JP2012525107A - 圧電駆動装置および圧電駆動装置を備えたマイクロバルブ - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電駆動装置、特にマイクロバルブ用の圧電駆動装置に関する。この駆動装置は、給電のために逆極性の２つの電極からなる少なくとも１つの電極対（０３）を備えた圧電層（０１）の一つの面に結合されている変形層（０４）を含む。本発明によれば、電極対（０３）の逆極性の両電極が、圧電層（０１）の変形層（０４）とは反対側の面に共通に配置されている。更に、本発明は、少なくとも１つの弁通路（０８，０９）と該弁通路を開放又は閉塞するダイヤフラム（０４）とを備え、ダイヤフラム（０４）が同時にこの種の圧電駆動装置の変形層を形成しているマイクロバルブに関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、給電のために逆極性の２つの電極からなる少なくとも１つの電極対を備えた圧電層の一つの面に結合されている変形層を有する圧電駆動装置に関する。このような駆動装置は、特にマイクロバルブの操作のみに適しているというわけではない。マイクロバルブのダイヤフラムは圧電駆動装置の変形層を形成する。

マイクロバルブおよびこれに付属の駆動装置は、マイクロ流体技術の分野において、液体流又はガス流を制御するために使用される。マイクロバルブは、一般に開放状態又は閉塞状態のみをとり、従ってオン／オフ機能を果たす。流量を制御するために、このようなマイクロバルブは短いサイクル時間でパルス制御される。マイクロバルブの操作素子はダイヤフラムによって形成され、このダイヤフラムは、相応の変位をした際に弁通路を開放もしくは閉塞する。従来のマイクロバルブの場合には、一般にダイヤフラムが変位させられていない状態で、弁通路を通る流路が遮断される。ダイヤフラムを変位させるためにはマイクロ駆動装置が必要である。

マイクロ技術においては、静電式および圧電式の駆動装置が使用される。圧電駆動装置は周知の圧電原理を基礎としており、圧電セラミックスに電圧を印加することによって、その材料に長さ変化が引き起こされる。いわゆる縦効果を利用する場合には、駆動力として利用可能な圧電材料の変形が、逆極性の２つの電極間の電界の方向と一致する方向に発生する。材料強度に対して相対的に大きい長さ変化を生じ得るいわゆる高性能圧電材料（ＰＺＴ）は、圧電材料の分極方向が電界方向と一致するこの縦効果を基礎としている。例えばダイヤフラムをこの種の駆動装置により動かすために、圧電材料はその一方の面で固定支持され、その他方の面でダイヤフラムに結合される。

到達可能な変位ストロークは、この用途の場合、圧電材料の厚みの約１０００分の１である。従って１μｍの機械的ストロークを達成するためには、少なくとも１ｍｍの圧電材料厚が必要とされる。より大きな機械的ストロークが必要とされる場合には相応に圧電材料厚が増大し、このことはマイクロ技術におけるこれらの駆動装置の使用にとって都合の悪い結果となる。更に、圧電材料に給電するために約３，０００Ｖ／ｍｍの電界強度を有する制御電圧が必要とされ、これがマイクロ技術用途では速やかに望ましくないフラッシオーバを生じ得る。このような制御電圧に必要な制御装置をマイクロ技術的手段に組み込むことは殆どできない。

特許文献１には上述の圧電の縦効果を利用する圧電操作マイクロバルブが記載されている。圧電操作装置が保持装置の枠に結合されている。更に保持装置は、バルブ内の流路口を封鎖するタペットを支持している。圧電操作装置への電圧供給時に圧電材料の長さ変化が生じ、この長さ変化が保持装置の変形をもたらし、それによってタペットが圧電材料の長さ変化に対して垂直な方向に変位させられる。

更に、圧電材料は、電極間の電界の方向に対して垂直方向の圧電材料の変形を引き起こすいわゆる横効果を示す。圧電材料への電圧印加時に圧電材料は電界方向に対して直角方向に収縮する。横効果によって到達可能な変形は、あらゆる場合において、圧電材料伸張の１／１０００よりも小さい。

特許文献２は圧電効果により励起可能なダイヤフラムを有するインク記録ヘッドを示し、駆動装置は上述の圧電の横効果を利用している。ダイヤフラムの駆動装置は典型的な層構造によって実現されている。金属支持層が基板に固定されて、液体を案内する通路開口の上方に広がっている。金属支持層は、通路開口とは反対側の面において、圧電セラミックスからなる分極された層を支持している。この支持層は圧電材料を励起する電界を形成するためのアース電極として作用する。その圧電セラミックスの対向面には、圧電材料の局所的に限定された活性化を可能にする複数の制御電極が設けられている。必要とされる電界は、アース電極と圧電材料の対向面に配置された各制御電極との間に発生する。これらの電極の制御によって、圧電セラミック層およびそれに固定されダイヤフラムとして作用する金属支持層の変形が生じさせられる。複数の制御電極の特別な配置によって、圧電材料へ向かう方向の支持層の変形が達成される。もちろん、このためには、特定の領域において、圧電材料内の分極方向とは反対に向けられた電界方向が形成されなければならない。分極方向と反対の圧電材料の動作は経験上圧電材料の減極をもたらし、このことが中期的には圧電特性の喪失という結果をもたらす。更に、金属支持層が直接的に被制御通路内の液体と接触しているのが問題であり、このことが支持層の腐食および電気的な問題を招く。従って、多くのマイクロ技術用途にとって、この種の構成は望ましくない。

特許文献３は、例えば流体又は固体の媒体を移動すべく構成することができる殻状の変換器を示す。圧電層としての電気能動媒体が、電気能動媒体と一緒に変形しなければならない例えばＺｒＯ₂製緩衝層の上方に配置されている。電気能動媒体は２つの電極によって給電される。

特許文献４からインクジェットプリンタのためのプリンタヘッドが公知である。このプリンタヘッドはインク用ポンプとして働く振動板を有する。この振動板は圧電材料からなる。圧電材料の１つの表面には２つの電極が設けられている。

欧州特許第０９１４５６３号明細書 独国特許出願公開第３６１８１０７号明細書 米国特許第６２２２３０４号明細書 米国特許第５２５５０１６号明細書

本発明の課題は、特にマイクロ技術の用途に適した圧電駆動装置であって、圧電材料を制御するための電極機能を果たす必要のない変形層、特にダイヤフラムに圧電層を結合することを可能にする圧電駆動装置を提供することにある。更に、他の課題は、ダイヤフラムに結合された圧電層の活性化の際にダイヤフラムが十分なストロークで変形可能であると同時に、ダイヤフラムが圧電層用の電極の機能を果たさない材料から構成されているダイヤフラム式マイクロバルブを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、先ず、添付された特許請求範囲の請求項１の特徴事項によって解決される。この駆動装置は、とりわけ、圧電材料を通して広がる電界を発生するために必要である逆極性の２つ電極が圧電層の同一面に、しかも圧電層の変形層とは反対側の面に取り付けられていることを特徴とする。圧電層が２つの電極層の間に挟み込まれている従来の層構造は本発明によれば放棄される。逆極性の電極を圧電層の１つの共通面上に配置することによって、縦効果と横効果との重畳が起こり、この重畳が圧電層の面伸張を生じる。

好ましい実施形態は、電極が実質的に圧電層の全部を覆っていることを特徴とする。特に、圧電層の外側境界が圧電層の上に設けられた電極の外側境界と実質的に完全に一致していると好ましい。というのは、圧電層の外側に向いた所望の変形は、主として電極によって覆われている領域に生じるからである。この変形は電極の向かい側の面において変形層に伝達可能である。従って、好ましい実施形態が有する圧電層は、電極パターンによって覆われた面を越えて外側電極の幅の２倍よりも大きく外へ広がっていない。同様に、逆極性の電極間に残され電極によって覆われていない面が、隣接する電極の平均幅の２倍よりも大きくないと好ましい。ここで指摘しておくに、圧電層の向かい側の面に取り付けられている変形層は、もちろん面積的に圧電層、もしくは電極によって覆われた面よりも大きくてもよい。

変形層は非導電性材料からなると好ましい。何故ならば、変形層は電極機能を果たす必要がないからである。従って、変形層は、電極の腐食を心配する必要なしに、攻撃的な媒体とも接触することができる。

分極方向に電極を制御すると圧電層が伸張されるので、圧電層に結合された変形層つまりダイヤフラムは、電極の形状に応じて、圧電層に向かう方向か、又は圧電層から離れる方向に変形する。

更に、前記課題は、添付された特許請求範囲の請求項１１によるマイクロバルブによって解決される。このマイクロバルブのダイヤフラムは同時に上述の圧電駆動装置の変形層を形成している。上述の電極制御時における圧電層の伸張によって、ダイヤフラムは弁通路つまり流路を開放し、供給電圧の遮断時にこれを閉塞する。更に、これらの電極の配置によって、電極はマイクロバルブ内で案内される流体と接触しないことが保証されている。

逆極性の電極は互いに異なるパターンにされていてもよい。それらの電極は交互の極性にて隣り合わせに延在する多数の帯状電極の形に形成されていると好ましい。円形の圧電層の場合、これらの電極は例えば半径方向に放射状に延びている。できるだけ一様な電界強度分布を得るためには、多数の電極部分が互いにほぼ平行に延びているとよい。部分的に平行な電極形状は、圧電材料の被活性面を覆う正弦波形の帯状電極の使用によっても達成可能である。

好ましい実施形態では、圧電層が直接に変形層の上に形成されている。これは、損失のない力伝達を可能にすると共に、マイクロ技術において通常の方法を使用することによって圧電駆動装置を製造することを可能にする。

以下における図面に参照する有利な実施形態の説明から本発明の他の利点、詳細および発展的構成を明らかにする。

図１は本発明による圧電駆動装置の基本構造の原理横断面図である。 図２は電極の放射状形状を有し、電極グループの１つが中心にある接続部を介して電気的に接続されている駆動装置の圧電層の概略平面図である。 図３は外側領域において電気的に接続された２つの電極グループを有する圧電層における電極配置の第２の実施形態の概略平面図である。 図４は互いに平行に延びている帯状電極を有する電極パターンの第３の実施形態の概略平面図である。 図５は帯状電極および楔状電極を有する圧電層の電極パターンの第４の実施形態の概略平面図である。 図６は正弦波形の帯状電極を有する第５の実施形態の概略平面図である。 図７は本発明による圧電駆動装置を有するマイクロバルブの開放位置および閉塞位置における２つの原理断面図である。

図１には本発明による圧電駆動装置が横断面図で示されている。能動的駆動要素として圧電層０１が働き、この圧電層０１はその上面で、供給電圧を印加するための少なくとも１つの逆極性の電極対０３を支持している。ここで指摘しておくに、本発明の主要な特徴は、電極対０３を構成する両電極が圧電層の１つの共通面に配置されている点にあることを認識すべきである。従来技術のように、対向する電極対はここでは設けられていない。むしろ図示の例では圧電層０１の電極とは反対側の面に直接にダイヤフラム０４が配置され、このダイヤフラム０４が駆動装置の変形層を形成している。電極は、圧電層の被活性面上に交互に取り付けられている多数の帯状の個別電極からなるグループとして構成されていると好ましい。

ダイヤフラム０４はその縁領域が、例えばリング状のダイヤフラム台座０５に固定されている。圧電駆動装置をマイクロバルブに使用しない限りでは、変形層０４を介して他の駆動課題、例えば光学要素の位置決めを実現することができる。

圧電駆動装置は図１には活性化状態で示されており、即ち、電極対０３を介して圧電層０１が供給電圧を印加され、それによって圧電層０１の表面伸張が引き起こされる。これは、圧電層およびそれに結合されたダイヤフラム０４つまり変形層を圧電層に向かう方向に変形させる。この変形は、電極の特別なパターン化（構造化）つまり配置に基づいて形成される不均一な電界の発生によって達成される。以下において、そのために好ましい実施形態を説明する。しかし、ここで指摘しておくに、電極の変更された相互配置およびパターン化（構造化）によって、圧電層およびそれに結合されたダイヤフラムつまり変形層の逆方向の変形、すなわち変形層に向かう方向への変形も達成可能であり、これも同様に本発明の範囲内にある。

図２は、概略的な平面図で圧電層０１の上面における電極対の特別なパターン化の第１の実施形態を示す。ここでは、多数の電極が、真っ直ぐな帯状体として圧電層０１およびその下にあるダイヤフラム０４の中心部と縁部との間をほぼ半径方向に延びている。これらの電極は、極性が異なる２つのグループに組分けされ、従って電気的には２つの部分に分解された電極とみなされる。第１の極性の各電極が第２の極性の１つの電極と向かい合っているので、供給電圧が印加されると電界が発生する。個々の電極の分布に基づいて、この電界は十分に不均一である。電極は良導電性材料からなり、マイクロ技術において通常に用いられる方法によって製造することができる。

圧電層０１の活性面は、図２に示された実施形態では、円形状に形成され、活性領域の外側縁がその下にあるダイヤフラム台座０５（図１）によって定められており、このダイヤフラム台座０５にダイヤフラム０４が取付けられている。電極対０３の第１の電極は外側の円形の電気的接続部０６から出発し、第２の電極は圧電層０１の中心部に配置された第２の電気的接続部０７から出発している。逆極性の電極間の最小電極間隔は、どの個所でも、使用される供給電圧においてフラッシオーバが回避されるような大きさでなければならない。交互に配置される電極数の増大、従って電極間隔の低下によって、必要な供給電圧を低減することができる。

図３は、圧電層０１上の電極のパターン化（構造化）の第２の実施形態を示す。この実施形態の場合、第１の電気的接続部０６がここでも圧電層０１の活性領域の外側縁に円形状に延在している。第２の電気的接続部０７は中心から離れて同様にその外側縁の領域に移されている。印加された電圧電位が第２の電気的接続部０７から中心部に案内され、その中心部から多数の第２の電極に分配される。これらの第２の電極は、ここでも半径方向に外側に向かって第１の電極に対して交互に延在している。

図４は、圧電層０１上のパターン化された電極の第３の実施形態を示す。中心部から外側縁に向かって大きくなる電極間隔に基づいて電極間の電界強度が減少する今までの２つの実施形態とは違って、この場合にはほぼ等しいままの電界強度が発生可能である。このために平行に延びている帯状電極が使用される。これらの帯状電極は、ここでも第１および第２の電気的接続部０６，０７を介して供給電圧を印加される。多数の帯状電極によって、供給電圧の印加時に、電極の下にある圧電材料層の圧電反応が起きる。圧電の縦効果と横効果との間の相互作用に基づいて、電極下では面伸張が引き起こされる。

図５は、電極パターンの第４の実施形態を示し、この実施形態では逆極性の電極がここでも平行な境界面で向かい合っている。そのために、帯状の第１の電極群と、これらの間にある楔状の第２の電極群とが形成され、帯状の第１の電極群は第１の電気的接続部０６に接続され、楔状の第２の電極群は第２の電気的接続部０７に接続されている。

圧電層およびその下にある円形状のダイヤフラムの代わりに、他のダイヤフラム幾何学形状が好まれる場合には電極パターンが合わせられなければならない。同様に帯状電極が使用可能であり、これらの帯状電極は圧電層の活性面上に配分されるべきである。

図６は、そのために矩形の圧電層０１の上に取り付けられている電極パターンの第５の実施形態を示し、この圧電層０１は同様に矩形のダイヤフラムに結合されている。既述のように、できるだけ多数の平行に延びた電極部分を実現するならば、供給電圧を低減することができる。図示の実施形態において、これは、交互に配置されて第１もしくは第２の電気的接続部０６，０７を介して給電される正弦波状の電極群によって行なわれる。それにより表面近くにおいて大きな電界強度が達成可能であり、この大きな電界強度が圧電層における表面近くの領域の大きな伸張を引き起こす。

本発明に従って圧電層の同一面上に両電極グループを配置することによって、不均一な電界が形成される。この不均一な電界分布は、圧電層の電界が通過する領域全体に、異なった伸張および収縮を生じさせる。電極が既述のように配置されるならば、圧電材料内において縦効果が優勢となり、これはこの領域の伸張をもたらす。その際に圧電材料の厚みは従属的な役割しか果たさない。何故ならば、発生した電界が圧電材料の僅かな深さにしか進入せず、従って電界の影響を受けない材料領域においては殆ど圧電効果が発生しないからである。

図７は、これまでに説明した圧電駆動装置を使用するマイクロバルブの原理構造の２つの横断面図を示す。図Ａ）にはマイクロバルブが閉塞状態で示され、これに対して図Ｂ）はこのバルブの開放状態を示している。ダイヤフラム０４およびこれに取り付けられた圧電層０１は、バルブの入口通路０８および出口通路０９を覆っている。閉塞状態においては両通路がダイヤフラム０４によって閉鎖されているので、入口通路と出口通路との間で流体は流れ得ない。圧電層０１の活性化の際に既述の面伸張が起きるので、ダイヤフラム０４が圧電層０１に向かう方向に膨らみ、それにより通路０８，０９を開放する。その際に、制御すべき流体が、形成された弁室１０を介して流れ得る。

当業者にとって本発明による圧電駆動装置を使用することにより種々のマイクロバルブを構成できることは明らかである。同様に圧電駆動装置は他の駆動装置例にも使用可能である。

０１ 圧電層
０２ −
０３ 電極対
０４ ダイヤフラム／変形層
０５ ダイヤフラム台座
０６ 第１の電気的接続部
０７ 第２の電気的接続部
０８ 入口通路
０９ 出口通路
１０ 弁室

Claims (13)

1. 給電のために逆極性の２つの電極からなる少なくとも１つの電極対（０３）を備えた圧電層（０１）の一つの面に結合されている変形層（０４）を含む圧電駆動装置、特にマイクロバルブ用の圧電駆動装置において、電極対（０３）の逆極性の両電極が、圧電層（０１）の変形層（０４）とは反対側の面に共通に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
2. 変形層（０４）が非導電性材料からなることを特徴とする請求項１記載の圧電駆動装置。
3. 逆極性の両電極が交互の極性にて隣接して延在する複数の帯状電極によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電駆動装置。
4. 逆極性の両電極が、電圧印加時に圧電層（０１）の変形が変形面（０４）の位置とは反対の方向に生じるように、パターン化されていることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の圧電駆動装置。
5. 逆極性の両電極が、円形面の内側において半径方向に延在し交互極性を持つ帯状電極として配置されていることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の圧電駆動装置。
6. 逆極性の両電極が、交互極性を持つ正弦波状の帯状電極として配置されていることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の圧電駆動装置。
7. 多数の逆極性の電極が、平行して延在するように圧電層（０１）の変形層（０４）とは反対側の面に取り付けられていることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の圧電駆動装置。
8. 多数の逆極性の電極が、不均一な電界が圧電層（０１）の表面領域に形成されるように、圧電層（０１）の変形層（０１）とは反対側の面に取り付けられていることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の圧電駆動装置。
9. 逆極性の電極によって覆われた面が、実質的に圧電層（０１）の外側縁まで延びていることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の圧電駆動装置。
10. 圧電層（０１）が変形層（０４）に直接に取り付けられていることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の圧電駆動装置。
11. 少なくとも１つの弁通路（０８，０９）と該弁通路を開放又は閉塞するダイヤフラム（０４）とを備えたマイクロバルブにおいて、ダイヤフラム（０４）が同時に請求項１から１０の１つに記載の圧電駆動装置の変形層を形成していることを特徴とするマイクロバルブ。
12. ダイヤフラム（０４）は、活性化されていない圧電駆動装置において変形されていない状態で弁通路（０８，０９）を閉鎖し、圧電駆動装置の活性化によって変形されてバブル通路から離れて弁通路を開放することを特徴とする請求項１１記載のマイクロバルブ。
13. 圧電駆動装置の圧電層（０１）が、ダイヤフラム（０４）の弁通路とは反対側の面に配置されていることを特徴とする請求項１２記載のマイクロバルブ。

Images