JP2010065550A - 圧電ポンプ及び流体移送システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子による振動の外部への伝搬を十分に抑制した圧電ポンプを提供する。
【解決手段】本発明は、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、上記第１の基板と上記構造体とによって囲まれた空隙部と、上記第２の基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室と、上記流路と連通する第１及び第２の開口部と、を有する圧電ポンプを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電ポンプ及び流体移送システムに関するものである。

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、外圧の変化によらず常に一定の吐出を実現でき、かつ双方向への送液が可能であるマイクロポンプの提供を意図して、流体の流路を形成するシリコン基板（Ｓｉ基板）の外側に圧電素子が配設された圧電ポンプが提案されている。この圧電ポンプによると、ダイアフラムとして機能するシリコン基板と圧電素子のユニモルフ構造を用いているために、非常に薄く製作することが可能である、とされている。
特開平１０−２９９６５９号公報

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、その外部に圧電素子の振動を伝搬してしまうことを見出した。外部に振動が伝搬する圧電ポンプを用いると、その圧電ポンプと共に他の素子を高密度で集積した場合、他の素子もその振動の影響を受けてしまうため、そのような高密度での集積が困難となる。また、耐振動性に劣る素子をその圧電ポンプと共に用いると、それらが互いに離隔して配置されていても、やはり耐振動性に劣る素子に振動の影響を与えてしまうため、それらの併用が困難となる。

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、圧電素子による振動の外部への伝搬を十分に抑制した圧電ポンプ及び流体移送システムを提供することを目的とする。

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、圧電素子が外部に露出した状態で圧電ポンプに設けられていることに起因して、その圧電素子の作動時の振動が直接外部に伝搬してしまうことを見出した。そして、圧電素子を外部に露出しないように圧電ポンプに配設することで、外部への振動の伝搬を十分に抑制できることを知見し、更に詳細に検討を進めた結果、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、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、その構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第１の基板と上記構造体とによって囲まれた空隙部と、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の開口部とを有する圧電ポンプを提供する。

本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子を構成する圧電体が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）に変位する。この変位に伴い、構造体が、支持部材との形状効果により、第１及び／又は第２の基板に固定された部分を支点として厚み方向に振動する。この振動により流体の流路となるポンプ室の容積及び内圧が変化することで、第１の開口部、ポンプ室及び第２の開口部を経由して流体が圧電ポンプ内を移送される。

この本発明の圧電ポンプにおいて、振動の発生源となる圧電素子は第１及び第２の基板で挟まれることにより、外部に直接露出していない状態となっている。しかも、圧電素子の周囲にはポンプ室や空隙部が存在するため、圧電素子の振動は第１及び第２の基板で挟まれた空間であるそれらのポンプ室や空隙部に吸収される。その結果、本発明の圧電ポンプは、圧電素子による振動の外部への伝搬を十分に抑制することができ、また振動に伴う信号ノイズをも抑制することができる。さらには、本発明の圧電ポンプは、圧電素子を第１及び第２の基板の外側ではなく内側に挟み込んだ構成を有している。そのため、圧電ポンプを構成する圧電素子以外の素子及び回路を第１及び第２の基板の外側に積層することも可能となり、本発明の圧電ポンプを備える電子部品は、更なる高密度集積化を進めることができる。

本発明の圧電ポンプにおいて、上記圧電素子及び／又は上記支持部材は、圧電素子の面内方向及び／又は厚み方向に絞り部分を有すると好ましい。圧電素子及び／又は支持部材に絞り部分を設けることで、構造体の振動に伴いその絞り部分が受ける単位断面積当たりの荷重が、絞られていない部分と比較して大きくなる。上記単位面積当たりの荷重が大きくなるほど構造体の振動幅も大きくなるため、上記圧電ポンプの圧電素子に一定の電圧を印加すると、絞り部分を有しない構造体と比較して構造体の振動幅（動作幅）が大きくなる。その結果、圧電ポンプによる流体の移送量が更に増大する。

また、本発明は、流体の流れ方向に沿って、第１のバルブ部と圧電ポンプ部と第２のバルブ部とをこの順で含有する流体移送システムであって、上記圧電ポンプ部は、第１の圧電素子と第１の圧電素子を支持する第１の支持部材とを備える第１の構造体と、第１の構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、かつ、第１の基板と第１の構造体とによって囲まれた空隙部と、第２の基板と第１の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、第１のバルブ部は、第２の圧電素子と第２の圧電素子を支持する第２の支持部材とを備える第２の構造体と、第２の構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第２の圧電素子の作動によって第１又は第２の基板の一部と第２の構造体の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉し、第２のバルブ部は、第３の圧電素子と第３の圧電素子を支持する第３の支持部材とを備える第３の構造体と、第３の構造体を挟む第１及び第２の基板とを含有し、第３の圧電素子の作動によって第１又は第２の基板の一部と第３の構造体の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉する流体移送システムを提供する。

本発明の流体移送システムは、本発明の圧電ポンプを圧電ポンプ部として含有するため、上述と同様の理由により外部への振動の伝搬を十分に抑制することができる。また、本発明の流体移送システムにおいて、圧電素子を含有する第１及び第２のバルブ部も第１及び第２の基板に挟まれており、外部に直接露出していないため、それらのバルブ部の作動に伴う振動も抑制される。さらに本発明の流体移送システムは、圧電ポンプ部並びに第１及び第２のバルブ部が含有する圧電素子を、第１及び第２の基板の外側ではなく内側に挟み込んだ構成を有している。そのため、それらの素子以外の素子及び回路を第１及び第２の基板の外側に積層することも可能となり、本発明の流体移送システムを備える電子部品は、更なる高密度集積化を進めることができる。

本発明によれば、圧電素子による振動の外部への伝搬を十分に抑制した圧電ポンプ及び流体移送システムを提供することができる。

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最良の形態（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。

図１、２は、本実施形態の圧電ポンプの製造方法を模式的に示す工程図である。まず、（ａ１）工程において、成膜用基板１０２上に下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８をこの順で積層する。より具体的には、まず、成膜用基板１０２の表面上に下部電極層１０４を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。成膜用基板１０２は、その表面上に下部電極層１０４、圧電体層１０６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い。ただし、後述の圧電体層１０６の材料及び成膜法との組合せの観点、並びに高配向の圧電体を得る観点から、Ｓｉ基板であると好ましい。下部電極層１０４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、下部電極層１０４の厚みは、例えば０．０５μｍ〜１.０μｍであってもよい。

次いで、下部電極層１０４の表面、及び必要に応じて露出した成膜用基板１０２の表面上に圧電体層１０６を形成する。圧電体層１０６の形成方法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などであってもよいが、特にＳｉ基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法であると、配向性が高く圧電特性に優れた圧電体が得られ、また、圧電ポンプ１７０製造の際の歩留まりも向上するので好ましい。そのような成膜法は、例えば、本出願人による特開２０００−３３２５６９号公報に開示されている。圧電体層１０６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。圧電体層１０６の材料にＰＺＴを採用し、Ｓｉ基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法で形成する場合、Ｓｉ（１００）上でＰＺＴ（００１）薄膜をエピタキシャル成長により形成することが、特に優れた配向性を得る観点から好ましい。圧電体層１０６の厚みは、例えば０.５μｍ〜５.０μｍであってもよい。

続いて、圧電体層１０６の表面上に上部電極層１０８を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。上部電極層１０８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。上部電極層１０８の厚みは、例えば０.０５μｍ〜１.０μｍであってもよい。

次に、（ａ２）工程において、上述のようにして積層した下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８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層１０８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各層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他にパターニ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を用いてもよい。これにより、下部電極１１４、圧電体１１６及び上部電極１１８をこの順に積層して備えた圧電素子１２０が得られる。なお、この（ａ２）工程に加えて／代えて、下部電極層１０４、圧電体層１０６、上部電極層１０８を、例えばレーザー描画法により、その成膜と共に直接パターニングしてもよく、成膜及びパターニングを各層毎に行い、これを繰り返すことで圧電素子１２０を得てもよい。

次いで、（ａ３）工程において、成膜用基板１０２及び圧電素子１２０の表面上に第１の絶縁部材１２２を形成する。第１の絶縁部材１２２は、圧電ポンプの支持部材の一部を構成する部材である。第１の絶縁部材１２２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。第１の絶縁部材１２２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の変位をポンプ室に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプの効率が高くなる。第１の絶縁部材１２２の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。第１の絶縁部材１２２の材料が樹脂材料である場合、（ａ３）工程ではまず、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）を成膜用基板１０２及び圧電素子１２０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た後、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、成膜用基板１０２及び圧電素子１２０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。パターニングにより得られた第１の絶縁部材１２２の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。こうして、成膜用基板１０２と、その上に形成された圧電素子１２０と、第１の絶縁部材１２２とを備える第１の複合体１２６を得る。

一方、（ｂ１）工程において、まず、基板１３０を準備する。この基板１３０としては例えばガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚みは、例えば０.２ｍｍ〜２.０ｍｍである。続いて、（ｂ２）工程において、基板１３０表面をエッチング等により所定の形状に加工する。更に、（ｂ３）工程において、基板１３０の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第１の開口部１３０ａ及び第２の開口部１３０ｂをエッチング等により形成する。こうして、開口部１３０ａ、１３０ｂを有する第２の基板１３２を得る。ここで、加工して得られた第２の基板１３２の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。

次に、（ｃ１）工程において、第１の複合体１２６の第１の絶縁部材１２２を形成した側に第２の基板１３２を貼り付ける。この際、第２の基板１３２をそのエッチング等により加工された表面が第１の複合体１２４に対向するように、かつ開口部１３０ａ、１３０ｂを圧電ポンプのポンプ室と連通するように位置合わせして貼り付ける。貼り付ける方法としては、第１の複合体１２６と第２の基板１３２とが接触する部位に、例えば、接着剤や樹脂を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。次いで、（ｃ２）工程において、成膜用基板１０２をエッチング等により除去する。これにより、圧電素子１２０と第１の絶縁部材１２２と第２の基板１３２とを備える第２の複合体１４０を得る。

一方、（ｄ１）工程において、第１の基板１４２とその第１の基板１４２の表面上に設けられたセンサ１４４とを備える第３の複合体１４６を準備する。第１の基板１４２としては例えばガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚みは、例えば０.２ｍｍ〜２.０ｍｍである。センサ１４４は、圧電ポンプ内を流通する流体の流量や温度を検知するセンサであり、例えば公知のサーモパイルセンサであってもよい。

次いで、（ｄ２）工程において、第１の基板１４２のセンサ１４４が設けられた側の表面上に第２の絶縁部材１４８を形成する。第２の絶縁部材１４８は、第１の絶縁部材１２２と同様に圧電ポンプの支持部材の一部を構成する部材である。したがって、第２の絶縁部材１４８の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電素子１２０の変位によっても破損しない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く、具体的には樹脂材料であることが好ましい。また、第１の絶縁部材１２２との良好な接合性を得る観点から、第２の絶縁部材１４８の材料は、第１の絶縁部材１２２と同一の材料（例えば、同一の樹脂組成物を原料とするもの）であることが好ましい。第２の絶縁部材１４８の材料が樹脂材料である場合、（ｄ２）工程ではまず、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１４２及び必要に応じてセンサ１４４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た後、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１４２及びセンサ１４４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。パターニングにより得られた第２の絶縁部材１４８の形状は、第１の基板１４２、第１の絶縁部材１２２及び圧電素子１２０と共に圧電ポンプの空隙部を形成するのに適した形状であればよい。こうして、第３の複合体１４６と第２の絶縁部材１４８とを備える第４の複合体１５０を得る。

次いで、（ｅ）工程において、第２の複合体１４０と第４の複合体１５０とを、第１の絶縁部材１２２と第２の絶縁部材１４８とで接合することにより、本実施形態の圧電ポンプ１７０を得る。この際、第１の基板１４２、第１の絶縁部材１２２、第２の絶縁部材１４８及び圧電素子１２０が圧電ポンプ１７０の空隙部を形成するよう、位置合わせをする。第１の絶縁部材１２２と第２の絶縁部材１４８との接合方法は特に限定されず、それらが接触する部分に接着剤を塗布して接合してもよい。あるいは、第１の絶縁部材１２２及び第２の絶縁部材１４８の材料が熱圧着可能な材料であれば、それらを互いに接触させた後で加熱することにより接合してもよい。

得られた本実施形態の圧電ポンプ１７０は、圧電素子１２０と圧電素子１２０を支持する支持部材１７２とを備える構造体１７４と、構造体１７４を挟む第１及び第２の基板１４２、１３２と、を含有し、第１の基板１４２と構造体１７４とによって囲まれた空隙部１７６と、第２の基板１３２と構造体１７４とによって囲まれたポンプ室１７８と、ポンプ室１７８と連通する第１及び第２の開口部１３０ａ、１３０ｂと、を有するものである。

より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ１７０に含有される構造体１７４は、圧電素子１２０と、その圧電素子１２０に直接接合して支持する支持部材１７２とを備える。支持部材１７２は、膜状の中心部１７２ａとその中心部１７２ａを包囲し、中心部１７２ａよりも厚い周縁部１７２ｂとを有する。圧電素子１２０は薄膜状であり、支持部材１７２の中心部１７２ａ下側に埋め込まれるように配置しており、支持部材１７２が圧電素子のポンプ室（流路）１７８側の面を被覆するように接合している。支持部材１７２の中心部１７２ａ及び圧電素子１２０は、支持部材１７２の周縁部１７２ｂの厚み方向中央付近に位置しており、それらの厚み方向両側に空間（ポンプ室１７８、空隙部１７６）が確保されている。

第１の基板１４２はその上面を支持部材１７２の周縁部１７２ｂの下面と接合している。これにより、第１の基板１４２と支持部材１７２と圧電素子１２０とに包囲された空隙部１７６が形成されている。また、センサ１４４が第１の基板１４２の上面と支持部材１７２の周縁部１７２ｂの下面とに挟まれて固定されている。

支持部材１７２の中心部１７２ａは、さらにその中心付近が圧電素子１２０の埋め込みにより上側に隆起している。また、第２の基板１３２はその下面を支持部材１７２の周縁部１７２ｂの上面と接合している。これにより、第２の基板１３２と支持部材１７２とに包囲されたポンプ室１７８が形成されている。第２の基板１３２は、支持部材１７２の中心部１７２ａの隆起に伴いポンプ室１７８の容積が減少することを防ぐために、その中心部１３２ａの下面が、その周縁部１３２ｂの下面よりも上側に位置している。また、第２の基板１３２は、その厚み方向に貫通する第１及び第２の開口部１３０ａ、１３０ｂを有しており、これらの開口部１３０ａ、１３０ｂはポンプ室１７８と連通している。

本実施形態の圧電ポンプ１７０において、駆動電極である下部電極１１４及び上部電極１１８を通じて、圧電素子１２０に電圧を印加すると、薄膜状の圧電体１１６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。特に、圧電素子１２０は薄膜状であり、しかも支持部材１７２により縁端部が固定されているため、圧電体１１６の面内方向の変位に伴い、厚み方向に湾曲する。そして電圧印加のオン／オフ、あるいは印加する電圧の方向を順方向／逆方向に切り替える（交流電圧を印加する）ことによって、構造体１７４は、第１の基板１４２及び第２の基板１３２に固定された支持部材１７２の周縁部１７２ｂを支点として厚み方向に振動する。この振動により流路でもあるポンプ室１７８の容積及び内圧が変化することで、第１の開口部１３０ａ、ポンプ室１７８及び第２の開口部１３０ｂを経由して流体が圧電ポンプ内を移送される。本実施形態において、構造体１７４の振動は空隙部１７６及びポンプ室１７８に吸収されるため、第１の基板１４２及び第２の基板１３２よりも外側への振動の伝搬は十分に抑制される。また、振動の抑制に伴い、その振動に起因する信号ノイズも同様に抑制される。さらには、空隙部１７６が構造体１７４の厚み方向への動きを許容しているため、本実施形態の圧電ポンプは１７０は、少ない電圧の印加で大きな流量を実現することができる。

また、本実施形態の圧電ポンプ１７０において、圧電体１１６の材料にＰＺＴなどのＰｂ（鉛）含有材料を採用した場合、圧電体１１６が第１の基板１４２及び支持部材１７２によって包囲されているため、圧電体１１６から発生するＰｂの、圧電ポンプ１７０外部への飛散を防止することも可能となる。

さらに、本実施形態の圧電ポンプ１７０は低い電圧で変位する薄膜状の圧電素子１２０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１２０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１２０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１７０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できる。

薄膜状の圧電素子はポンプ容量が小さいため、流体の移送量を増大させるには、高周波の電圧を印加して振動数を高める必要がある。ところが、振動数を高めるほど、圧電素子の振動が外部に伝搬しやすくなるという問題がある。一方、本実施形態の圧電ポンプ１７０によると、上述のとおり振動の外部への伝搬を十分に抑制するため、たとえ圧電素子１２０を高周波で作動させても、上記問題の発生を防止することが可能となる。

さらには、圧電ポンプ１７０は、圧電素子１２０を第１及び第２の基板１４２、１３２の外側ではなく内側に挟み込んだ構成を有している。このことと、圧電ポンプ１７０の外側への振動の抑制とが相俟って、圧電素子１２０以外の素子及び回路を、たとえそれらの素子や回路が耐振動性に劣るものであっても、第１及び第２の基板１４２、１３２の外側に積層することが可能となる。このような観点からも、圧電ポンプ１７０は、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できる。また、圧電素子１２０を支持部材１７２の中心部１７２ａ下側に埋め込むように配置することにより、圧電素子１２０と支持部材１７２との接合性が高まり、圧電ポンプ１７０の耐久性が向上する。

図３、４は、本実施形態の流体移送システムを模式的に示す概略図であり、図３は一部を透視した平面図、図４は図３のＩ−Ｉ線に沿って切断して現れる断面を示す断面図である。本実施形態の流体移送システム３００は、流体の流れ方向（図４中矢印で示す方向）に沿って、第１のバルブ部３０２と圧電ポンプ部３０４と第２のバルブ部３０６とをこの順で含有する流体移送システムである。上記圧電ポンプ部３０４は、第１の圧電素子３０８と第１の圧電素子３０８を支持する第１の支持部材３１０とを備える第１の構造体３１２と、第１の構造体３１２を挟む第１及び第２の基板３１４、３１６とを含有し、かつ、第１の基板３１４と第１の構造体３１２とによって囲まれた空隙部３１８と、第２の基板３１６と第１の構造体３１２とによって囲まれたポンプ室３２０と、そのポンプ室３２０と連通する第１及び第２の開口部３２２、３２４とを有する。

より詳細には、圧電ポンプ部３０４が有する第１の構造体３１２は、第１の圧電素子３０８と、その圧電素子３０８に直接接合する第１の支持部材３１０とを備える。第１の圧電素子３０８は、圧電体を２つの電極で上下から挟む構造を有しており、上記圧電素子１２０と同様の構造、材料を採用すればよい。第１の支持部材３１０は、膜状の中心部３１０ａと、その中心部３１０ａを包囲し中心部３１０ａよりも厚い周縁部３１０ｂとを有する。第１の圧電素子３０８は薄膜状であり、第１の支持部材３１０の中心部３１０ａ下側に埋め込まれるように配置している。第１の支持部材３１０の中心部３１０ａ及び第１の圧電素子３０８は、第１の支持部材３１０の周縁部３１０ｂの厚み方向中央付近に位置しており（図４では、後述する開口部３２２、３２４が存在しているため、第１の支持部材３１０の上部が示されていない。）、それらの厚み方向両側に空間（ポンプ室３２０、空隙部３１８）が確保されている。

圧電ポンプ部３０４において、第１の基板３１４はその上面を第１の支持部材３１０の周縁部３１０ｂの下面と接合している。これにより、第１の基板３１４と第１の構造体３１２とに包囲された空隙部３１８が形成されている。

第１の支持部材３１０の中心部３１０ａは、さらにその中心付近が第１の圧電素子３０８の埋め込みにより上側に隆起している。また、第２の基板３１６はその下面を第１の支持部材３１０の周縁部３１０ｂの上面と接合している。これにより、第２の基板３１６と第１の構造体３１２とに包囲された、流体を移送するためのポンプ室３２０が形成されている。圧電ポンプ部３０４は、ポンプ室３２０と第１のバルブ部３０２とを連通する部分に第１の支持部材３１０と第２の基板３１６とによって形成された第１の開口部３２２と、ポンプ室３２０と第２のバルブ部３０６とを連通する部分に第１の支持部材３１０と第２の基板３１６とによって形成された第２の開口部３２４とを更に有する。また、第１の圧電素子３０８からは、上下の電極から取り出される配線３４６が端子３４８まで延びており、その端子３４８を介して電源（図示せず。）に接続されている。

この圧電ポンプ部３０４は、上述の圧電ポンプ１７０と同様に動作し、当業者であれば上記圧電ポンプ１７０の説明、並びに図２、３、４を参照することにより、その動作を理解することができるので、ここでは詳細な説明は省略する。

また、図３からも明らかなように、本実施形態に係る圧電ポンプ部３０４において、第１の圧電素子３０８は、その面内方向に絞り部分３４０を有する。これにより、同じ電圧における変位が向上し、所望の流体移送量を得るために印加する電圧を、絞り部分を有しない圧電素子と比較して小さくすることができる。あるいは、所定の電圧を印加した場合に、絞り部分を有しない圧電素子と比較して圧電素子３０８の振動幅が大きくなる。その結果、圧電ポンプ部３０４による流体の移送量が更に増大する。さらに、図４からも明らかなように、本実施形態に係る圧電ポンプ部３０４において、第１の支持部材３１０は、第１の圧電素子３０８の一縁端部（図中右側の縁端部）の下面とも接合しており、上記一縁端部を挟み込むように支持している。これにより、圧電素子３０８のその縁端部を一層強固に固定することができるため、機械的強度が向上する。

第１のバルブ部３０２は、第２の圧電素子３２６と第２の圧電素子３２６を支持する第２の支持部材３２８とを備える第２の構造体３３０と、第２の構造体３３０を挟む第１及び第２の基板３１４、３１６とを含有し、第２の圧電素子３２６の作動によって第２の基板３１４、３１６の一部と第２の構造体３３０の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉するものである。

より詳細には、第１のバルブ部３０２が有する第２の構造体３１２は、４つの第２の圧電素子３２６と、その圧電素子３２６に直接接合して支持する第２の支持部材３２８とを備える。第２の圧電素子３２６は、薄膜状の圧電体を２つの電極で上下から挟む構造を有しており、上記圧電素子１２０と同様の材料を採用すればよい。本実施形態の流体移送システム３００において、４つの第２の圧電素子３２６は、図示するようにその平面形状がテーパ部分を有する先細り六角形状であり、テーパ部分を後述の第２の支持部材３２８における孔３２９ａ周りに向けて、その孔３２９ａを取り囲むように配置されている。また、それぞれの第２の圧電素子３２６からは、上下の電極から取り出される配線３４２が端子３４４まで延びており、その端子３４４を介して電源（図示せず。）に接続されている。

第２の支持部材３２８は、第２の圧電素子３２６に上側から接合する薄膜部３２９と、第２の圧電素子３２６のテーパ部分とは反対側の部分を第１の基板３１４に接合する第１の接合部３３１と、第２の圧電素子３２６のテーパ部分とは反対側の部分を第２の基板３１６に接合する第２の接合部３３２とを備える。薄膜部３２９は円環状であって、第２の圧電素子３２６の上側に接合し中心で厚み方向に貫通した孔３２９ａを有する。第２の支持部材３２８は、上記支持部材１７２と同様の材料であればよい。

第２の支持部材３２８における薄膜部３２９上には、空間を介して、第１の基板３１４から下方向に突出し、下面が平坦な円板状の突出部３１４ａが設けられている。この突出部３１４ａは、その中心部が第２の支持部材３２８の薄膜部３２９における孔３２９ａの真上になるよう、かつ、４つの第２の圧電素子３２６とその厚み方向において少なくとも一部が重なるよう、位置している。突出部３１４ａの円板の直径は薄膜部３２９よりもやや小さくなっている。

本実施形態の第１のバルブ部３０２は、その第２の圧電素子３２６に電圧を印加していないとき、第１の基板の突出部３１４ａと第２の支持部材３２８との間に空間を有し、そこを流体が流通可能である開状態になっている。この第１のバルブ部３０２に電圧を印加すると、第２の圧電素子３２６における圧電体が面内方向（ｄ３１方向）及び厚み方向（ｄ３３方向）に変位して、その厚み方向下側に湾曲する。４つの第２の圧電素子３２６はそのテーパ部分とは反対側の部分を、第１の接合部３３１、第２の接合部３３２によって、第１の基板３１４、第２基板３１６に固定されているため、上記湾曲に伴いテーパ部分が上側に反り返る。これに伴い、第２の支持部材３２８の薄膜部３２９はその中心部分が上記テーパ部分により持ち上げられて、その上面が第１の基板の突出部３１４ａの下面に押し付けられる。この際、４つの第２の圧電素子３２６に印加する電圧をそれぞれ調整することで、薄膜部３２９を突出部３１４ａに押し付ける圧力を制御することができ、薄膜部３２９の孔３２９ａが第１の支持基盤の突出部３１４ａにより完全に塞がれる。こうして、第１のバルブ部３０２は閉状態になり、流体の流通を堰き止めることができる。

第２のバルブ部３０６は、第３の圧電素子３３３と第３の圧電素子３３３を支持する第３の支持部材３３４とを備える第３の構造体３３６と、第３の構造体３３６を挟む第１及び第２の基板３１４、３１６とを含有し、第３の圧電素子３３３の作動によって第２の基板３１４の一部と第３の構造体３３６の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉するものである。この第２のバルブ部３０６は、第１のバルブ部３０２と同様の構造を有しており、同様に動作し、第３の圧電素子３３３、第３の支持部材３３４、第３の構造体３３６が、それぞれ、第１のバルブ部３０２の第２の圧電素子３２６、第２の支持部材３２８、第２の構造体３３０に対応する。また、当業者であれば上記第１のバルブ部３０６の説明、並びに図３、４を参照して、その構造及び動作を理解することができるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態の流体移送システム３００は、上述の第１のバルブ部３０２、圧電ポンプ部３０４及び第２のバルブ部３０６に加えて、第１のバルブ部３０２の上流側に流入口３５０と、第２のバルブ部３０６の下流側に流出口３５２とを有する。これら流入口３５０及び流出口３５２は、いずれも第２の基板３１６の厚み方向に貫通して設けられた貫通孔である。

本実施形態に係る流体移送システム３００を用いた流体の移送方法は、例えば、下記第１の工程、第２の工程、第３の工程及び第４の工程を順に繰り返す方法である。まず、第１のバルブ部３０２及び圧電ポンプ部３０４に電圧を印加せず、第２のバルブ部３０６のみに電圧を印加する（第１の工程）。この際、第１のバルブ部３０２が開状態、圧電ポンプ部３０４が停止状態、第２のバルブ部３０６が閉状態にあり、流体が流入口３５０を経由して第２のバルブ部３０６の手前にまで充填されている。次いで、第１のバルブ部３０２に電圧を印加して、上述のように閉状態にする（第２の工程）。これにより、流入口３５０と第１のバルブ部３０２下流とを遮断し、流体を第１のバルブ部３０２から第２のバルブ部３０６の間に封入した状態となる。その後、圧電ポンプ部３０４に電圧を印加することによって封入した流体の圧力を増大させる（第３の工程）。そして、第２のバルブ部３０６への電圧の印加を停止して、第２のバルブ部３０６を開状態にする（第４の工程）。これにより、圧力の増大していた流体を第２のバルブ部３０６下流に吐出し、流出口３５２を経由して流体移送システム３００の外部に流出させる。再び第１の工程において、第１のバルブ部３０２及び圧電ポンプ部３０４への電圧の印加を停止すると共に、第２のバルブ部３０６のみに電圧を印加して、流体を第２のバルブ部３０６の手前にまで充填する。

なお、本実施形態の流体移送システム３００が流路内にセンサ（例えばサーモパイルセンサ）３５４を含有することにより、そこを流通する流体の温度や圧力、流量などを検知することができる。このセンサ３５４によって検知された流体の温度や圧力、流量を、流体移送システムの動作にフィードバックして、特に圧電ポンプ部３０４の運転条件を制御することで、上記温度等を調整することも可能である。

本実施形態の流体移送システム３００によると、上記圧電ポンプ部３０４を含有するため、上述の圧電ポンプ１７０による各効果と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態の流体移送システム３００は、圧電ポンプ部３０４だけでなく、第１のバルブ部３０２及び第２のバルブ部３０６も第１及び第２の基板３１４、３１６の内部に挟み込んだ構成を有している。したがって、流体移送システム３００は、それらのバルブ部３０２、３０６の作動に伴う振動も抑制される。また、圧電ポンプ部３０４、第１のバルブ部３０２及び第２のバルブ部３０６に備えられる圧電体のいずれかの材料にＰＺＴなどのＰｂ（鉛）含有材料を採用した場合、それらの圧電体が第１及び第２の基板３１４、３１６によって包囲されているため、圧電体から発生するＰｂの、流体移送システム３００外部への飛散をより十分に防止することも可能となる。さらには、流体移送システム３００における第１及び第２の基板３１４、３１６の外側に、種々の素子及び回路を積層することができる。そのため、流体移送システム３００は、更なる高密度集積化を実現することができ、ＭＥＭＳ技術を応用した製品に有効に利用することが可能となる。

また、本実施形態の流体移送システム３００は薄膜状の圧電素子を採用しているため、より低電圧であっても良好な運転効率を発揮することができる。また、それらの圧電素子を薄膜状にすることで、いわゆるバルクの圧電素子を用いた場合と比較して、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、薄膜状の圧電素子を採用することにより、バルクの圧電素子を用いた場合と比較して、流体移送システムの更なる小型化、薄型化が可能となる。そのため、流体移送システム３００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。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記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、本発明の圧電ポンプ又は本発明に係る圧電ポンプ部が有する圧電素子及び支持部材の平面形状は、図５に示されるようなものであってもよい。図５は、それら圧電素子及び支持部材の平面形状を模式的に示す概略図である。図５の（ｂ）は上述の本実施形態における第１の圧電素子３０８及び第１の支持部材３１０と同様の形状の圧電素子５０６及び支持部材５０８である。例えば図５の（ａ）に示すように、圧電素子５０２が絞り部分を有しない形状であってもよく、（ｃ）に示すように、圧電素子５１０の絞り部分の幅が電極の取り出し部分に向かって徐々に面内方向に狭くなる形状であってもよく、支持部材５１２が絞り部分を有してもよく、（ｄ）に示すように、圧電素子５１４及び／又は支持部材５１６が円形であってもよい。また、図示していないが、圧電素子が絞り部分を有せず、支持部材のみが絞り部分を有してもよい。この場合であっても、少ない電圧の印加で大きな流量を実現することができる。さらに、圧電素子や支持部材の面内方向に加えて／代えて、それらの厚み方向に絞り部分を有していてもよい。これによっても、少ない電圧の印加で大きな流量を実現することができる。さらに、移送される流体の種類に応じて、面内方向と厚み方向との変位をバランス良く制御するため、絞り部分の形状を適宜変形させることも可能である。

また、本実施形態の圧電ポンプにおいて、圧電素子の周縁部の一部若しくは全部又は端面にのみ支持部材が接合していてもよい。あるいは、支持部材が圧電素子の空隙部側の面を被覆するように接合してもよい。これらの場合、圧電素子がポンプ室に露出するため、直接流体と接することとなる。あるいは、支持部材が圧電素子の空隙部側及びポンプ室（流路）側の両方の面を被覆するように接合してもよい。

本発明の圧電ポンプ及び流体移送システムは、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及び流体移送システムは、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。

本発明の実施形態に係る圧電ポンプの製造方法を模式的に示す工程図である。 本発明の実施形態に係る圧電ポンプの製造方法を模式的に示す工程図である。 本発明の実施形態に係る流体移送システムを模式的に示す一部を透視した平面図である。 本発明の実施形態に係る流体移送システムを模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電素子及び支持部材の平面形状を種々示す模式図である。

符号の説明

１２０…圧電素子、１３０ａ、３２２…第１の開口部、１３０ｂ、３２４…第２の開口部、１３２、３１６…第２の基板、１４２、３１４…第１の基板、１７０…圧電ポンプ、１７２…支持部材、１７４…構造体、１７６、３１８…空隙部、１７８…ポンプ室、３００…流体移送システム、３０２…第１のバルブ部、３０４…圧電ポンプ部、３０６…第２のバルブ部、３０８…第１の圧電素子、３１０…第１の支持部材、３１２…第１の構造体、、３２０…流路、３２６…第２の圧電素子、３２８…第２の支持部材、３３０…第２の構造体、３３３…第３の圧電素子、３３４…第３の支持部材、３３６…第３の構造体。

Claims (3)

1. 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１の基板と前記構造体とによって囲まれた空隙部と、
   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、
   を有する圧電ポンプ。
2. 前記圧電素子及び／又は前記支持部材は、前記圧電素子の面内方向及び／又は厚み方向に絞り部分を有する、請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 流体の流れ方向に沿って、第１のバルブ部と圧電ポンプ部と第２のバルブ部とをこの順で含有する流体移送システムであって、
   前記圧電ポンプ部は、第１の圧電素子と前記第１の圧電素子を支持する第１の支持部材とを備える第１の構造体と、前記第１の構造体を挟む第１及び第２の基板と、を含有し、かつ、前記第１の基板と前記第１の構造体とによって囲まれた空隙部と、前記第２の基板と前記第１の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、
   前記第１のバルブ部は、第２の圧電素子と前記第２の圧電素子を支持する第２の支持部材とを備える第２の構造体と、前記第２の構造体を挟む前記第１及び第２の基板と、を含有し、前記第２の圧電素子の作動によって前記第１又は第２の基板の一部と前記第２の構造体の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉し、
   前記第２のバルブ部は、第３の圧電素子と前記第３の圧電素子を支持する第３の支持部材とを備える第３の構造体と、前記第３の構造体を挟む前記第１及び第２の基板と、を含有し、前記第３の圧電素子の作動によって前記第１又は第２の基板の一部と前記第３の構造体の一部とが非接触及び接触の状態になることで開閉する
   流体移送システム。

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