(57)【要約】【課題】流体を効率よく移送でき、構造が簡単で小型の流体移送装置を提供する。【解決手段】基板１０と、この基板上に変位可能に配置された円板状の圧電素子２０とを備えた流体移送装置である。圧電素子２０には同心円状の複数の分割電極２３ａ〜２３ｅが形成されており、それぞれの分割電極に電圧Ｅ１〜Ｅ４を位相をずらして印加することにより、圧電素子２０に環状の波打ち状屈曲変形を発生させる。圧電素子２０と基板１０との間に生成される環状のポケット室を半径方向に移動させることにより、流体を外周部から中心部へと移送し、中心部から流体を吐出する。【選択図】    図２
2008111397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に変位可能に配置された円板状の圧電素子とを備えた流体移送装置であって、
上記圧電素子には同心円状の複数の分割電極が形成されており、
上記分割電極に電圧を順次位相をずらして印加する電圧印加手段が設けられ、
上記分割電極に電圧を位相をずらして印加することにより上記圧電素子に環状の波打ち状屈曲変形を発生させ、上記圧電素子と基板との間に生成される環状のポケット室を半径方向に移動させることにより、流体を外周部と中心部との間で移送することを特徴とする流体移送装置。
【請求項２】
上記基板および圧電素子のいずれか一方の中心部に第１の流路口が形成され、上記基板および圧電素子のいずれか一方の外周部または両者の外周部の間に第２の流路口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体移送装置。
【請求項３】
上記圧電素子の外周部が上記基板に固定され、上記圧電素子への非電圧印加時において、第１の流路口及び第２の流路口が上記圧電素子と基板とによって閉じられていることを特徴とする請求項２に記載の流体移送装置。
【請求項４】
上記圧電素子への非電圧印加時において、上記圧電素子と基板とが全面で接触していることを特徴とする請求項３に記載の流体移送装置。
【請求項５】
上記圧電素子は、少なくとも３個に分割された同心円状の分割電極と分割されていない全面電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【請求項６】
上記圧電素子は、同心円状の複数の第１の分割電極と、この第１の分割電極と同心円状でかつ分割電極間のギャップ部が第１の分割電極間のギャップ部と半径方向に交互に位置する複数の第２の分割電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【請求項７】
基板と、この基板上に変位可能に配置された円板状の圧電素子とを備えた流体移送装置であって、
上記圧電素子には一方に順次偏心した略円状の複数の分割電極が形成されており、
上記分割電極に電圧を順次位相をずらして印加する電圧印加手段が設けられ、
上記分割電極に電圧を位相をずらして印加することにより上記圧電素子に環状の波打ち状屈曲変形を発生させ、上記圧電素子と基板との間に生成される環状のポケット室を半径方向に移動させることにより、流体を外周部と中心部との間で移送することを特徴とする流体移送装置。
【請求項８】
上記分割電極の各ギャップ部は、上記圧電素子より外周側の仮想直線からの距離の平方根にほぼ比例するように設定されている請求項７に記載の流体移送装置。
【請求項９】
上記基板は上記圧電素子と同様の構造を有する圧電素子で構成され、対向する圧電素子の各分割電極に同一位相の電圧を順次位相をずらして印加することにより、上記一対の圧電素子に環状の波打ち状屈曲変形を対称的に発生させ、２つの圧電素子の間に生成される環状のポケット室を半径方向に移動させることにより、流体を移送することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の流体移送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体移送装置、例えば屈曲変形する圧電素子を用いた流体移送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコンなどの小型電子機器の冷却水輸送用ポンプや燃料電池の燃料輸送用ポンプなどに、圧電ポンプが用いられている。また、ＣＰＵ等の冷却用ファンに代わる送風用ポンプ、あるいは燃料電池で発電するのに必要な酸素を供給するための送風用ポンプとしても、圧電ポンプを用いることができる。圧電ポンプは、電圧印加により屈曲変形する圧電素子を用いたポンプであり、構造が簡単で、薄型に構成でき、かつ低消費電力であるという利点がある。【０００３】
特許文献１や２には、流入口と流出口とを有するポンプ本体上に、振動板を接触状態で取り付けるとともに、振動板上に流入口から流出口に向かって並ぶように複数の圧電素子を取り付けた圧電ポンプが提案されている。このポンプの場合には、流入口側に近い圧電素子から流出口側に近い圧電素子へと順次に駆動することにより、振動板を流入口から流出口に向かって順次撓ませ、流体を流入口から流出口に向かって押し出すことができる。そして、圧電素子への電圧印加を停止すると、振動板の復元によって流入口と流出口との間の流路を閉じるので、流入口および流出口の逆止弁を省略することができる。【０００４】
上記のような先行技術の場合、複数の圧電素子を振動板に貼り付け、異なる位相の電圧を印加することで、ポンプ本体の一端から他端に向かって流体を移送する、いわゆるチューブポンプ動作をしている。しかしながら、複数の圧電素子を平面状に配列しているため、ポンプ構造として大型かつ複雑になるという問題がある。また、複数の圧電素子でチューブポンプ動作をするため、圧電素子同士を連結するための弾性変形する接続部の構造、流体のシールなどが難しく、流体を抱え込んだ微小体積のポケットをうまく移動させる機構の実現が困難である。【０００５】
特許文献３では、圧電素子の中心領域と周辺領域とにそれぞれリング状の分割電極を形成し、これら中心領域と周辺領域とを逆方向に伸縮させることで、圧電素子を屈曲変形させ、流体を移送する流体ポンプが開示されている。圧電素子は矩形状であり、この圧電素子上に分割電極が長辺方向に並んだ状態で形成されている。この場合も、圧電素子の屈曲変形は一端から他端に向かって移動する、いわゆるチューブポンプ動作をする。しかしながら、上述の先行技術と同様に、移動方向に向かって複数の電極を形成しなければならず、ポンプ構造として大型化するという欠点がある。また、弾性変形する電極間を連結するための接続部のシールが難しく、流体を抱え込んだ微小体積のポケットをうまく移動させることが難しい。
【特許文献１】特開平２−１４９７７８号公報
【特許文献２】特開平４−８６３８８号公報
【特許文献３】特表平１−５００８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、流体を効率よく移送でき、構造が簡単で小型の流体移送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、基板と、この基板上に変位可能に配置された円板状の圧電素子とを備えた流体移送装置であって、上記圧電素子には同心円状の複数の分割電極が形成されており、上記分割電極に電圧を順次位相をずらして印加する電圧印加手段が設けられ、上記分割電極に電圧を位相をずらして印加することにより上記圧電素子に環状の波打ち状屈曲変形を発生させ、上記圧電素子と基板との間に生成される環状のポケット室を半径方向に移動させることにより、流体を外周部と中心部との間で移送することを特徴とする流体移送装置を提供する。【０００８】
本発明では、基板上に同心円状の複数の分割電極が形成された円板状の圧電素子を配置する。圧電素子に電圧を印加しない状態では、基板と圧電素子とはほぼ隙間なく接触している。それぞれの分割電極に振幅が等しい電圧を位相をずらして印加すると、圧電素子には環状の波打ち状屈曲変形が発生する。この変形により圧電素子と基板との間に環状のポケット室が生成され、このポケット室が外周部から内周部に向かって、あるいは内周部から外周部に向かって半径方向に移動するため、流体を外周部と中心部との間で移送することができる。このように、流体を抱え込んだ環状のポケット室を圧電素子自身でシールできるため、流体の漏れが少なく、ポケット室内の流体を確実に移送でき、高い吐出圧力を発生することができる。圧電素子が円板状であり、分割電極が同心円状であるため、構造が簡単で小型に構成できる。【０００９】
本発明の流体移送装置によって移送する流体としては、液体でもよいし気体（例えば空気）でもよい。特に、圧電素子を高周波数で駆動する場合には、気体を用いるのがよい。空気の場合、半導体素子の冷却用ブロアや、燃料電池の空気極で発生する水を蒸発させるブロアなどの用途に用いることができる。分割電極に印加する電圧の振幅は、各分割電極において必ずしも等しくする必要はないが、等しくした場合には、各分割電極を設けた領域の変位量をほぼ等しくできる。また、分割電極の間に設けられるギャップを半径方向に等ピッチで設けた場合には、ポケット室の体積をほぼ一定の速度で変化させることができ、流体の流れが円滑になる。【００１０】
基板および圧電素子のいずれか一方の中心部に第１の流路口を形成し、基板および圧電素子のいずれか一方の外周部または両者の外周部の間に第２の流路口を形成するのがよい。圧電素子への印加電圧の位相を逆転することによって、外周部から流体を吸い込み中心部より吐出する動作と、中心部から流体を吸い込み外周部より吐出する動作とを切り替え可能である。つまり、第１の流路口を流出口とし、第２の流路口を流入口とするか、逆に第１の流路口を流入口とし、第２の流路口を流出口とするかを切替可能である。特に、前者の場合（外周部から流体を吸い込み中心部より吐出する場合）には、ポケット室が外周部から中心部に移動するにつれてその体積が減少するので、吐出圧力を高くできる利点がある。【００１１】
圧電素子の外周部を基板に固定し、圧電素子への非電圧印加時において、第１の流路口及び第２の流路口を圧電素子と基板とによって閉じる構成とするのがよい。この場合には、非電圧印加時に第１の流路口及び第２の流路口がシールされるので、格別なバルブを設けなくても流体の流れを阻止できる。【００１２】
さらに、圧電素子と基板とが全面で接触している構成としてもよい。この場合には、非駆動時において圧電素子と基板との間にポケット室が存在しないので、圧電素子が少しでも変位すれば、流入口から流体を強く吸い込み、強く吐出することができる。【００１３】
圧電素子を基板に対して支持する構造としては、例えば圧電素子の外周部を基板に固定してもよいし、圧電素子の外周部を基板に対して接離自在に弾性支持してもよい。前者の場合には、圧電素子の外周部が基板によって固定されているので、圧電素子の浮き上がりを防止でき、ポンプ効率を向上させることができる。後者の場合には、圧電素子の外周部が撓むことによって、圧電素子と基板との間に第２の流路口が自然に形成される。圧電素子を強く拘束しないので、圧電素子が自由に変位できる。その他、圧電素子の支持構造は任意の構造を採用し得る。【００１４】
圧電素子としてはバイモルフ構造の積層型圧電素子を用いるのがよい。例えば、圧電素子を、少なくとも３個に分割された同心円状の分割電極と分割されていない全面電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものとしてもよいし、同心円状の複数の第１の分割電極と、第１の分割電極と同心円状でかつ分割電極間のギャップ部が第１の分割電極間のギャップ部と半径方向に交互に位置する複数の第２の分割電極とを、圧電体層を間にして交互に積層したものとしてもよい。前者の場合には、一方の電極をべた電極（全面電極）にできるため、電極パターンが一種類で済む。後者の場合には、前者に比べて１面当たりの分極電極の数を少なくでき、各分割電極に印加される電圧を低くできるという利点がある。【００１５】
円板状の圧電素子に設けられる分割電極は、同心円状である必要はなく、一方に順次偏心した複数の分割電極でもよい。すなわち、小型化のために圧電素子の直径を小さくすると、環状に変位するポケット室の体積は圧電素子の直径のほぼ４乗に比例して減少するため、流体の吐出流量が極端に減少してしまう。これに対し、複数の分割電極を順次一方に偏心させて形成した場合には、分割電極が幅広な部分と幅狭な部分とを有するので、幅広な部分でポケット室の体積を確保できる。そのため、圧電素子の直径が小さくなっても、ポケット室の体積減少を抑制でき、吐出流量の極端な減少を抑制できる。【００１６】
上記のように偏心した分割電極を形成した場合、屈曲変形時の稜線の高さをそろえておかないと、ポケット室の淵に隙間が開いてしまうため、シール性が悪くなり、流量と圧力が得られない。そのため、稜線の高さを揃えるような形状の電極パターンになるように、電極の境界線を決定する必要がある。そこで、電極の境界線つまり分割電極間のギャップ部を、圧電素子より外周側の仮想直線からの距離の平方根にほぼ比例するように設定するのがよい。この場合には、仮想直線から各起伏部の頂点を結ぶ線が平面上に並ぶので、各ポケット室を確実にシールでき、流体を確実に移送できる。【００１７】
上記説明では、固定された基板に対して圧電素子を変位可能に配置したが、基板として圧電素子を用いてもよい。すなわち、２枚の円板状圧電素子を対向して配置し、これら圧電素子を対称的に屈曲変位させるようにしてもよい。この場合には、ポケット室の容積が２倍になるので、吐出流量を増大させることが可能になる。
【発明の好ましい実施形態の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、基板上に同心円状の複数の分割電極が形成された円板状の圧電素子を配置し、それぞれの分割電極に電圧を位相をずらして印加するようにしたので、圧電素子が屈曲変形して圧電素子と基板との間に環状のポケット室が生成され、このポケット室が半径方向に移動することで、流体を半径方向に移送することができる。圧電素子が円板状であり、分割電極が同心円状であるため、流体を抱え込んだ環状のポケット室を圧電素子自身でシールでき、高い吐出圧力を得ることができる。また、本流体移送装置は１つの円板状圧電素子と基板とで構成されるので、構造が簡単になり、小型・薄型化できる。さらに、圧電素子の屈曲変形により流入口と流出口との間の流路を閉じるので、流入口および流出口の逆止弁を省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１〜図３は本発明にかかる流体移送装置の第１実施例を示し、ここでは空気供給用マイクロポンプとして用いた例を示す。図１は本実施例のマイクロポンプＡの全体斜視図、図２はその分解斜視図、図３は図１のIII −III 線断面図である。【００２１】
本実施例のマイクロポンプＡは、固定板である基板１０と、その上に変位自在に配置された円板状の圧電素子２０とで構成されており、圧電素子２０の外周部全周が接着剤１１により基板１０に固定されている。この実施例では、基板１０と圧電素子２０とが同一直径の円板で構成されているが、基板１０の形状は任意であり、その大きさは圧電素子２０より大きくてもよい。基板１０は、剛性のある金属板または樹脂板などよりなり、圧電素子２０と接する上面が平面の板材で構成されている。接着剤１１が塗布された外周部よりやや内径側の基板１０の部位には複数の流入口１２が形成され、圧電素子２０の中心部と対向する基板１０の部位には流出口１３が形成されている。なお、流入口１２、流出口１３を基板１０に代えて圧電素子２０に形成してもよいし、流入口１２をマイクロポンプＡの外周面に連通するように基板１０の上面に溝状に形成してもよい。圧電素子２０への非電圧印加時には、図３に示すように基板１０と圧電素子２０とが全面で接触しており、両者の間にポケット室（空間）は存在せず、流入口１２と流出口１３とが閉じられている。【００２２】
図４，図５は圧電素子２０の詳細な構造およびその配線構造を示す。図４に示すように、圧電素子２０は２層の圧電体層２１ａ，２１ｂを全面電極２２を間にして積層したものであり、２層の圧電体層２１ａ，２１ｂは、矢印Ｐで示すように全領域にわたって同一方向に分極されている。表裏の主面には幅狭なギャップ部Ｇ１〜Ｇ４を介して５分割された分割電極２３ａ〜２３ｅが同心円状に形成されている。分割電極２３ａ〜２３ｅは、中心部に位置する円形の第１の分割電極２３ａと、その外側に位置する円環状の第２〜第５の分割電極２３ｂ〜２３ｅとで構成されており、中心部の第１の分割電極２３ａと最外側の第５の分割電極２３ｅとが相互に接続されている。裏側の分割電極２３ａ〜２３ｅも同様に構成されており、表裏対向する分割電極同士が相互に接続されて、電圧印加手段１と接続されている。図４では、第１と第５の分割電極２３ａ，２３ｅに電圧印加手段１から電圧Ｅ１が印加され、第２の分割電極２３ｂに電圧Ｅ２が印加され、第３の分割電極２３ｃに電圧Ｅ３が印加され、第４の分割電極２３ｄに電圧Ｅ４が印加される。全面電極２２はグランドつまり０ｖに接続されている。【００２３】
この実施例では、分割電極間のギャップ部Ｇ１〜Ｇ４は円状に等ピッチで形成されている。すなわち、図５に示すように、第１の分割電極２３ａと第２の分割電極２３ｂとの間のギャップ部Ｇ１の直径をＤとしたとき、第２の分割電極２３ｂと第３の分割電極２３ｃとの間のギャップ部Ｇ２の直径は２Ｄ、第３の分割電極２３ｃと第４の分割電極２３ｄとの間のギャップ部Ｇ３の直径は３Ｄ、第４の分割電極２３ｄと第５の分割電極２３ｅとの間のギャップ部Ｇ４の直径は４Ｄ、そして第５の分割電極２３ｅの外径（圧電素子２０の外径）は５Ｄとしてある。【００２４】
図６は、電圧印加手段１から各分割電極に印加される電圧Ｅ１〜Ｅ４の振幅および位相を示す。図６から明らかなように、各分割電極には位相が９０度異なり振幅が等しい正弦波電圧Ｅ１〜Ｅ４が印加される。上記のように位相が９０度異なる電圧を印加することにより、圧電素子２０には図７に示すような変位が発生する。なお、本実施例では４つの分割電極に位相が９０度異なる電圧を印加したが、分割電極の数に応じて位相を変更することができる。例えば３つの分割電極に対して位相が１２０度異なる電圧を印加してもよいし、６つの分割電極に対して位相が６０度異なる電圧を印加してもよい。【００２５】
図７は直径３０ｍｍ、厚み０．３ｍｍの圧電素子２０を使用し、その外周部を固定しない状態での各部分の変位をシミュレーション（静解析）した結果である。半径方向の位置を横軸にとり、縦軸はＺ方向（高さ方向）の屈曲変位を示している。最も低くなる位置をゼロに揃えて表示している。ｔ１〜ｔ８は正弦波の４５°ずつの各位相であり、各電極への印加電圧を４５°ずらして変化させた場合のそれぞれの変形形状を８本の曲線で表示している。変位０の位置には、対向する床面（基板１０）があると仮定する。位相ｔ５を少し過ぎたところで、半径１２．５ｍｍ付近で床面に対して圧電素子が接触し、中心の接触点と接触位置が交換する。これにより床面と圧電素子との間に流体を抱え込んだポケット室が中心付近に現れる。この中心ポケット室はｔ５〜ｔ６〜ｔ７〜ｔ８〜ｔ１〜ｔ２と経過するに従い体積が小さくなり、最後に消滅する。【００２６】
図８は中心ポケット室の体積変化の様子を示す。ほぼ一定の速度で中心ポケット室の体積が減少していることがわかる。床面（基板１０）の中心に穴１３をあけておけば、ｔ５〜ｔ６〜ｔ７〜ｔ８〜ｔ１〜ｔ２〜ｔ３の過程で、この穴１３から流体を吹き出すことができる。続くｔ４〜ｔ５の過程で、再び外周部から新しい流体の抱え込みが完了する。以後、この動作を繰り返す。圧電素子２０を適切な周波数で駆動することで、脈動はあるものの、平均すると大きな吹き出し流量を得ることができる。本実施例の圧電素子２０の共振周波数は４ｋＨｚであるが、共振周波数を超えない範囲で大きい周波数範囲で使用することが好ましい。【００２７】
図９は外周部を固定した圧電素子２０の実際の変位を示す。位相が９０度異なり振幅が等しい正弦波電圧Ｅ１〜Ｅ４を印加することにより、図９に示すように圧電素子２０にその半径方向に波打ち状の屈曲変形が発生し、圧電素子２０と基板１０との間に環状のポケット室Ｓが生成され、このポケット室Ｓが外周部から中心部に向かって移動する。そのため、流体を外周部の流入口１２から吸い込み、中心部の流出口１３から吐出することができる。図９の（ａ）は外周部に環状のポケット室Ｓが生成された状態であり、流入口１２から流体が吸い込まれてポケット室Ｓに入る。図９の（ｂ）は、外周部に形成された環状のポケット室Ｓが内周方向に移動し、流入口１２および流出口１３の双方がほぼ閉鎖された状態を示す。この状態で、流体を抱え込んだポケット室Ｓの内外周は圧電素子２０の屈曲によってシールされるので、流体の漏れが少ない。図９の（ｃ）はポケット室Ｓがさらに内周側へ移動して中心部で合体し、流出口１３から流体の吐出を開始した状態を示す。図９の（ｄ）は圧電素子２０の屈曲変形がさらに内周方向に移動し、中心部の変位が最大となった状態を示す。次に、図９の（ａ）の状態に戻るが、流出口１３からの流体の吐出は、図９の（ａ）の状態に戻るまで続く。【００２８】
上記のように外周部の流入口１２から流体を吸込み、中心部の流出口１３から流体を吐出する構造のマイクロポンプＡの場合、外周部に位置する環状のポケット室Ｓの容積が漸次減少しながら中心部に移動し、中心部の流出口１３から集中的に吐出するので、流出口１３から吐出される流体の吐出圧力を高くすることができる。また、非駆動時において圧電素子２０と基板１０とが面で接触しており、ポケット室が形成されないので、圧電素子２０が少しでも変位すれば、流体を吸い込むことができ、かつ高い圧力で流体を吐出することができる。【００２９】
図１０は、表裏主面に形成された分割電極２３ａ〜２３ｅを外部に引き出すための電極構造の一例を示す。図１０では、中心部の第１の分割電極２３ａから外周端面まで延びる引出電極２５ａを半径方向に形成するとともに、これと平行して第２〜第４の分割電極２３ｂ〜２３ｄから外周端面まで延びる引出電極２５ｂ〜２５ｄを半径方向に形成してある。なお、第１の分割電極２３ａから引き出された引出電極２５ａと第５の分割電極２３ｅとが主面上で接続されているが、引出電極２５ａと第５の分割電極２３ｅとが分かれていてもよい。外周端面まで引き出された表裏主面の分割電極２３ａ〜２３ｅは、端面電極（図示せず）によって相互に接続することができる。【００３０】
圧電素子２０が多層構造の場合、表裏の分割電極２３ａ〜２３ｅ同士を導通させる方法として、図１１のようにスルーホール２６ａ〜２６ｆを用いて接続してもよい。スルーホール２６ａ〜２６ｅは表裏の分割電極２３ａ〜２３ｅを相互に接続するスルーホールであり、スルーホール２６ｆは全面電極同士を相互に接続するスルーホールである。この場合、スルーホール部以外に引出し部が不要なので、より軸対称形状に近い変形が可能になる。【００３１】
上記のように構成した圧電マイクロポンプＡを、吹出穴１３が発熱素子（半導体ベアチップなど）に対向するように配置しておけば、吹出穴１３から吹き出された空気により発熱素子を効果的に冷却することができる。また、圧電マイクロポンプＡを、ダイレクトメタノール型燃料電池の空気極に対向するように配置しておけば、空気極で発生した水を蒸発させて取り除くことができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。また、燃料電池のセルがスタック型の場合にも、吹出穴１３から吹き出された空気が各セルの間に流れるような流路を構成してやることで、空気極で発生した水を蒸発させて取り除くことができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。
【実施例２】
【００３２】
図１２〜図１４は本発明にかかる流体移送装置の第２実施例を示す。この実施例では、第１実施例とは異なり、圧電素子３０の分割電極として２種類の異なるパターンを使用している。圧電素子３０の外径を５Ｄとしたとき、第１の電極パターンは、図１２の（ａ）に示すように、直径Ｄと３Ｄで分割された３つの同心円状の分割電極３２ａ〜３２ｃよりなるパターンであり、第２の電極パターンは、図１２の（ｂ）に示すように、直径２Ｄと４Ｄで分割された３つの同心円状の分割電極３３ａ〜３３ｃよりなるパターンである。【００３３】
図１３に示すように、上記２種類の分割電極パターン３２ａ〜３２ｃ、３３ａ〜３３ｃが圧電体層３１ａ，３１ｂを間にして交互に積層されている。そして、中心部の分割電極３２ａと最外側の分割電極３２ｃとが相互に接続され、かつ表裏の分割電極も対向する電極同士が相互に接続されている。また、層間の分割電極３３ａと３３ｃとが相互に接続されて外部へ引き出され、層間の分割電極３３ｂは個別に外部へ引き出されている。分割電極３２ａ，３２ｃに図示しない電圧印加手段から電圧ｅ１が印加され、分割電極３３ａ，３３ｃに電圧ｅ２が印加され、分割電極３２ｂに電圧ｅ３が印加され、分割電極３３ｂに電圧ｅ４が印加される。図１３では、第１の電極パターン３２ａ〜３２ｃを主面電極とし、第２の電極パターン３３ａ〜３３ｃを層間電極とした例を示したが、第１の電極パターン３２ａ〜３２ｃを層間電極とし、第２の電極パターン３３ａ〜３３ｃを主面電極としてもよいことは勿論である。【００３４】
図１４は各分割電極に印加される電圧ｅ１〜ｅ４の振幅および位相を示す。図１４に示すように、各分割電極には位相が９０度異なり振幅が等しい正弦波電圧ｅ１〜ｅ４が印加され、圧電素子３０には図７と同様な変位が発生する。第１実施例では、分割電極２３ａ〜２３ｅと全面電極２２（０ｖ）との間に９０度ずつ位相をずらした電圧Ｅ１〜Ｅ４を印加したが、第２実施例では圧電体層を挟んで対向する分割電極間に９０度ずつ位相をずらした電圧ｅ１〜ｅ４を印加するので、電圧ｅ１〜ｅ４の振幅を電圧Ｅ１〜Ｅ４に比べて低くしながら、同等の変位量を得ることができる。また、一面に形成される分割電極の数が第１実施例に比べて少なくなる、換言すれば分割電極を仕切るギャップ部の数を少なくできるので、圧電素子３０を効果的に屈曲させることができる。【００３５】
図１５は第２実施例の圧電素子３０における分割電極を外部に引き出すための構造の一例を示す。図１５の（ａ）は、第１の電極パターン３２ａ〜３２ｃのうち、中心部の分割電極３２ａと外周部の分割電極３２ｃとを半径方向に延びる引出電極３５ａで接続するとともに、中間部の分割電極３２ｂを半径方向に延びる引出電極３５ｂで外周端面まで引き出してある。図１５の（ｂ）は、第２の電極パターン３３ａ〜３３ｃのうち、中心部の分割電極３３ａと外周部の分割電極３３ｃとを半径方向に延びる引出電極３６ａで接続するとともに、中間部の分割電極３３ｂを半径方向に延びる引出電極３６ｂで外周端面まで引き出してある。引出電極同士が重ならないように、引出電極３５ａ，３５ｂと引出電極３６ａ，３６ｂとは互いに直交方向に形成されている。外周端面まで引き出された電極は、端面電極（図示せず）によって相互に接続されている。【００３６】
図１６の（ａ），（ｂ）は、図１５のような半径方向の引出電極および端面電極に代えてスルーホールを用いて導通させたものである。即ち、第１の電極パターンの電極３２ａ〜３２ｃ同士、および第２の電極パターンの電極３３ａ〜３３ｃ同士をスルーホール３７ａ〜３７ｆによって相互に接続してある。この場合も、スルーホール部以外に引出し部が不要なので、より軸対称形状に近い変形が可能になる。
【実施例３】
【００３７】
図１７〜図１９は本発明にかかる流体移送装置の第３実施例を示す。この実施例は、圧電素子４０の電極パターンを同心円状ではなく、図１７のように、片方に偏心させて配置したものである。すなわち、中心部の分割電極４１ａの外側に環状の分割電極４１ｂ〜４１ｅを順次偏心させて形成したものであり、分割電極の境界線であるギャップ部Ｇ１〜Ｇ４のピッチを、圧電素子４０外部の仮想直線Ｏからの距離の平方根に比例するように配置してある。この例では、仮想直線Ｏとはｘ＝０（図１８のＹ軸）のことであり、この仮想直線Ｏからの距離ｘの平方根に比例するように、境界ピッチを０．８ｘ0.5 としている。圧電素子４０の直径が３０ｍｍの場合、圧電素子４０の中心は（ｘ，ｙ）＝（１７，０）としている。【００３８】
屈曲変形時の高さ方向変位ｈは、ほぼ境界線ピッチ（ギャップ部Ｇ１〜Ｇ４のピッチ）の２乗に比例するため、電極を同心円に配置するよりも、偏心させて配置したほうが、空気を抱え込むポケット室の体積が全体としては大きくなる。そのため、流量を増加させるのに有利である。ただし、屈曲変形時の稜線の高さをそろえておかないと、ポケット室の淵に隙間が開いてしまうため、シール性が悪くなり、流量と圧力が得られない。そこで、稜線の高さを揃えるような形状の電極パターンになるように、境界線を決定する必要がある。【００３９】
屈曲変形時の高さ方向変位ｈは、ほぼ境界線ピッチの２乗に比例するということは、境界線ピッチを圧電素子外部の仮想直線Ｏからの距離の平方根に比例するように配置すると、稜線の高さは一つの平面上に乗るようにできる。図１９を参照しながら説明すると、仮想直線Ｏからの距離ｘの平方根に比例するように境界線ピッチを選べば、起伏ピッチδｘは境界線ピッチに比例するから、起伏ピッチδｘは仮想直線Ｏからの距離ｘの平方根に比例する。すなわち、
δｘ∝ｘ0.5 
このとき、起伏の高さは起伏ピッチの２乗に比例するから、起伏の高さは仮想直線Ｏからの距離に比例する。すなわち、
ｈ∝δｘ2 ∝ｘ
となる。【００４０】
分割電極４１ｂ〜４１ｅの具体的な形成方法は次のように行う。すなわち、図１８に示すように、先ず圧電素子４０の外径となる円Ｃ１を描く。次に、円Ｃ１の各点について円Ｃ１を構成する各点の法線から０．８ｘ0.5 内側に位置する各点をつなぐことによって略円形のＣ２を描く。同様の手順で、順に略円形のＣ３，Ｃ４，Ｃ５を描くことで、分割電極４１ｂ〜４１ｅの形状が決定する。
【実施例４】
【００４１】
図２０は本発明の第４実施例の圧電マイクロポンプＢを示す。第１〜第３実施例では、固定平板である基板の上に圧電素子を対向して配置した例を示したが、この実施例は２枚の圧電素子５０，６０を対向して配置したものである。この例では、圧電素子５０，６０の外周部同士を接着してある。一方の圧電素子５０の中心部に流出穴５１を設け、他方の圧電素子６０の外周部に流入孔６１を設けた場合には、圧電マイクロポンプＢの裏側から流体を吸い込み、表側の中心から流体を吐出することができる。この場合には、流体を抱え込むポケット部Ｓの体積を固定平板を用いた場合に比べて２倍にできるので、流量が増加するという利点がある。なお、流入孔と流出孔の両方をいずれか一方の圧電素子５０又は６０に設けてもよい。
【実施例５】
【００４２】
図２１は本発明の第５実施例の圧電マイクロポンプＣを示す。本実施例では、第１実施例と同様に圧電素子２０の外周部が基板１０と接着固定１１されている。圧電素子２０への非電圧印加時（非駆動時）において、圧電素子２０が全面で基板１０に接触せず、基板１０の流路口１２，１３を除く部位と圧電素子２０との間に空隙部１４が形成されている。この空隙部１４の高さＨは、圧電素子２０の振幅よりも小さく設定されている。非電圧印加時に、圧電素子２０は流路口１２，１３の周囲に突設した円環状の弁座部１２ａ，１３ａに接触するため、弁座部１２ａ，１３ａの面圧が高くなり、両流路口１２，１３のシール性が向上する。この場合も、空隙１４の高さが圧電素子２０の振幅より小さいので、高い圧力で流体を吸い込み、かつ吐出することができる。
【実施例６】
【００４３】
図２２は本発明の第６実施例の圧電マイクロポンプＤを示す。本実施例では、基板１０に保持部１４を形成し、圧電素子２０の外周部を弾性部材１５を介して基板１０に対して弾性支持している。この場合には、圧電素子２０の外周部が拘束されないので、圧電素子２０の外周端部も変位することができる。そのため、圧電素子２０の外周からより多量の流体を吸い込むことができ、吐出流量を増加させることができる。【００４４】
上記実施例では、圧電素子として２層の圧電体層を積層した構造について説明したが、３層以上の圧電体層を積層したものでもよい。薄層化して多数積層した場合には、印加電圧をさらに下げることができる。
また、積層構造とは、単層構造の圧電体を焼成し、表裏面に電極を形成した後、相互に接着したものでもよいし、電極を形成した複数のセラミックグリーンシートを積層し、その後で焼成したものでもよい。
上記実施例では、本発明の流体移送装置を空気のような圧縮性流体の移送用マイクロポンプとして用いた例を示したが、液体のような非圧縮性流体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例の圧電マイクロポンプの全体斜視図である。
【図２】図１に示す圧電マイクロポンプの分解斜視図である。
【図３】図１のIII −III 線断面図である。
【図４】図１に示す圧電マイクロポンプに用いられる圧電素子の断面および配線図である。
【図５】図４に示す圧電素子の電極パターン図である。
【図６】図４に示す圧電素子に印加される各電圧の位相を示す図である。
【図７】図６に示す電圧を印加した時の各位相における圧電素子の変位を示す解析図である。
【図８】図６に示す電圧を印加した時の中心ポケットの体積変化を示す図である。
【図９】圧電素子の外周部を基板に固定した場合の圧電素子の変位を示す断面図である。
【図１０】図５に示す分割電極を外部に引き出すための電極構造の一例を示す図である。
【図１１】図５に示す分割電極を外部に引き出すための電極構造の他の例を示す図である。
【図１２】圧電素子の電極パターンの第２実施例を示す図である。
【図１３】図１２に示す圧電素子の断面および配線図である。
【図１４】図１２に示す圧電素子に印加される各電圧の位相を示す図である。
【図１５】図１２に示す分割電極を外部に引き出すための電極構造の一例を示す図である。
【図１６】図１２に示す分割電極を外部に引き出すための電極構造の他の例を示す図である。
【図１７】圧電素子の電極パターンの第３実施例を示す図である。
【図１８】図１７に示す圧電素子の電極パターンの設計方法を示す図である。
【図１９】図１７に示す圧電素子の変位を示す図である。
【図２０】圧電マイクロポンプの第４実施例の変位を示す断面図である。
【図２１】圧電マイクロポンプの第５実施例の断面図である。
【図２２】圧電マイクロポンプの第６実施例の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
Ａ〜Ｄ        圧電マイクロポンプ
１            電圧印加手段
１０          基板（固定板）
１１          接着部
１２          流入口
１３          流出口
２０          圧電素子
２１ａ，２１ｂ  圧電体層
２２          全面電極
２３ａ〜２３ｅ  分割電極
３０          圧電素子
３１ａ，３１ｂ  圧電体層
３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ  分割電極
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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