JP2023101307A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程において行われる加圧による振動板と可動板との固着を抑制することができる流体ポンプを提供する。【解決手段】本流体ポンプは、振動板と、上記振動板の上側の面に設けられ、上記振動板を振動させる駆動部と、上記振動板の下側の面に対向して設けられ、貫通孔が形成された可動板と、上端部が上記振動板の上記下側の面に接続されるとともに、上記駆動部が上記振動板を振動させていない状態においては下端部が上記貫通孔に達する突起部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体ポンプに関する。

液体や気体といった流体を送出する流体ポンプが利用されている。流体ポンプとしては、例えば、間隔（ギャップ）を開けて対向して配置される振動板と可動板とを備えた流体ポンプを挙げることができる。このような流体ポンプでは、振動板及び可動板の振動により、流体の送出が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特許第５５２８４０４号公報

Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）技術等で作製される小型の流体ポンプは、振動板と可動板との間の間隔（ギャップ）が極めて狭く、また、振動板や可動板の表面は平滑である。そのため、例えば、流体ポンプの製造工程において行われる振動板に対する加圧によって、振動板と可動板が接触して固着する虞がある。

開示の技術の１つの側面は、製造工程において行われる加圧による振動板と可動板との固着を抑制することができる流体ポンプを提供することを目的とする。

開示の技術の１つの側面は、次のような流体ポンプによって例示される。本流体ポンプは、振動板と、上記振動板の上側の面に設けられ、上記振動板を振動させる駆動部と、上記振動板の下側の面に対向して設けられ、貫通孔が形成された可動板と、上端部が上記振動板の上記下側の面に接続されるとともに、上記駆動部が上記振動板を振動させていない状態においては下端部が上記貫通孔に達する突起部と、を備える。

本流体ポンプは、振動板の振動によって貫通孔から流体を導入し、導入した流体を送出する。ここで、上記駆動部は、圧電素子であって良い。本流体ポンプにおいて突起部の下端部は、上記駆動部が上記振動板を振動させていない状態において、貫通孔に達する。ここで、突起部の下端部は、上記駆動部が上記振動板を振動させていない状態において、上記可動板の下側の端面と同じ高さに達することが好ましい。このような突起部を有することで、本流体ポンプの製造工程において振動板に対する加圧が行われても、突起部を下方から支持しておくことで振動板が可動板に接触することが抑制される。ひいては、振動板と可動板とが固着することが抑制される。

開示の技術は、次の特徴を備えてもよい。上記突起部は、上記振動板の下側の面に上記上端部が接続される軸部と、上記軸部の下端部に接続され、上記貫通孔に達する先端部と、を含み、上記先端部は上記軸部よりも太く形成される。このような構成を採用することで、軸部と先端部との接合の際に多少のずれが生じても、軸部と先端部との接合面積の低下が抑制される。接合面積の低下が抑制されることで、軸部と先端部との接合強度の低下が抑制される。

本流体ポンプは、製造工程において行われる加圧による振動板と可動板との固着を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプの一例を示す図である。 図２は、ＭＥＭＳポンプにおいて突起部の付近を抜粋した図である。 図３は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプの動作を模式的に示す図である。 図４は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプに用いられるＳＯＩ部材の一例を示す図である。 図５は、ＭＥＭＳポンプの作製方法の一例を示す第１の図である。 図６は、ＭＥＭＳポンプの作製方法の一例を示す第２の図である。

＜実施形態＞
図１は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１の一例を示す図である。図１では、ＭＥＭＳポンプ１を側面から見た断面を例示する。ＭＥＭＳポンプ１は、逆止弁を有しないマイクロポンプである。ＭＥＭＳポンプ１は、振動板１１、支持部１１ａ、突起部１２、可動板２１、基板２２及び圧電素子４１を備える。ＭＥＭＳポンプ１は、振動板１１や可動板２１の振動によって流体を送出する。流体としては、例えば、空気等の気体や水等の液体を挙げることができる。以下、本明細書において、基板２２から振動板１１に向かう方向を「上」、振動板１１から基板２２に向かう方向を「下」とも称する。

振動板１１は、薄い板状に形成される。振動板１１は、支持部１１ａ（図１では、バネ形状で例示）によって可動板２１との間にギャップ３１を確保した状態で支持される。振動板１１の下方には基板２２が配置される。基板２２の中央部には、基板２２の下方に向けて開口する開口部２２１が形成される。開口部２２１が形成されることで、薄い板状の可動板２１が形成される。換言すれば、基板２２の可動板２１に対応する位置に開口部２２１が形成される。振動板１１と可動板２１とは、振動板１１の下側の面と可動板２１の上側の面とが互いに対向するように、配置される。可動板２１の略中央には、可動板２１を厚さ方向に貫通する導入口２１１が設けられる。

圧電素子４１は、供給される電圧に応じて伸縮する素子である。圧電素子４１は、振動板１１の上側の面に配置される。圧電素子４１と振動板１１とは、例えば、接着剤によって接着される。所定周波数の電圧が加えられた圧電素子４１の伸縮に伴い、振動板１１は振動する。振動板１１の振動に伴ってギャップ３１の体積が変動し、それに伴い可動板２１が振動する。振動板１１及び可動板２１は、略同じ周波数で振動する。圧電素子４１は、「駆動部」の一例である。

突起部１２は、振動板側突起部１３及び可動板側突起部２３を含む。振動板側突起部１３は、振動板１１の略中央から導入口２１１に向けて突出する。振動板側突起部１３の上端部は、振動板１１の下側の面に接続される。振動板側突起部１３の下端部は、可動板側突起部２３に接続される。可動板側突起部２３は、振動板１１が振動していない状態において、導入口２１１内に配置される。

すなわち、突起部１２の上端部は、振動板１１の下側の面に接続される。また、突起部１２の下端部は、振動板１１が振動していない状態において、導入口２１１内に配置される。振動板側突起部１３は、「軸部」の一例である。可動板側突起部２３は、「先端部」の一例である。

図２は、ＭＥＭＳポンプ１において突起部１２の付近を抜粋した図である。可動板側突起部２３の下端部は、振動板１１が振動していない状態において、可動板２１の下側の面と同一の高さとなることが好ましい。すなわち、可動板側突起部２３の平坦に形成された下側の端面と可動板２１の下側の面とが同一平面を形成することが好ましい。突起部１２において、可動板側突起部２３は、振動板側突起部１３よりも太く形成される。そして、図２を参照すると理解できるように、可動板側突起部２３よりも導入口２１１の方が大きく形成される。すなわち、可動板側突起部２３が導入口２１１内に入った状態であっても、可動板側突起部２３と導入口２１１との間には隙間が形成される。

（ＭＥＭＳポンプ１の動作概略）
図３は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１の動作を模式的に示す図である。図３では圧電素子４１の図示は省略している。図３の（ａ）では、供給される電圧に応じて圧電素子４１が伸びることで振動板１１が撓み、導入口２１１からギャップ３１に流体が導入される。図３の（ｂ）では、図３の（ａ）とは極性が逆の電圧が供給された圧電素子４１が縮むことで振動板１１が縮み、ギャップ３１に導入された流体が振動板１１の外縁部に向けて送出される。ＭＥＭＳポンプ１は、このような動作を繰り返すことで流体を送出する。

（ＭＥＭＳポンプ１作製に用いられるＳＯＩ部材１００）
図４は、実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１に用いられるＳＯＩ部材１００の一例を示す図である。ＳＯＩ部材１００は、活性層１０１、酸化膜１０２及び支持基板１０３を含む。活性層１０１及び支持基板１０３は、例えば、単結晶シリコンである。酸化膜１０２は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。ＳＯＩ部材１００は、単結晶シリコンで形成された活性層１０１及び支持基板１０３の間に、絶縁層となる酸化膜１０２が介在する。ＳＯＩ部材１００は、例えば、酸化処理を行った支持基板１０３を活性層１０１と張り合わせて熱処理を行った上で表面を研磨することで作製される。本実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１の作製に用いられるＳＯＩ部材１００は、例えば、高さが略５００μｍのものである。ＭＥＭＳポンプ１は、このようなＳＯＩ部材１００を２つ用いて作製される。

（ＭＥＭＳポンプ１の作製）
図５及び図６は、ＭＥＭＳポンプ１の作製方法の一例を示す図である。図５では、圧電素子４１を接着する手前までの工程が説明され、図６では圧電素子４１を接着する工程が説明される。以下、図５及び図６を参照してＭＥＭＳポンプ１の製造方法について説明する。

図５（ａ）に例示する工程では、振動板１１及び振動板側突起部１３の作製に用いるＳＯＩ部材１００ａと、可動板２１、基板２２、可動板側突起部２３、導入口２１１及び開口部２２１の作製に用いるＳＯＩ部材１００ｂとが用意される。図５（ｂ）に例示する工程では、ＳＯＩ部材１００ａ及びＳＯＩ部材１００ｂに対して、酸化膜１０２に達するまでエッチング加工が行われる。活性層１０１と酸化膜１０２とが異なる物質であることから酸化膜１０２に達した時点でエッチング加工が停止する。そのため、図５（ｂ）に例示する工程におけるエッチング加工は、時間制御を行わなくとも容易に高精度の加工を実現することができる。このエッチング加工によって、ＳＯＩ部材１００ａ上に振動板側突起部１３が形成され、ＳＯＩ部材１００ｂ上に可動板側突起部２３及び導入口２１１が形成される。

図５（ｃ）に例示する工程では、エッチング加工が行われたＳＯＩ部材１００ａとＳＯＩ部材１００ｂとを互いに活性層１０１が設けられた面が向き合うように接合する。このように接合されることで、振動板側突起部１３と可動板側突起部２３とが互いに接合される。この接合ではＳＯＩ部材１００ａ及びＳＯＩ部材１００ｂに対して厚さ方向における加圧が行われるが、ＳＯＩ部材１００ａ及びＳＯＩ部材１００ｂの中央を振動板側突起部
１３と可動板側突起部２３とが支持することで、ＳＯＩ部材１００ａ及びＳＯＩ部材１００ｂの撓みが抑制される。

図５（ｄ）に例示する工程では、エッチング加工によって、ＳＯＩ部材１００ｂに開口部２２１が形成されることで、可動板２１が形成され、ＳＯＩ部材１００ａには、支持部１１ａと振動板１１が形成される。さらに、図５（ｄ）に例示する工程では、可動板２１の略中央部に導入口２１１が形成される。

図６に例示する工程では、圧電素子４１が振動板１１の上側の面に接着される。圧電素子４１の接着においては、治具５０が用いられる。治具５０は、開口部２２１に挿入されて突起部１２を下方から支持する支持部５１を含む。振動板１１に対する圧電素子４１の接着では、まず、支持部５１が開口部２２１の下方から挿入され、支持部５１の上面が突起部１２の下面と接する状態とされる。すなわち、突起部１２が、下方から支持部５１によって支持される状態とされる。その状態で、接着剤が塗布された振動板１１の上面に圧電素子４１が載せられる。そして、圧電素子４１の上方から加圧されることで、圧電素子４１が振動板１１に密着して接着されるとともに、接着剤の層を薄くすることができる。図６に例示する工程では、突起部１２を支持部５１が支持することで、加圧による振動板１１の撓みが抑制される。また、突起部１２を支持部５１が支持することで、振動板１１と可動板２１とが接触し固着することが抑制される。

（実施形態の作用効果）
本実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１は、一方の端部が振動板１１に接続され、他方の端部は導入口２１１に達する突起部１２を備える。ＭＥＭＳポンプ１の製造工程において、例えば、図５（ｃ）に例示されるＳＯＩ部材１００ａとＳＯＩ部材１００ｂを接合する工程では、ＳＯＩ部材１００ａ及びＳＯＩ部材１００ｂの中央が振動板側突起部１３と可動板側突起部２３とによって支持される。また、例えば、図６に例示される圧電素子４１を振動板１１に接着する工程では、治具５０と突起部１２によって支持される。このように突起部１２が支持されることで、加圧する工程における振動板１１と可動板２１との接触が抑制され、ひいては、振動板１１と可動板２１とが固着することが抑制される。また、このように突起部１２が支持されることで、振動板１１に対する加圧による振動板１１の撓みが抑制される。

本実施形態では、振動板１１に対する加圧を行っても振動板１１と可動板２１との固着が抑制されるため、圧電素子４１を振動板１１に接着する際の加圧を充分に行うことができる。そのため、圧電素子４１と振動板１１との間に介在する接着剤の層を可及的に薄くすることができ、ひいては、圧電素子の伸縮（歪、変形）を接着剤層でロスすることなく、スムーズに振動板１１に伝えることができる。

本実施形態では、突起部１２の可動板側突起部２３は、振動板側突起部１３よりも太く形成される。このような構成を採用することで、例えば、図５（ｃ）におけるＳＯＩ部材１００ａとＳＯＩ部材１００ｂとの接合工程において、接合位置が多少ずれても突起部１２と可動板側突起部２３との接合面積の低下が抑制される。接合面積の低下が抑制されることで、突起部１２と可動板側突起部２３との接合強度の低下が抑制される。

本実施形態では、突起部１２の可動板側突起部２３は、導入口２１１の幅よりも細く形成される。そのため、本実施形態では、突起部１２が設けられても、流体は導入口２１１を通過することができる。

本実施形態に係るＭＥＭＳポンプ１は、動作速度の遅い逆止弁を有しない。そのため、ＭＥＭＳポンプ１は、振動板１１を高周波数で大きく振動させることができ、ひいては、
逆止弁を有するポンプよりも高い流量を確保することができる。

＜付記１＞
振動板（１１）と、
前記振動板（１１）の上側の面に設けられ、前記振動板（１１）を振動させる駆動部（４１）と、
前記振動板（１１）の下側の面に対向して設けられ、貫通孔（２１１）が形成された可動板（２１）と、
上端部が前記振動板（１１）の前記下側の面に接続されるとともに、前記駆動部（４１）が前記振動板（１１）を振動させていない状態においては下端部が前記貫通孔（２１１）に達する突起部（１２）と、を備える、
流体ポンプ（１）。

以上説明した実施形態の構成は例示であり、開示の技術は実施形態の構成に限定されない。

１・・ＭＥＭＳポンプ
１１・・振動板
１１ａ・・支持部
１２・・突起部
１３・・振動板側突起部
２１・・可動板
２２・・基板
２３・・可動板側突起部
３１・・ギャップ
４１・・圧電素子
５０・・治具
５１・・支持部
１００・・ＳＯＩ部材
１００ａ・・ＳＯＩ部材
１００ｂ・・ＳＯＩ部材
１０１・・活性層
１０２・・酸化膜
１０３・・支持基板
２１１・・導入口
２２１・・開口部

Claims (4)

1. 振動板と、
   前記振動板の上側の面に設けられ、前記振動板を振動させる駆動部と、
   前記振動板の下側の面に対向して設けられ、貫通孔が形成された可動板と、
   上端部が前記振動板の前記下側の面に接続されるとともに、前記駆動部が前記振動板を振動させていない状態においては下端部が前記貫通孔に達する突起部と、を備える、
   流体ポンプ。
2. 前記突起部の前記下端部は、前記駆動部が前記振動板を振動させていない状態においては前記可動板の下側の端面と同じ高さに達する、
   請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記突起部は、前記振動板の下側の面に前記上端部が接続される軸部と、前記軸部の下端部に接続され、前記貫通孔に達する先端部と、を含み、
   前記先端部は前記軸部よりも太く形成される、
   請求項１または２に記載の流体ポンプ。
4. 前記駆動部は圧電素子である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の流体ポンプ。

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