JP2011027057A - 圧電ポンプ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄く小型であっても流体の移送量を大きくすることが可能な圧電ポンプ及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】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、前記構造体に積層した基板とを含有し、前記基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する圧電ポンプであって、前記圧電素子は、前記圧電ポンプの作動時にバイアス電圧が常時印加される第１の電極と駆動電圧が間歇的に印加される第２の電極とからなる電極対と、その電極対に挟まれた圧電体とを含む圧電ポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電ポンプ及びその駆動方法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

本発明者らは、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、そのように非常に薄く製作することが可能な圧電ポンプは、薄く小型であるが故に、流体の移送量を大きくすることが困難であることを見出した。

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、薄く小型であっても流体の移送量を大きくすることが可能な圧電ポンプ及びその駆動方法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、圧電ポンプに備えられる電極が特定の電圧を印加できるように構成されることで、流体の移送量を大きくできることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、圧電素子と上記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、上記構造体に積層した基板とを含有し、上記基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する圧電ポンプであって、圧電素子は、圧電ポンプの作動時にバイアス電圧が常時印加される第１の電極と駆動電圧が間歇的に印加される第２の電極とからなる電極対と、その電極対に挟まれた圧電体とを含む圧電ポンプを提供する。

また、本発明は、圧電素子と上記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、上記構造体に積層した基板とを含有し、上記基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室を有し、圧電素子は電極対とその電極対に挟まれた圧電体とを含む圧電ポンプの駆動方法であって、上記電極対における一方の電極にバイアス電圧を常時印加した状態で他方の電極に駆動電圧を間歇的に印加することにより圧電素子を脈動させる工程を有する圧電ポンプの駆動方法を提供する。

本発明の圧電ポンプにおいて、まず、電極対の第１（一方）の電極にバイアス電圧が印加され、第２（他方）の電極に駆動電圧が印加されていない状態では、圧電素子は印加されたバイアス電圧の大きさに従った所定の形状に保持されている。次いで、引き続き第１の電極にバイアス電圧が印加された状態で、第２の電極に駆動電圧が印加されると、圧電体が変位（変形）し、それに伴い圧電素子も変位（変形）する。この圧電素子の変位に伴い、基板と構造体とによって囲まれたポンプ室内の容量が変化し圧力が変動する。その後、引き続き第１の電極にバイアス電圧が印加された状態で、第２の電極への駆動電圧の印加を停止すると、圧電素子は再び変位して当初の所定の形状に戻る。これに伴い、再びポンプ室内の容量が変化し圧力が変動する。このようにして駆動電圧の印加及び印加の停止を繰り返して駆動電圧を間歇的に印加することにより、圧電素子が繰り返し変位し脈動する。それに従って、ポンプ室内の容量が変化し圧力が変動するため、本発明の圧電ポンプは流体を移送することができる。また、この圧電ポンプは、基板と構造体とによってポンプ室を囲んでいるため、ポンプ室での圧電素子の変位を効率的に流体の圧縮（加圧）及び膨張（減圧）に変換することができる。

本発明の圧電ポンプは、作動時に第１の電極にバイアス電圧が常時印加されている。そのような状態で第２の電極へ駆動電圧を印加すると、圧電素子には駆動電圧及びバイアス電圧に由来する外力が付加され、それにより速やかに駆動電圧の大きさ（及びバイアス電圧の大きさ）に従った形状に変形する。さらに第２の電極への駆動電圧の印加を停止すると、それでも圧電素子にはバイアス電圧が印加されておりバイアス電圧に由来する外力が付加されているため、圧電素子は変形した状態から速やかにバイアス電圧の大きさに従った上記所定の形状に戻ることができる。このように本発明の圧電ポンプによると、駆動電圧が印加されてもその印加を停止されても、電圧の印加に由来する外力が圧電素子に常時付加され、圧電素子は印加された電圧の大きさに従う形状に速やかに変形することができる。そのため、その変形（変位）に伴うポンプ室の容量変化及び圧力変動も速やかになされ、その結果、本発明の圧電ポンプは、薄く小型であっても流体の移送量を大きくすることができる。

一方、圧電ポンプにバイアス電圧が印加されていない場合、駆動電圧を印加すると、圧電素子は速やかに駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。しかしながら、駆動電圧の印加を停止すると、電圧の印加に伴う圧電素子への外力の付加がなくなるため、圧電素子は電圧を印加されていない状態の形状に戻る。この際、圧電素子は素子を構成する材料自体の戻る力にのみ依存して、徐々に電圧を印加されていない状態の形状に戻る。そうすると、電圧を印加されていない状態の形状に戻る力が弱まるため、ポンプ室の圧力の変動（圧縮又は膨張の程度）は電圧を印加する場合よりも小さくなるので、流体の移送量は小さくなる。また、かかる場合に駆動電圧を印加する周期を短くすると、駆動電圧の印加の停止からその次の印加の開始までの間に、圧電素子が電圧を印加されていない状態の形状に完全に戻ることができないため、その点でも圧力の変動が小さくなり、また、ポンプ室の容量変化も小さくなる。その結果、流体の移送量は小さくなる。一方で駆動電圧を印加する周期を長くすると、当然に流体の移送量は小さくなる。

また、電圧の印加に伴う圧電素子への外力の付加がない状態であると、圧電素子や基板の応力バランス、圧電体のヒステリシスの影響を受けやすくなるため、圧電ポンプはその動作が不安定になる。一方、本発明の圧電ポンプは、そのような応力バランスや圧電体のヒステリシスの影響を受けてはいるものの、作動時に常時電圧が印加された状態にあり、バイアス電圧により最適値への調整が可能となるため、安定的に運転することが可能となる。

さらに、バイアス電圧を印加することにより、圧電素子（圧電体）の初期の形状（位置）を定めやすくなる。すなわち、圧電ポンプを作製する際に、圧電素子が上記応力バランスの影響により、設計通りの形状を有しない場合であっても、印加するバイアス電圧を調整することで、設計通りの形状に近づけることができ、その初期の形状を定めやすくなる。

本発明の圧電ポンプにおいて、上記電極対は、１つの上記第１の電極と、流体の流通方向に沿って配設された２つ以上の上記第２の電極とからなるものであると好ましい。この圧電ポンプは、流体の流入側（上流側）に配置された第２の電極から流出側（下流側）に配置された第２の電極に向かって順に電圧を印加することで、圧電素子を全体として蠕動様に動作させて流体を移送する。この圧電ポンプは、上流側の圧電素子の部分を変位させて流体を押し出すと共に、下流側の圧電素子の部分を変位させて流体を吸入することで、流体を移送する。このように、流体の押出しと吸引とを適切に組み合わせることで、圧電ポンプは更に大きな効率を示し、より小さな電圧の印加や小さな寸法であっても、流体のより大きな移送量を実現することができる。さらには、流体は第２の電極に対応する各ポンプ室から隣接するポンプ室にのみ移動できるため、圧縮及び膨張を効率的にポンプ室間の流体の移送に変換することができる。その結果、この圧電ポンプは圧電素子に印加する電圧をより効率的に流体の移送量に変換することができる。

また、その好ましい圧電ポンプは、圧電素子を全体として蠕動様に動作させて流体を移送するものであるところ、動作している圧電素子の部分に隣接する圧電素子の部分はたとえ動作していなくても、バイパス電圧の印加に伴い、そのバイパス電圧の大きさに従った形状に固定されている。これにより、隣接する圧電素子の部分の動作に伴う逆流を抑制することができる。

本発明によれば、薄く小型であっても流体の移送量を大きくすることが可能な圧電ポンプ及びその駆動方法を提供することができる。

本実施形態に係る圧電ポンプを模式的に示す断面図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプの駆動回路を示すブロック図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプを駆動するシーケンスを示す工程図である。 別の本実施形態に係る圧電ポンプを駆動する別のシーケンスを示す工程図である。

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は、第１の本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す断面図である。本実施形態の圧電ポンプ１００は、圧電素子１１０と圧電素子１１０を支持する支持部材１２０とを備える構造体１３０と、構造体１３０を挟むようにその構造体１３０に積層した第１及び第２の基板１４０、１５０とを含有し、第１の基板１４０と構造体１３０とによって囲まれた空隙部１６０と、第２の基板１５０と構造体１３０とによって囲まれたポンプ室１７０と、ポンプ室１７０と連通する第１及び第２の開口部１８０ａ、１８０ｂ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１００に含有される構造体１３０は、圧電素子１１０と、その圧電素子１１０に直接接合して支持する支持部材１２０とを備える。支持部材１２０は、膜状の中心部１２０ａと、その中心部１２０ａを包囲し中心部１２０ａよりも厚い周縁部１２０ｂとを有する。圧電素子１１０は薄膜状であり、支持部材１２０の中心部１２０ａ下側に埋め込まれるように配置しており、支持部材１２０が圧電素子のポンプ室（流路）１７０側の面を被覆するように接合している。支持部材１２０の中心部１２０ａ及び圧電素子１１０は、支持部材１２０の周縁部１２０ｂ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１７０、空隙部１６０）が確保されている。

支持部材１２０の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電素子１１０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。支持部材１２０の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電素子１１０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１００の効率が高くなる。支持部材１２０の材料は、具体的には、シリコーン樹脂、ポリイミド、パリレン等の樹脂材料であることが好ましい。また、支持部材１２０の厚さはその周縁部１２０ｂで例えば１０〜３０μｍであり、中心部１２０ａで例えば２〜２０μｍである。

第１及び第２の基板１４０、１５０としては、例えばガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍである。

第１の基板１４０はその上面を支持部材１２０の周縁部１２０ｂの下面と接合している。これにより、第１の基板１４０と支持部材１２０と圧電素子１１０とに包囲された空隙部１６０が形成されている。また、センサ１９０が第１の基板１４０の上面と支持部材１２０の周縁部１２０ｂの下面とに挟まれて固定されている。センサ１９０は、圧電ポンプ１００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。

支持部材１２０の中心部１２０ａは、さらにその中心付近が圧電素子１１０の埋め込みにより上側に***している。また、第２の基板１５０はその下面を支持部材１２０の周縁部１２０ｂの上面と接合している。これにより、第２の基板１５０と支持部材１２０とに包囲されたポンプ室１７０が形成されている。第２の基板１５０は、支持部材１２０の中心部１２０ａの***に伴いポンプ室１７０の容積が減少することを防ぐために、その中心部１５０ａの下面が、その周縁部１５０ｂの下面よりも上側に位置している。また、第２の基板１５０は、その厚み方向に貫通する第１及び第２の開口部１８０ａ、１８０ｂを有しており、これらの開口部１８０ａ、１８０ｂはポンプ室１７０と連通している。

圧電素子１１０は薄膜状であり、下部電極１１２と上部電極１１４とからなる電極対と、その電極対に挟まれた薄膜状の圧電体１１６とからなる。下部電極１１２及び上部電極１１４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１１２及び上部電極１１４の厚さは、例えば、それぞれ０．０５μｍ〜１．０μｍである。圧電体１１６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１１６の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。

圧電ポンプ１００に組み込まれた圧電素子１１０は、電圧が印加されていない状態において、その材料、外力が付加されていない状態での形状及び寸法、並びに支持部材１２０による支持の態様などに依存した形状を有している。

本実施形態の圧電ポンプ１００は、下記駆動方法によって駆動される。まず、下部電極１１２にバイアス電圧（直流）が印加され、バイアス電圧の大きさ（例えば＋５Ｖ）に従った外力が圧電素子１１０に付加される。これにより、圧電素子１１０はバイアス電圧が印加されていない状態から変位して所望の形状に変形し、その形状を維持する。バイアス電圧は、それを圧電素子１１０に印加可能な回路又は電源から供給されればよく、例えば、図示しない信号生成部（信号生成回路など）において生成した電圧信号を、図示しない信号増幅部（ピエゾドライバなど）で増幅して得られるものである。

次いで、バイアス電圧が印加された状態のまま、上部電極１１４に駆動電圧が印加される。これにより、圧電素子１１０は速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。圧電素子１１０の変位は、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）において変位するのに伴うものである。特に、圧電素子１１０が圧電体１１６と同様に薄膜状であり、しかも支持部材１２０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。例えばバイアス電圧が＋５Ｖで、駆動電圧が＋２０Ｖである場合、圧電素子１１０は下に凸の形状に湾曲する。そして、圧電素子１１０にバイアス電圧及び駆動電圧が印加されている間、圧電素子１１０は変形後の形状を維持する。この圧電素子１１０の変位（変形）に伴い、第２の基板１５０と構造体１３０とによって囲まれたポンプ室１７０内の容量が変化し圧力が変動する。例えばバイアス電圧が＋５Ｖで、駆動電圧が＋２０Ｖである場合、ポンプ室１７０内の容量は増大し、圧力は低下する。すなわち、圧電ポンプ１００は流体を吸入するように動作する。駆動電圧は、それを圧電素子１１０に印加可能な回路又は電源から供給されればよく、例えば、図示しない信号生成回路において生成した電圧信号を、図示しないピエゾドライバで増幅して得られるものである。

次に、バイアス電圧が印加された状態のまま、上部電極１１４への駆動電圧の印加を停止する。これにより、圧電素子１１０は速やかに変位し、バイアス電圧の大きさに従った上記形状に戻る。この際、圧電素子１１０には引き続きバイアス電圧が印加されているため、圧電素子１１０はその形状を維持する。圧電素子１１０のその変位（変形）に伴い、ポンプ室１７０内の容量が再び変化し圧力が変動する。例えばバイアス電圧が＋５Ｖで、駆動電圧が＋２０Ｖである場合、ポンプ室１７０内の容量は減少し、圧力は上昇する。すなわち、圧電ポンプ１００は流体を吐出するように動作する。

こうして、下部電極１１２にバイアス電圧を常時印加した状態で、上部電極１１４への駆動電圧の印加及びその印加の停止を繰り返す、すなわち、間歇的に駆動電圧を印加することにより、バイアス電圧と駆動電圧との電位差を利用して、圧電素子１１０は上記変位を速やかに繰り返す。これにより、構造体１３０は、第１の基板１４０及び第２の基板１５０に固定された支持部材１２０の周縁部１２０ｂを支点として厚み方向に振動する。その結果、圧電ポンプ１００は、第１の開口部１８０ａ、第２の開口部１８０ｂを経由して、流体の吸入及び吐出を繰り返すこととなるので、流体を移送することが可能となる。なお、図示していないが、第１の開口部１８０ａ、第２の開口部１８０ｂの外側にはバルブが備えられてもよく、圧電ポンプ１００の流体の吐出及び吸入のタイミングに合わせて、それらのバルブを開閉することにより、流体を逆流させることなく効率的に移送することができる。

本実施形態の圧電ポンプ１００において、駆動電圧が印加されてもその印加を停止されても、電圧の印加に由来する外力が圧電素子１１０に常時付加されており、圧電素子１１０は印加された電圧の大きさに従う形状に速やかに変形することができる。そのため、その変形（変位）に伴うポンプ室１７０の容量変化及び圧力変動も速やかになされ、その結果、本実施形態の圧電ポンプ１００は、薄く小型であっても流体の移送量を増大することができる。

また、電圧の印加に伴う圧電素子１１０への外力の付加がない状態であると、圧電ポンプ１００は、圧電素子１１０、支持部材１２０、第１の基板１４０及び第２の基板１５０の応力バランス、並びに圧電体１１６のヒステリシスなどの影響を受けやすくなるため、その動作が不安定になる。しかしながら、本実施形態の圧電ポンプ１００は、作動時に常時バイパス電圧が印加された状態にあるため、そのような応力バランスや圧電体１１６のヒステリシスの影響を受け難くなり、安定的に運転することが可能となる。さらに、バイアス電圧を印加することにより、圧電素子１１０の初期の形状（位置）を定めやすくなる。すなわち、圧電ポンプ１００を作製する際に、圧電素子１１０が上記応力バランスの影響により、設計通りの形状を有しない場合であっても、印加するバイアス電圧を調整することにより、設計通りの形状に近づけることができ、その初期の形状を定めやすくなる。これにより、圧電ポンプ１００は設計通りの性能を発揮して運転することが可能となる。

本実施形態において、構造体１３０の振動は空隙部１６０及びポンプ室１７０に吸収されるため、第１の基板１４０及び第２の基板１５０よりも外側への振動の伝搬は抑制される。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１６０が構造体１３０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１００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１００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１４０及び支持部材１２０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１００外部への飛散を防止することも可能となる。さらに、圧電ポンプ１００は低い電圧で変位する薄膜状の圧電素子１１０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１１０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１１０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１００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。

薄膜状の圧電ポンプ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、圧電素子に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１００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１１０を高周波で振動させても、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１００は、圧電素子１１０を第１及び第２の基板１４０、１５０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１００の外側への振動の抑制とが相俟って、圧電素子１１０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１４０、１５０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１００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可能となる。また、圧電素子１１０を支持部材１２０の中心部１２０ａ下側に埋め込むように配置することにより、圧電素子１１０と支持部材１２０との接合性が高まり、圧電ポンプ１００の耐久性が向上する。

本実施形態の圧電ポンプ１００は、例えば下記のようにして作製される。まず、成膜用基板上に下部電極となる層、圧電体となる層、上部電極となる層を、この順で、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法、エピタキシャル成長を利用した方法などにより形成する。次に、上述のようにして積層した各層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となる層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。これにより、成膜用基板上に、下部電極１１２、圧電体１１６及び上部電極１１４をこの順に積層して備えた圧電素子１１０を得る。

次いで、成膜用基板及び圧電素子１１０の表面上に、支持部材１２０の一部となる第１の絶縁部材を積層する。第１の絶縁部材の材料が樹脂材料である場合、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）を成膜用基板及び圧電素子１１０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。パターニングにより得られた第１の絶縁部材の表面形状は、圧電ポンプ１００のポンプ室１７０を形成する壁面に適した形状であればよい。こうして、成膜用基板と、その上に形成された圧電素子１１０と、第１の絶縁部材とを備える第１の複合体を得る。

一方、第２の基板１５０となる絶縁基板を準備する。その絶縁基板表面をエッチング等により所定の形状に加工する。更に、その絶縁基板の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第１の開口部１８０ａ及び第２の開口部１８０ｂをエッチング等により形成する。こうして、開口部１８０ａ、１８０ｂを有する第２の基板１５０を得る。ここで、加工して得られた第２の基板１５０の表面形状は、圧電ポンプ１００のポンプ室１７０を形成する壁面に適した形状であればよい。

次に、第１の複合体の第１の絶縁部材を形成した側に第２の基板１５０を貼り付ける。この際、第２の基板１５０をそのエッチング等により加工された表面が第１の複合体に対向するように、かつ開口部１８０ａ、１８０ｂを圧電ポンプ１００のポンプ室１７０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の複合体と第２の基板１５０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、成膜用基板をエッチング等により除去する。これにより、圧電素子１１０と第１の絶縁部材と第２の基板１５０とを備える第２の複合体を得る。

それとは別に、第１の基板１４０とその第１の基板１４０の表面上に設けられたセンサ１９０とを備える第３の複合体を準備する。次いで、第１の基板１４０のセンサ１９０が設けられた側の表面上に、支持部材１２０の一部となる第２の絶縁部材を積層する。第２の絶縁部材の材料が樹脂材料である場合、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１４０及び必要に応じてセンサ１９０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。パターニングにより得られた第２の絶縁部材の形状は、第１の基板１４０、第１の絶縁部材及び圧電素子１１０と共に圧電ポンプ１００の空隙部１６０を形成するのに適した形状であればよい。こうして、第３の複合体と第２の絶縁部材とを備える第４の複合体を得る。

次いで、第２の複合体と第４の複合体とを、第１の絶縁部材と第２の絶縁部材とで接合することにより、本実施形態の圧電ポンプ１００を得る。この際、第１の基板１４０、第１の絶縁部材、第２の絶縁部材及び圧電素子１１０が圧電ポンプ１００の空隙部１６０を形成するよう、位置合わせをする。第１の絶縁部材と第２の絶縁部材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の絶縁部材及び第２の絶縁部材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。

次に、第２の本実施形態の圧電ポンプについて説明する。図２、３は、この本実施形態の圧電ポンプの動作を示す概略断面図であり、（Ａ）は動作前の状態を示す。図４は、第２の本実施形態の圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図ある。図５は、第２の本実施形態の圧電ポンプを駆動するための電気的な構成を示すブロック図である。第２の本実施形態の圧電ポンプ２００は、圧電素子２１０と、その圧電素子２１０を支持する支持部材２２０とを備える構造体２３０と、構造体２３０を挟む第１及び第２の基板２４０、２５０とを含有し、第２の基板２５０と構造体２３０とによって囲まれて形成されるポンプ室２７０と、動作時にそのポンプ室２７０と連通する第１及び第２の開口部２８０ａ、２８０ｂとを有するものである。また、圧電素子２１０は、１つの薄膜状の圧電体２１６と、その圧電体２１６を上下から挟む電極対とを備え、電極対は１つの下部電極２１２と、流体の流通方向（図２、３中の矢印Ａの方向）に沿って配設された６つの上部電極２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄ、２１４ｅ、２１４ｆ（「２１４ａ〜ｆ」と表記する。以下同様。）とからなる。

支持部材２２０は、その周縁部を第１及び第２の基板２４０、２５０で挟まれて、それらの基板２４０、２５０と接合することにより固定されている。一方、支持部材２２０の上記周縁部で包囲された中央部は、その上面を第２の基板２４０の下面と接触させても接触させなくてもよい。ただし、接触させる場合であっても、支持部材２２０の上面と第２の基板２４０の下面とは互いに接合しておらず離間可能になっている。支持部材２２０の中央部の下面側には、周縁部とは異なり第１の基板２４０が接合されておらず、空間が確保されている。その空間の平面形状は、圧電素子２１０の変位を阻害しないような形状であればよく、例えば、後述の上部電極２１４ａ〜ｆに対応する、いわば数珠つなぎの形状であってもよい。支持部材２２０は、例えば樹脂を材料とし、１．０μｍ〜１０μｍの厚さを有する薄膜であり、その主面の形状は例えば矩形である。

圧電素子２１０は、全体として例えば厚さ０．５μｍ〜１０．０μｍの薄膜状である。圧電素子２１０は、下部電極２１２の表面が上記空間に露出した状態で支持部材２２０に接合して埋め込まれている。

圧電素子２１０に備えられる薄膜状の圧電体２１６の主面の形状は例えば矩形である。圧電体２１６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２１６の厚さは、例えば０．５μｍ〜５．０μｍである。

下部電極２１２は薄膜状であり、その主面の形状は例えば矩形である。下部電極２１２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２１２の厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。

６つの上部電極２１４ａ〜ｆは、互いに離間しており、各々は主面の形状が例えば円形の薄膜である。上部電極２１４ａ〜ｆ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、上部電極２１４ａ〜ｆの厚さは、例えば０．０５μｍ〜１．０μｍである。

第１の基板２４０は、構造体２３０の動作部分、すなわち圧電素子２１０が存在する部分の下面を露出するように上記空間を確保して設けられる一方で、構造体２３０の動作部分以外の部分、すなわち支持部材２２０の周縁部と接合する。また、第２の基板２５０はその下面の一部を支持部材２２０の周縁部の上面と接合する。これらにより、支持部材２２０を備える構造体２３０が第１及び第２の基板２４０、２５０に狭持されて固定される。

第２の基板２５０には、その厚み方向に貫通した第１及び第２の開口部２８０ａ、２８０ｂが設けられており、これらの開口部は圧電ポンプ２００の動作時にポンプ室２７０と連通できる。ポンプ室２７０は、各上部電極２１４ａ〜ｆに対応する部分的なポンプ室２７０ａ〜ｆを有する。

圧電ポンプ２００を駆動するには、駆動回路により下部電極２１２にバイアス電圧、上部電極２１４ａ〜ｆに駆動電圧を印加する。図５は、その駆動回路３００の構成の一例を示すブロック図である。駆動回路３００は、信号生成部３０２と信号増幅部３０４とを備える。駆動回路３００では、信号生成回路、信号生成ソフトなどの信号生成部３０２において生成した電圧信号を、ピエゾドライバなどの信号増幅部３０４で所定の電圧まで増幅して電極に供給する。より具体的には、信号増幅部３０４ｇにて増幅した電圧をバイアス電圧として下部電極２１２に供給し、信号増幅部３０４ａ〜ｆにて増幅した電圧を駆動電圧として上部電極２１４ａ〜ｆにそれぞれ供給する。下部電極２１２にバイアス電圧を供給（印加）するタイミング、並びに、上部電極２１４ａ〜ｆにそれぞれの駆動電圧を供給（印加）するタイミングは、信号増幅部３０４ａ〜ｇのオン／オフによって、それぞれ独立に制御される。

本実施形態の圧電ポンプ２００は、例えば、下記駆動方法によって駆動される。図６は、圧電ポンプ２００の駆動方法について、その一例のシーケンスを示すステップ図である。以下、図２〜６を参照しつつ、その駆動方法について詳述する。まず、図２の（Ａ）工程において、信号増幅部３０４ｇのみをオンにして、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｇによって増幅してバイアス電圧（＋Ｖ）として下部電極２１２に供給（印加）する。これにより、圧電素子２１０はバイアス電圧が印加されていない状態から変位して所望の形状に変形し、その形状を維持する。この状態では圧電ポンプ２００はまだ停止しており、構造体２３０の上面は全面的に第２の基板２５０と接触している。それにより、ポンプ室２７０を形成する支持部材２２０により第１及び第２の開口部２８０ａ、２８０ｂは閉塞されている。以降、圧電ポンプ２００が作動する間、信号増幅部３０４ｇを常時オンにすることで、バイアス電圧は常時下部電極２１２に印加された状態にある。

次いで、図２の（Ｂ）工程（図６のステップ１）において、信号増幅部３０４ａをオンにして、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ａによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ａに供給（印加）する。これにより、圧電素子２１０は、上部電極２１４ａ直下の圧電体２１６の部分の変位に伴い、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ａ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ａの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られる。これにより、ポンプ室２７０ａ内の容量は増大し、圧力は低下するため、圧電ポンプ２００は、第１の開口部２８０ａからそのポンプ室２７０ａに流体を吸入する。

次に、図２の（Ｃ）工程（図６のステップ２）において、信号増幅部３０４ａをオンに維持した状態で、さらに信号増幅部３０４ｂをオンにして、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｂによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ｂに供給（印加）する。これにより、上部電極２１４ａ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極２１４ｂ直下の圧電体２１６の部分が変位するため、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｂ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ｂの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られ、第２の基板２５０と離間する。この湾曲により、上部電極２１４ａ、２１４ｂ間にある支持部材２２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材２２０と第２の基板２５０とが離間する。これにより、ポンプ室２７０ｂ内の容量は増大し圧力は低下するため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２７０ａに加えて、ポンプ室２７０ｂにも流体を吸入する。

次いで、図２の（Ｄ）工程（図６のステップ３）において、信号増幅部３０４ｂをオンに維持した状態で、信号増幅部３０４ａをオフにすると共に、信号増幅部３０４ｃをオンにする。これにより、信号増幅部３０４ａから上部電極２１４ａへの駆動電圧の印加を停止すると共に、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｃによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ｃに供給（印加）する。そうすると、上部電極２１４ｂ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極２１４ｃ直下の圧電体２１６の部分が変位するため、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極２１４ａ直下の圧電体２１６の部分も変位して、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域でも速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｃ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ｃの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られ、第２の基板２５０と離間する。この湾曲により、上部電極２１４ｂ、２１４ｃ間にある支持部材２２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材２２０と第２の基板２５０とが離間する。一方で、上部電極２１４ａ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極２１４ａの上方にある支持部材２２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板２５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室２７０ｃ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室２７０ａから流体が押し出されるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２７０ａから流体を吐出すると共に、ポンプ室２７０ｃに流体を吸入する。

次に、図３の（Ｅ）工程（図６のステップ４）において、信号増幅部３０４ｃをオンに維持した状態で、信号増幅部３０４ｂをオフにすると共に、信号増幅部３０４ｄをオンにする。これにより、信号増幅部３０４ｂから上部電極２１４ｂへの駆動電圧の印加を停止すると共に、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｄによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ｄに供給（印加）する。そうすると、上部電極２１４ｃ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極２１４ｄ直下の圧電体２１６の部分が変位するため、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極２１４ｂ直下の圧電体２１６の部分も変位して、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域でも速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｄ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ｄの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られ、第２の基板２５０と離間する。この湾曲により、上部電極２１４ｃ、２１４ｄ間にある支持部材２２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材２２０と第２の基板２５０とが離間する。一方で、上部電極２１４ｂ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極２１４ｂの上方にある支持部材２２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板２５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室２７０ｄ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室２７０ｂから流体が押し出されるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２７０ｂから流体を吐出すると共に、ポンプ室２７０ｄに流体を吸入する。

次いで、図３の（Ｆ）工程（図６のステップ５）において、信号増幅部３０４ｄをオンに維持した状態で、信号増幅部３０４ｃをオフにすると共に、信号増幅部３０４ｅをオンにする。これにより、信号増幅部３０４ｃから上部電極２１４ｃへの駆動電圧の印加を停止すると共に、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｅによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ｅに供給（印加）する。そうすると、上部電極２１４ｄ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極２１４ｅ直下の圧電体２１６の部分が変位するため、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極２１４ｃ直下の圧電体２１６の部分も変位して、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域でも速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｅ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ｅの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られ、第２の基板２５０と離間する。この湾曲により、上部電極２１４ｄ、２１４ｅ間にある支持部材２２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材２２０と第２の基板２５０とが離間する。一方で、上部電極２１４ｃ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極２１４ｃの上方にある支持部材２２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板２５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室２７０ｅ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室２７０ｃから流体が押し出されるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２７０ｃから流体を吐出すると共に、ポンプ室２７０ｅに流体を吸入する。

次に、図３の（Ｇ）工程（図６のステップ６）において、信号増幅部３０４ｅをオンに維持した状態で、信号増幅部３０４ｄをオフにすると共に、信号増幅部３０４ｆをオンにする。これにより、信号増幅部３０４ｄから上部電極２１４ｄへの駆動電圧の印加を停止すると共に、信号生成部３０２からの信号を信号増幅部３０４ｆによって増幅して駆動電圧として上部電極２１４ｆに供給（印加）する。そうすると、上部電極２１４ｅ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、更に上部電極２１４ｆ直下の圧電体２１６の部分が変位するため、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ及び駆動電圧の大きさに従った形状に変形する。その一方で、上部電極２１４ｄ直下の圧電体２１６の部分も変位して、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域でも速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｆ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状に湾曲すると共に、その湾曲により上部電極２１４ｆの上方にある支持部材２２０が下側へ引っ張られる。この湾曲により、上部電極２１４ｅ、２１４ｆ間にある支持部材２２０の部分も下側に引っ張られて、その部分でも支持部材２２０と第２の基板２５０とが離間する。一方で、上部電極２１４ｄ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極２１４ｄの上方にある支持部材２２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板２５０と再び接触する。これらにより、ポンプ室２７０ｆ内の容量が増大し圧力が低下する一方で、ポンプ室２７０ｄから流体が押し出されるため、圧電ポンプ２００は、ポンプ室２７０ｄから流体を吐出すると共に、ポンプ室２７０ｆに流体を吸入する。

次いで、図３の（Ｈ）工程（図６のステップ７）において、信号増幅部３０４ｆをオンに維持した状態で、信号増幅部３０４ｅをオフにする。これにより、信号増幅部３０４ｅから上部電極２１４ｅへの駆動電圧の印加を停止する。そうすると、上部電極２１４ｆ直下の圧電体２１６の部分が変位を維持した状態で、上部電極２１４ｅ直下の圧電体２１６の部分は変位して、圧電素子２１０は、支持部材２２０を伴ってその領域で速やかに変位し、バイアス電圧の大きさ従った形状に変形する。より具体的には、上部電極２１４ｅ直下の圧電体２１６の部分が下に凸の形状から（Ａ）工程における形状に速やかに戻ると共に、上部電極２１４ｅの上方にある支持部材２２０も（Ａ）工程における状態に戻り、第２の基板２５０と再び接触する。これにより、ポンプ室２７０ｅから流体を押し出して、ポンプ室２７０ｆに連通した開口部２８０ｂから流体を吐出する。

上述の各（Ｂ）〜（Ｈ）の各工程（ステップ１〜７）を１サイクルとしてそのサイクルを繰り返す、すなわち、上部電極２１４ａ〜ｆのそれぞれに間歇的に駆動電圧を印加することにより、バイアス電圧と駆動電圧との電位差を利用して、圧電素子２１０は上部電極２１４ａ〜ｆのそれぞれに対応した領域で上記変位を速やかに繰り返す。そうすると、圧電ポンプ２００は、第１の開口部２８０ａ、第２の開口部１８０ｂを経由して、流体の吸入及び吐出を繰り返すこととなるので、流体を移送することが可能となる。なお、１ステップ当たりの駆動電圧の印加時間は特に限定されないが、例えば１０マイクロ秒〜１００ミリ秒である。

本実施形態の圧電ポンプ２００において、駆動電圧が印加されてもその印加を停止されても、作動時にはバイパス電圧が常時印加されている。すなわち、電圧の印加に由来する外力が圧電素子２１０に常時付加されているので、圧電素子２１０は印加された電圧の大きさに従う形状に速やかに変形することができる。そのため、その変形（変位）に伴うポンプ室２７０の容量変化及び圧力変動も速やかになされ、その結果、本実施形態の圧電ポンプ２００は、薄く小型であっても流体の移送量を増大することができる。

また、電圧の印加に伴う圧電素子２１０への外力の付加がない状態であると、圧電ポンプ２００は、圧電素子２１０、支持部材２２０、第１の基板２４０及び第２の基板２５０の応力バランス、並びに圧電体２１６のヒステリシスなどの影響を受けやすくなるため、その動作が不安定になる。しかしながら、本実施形態の圧電ポンプ２００は、作動時に常時バイパス電圧が印加された状態にあるため、そのような応力バランスや圧電体２１６のヒステリシスの影響を受け難くなり、安定的に運転することが可能となる。さらに、バイアス電圧を印加することにより、圧電素子２１０の初期の形状（位置）を定めやすくなる。すなわち、圧電ポンプ２００を作製する際に、圧電素子２１０が上記応力バランスの影響により、設計通りの形状を有しない場合であっても、印加するバイアス電圧を調整することにより、設計通りの形状に近づけることができ、その初期の形状を定めやすくなる。これにより、圧電ポンプ２００は設計通りの性能を発揮して運転することが可能となる。

本実施形態の圧電ポンプ２００は低い電圧で変位する薄膜状の圧電素子２１０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２１０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２１０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２００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。

本実施形態の圧電ポンプ２００は、流体の流通方向上流側から下流側に向けて、上部電極２１４ａ〜ｆに順に駆動電圧を印加する。これにより、圧電素子２１０を全体として蠕動様に（うごめくように）動作させて流体を移送する。薄膜状の圧電素子は、一般に、ポンプ容量が小さく、圧電素子の変位量も大きくなくポンプ室の内圧をさほど高めることができないため、流体の移送量を増大させることが困難である。ところが、本実施形態の圧電ポンプ２００によると、上述のとおり圧電素子２１０を全体として蠕動様に動作させて流体を移送する。これにより、１つの上部電極に対応する圧電素子２１０の部分が１つの圧電ポンプとして機能し、それが複数配列した態様と同様になるため、圧電ポンプ２００の全体としての移送量を増大させることができる。特に、上流側の圧電素子の部分を湾曲状態から元の状態に戻して対応するポンプ室の部分を加圧すると同時に、下流側にある圧電素子の部分を湾曲させて対応するポンプ室の部分を減圧することにより、より小さな電圧で大きな移送量を実現できるため、圧電ポンプ２００の効率は非常に高いものとなる。

また、圧電ポンプ２００において、流体を移送しているポンプ室に隣接した流体を移送（保持）していないポンプ室では、バイパス電圧を圧電素子に印加しているために、支持部材２２０が第２の基板２５０としっかりと密着し、その状態を強固に保持することができる。これにより、あるポンプ室が流体を押し出した際に、その流体の逆流を抑制することができる。

さらには、本実施形態の圧電ポンプ２００は、第２の基板２５０と構造体２３０とによってポンプ室２７０が囲まれているため、ポンプ室２７０での圧電素子２１０の変位を効率的に流体の圧縮（加圧）及び膨張（減圧）に変換することができる。しかも、流体はポンプ室２７０を上流側から下流側に移動可能になっているため、上記圧縮及び膨張を効率的にポンプ室間の流体の移送に変換することができる。これらの結果、圧電ポンプ２００は圧電素子２１０に印加する電圧をより効率的に流体の移送量に変換することができる。

かかる圧電ポンプ２００は、例えば下記のようにして製造される。

まず、成膜用基板を兼ねる第１の基板２４０上に、下部電極２１２、圧電体２１６、上部電極２１４ａ〜ｆをこの順で積層する。より具体的には、まず、第１の基板２４０の表面上に下部電極２１２となる層及び圧電体２１６となる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により、この順に形成する。第１の基板２４０は、その表面上に下部電極２１２となる層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く、Ｓｉ基板であると好ましい。

次いで、下部電極２１２となる層及び圧電体２１６となる層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下部電極２１２となる層及び圧電体２１６となる層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。これにより、下部電極２１２及び圧電体２１６が得られる。

続いて、圧電体２１６の表面上に上部電極２１４ａ〜ｆとなる層を、例えばスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法により形成する。次いで、上部電極２１４ａ〜ｆとなる層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２１４ａ〜ｆとなる層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。これにより、上部電極２１４ａ〜ｆが形成され、圧電素子２１０が得られる。

次に、圧電素子２１０を被覆するようにして支持部材２２０となる層を形成する。この層の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電体２１６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。支持部材２２０となる層の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電体２１６の変位をポンプ室２７０に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプ２００の効率が高くなる。支持部材２２０となる層の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。この場合、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２４０及び圧電素子２１０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る。その後、必要に応じて硬化した樹脂組成物を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２４０及び圧電素子２１０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。こうして、第１の基板２４０上に形成された圧電素子２１０と支持部材２２０とを備える構造体を得る。

上述の構造体とは別に、第２の基板２５０を作製する。第２の基板２５０は例えば厚さ０．２ｍｍ〜２．０ｍｍのガラス基板及びセラミック基板から得られる。その基板表面をエッチング等により所定の形状に加工し（凹凸加工）、さらに基板の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第１の開口部２８０ａ及び第２の開口部２８０ｂをエッチング等により形成する。こうして、開口部２８０ａ、２８０ｂを有し、その下面に所定形状の凹凸加工が施された第２の基板２５０を得る。

次いで、上記構造体上に第２の基板２５０を貼り付ける。この際、第２の基板２５０の凹凸加工が施された上記下面と構造体の支持部材２２０が形成された側の面とを対向し、かつポンプ室２７０を形成するように位置合わせして、第２の基板２５０の下面と支持部材２２０とを、ポンプ室２７０となるべき部分の周囲で接合して貼り付ける。ただし、圧電素子２１０の動作部分及びその周囲に対応する部分には、第２の基板２５０を接触させるのみであり、それらを接合しない。貼り付ける方法としては、支持部材２２０と第２の基板２５０とが接触する部位に、例えば接着剤を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。

次に、第１の基板２４０を部分的にエッチングする。具体的には第１の基板２４０の下部電極２１２及びその周囲に対向する部分をエッチングにより除去して、上記空間を設ける。これにより、下部電極２１２及びその周囲の表面が露出する。

エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第１の基板２４０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第１の基板２４０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。他のエッチ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、が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。

こうして、第２の本実施形態の圧電ポンプ２００を得る。このように本実施形態の圧電ポンプ２００は、いわゆる薄膜プロセスを基本として作製されるため、品質のばらつきを抑制可能であり、その歩留まりを高めることができると共に、製造コストを低減することも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本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、本発明の別の実施形態において、圧電ポンプを駆動するのに、駆動電圧の印加及びその印加の停止を繰り返すことに代えて、印加する駆動電圧の方向を順方向／逆方向に切り替えることを繰り返しても（交流電圧を印加しても）よい。また、第２の本実施形態において、圧電素子２１０は、１つの下部電極２１２、１つの圧電体２１６及び６つの上部電極２１４ａ〜ｆを積層して備えるものであったが、上部電極の数はもちろん６つに限定されるものではなく、また、１つの下部電極２１２上に、複数の圧電体と複数の上部電極とを順に積層して備えるものであってもよく、複数の下部電極のそれぞれに圧電体及び上部電極を順に積層して備えるものであってもよい。さらに、バイアス電圧は＋（プラス）である必要はなく、−（マイナス）であってもよい。

また、第２の本実施形態において、図６に示すようなシーケンスで駆動電圧を印加したが、それに代えて、図７に示すようなシーケンスで駆動電圧を順に印加して圧電ポンプを駆動してもよい。例えば、図７の（Ａ）に示すシーケンスでは、連続する２つの上部電極と共に、それらの上部電極から３つの上部電極を隔てた別の上部電極にも同時に駆動電圧を印加する。この場合、圧電素子の連続しない複数の領域で同時に流体を移送するため、単位時間当たりの流体の移送量を、上述の図６に示すシーケンスよりも更に増大することができる。また、１サイクル当たりのステップ数が図６に示すものよりも少ないため、その点においても単位時間当たりの流体の移送量を増大することができる。図７の（Ｂ）に示すステップの場合、連続する３箇所の上部電極に同時に駆動電圧を印加する。この場合、３つの連続した領域で流体を移送するため、図６に示すシーケンスよりも単位時間当たりの流体の移送量を更に増大することができる。ただし、１サイクル当たりのステップ数は（Ａ）に示すシーケンスよりも多くなる。

図７の（Ｃ）に示すシーケンスでは、１つの上部電極に駆動電圧を印加すると同時に、その上部電極から３つの上部電極を隔てた別の上部電極にも同時に駆動電圧を印加する。この場合、１サイクル当たりのステップ数を少なくできる一方、１ステップ当たりの流体の移送量は、図６に示すシーケンスと同等である。図７の（Ｄ）に示すシーケンスでは、連続する２つの上部電極に駆動電圧を印加すると同時に、それらの上部電極から２つの上部電極を隔てた別の２つの上部電極にも同時に駆動電圧を印加する。この場合、１サイクル当たりのステップ数を少なくできる一方、隔てる上部電極の数が比較的少なくなるため、図６、図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すシーケンスと比較すると、逆流の懸念が高まる。図７の（Ｅ）に示すシーケンスでは、１サイクル毎に全ての上部電極に駆動電圧が印加されないステップが存在する。そのため、図６に示すシーケンスと比較して、１サイクル当たりのステップ数が増加し、流体の移送量は少なくなる。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（圧電ポンプの作製）
図２〜４に示すものと同様の圧電ポンプを作製した。第１の基板である厚さ４００μｍのＳｉ基板上に、下部電極として厚さ０．１μｍのＰｔ電極、圧電体として厚さ２μｍのＰＺＴ層、上部電極として厚さ０．１μｍのＰｔ電極を順にイオンミリング及びエッチング法により形成した。なお、１つの上部電極の主面は、直径１ｍｍの円形とした。次に、絶縁性のポリイミド樹脂を、Ｓｉ基板及び圧電素子上に塗布した後、それらの全体を２８０℃で１時間加熱して、ポリイミド樹脂を硬化させ、厚さ８μｍの支持部材を得た。

更に、その支持部材の周縁部に同じポリイミド樹脂を接着用及び空間形成用に塗布し、加熱することなく、開口部を有するガラス基板（厚さ３００μｍ）をその上に載置した。その後、それら全体を２８０℃で１時間加熱して、接着用のポリイミド樹脂を硬化させることで、そのポリイミド樹脂を介して支持部材とガラス基板とを接合した。そして、Ｓｉ基板の一部を裏側から、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングして駆動メンブレンを作製することで圧電ポンプを得た。なお、Ｓｉ基板のエッチングは、圧電素子がＳｉ基板側に湾曲することが可能なように６つの上部電極の下方に空間を設けるように行った。

また、下部電極及び上部電極に対して図５に示すものと同様の駆動回路を接続した。その接続は、Ａｇペーストによる配線接合により行った。信号生成部としてテキサスインスツルメント社製の信号生成ソフト（商品名「ＬａｂＶｉｅｗ」）を、信号増幅部としてＮＦ回路社製のピエゾドライバを用いた。

（圧電ポンプの駆動）
図６に示すシーケンスに従って、圧電ポンプを駆動した。１ステップ当たりの駆動電圧の印加時間は１〜３０ミリ秒、バイアス電圧は０〜＋１０Ｖ、駆動電圧はバイアス電圧との電位差が＋１５Ｖとなるよう＋１５〜＋２５Ｖとした。流体として空気を用い、常温で圧電ポンプを駆動した。このときの流体の移送量を、駆動電圧の印加時間が１ミリ秒、バイアス電圧が＋５Ｖ、駆動電圧が＋２０Ｖの場合を基準（１．０）として相対比で算出した。結果を表１に示す。この結果より、バイアス電圧を常時印加することにより、圧電ポンプの流体の移送量が増大することがわかった。

次に、駆動電圧を印加するシーケンスを図６に示すものの他、図７に示すものに変更して、圧電ポンプを駆動した。１ステップ当たりの駆動電圧の印加時間は１ミリ秒又は１０ミリ秒、バイアス電圧は＋５Ｖ、駆動電圧は＋２０Ｖとした。流体として空気を用い、常温で圧電ポンプを駆動した。このときの流体の移送量を、駆動電圧の印加時間が１ミリ秒で図６のシーケンスで駆動した場合を基準（１．０）として相対比で算出した。結果を表２に示す。

本発明の圧電ポンプは、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。

１００、２００…圧電ポンプ、１１０、２１０…圧電素子、１１２、２１２…下部電極、１１４、２１４ａ〜ｆ…上部電極、１１６、２１６…圧電体、１２０、２２０…支持部材、１３０、２３０…構造体、１４０、２４０…第１の基板、１５０、２５０…第２の基板、１７０、２７０…ポンプ室、３００…駆動回路、３０２…信号生成部、３０４…信号増幅部。

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、前記構造体に積層した基板と、を含有し、
   前記基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室を有する圧電ポンプであって、
   前記圧電素子は、前記圧電ポンプの作動時にバイアス電圧が常時印加される第１の電極と駆動電圧が間歇的に印加される第２の電極とからなる電極対と、その電極対に挟まれた圧電体と、を含む
   圧電ポンプ。
2. 前記電極対は、１つの前記第１の電極と、流体の流通方向に沿って配設された２つ以上の前記第２の電極とからなるものである、請求項１に記載の圧電ポンプ。
3. 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、
   前記構造体に積層した基板と、を含有し、
   前記基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室を有し、
   前記圧電素子は、電極対と、その電極対に挟まれた圧電体と、を含む圧電ポンプの駆動方法であって、
   前記電極対における一方の電極にバイアス電圧を常時印加した状態で他方の電極に駆動電圧を間歇的に印加することにより前記圧電素子を脈動させる工程を有する
   圧電ポンプの駆動方法。

Images