JP2005030213A - Piezoelectric micro pump - Google Patents
Piezoelectric micro pump Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005030213A JP2005030213A JP2003192948A JP2003192948A JP2005030213A JP 2005030213 A JP2005030213 A JP 2005030213A JP 2003192948 A JP2003192948 A JP 2003192948A JP 2003192948 A JP2003192948 A JP 2003192948A JP 2005030213 A JP2005030213 A JP 2005030213A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- pump
- substrate
- taper valve
- pump chambers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 20
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 65
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910005793 GeO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002845 Pt–Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電マイクロポンプに関するもので、特に、圧電マイクロポンプにおいて、低電圧駆動を可能にし、かつ流量の安定化を図るための改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この発明にとって興味ある圧電マイクロポンプとして、特許文献1および2に記載のものがあるが、これら特許文献1および2に記載のものも含めて、従来の圧電マイクロポンプは、一般的に、次のような構成を備えている。
【0003】
図7は、従来の圧電マイクロポンプ1を断面で示す正面図であり、図8は、図7の線C−Cに沿う断面図である。
【0004】
圧電マイクロポンプ1は、Si基板2を備え、Si基板2には、その第1の主面3側にダイヤフラム部4を形成しかつ第1の主面3に対向する第2の主面5側に開口6を形成する状態でポンプ室7が設けられている。また、Si基板2には、ポンプ室7に連通する放出側流路8および供給側流路9が互いに対向する位置に設けられている。放出側流路8および供給側流路9は、それぞれ、放出側テーパ弁10および供給側テーパ弁11によって与えられている。
【0005】
Si基板2の第2の主面5には、たとえば耐熱ガラスからなる封止層12が接合され、それによって、上述した開口6が封止されている。
【0006】
他方、その各主面上に電極13および14が互いに対向するように形成された圧電体板15が用意され、この圧電体板15は、接着剤層16を介して、Si基板2の第1の主面3に接合される。
【0007】
図9は、圧電マイクロポンプ1の動作を説明するためのもので、(a)には放出側テーパ弁10が示され、(b)には供給側テーパ弁11が示されている。また、図9において、矢印17は、ポンプ室7が圧縮行程にあるときの加圧方向を示している。
【0008】
テーパ弁10および11の各々は、そこを流れる流体の方向によって流体抵抗が変わる。すなわち、加圧方向17に従って流体が流れるとき、図9(a)に示した放出側テーパ弁10では、流体抵抗が大きく、流体が流れにくい。他方、図9(b)に示した供給側テーパ弁11では、加圧方向17に従って流体が流れるとき、流体抵抗が小さく、流体が流れやすい。その結果、ポンプ室7が圧縮行程にあるとき、放出側テーパ弁10での流量が、供給側テーパ弁11での流量より大きくなり、それゆえ、逆流が抑制されながら、流体が供給側テーパ弁11から放出側テーパ弁10に向かって流されるポンプ運動が可能になる。
【0009】
このような圧電マイクロポンプ1は、たとえば、携帯機器用燃料電池やマイクロ分析機器等において適用されている。
【0010】
【特許文献1】
特開2002−311213号公報
【特許文献2】
特開2002−328212号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図7および図8に示した圧電マイクロポンプ1には、次のような問題がある。
【0012】
まず、圧電体板15は、その機械的強度が比較的低いため、これを薄型化するには限界がある。そのため、たとえば数V程度の低い電圧で、圧電体板15において大きく駆動力を得ることが困難である。したがって、ポンプ室7を大きく変形させ得るようなポンプ運動を生じさせることが困難である。
【0013】
また、互いに対をなす放出側テーパ弁10および供給側テーパ弁11によって、放出側流路8における流量を大きくすることができるが、放出側における流体の吐出圧力の低下も免れ得ない。たとえばマイクロリアクタのような用途に向けられる場合には、リアクタ内で反応生成したガスをリアクタの外へ圧送できるようにするためには、吐出圧力を高く維持できるポンプ構造が必要になる。そのため、たとえばマイクロリアクタなどへの適用を可能にするためには、より高い吐出圧力を維持できるポンプ構造の実現が望まれる。
【0014】
そこで、この発明の目的は、上述のような課題を解決し得る、圧電マイクロポンプを提供しようとすることである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る圧電マイクロポンプは、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。
【0016】
この発明に係る圧電マイクロポンプは、基板を備えている。この基板の第1の主面側には、下部電極層と圧電体厚膜と上部電極層とが、この順序で積層される。
【0017】
また、基板には、第1の主面側にダイヤフラム部を形成しかつ第1の主面に対向する第2の主面側に開口を形成する状態でポンプ室が設けられるとともに、ポンプ室に連通する放出側流路および供給側流路が設けられる。
【0018】
上述の開口は、封止層によって封止される。封止層は、好ましくは、耐熱ガラスから構成される。
【0019】
また、放出側流路および供給側流路の各々の少なくとも一部は、それぞれ、放出側テーパ弁および供給側テーパ弁によって与えられ、放出側テーパ弁には、昇圧部となる絞り部が設けられる。
【0020】
この発明において、上記基板は、好ましくは、Si基板によって与えられる。この場合、Si基板と上記下部電極層との間には、相互拡散を抑制するためのバッファ層がさらに形成されることが好ましい。
【0021】
この発明に係る圧電マイクロポンプは、並列に配置される複数個のポンプ室を備えていてもよい。この場合、少なくとも圧電体厚膜および上部電極層は、複数個のポンプ室の各々に関連して設けられ、放出側流路および供給側流路は、それぞれ、複数個のポンプ室を互いに連結する放出側連絡路および供給側連絡路を備え、放出側テーパ弁および供給側テーパ弁は、それぞれ、放出側連絡路および供給側連絡路に連通するように設けられる。
【0022】
上述の構成が採用されたとき、複数個のポンプ室は、定常時において、その一部のものが駆動され、定常時において駆動されるポンプ室に関して故障が生じたとき、残りのポンプ室の少なくとも一部が駆動されることが好ましい。
【0023】
この発明に係る圧電マイクロポンプは、直列に配置される複数個のポンプ室を備えていてもよい。この場合には、少なくとも圧電体厚膜および上部電極層は、複数個のポンプ室の各々に関連して設けられ、隣り合う2個のポンプ室は、その少なくとも一部がテーパ弁によって与えられた流路によって互いに連結され、流体の流動方向に関して、最下流側に位置するポンプ室に前述の放出側流路が連通するように設けられ、かつ最上流側に位置するポンプ室に前述の供給側流路が連通するように設けられる。
【0024】
上述した構成が採用されたとき、複数個のポンプ室は、ぜん動的な運動をするように、互いに異なる位相をもって駆動されることが好ましい。
【0025】
上述した複数個のポンプ室の並列配置および複数個のポンプ室の直列配置については、これら両者がともに採用されてもよい。すなわち、複数個のポンプ室が直列に配置されながら、これら直列に配置されたものが並列に配置されてもよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1ないし図3は、この発明の第1の実施形態による圧電マイクロポンプ21を説明するためのものである。ここで、図1は、圧電マイクロポンプ21を断面で示す正面図であり、図2は、図1の線A−Aに沿う断面図であり、図3は、図1の線B−Bに沿う断面図である。
【0027】
圧電マイクロポンプ21は、基板としてのSi基板22を備えている。Si基板22の第1の主面23側には、Si基板22を熱酸化して形成されたSiO2 層と、SiO2 層24上に形成されたNiOまたはMgOからなる第1のバッファ層25と、第1のバッファ層25上に形成されたAl2 O3 からなる第2のバッファ層26と、第2のバッファ層26上に形成されたPdを含むPd酸化物層27と、Pd酸化物層27上に形成されたPtまたはPt−Ni合金からなる下部電極層28と、下部電極層28上に形成された圧電体厚膜29と、圧電体厚膜29上に形成されたPtからなる上部電極層30とが積層されている。
【0028】
圧電体厚膜29は、圧電体ペーストを付与し、これを焼成する、といった厚膜形成技術によって形成されるもので、好ましくは、本件出願人による特願2001−207385号(特開2003−20274号公報参照)において開示された圧電体ペーストを用いて形成される。この圧電体ペーストは、Pb(Zr,Ti)O3 −Pb(Zn,Nb)O3 系圧電性結晶粉末と、熱処理過程で強誘電体相を析出し、高温で液相化する、結晶化し得る能力を有する非晶質状態の結晶化ガラス粉末と、有機ビヒクルとを含んでいる。
【0029】
上述の圧電性結晶粉末は、90〜70モル%のPb(Zrx Ti1−x )O3 (ただし、xは0.49〜0.56)と、10〜30モル%のPb(Zn1/3 Nb2/3 )O3 とを含む圧電性結晶粉末であることが好ましい。また、結晶化ガラス粉末は、昇温によりPb5 Ge3 O11強誘電体相を析出するPbO−GeO2 系の組成を有することが好ましく、たとえば、yPbO−(100−y)GeO2 (ただし、yは50〜80モル%)からなることがより好ましい。
【0030】
図1および図2に示すような積層構造によれば、NiOまたはMgOからなる第1のバッファ層25は、SiO2 層24およびAl2 O3 からなる第2のバッファ層26の各々との間で安定した接合性を与えることができる。また、第2のバッファ層26は、Pd酸化物層27との密着性が良好であり、Pd酸化物層27は、下部電極層28との密着性が良好である。
【0031】
また、NiOまたはMgOからなる第1のバッファ層25およびAl2 O3 からなる第2のバッファ層26は、ともに、前述した圧電体ペーストをもって形成された圧電体厚膜29に含まれるPbと直接反応しにくい性質を有している。さらに、NiOまたはMgOからなる第1のバッファ層25は、SiO2 層24に対しても、Al2 O3 からなる第2のバッファ層26に対しても、反応性が低い。
【0032】
したがって、圧電体厚膜29の形成のための熱処理によっても、前述した良好な接合性が損なわれることがないとともに、上述した第1のバッファ層25および第2のバッファ層26の各々の反応性に関する性質が良好に維持され、そのため、圧電体厚膜29の特性が損なわれることがない。
【0033】
Si基板22には、その第1の主面23側にダイヤフラム部31を形成しかつ第1の主面に対向する第2の主面32側に開口33を形成する状態でポンプ室34が設けられている。また、Si基板22には、ポンプ室34に連通する放出側流路35および供給側流路36が互いに対向する位置に設けられている。また、これら放出側流路35および供給側流路36は、それぞれ、放出側テーパ弁37および供給側テーパ弁38を構成している。
【0034】
また、上述の放出側テーパ弁37には、流体抵抗を与える昇圧部となる絞り部39が設けられている。
【0035】
また、Si基板22の第2の主面32には、封止層40が接合され、それによって、ポンプ室34の開口33が封止される。封止層40は、好ましくは、たとえば板状等の耐熱ガラスから構成される。この耐熱ガラスとしては、Si基板22の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有するものを用いることが好ましい。
【0036】
以上のような構成を有する圧電マイクロポンプ21によれば、Si基板22におけるダイヤフラム部31を薄型化することができるとともに、圧電体厚膜29を、図7に示した従来例における圧電体板15に比べて、より薄層化することができる。そのため、低電圧駆動によっても、ダイヤフラム部31の体積変位を大きくすることができ、大きな駆動力を得ることができる。また、図7に示した従来例において用いた接着剤層16を必要としないので、これによるダンピングを回避することもできる。
【0037】
また、放出側テーパ弁37には絞り部39が設けられているので、これによる整流機能が発揮され、逆流を低減できるとともに、流量の安定化を図れ、また、流量の制御が容易になり、かつ高い吐出圧力を確保することができる。
【0038】
圧電マイクロポンプ21は、一例として、次のようにして製造される。
【0039】
まず、その第1の主面23上に、厚さ1μmの熱酸化膜として形成されたSiO2 層24を備える、(001)方位のSi基板22を用意する。次に、Si基板22の第2の主面32に対して異方性エッチングを適用して、平面寸法が6mm×6mmのポンプ室34を形成するとともに、放出側テーパ弁37および供給側テーパ弁38をそれぞれ構成する放出側流路35および供給側流路36を形成する。このとき、Si基板22におけるダイヤフラム部31の厚みを30μmに制御する。
【0040】
次に、反応性スパッタリングによって、SiO2 層24上に、MgOからなる厚さ600nmの第1のバッファ層25を形成し、次いで、Al2 O3 からなる厚さ150nmの第2のバッファ層26を形成する。
【0041】
次に、第2のバッファ層26上に、PdOx からなる厚さ50nmのPd酸化物層27を形成し、さらに、高周波スパッタリングにより、Ptからなる厚さ500nmの下部電極層28を形成する。
【0042】
次に、ポンプ室34に、フッ素系の離型剤をスプレー塗布した後、常温硬化型のシリコーンラバーをモールドし、熱硬化させることによって、ダイヤフラム部31を仮補強する。
【0043】
次に、下部電極層28上に、Pb(Zr,Ti)O3 −Pb(Zn1/3 Nb2/3 )O3 系圧電体ペーストをスクリーン印刷にて塗布し、乾燥後、この塗膜を加圧処理する。
【0044】
次に、前述のシリコーンラバーを剥離した後、空気中において850℃の温度での焼成を行なうことにより、厚さ約15μmであって平面寸法が4mm×4mmの圧電体厚膜29をダイヤフラム部31の上方に形成する。
【0045】
次に、圧電体厚膜29上に、Ptからなる上部電極層30を厚さ200nmとなるように形成する。
【0046】
次に、Si基板22におけるポンプ室34の開口33が形成された第2の主面32をフッ酸処理することにより、表面のSiO2 を除去した後、耐熱ガラスからなる封止層40をSi基板22の第2の主面32に接触させ、その状態で、400℃の温度に加熱しながら、750Vの電圧を印加し、封止層40とSi基板22とを陽極接合により接合する。
【0047】
次に、圧電体厚膜29に対して、50kV/cmの電界を80℃の温度下で30分間印加することによって、圧電体厚膜29を分極処理する。
【0048】
以上のようにして、圧電マイクロポンプ21を得ることができる。
【0049】
次に、上述のような具体的製造方法によって圧電マイクロポンプ21を実際に製造し、その性能を確認するために実施した実験の結果について説明する。この実験では、次のような評価結果が得られた。
【0050】
圧電マイクロポンプ21を、印加電圧(正弦波パルス)5Vp−p および駆動周波数1kHzの条件で駆動したところ、5Vの低電圧において、ダイヤフラム部31の中央部で約0.8μmの変位が確認され、ポンプ室34内に充填された流体の移動が確認された。このとき、吐出圧力に相当するポンプ圧力は約2kPaであった。なお、放出側テーパ弁37において、絞り部39を設けなかった比較例としての圧電マイクロポンプについてポンプ圧力を測定したところ、約0.7kPaであり、この比較例に比べて、ポンプ圧力の向上を確認できた。
【0051】
また、圧電マイクロポンプ21によれば、圧電体厚膜29を用いているので、ダンピングによる印加電圧波形と変位波形との間に位相のずれがほとんど見られず、即応性が良好であった。また、放出側テーパ弁37における絞り部39の存在により、ポンプ運動中の整流性向上(逆流低減)の効果も得られた。
【0052】
図4は、この発明の第2の実施形態を説明するための図3に対応する図である。図4において、図3に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0053】
図4に示した圧電マイクロポンプ21aは、並列に配置される複数個、たとえば2個のポンプ室41および42を備えている。また、図示しないが、少なくとも圧電体厚膜29および上部電極層30については、ポンプ室41および42の各々に関連して設けられる。
【0054】
放出側流路35および供給側流路36は、それぞれ、2個のポンプ室41および42を互いに連結する放出側連結路43および供給側連結路44を備えている。そして、放出側テーパ弁37は、放出側連結路43に連通するように設けられ、他方、供給側テーパ弁38は、供給側連結路44に連通するように設けられる。
【0055】
このような圧電マイクロポンプ21aは、2個のポンプ室41および42を同時に駆動するようにしてもよいが、好ましくは、定常時において、一方のポンプ室41が駆動され、このポンプ室41に関して故障が生じたときに、他方のポンプ室42が駆動されるように用いられる。これによって、一方のポンプ室41に関して故障が生じたとしても、圧電マイクロポンプ21aを連続運転させることができるので、圧電マイクロポンプ21aに対して冗長機能を持たせることができる。
【0056】
なお、以上説明した第2の実施形態の変形例として、3個以上のポンプ室が並列に配置された実施形態も可能である。
【0057】
図5は、この発明の第3の実施形態を説明するための図3に対応する図である。図5において、図3に示した要素に相当の要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0058】
図5に示した圧電マイクロポンプ21bは、直列に配置される複数個、たとえば2個のポンプ室51および52を備えることを特徴としている。図示しないが、少なくとも圧電体厚膜29および上部電極層30については、2個のポンプ室51および52の各々に関連して設けられる。
【0059】
隣り合う2個のポンプ室51および52は、その少なくとも一部がテーパ弁53によって与えられた流路54によって互いに連結される。そして、流体の流動方向に関して、最下流側に位置するポンプ室すなわちポンプ室51に、放出側テーパ弁37を構成する放出側流路35が連通するように設けられ、他方、最上流側に位置するポンプ室すなわちポンプ室52に、供給側テーパ弁38を構成する供給側流路36が連通するように設けられる。
【0060】
上述した圧電マイクロポンプ21bは、2個のポンプ室51および52を同じ位相で同時に駆動してもよいが、好ましくは、2個のポンプ室51および52は、互いに異なる位相をもって駆動される。より具体的には、一方のポンプ室51は、他方のポンプ室52に対して、1/2周期だけずれる位相をもって駆動され、それによって、ぜん動的な運動をするようにされる。
【0061】
上述のような駆動方式によれば、第1のポンプ室51が流体を吸引する状態にあるとき、第2のポンプ室52から第1のポンプ室51へと流体を送り込む運動も同時に行なわれる。したがって、第1のポンプ室51中への流体の供給不足によって生じる脈動が原因となって、流量が不安定になることを防止することができ、安定な流量を確保することができる。
【0062】
図6は、この発明の第4の実施形態を説明するための図3に対応する図である。図6において、図3に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【0063】
図6に示した圧電マイクロポンプ21cは、図4に示した圧電マイクロポンプ21aの特徴的構成と図5に示した圧電マイクロポンプ21bの特徴的構成とを組み合わせたものとして位置付けられるものである。
【0064】
図6に示した圧電マイクロポンプ21cは、第1組の直列に接続される複数個、たとえば2個のポンプ室61および62と、第2組の直列に接続される複数個、たとえば2個のポンプ室63および64を備えている。さらに多くの直列に接続されるポンプ室の組を備えていてもよい。図示しないが、少なくとも圧電体厚膜29および上部電極層30は、複数個のポンプ室61〜64の各々に関連して設けられる。
【0065】
第1組の隣り合う2個のポンプ室61および62は、その少なくとも一部がテーパ弁65によって与えられた流路66によって互いに連結される。他方、第2組の隣り合う2個のポンプ室63および64は、その少なくとも一部がテーパ弁67によって与えられた流路68によって互いに連結される。
【0066】
また、第1組の直列に配置されたポンプ室61および62と第2組の直列に配置されたポンプ室63および64とは、並列に配置される。そして、放出側流路35は、流体の流動方向に関して、最下流側にそれぞれ位置するポンプ室61および63を互いに連結する放出側連結路69を備え、放出側テーパ弁37は、この放出側連結路69に連通するように設けられる。他方、供給側流路36は、流体の流動方向に関して、最上流側にそれぞれ位置するポンプ室62および64を互いに連結する供給側連結路70を備え、供給側テーパ弁38は、この供給側連結路70に連通するように設けられる。
【0067】
このような構成を備える圧電マイクロポンプ21cにおいても、定常時において、たとえばポンプ室61および63が駆動され、ポンプ室61に関して故障が生じたとき、ポンプ室62が駆動され、また、ポンプ室63に関して故障が生じたとき、ポンプ室64が駆動されるように用いられることが好ましい。また、ポンプ室61および62は、ぜん動的な運動をするように、互いに異なる位相をもって駆動され、同じく、ポンプ室63および64についても、ぜん動的な運動をするように、互いに異なる位相をもって駆動されることが好ましい。
【0068】
したがって、図6に示した圧電マイクロポンプ21cによれば、図4に示した圧電マイクロポンプ21aによって得られる効果と、図5に示した圧電マイクロポンプ21bによって得られる効果との双方を得ることができる。
【0069】
以上、この発明を図示した実施形態に関連して説明したが、この発明の範囲内において、その他、種々の変形例が可能である。
【0070】
たとえば、圧電マイクロポンプにおいて採用される積層構造および各層の材質は、必要に応じて変更されることができる。一変形例として、Si基板と、Si基板上に形成されたSiO2 層と、SiO2 層上に形成されたAl2 O3 からなるバッファ層と、バッファ層上に形成されたPb−Ru−Bi−Oからなる導電性複合酸化物層と、導電性複合酸化物層上に形成されたPtを含む電極層と、電極層上に形成されたPb系圧電体厚膜と、Pb系圧電体厚膜上に形成された上部電極層とを備える、積層構造を採用することもできる。
【0071】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る圧電マイクロポンプによれば、基板に形成されるダイヤフラム部を薄型化できるばかりでなく、圧電体としての圧電体厚膜が形成されるので、圧電体の薄層化も図ることができる。したがって、低電圧駆動によっても、ダイヤフラム部において大きい体積変位を得ることができ、駆動力を大きくすることができる。また、圧電体として圧電体板を用いないので、これを基板に接合するための接着剤を用いる必要がないため、接着剤によるダンピングも回避することができる。
【0072】
また、ポンプ室に連通する放出側流路の少なくとも一部を構成する放出側テーパ弁には、昇圧部となる絞り部が設けられているので、これによる整流機能が発揮され、逆流を低減でき、流量の安定化を図ることができる。また、流量の制御が容易になるばかりでなく、高い吐出圧力を確保することができる。
【0073】
この発明に係る圧電マイクロポンプが並列に配置される複数個のポンプ室を備え、定常時において、複数個のポンプ室の一部が駆動され、この定常時において駆動されるポンプ室に関して故障が生じたとき、残りのポンプ室の少なくとも一部が駆動されるようにすると、故障によって連続運転が妨げられることを防止できるので、圧電マイクロポンプに冗長機能を持たせることができる。
【0074】
また、この発明に係る圧電マイクロポンプが直列に配置される複数個のポンプ室を備え、これらポンプ室が、ぜん動的な運動をするように、互いに異なる位相をもって駆動されると、脈動による流量不安定を防止でき、流量安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態による圧電マイクロポンプ21を断面で示す正面図である。
【図2】図1の線A−Aに沿う断面図である。
【図3】図1の線B−Bに沿う断面図である。
【図4】この発明の第2の実施形態を説明するための図3に対応する図である。
【図5】この発明の第3の実施形態を説明するための図3に対応する図である。
【図6】この発明の第4の実施形態を説明するための図3に対応する図である。
【図7】この発明にとって興味ある従来の圧電マイクロポンプ1を断面で示す正面図である。
【図8】図7の線C−Cに沿う断面図である。
【図9】図7および図8に示した放出側テーパ弁10および供給側テーパ弁11によって与えられるポンプ運動を説明するための図である。
【符号の説明】
21,21a,21b,21c 圧電マイクロポンプ
22 Si基板
23 第1の主面
25,26 バッファ層
28 下部電極層
29 圧電体厚膜
30 上部電極層
31 ダイヤフラム部
32 第2の主面
33 開口
34, 41,42,51,52,61〜64 ポンプ室
35 放出側流路
36 供給側流路
37 放出側テーパ弁
38 供給側テーパ弁
39 絞り部
40 封止層
43,69 放出側連結路
44,70 供給側連結路
53,65 テーパ弁
54,66,68 流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric micropump, and more particularly to an improvement in a piezoelectric micropump that enables low-voltage driving and stabilizes the flow rate.
[0002]
[Prior art]
As piezoelectric micropumps of interest to the present invention, there are those described in
[0003]
FIG. 7 is a front view showing the conventional
[0004]
The
[0005]
A sealing
[0006]
On the other hand, a
[0007]
9A and 9B are diagrams for explaining the operation of the
[0008]
Each of the
[0009]
Such a
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2002-311213 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-328212
[Problems to be solved by the invention]
However, the
[0012]
First, since the mechanical strength of the
[0013]
Moreover, although the flow rate in the discharge
[0014]
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric micropump that can solve the above-described problems.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above technical problem, the piezoelectric micropump according to the present invention is characterized by having the following configuration.
[0016]
The piezoelectric micropump according to the present invention includes a substrate. On the first main surface side of the substrate, a lower electrode layer, a piezoelectric thick film, and an upper electrode layer are laminated in this order.
[0017]
The substrate is provided with a pump chamber in a state where a diaphragm portion is formed on the first main surface side and an opening is formed on the second main surface side facing the first main surface. A discharge-side flow path and a supply-side flow path that communicate with each other are provided.
[0018]
The above-described opening is sealed with a sealing layer. The sealing layer is preferably made of heat resistant glass.
[0019]
In addition, at least a part of each of the discharge-side flow channel and the supply-side flow channel is provided by a discharge-side taper valve and a supply-side taper valve, respectively, and the discharge-side taper valve is provided with a throttle portion that serves as a boosting portion. .
[0020]
In the present invention, the substrate is preferably provided by a Si substrate. In this case, it is preferable that a buffer layer for suppressing mutual diffusion is further formed between the Si substrate and the lower electrode layer.
[0021]
The piezoelectric micro pump according to the present invention may include a plurality of pump chambers arranged in parallel. In this case, at least the piezoelectric thick film and the upper electrode layer are provided in association with each of the plurality of pump chambers, and the discharge side channel and the supply side channel respectively connect the plurality of pump chambers to each other. A discharge side communication path and a supply side communication path are provided, and the discharge side taper valve and the supply side taper valve are provided to communicate with the discharge side communication path and the supply side communication path, respectively.
[0022]
When the above-described configuration is adopted, a part of the plurality of pump chambers is driven in the steady state, and when a failure occurs in the pump chamber driven in the steady state, at least the remaining pump chambers. It is preferred that part is driven.
[0023]
The piezoelectric micro pump according to the present invention may include a plurality of pump chambers arranged in series. In this case, at least the piezoelectric thick film and the upper electrode layer are provided in association with each of the plurality of pump chambers, and at least a part of two adjacent pump chambers is provided by a taper valve. Connected to each other by a flow path, the discharge side flow path is provided in communication with the pump chamber located on the most downstream side in the fluid flow direction, and the supply side is connected to the pump chamber located on the most upstream side. The flow path is provided so as to communicate.
[0024]
When the above-described configuration is adopted, the plurality of pump chambers are preferably driven with phases different from each other so as to perform a peristaltic movement.
[0025]
Both of the above-described parallel arrangement of the plurality of pump chambers and series arrangement of the plurality of pump chambers may be employed. That is, while a plurality of pump chambers are arranged in series, those arranged in series may be arranged in parallel.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 3 illustrate a
[0027]
The
[0028]
The piezoelectric
[0029]
Piezoelectric crystal powder described above, 90 to 70 mol% of Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 ( here, x is from 0.49 to 0.56) and 10 to 30 mol% of Pb (Zn 1 / 3 Nb 2/3 ) O 3 is preferable. In addition, the crystallized glass powder preferably has a PbO—GeO 2 -based composition in which a Pb 5 Ge 3 O 11 ferroelectric phase is precipitated by increasing the temperature. For example, yPbO— (100-y) GeO 2 (however, , Y is more preferably 50 to 80 mol%).
[0030]
According to the stacked structure as shown in FIGS. 1 and 2, the
[0031]
The
[0032]
Therefore, the heat treatment for forming the piezoelectric
[0033]
The
[0034]
In addition, the above-described discharge
[0035]
Further, the
[0036]
According to the
[0037]
In addition, since the discharge
[0038]
The
[0039]
First, on the first
[0040]
Next, a
[0041]
Next, a Pd oxide layer 27 made of PdO x and having a thickness of 50 nm is formed on the
[0042]
Next, after spraying a fluorine release agent on the
[0043]
Next, a Pb (Zr, Ti) O 3 —Pb (Zn 1/3 Nb 2/3 ) O 3 piezoelectric paste is applied on the
[0044]
Next, after the above-mentioned silicone rubber is peeled off, the piezoelectric
[0045]
Next, the
[0046]
Next, the second
[0047]
Next, the piezoelectric
[0048]
The piezoelectric
[0049]
Next, the result of an experiment conducted to actually manufacture the
[0050]
When the
[0051]
Further, according to the
[0052]
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining the second embodiment of the present invention. 4, elements corresponding to those shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0053]
The piezoelectric
[0054]
The discharge-
[0055]
Such a
[0056]
As a modification of the second embodiment described above, an embodiment in which three or more pump chambers are arranged in parallel is also possible.
[0057]
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining a third embodiment of the present invention. In FIG. 5, elements corresponding to the elements shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0058]
The piezoelectric
[0059]
Two
[0060]
The
[0061]
According to the drive method as described above, when the
[0062]
FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, elements corresponding to the elements shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0063]
The piezoelectric micro pump 21c shown in FIG. 6 is positioned as a combination of the characteristic configuration of the piezoelectric
[0064]
The piezoelectric micropump 21c shown in FIG. 6 includes a plurality of, for example, two
[0065]
The first pair of two
[0066]
The first set of
[0067]
Also in the piezoelectric micro pump 21 c having such a configuration, for example, when the
[0068]
Therefore, according to the piezoelectric micropump 21c shown in FIG. 6, it is possible to obtain both the effect obtained by the
[0069]
While the present invention has been described with reference to the illustrated embodiment, various other modifications are possible within the scope of the present invention.
[0070]
For example, the laminated structure employed in the piezoelectric micropump and the material of each layer can be changed as necessary. As a modification, a Si substrate, a SiO 2 layer formed on the Si substrate, a buffer layer made of Al 2 O 3 formed on the SiO 2 layer, and Pb—Ru— formed on the buffer layer. Bi-O conductive composite oxide layer, electrode layer containing Pt formed on the conductive composite oxide layer, Pb-based piezoelectric thick film formed on the electrode layer, and Pb-based piezoelectric body A laminated structure including an upper electrode layer formed on a thick film can also be adopted.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric micropump according to the present invention, not only can the diaphragm portion formed on the substrate be thinned, but also a piezoelectric thick film is formed as a piezoelectric body. Can also be achieved. Therefore, a large volume displacement can be obtained in the diaphragm portion even by low voltage driving, and the driving force can be increased. In addition, since a piezoelectric plate is not used as the piezoelectric body, it is not necessary to use an adhesive for bonding it to the substrate, and therefore damping by the adhesive can be avoided.
[0072]
In addition, the discharge side taper valve that constitutes at least a part of the discharge side flow path communicating with the pump chamber is provided with a throttle portion that serves as a boosting portion. The flow rate can be stabilized. In addition, the flow rate can be easily controlled, and a high discharge pressure can be secured.
[0073]
The piezoelectric micropump according to the present invention includes a plurality of pump chambers arranged in parallel, and a part of the plurality of pump chambers is driven in a steady state, and a failure occurs in the pump chamber driven in the steady state. In this case, if at least a part of the remaining pump chamber is driven, it is possible to prevent the continuous operation from being hindered by a failure, so that the piezoelectric micro pump can have a redundant function.
[0074]
In addition, when the piezoelectric micropump according to the present invention includes a plurality of pump chambers arranged in series, and these pump chambers are driven with mutually different phases so as to perform peristaltic movement, the flow rate is not reduced due to pulsation. Stability can be prevented and flow stability can be secured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a cross section of a
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 3 for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front view showing a cross section of a conventional
8 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG.
FIG. 9 is a diagram for explaining a pump motion provided by the discharge
[Explanation of symbols]
21, 21a, 21b, 21c Piezoelectric micropump 22
Claims (6)
前記基板の第1の主面側に、下部電極層と圧電体厚膜と上部電極層とが、この順序で積層され、
前記基板には、前記第1の主面側にダイヤフラム部を形成しかつ前記第1の主面に対向する第2の主面側に開口を形成する状態でポンプ室が設けられるとともに、前記ポンプ室に連通する放出側流路および供給側流路が設けられ、
前記開口は、封止層によって封止され、
前記放出側流路および前記供給側流路の各々の少なくとも一部は、それぞれ、放出側テーパ弁および供給側テーパ弁によって与えられ、
前記放出側テーパ弁には、昇圧部となる絞り部が設けられている、
圧電マイクロポンプ。Equipped with a substrate,
On the first main surface side of the substrate, a lower electrode layer, a piezoelectric thick film, and an upper electrode layer are laminated in this order,
The substrate is provided with a pump chamber in a state where a diaphragm portion is formed on the first main surface side and an opening is formed on the second main surface side opposite to the first main surface. A discharge side channel and a supply side channel communicating with the chamber are provided,
The opening is sealed by a sealing layer;
At least a part of each of the discharge side flow path and the supply side flow path is provided by a discharge side taper valve and a supply side taper valve, respectively.
The discharge side taper valve is provided with a throttle portion that serves as a boosting portion,
Piezoelectric micro pump.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003192948A JP2005030213A (en) | 2003-07-07 | 2003-07-07 | Piezoelectric micro pump |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003192948A JP2005030213A (en) | 2003-07-07 | 2003-07-07 | Piezoelectric micro pump |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005030213A true JP2005030213A (en) | 2005-02-03 |
Family
ID=34204592
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003192948A Pending JP2005030213A (en) | 2003-07-07 | 2003-07-07 | Piezoelectric micro pump |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005030213A (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012047172A (en) * | 2010-08-25 | 2012-03-08 | Postech Academy-Industry Foundation | Micropump and operation method thereof |
JP2012204561A (en) * | 2011-03-25 | 2012-10-22 | Ngk Insulators Ltd | Electronic component manufacturing method |
JP2014085409A (en) * | 2012-10-19 | 2014-05-12 | Tohoku Univ | Method for manufacturing micromirror device |
CN105864004A (en) * | 2016-02-03 | 2016-08-17 | 河南工业大学 | Micro-injection series micropump |
US9714651B2 (en) | 2007-10-16 | 2017-07-25 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibrating device and piezoelectric pump |
JP2018061731A (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | 大研医器株式会社 | Flow formation unit and thorax drainage having the same |
CN109798239A (en) * | 2019-04-11 | 2019-05-24 | 长春工业大学 | A kind of Valveless piezoelectric pump of intracavitary a variety of bluff bodys |
JP2020159226A (en) * | 2019-03-25 | 2020-10-01 | セイコーエプソン株式会社 | Diaphragm compressor, cooling unit, projector, recording device and three-dimensional structure manufacturing device |
WO2020203099A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 株式会社村田製作所 | Atomizer |
-
2003
- 2003-07-07 JP JP2003192948A patent/JP2005030213A/en active Pending
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9714651B2 (en) | 2007-10-16 | 2017-07-25 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Vibrating device and piezoelectric pump |
JP2012047172A (en) * | 2010-08-25 | 2012-03-08 | Postech Academy-Industry Foundation | Micropump and operation method thereof |
JP2012204561A (en) * | 2011-03-25 | 2012-10-22 | Ngk Insulators Ltd | Electronic component manufacturing method |
JP2014085409A (en) * | 2012-10-19 | 2014-05-12 | Tohoku Univ | Method for manufacturing micromirror device |
CN105864004A (en) * | 2016-02-03 | 2016-08-17 | 河南工业大学 | Micro-injection series micropump |
WO2018070295A1 (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | 大研医器株式会社 | Flow-forming unit and thorax cavity drainage comprising same |
JP2018061731A (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-19 | 大研医器株式会社 | Flow formation unit and thorax drainage having the same |
JP2020159226A (en) * | 2019-03-25 | 2020-10-01 | セイコーエプソン株式会社 | Diaphragm compressor, cooling unit, projector, recording device and three-dimensional structure manufacturing device |
JP7283164B2 (en) | 2019-03-25 | 2023-05-30 | セイコーエプソン株式会社 | Diaphragm type compressor, cooling unit, projector, recording device and 3D model manufacturing device |
WO2020203099A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 株式会社村田製作所 | Atomizer |
JPWO2020203099A1 (en) * | 2019-03-29 | 2021-11-25 | 株式会社村田製作所 | Atomizer |
JP7151877B2 (en) | 2019-03-29 | 2022-10-12 | 株式会社村田製作所 | atomizer |
CN109798239A (en) * | 2019-04-11 | 2019-05-24 | 长春工业大学 | A kind of Valveless piezoelectric pump of intracavitary a variety of bluff bodys |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5480983B2 (en) | Bent transducer, micro pump and micro valve manufacturing method, micro pump and micro valve | |
US6565331B1 (en) | Pump | |
JP3144949B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive actuator | |
JP3814132B2 (en) | Pump and driving method thereof | |
JPH0412678A (en) | Piezoelectric/electrostriction actuator | |
JPWO2002073710A1 (en) | Piezoelectric / electrostrictive film type actuator and manufacturing method | |
JP3336017B2 (en) | Manufacturing method of micro thin film pump body | |
US20040202554A1 (en) | Micro pump | |
JPH0640030A (en) | Ink-jet printing head | |
JP2005030213A (en) | Piezoelectric micro pump | |
JP3202643B2 (en) | Micropump and method of manufacturing micropump | |
WO2003078166A1 (en) | Piezoelectric actuator and fluid injection head having the same | |
JP4629896B2 (en) | Piezoelectric element and electric device using the same | |
JP2007032408A (en) | Peristaltic type piezoelectric micropump and its drive method | |
JP2995401B2 (en) | Micropump and method of manufacturing micropump | |
JP3942388B2 (en) | Micro pump | |
JP2005019550A (en) | Piezoelectric transducer | |
JP4483211B2 (en) | Multi-layer substrate for electronic parts and electronic parts using the same | |
JP2011027057A (en) | Piezoelectric pump and method for driving the same | |
JPH07131086A (en) | Piezoelectric film type element and its treatment method and drive method | |
JP3418564B2 (en) | Driving method of micro pump | |
JPH0985947A (en) | Piezoelectric pump | |
JP2010065550A (en) | Piezoelectric pump and fluid transfer system | |
JP3999044B2 (en) | Piezoelectric / electrostrictive membrane actuator and manufacturing method | |
JPS63176679A (en) | Piezo-electric pump |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060317 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090305 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090714 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091201 |