(57)【要約】【目的】小形で振動特性にばらつきのない、振動板の振動量を大きくすることなくポンプ吐出口から充分な流量をもってガスを効率良く噴出させることができる、ポンプ性能の安定したマイクロポンプを容易に製造できるようにする。【構成】ポンプ吐出口が設けられた下側基板と、通気孔があけられた電磁気的な振動子によって振動する第１の振動板が形成された中間基板と、電磁気的な振動子によって振動する第２の振動板が形成された上側基板とを、それぞれの振動板を支持する基部において順次積み重ねて接合することによって、下側基板と中間基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成され、中間基板と上側基板との間で背圧室が形成されるように構成し、第１および第２の各振動板を、その振動方向が相反するように振動させるようにしたことを特徴とするマイクロポンプ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ吐出口が設けられた下側基板と、通気孔があけられた電磁気的な振動子によって振動する第１の振動板が形成された中間基板と、電磁気的な振動子によって振動する第２の振動板が形成された上側基板とを、それぞれの振動板を支持する基部において順次積み重ねて接合することによって、下側基板と中間基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成され、中間基板と上側基板との間で背圧室が形成されるように構成し、第１および第２の各振動板を、その振動方向が相反するように振動させるようにしたことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
第１および第２の各振動板を振動させる振動子は、それぞれの振動板の表面または裏面に取り付けられ、互いに逆極性の交流信号によって駆動されるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【請求項３】
第１および第２の各振動板を振動させる振動子は、それぞれの振動板の表面と裏面とに取り付けられ、互いに同極性の交流信号によって駆動されるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【請求項４】
中間基板および上側基板が半導体基板をエッチングすることよって形成されたものであり、下側基板がポンプの実装基板であることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、振動板の振動によってガス等の流体を吐出する半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって製造されるマイクロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロポンプは、例えば、図１０に示すように、ポンプ吐出口１２および吸気口１３が設けられた金属製のケース１１の内部に、圧電素子１４が取り付けられた振動板１５を、ケース１１との間で吸排気室１６が、基板１８との間で背圧室１７が形成されるように、基板１８を介してバネ１９によって加圧保持するように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２３６８８号公報
【０００３】
このような構造によるマイクロポンプでは、その構成部品の全てが機械加工によるもので小形化には自ずと限界があるものとなっている。また、ポンプ性能を高めるためには部材の組付け精度が要求されるが、部材の寸法誤差や、振動板を加圧保持させる際の加圧状態のばらつきなどによって共振周波数、機械電気結合係数等のポンプ特性が個々にばらついてしまい、製品の歩留りの低下につながっている。
【０００４】
特に、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を感熱抵抗素子によって電気的に検出するガスレートセンサで、センサ本体が半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって製造された超小形のものにあって、そのセンサ本体に安定したガス流を送り込むポンプとして、より小形でポンプ性能の良いものが求められており、ポンプの駆動周波数、ガス吐出効率のばらつきはセンサ精度の低下につながるものとなっている。
【０００５】
また、未公開ではあるが、本願と同一出願人によって、小形でポンプ特性にばらつきのないものを容易に製造することができるように、図１１に示すように、下側基板１と上側基板３′との間に、半導体（シリコン）基板を凹状にエッチングすることによって薄膜状の振動板２１が形成された中間基板２を、その振動板２１の周囲を支持する基部２２の部分で挟持して、その振動板２１上に圧電素子９を接着するとともに通気孔５を設けて、ポンプ吐出口４が設けられた下側基板１と中間基板２との間で吸気口６を有する吸排気室７が形成され、中間基板２と上側基板３′との間で背圧室８が形成されるようにしたマイクロポンプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献２】
特願２００２−３８３０９７号
【０００７】
このような構造によるマイクロポンプでは、半導体基板のエッチングにより薄膜状に形成された振動板２１の振動による耐破壊強度の観点からその振動幅をある程度以上に大きくすることはできず、全体が超小形で吸排気室７および背圧室８の容量が小さいこととあいまって、ポンプ吐出量が少ないものになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは小形化に自ずと限界があるものとなっていることである。
【０００９】
また、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは、振動板の組み付け精度が悪く、ポンプ性能にばらつきを生じてしまっていることである。
【００１０】
そして、一つの振動板の振動によって超小形のマイクロポンプからガスを吐出させるのでは、その吐出されるガスの流量が少ないものになっていることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるマイクロポンプは、半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって小形でポンプ性能にばらつきのないものを容易に製造することができるとともに、特に２つの振動板を設けて、各振動板の振動方向が相反するようにそれぞれの振動板の振動を行わせることによって充分なポンプ吐出流量を得ることができるようにしている。
【００１２】
具体的には、ポンプ吐出口が設けられた下側基板と、通気孔があけられた電磁気的な振動子によって振動する第１の振動板が形成された中間基板と、電磁気的な振動子によって振動する第２の振動板が形成された上側基板とを、それぞれの振動板を支持する基部において順次積み重ねて接合することによって、下側基板と中間基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成され、中間基板と上側基板との間で背圧室が形成されるような構造としている。
【００１３】
【実施例】
本発明によるマイクロポンプは、図１に示すように、ポンプ吐出口４が設けられた下側基板１と、通気孔５があけられた第１の振動板２１が形成された中間基板２と、第２の振動板３１が形成された上側基板３とを、それぞれの振動板２１，３１を支持する基部２２，３２において順次積み重ねて接合することによって、下側基板１と中間基板２との間で吸気口６を有する吸排気室７が形成され、中間基板２と上側基板３との間で背圧室８が形成されるように構成されている。
【００１４】
そして、各振動板２１，３１の上には、平板状の圧電素子９，１０がそれぞれの分極方向が揃えられて接着されており、図示しない駆動回路によって互いに逆位相の交流電圧が印加されて、各振動板２１，３１が互いに相反する方向に振動するようにしている。
【００１５】
ここでは、振動子として圧電素子９，１０を用いているが、その他電磁気的に振動する電歪振動子や磁歪振動子などが広く用いられる。
【００１６】
中間基板２の振動板２１には、下側基板１に設けられているポンプ吐出口４と同一の中心線上となる位置に通気孔５があけられており、振動板２１および振動板３１が同時に背圧室８側にたわんで背圧室８内のガスを吐出する際、ガスが一直線にポンプ吐出口４に流れて効率良く安定に吐出されるように、ポンプ吐出口４と通気孔５との相対的な位置決めがなされているとともに、ポンプ吐出口４と通気孔５との大きさが最適設定されている。
【００１７】
中間基板２に振動板２１を形成する場合、本発明では、図４および図５に示すように、シリコン基板における（１００）面からなる片面を凹状にウェットエッチングすることによって、薄膜化された振動板２１を得るようにしている。
【００１８】
半導体（シリコン）基板のエッチングによるマイクロマシニング加工には、ドライエッチングおよびウェットエッチングによる加工技術がある。そして、それぞれのエッチングには全ての方向にエッチングする等方性エッチングと特定の方向に選択的にエッチングする異方性エッチングとがあり、半導体基板を立体的に加工するフォトリゾグラフィー技術では異方性エッチングが比較的多く用いられる。
【００１９】
本発明では、エッチング速度が速くてスループット性が良く、バッチ処理によりコストの削減が可能であり、ドライエッチングよりも生産性に優れたウェットエッチングを採用して、シリコン基板を異方性エッチングするようにしている。その際、シリコン基板の（１００）面をエッチングすると、（１１１）面からなる側面をもった四角錐状に加工されて、正方形の薄膜化された振動板２１が形成される。
【００２０】
そのエッチングされた部位は、（１００）面による平面と、（１１１）面による側面とが露出された状態になる。（１１１）面は異方性ウェットエッングにおいて最終的に出現する安定な結晶面であり、エッチングにより薄膜状に形成された振動板２１の全周がその（１１１）面からなる部分によって支持される、このような振動板２１の支持状態は安定であるとともに構造的に強固であり、ばらつきなく常に一定の振動特性を発揮することのできる振動板２１を容易に得ることができるようになる。
【００２１】
そして、その正方形の振動板２１上には、図６に示すように、振動時に圧電素子９が振動板２１に与える応力が円周上均等に分散して、部分的に集中するようなことがないように、円形の平板状の圧電素子９が同一中心をもって接着されている。
【００２２】
上側基板３にあっても同様に、シリコン基板を凹状にエッチングすることにより、正方形の薄膜化された振動板３１が形成されることになる。そして、その正方形の振動板３１上には、円形の平板状の圧電素子１０が同一中心をもって接着されている。
【００２３】
また、下側基板１にあっては、シリコン基板をエッチングして、吸排気室７の下側部分となる凹部が形成されるようにしている。
【００２４】
このように構成された本発明によるマイクロポンプの動作について、以下説明する。
【００２５】
まず、図２に示すように、圧電素子９に負側の駆動電圧が印加されて振動板２１が下方にたわむと同時に、圧電素子１０に正側の駆動電圧が印加されて振動板３１が上方にたわむと、吸排気室７が陽圧となり、背圧室８が陰圧となって、吸排気室５内のガスが通気孔５を通して背圧室８内に送り込まれる。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００２６】
このとき、２つの振動板２１，３１が互いに離反する方向にたわむことによって背圧室８の容積が大きく増大して、背圧室８内にガスを充分に吸い込むことになる。
【００２７】
次に、図３に示すように、圧電素子９に正側の駆動電圧が印加されて振動板２１が上方にたわむと同時に、圧電素子１０に負側の駆動電圧が印加されて振動板３１が下方にたわむと、背圧室８が陽圧となり、その背圧室８内のガスが通気孔５を通してポンプ吐出口４から外部に噴出する。同時に、吸排気室７が陰圧となり、吸気口６から吸排気室７内にガスを吸い込む。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００２８】
このとき、２つの振動板２１，３１が互いに接近する方向にたわむことによって背圧室８の容積が大きく減少して、背圧室８内のガスを充分に吐出することになる。
【００２９】
このようなポンプ動作がくり返し行われることにより、ポンプ吐出口４からガスの噴出が断続的に安定して行われることになる。
【００３０】
その際、図１１に示すマイクロポンプのように、中間基板２に振動板２１が１つだけ設けられているものに比べて、同一寸法で、同一の印加電圧によって圧電素子９による振動板２１のたわみ量が同じになるように駆動した場合、本発明のマイクロポンプによれば、２つの振動板２１，３１の相反した振動によって背圧室８の容積が大きく変化して（その変化の割合がほぼ２倍となる）、ポンプ吐出量が増大することになる。
【００３１】
また、本発明のマイクロポンプによれば、図１１に示す中間基板２に振動板２１が１つだけ設けられているマイクロポンプと同じポンプ吐出量を得るためには、振動板２１，３１の印加電圧を１／２にして、その各振動幅を半分にすればよく、各振動板２１，３１の耐久性が向上する。
【００３２】
本発明によるマイクロポンプにあっては、図７に示すように、中間基板２の振動板２１と上側基板３の振動板３１の各下面に、それぞれ分極方向を揃えて圧電素子９，１０を接着して、互いに逆位相の交流電圧を印加するようにしても、前述と同様のポンプ動作を行わせることができるようになる。
【００３３】
この場合には、特に、マイクロポンプの外部に圧電素子１０およびその電極部分が露出しないために、外力によって圧電素子１０およびその電極部分が破損するようなことがなくなる。
【００３４】
また、図８に示すように、中間基板２の振動板２１の上面に圧電素子９を、上側基板３の振動板３１の下面に圧電素子１０をそれぞれ分極方向が逆になるように接着して、互いに同位相の交流電圧を印加するようにしても、前述と同様のポンプ動作を行わせることができるようになる。
【００３５】
さらに、図９に示すように、中間基板２の振動板２１の下面に圧電素子９を、上側基板３の振動板３１の上面に圧電素子１０をそれぞれ分極方向が逆になるように接着して、互いに同位相の交流電圧を印加するようにしても、前述と同様のポンプ動作を行わせることができるようになる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、小形化を図るに際して、それぞれ半導体基板のエッチングにより振動板が形成された中間基板および上側基板を、下側基板上に重ねて、その各振動板を支持する基部において接合させるようにしているので、各振動板の装着状態が常に一定となり、振動特性にばらつきのないポンプ性能の安定したマイクロポンプを容易に製造することができるようになる。
【００３７】
そして、その際、特に本発明によれば、中間基板と上側基板とにそれぞれ設けられた２つの振動板を、その振動方向が相反するように振動させるようにしているので、各振動板の振動量を大きくすることなく、ポンプ吐出口から充分な流量をもってガスを効率良く噴出させることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロポンプの一実施例を示す正断面図である。
【図２】本発明の一実施によるマイクロポンプの一動作状態を示す正断面図である。
【図３】本発明の一実施によるマイクロポンプの他の動作状態を示す正断面図である。
【図４】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された中間基板を示す正断面図である
【図５】その振動板が形成された中間基板の斜視図である。
【図６】同実施例における方形の振動板の上に円形の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図７】本発明によるマイクロポンプの他の実施例を示す正断面図である。
【図８】本発明によるマイクロポンプのさらに他の実施例を示す正断面図である。
【図９】本発明によるマイクロポンプのさらに他の実施例を示す正断面図である。
【図１０】従来のマイクロポンプの一構成例を示す正断面図である。
【図１１】従来のマイクロポンプの他の構成例を示す正断面図である。
【符号の説明】
１  下側基板
２  中間基板
２１  振動板
２２  基部
３  上側基板
３１  振動板
３２  基部
４  ポンプ吐出口
５  通気孔
６  吸気口
７  吸排気室
８  背圧室
９  圧電素子
１０  圧電素子
【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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