CN102094796A - 压电泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使以较低的驱动电压也能在压电元件的中央部得到较大位移量、并且可以防止由于迁移而导致产生短路的压电泵。压电泵的泵本体(1)中形成的泵室(2)被压电元件(21)关闭，通过对压电元件施加电压，使其中心范围和周边范围向相反方向弯曲位移，使泵室(2)的容积产生变化。压电元件(21)是将电极置于其间、层叠多个压电体层而成，并形成电极，使得各压电体层内的中心范围和周边范围在厚度方向被极化为互相相反的方向，对各压电体层内的中心范围和周边范围施加在厚度方向为同一方向的电压。由于对形成于压电体层的同一面上的电极施加同一电位的电压，因此可以防止由于迁移而导致产生短路。

Description

压电泵

本申请是申请人于2009年1月8日进入中国的、国际申请号为“PCT/JP2007/063645”的、中国申请号为“200780026393.1”的发明名称为“压电泵”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及压电泵，更详细而言，涉及使用弯曲变形的压电元件的压电泵。

背景技术

以往，已知的压电泵包括具有泵室的泵本体；以及为了关闭上述泵室的开口部而固定在泵本体上的、通过施加电压而弯曲位移使泵室的容积产生变化的压电元件。作为压电元件，有单压电晶片(unimorph)振动膜或双压电晶片(bimorph)振动膜，但无论在哪种情况下，由于将压电元件的周围固定在泵本体上，因此存在压电元件的中心部不能大幅位移、无法得到充分的排出流量这样的缺点。

作为解决这样的问题的方案，在专利文献1提出了一种压电泵，该压电泵使用由可利用压电效应激励的第一层以及与第一层结合的支承层形成的、可控制的单压电晶片结构的膜体，上述膜体具有可分别利用压电效应激励的周边范围和中心范围，并进行控制，使得在周边范围沿横向收缩时，中心范围扩张。此时，即使膜体的周边部被泵本体限制并支承，但由于中央部和周边部的弯曲方向相反，因此在膜体的中央部可以得到较大的位移量。因此，具有可以得到较大的排出流量的优点。

专利文献1：日本专利特表平1-500892号公报

作为解决同样问题的方案，在专利文献2提出了一种方案，该方案将压电元件由双压电晶片振子构成，其电极被分割为中央部侧和被泵本体支承的周边部侧，对该中央部侧和周边部侧的各电极施加极性互相相反的交流电压。此时，由于压电元件是将两片压电体粘合的双压电晶片的结构，因此与专利文献1相比，可以得到更大的位移量。

专利文献2：日本专利特开平3-54383号公报

图27表示专利文献2所示的压电元件及其驱动电路。图27中，压电元件100是将两片压电体101、102夹住金属板103而粘合，在其上下表面形成电极。上表面的电极由周边电极104和中央电极105形成，下表面的电极也由周边电极106和中央电极107形成。将交流电源108的一端连接于金属板(公共电极)103，将另一端部通过控制部109连接于周边电极104、106，并且通过反相器110连接于中央电极105、107。压电体101、102如箭头P所示，整体被极化为相同方向。

从图27可知，金属板103为接地电位，对周边电极104、106和中央电极105、107施加相位相差180°的电压。各压电体的中央部和周边部的电场E方向相反。利用作用在金属板103和上下表面的电极之间的电场E，可以使压电体101、102的各部分产生伸长位移或者收缩位移。电场方向和极化方向为相同方向的压电体收缩，电场方向和极化方向为相反方向的压电体伸长。其结果是，如上所述，压电元件100的中央部侧和周边部侧的弯曲方向相反，即使将压电元件100的周边部固定在泵本体上，在压电元件100的中央部也能得到较大位移。

上述结构的压电元件100由于是将两片烧成且已极化的压电体101、102夹住金属板103粘合而成，所以各压电体的厚度较厚，为了得到所需的位移，需要提高驱动电压。而由于驱动电压高，因此驱动电路会变大。特别是考虑将压电泵安装在便携式设备上时，需要高驱动电压这样的状况并不理想。另外，由于在同一面上邻接的周边电极和中央电极的电位不同，因此可能会由于迁移而导致短路。随着压电泵的小型化，若缩小压电元件的尺寸，则由于将周边电极和中央电极之间电绝缘用的间隙也会相应地变窄，因此产生短路的危险性增大。并且，由于采用在驱动时使中央部和周边部的电位相反的结构，因此需要对中央的金属板103；周边电极104、106；中央电极105、107分别施加不同的三种电压。因此，存在的问题是：必须在每层引出多条布线，布线变得复杂，且设置反相器110等的驱动电路变得复杂。

发明内容

因此，本发明的理想的实施方式的目的是提供一种压电泵，该压电泵即使驱动电压比较低，也能在压电元件的中央部得到较大位移量，并且可以防止由于迁移而产生的短路。

为达到上述目的，本发明提供的压电泵包括：具有泵室的泵本体；以及为了关闭上述泵室而保持在泵本体上的、利用施加电压而弯曲位移使泵室的容积产生变化的压电元件，上述压电元件中与泵室对应的部分具有中心范围以及围住中心范围的周边范围，利用施加在上述压电元件的驱动电压使上述中心范围和周边范围向相反方向弯曲位移，该压电泵的特征是，上述压电元件是对多个压电体层将电极置于其间进行层叠、烧成，之后极化而成，各压电体层内的上述中心范围和周边范围在厚度方向互相被极化为相反方向，并形成上述电极，使得在各压电体层内对上述中心范围和周边范围施加沿厚度方向为同一方向的驱动电场，对形成于上述压电体层的同一面上的电极施加同一电位的驱动电压。

本发明的压电泵中使用的压电元件是层叠多个压电体层而成。即，压电元件是对于生片状态的压电陶瓷层将电极置于其间，进行层叠压接、烧成，之后极化而成。因此，与以往的将两片已烧成的压电板夹住金属板而粘合的双压电晶片型的压电元件相比，可以轻薄化，并且可以降低驱动电压，实现低驱动电压的小型泵。为了使压电元件的中心范围和周边范围向相反方向弯曲位移，在各压电体层内将中心范围和周边范围在厚度方向被极化为相反方向，而且形成电极，使得在各压电体层内对中心范围和周边范围施加沿厚度方向为同一方向的驱动电场。并且，由于对形成于压电体层的同一面上的电极施加同一电位的驱动电压，因此即使在同一面上形成多个电极，也可以防止在这些电极间由于迁移而产生的短路，可以得到长时间稳定的动作。

考虑例如层叠两层压电体的最简单的压电元件，在各压电体层内，只要将中心范围和周边范围在厚度方向被极化为互相相反的方向，且使邻接的压电体层的极化方向为相同方向即可。该状态下，在各压电体层内，若对中心范围和周边范围施加沿厚度方向为同一方向的驱动电场，则例如上侧压电体层的中心范围收缩时，下侧压电体层的中心范围伸长，上侧压电体层的周边范围伸长，且下侧压电体层的周边范围收缩。因此，压电元件的中央部侧和周边部侧的弯曲方向相反，即使压电元件的周边部被泵本体限制并支承，也能在压电元件的中央部得到较大位移。

若采用该理想的实施方式，上述电极也可以具有：分别与上述中心范围和周边范围对应的、被分割的分割电极；以及在上述中心范围和周边范围连续的连续电极，上述分割电极和上述连续电极在上述压电体层的层叠方向交替设置。此时，由于在每一层可以形成连续的连续电极，因此可以抑制由于电极和间隙部的厚度差而导致的压电体的变形。另外，可以容易适用于两层以上的任意多层结构的压电元件，可以降低驱动电压。

其结构不限于将上述分割电极和连续电极有规律地交替形成，也可以在层叠方向邻接的两个分割电极之间，形成两层以上的连续电极，在该两层以上的连续电极之间形成不会自发位移的中间层。例如在压电元件的厚度方向邻接的两个分割电极间形成两层连续电极时，被两层连续电极夹住的压电体层成为在对电极施加驱动电压时不伸缩的中间层。通过使夹住中间层的一侧的压电体层和另一侧的压电体层的位移相反，中间层可以缓和在两个压电体层之间产生的应力，使其高效地弯曲位移。

若采用理想的实施方式，上述分割电极也可以包括：在与上述中心范围对应的部分形成的中心电极；在与上述周边范围对应的部分形成的、通过间隙将上述中心电极围住的周边电极；以及从上述中心电极横切周边电极而引出到上述压电体层的外周部的引出电极，上述压电元件具有在其层叠方向、施加驱动电压时伸缩方向不同的第一压电体部及第二压电体部，在上述压电元件的外周部形成第一连接电极及第二连接电极，其中第一连接电极将引出在上述第一压电体部的压电体层形成的中心电极的引出电极、和在第二压电体部的压电体层形成的周边电极相互连接，第二连接电极将在上述第一压电体部的压电体层形成的周边电极、和引出在上述第二压电体部的压电体层形成的中心电极的引出电极相互连接。

在中心电极的周围被周边电极围住时，需要将中心电极引出到外部。例如专利文献2所示由导线引出时，由于导线连接于振动部分，因此阻碍压电元件振动的可能性较大。而且，如专利文献2所示，在使厚度方向中央的连续电极为接地电位、对极化电极的周边电极和中央电极施加极性不同的电压的方法中，必须在每层引出多条导线，布线复杂。与之不同的是，从中心电极通过横切周边电极的引出电极引出到压电体层的外周部，并且，压电元件在其层叠方向具有在施加驱动电压时伸缩方向不同的第一压电体部及第二压电体部，若将引出在第一压电体部的压电体层形成的中心电极的引出电极、与在第二压电体部的压电体层形成的周边电极通过第一连接电极相互连接，将在第一压电体部的压电体层形成的周边电极、与引出在第二压电体部的压电体层形成的中心电极的引出电极通过第二连接电极相互连接，则在极化时和驱动时不必变更电极的形状，可以简化布线、极化电路及驱动电路。即，在极化时，例如若将连续电极接地，对第一压电体部的中心电极和第二压电体部的周边电极施加正的直流电压，对第一压电体部的周边电极和第二压电体部的中心电极施加负的直流电压，则可以简单极化层叠结构的压电元件。在驱动时，例如若将连续电极接地，对两者的压电体部的中心电极及周边电极施加相同电位的交变电压，则在中心部和周边部可以得到弯曲方向不同的理想位移。即，由于驱动电压只需两种即可，不需要反相器，因此可以简化驱动电路。另外，交变电压除了交流电压之外，也可以是矩形波电压。

作为上述连接电极，可以是在压电体层的外周面形成的端面电极，也可以是在厚度方向贯穿压电体层的通孔导体或通孔。若设有连接电极的压电元件的外周部被保持在泵本体上，则不会阻碍振动，可以得到不会断线、疲劳等可靠性较高的连接。另外，在将压电元件与膜片(diaphragm)粘贴时，由于可以将其粘贴面侧的电极通过引出电极引出到压电元件的外缘部，因此与膜片的粘贴可靠性也提高。若应用该实施方式的电极引出结构，则可以容易适用于相同电极图案形状的两层以上的多层结构的压电元件。

在第一压电体部及第二压电体部分别层叠有多个压电体层的结构时，将在第一压电体部的压电体层形成的中心电极彼此之间及周边电极彼此之间分别相互连接，将在第二压电体部的压电体层形成的中心电极彼此之间及周边电极彼此之间分别相互连接较好。此时，为了将中心电极彼此之间及周边电极彼此之间相互连接，也可以使用与上述同样的连接电极。据此，可以简化布线、极化电路及驱动电路。

若采用理想的实施方式，也可以在上述周边范围的外周侧形成不会自发弯曲变形的中性范围，上述中性范围被上述泵本体保持。在双压电晶片型压电元件的情况下，由于若其振动范围被保持在泵本体上，则欲产生位移的部分被强制限制，因此电能浪费，且在压电元件和泵本体之间容易产生间隙，可能产生压力泄漏。与之相对，如上所述，通过将中性范围保持在泵本体上，可以使压电元件高效地位移，并且可以抑制压电元件和泵本体之间的压力泄漏。另外，中性范围是指未形成有电位不同的电极互相对置的部分；或者即使该部分形成有电位不同的电极互相对置、但未极化的部分。即使施加驱动电压，这样的范围本身也不会弯曲变形。

上述压电体层可以形成为四边形，上述中心电极形成为圆形，上述周边电极形成为与上述中心电极同心的圆环状。中心电极及周边电极的形状也可以如专利文献2所示都是矩形。此时，虽然可以得到最大的位移量，但在电极的角落部分应力集中，会产生裂纹等，从而影响压电元件的耐久性。在本实施方式中，由于中心电极及周边电极是圆形，因此应力的集中较小，可以使压电元件的耐久性提高。另一方面，由于压电体层的外形形状是四边形，从层叠的大型基板切下时，制造、加工简单，材料的成品率高。

若采用理想的实施方式，也可以在压电元件的泵室侧的侧面，面对面地粘结将泵室和压电元件隔离的膜片。作为膜片，可以是金属板、玻璃环氧板、树脂片材、橡胶片材，还可以进行表面处理或树脂涂覆。膜片防止泵室内的液体与压电元件直接接触，并且可以用作为防止液体泄漏用的保护材料，非常有用。

若采用本发明的理想的实施方式，则提供一种压电泵，该压电泵包括：具有泵室的泵本体；以及为了关闭上述泵室而被保持在泵本体上的利用施加电压而弯曲位移使泵室的容积产生变化的压电元件，该压电泵的特征是，上述压电元件是层叠多个压电体层的双压电晶片型压电元件，在上述压电元件的泵室侧的侧面，面对面地粘结将上述泵室和压电元件隔离的膜片，使上述压电元件单体的伸缩相反面、与将上述压电元件与膜片粘结的状态下的中立面一致。

在双压电晶片型压电元件单体中，对压电元件单体施加的驱动电压的强度与极化度一样时，例如，通过将厚度方向中央作为伸缩相反面，可以使位移最大。但是，在将双压电晶片型压电元件与膜片粘贴时，若将压电元件的厚度方向中央作为伸缩相反面，则无法使位移最大。其理由是，由于压电元件与膜片粘结，因此整个膜片的中立面会与压电元件的伸缩相反面偏离。因此，成为压电元件的一部分将制止弯曲位移那样的动作，位移变小，影响了泵的效率，并且无用的发热增多。因此，若采用本实施方式，则通过使压电元件单体的伸缩相反面、与将压电元件与膜片粘结的状态下的中立面一致，解决了上述问题，使位移最大。另外，该实施方式的压电元件不限于上述的周边范围和中心范围向相反方向弯曲的结构的压电元件，也可以是一般的双压电晶片结构的压电元件。另外，也不限于层叠结构的压电元件，也可以粘合多片单个的压电元件。

所谓压电元件单体的伸缩相反面是指，在对压电元件单体施加驱动电压时，压电元件的厚度方向中欲伸长一侧和欲收缩一侧的边界面。具体而言，是极化方向和驱动时的电场方向相同的部分、与极化方向和驱动时的电场方向相反部分的边界面。在对压电元件单体施加的驱动电压的强度及极化度一样时，该压电元件单体的伸缩相反面是压电元件单体的中立面，即，与压缩及拉伸的应力为0的面一致。所谓整个膜片的中立面是指，在粘贴了压电元件的整个膜片弯曲变形时，压电体元件与膜片合起来的结构的压缩及拉伸应力为0的面。因此，通过使压电元件单体的伸缩相反面与整个膜片的中立面一致，使应力平衡。一般而言，整个膜片的中立面位于相对于压电元件的厚度方向中央偏向膜片侧的位置。该偏离量根据膜片的杨氏模量或厚度而不同。

作为使压电元件单体的伸缩相反面与整个膜片的中立面一致的具体的方法，有：将上述伸缩相反面置于其间、使上述压电元件的膜片侧的相反侧的厚度比膜片侧的厚度要厚的方法；或者使上述压电元件的膜片侧的相反侧的压电体层的层叠数比膜片侧的压电体层的层叠数要多的方法。另外，即使没有使压电元件单体的伸缩相反面位于从压电元件的中央偏向膜片侧的位置，但有时也能使压电元件单体的伸缩相反面与整个膜片的中立面一致。即，有：使得对上述压电元件的膜片侧的相反侧的压电体层施加的驱动电压的电场强度比对膜片侧的压电体层施加的驱动电压的电场强度要高的方法；以及使得上述压电元件的膜片的相反侧的压电体层的极化度比膜片侧的压电体层的极化度要高的方法等。

如上所述，若采用本发明，则由于压电元件的周边范围和中心范围向相反方向弯曲，因此即使压电元件的外周部被保持在泵本体上，也能在压电元件的中心部得到较大位移量，可以增大最大排除体积。特别是，由于使用将多个压电体层层叠的压电元件，因此可以使压电元件更薄，并且，由于多层化，而可以降低驱动电压，可以实现低耗电量的小型泵。另外，由于对形成于构成压电元件的各压电体层的同一面上的电极，施加同一电位的电压，因此同一面上的邻接的周边电极和中央电极的电位相同，可以防止由于迁移而导致产生短路。

根据本发明的其它特征，由于将双压电晶片型压电元件面对面地与膜片粘结，并且使压电元件单体的伸缩相反面、与在将压电元件与膜片粘结的状态下的中立面一致，因此压电元件中制止整个膜片的弯曲位移的动作的部分消失，位移量变大，可以使泵效率提高，无用的发热也变小。

附图说明

图1是本发明所涉及的压电泵的第一实施方式的整体俯视图。

图2是图1所示的压电泵的II-II线剖视图。

图3是图1所示的压电泵的III-III线剖视图。

图4是图1所示的压电泵中使用的压电元件的立体图。

图5是图4所示的压电元件的分解立体图。

图6是图4所示的压电元件的各层的电极图案的图。

图7是表示图4所示的压电元件的极化方法的电路图。

图8是表示图4所示的压电元件的驱动方法的电路图及位移图。

图9是在压电元件的外周部具有中性范围的情况的位移图。

图10是压电元件的第二实施方式的立体图。

图11是图10所示的压电元件的分解立体图。

图12是表示图10所示的压电元件的各层的极化状态的概略剖视图。

图13是表示图10所示的压电元件的驱动方法的概略剖视图。

图14是压电元件的第三实施方式的立体图。

图15是图14所示的压电元件的分解立体图。

图16是图14所示的压电元件的各层的电极图案的图。

图17是压电元件的第四实施方式的概略剖视图。

图18是压电元件的第五实施方式的概略剖视图。

图19是本发明所涉及的压电泵中使用的压电元件及膜片的第六实施方式的概略剖视图。

图20是变更压电元件的层叠数的例子在极化时及驱动时的概略剖视图。

图21是变更压电元件的各层厚度的例子在极化时及驱动时的概略剖视图。

图22是变更压电元件的各层的电场强度的例子在极化时及驱动时的概略剖视图。

图23是变更压电元件的各层的极化度的例子在极化时及驱动时的概略剖视图。

图24是表示双压电晶片压电元件单体的上层厚度和整体厚度的比率和位移变化率的关系的图。

图25是表示将双压电晶片压电元件与玻璃环氧制膜片粘贴时的上层厚度和整体厚度的比率和位移变化率的关系的图。

图26是表示将双压电晶片压电元件与SUS(不锈钢)制膜片粘贴时的上层厚度和整体厚度的比率和位移变化率的关系的图。

图27是驱动已有例的压电元件时的电路图。

标号说明

A1    中心范围

A2    周边范围

10    泵本体

12    泵室

13    流入侧阀室

13    排出侧阀室

16    流入侧单向阀

17    排出侧单向阀

20    膜片

21    压电元件

21a、21b 压电体层

22a  连续电极

23a、24a  中心电极

23b、24b  周边电极

具体实施方式

实施方式1

下面，参照图1～图3说明本发明所涉及的压电泵的第一实施方式。此处，图1是压电泵的整体俯视图，图2是图1的II-II剖视图，图3是图1的III-III剖视图。

该压电泵1包括泵本体10、膜片20、压电元件21、按压板25。泵本体10由金属材料或者树脂材料这样的高刚性材料形成。在泵本体10和按压板25之间，形成以互相连接的流路14、15连通的流入侧阀室11、泵室12、排出侧阀室13。在流入侧阀室11配置流入侧单向阀16。流入侧单向阀16的作用是容许流体从流入侧端口向流入侧阀室11流动，但阻止其向相反方向流动。在排出侧阀室13配置排出侧单向阀17。排出侧单向阀17的作用是容许流体从泵室12向排出侧阀室13流动，但阻止其向相反方向流动。

泵室12是高度方向的尺寸比平面方向的尺寸要小的扁平的空间，一个面被膜片20关闭，其它壁面被刚体形成的泵本体10包围。作为泵本体10，可以使用金属材料，也可以使用树脂材料。此处的泵室12俯视是圆形，但也可以是方形。

膜片20由具有弹性的薄板形成，配置在泵本体10的上表面的几乎全部表面，被粘结固定在与按压板25之间。膜片20的材质没有特别限定，但较为理想的是使用玻璃环氧板、树脂片材、橡胶片材等杨氏模量较低、厚度较薄的板。在膜片20上，面对面地粘结压电元件21。压电元件21的与弯曲方向垂直的面的面积，比泵室12的与体积变化方向垂直的面的面积要大，压电元件21的外周部将膜片20夹住粘结在泵本体10的对置面。即，整个泵室12被压电元件21覆盖。该实施方式的膜片20可以用作防止液体从泵室12泄漏的密封、以及防止泵室12内的液体与压电元件21接触的保护片材。在按压板25的与压电元件21对应的部位形成窗孔26，使压电元件21的背面侧打开。

另外，上述的例子中设置了膜片20，但毋庸置疑的是并未排除未设置膜片20的情况，也可以将压电元件21单独配置于泵本体10的上表面的几乎全部表面，压电元件21起到作为泵本体的盖板的作用。此时，相当于泵室12的盖板的部分、即压电元件21的厚度，与泵本体10中相当于泵室12的底部的部分的厚度大致相同时较为理想。若采用这样的结构，即使是例如厚度1mm左右的小型及薄型的压电泵，也可以使产生的压力最大。通常，产生的压力也与相当于泵室12的盖板的部分及相当于底部的部分的杨氏模量有关。但是，在相当于泵室12的盖板的部分与相当于底部的部分的厚度大致相等时，即使相当于泵室12的盖板的部分、与相当于底部的部分的杨氏模量多少有些差异，也能够使产生的压力大致最大，在这一点上是有益的。

图4～图6是表示压电元件21的具体结构的一个例子。压电元件21是层叠两层由压电陶瓷形成的压电体层21a、21b的双压电晶片结构，整体呈四边形板状。具体而言，对于两层生片状态的压电陶瓷层21a、21b，将作为连续电极的层间电极22位于其间，进行层叠压接、烧成，在上下表面形成电极23、24之后，进行极化处理而成。图6表示上表面的电极图案(a)与层间的电极图案(b)与下表面的电极图案(c)。

层间的电极22形成为除了宽度狭窄的边缘而大致覆盖压电体层21a、21b的四边形，通过引出部22a被引出到压电体层的外侧边缘，与形成于压电体层的外周端面的连接电极的一个例子的端面电极25连接。上表面的电极23具有：圆形的中心电极23a；通过间隙部围住中心电极的同心圆状的周边电极23b；以及从中心电极23a沿径向横切周边电极23b而引出到压电体层的外侧缘的引出电极23c。引出电极23c与形成于压电体层的外周端面的连接电极的一个例子的端面电极26连接，周边电极23b通过引出部23b1与形成于压电体层的外周端面的连接电极的一个例子的端面电极27连接。下表面的电极24具有：圆形的中心电极24a；通过间隙部围住中心电极的同心圆状的周边电极24b；以及从中心电极24a沿径向横切周边电极24b而引出到压电体层的外侧缘的引出电极24c。引出电极24c与上表面电极23的引出电极23c形成于互相不对置的位置。引出电极24c与上述端面电极27连接，周边电极24b通过引出部24b1与上述端面电极26连接。在这个例子中，是将所有的端面电极25～27形成于压电元件21的一个端面，但当然也可以形成于例如不同的端面。另外，在这个例子中，是将连接于接地的端面电极26形成于端面电极25和端面电极27之间，但毋庸质疑的是，其顺序、形成位置也可以变更。另外，从容易布线的角度来看，端面电极25～27的数量较少时比较理想，但在布线即使复杂也没关系时，也可以设置除了电极25～27之外的布线。另外，也可以通过通孔导体或者通孔连接，代替端面电极25～27。

对压电元件21设置向相反方向弯曲位移的中心范围和周边范围，其中心范围被中心电极23a、24a划定；周边范围被周边电极23b、24b划定。层间电极22是横跨中心范围和周边范围的连续电极(整片电极)。在该实施方式中，若设压电元件21的伸缩方向不同的两个压电体层21a、21b的边界为Fp，则边界Fp位于层间电极22的位置。

图7是表示压电元件21在极化时的电路布线的一个例子。如图7所示，将上表面电极23的中心电极23a和下表面电极24的周边电极24b连接于直流电源的一极(例如正极)，将上表面电极23的周边电极23b和下表面电极24的中心电极24a连接于直流电源的另一极(例如负极)，将层间电极22连接于接地。据此，压电体层21a、21b被极化为如图7的箭头P所示的方向。即，对于各压电体层21a、21b，中心范围A1和周边范围A2沿厚度方向被极化为互相相反的方向，且邻接的两个压电体层21a、21b对应的部分被极化为相同方向。如上所述，由于上表面电极23的中心电极23a和下表面电极24的周边电极24b通过端面电极26相互连接，上表面电极23的周边电极23b和下表面电极24的中心电极24a通过端面电极27相互连接，并且层间电极22与端面电极25连接，因此若在这三个端面电极25、26、27间施加直流电压，则可以如图7所示那样简单进行极化。

另外，图4～图6中，引出部23b1及24b1也可以作为引出电极，将引出电极23c及引出部24b1与引出电极24c及引出部23b1引出到压电体层21a及21b分别对置的角。在这样构成的情况下，来看整个压电泵时，由于引出电极是对称构成的，因此与将所有的引出电极引出到一端面相比，压电元件会均匀弯曲，可以稳定驱动。

图8表示压电元件21在驱动时的电路布线及位移的一个例子。将层间电极22连接于交流电源的接地侧，将上表面电极23的中心电极23a及周边电极23b、下表面电极24的中心电极24a及周边电极24b连接于交流电源的驱动侧。据此，如图8(b)所示，产生从上下表面的电极23、24向层间电极22的方向的电场E，上侧压电体层的中心范围A1收缩，下侧压电体层的中心范围A1伸长；上侧压电体层的周边范围A2伸长，下侧压电体层的周边范围A2收缩。若电场E相反，则上述的伸缩方向也相反。其结果是，压电元件21的中心范围A1和周边范围A2向相反方向弯曲位移，即使限制并保持外周部，也能在中心部得到较大位移量。由于驱动时各压电体层的同一面内处于同一电位，因此由于迁移而导致的短路的危险性降低。并且，由于上表面电极23的中心电极23a和下表面电极24的周边电极24b连接于端面电极26，上表面电极23的周边电极23b和下表面电极24的中心电极24a连接于端面电极27，并且层间电极22也与端面电极25连接，所以若在端面电极25和端面电极26、27间施加交流电压，则可以使其简单产生位移。因此，可以使布线简单，简化驱动电路。

图9表示在外周部具有中性范围A3的压电元件21的支承结构的一个例子。在图8(b)中，表示了将周边范围A2直接支承在泵本体10上的例子，但如图6所示，在将周边电极23b、24b的外周缘设定于压电体层的外周缘的内侧时，在压电元件21的外周部可以形成不弯曲变形的中性范围A3。通过将该中性范围A3固定在泵本体10上，可以使周边范围A2更自由地位移。因此，可以使电能的损耗减小，并且可以降低在压电元件21(膜片20)和泵本体10的界面产生的剥离，进而降低液体泄漏。在图9中，为了易于理解而省略了膜片，但在压电元件21的一面粘结膜片的情况也一样。

实施方式2

图10～图13表示压电元件的第二实施方式。该压电元件30层叠多层(此处为8层)具有图6所示的三个电极图案(a)～(c)的压电体层31a～31h。从上至下以(b)、(a)、(b)、(a)、(b)、(c)、(b)、(c)、(b)的顺序配置电极图案。即，连续电极和分割电极在层叠方向交替配置。

各压电体层31a～31h如图12所示那样被极化。即，所有的压电体层31a～31h在一层内的中心范围和周边范围的极化方向是相反方向。在将所有的压电体层31a～31h作为其伸缩方向不同的第一压电体部和第二压电体部时，若设其边界为Fp，则在边界Fp上侧的四层压电体层31a～31d(第一压电体部)，在厚度方向邻接的压电体层彼此之间被极化为互相相反的方向。同样地，在边界Fp下侧的四层压电体层31e～31h(第二压电体部)，在厚度方向邻接的压电体层彼此之间被极化为互相相反的方向。而且，只有以边界Fp居中、而邻接的厚度方向中心部的两个压电体层31d、31e的极化方向相同。极化时，例如如图12所示，只要将连续电极22连接于接地，对上侧四层的中心电极23a和下侧四层的周边电极24b施加正的直流电压，对上侧四层的周边电极23b和下侧四层的中心电极24a施加负的直流电压即可。具体而言，通过将端面电极25连接于接地，对端面电极26施加正的直流电压，对端面电极27施加负的直流电压，可以进行如图12的方向的极化。

在驱动时，对于如上所述的被极化的压电元件30，如图13所示，在连续电极22和所有的中心电极23a、24a及周边电极23b、24b之间施加交变电压。例如，若在虚线箭头所示的方向施加电场E，则如横向箭头所示，压电体层的中心范围和周边范围伸缩，可以使压电元件30的中心范围和周边范围向相反方向弯曲变形。若电场E的方向相反，则压电体层在与图13相反的方向伸缩。此时，也由于同一面内的邻接的中心电极23a和周边电极23b、及中心电极24a和周边电极24b是同一电位，因此可以防止由于迁移而导致产生短路。另外，若使端面电极26、27为同一电位，在端面电极26、27和端面电极25之间施加交变电压，则由于可以产生期望的弯曲位移，因此可以简化驱动电路。在该实施方式中，由于与第一实施方式相比层叠更多层的压电体层，因此可以使每一层的厚度变薄，能以更低的电压驱动。另外，压电体层的层数可以任意选择。

实施方式3

图14～图16表示压电元件的具体结构的其它例。该压电元件40也与第一实施方式同样，是层叠两层由压电陶瓷形成的压电体层41a、41b的元件。即，对于两层生片状态的压电陶瓷层41a、41b将层间电极42置于其间，进行层叠压接、烧成，在上下表面形成电极43、44之后，进行极化处理而成。图16表示上表面的电极图案(a)与层间的电极图案(b)与下表面的电极图案(c)。

层间的电极42由圆形的连续电极42a、与设置在其周围的四个角部的虚设电极42b形成，圆形的连续电极42a通过引出部42a1被引出到压电体层的外侧缘，与形成于压电体层的外周端面的端面电极45连接。虚设电极42b是孤立的电极，不与其它电极连接。上表面的电极43具有：圆形的中心电极43a；通过间隙部围住中心电极的周边电极43b；以及从中心电极43a沿径向横切周边电极43b而引出到压电体层的外侧缘的引出电极43c。引出电极43c与形成于压电体层的外周端面的端面电极46连接，周边电极43b通过引出部43b1与形成于压电体层的外周端面的端面电极47连接。下表面的电极44具有：圆形的中心电极44a；通过间隙部围住中心电极的周边电极44b；以及从中心电极44a沿径向横切周边电极44b而引出到压电体层的外侧缘的引出电极44c。引出电极44c在周向与上表面电极43的引出电极43c形成于不同的位置。引出电极44c与上述端面电极47连接，周边电极44b通过引出部44b1与上述端面电极46连接。中心电极43a、44a与连续电极42a形成同心圆。另外，端面电极45～47的形成位置可以任意变更。

压电元件40的中心范围被中心电极43a、44a划定，周边范围被连续电极42a的外周缘和周边电极43b、44b的内周缘划定。在压电元件40的外周部，形成不自发弯曲变形的中性范围。在该实施方式中，上表面电极43的周边电极43b及下表面电极44的周边电极44b伸长到压电体层的外周缘附近，由于在层间电极42形成覆盖压电体层的外周缘的虚设电极42b，因此电极42、43、44为大致覆盖压电体层的形状。因此，层叠多层压电体层时，减小由于有无电极而导致的变形，可以预防在烧成、极化时或驱动时产生裂纹。

在该实施方式的情况下，上表面电极43的中心电极43a和下表面电极44的周边电极44b也通过端面电极46相互连接，上表面电极43的周边电极43b和下表面电极44的中心电极44a也通过端面电极47相互连接。而且，连续电极42a连接于端面电极45。因此，在极化时，通过将端面电极46连接于直流电源的一极，将端面电极47连接于直流电源的另一极，将端面电极45连接于接地，可以与图7同样地进行极化。另外，在驱动时，通过将端面电极45连接于交流电源的接地侧，将端面电极46、47连接于交流电源的驱动侧，可以产生与图8(b)同样的位移。即，通过将三个端面电极45、46、47适当电连接，可以不变更电极形状，易于实施压电元件40的极化和驱动。

实施方式4

图17所示的压电元件60层叠了三层压电体层61a～61c，与图8所示的实施方式相比，在厚度方向中央部设置缓和应力用的中间层61b这一点不同。表面、背面的电极分别被分割为中心电极62a、63a和周边电极62b、63b，层间的电极是横跨中心范围和周边范围的连续电极64、65。连续电极64、65夹住中间层61b设置在其两个面。在这个例子中，中间层61b未极化，不伸缩。在驱动时，如图17所示，将交流电源66的一端侧连接于分割电极62a、62b、63a、63b，将另一端侧连接于连续电极64、65。例如若在虚线箭头E所示的方向施加电场时，可以使中心范围向上凸起、使周边范围向下凸起那样进行弯曲位移。在此情况下，也由于同一面内邻接的中心电极62a和周边电极62b、及中心电极63a和周边电极63b是同一电位，因此可以防止由于迁移而导致产生短路，可以简化驱动电路。由于中间层61b缓和了作用在上侧的压电体层61a和下侧的压电体层61c的界面的应力，因此可以高效地弯曲位移。

实施方式5

图18所示的压电元件70层叠了五层压电体层71a～71e。在厚度方向中心部设置缓和应力用的中间层71c。一层内的中心部和周边部的极化方向相反，且厚度方向中心侧的两个压电体层71b、71d的极化方向相同，但外侧的压电体层71a、71e的极化方向相对于在厚度方向邻接的压电体层71b、71d，是分别相反的方向。在这个例子中，夹住中间层71c在其两侧的电极72、73和表面、背面的电极74、75是连续电极，但除此之外的层间的电极76a、76b及77a、77b是被分割为中心部和周边部的电极。即，连续电极和分割电极在层叠方向交替配置。在驱动时，如图18所示，将交流电源78的一端侧连接于分割电极76a、76b、77a、77b，将另一端侧连接于连续电极72、73、74、75。例如若在虚线箭头E所示的方向施加电场时，可以使中心范围向上凸起、使周边范围向下凸起那样进行弯曲位移。在此情况下，也由于同一面内邻接的中心电极76a、77a和周边电极76b、77b是同一电位，因此可以防止由于迁移而导致产生短路，可以简化驱动电路。另外，在图17及图18中，说明了压电体层为三层及五层的情况，但也可以在最外层层叠多个压电体层，交替形成连续电极及分割电极。

实施方式6

图19表示本发明所涉及的压电泵中使用的膜片80及与其一个面粘贴的压电元件90。压电元件90是双压电晶片型压电元件，不限于如第一～第五实施方式所示的中心范围和周边范围的弯曲方向相反的元件，其弯曲方向也可以相同。

在双压电晶片型的压电元件90单体中，在对压电元件单体施加的驱动电场的强度及极化的大小一样时，例如，如图19(a)所示，通过将厚度方向中央作为伸缩相反面Fp，可以使位移最大。但是在将双压电晶片型的压电元件90与弹性膜那样的膜片80粘贴来使用时，若将压电元件90的厚度方向中央作为伸缩相反面，则不能使位移最大。这是因为整个膜片的中立面Fd相对于压电元件的厚度方向中央Fp，是偏向膜片80侧。为解决该问题，如图19(b)所示，将压电元件的伸缩相反面Fp形成在从厚度方向中央偏向膜片侧的位置，使整个膜片的中立面Fd和压电元件的伸缩相反面Fp一致。

作为使整个膜片的中立面Fd和压电元件90的伸缩相反面Fp一致的方法，图20表示将压电元件90的伸缩相反面Fp置于其间、而改变其一侧和另一侧的层叠数量的方法。这个例子中的压电元件90是将电极91b～91d置于其间，层叠多层的压电体层90a～90d，在表面、背面形成电极91a、91e。在压电元件90的下表面粘结膜片80。图20(a)表示极化时的施加电压，例如对电极91a、91c施加负的直流电压，对电极91e施加正的直流电压，使电极91b、91d为接地电位，通过这样可以得到箭头方向的极化P。图20(b)表示驱动时的施加电压。如(b)所示，若将交流电源98的一端侧连接于电极91a、91c、91e，将另一端侧连接于电极91b、91d，则上侧的三层90a～90c和下侧的一层90d向相反方向伸缩。此时，从下数的第二电极面91d的位置成为伸缩相反面Fp。另外，压电元件90的压电体层的层叠数可以任意选择。

图21表示将压电元件92的伸缩相反面Fp置于其间、而改变其一侧和另一侧的压电体层的厚度的方法。这个例子中的压电元件92是将电极93b置于其间，层叠厚度不同的两层压电体层92a、92b，在表面、背面形成电极93a、93c。图21(a)表示极化时的施加电压，(b)表示驱动时的施加电压。使上侧的压电体层92a比下侧的压电体层92b要厚，根据厚度改变极化时的施加电压。为了在驱动时使背面电极93c的电位比表面电极93a要低，需要连接电阻等降低电压单元99。将层间的电极面93b作为伸缩相反面Fp。另外，图21所示的极化时及驱动时的施加电压只是一个例子，可以任意设定。

图22表示通过改变对压电元件94的两侧的压电体层施加的驱动电场的强度、而使整个膜片的中立面和压电元件的伸缩相反面一致的方法。压电元件94将电极95b置于其间，层叠同一厚度的两层压电体层94a、94b，在表面、背面形成电极95a、95c。图22(a)表示极化时的施加电压，(b)表示驱动时的施加电压。如图22(b)所示，使用降低电压单元99，使上侧的压电体层94a的电场强度比下侧的压电体层94b要高。此时，上侧的压电体层94a的伸缩应力比下侧的压电体层94b的伸缩应力要大，压电元件单体的中立面形成在从伸缩相反面Fp偏向与膜片80相反侧的位置，但可以使整个膜片的中立面和伸缩相反面Fp一致。驱动时上侧压电体层94a的电场强度和下侧压电体层94b的电场强度的比率，可以根据膜片80的杨氏模量或厚度任意设定。另外，此时层叠多个压电层时，也可以将伸缩相反面Fp置于其间，改变其两侧的压电体层的层厚。

图23表示通过改变压电元件96的两侧的压电体层的极化度P、而使整个膜片的中立面和压电元件的伸缩相反面一致的方法。压电元件96是将电极97b置于其间，层叠同一厚度的两层压电体层96a、96b，在表面、背面形成电极97a、97c。图23(a)表示极化时的施加电压，使上侧的压电体层96a的极化度P1比下侧的压电体层96b的极化度P2要高。在驱动时，如图23(b)所示，由于只需对上下的压电体层96a、96b施加相同的电场即可，因此不需要降低电压单元99。此时，上侧的压电体层96a的伸缩应力比下侧的压电体层96b的伸缩应力要大，压电元件单体的中立面形成于从伸缩相反面偏向与膜片80相反侧的位置，但可以使整个膜片的中立面与伸缩相反面Fp一致。在层叠多个压电层时，也可以将伸缩相反面Fp置于其间，改变其两侧的压电体层的层厚。

如上所述，使整个膜片的中立面Fd和压电元件90的伸缩相反面Fp一致的效果，在膜片的刚性越高、厚度越厚时越显著。为了不妨碍压电元件的动作，需要选择尽可能柔软且较薄的材质作为膜片的材质，但例如希望提高泵的产生压力时，或希望提高驱动频率时等情况下，则反之，选择刚性较高的材质作为膜片更为合适。在这时，使上述的整个膜片的中立面与压电元件的伸缩相反面一致可以带来非常好的效果。

下面表示改变压电元件的压电体的伸长侧和收缩侧的厚度、进行模拟的结果。相对于压电体整体的厚度，将伸缩相反面位置规定如下。

伸缩相反面位置[％]＝上层厚度d1/整体厚度D

即，50％表示伸缩相反面正好在双压电晶片压电元件的中央，随着该数值从50％变大而上层厚度增加，在100％时成为只有上层(无下层)的状态。

图24表示在整体厚度D＝0.30mm的双压电晶片压电元件单体中以上层和下层都为0.15mm的状态为基准、使上层厚度d1逐渐增加时的位移的变化率。50％是上层、下层的厚度都为0.15mm，无厚度差，100％是只有上层，其厚度为0.30mm的状态。可知位移随着上层厚度d1增加而减少。

图25表示将整体厚度D＝0.30mm的双压电晶片压电元件与厚度0.1mm的玻璃环氧板接合、使上层厚度d1逐渐增加时的位移的变化率。可知相对于整体厚度D，上层厚度d1位于52.5％附近时，位移的变化率为100.61％，达到最大，尽管只增加一点，但位移增加了。

图26表示将整体厚度D＝0.30mm的双压电晶片压电元件与厚度0.1mm的SUS(不锈钢)板接合、使上层厚度d1逐渐增加时的位移的变化率。此时，在使上层厚度d1相对于整体厚度D为75％的条件下，位移最大。与将上下层作为相同厚度的50％的情况比较，通过使伸缩相反面一致，位移的变化率成为129.18％，可以得到增加30％的大幅位移。另外，同时还可以防止发热。

本发明不限于上述实施例，可以进行各种变更。在第四实施方式中，是将使整个膜片的中立面与压电元件的伸缩相反面一致的结构、适用于将一般的双压电晶片型压电元件与膜片接合的例子，但也可以适用于第一～第三实施方式所示的将中心范围和周边范围的位移方向相反的压电元件与膜片接合的例子。

另外，由于本发明的压电泵是小型、薄型的压电泵，因此可以用作为向便携式设备等的燃料电池提供燃料、或冷却水的循环等所使用的压电泵，但不限于这些用途。

Claims (5)

1.一种压电泵，包括：具有泵室的泵本体；以及为了关闭所述泵室而被保持在泵本体上的、通过施加电压而弯曲位移使泵室的容积产生变化的压电元件，该压电泵的特征在于，

所述压电元件是层叠多个压电体层的双压电晶片型压电元件，

在所述压电元件的泵室侧的侧面，面对面地粘结将所述泵室和压电元件隔离的膜片，

使所述压电元件单体的伸缩相反面、与将所述压电元件与膜片粘结的状态下的中立面一致。

2.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，将所述伸缩相反面置于其间，使所述压电元件的膜片侧的相反侧的厚度比膜片侧的厚度要厚。

3.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，将所述伸缩相反面置于其间，使所述压电元件的膜片侧的相反侧的压电体层的层叠数量比膜片侧的压电体层的层叠数量要多。

4.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，将所述伸缩相反面置于其间，使得对所述压电元件的膜片侧的相反侧的压电体层施加的驱动电压的电场强度比对膜片侧的压电体层施加的驱动电压的电场强度要高。

5.如权利要求1所述的压电泵，其特征在于，将所述伸缩相反面置于其间，使得所述压电元件的膜片侧的相反侧的压电体层的极化度比膜片侧的压电体层的极化度要高。

Images