(57)【要約】【課題】ポンプ性能及び信頼性を確保しつつ、長寿命化を図れる圧電振動子及び圧電ポンプを得る。【解決手段】導電性金属薄板からなるシムと、このシム上にシム側電極を介して積層接着された圧電体と、該圧電体のシムとは反対側の面に接着積層した露出側電極とを備え、該シム側電極と露出側電極に交互に正負電位を与えることで振動する圧電振動子において、上記シム側電極を、露出側電極よりも密着強度の高い導電材料で形成した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性金属薄板からなるシムと、このシム上にシム側電極を介して積層接着された圧電体と、該圧電体のシムとは反対側の面に接着積層した露出側電極とを備え、該シム側電極と露出側電極に交互に正負電位を与えることで振動する圧電振動子において、
前記シム側電極は、前記露出側電極よりも密着強度の高い導電材料で形成されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電振動子において、前記シム側電極は少なくともＡｇを含むＡｇ系導電材料により形成され、前記露出側電極はＡｇを含まない非Ａｇ系導電材料により形成されている圧電振動子。
【請求項３】
請求項１記載の圧電振動子において、前記シム側電極はＡｇ、ＡｇＰｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉのいずれか１種により形成された導電層が圧電体に接するように設けられた圧電振動子。
【請求項４】
請求項１または２記載の圧電振動子において、前記露出側電極はＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれか１種により形成された圧電振動子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載された圧電振動子によって可変容積室を形成し、この可変容積室に露出する前記露出側電極と前記シム側電極に交互に正負電位を与えることにより該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得ることを特徴とする圧電ポンプ。
【請求項６】
請求項５記載の圧電ポンプにおいて、前記圧電振動子は、前記シムの表裏面にそれぞれ圧電体を積層したバイモルフ構造の圧電振動子である圧電ポンプ。
【請求項７】
請求項５または６記載の圧電ポンプは、前記圧電振動子の振動によって液体を送る送液用ポンプである圧電ポンプ。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか一項に記載の圧電ポンプにおいて、前記露出側電極を覆う樹脂フィルムを備えた圧電ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の表裏面に一対の膜状電極を有する圧電振動子及び該圧電振動子を用いた圧電ポンプに関し、特に圧電振動子の一対の膜状電極構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
板状の圧電振動子を振動させることによりポンプ作用を得る圧電ポンプは、圧電振動子によって可変容積室を形成し、この可変容積室に連なる一対の流路に、流れ方向の異なる一対の逆止弁（可変容積室への流体流を許す逆止弁と可変容積室からの流体流を許す逆止弁）を設けている。圧電振動子を振動させると、可変容積室の容積が変化し、それに伴い一対の逆止弁の一方が閉じ他方が開く動作を繰り返すことから、ポンプ作用が得られる。この圧電ポンプは、薄型にできることから、例えば水冷パソコンの冷却水循環ポンプ（送液ポンプ）として用いられている。
【０００３】
圧電振動子は、圧電体を、シム（導電性金属薄板）の表裏の少なくとも一方に積層してなっている。圧電体はその表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると一方の表面積が拡大し他方の表面積が拡大する性質がある。このため、圧電体の表裏面に形成した一対の電極に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。
【０００４】
圧電体をシムの表裏の両方に積層したバイモルフ型では、シムの表裏の圧電体の分極特性を同一方向にしてある。つまり、シムに接触する表裏の一対の圧電体の分極特性がそれぞれ異極となり、一対の圧電体の露出面がそれぞれ異極となるようにしている。 このように表裏の圧電体の分極特性を同一方向にすると、シムと、シム表裏の一対の圧電体の露出面との間に交互に正負電圧を与えたとき、シムの変位量を増大させることができる。
【０００５】
このような圧電振動子を備える圧電ポンプでは、ポンプ性能及び信頼性を確保しつつ、如何にしてポンプ寿命を長期化させるかが課題となっている。従来は、例えば特許文献１〜２に記載されているように、圧電振動子の一対の膜状電極をＡｇやＡｕ、Ｐｔにより形成していた。しかしながら、パソコンの冷却水循環ポンプとして用いられる圧電ポンプは多湿環境下で長時間連続駆動されるため、Ａｇ電極を用いると、連続駆動時間が長くなるにつれてマイグレーションが発生し、導通がとれなくなってしまう。通常はＡｇ電極を水密性の樹脂フィルムで覆うことにより防湿対策がとられているが、連続駆動時間の経過とともに可変容積室の液体が樹脂フィルムに浸透し、Ａｇ電極まで達することを防げないことが判明した。この樹脂フィルムの替わりに金属製の保護カバーを用いてＡｇ電極の完全防湿を図れば、上記マイグレーションによる不具合は生じないが、金属製の保護カバーにより圧電振動子の振動が妨げられ、ポンプ性能が犠牲になる。一方、Ａｕ電極やＰｔ電極を用いると、多湿環境下であってもマイグレーションは生じにくいが、化学的に安定なＡｕやＰｔの上ではボンディング剤が拡散しづらく、シムとの密着強度を十分に確保することが難しい。このため、圧電ポンプの連続駆動時間が長くなると、シムと圧電体との間で電極が剥離してしまっていた。
【特許文献１】特開平６−３１８７４３号公報
【特許文献２】特開平９−２４３６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の問題意識に基づき、ポンプ性能及び信頼性を確保しつつ、長寿命化を図れる圧電振動子及び圧電ポンプを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シム側電極の密着強度を高めれば長時間駆動による電極剥離を抑制できること及びマイグレーション耐性のある導電材料で露出側電極を形成すれば長時間駆動によるマイグレーションを抑制できること、これと同時に、シム側電極はシムに接着されることでマイグレーション抑制効果が得られるのでマイグレーションの発生しやすい導電材料でも使えること及び露出側電極は可変容積室に露出するので密着強度はそれほど必要ないことに着目して完成されたものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、導電性金属薄板からなるシムと、このシム上にシム側電極を介して積層接着された圧電体と、該圧電体のシムとは反対側の面に接着積層した露出側電極とを備え、該シム側電極と露出側電極に交互に正負電位を与えることで振動する圧電振動子において、シム側電極は、露出側電極よりも密着強度の高い導電材料で形成されていることを特徴としている。
【０００９】
シム側電極は少なくともＡｇを含むＡｇ系導電材料により形成され、露出側電極はＡｇを含まない非Ａｇ系導電材料により形成されていることが好ましい。あるいは、シム側電極はＡｇ、ＡｇＰｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉのいずれか１種により形成された導電層が圧電体に接するように設けることが好ましい。露出側電極は、具体的にＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれか１種により形成することができる。
【００１０】
また本発明は、圧電ポンプの態様によれば、上記圧電振動子によって可変容積室を形成し、この可変容積室に露出する露出側電極とシム側電極に交互に正負電位を与えることにより該圧電振動子を振動させてポンプ作用を得ることを特徴としている。この電ポンプに備えられる圧電振動子は、シムの表裏面にそれぞれ圧電体を積層したバイモルフ構造であることが好ましい。
【００１１】
上記圧電ポンプは、圧電振動子の振動によって液体を送る送液用ポンプとして用いることができ、さらに、露出側電極を覆う樹脂フィルムを備えることが実際的である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の圧電振動子及び圧電ポンプによれば、ポンプ性能及び信頼性を確保しつつ、長寿命化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、圧電振動子を有する圧電ポンプの一例を示している。ハウジング１０は、アッパハウジング１０ａとロワハウジング１０ｂからなり、アッパハウジング１０ａとロアハウジング１０ｂの間に、圧電振動子１１が液密に挟着支持されている。圧電振動子１１の厚さは誇張して描いているが実際の厚みは１．５ｍｍ未満である。アッパハウジング１０ａには、この圧電振動子１１との間に可変容積室１２を形成する凹部１３が形成されている。
【００１４】
アッパハウジング１０ａには、冷却水（液体）の入口ポート１４Ａと出口ポート１４Ｂが開口していて、入口ポート１４Ａは入口側液溜室１５Ａに連通し、出口ポート１４Ｂは出口側液溜室１５Ｂに連通している。入口側液溜室１５Ａと可変容積室１２の間、出口側液溜室１５Ｂと可変容積室１２の間にはそれぞれ、隔壁１６Ａ、１６Ｂが位置しており、この両隔壁１６Ａ、１６Ｂにアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂが設けられている。アンブレラ１７Ａは、入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２への流体流を許してその逆の流体流を許さず、アンブレラ１７Ｂは、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）への流体流を許してその逆の流体流を許さない逆止弁である。
【００１５】
以上の圧電ポンプは、圧電振動子１１が正逆に弾性変形すると、可変容積室１２の容積が拡大する行程では、アンブレラ１７Ａが開いてアンブレラ１７Ｂが閉じるため、冷却水入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２内に液体が流入し、可変容積室１２の容積が縮小する行程では、アンブレラ１７Ｂが開いてアンブレラ１７Ａが閉じるため、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）へ液体が流出する。従って、圧電振動子１１を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことでポンプ作用が得られる。
【００１６】
圧電振動子１１は、図２、図３に模式的に示すように、中心部の円形のシム１１１と、その表裏に積層形成した圧電体１１２とからなっている。シム１１１は、例えばＮｉ42Ｆｅ68やステンレスのような導電性の金属薄板材料で形成でき、本実施形態では例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板から構成されている。シム１１１には、径方向に突出する配線接続突起１１４が設けられている。配線接続突起１１４には、その幅方向の両側に対称に、リード線の抜け止め抵抗を高める一対のリード線掛止凹部１１４ａ、１１４ｂが形成されており、該一対のリード線掛止凹部１１４ａ、１１４ｂよりも内方に、半田付け用貫通孔１１４ｃが形成されている。半田付け用貫通孔１１４ｃには、第１リード線２１が一方のリード線掛止凹部１１４ｂに掛止められた状態で半田付けされる。他方のリード線掛止凹部１１４ａには、電極取出部材１８０に半田付けされる第２リード線２２が掛止められる。
【００１７】
圧電体１１２は、ＰＺＴやチタン酸バリウムなどの圧電電歪性セラミックスで形成されるもので、本実施形態では例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）から構成されている。圧電体１１２の表裏方向には分極処理が施されている。この分極処理は、シム１１１の表裏に位置する一対の圧電体１１２において互いに同一方向である。つまり、図３において、一対の圧電体１１２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、シム１１１の厚さ方向に同一方向の分極処理が施されている。
【００１８】
圧電体１１２の表裏面には、図４に示すように全面的に、あるいは同心円状に膜状電極１１３が形成されている。圧電体１１２のシム１１１側の面は膜状電極１１３Ａを介してシム１１１と全面的に導通するように接着され、シム１１１側とは反対側の面には膜状電極１１３Ｂが露出している。以下では、シム１１１に接着される膜状電極１１３Ａをシム側電極、シム１１１とは反対側の面に露出する膜状電極１１３Ｂを露出側電極ということにする。露出側電極１１３Ｂは、圧電振動子１１の表面を覆う樹脂製の保護フィルム２４によって覆われており、可変容積室１２内の液体に触れないようになっている。
【００１９】
スペーサ絶縁リング１１５は、その径方向に延びてシム１１１の配線接続突起１１４の表面又は裏面に接触するストリップ状絶縁板材１１５ａを有し、シム１１１と配線接続突起１１４及び電極取出部材１８０との短絡を防止する。
【００２０】
電極取出部材１８０は、一対のシム側電極１１３Ａと露出側電極１１３Ｂに対応する一対の接触子１８１と、この接触子１８１間を接続する接続縁１８２と、配線接続部１８３とを有している。一対の接触子１８１には、シム側電極１１３Ａ及び露出側電極１１３Ｂと接触する部分に低融点金属メッキ層（例えば半田メッキ層）が形成されている。配線接続部１８３には、シム１１１の配線接続突起１１４に設けた半田付け用貫通孔１１４ｃに対応させて半田付け用貫通孔１８４が形成され、該半田付け用貫通孔１８４に、リード線２２が半田付けされている。この電極取出部材１８０は、接続縁１８２を所定の折曲線に沿って折り曲げることで一対の接触子１８１を対向させ、該一対の接触子１８１（低融点金属メッキ層）をシム側電極１１３Ａ及び露出側電極１１３Ｂにそれぞれ接触させ、この接触圧力を加えたまま加熱することで、配線接続突起１１４とストリップ状絶縁板材１１５を囲むように結合される。
【００２１】
以上の圧電振動子１１はバイモルフ型の圧電振動子として知られ、シム１１１（シム側電極１１３Ａ）を一方の共通電極とし、一対の圧電体１１２の露出面（露出側電極１１３Ｂ）を他方の共通電極として、交番電界を与えると、表裏の一方が伸び他方が縮む動作が繰り返され（振動し）、上記の圧電ポンプ作用が得られる。
【００２２】
本実施形態は、圧電振動子１１の電極構造（シム側電極１１３Ａ、露出側電極１１３Ｂ）に特徴を有しており、シム側電極１１３Ａと露出側電極１１３Ｂが異なる導電材料で形成されている。
【００２３】
露出側電極１１３Ｂは、マイグレーション耐性のある非Ａｇ系導電材料、具体的にはＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄのいずれか１種により形成されている。本実施形態では例えば厚さ０．１μｍ程度のＡｕ電極が用いられている。露出側電極１１３Ｂは樹脂製の保護フィルム２４で防水されているが、圧電振動子１１の連続駆動時間が長くなると、可変容積室１２内の液体が保護フィルム２４に徐々に浸透し、露出側電極１１３Ｂまで達することが防げない。多湿環境下ではマイグレーション発生が増進されるが、上記に挙げた非Ａｇ系導電材料で露出側電極１１３Ｂを形成すれば、多湿環境下であってもマイグレーションが生じにくいので、電極寿命を延ばすことができる。
【００２４】
シム側電極１１３Ａは、露出側電極１１３Ｂよりも圧電体１１２に対して密着強度の高い導電材料、具体的にはＡｇＰｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等のいずれかにより形成されている。本実施形態では例えば厚さ２〜３μｍ程度のＡｇＰｄ電極が用いられている。シム側電極１１３Ａは、シム１１１に対して全面的に接着されているので、シム１１１が振動すると、該振動による応力を受ける。圧電体１１２とシム側電極１１３Ａの密着強度が上がることで、圧電体１１２とシム１１１が連続駆動しても該シム１１１とシム側電極１１３Ａの密着性が保持され、長寿命化に貢献できる。ここに挙げたＡｇＰｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉは、マイグレーションが発生しやすい導電材料であることが知られているが、シム側電極１１３Ａはシム１１１に接着されるので、防水性が保持され、マイグレーションによる導通不良は抑制されると考えられる。
【００２５】
シム側電極１１３ＡをＡｇから構成する場合は銀ペーストを印刷（スクリーン焼成）することで形成でき、ＡｇＰｄから構成する場合は銀パラジウムペーストの印刷またはスパッタ成膜により形成でき、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉのいずれかで構成する場合はスパッタ成膜により形成できる。また、シム側電極１１３ＡをＣｕから構成する場合は、銅ペーストを窒素雰囲気中で印刷すること、またはメッキ法により形成できる。
【００２６】
一対の膜状電極１１３（シム側電極１１３Ａ及び露出側電極１１３Ｂ）を構成する導電材料の密着強度は、ピール試験により評価している。ピール試験は、異なる導電材料で形成した膜状電極１１３に対し、該膜状電極１１３を多数のセル状に切断し、この多数セル上に所定の粘着力を有するテープを貼り付け、該テープを剥がしたときに残存しているセルの割合を測定する試験であり、ＪＩＳ  Ｈ８５０４に準拠するものである。本実施形態では、圧電振動子が多湿下で長時間連続駆動した状態での導電材料の密着強度を知るために、内部への水分の侵入を時間的に短縮するプレッシャークッカー試験を実施した上で上記ピール試験を実施した。
【００２７】
プレッシャークッカー試験の条件は以下のとおりである。
＜プレッシャークッカー試験条件＞
温度；摂氏１２０℃
湿度；１００％
圧力；２気圧
時間；７２時間
【００２８】
表１に、ピール試験結果を示す。表１からも明らかなように、ＡｇＰｄ膜状電極及びＣｒ膜状電極では１００％程度のセルが残存し、Ａｕ膜状電極では６９％程度のセルが残存する結果となった。セル残存率が高いものほど、その密着強度が高いと評価することができる。なお、Ｃｒについては、Ｃｒの上にさらにＡｕＰｄの導電膜を形成した膜状電極で評価したものであるが、実質的には、Ｃｒと圧電体との密着性を評価したものと等価である。
【００２９】
（表１）
電極材            ＡｇＰｄ      Ｃｒ         Ａｕ
セル残存率          １００％    １００％      ６９％
【００３０】
表１からも分かるようにＡｇＰｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉは、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｇよりも密着強度が高いことが明らかである。このように密着強度が高いと評価された導電材料を少なくとも圧電体１１２に接するように用いて、シム側電極１１３Ａを形成する。
【００３１】
以上のように本実施形態は、シム側電極１１３Ａが密着強度の高い導電材料で形成され、且つ、露出側電極１１３Ｂがマイグレーション耐性の高い導電材料で形成されている。このようにシム側電極１１３Ａと露出側電極１１３Ｂを異なる導電材料で形成すれば、シム１１１とシム側電極１１３Ａの接着を強固にして圧電振動子１１の連続駆動による電極剥離を抑制でき、同時に、ポンプ性能を犠牲にすることなく、可変容積室１２に臨む露出側電極１１３Ｂのマイグレーションを抑制することができる。これにより、圧電ポンプの長寿命化を達成できる。
【００３２】
以上の説明から明らかなように、本発明は圧電振動子１１の圧電体表裏面に設ける一対の膜状電極構造を要旨としている。従って、圧電振動子１１自体の構成、あるいはアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂ等の構成を問わない。例えば圧電振動子１１は、圧電体１１２を積層構造として駆動電圧を下げたもの等が知られており、本発明はこれらの圧電振動子及び該圧電振動子を備えた圧電ポンプにも当然に使用可能である。また本発明は、バイモルフ型の圧電振動子及び圧電ポンプに限らず、シムの表裏面のいずれか一方に圧電体を備えるユニモルフ型の圧電振動子及び圧電ポンプにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による圧電振動子を適用した圧電ポンプの一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の圧電ポンプの圧電振動子部分を模式的に断面とした要部拡大断面図である。
【図３】本発明による圧電振動子の模式分解断面図である。
【図４】圧電体の表裏面に形成される一対の膜状電極構造を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  圧電振動子
１２  可変容積室
２１  ２２  リード線
２４  保護フィルム
１１１  シム
１１２  圧電体
１１３  膜状電極
１１３Ａ  シム側電極
１１３Ｂ  露出側電極
１１４  配線接続突起
１１５  ストリップ状絶縁板材
１８０  電極取出部材
【図１】
2007239623.tif 000003
【図２】
2007239623.tif 000004
【図３】
2007239623.tif 000005
【図４】
2007239623.tif 000006