(57)【要約】【課題】圧電素子が備える電極の剥離を十分に防止すると共に、高速駆動時にも十分に安定した動作が可能であり、変位量のばらつきを十分に抑制する圧電ポンプを提供する。【解決手段】本発明は、流体の流通方向に沿って配設された２つ以上の圧電素子と前記圧電素子を支持する１つの支持部材とを備える構造体と、その構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第１の基板と上記構造体とによって囲まれた空隙部と、第２の基板と上記構造体とによって形成され得る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を提供する。【選択図】図２
2010065551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流通方向に沿って配設された２つ以上の圧電素子と前記圧電素子を支持する１つの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１の基板と前記構造体とによって囲まれた空隙部と、
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。
【請求項２】
前記支持部材はその主面の前記ポンプ室に対向した部分が２つ以上の円形面の一部を互いに重ねた平面形状を有する薄膜であり、前記２つ以上の圧電素子の各々は前記円形面上で支持され円形の主面を有する薄膜である、請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
前記２つ以上の圧電素子の各々は圧電体とその圧電体を挟む１組の電極とを備え、前記１組の電極から前記流体の流通方向に沿って交互に３つ以上取り出される配線を有する、請求項１又は２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、簡単な構成及び製造方法により、外部環境の変化による移送量変化が小さく、吐出圧力が大きい小型蠕動型圧電マイクロポンプ等を提供するを意図して、流体の流入口及び流出口が形成された第１板状体と、前記流入口及び流出口を塞ぐように前記第１板状体の側面に密着状態で配置された絶縁材よりなる第２板状体と、前記流入口と流出口との間の領域に対応するように、前記第１板状体の反対側における第２板状体の側面に共通電極を介して設けられた圧電素子と、その圧電素子の前記第２板状体の反対側の側面において、前記流入口と流出口との間に配列された複数の駆動電極とを有し、前記駆動電極に順次電圧を印加することにより、前記第２板状体がポンプ動作を行うように構成したことを特徴とする蠕動型圧電マイクロポンプが提案されている。この蠕動型圧電マイクロポンプによると、駆動電極に対して順次所定電圧を印加することにより、基板間においてポンプ動作が実行され、バルブを用いなくても逆流を抑制しつつ流体の搬送を行うことができる、とされている。
【特許文献１】特開２００７−３２４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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、駆動電極が複数に切り分けられた状態で、圧電素子の側面に配列されているが、この場合、それらの駆動電極が容易に剥がれてしまい、圧電素子に反りが生じる場合もあることを見出した。また、１つの圧電素子に対して複数の駆動電極を設けると、特に高速駆動時に安定した運転が困難になったり、変位量のばらつきが生じやすくなったりする。さらには、駆動電極の面内方向中心部で圧電体の変位は大きくなる一方、その中心部から離れるほどその変位は小さくなる。その変位の小さい領域はいわばデッドスペースとなり、そこに流入した流体は滞留しやすくなる。その結果、圧電ポンプの全体で見ると、駆動電極に印加する電圧を効率よくポンプの流体移送能力に変換できなくなる。
【０００４】
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、圧電素子が備える電極の剥離を十分に防止すると共に、高速駆動時にも十分に安定した動作が可能であり、変位量のばらつきを十分に抑制す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】
【０００５】
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、駆動電極が容易に剥離するのは、駆動電極に対して圧電素子の寸法が大きくなると、圧電素子の変位に伴う駆動電極の湾曲範囲が大きくなるためであることを見出した。また、１つの圧電素子に対して複数の駆動電極を設けると、１つの駆動電極を介して印加した電圧が隣接する駆動電極に対応した圧電素子の変位にも影響を与えてしまい、その結果として、高速駆動時の安定した運転が困難になったり、変位量のばらつきが生じやすくなったりすることを知見した。そして、これらの要因を取り除くことで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、流体の流通方向に沿って配設された２つ以上の圧電素子と前記圧電素子を支持する１つの支持部材とを備える構造体と、その構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第１の基板と上記構造体とによって囲まれた空隙部と、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を提供する。
【０００７】
本発明の圧電ポンプは、流体の流入側（上流側）に配置された圧電素子から流出側（下流側）に配置された圧電素子に向かって順に電圧を印加することで、複数の圧電素子を全体として蠕動様に動作させて流体を移送する。本発明の圧電ポンプは、１つの圧電素子に１組の電極を備えるため、その電極に対して圧電素子の寸法は大きくなく、圧電素子の変位に伴う電極の湾曲範囲も大きくならない。よって、その圧電ポンプは、電極の剥離を十分に抑制することができる。また、本発明の圧電ポンプは、１つの支持部材に支持された２つ以上の複数の圧電素子を備えており、１つの圧電素子に印加した電圧が、その他の圧電素子の変位に影響を与えない。そのため、この圧電ポンプは、高速駆動時の十分に安定した運転も可能になり、かつ、圧電素子の変位量のばらつきも十分に抑制することができる。
【０００８】
また、本発明の圧電ポンプは、上流側の圧電素子を変位させて流体を押し出すと共に、下流側の圧電素子を変位させて流体を吸入することで、流体を移送する。このように、流体の押出しと吸引とを適切に組み合わせることで、本発明の圧電ポンプは更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加であっても、流体のより大きな移送量を実現することができる。さらには、本発明の圧電ポンプは、第２の基板と構造体とによって各ポンプ室が囲まれているため、各ポンプ室での圧電素子の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、流体は各ポンプ室から隣接するポンプ室にのみ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、本発明の圧電ポンプは圧電素子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。
【０００９】
また、本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子は第１及び第２の基板で挟まれることにより、外部に直接露出していない状態となっており、圧電素子の周囲には空隙部が存在する。圧電素子は振動の発生源になるところ、本発明の圧電ポンプでは、圧電素子が外部に直接露出しておらず、振動が上記空隙部に吸収される。その結果、本発明の圧電ポンプは、圧電素子による振動の外部への伝搬を抑制することができ、また振動に伴う信号ノイズをも抑制することができる。さらには、本発明の圧電ポンプは、圧電素子を第１及び第２の基板の外側ではなく内側に挟み込んだ構成を有している。そのため、圧電ポンプを構成する圧電素子以外の素子及び回路を第１及び第２の基板の外側に積層することも可能となり、本発明の圧電ポンプを備える電子部品は、更なる高密度集積化を進めることができる。
【００１０】
本発明の圧電ポンプにおいて、上記支持部材はその主面のポンプ室に対向した部分が２つ以上の円形面の一部を互いに重ねた平面形状を有する薄膜であり、２つ以上の圧電素子の各々は上記円形面上で支持され円形の主面を有する薄膜であると好ましい。圧電素子に電圧を印加すると、薄膜状の圧電素子は厚み方向（ｄ３３方向）に変位すると共にその面内方向（ｄ３１方向）に放射状に変位し、これに伴い、厚み方向に湾曲して圧電ポンプが作動する。したがって、薄膜状の複数の圧電素子、並びに、それらの圧電素子を支持する支持部材のポンプ室に対向した主面を円形に近づけることで、印加した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、さらには、圧電素子の反りを抑えることによって、圧電ポンプの耐久性や寿命を向上させることができる。
【００１１】
本発明の圧電ポンプにおいて、上記２つ以上の圧電素子の各々は圧電体とその圧電体を挟む１組の電極とを備え、圧電ポンプはその１組の電極から上記流体の流通方向に沿って交互に３つ以上取り出される配線を有すると好ましい。電圧を印加した際に圧電素子は厚み方向及び面内方向に変位し、それに伴い湾曲する。このとき湾曲した圧電素子の頂部は、圧電素子の面内方向中心部よりも電極とその電極から取り出された配線との連結部にやや近づいた部分となる。圧電体を挟む電極と配線とのそれぞれの連結部が、圧電素子の面内方向で異なる場合、湾曲した圧電素子の頂部は、それらの連結部の中間地点を仮想の連結部として、圧電素子の面内方向中心部よりも仮想の連結部にやや近づいた部分となる。圧電素子における１組の電極が、流体の流通方向に沿って交互に３つ以上の連結部を有すると、より上流の取り出し部から順に電圧を印加することで、湾曲した圧電素子の頂部が順に上流側から下流側に移動する。これにより、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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子が備える電極の剥離を十分に防止すると共に、高速駆動時にも十分に安定した動作が可能であり、変位量のばらつきを十分に抑制する圧電ポンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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最良の形態（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。
【００１４】
図１は、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２は、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３は、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。本実施形態の圧電ポンプ１００は、流体の流通方向（図１中の矢印Ａの方向）に沿って配設された６つの圧電素子１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２（まとめて「１０２〜１１２」と表記する。以下同様。）と、それらの圧電素子１０２〜１１２を支持する１つの支持部材１１４とを備える構造体１２０と、構造体１２０を挟む第１及び第２の基板１２２、１２４とを含有し、第１の基板１２２と構造体１２０とによって囲まれて形成される空隙部１２６と、第２の基板１２４と構造体１２０とによって囲まれて形成されるポンプ室１３０と、そのポンプ室１３０と連通する第１及び第２の開口部１５０、１５２とを有するものである。
【００１５】
より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ１００に含有される構造体１２０は、６つの上記圧電素子１０２〜１１２と、それらの圧電素子１０２〜１１２に直接接合して支持する１つの支持部材１１４とを備える。支持部材１１４は、例えば樹脂を材料とし、１.０μｍ〜１０μｍの厚みを有する薄膜である。支持部材１１４の一方の主面（上面）におけるポンプ室１３０に対向した部分１１４ａ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。
【００１６】
圧電素子１０２〜１１２は、例えば厚み０.５μｍ〜１０.０μｍの薄膜状であって円形の主面を有し、図３に示すように、各々が下部電極１０２ａ〜１１２ａ（ただし、圧電素子１１０、１１２に備えられる下部電極１１０ａ、１１２ａは図示せず。）、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ（ただし、圧電素子１１０、１１２に備えられる圧電体１１０ｂ、１１２ｂは図示せず。）及び上部電極１０２ｃ〜１１２ｃ（ただし、圧電素子１１０、１１２に備えられる上部電極１１０ｃ、１１２ｃは図示せず。）をこの順に積層して備える。圧電素子１０２〜１１２の各々は、下部電極１０２ａ〜１１２ａが空隙部１２６に露出した状態で支持部材１１４に埋め込まれている。各圧電素子１０２〜１１２は互いに直接接触しておらず、その間では支持部材１１４の下面が露出している。
【００１７】
第１の基板１２２は、構造体１２０と共に空隙部１２６を包囲する。構造体１２０の下面における部分１２０ａが空隙部１２６に対向するように、第１の基板１２２の上面に凹凸加工が施され、その上面の一部（凸部）を、構造体１２０の他方の主面（下面）における空隙部１２６に対向した部分１２０ａ以外の部分と接合する。ここで、構造体１２０の第１の基板１２２と接合した部分は、支持部材１１４の下面である。また、第２の基板１２４は構造体１２０と共にポンプ室１３０を包囲すると共に、その下面の一部を支持部材１１４の上面の一部と接合する。これらにより、支持部材１１４を備える構造体１２０が第１及び第２の基板１２２、１２４に挟まれて固定される。
【００１８】
第２の基板１２４には、その厚み方向に貫通した第１及び第２の開口部１５０、１５２が設けられており、これらの開口部はポンプ室１３０と連通する。第２の基板１２４は、第１の基板１２２の上面と鏡面対称の形状となるよう下面に凹凸加工が施されている。ただし、第２の基板１２４には、ポンプ室１３０を各圧電素子１０２〜１１２毎に仕切るよう、下側に突出した突出部１２４ａ〜ｅが設けられている。これらの突出部１２４ａ〜ｅの下面は、圧電ポンプ１００が作動していないときに、支持部材１１４の上面と直接接触することにより、ポンプ室１３０を仕切る。すなわち、ポンプ室１３０は、各圧電素子１０２〜１１２毎の部分的なポンプ室１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２を有する。
【００１９】
６つの圧電素子１０２〜１１２に備えられる下部電極１０２ａ〜１１２ａの各々からは配線１０２ｄ〜１１２ｄが２本ずつ取り出され、上部電極１０２ｃ〜１１２ｃからは配線１０２ｅ〜１１２ｅが１本ずつ取り出される。取り出されたそれらの配線１０２ｄ〜１１２ｄ、１０２ｅ〜１１２ｅは端子１６０まで延びており、その端子１６０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１０２ａと２本の配線１０２ｄとの連結部１０２ｆ、１０２ｈ、上部電極１０２ｃと配線１０２ｅとの連結部１０２ｇ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１０２ｆ、１０２ｈ、１０２ｇの順で並んでいる。他の連結部（１０４ｆ〜１０４ｈ、１０６ｆ〜１０６ｈ、１０８ｆ〜１０８ｈ、１１０ｆ〜１１０ｈ、１１２ｆ〜１１２ｈ）についても同様である。
【００２０】
かかる圧電ポンプ１００は、例えば下記のようにして製造される。
【００２１】
まず、成膜用基板上に、下部電極１０２ａ〜１１２ａ、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ、上部電極１０２ｃ〜１１２ｃをこの順で積層する。より具体的には、まず、成膜用基板の表面上に下部電極１０２ａ〜１１２ａ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。成膜用基板は、その表面上に下部電極１０２ａ〜１１２ａ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１０２ａ〜１１２ａ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１０２ａ〜１１２ａとなる層の厚みは、例えば０.０５μｍ〜１.０μｍであってもよい。
【００２２】
次いで、下部電極１０２ａ〜１１２ａ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１０２ａ〜１１２ａが得られる。
【００２３】
次いで、下部電極１０２ａ〜１１２ａの表面上に圧電体１０２ｂ〜１１２ｂを形成する。圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ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１０２ｂ〜１１２ｂ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１０２ｂ〜１１２ｂの厚みは、例えば０.５μｍ〜５.０μｍであってもよい。
【００２４】
続いて、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂの表面上に上部電極１０２ｃ〜１１２ｃ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１０２ｃ〜１１２ｃ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１０２ｃ〜１１２ｃの厚みは、例えば０.０５μｍ〜１.０μｍであってもよい。
【００２５】
上記圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ及び上部電極１０２ｃ〜１１２ｃを形成する際、例えば上部電極１０２ｃ〜１１２ｃ上に所定形状のレジストを形成した後に圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ及び上部電極１０２ｃ〜１１２ｃ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、成形用基板上に、下部電極１０２ａ〜１１２ａ、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂ及び上部電極１０２ｃ〜１１２ｃをこの順で積層した圧電素子１０２〜１１２を得る。
【００２６】
次に、圧電素子１０２〜１１２を被覆するようにして支持部材１１４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１０２ｂ〜１１２ｂ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１１４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１０２ｂ〜１１２ｂの変位をポンプ室１３０に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプ１００の効率が高くなる。支持部材１１４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）を成膜用基板及び圧電素子１０２〜１１２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１０２〜１１２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１０２〜１１２と支持部材１１４とを備える構造体１２０を得る。
【００２７】
上述の構造体１２０とは別に、第２の基板１２４を作製する。第２の基板１２４は例えば厚み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１５０及び第２の開口部１５２をエッチング等により形成する。こうして、開口部１５０、１５２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１２４を得る。
【００２８】
次いで、上記構造体１２０上に第２の基板１２４を貼り付ける。この際、第２の基板１２４の凹凸加工が施された上記下面と構造体１２０の支持部材１１４が形成された側の面とを対向し、かつポンプ室１３０を形成するように位置合わせして、第２の基板１２４の下面と支持部材１１４とを、ポンプ室１３０となるべき部分の周囲で接合して貼り付ける。ただし、第２の基板の突出部１２４ａ〜ｅについては、支持部材１１４の上面と直接接触させるのみであり、接合しない。貼り付ける方法としては、支持部材１１４と第２の基板１２４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。そして、成膜用基板をエッチング等により剥離除去して、構造体１２０と第２の基板１２４とを備えた複合体を得る。
【００２９】
上述の複合体とは別に、第１の基板１２２を作製する。第１の基板１２２は、例えば厚み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）、第１の基板１２２を得る。
【００３０】
次に、上記複合体の構造体１２０側に第１の基板１２２を貼り付ける。この際、第１の基板１２２の凹凸加工が施された表面と構造体１２０の圧電素子１０２〜１１２が形成された側の面とを対向し、かつ空隙部１２６を形成するように位置合わせして、第１の基板１２２と構造体１２０表面とを接合して貼り付ける。貼り付ける方法としては、支持部材１１４と第１の基板１２２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。こうして、本実施形態の圧電ポンプ１００を得る。
【００３１】
このように本実施形態の圧電ポンプ１００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。
【００３２】
次に、本実施形態の圧電ポンプ１００の動作方法について、図２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１００は停止状態にあり、各ポンプ室１３２〜１４２は、突出部１２４ａ〜１２４ｅにより仕切られている。次いで、（ｂ）工程において、配線１０２ｄから連結部１０２ｈを介して圧電素子１０２の下部電極１０２ａと、配線１０２ｅから連結部１０２ｇを介して上部電極１０２ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線１０４ｄから連結部１０４ｆを介して圧電素子１０４の下部電極１０４ａと、配線１０４ｅから連結部１０４ｇを介して上部電極１０４ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電体１０２ｂ、１０４ｂの変位に伴い圧電素子１０２、１０４が支持部材１１４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１０２、１０４間にある支持部材１１４が下側へ引っ張られて突出部１２４ａと支持部材１１４とが離間する。これにより、ポンプ室１３２、１３４が負圧になるため、圧電ポンプ１００は、第１の開口部１５０からそれらのポンプ室１３２、１３４に流体を吸入する。なお、湾曲した圧電素子１０２の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部１０２ｈと連結部１０２ｇ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１０４の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部１０４ｆと連結部１０４ｇ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。
【００３３】
次いで、（ｃ）工程において、下部電極１０２ａと上部電極１０２ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線１０４ｄから連結部１０４ｈを介して圧電素子１０４の下部電極１０４ａと、配線１０４ｅから連結部１０４ｇを介して上部電極１０４ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線１０６ｄから連結部１０６ｆを介して圧電素子１０６の下部電極１０６ａと、配線１０６ｅから連結部１０６ｇを介して上部電極１０６ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子１０２が停止時の状態に戻り圧電素子１０２、１０４間で突出部１２４ａと支持部材１１４とが再び直接接触すると共に、圧電体１０６ｂの変位に伴い圧電素子１０６が支持部材１１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子１０４、１０６間にある支持部材１１４が下側へ引っ張られて突出部１２４ｂと支持部材１１４とが離間する。これにより、ポンプ室１３２が加圧されると共にポンプ室１３６が負圧になるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１３２内の流体を押し出す一方で、ポンプ室１３６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１０４ａへの電圧の印加を連結部１０４ｆ経由から連結部１０４ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子１０４の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部１０４ｆと連結部１０４ｇ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１０４ｈと連結部１０４ｇ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１３４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。
【００３４】
続いて、（ｄ）工程において、下部電極１０４ａと上部電極１０４ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線１０６ｄから連結部１０６ｈを介して圧電素子１０６の下部電極１０６ａと、配線１０６ｅから連結部１０６ｇを介して上部電極１０６ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線１０８ｄから連結部１０８ｆを介して圧電素子１０８の下部電極１０８ａと、配線１０８ｅから連結部１０８ｇを介して上部電極１０８ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子１０４が停止時の状態に戻り圧電素子１０４、１０６間で突出部１２４ｂと支持部材１１４とが再び直接接触すると共に、圧電体１０８ｂの変位に伴い圧電素子１０８が支持部材１１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子１０６、１０８間にある支持部材１１４が下側へ引っ張られて突出部１２４ｃと支持部材１１４とが離間する。これにより、ポンプ室１３４が加圧されると共にポンプ室１３８が負圧になるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１３４内の流体を押し出す一方で、ポンプ室１３８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１０６ａへの電圧の印加を連結部１０６ｆ経由から連結部１０６ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子１０６の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部１０６ｆと連結部１０６ｇ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１０６ｈと連結部１０６ｇ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１３６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。
【００３５】
次に、（ｅ）工程において、下部電極１０６ａと上部電極１０６ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線１０８ｄから連結部１０８ｈを介して圧電素子１０８の下部電極１０８ａと、配線１０８ｅから連結部１０８ｇを介して上部電極１０８ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線１１０ｄから連結部１１０ｆを介して圧電素子１１０の下部電極１１０ａと、配線１１０ｅから連結部１１０ｇを介して上部電極１１０ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子１０６が停止時の状態に戻り圧電素子１０６、１０８間で突出部１２４ｃと支持部材１１４とが再び直接接触すると共に、圧電体１１０ｂの変位に伴い圧電素子１１０が支持部材１１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子１０８、１１０間にある支持部材１１４が下側へ引っ張られて突出部１２４ｄと支持部材１１４とが離間する。これにより、ポンプ室１３６が加圧されると共にポンプ室１４０が負圧になるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１３６内の流体を押し出す一方で、ポンプ室１４０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１０８ａへの電圧の印加を連結部１０８ｆ経由から連結部１０８ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子１０８の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部１０８ｆと連結部１０８ｇ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１０８ｈと連結部１０８ｇ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１３８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。
【００３６】
そして、（ｆ）工程において、下部電極１０８ａと上部電極１０８ｃとの間への電圧の印加を停止し、配線１１０ｄから連結部１１０ｈを介して圧電素子１１０の下部電極１１０ａと、配線１１０ｅから連結部１１０ｇを介して上部電極１１０ｃとの間に電圧を印加すると同時に、配線１１２ｄから連結部１１２ｆを介して圧電素子１１２の下部電極１１２ａと、配線１１２ｅから連結部１１２ｇを介して上部電極１１２ｃとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子１０８が停止時の状態に戻り圧電素子１０８、１１０間で突出部１２４ｄと支持部材１１４とが再び直接接触すると共に、圧電体１１２ｂの変位に伴い圧電素子１１２が支持部材１１４を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子１１０、１１２間にある支持部材１１４が下側へ引っ張られて突出部１２４ｅと支持部材１１４とが離間する。これにより、ポンプ室１３８が加圧されると共にポンプ室１４２が負圧になるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１３８内の流体を押し出す一方で、ポンプ室１４２内に流体を吸入し、第２の開口部１５２から流体を吐出する。また、下部電極１１０ａへの電圧の印加を連結部１１０ｆ経由から連結部１１０ｈ経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子１１０の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部１１０ｆと連結部１１０ｇ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１１０ｈと連結部１１０ｇ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１４０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。
【００３７】
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１００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１００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。
【００３８】
本実施形態の圧電ポンプ１００は、流体の流通方向上流側から下流側に向けて、圧電素子１０２〜１１２のうちの２つの圧電素子に順に電圧を印加する。これにより、圧電素子１０２〜１１２を全体として蠕動様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１００によると、上述のとおり複数の圧電素子１０２〜１１２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１００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本の状態に戻して対応するポンプ室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１００の効率は非常に高いものとなる。
【００３９】
さらには、本実施形態の圧電ポンプ１００は、第２の基板１２４と構造体１２０とによって各ポンプ室１３２〜１４２が囲まれているため、各ポンプ室１３２〜１４２での圧電素子１０２〜１１２の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、流体は各ポンプ室１３２〜１４０から下流側の隣接するポンプ室１３４〜１４２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１００は各圧電素子１０２〜１１２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。
【００４０】
また、本実施形態の圧電ポンプ１００は、圧電素子１０２〜１１２の各々が１組の電極（下部電極、上部電極）を備えるため、それらの電極に対して圧電素子１０２〜１１２の寸法は大きくなく、圧電素子１０２〜１１２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１００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１００は、１つの支持部材１１４に支持された６つの圧電素子１０２〜１１２を備えており、いずれかの圧電素子に印加した電圧が、その他の圧電素子の変位に影響を与えない。そのため、この圧電ポンプ１００は、高速駆動時の十分に安定した運転も可能になり、かつ、圧電素子の変位量のばらつきも十分に抑制することができる。
【００４１】
さらに、本実施形態の圧電ポンプ１００において、圧電素子１０２〜１１２は第１及び第２の基板１２２、１２４で挟まれることにより、外部に直接露出していない状態となっており、圧電素子１０２〜１１２の周囲には空隙部１２６が存在する。圧電素子１０２〜１１２は振動の発生源になるところ、本実施形態の圧電ポンプ１００では、圧電素子１０２〜１１２が外部に直接露出しておらず、振動が空隙部１２６に吸収される。その結果、圧電ポンプ１００は、圧電素子１０２〜１１２による振動の外部への伝搬を抑制することができ、また振動に伴う信号ノイズをも抑制することができる。さらには、圧電ポンプ１００は、圧電素子１０２〜１１２を第１及び第２の基板１２２、１２４の外側ではなく内側に挟み込んだ構成を有している。そのため、圧電ポンプ１００を構成する圧電素子１０２〜１１２以外の素子及び回路を第１及び第２の基板１２２、１２４の外側に積層することも可能となり、圧電ポンプ１００を備える電子部品は、更なる高密度集積化を進めることができる。
【００４２】
本実施形態の圧電ポンプ１００において、支持部材１１４の一方の主面におけるポンプ室１３０に対向した部分１１４ａ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平面形状を有し、各圧電素子１０２〜１１２は円形の主面を有する。通常、薄膜の圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子は厚み方向（ｄ３３方向）に変位すると共にその面内方向に（ｄ３１方向）に放射状に変位する。よって、上記圧電素子１０２〜１１２及び支持部材１１４を用いると、放射状の変位を効率的に圧電素子の湾曲に反映することができる。さらに、各ポンプ室１３２〜１４２の下面の大部分が各圧電素子１０２〜１１２で占められておりデッドスペースが生じ難いため、各ポンプ室１３２〜１４２全体で圧電素子１０２〜１１２の湾曲により流体の流れが発生しやすい。これらにより、圧電ポンプ１００は、印加した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。
【００４３】
さらに本実施形態の圧電ポンプ１００は、電極と配線との連結部を上述のように排泄することで、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。これによって、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。
【００４４】
また、本実施形態の圧電ポンプ１００において、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂの材料にＰＺＴなどのＰｂ（鉛）含有材料を採用した場合、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂが第１の基板１２２及び支持部材１１４によって包囲されているため、圧電体１０２ｂ〜１１２ｂから発生するＰｂの、圧電ポンプ１００外部への飛散を防止することも可能となる。
【００４５】
さらに、本実施形態の圧電ポンプ１００は低い電圧で変位する薄膜状の圧電素子１０２〜１１２を採用しているため、より低電圧であっても良好な効率を発揮することができる。また、圧電素子１０２〜１１２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１０２〜１１２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、薄型化が可能となる。そのため、圧電ポンプ１００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。
【００４６】
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記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。
【００４７】
例えば、上記本実施形態では６つの圧電素子が１つの支持部材上に配設されているが、本発明に係る圧電素子は、蠕動様の動作を可能にするために、１つの支持部材上に２つ以上、つまり複数の圧電素子が配設されていればよく、例えば２つの圧電素子が配設されていてもよい。また、圧電ポンプの動作方法について、上記本実施形態では、２つの圧電素子に同時に電圧を印加するが、電圧の印加は１つの圧電素子毎であってもよく、３つ以上の圧電素子に対して同時に電圧を印加してもよい。この場合、上流側の圧電素子から順に電圧の印加を開始すればよい。
【００４８】
上記本実施形態では、支持部材が同じ工程で形成された連続膜であったが、支持部材は、別の工程で形成された複数の部材を互いに接合して１つの支持部材としたものであってもよい。また、上記本実施形態ではポンプ室の一つの内壁面を圧電素子の変位により湾曲させているところ、ポンプ室内のデッドスペースの発生を抑制する観点から、その湾曲する内壁面に対する圧電素子が占める面積は大きい方が好ましい。例えば、圧電素子が占める面積は５０％以上であると好ましく、８０％以上であるとより好ましく、９０％以上であると更に好ましく、９５％以上であると特に好ましく、９８％以上であると極めて好ましい。ただし、圧電素子が占める面積が１００％よりも大きくなると圧電素子の振動が抑えられ、変位が低下してしまうため、１００％以下であることが好ましい。
【００４９】
さらに、圧電素子の主面形状及び支持部材のポンプ室に対向した部分の主面形状は上述のものに限定されない。圧電素子の放射状の変位を効率的に湾曲に変換するためには、圧電素子の主面形状及びそれに対応する部分の支持部材の主面形状は円形であることが望ましいが、例えば楕円形であってもよく、四角形などの多角形であってもよい。また、電極と配線との連結部は上述の配列に限定されず、例えば下部電極及び上部電極について１カ所ずつであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電ポンプを模式的に示す透視平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧電ポンプの動作を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００…圧電ポンプ、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２…圧電素子、１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１０ａ、１１２ａ…下部電極、１０２ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ、１０８ｂ、１１０ｂ、１１２ｂ…圧電体、１０２ｃ、１０４ｃ、１０６ｃ、１０８ｃ、１１０ｃ、１１２ｃ…上部電極、１１４…支持部材、１２０…構造体、１２２…第１の基板、１２４…第２の基板、１２６…空隙部、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２…ポンプ室、１５０…第１の開口部、１５２…第２の開口部。
【図１】
2010065551.tif 000003
【図２】
2010065551.tif 000004
【図３】
2010065551.tif 000005