に、第１の開口部１３０ａを経由して外部と連通するため、圧電ポンプ１７０は、第１の開口部１３０ａからポンプ室１７８に流体を吸入する。
【００３６】
次いで、（ｃ）工程において、中流の圧電素子１２０ｙに電圧を印加すると共に最上流の圧電素子１２０ｘへの電圧の印加を停止する。すると、圧電素子１２０ｙにおける圧電体１２２の変位に伴い圧電素子１２０ｙが絶縁部材１２２を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材１２２が下側へ引っ張られて、第２の基板１３２と離間する。また、圧電素子１２０ｘが停止時の状態に戻り絶縁部材１２２と再び接触して第１の開口部１３０ａを閉塞する。これにより、圧電素子１２０ｘ上方のポンプ室１７８の部分が加圧されると共に、圧電素子１２０ｙ上方のポンプ室１７８の部分が負圧になるため、圧電ポンプ１７０は、ポンプ室１７８内の流体を下流側に押し出す。また、第１の開口部１３０ａを閉塞するため外部からの流体の吸入を一時的に停止する。
【００３７】
続いて、（ｄ）工程において、最下流の圧電素子１２０ｚに電圧を印加すると共に中流の圧電素子１２０ｙへの電圧の印加を停止する。すると、圧電素子１２０ｚにおける圧電体１２２の変位に伴い圧電素子１２０ｚが絶縁部材１２２を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材１２２が下側へ引っ張られて、第２の基板１３２と離間する。また、圧電素子１２０ｙが停止時の状態に戻り絶縁部材１２２と再び接触する。これにより、圧電素子１２０ｙ上方のポンプ室１７８の部分が加圧されると共に、圧電素子１２０ｚ上方のポンプ室１７８の部分が負圧になるため、圧電ポンプ１７０は、ポンプ室１７８内の流体を更に下流側に押し出す。また、ポンプ室１７８が第２の開口部１３０ｂを経由して外部と連通するため、圧電ポンプ１７０は、ポンプ室１７８から第２の開口部１３０ｂを経由して外部に流体を吐出する。
【００３８】
上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態の圧電ポンプ１７０により流体を移送することができる。この場合、例えば上記（ｄ）工程の開始と共に、上記（ｂ）工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ１７０による単位時間当たりの流体の移送量を増大させることが可能となる。
【００３９】
本実施形態の圧電ポンプ１７０において、圧電素子１２０に電圧を印加しても、その被固定部１２０ｄは、第１及び第２の基板１０２、１３２に直接的に狭持されることにより固定されているため、その変位が抑制される。一方、圧電素子１２０の変位部１２０ｃは、第１及び第２の基板１０２、１３２に狭持されていない。そのため、圧電素子１２０は、その被固定部１２０ｄを支点として変位部１２０ｃが良好に変位することで振動する。その結果、ダイヤフラムとして機能する絶縁部材１２２の動作と圧電素子１２０の変位との干渉が従来に比して十分に抑制され、圧電ポンプ１７０は流体を安定的に移送することができる。
【００４０】
さらに、圧電ポンプ１７０において、第１の基板１０２は、上記構造体１２４に接合された状態から、変位部１２０ｃと絶縁部材における変位部１２０ｃの外周を包囲する包囲部１２２ａとが露出するように、変位部１２０ｃと包囲部１２２ａとに対向する部分がエッチングにより除去されている。これにより、変位部１２０ｃ及び包囲部１２２ａは、第１の基板１０２上に蒸着等により接合して拘束されることにより生じていた応力を開放することができる。その一方で、第１の基板１０２のそれら以外の部分は構造体１２４にそのまま接合されて支持されている。これらの結果、構造体１２４を第１の基板１０２に精度よくかつ確実に固定することができるため、圧電ポンプ１７０は流体をより安定的に移送することができる。
【００４１】
本実施形態の圧電ポンプ１７０の製造に際し、構造体１２４は、その片側の全面が第１の基板に一旦接合される。圧電ポンプは主に薄膜法で形成されているため、構造体１２４を構成する各部材は、蒸着法などの比較的高温の環境下で他の部材と接合されたり、あるいは、絶縁部材１２２の場合は、溶融した樹脂を塗布したりして接合される。その後の冷却により、構造体１２４は収縮しようとするものの、その全面が第１の基板１０２に拘束されているため、その応力（分布）が高いレベルで一様となる。次いで、圧電素子１２０変位部１２０ｃ及び絶縁部材１２２の包囲部１２２ａに接合した第１の基板１０２の部分がエッチングにより除去されるが、それらの部分を露出しても、その他の部分は第１の基板１０２との接合により拘束されている。その結果、変位部１２０ｃ及び包囲部１２２ａにおける応力は引き続き一様に高いレベルで維持されるので、圧電ポンプ１７０は十分安定的に、しかも大きな流量で流体を移送することができる。
【００４２】
更に圧電ポンプ１７０では、圧電素子１２０の変位部１２０ｃのみでなく、それを包囲する絶縁部材１２２の包囲部１２２ａも露出しているため、それらの部分が大きく作動でき、ポンプ容量を増大させることが可能となる。
【００４３】
本実施形態の圧電ポンプ１７０は、流体の流通方向上流側から下流側に向けて、複数の圧電素子１２０に順に電圧を印加する。これにより、圧電素子１２０を全体として蠕動様に（うごめくように）動作させて流体を移送する。薄膜状の圧電素子は、一般に、ポンプ容量が小さく、圧電素子の変位量も大きくなくポンプ室の内圧をさほど高めることができないため、流体の移送量を増大させることが困難である。ところが、本実施形態の圧電ポンプ１７０によると、上述のとおり複数の圧電素子１２０を全体として蠕動様に動作させて流体を移送する。このように、１つの圧電素子当たりの液体の移送量が少なくとも、複数の圧電素子を同時に作動することで、圧電ポンプ１７０の全体としての移送量を増大させることができる。特に、上流側の圧電素子を下側への湾曲状態から元の状態に戻して対応するポンプ室の部分を加圧すると同時に、下流側にある圧電素子を下側に湾曲させて対応するポンプ室の部分を減圧することにより、より小さな電圧で大きな移送量を実現できるため、圧電ポンプ１７０の効率は非常に高いものとなる。
【００４４】
さらには、本実施形態の圧電ポンプ１７０は、第２の基板１３２と構造体１２４とによってポンプ室１７８が囲まれているため、ポンプ室１７８での複数の圧電素子１２０変位を効率的に流体の圧縮（加圧）及び膨張（減圧）に変換することができる。しかも、流体はポンプ室１７８を上流側から下流側に移動可能になっているため、上記圧縮及び膨張を効率的にポンプ室間の流体の移送に変換することができる。これらの結果、圧電ポンプ１７０は圧電素子１２０に印加する電圧をより効率的に流体の移送量に変換することができる。
【００４５】
また、本実施形態の圧電ポンプ１７０は、複数の圧電素子１２０の各々が１組の電極（下部電極１１４、上部電極１１８）を備えるため、それらの電極１１４、１１８に対して圧電素子１２０の寸法は大きくなく、圧電素子１２０の変位に伴う電極の湾曲範囲も大きくならない。よって、圧電ポンプ１７０は、電極の剥離を十分に抑制することができる。また、本実施形態の圧電ポンプ１７０は、１つの絶縁部材１２に支持された複数の圧電素子１２０を備えており、いずれかの圧電素子１２０に印加した電圧が、その他の圧電素子１２０の変位に影響を与えない。そのため、この圧電ポンプ１７０は、高速駆動時の十分に安定した運転も可能になり、かつ、圧電素子１２０の変位量のばらつきも十分に抑制することができる。
【００４６】
また、本実施形態の圧電ポンプ１７０は、圧電素子１２０を薄膜状にすることで、いわゆるバルクの圧電ポンプと比較して、設計に沿った最適な形状のものを作製することができる。さらには、薄膜状の圧電素子１２０を採用することにより、バルクの圧電ポンプと比較して、圧電ポンプの更なる小型化、薄層化が可能となる。そのため、圧電ポンプ１７０は、これを備えた電子部品の更なる高密度集積化を実現することができ、ＭＥＭＳ技術を応用した製品に有効に利用することができる。
【００４７】
なお、本実施形態の圧電ポンプ１７０において、圧電素子１２０を構成する下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８が、下記関係を満足すると好ましい。すなわち、下部電極１１４と圧電体１１６とからなる積層体が、上部電極１１８よりも低いヤング率と厚さとの積を有すると好ましい。つまり、上記積層体のヤング率をＥ１（Ｎ／ｍ2）、厚さをＤ１（ｎｍ）とし、上部電極１１８のヤング率をＥ２（Ｎ／ｍ2）、厚さをＤ２（ｎｍ）とすると、下記式（１）で表される条件を満足することが好ましい。
Ｅ１×Ｄ１＜Ｅ２×Ｄ２    （１）
【００４８】
部材のヤング率と厚さとの積は、その部材の硬さを表す指標の一つである。この指標が上記式（１）で表される条件を満足すると、構造体１２４の動作部分が第１の基板１０２側により大きく撓みやすくなる一方、第２の基板１３２側への撓みの程度が低くなる。これは、上部電極１１８が上記積層体よりも硬くなっており、延びたり湾曲し難くなっているからである。
【００４９】
上述のとおり、本実施形態の圧電ポンプ１７０は、圧電素子１２０が下側に湾曲することで流体を移送するものである。一方、圧電ポンプ１７０は、その停止時にはポンプ室１７８において構造体１２４と第２の基板１３２とが接触しているため、圧電素子１２０が上側に湾曲することは困難であり、ポンプとして正常に動作し難くなる。したがって、圧電素子１２０が上記式（１）を満足するように、各部材の材料及び厚さを選択することで、圧電ポンプ１７０がより安定に作動し、更に安定的に流体を移送することができる。
【００５０】
なお、上記ヤング率は、室温、１０-4Ｐａの条件下で、既知のヤング率を有する参照基板上に１００ｎｍの厚さを有する薄膜を形成したものを試料とし、その試料のヤング率を表面弾性法（例えば、ＡＬＯｔｅｃ社製超薄膜ヤング率測定装置を用いる）によって測定することができる。その際、薄膜が積層体である場合は、圧電素子を構成する積層体の各部材の厚さの比と同一の厚さの比にして測定する。
【００５１】
また、本実施形態の圧電ポンプ１７０において、圧電素子１２０が、上部電極１１８の第２の基板１３２側に更に硬質層（図示せず）を含有すると好ましい。その硬質層は、下部電極１１４と圧電体１１６とからなる上記積層体（第１の積層体）が、上部電極１１８と硬質層との積層体（第２の積層体）よりも低いヤング率と厚さとの積を有するように、その材料と厚さとを設定される。すなわち、第１の積層体のヤング率をＥ１（Ｎ／ｍ2）、厚さをＤ１（ｎｍ）とし、第２の積層体のヤング率をＥ３（Ｎ／ｍ2）、厚さをＤ３（ｎｍ）とすると、下記式（２）で表される条件を満足することが好ましい。
Ｅ１×Ｄ１＜Ｅ３×Ｄ３    （２）
【００５２】
上記式（２）で表される条件を満足しても、構造体１２４の動作部分が第１の基板１０２側により大きく撓みやすくなる一方、第２の基板１３２側への撓みの程度が低くなる。これは、第２の積層体が第１の積層体よりも硬くなっており、延びたり湾曲し難くなっているからである。圧電素子１２０が上記式（２）を満足することで、圧電ポンプ１７０がより安定に作動し、更に安定的に流体を移送することができる。上記式（２）を確実に満足するには、硬質層が、クロム（Ｃｒ；上述のようにして導出されたヤング率（以下同様）＝２４８Ｎ／ｍ2）、タングステン（Ｗ；３４５Ｎ／ｍ2）、タンタル（Ｔａ；１８６Ｎ／ｍ2）及び白金（Ｐｔ；１５２Ｎ／ｍ2）からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属からなると好ましい。
【００５３】
硬質層は、上記（ａ１）工程において、上部電極層１０８の表面上に更に硬質層を構成する材料の層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成し、（ａ２）工程において、その層を、下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８と共にパターニングすることにより得られる。
【００５４】
次に、第２の本実施形態の圧電ポンプについて説明する。図４は、この本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す透視平面図である。また、図５は、第２の本実施形態の圧電ポンプの動作を示す概略図であり、（ａ）は、圧電ポンプを図１に示すＩＩ−ＩＩ線で切断して現れる断面を模式的に示している。更に図６は、第２の本実施形態の圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図ある。第２の本実施形態の圧電ポンプ２００は、流体の流通方向（図４中の矢印Ａの方向）に沿って配設された６つの圧電素子２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２（まとめて「２０２〜２１２」と表記する。以下同様。）と、それらの圧電素子２０２〜２１２を支持する１つの支持部材２１４とを備える構造体２２０と、構造体２２０を挟む第１及び第２の基板２２２、２２４とを含有し、第２の基板２２４と構造体２２０とによって囲まれて形成されるポンプ室２３０と、動作時にそのポンプ室２３０と連通する第１及び第２の開口部２５０、２５２とを有するものである。また、圧電素子２０２〜２１２は、電圧を印加することによって変位する変位部２０２ｃ〜２１２ｃと、第１及び第２の基板２２２、２２４に狭持されることにより固定された被固定部２０２ｄ〜２１２ｄ、２０２ｅ〜２１２ｅとを含む。さらに第１の基板２２２は、構造体２２０に接合された状態から、変位部２０２ｃ〜２１２ｃと支持部材２１４における変位部２０２ｃ〜２１２ｃの外周を包囲する包囲部２１４ａとが露出するように、変位部２０２ｃ〜２１２ｃと包囲部２１４ａとに対向する部分がエッチングにより除去され、開口部２２２ａを形成したものである。上記変位部２０２ｃ〜２１２ｃと包囲部２１４ａとは構造体の動作部分を構成する。
【００５５】
より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ２００に含有される構造体２２０は、６つの上記圧電素子２０２〜２１２と、それらの圧電素子２０２〜２１２に直接接合して支持する１つの支持部材２１４とを備える。支持部材２１４は、例えば樹脂を材料とし、１．０μｍ〜１０μｍの厚さを有する薄膜である。支持部材２１４の一方の主面（上面）におけるポンプ室２３０に対向した部分２１４ａは、一列に並んだ６つの円形面をその周縁の一部で互いに重ねた、いわば数珠つなぎのような平面形状を有する。
【００５６】
圧電素子２０２〜２１２は、例えば厚さ０．５μｍ〜１０．０μｍの薄膜状であって円形の主面を有し、図６に示すように、各々が下部電極２０２ａ〜２１２ａ（ただし、圧電素子２１０、２１２に備えられる下部電極２１０ａ、２１２ａは図示せず。）、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂ（ただし、圧電素子２１０、２１２に備えられる圧電体２１０ｂ、２１２ｂは図示せず。）及び上部電極２０２ｃ〜２１２ｃ（ただし、圧電素子２１０、２１２に備えられる上部電極２１０ｃ、２１２ｃは図示せず。）をこの順に積層して備える。圧電素子２０２〜２１２の各々は、下部電極２０２ａ〜２１２ａが開口部２２２ａに露出した状態で支持部材２１４に埋め込まれている。各圧電素子２０２〜２１２は互いに直接接触しておらず、その間では支持部材２１４の下面が露出している。
【００５７】
第１の基板２２２は、構造体２２０の動作部分の下面を露出するように開口部２２２ａを有している一方で、構造体２２０の動作部分以外の部分と接合する。ここで、構造体２２０の第１の基板２２２と接合した部分は、支持部材２１４の下面である。また、第２の基板２２４はその下面の一部を支持部材２１４の上面の一部と接合する。これらにより、支持部材２１４を備える構造体２２０が第１及び第２の基板２２２、２２４に狭持されて固定される。
【００５８】
圧電ポンプが停止している際、第２の基板は構造体２２０の動作部分の上面と接触しているものの接合していない。第２の基板２２４には、その厚み方向に貫通した第１及び第２の開口部２５０、２５２が設けられており、これらの開口部は圧電ポンプ２００の動作時にポンプ室２３０と連通できる。ポンプ室２３０は、各圧電素子２０２〜２１２に対応する部分的なポンプ室２３２、２３４、２３６、２３８、２４０、２４２を有する。
【００５９】
６つの圧電素子２０２〜２１２に備えられる下部電極２０２ａ〜２１２ａの各々からは突条の配線２０２ｄ〜２１２ｄが２本ずつ取り出され、上部電極２０２ｃ〜２１２ｃからは突条の配線２０２ｅ〜２１２ｅが１本ずつ取り出される。それらの配線は、上述のとおり、被固定部２０２ｄ〜２１２ｄ、２０２ｅ〜２１２ｅでもある。取り出されたそれらの配線２０２ｄ〜２１２ｄ、２０２ｅ〜２１２ｅは端子２６０まで延びており、その端子２６０を介して電源（図示せず。）に接続されている。ここで、各１組の電極と配線との連結部は、流体の流通方向に沿って上流側から、下部電極と配線との連結部、上部電極と配線との連結部、下部電極と配線との連結部の順で並んでいる。例えば、下部電極２０２ａと２本の配線２０２ｄとの連結部２０２ｆ、２０２ｈ、上部電極２０２ｃと配線２０２ｅとの連結部２０２ｇについて見てみると、流体の流通方向に沿って上流側から、連結部２０２ｆ、２０２ｈ、２０２ｇの順で並んでいる。他の連結部（２０４ｆ〜２０４ｈ、２０６ｆ〜２０６ｈ、２０８ｆ〜２０８ｈ、２１０ｆ〜２１０ｈ、２１２ｆ〜２１２ｈ）についても同様である。
【００６０】
かかる圧電ポンプ２００は、例えば下記のようにして製造される。
【００６１】
まず、成膜用基板を兼ねる第１の基板２２２上に、突条の配線２０２ｄ〜２１２ｄをそれぞれ含む下部電極２０２ａ〜２１２ａ、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂ、突条の配線２０２ｅ〜２１２ｅをそれぞれ含む上部電極２０２ｃ〜２１２ｃをこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板の表面上に下部電極２０２ａ〜２１２ａとなる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。第１の基板２２２は、その表面上に下部電極２０２ａ〜２１２ａとなる層を形成可能なものであれば特に限定されず、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよく、Ｓｉ基板であると好ましい。下部電極２０２ａ〜２１２ａとなる層の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極２０２ａ〜２１２ａとなる層の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００６２】
次いで、下部電極２０２ａ〜２１２ａとなる層を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極となる層の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。これにより、下部電極２０２ａ〜２１２ａが得られる。
【００６３】
次いで、下部電極２０２ａ〜２１２ａの表面上（ただし配線２０２ｄ〜２１２ｄの表面上を除く）に圧電体２０２ｂ〜２１２ｂを形成する。圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法が挙げられる。圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が好ましい。圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。
【００６４】
続いて、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの表面上に上部電極２０２ｃ〜２１２ｃを、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。上部電極２０２ｃ〜２１２ｃの材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極２０２ｃ〜２１２ｃの厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００６５】
上記圧電体２０２ｂ〜２１２ｂ及び上部電極２０２ｃ〜２１２ｃを形成する際、例えば上部電極２０２ｃ〜２１２ｃ上に所定形状のレジストを形成した後に圧電体２０２ｂ〜２１２ｂ及び上部電極２０２ｃ〜２１２ｃを順に形成し、その後、レジストを除去してもよい。こうして、第１の基板２２２上に、下部電極２０２ａ〜２１２ａ、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂ及び上部電極２０２ｃ〜２１２ｃをこの順で積層した圧電素子２０２〜２１２を得る。
【００６６】
次に、圧電素子２０２〜２１２を被覆するようにして支持部材２１４となる層を形成する。この層の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの変位によっても破損することなく湾曲することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。支持部材２１４となる層の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電体２０２ｂ〜２１２ｂの変位をポンプ室２３０に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプ２００の効率が高くなる。支持部材２１４となる層の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。この場合、まず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物（例えば、樹脂及び／又は単量体と溶媒との混合物）を第１の基板２２２及び圧電素子２０２〜２１２の表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させる。その後、必要に応じて硬化した樹脂組成物を所望の形状にパターニングする。パターニングは樹脂材料をパターニングする公知の方法によればよく、例えば、フォトリソグラフィ法が挙げられる。樹脂材料としては、成膜用基板及び圧電素子２０２〜２１２に良好に接着し、更に現像性などのパターニング性が良好である材料が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド、パリレン等が挙げられる。こうして、成膜用基板上に形成された圧電素子２０２〜２１２と支持部材２１４とを備える構造体２２０を得る。
【００６７】
上述の構造体２２０とは別に、第２の基板２２４を作製する。第２の基板２２４は例えば厚さ０．２ｍｍ〜２．０ｍｍのガラス基板及びセラミック基板から得られる。その基板表面をエッチング等により所定の形状に加工し（凹凸加工）、さらに基板の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第１の開口部２５０及び第２の開口部２５２をエッチング等により形成する。こうして、開口部２５０、２５２を有し、その下面に所定形状の凹凸加工が施された第２の基板２２４を得る。
【００６８】
次いで、上記構造体２２０上に第２の基板２２４を貼り付ける。この際、第２の基板２２４の凹凸加工が施された上記下面と構造体２２０の支持部材２１４が形成された側の面とを対向し、かつポンプ室２３０を形成するように位置合わせして、第２の基板２２４の下面と支持部材２１４とを、ポンプ室２３０となるべき部分の周囲で接合して貼り付ける。ただし、動作部分を構成する変位部２０２ｃ〜２１２ｃはもちろんのこと、支持部材２１４における包囲部２１４ａには、第２の基板２２４を接触させるのみであり、それらを接合しない。貼り付ける方法としては、支持部材２１４と第２の基板２２４とが接触する部位に、例えば接着剤を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。
次に、第１の基板２２２を部分的にエッチングする。具体的には第１の基板２２２の上記動作部分に対向する部分をエッチングにより除去して、開口部２２２ａを形成する。これにより、動作部分である変位部２０２ｃ〜２１２ｃと包囲部２１４ａとの表面が露出する。それらは圧電素子２０２〜２１２の変位に伴い伸縮、湾曲することができる。
【００６９】
エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第１の基板２２２の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第１の基板２２２の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法、が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。
【００７０】
こうして、第２の本実施形態の圧電ポンプ２００を得る。
このように本実施形態の圧電ポンプ２００は、いわゆる薄膜プロセスを基本として作製されるため、品質のばらつきを抑制可能であり、その歩留まりを高めることができると共に、製造コストを低減することも可能である。
【００７１】
次に、本実施形態の圧電ポンプ２００の動作方法について、図５を参照しながら説明する。まず、（ａ）工程において、圧電ポンプ２００は停止状態にあり、構造体２２０の上面は第２の基板２２４と接触している。それにより、ポンプ室２３０を形成する支持部材２１４により第１及び第２の開口部２５０、２５２は閉塞されている。次いで、（ｂ）工程において、配線２０２ｄから連結部２０２ｈを介して圧電素子２０２の下部電極２０２ａと、配線２０２ｅから連結部２０２ｇを介して上部電極２０２ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線２０４ｄから連結部２０４ｆを介して圧電素子２０４の下部電極２０４ａと、配線２０４ｅから連結部２０４ｇを介して上部電極２０４ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電体２０２ｂ、２０４ｂの変位に伴い圧電素子２０２、２０４が支持部材２１４を伴って同時に下側に湾曲すると共に、その湾曲により圧電素子２０２、２０４上方及びそれらの間にある支持部材２１４が下側へ引っ張られて、その部分で支持部材２１４と第２の基板２２４が離間する。これにより、ポンプ室２３２、２３４が負圧になるため、圧電ポンプ２００は、第１の開口部２５０からそれらのポンプ室２３２、２３４に流体を吸入する。なお、湾曲した圧電素子２０２の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部２０２ｈと連結部２０２ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分となり、湾曲した圧電素子２０４の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部２０４ｆと連結部２０４ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分となる。
【００７２】
次いで、（ｃ）工程において、下部電極２０２ａと上部電極２０２ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線２０４ｄから連結部２０４ｈを介して圧電素子２０４の下部電極２０４ａと、配線２０４ｅから連結部２０４ｇを介して上部電極２０４ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線２０６ｄから連結部２０６ｆを介して圧電素子２０６の下部電極２０６ａと、配線２０６ｅから連結部２０６ｇを介して上部電極２０６ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子２０２が停止時の状態に戻り圧電素子２０２、２０４上方及びそれらの間で構造体２２０と支持部材２１４とが再び直接接触すると共に、圧電体２０６ｂの変位に伴い圧電素子２０６が支持部材２１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子２０４、２０６上方及びそれらの間にある支持部材２１４が下側へ引っ張られて、その部分で構造体２２０と支持部材２１４とが離間する。これにより、ポンプ室２３２が加圧されると共にポンプ室２３６が負圧になるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２３２内の流体を押し出す一方で、ポンプ室２３６内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極２０４ａへの電圧の印加を連結部２０４ｆ経由から連結部２０４ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子２０４の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部２０４ｆと連結部２０４ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部２０４ｈと連結部２０４ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室２３４内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。
【００７３】
続いて、（ｄ）工程において、下部電極２０４ａと上部電極２０４ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線２０６ｄから連結部２０６ｈを介して圧電素子２０６の下部電極２０６ａと、配線２０６ｅから連結部２０６ｇを介して上部電極２０６ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線２０８ｄから連結部２０８ｆを介して圧電素子２０８の下部電極２０８ａと、配線２０８ｅから連結部２０８ｇを介して上部電極２０８ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子２０４が停止時の状態に戻り圧電素子２０４、２０６の上方及びそれらの間で構造体２２０と支持部材２１４とが再び直接接触すると共に、圧電体２０８ｂの変位に伴い圧電素子２０８が支持部材２１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子２０６、２０８上方及びそれらの間にある支持部材２１４が下側へ引っ張られて、その部分で構造体２２０と支持部材２１４とが離間する。これにより、ポンプ室２３４が加圧されると共にポンプ室２３８が負圧になるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２３４内の流体を押し出す一方で、ポンプ室２３８内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極２０６ａへの電圧の印加を連結部２０６ｆ経由から連結部２０６ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子２０６の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部２０６ｆと連結部２０６ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部２０６ｈと連結部２０６ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室２３６内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。
【００７４】
次に、（ｅ）工程において、下部電極２０６ａと上部電極２０６ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線２０８ｄから連結部２０８ｈを介して圧電素子２０８の下部電極２０８ａと、配線２０８ｅから連結部２０８ｇを介して上部電極２０８ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線２１０ｄから連結部２１０ｆを介して圧電素子２１０の下部電極２１０ａと、配線２１０ｅから連結部２１０ｇを介して上部電極２１０ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子２０６が停止時の状態に戻り圧電素子２０６、２０８の上方及びそれらの間で構造体２２０と支持部材２１４とが再び直接接触すると共に、圧電体２１０ｂの変位に伴い圧電素子２１０が支持部材２１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子２０８、２１０の上方及びそれらの間にある支持部材２１４が下側へ引っ張られて、その部分で構造体２２０と支持部材２１４とが離間する。これにより、ポンプ室２３６が加圧されると共にポンプ室２４０が負圧になるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２３６内の流体を押し出す一方で、ポンプ室２４０内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極２０８ａへの電圧の印加を連結部２０８ｆ経由から連結部２０８ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子２０８の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部２０８ｆと連結部２０８ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部２０８ｈと連結部２０８ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室２３８内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。
【００７５】
そして、（ｆ）工程において、下部電極２０８ａと上部電極２０８ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線２１０ｄから連結部２１０ｈを介して圧電素子２１０の下部電極２１０ａと、配線２１０ｅから連結部２１０ｇを介して上部電極２１０ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線２１２ｄから連結部２１２ｆを介して圧電素子２１２の下部電極２１２ａと、配線２１２ｅから連結部２１２ｇを介して上部電極２１２ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子２０８が停止時の状態に戻り圧電素子１０８、１１０の上方及びそれらの間で構造体２２０と支持部材２１４とが再び直接接触すると共に、圧電体２１２ｂの変位に伴い圧電素子２１２が支持部材２１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子２１０、２１２の上方及びそれらの間にある支持部材２１４が下側へ引っ張られて、その部分で突出部２２４ｅと支持部材２１４とが離間する。これにより、ポンプ室２３８が加圧されると共にポンプ室２４２が負圧になるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２３８内の流体を押し出す一方で、ポンプ室２４２内に流体を吸入し、第２の開口部２５２から流体を吐出する。また、下部電極２１０ａへの電圧の印加を連結部２１０ｆ経由から連結部２１０ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子２１０の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部２１０ｆと連結部２１０ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部２１０ｈと連結部２１０ｇとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室２４０内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。
【００７６】
上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態の圧電ポンプ２００を経由して流体を移送することができる。この場合、例えば上記（ｅ）工程の開始と共に、上記（ｂ）工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ２００による単位時間当たりの流体の移送量を増大することが可能となる。
【００７７】
第２の本実施形態の圧電ポンプ２００は、第１の本実施形態の圧電ポンプ１７０と類似の構造を有し類似の動作をするため、その圧電ポンプ１７０と同様の効果を発揮することができる、それに加えて、第２の本実施形態の圧電ポンプ２００は下記効果をも奏することができる。すなわち、本実施形態の圧電ポンプ２００は、電極と配線との連結部を上述のように配列することで、１つの湾曲した圧電素子の頂部を下流側に移動することができる。このように、第２の本実施形態の圧電ポンプは、複数の圧電素子２０２〜２１２の全体が蠕動様に動作するだけでなく、そのうち１つの圧電素子を見ても蠕動様に動作して流体を移送する。これにより、流体の下流への移送が促進されるので、印加した電圧を更に効率的に流体の移送量に変換することができる。
【００７８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、別の本実施形態において、圧電ポンプがただ一つの圧電素子を有するものであってもよい。図９はそのような圧電ポンプの一例を模式的に示すものであり、動作中の状態を示している。図９に示す圧電ポンプ９００は、１つの圧電素子９０２と、その圧電素子９０２を支持する１つの支持部材９１４とを備える構造体９２０と、構造体９２０を挟む第１及び第２の基板９２２、９２４とを含有し、第２の基板９２４と構造体９２０とによって囲まれて形成されるポンプ室９３０と、動作時にそのポンプ室９３０と連通する第１及び第２の開口部９５０、９５２とを有するものである。また、圧電素子９０２は、電圧を印加することによって変位する変位部と、第１及び第２の基板９２２、９２４に狭持されることにより固定された被固定部とを含む。さらに第１の基板９２２は、構造体９２０に接合された状態から、圧電素子９０２の変位部と、支持部材９１４における上記変位部の外周を包囲する包囲部とが露出するように、それら変位部と包囲部とに対向する部分がエッチングにより除去され、開口部９２２ａを形成したものである。上記変位部、被固定部及び包囲部は、第２の本実施形態における圧電素子の１つと同様の構造及び配置であればよい。圧電素子９０２は、電極と配線との連結部を第２の本実施形態と同様に配列することで、第２の本実施形態における複数の圧電素子のうちの１つと同様に、蠕動様に動作することができるため、効率的に流体を移送することができる。図９においては、上流側の開口部９５０とポンプ室９３０とが連通する一方で、下流側の開口部９５２が構造体９２０によって閉塞されており、この状態により、圧電ポンプ９０２は、外部から流体を吸入できる。
また、上記各本実施形態では、圧電ポンプが停止しているときは、構造体と第２の基板とが接触してポンプ室に空間がほとんど存在しない状態であったが、圧電ポンプの停止時においても、構造体と第２の基板との間のポンプ室に空間を設けてもよい。そのような空間を設けるためには、構造体と第２の基板との間にそれらを接着する樹脂を適度な厚さで設けたり、あるいは更なる基板を設けたりすればよい。
【実施例】
【００７９】
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００８０】
（第１の基板の作製方法の違いによる効果確認試験）
本試験では、圧電ポンプにおける圧電素子の変位量を確認するため、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すような試料を作製した。まず、実施例に係る図７の（ａ）に示す試料の作製は、厚さ４００μｍのＳｉ基板の上に蒸着法及びスパッタリング法により下部電極層（図示せず。材質Ｐｔ、厚さ０．１μｍ）、圧電体層（図示せず。材質ＰＺＴ、厚さ２〜２．５μｍ）、上部電極層（図示せず。材質Ｐｔ、厚さ０．１μｍ）をこの順に積層することから始めた。次いで、それら下部電極層、圧電体層、上部電極層をイオンミリング及びエッチング法により図７の（ｃ）に示す平面形状にパターニングして圧電素子を得た。次に、圧電素子の支持部材として絶縁性のポリイミド樹脂を、Ｓｉ基板及び圧電素子上に塗布した後、それらの全体を２８０℃で１時間加熱して、ポリイミド樹脂を硬化させた。
【００８１】
更に、その支持部材の周縁部に同じポリイミド樹脂を接着用及び空間形成用に塗布し、加熱することなくガラス基板をその上に載置した。その後、それら全体を２８０℃で１時間加熱して、接着用のポリイミド樹脂を硬化させることで、そのポリイミド樹脂を介して支持部材とガラス基板とを接合した。そして、Ｓｉ基板の一部を裏側から、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングして、実施例の試料を得た。なお、Ｓｉ基板のエッチングは、図７の（ｃ）に示す平面形状を有する開口部を形成するように行った。
【００８２】
一方、比較例に係る図７の（ｂ）に示す試料の作製は、成形用のＳｉ基板の上に蒸着法及びスパッタリング法により下部電極層（図示せず。材質Ｐｔ、厚さ０．１μｍ）、圧電体層（図示せず。材質ＰＺＴ、厚さ２〜２．５μｍ）、上部電極層（図示せず。材質Ｐｔ、厚さ０．１μｍ）をこの順に積層することから始めた。次いで、それら下部電極層、圧電体層、上部電極層をイオンミリング及びエッチング法により図７の（ｃ）に示す平面形状にパターニングして圧電素子を得た。次に、圧電素子の支持部材として絶縁性のポリイミド樹脂を、Ｓｉ基板及び圧電素子上に塗布した後、それらの全体を２８０℃で１時間加熱して、ポリイミド樹脂を硬化させた。
【００８３】
更に、その支持部材の周縁部に同じポリイミド樹脂を接着用及び空間形成用に塗布し、加熱することなくガラス基板をその上に載置した。その後、それら全体を２８０℃で１時間加熱して、接着用のポリイミド樹脂を硬化させることで、そのポリイミド樹脂を介して支持部材とガラス基板とを接合した。そして、成形用のＳｉ基板の全体を裏側から、フッ酸によるエッチングによりエッチングした。その後、圧電素子と支持部材との構造体の、Ｓｉ基板のエッチングにより全体的に露出した側の面に、図７の（ｃ）に示す平面形状の開口部を有するガラス基板を膜転写により接合して、比較例の試料を得た。
【００８４】
得られた試料の圧電素子に対して、電圧（駆動電圧＝０〜１０Ｖ、駆動周波数＝１０Ｈｚ）を印加して、そのときの圧電素子及び支持部材からなる構造体の湾曲に伴う厚み方向の（最大）変位量を測定した。なお、評価機としてＰｏｌｙｔｅｃ社製のレーザードップラー振動計を用いた。結果を表１に示す。
【００８５】
【表１】
2010216398.tif 000003
この結果より、実施例に係る試料の方が、比較例に係る試料よりも圧電素子及び支持部材からなる構造体の変位量が大きいことが判明した。
【００８６】
（硬質層の効果確認試験）
次に、硬質層の効果を確認するために、下記のような試験を行った。まず、上部電極層上に、更に種々の厚さを有する硬質層（図示せず。）をスパッタリング法により積層すること以外は、上記「第１の基板の作製方法の違いによる効果確認試験」における図７の（ａ）に示す試料の作製方法と同様にして、試料を作製した。なお、本試験における試料として、硬質層がクロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ；ヤング率＝１１６Ｎ／ｍ2）からなるものを作製した。
【００８７】
得られた試料の圧電素子に対して、圧電体が上側（ガラス基板側）に撓むように電圧（駆動電圧＝０〜１０Ｖ、駆動周波数＝１０Ｈｚ）を印加し、そのときの構造体のガラス基板への接触面積を画像解析により測定した。結果を図８に示す。
【００８８】
この結果より、硬質層の材質にクロムを用いると、硬質層が厚くなるにつれて上方への撓みが減少するため、圧電ポンプは安定的に流体を移送できることが分かった。一方、硬質層の材質にチタンを用いると、硬質層が厚くなっても上方への撓みがそれほど減少しないため、圧電ポンプは、硬質層の材質にクロムを用いた場合と比較すると、安定的に流体を移送できないことが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の圧電ポンプは、微少化学反応に用いられる液状試薬や高精細印刷装置のインクなどの液体、ガスクロマトグラフの被検査ガス、燃料電池における反応ガスなどの気体等、流体を移送するための各種装置に適用することが可能である。例えば本発明の圧電ポンプは、ガスセンサへの流体供給装置や微少なフィルタ装置に備えられ得るものである。
【符号の説明】
【００９０】
１０２…第１の基板、１１４…下部電極、１１６…圧電体、１１８…上部電極、１２０…圧電素子、１２２…絶縁部材、１２４…構造体、１３０ａ…第１の開口部、１３０ｂ…第２の開口部、１３２…第２の基板、１７０…圧電ポンプ。
【図１】
2010216398.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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