JPWO2008007634A1 - 圧電ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低い駆動電圧でも圧電素子の中央部に大きな変位量を得るとともに、マイグレーションによるショートの発生を防止できる圧電ポンプを提供する。【解決手段】ポンプ本体１に形成したポンプ室２を圧電素子２１によって閉じ、圧電素子に電圧を印加することによって、その中心領域と周辺領域とを逆方向に屈曲変位させ、ポンプ室２の容積変化を生じさせる圧電ポンプである。圧電素子２１は複数の圧電体層を電極を間にして積層したものであり、各圧電体層内において中心領域と周辺領域とが厚み方向に互いに逆方向に分極されており、各圧電体層内において中心領域と周辺領域とに厚み方向に同一方向の電圧が印加されるように電極が形成されている。圧電体層の同一面上に形成された電極には同一電位の電圧が印加されるため、マイグレーションによる短絡を防止できる。【選択図】 図８

Description

本発明は圧電ポンプ、詳しくは屈曲変形する圧電素子を用いた圧電ポンプに関するものである。

従来より、ポンプ室を有するポンプ本体と、上記ポンプ室の開口部を閉じるべくポンプ本体に固定され、電圧印加により屈曲変位してポンプ室の容積変化を生じさせる圧電素子とを備えた圧電ポンプが知られている。圧電素子としては、ユニモルフ振動板やバイモルフ振動板があるが、いずれの場合も圧電素子の周囲をポンプ本体に固定しているため、圧電素子の中心部が大きく変位できず、十分な吐出流量が得られないという欠点がある。

このような課題を解決するものとして、特許文献１には、圧電効果により励振可能な第１層と、第１層に結合された支持層とからなる制御可能なユニモルフ構造の膜体を用い、上記膜体が圧電効果によりそれぞれ励振可能な周辺範囲と中心範囲とを有し、周辺範囲が横方向に収縮したとき、中心範囲が伸張するように制御される圧電ポンプが提案されている。この場合は、膜体の周辺部をポンプ本体で拘束支持しても、中央部と周辺部とで撓みの向きが逆となるので、膜体の中央部に大きな変位量を得ることができる。そのため、大きな吐出流量を得ることができる利点がある。
特表平１−５００８９２号公報

同様な課題を解決するものとして、特許文献２には、圧電素子をバイモルフ振動子で構成し、その電極を中央部側とポンプ本体に支持される周辺部側とに分割し、その中央部側と周辺部側の各電極に互いに極性が反転した交流電圧を印加するものが提案されている。この場合には、圧電素子が２枚の圧電体を貼り合わせたバイモルフ構造であるため、特許文献１に比べてより大きな変位量が得られる。
特開平３−５４３８３号公報

図２７は特許文献２に示された圧電素子およびその駆動回路を示す。図２７において、圧電素子１００は２枚の圧電体１０１，１０２を金属板１０３を挟み込んで貼り合わせ、その上下面に電極を形成したものである。上面の電極は周辺電極１０４と中央電極１０５とからなり、下面の電極も周辺電極１０６と中央電極１０７とからなる。交流電源１０８の一端を金属板（共通電極）１０３に接続し、他端部を制御部１０９を介して周辺電極１０４，１０６に接続し、さらに反転器１１０を介して中央電極１０５，１０７に接続している。圧電体１０１，１０２は矢印Ｐで示すように全体に亘って同じ向きに分極されている。

図２７から明らかなように、金属板１０３はグランド電位とされ、周辺電極１０４，１０６と中央電極１０５，１０７とに位相が１８０°異なる電圧が印加される。各圧電体の中央部と周辺部とで電界Ｅの方向が逆転している。金属板１０３と上下面の電極との間に作用する電界Ｅによって、圧電体１０１，１０２の各部分に伸びまたは縮み変位を発生させることができる。電界方向と分極方向とが同一方向の圧電体は縮み、電界方向と分極方向とが逆方向の圧電体は伸びる。その結果、上述のように圧電素子１００の中央部側と周辺部側とで撓みの向きが逆となり、圧電素子１００の周辺部をポンプ本体に固定しても、圧電素子１００の中央部に大きな変位を得ることができる。

上記構造の圧電素子１００は、２枚の焼成され分極済みの圧電体１０１，１０２を金属板１０３を挟んで貼り合わせたものであるため、各圧電体の厚みが厚くなり、必要な変位を得るには駆動電圧を高くする必要がある。駆動電圧が高いために、駆動回路が大型になる。特に圧電ポンプを携帯機器へ搭載する場合を考えると、駆動電圧が高いというのは好ましくない。また、同一面上に隣接する周辺電極と中央電極との電位が異なるので、マイグレーションによるショートが発生する可能性がある。圧電ポンプの小型化に伴い、圧電素子の寸法を小さくすると、それに伴って周辺電極と中央電極との間を電気的に隔離するためのギャップも狭くなるので、ショートの発生の危険性が増す。さらに、駆動時に中央部と周辺部とで電位を反転させる構造を取っているため、中央の金属板１０３、周辺電極１０４，１０６、中央電極１０５，１０７にそれぞれ異なる３つの電圧を印加する必要がある。そのため、各層ごとに複数の配線を引き出さなければならず、配線が複雑になるとともに、反転器１１０を設けるなど駆動回路が複雑になるという問題があった。

そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、比較的低い駆動電圧でも圧電素子の中央部に大きな変位量を得るとともに、マイグレーションによるショートの発生を防止できる圧電ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ポンプ室を有するポンプ本体と、上記ポンプ室を閉じるべくポンプ本体に保持され、電圧印加により屈曲変位してポンプ室の容積変化を生じさせる圧電素子とを備え、上記圧電素子のうちポンプ室と対応する部分は、中心領域とそれを取り囲む周辺領域とを有し、上記圧電素子に印加される駆動電圧により上記中心領域と周辺領域とを逆方向に屈曲変位させるようにした圧電ポンプにおいて、上記圧電素子は複数の圧電体層を電極を間にして積層して焼成し、その後分極したものであり、各圧電体層内において上記中心領域と周辺領域とが厚み方向に互いに逆方向に分極されており、各圧電体層内において上記中心領域と周辺領域とに厚み方向に同一方向の駆動電界が印加されるように上記電極が形成されており、上記圧電体層の同一面上に形成された電極には、同一電位の駆動電圧が印加されることを特徴とする圧電ポンプを提供する。

本発明の圧電ポンプに使用される圧電素子は、複数の圧電体層を積層したものである。すなわち、圧電素子は、グリーンシート状態の圧電セラミック層を電極を間にして積層圧着し、焼成し、その後分極したものである。そのため、従来のような２枚の焼成済みの圧電板を金属板を挟み込んで貼り合わせたバイモルフ型圧電素子に比べて、薄型化できるとともに、駆動電圧を低くでき、小型で低駆動電圧のポンプを実現できる。圧電素子の中心領域と周辺領域とを逆方向に屈曲変位させるために、各圧電体層内において中心領域と周辺領域とが厚み方向に互いに逆方向に分極され、かつ各圧電体層内において中心領域と周辺領域とに厚み方向に同一方向の駆動電界が印加されるように電極が形成されている。さらに、圧電体層の同一面上に形成された電極には同一電位の駆動電圧が印加されるため、同一面上に複数の電極が形成されていても、それらの電極間でマイグレーションによるショートの発生を防止でき、長時間安定した動作を得ることができる。

例えば２層の圧電体を積層した最も単純な圧電素子を想定すると、各圧電体層内において、中心領域と周辺領域とを厚み方向に互いに逆方向に分極し、かつ隣り合う圧電体層の分極方向を同方向とすればよい。この状態で、各圧電体層内において、中心領域と周辺領域とに厚み方向に同一方向の駆動電界を印加すると、例えば上側圧電体層の中心領域が縮むとき、下側圧電体層の中心領域が伸び、上側圧電体層の周辺領域が伸び、かつ下側圧電体層の周辺領域が縮む。そのため、圧電素子の中央部側と周辺部側とで撓みの向きが逆となり、圧電素子の周辺部をポンプ本体で拘束支持しても、圧電素子の中央部に大きな変位を得ることができる。

好ましい実施の形態によれば、上記電極は、上記中心領域と周辺領域とにそれぞれ対応して分割された分割電極と、上記中心領域と周辺領域とに連続する連続電極とを有し、上記分割電極と上記連続電極とが上記圧電体層の積層方向に交互に設けられた構造としてもよい。この場合には、１層毎に連続した連続電極を形成することができるので、電極とギャップ部との厚み差による圧電体の歪みを抑えることができる。また、２層以上の任意の多層構造の圧電素子に容易に適用でき、駆動電圧を低くできる。

上記分割電極と連続電極とを規則正しく交互に形成した構造に限るものではなく、積層方向に隣り合う２つの分割電極の間に、２層以上の連続電極を形成し、この２層以上の連続電極の間に自発的に変位しない中間層を形成してもよい。例えば圧電素子の厚み方向に隣り合う２つの分割電極間に２層の連続電極を形成した場合には、２層の連続電極によって挟まれた圧電体層は、電極に駆動電圧を印加したときに伸縮しない中間層となる。中間層を挟んで一方側の圧電体層と他方側の圧電体層とを変位反転させることにより、中間層が２つの圧電体層の間で発生する応力を緩和し、効率よく屈曲変位させることができる。

好ましい実施の形態によれば、上記分割電極は、上記中心領域と対応する部分に形成された中心電極と、上記周辺領域と対応する部分に形成され、上記中心電極をギャップを介して取り囲む周辺電極と、上記中心電極から周辺電極を横断して上記圧電体層の外周部へ引き出すための引出電極とを備えており、上記圧電素子は、その積層方向に、駆動電圧を印加した際に伸縮方向が異なる第１の圧電体部及び第２の圧電体部を有し、上記圧電素子の外周部には、上記第１の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極と第２の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極とを相互に接続する第１の接続電極と、上記第１の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極と上記第２の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極とを相互に接続する第２の接続電極とが形成されている構造としてもよい。

中心電極の周囲が周辺電極で取り囲まれている場合、中心電極を外部に引き出す必要がある。例えば特許文献２に示すようにリード線で引き出す場合、リード線が振動部分に接続されるので、圧電素子の振動を阻害する可能性が高い。しかも、特許文献２のように厚み方向中央の連続電極をグランド電位とし、分極電極の周辺電極と中央電極とに極性の異なる電圧を印加する方法では、各層ごとに複数のリード線を引き出さなければならず、配線が複雑になる。これに対し、中心電極から周辺電極を横断する引出電極を介して圧電体層の外周部へ引き出すとともに、圧電素子は、その積層方向に、駆動電圧を印加した際に伸縮方向が異なる第１の圧電体部及び第２の圧電体部を有し、第１の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極と第２の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極とを第１の接続電極を介して相互に接続し、第１の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極と第２の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極とを第２の接続電極を介して相互に接続すれば、分極時と駆動時とで電極形状を変更する必要がなく、配線が簡素化され、分極回路および駆動回路が簡単になる。すなわち、分極時には、例えば連続電極をグランド、第１の圧電体部の中心電極と第２の圧電体部の周辺電極とにプラス、第１の圧電体部の周辺電極と第２の圧電体部の中心電極とにマイナスの直流電圧を印加すれば、積層構造の圧電素子を簡単に分極できる。駆動時には、例えば連続電極をグランド、両方の圧電体部の中心電極および周辺電極に同じ電位の交番電圧を印加すれば、中心部と周辺部とで屈曲方向の異なる望ましい変位を得ることができる。つまり、駆動電圧が２種類で済み、反転器を必要としないため、駆動回路を簡素化できる。なお、交番電圧とは、交流電圧のほか、矩形波電圧でもよい。

上記接続電極としては、圧電体層の外周面に形成される端面電極でもよいし、圧電体層を厚み方向に貫通するビア導体やスルーホールでもよい。接続電極が設けられた圧電素子の外周部をポンプ本体で保持すれば、振動を阻害せず、断線・疲労などのない信頼性の高い接続が可能になる。また、圧電素子をダイヤフラムに貼り付けた場合、その貼り付け面側の電極を引出電極を介して圧電素子の外縁部へ引き出すことができるので、ダイヤフラムとの貼り付け信頼性も高くなる。この実施形態の電極引出構造を応用すれば、同じ電極パターン形状で２層以上の多層構造の圧電素子に容易に適用できる。

第１の圧電体部及び第２の圧電体部がそれぞれ複数の圧電体層が積層された構造の場合には、第１の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極同士および周辺電極同士をそれぞれ相互に接続し、第２の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極同士及び周辺電極同士をそれぞれ相互に接続するのがよい。この場合も、中心電極同士および周辺電極同士を相互に接続するために、上記と同様な接続電極を使用することができる。これによって、配線が簡素化され、分極回路および駆動回路が簡単になる。

好ましい実施の形態によれば、上記周辺領域より外周側に自発的に屈曲変形しない中性領域が形成され、上記中性領域が上記ポンプ本体に保持されている構造としてもよい。バイモルフ型圧電素子の場合、その振動領域をポンプ本体で保持すると、変位しようとする部分を無理に拘束するため、電気エネルギーの無駄になるとともに、圧電素子とポンプ本体との間に隙間が発生しやすく、圧力の漏れを生じる可能性がある。これに対し、上記のように中性領域をポンプ本体に保持することで、圧電素子を効率よく変位させることができるとともに、圧電素子とポンプ本体との間の圧力の漏れを抑制できる。なお、中性領域とは、電位の異なる電極が対向して形成されていない部分、もしくは電位の異なる電極が対向して形成されていても分極がされていない部分をいう。このような領域は駆動電圧が印加されても自ら屈曲変形しない。

上記圧電体層は四角形に形成され、上記中心電極は円形に形成され、上記周辺電極は上記中心電極と同心円環状に形成されている構造としてもよい。中心電極および周辺電極の形状は、特許文献２のように共に矩形状とすることも可能である。この場合には、最も大きな変位量を得ることが可能であるが、電極のコーナー部分に応力が集中し、クラック発生など圧電素子の耐久性に影響する。本実施形態では、中心電極および周辺電極が円形であるため、応力の集中が少なく、圧電素子の耐久性を向上させることができる。一方、圧電体層の外形形状が四角形であるため、積層した大型の基板から切り出す場合のように、製造・加工が簡単であり、材料の歩留りが良好となる

好ましい実施の形態によれば、圧電素子のポンプ室側の側面に、ポンプ室と圧電素子とを隔離するダイヤフラムを対面接着した構成としてもよい。ダイヤフラムとしては、金属板、ガラスエポキシ板、樹脂シート、ゴムシート、さらには表面処理や樹脂コーティングでもよい。ダイヤフラムは、ポンプ室内の液体が圧電素子に直接接触するのを防止し、かつ液漏れを防止するための保護材として利用でき、有用である。

本発明の好ましい実施の形態によれば、ポンプ室を有するポンプ本体と、上記ポンプ室を閉じるべくポンプ本体に保持され、電圧印加により屈曲変位してポンプ室の容積変化を生じさせる圧電素子とを備えた圧電ポンプにおいて、上記圧電素子は複数の圧電体層を積層したバイモルフ型圧電素子であり、上記圧電素子のポンプ室側の側面には、上記ポンプ室と圧電素子とを隔離するダイヤフラムが対面接着されており、上記圧電素子単体の伸縮反転面と、上記圧電素子とダイヤフラムとを接着した状態での中立面とを一致させたことを特徴とする圧電ポンプを提供する。

バイモルフ型圧電素子単体では、圧電素子単体に印加される駆動電圧の強度及び分極度が一様である場合、例えば、厚み方向中央を伸縮反転面とすることで、変位を最大にすることができる。しかし、バイモルフ型圧電素子をダイヤフラムに貼り付けた場合には、圧電素子の厚み方向中央を伸縮反転面とすると、変位を最大にすることができない。その理由は、圧電素子がダイヤフラムに接着されているため、ダイヤフラム全体の中立面が圧電素子の伸縮反転面からずれてしまうからである。そのため、圧電素子の一部分が屈曲変位に対してブレーキをかけるような動作となり、変位が小さくなり、ポンプ効率が損なわれるとともに、無駄な発熱が大きくなる。そこで、本実施形態によれば、圧電素子単体の伸縮反転面と、圧電素子とダイヤフラムとを接着した状態での中立面とを一致させることで上記課題を解決し、変位を最大にしている。なお、この実施形態の圧電素子は、前述のような周辺領域と中心領域とが逆方向に屈曲する構造の圧電素子に限らず、一般的なバイモルフ構造の圧電素子でもよい。また、積層構造の圧電素子に限らず、単板の圧電素子を複数枚貼り合わせたものでもよい。

圧電素子単体の伸縮反転面とは、圧電素子単体に駆動電圧を印加したとき、圧電素子の厚み方向において、伸びようとする側と縮もうとする側との境界面のことである。具体的には、分極方向と駆動時の電界方向とが同じである部分と、分極方向と駆動時の電界方向とが逆となる部分との境界面である。この圧電素子単体の伸縮反転面は、圧電素子単体に印加される駆動電圧の強度及び分極度が一様である場合、圧電素子単体の中立面、すなわち、圧縮および引張の応力が０となる面と一致する。ダイヤフラム全体の中立面とは、圧電素子を貼り付けたダイヤフラム全体が屈曲変形したとき、圧電体素子とダイヤフラムをあわせた構造での圧縮および引張の応力が０となる面である。よって、圧電素子単体の伸縮反転面とダイヤフラム全体の中立面とが一致することによって応力のバランスがとれる。一般には、ダイヤフラム全体の中立面は圧電素子の厚み方向中央に対してダイヤフラム側に偏った位置となる。この偏り量はダイヤフラムのヤング率や厚みによって異なる。

圧電素子単体の伸縮反転面とダイヤフラム全体の中立面とを一致させる具体的方法としては、上記伸縮反転面を間にして、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の厚みをダイヤフラム側の厚みより厚くする方法や、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の圧電体層の積層数をダイヤフラム側の圧電体層の積層数より多くする方法がある。また、圧電素子単体の伸縮反転面を圧電素子の中央からダイヤフラム側に偏った位置とせずとも、圧電素子単体の伸縮反転面とダイヤフラム全体の中立面と一致させることが可能な場合がある。すなわち、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の圧電体層に印加される駆動電圧の電界強度をダイヤフラム側の圧電体層に印加される駆動電圧の電界強度より高くする方法、上記圧電素子のダイヤフラムと反対側の圧電体層の分極度をダイヤフラム側の圧電体層の分極度より高くする方法などがある。

発明の好ましい実施形態の効果

以上のように、本発明によれば、圧電素子の周辺領域と中心領域とが逆方向に屈曲するため、圧電素子の外周部がポンプ本体に保持されていても、圧電素子の中心部に大きな変位量を得ることができ、最大排除体積を大きくすることができる。特に、圧電素子として複数の圧電体層を積層したものを使用したので、圧電素子をより薄型化できるとともに、多層化によって駆動電圧を低くでき、小型で低消費電力のポンプを実現できる。また、圧電素子を構成する各圧電体層の同一面上に形成された電極には、同一電位の電圧が印加されるため、同一面上の隣り合う周辺電極と中央電極との電位が同じとなり、マイグレーションによるショートの発生を防止できる。

本発明の他の特徴によれば、バイモルフ型圧電素子をダイヤフラムに対面接着するとともに、圧電素子単体の伸縮反転面と、圧電素子とダイヤフラムとを接着した状態での中立面とを一致させたので、圧電素子のうちダイヤフラム全体の屈曲変位に対してブレーキをかけるような動作をする部分がなくなり、変位量が大きくなり、ポンプ効率を向上させることができ、無駄な発熱も小さくなる。

〔実施形態１〕
以下に、本発明に係る圧電ポンプの第１実施形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。ここで、図１は圧電ポンプの全体平面図であり、図２は図１のII−II断面図、図３は図１のIII −III 断面図である。

この圧電ポンプ１は、ポンプ本体１０と、ダイヤフラム２０と、圧電素子２１と、押え板２５とを備えている。ポンプ本体１０は、金属材料または樹脂材料のような高剛性材料で形成されている。ポンプ本体１０と押え板２５との間には、互いに接続流路１４，１５で連通した流入側弁室１１、ポンプ室１２、排出側弁室１３が形成されている。流入側弁室１１には流入側逆止弁１６が配置されている。流入側逆止弁１６は、流入側ポートから流入側弁室１１への流体の流れは許容するが、逆方向への流れを阻止するように機能する。排出側弁室１３には排出側逆止弁１７が配置されている。排出側逆止弁１７は、ポンプ室１２から排出側弁室１３への流体の流れは許容するが、逆方向への流れを阻止するように機能する。

ポンプ室１２は平面方向の寸法に比べて高さ方向の寸法の小さい扁平な空間であり、一つの面がダイヤフラム２０によって閉じられ、他の壁面は剛体よりなるポンプ本体１０によって囲まれている。ポンプ本体１０としては金属材料を用いてもよいし、樹脂材料を用いてもよい。ここではポンプ室１２を平面視円形状としたが、方形状でもよい。

ダイヤフラム２０は弾性を有する薄板よりなり、ポンプ本体１０の上面のほぼ全面に配置され、押え板２５との間で接着固定されている。ダイヤフラム２０の材質は特に限定されないが、ガラスエポキシ板、樹脂シート、ゴムシート等のような比較的低ヤング率で厚さの薄い板が望ましい。ダイヤフラム２０の上に圧電素子２１が対面接着されている。圧電素子２１の屈曲方向と垂直な面の面積はポンプ室１２の体積変化方向と垂直な面の面積より大きく、圧電素子２１の外周部はダイヤフラム２０を挟んでポンプ本体１０の対向した面に接着されている。つまり、ポンプ室１２は圧電素子２１ですべて覆われている。この実施形態のダイヤフラム２０は、ポンプ室１２からの液漏れを防止するパッキンとしての役割と、ポンプ室１２内の液体が圧電素子２１に接触するのを防止する保護シートとして利用できる。押え板２５には、圧電素子２１と対応する箇所に窓孔２６が形成されており、圧電素子２１の背面側は開放されている。

なお、上記の例ではダイヤフラム２０を設けているが、もちろんダイヤフラム２０を設けない場合を除くものではなく、圧電素子２１単体をポンプ本体１０の上面のほぼ全面に配置し、圧電素子２１をポンプ本体の蓋としての役割を担うよう構成してもよい。このとき、ポンプ室１２の蓋に相当する部分、すなわち圧電素子２１の厚みと、ポンプ本体１０のうちポンプ室１２の底に相当する部分との厚みがほぼ同じであることが好ましい。このような構成にすると、例えば厚み１ｍｍ程度の小型及び低背化圧電ポンプであっても、発生圧力を最大とすることができる。通常、発生圧力は、ポンプ室１２の蓋に相当する部分及び底に相当する部分のヤング率も関与する。しかし、ポンプ室１２の蓋に相当する部分及び底に相当する部分の厚みがほぼ等しい場合、ポンプ室１２の蓋に相当する部分と、底に相当する部分のヤング率に多少の差があったとしても、発生圧力をほぼ最大とすることができる点で有利である。

図４〜図６は圧電素子２１の具体的構造の一例を示す。圧電素子２１は、２層の圧電セラミックスよりなる圧電体層２１ａ，２１ｂを積層し、バイモルフ構造としたものであり、全体として４角形板状とされている。具体的には、２層のグリーンシート状態の圧電セラミック層２１ａ，２１ｂを連続電極としての層間電極２２を間にして積層圧着し、焼成し、上下面に電極２３，２４を形成した後、分極処理を行ったものである。図６に上面の電極パターン（ａ）と層間の電極パターン（ｂ）と下面の電極パターン（ｃ）とが示されている。

層間の電極２２は、幅狭な縁取りを除いて圧電体層２１ａ，２１ｂをほぼ覆う四角形状に形成されており、引出部２２ａを介して圧電体層の外側縁に引き出され、圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２５と接続されている。上面の電極２３は、円形の中心電極２３ａと、それをギャップ部を介して取り囲む同心円状の周辺電極２３ｂと、中心電極２３ａから周辺電極２３ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極２３ｃとを有している。引出電極２３ｃは圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２６と接続され、周辺電極２３ｂは引出部２３ｂ１を介して圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２７と接続されている。下面の電極２４は、円形の中心電極２４ａと、それをギャップ部を介して取り囲む同心円状の周辺電極２４ｂと、中心電極２４ａから周辺電極２４ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極２４ｃとを有している。引出電極２４ｃは上面電極２３の引出電極２３ｃとは互いに対向しない位置に形成されている。引出電極２４ｃは上記端面電極２７と接続され、周辺電極２４ｂは引出部２４ｂ１を介して上記端面電極２６と接続されている。この例では、全ての端面電極２５〜２７を圧電素子２１の１つの端面に形成したが、例えば異なる端面に形成してもよいことは勿論である。また、この例では、グランドに接続される端面電極２６を端面電極２５と端面電極２７との間に形成しているが、その順序、形成位置は変更してもよいことは勿論である。また、端面電極２５〜２７の数は少ない方が配線が容易であり好ましいが、配線が複雑になってもかまわない場合には電極２５〜２７以外にも配線を設けることを妨げるものではない。また、端面電極２５〜２７に代えて、ビア導体又はスルーホールによって接続してもよい。

圧電素子２１には逆方向に屈曲変位する中心領域と周辺領域とが設けられるが、その中心領域は中心電極２３ａ，２４ａによって画定され、周辺領域は周辺電極２３ｂ，２４ｂによって画定される。層間電極２２は中心領域と周辺領域とに跨がる連続電極（べた電極）となっている。この実施形態では、圧電素子２１の伸縮方向が異なる２つの圧電体層２１ａ，２１ｂの境界をＦｐとすると、境界Ｆｐは層間電極２２の位置にある。

図７は、圧電素子２１の分極時における電気配線の一例を示す。図７に示すように、上面電極２３の中心電極２３ａと下面電極２４の周辺電極２４ｂとを直流電源の一方の極（例えばプラス側）に接続し、上面電極２３の周辺電極２３ｂと下面電極２４の中心電極２４ａとを直流電源の他方の極（例えばマイナス側）に接続し、層間電極２２をグランドに接続する。これによって、圧電体層２１ａ，２１ｂは図７に矢印Ｐで示す方向に分極される。すなわち、各圧電体層２１ａ，２１ｂについて、中心領域Ａ１と周辺領域Ａ２とが厚み方向に互いに逆方向に分極され、かつ隣り合う２つの圧電体層２１ａ，２１ｂの対応する部分は同方向に分極される。上記のように、上面電極２３の中心電極２３ａと下面電極２４の周辺電極２４ｂとが端面電極２６を介して相互に接続され、上面電極２３の周辺電極２３ｂと下面電極２４の中心電極２４ａとが端面電極２７を介して相互に接続され、さらに層間電極２２が端面電極２５と接続されているため、これら３つの端面電極２５，２６，２７間に直流電圧を印加すれば、図７に示すように簡単に分極できる。

また、図４〜図６において、引出し部２３ｂ１及び２４ｂ１も引出し電極とし、引出し電極２３ｃ及び引出し部２４ｂ１と引出し電極２４ｃ及び引出し部２３ｂ１を圧電体層２１ａ及び２１ｂのそれぞれ対向する角へ引き出すように構成してもよい。このように構成した場合、圧電ポンプを全体として見たときに、引出し電極が対称的に構成されることから、全ての引出し電極を一端面に引き出すよりも圧電素子がバランスよく屈曲することになり、安定的に駆動できる。

図８は圧電素子２１の駆動時における電気配線および変位の一例を示す。層間電極２２を交流電源のグランド側に接続し、上面電極２３の中心電極２３ａおよび周辺電極２３ｂ、下面電極２４の中心電極２４ａおよび周辺電極２４ｂを交流電源の駆動側に接続する。これによって、図８の（ｂ）で示すように上下面の電極２３，２４から層間電極２２に向かう方向の電界Ｅが発生し、上側圧電体層の中心領域Ａ１が縮み、下側の圧電体層の中心領域Ａ１が伸び、上側圧電体層の周辺領域Ａ２が伸び、下側の圧電体層の周辺領域Ａ２が縮む。電界Ｅが逆転すると、上記と伸縮方向が逆転する。その結果、圧電素子２１の中心領域Ａ１と周辺領域Ａ２とが逆方向に屈曲変位し、外周部を拘束保持しても、中心部に大きな変位量を得ることができる。駆動時に各圧電体層の同一面内が同一電位になるので、マイグレーションによるショートの危険性が少なくなる。さらに、上面電極２３の中心電極２３ａと下面電極２４の周辺電極２４ｂとが端面電極２６に接続され、上面電極２３の周辺電極２３ｂと下面電極２４の中心電極２４ａとが端面電極２７に接続され、さらに層間電極２２も端面電極２５と接続されているため、端面電極２５と端面電極２６，２７間に交流電圧を印加すれば簡単に変位させることができる。そのため、配線が簡単になり、駆動回路を簡素に構成できる。

図９は外周部に中性領域Ａ３を持つ圧電素子２１の支持構造の一例を示す。図８の（ｂ）では、周辺領域Ａ２をポンプ本体１０に直接支持する例を示したが、図６に示すように周辺電極２３ｂ，２４ｂの外周縁を圧電体層の外周縁より内側に設定した場合には、圧電素子２１の外周部に屈曲変形しない中性領域Ａ３を形成できる。この中性領域Ａ３をポンプ本体１０に固定することで、周辺領域Ａ２をより自由に変位させることができる。そのため、電気エネルギーの損失を少なくできるとともに、圧電素子２１（ダイヤフラム２０）とポンプ本体１０との界面での剥離、ひいては液体の漏れを低減できる。図９では、理解を容易にするためダイヤフラムを省略したが、圧電素子２１の一面にダイヤフラムが接着されている場合でも同様である。

〔実施形態２〕
図１０〜図１３は圧電素子の第２実施形態を示す。この圧電素子３０は、図６に示す３つの電極パターン（ａ）〜（ｃ）を持つ圧電体層３１ａ〜３１ｈを多層（ここでは８層）に積層したものである。上から電極パターンが（ｂ），（ａ），（ｂ），（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｂ），（ｃ），（ｂ）の順で配置されている。すなわち、連続電極と分割電極とが積層方向に交互に配置されている。

各圧電体層３１ａ〜３１ｈは図１２に示すように分極されている。すなわち、全ての圧電体層３１ａ〜３１ｈは、１つの層内において中心領域と周辺領域とで分極方向が逆方向である。全ての圧電体層３１ａ〜３１ｈをその伸縮方向が異なる第１の圧電体部と第２の圧電体部としたとき、その境界をＦｐとすると、境界Ｆｐより上側４層の圧電体層３１ａ〜３１ｄ（第１の圧電体部）は、厚み方向に隣り合う圧電体層同士が互いに逆方向に分極されている。同様に、境界Ｆｐより下側４層の圧電体層３１ｅ〜３１ｈ（第２の圧電体部）は、厚み方向に隣り合う圧電体層同士が互いに逆方向に分極されている。そして、境界Ｆｐを間にして隣り合う厚み方向中心部の２つの圧電体層３１ｄ，３１ｅのみ、その分極方向が同一方向となっている。分極に際し、例えば図１２に示すように連続電極２２をグランドに接続し、上側４層の中心電極２３ａと下側４層の周辺電極２４ｂとにプラス、上側４層の周辺電極２３ｂと下側４層の中心電極２４ａとにマイナスの直流電圧を印加すればよい。具体的には、端面電極２５をグランドに接続し、端面電極２６にプラス、端面電極２７にマイナスの直流電圧を印加することにより、図１２のような向きに分極を施すことができる。

駆動時には、上記のように分極された圧電素子３０に対して、図１３に示すように連続電極２２と全ての中心電極２３ａ，２４ａおよび周辺電極２３ｂ，２４ｂとの間に交番電圧を印加する。例えば、破線矢印で示す向きに電界Ｅが印加されると、横向き矢印で示すように圧電体層の中心領域と周辺領域とが伸縮し、圧電素子３０の中心領域と周辺領域とで逆方向に屈曲変形させることができる。電界Ｅの向きが逆になると、圧電体層は図１３と逆方向に伸縮する。この場合も、同一面内において隣接する中心電極２３ａと周辺電極２３ｂ、および中心電極２４ａと周辺電極２４ｂが同一電位であるため、マイグレーションによるショートの発生を防止できる。また、端面電極２６，２７を同一電位とし、端面電極２６，２７と端面電極２５との間に交番電圧を印加すれば、所望の屈曲変位を発生させることができるので、駆動回路を簡素化できる。この実施形態では、第１実施形態に比べて圧電体層を多層に積層してあるため、１層当たりの厚みを薄くでき、より低電圧で駆動できる。なお、圧電体層の層数は任意に選択できる。

〔実施形態３〕
図１４〜図１６は圧電素子の具体的構造の他の例を示す。この圧電素子４０も第１実施形態と同様に、２層の圧電セラミックスよりなる圧電体層４１ａ，４１ｂを積層したものである。すなわち、２層のグリーンシート状態の圧電セラミック層４１ａ，４１ｂを層間電極４２を間にして積層圧着して焼成し、上下面に電極４３，４４を形成した後、分極処理を行ったものである。図１６に上面の電極パターン（ａ）と層間の電極パターン（ｂ）と下面の電極パターン（ｃ）とが示されている。

層間の電極４２は、円形の連続電極４２ａと、その周囲の４つのコーナ部に設けられたダミー電極４２ｂとからなり、円形の連続電極４２ａは引出部４２ａ１を介して圧電体層の外側縁に引き出され、圧電体層の外周端面に形成された端面電極４５と接続されている。ダミー電極４２ｂは孤立した電極であり、他の電極と接続されていない。上面の電極４３は、円形の中心電極４３ａと、それをギャップ部を介して取り囲む周辺電極４３ｂと、中心電極４３ａから周辺電極４３ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極４３ｃとを有している。引出電極４３ｃは圧電体層の外周端面に形成された端面電極４６と接続され、周辺電極４３ｂは引出部４３ｂ１を介して圧電体層の外周端面に形成された端面電極４７と接続されている。下面の電極４４は、円形の中心電極４４ａと、それをギャップ部を介して取り囲む周辺電極４４ｂと、中心電極４４ａから周辺電極４４ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極４４ｃとを有している。引出電極４４ｃは上面電極４３の引出電極４３ｃとは周方向の異なる位置に形成されている。引出電極４４ｃは上記端面電極４７と接続され、周辺電極４４ｂは引出部４４ｂ１を介して上記端面電極４６と接続されている。中心電極４３ａ，４４ａは連続電極４２ａと同心円状に形成されている。なお、端面電極４５〜４７の形成位置は任意に変更できる。

圧電素子４０の中心領域は中心電極４３ａ，４４ａによって画定され、周辺領域は連続電極４２ａの外周縁と周辺電極４３ｂ，４４ｂの内周縁とによって画定される。圧電素子４０の外周部には、自発的に屈曲変形しない中性領域が形成されている。この実施形態では、上面電極４３の周辺電極４３ｂおよび下面電極４４の周辺電極４４ｂが圧電体層の外周縁付近まで伸びており、層間電極４２には、圧電体層の外周縁をカバーするダミー電極４２ｂが形成されているので、電極４２，４３，４４がほぼ圧電体層を覆う形状となっている。そのため、圧電体層を多層に積層した場合に、電極の有無による歪みが少なく、焼成・分極時や駆動時にクラック発生を予防できる。

この実施形態の場合も、上面電極４３の中心電極４３ａと下面電極４４の周辺電極４４ｂとが端面電極４６を介して相互に接続され、上面電極４３の周辺電極４３ｂと下面電極４４の中心電極４４ａとが端面電極４７を介して相互に接続されている。そして、連続電極４２ａは端面電極４５に接続されている。そのため、分極時には、端面電極４６を直流電源の一方の極に接続し、端面電極４７を直流電源の他方の極に接続し、端面電極４５をグランドに接続することで、図７と同様に分極できる。また、駆動時には、端面電極４５を交流電源のグランド側に接続し、端面電極４６，４７を交流電源の駆動側に接続することによって、図８の（ｂ）と同様な変位を発生させることができる。つまり、３つの端面電極４５，４６，４７を適切に電気接続することにより、電極形状を変更することなく、圧電素子４０の分極と駆動とを簡単に実施することができる。

〔実施形態４〕
図１７に示す圧電素子６０は３層の圧電体層６１ａ〜６１ｃを積層したものであり、図８に示す実施形態に比べて、厚み方向中央部に応力緩和のための中間層６１ｂが設けられている点で相違する。表裏面の電極は、それぞれ中心電極６２ａ，６３ａと周辺電極６２ｂ，６３ｂとに分割されており、層間の電極は中心領域と周辺領域とに跨がる連続電極６４，６５である。連続電極６４，６５は、中間層６１ｂを挟んでその両面に設けられている。この例では、中間層６１ｂは未分極であり伸縮しない。駆動時には図１７に示すように、交流電源６６の一端側を分割電極６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂに、他端側を連続電極６４、６５に接続する。例えば破線矢印Ｅで示す向きに電界が印加された時、中心領域を上に凸に、周辺領域を下に凸に屈曲変位させることができる。この場合も、同一面内において隣り合う中心電極６２ａと周辺電極６２ｂ、および中心電極６３ａと周辺電極６３ｂとが同一電位であるため、マイグレーションによるショートの発生を防止でき、駆動回路を簡素化できる。中間層６１ｂが上側の圧電体層６１ａと下側の圧電体層６１ｃとの界面に働く応力を緩和するので、効率よく屈曲変位できる。

〔実施形態５〕
図１８に示す圧電素子７０は５層の圧電体層７１ａ〜７１ｅを積層したものである。厚み方向中心部に応力緩和のための中間層７１ｃが設けられている。１つの層内において中心部と周辺部とで分極方向が逆方向であり、かつ厚み方向中心側の２つの圧電体層７１ｂ，７１ｄの分極方向は同一方向であるが、外側の圧電体層７１ａ，７１ｅの分極方向は厚み方向に隣り合う圧電体層７１ｂ，７１ｄに対してそれぞれ逆方向となっている。この例では、中間層７１ｃを挟んでその両側の電極７２，７３と表裏面の電極７４，７５は連続電極であるが、それ以外の層間の電極７６ａ，７６ｂおよび７７ａ，７７ｂは中心部と周辺部とで分割された電極となっている。つまり、連続電極と分割電極とが積層方向に交互に配置されている。駆動時には、図１８に示すように、交流電源７８の一端側を分割電極７６ａ，７６ｂ、７７ａ，７７ｂに、他端側を連続電極７２，７３、７４，７５に接続する。例えば破線矢印Ｅで示す向きに電界が印加された時、中心領域は上に凸に、周辺領域は下に凸に屈曲変位させることができる。この場合も、同一面内において隣り合う中心電極７６ａ，７７ａと周辺電極７６ｂ，７７ｂとが同一電位であるため、マイグレーションによるショートの発生を防止でき、駆動回路を簡素化できる。なお、図１７及び図１８では圧電体層が３層及び５層の場合を説明したが、さらに最外層に複数の圧電体層を積層し、連続電極及び分割電極を交互に形成してもよい。

〔実施形態６〕
図１９は本発明にかかる圧電ポンプに使用されるダイヤフラム８０およびその片面に貼り付けられた圧電素子９０を示す。圧電素子９０はバイモルフ型圧電素子であり、第１〜第５実施形態のように、中心領域と周辺領域とで屈曲方向が反転するものに限らず、一様に屈曲するものでもよい。

バイモルフ型の圧電素子９０単体では、圧電素子単体に印加される駆動電界の強度及び分極の大きさが一様である場合、例えば、図１９の（ａ）のように厚み方向中央を伸縮反転面Ｆｐとすることで、変位を最大にすることができる。しかしバイモルフ型の圧電素子９０を弾性膜のようなダイヤフラム８０に貼り付けて使う場合、圧電素子９０の厚み方向中央を伸縮反転面とすると、変位を最大にすることはできない。ダイヤフラム全体での中立面Ｆｄは圧電素子の厚み方向中央Ｆｐに対して、ダイヤフラム８０側にずれているためである。これを解決するために、図１９の（ｂ）のように圧電素子の伸縮反転面Ｆｐを厚み方向中央からダイヤフラム側に偏った位置に形成し、ダイヤフラム全体での中立面Ｆｄと圧電素子の伸縮反転面Ｆｐを一致させる構成としている。

ダイヤフラム全体での中立面Ｆｄと圧電素子９０の伸縮反転面Ｆｐを一致させる方法として、図２０は、圧電素子９０の伸縮反転面Ｆｐを間にして、その一方側と他方側の積層数を変える方法を示す。この例の圧電素子９０は電極９１ｂ〜９１ｄを間にして複数層の圧電体層９０ａ〜９０ｄを積層し、表裏に電極９１ａ，９１ｅを形成したものである。圧電素子９０の下面にダイヤフラム８０が接着されている。図２０の（ａ）は分極時の電圧印加を示し、例えば電極９１ａ，９１ｃにマイナス、電極９１ｅにプラス、電極９１ｂ，９１ｄをグランド電位となるように直流電圧を印加することにより、矢印方向の分極Ｐを得ることができる。図２０の（ｂ）は駆動時の電圧印加を示す。（ｂ）で示すように交流電源９８の一端側を電極９１ａ，９１ｃ，９１ｅに接続し、他端側を電極９１ｂ，９１ｄに接続すると、上側の３層９０ａ〜９０ｃと下側の１層９０ｄとが逆方向に伸縮する。この場合には、下から２番目の電極面９１ｄの位置が伸縮反転面Ｆｐとなる。なお、圧電素子９０の圧電体層の積層数は任意に選択できる。

図２１は、圧電素子９２の伸縮反転面Ｆｐを間にして、その一方側と他方側の圧電体層の厚みそのものを変える方法を示す。この例の圧電素子９２は電極９３ｂを間にして厚みの異なる２層の圧電体層９２ａ，９２ｂを積層し、表裏に電極９３ａ，９３ｃを形成したものである。図２１の（ａ）は分極時の電圧印加、（ｂ）は駆動時の電圧印加を示す。上側の圧電体層９２ａを下側の圧電体層９２ｂより厚くし、厚みに応じて分極時の印加電圧を変えている。駆動時に表面電極９３ａに比べて裏面電極９３ｃの電位を低くするため、抵抗などの電圧低下手段９９が接続されている。層間の電極面９３ｂを伸縮反転面Ｆｐとしている。なお、図２１に示した分極時および駆動時の印加電圧は一例であり、任意に設定できる。

図２２は、圧電素子９４の両側の圧電体層に印加される駆動電界の強度を変えることで、ダイヤフラム全体での中立面と圧電素子の伸縮反転面を一致させる方法を示す。圧電素子９４は電極９５ｂを間にして同一厚みの２層の圧電体層９４ａ，９４ｂを積層し、表裏に電極９５ａ，９５ｃを形成したものである。図２２の（ａ）は分極時の電圧印加、（ｂ）は駆動時の電圧印加を示す。図２２の（ｂ）に示すように、電圧低下手段９９を用いて上側の圧電体層９４ａの電界強度を下側の圧電体層９４ｂより高くしている。この場合には、上側の圧電体層９４ａの伸縮応力が下側の圧電体層９４ｂの伸縮応力より大きく、圧電素子単体の中立面は伸縮反転面Ｆｐよりダイヤフラム８０と反対側に偏った位置に形成されるが、ダイヤフラム全体の中立面と伸縮反転面Ｆｐとを一致させることができる。駆動時の上側圧電体層９４ａの電界強度と下側圧電体層９４ｂの電界強度の比率は、ダイヤフラム８０のヤング率や厚みに応じて、任意に設定できる。なお、この場合も複数の圧電層を積層した場合には、伸縮反転面Ｆｐを間にしてその両側の圧電体層の層厚みを変えてもよい。

図２３は、圧電素子９６の両側の圧電体層の分極度Ｐを変えることで、ダイヤフラム全体での中立面と圧電素子の伸縮反転面を一致させる方法を示す。圧電素子９６は電極９７ｂを間にして同一厚みの２層の圧電体層９６ａ，９６ｂを積層し、表裏に電極９７ａ，９７ｃを形成したものである。図２３の（ａ）は分極時の電圧印加を示し、上側の圧電体層９６ａの分極度Ｐ１を下側の圧電体層９６ｂの分極度Ｐ２より高くしている。駆動時には、図２３の（ｂ）に示すように、上下の圧電体層９６ａ，９６ｂに同じ電界を印加すればよいので、電圧低下手段９９は不要である。この場合には、上側の圧電体層９６ａの伸縮応力が下側の圧電体層９６ｂの伸縮応力より大きく、圧電素子単体の中立面は伸縮反転面からダイヤフラム８０と反対側に偏った位置に形成されるが、ダイヤフラム全体の中立面と、伸縮反転面Ｆｐとを一致させることができる。複数の圧電層を積層した場合には、伸縮反転面Ｆｐを間にしてその両側の圧電体層の層厚みを変えてもよい。

上記のようにダイヤフラム全体での中立面Ｆｄと圧電素子９０の伸縮反転面Ｆｐを一致させる効果は、ダイヤフラムの剛性が高く、厚みが厚いほど顕著になる。圧電素子の動きを妨げないようにするには、ダイヤフラムの材質としてはなるべく柔らかくまた薄いものを選べばよいが、例えばポンプの発生圧力を高くしたい場合、または駆動周波数を高くしたい場合などは、逆にダイヤフラムとしては剛性の高いものを選ぶ方が適している。このような場合には、上記のダイヤフラム全体での中立面を圧電素子の伸縮反転面と合わせる事が非常に大きな効果をもたらす。

圧電素子の圧電体の伸び側と縮み側の厚みを変えて、シミュレーションを行なった結果を示す。圧電体全体の厚みに対し、伸縮反転面位置を次の様に規定する。
伸縮反転面位置〔％〕＝上層厚ｄ１／全体厚Ｄ
つまり、５０％は伸縮反転面がバイモルフ圧電素子のちょうど中央、５０％から大きくなるにつれて上層厚が増加し、１００％で上層のみ（下層なし）の状態となる。

図２４は、全体厚Ｄ＝0.30mmのバイモルフ圧電素子単体で、上層・下層とも0.15mmの状態を基準に、上層厚ｄ１を徐々に増加させた場合の変位の変化率を示す。５０％が上層・下層とも厚み0.15mmで厚み差なし、１００％が上層のみで厚み0.30mmの状態である。上層厚ｄ１が増加するとともに変位が減少していくことがわかる。

図２５は、全体厚Ｄ＝0.30mmのバイモルフ圧電素子を厚み0.1mmのガラスエポキシ板に接合したもので、上層厚ｄ１を徐々に増加させた場合の変位の変化率を示す。全体厚Ｄに対し、上層厚ｄ１が５２．５％付近になったところで、変位の変化率が１００．６１％と最大となり、若干であるが変位の増加が得られることがわかる。

図２６は、全体厚Ｄ＝0.30mmのバイモルフ圧電素子を厚み0.1mmのＳＵＳ板に接合したもので、上層厚ｄ１を徐々に増加させた場合の変位の変化率を示す。この場合には、全体厚Ｄに対し上層厚ｄ１を７５％とした条件で変位が最大となる。上下層を同じ厚みとした５０％の場合と比較して、伸縮反転面を合わせることで変位の変化率が１２９．１８％となり、＋３０％もの大幅な変位の増加を得ることができる。また、同時に発熱も防ぐことができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々変更が可能である。第４実施形態では、ダイヤフラム全体での中立面を圧電素子の伸縮反転面と一致させる構造を、一般的なバイモルフ型圧電素子とダイヤフラムとを接合した例に適用したが、第１〜第３実施形態に示すような中心領域と周辺領域とで変位方向が反転する圧電素子とダイヤフラムとを接合した例に適用することもできる。

なお、本発明の圧電ポンプは小型・低背であるため、携帯機器等の燃料電池の燃料供給や、冷却水の循環等に使用される圧電ポンプとして有用であるが、これらの用途に限るものではない。

本発明に係る圧電ポンプの第１実施形態の全体平面図である。 図１に示す圧電ポンプのII−II線断面図である。 図１に示す圧電ポンプのIII −III 線断面図である。 図１に示す圧電ポンプに用いられる圧電素子の斜視図である。 図４に示す圧電素子の分解斜視図である。 図４に示す圧電素子の各層の電極パターン図である。 図４に示す圧電素子の分極方法を示す回路図である。 図４に示す圧電素子の駆動方法を示す回路図および変位図である。 圧電素子の外周部に中性領域を有する場合の変位図である。 圧電素子の第２実施形態の斜視図である。 図１０に示す圧電素子の分解斜視図である。 図１０に示す圧電素子の各層の分極状態を示す概略断面図である。 図１０に示す圧電素子の駆動方法を示す概略断面図である。 圧電素子の第３実施形態の斜視図である。 図１４に示す圧電素子の分解斜視図である。 図１４に示す圧電素子の各層の電極パターン図である。 圧電素子の第４実施形態の概略断面図である。 圧電素子の第５実施形態の概略断面図である。 本発明に係る圧電ポンプに用いられる圧電素子およびダイヤフラムの第６実施形態の概略断面図である。 圧電素子の積層数を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層厚を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層の電界強度を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層の分極度を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 バイモルフ圧電素子単体での上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 バイモルフ圧電素子をガラスエポキシ製ダイヤフラムに貼り付けた場合の上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 バイモルフ圧電素子をＳＵＳ製ダイヤフラムに貼り付けた場合の上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 従来例の圧電素子を駆動する時の回路図である。

符号の説明

Ａ１ 中心領域
Ａ２ 周辺領域
１０ ポンプ本体
１２ ポンプ室
１１ 流入側弁室
１３ 排出側弁室
１６ 流入側逆止弁
１７ 排出側逆止弁
２０ ダイヤフラム
２１ 圧電素子
２１ａ，２１ｂ 圧電体層
２２ａ 連続電極
２３ａ，２４ａ 中心電極
２３ｂ，２４ｂ 周辺電極

本発明の好ましい実施の形態によれば、上記圧電素子単体の伸縮反転面と、上記圧電素子とダイヤフラムとを接着した状態での中立面とを一致させてもよい。

層間の電極２２は、幅狭な縁取りを除いて圧電体層２１ａ，２１ｂをほぼ覆う四角形状に形成されており、引出部２２ａを介して圧電体層の外側縁に引き出され、圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２５と接続されている。上面の電極２３は、円形の中心電極２３ａと、それをギャップ部を介して取り囲む同心円状の周辺電極２３ｂと、中心電極２３ａから周辺電極２３ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極２３ｃとを有している。引出電極２３ｃは圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２６と接続され、周辺電極２３ｂは引出部２３ｂ１を介して圧電体層の外周端面に形成された接続電極の一例である端面電極２７と接続されている。下面の電極２４は、円形の中心電極２４ａと、それをギャップ部を介して取り囲む同心円状の周辺電極２４ｂと、中心電極２４ａから周辺電極２４ｂを半径方向に横断して圧電体層の外側縁へ引き出すための引出電極２４ｃとを有している。引出電極２４ｃは上面電極２３の引出電極２３ｃとは互いに対向しない位置に形成されている。引出電極２４ｃは上記端面電極２７と接続され、周辺電極２４ｂは引出部２４ｂ１を介して上記端面電極２６と接続されている。この例では、全ての端面電極２５〜２７を圧電素子２１の１つの端面に形成したが、例えば異なる端面に形成してもよいことは勿論である。また、この例では、層間電極２２と接続される端面電極２５を端面電極２６と端面電極２７との間に形成しているが、その順序、形成位置は変更してもよいことは勿論である。また、端面電極２５〜２７の数は少ない方が配線が容易であり好ましいが、配線が複雑になってもかまわない場合には電極２５〜２７以外にも配線を設けることを妨げるものではない。また、端面電極２５〜２７に代えて、ビア導体又はスルーホールによって接続してもよい。

図８は圧電素子２１の駆動時における電気配線および変位の一例を示す。層間電極２２を交流電源のグランド側に接続し、上面電極２３の中心電極２３ａおよび周辺電極２３ｂ、下面電極２４の中心電極２４ａおよび周辺電極２４ｂを交流電源の駆動側に接続する。これによって、図８の（ａ）で示すように上下面の電極２３，２４から層間電極２２に向かう方向の電界Ｅが発生し、図８の（ｂ）で示すように上側圧電体層の中心領域Ａ１が縮み、下側の圧電体層の中心領域Ａ１が伸び、上側圧電体層の周辺領域Ａ２が伸び、下側の圧電体層の周辺領域Ａ２が縮む。電界Ｅが逆転すると、上記と伸縮方向が逆転する。その結果、圧電素子２１の中心領域Ａ１と周辺領域Ａ２とが逆方向に屈曲変位し、外周部を拘束保持しても、中心部に大きな変位量を得ることができる。駆動時に各圧電体層の同一面内が同一電位になるので、マイグレーションによるショートの危険性が少なくなる。さらに、上面電極２３の中心電極２３ａと下面電極２４の周辺電極２４ｂとが端面電極２６に接続され、上面電極２３の周辺電極２３ｂと下面電極２４の中心電極２４ａとが端面電極２７に接続され、さらに層間電極２２も端面電極２５と接続されているため、端面電極２５と端面電極２６，２７間に交流電圧を印加すれば簡単に変位させることができる。そのため、配線が簡単になり、駆動回路を簡素に構成できる。

図２２は、圧電素子９４の上下の圧電体層に印加される駆動電界の強度を変えることで、ダイヤフラム全体での中立面と圧電素子の伸縮反転面を一致させる方法を示す。圧電素子９４は電極９５ｂを間にして同一厚みの２層の圧電体層９４ａ，９４ｂを積層し、表裏に電極９５ａ，９５ｃを形成したものである。図２２の（ａ）は分極時の電圧印加、（ｂ）は駆動時の電圧印加を示す。図２２の（ｂ）に示すように、電圧低下手段９９を用いて上側の圧電体層９４ａの電界強度を下側の圧電体層９４ｂより高くしている。この場合には、上側の圧電体層９４ａの伸縮応力が下側の圧電体層９４ｂの伸縮応力より大きく、圧電素子単体の中立面は伸縮反転面Ｆｐよりダイヤフラム８０と反対側に偏った位置に形成されるが、ダイヤフラム全体の中立面と伸縮反転面Ｆｐとを一致させることができる。駆動時の上側圧電体層９４ａの電界強度と下側圧電体層９４ｂの電界強度の比率は、ダイヤフラム８０のヤング率や厚みに応じて、任意に設定できる。なお、この場合も複数の圧電層を積層した場合には、伸縮反転面Ｆｐを間にしてその両側の圧電体層の層厚みを変えてもよい。

図２３は、圧電素子９６の上下の圧電体層の分極度Ｐを変えることで、ダイヤフラム全体での中立面と圧電素子の伸縮反転面を一致させる方法を示す。圧電素子９６は電極９７ｂを間にして同一厚みの２層の圧電体層９６ａ，９６ｂを積層し、表裏に電極９７ａ，９７ｃを形成したものである。図２３の（ａ）は分極時の電圧印加を示し、上側の圧電体層９６ａの分極度Ｐ１を下側の圧電体層９６ｂの分極度Ｐ２より高くしている。駆動時には、図２３の（ｂ）に示すように、上下の圧電体層９６ａ，９６ｂに同じ電界を印加すればよいので、電圧低下手段９９は不要である。この場合には、上側の圧電体層９６ａの伸縮応力が下側の圧電体層９６ｂの伸縮応力より大きく、圧電素子単体の中立面は伸縮反転面からダイヤフラム８０と反対側に偏った位置に形成されるが、ダイヤフラム全体の中立面と、伸縮反転面Ｆｐとを一致させることができる。複数の圧電層を積層した場合には、伸縮反転面Ｆｐを間にしてその両側の圧電体層の層厚みを変えてもよい。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々変更が可能である。第６実施形態では、ダイヤフラム全体での中立面を圧電素子の伸縮反転面と一致させる構造を、一般的なバイモルフ型圧電素子とダイヤフラムとを接合した例に適用したが、第１〜第５実施形態に示すような中心領域と周辺領域とで変位方向が反転する圧電素子とダイヤフラムとを接合した例に適用することもできる。

本発明に係る圧電ポンプの第１実施形態の全体平面図である。 図１に示す圧電ポンプのII−II線断面図である。 図１に示す圧電ポンプのIII −III 線断面図である。 図１に示す圧電ポンプに用いられる圧電素子の斜視図である。 図４に示す圧電素子の分解斜視図である。 図４に示す圧電素子の各層の電極パターン図である。 図４に示す圧電素子の分極方法を示す回路図である。 図４に示す圧電素子の駆動方法を示す回路図および変位図である。 圧電素子の外周部に中性領域を有する場合の概略断面図である。 圧電素子の第２実施形態の斜視図である。 図１０に示す圧電素子の分解斜視図である。 図１０に示す圧電素子の各層の分極状態を示す概略断面図である。 図１０に示す圧電素子の駆動方法を示す概略断面図である。 圧電素子の第３実施形態の斜視図である。 図１４に示す圧電素子の分解斜視図である。 図１４に示す圧電素子の各層の電極パターン図である。 圧電素子の第４実施形態の概略断面図である。 圧電素子の第５実施形態の概略断面図である。 本発明に係る圧電ポンプに用いられる圧電素子およびダイヤフラムの第６実施形態の概略断面図である。 圧電素子の積層数を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層厚を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層の電界強度を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 圧電素子の各層の分極度を変更した例の分極時および駆動時の概略断面図である。 バイモルフ圧電素子単体での上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 バイモルフ圧電素子をガラスエポキシ製ダイヤフラムに貼り付けた場合の上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 バイモルフ圧電素子をＳＵＳ製ダイヤフラムに貼り付けた場合の上層厚と全体厚との比率と変位変化率との関係を示した図である。 従来例の圧電素子を駆動する時の回路図である。

Ａ１ 中心領域
Ａ２ 周辺領域
１０ ポンプ本体
１２ ポンプ室
１１ 流入側弁室
１３ 排出側弁室
１６ 流入側逆止弁
１７ 排出側逆止弁
２０ ダイヤフラム
２１ 圧電素子
２１ａ，２１ｂ 圧電体層
２２ 層間電極(連続電極)
２３ａ，２４ａ 中心電極
２３ｂ，２４ｂ 周辺電極

Claims (13)

1. ポンプ室を有するポンプ本体と、上記ポンプ室を閉じるべくポンプ本体に保持され、電圧印加により屈曲変位してポンプ室の容積変化を生じさせる圧電素子とを備え、
   上記圧電素子のうちポンプ室と対応する部分は、中心領域とそれを取り囲む周辺領域とを有し、上記圧電素子に印加される駆動電圧により上記中心領域と周辺領域とを逆方向に屈曲変位させるようにした圧電ポンプにおいて、
   上記圧電素子は複数の圧電体層を電極を間にして積層して焼成し、その後分極したものであり、
   各圧電体層内において上記中心領域と周辺領域とが厚み方向に互いに逆方向に分極されており、
   各圧電体層内において上記中心領域と周辺領域とに厚み方向に同一方向の駆動電界が印加されるように上記電極が形成されており、
   上記圧電体層の同一面上に形成された電極には、同一電位の駆動電圧が印加されることを特徴とする圧電ポンプ。
2. 上記電極は、上記中心領域と周辺領域とにそれぞれ対応して分割された分割電極と、上記中心領域と周辺領域とに連続する連続電極とを有し、
   上記分割電極と上記連続電極とが上記圧電体層の積層方向に交互に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 積層方向に隣り合う２つの分割電極の間に、２層以上の連続電極が形成されており、上記２層以上の連続電極の間に自発的に変位しない中間層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電ポンプ。
4. 上記分割電極は、
   上記中心領域と対応する部分に形成された中心電極と、
   上記周辺領域と対応する部分に形成され、上記中心電極をギャップを介して取り囲む周辺電極と、
   上記中心電極から周辺電極を横断して上記圧電体層の外周部へ引き出すための引出電極とを備えており、
   上記圧電素子は、その積層方向に、駆動電圧を印加した際に伸縮方向が異なる第１の圧電体部及び第２の圧電体部を有し、
   上記圧電素子の外周部には、上記第１の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極と第２の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極とを相互に接続する第１の接続電極と、上記第１の圧電体部の圧電体層に形成された周辺電極と上記第２の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極を引き出す引出電極とを相互に接続する第２の接続電極とが形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電ポンプ。
5. 上記第１の圧電体部及び上記第２の圧電体部はそれぞれ複数の圧電体層が積層されており、
   上記第１の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極同士および周辺電極同士がそれぞれ相互に接続され、
   上記第２の圧電体部の圧電体層に形成された中心電極同士及び周辺電極同士がそれぞれ相互に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電ポンプ。
6. 上記周辺領域より外周側に自発的に屈曲変形しない中性領域が形成され、上記中性領域が上記ポンプ本体に保持されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
7. 上記圧電体層は四角形に形成され、
   上記中心電極は円形に形成され、
   上記周辺電極は上記中心電極と同心円環状に形成されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
8. 上記圧電素子のポンプ室側の側面には、上記ポンプ室と圧電素子とを隔離するダイヤフラムが対面接着されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧電ポンプ。
9. ポンプ室を有するポンプ本体と、上記ポンプ室を閉じるべくポンプ本体に保持され、電圧印加により屈曲変位してポンプ室の容積変化を生じさせる圧電素子とを備えた圧電ポンプにおいて、
   上記圧電素子は複数の圧電体層を積層したバイモルフ型圧電素子であり、
   上記圧電素子のポンプ室側の側面には、上記ポンプ室と圧電素子とを隔離するダイヤフラムが対面接着されており、
   上記圧電素子単体の伸縮反転面と、上記圧電素子とダイヤフラムとを接着した状態での中立面とを一致させたことを特徴とする圧電ポンプ。
10. 上記伸縮反転面を間にして、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の厚みを、ダイヤフラム側の厚みより厚くしたことを特徴とする請求項９に記載の圧電ポンプ。
11. 上記伸縮反転面を間にして、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の圧電体層の積層数を、ダイヤフラム側の圧電体層の積層数より多くしたことを特徴とする請求項９に記載の圧電ポンプ。
12. 上記伸縮反転面を間にして、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の圧電体層に印加される駆動電圧の電界強度を、ダイヤフラム側の圧電体層に印加される駆動電圧の電界強度より高くしたことを特徴とする請求項９に記載の圧電ポンプ。
13. 上記伸縮反転面を間にして、上記圧電素子のダイヤフラム側と反対側の圧電体層の分極度を、ダイヤフラム側の圧電体層の分極度より高くしたことを特徴とする請求項９に記載の圧電ポンプ。

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