(57)【要約】【課題】ポンプを駆動するために供給する電圧を流体の移送量に高い効率で変換できる圧電ポンプを提供する。【解決手段】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、そのポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有し、かつ、各々の圧電素子の間で流体の流路が絞られている圧電ポンプ。【選択図】図１
2011069353.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、
を有し、かつ
各々の前記圧電素子の間で前記流体の流路が絞られている圧電ポンプ。
【請求項２】
前記２つ以上の圧電素子が、複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有する、請求項１に記載の圧電ポンプ。
【請求項３】
前記平面図形が円形である、請求項２に記載の圧電ポンプ。
【請求項４】
前記圧電素子において、その厚み方向の変位が最も大きくなる部分と前記流通方向の上流側の端部との距離が、前記変位が最も大きくなる部分と前記流通方向の下流側の端部との距離よりも短い、請求項１〜３のいずれか一項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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２４０８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、ポンプを駆動するために供給する電圧を流体の移送量に変換する効率（以下、単に「変換効率」ともいう。）が十分ではないことを見出した。
【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、ポンプを駆動するために供給する電圧を流体の移送量に高い効率で変換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、特許文献１に記載の従来の圧電ポンプの変換効率が高くないのは、複数の駆動電極の形状及び配列に要因があることを知見した。すなわち、特許文献１に記載の圧電ポンプは、その図１に示されているように、複数の矩形の駆動電極が流体の移送方向に等間隔で配列されているが、これでは、圧電ポンプの変換効率が高くならない。本発明者らは、圧電ポンプに備えられる複数の電極の形状及び配列を特定することで、その変換効率が高くなることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
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、そのポンプ室と連通する第１及び第２の開口部とを有し、かつ、各々の圧電素子の間で流体の流路が絞られている圧電ポンプである。
【０００８】
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させて（うごめくように）動作することにより流体を移送する。本発明の圧電ポンプによると、このように蠕動させて動作する圧電ポンプの各々の圧電素子の間で流体の流路が絞られていることにより、特許文献１に開示されるような流路が絞られていない圧電ポンプよりも、上流側への流体の逆流が抑制されてポンプの変換効率が高くなる。
【０００９】
本発明の圧電ポンプは、１つの支持部材に支持された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。
【００１０】
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、流体の押出しと吸入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変換効率を示し、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より高い変換効率で流体を移送することができる。
【００１１】
本発明の圧電ポンプは、２つ以上の圧電素子が、複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有すると好ましい。これにより、その平面図形を重ね合わせていない平面形状を有するものよりも、流体の流通方向の長さを短縮することができる。そのため、圧電ポンプの流体移送能力をさほど低下させることなく、そのサイズを小型化することが可能となる。また、１つのポンプ室のサイズをさほど小さくすることなく、各ポンプ室の中心間の距離を短くすることができるため、蠕動してポンプ室の容量が大きくなったときのポンプ室間の流路を大きく広げることができる。これにより、圧電ポンプの変換効率を一層高めることができる。
【００１２】
本発明の圧電ポンプにおいて、上記平面図形が円形であると好ましい。本発明の圧電ポンプは、１つの圧電素子に着目すると、その厚み方向に同心円状に湾曲することでそれに対応するポンプ室の容量を増大させる。そのため、上記平面図形が円形であると、それ以外の形状である場合と比較して、圧電素子の湾曲が小さくなる領域が少なくなり、圧電素子への電圧の印加を高い効率でポンプ室の容量変化に変換できる。したがって、圧電ポンプの変換効率を更に高めることができる。
【００１３】
本発明の圧電ポンプは、上記圧電素子において、その厚み方向の変位が最も大きくなる部分（以下、「最大変位部」ともいう。）と上記流通方向の上流側の端部との距離（以下、「距離Ｌ１」ともいう。）が、最大変位部と上記流通方向の下流側の端部との距離（以下、「距離Ｌ２」ともいう。）よりも短いと好ましい。ここで、圧電素子の厚み方向の変位が最も大きくなる部分は、１つの圧電素子を単独で作動させた際に、厚み方向の変位が最も大きくなる部分を指し、通常は圧電素子の上流側の縁端部と内接する真円の中心部である。また、２つ以上の圧電素子が複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有する場合、上記上流側の端部及び下流側の端部は、その重ね合わせた部分における幅方向の中心点と最大変位部とを仮想直線で結び、その仮想直線と圧電素子の縁端との交点を指す。２つ以上の圧電素子が複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有しない場合、上記上流側の端部及び下流側の端部は、圧電素子同士の縁端が最も近くなる部分を指す。
【００１４】
距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることで、圧電素子が流体を吸入するように動作する際は、対応するポンプ室における流体の吸入側（上流側）で圧電素子の変位が大きくなるため、流体を吸入する力が強くなる。また、そのポンプ室に向けては、より上流側のポンプ室又は流路から流体が押し出される。これらが相俟って、そのポンプ室に効率的に流体を流入させることができる。また、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることで、圧電素子が流体を吐出するように動作する際は、最大変位部よりも上流側の部分では流体をその流通方向に対して強く押し出す一方で、下流側の部分では上流側ほど流体をその流通方向に強く押し出さない。また、そのポンプ室よりも下流側のポンプ室又は流路では圧力が低下して流体を吸引する。このように、その圧電素子に対応するポンプ室から流体を吐出する際には、全体として流体を下流側に強く移送するよう動作するので、効率的に流体を送り出すことができる。さらには、圧電素子が動作前の元の状態に戻る際には、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることで、この際に最大変位部よりも上流側の部分では素早く元の状態に戻る。その一方で、最大変位部よりも下流側の部分では、距離Ｌ２が長いために、上流側の部分に比べてゆっくりと元の状態に戻る。そのため、対応するポンプ室では下流側への流体の移送が一層円滑に行われることになる。これらにより、この圧電ポンプは一層効率的に流体を移送することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ポンプを駆動するために供給する電圧を流体の移送量に高い効率で変換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】
【００１６】
【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の動作を示す概略図である。
【図４】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。
【図５】本発明の別の実施形態に係る複数の圧電素子の形状及び配列を模式的に示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る圧電素子の動作を示す概略図である。
【図７】本発明の更に別の実施形態に係る複数の圧電素子の形状及び配列を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明のなおも別の実施形態に係る圧電ポンプの製造方法を示す工程図である。
【図９】本発明のなおも別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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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（ただし、一部の部材を省略する。）。また、図２及び３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４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１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆ（まとめて「１１０ａ〜ｆ」と表記する。以下同様。）と、それらの圧電素子１１０ａ〜ｆを支持する１つの支持部材１２０とを備える構造体１３０と、構造体１３０を挟む第１及び第２の基板１４０、１５０とを含有し、第２の基板１５０と構造体１３０とによって囲まれて形成されるポンプ室１７０と、動作時にポンプ室１７０と連通する第１及び第２の開口部１８０ａ、１８０ｂとを有するものである。
【００１９】
圧電素子１１０ａ〜ｆは、１つの薄膜状の圧電体１１６と、その圧電体１１６を上下から挟む電極対とを備え、電極対は１つの下部電極１１２と、流体の流通方向に沿って配設された６つの上部電極２１４ａ〜ｆとからなる。すなわち、圧電素子１１０ａ〜ｆは、各々が上部電極１１４ａ〜ｆを備える一方、圧電体１１６と下部電極１１２とを共有する。
【００２０】
支持部材１２０は、その周縁部を第１及び第２の基板１４０、１５０で挟まれて、それらの基板１４０、１５０と接合することにより固定されている。一方、支持部材１２０の上記周縁部で包囲された中央部は、その上面を第２の基板１４０の下面と接触させているが、支持部材１２０の上面と第２の基板１４０の下面とは互いに接合しておらず離間可能になっている。ただし、その中央部では、支持部材１２０の上面を第２の基板１４０の下面と接触させなくてもよい。支持部材１２０の中央部の下面側には、周縁部とは異なり第１の基板１４０が接合されておらず、空間が確保されている。その空間の平面形状は、圧電素子１１０ａ〜ｆの変位を阻害しないような形状であればよく、例えば、後述の上部電極１１４ａ〜ｆに対応する形状であってもよい。支持部材１２０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り、その主面の形状は矩形である。
【００２１】
圧電素子１１０ａ〜ｆは、全体として例えば厚さ０．５μｍ〜１０．０μｍの薄膜状である。圧電素子１１０ａ〜ｆは、下部電極１１２の下側の表面が上記空間に露出した状態で支持部材１２０に接合して埋め込まれている。
【００２２】
圧電素子１１０ａ〜ｆに備えられる薄膜状の圧電体１１６の主面の形状は例えば矩形である。圧電体１１６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１１６の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。
【００２３】
下部電極１１２は薄膜状であり、その主面の形状は例えば矩形である。下部電極１１２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１１２の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００２４】
６つの上部電極１１４ａ〜ｆは、互いに離間する薄膜であり、そのうち最上流側にある上部電極１１４ａの主面の形状は円形である。一方、その他の上部電極１１４ｂ〜ｆの主面の形状は円形の一部が欠けた形状となっており、上部電極１１４ａ〜ｆの全体の形状として、円を重ね合わせた形状となっている。上部電極２１４ａ〜ｆ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、上部電極１１４ａ〜ｆの厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。
【００２５】
第１の基板１４０（図１において図示せず。）は、構造体１３０の動作部分、すなわち圧電素子１１０ａ〜ｆが存在する部分の下面を露出するように上記空間を確保して設けられる一方で、構造体１３０の動作部分以外の部分、すなわち支持部材１２０の周縁部と接合する。また、第２の基板１５０（図１において図示せず。）は、その下面の一部を支持部材１２０の周縁部の上面と接合する。これらにより、支持部材１２０を備える構造体１３０が第１及び第２の基板１４０、１５０に狭持されて固定される。
【００２６】
第２の基板１５０には、その厚み方向に貫通した第１及び第２の開口部１８０ａ、１８０ｂ（それらの位置関係を図１において点線で示す。）が設けられており、これらの開口部１８０ａ、１８０ｂは、圧電ポンプ１００の動作時にポンプ室１７０と連通できる。ポンプ室１７０は、各上部電極１１４ａ〜ｆに対応する部分的なポンプ室１７０ａ〜ｆを有する。
【００２７】
６つの圧電素子１１０ａ〜ｆに備えられる上部電極１１４ａ〜ｆの各々からは配線１１５ａ〜ｆが取り出される。取り出されたそれらの配線１１５ａ〜ｆは端子１１７ａ〜ｆまで延びており、その端子１１７ａ〜ｆを介して電源（図示せず。）に接続されている。また、下部電極１１２からも同様に配線（図示せず。）が取り出され、その配線は端子１１９まで延びており、その端子１１９を介して電源（図示せず。）に接続されている。
【００２８】
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。
【００２９】
まず、成膜用基板を兼ねる第１の基板１４０上に、下部電極１１２、圧電体１１６、上部電極１１４ａ〜ｆをこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板１４０の表面上に下部電極１１２となる層及び圧電体１１６となる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により、この順に形成する。第１の基板１４０は、その表面上に下部電極１１２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。
【００３０】
次いで、下部電極１１２となる層及び圧電体１１６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下部電極１１２となる層及び圧電体１１６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１１２及び圧電体１１６が得られる。
【００３１】
続いて、圧電体１１６の表面上に上部電極１１４ａ〜ｆ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。次いで、上部電極１１４ａ〜ｆ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１１４ａ〜ｆ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、上部電極１１４ａ〜ｆが形成され、圧電素子１１０ａ〜ｆが得られる。
【００３２】
次に、圧電素子１１０ａ〜ｆを被覆するようにして支持部材１２０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１１６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１２０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１１６の変位をポンプ室１７０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１２０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１４０及び圧電素子１１０ａ〜ｆ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、第１の基板１４０及び圧電素子１１０ａ〜ｆ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、第１の基板１４０上に形成された圧電素子１１０ａ〜ｆと支持部材１２０とを備える構造体１３０を得る。
【００３３】
上述の第１の基板１４０、構造体１３０とは別に、第２の基板１５０を作製する。第２の基板１５０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）、更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１８０ａ及び第２の開口部１８０ｂをエッチング等により形成する。こうして、開口部１８０ａ、１８０ｂ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１５０を得る。
【００３４】
次いで、上記構造体１３０上に第２の基板１５０を貼り付ける。この際、第２の基板１５０の凹凸加工が施された上記下面と構造体１３０における支持部材１２０が形成された側の面とを対向し、かつポンプ室１７０を形成するように位置合わせして、第２の基板１５０の下面と支持部材１２０とを、ポンプ室１７０となるべき部分の周囲で接合して貼り付ける。ただし、圧電素子１１０ａ〜ｆの動作部分及びその周囲に対応する部分には、第２の基板１５０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１２０と第２の基板１５０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。
【００３５】
次に、第１の基板１４０を部分的にエッチングする。具体的には第１の基板１４０の下部電極１１２及びその周囲に対向する部分をエッチングにより除去して、上記空間を設ける。これにより、下部電極１１２及びその周囲の表面が露出する。
【００３６】
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１４０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１４０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。
【００３７】
こうして、本実施形態の圧電ポンプ１００を得る。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。
【００３８】
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、３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、構造体１３０の上面は全面的に第２の基板１５０と接触している。それにより、ポンプ室１７０を形成する支持部材１２０により第１及び第２の開口部１８０ａ、１８０ｂは閉塞されている。このとき、下部電極１１２には電圧が印加されていても印加されていなくてもよい。
【００３９】
次いで、（Ｂ）工程において、配線（図示せず。）を通じて下部電極１１２に、配線１１５ａを通じて上部電極１１４ａに、それぞれ電圧を印加する。これにより、圧電素子１１０ａは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。圧電素子１１０ａの変位は、上部電極１１４ａ直下における薄膜状の圧電体１１６の部分が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）において変位するのに伴うものである（以下同様。）。より具体的には、上部電極２１４ａ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ａの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られる。これにより、ポンプ室１７０ａ内の容量は増大し、圧力は低下するため、圧電ポンプ１００は、第１の開口部１８０ａからそのポンプ室１７０ａに流体を吸入する。
【００４０】
次に、（Ｃ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ａへの電圧の印加を維持した状態で、更に配線１１５ｂを通じて上部電極１１４ｂに電圧を印加する。これにより、上部電極１１４ａ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分が変位するため、圧電素子１１０ｂは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。より具体的には、上部電極１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ｂの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られ、第２の基板１５０と離間する。この湾曲により、上部電極１１４ａ、１１４ｂ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。これにより、ポンプ室１７０ｂ内の容量は増大し圧力は低下するため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１７０ａに加えて、ポンプ室１７０ｂにも流体を吸入する。なお、このときの上部電極１１４ａ、１１４ｂ間にある支持部材１２０の部分での変位は、例えば約１μｍである（以下同様）。
【００４１】
この際、上部電極１１４ｂの平面形状が上流側の一部を欠いた円形になっていることに起因して、圧電素子１１０ｂの最大変位部と上流側の端部との距離Ｌ１が、その最大変位部と下流側の端部との距離Ｌ２よりも短くなる。最大変位部における変位は例えば約２〜３μｍである（以下同様）。
【００４２】
次いで、（Ｄ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ｂへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極１１４ａへの電圧の印加を停止すると共に、更に配線１１５ｃを通じて上部電極１１４ｃに電圧を印加する。これにより、上部電極１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極１１４ｃ直下の圧電体１１６の部分が変位するため、圧電素子２１０ｃは、支持部材１２０を伴って速やかに変位し、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極１１４ａ直下の圧電体１１６の部分も変位して、圧電素子１１０ａは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極１１４ｃ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ｃの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られ、第２の基板１５０と離間する。この湾曲により、上部電極１１４ｂ、１１４ｃ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。一方で、上部電極１１４ａ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極１１４ａの上方にある支持部材１２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板１５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室１７０ｃ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室１７０ａから流体が押し出されるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１７０ａから流体を吐出すると共に、ポンプ室１７０ｃに流体を吸入する。
【００４３】
この際、上部電極１１４ｃの平面形状が上流側の一部を欠いた円形になっていることに起因して、圧電素子１１０ｃの最大変位部と上流側の端部との距離Ｌ１が、その最大変位部と下流側の端部との距離Ｌ２よりも短くなる。
【００４４】
次に、（Ｅ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ｃへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極１１４ｂへの電圧の印加を停止すると共に、更に配線１１５ｄを通じて上部電極１１４ｄに電圧を印加する。これにより、上部電極１１４ｃ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極１１４ｄ直下の圧電体１１６の部分が変位するため、圧電素子２１０ｄは、支持部材１２０を伴って速やかに変位し、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分も変位して、圧電素子１１０ｂは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極１１４ｄ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ｄの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られ、第２の基板１５０と離間する。この湾曲により、上部電極１１４ｃ、１１４ｄ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。一方で、上部電極１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極１１４ｂの上方にある支持部材１２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板１５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室１７０ｄ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室１７０ｂから流体が押し出されるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１７０ｂから流体を吐出すると共に、ポンプ室１７０ｄに流体を吸入する。
【００４５】
この際、上部電極１１４ｄの平面形状が上流側の一部を欠いた円形になっていることに起因して、圧電素子１１０ｄの最大変位部と上流側の端部との距離Ｌ１が、その最大変位部と下流側の端部との距離Ｌ２よりも短くなる。
【００４６】
次に、（Ｆ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ｄへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極１１４ｃへの電圧の印加を停止すると共に、更に配線１１５ｅを通じて上部電極１１４ｅに電圧を印加する。これにより、上部電極１１４ｄ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極１１４ｅ直下の圧電体１１６の部分が変位するため、圧電素子２１０ｅは、支持部材１２０を伴って速やかに変位し、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極１１４ｃ直下の圧電体１１６の部分も変位して、圧電素子１１０ｃは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極１１４ｅ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ｅの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られ、第２の基板１５０と離間する。この湾曲により、上部電極１１４ｄ、１１４ｅ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。一方で、上部電極１１４ｃ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極１１４ｃの上方にある支持部材１２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板１５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室１７０ｅ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室１７０ｃから流体が押し出されるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１７０ｃから流体を吐出すると共に、ポンプ室１７０ｅに流体を吸入する。
【００４７】
この際、上部電極１１４ｅの平面形状が上流側の一部を欠いた円形になっていることに起因して、圧電素子１１０ｅの最大変位部と上流側の端部との距離Ｌ１が、その最大変位部と下流側の端部との距離Ｌ２よりも短くなる。
【００４８】
次いで、（Ｇ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ｅへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極１１４ｄへの電圧の印加を停止すると共に、更に配線１１５ｆを通じて上部電極１１４ｆに電圧を印加する。これにより、上部電極１１４ｅ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極１１４ｆ直下の圧電体１１６の部分が変位するため、圧電素子２１０ｆは、支持部材１２０を伴って速やかに変位し、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極１１４ｄ直下の圧電体１１６の部分も変位して、圧電素子１１０ｄは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極１１４ｆ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極１１４ｆの上方にある支持部材１２０が下側へ引っ張られ、第２の基板１５０と離間する。この湾曲により、上部電極１１４ｅ、１１４ｆ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。一方で、上部電極１１４ｄ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極１１４ｄの上方にある支持部材１２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板１５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室１７０ｆ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室１７０ｄから流体が押し出されるため、圧電ポンプ１００は、ポンプ室１７０ｄから流体を吐出すると共に、ポンプ室１７０ｆに流体を吸入する。
【００４９】
この際、上部電極１１４ｆの平面形状が上流側の一部を欠いた円形になっていることに起因して、圧電素子１１０ｆの最大変位部と上流側の端部との距離Ｌ１が、その最大変位部と下流側の端部との距離Ｌ２よりも短くなる。
【００５０】
次に、（Ｈ）工程において、下部電極１１２及び上部電極１１４ｆへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極１１４ｅへの電圧の印加を停止する。これにより、上部電極１１４ｆ直下の圧電体１１６の部分が変位を維持した状態で、上部電極１１４ｅ直下の圧電体１１６の部分が変位して、圧電素子１１０ｅは、支持部材１２０を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極１１４ｅ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極１１４ｅの上方にある支持部材１２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板１５０と再び接触する。これにより、ポンプ室１７０ｅから流体を押し出して、ポンプ室１７０ｆに連通した開口部１８０ｂから流体を吐出する。
【００５１】
上述の（Ｂ）〜（Ｈ）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。
【００５２】
本実施形態の圧電ポンプ１００は、上流側に配置された圧電素子から下流側に配置された圧電素子に向かって、上述のようにして順に電圧を印加することで、複数の圧電素子１１０ａ〜ｆを全体として蠕動させて（うごめくように）動作することにより流体を移送する。本実施形態の圧電ポンプ１００では、例えば、（Ｃ）工程において、上部電極１１４ａ及び１１４ｂ直下の圧電体１１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、上部電極１１４ａ、１１４ｂ間にある支持部材１２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材１２０と第２の基板１５０とが離間する。この際、上部電極１１４ａ及び１１４ｂが円形を重ね合わせた平面形状を有しているため、その離間した部分及びそれを挟む圧電素子１１０ａ及び１１０ｂの部分では、流体の流路が絞られた状態となる。このことは、（Ｄ）〜（Ｇ）工程においても同様である。その結果、圧電ポンプ１００では、特許文献１に開示されるような流路が絞られていない圧電ポンプよりも、上流側への流体の逆流が抑制されるので、その変換効率は高くなる。
【００５３】
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１１０ａ〜ｆ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１１０ａ〜ｆ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１１０ａ〜ｆ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に有効に利用することが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態の圧電ポンプ１００は、１つの支持部材１２０に支持された複数の圧電素子１１０ａ〜ｆを備えている。それらの圧電素子１１０ａ〜ｆでは、上部電極１１４ａ〜ｆが互いに離間しており、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１１０ａ〜ｆの変位量のばらつきも十分に抑制することができる。
【００５５】
本実施形態の圧電ポンプ１００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、本実施形態の圧電ポンプ１００は更に大きな変換効率を示し、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、本実施形態の圧電ポンプ１００では、第２の基板１５０と構造体１３０とによって各ポンプ室１７０ａ〜ｆが囲まれているため、各ポンプ室１７０ａ〜ｆでの圧電素子１１０ａ〜ｆ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、本実施形態の圧電ポンプ１００はより高い変換効率で流体を移送することができる。
【００５６】
本実施形態の圧電ポンプ１００では、圧電素子１１０ａ〜ｆ（上部電極１１４ａ〜ｆ）が、複数の円形を重ね合わせた平面形状を有している。これにより、円形を重ね合わせていない平面形状を有する圧電素子を備えた圧電ポンプよりも、流体の流通方向の長さを短縮することができる。そのため、圧電ポンプの流体移送能力をさほど低下させることなく、そのサイズを小型化することが可能となる。また、１つのポンプ室のサイズをさほど小さくすることなく、各ポンプ室の中心間の距離を短くすることができるため、蠕動してポンプ室の容量が大きくなったときのポンプ室間の流路を大きく広げることができる。これにより、圧電ポンプ１００の変換効率を一層高めることができる。
【００５７】
本実施形態のように薄膜の圧電素子を備える圧電ポンプでは、１つの圧電素子に着目すると、その厚み方向に同心円状に湾曲することでそれに対応するポンプ室の容量を増大させる。本実施形態の圧電ポンプ１００は、複数の円形を重ね合わせた平面形状を有している。そのため、それ以外の形状である場合と比較して、圧電素子の湾曲が小さくなる領域（いわゆるデッドスペース）が少なくなり、圧電素子への電圧の印加を高い効率でポンプ室の容量変化に変換できる。その結果、圧電ポンプ１００は、その変換効率を更に高めることができる。
【００５８】
本発明者らは、圧電ポンプ１００の圧電素子１１０ａにおいて、その最大変位部は円形の中心部であり、圧電素子１１０ｂ〜ｆにおいて、その最大変位部は、欠けた部分を補った円形とした場合の中心部よりもやや下流側にあることを確認した。また、本発明者らは、圧電素子１１０ｂ〜ｆのような形状の場合、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることを確認した。そのような条件を満足する１つの圧電素子、例えば圧電素子１１０ｂの動作について、図６をも参照しながら詳細に説明する。図６は、１つの圧電素子１１０ｂの動作を模式的に示した工程図であり、図中Ｘで示す矢印が流体の流通方向である。まず、（ｉ）の工程では、圧電素子１１０ｂは動作する前の状態にある。次いで（ｉｉ）の工程では、圧電素子１１０ｂが下に凸の形状に湾曲していく。この際、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短いため、対応するポンプ室１７０ｂにおける流体の吸入側（上流側）で圧電素子１１０ｂの変位が大きくなり、流体を吸入する力が強くなる。また、そのポンプ室１７０ｂに向けて、より上流側のポンプ室１７０ａから流体が押し出される。これらが相俟って、ポンプ室１７０ｂに効率的に流体を流入させることができる。次に、（ｉｉｉ）の工程では、圧電素子１１０ｂが下に凸の形状に湾曲した状態から元の状態に戻っていく。この際、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることで、圧電素子１１０ｂは、最大変位部よりも上流側の部分で流体をその流通方向の下流側に対して強く押し出す一方で、下流側の部分では上流側ほど流体をその流通方向に強く押し出さず、むしろ上方向に強く押し出す。また、下流側のポンプ室１７０ｃでは圧力が低下して流体を吸引する。こうして、ポンプ室１７０ｂから流体を吐出する際には、全体として流体を下流側に強く移送するよう動作するので、効率的に流体を送り出すことができる。そして（ｉｖ）の工程では、圧電素子１１０ｂが動作前の元の状態に戻るが、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなることで、この際に最大変位部よりも上流側の部分では素早く元の状態に戻る。その一方で、最大変位部よりも下流側の部分では、距離Ｌ２が長いために、上流側の部分に比べてゆっくりと元の状態に戻る。そのため、ポンプ室１７０ｂでは下流側への流体の移送が一層円滑に行われることになる。これらにより、この圧電ポンプ１００は一層効率的に流体を移送することができる。
【００５９】
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、本発明の別の実施形態において、複数の圧電素子の平面形状が円形を重ね合わせたような形状であって、図５に示すようなものであってもよい。図５は、複数の圧電素子の形状及び配列を模式的に示す平面図であり、図中の片矢印は流体の流通方向を示している。一部の圧電素子の形状が、例えば図５の（Ａ）のように、円形の下流側に三角状の突起を付け加えた平面形状であってもよく、（Ｂ）のように、円形の下流側に半円状の突起を付け加えた平面形状であってもよく、（Ｃ）のように、円形の下流側に方形の突起を付け加えた平面形状であってもよい。これらのように円形の下流側に突起を付け加えた平面形状を有する圧電素子を備える圧電ポンプも、圧電素子間で流体の流路が絞られているため、高い変換効率を有し、また、いずれの圧電素子においても距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短く、特に上流側から２番目〜６番目の圧電素子においては距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも大きく短くなるため、一層効率的に流体を移送することができる。さらに、かかる圧電ポンプは、複数の平面図形を、流体の流通方向に順番に重ね合わせた平面形状を有しているため、その流体移送能力をさほど低下させることなく、サイズを小型化することが可能となる。また、１つのポンプ室のサイズをさほど小さくすることなく、各ポンプ室の中心間の距離を短くすることができるため、蠕動してポンプ室の容量が大きくなったときのポンプ室間の流路を大きく広げることができ、圧電ポンプの変換効率を一層高めることができる。そして、円形に対して付け加えられた形状が下流側に向かって凸状になっていることにより、流体が滞留する領域が存在し難く、かつ流体の流れを阻害し難くなるので、この点でも圧電ポンプは変換効率が高くなる。
【００６０】
また、上記本実施形態において、圧電素子１１０ａ〜ｆは、１つの下部電極１１２、１つの圧電体１１６及び６つの上部電極１１４ａ〜ｆを積層して備えるものであったが、上部電極の数はもちろん６つに限定されるものではなく、また、１つの下部電極１１２上に、複数の圧電体と複数の上部電極とを順に積層して備えるものであってもよく、複数の下部電極のそれぞれに圧電体及び上部電極を順に積層して備えるものであってもよい。さらに、上記本実施形態において、圧電ポンプ１００が動作していないとき、構造体１３０と第２の基板１５０とが接することにより、ポンプ室１７０の容量が実質的にゼロになっているが、圧電素子の領域で構造体１３０と第２の基板１５０とを常時離間するよう各ポンプ室間に壁部を設けることで、圧電ポンプ１００が動作していないときであっても、ポンプ室に一定の容量が確保されていてもよい。
【００６１】
本発明の圧電ポンプは、複数の圧電素子が複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有していなくてもよく、例えば、複数の圧電素子の平面形状が、図７に示すように鶏卵の断面形状を並べたような形状であってもよい。図７は、複数の圧電素子の形状及び配列を模式的に示す平面図であり、図中の片矢印は流体の流通方向を示している。このような平面形状を有する圧電素子を備える圧電ポンプも、圧電素子間で流体の流路が絞られているため、高い変換効率を有し、また、全ての圧電素子において距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなるため、一層効率的に流体を移送することができる。
【００６２】
本発明のなおも別の本実施形態の圧電ポンプについて、図８及び９を参照して説明する。図８は、本実施形態の圧電ポンプ３００を、その一部を透視して模式的に示す平面図（ただし、一部の部材を省略する。）であり、図９は、図８に示すＩＶ−ＩＶ線で切断して現れる断面を模式的に示す断面図である。本実施形態の圧電ポンプ３００は、圧電素子３１０ａ〜ｅと圧電素子３１０ａ〜ｅを支持する支持部材３１２とを備える構造体３１４と、構造体３１４を直接狭持する第１及び第２の基板３０２、３２０とを含有し、第２の基板３２０と構造体３１４とによって囲まれたポンプ室３２８ａ〜ｅと、動作時にポンプ室３２８ａ〜ｅと連通する第１及び第２の開口部３２６ａ及び３２６ｂとを備えるものである。ポンプ室３２８ａ〜ｅは、圧電ポンプ３００が動作（駆動）していないとき、構造体３１４と第２の基板３２０とが直接接触しているため、実質的に容量がゼロであるゼロポンプである。一方、構造体３１４と第２の基板３２０とはポンプ室３２８ａ〜ｅの部分では接合されていないため、圧電ポンプ３００の動作時、圧電素子３１０ａ〜ｅが変位することでポンプ室３２８ａ〜ｅの容量が増減する。
【００６３】
圧電素子３１０ａ〜ｅは電圧を印加することによって変位するが、開口部３１６が形成されていることにより、圧電体３０６が図９の下方向に凸状に湾曲できるため、圧電素子３１０ａ〜ｅの変位が可能となる。また、ポンプ室３２８ａ〜ｅの外周だけでなく、第１の開口部３２６ａ及び第２の開口部３２６ｂの外周に沿っても同様に溝３２２が設けられており、その溝３２２内に接着性樹脂３２４が充填され、その接着性樹脂３２４により構造体３１４と第２の基板３２０とが接合されている。
【００６４】
接着性樹脂３２４の種類としては、構造体３１４と第２の基板３２０とを接合できるものであれば特に限定されないが、溝３２２からその幅方向にはみ出さないようにしながら効率的に充填するためには、接着性樹脂３２４を溝と同じパターンにパターニングして充填することが望ましい。そのような観点から、接着性樹脂３２４はパターニングが可能な感光性樹脂であると好ましい。その場合、接着性樹脂３２４を熱硬化させることにより接合することが好ましく、すなわち、接着性樹脂３２４が熱硬化性樹脂であると好ましい。そのような接着性樹脂３２４としては、例えば、ポリイミド、変性ポリイミド、パリレン、シリコーン系樹脂が挙げられる。また、溝３２２内での接着性樹脂３２４の充填量は、溝３２２からはみ出ない量であって、かつ、構造体３１４と第２の基板３２０とをしっかりと接合できる量であればよい。
【００６５】
より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ３００に備えられる上部電極３０８は、流体の流通方向（図８中の矢印Ａの方向）に沿って配設された５つの上部電極３０８ａ〜ｅを有する。上部電極３０８ａ〜ｅは、互いに離間する薄膜であり、図８において、そのうち最上流側にある上部電極３０８ａの主面の形状は円形である。一方、その他の上部電極３０８ｂ〜ｅの主面の形状は円形の一部が欠けた形状となっており、上部電極３０８ａ〜ｅの全体の形状として、円を重ね合わせた形状となっている。それらの上部電極３０８ａ〜ｅに対応して、圧電ポンプ３００は５つの圧電素子３１０ａ〜ｅを有し、５つのポンプ室３２８ａ〜ｅを有する。言い換えれば、圧電素子３１０ａ〜ｅは、１つの圧電体３０６と、その圧電体３０６を上下から挟む電極対とを備え、電極対は１つの下部電極３０４と、流体の流通方向に沿って配設された５つの上部電極３０８ａ〜ｅとからなる。さらに言えば、圧電素子３１０ａ〜ｅは、各々が上部電極３０８ａ〜ｅを備える一方、圧電体３０６と下部電極３０４とを共有する。そして、ポンプ室３２８ａ〜ｅの各々は、圧電素子３１０ａ〜ｅの各々が変位することによりその容量を増減する。溝３２２及びその中に充填された接着性樹脂３２４は、それらの圧電素子３１０ａ〜ｅと、第１及び第２の開口部３２６ａ及び３２６ｂの外周を包囲するように設けられている。
【００６６】
支持部材３１２は、その周縁部を第１及び第２の基板３０２及び３２０で挟まれて、それらの基板３０２及び３２０と接合されること、特に第２の基板３２０とは接着性樹脂３２４によりその部分で接合されること、により固定されている。一方、支持部材３１２の上記周縁部で包囲された中央部では、その上面を第２の基板３２０の下面と接触させているが、支持部材３１２の上面と第２の基板３２０の下面とは互いに接合しておらず離間可能になっている。支持部材３１２の中央部の下面側には、周縁部とは異なり第１の基板３０２が接合されておらず、空間が確保されている。その空間の平面形状は、圧電素子３１０ａ〜ｅの変位を阻害しないような形状であればよく、例えば、上部電極３０８ａ〜ｅの全体に対応する形状であってもよい。
【００６７】
５つの圧電素子３１０ａ〜ｅに備えられる上部電極３０８ａ〜ｅの各々からは配線３３０ａ〜ｅが取り出される。取り出されたそれらの配線３３０ａ〜ｅは端子３３２ａ〜ｅまで延びており、その端子３３２ａ〜ｅを介して電源（図示せず。）に接続されている。また、下部電極３０４からも同様に配線（図示せず。）が取り出され、その配線は端子３３４まで延びており、その端子３３４を介して電源（図示せず。）に接続されている。接着性樹脂３２４を充填した溝３２２は、これらの端子３３２ａ〜ｅの外周に沿うようにしても形成されている。
【００６８】
第１の開口部３２６ａから延在する切り欠き３３６ａは、ポンプ室３２８ａまで延びており、第２の開口部３２６ｂから延在する切り欠き３３６ｂは、ポンプ室３２８ｅまで延びている。切り欠き３３６ａは、第１の開口部３２６ａから流体をポンプ室３２８ａに円滑に吸入するために設けられており、切り欠き３３６ｂは、ポンプ室３２８ｅから流体を第２の開口部３２６ｂに円滑に吐出するために設けられている。
【００６９】
図９の上下方向に基づいて説明すると、この本実施形態の圧電ポンプ３００の動作は、まず、配線（図示せず。）を通じて下部電極３０４に、配線３３０ａを通じて上部電極３０８ａに、それぞれ電圧を印加することにより開始される。これにより、圧電素子３１０ａは、支持部材３１２を伴って速やかに変位して、印加した電圧の大きさに従った形状に変形する。圧電素子３１０ａの変位は、上部電極３０８ａ直下における薄膜状の圧電体３０６の部分が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）において変位するのに伴うものである（以下同様。）。より具体的には、上部電極３０８ａ直下の圧電体３０６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極３０８ａの上方にある支持部材３１２が下側へ引っ張られる。これにより、ポンプ室３２８ａ内の容量は増大し、圧力は低下するため、圧電ポンプ３００は、第１の開口部３２６ａから切り欠き３３６ａを経由して、そのポンプ室３２８ａに流体を吸入する。切り欠き３３６ａを設けたことで、第１の開口部３２６ａからの流体の流入が円滑になる。
【００７０】
以降の圧電ポンプ３００の動作工程は、上記圧電ポンプ１００と同様であるので、ここでは説明を省略する。ただし、圧電ポンプ３００から流体を流出させる際は、例えば、下部電極３０４及び上部電極３０８ｅへの電圧の印加を維持した状態で、上部電極３０８ｄへの電圧の印加を停止する。これにより、上部電極３０８ｅ直下の圧電体３０６の部分が変位を維持した状態で、上部電極３０８ｄ直下の圧電体３０６の部分が変位して、圧電素子３１０ｄは、支持部材３１２を伴って速やかに変位して最初の状態に戻る。より具体的には、上部電極３０８ｄ直下の圧電体３０６の部分が下に凸の形状から速やかに動作前の形状に戻ると共に、上部電極３０８ｄの上方にある支持部材３１２も動作前の状態に戻り、第２の基板３２０と再び接触する。これにより、ポンプ室３２８ｄから流体を押し出して、ポンプ室３２８ｅに切り欠き３３６ｂを経由して連通した開口部３２６ｂから流体を吐出する。切り欠き３３６ｂを設けたことで、第２の開口部３２６ｂへの流体の流出が円滑になる。
【００７１】
本実施形態の圧電ポンプ３００によると、圧電ポンプ１００による上記効果に加えて、構造体３１４と第２の基板３２０とを接合する部分が、溝３２２内に充填した接着性樹脂３２４の存在する部分に限定されるため、接合部分に異物が混入する可能性が極めて低くなる。また、たとえ異物が存在しても、接合前は粘体である接着性樹脂３２４中又は溝３２２内であれば異物を収容することができる。そうすると、異物の混入に起因する隙間の形成も防止されるため、隙間に流体が流れ込む現象が生じない。さらには、ポンプ室３２８ａ〜ｅの外周に沿って溝３２２を設けるので、接合部分とポンプ室３２８ａ〜ｅとの間の領域で異物が混入する可能性が極めて低くなり、異物の混入に起因して生成した隙間に流体が流れ込むという現象を防止することができる。これらの結果、圧電ポンプ３００による流体の移送効率は高くなり、流体の漏出を防止でき、そのような不具合が生じ難くなることで圧電ポンプ３００を製造する際の歩留まりを高くすることが可能となる。
【００７２】
本実施形態の圧電ポンプ３００は、溝３２２内に接着用樹脂３２４を充填した状態で接合できるので、そのような溝を有しないポンプと比較すると、接着用樹脂の厚みが溝３２２に吸収される分だけ、非動作時のポンプ室の容量を低減することができる。その結果、流体を吸入する際の容量の増大程度（△Ｖ）が大きくなるため、流体の移送効率が非常に高いポンプである。
【００７３】
また、本実施形態の圧電ポンプ３００では、溝３２２が第２の基板３２０に形成されている。これにより、構造体３１４に溝が形成される場合と比較して、材質が一様のものに溝を形成できるため、その深さを均一にすることができる。さらに、接着性樹脂３２４が溝３２２内に充填された後にその部分で接合するため、例えば、接着性樹脂３２４を構造体３１４の表面に塗布した場合と比較して、接合時に接着性樹脂３２４が溝３２２に充填されるよう位置合わせを行う必要もなくなり、作業の簡便性が向上する。
【実施例】
【００７４】
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。
【００７５】
［実施例１］
（圧電ポンプの作製）
図８及び９に示すものと同様の圧電ポンプを下記のようにして準備した。まず、第１の基板である厚さ４００μｍのＳｉ基板上に、下部電極として厚さ０．１μｍのＰｔ電極、圧電体として厚さ２μｍのＰＺＴ層、上部電極として厚さ０．１μｍのＰｔ電極を順にイオンミリング及びエッチング法により形成し、圧電素子を得た。なお、１つの上部電極の主面は、直径１ｍｍの略円形とした。次にその上に、絶縁性のポリイミド樹脂を塗布した後、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、厚さ８μｍの支持部材を得た。更に、Ｓｉ基板の圧電素子に対向する部分（すなわち上部電極に対向する部分）と、その外周部分とをＤｅｅｐ−ＲＩＥを用いた反応性イオンエッチングにより除去して開口部を形成し、複合体を得た。
【００７６】
次いで、第２の基板である厚さ３００μｍのガラス基板に、エッチング法によりパターン化した溝、直径６５０μｍの第１の開口部及び第２の開口部、並びにそれらの開口部から延在する切り欠きを形成した。溝の断面形状は底側から開口側に広がる台形であり、溝の幅は底側で７５μｍ、開口側で３００μｍとした。更に、その溝内にポリイミドからなる接着性樹脂を充填した。接着性樹脂の充填位置は、溝の圧電素子（ポンプ室）側から約１５μｍの隙間が生じる位置にし、かつ、ガラス基板の溝を形成した側の主面よりも、そのガラス基板の厚み方向に約２μｍはみ出させた。
【００７７】
次に、溝内に接着性樹脂を充填した後のガラス基板の溝を形成した側の表面と、複合体の構造体側の表面とを対向させて、それらを互いに押し付け合いながら重ね合わせた。この際、溝が圧電素子の外周に沿うように位置合わせして、複合体とガラス基板とを重ね合わせた。その後、それら全体を２８０℃で１時間加熱して、接着性樹脂を硬化させることで、その接着性樹脂により支持部材とガラス基板とを接合した。また、下部電極及び上部電極に対して図８に示すものと同様の配線及び端子を形成し、それらを駆動回路に接続した。こうして圧電ポンプを得た。
【００７８】
（圧電ポンプの駆動）
得られた圧電ポンプを上記実施形態で説明したようにして駆動した。１工程あたりの駆動電圧の印加時間は１ミリ秒、１０ミリ秒又は１００ミリ秒、下部電極に印加する電圧（バイアス電圧）は５Ｖ、上部電極に印加する電圧（駆動電圧）は２０Ｖとした。流体として空気を用い、常温で圧電ポンプを駆動した。このときの外部から第１の開口部を経由して圧電ポンプに流入する順流での流体の移送量、並びに、圧電ポンプから第１の開口部を経由して外部に流出する逆流での流体の移送量を、透明なキャピラリ内を流れる液泡をＣＣＤモニタにて撮影し、そのモニタ上でのキャピラリの内径とキャピラリの仕様上の実内径とを照らし合わせることにより算定した。なお、表１及び下記表２中、移送量（単位時間当たり）は、実施例１の駆動電圧印加時間が１ミリ秒の場合の順流の移送量を１．００として、相対値で示す。
【００７９】
【表１】
2011069353.tif 000003
【００８０】
（実施例２）
上部電極（圧電素子）の主面の形状を５つとも直径１ｍｍの略円形とし、それらを重ね合わせずに並べたような形状、すなわち、図７に示す鶏卵の断面形状を並べたような形状を略円形を並べたような形状に変更した以外は、実施例１と同様にして圧電ポンプを作製した。得られた圧電ポンプを実施例１と同様にして駆動し、このときの外部から第１の開口部を経由して圧電ポンプに流入する順流での流体の移送量、並びに、圧電ポンプから第１の開口部を経由して外部に流出する逆流での流体の移送量を、実施例１と同様にして測定した。結果を表１に示す。
【００８１】
表１から明らかなように、複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有する圧電素子を用いた実施例１の方が実施例２と対比して、逆流での流体の移送量に対する順流での流体の移送量が多くなる結果となった。実施例１では、上流側から２番目以降の圧電素子において、最大変位部は、欠けた部分を補った円形とした場合の中心部よりもやや下流側となり、かつ、距離Ｌ１（最大変位部と上流側の端部との距離）が距離Ｌ２（最大変位部と下流側の端部との距離）よりも短くなった。その結果、その圧電素子は上流側の隣接する圧電素子の動きから、より影響を受けやすくなるので、上流側の圧電素子が元の状態に戻ることにより、逆流が生じ難くなり、下流に流体を流しやすくなった。一方、実施例２では、圧電素子において、最大変位部は、円形の中心部となり、かつ、距離Ｌ１と距離Ｌ２とが等しくなった。その結果、その圧電素子は上流側及び下流側の隣接する両方の圧電素子から同様に影響を受けるので、順流と共に逆流も生じやすくなり、実施例１と比較して、逆流での流体の移送量に対する順流での流体の移送量が少なくなる結果となった。
【００８２】
実施例１の圧電ポンプを上記実施形態で説明したようにして駆動した。ただし、１工程あたりの駆動電圧の印加時間は０．１ミリ秒、下部電極に印加する電圧（バイアス電圧）は５Ｖ、上部電極に印加する電圧（駆動電圧）は２０Ｖとした。流体として空気を用い、常温で圧電ポンプを駆動した。このときの外部から第１の開口部を経由して圧電ポンプに流入する順流での流体の移送量、圧電ポンプから第１の開口部を経由して外部に流出する逆流での流体の移送量、圧電ポンプから第２の開口部を経由して外部に流出する順流での流体の移送量、並びに、外部から第２の開口部を経由して圧電ポンプに流入する逆流での流体の移送量を、上述と同様にして測定した。結果を表２に示す。
【００８３】
【表２】
2011069353.tif 000004
【００８４】
表２から明らかなように、複数の平面図形を重ね合わせた平面形状を有する圧電素子を用いた実施例１では、逆流での流体の移送量に対する順流での流体の移送量が多くなる結果となった。かかる傾向は、第１の開口部においても第２の開口部においても同様であった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
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】
【００８６】
１００、３００…圧電ポンプ、１１０ａ〜ｆ、３１０ａ〜ｅ…圧電素子、１１２、３１２…下部電極、１１４ａ〜ｆ、３０８ａ〜ｅ…上部電極、１１６、３０６…圧電体、１２０、３１２…支持部材、１３０、３１４…構造体、１４０、３０２…第１の基板、１５０、３２０…第２の基板、１７０、３２８ａ〜ｅ…ポンプ室。
【図１】
2011069353.tif 000005
【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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